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2017-12 05 헤드라인

[학술][이달의 연구자] 김용희 교수(생명공학과)

세계보건기구(WHO, World Health Organization)에서는 30이상의 신체질량지수(BMI)를 기록한 사람을 비만으로 정의한다. 서구화된 식습관과 운동부족으로 인해, 이 수치를 넘어서는 인구가 세계적으로 증가했다. 비만이라는 질병을 안고 살아가는 사람들의 편의를 위해 지방흡입과 같은 치료방법들이 생겨났지만, 우리 몸에서 이로운 역할을 하는 세포도 죽이기 때문에 많은 부작용을 낳을 수 있다. 김용희 교수(생명공학과)와 송윤성, 용석범 (이하 생명공학과 박사과정) 씨가 안전한 ‘유전자 치료’로 비만과 그로부터 파생되는 대사질환을 예방하는 방법을 연구했다. 대사질환의 원인, 염증 이번 연구의 핵심은 바로 비만과 ‘염증’의 상관관계에 있다. 지방조직에 과도하게 지방이 축적 되면 단순히 비만이라는 질병으로 끝나는 것이 아니다. 주변으로 지방이 빠져나가면서, 세포들이 염증 반응을 일으킨다. 이 과정에서 우리 몸의 당단백질인 시토카인이 방출되면서 전신으로 흘러가고, 다른 세포들을 자극한다. 결과적으로 혈액 속 포도당을 세포 속으로 넣어주는 인슐린에 대한 몸의 반응이 둔해진다. 포도당 생성이 불안정해지고, 혈당 수치를 높이는 ‘인슐린 저항성’은 곧 제2형 당뇨병으로 이어진다. ‘유전자치료’를 목표로 하는 연구의 가설은 ‘지방조직의 대식세포에 항염증 유전자를 전달하면, 인슐린 저항성을 개선할 수 있다’로 세워졌다. 신경계를 건드려 신경을 감퇴시키고 심장에 불안감을 일으키는 기존의 식욕억제제와 지방흡입 같은 비만치료제와는 달리, 이번 연구는 부작용을 최소화 시키기 위해 신경계를 건드리지 않았다. 김 교수는 “우리 몸의 에너지원이 되는 갈색지방세포를 살리고, 지방 축적의 원인이 되는 백색지방세포를 죽여야 한다”며 “하지만 지방흡입은 갈색지방세포를 죽이기 때문에 한계점이 많다”고 말했다. 약 2년 동안 진행된 세포실험과 동물실험 후, 김 교수는 항염증 유전자에 의해 체내 인슐린 저항성과 지방율이 개선되는 놀라운 결과를 얻었다. ▲비만은 식이요법과 적당한 운동으로 예방할 수 있지만, 시간이 지나서 만성화가 되면 고혈압과 당뇨로 진행되기 때문에 미리 염증을 치료해야 한다는 것이 김용희 교수(생명공학과)의 의견이다. ‘전달체’의 발견 기존에도 염증과 그에 대한 예방법을 다룬 논문들은 많았지만, 김 교수는 ‘어떻게 특정한 부위의 염증을 억제할 것인가’에 초점을 뒀다. “혈관에 항염증 유전자를 넣으면 전신에 다 퍼지기 때문에 부작용이 생길 수밖에 없어요. 따라서 안전하게 혈중에 오래 남아있어야 하고, 남아있다가 비만 조직으로 이어지는 혈관으로 이행돼야 하죠.” 유전자를 선택적으로 보내는 방법을 찾은 것이 이번 연구 과정의 관건이다. 발견한 ‘전달시스템’은 비만뿐만 아니라, 염증으로 인해 생기는 다른 질병치료에도 응용할 수 있다는 것이 김 교수의 설명이다. 그렇다면 전달시스템은 어떤 원리로 작용할까. 유전자치료는 치료유전자, 즉 항염증 유전자를 인위적으로 세포 안으로 넣어 유전자의 발현을 높여주는 역할을 한다. 하지만 치료가 바로 이뤄는 것은 아니다. 몸 안의 세포와 유전자 둘 다 음극을 띠기 때문에 반발이 일어나 유전자가 세포 안으로 들어가기가 힘들어진다. 유전자를 넣기 위해 곧 필요한 것이 양이온 성질의 전달체다. 펩타이드 계열의 전달체 ATS-9R은 내장지방으로 가는 펩타이드 서열과 세포내로 들어가게 해주는 아홉개의 아르기닌(9R)으로 이루어져있다. ATS(adipose tissue targeting sequence)는 펩타이드 서열로서, 내장지방으로 가게끔 도와주는 역할을 한다. 결국에는 유전자는 세포 안에서 안전하고 안정적으로 순환작용을 한다. ▲차트들은 모두 당단백질 시토카인의 수치를 나타낸다. 펩타이드 전달체에 의해 제2형 당뇨병의 원인이 되는 시토카인의 수치가 대체적으로 줄었다. (출처: 김용희 교수) 응용과 협력, 연구의 중심 요소들 ‘비만’이라는 구체적이지만, 많은 이들이 겪고 있는 질환을 연구주제로 선택한 김 교수는 연구를 할 때는 큰 시장을 찾아야 한다고 말했다. “환자군이 많은 분야, 특히 기존의 치료시스템이 없거나 발전이 필요한 주요 질환을 연구해야 해요. 원래의 치료시스템이 많은 문제점들을 내재하고 있다면, 왜 그러한 부작용이 일어났는지 알아내는 것이 중요하죠.” 그는 ‘전달시스템’이라는 중대한 발견을 했기 때문에 여러 질환으로도 추가 연구를 진행할 수 있을 거라고 전망했다. 이어서, 김 교수는 연구에 있어 협력과 상용화의 가능성을 강조했다. “저는 생명공학과의 응용개발단계에서 연구를 하고 있기 때문에, 연구개발의 주제가 임상에 쓰일 수 있도록 더 노력을 해야 한다고 생각합니다. 너무 기초연구여도 안 되고, 너무 상업적이면 안 되죠. 또한, 혼자서 연구를 하는 것은 편협한 연구 방법이에요. 결국엔 기초연구와 응용개발연구를 병행해야 한다고 믿습니다.” 당뇨병, 그리고 비만에 의해 생기는 염증에 고생하는 환자들에게 희소식이 될 수 있는 이번 연구는 신약 개발 쪽으로 진행되고 있는 상태다. ▲상용화에 있어 하나의 과정을 거쳐가고 있는 김 교수. 그는 이 기술을 통해 선천적, 후천적 고도비만이 해결되길 바란다. 글/유혜정 기자 haejy95@hanyang.ac.kr 사진/강초현 기자 guschrkd@hanyang.ac.kr

2017-11 28

[학술][우수 R&D] 임종우 교수(컴퓨터소프트웨어학과)

자동차가 스스로 운전하고, 잠금 장치가 사람의 얼굴을 인식한다. 상상 속에서나 그려왔던 미래가 도래하고 있다. 수많은 과학 기술이 융합한 결과물이다. 이런 미래를 가능케 할 다양한 기술력 중 ‘컴퓨터 비전(Computer Vision)’ 분야가 단연 그 핵심으로 손꼽히고 있다. 기계의 눈을 만들고 나아가 그 눈이 세상을 이해한다. 컴퓨터의 시신경을 만드는 이들, 그 중심에 임종우 교수(공과대 컴퓨터소프트웨어)가 있다. 컴퓨터가 세상을 보고 생각도 한다 ‘자율 주행차’가 4차 산업혁명의 핵심으로 떠오르고 있다. 자동차가 스스로 운전하기 위해서는 실로 다양한 기술력이 요구된다. 자율 주행의 핵심은 자동차가 앞을 볼 줄 알아야 한다는 사실이다. 그러나 카메라로 세상을 보는 것만으로는 충분하지 않다. 앞에 있는 물체가 사람인지, 횡단보도가 어디인지, 신호등이 무슨 색인지를 이해하는 눈을 가져야만 한다. 사람처럼 영상을 이해하는 것이다. 영상을 사람처럼 인식할 줄 아는 컴퓨터를 프로그래밍하는 분야가 바로 ‘컴퓨터 비전(Computer Vision)’이다. ▲임종우 교수(공과대 컴퓨터소프트웨어)가 11월 이달의 연구자로 선정됐다. 임 교수는 이번 연구에서 ‘영상의 기하학적 구조화’ 및 ‘영상 속 물체의 검출과 추적’이라는 두 가지 주제를 제시했다. 두 가지 주제를 종합하면 일상에서 취득된 영상의 3차원 정보를 받아 들이고, 영상 속 물체의 움직임을 종합적으로 인식·예측하는 알고리즘을 개발할 수 있게 된다. 하드웨어와 소프트웨어의 접점에 있는 기술력으로, 인공지능(AI) 연구 분야에 속한다. 3차원으로 정보를 인식하다 생각하는 컴퓨터를 개발하기 위해서는 우선 영상을 3차원화하는 기술이 요구된다. 임 교수는 기존의 ‘Visual SLAM’ 기술을 응용해 영상 구조에 대한 확률적 기법을 적용하여 3차원의 뼈대를 추정하는 기술을 제안했다. 기존 Visual SLAM 기술은 카메라가 촬영한 영상에 알고리즘을 적용해 모서리와 같은 특징적인 점을 추려내어 광범위한 3차원 형태의 지도를 형성한다. 그러나 복원된 형태가 불분명하고 알아보기 어려운 한계를 지니고 있다. 또한 움직이는 물체나 변형된 물체의 경우에는 인식이 쉽지 않다. ▲논문에서 카메라와 IMU 센서를 이용한 위치 인식 및 환경 지도 구축 기술을 설명하고 있다. 임 교수는 이러한 문제점을 보완하기 위한 방안으로 확률적 기법을 바탕으로 포인트 클라우드를 적용해 영상 내 공간의 뼈대를 구조적으로 추정하는 기술을 연구하고 있다. 특히 기존 기술이 정적인 환경에만 한정되어 사실상 영상의 3차원화가 쉽지 않았던 반면, 임 교수는 이번 연구를 통해 외형 변화가 극심한 일반 영상에서도 3차원 구조화를 가능케 하는데 초점을 맞추고 있다. 복잡한 환경에서 촬영한 영상의 벤치마크 데이터 셋(date set)을 구축하고, 최종적으로 영상 내 공간의 점유도까지 추정할 수 있는 알고리즘을 개발하는 것이 연구의 최종 단계다. 이 기술이 일반화될 경우 컴퓨터는 영상 내 공간을 보다 완벽한 3차원으로 이해할 수 있게 된다. 이러한 알고리즘이 개발되면 컴퓨터는 픽셀이 아닌 하나의 공간으로 영상을 인식할 수 있게 된다. 스스로 판단하고 구분하는 CCTV 만약 우리 집 현관에 설치된 CCTV가 사람의 외형과 행동을 통해 외부인의 침입을 인식할 수 있다면? 자율 주행차가 앞에 놓인 물체가 사람인지 자동차인지 완벽하게 구분해 낼 수 있다면? 만약 이러한 기술력이 상용화된다면 세상은 우리의 상상보다 더 놀라운 모습으로 발전할 것이다. 컴퓨터가 영상을 구조화하는 것을 넘어 스스로 생각하고 판단할 수 있게 됐다는 뜻이기 때문이다. 딥러닝을 사용하여 영상 내 물체의 구체적인 정보를 추적(트래킹)해 내는 기술이 바로 임 교수 연구의 또 하나의 핵심 주제다. 영상 내 물체 추적은 컴퓨터 비전 분야에서 이미 오랫동안 연구된 주제이나 아직 개발해야 할 부분이 산적해있다. ▲ 임 교수가 딥러닝을 통한 컴퓨터의 학습과 패턴화 과정에 대해 설명하고 있다. 인간은 단순히 상대를 보는 것만으로도 쉽게 상대방의 의도를 파악할 수 있고, 감정과 생각을 인지할 수 있다. 그러나 기계에게는 이는 결코 쉬운 일이 아니다. 사람의 감정과 생각은 수학적 계산을 통해 읽어낼 수 없기 때문이다. 그러나 방법이 아예 없는 것은 아니다. 기계에 엄청나게 많은 정보(data)를 입력하고 그 정보를 스스로 분석하여 상황을 이해하도록 하는 기술, 바로 딥러닝(Deep Learning)이 그 해답이다. “빅데이터, 말 그대로 엄청나게 많은 데이터를 입력시켜 컴퓨터가 스스로 학습하도록 하는 겁니다. 이렇게 딥러닝을 통해 영상 내 다중 물체를 추적(트래킹)할 수 있게 되면 물체 및 영상의 패턴화가 가능해지고, 컴퓨터는 더욱 똑똑하게 영상을 스토리화할 수 있게 됩니다. 사람이 드라마를 보면서 자연스럽게 맥락을 파악하는 것처럼, 컴퓨터가 CCTV에 찍힌 사람을 보고 ‘도둑이다’ 이렇게 판단할 수 있게 패턴화된다는 의미죠.” 99.999%의 정확도까지 4차 산업혁명의 도래와 함께 컴퓨터 비전은 비전 분야의 성장 가능성은 무궁무진할 전망이다. 하지만 실생활에 적용하기 위해서는 아직 연구해야 할 주제들이 많이 남아있다. 임 교수는 “컴퓨터 비전은 이제 활발한 연구 개발 단계에 접어들었다”고 말하며 “상용화하기엔 아직 검증해야 할 것들 것 많이 남아있다”고 언급했다. “사실 컴퓨터 비전은 자율 주행차, 보안 장치처럼 인간의 삶과 밀접한 관계를 맺는 기술이에요. 조금의 오차도 있어선 안되겠죠. 99.999% 이상의 정확도를 갖는 기술력을 갖춰야 하기에 연구는 계속될 겁니다.” 임 교수는 생활에서 사용되는 실용적인 기술을 연구하고 싶다. 이번 연구는 약 4년간 진행될 예정이나, 그의 연구가 계속 이어질 것은 분명해 보인다. ▲지난 23일 진행된 인터뷰에서 임 교수는 "조금의 오차도 없도록 연구를 거듭할 것"이라고 전했다. 글/ 김예랑 기자 ys2847@hanyang.ac.kr 사진/ 최민주 기자 lovelymin12@hanyang.ac.kr

2017-11 24

[학술]장준혁 교수, 임베디드형 AI 스피커 최초 개발

▲장준혁 교수 한양대 장준혁 융합전자공학부 교수는 인터넷 연결 없이 목소리를 구별해 음성 인식하는 임베디드형 AI(인공지능) 스피커 ‘플루토’를 국내 최초 개발했다. 기존 국내 IT 기업들이 개발한 AI스피커는 음성인식을 위해 클라우드 서버에 연결해야하고 이 과정에서 네트워크 지연‧보안 문제가 있었다. 장 교수 팀은 이 문제를 해결하기 위해 20만 단어 수준의 대용량 음성인식시스템을 하드웨어시스템에 내장하는 임베디드 방식을 채택했다. 임베디드 시스템은 인터넷 연결이 어려운 다양한 환경에서 응용이 예상된다. 이번 개발의 핵심은 음성인식을 위해 해외 기술을 도입해 만든 기존 AI 스피커와 달리 플루토는 전(全)처리기술, 딥러닝기반 음향모델 및 언어모델기술 모두 자체적으로 개발했다는 점이다. 특히, 원거리 환경에서 원활한 음성인식을 위해 잡음을 제거하는 ‘빔포밍(beamforming)기술’과 등록된 사용자 목소리만 인식하고 TV등에서 나오는 목소리를 필터링하는 ‘화자인식기술’을 개발했는데, 현재 해당 원천기술들로 글로벌 IT기업과 산학협력을 통한 상용화 추진중이다. 장 교수는 “대학 연구실에서 AI스피커의 전체 시스템을 통합 구현해 제품형태로 만든 것은 처음이다”며 “AI스피커 핵심기술인 딥러닝기반 키워드 음성인식 기술은 자동차 제조사와, 화자인식기술은 자동차전장분야 대기업과 산학협력을 하고 있고 향후 상용화가 기대된다”고 말했다. 장 교수팀은 현재 크기는 줄이되 초원거리(7미터이상)에서도 음성인식이 가능하고 사투리등 보다 자연스러운 대화가 가능한 '플루토2.0'을 연구 중에 있다. ▲한양대 AI스피커 ‘플루토’ 외관 ▲목소리주인공 및 위치정보, 음성인식문장을 표시하는 디스플레이

2017-11 15

[학술]유성훈 교수, 그레이브스안병증 발병기전 밝혀

▲유성훈 교수 유성훈 내과학교실 교수가 G4 면역글로불린 항체가 늘면 그레이브스병(갑상선기능항진증) 합병증인 그레이브스안병증 발생률이 높아진다는 연구결과를 밝혀냈다. 이번 연구는 이성진 한림대 내분비대사내과 교수가 공동으로 참여했으며, 본 연구결과(논문명 : G4 면역글로블린 항체가 그레이브스안병증(갑상선 안병증)에 미치는 임상적 의미)는 미국갑상선학회지인 ‘갑상선(Thyroid)’ 표지논문으로 선정됐다. 브릿지경제 10월 18일 자 기사에 따르면, 유 교수는 “이번 연구는 그레이브스병 환자의 안병증 발생 위험을 낮추고, 증상이 악화하는 것을 막는 데 도움 될 것”이라고 말했다고 전했다. 한편, 유성훈 교수는 한양대 의대를 졸업하고 같은 대학원에서 석·박사학위를 취득했으며 스웨덴 웁살라대 의대(Uppsala University, College of Medicine)에서 연수했다. 현재 대한내분비학회 수석부총무, 대한노인병학회 보험법제위원회 간사 등으로 활동하고 있다.

2017-11 07

[학술][우수 R&D] 김두섭 교수(사회학과)

작년 기준 국내 외국인 거주자가 171만 명을 넘으며 총인구 대비 3.4%에 이르렀다. 흔히 다문화 결혼으로 알려진 혼인이주자 또한 15만 명 수준으로 총인구의 상당 부분을 차지하고 있다. 김두섭 교수(사회학과)는 지난 2011년 ‘CSMR 다문화사업단’을 구성한 이래 이주민 연구 기반을 구축해왔다. 이번에 ‘한양대 SSK 다문화연구과제’가 대형 단계로 진입하는 과제로 선정됐다. ▲ 지난 6일 김두섭 교수(사회학과)를 만나 SSK 다문화연구과제를 수행했던 내용과 대형 단계로 진입하는 과제로 선정된 내용에 대해 들었다. 외국인 이주자에 대한 자료 구축해왔다 기존의 통념과는 다르게, 대한민국은 점차 다양한 문화가 공존하는 국가가 되고 있다. 앞서 밝혔듯 총인구의 4% 가까이가 외국인 거주자 혹은 혼인이주자다. 이들의 대한 사회과학적 연구는 필수이나, 연구에는 관련 문헌과 같은 다양한 자료가 선행돼야 한다. 지난 2011년부터 김 교수의 연구팀은 이주민 관련 아카이브 및 데이터베이스 구축 등을 통해 이주민 연구의 기반을 구축했다. 또한 혼인이주자와 이주노동자를 주제로 4권의 국영문 학술서적을, 외국인 통계와 관련해 10권의 단행본을 출간하였으며 54편의 논문을 국내외 학술지에 게재했다. 그 외 학술대회, 연합세미나, 콜로키움 및 학술발표 등 다양한 학술활동을 국제적으로 펼쳐왔다. 최근 한국연구재단의 심사 결과 한양대 SSK 다문화연구과제가 그 중요성과 시의성을 인정받아 대형 연구 과제로 선정됐다. 이번 선정은 지난 9월부터 적용됐으며, 향후 4년 간 연 5.8억 원씩 연구비를 지원받는다. 연구비 확보에 맞춰 명칭 또한 'CSMR 다문화사업단'에서 ‘CSMR 다문화사업센터’로 바뀌었다. 김 교수 연구팀은 센터라는 명칭에 걸맞게 연구과제를 보다 크게 확대할 예정이다. 이주민과 다문화 연구의 허브기관으로 도약하고자 한다 우선 기존에도 행해왔던 이주민 아카이브와 DB 구축은 지속적으로 보완될 예정이다. 지난 8월 31일까지 연구팀은 1300여 개의 관련 논문을 CSMR 아카이브에 수록했으며, 앞으로 수록 논문을 추가하고 검색 메뉴를 꾸준히 보완해 이용자의 편의를 높일 예정이다. 연구주제와 연구대상 또한 확대해 해외 소수민족의 자료도 확보하는 목표를 세웠다. 현재까지는 다문화가정, 혼인이주자, 이주노동자, 다문화자녀, 외국인 유학생 등 국내와 관련된 문제들 위주로 아카이브 및 DB가 구성돼 있는데, 앞으로 연구대상집단을 확대하고 구축 자료를 다양화함으로써 다문화 연구를 위한 글로벌 DB센터로의 발돋움을 추구한다. 또한 국내외 학자 및 연구 기관과 교류를 넓힐 계획이며, 교내 연구소 및 대학원 교육과정과 연계를 통해 후학 육성에도 적극적인 힘을 쏟을 예정이다. 다문화사업센터라는 이름에 걸맞게 궁극적으로는 세계 주요 연구기관 및 학자들과 네트워크를 형성한 이주민과 다문화 연구의 허브로 도약하고자 한다. ▲ 김두섭 교수는 "앞으로의 연구를 통해 정책적 대안과 사회적 합의를 마련하는데 기여하고자 한다"고 말했다. 김 교수는 “문헌 아카이브와 DB 구축을 통해 이주민 연구의 구심점을 제공한다”라며 “다양한 학제적 접근을 통해 연구의 활성화를 도모하고, 이주민 및 다문화 연구의 국제 네트워크를 형성하는 의의가 있다”고 했다. 나아가 다문화사업센터의 지속적인 활동을 통해 현재 한국 사회가 직면한 이주 및 다문화에 대한 인구학적인 지식을 축적하고, 정책적 대안과 사회적 합의를 마련하는 데 기여하는 것을 연구의 궁극적 목표로 삼는다고 밝혔다. 글, 사진/ 이상호 기자 ta4tsg@hanyang.ac.kr

2017-11 07

[학술][우수 R&D] 이상훈 교수(의과대학 생화학·분자생물학교실)

파킨슨병, 당뇨병, 치매 및 퇴행성관절염 등. 만성질환은 이름 그대로 완치가 안돼 평생 관리해야 한다. 이를 치료하고자 의학계에서 연구중인 세포가 줄기세포다. 이상훈 교수(의과대학 생화학·분자생물학교실)는 지난 2008년부터 ‘한양의대 MRC(Medical Research Center)’에서 배아줄기세포 연구를 수행하며 만성질환 치료 연구에 힘써왔다. 이번엔 2024년까지 그 후속 연구를 진행한다. ▲ 지난 6일 이상훈 교수(의과대학 생화학·분자생물학교실)을 만나 줄기세포와 조직재생 연구에 대한 이야기를 들었다. (출처: 이상훈 교수) 줄기세포에 대한 이해 높여와 만성질환과 줄기세포 연구의 관계는 당연히 뗄 수 없다. 우선 질환이 치료되기 위해서는 병으로 망가졌던 세포가 복구되는 과정이 필요하다. 만성질환이 치료되지 않는 이유는 망가진 조직이 인체 스스로 복구할 수 없는 조직이기 때문이다. 신경세포 및 뇌세포가 파괴되거나, 유전자 상의 문제로 특정 호르몬이 생기지 않아 현재까지는 완치가 불가능하다. 하지만 가능성은 있다. 환자가 지니고 있는 줄기세포를 잘 복제해 배양할 수 있다면, 이론적으로 원하는 세포로 분화 시킬 수 있다. 이 교수는 그간 이 이론적인 기술을 구체적으로 연구했다. 지난 2008년 한양의대 MRC(Medical Research Council, 의료연구위원회)에선 ‘줄기세포행동제어연구센터’란 이름으로 줄기세포에 대한 기초기전연구를 수행했다. 자세하게는 줄기세포를 배양돼 수가 늘어나고, 늘어난 줄기세포가 조직세포로 분화하는 일련의 과정을 ‘행동’이라 한다. 이 교수는 이렇게 행동을 제어하는, ‘줄기세포 행동제어 연구’를 수행했다. 당시 줄기세포에 대한 연구는 시작 단계였기에 일련의 과정이 어떻게 일어나는지에 대한 기전연구부터 차근차근 진행해왔다. 그 연구를 바탕으로 이번 연구과제를 수행하게 된다. 우선 이번 연구과제서도 기초기전연구는 계속 된다. 기존의 이해도에 더해 줄기세포에 대한 이해도를 높여가며, 분화과정을 이해해 간 줄기세포 등 다른 분야에도 적용할 수 있는 연구를 할 계획이다. ▲ 이상훈 교수의 연구팀은 더 높은 줄기세포 이해를 위해 계속 연구할 것이다. (출처: 이상훈 교수) 임상적용과 산업화 및 국제화가 목표 이번 사업을 통해 이 교수의 연구팀은 연간 10억씩 7년 동안 총 70억의 연구비를 지원받는다. 한양의대 MRC ‘조직재생촉진연구센터’로 명칭이 바뀐 연구팀의 목표는 파킨슨병의 세포 이식 치료 및 유전자 치료 기술 개발, 치료효능이 우수한 줄기세포의 대량생산화, 성상세포를 이용한 발병 부위 개선 연구 등이다. 파킨슨병으로 인해 도파민을 만드는 흑색질이 파괴되는데, 세포 이식이나 유전자 치료를 임상적용 하고자 한다. 줄기세포를 대량생산 할 수 있어야 임상치료에 적극 쓸 수 있기에, 대량생산 및 산업화 또한 중요 목표다. 마지막으로 성상세포를 이용한 연구도 중요 목표다. 치매나 파킨슨병 등 뇌세포가 파괴되는 질환이 발생하면 파괴된 세포만이 아니라 그 주변 환경도 나쁜 상태가 되는데, 그 환경의 일부가 성상세포다. 줄기세포를 분화 시켜 만든 성상세포를 이식한다면, 이를 통해 뇌의 주변환경을 개선하고, 뇌 조직의 재생도 돕게 할 수 있다. 이와 같이 임상적용 및 산업화한 과정을 거친 연구결과의 국제화도 준비하고 있다. 현재 인도네시아의 기업과 연계해 국내 의료산업 뿐 아니라 해외 시장으로의 진출도 노릴 수 있다. 그리고 기초기전연구도 지속적으로 수행해 앞으로 만성질환이었던 퇴행성 질환도 점차 치료가 가능한 쪽으로 보낼 수 있을 것이다. 글/ 이상호 기자 ta4tsg@hanyang.ac.kr

2017-11 06

[학술]Making a Heat Storage Device

Professor Kim Dong-rip (Electrical Engineering) is one of the many scholars of the field who seek to create a new material that can efficiently store and release heat energy. His new approach of integrating metal or graphene with erythritol, a phase change material, was a significant breakthrough in this endeavor. The details of his research, "Fabrication of three-dimensional metal-graphene network phase change composite for high thermal conductivity and suppressed sub cooling phenomena" were kindly explained to a great length by Kim. Introduction to Kim’s research field To simplify Kim’s research, it is conceptually an attempt to create a “heat” battery. Just as the common battery stores and provides electricity, Kim is in the process of creating a heat storage device that can absorb and release heat. The underlying motive of this research was the observation of an irony in two types of industries; one field focuses on cooling temperatures, while the other endlessly work to bring temperatures up. For example, a car factory uses a significant level of heat in shaping and wielding various car parts. However, this heat needs to be constantly in check, since overheating of the factory can cause extreme dangers. On the other hand, a facility that provides heat to households are in forever need of more heat to circulate. Now imagine a device that can absorb the heat from the car factory and deliver it to the heating facility. Kim’s three-dimensional metal-graphene network provides the foundation for what material this device will be made up of. Kim explaining the details of his research This field of technology has received a great deal of attention from the international society in recent decades. Similar to Kim, most scientists turn to the development of a new material for achieving efficient heat storage. The three key standards that a heat storage material or a heat storage device must have, are high energy density, high conductivity, and stability. Historically, the traditional material used for this purpose was water, which lacks efficiency in all three standards for commercial use. To elaborate on these standards, energy density refers to how much energy a material can absorb and retain, which in this case would be heat. High conductivity is the speed at which the material can pass on the energy, vital for efficiency in terms of time. Finally, stability is the ability for the material to maintain its’ initial form after repeated use. As the nature of the material’s task involves repeated heating and cooling, it is imperative that there is no degradation after use. Current research in the field has made somewhat a progress concerning energy density, but has not seen satisfactory achievement in the two other standards. The distinction of Kim’s breakthrough The title of Kim’s research explains the breakthrough in this area word by word. Quite bluntly, he has succeeded in the "Fabrication of three-dimensional metal-graphene network phase change composite for high thermal conductivity and suppressed sub cooling phenomena". In the other term, Kim has found a way to create a material (phase change composite) out of metal and graphene, that has high thermal conductivity and stability (suppressed sub cooling phenomena). The term, “three-dimensional” refers to the manner in which metal or graphene is spread throughout this material. The reason for the use of metal was due to its’ high thermal conductivity and general use in the field of mechanics. However, the problem with metal was an inefficient level of energy density. To overcome this limitation, a material called erythritol was introduced. Erythritol is a phase change material (PCM) that is characterized by high energy density and conductivity. It has received a wide range of attention from scholars of various fields for its’ endless potential for utilization. An illustration of how the new material was formed (Photo courtesy of Professor Kim) By mixing granules of erythritol with metal paste and subjecting it to hot pressing, a new material composed of 3D metal network was made. This alteration of metal had high energy density, high thermal conductivity, and stability. Furthermore, the same experiment was done using a material called graphene, which had similar results. Specifically, a 3D graphene network had 95% of energy density as pure erythritol, and thermal conductivity was 4.7 time higher than the conventional graphene. As for stability, experiments were carried over 100 times to reveal that the network was stable and the material solid. Furthermore, the metal and graphene network has high flexibility, which indicates a wide scope of utilization methods while maintaining endurance. In fact, this network is stable enough to be put into commercial use right away, and Kim is currently working with different research facilities and companies to explore how this new material can be put into use. The significance of the results Ultimately, the efficiency of this newfound material will contribute to environmental preservation. As previously mentioned, some industries strive to create heat, while others try to release it. Linking these two fields will create a symbiotic relationship that can also reduce energy costs and help preserve the environment. For example, the average car emits the greatest amount of polluting gases in the process between ignition and waiting for the car to arrive at a certain temperature. If we could use a device that can heat the car up, these gases would decrease significantly. Even electric cars, this heating process is very significant cost of energy. In the end, it all comes down to energy efficiency, which Kim has made a great contribution to. Kim described the positive mind as the ability to find the smallest good thing in the midst of a depressing situation. In retrospect, Kim pointed out that having a positive mind had been the most helpful support in carrying out his research. When others fall into despair after repeated failures, a person with a positive mind tries to find the silver lining in all of these moments. Kim emphasizes this virtue in all aspect of life. He was especially concerned with many of the students who came to him for counseling. “Today’s students often feel that they are not enough. When writing resumes and giving self-introduction, they feel that they lack fancy achievements to make them stand out”. However, once he gets to know them, they all have distinct talents. Kim explained that seeking room for improvement is indeed important, but to the extent of self-criticism is poisonous. The one thing that he wants to tell his students is that the greatest drive for success is the positive mind. Lee Chang-hyun pizz1125@hanyang.ac.kr Photos by Choi Min-ju

2017-11 02

[학술]홍진표 교수, 신체 움직임으로 전기 생산하는 소자 개발

▲홍진표 교수 홍진표 물리학과 교수는 전도성 섬유(Conductive yarn, 원사)를 이용해 일상생활 속 신체 움직임으로 에너지를 생산하는 ‘1차원 섬유 실 기반 에너지생산 소자’를 세계최초로 개발했다. 이번 연구는 신체운동으로 발생한 에너지를 각종 전자기기에 공급하려는 목적으로 개발됐다. 기존 웨어러블 에너지생산 소자연구는 다루기는 쉽지만 생산 효율이 낮은 2차원 섬유 소자를 이용해 진행됐다. 홍 교수는 다양한 웨어러블 소자 응용 시 높은 효율을 낼 수 있는 1차원 섬유 실 기반 에너지 발생 소자를 연구했다. 이번 연구의 핵심은 기존 2차원 에너지 생산소자 한계점을 극복하고 궁극적으로 현재 사용 중인 유선 전원공급·충전 방식을 대체, 언제 어디서나 인체 움직임만으로 전기 생산이 가능한 차세대 에너지 생산 소자를 1차원 섬유 실로 만드는 것이다. 홍 교수는 “신체 움직임으로 자가 발전하는 웨어러블 에너지 소자를 구현했다”며 “해당 기술은 향후 헬스케어·아웃도어·방위산업 등 다양한 분야에 적용할 수 있을 것”이라고 말했다. 이번 연구는 한국연구재단 지원으로 진행됐고 연구결과(논문명 : Hierarchically Nanostructured One-dimensional Conductive Bundle Yarn-based Triboelectric Nanogenerators)는 세계 정상급 학술지인 「Advanced Materials」 11월호에 게재됐다.

2017-10 31

[학술]전병훈 교수, 미세조류 이용 수중 의약품·오염물질 제거 종설 논문 발표

한양대 전병훈 자원환경공학과 교수는 미세조류를 이용해 수중에 존재하는 의약품 오염물질을 효과적으로 제거하는 방법에 대해 최신 연구들을 종합한 종설논문을 게재했다. 종설논문은 특정 주제에 대해 기존 연구 결과를 정리하고 분석하는 논문을 말한다. 전 교수팀은 수질오염·생분해·생체변환·환경오염물질의 이동 등 환경생명공학기술(Environmental Biotechnology) 관련 연구를 진행해 왔다. 연구를 통해 개발된 기술들은 오염 제어계획, 수질오염 관리, 환경보호에 적용되고 있다. 이번 논문의 핵심은 폐수 처리장에서 쉽게 제거가 되지 않는 수중 의약품 관련 오염물질(Pharmaceutical Contaminants, 이하 PCs)을 미세조류를 이용해 생물학적으로 정화를 할 수 있다는 것이다. PCs는 미생물 군집을 변화시키고 미생물 성장을 억제해 토양 등 생태계에 부정적인 영향을 끼치며, 발암성을 가지는 경우도 있어 인체에도 매우 유해하다. 또한, 미세조류는 친환경적으로 PCs를 제거할 수 있을 뿐 아니라 영양제·화장품·바이오연료 등과 같은 고부가가치 제품을 생산할 수 있다는 점에서 최근 관심을 받고 있다. 전 교수는 “이번 연구 결과는 미세조류를 이용한 PCs의 생물학적 정화기술에 대한 포괄적인 이해를 돕는 데 큰 역할을 했다”라며 “앞으로 많은 사람이 미세조류 기반 바이오기술에 큰 관심을 가질 것이다”고 말했다. 이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 진행됐고 연구 결과는(논문명 : Can microalgae remove pharmaceutical contaminants from water?) 「Trends in Biotechnology」 10월호에 게재됐다. ▲(사진 왼쪽부터)Jiu-Qiang Xiong 연구원(제1저자), Mayur B. Kurade 교수(공동 제1저자), 전병훈 교수(교신저자)

2017-10 30

[학술][이달의 연구자] 홍정표 교수(미래자동차공학과)

우리 주변에서 움직이는 많은 기계들은 전동기(electric motor)를 통해 구동력을 얻는다. 이때 전동기는 전압과 자기장, 전류와 같은 전기적인 특성을 가질 뿐만 아니라, 온도∙ 진동∙ 소음과 같은 기계적인 특성들도 동시에 지니고 있다. 이런 다양한 특성들 때문에, 매 상황마다 적합한 기기를 만들기란 쉽지 않은 일이다. 하지만 최근 홍정표 교수(미래자동차공학과)가 속한 ECAD(Electro-mechanical Computer Aided Design Lab) 연구실에서는 여러 설계 변수들을 통해 전동기의 성능을 예측하고 설계에 반영할 수 있는 실증적인 방법론을 제시했다. 자신이 원하는 몇 가지 변수 값이 달라진다고 가정했을 때 이에 따른 성능 변화를 그래프로 확인하며 엔지니어들이 즉시 설계안을 짤 수 있도록 고안한 것이다. 전기와 기계의 복합적 양상을 동시에 고려하다 지금까지 공학을 전공으로 하는 많은 연구자들은 본인이 원하는 시스템에 적합한 엔진을 찾기 위해 수많은 시행착오를 겪으며 연구에 매진해왔다. 그리고 이러한 대부분의 연구는 하드웨어의 전기적인 측면이나 기계적인 측면 한 쪽에만 초점을 맞췄다는 한계가 있었다. ▲홍정표 교수(미래자동차공학과)가 'IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers, 국제전기전자기술자협회) '에 실린 'Simple Size Determination of Permanent-Magnet Synchronous Machines' 논문에 대해 설명하고 있다. “전기와 기계가 일체화된 해결책을 내고 싶었어요. 전류를 적게 흐르고 힘을 크게 했을 때 열과 진동은 어떻게 변하는지, 똑같은 부피에서 지름과 높이 변화에 따라 모터의 효율이나 온도가 어떻게 변하는지 등을 연구하길 원했죠.” 이를 위해 홍 교수는 '영구 자석(Permanent-magnet)'을 이용한 실증 연구를 진행했다. “영구자석은 재질과 온도에 따라 특성이 정해져요. 그리고 외부에서 가해지는 전기자 자계(전류와 턴수의 곱), 자기회로의 저항과도 관련이 깊죠.” 이외에 영구자석은 전류를 흘리지 않고도 자기를 만들 수 있고 이에 따라 발열이 줄고 크기를 작게 할 수 있다는 장점이 있어 전동기 연구에 많이 쓰인다. 그렇다면 구체적인 실험 과정은 어떻게 진행됐을까. 먼저 홍 교수는 3가지 설계 변수의 크기 변화에 따른 전동기의 전기적∙기계적 특징을 그래프로 정리했다. “형상 비율(SR: Shape Ratio), 로터의 단위 체력당 회전 모멘트(TRV: Torque per Rotor Volume), 토크 밀도(TD: Torque Density)라는 세 가지 변수를 고려했어요.” 이들 변수는 회전자의 모양과 크기, 모터의 크기를 결정짓고 모터 열원과 발열 면적에도 영향을 미치기 때문에 전기적인 특징뿐만 아니라 기계적인 특징에도 영향을 미친다. 하지만 ‘토크 밀도(TD)’의 경우 이를 작게 설계하면 모터의 효율이나 온도 특성은 향상될 수 있으나, 그만큼 크기가 커지고 비용이 증가하기 때문에 적절한 수준에서 결정하는 것이 좋다. ▲(왼쪽 그림) '토크 밀도(TD)'가 7832[Nm/m3]인 초기모델에서 '형상 비율(SR)'과 '로터의 단위 체력당 회전 모멘트(TRV)'가 변화함에 따라 z축의 '효율(Eff)' 이 어떻게 변화하는지가 나와있다. (오른쪽 그림) 모터의 특성에 영향을 미치는 여러 매개변수 중 '전압'과 '온도' 제한을 확인할 수 있다. (출처: 홍정표 교수) 시뮬레이션을 통한 정확한 방향 제시 이번 연구는 모터의 특성에 영향을 미치는 여러 매개변수(역기전력, 인덕턴스 등)를 산정하고 비례식을 이용해 특성이 향상된 모델을 설계했다. 또 이런 방법으로 산출된 결과에 대한 신뢰성을 높이기 위해 시작품(Prototype)을 제작하고, 부하시험(Load Test)과 무부하시험(No-load Test)을 통해 논문에서 제시한 방법에 대한 신뢰도를 확인했다. “시뮬레이션의 중요한 점은 하드웨어를 만들었을 때 '예측한 만큼 그 값이 나오느냐'예요. 이번 연구를 통해서 설계 변수의 변화에 따른 전반적인 성능 변화를 한눈에 알아볼 수 있죠.” 하지만 홍 교수는 이보다 더 중요한 것은 ‘제대로 된 설계 방향의 제시’라고 말했다. “이번 연구 결과를 통해 추후 기기 개발 시 소요될 시간과 시행착오를 줄일 수 있을 거라 생각해요. 그만큼 많은 엔지니어들이 빠르게 설계안을 결정할 수 있을 겁니다.” ▲홍정표 교수는 "그동안 'ECAD연구실'에서 해왔던 데이터들을 모아 이번 연구를 진행했다"며, "앞으로 사회는 전기와 기계 분야 모두를 융합할 줄 아는 인재를 요구할 것"이라고 말했다. 더욱더 많은 분야에서 상용화될 것 홍 교수는 현재 전동기가 자동차나 가전 기기, 엘리베이터 등 다양한 분야에 사용되며, 앞으로는 움직이는 모든 물체의 구동원(驅動原) 역할을 할 것이라고 말했다. “현재 일본은 전동기로 소형 전기 비행기를 띄우는 기술까지 발전한 상태입니다. 그리고 점점 그 개발 기간은 단축될 걸로 보입니다. 추가적으로는, 연료를 덜 쓰는 만큼 대기 오염 문제도 해결될 것으로 예상하고요.” 글/ 오상훈 기자 ilgok3@hanyang.ac.kr 사진/ 김윤수 기자 rladbstn625@hanyang.ac.kr