본문 바로 가기

로고

국내 최대 기계 및 로봇 연구정보
통합검색 화살표
  • uPrint SE (3D프린터)
  • 신진연구자 인터뷰

    신진연구자 인터뷰는 기계공학과 건설공학 분야의 젊은 연구자들의 연구성과를 알리고자 기획되었습니다.
    대상은 박사과정 이상 40세 미만의 연구자로 뚜렷한 연구성과가 있으면 언제든 참여 가능합니다.
    또한 주변에 추천할 만한 연구자가 있으면 추천을 부탁드립니다. (ariass@naver.com)

    • 김성용(S. Y. Kim)
      탄소 나노 재료의 전기적/기계적 성질을 이용한 힘/변형 센서와 다기능 탄소 나노 튜브 직물 연구
      김성용(S. Y. Kim)(부경대학교 산업과학기술연구소)
      이메일:ksy1357 at pukyong.ac.kr
      433 1 0
    1. 본인의 연구에 대해서 자세한 소개를 부탁 드립니다.

    - 나노 스케일에서 나노 재료가 가지는 전기적, 기계적 성질을 매크로 스케일 이상에서 활용하기 위한 연구들을 주로 하고 있습니다. 저는 기계공학을 전공했기 때문에 탄소 나노 재료를 순수 재료적 관점에서 바라보는 것 보다 기계적 관점에서 바라보며 이들의 다양한 응용을 하기 위한 시도를 많이 하고 있습니다. 현재 나노 재료 응용 관련하여 여러 분야의 연구를 하고 있지만, 두가지 정도만 간략하게 소개하도록 하겠습니다.

    먼저 센서관련 연구입니다. 센서 및 이를 이용한 계측기술은 과학 분야에서는 정확한 정보를 측정하며, 공학 분야에서는 시스템을 효과적으로 운용하고 제어하기 위한 핵심 기술입니다. 이러한 센서 및 계측 기술은 우리 생활에 널리 이용되는 정보화 기술과 결합되어 최근에는 일상생활의 안전과 편의를 증진시킬 수 있는 핵심기술로 발전되고 있으며, 그 중요도가 점점 높아지고 있는 추세입니다. 새로운 센서 재료의 개발은 새로운 센서 제작 공정 및 센서 개발을 가능하게 합니다. 이러한 센서 재료의 대표적인 소재중 하나가 바로 탄소 나노 재료입니다. 탄소 나노 재료는 높은 기계적 강도와 우수한 전기전도성을 지니고 있습니다. 이들을 폴리머 또는 각종 기지재료와 함께 복합재료화 할 경우 압저항성이 나타나게 되며, 이의 성질을 매크로 형태로 이어받아 센서로써 활용하고자 하는 연구를 진행하고 있습니다.

    일반적인 센서의 경우 생산과정에서 이의 사양들이 일관성 있게 제작되며, 이로 인해 사용자가 원하는 목적에 맞추어 편하게 사용할 수 있습니다. 하지만 이들을 적용하기 위해서는 측정하고자 하는 모재의 한 지점에 손상을 가해야 하는 경우도 있으며, 특히 복잡한 형상을 가지거나 대변형을 일으키는 구조물에 적용하기가 쉽지 않습니다. 한 예로 그림1의 하단부에서 볼 수 있는 것처럼 쟈운스 범퍼, 타이어 사이드 월, 도어 스트랩, 부싱 등 많은 고무를 비롯한 많은 폴리머 부품이 자동차에 사용되고 있으나 사실상 이들의 거동을 정확하게 계측하기는 쉽지 않습니다. 물론 간접 측정방식을 활용해 측정을 할 수도 있지만, 차량 운행 중에 이의 방식을 활용하기는 상대적으로 제약이 클 수 있습니다. 또한 상용 센서를 활용해 직접 측정을 하기에는 고무 제품의 변형이 일반적인 변형보다 상대적으로 크기 때문에, 측정이 불가하거나 파손, 이탈 등으로 인해 문제가 발생할 수 있습니다. 이러한 문제점들을 개선하기위해 유연하고 유지 보수가 용이한 탄소 나노 재료 기반의 센서를 활용하고 있습니다. 이는 기본적으로 페인트형태로 제작되므로 모재의 손상을 거의 주지 않으며, 필요한 경우 스프레이 방식, 브러시 방식 등을 사용해 복잡한 형상의 구조물에도 쉽게 적용할 수 있습니다. 하지만 탄소 나노 재료를 기반으로 하는 센서는 아직까지 상업화해 사용하기가 쉽지 않거나, 혹은 상업적으로 탄소 나노 재료 기반 액상과 필라멘트를 판매하더라도 이를 사용자가 원하는 형태, 원하는 특성을 위해 직접적으로 관여해서 사용해야 합니다. 실제로 일반 사용자가 나노 스케일에서의 현상을 이해하고, 이에 맞게끔 탄소 나노 재료 기반 센서를 적용하는 것은 쉽지 않습니다. 따라서, 탄소 나노 재료 기반 센서의 전기적 특성을 예측하고 더 효율적으로 쉽게 활용할 수 있는 설계 방안에 대해서도 연구 중에 있습니다.

    두번째로, 탄소 나노 튜브 기반의 직물(fabric) 연구입니다. 직물에 관한 연구들은 예전부터 지금까지 오랜 시간동안 이어져 왔으며, 현대 시대에 들어서면서 고분자 기반의 기능성 직물(우리가 흔히 사용하는 혼합 섬유 등) 또는 직물에 특정한 기능을 부여하기 위해 기존의 직물에 나노 재료를 활용한 연구들이 활발하게 이루어지고 있습니다. 이와 더불어 많은 그룹들이 나노 재료만을 이용해 직물을 제작하고 활용하기 위한 연구를 해왔으며, 우수한 기계적, 전기적 특성을 지닌 탄소 나노 튜브를 많이 사용하고 있습니다. 탄소 나노 튜브 직물은 다양한 방법으로 제작할 수 있으며, 저는 FCCVD(Floating Catalyst Chemical Vapor Deposition)방법을 사용한 탄소 나노 튜브 직물 대량 생산 공정 및 응용연구를 수행했습니다. FCCVD방법은 철과 탄소화합물인 ferrocene 및 기타 화합물, 용매 등을 섞어 만든 '연료'를 고온의 반응로 안에 고속으로 분사시켜 탄소 나노 튜브 직물을 얻어 낼 수 있는 방법입니다. 저는 주로 제작에 사용되는 장비의 크기, 소모되는 자원은 줄이며 탄소 나노 튜브 직물의 수율을 증가시키는 대량 생산 공정연구를 했습니다. 또한, 특수한 장치 및 재료를 이용해서(특허와 및 기타 보안 사항으로 인해 자세하게 말씀드릴 수 없는 점 양해 바랍니다.) 직물을 기능화하고 이들을 다양한 분야에서 응용하기 위한 연구를 수행하고 있습니다.





    2. 2019년 연구재단 학문후속세대양성에 선정되어 University of Cincinnati의 'Nanoworld' 연구실 박사 후 연구원으로 근무 후 최근 귀국하신걸로 압니다. 그 과정을 이야기 해주세요.

    - 항상 스스로 부족한 사람이라 느끼며, 부족한 부분을 메꾸고자 열심히 연구하고 있습니다. 다양한 분야, 환경을 경험해보자고 항상 생각을 갖고 있었고, 연구재단 사업 중 해외연수 관련 사업이 있다는 것을 확인하고 지원하게 되었습니다. 연구적으로 훌륭하신 많은 분들이 지원한다고 알고 있었기에, 제가 준비할 수 있는 모든 부분을 준비하고 마음을 반쯤 비우고 있었습니다. 감사하게도 사업에 선정이 되어 많은 경험과 연구를 할 수 있게 되었습니다. 연구재단 학문후속세대양성 사업에 선정되었다는 소식을 듣고 기뻐함과 동시에, 앞으로 더 열심히 연구를 하자라고 다짐을 한번 더 하게 되었습니다. 2019년 5월 중순쯤에 발표가 나고 9월 전까지 미국으로 출국을 했어야 하니, 약 3개월간의 시간이 있었습니다. 그 사이 시간에 ‘한국에서 하던 연구를 어느정도 마무리하고 가야지’하고 생각 했는데, 비자를 비롯해 출국 준비를 하다 보니 그 부분에 대해 온전하게 신경쓰기가 힘들었습니다. 결국은 일부분만 마무리를 하고 출국했습니다. 학문후속세대 해외연수 기간이 길지 않기 때문에 미국에 도착하고나서 바로 U.C(University of Cincinnati)의 Nanoworld Lab.에서 연구를 시작했습니다. 한창 연구에 열을 올리고 있는 와중에 코로나 사태가 터지면서 모든 연구가 잠시 중단되는 상황이 생기기도 했습니다. U.C에 DAAP(College of Design, Architecture, Art, and Planning)이라고 불리는 세계적으로 꽤 유명한 디자인 학교가 있습니다. CNT fabric관련 연구 중 Anti-virus mask, Fire-fighter garment, smart sports wear등과 같은 연구들도 하다 보니 DAAP, U.C 의과대학 및 CDC(Centers for Disease Control and Prevention)와 협업하는 경우가 자주 있었습니다. 바이러스 관련 연구도 수행했기에 필수 연구 종목으로 분류되면서 U.C에 다시 출입하며 연구를 할 수 있게 되었습니다. 펀딩을 받고 U.C에 더 있을 수도 있었으나, 미국이 코로나 때문에 상황이 많이 좋지 않아 일단은 귀국을 하는 것으로 결정했습니다.


    3. Nanoworld lab. 은 나노 재료의 응용 연구로 유명한 곳인데, 주로 어떤 연구를 진행하고 있는지 소개를 부탁드립니다.

    - Nanoworld lab.은 미국 신시내티 대학교(UC, University of Cincinnati)에 속해 있는 실험실입니다. 이곳은 기계, 재료, 화학, 항공우주공학 및 UC 의과 대학의 교수진을 포함하는 부서 간 연구 실험실 그룹으로써 7개의 다학제 실험실 시스템으로 되어있습니다. 이들의 협업으로 과학 및 공학의 다양한 분야를 교차시켜 혁신적인 다양한 연구들을 이끌며 세계적으로 주목받고 있는 곳입니다. 나노기술을 기반으로 한 생체모방, 복합재료, 스마트 구조, 센서, 섬유 등 나노 재료 응용 기술을 다양한 분야 속에서 전반적으로 연구를 하고 있는 곳입니다.

    현재 Nanoworld 에서는 CNT fabric 제작 및 대량생산 공정 연구와 CNT fabric을 응용하기 위한 다양한 연구를 주력으로 수행 중에 있습니다. 그 중에서도 단순한 CNT fabric을 제작하는 것이 아니라 제작 공정 중에 CNT fabric에 특정한 기능을 추가하는 연구가 한창이며, 이를 이용한 응용 기술 개발 및 연구 등을 진행하고 있습니다. CNT fabric 응용 연구로는 Anti-virus mask, fire-fighter garment, water filtering, air filtering, smart stent, flexible sensor, sportswear, 면상 발열체를 비롯하여 다양한 형태로 진행중에 있습니다. 그 중 Anti-virus mask 개발 연구는 현재 세계적인 코로나로 인한 팬데믹 상황에서 필요로 되는 것으로써, CDC와 미국 내 mask 제조사들과 함께 협업을 하고 있습니다. 또한 미국은 나라가 큰 만큼 사건사고도 많이 일어나지만 산불이 일어나면 걷잡을 수 없이 확산되며, 산불로 인한 화재진압에 어려움을 많이 겪고 있습니다. 따라서, 소방관들이 쾌적하고 오래 작업할 수 있는 첨단 의류 등에 대한 요구가 증가하고 있으며 이를 위해 다기능 소방관 의류 등을 FEMA(Federal Emergency Management Agency), 현직 소방관을 비롯한 다양한 그룹과의 협업을 통해 연구 개발하고 있습니다.



    4. COVID19의 펜데믹으로 여러가지 곤란한 상황이 있었을 거 같습니다. 미국 연구기관의 펜데믹에 대한 대처방법이나 실태를 알려주세요.

    - 처음 COVID19가 아시아지역에서 발생했을 때는 미국 내 대부분의 기관에서는 '그래도 여기까지 오겠어?'하는 분위기가 만연했습니다. 이후 펜데믹이 오면서 마스크나 세정제등이 품절되기 시작했으며, 연구실을 비롯한 학교 전체가 출입 불가로 바뀌었습니다. 다른 연구기관이나 연구시설에 대해서는 정확하게 알지는 못하지만 제가 있었던 곳에 대해서 말씀드리자면, 방역이나 위생 관리로 통제된 환경에서 실험을 진행하려고 해도 사용할 수 있는 마스크, 페이스 쉴드, 세정제등을 구할 수가 없었으며, 물론 구한다고 해도 정상 가격에 비해서 너무나 비싸게 팔리고 있어서 사실상 대부분의 연구는 한동안 중지 상태였습니다. 그 기간에는 주로 문서작업이나 화상회의를 실시했습니다.

    U.C측에서 COVID19관련 또는 기타 필수 연구만 허용하겠다는 공지를 하고나서야 연구실로 복귀할 수 있었는데, 이것 또한 쉽지 않았습니다. 학교측에 어떤 연구를 할것인가에 대해 연구 계획서를 제출하고 필수인지 아닌지에 대한 검토를 받아야 했기 때문입니다. 다행히도 저는 Nanoworld에서 anti-virus 관련 연구도 하고 있던 덕분에 연구를 재개할 수 있었습니다. 또한 검토가 진행되는 동안 각 실험실별로 어떤 방법으로 출입인원들을 관리하고 통제할 것인가에 대해 방안을 제시해야 했습니다. Nanoworld같은 경우에는 온라인상의 통합 일정 및 인원 관리 프로그램을 사용했으며, 실험실에 출입하고자 하는 인원은 그 전날에 몇 시부터 몇 시까지 어느 곳에 머물 것인지를 입력하는 식으로 진행했습니다. 또한 학교자체적으로 건물 출입을 할 때 QR코드를 찍도록 했습니다. 실험 및 학교 내부에 있는 동안에는 페이스 쉴드 또는 보안경, 마스크, 코트, 장갑을 착용하도록 권장했으며, 학교 측 점검관이 지속적으로 돌아다니며 확인을 했습니다.

    이처럼 계획을 세워 그에 따라 통제가 잘 되기도 했지만, 또 일부는 제대로 지켜지지 않을 때도 있었습니다. 그 때 당시에는 출입하는 사람이 많지 않아 큰 문제는 되지 않았지만, 한국으로 귀국하고 난 뒤에 들은 소식으로는 개강하고나서 얼마 지나지 않아 U.C에 200명이 넘는 확진자가 발생했다고 합니다.




    5. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

    - 탄소 나노 재료들을 활용하기 위한 기초 연구부터 이들을 실질적으로 사람들이 응용해서 쉽게 사용할 수 있게 하기위한 연구까지 해 오고 있습니다. 연구활동이라는 것이 무엇인가를 하겠다는 확고한 목표를 가지고 달려갈 때도 있지만, 앞이 제대로 보이지 않은 채로 주변을 더듬으며 천천히 걸어갈 때도 있습니다. 저도 전자의 경우와 후자의 경우를 둘다 느꼈으며, 오히려 후자의 경우가 더 많았던 것 같습니다. 때로는 원하는 결과가 나오지 않으며, 이로 인해 가고자 하는 연구방향이 틀어지거나 길이 막혀버리는 경우도 더러 있었습니다. 하지만 그 길에서 조금씩 이나마 배운것들, 해내고 이룬것들에서 오는 성취감이 정말 좋았습니다. 어찌 보면 이런 것에 중독된다고 표현할 수도 있겠습니다.

    저는 오랫동안 연구활동을 해 온 것은 아니지만 관련연구의 TRL을 점점 더 끌어올려 가고 있는 것에 대한 자부심을 많이 느끼고 있습니다. 특히, 예전에 연구를 할 때는 몰랐지만 시간이 지나고 그간 해온 연구들을 뒤돌아볼 때 많이 느끼고 있습니다. 탄소 나노 재료를 응용하기 위한 연구를 시작하고나서 과연 내가 하고 있는 것들이 실질적으로 어딘가에 도움이 될까? 누군가가 필요로 할까? 라는 의구심도 많이 들었었습니다. 그런 과정에서도 나름 꾸준히 해온 결과 산업계나 연구소 쪽에서 협업문의나 기술 도입 제안이 들어올 때마다 '아, 그래도 내가 연구하는 것들이 누군가는 필요로 하는구나'하며 보람을 느끼곤 합니다.


    6. 이 분야로 진학(사업) 하려는 후배들에게 조언을 해 주신다면?

    - 탄소 나노 재료는 그 소재 자체 만으로도 훌륭한 연구 분야가 될 수 있지만, 요즘 같이 융·복합적인 연구들이 이루어지고 있는 때에 더 유용하게 이들을 활용할 수 있으며 그로 인해 발생될 가치는 무궁무진하다고 생각합니다. 나노 재료를 어떻게 응용하고 활용할 것인가에 따라 최종적으로 나오는 결과물은 모두 달라집니다. 이들을 활용해서 무엇이든 시도해 볼 수 있습니다. 다른 분야의 연구들도 마찬가지겠지만, 말도 안되는 의견이나 상상력이 오히려 더 좋은 결과를 내는 경우가 종종 있습니다. 따라서 좀 더 자유롭고 유연한 사고방식을 지니고 연구를 하는 것이 좋을 것이라 생각합니다.


    7. 앞으로 진행할 연구 방향이나 목표가 있으시다면?

    - 탄소 나노 재료 및 기타 나노 재료를 응용·활용하기 위한 연구를 계속해서 진행해 왔습니다. 예전보다는 우리의 생활 주변에서 나노 재료를 활용한 기술을 쉽게 발견할 수 있지만, 누구든지 쉽게 직접적으로 사용하기에는 아직까지 많은 연구를 필요로 합니다. 현재 탄소 나노 재료 기반의 3D프린팅, fabric 관련 연구를 하고 있지만, 이 뿐만 아니라 모든 연구를 진행함에 있어서 최종적으로 누구든지 접근 가능하고 쉽게 활용 가능한 연구를 하고 싶습니다.


    8. 다른 하시고 싶은 이야기들.

    - 저는 제가 지금까지 연구를 하고 있으리라고는 생각을 못해봤습니다. 단순히 처음에는 재미있을 것 같다는 막연한 생각을 가지고 진학을 했으니까요. 물론 확고한 목표나 어떤 부분을 이루고 싶다는 생각을 지니고 진학을 하는 것이 더 좋았을 것입니다. 만약 그랬었다면 연구 중간 중간 방황하였었던 시간들에 대해서 좀 더 수월하게 극복할 수 있었을 지도 모르겠습니다. 하지만 기본적으로 연구에 흥미와 재미를 계속 느끼고 있었기에 지금까지 달려가고 있는 것 같습니다. 많은 분들께서도 즐겁고, 이로 인해 애착을 가질 수 있는 연구를 했으면 좋겠습니다. 길을 잃을 때 마다 지도 교수님을 비롯한 많은 선배 연구자분들께서 아낌없는 조언과 격려로 많은 힘을 주셨습니다. 이 자리를 빌려 다시 한번 감사드립니다.

    좋은 자리에서 인터뷰할 수 있는 기회를 주셔서 감사합니다.


    * 김성용 박사의 최근(대표)논문

    - 5. M. Chitranshi, A. Pujari, V. Ng, D. Chen, D. Chauhan, R. Hudepohl, M. Saleminik, S. Y. Kim, A. Kubley, V. Shanov and M. Schulz, “Carbon Nanotube Sheet-Synthesis and Applications”, Nanomaterials, 2020

    4. B. G. Choi, I. H. Kang, S. Y. Kim and I. Kang, “A Study on the Characteristics of Large Deformation Strain Sensor for Nano-Carbon Piezoresistive Composite Based on Silicone Rubber”, Journal of Power System Engineering, 2020

    3. S. Y. Kim, B. G. Choi, W. K. Baek, S. H. Park, S. W. Park, J. W. Shin and I. Kang, “Impact paint sensor based on polymer/multi-dimension carbon nano isotopes composites”, Smart Mater. Struct., 2019

    2. S. Y. Kim, S. H. Park, B. G. Choi, I. H. Kang, S. W. Park, J. W. Shin, J. H. Kim, W. K. Baek, K. T. Lim, Y. Kim, J. Song and I. Kang, “Development of a Spoke Type Torque Sensor using Painting Carbon Nanotube Strain Sensors”, Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 2018

    1. S. Y. Kim and I. Kang, “A Study on the Development of a Novel Pressure Sensor based on Nano Carbon Piezoresistive Composite by Using 3D Printing”, Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, 2017
     
    • 페이스북아이콘
    • 트위터 아이콘

    전체댓글 0

    [로그인]

    댓글 입력란
    프로필 이미지
    0/500자

    서브 사이드

    서브 우측상단1