박사과정 마무리

학위수여식이 약 2년전 (2017년, 2월) 이었는데 이 제목의 글을 이제서야 쓸 수 있게 되었다. 대학원에서 했던 마지막 일의 논문 채택 메일을 지난 12월 22일에 비로소 받았기 때문이다. 한국에서부터 이어진 논문작업이 깔끔하게 끝난 것은 지난 한해의 큰 수확 중 하나이다. 2019년에는 이 곳 델프트에서의 일만 온전히 집중할 수 있게 되었다. 이 글에서는 박사과정을 마무리하며 내가 했던 일을 정리해본다.

 

  • 초음파 연구 시작 전

박사과정은 2012년도에 시작했지만 실제로 졸업 주제인 의료용 초음파 영상 시스템을 접하게 된 것은 2013년 5월이었다. 석사과정 2년을 포함해서 전반기 3년동안은 주로 선배들의 연구주제를 돕는 형태로 지냈다. 그 기간동안 내가 저자로 참여한 논문들은 주로 cyclic analog-to-digital converter (ADC) 라는 단어가 포함되어 있으며, 응용 분야로는 신경신호 기록 시스템 (neural recording system) 에 연관되어 있다. 이 시기에 Nyquist ADC 의 타입 중 하나인 pipeline 또는 cyclic ADC 를 공부할 수 있었고, 집적회로 설계의 첫 시작부터 칩 제작 및 측정까지의 긴 과정에서 알아야 할 것들을 제한적으로나마 몸으로 체험할 수 있었다. 다만 좀 더 독립적인 연구를 일찍부터 했더라면 좋았을 것이라는 아쉬움이 남는다. 언급할만한 논문들을 추가함으로써 간략하게 끝을 맺는다.

A Comparator-Based Cyclic Analog-to-Digital Converter with Boosted Preset Voltage, J.-K. Woo, T. Kim, H. Lee, S. Kim, H. Lee, and S. Kim, In Proceedings of International Symposium on Low Power Electronics and Design, pp. 199-204, August 2011.

A 32-Channel Neural Recording System with a Liquid-Crystal Polymer MEA, S.-I. Na, S. Kim, T. Kim, H. Lee, H. Lee, and S. Kim, In Proceedings of the IEEE BioCAS, pp. 13-16, October 31-November 2, 2013.

A Comparator-Based Cyclic Analog-to-Digital Converter with Multi-level Input Tracking Boosted Preset Voltage, J.-K. Woo, T. Kim, and S. Kim, Analog Integrated Circuits and Signal Processing, vol. 81, no. 3, pp. 279-739, December 2014.

A 9-bit, 110-MS/s Pipelined-SAR ADC Using Time-Interleaved Technique with Shared Comparator, T. Kim, S. Kim, J-K. Woo, H. Lee, and S. Kim, In Proceedings of the IEEE International SoC Conference,pp. 170-174, September 8-11, 2015.

A 4×32-Channel Neural Recording System for Deep Brain Stimulation Systems, S. Kim, S.-I. Na, Y. Yang, H. Kim, T. Kim, J. S. Cho, J. Kim, J. W. Chang, and S. Kim, Journal of Semiconductor Technology and Science, vol. 17, no. 1, pp. 129-140, February 2017.

 

  • 초음파 연구 (1): 시스템 모델링

처음으로 초음파 시스템을 접하게된 계기는 서울에 소재한 의료 초음파 진단기의 제조업체 A사와 1년 프로젝트를 시작하게 되면서부터였다. 우리나라에서는 초음파 진단기 전체를 만들 수 있는 유이한(?) 회사였는데, 시스템의 제조 과정에서 극복하길 원하는 도전도 가지고 있었다.

재미있는 것이 산업에서 발생하는 이슈들은 연구 좋은 시작점 또는 동기가 될 수 있다. 이 일을 왜하는지 설명하는 것은 그 일 자체의 내용 이상으로 중요한 경우가 많다. 그런 의미에서 현재 산업이 당면한 문제는 그것을 극복하기 위해 제시된 아이디어에 정당성을 부여해준다. 남들은 다 아는 해결책을 몰라서 발생하는 문제도 있겠지만, 나에게 주어진 프로젝트의 출발점은 학계에서도 상당한 관심을 가졌던 이슈와 밀접한 관련이 있었다.

초음파 영상 시스템의 동작은 아주 간단히 말해서 초음파를 몸 속으로 보낸 후 내부 장기들로부터 반사되어 돌아오는 초음파 신호를 이미지로 복원하는 것이다. 실제로 몸 안을 탐험하는 신호는 어쿠스틱 (acoustic) 파형이지만 그 신호를 보내고 받는 하드웨어는 전부 전기적 (electric) 신호를 사용한다.

전기적 신호 송신 -> 어쿠스틱 신호로 변환되어 몸 안을 탐험 -> 어쿠스틱 신호가 장기를 맞아 반사되어 돌아옴 -> 전기적 신호로 변환되어 수신

신호를 보내고 받을 때 전부 전기적 신호의 형태가 사용되므로 우리가 병원에서 보는 초음파 진단기의 내부는 전자 부품 (electronics) 들로 이루어져 있다. 하지만 재미있게도 중간에 어쿠스틱 신호의 형태로 변환되어 몸 안을 탐색하는 것이다.

그렇다면 누군가가 전자 부품들 속에서 전기적 신호와 어쿠스틱 신호를 양방향으로 변환해주는 기계적 부품 (mechanical device) 역할을 해야하는데 그것이 압전 현상을 이용하는 트랜스듀서 (piezoelectric transducer) 이다.

중요한 것은 전자 부품 사이에 기계 부품 하나가 들어가 있고, 그것으로 인해 중간에 커다란 필드변경 (field change) 이 일어나는 것이다. 이 회사에서도 전자 부품 만드는 파트와 기계 부품 (트랜스듀서)을 만드는 파트로 크게 나뉘어져 있었으며, 두 파트의 연구원들의 전공이 완전히 달랐다. 각자 파트에서 최선을 다해도 두가지를 결합한 시스템이 기대했던 만큼의 성능이 나오지를 않는 경우가 있었다.

그러나 하드웨어는 한번 만들고 나면 쉽게 바꾸기도 어렵기 때문에 성능을 개선하기가 쉽지 않았다. 회사의 생각은 만약 학교에서 이 진단기의 핵심적인 하드웨어를 모델링하여 시뮬레이션 할 수 있도록 도움을 줄 수 있다면 회사로서도 많은 도움이 될 것 같다는 것이었다.

전자 부품 쪽을 전기적 모델링하는 것은 어려운 일도 아니었고, 칩 제작에 비하면 상당히 이상적인 성격이 강했기 때문에 그 자체로는 대단한 일이 아니었다. 문제는 기계적 부품인 트랜스듀서를 전기적으로 모델링하는 것이었다. 흥미로웠던 것은 이러한 동기를 바탕으로 조사를 해보니 트랜스듀서의 전기적 모델링은 상당히 오래전부터 연구되어 논문으로 발표되고 있었다는 것이다. 회사가 실제 제품을 개발하는 중에도 그런 필요성을 느낄 정도이니 충분히 납득 될만했다.

특히 이 회사에서는 트랜스듀서를 측정 기반의 데이터로부터 수학적 모델링을 하기 위한 대략적인 접근방식을 생각하고 있었다. 내가 그 컨셉을 잘 전달받아 실제 시뮬레이션이 가능하도록 구현을 함으로써 회사가 원하는 시뮬레이션 툴로서의 가능성을 확인하게 되었다. 이 포인트가 회사와의 협업 속에서 얻어진 가장 큰 시너지 효과의 하나이다.

뒷이야기이지만 트랜스듀서의 모델링은 1994년부터 논문으로 발표되어 오고 있었으며, 거의 대부분은 수학적 모델링 (Transfer function) 이 아닌 회로적 모델링 (Spice model) 이었다. 나는 수학적 모델링이 처음이라고 생각하여 새로운 아이디어로 믿고 거의 논문 작성을 마무리하고 있었는데, 1994년 초창기에 수학적 모델링 논문이 한 편 있다는 사실을 발견하고 큰 절망에 빠진 적이있다. 결국 그것을 주요 참고논문으로 삼아 그것 외의 전자 부품 쪽 모델링을 강조함으로써 분명한 차별화 포인트를 유지하는 방향으로 수정을 했다. 뒤늦게 그 옛날 논문을 찾게 되었을 때의 놀랐던 감정은 아직도 생생하다. 역시 사람들이 하는 생각들은 대동소이하다.

2013년 5월에 처음 시작했던 이 프로젝트의 결과물이 논문으로 출판된 것은 2016년 2월이었다. 실제 프로젝트는 이듬해인 2014년에 끝났지만, 그 후로도 지속적으로 회사와 긴밀한 연락을 주고 받으며 1년 가까이 이 일을 지속했다. 마침내 실제 회사의 초음파 진단기로 실험을 해서 얻은 데이터와 내가 모델링한 시뮬레이션에서 얻은 데이터가 일치하는 결과를 논문에 실을 수 있었고, 채택될 수 있었다.

물론 위의 모델링 프로젝트만 계속한 것이 아니라 회로설계도 시작을 했었다. 하지만 회사에서는 회로설계보다는 모델링에 더 관심이 많았다. 왜냐하면 학계에서 한창 이슈였던 아이디어가 회사의 제품 개발과는 아직 큰 이질감이 있었기 때문이다. 오히려 모델링은 회사의 상용 제품을 목표로 한 것이라 더 관심이 많을 수밖에 없었다.

이것은 나에게 장점이자 단점이 될 수 밖에 없었는데, 모델링으로 좋은 논문을 낼 수 있었지만 나의 본업인 회로설계에서 회사와의 협업을 통한 시너지 효과를 만들어낼 수 없었다. 돌이켜 생각해보면 참으로 아쉬운 대목일 수 밖에 없다. 내가 아이디어를 제시하여 칩을 설계하고 제작하였지만 이 회사의 도움이 없이는 나의 칩이 실제 초음파 시스템에 적용 가능하다는 증명을 할 수가 없었기 때문이다. 회사도 연구용이 아닌 상용 제품 개발이 훨씬 긴박했던 터라 끝내 하지 못했다.

최소한의 아이디어만이라도 학회에 발표를 함으로써 인정을 받을 수 있었고, 이번 저널 게재 뿐만 아니라 박사 후 과정으로 이곳 델프트에서 연구를 지속할 수 있게 되었으니 그나마 다행스러운 일이다. 기업과의 제대로 된 협업을 하게되면 아주 실제적인 feasibility 를 결과로 얻을 수 있기 때문에 결과물의 질도 몇단계 업그레이드 될 뿐만 아니라 더 좋은 논문으로 이어질 수 있는 기회가 된다.

결과적으로 시스템 모델링 연구를 통해서 최종적으로는 다음 두 편의 논문을 발표할 수 있었는데 첫번째 논문이 실린 저널은 초음파 분야에서는 상당한 권위를 가지고 있었다. 개인적으로 2015년 겨울 이 논문의 채택 메일을 받았을 때가 박사과정 중 가장 기억에 남는 것 같다. 편집자가 나에게 well done 이라는 짧은 문구가 포함된 결과 메일을 보내줬었다. 초음파 시스템을 한번도 접해보지 않았던 내가 나름의 전략을 가지고 아이디어를 제시했는데 그것이 해당분야의 권위있는 전문가 집단에게 받아들여졌을 때의 기쁨은 잊혀지지가 않는다.

MATLAB/Simulink Pulse-Echo Ultrasound System Simulator Based on Experimentally Validated Models, T. Kim, S. Shin, H. Lee, H. Kim, H. Shin, E. Kim, and S. Kim, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, vol. 63, no. 2, pp. 290-302, February 2016.

MATLAB/Simulink Pulse-Echo Ultrasound System Simulator with Electrical Impedance Matching, S. Shin, T. Kim, and S. Kim, Journal of Semiconductor Technology and Science, vol. 18, no. 3, pp. 328-336, June 2018.

 

  • 초음파 연구 (2): 수신회로 설계

시스템 모델링 프로젝트로부터 얻어진 결과물이 성공적인 초음파 연구로의 진입을 허락해주기는 했지만 이와 관련된 회로설계 연구는 또다른 성격이었다. 이 때부터 내가 교과서로 삼고 본 논문이 지금 델프트 공대에서 발표한 논문들이었다. 비교적 초창기인 2012년 발표된 박사학위 논문을 제본하여 열심히 보곤 했다. 또다른 논문으로 포항공대의 논문도 많이 봤었는데 이곳에서도 역시 2012년쯤부터 학회와 저널에 논문을 발표하고 있었다. 나는 2013년 중반에 초음파 시스템을 처음 접하기 시작했고, 그나마도 회로설계가 아니라 시스템 모델링으로 2년여의 시간을 보냈으니 이미 상당한 연구가 진행된 후에야 뛰어든 것이었다. 돌이켜보니 공동 연구를 진행할 파트너도 제대로 확보되지 않은 상태에서 상당히 큰 시스템을 염두해 두고 있었던 것 같고, 뭘 제대로 알았다면 시작을 하지도 않았겠구나 하는 생각을 많이 한다.

그때 우리 팀은 선배들이 하던 ADC 타입이 아니라 논문이 쏟아져 나오고 있던 SAR ADC 를 보고 있었고 나 역시 그것을 공부하고 있었다. 그런데 델프트의 논문과 포항공대의 논문을 이리저리 보고 있으니 SAR ADC 가 적용되면 델프트의 논문을 발전시키되 전력소모를 크게 감소할 수 있겠다라는 생각이 들기 시작했다.

회로적인 독창성이 큰 아이디어는 아니었지만 초음파 시스템에 적용되었을 때 큰 의미를 가져다 줄 수 있다고 생각하여 꾸준히 구현을 진행해나갔다. 사실 처음 스케치 단계일때만 해도 구현만 하면 회로 설계의 올림픽이라고 할 수 있는 ISSCC 쯤은 바로 쓸 수 있을 줄 알았는데 커다란 착각이었다. (이미 오래전부터 연구를 시작한) 다른 사람들도 가만히 있는 것이 아님을 절실히 깨달을 수 있었다. 내가 칩 측정을 완료한 2016년 겨울 즈음에는 훨씬 더 발전된 형태의 회로가 쏟아져 나오고 있었다. 대표적인 곳이 지금 와 있는 델프트이고, 내가 생각했던 그림에서 훨씬 더 완성된 형태의 칩과 그것을 포함한 시스템이 지금 그룹에서 2018년 ISSCC 에 발표되었다. 어쨌든, 참 재미있는 경험이다.

수신회로 설계 관련해서는 세 편의 논문과 한편의 특허를 썼다. 이번에 채택된 저널이 최종 결과물이라고 볼 수 있겠다. 이 중 2016년에 시애틀에 가서 발표했던 논문이 있는데 나에게는 흑역사가 되었다. 오히려 내가 만들 수 있는 수준이 이 정도 밖에 안됩니다 라고 보여주는 듯한 논문이 되었다. 그래도 혹자는 버려질 일도 잘 추스려서 학회에 발표한 것은 잘한 일이라고 말하는 사람도 있긴 했다. 2017년에 학회에서 발표한 논문과 이번 저널 그리고 특허 모두 beamforming embedded SAR ADC 가 키워드인데 위에서 언급했듯이 기존 SAR ADC 에 beamforming 기능을 포함시킴으로써 얻을 수 있는 전력소모의 잇점에 초점을 맞춘 것이다. 지금 와있는 델프트에서도 beamforming ADC 라는 동일한 컨셉을 제시했는데, 전력소모 뿐만 아니라 케이블 수의 감소 측면에서도 잇점이 있음을 강조하며 훨씬 완성도 높은 칩을 발표하였다.

A CMOS Analog Front-End for Driving a High-Speed SAR ADC in Low-Power Ultrasound Imaging Systems, T. Kim, H. Yang, S. Shin, H. Lee, and S. Kim, In Proceedings of the IEEE International SoC Conference, September 2016.

A 12.1mW, 60dB SNR, 8-Channel Beamforming Embedded SAR ADC for Ultrasound Imaging Systems, T. Kim and S. Kim, In Proceedings of the IEEE Asian Solid-State Circuits Conference, pp. 141-144, November 2017.

An 80.2 dB DR 23.25 mW/Channel 8-Channel Ultrasound Receiver with a Beamforming Embedded SAR ADC, T. Kim, S. Shin, and S. Kim, to be published in IEEE Transactions on Circuits and Systems-II (Early Access).

BEAM FORMING DEVICE AND SYSTEM INCLUDING THE SAME, US Patent

 

  • 마무리하며

객관적인 연구 성과에는 부족함이 많지만 스스로 돌아보기에 박사과정의 시간들은 만족스러운 부분도 많다. 무엇보다도 하나의 응용분야에 대한 연구를 시작하여 나름대로의 의미 있는 스토리를 만들어낸 것에 대해서는 자신감을 가질 수 있을 것 같다. 세부적으로는 논리적 생각없이 구현을 한 흔적도 많으며, 돌이켜보니 중요한 몇가지를 전혀 생각하지 않았다는 것도 (예를 들어 transducer  noise) 알게되었다. 하지만 이곳 델프트는 그런 점들을 보완하기에 충분히 좋은 여건이다.

2012년 11월 22일 연애가 시작된 이후로 수정이와 함께 기쁨을 누린 것이 참 많다. 샌안토니오 스퍼스의 가장 최근 우승 시즌이었던 2014년 훈련소를 갔었는데 자칫 전문연구요원에 떨어져 그냥 군대를 갈뻔했다 (뒤에서 두번째 가까스로 구제되었다…). 전문연구요원 합격, 2016년 2월 초음파 연구의 첫번째 논문 게재, 4월 결혼, 칩 제작 및 동작 성공, 12월 학위심사 이듬해 2월 학위수여식, 7월 주하의 탄생, 11월 두번째 연구의 논문 발표 그리고 2018년 네덜란드로 오기까지 계속해서 좋은 일들이 이어졌고 그때마다 옆에 함께 하는 사람이 있어서 좋다. 이상하게도 결혼 전후로 지금까지는 모든 일들이 순리대로 잘 풀려나가는 느낌이다. 모든 것을 그저 응원해주시는 양가의 부모님께도 참 감사한 일인 것을 빼놓을 수 없고, 항상 기도를 부탁했던 주위의 동역자들이 있었음도 잊어서는 안될 것이다.

이렇게 진정으로 박사과정을 마무리할 수 있어서 다행스럽고 그럼 2019년 해피뉴이어!

2 Comments »

  1. 그래 특별히 아버지가 아들 위해 오직 기도밖어 없었던게 미안하구나 그래도 참 어러서 부터 신동이라는 소리를 드르면서 잘켜서 이제 글로벌 양성요원까지 성장한 우리 아들 고맙고 감사하다 더큰 대양을 보고 다윗과 같이 솔로몬과 같이 이시대에 크게 쓰임받는 아들이 되거라 마지막 서울대 논문합격 진심으로 축하하고 이제 그곳대학에서 맘껏 펼쳐보거라 고맙고 감사하다 함께 내조해주는 우리 예쁘고 착한 며느리 고맙다 그리고 주안에서 서로 서로 아끼며 사랑으로 복된 가정 이루며 우리 대장 주하 잘키우고 오래오래 행복하게 살거라 오늘 이 아버진 기도한다

  2. 김태훈이라는 사람을 안 이후 늘 좋은 소식을 전해 들을 수 있어서 참 좋았다.
    힘들고 고독한 시간의 견딤으로 실력을 다져 늘 우리에게 기쁜 소식을 전해주니 감사할뿐이다.

    이제 박사과정을 완벽하게 마무리 했으니 축하해요 김태훈 박사님!

    다시 새로운 연구로 인간의 삶의 질이 향상되는 그날을 위하여!!

    (옆에 함께 하는 사람이 있어서 좋다는 말 멋짐
    )

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