‘과학 산책’ 시리즈는 교수님과의 인터뷰를 통해 바이오및뇌공학과의 다양한 연구 분야를 알아보는 시간입니다. 이번에는 우리 학과에서 바이오 전자시스템을 연구하고 계시는 김철 교수님을 찾아 뵈었습니다. ‘과학 산책’인 만큼 학교 안 이곳저곳을 함께 산책하며 교수님의 연구에 관한 이야기와 더불어 연구자로서 살아가시는 이야기를 인터뷰 했습니다..

 

 

 

바이오및뇌공학과 김철 교수님

 

 

Q1) 안녕하세요, 교수님! 바이오및뇌공학과의 많은 학생 여러분들과 또 학과에 관심이 있는 다양한 독자분들께서 <과학 산책>을 읽어 주십니다. 이번 호도 많은 기대를 가지고 보아 주실 텐데요. 교수님과 <과학 산책>을 함께 할 독자 여러분들께 간단한 인사 말씀 한 마디 부탁드립니다. 

 

 네, 안녕하세요! 저는 바이오및뇌공학과 김철입니다. 저는 반도체 집적회로 설계 기술을 활용한 바이오 전자 시스템 설계에 관심을 가지고 연구를 하고 있고, 연구실은 지금 양분순 빌딩 5층에 있으니 언제든지 궁금한 게 있으면 찾아오시면 됩니다.

 

Q2) 김철 교수님의 연구실에서는 반도체 설계 기술을 활용한 바이오 전자시스템 분야에서 다양한 연구를 진행하고 계십니다. 바이오 분야에서 반도체 기술이 어떻게 활용되는지 바이오 공학과 전자회로 기술에 관심이 있는 독자들에게 설명을 부탁드립니다.

 

 처음 반도체 기술과 바이오 공학에 대해 들으신다면, 그 둘이 서로 멀게 떨어져 있는 별개의 연구라고 느껴질 수도 있겠지만, 사실 잘 알고 보면 반도체 기술과 바이오 공학은 천생연분 찰떡궁합이라고 할 수도 있을 것 같아요. 그 이유는 반도체 기술의 가장 주요한 특징 때문입니다. 뉴스에서도 자주 소개되어서 많은 분들이 알고 계시겠지만 이미 3나노미터 선폭의 아주 작은 반도체 회로가 안정적으로 공장에서 양산되고 있고, 2나노미터, 1나노미터 대의 회로를 생산하고 있고, 그보다 더 작은 크기의 반도체를 가공하고 있습니다. 단순히 나노미터 이하의 회로를 가공 할 수 있다는 수준을 넘어서서 양산까지 해내고 있기 때문에, 사실은 실생활에 활용할 수 있는 센서, 복잡한 연산이 필요한 프로세서를 초소형으로 구현하기에 아주 좋은 시대가 찾아온 것입니다.  그것이 바이오 공학하고 어떤 관계가 있을까요? 사실 바이오 공학은 언제나 초소형 센서를 원하고 있습니다. 그리고 센서만이 아니라 이제 작은 기계 내부에서 다양한 그리고 복잡한 연산을 수행하고 싶어합니다. 특히 최근에는 AI 시대가 들어오면서 추론, 분류와 같이 연산양이 많이 필요한 작업을 수행하는 것이 트렌드가 되어서 반도체 기술은 바이오 공학이 꼭 필요로 하는 기반 기술이 되었습니다. 예를 들어 Brain-Machine Interface, BMI 얘기를 한번 해 본다면, BMI 시스템은 굉장히 매력적이고 중요한 애플리케이션으로 생각하지만, 현재 시스템이 너무 커서 불편하기도 하고 당장 활용하기에는 약간 어려운 단계에 있습니다. BCI 기술에도 사실은 반도체 집적 회로 시스템이 반도체 직접 기술을 활용한 그런 시스템이 구현된다면 시스템을 초소형화 하는 데에 큰 도움이 될 거라고 생각하고 있습니다.

 

 우리 연구실에서 설계하는 반도체 칩들도 완성품이 밀리미터 수준으로 작습니다. 수 밀리미터 이내의 장치로 생체 신호를 읽고 처리하며, 외부로 전송하고, 전력이나 데이터를 무선으로 송수신하는 장치를 개발 할 수 있고, 체내 신경계에 전기 자극을 주는 시스템을 반도체 집적 회로 시스템을 이용해서 설계하면, 기존의 회로기판 기술을 사용하는 디바이스보다 10배, 100배 이상 더 작아질 수 있습니다. 거기에 저전력 설계 기술을 더해 집적 회로를 제작하면 배터리 사이즈도 줄어드는 이중의 효과가 발생하여 훨씬 크기를 줄일 수 있습니다. 이러한 점에서 초소형 바이오 공학 시스템을 만드는 데 반도체 기술은 굉장히 핵심적인 역할을 하고 있고 바이오 공학과 반도체 기술은 그래서 찰떡 궁합이라고 할 수 있습니다.

 

 

Q3) 바이오 전자회로에 관한 교수님 말씀을 들으니 반도체 기술이 바이오 공학 바이오 기술 분야에서 얼마나 잘 활용이 될 수 있는지에 대해서 잘 이해를 하게 되었습니다 교수님께서 연구하고 계시는 바이오 전자시스템에 대해서도 궁금해집니다. 교수님 연구실에서는 어떤 연구를 진행하고 계시는지 독자 여러분께 소개를 부탁드립니다. 

 우리 연구실은 가장 가까운 미래의 연구 목표로 ‘인비저블 브레인-머신 인터페이스 시스템(Invisible Brain-Machine Interface System)’을 개발하고자 합니다. 여기서 ‘인비저블’이라는 것은 해리포터에 나오는 투명 망토 같은 개념이 아니라, 아주 작아서 외부에서 보이지 않거나 아예 몸 안에 이식될 수 있는 시스템을 의미합니다.   

 이러한 BMI 시스템을 만들기 위해, 저희는 특히 반도체 집적회로 기술을 활용해 생체 신호를 읽고, 센서에서 그 정보를 바로 처리하고, 생체조직에 피드백을 제공할 수 있는 시스템을 연구하고 있습니다.

 현재 대부분의 BMI 시스템은 생체 신호를 읽은 후 그 데이터를 모두 외부 컴퓨터로 보내고, 그곳에서 분석과 처리를 진행합니다. 하지만 이런 방식은 시스템 옆에 항상 컴퓨터가 있어야 한다는 한계가 있습니다. 저희는 이 한계를 극복하기 위해, 신호의 획득 뿐 아니라 처리와 학습까지도 하드웨어 수준에서 구현하는 연구를 진행 중입니다. 또한,생체 신호를 읽어내는 것뿐만 아니라, 필요한 경우 신호를 다시 몸으로 돌려보내는 전기 자극이나 광학 자극 시스템도 연구하고 있습니다. 특히 이런 시스템이 몸 안에 이식되는 경우 배터리 문제를 고려해야 하는데, 이를 해결하기 위해 무선 전력 전송 기반의 배터리리스(Battery-less) 시스템 개발에도 집중하고 있습니다.   

 

<그림 1> 김철 교수님 연구실에서는 신경 자극기를 기반으로 하는 전자약 기술에 활용할 수 있는 생체 내 무선 전력 전송 기술 (DiTTO)을 제안했다. (H. Kim, Y. Park, C. Sung, J. Cho, S. Park and C. Kim, "DiTTO: A Distance Adaptive Over 100-mW Wireless Power Transfer System With 1.695-Mb/s Uplink Telemetry and a Shared Inductor Two-Output Regulating Rectification," in IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2024) 하나의 인덕터 기반 공명회로에서 생성되는 전자기 에너지를 코일을 통해 전송하면서 동시에 수신단의 다양한 전력 요구 조건을 충족할 수 있다. 무선 전력 전송 및 1.6Mbit/s 수준의 무선 신호 전송 솔루션을 동시에 제공하여 기존의 전력-데이터 동시 전송에서 발생하는 트레이드-오프 문제를 해결했으며, 거리에 따라 달라지는 전기적 환경에 빠르게 적응하여 안정적인 무선 전력 전송을 지속 제공하는 기술이다.

 

 이와 함께, 차세대 웨어러블 시스템에도 관심이 많습니다. 전통적으로 웨어러블이라고 하면 몸에 착용하는 장치를 떠올리지만, 저는 착용해야 하는 번거로움 자체가 현재의 웨어러블 시스템의 한계라고 생각합니다. 사람들이 생체 신호를 얻기 위해 기기를 착용하지 않아도 되는, 일상 속에 자연스럽게 녹아드는 형태가 되어야 한다고 봅니다. 예를 들어, 침대나 의자, 책상 같은 일상적 사물 속에 센서를 내장해 사용자가 별도의 행동 없이도 생체 신호가 수집되는 시스템입니다.   

 실제로 저희는 침대 밑에 센서를 넣어 사용자가 평소처럼 누워 있기만 해도 심전도 신호가 측정되는 시스템을 개발한 적이 있습니다. 흥미로운 점은 센서가 몸에 직접 접촉하지 않은 상태에서 신호를 읽어야 하기 때문에 노이즈가 많다는 것인데, 이를 해결하기 위해 기존의 필터링 혹은 외부 컴퓨팅 디바이스(예. 컴퓨터)로 보내어 복잡한 연산을 하는대신 온디바이스 AI(On-device AI)를 활용해 노이즈와 신호를 분리하고, 유효 신호만 증폭해 처리하는 기술을 적용했습니다. 이러한 접근을 통해 인텔리전트 센서를 활용한 ‘보이지 않는 웨어러블’ 이라는 새로운 개념의 시스템을 제안하고 있습니다.

 

 

 <그림 2> 실생활 헬스케어 기술을 위한 비접촉 심전도 계측 시스템 (Minjae Kim, Premravee Teeravichayangoon, Daehyeok Park, Jiaying Shao, Geunchang Seong, Dongyeol Seok, Chul Kim, A homecare in-bed hardware system for precise real-time ECG and HRV monitoring with layered clothing, in Biosensors and Bioelectronics, 2025) . 장치를 소개하였다(edge computing) 컴퓨팅-기반으로 추출하는 에지(Field Programmable Gate Array, FPGA) 주요 심전도 관련 지표를 하드웨어 , 고감도 전위 센서를 활용하여 침대 등 일상 환경에서 비접촉 방식으로 심전도를 수집하며 주요 심전도 관련 지표를 하드웨어 (Field Programmable Gate Array, FPGA) 기반으로 추출하는 에지-컴퓨팅(edge computing) 장치를 소개하였다.

 

 

Q4) 바이오 전자시스템 분야에서 꾸준히 연구를 만들어 가시는 교수님을 보고 바이오 전자 기술과 그 파급력에 관심을 갖는 독자들이 많아질 것 같습니다. 바이오 전자 기술은 앞으로 우리가 살 미래를 어떻게 바꾸어 나가게 될지 기대가 됩니다. 바이오 전자 기술의 발전으로 바뀌어 갈 우리 미래 삶의 모습은 어떨까요? 교수님께서 가진 비전이 궁금합니다.

 

 이미 최근 메타(Meta)와 같은 기업에서 다양한 스마트 글래스나 생체 신호 측정 기기들이 개발되고 있습니다. 앞으로는 웨어러블 기기나 이식형 BMI 시스템 덕분에 삶의 질이 크게 개선될 것으로 예상됩니다. 예를 들어, 지금까지는 정상적인 생활이 어려웠던 분들이나 신체적 불편을 가진 분들에게 직접적인 도움을 줄 수 있을 것입니다. 또한 장기간의 연속적인 생체 데이터 측정을 통해, 건강한 일반인들조차도 미래의 질병 위험을 예측하고 예방하는 데 활용할 수 있습니다.   

 생체 신호의 변화 방향성을 읽어내면, 아직 발병하지 않은 상태에서도 위험성을 예측할 수 있는 가능성이 있습니다. 몇 십 년 후에는 이러한 기술이 더 고도화되어 일상 속 건강 관리에 중요한 역할을 할 것이라고 봅니다.   또 한편으로는, 이 기술이 단순히 질병 관리나 재활에 그치지 않고, 일반인들의 삶을 더욱 편리하게 만드는 방향으로도 발전했으면 합니다. 예컨대 생각만으로 로봇이나 스마트 기기를 제어하거나, 휴머노이드 로봇과 상호작용하는 등의 응용이 가능해질 것입니다. 이런 기술들이 상용화된다면, 환자분들뿐만 아니라 모든 사람들의 삶이 편리해지고 풍요로워질 것이라고 기대합니다.

 

Q5) 김철 교수님께서 우리 학과와 함께 해 주신 지 벌써 6년이 훌쩍 지났는데요. 그간 학교의 연구자로서 교수로서의 경험은 어떠셨는지 궁금합니다. 앞으로 연구자로서 교수로서 이루고 싶은 목표가 있으시다면, 앞으로 연구자로 또 전문적인 기술을 가지고 우리 사회의 일원으로 자라나갈 학생들에게 나누어 주셔요. 

 

 제가 2019년 3월에 부임했으니 어느덧 6년이 훌쩍 지났습니다. 돌아보면 첫 학생이 입학하던 때부터 지금까지의 시간들이 주마등처럼 스쳐갑니다. 그동안 카이스트에서의 시간은 매우 행복하고 즐거웠습니다.   연구라는 과정 자체가 매우 흥미로운데, 특히 열정적이고 똑똑한 학생들과 함께 연구한다는 것이 큰 즐거움입니다. 때로 지치고 힘들 때에도 학생들의 새로운 아이디어와 도전 덕분에 저도 다시 동기부여를 받곤 합니다. 학생들과의 토론에서 예상치 못한 아이디어가 나오거나, 그들이 성장하는 모습을 볼 때 큰 보람을 느낍니다. 

 강의도 마찬가지입니다. 학생들과 소통하면서 그들이 이해하는 순간을 보는 것은 정말 기쁜 일입니다. 물론 항상 완벽할 수는 없지만, 그 과정 자체가 큰 의미가 있습니다. 또 학교 내외의 봉사와 학회 활동, 연구 결과 발표 등 다양한 역할들을 수행하며 많은 것을 배우고 있습니다. 

 앞으로의 목표는, 우리 연구실에서 개발한 기술들이 논문에만 머무르지 않고 실제 세상에서 사람들에게 도움이 되는 것을 보는 것입니다. 박사 과정 시절부터 반도체 칩을 설계하고 논문을 많이 썼지만, 그 결과물이 상용화되지 못하는 경우가 많아 아쉬웠습니다. 그래서 이제는 완성도 높은 연구를 통해 실질적 영향을 주는 기술을 만들고 싶습니다. 이를 위해 사업화도 중요한 목표 중 하나라고 생각합니다. 연구실에서 나온 기술들이 특허와 창업으로 이어져 사회적 가치를 창출하는 것을 보고 싶습니다.

 

Q6) 교수님은 산업계에서도 일을 해 보신 경험도 있고, 학계에서도 경험을 쌓으셨는데 두 영역에서의 공학 연구와 경험이 어떻게 다른 지 궁금해 하는 학생들이 많습니다. 궁금해 하는 학생들에게 해 주고 싶으신 말씀이 있으시다면 나누어 주셔요.

 산업계와 학계 연구는 모두 의미 있고 중요한 작업이지만, 목표와 접근 방식에 차이가 있습니다. 학계 연구는 주로 논문을 목표로 하고, 기존 기술과의 차별점을 극대화해 새로운 지식을 창출하는 데 집중합니다. 반면 산업계 연구는 혁신적이면서도 제품화 가능한 결과물을 목표로 합니다. 즉, 새로운 기술을 ‘만드는 것’이 아니라 ‘더 나은 제품으로 발전시키는 것’에 초점을 둡니다. 

 산업계에서의 경험은 매우 현실적이고 실용적입니다. 새로운 기술을 개발하는 과정에서 수많은 문제에 직면하게 되고, 이를 해결하면서 학교에서는 미처 고려하지 못했던 다양한 요소들을 배우게 됩니다. 반면 학계에서는 스스로 낸 아이디어가 실제로 구현되고 동작하는 순간의 기쁨과 창의적 탐구의 즐거움이 있습니다.  정리하자면, 산업계에서는 내가 만든 제품이 실제로 적용되는 것을 보는 보람이 크고, 학계에서는 새로운 아이디어가 현실화되는 희열이 큽니다. 두 경험 모두 값지지만, 목표와 프로세스의 차이를 이해하고 자신이 원하는 방향을 고민해보는 것이 중요하다고 생각합니다.

 

Q7) 마지막으로 이 글을 읽고 있을 학생 독자 여러분에게 남기고 싶으신 말씀이 있으시면 나누어 주셔요.

 

 이 글을 읽고 계신 분들이 학부생일 수도 있고, 대학원생일 수도 있으며, 다른 학교 학생일 수도 있습니다. 여러분은 아직 젊고 가능성이 무궁무진합니다. 스스로 “나는 못할 거야”라는 생각을 하기보다, 긍정적인 마음으로 “무엇이든 할 수 있다”는 자세로 도전하길 바랍니다.   한국 사회에서는 겸손이 미덕으로 여겨지다 보니 “저는 잘 못해요”라는 말을 자주 듣지만, 사실 여러분은 놀라운 잠재력을 지니고 있습니다. 목표를 세우고 끊임없이 도전한다면 반드시 성장할 수 있습니다.   저는 교수로서 여러분이 도전할 때 옆에서 돕고 싶습니다. 어려움이 있더라도 혼자가 아니라 함께 달릴 수 있다는 마음으로, 두려워하지 말고 다양한 경험과 도전을 즐기시길 바랍니다.

 마지막으로, 여러분들은 꼭 운동을 하시길 권유드립니다. 운동은, 어쩌면 공부/연구 프로세스랑 상당히 비슷한지 모르겠습니다. 처음에는 너무 어렵고 힘들지만, 같이 운동하는 친구들이 있다면, 또 해내고자 하는 의지가 있다면, 다시 일어서서 해내게 됩니다. 그리고, 해당 노력으로 인해 자신의 실력이 향상된 것을 보면, 또 긍정적인 자극을 얻고 더 열심히 하게 됩니다. 이는, 우리가 공부하는/연구하는, 그리고 사실은 우리의 인생의 대부분의 프로세스랑 상당히 비슷한데, 이런 운동의 경험을 통해 어려움을 극복하는 것을 미리 경험할 수 있으면 좋겠습니다. 또한, 여러분 주변에도 이런 어려움을 같이 극복해내는 친구들이 많아서, 여러분도 도움을 받고, 또 도움을 주는 그런 사람이 되기를 바랍니다. 감사합니다.

 

시간 내어 인터뷰에 응해 주셔서 진심으로 감사드립니다