캘거리 대학교: 캘거리에 위치한 캘거리대학교 (University of Calgary, https://www. ucalgary.ca/)는 대형 국립대학으로 1966년 설립되었지만, 실제 역사는 1900년대 초반으로 거슬러 올라갑니다. 캘거리 시내 및 인근에 4개의 캠퍼스, 그리고 중동 카타르 도하 캠퍼스를 포함하여 총 5개의 캠퍼스로 이루어져 있고, 1,800여 명의 교수와 3,200여 명의 사무행정원이 24,000여 명의 학부생과 6,000여 명의 대학원생 교육을 담당하고 있는 캐나다의 명문 교육기관 중의 하나입니다.
지구정보공학과: 단일학과로서 세계 최대, 최고를 자랑하는 지구정보공학과 (Geomatics Engineering)는 지구의 내부 및 외부의 공간정보를 다루는 전형적인 학제간 학문으로, 인공위성, GNSS/GPS, GIS, IoT, 공간정보 등이 포함된 빅데이터를 다루며, 최근에는 인공지능 응용 연구가 활발하게 진행되고 있습니다. 학문의 성격상 학과 20여명의 전임 교수진은 지구과학, 물리학, 토목/도시공학, 컴퓨터, 지리학 등 전혀 다른 학문적 백그라운드와 경력을 갖고 있으며 각자의 분야에서 훌륭한 연구업적을 내고 있습니다.
연구실: Gravity and Geodynamics Lab 에서는 지구의 대표적인 물리적 성질인 중력장 (gravity field), 자기장(magnetic field) 및 인공위성 레이더 신호를 분석하여 지구 내부 구조 및 다이나믹스를 연구합니다. 이를 위해 인공위성, 항공기, 육상, 해상 등 모든 플랫폼의 다양한 고도에서 가능한 모든 방법으로 측정하거나, 유도된 지구 중력과 자기장을 처리하고 분석합니다. 연구분야 및 응용분야는 다양하며 이는 아래 연구분야에서 자세히 소개해 드리겠습니다.
지도 교수: 김정우 교수님은 한국, 미국, 그리고 캐나다에서 연구와 강의를 하신 독특한 이력을 갖고 계십니다. 2007년 캘거리 대학교에 부임하기 이전에는 한국에서 9년간 대학교수를 역임하였고, 10여 년 이상 미국에서 학업 및 연구를 수행했습니다. 오하이오 주립대학교에서 인공위성 지구물리학으로 박사학위를 취득하였고, 뉴욕 주립대학교와 미항공우주국(NASA Goddard Space Flight Center) 연구원을 역임 했습니다. 1988년부터 2년 간 남극탐사대로 남극을 5차례 방문하였고, 제2차 남극월동대원으로 세종기지에서364일간 머물며 연구한 경험이 있습니다.
연구와 강의 외에도 다양한 전문가 봉사활동을 하는데, 현재 약 3,000 명 회원으로 이루어진 캐나다한인과학기술자협회(The Association of Korean-Canadian Scientists and Engineers, AKCSE)의 회장직을 맡고 있으며, 최근까지 국제 학술단체인 International Association of Geodesy의 National Senior Delegate of Canada, International Union of Geodesy and Geophysics의 Canadian National Senior Committee을 역임했고, Canadian Geophysical Union Geodesy Section의 회장직을 수행하는 등 국제학술단체에서 학문적, 행정적 경험이 풍부합니다. 지금까지 SCI 학술논문 75편과 170편 이상의 학술대회 프로시딩 논문을 게재 및 발표하였고, 12여 개의 국제 특허를 비롯하여 한국, 미국, 캐나다, U.A.E.에서 총 36개의 과제를 통해 800만 캐나다달러(약 71억원) 이상의 연구비를 정부, 연구원 및 산업체로부터 수주하였습니다.
2-1. 미세 중력(micro gravity)을 이용한 자연재해 및 지구동력학 (geodynamics) 연구
Gravity and Geodynamic Lab은 총 100만불 상당의 고정밀 중력계 3개를 보유하고 있습니다. 아래 사진 왼쪽부터 초전도 중력계 iGrav®, 절대 중력계 A10, 그리고 일반 상대중력계 CG5의 모습이고, 이렇게 모든 형태의 중력계를 갖추고 있는 대학교의 실험실은 현재 없는 것으로 알고 있습니다. 이들 중력계는 서로 다른 특성을 갖고 있으며, 이들을 통합 운영, 해석하면 지하 심부의 미세한 질량변화를 장기간 연속적으로 관측할 수 있습니다. 이로부터 Silent Earthquake, 일반 지진 및 쓰나미(지진해일) 등의 자연재해를 감지할 수 있고. 현재는 대규모 지진의 전조를 관측할 수 있는 기술을 개발 중입니다. 뿐만 아니라 지하 심부의 미세한 질량이동 관측이 가능하여 지중저장된 초임계상태의 이산화탄소의 유동, 저류층에서의 석유, 개스 및 지하수 유동 관측이 가능합니다. 이 분야로 여러 편의 논문과 국제 특허를 보유하고 있습니다.
2-2. 인공위성을 이용한 지구 내부의 구조 및 동력학 연구
김정우 교수님은 2005년 Anomaly Continuation with Multi-Altitude Observations 이라는 연구로 U.S. National Research Council Senior Research Associateship Award를 수상 했습니다. 인공위성부터 지표까지 다양한 고도에서 관측되는 지구의 중력 및 자기장 통합하여 지구 내부를 분석하는 내용인데, 이 결과를 2006년 “Permian-Triassic Mascon in Antarctica” 이라는 제목으로 American Geophysical Union 학회에서 발표했습니다. 김 교수님의 박사학위 지도교수인 Dr. Ralph von Frese과 함께 수행한 이 연구논문의 요지는 인공위성에서 관측된 지구 중력 및 자기장 자료를 이용, 남극 빙하 아래 거대한 운석 충돌 흔적을 발견했다는 것인데, 학술대회 발표 직후 BBC News, Discovery Channel에서 소개되었고, Yahoo’s most popular searched item으로 선정 되었습니다. 이 논문이 과학계를 넘어 사회에 큰 반향을 일으킨 이유는 이 논문에서 발견된 남극 운석이 약 2억 5천만 년 전 전체지구 해양생물의 96%, 육상 척추동물의 70%를 멸종하게 한 Permian-Triassic Biomass Extinction을 일으켰다는 가설을 입증했기 때문입니다. 이 연구는 2002년 Nature Geoscience 소개된 후 권위있는 저널에 연구논문으로 게재되었습니다.
이 외에 인공위성에서 관측되는 레이더 신호를 분석하여 지표의 변위(InSAR) 및 북극의 해빙분포 변화 연구(Integrated satellite radar altimetry and gravimetry)를 지속적으로 수행하고 있습니다.
2-3. A.I.를 적용한 지구 공간정보 연구
캐나다 서부에서 발생한 대형 산불의 주요 원인인 번개의 빈도수와 위치, 지표의 물성, 경사, 수분함량, 토양, 수목 등의 방대한 big data를 인공지능의 한 방법인 association rule mining을 적용 분석하여 정량적인 산불발생 확률을 최초로 제시하였습니다. 2017년 말 Sensors 저널에 발표된 이 연구논문은 The Canadian Press, CBC News, and Global News 등 캐나다의 주요 신문과 방송의 주목을 받았는데, 번개에 의한 자연발화 산불이 발생할 확률에 대한 정량적인 분석은 도로 및 철도 건설과 같은 인프라 시설 건설, 원유수송 파이프라인 설계 뿐만 아니라 택지 조성 및 산불 감시 및 소방 시설의 위치 설정에 새로운 자료와 정보를 제공하기 때문입니다. 최근에는 인공지능을 이용한 페르시아만 해상 유전을 분석하는 연구를 아부다비 국영석유회사와 수행 중입니다.
2-4. MEMS 가속계와 자력계를 이용한 방향시추(directional drilling)와 항법 제어
석유자원, 특히 비전통자원을 개발하는데 사용되는 방향시추는 실시간으로 지하 위치를 제어하는 것이 매우 중요하며, measurement-while-drilling (MWD)이라는 기술이 이용됩니다. MEMS 센서에서 실시간으로 측정되는 가속계(accelerometer), 자력계(magnetometer) 및 자이로(gyroscope)를 이용하여 지하 1,000미터 정도에서 진행되는 시추 방향을 실시간으로 제어하는 기술을 개발 중입니다. 결과는 미국, 캐나다를 포함, 국제특허로 등록되어있고, 2018년 중동 최대 학회인 Abu Dhabi International Exhibition & Conference(ADIPEC)에서 발표한 방향시추제어에 관한 논문은 Breakthrough Research of the Year 후보에도 올랐습니다. 아래는 방향시추 제어를 위한 장비, 실험장면 및 MEMS 센서 사진 입니다.
이 기술은 지하 시추 뿐만 아니라 항법에도 적용되는 기술을 개발하고 있습니다. 예를 들어 GPS를 이용한 위성항법신호가 인위적으로 재밍(jamming) 되거나 아니면 신호가 소멸되는 경우 시추방향제어에 이용되는 관성항법(INS) 기술과 유사한 기술을 개발하여 움직이는 물체의 위치 및 방향을 제어하는데, 이는 군사적으로도 매우 유용한 기술로 산업체 및 정부의 지원을 받아 현재 연구가 진행되고 있습니다.
2-5. 중력과 자기장을 이용한 지하 구조 및 저류층(Reservoir) 비선형 역산 모델링
중력, 자기장, 그리고 탄성파 탐사자료를 이용하여 지하구조와 저류층 모델 연구를 하고 있습니다. 지난 수년간 비선형, 역산 모델 방법을 방법을 개발하여 한국의 이산화탄소 지중저장소 분지의 형태 (아래 왼쪽) 및 아부다비의 암염돔과 그 기반암(오른쪽)을 성공적으로 모델링 하였습니다.
대학원생으로서의 연구실 생활은 한국이나 다른 나라가 크게 다를 바가 없을 겁니다. 그런데 캐나다 거의 모든 종합대학들이 그렇듯이 캘거리 대학교, 특히 공과대학은 여러 나라에서 다양한 배경과 문화를 가진 학생과 연구원이 모여 공부하는 곳입니다. Gravity and Geodynamics Lab도 예외는 아닙니다. 예를 들어 지금 현재 우리 랩에는 교환교수 1명 박사후 연구원 3명, 박사과정 학생 3명, 석사과정 학생 1명이 있는데 이들은 한국, 이란, 그리스, 콜럼비아, 중국 출신입니다. 작년 여름부터는 한국 정부의 지원으로 한국의 4개 대학교 대학원생 14명이 인공지능과 관련된 교육 및 실무 훈련을 6개월씩 받고 있는 등, 활발한 다국적 실험실 입니다.
올해로 23년째 한국과 캐나다에서 학생과 연구원을 지도하는 교수로의 김정우 교수님의 철학은 분명한데, 완전히 자율적인 분위기에서 연구를 수행하며, 정기적인 모임은 갖지 않는 것입니다. 학생이나 연구원이 원하는 경우에 한해 모임을 갖고 그 동안의 성과, 연구의 문제점 등을 개인별로 논의합니다. 물론 학생들의 등, 하교 시간도 각자 자율에 맡깁니다. 이런 환경에서 처음 발 들여 놓은 연구 주제를 벗어나는 경우도 많이 있지만, 대부분 새로운 주제를 인정해주고 연구성과를 낼 수 있도록 지도합니다.
캘거리는 전세계에서 가장 살기 좋은 도시 순위에서 늘 3-5위 사이에 드는 안전하고 깨끗한 도시 입니다. 연구실에서 한시간 반을 운전해가면 캐나다 로키산맥이 나오고, 세계적인 관광지 밴프가 있습니다. 겨울에는 스키, 여름에는 등산, 트래킹 등을 즐길 수 있어 자연과 함께하는 삶의 질은 매우 높습니다.
우리 연구실은 캘거리대학교 메인 캠퍼스 Canadian Natural Resources Limited(CNRL) Engineering Complex G block(EN-G) G-12 에 위치해 있습니다. 연구실 방문을 원하는 분들께서는 아래 이메일로 먼저 문의를 주시기 바랍니다.
■ 주소 : 2500 University Drive NW, Calgary, AB T2N 1N4, CANAD
■ 전화번호 : +1 (403) 220-4858
■ 이메일 : jwkim@ucalgary.ca (김정우교수님)
■ 홈페이지 : https://www.ucalgary.ca/energy/scholars/kim-jeong-woo
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Dr. Jeong Woo Kim jw.kim@ucalgary.ca