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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

2018-06 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

2018-05 13

[학술][우수R&D] 천병구 교수(물리학과) (1)

지난 4월 고에너지물리 국제공동실험연구팀 ‘벨’(Belle)은 우주 탄생의 비밀을 알기 위해 ‘벨-II 업그레이드 실험’(이하 벨-II 실험)을 시작했다. 25개 국가, 750여명의 물리학자가 참여한다. 천병구 교수(물리학과)는 1995년부터 이에 앞서 ‘벨 실험’에 참여했다. 2008년에는 물질과 반물질의 비대칭성 문제를 밝히는데 기여해 세계적으로 권위 있는 과학 저널 ‘네이처’(Nature)에 논문을 게재했다. 현재 ‘벨-II 실험’으로 새로운 물리현상을 파헤치기 시작했다. 벨 실험에서 벨-II 업그레이드 실험으로 천 교수는 우주가 어떻게 발생하고 진화했는지 연구한다. 미시세계를 다루는 입자물리학을 적용한다. 입자물리학은 물리학의 한 분야로 소립자의 특성과 상호작용을 이해하려는 분야다. 소립자는 원자보다 작은 입자로 물질을 이루는 가장 작은 단위의 물질이다. 내부구조가 없다. ‘소’는 ‘작다(小)’가 아니라 ‘기본이 된다(素)’는 뜻이다. 미시세계의 현상을 관찰함으로써 우주의 근원을 찾을 수 있다. ▲ 지난 11일 천병구 교수(물리학과)를 연구실에서 만났다. 천 교수가 벨-II 업그레이드 실험(이하 벨-II 실험)에 대해 설명하고 있다. 10년 전, 천 교수는 벨 실험으로 물질과 반물질의 비대칭성 관계를 규명했다. (지난 기사 보기 - 천병구(물리) 교수, 우주 탄생 비밀 발견) 우주 대폭발(Big-Bang) 이후 물질과 반물질이 만들어졌다. 현재 반물질은 사라지고 물질만 남아 우주를 구성하고 있다. 천 교수는 일본 고에너지가속기연구기구(KEK)에서 건설한 ‘KEKB 입자가속기’(이하 KEKB) 실험을 통해 반물질이 왜 사라졌는지 밝히는 증거를 찾았다. 벨 실험은 2009년 6월 종료했다. 지난달 25일에 벨-II 실험이 개시했다. 21세기 초, 입자물리학을 지탱하고 있던 ‘표준모형’으로 설명할 수 없는 현상이 관찰됐다. 중성미자 질량의 존재다. 중성미자는 전기적으로 중성이며 질량이 0에 가까운 소립자다. 우주에 존재하는 암흑 물질과 암흑 에너지의 근원도 알려지지 않았다. 표준모형은 중력을 제외한 그 외 힘인 강력, 약력, 전자기력의 상호작용을 통해 미시세계를 기술한다. 2010년부터 천 교수는 더 완전한 비표준 모형을 찾기 위한 벨-II 실험을 준비했다. ▲ 지난 4월 25일, 벨-II 실험에서 처음으로 획득한 전자-양전자 충돌 Event Display (출처: 천병구 교수) 우주 탄생의 근원을 찾아서 기존 벨 실험으로는 표준모형을 벗어나는 물리 현상의 증거를 관측하지 못했다. 물리 데이터 양이 부족했기 때문이다. 벨-II 실험에서는 벨 실험 50배 이상의 데이터 수집을 계획하고 있다. 기존의 KEKB보다 휘도(광원의 단위 면적당 밝기의 정도)가 훨씬 높은 ‘SuperKEKB 입자가속기’(이하 SuperKEKB)를 사용한다. 7개 종류의 검출기가 SuperKEKB의 전자와 양전자 충돌 지점을 둘러싸고 있다. 현미경 역할을 하는 검출기는 가속기에서 나오는 신호를 저장해 분석한다. 성공적인 실험을 위해서는 정교한 트리거 시스템(trigger system)이 필요하다. 매초 50억개의 전자와 양전자가 충돌한다. 대부분의 불필요한 충돌 사건은 제거하고 3만개의 가치있는 물리 사건만 선별해야 한다. 천 교수는 “전자기 열량계를 이용한 트리거 시스템의 전체 디자인, 초고속 전자회로 장치의 R&D, 양산, 설치 및 시스템 보정 작업을 한양대가 독자적으로 완수했습니다. 지난 4월 벨-II 실험이 개시되는데 결정적 역할을 해서 큰 자부심을 가지고 있습니다.”라고 말했다. ▲ 천병구 교수가 벨-II 실험의 필요성에 대해서 설명하고 있다. 전세계적으로 표준모형을 넘어서는 새로운 물리 현상을 찾기 위한 고에너지 물리 실험들이 진행 중이다. 유럽원자핵공동연구소(CERN)의 LHC(Large Hadron Collider) 실험은 13테라전자볼트(TeV)의 높은 에너지로 양성자들을 충돌시킨다. 반면 벨-II 실험은 초고휘도로 전자와 양전자를 충돌시켜 희귀 현상을 발견하려고 한다. 두 실험은 상호 보완의 관계에 있다. 물리 현상을 관측하려는 방법은 다르지만 우주를 알고자 하는 마음은 하나다. 지구 밖으로, 우리나라 밖으로 천 교수는 벨-II 실험을 통해 새로운 물리 현상 관찰에 힘쓰고 있다. 앞으로 10년의 긴 여정이 예상된다고 한다. 많은 양의 물리 데이터를 수집해 분석해야 하기 때문이다. 지구로 날아 오는 초고 에너지 우주선(ultra high energy cosmic ray; UHECR) 관측을 위해 TA(Telescope Array) 우주선 실험에도 참여한다. 최근 TA 실험에 의하면 알려진 발생원이 아닌 부분의 우주 영역(Hot-spot region)으로부터 오는 UHECR이 발견 됐다고 한다. 입자천체물리학 분야에서 큰 흥미를 끌고 있다. “벨-II 실험은 분명 새로운 물리현상 발견에 있어 최선두 주자입니다.” 천 교수는 벨-II 실험이 물리학 분야에 새로운 패러다임을 제시할 것으로 기대한다. 입자물리학은 우주의 근본 원리를 알고자 하는 인류의 지적 호기심 해소에 크게 기여했다. 이 뿐 아니다. 실험 장치 및 데이터 분석 연구로 인류의 실생활에 큰 업적을 세웠다. 인터넷의 효시인 WWW(월드와이드웹)을 만들었다. CT, PET 등 의료 장치 기술에 응용됐고, 인공지능에 활용되는 딥 러닝 연구에도 접목되고 있다. ▲ 인터뷰를 마친 천병구 교수가 포즈를 취하고 있다. “입자물리학 실험분야에서 우리나라 발전에 공헌하는 학생들을 많이 배출하고 싶습니다.” 천 교수는 제자 육성에도 힘쓴다. 졸업한 학생들이 해외 대학 연구소, 국립암센터 등 많은 연구 기관에서 근무하고 있다고 한다. 물리학이 내용 자체는 순수 학문이지만 R&D(연구개발)에 있어서는 언제나 유용하게 사용할 수 있기 때문이다. “우리나라에서 모든 삶을 영위할 것이 아닙니다. 세계로 시야를 넓히세요.” 글/ 유승현 기자 dbtmdgus9543@hanyang.ac.kr 사진/ 강초현 기자 guschrkd@hanyang.ac.kr