11월호 신진연구자 “톡”

시대의 요구를 실현하는 기계공학자

충남대학교 기계공학부 첨단기계설계연구실 조성진 부교수

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4차 혁명 시대, 조성진 부교수는 데이터의 중요성을 강조하며 첨단 센서와 계측시스템, 미세전자제어기술(MEMS)과 머신러닝 기반 신호 처리, 마이크로/나노 구조물 제작 등 다양한 분야에서 자신만의 연구테마를 구축하고 있는 젊은 기계공학자입니다. 그는 과학자로서의 호기심만큼 사회와 시대가 요구하는 기술을 실현할 수 있는 경쟁력을 중시합니다. 조성진 부교수가 생각하는 기계공학은 다양한 모습으로 인간의 삶을 풍요롭게 안내하는 학문입니다. 때문에 보다 자유롭게 생각하고 유연하게 사고하고자 노력합니다. 인류를, 나아가 세상을 조금이라도 긍정적으로 만드는 데 기여하고 싶다는 꿈을 향해 전진하는 조성진 부교수를 충남대학교 첨단기계설계연구실에서 만났습니다.

이렇게 걸어왔습니다.

거미 발에서 착안한 고감도 나노 크랙 센서…

의료·건축·농업 등 활용 가능

첨단 센서와 계측시스템, 미세전자제어기술뿐만 아니라 머신러닝, 마이크로/나노 구조물 제작 등 다양한 분야에서 성과를 창출하셨습니다. 교수님의 연구테마에 대해 소개해주세요.

제 연구의 중심 키워드는 고감도 센서, 그리고 이를 모니터링할 수 있는 계측시스템 설계와 개발입니다. 최근 머신러닝과 빅데이터가 4차 산업혁명의 주역으로 주목받고 있습니다. 인공지능을 활용한 다양한 서비스가 개발되는 가운데, 많은 사람이 사물인터넷(IOT) 등 데이터를 어떻게 활용하고 서비스할지에 높은 관심을 보입니다. 하지만, 정작 인공지능 고도화에 필요한 데이터를 어떻게 모을지에 대해서는 관심이 낮습니다. 양질의 데이터가 인공지능의 성패를 좌우함에도 말이죠. 중요한 사실은 아무도 데이터를 그냥 주지 않는다는 점입니다. 다양한 데이터를 수집하고 분석하는 센서와 계측 시스템이 우수해야 경쟁력 높은 인공지능 서비스가 가능합니다. 이러한 관점에서 미세전자제어(MEMS) 공정 기술을 활용하여 첨단 센서와 계측시스템을 개발하고, 마이크로/나노 공정기술을 이용한 기능성 소자를 개발하고 있습니다. 나아가 센서와 계측을 통해 수집한 데이터에 기반해 소프트웨어 레벨의 시뮬레이션, 머신러닝을 발전시키고자 합니다.

연구재단 지역연구자지원사업을 통해 거미의 발을 닮은 고감도 나노 크랙 센서를 제작하고 이를 이용한 진단용 스마트 글러브도 개발하셨습니다. 관련 연구성과에 대해 소개해 주세요.

대상의 형태나 크기 변화를 오차 없이 정밀하게 측정하는 변위 센서 개발은 현대 기계공학이 해결해야 할 과제 중 하나입니다. 건물 외벽에 미세한 금이 가거나 철도 레일이 열에 의해 팽창하는 정도를 정밀하게 측정하면 안전성 향상은 물론 관리의 효율을 높일 수 있습니다. 저는 거미줄에 걸린 먹이의 미세한 움직임도 감지하는 거미발에 착안해 미세한 변형 측정이 가능한 웨어러블 센서를 개발했습니다. 기존에 개발됐던 변위 측정 센서들은 민감도를 나타내는 Gauge Factor(GF)가 1~2 수준에 불과하고, 작동 범위도 5% 내외였습니다. 반면 우리 연구팀이 개발한 나노 변위 센서는 거미의 발처럼 미세한 나노 크랙 구조를 이용해 민감도 50 이상, 작동 범위 150% 이상을 구현했습니다. 즉, 더 민감한 센서로 더 넓은 부위를 측정할 수 있죠. 또한 기존의 센서는 금속처럼 평평하고 매끄러운 단면이 아닌 인체 관절처럼 굴곡지거나 시멘트나 나무처럼 거친 단면에는 부착이 어려웠습니다. 나노 크랙 변위 센서는 인체에 부착해 호흡이나 맥박 같은 미세신호는 물론 팔과 고관절의 움직임까지 한 번에 측정할 수 있어요. 이를 통해 근수축증 환자의 움직임을 읽어 커뮤니케이션 수단으로 이용할 수 있고요, 식물에 부착하여 식물자원 개발에 필요한 데이터를 구축하는 등 다양한 활용이 기대됩니다.

운동 질환을 실시간으로 모니터링할 수 있는 글로브형 계측 시스템을 개발하셨어요. 이 역시 나노 크랙 고감도 센서의 대표적 응용사례라 할 수 있죠?

영국의 물리학자 스티븐 호킹이 앓았던 근수축증과 같은 이상 운동 질환은 정밀진단에 기반을 둔 조기 치료와 악화방지가 중요합니다. 일례로 운동질환 일종인 파킨슨병을 진단받고 우울증으로 2014년 스스로 삶을 마감한 미국의 유명 배우 로빈 윌리엄스는 부검 결과 실제 병은 파킨슨병이 아닌 것으로 판명되었는데요. 이는 관련 질병의 정밀 진단과 분석이 쉽지 않음을 알려주는 단적인 예입니다. 정밀 진단을 위해서는 지속적인 관찰을 통해 원인을 정확하게 발견해야 하지만 의사나 보호자가 환자를 항시 확인하는 것은 현실적으로 불가능합니다. 또한 환자를 장시간 모니터링할 진단 장비도 전무했습니다. 이에 정밀측정과 조기진단을 도와 오진을 줄이고 치료효율을 높이고자 인체의 미세한 동작을 감지하여 실시간 진단을 돕는 고감도 나노 크랙 변위 센서와 계측시스템을 개발했습니다.

대변위 고민감 변형률 센서 모식도

그 결과 미소변위(<1%)뿐 아니라 대변위(>100%)에서 계측 가능한 고감도 박막 센서를 개발하고, 정밀 패터닝 및 패키징 기술을 이용한 글러브 타입의 다채널 센서 플랫폼을 완성했습니다. 또한 피부 적합 재료 선정 및 위생과 감염 예방을 위해 초저가 일회용 공정도 개발했습니다. 현재 의료현장에서 떨림, 근긴장이상증 등 질환을 정량적으로 계측할 수 있는 실시간 모니터링 시스템의 성능을 테스트하고 있는데요. 최종 목표는 인공지능을 이용한 진단, 분석시스템으로 발전시키는 것입니다.

최근에는 일기예보를 통해 내일의 날씨를 알려주는 것처럼 철도 레일의 온도를 예측하여 열차 운행관리의 효율성을 높이는 연구도 진행 중이시죠?

나노 크랙 센서가 신호 감지에 초점을 두었다면 이번 연구는 센서에서 나오는 신호 처리에 중점을 두고 있습니다. 금속 재질의 철도 레일은 온도 변화에 민감하여 겨울철 낮은 온도에 수축하고 여름철 고온에는 팽창하는데요. 예전에는 레일의 팽창에 대비해 일정한 길이의 레일을 약간의 간격을 두고 설치했습니다. 하지만 고속철도 도입 후 워낙 빠르게 달리는 KTX의 탈선을 방지하기 위해 서울부터 부산까지 전국 6,000km에 달하는 레일을 용접방식으로 연결했습니다. 따라서 이상기온과 폭염 시 레일이 열팽창을 이기지 못하고 휘게 되는 궤도 좌굴 현상이 발생할 경우 열차 탈선 사고로 큰 인명피해가 날 수 있습니다. 이에 따라 레일 온도가 60도를 넘으면 열차 운행 속도를 70km/h 미만으로 제한하는 조치 등 다양한 방지대책이 시행되고 있는데요. 이에 따른 병목현상과 교통 혼잡 등 열차의 정시성과 안전성 등 다양한 인적, 물적 문제가 야기되는 어려움이 있습니다. 또 지금까지의 방재대책은 과학적 근거가 아닌 경험에 의존하는 한계가 있고요. 그래서 코레일, 국토부와 함께 온도 계측 시스템을 만들고, 이를 통해 전국 철도 레일의 온도를 빅데이터로 예측하는 프로그램을 만들고 있습니다.

관련 기술은 앞으로 철도 현장에서 어떻게 활용될까요? 진행 중인 연구 과정도 자세히 설명해주세요.

일기예보를 통해 내일의 날씨를 예측하듯 레일의 위치별 온도 예측 모델을 통해 레일의 온도도 예측하여 열차 운행관리의 효율을 높이는 것이 목표입니다. 궁극적으로 실제 현장에서 사용가능한 열차속도 경보 어플리케이션을 제시하여 선제적인 대응이 가능해져 국내외 열차의 안전운행에 큰 도움이 될 것으로 생각합니다.

머신러닝 기반 레일 온도예측 모델

이를 위해 먼저 일사량에 따른 레일의 대표 변형 지점을 분석하고, 레일의 온도가 몇도까지 올라갈지 예측할 수 있는 알고리즘을 개발하고 있습니다. 더불어 관련 센서 연구도 같이 수행하고, 레일 내부의 온도를 측정할 수 있는 휴대용 시스템을 개발했습니다. 최근에는 레일의 온도를 예측하기 위해 기상청의 빅데이터도 수집하였습니다. 현재는 기차레일에 센서를 부착해 과학적으로 온도를 계측하여 당일의 기온, 강수랑 등 자연환경에 따른 레일 변형률의 상관관계를 머신러닝으로 분석하여 기상예보처럼 레일 온도 예측이 가능한 모델을 개발하고 있습니다.

1초 만에 기름만 쏙쏙 걷어내는 나노마이크로 구조물 등 나노 가공기술을 활용한 소재 개발에도 성공하여 연구계와 산업계의 주목을 받으셨어요.

나노/마이크로 구조물은 센서 뿐 만아니라 다양한 분야에 적용될 수 있습니다. 한 예가 의류 분야입니다. 최근 고어텍스와 같은 기능성 소재가 인기가 많습니다. 고어텍스는 미세한 구멍이 있어 섬유 안쪽의 가스는 외부로 배출하여 쾌적함을 유지합니다. 하지만 단점은 최대 변형률이 εmax = 9%에 불과해 신축성이 부족하고 기계 세척 시 그 기능을 잃게 됩니다. 이 같은 단점을 보완할 수 있는 기능성 소재를 마이크로/나노 가공 기술로 구현할 수 있죠. 센서의 미세 공정 기술로 기계적으로 안정된 미세구조 개발도 주된 연구 분야 중 하나입니다. 나노섬유는 전체면적 대비 빈 공간비율을 뜻하는 공극률이 매우 높아 기체나 액체를 쉽게 통과시킬 수 있습니다. 이 같은 원리를 이용해 2018년 한국연구재단의 지원으로 포스텍 연구팀과 물속에서 기름이 스며들지 않는 수중 초발유성 셀룰로스 기반의 나노섬유 멤브레인(막)을 제작해 고속으로 대용량의 물기름 분리를 진행하는 기술을 개발했습니다. 이 역시 자연 속 연잎의 초발수성에 착안하여 필터 구조물의 표현 특성을 변화시켰는데요. 그 결과 기름은 거르고 물은 통과시키는 초친수성 구조의 나노필터가 탄생했습니다.

4차 산업 시대 기계공학의 길을 찾다

기계공학부터 생체공학, 의료, 건축과 철도 등 학문과 산업 분야별 경계를 넘나드는 융합연구를 하시는데요. 전통적인 기계공학에서 4차 산업 시대 기계공학의 새로운 모습을 보여주신 것 같아요.

이미 많은 선배 연구자들께서 깊고 다양한 기계공학의 길을 보여주셨습니다. 대입 면접장에서 만나는 많은 예비 기계공학도들이 비행기나 자동차, 선박 같은 완성품을 만들고 싶단 꿈을 이야기합니다. 하지만 기계공학을 전공해도 전체 시스템을 모두 개발할 수 없기 때문에 매우 다양한 세부전공을 배우게 됩니다. 뿐만 아니라 기계공학은 모든 공학과 연결돼 있습니다. 산업혁명시대에 증기기관이 발명되며 기계로 시작된 공학은 전자/전기공학, 산업공학, 화학공학 등으로 확장됐습니다. 이는 역으로 기계공학은 분화된 다양한 영역을 시스템으로 융합하는 허브와도 같음을 의미합니다. 일례로 재활의학에 필요한 슈트를 제작하기 위해 인체 신호를 감지하는 센싱기술부터 컴퓨터, 수학, 생명공학 등 다양한 요소가 필요합니다. 또한 과학의 목표가 원리규명이라면, 공학의 목표는 알려진 원리를 기반으로 ‘무엇을, 어떻게 만들까’에 있습니다. 기계공학자로서 저의 목표 역시 과학적 토대 위에 인류의 삶에 기여할 수 있는, 궁극적으로는 현장에서 쓸모가 있는 어플리케이션 개발입니다. 타고난 성향 상 호기심이 많아 다양한 분야의 쓰임에 관심이 많고요. 그 자체를 즐기려고 합니다.

기계공학자로 진로를 정하고 실천하기까지 가장 큰 어려움은 없으셨나요?

어렸을 때부터 호기심도 많고 만드는 걸 좋아했어요. 항상 희망직업란에는 과학자를 적었지만 때론 천문학자를, 때론 공학자를 꿈꾸었어요. 고등학교 2학년 때 기계공학이라는 학문이 저랑 잘 맞겠다고 확신을 갖게 된 것 같아요. 그렇다고 진로에 대한 고민이 끝나는 건 아니더라고요.(웃음) 대학원 진학, 병역특례와 유학 등 끊임없는 선택의 순간과 마주하며 이 길이 나의 길이 맞는지 현실 자각타임이 오기도 했어요. 학부 시절 진로를 고민하며 그동안 아르바이트를 통해 모은 돈으로 1년간 휴학하고 11개월간 30개국을 여행했어요. 당시 어학연수를 가는 친구는 많았는데, 전 어학 대신 경험을 택한 것 같아요. 여행을 하며 부족한 돈을 위해 식당 서빙과 접시 닦기 같은 아르바이트도 하고, 때로는 전쟁 고아 돌봄이나 바다거북 보호 봉사활동도 하며 무척이나 소중한 경험을 했습니다. 이처럼 다양한 경험을 할수록 내가 하고 싶고, 또 잘 할 수 있는 것에 대한 기준이 보다 명확해졌어요. 부모님도, 지도교수님도 특정한 길을 강요하지 않으셨어요. “네가 하고 싶은 걸 해라. 다만 너의 선택에 책임은 네가 져야 한다”고 말씀하셨습니다.

2013년 포항공과대학교 기계공학과 최우수논문상을 비롯해 삼성전자 휴먼테크 논문 금상을 수상하며 두각을 보이셨습니다. 교수님만의 연구 경쟁력을 소개해주세요?

기계공학자로서 사물의 원리와 쓰임, 사회현상에 호기심이 많으며, 그 가운데 합리성을 찾으려 노력해 왔습니다. 학부에서부터 늘어나는 초수성 소재 제작에 관심이 있었고, 대학원 때 관련 연구결과를 발표한 논문으로 삼성전자휴먼테크 논문 금상을 수상했습니다. 당시에 고어텍스보다 훨씬 뛰어난 구조물. 즉 300%까지 늘어나며 발수성도 더 뛰어난 구조물을 만들었습니다. 대학원 졸업 후에는 포스텍 고분자연구소에 박사후연구원으로 재직하며 나노 스케일이나 재료적인 것들을 개선하는 연구를 진행했습니다. 제 주요 연구 테마인 센서 역시 기계와 더불어 전자회로, 재료, 알고리즘, 후처리, 컴퓨터 공학 등의 지식이 필요한데요. 당시 기계뿐만 아니라 전기, 재료적인 관점에서도 다양하게 연구하며 연구자로서 큰 자산을 얻었습니다. 앞으로도 기계공학을 중심으로 다양한 어플리케이션을 개발하고 싶습니다.

연구가 어렵다고 느껴질 때는 없나요? 있다면 어려움을 극복하는 지혜도 들려주세요.

연구의 시작은 호기심에서 출발하더라도 세상에 필요한 기능을 연구하고 개발하는 공학자로서 ‘이 기술을 실제 어디에 쓸 수 있을까?’, ‘어떻게 활용할 수 있을까?’를 늘 고민합니다. 하지만 모든 연구과정이 계획처럼 순조롭지 만은 않아요. 처음 세운 가설이 맞지 않거나 실험과정에서 시행착오도 겪고요. 실용화를 고민하는 단계에서 새로운 도전에 직면하기도 합니다. 일례로 처음 센서를 개발할 당시에는 민감도가 좋은 백금을 재료로 채택했는데, 이후 비용과 실용성을 두 마리 토끼를 모두 잡을 수 있는 재료를 고민하고 있습니다. 연구자는 계속해서 새로운 길을 찾는 사람입니다. 물론 그에 앞서 자신의 전공 분야에서는 깊이 있는 전문성을 다져야 하고요. 이 둘이 균형과 조화를 이루면 하고 싶은 연구, 해야 할 연구를 위해 다양한 가능성을 열어두어야 하는데요. 저는 평소 학회와 교류회 등을 통해 의대와 철도 등 타 분야 전문가들과 네트워킹하며 문제의 돌파구를 찾고 있습니다.

먼저 연구자의 길을 시작한 선배로서 후배들에게 당부의 이야기도 전해주세요.

대학원 졸업을 앞두고도 진로 고민을 하는 경우가 많습니다. 자신이 정말 하고 싶은 것이 무엇인지, 직장인지, 학문적 탐구인지를 명확하게 아는 경우가 생각보다 많지 않아요. 제가 지나온 길을 돌아보며 자기 주도적인 선택과 준비과정이 큰 자산임을 알게 됐어요. 부모님이나 교수님의 권유로 시작한 연구가 아니라 정말 자신이 원하는 게 무엇인지 진지하게 고민하고 결정한다면 더 큰 에너지를 쏟을 수 있거든요.

저는 연구실 학생들에게도 자율성을 강조합니다. 대학원생들은 제가 진행하는 연구와 각자 관심 있는 주제에 대한 연구를 50:50의 비율로 진행하기에 연구실의 연구 주제도 다양한 편입니다. 또한 랩미팅 시간에는 전공 분야가 아니더라도 코로나19 바이러스, 비트코인, 연금저축 등 다양한 관심사에 대한 기술을 발표하며 기계공학과 세계와의 접점을 고민하고 자신이 하고 싶은 연구를 찾아가도록 격려하고 있습니다. 더불어 이러한 과정을 거쳐 대학에 막 임용된 신임교수들께는 너무 한쪽에 매몰되지 않고 넓고 다양하게 탐구하는 자세를 견지하시길 당부드립니다.

교수님의 연구 분야에서 궁극적으로 도전하고 싶은 목표도 들려주세요.

미래를 미리 알고 움직일 수 없습니다. 꿈은 언제든지 바뀔 수 있어요. 다만 현재에 충실하며 지금 이 순간, 그리고 앞으로 닥칠 미래에 우리 사회가 필요로 하는 것을 만들 수 있는 역량을 갖춘 공학자가 되는 것이 꿈입니다. 기계공학이란 틀에 매이지 않아도 된다고 생각합니다. 사회와 시대가 요구하는 필요성은 언제든지 바뀔 수 있기 때문입니다. 저는 자유롭게 생각하고, 세상을 조금이라도 긍정적으로 만드는 데 기여하는 기계공학자가 되고 싶습니다.

연구 신호등

추천하는 연구자의 마인드는?

열정과 인내. 연구를 즐길 수 있다면 금상첨화죠.

좌절했을 때 극복법은?

잠시 덮고 친구들과 맥주 한 잔. 잘 먹고 잘 쉬고 잘 노는 것도 중요한 일이라고 생각합니다.

꼭 피해야 하는 습관은?

포기, 불가피하게 연구가 멈추게 되는 경우 아무리 작은 결과라도 정리하는 노력이 필요합니다.

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