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목적
대규모 데이터와 첨단 분석 기법을 활용한 R&D 투자 현황 비교, 국가·연도별 투자 동향 등을 분석하여 미래 연구이슈 및 유망기술 발굴
과제 정보 수집
공공연구개발 투자정보 데이터 약 974만건(‘13~’23) 중 약 548만건 활용
미국: NIH, NSF 등
유럽연합(EU): CORDIS
일본: KAKEN
영국: GtR(Gateway to Research)
미래이슈 조사 설계 및 분석 방법
1. 과제 데이터의 벡터화 및 활용 : 주요 키워드를 추출하여 수만 개 부분 단어를 기저로 얻어내어 벡터 공간을 구성하고 키워드를 부분 단어 기저의 선형 결합으로 벡터 공간에 사상
2. 집합 벡터에서의 군집화 : 정형화된 벡터로 변환 후, 과제 벡터 군집화(clustering)를 통해 유사 주제 및 기술 분야 파악
3. 필터링 : 도출된 과제 군집 중 원하는 시계열 트렌드 패턴을 보이는 군집 선별을 위한 필터링
4. 군집 시계열 정량 분석 : 군집의 시간에 따른 변화 추이 정량적 파악을 통해 해당 기술 분야 연구개발 동향과 트렌드 분석
5. 군집 요소 해석 : 각 과제 군집 구성 주요 키워드에 대한 심층 분석
<예시: 양자 인터넷(Quantum Internet)>
유망기술 결론 도출
정량 분석 방법론을 통해 100개의 미래유망기술군 도출(각 군 별 평균 16개 세부 유망기술 관련 키워드 포함)
미래 유망성을 가진 100개의 기술군을 11개의 대주제 및 한국연구재단 국책본부 기술단 분야(바이오, 전자·정보, 거대·에너지)로 분류하여 미래 유망 기술 전반적 스펙트럼과 각 영역별 핵심 세부 기술 트렌드 파악
2D 물질 (2D Materials)
자료 | https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/two-dimensional-material
http://www.zswu.dicp.ac.cn/Research/Synthesis___Assembly_Chemistry_of_2D_Materials.htm
<2D 물질 예시이미지>
| 관련 기술 세부 유망 키워드 | ||
| 1. Moire Superlattices | 2. Twisted Bilayer Graphene | 3. Twistronics |
| 4. Van der Waals Heterojunctions | 5. Correlated Topological System | 6. Quantum Sensing |
| 7. Proximity Effects | 8. 2D Magnetism | 9. Quantum Emitters |
| 10. Two-Dimensional Layered Chalcogenides | ||
2D 물질(2D Materials)은 두께가 원자 한 층에서 수 나노미터에 불과한 초박막 물질을 말한다. bulk 물질과는 다른 독특한 전기적, 광학적, 열적, 기계적 특성을 보이는 것이 특징이다. 대표적인 2D 물질로는 그래핀, 전이금속 칼코제나이드(TMDs), 헥사고날 질화붕소(h-BN) 등이 있다. 이러한 물질들은 차세대 전자, 광전자, 에너지 소자 등에 활용될 것으로 기대를 모은다. 특히 반도체, 태양전지, 디스플레이, 센서, 에너지 저장 등의 분야에서 기존 소재의 한계를 뛰어넘는 성능 향상을 가져올 수 있을 것으로 전망된다. 현재 2D 물질의 대면적 합성, 적층 제어, 소자 응용 등에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.
양자 컴퓨팅 (Quantum Computing)
자료 | https://doi.org/10.47852/bonviewJDSIS3202656
https://www.eib.org/en/stories/quantum-computers-climate-scientific
<(위) 고전 컴퓨팅과 양자 컴퓨팅의 비교 (아래) 양자 컴퓨팅의 열가지 응용 분야 >
| 관련 기술 세부 유망 키워드 | ||
| 1. Quantum Error Correction | 2. Quantum Advantage | 3. Quantum Machine Learning |
| 4. Quantum Simulation | 5. Superconducting Qubits | 6. Quantum Photonics |
| 7. Topological Quantum Computing | 8. Quantum Programming Languages | 9. Quantum Complexity Theory |
| 10. Quantum Coherence | ||
양자역학의 원리를 활용하여 기존의 고전적 컴퓨팅으로는 해결하기 어려운 복잡한 문제를 빠르게 처리할 수 있는 차세대 컴퓨팅 기술을 말한다. 기존의 비트(bit) 대신 큐비트(qubit)를 사용하여 0과 1의 중첩 상태를 활용함으로써 대규모 병렬 연산을 수행할 수 있다. 이를 통해 고전 컴퓨터로는 수천 년이 걸리는 문제를 단시간 내에 해결할 수 있을 것으로 기대된다. 양자 컴퓨팅은 암호화, 최적화, 시뮬레이션, 인공지능 등 다양한 분야에서 획기적인 성능 향상을 가져올 수 있는 기술로 주목받고 있다. 특히, 신약 개발, 금융 모델링, 기후 예측, 물류 최적화 등의 영역에서 큰 파급 효과가 예상된다.
멀티모달 AI (Multimodal AI)
자료 | https://enterrasolutions.com/china-takes-the-lead-in-multimodal-artificial-intelligence/
<SINGLE-MODAL AI MODEL과 MULTIMODAL AI MODEL>
| 관련 기술 세부 유망 키워드 | ||
| 1. Multimodal Fusion | 2. Self-Supervised Learning | 3. Generative AI |
| 4. Neurosymbolic AI | 5. Explainable AI Models | 6. Text-Image Generation |
| 7. Diffusion Model | 8. Deep Forgery Detection | 9. Semantic Communication |
| 10. Digital Biomarkers | ||
멀티모달 AI(Multimodal AI)는 다양한 형태의 데이터를 통합적으로 처리하고 이해할 수 있는 인공지능 기술을 말한다. 기존의 AI는 주로 단일 모달리티(modality)(예: 텍스트, 이미지, 음성 등)에 특화되어 있었던 반면, 멀티모달 AI는 서로 다른 모달리티의 데이터를 융합하여 분석할 수 있다. 이를 통해 더욱 풍부하고 정확한 맥락 이해와 추론이 가능해진다. 멀티모달 AI는 자연어 처리, 컴퓨터 비전, 음성 인식 등 다양한 분야에서 활용되며, 특히 복잡한 실제 환경에서의 인간-컴퓨터 상호작용에 큰 역할을 할 것으로 기대된다.
유전자 편집 기술(CRISPR-Cas9)
| 관련 기술 세부 유망 키워드 | ||
| 1. Base Editing | 2. CRISPR-Based Therapeutics | 3.CRISPR-Mediated Epigenome Editing |
| 4. CRISPR-Cas12a | 5. CRISPR-Cas13 | 6. Cas9 Variants |
| 7. CRISPR-Based Gene Drives | 8. CRISPR-Based Antimicrobials | 9. CRISPR-Associated Transposases |
| 10. CRISPRa | ||
CRISPR-Cas9은 유전자 가위라고도 불리는 유전자 편집 기술이다. CRISPR은 박테리아와 고세균의 면역체계에서 발견된 DNA 서열이며, Cas9은 특정 DNA 서열을 인식하고 절단하는 효소이다. 이 두 가지를 조합하여 원하는 DNA 부위를 정확히 찾아내고 절단함으로써 유전자를 편집할 수 있게 되었다. CRISPR-Cas9은 기존 유전자 편집 기술에 비해 높은 정확성, 효율성, 간편성을 가지고 있어 생명과학 연구에 혁명을 일으키고 있다. 이 기술은 질병 연구, 유전병 치료, 작물 개량, 바이오 연료 개발 등 다양한 분야에서 활용 가능성이 높다. CRISPR-Cas9은 현재 가장 주목받는 바이오 기술 중 하나로, 앞으로 생명공학 분야의 발전을 이끌 것으로 기대된다.
합성생물학(Synthetic Biology)
자료 | Meng, F., Ellis, T. The second decade of synthetic biology: 2010–2020. Nat Commun 11, 5174 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41467-020-19092-2
<지난 10년간 합성 생물학의 Design-Build-Test-Learn 주기를 가속화시킨 새로운 기술과 작업 방식들>
| 관련 기술 세부 유망 키워드 | ||
| 1. CRISPR-Cas9 | 2. Synthetic Genomics | 3. Genome-Scale Metabolic Modeling |
| 4. Biosynthetic Gene Clusters | 5. Artificial Genetic Circuit | 6. DNA Nanotechnology |
| 7. Directed Enzyme Evolution | 8. Cell-Free Protein Expression System | 9. Xenobiology |
| 10. Orthogonal Ribosome | ||
합성생물학(Synthetic Biology)은 생물학, 공학, 컴퓨터 과학 등 다양한 분야의 기술을 융합하여 생물학적 시스템을 설계, 제작, 재설계하는 학문이다. 유전자 회로, 대사 경로, 세포 기능 등을 모듈화하고 표준화하여 생물체를 프로그래밍 가능한 형태로 구현하는 것을 목표로 한다. 이를 통해 기존 생물체에는 없는 새로운 기능을 가진 생물체를 만들어내거나, 기존 생물학적 시스템을 최적화하여 산업적으로 유용한 물질을 생산하는 등의 응용이 가능하다. 합성생물학은 의약품 및 백신 개발, 바이오 연료 및 화학 물질 생산, 환경 정화, 농작물 개량 등 다양한 분야에서 활용 가치를 인정받고 있다.
mRNA 백신 (mRNA Vaccines)
| 관련 기술 세부 유망 키워드 | ||
| 1. CRISPR-Cas Technology | 2. Self-Amplifying RNA Vaccine | 3. Nucleoside-Modified mRNA |
| 4. Thermostable mRNA Vaccines | 5. mRNA Vaccine Immunogenicity | 6. Augmented mRNA Design |
| 7. Synthetic Cell Factory | 8. Polymeric Nanocarrier | 9. Microfluidic Device |
| 10. mRNA Vaccine Manufacturing | ||
메신저 RNA 백신(mRNA Vaccine)은 차세대 백신 기술 중 하나로, 질병을 일으키는 바이러스나 세균의 항원 단백질을 코딩하는 mRNA를 인체에 주입하여 면역 반응을 유도하는 기술이다. mRNA는 체내에서 항원 단백질을 생성하고, 이를 인식한 면역 체계가 항체를 생성하고 면역 기억을 형성하는 원리로 작용한다. 이 기술은 기존 백신에 비해 빠른 개발 속도, 높은 안전성, 용이한 대량 생산 등의 장점을 가지고 있다. COVID-19 팬데믹 상황에서 화이자/바이오엔테크와 모더나의 mRNA 백신이 빠르게 개발되어 접종되면서 큰 주목을 받았다. 이를 계기로 mRNA 백신 플랫폼 기술은 감염병 대응 및 암 치료 등 다양한 분야에서 활용 가능성이 높아질 것으로 전망된다. 다만 장기 보관 안정성, 변이 바이러스 대응, 면역 지속 기간 등에 대한 추가 연구가 필요한 상황이다.
핵융합(Nuclear Fusion)
| 관련 기술 세부 유망 키워드 | ||
| 1. Tokamak | 2. Inertial Confinement Fusion | 3. Stellarator |
| 4. Fusion Reactor Materials | 5. Plasma-Wall Interaction | 6. Magnetic Confinement |
| 7. Superconducting Magnet | 8. Tritium Breeding | 9. Divertor |
| 10. Blanket | ||
핵융합(Nuclear Fusion)은 가벼운 원자핵이 결합하여 더 무거운 원자핵을 생성하는 과정에서 막대한 에너지를 방출하는 반응이다. 태양을 비롯한 별에서 일어나는 에너지 생성 메커니즘과 동일하다. 핵융합은 기존 핵분열 방식에 비해 방사성 폐기물 생성이 적고, 연료가 풍부하며, 온실가스 배출이 없는 청정 에너지원으로 주목받고 있다. 하지만 핵융합 반응을 안정적으로 제어하고 에너지를 추출하는 데 기술적 난제가 존재한다. 현재 토카막, 레이저 등 다양한 방식의 핵융합 장치 개발과 플라즈마 제어 기술 연구가 활발히 진행되고 있다.
소형 모듈형 원자로 (Small Modular Reactors, SMRs)
자료 | https://www.iaea.org/newscenter/news/what-are-small-modular-reactors-smrs
https://www.gao.gov/products/gao-22-105394
<소형 모듈형 원자로 및 새로운 원자로 개념도>
| 관련 기술 세부 유망 키워드 | ||
| 1. Advanced Manufacturing Technology | 2. Metal Additive Manufacturing | 3. Molten Salt Reactor |
| 4. Micro-Reactor | 5. Supercritical CO2 Cycle | 6. Liquid Metal |
| 7. Autonomous Remote Microreactor Operations | 8. Passive Heat Removal System | 9. Ultra High Temperature Ceramics |
| 10. Max Phase Ceramics | ||
소형 모듈형 원자로(Small Modular Reactors, SMRs)는 기존 대형 원전보다 발전 용량이 작고, 모듈화되어 공장에서 제작되는 차세대 원자력 발전 기술이다. SMR은 전기 출력 300MW 이하의 소형 원자로를 표준화된 모듈로 제작하여 현장에서 조립하는 방식으로 건설된다. 이는 대형 원전 대비 건설 기간과 비용을 줄이고, 안전성을 높일 수 있는 장점이 있다. 또한 전력 수요에 맞춰 모듈을 추가하거나 제거할 수 있어 유연성이 높다. SMR은 전력 공급이 어려운 오지나 도서 지역, 산업체 맞춤형 전력 공급 등 다양한 용도로 활용될 수 있다. 나아가 열병합 발전, 수소 생산, 해수 담수화 등 다양한 분야와 연계할 수 있어 활용 범위가 넓다.
재사용 로켓 (Reusable Rockets)
| 관련 기술 세부 유망 키워드 | ||
| 1. Integrated Propulsion Solution | 2. Vertical Landing | 3. Minimized Propellant Consumption |
| 4. Novel Heat Shield Architecture | 5. Aerodynamic Deceleration | 6. Hypersonic Phase |
| 7. Solar Power Satellite | 8. Microwave Power Transmission | 9. Rectenna |
| 10. Multirelights | ||
발사 후 로켓의 일부 또는 전체를 회수하여 재사용함으로써 우주 발사 비용을 획기적으로 절감하는 기술을 말한다. 전통적인 우주 로켓은 일회용으로 설계되어 발사 후 대부분의 부품이 폐기되었지만, 재사용 로켓은 발사체의 주요 부분을 회수하여 정비 후 다시 사용한다. 이를 위해 로켓에 추진 시스템과 제어 장치를 추가하여 발사 후 지상이나 바다로 안전하게 착륙할 수 있도록 설계한다. 재사용 로켓 기술을 선도하는 스페이스X는 팰컨 9, 팰컨 헤비 등의 로켓으로 수직 착륙에 성공했으며, 이를 통해 발사 비용을 기존의 10분의 1 수준으로 낮출 수 있을 것으로 기대하고 있다.