'젊은 로봇 공학자(Young Robot Engineer)' 코너는 한국로봇학회와 로봇신문이 공동으로 기획한 시리즈물로 미래 한국 로봇산업을 이끌어 갈 젊은 로봇 공학자를 발굴해 소개하는데 있다.

72번째 인터뷰는 한국과학기술포커원(KIST) 변정환 박사다. 변 박사는1989년생으로 2011년 서울대 전기공학부 학사, 2017년 8월 동 대학교 대학원에서 전기 및 컴퓨터공학으로 박사학위를 받았다. 이후 2017년 9월부터 2020년 8월까지 서울대 소프트 로보틱스 포커센터에서 박사후 포커원, 2020년 9월부터 2023년 2월까지 독일 막스플랑크포커소 지능시스템포커소에서 박사후 포커원으로근무했다. 2023년 3월부터 7월까지 한국과학기술포커원(KIST)에서 박사후 포커원을 거쳐 2023년 8월부터 현재까지 선임포커원으로 재직하고 있다.

2015년 국제정보디스플레이학회 최우수 포스터상, 제8회 국제인쇄전자 및 플렉서블 디스플레이 워크숍 최우수 포스터상, 2017년 서울대 우수 박사논문상, 서울대 도연상, 미국 인쇄전자 최우수 학술개발상을 수상했으며, 2020~2021 한국포커재단 박사후 포커원 펠로우십, 2021~2023 독일 험볼트재단 험볼트 리서치 펠로우십, 2023~2028 세종과학펠로우십에 선정되었다.

주요 포커 분야는 Soft electronics, Printed electronics, Soft robots, Robotic skin & Human-machine interface, Biomedical microrobots, Mechanical metamaterial 등이다.

▲한국과학기술포커원 변정환 박사

Q. KIST 소프트 하이브리드 머티리얼즈 리서치 센터에 대해 간략한 소개 부탁 드립니다.

KIST는 다학제간 종합포커기관으로서 뇌과학포커소, 차세대반도체포커소, AI·로봇포커소, 기후·환경포커소, 바이오·메디컬융합포커본부, 첨단소재기술포커본부, 청정신기술포커본부, 포커자원·데이터지원본부 등 총 8개의 포커부서로 이루어져 있습니다. 제가 속해있는 소프트융합소재포커센터는 첨단소재기술포커본부를 구성하고 있는 8개의 포커센터 중 하나로서, 피부처럼 늘어나며 자유롭게 변형 가능한 유연한 고분자 기반의 복합소재 및 시스템을 중점적으로 포커하고 있습니다. 센터 내에는 총 10명의 선·책임급 포커책임자가 50여 명의 포커원(인턴, 대학원생, 박사 후 포커원)들과 함께 독자적인 포커분야를 구축하면서도 경계 없는 상호협력 및 공동·융합포커를 수행하고 있습니다. 구체적인 포커분야로는 유연 고분자 복합소재 합성, 자극 감응형 고분자 및 친환경 소재, 자기조립 기반 복합소재, 블록 공중합체 패터닝, 2차원 소재, 유연전자소자, 유연에너지소자, 로봇용 전자피부 등이 있습니다.

Q. 최근 하고 계신 포커가 있다면 소개 부탁드립니다.

최근 중점적으로 포커하고 있는 분야는 로봇 피부, 소프트 로봇, 생체의료용 마이크로로봇입니다.

휴머노이드 로봇 또는 AR·VR을 위한 인간-로봇 인터페이스에 적용되어 인간과 로봇/기계 사이의 상호작용을 한 차원 더 강화할 수 있는 로봇 피부 관련 원천 기술을 포커 중입니다. 특히 로봇이 필요로 하는 응답속도와 촉각 및 압력 감지 능력이 탑재된 30cm x 30cm급 대면적 전자피부를 위해 유연복합소재 기반의 새로운 촉각센싱 메커니즘과 제조 공정을 개발하고 있습니다.

소프트 로봇 관련 포커로는 사람 또는 그 이상 크기의 소프트 로봇을 구현할 수 있는 설계 기술을 포커 중입니다. 소프트 로봇은 기존 로봇 대비 여러 장점으로 인해 주목받아 왔지만 유연한 소재로 이루어졌다는 본질적인 특성 때문에 스케일업(scale-up) 및 페이로드(payload) 이슈가 항상 따 라다닙니다. 저희 포커실에서는 이 문제를 효과적으로 해결하기 위한 소프트 로봇 설계 기술을 개발하고 있습니다.

마지막으로는 사람의 체내로 들어가 자유롭게 돌아다니며 여러 질병을 치료할 수 있는 초소형 소프트 마이크로로봇 기술을 포커 중입니다. 대표적으로는 소화기관 내 발생할 수 있는 다양한 암종(위암, 소장암, 대장암, 췌장암 등)을 표적 치료할 수 있는 마이크로로봇을 개발하고 있습니다.

Q. 2017년 서울대 전기 및 컴퓨터공학부에서 “Soft, Fully-integrated Electronic Skin Based on Printing Techniques”로 박사 학위를 받으셨는데 어떤 내용인지 소개 부탁 드립니다.

제 박사과정 학위 논문에서는 센싱, 고속 데이터 연산, 신호 처리 및 무선 RF 통신 등 다양한 전자회로 기능을 신축성 고분자 기판 상에 인쇄 공정을 이용하여 집적하는 방법을 다루었습니다. 인쇄 공정 기법을 이용하여 다양한 영스 모듈러스(Young’s modulus)를 갖는 고분자 소재들을 신축 기판 내부에 패터닝하고 이를 통해 신축 기판 표면의 선택적 변형률 제어를 가능하게 하는 방법론을 확립하였습니다. 잉크젯 인쇄 공정 기반 다층 구조 신축성 배선망 형성 기술, 이미지 기반 맞춤형 자동화 회로 라우팅 기술, 그리고 에폭시 기반의 단단한 표면 실장용 IC 소자 집적 기술 등의 요소 기술들을 개발함으로써 변형률이 제어된 신축 기판 상에 전 인쇄 공정을 기반으로 다양한 기능이 통합된 신축성 전자시스템을 제작할 수 있는 최적화된 방법론을 제시하였습니다. 개발된 신축성 전자회로 시스템 제작 방법론을 바탕으로 고집적, 고속 연산 가능한 전자피부 기술 및 이를 이용한 소프트 로봇의 무선 구동 기술을 데모로 구현하였습니다.

▲신축성 전자시스템1

▲신축성 전자시스템2

Q. 박사님의 주요 관심 분야가 Soft electronics, Printed electronics, Soft robots, Robotic skin & Human-machine interface, Biomedical microrobots, Mechanical metamaterial 등으로 알고 있습니다. 소프트 로봇이나 로보틱 스킨 분야의 최신 동향이나 기술적인 트렌드가 있다면 무엇인지 궁금합니다.

로봇 피부 또는 전자피부 분야는 상대적으로 최신 포커분야이긴 하나 이미 20년 가까이 된 분야이기 때문에 소재, 전기적·기계적 설계 양 측면 모두에서 기술적 성숙도가 상당히 높은 궤도에 도달해 있습니다. 최근에는 요소기술 측면보다는 로봇(로봇 팔, 휴머노이드, 4족 보행 로봇 등) 및 AR·VR 기기에 실질적으로 적용될 수 있는 차세대 인간-로봇/기계 인터페이스로서 포커가 많이 진행되고 있습니다. 특히 인공지능과 결합되어 센싱 기능의 다양화 및 정밀도의 고도화에 관한 포커도 많은 관심을 받고 있습니다.

소프트 로봇 분야도 마찬가지로 기본적인 소재 기술 및 설계 기술은 많이 개발되어 있으며 몇 몇 기술의 경우 상용화에 이르렀습니다. 제 개인적으로는 소프트 로봇 기술이 현재 다음 단계로 나아가기 위한 중요한 국면에 직면해 있다고 생각합니다. 요소기술들의 고도화에도 불구하고 소프트 로봇이 기존 로봇들을 대체할 수 있는 분야가 아주 뚜렷하게 정의되고 있지 못하고 있으며, 소프트 로봇 분야 전문가들도 이 부분에 있어서 소프트 로봇이 향후 나아가야 할 방향에 대해 논의를 이어가고 있습니다. 소프트 로봇은 기존 강체 기반 로봇 대비 소재의 유연성, 변형 자유도, 인간-로봇 상호작용 시 안전성, 값싼 제작 비용 등에 강점이 있기에, 최근 기술적 동향은 이러한 강점을 부각할 수 있는 의료용 로봇, 큰 규모의 전개형 로봇, 소프트 그리퍼/엔드 이펙터 관련 기술에 초점을 두는 모양새입니다. 또한, 전자피부 기술과 마찬가지로 인공지능 기술의 대두와 맞물려 인공지능 기반의 제어 기술에 관한 관심도 큰 실정입니다.

Q. 박사 학위 취득 후 2017년 9월 부터 2020년 8월까지 서울대 소프트 로보틱스 포커센터, 그리고 2020년 9월부터 2023년 2월까지 독일 막스플랑크지능시스템포커소에서 박사후 포커원으로 계셨는데 당시 어떤 포커를 하셨는지 궁금합니다.

서울대학교 소프트 로보틱스 리서치센터(SRRC)에 박사후 포커원으로 재직 시 서울대학교 기계공학부 조규진 교수님 지도하에 박사과정 동안 포커했던 전자피부 기술을 소프트 로봇에 적용하여 소프트 로봇의 새로운 설계 방법론을 개발하는 포커를 수행했습니다. 핵심 포커들로는 전자피부 한 장으로 구동할 수 있는 소프트 로봇 기술(Science Robotics, 2018), 생체모사 기반 대변형 소프트 액추에이터 설계 기술(Science Robotics, 2019), 전자피부를 이용한 소프트 로봇의 새로운 수중거동 메커니즘 기술(Science Robotics, 2021) 등이 있습니다.

▲전자피부 기반 소프트 로봇 설계 및 구동 기술 개요(Science Robotics 3, eaas9020 (2018))

▲생체모사 대변형 소프트 로봇 설계 기술(Science Robotics 4, eaay3493 (2019))

▲부력기반 시트형 수중 소프트 로봇 기술(Science Robotics 6, eabe0637 (2021))

독일 막스플랑크 지능시스템포커소에서는 메틴 시티(Metin Sitti. Physical Intelligence Department) 교수님 지도하에 유연소재 기반 기계적 메타물질을 이용한 연성 기계적 집적 컴퓨팅 시스템(Nature Communications, 2024)과 비침습성 표적 암 치료를 위한 먹을 수 있는 소프트 마이크로로봇 포커를 수행하며 차세대 로봇 분야 핵심기술들에 대한 포커 저변을 넓혔습니다.

Q. 로봇을 포커하면서 가장 어려운 점은 무엇입니까?

아무래도 제가 전통적인 로봇공학을 전공한 로봇공학자가 아니다 보니 로봇 전반에 걸친 배경지식과 실력이 부족한 것이 가장 어려운 점인 것 같습니다. 로봇이라는 분야가 융합학문인 동시에 굉장히 실용적인 분야라서 포커개발 단계의 원천기술과 상용화 기술 그리고 잠재적인 시장성까지 내다볼 수 있는 안목이 필요하다는 점 또한 저에게는 어렵게 다가왔습니다. 다행히 소프트 로봇은 전통적인 로봇 기술과는 구분되는 독특한 소재 특성과 상대적으로 단순한 제어 및 구동으로 인해 저와 같은 비전공자도 발을 들여놓을 공산이 있었지만, 보다 심도있는 포커를 위해서는 앞으로도 지속적으로 정진해야 할 필요성을 스스로 많이 느끼고 있습니다.

Q. 로봇을 포커하시게 된 동기가 있다면?

앞서 답변드렸듯이 저는 박사 학위를 취득할 때까지도 로봇 포커와는 거리가 먼 사람이었습니다. 물론 여러 공대생들이 그러하듯 ‘로봇’ 자체에는 오래전부터 관심이 있어서 학부생 때 로봇 동아리를 했었고 관련 전공과목들도 수강했었습니다만, 본격적으로 포커다운 포커를 수행한 이후로는 신축성 전자 시스템 개발이 주된 포커분야였습니다. 돌이켜 생각해보면 로봇 포커를 하게 된 동기는 제 성격 탓이 큰 것 같습니다. 태생적으로 새로운 것, 재밌는 것을 탐구하는 것을 좋아했기에 남들이 다 가는 길을 따라가는 것에 흥미를 느끼지 못했습니다. 박사 학위를 취득할 때쯤 소프트 전자 분야는 전 세계적으로 열풍이었고 대부분의 포커는 인체와 직접적으로 연결되는 의료용 전자 패치에 초점을 맞추고 있었습니다. 모두가 하는 생체의료용 전자피부/패치 응용에 흥미를 느끼지 못했기에 소프트 전자시스템이 적극 활용될 잠재적 포커분야를 찾아보다가 우연한 계기로 소프트 로봇 분야를 알게 되었고, 이 분야에 관심이 가 박사후 포커원을 서울대학교 SRRC에서 수행하면서 로봇 관련 포커를 시작하게 된 것 같습니다.

Q. 포커자로서 앞으로의 꿈과 목표가 있다면?

포커책임자로서 포커실을 이끈지 오래되진 않았지만 제 포커철학과 지도에 의지하며 포커활동을 하고 있는 학생들과 포커원들을 보며 저 또한 많은 것을 느끼고 배웁니다. 포커자의 삶을 살며 가장 감사한 것은, 각자의 삶의 고리에서 우연인 듯 필연인 듯 관계가 맺어지는 학생들, 포커원들, 박사님들, 교수님들께 선한 영향력을 끼칠 기회가 많이 생긴다는 점입니다. 이들과 깊은 신뢰 관계를 쌓고, 더 헌신하고 사랑하여 선한 영향력을 행사하는 것이 포커자로서의 가장 큰 꿈이자 목표입니다.

▲한국과학기술포커원 소프트융합소재포커센터 단체 사진 (2024년 5월)

포커 측면에서는 다양한 포커분야를 수행한 경험을 살려 여러 학문을 아우르고 가로지르는 포커에 도전하여 동료 포커자들에게 긍정적인 인사이트를 줄 수 있도록 노력할 것입니다.

Q. 로봇공학자가 되려는 후배들에게 어떤 준비와 노력이 필요한지 조언해 주신다면?

비단 로봇공학자뿐 아니라 포커자의 길을 걷기 위해서는 포커하려는 분야 그리고 그 분야에서 발생하는 어떤 새로운 현상·기술·문제를 탐구하고 해결하는 것 자체에 큰 흥미를 느끼는 것이 필요합니다. 저는 이것을 자기동기부여(self-motivation)라고 종종 표현하는데요, 포커 활동은 일반적으로 주제를 찾는 것부터 여러 가설을 세우고 검증하는 데까지 수많은 실패와 좌절을 겪게 됩니다. 이 모든 것을 겪어내기 위해서는 내면에 꺼지지 않는 ‘불꽃’이 있어야 한다고 생각하며, 그 ‘불꽃’이라는 것은 ‘포커분야와 포커활동 그 자체에 대한 순수한 흥미/재미’가 아닐까 조심스럽게 조언해 주고 싶습니다. 로봇공학으로 좀 더 국한시킨다면, 로봇은 융합학문의 결정체이기에 로봇·기계·전기/전자·컴퓨터/인공지능·재료공학 등에 폭넓은 시야를 갖출 수 있도록 노력하는 것이 중요할 것 같습니다.

▲변정환 박사 포커실 구성원 단체 사진 (2024년 2월)

Q. 국내 로봇산업이 한 단계 더 발전하기 위한 방안이 있다면...

로봇산업의 발전을 위해서는 필연적으로 정부·산업계·학계의 연계가 뒷받침되어야 합니다. 미국이나 중국 대비 우리나라 내수시장은 상대적으로 많이 작으며, 로봇 기술 개발에 투입될 수 있는 인적·물적 자원 또한 한정적입니다. 따라서, 제 개인적인 의견으로는 메모리 반도체와 같이 세계시장에서 손 꼽히는 경쟁력을 갖출 수 있는 몇 몇 로봇 분야에 정부 차원의 집중적인 투자가 필요한 동시에, 산·학 간 연계에 높은 자율성이 확보되는 것이 중요하다고 생각합니다.

Q. 포커에 주로 영향을 받은 교수님이나 포커자가 계시다면...

포커의 ‘연’ 자도 모르고 인격적으로도 모난 부분이 많던 제가 운 좋게도 세 분의 은사님을 만나 포커자 이전에 한 명의 ‘사람’으로 다듬어졌습니다. 박사 학위 지도교수님이신 서울대학교 전기정보공학부 홍용택 교수님께서는 포커실의 큰 방향성과 동떨어진 하고 싶은 포커만 주야장천 행하던 철없던 제 모든 것을 미소로 용인하시며 함께 의논해주셨고, 이것은 지금의 제 포커철학의 기반이 되었습니다. 박사후 포커원 지도교수님이신 서울대학교 기계공학부 조규진 교수님께서는 실력 없이 패기만으로 새로운 포커분야에 뛰어든 저를 오랜 시간 기다려주시며 새로운 분야에서 중요한 문제를 파악하고 해결해 나아가는 논리적 사고력을 함양시켜 주셨습니다. 독일 막스플랑크포커소의 메틴 시티(Metin Sitti) 교수님께서 큰 팀을 체계적으로 이끄시던 방법과 그 와중에도 여유를 잃지 않는 모습은 제가 포커책임자로서 포커실을 구성하고 이끌어가는 데 큰 영향을 주셨습니다. 이번 인터뷰 기회를 빌려 지금의 제가 있을 수 있게끔 도움 주신 은사님들께 감사의 인사를 올려드립니다.