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Future tech 11

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11 future technoloy of KISTI selection

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Future tech 11

  1. 1. Future Tech 11 2 0 1 6 . 6 S E L EC T E D BY K I ST I
  2. 2. Medical Nano Machine
  3. 3. 1. 진단, 치료용 NANO 머신 2. 뇌신경 모방 반도체 소자 3. 소프트 로봇 4. 자연모사 감각 센서 5. 생각대로 움직이는 기계제어기술 6. 기능성 분자전자 소자 7. 양자 컴퓨팅 8. 슈퍼 박테리아 대응기술 9. 친환경 탄소제로 엔진 10.인공 광합성 기반 청정에너지 생산기술 11.도시,해양,사막 녹색화 기술 http://mirian.kisti.re.kr/futuretech/tech.jsp
  4. 4. 1. Treatment of viral disease - 바이러스성 질병과 관련된 유전자, 단백질 등의 매커니즘을 조정 함으로써 질병을 사전에 차단 및 치료하는 기술 - 각각의 원자 분자, 나노구조체를 직접 제어하고 조작 가능한 나노 단위의 센싱구조와 구동구조 및 조작기구를 갖는 의료용 극미세 전 기 기계시스템 (참고) Nano? ​1 nm = 10^-9 분자의 크기 = 수십 Å (1 Å = 10^-10) MEDICAL NANO MACHINE
  5. 5. 1. Treatment of viral disease: 시장성 나노의학은 질병현상을 이해하는데 있어 세포수준의 생물학적 관 점에서, 나노 생체입자의 물리, 화학, 전기, 자기, 광학, 생물학적 관 점으로 확대 - 나노의학은 질병진단에서 조기검진으로, 질병치료에서 예방 및 건 강관리로 의학의 패러다임이 근본적으로 바뀌는 큰 변혁을 불러올 것으로 기대됨에 따라 바이러스성 질병 치료용 나노머신 기술 개발 요구 - 최근 유전자 정보가 규명되면서, 나노머신 개발 기술과 정보통신 기술과의 접목이 더욱 가속화되고 있고, 인간의 유전자 정보를 활용 한 새로운 의약품 개발과 유전자 진단기기나 의료 시술이 눈부시게 발달하고 있어 시장의 확대가 예상됨 MEDICAL NANO MACHINE
  6. 6. 1. Treatment of viral disease: 기술동향 진단 치료용 나노 기술은 현재는 자성 나노입자 위주로 발전 중. ​1) 국내 - 울산대학교, 병원성균주 인체침투기작 규명 및 이를 활용한 바이오나노머신 기반기술 개발 (2008.11.1.~2011.10.31.) [1] : 살모넬라균의 SPI -1을 활성화시킬 수 있는 시스템 개발, T3SS의 신호염기서 열 파악 및 이를 외래단백질(Lipase)과 fusion함으로서 원하는 단백질을 T3SS를 통하여 분비하도록 개량 - 광주과학기술원, ATP 의존성 단백질 가수분해 효소 나노머신의 구조 및 작용기작 연구 (2004.9.1.~2007.8.1.) [2] : 대장균, Bacillus, 고세균 등 여러 생물종으로부터 대표적인 ATP 의존성 효소인 Lon 및 HslUV를 가지고 단 백질 결정학과 다양한 분자 생물학 기법을 이용하여 그 구조와 기능의 상관관계 연구, 이를 위하여 먼저 목표 단백질을 얻은 후 결정화를 하고, X 선 결정학 기법을 이용하여 효소의 고해상도 3차 구조를 규명, 얻어진 구조를 바탕으로 단백질의 구조와 기능의 상관관계 및 조절 기작을 추정하고 생화학적, 생물물리 학적 방법으로 검증하여 하나의 단백질 나노 머신으로서의 이해 도모 - 미래창조과학부 기초과학연구원, 세포 내 pH(수소이온 농도지수)를 감응하여 지능적으로 유전자를 전 달할 수 있는 DNA 나노머신 기반의 나노 구조체를 개발하고, 항암치료에 쓰이는 근적외선 광열치료 효과 를 극대화할 수 있는 원리를 밝힘 [5]- 미래창조과학부 기초과학연구원은 금 나노입자에 pH 감응형 DNA 와 치료 유전자인 간섭 RNA(siRNA, small interfering RNA)5)를 붙여 조건에 따라 거동을 다르게 조절하는 지능적인 DNA 나노머신을 개발 [5] MEDICAL NANO MACHINE
  7. 7. 1. Treatment of viral disease: 기술동향 2) 국외 - 예일대학 연구팀, 암세포만 공략하는 기술 개발 [3] : 치료용 나노입자를 카테터를 통해 뇌에 주입한 다음, 압력을 이용해 종양이 있 는 곳까지 유도하는 기술 - 곡물동물건강연구센터와 와이오밍대학 과학자들, 나노 기술로 바이러스를 검 출 [4] : 금 나노입자를 가지고 하는 ‘표면 강화 라만 산란 [surface -enhanced Raman scattering (SERS)]’을 이용하여 ‘웨스트 나일 열병 (West Nile fever)`을 일으키는 바 이러스를 신속히 검출하는 시험법을 고안, 항체 반응을 빠르게 검정하는 면역분 석법 개발 - 텍사스 대학의 댈러스 캠퍼스(University of Texas at Dallas) 제품 속에 사용되는 매우 작은 탄소 구조가 인체에 어떤 영향을 끼치는지를 조 사 [6]- 미국 Northwestern 대학 Mirkin 그룹에서는 금 나노입자 형성 기술을 이용 한 DNA 어레이 검출용 바이오센서를 개발 MEDICAL NANO MACHINE
  8. 8. 1. Treatment of viral disease: 사례 in-vivo 자기저항 센서 시스템은 초상자성 나노입자를 센서 매개체 (agent)로 이용하여 이로부터 발생되는 유도 자기장의 크기에 따른 자기 저항 변화를 감지함으로써 정량적으로 암을 진단하고 고열발생 (Hyperthermia) 치료를 통해 암세포 또는 종양을 사멸시킬 수 있는 기술 이다. 진단을 위해 10nm이하의 직경을 갖는 초상자성 나노입자에 항원 단백 질을 부착 할 수 있는 표면 활성제를 코팅하여 이 매개체를 센서 표면의 항체와 생체 반응에 의하여 고정시킨다. 고정된 센서 매개체에서 발생된 유도 자기장은 자기저항 또는 자기터널 저항 효과를 일으켜 센서자체의 저항값이 변화하게 된다. 변화된 자기저항은 고정된 DC센서 구동 전류에서 전압변화를 야기 시 키게 되며 이에 따른 신호를 검출하게 된다. http://www.nnpc.re.kr/knowledge/trend/policy/12287/view MEDICAL NANO MACHINE
  9. 9. 2. Self-organized nano mechanical system 자기조직화로 제작된 나노기계시스템 (자가조립에 의해 제작된 나노 시스템) 다수의 나노 스케일 분자가 스스로 배열하여, 나노 규모 주기구조를 만드는 현상을 이용하거나, 하나 내지 수개의 기능성 분자를 나노 구조의 특정부위에 배치하여 공정 의 효율성을 향상시키는 기술 시장성 - 유연한 물질들이 보이는 자기조직화 현상은 깨끗한 에너지의 생산, 작고 위계적 질 서의 구조를 가지는 나노디바이스 등의 구축에 중요한 역할을 담당하고 있는데 나노 미터 스케일의 상분리를 일으키는 블록공중합체는 나노주형화, 나노다공성 멤브레 인, 유기광전재료, 비반사 코팅 등 나노기술에서 널리 사용되고 있음 - 원자 및 분자 레벨에서 제어되는 구조형성에 의한 성능개선 및 프로세스 개선 -신소재 개발 (일본 기업에 의해 개발된 "은나노입자를 사용한 자기조직화 투명도전필름"은 all wet 법에 의한 투명도전필름으로 스퍼터법 등의 진공 프로세스를 필요로 하는 ITO 필름에 비하여 생산성 측면에서 유리함) MEDICAL NANO MACHINE
  10. 10. 2. Self-organized nano mechanical system: 기술동향 1) 국내 - 동의대학교 산학협력단, 자기 조직화 방법에 의한 기능성 산화물 반도체 나노구조 의 합성 및 특성 평가 연구 - 충주대학교 산학협력단, 다양한 실세스퀴옥산을 이용한 구조가 제어된 나노복합재 료의 제조 연구 : 새로운 중합 방법 및 기술을 통한 다양한 실세스퀴옥산 유도체 및 하이브리드 고분 자를 제조 및 분석 : 다양한 고분자가 도입된 실세스퀴옥산과 고분자 또는 실리카와의 하이브리드를 통 하여 나노복합재료 제조 : 실세스퀴옥산을 이용한 자기조직화(self -organization)된 금속 나노입자 제조 및 고분 자와의 하이브리드 재료를 제조 : 나노복합재료의 광학적 특성 및 열적, 기계적 성질을 조사하고 물성평가 MEDICAL NANO MACHINE
  11. 11. 2. Self-organized nano mechanical system: 기술동향 2) 국외 - 일본 독립행정법인 물질재료연구기구 나노유기센터, 대면적 도전성 기판 위에 금 나노입자를 등간격으로 치밀하게 배열하여 근접장 광원의 대면적화 에 성공[3] : 입자를 배열하는 방법으로는 유기분자로 표면을 개질시킨 금 나노입자끼리 자동적으로 자기조 직화하는 현상을 기반기술로서 이용하고 최종적 기술로서 자기조직화 방법을 기반기술로 하여 전기영동법과 용매증발법을 조합 : 근접장 광원을 대면적화 할 수 있다는 것을 증명한 최초의 사례로 근접장 광원을 실용 디바이스 에 응용하기 위한 발전으로 광으로서의 근접장 광의 태양전지, 광센서, 바이오센서 등에의 응용 이 기대 - 일본 홋카이도대학 사카구치 가즈야스 교수팀은10~20나노미터 폭의 섬유모양 구조물에 도전성 이 있는 금속이나 촉매로 만든 물질을 결합시켜 기능성 나노와이어를 만드는데 성공 - IBM은 다수의 분자가 스스로 배열하여 나노규모 주기구조를 만드는 자기조직화를 이용한 나노 크리스탈 메모리를 개발하고 있음 MEDICAL NANO MACHINE
  12. 12. Neuromorphic Semiconductor
  13. 13. 1. 진단, 치료용 NANO 머신 2. 뇌신경 모방 반도체 소자 3. 소프트 로봇 4. 자연모사 감각 센서 5. 생각대로 움직이는 기계제어기술 6. 기능성 분자전자 소자 7. 양자 컴퓨팅 8. 슈퍼 박테리아 대응기술 9. 친환경 탄소제로 엔진 10.인공 광합성 기반 청정에너지 생산기술 11.도시,해양,사막 녹색화 기술
  14. 14. 1. Neurocomputing - 인간의 뇌신경회로망 (neural network)의 작동을 모방해서 만든 컴 퓨터 - 뇌를 구성하고 있는 신경세포(neuron), 신경회로망(neu-ral network) 의 구조/정보처리기능을 모형화하고 고도의 정보처리장치의 실현 을 목표로 만들어진 뉴럴 컴퓨터를 기존의 노이만(neumann)형 컴퓨 터에 적용시켜 소프트웨어적으로 모의 시킨 것 - 두뇌와 컴퓨터를 직접 연결해 기기를 제어하는 뇌- 컴퓨터 인터페 이스 (참고) 폰 노이만 식 컴퓨터 소프트웨어와 하드웨어가 분리. 단점은 메모리의 병목현상과 determined behavior NEUROMORPHIC SEMICONDUCTOR
  15. 15. 1. Neurocomputing 시장성 - 기술 과학 계산 영역을 넘어 3D, CG 등의 콘텐츠 산업, 바이오/의약 산업, 첨단 기계/설비의 설계 시뮬레이션 등의 산업 영역으로 확되 되어 첨단산업 인프라로서 사용될 것 - 뉴로컴퓨팅은 활용범위가 너무넓어 실용화가 될 경우 사회적으로 미치게 되는 파급효과는 스마트폰보다 훨씬 높을 것으로 예상 - 사회 , 문화적 측면: 신체 장애우들의 활동 제약 극복 - 경제 , 산업적 측면: 사회 생산성 증가에 기여 NEUROMORPHIC SEMICONDUCTOR
  16. 16. 1. Neurocomputing: 기술동향 - 모든 컴퓨팅 기기를 하나의 초고속 네트워크로 연결하여, 컴퓨터의 계산능력을 극대화한 차세대 디지털 신경망 서비스로 네트워크구축, 분산처리 능력을 요하는 소프트웨어 개발에 초점이 맞춰짐 - 특히 뉴로컴퓨팅 기술은 유비쿼터스, 모바일 환경과 접목될 경우 실시간 상태 파악, 필요 정보 제공 등을 통해 최선의 효과 를 기대할 수 있게 되므로 연구 기획단계에서부터 우리나라가 강점을 가지고 있는 IT 기술 등과 융합되어 진행될 수 있도록 추진하여야 함 1) 국내 - Many Core 이종 시스템 대상 병렬 프로그래밍 기술 표준화 연구[1] - 삼성전자는 미국 텍사스대학 루즈베 자파리 교수와 생각만으로 ‘갤럭시노트’를 작동하는 기술을 개발 중 2) 국외 - 미국 DARPA는 지금보다 1000배 빠른 엑사급 슈퍼컴 개발에 착수 - 중국은 수년간 1600억원 이상 투자, 슈퍼컴퓨팅 강국으로 부상 - 중국 하이얼은 IFA(국제가전전시회) 2011에서 리모컨 대신 뇌파 감지 헤드셋으로 조작하는 차세대 스마트TV의 시제품을 공 - Intel은 뇌 속에 이식한 칩을 이용해 생각으로 컴퓨터나 휴대기기를 작동하는 뇌파컴퓨터 기술을 개발 중 NEUROMORPHIC SEMICONDUCTOR
  17. 17. 2. Memory Implants - 알츠하이머 등 기억력 손상으로 고통을 겪는 환자들을 위해 개발된 것으로 전자칩 등을 이용, 인간 뇌의 기능을 향상시키는 기술 - 메모리 임플란트는 신경계에서 기억을 관장하고 있는 신경회로의 손상으로 인하여 기억의 저장 및 추출이 원활히 이루어지지 않는 경 우, 손상된 신경회로를 대체할 수 있는 인공뇌를 모방하는 뉴로모픽 전자 소자 이식을 통해 새로운 기억이나 지식을 생성하게하거나, 기 존의 기억을 삭제할 수 있는 기술 시장성 - 장애인과 뇌졸중 등으로 고생하는 사람들이 사지를 이용하거나, 기억을 되살리는 재활을 위한 의학용 어플리케이션 분야에서부터 일상생활 전반적인 분야에서 까지 사용될 것으로 기대 NEUROMORPHIC SEMICONDUCTOR
  18. 18. 2. Memory Implants: 기술동향 1) 국내 - 김태일 성균관대 화학공학과 교수와 미 워싱턴대, 일리노이대 공동연구팀은 쥐의 뇌에 전자칩을 심은 뒤 원격 자극을 가해 도파민을 분비하도록 하는데 성공 2) 국외 - 서던캘리포니아대학의 데오도르 버저 교수가 '브레인 임플란트' 기술 개발중이며 현재 쥐와 원숭이를 대상으로 한 동물 실험에서 성공을 거두었으며 현재 지원자를 대상으로 임상실험을 진행중 - 쥐의 뇌에 거짓 기억을 주입시키는 것을 성공했지만 아직 거짓 기억의 형성 과정에 대해 신경 수준의 연 구 진행 중 - 미 방위고등연구계획국(DARPA)에서 2014년 부터 시작된 ‘브레인 이니셔티브(BRAIN Initiative)’ 사업의 일환으로 뇌 임플란트를 개발 중 - UCLA 연구팀은 내후각피질(entorhinal cortex)과 해마에 초점을 맞춰, 기억복구용 보철 개발 예정 - UPenn 연구팀은 기억 형성과 저장에 관여하는 영역들에서 발생하는 전기 패턴을 맵핑(mapping)하여, 뇌의 기억에 대한 메커니즘을 찾는 연구 예정 NEUROMORPHIC SEMICONDUCTOR
  19. 19. 3. Neuromorphic Chips - 사람의 뇌를 모방한 기존 실리콘 반도체보다 훨씬 지능적인 차세대 컴퓨터 소자 - 뇌신경융합기술은 전기전자, 컴퓨터, IT, NT, CT 등 다양한 제반 공학 기술들을 뇌신 경계에 활용하여 뇌신경계의 기능을 인터페이스하여 실시간으로 기록, 해석 및 이해 하는 기술임 기술동향 1) 국내 - 서울대 이종호 교수팀, 뇌신경을 모방한 차세대 컴퓨팅소자 연구 중 [ 2) 국외 - 존스홉킨스 외 20여개 대학 및 관련 업체, 사용자의 신경신호를 바탕으로 작동하며 감각정보의 전달이 가능한 인간의 팔과 유사한 성능과 무게를 가지는 의수 개발 중 - Pittsburgh, 원숭이의 뇌에 전극을 삽입하여 생각을 읽어 들일 수 있는 연구 수행 중 - IBM, 인간의 뇌가 가지고 있는 계산 능력과 출력 효율을 모방한 컴퓨터 칩인 TrueNorth 칩 세계 최초 개발 NEUROMORPHIC SEMICONDUCTOR
  20. 20. Soft Robotics
  21. 21. 1. 진단, 치료용 NANO 머신 2. 뇌신경 모방 반도체 소자 3. 소프트 로봇 4. 자연모사 감각 센서 5. 생각대로 움직이는 기계제어기술 6. 기능성 분자전자 소자 7. 양자 컴퓨팅 8. 슈퍼 박테리아 대응기술 9. 친환경 탄소제로 엔진 10.인공 광합성 기반 청정에너지 생산기술 11.도시,해양,사막 녹색화 기술
  22. 22. 1. Soft Robotics -부드럽고 변형이 쉬운 신소재와 신축성 있는 구동기·센서 등을 기 반으로 하는 로봇으로서, 로봇공학의 난제였던 구조화되지 않은 환 경에 대한 유연한 대응, 복잡한 생물 형상의 구현, 높은 작업 안전성 이 가능함. 극한 환경 탐사, 의료 서비스, 인간과의 협력, 생물모방 정 찰 등에 폭넓게 활용 가능 -인간을 비롯한 동물이나 곤충, 물고기 등의 기본구조, 원리 및 매커 니즘을 모방하여 생활에 필요한 도구나 신기술을 만들어 내는 기술 로 산업, 군사, 환경 등 전 분야에서 활용됨 SOFT ROBOTICS
  23. 23. 1. Soft Robotics: 시장성 - 자연계에 존재하는 구조나 기능을 모방하여 기존 공학기술의 한계를 돌파하려 는 생체모방공학이 최근 각광받고 있음 - 이에 따라 기능성 혹은 지능형 전기 반응 고분자 기반의 인공근육형 액츄에이 터 시스템 개발 기술이 활발히 이루어 지고 있음 - 아직까지는 기존의 연구가 마이크로 크기 구조의 수준에서 머물러 있었으나, 최근에 나노 기술의 등장과 더불어 자연모사분야는 연구개발에 있어서 급물살 을 타고 있음 - 지금까지 과학발전이 인간 밖의 대상인 생명체를 모사하기 위하여 연구되었다 면 이제는 인간 자신의 지능, 마음, 뇌가 핵심 연구 대상이 되고 있음 - 특히 자연 지능의 본질, 컴퓨터가 이루어내는 인공지능의 본질, 이 둘 사이의 관계성 및 응용적 구현 등이 21세기 과학기술의 중심 주제 SOFT ROBOTICS
  24. 24. 1. Soft Robotics: 기술동향 1) 국내 - 한국과학기술원은 저탄소 녹색성장에 발맞춰 해양 에너지 탐사 및 해양 생태계 모니터링용 인 공근육 기반 수중 물고기 로봇을 개발 중 - 한국기계연구원은 생체청각기구를 모사한 인공감각계 원천기술을 개발 - 한국전자통신연구원은 장애인들을 위한 시각 도우미(eye -helper)를 연구 및 개발하고 있으며 광 시야, 저전력 시각 센서(CMOS 이미지 센서 기반)를 기반으로 시각 주의집중 인지시스템 기술을 개발 중에 있음 - KAIST와 한국기계연구원은 그래핀을 이용해 기존보다 10배 이상 오랫동안 작동하면서 물에 뜨 는 인공근육을 공동 개발 [5] - 방위사업청은 서울대학교에 「생체모방 자율로봇 특화연구센터」를 개소, 8개 대학 및 서울대학 병원 등이 참여하여 인식/판단 기술, 감지센서 기술, 정보전달 기술, 구조/메커니즘 기술 및 복합 거동제어 기술 등 5개 연구실을 구성하여 연구 [6] 2) 국외 - 신경시스템에 의한 신호처리를 모방하여, 입력신호에서 소음을 제거하여 구형파로 변환시키는 전기회로로 잘 알려진 “Schmitt Trigger”를 발명한 바 있음 - Kanagawa 기술 아카데미 및 Mitsubishi 레이온 연구그룹은 대형 알루미늄 롤을 양극 산화시켜 큰 Moth eye 주형을 제작, 연속적으로 수지필름 상에 Moth eye 구조를 임프린트 하는 기술 개발에 성 공 - 인간이 가지고 있는 감각기관도 모방의 대상이 되어 피부의 촉감을 모방한 촉각센서를 개발하 고 있으며, 미각, 후각, 시각 등의 감각센서도 모방의 대상이 되고 있음 SOFT ROBOTICS
  25. 25. 2. Biomimetic reconnaissance robot - 인간이 접근하기 어려운 위험한 지역에서 생화학무기나 방사능 탐 지, 도청 등 정찰활동을 위한 로봇 (참고) 생체모방공학 : 실제로 자연에 존재하는 동물, 식물, 곤충들의 생체구조나 기능을 모방해 공학적으로 활용하는 학문 시장성 - 미래 전장이 네트워크전으로 변화되면서 IT와 국방의 융합은 빠른 속도로 진행되고 있음 -한국생산기술연구원은 하천정보를 취득하고 특정 임무를 수행하 는 수중로봇을 개발하여 생태계 보호, 환경오염 감시 및 생태모니터 링 영역 확대로 공공부처의업무 유무형 편익을 증대, 군사목적의 경 계감시 (AUV 대체), 엔터테인먼트용으로의 활용 등을 기대 SOFT ROBOTICS
  26. 26. 2. Biomimetic reconnaissance robot: 기술동향 1) 국내 - 카이스트에서 생명체의 움직임까지 묘사해 안정적인 비행을 할 수 있는 생체모방기술 연구중 - 서울대는 방위사업청 및 국방과학연구소과 함께 세계 최초로 스스로 주변 상황을 인식해 판단 하고 행동하는 자율판단형 생체모방로봇로봇을 개발할 예정으로 2022년까지 총 156억원이 투입 됨 2) 국외 - 캘리포니아 대학에서 딱정벌레에 전자칩을 이식 : 작고 빠른 곤충의 특징을 이용하여 군사적으로 높은 활용성을 냄 - Universities of Michigan and Utah 연구진들은 사이보그 딱정벌레 임플란트가 딱정벌레의 날개짓 으로부터 전력을 얻는 프로토타입을 개발 - 많은 연구가 단일체의 이동기술을 다루었으나 실제 생물체들은 집단적 이동형태를 띄는 경우가 많으므로 이러한 통합적 움직임에 대한 디자인, 액추에이터, 제어 기술이 향후 전개 될 것 - 현 생체모방로봇은 단편적 지형에 맞추어 개발되고 있으나, 향후 돌, 모래, 진흙, 물 등 다중 지형 에 맞추어 개발 된 생체모방로봇에 대한 연구가 진행 될 것 - 생체모방로봇기술의 발전과 더불어 생체모방형 재료 기술의 발달에 따라 생체로봇의 기동성 및 내구성이 진보될 것으로 예상 - 미육군연구소는 BAE Systems사와 생체모방 마이크로 로봇 개발에 대한 4,300만 달러 규모의 연 장계약(2단계)을 체결함. 2단계에서는 보행, 자율성 등 핵심 영역 연구개발을 지속하여 원격감시 용 소형 로봇 플랫폼을 개발하는 것이 목표 SOFT ROBOTICS
  27. 27. Biomimetic Sensors
  28. 28. 1. 진단, 치료용 NANO 머신 2. 뇌신경 모방 반도체 소자 3. 소프트 로봇 4. 자연모사 감각 센서 5. 생각대로 움직이는 기계제어기술 6. 기능성 분자전자 소자 7. 양자 컴퓨팅 8. 슈퍼 박테리아 대응기술 9. 친환경 탄소제로 엔진 10.인공 광합성 기반 청정에너지 생산기술 11.도시,해양,사막 녹색화 기술
  29. 29. BIOMIMETIC SENSORS
  30. 30. Biomimetic sensors - 인간의 촉각 기관의 구조와 기능을 모방하여 인간이 감각 세포를 통해 느끼는 다양한 정보(압력, 진동, 온도 등)를 감지하는 센서 시장성 - 기존의 센서는 기능이 단순하고 정밀도가 낮으며 사용이 불편했던 반면, 스마트센서는 데이터 처리, 자동 보정, 자가 진단, 의사 결정 등 의 기능을 수행하는 고기능, 고정밀, 고 편의성, 고부가가치 시장을 창출이 가능해짐 - 생체 모방 화학센서는 유독물 검출 및 바이오 의료 분야 등에 활용 - 지능형 로봇산업 경쟁력 강화 및 신산업 창출 BIOMIMETIC SENSORS
  31. 31. (참고) 전자 코 후각의 구조 •감지-전달-해석 •350개의 냄새 수용체가 10,000개의 냄새를 구분 전자코 •센서-신호변환-해석 •전도성 고분자 • 전기가 흐르는 고분자물질이 발화시 저항 및 전도도 변화(NASA= 8개) •Quartz Crystal • 냄새 분자가 붙으면 무게가 미세하게 증가하여 진동수 변화 •생체 수용체 • 후각 세포나 생체 수용체를 그대로 사용(SNU= receptor on CNT) BIOMIMETIC SENSORS
  32. 32. Biomimetic sensors: 기술동향 1) 국내 - 이화여대 생체 모방 시스템 연구실에서는 기존 무기 화학적 방법으로 연구가 불가능했던 생체 내 반자성 아연 이온의 검출을 위한 센서 개발 연구를 진행 중 - 서울대 박태현 교수팀은 탄소나노튜브에 각각 인간의 후각과 미각 수용체 단 백질을 결합한 바이오 인공 후각, 미각센서를 개발 2) 국외 - 중국 과학원 쑤저우 나노기술과 나노 시뮬레이션 연구소의 장팅 연구진은 ‘유 연성을 갖춘 착용이 가능한 신형 생체 모방 촉각 센서 -인공 생체모방 전자 피부’ 를 개발 - Rice University 연구진은 CMOS와 양립할 수 있는 생체 모방 컬러 광감지기를 개 발하는 데 성공 - USC의 비터비 공대 연구팀이 개발한 촉각센서는 사람보다 민감하여 117개 종 류의 재료를 약 95%의 정확도로 구별 가능 - 스위스 로잔공대(EPFL) 연구진은 인공 손을 2013년 하반기에 이탈리아 남성에 게 이식할 계획 BIOMIMETIC SENSORS
  33. 33. Brain Machine Interface
  34. 34. 1. 진단, 치료용 NANO 머신 2. 뇌신경 모방 반도체 소자 3. 소프트 로봇 4. 자연모사 감각 센서 5. 생각대로 움직이는 기계제어기술 6. 기능성 분자전자 소자 7. 양자 컴퓨팅 8. 슈퍼 박테리아 대응기술 9. 친환경 탄소제로 엔진 10.인공 광합성 기반 청정에너지 생산기술 11.도시,해양,사막 녹색화 기술
  35. 35. Brain-Machine Interface - 인간의 뇌를 기계와 연결하여, 뇌신경신호를 실시간 해석하여 활용하 거나 외부 정보를 입력하고 변조시켜 인간 능력을 증진 시키는 침습적 및 비침습적 융합기술 시장성 -신속도와 정확도를 갖추게 되면 가상현실 기술의 발전과 맞물려 지능 적 실감형 인터페이스로 발전할 것으로 전망 (input&output) -신체장애인을 위한 복지형 I/F -Neuro-feedback을 활용하여 경증인지장애, ADHD, 정서장애 치료 -기억 및 판단 부위를 활성화하여 학습능력 향상. 오감활용한 VR 교육 및 시뮬레이션 교육으로 학습의 질향상, 위험 및 비용 감소 -스마트폰의 작동 인터페이스 변화, 리모컨이나 소비재 가전제품 변화 BRAIN MACHINE INTERFACE
  36. 36. Brain-Machine Interface: 기술동향 1) 국내 - KAIST 바이오 및 뇌공학과 정재승 교수와 전산과 조성호 교수 공동연구팀이 사람의 뇌파로 인간 형 로봇 연구 - 박해정 연세대 의대 교수와 김대식 KAIST 교수는 서울에 있는 생각(뇌활동)만으로 대전에 있는 로봇을 동작시키는 것이 목적인 ‘서로게이트(surrogate) 프로젝트’를 진행 중 - ㈜에스엔티글로벌은 뇌 -컴퓨터 인터페이스 기반의 뇌과학 기술 전문 벤처업체로, 뇌파를 검출 할 수 있는 원 채널의 건식 능동 센서와 뇌파를 집중력과 이완력을 분류하는 알고리즘을 개발 - KAIST 바이오 및 뇌공학과의 Brain Dynamics Lab은 전산과의 Hubo Lab과 공동으로 사람의 뇌파로 인간형 로봇을 움직이는 연구 - 삼성전자는 생각만으로 전원의 온/오프뿐 아니라 앱 실행 등 갤럭시노트를 작동하는 기술을 개 발 중: 뇌전도 전극 신호를 통해 장애인들은 생각만으로 태블릿 동작 수행 BRAIN MACHINE INTERFACE
  37. 37. Brain-Machine Interface: 기술동향 2) 국외 - 미국 고등국방연구소는 뇌파를 이용한 통신을 연구하는 프로그램인 'Silent Talk'라는 프로젝트 수행 중: 사람이 말을 하기 전, 성대 등에 이어진 신경에 신호를 보내기 전에 그 말에 해당하는 특 정한 패턴의 뇌파가 생성되는데, 이 뇌파를 분석하여 메시지를 타인에게 원격 전송하는 장치 개 발을 목표로 함 - Intel에서도 뇌파로 작동하는 뇌파 컴퓨터의 개발을 시도중 - 일본에서도 뇌파를 문자로 변환하는 기술 개발중 - 2009년 미국 위스콘신대 의용공학과에서는 신경 전달에서 발생되는 뇌파(EEG)를 컴퓨터 저장장 치에 입력해서 사람의 마음을 읽고 그에 따른 명령을 실행할 수 있도록 프로그램화하여 감성만으 로 조작이 가능한 휠체어를 개발 - 미국의 뉴로스카이(NeuroSky)는 뇌파 기반의 인터페이스 'MindSet'을 상용화 함 : 뇌파 감지센서가 부착된 헤드셋으로 사용자의 의도를 인식함 BRAIN MACHINE INTERFACE
  38. 38. Brain-Machine Interface: 기술동향 2) 국외 (Continued) - 호주의 Emotive system : 헤드셋 형태의 비침습형 뇌 인터페이스인 'Emotive EPOC'를 개발, 게임 I/F 등으로 판매중 - 호주에서 뇌로 페인팅 소프트웨어룰 작동시켜 생각만으로 컴퓨터에 그림을 그리는 기술을 개발 했으며 더욱 빠르고 쉽게 컨트롤할 수 있도록 기술을 개발 - 미국 연구팀은 64개의 전극을 부착한 뇌파계(Electro Encephalo Graphy, EEG)모자로 뇌파를 읽고 명령하게 하는 방식으로 쿼드콥터를 무선조종하는 데 성공: 다음 목표는 비외과적 방법으로 뇌파 신호를 사용해 로봇팔을 조종하는 것 - Duke대학은 운동 재활용 피질 보철디바이스 연구의 최첨단을 유지해왔으며 팔의 펼침과 손의 꽉잡음 같은 넓은 영역의 운동기능을 가진 BMI 디바이스를 개발 - Brown대학의 J. Donoghue와 Cyberkinetics사는 두뇌 칩인 브레인게이트를 개발하여 최초로 이를 신경마비 남자에게 이식하여 생각만으로 컴퓨터의 커서를 작동시키는 상황을 스크린에 구현 - 독일의 Tu¨bingen대학은 만성적 뇌졸중에서 손 움직임을 회복시키기 위한 비침습적 BCI 개발 BRAIN MACHINE INTERFACE
  39. 39. Brain-Machine Interface: 기술동향 2) 국외 (Continued) - 일본 Honda연구소는 뇌파를 탐지하지 않고 MRI 장치로 뇌의 활성화를 나타내는 BOLD 신호를 검 출하여 이 신호로 로봇을 제어하는 BMI를 개발 - 일본의 Honda, ATR, Shimadzu는 EEG와 NIRS를 이용하여 인간의 생각만으로 로봇을 제어할 수 있 는 BMI를 공동으로 개발 - 미국의 피츠버그의대와 UPMC 연구팀은 뇌에 6.4cm2 의 기기를 이식, 이와 연결된 로봇의 동작제 어에 성공 - 중국 하이얼은 IFA 2011에서 리모컨 대신 뇌파 감지 헤드셋으로 조작하는 차세대 스마트 TV 의 시제품을 공개 - 도요타는 뇌파로 자동 변속되는 콘셉트자전거를 공동개발 - 닛산은 운전자의 뇌파와 눈의 움직임을 측정함으로써 방향전환, 가속 등 운전자의 의도를 사전 에 파악하고 자동 조종하는 기술을 개발 중 BRAIN MACHINE INTERFACE
  40. 40. Molecular Electronic Devices
  41. 41. 1. 진단, 치료용 NANO 머신 2. 뇌신경 모방 반도체 소자 3. 소프트 로봇 4. 자연모사 감각 센서 5. 생각대로 움직이는 기계제어기술 6. 기능성 분자전자 소자 7. 양자 컴퓨팅 8. 슈퍼 박테리아 대응기술 9. 친환경 탄소제로 엔진 10.인공 광합성 기반 청정에너지 생산기술 11.도시,해양,사막 녹색화 기술
  42. 42. Molecular Electronic Devices - 기능성 분자 전자 소자 - 다양한 기능을 가진 유기 분자를 핵심소재로 이용하여 정보처리, 정보저장 등을 수행할 수 있게 제작된 나노미터 크기의 아주 작은 전 자소자 분자 트랜지스터 (Molecular Transistor) 단원자 단분자 기억소자 MOLECULAR ELECTRONIC DEVICES
  43. 43. (참고) Diode - 원형은 진공관. - 전류를 한쪽 방향으로만 흐르게 함. 정류(교류직류) 등에 사용 - p형 반도체(anode, 양극)과 n형 반도체(cathode)를 접합 - LED MOLECULAR ELECTRONIC DEVICES
  44. 44. (참고) Transistor - 전자공학의 꽃 - 스위치와 증폭 작용. - Emitter-Base-Collector MOLECULAR ELECTRONIC DEVICES
  45. 45. 1. Molecular Transistor - 단분자(single molecules)를 전극 사이에 넣어 전류의 흐름과 양을 자유 자재로 조절할 수 있는 초소형 트랜지스터로 기존의 실리콘 반도체 소 자의 집적도 한계를 보완할 수 있어 미래 핵심기술로 평가 받고 있음 시장성 - 기존의 CPU는 발열 같은 성능의 제한이 있는데, CPU의 전자신호를 변 환하고 증폭시키는 수백만 개의 트랜지스터들이 원인임. 따라서 발열과 소비전력을 줄일 수 있는 분자 트랜지스터에 대한 관심이 증폭 - 소자 chip의 소형화와 함께 회로의 집적도가 점점 늘어 수백 기가급에 도달할 경우 가장 심각하게 대두되는 문제는 트랜지스터 한 개의 스위 칭에 필요한 소비전력을 파격적으로 줄이는 기술임 MOLECULAR ELECTRONIC DEVICES
  46. 46. 1. Molecular Transistor: 기술동향 - 서울대학교 이탁희 교수팀은 분자의 전하 흐름을 제어할 수 있는 트랜 지스터 소자를 제작해 분자 소자의 전하수송특성을 밝혀내고 그결과를 네이처지에 발표 - ETH Zurich 연구원들은 성공적으로 단일분자로 만들어진 광트랜지스 터를 개발 - 이탁희 교수 연구팀, 분자 오비털의 변조를 통해 접합이 트랜지스터로 서의 특성을 띠게 된다는 사실을 밝혀내면서 단분자 트랜지스터 내에서 게이팅 전압에 의해 분자 오비털의 변조가 일어날 수 있다는 연구 결과 발표 - 벨기에와 미국 연구진, 트랜지스터 또는 다이오드와 같은 전자 부품으 로 사용할 수 있는 단일 분자 다이오드를 개발하는데 성공 MOLECULAR ELECTRONIC DEVICES
  47. 47. 2. Single Atom/Molecule Memory Device - 기존의 메모리 동작원리를 분자차원에서 이해하여 메모리 기능을 실현할 수 있는 새로운 소자. 신호처리, 정보처리 및 정보 저장을 수 행함에 있어서 분자를 이용한 메모리 소자 시장성 -미래의 전자기기는 다양한 정보의 빠른 처리를 위해 CMOS 기술을 탈피한 연산방식이 요구되며, 대응 기술로 정보처리에서 융합형 Multicore 방식이 제안되고 있음 -이와 같은 새로운 정보처리 방식은 양자기반의 비선형특성을 갖는 전자소자에서 구현할 수 있을 것으로 예측 됨에 따라 관련 기술 개발 이 요구됨 MOLECULAR ELECTRONIC DEVICES
  48. 48. 2. Single Atom/Molecule Memory Device: 기술동향 1) 국내 - 성균관대학교 이효영 교수와 서소현 연구교수가 공동으로 수행한 연 구에서, 휘어지면서도 투명한 유기분자 메모리 소자개발에 성공. 상부 에만 그래핀이 적용된 기존 분자 메모리 소자와는 달리, 상, 하부 전극 모두에 그래핀을 적용하여 하부전극을 종이보다 10만배 이상 얇은 두께 인 1nm의 그래핀으로 대체함으로써, 투명성과 유연성은 물론 제조효율 과 안정성을 크게 향상시킴. 실제 상부전극만 그래핀을 적용한 경우 (10% 미만)보다 월등히 뛰어난 80% 이상의 제조효율을 나타냄 2) 국외 - 콜롬비아대학에서는 주로 논리연산에서 단분자가 실리콘회로소자를 대체할 수 있을 것으로 보고, 나노크기 구조체의 독특한 성질인 전하수 송현상에 대한 연구를 진행하고 있음 MOLECULAR ELECTRONIC DEVICES
  49. 49. Quantum Computing
  50. 50. 1. 진단, 치료용 NANO 머신 2. 뇌신경 모방 반도체 소자 3. 소프트 로봇 4. 자연모사 감각 센서 5. 생각대로 움직이는 기계제어기술 6. 기능성 분자전자 소자 7. 양자 컴퓨팅 8. 슈퍼 박테리아 대응기술 9. 친환경 탄소제로 엔진 10.인공 광합성 기반 청정에너지 생산기술 11.도시,해양,사막 녹색화 기술
  51. 51. Quantum Computing - 현존 기술로 발전의 벽에 막힌 부분을 양자 얽힘(entanglement) 등 양자 특성 을 이용해 해결하는 컴퓨터 기술 시장성 - 현대인의 필수 품목인 컴퓨터는 초고속화되고 초경량화되고 있으며, 기존 연산 시스템이 아니라 새로운 개념의 고연산 효율성을 갖는 컴퓨 팅 시스템 요구 - 양자 컴퓨터 기술은 의학, 바이오, 신재료, 군사, 금융, 통신 분야 등 전 반에 걸쳐 세계에 혁신을 일으킬 수 있는 21세기 유망한 산업분야 - 지금보다 수백만 배 혹은 수십억 배 빠른 양자 컴퓨터가 실용화된다면 다운로드 받은 개인의 기억과 사고 패턴을 가상현실 속에 그대로 흉내 내는 작업, 즉 ‘전산모사(simulation)’도 가능해질 전망 QUANTUM COMPUTING
  52. 52. Quantum Computing: 기술동향 1. 국내 - 한국에서는 KIAS, KAIST, ETRI가 양자컴퓨터 기술을 선도 - ‘09년 인하대 광양자정보처리 연구단은 양자메모리 분야에서 한계로 인식되던 저장시간을 최대 10시간까지 늘 릴 수 있는 프로토콜을 개발하였고, ’11년 이중 재위상 방식을 최초로 포톤에코에 적용하여 양자의 소음 문제를 해결함 - ‘11년 서울대학교 거시양자제어연구단은 중첩된 양자의 크기 및 정도를 동시에 정량화하는 방법을 고안해냄 2. 국외 - 미국에서는 IBM, NIST, 벨 연구소가 양자컴퓨터 기술을 선도하고 있음 - 미국 IBM 알마덴 연구소는 양자컴퓨터의 핵심기본단위인 큐빗에 쓰는 전자스핀의 수명을 기존기술보다 100만 배로 늘리는데 성공 - 2011년 캐나다 D -wave Systems에서 세계 최초의 상용양자컴퓨터를 출시함 - NASA, 구글, 미국대학우주연구협회(USRA)는 Quantum Artificial Intelligence Lab을 개소, 최첨단 양자 컴퓨터를 통 해 ‘기계 학습(Machine Learning)’ 연구 계획을 발표 : 구글은 양자컴퓨팅을 웹검색 및 음성인식 분야에 응용, 기술 개선 도모 계획 : NASA는 양자 컴퓨터로 우주 기후 모델링, 행성 대기, 자기유체역학 연구, 은하충돌 시뮬레이션, 극초음속 차량 등 다양한 우주 분야 연구 수행 계획 QUANTUM COMPUTING
  53. 53. Super Bacteria Defense System
  54. 54. 1. 진단, 치료용 NANO 머신 2. 뇌신경 모방 반도체 소자 3. 소프트 로봇 4. 자연모사 감각 센서 5. 생각대로 움직이는 기계제어기술 6. 기능성 분자전자 소자 7. 양자 컴퓨팅 8. 슈퍼 박테리아 대응기술 9. 친환경 탄소제로 엔진 10.인공 광합성 기반 청정에너지 생산기술 11.도시,해양,사막 녹색화 기술
  55. 55. Super Bacteria Defense System - 항생제에 내성을 가지는 병원균을 대상으로 내성을 공격하는 새로 운 물질을 만들어내어 약제의 내성을 극복하고 치료하는 기술 Overcoming Drug Resistance Real Time Pathogen Detection System Global Bacteria/Virus Defense System SUPER BACTERIA DEFENSE
  56. 56. 1. Overcoming Drug Resistance - 항생제의 유전자 합성 경로를 밝히고, 이 유전자와 다른 항생제의 유전자를 조 합해 내성을 공격하는 새로운 물질을 만들어 약제의 내성을 극복하는 기술 시장성 - 미국 의료진들이 처방하는 항생제 건수 중에서 60% 이상의 경우, 치료 효과가 강력한 항생제를 환자에게 권고하는데 감염 증상이 항생제로 치료될 수 없는 바 이러스에 기인하는 경우도 있기 때문에 처방 항생제 중 적어도 25% 이상이 환자 에게 별다른 치료 효과가 없다는 연구 결과가 발표됨 - 항생제 사용이 남용되는 경우 신체 내 유익한 박테리아도 죽는 부작용 발생 가 능성을 밝힘 - 미국에서 생산되는 총 항생제 생산량의 60% 이상이 가축 비치료용으로 사용되 는데, 이는 내성균 출현의 심각한 원인이 되므로, 유럽을 비롯한 선국에서는 가 축의 항생제 일상적 섭취를 금지하고 있음 - 항생제 내성율을 10% 감소시킬 경우 병원 별로 연간 1,391명의 환자를 더 살릴 수 있고 총 270만 달러의 의료비 절감 SUPER BACTERIA DEFENSE
  57. 57. 1. Overcoming Drug Resistance: 기술동향 1) 국내 - 이화여자대학교 화학나노과학과 윤여준 교수, 항생제 카나마이신 생합성의 원리를 규명 : 항생제에 대한 내성이 생기는 원인을 발힐 수 있는 계기 마련 및 항생제 내성균을 효과적으로 공 격할 수 있는 물질도 개발 - 세종대학교, 약물의 생체이용율 증진을 위한 다중약제내성유발인자(p -glycoprotein)의 극복에 관한 연구 수행 - 국립보건연구원 감염병센터, 항생제 내성 및 병원감염 연구 - 생명공학연구원, 항생제 내성 강력 억제물질 개발 : 슈퍼박테리아를 포함한 인체 병원균에 대하여 강력한 억제활성을 나타내고 기존의 항생제보다 폭넓은 병원균에 대한 억제력을 가짐 : 생명공학 전문기업인 일성신약에 기술이전 SUPER BACTERIA DEFENSE
  58. 58. 1. Overcoming Drug Resistance: 기술동향 2) 국외 - EU 항생제 내성 억제 대규모 플랜 착수 : 내성 박테리아 퇴치를 위한 항생제 임상 시험에 사용될 예정으로 특히 치료가 어렵고 원내감염으로 문제가 되는 MRSA(methicillin -resistant Staphylococcus aureus) 및 그램 음성 박테리아 병원체에 대한 항생제 개발에 이용될 예정 - 미국 보스턴 대학교는 내성세균의 등장을 억제하고 기존 항생제의 효능을 증 가시킬 수 있는, 은이 세균을 물리치는 메커니즘을 규명, 항생제 내성 문제를 해 결하는데 도움이 될 것으로 기대됨 - 중국은 항생물질 개발을 위해 천연물 연구와 더불어 박테리아를 이용한 항생 물질의 생산에 대한 연구가 활발 - Mayland Chang과 Shahriar Mobashery가 이끄는University of Notre Dame의 연구 진이 MRSA등 대중보건에 위협이 되는 다른 의약품 저항성 박테리아 등을 치료 할 수 있는 새로운 종류의 항생제를 발견하는데 성공 SUPER BACTERIA DEFENSE
  59. 59. 2. Real Time Pathogen Detection System - 임상 검체 진단 기술의 개선 및 실시간 모니터링 시스템을 구축하여 신 속성, 민감도, 특이도가 향상된 병원체 현장 탐지 기술 및 다중 탐지 기 술 - 병원체 판별을 위해서는 생체감지 물질 및 신호 변환 기술이 집적되어 있는 바이오센서 기술에 기반 시장성 - 나노 기술의 발전과 더불어 신속한 실시간 체내 검진에 대한 중요성이 증가 - 조기진단 및 예방의료 패러다임의 변화, 노령인구의 증가, U-Health 시 대의 도래 등에 따라 바이오센서 시장, 특히 나노와이어 바이오센서 시 장의 막대한 잠재수요가 예상 - 나노 바이오센서 기반의 병원체 실시간 고감도 판별 기술 시장 규모의 확대가 기대 SUPER BACTERIA DEFENSE
  60. 60. 2. Real Time Pathogen Detection:기술동향 1) 국내 - 한국생명공학연구원에서는 유해물질을 현장에서 정확하고 신속하게 검출하고, 생 화학 테러 조기 대응과 생체분자 및 미생물 등 검출하고자 하는 타겟에 무표지로 실 시간 검출 가능한 초소형 SPR(Surface plasmon resonance) 바이오센서를 이용한 고감 도 생화학 분석 기술 개발 - 한국생명공학연구원과 KAIST는 병원체에 대해 신속 사용이 가능한 현장용 모니터 링 기술개발을 진행 중. 바이오테러 병원체 탐지, 진단을 위한 현장용 바이오테러 병 원체 모니터링 기기 개발 가능성을 밝힘 - 한국과학기술연구원은 '휴대용 건강진단 나노 키트' 등 바이오 테러 및 생화학전에 대응할 수 있는 첨단 기술 보유 - 한국 과학기술연구원 우경자, 김상경 박사 연구팀 병원체, 독성물질을 실시간으로 검출하는 센서 개발 - 분자진단 전문기업 씨젠, 20여 개의 병원체 유전자들을 동시에 검사, 감염 진행 정도 를 확인 할 수 있는 기술 세계 최초 개발 SUPER BACTERIA DEFENSE
  61. 61. 2. Real Time Pathogen Detection:기술동향 2) 국외 - 스페인 Rovira I Virgili Univ. 연구팀, 나노 기술 기반 초고속 검출 바이오 센서 개발(2009.9.) - 미국 DexCom, Inc. 연속적, 실시간 혈당 측정이 가능한 glucose 측정 시 스템 개발 - 미국 일리노이대학은 스마트폰 카메라를 분광계로 활용, 스마트폰을 환경독소, 오염물질, 병원체, 분자 탐지를 위한 바이오센서로 활용하는 솔루션 개발 - 독일 프라운호퍼 광학분자연구소는 초소형 센서를 이용, 집에서 생화 학적 정보를 측정하여 건강을 모니터링, 의사들에게 데이터 전송이 가 능한 AAL(Ambient Assisted Living) 시스템을 개발 SUPER BACTERIA DEFENSE
  62. 62. 3. Global Bacteria/Virus Defense System -급성 바이러스, 박테리아로 인한 질환을 사전에 탐지하고, 발생한 질환 의 확산을 방지하기 위한 기술 - 바이러스 예방 백신 개발 기술을 기반으로 하여 변이주 및 신종병원체 조기탐색 및 역학조사 기술 및 진단 표준화 기술, 유행 병원체 라이브러 리구축, 병원성 미생물 유전체 및 단백체 분석 정보개발 및 라이브러리 구축, 감염성 질환 제어 및 치료 기술개발에 필요한 평가 및 검증기술, 표준물질 확보 등 병원체 연구자원 활용체계 구축기술 등이 필요 시장성 - 대규모 유행 위험의 신 변종 질병에 대응하기 위한 치료 및 예방 백신 시장의 고속 성장 전망 - 인체 인플루엔자 백신과 치료제로 적용 시 막대한 국제적 부가가치 창 출이 가능하며, 국내 인체인플루엔자 백신의 국산화를 통한 외화 유출 을 막을 수 있음 SUPER BACTERIA DEFENSE
  63. 63. 3. Global Bacteria/Virus Defense System:기술동향 1) 국내 - 감염병 R&D 투자 지속성장 중이며, 주로 치료, 기초기전, 백신연구 에 집중되어 있음 - 지역 특성 감염병 감시를 원활하게 하는 지역 특성 고려 감시 시스 템(Regional Notifiable Disease Surveillance System: RNDSS)의 운영 및 확대 - 생물테러 병원체 조기 인지를 위한 Bio -watch System 구축 중 - 서강대학교, 연구팀에서는 SERS를 이용하여 인간 면역결핍 바이러 스(Human immunodeficiency virus:HIV)의 핵산을 200fg/mL 까지 검출 하는데 성공 SUPER BACTERIA DEFENSE
  64. 64. 3. Global Bacteria/Virus Defense System:기술동향 2) 국외 - 영국의 브리스톨대학의 지능형 시스템 연구소, 질병탐지 및 확산예측 에 사용되는 소셜 미디어 제안 : 이전에 영국의 주요 지역에서 인플루엔자와 같은 질병의 진행상황을 추적하기 위하여, 트위터를 사용한 방법론에 관련된 부분들을 진행 - 미국 CDC, 신종 병원체 유입시 추적 가능한 모니터링 시스템 개발 - 일본 국립감염증연구소(IDSC)는, 임상기반 감시와 실험실 감시를 통합 한 감염성 질환 통합모듈 개발 - 대만 National Applied Research Laboratories 연구진, SERS를 응용하여 5 분 이내에 황색포도상구균(Staphylococcus aures), 녹농균 (Pseudomonasaeruginosa) 및 대장균을 5×103 CFU/mL 수준까지 탐지하 는데 성공 SUPER BACTERIA DEFENSE
  65. 65. Carbon-free Engine
  66. 66. 1. 진단, 치료용 NANO 머신 2. 뇌신경 모방 반도체 소자 3. 소프트 로봇 4. 자연모사 감각 센서 5. 생각대로 움직이는 기계제어기술 6. 기능성 분자전자 소자 7. 양자 컴퓨팅 8. 슈퍼 박테리아 대응기술 9. 친환경 탄소제로 엔진 10.인공 광합성 기반 청정에너지 생산기술 11.도시,해양,사막 녹색화 기술
  67. 67. Carbon-free engine - 탄소 배출을 최소화 하거나 배출을 전혀 하지 않는 고효율 친환경 엔진으로 선박, 대형자동차, 항공기에 적용가능한 동력장치 Eco-ship with carbon-free power Superconducting electrical machine CARBON-FREE ENGINE
  68. 68. Green Ship
  69. 69. 1. Eco-ship - 탄소 배출을 최소화 하거나 배출을 전혀 하지 않는 고효율 친환경 선박 시장성 - 최근 온실가스 감축을 위한 세계 각국의 노력이 다각도로 진행되고 있으며, 해운 업계에서는 탄소에 대한 배출량 감축과 선박운항 비용 절감을 위한 친환경 항만 체계 구축 방안이 활발히 논의되고 있음 - 친환경 선박 발주가 본격적으로 진행된다면, 고선령 선박들의 시 장퇴출에 따른 친환경 선박 발주가 선박의 과잉공급해소에 도움 CARBON-FREE ENGINE
  70. 70. 1. Eco-ship: 기술동향 1) 국내 - 목포대학교 산학협력단, 풍력을 이용한 전기 엔진 선박의 모터제어 시스템 - STX조선해양은 STX GD 에코쉽 프로젝트를 추진, 초대형 원유운반선(VLCC)과 1만 3,00TEU급 컨테이너선 에 적용 중 - 삼성중공업은 한진해운과 선박 연료소모량을 최대 15%까지 절감할 수 있는 ‘선박 통합 에너지관리시스 템’을 공동개발 중 2) 국외 - 일본 NYK Line은 친환경 기술을 융합해 기존 선박보다 69%의 CO₂ 배출 저감 효과를 가진 8천(TEU)급 컨 테이너 선박 'Super Eco Ship 2030'을 고안 : 연료전지를 통해 2%의 연료를 절감하고, 저항을 줄이는 선체 디자인으로 1% 연료 절감 : 선미에는 프로펠러 기술과 전기전도도 효율성 강화로 각각 5%, 2%의 연료 절감 : 갑판에서는 태양열 발전과 풍력 발전을 동시에 가동하는 방식으로 6%의 연료 절감 : 선체기술, 가벼운 후판사용으로 인한 무게 감소 등 다양한 기술을 융합 - 노르웨이 선급협회(DNV, Det Norske Veritas)와 Grieg Star社는 기존 선박에 비해 연료사용량이 30% 이상 저감된 하이브리드 선박을 개발 CARBON-FREE ENGINE
  71. 71. Magnetohydrodynamics
  72. 72. (참고) MHD 자기 유체역학 (Magnetohydrodynamics) 자장과 전기를 흘리면 유체가 힘을 받아 회전 기계적으로 움직이는 부품이 없어, 고속 회전에 따른 cavity 문제가 없음 이때 코일에 초전도체(superconductor)를 사용하면 저항이 없어 전 류를 손실 없이 계속 흘릴 수 있음 CARBON-FREE ENGINE
  73. 73. 2. Superconducting electrical machine - 초전도 모터를 내장하여 크기, 중량, 소음, 진동을 획기적으로 줄일 수 있으며 전기의 극성만 바꾸면 바로 전ㆍ후 방향의 전환이 가능 -상온 초전도 유지를 위한 신소재 개발, 선내 자장 차폐, 해수의 염소성분 처리 등이 당면 과제 시장성 - 선박의 경우, 항공운송에 필적하는 고속 추진이 가능 -전기로 구동하므로 화석 연료를 사용하지 않아도 됨 - 유류비를 포함한 운항비 감소, 환경오염물질 배출 저감 등으로 인한 비용 절감 - 진동/소음 감소효과 - 기계추진 선박 대비 선적량 증가 CARBON-FREE ENGINE
  74. 74. 2. Superconducting electrical machine: 기술동향 1) 국내 - KAIST 교수연구팀, 극저온 냉동기 탑재형 초전도 모터 개발 : 극저온 냉각부를 초전도 코일과 매우 가깝게 위치시켜, 부가적인 열손실을 방 지할 수 있는 장점이 있어서 전체 시스템의 소형화가 가능 - 두산중공업과 한국전기연구원은 75 kW 급 고속형 전동기와 1 MW 급 고속형 개발을 완료하고 현재 선박추진용 5 MW 급 저속형 초전도 전동기를 개발 중 - 포항공대가 전자유체력 추진에 관한 기초 연구를 수행 중 2) 국외 - 미국은 정부주도하에 해군과민간기업이 합작해 초전도전자기잠수함에 대해 실험에 필요한 모든기술연구 완료 - 미국 AMSC사는 미해군 요청으로 36.5MW급 고온초전도 모터 개발하여 시험을 완료 - 도쿄해양대학은 전기추진선박을 개발, Li 전지 30분 급속충전으로 45분간 운행 - 일본은 '야마토 -1' 초전도 추진선을 개발, 6노트(시속 11Km) 속도로 시험 운행 - SIMENS는 4MW급 선박추진용 초전도 전동기를 시험 중이며, 16 MW급 초전도 발전기 개발 중 CARBON-FREE ENGINE
  75. 75. Artificial Photosynthesis
  76. 76. 1. 진단, 치료용 NANO 머신 2. 뇌신경 모방 반도체 소자 3. 소프트 로봇 4. 자연모사 감각 센서 5. 생각대로 움직이는 기계제어기술 6. 기능성 분자전자 소자 7. 양자 컴퓨팅 8. 슈퍼 박테리아 대응기술 9. 친환경 탄소제로 엔진 10.인공 광합성 기반 청정에너지 생산기술 11.도시,해양,사막 녹색화 기술
  77. 77. Artificial Photosynthesis - 녹색식물의 광합성 메카니즘을 모방. 태양빛과 이산화탄소 그리고 물을 이용하여 청정에너지원(수소/산소/탄소)을 대량 생산할 수 있 는 광촉매 기술 Artificial photosynthesis catalyst material Carbon oxide fixation catalyst Fuel conversion of CO2 using artificial photosynthesis ARTIFICIAL PHOTOSYNTHESIS
  78. 78. 1. AP Catalyst Material - 자연광합성 현상을 모방, 태양광 에너지로부터 최종적으로 화학물질 생산이 가능한 생체촉매 기반의 인공광합성 기술 시장성 - 세계 탄소배출권 거래 시장은 2008년 150조 원에서 2020년 3600조 원 으로 늘어날 전망. - 재생가능 에너지인 태양광 에너지를 안정적으로 저장할 수 있으며 운 반도 용이한 화학에너지(화학물질)로 변환하는 인공광합성의 연구는 인류가 직면한 환경, 에너지 문제를 해결하기 위한 핵심기술이 될 것으 로 기대 - 광-바이오 인공광합성 시스템을 통해 지구 온난화 및 자원 고갈 문제를 동시에 해결할 수 있음 ARTIFICIAL PHOTOSYNTHESIS
  79. 79. 1. AP Catalyst Material: 기술동향 광반응: 광감응소재의 디자인/합성/분석에 재료공학적 지식 필요 암반응: 화학공학적인 이해가 필수적 1) 국내 - 한국과학기술원은 태양전지 기술을 이용해 자연계 광합성을 모방 한 인공광합성 시스템 개발 - 한국화학연구원은 태양광을 이용해 원하는 광학이성질체 화합물 만을 선택적으로 만들 수 있는 인공광합성 원천기술을 개발 ARTIFICIAL PHOTOSYNTHESIS
  80. 80. 1. AP Catalyst Material: 기술동향 2) 국외 - 미국 MIT 연구진은 태양광발전에 쓰이는 실리콘 태양전지를 값싼 촉매제로 이용하여 식물의 잎 처럼 물을 분해하는 인공잎을 개발 - 볼링그린주립대학은 기존의 광촉매 전지와 비교해 보다 높은 온도에서 견딜 수 있는 광촉매 나 노 결정을 개발 - 영국 글래스고 대학에서 태양에너지를 액체연료로 전환할 수 있는 인공잎을 만들기 위해 합성 생물학 접근법을 시도 - 훗카이도대학은 광안테나 기능을 이용한 태양전지, 인공광합성 등 태양광 에너지 변환을 연구 - 독일에 있는 University of Regensburg의 Burkhard Konig는 양친매성 감광제와 물 산화 촉매를 인 지질 이중층 막 안에 함께 넣어서 다기능성 수송체를 만듬 - 미국 연구진이 유리 기판 위에 산화철과 니켈산화철의 얇은 막을 형성해서 전기를 저장하는 새 로운 시스템 개발 - 도쿄공업대학 이공학연구과 연구팀과 도요타중앙연구소 연구팀은 공동으로 두 단계의 에너지 이동으로 빛을 높은 효율로 포집하는 분자시스템을 처음으로 개발 ARTIFICIAL PHOTOSYNTHESIS
  81. 81. 2. CO2 Fixation Catalyst - CO2와 결합력이 있는 촉매를 이용, 흡수-탈거공정의 반복을 통하여 CO2 를 선택적으로 분리 회수하는 기술 시장성 - 이산화탄소를 포집 및 저장하기(CCS)보다, 이산화탄소를 재활용 (CCU)해 고부가가치를 창출. (Carbon capture & Storage or Utilization) - 국제에너지기구 IEA는 오는 2050년 전세계 이산화탄소 배출량 규 모가 약 620억톤이 넘을것으로 추정하였지만, CCS가 채용될 경우이 수치는 140억톤으로 줄일 수 있을 것이라고 예상 ARTIFICIAL PHOTOSYNTHESIS
  82. 82. 2. CO2 Fixation Catalyst: 기술동향 1) 국내 - 고려대학교는 반복사용이 가능한 CO2 저감 탄산칼슘 생촉매 복합체 개발 - 고려대학교는 생물 중 광합성을 가장 빨리하는 미세조류를 이용, 이산화탄소 를 처리하는 동시에 바이오매스를 생산하는 공정기술 개발 2)국외 - 일본 Yamada는 은촉매에 의한 C -C 삼중결합의 활성화를 중심반응으로 하는 프 로파르길알코올에 의한 이산화탄소 고정화 반응 개발 - 미국 로렌스버클리국립연구소와 캘리포니아공대를 중심으로 인공광합성공동 연구센터를 설립해 이산화탄소를 연료로 전환하는 기술을 연구 중 - MIT 연구진들은 이산화탄소를 고정화하여 유용한 유기화합물로 전환할 수 있 는 물에 녹는 금속산화물 촉매를 바탕으로 하는 소형 시스템을 고안 ARTIFICIAL PHOTOSYNTHESIS
  83. 83. 3. Fuel Conversion of CO2 - 인공광합성을 통해 CO2를 연료로 전환 (CCU) 시장성 - 대부분의 CCU 기술은 CCS 대비, 입지의 제약 조건이 적고, 다양한 방식으로 이산화탄소 배출원에 접목되어 활용될 수 있기 때문에 발 전, 제철, 화학, 시멘트 등 많은 산업 분야에서 적합한 이산화탄소 저 감 방안으로 채택될 가능성이 높음 - 이산화탄소, 물 및 태양에너지로부터 생산되는 액체 탄화수소 연 료인 합성연료(solar fuel)는 이산화탄소의 과량 발생문제를 해결하 고 재생에너지를 활용 및 탄화수소 연료의 희소성이라는 측면에서 시너지 효과를 얻을 수 있음 ARTIFICIAL PHOTOSYNTHESIS
  84. 84. 3. Fuel Conversion of CO2 :기술동향 1) 국내 - 대우건설과 극동환경화학 이산화탄소 포집 재활용 연속공정 Pilot plant (공정명 : K1/DECO2 이산 화탄소 제거 공정) 를 설치 2) 국외 (독일) - 다름슈타트공대는 발전소에서 배출되는 이산화탄소 배출을 90% 정도 저감할 수 있는“carbonate -looping” 공정을 개발 - 사이아노바이오퓨엘사는 이산화탄소와 햇빛을 공급하여 직접 바이오에탄올을 생성할 수 있는 남조식물를 개발, 미국 알게놀사와 협력하여 10만m2 규모의 조류 바이오 연료 생산 시설을 텍사 스에 건설할 예정 - 화학기업 BASF는 EnBW, 하이델베르크 대학, 칼스루에 공대와 공동으로 광촉매 공정을 활용해 태 양 에너지로 이산화탄소와 물을 반응시켜 메탄올을 생산하는 ‘Solar2Fuel’ 프로젝트를 추진 - 아우디(Audi)는 미생물과 물, 햇빛 그리고 이산화탄소 등을 이용한 합성연료 'e -Fuel'을 개발하였 고 최근 시험을 통해 효율과 성능을 입증 ARTIFICIAL PHOTOSYNTHESIS
  85. 85. 3. Fuel Conversion of CO2 :기술동향 2) 국외 (Cont’d) (네덜란드) 이산화탄소 배출로부터 전기를 얻는 연구 수행. 수용성 전해질과 접촉시킨 공기와 연소가스 중 포함되어 있는 이산화탄소를 결합시켜 얻는 혼합 에너지를 수확하는 방법으로 전기 생산 (미국) - 줄(Joule)사는 특허로 등록된 연속 공정을 통해서 이산화탄소를 탄화수소 물질들로 전환하는 광 합성 생촉매를 개발 중 - 국립샌디아연구소는 태양광과 이산화탄소를 이용해 석유 대체 합성 연료를 제조하는 S2P(Sunshine to Petrol) 프로젝트를 진행 중 (뉴질랜드) - 란자테크(LanzaTech)사는 인도 IOC(Indian Oil Corporation), 인도 정부 생명공학기술부 (Department for Biotechnology), 그리고 벤쳐기업 CAB(Centre for Advanced Bio -Energy)와 파트너십 을 구축하여 산업용 이산화탄소 배출로부터 저탄소 연료(low carbon fuel)를 직접 제조할 수 있는 새로운 공정을 개발 ARTIFICIAL PHOTOSYNTHESIS
  86. 86. Reforestation Technology
  87. 87. 1. 진단, 치료용 NANO 머신 2. 뇌신경 모방 반도체 소자 3. 소프트 로봇 4. 자연모사 감각 센서 5. 생각대로 움직이는 기계제어기술 6. 기능성 분자전자 소자 7. 양자 컴퓨팅 8. 슈퍼 박테리아 대응기술 9. 친환경 탄소제로 엔진 10.인공 광합성 기반 청정에너지 생산기술 11.도시,해양,사막 녹색화 기술
  88. 88. Reforestation Technology - 식물에 존재하는 내건성, 내염성 유전자 그룹의 특성을 연구, 스트 레스 저항성 작물의 기능성 확보 기술 시장성 - 기후변화로 인해 사막화, 홍수, 폭풍, 산성비의 증가, 해수면의 상승, 생태계의 파괴 등 환경재앙이 증가. 토지 및 습지대가 감소하고, 극 한 환경 및 사막화로 인한 농업생산성이 줄어 세계적으로 곡물생산 량이 현저히 감소 - 기후 변화 적응작물의 새로운 비즈니스 모델 제시 및 전 지구적으 로 잠재적 위협이 되고 있는 식량안보 문제를 완화시킬 것으로 기대 REFORESTATION
  89. 89. Reforestation Technology: 기술동향 1) 국내 - 농촌진흥청은 식물 고유의 재해방어 기작을 이용해 감자에서 가뭄과 고온에 강한 '아라비노갈락탄(Arabinogalactan -protein, AGP) 유전자 및 가뭄과 염분등의 환경을 극복할 수 있는 OsPYL유전자 발견 : 그밖에 병충해 저항성, 내한성 등을 높인 품종을 개발 - 국립산림과학원은 기능유전체학을 이용한 내염성, 내건성 유전자 개발 - 전남대학교, 환경 스트레스 적응 과정에 관여하는 RNA 샤페론 기능 규명 - 농촌진흥청은 식물 스트레스 상호전달 체계 및 대응 기작 규명을 위한 인공 세 포 진화 시스템 개발 및 스트레스 적응 지능형 합성 지놈 탑재 작물 개발 (2012~2017) REFORESTATION
  90. 90. Reforestation Technology: 기술동향 2) 국외 - 일본 농림수산성, <품목별 지국온난화 대응책보고서(2007.06.)>를 출판하여 단기, 중단기적인 연구개발 과제를 제시 : 병충해에 대응하고, 고온 등의 스트레스에 강한 온난화 적응 품종 육종 추진(2010~2030 중기과 제) - 환경적응형 작물 게놈 설계기술 제안 - Salk Institute for Biological Studies는 식물의 물리적 특성에 후성 유전적 변화가 미치는 영향과 그 의 환경에 대한 적응 능력에 관한 후성 유전체적 다양성과 식물의 환경적응에 대한 연구 - 미국 하버드 대학교는 옥수수 생산량과 기상가변성의 분석을 통해 온난화 기후로 발생하는 피 해 줄일 수 있는 옥수수의 적응력 규명 - 다국적 종자기업 몬산토와 독일의 BASF는 cspB 유전자를 도입한 가뭄저항성 GM옥수수를 개발 REFORESTATION
  91. 91. Last Assignment 지금까지 살펴본 신기술 11개 중, 내게 가장 흥미 있었던 기술 세가 지는 무엇인가? 그 기술을 이용해 내 인생에서 시도할만한 도전, 모험, 노력은 무엇 이 있을까? 위 내용과 관련하여, 대학에 간다면 어떤 전공에서 시작하는 것이 좋을까? (다음주에 발표해요)

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