ٷΰ
ΰ
search ˻
Ÿ
- HOME > �������� > M-terview
Խ Ʈ
- 나노 지능형 재료를 이용한 민감성 진단 센서 개발
- 강인필 교수(부경대학교 기계자동차공학과)
- ̸ :ipkang
pknu.ac.kr - : 부경대학교 제 9공학관
-
안녕하세요. 메이트릭 회원 여러분!
나노분야는 연구가 많이 진행 되고 있지만, 실용화 부분에서는 아직 넘어야 할 산이 많은데요. 이번 인터뷰에서는 나노튜브와 나노 파이버 같은 지능형 재료들을 이용하여 로봇의 구동기나 구조물의 상태 진단용 센서를 개발하고 계신 강인필 교수님을 만나볼 예정입니다. 교수님은 2013년에 SCI급 국제학술지(복합재료B: 엔지니어링)에 최다 인용 논문 10편중 1편으로 선정되었다고 합니다. 직접 찾아 뵙고 이야기 나눠 보도록 하겠습니다.
1. 교수님의 현재 하고 계신 연구에 대해서 간단히 소개를 부탁 드립니다.
요즘에 유행하고 있는 탄소 재료를 이용하는 연구를 하고 있습니다. 탄소 재료 연구에는 여러 가지 종류가 있지만 특히 나노 사이즈의 탄소 재료들 (탄소나노튜브, 그래핀)을 이용해서 지능형 재료로 만든 다음 공학적인 응용을 위해서 센서(Sensor)나 액추에이터(Actuator)같은 변환장치(Transducer)를 만드는 연구를 하고 있습니다.
2. 소속이 기계자동차공학과로 되어 있는데 혹시 자동차와 나노의 연관관계가 있나요?
자동차라는 것은 우리 생활 속에 흔히 사용되어있지만, 모든 기술의 총 집합체라고 해도 과언이 아닙니다. 연구가 자동차와 직접적으로 연관되어 있지는 않습니다만 자동차에 쓸 수 있는 기술을 굳이 말씀 드리면 주로 센서들로 향후 자동차의 보행자의 안전을 지킬수 있는 - 즉, 보행자와 자동차가 충돌했을 때 감지 하거나 또는 자동차의 이상, 구조적인 큰 충격을 받았을 때, 손상이 일어나거나 그런 것을 감지할 수 있는 - 센서를 개발하고 있습니다. 이런 기술은 향후 자동차에서 적용될 수 있을 것이라고 생각합니다.
3. 나노튜브와 나노파이버를 이용한 지능형 재료를 개발하여 하고 계신 걸로 알고 있습니다. 지능형 재료라고 하면 주로 센서를 의미하는 거 같은데, 어떤 것들이 있나요?
센서를 만드는 데 있어 크게 두 가지 측면에서 바라볼 수 있습니다. 하나는 센서가 될 수 있는 구조적인 특성을 갖는 것이고, 또 하나는 재료 자체가 센서의 성질을 갖는 그런 측면으로 볼 수 있습니다. 저는 주로 후자인 재료의 특수한 성질을 이용해서 센서를 개발하는 연구를 하고 있습니다. 물론 전자하고 후자가 잘 어우러져야만 좋은 센서가 되고 있는데, 현재 저는 후자 쪽을 중심으로 연구하고 있으며, 향후 전자적인 연구도 같이 할 예정입니다.
4. 나노 소재의 지능형 센서들은 응용될 수 있는 부분이 굉장히 많을 거 같습니다. 주로 어떤 분야에 응용이 가능할까요?
센서를 만드는 데에 있어서 아까 말씀 드린 두 가지 측면 중에 구조적인 측면하고 재료적인 성질의 측면이 있습니다. 제가 연구하는 스마트 재료(Smart Material)를 비유하자면 어떤 운동 선수가 있는데 아주 체력도 좋고 운동능력도 좋을 뿐만 아니라 두뇌까지 좋으면 운동을 더 잘할 수 있지 않을까라고 생각합니다. 즉 구조적으로 센서가 될 수 있도록 만든다는 것은 운동 선수의 신체적인 기능을 비유를 한 것이고, 머리까지 똑똑하다는 것은 이 운동 선수가 운동에 천부적인 두뇌까지 타고나면 훌륭한 운동 선수가 될 수 있는 것처럼 센서도 센서로서의 훌륭한 성능을 낼 수 있는 재료적인 특성뿐만 아니라 구조도 적합하게 된다면 더 좋은 센서가 될 수 있는 거죠. 그래서 그 두 가지를 축으로 연구하는데 우선은 재료적인 측면에서 접근을 하고 있습니다.
5. 재료적인 측면으로 접근을 했을 때, 응용할 수 있는 부분은?
굉장히 많은 것을 할 수 있습니다. 주로 힘과 변형을 감지하는 분야로 접근하고 있습니다. 제가 재료를 연구하고 있지만. 학술적 배경은 기계공학에서 동역학 부분을 배웟기 때문에 힘과 변형을 주로 많이 다뤄왔고 익숙합니다. 그런 분야로 주로 촛점을 맞춰 현재 연구를 하고 있으며, 저와 유사한 연구를 하는 다른 그룹들은 힘과 변형 센서뿐만 아니라 바이오 쪽의 바이오 센서, 케미칼 센서 등 매우 다양하게 응용하여 연구를 하고 있습니다.
6. 나노 센서는 궁극적인 목표는 로봇의 인공피부나 인공신경망인 걸로 생각됩니다. 현재 교수님께서 인공신경망을 위한 기초 연구를 하고 있는 것으로 알고 있습니다. 인공신경망과 관련하여 어느 정도 연구가 진행되었는지 소개를 부탁 드립니다.
사실 이게 어려운 질문인데요. 솔직히 말씀 드려서 기초적인 연구밖에 못하고 있습니다. 인공신경은 대중들에게 조금 더 어필을 쉽게 하기 위해서 이른바 포장적인 걸로 생각하고 있습니다. 인공피부나 감각은 궁극적인 목표로 삼고 있습니다만 굉장히 도전적인 것이기에 목표를 조금 원대하게 잡아서 그렇게 하고 있는 것이고요.
인공 피부의 경우 현재 연구 집단에서 접근하는 방법을 몇 가지로 분류를 해보면 MEMS 기술을 이용해서 전자소자를 만들어서 접근하는 방법입니다. 즉 센서를 만드는 방법에 있어서는 구조적인 방법이라 말씀 드린 분야에 접근 방법이 있고, 저는 원래 재료 자체가 감각을 낼 수 있는 방향으로 접근하고있습니다. 인체의 피부는 여러 가지 감각을 느끼는데 그 중에서 저는 압력과 미끄럼 정도의 물리적인 감각을 느끼도록 하는 것을 연구하고 있습니다. 물론 인간의 감각은 온도도 느낄 수 있고, 다른 여러 가지를 느낄 수 있겠습니다만, 저는 그 모든 것을 종합하는 것은 아니고 주로 힘이라던가 변형에 관심 있어 그와 관련 되어 있는 감각을 민감도가 조금 더 높은 재료를 사용하여 조금 더 세밀하게 느낄 수 있도록 연구하고 있습니다.
7. 작년에 복학재료 학회지에서 가장 많이 인용된 논문으로 소개되었습니다. 기계공학분야에서는 이러한 예가 매우 드물어서 더 주목을 받지 않았나 싶은데.. 이 논문을 많은 연구자가 보고 인용한 특별한 이유가 있을까요?
사실 좀 부끄러운 일인데요. 저도 그렇게 될 줄 몰랐습니다. 제가 그 많은 인용에 속한 것은 ‘복합재료 B:엔지니어링(Composites Part B:Engineering)’라는 SCI 저널인데요. 이 저널에다가 투고를 해서 논문에 많이 인용 되었다고 작년에 Certification을 주겠다고 저희 지도 교수한테서 연락이 왔습니다. 그래서 저는 Certification이기에 자격증을 의미하나 생각했는데, 감사장이더라구요.
이 논문이 많이 인용 된 것은 연구가 휼륭하다가 보다 제가 이 Certification을 받은 그 논문은 지금부터약 10년 전에 연구한 내용을 발표를 했던 겁니다. 당시에 카본 나노튜브라는 다소 생소하고 일부 연구그룹에서만 사용하던 그런 물질이었습니다. 그 재료를 이용하여 대부분의연구자들은 강도를 높이는 연구를 했었는데요. 저는 이 탄소나노튜브가 가지고 있는 성질들이 제가 연구하고 있는 힘이라던가 변형을 감지할 수 있는 센서나 또는 인공 근육으로 - 인공 근육은 다른 사람이 연구한 것을 제가 잠깐 바꿔서 했습니다만- 즉, Transducer로 사용 하면 좋은 성질이 있다는 것을 Composite Part B의 저널에다가 소개를 했었죠.
남들보다 조금 일찍 소개를 했기에 연구의 우수성보다는 먼저 시작했기 때문에 많이 본 것 같습니다. 이것도 제가 비유를 하자면, 우리나라 고전 중에서 홍길동 전이라던가 구운몽 같은 작품들을 많이 읽는데, 그게 작품성이 뛰어나서가 아니라 최초의 한글 소설이라서 많이 보지 않습니까? 아마 제 논문도 그런 것 같습니다. 초창기에 이루어진 연구기 때문이고 제목이 좋았던 것 같습니다. ‘탄소나노튜브와 나노파이버를 이용한 지능형 재료(Introduction to Carbon Nanotube and Nanofiber Smart Materials)’라고 해서 이쪽분야에 대해서 연구를 시작하는 분은 마치 처음 봐야 될 것처럼 제목을 지었기 때문에 인용이 많이 된 것 같습니다. 초창기 연구였기에 이 분야와 관련된 연구자 분들이 어떤 역사적인 의의 때문에 많이 보는 것 같습니다.
이 논문을 발표할 때에는 카본나노튜브라는 재료들이 일반 연구자들에게 많은 주목을 받았는데요. 그때 주로 공학 분야에서의 연구는 이 카본나노튜브라는 것을 다른 재료와 섞어서 복합 재료화 시키는 - 다른 재료와 섞어서 좀 더 튼튼한 재료를 만들자. - 그런쪽이었습니다. 그런데 저는 튼튼한 것 뿐만 아니라 똑똑하게 만들자라고 착안을 하였습니다. 그래서 Smart Material이란 것을 했었고, 이 Smart Material을 어디다가 쓰면 되는가에 대해서 그 응용분야로 힘이라던가 변형률을 재는 데 쓰면 기존에 다른 탄소 재료보다 좋은 성능이 있다는 그런 내용을 보였기 때문에 남들이 많이 인용을 하고 참고를 하지 않았나 생각합니다.
8. 논문이 탄생한 계기는 어떻게 되나요?
우연찮게 제가 공부를 한 연구실(LAB.)은 압전소자(Piezoelectric material)를 이용해서 항공기 기체에 이상을 감지하는 기술을 개발하는 곳이었습니다. 즉 센서를 개발하는 연구실이었죠. 당시에 압전체는-지금도 마찬가지입니다만- 여러 가지 좋은 특성도 있지만 세라믹으로 만들었기 때문에 무겁고 잘 깨집니다. 이런 깨지는 성질을 보완하기 위한 센서로 혹시 가능하지 않을까라고 지도교수께서 기대를 하셨는지 어느 날 저한테 검은색 재 같은것을 갖다 주시더라구요. 지금 들고 있지만 이게 카본나노튜브(Carbon Nanotube)라는 것이었습니다. 정확하게 말하면 Single-Wall Carbon Nanotube(단일벽 탄소 나노튜브)인데요. 생산량도 적었고 아무데서나 구할 수 있는 것은 아니었습니다. 운 좋게 제 손까지 들어오게 되었는데요. 이걸 저한테 주시면서 뭘 만들어 보라고 했습니다. 그래서 그 카본나노튜브를 어디에 쓸 수 있는지 많은 조사를 했습니다. 이 카본나노튜브가 인공 근육을 만드는데 사용할수 있다는 것을 알고 그 인공 근육 연구를 쫓아서 비슷하게 수행을 했습니다.
다른 연구도 인공근육을 만드는 방법은 비슷합니다. 인공 근육을 만드는 거나 센서를 만드는 거나. 아까 말씀 드린 압전체와 같이 센서로 쓸 수 있지 않을까 라고 생각하여 압전체 실험에 사용하여 음향 방출 기법을 이용한 고장 진단 기술을 연구를 하였습니다. 그러나 그 실험을 해보았는데 아무런 응답이 안 나오더라구요. 물론 실망은 했죠. 근데 변형을 주니 그에 따라서 전기적인 성질인 저항이 변하더라고요. 그래서 그것을 그래프로 분석을 해 보았는데 형적으로 나왔습니다. 즉, 변형이나 힘을 주는 것에 대해서 전기적인 특성이 선형적으로 변화하는 것을 보았습니다. 선형적으로 전기적인 성질이 변한다는 것은 센서가 될 수 있는 가능성이 있다는 거거든요. 그래서 그런 특징을 발견해서 보고를 하였습니다. 그 성질을 다른 기존의 탄소 재료들 하고 비교를 해보니 다른 탄소 재료들이 가지고 있는 것보다 감도도 좋고 선형성도 좋아 새로운 내용이 되겠구나 하고 있는데, 지도 교수께서 마침 Composite Part B 학술지로부터 Invited Paper의 제안을 받았는데, 그 기회를 저한테 써보라 하여 쓴 논문이 뜻하지 않게 많이 인용된 것 같습니다.
9. 현재도 나노 분야의 연구가 굉장히 많이 진행되는 걸로 알고 있습니다. 차세대 소재로써의 그래핀의 다양한 성질때문일 거 같은데요. 앞으로 나노는 주로 어떤 방향으로 연구가 될 것으로 생각하시는 지요.
그래핀(Graphene) 이야기를 잘 해주셨는데, 현재 박근혜 대통령께서 전북 지역을 방문하면서 탄소를 우리나라 차세대 성장 동력의 핵심 축으로 가져가겠다는 정책을 발표를 했습니다. 탄소 기술의 핵심에는 나노탄소재료 중 얼마 전에 노벨 물리학상의 대상이 되었던 그래핀도 포함이 되는데요. 향후 나노 연구들은 나노 기술을 구현할 수 있는 핵심은 우수한 재료에 있다고 봅니다.
재료를 연구하는 것은 기초적인 연구입니다. 가장 핵심은 기초 연구지만, 기초 연구만 하여서는 경제에 기여할 수 있는 부분은 한계가 있다고 봅니다. 경제에 기여하기 위해서는 응용연구들이 이루어져야 되는데요. 현재 이뤄지고 있는 연구들을 조금 외람된 말씀이지만, 소견을 말씀 드리면 기초를 잘 모르는 상황에서 단지 이 재료가 가지고 있는 어떤 우수성이라는 것에 다소 환상적으로 응용연구를 하는 경우들이 많이 있습니다. 그런 경우에는 좋은 연구를 기대하기는 어렵은 아쉬움이 있습니다. 즉 기초연구와 응용연구가 같이 잘 양립해나가야 되는 거죠. 그러기 위해서는 응용 쪽의 연구 사람들과 기초 연구를 하는 사람들이 서로 활발하게 연구 교류를 통해서 알고 있는 장점과 모르는 점을 서로 보완하는 방향으로 연구가 이루어져야만 좋은 결실을 이루어 낼 것입니다. 앞으로 연구들은 이러한 융합의 추세에 맞춰 진행 될 것으로 기대하고 있습니다.
10. 향후 연구 계획을 소개 부탁드립니다.
Transducer는 크게 센서(Sensor)와 액추에이터(Actuator)로 나누어 볼 수 있는데요. 처음에는 엑추에이터를 를 연구 했었습니다. 예전에 로봇 엔지니어링을 연구했었는데요. 로봇을 개발하다가 느낀 게 우리나라가 로봇 분야로 많은 관심을 갖고 있지만, 사실 로봇의 핵심은 센서와 액추에이터 기술이라고 생각합니다. 그 분야로 관련된 연구로 탄소나노성질의 우수성을 접목을 하고 싶었습니다. 그래서 먼저 접근한 게 액추에이터인데요. 사실 굉장히 어렵더라구요. 그래서 조금 눈을 돌려 본 게 센서였습니다.
센서도 우연한 기회에 우수한 성능을 찾아 낸 거였습니다. 솔직히 액추에이터는 어려워서 센서쪽으로만 가는데, 이 센서의 궁극적인 목표는 인간과 유사한 인공 감각 기관을 개발하고 싶습니다. 인공 감각 기관도 응용 분야를 두 가지로 나누어서 접근하고 있는데요. 하나는 구조물에 적용하는 것이고, 또 하나는 로봇과 같은 빠른 동작을 해야 되는 고급 기계에 적용하는 것입니다. 즉 동역학과 로봇에 관련된 것입니다.
그리고 구조물의 고장 진단은 다소 정역학적인 분야가 되는데 이 분야로 접근을 하고자 합니다. 구조물의 정역학적인 성질을 많이 이용을 하는 분야에서 구조물들에 인공감각을 부여하는 걸 목표로 하고 있습니다. 구조물들도 우리가 분명히 운행이나 이용을 하면 외부에 어떤 힘을 받거나 자극에 의해서 손상을 받습니다. 그럼 만약에 구조물이 그걸 알아서 알려준다면 효과적으로 구조물이 망가지거나 큰 고장을 일으키는 것에 대해 대응을 할 수 있는 거죠. 요즘 우리 사회가 안전과 관련된 기술(안전 진단)에 관심이 많은데요. 그런 측면에서 접근을 하는 기술이 있고요.
저는 예전에 로봇 연구를 했었기에 로봇에 대한 애정이 계속 남아 있습니다. 로봇들은 여러 분야에 기술이 많아지고 있으며 발달 하고 있지만, 부족한 부분이 로봇을 효과적으로 제어하거나 인공 지능을 수행할 수 있는 센서에 대한 연구가 부족합니다. 그런 센서들 중에서 대표적인 것 중 하나가 인공 감각입니다. 즉 현재 로봇들이 다양한 역할을 수행하려면 로봇의 Finger 같은게 필요한데요. 이런 Finger는 인간의 손만큼 자유롭게 움직이게 하려면 감각 기관이 필요합니다. 이런 감각을 대체할 수 있는 좋은 센서가 아직까지 없기 때문에 아직 그렇게 좋은 성과를 못 냅니다. 저도 제 연구가 그쪽에 크게 기여할 수 있다고 하진 않지만, 조금이나마 높은 감도를 지닌 센서를 개발해서 적용시켜 보고자 하는 게 제 연구의 희망이고 또 다른 축입니다.
11. 나노 분야를 연구하고자 하는 후학들이 굉장히 많을 거 같은데요. 이분들에게 앞으로 연구에 대한 조언이나 충고를 해주신다면?
글쎄요. 제가 참 잘하고 있는 사람이면 저처럼 하십시오라면 좋을 텐데, 이걸 어떻게 말씀 드려야 할까요.
대신 제 주변에 잘하는 분들을 참고해서 말씀을 드리면 자기 좋아하는 것을 꾸준히 옹골차게 밀고 나가는 그런 자세가 필요하지 않을까 싶습니다. 얼마 전에 일본에서 LED 기술하고 관련되어서 노벨상 수상자(나까무라 슈지 미국 산타바버라 캘리포니아 대학교 교수)가 있었는데요. 그분들의 말씀도 역시 한 우물을 꾸준히 팠기 때문에 인기에 연연하지 않고 그런 결실을 얻었다고 이야기를 해주셨는데, 그게 참 공감이 많이 되어서그분의 말을 인용하고 싶습니다.
또한 나노 분야던가 뭐든 기술 분야는 일단 융합을 하지 않고서는 안됩니다. 기존의 자기가 알고 공부하고 있는 분야에서는 새로운 이론이 나오기 어렵습니다. 저는 기계공학의 동역학 제어 부분인데요. 이쪽으로 관련되어서 이미 많은 연구들이 수행되어서 새로운 이론이 나오기가 점점 어려워지고 있습니다.
그러며, 이런 것을 어떻게 극복하느냐 하는 것은 이론을 가지고서 주위에 관심을 돌려보면 아직까지도 틈새쪽에서 이런 이론을 필요로 하는 것들이 많이 있습니다. 아마 지금 융합이 한층 더 돋보이지 않나 싶은데, 그런 융합의 정신이 필요합니다. 이런 융합의 정신은 내가 관심을 늘 열어 놓고 자기 혼자서만 하는 것이 아니라 다른 사람들과 같이 공동으로 관심을 공유하는 자세가 필요합니다. 그래서, 혼자 뿐만 아니라 남도 존중하면서, 관심도 보이고 열린 자세로 연구하는 것이 필요하지 않을까 합니다. 아마 제가 말씀 드린 두 가지를 같이 겸비해서 한다면 틀림없이 좋은 결과를 낼 것으로 제 주변 사람들을 통해서 저는 보고 있습니다.
* 아래 동영상은 강인필 교수가 개발한 나노재료를 이용한 여러 가지 지능형 재료 센서에 대한 소개 입니다.
동영상 설명: 전기가 통하는 변형과 힘을 잴수 있는 고무센서
동영상 설명: 그래핀소재의 고감도 스트레인 센서
동영상 설명: 탄소나노튜브-고무소재 기반의 변형과 힘 측정 센서
동영상 설명: 충격손상 감지 페인트 센서
동영상 설명: 로봇 관절 토크센서의 스트레인 게이지를 대체한 탄소나노튜브 기반 페인트 센서
* 인터뷰 진행: 정민경 리포터
* 촬영 및 편집 : 박수진 (event1412@hanmail.net)
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
