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2018-12 10 중요기사

[학술][이달의 연구자] 선양국 교수(에너지공학과)

심각한 환경문제로 인해 에너지 저장 장치(전지) 개발은 전세계적인 화두다. ‘리튬 이온 전지’는 휴대용 전자기기 및 전기 자동차의 주된 에너지 저장원으로 사용된다. 그러나 리튬 사용량 증가로 인해 향후 리튬의 제한된 보급률 및 급격한 가격 상승이 예상돼 리튬을 대체할 수 있는 신규 에너지 저장 장치 개발이 시급한 실정이다. 현재 선양국 교수(에너지공학과) 연구팀은 ‘소듐’에 이어 ‘포타슘 이온 전지’ 소재를 활용한 새로운 에너지 저장 장치 합성 방법을 실험 중에 있다. 신 에너지 저장 장치 ‘포타슘 이온 전지’ 선양국 교수(에너지공학과)와 황장연 박사(에너지공학과)가 연구 중인 ‘포타슘 이온 전지’는 포타슘 이온을 포함하는 고전위 산화물 기반 양극, 포타슘 이온을 저장하는 저전위 탄소 기반 음극, 그리고 포타슘 이온을 전달하는 비수용액계 전해질과 분리막으로 구성돼 있다. 포타슘은 풍부한 매장량과 낮은 환원 전위 특성을 가진다. 리튬을 사용할 때와 충∙방전 매커니즘이 비슷해 현재 보편적으로 사용하는 리튬 이온 전지보다 더 나은 성능을 가진 대체물로서 가장 유망한 후보로 각광받고 있다. ▲ 선양국 교수 연구팀이 개발한 양극 소재인 'K0.69CrO2' 와 기존 문헌에 보고된 포타슘 이온전지 양극 소재들 간의 충/방전 특성 비교. 개발된 소재는 기존 소재들 대비 월등한 충∙방전 횟수를 나타낸다. 하지만 리튬 대비 상대적으로 큰 포타슘 이온의 크기(Li : 0.76 Å vs K : 1.38 Å)는 양극 소재의 합성을 어렵게 해 전기화학반응을 일으키기 쉽지 않다. 원소 주기율표 상으로 볼 때 리튬, 소듐, 포타슘 순으로 알칼리가 내려가면서 이온의 크기가 커진다. 부피와 무게가 커짐에 따라 전지 안으로 이온 저장이 힘들어 발현하는 에너지의 양도 적어진다. 또한 포타슘이 공기 중에서 물이나 산소에 반응성이 높기 때문에 더욱 합성이 어렵다. 이 특성은 충전과 방전이 계속되면서 소재에 손상마저 입힌다. 이러한 이유로 포타슘 이온 전지용 양극 소재 개발이 제한돼 왔다. 그러나 선 교수는 이러한 한계점들을 극복하면 전지의 에너지 양을 대폭 향상할 수 있을 것이라고 생각했다. ▲ 선양국 교수(에너지공학과)의 연구 분야는 소듐 이온 전지와 포타슘 이온 전지다. 자원량이 한정적인 리튬으로 만든 이온 전지와 달리 소듐과 포타슘은 매장량이 풍부해 리튬의 대체제로 사용될 가능성이 높다. (사진 선양국 교수 제공) 결합을 통한 탁월한 소재(K0.69CrO2) 개발 “포타슘만으로 이뤄진 전지는 성능이 그다지 좋지 않다”며 "실제 사용할 수 있는 좋은 성능의 전지는 소듐과 포타슘의 결합으로 만들어진다"고 말했다. 결합에 대한 다양한 접근이 이루어져 왔으나 하지만 여전히 이론에 의존도가 높고, 실험적으로 소재를 합성하더라도 그에 따르는 어려움이 적지 않다. 따라서 선 교수 연구팀은 포타슘보다 상대적으로 반응성이 적은 소듐으로 만든 기존 양극 소재들을 이용하기로 했다. 이 합성법에는 전기화학 이온 교환 전지가 사용되는데 양극에 소듐이온전지용 양극을, 음극에 포타슘 메탈을 사용하여 전기화학적으로 양극 소재내에서 소듐 이온을 모두 제거하고 대신 포타슘 이온을 삽입한다. 실제로 이러한 방법을 통해 합성된 포타슘 기반의 양극 소재(K0.69CrO2)는 구조적으로 매우 안정돼 실제 1000회까지 사용이 가능했다. 이 양극 소재는 초기에 발현한 용량의 65%에 달하는 우수한 수명 유지율과 12분 내 고속 충∙방전이 가능하다는 이점도 있다.선 교수는 “양극 소재를 개발하는 관점에서 포타슘 이온을 더 효과적으로 저장하고 충∙방전 시 구조가 손상되지 않는 것이 연구의 목표”라고 말했다. ▲ 선양국 교수는 현재 연구진과 함께 계속해서 포타슘 이온 전지를 연구 중이다. (사진 선양국 교수 제공) 에너지 공학과 연구팀은 향후 포타슘 양극 소재 개발 연구의 새로운 발판을 마련했다. 선 교수는 이론적으로만 연구했던 분야를 실험적으로 가능함을 보였다. 포타슘 이온 전지가 갖는 소재로 다양한 부재를 해결할 새롭고 쉬운 소재 합성법을 제시한 것이다. 선 교수는 “현재는 크롬(Chromium)을 전이금속으로 한 소재를 사용했지만 해당 합성법은 크롬이 아닌 어떠한 전이금속으로도 결합해 사용이 가능하도록 개발했다”며 “검증된 합성법으로 향후 포타슘 이온 전지용 양극 소재 개발에 대한 더 많은 가능성과 정보를 줄 수 있는 연구”라고 덧붙였다. 글/ 김민지 기자 melon852@hanyang.ac.kr

2018-12 05 중요기사

[학술][우수R&D] 김보영 교수 (경영학부) (1)

터치 한 번으로 모든 것을 해결하는 시대다. 모바일을 통한 소비까지 가세하면서 유통 업체 간 옴니채널(Omni-channel)을 선점하기 위한 마케팅 경쟁이 치열하다. ‘옴니채널’이란 온라인, 오프라인 할 것 없이 소비자가 언제 어디서든 제품을 구매할 수 있도록 한 쇼핑체계다. 한양대 경영학과 김보영 지속가능경제연구소(Korea Institute of Sustanable Economy, 이하 KISE) 소장이 빅데이터를 활용해 소비자들의 구매 행태 변화를 좇았다. 소비재 식품 유통 사슬 연구에서 빅데이터에 이르기까지 지난 2010년 설립된 한양대 한국 지속가능경제연구소 KISE는 설립 당시 ‘식품 유통’ 연구 분야에 운영 초점을 맞췄다. '식품 안전', '식량 안보', '한국 소비재 식품 브랜드의 글로벌 브랜딩 전략'을 준비한 것이다. 한국-중국 농식품유통이 활발해질수록 식품 안전체계에 대한 관심은 높아졌고, 자연스레 김 교수는 식품 유통 공급 사슬에 주목했다. 식품 유통 시스템, 식량안보, 식품안전 이슈에 다각도로 접근하기 위해 지난 2013년에 건국대 기후변화 연구소와 연합해 식량안보 위기관리 체제에 대해 연구했다. 또한 식품 리스크 커뮤니케이션에 대한 이해관계자의 인식을 식약청과 공동으로 분석해 차별화된 전략을 도출했다. 그러던 중 4차 산업혁명으로 유통 시스템이 뒤집혔다. 소비자가 온라인과 오프라인을 자유롭게 넘나들며 제품을 구매할 수 있게 된 것이다. 이를 계기로 지난 2015년부터 KISE는 소비재 식품유통 분야에서 나아가 유통 산업 전반을 다루기 시작했다. 달라진 소비자의 구매 형태 데이터를 수집해 유통업체들이 이를 토대로 어떻게 발전해야 하는지를 연구했다. 이러한 모델링은 한·중·일에 그치지 않고, 미국과 유럽 소비자 사례까지 다루며 진행됐다. 일본 무인양품(MUJI)사의 소비자 빅데이터 연구도 그 예 중 하나다. ▲ 김보영 지속가능경제연구소(KISE) 소장은 연구소가 설립된 2010년부터 식품유통과 글로벌 마케팅 전략에 초점을 맞춰 국내 기업이 경쟁력을 지닐 수 있도록 많은 연구를 진행했다. KISE, 빅데이터를 활용한 6가지의 연구 과제 선정 지난 3월 26일, KISE는 일본 히토츠바시 대학교, 후쿠오카 대학교와 함께 옴니 채널과 빅데이터를 다루는 글로벌 포럼을 개최했다. 포럼을 통해 유통 산업 빅데이터를 활용한 6가지 연구과제를 선정했다. ▲옴니 소비자 집단 세분화(Omni consumer segmentation) ▲옴니 소비자 쇼핑 경로 분석(Customer engagement analysis) ▲고객 참여 분석(Association rule mining) ▲글로벌 브랜드 경험 연구(Global Brand experience study) ▲유통 브랜드 가치 모델링 (Building retail attribute vs Retain brand equity model) ▲ 소비자의 SNS 행태가 브랜드가치에 미치는 영향 분석(SNS effects on consumer brand preference)을 연구 주제로 삼았다. 김 교수는 6가지 연구 과제 중 이미 2개를 마친 상태다. ▲ 김보영 교수는 향후 4차 산업혁명이 한국에 가져올 유통 시스템과 소비자들의 변화를 빅데이터를 통해 예측하고 연구해야 한다고 했다. 한국 유통 기업이 글로벌 경쟁력을 갖추는 그날까지 김 교수는 앞으로 KISE의 활동에 주목해야 하는 이유에 대해 “국내 산업체 빅데이터 접근이 까다로워 지금까지 해외 기업 데이터 분석만 다뤘던 반면 KISE의 목표는 국내 기업 빅 데이터를 통해 유통, 마케팅 및 글로벌 브랜드 전략으로 글로벌 경쟁력을 강화하는 것”이라고 말했다. KISE는 2010년부터 사회과학인용색인 (SSCI)급 및 한국학술지인용색인 (KCI)급 논문을 수십 편 발표한 바 있다. “한국연구재단 Social Science Korea (SSK) 지원사업을 통해 현재 KISE의 연구과제를 진행할 수 있었다” 며 “지원이 종료되는 2020년 후에도 지속가능한 연구를 위해 KISE는 국책사업에도 도전할 예정"이라는 목표를 밝혔다. 글/ 김가은 기자 kate981212@hanyang.ac.kr 사진/ 박근형 기자 awesome2319@hanyang.ac.kr

2018-10 30 중요기사

[학술][이달의 연구자] 강영종 교수(화학과)

새로운 미래 에너지원으로 지목된 '페로브스카이트(Perovskite)'. 태양의 빛에너지를 전기에너지로 쉽게 변환해 태양전지부터 연료전지까지 활용이 가능한 특별한 구조의 금속 산화물이다. 최근 이 페로브스카이트를 활용한 다양한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이렇게 변환된 전기에너지를 빛으로 바꾸는 우수한 발광소자 특성도 화제다. 이에 강영종 교수(화학과)는 ‘크기 배제효과 가공기술(Size-Exclusion Lithography)’을 이용한 페로브스카이트 복합소재 필름 제작기술을 새롭게 발표했다. 페로브스카이트가 가진 발광소자로서의 기존 한계점을 극복하고 디스플레이 산업에서의 상용화를 앞당겼다는 평이다. ▲ 강영종 교수(화학과)가 지난 27일 연구실에서 인터뷰를 진행했다. 이번 연구를 통해 안정성 높은 새로운 페로브스카이트(Perovskite) LED/필터 공정기술이 탄생했다. 최근 페로브스카이트가 차세대 LED 산업군에서 주목받고 있다. 다른 무기 나노입자 보다 선명한 색을 구현할 수 있기 때문이다. LED는 적색, 청색, 녹색의 다이오드를 혼합해 다양한 색상의 빛을 표현한다. 화면에 이미지를 표현하려면 서로 다른 다이오드를 정확하게 위치시키는 것이 중요한데, 이를 패터닝(patterning)이라 부른다. 기존 LED 공정에서는 얇은 기판 위에 회로를 그려 자외선을 이용해 패턴을 깎아내는 리소그래피(Lithography) 기법을 이용했다. 하지만 페로브스카이트는 수분에 매우 취약해 대기 중 산소와 습기에 불안정했다. 페로브스카이트에 적합한 새로운 공정기술이 필요했다. 강 교수는 '크기 배제효과 가공기술(Size-Exclusion Lithography)’을 이용한 페로브스카이트 복합소재 필름을 만들어냈다. 고분자 내에 페로브스카이트 나노입자를 넣어 자외선을 쬐면 나노입자의 크기 변화로 패터닝이 일어나는 기술이다. 즉, 얇은 기판 위에 코팅돼 있던 고분자는 자외선에 노출되면 체인 형태로 꼬이면서 크기가 작아지고 나노입자는 커지면서 한쪽으로 이동하게 된다. 그 과정에서 페로브스카이트 나노입자가 고유의 색을 발산하며 자체적인 패터닝이 일어나는 것이다. ▲ 강영종 교수가 개발한 '크기 배제효과 가공기술(Size- Exclusion Lithography)'을 이용한 페로브스카이트 복합소재 필름의 원리. 나노입자의 크기 변화로 페로브스카이트의 패터닝이 일어나는 기술이다.(강영종 교수 제공) 페로브스카이트는 기존 식각과정 대신 나노입자들의 자체적인 이동을 통해 수분에 강해졌다. 대기 중에 한두 시간 노출되면 사라지던 빛이, 끓는 물에 하루 정도 넣어도 그대로 유지됐다. 또한 자외선 조성을 약간만 조절하면 색상변화가 쉽게 가능해 기판에 마이크로 크기의 다양한 문양을 나타낼 수 있다. 강 교수가 연구를 시작한 지 2년 만에 높은 안정성을 갖춘 새로운 페로브스카이트 LED/필터 공정기술이 탄생했다. “이번 연구로 페로브스카이트 LED/필터 상용화에 한 발짝 다가간 거라 생각해요.” 강 교수는 앞으로 페로브스카이트와 디스플레이를 연결하는 실질적인 연구에 앞장설 계획이다. “연구는 실패가 뻔히 보이는 길일지라도 도전하고 그것을 즐기는 과정이라 생각해요. 한양대학교 학생들도 졸업 전에 연구를 통해 그런 경험을 얻어갔으면 합니다.” 강 교수는 고분자에 대한 주된 연구뿐만 아니라 다양한 분야에 열정을 가지며 스스로 국한되는 것을 경계한다. “학생들과 소통하면서 다각도에서 연구를 바라보는데 즐거움을 느낍니다. 덕분에 새로운 분야에 계속 도전하고 있죠. 앞으로 사회에 기여할 수 있는 실용적인 연구에 더 관심을 가지려 해요.” 강 교수가 보여주는 열정은 앞으로 그의 연구가 기다려지는 이유다. ▲ 강영종 교수는 여러 취미 생활을 통해 연구를 계속할 활력을 얻고 있다. 힘든 연구의 연속이지만 결과를 얻었을 때 희열을 느낀다는 강 교수의 다음 연구를 기대해본다. 글/ 황유진 기자 lizbeth123@hanyang.ac.kr 사진/ 박근형 기자 awesome2319@hanyang.ac.kr

2018-10 08 헤드라인

[학술][이달의 연구자] 박원일 교수(신소재공학부) (1)

리튬이온 배터리는 우리 주변 곳곳에서 쓰인다. 핸드폰, 노트북, 전기 자동차, 에어팟(AirPods) 등 무선(wireless)제품에는 리튬이온 배터리가 빠질 수 없다. 박원일 교수(신소재공학부)는 바로 이 리튬이온 배터리에 집중했다. 보통 핸드폰을 100% 충전시키기 위해서는 1시간에서 2시간이 소요된다. 박 교수는 이를 단 3분으로 줄였다. 원리가 무엇일까? ▲ 박원일 교수(신소재공학부)가 이번 연구의 핵심인 리튬이온 배터리의 충전 원리에 대해 설명하고 있다. 리튬이온 배터리에는 내부에는 양극, 음극, 액체 전해질이 있다. 배터리가 충전 되려면 리튬이온이 액체 전해질을 타고 음극에서 양극으로 이동해야 한다. 현재 리튬이온 배터리의 음극을 이루는 활물질(전지가 방전할 때 화학적으로 반응하여 전기에너지를 생산하는 물질)은 흑연이다. 차세대 대체물질로는 실리콘이 대두된다. 에너지 밀도가 흑연보다 10배 이상 크기 때문이다. 하지만 박 교수는 실리콘 대신 규화니켈을 사용했다. “문제는 대체물질이 아니라 ‘부반응(solid electrolyte interphase)층’ 입니다. 음극과 전해질 사이의 계면(기체, 액체, 고체 중 2개의 상이 접할 때 상과 상 사이에 형성되는 경계면)에서 고체로 이루어진 부반응 층을 해결하는 게 관건이죠.” 리튬이온이 부반응 층에 가로막혀 제 기능을 못하기 때문이다. 박 교수는 활물질 안에 전압이 생기도록 하는 방법을 고안했다. 활물질인 규화니켈 밖에는 부반응층이 생겨도 안에는 부반응 층이 생기지 않는다. 이 원리를 이용하면 전류가 통할 수 있다. 박 교수의 이번 논문 ‘Controlling electric potential to inhibit solid-electrolyte interphase formation on nanowire anodes for ultrafast lithium-ion batteries’의 제 1저자이기도 한 장원준(신소재공학 석사과정) 씨는 이 개념을 적용하면 배터리 성능이 좋아지고 충전속도가 빨라진다고 밝혔다. “보통 리튬이온 배터리는 500회 이상 충전하면 성능이 안 좋아져요. 하지만 저희는 3분만에 핸드폰 배터리가 완충되는 조건으로 2000번을 실험했습니다. 성능은 거의 떨어지지 않았어요.” ▲ 연구를 진행한 논문의 저자들이 실험실 기구를 보여주고 있다. (왼쪽에서부터) 장원준(신소재공학 석사과정), 박원일 교수(신소재공학부). 박 교수가 이번 논문과 연구를 통해 강조하고 싶은 건 단연 ‘부반응층 억제’다. 1년 반이라는 연구 기간 동안 부반응 층이 활물질 표면에만 생긴다는 개념을 증명하기 위해 약 1년을 투자했다. 박 교수의 연구는 끝나지 않았다. “부반응 층을 억제하는 개념을 확장해서 전기 화학 셀(electrochemical cell)에 적용하고 싶어요.” 하나의 연구에서 또 다른 연구로 나아가는 박 교수의 행보가 기대된다. 글/ 옥유경 기자 halo1003@hanyang.ac.kr 사진/ 박근형 기자 awesome2319@hanyang.ac.kr

2018-10 08 중요기사

[학술][우수 R&D] 윤동원 교수(융합전자공학부)

현대사회에서 한 나라의 국력은 정보력으로 대표되고 있다. 과거에 나라를 지키는 주된 수단이 무기였다면, 현재는 ‘정보전(Information Warfare)’으로 정보 탐지와 분석은 국가의 존립과 안보를 위해 반드시 필요하다. 이것의 근간이 되는 신호정보 기술을 윤동원 교수(융합전자공학부, 신호정보특화연구 센터장)가 국방 특화연구센터에서 연구개발 하고 있다. “국가 정보는 전술정보와 전략정보가 있습니다. 전술정보가 단기 비전의 정보인데 비해, 전략정보는 장기간에 걸쳐 연구해야 하는 장기 비전의 정보 입니다. 국가 전략정보에는 ▲영상정보 (imagery intelligence: IMINT) ▲인간정보 (human intelligence: HUMINT) ▲공개출처정보 open-source intelligence: OSINT) ▲신호정보 (signal intelligence: SIGINT)가 있습니다. 이 중 현대 국가정보에 핵심이 되는 것이 바로 '신호정보'며 이는 기술개발과 직결되는 분야 입니다.” 영화 ‘이미테이션 게임’은 국가 존립을 지키는데 신호정보 기술이 얼마나 중요한지 보여주고 있다. ▲ 윤동원 교수(융합전자공학부, 신호정보특화연구 센터장)는 신호정보 분석이 주변국과 한국의 관계에 큰 영향을 미친다고 설명했다. 신호정보(SIGINT: Signal Intelligence)는 또 다시 통신정보(COMINT), 전자정보(ELINIT), 계기 정보(FISINT)로 나뉜다. 윤 교수는 주로 통신정보를 연구한다. 통신정보는 통신신호를 수집해 분석하고 처리하여 국가 정보화 하는 기술이다. “지상, 공중, 우주 등의 환경에서 수집된 통신정보를 분석하여 이를 정보화해 처리하죠. 이를 정보화해 처리합니다." 국내에서 신호정보를 다루는 연구센터는 한양대학교가 유일하다. 한양대학교 주관, 서울대, KAIST, GIST, 연세대, 고려대 등 총 17개 대학과 34 명의 참여교수가 함께 연구한다. 한양대학교 융합전자공학과, 컴퓨터공학과 소속 교수가 주축으로 진행되고 있다. 신호정보 특화연구센터는 신호수집기술 연구실, 신호처리기술 연구실, 음성정보 연구실, 부호화 복원기술 연구실 등 총 4개의 연구실, 17개의 세부 연구과제로 구성되어 있다. 연구의 주 목적은 독자적 국가전략 정보획득 및 분석 체계 구축을 위한 기술 확보와 발전이다. 더 능률적인 신호 정보 탐지와 수집, 정보 처리 및 분석으로 신호를 국가정보화 한다. 이를 통해 국가 방위 정보력을 증대하는 것이 윤 교수가 진행하는 연구의 최종 방향이다. ▲ 신호정보 특화연구센터 구성. 총 4개의 연구실, 17개의 세부 연구과제로 이뤄져 있다. 지난 2015년부터 2017년까지 1단계 연구를 성공적으로 수행한 뒤, 국방기술품질원의 평가를 받고 2018년 2단계 연구에 착수했다. 오는 2020년까지 방위사업청에서 총 6년간 125억원의 연구비를 지원받는다. 특히 한양대학교 신호정보 특화연구센터는 수요부대가 존재한다. “특화연구센터는 방위사업청에서 매년 센터를 공모하여 엄격한 평가를 통해 지정하는데, 신호정보 특화연구센터는 수요부대가 존재하는 최초의 특화연구센터로 커다란 자부심과 함께 사명감을 느끼고 있습니다.” 윤 교수는 “우리는 세계 최고수준의 신호정보 기술을 보유한 주변국들로 둘러싸여 있다”며 “지속적인 평화 유지를 위해 잠재적 위협을 탐지하며 주변국들과 어깨를 나란히 할 수 있는 전략적 차원의 신호정보 기술 연구는 반드시 필요하다”고 설명했다. “국가 존립을 위한 우리나라 신호정보 원천기술 개발, 한양대학교 신호정보 특화연구센터가 책임지겠습니다.” ▲ 학생과 함께 수집된 정보를 분석하는 윤동원 교수의 모습. 글/ 김민지 기자 melon852@hanyang.ac.kr 사진/ 이진명 기자 rha925@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 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

2018-07 31 중요기사

[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 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

2018-06 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