미래를 개척하는 글로벌 프론티어 사업
3차원스마트IT 융합등…4Gs로미래기획

10년 뒤 대한민국을 먹여 살릴 프로젝트가 본격화됐다. 정부는 2011년도 글로벌 프론티어 사업 신규 연구단으로 3차원 스마트 IT 융합 연구단, 나노 기반 소프트 일 렉트로닉스 연구단, 멀티스케일 미래 에너지 연구단, 바이오 설계 및 합성 연구단 등 4개 연구단을 최종 선정했다. 글로벌 프론티어 사업은 과거 G7 프로젝트와 21 세기 프론티어 사업을 창조형·선도형으로 발전시킨 정부의 대표적인 대형 장기 연구개발 사업이다. 그 내용을 살핀다.

김유활 기자 (yhkim@chomdan.co.kr)h

정부는 경제·사회적 파급 효과가 큰 기술 분야 발 굴과 우수한 역량을 갖춘 연구단 선정을 위해 기술 수 요조사부터 최종 선정까지 모든 절차를 최근 마무리 하고, 3차원 스마트 IT 융합 연구단, 나노 기반 소프 트 일렉트로닉스 연구단, 멀티스케일 미래 에너지 연 구단, 바이오 설계 및 합성 연구단 등 4개의 글로벌 프론티어 사업 신규 연구단을 선정했다.

정부는 신규로 선정된 이들 연구단에 최대 9년간 총 4,000억 원 이상을 집중 지원하고 연구자가 중심 이 되는 연구관리와 기술시장 분석, 지재권 확보 등 단계별 맞춤형 지원을 통해 우리나라의 차세대 먹을 거리가 될 원천기술을 확보해 나간다는 계획이다.

10년 뒤를 내다본 장기 기획

정부는 G7 프로젝트와 21세기 프론티어 사업의 성 과를 바탕으로 이들 글로벌 프론티어 사업 연구단이 향후 10년 이후 우리나라의 지속 가능한 경제성장의 밑거름이 될 원천기술 개발의 중심이 될 것으로 기대 하고 있다. 정부는 이와 관련, 2021년까지 총 15개 연구단을 지원해 세계 최고 수준의 원천기술 개발로 차세대 경 제 성장동력을 창출하고 기초·원천 연구를 추진, 세 계 최고 수준의 연구그룹 육성과 원천기술 확보에 나 설 계획이다.

세계적 수준의 과학기술 톱 브랜드 구축(Global R&D), 10년 이상을 내다보는 중장기 기초·원천 연구 (Ground-breaking R&D), 전략적인 집단 융합연구와 네트워크 구축(Group approach), 원천기술 확보를 통 한 미래 성장동력 확보(Growth & Sustainability)가 이장기프로젝트의핵심이다.

전문가들은 그동안 정부가 장기적인 안목을 갖고 지원해 온 기술들은 10년 후 사용화, 20년 후 보편화 되어 우리나라의 과학기술 경쟁력 제고와 경제성장의 토대가 되어 왔다고 설명한다. 이들은 또 21세기 초반 우리나라의 대표 수출 상품 인 CDMA, 고집적 메모리, 평면 TV 등은 20년 전 G7 프로젝트로 연구개발에 착수한 기술이며, 현재 세계 적인 기업들이 집중적인 투자를 하고 있는 바이오 신 약이나 상용화를 앞두고 있는 이산화탄소 저감 기술, 나노급 반도체 등도 10년 전 21세기 프론티어 사업으 로 연구에 착수하여 열매를 맺기 시작하는 기술들이 어서 이번 글로벌 프론티어 사업에 거는 기대가 크다 고 말한다.

4가지 연구는?

정부가 출범시킨‘다차원 스마트 IT 융합 시스템 연구’는 에너지 소모, 제조비용, 정보 처리·전송 속 도, 감지 능력, 신뢰도 면에서 현재보다 1000배 이상 나은 스마트 센서와 이를 체계적으로 구현하기 위한 플랫폼 기술 구축을 목표로 한다. 전력 소모와 속도, 용량 등이 대폭 향상된 나노소자 를 개발하고, 3차원 IC 융합 시스템 설계 플랫폼을 적 용하여 초고감도 실시간 생체진단, 환경센서 등을 개 발하는 기술이다.

2020년 1조 2천억 달러에 달할 것으로 예상되는 자 연재해와 안전사고, 환경오염 감시, 질병 진단 등의 스마트 IT센서 분야에서 선두적인 국가 경쟁력을 확 보할 수 있을 것으로 기대된다. ‘나노 기반 소프트 일렉트로닉스 연구’는 기존 실 리콘 소재의 고성능과 유기반도체의 유연성을 모두 가지고 있는 그래핀, 탄소나노튜브, 나노선, 나노복합 구조체 등 나노소재를 활용해 고성능 소프트 나노일 렉트로닉스 구현을 목표로 한다. 소프트 나노소재, 소프트 공정, 소프트 소자, 소프 트 플랫폼 기술의 다학제 간 융합 연구를 통해 기존

유연성 소자 대비 두께와 무게를 100분의 1 이하, 정 보처리 속도와 유연성을 100배 이상 높이는 원천기술 을 확보해 휘고 구부리고 늘리고 모양이 마음대로 변 하여 휴대성과 사용성이 극대화된 소프트 패드와 소 프트 디스플레이, 착용할 수 있는 자가발전용 의류 등 다양한 인간 친화형 미래 전자기기 개발이 목표다. ‘멀티스케일 기반 미래 에너지 연구’는 화석연료를 대체할 수 있는 혁신적인 미래 태양전지와 연료전지 기술의 원천기술 개발을 목표로 한다.

나노기술을 에너지 기술에 접목하는 융합 연구과제 로서 이전에 구현할 수 없었던 나노·마이크로·매크 로를 통합하는 멀티스케일 3차원 아키텍처링 기술을 확립하고 이를 신재생 에너지 시스템에 적용해 에너 지 변환 효율을 획기적으로 증대시키고 저가화를 달 성시켜 궁극적으로는 화석연료를 대체할 수 있는 신 개념 태양전지와 신개념 연료전지를 포함하는 미래 에너지 시스템을 구현할 것으로 기대된다.

‘지능형 바이오 시스템 설계 및 합성 연구’는 생명 현상을 바이오 부품 및 모듈 관점에서 재해석하고, 신 기능 부품·회로를 장착한 인공지능 세포를 창의적으 로 설계·합성하여 공학적으로 활용하는 지능형 바이 오 원천기술의 개발을 목표로 하고 있다. 생명 현상의 메커니즘을 공학적 관점에서 재해석하 여 부품화·모듈화·표준화하고, 새로운 기능의 부 품?회로를 장착한 인공지능 세포를 설계·구축해 관 절염·유방암·폐암 등 치료용 단백질 의약품과 화학 의약품의 생산단가를 10분의 1이상으로 줄이고, 석유 화학 소재를 대체하는 바이오 소재를 경제적 생산할 수 있는 핵심 원천기술을 확보할 것으로 기대된다.

정부는 한편 과학기술 기본계획, 과학기술 미래비 전 2040 등 국가상위 연구개발 계획 분석과 함께 온 오프라인으로 다양한 의견을 수렴하여 총 114건의 과 제를 발굴하고, 과학기술 전문가 46명으로 구성된 기 술분과위원회를 운영하여 13개 후보 기술 분야를 도 출한 후, 공청회와 추진위원회의 검토를 통해 지원 기술 분야를 선정했다.

 

나노 기반 소프트 일렉트로닉스 연구

2020년 1,500억 달러 시장 창출한다

나노 기반 고성능 소프트 일렉트로닉스 구현을 위한 나노소재, 나노공정, 나노소자, 플랫폼 원천기술 개발이 이 연구 프로젝트의 핵심이다. 휘고 구부리고 늘리고 모양이 마음대로 변하는 유연한 나노소재를 기반으로 효율적인 정보 처리·저장·전송, 입출력과 자가충전 등의 기능을 지닌 인간 친화형 소프트 일렉 트로닉스를 구현하는 데 필요한 핵심 기초원천 기술을 확보한다는 것이다. 이 같은 고성능 유연 나노소재를 이용하여 휴대성·변형성·사용성이 극대화된 나노 기반 소프트 일렉트로닉스 기술을 개발한다면 국가 신 성장동력산업을 위한 원천기술확보가 가능하다.

지금까지의 전자기기는 주로 성능의 한계에 도전하 는 기술 중심의 발전이 대부분이었지만 미래사회의 전자기기는 성능과 아울러 편의성이 강조된 인간중심 의 기술로 발전할 것으로 예측된다.

지난 수십 년간 전자기기의 발달은 주로 실리콘 반도체와 산화물 투명전극을 기반으로 하여 빠른 작동 속도, 작은 크기, 더 많은 용량 등을 구현하기 위해 기술의 한계를 극복하는 데 집중되어왔다. 그러나 미래 의 전자·정보기술은 성능 이외에 사용자 편의, 착용감, 감성, 주위 환경과의 자유로운 소통을 중시하는 인간친화적인 기술로 발전할 것으로 기대되고 있다.

소프트 일렉트로닉스 기술은 유연한 나노소재를 이용하여 신축성, 형태 변형성을 지니는 일렉트로닉스 기술로, 실리콘 등 무기물이 주도해온 기존의 하드 일렉트로닉스 기술로부터 전자 기술의 패러다임을 바꿀 혁신적인 기술이다. 소프트 일렉트로닉스 기술과 기존의 유비쿼터스 기술의 융합을 통해 시간과 장소에 관계없이 정보를 주고받는 인간 친화적인 융복합 모바일 정보화기기가 미래 전자기기 기술의 중심이 될 것이란 게 전문가들의 전망이다.

소프트 일렉트로닉스는 국가 주력 산업의 하나인 IT 산업의 새로운 성장동력을 제공하여 2020년 1,500억 달러의 새로운 시장창출이 가능할것으로 예상된다.

나노기반 고성능 소프트 일렉트로닉스 구현을 위해서는 새로운 소프트 나노소재, 나노공정의 개발과 아울러 소프트 나노소자와 플랫폼 원천기술 개발이 필요 이다. 세부 사업들의 내용을 소프트 나노 소재, 소프트 나노 공정, 소프트 나노 소자 및 플랫폼 기술의 4가지 핵심사업으로 구분해 추진한다는게 정부계획이다.

■ 소프트 나노 소재= 유연 고성능 소프트 나노 소재의 합성 및 특성 제어 기술. 예컨대 분자 기반 소프트 나노소재, 이차원 소프트 나노소재, 차원 융합형 소프트 나노소재의 개발과 성능 극대화에 주력한다.

■ 소프트 나노 공정 = 기판·전극·나노소재의 유연성 극대화 기술, 정렬, 대면적 고해상도 패터닝 융합공정 기술이 핵심이다. 분자 조작과 조립 기반 공 정기술, 고해상도 소프트 패터닝 공정기술이 주요 내용이다.

■ 소프트 나노 소자 = 소프트 소자의 고성능화, 인간 친화적 인터페이스 소자, 신개념 소자의 구현을 통해 소프트 전자 시스템을 구현하는 핵심 소자 기술 이다. 고성능 소프트 소자, 인간 친화형 인터페이스 소자, 신개념 소프트 소자 아키텍처가 포함된다.

■ 플랫폼 기술 = 소자를 집적하고 이종 접합하는 기술이다. 텍스타일 일렉트로닉스 플랫폼, 멀티스케 일 인터커넥션과 파워플랫폼이 주요 내용.

지금까지는 기존의 나노소재와 소자 등에 관한 개별적인 연구개발이 주를 이루고 있어 신축성, 형태 변형성을 지니는 새로운 개념의 차원 융합형의 신물질이나 신개념 공정에 기반을 둔 소프트 일렉트로닉스 기술 개발이 이루어지지 못했다.

이 연구는 신축성과 형태 변형성을 지니는 소프트 나노소재 간 하이브리드화, 새로운 개념의 차원 융합 연구와 소프트 나노소재-소프트 공정-소프트 소자- 플렛폼에 다학제 간 융합연구를 통해 소프트 일렉트로닉스에 관한 원천기술을 개발하는 게 핵심이다.

전 세계적으로 촉발되고 있는 소프트 일렉트로닉스에 관한 원천기술을 확보해 추격형 산업 발전에서 탈피할 수 있는 새로운 발전 방향을 제시하고, 향후 고 기능성, 고성능, 인간 친화형 스마트 일렉트로닉스 산 업 진출을 위한 기반 기술을 확보해 소프트 패드, 소 프트 디스플레이, 소프트 센서, 소프트 에너지 소자 등 소프트 일렉트로닉스 기술 산업으로 진출하는 데 추진력이 될 전망이다.

지능형 바이오 시스템 설계 및 합성 연구

BT/IT/NT/ET로 융합 신경제시대 연다

지능형 바이오 시스템 설계 및 합성 연구는 탐구· 규명 중심의 생명과학 연구에 창의적 설계와 공학적 원리를 도입해 목표지향적 지능형 인공 바이오 시스템을 구축하고 활용하는 것이 핵심이다. 인공 유전자 회로와 신기능 바이오 부품·소자(BioBricks)를 설계·제작하고, 이를 적용한 지능형 바이오 시스템(염 색체/세포/유기체)을 구축해 차세대 의약품-친환경 화학소재-기반 화학 물질을 생산하는 고효율 바이오 융합 원천기술을 개발하는 것이다.

왜 바이오인가?

바이오는 기계·화학·전자 산업이 이끌어온 현대 산업혁명의 대미를 장식할 분야이며, 지속가능하고 풍요로운 미래를 담보할 녹색성장의 핵심요체이다. 녹색산업에 대한 세계적 관심과 바이오 기술의 급속한 발전에 힘입어 향후 다양한 생물학적 요소들을 효과적으로 활용한 바이오 의약품과 바이오 화학산업을 필두로 하는 바이오 기반 신경제시대의 도래가 예측 되고 있다.

바이오 기술은 미래 성장산업으로 지속가능하고 환경 친화적인 물질 생산, 신개념 의약 개발 등의 근간이 되지만 생명 현상의 복잡성과 비예측성으로 인하여 공학적 효율성이 부족하다고 미국의 국가정보위원 회는 분석했다. 영국과 OECD도 생명 현상을 인류의 편익에 부합하도록 설계·제작하는 공학적 방식(부품 화-표준화-모듈화)의 합성생물학 연구가 본격 부상 하고 있으며, 방대한 유전체 정보와 유전자 합성기술 의 접목에서 미래 성장동력이 창출될 것으로 전망하고 있다. 이에 따라 다양한 생물학적 현상·지식들을 필요에 따라 능동적으로 조합· 합성할 수 있는 명료 하고 예측 가능한 바이오 시스템이 요구된다.

바이오 기반 신경제시대 도래

지능형 바이오 시스템 설계와 합성 기술은 이처럼 OECD, 미국학술원, 영국 의회보고서 등에서 70년대 컴퓨터 산업의 부각에 견줄만한 신기술로 주목받고 있으며, 일부 선진국 정부와 미국, 유럽의 메이저 석유회사(Exxon Mobil, Shell, BP)와 다국적 화학회사 (Dupont, Goodyear)에서는 현재의 세계적 경제위기를 극복하기 위해 경쟁적으로 투자 중인 글로벌 사업 이다.

또한 자연계에 있는 생명체 또는 생체요소로 구현이 불가능한 목표들을 달성하기 위해서 바이오 시스 템을 새로운 혁신적 논리 기반에서 설계하는 창조형 기술로 기존 기술의 한계를 극복하는 혁신적인 기초 원천(Ground-breaking)기술이다.

 수학, 화학, 물리학, 의학, 생명과학, 나노분자과학, 컴퓨터과학, 기계공학 등의 모든 분야와 소통하고 집대성하는 다학제 융합연구(Group approach)이다.

이 프로젝트는 따라서 기존의 한계를 뛰어넘어 미래 바이오산업 분야의 새로운 기술혁신을 주도할 수 있는 미래 개척사업으로 바이오 의약, 바이오 화학소재, 바이오 에너지 생산에 막대한 파급 효과를 미쳐 생명공학 산업이 지속적이면서도 비약적으로 성장할 수 있는 계기(Growth and sustainability)를 제공할 것으로 기대된다.

4가지 추진

■ 바이오 시스템 해석 및 설계 기술 개발 = 바이 오 시스템의 생체기능단위와 전체 네트워크의 구조· 기능을 해석하고 예측하며, 바이오 모듈 및 시스템을 디자인할 수 있는 솔루션을 개발해 인실리코 생체 설 계도를 제공한다.

■ 바이오 부품/소자 원천기술 개발 = 유전자·단 백질·대사회로 등 기능형생체단위의 정량적 특성을 분석하고 표준 바이오 부품/모듈/회로를 제작하고 고 도화, 이를 이용 생체기능을 재조립하고 리팩토링하 여 맞춤형 바이오 시스템을 구현한다.

■ 지능형 바이오 시스템 합성 = 고효율 유전체 합 성기술을 확보하고 최소 유전체 생체 시스템을 구현, 생체 내 각종 기능성 바이오 부품/모듈/회로를 장착 해 지능형 바이오시스템을 구현할 수 있는 플랫폼 세 포를 개발한다.

■ 공학적 활용 기술 개발= 각종 합성 생물학 기술 을 공학적으로 활용해 의료와 녹색산업 분야에서 파 급 효과가 큰 고품질 의약품과 기반 화학 물질을 고효 율로 대량 생산하는 지능형 세포공장을 개발한다.

BT·IT·NT·ET를 아우른다

이들 기술은 모든 바이오 관련 연구 분야의 불분명 성을 예측가능하게 하고 자연에 존재하는 생명체의 한계를 초월하여 목표 지향적 맞춤형 생명체를 설계 하고 구축하는 기술이다.

기존 생명공학기술의 한계를 뛰어넘는 와해성 신개 념의 바이오 부품과 지능형 인공세포 제작, 공학적 기 술의 바이오산업에 활용을 목표로, 기존 R&D 사업과 전혀 다른 독창적인 비전을 제시할 수 있을 것으로 보인다.

생명 현상의 메커니즘을 공학적 관점에서 재해석하 여 부품화·모듈화·표준화하고, 새로운 기능의 부 품·회로를 장착한 인공지능 세포를 설계 및 구축하 여 차세대 의약품, 기능성 화학소재, 친환경 에너지를 가장 효율적으로 생산할 수 있는 바이오 원천기술을 개발하는 것이 핵심이다.

BT에 IT, NT, ET 등 현대의 모든 앞선 기술을 융합 적으로 적용하여 결과물을 창조하므로, 생물학에 기 초를 두고 있지만, 지능형 바이오 시스템이 미래 바이 오산업의 일반적인 연구개발의 도구가 되었을 때 우 리나라의 우수한 IT, NT, ET 분야의 산업을 아우르는 신산업을 창출할 수 있는 진정한 의미의 융합적 R&D라는 것이 정부의 설명이다.

멀티스케일 기반 미래 에너지 연구

학제 간 경계 허문 신개념 에너지 원천기술

멀티스케일 기반 미래 에너지 연구사업은 화석 연 료 대체 가능한 청정 미래 에너지 솔루션 확보가 목표다. 멀티스케일 아키텍처링이라는 새로운 패러다임을 신재생에너지 시스템에 적용하여 에너지 변환 효율을 획기적으로 증대시키고 저가화를 달성시켜 화석연료 대체 가능한 혁신적인 미래 태양전지와 연료전지의 원천기술을 개발한다는 것이다.

깨끗하고 풍요롭고 건강한 인류의 삶을 위해서는 고갈되어 가는 화석 연료를 대체할 수 있는 청정 미래 에너지 솔루션을 찾아야 한다는 게 전문가들의 지적 이었다. 현재 태양전지, 연료전지 등 신재생 에너지 기술은 화석 연료 기술에 비하여 경쟁이 뒤떨어진다.

청정하고 안전한 신재생 에너지 기술이 미래 에너 지 문제를 해결할 수 있는 효과적인 대안임에도 불구 하고 현재 에너지 자원 기여도가 낮은 이유는 고가, 저효율에 기인한 낮은 경제성 때문이라는 게 전문가 들의 분석이다.

세계적으로도 에너지 수요는 급격히 증가하고 있으 며 국내적으로는 에너지 해외 의존도가 매우 높아 청 정 고효율 미래 에너지 솔루션을 확보하지 못한다면 안정적인 경제 성장에 큰 걸림돌이 될 것이라는 우려 도 크다. 전문가들은 따라서 기존 기술의 연장선 상에서는 획기적인 고효율, 저가 신재생에너지 원천 기술을 확 보할 수 없어 이를 극복할 수 있는 패러다임 전환용 신기술 개발이 필요하다고 지적해왔다.

획기적인 새로운 개념의 원천기술 확보를 위해서는 개개의 부품 개선 연구 차원을 뛰어넘어 미래 에너지 시스템 내의 근원적인 광에너지?분자에너지 전달과 변환 과정에서 나타나는 멀티스케일의 물리·화학 메 커니즘에 근거한 새로운 통합적 접근이 필요하다.

에너지 전달자인 광자·전자·분자와 에너지 변환 에 참여하는 포논과 플라즈몬의 에너지 전달 스케일 이 나노와 마이크론 스케일이고 에너지 시스템이 매 크로 스케일이므로 나노/마이크로/매크로를 통합하 는 멀티스케일 아키텍처링을 통해서 에너지 변환 및 전달 효율을 극대화 시키는 신개념 연구가 시급한 실정이다.

화석연료를 대체할 수 있는 고효율, 저가, 청정을 보장하는 광에너지와 분자에너지를 이용하는 혁신적 인 멀티스케일 미래 에너지 시스템 원천기술 개발이 이 프로젝트의 핵심이다.

■멀티스케일 아키텍처링 기술 개발 = 나노미터급 정밀도를 가지는 병렬식 3차원 멀티스케일 구조물 대 면적 형성 기술 개발, 멀티스케일 다층 구조물 형성기 술, 멀티스케일 계면 구조 형성 기술 개발이 주요 과 제이다.

■ 광에너지 융합시스템 기술 개발 = 3차원 멀티스 케일 아키텍처링을 적용한 미래 고효율 저가 박막 태 양전지 신기술 개발, 광자 하나에 다중 전하 생성 가 능한 신개념 양자점 멀티스케일 태양전지 신기술 개 발, 식물 광합성 모방 신개념 멀티스케일 태양전지 신 기술 개발이 핵심 과제이다.

■ 분자에너지 융합시스템 기술 개발 = 3차원 멀티 스케일 아키텍처링을 적용한 미래 고효율 연료전지 신기술 개발, 물질 전달 저항, 이온과 전자 이동 저항 최소화 가능한 멀티스케일 3차원 구조화 기술 개발, 3 차원 멀티스케일 전극 형성 신기술 개발에 주력한다.

■ 지능형 에너지 소재 기술 개발 = 이온과 전하 이동 제어 소재 개발, 광산란 및 밴드갭 제어 소재 신 기술 개발, 지능형 다종 촉매 설계와 합성 신기술을 개발한다.

이 연구는 기존 기술의 연장선 차원이 아니라 새로 운 패러다임을 적용하는 혁신적 원천기술 연구이며 과학적 메커니즘을 바탕으로 하는 실현성 있는 도전 연구이어서 획기적인 과학기술적 발견이 가능하며 예 상치 못했던 신개념의 과학 기술의 창출이 가능할 것 으로 기대되고 있다.

나노기술, 에너지 기술, 환경기술을 융합하는 새로 운 통합 방식의 에너지 시스템 원천기술 개발 연구로 서 자연과학과 공학, 기계, 화공, 재료, 전기 등 다양 한 기술 영역 간 융합이 이루어지는 융복합 연구이다.

화석연료 대체 가능한 미래 태양전지와 연료전지 원천기술을 개발, 해외 에너지 의존도를 대폭 낮출 수 있을 뿐 아니라 신재생 에너지 신산업 창출을 통해 국 제 경쟁력있는 미래 성장동력을 확보할 수 있을 것으 로 전망된다.

또 멀티스케일 에너지 시스템이라는 새로운 과학기 술의 트렌드를 세계적으로 정립할 수 있어 우리나라 가 에너지 분야의 과학 기술을 선도할 것으로 정부는 전망하고 있다