전체 10건
뉴스 리스트
게시판 리스트 컨텐츠
2020-05 04

[학술][우수R&D] 차재혁 교수, 빅데이터 기반 사회과학 연구 플랫폼 개발

차재혁 컴퓨터소프트웨어학부 교수는 사회과학과 데이터 과학을 결합해 사회의 여러 문제를 대응할 수 있는 플랫폼을 개발하고 있다. 플랫폼은 빅데이터를 통한 사회현상 분석과 예측 시뮬레이션을 제공하고 있다. 데이터 과학은 빅데이터를 수집, 분석하고 유용한 결과를 도출하는 학문으로 재정의되고 있다. 데이터 과학이 성공적으로 적용된 분야로 생물 정보학이 있다. 생물 정보학은 공개된 대량의 실험 데이터로 분석 및 시뮬레이션을 가능케 해서 실제 수행해야 할 실험의 횟수를 획기적으로 줄여준다. 이번 신종 코로나바이러스 감염증(코로나19) 사태의 검사키트 개발이 빨리 될 수 있었던 이유도 이 때문이다. 차 교수는 생물 정보학처럼 데이터 과학과 사회과학이 융합한 연구 방법을 실현하고자 한다. ▲ 차재혁 컴퓨터소프트웨어학부 교수는 사회과학자와 데이터 과학자가 함께 연구할 때 매개가 되어줄 플랫폼을 개발하고 있다. 전통적인 사회과학적 연구 방법과 데이터 과학을 융합하는 일은 소통이라는 큰 난관에 가로막혀 있다. 사회과학과 데이터 과학은 학문이 다르므로 종사하는 연구자들이 생각하는 방식과 언어에도 차이가 있다. 차 교수는 데이터 과학을 통한 결과를 공유하는 것과 분석 방법 수정을 위해 소통하는 것 등 상호 교류에서 어려움이 있다는 것에 주목했다. 차 교수는 데이터 과학적 해석을 직관적으로 볼 수 있는 플랫폼 개발을 결심했다. 이번 연구 '초연결사회 위험 관리를 위한 빅데이터 기반 사회 환경 실시간 모니터링/사회 시뮬레이션 시스템'은 플랫폼의 효용성과 가능성을 보기 위해 세 가지 사회 문제에 융합 연구를 적용하며 진행되고 있다. 차 교수는 해당 프로젝트의 총괄 관리와 지원을 맡고 있다. 현재 진행되고 있는 연구는 사회 불안도 체크, 장애인 이동권, 질병 대응책 세 부분으로 모두 전통적인 연구 방식과 눈에 띄는 차이를 내고 있다. 데이터 과학과 사회과학의 융합 연구 방식은 상호보완적으로 이뤄진다. 빅데이터를 통한 예측 모델은 전통적인 사회 조사 방식으로는 활용할 수 없던 지표까지 사용할 수 있다. 이를테면 생물 정보학의 등장으로 새로운 유형의 생체 빅데이터도 수집, 분석 가능해져 신속한 치료제 개발에 도움을 주고 있는 것과 같다. 사람 피부에서 나타나는 생체 데이터도 분석 대상이 됐다. 데이터 과학은 이용하는 지표의 범주가 넓어 기존에 몰랐던 사회현상의 상관관계를 도출해낼 수 있다. 반면 ‘두 사회현상 간의 강한 상관관계가 있다’까지만 유추할 수 있고 인과관계를 밝혀내지는 못한다. 이때 사회과학 연구의 차례가 돌아온다. 사회과학 연구방식은 실험과 분석으로 뚜렷한 인과관계를 알아내는 것에 강점을 가진다. ▲ 차 교수는 융합연구를 원하는 연구자들이 빅데이터에 쉽게 접근할 수 있도록 플랫폼을 공개할 예정이다. 차 교수는 융합연구 방식이 필요한 누구든 플랫폼을 이용할 수 있게 공개할 예정이다. 플랫폼을 구축한 이유이기도 하다. 플랫폼(클릭 시 이동)에서 열람 신청을 하면 사회현상에 대한 빅데이터를 시각적으로 제공받을 수 있다. 차 교수는 플랫폼 개발 외 사회과학과 데이터 과학의 융합을 위한 또 다른 목표가 있다. 그는 “플랫폼이 중간에서 매개해준다고 해도 사회과학 연구자와 데이터 과학 연구자는 서로의 생각을 완벽히 이해할 수 없다”며 한 사람이 두 분야의 지식을 모두 가진 융합인재의 필요성을 말했다. 차 교수는 컴퓨테이셔널사회과학과를 대학원에 신설해 융합연구자를 양성하고자 한다. 차 교수는 “분업형이 아닌 실질적 융합이 필요한 문제가 많이 존재한다”고 덧붙였다. 글/ 김현섭 기자 swiken1@hanyang.ac.kr

2020-04 06

[학술][우수R&D] 김용균 교수, 국내 최초 물성과학연구용 μSR 제작 (1)

μSR(Muon spin rotation/relaxation/resonance)은 소재에 대한 물성을 파악할 수 있게 해준다. 사람의 몸속 상태를 살펴보는 X선 촬영(X-ray)에 μSR를 비유할 수 있다. 김용균 원자력공학과 교수팀은 국내 최초로 μSR 시설을 설계 및 제작한다. μSR은 뮤온을 생성해 소재에 주입한 후 스핀 로테이션을 이용해 물성을 측정하는 장치다. 뮤온은 아주 작은 입자로 물질 속의 전자를 대체할 수 있다. 전자는 핵 주위를 돌며 위, 아래 두 방향 중 하나로 회전한다. 뮤온은 불안정하기 때문에 짧은 시간 안에 붕괴한다. μSR의 원리는 물질에 들어간 뮤온이 위, 아래 중 하나로 회전하다가 붕괴할 때의 전자기장 변화를 측정해 초전도성과 자성 등을 파악하는 것이다. ▲김용균 원자력공학과 교수 연구팀은 한국형 중이온 가속기(라온, RAON)의 부속 시설인 μSR의 설계와 제작을 담당하고 있다. 김 교수의 이번 연구는 한국형 중이온 가속기(라온, RAON) 프로젝트의 일부다. 중이온 가속기는 양성자부터 우라늄 등 모든 원자핵을 가속할 수 있는 입자가속기다. 라온은 한국 최초의 거대 중이온 가속기 이름이자 제작 프로젝트의 이름이다. 현재 세계적으로 가동 중인 거대 중이온 가속기는 4개뿐이다. 김 교수는 어떤 연구시설이 필요한지, 어떻게 만들 것인지 등 라온의 초기 설계 계획을 세우는 일을 담당했다. 대부분의 제작은 기초과학연구원(IBS)이 직접 수행하고 몇 가지 시설만 외부에 위탁했다 김 교수팀은 국내 기존에 없던 연구시설 μSR을 위탁 받았다. 중이온 가속기는 기초과학연구에서 매우 중요한 역할을 한다. 우주를 이루는 원소들의 조성비와 생성 원리를 규명하는 게 주된 목적이다. 한편 μSR은 개발된 신소재나 인공 원소의 특성을 파악하는 역할을 수행한다. 라온 건설은 한국의 기초과학 분야 뿐만 아니라 우리의 실생활에 직접적인 영향을 줄 공학의 발전에도 큰 역할을 할 것으로 전망된다. 라온의 완공은 오는 2021년을 목표하고 있다. ▲ μSR의 전체적인 구성도. 입자가속기 끝단에서 양성자를 μSR시설로 받아낸다. (김용균 교수 제공) 많은 나라가 한국의 중이온 가속기 개발 소식을 들었을 때 믿지 않았다. 김용균 교수는 “한국이 해낼 능력이 있을 것 같지 않고, 어차피 타국에 도움을 요청하리라 생각한 것 같다”고 말했다. 하지만 한국은 라온에 필요한 기술의 상당 부분을 직접 개발하고 현재 존재하는 다른 중이온 가속기보다 뛰어난 성능을 갖춰가고 있다. 김 교수는 “라온을 개발하면서 한국의 전체적인 과학 수준이 올라갔다”며 “작년부터는 현장 시설을 참고하겠다고 외국에 요청하면 되레 반기는 분위기다”고 밝혔다. 그는 시설이 완공되면 해외 연구자들도 많이 사용하러 오길 바란다고 말했다. 중이온 가속기는 핵을 충돌시키기 때문에 시설의 설계에 방사선 안전 분야가 필요하고 실험 장비 신호 측정에는 방사선 계측이 들어간다. 라온과 μSR의 제작은 단순히 핵·입자물리학 혹은 원자력공학 하나의 지식만으로는 불가능하다. 김용균 교수는 핵물리학을 전공하고 원자력공학과 교수로 재직 중이다. 시설의 전체를 조감하는 데에 반드시 필요하다. 김 교수는 “자기 전공에만 머물지 않고 항상 여러 분야에 도전하고 노력하는 것이 필요한 것 같다”고 얘기했다. 그는 이어 “라온은 중이온 가속기지만 생명과학과 화학을 하는 사람도 다 쓸 수 있는 시설”이라며 “신기술에 관심을 두고 자신의 분야와 융합하려는 생각이 중요하다”고 말했다. 글 / 김현섭 기자 swiken1@hanyang.ac.kr

2020-02 17

[학술][우수R&D] 김한수 교수, 성층권에서 사용 가능한 무인 항공기 이차 전지 개발 도전

김한수 공과대학 에너지공학과 교수가 성층권에서 운항할 무인 항공기의 배터리 개발을 시작한다. 김 교수는 국방 미래도전기술의 한 과제로 ‘황화물계 전고체 기반 무음극 고에너지 밀도 2차전지 시스템’을 진행 중이다. 국방과학연구소는 성층권에서 운항할 수 있는 무인 비행기를 개발 중이다. 성층권은 구름과 비바람 같은 날씨 제약을 받지 않는 곳으로 무인 비행기가 장시간 머물 수 있다. 무인 항공기가 연료 공급을 위한 착륙 없이 계속 비행한다면 전파 교신과 항공 촬영 등 적은 비용으로 인공위성의 역할도 대신할 수 있다. 이 때문에 현재 전 세계가 성층권 드론 운용 기술을 개발하고 있다. ▲ 김한수 에너지공학과 교수가 개발에 착수한 무인 항공기 배터리를 설명하고 있다. 김 교수는 무인 항공기의 연료인 배터리에 대한 기술 개발을 지난달 착수했다. 성층권 무인기는 낮에 태양전지로 전기를 공급받고 밤에는 낮에 비축한 전기를 이차 전지에서 공급받도록 설계될 예정이다. 이차 전지란 충전해서 재사용이 가능한 전지를 일컬으며 휴대 전화, 노트북에 사용되고 있다. 최근 전기자동차용 전지와 대체에너지의 저장 플랜트 등 반도체 못지않은 주력산업으로 주목받고 있다. 이번 연구는 두 가지 난관을 해결해야 한다. 영하 70도인 성층권의 극한 환경에서도 잘 작동해야 하며, 일몰 이후부터 해가 뜰 때까지 충전 없이 장시간 운전 가능해야 한다. 휴대 전화가 겨울이 되면 곧잘 꺼지고 금방 방전되는 것을 생각하면 도전적인 과제임을 알 수 있다. 액체 전해질을 사용하는 기존 이차 전지로는 이 문제를 해결할 수 없다. 김 교수는 고체 전해질을 이용하는 전고체 전지를 활용할 계획이다. 전고체 전지는 액체 전해질 전지보다 작동 온도 범위가 넓은 것이 특징이다. 반면 전고체 전지의 에너지 밀도는 기존 이차 전지에 비해 낮아 고밀도화를 이뤄내야 한다. 이를 위해 배터리의 전극 물질로 에너지 밀도가 높은 금속을 사용하면 된다. 지구상 존재하는 원소 중 가장 에너지 밀도가 높은 리튬을 음극으로 배치하면 되지만 연소 위험이 커서 비행기에 사용할 수 없다. 김 교수는 무음극화를 통해 해결할 계획이라고 밝혔다. ▲ 김한수 교수는 "개발 중인 극저온 구동 전지 기술이 훗날 실생활에서도 사용되길 바란다"고 전했다. 김 교수의 이번 연구가 성공하면 450Wh/kg의 에너지 밀도를 지닌 극저온 구동 전지가 개발된다. 김 교수는 “지금은 개발의 성공 여부가 중요하다"며 "하지만 훗날 이 기술이 상용화돼 실생활에서도 도움이 된다면 좋겠다”고 바람을 말했다. 그는 이어 “군용과 다르게 민간용은 대량생산이 가능하도록 조정해야 한다”며 이번 연구 과제 이후의 계획을 전했다. 글/ 김현섭 기자 swiken1@hanyang.ac.kr

2020-01 27

[학술][우수R&D] 양현익 교수, 친환경 에너지 그린펠릿 생산기술 개발

대체 에너지와 쓰레기 처리는 현재 환경 문제의 양대 산맥이다. 양현익 ERICA캠퍼스 기계공학과 교수는 긴 시간 연구를 통해 유기폐기물을 연료로 전환하는 장비와 공정을 실현하고 있다. 환경부 공시에 따르면 올 설 연휴 서울의 초미세먼지가 대기환경기준을 넘어선 날은 4일 중 이틀이다. 정부의 미세먼지 조절 정책으로 많은 발전소가 없어지거나 압박을 받는다. 한국동서발전㈜의 당진화력은 압박받는 석탄화력발전소 중 하나다. 양 교수는 당진화력에 1단계로 1t 규모의 시제품, 최종적으로 100t 규모 유기폐기물 연료화 장치의 설계와 제작을 맡았다. 발전소는 석탄화력발전 시 매연을 잡고 화력을 키우기 위해 나무를 총알 모양으로 뭉친 펠릿을 같이 태운다. 펠릿은 잘 탈 수 있는 좋은 소재의 나무들로 만들어야 하기에 인도네시아산과 필리핀산이 많이 유통되고 있다. 양 교수 연구팀은 수입의존도를 낮추고 환경 문제를 동시에 해결하기 위해 우리나라의 폐목재들을 이용한 고효율 펠릿을 만드는 연구를 실행했다. 양 교수 연구팀은 쓰레기를 재활용한다는 측면에서 그린펠릿이라 이름 지었다. 연구는 최강일 ERICA캠퍼스 기계공학과 교수와 함께 진행한다. ▲각 소재별로 그린펠릿을 만들었을 때의 열량과 탄소함량이다. 양현익 ERICA캠퍼스 기계공학과 교수의 연구팀은 모든 종류의 유기폐기물을 연료화할 수 있는 설비를 개발하고 있다.(양현익 교수 제공) 양 교수팀은 폐목재뿐만 아니라 하수 슬러지와 음식물 쓰레기 등 종류와 관계없이 유기폐기물을 연료로 만들 수 있는 그린펠릿 제작 설비를 목표하고 있다. 양 교수는 “연료로 만드는 원리는 모두 같아서 가축의 분뇨도 연료화가 가능하다”고 전했다. 그는 이어 “다만 펠릿이 유용하려면 연료화 과정이 경제적이어야 하고, 펠릿이 열량을 많이 내야 하기 때문에 현재 동서발전에서 사용 중인 하수 슬러지와 폐목재에 집중했다”고 밝혔다. 양 교수 연구팀의 그린펠릿은 기존의 수입 목재 펠릿보다 매연이 적고 저렴하며 열량은 더 높다. 양 교수는 “수입 목재 펠릿의 역할을 대신하는 것을 넘어서 제대로 된 연료를 만들고자 했기에 수입 펠릿보다 월등한 열효율은 당연하다”고 전했다. 양 교수팀이 제작하는 설비는 수열탄화 기술을 이용한다. 탄화기술은 탄소 성분을 압축시키는 과정을 말한다. 크게 건식과 수열 방식이 있는데, 건식은 장작을 숯으로 만드는 과정과 같다. 탄소 밀도를 높이는 과정에서 일산화탄소와 질소산화물 등 완벽히 연소하지 않은 부산물들이 나온다. 건식 방식에서는 공기 중으로 퍼져가는 부산물의 포집이 어려워 환경에 악영향을 미친다. 반면 수열탄화기술을 이용하면 부산물들이 물속에 녹아들어 처리와 환원이 쉽다. 실제로 그린펠릿 설비가 운용되려면 프로세스의 경제성, 열량, 소재 혼합비율과 더불어 촉매기술이 매우 중요하다. 수열탄화 과정 시 필요한 온도와 압력 조건을 낮추는데 촉매기술이 필요하기 때문이다. ▲양현익 교수는 당진화력의 환경 문제 해결을 위해 지난해 11월부터 쓰레기를 이용한 에너지 설비를 개발 중이다. 양 교수의 설비 개발은 1년 3개월의 사전 검증을 거쳐 지난해 11월 본격 돌입했다. 현재는 1t 규모의 설비를 만들어 운용 가능성을 시험하고 있다. 2년 후엔 실제로 당진화력에 들어갈 100t 크기의 설비를 설계할 예정이다. 양 교수는 이번 연구를 성공리에 마치면 시스템을 미얀마에도 이식해주고자 한다. 그는 “그린펠릿은 모든 국가에 필요한 기술”이라며 “환경 문제는 한 국가에서만 해결한다고 극복되지 않는다”고 말했다. 쓰레기와 하수 등을 연료로 재활용하는 기술은 한국이 전 세계적으로 앞서고 있다. 양 교수팀의 이번 개발은 대체에너지의 필요성과 쓰레기 처리방안이라는 환경 문제를 획기적으로 해결한다. 그뿐만 아니라 수열탄화처리 결과물은 상당한 고순도를 자랑한다. 양 교수는 “탄소의 순도가 높아 디스플레이도 만들 수 있을 정도”라고 전했다. 광촉매 개발로도 이어질 수 있어 환경 문제에 다양한 해결책을 제시할 전망이다. 글/ 김현섭 기자 swiken1@hanyang.ac.kr 사진/ 김주은 기자 coram0deo@hanyang.ac.kr

2020-01 06

[학술][이달의 연구자] 배상수 교수, 아데닌 염기교정 유전자가위 규명하다

아데닌 염기교정 유전자가위(Adenine Base Editor)는 유전자 염기서열 중 특정 아데닌(A)을 구아닌(G)으로 바꾸기 위해 개발됐다. 배상수 서울캠퍼스 화학과 교수는 아데닌에만 작용해야 할 염기교정 유전자가위가 사이토신(C)을 잘라낸다는 문제점을 최초 발견했다. 모든 생물은 유전자를 가지고 있으며 유전자의 정보를 통해서 세포와 단백질 등을 만들어낸다. 생물은 자신의 개체에 필요한 단백질을 만들어야 한다. 간혹 특정 유전자에 오류가 있다면 의도하지 않은 물질이 생성돼 암과 같은 질병으로 이어진다. 유전자 가위는 유전자(DNA)의 일부를 잘라내거나 교정하는 도구로서 사람에게 질환을 일으키는 DNA의 제거 등 의학계 활용도가 높게 평가되는 기술이다. 염기교정 유전자가위는 유전자 연구 및 실험에 광범위하게 쓰이고 있다. 기존 크리스퍼(CRISPR/Cas9) 유전자가위는 DNA의 두 가닥을 모두 잘라낸 후 세포 내의 DNA 수선 기작(DNA의 절단된 부분을 세포 스스로 복구)을 이용했다. 이와 달리 아데닌 염기교정 유전자가위는 가이드RNA(표적 DNA를 인식하는 유전물질)를 기반으로 DNA 이중나선을 절단하지 않으면서도 특정 아데닌 염기 하나만을 바꾸는 정교함을 자랑한다. 가이드RNA는 20 베이스(RNA의 길이 단위, Nucleotide)의 염기서열로 이루어져 목표하는 DNA 염기의 위치를 높은 확률로 찾아간다. ▲배상수 서울캠퍼스 화학과 교수는 아데닌(A)에만 작용해야 할 염기교정 유전자가위가 사이토신(C)을 잘라낸다는 문제점을 찾았다. 인간의 게놈 지도가 밝혀진 후 DNA를 바꾸기 위해 크리스퍼 유전자가위를 개발한 건 불과 7년이 채 안 된다. 아데닌 염기교정 유전자가위는 지난 2017년 개발돼 2년 째 사용 중이다.사용되기 시작한 기간은 2년이다. 지금까지 염기교정 유전자가위의 정확성을 입증하는 논문들은 발표됐지만 해당 도구가 지닌 특징과 문제점은 미지의 영역이었다. 배 교수 연구팀은 기초과학연구원(IBS)과 공동 연구를 통해 염기교정 유전자가위의 문제점을 최초로 찾아내 지난해 9월 24일 네이처 바이오테크놀로지(Nature Biotechnology) 온라인판에 실었다. 이번 연구는 염기교정 유전자가위의 특성을 더 이해하는 데 도움을 줬다. 특정 조건에서 염기교정 유전자가위가 아데닌이 아닌 사이토신을 교정한다는 사실의 발견으로 새로운 파생연구들이 가능해졌다. 유전자가위의 문제점을 고칠 수 있을 뿐만 아니라 사이토신 이외의 유전체 교체나 사이토신을 교정하는 유전자가위로의 용도 전환 등 다양한 연구가 진행될 수 있게 됐다. 배 교수는 유전자가위를 ‘새로 출시된 부엌칼’이라고 빗대며 "이번 연구는 칼날이 조금 휘어진 것을 발견한 것이며 파생연구는 이 특징을 활용하거나 고치는 것”이라 전했다. ▲아데닌 염기교정 유전자가위의 사이토신 치환 모식도. 배 교수는 특정 조건에서 아데닌 염기교정 유전자가위(Adenine Base Editor)가 아데닌(A)이 아닌 사이토신(C)을 잘라내는 현상을 발견했다. (배상수 교수 제공) 배 교수의 연구에 따르면 DNA 5’말단에서부터 티민(T) 다음으로 사이토신(C)이 온다. 아데닌 염기교정 유전자가위는 위 그림처럼 5‘-TCC-3’와 같이 사이토신이 두 개 이상일 때 사이토신을 티민과 구아닌 같은 다른 염기로 정교하게 교체할 수 있다. 배 교수 연구팀은 현재 오류를 없앤 아데닌 염기교정 유전자가위를 만드는 연구와 사이토신 가위로의 전환 가능성에 대한 후속 연구를 이어가고 있다. 해당 사실로 유전자가위가 보정되면 염기 하나를 바꿈으로써 농산물 생산량을 증가키길 수 있고 사람 질병을 치료하는 등의 가능성이 열린다. 이번 연구는 지난 2018년 3월에 시작해 1년 반 동안 진행됐다. 배 교수 연구팀의 한 연구원이 아데닌을 교체하기 위해 염기교정 유전자가위를 사용하자 아데닌이 아닌 사이토신이 바뀐다고 배 교수에게 보고했다. 배 교수 연구팀은 실수나 우연으로 치부하지 않고 의구심을 품었다. 동일 조건을 반복해서 실험한 결과 특정 경우만 사이토신이 바뀌는 규칙성을 짐작했고 연구를 거듭한 결과 염기교정 유전자가위 자체의 문제점을 밝힐 수 있었다. 배 교수는 “단순한 실험 실패라고 넘길 수 있는 사건에서 의문점을 가지고 파고드는 태도가 중요했다”고 전했다. 글/ 김현섭 기자 swiken1@hanyang.ac.kr 사진/ 김주은 기자 coram0deo@hanyang.ac.kr

2019-12 16

[학술][이달의 연구자] 김종호 교수, 다기능성 나노 촉매 개발로 환경문제 해결의 길 열다

김종호 ERICA캠퍼스 재료화학공학과 교수는 다기능성 나노 촉매 PdO@WO₃(PdO on WO₃)와 해당 물질의 합성법을 개발했다. 기존 학계에 보고된 사례가 없는 PdO@WO₃는 광촉매뿐만 아니라 전기화학 촉매의 역할도 효과적으로 수행한다. ▲김종호 ERICA캠퍼스 재료화학공학과 교수는 광촉매/전기화학 촉매 기능을 하는 PdO@WO₃ 합성법과 해당 소재를 개발했다. 김 교수가 개발한 PdO@WO₃은 촉매 특성을 가진 PdO 나노 클러스터를 얇은 산화텅스텐(WO₃) 반도체 막에 도입한 형태다. 이렇게 개발한 나노소재는 빛에너지를 화학에너지로 변환시키는 광촉매 역할을 수행하며 탄소-탄소 결합반응을 효과적으로 촉진한다. 해당 소재는 음극 반응 중 하나인 산소 환원 반응을 활성화하는 전기화학 촉매 기능도 가지고 있다. PdO@WO₃는 여러 분야의 환경문제를 해결할 것으로 전망된다. 항암제를 비롯한 의약품을 만들 때 탄소-탄소 결합(두 벤젠 고리의 연결 등)이 필수적이다. 이때 팔라듐(Pd)의 광촉매 작용이 필요하다. 기존 방식은 용액에 팔라듐을 균일 혼합물로 섞어 화학반응을 유도하기 때문에 회수가 거의 불가능했다. 반면 김 교수가 개발한 소재를 이용할 경우 불균일 혼합물이 돼 온전한 회수가 가능하다. 회수된 나노 소재는 여러 번 재사용해도 촉매 활성을 유지했다. 팔라듐은 금보다 비싼 희귀광물 중 하나로, 나노 소재의 재사용 가능성이 의약품 단가를 크게 낮출 것으로 기대된다. 광물 채굴은 환경파괴의 한 종류로 팔라듐 소재의 재사용은 환경문제도 해소한다. 현재 전기 자동차에 사용되는 리튬이온 전지는 낮은 효율과 폭발 위험성을 가지고 있다. 이 때문에 차세대 배터리로 금속-공기 전지가 각광받고 있다. PdO@WO₃를 음극 전기화학 촉매로 사용해 만든 아연-공기 전지는 리튬이온 전지보다 에너지 밀도가 높고 폭발성은 없다. 해당 기술이 상용화된다면 내연 기관 자동차를 대체할 전기차 개발이 수월해질 것으로 기대된다. ▲a)PdO@WO₃ 나노 소재를 광촉매로 사용해 진행된 탄소-탄소 결합반응에 대한 모식도. b) PdO@ WO₃ 나노 소재를 전기화학촉매로 이용해 진행된 산소 환원 반응(ORR) 결과. (김종호 교수 제공) 이번 연구(논문명 'Ultrathin WO3 Nanosheets Converted from Metallic WS2 Sheets by Spontaneous Formation and Deposition of PdO Nanoclusters for Visible Light-Driven C-C Coupling Reactions')는 실험 실패를 통한 발견으로 이뤄졌다. 김 교수는 본래 도체성 WS₂ nano sheet로부터 반도체성 WS₂ nano sheet를 만드는 실험을 진행했지만, 의도와 다른 물질인 WO₃가 계속 생성됐다. 그는 해당 물질을 분석하고 여러 실험을 이어간 결과 다기능성 소재인 PdO@WO₃를 발견했다. 이후 김 교수는 합성 원리를 규명하고 촉매 소재로 응용해냈다. 김 교수는 “실패라고 생각했던 결과로부터 새로운 과학적 사실을 발견했다”며 “우리 학생들도 실패를 두려워하는 대신 그 속에서 새로운 배움을 발견하길 바란다”고 전했다. 이번 연구는 원래 의도한 실험의 실패로 1년, PdO@WO₃의 분석과 규명으로 2년이라는 긴 시간이 소요됐다. 김 교수의 연구실(클릭 시 이동)은 지속 가능하고 친환경적인 나노 촉매 소재 개발을 진행해오고 있다. 김 교수는 이번 연구를 통해 '다기능성 PdO@WO₃ 합성법 및 광촉매/전기화학촉매 응용 기술'에 대한 원천 특허를 확보했고 광촉매 연구를 학술지에 발표했다. 김 교수는 PdO@WO₃를 금속-공기 전지에 응용한 연구 결과를 국제 학술지에 투고할 예정이다. 글/ 김현섭 기자 swiken1@hanyang.ac.kr 사진/ 이현선 기자 qserakr@hanyang.ac.kr

2019-11 18

[학술][이달의 연구자] 좌용호 교수, 상온 구동 수소·황화수소 가스 감지 센서 개발

가스 감지 센서는 일반적으로 인식 감도를 높이기 위해 히터가 내장돼 있다. 따라서 전력 소비가 높을 뿐만 아니라 소형화하기도 어렵다. 좌용호 ERICA캠퍼스 재료화학공학과 교수는 히터 없이 상온(25℃)에서 수소(H2)와 황화수소(H2S)를 감지할 수 있는 센서를 개발했다. 이번 연구는 산업통상자원부 나노소재원천개발사업의 지원을 받아 진행했다. ▲ 좌용호 ERICA캠퍼스 재료화학공학과 교수가 최근 자신의 연구실에서 포즈를 취하고 있다. 좌 교수는 지난 2010년부터 가스 센서에 대한 연구를 진행해오고 있다. 천연가스 사용량은 점차 증가하고 있다. 가정에서부터 산업 현장에 이르기까지 가스 폭발사고와 중독 등 위험이 도사리고 있다. 특히 황화수소는 유독 가스로 세포 호흡을 정지시켜 중추신경을 마비시키고 질식을 유발한다. 석유 정제공정과 아교, 피혁 제조공정뿐 아니라 하수처리장과 쓰레기장에서도 발생한다. 해로운 물질 중 하나이기 때문에 산업 현장에서 실시간 모니터링이 필요하다. 한편 수소는 폭발 위험이 있어 가스 유출에 철저한 감시가 필요하다. 인간의 감각기관은 위험한 가스를 인식하거나 구분하지 못 한다. 이번 연구(논문명 "Facile tilted sputtering process (TSP) for enhanced H2S gas response over selectively loading Pt nanoparticles on SnO2 thin films")를 통해 개발한 가스 센서의 특징은 상온 구동이다. 좌 교수는 가스 농도에 따라 저항이 변하는 ‘화학 저항성’ 센서와 전압을 발생시키는 ‘열화학’ 센서를 개발했다. 두 센서 모두 별도의 히터 없이 상온에서 구동이 가능해 전력 소모가 크게 줄어들었다. 열화학 센서는 전압을 공급받아 신호를 읽는 기존 센서들과 달리 가스 감지를 통한 신호 자체가 전압을 발생시켜 이론적으로 전력 소비가 없다. ▲ 수소(H2) 가스 센서에 대한 연구 자료의 일부. 좌 교수는 수소 가스의 농도가 높아질수록 출력전압이 커지는 센서를 개발했다. (좌용호 교수 제공) 좌 교수는 센서 개발에 그치지 않고 감지장치(센싱) 시스템 전반을 설계했다. 또한 센서 소자의 모듈화와 무선 네트워크를 적용한 스마트 센서까지 직접 제작해 실험했다. 좌 교수는 “가스 감지 시스템은 표준이 없어 객관적인 성능 향상을 입증하기가 어려웠다”고 전했다. 개발된 시스템과 비교할 적절한 대조군이 없어 한국산업기술시험원에 공인인증을 받아 객관성을 확보했다. 좌 교수는 지난 2010년부터 상온 구동 센서를 중심으로 다양한 방식의 센서를 개발했다. 좌 교수는 해당 분야에서만 국내외 10여 건의 특허를 등록했다. 현재 사물인터넷(IoT)의 보편화로 스마트홈과 스마트팩토리 등에 가스 센서 수요가 급증하고 있다. 좌 교수는 “가스 센서는 실생활에 유용한 기술”이며 “수소와 황화수소 외 다양한 가스 센서를 개발할 예정”이라고 밝혔다. 글/ 김현섭 기자 swiken1@hanyang.ac.kr 사진/ 이현선 기자 qserakr@hanyang.ac.kr

2019-11 11

[학술][이달의 연구자] 남진우 교수, 마이크로RNA에 의한 새로운 유전자 조절기전 규명

세포는 DNA로부터 얻어낸 유전자 정보를 기반으로 단백질을 생성한다. 이 과정을 유전자의 발현이라고 한다. 유전자 발현 과정에서 다양한 조절이 이뤄진다. 남진우 서울캠퍼스 생명과학과 교수가 새로운 조절 기전(메커니즘)인 UMD를 최초로 발견했다. 연구결과(논문명 "UPF1/SMG7-dependent microRNA-mediated gene regulation")는 지난 9월 13일 ‘네이처 커뮤니케이션스’에 게재됐다. 세포는 DNA의 유전자를 이용해 단백질 만드는 과정을 다양한 방법으로 조절한다. 마치 강의실의 형광등을 켜는 원리처럼 스위치(단백질 발현 조절 인자)를 통해 불의 점멸(단백질 발현 유무)을 조절한다. 차이가 있다면 불의 밝기까지 조절하고 선택하는 것이다. 세포는 ‘DNA→mRNA(핵 안에 있는 DNA의 유전정보를 세포질 안의 리보솜에 전달하는 RNA)→단백질’의 유전자 발현 단계를 거치며 발현 정도를 크게 두 번 조절한다. ‘DNA→mRNA’와 ‘mRNA→단백질’ 단계에서는 각각 '전사조절’과 ‘번역조절’이 이뤄진다. ▲남진우 서울캠퍼스 생명과학과 교수가 유전자 발현 기전을 설명하고 있다. 남 교수는 새로운 ‘번역조절’ 메커니즘을 UMD라고 명명했다. 남 교수는 ‘번역조절’을 담당하는 조절인자 마이크로RNA(유전자 발현 조절 등의 기능을 하는 RNA)와 RNA의 품질관리(세포 내 잘못 생성된 RNA를 가려내는 행위)를 담당하는 조절인자 UPF1 사이에 또 다른 ‘번역조절’이 존재한다는 걸 밝혔다. 남 교수팀은 이 유전자 발현 조절을 UMD로 명명했다. 정상 mRNA가 UPF1에 의해 분해 조절되는 현상은 마이크로RNA와 UPF1의 상호작용 때문이다. 유전자 발현 조절의 주체를 밝히는 것은 질병의 진단과 치료의 초석이다. 문제 되는 단백질이 어디서 어떻게 생성되는지를 파악할 수 있기 때문이다. 특히, mRNA의 품질관리 기전과 마이크로RNA에 의한 유전자 발현 조절은 암과 뇌 질환에 직접 영향을 준다. UMD를 통해 마이크로RNA에 의해 조절되는 유전자의 예측력이 크게 올라가면서 표적 치료를 개발하는 길이 열리게 된다. ▲UMD 조절 방식. 정상 mRNA의 분해가 마이크로RNA와 UPF1의 상호작용에 의해 조절된다. (남진우 교수 제공) 연구는 남 교수와 황정욱 의과대학 유전학교실 교수가 각자의 연구데이터를 공유하면서 시작했다. 황 교수는 정상 mRNA가 UPF1에 의존해 분해되는 현상에 주목했다. 남 교수는 기존에 수행하던 연구를 통해 마이크로RNA가 이와 관련이 있음을 유추했다. 남 교수는 일차적으로 생물정보학적 분석을 시행하면서 황 교수와 함께 실험적 검증을 진행했다. 연구의 시작부터 논문이 나오기까지 총 4년 6개월가량 소요됐다. 남 교수는 “처음 1년은 빅데이터 기반의 생물정보학적 분석을 통해 가설 설정과 통계적 검정에 집중했다”고 밝혔다. 이후 실제 실험 설계, 시행과 실험 검증을 반복하며 2년를 추가로 소요했다. 그는 “실험 과정에서 샘플이 알 수 없는 이유로 잘 자라지 않아 예상보다 6개월 이상의 시간이 더 걸렸다”며 연구 과정의 어려움을 전했다. 이번 연구는 데이터 과학의 대표 분야인 생물정보학에 기반한 방법으로 진행했다. 생물정보학은 기존 학계에 공개된 연구 데이터를 통합, 분석해 새로운 연구 가설을 세우고 통계적 검증을 진행한다. 남 교수는 “덕분에 한두 개의 유전자 기능에 초점을 맞추기보다 일반적인 유전자 발현 조절 원리를 규명하는 데 집중할 수 있었다”고 전했다. 한편, 남 교수는 생물정보학 및 유전체 연구실(BIG Lab, http://big.hanyang.ac.kr)에서 연구 책임자로 연구 활동을 이어가고 있다. 글/ 김현섭 기자 swiken1@hanyang.ac.kr 사진/ 김주은 기자 coram0deo@hanyang.ac.kr

2019-10 07

[학술][이달의연구자] 전대원 교수, 요근과 대사증후군의 연관성 찾아내

일상에서 근육량에 관해 이야기를 할 기회는 체성분을 분석할 때 말고는 거의 없다. 많은 사람들은 근육량을 건강의 기준으로는 생각해도 질병의 기준으로 인식하지 않는다. 의과대학 내과학교실 전대원 교수는 ‘요근 근육의 글루코스 섭취와 대사증후군 발생과 연관성’ 연구를 통해 근육량과 기능 상태가 대사 질환과 관련이 있음을 밝혔다. ▲전대원 교수의 논문 ‘Psoas muscle fluorine‐18‐labelled fluoro‐2‐deoxy‐d‐glucose uptake associated with the incidence of existing and incipient metabolic derangement’에 개재된 사진. 의과대학 내과학교실 전대원 교수는 요근의 당섭취와 대사 증후군 간의 연관성을 밝혀냈다. (전대원 교수 제공) 최근 의학계는 근 감소증에 관심을 기울이고 있다. 근 감소증은 연령별 정상 기준보다 근육량과 기능 상태가 크게 감소하는 현상이다. 전 교수는 근육의 양과 질이 당뇨, 고혈압과 같은 대사 질환에도 영향을 미치는지 연구했다. 연구의 핵심은 단순히 고령자를 대상으로 하지 않는다. 젊은층과 중년층도 포함해 근육의 질, 양이 대사질환과 연관있고, 향후에도 대사질환 발병 가능성이 높은지를 밝히는 것. 전 교수는 건강검진을 목적으로 검사했던 사람들 1000명 대상으로 연구를 진행했다. 500명을 추적 관찰하고, 500명의 검진 결과를 분석했다. 전대원 교수팀은 허리 근육(요근)과 대사에 관련된 수치들을 비교했다. 요근은 전체 근육량을 가장 잘 대표하는 것으로 알려져 있다. 연구 결과 요근이 적다면 대사증후군이 동반될 확률이 높은 것을 밝혔다. 추적 관찰에 의하면 근육량이 적거나 질이 나쁜 사람들 혹은 염증이 있는 사람들이 향후에도 대사 질환이 더 많이 생기는 것으로 나타났다. ▲전대원 교수가 이번 연구 과정에 대해 설명하고 있다. 총 1000명을 대상으로 연관성을 확인했다. 연구는 구리병원의 핵의학 김지형 교수팀과 공동연구로 진행했다. 단순한 요근의 양만이 아닌 양전자방출전산화단층촬영장치(PET/CT)를 이용해 근육 조직의 글루코스(흔히 포도당으로 부르는 대표적인 단당류), 당 섭취 대사율을 측정했다. 근육의 양이나 근육 내 지방 침착만을 보는 연구들은 기존에도 있었다. 연구팀은 근육의 당 대사와 당 섭취도 같이 확인했다. 이번 연구는 국제적으로도 드문 시도로 평가된다. PET/CT는 고가의 검사고 외국의 경우 장비 보급률이 우리나라보다 낮아 시행 조건이 열악하기 때문이다. 전 교수는 임상 연구기 때문에 작용 기저를 명확히 밝히기 어려웠다고 전했다. 제3의 요인이 개입했을 수도 있기 때문이다. 현재까지는 연관성만을 연구한 것. 앞으로는 인과관계와 작용 기저 등을 밝혀야 한다. 전 교수는 "논문에 포함되지 않았지만 이를 찾아내기 위해 동물 및 세포실험도 1년간 진행했다"며 "연구를 계속 이어나갈 예정"이라고 말했다. 끝으로 "이번 연구는 근육 대사와 대사질환과의 관계에 하나의 화두를 제시했다"며 “후속 연구가 계속 이어져 실제 의료현장에서 쓰이길 바란다”고 덧붙였다. 글/ 김현섭 기자 swiken1@hanyang.ac.kr 사진/ 김주은 기자 coram0deo@hanyang.ac.kr

2019-09 09

[학술][우수 R&D] 임종우 교수, 알고리즘과 딥러닝 방식을 융합해 컴퓨터 비전 향상 (1)

컴퓨터 비전이란 동영상과 이미지에서 필요한 정보를 뽑아내는 것을 의미한다. 이 분야에는 전통적 알고리즘 방식과 딥러닝을 이용하는 방식이 있다. 임종우 서울캠퍼스 컴퓨터소프트웨어학과 교수는 이 두 가지를 융합해 상호 보완하는 시도를 하고 있다. ‘비전 모델 기반 공간 상황 인지 원천기술 연구’의 책임을 맡은 임 교수의 이야기를 들어본다. 컴퓨터 비전: 알고리즘 방식과 딥러닝 방식 알고리즘 방식의 컴퓨터 비전은 40~50년간 발전해온 전통적 연구법이다. 알고리즘은 카메라를 통해 자동차가 얼마나 빨리 주행하는지 등 정확한 수치적 상황 인식에서 주로 쓰인다. 딥러닝도 연구된 역사가 길지만 비교적 최근에 활발히 이용되고 있다. 딥러닝은 얼굴 표정에서 사람의 감정을 인지하는 등 의미론적 정보 해석에 활용된다. 임 교수는 두 분야를 별개로 보지 않고 합칠 방안을 연구했다. ▲ 딥러닝 방식을 이용하면 이미지로 받아들인 주변의 공간을 3차원 정보로 복원할 수 있다. 입력 영상과 추정된 거리정보(왼쪽)와 3차원 복원 결과 (임종우 교수 제공) 자율주행 자동차의 컴퓨터 비전 임 교수의 이번 연구는 자율주행 자동차와 CCTV 등에 활용될 컴퓨터 비전이 주를 이뤘다. 임 교수는 이해를 돕기 위해 자율주행 자동차를 예시로 들어 연구를 설명했다. 자율주행을 위해서는 카메라로 들어오는 정보들을 인지하고 해석할 기술이 필요하다. 주행 시 앞차와의 거리를 즉각적으로 정보화해야 한다. 알고리즘 방식은 이에 특화돼 있다. 차가 주행하는 동안 다양하게 변하는 주위 공간을 3차원으로 인식하는 것도 핵심기술 중 하나다. 딥러닝 방식은 이를 보다 효율적으로 처리할 수 있다. 알고리즘과 딥러닝 둘 중 하나만 채택해서는 자율주행을 완성할 수 없다. 도로 상황은 카메라를 통해 인식하기 때문에 순간적으로 물체가 다른 물체에 겹쳐 가려지거나 큰 조도(조명 받는 면의 밝기 척도) 변화가 생길 때 위험할 수 있다. 이 경우 전통적 방식의 알고리즘에 문제가 생긴다. 임 교수는 딥러닝으로 이 문제를 해결했다. 임 교수의 기법은 물체를 추적하고 외형의 정보를 학습, 변형될 모습을 미리 예상해 사물의 판독을 가능케 한다. ▲ 알고리즘 방식은 물체의 속도와 거리를 측정하는 데 유리하다. 딥러닝 방식은 운동하고 있는 물체와 정지한 물체를 분류하는 등 의미론적 분석에 용이하다. 사진에서 운동물체는 표시되고, 정지물체는 표시되지 않는다. (임 교수 제공) 알고리즘과 딥러닝 방식을 융합하는 방법 딥러닝 방식은 처리 결과가 시각적 이미지가 아닌 ‘정보(data)’가 된다. 시각 자료를 큰 범주들로 분류해 물체의 특징을 기술한 정보로 내보낸다. 알고리즘 방식의 처리 결과는 픽셀로 표현된 이미지로 남는다. 알고리즘 방식으로 얻어낸 픽셀 이미지를 딥러닝의 결과 정보와 매칭하는 것이 임 교수가 두 분야를 융합하는 방식이다. 그는 “물체 추적 영역에서는 많은 사람이 이미 알고리즘과 딥러닝을 혼합해 사용하고 있다”고 밝혔다. ▲ 임종우 교수는 “컴퓨터가 사람처럼 시각 정보를 인식한다는 것 자체가 쉽지 않다”며 "여전히 기술적 시도를 하고 있다"고 전했다. 2부 연구를 향해 ‘비전 모델 기반 공간 상황 인지 원천기술 연구’는 2017년 9월부터 2년간 진행됐다. 이번 연구는 ‘인간 수준의 종합적 비디오 이해를 통한 상황인지 및 예측’ 연구의 1부다. 1부 연구를 통해 임 교수와 연구진들은 목표한 기능 개발을 실현했으며 여러 논문을 작성했다. 임 교수는 “컴퓨터가 사람처럼 시각 정보를 인식한다는 것 자체가 쉽지 않다”며 "여전히 기술적 시도를 하고 있다"고 전했다. 임 교수는 2부 연구에서도 연구책임자를 맡으며 ‘딥러닝 기반 의미론적 상황 이해 원천기술 연구’를 수행할 예정이다. 글/ 김현섭 기자 swiken1@hanyang.ac.kr 사진/ 김현수 기자 soosoupkimmy@hanyang.ac.kr