21세기의 공학적 난제 14

[해송]

21세기의 공학적 난제 14

21세기를 바꿀 기술

2008년 04월 16일(수)

◆지속가능성

깨끗한 물 확보(The clean water)

▪ 개요 - 국제적∙지역적으로 불균등하게 분포된 수자원의 분배, 물 사용 급증, 신규 수자원 개발의 한계, 환경변화 등으로 수자원에 대한 전 지구적인 수급대책이 필요하다.

▪ 기술현황 – 해수 담수화 기술인 분리막을 이용한 역삼투압 기술, 나노튜브를 이용하여 염분을 걸러내는 나노삼투압 기술 등이 있다. 나노필터막을 이용한 폐수 또는 하수 재처리 기술도 개발되고 있다. 작물에만 물방울이 떨어지게 하는 세류관개(drip irrigation) 기술도 개발되고 있다.

국내에서는 ‘수자원의 지속적 확보를 위한 기술 개발사업단’에서 ▷2011년까지 30억m3 이상의 수자원 확보 ▷선진국 80% 수준의 수자원 확보기술을 목표로, 다양한 기술을 개발 중이다.

질소 순환 관리(Managing the nitrogen cycle)

▪ 개요 – 곡물의 대량 생산을 위해 질소가 포함된 화학비료의 과다 사용과 화석연료의 사용 등으로 산성비, 물과 토양의 오염, 지구온난화 같은 환경문제가 대두되고 있다.

▪ 기술현황 - 산소가 없는 환경에서 질산을 질소 가스로 바꾸는 ‘탈질화’를 통한 질소분자 생산기술, 질소비료•곡물생산•음식물 쓰레기처리 등 질소와 관련된 모든 과정의 질소 사용 효율 향상을 위한 기술개발과 연구가 추진되고 있다. 코넬대학 연구진은 질소의 형태를 변화시키는 연구를, 워싱턴대학에서는 박테리아를 이용한 질소 고정 연구를 진행 중이며, 중국과학원 산하 ‘이온 빔 생물 공정학 중점 실험실’ 연구팀은 질소 비료의 유실을 통제할 수 있는 새로운 기술 개발에 성공했다. 국내에서는 한국생명공학연구원에서 생물학적 질소고정 등의 연구가 이뤄졌으나 최근 활동이 부진하다.

탄소 격리(carbon sequestration)

▪ 개요 - 지구온난화의 주범으로 지적되는 온실가스의 대기 중 농도를 낮추기 위한 기술개발(CO2 포집, 회수, 처리, 저장기술 등 포함)을 뜻한다.

▪ 기술현황 – 세계의 많은 국가와 기업들이 획기적인 온실가스 감축기술인 ‘CCS(Carbon Capture and Storage, 포집 및 저장)’ 관련 기술을 공동으로 개발하는 ‘탄소저감을 위한 국제 포럼(CSLF)’을 구성했으며, 일본은 독자적으로 CCS 기술 개발계획을 수립•시행 중이다. 미국도 2020년경부터 이산화탄소 격리•저장 기술의 실증을 목표로 개발 진행 중이다.

한편 국내에서는 주로 포집(회수) 기술을 위주로 연구가 진행 중이며, 대부분 국가의 지원 아래 수행 중이다. ‘이산화탄소 저감 및 처리 기술개발 사업단(CDRS)’이 대표적 연구기관이다.

핵융합(fusion)

▪ 개요 – 수소 동위원소(중수소, 삼중수소)의 플라즈마 상태에서 일어나는 핵융합 반응으로부터 생성되는 중성자의 운동에너지를 이용한 발전 기술을 의미. 많은 개도국과 후발개도국에서 화석연료 사용이 급증함에 따라 2030년 이후에는 핵융합 기술 및 핵융합 발전소 건설이 현실화 될 것이다.

▪ 기술현황 – 미국, 일본, EU, 한국, 러시아, 중국, 인도 등 7개국이 2015년에 가동을 목표로 ‘국제핵융합실험로(ITER)’ 프로젝트를 진행 중이며, 우리나라는 지난해 9월 차세대 초전도 핵융합 연구장치(KSTAR)를 완공했다.

도시 기반시설의 재건 및 개선(Restoring and improving urban infrastructure)

▪ 개요 – 세계화와 도농간 격차의 심화, 환경중시 등으로 기존 도시의 낙후지역을 재생하고, 주거기능 복원 및 도시 공공성 강화와 관련된 연구가 중시되는 추세이다. 따라서 ▷사회적 약자를 위한 주거개발기술 ▷효용가치가 높은 도시공간 재배치 및 입체∙복합화와 관련된 공간 계획•설계•시공기술 ▷재해에 대응하는 도시 안전 시스템 등의 기술이 대두되고 있다.

▪ 기술현황 - 도시재생의 세계 시장규모는 정확한 예측이 불가능할 정도로 방대하며, 건설산업이 안정화된 EU의 경우 건축물 유지보수 부문이 37%, 건물신축시장이 24%를 차지하고, 우리나라는 연평균 16.5%의 고성장이 예상된다. 지식경제부, 국토해양부, 교육과학기술부 등 중앙부처가 ‘U(ubiquitous) City’ 관련 기술을 개발하고 있으며, 삼성, KT, SK텔레콤 등 민간기업도 적극적으로 연구개발에 투자하고 있다.

경제성 있는 태양에너지 실용화(Affordable Solar Energy)

▪ 개요 - 태양에너지를 이용해 열과 전기를 생산하는 기술을 의미하며, 실용화를 위해서는 태양광을 이용해 경제성 있는 전기를 생산하는 기술이 관건이다. 태양광을 전기로 바꾸는 효율을 현재의 10~20%대에서 30% 이상으로 향상시키는 기술개발이 필수다.

▪ 기술현황 - 일본과 유럽, 미국이 전 세계 태양전지 및 모듈 생산량의 약 88%를 차지하며 전 세계 시장을 선도하고 있다.

우리나라는 산업자원부(현 지식경제부)에서 고려대가 총괄 주관인 '태양광사업단'을 발족(2004년 출범)하여 태양전지, 인버터, 시스템 설계 및 시공 등 기술 분야별 연구를 진행 중에 있다. 태양광사업단에는 고려대, KAIST, 서울대 등의 대학들과 한국에너지기술연구원, 한국과학기술원, 한국화학연구원 등과 같은 연구소들이 참여하고 있으며 LG전자, LG화학, 쏠라테크, 현대중공업 등과 같은 기업들도 참여하고 있다.

그러나 우리의 기술력은 선진국의 70% 수준이다.

과학발견을 위한 공학적 도구 개발(engineer the tools of scientific discovery)

▪ 개요 - 과학자들이 자연현상이나 신체, 뇌처럼 다양하고 복잡한 현상들로 이루어진 대상들을 실험•규명할 수 있는 연구장비나, 새로운 지식을 발견할 수 있도록 복잡한 현상들을 모델링하는 기법과 시스템을 제공하는 기술을 의미한다. 고성능 컴퓨팅이 그 중 한 예로, 과학 및 공학 분야는 물론 국방, 기상, 환경, 의료 등 범국가적 차원의 수요 충족과 관련 핵심 기술 확보가 시급하다.

▪ 기술현황 – 미국과 유럽이 주축이 되어 차세대 디지털 신경망 서비스라고 할 수 있는 ‘그리드 컴퓨팅’에 대한 연구가 진행 중이다. 특히 미국 아르곤(Argonne) 국립연구소와 남가주, 시카고대학 등이 함께 추진하는 ‘글로버스(Globus)’가 대표적인 그리드 프로젝트다.

국내에서는 한국과학기술연구원(KIST) 계산과학센터에서 대규모 전산모사에 기반한 물질 및 소자 설계기술들을 개발하고 있다. 2002년부터 한국과학기술정보연구원이 주축이 되어 글로버스 기반의 국가 그리드(N*Grid) 구축사업이 진행되고 있고 슈퍼컴퓨팅센터를 운영 중에 있다.

◆건강

획기적인 신약개발(Engineer better medicines)

▪ 개요 – 개개인의 유전정보를 의학 치료에 결합시켜 환자의 특성에 맞는 약을 개발하고, 전염병∙AIDS 등 바이러스 질환 치료, 슈퍼박테리아∙바이러스에 대처할 수 있는 새로운 항생제∙백신 개발 등과 관련된 기술을 말한다. ▷개인의 유전정보를 빠르게 해독•평가하는 기술 ▷개별 환자로부터 나오는 막대한 정보를 처리•분석하는 기술 ▷극히 양이 미미한 생체분자를 검출할 수 있는 유전자 chip•센서 ▷개인 맞춤형 약물의 개발 기술 및 임상•평가 기술 ▷약물전달기술, 항생제 내성의 작용 기작 규명, 유전자 조작 및 화학 합성 기술 등이 있다.

▪ 기술현황 - 노바티스, 화이자, 바이엘, 글락소 등 세계적인 제약기업들과 대학연구기관, Motorola, IBM, Amersham Pharmacia Biotech 등은 ‘SNP 컨소시엄’을 구축, 신약 개발에 필요한 단일염기다양성(Single Nucleotide Polymorphism) 규명에 집중하고 있다.

한편 국내에서는 한국화학연구원 신약연구단(15건의 신약 후보물질 라이센싱), SK케미칼• LG생명과학(신약개발 성공사례), 크리스탈지노믹스(구조유전체학 기반의 후보물질 도출) 등에서 연구를 주도하고 있다.

의료 정보학의 발전(Advancing health informatics)

▪ 개요 - 환자의 진단, 진료, 의학교육, 의학연구 및 의료경영에 필요한 각종 정보를 효율적으로 체계화 및 관리하기 위한 기술로, 정보과학 및 컴퓨터 과학 등이 망라된 복합적인 학문 분야이다.

▪ 기술현황 – 미국은 스탠포드, 컬럼비아, 하버드, MIT, 유타, 미네소타, 듀크대학 의과대학 등과 국립보건원(NIH), 국립의학도서관(NLM), 질병통제센터(CDC) 등에서 다양한 연구 프로그램을 진행하고 있다. 특히 국립의학도서관에서는 의료정보학을 향후 미국 의학의 전략분야로 선정하여 매년 인재양성을 지원하고 있다. 국내에서는 서울대(손현석교수)를 비롯한 여러 대학 연구실에서 관련 연구를 수행 중에 있다. 정부에서는 의료정보기술개발사업을 통해 의료정보 표준화, 전자건강기록(EHR), 의과학 및 온톨로지, 바이오 전자의무기록(EMR) 등에 대한 연구를 지원 중이다.

인간의 뇌에 대한 역공학(Reverse-engineering the brain)

▪ 개요 – 뇌질환 치료와 인공지능 개발, 컴퓨터의 계산 능력을 비약적으로 높일 수 있는 뉴런컴퓨터 개발을 위해 인간의 뇌가 작동하는 방식을 이해하고 연구하는 기술이다. 관련 주요 기술로는 ▷뇌 작동 방식의 이해 ▷신경망 구성 연구 ▷뇌 시뮬레이션 ▷병렬 컴퓨팅 기술 등이 있다. 이 기술을 이용하면 약 또는 신경이식 등의 방법을 통해 뇌질환∙뇌손상을 치료하고 기억을 재생할 수 있으며, 인공 신경을 장착하여 뇌와 연결시킨 인공 눈∙인공 귀 등 인공지능 보철물을 제작할 수 있게 된다. 또한 뇌를 모방한 복잡한 수준의 컴퓨팅 시뮬레이션이 현실화되면서 신약 개발이나 각종 사회문제에도 응용할 수 있다.

▪ 기술현황 – 일본 이화학연구소(RIKEN) 뇌과학종합연구센터, 러시아 과학아카데미, 미국 신경과학회•신경의학회 등에서 연구를 주도하고 있으며, 우리나라는 2000년 12월에 제2차 뇌연구촉진기본계획을 확정하고 2008년부터 10년간 뇌 연구분야에 총 1조 5천여 억원을 투자하기로 했다. .

◆행복한 삶

개인 맞춤형 학습프로그램(Advancing personalized learning)

▪ 개요 - 학습자 각각의 지식수준, 학습태도 및 방법, 학습동기를 고려하여 최고의 학습효과를 가지는 개인교습 학습방식을 기술적으로 구현하는 기술이다. 학습 콘텐츠를 사용자의 능력에 맞게 필요한 학습내용을 찾아서 전송해주는 ‘학습 콘텐츠 적응화’ 기술, 학습자의 실시간 질문에 응답해주는 ‘지능형 멘토’ 기술이 주요 기술이다.

▪ 기술현황 - 미국은 MIT, 버클리, 스탠포드, 퍼듀대학 등 약 300개의 대학이 사이버 학위과정을 개설하였으며, 유럽은 기존의 개방 대학이 점차 사이버 대학으로 모습을 바꾸고 있다. 우리나라도 고려대(박인우 교수)를 비롯한 많은 대학에서 관련 연구를 수행 중이며, 정부 주도로 오는 2010년까지 e-러닝 국내표준 연구 및 국제표준 활동을 강화하고, e-러닝 솔루션•콘텐츠•서비스에 대한 통합품질인증체계를 마련하기로 하였다. 또한 e-러닝 테스트 베드 및 표준플랫폼 구축 등의 기술개발 인프라도 조성할 예정이다.

교육·엔터테인먼트를 위한 혼합 가상현실 활용(Enhancing virtual reality)

▪ 개요 - 컴퓨터를 이용한 가상공간에서 사용자가 현실감을 느끼고 체험하도록 하는 차세대 휴먼 컴퓨터 인터랙션을 의미한다. 현재 가상현실 시장은 ▷1인 체험 위주 기술 → 다수 체험 기술 ▷연구 검증용 시뮬레이터 → 대중 서비스형 시뮬레이터 ▷군사∙의료∙연구 등 특정분야 → 웹∙게임∙방송 등 대중분야 ▷고성능 워크스테이션 기반 → 네트워크 PC 기반 ▷전문가를 위한 특수시장 → 일반인을 위한 대형시장으로 변모하는 추세다.

▪ 기술현황 - 가상현실 기술분야는 타 산업분야에 비해 상대적으로 작은 산업구조 때문에 산업적 응용은 아직 저조한 편이다. 그러나 미국, 독일, 일본, 영국 등에서는 학계를 중심으로 학술 연구가 계속되고 있고, 산•학 협력을 통해 정보∙IT 산업과 결합하는 추세이다.

국내에서는 한국과학기술연구원의 영상미디어연구센터(고희동 센터장)에서 가상현실 분야의 차세대 원천 기술 연구를 수행하고 있다.

◆위험감소

핵무기 테러 예방(Preventing Nuclear Terror)

▪ 개요 - 핵물질을 이용한 핵폭탄, 방사성물질을 이용한 오염폭탄(dirty bomb) 등이 대표적인 핵무기 테러이다. 오염폭탄의 경우 방사성분산장치(RDD)를 일컫는다. 지난 93년 이후 지금까지 확인된 핵물질 밀거래사례는 650건. 2005년 한 해만도 약 100건에 달한다(IAEA 발표). 따라서 이를 예방할 수 있는 기술개발이 중요해지고 있다.

▪ 기술현황 - 국제적 활동들은 대부분 핵시설에 대한 보안 강화, 핵무기와 핵분열성물질이 테러범의 손에 들어가지 않도록 하는 보안 유지 등에 초점이 맞춰져 있으며, 2005년 UN의 ‘핵 테러 행위 억제에 관한 국제협약’과 같은 국제적 협조에 주력하고 있다.

우리나라는 한국원자력안전기술원을 중심으로 방사선물질 안전규제와 방사선 피폭관리, 방사선 비상대책 업무 등을 수행하고 있으며, 한국원자력통제기술원을 중심으로 핵활동 검증 및 폐기, 핵활동 정보 수집 및 분석과 관련된 활동을 하고 있다. 한국원자력연구원에서는 관련 제반 연구를 수행하고 있다.

사이버 공간의 보안(Securing Cyberspace)

▪ 개요 – 정보시스템을 사용한 전력, 교통•물류, 상하수도 등의 사회 인프라와 사이버 상에서 제공되는 금융, 방송 등의 서비스에 대한 안정성 및 신뢰성을 제공하는 기술. 정보 시스템과 정보 인프라에 대한 범죄와 테러의 취약성을 줄이는 것이 관건이다. 주요 요소 기술은 암호•인증, 콘텐츠 보호, 해킹•바이러스 대응 기술 등이 있다.

▪ 기술현황 – 미국 국가표준기술연구원(NIST)과 국가안전국(NSA), 예일대, 스탠포드대 등에서 암호, 해킹 등에 관련된 연구를 수행하고 있다. 국내에서는 ETRI 등을 비롯하여 서울대, KAIST, 포항공대, 고려대 등 여러 대학에서 관련 연구를 진행 중이다.


* 이 컬럼은 KISTEP 기술예측센터에서 자료를 정리∙분석하고, 국내 관련 전문가들로부터 도움을 받아 작성했습니다.

교육과학기술부 과학기술정보과

2008.04.16