공공연구 성과 확산·활용을 위한 기술사업화 모델 수립 및 검증

이재은 과학기술연합대학원대학교 2016 국내석사

공공연구 성과의 기술사업화가 경제성장을 위한 새로운 동력으로서 인식됨에 따라 이의 중요성이 나날이 부각되고 있으나 실제 기술사업화 성과는 충분하지 못하다. 기술사업화 성과 창출 촉진을 위하여 다양한 정책 수단이 강구되고 있으나 기술사업화에 대한 논의를 진행하기 위한 기존의 이론적 틀 및 이에 기반한 예측 모형이 현실과 괴리를 나타내어 각종 정책이 충분한 이론적 기반을 바탕으로 기획 및 추진되지 못하고 있다. 바람직한 기술사업화 모델은 기술의 유형화, 수요기업의 존재 여부 및 분포의 예측, 경제적 가치의 예측 및 이들 사항에 기반한 기술사업화 성과 예측이 가능해야 하며, 이를 위해서 각 기술의 유형별로 현존하는 기업들이 어떤 행동을 보일 지에 대한 예측과 다양한 외부 요인에 대한 고려가 가능해야 한다. 이러한 조건을 만족시키는 기술사업화 모델을 구축하기 위해서 본 연구에서는 기술을 현존 기술 및 경쟁 기술과의 관계에 따라 유형화하고, 이를 신사업 기회에 대한 각 기업의 행동 패턴과 매칭시키는 방법으로 기술사업화 성과의 예측 모델을 구축하였으며, 구축된 모델의 타당성을 화학 관련 정부출연연구소인 K연구원의 기술사업화 성과를 이용하여 검증하였다. 본 연구에서는 이에 더하여 구축된 모델을 통하여 현재 활발히 진행되고 있는 수요맞춤형 기술사업화 확대 방안이 타당한지에 대한 검증을 시도하였으며, 공공부문의 우수 기술사업화 성과 창출을 위해서는 기술 수요가 높은 산업군에 집중하여 우수 ․ 원천 기술의 공급을 촉진하는 것이 필요하며, 우수 기술의 개발을 위한 장기간 ․ 대규모의 우수 기술 개발 과제 지원, 등의 전략적 대응이 필요하다는 결론를 얻을 수 있었다. 앞으로 본 모델에 대한 보다 철저하고 정량적인 검증 연구와 개선이 필요할 것이나, 본 연구의 결과물은 향후 기술사업화 관련 논의를 위한 기본 틀로서 유용할 것이다. Since the technology commercialization of government funded research institute is pointed out as an important driving factor of economic growth, the government has carried out various policies to make the best outcome from the technology commercialization of the research results of the government funded research institute. However, the actual outcome of the technology commercialization of government funded research institute was not good enough, and there were opinions that the commercialization of the results of government funded research institutes were not done properly. Therefore, in this research it aims to contribute to the successful activation of commercialization of public research results by providing the new technology commercialization model that describes well the technology transfer aspects of public technology. To establish the new technology commercialization model, categorized the technology into 4 categories according to the technological risk (high, middle, low) and market risk (high, middle, low), and matched with the predicted action pattern of the companies towards the categorized technology which can be a new business opportunity. In order to verify the validity of the model the actual commercialized case of ‘K’ government funded research institute has been reviewed.

Polybenzimidazole-based Ion Solvating Membranes for Electrochemical Energy Conversion and Storage

Muhammad Mara Ikhsan 과학기술연합대학원대학교 한국과학기술연구원(KIST) 2025 국내박사

Polybenzimidazole 기반 이온 용매화막을 이용한 전기화학적 에너지 변환 및 저장 작성자: Muhammad Mara Ikhsan 에너지공학, KIST-School 과학기술연합대학원대학교 지도교수: Prof. Dr. Dirk Henkensmeier 급격한 기후 변화로 인해 화석 연료 기반 에너지에서 재생 가능한 에너지로의 전환이 가속화 되고있다. 재생에너지를 이용해 생성된 전기에너지를 저장하고 다시 변환하기 위해 배터리, 수전해, 연료 전지와 같은 전기화학적 에너지 장치가 유망한 후보로 평가받고있다. Polybenzimidazole (PBI)은 양쪽성 특성, 우수한 화학적 안정성, 불소가 없는 화학 구조로 인해 전기화학적 에너지 장치의 막으로 특히 주목받고 있다. 바나듐 레독스 흐름 전지 (VRFB)에서 양성자가 도핑된 PBI는 Donnan 효과와 크기 배제 효과를 통해 바나듐 이온 교차를 감소시키는 이점을 제공하지만, 이온 전도도가 2-5 mS cm⁻¹로 낮다는 한계가 있다. 본 연구에서는 메타-PBI(mPBI) 막의 전도성을 향상시키기 위해 황산(H2SO4)을 이용한 고농도 전처리를 수행했다. 25 °C에서 10 M 황산을 이용한 전처리를 통해 최적의 성능과 높은 선택성을 얻을 수 있었으며, 80 mA cm⁻²에서 500 사이클 동안 99.5%의 쿨롬 효율(CE)과 89.6%의 에너지 효율(EE)을 기록했다. 또 다른 이온 전도도 향상 방법으로는 얇은 PBI를 바나듐 차단층으로 사용해 저항을 줄이면서 초기 좁은 형태를 유지하는 것이 있다. 그러나 전도성이 없는 다공성 지지체 위에 박막을 제작할 시, Shadowing 효과가 발생해 박막을 얇고 균일하게 유지하기 어렵다는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 42% 술폰화된 폴리스타이렌(S)과 1-2 μm 두께의 PBI 층(P)을 결합한 이중층 막을 개발하였다. 이 막은 높은 화학적 안정성, 감소된 바나듐 투과성, 그리고 나피온보다 높은 선택성을 보여주었다. 최적화된 막인 PSSP(1-25-25-1)은 100 mA cm⁻²에서 88.5%의 EE와 3500 사이클 이상의 안정성을 유지했다. 추가적으로, VRFB의 막 의존성을 제거하기 위해 PBI 바나듐 차단층을 탄소 전극에 직접 적용했다. 황산화(sulfonated)된 SEBS(sSEBS)를 접착제로 사용하여 PBI 차단 탄소 전극을 제작하였다. 위 전극은 젤 형태의 비선택적 저저항 PBI 막과 함께 VRFB 단일 셀 테스트에서 우수한 성능을 보였으며, 75 mA cm⁻²에서 CE, VE, EE는 각각 97.6%, 89.7%, 87.6%를 기록했다. (What is VE?) 알칼리 전해질에서 부분 황산화된 OPBI(50SOPBI)는 우수한 치수 안정성과 전도성을 보여주었으며, 1 M KOH에서 80 °C에서 358 mS cm⁻¹의 전도성을 기록했다. 장기 안정성 테스트에서도 열화 없이 전도도가 증가했으며, AEMWE는 2 V, 3 M KOH, 80 °C, Pt/NiFe 조건에서 4.82 A cm⁻²를 달성했다. 산화전극에서 발생하는 산소에 포함 된 수소를 측정하였을 때 수소는 산소의 2% 미만으로 유지되었으며, 비귀금속 전극 및 PPS 보강 막을 사용한 셀은 1000시간 이상의 내구성을 보였다. 비용 분석 결과, PBI 기반 막인 50SOPBI는 m²당 비용이 $59이므로 상업용 Piperion의 m²당 비용이 $1400인 것을 고려하면 막 제작비를 96%가량 인하할 수 있다. 이러한 연구 결과는 VRFB 및 AEMWE 응용 분야에서 PBI 기반 막이 뛰어난 성능, 내구성 및 경제적 이점을 제공하며 비용 효율적인 친환경 수소 생산의 길을 열어줄 유망한 후보로 자리 잡고 있음을 보여준다. 주요단어(Keywords) : 이온 용매화막, polybenzimidazole, 바나듐 레독 스 흐름 전지, 물 전기분해. Polybenzimidazole-based Ion Solvating Membranes for Electrochemical Energy Conversion and Storage By Muhammad Mara Ikhsan Energy Engineering, KIST-School University of Science and Technology Advised by Prof. Dr. Dirk Henkensmeier The rapid climate change has been driving an energy transition from fossil-based to a clean and renewable energy. For storing and converting back the excess generated energy, electrochemical energy devices such as flow batteries, electrolysers, and fuel cells are viewed as strong candidates. Polybenzimidazole (PBI) has gained significant attention as a versatile material, especially as membranes for electrochemical energy devices due to its amphoteric nature, excellent chemical stability, and fluorine-free chemistry. In vanadium redox flow batteries (VRFBs), protonated PBI offers reduced vanadium ion crossover through Donnan and size exclusion effects but faces challenges with low ionic conductivity in the range of 2-5 mS cm-1. In this study we enhanced the conductivity of meta-PBI (mPBI) membranes through pre-treatment with a higher concentration of H₂SO₄, achieving optimal performance with a 10 M H₂SO₄ treatment at 25 °C, leading to high selectivity and improved performance metrics, including Coulombic efficiency (CE) of 99.5% and energy efficiency (EE) of 89.6% at 80 mA cm-2 over 500 cycles. Another approach to reduce the resistance of PBI but still keeping the initial narrow morphology is by using very thin PBI as vanadium blocking layer. This is challenged by the high fragility of free-standing thin layers. To eliminate shadow effects from non-conductive porous supports, bilayer membranes combining sulfonated polystyrene with 42 degree of sulfonation (S) and 1-2 μm thin PBI layers (P) were developed. They demonstrated remarkable chemical stability, reduced vanadium permeability, and higher selectivity than Nafion. The optimized PSSP (1-25-25-1) configuration achieved an EE of 88.5% at 100 mA cm-2 and stability over 3500 cycles at significantly reduced material costs. Additionally, to further eliminate the dependency of VRFB on membrane properties, PBI vanadium blocking layers were directly applied on carbon electrodes. PBI-laminated carbon electrodes, fabricated using a sulfonated SEBS (sSEBS) as adhesive, exhibited excellent performance in VRFB single-cell tests with gel PBI as non- selective low-resistance membrane. CE, VE, and EE at 75 mA cm- 2 reached 97.6%, 89.7%, and 87.6%, respectively. In alkaline environments, partially sulfonated OPBI (50SOPBI) showed enhanced dimensional stability and conductivity, reaching 358 mS cm⁻¹ at 80 °C in 1 M KOH. Long-term stability tests demonstrated no degradation, with conductivity increasing over time. An AEMWE reached 4.82 A cm-2 at 2 V, 3 M KOH, 80 °C, Pt/NiFe. H2 in O2 remained <2%, and with non-PGM electrodes and PPS-reinforced membranes, a cell operated for >1000 hours without failure. A cost analysis revealed that PBI-based membranes significantly reduce material expenses, with 50SOPBI costing $59 m⁻² compared to commercial Piperion at $1400 m⁻². These findings position PBI-based membranes as promising candidates for VRFB and AEMWE applications, offering exceptional performance, durability, and economic advantages, paving the way for cost-effective green hydrogen production. Keywords: Ion-solvating membranes, polybenzimidazole, vanadium redox flow batteries, water electrolysis * A thesis submitted to committee of the University of Science and Technology in a partial fulfillment of the requirement for the degree of Doctor of Philosophy conferred in February 2025

구조응력 기반 Master S-N 선도를 이용한 노치를 가진 Al 7075 시편의 피로수명예측

황성철 과학기술연합대학원 대학교 2015 국내석사

일반적으로 설계자들은 노치를 가지는 구조물에 대하여 정적/동적 하중상태에서 노치에 따른 응력 집중 파라미터인 응력집중계수(Kt)와 응력확대계수(ΔK)를 이용하여 피로설계를 하고 있다. 그러나 기하학적으로 표현 할 수 없는 노치의 존재로 인한 수치적인 접근이 어렵기 때문에, 실제 기계 부품들에서의 응력집중 파라미터의 값은 알려지지 않거나 산정하기 어려운 경우가 많다. 근래들어 설계시 응력집중계수 (Kt)를 사용하지 않는 FEM(Finite Element Method) 등의 해석을 이용하여 노치부위의 응력을 결정하고 있으나, 이 방법 또한 요소의 크기에 따라 응력결과 달라지는 요소 민감성으로 인해 응력값을 계산해 내기가 어렵다. 이를 보완하기 위한 방법으로 용접 분야에서는 노치부위의 피로수명 평가 시 핫스팟 방법과 구조응력법이 제안되었으며, 일반 노치 부위에도 구조응력 기반 Master S-N 선도를 이용한 피로예측이 시도되었다. 본 논문에서는 Battelle 연구소에서 수행한 Al 7075-T6 노치시편(Kt=1.5,2,4,5))에 대한 피로시험데이터로 부터 구조응력을 계산하고 Master S-N 선도를 작성하였다. 또한 선도의 유용성과 정확도를 검토하기 위해 Kt가 3에 해당하는 시편에 대해 Master S-N 선도를 이용하여 피로수명을 예측하고 시험을 수행 후 비교분석하였다. 추가적으로 응력-수명방법, 변형률-수명방법, LEFM(Linear Elastic Fracture Mechaism)방법과 핫스팟 방법을 이용한 예측결과와 실험결과를 비교 하였다. 연구 결과 임의의 응력 집중 계수를 갖는 노치가 있는 구조물에 대한 피로수명평가에 마스터 S-N 선도를 적용하는 것이 가능하다는 것을 보여준다.

포장 공정 정밀 제어를 위한 물체 인식 기술

표지형 과학기술연합대학원대학교 2017 국내석사

최근 제조 생산 현장에서는 산업용 로봇과 비전 센서 기반 물체 인식 기술을 도입하여 생산 공정을 자동화하려는 움직임이 활발하다. 머신 비전 카메라와 조명 장치 기술의 발전과 가격 저하는 물체 인식 기술을 실제 현장에 적용하여 생산성을 향상시키는 결과를 가져왔다. 그러나 물체 인식 기술은 생산 현장의 다양한 조명 조건과 변종 변량 생산 방식의 제조 현장 패러다임의 변화로 인하여 인식 대상 물체 형태나 종류가 다양해짐에 따라 인식 성능이 저하되는 문제점이 나타났다. 특히, 물체의 위치, 거리 및 각도를 정밀하게 추정한 결과를 포장이나 조립 등의 생산 공정에 자동화에 적용하려는 요구가 증대됨에 따라 생산 현장 환경에 민감하지 않고 정밀하게 물체를 인식하는 기술 개발에 대한 필요성이 점점 증가하고 있는 추세이다. 본 논문에서는 조명 영향에 강인한 물체 위치 정밀 검출, 물체의 회전 각도에 불변한 물체 인식 및 로봇 좌표 정밀 보정 알고리즘을 바탕으로, 포장 공정 정밀 제어를 위한 물체 인식 기술에 대하여 제안하였다. 조명과 그림자 영향에 강건한 물체 검출을 위하여 머신비전 카메라의 단계적 노출값 조정 영상을 바탕으로 국소 영역 기반 적응적 이진화 방법을 결합한 전처리와 회전 불변 특징을 기반으로 물체의 위치를 정밀 검출하는 알고리즘을 구현하였다. 물체 영역 내의 특징이 되는 블럽을 분석하여 회전각 정밀 추정 방법과 로봇 좌표계 상의 카메라 위치, 카메라와 물체 사이 거리 및 마커가 이루는 평면과 물체 사이의 거리의 물리적인 정보를 이용하여 로봇 좌표 정밀 보정 알고리즘을 구현하였다. 본 논문에서 제안하는 방법의 타당성을 증명하기 위해서 휴대폰 포장 공정에서 사용되는 마스터박스(Masterbox)와 유닛박스(Unitbox)를 이용하여 물체 검출 및 인식 실험을 수행하였다. 또한, 휴대폰 액세서리 빈피킹 공정에서 고심도 물체 위치 보정과 물체 회전각 정밀 추정 실험을 진행하였다. 조명 조건과 물체 자세 및 위치를 다르게 하면서 획득한 1,000장의 데이터베이스를 이용하여 실험한 결과, 10.15 픽셀만큼 물체 위치 추정 오차를 향상시켰고, 98.33%의 물체 인식 성능을 나타내었다. 물체의 위치, 거리 및 자세 추정 정밀도에서 각각 3.31mm, 1.34mm, 0.154°의 추정 오차와 고심도 물체 위치 추정 실험에서는 약 0.8mm 이내의 3차원 위치 추정 오차를 얻을 수 있었다.

정부출연연구기관과 중소기업의 기술사업화 협력방안에 관한 연구 : E연구원의 후속R&D 영향요인과 장기적 협력 영향요인을 중심으로

송민경 科學技術聯合大學院大學校 2017 국내석사

인적·물적 자원이 열악한 중소기업은 글로벌 무한경쟁의 기업환경 하에서 어떻게 해야 사업의 지속성을 확보할 수 있을까? 내부 역량만으로는 시장의 빠른 변화와 급속히 짧아지는 기술수명주기에 대응하기가 쉽지 않다. 외부와의 개방적 협력이 필수적이다. 특히, 정부출연 연구기관으로부터의 기술획득은 기존 제품의 경쟁우위 상실을 조기에 극복하고 사업화의 지속성을 확보할 수 있는 좋은 방편이다. 하지만 획득한 기술만으로는 연구개발의 특성상 기업에게 차별적 경쟁우위가 될 수 없다. 이를 극복하기 위해서는 기업의 사업화전략에 맞는 후속R&D가 필수적이다. 이에 본 연구에서는 중소기업이 정부출연 연구기관으로부터 기술이전을 받을 때, 기술이전의 어떤 요인이 중소기업의 후속R&D수행에 영향을 미치는지 실증적으로 분석하였다. 분석결과, 정부출연 연구기관과의 R&D수행에 참여하지 않았고, 이전기술이 매출기여도가 낮더라도 기업의 기술적 기여가 클수록 후속R&D수행의사가 높은 것으로 나타났다. 더불어 지속적인 기술사업화를 위하여 출연(연)과 중소기업의 협력이 장기적으로 지속될 수 있도록 유인하는 영향요인이 무엇인지 검증하기 위해 이전 받은 기술의 상용화를 목적으로 개발인력을 중소기업에 파견하는 사업을 분석하였다. 분석 결과, 기업은 출연(연)과의 협력을 통해 획득한 기술적, 경제적 성과보다 오히려 지원받은 내용의 질과 관계된 인력 및 행정절차의 만족도가 높을 때 장기적 관계지속을 위한 관계의도가 높아지며, 지원성과는 지원요소와 장기적 협력관계 형성사이의 매개요인으로 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 이는 향후 출연(연)이 중소기업과 보다 효과적으로 협력하기 위해서는 일회적 관계에 기반을 둔 단순 지원의 확대보다는 지원프로세스 및 지원내용의 질적수준을 향상시킬 수 있는 방향으로 개편해 나가야 함을 시사해 준다.

Manipulation of Lipophilic Antioxidants to Enhance Abiotic Stress Tolerance and Nutritional Quality in Sweetpotato

김소은 과학기술연합대학원 대학교 2022 국내박사

The dramatic increase of global population combined with rapid industrialization has led to great strains on global food, nutrition and energy supplies. According to estimates of the Food and Agriculture Organization of the United Nations (UN-FAO), the world population will be more than 9.7 billion by 2050 and 11 billion by 2100. FAO anticipate that global food and energy requirements in 2050 will exceed current needs by more than 1.7-fold and 3.5-fold, respectively. In order to solve these global issues such as food and nutrition security in the face of climate change and aging society, it is necessary to develop food crops that are resistant to environmental stress with enhanced essential nutrients. Sweetpotato [Ipomoea batatas (L.) Lam] is the sixth most important starch crop in the world and has rich source of starch, low molecular weight (LMW) antioxidants, dietary fiber and potassium. High levels of LMW antioxidants are an important for both the plant protection to environmental stress and nutritional merits for human being as anti-aging and anti-disease agents. LMW antioxidants in plants can be divided into lipid-soluble antioxidants such as carotenoids and tocopherols (vitamin E) and water-soluble antioxidants such as ascorbic acid (vitamin C), glutathione and polyphenols. In previous study, sweetpotato IbOr protein isolated form an orange-fleshed sweetpotato, with strong holdase chaperone activity, protects a key enzyme, phytoene synthase (IbPSY), in the carotenoid biosynthetic pathway and stabilizes a photosynthetic component, oxygen-evolving enhancer protein 2-1 (IbPsbP), under heat and oxidative stresses in plants. In addition, previously, five tocopherol biosynthetic genes were isolated and investigated their expression levels in leaves under drought, salt, and oxidative stresses. In this study, gene manipulation of lipid-soluble antioxidants such as carotenoids and tocopherols was conducted to develop transgenic sweetpotato plants with enhanced abiotic stress tolerance and nutrition quality through plant biotechnology. The major results are as follows. 1) Site-directed mutagenesis of the IbOr gene, leading to Arg to His substitution at position 96 in the IbOr protein (IbOr-R96H), was performed and IbOr-R96H transgenic sweetpotato calli and plants using a white-fleshed sweetpotato cultivar, Xushu 29, were successfully generated. Transgenic sweetpotato calli overexpressing IbOr-R96H with a dark-orange color exhibited 13.3-fold higher total carotenoid contents and 39.3-fold higher levels of β-carotene than those in IbOr-WT calli with a light-yellow color. Interestingly, transgenic calli overexpressing IbOr-R96H showed increased tolerance to salt (150 mM NaCl) and heat (47°C) stresses. In addition, storage roots of transgenic sweetpotato plants overexpressing IbOr-WT and IbOr-R96H exhibited a light-yellow color and light-orange color, respectively. The total carotenoid contents and β-carotene content of IbOr-R96H storage roots were up to 6.1- and 99.3-fold higher, respectively, than those of IbOr-WT storage roots. Particularly, the β-carotene content of IbOr-R96H storage roots was up to 186.2-fold higher than that of NT storage roots. In addition, leaf discs excised from IbOr-R96H plants showed greater tolerance to heat stress (47°C) than NT and IbOr-WT plants. 2) To further analyze the regulatory mechanisms of IbOr, through yeast two hybrid (Y2H) screening, I found several potential candidates interacting with IbOr protein. I conducted to elucidate the mechanism for regulating environmental stress resistance in relation to the interaction between IbOr and chlorophyll a,b-binding protein (CAB) which is one of the proteins constituting the photosystem. Sweetpotato CAB protein (IbCAB) were isolated and confirmed interaction with IbOr-WT and IbOr-R96H protein using co-immunoprecipitation (Co-IP) and bimolecular fluorescence complementation (BiFC) assay. In order to resolve the regulatory mechanism through this interaction, IbCAB expression pattern analysis under various environmental stress conditions and light-related stress tolerance assay are under investigation. 3) Previously, isolation of 4-hydroxyphenylpyruvate dioxygenase (IbHPPD) and tocopherol cyclase (IbTC) genes in tocopherol biosynthesis pathway has been conducted. Transgenic sweetpotato plants overexpressing IbHPPD (referred as HP plants) and IbTC (referred as TC plants) were generated to understand the function of tocopherol biosynthetic genes in sweetpotato. Compared with non-transgenic (NT) plants, HP plants exhibited enhanced tolerance to multiple environmental stresses, including salt, drought, and oxidative stresses. In addition, HP plants showed increased tolerance to the herbicide sulcotrione, which is involved in the inhibition of the HPPD. Interestingly, under dehydrated condition, HP plants displayed an elevated α-tocopherol content to 19–27% in leaves compared with NT plants. Additionally, the content of α-tocopherol was 1.6–3.3-fold higher in TC leaves than in NT leaves. Compared with NT plants, TC plants showed enhanced tolerance to multiple environmental stresses, including salt, drought, and oxidative stresses. In conclusion, (1) my results demonstrate that overexpression IbOr-R96H in sweetpotato exhibited enhanced production of carotenoids and environmental stress tolerance and will facilitate the development of new cultivars with enhanced nutritional content and environmental stress tolerance. (2) I anticipate that site-specific mutagenesis of IbOr combined with CRISPR-Cas9-mediated base-editing techniques could be an effective tool for the improvement of carotenoid contents in various plant species. (3) It has been suggested that the interaction of IbOr and IbCAB protein plays an important role in photosynthesis. (4) In addition, IbHPPD and IbTC overexpressing transgenic sweetpotato plants showed an enhanced tolerance to various abiotic stresses. (5) Taken together, results of this study suggest that the manipulation of lipophilic antioxidants represents useful resource for developing crops with increased antioxidant levels and abiotic stress resistance. And it would help mitigate the global food, nutrition and energy security issues in the face of global climate change, thus facilitating the establishment of a sustainable society. 산업혁명 이후 급속한 산업화와 세계 인구 증가는 심각한 글로벌 기후변화뿐만 아니라 식량, 에너지, 보건문제를 초래하고 있다. UN 식량농업기구 (FAO)는 2050년 세계인구는 97억 명, 2100년에는 110억 명에 도달하게 될 것이며 현재 추세대로 식량과 에너지를 사용한다면 2050년에는 식량과 에너지가 각각 지금의 1.7배와 3.5배 이상 필요할 것이라 전망했다. 기후위기시대, 고령화 시대에 대응하기 위해서는 환경스트레스에 잘 견디고 영양성분이 강화된 식량작물 개발이 필요하다. 고구마[Ipomoea batatas (L.) Lam.]는 세계 6대 식량작물로 전분 뿐만아니라 비타민C, 베타카로틴 등 각종 항산화물질, 식이섬유, 칼륨 등이 풍부하여 건강식품으로 재평가되고 있다. 저분자 항산화물질은 환경스트레스로부터 식물체를 보호하고 인간의 노화방지, 각종 질병 예방 등에 중요한 역할을 한다. 저분자 항산화물질은 카로티노이드, 토코페롤 (비타민E)과 같은 지용성 항산화물질과 아스코르브산 (비타민C), 글루타티온, 폴리페놀과 같은 수용성 항산화물질로 크게 분류할 수 있다. 선행연구에서 분리한 고구마 Orange (IbOr) 단백질은 강한 샤페론활성을 가지면서 카로티노이드 축적뿐만 아니라 고온, 건조, 염 등 다양한 환경스트레스에 저항성을 유도하였다. IbOr 단백질은 고온 등 스트레스 조건에서 카로티노이드 생합성에 중요한 phytoene synthase (IbPSY) 단백질과 광합성 광계II 단백질의 하나인 oxygen-evolving enhancer protein 2–1 (IbPsbP) 단백질과 결합하여 식물을 보호하는 것이 확인되었다. 또한 고구마에서 토코페롤 생합성에 중요한 유전자들이 분리되어 환경스트레스 관점에서 유전자 발현 등이 조사된 바 있다. 본 연구에서는 고구마의 지용성 항산화물질인 카로티노이드와 토코페롤을 형질전환기술을 이용한 대사조절로 지용성 항산화물질을 다량 함유하면서 복합 환경스트레스에 잘 견디는 복합기능성 고구마 개발을 위한 기반기술을 확보하고자 연구를 수행하여 다음과 같은 주요 결과들을 도출하였다. 1) 고구마 IbOr 단백질 염기서열에서 96번째 아미노산을 아르기닌 (R)에서 히스티딘 (H)로 치환시킨 IbOr-R96H 변이체를 제작하여 저장뿌리 속이 흰색인 고구마 품종 (Xushu 29)에 과발현 한 형질전환 캘러스와 식물체를 개발하였고 변이체의 기능을 IbOr (IbOr-WT)와 비교하였다. IbOr-R96H 배양세포는 IbOr-WT 배양세포보다 전체 카로티노이드와 베타카로틴 함량이 각 약 13.3배와 약 39.3배 증가하였다. 또한 IbOr-R96H 배양세포는 고염 (150 mM NaCl), 고온 (47°C) 스트레스에서 내성을 나타내었다.IbOr-WT 과발현 고구마와 IbOr-R96H 과발현 고구마의 저장뿌리에서 IbOr-WT은 노란색, IbOr-R96H는 옅은 주황색의 표현형을 띄었다. IbOr-R96H 과발현 저장뿌리의 전체 카로티노이드와 베타카로틴 함량은 IbOr-WT 식물체에 비해 각각 최대 약 6.1배와 99.3배 증가하였다. 특히 IbOr-R96H 식물체 저장뿌리의 베타카로틴 함량은 NT식물체에 비해 최대 약 186.2배 증가되었다. 또한 잎 절편 (leaf disc)를 이용한 고온 (47°C) 스트레스 내성 실험에서 IbOr-R96H 과발현 형질전환 고구마 식물체가 IbOr-WT식물체보다 47°C 고온에 더 강한 저항성을 가지는 것을 확인하였다. 2) IbOr 단백질의 기능을 자세히 규명하기 위해 yeast two hybrid (Y2H) screening을 통해 IbOr 단백질과 상호작용하는 새로운 여러 후보 단백질들을 탐색하여, 그 중 하나인 chlorophyll a,b-binding (CAB) 단백질의 기능을 규명하고자 하였다. 고구마에서 IbCAB 유전자를 분리하여 co-immunoprecipitation (Co-IP), bimolecular fluorescence complementation (BiFC) assay 실험으로 IbCAB 단백질이 IbOr-WT 단백질, IbOr-R96H 단백질과 상호작용한다는 것을 확인하였다. 현재 IbOr 단백질과 IbCAB 단백질의 상호작용 조절 메커니즘을 규명하기 위해 빛 등 다양한 환경스트레스 조건에서 IbCAB의 발현 패턴분석 등을 분석 중이다. 3) 고구마에 존재하는 토코페롤 생합성에 관여하는 유전자 가운데 4-hydroxyphenylpyruvate dioxygenase (IbHPPD)와 tocopherol cyclase (IbTC) 유전자의 기능을 이해하고자 이들 유전자를 과발현 하는 형질전환 고구마 (Xushu 29 품종 이용)를 제작하여 분석하였다. IbHPPD 식물체는 NT 식물체에 비해 HPPD 저해 제초제인 sulcotrione (1 mM), 염 (200 mM NaCl), 건조, 산화스트레스 (5 μM MV) 내성을 보였으며 건조스트레스 후에 잎에서 α-tocopherol 함량이 NT식물체에 비해 최대 27%까지 증가하였다. IbTC 식물체는 스트레스가 없는 정상 조건일 때 잎에서 α-tocopherol 함량이 NT 식물체에 비해 최대 3.3배 증가했고, 고염 (200 mM NaCl), 건조, 산화 (3 μM MV) 스트레스에서 내성이 증가한 것을 확인 할 수 있었다. 본 연구에서 얻어진 결과를 토대로 종합적인 고찰과 전망은 다음과 같다. (1) 카로티노이드 축적 관련 IbOr-R96H 유전자가 IbOr-WT와 함께 카로티노이드 함량을 대폭 증가시키면서 고온 등 환경스트레스에 강한 품종을 개발할 수 있음이 강하게 제시되었다. (2) IbOr-R96H 연구결과는 고구마 유전자 편집기술(CRISPR-Cas9-mediated base-editing techniques)에 직접 활용될 수 있을 뿐만 아니라 다양한 식물에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다. (3) IbOr 단백질과 상호작용하는 IbCAB 단백질을 처음으로 분리하여 IbOr이 광합성에 매우 중요하게 관여함이 시사되어 후속연구가 기대된다. (4) 토코페롤 생합성 유전자 (IbHPPD와 IbTC) 과발현 형질전환연구에서 토코페롤 대사조절로 복합 환경스트레스 내성식물체 개발에 활용될 수 있음이 시사되었다. 결론적으로 본 연구에서 얻어진 결과를 발전시킨다면 기후위기와 고령화 시대에 대응할 수 있는 환경스트레스에도 강하고 지용성 항산화물질을 고생산하는 복합기능 고구마 개발에 기여할 것으로 기대된다.

딥러닝 기반 도시장면의 의미론적 분할

김민종 科學技術聯合大學院大學校 2019 국내박사

인공지능의 발전을 통해 운전자의 개입이 필요하지 않고 스스로 판단하여 움직이는 자율주행 기술이 성숙기에 다다르고 있다. 자율주행 기술은 제한적 조건에서 완전히 마음을 놓는 완전 자율 주행을 목표로 하고 있다. 자율주행이 이루어지기 위해서는 인지, 판단, 제어하는 세가지 핵심 기술이 필요하며 인지는 자율주행 기술 중 선행되어야 하는 중요한 기술이다. 또한, 딥러닝을 활용한 의미론적 분할은 이미지에서 픽셀 단위로 어떤 클래스에 속해 있는지 분류하는 기술로서 인지기술을 한층 더 성숙 시킬 수 있는 기술이다. 본 논문에서는 실제 자율주행에 적용시키기 위한 효율적인 연산과 정확도가 높은 의미론적 분할 네트워크 모델인 efficient-residual-inception network (ERINet) 를 개발하였다. 이 네트워크 모델은 크게 딥러닝 모델 전체구조와 레이어 구조로 나누어 성능을 향상 시켰다. 모델의 전체골격 최적화를 시키기 위해 여섯 가지 최신 딥러닝 네트워크 모델을 응용하여 개발 하였다. 첫 번째는 fully convolutional networks (FCN) 으로 합성곱신경망의 마지막 부분인 fully connected layer를 1×1 합성곱으로 위치정보를 유지한 방법을 디코더에 넣어주는 방법을 적용하였다. 두 번째는 실제 자율주행 데이터셋인 Cityscapes를 학습 데이터셋으로 두고 높은 정확도와 효율적인 연산 네트워크 모델을 제안한 efficient residual factorized convnet (ERFNet) 의 디코더를 변형하여 개발하였다. 세 번째는 레이어의 깊이, 너비, 및 필터 크기 최적화를 시도한 wide residual inception networks (WRINet) 레이어 구조를 응용하였다. 네 번째는 특징에 대한 연산량 감소를 위해서 Inception의 1×1 합성곱을 적용하였다. 다섯 번째는 깊은 신경망을 최적화 할 수 있는 ResNet을 적용하여 네트워크 모델을 설계 하였다. 여섯 번째는 Efficient Neural Networks (ENet) 네트워크의 다운샘플링의 구조를 벤치마킹 하였다. 그리고, 레이어 구조의 성능향상을 위해 효율적인 연산과 이미지 픽셀 특징을 깊게 추출할 수 있는 non-bottleneck with 1D and 2D 레이어와 Wide non-bottleneck with 1D and 2D 레이어를 개발하였다. 이를 통해서 레이어는 깊지만 정확도가 높아질 수 있었다. 실험결과 본 논문의 제안 기법은 기존에 Cityscapes의 IoU, iIoU class와 IoU, iIoU category 성능지표에서 정확도와 효율적인 연산속도 측면에서 최고의 모델이라 할 수 있는 ERFNet 모델 보다 본 제안 방법이 좋은 성능을 나타내었다. 특히, 사람과 차량을 카테고리로 나눈 성능지표에서 높은 정확도를 나타내었을 뿐만 아니라 19개의 개별 클래스 성능지표에서도 대부분 높은 정확도를 나타내었다. 특히, 연산속도 측면에서는 고화질의 1024×512 이미지에서 Titan X GPU를 네트워크 모델에 적용하여 초당 43 프레임의 속도를 나타내었다. 이를 통해 제안된 네트워크 모델의 효율적인 연산 속도와 정확도의 결과물은 실제 자율주행 상용화에 바로 적용될 수 있는 기술임을 보여주고 있다.

Data Science-based Technology Management Strategy Converging Text Mining and Sentiment Analysis on National R&D Information and Global Media: A Case Study of Graphene

이지연 과학기술연합대학원대학교 2023 국내박사

Recently, along with eco-friendly issues, the importance of the global carbon material industry is increasing. Demand for lightweight and high-strength carbon materials is increasing in terms of weight reduction of materials, which are the key to eco-friendliness. Among the six core carbon material technologies, although graphene has created a strong wave of enthusiasm after its discovery in 2004 and the subsequent Nobel prize awarded to the two detectors in 2010, there has been a lot of skepticism about the level of its commercialization in the industry and the public. Under such the gap between academia and industry, there is a lack of research on how graphene research and development (R&D) trend has changed, and how people around the world are accepting its potential. Therefore, this study intends to analyze major issues and public sentiments of graphene from 2010 to 2021 using text mining methods. To this end, this research presents a method of analyzing technology trends from a new perspective by converging national R&D project information, newspaper articles, and social media data. Focusing on the fact that hype phenomenon appears in relation to society in promising new technologies, the hype cycle theory is used to comprehensively compare and analyze each result. Through this, this study aims to present a complementary technology trend analysis method that can be used when establishing the direction of technology management strategy and national R&D policy by identifying the correlation between R&D and media from a hype cycle perspective. To examine how far graphene technology R&D has come, a total of 5,693 projects from 2010 to 2021 were collected from the National Science and Technology Information Service (NTIS), which is National Science and Technology Information Service of South Korea. Text mining techniques such as keyword frequency analysis, association rule mining, and topic modelling were applied to the collected national R&D project information. As a result, graphene R&D investment showed an increasing trend from 2010 to 2016, focusing on basic research, and then started to decrease after 2017. However, the proportion of applied research and development research began to increase in 2019, which can be seen that the investment to enter the practical stage of graphene technology development is expanding. Secondly, the public sentiment was investigated in order to identify sentiment shift and major discussion issues related to graphene in the media. Media data included 1,103 electronic newspaper articles and 11,287 comments from global social media Reddit. Through media, the overall trend and expectations of the industry and the public on graphene have been analyzed by using sentiment analysis. This study found that over the half of the comments were positive toward graphene, and specific sentiments fluctuated commensurate with major events, for example, Nobel Prize, commercialization delay, and wide applications to the industry. At the final step of the analysis, by examining whether the results derived from each data correspond to the trajectory of the hype cycle, it was demonstrated that R&D, media, and public opinion on social media exchange the influence under the hype phenomenon. This study provides a convincing case study for understanding shifts in the sentiments of the interested public along with policy, R&D, and media, which will interest graphene technology R&D experts and policy-makers. This paper contributes to the understanding of how the South Korean government has been investing in graphene technology R&D, as well as global graphene sentiments, and therefore providing reference for strategic research planning and policy making. The text mining method that converges heterogeneous data based on the hype cycle presented in this research can be applied to analyze other emerging technology trends and market expectations. It is expected that these data will be used as reference materials for medium and long-term technology management plans and related policy establishment. 최근 친환경 이슈와 함께 글로벌 탄소소재 산업에 대한 중요성이 더해지고 있다. 친환경의 핵심인 소재의 경량화 측면에서 가볍고 강도가 높은 탄소소재의 수요가 증가하고 있다. 탄소소재 6대 핵심 기술 중 하나인 그래핀은 2004년 영국 맨체스터 대학교의 두 교수에 의해 발견되어 2010년에 노벨상을 수상하게 되면서 뜨거운 관심을 불러일으켰지만, 그동안 산업계나 대중들 사이에서는 상용화 수준에 대한 회의적인 논의가 많았다. 학계와 산업계 간 격차가 존재하는 상황에서 그래핀 연구개발(R&D) 동향이 어떻게 변화해 왔으며 전 세계 사람들이 그 가능성에 대해 어떻게 받아들이고 있는지에 대한 연구는 부족하다. 따라서 본 연구에서는 텍스트마이닝을 활용하여 2010년부터 2021년까지의 그래핀 주요 이슈 및 대중 감성을 분석하고자 한다. 이를 위해 국가R&D 과제정보, 신문기사, 소셜미디어 댓글 데이터를 혼용하여 새로운 시각에서의 기술 동향 분석 방법을 제시하고, 유망 신기술은 사회와의 관계에서 하이프 현상이 나타난다는 점에 착안하여 하이프 사이클 이론을 활용하여 각 결과들을 종합적으로 비교 분석한다. 이를 통해 본 연구는 R&D와 미디어 간의 상관관계를 하이프 사이클 관점에서 파악하여 국가R&D 정책 및 전략적 기술경영의 방향성을 수립할 때 활용할 수 있는 보완적인 기술 동향 분석 방법을 제시하는 것을 목표로 한다. 먼저 우리나라 그래핀 R&D의 투자 동향을 파악하기 위해 국가과학기술지식정보서비스(NTIS)에서 다운받은 총 5,693개의 과제 정보를 연구 대상으로 삼았다. 수집된 국가R&D 과제정보에 대해 정량적 현황 분석을 수행하고, 키워드 빈도 분석, 연관규칙 분석, 토픽모델링 등의 텍스트마이닝 기법을 적용한 정성적 분석을 더하였다. 그 결과, 그래핀 R&D 투자는 기초연구 위주로 2010년부터 2016년까지 증가하다가 그 이후로 감소하는 추세를 보인 반면 응용연구와 개발연구 비중이 2019년을 기점으로 증가하기 시작하였다. 이러한 결과로 보아 그래핀은 기술 개발의 실용화 단계에 접어들기 위한 투자가 확대되고 있음을 알 수 있었다. 두 번째로는 미디어에서 그래핀과 관련된 주요 키워드와 대중 감성을 파악해보았다. 미디어는 전자 매체와 소셜미디어로 구분하여 각각 국내 과학기술 분야 일간 전문지인 전자신문에서 1,103건, 글로벌 소셜미디어인 레딧(Reddit)에서 11,287건의 데이터를 수집하였다. 전자 매체를 통해서는 주요 키워드 및 주제 분류를 통해 전체적인 동향과 기사 내용에서 나타난 감정의 전반적 극성을 파악하고, 소셜미디어를 통해서는 그래핀에 관심이 있는 대중의 감성 변화와 주요 논의 주제를 식별하였다. 마지막으로 각 데이터를 통해 도출된 결과들이 하이프 사이클의 궤적과 부합하는지 여부를 살펴봄으로써 정책, R&D, 미디어 및 여론이 서로 상관관계를 가지고 하이프의 영향을 주고받는 특징을 밝혀냈다. 본 연구는 그래핀과 같은 신기술과 관련하여 R&D 전문가와 정책 입안자가 정책 의제 설정 등에 활용할 수 있는 설득력 있는 사례를 제공한다. 국가R&D 과제정보와 신문기사의 텍스트마이닝을 통해 그래핀 R&D 영역을 탐색하고, 기술 동향 분석을 위한 소셜미디어 데이터의 감성분석이라는 새로운 접근을 통해 글로벌 감성분석 결과의 국내 활용 가능성을 검토해보았다. 본 논문에서 제시한 하이프 사이클 기반의 이종 데이터 혼용 텍스트마이닝 방법은 신흥 기술 트렌드 및 시장의 기대치 분석에 활용하여 기술의 중장기 경영 계획 및 관련 정책 수립에 참고 자료로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

Femtosecond laser based high-performance micro-hole drilling on metal with vibration assistance and AgNW/CNT hybrid film patterning

윤지욱 과학기술연합대학원 대학교 2015 국내박사

In this dissertation, development of laser micromachining process for industrial applications and those experimental results are described. First, based on interaction mechanism between femtosecond pulse and material, theoretical background of femtosecond laser micromachining process is introduced. Second, two different researches using femtosecond laser are described in the paper as title of femtosecond laser micro hole drilling integrated with vibration module, patterning technique for silver nanowire (AgNW) / carbon nanotube (CNT) hybrid conductive film. First, femtosecond laser micromachining integrated with vibration module for micro hole drilling has been studied. Thickness of 30 ㎛ Invar alloy is drilled to investigate on angle control of hole taper by changing parameters including amplitude of vibration module and laser pulse energy. Wavelength of 795 nm, pulse width of 90 fs femtosecond laser system integrated with vibration module, so called the hybrid laser system, is used for the experiment. Displacement of focusing position is generated by moving the objective lens vertically by vibration module. The displacement value is range from 0 to 16 ㎛ by following the amplitude parameter, and the test is conducted without changing parameters except displacement of the focused beam. Comparison between shape of the ablated hole with vibration module and without is reported and discussed about possible mechanisms. Various micro machined holes with different taper angle results are observed, and holes with different taper angle are resulted. Second, femtosecond laser micromachining for patterning silver nanowire (AgNW) / carbon nanotube (CNT) hybrid conductive film have studied. A femtosecond laser which specifications of 1027nm wavelength and 380fs pulse width is used for the experiment. Ablation test for the AgNW/CNT film is performed at laser fluence values ranging from 9.7 mJ/cm2 to 70.8 mJ/cm2, and the threshold of the film is found at 13.6 mJ/cm2. By increasing laser flunce, diameter of crater is sharply increased until fluence reaches at 65.2 mJ/cm2, and damage to the glass substrate is observed when fluence is over than 67.9 mJ/cm2. Fluence value for line pattering is determined as fluence value of 67.9 mJ/cm2 which is not influenced value to glass substrate. From the measurement result of the patterned line, the irregularly ablated area is easily observed near the completely ablated region. To pattern line without residual at the irradiated area, quasi flat-top beam profile is employed instead of the conventional Gaussian’s. The measurement result of the patterned line shows dramatically decreased uneven area when the quasi flat-top energy distribution is used.

공공 R&D과제 기반 유망 기술(군) 도출방법에 관한 연구 : 에너지 분야 기초원천기술을 중심으로

허요섭 과학기술연합대학원대학교 2019 국내박사

모든 국가가 직면하고 있는 문제에 대한 해결책으로써 유망 기술(emerging technology)의 역할이 중요해지고 있으며, R&D(Research & Development)는 이러한 유망 기술을 현실화시키는 중요한 기능을 수행한다. R&D정책은 유망 기술(군)을 발굴, 개발, 육성하는 것을 목표로 하고 있으며, 이러한 목표가 달성되도록 하는 수단으로써 ‘기술 예측’의 중요성이 강조되고 있다. 본 연구는 빅데이터 시대의 도래에 부응하여, R&D정책관련 빅데이터를 적용한 유망 기술 도출하기 위한 방법을 모색하고 활용 가능성을 탐색하였다. 유망 기술의 내재적 속성들 — 신규성, 성장성, 지속성 — 을 도출하고 이를 바탕으로 개념적∙조작적 정의를 내렸다. 또한 데이터 속성과 기술 도출 과정을 중심으로 기존의 유망 기술 도출 방법들의 장∙단점을 분석하여, 기존 방법들의 장점은 부각시키고, 단점은 최소화할 수 있는 새로운 대안을 모색하였다. 즉, 앞서 검토한 유망 기술(군)의 내재적 속성이 반영된 R&D과제(Funding) 데이터를 기반으로 기계 학습을 활용한 유망 기술 도출 방법을 제안하였고, 그 활용 가능성을 확인하고자 하였다. 결론적으로, 연구의 결과로서 제안된 데이터와 도출 방법은 정책의 투명성을 제고하고 편향성을 최소화하여, 정책적 근거로서 정당성을 확보할 수 있고, 궁극적으로 이러한 데이터와 유망 기술(군) 도출 방법이 이해관계자들의 신뢰(trust)를 향상시킨다는 결과를 확인할 수 있었다. 또한 이러한 과학적 유망 기술(군) 도출 방법은 R&D에 투입되는 자원의 효율성을 제고하여 성공적인 정책을 수행할 가능성을 높일 수 있다는 함의를 도출 할 수 있었다. Research and Development(R&D) generate innovations that are fundamental to national economic growth and national welfare. The goal of S&T policy focuses on the process of creating and disseminating these innovations. The starting point of the innovation process begins with the collecting of strategic emerging technologies to enhance national R&D competitiveness. Korean government that has been used fast follower approach as S&T policy confronts the calls for changes in R&D governance under the competitive global environment. In order to solve the problems of the conventional method such as Delphi and scientometrics, this study proposed a new framework for deriving emerging technologies that build on the combination of the R&D funding (Big) data possessing the inherent attributes - novelty, growth, sustainability, influence, uncertainty and ambiguity – of emerging technologies and machine learning algorithms for the first time in the S&T policy domain. In addition, the possibility of reliability and validity of the proposed framework is verified from the qualitative perspective. It allowed exploring not only possible use of big data and big data analysis tools in S&T policy field, but also of the objective global technology classification. Moreover, the possibility of data value expansion through utilizing R&D funding data from major nations. More importantly, the proposed deriving emerging technologies framework has a possibility to secure legitimacy in the core area of S&T policy process. This could improve the efficiency of resources by enhancing the trust of stakeholders, thereby successfully implementing S&T policy.