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2018-09 17 중요기사

[학술][연구성과] 류호경 교수(아트테크놀로지학과)

지난 2006년 1탄으로 시작해 2015년 3탄까지 개봉한 판타지 영화 <박물관이 살아있다>는 실감나는 CG로 대중의 이목을 사로잡았다. 수 세기를 잠들어 있던 역사가 눈 앞에서 움직였다. 뉴욕 자연사박물관(Museum of Natural History)에 전시된 티라노사우루스 박제가 사람을 위협하고, 미니어처 모형들이 살아서 뛰어다닌다. 영화 속 박물관의 시끄럽고 생기 넘치는 모습은 우리가 경험한 박물관들과 사뭇 다르다. 등장인물들은 탐색자가 돼 공간을 누빈다. 만약 이런 박물관이 현실에 존재한다면? 다감각적 전시물을 실제 구현하고자 류호경 교수(아트테크놀로지학과)와 연구팀이 나섰다. 보는 것에서 존재하는 것으로 현재까지 우리나라 미술관, 박물관들은 전시품들을 보여주는 데 그친다. 정적인 분위기의 전시장 안 관람객들은 수동적으로 작품을 관람한다. 정해진 동선과 가이드에 따라 움직인다. “관람객이 전시장 안에 머무는 시간은 보통 15분에서 30분 이내에요. 처음에는 호기심을 갖고 관람을 시작하지만, 30분이 지나는 시점에서부터 지루함을 느낍니다.” 시각적인 체험에 제한된 전시에는 능동적으로 참여할 수 있는 것들이 없기 때문이다. 이미 세계적으로는 박물관과 미술관에서 감각 자극을 이용한 전시가 확대되는 추세다. 영국의 테이트 브리튼 미술관(Tate Britain)의 테이트 센소리움(Tate Sensorium)전시의 경우, 기존 전시물에 소리, 향기, 맛 등 오감자극을 더해 관람객들에게 새로운 경험을 제공하고 있다. 프랑스 보르도 와인 박물관(Bordeaux Wine Museum) 역시 모든 오감경험을 제공하여 와인에 대한 관심과 몰입도를 높이고 있다. 인간의 자연스러운 의사소통 방법과 감각을 더할수록 관람객의 만족도가 높아졌다. ▲ 류호경 교수(아트테크놀로지학과)는 듣고, 만지고, 움직임을 느낄 수 있는 콘텐츠를 개발하여 ‘다감각 통합 전시물’을 만드는 것을 목표로 하고 있다. 다감각 전시의 토대 개발 류호경 교수는 이처럼 직접 느낄 수 있는 다감각 전시물 개발을 고려했다. 한국연구재단의 심사를 거쳐 통과 받아 본격적인 연구에 들어갔다. 심사 주제는 ‘박물관 관련 전시 기술 개발’로 한양대학교 아트테크놀로지학과 연구팀을 포함해 총 11팀이 선정됐다. “들을 수 있고, 직접 만질 수 있고, 움직임도 느낄 수 있는 콘텐츠를 설계해 국립 전시에 기여할 예정입니다.” 과학 전시물 연구는 국립과천과학관의 제의를 받아 시작했고, 곧 실제 현업에 적용될 예정이다. 전문 큐레이터 및 학예 연구사들을 미리 선별했다. 연구는 현재 2개월에 접어들었고, 총 3년 6개월이 소요될 예정이다. ‘다감각 전시 기술’은 크게 3가지 기술이 요구된다. ‘보는 기술'과 ‘듣는 기술', '만지는 기술'이다. '보는 기술'은 AI(인공지능, Artificial Intelligence)를 활용해 전시물에 색다른 시각적 효과를 준다. 모형 앞에 스크린을 놓아 빔을 쏘고, 3D 영상을 계속 움직인다. '듣는 기술'은 지향성 스피커를 사용해 관람객들이 제한된 장소에서만 소리를 들을 수 있게 한다. 사람들이 서 있는 곳에 준비된 바이브레이션 매트(Vibration mat)를 청각 기술과 동기화 해 더욱 생생한 체험형 관람이 된다. 공룡 전시의 경우 이러한 다감각 정보를 통해 공룡이 눈 앞에 존재하는 듯한 환상을 줄 수 있다. ▲ 과학전시물의 다감각 자극 제공과 관람객 호응 간 상관 관계 규명 및 인지-행동-학습에 효과적인 전시 가이드 라인을 개발 한다. (류호경 교수 제공) 더 섬세한 적용을 위해 류 교수는 심리학적 이론까지 도입했다. 관람객의 주관적, 행동적, 신경생리학적 반응 데이터를 수집하고 분석했다. “인지심리학을 바탕으로 관람객의 모든 행동을 분석해 정보로 처리합니다. 사소한 행동도 정교하게 통합해 심리학적으로 모사하죠. 수집된 데이터를 바탕으로 전시장에서 다감각 정보를 어느 정도의 범위로 구현하고 관람객에게 전달할지 정하게 됩니다.” 심리학적 요소, 디자인적 요소, 공학적인 설계 이 3가지가 메인 도입 기술이다. 국립과천과학관은 이 기술을 오는 2019년 9월에 실제 적용하기로 결정했다. 향후에는 이 기술을 국내의 많은 박물관과 미술관 전시에 적용시키는 것이 최종 목표다. 류 교수는 “학생들이 대부분 박물관을 통해 과학과 역사에 흥미를 갖게 되는데, 이 연구를 통해 학생을 포함해 많은 사람이 전시장과 더 가까워졌으면 좋겠다”며 “현재 진행하는 다감각 전시 연구에 뜻이 있다면 자유롭게 지원해 함께 해도 좋겠다”고 덧붙였다. ▲ 퓨전테크놀로지센터(FTC) 3층 로비에서 연구팀이 포즈를 취하고 있다. (왼쪽에서 두 번째) 류호경 교수(아트테크놀로지학과)와 진상민 씨, 민보건 씨, 이승정 씨(이상 아트테크놀로지학과 석사과정) 글/ 김민지 기자 melon852@hanyang.ac.kr 사진/ 강초현 기자 guschrkd@hanyang.ac.kr

2018-09 03 중요기사

[학술][이달의 연구자] 심지원 교수(생명과학과)

면역은 외부에서 인체에 침입한 유해물질을 무찌르는 전투다. 침입자가 쳐들어오면 체내의 면역세포들은 온 힘을 다해 막아낸다. 특히 파킨슨병, 알츠하이머병, 헌팅턴병을 포함하는 신경퇴화 질병(neuro degeneration)에서는 면역세포 연구가 핵심적이다. 침입자를 방어하는 인간의 면역체계는 초파리의 면역체계와 유사하다. 심지원 교수(생명과학과) 연구팀은 초파리를 통해 대기 중 산소‧이산화탄소의 농도가 면역세포의 분화를 조절한다는 사실을 발견했다. 이번 심 교수팀의 연구결과는 자연과학 분야 권위의 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재됐다. 인간과 유전자가 비슷한 생명체는 무엇이 있을까? 침팬지, 고양이, 쥐를 비롯한 많은 동물이 머릿속을 스쳐 지나간다. 여기 생각지도 못한 후보가 있다. 바로 초파리다. 놀랍게도 초파리의 유전구조는 인간과 70~80% 비슷하며 인간이 가진 질병 중 대부분을 가지고 있다. 여기서 심 교수가 주목한 부분은 초파리의 면역체계다. 심 교수의 곤충에 대한 관심은 박사과정 논문 주제였던 선형동물 예쁜꼬마선충으로부터 시작됐다. ▲심지원 교수(생명과학과) 연구팀은 산소‧이산화탄소 분압에 대한 정보가 신경세포 시냅스를 통해 혈액줄기세포의 분화와 면역체계를 조절한다는 것을 확인했다. 심 교수는 UCLA 박사 과정에서 세포 하나하나에 집중하는 동료들을 보며 의문을 품었다. “개별 세포를 관찰하기보다 세포가 어떻게 외부 환경의 변화에 조직적으로 반응해 분화하는지 궁금했어요.” 이후 심 교수는 인간과 유사한 유전구조를 가지고 있는 초파리를 연구대상으로 택해 시각이나 후각 같은 감각기관에 이상이 있는 돌연변이 초파리를 관찰하기 시작했다. 그러던 중 이산화탄소(CO2) 감지 신경이 망가지면 혈액이 비정상적으로 분화하는 것을 발견했다. ▲심지원 교수(생명과학과) 연구팀은 초파리를 이용해 대기 중 산소‧이산화탄소의 농도가 면역세포의 분화를 조절한다는 사실을 발견했다. 사진은 실험에 사용된 초파리가 담긴 통이다. 심 교수팀은 더 자세한 관찰을 위해 초파리 유충을 이산화탄소에 노출시킨 뒤, 세포 분화 과정을 볼 수 있는 스크리닝(screening) 방법으로 분석했다. 초파리 유충의 호흡이 기준치 이하로 떨어지자 스트레스에 관한 정보가 신경세포 시냅스(synapse)를 통해 뇌로 전달됐고, 정보를 전달받은 뇌 신경에서는 이산화탄소와 산소 균형을 맞추기 위해서 면역세포를 움직였다. 지금까지 '뇌 신경과 면역세포가 직접적인 영향을 주고받을 수 있을 것이다'라는 가설만 존재했다면, 이번 연구를 통해 뇌 신경과 면역세포 사이에 직접적인 상호작용이 이루어진다는 것이 밝혀졌다. 심 교수는 “기존에 뇌 신경-면역세포 간의 가설이 많이 존재했었는데 그 상호작용을 우리 학교에서 증명해내 기쁘다"며 "이번 연구를 통해 생명체 내의 다양한 기관의 상호작용 또한 밝힐 수 있을 것으로 예상한다”고 말했다. 이번 심 교수 팀의 연구결과(논문명 : Systemic control of immune cell development by integrated carbon dioxide and hypoxia chemosensation in Drosophila)는 자연과학분야 권위의 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈에 게재됐다 ▲ 심지원 교수(생명과학과) 연구팀의 모습 글/ 김가은 기자 kimgaeun98@hanyang.ac.kr 사진/ 강초현 기자 guschrkd@hanyang.ac.kr

2018-08 28

[학술]조준형 교수팀, 2차원 물질의 플랫밴드와 강자성 원인 규명

▲조준형 교수 한국연구재단(이사장 노정혜)은 8월 27일 조준형 물리학과 교수팀이 2차원 카고메 격자 물질에서 플랫밴드의 존재를 입증하고, 강자성의 원인을 규명해 신소재 개발 연구의 저변을 넓혔다고 밝혔다. 고체 내 전자들의 배열 상태는 물질의 특성과 밀접한 연관이 있다. 특히 전자들이 국소적으로 밀집되어 플랫밴드 상태일 때는 강자성을 비롯해 독특한 양자 상태를 가지게 된다. 이를 심도 있게 규명하고 응용하기 위해 연구가 진행 중이지만, 플랫밴드는 아직까지 인위적 구조물에서만 발견될 뿐이며 그 원리도 많이 밝혀지지 않았다. 플랫밴드는 전자들의 국소화에 의해 준입자들이 매우 무거운 유효질량을 가질 때의 밴드 구조이다. 조 교수팀은 자연계에 존재하는 철 기반 고체물질(Fe3Sn2)에서 플랫밴드의 존재를 관찰해냈다. 또한 플랫밴드를 갖는 기하학적인 전자 구조에 의해 강자성 현상이 생긴다는 것을 밝혀냈다. Fe3Sn2는 마치 대나무로 바구니를 엮은 듯한 형태(카고메 격자)로 입자가 배열돼 있다. 연구 결과, 육각형의 상호 네트워크에서 국소적으로 분자 내 전자 교환상호작용이 일어나면서 강자성이 형성된다. 실험연구는 중국과학기술대학 젱창간(Changgan Zeng) 교수가 수행했고, 이론 연구는 조준형 한양대 물리학과 교수, 최진호 박사(물리학 박사 05), 이세호 박사과정생(물리학 박사 14)이 주도했다. 조준형 교수는 “이 연구는 자연계에서 존재하는 철 기반 고체 물질에서 처음으로 플랫밴드의 존재를 입증하고 카고메 격자가 가지는 강자성의 원인을 규명한 것이다”라며 “강자성 현상, 고온 분수양자홀 효과, 고온초전도와 같은 다양한 양자현상을 실현할 수 있는 밑거름이 될 것이다”라고 연구의 의의를 설명했다. 이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 미래소재디스커버리사업, KISTI 슈퍼컴퓨팅 연구지원사업의 지원으로 수행됐다. 물리학분야 권위 있는 학술지 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters) 8월 24일 게재됐으며, 특별히 편집자 추천 논문(Editors’ Suggestions)으로 선정됐다.

2018-08 22

[학술]장재영 교수, 빛으로 구동하는 메모리를 위한 퀀텀닷 개발

▲장재영 교수 장재영 에너지공학과 교수팀이 빛으로 구동하는 메모리 구현을 위해 표면이 가공된 퀀텀닷(Quantum Dot) 나노재료를 개발했다. 플래시 메모리로 대표되는 정보저장소자는 스마트폰, USB 드라이브 등 대부분의 모바일 IT 기기에 사용되는 필수 소자로 지금까지는 높은 전압을 사용해 메모리를 구동했다. 이번 연구는 기존의 빛을 이용해 이미지 정보를 저장하는 플래시 메모리 구현에 이어 저장된 정보를 효과적으로 제거할 수 있는 메모리 소자를 구현하고, 빛에 의한 정보 제거 속도를 획기적으로 개선할 수 있는 방법을 제시했다. 기존에도 빛을 이용해 정보를 제거하는 플래시 메모리 연구가 있었지만 강한 빛과 긴 노출시간이 필요하다는 한계가 있었다. 따라서 약한 세기의 가시광선 영역대의 빛으로도 빠르게 정보를 제거할 수 있는 새로운 플래시 메모리 기술의 필요성이 제기됐다. 장 교수팀은 퀀텀닷으로 구성된 부동 게이트 삽입층(Floating Gate Layer)을 도입, 퀀텀닷의 표면을 효과적으로 가공해 ‘광 유발 회복’효과를 극대화한 유/무기 트랜지스터 기반 메모리 소자를 제작했다. 특히 불소화 화합물로 표면 개질된 퀀텀닷을 사용해 제작한 메모리 소자는 1mW/cm2 세기 미만의 빛으로도 저장된 정보를 빠르게 제거하면서도 안정적으로 구동됐다. 이번 연구는 최근 차세대 반도체 디스플레이 재료로 각광받고 있는 퀀텀닷이 플래시 메모리의 핵심소재로 응용 가능함을 확인하고, 효과적인 표면가공을 통해 메모리 성능을 획기적으로 향상시켰다는데 의미가 있다. 장재영 교수는 “이번에 개발한 퀀텀닷을 활용한 플래시 메모리는 비휘발성이면서 빛의 노출에 따라 빠르게 정보의 제거가 가능하다는 점에서 향후 퀀텀닷과 같은 나노재료를 이용해 차세대 웨어러블 전자제품 등의 저장 소자로 널리 활용될 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 밝혔다. ▲장재영 교수팀이 개발한 퀀텀닷 나노재료 기반 플래시 메모리 구조 이번 연구결과는 (논문명 : Surface Modification of CdSe Quantum-Dot Floating Gates for Advancing Light-Erasable Organic Field-Effect Transistor Memories) 나노과학 분야 세계적인 권위지 'ACS Nano'에 게재됐다. 이번 연구는 박찬언 포항공대(POSTECH) 교수팀과 함께 진행됐고 교육부의 재원(기본연구지원사업-SGER)으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.

2018-08 07 중요기사

[학술][우수R&D] 성태현 교수(전기생체공학부)

정부의 탈원전 정책으로 신재생 에너지 개발의 필요성이 커지고 있다. 인류가 직면한 미래 에너지 문제를 해결할 방법으로 에너지 하베스팅(Energy harvesting)이 주목받고 있다. ‘에너지 하베스팅’은 말 그대로 에너지를 수확하는 기술이다. 주변에서 버려지는 열이나 빛, 압력 등 다양한 에너지를 수집해 전기 에너지로 변환할 수 있다. 한양대 성태현 교수(전기생체공학부)가 소모되는 에너지 양이 많은 산업현장에 이를 적용하기로 했다. 에너지 하베스팅, 한양에 씨앗을 심다 사라지는 에너지를 재사용 할 수 있다면? 영국 케임브리지 대학 연구 결과에 따르면 발전소에 만들어진 전기에너지 중 12%만이 유용하게 사용된다. 버려지는 에너지를 수확할 수 있다면 기존의 발전시설로도 몇 배의 전기에너지를 만들 수 있다. 우리들의 일상에도 편리함을 줄 것이다. 휴대전화에서 발생하는 전파의 3%만 온전히 사용되고, 97%는 공중에 버려진다. 버려지는 전파만 따로 모아 활용할 수 있다면 따로 충전할 필요가 없다고 한다. ▲ 성태현 교수(전기생체공학부)는 에너지 하베스팅 기술을 통해 산업현장에서 버려지고 있는 에너지들을 전기에너지로 변환하여 센서들의 독립된 전원으로 사용하고자 했다. 지난 15년 7월 설립된 한양대 에너지하베스팅센터 '시드 센터(이하 SEED Center)' (지난 기사 보기- 더 풍요로운 세상을 위한 씨앗)는 분산된 에너지 하베스팅 기술을 집약해 세계적 연구 거점센터로 자리 잡기 위해 노력 중이다. ‘SEED Center’는 ‘Save Earth by Energy-harvesting Dream Center’의 줄임말이다. 에너지 하베스팅 기술을 통해 많은 에너지를 생산하는 ‘풍요로운 세상’, 소외된 계층도 기술에 쉽게 다가갈 수 있는 ‘따뜻한 세상’, 친환경 에너지를 통한 ‘깨끗한 세상’을 꿈꾼다. SEED Center, 산업현장에서 발아 중 성 교수를 중심으로 뭉친 SEED Center는 산업현장에서 버려지고 있는 진동에너지와 형광등의 빛 에너지를 전기에너지로 변환해 센서들의 독립된 전류 원천으로 사용하는 기술을 개발 중이다. 산업현장에는 다양한 사물인터넷 센서(이하 IoT 센서)들이 있다. 대부분 유선으로 전력을 공급받고 있어 설치 장소가 제한적이다. 건전지 사용 문제도 있다. 잦은 교체로 인해 번거로울 뿐 아니라 시기가 정확하지 않아 불편하다. 무엇보다 폐건전지는 환경오염을 야기한다. 센서의 독립전원 원천으로 사용되는 에너지 하베스터가 만들어진다면 다양한 장소에 IoT 센서를 활용한 제품이 들어설 수 있다. 긴 수명으로 건전지 교체를 고민하지 않아도 되며 환경도 보호할 수 있다. 경제적 이점도 크다. 성 교수는 “산업현장에서 사용되고 있는 IoT 센서의 경우 센서 비용보다 센서에 전원을 연결하는 시설 공사가 전 비용의 60~80%까지 차지하고 있다”며 “생산단가를 크게 절감할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다. ▲ 기존 산업환경보다 진동이 현저히 저감된 저진동/무진동 환경을 요구하는 스마트 팩토리의 모습. 시드 센터(SEED Center)는 장비 진동이 아닌 유도된 자기장에 의한 진동을 활용하는 방법을 찾았다. (성태현 교수 제공) 최근 산업현장의 변화로 연구 진행에 곤란을 겪기도 했다. 정밀한 작업을 위해 공장이 점점 장비의 진동을 극단적으로 감소하고 있기 때문이다. 진동이 줄면 압전 하베스터를 적용하기 어려워진다. SEED Center는 현장을 깊게 이해하는 방식으로 문제를 해결했다. 근로자들과의 대화를 통한 공감으로부터 시작했다. 성 교수는 “결국 기계적 진동이 아닌 교류의 전기를 사용함으로써 발생하는 자기장의 변화에 따른 진동을 유도했다”고 말했다. 달콤한 열매를 기다리며 SEED Center의 에너지 하베스팅 기술은 세계 최고 수준이다. 특히 진동에너지를 전기에너지로 변환하는데 효과적인 압전에너지 하베스트 기술이 탁월하다. 성 교수는 “한양대는 기존 세계 최곳값인 0.58 mW/cm2(상하이 교통대)의 16배에 해당하는 9.38 mW/cm2 의 기록을 보유하고 있으며, 본 연구를 통해 12 mW/cm2를 달성하려고 한다”고 포부를 밝혔다. 한양대가 에너지 하베스팅 기술분야에서 선도적 역할을 수행할 것으로 기대된다. ▲ 현재 성태현 교수의 시드 센터(SEED Center) 에너지 하베스팅 기술은 세계 최고의 수준이다. 성 교수는 본 연구를 통해 한양대학교가 4차 산업혁명에서 선도적인 역할을 수행할 것이라 자부했다. 아직 에너지 하베스터로부터 오는 전력량이 많지 않다. 그러나 에디슨이 전구를 처음 발명했을 때 그 밝기가 너무 낮아 전구가 켜 있는지 꺼져 있는지 구별하기 어려웠다고 한다. 라이트 형제 또한 처음 비행에 성공했을 때 겨우 12초 동안 36.5 m를 날 수 있었다. 성 교수는 “장기적으로 대용량 발전에 대한 계획이 있다"며 "효율을 더욱 높이고 흩어져 있는 에너지들을 모으는 기술개발이 지속된다면 머지 않아 새로운 에너지 시대를 열어갈 수 있을 것이라고 확신한다”고 했다. 글/ 유승현 기자 dbtmdgus9543@hanyang.ac.kr 사진/ 최민주 기자 lovelymin32@hanyang.ac.kr

2018-08 01

[학술]배상수 교수 공동연구팀, 유전자 교정기술 핵심 단백질 절단 메커니즘 규명

배상수 화학과 교수가 광주과학기술원(GIST) 고등광기술연구소 이상화 박사 연구팀 및 한국과학기술연구원(KIST) 테라그노시스 연구단 정철현 박사팀과 공동으로 크리스퍼(CRISPR) 기반 유전자 교정기술의 핵심 단백질 중 하나인 Cas12a의 DNA 표적 탐색 및 절단 메커니즘을 규명했다. GIST는 공동 연구팀이 단일분자 형광 이미징 기술을 이용해 새로운 크리스퍼 기반 기술들의 핵심 단백질 중 하나인 Cas12a(또는 Cpf1)가 표적 DNA를 탐색하고 절단하는 전 과정을 실시간으로 관찰하는데 성공했다고 지난 7월 24일 밝혔다. 크리스퍼 유전자 가위를 이용한 유전자 교정기술은 유전자 치료, 새로운 식물 육종 개발 등 다양한 분야에 폭넓게 이용 및 빠르게 발전하고 있으며, 대표적으로 Cas9 유전자 가위가 사용되고 있다. 하지만 일반적으로 크리스퍼 유전자 가위는 표적 DNA와 유사한 염기서열을 가진 DNA까지도 자르는 표적이탈효과(off-target) 및 전체 유전체 내 작동가능한 표적이 제한되는 문제 등이 한계로 지적되고 있다. 이러한 기술적 한계를 극복하기 위해 최근에는 다양한 변종 단백질을 발굴 및 개발하여 유전자 교정기술을 향상하고자 노력하고 있다. 그 중에서도 Cas12a 단백질은 Cas9에 비해 표적 특이성이 높다고 알려져 있어 크게 각광받고 있다. 때문에 Cas12a의 상대적으로 높은 표적 특이성을 이해하고 보다 향상된 유전자 가위를 개발하기 위해서는 Cas12a의 표적 탐색 및 절단 메커니즘을 규명하는 연구가 필요하다. ▲Cas12a 단백질의 DNA 표적 탐색 및 절단 메커니즘 모식도 (그림= GIST) 배상수 교수 공동 연구팀은 이번 연구에서 단일분자 형광 이미징 기술을 이용해 Cas12a의 표적 탐색 및 절단의 전 과정을 실시간으로 관찰하는데 성공했다. 이를 통해 Cas12a 단백질이 긴 DNA 상에서 1차원 확산 운동을 통해 특정 표적을 탐색하고, 표적 DNA와 만나 안정된 결합을 한 후, 비표적 가닥과 표적 가닥 순서로 시간 차를 두고 순차적으로 절단한다는 사실을 세계 최초로 규명했다. 배상수 교수(한양대, 공동교신저자), 이상화 박사(GIST, 공동교신저자), 정철현 박사(KIST, 공동교신저자) 등이 주도한 본 연구는 한국연구재단 기초연구사업, 보건복지부 암정복추진연구개발사업, 농촌진흥청 차세대 바이오그린 21사업, GIST 개발과제 및 KIST 기관고유사업 등의 지원을 받아 수행됐으며, 네이처 자매지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 12.353)에 7월 17일(화) 온라인판에 게재됐다.

2018-07 31 헤드라인

[학술][이달의 연구자] 송석호 교수(물리학과)

광학은 빛에 관련된 현상을 다루는 물리학의 한 분야다. 렌즈, 현미경, 레이저, 광섬유 등 현시대 기술발전에 중심적 역할을 하고 있다. 학자들은 더 나아가 빛의 속도를 활용하고자 했다. 빛을 나노 단위로 집속시켜 전송하고, 계산이 가능하게끔 하는 것이 ‘나노 광학’이다. 하지만 나노 단위로 빛을 국소화하니 전송과정에서 큰 에너지 손실이 생겼다. 나노 광학의 발전을 위해선 반드시 극복해야 할 물리적 한계였다. 최근 송석호 교수(물리학과)가 그것에 대한 해결책을 제시하며 세계의 이목을 사로잡았다. 나노 광학의 기반을 마련하다 나노 광학 분야는 나노과학 기술에 기반을 두고 있다. 빛과 물질 간의 상호작용을 국소적으로 제어하기 위해 물질의 굴절률 분포를 수십 나노미터 크기로 형성할 수 있는 기술이다. 그러나 빛을 파장 이하로 국소화 시키게 되면 물질의 흡수특성에 의해 에너지 손실이 급격하게 증가하는 물리적 한계를 보인다. 이는 지난 20여 년 간의 나노기술과 광 과학 간의 융합연구가 실용화로 가지 못했던 주요 원인이었다. 송석호 교수의 연구 주제가 가히 혁신적인 이유다. ▲ 송석호 교수(물리학과)와 지난 26일 자연과학대에 위치한 연구실에서 인터뷰를 진행했다. 송 교수는 나노 광학에 열린-양자역학(Open quantum mechanics)이론을 도입, 물질이 가지는 물리적 한계를 극복하고자 했다. 송 교수는 빛을 나노미터 크기로 국소화 할 때 발생하는 손실문제를 해결하기 위해 열린-양자역학(Open quantum mechanics) 이론을 가져왔다. 기존 광도파로(빛 에너지가 이동하는 경로)에 빛을 전송할 경우 양방향으로 빛에너지가 같이 전달되는 공간적 및 시간적 대칭성을 갖는다. 하지만 열린-양자역학 이론을 적용시키면 광도파로에 에너지 손실이 발생하는 경우, 이러한 PT 대칭성이 붕괴되고 단방향 변환(Unidirectional converter) 에너지 전달이 가능해진다. 송 교수는 이러한 반-PT 대칭성(anti-PT symmetry) 원리 및 단방향 변환 에너지 전달이 광파 영역에서 가능함을 처음으로 밝혀냈다. 순방향으로 빛 전파(Forward propagation)가 일어나면서 역방향 빛 전파(Backward propagation)는 투과되지 않고 분산된다. 이는 빛에너지를 손실을 줄여 한쪽 방향으로 흐르게 하는 회로를 구성한 것으로, 쉽게 말해 나노 크기의 광-다이오드가 탄생한 것이다. ▲ 송석호 교수와 연구팀이 제안한 광도파로형 다이오드 구현방법. PT 대칭성을 갖는 광도파로 구조도(왼쪽)에 붕괴가 일어나게 유도하여 순방향으로만 빛 전파(Forward propagation)가 일어난다(오른쪽). (송석호 교수 제공) 송 교수와 연구팀은 반-PT 대칭 구조를 갖는 광학적 구현방법을 증명하기 위해 전기적 공명회로를 만들어 실험을 진행했다. 결과는 성공적이었다. 전기회로상에서도 에너지 손실을 줄여 단일방향으로 에너지가 흐르게 했다. 이는 지난 6월 세계적 학술지 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)에 논문으로 게재되어, 열린-양자역학 개념을 도입해 기존 나노광학의 한계를 돌파할 수 있는 발판을 마련했다는 평을 받았다. 미지의 학술 영역을 개척하는 연구 정신 이번 네이처 논문 검증실험은 학부실험 수업에서 볼 수 있는 간단한 전기회로로 만들어졌다. 이는 송 교수의 연구철학과 맞닿아 있다. “학부생도 수업시간을 통해 이해할 수 있는 간단한 이론으로 새로운 개념을 도출해내고자 했죠. 복잡한 것을 간단하게 풀어내는 것이 물리학자가 하는 일이라고 생각합니다.” 누구나 기술접근에 어려움이 없어야 한다고 말한다. 그만큼 송 교수의 검증실험은 간단하고 빠르게 진행된다. 연구에 들이는 시간이 남들과 다르기 때문이다. “연구 콘셉트를 최대한 간단명료하게 만들기 위해 더 많은 시간을 들이죠. 검증에 시간이 오래 걸리면 콘셉트가 문제라고 생각해요.” 검증에 걸리는 시간을 줄이고 더 혁신적인 연구 방법을 찾아내는 것에 집중하는 송 교수다. 이번 연구도 아이디어 도출에만 4~5년이 걸렸다. 긴 시간의 노력 끝에 전기회로 검증실험은 한두 달으로 마무리됐다. 송 교수는 이번 연구로 막혀있던 광학 분야에 새로운 가능성을 열어 기쁘다고 말한다. 앞으로 더 넓고 다양한 광학 분야에 새로운 연구 방향을 잡고자 한다. “나노 광학은 아주 무궁무진한 분야입니다. 새로운 접근방법으로 계속해서 개척해 나가고 싶습니다.” ▲ 연구원들에게 실험 시 명시해야 할 점에 관해 설명하는 송석호 교수의 모습. 기존 물리적 한계를 극복하려는 시도와 함께, 미지의 학술 영역을 개척하고자 노력하는 그의 연구가 기대된다. 글/ 황유진 기자 lizbeth123@hanyang.ac.kr 사진/ 최민주 기자 lovelymin32@hanyang.ac.kr

2018-07 27

[학술]심지원 교수팀, 대기 중 산소‧이산화탄소 분압과 면역세포 분화의 연관성 발견

▲심지원 교수 심지원 생명과학과 교수팀이 최근 대기 중 산소‧이산화탄소의 농도가 면역세포의 분화를 조절한다는 사실을 발견했다. 세포분화는 세포 주변환경에 영향을 받는다는 사실은 잘 알려져 있지만, 세포가 어떻게 외부 환경의 변화에 조직적으로 반응해 분화하는가에 대해서는 알려진 바가 없었다. 심 교수팀은 이번 연구를 통해 산소‧이산화탄소를 감지하는 감각신경이 면역세포 분화를 직접 조절한다는 사실을 발견했다. 또한 심 교수팀은 감각신경이 산소‧이산화탄소를 감지하며, 산소‧이산화탄소 분압(分壓)에 대한 정보가 신경세포 시냅스를 통해 혈액줄기세포의 분화와 면역체계를 조절한다는 것을 확인했다. 이와 같은 복잡한 기관 간의 직접적 상호작용은 유전학적 도구가 잘 발달돼 있는 초파리를 이용해 확인할 수 있었으며, 향후 초파리 모델을 이용해 뇌신경-면역세포 간의 상호작용은 물론 생명체 내의 다양한 기관들 간 상호작용을 밝힐 수 있을 것으로 예상된다. 심 교수는 “뇌신경과 면역세포가 직접적인 영향을 주고받을 수 있다는 여러 가지 가설이 있는데 본 연구에서는 그 둘 간의 직접적인 상호작용을 밝혔다”며 “초파리를 통해 밝혀진 산소‧이산화탄소 감각신경과 면역세포 분화의 상호작용은 인간의 경우 체내 용존 산소‧이산화탄소를 감지해 심장박동, 호흡, 적혈구 분화 등을 변화시키는 기전의 원시 형태로 추측되며, 본 연구는 이와 관련된 기전연구를 촉진하는 기초연구가 될 것이다”고 말했다. 이번 연구는 웃팔 바너지(Banerjee) 미국 캘리포니아대(UCLA) 교수팀과 공동으로 진행됐고 한국연구재단(NRF)의 신진연구지원사업과 글로벌연구네트워크지원사업의 지원으로 수행됐다. 이번 연구결과(논문명 : Systemic control of immune cell development by integrated carbon dioxide and hypoxia chemosensation in Drosophila)는 자연과학분야 세계적 권위의 학술지인 「Nature communication」에 게재됐다.

2018-07 20

[학술]장준혁 교수, 현대차와 ‘소리로 車 진단하는 AI’ 선보여

▲장준혁 교수 장준혁 융합전자공학부 교수팀과 현대자동차가 세계 완성차업계 최초로 인공지능(AI)과 딥러닝을 이용해 소음으로 차량의 고장 여부를 판별하고 진단까지 내리는 기술을 공동 개발했다. 동아일보 7월 20일 자 기사에 따르면, 장 교수팀과 현대차는 가장 많이 쓰이는 ‘가솔린엔진’을 목표로 정하고 총 830개의 소리 샘플을 수집했다고 전했다. 수집된 소리를 부품과 고장 유형에 따라 18개 유형, 44개 세부유형으로 분류한 뒤 소리를 AI가 인식할 수 있도록 0.2초 단위로 짧게 잘라 ‘시간-주파수’ 기준으로 특징을 분석했다. 또, 수집된 소리(문제)와 그에 상응하는 고장 원인(답)을 AI에 반복 학습하는 방법으로 시스템을 구축했다. 예를 들어, 고장 난 자동차에서 사람은 알아차릴 수 없을 정도로 미세한 이상 소음이 나면 AI는 소리를 듣고 원인을 분석하고 축적된 빅 데이터로 원인을 판독한다. 사람이었다면 엔진을 뜯어보고 짧게는 몇 시간, 길게는 며칠 걸렸을 과정이지만 AI는 불과 수초 내 정확하게 원인을 파악하는 기술이다. 해당 기술은 이르면 내년 전국 현대차 수리센터에 적용할 예정이다. 현대차 연구개발본부 엔진NVH리서치랩 연구원들은 소음으로 차를 진단하는 아이디어를 떠올린 뒤 간단한 음향 샘플을 만들어 음성 및 소리 분야에서 국내 최고 권위자인 장준혁 교수를 찾아갔다고 전했다. 장 교수와 함께 논의한 결과 충분히 가능성이 있다고 판단해 공동 연구개발에 착수했다고 밝혔다. 연구팀은 “이번에 개발한 AI기술에 소리뿐만 아니라 진동, 온도 등 다른 요소를 결합해 정확도를 높이고 차뿐만 아니라 기계로 된 모든 것에 적용할 수도 있다”며 향후 더 진보된 형태의 서비스와 다른 산업 분야로의 전파도 가능하다고 덧붙였다. ▶ 동아일보 기사 바로가기 (클릭)

2018-07 04

[학술][R&D분야] 원유집 교수 (컴퓨터소프트웨어학부)

고성능의 저(低)지연 데이터 저장장치가 필요한 시대의 도래. 지금 필요한 것은 방대한 정보자원 관리와 더불어 정보를 안전하게 전송하고 저장 비용을 줄이는 것이다. 인공지능, 빅데이터, 센서데이터와 같은 새로운 응용 소프트웨어들의 등장으로 혁신적인 하드웨어 플랫폼이 요구되고 있다. 하지만 현재 운영체제는 신소프트웨어 변화 속도를 따라잡지 못하고 있다. 이에 원유집 교수(컴퓨터소프트웨어학부)는 초대용량, 비휘발성 메모리를 위한 시스템 개발 추진중에 있다. 세계 최고 수준의 메모리 프로그램 원유집 교수(컴퓨터소프트웨어학부)가 현재 진행하고 있는 프로그램 운영체제 개선에는 크게 CPU(Central Processing Unit, 컴퓨터 중앙처리장치)와 GPU(Graphics Processing Unit, 그래픽카드의 핵심 칩) 확장, NVRAM(비휘발성 메모리) 기반 대용량 메모리 관리, 파일 및 입출력 관리 세 가지가 있다. 고성능 처리장치와 대용량 메모리 저장 및 관리가 이 프로젝트의 핵심 목표이다. ▲ 매니 코어(수천 개 코어를 하나의 CPU에 모으는 것), 비휘발성 메모리를 위한 고성능 확장형 운영체제. 미래형 운영체제에서 여러 체계적 변화가 생기는 것을 볼 수 있다. (원유집 교수 제공) 원 교수는 CPU/GPU용 운영체제 확장성 지원 기술에 과도하게 강한 공유자료구조 보호 시스템(lock, 이하 록, 통합보안장치) 이 매니 코어 성능 개선에 심각한 병목이 되는 점을 짚었다. 현 운영체제는 과도하게 강한 록을 사용하여 공유자료구조 보호를 하고 있기 떄문에, 매니코어의 처리 장치 및 저장성능 개선이 힘들기 때문이다. 원유집 교수는 각 커널 객체의 사용행태를 분석하여 이에 적합한 록 메커니즘을 새로이 개발했다. 나아가, 선점형 우선순위 역전방지, 동적 시분할 스케줄링 기법과 병렬 가속기용 스와프 기법을 개발했다. 추가로, 대용량과 NVRAM(비휘발성메모리) 관리를 위한 기법을 도입했다. 메모리 용량 증가 추세가 주기억장치 공간의 증가속도에 못 미치고 있기 때문이다. 초대형 메모리 공간에서는 할당과 해제의 지연시간이 매우 커지며, 매니 코어 환경에서 코어 간 페이지 공유로 인한 록이 더욱 심화돼, 대형 페이지 내부 단편화 문제가 발생한다. 이를 해결하기 위해 대형페이지의 가장 큰 문제점인 과도한 페이지 할당, 해제 시간문제를 해결했다. 또, NVRAM으로 구성된 대용량 페이지의 효율적 관리를 위한 페이징 기술을 개발하고 확장형 록프리(Lock-Free)자료 구조를 개발했다. ▲ 지난 4일, 이달의 연구자인 원유집 교수(컴퓨터소프트웨어학부) 를 공업센터 별관에서 만나 시스템 관련 자세한 설명을 들었다. 저장 메모리의 입출력 관리의 핵심주제는 쓰기 순서 보장과 저 지연 고성능 저장장치를 위한 파일시스템 개발이다. 현대 운영체제에서 전송순서로 기반한 저장 기법은 다중채널에 근간한 고성능 플래시 메모리의 성능개선 기법을 무력화 시킨다. 결과적으로 고성능 저장장치의 효율적 활용에 근본적인 장애 요인이 되고 있다. 기존 시스템에 맞지 않던 체제를 매니 코어 환경에 적합한 저비용 순서보장형의 새로운 형태 관리구조공간으로 발전시켰다. 이 모든 개발 프로세스는 총 5개로 나누어져 있다. 2022년도까지 모든 과정을 5번에 걸쳐 소프트웨어를 방출할 예정이다. 세계에서 최고 수준으로 평가받는 이 기술은 학술대회 USENIX FAST와 USENIX ATC에서 최우수 논문상을 받으며 동양권에서 첫 기록을 세웠다. 더 큰 미래 실현을 위해 프로그램 언어를 포함한 모든 언어체계는 소통이 목적이다. “현재 제2외국어를 많은 사람들이 스펙으로 배우듯이, 이젠 컴퓨터 프로그램 언어도 제2외국어만큼 중요합니다.” 원유집 교수는 프로그램 언어 역시 중요한 소통 매개라 말한다. “자유자재로 내 아이디어와 비즈니스 구상을 컴퓨터로 실현할 때, 다른 사람들의 기술을 빌리면 생각과 아이디어 실현에 분명히 한계가 있다”며, 주체적으로 프로그램 체계를 배우고 실행하는 자세가 중요하다고 전했다. ▲ 원유집 교수는 중간중간에 실패가 있더라도, 한 우물을 파고 그 분야에서 최고가 되는 끈기있는 한양인을 바란다고 말했다. 원 교수는, 자신을 위한 투자는 큰 것이 아니라 강조한다. “대학원생을 포함, 모든 학생의 입장에서 할 수 있는 가장 큰 투자는 단지, 더 배우는 것뿐 입니다. 지금 감내하는 시간들은 앞으로 더 큰 미래를 위해 잠시 스스로를 더 묶어 두는 것일 뿐, 큰 비상을 위한 훌륭한 투자입니다.” 누구에게나 짧든 길든 힘든 시간이 존재한다. 모든 것은 다분히 본인이 선택한 길, 짊어 지어야 하는 작은 짐이다. “놓지 말고 계속 이어가세요. 그 길의 끝에 더 큰 빛을 보는 날이 있을 것입니다.” 글/ 김민지 기자 melon852@naver.com 사진/ 강초현 기자 guschrkd@hanyang.ac.kr