혁신도전 프로젝트 '20년도 연구 테마 연구개발(R&D) 사업 상세기획 완료

혁신도전 프로젝트 '20년도 연구 테마 연구개발(R&D) 사업 상세기획 완료

작성일 2021-05-03 부서 과학기술정책과, 원천기술과, 융합기술과, 생명기술과

 

 

 

하늘을 나는 무인잠수정, 폐유기물의 기초원료 재자원화 등

고난도·임무기반 과제(테마) 5건,

민간 전문가가 주도하는 범부처 연구개발 사업 기획 완료

 

- 혁신도전 프로젝트‘20년 발굴 과제(테마) 5건, 연구개발 사업 기획 완료 -

 

 

 

□ 과학기술정보통신부(장관 최기영, 이하 과기정통부)는 ‘혁신도전 프로젝트’ ‘20년도 연구테마 5건에 대해 사업기간, 세부과제 등을 포함한 연구개발 계획 수립을 완료했다고 밝혔다.

 

   ※ 제 17회 과학 기술관계장관회의(4. 30. 금.)를 통해 발표

 

 

< ‘20년도 연구테마 5건 >

 

▸ (환경) 폐유기물의 기초원료(C2 단량체)화 공정기술 개발

 

▸ (안전) 해난사고 신속 초동대응용 수공양용 무인잠수정(AUV) 기술 개발

 

▸ (자연재해) 다목적 성층권 드론 기술 개발

 

▸ (건강) 자폐성 장애 치료를 위한 혼합형 디지털 치료제 개발

 

▸ (디지털 전환) 초대용량 빅데이터 영구보존을 위한 DNA 메모리 기술 개발

 

 

□ ‘혁신도전 프로젝트’는 민간 전문가 주도로 고난도·임무형 연구개발(R&D)을 발굴·기획하고, 사업 수행과정 전반에 유연한 연구제도를 적용하는 범부처 연구개발(R&D) 사업으로서,

 

 ㅇ 정부는 ‘19년 5월 ’국가 연구개발(R&D) 혁신·도전성 강화방안‘을 발표한 후, 국가 연구개발(R&D)의 임무지향성과 도전성을 강화하기 위한 플래그십으로 동 프로젝트를 추진 중이다.

    ※ (선진국 사례) 미국의 DARPA는 PM에게 도전적 연구개발(R&D) 전과정에 독립적 책임과 권한을 부여하여 혁신적 성과를 유도하고 있으며, 일본도 이를 벤치마킹하여 ImPACT, 문샷프로젝트를 추진 중

 

 ㅇ ’20년 5월, 추진단장(정민형)이 선임된 이후, 부처·산학연 대상 공모, 출연연 대상 설명회 등을 통해 접수한 400여건의 연구테마들을 검토하고 외부평가 및 관계부처 협의를 거쳐 우선적으로 5개 테마를 선정(’20. 9월)하였으며, 이후 약 5개월간 각각의 테마를 개별 연구개발(R&D) 사업으로 추진하기 위한 상세기획을 관계부처 참여하에 진행했다.

 

□ 각 테마별 기획의 주요 내용은 다음과 같다.

➀ 폐유기물의 기초원료(C2 단량체)화 공정기술 개발

 

 ㅇ 폐유기물을 재활용·소각·매립으로 처리하는 기존 방법은 비용과 환경오염 측면에서 한계가 있어, 이산화탄소(CO2)를 배출하지 않으면서 판매 가능한 에틸렌·아세틸렌 등 기초원료로 재자원화하기 위한 테마이다.

 

 ㅇ 폐유기물을 고비용 처리대상에서 고수익 판매대상으로 패러다임을 전환하고, 소각·매립·재활용 시 발생하는 이산화탄소(CO2)를 최소화할 수 있다는 점에서 혁신성이 있으며, 고·액·기체 등 모든 형태의 폐유기물을 플라즈마를 활용하여 초고온·단시간에 기초원료로 전환하는 기술은 세계최초로 시도된다는 점에서 도전성이 인정된다.

 

➁ 해난사고 신속 초동대응용 수공양용 무인잠수정(AUV) 기술개발

 

 ㅇ 기존의 해난사고 대응은 출동준비 시간, 통신두절, 조류에 의한 선박위치 불명 등으로 신속·정확한 해난대응에 제한되며, 특히 악천후 시에는 출동 자체가 불가하다.

 

 ㅇ 이에, 수공양용 무인잠수정(AUV*) 개발을 통해 언제든 구조대보다 먼저 신속하게 공중이동, 사고선박 위치추적 및 조기수색으로 원활한 후속 구조활동을 지원하는 해난대응 시스템 구축 테마이다.

 

    * Autonomous Underwater Vehicle

 

 ㅇ 해난사고 즉시, 선박을 추적·수색함으로써 해난구조의 신속·정확성이 획기적으로 개선되는 한편, 헬기·선박과 달리 악천후에도 가동할 수 있는 점에서 혁신성이 인정되며, 해수·공중의 상이한 두 환경을 모두 만족하는 기체 설계의 난이도가 높은 도전적 테마이다.

 

➂ 다목적 성층권 드론 기술 개발

 

 ㅇ 위성* 중심의 기존 기상관측 체계로는 태풍·폭우·폭설 등 국지·돌발성 기상을 항시, 신속·정확하게 예측하는 데 한계가 있다.

 

     * 정지위성은 24시간 관측이 가능하지만 지상을 정밀하게 관측하기 어렵고, 저궤도위성은 지상을 정밀하게 관측 할 수 있지만 하루 15분 내외만 관측 가능한 한계

 ㅇ 이에, 구름·바람이 약하고 태양광이 풍부한 성층권에서 장기간 운용이 가능한 무인기 시스템을 개발, 위성의 한계를 보완하는 상시·정밀 감시체계를 구축하기 위한 테마이다.

 

 ㅇ 항시·정밀관측이 동시에 가능하게 되어, 기존의 기상·재난 관측 사각지대를 해소하고, 친환경성(태양광)·비용대비 효과가 우수한 점에서 혁신성이 있으며, -70도의 극한 환경을 극복함과 동시에 장기체공을 위한 저(低)동력 시스템 설계의 난이도가 높은 도전적 테마이다.

 

➃ 자폐성 장애 치료를 위한 혼합형 디지털 치료제 개발

 

 ㅇ 자폐성 장애는 완벽한 원인치료 방법·약물이 없어, 증상완화를 위한 안정제 및 발달·학습 프로그램에 의존 중이며, 의료 인프라 등 치료 연속성 확보가 어려워 조기발견 실패 시 중증으로 심화되는 경우가 많다.

 

 ㅇ 이에, 자폐를 조기진단하여 중증으로의 진행을 막고, 의료시설에 직접 방문하지 않아도 가정·학교 등 일상에서 자폐성 장애를 연속적으로 치료·관리할 수 있는 디지털 치료제 개발을 위한 테마이다.

 

 ㅇ 자폐성 장애를 일상생활에서 치료·관리가 가능하고, 일반적인 디지털 치료제와 달리 앱·게임 등 소프트웨어뿐만 아니라 센서·카메라·가상현실(VR) 등 하드웨어를 결합한 형태라는 점에서 혁신성이 있으며, 생체신호·행동패턴 모니터링 및 데이터 분석기술이 적용된다는 점에서 기술적 도전성이 인정된다.

 

➄ 초대용량 빅데이터 영구보존을 위한 DNA 메모리 기술개발

 

 ㅇ 현재의 실리콘 기반 메모리 기술로는 폭증하는 데이터를 안정적·영구적으로 저장 및 보존하는 데 한계*에 다다를 전망임에 따라, 저장밀도가 높고 영구보존이 가능한 DNA의 특성을 활용하여 전체의 80~90%를 차지하는 콜드 데이터**의 초저전력·영구 보존이 가능한 메모리 시스템을 개발하기 위한 테마이다.

 

     * 세계 데이터 저장률: ‘18, 18% → ’30, 3% → ‘40, 0.5%(예측)

 

    ** 접근빈도는 낮지만 장기보존이 필요한 데이터로서 의료기록, 계약문서, 정책문서, 실험데이터 등(유럽입자물리연구소의 강입자충돌 실험 시 1초당 40TB의 데이터 생성)

 ㅇ 폭증하는 인류의 데이터를 삭제할 필요없이, 획기적으로 압축된 형태로 초저전력·영구적 보존이 가능하다는 점에서 혁신적이며, 아직 세계적으로도 연구 시작단계이고 데이터를 DNA로 정교하고 빠르게 저장·합성·시퀀싱하는 데 있어 고난이도 기술이 요구되는 도전적인 테마이다.

 

□ 상기 5개 테마는 각각 관계부처 주관 하에 ’22년도 예산편성 과정을 거쳐, 민간 전문가 출신 사업단장이 사업 전주기를 주관하는 사업단 형태로 추진될 계획이며,

 

  ㅇ 경쟁형 연구개발(R&D), 포상금 후불형 연구개발(R&D), 기술구입, 목표 재조정, 조기종료, 등 유연한 제도가 적용될 예정이다.

 

  ㅇ 각 테마별 3~4년의 사업기간 동안 기술검증이 성공적으로 완료되면, 별도의 후속사업을 통해 상용화 등 성과를 확산할 계획이다.

 

□ 정민형 혁신도전프로젝트 추진단장은 “동 프로젝트의 취지에 맞게 정부부처·연구계 등의 제안을 폭넓게 검토하여 고난이도·임무기반의 도전적 테마를 선정 및 기획”했다며, 

 

  ㅇ “향후에도, 실패할 가능성이 높더라도 국가 연구개발(R&D) 혁신을 위해 반드시 필요한 테마들을 발굴할 수 있도록 노력”하겠다고 밝혔다.

 

□ 과기정통부 오태석 과학기술혁신조정관은 “국가 연구개발(R&D) 100조원 시대에는 논문·특허 등 양적성과보다는 임무목표에 기반하여 과감하게 도전하는 국가 연구개발(R&D)로의 전환이 필요”하다며,

 

  ㅇ “환경·안전·건강 등 국민생활과 밀접한 분야에서 임무목표를 기반으로 발굴·기획한 5개 연구테마가 범부처 협업을 바탕으로 성공적으로 추진될 수 있도록 적극 지원”하겠다고 밝혔다.

 

붙임. 혁신도전프로젝트 ‘20년 테마별 요약 설명자료

 

참고 혁신도전프로젝트 ‘20년 테마별 요약 설명자료

 

(환경 –「CO2를 배출하지 않는 사회」)

 

CO2 발생없이, 폐유기물을 판매가치있는 자원으로 전환

 

< 폐유기물의 기초원료(C2 단량체)화 공정기술 개발>

 

□ 문제정의 및 새로운 접근법

 

ㅇ 폐유기물은 재활용·소각·매립 등의 방법으로 처리되고 있으나 처리비용과 환경오염 대응 측면에서 한계 ⇨ 공정이 단순하고 활용도가 높은 판매가능·고부가가치 기초원료(C2 단량체*)로 재자원화

 

- (바이오가스) 생산시설 자체활용 35%, 발전 17.4%, 소각·방출16.5%

 

- (폐유 등) 재활용 78%, 소각·매립 22%

 

- (폐플라스틱, 합성수지 등) 재활용 58%, 소각 36%, 매립 6%

 

* C2 단량체: 에틸렌(C2H4), 아세틸렌(C2H2)

기존(재활용·소각·매립 등) C2 단량체화

 

특징 ▸환경오염 유발(CO2 배출) ▸환경오염요인 제거 / CO2 배출 Zero

* CO2 배출량(kg)/폐기물량(kg) : -0.65

* CO2 배출량(kg)/폐기물량(kg) :

(소각) 3.7 (재활용) 1.9  (공정 자체에서 발생하는 CO2는 ‘0’이며, 부수적으로 발생하는 CO2도 제거하는 효과)

 

** 매립은 CO2보다 온난화 지수가 21배 높은 메탄(CH4)배출로 ‘26년부터 전면 금지 ▸판매가능한 기초원료화(고부가가치)

 

▸높은 처리비용 ※ 부가가치(만원/톤): 76

 

※ 부가가치*(만원/톤): 매립 -15, 소각 -25, 재활용 –19 (*생성물 가격 – 처리비용) ▸단순한 처리공정

※ 고·액·기 단일공정, 혼재물 처리가능

▸복잡한 처리 과정 (재분류, 정제공정 등 불필요)

※ 예: 폐플라스틱은 재분류·분리, 분쇄, 세척, 건조 등의 별도절차 필요

 

 

□ 기술의 혁신·도전성

 

ㅇ (혁신성) 폐유기물을 고비용·처리대상 → 고수익·판매대상으로 패러다임 전환함과 동시에, 소각·매립·재활용 시 발생하는 CO2를 Zero화

 

ㅇ (도전성) 고·액·기체의 혼재된 폐유기물을 초고온(2000K)·단시간(1초이내)에 기초원료(C2단량체)로 전환하는 기술로, 세계최초 시도

□ 주요 사업내용

 

ㅇ (사업기간) ’22년 ~ ‘24년(1단계, 3년)

ㅇ (사업 목표) 모든 형태의 폐유기물을 C2 단량체로 기초원료화하는 공정을 개발하여, 재활용·매립 등 기존 처리법을 대체하는 플라스틱 순환경제 구축

1단계 2단계

 

· C2 단량체 공정 플랫폼 시스템 기술  ⇨ · 처리용량 스케일업 기술 확보

 

※ (규모) 기·액상 20L/h, 고상 10kg/h ※ (규모) 기·액상 2000L/day 고상 2ton/day

 

· Lab Scale의 리액터 시작품 · 현장도입 가능한 규모의 리액터 시제품

 

· 기업·지자체 협업으로 성능검증 · 산업플랜트·지자체 시설에 적용

 

ㅇ (세부 연구과제) △ 폐유기물 전처리 기술, △ 플라즈마 공정을 통한 C2 전환 공정 시스템, △ C2 분리 등 후처리·고부가화 기술

 

1. (전처리) 다양한 성상(고·액·기)의 폐유기물 분석, 제염 등 전처리 기술 개발

세부 연구 성과 목표

▸ 폐유기물 특성 분석 및 고상 폐기물의 유동화 공정 기술 - 산소함량 0.5% 이하에서 유동화 가능

 

▸ 고·액·기 폐유기물의 C2 전환 공정으로의 최적 공급 기술 저온(40ㅇC)에서의

유동화 점도(PE/PP: 180, 폐섬유: 35cSt 이하)

▸ 액상 폐유기물의 정제 공정 기술 개발

 

▸ 혼재물 내 불순물질 제거

2. (C2 전환) 폐유기물의 C2 단량체 전환공정 시스템

세부 연구 성과 목표

▸ 대용량 플라즈마 전환공정 열반응 해석기술 개발 선택도: C2H2 90%, C2H4 80% 이상

 

▸ 수소(H2) 반응을 통한 C2H2, C2H4 전환생산 공정 기술 10kg/h급 전환공정 개발

 

▸ C2 전환공정 시스템(반응기) 시작품(Pilot) 제작

3. (C2 분리, 후처리) C2 생산 고도화 및 고부가화 기술

세부 연구 성과 목표

▸ 고효율·고순도 C2 분리기술 (H2와의 분리 / C2간 분리) - 순도: C2H2 99.5%, C2H4 99.8% 이상

 

▸ C2 → C3 전환 촉매 개발 C3 전환율 67% 이상

(안전 – 「사고없는 안전한 바다」)

 

구조대보다 먼저 현장에 도착하여 수색을 지원하는 해난대응 시스템

<해난사고 신속 초동대응용 수공양용 AUV 기술개발>

 

□ 문제정의 및 새로운 접근법

 

ㅇ 해난 사고대응은 출동 → 위치추적 → 수색 및 구조의 과정으로, 본격 구조활동 전, 정확한 사고위치 파악과 침몰선박 추적·수색이 중요

 

- 사고접수 후 △출동 준비시간, △통신두절, △조류에 의한 침몰선박 위치불명 등의 요인은 신속·정확한 초동대응을 제한하며, 특히 악천후시에는 출동지연으로 구조에 어려움이 더욱 심각

 

⇨ 악천후를 포함, 언제든 구조대보다 먼저 신속하게 공중이동하여, 사고선박 위치추적 및 조기수색으로 원활한 후속 구조활동 지원할 수 있는 비행이 가능한 AUV 필요(Autonomous Underwater Vehicle)

※ ‘15~‘19년까지 제주해역에서 태풍·풍랑특보 등 악천후시 발생한 해난사고는 233건

<구조전문가 설문결과>

 

▸ (수색시 어려움) 높은 조류 및 악천후 44%, 시야확보 28% 등

▸ (일반 AUV 활용 애로) 운용선박 필요 29%, 낮은 이동속도 17% 등

→ 사고현장에 적합한 형태로 수공양용 단일동체형이 88%

기 존 Flying AUV 도입

 

구조 · 즉각 초동대응팀 별도운용 없이구조대가 준비되면 선박으로 기동 · 구조대 출동 전, AUV로 초동수색

방법

기동성 · 출동준비 시간 필요 · 신고접수 즉시 출동 가능

 

· 선박에 의존 · 일체형+경량화로 신속기동

선박 · 현장도착 전 선박위치 변동 시 발견에 어려움 · 현장도착 전 선박위치가 변해도 공중기동으로 신속발견, 구조대 유도

추적

현장 · 잠수시간 제한, 안전위협 · 안전문제 없으며, 구조대의 수색부담을 해소하고 구조의 정확성·효율성 확보

수색

· 수색범위 제한

악천후* · 기상 개선시까지 출동불가 · 구조대 출동 전(기상 개선 전), 즉각 출발로 선박 지속 추적 및 침몰 상황 모니터링(지휘통신체계)

 

· 선박 위치 추적 불가

※ 일반 AUV 역시, 선박에 싣고 이동함에 따라 침몰선박 발견 전까지는 역할이 제한

 

* 태풍·폭우는 물론, 맑은 기상에서의 강풍 등에 인한 높은 파고, 빠른 조류 등도 해당

□ 기술의 혁신·도전성

 

ㅇ (혁신성) 해난사고 즉시, 선박을 추적·수색함으로써, 해난 구조의 신속·정확성이 획기적으로 개선되고, 악천후에는 유일한 대안

 

ㅇ (도전성) 운행환경이 해수 ⇄ 공중으로 급변함에 따라, 두 조건을 모두 만족할 수 있는 경량·수밀기술, 수공 천이 기술 및 추진기술 등을 확보하는 데 고난이도가 인정됨

 

 

<사례 비교: ‘21. 2. 19. 금, 포항 감포 동방 약 40km 해상 어선 전복사고>

실제 사고 사례 실제 대응 Flying AUV 활용(가정)

Flying AUV 구조대

 

17:00 풍랑주의보 발효

17:45 위치신호 끊김 17:45 출동

 

17:55 출발

18:05 선박 발견

18:06 위치 및 현장 정보 전송

+

정밀 수색

18:45 선장 최종통화 18:50 현장 도착

(전복 추정) 구조활동 개시

18:55 해경 등 출동

21:25 사고선박 발견

 

□ 주요 사업내용

 

ㅇ (사업기간) ‘22년 ~ ‘25년(1단계, 4년) 

 

ㅇ (사업 목표) 빠르게 해난현장에 도착, 수색 등 현장관리를 지원하는 수공양용 AUV를 개발하여, 구조활동 공백을 제거하고 악천후 등 기상조건에 자유로운 전천후 해난대응 시스템 완성

 

1단계 2단계

 

▸ Flying AUV 원천기술 개발 ⇨ ▸ Flying AUV 고도화

※ 경량동체 및 운영 시스템, 자율운용 및 초고속·광역 무선통신 ※ 내압강도, 비행·잠항능력 고도화, 수중진입성능, 위치파악성능, 고속통신 거리 개선 등

 

▸ AUV 동체, 운영시스템 시작품 ▸ 고도화 개선된 시제품 완성

▸ 인증 획득 및 실해역 실증(해경참여) ▸ 사업화, 해경도입, 현장운영

1세부. Flying AUV 이동체 및 운영 시스템

세부 연구 성과 목표

1단계 2단계(안)

▸ 동체 경량화 및 방수 구조 및 기술 설계 동체무게 50kg 이하 50kg 이하

내압검증 3bar 이하 12bar 이하

▸ 공(空)/수(水)의 특성을 모두 만족하는 단일 추진 및 제어 시스템 비행능력* 50km/h 100km/h

(0.5H) (1H)

▸ 운용자가 데이터를 쉽게 확인하고 신속하게 대응할 수 있는 통합 운영 시스템 잠항능력* 1노트(1H, 수심 10m) 3노트(2H, 수심 100m)

공수전환 1분 이내 0.5분 이내

(+5m → -1m)

2세부. Flying AUV 자율운용 기술 개발

세부 연구 성과 목표

1단계 2단계(안)

▸ 상공/수중 위치의 정확한 추정 공중위치오차 1m 이하 0.5m 이하

 

▸ 변화하는 복합환경(공⇄수)에서의 연속적 임무수행을 위한 자율제어 수상착륙위치 5m 이하 2m 이하

정밀도(오차)

▸ 수중 획득 영상정보 품질확보 공수전환 70% 95%

성공률

수중목표인식 70% 90%

정밀도

3세부. Flying AUV 임무수행 지원을 위한 해상 광역·초고속 무선통신 기술개발

세부 연구 성과 목표

1단계 2단계(안)

▸ 운용환경 변화에 대한 적응 및 파손·부식 처리 대응이 가능한 통신 시스템 전송거리 25km이상 100km이상

 

▸ 임무지원 시 끊김없는 무선통신 제공을 위한 AI기반 해상 고신뢰·광역전송 기술

제어정보 1Kbps 이상 1Kbps 이상

▸ 수중 영상정보의 무손실 전송 기술 전송률 (50km/h 이동시) (100km/h 이동시)

영상정보 0.001% 이하 0.001% 이하

에러 손실률

(자연재해 –「기상이변 피해가 없는 사회」)

 

3. 24시간 정밀 기상관측 및 재난감시가 가능한 시스템

 

<다목적 성층권 드론 기술 개발>

 

□ 문제정의 및 새로운 접근법

 

ㅇ 위성*을 활용한 기존 기상관측 체계로는 태풍·폭우·폭설 등 국지·돌발성 기상을 항시, 신속·정확하게 예측하는데 한계

 

* 정지위성은 24시간 관측이 가능하지만 지상을 정밀하게 관측하기 어렵고, 저궤도위성은 지상을 정밀하게 관측 할 수 있지만 하루 15분 내외만 관측 가능한 한계

※ 기상청의 강수 정확도 46%(’17년, 감사원), 태풍경로 5일 후 예측위치 오차 405km(‘16년, 기상청)

※ 태풍, 호우, 대설 등 기상재해 피해재산 및 복구액 규모 5,846억원(’18년, 기상청)

 

⇨ 구름·바람이 약하고 태양광이 풍부한 성층권에서 장기간 운용이 가능한 무인기 시스템을 개발, 위성의 한계를 보완하는 상시·정밀 감시체계 구축

* 대류권(0~10km), 성층권(10~50km), 중간권(50~80km), 열권(80~500km)

위성 활용 성층권 드론

(고도: 18~22km)

정지궤도 위성 저궤도 위성

(고도: 36,000km) (고도: 500~1,500km)

 

24시간 관측 가능 불가 가능

(1일 3회, 총 15분 내외 관측)

정밀관측 불가 가능 가능

(공간해상도 250m 내외) (공간해상도 1m 내외) (공간해상도 1m 이하)

유연한 임무수행 불가 불가 가능

(최초 제작 시 결정) (최초 제작 시 결정) (임무에 따라 수시로 장비 교체)

비용 높음 높음 낮음

(1,500억원 이상,  (500~1,500억원,  (100억원 이하, 

발사비별도) 발사비별도) 발사비 없음)

 

활용 거시적 기상·해양 관측 및 통신 거시적 기상·해양 관측 및 통신 정밀 기상·재난 관측

국경 감시

※ 운영위성 7대(기상 2대) ※ 운영위성 4대(다목적)

 

□ 기술의 혁신·도전성

 

ㅇ (혁신성) 위성의 한계인 항시·정밀관측을 동시 만족하여 기존의 기상·재난 관측 사각지대를 해소하며, 친환경성(태양광)·비용대비 효과* 우수

 

* 全 국토 24시간 정밀관측 시, △성층권 드론 1,000억원(10대X100억원), △저궤도 위성 7.7조(96대X약 800억원) △정지궤도 위성은 정밀관측 불가하며, 보유가능 댓수 제한

 

ㅇ (도전성) 극한환경(-70도)에서 발생하기 쉬운 마모·급방전을 방지하고, 1개월 체공을 위해 소모동력이 작은 경량 무인기 제작에 고난이도 설계 필요

□ 주요 사업내용

 

ㅇ (사업기간) ‘22년 ~ ‘25년(1단계, 4년)

 

ㅇ (사업 목표) 24시간 정밀한 기상관측·재난감시로 국가재난 상시대응에 활용할 수 있는 태양광 무인기 시스템 개발

 

- 기상청 등 수요부처와 함께 무인기 기술을 고도화·상용화하고, 공공조달을 통해 국가 재난 대응에 활용(2단계)

 

1단계(4년) 2단계(4년)

 

▸성층권에서 1개월 이상 체공 가능한 무인기 기술 개발 ⇨ ▸ 무인기 기술 고도화, 시험·인증 등 상용화·양산체계 구축(기상청 등 수요부처 참여)

▸ 상용화 인증기 제작 및 운영시스템 구축

▸무인기 시제기 제작 및 운영시스템 시범운영(비행시험 및 지상 관측 데이터 송·수신 등) ▸ 기술이전·공공조달 등의 다양한 형태로 민관 도입(기상청 등)

 

▸항우연 고흥항공센터

 

ㅇ (세부 연구과제) △ 기체설계 및 종합체계 △ 통신 및 제어 시스템, △ 추진장치, △ 고도화를 위한 원천기술 개발 등으로 구성

1. 성층권 드론 기체설계 및 종합체계 기술 개발

세부 연구 성과 목표

현 수준 목표

▸ 초경량·고강도 기체 구조·형상 설계 및 제작 프로펠러효율 72% 75%

▸ 비행체 지상 운용 시스템 개발 및 제작 원거리 지상 - 1식

▸ 고고도 장기체공기 프로펠러 기술개발 통제장치

날개 길이 20m 30m

2. 비행체 통신·제어 기술 개발

세부 연구 성과 목표

현 수준 목표

▸ 비행제어 전장(전자장치) 시스템 개발 전장 중량 5Kg 7.5Kg↓

 

▸ 성층권 장기체공이 가능한 동력시스템 제작

 

* 단열·압력 등 배터리 패킹 기술, 태양전지 모듈, BMS(Battery Management System) 등

배터리팩용량 7kWh 14.3kWh

▸ 안테나 등 통신 및 임무장비 개발 태양전지모듈 2.2kW 9.0kW

3. 비행체 추진장치 개발

세부 연구 성과 목표

현 수준 목표

▸ 전기추진 시스템(경량, 고효율, 내구성, 내환경성) 제작 및 통합 모터 용량/효율 1kW/90% 3kW/94%

 

- 모터·인버터 고효율·경량 설계

 

- 태양전지 출력 조절기* 개발

인버터 용량/효율 1.5kW/90% 3kW/98%

* 환경변화에 따라 전압을 조절하여 최대출력 유도 태양전지 - 7kW/95%

출력조절기

4. 성층권 드론 기술 고도화를 위한 원천 기술 개발

세부 연구 비고

▸ 프로펠러 및 인버터의 최대효율 연구 1세부(프로펠러), 3세부(인버터)와 경쟁

▸ 고고도 다중화 비행제어 기술 연구 2세부(비행제어)와 중복추진(경쟁)

▸ 신속 공력 해석 기술, 날개 진동 특성 (공탄성) 및 방빙·제빙 기술 연구 신규 연구주제

(건강 -「일상에서 양질의 건강관리와 치료가 가능한 사회」)

 

4. 자폐성 장애를 조기발견하고 일상에서 치료·관리할 수 있는 시스템

 

<자폐성 장애 치료를 위한 혼합형 디지털 치료제 개발>

 

□ 문제정의 및 새로운 접근법

 

ㅇ 자폐성 장애는 완벽한 원인치료 방법·약물이 없어, 증상완화를 위한 안정제 및 발달·학습 프로그램에 의존 중이며, 의료 인프라 등 치료 연속성 확보에 어려움 → 조기발견 실패 시 중증으로 심화

· 자폐성장애 : ’15년, 21천명 → ’19년 29천명(연 8%↑) / 전체장애: 연 1.2%↑

 

· 보호자, 치료사 등 설문결과 : 집-학교-병원 간 치료 연속성 낮음(59%), 지역 치료 인프라 부족(55%) 등이 문제로 인식

 

· 상급종합병원의 수도권 편중(44%), 정신과 보호병상 감소(‘11년, 1,021개 → ‘18년 857개)

 

⇨ 자폐를 조기에 진단하여 중증으로의 진행을 막고, 의료시설에 직접 방문하지 않아도 가정·학교 등 일상에서 자폐성 장애를 연속적으로 치료·관리할 수 있는 디지털 치료제 개발

 

 

<자폐성 장애 치료 환경의 변화>

기 존 변 화

 

주요

변화 ▶ 자폐가 상당히 진행된 후 발견 ▶ 자폐 조기진단으로 빠른 대응

※ 언어발달 지연, 눈맞춤 회피 등의 증상으로 병원방문 후 발견(2~3세) ※ 자폐위험 예측 프로그램 등(1세 미만)

 

▶ 병원 지역 치료시설 등 제한된 치료 인프라에 의존 → 치료의 단절

 

▶ 의사의 진단·처방을 가정·학교 등 일상에서 24시간 연속·정밀 관리 → 치료효과 상승

▶ 일시적 증상완화*를 위해 부작용을 감수하고 안정제 등 약물에 의존 ▶ 디지털 치료제를 사용, 부작용이 없는 개선치료 가능

 

* 갑작스러운 공격 행동, 발작 등

 

□ 기술의 혁신·도전성

 

ㅇ (혁신성) 자폐성 장애를 의료시설뿐 아니라 일상생활에서 연속성 있게 치료·관리가 가능하고, SW앱·게임의 단순한 형태를 벗어나 센서·카메라·VR 등을 결합한 적극적 치료를 목표로 함

 

ㅇ (도전성) SW와 HW를 혼합한 세계 최초의 자폐 치료제로서, 생체신호·행동패턴 모니터링 기술과 데이터 학습·분석 기술 등을 융합

 

- 자폐성 장애인의 자가간호능력 결핍을 고려하여 직접접촉 및 사용자 조작을 최소화하기 위해 높은 기술력 요구

□ 주요 사업내용

 

ㅇ (사업기간) ‘22년 ~ ‘24년(1단계, 3년)

 

ㅇ (사업 목표) 자폐성 장애를 조기예측하고, 환자의 사회성, 의사소통 및 이상행동에 대한 연속성있는 개선·관리가 가능한 혼합형 디지털 치료제 및 모니터링·분석 플랫폼을 구축

 

1단계(3년) 2단계(3년)

 

▸ SW·HW 혼합형 디지털 치료제 기술개발 ⇨ ▸디지털 치료제 기술의 고도화

- 자폐 예측정확도 70% → 90%

▸ HW·SW 혼합형 디지털 치료제 파일럿 3종 및 모니터링·분석 시스템 개발·실증(코호트 DB 4천명)

▸인허가 완료 디지털 치료제 3종

▸ 참여의료기관 방문 환자 등을 중심으로 탐색적 임상시험 적용 모니터링·분석 시스템(코호트 DB 1만명 추가)

 

▸정신의학과, 소아정신과를 중심으로 처방 확대, 실사용 데이터 확보

 

ㅇ (세부 연구과제) △ 대표증상에 대한 디지털 치료제 3종 개발, △ 자폐성 장애 모니터링·분석 데이터 플랫폼 개발

세부 연구과제 성과 목표

1. (치료제1) 사회적 상호작용 능력 향상 3개 과제별 동일

 

▸ 사회성 장애* 개선을 위한 교육, 훈련 등의 콘텐츠 · 파일럿 테스트

* 눈 맞추기·얼굴표정·제스처 사용의 부적절, 타인과의 관계형성 등이 어려운 증상

: 치료대상자 20명

- (SW) 초실감형 콘텐츠(VR·AR), 인공지능(AI) 등 치료제공자 4명

- (HW) 머리착용디스플레이(HMD), 위치·자세·제스처 인식 장치 등

· 탐색적 임상시험

※ 대상: 경증(중증도 Lv 1~2), 만 7세 이상

: 치료군 100명

(사용기간 2개월)

 

· 치료효과 신뢰도

2. (치료제2) 의사소통 능력 향상

▸ 언어적·비언어적 의사소통 능력* 개선을 위한 모니터링, 교육, 훈련 콘텐츠 : 95% 이상

* 대화가 어려움, 의미없는 단어·문장 반복, 단조로운 억량·운율, 부적절한 큰소리 등

 

- (SW) 인공지능(AI), 음성합성기술(TTS), 사람·사물 인식 기술(컴퓨터비전) 등

- (HW) AI 로봇, 스마트 스피커 등

 

※ 대상 : 중증(중증도 Lv 3), 만 1세 ~ 7세

3. (치료제3) 이상행동 완화 치료

▸ 공격, 자해 등 이상행동* 시 직·간접적으로 사용 가능한 콘텐츠

* 손·손가락을 반복적 흔들고 비꼬는 행위, 과민·과소반응, 공격적 행동, 자해 등

 

- (SW) 감성인공지능(AEI), 음성·행동 패턴 알고리즘 등

- (HW) 음·행동 인식 센서, 스마트 트래킹 카메라 등

 

※ 대상 : 증증(중증도 Lv 3), 만 3세 이상

4. (플랫폼 구축) 모니터링·분석 플랫폼 · 코호트 DB

: 만 1세 미만 2천명, 전연령 환자 2천명

▸ 자폐 고위험군 예측을 위한 코호트 DB* 구축 · 고위험군 AI예측 정확도: 70% 이상

* 기초건강 및 환경 조사(가족력, 혈액형 등), 진단검사 데이터(자폐증 진단 및 검사 등), 각종 검체 데이터(혈액, 타액 등), 디지털 표현형 데이터(생체신호, 활동정보 등) 등

 

▸ 각 디지털 치료제에서 생성·수집되는 정보의 연계·활용을 위한 통합 DB 구축

 

▸ AI 기반 모니터링 및 고위험군 예측·분석 플랫폼 개발·구축

→ 적용

디지털치료제 ① 디지털치료제 ② 디지털치료제 ③ 환 자

 

디지털치료제 데이터 플랫폼

▴모니터링·분석 플랫폼, ▴코호트 기반 연구 DB, ▴디지털치료제 통합 DB ←

데이터 

 

(디지털 전환 –「모든 데이터가 안전하게 관리되는 사회」)

 

5. 폭발적으로 증가하는 인류의 모든 데이터를 영구적으로 안전하게 저장

<초대용량 빅데이터 영구보존을 위한 DNA 메모리 기술개발>

 

□ 문제정의 및 새로운 접근법

 

ㅇ 현재의 실리콘 기반 메모리는 전자기적 특성으로 인해, 폭증하는 데이터의 안정적·영구적 저장 및 보존에 한계에 다다를 전망

 

* 세계 데이터 저장률: ‘18, 18% → ’30, 3% → ‘40, 0.5%(예측)

 

⇨ 저장밀도가 높고 영구보존이 가능한 DNA의 특성을 활용, 세계 80~90%를 차지하는 콜드 데이터*을 초저전력·장수명 보존할 수 있는 메모리 시스템 개발

 

* 접근빈도는 낮지만 장기보존이 필요한 데이터로서 의료기록, 계약문서, 정책문서, 실험데이터 등(유럽입자물리연구소의 강입자충돌 실험 시 1초당 40TB의 데이터 생성)

 

실리콘 기반 메모리 DNA 기반 메모리

 

저장

원리 · 자성을 띤 물질에 전기적 방향(+/-)이 가해져 1/0 으로 저장 · DNA의 핵염기 조합(A/T/G/C)으로 유전정보가 저장(전자기특성 無)

저장 · HDD 기준, 10GB/mm2 · 10억GB/mm2까지 가능(HDD의 1억배)

능력 - 전자기특성*에 의해 1bit 당 간격은 10nm가 한계이며, 기판의 적층 수에도 제한

* 스케일 현상: 수십nm이하 영역에서 정보저장·처리 등 물질의 능력이 사라지는 현상 - 저장 셀당 간격이 기존 메모리에 비해 충분히 작으며, 전자기적 영향이 없으므로 적층 등 Grouping에 문제가 없음

- 1/0으로 저장→ 저장용량 2n배

※ n: 저장 셀의 수

- A/T/G/C로 저장 → 저장용량 4n배

 

 

영구성 · 10년 내외로 비교적 짧은 수명 · 환경에 따라 수천년 이상 데이터 보존 가능

- 전자기적 특성 등에 의한 물리적 성질 변화 ※ “화석의 DNA 보존환경 구현 시, 2천년간 가능”(‘15, 스위스공대연구진)

 

 

환경 · 대형 데이터센터*로 발열문제 · 시스템 유지를 위한 최소한의 전기만 사용

※ 전력량: 센터 1곳 = 1.8만 가구

* ‘30년, 세계 전력량의 7%(Nature紙)

 

활용 예측 자주 읽고 쓰는 데이터 접근빈도는 낮으나 장기보존이

(약 10~20%) 필요한 데이터 (약 80~90%)

□ 기술의 혁신·도전성

 

ㅇ (혁신성) 폭증하는 인류의 모든 데이터를 삭제할 필요없이, 획기적으로 압축된 형태의 데이터 센터에서 초저전력·영구적 보존

▶ 세계 데이터 저장률 기준, ‘40년(0.5%)에 모든 데이터를 저장하기 위해서는 현재의 데이터 센터 증가추세를 고려한 규모의 200배가 필요

▶ 국내 N사의 제 2데이터 센터는 240PB 저장에 연면적 25만m2 규모 ⇨ DNA 기반데이터 센터로 구현할 경우 약 100평 이내로 가능(약 1/800 수준)

 

ㅇ (도전성) 미·EU 등에서도 본격 연구가 이루어진지 10년이 안된 상황으로, 특히 데이터를 DNA로 정교하고 빠르게 저장하거나 읽는 합성·시퀀싱 단계의 기술구현이 고난이도이자 비용절감·상용화의 핵심관건

 

▸ (코딩) 디지털 데이터 ⇄ DNA 코드화 ▸ (합성) 변환된 데이터를 DNA로 입력

 

▸ (시퀀싱) DNA에 저장된 정보를 컴퓨터로 읽어내기 위한 데이터 출력 과정

 

□ 주요 사업내용

 

ㅇ (사업기간) ‘22년 ~ ’25년(1단계, 4년)

 

ㅇ (사업 목표) DNA 기반 메모리 장치 개발로 고전력 소모, 용량·수명이 제한되는 대형 데이터 센터를 저전력·고용량·장수명의 소형화로 탈바꿈

 

1단계 2단계

 

▸ DNA 저장장치의 인·디코딩, 합성·시퀀싱 등 원천기술 개발 ⇨ ▸ DNA 저장장치 성능 고도화 및 상용화 가능한 사이즈 구현

 

▸ Lab 스케일 수준의 프로토타입 ▸ 메모리칩, 디바이스 시제품 구현

 

▸ 데이터 센터 도입: 공공 → 민간확산

▸ 결과물의 성증 테스트·검증

ㅇ (세부 연구과제) △시스템 구조 설계, △코딩기술, △합성(Writing), △시퀀싱(Reading), △DNA 저장장치 모델을 중점적으로 개발

기술 세부 연구 내용 과제별 목표

분야

시스템 전체 시스템 구성 및 동작원리 주어진 주소의 정보인출 정확도 95%↑

- 정보용량: 100PB/m3

- 전체 플랫폼 유지관리 및 최적화 기술 등 (1PB = 106GB)

 

- DNA 데이터 목록 구조, 검색 시스템

코딩 - 오류 정정/최소화 코드 DNA 센싱 데이터 처리시 염기서열 판정 정확도 90%

 

- 염기서열 추정 알고리즘

 

- IT ↔ BT 전환 기술 (DNA 코드 최적화 기술)

 

- AI를 이용한 데이터 압축 기술 

합성 - 메모리로 사용 가능한 DNA 합성법 개발 10개 이하 염기조합으로 100PB/m3이상 데이터 저장에 성공

(쓰기)

DNA 합성의 고밀도·고집적·자동화 기술 등

시퀀싱 - 고감도·다중처리·고신뢰도 DNA 판독 기술 신개념 시퀀싱기술 1건

(읽기) 초고속·자동화 시퀀싱 기술 등 100GB 시퀀싱 1분↓

DNA 시스템/코딩/합성/시퀀싱 결과를 적용하기 위한 DNA 저장장치 모델 개발 안전성·내구성이 담보되는 최적 DNA상 개발

저장장치 * 연 0.001% 이하 손상율