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2018-02 07

[학술][우수 R&D] 상병인 교수(화학공학과)

지구온난화 가속화에 큰 원인이 되는 이산화탄소(CO₂). 온실가스로 분류돼 있는 이산화탄소의 배출량을 줄이기 위한 연구와 대책들이 쏟아지고 있다. 잠재적인 해결책으로 지목되는 신재생에너지의 개발이 이뤄지고 있는 가운데, 한양대 상병인 교수(화학공학과)는 신재생에너지가 갖는 한계점을 고려해 신기술을 고안해냈다. ‘파워 투 가스(Power to Gas)’라 불리는 이 기술은 전력을 가스로 변환시키며 이산화탄소 감소 및 안정적인 에너지 공급에 기여한다. 이산화탄소를 메탄가스로, ‘생물학적 메탄화 시스템’ 이산화탄소를 줄이기 위해 기존에 제안됐던 방법 중 하나는 ‘포집과 저장’이다. 발전소에서 나오는 이산화탄소를 잡아 땅 속이나 바다 속에 저장한다는 의미다. 흡착제 역할을 하는 기술을 이용해 이산화탄소를 달라붙게 하고, 탱크에 연결해 탈착시키는 것이 포집과 저장의 주 원리인데, 비용이 조 단위로 들만큼 비싸다. 또한, 지질학적인 이유 때문에 진행하기가 힘들다는 것이 상병인 교수(화학공학과)의 설명이다. 최근 정부에서는 오는 2030년까지 우리나라의 전체 전기량의 20퍼센트를 신재생에너지로부터 가져오겠다는 ‘3020 정책’을 발표했다. 하지만 신재생에너지의 공급은 불안정하다. “신재생에너지 발전소는 막대한 면적을 필요로 하고, 태양광 같은 경우에는 낮과 맑은 날에만 발전이 돼요. 풍력 또한 마찬가지로 바람이 불 때 에너지 생산이 이루어지죠.” 신재생에너지의 한계점을 보완하기 위해 상 교수는 잉여 신재생에너지를 이용해 물을 수소와 산소로 전기 분해 후, 이산화탄소와 수소를 합쳐 메탄가스를 만드는 방안을 마련했다. ‘생물학적 메탄화 시스템’이라고도 불리는 이 원리는 신재생에너지의 불균형을 해소하고 이산화탄소 배출을 감축하기 위해 개발됐다. 즉, 생물학적 메탄화 시스템은 전력에서 가스를 생산하는 ‘Power to Gas’ 기술과 같다. ▲생물학적 메탄화 시스템이 작동되는 원리를 보여주는 표 (출처: 상병인 교수) 그렇다면 왜 메탄가스로 배출시키는 것일까? “수소도 자체적인 에너지원으로 쓰일 수 있어요. 하지만 수소는 저장성이 떨어진다는 약점이 있죠. 그렇기 때문에 고가의 탱크가 필요하지만, 도시가스로도 사용되는 메탄가스는 따로 저장탱크가 필요 없어요. 땅 속 90퍼센트 정도가 도시가스 저장소이기 때문이죠.” 저장된 메탄가스는 도시가스는 물론, 압축천연가스(CNG, Compressed Natural Gas)와 액화천연가스(LNG, Liquefied Natural Gas)로도 활용이 가능하다는 장점이 있다. 메탄가스를 생산하는 미생물 생물학적 메탄화 시스템에서는 미생물(Hydrogenotrophic Methanogen)이 중대한 역할을 맡는다. 물에서 자라는 이 미생물들은 30℃~40℃사이에서 자라는 ‘중온균’과 50℃~60℃사이에서 자라는 ‘고온균’으로 종류가 나뉜다. 특별한 먹이 없이 이산화탄소와 수소만 먹는 미생물들은 메탄가스를 생산해내는 특이점이 있다. 또한, 산소를 만나면 죽는 특성을 갖고 있다. ▲”오는 2022년까지는 전체 전기의 10퍼센트를 신재생에너지로부터 가져와야 할 거에요. 하지만 태양광과 풍력은 변수가 많아 지속성이 떨어진다는 것이 문제입니다.” 상병인 교수(화학공학과)는 에너지 안정화에도 도움이 되게끔 연구를 진행했다. 상 교수는 미생물들의 엄격한 선별과정에 대해서도 설명했다. “우리나라에는 화산 지대가 많지 않기 때문에, 고온성 미생물을 찾아보기가 힘들어요. 그래서 중온성 미생물들 중 고온에서 견디는 것만 골라냈어요. 그 다음, 이산화탄소와 수소만으로도 살아남는 것들만 골라냈습니다.” 선별된 미생물들은 현재 메탄가스를 성공적으로 생산해낸다. 물론 지속적으로 개량도 필요하다. 상 교수는 “전기만 먹는 미생물로 개량하는 것이 궁극적인 목표"라며 "지금은 수소가 비싸기 때문에 수소를 적게 먹이는 방법을 계속 찾고 있다.”고 말했다. 무결점의 에너지 시스템으로 거듭나도록 지난 2004년부터 연구를 진행해온 상 교수는 빠른 시일 내에 상용화가 될 것이라고 말했다. “한국과학기술연구원에 있을 당시, 이산화탄소 배출 문제가 큰 화두가 되지 않은 때여서 지지를 받지 못했었어요. 지금은 이산화탄소 문제의 심각성을 모두가 인지하고 있기 때문에 새로운 에너지 사업의 필요성이 커졌습니다.” 한국전력공사와 함께 진행하는 이 연구는 올해와 내년에 한국전력공사 실험실 내부와 중랑하수처리장에서 시험 시범을 행할 예정이다. ▲이번 연구에 함께한 대학원생들. 상병인 교수는 "이번 연구는 모두의 노력으로 이뤄낸 것"이라고 말했다. 글/ 유혜정 기자 haejy95@hanyang.ac.kr 사진/ 이진명 기자 rha925@hanyang.ac.kr

2018-01 31 헤드라인

[학술][이달의 연구자] 홍진표 교수(물리학과)

손가락에 ‘스마트 반지’를 끼우면 수면시간과 신체 변화를 알 수 있다. 이렇듯 신체 착용 가능한 제품을 ‘웨어러블 기기(wearable device)’라 한다. 시장조사업체 IDC는 웨어러블 기기의 2021년 출하량이 올해 대비 2배 가까이 커질 것으로 전망했다. 장치의 수요가 증가함에 따라 에너지 사용량이 늘어나면서, 에너지를 발생시켜 효율적으로 저장할 수 있는 기술에 대한 필요성도 커졌다. 또한 디자인 변형이 자유로운 웨어러블 전자소자에 대한 관심이 증폭됐다. 이에 홍진표 교수(물리학과)는 신체의 움직임을 통해 에너지를 발생시킬 수 있는 ‘1차원 섬유 소재 기반 에너지 생산 소자’를 개발했다. ▲홍진표 교수(물리학과)를 지난 25일 연구실에서 만났다. ‘1차원 전도성 섬유 실 기반 에너지 수확 기술’을 개발하다 이번 연구의 핵심은 ‘1차원 전도성 섬유 실’을 이용하는 것이다. 기존 웨어러블 소자 연구에서는 2차원 섬유 소자를 이용했지만, 디자인 제약이 많고 에너지 효율이 균일하지 않다는 문제점이 있었다. 이를 극복하기 위해 홍 교수는 세계 최초로 1차원 전도성 섬유 실을 기반으로 다양한 나노 구조물 성장 및 기능화를 이뤄냈다. 또한 '고분자 폴리머' 소재를 인위적으로 제어해 마찰개념을 도입한 새로운 에너지 발생 소자를 개발했다. 각각의 1차원 전도성 실들은 의복화 패키지 기술을 접목한 스마트 옷으로 제작시, 신체의 움직임으로 인한 표면 마찰 현상을 통해 200V 정도의 전압을 발생시킬 수 있다. 홍 교수는 두 물질 사이의 표면적을 넓히는 동시에 발생 전하량을 확대함으로써 에너지 변환 효율을 높였다. 물론 작고 가는 1차원 섬유 실에 용액 공정을 통하여 나노구조물을 넣는 것은 쉬운 일이 아니었다. 마찰이 생기면 실이 끊어질 수 있고, 가닥의 개수에 따라 에너지량이 달라질 수 있기 때문이다. 홍 교수는 이번 연구를 통해 이 문제점을 극복하는 기술과, 가닥의 개수에 따라 에너지량을 인위적으로 제어하는 기술을 확보했다. 겹겹이 층을 쌓아보고, 전기가 균일하게 발생될 수 있는지 구부림을 측정하는 등 다양한 시도를 거친 결과물이었다. ▲(왼쪽부터) 1차원 섬유소재의 구부림을 측정한 결과와 1차원 섬유소재의 신뢰도를 측정한 결과다. (출처: 홍진표 교수) 웨어러블 소자 연구는 현재 진행형 이번 연구는 기존 ‘2차원 섬유 소자’의 한계점과 문제점을 모두 극복하기 위해 2차원 섬유 대신 ‘1차원 섬유 소재’에 인위적인 기능을 부과하는 신개념을 도입했다. 궁극적으로는 2차원 및 3차원의 의복화 기술을 접목해 고효율의 에너지 생산 소자를 구현하는 것 목표다. 이러한 신개념 에너지 생산 소자는 현재 사용되고 있는 유선 전원 공급이나 충전 방식을 대체해 시공간 제약을 넘어 전선 없이(Wireless), 언제 어디서나 인체의 움직임으로 자가 발전이 가능한 ‘차세대 에너지 생산 소자’라고 할 수 있다. ▲표로 정리한 이번 연구의 개요 (출처: 홍진표 교수) 홍 교수는 “현재는 ‘1차원 전도성 섬유 실’을 통해 발생된 소자와 에너지를 함께 1차원 섬유 실에 저장하는 일을 연구하고 있다”고 말했다. 저장하는 방법으론 우리가 흔히 아는 보조배터리와 함께 ‘슈퍼 커패시터(Supercapacitor)’가 있다. 슈퍼 커패시터는 커패시터(축전기)의 성능 중 특히 전기 용량의 성능을 강화한 것으로서, 홍 교수는 이를 중점적으로 연구했다. 보조배터리는 용량이 크지만 반응속도가 느린 데 비해 슈퍼 커패시터는 용량은 작지만 반응속도가 빠르다는 점을 이용한 것이다. 인체의 움직임으로 에너지를 저장하기 위한 연구의 특성상, 사람들의 움직임을 빠르게 저장하는 것에 주안점을 뒀다. 최종목표를 향해가다 홍 교수의 최종목표는 1차원 전도성 섬유 실로 에너지를 생성하고 저장한 뒤, 그 에너지를 가지고 IOT(Internet of Things, 사물인터넷) 센서 등을 독립적으로 작동하는 것이다. 사물인터넷은 사물에 센서를 부착해 실시간 데이터를 인터넷으로 주고 받는 기술이나 환경을 일컫는 말로서, 홍 교수는 1차원 섬유 실 기반으로 IOT에 부합하는 다양한 환경 센서 및 바이오 센서 제작을 계획하고 있다. 궁극적으로는 차후 ‘1차원 섬유 소재 기반 에너지 발생-저장-IOT 센서 일체화’ 기술로 활용할 계획이다. 또한 홍 교수는 현재의 연구 성과가 섬유산업, 의학, 전자산업 분야 등 다양한 분야에 중요한 변화를 일으킬 것이라고 말했다. “소방관 안전복에 화재 현장의 온도와 유독가스를 측정하는 센서를 부착하고, 소방관의 움직임으로 전기를 발생시켜 센서 장치의 유지를 돕는 세상이 올 것입니다. 새로운 에너지가 산업에 미치는 영향은 지대할 것으로 예측하고요.” 글/ 정민주 기자 audentia1003@hanyang.ac.kr 사진/ 이진명 기자 rha925@hanyang.ac.kr

2018-01 08

[학술][우수 R&D] 김상욱 교수(소프트웨어학과)

더 빠르게, 더 정확하게. 컴퓨터 분야에서 신기술이 나올 때마다 쓰이는 단골 문구다. 과거 빌게이츠는 “640KB면 누구에게나 충분하다”고 했다. 1981년 IBM PC를 발매하며 했던 말인데, 당시 시중에 나오던 애플II나 코모도어64 같은 8비트 컴퓨터의 64KB에 비하면 큰 용량이긴 하다. 물론 지금은 유머로 쓰이는 말이다. 최근에는 1KB의 십억배가 넘는 1TB 메모리도 시중에서 판매된다. 그리고 이 안에는 엄청나게 많은 데이터가 담긴다. 자연스레 처리속도의 중요성도 커졌다. 김상욱 교수(컴퓨터소프트웨어학부)는 지도학생들과 함께 수많은 양의 데이터 곧 빅데이터를 위한 정보처리 기술을 연구하고 있다. 최근에는 처리 속도 및 분석의 정확도에 관해 주목할 만한 성과를 보여 국제 학계에서도 주목받았고, 관련 공로를 인정받아 지난 2017년 12월 '국가연구개발 성과평가 유공포상' 수여식에서 대통령 표창을 수상했다. ▲ 김상욱 교수(소프트웨어학과)는 빅데이터의 처리와 관련해 여러 연구를 수행중인 학자다. 김 교수를 지난 5일 그의 연구실에서 만났다. 정보 처리에 필요한 연산을 정보에 맞게 적용시키다 컴퓨터과학 분야에서, 그래프(graph)는 정보를 표현하는 중요한 자료구조이다. 일반적으로 자료를 보여주는 그래프와는 다르다. 주로 이산 수학 분야에서 쓰이는 꼴로, 이는 노드(node)라 불리는 점과 그 점들을 연결하는 선(edge)이 중요한 형태다. A, B, C, D, E라는 다섯 개의 노드가 있다면, 이들 각각의 관계가 선으로 연결되거나 끊어져 있거나 하는 꼴이다. 또한 이를 수학적으로 표현하기 위해 행렬(matrix)이 활용된다. 이렇게 변환된 정보들은 여러 수학적인 연산을 통해 유의미한 결과를 얻어낼 수 있으며, 이에는 수많은 관련 기술들이 사용된다. 김상욱 교수 연구실은 특히 SNS와 블로그 등의 플랫폼 데이터를 처리하기 용이한 방법을 연구해 개선안을 찾았다. 이들의 특징이라면, 행렬로 변환 시 그 밀도가 매우 낮다는 점이다. 구체적으로는 단위마다 특정 구간에만 유효한 정보가 존재한다. 김 교수는 이 과정에서 생기는 병목(bottleneck) 현상을 지적했다. “페이스북을 예로 들면, 수천만 개가 넘는 계정 중 다른 계정과 갖는 관계의 수는 대부분 몇 천 개를 넘지 않습니다. 이조차도 극소수를 제외하곤 수백 개 수준이 대부분이죠.” 유의미한 해석을 위해서는 각 행과 열이 수천만 개가 되는 행렬들끼리 곱해야 하는데, 저 탓에 병목 현상이 발생한다. 병목 현상이 생기는 이유를 알려면 간단한 연산 과정을 알 필요가 있다. 한때는 컴퓨터에서 CPU(중앙 처리 장치)를 위주로 사용했는데, 현재는 대부분의 데이터센터에서 GPU(그래픽 처리 장치)를 함께 사용해 연산 속도를 높였다. GPU가 CPU와 달리 갖는 강점이 병렬연산이다. 명령 한 번에 GPU 속 수천 개의 코어(Core, 연산 기본 단위)가 연산을 처리해 CPU와 비교도 안되게 빠르다. 그런데 한 번의 명령마다 모든 코어가 일을 마칠 때까지 다른 코어들도 대기한다. 기존에 GPU 개발사 등에서 제작한 소프트웨어는 행렬 속 대부분의 값이 0이 아닌 ‘일반적인’ 경우에 최적화 돼있다. 그래서 행렬의 곱연산 시 병목 현상을 피할 수 없었는데, 김 교수 연구팀에서 대기 시간을 크게 줄인 방법을 찾았다. “컴퓨터 처리 속도가 빨라지는 이상으로 처리할 정보도 많아지는데, 주로 쓰일 환경에서 효율적인 방법을 찾았다는 점이 의미 있죠.” ▲ 김상욱 교수가 연구한 내용을 적용하면 GPU에서 일어나는 연산 처리 시간을 획기적으로 줄일 수 있다. (출처: 김상욱 교수) 정보 자체를 저장하고 읽는 속도도 연구, 개선하다 정보들로 이뤄진 그래프의 크기는 무척 크다. 읽어 들이는 과정조차 상당히 시간이 걸린다. 이에 쓰이는 소프트웨어를 ‘그래프 엔진’이라 하는데, 김 교수는 최근 보다 효율적인 그래프 엔진도 연구했다. 그리고 이를 ‘현실세계의 그래프를 잘 반영한다’는 의미로 ‘Real Graph’라 이름 붙였다. 동시에 발생하는 ‘핵심 이슈’는 데이터 저장 방법이다. 그 큰 크기의 정보를 저장할 때 기존에는 별다른 가공 없이 저장하곤 했다. 김 교수는 각 정보를 저장할 때 저장하는 위치에 대한 약간의 재배열을 통해 처리속도의 큰 개선을 할 수 있다는 것을 발견했다. “같은 내용의 정보 더미를 저장 위치 배열만 바꿔 분석 알고리즘을 처리하니, 매우 큰 성능 개선을 보이더군요. 결국엔 정보의 특성을 잘 파악하여, 최적의 저장 위치를 파악한 후 재배열해서 저장함으로써 시스템 차원에서도 속도를 크게 개선할 수 있다는 거죠.” 그래서 김 교수는 어떤 배열이 효율적인지 시행착오를 반복했다. 수 차례의 시도 끝에 그래프에서 높은 상관관계를 보인 정보끼리 묶는 방법을 찾아내 높은 처리 속도를 이끌어냈다. 현실 세계의 정보가 어떤 형태인지 알았기에 가능한 일이었다. ▲ 그래프를 저장하는 과정에서 몇 가지 단계를 선행해 이후 분석시 속도를 높일 수 있다. (출처: 김상욱 교수) 데이터 저장, 처리, 분석 모두 알았기에 이룬 성과 김상욱 교수의 연구는 이처럼 데이터의 저장, 처리하는 시스템 분야에만 한정되지 않는다. 이를 기반으로 데이터를 분석하는 데이터 마이닝 분야도 김 교수의 주력 연구다. 그렇기에 시스템 분야 연구에도 이를 적극 활용한다. 이번 성과도 실제 수집되는 데이터를 분석해본 경험 덕에 이뤄낼 수 있었다. “시스템 분야 연구만 했다면 시스템 차원에서 빠르게 하는 방법만 연구했을 거예요. 그런데 실제 데이터가 어떤 형태인지 봐왔으니 적합한 방법을 찾을 수 있었죠.” 얼핏 당연한 얘기지만, 이런 성과들은 한두번의 시도로 이뤄지지 않았다. 직관적으로 옳은 방법을 적용해도 실제로 성능 향상이 이뤄지지 않는 경우도 많이 발생한다. “그렇지만 그런 실패를 반복하면서 더 좋은 방법 발견에 다가가는 거죠. 대학원생의 경우 실패에 얻는 정신적 타격이 클 수 있는데, 이를 잘 극복하면 실패하지 않은 것보다 더 좋은 역량을 얻을 수 있는 기회가 됩니다. 이러한 것을 잘 느끼게 해 주는 지도교수가 되고 싶어요.” ▲ 김상욱 교수는 "연구자는 본디 시행착오가 되게 많기 마련인데 같이 연구한 학생들이 단기적 실패에 너무 좌절하지 않았으면 한다"고 말했다. 글/ 이상호 기자 ta4tsg@hanyang.ac.kr 사진/ 강초현 기자 guschrkd@hanyang.ac.kr

2018-01 03

[학술][이달의 연구자] 윤정모 교수(경제금융학부)

소가(訴價)가 2000만 원 이하인 소액 사건과 소가가 2억 원 이내인 사건의 처리 기간은 평균 2년 2개월. 기나긴 판결과정 속에 소송을 제기하는 원고와 당하는 피고 사이의 갈등은 깊어져만 간다. 정작 2년 2개월이라는 시간 동안 해결되지 못한 사건들이 많다는 것도 문제다. 이런 상황에서 한국과 미국에서는 소송 건수가 급증하고 있다. 전체 소송을 줄이되, 그 중에서 원고가 승소할 가능성이 높은 소송을 살려 소송의 ‘질’을 높이자는 목소리가 커지는 가운데, 윤정모 교수(경제금융학부)는 이 문제를 경제학적 측면에서 접근했다. 소송 비용, 누가 부담해야 하나 윤 교수가 연구에서 초점을 맞춘 것은 바로 ‘소송 비용을 누가 부담하느냐’다. 소송 비용을 부담하는 방식에는 두 가지가 있다. 바로 패소한 사람이 부담하는 ‘패소자 부담 원칙’(English Rule)과 각자 부담하는 ‘아메리칸 룰(American Rule)’이다. 한국 같은 경우는 패소자가 사건의 원인제공을 했기 때문에 패소자 부담 원칙이 지켜지고 있다. 하지만 상황에 따라 여러 가지 예외 또한 인정이 된다. 윤 교수에 따르면, 경제학 모델은 패소자 부담 원칙을 긍정적으로 바라보고 있다고 한다. “패소자 부담 원칙을 적용하면, 원고가 승소했을 때 피고로부터 받는 판결 금액과 승소 금액이 높아진다는 것이 교과서적인 결론이에요.” ▲단순한 의문에서 시작된 연구. 윤정모 교수(경제금융학부)는 법경제학 이론을 전문으로 하는 공조자와 함께 궁금증을 공유하며 연구에 시동을 걸었다. 이제껏 연구된 실증분석 결과로는, 패소자 부담 원칙을 택해야 소송의 ‘질’이 높아진다. 여기서 질 높은 소송이란 원고가 이길 때와 보상을 많이 받을 때를 일컫는다. 경제학 이론에서 보면, 패소자 부담 원칙을 따를 경우 중간에 합의를 보는 비율은 낮아진다. 더 많은 소송이 재판 끝까지 가게 되는 것이다. 이로 인해 소송의 질적인 가치가 높아지는 것은 좋지만, 윤 교수는 그로 인해 올라가는 개인적이고 사회적인 비용을 따져야 한다고 지적했다. 그렇게 패소자 부담 원칙의 효율성과 효과에 윤 교수는 의문점을 제기했다. 새로운 방법론으로 연구하다 연구 진행에 필요한 가장 좋은 방법론은 ‘패소자 부담 원칙’과 ‘각자 부담 원칙’을 1:1로 직접 비교하는 것이지만, 하나의 소송 사례가 두 가지 비용 부담 원칙하에서 다루어지지는 않기 때문에, 1:1의 비교는 어려웠다. 대신, 윤 교수는 같은 주에서 일어난 사례들을 비교연구했다. 그는 지난 1980~85년 미국 플로리다 주의 소송 사례들을 계량적으로 분석했다. 지난 1980년까지 플로리다는 각자 부담 원칙을 시행했지만, 그로부터 5년간 패소자 부담 원칙으로 바꿨다. “하지만 플로리다 주는 다시 각자 부담 원칙으로 돌아갔어요. 5년 동안 패소자 부담 원칙으로 해보니, 안 좋았던 거죠. 미국에서는 보험회사가 보험연합회에 데이터를 보고해야 하는 의무가 있기 때문에, 데이터를 구할 수 있었어요.” ▲그래프 (a)와 (b)의 선명한 선은 ‘아메리칸 룰’에 의한 결과를 나타낸다. 회색으로 표시된 부분은 ‘패소자 부담 원칙’하의 결과를 나타낸다. (c)와 (d)는 그 반대다. 그래프 (a)는 소송 보상금, (b)는 소송 비용, (c)는 합의 건수, 그리고 (d)는 합의 비용을 보여준다. 하지만 2년간 진행된 이 연구의 특이점은 한기지 수치로 표현된 결론이 없다는 것이다. 예전 연구들에서는 수치와 통계로 패소자 부담 원칙이 효과가 있다는 것을 보여줬다면, 윤 교수는 그 수치가 여러 가정 하에 바뀐다는 사실을 전제로 했다. 따라서, 여러 시나리오를 통해 최고와 최악의 상황을 계산했다. “결국 알아낸 사실은, ‘우리가 아는 것이 생각보다 적다’라는 것이었어요. 패소자 부담 원칙이 알려진 것처럼 무조건 좋은 것이 아니고, 이런 결론을 내는 것에 있어 우리가 조심스러워해야 할 필요가 있다는 걸 알려주고 싶었습니다.” 결론만 쫓지 말아라 “회의감이 굉장히 컸어요. 결론이 없어서 논문이 끝이 안 나기도 하고, 결론이 있는데 재미가 없어서 끝이 안 나기도 하죠. 스스로한테 의심이 생기기 마련이에요.” 윤 교수는 웃으며 자신이 느꼈던 회의감에 대해 얘기했다. “경제학이라는 학문은 뚜렷한 결과를 내지 못할 때가 꽤 있어요. 공부를 하면서 결론이 없다고 의의를 못 찾게 되면 슬럼프가 오기 쉽죠.” 하지만 윤 교수는 줄곧 해온 경제학 공부와 연구를 포기하지 않았다. 박사 과정을 끝낼 무렵 찾아간 지도교수님과 ‘열심히’ 하기로 한 약속 때문이다. 연구나 공부에 회의감이 들어도, 그 약속이 떠올라 포기하지 않는다는 것이 장기적인 목표인 윤 교수는 또 하나의 법경제학과 계량경제학의 이론이 적용된 연구를 진행하고 있다. 연구의 정답이 없더라도, 그의 도전은 계속된다. ▲”요즘 학생들을 보면 다 열심히 하고, 잘 해요. 한 가지 걱정은 다 비슷한걸 하려 한다는 것뿐이에요.” 윤 교수는 학생들이 많은 것을 시도해 봤으면 하는 바람을 나타냈다. 글/ 유혜정 기자 haejy95@hanyang.ac.kr 사진/강초현 기자 guschrkd@hanyang.ac.kr

2017-12 05

[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) (1)

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 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

2017-10 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

2017-09 27

[학술][이달의 연구자] 김선정 교수(전기생체공학부) (1)

지구가 우리에게 제공해주는 자원과 에너지는 무한하지 않다. 이에 따른 에너지 부족 문제를 해결하기 위해 태양광과 풍력 에너지 등의 신재생 에너지 연구가 이뤄지고 있다. 이러한 가운데, 김선정 교수(전기생체공학부)가 속한 한양대와 텍사스주립대학을 주축으로 3개국 8개팀이 차세대 신소재인 탄소나노튜브를 꼬아 새로운 개념의 실을 개발했다. ‘트위스트론 실(Twistron Harvester Yarn)’로 불리는 이 기술은 전기 에너지를 영구적으로 직접 생산하는 능력을 갖고 있기 때문에 새로운 차원의 신재생 에너지로 주목 받고 있다. 트위스트론 실을 만들어내는 탄소나노튜브 지난 2006년부터 2015년까지 생체인공근육연구단의 연구를 수행했던 김 교수는 외부에서 가하는 에너지로만 움직일 수 있는 인공근육의 한계를 느꼈다. 그러던 중 김 교수는 실험과정에서 우연히 인공근육으로부터 발생하는 자체적인 에너지를 감지했다. “처음에 감지된 에너지를 보고 ‘이게 왜 나올까’ 고민을 많이 했어요. 같이 연구를 하던 학생들에게 ‘잘못된 거다, 다시 해보자’라고 했지만, 또다시 에너지가 생산 되는 것을 봤어요. 그렇게 연구가 시작된 거죠.” ▲김선정 교수가 과학 분야에서 세계 최고권위지인 사이언스(Science)에 실린 이번 연구 내용을 설명하고 있다. 트위스트론 실은 탄소 6개로 이루어진 육각형들이 연결된 신소재인 탄소나노튜브로 구성된다. 탄소나노튜브는 굵기가 사람의 머리카락의 10만분의 1정도로 굉장히 얇고, 속은 비어 있는 튜브 형태의 물질이다. 주목할만한 점은 탄소나노튜브의 강도가 철강보다 무려 100배나 뛰어나다는 것이다. 전기 전도도는 구리와 비슷하다. 현재 탄소나노튜브는 반도체, 배터리, 그리고 텔레비전 디스플레이에 이용되는 기술이다. 트위스트론 실은 고강도, 고경량의 용수철 형태로서, 탄소나노튜브를 번들로 꼬아 만들어졌다. 에너지를 생성하는 원리는 매우 간단하다.“신축성을 주기 위해서 용수철처럼 만들었어요. 꼬아서 만들었기 때문에 이 실은 회전도 할 수 있고, 잘 늘어나기도 하죠.” 신축성이 높은 해당 실을 잡아 당기면, 꼬임과 밀도가 증가하고, 부피는 줄어들면서 전하가 방출된다. 결과적으로 전하가 모이게 되면서, 실에 저장된 전기가 전기 에너지로 방출 되는 것이다. 마찬가지로 전해질 속에서 수축, 이완하거나 회전운동을 할 때도 에너지가 발생한다. 기존의 배터리와는 달리, 트위스트론 실에서 생성된 에너지는 반영구적이고, 무제한이다. ▲’트위스트론 실’의 주사전자현미경 사진. 용수철 모양으로 꼬여 있는 것을 볼 수 있다. 이 실 하나는 탄소나노튜브로만 이루어져 있다. (출처: 김선정 교수) 무궁무진한 발전에 기여할 것 한번에 대량의 에너지를 무제한적으로 생산할 수 있다는 점과 외부의 에너지를 공급받을 필요가 없다는 점이 이번 연구의 우수함이다. 트위스트론 실을 초당 30회 정도의 속도로 잡아당겼다 놓으면 킬로그램당 250와트, 즉 태양광 패널 한 개의 에너지를 생산할 수 있다. 또한, 잡아당기는 행위로만 에너지를 생산할 수 있기 때문에 실용화가 된다면 활용 가능성도 높다. 자가구동 무선센서, 해양에서 대량 전기생산, 그리고 휴대폰과 드론의 배터리로 쓰일 수 있을 만큼 이 기술은 유용하다. 하지만 실용화까지는 좀 더 기다려야 한다. “아직은 탄소나노튜브가 굉장히 비싸요. 그래도 수요가 늘어나면 시장 원리에 의해서 가격이 저렴해질 수 있을 거예요. 이후 개인들이 트위스트론 실 기술을 고가의 의료, 헬스기기로 만나볼 수 있을 겁니다.” 트위스트론 실의 또 다른 장점은 우리가 알고 있는 일반 실과 비슷한 성질을 지닌다는 것이다. “일반 실처럼 부드럽고, 심지어 바느질도 가능합니다. 특수성을 띤다는 점에서만 차이를 보이는 것이죠.” 김 교수는 실이 옷감으로 쓰일 수 있다는 점을 참고해, ‘웨어러블 디바이스(Wearable Smart Device)’를 강조했다. “’트위스트론 실’을 이용해 만든 옷을 입고 다니면, 사람들은 그 옷으로부터 생성된 전기를 이용해 스마트폰을 언제든지 충전할 수 있어요. 귀걸이와 같이 착용되는 액세서리 또한 IoT(사물인터넷) 기술을 사용하는 하나의 IT기기로 탈바꿈할 수 있습니다.” ▲옷에 트위스트론 실을 꿰매서 붙인 상태로, 사람이 호흡을 할 때 마다 실로부터 전기 에너지가 생성되는 것을 알 수 있다. (출처: 김선정 교수) 트위스트론 실의 실용화를 위해 김 교수는 “자신이 좋아하는 분야에서 항상 새로운 것을 시도해 나가는 것이 중요하다”고 말했다. 앞으로는 트위스트론 실의 실용화에 전념할 계획이라는 김 교수. “탄소나노튜브를 이용한 인공근육 실의 신재생 에너지 가능성을 보여준 것이 이번 연구의 핵심이라고 생각합니다. 이제는 ‘트위스트론 실’과 탄소나노튜브 기술을 더욱 저렴하고, 효율적인 기술로 발전해나가는 연구를 꾸준히 진행할 예정입니다.” ▲세계 여러 사람들과의 협업을 거친 이번 연구 성과에 대해 김 교수는 뿌듯함을 드러냈다. “저자들이 서로 주고받은 이메일에 있던 수많은 ‘Many Thanks’가 이번 성과의 과정을 말해주는 것이 아닐까요?” 글/ 유혜정 기자 haejy95@hanyang.ac.kr 사진/ 김윤수 기자 rladbstn625@hanyang.ac.kr