이원령 KIST 박사팀, 세계최초 유연기판 마이크로니들기술 개발 채혈없이 피부 부착, 2주간 당뇨 관리 암, 우울증 등 다양한 질병 추적관리 기대 매년 11월 14일은 유엔과 세계보건기구가 지정한 '세계 당뇨병의 날'이다. 우리나라 당뇨병환자는 2022년 600만 명을 넘어 전체 인구의 10%이상이 앓고 있다. 이는 2010년 당뇨병환자수 312만 명에 비해 10년 새 2배 가까이 늘어난 것으로 다양한 합병증을 동반하는 만큼 철저한 관리가 필요하다. 늘어나는 당뇨환자에게 꼭 필요한 혈당측정기술이 개발됐다. 세계최초로 부드러운 기판에 마이크로니들기술을 접목시킨 '피부부착형 혈당 센서'다. 이 센서는 피부에 붙이기는 것만으로도 약 2주간 혈당측정이 가능하다. 휴대폰의 플렉시블 하드코팅 소재로 제작됐던 재료에서 아이디어를 얻어 개발됐다. 화학적 결합방법을 통해 피부처럼 부드러운 소재에 마이크로니들을 접합하는 기술을 통해 가능했다. 연구를 주도한 이원령 KIST 생체재료연구센터 박사는 "당뇨병은 인슐린이 제대로 작용하지 못해 혈당(혈액 속 포도당 수치)이 상승해 여러 신체기관에 손상을 일으키는 만성 질환이다. 혈당을 규칙적으로 측정하고 관리하는 것이 중요하다"며 "우리 센서는 하루 3번~7번 손끝 채혈검사를 통해 혈당을 측정하는 번거로운 과정을 거치지 않아도 효율적 혈당관리가 가능하다. 전통제조공정인 광패턴기술을 적용해 환자들에게 저렴하게 센서를 제공할 수 있을 것"이라고 기대했다. 혈당측정, 포도당 농도에 주목···유연한 소재로 피부 알레르기까지 개선 "기존 연구에서는 혈액 혹은 땀에서 혈당을 측정하는 방식이 다양하게 보고 돼왔습니다. 하지만 환자가 매번 땀을 흘리기 어려워 포도당 농도에 주목했습니다." 이 박사팀이 개발한 피부부착형 혈당센서의 핵심은 고통스러운 주사 없이 혈당 측정이 가능하다는 점이다. 비밀은 마이크로니들에 있다. 마이크로니들은 미세한 바늘을 이용해 몸속에 약물을 주입하거나 신체 성분을 측정하는 기술이다. 바늘두께가 얇아 주사하는 느낌이 들지 않아 다양한 의료기기에 활용된다. 연구진은 마이크로 니들에 전기적신호를 주고, 피부 몸속에 있는 간질액의 포도당 농도를 측정해 혈당을 확인할 수 있도록 했다. 여기에 유연한 플랫폼기술을 더했다. 이 박사에 따르면 마이크로니들은 크기가 작아 유연한 웨어러블 소재에 부착이 어려워 딱딱한 소재에 구현해왔다. 몸에 장기간 부착해야하다보니 플라스틱과 같은 소재는 환자의 편의에 맞지 않았는데 이러한 단점을 극복한 것이다. 이와 함께 마이크로니들이 장기간 신호 오류없이 잘 붙어 있을 수 있도록 우수한 피부접착제를 개발하는데도 성공했다. 이 박사는 "피부처럼 유연한 소재에 젤전해질과 피부 접착제를 광패턴기술로 패턴화하면서 기존의 단점을 극복했다. 광패턴기술은 전통 제조방식으로 실제 상용화가 되더라도 추가 공정을 구축하지 않아도 된다"고 설명했다. 연구진은 마우스 실험을 통해 혈당변화도 성공적으로 추적했다. 동시에 피부 위 염증이나 신호 끊김 등이 발생하지 않는 것도 확인했다. 이 박사는 "기존 피부부착형 혈당센서 역시 딱딱한 디바이스 위에 구현돼있고, 이를 피부에 장기간 고정하기 위해 강한 접착제를 사용해 피부트러블 등이 문제가 돼왔다"며 "우리가 만든 피부 부착형 혈당센서는 동전의 100분의 1수준인 10mg으로 가볍다. 접착제를 국소적인 부분에만 사용할 수 있어 피부알레르기에 대한 개선점도 높을 것"이라고 설명했다. 무선시스템으로 개선, 우울증과 암질환 추이 등 질병 측정 활용 기대 "연구 시작이요? 휴대폰 하드코팅 재료에서 아이디어를 떠올린 게 계기가 됐죠"(웃음) 이 박사의 오랜 연구테마는 인체 삽입(준삽입) 의료기기다. 부착형 혈당센서 아이디어를 구체화한 것은 KAIST 박사후연구원 시절이다. 당시 신소재공학과 배병수 교수 연구실에서 휴대폰 하드코팅 재료 연구가 한창이었는데, 의료기기로서도 가능성이 있다고 보고 연구를 시작했다. 평소 이 박사의 관심사를 이해한 배 교수가 마음껏 연구할 수 있도록 지원한 것도 한 몫했다. 그는 "휴대폰 하드코팅 재료는 생체 안정성이 높다고 알려진 실록산 폴리머를 사용한다. 경화조건을 달리하면 딱딱해지기도 유연해지기도 하는 변형이 강한 소재로 피부에 붙이거나 인체에 삽입하는 웨어러블센서 연구가 가능할 것이라고 봤다"며 연구 계기를 설명했다. 박사후연구원 이후 KIST로 자리를 옮겼지만, 그는 배 박사와 공동연구를 통해 말초동맥질환진단 가능 센서기술개발 등 다양한 플랫폼 기술을 연구 중이다. 그는 이번에 개발한 센서를 유선에서 무선시스템으로 개선하기 위한 연구도 진행 중이다. 그는 "최종적으로는 스마트워치처럼 혈당을 무선으로 관리하는 시스템을 개발할 계획"이라고 말했다. 이 박사는 이번 기술이 우울증이나 암질환 추이 등 각종 질병 측정에도 활용될 수 있을 것으로 보고 있다. 그는 "우리는 단 한 번의 채혈이 아닌 혈당 변화를 실시간으로 볼 수 있다는 것이 장점"이라며 "갑상선 질환이나 우울증 등 호르몬 계통의 변화나 암 치료 환자에서 나타나는 특이 인자들을 알 수 있다면 우리 기술로 장기추적조사해 재발우려를 사전에 막을 수도 있을 것"이라고 설명했다. 마지막으로 그는 "생체에 삽입하는 기기 등은 상용화까지 진입장벽이 높아 오랜 검증시간을 거쳐야한다. 어려움은 있지만 장기간 질병을 추적 관찰함으로써 환자의 불편함을 개선하고, 환자들의 착용 편의성을 극대화시켜 사회에 공헌할 수 있는 의료기기 상용화를 해보고 싶다"고 강조했다. 이번 연구는 강주혁 KIST 학생연구원이 제1저자로 참여했다. 연구내용은 국제학술지 디바이스(Device)에 게재됐다.

[‘푸른하늘의 날’ 기념 인터뷰] 김진영 기후·환경연구소장 출연연 유일 지구환경변화 대응 R&D 수행 다양해지는 지구환경변화 요인 “연구 통해 안전사회 만들 것” 9월 7일은 '푸른 하늘의 날'이다. 우리나라가 주도해 채택한 최초의 유엔 기념일이자 국가 기념일이다. 2019년 뉴욕에서 열린 기후행동정상회의에서 처음 제안된 '푸른 하늘의 날'은 대기환경과 기후변화에 대한 국민의 이해와 대기오염 저감활동에 대한 범국가적 참여를 유도하기 위해 지정됐다. 전 세계가 맑은 공기를 실천하기 위한 다양한 이벤트를 진행한다. 깨끗한 지구환경은 과학기술계가 주요하게 다루는 과제 중 하나다. 전 세계에서 미세먼지와 온실가스 저감, 기후변화 대응을 위한 다양한 연구가 이뤄지고 있다. KIST의 기후·환경연구소도 미래기후와 환경변화로 인한 재난과 재해에 선제적으로 대응하는 연구를 추진하고 있다. 푸른 하늘의 날을 맞아 기후·환경연구소를 이끄는 김진영 소장을 만났다. 그는 "폭염, 홍수, 허리케인 등 기상이변 현상이 과거보다 증가하고 있다. 기후환경이라는 크고 넓은 범위에서 과학기술계가 해야 할 연구가 많다"며 "우리는 청정대기 및 수자원 확보를 위한 연구뿐 아니라 R&D 기획 등 정책분야에서도 전문성을 갖고 있다. 에너지가 아닌 관점에서 기후·환경에 특화된 R&D를 수행하는 유일한 출연연으로서 기후변화로 인한 재난, 재해 및 피해를 최소화하는 연구를 통해 안전하고 지속가능한 사회를 구현할 것"이라고 말했다. Q. 기후·환경연구소에 대해 설명을 부탁드립니다. A. 기후·환경연구소는 기후 및 환경변화 연구에 대한 필요성에 의해 2021년 7월 발족했습니다. 기존 환경연구를 하던 팀 중심으로 만들어졌는데요, 현재 ▲물자원순환연구단 ▲지속가능환경연구단 ▲청정대기센터가 소속되어 있습니다. Q. 각 연구단 역할이 궁금합니다 A. '물자원순환연구단'은 1970년 도시계획연구실을 모태로 설치돼 KIST 내에서도 오랜 R&D 노하우가 축적된 연구단입니다. 깨끗한 물과 수처리 관점에서 연구를 시작해 현재 가뭄이나 홍수, 물자원을 확보하기 위한 연구로 진화했습니다. 미세플라스틱과 같은 신종 오염물질 대응부터 가뭄으로 인한 물 부족 사태해결 등 물과 자원을 포함한 환경 전반에 관련된 문제들을 양적인 측면과 질적인 측면에서 접근하여 해결책을 제시할 수 있는 연구를 진행 중입니다. '지속가능환경연구단'은 안전한 생활환경 실현을 위한 국가적 도전과제를 수행합니다. 기후·환경연구소의 대표적인 과제로 기후변화에 대응하기 위한 인공강수 프로젝트를 시작했습니다. 이와 더불어 기후과학 연구로 분야를 확장하고 있는데, 극한기후, 탄소순환, AI를 활용한 기후모델링 등 전문가들이 협력해 기후·환경 문제 해결책을 제시하고 있습니다. '청정대기센터'는 미세먼지 등 대기환경 원인을 규명하고 문제해결을 위한 연구 및 R&D 정책 컨트롤타워 역할을 합니다. KIST에서 유일하게 연구파트와 정책파트가 공존하는 조직입니다. 또 하나 특이한 점은 센터의 연구 과제를 다른 연구소 및 대학들과 함께 수행한다는 점입니다. Q. KIST의 출연금을 외부에 오픈했다는 건가요? 쉽지 않은 결정이었을 텐데요. A. 미세먼지는 한 기관이 해결하기 어렵습니다. 다른 연구소와 힘을 합쳐 대응하기 위해 KIST 경영진들이 자체 출연금으로 과제를 만들어 연구비 절반가량을 외부에 개방했습니다. 현재 15개 기관과 함께 대기과학, 배출저감원천, 생활보호원천, 위해성기초 4대 분야 기초원천 연구를 수행 중입니다. 미세먼지는 국제협력도 중요해 중국 및 일본 등과 대기측정 등을 협력하고 있습니다. 위해성기초 분야에서는 여러 출연연들이 협력하여 미세먼지가 뇌를 포함한 다양한 인체 장기에 미치는 영향을 추적‧진단하는 연구를 수행하고 있습니다. Q. '푸른 하늘의 날'하면 미세먼지 없는 하늘이 가장 먼저 떠오릅니다. 미세먼지와 관련된 연구소 성과를 소개해주신다면요. A. KIST에서는 미세먼지의 발생 원인부터 인체 영향까지 다양한 성과를 발표했습니다. 미세먼지에 노출된 뇌 분석을 통해 운동능력 감소 및 불안감과 뇌염증 반응 증가 등을 확인했고, 중국에서 유입된 미세먼지가 국내 배출된 물질과 상호작용해 국내 초미세먼지 농도를 더욱 증가시키는 과정을 규명하기도 했습니다. 미세먼지 저감을 위한 다양한 성과도 냈는데요, 선박과 자동차 엔진 등에서 나오는 질소산화물이 2차적으로 미세먼지를 생성한다고 알려진 만큼 질소산화물을 저온에서 잡아내는 친환경 촉매를 개발해 두산엔진 등에 기술이전했습니다. Q. 미세먼지 연구도 시간이 지날수록 방향성이 달라지나요. A. 최근 넷제로, 탄소중립의 중요성이 커지면서 다양한 관점의 연구가 필요해졌습니다. 예를 들어 전기차가 미세먼지를 발생시키지 않는다 기대하지만, 배터리 무게에 의해 차체가 더 무겁다보니 브레이크나 타이어 마모 등에 의한 비배기 미세먼지는 상대적으로 더 많이 발생합니다. 뿐만 아니라 미래 청정에너지로 꼽히는 암모니아는 미세먼지를 생성하는 전구물질인 만큼 미연소 암모니아나 누출에 대비해야 하고, 연소과정에서 발생하는 질소산화물 저감 등을 위한 고민과 정책이 필요합니다. 최근 과학기술정보통신부에서 넷제로시대 대응을 위한 미세먼지저감 연구를 시작하는 이유이기도 하며, 앞으로 이러한 문제를 선제적으로 대응하기 위한 관련 연구가 더 활발히 진행되어야 할 것으로 생각합니다. Q. KIST에서 오래해 온 미세먼지 외에 기후·환경연구소 성과는 무엇이라 생각하시나요. A. 기후·환경연구소가 생긴 첫 해에는 정상급의 아주 탁월한 성과는 별로 없었는데요. 올해에는 이달의 KIST인상을 벌써 두 번이나 받았습니다. 3월 이달의 KIST인상 수상자인 변지혜 박사는 산업 100대 물질인 과산화수소를 태양에너지를 이용해 친환경적으로 생산하는 기술을 개발하였고, 8월 이달의 KIST인상 수상자인 최재우, 정경원 박사는 폐기물로부터 귀금속 회수율을 획기적으로 높이는 기술을 개발하여 기술이전을 했습니다. 그 외에도 수열과 태양에너지를 이용한 물 부족 문제 대비, 미세플라스틱 연구 등 다양한 수월성 성과를 도출하고 있습니다. 앞으로 연구자간 더욱 활발한 협력 등을 통해, 기후변화에 대응할 수 있는 혁신적인 성과들이 더 많이 나올 것으로 기대합니다. Q. 기후·환경연구소에서 내세운 목표 중 하나가 구름챔버 구축입니다. 구름챔버에 대해 설명해주신다면요. A. 미래 기후변화와 지구환경변화에 대응하기 위해 구름챔버를 구축 중입니다. KIST 구름챔버는 목적에 따라 팽창식 또는 대류식으로 구름을 생성할 수 있는 세계 유일의 이중방식이며, 이를 활용하면 인공강수나 강수와 미세먼지의 상관성 등 다양한 과학적 연구가 가능합니다. 특히 인공강수를 위해 필요한 것이 구름을 만드는 씨인 응결핵인데요, 응결핵 개발은 소재연구자들과 함께 연구를 진행하고 있습니다. 이처럼 구름씨 물질을 개발하고 구름챔버를 통해 성능을 검증하는 전체 과정을 아우르는 기술 개발은 KIST가 전 세계 중 유일합니다. 이는 KIST에 소재와 계산과학 등 다양한 연구자들이 모여 있어 가능하며, 향후 기후·환경을 연구하는 연구자들과 더 폭넓은 시너지를 낼 수 있을 것으로 기대합니다. 챔버는 현재 설계를 진행하면서 구름 측정에 필요한 장비를 들여오는 중이고요, 향후 챔버가 완성되면 소재팀에서 개발한 응결핵을 활용해 구름이 생성되는 과정을 챔버로 모사할 수 있고, 드론 등을 활용한 야외 실험과 연계하면 실용적이고 수월성 있는 성과를 만들어낼 수 있을 것으로 보입니다. Q. 앞으로 기후·환경연구소가 어떤 조직이 되길 바라시나요. A. 저희가 신생 조직이다 보니 다른 연구소/본부에 비해 아직 인력규모가 작습니다. 이에 따른 어려움도 있지만 개개인의 역량을 발휘할 기회가 많이 주어지고 무언가 해보려는 의지가 강한 연구자들이 많아, 이런 노력들이 모이면 수년 내 우리가 목표로 했던 일들을 차근차근 이루어나갈 수 있지 않을까 기대합니다. 기후·환경연구소가 출범한지 불과 2년 정도밖에 안되었지만, 기후변화, 그리고 우리의 안전한 삶에 대한 무거운 책임감을 가지고 있습니다. 이상기후 등 다양한 이슈에 대해 함께 도전하고 더 나은 지구환경을 만드는데 일조하는 조직이 되도록 최선을 다하겠습니다.

이민아 박사, 출산휴가 후 복귀 연이어 성과 발표 마그네슘 배터리 효율적 충방전부터 열폭주 억제 新 전해액까지 "이르면 3~5년내 실용화, 연구로 지속가능한 사회 기여" KIST는 정부출연연구소 유일 마그네슘을 소재로 이차전지를 연구개발한다. 마그네슘 이차전지는 저비용 고용량 등 장점이 크지만 상용화에 어려움이 많아 차세대도 아닌 '차차세대' 전지로 불리고 있다. 연구현장에서 도전적인 과제로 불리는 마그네슘 이차전지에 매진하는 과학자가 있다. 미래연구부터 실용화연구까지 넓은 분야에서 활약하는 KIST 에너지저장연구센터의 이민아 박사다. 차세대 배터리를 위한 기능성 유기소재를 연구개발하는 이 박사는 지난 2019년 글로벌 학술출판사인 미국 와일리 출판사가 선정한 '와일리 젊은 연구자상'을 수상하는 등 왕성한 연구 활동으로 주목받는다. 올해 출산휴가를 마치고 돌아온 후에도 지난 5월과 7월 연이어 차세대 배터리 연구성과를 발표하며 인정받고 있다. 차세대 배터리연구를 통해 그가 꿈꾸는 세상은 지속 가능한 세상이다. 지난 8월 그의 사무실에서 연구에 대한 자세한 이야기를 들었다. 이미 상용화된 분야 이차전지, 더 매력적이죠 과학기술계가 이미 상용화된 이차전지에 관심 갖는 이유는 소재 수요와도 연관이 있다. 그는 "최근 전기자동차와 에너지 저장장치(ESS)성장으로 리튬이온전지의 수요가 늘고 있지만 핵심 원자재인 리튬과 코발트 등 핵심광물이 남미/호주/아프리카 등 일부 지역에 매장돼 있어 수급문제가 우려된다"며 "반면 마그네슘은 지각에 풍부하게 매장돼있으면서, 이온 하나에 전자를 하나 밖에 저장 못하는 리튬, 소듐과 달리 전자 2개를 저장할 수 있어 높은 에너지밀도를 기대할 수 있다"고 설명했다. 하지만 걸림돌도 있다. 기존 전해질과의 반응성으로 인해 마그네슘 금속의 효율적인 충방전이 어렵다는 점이다. 이 박사에 따르면 음극인 마그네슘 금속은 일반적인 전해질에서는 쉽게 표면이 망가져 효율적인 충방전 반응 유도가 까다롭고 이를 해결하고자 기존에는 할로겐 원소가 과량 함유된 부식성이 높은 전해질을 활용해 왔다. 이에 따라 양극과 전지 부품들의 활용이 제한되어 있었던 것이 단점이다. 부식성이 높으면 충전 가능 전압이 제한되어 고에너지 전지를 얻기 어렵다. 이에 이 박사팀은 전지 조립 전에 음극으로 활용할 마그네슘 금속을 반응성 알킬 할라이드 용액에 담그는 간단한 공정으로 마그네슘 표면에 인공보호막을 형성시켰다. 이때 반응면적이 넓은 나노 구조가 함께 형성되어 부식성을 없애고 대량생산이 가능한 일반적인 전해질에서도 마그네슘의 효율적인 충방전이 가능하게 했다. 이 박사는 "개발된 기술로 활성화 된 마그네슘 금속은 초기 사이클부터 과전압이 0.2V 미만이며 99.5% 이상의 효율을 나타냈다"며 "고에너지밀도 마그네슘 이차전지 상용화 가능성을 높인 것"이라고 말했다. 연구를 발표하기까지 어려움도 컸다. 알킬 할라이드 용액과 마그네슘 반응은 그리냐르 반응이라고 알려진 유기화학 분야에서 가장 중요한 반응 중 하나이지만, 기존 학계에서는 용해성 복합화합물을 생산하는데 집중하여 이번 연구 결과에서 제시한 인공 보호막과 같은 고상의 생성물에 대한 연구가 거의 없어 증명과정에 난항을 겪었다. 이 박사는 "기존에 보고된 바 없던 새로운 소재이다 보니 생성된 보호막의 조성과 두께 등에 대한 분석과 반응 매커니즘을 제시하는 것이 까다로웠다. 다행히 포항가속기 내 KIST 빔라인을 활용해 증명해내 좋은 결과를 얻을 수 있었다"고 말했다. 마그네슘 이차전지는 차차세대 배터리인만큼 갈 길이 멀다. 이번 연구를 기반으로 이 박사는 "마그네슘 이차전지로 사용할 수 있는 음극과 전해질이 생겼으니 여기에 맞는 양극을 구현하고 높은 에너지밀도와 긴 수명을 갖는 풀셀 설계가 다음과제가 될 것"이라고 말했다. (좌)KIST 이민아 박사 연구팀의 연구원들이 화학적 활성화 공정으로 고효율의 충-방전이 가능한 마그네슘 음극을 살펴보고 있다. (우)고효율의 마그네슘 이차전지를 위한 마그네슘 금속 화학적 활성화 공정을 개발한 KIST 이민아 박사 연구팀((좌) 전승윤 학생연구원, (가운데) 이민아 박사, (우) 전아리 학생연구원) 화재와 열 폭주 억제, 새로운 전해액 개발···3~5년 내 상용화 기대 "전지의 안전성을 입증하기 위해 전지를 못으로 찌르고 폭파시키는 테스트를 수행했습니다. 저희가 새롭게 개발한 고인화점 전해질을 적용한 전지는 동일한 관통 시험 조건에서 폭파되지 않고 고요하게 유지되었어요. 함께 실험한 학생들과 몇 번이고 영상을 돌려본 기억이 나네요." 이 박사는 마그네슘 이차전지연구와 함께 상용화에 가까운 연구성과도 냈다. 지난 7월 발표한 리튬이온전지의 화재와 열 폭주를 억제할 수 있는 새로운 고인화점 유기카보네이트 전해액 개발이다. 이번 연구는 생산기술연구원 백자연 박사와 KAIST 서동화 교수와 함께했다. 이 박사에 따르면 전해질은 전지의 안전성, 수명, 출력, 가역용량 등 많은 것을 결정하는 리튬이온의 이동통로다. 오랜 연구개발로 유기카보네이트 전해질이 상용화돼있지만 이 전해질을 구성하는 선형 유기카보네이트가 상온에서도 쉽게 불붙을 수 있어 전지의 발화 원인으로 꼽힌다. (좌) 리튬 금속 음극, (가운데) 왼쪽 리튬 금속 음극과 동일한 용량이지만 크기가 작은 마그네슘 음극, (우) 화학적 활성화 용액에 담겨져 있는 마그네슘 음극 (좌)화학적 활성화 전 후 마그네슘 금속의 충방전 반응 비교, (우)활성화 된 마그네슘 금속의 충방전 성능 연구팀은 선형 유기카보네이트의 분자구조를 제어해 상온에서 점화원에 노출되어도 불이 붙지 않는 새로운 전해질을 개발했다. 또한 개발된 전해액은 충전된 양극과 함께 230도 이상의 고온에 노출되는 상황에서도 상용 전해액대비 가연성 기체 발생이 37%, 자체발열이 62% 줄었다. 그 결과 실제 4Ah급 리튬이온전지 관통시험에서 신규 전해질을 사용할 경우 화재와 열 폭주가 발생하지 않았다. 그는 "연구개발 초기부터 경제성, 환경성, 대량생산 가능성, 기존 전극/부품과의 호환성 등 상용화에 필수적인 조건들을 복합적으로 고려했다. 기존 리튬이온전전지 제조 인프라에 즉각 적용이 가능한 기술"이라며 "셀 제조 기업과의 협업을 통해 고안전 리튬이온전지 상용화 가능성을 타진 중"이라고 설명했다. 다만 그는 "이번 연구는 128도 이하에서 불이 붙지 않고 고온노출환경에서 발열이나 가스발생이 상당부분 억제된 것을 확인 한 것으로 우리 연구가 이차전지의 발화나 폭발을 원천 차단한다는 것은 아니다"라고 덧붙였다. 그는 "화재 발생 빈도를 낮추고 화재 전파와 열폭주를 지연하여 화재 진압시간을 버는데 우리 연구가 도움이 되길 바란다"고 강조했다. 친환경 에너지 꿈꾸던 과학꿈나무 "연구로 지속가능한 사회 기여" 친환경에너지를 효율적으로 저장하고 활용하기 위한 이차전지 수요는 점점 늘 것으로 보인다. 그만큼 안전을 확보하는 것도 매우 중요하다. 하지만 이 박사는 "안전한 배터리는 연구개발만으로는 100% 담보하기 어렵다"고 주장했다. 배터리 노후화 상태를 빠르고 정확하게 판단할 수 있는 측정기술 개발이 함께 이뤄져야한다는 설명이다. 그는 "전기자동차의 경우 사용자의 운전습관에 따라 배터리 안전도 좌지우지된다. 크고 작은 사고, 전지 과충전, 고온노출 등 고려해야할 부분이 많다"며 "중대형 이차전지는 시장에 나온지 얼마 되지 않아 이제 막 빅데이터가 쌓이고 있다. 이를 기반으로 소비자들에게 배터리의 상태를 정확히 판단할 수 있는 기준을 제시해주는 것도 중요하다"고 강조했다. 이 박사는 친환경에너지에 관심을 가지며 배터리연구를 시작한 만큼 폐배터리에 대한 관심도 높다. 그는 "전지사용이 늘어나면서 향후 5~10년 후 폐전지가 쏟아져 나올 것으로 예상되나 아직까지 폐전지 재활용 기술은 경제성과 에너지효율이 떨어진다"면서 "이차전지에는 우리나라에 없는 리튬과 코발트 등 유가금속이 포함돼있는 만큼 이를 자원화할 연구가 필요하다. 우리팀은 양극을 분해시키지 않고 그대로 재사용할 수 있는 양극 직접재생 기술을 개발하고 있다. 앞으로도 다양한 연구로 지속가능한 사회를 만드는데 보탬이 되고 싶다"고 말했다.

KIST 매년 실험동물 위령제 통해 생명 존중 되새겨 오가노이드 활용 등 본격 연구, 실험동물 희생 줄인다 화장품, 의약품 독성 테스트를 위해 한해 많은 동물들이 희생되고 있다. 농림축산검역본부 조사에 따르면 지난 2021년 우리나라 실험동물 사용량은 488만 마리로 집계됐다. 전해 대비 17.8%나 증가한 수치로 매년 늘어나는 추세다. 실험동물 희생을 줄여야 한다는 영국 동물실험 반대협회에 의해 4월 24일 세계 실험동물의 날이 제정됐다. 이에 많은 연구소가 4월이 되면 위령제를 갖고 연구개발에 희생된 동물의 넋을 기린다. KIST 연구자들도 지난 4월 연구동물자원센터 내에서 위령제를 가졌다. KIST는 2002년 실험동물실 운영 이후 2004년부터 위령제를 지내고 있다. 센터의 우지완 선임전문원은 "연구를 하다보면 사용하는 실험동물에 대해 무감각해질 수 있다"며 "위령제를 통해 내가 하는 연구에 적합한 동물을 사용하는지, 적당한 수의 동물을 사용해 오·남용하고 있지 않은지, 실험동물을 다루는데 있어 필요한 기술을 갖추고 있는지에 대해 생각할 수 있는 기회를 제공하고 있다. 연구원들이 생명의 소중함, 실험동물에 대한 존중을 가졌으면 하는 마음"이라고 설명했다. 작지만 특별한 KIST 연구동물자원센터 KIST는 2000년 신경과학센터 신설을 계기로 실험동물실을 설치했다. 연구를 위해 각 실험실에서 마우스를 키우기도 했지만, 실험동물 숫자가 늘고, 실험동물 관련법 등이 제정되며 적절한 시설과 환경 마련 중요성에 따라 실험동물실을 따로 갖췄다. 현재 200여 평의 공간에 일반정상생쥐, 유전자변형생쥐, 면역결핍생쥐 등 마우스와 토끼, 기니피그 등 다양한 실험동물을 키운다. 마우스는 약 1만 5,000마리로 전체 95%를 차지한다. 우지완 선임전문원은 "마우스는 인간과 유전자가 80% 닮아있고, 한 세대가 2~3년으로 매우 짧아 노화 연구나 의약품 효능검증 등 연구에 적합하다"고 설명했다. 실험동물들이 생활하는 공간은 체계적으로 관리된다. 29종 병원균에 대해 정기적인 미생물 모니터링을 시행하고 있다. 오염원 유입 방지를 위해 3중 필터를 적용한 전외기 공기조화시스템, 멸균기, 살균기, 개별순환케이지시스템을 구축하고 있다. 1만5천여마리의 동물들이 생활하는 청정동물시설 상황을 확인할 수 있는 시스템. 청정도 유지 및 건강한 사육을 위해 평일, 주말 할 것 없이 연구원들이 근무를 하고 있다. 센터에 들어가면 제일 먼저 보이는 것이 대형 모니터다. 케이지에서 생활하는 실험동물들을 CCTV로 한눈에 볼 수 있고, 시설, 방수, 방음, 환경, 온도, 조도 등이 규제에 맞게 운영되는지 들여다 볼 수 있다. 이상 변화가 생기면 센터 관계자들에게 자동으로 연락되는 24시간 알림시스템도 운영 중이다. 동물에 직접 닿는 물건이나 먹이는 모두 멸균해 제공한다. 실험동물이 생활하는 이 공간은 밤이 되면 불이 꺼지고 습도 50%, 22도를 항상 유지하는 등 체계적으로 관리하고 있다. KIST 연구동물자원센터는 연세대학교(약 2천 700평)와 한국생명공학연구원 오창 분원(약 1천 평) 규모와 비교하면 작지만 유전자변형 마우스 보유수가 많다는 특징이 있다.(1만 5,000마리 중 1만 2,000마리가 유전자변형마우스) 유전자변형 마우스는 특정 유전자를 제거하거나 변형한 쥐로 유전자 기능 이해 및 질병과의 연관관계 등을 연구할 수 있다. 우 선임전문원에 따르면 유전자, 단백질, 세포 수준 연구부터 뇌종양, 암, 치매와 같은 질환 그리고 인공장기, 줄기세포 연구, AI 신경망과 같은 대체 장기분야까지 폭넓은 연구지원이 가능하다. 또 다른 특징은 연구에 필요하지 않은 유전자변형 마우스의 경우 수정란 및 정자 동결 보존 방법으로 보존한다는 점이다. 현재 약 150종을 KIST가 보유하고 있다. 통합실험동물실 무의미한 희생 줄인다...KIST 오가노이드 활용 연구 시작 최근 실험동물에 대한 사회적 관심이 높아지면서 최대한 실험동물을 쓰지 않는 방향의 연구 등이 주목받는다. 예로 EU는 2013년부터 동물실험을 거친 화장품의 수입, 유통, 판매를 금지했다. 미국은 2019년부터 화학물질 안전성 평가에 실험동물을 쓰지 못하도록 했으며 2035년부터는 완전 규제를 예고하고 있다. FDA는 지난해부터 신약 개발에 동물실험 데이터 없이 오가노이드 등의 동물대체시험법을 적용한 분석도 받아들이겠다는 발표도 했다. 동물실험에 사용되는 개체수를 줄이고 고통을 최소화할 수 있는 방법이 세계적으로 계속 확대될 것으로 보인다. KIST는 연구변화에 발맞춰 지난해부터 미니 장기로 불리는 오가노이드를 이용한 연구를 시작, 올해 궤도에 올린다는 계획이다. 종합연구소 강점을 살려 타 연구소와 협업해 연구를 추진할 예정이다. 우 선임전문원은 "이미 만들어진 오가노이드를 활용해 약물 유효성 평가에 쓰는 평가 플랫폼 시스템을 개발하고자 한다. 오가노이드를 이용한 유효성 평가 플랫폼은 동물을 쓰지 않아 윤리적이며 비용 절감이 되면서도 대량화에 용이하다. 자동화 등도 가능할 것으로 기대돼 원내 AI·로봇연구소, 기술융합지원센터와 협업을 논의 중"이라고 설명했다. 이와 함께 센터는 표준화 데이터 기반 정서장애 유효성 평가 플랫폼을 구축 중이다. 정서장애 중에서도 자폐와 우울증 동물 모델을 이용해 동물 행동 분석 기반의 표준화 데이터를 이용한 플랫폼을 구축하고자 한다. 우 선임전문원은 "신규 유효성 물질의 평가 신속화와 인적, 물적 소모 자원의 감소 및 동물 사용량 감소 효과가 기대된다"고 말했다. 24시간 운영되는 센터, 그럼에도 보람 유전자 특성 및 기능 연구에 관심 있던 우 선임전문원은 2002년 뇌과학연구소 연구원으로 처음 KIST에 왔다. 뇌과학연구소 신경과학연구단 소속 동물실이 2015년 연구동물자원화센터가 되면서 몸집이 커졌다. 그 시기 뇌과학연구소에서 박사 학위 과정을 밟던 그는 연구동물자원화센터에 소속되며 본격적으로 유전자변형생쥐의 관리와 보존, 실험동물 윤리적 활용을 위한 IACUC 운영 및 실험동물 시설과 시설 안전 사용관리 등을 맡게 됐다. 지완 선임전문원은 센터에서 유전자변형생쥐의 관리와 보존, 실험동물 윤리적 활용을 위한 IACUC 운영 및 실험동물 시설과 시설 안전 사용관리 등을 맡고 있다. 그는 "실험동물을 안전하게 관리하고, 무의미한 희생이 발생하지 않도록 새로운 모델을 개발하는 등 최선을 다하겠다"고 말했다. 센터의 직원들은 휴일, 연휴 상관없이 이상 변화에 대한 24시간 알림시스템이 울리면 연구소로 출근한다. 센터 시설물 관리를 주로 맡은 우 선임전문원은 센터 확장 리모델링 후 동물이 늘던 3년간은 주말, 야간 할 것 없이 늘 나와 센터를 지켰다. 주말 반납을 일정 부분 각오해야 하는 일이지만 우 선임전문원을 포함한 센터 연구원들은 연구와 실험동물 관리 등에 보람을 느낀다. 그는 "실험동물을 안전하게 관리하고, 무의미한 희생이 발생하지 않도록 새로운 모델을 개발하는 등 최선을 다하겠다"고 말했다.

류훈·남민호 박사팀, 뇌 속 반응성 별세포와 신경세포 영상화 성공 알츠하이머 치매 촉진 새로운 원인 규명, 치료제 표적 제시 "완치 어려운 치매, 과학계 新 발견과 도전 인정해줘야" 남민호 박사는 KIST 유일 신경과학을 연구하는 한의사다. 개원해 환자를 돌보는 대신 연구를 택했다. 한의학을 기반으로 신경과학을 연구하는 사람은 드문 편이다. 현재 침치료를 통한 신경생물학적 기전 등을 연구한다. 류훈 박사는 신경유전자 발현과 후성 유전체학을 선도하는 과학자다. 퇴행성 뇌질환 '헌팅턴병'을 치료할 새로운 기전을 밝히는 등 다양한 연구성과로 주목받는다. 지난 2019년 해외우수연구자로 KIST에 영입된 그는 퇴행성 뇌질환 치료 돌파구 모색연구에 집중하고 있다. 서로 다른 전공의 선후배 과학자가 '알츠하이머 치매 정복'이라는 공동의 목표를 위해 손잡았다. 이들은 최근 알츠하이머 진단연구에서 새로운 성과를 냈다. 두 연구자가 주목한 것은 다름 아닌 뇌 속의 작은 별 '별세포'다. 류훈·남민호 박사팀이 별세포에 기반을 둔 알츠하이머를 촉진시키는 원인을 찾았다. 또 이를 이미징기술로 촬영해 치매 조기진단 가능성과 새로운 치매 치료제의 표적을 제시했다. 이번 연구에서 남 박사의 아버지와 지인은 직접 참여해 임상연구를 도왔다. 이 외에도 뇌질환 환자들의 임상연구 협조, 타 기관 연구자와의 협력 등 다양한 구성원의 노력과 열정이 연구에 녹아져있다. 해당 연구를 통해 앞으로 알츠하이머 진단과 치료는 어떤 방향을 제시할 수 있을까. 연구를 주도한 두 연구자를 만나 자세한 이야기를 들었다. 110여년 풀리지 않은 치매 치료...연구자들 '별세포'주목하다 알츠하이머병은 치매를 일으키는 가장 흔한 퇴행성 뇌질환으로 알려진다. 1907년 독일의 정신과 의사 알로아 알츠하이머 박사에 의해 최초로 보고됐다. 병이 보고된 지 110여년이 지났지만 정확한 발병기전과 원인에 대해서는 알려져 있지 않다. 알츠하이머 치료는 완치가 아닌 조기 발견해 진행속도를 늦추는데 초점이 맞춰져있다. 류 박사와 IBS의 이창준 단장은 공동연구를 통해 알츠하이머 치료에 반응성 별세포를 주목해왔다. 별모양의 별세포는 우리 뇌에 가장 많은 수를 차지하는 세포다. 뇌 속 많은 지분을 갖지만 그동안 신경세포를 돕는 조연쯤으로 여겨졌다. 본격적으로 주목받기 시작한 것은 1990년대다. 별세포가 신경세포에 다양하게 개입한다는 사실이 알려지면서 치매와의 연관성도 연구되고 있다. 류 박사는 "알츠하이머는 뇌 염증을 동반하는데, 이 때 가장 먼저 발생하는 현상 중 하나가 별세포의 크기와 기능이 변하는 반응성 별세포화"라며 알츠하이머와 별세포의 연관성을 설명했다. 류 박사는 많은 연구로 둘의 연관성도 증명해냈다. 반응성 별세포에서 억제성 신경전달물질인 가바(GABA)가 주변신경세포를 억제하고, 가바가 만들어지는 과정에 발생하는 과산화수소가 신경세포를 죽여 기억력을 감퇴시킨다고 보고 등이다. 하지만 반응성 별세포의 임상적 중요성에도 불구하고 이 세포를 영상화해 관찰 및 진단할 수 있는 뇌신경 이미징 기술이 없는 가운데, 두 연구자가 공동연구로 한계를 뛰어넘었다. 연구는 우연을 가장한 끊임없는 연구교류에서 꽃을 피웠다. 암 진단 사용 물질 치매 진단에 적용 新 진단마커 기대 류훈·남민호 박사팀이 별세포에 기반을 둔 알츠하이머를 촉진시키는 원인을 찾았다. 또 이를 이미징기술로 촬영해 치매 조기진단 가능성과 새로운 치매 치료제의 표적을 제시했다. "윤미진 연세대 교수, 이창준 IBS 단장과는 오랜 동료로 과학적 교류를 해오고 있습니다. 서로 알츠하이머를 예방하고 진단하기 위한 고민을 털어놓았고 협동연구를 시작했죠."(류훈 박사) 류 박사팀은 반응성 별세포를 영상화해 관찰하면 조기 알츠하이머 치료를 할 수 있을 것이라 기대했다. 이 같은 고민을 들은 핵의학 전문가 윤미진 교수는 류 박사팀과 협업해 양전자 방출 단층 촬영(Positron Emission Tomography, 이하 PET)영상을 활용해보기로 했다. PET영상은 종양, 뇌질환, 심장질환 등을 진단하고 치료하는데 널리 사용되는 방법이다. 연구팀은 기존 암 진단에 활발히 사용됐던 '탄소11-아세트산'과 뇌 활성을 확인하기 위해 사용됐던 '불소-18 플루오로데옥시글루코오스'를 함께 활용해 알츠하이머 동물 모델과 실제 환자, 정상군을 대조해 PET영상으로 뇌를 찍었다. 그 결과 연구팀은 알츠하이머 환자군에서 반응성 별세포화가 식초로도 잘 알려진 아세트산을 활발히 대사함과 동시에 포도당 대사를 억제를 유도하는 것을 확인했다. 또 연구진은 PET 영상 등 다각적 분석으로 아세트산이 반응성 별세포화를 촉진시켜 푸트레신 및 가바의 생성을 유도, 치매를 유발한다는 것을 처음 규명했다. 이와 함께 반응성 별세포화를 억제하거나 별세포에서 특이적으로 발현하는 모노카복실산 수송체1(Monocarboxylate transporter 1, MCT1)의 발현을 억제했을 때 아세트산 대사와 주변 신경세포의 포도당 대사가 정상 회복되는 것도 확인했다. 반응성 별세포 동물 모델에서 PET 영상 촬영을 통해 관찰되는 11C-아세트산 흡수 증가와 18F-FDG 흡수 감소 연구진에 따르면 지금까지 치매 주원인으로 알려진 아밀로이드 베타를 표적으로 하는 PET 영상은 임상에서 환자를 진단하는 데 한계가 있었다. 또 아밀로이드 베타를 제거하는 것을 목표로 하는 치매 치료제도 모두 실패했다. 반면 탄소11-아세테이트산과 불소-18 플루오로데옥시글루코오스를 활용한 PET영상은 반응성 별세포와 기능적으로 억제된 신경세포를 임상 수준에서 진단하는 데 활용될 수 있음을 확인할 수 있었다. 남 박사는 "본 연구에서는 반응성 별세포가 정상에 비해 아세트산을 과다하게 섭취하는 것을 확인하였다. 아세트산의 섭취 과다가 알츠하이머병의 진단마커가 될 수 있을 것"이라고 설명했다. 연구결과는 뇌과학 분야의 대표적인 학술지인 ‘브레인’에 4월 17일 온라인 게재됐다. 완치 어려운 알츠하이머, 과학계 新 발견과 도전 인정해줘야 진보 "전 세계적으로 알츠하이머는 100명 중 1명도 고치기 어렵다고 알려집니다. 불치병으로 알려진 백혈병 완치율(약 80%)과 비교하면 정말 낮은 수치지요. 알츠하이머를 정복하려면 새로운 발견과 도전이 필요합니다."(류훈 박사) 통계청에 따르면 2021년 국민기대수명은 83.6년으로 10년 전보다 3년 늘었다. 반면 2021년 알츠하이머병 사망률은 인구 10만 명당 15.6명으로 2000년 0.3명과 비교하면 52배 증가한 상황이다. 류훈 박사와 남민호 박사는 알츠하이머 치료를 위해 과학기술계가 다각적인 연구에 도전하고 이를 받아들이는 자세가 필요하다고 강조했다. 그런 의미에서 이번 연구에서 '탄소11-아세트산'을 알츠하이머의 새로운 표지마커로 내세운 것도 큰 도전이었다. 류 박사는 "탄소11-아세트산은 지금껏 알츠하이머 영상화에 쓰인 적이 없어 과학계에서 새로운 표지마커를 받아들이기까지 오랜 시간이 걸렸다"면서 "과학계가 기존의 관념들을 깨고 새로운 발견을 인정해줘야 질병에 대한 조기진단과 치료가 가능해진다고 생각한다. 남 박사의 노력이 알츠하이머 진단과 치료에 새로운 이정표를 세우고 더 나은 과학계 연구성과가 나오는 기반이 되길 바란다"고 강조했다. 알츠하이머 환자 뇌조직의 모노카복실산 수송체1(MCT1) 및 포도당 수송체-3(GLUT3) 변화 앞으로 두 연구자는 알츠하이머 정복 연구를 계속할 계획이다. 남 박사는 "탄소11-아세트산을 통한 영상화에 성공했지만 반감기가 짧다는 태생적 한계가 있다. 이를 극복하기 위한 추가연구 등이 필요하다"며 "이 외에도 치매환자에서 반응성 별세포와 신경세포를 영상화할 수 있는 다양한 연구를 진행할 계획"이라고 말했다. 한편, 두 연구자는 임상연구에 참여해준 환자분들과 시민에게도 감사인사를 전했다. 연구결과의 임상적 의미를 확인하기 위해서는 통계적으로 유의미한 임상데이터의 확보가 중요하다. 이에 정상군과 환자군을 모집해 많은 실험을 할 필요가 있었다. 하지만 임상은 주로 병원에서 진행되기 때문에 정상군을 모집하는 것은 생각보다 쉽지 않다. 이에 남 박사는 직접 부친과 친구분에게 뇌의 PET촬영을 제안했다. 류 박사는 "훌륭한 동료과학자 (윤미진 교수, 이창준 박사) 분들과 연구열정이 대단한 박사후 연구원과 대학원생들, 그리고 참여해주신 많은 분들의 숨은 노력이 있어 연구가 성공적으로 진행될 수 있었다. 이 자리를 통해 다시 한 번 감사인사를 드리고 싶다"고 덧붙였다.

협업하며 인간과 상호작용하는 도서관 시스템 ‘콜래봇’ 수년간 호흡 곽소나·강다현 박사 개발, 종이에서 시작된 연구 ‘공간’으로 “도서관 넘어 집, 병원 등 확장할 것” KIST 로봇연구자가 모두 모여 있는 국제협력관에 최근 작은 도서관이 설치됐다. 이곳은 단순히 책을 보는 도서관과는 다르다. 원하는 책을 휴대폰으로 클릭하면 책장이 움직이고, 책이 많아 손이 모자라면 로봇이 움직여 이동을 돕는다. 책읽기 적합한 밝기로 조명이 조절되기도 하고, 손이 닿지 않는 곳에 책이 꽂혀있으면 로봇이 자동인식해 발판이 되어 도움을 준다. 마법이 현실이 된듯한 이곳은 다수의 로봇들이 협업해 인간과 상호작용하는 도서관이다. 일명 로보틱 도서관 시스템 '콜래봇(CollaBot)'이다. 이 도서관은 전체가 소셜로봇이다. 사용자의 마음을 읽어 도움을 주는 도서관의 비결은 로봇과 AI시스템의 콜라보에 숨어있다. <콜래봇 기술과 서비스 예시> 도서관 입구에 부착된 초음파센서가 사용자의 키 인식, 책장과 의자로봇에 정보 전달->사용자가 휴대폰으로 어플을 켜고 원하는 도서를 검색하면 연결된 로보틱 책장이 움직이며 도서가 꽂힌 위치를 돌출-> 책 위치가 사용자 키와 맞지 않을 경우 의자로봇이 사다리 역할을 하기 위해 스스로 사용자에게 다가감->사용자가 많은 책을 원하는 경우 의자로봇이 카트역할을 위해 스스로 이동->조명이 어두운 경우 사용자가 책 읽기 적당한 밝기로 스스로 조절. 마법 같은 공간을 만든 주인공은 KIST 지능로봇연구단 곽소나·강다현 박사다. 두 사람은 로봇 상호작용 디자이너로 인간처럼 움직이는 로봇을 구현하는 공학자가 아닌, 로봇과 인간이 상호작용하도록 디자인하고 있다. 수년간 호흡을 맞춘 두 사람이 연구한 콜래봇의 우수성을 먼저 알아본 건 해외다. 콜래봇은 2022년 12월 13일부터 16일까지 이탈리아 피렌체 상공회의소에서 개최된 국제 소셜로봇 학술대회 일환으로 열린 로봇디자인대회에서 '하드웨어, 디자인 인터페이스'부문 최고상의 영예를 안았다. KIST는 최근 다수의 로봇이 협업해 인간과 상호작용하는 도서관 ‘콜래봇’을 개발했다. 강다현 박사는 "콜래봇은 사용자 상태를 인식해 각 제품들이 협업해 적합한 서비스를 제공한다. 협업시나리오를 무한대로 늘릴 수 있다는 것 또한 재밌는 포인트 중 하나"라고 설명했다. 휴머노이드 연구 50년, 상용화 한계 뛰어넘는 연구가 시작이었죠 "인류는 오랫동안 로봇을 연구했습니다. 하지만 기존 휴머노이드는 실용화 벽을 넘지 못하고 연구에 그치거나 일부 서비스를 제공하는데 머물렀죠. '이 한계를 어떻게 뛰어넘을 수 있을까' 그 고민이 우리 연구의 출발점이 됐습니다."(곽소나 박사) 올해는 인류가 두발로 걷는 최초의 휴머노이드를 개발한지 50년이 되는 해다. 일본의 와세다대학교 가토 이치로 교수팀이 두발로 걷는 최초의 휴머노이드를 선보였고 이후 로봇선진국에서 다양한 휴머노이드를 꾸준히 연구 개발했다. 하지만 애석하게도 실생활 서비스 휴머노이드를 찾아보기란 쉽지 않다. 인간이 처한 상황을 인식해 그에 맞는 서비스를 제공하는 것이 휴머노이드의 목표지만 실용화 벽을 넘지 못한 것이 현실이다. 휴머노이드 관련 기술들은 산업전반에 확대돼 사용되고 있지만, 휴머노이드 자체를 활용한 서비스는 성공하지 못하고 대부분 연구에 그치거나 일부 서비스를 제공하는데 머물러있다. 사람들이 휴머노이드 로봇에 만족하지 못하는 이유는 외형이 미치는 영향도 크다는 것이 곽 박사 설명이다. 곽 박사는 "사람들은 제품의 외형을 보고 어떤 서비스를 할 수 있을지 예측하고 기대한다. 휴머노이드의 경우 사람처럼 생겼으니 걷고 말하며 다양한 업무를 수행할 수 있을 거라고 기대할 수 있고, 이에 따라 소비자는 휴머노이드를 특정 기능을 수행하는 기존 제품군에 범주화하는 데에 어려움을 가져 제품 수용으로 이어지는데에 한계가 있을 수 있다”고 설명했다. 여기서 곽소나 박사팀은 사람의 기대치를 낮춰 '각 제품에 기존 로봇기술을 분산시켜 입히자'는 아이디어를 냈다. 의자나 책상, 티슈케이스 등 제품에 로봇화를 시작한 것이다. 여기에 곽 박사는 분산시킨 로봇들이 협업하는 시스템을 더했다. 곽 박사는 "우리가 밥을 먹을 때 손을 쓰기도 하지만 입도 마중을 나간다. 사람의 몸이 협업하듯 제품들도 협업하는 것이 필요하다고 봤다"며 "각각 정보들이 많아지면서 맥락을 파악하는 인식기술로 확대해 멀티서비스를 제공할 수 있도록 설계했다"고 설명했다. 두 연구자의 첫 협업은 2014년 종이접기 방식과 로봇기술을 접목한 '종이봇'개발이다. 종이접기에 온도나 정전기센서를 연결해 모터가 움직이는 모듈화된 키트를 개발했다. 악어와 같은 동물부터 모자 등 소품까지 접은 종이가 움직이거나 노래가 나오도록 디자인했다. 콜래봇은 도서관 모습을 하고 있지만 다양한 협업 시나리오를 만들 수 있다. 예를 들어 사용자가 로봇의자에서 책을 읽고 있다가 하품을 하면, 이 소리를 인식해 여러 대의 의자가 결합하여 침대가 되는 등 사용자의 의도를 파악한 맞춤형 서비스를 만들어낼 수 있다. 테이블 위에 주전자와 찻잔, 사무용품들을 대상으로 사용자 의도파악 서비스도 가능하다. 강다현 박사는 "우리의 목표는 도서관만은 아니다. 모든 제품을 로봇화 시킬 수 있는 만큼 집이나 병원 등 다양한 곳에 적용하도록 로봇을 디자인할 것"이라고 설명했다. 종이봇에서 시작해 공간으로 확장 연구 "기술고도화로 더 다양한 서비스 구현" 두 연구자의 첫 협업은 2014년 종이접기 방식과 로봇기술을 접목한 '종이봇'개발이다. 종이접기에 온도나 정전기센서를 연결해 모터가 움직이는 모듈화된 키트를 개발했다. 악어와 같은 동물부터 모자 등 소품까지 접은 종이가 움직이거나 노래가 나오도록 디자인했다. 두 연구자는 종이접기를 로봇화한 개념이 확장돼 대규모의 가구를 로봇화한 연구로 발전했다고 설명했다. 또 각 사물의 상호작용 디자인에서 다수의 사물 간 협업 기반 상호작용으로 연구를 확장했다. 이 연구는 KIST의 다양한 로봇연구진 덕에 가능한 일이기도 하다. 곽 박사는 "로봇 상호작용을 디자인하다보니 큰 모터를 사용해 제품을 로봇화하는데는 한계가 있었다. KIST에서 본격 연구를 시작하면서는 엔지니어분들의 도움을 받아 큰 모터로 가구를 로봇화하는 등 기존 연구를 확장할 수 있게 됐다"며 "종이접기를 시작으로 꿈에 그리던 공간을 만든 만큼 콜래봇은 특별한 장소"라고 설명했다. 인간과 상호작용하는 도서관 시스템 ‘콜래봇’ 앞으로도 두 연구자는 콜래봇을 꾸준히 업그레이드할 계획이다. 강 박사는 "사용자 인원수를 인식해 회의를 위한 책상과 의자를 이동시키거나 사용자가 처해있는 상황에 맞는 가구배치 등 구현하고 싶은 것이 많다. 사용자의 행동 데이터를 꾸준히 누적해 필요한 서비스를 적절하게 해줄 수 있도록 기술을 고도화하고 싶다"며 "이런 서비스가 실제 인간의 삶에 어떤 변화를 주게 될지 보는 것 또한 우리 과제"라고 말했다. 곽 박사는 "제일 많이 상용화되어 수익을 낸 로봇은 자동문이다. 기존 제품을 약간 로봇화한것도 모두 로봇화오브젝트라고 생각한다"며 "휴머노이드는 고장 나면 서비스가 어렵지만 자동문이나 에스컬레이터는 고장 나도 문, 계단처럼 쓸 수 있다. 제품이 로봇화되면 풍성한 서비스를 줄 수 있지만 고장 나더라도 쓸 수 있는, 소비자 입장에서 받아들일 수 있는 다양한 측면을 고려하면서 연구해 나가겠다"고 덧붙였다.

KIST양자정보연구단, 개방형연구소로 탈바꿈 산학연 협력 강화 다이아몬드로 양자컴 연구, 큐비트 오류정정 등 연구 확대 예측 어려운 양자컴 미래 “우리 삶 변화시킬 것” 올해 첫 마블영화로 '앤트맨 3(앤트맨과 와프스:퀀텀매니아)'가 공개됐다. 마블팬덤이 꽤나 큰 우리나라에서도 개봉해 많은 관람객을 모았다. 앤트맨의 능력은 핍입자로 몸 크기를 늘렸다 줄이는 슈트에서 나온다. 여기에는 과학적인 개념 '양자역학'이 숨어있다. 물질을 이루고 있는 기본적인 구성단위이자 최소단위인 '원자'는 원자핵과 전자로 이뤄져있는데, 둘 사이의 텅빈 공간을 늘렸다 줄였다하면서 물체의 크기를 조절할 수 있다는 것이 영화 적 설정이다. 이 외에도 시간여행, 다중우주 등 여러 양자 개념이 영화 속에 녹아져있다. 그렇다면 양자역학은 SF요소로 상상 속에서만 실현되고 존재하는걸까? 최근 과학자들은 양자기술을 현실에 적용하고 있다. 대표적인 기술이 양자컴퓨터다. KIST 양자정보연구단연구실 모습. "영화 앤드게임에서 닥터스트레인지가 타노스에 승리할 방법을 동시에 시뮬레이션 하는 장면이 나옵니다. 순차적 탐색이 아닌 모든 경우의 수를 동시에 찾는 것, 양자컴퓨터가 상용화되면 이런 모습이지 않을까요." KIST 양자정보연구단의 이정현 박사가 설명하는 양자컴퓨터는 히어로 닥터스트레인지 능력과 닮았다. 0과 1의 값을 갖는 비트단위로 정보를 순차적으로 처리하고 저장하는 디지털컴퓨터와 달리 양자컴퓨터는 0과 1의 상태를 동시에 갖는 중첩상태를 갖는데, 이를 활용하면 닥터스트레인지 능력처럼 경우의 수를 동시에 계산할 수 있다는 것이다. 슈퍼컴퓨터보다 빠른 연산이 기대되는 것도 중첩상태를 이용해 가능하다. 현존하는 컴퓨터가 몇만년 걸릴 문제를 수초만에 풀 수 있을 것으로 기대되는 양자컴퓨터는 미래 게임체인저로 불린다. 기존의 보안체계를 무너뜨리는 등 안보위협과도 직결돼 독자적인 연구개발이 필요한 분야다. 미국의 IBM, 구글, 아마존, MS 등이 양자컴퓨터 선점을 위한 연구를 하고 있으며, 우리나라도 12대 국가전략기술 중 하나로 양자컴퓨터를 포함, 올해 예산 984억원을 투입할 계획이다. 출연연 중 가장 먼저 양자기술에 도전장 내민 KIST 연구 유서 깊은 다이아몬드로 실용화 도전 "KIST는 다이아몬드와 인연이 깊습니다. 국내 최초 공업용합성 다이아몬드를 개발해 상용화하는 등 친숙한 소재입니다. 다이아몬드 소재가 가진 장점을 양자기술에 적용해보고자 합니다." 국내 출연연 가운데 가장 먼저 양자기술 연구개발에 도전한 KIST는 인공다이아몬드를 활용해 양자 소재부터 시스템을 아우르는 연구를 수행하고 있다. 양자암호통신 시스템 기술이전, 세계 두번째 상온 동작 포터블 양자컴퓨터, 센서 측정 한계를 뛰어넘는 양자센서 등 연구성과로 주목받고 있다. 양자컴퓨터를 설명할 때 많이 등장하는 단어가 큐비트다. 양자컴퓨터는 0과 1의 상태를 동시에 갖는 큐비트 단위를 처리하고 저장하는데, 큐비트단위가 50이 넘으면 특정 문제에서 슈퍼컴퓨터의 능력을 넘어설 수도 있다는 가능성을 보인 바 있다. 큐비트를 설계하기 위한 방법은 ▲초전도 루프 ▲이온덫 ▲광자 ▲실리콘 양자점 ▲중성원자 ▲고체 점결함 등으로 크게 나뉜다. KIST는 다이아몬드 점결함을 이용해 양자컴퓨터를 연구개발한다. 다이아몬드의 장점은 고온, 고압이 필요한 다른 방법과 달리 상온, 상압에서 작동 가능하다는 점이다. 탄소격자로 이뤄져있는 다이아몬드 격자위치에 탄소가 아닌 다른 불순물을 주입시키면 원자들이 하나의 큐비트처럼 작동하도록 만들 수 있다. KIST 외에도 일본 후지츠와 네덜란드 델프트공대 등에서 다이아몬드 결함시스템을 연구개발하고 있다. 다만 다이아몬드는 이온덫이나 초전도와 달리 위치제어가 어려워 큐비트 갯수를 늘리는 것이 쉽지 않다. 이에 이 박사는 "물리적 한계는 있지만 이론적으로 완전 불가능한 것은 아니다. 소자개발, 재료연구자들과 협업해 다이아몬드도 확장성을 갖도록 시스템을 만드는 중"이라고 설명했다. KIST는 가장 안정적인 고체로 꼽히는 다이아몬드를 활용한 스핀 큐비트 기술을 보유하고 있다. 큐비트 개수보다 중요한건 정확도! 오류율정정 확실하게 잡는다 과거 양자컴퓨터 연구는 큐비트 갯수를 늘리는 연구가 많은 주목을 받았다. 하지만 큐비트를 무조건 많이 확보했다고 빠른 연산능력을 갖는 것은 아니다. 큐비트 하나가 가진 오류율을 줄여야 정확한 연산을 달성할 수 있다. 큐비트 1000개 보다 오류 적은 큐비트 50개가 훨씬 연산능력이 높을 수 있다는 이야기다. KIST는 올해 본격적으로 양자오류정정 연구를 시작할 계획이다. 이 박사는 "영국과 호주가 100큐비트를, IBM가 1000큐비트를 목표로 내세우기는 했지만, 아마존과 구글 등은 오류정정에 집중하는 방향성을 밝혔다"며 "양자컴퓨터의 성능을 결정짓는 요인이 다양한 만큼 우리 연구단도 양자오류 정정을 주제로 연구에 집중할 계획"이라고 설명하며 "최근 MOU를 맺은 캐나다 기업 자나두와 관련한 업무협력을 추진할 계획" 이라고 밝혔다. 또한 양자 오류 해결을 위해 KIST는 반도체 공정, 즉 나노공정기술에 주목하고 있다. 양자컴퓨터 분야 세계적 석학으로 아이온큐를 공동창업한 김정상 듀크대 교수도 최근 국내 학술대회에서 한국의 양자컴퓨팅 연구개발에 반도체를 강조한 바 있다. 이 박사에 따르면 반도체 공정은 원하는 물질을 나노미터 수준의 형태로 제작하는 기술을 활용한다. 양자컴퓨터의 경우 큐비트라는 작은 단위를 제어하고 큐비트를 원하는 위치에 생성하기 때문에 반도체의 나노공정기술을 적용할 수 있다. 이 박사는 "다이아몬드 내부에 불순물을 주입하는 '이온주입'을 정확한 위치에 하려면 작은 구멍을 원하는 위치에 제대로 뚫는 것이 중요하다. 이런 공정을 반도체에서도 유사하게 쓰고 있어 활용이 가능할 것"이라고 설명하며, “이러한 정밀 이온주입 기술을 이용하여 양자오류정정 기술에 필요한 저잡음 양자 소자를 개발 할 수 있을 것”이라고 설명했다. 양자정보양자컴퓨팅양자센싱 연구를 하고 있는 이정현 박사. 양자컴 후발주자지만...“안보와 연결된 중요 기술, 독자적 기술 확보해야” "전자컴퓨터의 조상인 에니악은 군사적 목적으로 개발됐지만 대중화되면서 다양한 문제를 풀고 일상에 활용되고 있습니다. 양자컴퓨터도 비슷하다고 생각해요. 지금 당장은 전자컴퓨터보다 느린 부분도 있을지 모릅니다. 하지만 전자컴퓨터의 난제라고 여겨지는 수학적 특정 조건에 대한 문제에 특화된 만큼 우리 삶을 변화시킬 것이라고 생각합니다." 현존하는 슈퍼컴퓨터보다 빠른 연산이 가능 할 것으로 기대되는 양자컴퓨터지만 현재로썬 하드웨어적인 제약으로 한계가 많다. 덧셈뺄셈은 오히려 기존 컴퓨터보다 느릴지도 모른다는 소리가 나온 이유도 바로 이 때문이다. 하지만 군사적 목적으로 개발된 컴퓨터의 조상 에니악도 처음부터 뭐든 잘 해내진 못했다. 현재 컴퓨터가 그래픽을 만들고 연구, AI 개발 등 다양한 분야에 적용되듯 양자컴퓨터도 상용화 이후 우리 삶을 어떻게 바꿀 수 있을지 예측하기가 쉽지 않다. 이 박사는 “양자 우월성을 가진 양자컴퓨터가 개발되면 고전컴퓨터에서 난제라고 여겨졌던 몇몇 NP-난해 문제들을 해결 할 수 있을 것으로 생각된다. 이는 화학, 바이오, 물리학 등 폭넓은 분야에 응용 될 수 있을 것으로 내다보고 있다”면서 “또한 양자 우월성을 가진 양자 센싱이 가능해지면 질병의 신속한 진단이나 세포 동역학 미세 연구 등에 응용될 수 있어서 신약개발과 같은 연구에도 활용이 가능하여 막대한 경제적인 파급 효과가 있을 것”이라고 말했다. 국가안보와 산업경쟁력을 좌우하는 등 게임체인저로 불리는 양자컴퓨터지만 우리나라는 후발주자다. 정부에서 양자기술에 예산을 늘리고 있지만 실제 연구개발에 필요한 전문인력도 턱없이 부족하다. 과기부가 지난해 양자분야 논문 저자를 총 피인용수로 분석한 결과 한국 연구자수는 500명으로 중국 5518명, 유럽연합 4100명, 미국 3122명, 영국 881명, 일본 800명에 비해 턱없이 부족한 것으로 나타났다. 연구는 결국 사람이 한다. 정부가 양자대학원 설립 등 인력확보를 위한 정책을 내놓고 있지만 단발성 투자가 아닌 미래중점사업 가능성을 꾸준히 보여주고 실현해야 인재가 자연스럽게 모인다는 것이 과학계 중론이다. 그는 “우리나라는 선진국 대비 양자컴퓨터 연구 후발주자다. 일각에서는 차라리 기술을 사오는게 낫지 않겠냐는 목소리를 높인다. 하지만 양자기술은 기존 보안체계를 위협하는 등 안보와도 깊게 연관돼있어 독자적인 기술을 확보하는게 중요하다”면서 “우리는 반도체 강국이지만 다음 먹거리도 고민해야한다. 다음 스텝으로 가기 위해서는 그 분야에 많은 사람들이 뛰어들어야한다. 좋은 인력이 양자기술에 관심 갖고 모일 수 있는 환경이 마련되길 바란다”고 말했다. 한편, 양자정보연구단은 최근 광교에 있던 연구단을 홍릉본원으로 옮기면서 새로운 미래를 준비 중이다. 출연연의 높은 칸막이를 부수고 개방형연구소 탈바꿈하며 학교교수나 기업 등 양자관련 연구자들이 집대성해 연구에 몰두할 수 있는 환경을 만들고 있다.

“수다서 아이디어” 인공뼈 분말 합성 ‘20시간→10분’···레이저 새로운 길 열다 전호정 박사팀, 병변 맞춤형 생체재료 분말 제조 기술 KIST 기술출자회사 실용화 준비 생분해성 골이식재 및 필러 등 활용 “다른 연구 고민하던 때 있었지만···연구 응용분야 넓힐 것” "레이저를 전공했습니다. 상용화 연이 많지 않았어요. 다른 연구를 하고 싶었죠. 하지만 지금은 다릅니다. 레이저 활용 연구 응용분야를 넓힐 수 있도록 하는 것. 그게 제 목표이자 바람입니다." KIST 생체재료연구센터 전호정 박사는 레이저 공정을 활용해 생체재료를 연구한다. 임플란트 코팅, 인공수정체, 인공뼈 분말 등 그의 연구에는 늘 레이저가 있다. 레이저와 반평생 함께한 전 박사는 수년 전만해도 레이저 연구를 포기할까 고민했다. 그가 주로 사용했던 펨토초 초정밀 가공 레이저가 고가인게 문제였다. 연구성과가 기업에 이전되길 바랐지만 고가의 레이저는 큰 허들이었다. 민간 기업이 하기 힘든 원천기술이나 공익목적의 연구 수행에 부합하지 못한다는 생각은 그를 따라다니며 괴롭혔다. 전호정 박사가 레이저 공정을 이용한 초고속 인공뼈 분말 '아파타이트' 제조기술을 개발했다. 인공뼈분말을 레이저 공정으로 생산하는 것은 처음이다. 레이저 공정은 20시간 이상 필요했던 공정시간을 10여분으로 단축시키고, 인공뼈 분말에 기능성까지 넣을 수 있다. 현재 실용화를 위한 준비도 진행 중이다. 상용화와 연이 없다 생각했던 전 박사에게 최근 기쁜 소식이 날아들었다. 초고속 인공뼈 분말 '아파타이트' 제조기술을 개발, KIST기술출자회사를 통해 실용화를 준비 중이라는 이야기다. 그가 개발한 제조기술은 고가의 레이저 대신 산업현장에서 많이 쓰이는 나노초 레이저를 활용한다. 인공뼈 분말 제조에 레이저 공정을 사용한 것은 이번이 처음이다. 기존 인공뼈 분말을 만들기 위해 20시간 이상 걸리던 시간은 레이저 공정 덕에 10여분으로 단축됐다. 속도 보다 주목해야하는 점은 인공뼈 분말의 성능이다. 온도를 높이니 기존 공정에서는 거의 불가능했던 기능성 인공뼈 분말을 만들 수 있게 됐다. 전호정 박사는 "우리가 만든 기능성 인공뼈 분말은 골 형성 촉진 및 생분해성 골이식재로 활용뿐 아니라 항균, 콜라겐 형성을 촉진시키는 필러 등에 활용가능하다. 후속연구를 통해 상용화를 추진할 예정"이라고 말했다. 20시간 → 10여분 단축 비밀? 초고온의 레이저 공정에 답있다 실험실에 들어가니 손톱보다 작은 크기의 금속판에 레이저가 일정한 속도로 쏘아진다. 수 분이 지나자 희뿌연 가루들이 만들어진다. 전 박사가 말한 기능성 인공뼈 분말 제조과정이다. 일반적인 아파타이트 제조기술은 용액 속에 칼슘이온+인산이온+용액을 섞어 고온고압으로 끓이는 수열합성으로 만들어진다. 온도가 높을수록 빠른 합성이 가능하지만 높은 압력을 가해 끌어올릴 수 있는 온도는 200도가 한계다. 20시간에서 100시간을 들여야 아파타이트를 얻을 수 있다. 전 박사팀이 연구개발한 레이저 수열합성 공정은 1000도 이상 올리는 것이 가능하다. 아파타이트 제조 용액에 금속판을 넣어주고 레이저로 금속판을 집중 조사해 온도를 순간적으로 올릴 수 있다. 10여분의 합성만으로 20 나노미터부터 6 마이크로미터의 다양한 크기를 가진 분말들을 합성하는 것도 가능하다. 전 박사는 "아파타이트는 치약이나 필러, 골 조직 재생 등 다양한 곳에 쓰인다. 용도에 맞게 사이즈 조절을 해야 하는데 기존 공정은 추가 후처리 공정을 거쳐도 1마이크로미터 이상의 분말을 얻어내기 어려웠다"면서 "우리는 공정에서 크기 조율이 가능하다. 기존합성공정들과 차별화가 있을 것"이라고 설명했다. 레이저 고온공정의 또 다른 장점은 고온합성 과정에서 마그네슘, 스트론튬, 아연 등을 뼈 분말에 합성시킬 수 있다는 점이다. 칼슘과 인산만 포함된 아파타이트와 비교해 다른 성분이 많이 포함된 기능성 인공뼈 분말은 신체 내 삽입됐을 때 주변 조직이 재생이나 항균효과 등 순기능을 기대할 수 있다. 여기서 잠깐! 인공뼈 분말의 비율이 달라지면 지칭하는 이름도 바뀐다. 예로 칼슘대신 마그네슘을 더 많이 넣으면 '휘트록카이트'라고 불리는데 성장하는 어린이의 뼈와 비슷한 성분으로 알려진다. 실제 연구에서 기능성 인공뼈 분말은 생체 내에서 분해되고 세포에게 골 형성 촉진 자극을 주는 것으로 확인됐다. 체내 유사 환경에서 생분해 될 뿐만 아니라 분해 속도를 조절할 수 있었고, 상용화된 아파타이트 분말에 비하여 약 2~5배세포의 부착 및 증식을 촉진했다. 전 박사는 "휘트록카이트는 제조과정이 어렵고 비용도 많이 들어 아직 상용화되지 못했지만 우리가 개발한 공정을 이용하면 쉽고 빠르게 생산도 가능할 것"이라고 말했다. 다만 해당 공정은 금속판 주변 온도만 올릴 수 있어 기존 제조기술 대비 많은 양의 인공뼈 분말을 한꺼번에 얻기 힘들다. 그는 "공정효율을 높이는 연구를 진행 중이다. 연속적으로 인공뼈 소재를 손실없이 만들어 효율성을 높이는 공정을 통해 단위 시간당 적은 생산량을 극복할 것"이라고 말했다. 인공뼈 분말 연구 계기? 동료와 대화 전 박사팀이 개발한 레이저 공정으로 생산한 인공뼈 분말. 전 박사팀의 인공뼈 분말 연구는 선배와의 대화가 계기가 됐다. "레이저로 인체 이식용 의료기기의 표면을 개질하는 연구를 주로 했었습니다. 마그네슘 임플란트 연구를 하시던 김유찬 박사님께서 금속표면에 하이드록시아파타이트를 코팅한 연구 결과를 보시고, 코팅 보다는 분말을 만들면 시장성 높은 기술이 될 수 있겠다라고 의견을 주셨습니다. 그리고 아파타이트에 마그네슘이 첨가되면 더 좋은 재료가 될 수 있다라는 말씀에 레이저로 분말을 만드는 시도를 했고, 실제로 좋은 성과를 얻었습니다. 새로운 분야에 레이저를 접목할 수 있어 기뻤고, 선배님께도 감사한 마음이죠." 전 박사는 상용화도 본격적으로 준비하고 있다. 지난 9월 13일 KIST 출자 연구소기업 ‘주식회사 비엠포트(대표 손진경)’를 설립해 인공뼈, 피부 미용용도의 필러 등을 시장에 선보일 계획이다. 그에 따르면 필러에 인공뼈 분말을 넣으면 콜라겐 형성에 좋다 알려져있다. 다만 기존 인공뼈 분말은 녹지 않는 성질로 몸에 남다보니 의사들 사이에서 많이 사용되지 않았다. 레이저 수열합성 공정을 통해 만들어진 인공뼈 분말은 생분해돼 미용용도 필러에서 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 전 박사는 "연구자로서 좋은 논문, 새로운 학문적 발전을 위한 연구를 주로 해왔다. 기술이전하고 창업하는 동료들을 보며 부러운 마음에 사업화 할 아이템을 찾았지만 쉽지 않았다"며 "이번 연구는 상용화도 함께 추진돼 정말 기쁘다. 임플란트 시술을 하시는 분들의 경우 크라운을 올리기까지 오랜 시간이 걸리는데 우리가 만든 분말을 통해 빠르게 단축시키는 것도 가능할 것 같다. 사업현장, 환자, 의사에게 필요한 것들이 무엇인지 니즈를 파악하고 반영시키는 것이 쉽진 않지만 많이 배우면서 환자와 시장에 필요한 제품을 만들어보고 싶다"고 말했다. 한편, 이번 연구는 KIST, KU-KIST 주요사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행되었으며, 이번 연구결과는 나노소재 분야 국제 저널인 ‘ACS NANO’ (IF: 18.027, JCR 분야 상위 5.652%) 온라인 상에 게재되었다.

KIST, 자폐증 발현 특정 뇌활성 마커 규명 승부수 손톱만한 초소형 현미경으로 ‘자폐 뇌 활성화’ 비밀 밝힌다 매년 늘어나는 자폐 유병율 “신생아 진단 통해 맞춤형 치료 최선 다할 것” 최근 TV드라마 '이상한 변호사 우영우' 열풍이 거세지면서 주인공의 자폐 스펙트럼 장애(이하 자폐증)에 대한 관심도 높아지고 있다. 자폐증은 뇌발달장애의 한 종류로 우리나라의 경우 2%내외의 발병률을 가진다. 남녀비 5:1로 남자 아이들에게서 더 많이 발견된다. 전 세계적으로도 발병률이 높은데다 우리나라에서 유병율이 매년 꾸준히 늘고 있어 치료법이 시급하다. 하지만 자폐증에 대한 뚜렷한 원인이나 치료법은 명확히 밝혀지지 않은 상태다. 발달 장애 중 하나인 자폐증은 조기 발견해 치료함으로써 사회 적응력을 높여줘야 하지만 자폐진단은 빨라야 4~5세다. 이론적으로 생후 14개월 이후 자폐 진단이 가능하다고 알려져 있지만 전문의가 사회성, 언어, 반복행동 등을 진단해야해 초등학교에 들어가기 전 후에 자폐확정을 받을 확률이 높다. 신생아에서 자폐를 진단할 수 없을까? KIST가 자폐조기진단 및 치료제 개발에 도전장을 내밀었다. 자폐증을 앓는 환자에서 나오는 특정 뇌활성을 찾아 이제 막 태어난 초기 영아의 자폐를 진단한다는 계획이다. 연구는 이미 시작됐다. 모험적인 연구수행 결과물과 과정을 모두 성과로 인정해주는 KIST 내부과제 그랜드챌린지사업(이하 GC과제)을 통해서다. 추현아 뇌과학융합연구단 박사팀은 지난해 선정된 GC과제를 통해 초소형 형광 현미경을 개발하고 연속으로 뇌 활성을 추적, 자폐 동물에서 나오는 증상 특이적 뇌활성을 찾고 있다. KIST 뇌과학연구자의 상당수가 자폐증관련 연구를 진행 중이다. 여기에는 2017년 KIST에서 처음으로 자폐연구를 시작하고 기반을 구축한 김정진 뇌과학융합연구단 박사도 포함돼 있다. 김정진 박사는 "우리는 자폐증 증상을 가진 모델에서 핵심이 되는 뇌세포와 관련 기전을 발굴하여 어른 자폐증 증상에 중요할 가능성이 있는 특이 뇌활성을 추적하고 있다. 이를 신생아 수준에서도 확인해 자폐를 조기진단하고 맞춤형으로 치료할 수 있도록 할 것"이라고 설명했다. 손톱만한 크기 초소형 현미경, 뇌활성 연속추적! 자폐 비밀 밝힌다 KIST 뇌과학연구소. 연구실 안쪽으로 들어가니 머리에 칩을 심은 마우스들이 분주하게 케이지 안을 돌아다니고 있다. 칩을 컴퓨터 모니터와 연결시키자 희끗희끗한 장면이 포착됐다. 육안으로는 확인할 수 없는 뇌가 활성화되는 비밀스런 장면이다. "'소형 형광 현미경'입니다. 블록처럼 단순하게 생겼지만, 이 장비로 뇌활성을 연속 추적할 수 있어요." 김 박사가 소개한 초소형 형광 현미경은 마우스의 뇌처럼 작은 뇌의 활성을 연속 촬영할 수 있는 세계 몇 안 되는 장비 중 하나다. 증상별로 세포 단위의 이미징이 가능한 최신 연구 기술이다. 하지만 현재 기술로는 태아 수준의 이미징은 불가능하다. 이를 위해, KIST 연구진이 공동연구를 통해서는 더 작은 태아 수준에서도 이미징이 가능한 극초소형 이미징 기술을 개발중에 있다. 연구진은 이 현미경을 통해 자폐증을 앓는 환자에게서만 나오는 특정 뇌활성을 발달 초기 단계에 찾고자 노력하고 있다. 왜 하필 세포 특이적 뇌활성일까. 김 박사에 따르면 자폐 조기진단은 특이 관련 유전자를 찾는 많은 연구가 전 세계적으로 다양하게 진행돼왔다. 하지만 자폐 주요원인으로 밝혀진 유전자만 천여 개다. 조기진단을 위해 어떤 유전자를 타겟팅 해야할지 구분하는 것이 쉽지 않은 상황이다. 김 박사는 "이것이 저희가 뇌세포 활성에 좀 더 주목한 이유"라고 말한다. KIST는 지난 연구를 통해 성인 자폐군과 성인 정상군 사이의 뇌활성 세포 차이를 발견한바 있다. 예로 A라는 행동을 했을 때 정상인은 인지, 운동 등 그에 맞는 패턴으로 활성화되지만, 자폐군의 경우 세포의 활성이 규칙적이지 못한 것을 확인했다. 김 박사는 "기존 교과서에서는 신경세포를 단순히 몇가지로 나눴다. 세포와 자폐, 정상 사이에 연구가 잘 이뤄지기 어려웠다"며 "우리는 여러 세포를 분류하는 연구를 오랫동안 해왔다. 그 중 자폐와 연관된 독특한 세포를 찾았다. 이 세포를 조절했을 때 자폐에서 보이는 특이행동이 정상으로 바뀌는 것을 찾아냈다. 태아수준에서 신생아, 유아기까지 뇌활성 연속촬영을 통해 자폐 특이적 활성차이를 볼 수 있을 것으로 보고 연구 중이다. 이 같은 추적연구를 통해 정상군과 자폐군의 뇌활성 차이가 언제부터 시작되는지도 알 수 있을 것"이라고 말했다. 이어 그는 "뇌질환은 한순간이 아닌, 장기적으로 변화하며 행동변화를 일으킨다. 뇌활성을 연속으로 관찰하는 것은 치매와 같은 파킨슨병, 우울증, ADHD 등 진단에도 활용할 수 있을 것"이라고 기대했다. 조기치료 넘어 반복행동 자폐증상 완화 치료제 개발한다 드라마 속 우영우는 특정 분야에 뛰어난 능력을 보이는 서번트 증후군 발달장애를 갖는다. 하지만 모든 자폐증이 우영우와 같다고 생각하면 오산이다. 대부분의 자폐증은 사회성 발달장애, 언어발달장애, 행동발달장애 등으로 의사소통과 사회소통을 어려워해 고립되는 경우가 많다. 자폐 치료를 위한 약물이 개발되고 있지만 아쉽게도 자폐환자를 완벽하게 치료하는 약물은 없다. 처방되는 약은 대부분 과잉행동, 수면, 우울장애 등 자폐로 인해 동반되는 증상을 완화하는 약들이다. KIST는 자폐증상 중 가장 많이 나타나는 반복행동을 줄일 수 있는 기전과 약물을 찾았다. 이 약물이 다른 행동장애에 어떤 효과를 미칠지, 부작용은 없는지 등 자폐관련 치료제 개발 과제도 조기진단연구화 함께 수행 중이다. 김 박사는 "자폐환자숫자는 매년 증가추세지만 여전히 자폐환자를 둔 가정의 책임은 온전히 부모가 지고 있다. 자폐는 초창기에 발견해 치료 및 교육을 하는 것이 중요한데, 치매 등 다른 뇌질환에 비해 자폐는 국가차원의 지원이 없다. 좋은 의사선생님을 만나기 위해 발품을 파는 것도, 경제적 부담을 안는 것도 다 부모의 몫"이라며 "사회적으로 자폐를 책임질 수 있는 시스템이 만들어질 수 있도록 정부가정부와 국민이 뇌질환 기초연구에 많은 관심을 보여주길 바란다. KIST는 발견한 새로운 기전들이 실제 자폐 아이들에게 도움이 될 수 있는 기술이 되도록 열심히 하겠다“고 각오를 다졌다.

[인터뷰] 김익재 AI‧로봇연구소 소장 3D몽타주기술 등 공로로 공학한림원 ‘젊은 공학인상’ 수상 “AI 및 DNA 융합 활용 얼굴인식기술 등 도전, 세상에 도움 되는 기술 만들겠다” 지난해 우리나라 실종신고 접수건수는 약 4만1000여건으로 집계된다. 아동, 장애인, 치매환자 중에서도 아동실종 비율이 가장 높다. 실종 신고자를 찾는 비율은 90%이상이지만 골든타임 내 찾지 못하면 가족의 품으로 돌아갈 확률이 낮아진다. 아동실종의 경우 신고 12시간 후 찾을 확률은 42%, 일주일이 지나면 11%로 알려진다. 몇 해 전 실종 당시 13세였던 소년이 38년 만에 가족을 찾은 사례가 기적이라 불리는 것도 이 때문이다. 강산이 3번이나 변했을 시간, 서로가 기억하는 얼굴은 달라졌지만 KIST의 AI 기술은 실종자 얼굴을 또렷하게 그려냈다. KIST 김익재 AI·로봇연구소장이 연구개발하는 얼굴인식 기술, 객체 인식기술, 나이변환기술은 과학수사 수준을 한 단계 높였다고 평가받는다. 이 기술은 실종자를 넘어 범인 검거, 감염병 대응 발열체크 및 전자출입명부 등에 쓰이며 우리 미래를 바꿔놓고 있다. 김 소장은 인공지능 시각기술을 통해 3D몽타주기술과 얼굴인식 기술 등을 개발한 공로로 지난 3월 한국공학한림원 '젊은 공학인상'도 수상했다. 세상에 도움 줄 수 있는 기술개발을 꿈꾸는 엔지니어 김 소장을 만났다. 김익재 소장은 3D몽타주기술과 얼굴인식기술 등을 개발한 공로로 지난 3월 한국공학한림원 젊은공학인상을 수상했다. 3D몽타주기술과 얼굴인식기술 등을 개발한 공로로 공학한림원 젊은공학인상을 수상하셨다. 축하드린다. 소감 한 말씀 해주신다면. 제가 한 것에 비해 큰 상을 받은 것 같다. 상을 받기까지 많은 분들의 지원과 도움이 있었다. 그분들과 함께한 노력이 있었기에 대표해서 받았다고 생각한다. 공학자들은 결과물이 실제 쓰이고 많은 사람들에게 도움이 됐을 때 기쁨을 느낀다. 미흡하지만 더 가치 있고 도움이 되는 기술 개발을 위한 보람된 연구를 하겠다. 3D몽타주기술과 얼굴인식기술 등이 실제 경찰청 현장에 쓰이며 범인검거나 실종아동 찾기에 많은 도움이 되고 있다. 여기에 쓰인 '시각지능 기술'에 대해 설명해주신다면. 우리나라에서 인공지능은 알파고 붐으로 유명해졌다. 인공지능은 자연어처리, 음성인식, 예측, 자율주행 등 다양한 분야에 활용되는데 그 중 인공지능이 이미지 및 비디오로부터 사람처럼 사물을 검출하고, 추적하며 인식하는 것을 시각지능이라고 한다. 이 기술은 자율주행자동차와 지능형 CCTV 등에서 유망한 기술로도 꼽힌다. 도로상황과 교통상황 감지, 차간거리 유지 등 안전운전에 활용할 수 있고, CCTV에서 객체인식 및 위험상황 감지 등에서 활용이 기대된다. 특히 우리는 얼굴 및 객체 인식에 집중해 연구하는데, 출입통제나 비대면 본인인증 등에 활용할 수 있다. 인공지능시각 연구를 하게 된 계기는. 컴퓨터 또는 로봇이 이미지로부터 유용한 정보를 추출하고 이해하는 컴퓨터비전 기술에 오랜 기간 관심을 가졌다. 대학교를 다니며 기계학습을 공부했다. 대학원 시기인 90년 중반에 오늘날 딥러닝의 근간이 되는 인공신경망(Artificial Neural Network)이 각광을 받으며, 많은 것을 해결할 수 있을 것으로 기대됐고 나 역시 관심을 가지고 연구를 했지만, 단순한 네트워크로는 한계가 드러나며 지속적인 연구를 할 수 없었다. 그러다 딥러닝이 소개되며 다시 한 번 기계학습에 큰 변화가 생겼다. 딥러닝을 활용하여 컴퓨터비전 분야에서 한계를 극복한 여러 사례들이 소개됐고, 진행하고 있던 연구 분야에 딥러닝을 적용함으로써 보다 정확한 결과를 도출할 수 있었다. 지금도 더 완벽하고 정확한 결과를 만들기 위해 계속 연구를 하고 있다. 오랜 시간 연구자의 길을 걷고 있다. 연구에서 가장 중요한 점은 무엇이라고 보나. 연구는 혼자서도 할 수 있지만 여러 사람이 고민하고 문제를 풀면 혼자 도달할 수 없는 레벨까지 올라갈 수 있다. 경찰청에 쓰이는 기술도 KIST에서 많은 연구자들과 협력하지 않았다면 쉽지 않았을 것이다. 협력했기에 연 구성과를 낼 수 있었다는 것인가. 그렇다. 현재, 개발 마무리 단계에 있는 실종아동 수색을 위한 복합인지기술 등도 모두 협력의 결과물이다. 실종아동은 빨리 찾지 못하면 장기 실종될 확률이 높아진다. 골든타임을 놓치지 않기 위해 CCTV 분석을 하는데 다채널 기반 영상검출, 추적, 요약, 해상도 고도화, 측면얼굴 정면화 등 많은 기술이 필요하다. 이 시스템을 구축하기 위해 각 분야 전문가들과 협력하여 시스템을 하나로 만들고 있다. 비단 복합인지기술 뿐만 아니라 공학계 종합예술로 불리는 로봇기술도 마찬가지다. 하나의 완성된 시스템을 만들려면 여러 분야의 연구자 협력 없이는 어렵다. 경찰청에서 공식적으로 도입해 사용 중인 3D몽타주기술은 김익재 소장과 동료들이 함께 개발한 기술이다. 몽타주 생성 후 시간 흐름에 따른 변화 등이 적용 가능하다. KIST 3D몽타주기술은 경찰청에서 공식적으로 도입해 사용 중이다. 얼굴인식 기술 등을 하게 된 계기가 있나. 2010년경 경찰청에서 10여 년간 사용 중이던 기존 몽타주 기술의 고도화에 대한 요구가 있었다. 관련 과제 기획에 참여하면서, 얼굴 생성 및 인식에 연구를 하고 있었고, 관심도 많았었기에 연구 책임자를 맡아 연구를 시작할 수 있었다. 기존 몽타주 기술도 훌륭했지만 경찰관들이 사용하는 과정에서 나오는 새로운 요구사항을 반영하고, 신기술 접목하여, 새로운 몽타주 솔루션을 만들고 싶었다. 지금도 새로운 인공지능 기술을 접목하여 과거에는 불가능했던 부분을 고도화해 나가고 있다. 이미 상용화된 몽타주기술들이 있다. 기존 기술과 KIST 3D몽타주기술 차별성은. 몽타주를 생성하고, 오랜 시간이 흐른 경우, 몽타주를 현재 나이 모습에 맞게 변화시키고 싶은 경우가 있다. 나이변환 몽타주 기술이 그것이다. 그리고 오랜 시간 몽타주를 그렸음에도 목격자가 얼굴이 더 무섭게 생겼다고 말하는 경우가 있다. 미세한 조정이지만 많은 시간이 소요된다. 우리는 인공지능 기술을 통해, 이러한 기능을 가능케 할 수 있을 거라 믿었다. 사람의 무표정, 신뢰감 주는 인상, 무서운 인상 등 여러 데이터를 수집해 AI에 학습시켰다. 일일이 얼굴을 직접 수정하지 않고도 변화시킬 나이 대와 변화시킬 인상 값만 입력하면, 더 나이든 모습, 더 무서운 인상 등이 만들어지도록 했다. 현장에서도 많이 활용되고 반응이 좋아 기쁘게 생각한다. 3D몽타주 외 얼굴인식기술도 경찰청에 도입했다. CCTV가 보급되면서 DNA와 지문 외에도 영상으로 범죄자를 추적하자는 수요가 생겼다. 하지만 CCTV의 경우 카메라 설치 위치 때문에 얼굴 정면이 아닌 측면얼굴이 찍히고 모자나 마스크 등으로 가림이 있으며, 원거리 촬영일 경우 흐린 얼굴 사진이 많다. 우리는 다양한 얼굴 데이터베이스를 학습해 AI가 CCTV 영상을 보고 용의자 얼굴을 잘 인식할 수 있도록 학습모델을 설계했다. 멀리서 마스크를 쓴 지인을 알아보듯 흐리게 보이더라도, 가려진 상황일지라도 용의자를 잘 인식하는 AI모델 만들어 빠른 수색을 돕는 것을 핵심목표로 연구개발 중이다. 이 기술 시작은 범죄자 머그샷(범인을 식별하기 위해 구금 과정에서 촬영하는 얼굴사진) 촬영에서부터 시작된다. 기존에는 머그샷은 정면과 측면 사진만 촬영했다. 우리가 만든 동기화된 다중 얼굴촬영 기법으로 얼굴을 3차원화 할 수 있어 CCTV에 촬영된 얼굴 방향에 관계없이 인식이 가능해졌다. 몽타주 기술 개발하며 힘든 점은 없었나. 당초 과제에서 목표로 하는 핵심성과지표(KPI)가 설정되어 있었지만, 이왕이면 더 편리하고 많이 활용될 수 있도록 더 좋은 기능을 넣고 싶다는 욕심이 커 경찰청에 자주 드나들며 관계자분들을 많이 만났다. 그런데 과제시작단계인 2011년 개인정보보호법이 시행되면서 데이터 확보가 굉장히 어려웠다. 시작부터 난관이었지만 경찰청분들과 함께하는 많은 분들의 도움으로 조금씩 극복하며 연구할 수 있었다. 김익재 소장의 목표는 현장적용을 통해 많은 사람에게 도움 되는 기술을 개발하는 것이다. 그는 AI를 활용하면 목표를 더 빠르게 달성할 것으로 보고 있다. 얼굴인식기술로 파생된 기술도 많다들었다. 기술개발을 잘 했다고 느낀 때는. 코로나바이러스감염증19로 건물 내 출입 시 발열체크가 중요했다. 그런데 한명씩 체크를 하다 보니 출입하는데 많은 시간이 걸렸다. 우리는 얼굴인식 기술을 고도화해 출입자들의 얼굴을 확인함과 동시에 발열체크를 빠르게 할 수 있도록 시스템을 개발해 KIST내에 설치했으며, 여러 공공기관에 배치해서 빠르게 발열체크 및 출입제어를 할 수 있도록 도움을 주었다. 우리가 만든 나이변환 기술이 오랜 기간 헤어진 상태로 있는 장기실종자 가족을 돕기 위해 경찰청, 실종아동기관 등과 함께 꾸준히 활용되고 있다. 나이변환 기술과 관련하여, 가장 기억에 남는 것은 2015년 건국 70주년을 맞아 실향민을 대상으로 헤어진 가족 분들의 현재모습을 가족사진으로 만드는데 도움을 드렸다. 그리운 가족사진을 보며 많이 기뻐하시고 눈물을 흘리셨다. 우리 기술이 이런 분야에 활용될지 생각지 못했지만 많은 분들께 선물이 되었다는 점에서 개인적으로도 뜻깊었다. 연구자로서 오랜 길을 걸어오셨다. 후회는 없으신가. 벽에 부딪히면 힘들 순 있다. 하지만 뭐든지 잘되고 술술 풀리는 일이 있을까. 한계에 부딪히고 스트레스 받는 일은 모든 사람이 겪는다. 그 과정을 좀 더 인정하고 즐기는 것이 중요한 것 같다. 첫 술에 배부른 연구는 없다. 풀 수 없는 문제라는 생각보다 동료들과 협력해 해결하며 긍정적으로 생각하는게 필요하다. 무모하게 보여도 함께하면 가능하다. 도전할 수 있고 그 과정을 인정받을 수 있다는 점에서 연구자들은 많은 혜택을 받기에 이 길을 택한 것에 후회는 없다. 향후 계획은. 아까 말한 것처럼 얼굴인식기술을 좀 더 고도화할 계획이다. 인공지능이 얼굴 전체가 아닌 일부조각만으로 누군지 확인할 수 있는 기술을 개발하고 싶다. 또 부모의 유전자 분석을 통해 실종된 아이의 얼굴을 예측하는 연구도 유전자 전문가와 함께 고도화하겠다. AI·로봇연구소의 목표 중 하나가 인간을 이해하고 인간과 함께할 수 있는 안전하고 똑똑한 반려로봇을 만드는 것이다. 로봇이 사람과 어울리려면 주변사람들을 이해해야한다. 그래서 더 어렵지만 로봇과 함께 살아가는, 협력할 수 있는 미래를 꿈꾸며 연구하겠다. 특히 연구소장으로서 연구원들이 마음껏 창의성을 발휘할 수 있는 환경을 만드는데 집중하겠다. 마지막으로 하고 싶은 말. 우리는 늘 현장적용을 통해 많은 사람들에게 도움이 되는 기술 개발을 목표로 연구한다. AI는 현장적용을 앞당길 수 있기에 유리한 점이 많다고 생각한다. 주변에서 가능할지 의문을 갖는 프로젝트도 많다. 무모하다 말하지만 함께라면 할 수 있다. 끊임없이 도전하면서 연구 통해 많은 사람을 이롭게 하는 연구자로 기억되도록 계속 도전하겠다.

美 학사 후 석·박사 한국서 취득, 독특한 이력 이성수 KIST 박사 이오노머 미세다공성 구조에 영향 미치는 분산용매 파라미터 발견 비행기 등 대형모빌리티 응용 수소연료전지 시대 개막 KIST 이성수 물질구조제어연구센터 선임연구원 명함에는 2개 이름이 적혀있다. 하나는 미국이름 'Albert S. Lee', 하나는 한국이름 '이성수'다. 이 박사는 초·중·고·대학까지 유년시절을 미국에서 보냈다. 과학도이던 부모님이 유학 중 미국에서 그를 낳았다. 한국인이라는 정체성을 잊지 않길 바라시는 마음을 담아 부모님이 한국이름을 붙여주셨다. 어릴 적 조부모를 뵈러 자주 찾았던 한국은 그에게 낯설지만 따뜻한 곳이었다. 미국에서 학사 이후 석박사를 한국에서 하겠다고 결심한 배경도 크게 다르지 않다. 한국말은 많이 서툴었지만 따뜻한 동료와 선후배를 만나 적응했다. 석박사 졸업 후에는 한국에 완전히 자리를 잡았다. KIST에서 올해로 10여 년째 연구를 이어가고 있다. 수소연료전지를 연구하는 그는 최근 소형 모빌리티에 국한됐던 수소연료전지를 트럭, 지하철, 비행기, 선박 등 대형모빌리티에 적용할 수 있도록 성능 개선하는데 성공했다. 실수 아닌 실수에서 얻은 성과다. 이를 바탕으로 지난 2월 '이달의 KIST인상'도 수상했다. "수소연료전지는 한계가 없다. 그래서 매력적"이라 말하는 이 박사를 지난 5월 중순 KIST에서 만났다. 그가 미국에서 한국으로 온 이유, 앞으로 하고자 하는 연구는 무엇인지 자세한 이야기 들어봤다. 미국 돌아갔던 이 박사, 다양한 경험 쌓고 다시 한국 찾다 어릴 적 화학에 관심 있던 소년이던 그는, 미국 대학에서 화학을 전공 후 2008년 졸업했다. 2008년은 리먼 사태를 시작으로 초대형 금융위기가 있던 시기다. 글로벌경제는 침체됐고 어느 분야든 취업 길이 쉽게 열리지 않았다. 장래에 대한 고민이 많던 그는 부모님과 잠시 한국에 머물었다. 그 때 UST(과학기술연합대학원대학교)에서 외국인 연구자를 위한 프로그램을 알게 돼 지원했다. UST는 대학이 아닌 정부출연연구원 현장에서 연구 활동을 하며 학위를 딸 수 있는 대학원 대학이다. 석사학위를 먼저 해볼 요량으로 시작했지만 첫 사회생활이기도 한 한국의 연구 환경에 만족했다. 석박사, 박사후 연구원까지 약 8년을 KIST에서 보냈다. 오랜 한국생활에 익숙해질 즈음, 그는 미국 로스알라모스 연구소 (LANL) 연구원으로 떠났다. 더 발전된 연구를 위해 새로운 곳에서 경험이 필요했기에 한 선택이다. 핵무기 개발 연구소로도 유명한 그곳에서 이 박사는 '수소연료전지'에 매력을 느꼈다. 한국에서의 경험을 바탕으로 미국에서 미래 내가 가야할 길을 확고히 할 수 있는 기회를 얻었다. 그는 "LANL에서 화학적인 연구를 바탕으로 고분자를 합성하고 평가하거나 직접 만든 소재가 연료전지에 어떤 영향을 미치는지, 연료전지 효율, 성능을 측정할 수 있는 기회를 얻었다. 연구를 할수록 이 분야에 매력을 느꼈다"며 "새롭게 알게 된 수소관련 연구가 앞으로 더 많은 쓰임새가 있을 것 같았다. 당시엔 탄소중립이 큰 이슈는 아니었지만 미래 산업에서 이산화탄소 절감을 위해 꼭 필요한 기술이라고 생각해 매진하게 됐다"고 설명했다. LANL에서 수소연료전지에 매진하던 그는 2019년 다시 한 번 한국행 비행기를 탔다. 이번엔 학생신분이 아닌 KIST 연구원으로 왔다. 미국에서 일을 찾을 수도 있었지만 그는 부모님의 나라 한국을 택했다. 그는 "미국에서 새로운 분야를 접하고 좋은 경험을 했다. 훌륭한 연구자분들과 잘 갖춰진 실험환경 등 굉장히 좋았지만 한국에서 연구생활이 떠올랐다"며 "KIST는 미국에 뒤지지 않는, 어떤 부분에선 더 좋은 연구 환경이 갖춰진 곳이다. 무엇보다 다양한 분야의 여러 박사님들과 협력해 연구할 수 있다는 점이 KIST의 장점"이라며 다시 한 번 한국 땅을 밟게 된 이유를 설명했다. <img style="clear:none;float:none;" id="tx_entry_56915_" src="/_attach/kist/editor-image/2022/07/dirYVkLIgJDxDKQCRGbLEoZnHo.jpg" class="txc-image" alt="미국에서 태어나 초중고대학을 나온 그는 석학박사를 한국에서 취득하고 KIST 연구원으로 10여년간 연구에 몸담고 있다. 그는 " 분리막과="" 이오노머를="" 합성하는="" 연구를="" 하기="" 때문에="" 수전해="" 소재들을="" 만들거나="" 암모니아나="" 이산화탄소를="" 사용한="" 새로운="" 형태의="" 전지를="" 만드는="" 연구도="" 해보고="" 싶다"며="" "인체에="" 유해한="" 물질을="" 에너지원으로="" 활용할="" 수="" 있는="" 연구에="" 도전할="" 것"이라며="" 포부를="" 전했다."=""> 미국에서 태어나 초중고대학을 나온 그는 석학박사를 한국에서 취득하고 KIST 연구원으로 10여년간 연구에 몸담고 있다. 그는 "분리막과 이오노머를 합성하는 연구를 하기 때문에 수전해 소재들을 만들거나 암모니아나 이산화탄소를 사용한 새로운 형태의 전지를 만드는 연구도 해보고 싶다"며 "인체에 유해한 물질을 에너지원으로 활용할 수 있는 연구에 도전할 것"이라며 포부를 전했다. 수소연료전지 대형 모빌리티 적용 조건 충족시키다 이 박사는 현재 LANL에서 경험을 살려 연료전지 시스템의 출력 향상과 내구성에 큰 영향을 미치는 분리막 연구를 하고 있다. 이 같은 연구를 통해 최근 수소연료전지를 대형모빌리티에 적용할 수 있도록 에너지용량과 작동환경 등 성능을 개선하는데 성공했다. 수소연료전지는 공해물질을 내뿜지 않아 친환경 에너지로 주목받는다. 자동차 등 작은 이동수단에 적용되고 있다. 수소연료전지를 대형 모빌리티에 적용하기 위한 시도도 이뤄지고 있으나 해결해야할 이슈가 있다. 160~180℃에서 작동하는 고온형으로 개발될 것과 무가습 조건이 필요하다. 이 박사는 "상용화된 수소 차에 들어가는 저온-연료전지는 스스로 발생시킨 열을 방출시키지 못해 냉각장치를 함께 설치해야한다. 냉각장치의 부피가 큰데다 무거워 효율이 떨어진다“ 라며 "일반 자동차와 달리 수소차를 열면 냉각장치가 상당한 부분을 차지하는 것이 현실"이라고 설명했다. 이 박사팀은 고온-연료전지 촉매층에 쓰이는 이오노머의 미세다공성 구조를 조절해 별도의 냉각시스템 없이 고온, 무가습 조건에서 작동 가능한 수소연료전지의 성능을 결정짓는 요소로 이오노머 분산용매의 pKa (산성도)를 발견했다. 이 연구는 그가 미국에서 몸을 담았던 LANL 김유승 박사팀과 공동연구했다. 기존 상식 뛰어넘은 결과 "유해물질 에너지원 활용토록 매진하는 것 꿈" 그는 이번 연구를 위해 연료전지의 성능 향상을 위해 분리막만 개선하면 된다는 기존의 상식을 뒤집고 이오노머를 함께 개선했다. 그 결과 이 박사팀은 포스폰산(RPO3H2)을 함유하는 고분자와 설폰산(RSO3H)을 함유하는 고분자를 블렌딩한 복합 이오노머를 분산(녹인)시킨 용매에 따라 이오노머의 미세다공정 구조가 달라짐을 발견하고 원인을 규명했다. 특히 연구진은 이오노머의 기공이 많을수록 수소연료전지 성능이 달라지는 것을 확인했다. 이는 다공성이 증가할수록 수소와 산소의 접근성이 높아지기 때문으로 확인됐다. 이번 성과는 평소 이런저런 실험을 해보기 좋아하는 이 박사의 호기심도 한몫했다. 유난히 퇴근이 늦었던 밤, 고온-수소연료전지가 아닌 저온-수소연료전지에 사용하는 이오노머 및 분산 용매를 한두 방울 섞어 실험기기를 돌리고 퇴근한 사이 성능이 확 개선됐던 것이다. 이 박사는 "아침에 일어나 전화를 확인하고 깜짝 놀랐다. 실수 아닌 실수가 이번 연구의 핵심이 됐다"며 "고온-수소연료전지는 개발로 대형 모빌리티에도 응용할 수 있도록 꾸준히 연구해나갈 것"이라고 말했다. 이 박사는 앞으로 도전해보고 싶은 연구가 많다. 그는 "분리막과 이오노머를 합성하는 연구를 하기 때문에 수전해 소재들을 만들거나 암모니아나 이산화탄소를 사용한 새로운 형태의 전지를 만드는 연구도 해보고 싶다"며 "인체에 유해한 물질을 에너지원으로 활용할 수 있는 연구에 도전할 것"이라며 포부를 전했다. [출처] 미국서 온 청년 '엉뚱한 실수'···新 수소연료전지 시대 열었다

천동원 박사 ‘준 안정상 신소재 개발 방법론’ 과학적 제시 감으로 진행됐던 연구 과학적 규명 ”연구자 필요에 따른 재료 개발 도움 될 것” KIST의 한 실험실, 입구에 들어서자마자 압도적 크기의 연구 장비가 시선을 끈다. 고개를 머리 위로 들어 올려야 볼 수 있는 커다란 원통모양의 이 장비의 이름은 투과전자현미경이다. 눈으로 원자를 직접 관찰할 수 있어 나노물질의 구조분석이나 저분자량 단백질의 구조규명 등 소재개발에 필요한 핵심 물성을 규명하는데 사용된다. 물질을 관찰하고 분석하는데 주로 사용하는 이 현미경을 ‘신소재 개발 플랫폼’으로 활용하면서 남들과는 차별화된 연구를 하는 팀이 있다. 천동원 KIST 에너지소재연구센터 박사팀이다. 천 박사팀은 투과전자현미경 장비를 이용해 일반 합성 장비에서 실현 불가능한 독특한 소재합성 분위기를 만들고, 소재 성장과정을 세세하게 관찰해 새로운 신소재를 개발하고 생성원리도 규명한다. 천 박사는 최근 이 같은 연구를 통해 에너지신소재개발에 적용할 수 있는 신개념 준 안정상 합성방법론을 제시하는데 성공했다. ‘몸에 좋긴한데 표현할 방법이 없다’는 건강식품처럼, 만들어지기는 하는데 이론 제시가 어려웠던 준 안정상 신소재 개발 방법론을 과학적으로 제시한 것이다. 해당 연구결과는 Nature 최신호에 게재됐다. 만들어지긴 만들어지는데 왜? 규명하기 어려운 이론 제시하다 천 박사는 친환경 미래형 에너지로 주목받는 수소의 저장 및 활용 효율을 높이기 위한 기초 연구를 하고 있다. KIST는 1987년부터 수소 생산 및 화학적 운송 저장, 수소연료전지 등 전주기 수소 기술 연구 개발의 오랜 역사를 가졌다. 하지만 여전히 수소를 이해하기란 어려운 일이다. 천 박사에 따르면 원자번호 1번인 수소는 양성자와 전자를 하나씩 갖는다. 수소가 금속 내부에 들어가게 되면, 많은 전자를 갖고 있는 금속과 수소가 전자를 공유하게 된다. 마치 거대한 산 위에 바위 하나가 놓인 것처럼, 금속 내부에 존재하는 수소의 거동을 직접 관찰하고 이해하기는 어렵다. 수소의 저장이나 활용 등을 효율적으로 만들기 위해서는 이처럼 수소의 거동을 직접 관찰하는 것이 중요한데, 어렵다보니 많은 연구자의 직관, 경험으로 진행 돼왔다. 직관이 아닌 과학적 근거에 기반을 둔 연구를 할 수 있도록 하는 것이 천 박사의 연구과제이다. 연구자의 직관, 경험적인 방법론에 의존해 진행되는 또 다른 연구가 있다. 준 안정상 신소재 개발연구다. 예를 들어 높은 압력환경에서 생성되는 다이아몬드는 우리가 사는 상온 상압 환경에서 준안정상인 반면에, 같은 탄소로 구성되는 흑연은 안정상이라 부른다. 같은 원소로 구성된 소재임에도 확연하게 구별되는 물성을 갖는 다이아몬드와 흑연의 예처럼, 준안정상을 통해 새로운 성능을 갖는 소재개발이 가능할 수 있다는 측면에서 매우 흥미로운 연구주제이다. 투과전자현미경을 통해 관찰한 액상 내 준안정 팔라듐 수소화물 나노입자 생성과정 실시간 분석 특히 소재의 크기가 매우 작은 나노스케일에서는 기존 연구나 경험을 기반으로 예측하기 어려운 준안정상의 형성이 가능한데, 형성 원리를 이해하는 것이 매우 어렵다. 천 박사팀은 준안정 금속수소화물 개발을 통해 과학적인 근거와 이론 제시가 어려웠던 나노스케일의 준 안정상 소재의 형성원리를 규명하는데 성공했다. 투과전자현미경 액상셀 내부에 수소가 충분한 환경을 조성하고, 팔라듐 결정을 성장시켜 새로운 결정구조를 갖는 준안정 팔라듐 수소화물을 합성하는데 성공하고, 생성 원리를 세계최초로 규명했다. 그는 “충분한 수소분위기에서 준안정상이 생기는 것을 실제 실험을 통해 관찰하고, 계산과학 그리고 팔라듐 수소화물의 3차원 원자구조 규명을 통해 생성원리를 규명했다” 면서 “또 이렇게 만들어진 준안정상 소재가 안정상 소재에 비해 우수한 열안정성 그리고 수소를 2배 더 많이 저장할 수 있는 용량을 가지는 것도 확인했다”고 설명했다. 천 박사는 실험을 통해 얻은 준 안정상 소재가 팔라듐과 수소로 만들어진 만큼, 고가인 백금을 대체할 수 있는 새로운 촉매로 활용을 기대했다. 또 새로운 소재합성법을 통해 준안정 수소저장 신소재 개발이 가능할 것으로 봤다. 원자분해능 토모그래피 분석법을 통해 밝혀낸 준안정 팔라듐 수소화물 나노입자의 3차원 원자구조 및 준안정상 나노입자 생성과정 모식도 하지만 천 박사는 “이번 연구는 준안정 팔라듐 수소화물의 촉매 및 수소저장소재로의 응용연구가 핵심이 아니다”라고 선을 그었다. 현대 반도체 산업의 핵심 소재공정법으로 사용되고 있는 실리콘 단결정 제조기술인 초크랄스키법도 예상치 못했던 새로운 분야에 사용되고 있기 때문이다. 폴란드 과학자 얀 초크랄스키는 1918년 ‘금속의 결정화 속도 측정을 위한 새로운 방법’이라는 논문을 통해 이 기술을 처음으로 공개했다. 아마도 초크랄스키 본인은 이 기술이 미래사회에 큰 파급효과를 끼치게 될거라 상상도 하지 못했을 것이라 여겨진다. 그는 “새롭게 개발한 준안정상 소재합성방법론은 초크랄스키법처럼 예상치 못했던 새로운 분야에 사용될 수 있을 가능성이 더 크다고 생각한다”며 “우리 연구는 준안정상 소재가 어떤 환경에서 왜 만들어졌는지를 규명하고, 방법론을 제안했다는데 의의가 있다. 우리가 제안한 새로운 소재합성 방법론을 이용하여 많은 연구자들이 새로운 준안정상 신소재를 개발할 수 있을 것”이라고 말했다. 재밌어서 한 연구, 동료들에게 감사 ？"연구비가 따로 나오는 프로젝트는 아니었는데 재밌어서 연구를 시작했어요. 연구주제가 재미있다는 이유로 많은 분들이 연구에 참여해 주셔서 감사한 마음입니다. 특히 KIST 유성종/이영수 박사님, KAIST 양용수 교수님, POSTECH 손창윤 교수님께 감사하다는 말을 전하고 싶어요." 이번 연구는 KIST뿐 아니라 KAIST, POSTECH, 서울대 등 여러 연구원들이 5년간 의기투합한 결과다. 수소를 붙일 금속으로 팔라듐을 선택한 것도 여러 연구자들과의 논의에서 시작됐다. 1열 왼쪽부터 제1저자 KIST 배지환 전문원, 제1저자 KIST 홍재영 연구원(현 UIUC), 2열 왼쪽부터 교신저자 KAIST 양용수 교수, 교신저자 KIST 유성종 책임연구원, 교신저자 KIST 이영수 책임연구원, 교신저자 KIST 천동원 책임연구원, 교신저자 Postech 손창윤 교수 천 박사는 “투과전자현미경을 통해 백금이나 금에 대한 연구결과가 많이 보고되고 있는 반면에, 팔라듐에 대한 연구결과는 보고되지 않더라. 왜일까 궁금했고 그 이유를 알고싶어서 연구를 시작했다”고 말했다. 하지만 연구결과가 보고되지 않은 것에는 이유가 있었다. 기존 정보로 설명이 불가능한 미지소재를 해석하는데 실패한 것이다. 천 박사는 KIST뿐 아니라 다른 대학의 교수진과 의견을 나누며 실험했다. 그 결과 준안정 팔라듐 수소화물이 헥사고날 결정구조임을 보여주는 결과를 얻었고, 이를 입증하는데 성공했다. 계산과학자들과 연구협력도 중요했다. 천 박사에 따르면 일반적인 조건에서는 계산 결과에서도 헥사고날 결정구조가 열역학적으로 불안정하게 나왔다. 팔라듐 입자의 크기를 나노스케일로 줄이고 불규칙적으로 수소를 분포시키는 등 실제 실험 조건을 계산에도 반영한 결과 헥사고날 구조가 안정해지는 영역을 찾을 수 있었다. 또한 원자분해능 토모그래피 분석방법을 통해 준안정상 결정의 3차원 구조를 규명하여 ‘다단계 결정화과정’이라는 새로운 나노입자성장 기전을 제안했다. 최근 그는 기분 좋은 소식을 들었다. 미국의 모 그룹이 천 박사팀이 개발한 준안정 팔라듐 수소화물 대량생산 연구를 시작했다는 것이다. 천 박사는 과학기술자들의 호기심이 새로운 영역의 발전으로 확장되기를 기대하고 있다. 앞으로 천 박사는 새로운 소재합성 방법론의 적용 범위를 확장하고, 대량생산 시스템을 개발하는 연구에 도전하고자 한다. 그는 “팔라듐 외에 다른 재료에 수소를 붙여보는 연구를 해보려 한다. 또한 수소 뿐만 아니라 리튬, 산소 등을 다른 재료에 붙여보는 연구를 진행해 우리가 제시한 소재합성 방법론의 유효성을 계속 입증하고 확인할 수 있는 연구를 하고 싶다”면서 “또 준안정상 대량생산 시스템을 개발하여 제가 발견한 새로운 소재의 물성을 직접 확인하고 싶다”고 연구에 대한 포부를 전했다.