2022년 혁신도전 프로젝트 연구테마 수요 제출 요청

□ 개요

ㅇ 미래 사회․경제적 파급력이 큰 혁신적․도전적 R&D 사업 기획을 위해 관계부처, 산업계, 학계, 연구단체 등을 대상으로 연구테마 공모

- 선정된 테마는 혁신도전프로젝트추진단에서 상세기획을 지원하고 기획 완료 후 국가R&D 예산 편성 우대(제도마련 검토 중)

※ 내부 심사를 통해 우수 제안으로 선정되신 분들께 소정의 사례금 지급 예정

□ 발굴 분야 및 범위

ㅇ (분야) △건강하고 행복한 100세 시대 실현, △안전하고 쾌적한 사회 구현, △대한민국 경제의 지속 발전

ㅇ (범위) 혁신적‧도전적으로 문제를 해결하고 실패 가능성이 높으나 성공 시 파급효과가 매우 큰 연구테마

- 문제정의로 시작하여 임무설정 → 연구수행 → 현장적용 까지 임무 지향적으로 기획이 가능한 연구테마

ㅇ (조사대상) 총사업비 100억원 이상이며 사회·경제적 문제 해결을 위해 필요성이 큰 과학기술영역 신규 국가연구개발사업 연구테마

※ 기존 기술의 단계적 개량을 통해 달성 가능한 연구테마 가급적 배제

※ 아이디어 검증을 위한 탐색형(비예타규모)과 아이디어 검증에서 사업화‧실증까지 포괄하는 패키지형(예타규모)으로 유형 구분

□ 제출 기한 및 방법

ㅇ 제출기한 및 방법: ’22.2.9.(수) 24:00 접수마감, 홈페이지 접속* 제출

* K2base 홈페이지(www.k2base.re.kr) → 함께+ → 혁신도전 프로젝트 → 연구테마 제안 작성

□ 협조 요청

ㅇ 기관 내부 구성원, 소속 회원 또는 회원사 등에 공문 내용 전달

ㅇ ‘붙임2’의 안내문을 기관 내부 게시판 및 외부 홈페이지 등에 게시

※ 안내문 클릭 시 바로가기 설정 요청(URL: https://www.k2base.re.kr/79a/page.do)

참고1		｢혁신도전 프로젝트｣ 설명자료

□ 기본 방향

◈ 과거 추격형(Fast Follower) 방식에서 벗어나 과감하고 도전적인 선도형   연구(First Mover)로 전환하여 혁신적 성과를 창출할 수 있는 토대 마련

ㅇ 초고난도의 연구목표 하에 문제정의로 출발하는 임무 지향적 기획 수행하며, 민간PM의 전문적인 관리와 유연한 연구방식을 통해 효율성 극대화

※ 향후 혁신도전형 R&D 사업군을 형성하여 도전적 연구에 적합한 연구환경 조성

ㅇ (추진방식) 혁신본부 주관 하에 매년 5개씩, 4년 간 총 20개 사업 기획, 기획완료 이후 R&D사업은 개별부처 예산에 반영하여 별도 추진

□ 추진 체계

ㅇ (추진위원회) 혁신도전 프로젝트의 주요 사항을 논의하는 민·관 합동 위원회

- 차년도 연구테마, 기획 내용, 후속 사업추진 방향*, 연구제도 개선, 참여부처가 협력·중재가 필요한 사항 등 논의

* 주관부처 및 협조부처 결정, 후속 R&D사업의 예산 규모 설정 등

ㅇ (추진단장) 혁신도전 프로젝트 전체 총괄 관리자(=총괄PM)

- 차년도 연구테마 발굴 및 관계 부처 협업 하 R&D사업 기획

※ 사업기획 및 예산심의 과정을 주관부처와 함께 진행

- 사업 착수 후 R&D사업에 대한 의견 개진 등을 통해 전체 프로젝트 진행상황 관리, 대외협력 총괄 및 제도 개선사항의 해결방안 제시 등

ㅇ (사업단장) 개별 R&D사업의 전담 관리자(=전담PM)

- 개별 R&D사업의 과제 기획·선정·진도관리·평가 등 전주기를 관리하고 사업 추진 상 나타나는 제도 개선사항 발굴

- 연구성과의 관리·실증·확산·홍보 방안 마련 등

□ 추진 내용

ㅇ (연구테마 발굴 및 사업기획) 추진단장 주도로 과학기술 커뮤니티의 의견을 수렴하여 연구테마 발굴* 및 신규 R&D사업 기획(매년 5개 내외)

* 기존 기술의 단계적 개량을 통해 달성 가능한 테마는 가급적 배제, 도전적으로 문제를 해결하고 성공 시 획기적인 파급효과를 가져올 연구 주제 위주로 발굴

< 연구주제 선정 기준 >

핵심기준	주요 내용
목표의명확성	해결하고자 하는 문제 및 사업의 목표가 명확하고 구체적인가?
도전성	세계 최초 또는 세계 최고 수준을 지향하는가?
혁신성	와해성(Disruptive) 혁신을 이끌어 낼 수 있는가?
차별성	이미 추진하였거나 현재 추진 중인 사업과 중복되지 않는가?
파급효과	성공할 경우 과학기술적, 산업적, 사회적으로 큰 파급효과가 기대되는가?

ㅇ (R&D사업 실시) 기획내용을 바탕으로 차년도부터 예산 편성과정 및 예비타당성 조사(필요시)를 거쳐 사업단장 주도의 R&D사업 실시

- 사업 기획 및 예산심의과정을 혁신도전 프로젝트 추진단과 주관부처가 함께 진행하고, 사업을 개별 부처 예산에 반영하여 추진

ㅇ (R&D제도 개선) 사업 목표 달성에 필요한 연구팀 선정, 연구 수행, 연구비 집행, 평가 등 유연한 연구방식*을 적용하고 제도 개선사항 지속 발굴

* 경쟁형 R&D, 연구비의 탄력적 집행, 점수·등급을 매기지 않는 컨설팅 평가 등

< 사업 추진절차 및 역할 >

< 주요 추진경과 >

▸“국가R&D 혁신방안” 수립(`18.7, VIP 주재 국가과학기술자문회의 제1회 전원회의)

▸“국가R&D 도전·혁신성 강화 방안” 수립(`19.5, 제5회 과학기술관계장관회의)

▸“혁신도전 프로젝트 추진단” 출범(`20.5, 혁신도전프로젝트 운영관리규정)

▸제1차 혁신도전 프로젝트 추진위원회 개최(`20.5, 사업추진 계획 확정)

▸연구테마 선정 및 세부기획(`20.7~`21.9, 2~8차 혁신도전 프로젝트 추진위원회) ※ [참고3, 4]

▸`20년 발굴테마 `22년 국가연구개발 신규예산 반영(성층권드론, 디지털치료제 등)

참고2		탐색형과 패키지형의 Two track형 사업기획

Track			[탐색형] 개념검증 ➡ 비예타규모, 4년 내외 [패키지형] 개념검증에서 사업화・실증까지 포괄 ➡ 예타규모, 최대 9년

□ 독창적인 프론티어 연구를 위한 탐색형 사업(단기)

ㅇ 개념검증*이 필요한 독창적인 아이디어를 바탕으로 한 연구테마의 경우 실패할 가능성이 있지만 과감히 도전할 수 있도록 개념검증 단계까지 지원하여 가능성에 대한 검증 후 다음 단계로 추진

- 예산은 500억원 미만, 연구기간은 4년을 원칙으로 하되, 연구분야 특성을 감안하고 부처의견 반영 및 추진위원회 승인을 거쳐 확정

* 기존에 없던 신기술을 개발하기 위해 가설을 세우고 그 가설의 타당성을 증명하는 연구개발 활동

※ 개념검증 성공 사업은 사업화 및 실증까지 5년 내외로 추가지원

□ 아이디어 구현에서 사업화·실증을 연계한 패키지형 사업(중장기)

ㅇ 선행연구를 통해 개념검증이 일정 부분 진행된 연구테마는 연구개발 및 실증까지 패키지화하여 대형 예타사업(도전혁신형)으로 기획·추진(최대 9년)

※ 과학기술적 검증부터 상용화까지 새로운 패러다임을 제시하고, 2/3단계로 추진하되 단계별 최대 3년으로 추진

참고3		2020년 확정 연구테마 설명 자료

▣ [ 연구테마1 ] DNA 기반 빅데이터 영구 저장 기술

사회적
문제

ㅇ 4차 산업혁명 시대에 접어들면서 데이터의 생산량이 폭발적으로 증가

- ‘10년 2ZB(1ZB=1조GB) → ‘15년 15ZB → ‘20년 40ZB → ’25년 175ZB(IDC기준)

- 2040년에는 데이터 생산량이 데이터 저장장치 생산량을 추월하여 생산된 데이터를 저장하지 못하는 초유의 사태 발생 가능성 존재

< 전 세계 연간 데이터 생산량 >

현재 문제해결 방식

ㅇ 현재, 데이터 생산량 증가에 대응하기 위해 저장장치(하드디스크(HDD), 플래시메모리(SSD), 자기 테이프 등)의 단위면적당 저장용량을 높이는 연구개발이 이루어지고 있으나, 저장용량 증가 개발 속도가 높지 않고*, 데이터 유지기간이 10년 내외인 점은 여전히 한계

* HDD의 경우 2011년 첫 4TB 제품 판매 이후 현재 16TB 제품 판매 중

⇒ 획기적으로 저장용량을 높이거나, 유지기간을 늘릴 수 있는 방법을 찾기 위한 다양한 연구(DNA 활용 등)도 병행 추진

ㅇ 또한, 대규모의 데이터를 저장하는 데이터센터에는 10~20%의 자주 사용하는 데이터(hot data)*와 80~90%의 자주 사용하지 않지만 중요한 데이터(cold data)**가 사용빈도의 구분없이 동일한 저장장치에 저장되고 있음

* 예시) 구글 검색자료, 유튜브 영상 등 / ** 우주관측 자료, 멸종 동식물 유전자 정보, 자원탐사 정보 등

⇒ 자주 사용하지 않지만 중요한 데이터의 기하급수적 증가에 따라 저장장치 증설 비용과 전력소모로 인한 관리비용도 기하급수적으로 증가

새로운 아이디어

	< 핵심 아이디어 >
초대용량 데이터를 한번 저장하면 전력 소모 없이, 반영구적으로 보존하는 방법이 없을까? ➜ 방대한 생체정보를 담은 DNA 활용

ㅇ 생체정보 외 다양한 정보를 DNA에 담아 메모리로 만들고, 이렇게 만들어진 DNA 메모리를 합성·분석할 수 있는 시스템 구현

※ DNA 메모리는 하드디스크와 비교하여 단위 부피당 저장용량이 10만배 이상 크고 반영구적으로 저장이 가능하며 보존·관리 시 전력소모가 거의 없음

▣ [ 연구테마2 ] Flying AUV: 공중 이동이 가능한 자율무인잠수정

사회적
문제

ㅇ 해난사고 중 레저선박·낚시어선 등 소형 선박의 사고 빈도가 80%이상을 차지함에도 기상 악화, 장비 부족 등으로 인해 사고에 대한 초동대응이 늦어져 인명피해 규모가 증가하고 수색·구조 기간이 장기화되는 문제 발생

< 해난사고 현황(해상조난사고 통계연보, 해경, 2020현재 최신 통계 자료 기준) >

현재 문제해결 방식

ㅇ 사고 발생 시, 표류예측 모델을 통해 침몰위치를 파악하고, 해경의 함정이나 구조헬기가 출동하여 현장 상황을 파악하고 난 후, 잠수사들이 수색·구조 활동을 하는 체제

⇒ 급변하는 해양 환경으로 인해 정확하고 신속한 위치파악이 어렵고 특히, 소형선박의 경우 위치파악 시간이 늦어짐에 따라 선박이 침몰하여 수색·구조가 어려운 경우가 대부분임

새로운 아이디어

	< 핵심 아이디어 >
무인잠수정(AUV)을 바다 한가운데 정확한 위치로 빨리 보낼 수 있는 방법이 없을까? ➜ 하늘을 나는 무인잠수정

ㅇ 해난사고 발생 시 AUV(자율무인잠수정)를 사고 지점까지 공중으로 고속 이동시킨 후 공중에서 소형선박의 위치를 신속히 파악하고, 소형선박이 침몰하면 수중으로 잠수하여 목표물을 지속적으로 추적한 후 정확한 위치를 통신으로 전달하는 기술개발

▣ [ 연구테마3 ] 플라즈마 기반 CO2 free 폐유기물 기초원료화

사회적
문제

ㅇ 환경오염에 대응하기 위한 국제적 관심과 글로벌 규제가 강화*되는 가운데, 우리나라도 생활·산업 폐기물이 지속적으로 증가** 추세

* △ 전기전자 제품 내 사용이 제한되는 유해물질 대상 확대(’19, RoHS(EU)),

△ 선박배출 황산화물 기준 3.5% → 0.5%로 강화(‘20, 국제해사기구)

** 폐기물 발생 현황: (‘13) 393,117 → (‘18) 446,102 톤/일 (5년간 13% 증가)

ㅇ 특히, 제조 등 산업시설에서 발생하는 폐유기자원(플라스틱, 폐유·폐유기용제, 폐기가스 등)은 환경·인체에 더욱 유해하며, 비중·증가속도 면에서 더욱 심각

※ 사업장 폐기물 중 환경오염·인체유해성이 큰 물질은 ‘지정폐기물’로 분류·관리 되며, 그 중 폐유·폐유기용제·합성수지·고무 등 폐유기자원 발생량은 약 6,400톤/일 규모로 43.4%를 차지 (‘18년, 5년간 약 19% 증가)

현재 문제해결 방식

ㅇ 폐유기자원은 재활용/소각/매립으로 처리

- (기체) 바이오가스는 대형 생산시설 자체 활용(35%), 발전(17.4%) 등으로 사용되나 상당량이 소각·방출(16.5%*, 이상 ’17년 기준)

* 5,304만m3/년 = 매년 10만가구 도시가스 사용량, 환산가치: 약 369억원

※ 바이오가스는 메탄(비중: 50~70%) 등 유독성분 최소화를 위해 방출 전 소각하며, 같은 이유로 석유시추 시 발생하는 유기가스는 전량 소각·방출

- (액체) 폐유·폐유기용제의 경우, 이온정제·감압증류* 등의 폐유회수법으로 대부분 재활용(78%)되며, 나머지는 소각·매립(22%)으로 처리**

* 이온정제: 원심분리 + 이온을 활용한 침전분리 / 감압증류: 증류탑 이용

** 기준: ‘18년 폐유·폐유기용제 배출량 6,339톤/일(’13년 대비 약 19%증가)

- (고체) 폐플라스틱·합성수지·합성고무 등은 재활용(58%), 소각(36%), 매립(6%)

* 기준: ‘18년 생활·사업장 배출 플라스틱·폐합성수지 등 17,261톤/일

⇨ 재활용이 전반적으로 높은 비중을 차지하나, 전처리 작업 등 복잡한 공정절차, 고비용 등의 한계*가 있으며, 소각·매립은 환경오염의 원인

* (폐유) 시설비, 약품비, 회수·수송비 등 낮은 경제성 (플라스틱) 수집된 플라스틱을 재분류 후, 분쇄, 세척, 건조 등 절차가 복잡 / 재활용 처리 공정에서도 CO2 발생

새로운 아이디어

	< 핵심 아이디어 >
폐기물을‘처리’가 아닌‘판매’가 가능한 자원으로 변환할 수 없을까? ➜ 공정이 단순하고 활용도가 높은 고부가가치 자원으로 재생산

ㅇ 플라즈마의 높은 에너지를 활용하여 폐유기물을 유기 화합물의 기초 원료가 되는 고순도 C2 단량체(에틸렌(C2H4), 아세틸렌(C2H2))로 분리·변환

	폐기물의 모든 형태(고·액·기)에 공통 적용되는 표준반응기 개발 C2 단량체의 고효율 추출, 잔여물의 친환경적 처리기술 개발 폐기물 회수비용 절감을 위한 현장처리 시스템 개발(폐유 회수·수송비용: 정제비용의 2~3배)

▣ [ 연구테마4 ] 자폐성 장애를 위한 혼합형 디지털치료제

사회적
문제

ㅇ 중증 정신질환으로 인해 환자 개인은 물론, 사회·경제적 부담이 증가

	전체 장애인	지적 장애인	자폐 장애인
일상에서 타인도움이 필요한 비율	34%	79%	87%
장애로 인한 월 추가비용	16.5만원	28.7만원	60.8만원
부모 의존 비율	21%	73%	99%

ㅇ 치료 및 재발방지를 위해 장기간 지속적인 모니터링과 관리가 필요하나, 상급병원 외래·입원 등 치료 접근성이 제한되고 일상에서의 치료·관리가 어려움 → 관리의 단절과 악순환

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

※ 코로나 사태를 전후하여, 정신질환 등록률 감소(25%→13.5%), 적극 사례관리율 감소(65.4%→55.3%), 재발율 증가(21.9%→32.8%)

ㅇ 특히 자폐성 장애는 국내 연평균 8%씩 증가하는 추세이나 타(他)중증 정신질환과 달리, 약물 등 확실한 치료법이 없어, 전 생애에 걸쳐 가정에서의 보호·관리에 의존

현재 문제해결 방식

ㅇ 자폐성 장애의 경우 행동교정, 의사소통 및 심리치료 등 증상완화 및 발달·학습 프로그램 등에 의존

* 약물은 우울증·불안장애 등 동반질환 개선을 위해 사용하나 자폐성 장애 치료제는 아님

		주요 중증 질환별 치료법
비정신질환	암	· 수술, 항암치료(약물), 방사선 치료
	당뇨	· 약물, 운동, 식사
정신질환 (중증)	조현병	· 약물, 인지행동 치료, 교육, 가족치료
	조울증	· 약물, 교육, 면담치료 등
	자폐	· 행동·의사소통치료(언어·미술·운동 등), 가족치료

ㅇ 3세대 치료제로 분류*되는 디지털 치료제가 대안으로 주목 → 아직 앱(S/W) 기반 상담·복약지도 등 자가관리 프로그램 수준에 머물러 있어 적극적 치료제로는 미흡

* 1세대, 알약 등 저분자 화합물 → 2세대, 항체·단백질·세포 등 생물제재 → 3세대, 디지털 치료제

새로운 아이디어

	< 핵심 아이디어 >
자폐성 장애를 일상생활에서도 적극적으로 치료할 수는 없을까? ➜ 앱(SW)·센서·AI 등을 결합한 복합 디지털치료제 개발

ㅇ 자폐성 장애 Data 수집·분석 및 앱(S/W)·센서 등을 결합한 치료제를 개발하고, AI를 적용한 실시간 모니터링·분석 플랫폼 구축 → 전통 치료법을 대체하는 자가·정밀 디지털 치료제 개발

- 자폐성 장애 사용자의 조작을 최소화할 수 있는 지속·정밀한 건강평가, 진단, 치료, 피드백의 선순환 시스템 개발

▣ [ 연구테마5 ] 상시 재난 감시용 성층권 드론

사회적
문제

ㅇ 전지구적 온난화의 빠른 진행으로 폭염·호우·폭설 등의 발생빈도가 증가하고 이는 대형 자연재해로 이어져 사회·경제적 손실

* 1880년 이후, 전 지구 평균기온이 가장 높았던 10년 중 9년이 2000년 이후 발생(美해양대기청, 2018)

ㅇ 특히, 우리나라의 경우 산이 많은 지형적 특성으로 기상예측이 어렵고, 최근 국지성 폭우·폭염·폭설 등 기상 이상현상이 늘어나는 상황

* 우리나라 기상청의 강수 정확도는 46%(‘17년 감사원)

** ’18년, 폭우·폭설·태풍·지진 등 기상재해에 의한 피해액·복구액은 6,000억원 규모이며, 사망·실종자 53명, 이재민 2,487명에 달함

현재 문제해결 방식

ㅇ 인공위성을 활용하여 기상을 예측하나, 고고도 정지위성은 해상도가 낮아 정밀 예측이 어려우며, 저고도 위성은 지속적으로 우리나라만을 모니터링할 수 없는 한계

ㅇ 막대한 위성 개발비용(최소 400억원 이상), 제작·발사비용(최소 350억원 이상)도 인공위성만을 관측·감시 자산으로 활용하는데 제한사항으로 작용

새로운 아이디어

	< 핵심 아이디어 >
성층권의 장점을 활용하여 위성의 관측 한계를 보완할 수 없을까? ➜ 상시·정밀감시가 가능한 성층권 드론 개발

	<드론운용 환경으로서의 성층권(지상 10~50Km)의 특성>
· 구름이 없어 날씨가 급변하지 않고, 낮 동안 태양광이 풍부 · 공기밀도가 낮아* 적은 에너지로 멀리 날 수 있고, 한 곳에 오래 머물 수 있음 * 공기밀도: 지상의 1/15 수준, 공기압력: 지상의 5% 수준 · 18Km 이상의 고도에서는 바람이 약하고 관제탑 통제가 없어 자유비행 가능

ㅇ 성층권에서 고중량 장비를 적재하고 1개월 이상 장기체공이 가능한 성층권 드론을 개발하여 국지성·돌발 기상 정밀관측·연구 및 산불·화재, 국경 감시 등 다목적으로 활용

ㅇ 현재까지 진행된 선행 연구결과를 발전시켜 상용화로 연결

	<주요 개발 사례>
· 제퍼S(에어버스社) : ‘18년, 23Km 성층권에서 5kg 장비탑재 후 26일간 비행 · EAV-3(韓 항우연) : ’20년, 22km 성층권에서 2kg 장비탑재 후 2~3일간 비행

참고4		2021년 확정 연구테마 설명 자료

▣ [ 연구테마1 ] 초고속 이동수단 하이퍼튜브 기술개발

사회적
문제

ㅇ (교통수요 증가) 교통·물류량은 계속 증가*하여 기존 교통망의 포화가 예상되며, 특히 장거리 수송에서 철도의 비중은 더욱 증가

* △1일 여객통행량: ‘12, 175만명→’17, 205만명(17%↑), △연간 화물운송량: ‘10, 8억톤→20억톤(150%↑)

** 수송량(’00→‘14, 백만명) : (버스) 675→274 / (철도) 837→1,264

지역간 수송 분담율(’00→‘14) (버스) 40% → 17% / (철도) 57% → 80%

ㅇ (수도권 중심 지역격차) 대부분의 경제·사회 인프라가 집중된 수도권 중심의 주거 집중현상은 지역간 교통·생활격차를 더욱 심화할 것으로 예측

※ ’50년, 세계 인구 70% 이상이 대도시권에 거주 예상(서울 포함)

현재 문제해결 방식

ㅇ (KTX 등 고속철도) ‘04년 개통되어 서울 → 부산 기준 2.5시간 내외수송으로 ‘1일 생활권’을 형성하는 데 기여

- 최고속도는 약 320km/h으로 한계*에 도달했으며, 선로 포화, 출발지연, 정차역의 계속적인 증가로 중장거리 고속 이동 수단으로서 한계를 드러냄

* 400km/h 이상에서는 공기저항으로 비용·효율문제 급상승

※ 정차시간을 포함한 실제 운행속도(표정속도)는 약 210km/h으로 최고 속도에 크게 못미침 (신경주역, 울산역의 신설로, 서울 → 부산 운행시간 35분 증가)

ㅇ (비행기) 최고속도 800km/h 수준으로 가장 빠른 장거리 이동수단이나, 기상변화에 민감하여 출발지연·결항* 등이 빈번하여 정시성 확보 제한     * ‘18년 국내선 결항률: 1.82%, 지연률: 14.6%

※ 공항은 도시외곽에 위치하여 접근성이 떨어지고, 탑승수속·대기 등 시간소요가 큰 편

새로운 아이디어

	< 핵심 아이디어 >
진공에 가까운 환경에서 1,000km/h 이상, 비행기보다 빠른 초고속 진공열차(하이퍼루프) 개발로 전국 1시간 생활권이 가능한 초고속·저비용 교통·물류 시스템 구축

ㅇ (초고속 이동) 공기 저항이 0에 가까운 아진공 상태(1/1000 기압)에서는 1,000km/h 이상의 속도가능 (서울 → 부산: 20분)

- 소형 차량(30인 내외)을 짧은 간격으로 보내는 방식으로 목적지까지 무정차 운행이 가능하며, 날씨에 의한 지연·취소 우려 없음

ㅇ (비용의 최소화) 터널 등 토목·건설비용이 KTX에 비해 낮고, 진공특성, 초전도 전자석·태양광을 활용하면 에너지 소모가 거의없어, 운영비 최소화

▣ [ 연구테마2 ] 소재 혁신을 위한 양자시뮬레이터 플랫폼

사회적
문제

ㅇ (소재 개발 경쟁 심화) 소재는 부품 및 제품의 성능과 부가가치를 좌우하는 핵심요인으로서, 최근 국제적으로 소재기술 개발 경쟁과 자국 우선주의가 심화됨에 따라 미래 핵심기술 확보가 필요

ㅇ (양자시스템 기술 미흡) 소재의 특성은 양자역학으로 기술되는 원자 구조·배열·상호작용에 의해 결정되나 이를 이해·분석·예측하는 양자 시스템 시뮬레이션 기술이 미흡하여 신소재 개발에 많은 비용과 시간이 소요

※ 예시 : ’70년대 중반 처음 제안된 리튬이온 배터리는 ’90년대에 최초로 상용화되었으며, ’20년대 후반에 와서야 고출력 NMC 배터리로 발전

현재 문제해결 방식

ㅇ (디지털 컴퓨터 양자시스템) 디지털 컴퓨터 기반 양자시스템 시뮬레이션은 입자의 개수 증가에 따라 기하급수적으로 증가하는 상호작용을 정확하게 계산할 수 없는 근본적인 한계 존재

※ 입자 300개의 상호작용을 완벽하게 기술하기 위해서는 1090비트가 필요해 현실적으로 불가능 (1090은 우주에 존재하는 입자의 개수에 해당)

- 디지털 컴퓨터 계산 복잡도를 줄이기 위해 양자시스템을 간단한 모델로 근사할 수 있지만, 정확성과 효율성을 동시에 갖춘 양자시스템 계산 방법론 부재

- 양자시스템 시뮬레이션을 통해 적합한 후보군을 추천하고 있으나, 계산 오차로 정확한 물성 예측이 어려워 실험실에서 많은 시행착오 발생

새로운 아이디어

	< 핵심 아이디어 >
정밀 제어 가능한 양자시스템을 이용해 실제 양자공간을 구현하는 양자시뮬레이터 개발로서 분석·설계 정확성과 효율성을 극대화하여 신소재 개발 혁신 창출

ㅇ 정밀 제어 가능한 양자시스템을 이용해 실제 양자공간을 구현하는 양자시뮬레이터를 개발하여, 신소재 개발의 분석·설계 정확성과 효율성을 극대화

- 큰 파급효과가 예상되지만 현재 기술로는 개발이 어려운 범용 양자컴퓨터개발과 병행하여, 양자정보처리 기술의 실용화를 위한 특수 목적용 양자시뮬레이터 개발

ㅇ 양자시뮬레이터를 이용해 수소 생산반응 촉매를 설계하고 실험 검증하여 양자시뮬레이터의 소재개발 활용사례 창출

▣ [ 연구테마3 ] 고형암 치료용 CAR-T의 원천기술 개발

사회적
문제

ㅇ (암유병자 지속적 증가 및 사망률 개선 미비) 암 조기발견, 치료법 향상, 인구 고령화 등으로 암유병자는 지속적으로 증가하는 추세이며 난치암의 사망자 대부분은 고형암을 가진 재발암 환자로서 꾸준한 연구로도 사망률이 개선되지 못하고 있는 상황

※ 암 유병자 : (‘14) 146만명 → (’18) 200만명 → (‘25) 약 250만명 예상

ㅇ (고형암의 치료법 개발 필요) 기존의 면역치료가 고형암 환자들의 생존기간을 의미있게 연장시키지 못하고 있으므로 고형암 환자에서 부작용이 낮으면서도 암을 완치할 수 있는 혁신적인 치료법 개발이 절실

현재 문제해결 방식

ㅇ (혈액암 대상 CAR-T 세포 치료법) 면역체계를 활용하여 암을 치료할 수 있는 CAR-T 세포가 혈액암에 적용되어 B림프구 유래 백혈병 환자의 81%를 완치하는 치료효과를 보이나, 고형암에서는 환자의 생명을 위협할 만큼 심각한 부작용을 초래

※ CAR-T(Chimeric Antigen Receptor-enginerred T)는 환자의 면역세포(T)에 암세포 항원을 인지하는 유전자(CAR)를 유전자변형 기술을 통해 만든 세포 치료제

- 혈액암에서는 암세포에서만 높은 공격 능력을 보이는 CAR-T 세포 개발은 심각한 부작용 없이 일부 완치까지 기대 가능하지만 고형암 CAR-T는 국제적으로도 임상개발되지 못하는 상황

- CAR-T 세포가 기존 T세포에 비해 암세포 공격능력은 극대화 되었으나, 암세포와 정상세포를 구별하지 못하여 여러 주요 장기들의 정상세포를 공격함으로써 심각한 부작용이 발생

새로운 아이디어

	< 핵심 아이디어 >
정상세포와 암세포의 차이를 정교하게 감지하여 암세포에만 특이적으로 공격능력을 갖는 고형암 CAR-T 기술의 원천기술 확보

ㅇ 정상세포와 암세포의 차이를 정교하게 감지(Sensor)하여 암세포에 결합하면, 2단계 활성화 과정(Trigger, Inducer)을 거쳐 T세포의 공격능력을 극대화 시키는 STI(Sensor-Trigger-Inducer) 플랫폼 기술 개발

ㅇ 암세포에만 존재하는 신항원을 발굴 또는 표적하는 CAR-T 원천기술 확보 및 연구자 주도 임상시험(Challenge Trial)

- 암세포에만 존재하는 새로운 표면 항원을 발굴하여 정상세포는 공격하지 않는 CAR-T 개발 및 연구자 주도 임상시험

- 세포내 신항원에 대한 TCR-like CAR-T 연구자 주도 임상시험

▣ [ 연구테마4 ] 중대사고와 고준위폐기물에서 자유로운 원자로 기술

사회적
문제

ㅇ (원전의 위험성으로 인한 수용성 저하) 원자력은 공급 신뢰성과 경제성을 인정받고 있으나, 중대사고 발생 가능성 및 방사선 유출 위험성 때문에 대중 수용성 저하

※ 후쿠시마 사고(’11년), 경주‧포항 지진(’17년) 등으로 원전에 대한 국민 안전요구는 지속 증가 (’19년 행안부「국민안전인식조사」)

ㅇ (고준위폐기물 처리 문제) 사용후핵연료의 영구 처분 방안 미확보로 인하여 고준위폐기물 발생을 최소화하는 원자로의 개발이 절실

- 국내 원전은 2080년까지 약 4만 톤의 사용후핵연료 발생 전망

- 고준위폐기물 저장소 확보를 위한 시도는 사회적 갈등으로 무산

현재 문제해결 방식

ㅇ (핵연료와 냉각제가 분리된 경수로 사용) 기존의 경수로는 핵연료와 냉각재가 피복관을 경계로 분리되어 있기 때문에, 냉각 장치의 고장 시 중대사고가 발생 가능

- 냉각 기능의 상실은 핵연료의 연료가 상승하여 핵연료 및 원자로 용기가 용융되면서 중대사고로 이어지며, 현재 안전 설비는 존재하나 설계 시 예상치 못한 원인에 의해 중대사고가 발생

※ 세계 3대 원전(발전로) 중대사고 : 후쿠시마(‘11), 체르노빌(’86년), 美 TMI('79)

ㅇ (경수로 사용으로 인한 사용후핵연료 다량 발생) 경수로는 연료 함유량 및 피복관 수명을 고려하여 3~7년 주기로 핵연료의 교체가 필요하며, 주기적인 핵연료 교체로 인해 다량의 사용후핵연료가 발생하는 상황

새로운 아이디어

	< 핵심 아이디어 >
중대사고 위험성과 고준위 방사선폐기물 발생을 획기적으로 줄일 수 있는 염소 기반의 용융염원자로(MSR) 핵심 기술 확보

ㅇ 용융염의 높은 끓는점(1,400℃)․녹는점(450℃)을 통해 냉각재 소실 및 핵연료 누설 가능성을 차단하고, 단순 구조 설계로서 사고확률을 획기적으로 감소

ㅇ 액체핵연료 및 고속중성자를 활용한 원자로 개발로서 핵연료의 교체 없이 장기간 운전이 가능하고 고방사능 물질의 생성을 최소화

- 금속 양이온과 비금속 음이온이 결합된 용융염에 핵연료 물질을 녹여 냉각재와 핵연료를 일체형으로 구성하는 차세대 용융염원자로(MSR, Molten Salt Reactor) 개발

붙임3		혁신도전 프로젝트 연구테마 제안 양식

⦁작성 시 참고사항

개조식으로 작성

구체적인 사례 중심으로 작성

표와 그림은 한글파일로 작성 후 첨부로 제출(출처 표기)

주요 내용 중 타 문헌을 인용한 부분(특히 정량적인 내용)은 출처 표기

기타 참고사항 및 추가설명자료는 첨부로 제출

※ 사업의 유형(탐색형/패키지형) 관련 정보

⦁제안 등록 항목

연구테마명	※ 연구테마란 사회·경제적 문제 해결을 위해 정부연구개발사업으로 추진해야할 과학기술영역
사회적 난제	※ 해결해야할 사회경제적 난제와 해결의 필요성
기존 접근법	※ 기존의 연구방법과 국내외 연구 현황 및 기존 접근법의 한계
새로운 접근법	※ 기존의 방식과 차별되면서 혁신적인 기술의 진보를 통한 문제 해결방법
사업목표 및 내용	※ 달성하고자 하는 사업의 구체적인 목표 및 주요 연구내용, 세부기술 등을 제시
사업유형	※ 주관부처/협조부처(예상)
	※ 탐색형/패키지형 중 택일하고 추정되는 예산규모/기간제시 탐색형 or 패키지형 예산규모(단위: 억원) 사업기간(단위: 년)
제안기관	기관명: 부서명:
첨부파일	※ 기타 참고사항 및 추가설명자료 첨부 가능

※ 본 양식에 따라 작성 후 온라인 포럼에 항목별로 직접 입력하여 제출
(한글 파일 형태로 첨부파일로 제출도 가능)

※ 온라인 포럼 : KISTEP K2base 홈페이지(http://www.k2base.re.kr) → 함께+ → 혁신도전 프로젝트 → 연구테마 제안 작성