생체모방 로봇 최근 동향은 휴대할 수 있는 소형화가 대세

벤처기업 CEO하면서 전혀 새로운 것 배우는데 재미 느껴...
우리나라에서 연구 관련 분야에 조금이라도 기여했다는 데 자부심
로봇산업 발전을 위해 지속적인 지원과 부품.요소기술 개발에 좀 더 투자해야

조동일 교수는 국내외에서 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems, 미세전자기계기스템) 분야의 전문가로 많이 알려져 있다. 중학교를 졸업하고 미국으로 건너가 미국에서 카네기 멜론대를 졸업하고 MIT에서 기계공학(제어공학)으로 석ㆍ박사를 받았다. 최근 전 세계 로봇계에서 화두가 되고 있는 생체모방자율로봇 분야에서도 그의 연구 및 활약은 두드러진다. 지난달 21일 대구에서 개최된 국제로봇전문가포럼에서는 현재 전세계에서 개발된 다양한 종류의 생체모방로봇들과 미래비전을 소개하여 참가자들로부터 많은 주목을 받았다. 기자가 조 교수를 처음 만난 것은 지난 9월 '국방 지상로봇 활성화 방안' 세미나에서 였다. 조 교수는 현재 방사청에서 진행하고 있는 미래 무기체계 개발을 선도할 생체모방 자율로봇특화연구센터장을 겸임하고 있다. 지난 4일 조 교수를 인터뷰하기 위해 서울대 연구실을 찾았다.

최근에 주로 하고 계신 연구에 대해 소개 부탁 드립니다.

생체모방 로봇, 박테리아 로봇, 청소로봇 그리고 산업용 로봇 등 로봇분야 연구 프로젝트가 4개 있습니다.

청소로봇 분야에서는 현재 판매되는 로봇에 탑재될 알고리즘을 개발하고 있는데 현재 활용되고 있는 기능을 훨씬 더 좋게 개선하는 것입니다.

산업용 로봇 분야에서는 현재 생산되고 있는 서보 시스템의 엔코더 센서와 콘트롤러를 개발하고 있습니다.

박테리아 로봇 분야는 MEMS기술로 마이크로 구조체를 제작하는 연구를 하고 있는데, 전남대 및 서울의대 교수님들과 같이 연구하고 있습니다. 우리는 항암치료 약물이 장전된 마이크로 구조체를 제작합니다. 암에 걸렸을 경우 암이 있는 부분은 조그마한데 많은 양의 약을 먹어야해서 몸 전체는 상하는데 병변 부위에 도달하는 약은 조금밖에 안됩니다. 즉, 시스테믹 트리트먼트(Systemc treatment)를 할 때 약물을 투여하고 나면 세포들이 다 죽지만, 며칠 있다가 좋은 세포들은 살아나고 암세포는 더 낮은 비율이 살아나기 때문에 다시 약물을 투여하는 과정을 계속 해야 합니다. 항암 치료로 암세포가 완전히 제로가 되지는 않더라도 우리 몸에서 자가면역적으로 억제할 수 있으면 암이 치료가 되는 것이나, 그렇지 못하면 버티지 못 할 수도 있습니다.

박테리아 로봇은 박테리아의 고형암에 대한 케모택시스(chemotaxis)를 이용하여 항암제를 병변 부위에 국부적으로 전달합니다. 케모택시스는 박테리아가 암세포 부위로 저절로 이동하는 것을 말합니다. 박테리아 로봇을 이용하면 시스테믹 트리트먼트 경우와 달리 좋은 세포들은 그대로 두고 암세포만을 죽일 수 있기 때문에, 정상 세포를 죽이는 부작용을 줄일 수 있을 것으로 기대하고 있습니다. 또한 우리가 개발하는 약물전달시스템은 경구 투여보다 1000분의 1정도의 약물만 사용하지만 병변부위에 도달할 때까지는 릴리스 되지 않고, 도달한 이후에는 약물의 효과가 오래가게 천천히 릴리스 되게 해서 한번 투여 하면 2-3년 또는 그 이상의 기간 동안 약물의 효과를 지속 할 수 있게 해 주는데 궁극적인 목표를 가지고 있습니다.

생체모방 로봇은 사람과 동물의 지능, 동작, 호흡, 발성, 피부조직 등의 원리를 적용한 로봇으로, 최근 많은 관심을 받고 있으며, 세계적으로 다양한 생체를 모방한 로봇들이 개발되고 있습니다.

생체모방로봇 연구는 생체모방자율 로봇특화연구센터를 통해 여러 교수님들과 협력하여 연구하고 있습니다. 생체모방자율로봇 특화연구센터는 2013년 11월부터 2021년까지 9년간 국방부의 지원으로 진행하는 센터인데, 무기체계의 초소형화를 선도하고 감시정찰의 임무를 수행할 수 있는 생체모방 자율로봇의 개발을 목표로 설치되었고 제가 센터장을 맡고 있습니다.

연구센터는 서울대를 포함한 8개 대학교와 서울대병원 등이 참여해 인식·판단, 감지센서, 정보전달, 구조메커니즘, 복합거동제어 분야 등 5개 연구실 체제로 운영되고 있습니다. 오는 2021년까지 생체모방 자율로봇 기반기술 확보를 위해 연구비 155억원과 145명(박사급 34명 포함)의 연구 인력이 투입됩니다.

생체로봇하고 박테리아로봇은 미래 원천기술을 개발하는 것이고, 청소로봇과 산업용 로봇은 지금 실제로 산업에 적용이 되는 것으로 산업용 로봇 분야에서 개발한 기술은 출시된 상용시스템에 포함되어 있습니다.

카네기멜론대에서 전공은 무엇이었나요?

학부도 기계과, 석박사 모두 기계과를 나왔습니다. 카네기에서는 제가 4학년 때 로보틱스 인스티튜트가 막 개소하는 시점이었습니다. 그 때 제가 CNC 기계에 3차원 형상을 가공하는 시스템을 개발하는 프로젝트에 참여했는데 로보틱스 인스티튜트 개소식에 시연도 하였습니다. 저는 4학년 때 대학원생들과 같이 연구에 참여 했는데, 웨스팅하우스 터빈 가공을 위한 3차원 형상 가공을 연구하면서 3차원 지그를 개발하였습니다.

카네기 멜론대학을 다니다 MIT로 옮기게 된 동기는?

사실 77학번인데 대학을 80년에 졸업했습니다. 조기 졸업이 되어 지도교수님한테 졸업을 했는데 대학원을 좀 다녀야 될 것 같다고 말씀드렸더니, 일단 카네기에 들어오라고 그러셔서 한 학기 다니고 MIT로 옮겼습니다. 미국은 고등학교 때 시험을 통해 대학교 학점을 인정해 주는 제도가 있습니다. 고등학교 때 그런 시험을 보고 대학교 과목을 몇 개 인정을 받게 되어 1학년 때부터 2학년학생들과 수업을 같이 들었습니다.

MEMS면 기계하고 전자 분야 양쪽 모두 지식이 있어야 하는데 기계만 전공하셨는데 어떻게 MEMS를 하시게 되었나요?

MIT는 부전공이 필요한데, 저는 부전공을 마이크로프로세서로 했습니다. 그래서 박사학위 논문을 “자동차 파워트레인 콘트롤”로 썼는데, 자동차 파워트레인 분야에서는 제가 89년에 쓴 논문이 지금까지 25년간 사이테이션(피인용)이 1등입니다. 자동차가 기계시스템인데 기계에다 마이크로프로세서를 이용한 전자제어기술을 접목시킨 최초의 논문입니다. 그래서 요즘 논문들도 제 논문을 인용하는 것으로 논문을 시작하게 되죠. 엔진하고 트랜스미션을 같이 통합해서 제어하는 것을 최초로 연구했습니다.

처음 MEMS를 접하게 된 계기가 있었나요?

87년에 프린스턴대학교 교수로 갔는데 그때 제가 우연히 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)학회에 갔더니 회로쪽에서 실리콘 공정을 하던 분들이 마이크론 크기의 초소형 모터 이야기하기를 하고 있었습니다. 제가 기계적 요소도 중요할 것 같다고 제언을 했고 그 분들이 그럼 같이 들어와서 연구를 하자 해서 MEMS 초기부터 위원회에 포함해 주셨습니다. 그래서 제가 MEMS라는 단어를 만들었던 초기위원회의 구성원이 되었습니다.

그리고 프린스턴대학교에 있을 때에는 기계항공우주공학과 교수로 있었기 때문에 기계공학 분야에서도 MEMS 연구를 하면 좋겠다는 생각이 들어서 ASME(American Society of Machnical Engineers:미국기계학회)에 MEMS 분야를 소개했습니다. 그래서 ASME에 MEMS 심포지움을 개최하게 되었는데 1회,2회,3회를 제가 계속 의장을 했어요. 그렇게 심포지엄을 만들어서 ASME에도 MEMS 분야를 키웠습니다. 그리고 저는 90년대 초반에 한국에 나왔고 그 이후 ASME에도 MEMS 분과가 생겨났습니다.

사울대학교에는 전기정보공학부로 왔고, 저는 대학원 때부터 지금까지 계속 기계,전기,전자 및 바이오,나노의 융합연구를 35년 가까이 해오고 있습니다. 최근에는 양자정보통신 분야에도 관심을 넓히고 있습니다.

▲ 지난 11월 20~21일 대구에서 열린 국제로봇전문가포럼에서 MEMS에 대해 강연을 하고 있는 조동일 교수

MEMS가 로봇분야에서 중요하게 인식되고 있는데 MEMS에 대한 동향이나 발전 가능성에 대해 한 말씀 부탁 드립니다.

제가 연구한 내용에 로봇을 직접 만든 것은 없었습니다만, 관련이 매우 깊은 분야들이 많습니다.

하나는 바이오닉스(Bionics) 분야인데, 제가 예전에 연구 한 것 중에 뉴랄(neural) 스티뮬레이션 (stimulation) 이 있습니다. 이 분야는 지금 한국에서도 본격적으로 연구가 시작이 되고 있습니다. 약 10년 전에 끝난 연구인데 전기 자극과 화학 자극을 같은 사이트에서 동시에 할 수 있는 기술입니다. 주사바늘의 상단부에 전극을 통해 전기적 자극 및 신호 분석을 하고, 같은 주사바늘의 구멍을 통해 약물을 전달해서 화학 자극도 하는 초소형 MEMS 시스템을 개발했고 살아있는 쥐의 뇌신경 자극 실험까지 끝냈습니다. 아직도 뇌신경 자극용으로 이런 복합적인 시스템은 별로 없습니다. 그러나 그 때 6년 동안의 연구지원이 끝나 계속 개발하지 못 한 것이 아쉽습니다.

그 외에도 몇 년 전에 끝난 과제인데, 의료분야에 300 미크론 두께로 최소침습 위내시경용 생검도구를 개발했습니다. 이 기술은 연대 의대와 인체 실험까지 마치고, 국내 기업에 기술 이전을 했습니다. 현재 많이 쓰이는 와이어형 위내시경이나 캡슐형 내시경에 모두 적용이 가능한 1회용 생검도구입니다.

바이오미메틱스(Biomimetics) 분야에 MEMS 기술을 써서 인공망막(Artificial vision system)을 만드는 것도 가능합니다. 실제로 망막은 원형인데, 실리콘기판은 딱딱한 평면입니다. 그래서 실리콘 기판에 반도체 공정기술을 이용해서 3차원으로 곡면 가공을 하는 기술을 개발했고 안구의 곡면과 호환되는 인공망막 전극시스템을 개발했습니다.

이미 잘 알려져있는 MEMS에 기반한 모션센서와 여러 가지 센서 외에도 이와 같이 MEMS 기술은 다양한 로봇과 로보틱스 분야에 활용이 가능합니다.

그럼 MEMS라는 단어를 만든 초창기 멤버네요.

그렇습니다. MEMS라는 단어를 만든 초기 운영위원회 멤버입니다. 그래서 MEMS 분야에 메이저 저널이 미국 IEEE 저널 오브 MEMS 하고 영국의 IOPP(Institute of Physics Publishing)에서 나오는 저널 오브 마이크로미캐닉스 & 마이크로엔지니어링(Journal of Micromechanics and Microengineering) 이렇게 두 개인데 두 개 모두 제가 초기 편집위원을 했고, 운영위원회 멤버를 했습니다. 그러니까 MEMS는 완전 초창기부터 한 것이지요.

MEMS 분야에 SBM(Sacrificial Bulk Micromachining)이라고 우리 한국에서 개발한 고유의 공법이 있습니다. 그것을 우리 실험실에서 개발했는데 MEMS 분야의 메이저 공법중의 하나로 미국 대학원 과정의 교재에도 소개되고 있습니다.

요즘 제가 하는 메이저 프로젝트 중 하나가 “양자 통신(Quantum information Processing)”분야입니다. 양자 통신에 중요한 기술이 단일 이온(ion)을 포획(trapping)하고 위치와 퀀텀 상태를 제어하는 겁니다. 이 분야 역시 고기능화를 위해 MEMS 기술을 이용한 초소형화가 시작되고 있습니다. 우리도 이온 포획을 위한 MEMS 칩을 제작했습니다. 미국에서는 두 곳에서 먼저 MEMS 기술로 평면 트랩칩을 제작했는데, 아시아에서는 우리가 최초로 제작하고 이온포획 및 퀀텀제어 실험에 성공했습니다. 현재 개발된 기술을 양자 통신 및 양자 컴퓨터에 적용하려고 4년째 열심히 연구를 하고 있습니다.

랩에는 몇 명이나 있어요?

16명 있습니다.

▲ 사진은 2014년 1월 제자들과 함께한 신년하례회 모습.

생체모방 자율로봇 특화연구센터에 대해서 간단히 소개 부탁 드립니다.

저희는 국방 관련 프로젝트이기 때문에 보안에 철저해야 합니다. 그래서 많은 내용을 공개할 수는 없지만, 센터의 목적은 첫째, 스텔스 기반 생체모방 초소형 자율로봇에 대한 원천기술 확보, 및 연구인력 저변 확대이고, 두 번째는 차세대 무기체계 고도화 관련하여 고기능화/정밀화/무인화/자율화와 미래 전장의 감시/정찰 우위를 확보하는 것이고, 세 번째는 신산업 분야 도출/선도를 통한 국가 안보태세 확립과 국가 경쟁력 강화입니다.

스텔스 기반 생체모방 초소형 자율로봇 연구가 키워드입니다. 원천기술을 개발하면 많은 신기술들이 파생되니까 당장을 위한 것이 아니라 미래창조를 위한 것이라고 보시면 됩니다.

생체모방 최근 동향은 어떤 것이 있나요?

소형화가 대세라고 할까요. 이미 대형 생체모방로봇은 많이 연구되고 개발되었습니다. 빅독(Big Dog)도 있고, 휴머노이드도 여러 군데에서 많이 했고, DARPA 챌린지에서도 하고 있습니다. 그러나 휴대할 수 있는 소형로봇들의 연구는 상대적으로 적은 편이었습니다. 최근 이에 대한 관심이 최근에 높아지고 있습니다. 그리고 그것이 사물인터넷기술과 복합하여 상당히 중요한 역할을 할 수 있을 것 같습니다. 국방 분야는 물론이고 재난방지 및 헬스케어와 같은 분야에 사물인터넷과 연계를 통해 향후 10년 내에 활용성이 굉장히 높아질 수 있을 것 같습니다.

소형화되면 최근에 군집로봇하고도 나중에 다 접목할 수 있는건가요?

저희가 개발하는 로봇을 군집운용 하는 게 저희 생체모방자율로봇 특화연구센터의 목표중의 하나입니다. 그러니까 저희는 로봇 하나를 개발하는 것이 아니라 지상에서 기거나 뛰는 로봇, 날아다니는 로봇, 때로는 변신 할 수도 있는 그런 다양한 형태의 생체모방로봇을 만들어 군집으로서의 임무수행을 하는 것이 목표라고 할 수 있습니다.

▲ 지난 주 12월 초에 있었던 한 행사장에서 강연을 하고 있는 조동일 교수

프린스턴대에 계시다가 서울대에 오시게 된 동기는?

한국에 나올 당시만 해도 제가 16년을 한국에서 살고, 미국에서 19년을 살았으니까 미국에서 더 오래 살았습니다. 35살에 나왔는데 그때 안 나오면 영원히 후회할 것 같더라고요.

93년만 해도 연구 인프라가 지금처럼 좋지 않았습니다. 우리 나라에 연구를 시작하는 초창기였습니다. 90년대 초반만 해도 연구를 하고 싶어도 연구 시설이 없으니까 정부 연구비가 연구시설 확충하는 것들도 상당히 많았습니다. 당시에 국가에서 몇억, 수십억, 수백억, 그렇게 지원을 해서 연구 인프라를 갖추게 되었습니다. 그러다 2000년대 들어서니 한국 연구수준이 퀀텀 점프가 되었습니다. 그리고 15년이 지난 지금은 세계적 수준 연구를 하고 있습니다. 분야별로는 세계에서 리딩하는 것들도 꽤 많이 있고요.

그래서 결론적으로는 잘 나온 것 같습니다. 그리고 한국에 연구할 수 있는 물적, 인적, 지적 인프라를 만드는데 저도 조금이나마 기여했다는 생각에 자부심도 가지고 있습니다.

특이하게도 SML전자라는 회사 CEO를 하셨습니다. 창업 배경은?

우리가 개발한 공법이 경쟁력이 있고 굉장히 좋습니다. 처음 착안했던 시점부터 따지면 개발한지 17년 됐는데 SBM(Surface Bulk Micromachining) 프로세스라고 반도체 공정입니다. 그런데 아직도 다른 공정에 비해서 경쟁력이 있습니다. 그래서 이것을 실용화해야 되겠다 해서 회사를 만들었습니다.

그런데 매각을 해서 돈을 많이 버셨다고 하던데요...

네. 매각을 했습니다. 돈을 많이 벌었다? 돈은 그냥 숫자 아닌가요? 나이도 숫자이지만...

지금도 아직 회사가 운영되고 있나요?

2009년 1500억 정도의 매출을 올리던 반도체 패키징 회사가 인수를 했는데 우리는 원천기술을 가지고 있고, 그 회사는 패키징 회사라 서로 시너지 효과를 낼 수 있었습니다. 그때 저는 센서 기술과 측정 회로 기술을 개발했는데 패키징과 영업에 큰 투자를 해야 되는 시점이었습니다. 그래서 제가 직접 할 수 있는 것보다 훨씬 더 큰 시너지 효과를 낼 수 있겠다 생각이 되어 매각을 했습니다. 당시에 가속도 센서 시장이 한 천억 했을 겁니다. 스마트 폰에서 화면 회전하는 거 있잖아요. 그 센서입니다.

그 회사가 저희 사업을 인수하고 나서 1년쯤 있다가 다른 코스닥 회사에 또 매각이 되었습니다. 주인이 바뀌고 몇 년 동안 방치되다가 거기 있던 사람들이 나와서 또 회사를 차렸어요. 센서사업을 가지고 독립을 한 거죠. 저는 참여하고 있지 않지만 다시 조그만 벤처회사로 모습이 바뀌어서 지금 열심히 하고 있습니다.

교수가 아닌 CEO로서 6년 동안 사업을 하면서 가장 어려웠던 점은 무엇인가요?

회사를 하려면 경영학에서는 대상(Subject), 환경(Environment), 자원(Resource)을 3대 요소로 잡는데, 20년 전부터 마이클 E.포터 교수가 매카니즘을 추가했죠. 그런데 서브젝트는 벤처 회사를 시작할 때 이미 정해진 것입니다. 대상을 보고 들어가는 것이지요. 환경도 마찬가지입니다.

벤처회사를 시작하려면 시장이 도끼자루가 될 때 해야 합니다. 도끼자루가 될 것 같을 때 시작을 해야지 바닥에 있을 때 시작을 하면 10년이 있다 터질지, 20년이 있다 터질지 모른단 말입니다. 레이저기술을 보면 제가 대학교 다닐 때 처음 나왔는데, 어디에 쓸 것인가 하는 이야기들을 많이 하다가 2000년대 들어오면서, 소형화되고 대량생산되면서 이제는 레이저 프린터 없는 사람 없잖아요. 1990년대 레이저 프린터 기술이 도끼자루의 초기였습니다. 제가 가속도 센서 사업을 처음 시작 했을 때 에어백센서 때문에 가속도센서 시장이 한 천억 정도로 컸는데 지금은 2조가 훌쩍 넘었습니다. 10년 사이에 시장이 20배가 커졌고 2000년대 후반이 도끼자루 초기 모습입니다.

그리고 지금 트릴리언 센서라는 얘기들이 나오고 있습니다. 사물 인터넷하고 결합하면 단위가 경(京)으로 넘어가게 됩니다. 트릴리언 센서니까 최소한 수백 조 내지는 수천 조원의 시장 규모입니다. 정부 지원 뿐만 아니라 전세계적으로 환경이, 그러니까 그 사업을 할 수 있는 환경이 매우 좋습니다.

그 다음에 리소스는 자금을 이야기 하는 것이고, 메커니즘은 실제 기업을 운영하는 것인데 리소스와 메커니즘은 사업하는 사람들이 만들어 나가야 되는 것입니다. 그래서 리소스 매니지먼트와 메커니즘 이런 것은 학교 교수로서는 잘 모르는 주제였는데 그걸 배워가면서 하는 것이 저는 참 재미있었습니다.

펀딩하려고 벤처캐피탈을 만났더니 코스닥 갈 때까지 기업설명회(IR: Investor Relation)를 한 백번 정도는 해야 될 거라고 하더군요. 저도 IR을 수 십 번은 한 것 같습니다. 전혀 모르는 것, 새로운 것을 배우는게 저는 참 재미있었습니다.

그럼 어려운 일은 없으셨어요? 네.

그럼 교수님은 벤처가 체질이신 것 같습니다...(하하하) 로봇산업 발전을 위해서 정부나 정책 입안자에게 한마디 조언을 해 주신다면...

꾸준하게 지원을 해 주는 것이 필요할 것 같습니다. 지속적으로 지원이 돼야 좋은 제품이 나올 수 있습니다.

그 다음에 부품하고 요소기술에 투자를 좀 많이 하면 좋을 것 같습니다. 로봇 관련 종사자들이 하는 이야기 중에서 20년 전이나 지금이나 빠지지 않고 나오는 것이 로봇을 만들려면 핵심부품은 외국에서 사와야 한다는 것입니다. 부품개발 연구도 전체 R&D 예산에서 한 때는 20% 까지 됐던 것 같아요. 그런데 그런 부품하고 요소기술이 2~3년 연구를 통해 턴키로 나오면 좋은데, 계속 개량해서 후속 기술이 나와야 되고, 유사한 차세대 부품들도 나와야 되고, 지속적으로 가야 되거든요. 그래서 개발 생산의 초기단계의 지원뿐만이 아니라, 지속적인 지원을 통해 계속 신제품을 연구 개발 할 수 있게 해주는 시스템이 있었으면 좋겠다는 생각이 듭니다.

취미가 있다면 무엇인가요?

골프입니다. 골프는 많이 나가려고 노력합니다. 주말에 날씨 좋을 때는 꼭 나가려고 합니다. 골프 외에도 강아지를 두 마리 키우고 있습니다. 불독인데 한 마리는 유기견 보호소에서 봉사하던 집사람이 4살짜리 유기견을 하나 입양했고, 또 한 마리는 입양한 개가 혼자 너무 심심해해서 다른 강아지를 하나 더 사온 것입니다. ▒ 조규남 기자

[조동일 교수 프로필]

1958년 6월 15일생
~ 1980 카네기멜론대 기계과 졸업
~ 1984 MIT 대학원 기계공학 석사(제어공학전공)
~ 1988 MIT 대학원 기계공학 박사(제어공학전공)
1993. 8 ~ 서울대 공대 전기정보공학부 교수
(나노과학기술협동과정, 바이오협동과정 겸임교수 역임)
2003. 8 ~ 2007. 6 한국 MEMS기술연구조합 이사장
2004. 1 ~ 2010. 2 ㈜에스엠엘전자 대표이사
2013. 11 ~ 서울대 국방 생체모방자율로봇 특화연구센터장
2011 ~ 2014 세계자동제어연맹 (IFAC), 기술이사회 제1부의장
2014 ~ 2017 세계자동제어연맹 (IFAC), Council Member
1992 ~ IEEE Jounral of MEMS(Micro-Electro Mechanical Systems) 현재 Senior Editor