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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

2018-07 04

[학술]김종호 교수, 신속한 식중독균 검출기술 개발

▲김종호 교수 김종호 재료화학공학과 교수팀이 최근 식중독균 3종(병원성대장균 O157, 살모넬라, 황색포도상구균)을 현장에서 신속‧정확하게 검출할 수 있는 새로운 기술을 개발했다. 여름철에 빈번한 식중독은 대부분 식중독균에 의해 발생돼 음식점, 마트, 학교, 집단 급식소 등의 현장에서 식중독균 유무를 검출할 수 있다면 그 피해를 줄일 수 있다. 하지만 현재 사용되는 식중독균 표준검사법은 검출 과정이 복잡하고 시간이 다소 많이 걸리며(2~3일) 고가의 항체를 사용해 검출 비용이 비싸다는 단점이 있다. 김 교수팀은 이번 연구를 통해 이러한 단점들을 대폭 개선했다. 2차원 신소재인 ‘전이금속디칼코게나이드 (Transition Metal Dichalcogenides (TMDs) 나노시트’에 다당류 고분자를 도입해 센서소재를 합성했다. 이를 통해 짧은 시간에(1시간 이내) 고가의 항체를 사용하지 않고도 현장에서 식중독균을 정확히 검출할 수 있게 됐다. 김 교수는 “새로운 검출 기술은 극미량(1 CFU/mL)의 식중독균까지 검출할 수 있어 식중독균 확산 방지 및 식중독 조기 예방이 가능하다”며 “기술이전을 통한 실용화로 식중독으로 인한 피해를 줄이는데 힘쓰겠다”고 말했다. 이번 연구는 삼성전자 미래기술육성센터로부터 지원받아 한양대 화학분자공학과 이상욱 교수팀과 함께 진행됐고, 연구결과(논문명 : 2D Transition Metal Dichalcogenides with Glucan Multivalency for Antibody-free Pathogen Recognition)는 국제저명학술지 「Nature Communications」에 지난 6월 29일 게재됐다.

2018-06 25

[학술]최효성 교수팀, 교효율 발광소자 위한 정공수송층 개발

▲최효성 교수 최효성 화학과 교수팀이 최근 차세대 디스플레이로 떠오르고 있는 페로브스카이트 발광소자(PeLED)의 성능을 종전 대비 4배 이상 향상시킬 수 있는 새로운 정공수송층(hole transport layer)을 개발했다. 이번 연구결과는 한국연구재단 신진연구자지원사업의 지원을 받아 부경대 이보람 교수팀, 영국 케임브리지대 Richard H. Friend 교수팀, 미국 캘리포니아대학 산타바바라 Guillermo C. Bazan 교수팀, UNIST 송명훈 교수팀과 함께 연구를 진행했다. 머니투데이 기사에 따르면, 최 교수팀이 개발한 정공수송층은 중성의 고분자 전해질 물질을 사용함으로써 PeLED 소자의 외부양자효율(소자 외부로 나오는 빛에너지의 비율)을 종전 전도성 고분자 대비 4배 이상인 5.66%로 끌어올리고, 소자의 안정성도 향상시키는 결과를 얻었다. 또, PeLED에 대한 광학적·표면적 분석을 진행해 여기자 손실(exciton quenching)에 대한 메커니즘도 규명해 제시했다. 한편, 이번 연구결과를 담은 논문 'Conjugated Polyelectrolytes as Efficient Hole Transport Layers in Perovskite Light-Emitting Diodes'는 나노재료 분야의 권위지인 ACS Nano(IF=13.942)에 게재됐다.

2018-06 25

[학술][이달의 연구자] 이상경 교수(생명공학과)

더위가 성큼 다가왔다. 이제 모기의 계절이다. 대구에서는 올해 처음으로 일본뇌염 매개 모기인 ‘작은빨간집모기’가 발견됐다. 대부분 일본뇌염 바이러스를 가진 매개 모기에게 물리면 증상이 없거나 열이 나는 가벼운 증상을 보인다. 그러나, 드물게 치명적인 급성 신경계 증상이 나타난다. 면역계가 약한 유아나 노인의 경우 사망까지 이른다. 아직 뚜렷한 치료제가 없다. 모기에 물리지 않도록 하거나 예방접종을 맞는 방법이 최선이다. ▲ 이상경 교수(생명공학과)를 지난 22일 연구실에서 만났다. 이 교수가 모형을 이용하여 비강-뇌 약물전달에 대해 설명하고 있다. 이상경 교수(생명공학과) 연구팀이 뇌염바이러스 감염에 대한 획기적인 치료법을 개발했다. 뇌염바이러스 증식을 억제하는 작은 간섭 RNA(siRNA)를 비강(코안)-뇌 경로로 전달하는 것이다. 초기 감염을 억제하고 최종적으로 면역력을 획득할 수 있다. 기존 뇌 질환 치료는 혈액을 통해 siRNA를 뇌에 전달하려고 했다. 혈액-뇌 장벽(Blood Brain Barrier, BBB)이라는 장애물로 치료 약물이 뇌까지 도달하기 힘들었다. 이 교수 연구팀은 ‘비강-뇌 전달’ 방법을 통해 이를 해결했다. ▲ 뇌염바이러스의 감염과 치료에 의한 적응면역 생성 과정을 나타낸 표 (이상경 교수 제공) 뇌염바이러스를 감염시킨 동물을 대상으로 실험을 진행했다. 생쥐의 비강을 통해 뇌로 약물을 전달해 뇌염바이러스를 치료했다. 치료 RNA가 뇌 조직에 효과적으로 전달되는 것을 증명했다. 뇌염바이러스의 초기 감염을 억제할 수 있었다. 면역력을 획득한 생쥐는 추가적인 바이러스 감염에 대해 자연 치유했다. 백신이나 치료제가 없는 뇌염바이러스 감염 질환의 치료법 연구에 새로운 대안을 제시했다. 비강-뇌 경로를 통한 약물의 뇌 특이적 전달에는 이 교수 연구팀이 자체 개발한 ‘마우스 위치교정장치’를 사용했다. 이 장치는 연구자의 숙련도와 관계없이 누구나 쉽게 비강을 통해 약물을 전달 할 수 있도록 도와준다. 한국연구재단의 지원을 받아 대한민국(10-1841329) 및 국제특허(PCT/KR2016/014220) 출원 상태이다. 뇌질환에 대한 기초 연구 및 치료제 개발 연구에서 응용이 무궁무진할 것으로 기대된다. 바이러스 감염 질환 치료법 연구에 새로운 길이 열렸다. 이 교수는 “이 연구를 통해 치료제가 전무한 뇌염바이러스에 대한 치료제 개발 연구에 가능성을 제시할 것“이라고 하며 “연구의 실용화를 강조하는 우리 한양대 공과대학의 목표처럼 향후 영장류 실험을 통해 머리의 위치, 약물 전달장치를 최적화하고, 최종적으로 임상에 적용할 수 있는 뇌 특이적 약물전달 방법을 연구하려고 한다”고 계획을 밝혔다. ▲ 이 교수는 남들보다 조금 더 알고 있는 지식을 나누는 것이 자신의 인생 철학이라고 말했다. 이상경 교수는 현재 벤처회사 ‘시그넷바이오텍’의 대표직을 겸하고 있다. 본 연구 기술을 바탕으로 뇌과학 연구에 특화된 기업으로 성장시키려는 포부도 밝혔다. 한양대 학생들에게도 당부의 말을 전했다. “21세기에는 둥글둥글한(well-rounded) 사람이 필요합니다. 전공 공부보다 더 중요해요. 대학 생활을 하면서 다양한 동아리 활동을 하고, 한양대의 모토인 ‘사랑의 실천’을 배워서 졸업한다면 사회에서 꼭 성공할 것 입니다.” 글/ 유승현 기자 dbtmdgus9543@hanyang.ac.kr 사진/ 이진명 기자 rha925@hanyang.ac.kr

2018-06 19

[학술][우수R&D] 송태섭 교수 (에너지공학과)

식재재를 포장할 때 진공포장 기술을 많이 사용한다. 대기 중 산소의 수분과 식자재가 반응해 음식이 상하거나 신선도가 떨어지기 때문이다. 전자재료도 마찬가지. 산소와 수분의 접근을 차단하기 위한 배리어 필름은 디스플레이, 태양전지 등의 전자재료 분야에서 필수 기술이다. 특히 디스플레이 산업에 사용되는 배리어 필름은 더욱 높은 기술을 요구한다. 이에 송태섭 교수(에너지공학과)와 연구팀은 새로운 배리어 필름 기술 개발에 박차를 가하는 중이다. 배리어 필름(barrier firm), 기체와 수분을 차단하는 보호막 필름 기체 및 수분의 투과를 차단(barrier)하기 위한 배리어 필름 개발 연구는 꾸준히 진행되고 있다. 대표적인 예로 식품 포장용, 진공단열재의 용도로 많이 사용되어 왔다. 디스플레이의 경우 그 소재로 유리기판을 사용하였지만, 경량화가 어렵고 유연성을 부여하기가 어렵다는 단점이 있다. 최근에는 플라스틱 기판이 사용되고 있는데, 플라스틱 기판은 상대적으로 기체 및 수분 투과가 취약하여 디스플레이의 화면 품질에 적합하지 않았다. 이에 송태섭 교수(에너지공학과)는 플라스틱 기판에 기체 및 수분투과 방지막을 도포할 수 있는 ‘유무기 복합소재 코팅액’을 개발해 해결책을 제시했다. ▲ 송태섭 교수(에너지공학과)가 지난 14일 자신의 연구실에서 배리어 필름 연구에 대해 말하고 있다. 최근 양자점 TV의 상용화 및 태양전지, OLED(Organic Light Emitting Diode, 유기발광 다이오드, 형광성 유기화합물에 전류가 흐를 때, 빛을 내는 자체 발광현상을 이용하여 만든 디스플레이) 제품 개발이 가속화되면서, 식품 포장용보다 훨씬 높은 기체 차단성을 요구하는 배리어필름이 요구되고 있다. 이는 기존 식품 포장용 필름을 제조할 때 사용되고 있는 기술로는 구현이 불가능하다. 차세대 제품의 수요에 맞춰 송 교수는 유기물질과 무기물질을 배합한 고정밀 코팅액 제조 기술 연구에 박차를 가하고 있다. ▲ 실제 식품 포장용으로 사용되기 위해서는 수증기 투과율(WVTR)이 102~10-1 g/m2 · day 수준의 차단능력으로 충분했지만, 양자점 TV(Quantum Dots TV)에 적용되기 위해서는 10-4~10-2 g/m2· day 수준의 높은 수분 차단성과 동시에 대면적화, 높은 가시광 투과율이 요구된다. (송태섭 교수 제공) 코팅액 제조 기술은 응집력이 있는 무기 입자를 유기용매에 골고루 분산시키고, 최종적으로 기판 위에 고르게 도포하는 것이 중요하다. 우리가 일부 자외선차단제 제품을 이용할 때, 흔들어 사용하는 이유는 입자가 용매에 골고루 분산되어 있지 못하기 때문이다. 송 교수는 코팅액의 분산성을 향상시키고, 기판 위에 코팅액을 균일하게 도포하는 공정에 초점을 맞췄다. 송 교수가 개발하고 있는 유무기 복합 코팅액을 이용한 배리어필름은 경제성과 대면적화에서 모두 장점을 가진다. 상대적으로 높은 수준의 기체 및 수분 차단성을 가질 뿐만 아니라, 더 저렴한 가격에 대면적 디스플레이 제조공정에도 적용할 수 있다. 현재는 양자점 TV 디스플레이용 보호막으로 배리어 필름이 적용되고 있지만, 앞으로의 차세대 제품군에 있어 플렉시블 디스플레이(flexible display), 태양전지, OLED 등에도 투입될 수 있도록 지속적인 연구개발을 진행할 예정이다. 수많은 시행착오에도 굴하지 않고 송 교수의 주전공은 무기재료 기반의 차세대 이차전지 분야이다. 디스플레이라는 새로운 응용 분야에 대한 생소함이 있었기에 연구에 대한 부담감은 컸다. “공대에서는 다양한 기술 간의 융∙복합이 빈번하게 일어납니다. 우리가 가지고 있던 소재 및 공정기술에 다른 분야의 기술을 접목해, 응용 분야를 확장해 나가는 것이죠.” 이번 배리어필름 연구는 기존의 연구와 핵심기술은 유사하게 하되, 적용 분야를 확장한 사례로 볼 수 있다. 기술의 융∙복합 이외에도 배리어 필름에 대한 연구에는 많은 어려움이 존재했다. “종래에 없던 기술을 새로 개발하는 것이 아니기 때문에, 기존 선행연구의 특허를 피해 제품 개발 전략의 차별성을 부여하는 것이 가장 어려웠죠.” 송 교수가 연구 초반에 부딪혔던 큰 어려움은 국내 및 국외 특허를 피해 기존 기술과의 차이점을 두는 것이었다. 하지만 국내 산업의 기반이 좀 더 탄탄해지고, 경쟁력 있는 고품질의 디스플레이 제품을 개발하기 위해서는 더욱 저렴하고 고성능의 배리어필름 개발이 필수적으로 수반되어야 한다. 그렇기에 그는 무수히 많은 시행착오를 겪으며 더 나은 기술을 위해 매진하고 있다. “학생 여러분들도 넓은 시야를 가지고, 자신의 전공에만 국한하지 않는 학제적인 인재가 되었으면 좋겠어요. 그 재능을 국가와 우리 사회에 환원하고 보탬이 될 수 있는 인재로 성장하길 바라요.” 송 교수가 한양대 재학생들에게 전하고 싶은 메시지다. ▲ 송태섭 교수와 배리어 필름연구를 함께 진행하고 있는 연구팀원들이 실험실에서 포즈를 취하고 있다. 글/ 황유진 기자 lizbeth123@hanyang.ac.kr 사진/ 박근형 기자 awesome2319@hanyang.ac.kr

2018-05 31

[학술]한양대, 국내 최초 드론 실내 군집비행 기술 선보여

한양대학교 5G/무인이동체 융합기술 연구센터가 국내 최초로 드론 실내 군집비행 기술을 선보여 화제다. 5G/무인이동체 융합기술 연구센터는 지난 5월 23일(수)부터 26일(토)까지 서울 코엑스에서 열린 ‘ICT 미래인재포럼 2018’(이하 ITRC 포럼)에서 드론 실내 군집비행을 시연해 많은 관심을 받았다. 군집 드론은 대부분 GPS나 모션 캡처의 동작인식 기술을 채택한다. 하지만 GPS나 동작 인식 기술 없이도 드론에 내장된 센싱과 컴퓨팅 기술을 활용한 실내 자율비행하는 드론 군집 쇼를 국내 최초로 한양대 5G/무인이동체 융합기술 연구센터에서 개발한 것. ▲5G/무인이동체 융합기술 연구센터가 개발한 드론 실내 군집비행 모습. 본 기술은 사용자 기능 추가가 가능한 쿼드콥터 드론에서 수십 센티미터의 정확도로 드론의 위치를 추정한다. 또, WiFi 통신을 통해 실시간으로 상대적인 드론 위치 계산과 드론 군무를 위한 위치 정보를 전송한다. 5G/무인이동체 융합기술 연구센터 관계자는 “개발된 기술은 향후 5G 네트워크와 연계해 다양한 산업 분야에 활용될 수 있을 전망”이라고 밝혔다.

2018-05 27 헤드라인

[학술][이달의 연구자] 고민재 교수(화학공학과) (1)

무한청정 에너지원인 신재생에너지는 꾸준히 발전 중이다. 지구 생태계가 먼 미래까지 버틸 수 있도록 지속 가능한 에너지가 창출돼야만 한다. 고민재 교수(화학공학과) 는 이러한 목표를 갖고 기존의 태양광 에너지와는 다른 ‘차세대 태양전지’를 연구했다. 성능도 좋지만, 가격 또한 합리적이고 심미적이다. 많은 장점을 지니는 차세대 태양전지는 머지않은 미래에 중요 대체 에너지로 주목 받을 전망이다. 더욱 업그레이드 된 태양전지 차세대 연구의 핵심은 태양전지다. 빛을 받아 전기를 발생시키는 소자가 태양전지다. 우리에게 익숙한 태양광 발전은 두껍고 투박하고, 무거운 검은색 실리콘 태양전지를 이용한다. 고 교수는 다른 성격의 태양전지 가능성을 발견했다. 특별한 구조를 갖고 있는 이 태양전지는 유연하게 휘어져서 신체 착장(웨어러블, Wearable)도 가능하다. 이번 연구는 해당 태양전지에 들어가는 신소재를 개발하는 것에 중점을 뒀다. ▲ 지난 24일, 신소재공학관에서 고민재 교수(화학공학과)를 만나 연구에 대한 이야기를 들었다. 이 태양전지에 들어가는 중요 소재는 ‘빛을 훕수하는 소재’와 ‘고속전하전달 소재’다. 고 교수 연구팀은 빛 흡수능력과 전하전달 속도가 뛰어나면서도 안정성이 뛰어는 신소재를 개발하고 이를 값싸게 제작할 수 있는 공정을 개발하였다. 이 소재를 이용한 태양전지는 태양광 외에도 백열등과 형광등 등의 실내등에도 반응해 보다 잠재력이 높다. 투과성이 좋고 다양한 색상 구현이 가능해서 심미적인 면에서도 뛰어나다. 차세대 태양전지는 생산과정 또한 간단하다. 소재 자체가 전지가 되기까지 진공공정과 같은 복잡한 과정을 따로 거치지 않아도 된다. “기존의 실리콘 태양전지를 만들기 위해서는 특별한 장비가 필요해요. 여러 재료들을 합성해야 해서 과정 또한 복잡하죠.” 고 교수는 무겁고, 불투명하고, 실내등이나 흐린 날에는 작동이 안 되는 실리콘 태양전지의 단점을 보완한 것이 차세대 태양전지라 설명했다. ▲ 차세대 태양전지를 응용한 샘플. 노랗고 투명한 바탕에 훈민정음이 덧대어져 있는 것이 바로 차세대 태양전지다. 위에 조그마한 선풍기 날개는 태양전지의 힘으로 돌아간다. 실내등에서도 작동했다. 세계 정상에 서다 그렇다면 차세대 태양전지의 소재는 왜 이제야 발견됐을까? 고 교수는 신소재 발견엔 많은 시간이 필요하다고 답했다. 소재들끼리의 비율을 맞추고, 적정 비율에서 조합을 찾아야 하기 때문이다. 앞으로 고 교수는 차세대 태양전지의 상용화에 힘쓰겠다고 말했다. 전력을 지속적으로 공급받아야 하는 센서와 독립전원으로 우선 이용할 수 있다. 현재 고민재 교수 연구팀에서 보유하고 있는 차세대 태양전지 기술은 세계최고수준으로 평가받고 있다. 고 교수는 개인의 행복을 넘어 사회의 공헌에 연구의 의의를 두었다. “공학도들이 연구를 통해 도출해낸 기술적 결과는 개인적 성취를 넘어서 인류와 사회공동체에 도움이 될 수 있어요. 한양대학교 학생들의 뛰어난 실력에 사회적 책임도 겸한다면 좋겠습니다.” ▲고민재 교수(화학공학과, 가운데)와 연구를 함께하는 김동환(화학공학과 13, 오른쪽) 씨, 그리고 유용석(화학공학과 석사과정,왼쪽) 씨가 실험실에서 함께 포즈를 취하고 있다. 글/유혜정 기자 haejy95@hanyang.ac.kr 사진/강초현 기자 guschrkd@hanyang.ac.kr

2018-05 21

[학술]고민재 교수, 태양전지 전극용(用) 신소재 개발

▲고민재 교수 고민재 화학공학과 교수가 나노구조의 코발트 질화물(窒化物)을 차세대 태양전지의 전극에 적용시키는 방법을 개발했다. 코발트 질화물은 태양전지 전극으로 사용되는 기존 소재들에 비해 저렴해 태양전지의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다. 유·무기 화합물을 이용한 염료감응 태양전지와 페로브스카이트 태양전지는 기존에 사용해 오던 실리콘·박막형 태양전지에 비해 상대적으로 저렴해 차세대 에너지원으로 주목받고 있다. 하지만 이러한 태양전지들에도 일부 값비싼 물질이 사용되고 있기 때문에 상용화를 위해서는 이를 대체할 신소재의 개발이 필수적이다. 염료감응 태양전지는 상대전극에 고가의 백금 촉매가 들어간다는 점이, 페로브스카이트 태양전지는 정공수송층으로 사용되는 고분자 물질이 금이나 백금 이상으로 비싸거나 산성을 띠어 전지의 성능을 떨어뜨린다는 점이 큰 걸림돌이었다. 이를 대체하기 위해 다양한 탄화물, 질화물, 황화물들이 개발됐지만 합성 시 독성가스를 이용한 고온 열처리 과정이 필요해 제조공정의 경제성이 떨어지고 환경문제를 야기한다는 단점이 있었다. ▲코발트 질화물 나노필름을 상대전극으로 사용한 염료감응 태양전지의 모식도 (좌) 및 이를 구부러지는 염료감응 태양전지로 확장하여 적용한 모습 (우) 이번 연구의 핵심은 염료감응 및 페로브스카이트 태양전지에 사용되는 고가의 물질들 대체하면서도 높은 성능을 유지할 수 있는 코발트 질화물 전극을 개발하고, 이를 상온의 친환경 공정을 통해 제조할 수 있도록 한 점이다. 고 교수는 이번 연구에서 개발한 코발트 질화물을 염료감응 태양전지의 상대전극에, 페로브스카이트 태양전지의 정공수송층에 사용했다. 그 결과 염료감응 태양전지의 경우, 에너지 변환 효율이 백금을 사용한 경우와 유사하게(약 97%) 유지되는 것을 확인했다. 또한 페로브스카이트 태양전지의 경우, 질화물을 정공수송층으로 사용할 수 있다는 것을 세계 최초로 선보였을 뿐만 아니라 15%의 높은 에너지 변환 효율을 얻는 데 성공했다. 또한 플라스틱 소재 기판을 이용한 코발트 질화물 전극을 제조해 휘어지는 태양전지에 적용함으로써 상온 공정의 장점을 입증했고, 향후 웨어러블 디바이스(wearable device) 적용 가능성을 제시했다. ▲코발트 질화물 나노필름을 휘거나 구부릴 수 있는 페로브스카이트 태양전지의 정공수송층으로 사용한 모습(좌) 및 이로부터 얻어진 전류-전압 곡선(우) 고 교수는 “이번 연구를 통해 기존 무기화합물 기반의 전극 제조과정을 개선할 수 있을 것으로 예상한다”며 “또한 질화물을 페로브스카이트 태양전지의 정공수송층으로 적용할 수 있다는 것을 세계 최초로 보여줌으로써 태양전지 전극재료 개발의 지평을 넓힐 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다. 이번 연구는 미래창조과학부와 IBS 기초과학연구원 지원을 받아 성영은 서울대 교수, 최만수 서울대 교수, 호서대 김재엽 교수 연구팀과 함께 진행됐다. 연구결과는(논문명 : Room-temperature vapor deposition of cobalt nitride nanofilms for mesoscopic and perovskite solar cells) 세계적인 학술지 「Advanced Energy Materials」 5월 4일자 앞표지 논문으로 게재됐다.

2018-05 13

[학술][우수R&D] 천병구 교수(물리학과) (1)

지난 4월 고에너지물리 국제공동실험연구팀 ‘벨’(Belle)은 우주 탄생의 비밀을 알기 위해 ‘벨-II 업그레이드 실험’(이하 벨-II 실험)을 시작했다. 25개 국가, 750여명의 물리학자가 참여한다. 천병구 교수(물리학과)는 1995년부터 이에 앞서 ‘벨 실험’에 참여했다. 2008년에는 물질과 반물질의 비대칭성 문제를 밝히는데 기여해 세계적으로 권위 있는 과학 저널 ‘네이처’(Nature)에 논문을 게재했다. 현재 ‘벨-II 실험’으로 새로운 물리현상을 파헤치기 시작했다. 벨 실험에서 벨-II 업그레이드 실험으로 천 교수는 우주가 어떻게 발생하고 진화했는지 연구한다. 미시세계를 다루는 입자물리학을 적용한다. 입자물리학은 물리학의 한 분야로 소립자의 특성과 상호작용을 이해하려는 분야다. 소립자는 원자보다 작은 입자로 물질을 이루는 가장 작은 단위의 물질이다. 내부구조가 없다. ‘소’는 ‘작다(小)’가 아니라 ‘기본이 된다(素)’는 뜻이다. 미시세계의 현상을 관찰함으로써 우주의 근원을 찾을 수 있다. ▲ 지난 11일 천병구 교수(물리학과)를 연구실에서 만났다. 천 교수가 벨-II 업그레이드 실험(이하 벨-II 실험)에 대해 설명하고 있다. 10년 전, 천 교수는 벨 실험으로 물질과 반물질의 비대칭성 관계를 규명했다. (지난 기사 보기 - 천병구(물리) 교수, 우주 탄생 비밀 발견) 우주 대폭발(Big-Bang) 이후 물질과 반물질이 만들어졌다. 현재 반물질은 사라지고 물질만 남아 우주를 구성하고 있다. 천 교수는 일본 고에너지가속기연구기구(KEK)에서 건설한 ‘KEKB 입자가속기’(이하 KEKB) 실험을 통해 반물질이 왜 사라졌는지 밝히는 증거를 찾았다. 벨 실험은 2009년 6월 종료했다. 지난달 25일에 벨-II 실험이 개시했다. 21세기 초, 입자물리학을 지탱하고 있던 ‘표준모형’으로 설명할 수 없는 현상이 관찰됐다. 중성미자 질량의 존재다. 중성미자는 전기적으로 중성이며 질량이 0에 가까운 소립자다. 우주에 존재하는 암흑 물질과 암흑 에너지의 근원도 알려지지 않았다. 표준모형은 중력을 제외한 그 외 힘인 강력, 약력, 전자기력의 상호작용을 통해 미시세계를 기술한다. 2010년부터 천 교수는 더 완전한 비표준 모형을 찾기 위한 벨-II 실험을 준비했다. ▲ 지난 4월 25일, 벨-II 실험에서 처음으로 획득한 전자-양전자 충돌 Event Display (출처: 천병구 교수) 우주 탄생의 근원을 찾아서 기존 벨 실험으로는 표준모형을 벗어나는 물리 현상의 증거를 관측하지 못했다. 물리 데이터 양이 부족했기 때문이다. 벨-II 실험에서는 벨 실험 50배 이상의 데이터 수집을 계획하고 있다. 기존의 KEKB보다 휘도(광원의 단위 면적당 밝기의 정도)가 훨씬 높은 ‘SuperKEKB 입자가속기’(이하 SuperKEKB)를 사용한다. 7개 종류의 검출기가 SuperKEKB의 전자와 양전자 충돌 지점을 둘러싸고 있다. 현미경 역할을 하는 검출기는 가속기에서 나오는 신호를 저장해 분석한다. 성공적인 실험을 위해서는 정교한 트리거 시스템(trigger system)이 필요하다. 매초 50억개의 전자와 양전자가 충돌한다. 대부분의 불필요한 충돌 사건은 제거하고 3만개의 가치있는 물리 사건만 선별해야 한다. 천 교수는 “전자기 열량계를 이용한 트리거 시스템의 전체 디자인, 초고속 전자회로 장치의 R&D, 양산, 설치 및 시스템 보정 작업을 한양대가 독자적으로 완수했습니다. 지난 4월 벨-II 실험이 개시되는데 결정적 역할을 해서 큰 자부심을 가지고 있습니다.”라고 말했다. ▲ 천병구 교수가 벨-II 실험의 필요성에 대해서 설명하고 있다. 전세계적으로 표준모형을 넘어서는 새로운 물리 현상을 찾기 위한 고에너지 물리 실험들이 진행 중이다. 유럽원자핵공동연구소(CERN)의 LHC(Large Hadron Collider) 실험은 13테라전자볼트(TeV)의 높은 에너지로 양성자들을 충돌시킨다. 반면 벨-II 실험은 초고휘도로 전자와 양전자를 충돌시켜 희귀 현상을 발견하려고 한다. 두 실험은 상호 보완의 관계에 있다. 물리 현상을 관측하려는 방법은 다르지만 우주를 알고자 하는 마음은 하나다. 지구 밖으로, 우리나라 밖으로 천 교수는 벨-II 실험을 통해 새로운 물리 현상 관찰에 힘쓰고 있다. 앞으로 10년의 긴 여정이 예상된다고 한다. 많은 양의 물리 데이터를 수집해 분석해야 하기 때문이다. 지구로 날아 오는 초고 에너지 우주선(ultra high energy cosmic ray; UHECR) 관측을 위해 TA(Telescope Array) 우주선 실험에도 참여한다. 최근 TA 실험에 의하면 알려진 발생원이 아닌 부분의 우주 영역(Hot-spot region)으로부터 오는 UHECR이 발견 됐다고 한다. 입자천체물리학 분야에서 큰 흥미를 끌고 있다. “벨-II 실험은 분명 새로운 물리현상 발견에 있어 최선두 주자입니다.” 천 교수는 벨-II 실험이 물리학 분야에 새로운 패러다임을 제시할 것으로 기대한다. 입자물리학은 우주의 근본 원리를 알고자 하는 인류의 지적 호기심 해소에 크게 기여했다. 이 뿐 아니다. 실험 장치 및 데이터 분석 연구로 인류의 실생활에 큰 업적을 세웠다. 인터넷의 효시인 WWW(월드와이드웹)을 만들었다. CT, PET 등 의료 장치 기술에 응용됐고, 인공지능에 활용되는 딥 러닝 연구에도 접목되고 있다. ▲ 인터뷰를 마친 천병구 교수가 포즈를 취하고 있다. “입자물리학 실험분야에서 우리나라 발전에 공헌하는 학생들을 많이 배출하고 싶습니다.” 천 교수는 제자 육성에도 힘쓴다. 졸업한 학생들이 해외 대학 연구소, 국립암센터 등 많은 연구 기관에서 근무하고 있다고 한다. 물리학이 내용 자체는 순수 학문이지만 R&D(연구개발)에 있어서는 언제나 유용하게 사용할 수 있기 때문이다. “우리나라에서 모든 삶을 영위할 것이 아닙니다. 세계로 시야를 넓히세요.” 글/ 유승현 기자 dbtmdgus9543@hanyang.ac.kr 사진/ 강초현 기자 guschrkd@hanyang.ac.kr

2018-05 08

[학술][우수R&D] 배지현 교수(의류학과)

스마트 폰, 스마트 워치, 스마트 의류. 사람들은 편리하고 효율적인 삶을 위해 새로운 것을 추구한다. 구글은 스마트 옷감을 만드는 ‘프로젝트 자카드’를 통해, 지난해 9월 27일 스마트 재킷을 출시했다. 단순히 옷감을 건드리기만 해도 음악 재생, 전화 통화 같은 기능을 실행할 수 있다. 옷감의 실이 움직임을 인식하는 센서 역할을 하기 때문이다. 올해 시작한 배지현 교수(의류학과)의 연구도 이런 웨어러블(wearable, 입을 수 있는) 센서다. 지난 4일, 배 교수를 사무실에서 만났다. 웨어러블 센서를 연구하다 배지현 교수는 유연성과 전도성을 가진, 생체정보를 감지할 수 있는 직물 센서를 연구한다. 그는 이해를 돕기 위해 한 장갑을 꺼내 들었다. 편직물(뜨개질 한 것처럼 만들어진 천)로 만들어진 평범한 장갑. 하지만 검지와 중지의 일정 부분은 다른 재질로 돼 있다. “원사에 은을 코팅한 거예요. 이 부분만 전기가 통하죠. 전도성 실이기 때문에 실 자체가 센서 역할을 합니다.” 장갑센서는 여러 가지로 활용 가능하다. 수화를 하면 센서가 손가락의 움직임을 파악해 기기에 글자를 입력하는 기술이 그 예다. ▲ 지난 4일 배지현 교수(의류학과)를 그의 사무실에서 만났다. 배 교수가 직접 센서가 달린 장갑을 착용해보이며 웨어러블 센서에 대해 설명하고 있다. 센서는 인장, 압력, 터치, 온도와 같은 외부압력에 대한 정보를 모바일 디바이스와 연결한다. 웨어러블 센서를 착용한 사람은 기기를 통해 자신의 상태를 쉽게 알 수 있다. 특히 건강관리를 위한 웨어러블 센서가 배 교수의 목표다. “파킨슨병을 앓는 환자들은 병이 진행되면서 서행을 합니다. 신발에 센서가 있다면 보폭과 속도를 측정해서 미리 병을 예측할 수 있죠. 움직임을 감지해서 미리 처방을 받을 수 있다면 외부의 도움 없이도 회복이 가능합니다.” 웨어러블 센서는 일반인에게도 적용할 수 있다. 트레이너 없이 혼자 운동을 할 때, 자신의 동작이 잘못되면 알림이 가는 것이다. 고령화 시대로 접어들면서 복지에 대한 문제가 대두되고 있다. 배 교수는 자신이 연구하는 센서가 사회적 약자를 위해 쓰였으면 한다. “자금도 부족하고 건강도 좋지 않은 독거 노인, 사회적 약자분들의 복지에 힘이 됐으면 좋겠어요.” 웨어러블 센서는 개인적인 건강관리가 수시로 가능하다는 장점을 갖고 있기 때문이다. 다만 그가 걱정하는 것은 가격. “센서가 있는 제품도 저렴한 가격으로 판매해야 해요. 평범한 신발이 1만원이라고 가정하면, 센서가 부착된 신발은 1만 2000원 정도여야 하죠.” ▲ (a) 정도성 섬유를 적용하여 제작된 장갑 센서의 모습이다. (b) 손가락의 움직임에 따른 전기 저항값을 나타낸 그래프. 움직임이 클수록 저항값의 변화량이 크다. (c) 수화 동작 감지 시스템을 시연하는 모습. (출처: 배지현 교수) 융합하고 소통하다 배 교수는 지난 3월에 이 연구를 시작했다. 하지만 우리대학에 임용되기 전에도 웨어러블 형태의 소자(장치, 전자 회로 따위의 구성 요소가 되는 낱낱의 부품)를 개발하는 팀에 들었던 적이 있다. “섬유공학을 전공하고 전자회사에서 일했어요. 자연스레 전기, 기계가 관련된 일과 제 분야를 융합해서 보게 됐죠.” 자신과 다른 분야에 있는 사람의 지식을 융합한다면 큰 시너지 효과를 낼 수 있다. 웨어러블 센서도 같은 선상에 있다. 생체정보를 감지하는 기술, 정보를 기기로 옮겨 착용자에게 제공하는 데이터는 전기전자 전공자가 맡는다. 하지만 그 외에 센서로 만드는 실 제작이나 옷의 신축성 및 디자인 고려는 섬유를 공부한 사람이 할 수 있는 분야다. 웨어러블 센서라는 목표에 도달하기 위해서는 서로 다른 분야의 정보를 받아들이고 소통할 준비가 돼 있어야 한다. 섬유로 할 수 있는 모든 것이 연구대상 같이 연구하는 학부생은 2명. “아무래도 의류학과 학생들에게 전자와 ICT쪽은 생소하죠. 대학원에서 전기전자와 관련한 의류 수업도 하지만 관심을 보이는 학생이 적어요.” 연구 진행에 어려움을 겪고 있기 때문에 타대학 교수들과 협력하기도 한다. 현재 연구는 센서의 소재에 집중하고 있다. “자체적으로 전기적 특성을 낼 수 있는 섬유, 전기 방사를 통해서 전도성 고분자를 만드는 연구 그리고 옷을 자주 세탁해도 전도성 고분자를 섬유에 부착할 수 있는 염색공정도 진행 중입니다.” ▲ 배지현 교수(의류학과)의 웨어러블 센서 연구는 아직 초기 단계다. 사회적 약자를 위해 웨어러블 센서를 연구하는 배지현 교수. 연구에 대한 그의 열의는 계속된다. 건축에도 관심이 많다. 섬유를 기반으로 만드는 건축이다. 방탄, 불연(불에 타지 않음) 기능의 직물소재로 지은 건물은 안정성 면에서 우수하다. 또 쉽게 짓고, 쉽게 철거 할 수 있다. 건축재료인 섬유는 바람에 진동하기도 한다. “섬유가 자체적으로 바람에너지를 저장해 전기적인 효율을 낼 수 있습니다.” 섬유라는 자기 기반을 가진 배교수의 열의는 웨어러블 연구와 함께 계속된다. 글/ 옥유경 기자 halo1003@hanyang.ac.kr 사진/ 이진명 기자 rha925@hanyang.ac.kr