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콘텐츠 협조 | 한국연구재단 한계도전전략센터
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한계도전 R&D 프로젝트의 혁신을 향한 8개 질문을 소개합니다. 소재 분야는 ‘미래를 여는 물질’을 테마로 ‘양자 통신용 단일 광자를 상온에서 생성하는 기술’, ‘데이터 폭증시대를 대비한 광 집적회로용 광변조 혁신 기술’, ‘과불화 화합물 대체 생체친화적 윤활코팅 소재 기술’ 총 세 가지 연구주제가 도출되었습니다. 기후‧에너지 분야의 세 가지 연구주제 ‘최소 에너지를 이용하는 탄소(C12) 순환 기술’, ‘과학기계학습을 이용한 극단 기상변화 예측 및 재난위험 맵핑 기술’, ‘고온 열 저장‧이송 시스템 설계를 위한 한계 기술’은 ‘지속가능한 지구’라는 테마로 묶일 수 있습니다. 바이오헬스 분야에서는 ‘디지털 웰빙 케어’를 테마로 ‘기억의 미스터리를 푸는 열쇠’, ‘나의 시크릿 히어로’라는 연구주제가 설정되었습니다.
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SPEAR(Single Photon Emission Advanced Research) 프로젝트
소재 분야의 첫 번째 주제는 ‘양자 통신용 단일 광자를 상온에서 생성하는 기술’입니다. 양자 통신에 필요한 많은 기술이 존재하지만 한계도전전략센터는 광자 즉, 빛의 입자 하나하나를 생성할 수 있는 기술이 중요하다고 판단했습니다. 대부분의 양자기술은 극저온에서 구현되기 때문에 활용이 어려운 문제가 있었는데요. 양자 통신 기술의 적용 확대와 기존 통신 인프라와의 연계를 위해서는 간단한 기계 시스템으로도 광자 기술을 구현할 수 있어야 한다는 판단 끝에 ‘양자 통신용 단일 광자를 상온에서 생성하는 기술’를 첫 번째 주제로 택했습니다. 이른바 ‘SPEAR(Single Photon Emission Advanced Research) 프로젝트’인데요. 이 프로젝트는 “별도의 특수냉각설비 없이도 양자 통신 현장에서 쓸 수 있는 확정적 단일 광자 생성기는 왜 존재하지 않는가?”, “광자 기술 전문가들이 공통적으로 인식하는 기술 한계를 극복하려면 어떤 방식의 접근이 필요한가?”라는 도전적 문제를 제시하며 그 해결 방안을 찾고자 합니다. 프로젝트를 통해 양자 통신을 비롯한 광자 기반 양자 기술 분야에서 우리나라의 기술 수준을 글로벌 선두로 끌어올릴 수 있으며, 향후 광자 기반 반도체 및 ICT 신산업의 기반 기술을 마련할 것으로 기대합니다.
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ROMAN(Revolutionary Optical Modulators with Advanced Nanomaterials for Next-Gen Photonic ICs) 프로젝트
두 번째 주제는 ‘데이터 폭증 시대를 대비한 광 집적회로용 광변조 혁신 기술’이며 이른바 ‘ROMAN(Revolutionary Optical Modulators with Advanced Nanomaterials for Next-Gen Photonic ICs) 프로젝트’입니다. 정보통신기술은 전자소자에서 광소자로 전환‧융합되는 방향으로 발전하고 있습니다. 데이터 전송 속도와 주파수가 증가함에 따라 칩 레벨의 정보전달에서도 금속 배선기반의 전자 통신 방식이 광 신호를 이용하는 방식으로 전환되고 있지요. ROMAN 프로젝트는 “고성능 반도체의 광 연결 기술에 있어 글로벌 선도 기업을 뒤따라가는 연구개발이 아닌, 우리만의 혁신적 기술은 어떻게 창출할 수 있을까?”, “독특한 광학 특성을 지닌 나노소재를 실제 반도체 공정에 도입할 수 있을까?”에 대한 도전적 문제 제시로부터 시작됩니다. 프로젝트가 성공적으로 진행된다면 반도체 시스템의 성능 향상과 더불어 데이터센터 등 네트워크 인프라에서 소비되는 에너지의 감축에 기여하며, 광 기반 차세대 IT 기술의 원천기술을 확보할 수 있을 것으로 기대합니다.
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ILUCO(Innovative Lubricant Coating with Eco-friend & Bio compatability) 프로젝트
세 번째 주제는 ‘과불화 화합물 대체 생체친화적 윤활코팅 소재 기술’입니다. 테플론을 포함하는 과불화 화합물(PFAS)은 지난 백 년간 널리 쓰였지만 환경 오염에 미치는 영향이 크지요. 이른바 ‘ILUCO(Innovative Lubricant Coating with Eco-friend & Bio compatability) 프로젝트’는 “20세기 중반부터 광범위하게 사용되어 온 과불화 화합물을 대체할 수 있는 소재를 개발할 수 있을까?”, “인체 유해성이 없고 지구환경의 지속가능성에도 기여할 수 있는 새로운 윤활코팅재를 왜 만들지 못할까?”라는 도전적 문제를 제시합니다. ILUCO 프로젝트를 통해 과불화 화합물을 대체할 수 있는 환경‧생체친화적 윤활코팅 물질을 개발하면, 일상 생활용품이나 산업 기자재의 표면에 널리 적용될 수 있습니다. 또한, 지구환경의 지속가능성에 기여하는 바가 매우 클 것으로 기대합니다.
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지구상의 해양-육상-대기 사이에 나타나는 탄소의 생화학적인 순환과정에서 대기 중의 탄소는 대부분 이산화탄소로 존재합니다. 그런데 인구 증가, 문명 발달, 경제 규모 증가에 따라 탄소 자원(석탄, 석유 등)을 에너지로 사용하며 대기권의 이산화탄소 농도가 비정상적으로 증가하게 되지요. 이로 인해 자연적 탄소 순환 불균형이 발생하면서 지구온난화라는 매우 심각한 문제가 초래되었습니다. 이에 기후‧에너지 분야의 첫 번째 주제 ‘최소 에너지를 이용하는 탄소(C12) 순환 기술’은 “지구 탄소 순환 시스템의 불균형에서 출발한 지구온난화 문제를 해결할 수 있는 탄소 순환 관점의 궁극적 기술은 무엇일까?”라는 한계도전적 문제를 제시합니다.
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두 번째 주제 ‘과학기계학습을 이용한 극단 기상변화 예측 및 재난위험 맵핑 기술’은 기상이변 현상과 관련이 있습니다. 지구온난화의 영향은 극심한 기상이변의 빈도와 강도의 증가로 입증되고 있지요. 기상 예측 분야에서 인공지능 및 기계학습을 활용하지만, 최소한의 유효 데이터 부족으로 예측 모델의 불확실성과 한계에 대한 우려도 증가하는 상황입니다. 이에 기후‧에너지 분야의 두 번째 주제는 “수치해석의 복잡성과 유효한 데이터 부족으로 인해 나타나는 극단적 기상변화 예측 기술의 불확실성을 어떻게 극복할 수 있을까?”라는 한계도전적 문제를 제시하며 그 해결 방법을 찾습니다.
첫 번째와 두 번째 주제의 프로젝트를 진행하며 관련 분야에서 우리나라의 연구 수준을 글로벌 선단 그룹으로 인식시키고, 향후 관련 분야의 기술 투자 결정에 필요한 정보를 제공할 것으로 기대합니다.
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세 번째 주제는 ‘고온 열 저장‧이송 시스템 설계를 위한 한계 기술’입니다. 제품 생산용 공정 운전을 위한 가열 또는 직접적 열처리는 소비자 제품을 제조하는 데 필수적인데요. 연료 연소, 증기, 전기를 사용하여 공정 가열에 필요한 에너지가 소비되며, 직접 에너지 사용의 3분의 1은 폐열로 손실됩니다. 산업 현장에서 버려지는 저온 폐열원을 활용하여 200oC 이상의 열에너지를 발생시키고, 고온 열의 발생 시점과 사용 시점이 차이 나는 경우 이를 저장하여 산업 공정에 전달할 수 있는데요. 본 프로젝트는 “고효율 고온 열 저장‧이송 시스템의 설계와 개발을 위한 여러 한계 기술들은 무엇이고, 이것을 어떻게 극복할 수 있을까?”라는 도전적 문제를 제시합니다. 프로젝트가 성공적으로 진행된다면 우리나라 산업 부문의 탄소중립이라는 공통 이슈 해결에 기여할 것으로 기대합니다.
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인간 기억의 연구는 1900년 초부터 계속됐으나 기억 저장소, 기억 저장 방식, 검색, 재조합 등 일련의 과정은 아직 완전하게 이해되지 못하고 있습니다. 다각적인 연구가 지속되고 있음에도 기억의 실체는 아직 미스터리로 남아 있어 기술적 한계를 넘기 위해서는 새로운 각도에서 새로운 시도가 절실히 필요한 상황입니다. 이에 바이오헬스 분야에서는 ‘기억의 미스터리를 푸는 열쇠’를 첫 번째 주제로 설정했습니다. 기존의 ‘현상 이해’ 중심의 기초연구가 아닌 ‘응용 가능성 타진’에 초점을 두어 현재 기술과 지식의 한계를 넘어서는 혁신적 연구를 진행하고자 합니다. 본 프로젝트는 “우리 기억은 어떻게 저장되는 것일까?”, “기억이라는 데이터를 따로 저장할 수 있는 것일까?”, “저장된 기억을 뇌에 재인식시킬 수 있을까?”라는 한계도전적 문제를 제시하며, 그 해결 방법의 개발을 궁극적 목적으로 합니다. 프로젝트의 과정 및 결과를 통해 얻는 지식을 바탕으로 향후 우리의 기억과 밀접한 관계가 있는 질병 또는 장애의 조기발견 및 혁신적 치료법 개발의 기반이 마련될 것으로 기대합니다.
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무자각, 자율 건강 진단 및 회복 기술
두 번째 주제 ‘나의 시크릿 히어로(My Secret Health Evaluation & RestOration)’의 부제는 ‘무자각, 자율 건강 진단 및 회복 기술’입니다. 우리의 건강과 생명에 큰 위협을 주는 만성질환과 정신질환에 관한 연구가 다각적으로 진행되고 있으나, 이를 효과적으로 예방하고 치료할 방법은 확실하지 않습니다. 한계도전전략센터는 2형 당뇨, 심뇌혈관질환 같은 만성질환 및 중독, 우울증 등 정신질환의 발병, 효과적 치료가 유전적 요인 이외의 행동, 습관, 사회, 환경 등의 비생물학적 건강 결정요인과 밀접한 관련이 있다는 사실에 주목했습니다. 이번 프로젝트는 “나도 인식하지 못하는 나의 질병을 알아서 진단하고 예방, 제어할 수 있을까?”라는 한계도전적 문제를 제시하며 그 해결 방법을 무자각, 자율 진단 및 제어를 통해 얻고자 합니다. 프로젝트를 통해 기존의 치료 중심 건강관리에서 예방 중심 건강관리로 패러다임 전환을 시도하며, 무자각 진단 및 제어 기술을 통해 ‘아프다’, ‘병에 걸렸다’라는 말의 뜻 자체를 새롭게 정의하고자 합니다.
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