정부는 국가 경제발전의 핵심 열쇠인 우수 과학기술 성과의 창출과 활용을 촉진하고, 국민들에게 과학기술에 대한 이 해도를 높이기 위해 2006년부터 매년 ‘국가연구개발 우수성과 100선’에 대한 사례집을 발간하고 있다. 우수성과 100 선을 통해 지난 10여 년 동안 1,000여건의 우수한 성과들이 선정되었고, 선정된 연구 과제는 논문·특허·기술료 징수 액 등에서 다른 국가연구개발 과제에 비해 높은 성과를 보였다.
본지는 지난 한 해 동안 수행된 5만 4천여 개의 국가연구개발 과제 중 산·학·연 전문가들의 객관적이고 엄정한 심사 를 통해 선정된 100개의 우수성과 중 정보/전자와 관련된 30개 국가연구개발 과제를 총 6회에 걸쳐 소개한다.
슈퍼컴퓨터와 유전체 분석 솔루션 결합 맞춤형 개인 의료 서비스 실현 눈앞
“유전체 분석용 슈퍼컴퓨팅 시스템 기술 개발”
유전체 데이터 고속 분석 처리하는 고성능컴퓨팅 시스템
미래는 유전체 기반으로 병을 진단하고 치료하는 개인 맞춤 시대로 진화할 것이다. 인간 유전체 정보는 개인의 생명체 관련 모든 정보를 갖고 있으므로 발병 원인이나 질병치료를 위해 유전체 정보를 해독하여 질병 원인을 찾고 치료 약물을 찾는 연구가 본격적으로 진행되고 있다. 유전체 데이터 분석 기술은 수많은 환자 데이터를 축적하여 그 유전자 변이와 질병원인을 규명하는 것으로, 유전체 시퀀싱 기술의 발전과 함께 급증하는 유전체 데이터를 처리하기 위한 저가의 스토리지 시스템과 고성능 컴퓨팅 기술 개발이 필수적으로 요구된다.
▲ 유 전체 분석 시나리오와 고성능컴퓨팅 시스템 관련 개념도
유전체 분석용 고성능·저비용·고용량 슈퍼컴퓨팅 시스템
과거 슈퍼컴퓨터 장치는 선진국가의 전유물이었으나 이제는 HW가 표준화되고 상용화되어 저비용으로 슈퍼컴퓨터 개발이 가능하게 되었다. 본 과제에서는 상용 HW로 전체 시스템을 구성하고 유전체 분석에 특화된 시스템 SW를 개발하여 최적화하였다. 유전체 데이터 분석은 시퀀싱 장비로부터 얻은 빅데이터에 대해 여러 응용으로 이루어진 파이프라인 SW를 통해 처리한다.
이 과정에서 계산 성능 혹은 입출력 성능의 고속화가 필요하므로 개인 유전체 분석에 특화된 저비용 고성능 유전체 데이터 분석을 가속하는 시스템 소프트웨어, 유전체 데이터 스토리지, 고성능 바이오 응용 소프트웨어 기술을 개발하는 것이 본 연구의 주요 내용이다. 한 명의 유전체 데이터는 1테라바이트 누적 용량을 필요로 하므로 저가의 대규모 스토리지 기술이 핵심기술이 된다.
시스템 운용과 유전체 분석 파이프라인을 최적화하고 계산 성능을 가속화 하여 유전체 분석 성능을 30% 이상 높이고 세계 최고 수준의 입출력 가속 메타데이터 성능 기술, 세계 동급 수준 입출력 효율 기술을 개발함으로써 바이오·ICT 융합 신산업 글로벌 경쟁력을 갖추었다. 본 시스템은 향후 유전체 분석에 특화된 대용량 데이터를 보유한 고성능 컴퓨팅 시스템 및 저장 스토리지 시스템을 제품화하거나, 대규모 유전체 데이터를 고성능 컴퓨팅 방식으로 분석 서비스 기능을 제공하는 것으로 활용될 수 있다.
▲ 고성능 컴퓨팅 시스템 구성도
슈퍼컴퓨터 기반 바이오 융합 신산업 실현 발판
인공지능·빅데이터 시대를 맞이하여 고성능 컴퓨팅 계산 능력은 신산업 전 분야에서 진가를 발휘하고 있다. 유전체 빅데이터 분석 분야도 예외가 아니다. 본 연구 개발의 결과는 고성능·저비용·대용량 유전체 분석 기반의 신약 개발, 맞춤형 의료 서비스, 질병 예측 등 바이오·ICT 융합 신산업을 견인할 것이다.
개발된 시스템은 2014년 7월부터 현재까지 2,000명 이상 80여종 이상의 암유전체 변이를 연구하는 세계 최대 규모 인간 암유전체 분석 프로젝트를 추진하는 국제암유전체컨소시엄(ICGC)에서 활용하고 있다. 유전체 분석 비용의 80% 이상이 컴퓨팅 비용에 소요되므로 향후 환자의 유전적 특이성과 질병원인을 규명하는 데는 고성능 컴퓨팅 기술이 필수적인 기술이 된다. 대국민 개인 맞춤형 예방 의료 서비스를 경제적으로 서비스하는데 고성능 컴퓨팅 기술이 밑거름이 될 것이다.
2020년 바이오·유전체 경제시대로 진입 견인
고성능컴퓨팅 기술로 유전체 분석 분석을 가속화하는 SW기술은 유전체 분석 시간을 단축하고 더 많은 환자 질병을 예측함으로써 유전체 분석 1,000달러 시대를 현실화할 것이다. 고성능 컴퓨팅 인프라 기반의 대규모 대용량 유전체 분석 기술은 2020년 개인 맞춤의료 서비스 산업을 견인하는 핵심 요소가 될 것이며 유전체 시퀀싱 및 생명정보학 시장이 크게 확대될 것으로 예상되기 때문에 ‘고성능컴퓨팅 인프라’는 생산성 증대에 큰 역할을 할 것이다.
바이오 융합 혁명은 빠르게 진행되고 있다. 2024년이 되면 세계 바이오산업은 2조 6천억 달러로 급성장하여 반도체·화학·자동차 3대 수출산업을 추월할 것으로 전망하고 있으며, 국내 바이오 시장은 2011년부터 연평균 11% 성장해 2020년 16조 원 대 규모의 거대 시장을 형성할 것으로 기대하고 있다. 유전체분석 비용은 초기 구축단계에서 50% 비용 절감을 가져올 수 있으며 분석시간을 단축함으로써 개인 맞춤형 예측에 기반한 예방 위주의 건강관리로 급격하게 변화시킬 것이고 2020년 바이오·유전체 경제 시대를 견인할 것으로 기대된다.
낮은 에너지 손실·높은 에너지 효율을 갖춘 SiC(탄화규소) 전력반도체 기술 개발
“전기자동차 효율 10% 높일 수 있는 발판 마련”
에너지 효율이 높은 SiC 전력반도체 개발
전력반도체는 전동기처럼 전기로 일을 하는데 쓰이는 반도체다. 전기를 공급하고 제어하는 전력반도체는 전기자동차, 가전기기 등 전력을 사용하는 모든 제품에 사용되며, 이러한 전기기기는 필연적으로 전력을 소모한다. SiC 전력반도체는 와이드밴드갭 반도체로서 재료 물성이 우수하여 기존의 실리콘 반도체보다 전력손실을 획기적으로 줄일 수 있는 장점이 있다. 하지만 SiC는 원자간 결합이 강하여 반도체로 제작하기에 매우 어렵고 특히 반도체 웨이퍼 내에 결함이 많이 존재하는 등 해결해야 할 기술적 과제가 많아 실용화에 어려움이 있었다.
전력반도체 핵심부품 개발로 전기자동차 효율 향상
아주 오래전부터 SiC 전력반도체의 우수한 특성은 널리 알려져 있었다. 일본과 미국은 1980년대부터 본격적으로 연구개발을 시작하여 40년 이상의 연구개발 역사를 갖고 있으나 우리나라는 1990년대 후반에서야 비로소 연구를 시작한 후발 국가이다. 연구 역사가 짧을 뿐만 아니라 적은 연구 인력, 미비한 연구 인프라에도 불구하고 선발국과 동등한 수준의 전압 및 전류 특성을 갖는 SiC 전력반도체 기술을 개발하였다.
특히 전력용 SiC 다이오드의 전력손실을 현재 선발국에서 상용화한 제품의 20% 수준으로 크게 낮추는 등 우수한 반도체 기술을 구현하였다. 전기연구원은 이렇게 개발한 기술을 국내 전력반도체 전문기업인 메이플세미컨덕터(주)에 기술이전하였다. 착수 기술료는 11억 5,500만원으로 국내 전력반도체 기술이전 역사상 가장 큰 규모로 추정된다. 메이플세미컨덕터(주)는 전기자동차의 바퀴를 구동하는 인버터의 핵심 부품으로서 SiC 전력반도체를 개발하고 있으며 SiC가 기존의 실리콘 전력반도체를 대체하여 탑재될 경우 전기자동차의 주행거리가 최대 약 10% 늘어날 것으로 전망하고 있다.
▲ 고온이온주입 중인 SiC 웨이퍼
꿈의 전력반도체 드디어 우리 손으로 만들다
기존의 실리콘 반도체보다 이론적으로만 우수했던 SiC 반도체를 실제로 구현하여 동작하는데 성공하였다. 특히 실리콘의 약 10분의 1 두께의 SiC 드리프트 층으로 동등한 항복전압을 구현할 수 있음을 실제로 증명하였다. 또한 외국기업에서 생산 중인 제품보다 전력손실을 적게 하는 소자 기술을 개발하여 국내기업에 기술을 이전함으로써 2020년 전세계 11억 달러(약 1조 3천억원)의 SiC 전력반도체 시장에 우리나라 국적기업이 진입할 수 있는 발판을 마련하게 되었다.
▲ 1200V 급 SiC MOSFET 소자
▲ SiC 전용 고온이온주입 장치
프리미엄 전력반도체가 전 지구적 차원의 에너지 절감
SiC 전력반도체의 가장 큰 장점은 낮은 전력손실, 높은 에너지 효율로 요약할 수 있다. 예를 들어 고효율 SiC 전력반도체를 전기자동차(EV)에 적용할 경우 전기자동차의 주행거리를 최대 10%까지 늘릴 수 있다. 전기자동차 뿐만 아니라 산업용 모터, 가전기기, 전력송전 등에 사용하면 역시 전력변환에 의한 손실을 최소화함으로써 전력손실을 줄일 수 있다. 현재 생산되는 전기에너지의 약 60%는 전력반도체를 통하여 소비되는 것으로 추정되며 고효율 SiC 전력반도체를 채용할 경우 많은 전력 절감을 기할 수 있다 .
기존의 전력반도체의 5분의 1을 SiC 전력반도체로 대체할 경우 국내 연간 1,677GWh의 전력절감을 기대할 수 있으며 이를 전력요금으로 환산하면 그 절감금액은 약 2,012억원에 달한다. 그밖에도 SiC 전력반도체는 우리나라의 주력산업인 가전, 자동차, 원자력 발전 분야의 산업경쟁력을 높일 수 있을 것으로 기대된다.
세상에서 가장 얇은 직경 8mm 전자펜 개발 쾌거
“전자펜의 장점을 볼펜 두께로”
서비스 확장성과 사용자 편의성 고려한 전자펜 개발
인간의 가장 오래된 미디어인 종이와 펜은 다양한 기능의 디바이스들이 속속 출시되고 있지만 여전히 사용되고 있다. ‘깃털펜, 만년필, 샤프펜슬, 볼펜 등을 거쳐 진화해 온 펜의 다음 모습은 무엇일까?’라는 생각에서 시작된 네오스마트펜은 아날로그 형태의 필기구에 디지털의 장점인 저장, 공유, 재생산이라는 편리함을 결합시켜 연구·개발되었다.
스마트폰 시장과 태블릿 시장이 엄청난 속도로 성장함에 따라 입력 시장에 대한 니즈로 이어졌고, 이러한 기술을 이용할 수 있는 산업분야로의 확대 또한 예상 가능하였다. 그러나 펜의 기능과 더불어 전자펜으로서의 기능이 추가됨에 따라 각종 부품이 삽입되기 위해서는 일반 펜보다 두꺼워 질 수 밖에 없었다. 필기도구는 지극히 개인화된 도구이며 기호품이다. 따라서 서비스 확대와 다양한 산업 군으로의 경쟁력 확보를 위해, 그리고 가장 중요한 사용자의 편의를 위해 펜의 두께를 일반 펜 두께로 만드는 연구가 반드시 필요하였다.
▲ 메인칩
▲ 센서+렌즈
▲ 완성펜
전자펜 전용 SOC 개발과 운영 제반 소프트웨어 개발
일반 볼펜과 같은 두께의 펜을 제작하려면 현존하는 모바일 프로세서로는 불가능하여 실장 가능한 핵심 부품인 SOC(AP, CMOS센서)를 개발하였다. 이 부품들을 이용하여 최종적으로 8mm 두께, 즉 일반 볼펜과 동일한 두께의 펜인 N4를 개발해 전 세계에서 가장 얇은 광학식 전자펜을 생산할 수 있게 되었다.
또한 본사의 부품으로 타사가 전자펜을 개발하는데 필요한 레퍼런스 전자펜 및 펌웨어(Firmware), Pen System Development Kit(PADK)를 개발하였다. Surface Design Environment(SDE)라 명명한 본 환경은 면의 속성, 매핑(Mapping) 작업을 하도록 개발된 Caster와 면의 Artwork를 저장하는 Resource server 그리고 펜으로부터 면의 정보를 획득하면, 해당 문서를 매칭시켜주는 Document Pusher로 구성된다.
응용 소프트웨어인 Pen Application Development Kit(PADK)는 Microsoft Windows, Android 그리고 iOS용이 개발되었고, Neo Notes 앱은 상용화했다. 즉 종이(혹은 노트) 위에 쓴 모든 것들이 디지털화 되고 디지털화 된 내용은 보관·검색할 수 있으며, 필기 내용을 분석하여 그 의미를 추출해 내고 그것으로 또 다른 서비스를 개발할 수 있는 환경을 구축하였다. 이로써 일반 고객 대상의 판매 뿐만 아니라 교육, 의료, 폼 솔루션, 유통 등의 분야로도 적용이 가능해졌다.
세계에서 가장 얇은 광학식 전자펜 개발
전 세계적으로 광학식 전자펜을 상용화한 회사는 당사를 포함해 2개사 밖에 없다. 그러나 핵심 부품의 대부분을 수입하였는데 핵심 부품의 개발을 통해 전자펜의 국산화율을 97%까지 끌어 올림과 동시에 경쟁사 펜 대비 약 7mm 얇은 8mm로, 세계에서 가장 얇은 전자펜의 개발을 완료하였다.
소프트웨어 API를 통해서 다양한 개발사들과의 협력을 통해 새로운 앱을 개발할 수 있게 되었으며, 펜과 앱이 융합된 새로운 서비스 시장으로의 개척도 가능해졌다. 또한 하드웨어 모듈(Hardware Module)화를 통해 자체 펜 개발을 희망하는 기업에게 제공할 수 있게 되었다. 그동안 개발된 PADK, PSDK의 기술 이전을 통해 펜 이용 소프트웨어 개발사는 6개로, 이를 통한 다양한 앱과 서비스가 론칭 될 예정이다. 한 가지 제품 연구와 제반 기술로 전 세계에 다양한 분야로 기술을 전파할 수 있게 되었다는 것이 가장 큰 성과라 할 수 있다.
수입대체 효과 및 세계 시장 진출
핵심 부품의 국산화를 통해 수입품을 대체할 수 있어 발생한 경제적 이익 뿐 아니라 현재까지 개발한 제품으로 국내에서 약 80억 정도의 매출과 500만 달러 가량의 수출을 예상하고 있다. 국내 주요 교육 업체들이 이 제품의 채택을 구체적으로 검토하고 있어서 향후 매출은 더욱 늘어날 전망이다.
또한 경쟁력 있는 부품과 매력적인 제품으로 인정받아 세계 최대 노트 회사인 몰스킨(Moleskine)에 이미 납품하고 있으며 그 밖에도 해외 메이저 업체와의 컬래버레이션 협상이 진행되고 있어 더 큰 수출로 이어질 것으로 기대한다. 제품은 게임이나 서비스에 비해 마케팅·유통이 더 힘들지만 현지화 과정 없이 세계 시장 진출이 훨씬 수월하기 때문에 IT제조 강국으로서의 위상도 높일 수 있을 뿐만 아니라 관련 산업으로의 확대를 통해 일자리 창출에도 기여할 수 있다.
김진희 기자 (atided@hellot.net)
