[대학저널 외 5] 정전기로 사물인터넷 해킹 막는다

                                  사진은 왼쪽부터 윤종현 학생, 김대원 교수 전자공학과 김대원 교수·윤종현 학생, 사물인터넷 해킹을 방지하는 소자 개발 정전기를 이용해 사용자 정보 저장, 저장 공간이 물리적으로 분리돼 정보 유출 방지 "줄어든 노이즈, 높아진 정확도로 개선된 결과물 선보일 것"​일반대학원 전자정보융합공학과 윤종현 학생이 사물인터넷 플랫폼에서 무선 네트워크를 활용한 해킹을 원천적으로 차단하는 기술을 개발했다. 지도교수인 전자공학과 김대원 교수가 교신저자로 참여했고, 연구 결과는 재료 분야 국제적인 학술지인 에 게재됐다. 윤종현 학생은 “논문을 지도해준 김대원 교수님과 도움을 준 동료에게 감사하다. 또한, 학부 과정 동안 배운 전자공학으로 기술을 개발했다는 사실에 큰 성취감을 느낀다”는 소감을 전했다. 5G 시대가 도래한 이후 사물인터넷이 보편화돼 누구나 쉽게 접할 수 있다. 인공지능 스피커, 스마트 홈과 같은 사물인터넷은 우리 일상에 편리한 기능을 제공하지만, 사물인터넷 해킹으로 인한 피해도 급속도로 커지고 있다. 지난 2015년에는 사물인터넷 해킹으로 약 14조 원의 재산 피해가 발생했고, 다가올 2030년에는 사물인터넷 해킹으로 인한 피해가 27조 원에 달할 것으로 예측된다.기존 사물인터넷은 무선 네트워크를 연결해 사용자 정보를 저장하고 불러온다. 이 방식은 무선 네트워크가 해킹되면 사용자의 개인정보가 유출될 위험이 있다. 김대원 교수 연구팀은 해킹 위험이 있는 무선 네트워크 대신, 물리적으로 분리된 공간에 정보를 저장하는 원판 모양의 마찰전기 나노발전기(TENG, Triboelectric Nanogenerator) 기반 비휘발성 메모리(NVM, Nonvolatile Memory)라는 소자를 개발해 사물인터넷 기기 보안성을 높였다.정전기 기반 비휘발성 메모리로 사물인터넷 해킹 원천 방지비휘발성 메모리는 전자기기의 전원을 꺼도 메모리에 저장된 데이터가 사라지지 않아, 사물인터넷 기기에 사용자 정보를 저장하기 적합한 소재다. 하지만 비휘발성 메모리는 저장된 데이터를 읽을 때마다 전력을 소비하는 문제가 있다. 연구팀은 비휘발성 메모리와 마찰전기 나노 발전기를 접목해 문제를 해결했다. 마찰전기 나노 발전기는 접촉면 사이에 마찰이 발생하면 정전기를 일으켜 전기를 생산한다. 이 전기로 메모리에 저장된 정보를 읽을 수 있고, 안정적인 전력 공급이 가능하다.연구팀이 개발한 저전력 비휘발성 메모리에 사물인터넷 사용자 식별 정보가 저장된다. 저장된 정보는 91.3%의 높은 정확성을 기록했다. 윤종현 학생은 “이번 연구는 정보를 저장하는 공간이 물리적으로 분리돼 개발한 소자에 저장된 정보 유출이 불가능해 의의가 크다”고 설명했다. 이어 “기술을 상용화하기 위해 크기를 줄이고, 정밀도를 높여야 한다. 앞으로 후속 연구를 계속 진행해 성능이 더 향상된 소자를 개발하겠다”라고 말했다. 김 교수는 “정전기를 이용한 전기 신호는 노이즈가 생겨 정보를 읽는데 오류가 발생한다”며 “오류를 극복하기 위해 생성된 전기 신호를 디지털화했는데 노이즈가 줄고 저장된 정보를 읽는 과정에서 정확도가 높아져 향후 더욱 개선된 결과물을 선보일 수 있을 것”이라고 평가했다.스스로 생각하는 능력이 미래를 이끌 엔지니어의 덕목연구 아이디어는 일상에서 쉽게 접할 수 있는 무선전자태그(RFID, Radio Frequency Identification)에서 얻었다. RFID는 전원을 필요로 하는 능동형과 전자기장에 의해 작동하는 수동형으로 나뉜다. 김 교수는 수동형 RFID의 작동원리에서 영감을 받았다. 그는 “정전기를 기반으로 한 에너지 하베스팅 기술을 이용해 구현하면 사물인터넷 해킹을 막을 수 있다고 판단했다.”고 말했다. 에너지 하베스팅 기술은 태양광, 진동, 열, 풍력 등 자연적으로 발생하는 에너지를 전기에너지로 전환하고 수확하는 기술이다.김 교수는 흥미로운 아이디어를 떠올리면 학생과 공유해 연구 주제를 정한다. 이 과정에서 학생은 아이디어를 구체화하고 스스로 더 깊게 탐구한다. 김 교수는 “한국 학생은 듣고 읽는 능력은 매우 뛰어나다. 하지만 이는 수동적인 교육을 받은 증거다. 자기 생각을 다른 이에게 효과적으로 전달하고 설득하기 위해서는 말하고 쓰는 능력을 기르고, 능동적인 사고를 할 수 있어야 한다”고 말했다. 김 교수의 연구 철학은 연구실 모토에 반영됐다. 김 교수는 “‘능동적이며 주인의식을 가진 프로가 되자’라는 모토에 맞춰 학생을 지도하고 있다. 미래 기술과 사회를 이끄는 엔지니어를 양성하는 것이 목표”고 말했다.“대학원은 문제 해결 능력과 전문성을 기를 기회”윤종현 학생은 “내가 디자인한 소자를 전 세계가 활용하는 것이 꿈이다. 이 꿈을 이루기 위해 대학원에 진학했다”고 말했다. 윤종현 학생은 “학부생 때는 정해진 범위에서 지식을 축적했다면, 대학원은 정해진 범위 없이 스스로 공부하며, 당착한 문제를 해결해야 한다. 이 과정에서 능동성과 전문성을 기를 수 있다”며 학부와 대학원의 차이점을 설명했다. 윤종현 학생은 대학원에서 정전기 기반 에너지 하베스팅 기술을 연구하며 폭넓은 경험을 쌓고 있다. 향후 차세대 나노 소자를 결합한 융합 연구 진행이 목표다.김대원 교수는 에너지 하베스팅 연구를 더욱 발전시킬 계획이다. 김 교수는 “에너지 변환 기술은 소자의 구조를 바꾸거나, 물질을 바꾸는 작은 범위에 국한된 연구를 진행하고 있다. 기술 상용화를 위해 전기에너지를 손실 없이 기기에 전달해야 한다”고 설명했다. 이어 “앞으로는 소자 연구 외에도 회로설계, 시스템 연구로 연구 범위를 넓혀 에너지 하베스팅 시스템을 구현하고 싶다”고 힘말했다.[내일신문] : http://www.naeil.com/news_view/?id_art=389805[베리타스알파] : http://www.veritas-a.com/news/articleView.html?idxno=372635[천지일보] : http://www.newscj.com/news/articleView.html?idxno=871088[교수신문] : http://www.kyosu.net/news/articleView.html?idxno=70059[뉴스원] : https://www.news1.kr/articles/?4343118

[대학저널 외 8] 비가 오나 바람이 부나··· ‘1석 3조’ 전력 생산 소자 개...

                                                                                                        노현희(전자공학과 박사 2기) 학생이 날씨와 관계없이 전력을 생산하고, 날씨 모니터링 센서로도 활용할 수 있는 자가발전 소자를 개발했다. 사진 왼쪽부터 노현희 학생과 지도교수인 김대원 전자정보대학 교수. 노현희 학생·김대원 교수, 날씨 관계없이 전력 생산하는 자가발전 소자 개발 태양 전지 양면에 ‘마찰 전기 소자’ 부착해 비, 바람 통해서도 에너지 수확 “기존 태양 전지와 크기 비슷하고, 효율 훨씬 높아··· 미래 농업에 크게 기여할 것”노현희 학생·김대원 교수, 날씨 관계없이 전력 생산하는 자가발전 소자 개발 태양 전지 양면에 ‘마찰 전기 소자’ 부착해 비, 바람 통해서도 에너지 수확 “기존 태양 전지와 크기 비슷하고, 효율 훨씬 높아··· 미래 농업에 크게 기여할 것” 노현희(전자공학과 박사 2기) 학생이 날씨와 관계없이 전력을 생산하고, 날씨 모니터링 센서로도 활용할 수 있는 자가발전 소자를 개발했다. 지도교수인 김대원 교수가 교신저자로 참여했으며, 연구 결과는 에너지 분야의 저명한 국제학술지인 <nano energy="">(IF: 15.548, JCR 상위 3.7%)에 게재됐다.</nano> 노현희 학생은 “이번 연구로 태양광과 비, 바람에서 전기에너지를 얻을 수 있는 일체형 자가발전 소자를 개발하고, 이를 날씨 모니터링 시스템에도 활용할 수 있음을 입증했다”라며 “주변 환경에 큰 영향을 받는 정전기를 다루는 일이고, 소프트웨어까지 개발하기가 쉽지 않았지만 뜻깊은 성과를 거둬 기쁘고, 지도교수님을 비롯해 도움을 주신 분들께 감사하다”는 소감을 밝혔다.  다양한 에너지원에서 전기에너지 얻는 하이브리드형 발전 소자  ‘에너지 하베스팅(Energy Harvesting)’이란 일상에서 버리거나 쓰지 않은 에너지를 거두어 사용 가능한 전기에너지로 바꿔주는 기술을 말한다. 신체 움직임, 태양광, 진동·압력, 폐열, 전자파, 바람 등이 대표적인 신재생 에너지원으로 주목받고 있다. 하지만, 가장 대중적인 태양광의 경우 햇빛이 있어야만 전기를 생산할 수 있고, 시간이 지날수록 태양 전지 표면이 오염돼 생산 효율이 떨어지는 단점이 있었다. 이러한 문제를 해결하고자 노현희 학생과 김대원 교수는 태양 전지에 빗방울과 바람에서 에너지를 얻을 수 있는 ‘마찰 전기 소자’를 부착했다. 태양 전지 위쪽에는 불소화에틸렌프로필렌(FEP) 소재의 필름과 전기전도성이 있는 2개의 투명도전막(ITO)으로 만들어진 소자를 붙였다. 필름 표면에 빗방울이 떨어지면 전자가 움직여 전기에너지를 얻는 방식이다. 해당 소자는 물에 젖지 않고 흐르게 해 태양 전지 표면을 씻어낼 수도 있다. 태양 전지의 아래쪽에는 2개의 알루미늄 전극판과 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 소재의 필름으로 구성된 소자를 달았다. 바람이 불어와 두 알루미늄 전극판 사이의 필름이 깃발처럼 펄럭이면 양쪽 전극판과 맞닿아 마찰이 일어나면서 전자의 흐름을 유도한다. 노현희 학생은 “태양 전지에 2개의 마찰 전기 소자를 달았음에도 크기와 두께는 기존 태양 전지와 큰 차이가 없고, 태양광·비·바람에서 동시 또는 개별로 에너지를 얻을 수 있기에 효율이 훨씬 높다”고 설명하며 “그뿐만 아니라, 마찰 전기 소자의 활성 여부를 통해 밖을 직접 보지 않고도 날씨를 파악할 수 있어 자동으로 농작물을 생산·관리하는 미래 농업에 크게 기여할 것”이라고 전했다.  바이오산업에서 에너지 하베스팅 연구 수행 예정··· “사회에 도움 되는 연구하겠다” 노현희 학생의 말에 따르면 그는 학부생 시절 미국 라스베이거스에서 열리는 국제전자제품박람회(CES)로 전공연수를 다녀온 후 대학원 입학을 결심했다. 자기의 연구주제를 다른 사람들과 공유하고, 끊임없이 지식을 탐구하는 모습에 깊은 인상을 받았기 때문이다. 그는 김대원 교수의 ‘나노 에너지 디바이스 연구실’에 학부 연구생으로 합류해 지금까지 정전기를 활용한 에너지 하베스팅 분야를 연구하고 있다. 연구실에서 화학과 재료공학을 기반으로 한 폭넓은 연구를 수행하며 다른 분야에도 관심이 생겼다는 노현희 학생은 바이오산업에서 에너지 하베스팅 기술을 활용하는 연구를 수행할 계획이다. 그는 “인공심장이나 인공망막 같은 경우 배터리 문제로 크기도 커지고 주기적으로 교체해야 하는데, 에너지 하베스팅 기술을 통해 이러한 문제를 해결하고 싶다. 앞으로 많은 사람에게 도움이 되는 연구를 하는 것이 연구자로서의 목표이다”라고 밝혔다.  나노 에너지 디바이스 연구실에서 연구하는 노현희 학생(왼쪽)과 김대원 교수(오른쪽). 김 교수는 “그동안 에너지 하베스팅 분야에서는 좋은 재료로 효율을 높이려는 단위 소자 연구가 많았다”라며 “하지만, 우리 연구실은 전자공학을 기본으로 단위 소자뿐만 아니라, 발전-저장-작동까지의 모든 과정을 아우르는 연구 수행이 가능하다”라고 소개했다.  해당 기사는 대학 저널 외 아래 8곳에 게재되었습니다.[전자신문] https://www.etnews.com/20200420000214[교수신문] http://www.kyosu.net/news/articleView.html?idxno=50362[이뉴스투데이] http://www.enewstoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=1382447[베리타스알파] http://www.veritas-a.com/news/articleView.html?idxno=320449[환경미디어] http://www.ecomedia.co.kr/news/newsview.php?ncode=1065581317762168[헤럴드경제] http://news.heraldcorp.com/view.php?ud=20200421000290[위키리스트한국] http://www.wikileaks-kr.org/news/articleView.html?idxno=83868[머니투데이] http://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2020042017527476234 

[디지털타임스] [Forum] Focusing on the future energy "Energy Harvesting Technology"

 [포럼] 미래 먹거리 `에너지 수확 기술` 주목해야김대원 경희대 전자공학과 교수 입력: 2018-04-23 18:00[2018년 04월 24일자 22면 기사]     최근 입을 수 있는 소자, 인체 삽입형 소자 및 무선 센서 노드를 필두로 한 소형 전자 소자의 발전이 급속히 진전되고 있다. 이런 소형 소자들의 핵심 성능은 작은 크기로 오랜 시간 동작할 수 있어야 한다는 점이다. 그런데 시스템의 점점 소형화되면서 기존에 전원으로 사용됐던 배터리는 재충전을 위한 시간 및 노력이 들어가고 시스템 내 소자나 센서와 대비해서 크기가 크다는 문제가 있었다. 또한, 인체 내부나 지속적인 환경 모니터링 등 재충전이 힘든 환경에서 사용될 경우 배터리를 대체해야 한다는 근본적인 필요성이 존재한다.   이런 배경에서 주위 환경에서 사용되지 못하고 버려지는 다양한 에너지를 우리가 사용 가능한 전기 에너지로 변환하는 '에너지 수확 기술'의 중요성이 커지고 있다. 리서치 전문업체 아이디테크이엑스(IDTechEx)에서 예측한 전 세계 에너지 수확 시장의 총 시장 규모는 2012년을 기준으로 7000억 원 정도이고 이후 성장을 거듭해 2022년에는 그 규모가 5조 원이 될 것으로 예측되고 있다.다양한 에너지 수확 기술 중에서도, 미국 조지아공대 교수인 왕종린 교수 연구팀이 2012년 말 처음으로 제안한 마찰대전 현상을 이용한 에너지 수확 기술을 주목할 만하다. 위 기술이 학계에 발표된 이후로 2013년부터 2017년까지 마찰대전 현상을 이용한 에너지 수확기술과 관련된 주제로 약 두 배의 연구 논문들이 발표되고 있다.  마찰대전 현상을 이용한 에너지 수확 기술은 다양한 친환경 소재를 사용하고, 재료비와 공정비가 매우 낮으며, 간단한 설계로 제작 가능하다는 장점을 갖고 있다. 이와 같은 제조상의 편리성을 적극 활용한다면 향후 위 기술을 상용화하는데 보다 수월할 것으로 예측되고 가까운 미래에는 태양광, 폐열, 압전현상을 이용한 에너지 수확 기술이 기존 친환경 에너지 기술 시장에서 차지하는 시장점유율을 가져올 수 있을 것으로 전망된다.  특히 마찰대전 현상을 이용한 에너지 수확 기술은 일반 가정이나 개발도상국에서도 쉽게 제작, 사용될 수 있을 것으로 예상된다. 개발도상국들이나 산업화된 국가들의 소외된 지역들에 적합한 단순한 기술을 의미하는 적정기술(appropriate technology)로도 구현 가능하므로 국내뿐 아니라 전 세계적 측면에서 기여할 수 있는 바가 클 것이라 예상하고 있다.한편 에너지 수확 기술의 경우 기존의 에너지 발전 기술과는 그 개념상 차이가 존재한다. 예를 들어 우리가 아무리 생활 주변의 에너지를 수확해 이를 이용한다고 하더라도 우주선을 지구 밖으로 쏘아 올리거나 전기 자동차를 달리게 할 수 있을 정도의 에너지를 획득하기는 불가능하다. 현재는 저전력으로 동작하는 소형 전자자기를 충전할 수 있는 수준에 머물러 있다. 에너지 수확 기술의 궁극적인 목표는 스마트폰과 같은 소형 전자기기가 배터리 없이도 스스로 자가 발전해 에너지를 저장하는 수준에 도달하는 것이다. 그 정도에 이르려면 아직 더욱 활발하게 이뤄져야 할 것으로 보이지만, 계속적인 연구개발이 진행된다면 머잖아 배터리와 에너지 수확 소자가 상호보완적으로 공생하는 시스템이 개발돼 배터리의 사용기간을 더욱 늘릴 수 있게 될 것으로 본다. 다만 이를 위해서는 반드시 기술적, 정책적인 지원이 필수적으로 수반돼야 한다. 무엇보다 고전압 충/방전용 소자, 회로 기술이 부족한 상황이기 때문에, 마찰대전 현상을 이용한 에너지 수확 기술을 더욱 발전시키기 위해서는 엔지니어들의 인터페이스 회로 설계 기술 선점이 필수다. 현재 중국의 많은 연구진들이 마찰대전 에너지 수확 기술을 선도하고 있고 대부분 소자 디자인 및 실용적 응용처 탐색에 집중하고 있다. 위 기술을 실제로 상용화하려면 기술적으로 인터페이스 회로를 설계하는 것이 가장 필요하고 이러한 분야를 선점해야 궁극적으로 에너지 수확 기술을 선도할 수 있다고 본다.  특히, 에너지 수확 소자의 전력 관리 회로는 시스템의 안정적인 동작을 위해서 필수적인데, 이는 에너지 수확 소자로부터 입력되는 에너지를 실제 부하 쪽 센서 시스템이 사용할 수 있는 정류된 전압으로 변화시키거나 효율적으로 배터리를 충전하는 역할을 담당하기 때문이다. 뿐만 아니라, 회로의 저전력 동작은 주변 환경에서 수확 장치로 입력되는 에너지가 매우 낮은 상황을 대비한 중요한 기술이다. 최대전력 추출 기술은 센서 시스템이 사용 가능한 전력의 범위를 증가시켜 시스템의 성능을 높일 수 있는 기술이다. 이러한 기술들을 적극 활용해 에너지 수확 기술용 전력 관리 인터페이스 회로를 개발한다면 마찰대전 에너지 수확 기술을 다양한 산업 분야에서 범용적으로 활용하는데 도움이 될 것으로 전망된다. 정책적인 측면을 보면, 세계 각국은 온실가스 배출로 인한 기후변화에 대응하기 위해 지속적으로 친환경 에너지의 비중을 높이고 있고 저탄소 에너지로의 전환을 추진 중에 있다. 특히 주요국은 신재생에너지의 비중을 20% 이상 확산시키는 것으로 보급 목표를 수립하고 있다.(미국: 2035년까지 27%, 중국: 2030년까지 30%, EU: 2030년까지 27%) 현재 우리 정부는 현재 2030년까지 11%까지 높이는 것이 목표인데 이는 다른 선진국보다는 낮은 수치다. 향후 우리 정부는 대한민국을 이끌어 갈 새로운 에너지 관련 아이템들을 개발하기 위해 정부 차원의 연구 개발 계획을 수립하고 지속적인 관심을 보여줘야 할 것이다. 그래야만 우리나라가 차세대 에너지 선진국의 위치에서 경제적, 외교적으로 큰 목소리를 낼 수 있을 것이다. 차세대 친환경 에너지 분야는 미래의 대한민국의 경제와 성장을 이끌어나갈 핵심 원동력이다. 앞으로 정부는 친환경 에너지 분야와 관련된 기술을 과감하게 지원해야 할 것이고 이와 동시에 연구진들은 창의적이고도 혁신적인 성과를 창출하려는 각고의 노력을 해야할 것이다. 가까운 미래에는 대한민국 국민의 기대에 부응하는 창조적이고도 선순환적인 R&D 시스템이 정착하길 기대해 본다. [저작권자 ⓒ디지털타임스 무단 전재-재배포 금지]   http://www.dt.co.kr/contents.html?article_no=2018042402102251055001&ref=naver