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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

2017-08 31

[학술][이달의 연구자] 현성협 교수(관광학부)

쓰레기를 찾아볼 수 없는 방바닥, 가지런히 정리된 분리배출 쓰레기들. ‘내가 사는 환경’을 더럽히려고 애쓰는 사람은 찾아보기 힘들다. 개인차가 있겠지만, 누구나 청결하고 깨끗한 집을 원한다. 하지만 내가 사는 환경을 벗어나 공공장소나 외국이라면 어떨까. 엘리베이터에 굴러다니는 쓰레기나, 외국 관광지에 한글로 적힌 낙서를 떠올리면 그 차이를 쉽게 알 수 있다. 현성협 교수(관광학부)는 이런 차이에 주목해 '외부 장소에서도 개인 공간에서만 보여주는 환경보호 행동을 이끌어 낼 수 있는 미래지향적 연구'를 제시했다. 내 집은 깨끗하게, 내 집 아니면 나몰라라 현 교수는 연구를 시작하기에 앞서 한가지 질문을 던졌다. '나와 관련된 환경은 누구나 깨끗한 상태를 유지하려고 노력한다. 그렇다면 나와 관련되지 않은 환경에서도 동일한 노력을 할 것인가?' 정답은 `아니다`로 볼 수 있다. 사람들은 자기와 상관없는 환경에 대해서는 보호를 잘 하지 않을 뿐더러, 청결 유지에 대한 자각조차 못하는 경우가 대다수다. 현 교수는 나와 관련되지 않은 환경에 대해 외부인이 얼마나 무감각해질 수 있는지를 연구했다. “누구나 환경보호를 해야 한 다는 걸 알고 있습니다. 집에서 분리수거, 물 절약, 재활용은 다들 잘하고 있지만, 외부장소인 공공장소, 나아가 외국의 경우엔 ‘나의 환경’이라고 생각하지 않아요. 내 집, 내 나라가 아니니까 상관없다고 여기면서 무감각해지는 거예요.” 이러한 무감각에 휩쓸리지 않고 일관된 행동을 하는 사람들을 현 교수는 분석했다. “낯선 외부에서도 환경보호를 이끄는 요인은 무엇인가. 그 요인을 알아내면 공공장소에서 환경보호에 신경 쓰지 않는 사람들의 행동을 바꿀 수 있는 계기가 되는 겁니다.” ▲지난 8월 28일 연구실에서 진행된 인터뷰에서 현성협 교수(관광학부)는 자신과 무관하더라도 환경을 보호하는 사람들이 영향을 받은 요인에 대해 연구를 진행했다고 이야기했다. 정기적인 교육이 환경을 살린다 현 교수가 논문에 실린 결과를 얻기 위해 보낸 시간은 약 3년. 연구에만 1년 반이 걸렸다. “처음 1년은 조사에만 매진했어요. 직접 박물관에 가서 321명의 관광객들을 관찰하고, 인터뷰했습니다. 공대, 환경전문가들과 면접하고 자문도 구했고요. 기존 논문들 역시 많이 읽었습니다.” 실제로 설문지를 작성하고 조사 장소에서 인터뷰하는 과정만 3~6개월이 걸렸다. 토대를 쌓아 올리는 데 6개월이 걸린 셈이다. 하지만 조사가 끝났다고 모든 게 끝난 건 아니었다. 조사한 것을 토대로 분석, 통계를 거쳐 결과를 도출하는 데 다시 6개월이 소요됐다. “시간이 정말 오래 걸렸어요. 학생들 가르치랴, 행정 문서 처리하랴, 시간을 쪼개서 밤 늦게까지 해야 한다는 점이 가장 힘들었네요.” 연구 분석 결과, 박물관과 같은 외부의 공공장소에서도 환경적인 요소를 신경 쓰게 하는 요인은 크게 다섯 가지로 나뉘었다. “나와 무관한 환경에서도 일관적으로 환경보호를 실천하는 사람들이 있어요. 일관된 행동을 하는 요소를 크게 다섯 가지로 분석할 수 있습니다.” 일관적인 사람들의 행동요인에는 '1.환경에 대한 전문지식 2.환경의 가치인식 3.환경에 대한 우려 4.경각심 5.자기 효능감'이 영향을 주는 요인으로 꼽혔다. 그중 환경에 대한 전문지식이 가장 큰 영향 요인이라고 현 교수는 덧붙였다. “전문지식이 많을수록 일관된 행동으로 환경을 보호할 확률이 높았어요. 본인이 하는 행동이 환경에 어떤 영향을 미치는지 자세히 알고 있기 때문이죠.” 결과적으로, 환경보호에 대한 사람들의 일관적인 태도를 형성하기 위해서는 환경에 대한 지속적인 교육 방책을 마련하는 것이 중요하다. 아울러 관광업은 고수익성을 보장하는 융복합 산업이다. 이번 연구 결과는 관광산업에서 나타나는 문제점을 짚어내고 관광업계가 나아갈 미래의 방향성을 제시했다는 점에 의의가 있다. ▲EV는 환경의 가치 인식(Environmental Value), EC는 환경에 대한 우려(Environmental Concern), EA는 환경에 대한 경각심(Environmental Awareness), EK는 환경에 대한 전문지식(Environmental Knowledge), S는 자기 효능감(Self-efficacy)으로, 이 다섯 가지 요인이 낯선 환경임에도 불구하고 일관된 환경보호를 실천하는 행동을 하게끔 영향을 미친다. (출처: 현성협 교수) 자부심, 자신감으로 파급 효과를 일으켜라 현 교수는 이번 연구의 주제를 예전부터 쭉 생각해왔다고 했다. “자문이나 평가인단 역할로 관광지나 부산 국제 영화제, 올림픽 등 관광객들이 몰리는 장소를 갈 때마다 항상 생각을 해요. 오염이 너무 심해요. 사정을 잘 모르는 일반 관광객들은 앞의 화려한 모습만 보시겠지만, 저희는 그 뒷면을 봅니다. 화려한 모습을 유지하기 위해 오염되는 환경이 어마어마해요.” 현 교수는 화려한 관광산업의 앞면에만 치중하지 말고 뒷면을 항상 염두에 두어야 한다고 역설한다. “그 화려한 2~3주 동안 만들어지는 쓰레기들은 어디로 갈까요? 다 환경으로 가는 거죠.” 현 교수는 이번 연구 결과에 만족하지 않고, 또 다른 환경과 관광이 얽힌 이슈를 찾아 연구를 진행할 계획이다. “정책적으로도 고민을 해볼 수 있겠죠. 관광객들이 관광지를 방문했을 때, 어떤 식으로 행동을 유도해야 환경오염이 덜 될지, 어떤 요인을 자극해야 관광지의 환경을 보존할지. 적용할 방도는 많아요.” 같은 분야에 관심을 갖고 있는 학생들에 대한 조언도 잊지 않았다. “관광학은 융합 학문입니다. 다른 학문들과 아주 밀접하게 연관이 되어있고, 경제적인 파급효과도 큰 미래지향적인 학문입니다. 공부할 것도 많고, 연구할 것도 많을 겁니다. 하지만 과감하게 해보세요. 미래의 관광산업을 이끌 수 있는 인재가 될 수 있도록, 자부심과 자신감을 가지고 도전하세요!” ▲현성협 교수는 학생들을 향해 관광학에 대한 자부심과 자신감을 가지고 과감하게 도전하라는 조언을 남겼다. 글/ 채근백 기자 cormsqor12@hanyang.ac.kr 사진/ 최민주 기자 lovelymin12@hanyang.ac.kr

2017-07 31

[학술][이달의 연구자] 김은규 교수(물리학과)

탈원전이라는 키워드가 부각되면서, 다른 신재생에너지로 원자력발전을 대체할 수 있는지가 중요해졌다. 이와 별개로, 재생에너지인 태양광에너지에 대한 과학자들의 연구는 예전부터 꾸준히 진행됐다. 다양한 종류의 태양전지가 연구되는 와중에, 2010년대 들어 연구 중인 페로브스카이트(Perovskite) 태양전지가 급격한 효율상승을 보이고 있다. 가장 최신 연구에 우리대학 김은규 교수(물리학과)가 참여해 이 태양전지의 효율을 높이는 방법을 찾아냈다. ▲지난 25일 자연과학대에 있는 연구실에서 김은규 교수(물리학과)를 만나 이번 성과에 대해 들었다. 다양한 소재로 개발된 다양한 태양전지 모든 빛은 에너지를 갖고 있다. 특히 태양광의 경우 상당한 양의 에너지를 보유하고 있다. 생명이 처음 생겼을 무렵부터 식물은 광합성을 통해 태양광에서 에너지를 얻었다. 사람 또한 오래전부터 태양에서 오는 에너지를 사용했지만, 태양열이 아닌 태양광을 이용한 것은 그리 오래되지 않았다. 터빈을 이용해 전류를 얻는 태양열 전지와는 달리 태양광 효과는 광기전효과(photovoltaic effect)라는 미시 단계의 복잡한 물리 효과를 활용하기 때문이다. 1839년 프랑스의 물리학자 에드먼드 베크렐이 세계 최초로 태양광 발전에 쓰이는 태양전지를 발명했다. 이후 알버트 아인슈타인, 얀 코흐랄스키 등의 과학자들의 연구를 통해 태양전지가 발전해왔다. ▲NERL(미국 재생에너지연구소)가 내는 태양전지 관련 효율표로 붉은 테두리로 표시된 점이 KRICT/UNIST가 이번에 김은규 교수가 공동 연구한 태양전지를 나타낸다. 최근 몇년 간 급속한 효율 상승을 보였다. 김 교수와 함께한 이번 연구를 통해 처음으로 이유를 밝혀냈다. (출처: NERL) 현재는 여러 기업과 대학의 연구소에서 태양전지를 연구 중이다. 초기 연구자들은 주로 실리콘을 이용해 태양전지를 만들었다. 현재는 실리콘 외에도 여러 소재를 이용한 태양전지들을 개발했고, 각 연구소에서 개선하는 중이다. 여전히 실리콘 소재의 태양전지가 제일 좋은 효율을 보이지만, 매우 높은 개발 단가로 인해 우주선 등에만 쓰인다. 결정구조 내 결함 줄이는 방법 찾아 효율 높였다 김은규 교수가 이번에 연구한 태양전지는 페로브스카이트라는 독특한 결정구조를 갖는다. 페로브스카이트 물질은 러시아 과학자 페로브스키를 기념하여 명명한 구조체다. 유기 양이온과 무기 양이온, 산화물을 포함한 음이온이 각 꼭짓점과 변의 중앙, 모서리에 위치한 특별한 구조의 물질이다. 특히 무기물과 유기물이 결합한 ‘무·유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지’의 경우 국내 연구진인 KRICT(한국화학연구원)와 UNIST(울산과학기술원)의 연구를 통해 발전효율을 20.0%까지 높인 상태였다. 김 교수는 양자 구조에 대한 이해도를 인정받아 이번 연구에 참여했다. 기존 연구진은 무·유기 하이브리드 페로브스카이트 소재를 통해 태양전지의 효율을 높이는데 주력했다. “지난 5년 동안 페로브스카이트 소재 태양전지의 효율은 급격히 높아졌어요. 헌데 이 급격한 상승의 원인이 무엇인지 알지 못했죠.” 태양전지를 합성하는 기술은 계속 발전했지만, 기술의 근본적인 원리를 알지 못했다. 때문에 그들은 김 교수에게 공동연구를 제안했다. “저희 연구실의 핵심 기술 중에 ‘DLTS’(Deep-Level Transient Spectroscopy)라는게 있어요. 깊은 준위 내의 결함 상태를 찾는 기술인데 국내에서 손꼽히죠.” 깊은 준위 불순물로도 불리는 이 결함은 반도체를 제작하다 보면 생길 수 있는 결함이다. 이 내부 결함이 있으면 전류가 흐를 때 내부에서 재결합이 일어나 에너지 변환에 손실이 생길 수 있다. “저희 연구실에서 샘플을 받아 DLTS를 측정했어요. 예상했던 대로 효율이 좋은 쪽이 결함도 적었죠. 구체적으로 효율과 결함의 비율을 비교 계산했더니 정확히 맞아떨어졌습니다.” 김 교수가 수행한 연구를 통해, 이번에 제어한 결함상태가 태양전지 효율에 큰 영향을 준다는 사실이 밝혀졌다. 이어지는 연구서도 해내겠다 “이제 시작입니다. 이번에 제어한 결함 외에도, 전지 제작시 여러 종류의 결함이 형성되죠. 이들 또한 제어할 수 있는 방법을 찾아낼 것 입니다.” 이번 연구는 그 효율을 인정받아 <사이언스>에 실렸으며, NERL(미국 신재생에너지연구소)에서 내는 이번 연구를 통해 효율을 많이 끌어올렸지만, 아직 출발 단계라고 김 교수는 말한다. 벌써 이번 연구에 참가한 이들과 만나 후속 연구 계획을 논의했다고. 또한 김 교수는 “이번 연구에서 우리 연구실이 가진 DLTS 방법이 큰 역할을 했다”며 “후속 연구서도 가진 지식을 통해 개발 중인 태양전지를 알고 개선하는데 일조하겠다”는 자신감을 비쳤다. ▲이어질 후속 연구에서도 김은규 교수의 역할은 크다. 김 교수에게서 축적된 지식의 자신감이 엿보였다. 글/이상호 기자 ta4tsg@hanyang.ac.kr 사진/김윤수 기자 rladbstn625@hanyang.ac.kr

2017-07 03

[학술][이달의 연구자] 장건희 교수(기계공학부)

현대인의 서구화된 식습관, 운동 부족, 흡연 및 음주 등에 의한 혈관계 질환의 심각성이 대두되고 있다. 이러한 혈관계 질환은 주로 심혈관계, 뇌혈관계, 말초혈관계 등에서 경화증이나 협심증, 폐쇄증 형태로 발병한다. 기존에는 혈관 문제를 치료하기 위해 ‘카테터’라는 긴 호스를 혈관에 삽입하는 혈관 중재 시술이 주로 사용돼 왔다. 하지만 이런 시술은 과정 자체가 복잡하고 긴 시간이 걸리며, 성공 여부가 시술자의 경험과 감각에 의존한다는 등의 문제가 있었다. 이에 따라, 장건희 교수(기계공학부)는 자기장으로 구동 가능한 마그네틱 로봇(Magnetic robot)을 통해 좀 더 정확하고 정밀한 치료 시스템을 고안해 냈다. 외부자기장을 통해 움직이는 마그네틱 로봇 기존의 ‘카테터’를 이용한 혈관 중재 시술은 카테터의 위치를 확인하기 위해 매 순간마다 X-ray를 찍어야 했다. 이 과정에서 의사들은 X-ray에 지속적으로 노출되어 방사선에 피폭되고 이로 인해 각종 질병 발병률이 증가했다. 환자들 역시 긴 시술 시간으로 많은 회복 시간을 필요로 했고, 시술 중 외부 감염에 의한 부작용 위험이 존재했다. 이러한 문제들을 해결하기 위해 개발된 것이 외부자기장으로 구동되는 마그네틱 로봇(Magnetic robot)이다. 마그네틱 로봇은 내부에 위치한 자성체를 이용하기 때문에 외부자기장으로 무선 구동이 가능하며, 외부자기장에 의해서 밀고 당겨지는 자기력과 같은 방향으로 정렬하려는 ‘자기토크’를 통해 다양한 운동을 생성한다. 이 때 외부자기장을 생성하는 것이 전류가 흐르는 전선으로 이루어진 전자기 구동 시스템(Magnetic Navigation System)이다. 이 장치는 장 교수가 자체 개발한 장치로 세계적으로 가장 출력이 높고, 기존의 장치들이 구현할 수 없는 회전자기장을 고속으로 발생시킬 수 있다. 그렇다면 전자기 구동 시스템은 어떻게 회전자기장을 고속으로 발생시킬 수 있을까? 먼저 기존에는 전기 시스템의 자속 변화를 방해하는 인덕턴스(Inductance) 효과 때문에 회전자기장을 제대로 만들기가 어려웠다. 하지만 장 교수는 이번 논문에서 공진 주파수(Resonant frequency)를 이용해, 주파수가 변하더라도 자동적으로 저항의 세기가 최소가 되고 자기장의 세기가 최대로 유지될 수 있는 이론과 시스템을 개발했다. “자기장을 마음대로 컨트롤 할 수 있다면, 마그네틱 로봇 역시 원하는 대로 움직일 수 있습니다.” ▲ 이번 연구에 참여한 이원서(융합기계공학과 박사과정, 왼쪽부터) 씨와 장건희 교수(기계공학부) 그리고 남재광(융합기계공학과 박사과정) 씨가 직접 개발한 전자기 구동 시스템 앞에서 포즈를 취했다. ▲ 마그네틱 로봇(Magnetic robot)은 내부에 위치한 자성체를 이용하기 때문에 외부자기장으로 무선 구동이 가능하다. (출처: 장건희 교수) 추후 인체 적용 가능성을 엿보다 이러한 마그네틱 로봇(Magnetic robot)의 구동 체계에는 여러 종류가 있는데, 그 중 자주 쓰이며 유명한 것으론 헬리컬 로봇(Helical robot, 나선형태의 구동체계)과 크롤링 로봇(Crawling robot, 무한궤도 형태의 구동체계)이다. 그리고 현재 장 교수는 헬리컬 로봇 보다는 크롤링 로봇에 좀 더 집중하고 있다. “사람의 혈관엔 피가 흐르기 때문에, 원하는 위치에 정지하기 위해선 나선형 로봇보다는 기어가는 로봇이 인체에 더 적합하죠.” 이처럼 전자기 구동 시스템과 자성체가 탑재된 마그네틱 로봇을 이용하면, 마그네틱 로봇을 원하는 방향으로 이동시켜 막힌 혈관을 드릴과 같이 뚫어내고 뚫어낸 부분을 유지할 수 있는 장치인 스텐트를 무선으로 전달할 수 있다. 그리고 현재는 약물을 뿌리는 마그네틱 로봇까지 연구가 진행됐다. 즉, 이처럼 전자기 구동 시스템은 마그네틱 로봇을 복잡한 경로의 말초 혈관까지 단시간에 정밀하게 진입 가능하도록 해 시술 과정을 간소화하고 시간을 감소시키며 외부에서 조작하기 때문에 방사선으로부터 시술자를 보호할 수 있다. 하지만 이러한 마그네틱 로봇이 실용화 되기 위해서는 빠르면 6~7년, 늦으면 10년은 걸릴 것이라는 게 장 교수의 생각이다. “의료 분야는 실용화 되기까지 시간이 꽤 걸리는 편입니다. 현재는 유리관을 통해서만 확인을 했기 때문에, 올해 하반기부터 심장내과 교수들과 함께 동물 실험을 진행할 계획입니다.” 또한 추후 연구가 더 잘 진행되기 위해서는 의사들과의 협업 관계 역시 중요하다. “사람의 생명과 관련된 일이기 때문에 아무래도 신뢰성과 안정성을 확보하는 것도 중요하다고 봅니다.” ▲ 장건희 교수는 10여 년 전 어머니의 심장 혈관 수술을 계기로 그 후 이번 연구에 관심을 갖게 됐다고 말했다. 차세대 공학도들에게 고함 마지막으로 장 교수는 공학을 전공하는 학생들에게 당부의 말도 잊지 않았다. “공학은 뛰어난 머리보다 끈질긴 노력을 필요로 합니다. 뛰어난 머리를 가지면 좋겠지만, 그것이 아니더라도 결국 노력하는 사람이 성취하는 법이죠.” 또 장 교수는 우리 대학 학생으로서 자부심을 가지고 열심히 연구에 임할 것을 부탁했다. “’우리가 못하면 아무도 못한다’는 마음가짐이라면, 무엇이든 할 수 있다고 생각합니다.” 글/오상훈 기자 ilgok3@hanyang.ac.kr 사진/ 김윤수 기자 rladbstn625@hanyang.ac.kr

2017-05 31

[학술][이달의 연구자] 최동호 교수(의학과)

간은 신장과 더불어 우리나라에서 두 번째로 많이 이식 받는 장기다. 매년 1000 건 이상의 간이식 수술이 시행된다. 그런데 간을 이식하고 나면 간과 십이지장을 잇는 것이 필요하다. 이를 '담도'라 하는데, 기존에는 담도를 제작하기 어려워 짧은 채로 이을 수 밖에 없었다. 이번에 최동호 교수(의학과)가 연구한 인공 담도 제작 기술을 통해 이를 극복할 수 있게 됐다. 3D프린터를 이용한 관 제작 담관이라고도 불리는 담도는 담즙이 흐르는 길이라는 뜻에서 그 이름이 붙었다. 담즙이 간에서 분비되면 담도를 타고 십이지장으로 흘러 들어간다. 담즙은 혈액 내 노폐물을 배출시키는 데에도 쓰이며, 십이지장에서 지방이 흡수되는 것에도 큰 도움을 준다. 이토록 중요한 담즙이 운반되는 담도인데, 여러 이유로 담도가 유실되는 경우가 있다. 기존에는 사람마다 필요한 모양도 다르고 그 모양이 매우 복잡해 간과 십이지장을 가까이 붙이는 등의 방법으로 이를 해결해야 했다. ▲CT 등을 이용해 얻은 형태를 CAD로 구현, 3D 프린터로 제작해 원하는 형태의 담도를 만들 수 있다. (출처: 최동호 교수 논문) 최동호 교수 연구팀은 3D 프린터를 사용해 문제를 해결했다. 의학용 3D프린터로 모형을 제작한 후, 담도 세포를 만들 수 있는 줄기세포를 모형에서 배양해 뒤덮게 만든다. 그 후 모형을 제거하면 만들고자 한 형태의 담도가 제작된다. 최 교수 연구팀은 토끼의 담도를 제작해 이식하는 실험을 통해 만들어진 담도의 활용성을 확인했다. 최 교수는 “이제 담도에 문제가 생겼을 때 새로이 이식 할 수 있게 됐다”며 이번 연구의 의의를 밝혔다. 가족에도 이식할 수 있는 세포 만들어야 한다 최동호 교수는 외과 전문의로서 수십년을 살아왔다. 현재 연구 중인 인공 간은 외과의로서 간 이식 수술을 하면서 필요성을 느꼈다. “간 이식을 수술을 위해서는 기증받은 간이 필요해요. 혹은 인공적으로 간을 만들어야 하는데, 현재도 그렇지만 기증받은 간도 부족해 인공 간을 만드는 연구를 시작하게 됐죠.” 이번에 연구한 인공 담도 역시 이러한 인공 간 연구의 연장선상에 있다. 또한 최 교수는 우리 대학 내에 ‘HY 인당 재생의학 줄기세포연구센터’라는 교책연구센터를 만들어 다양한 분야의 교수들과 함께 인공 간을 연구하고 있다. ▲최동호 교수(의학과)는 "인공 간을 위해 수십년을 연구해 왔다"며 "주위 사람에게도 이식할 수 있는 안전한 장기를 만들겠다"는 포부를 밝혔다. “긴 세월 연구했는데 그 결실이 조금씩 다가오고 있어요. 여태까지 깜깜한 곳을 걸어가는 기분이었는데, 이제 빛이 보이는듯 하죠.“ 아직까지는 인공 간 기술이 효율적이지 않아 상용화되진 않았다. 하지만 머지않아 간 이식 외에도 다양한 분야에 인공 간을 쓸 수 있게 될거라 최 교수는 말한다. “인공 간이 있다면 환자에게 이식할 수도 있고, 그 환자에게 특정 약을 투여했을 때 반응을 인공 간을 통해 확인할 수 있어요. 필요 시에는 혈액 투석기에도 쓸 수 있고. 하는 일이 많기에 만들 수 있다면 쓰임새도 많습니다.” 앞으로의 연구를 통해 간 관련 기술을 선도해가겠다는 것이 최 교수의 다짐이다. 글/이상호 기자 ta4tsg@hanyang.ac.kr 사진/문하나 기자 onlyoneluna@hanyang.ac.kr