피부는 전기적 흐름으로 구성된 일종의 회로이며, 신경을 통해 뇌까지 감각을 전달하는 매우 복잡한 체계로 되어있다. 그렇기에 이를 인공적으로 구현해내기도 쉽지 않다. 포스텍 신소재공학과의 정운룡 교수는 삼성미래기술육성사업의 지원을 받아 인간의 피부처럼 동시에 여러 감각을 느끼는 전자피부(e-skin) 연구를 진행하고 있다. 진짜 사람 피부처럼 온도, 통감 등의 다양한 감각을 동시에 인지하는 센서가 연구의 핵심이다.

삼성전자는 삼성미래기술육성사업을 통해 2014년부터 5년간 정 교수의 연구를 지원했으며, 최근 연구 성과 및 전자피부의 미래에 대해 자세히 소개하는 영상을 공개했다.

▲유튜브 영상 『사람처럼 만지고 느낄 수 있는 전자피부 e-skin』의 장면

영상은 사람의 피부가 감각을 느끼는 구조에 대해 소개하며, 다양한 외부자극을 정밀하게 센싱할 수 있도록 설계된 전자피부의 무궁무진한 가능성을 보여준다.

정 교수는 전자피부로 메타버스 속 아바타의 감각을 느끼거나 로봇과 감각을 공유할 수 있게 된다고 설명한다. 더 나아가 전자피부로 화상 환자의 손상된 피부를 대체하고, 따뜻하고 말랑말랑한 피부를 가진 로봇 개발도 가능해질 것이라고 한다.

영상은 또한 전자피부의 핵심 기술인 센서 시스템을 활용한 욕창 방지 매트와 영유아 모니터링 매트를 소개한다. 정 교수는 이를 통해 요양병원 환자의 40%가 겪고 있는 욕창의 고통을 덜어주고, 영유아들의 사망 사고를 막을 수 있을 것으로 기대한다고 말한다.

그동안 전자피부를 구현하기 위한 많은 연구가 진행됐지만 피부에 가해지는 힘(압력)과 온도를 각각 센싱하는 연구 위주였고, 정 교수의 연구처럼 힘과 온도 및 다양한 자극들을 동시에 인지할 수 있는 전자피부 연구는 전례가 없다.

정교수는 “확실히 검증되지 않은 아이디어였고 주변에서도 회의적인 반응이 많았음에도 불구하고 삼성미래기술육성사업에서 지원을 해주어 큰 힘이 됐다“면서 “나의 기술이 어떤 필요성이 있고 그것으로부터 나는 무엇을 할 수 있는가를 계속 고민하겠다“고 말했다.

사람처럼 만지고 느낄 수 있는 전자 피부 ‘이스킨(e-skin)’을 아래 영상에서 만나볼 수 있다.

삼성미래기술육성사업은 국내 기초과학 발전과 산업기술 혁신, 사회 문제 해결, 세계적인 과학기술인 육성을 목표로 삼성전자가 2013년부터 1.5조원을 출연해 시행하고 있는 연구 지원 공익사업이다.

2013년 8월 본격 시행된 이후 기초과학 분야 251개, 소재 분야 240개, ICT 분야 244개 등 총 735개 연구 과제에 9,738억원의 연구비를 지원했다. 연평균 1,000억원의 연구비가 국내 77개 연구기관에 지원되고 있다. 연구 지원을 받은 대상은 교수 1,600여명(참여교수 포함)이며 과제 참여 연구원까지 포함하면 1.4만명에 이른다.

말 그대로 ‘상상을 현실로 만드는’ 연구가 있다. 바로 한양대학교 정은주 교수 연구팀의 <뇌신호 해독을 통한 음악 연주 기술 – Musicing-BCI (Brain Computer Interface) 시스템> 연구다.

정은주 교수는 음악이 사람의 뇌에서 시작된다고 말한다. 머릿속에 특정 음을 상상할 때 뇌파가 발생한다는 것. 이를 기록하고 해독·분류하는 과정을 거쳐 악기 소리로 출력할 수 있다면, 상상만으로 음악을 연주할 수 있게 된다. ‘Musicing- BCI 시스템’은 이 과정을 구현하려는 시스템이다.

삼성전자는 삼성미래기술육성사업을 통해 2019년 하반기부터 정은주 교수 연구팀의 연구를 지원하고 있으며, 최근 연구의 목적과 연구가 성공적으로 진행됐을 때 효과를 자세히 소개하는 영상을 공개했다.

▲유튜브 영상 『멜로디를 상상하면 음악이 연주된다?』의 장면

영상은 뇌질환 장애인의 뇌신호를 따라 멜로디가 연주되고, 이에 재즈 밴드가 다양한 악기로 합을 맞추는 모습을 담고 있다. ‘상상’하고 ‘해독’하고 ‘연주’하는 과정을 통해, 보다 많은 사람들이 자유롭고 풍부하게 음악을 즐기게 될 것이란 가능성을 보여준다.

정은주 교수는 그동안의 연구를 통해 일반 성인을 대상으로 ‘Musicing- BCI 시스템’의 개념 검증을 완료하였고, 향후 영상에 출연한 뇌병변 장애인처럼 뇌질환 장애를 가진 임상군을 대상으로 연구를 계속할 예정이다.

정교수는 “언젠가 이 시스템을 통해 신체 장애로 인해 예술 체험이 제한된 사람들도 능동적으로 예술 감상과 표현에 참여하고, 나아가 그들의 정서적 안정과 재활 치료에도 도움이 될 것으로 기대한다”고 밝혔다.

상상 속 멜로디가 현실의 음악으로 연주되는 순간을 아래 영상에서 만나 볼 수 있다.

삼성미래기술육성사업은 국내 기초과학 발전과 산업기술 혁신, 사회 문제 해결, 세계적인 과학기술인 육성을 목표로 삼성전자가 2013년부터 1.5조 원을 출연해 시행하고 있는 연구 지원 공익사업이다.

다국적 기업으로 위장한 테러조직 ‘WPT’. 그 곳의 수석과학자 ‘나대길’ 박사는 대형 폭탄 제조 기술력이 없어 고심하는 중이다. 그러던 중 대학 동기였던 ‘고독한’ 교수가 삼성의 지원을 받아 첨단 기술을 개발한다는 첩보를 입수하고, 고 교수의 연구실에 스파이를 보내 첨단 기술을 빼 오겠다는 계획을 세운다.

그로부터 며칠 뒤, 고 교수의 연구실에 수상한 신입 연구원 ‘최연소’가 첫 출근을 하고, 그 곳에서 정체가 모호한 연구원들을 만나게 된다. 대체 이곳에 최첨단 혁신 기술이 있기나 한 걸까? 수상한 연구실의 수상한 일상은 오늘도 현재진행형이다.

▲ 웹툰 『수상한 연구실: 스파이 침입사건』

넷플릭스 화제작 ‘D.P.’의 원작자인 김보통 작가와 삼성미래기술육성사업이 웹툰으로 만났다. 바로 미스터리 IT·과학 웹툰 『수상한 연구실: 스파이 침입 사건』에서다.

웹툰 『수상한 연구실: 스파이 침입사건』은 삼성미래기술육성사업이 지원하고 있는 다양한 연구를 소재로, 서울의 한 대학교 연구실에서 벌어지는 사건을 그린 연재 콘텐츠다. 각 회차에는 삼성미래기술육성사업이 지원하는 연구 과제가 어렵지 않게 소개된다. 에피소드 곳곳에 김보통 작가만의 독특한 유머와 연출이 녹아 있어 재미를 더한다.

웹툰의 바탕이 된 삼성미래기술육성사업은 국내 기초과학 발전과 산업기술 혁신, 사회 문제 해결, 세계적인 과학기술인 육성을 목표로 삼성전자가 2013년부터 1.5조원을 출연해 시행하고 있는 연구 지원 공익사업이다. 시행 10여 년간 국내 50여개 대학, 약 1.4만 명의 연구원이 연구 지원을 받았다. 이번 웹툰은 삼성미래기술육성사업이 지원하는 어렵고 낯선 연구 과제를 만화의 형식을 빌어 보다 쉽고 흥미로운 이야기로 전달, 기초과학과 미래기술에 대한 대중의 관심을 높이는 것이 취지다.

#1 알고 보면 더 재미있다! 수상한 연구실 등장인물은 누구?

▲ (위, 왼쪽부터) 웹툰 『수상한 연구실: 스파이 침입사건』 등장인물, 나대길 박사, 고독한 교수, 최연소 연구원, (아래, 왼쪽부터) 노력만, 조용희, 다아름 연구원

#2 알고 보면 더 재미있다! 수상한 연구실에 등장한 미래기술은?

▲ 웹툰 『수상한 연구실: 스파이 침입사건』 장면

1화 ‘고독한 연구실’편은 서울대 허충길 교수 연구팀이 연구 중인 ‘소프트웨어 오류 검증’ 기술을 소재로 이야기가 전개된다. 이 연구는 소프트웨어의 성질에 따라 구현 코드를 논리적으로 분석, 오류가 없음을 증명해 내는 과제다. 자율주행자동차나 항공기처럼 안전성이 요구되는 분야에 유용한 기술이다. 2화에는 포스텍 이남윤 교수 연구팀이 개발 중인 ‘6G 무선 통신 시스템’이 등장한다.

이 밖에 식물의 잎을 이용해 다양한 종류의 단백질을 생산하는 기술, 인간의 소유 욕구를 조절하는 신경회로 연구, COVID-19로 관심이 높아진 바이러스 사멸 연구, 홀로그램을 구현하기 위한 광학 부품 연구, 양자정보통신과 양자컴퓨팅 등 양자정보기술 연구도 웹툰 속 이야기 거리로 등장해 독자들의 흥미를 돋군다.

▲ 연구원 인터뷰 콘텐츠 ‘Lab들이’ 일부

각 회차에 등장한 삼성미래기술육성사업 연구과제는 별도로 제작된 연구팀 인터뷰 기사 ‘Lab들이’에서 보다 자세히 만날 수 있다. 자세한 기술 원리부터 연구자들이 해당 연구를 어떤 방식으로 진행하는지 까지 심도 있게 확인할 수 있어, 과제에 대한 이해를 높일 것으로 기대된다.

삼성미래기술육성사업과 김보통 작가의 콜라보 웹툰 『수상한 연구실: 스파이 침입사건』은 삼성미래기술육성사업 공식 사이트에서 4월 29일 1화를 시작으로 매주 금요일 공개될 예정이다.

이번에 선정된 과제는 기초과학 분야 12개, 소재 분야 8개, ICT 분야 7개 등 총 27개로 연구비 486.5억원이 지원된다.

차세대 반도체, 가상화 시스템 운영 체제, 세계 최고속 트랜지스터 등 미래 신기술뿐만 아니라 노화 메커니즘 규명, RNA 백신/치료제 정제 기술 등 전 인류적 문제 해결에 기여하는 과제도 다수 포함됐다.

43세 이하 ‘신진 연구책임자’가 12명으로 전체의 44%를 차지했고, 서울대 황준호 교수, 성균관대 김희권 교수, GIST 최영재 교수 등 30대 연구책임자도 6명이나 포함됐다.

삼성전자는 이번에 발표한 연구 과제를 포함해 2013년부터 기초과학 분야 251개, 소재 분야 240개, ICT 분야 244개 등 총 735개 연구 과제에 9,738억원의 연구비를 지원했다.

□ 인류적 과제, 미래 신기술 등 다양한 분야에서 27개 연구 과제 지원

< 기초과학 >

기초과학 분야에서는 학술적으로 중요한 문제를 해결하기 위해 새로운 방법론 또는 참신한 아이디어를 제시한 과제 총 12개가 선정됐다.

△ 노화의 전이를 조절하는 대사물질(SASM) 연구

서울대학교 생명과학부 강찬희 교수는 초고령사회에서 인류가 극복해야 할 가장 중요한 문제인 ‘노화’의 신비로운 영역을 연구하여, 노화 관련 신개념 치료법 개발의 근간을 마련하기 위해 도전한다.

‘노화세포’가 SASP를 통해 주변 정상 세포의 노화를 촉진할 수 있다는 것은 익히 알려져 있다. 강 교수팀은 1차, 2차 노화세포 모두 SASP 반응을 보이지만 2차 노화세포는 노화 전이 능력이 없는 것에 주목했고, 이 차이는 1차 노화세포에서 특이하게 분비되는 노화 연관 대사물질(SASM) 때문이라는 것을 발견했다.
*SASP: 노화 연관 분비 표현형(Senescence-associated secretory phenotype)

강 교수팀은 SASM에 의해 주변 세포의 노화가 촉진되는 원인을 규명할 예정이다. 과제 성공 시 노화가 진행되는 과정에 대한 상세한 지식을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 관절염, 대사증후군 등 각종 노화 관련 질환의 치료법 개발에도 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다.

△ 계면에서 3차원 원자 배열 규명

KAIST 물리학과 양용수 교수는 원자분해능 전자토모그래피(AET)를 이용하여 고체 계면에 존재하는 원자들의 배열을 3차원 단위로 규명할 계획이다.
*AET: Atomic Electron Tomography: 전자현미경으로 측정한 2차원 이미지를 3차원 이미지로 전환하는 기술

서로 다른 특성을 가진 접촉면들이 만나 이뤄진 계면 구조는 반도체, 열전 소자 등에 필연적으로 나타난다. 계면에서의 전기적, 열적 자극에 의한 원자들의 움직임은 소자의 안정성 등에 직결되지만 아직 실험적으로 밝혀진 바가 거의 없다.

양 교수팀의 연구는 전기, 열 등 외부 자극에 의해 발생하는 원자 배열의 변화를 정확하게 측정할 수 있어, 반도체, 열전 소자 등 각종 응용 소자의 성능 향상을 위한 핵심적인 기초 연구가 될 것으로 전망된다.

< 소재 >

소재 분야에서는 차세대 반도체 소자, 유전자 치료제 관련 기반 기술 및 정제 기술, 저온에서 구동하는 배터리 등 폭넓은 분야에서 산업적 활용이 기대되는 8개 과제를 지원한다.

△ 초고감도 자성 반도체 소자 개발

포스텍 물리학과 김준성 교수는 외부 자기장에 의한 저항 변화가 기존 대비 10억배 이상인 신규 자성 소재를 개발하고, 이를 활용한 차세대 반도체 소자 개발에 도전한다.

고성능 컴퓨터와 초거대 데이터센터 등에서 발생하는 막대한 전력 소모 문제를 해결하기 위한 저온 컴퓨팅에는 저온 메모리가 필수적인데, 이번 연구는 이 같은 차세대 반도체 소자의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

△ RNA 백신/치료제 대량 생산을 위한 분자 정제 기술

GIST 신소재공학부 최영재 교수는 새로운 분자 정제 기술을 개발해, 현재 70% 이하 수준에 머물러 있는 RNA 정제 수율을 99% 이상으로 향상시킬 수 있는 기술 개발에 나선다.

생산된 RNA의 양, 복잡도 등에 상관없이 원하는 디자인(서열과 길이)을 가진 분자만을 정교하게 정제할 경우, RNA 백신/치료제 생산 공정을 효율화 할 수 있어 ‘K-바이오’의 경쟁력 강화에 기여할 것으로 기대된다. 대학 연구팀뿐만 아니라 관련 벤처 기업도 함께 연구 과제를 수행할 예정이다.

< ICT >

ICT 분야에서는 THz급 초고주파 트랜지스터, 메모리 버그 없는 가상화 시스템 운영 체제 등 미래 산업 경쟁력 강화를 위한 연구 분야에서 7개 과제가 선정됐다.

△ 6G 및 양자컴퓨팅용 THz급 반도체 전자소자 개발

경북대학교 전자전기공학부 김대현 교수는 세계 최초로 1테라헤르츠(THz)급 동작 속도의 극초고주파/초저전력 차세대 반도체 소자(트랜지스터) 개발에 도전한다.

현재 구현된 세계 최고속 반도체 전자소자는 738GHz이며, 기존 방식으로는 800GHz가 기술적 한계로 알려져 있는데 김 교수팀이 ‘한계돌파’에 도전하는 것이다.

THz급 반도체 전자소자 기술은 6G 통신, 양자 컴퓨팅 등의 상용화를 앞당길 수 있고, 의료, 환경, 보안, 군사 등 광범위하게 응용될 수 있다.

△ 메모리 버그(Bug)없는 가상화 시스템 개발

KAIST 전산학부 권영진 교수는 시스템 안전성의 가장 취약점인 ‘메모리 버그’를 피할 수 있는 RUST를 이용해 가상화 시스템을 설계하고, RUST의 안전성을 엄밀하게 검증해 메모리 버그가 없는 가상화 환경을 개발할 계획이다.
*RUST: 기존 C언어 대비 메모리 안정성과 성능, 편의성 등에 중점을 둔 프로그래밍 언어

과제가 성공적으로 수행될 경우 보안성과 안정성이 한층 강화된 자율주행, 클라우드 서비스, 하드웨어 지원 없이도 가상화 환경 가능한 IoT 운영체제 등 다양한 분야에서 활용이 기대된다.

□ 삼성전자, 1.5조원 출연해 미래 선도 과학 기술 분야 연구 지원

‘삼성미래기술육성사업’은 대한민국의 기초과학 발전과 산업기술 혁신, 사회 문제 해결, 세계적인 과학기술인 육성을 목표로 삼성전자가 2013년부터 1.5조원을 출연해 시행하고 있는 연구 지원 공익사업이다.

2013년 8월 본격 시행된 이후 연평균 1,000억원의 연구비가 국내 50여개 대학에 지원됐다. 연구 지원을 받은 교수는 1,600여명(참여교수 포함)이며 과제 참여 연구원까지 포함하면 1.4만명에 이른다.

과제로 선정되면 ▲최장 5년간 많게는 수십억의 연구비 외에도 ▲연구 책임자가 연구 성과와 주요 이슈를 설명하고, 참석 연구자들과의 토론을 통해 새로운 아이디어를 얻는 ‘애뉴얼 포럼’, ▲연구 성과의 산업 활용도를 높이기 위한 ‘R&D 교류회’, ▲활용도가 높은 특허 출원을 지원하는 ‘IP멘토링’ 등 다양한 프로그램을 지원받는다.

한편 삼성은 ‘함께가요 미래로! Enabling People’이라는 CSR 비전 아래 ▲삼성청년SW아카데미 ▲삼성주니어SW아카데미▲삼성스마트스쿨 ▲삼성드림클래스 ▲삼성희망디딤돌 등 청소년 교육 중심의 CSR 활동을 펼치고 있다.

또, ▲C랩(인사이드/아웃사이드) ▲상생펀드·물대지원펀드 조성 ▲협력회사 인센티브 지급 ▲중소기업 스마트공장 전환 지원▲삼성미래기술육성사업 운영 등의 상생 프로그램을 통해 삼성이 쌓아온 기술과 혁신의 노하우를 우리 사회와 같이 나누고 있다.

<삼성미래기술육성사업 특징>

▲삼성미래기술육성사업 2022년 상반기 지원 과제에 선정된 주요 교수들. 왼쪽위부터 시계방향으로 강찬희(서울대), 권영진(KAIST), 김대현(경북대), 김준성(포스텍), 양용수(KAIST), 최영재(GIST) 교수 <가나다순>

▲논문 제목(영문): Steady Floquet-Andreev states in graphene Josephson junctions
▲논문 제목(한글): ‘그래핀 조셉슨 접합’내의 안정적인 플로켓-안드레예프 상태

□ 마이크로파로 플로켓 상태 장시간 구현 성공, ‘네이처’ 인정

고체 물질의 성질은 고체 내에 있는 전자의 움직임에 따라 결정된다. 전자가 자유롭게 움직일 수 있으면 금속, 그렇지 않으면 부도체로 정의된다. 금속과 부도체의 중간 정도로 전자가 움직일 수 있으면 반도체로 구분된다.

물질 내의 원자와 전자의 움직임을 변경해 고체의 성질을 바꾸기 위해서는 강한 열 또는 압력을 가하거나 인위적으로 불순물을 첨가하는 등 화학적인 방법을 이용해야 했다.

과학계에서는 아주 작은 크기의 고체 물질의 경우 기존 방식(열, 압력, 화학물질 첨가 등) 외에도 빛을 쬐어주면 양자 성질이 바뀐 ‘플로켓(Floquet) 상태’가 될 수 있다는 가설이 1900년대 중반부터 제안된 바 있다. 오랫동안 이론적으로만 예측되던 플로켓 상태는 2013년에 처음으로 관찰됐고 이 후에도 몇 건의 사례가 보고됐다.
※ 플로켓 상태: 전자와 빛이 양자역학적으로 결합한 상태

플로켓 연구가 지속적으로 성과를 낼 경우 향후에는 빛을 쪼임으로써 ‘위상물질'(Topological Material: 기존 반도체 기반 정보 소자의 한계를 극복할 차세대 양자 물질)을 발현시킬 수 있는 등 신소재, 양자기술 분야에서 활용도가 매우 높기 때문에 전 세계적으로 관련 연구가 활발하다.

하지만 그동안 구현된 플로켓 상태는 250펨토초(1펨토초는 1천조분의 1초) 수준의 지극히 짧은 순간만 지속됐다. 플로켓 상태를 구현하기 위해 양자 고체 물질에 가해주는 에너지가 매우 커 강한 열이 발생하기 때문이다. 따라서 플로켓 상태의 특성을 활용하기 위한 연구도 활발히 진행되지 못했다.

이길호 교수 연구팀은 ‘그래핀-조셉슨 접합 소자’에 기존의 적외선 대신 마이크로파를 서서히 쬐어 플로켓 상태를 장시간 구현하는 데 성공했다. 빛의 세기가 기존 대비 1조분의 1 수준으로 매우 약해 열 발생이 현저히 줄었고, 플로켓 상태는 25시간 이상 지속되었다.
※ 그래핀-조셉슨 접합 소자: 두 개의 초전도체 사이에 그래핀을 접합시킨 소자

또한 연구팀은 최적화된 ‘초전도 터널링’ 분석법을 통해 ‘그래핀-조셉슨 접합 소자’에 가해지는 빛의 세기, 파장 등에 따라 달라지는 플로켓 상태의 특징을 정량적으로 확인하는 데 성공했다.

이길호∙조길영 교수는 “이번 연구는 플로켓 상태가 지속적으로 유지될 수 있는 플랫폼을 만들어 플로켓 상태를 상세하게 연구할 수 있게 된 것에 의미가 있다. 향후 편광 등 빛의 특성과 플로켓 상태 사이의 상관 관계를 밝히는 연구를 진행할 계획이다” 라고 말했다.

이길호 교수 연구팀의 이번 연구는 2017년 6월 삼성미래기술육성사업 과제로 선정돼 5년째 지원을 받고 있다.

한편, 이길호 교수는 삼성미래기술육성사업 지원으로 초고감도 마이크로파 검출기에 관한 연구를 진행했으며, 관련 성과는 차세대 양자정보기술 상용화를 위한 원천 연구로 인정받아 2020년 10월 ‘네이처(Nature)’지에 게재된 바 있다.

□ 미래기술 연구과제 706건, 연구비 9,237억 원 지원, 지원 연구진 1.4만명

삼성미래기술육성사업은 기초과학, 소재, ICT 분야에서 올해 자유공모 연구과제 720여건을 신청 받아 서면심사와 발표심사를 진행했으며 조만간 지원 과제를 최종 발표할 예정이다.

지원 과제로 선정되면 최대 5년간 많게는 수십억원의 연구비를 지원받게 된다. 지난해 지원된 연구비는 자유공모 49건 804.7억원, 지정테마 12건 152.1억원 등 956.8억원에 달했다.

삼성미래기술육성사업은 우리나라의 미래를 책임지는 과학 기술 육성을 목표로 2013년부터 1조 5천억원을 출연해 시행하고 있는 연구 지원 공익 사업이다. 지금까지 총 706건의 연구과제에 9,237억원의 연구비가 지원됐고, 지원을 받은 연구진은 약 1.4만명에 달한다.

지금까지 국제학술지에 2,600건의 논문이 게재됐으며, 특히 사이언스(9건), 네이처(8건), 셀(1건) 등 최상위 국제학술지에 소개된 논문도 450건에 달한다.

한편 삼성은 ‘함께가요 미래로! Enabling People’이라는 CSR 비전 아래 ▲삼성청년SW아카데미 ▲삼성주니어SW아카데미 ▲삼성스마트스쿨 ▲삼성드림클래스 ▲삼성희망디딤돌 등 청소년 교육 중심의 CSR 활동을 펼치고 있다.

또, ▲C랩(인사이드/아웃사이드) ▲상생펀드·물대지원펀드 조성 ▲협력회사 인센티브 지급 ▲중소기업 스마트공장 전환 지원 ▲삼성미래기술육성사업 운영 등의 상생 프로그램을 통해 삼성이 쌓아온 기술과 혁신의 노하우를 우리 사회와 같이 나누고 있다.

▲삼성미래기술육성사업이 지원한 포스텍 연구팀의 논문이 최상위 국제학술지 ‘네이처’에 게재됐다. 포스텍 물리학과 이길호 교수 사진

▲삼성미래기술육성사업이 지원한 포스텍 연구팀의 논문이 최상위 국제학술지 ‘네이처’에 게재됐다. 포스텍 물리학과 조길영 교수 사진

전기로 구동…양자 암호통신 상용화를 위한 차세대 단일광자원 개발

2020년 8월부터 삼성미래기술육성 사업의 지원을 받으며 연구를 진행한 고려대 물리학과 박홍규 교수 연구팀은 얇은 원자 두께의 2차원 물질을 이용해 전기로 구동되고 방출 위치가 조절되는 새로운 단일광자원을 최초로 개발했다.

박홍규 교수팀의 연구는 차세대 양자 암호 통신의 상용화를 위한 연구로 인정받아 지난 10월 20일(미국 현지 시간) 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 ‘Electrically driven strain-induced deterministic single-photon emitters in a van der Waals heterostructure’라는 제목으로 게재됐다.

양자 역학에 기반을 둔 양자 암호학은 고전 암호 기술의 도청 문제를 극복할 수 있는 중요한 해결책으로 주목받고 있다. 단일광자원은 양자 암호 기술과 양자 정보 처리 기술에 있어서 핵심이 되는 기본 소자로, 광자가 뭉쳐서 나오는 고전적인 광원과는 달리 한 번에 한 개의 광자만 방출하는 양자 소자다. 양자를 하나만 보내 통신하기 때문에 일부를 수집해 도청하는 것이 원리적으로 불가능하므로, 군사적으로나 산업적으로 중요한 응용 분야로 급부상하고 있지만, 기존의 단일광자원은 대부분 외부 빛 에너지를 주입하는 광펌핑 과정을 통해 동작한다는 단점이 있다. 원하는 때와 위치에서 단일광자를 방출시키는 것 또한 매우 어려운 일이다. 이는 단일광자원의 상용화를 위해 꼭 해결해야만 하는 문제다.

박홍규 교수 연구팀은 원자 두께로 얇은 2차원 물질을 이용해 전기로 구동되고 방출 위치가 조절되는 단일광자원을 개발하여 이러한 한계를 돌파했다.

우선, 도체의 특성을 갖는 그래핀, 부도체의 특성을 갖는 질화붕소, 반도체의 특성을 갖는 전이 금속 칼코게나이드 등 다양한 2차원 물질들을 결합해 원자 두께로 얇은 이종접합 발광 구조를 구현했다. 다음으로, 제작된 발광 구조를 휘어지는 폴리머 기판 위에 옮긴 후, 뾰족한 바늘 모양 나노 탐침으로 2차원 물질을 살짝 찔러, 찢어지지 않을 정도로 변형을 가하면, 찔린 위치에서만 2차원 물질의 밴드갭이 작아져서 마치 양자점(quantum dot)을 만든 것과 같은 상황이 된다.

이렇게 만들어진 인공 양자점에 전기를 흘려주면 전자는 2차원 물질의 인공 양자점 영역에 집속이 되고, 양자 구속 효과^[1]에 의해 단일광자를 방출하게 된다.

박홍규 교수는 “이번 연구는 전기로 구동되는 단일광자원을 실제로 개발했다는 데 의미가 크다. 온칩(on-chip) 양자 광원을 이용해 양자 센서나 양자 컴퓨터와 같은 복잡하고 기능적인 양자 시스템을 단순하게 구현할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

‘기존 대비 14.7배 향상’ 차세대 이미지 센서 기술을 앞당길 초고감광도 광검출기 개발

포스텍 화학공학과 정대성 교수의 연구팀은 빛을 검출하는 능력이 기존 대비 14.7배 향상된 광 검출 기술을 개발, 해당 연구는 차세대 이미지 센서 분야의 혁신적인 연구 성과로 인정받게 되었다.

2018년 8월부터 삼성미래기술육성사업의 지원을 받으며 진행한 연구 논문이 ‘Interfacial electrostatic interaction-enhanced photomultiplication for ultra-high external quantum efficiency of organic photodiodes’라는 제목으로 지난 10월 22일(독일 현지 시간) 최상위 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’에 게재된 것.

디지털카메라나 휴대폰 등에 널리 사용되고 있는 이미지 센서 기술의 활용 분야는 현재 다양한 산업 영역으로 확장되고 있다. 특히, 야간에 주행하는 자율주행차량이나 지문, 정맥, 홍채 등 생체 인식을 위한 이미지 센서는 어두운 환경에서도 해당 영상 정보를 획득하는 것이 필요하므로 아주 높은 감도의 광 검출 기술이 요구된다.

현재 광 검출기 소재로는 실리콘이 사용되고 있으나 광 흡수 능력이 본질적으로 낮은 문제가 있다. 그 대안으로 실리콘의 두께를 두껍게 하게 되면 픽셀 사이의 간섭 현상 때문에 정확한 정보를 얻을 수 없을 뿐만 아니라 웨어러블 기기용으로 적용하는 경우 두께 때문에 기기 설계의 자유도를 떨어뜨리는 문제가 발생한다.

정대성 교수 연구팀은 빛을 흡수하는 물질인 활성층과 전극 사이에 고분자 전해질 층을 새롭게 도입해 기존의 문제를 해결했다. 고분자 전해질 층은 고분자 물질에 양이온과 음이온을 도입한 것으로, 기능적으로는 전기 이중층(electrical double layer)^[2]으로 작용한다. 활성층에 흡수된 빛은 전자와 정공으로 분리된 후, 전극으로 이동한다. 이번에 새롭게 제안한 구조에서는 활성층과 전기 이중층이 인접하게 되어 전자와 정공의 분리 효율이 증가하고, 그 결과 기존 기술 대비 빛을 감지하는 능력이 14.7 배 향상됐다.

정대성 교수는 “전기 이중층에 의한 효과는 시뮬레이션 등을 통해서도 이중으로 검증하였다. 고감도 이미지 센서의 핵심 기술 중 하나인 초고감도 광 검출 기술은 현재 모든 전자 회사들의 초미의 관심사인 바, 이번에 개발한 기술이 조기에 상용화될 수 있기를 기대한다”고 말했다.

삼성미래기술육성사업은 우리나라의 미래를 책임지는 과학 기술 육성을 목표로 2013년부터 1조 5천억 원을 출연해 시행하고 있는 연구 지원 사업으로, 지금까지 706개 과제에 9,237억 원을 집행했다.

한편, 삼성전자는 CSR 비전 ‘함께가요 미래로! Enabling People’ 아래 삼성미래기술육성사업, 협력회사 상생펀드, 스마트공장, C랩 아웃사이드 등 상생 활동과 청소년 교육 사회공헌 활동을 펼치고 있다.

2014년부터 실시되고 있는 ‘애뉴얼 포럼’은 삼성미래기술육성사업의 연구 지원 과제 중 1년 이상 진행된 과제의 연구 책임자들이 연구 현황 및 애로사항을 공유하고 집단지성을 통해 문제 해결 방법 등을 모색하는 자리로, 작년부터는 코로나19 상황을 감안해 온라인으로 진행되고 있다.

이번 ‘애뉴얼 포럼’에는 한국을 대표하는 과학기술 연구진 485명이 참석해 총 69개 과제에 대한 연구 교류를 진행한다.

각 연구과제의 연구책임자와 심사위원은 물론, 자문위원, 발표 과제 관련 다른 연구과제를 진행하는 초청연구진 등이 참석한다.

▲ 수리과학, 물리학, 화학, 생명과학 등 기초과학 연구 분야 20개 과제 171명
▲ 반도체, 디스플레이, 바이오, 에너지환경, 배터리 등 소재 연구 분야 30개 과제 186명
▲ 통신/모바일컴퓨팅, 컴퓨터비전, 로봇, 광학, 헬스케어 등 ICT 연구 분야 19개 과제 128명

(참고) ‘애뉴얼 포럼’이 맺어준 연구성과 사례

□ 블랙홀, 식물 개화, 차세대 반도체, AI 등 기초∙소재∙ICT 분야 토론

물리학 분야 발표자인 서울대 물리천문학부 김지훈 교수는 은하 내의 구성요소들인 별, 가스, 블랙홀 사이의 상호 작용을 다중스케일 계산으로 모형화하고, 이를 통해 초거대 블랙홀들이 어떻게 빠르게 성장했는지 규명하기 위한 연구 내용을 소개한다.

생명과학 분야 발표자인 고려대 생명과학부 안지훈 교수는 식물의 개화 유도 호르몬인 ‘플로리겐’이 온도 변화에 따라 어떻게 행동하고 이동하는지에 대한 연구 결과를 발표한다. 지난 9월 세계적 학술지인 ‘사이언스(Science)’에 게재된 연구 결과와 함께 향후 연구 방향에 대해 발표할 예정이다.

반도체 분야 발표자인 포스텍 신소재공학과 이장식 교수는 ‘V낸드’에서 사용되고 있는 유전체와 채널층 소재를 차세대 소재로 대체할 수 있는 저온 공정기술과 소자 구현 공정에 대한 연구 결과를 발표하고, 실제 반도체 공정에 적용하기 위해 해결이 필요한 이슈에 대해 토의한다.

컴퓨터비전 분야 발표자인 카이스트 AI대학원 황성주 교수는 웨어러블 디바이스, AR응용 등 다양한 분야에서 활용도가 점점 증가하고 있는 ‘인간 학습에 기반한 대규모 시각 인식 시스템’ 연구 결과를 소개한다. 황 교수는 2015년 12월 처음 삼성미래기술육성사업 과제에 선정되어 도전적인 주제에 대한 탐색 연구를 진행한 후 2018년 3월부터 후속 연구 과제를 진행하고 있다.

또한 2020년 3월에 이어 2021년 1월에도 ‘사이언스’지에 연구논문을 게재한 서울대 화학생물공학부 박정원 교수가 ‘다차원 실시간 액체 전자현미경을 통한 재료 유전학’ 연구과제에 대해 발표한다.

□ 미래기술 연구과제 706건, 연구비 9,237억 원 지원, 지원 연구진 1.38만명

삼성미래기술육성사업은 우리나라의 미래를 책임지는 과학 기술 육성을 목표로 2013년부터 1조 5천억 원을 출연해 시행하고 있는 연구 지원 공익 사업이다. 지금까지 총 706건의 연구과제에 9,237억 원의 연구비가 지원됐고, 지원을 받은 연구진은 1.38만명에 달한다.

매년 상·하반기에 각각 기초과학, 소재, ICT 분야에서 지원할 과제를 선정하고 1년에 한 번 실시하는 ‘지정테마 과제 공모’를 통해 국가적으로 꼭 필요한 미래기술 분야를 지정해 해당 연구를 지원하고 있다.

지금까지 국제학술지에 2,550건의 논문이 게재됐으며, 특히 사이언스(10건), 네이처(7건), 셀(1건) 등 최상위 국제학술지에 소개된 논문도 420건에 달한다.

□ 삼성전자 ‘함께가요 미래로! Enabling People’

삼성전자는 ‘함께가요 미래로! Enabling People’이라는 CSR 비전 아래 청소년 교육 중심의 사회공헌 활동과 상생 활동을 펼치고 있다.

청소년 교육 중심 활동으로는 ▲기능올림픽 기술교육 ▲삼성 주니어 SW 아카데미 ▲삼성청년SW아카데미 ▲삼성 드림클래스 ▲삼성 스마트스쿨과 같이 청소년의 잠재력을 최대한 발휘할 수 있도록 하는 프로그램을 운영하고 있다.

또, ▲삼성미래기술육성사업 ▲삼성 스마트공장 지원사업 ▲C랩 아웃사이드 등의 상생 프로그램을 통해 삼성전자가 쌓아온 기술과 혁신의 노하우를 우리 사회와 같이 나누고 있다.

▲ ‘2021 애뉴얼 포럼’에 참석하는 교수진(왼쪽부터 서울대 김지훈 교수, 고려대 안지훈 교수, 포스텍 이장식 교수, 카이스트 황성주 교수, 서울대 박정원 교수)

기초과학 분야 10개 172.7억 원, 소재 분야 6개 92억 원, ICT 분야 6개 76억 원 등 총 연구비 340.7억 원이 지원된다.

‘삼성미래기술육성사업’은 대한민국의 기초과학 발전과 세계적인 과학기술인 육성 등을 목표로, 삼성전자가 2013년부터 1조 5천억 원을 지원해 시행하고 있는 공익 목적의 과학기술 연구지원 사업이다.

△혁신적인 미래기술 창출과 주도를 위한 기초과학 분야 △제조업의 근간이며 미래기술 패러다임을 주도할 소재 분야△산업 고도화와 신시장 창출을 위한 ICT 분야 등에서 창의적이고 혁신적인 연구과제를 지원하고 있다.

□ 과학적 난제 해결, 희귀질환 치료 기여 등 22개 연구 과제 신규 지원

① 기초과학: 새로운 분야 개척, 질병 치료의 근원적 접근 등 연구

기초과학에서는 수리, 물리, 화학, 생명 분야에서 학술적으로 새로운 분야를 개척하거나 질병 치료의 근원적 접근 등 파급 효과가 예상되는 과제를 포함해 총 10개가 선정됐다.

포스텍 생명과학과 김태경 교수는 ‘유전체 활동전위에 기반한 기억흔적의 추적 및 재구성’ 과제를 통해 너무나 친숙하지만 여전히 미지의 영역인 ‘기억’에 대한 연구에 도전한다.

울산과학기술원(UNIST) 물리학과 박경덕 교수는 1n㎥(세제곱나노미터) 이하 영역에서 엑시톤(Exciton: 전자와 정공이 전기적인 힘에 의해 묶여 하나의 입자처럼 보이는 상태)의 움직임을 제어할 수 있는 연구에 도전한다. 새로운 나노광학 플랫폼 창출에 도전하는 연구로서, 분자 물리 및 나노 과학 범위에서 새로운 물리적 현상들을 관측할 수 있을 것으로 기대된다.

가천대 미생물학과 김익수 교수는 세포가 분화되는 다양한 과정을 모두 기록하고 세밀하게 추적하는 연구를 수행할 예정이다. 세포가 악화되어 질병으로 전이되는 경로를 수정하는 등 각종 질환을 치료하는 해법을 제시해 줄 수 있을 것으로 예상된다.

② 소재: 유전 질환 치료제, 전자 소자 발열 문제 해결 등 연구

소재 분야에서는 유전 질환 치료제, 전자 소자 발열 문제 해결 등 폭넓은 연구 분야에서 6개 과제를 지원한다.

한국과학기술원(KAIST) 의과학대학원 김진국 교수는 mRNA(messenger RNA) 특정 부위에 결합해 단백질 발현량을 증가시킬 수 있는 유전자를 발굴하여 희귀 질병을 치료할 수 있는 연구에 도전한다.

성공적으로 수행될 경우 전두측두엽성 치매, 안젤만 증후군(※ 발달 지연, 조절할 수 없는 웃음, 안면 이상, 발작과 경련 등이 나타나는 유전성 희귀질환) 등 현재 치료제가 없는 뇌신경계 유전 질환을 치료할 수 있는 신약 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

광주과학기술원(GIST) 물리·광과학과 이종석 교수는 나노 크기의 계면에서 일어나는 열의 움직임을 이해하고 효과적으로 제거할 수 있는 연구를 수행한다. 반도체 등 전자 소자의 크기가 미세화 됨에 따라 중요성이 커지고 있는 발열 문제를 해결하는데 중요한 단초를 제공해 줄 것으로 기대된다.

③ ICT: 차세대 통신, 자율주행 등 미래 산업 핵심 기술 연구 등

ICT 분야에서는 차세대 통신, 자율주행 등 미래 산업 경쟁력 강화를 위한 분야에서 6개 과제가 선정됐다.

서울대 컴퓨터공학부 허충길 교수는 복잡한 소프트웨어 시스템의 안전성을 빠르게 검증할 수 있는 기술을 개발할 예정이다. 기술 개발에 성공할 경우 자율주행, 의료 시스템, 금융 등 작은 오류만 발생해도 큰 손실이 날 수 있는 분야에서 유용하게 활용될 것으로 예상된다.

포스텍 전자전기공학과 공병돈 교수는 전자를 빛의 속도에 가깝게 가속시켜 높은 출력의 RF(Radio Frequency) 소자를 개발할 예정이다. 이 연구를 통해 6G 통신, 자율주행용 레이더 등 미래 신산업 분야에 필요한 핵심 요소 기술을 확보할 수 있을 것으로 전망된다.

□ 2013년 1조 5천억 원 출연해 대한민국 미래기술 연구 지원

삼성전자는 2013년부터 1조 5천억 원을 출연해 기초과학, 소재, ICT 분야 에서 대한민국의 미래를 책임질 과학기술 연구를 지원하고 있다.

이번 연구 과제를 포함해 지금까지 지원된 연구비는 기초과학 분야 239개, 소재 분야 230개, ICT 분야 236개 등 총 705개 과제 9,215억 원이며, 지원을 받은 연구진은 1.3만명이 넘는다.

매년 상·하반기에 각각 기초과학, 소재, ICT 분야에서 지원할 과제를 선정하고 1년에 한 번 실시하는 ‘지정테마 과제 공모’를 통해 국가적으로 꼭 필요한 미래기술 분야를 지정해 해당 연구를 지원하고 있다.

올해의 지정테마 연구지원 과제는 ▲어드밴스드 AI ▲차세대 암호 시스템 ▲B(Beyond)5G&6G ▲로봇 ▲차세대 디스플레이 ▲반도체 소자 및 공정 등 총 6개 분야에서 12개가 선정됐다.

(참고) 삼성미래기술육성사업 특성과 불러온 변화

□ 삼성미래기술육성사업의 연구성과에 세계가 주목

삼성미래기술육성사업 지원을 받은 연구진의 성과도 잇따르고 있다.

국제학술지에 2,550건의 논문이 게재됐으며, 특히 사이언스(10건), 네이처(7건), 셀(1건) 등 최상위 국제학술지에 소개된 논문이 420건 에 달한다. 이른바 3대 학술지 게재 논문 수는 2015년 1건, 2018년 2건, 2019년 3건, 2020년 5건에 이어 올해는 9월까지 벌써 7건이 게재되는 등 해마다 증가하고 있다.

최근에도 생명과학, 차세대 전지, 인공항체 관련 3건의 논문이 잇달아 세계적인 학술지에 게재되며 글로벌 위상을 높였다.

고려대 안지훈 교수 연구팀은 온도 변화에 대응하여 식물이 개화 시기를 조절하는 원리를 밝히는데 성공하였고, 그 결과를 9월 ‘사이언스(Science)’에 발표했다. 지구 온난화가 농업 생산에 미치는 영향을 이해하는데 도움이 되는 연구 결과이다.

서울대 최장욱 교수 연구팀은 수계 아연전지의 고질적인 문제인 사용 시간을 대폭 늘일 수 있는 기술을 개발하여, 지난 9월 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’에 발표했다. 수계 아연전지는 전해액 성분으로 기존의 유기용매 대신 물을 사용하여 발화 위험을 근본적으로 제거한 차세대 전지의 하나이다.

김종호 한양대 교수 연구팀은 세균 감염을 빠르게 진단하고 치료할 수 있는 인공항체를 개발하는데 성공하였고, 연구 결과는 8월 최고의 화학 학술지로 꼽히는 ‘미국화학회지(JACS)’의 표지 논문으로 선정됐다.

□ 삼성전자 ‘함께가요 미래로!  Enabling People’

삼성전자는 ‘함께가요 미래로! Enabling People’이라는 CSR 비전 아래 청소년 교육 중심의 사회공헌 활동과 상생 활동을 펼치고 있다.

청소년 교육 중심 활동으로는 ▲삼성청년SW아카데미 ▲삼성 드림클래스 ▲삼성 주니어 SW 아카데미 ▲삼성 스마트스쿨과 같이 청소년의 잠재력을 최대한 발휘할 수 있도록 하는 프로그램을 운영하고 있다.

또, ▲삼성미래기술육성사업 ▲삼성 스마트공장 지원 사업 ▲C랩 아웃사이드 등의 상생 프로그램을 통해 삼성전자가 쌓아온 기술과 혁신의 노하우를 우리 사회와 같이 나누고 있다.

▲ 삼성미래기술육성사업 2021년 하반기 지원 과제에 선정된 교수진(첫째줄 왼쪽부터 포스텍 김태경 교수, UNIST 박경덕 교수, 가천대 김익수 교수, 둘째줄 왼쪽부터 KAIST 김진국 교수, GIST 이종석 교수, 서울대 허충길 교수, 포스텍 공병돈 교수)

‘우리가 유독 짠맛에 끌리는 이유는 무엇일까?’
‘사람이 스스로 포만감을 조절할 수 있다면?’
‘혀는 어떤 원리로 맛을 느낄까?’

듣기만 해도 흥미로운 맛과 식욕에 관한 궁금증이다. 누구나 한 번쯤은 생각해 봤을 질문을 과학적으로 파고들어 메커니즘을 규명하고 미래 기술로 발전시키는 이들이 있다. 바로 삼성미래기술육성사업이 선정한 연구 과제의 주인공들이다.

삼성미래기술육성사업은 삼성전자가 2013년부터 진행한 과학기술 육성·지원 프로그램으로, 기초과학부터 ICT까지 더 나은 미래를 위한 연구 과제를 지원하고 신진 연구자도 발굴하는 CSR 프로그램이다. 연구진이 오직 연구에만 몰두할 수 있도록 전폭적으로 지원하되, 목표를 달성하지 못하더라도 책임을 묻지 않고 이 역시 지식 자산으로 활용하는 것이 특징.

아래 영상에서 만나볼 세 명의 연구자도 삼성미래기술육성사업과 함께 ‘맛과 식욕’이라는 미지의 영역을 마음껏 탐구 중이다. 인간의 미각 메커니즘을 찾아 나선 이들의 여정을 영상에서 만나 보자.

□ 반도체에서 발생하는 발열 문제 해결에 적용할 수 있는 기술

포스텍 신소재공학과 손준우 교수, 최시영 교수 연구팀은 반도체 미세화에 따라 점차 중요성이 커지고 있는 열 문제 해결을 위한 차세대 소재 기술을 개발했다.

연구팀은 2017년 7월 삼성미래기술육성사업 연구과제로 선정돼 3년간 지원을 받았다.

또, 이 연구는 한국연구재단 기초연구실의 지원도 받았다.

연구 결과는 고집적 반도체용으로 사용할 수 있는 새로운 소재를 개발한 성과로 인정받아 최근(8월 18일 영국 현지시간) 국제학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 게재됐다.
– 논문 제목(영문) : Heterogeneous integration of single-crystalline rutile nanomembranes with steep phase transition on silicon substrates)
– 논문 제목(한글) : 급격한 상전이 특성이 있는 단결정 루틸 구조의 실리콘 상 이종 접합)

반도체 분야의 기술 혁신은 미세화를 통한 트랜지스터 회로의 집적도를 높이는 방향으로 진행돼 왔다.

반도체는 집적도가 커질수록 소비하는 전력은 줄어들고 동작 속도는 빨라지나, 반도체 소자가 동작하면서 발생하는 열에 의한 오작동 등 새로운 문제가 발생할 가능성이 커지고 있다.

문제 해결 방법은 트랜지스터의 구동 전압을 낮추고, 기존의 실리콘을 대체하는 신규 소재를 개발하거나 실리콘과 신규 소재를 접합하는 것으로, 학계와 업계는 이 문제 해결에 많은 노력을 기울여 왔다.

대표적인 신규 소재로는 특정한 전압에 다다르면 물질의 상(相∙Phase)이 절연체에서 금속으로 빠르게 바뀌는 상전이(相轉移) 산화물 반도체가 주목 받고 있다.

연구팀은 상전이 산화물 반도체의 일종인 단결정 산화바나듐(금속 바나듐과 산소가 결합해서 만들어진 화합물)이 기존 실리콘 대비 전류를 흘릴 때 필요한 전압이 낮아 발열이 덜 되는 성질에 주목해, 단결정 산화바나듐을 실리콘 웨이퍼 위에 적층할 수 있는 기술을 개발했다.

하지만 단결정 산화바나듐은 실리콘과 결정 구조가 달라 웨이퍼에 직접 적층 성장할 경우 전기적인 결함이 발생할 수 있었다.

이에 연구팀은 실리콘 웨이퍼 위에 결정 구조가 같은 산화티타늄을 우선 적층한 후, 그 위에서 산화바나듐을 단결정 상태로 성장시키는데 성공했다.

연구팀은 이번에 개발한 소재를 실제 반도체 소자 제작에 활용하기 위해 산화물 반도체와 전극 사이의 저항 감소, 소자 크기에 따른 전기적 특성 제어 등 관련 기술에 대해 연구하고 있다.

손준우 교수는 “이번 연구를 통해 차세대 소재로 주목받고 있는 단결정 상전이 산화물의 우수한 특성을 기존 실리콘 반도체 소재에 적용할 수 있게 됐다”며 “초저전력 초고밀도 메모리 등 기존 한계를 극복할 수 있는 차세대 반도체 소자 개발을 위해 노력하겠다”고 말했다.

□ 삼성미래기술육성사업, 2013년부터 1조 5천억 원 연구 지원

‘삼성미래기술육성사업’은 우리나라의 미래를 책임질 과학기술 육성·지원을 목표로 삼성전자가 2013년부터 1조 5천억 원을 출연해 시행하고 있는 연구 지원 공익사업이다.

매년 상·하반기에 각각 기초과학, 소재, ICT 분야에서 지원할 과제를 선정하고, 1년에 한 번 실시하는 ‘지정테마 과제 공모’를 통해 국가적으로 필요한 미래 기술분야를 지정해 해당 연구를 지원하고 있다.

특히 연구자들이 도전적인 연구를 할 수 있도록 목표를 달성하지 못하더라도 책임을 묻지 않고, 실패 원인을 지식 자산으로 활용하도록 하고 있다.

연구 책임자가 연구 성과와 주요 이슈를 설명하고, 참석 연구자들과의 토론을 통해 새로운 아이디어를 얻는 ‘애뉴얼 포럼’, 연구 성과의 산업 활용도를 높이기 위한 R&D 교류회, 활용도가 높은 특허 출원을 지원하는 IP멘토링 등 다양한 프로그램도 운영하고 있다.

삼성미래기술육성사업은 지금까지 682개 과제에 8,865억원을 지원했다. 또, 국제학술지에 총 2,130건의 논문이 게재되는 등 활발한 성과를 보이고 있다.

이 중 네이처(7건), 사이언스(7건), 셀(1건) 등 최상위 국제 학술지에 소개된 논문도 189건에 달한다.

□ 삼성전자 ‘함께가요 미래로! Enabling People’

삼성전자는 ‘함께가요 미래로! Enabling People’이라는 CSR 비전 아래 청소년 교육 중심의 사회공헌 활동과 상생 활동을 펼치고 있다.

청소년 교육 중심 활동으로는 ▲삼성청년SW아카데미 ▲삼성 드림클래스 ▲삼성 주니어 SW 아카데미 ▲삼성 스마트스쿨과 같이 청소년의 잠재력을 최대한 발휘할 수 있도록 하는 프로그램을 운영하고 있다.

또, ▲삼성미래기술육성사업 ▲스마트공장 ▲C랩 아웃사이드 등의 상생 프로그램을 통해 삼성전자가 쌓아온 기술과 혁신의 노하우를 우리 사회와 같이 나누고 있다.

▲ ‘네이처 커뮤니케이션스’에 연구 성과가 게재된 포스텍 연구팀(뒷줄 왼쪽부터 손준우교수, 최시영교수 앞줄 왼쪽부터 이동규학생, 박윤규박사, 심혜지학생)

12개 과제에 총 152.1억 원의 연구비가 지원될 예정이다.

삼성전자는 삼성미래기술육성사업 일환으로 2014년부터 국가적으로 연구가 필요한 미래 과학기술 분야 발전을 위해 지정테마 과제를 선정·지원하고 있다. 올해를 포함해 현재까지 총 103건의 연구 과제에1,059.3억 원을 지원했다.

□ 올해, 어드밴스드 AI ·차세대 암호 시스템 분야 새롭게 선정

삼성전자는 올해 지정테마 연구지원 과제로 ▲어드밴스드 AI ▲차세대 암호 시스템 ▲B(Beyond)5G&6G ▲로봇 ▲차세대 디스플레이 ▲반도체 소자 및 공정 등 총 6개 분야에서 12개를 선정했다.

이번 지정테마에는 ▲차세대 암호 시스템 ▲어드밴스드 AI가 새롭게 선정됐다.

삼성전자는 다양한 과학 기술 분야의 석학, 전문가들과 국가적 기술 개발의 필요성, 중장기 기술 발전 방향 등을 논의해 미래 유망 과학기술 분야를 지정테마로 선정하고 있다.

올해는 최종 6개 분야를 지정테마로 선정했고, 접수된 약 200건의 과제를 두달간 심사해 앞으로 지원할 12개 과제를 채택했다.

‘어드밴스드 AI’분야에서는 연세대학교 전기전자공학부 황도식 교수의 ‘순환 추론형 인공지능-자기 질의 응답 기반 자동 의료 진단 기술’ 등 총 2개 과제가 선정됐다.

황교수 연구팀은 전기공학, 컴퓨터공학, 의학 등 다양한 분야를 전공한 3명의 교수들로 구성됐다.

황교수는 질병 진단시 활용되는 CT, MRI, 엑스레이, 초음파 등과 같은 다양한 데이터를 종합적으로 활용해 AI가 스스로 질문과 답변을 만드는 과정을 반복하는 딥러닝 모델을 개발할 계획이다.

전문의의 진료 과정을 정교하게 모방하는 것을 목표로 하는 이번 연구가 실제 의료 현장에 적용된다면 질병 진단의 정확성을 높일 것으로 기대된다.

‘차세대 암호 시스템’ 분야에서는 서울대학교 컴퓨터공학부 송용수 교수의 ‘다자간 근사계산 암호 원천기술 개발’ 과제가 선정됐다.

클라우드 내에 보관돼 있는 민감한 자료의 비밀성은 유지하면서 데이터 분석이 가능한 기술이다.

개인 데이터 활용에 대한 권리 보호가 더욱 중요해지는 상황에서 과제가 성공한다면 금융, 의료, 교육 등 프라이버시가 중요한 분야에서 널리 활용될 수 있을 것으로 예상된다.

‘로봇’ 분야에서는 인하대학교 정보통신공학과 김민구 교수의 ‘동적 질량중심을 가지며 변형 가능한 물체를 인간 수준으로 조작하기 위한 시-촉각 인식 기술’ 과제가 선정됐다.

시각과 촉각 정보를 융합해 로봇이 인간 수준으로 물체를 다룰 수 있게 하는 기술 개발을 목표로 하는 과제이다.

‘차세대 디스플레이’ 분야에서는 ▲포스텍 전자전기공학과 최수석 교수의 홀로그램 구현을 위한 광원 기술의 일환인 ‘파장 조절이 가능한 페로브스카이트^[1] 나노결정 기반 화소 배열형 키랄 레이저^[2](Chiral Laser) 연구’, ▲동국대학교 물리반도체과학부 정권범 교수의 ‘초고해상도 PPI(Pixel Per Inch) 디스플레이용 트랜지스터 소자의 인라인 모니터링을 위한 결함 이미징 기술 개발’ 등 4개 과제가 선정됐다.

정교수의 연구는 제품을 분해하지 않고 생산 과정중에 결함을 검출할 수 있어 향후 디스플레이 제품 생산 효율을 높일 수 있을 것으로 예상된다.

□ 2013년부터 682개 연구과제에 총 8,865억 원의 연구비 집행

‘삼성미래기술육성사업’은 우리나라의 미래를 책임질 과학기술 육성·지원을 목표로 삼성전자가 2013년부터 1조 5천억 원을 출연해 시행하고 있는 연구 지원 공익사업이다.

매년 상·하반기에 각각 기초과학, 소재, ICT 분야에서 지원할 과제를 선정하고, 1년에 한 번 실시하는 ‘지정테마 과제 공모’를 통해 국가적으로 필요한 미래 기술분야를 지정해 해당 연구를 지원하고 있다.

특히 연구자들이 도전적인 연구를 할 수 있도록 목표를 달성하지 못하더라도 책임을 묻지 않고, 실패 원인을 지식 자산으로 활용하도록 하고 있다.

연구 책임자가 연구 성과와 주요 이슈를 설명하고, 참석 연구자들과의 토론을 통해 새로운 아이디어를 얻는 ‘애뉴얼 포럼’, 연구 성과의 산업 활용도를 높이기 위한 R&D 교류회, 활용도가 높은 특허 출원을 지원하는 IP멘토링 등 다양한 프로그램도 운영하고 있다.

삼성전자는 이번에 발표한 연구과제를 포함해 지금까지 기초과학 분야 229개, 소재 분야 224개, ICT 분야 229개 등 총 682개 연구과제에 8,865억 원의 연구비를 집행했다.

□ 삼성전자 ‘함께가요 미래로! Enabling People’

삼성전자는 ‘함께가요 미래로! Enabling People’이라는 CSR 비전 아래 청소년 교육 중심의 사회공헌 활동과 상생 활동을 펼치고 있다.

청소년 교육 중심 활동으로는 ▲삼성청년SW아카데미 ▲삼성 드림클래스 ▲삼성 주니어 SW 아카데미 ▲삼성 스마트스쿨과 같이 청소년의 잠재력을 최대한 발휘할 수 있도록 하는 프로그램을 운영하고 있다.

또, ▲삼성미래기술육성사업 ▲스마트공장 ▲C랩 아웃사이드 등의 상생 프로그램을 통해 삼성전자가 쌓아온 기술과 혁신의 노하우를 우리 사회와 같이 나누고 있다.

▲ 2021년 삼성미래기술육성사업 지정테마 연구지원 과제에 선정된 교수진(왼쪽부터 연세대학교 황도식 교수, 서울대학교 송용수 교수, 인하대학교 김민구 교수, 포스텍 최수석 교수, 동국대학교 정권범 교수)

이번에 선정된 과제는 기초과학 분야 13개, 소재 분야 7개, ICT 분야 7개 등 총 27개로 연구비 464억 원이 지원된다.

AI 윤리와 난임과 같은 사회 문제 해결에 도움이 되고, 비접촉 생체전기 측정 등 삶의 질을 향상시킬 수 있는 과제가 다수 포함됐다.

삼성전자는 이번에 발표한 연구 과제를 포함해 지금까지 기초과학 분야 229개, 소재 분야 215개, ICT 분야 223개 등 총 667개 연구 과제에 8,644억 원의 연구비를 지원했다.

□ 미래 신기술부터 삶의 질 향상에 기여하는 다양한 분야 27개 연구 과제 지원

< 기초과학 >

기초과학 분야에서는 독창적인 아이디어로 과제 성공시 세계 최초 또는 파급 효과가 클 것으로 기대되는 과제를 포함해 총 13개가 선정됐다.

서울대학교 수리과학부 류경석 교수는 머신러닝에 사용되고 있는 다양한 학습 모델의 공통점을 세계 최초로 수학적으로 규명하는 연구에 도전한다. 이를 활용하면 인공지능이 다양한 학습 모델을 습득할 수 있는 능력을 획기적으로 향상시킬 수 있다.

포스텍 화학과 황승준 교수는 왕관 모양으로 생겨 크라운 에테르(crown ether)라 부르는 분자를 화학 촉매에 사용해 물질 변환 효율을 획기적으로 향상시킬 계획이다.

크라운 에테르 분자로 인해 생성된 국소 전기장(local electric field)을 활용해 지구온난화의 원인인 이산화탄소 분해 등 난제를 해결하는데 기여할 것으로 전망된다.

< 소재 >

소재 분야에서는 DNA 염기서열 해독, 양자 광원 등 폭넓은 연구 분야에서 7개 과제를 지원한다.

서강대학교 화학과 조규봉 교수는 인간 게놈 프로젝트를 통해서도 여전히 밝혀지지 않은 Y염색체 DNA 서열을 완전히 해독하는 연구를 수행한다. 이번 과제는 남성 불임 등 Y 염색체 관련 난임 질환 연구와 유전자 맞춤형 의료 분야에 기여할 것으로 기대된다.

디지스트(DGIST) 신물질과학전공 조창희 교수는 양자통신용 광원(光源) 기술을 개발한다. 페로브스카이트 소재의 결정 구조를 조절해 극저온에서만 구동하는 양자통신용 광원을 상온에서 구현하고자 하는 과제다. 유지가 어려운 극저온 상황을 뛰어넘어 상온 양자암호통신 분야 상용화를 앞당길 수 있는 연구로 예상된다.

< ICT >

ICT 분야에서는 인공지능, 비접촉 생체 전기신호 측정 등 미래 산업 경쟁력 강화를 위한 핵심 기술 연구 분야에서 7개 과제가 선정됐다.

서울대학교 컴퓨터공학부 김건희 교수는 AI 기술 발전에 따라 발생할 수 있는 개인정보 침해, 성별 등에 대한 편향, 사실 관계 오류 등의 문제를 해결하기 위해 나선다. 이 연구를 통해 사회 규범을 준수하고 신뢰할 수 있는 AI가 개발될 것으로 전망된다.

충북대학교 물리학과 김기웅 교수는 심전도, 뇌전도 등 생체에서 발생하는 전기 신호를 비접촉 방식으로 측정할 수 있는 기술을 개발할 예정이다. 이 기술은 환자 상태 관찰, 운전자 모니터링 등 의료 분야에 유용하게 활용될 것으로 예상된다.

□ 2013년 1조 5천억 원 출연해 과학 기술 분야 연구 지원

‘삼성미래기술육성사업’은 우리나라의 미래를 책임질 과학기술 육성·지원을 목표로 삼성전자가 2013년부터 1조 5천억 원을 출연해 시행하고 있는 연구 지원 공익사업이다.

매년 상·하반기에 각각 기초과학, 소재, ICT 분야에서 지원할 과제를 선정하고 1년에 한 번 실시하는 ‘지정테마 과제 공모’를 통해 국가적으로 필요한 미래기술 분야를 지정해 해당 연구를 지원하고 있다.

연구 책임자가 연구 성과와 주요 이슈를 설명하고, 참석 연구자들과의 토론을 통해 새로운 아이디어를 얻는 ‘애뉴얼 포럼’, 연구 성과의 산업 활용도를 높이기 위한 R&D 교류회, 활용도가 높은 특허 출원을 지원하는 IP멘토링 등 다양한 프로그램도 운영하고 있다.

한편, 올해 ‘지정테마 과제 공모’는 이번 달 16일까지 진행될 예정이며, 공모 세부 사항은 삼성미래기술육성사업 홈페이지(http://www.samsungstf.org/)에서 확인할 수 있다.

삼성전자는 CSR 비전 ‘함께가요 미래로! Enabling People’ 아래 삼성미래기술육성사업, 스마트공장, C랩 아웃사이드, 협력회사 상생·물대 펀드 등 다양한 상생 활동과 청소년 교육 사회공헌 활동을 펼치고 있다.

▲ 2021년 상반기 ‘삼성미래기술육성사업’ 지원 과제에 선정된 교수들(왼쪽부터 서울대학교 류경석 교수, 포스텍 황승준 교수, 서강대학교 조규봉 교수, 디지스트 조창희 교수, 서울대학교 김건희 교수, 충북대학교 김기웅 교수)

이 연구는 연세대학교 의과대학 정인경·조성래 교수, 연세대학교 응용통계학과 박태영 교수, 서울대학교 전기정보공학부 윤성로 교수 연구팀과 공동으로 진행됐다.

연구 결과를 담은 ‘Recording of elapsed time and temporal information about biological events using Cas9(유전자 가위 기술을 이용해 경과된 시간과 특정 생명 현상의 시간 정보를 기록)’ 제목의 논문은 질병, 노화 등 생물학적 현상이 발생하는 시점을 정확하게 파악하는데 돌파구를 마련했다고 인정받아 3일(미국 현지 시간) 세계적인 생명과학 전문 학술지 ‘셀(Cell)’에 게재됐다.

삼성미래기술육성사업이 지원한 연구 과제가 ‘셀(Cell)’에 게재된 것은 처음이다. 지금까지 최상위 국제 학술지에 소개된 논문은 ‘네이처’ 5건, ‘사이언스’ 6건이 있다.

□ DNA 염기 서열을 이용해 질병 등 생명 현상의 발생 시점 파악

생명체가 질병에 걸리면 DNA 염기 서열이 변한다. 염기 서열이 언제부터 변했는지 알아내면 질병이 언제부터 발생했는지도 추적할 수 있어 질병의 진행 정도에 따른 치료법을 적용할 수 있다.

예를 들면 인체가 바이러스에 언제 감염됐는지 정확한 시간을 확인하면 질병의 진행 경과에 맞춰 적절한 치료약을 쓸 수 있게 된다.

김형범 교수 연구팀은 DNA 염기 서열에 변화가 생기면, 시간이 지날수록 기하급수적으로 정상 염기 서열은 줄어들고 변이가 늘어나는 것을 발견했다.

통계적 분석을 위해 23,940개의 서로 다른 염기 서열을 독성 물질을 노출하거나, 열 충격 등을 가해 발생한 변이를 지속적으로 추적 관찰했다.

얻어진 데이터를 기반으로 통계적 분석과 시뮬레이션을 실시해 생명체가 다양한 환경에 노출됐을 때 발생하는 DNA 염기 서열의 변화 시점을 측정하는 시스템을 구축했다.

연구팀은 생쥐를 대상으로 실험해 오차 발생률 10% 내외의 정확도로 시간 측정 시스템의 유효성을 검증했다.

김형범 교수는 “화석 등의 나이를 측정하는 방사성 동위원소 측정법과 동일한 원리를 이용해 생명체 내에서 일어나는 각종 현상의 시간 경과를 정확하게 파악할 수 있게 됐다”며 “향후 질병 발생 과정 추적, 노화 등 대부분의 생물학 연구에 활용될 수 있다”고 설명했다.

또 김 교수는 산업적 활용을 고려해 해당 기술에 대한 국내에서 특허 등록을 완료했고, 미국 등 해외에서도 특허 출원 중에 있다.

이번 연구는 2017년 6월 삼성미래육성사업의 과제로 선정돼 지원을 받고 있다.

□ 삼성미래기술육성사업, 2013년부터 1조 5천억 원 출연해 연구 지원

‘삼성미래기술육성사업’은 우리나라의 미래를 책임질 과학기술 연구의 육성·지원을 목표로 삼성전자가 2013년부터 1조 5천억 원을 출연해 시행하고 있는 연구 지원 공익사업이다.

매년 상·하반기에 각각 기초과학, 소재, ICT 분야에서 지원할 과제를 선정하고, 1년에 한 번 실시하는 ‘지정테마 과제 공모’를 통해 국가적으로 필요한 미래기술 분야를 지정해 해당 연구를 지원하고 있다.

또한, 연구 책임자가 연구 성과와 주요 이슈를 설명하고, 참석 연구자들과의 토론을 통해 새로운 아이디어를 얻는 ‘애뉴얼 포럼’, 연구 성과의 산업 활용도를 높이기 위한 R&D 교류회, 활용도가 높은 특허 출원을 지원하는 IP멘토링 등 다양한 프로그램도 운영하고 있다.

2013년부터 지금까지 634개 과제에 8,125억 원의 연구비가 지원됐다.

한편, 2021년 ‘지정테마 과제 공모’에 대한 세부 내용은 오는 17일 삼성미래기술육성사업 홈페이지(http://www.samsungstf.org/)를 통해 공개될 예정이다.

삼성전자는 ‘함께가요 미래로! Enabling People’ 이라는 CSR 비전 아래 삼성미래기술육성사업, 스마트공장, C랩 아웃사이드, 협력회사 상생펀드 등 상생 활동과 청소년 교육 사회공헌 활동을 펼치고 있다.

▲ DNA 염기 서열을 이용해 생명 현상 발생 시간을 측정하는 시스템을 개발한 연세대학교 의과대학 김형범 교수

▲ 연세대학교 의과대학 김형범 교수(오른쪽)팀이 DNA 염기 서열 변화에 관한 실험을 하고 있다.

연구 결과를 담은 ‘원자핵이 결정화되는 과정에서 일어나는 비결정상과 결정상 사이의 가역적 전이(Reversible disorder-order transitions in atomic crystal nucleation)’ 제목의 논문은 학계의 오래된 난제였던 결정핵 생성 원리를 제시한 것을 인정받아 28일(미국 현지시간) 세계적인 학술지 ‘사이언스(Science)’에 게재됐다.

□ 물질 성장의 시작인 결정핵이 생성되는 과정을 실험을 통해 검증

원자가 모여 물질이 만들어지기 위해서는 ‘핵생성(nucleation)’ 과정이 필수적이다.

그러나, 핵이 만들어지는 과정이 너무나 빠른 속도로 일어나고, 원자의 크기 또한 수 옹스트롬 정도로 작아 직접 관찰하기가 어려웠다. 핵 생성 과정을 설명하는 여러 이론들이 있지만, 실험을 통한 증명에는 한계가 있었다.
* 1옹스트롬 = 백억분의 1m

공동 연구팀은 원자 한 개의 두께만큼 얇은 그래핀^[1] 막 위에 금(金) 나노 결정을 합성해 세계 최고 성능의 초고속 투과전자현미경으로 핵생성 과정을 세계 최초로 관찰하는데 성공했다.

공동 연구팀은 원자들이 무질서하게 뭉친 덩어리 구조(비결정상)가 됐다가 정렬을 이루며 결정을 형성한 구조(결정상)도 되는 상태를 반복하는데, 결정의 크기가 커짐에 따라 점차 원자들이 정렬된 구조로 유지되면서 결정상의 상태가 되는 핵의 생성 과정을 밝혀냈다.

이는 원자들이 처음부터 규칙적으로 정렬을 이루며 결정을 형성한다는 기존의 핵생성 이론과는 다른 새로운 이론을 제시한 것이다.

공동 연구팀은 물질의 구조가 변하기 위해서는 에너지가 필요한데, 초기 핵형성 단계에서는 필요한 에너지가 아주 작아 비결정상과 결정상 사이를 쉽게 오고 갈 수 있어 이 현상이 일어난다고 설명했다.

서울대학교 박정원 교수는 “결정핵이 만들어지는 과정을 발견하고, 이를 실험으로 검증해 고체 물질이 형성되는 과정의 근본 원리를 밝혔다”고 이번 연구의 의의를 설명했다.

한양대학교 이원철 교수는 “박막 증착 공정의 극히 초기 상태를 실험으로 재현했다”며 “이를 응용하면 향후 반도체 소재·부품·장비 분야의 원천 기술을 확보하는데 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.

박정원 교수는 삼성미래기술육성사업과 기초과학연구원 연구단 사업의 지원을, 이원철 교수는 한국연구재단의 4단계 두뇌한국21(BK21) 사업의 지원을 받아 이번 연구를 수행했다.

특히 박정원 교수는 삼성미래기술육성사업과 기초과학연구원의 지원을 받아 진행한 ‘나노 입자의 3차원 증명사진 촬영 기술 개발’ 연구 결과가 지난해 4월에도 ‘사이언스’에 게재된 바 있다.

□ 삼성미래기술육성사업, 2013년부터 1조 5천억 원 출연해 연구 지원

‘삼성미래기술육성사업’은 우리나라의 미래를 책임질 과학기술 연구 분야 육성·지원을 목표로 삼성전자가 2013년부터 1조 5천억 원을 출연해 시행하고 있는 연구 지원 공익사업이다.

매년 상·하반기에 각각 기초과학, 소재, ICT 분야에서 지원할 과제를 선정하고, 1년에 한 번 실시하는 ‘지정테마 과제 공모’를 통해 국가적으로 필요한 미래기술 분야를 지정해 해당 연구를 지원하고 있다.

또한, 연구 책임자가 연구 성과와 주요 이슈를 설명하고, 참석 연구자들과의 토론을 통해 새로운 아이디어를 얻는 ‘애뉴얼 포럼’, 연구 성과의 산업 활용도를 높이기 위한 R&D 교류회, 활용도가 높은 특허 출원을 지원하는 IP멘토링 등 다양한 프로그램도 운영하고 있다.

2013년부터 지금까지 634개 과제에 8,125억원의 연구비가 지원됐다.

삼성전자는 ‘함께가요 미래로! Enabling People’ 이라는 CSR 비전 아래 삼성미래기술육성사업, 스마트공장, C랩 아웃사이드, 협력회사 상생펀드 등 상생 활동과 청소년 교육 사회공헌 활동을 펼치고 있다.

▲ 초고속 투과전자현미경을 활용해 관찰한 금 원자가 비결정상과 결정상의 상태를 반복하며 결정핵으로 성장하는 과정

▲ 기존의 핵생성 과정과 이번 연구에서 새롭게 관찰한 핵생성 과정을 비교한 도식

▲ 금 원자를 방출하는 물질이 결정핵을 형성한 후 금 나노결정으로 생성되는 과정을 보여주는 도식

▲ 이번 연구를 주도한 (왼쪽부터)서울대학교 박정원 교수, 한양대학교 에리카 캠퍼스 전성호 박사, 한양대학교 에리카 캠퍼스 이원철 교수

이번 연구 결과는 지금까지 알려지지 않았던 새로운 방식을 제시해 뇌·인지과학 연구 분야에 새로운 돌파구를 마련했다고 인정받아 지난해 12월 23일(영국 현지시간) 최상위 국제학술지 ‘네이처(Nature)’에 공개됐다.

□ 뇌에서 시냅스가 제거되는 새로운 방식을 성인의 뇌에서 규명

신경세포인 뉴런과 뉴런 사이를 연결하는 시냅스는 뇌 안에서 정보를 학습하고 기억하는 역할을 담당한다.

기억이 형성되는 과정에서 기존의 시냅스는 사라지고 새로운 시냅스가 생성된다. 그러나 어떻게 기존의 시냅스가 사라지고, 이렇게 사라지는 현상이 뇌의 기억 형성에 어떤 역할을 하는지에 대해서는 알려져 있지 않았다.

정원석 교수 연구팀은 뉴런을 둘러싸고 있는 신경교세포 중 가장 숫자가 많은 ‘별아교세포^[1]’가 뇌가 급격히 발달하는 시기에 시냅스를 제거한다는 자신들의 기존 연구 결과에 착안해 연구를 진행했다.

신경교세포는 뇌에서 뉴런을 도와 뇌 항상성 유지 역할을 수행하는 세포로 ‘별아교세포’, ‘미세아교세포^[2]’, ‘희소돌기아교세포’ 등으로 구성돼 있다.

현재까지는 이 세포들 중 ‘미세아교세포’가 시냅스를 제거하는 주된 세포로 알려져 있었다.

연구팀은 성장한 생체의 뇌에서도 ‘미세아교세포’보다 ‘별아교세포’가 더 활발하게 시냅스를 제거하고 있음을 처음으로 밝혀냈다.

형광 단백질을 이용한 획기적인 분석법을 새롭게 도입해 ‘미세아교세포’를 그대로 둔 채 ‘별아교세포’가 시냅스를 제거하지 못하도록 기능을 억제했을 때 뇌에 비정상적인 시냅스가 급증하는 것을 발견했다.

연구 결과는 ‘미세아교세포’가 시냅스를 제거하는 주된 세포일 것이라는 기존의 학설을 뒤집고, 별아교세포에 의한 시냅스 제거 현상이 뇌 신경회로의 기능과 기억 형성에 필수적임을 보여준 것이다.

연구팀은 생쥐를 대상으로 한 실험을 통해 새롭게 발견한 방식을 검증했다.

그 결과 유전자 변형을 통해 별아교세포의 시냅스 제거 작용을 억제한 생쥐에서는 불필요한 시냅스가 제거되지 않고 또한 새로운 시냅스가 형성되는데 문제가 발생했다.

시냅스가 제거되고 새롭게 형성되는 과정에 별아교세포가 미치는 영향이 뇌가 기억을 형성하고 유지하는데 필수인 것을 생체에서도 확인한 것이다.

정원석 교수는 “이번 연구를 바탕으로 ‘별아교세포’가 시냅스를 제거하는 현상을 조절하게 할 수 있다면 자폐증, 조현병, 치매 등 뇌 신경질환 치료에 새로운 전기를 마련할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

정원석 교수 연구팀은 2017년 6월 삼성미래기술육성사업 과제로 선정돼 연구 지원을 받고 있으며, 박형주 박사팀은 한국연구재단 뇌원천기술개발사업, 한국뇌연구원 기관고유사업 지원을 받고 있다.

□ 2013년부터 지금까지 634개 과제에 8,125억원 연구비 지원

‘삼성미래기술육성사업’은 우리나라의 미래를 책임질 과학기술 연구 분야 육성·지원을 목표로 삼성전자가 2013년부터 1조 5천억 원을 출연해 시행하고 있는 연구 지원 공익사업이다.

매년 상·하반기에 각각 기초과학, 소재, ICT 분야에서 지원할 과제를 선정하고, 1년에 한 번 실시하는 ‘지정테마 과제 공모’를 통해 국가적으로 필요한 미래기술 분야를 지정해 해당 연구를 지원하고 있다.

또한, 연구 책임자가 연구 성과와 주요 이슈를 설명하고, 참석 연구자들과의 토론을 통해 새로운 아이디어를 얻는 ‘애뉴얼 포럼’, 연구 성과의 산업 활용도를 높이기 위한 R&D 교류회, 활용도가 높은 특허 출원을 지원하는 IP멘토링 등 다양한 프로그램도 운영하고 있다.

2013년부터 지금까지 634개 과제에 8,125억원의 연구비가 지원됐다.

삼성전자는 ‘함께가요 미래로! Enabling People’ 이라는 CSR 비전 아래 삼성미래기술육성사업, 스마트공장, C랩 아웃사이드, 협력회사 상생펀드 등 상생 활동과 청소년 교육 사회공헌 활동을 펼치고 있다.

▲ ‘성인의 뇌가 기억을 유지하는 방식’을 규명한 카이스트 생명과학과 정원석 교수

▲ 뇌에서 뉴런을 도와 뇌 항상성 유지 역할을 수행하는 세포인 별아교세포(하얀색)와 미세아교세포(파란색)가 시냅스를 제거하고 있는 모습

애뉴얼 포럼은 삼성미래기술육성사업의 연구책임자가 연구 성과와 주요 이슈를 설명하고, 참석 연구자들과 토론을 통해 새로운 아이디어를 얻는 자리로 2014년부터 실시하고 있다.

올해는 코로나19 상황을 감안해 20일부터 27일까지 온라인으로 진행된다.

이번 ‘애뉴얼 포럼’에는 △수리과학∙물리∙화학∙생명과학 등 기초과학 연구 분야 △반도체∙디스플레이∙바이오∙에너지∙환경 등 소재 연구 분야 △컴퓨팅∙로봇∙기계학습∙헬스케어∙세포연구∙광학 등 ICT 연구 분야의 연구책임자, 심사위원 등 500여 명이 참석해 총 85개 과제에 대한 연구 교류를 진행한다.

첫날 포럼에서는 기초과학 분야 24개 연구 과제에 대해 연구책임자의 발표와 참석 연구자, 심사위원들의 토론이 이어졌다.

삼성미래기술육성재단 김성근 이사장은 영상으로 송출된 환영사에서 “순수한 배움의 문화가 꽃피는 자리인 애뉴얼 포럼이 치열한 토론과 아이디어 교환을 통해 연구자 스스로가 더욱 발전하는 계기가 되기를 희망한다”고 말했다.

수리과학 분야에서 첫번째 발표자로 나선 고등과학원 수학부 오성진 교수는 일반상대성 이론에 대한 비선형쌍곡방정식 연구로부터 도출된 아이디어를 플라즈마 상태의 홀-자기유체역학 분야에 적용한 결과를 소개했다.

또한, 화학 분야 발표자인 서울대학교 화학부 이동환 교수는 자기조립을 통해 1차원 기둥 모양의 나노와이어 구조가 만들어지는 원리를 설명하고, 구조와 나노와이어를 통한 에너지 전달 등 기능 사이의 상관 관계에 대한 최신 연구 결과를 공유했다.

삼성전자 미래기술육성센터 음두찬 센터장은 “반도체∙에너지∙인공지능∙로봇∙환경 등 광범위한 분야에서 연구 성과를 축적하고 있는 참여 연구자들에게 감사를 표현다” 며, “차곡차곡 쌓이고 있는 삼성미래기술육성사업의 연구 성과가 향후 우리 사회가 맞닥뜨리게 될 다양한 문제를 해결하는 기반이 될 것으로 기대한다”고 언급했다.

삼성미래기술육성사업은 우리나라의 미래를 책임지는 과학 기술 육성을 목표로 2013년부터 1조 5천억 원을 출연해 시행하고 있는 연구 지원 공익사업이다.

지금까지 총 634건의 연구과제에 8,125억 원의 연구비가 지원됐다.

삼성전자는 CSR 비전 ‘함께가요 미래로! Enabling People’ 아래 삼성미래기술육성사업, 스마트공장, C랩 아웃사이드, 협력회사 상생펀드 등 상생 활동과 청소년 교육 사회공헌 활동을 펼치고 있다.

▲ 20일 개최된 삼성미래기술육성사업, ‘2020 애뉴얼 포럼’에서 운영진과 참여 연구자들이 연구 결과에 대해 논의하고 있다.

이번에 선정된 과제는 기초과학 분야 15개, 소재 분야 7개, ICT 분야 9개 등 총 31개로 연구비 396.3억 원이 지원된다.

삼성전자는 이번에 발표한 과제를 포함해 지금까지 기초과학 분야 216개, 소재 분야 206개, ICT 분야 212개 등 총 634개 과제에 8,125억 원의 연구비를 지원했다.

□ 하반기 연구 과제, 생명과학·세포치료법·보행 로봇 제어 등 다양한 분야에서 선정

< 기초과학 >

기초과학 분야에서는 수리과학 5건, 생명과학 4건, 화학 4건, 물리학 2건 등 총 15개 과제가 선정됐다.

특히, 생리·자연현상의 기초 원리를 규명하기 위해 기존 가설에 대한 새로운 해석 또는 방법론을 연구하는 과제가 다수 선정됐다.

서울대학교 생명과학부 최명환 교수는 사람이 음식물을 먹으면 어떻게 ‘맛’을 느끼는지에 대한 연구를 진행한다.

현재 맛을 느끼는 현상에 대한 이론은 혀는 감각을 측정하는 등 단순한 센서로만 기능하고, 미각과 관련된 복잡한 정보처리는 모두 뇌에서 이뤄진다고 알려져 있다.

최교수는 혀에서 미각에 대한 정보처리가 가능하다는 새로운 이론을 제안하고 이에 대한 연구를 진행할 예정이다.

이 연구는 미각에 대한 패러다임 전환은 물론, 식품과 관련된 다양한 분야에서도 활용될 것으로 예상된다.

포스텍 화학과 서종철 교수는 나노미터 크기의 용액 방울 안에서 일어나는 분자의 움직임을 직접 관찰할 예정이다.

나노미터 크기의 아주 작은 공간에서 일어나는 화학 반응은 비커와 같은 용기처럼 넓은 공간에서의 반응에 비해 빠르게 진행되거나 전혀 다른 물질을 생성하는 등 특이한 현상을 보인다.

그러나, 나노미터 크기의 용액 방울 안에서 어떤 화학 반응이 일어나는지에 대해서는 구체적으로 알려져 있지 않아, 반응 생성물을 통해 간접적으로 유추하고 있는 실정이다.

서교수는 방사광가속기를 이용해 나노미터 크기의 용액에서 분자의 움직임과 화학 반응을 관찰하는 기법을 확립하고 반응 메커니즘을 규명할 계획이다.

연구가 성공적으로 진행되면 이제까지와는 전혀 다른 화학 반응들의 모형을 제시할 수 있을 것으로 예상된다.

< 소재 >

소재 분야에서는 세포치료법과 같은 의학 관련 분야뿐만 아니라 첨단 기술을 이용해 반도체, 디스플레이, 전지 등 주력 산업 경쟁력 강화에 기여할 수 있는 분야에서 총 7개 과제를 지원한다.

강원대학교 분자생명과학과 이지민 교수는 유전자의 이상 변화를 인지하는 동시에 치료가 가능한 차세대 세포치료법 기술 개발에 나선다.

세포치료는 환자의 질병 세포를 채취해 정상 세포로 바꾼 후, 환자에게 재주입하는 방식으로 뇌졸중, 백혈병과 같은 난치성 질환을 해결하기 위한 치료법이다.

이교수는 난임, 임신중독증 등 태반 형성에 문제가 생기는 사례에 집중해, 양·돼지 등 다른 종으로부터 추출한 외래 유전자를 도입하지 않는 차세대 세포치료법 기술 개발에 도전한다.

과제가 성공적으로 수행될 경우, 기존 세포치료법의 부작용으로 꼽혔던 암 발생 가능성 증가와 외래 유전자 도입에 따른 안전성 문제들을 최소화할 것으로 예상된다.

서강대학교 물리학과 유효빈 교수는 강유전체^[1]의 특성을 지배하는 인자에 대한 연구를 진행할 계획이다.

강유전체는 메모리 집적도 한계를 돌파해 반도체 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있다고 알려져 전 세계적으로 활발히 연구가 진행 중이다.

그러나, 강유전체는 균일하지 않은 적층, 소자 구동시 물성 변화 등 실용화를 위해 해결해야 하는 기술적 난제가 많다.

유교수는 오페란도^[2] 투과전자현미경 분석 등을 기반으로 소자 구동 중에 발생하는 빛의 간섭 무늬 변화를 측정해 강유전체의 구조 변화를 실시간으로 관찰할 계획이다.

이번 연구는 구동 중인 반도체 소자 내에서 강유전체의 전기·구조적 모델을 제시해, 반도체 집적도 향상에도 기여할 수 있을 것으로 예상된다.

< ICT >

ICT 분야에서는 보행 로봇 제어 등 미래 핵심기술 연구 분야와 차세대 망막 질환 진단 장비 등 헬스케어 분야에서 총 9개 과제가 선정됐다.

KAIST 기계공학과 황보제민 교수는 4족 보행 로봇이 스스로 목적지를 찾아갈 수 있는 기술 개발에 나선다.

4족 보행 로봇은 재해현장, 건설, 탐사 등 복잡하고 위험한 상황에서 인간을 대신할 수 있을 것으로 기대돼 연구가 활발히 진행 중이다.

그러나 현재 기술력으로는 평지에서 미리 설정해 둔 움직임만 구현 가능하다.

황보교수는 움직임 제어와 경로 탐색을 동시에 학습할 수 있는 시스템을 구현해, 복잡하고 험난한 지형에서 스스로 경로를 찾아 갈 수 있는 4족 보행 로봇 기술 개발에 도전한다.

연세대학교 주철민 교수는 안구 질환을 높은 해상도로 빠르게 진단할 수 있는 기술 개발에 나선다.

녹내장과 황반변성 등의 안구 질환은 실명의 주요한 원인으로 알려져 있으나, 일반 검사 장비로는 망막 질환 신호를 조기에 정밀하게 측정할 수 없어 진단과 치료에 어려움이 있다.

주교수는 높은 해상도의 편광 현미경과 영상 복원 알고리즘을 개발해 망막에 존재하는 다양한 세포를 3차원으로 영상화 할 수 있는 기술을 연구한다.

이 연구는 안구 질환 진단의 기존 기술 한계를 뛰어넘을 뿐만 아니라 인체 내 조직 구조, 세포 형태 측정 등 다양한 분야에 활용할 수 있는 결과를 제시할 것으로 기대된다.

□ 2013년부터 634개 연구 과제에 총 8,125억 원 지원

‘삼성미래기술육성사업’은 우리나라의 미래를 책임질 과학기술 연구 분야 육성·지원을 목표로 삼성전자가 2013년부터 1조 5천억 원을 출연해 시행하고 있는 연구 지원 공익사업이다.

매년 상·하반기에 각각 기초과학, 소재, ICT 분야에서 지원할 과제를 선정하고, 1년에 한 번 실시하는 ‘지정테마 과제 공모’를 통해 국가적으로 필요한 미래기술 분야를 지정해 해당 연구를 지원하고 있다.

또한, 연구 책임자가 연구 성과와 주요 이슈를 설명하고, 참석 연구자들과의 토론을 통해 새로운 아이디어를 얻는 ‘애뉴얼 포럼’, 연구 성과의 산업 활용도를 높이기 위한 R&D 교류회, 고품질의 IP출원을 지원하는 IP멘토링 등 다양한 프로그램도 운영하고 있다.

삼성전자는 CSR 비전 ‘함께가요 미래로! Enabling People’ 아래 삼성미래기술육성사업, 스마트공장, C랩 아웃사이드, 협력회사 상생펀드 등 상생 활동과 청소년 교육 사회공헌 활동을 펼치고 있다.

▲ 삼성미래기술육성사업 2020년 하반기 지원 과제에 선정된 교수들 포스텍 서종철 교수, 서강대 유효빈 교수, 강원대 이지민 교수, 연세대 주철민 교수, 서울대 최명환 교수, KAIST 황보제민 교수(왼쪽 위부터 시계방향)

□ 삼성미래기술육성사업 2020년 하반기 연구 지원 과제

이 연구는 미국 레이시온 비비엔 社, 하버드대학교, 매사추세츠 공과대학교, 스페인 바르셀로나 과학기술연구소, 일본 물질재료연구기구와 공동으로 진행됐다.

연구 결과는 차세대 양자정보기술 상용화를 위한 원천 연구로 인정받아 9월 30일(영국 현지시간) 최상위 국제학술지 ‘네이처(Nature)’에 게재됐다.

□ 소재와 구조 혁신 통해 양자기술 실용화 앞당길 초고감도 마이크로파 검출기 개발

전자기파의 한 종류로 전자레인지에 사용돼 우리에게 익숙한 마이크로파는 이동통신, 레이더, 천문학 등 폭넓은 과학 기술 분야에서 활용되고 있다.

최근에는 양자컴퓨팅, 양자정보통신 등 양자정보기술에도 활용 가능하다고 알려지면서, 마이크로파를 초고감도로 검출하려는 연구가 활발히 진행중이다.

현재 마이크로파 검출기로 사용되는 볼로미터는 마이크로파 흡수 소재, 흡수한 마이크로파를 열로 바꿔주는 소재, 발생한 열을 전기 저항으로 변환하는 소재로 구성되며, 전기적인 저항의 변화를 이용해 흡수된 마이크로파의 세기를 계산한다.

그러나, 볼로미터는 실리콘이나 갈륨비소 등 반도체 소자를 마이크로파 흡수 소재로 사용하기 때문에 검출 한계가 1초간 측정 기준 1나노와트(10억분의 1와트) 수준에 머무는 등 정밀한 세기 측정이 불가능했다.

이길호 교수 연구팀은 볼로미터의 소재와 구조 혁신을 통해 이 한계를 돌파했다.

먼저 마이크로파 흡수 소재로 반도체가 아닌 그래핀을 사용해 마이크로파 흡수율을 높였다.

그리고 두 개의 초전도체 사이에 그래핀을 끼워 넣는 ‘조셉슨 접합 구조’를 도입해 그래핀에서 발생하는 전기 저항 변화를 10피코초(1,000억분의 1초)이내로 검출할 수 있게 했다.

그 결과 마이크로파 검출을 이론적 한계인 1초간 측정 기준 1아토와트(100경분의 1와트) 수준으로 높일 수 있었다.

이길호 교수는 “이번 연구는 차세대 양자소자를 실제로 구현하기 위한 기반 기술을 구축했다는 데 의미가 있다”며 “이 기술을 활용하면 양자컴퓨팅 측정효율을 극대화해 대규모 양자컴퓨터 개발도 가능할 것으로 기대된다”고 말했다.

이길호 교수 연구팀의 이번 연구는 2017년 6월 삼성미래기술육성사업 과제로 선정돼 지원받고 있다.

□ 삼성미래기술육성사업, 2013년부터 1조 5천억 원 연구 지원

삼성미래기술육성사업은 우리나라의 미래를 책임지는 과학 기술 육성을 목표로 2013년부터 1조 5천억 원을 출연해 시행하고 있는 연구 지원 공익사업이다.

삼성미래기술육성사업은 지금까지 603개 과제에 7,729억 원을 집행했으며, 국제학술지에 총 1,255건의 논문이 게재되는 등 활발한 성과를 보이고 있다. 이 중 네이처(4건), 사이언스(5건) 등 최상위 국제학술지에 소개된 논문도 101건에 달한다.

삼성전자는 CSR 비전 ‘함께가요 미래로! Enabling People’ 아래 삼성미래기술육성사업, 협력회사 상생펀드, 스마트공장, C랩 아웃사이드 등 상생 활동과 청소년 교육 사회공헌 활동을 펼치고 있다.

▲ 마이크로파 세기를 기존 대비 약 10억 배 향상된 민감도로 검출할 수 있는 초고감도 검출기를 개발한 포스텍 물리학과 이길호 교수 연구팀. 정우찬 석박사 통합 과정 학생, 이길호 교수(사진 왼쪽부터)

삼성전자는 삼성미래기술육성사업을 통해 알츠하이머 진단·치료 관련 다양한 기초 연구를 지원 중에 있다.

현재까지 뇌손상 치료·뇌영상MRI·뇌영상유전학과 같은 뇌신경질환 분야와 뇌항상성·뇌기억·뇌신경회로와 같은 뇌연구 분야 등 알츠하이머 극복에 기여할 수 있는 기초 연구를 15개 지원했다.

삼성미래기술육성사업은 알츠하이머와 같은 뇌연구 분야 외에도, 면역·세포·유전자 치료 등 바이오·헬스 분야에서 사람들의 삶을 혁신적으로 바꿀 수 있는 기초 연구 분야를 지속 지원 중에 있다.

< 주변에서 흔히 볼 수 있는 질환, 알츠하이머 >

알츠하이머는 뇌 속에 아밀로이드베타나 타우단백질이 쌓이면서 독성을 일으켜 인지기능이 악화되는 병이다.

대한민국 65세 고령자 중 10%가 치매를 앓고 있으며, 치매 원인 중 74.9%가 알츠하이머로 주변에서 흔히 볼 수 있는 질환이다.
* 출처 : 중앙치매센터

통계청에 따르면 2018년 사망원인 중 알츠하이머가 9위를 차지하며 처음으로 10위권 내 진입했다.

그러나 알츠하이머는 조기 진단이 어렵고, 아직까지 정확한 원인이 밝혀지지 않았을 뿐만 아니라 치료법도 없는 상황이다.

< 기초 연구로 알츠하이머 정복 초석을 다지는 국내 교수진들 >

KAIST 생명과학과 정원석 교수는 ‘수면과 노화에서 뇌의 항상성을 조절하는 새로운 메커니즘’을 연구 중에 있다.

뉴런의 접합부인 시냅스는 수면과 노화에 따라 감소한다고 알려져 있다.

정교수의 연구는 뇌에서 면역 기능을 담당하고 있는 교세포들이 시냅스의 숫자가 유지되도록 조절하는 기능을 밝히고, 또 시냅스가 과도하게 제거되는 현상을 어떻게 방지할 수 있는지에 대한 것이다.

또, 시냅스를 제거하는 교세포의 포식작용을 역으로 이용해 아밀로이드베타나 타우단백질을 직접적으로 제거할 수 있는 방법도 연구하고 있다.

특히 이러한 기능이 수면과 노화에 따라 변화하는 현상을 연구해 뇌의 항상성을 조절하는 메커니즘을 밝히고 이를 통해 뇌 노화 억제와 알츠하이머와 같은 질환을 예방·치료하는데 새로운 방법을 제시할 것으로 기대하고 있다.

KAIST 바이오 및 뇌공학과 박성홍 교수는 ‘새로운 뇌 영상화 기법(Modality)-Neuronal Resonance MRI’를 연구 중에 있다.

박교수는 뇌막 림프관을 통해 뇌의 노폐물이 배출되는 경로를 밝히는 연구를 진행 중이다.

뇌에는 대사활동의 부산물로 노폐물이 생성돼 배출되는데, 노화에 따라 노폐물의 배출 기능이 저하된다고 알려져 있다.

박교수는 동물 실험으로 뇌의 기능을 떨어뜨리고 질병을 유발하는 노폐물이 뇌 하단에 위치한 뇌막 림프관을 통해 뇌 밖으로 빠져나가는 것을 뇌MRI 촬영 기술로 확인했다.

인간의 뇌 속 노폐물의 배출 경로도 밝혀진다면 그 경로를 집중적으로 자극하는 방식으로 치매와 같은 퇴행성 뇌질환 치료에 새로운 방향을 제시할 것으로 기대된다.

연세대학교 의과대학 정호성 교수는 ‘퇴화 저항성 축삭의 RNA오페론’ 을 연구 중에 있다.

건강한 뉴런은 축삭을 통해 다른 세포로 신호를 전달하는데, 축삭이 퇴화되면 뉴런의 정상적인 활동이 불가능해진다.

축삭 퇴화를 연구하면 뉴런이 죽는 이유와 정상 세포의 퇴화를 억제하는 원리를 밝혀낼 수 있어 알츠하이머·파킨슨·루게릭병과 같은 신경 퇴행성 질환에 새로운 치료법을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.

서울대학교 물리천문학부 박혜윤 교수는 ‘살아있는 뇌 안의 기억흔적 영상 기술’을 연구하고 있다.

살아있는 뇌에서 기억의 형성·저장·인출 과정이 어느 부위에서 어떻게 일어나는지를 실시간으로 파악할 수 있는 영상 기술 연구이다.

박교수는 장기 기억 형성에 연관되어 있다고 알려진 유전물질(베타액틴 RNA)을 살아있는 동물에서 바로 영상화해 기존 연구와 차별화했다.

박교수의 연구는 장기 저장 기억의 정상적인 인출 과정과 병리적인 상태에서의 차이점을 밝혀 향후 알츠하이머에 객관적이고 정량적인 지표로 활용될 것으로 기대된다.

< 삼성미래기술육성사업, 도전적·혁신적 연구 지원으로 새로운 연구 문화 주도 >

삼성미래기술육성사업은 우리나라의 미래를 책임지는 과학 기술 육성을 목표로 2013년부터 1조 5천억 원을 출연해 시행하고 있는 연구 지원 공익 사업이다.

연구자는 연구 주제, 목표, 예산, 기간 등에 대해 자율적으로 제안하고 연구 목표에는 논문, 특허 개수 등 정량적인 목표를 넣지 않는다.

또, 매년 연구보고서 2장 이외에 연차 평가, 중간 평가 등을 모두 없애 연구자가 자율적으로 연구에 매진할 수 있도록 했다.

도전적인 연구를 해 목표를 달성하지 못하더라도 책임을 묻지 않고, 실패 원인을 지식 자산으로 활용하도록 하고 있다.

삼성미래기술육성사업은 연구진들이 연구 성과를 공유하고 새로운 아이디어를 교류하는 ‘애뉴얼 포럼’, 연구 성과의 산업 활용도를 높이기 위한 ‘R&D 교류회’, IP출원을 지원하는 ‘IP멘토링’ 등 다양한 프로그램도 운영하고 있다.

지금까지 603개 과제에 7,729억 원을 집행했으며, 국제학술지에 총 1,246건의 논문이 게재되는 등 활발한 성과를 보이고 있다. 이 중 네이처(3건), 사이언스(5건) 등 최상위 국제학술지에 소개된 논문도 97건에 달한다.

삼성전자는 CSR 비전 ‘함께가요 미래로! Enabling People’ 아래 삼성미래기술육성사업, 스마트공장, C랩 아웃사이드, 협력회사 상생펀드 등 상생 활동과 청소년 교육 사회공헌 활동을 펼치고 있다.

▲ 인간의 뇌를 형상화한 그래픽

▲ 뇌의 대사활동으로 생성된 노폐물의 배출 경로를 연구하는 KAIST 박성홍 교수 연구 관련 그래픽

▲ 서울대학교 박혜윤 교수 연구팀의 연구원이 살아있는 뇌 안에서의 기억흔적 영상화 연구를 하고 있다.

▲ 뇌 속 면역세포가 건강한 시냅스를 공격하는 이상 현상을 표현한 그래픽. KAIST 정원석 교수는 면역 기능을 담당하는 교세포의 포식작용을 연구한다.

▲ 삼성미래기술육성사업의 지원을 받아 알츠하이머 관련 연구를 진행하는 연구자들. KAIST 박성홍 교수, 연세대학교 정호성 교수, KAIST 정원석 교수, 서울대학교 박혜윤 교수(왼쪽 위부터 시계방향)

이번 연구 결과는 26일(미국 현지시간) 세계적인 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 온라인에 공개됐다. 사이언스 어드밴시스는 이번 연구를 홈페이지 표지 이미지 중 하나로 선정하며 비중 있게 다뤘다.

2015년 12월 삼성미래기술육성사업 과제로 선정돼 지원받은 이번 연구는 NT(나노기술)-BT(바이오기술)-IT(정보통신기술) 융합의 훌륭한 사례다.

▲ 왼쪽부터 김선기 박사(1저자), 남좌민 교수(교신저자), 서진영 학생(공동저자)

□ 나노입자 기반 플랫폼으로 확장성이 큰 DNA 컴퓨팅 아키텍처 구현

DNA 컴퓨팅^[1]은 빠른 속도와 작은 크기, 사람의 몸속에서도 작동할 수 있다는 점 등에서 기대를 모으고 있다. 하지만 일반적인 컴퓨터처럼 구성 요소가 모듈화되어 있지 않고, 안정적인 아키텍처를 구성하기 어려워 응용이 더딘 상황.

남좌민 교수 연구팀은 나노입자^[2] 기반의 인공세포막 플랫폼을 활용해 이 문제에 대한 솔루션을 제시했다.

인공세포막 칩 위에 배열된 DNA입자·나노입자·DNA분자가 포함된 용액을 통해 연산을 수행하는데 용액 속 DNA를 조절해 원하는 결과를 안정적으로 얻을 수 있다. DNA입자와 나노입자가 하드웨어의 역할을, 용액 속 DNA가 소프트웨어의 역할을 수행하도록 구성을 분리함으로써 일반적인 컴퓨터 구조를 구현한 것이다. 이를 활용하면 DNA 컴퓨팅을 다양한 IT 기술에 안정적으로 접목할 수 있는 길이 열린다.

□ 인공신경망 구현, 스마트 바이오메디컬 응용기술 개발 박차

이번 연구는 인공지능의 핵심 기술 중 하나인 인공신경망^[3]을 나노입자 기술을 통해 최초로 구현했다는 점에서도 큰 의미를 갖는다.

현재 남좌민 교수 연구팀은 인공지능을 가진 △질병 진단용 바이오센서 △신약 스크리닝 칩 △DNA 나노로봇 등 응용기술 개발을 진행하고 있다.

남좌민 교수는 “이번 연구를 통해 DNA 컴퓨팅 아키텍처에 기반한 나노입자를 본격적으로 활용할 수 있고, 나노입자의 다양한 기능을 딥러닝(deep-learning) 등에 녹여내 바이오센서나 인공지능을 가진 분자·나노로봇에 응용할 수 있는 길이 열렸다”고 말했다.

한편, 삼성미래기술육성사업은 이번 남좌민 교수 연구를 비롯, 우리나라의 미래를 책임지는 과학 기술 육성을 목표로 2013년부터 1조 5천억 원을 출연해 연구 지원 사업을 진행하고 있다. 지금까지 603개 과제에 7,729억 원을 집행했으며, 국제학술지에 총 1,246건의 논문이 게재되는 등 활발한 성과를 보이고 있다.