2010년 출항한 3개 글로벌 프론티어사업에서 벌써부터 연구 성과들이 하나 둘 나오고 있다. 글로벌 프론티어사업은 기존에 관련 분야에서 이미 뛰어난 역량을 가진 연구자들이 대거 투입, 융합을 통해 기술의 발전을 이끌어내는 구조로 진행됐기 때문에 R&D성과가 기대 이상으로 일찍 가시화되고 있다. 

1980년대 전전자교환기(TDX) 개발사업, 1990년대 선도기술개발사업(G7 프로젝트), 2000년대에 21세기 프론티어 사업을 잇는 글로벌 프론티어 사업은 2021년까지 미래 전략기술 분야의 기초원천 연구에 집중할 15개 연구단을 선정, 연구단별로 매년 50억~200억 원을 투자하는 국책 연구개발 사업이다. 국가ㆍ경제ㆍ사회적으로 필요한 아젠다를 현실화하기 위한 목적 지향적 장기 대형 R&D 사업이라고 할 수 있다. 

2010년 ▲혁신형 의약바이오 컨버전스기술(김성훈 서울대 교수) ▲탄소순환형 차세대 바이오매스 생산·전환기술(양지원 KAIST 교수) ▲현실과 가상의 통합을 위한 인체감응 솔루션(유범재 KIST 박사) 등이 선정됐고, 2011년 ▲멀티스케일 기반 미래에너지 연구(최만수 서울대 교수) ▲나노기반 소프트 일렉트로닉스 연구(조길원 포스텍 교수) ▲다차원 스마트 IT 융합시스템 연구(경종민 KAIST 교수) ▲지능형 바이오 시스템 설계 및 합성연구(김선창 KAIST 교수) 등 현재 7개 연구단이 선정돼 연구에 돌입했다.

글로벌 프론티어 사업은 이른바 ‘4G’를 기본 철학으로 한다. △세계적 수준의 과학기술 톱 브랜드 구축(Global R&D) △10년 이상을 내다보는 중장기 기초원천 연구(Ground-breaking R&D) △전략적인 집단 융합연구 및 네트워크 구축(Group approach) △원천기술 확보를 통한 미래 성장동력 확보(Growth&Sustainability)가 바로 그것이다.

특히 글로벌 프론티어사업은 국가 기술경쟁력을 높이는 것 뿐 아니라 지구촌에 기여할 수 있는 과학기술 개발을 목표로 하고 있어 국내외 과학기술계에서 큰 관심을 받고 있다. 

글로벌 프론티어 연구단의 목적과 진행 상황을 알아본다.

◆ 혁신형 의약바이오 컨버전스기술
 

▲김성훈 단장 ⓒ2012 HelloDD.com

이에 혁신형 의약바이오 컨버전스 기술 연구단(단장 김성훈 서울대 교수)의 목표는 첨단 바이오융합기술을 응용하여 기존의 신약개발 효율의 한계를 극복할 수 있는 고효율 신약개발 플랫폼 구축이다. 

바이오 컨버전스 기술이란 생명공학 연구에 NT, IT, BT 등 첨단 융합기술을 접목해 한계를 극복하는 기술로, 연구단은 기존 대형 연구소에서 수행하는 약물 후보 물질의 도출과정을 하나의 실험대 위에서 모두 처리할 수 있는 기술을 만드는 것을 목적으로 하고 있다. 원하는 약의 특징과 치료법만 제시하면 약이 뚝딱 나오는 자판기처럼 말이다.

이에 연구단은 타깃 선정, 약물검색, 질병모델을 생체내의 질환의 현상과 기전을 최대한 반영할 수 있는 통합적 분석 시스템을 구축하고, 이를 통해 후보물질을 도출함으로써 개발단계에서의 실패율을 최소화할 수 있는 플랫폼을 구축할 계획이다. 타깃 발굴에서 후보 도출까지 소요되는 비용, 기간, 성공확률을 획기적으로 개혁하는 일이다. 

세부사업들의 내용을 타깃 발굴 검증, 셀로믹스 기반 약물 검색기술, 질환모사기술, 약물설계기술의 4가지 핵심 사업으로 구분되며 각 핵심 사업들에서 진행되는 기술들이 다면적으로 검토한 타깃들을 중심으로 상호 연결이 되도록 중앙연계사업을 수행할 계획이다.

김성훈 단장은 "우리가 하려는 것은 바이오 융합기술로 하나의 목적을 가지고 다양한 기술을 이해해야 하고 묶어야 한다"면서 "다양한 사람들이 하나의 문화 속에서 일을 하는 것은 도전이기도 하지만 가능성을 보는 일이기에 의미가 있다"고 설명했다. 

연구단에서는 올해 초 면역억제제 등으로 폭넓게 활용되는 약품인 라파마이신의 타깃 물질을 조절하는 단백질합성효소 LRS를 발견했다. 김성훈 단장과 한정민 서울대 교수, 포항공대 류성호 교수 연구팀이 LRS(Leucyl-tRNA synthetase)라는 효소가 단백질 합성을 조절하는 아미노산에서 스위치 역할을 한다는 사실을 세계 최초로 규명한 것. 연구결과는 내성이 보고되고 있는 라파마이신을 대체하는 다른 약을 찾는 연구로까지 연결될 수 있다. 이번 연구 결과는 생명과학 분야 세계 최고 권위의 학술지인 '셀 (Cell)' 3월 15일자 온라인 판에 발표됐으며, 4월호에 정식 게재됐다.

◆ 탄소순환형 차세대 바이오매스 생산/전환기술
 

▲양지원 단장 ⓒ2012 HelloDD.com

산업시설에서 배출되는 CO2(이산화탄소)를 공장 굴뚝에서 직접 바이오매스 생산에 활용하여 이산화탄소를 산소로 전환하고, 이렇게 생성된 바이오매스를 이용하여 연료 및 소재를 생산한다는 내용이다.

양지원 단장은 "땅이나 바다에 있는 모든 것들이 이산화탄소를 먹고 자란 뒤 바이오 디젤이나 에탄올 등의 원료가 될 수 있다"며 "에너지 위기가 눈앞에 다가와 있는 지금 현재, 차세대 바이오매스 기술 개발은 선택의 개념이 아닌 생존을 위한 필수적인 것"이라고 설명했다. 

현재 양 교수는 40여 명의 과학기술자들과 함께 연구를 진행하고 있는 상태다. 박종문(포스텍), 이상엽(KAIST), 황일두(포스텍), 최길주(KAIST), 김학성(KAIST), 오희목(생명공학연구원) 등의 연구자가 주축이다. 이들은 10년 후 바이오매스가 가져다 줄 우리 사회의 변화를 그려보고 이를 현실화하는 연구를 진행 중이다. 

최근 연구단의 이상엽 KAIST 특훈교수팀은 시스템 대사공학을 통해 바이오매스에서 다양한 화학물질을 효과적으로 생산하는 기법을 제시했다. 

이상엽 KAIST 특훈교수팀은 대사공학을 중심으로 시스템생물학, 합성생물학, 진화공학을 융합한 ‘시스템 대사공학’이라는 새로운 기술체계를 확립했다. 시스템 대사공학은 세포 기반의 각종 데이터를 통합하여 생리 상태를 다차원에서 규명하고, 이 정보를 바탕으로 맞춤형 대사조절을 함으로써 고효율 미생물 균주를 개발하는 기술이다. 시스템 대사공학을 활용하면 미생물을 게놈 수준에서 동시다발적으로 관찰 및 조작이 가능하다. 미생물의 성능 개선을 위한 시간과 노력을 획기적으로 줄이고 그 활용 가능성을 극대화할 수 있다. 이 교수의 연구결과는 지난해 세계적 학술지인 ‘생명공학동향(Trends in Biotechnology)’ 8월호 표지 논문으로 선정됐다.

◆ 현실과 가상의 통합을 위한 인체감응 솔루션

▲유범재 단장 ⓒ2012 HelloDD.com

현실과 가상의 통합을 위한 인체감응 솔루션 기술은 말 그대로 현실과 가상의 혼합기술이다.

연구단(단장 유범재 KIST)이 구상하는 첫 번째 세계는 '인간과 인텔리전트 머신의 상생기술'. 이 기술은 인텔리전트 머신에게 인간의 인지와 행위 지능을 모방, 학습해 스스로 추론하고 운동·상호작용 하는 등 기능을 부여할 예정이다. 특히 인체의 신경과 연결돼 운동, 감각 능력을 대체·능가할 수 있도록 기술을 개발할 복안이다. 가

령 현재 몸은 한국에 있지만 이집트 여행을 가고 싶을 때, 나를 대신할 머신을 이집트에 보내 머신이 느낀 냄새와 바람소리, 영상, 촉감 등 오감을 전달해 준다. 리얼한 가상현상이다. 머신과의 상생기술은 혼자 거주하는 고령자에게도 적극 활용할 수 있을 전망이다.

의사가 일일이 집을 다니면서 환자를 보살필 수 없는 경우 머신이 직접 환자의 집을 방문, 인터넷을 통해 영상과 음성으로 원격진료를 할 수 있다. 또 머신을 통해 환자를 만졌을 때의 온도와 감각 등을 의사가 느낄 수 있게 됨으로써 굳이 방문하지 않아도 정기 치료가 가능해 진다. 연구이 구상하는 두 번째 세계는 '인간과 가상사회의 상생기술'이다.

이 기술은 현실공간과 연동되는 3차원 가상공간을 실감나게 재현함으로써 인간의 요구와 의도에 따라 가상과 현실공간이 양방향으로 동시 반응토록 하는 것이다. 예를 들면 서로 떨어져 사는 가족이 가상공간에서 만날 수 있다. 이 공간의 특이한 점은 촉감도 느낄 수 있다는 점. 서로 근황을 묻는 것뿐만 아니라 아이가 만든 조각 퍼즐의 틀린 부분을 수정해 주고, 엄마가 산 가방도 만져보며 '가볍다, 재질이 좋다'와 같이 코멘트를 하는 등 정보공유와 업데이트가 가능한 그런 공간 기술을 만들 예정이다. 인체감응 솔루션 기술은 교과부가 발표한 2040년 미래비전의 안전하고 편리한 일상생활을 구현하기 위해서도 필요한 기술로 손꼽힌다.

◆ 멀티스케일 에너지 시스템 연구단
 

▲최만수 단장ⓒ2012 HelloDD.com

이를 통해 10년 안에 화석연료와 경쟁할 수 있는 신개념의 태양전지, 연료전지 원천 기술을 개발할 것으로 기대하고 있다. 연구단이 추진 중인 나노·마이크로·매크로의 통합을 위해 꼭 우선해야 하는 것이 ▲멀티스케일 아키텍처링 ▲광에너지 융합시스템기술 ▲분자에너지 융합시스템기술 ▲지능형에너지 소재기술이다.

최 단장은 "이 기술들이 연관성을 가지고 융합되어야 만이 우리의 목표를 이룰 수 있다"며 "4가지를 묶어 하나의 연구단을 만든 것은 세계에서도 유례를 찾기 어렵다. 융합이 가미된 신선한 시도라고 생각한다"고 말했다.

각각의 기술을 살펴보면 '멀티스케일 아키텍처링 기술'은 나노·마이크로·매크로의 전극을 형성하는 기술로 나노미터급 정밀도를 가지는 병렬식 3차원 멀티스케일 구조물 대면적 형성 기술과 멀티스케일 다층 구조물 형성기술, 멀티스케일 계면 구조 형성 기술 등이 포함돼 있다.

'광에너지 융합시스템기술'은 3차원 멀티스케일 아키텍처링을 적용해 미래 고효율 저가 박막 태양전지 신기술 개발, 광자하나 다중 전하 생성 가능 신개념 양자점 멀티스케일 태양전지 신기술 개발, 식물 광합성 모방 신개념 멀티스케일 태양전지 신기술 개발 등이 속해있다.

'분자에너지 융합시스템기술'은 이온전자 및 전자저항을 극소화해 효율을 높이는 기술로 3차원 멀티스케일 아키텍처링을 적용한 미래 고효율 연료전지 신기술 개발, 물질전달 저항, 이온 및 전자 이동 저항 최소화 가능한 멀티스케일 3차원 구조화 기술 개발, 3차원 멀티스케일 전극 형성 신기술 개발 등을 목표로 하고 있다.

'지능형에너지 소재기술'은 이온 및 전하 이동 제어 소재 개발, 광산란 및 밴드갭 제어 소재 신기술 개발, 지능형 다종 촉매 설계 및 합성 신기술 개발 등 전자와 이온의 이동 저항을 최소화시키면서도 제어할 수 있는 기술이 포함돼 있다. 위의 기술 중 한 가지를 예로 들면 '광자 하나 다중 전하 생성 가능 신개념 양자점 멀티스케일 태양전지 신기술'이란 말 그대로 광자 하나가 들어갔을 때 전자가 두개 이상 나오는 기술을 말하는데, 현재 기술로는 광자 하나에 하나의 전자가 나오는 것이 최대라고 알려져 있다.

연구단에는 다양한 대학과 출연연의 연구진들이 소속돼 연구를 수행한다. 수행원들은 고려대, 기계연, 광주과학기술원, 서강대, 서울대, 성균관대, 연세대, 에너지연, KIST, KAIST, 포항공대, 한양대, 화학연 등으로 약 32명의 주요 연구자로 구성될 예정이다. 연구기간은 총 9년이다.

그는 "2년간 기반기술을 확립하며, 3년간 기반기술을 바탕으로 원천기술을 개발하고 그 후 4년간 고도화 연구를 통하여 응용기술에도 적용해 저가화 그리고 획기적인 효율향상 등 성과를 만들 것"이라며 "연구 기간 동안 화석연료와 경쟁할 수 있는 신개념의 멀티스케일 기반 신재생에너지 시스템을 확보하는 것이 목표"라고 말했다. 글

로벌 프론티어사업 목적이 원천기술 확보이지만 최 단장은 궁극적으로 이 기술들이 사용됨으로써 기존대비 태양전지 90%, 연료전지 50% 효율을 높이길 희망하고 있다.

◆ 지능형 바이오시스템 설계 및 합성 연구단

▲김선창 단장ⓒ2012 HelloDD.com

'지능형 바이오시스템 설계 및 합성 연구단(단장 김선창 KAIST 교수)'은 보건·의료 발전을 위한 신개념 바이오 기술 확보를 위해 선정됐다.

김 교수가 이끌 지능형 바이오시스템 설계 및 합성 연구단의 성과 목표는 '탐구·규명 중심의 생명과학에 창의적 설계·공학적 원리를 도입'한다는 것이다. 즉, 목표지향적인 지능형 인공 바이오시스템을 구축하고 활용한다는 게 그가 잡은 연구단의 실질적인 목표다. 목표와 방향은 다양한 연구 환경 변화에 따라 조정해 나갈 생각이다.

김 교수는 "시간이 지남에 따라 연구 목표를 조기 달성할 수도 있고, 미래 기술과 사회 환경의 변화에 따라 연구목표와 방향을 조정해 나갈 생각이다"고 전했다. 이 같은 목표를 실행하기 위해 연구단도 최고의 연구진으로만 구성했다. KAIST를 비롯해 한국생명공학연구원, 서울대학교, 연세대학교, 고려대학교, 이화여자대학교 등 10개 기관에서 23명의 연구진들이 참여할 예정이다.

연구단은 총 3개의 핵심과제를 축으로 움직이게 된다. 바이오시스템 해석 기반 바이오부품·소자 원천기술, 지능형 바이오 시스템 합성, 지능형 바이오 시스템 공학적 활용 등으로 나눠진다. 연구단의 핵심인 합성생물학은 생명현상의 메커니즘을 표준화하고 바이오 부품과 회로를 합성한 인공지능 세포를 구축해 산업적으로 활용케 하는 기술 분야다. 바이오 설계·합성 기술이 확보되면 차세대 의약품과 친환경 바이오 화학제품, 에너지 분야에서 새로운 시장을 창출할 것으로 기대되고 있다.

◆ 나노기반 소프트 일렉트로닉스 연구단
 

▲조길원 단장 ⓒ2012 HelloDD.com

그 중에서도 기존 플렉시블(Flexible) 전자소자에 비해 두께와 무게는 100분의 1로 줄였지만 정보처리속도와 유연성은 100배로 높이는 차세대 전자소자 개발을 목표로 하고 있다.

연구단은 조길원 단장을 중심으로 홍병희(성균관대)·조병진(KAIST) 교수, 최성율(ETRI)·한창수(기계연구원)·박종진(삼성종기원) 박사 등 국내 나노소재 관련 연구에서 뛰어난 성과를 보여 온 40명의 책임급 연구자를 포함, 총 200여명이 참여한다.

조길원 단장은 "지금과는 전혀 다른 형태의 새로운 전자기기 구현을 목표로 하고 있다"고 설명했다. 연구단은 1단계에서 고성능 소프트 나노일렉트로닉스용 기반 원천 기술을 개발하고, 2단계에서는 나노기반 소프트 일렉트로닉스의 고성능화, 3단계에서는 고성능 소프트 일렉트로닉스 집적화 및 플랫폼 기술개발을 목표로 하고 있다.

◆ 다차원 스마트IT 융합 시스템 연구

▲경종민 단장 ⓒ2012 HelloDD.com

다차원 스마트IT융합연구단(단장 경종민 KAIST 교수)의 가장 큰 목표는 에너지 소모·제조비용·정보 처리·전송 속도·신뢰도 면에서 현재보다 무려 1000배 이상 효율적인 스마트센서와 이를 체계적으로 구현하기 위한 플랫폼 기술 구축을 구축하는 것이다.

경종민 단장은 "우리 사업단은 에너지 소모 1000분의 1, 자연피해 1000분의 1, 편이성 1000배, 시장창출 1000배를 가져오는 1000배 나은 세상을 열어줄 비전을 가지고 있다"며 ▲나노 혁신소자 ▲스마트IT융합 플랫폼 ▲다차원 스마트센서 시스템 등의 사업단 핵심 기술개발 과제 추진전략을 설명했다.

3차원 스마트IT융합연구단은 우리나라 반도체 설계 분야 개척자인 경종민 단장을 중심으로 성건용 ETRI(한국전자통신연구원) 박사, 이종호·김재하·송윤규 서울대 교수, 이석희·김상욱·박인철·박효훈·정기훈 KAIST 교수, 김종백 연세대 교수 등 국내에서 내로라하는 IT 연구자들이 총집결하고 있다.

경 단장은 "원천핵심기술 확보단계에서부터 응용시스템 구현단계까지 이르는 전 과정을 진행하면서 넓은 관점을 가지고 혁신적 기술개발이 될 수 있도록 오케스트라의 지휘자처럼 일할 것"이라고 말했다. 경 단장은 "하나의 단품이나 논문을 쓰려는게 아니라 한국 IT 반도체 기술의 장기발전 기반이 될 수 있는 엔진을 만들고 싶다"며 "협력과 화합 기반을 만들어 그 위에서 연구자들이 맘껏 활약할 수 있도록 사업단을 운영할 것"이라고 강조했다.