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2019-06 17

[학술][이달의 연구자] 홍승호 교수, 사이버 물리 시스템을 이용한 제조시스템을 개발하다

공장은 제품을 만들기 위해 24시간 내내 가동한다. 첨단 정보통신기술들의 발달은 혁신적인 변화를 일으키며 사회 전반에 큰 영향을 미치고 있다. 한층 더 높은 수준의 산업 제조 과정과 관리 시스템이 필요해졌다. 공장을 효율적으로 운영하는 방법을 고민한 홍승호 전자공학부 교수는 새로운 산업 제조 기술을 연구 중이다. 홍 교수는 4차 산업 혁명에 걸맞은 공정시스템의 필요성을 언급하며, 개발 중인 사이버물리시스템(CPS, Cyber Physical System)에 대해 설명했다. 최근 몇 년 동안 빠르게 변하는 시장 상황에 고객 수요가 지속적으로 증가하면서, 생산 추세가 대량 주문 제작으로 바뀌고 있다. 학계와 산업계는 제품의 다양성과 빠른 생산 변화에 대비할 수 있는 효과적인 해결책을 고심했다. 현재 대부분의 기계와 시스템은 자동화됐지만, 동시에 생산 시스템은 더욱 복잡해져 적절히 처리해야 하는 문제가 발생하고 있다. ▲ 홍승호 전자공학부 교수의 ‘A data mining-driven incentive-based demand response scheme for a virtual power plant’ 논문은 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers, 미국전기전자공학회) SCI등재 학술지 <트랜잭션 온 인더스트리 애플리케이션스 및 인더스트리 애플리케이션스 매거진>(Transactions on Industry Applications and Industry Applications Magazine)에 게재됐다. 홍 교수는 현재 국제표준화기구(IEC) 한국 대표로 참여하고 있다. 홍승호 교수가 연구하는 사이버물리시스템(이하 CPS)은 이러한 문제를 해결해 한 층 더 효율적인 생산 과정을 실현할 수 있다. 물리적 사물을 컴퓨터 내 정보를 통해 동일 가상 모델로 구현해 디지털 쌍둥이(디지털 트윈)를 만든다. 움직이는 간격과 행동 반격 등이 모두 같은 기계들은 스스로 소통하며 공장의 일들을 순조롭게 진행한다. CPS로 공장 내 복잡한 생산 정보를 식별 및 처리할 뿐만 아니라 외부 CPS와도 일관성이 낮은 데이터 교환에 연결할 수 있다. ▲ 디지털 쌍둥이(디지털 트윈) 구성품 간에 데이터 교환이 가능하다는 것을 증명하기 위해 제작된 기조 시스템. (홍승호 교수 제공) CPS의 개발은 생산성 및 에너지 효율을 대폭 향상한다. 운영단계에서 기계는 자산 운용 데이터(온도, 속도, 진동 등)를 스스로 제어하고 기록해 시스템을 진단하고 안정적인 상태를 유지한다. 시스템 설계자와 엔지니어는 감독과 문제 상태 해결을 수월하게 할 수 있어 진행 속도를 가속할 수 있다. 또한 저장된 과거 데이터는 유지관리 담당자가 고장을 추적하고 분석하는 데 사용할 수 있다. 이를 위해 먼저 기계 데이터의 표준화 작업이 필수적이다. 기계의 표준어를 채택하는 것부터 정보 표현 기술과 전달 기술의 표준화까지 긴 시간이 소요된다. 또 인공지능과 부가적인 시스템을 탑재해야 한다. “여태까지는 공장을 자동화하는 것까지 마쳤고, 오는 2035년에 완전한 스마트제조시스템을 완성할 것으로 예측합니다.” 한국에서 실질적으로 운영하는 시점은 다가오는 2045년으로 보고 있다. 홍 교수는 “CPS기술이 완성되면 4차 산업혁명처럼 스마트제조시스템에서도 새로운 기술적 혁명이 초래할 것”이라고 덧붙였다. ▲ 홍승호 교수는 마지막으로 “많은 학생들이 근본적인 상상을 뛰어넘는 생각을 하면 좋겠다”며 “적극적으로 창조하고 꿈을 실현하길 바란다”고 말했다. 글/ 김민지 기자 melon852@hanyang.ac.kr 사진/ 이현선 기자 qserakr@hanyang.ac.kr

2019-04 01

[학술][이달의 연구자] 성명모 교수(화학과)

우리 주변 전자제품에 사용하는 반도체의 경우 대부분 무기 반도체다. 간혹 유기 반도체를 전자제품에 사용하기도 한다. 그러나 무기 반도체에 비해 전하이동도가 느리기 때문에 거의 사용하지 않는다. 성명모 화학과 교수는 ‘PCDTPT’라는 단결정 고분자 나노 와이어 개발로 기존 유기 반도체 전하이동도를 10배 이상으로 높였다. 유기 반도체에서 무기물만큼의 전도성을 나오게 한 것이다. 보통 사용하는 무기물을 유기 반도체로 대체할 가능성이 높아져, 실질적인 대체 사용 시점에 가까워졌다. 지난 1997년 유기 반도체에도 전도성이 있다는 사실이 밝혀졌다. 이후 유기 반도체로 전자제품을 만드는 혁신적인 시도가 계속됐다. 시도를 거듭하며 스마트 워치, 삼성의 OLED 제품 등 플렉서블 디스플레이(Flexible display)로 불리는 유기 반도체 전자 제품들이 시중에 나오기 시작했다. 유기물질로 이뤄진 제품들이 속속 출현하면서 점차 유기 반도체의 실용화를 입증했다. 하지만 무기 반도체에 비해 상당히 낮은 전하이동도를 가진 유기반도체만을 사용한 제품을 생산할 경우 동작 속도가 매우 느리고 안전성이 입증되지 않아 여러 가지 문제점이 나타나고 있다. 전하이동도는 제품의 동작 속도를 결정짓기 때문에 중요하다. 따라서 보통은 유기 반도체와 무기 반도체를 같이 사용해 제품을 생산한다. ▲ 성명모 화학과 교수는 “유기반도체가 더 활성화되기 위해 전도속도가 높고 안전한 유기반도체를 만들어야 한다”고 말했다. 이렇듯 유기 반도체는 성능과 안정성이 떨어져 사용이 제한돼 있다고 알려져 있다. 성 교수가 10년간 연구 중 개발한 ‘PCDTPT’ 단결정 나노선으로 이 판도를 뒤집었다. ‘PCDTPT’ 단결정 나노선은 단결정 고분자 나노 와이어로, 가볍고 뛰어난 성능과 함께 넓은 면적과 저렴한 비용으로 쉽게 생산할 수 있다. 저렴한 대형 전자제품 분야에서도 응용 가능성이 매우 크다. 또 단결정형 PCDTPT 나노 와이어는 소형 분자 유기 반도체에 비해 대기 조건에서 양호한 환경안정성을 보인다. 성 교수는 유기 반도체의 가장 큰 단점인 전하이동도를 기존의 10배 이상으로 높였다. 개발 전 10정도의 모빌리티(전자를 움직이는 속도)였다면 개발 후 100에 도달하는 모빌리티를 기록했다. 지금까지 이렇게 높은 이동도를 가질 수 없다고 알려졌지만 성 교수가 이를 해결했다. 10배 이상으로 이동도를 증가시킬 수 있었던 이유는 ‘PCDTPT’ 나노선의 독특한 분자 구조에 있다. 일반적인 유기반도체 나노선은 분자판이 나란히 배열돼 있다. 전하는 배열된 방향을 따라 움직인다. 그러나 ‘PCDTPT’ 나노선은 그와 다르게 90도 다른 방향으로 전하가 움직인다. 이 때문에 폭발적으로 고성능을 발현할 수 있었다. ▲ (a) PCDTPT(단결정 나노 와이어)를 만드는 기술 과정. (b) 만들어진 결과의 모습이다. 마지막 사진에 단결정 나노 선 한 줄 씩 보인다. (논문명: Single-Crystal Poly[4-(4,4-dihexadecyl-4H-cyclopenta[1,2-b:5,4b′]dithiophen-2-yl)-alt-[1,2,5]thiadiazolo[3,4‑c]pyridine] Nanowires with Ultrahigh Mobility) ▲단일 결정의 전도 속도 변화를 한 눈에 볼 수 있는 사진 자료. (a)전형적인 나노 와이어의 소자 구조. 전극 사이의 잘 정렬된 단일 나노 와이어를 보여준다. (b)단일 결정 PCDTPT 나노 와이어의 일반적인 배출 전류-배출 전압(ID/VD) 출력 곡선. (c)단일 결정 PCDTPT 나노 와이어의 일반적인 배출 전류-게이트 전압(ID/VG) 전송 곡선(VD = -80 V). (d) 주변 조건에서 단일 결정 PCDTPT 나노와이어의 빨라진 전도 속도를 보여주는 그림. 성명모 교수는 “유기 반도체 중 최고의 이동도가 나온 것”이라고 말하며 “이 기술로 모든 디스플레이를 한층 더 유연한 제품으로 만들 수 있는 가능성을 제시했다”고 덧붙였다. 추가로 유기 반도체에 잉크젯을 넣는 연구도 병행하고 있다. OLED를 고가의 포터 장비대신 잉크젯으로 만들면 훨씬 저렴하고 유연하게 움직이는 디스플레이를 구현할 수 있다. 성 교수는 “이번 연구를 통해 유기 반도체의 무한한 가능성에 한 발 더 접근한 것”이라고 말했다. ▲ 오랜 시간 묵묵히 연구에 매진하고 있는 성명모 교수는 “유연한 소자를 통해 새롭고 인류적인 유용한 것들을 만드는게 목표”라고 말했다. 글/ 김민지 기자 melon852@hanyang.ac.kr 사진/ 이현선 기자 qserakr@hanyang.ac.kr

2019-02 25

[학술][이달의 연구자] 백은옥 교수(컴퓨터소프트웨어학부)

한국의 조기발병 위암(40대 혹은 그 이전 젊은 사람에서 생기는 위암) 환자는 전체 위암 환자의 약 15%로 세계적으로 높은 수준이다. 3~40대에 주로 발병하는 조기발병 위암은 다른 암에 비해 환경적 요인보다 유전적 요인이 큰 영향을 미칠 것으로 예상된다. 또한 암세포가 작은 크기로 군데군데 퍼져 있는 미만형(diffuse type)이 많아 발견이 어렵고 전이가 빠르다. 위암 발병의 원인을 파악하기 위해서는 보통 유전자를 분석한다. 더욱 정밀한 분류를 위해선 유전체와 함께 단백체 분석 역시 필요하다. 백은옥 컴퓨터소프트웨어학부 교수는 환자의 유전체와 단백체 분석의 통합적으로 해석하는 연구를 실행 중이다. ▲ 전 세계적으로 연간 약 70만 명 이상이 위암으로 사망한다. (세계보건기구 제공) 암 발병 원인 분석에는 유전자 수준의 분석과 단백질 수준의 분석이 있다. 유전자가 일종의 코드라면 그 코드를 해석한 결과로 생성된 물질이 단백질이다. 단백질은 세포의 현상을 가장 잘 설명해 줄 수 있는 핵심이다. 백은옥 교수는 두 수준의 데이터를 통합하면 더욱 더 정확한 암 정보를 얻을 수 있을 것으로 생각했다. 백 교수가 진행하는 통합적 범주의 조직세포 분석방법(Proteogenomics)은 두 분석에서 얻을 수 있는 정보를 서로 보완하며 깊이 있는 원인 분석을 가능케 한다. 하지만 국내외적으로 단백체 연구는 아직 초기 단계로 관련 소프트웨어가 많이 부족한 실정이다. 백 교수는 미국 국립보건원(NIH, National Institute of Health) 산하 CPTAC(Clinical Proteomic Tumor Analysis Consortium)의 다른 해외 연구자들과 협력해 통합 분석방법(Proteogenomics)을 연구하고 암 치료를 위한 알고리즘을 모으고 있다. ▲ 암 조직세포 통합 분석(유전단백체연구, Proteogenomics) 과정의 대략적인 진행 과정. 젊은 인구 집단을 모집해 유전체 및 단백체 분석 후 mRNA(DNA에서 유전정보를 받아 단백질이 합성되도록 전달하는 유전체)와 단백체의 상관 관계를 확인할 수 있다. (논문명: Proteogenomic characterization of human early-onset gastric cancer) 보통 조직 세포 실험은 세포 조직을 채취해서 시작한다. 그러나 조직 세포가 공기 중에 노출되는 경우 세포 내 단백질이 변성되기 쉽다. 그렇게 되면 병원 수술실에서부터 연구를 위한 기초 작업이 시작돼야 하고, 동일 시료를 여러 번 분석해야 해 연구 과정에 어려움이 많았다. 백 교수는 수월한 연구진행을 위해 10년 이상 한국과학기술연구원(KIST)에서 단백질 연구를 함께한 생물학, 화학, 의학 등 여러 분야의 다수 전문가와 협업 중이다. 또 정확한 결과 도출을 위해 5년간 80여 명의 실제 환자로부터 암 조직과 정상조직을 얻어 분석했다. 아직 기초 연구여서 직접적인 유용성을 주장하긴 어려운 단계다. 하지만 위암과 관련해 밝힌 여러 종류의 데이터를 한꺼번에 볼 수 있는 결과를 얻었다는 것에 큰 의의가 있다. 백 교수는 “똑같은 조기위암 환자도 각각 지니고 있는 유전체 및 단백체의 차이 때문에 발병 원인이 다르고 치료법 역시 달라진다”며 “이 연구를 통해 궁극적으로는 4가지 유형 이상의 개인화된 암 치료법까지 도출할 수 있는 소프트웨어 기반을 마련하겠다”고 설명했다. ▲ 백은옥 컴퓨터소프트웨어학부 교수는 “유전단백체연구(Proteogenomics) 학문 분야가 더 발전돼 많은 소프트웨어로 성과를 내고 연구에 활용되는 것이 목표”라고 말했다. 백 교수는 현재 췌장암 관련 연구에도 도전하고 있다. 앞으로 유전 단백체연구를 통해 조기위암 환자를 포함한 다양한 암 환자들의 정밀한 차이를 고려한 치료의 길이 열릴 것으로 기대된다. 그는 학생들에게“작은 데이터에 국한되지 않고 종합된 시야를 갖춰 깊이 있는 연구를 해야 한다”며 “자신이 다루는 학문에만 매몰되지 않도록 객관적으로 바라보고 여러 다른 정보를 폭 넓게 공부하는 연구자의 자세를 갖추길 바란다”고 말했다. 글/ 김민지 기자 melon852@hanyang.ac.kr 사진/ 박근형 기자 awesome2319@hanyang.ac.kr

2019-01 29

[학술][우수R&D] 윤태현 교수(화학과)

기존 산업에서 생산 중인 제품 성능을 혁신적으로 향상할 수 있는 기술로 나노 기술이 주목받고 있다. 나노 소재와 기술들은 이미 반도체, 자동차, 화장품, 의료, 섬유 등 우리 생활 속에 깊숙이 자리하고 있다. 다만 나노 기술의 장점을 최대한 활용하면서 잠재적인 인체 유해성이나 과도한 투자 비용 등 초래할 수 있는 단점들을 줄이기 위한 노력은 여전히 필요하다. 이를 위해 윤태현 화학과 교수는 유럽연합(EU)의 연구혁신분야 재정지원 프로그램 'EU Horizon2020' 사업 중 하나인 ACEnano 국제 컨소시엄에 참가해 연구를 수행 중이다. 기업과 사용자를 위해 필요한 나노 안전성 검증 최근 나노 기술 분야는 나노 소재 연구 개발 단계에서 상업화 단계로 전환에 돌입했다. 그간의 연구개발 성과를 기반으로 향후 나노 산업의 급격한 팽창이 예상된다. 그러나 나노 소재의 안전성 검증 및 규제 대응을 위한 전문성은 여전히 부족한 실정이다. 나노 기술을 이용한 제품이 폐기되는 경우 발생하는 악영향은 엄청나다. 제품 개발 과정에서 인체와 환경에 대한 고려가 없으면 각종 사고가 일어날 수 있다. 실제로 국내에서 가습기 살균제 사고가 있었고, 일본에서는 미나마타병과 같은 화학물질에 의한 질병이 발생했다. 그렇기 때문에 나노 기술 개발에 대한 사전검증 및 규제는 필요하다. 우수한 제품을 개발하더라도 한국과 EU 등 국가별로 법제화돼 있는 각종 안전 규제를 통과해야 시장 판매가 가능하다. 이에 대비하지 못한 기술들이 빛을 보지 못하는 경우도 허다하다. EU에서는 이미 지난해부터 나노물질에 대한 안전성 검증과 규제 등록이 시작된 상태고 한국에서도 2023년부터 시행을 계획하고 있다. 일정에 따라 규제 대응 시스템은 일부 적용 가능한 부분부터 2~3년 이내에 상용화할 수 있을 것으로 보인다. ▲ 윤태현 화학과 교수는 “일반 중소기업은 모든 국가에서 기술 개발 관련 규제가 엄격하고 이에 대해 적절히 대응하는 것이 매우 어렵다”며 “이러한 부분에서 도움을 주기 위해 연구 개발 및 국제 공동협력을 진행하고 있다”고 설명했다. 세계적 장비기업이 다수 참여하는 산학연구협력 윤 교수가 참여하는 ‘ACEnano Toolbox’ 개발 연구는 측정 분석, 시험 지침, 관련 데이터, 나노 소재 및 제품의 등록, 허가 등에 관련된 다양한 나노 안전성 콘텐츠들을 사용자 필요에 맞게 제공하는 전문가 시스템이다. 영국 버밍엄 대학을 중심으로 오스트리아, 스위스, 독일 등 유럽 국가를 중심으로 구성돼 연구한다. 한국에선 한양대학교와 함께 ㈜TO21이 참여한다. ACEnano 컨소시엄은 학교와 연구소뿐 아니라 나노 입자 분석 장비를 직접 연구·개발하고, 제조 판매하는 세계적 장비 기업들이 다수 함께해 진정한 산학연구 협력을 진행 중이다. 본 사업에서 개발한 기술은 국내외 중소기업이 나노 소재의 안전성을 제품 개발 단계에서 미리 확인하는데 도움을 준다. 나노 물질의 물리화학적 특성 및 세포 독성 데이터베이스와 이러한 데이터 세트 기반의 나노 안전성 예측 모델을 만들어 선제적으로 안정성에 대응할 수 있다. 인체와 환경에 미칠 수 있는 큰 악영향 예방도 가능하다. 이를 통해 제품개발 비용 절감은 물론, 효율적이고 친화적인 제품을 만들게 되는 것이다. 장기적으로는 전문가 시스템을 만들어 유럽연합 신화학물질관리제도(EU REACH)와 화학물질의 등록 및 평가 등에 관한 법률(화평법)에 대한 규제 대응 전략으로 적용할 것으로 기대된다. 본 연구진은 상기 성과를 기반으로 유럽의 국제 공동 연구 컨소시엄인 ACEnano 및 NanoSolveIT 참여를 통해 국제 공동 협력 연구 및 시스템 개발 역량을 강화할 계획이다. 더불어 사업의 성과물인 S2NANO(Safe & Sustainable Nanotechnology) 포털(클릭 시 이동)을 나노 소재의 물리화학적 특성 측정부터 유해성 예측까지 전 과정에 대한 실무자 교육, 컨설팅 서비스 등을 제공하는 국제적인 수준의 나노 안전성 종합 포털로 확대할 예정이다. 포털은 올해부터 공식적인 시범서비스를 진행 중이다. ▲ 윤태현 화학과 교수는 연구를 하는 학생들에게 새로운 물질이나 기술에 대한 조심스럽고 유연한 대처와 개발을 강조했다. 더 큰 미래 나노 산업에 대응하는 유연한 연구 자세 윤 교수는 “우리의 건강과 환경보호를 위하여 나노물질을 포함한 화학물질의 관리 및 규제가 필요하다”며 “다만 이러한 규제가 불합리한 근거에 기반하거나, 불필요한 과정 등을 포함하여 산업의 발전에 저해요인이 되는 것 또한 바람직하지 않은 일”이라고 덧붙였다. 그는 연구는 합리적인 최소한의 규제 적용과 대응을 통해 우리의 건강과 환경보호뿐 아니라 새로운 기술 개발 및 산업발전을 촉진할 수 있도록 해야 한다고 말했다. 윤 교수는 마지막으로 학생들에게 “새로운 기술들은 항상 장점과 잠재적 위험을 동시에 지니고 있다”며 “장점을 극대화하고 단점을 최소화하는 방향으로 최적점을 찾는 유연한 접근과 연구를 하길 권한다”고 말했다. 글/ 김민지 기자 melon852@hanyang.ac.kr

2019-01 14

[학술][우수 R&D] 선양국 교수(에너지공학과)

‘GET-Future(겟 퓨처)’는 산업통상자원부와 한국에너지기술평가원(KETEP)이 진행하는 차세대 전지 연구인력 양성 사업이다. 이 프로그램은 우수한 연구 인력을 양성하고, 앞으로 이차전지가 필수인 국제 상황에 적합한 에너지 기술 상용화 연구 단계를 밟는다. “현재 실험 중인 전지를 지속해서 발전시킨 뒤, 실제 상용화를 위한 세계 최고 연구실 구축과 전문인력 확보가 목표”라는 선양국 교수(에너지공학과)를 만나 자세한 사업 방향과 연구 기술의 다양한 활용 형태를 물었다. Get future, 미래 동력을 얻어라 한국 이차전지 산업의 역사는 짧다. 이차전지 산업의 급속한 성장을 이룩한 한국은 다른 전지 사업 선진국에 비해 전문인력 공급과 개발 지원이 부족하다. 이미 오래전부터 ‘리튬-이온 전지’를 뛰어넘는 차세대 이차전지 개발을 진행해 온 미국과 캐나다, 일본, 프랑스 등은 개발한 전지의 상용화를 위한 본격적인 사업에 착수했다. 그러나 차세대 이차전지인 ‘리튬-설퍼 전지’, ‘리튬-공기 전지’, ‘나트륨-이온 전지’는 아직 실용화 단계에서 여러 문제점에 부딪힌 상태다. 이 세 가지 이차전지는 더 많은 연구를 거쳐 최소 오는 2020년까지 실용화될 예정이다. ▲ 세계 배터리 시장 전망과 제품별 연간 매출액 추이 및 전망. (xEV: 전기자동차, ESS: 신재생에너지, IT: 정보통신) (선양국 교수 제공) 시장조사기관SNE리서치와 IBK투자증권에 의하면 전체 배터리 시장은 오는 2025년까지 연평균 27% 증가할 것으로 예상된다. 세계 각국은 리튬-이온 전지의 기술적 한계를 예상해 전지의 성능을 높이고자 노력 중이다. 개발도상국을 포함한 전 세계 195개국의 환경규제 강화와 많은 국가의 내연기관차 판매중단 계획 발표도 한 몫했다. 세계 시장은 급격히 팽창하고 있는데, 국내 기업의 시장 점유율은 아직 낮다. 이에 선양국 교수와 연구팀은 ‘포타슘-이온 전지’ 개발과 함께 이를 뛰어넘는 차세대 전지 개발 및 실제 상용화를 위한 ‘GET-Future’ 사업을 시작했다. ▲선양국 교수(에너지공학과)는 새롭게 개발 중인 차세대 이차전지가 적어도 향후 20년은 사용될 것이라고 말했다. 소형 전지 에너지부터 신재생 에너지까지 납축전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 리튬-이온 전지를 거쳐 새로운 결합으로 개발 중인 차세대 이차전지(리튬-설퍼 전지, 리튬-공기 전지, 나트륨-이온 전지)는 리튬-이온 전지 대비 최소 3배에서 최대 10배의 에너지 밀도를 구현한다. 선 교수는 중대형 이차전지 핵심소재의 원천 기술을 개발하고 국내 친환경 에너지 산업의 국제 경쟁력 확보에 기여할 예정이다. 그는 “차세대 이차전지는 기존 소형 전지부터 중대형 전지까지 모두 고성능으로 적용할 수 있고 나아가 친환경 에너지 보급에 기여할 수 있다”며 “휴대폰, 전기차, 신재생에너지와 4차 산업혁명과 관련된 분야까지 적용 가능하다”고 덧붙였다. 가장 크게 전기차 기술의 대외 의존도를 낮출 것으로 기대된다. 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV) 및 전기차의 상용화가 가능해져 향후 전개될 친환경 자동차 시장에서 경쟁력을 갖춘다. 자동차뿐 아니라 다양한 전동 기구의 ESS(에너지저장시스템)을 대신할 수 있어 부가가치가 높은 상품의 개발도 쉬워진다. 차세대 산업과 같이 성장할 인력을 또, GET-Future(겟 퓨처)사업은 기술 개발과 더불어 전문 인력 양성도 목표로 한다. 사업을 통해 소형 리튬 이차전지부터 중대형 전력 저장 장치 및 전기자동차용 전지 분야까지 고급 인력 확보에 힘쓴다. 신재생에너지에도 응용 가능해 에너지 관련 모든 업체로 인력 배출이 가능하다. ▲연구실 내에서 선양국 교수(에너지공학과)와 함께 연구팀이 포즈를 취하고 있다. 그는 “이번 사업을 통해 차세대 전지 분야 기술 특허와 국제 경쟁력을 갖출뿐더러, 앞으로 발전의 폭이 큰 이차전지 분야에서 전문성을 갖춘 연구 인력을 확보하겠다”고 말하며 “산학연 연계뿐 아니라 국제적 교류를 통해서도 경쟁력을 갖출 것”이라고 덧붙였다. 앞으로 선 교수와 에너지공학과 연구팀의 차세대 전지 기술 연구 사업이 세계를 선도하는 경쟁력을 확보하길 기대한다. 글/ 김민지 기자 melon852@hanyang.ac.kr 사진/ 강초현 기자 guschrkd@hanyang.ac.kr

2018-12 10

[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

2018-10 08

[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

2018-07 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