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바이오 생체와 전자공학을 결합한 연구
천성우(Sungwoo Chun)(고려대학교 전자및 정보공학과) / swchun127129 at korea.ac.kr /
1. 본인의 연구에 대해서 대략적인 소개를 부탁드립니다.

- 저는 생체와 결합한 전자소자에 관해 연구하고 있습니다. 대표적으로 접촉된 사물의 촉감을 전자소자로 센싱하여 뇌가 느끼는 신호로 변환 및 인지하는 연구, 마이크로 전자 로봇을 만들어 생체 내 암의 전이를 제어하는 연구 등이 있습니다. 이를 원할하게 구현하기 위하여 생체와 전자소자의 인터페이스 연구와 에너지 하베스팅 및 저장 연구도 수행하고 있습니다. 최종적으로 생체신호를 외부에 보안 전송하기 위한 헬스케어 보안 연구도 수행하고 있습니다.


2. 인간이 느끼는 촉각 정보를 인지하는 시스템은 매우 복잡하고 어려울 거 같습니다. 센서나 소자를 포함하여 신경과 뇌 인터페이스 등 바이오 분야의 융합연구도 필요할 거 같은데 교수님께서 연구에서 주로 고민하고 있는 부분은 어떤 것들이 있을까요?

- 오감 중 촉감은 다중 리셉터에 의한 공간적 인지 능력을 필요로하기 때문에 인공 전자소자로 구현하는 것이 매우 어렵습니다. 또한, 아직까지 촉각 인지 메커니즘이 정확하게 밝혀지지 않은 점도 촉감 구현을 어렵게 하는 요인입니다. 인간이 느끼는 수준의 촉감을 구현하기 위해서는 접촉된 사물(표면)의 촉각 정보(압력, 진동, 온도 등)를 수집하는 촉각센서, 다양한 촉각 자극을 인간이 느끼는 신호로 변환하는 뉴로스티뮬레이터 전자회로, 전자회로와 신경 사이의 인터페이스, 뇌에서 촉각신호의 분류, 인지, 예측에 관한 연구들이 필요로합니다. 최근에 저는 이런 연구들을 종합한 촉각인지시스템에 관한 논문(Nature Electronics, “An artificial neural tactile sensing system”)을 출간하였습니다. 본 논문의 연구는 센서 연구자, 생체 신경학 연구자, 전자회로 연구자, 뇌 연구자들이 모여한 수행한 연구로 다양한 분야의 융복합이 필수적인 연구 분야입니다.


현재 제가 촉각인지시스템 연구에서 고민하고 있는 것은 크게 2가지 입니다. 첫째는 접촉된 사물의 촉감을 인간처럼 직관적으로 느끼는 전자시스템의 개발입니다. 인간은 압력과 진동에 대해 action potentials의 특정 패턴으로 촉감을 느끼는데 인공물(촉각센서 등)이 센싱한 촉각정보를 그것을 착용한 인간이 동일하게 느끼기 위해서는 사물별 표준 촉감들에 대한 생체 신호가 정량화되어 있어야 합니다. 이러한 연구가 기반이 되었을때 인간들은 전자기기를 통하여 가상의 촉감을 실제처럼 느끼는 것이 가능합니다. 두번째로는 비접촉 촉감입니다. 대부분은 촉감이 접촉을 통해서만 느낄 수 있다고 생각하는데 현재 관심이 높은 메타버스 등의 가상현실에서는 존재하지 않는 사물의 촉감을 느끼는 것이 중요하기 때문에 비접촉으로 가상의 사물을 느끼는 기술이 중요할 것으로 판단됩니다. 그리하여 비접촉 자극으로 인간이 촉감을 느끼는 시스템을 개발하는 것을 연구 중에 있습니다.



3. 촉각 정보를 인지하는 시스템은 많은 분야로 활용이 가능할 거 같은데, 주로 생각하시는 활용 분야나 목표가 있으시다면?

- 가상현실시스템입니다. 최근 메타버스로 소개되는 가상현실은 미래 가장 핵심이 되는 응용분야라고 생각합니다. 저는 예전부터 주변사람들에게 약 2050년에는 사람들이 집을 나가지 않고 전부 가상현실로 해결할 것이라고 말하곤 했습니다. 현재는 VR/AR 등의 하드웨어를 제작하는 기술과 제페토처럼 플랫폼을 개발하는 기술이 중심이 되고 있지만 결국 가상현실에서 현실과 같은 착각을 일으키기 위해서는 촉감을 구현하는 것이 가장 중요합니다. 국내외적으로 가상촉감을 구현하는 연구가 반드시 필요한 이유입니다. 또다른 응용분야는 의수와 의족, 원격 의료, 원격 회의, 원격 교육 등의 무궁무진한 활용 분야들이 있습니다. 촉각이 구현되어 인간 수준으로 인지되면 현재 시각 중심의 인터페이스에 촉각이 결합되어 훨씬 더 풍부한 오감을 느끼는 사회로 진입하게 될 것입니다.


4. 생체 내에서 암세포의 성장과 전이를 방지하는 마이크로 전자 로봇 개발과 압전과 마찰을 통해 자가 에너지 생성을 하는 수퍼커패시터 연구, 문어의 물속 고 점착성을 모방한 피부나 생체내에 구동 가능한 의료전자 소자 구현 등 매우 많은연구들을 하신걸로 알고 있습니다. 각각의 연구에 대해서 간단하게 소개를 부탁드리며, 이중 교수님이 가장 비중을 두고 있는 연구가 있다면 자세한 소개를 부탁드립니다.

- 저의 전공은 전자공학인데 저는 박사과정때부터 전자공학 기반의 생체 바이오 공학 연구를 수행하고 싶었습니다. 위 연구들은 이러한 목적을 달성하기 위한 연구들로 각각에 대해서 소개해 드리겠습니다.

1) 생체 내에서 암세포의 성장과 전이를 방지하는 마이크로 전자 로봇

본 연구는 제가 포닥으로 있던 막스플랑크 Metin Sitti 교수님 연구실에서 수행했던 연구입니다. 독일에 도착하여 Metin 교수님이 수행하고 있는 마이크로 로봇 연구와 저와 변정환 박사의 전공인 전자공학을 결합한 연구를 찾던 중 본 연구 내용을 생각하게 되었습니다. 2007년 암세포에 약 200 kHz의 교류전기장을 인가하면 암의 성장과 전이를 억제한다는 논문이 발표되었습니다. 이러한 연구는 상용화 제품으로 확장되어 현재 의료기기로 시판 중에 있습니다. 하지만 피부 외부에서 인가하는 방식으로 효율이 매우 낮습니다. 저희는 마이크로 로봇 구조에 에너지 하베스팅 소자를 결합하여 암의 성장과 전이를 매우 효율적으로 억제하는 연구를 수행하고 있습니다. 본 연구는 현재 독일과 공동연구 중이며, 국내에서 연구 인프라를 셋업 중에 있습니다.



2) 압전과 마찰을 통한 자가 에너지 생성 및 저장 연구

제가 처음 에너지 하베스팅 소자들(압전, 마찰 방식들)을 연구한 이유는 촉각리셉터 중 진동을 검지하는 리셉터의 출력과 압전/마찰 소자의 출력이 유사했기 때문입니다. 현재는 생체 전자소자 및 로봇을 구동하기 위한 에너지원으로 활용하기 위하여 본 연구를 수행하고 있습니다. 전자 마이크로 로봇이 타겟 지점까지 이동하는 움직임으로 에너지를 생성하여 타겟지점에서 효과적인 약물전달 및 전기자극 등의 기능을 구현하는 연구를 수행하고 있습니다. 또한, 생성된 에너지를 효율적으로 저장하는 슈퍼캐패시터 연구를 동국대학교 최창순 교수팀과 공동연구하고 있습니다.



3) 문어 구조를 모방한 생체 인터페이스 연구

생체 외부/내부에서 전자소자의 기능을 효율적으로 구현하기 위해서는 인터페이스에서 물리적인 점착이 매우 중요합니다. 가령 촉각센서의 경우 피부와의 높은 점착성은 외부 자극을 내부에 효율적으로 전달하는 기능을 수행합니다. 문어구조는 생체처럼 습한 환경에서 높은 점착성이 가능하며 생체에 2차 손상을 주지 않아 생체에서 활용할 수 있는 매우 효과적인 구조입니다. 이러한 문어구조 패턴을 통한 생체 인터페이스 점착성 강화 연구를 수행하고 있습니다.



위 연구 중 저는 암세포 전이를 방지하는 마이크로 전자로봇 연구에 가장 많은 비중을 두고 있습니다. 실제로 자가 에너지 생성과 저장 연구와 문어 구조 기반 인터페이스 연구는 의료 로봇을 완성하기 위한 기반 기술로 활용하고 있습니다. 암 케어 전자로봇 연구는 전자, 기계, 의학, 의공학 등이 결합된 융복합 연구로 현재 관련 장비들을 셋업하고 있습니다.


5. 교수님의 연구 중 촉각 센서에서 출력되는 공간적 전기 신호를 기반으로 예측이 어려운 물리 난수를 추출하는 연구를 수행하신 걸로 알고 있습니다. 매우 특이한 연구인 거 같은데 이 연구의 의미와 성과(활용방안)을 이야기 해 주세요.

- 이 연구는 보안과 관련된 연구입니다. 기존의 프로그램이 만들어내는 의사(가짜)난수와 달리 물리난수를 생성하여 누구도 예측하지 못하는 암호 키를 생성하고 이를 암복호화에 사용하는 연구입니다. 지금까지 난수는 시간에 따라 생성되는 물리적인 값을 통하여 생성되었습니다. 저는 이러한 난수를 공간과 시간의 함수로 생성하고 사용하는 것이 본 연구의 핵심입니다. 예를들어 암호 키를 생성하기 위하여 표면을 한번 문지르면 사용자의 문지르는 패턴에 따라 누구도 예측하지 못하는 난수를 생성하는 방식입니다. 즉 은행에서 돈을 송금하기 위하여 OTP가 필요할 때 표면을 한번 문지르면 암호 키가 생성되는 것입니다. 또한 자율주행차 바퀴에서 실시간 공간 난수가 생성되는 것입니다.




6. 교수님이 운영하시는 BEDL(Biomedical Electronic Device Lab.)에 대해서 소개를 부탁드립니다. (연구 분야, 희망 학생, 연구실 비젼 등)

- 저희 연구실은 고려대학교 세종캠퍼스의 전자및정보공학과에 소속된 대학원 연구실입니다. 전자공학을 기반으로 다양한 의료 및 생체 소자들을 연구하는 연구실(www.bedlab.net)입니다. 반도체 공정과 디바이스 제작 연구를 대부분 수행하며, 앞서 소개드린 촉각인지시스템, 암 케어 전자로봇, 에너지 하베스팅, 난수 보안 연구 등을 수행하고 있습니다. 전자소자를 제작하고 측정하여 특성을 평가하는 연구를 수행해보고 싶은 학생이나 의료/생체에 전자소자를 적용해보고 싶은 학생에게 추천합니다. 저희 연구실은 앞으로 전자공학을 기반으로 인간의 삶의 질을 높이는 연구에 집중할 것입니다.



7. 영향을 받은 연구자가 있다면? 또한 어떤 영향을 받으셨는지 궁금합니다.

- 저는 연구 커리어 동안 만나 뵈었던 교수님들 모든 분들께 영향을 받았다고 생각합니다. 석사과정 지도교수이신 이승백 교수님께 연구의 기초와 전자소자 제작에 관한 기술을 배웠고, 박사과정 지도교수이신 박완준 교수님께 연구를 논리적으로 접근하여 해결하고 마무리하는 것을 배웠으며, 포닥 지도교수이신 방창현 교수님께 논문의 완성도를 높이는 것을 배웠습니다. 또한 Metin Sitti 교수님께 새로운 연구분야를 확장하는 방법과 융복합 연구를 수행하는 통찰력을 배웠습니다. 각 단계별로 좋은 교수님들께 좋은 영향을 받은것 같습니다.




8. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

- 연구에서 가장 뿌듯한 것은 아직 경험하지 못했지만 제가 연구한 내용이 조금이라도 보탬이 되어 실제 사람들에게 필요한 제품이나 서비스가 되었을때 일것 같습니다. 저는 공학의 최고 가치는 실제 인간의 삶에 이로운 무엇인가를 창출해야 된다고 생각합니다. 지금까지 느꼇던 자부심과 보람은 제 연구가 국제권위학술지에 게재되었을 때입니다. 이것은 제가 수행한 연구가 마무리되어 한편의 완성된 형태로 사람들과 공유할 수 있기 때문입니다.

9. 이 분야로 진학(사업)하려는 후배들에게 조언을 해 주신다면?

- 저는 지금까지 연구 경험에서 생각보다 융복합 연구가 어렵다는 것을 꺠달았습니다. 특히 전자공학과 의료 및 의공학 분야는 융합연구가 수행된다면 지금보다 훨씬 더 높은 의료기술의 구현이 가능할 것으로 판단됩니다. 전자와 의료를 결합한 연구는 아직 수행할 연구가 많고 결합된다면 파급효과가 높아 해당 연구 분야로 진학하는 것을 강력히 추천합니다. 만약 관련하여 상담이나 조언이 필요하시면 언제든지 저에게 연락주시길 바랍니다.


10. 다른 하시고 싶은 이야기들.

- 저는 공동연구에 매우 적극적입니다. 과거와 달리 현재는 분야별 장벽이 허물어지고 융복합 연구가 필수적인 시점이라고 생각합니다. 위 저의 연구와 관련된 분야 또는 확장될 수 있는 분야의 공동연구가 필요하신 분들은 언제든지 연락 부탁드립니다.


* 천성우 교수의 최근(대표) 논문

- S. Chun et al. "An artifiical neural tactile sensing system” Nature Electronics 4, 429-438 (2021).

- S. Chun et al. “Self-powered pressure- and vibration-sensitive tactile sensors for learning technique-based neural finger skin” Nano Letters 19, 3305-3312 (2019).

- S. Chun et al. “A micropillar-assisted versatile strategy for highly sensirive and efficient triboelectric energy generation under in-plane stimuli” Advanced Materials 32, 1905539 (2020).

- S. Chun et al. “High-output and bending-tolerant triboelectric nanogenerator based on an interlocked array of surface-functionalized indium tin oxide nanohelixes” ACS Energy Letters 4, 1748-1754 (2019).

- W. Son* and S. Chun* et al. “Highly twisted supercoils for superelastic multi-functional fibres” Nature Communications 10, 1-11 (2019).


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