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이흔 교수팀, 물로 이뤄진 얼음 입자내 수소원자 저장 현상 규명
- 사이언스誌 최근호 에디터스초이스에 선정, 리서치 하이라이트로 소개
물을 얼려 만들어진 얼음 입자 내에 나노 크기의 수많은 빈 공간을 형성시켜 그 안에 수소원자가 저장될 수 있다는 사실이 국내 연구진에 의해 새롭게 규명됐다.
우리학교 생명화학공학과 이흔(李琿, 56) 교수팀과 서강대 강영수(46) 교수팀이 공동으로 물로 이뤄진 얼음 입자 내에 크기가 가장 작은 수소 원자가 안정적으로 저장될 수 있음을 최초로 규명, 이 연구결과를 미국화학회지에 발표하였으며, 사이언스(Science) 誌 최신호(7월11일자)의 ‘에디터스 초이스(Editor’s Choice)’에도 선정되어 리서치 하이라이트로 소개됐다.
李 교수는 지난 2005년 4월 7일자 네이처(Nature) 誌에 ‘얼음 형태의 입자 내로 수소저장’이란 제목의 논문으로 이 현상을 처음 발표한 바 있다. 당시에는 수소저장은 분자상태로 이뤄진 것으로 발표하였으나, 이후 3년여의 연구 끝에 수소가 분자 상태가 아니라, 가장 작은 크기의 원자로 얼음 내에 저장될 수 있음을 이번 연구에서 밝혀냈다.
고유가 시대에 석유, 천연가스를 대체할 새로운 에너지원 개발이 매우 시급한 이슈로 떠오르고 있다. 하나의 해결책으로 그동안 모든 국가들이 수소 에너지를 연구해 왔으나, 획기적 저장 원리의 부재로 기술개발에 많은 어려움을 겪고 있다.
따라서 미래의 거의 유일한 청정에너지인 수소에너지를 잘 활용할 수 있느냐의 성공여부는 이를 얼마나 효과적으로 저장시킬 수 있는 기초 원리의 확보에 있다. 그동안 널리 사용된 수소저장 방법으로는 영하 252℃ 극저온의 수소 끓는점에서 수소 기체를 액화시켜 특별히 제작된 단열이 완벽한 용기에 저장하거나 또는 350기압 정도의 매우 높은 압력에서 기체 수소를 저장하는 방법이 있지만 수소가 제일 작고 가벼운 원소여서 어떤 재질의 용기이건 속으로 침투하는 성질이 있다. 따라서 이 방법들은 경제성이나 효율성이 매우 떨어지게 되고 극저온이나 상당히 높은 압력으로 인한 여러 가지 기술적 난제들을 필연적으로 갖게 된다. 이러한 문제점들을 극복하기 위해 그동안 전 세계적으로 수소저장합금, 탄소나노튜브 등을 이용한 차세대 수소 저장 기술 연구가 활발히 이뤄지고 있지만 이러한 특수 물질들의 저장 재료로서의 한계성 때문에 현실적으로 적용하기가 어렵다. 더욱이 이 모든 방법들은 수소를 분자 상태로 저장하고 있다.
그러나 이번에 발표된 李 교수의 연구논문에서는 수소를 저장하기위한 기본물질로 분자대신 원자가 가능하다는 것을 밝혔다. 일단 수소 원자를 잡아두는 저장 창고로 물을 이용하기 때문에 매우 경제적이며, 또한 친환경적인 수소 저장 방법이라 할 수 있다. 순수 물로만 이뤄진 얼음 입자에는 수소를 저장할 수 있는 빈 공간이 존재하지 않는다. 그러나 순수한 물에 미량의 유기물을 첨가하여 얼음 입자를 만들 경우 내부에 수많은 나노공간을 만들게 되며, 바로 이 나노 공간에 수소 원자가 안정적으로 저장되는 특이한 현상이 나타난다. 李 교수는 “수소 분자 대신 원자를 이용하는 경우 반응과 결합성이 뛰어나 새로운 수소저장 원리를 구현할 수 있고 연료 전지를 비롯한 많은 수소 관련 분야에 이 새로운 현상이 적극적으로 이용될 수 있을 것으로 기대된다.”고 말했다. 이번 연구로 지구상 가장 보편적이고 풍부한 물질인 물로 이뤄진 얼음입자에 수소원자를 직접 저장할 수 있는 메커니즘이 밝혀짐에 따라 앞으로 미래 수소에너지를 이용하는 수소자동차, 연료전지 개발에 자연현상적 신개념 원리를 마련하게 됐다.
2008.08.04
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이흔 교수, 경암학술상 수상자 선정
우리 학교 생명화학공학과 이흔(李琿, 54)교수가 경암교육문화재단(이사장 송금조)이 수여하는 경암학술상 공학분야 수상자로 선정됐다.
이흔 교수는 미래 에너지의 양대 축으로 세계적 관심사로 떠오르고 있는 가스 하이드레이트와 수소 에너지를 개발하기 위한 핵심 개념과 기술을 최초로 제시했다는 점을 인정받았다.
경암학술상은 부산 주방기기 제조업체인 태양그룹 경암 송금조 회장이 사회환원으로 기증한 전 재산 1000억원을 토대로 설립된 경암교육문화재단이 2005년부터 해마다 전공 분야에서 발군의 업적을 이뤄 사회 공동선에 기여한 학자 및 예술가들을 뽑아 시상하는 상이다. 시상식은 오는 11월 2일 부산 해운대 누리마루APEC 하우스에서 열리며, 수상자는 1억원씩의 상금과 상패를 받는다.
<연구성과 관련 보도자료 외> 번호 110 2005-04-07 "이흔 교수, 얼음 입자내 수소 저장메커니즘 세계최초 규명"번호 241 2007-08-17 ‘이흔 교수, 온난화가스와 에너지가스 맞교환 원리 규명’
2007.10.25
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항공우주공학과 권세진, 심현철교수, 연료전지 무인기개발
- 액상 수소화물에서 수소추출, 연료전지스택에 공급하는 시스템 개발- 액체연료로는 세계최초, 무인기의 임무한계 획기적 연장 가능성 열어
우리 학교 항공우주공학과 권세진(權世震, 48, 사진왼쪽) 교수, 심현철(沈鉉哲, 38, 사진오른쪽) 교수 연구팀이 연료전지로 구동하는 소형 무인기를 개발했으며, 장시간 시험비행에 성공했다.
이번 연구개발 결과는 기존의 소형 무인기 동력원으로 사용되던 2차 전지를 대체할 수 있는 새로운 동력장치인 연료전지를 이용, 무인기의 임무 한계를 획기적으로 확장할 수 있는 가능성을 열었다는 데 큰 의의가 있다. 감시정찰을 목적으로 하는 소형 무인기는 미국 등 기술 선진국에서 실용화 되었으나, 동력원인 배터리의 에너지 밀도가 낮아 제한적인 임무수행만이 가능했다. 權 교수 연구팀이 개발한 무인기의 연료전지 동력장치는 소음이 없고 효율이 높으며, 액상 수소화물로부터 수소를 추출하기 때문에 기존의 배터리에 비해 에너지 밀도를 10배 이상 향상시켰다. 이번에 개발된 연료전지는 무인기 뿐 아니라 로봇의 전원으로도 사용이 기대된다.
▣ 개발배경연료전지는 차세대 동력원으로 세계 각국에서 개발경쟁이 치열하다. 국내에서도 몇몇 전자 및 화학 업체에서 노트북 컴퓨터용 연료전지를 개발하여 시연한 바가 있고, 자동차 회사에서는 엔진을 대체하기 위한 연료전지를 연구 중에 있다. 그러나 연료전지의 우수성이 잘 나타날 수 있으며 연료전지가 아니면 구현 자체가 어려운 장치는 무인기나 로봇 등과 같은 소형 모바일 시스템이다. 미국의 해군연구소와 조지아공대(Georgia Tech)의 연구팀이 연료전지 무인기를 연구해 왔으나, 이들은 고압의 수소가스를 저장하여 사용하므로, 에너지 밀도를 높이는 데에는 실패했다. 또한 연료 재보급을 위한 시설 등 운용상의 문제점도 가지고 있다. KAIST의 權 교수 연구팀은 액상 수소화물에서 수소를 추출하여 연료전지 스택에 공급하는 시스템을 개발했으며, 이를 시험용 무인기에 탑재하여 장시간 안정적으로 시험비행 하는데 성공했다.
▣ 핵심기술의 내용權 교수팀에서 사용한 연료인 수소화붕소나트륨(NaBH4)은 불연성이고 안정한 친환경 물질로써, 취급이 용이하고 수소 함량이 높다. 이 물질로부터 추출된 수소는 순도가 높기 때문에 연료전지 시스템 적용이 수월하다. <그림 1>은 프로펠러를 포함하는 전체 시스템의 구성도이다. 수화물을 가수분해하는 촉매 반응기, 전기를 발생하는 연료전지 스택, 동력을 충전 및 공급하는 동력제어장치, 프로펠러를 구동하는 전기모터로 이루어져 있다. 촉매 반응기에서 가수분해 과정을 통해 발생한 수소는 연료전지 스택에서 전기를 발생한다. 전기에너지는 동력제어장치에 충전되었다가 출력 요구 시 전동모터를 구동한다. <그림 2>는 동력발생 장치를 무인기에 탑재한 모습이다. 이번에 개발된 연료전지 무인기는 무게 2kg(연료전지시스템 750g 포함)으로써 500g의 연료를 싣고 10시간 이상 비행할 수 있다. 이는 배터리 동력원을 갖는 기존 무인기 항속시간의 10배에 달한다.
<그림 1> 동력계통의 구성
<그림 2> 동력 장치가 탑재된 무인기
<그림3> 무인기가 비행하는 광경
2007.10.12
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이흔 교수 학술대상 수상
생명화학공학과 이흔(李琿, 55)교수가 KAIST 개교 36주년 기념식에서 KAIST 학술대상을 수상했다.
李 교수는 지난 5년간 국외 SCI논문 43편, 국내 SCI논문 12편을 발표하고, 수소저장기술 개발, 이산화탄소와 메탄 하이드레이트 맞교환 원리 규명 등 세계적인 학술 업적을 인정받아 학술대상을 수상하게 되었다.
李 교수는 2003년 메탄 하이드레이트 논문을 사이언스誌에 발표하였고, 2005년 네이처誌에 발표한 수소저장 기술은 미래 수소에너지 개발에 획기적 전기를 마련한 것으로 ‘가장 주목할 하이라이트 논문’으로 소개되었다. 2006년 PNAS에 발표한 "이산화탄소와 메탄 하이드레이트 맞교환 원리"는 에너지와 지구 온난화 문제를 동시에 해결할 수 있는 기술로 국내외 큰 관심을 모았다.한편, 2007년 우수교원으로 학술상에 생명과학과 정종경 교수, 수리과학과 이창옥 부교수, 화학과 김상규 부교수, 기계공학전공 권대갑 교수, 창의강의상에 항공우주공학전공 한재흥 부교수, 우수강의상에 인문사회과학부 전봉관 조교수, 생명과학과 최준호 교수, 생명과학과 강창원 교수, 전기및전자공학전공 유승협 조교수, 전산학전공 Otfried Cheong 부교수, 금융전문대학원 이회경 교수, 공적상에 물리학과 신성철 교수, 테크노경영대학원 김보원 교수, 금융전문대학원 김지수 교수, 국제협력대상에 기계공학전공 조형석 교수, 국제협력상에 산업디자인학과 이건표 교수, 신소재공학과 홍순형 교수, 테크노경영대학원 박성주 교수가 각각 수상했다.
2007.03.15
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KAIST, 2005학년도 전기 학위 수여식 거행
박사 226명, 석사 652명, 학사 412명 등 총 1,290명의 고급 과학기술인력 배출
KAIST(총장 로버트 러플린)는 2월 17일(금) 오전 11시(석박사)와 오후 3시(학사) 두 차례에 걸쳐 2005학년도 전기 학위수여식을 가졌다.
이날 학위수여식에는 박사 226명, 석사 652명, 학사 412명 등 총 1,290명이 학위를 받았다. 이로써 KAIST는 지난 ’71년 설립이래 박사 6,382명, 석사 16,979명, 학사 7,931명 등 총 31,292명의 고급 과학기술인력을 배출하게 되었다.
또한 “20대 박사의 산실”이기도 한 KAIST는 이번 학위수여식에서도 박사학위 수여자 226명 중 45%인 101명이 20대 박사인 것으로 집계되었으며, KAIST 출신 박사 총 6,382명 중 44%인 2,785명이 20대 박사로 기록되고 있다.
한편, 이날 행사에는 김우식(金雨植) 부총리 겸 과학기술부장관, 염홍철(廉弘喆) 대전광역시장, 임관(林寬) KAIST 이사장 등 내외귀빈이 참석했다.
■ 네이처誌 논문 발표 주역, 김도연씨
지난 2005년 ‘수소저장기술’로 네이처誌 하이라이트에 소개되어 화제가 된 논문의 주역인 생명화학공학과 김도연(金度延, 29)씨가 박사학위를 받는다. 당시 김씨는 논문의 제3자로 ‘NMR 분석 분야’을 맡아 저장된 수소의 위치를 밝히는데 중요한 역할을 했다. 김씨의 박사학위논문은 ”크러스레이트 하이드레이트의 열역학적 해석 및 미세구조 규명: 가스 에너지 회수 및 저장 시스템으로의 응용“(지도교수 이흔 李琿)이다. 김씨는 졸업 후 출연연구기관에서 ‘천연가스를 이용하여 수소제조나 합성연료를 제조하는 분야’에서 연구를 계속하고 싶다는 희망을 밝혔다.
■ 형제 박사 탄생, 이승철, 이원철씨
형제가 나란히 박사학위를 받는다. 경영공학전공에서 박사학위를 받는 형 이승철(李承哲, 30)씨와 바이오시스템학과에서 박사학위를 받는 동생 이원철(李源哲, 27)씨가 그 주인공이다. 형은 1993년, 동생은 1996년에 KAIST 학사과정에 나란히 입학한 후 형은 서울캠퍼스에서 동생은 대전 캠퍼스에서 수학했다. 특히 동생 이원철씨는 바이오관련학과 국내 1호 박사로 졸업 후 미국 버클리대 박사후 연구원(Post-Doc.)으로 근무할 예정이다. 현재 삼성전자에서 근무하고 있는 형 이승철씨는 “대전에서 함께 지낸 적은 입학 후 1년밖에 되지 않지만 언제나 존재 자체만으로도 든든한 동생이었다”며 형제애를 과시했다.
■ 박사최연소 학생, 이준희씨
이번 졸업생중 최연소 박사는 생명과학과를 졸업하는 이준희(李濬熙, 만 26세, 1979년 11월 25일생)씨다. 이씨는 “초파리 모델 동물을 이용한 발암 억제 유전자의 기능 연구” 논문으로 박사학위를 취득했다. 이씨는 졸업 후 KAIST 생명과학과 세포성장조절유전체연구단에서 박사후연구원으로 근무할 예정이다.
■ 학사과정 수석졸업, 물리학과 이승주씨
올해 학사과정의 수석졸업 영광은 4.3만점에 4.22점을 받은 물리학과 이승주(李勝周, 21)씨가 차지했다. 이씨는 형과 같이 물리학과에서 수학한 형제 수재로 유명하다. 이씨는 졸업식에서 ‘부총리 겸 과학기술부장관상’을 수여하게 되며, 졸업 후 KAIST 물리학과 석사과정에 진학할 예정이다.
■ 현직교사출신 석사, 김승만씨
현직과학교사로 지난 2002년, KAIST 전기 및 전자공학과 석사과정에 입학한 김승만씨도 이번에 석사학위를 받는다. 김씨는 한국과학영재학교에서 과학을 가르치던 교사로 휴직을 하고 KAIST에 입학, 4년만에 석사학위를 받게 되었다. ‘학업기간 중 가장으로서 경제적인 책임이 가장 어려웠다’는 김씨는 ‘우리나라 이공계교육 활성화에 작은 희망이 되었으면 한다’고 소박한 바램을 표시했다.
2006.02.20
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유룡교수 이재영교수, 대한민국 최고과학기술인 상 수상
`대한민국 최고과학기술인상" 수상자 3명 선정
우리학교의 유룡(50) 교수와 이재영(李在英ㆍ66) 명예교수를 비롯하여, KIST의 신희섭(申喜燮ㆍ55) 책임연구원 등 3명이 `대한민국 최고 과학기술인상" 수상자로 뽑혔다. 과학기술부와 한국과학기술단체총연합회는 20일 유 교수와 이 교수, 신 책임연구원을 대한민국 최고과학기술인상 수상자로 선정, 오는 21일 서울 삼성동 코엑스에서 열리는 과학의 날 기념식에서 시상한다고 발표했다. 수상자에게는 각각 대한민국 최고 과학기술인의 영예와 함께 상금 3억원이 수여된다.
우리학교 화학과의 유룡 교수는 나노다공성 탄소물질에 관한 새로운 연구분야를 개척, 국가위상을 높였으며 그의 논문이 최근 국내 `톱 10" 인용 논문 중에서 3편이나 포함됐고 연간 과학논문인용색인(SCI)에서 논문인용 횟수가 800여회에 이르는 등 국가 과학기술 향상에 크게 기여한 점을 인정받았다.
이재영 명예교수는 고체 내의 변칙적인 원자이동의 현상을 규명했으며 그가 개발한 수소 열 분석법은 미국과 독일의 대학 교재로 활용되는 등 세계적으로 인정받고 있다. 특히 미래 에너지원인 수소에너지에 대한 연구를 통해 프레온 가스를 사용하지 않은 환경친화적인 청정 냉방시스템과 고용량 수소저장 합금을 개발하는 데 성공했다.
신 책임연구원은 칼슘 이온통로 연구를 통해 뇌의 `의식-무의식 상태"를 조절하는 핵심기전을 규명해 수면조절, 간질, 통증치료의 기술개발 터전을 마련했으며 뇌의 작용 기전의 유전학적인 연구에서 큰 업적을 이뤄 이 분야에서 세계적인 선도자로 자리를 굳혔다고 과기부는 선정이유를 밝혔다.
대한민국 최고 과학기술인상은 1968년부터 시행되던 대한민국과학기술상이 확대, 개편된 것으로 매년 이학, 공학, 농수산, 의.약학 등 4개분야에서 1명씩 선정해 대통령상장과 상금 3억원이 각각 수여된다. 수상자에게 각각 주어지는 상금 3억원은 국내에서 제정된 모든 상중에서 최고의 액수로 정부의 과학기술 육성에 대한 의지가 담겨있다.
2005.04.21
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얼음입자내 수소저장메커니즘 세계최초 규명
미래 수소에너지 개발에 획기적 전기마련
이흔 교수팀, 네이처(Nature)誌 7일자에 발표
섭씨 0℃ 부근의 온도에서 수소 분자가 얼음 입자 내에 만들어진 나노 크기의 수많은 빈 공간으로 저장될 수 있다는 사실이 世界最初로 규명됐다.
KAIST(한국과학기술원)는 생명화학공학과 이흔(李琿, 54) 교수팀이 이와 같은 자연 현상적 수소저장 메커니즘을 규명했으며, 관련 연구결과 논문이 세계적 과학전문저널인 네이처誌 7일자에서 가장 주목해야 할 논문으로 선정돼 해설 및 전망기사와 함께 발표되었다고 밝혔다.
미래의 거의 유일한 청정에너지인 수소에너지를 얼마나 잘 활용할 수 있느냐의 성공여부는 효과적인 저장 기술의 확보 여부에 달렸다. 그동안은 영하 252 ℃ 극저온의 수소 끓는점에서 수소 기체를 액화시켜 특별히 제작된 단열이 완벽한 용기에 저장하거나, 350 기압 정도의 매우 높은 압력에서 기체 수소를 저장하는 방법을 널리 사용해 왔다. 하지만 수소는 제일 작고 가벼운 원소여서 어떤 용기의 재질이건 속으로 침투하는 성질 때문에 이 방법들은 경제성이나 효율성이 떨어지게 되고 극저온이나 높은 압력의 사용으로 인한 여러 가지 기술적 난제들을 가질 수밖에 없었다.
이러한 문제점들을 극복하기 위해 그동안 전 세계적으로 수소저장합금, 탄소나노튜브 등을 이용한 차세대 수소저장 기술연구가 활발히 이뤄지고 있지만 이러한 특수 물질들의 저장 재료로서의 한계성 때문에 현실적으로 적용하기가 어려웠다.
그러나 이번에 발표된 李 교수의 연구결과는 수소를 저장하기 위한 기본 물질로 물을 이용하기 때문에 매우 경제적이며 또한 친환경적인 수소 저장 방법이라 할 수 있다. 순수 물로만 형성된 얼음 입자에는 수소를 저장할 수 있는 빈 공간이 존재하지 않는다. 그러나 순수한 물에 미량의 유기물을 첨가하여 얼음 입자를 만들 경우 내부에 수많은 나노 공간을 만들게 되며, 바로 이 나노 공간에 수소가 안정적으로 저장되는 특이한 현상이 나타난다.
특히, 주목할 만한 사실은 우리가 쉽게 다룰 수 있는 영상의 온도에서 수소가 저장되고, 수소를 포함하고 있는 얼음 입자가 상온에서 물로 변할 때 저장된 수소가 자연적으로 방출된다는 것이다. 이러한 수소의 저장과 방출이 짧은 시간 내에 단순한 과정으로 진행되며, 더욱이 수소를 저장하는 물질에 물을 사용함으로써 지금까지 알려진 저장합금이나 탄소나노튜브 등의 수소저장 재료와는 달리 거의 무한대로 얼음 입자를 반복해 활용할 수 있을 뿐만 아니라 필요시 방대한 얼음 입자로 이뤄진 공간에 수소의 대규모 저장이 가능하게 된다.
궁극적으로 물로부터 수소를 생산하고, 생산된 수소를 얼음 입자에 저장한 후 이를 최종 에너지원으로 이용하여 수소를 연소시키거나 연료전지에 사용하면 다시 수증기가 만들어지게 된다. 李 교수는 이렇게 물, 얼음, 수증기로 이루어지는 수소의 순환 시나리오를 제시할 수 있으며, 앞으로 이를 완성하기 위한 체계적이고 과학적인 접근이 필요할 것으로 판단된다.고 말했다.
지구상에서 가장 보편적이고 풍부한 물질인 물로 이루어진 얼음 입자에 수소를 직접 저장할 수 있는 메커니즘이 밝혀짐에 따라 앞으로 미래 수소 에너지를 이용하는 수소자동차, 연료전지 개발에 획기적인 전기를 마련한 것으로 보인다.
2005.04.07
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수소박사 이재영 교수 정년퇴임(8.31 화)
‘수소박사’로 불리우고 있는 KAIST 신소재공학과 이재영(李在英) 석좌교수가 31일(화) 정년퇴임한다.
李 교수는 KAIST(당시 한국과학원) 설립초기인 1973년 신소재공학과(당시 재료공학과) 전임교수로 부임, 이후 32년간 박사 50명과 석사 97명 등의 후학을 양성했다.
또한 국외 학술논문 283편, 국제학술회의 111편 발표 등을 비롯하여 국내외에 총 478편의 논문을 발표하며 왕성한 연구활동을 펼쳐왔다. SCI논문 283편이 총 2345회 인용되었고, 이 중 대표 논문 10편에서 457회가 인용되는 등 신소재공학 분야의 세계적 학자로 이름을 높였다.
특히 李 교수는 금속 재료상에서 수소의 확산 특징과 결합 에너지량을 측정할 수 있는 ‘수소열분석법’을 확립, 세계 학계에서도 권위를 인정받고 있는 ‘수소박사’다. 2001년 한국공학상, 과학기술훈장 웅비장을 수상했으며, 1994년 한국과학기술한림원 창립.종신회원, 2002년 세계과학기술한림원 종신회원 등을 역임하고 있다.
李 교수는 평소 “저에게 연구는 취미와도 같은 것입니다. 즐거운 일을 직업으로 삼을 수 있다는 게 행복이지요. 카이스트의 우수한 학생들과 함께 연구에 몰두할 수 있어 행복합니다”라는 말을 자주 했으며, 좋은 아이디어를 내주고 같이 노력한 젊은 후학들에게 뭔가 남겨주어야 한다는 자세로 학생들을 지도했다.
정년퇴임식은 31일(화) 오후 4시, 응용공학동 공동강의실에서 있을 예정이며, 이 자리에서 명예교수에 추대된다.
2004.08.31
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