알키미스트 프로젝트 난제정의서 (자동차 분야 ①)
난제의 주제	1분 충전 600km 주행 전기차
해결하려는 대상	ㅇ 환경규제 강화에 따른 자동차 산업패러다임 변화로 인해 친환경 전기자동차의 도입 필요성이 증대되고 있으나, 내연기관 차량에 비해 상대적으로 긴 충전시간과 짧은 주행거리 등이 소비자 수용성 제고 및 시장 확대의 제약요인으로 작용하고 있어, 기존 내연기관 차량의 주유시간과 동등 수준의 충전시간을 갖는 전기차 도입 필요 - 현재 전기차의 급속충전 에 약 50분이 소요되고 있으며, 이를 내연기관차의 주유시간 수준이하로 단축시키는 것이 바림직하며, 장기적인 관점에서 도전적인 목표로 1분 충전, 600km 주행 가능한 전기차 기술을 제시
현재 기술의 한계점	ㅇ 전기자동차의 주행거리와 충전시간은 배터리 성능에 직접적인 영향을 받으며, 현재 시판 중인 리튬이온이차전지가 탑재된 전기차의 경우 1회 충전 주행거리 약 400km, 충전시간 약 50분가량 소요 되어 소비자의 요구 충족 곤란 ㅇ 이차전지의 충전속도를 결정하는 출력특성과 주행거리에 영향을 미치는 에너지특성은 Trade-off 관계로 이를 동시에 개선하는 것은 매우 어려운 상황 ㅇ 리튬이온이차전지는 유기성 액체 전해질 채용, 충·방전 시 전극 소재의 부피 팽창 등으로 인해 내부 단락 및 외부 충격에 의한 발화 가능성 등이 상존하고 있어 안전성 확보에 각별한 주의 필요
해결대상에 대한 정의	ㅇ 1분 이내 급속충전이 가능하며, 1회 충전으로 600km이상 주행 가능하도록 하는 전기자동차용 이차전지 기술로, 현재 리튬이온전지의 한계를 극복하는 높은 에너지밀도와 충전특성을 동시에 만족시키면서 내구수명을 확보할 수 있는 이차전지와 이를 활용한 자동차용 배터리 시스템 기술 ㅇ 에너지 밀도와 충력 특성은 Trade-off 관계로 이를 동시에 해결하는 break-through 형태의 대안 기술
파급효과	ㅇ 우리나라에서 사용되는 총 에너지 중 수송부문이 차자하는 비중은 2017년 기준 18.5%에 달하며, 이는 산업부문(61.9%)에 이어 두 번째로 높은 수준으로 효과적인 CO2 감축을 위한 친환경자동차 시장의 확대 전망 - 친환경 전기자동차 시장 확대에 따라 '18년 기준 세계 이차전지 시장은 전년 대비 19.3% 증가한 223억 달러 수준 ㅇ 초급속충전용 양·음극 소재 등과 이를 기반으로 하는 이차전지 및 시스템 기술 - 20C 이상 충전 가능한 대용량 고에너지밀도 소재 및 전지기술 - 초급속 충전을 위한 커넥터/케이블 및 충전시스템 기술
최종 지향목표	ㅇ 이차전지시스템의 에너지 밀도, 충전 특성, 수명 특성 - 소형승용차 기준 1분 충전시간 600km 주행 가능 - 현재 내연기관차 동등 이상인 10년 16만km 수준 내구수명
지원/예산/추진체계	ㅇ 지원기간 : 선행연구 2년 이내 + 본 연구 5년 내외 ㅇ 정부출연금 : 286억원 내외(선행연구 6억원 내외, 본연구 280억원 내외) - ’19년 3억원 내외 - 1단계 선행연구는 3배수 내외(경쟁형R&D)로 추진할 예정으로, 과제 선정 수에 따라 정부출연금 변동 가능 ㅇ 주관기관 : 비영리기관 ㅇ 기술료 징수여부 : 선행연구 비징수, 본연구 징수
난제발굴위원장	ㅇ 현대엔지비 대표이사 이기상

알키미스트 프로젝트 난제정의서 (자동차 분야 ②)
난제의 주제	공기정화 자동차 (대기 중 미세먼지 저감을 위한 공기청정 Mobility)
해결하려는 대상	ㅇ 미세먼지 등으로 인한 도심지의 대기오염 완화를 위한 대책 마련이 필요하며, 또한 자동차의 운행 중 발생되는 미세먼지(배기계, 비배기계 등)를 저감 필요성이 대두됨에 따라, 주행 중인 차량에서 바로 미세먼지를 저감하는 시스템을 개발하여 공기 질을 개선하는 기술 * 2018년 수도권 미세먼지 나쁨 일수 72일 (환경부 공시자료) * 국내 도로이동 오염원 PM2.5 및 PM10 연간 배출량 약 52톤/일 (환경부 공시자료)
현재 기술의 한계점	ㅇ 대기 중의 미세먼지 포집과 정화를 위해 필요한 에너지 소모량이 크고, 주행풍 효과를 활용하기 위해서는 차량 전면부에 필터 등을 설치해야 하나, 냉각성능 감소 및 필터 수명 등의 문제가 발생 - 기존 정화필터는 수십 마이크론 크기의 기공을 갖는 섬유로 구성되며, 공기가 조밀한 틈으로 이뤄진 필터를 통과하면서 압력이 크게 떨어져 미세먼지 제거를 위한 소모 전력 증가 - 물을 이용한 필터 방식의 경우 또한 계절별 작동 효율의 변동성을 줄여야 하며, 미세먼지 포집 이후 정화 시스템 내에서 물과 분리하는 순환 방식의 효율 향상이 필요
해결대상에 대한 정의	ㅇ 에너지 소모를 최소화하면서 대기 중의 미세먼지를 제거할 수 있는 신개념 차량용 미세먼지 정화시스템 개발 - 기존 차량의 냉각장치 및 필터 등을 활용하며 차량 1대당, 1일 10g 이상 수준의 미세먼지 포집/정화가 가능하도록 기구 내에서 미세먼지를 포집/정화하고, 필요에 따라 非 운행 시 포집된 오염 물질을 처리하는 시스템
파급효과	ㅇ 도심 내 미세먼지 발생이 많은 도로변의 미세먼지 저감으로 인한 대기질 개선 및 국민 건강 증진 ㅇ 과학기술 기반의 사회 문제 해결을 통해 타 산업에 파급이 가능한 기술 선점𐤟확보 가능 - 고효율 공기 정화 시스템 기술 개발 - 고효율 고내구 필터용 소재 및 시스템 개발
최종 지향목표	ㅇ 미세먼지 정화시스템의 포집/정화 능력 및 에너지 사용량 - 차량 1대당 1일 미세먼지 포집/정화능력 10g 이상 (분진제거율 : PM2.5: 85% 이상, PM10: 100% 이상 제거) - 미세먼지 포집/정화를 위한 차량 운행효율(연비)감소 1% 이하
지원/예산/추진체계	ㅇ 지원기간 : 선행연구 2년 이내 + 본 연구 5년 내외 ㅇ 정부출연금 : 256억원 내외(선행연구 6억원 내외, 본연구 250억원 내외) - ’19년 3억원 내외 - 1단계 선행연구는 3배수 내외(경쟁형R&D)로 추진할 예정으로, 과제 선정 수에 따라 정부출연금 변동 가능 ㅇ 주관기관 : 비영리기관 ㅇ 기술료 징수여부 : 선행연구 비징수, 본연구 징수
난제발굴위원장	ㅇ 현대엔지비 대표이사 이기상

알키미스트 프로젝트 난제정의서 (로봇 분야 ①)
난제의 주제	100m를 7초에 주파하는 로봇 슈트
해결하려는 대상	노화와 장애 등으로 인해 저하된 인간의 근력과 운동속도를 로봇기술로 보완하고자 하는 로봇슈트 기술이 활발하게 연구되고 있음 동 과제에서는 개별적으로 연구되어 왔던 로봇슈트의 (1) 최대운동속도, (2) 구동력(힘), (3) 에너지(파워) 효율, (4) 반응속도, (5) 무게 및 (6) 착용성을 동시에 극복하여 실질적으로 인간의 운동능력을 증강할 수 있는 새로운 개념의 로봇슈트를 개발하고자 함 이 6가지의 난제를 포괄하여 “100m 달리기 7초 이내 달성*”과 같은 목표를 수립하고 해결해야 함 * 제시한 목표는 하나의 사례임 인간의 운동능력에 비하여 로봇슈트가 운동속도 50%, 가속력(로봇슈트의 구동력) 100%, 순간최대파워 70% 이상의 인간능력 증강효과 필요 로봇슈트의 무게가 최소화되어야 하므로, 로봇슈트의 전체 무게가 초경량이어야 함 (3kg 이내 목표) 운동의도 파악이 원활하게 이루어져야 하므로, 매우 빠른 의도파악 및 반응속도가 필요함 (2ms이내 의도파악 목표) * 현재 기술로는 이러한 목표 달성이 불가능하므로, 새로운 패러다임 제시 필요 장시간 착용성을 평가하기 위하여 개발하고자 하는 로봇슈트는 하루 12시간 이상 연속착용할 수 있도록 설계되어야 함 * 로봇슈트가 가하는 힘이나 무리한 동작으로 인하여 착용자의 근골격계 건강에 위해를 가하지 않아야 함 * 로봇슈트는 일상생활을 고려한 우수한 착용성을 가져야 함
현재 기술의 한계점	최근 들어 인간의 운동능력을 강화하기 위하여 다양한 착용형 로봇이 개발되고 있으나, 강한 구조물로 구성된 외골격 형태가 대부분이며, 따라서 구조적으로 신체의 운동자유도를 구속하고, 탈착하기가 불편하며, 장시간 착용하기 어려운 문제가 있음 반대로 착용성을 높이기 위하여 소프트 재질로 제작된 로봇슈트의 경우 강성이 낮아서 큰 힘을 버티지 못하고 결과적으로 보조효과가 떨어지는 단점이 있음 낮은 반응속도로 인하여 인간의 운동 의도를 실시간으로 반영하기 어려우므로 상황에 맞지 않는 운동보조가 일어날 가능성이 있음 따라서, 현재의 로봇슈트 기술은 위에서 제시한 6대 난제에 대한 해결책을 전혀 제시하지 못함
해결대상에 대한 정의	로봇슈트의 (1) 최대운동속도, (2) 구동력(힘)의 크기, (3) 에너지(파워) 효율, (4) 반응속도, (5) 무게 및 (6) 착용성을 동시에 극복 ‘로봇슈트를 착용하고 100m달리기 7초 이내의 기록 확인’ 등과 같은 제시된 목표치 달성 여부 확인 다른 사람의 도움 없이 12시간 이상 착용할 수 있는 착용성 및 편리성 확인 로봇슈트는 상체와 하체를 포함하는 전신의 근력을 강화해야 함
파급효과	인간의 운동능력한계를 초월하기 위한 로봇슈트 기술 개발은 평범한 사람의 운동능력을 강화하여 초인간을 실현하고자 하는 과학기술적인 목표뿐만 아니라, 가속화되는 고령화시대에 노화로 인한 운동능력의 저하를 방지하거나 저하된 운동능력을 극복하는 등, 국민 삶의 질과 직접적인 관련된 사회적 목표를 동시에 지향함 인간의 운동능력 증강을 통해 일반인의 일상생활, 노동현장에서 물리적 도움을 받을 수 있으며, 노약자나 장애인의 활동 영역을 확대할 수 있음 심각한 노령화 사회로 접어듦에 따라 발생하는 노인의 낮은 삶의 질, 노동인력 부족현상 등의 주요 사회문제에 대한 기술적 해결방안을 제시할 것임 우리나라는 착용형 로봇 분야에서 선진국과 유사한 수준의 기술력을 확보하고 있으므로, 인간 운동능력한계를 초월하기 위한 “초인간(Super Human) 로봇슈트” 기술 개발에 유리하며, 전 세계의 관련분야 과학기술을 선도할 수 있음
최종 지향목표	아래 6가지 특성을 검증할 수 있는 로봇 슈트 운동속도 50%, 가속력 100%, 순간최대파워 70% 이상의 인간 능력 증강효과 필요 슈트 무게 3kg 이하, 의도파악 및 반응속도 2msec 이내 착용시간 12시간 이상 연속착용
지원/예산/추진체계	ㅇ 지원기간 : 선행연구 2년 이내 + 본 연구 5년 내외 ㅇ 정부출연금 : 256억원 내외(선행연구 6억원 내외, 본연구 250억원 내외) - ’19년 3억원 내외 - 1단계 선행연구는 3배수 내외(경쟁형R&D)로 추진할 예정으로, 과제 선정 수에 따라 정부출연금 변동 가능 ㅇ 주관기관 : 비영리기관 ㅇ 기술료 징수여부 : 선행연구 비징수, 본연구 징수
난제발굴위원장	ㅇ 한양대학교 교수 이병주