세계적으로 물질정보학(MI: Materials Informatics)과 관련한 활동이 본격화하고 있다.
국내 뿐만 아니라 미국, 유럽, 중국에서도 기능소재의 연구개발을 근본적으로 변화시킬 수 있는 MI를 실용화하기 위한 활동이 활발히 진행되고 있다.
소재 연구는 그동안 물질·소재의 구조 및 기능을 조사하는 연역적·순문적인 방법이 주류를 이루었으나 MI는 방대한 데이터를 해석함으로써 귀납적·역문제적 연구방법을 구체화하는데 중점을 두고 있다.
이에 따라 바람직한 기능·물성을 보유하는 물질·소재를 직접 설계하기 위한 지침을 획득할 수 있는 수단으로 기대되고 있다.
미국·일본 정부 프로젝트 잇따라…
인포매틱스의 기본적인 사고방식은 데이터 과학을 활용해 소재를 설계할 때 중요한 물성 및 특성을 예측하는 것으로, 2011년 미국의 버락 오바마 대통령이 Materials Genome Initiative를 기치로 내건 이후 MI에 대한 관심이 급격하게 높아지고 있다.
미국 국립과학재단(NSP), 국립표준기술연구소(NIST), 국방고등연구계획국(DARPA) 등이 2억5000만달러 가량의 예산을 투입해 연구를 추진하고 있다.
일본은 정부기관이 MI와 관련한 3개 프로젝트를 진행하고 있다.
중앙부서는 2014년 전략적 이노베이션 창조 프로그램(SIP)를 시작했다. 11개 프로젝트로 구성돼 있으며 혁신적 구조소재 가운데 물질통합(Materials Integration)으로 불리는 활동이 포함돼 있다.
대상소재는 섬유 강화 플래스틱, 합금·금속화합물, 세라믹스 등이다.
문부과학성은 과학기술진흥기구(JST) 이노베이션 허브 구축 지원사업을 위해 2015년 7월 물질·소재연구기구(NIMS)가 정보통합형 물질·소재 개발 이니셔티브(MI2I)를 시작했다.
축전지 소재, 자석·스핀트로닉스 소재, 전열제어·열전 소재 3개 분야의 출구과제를 설정해 NIMS/JST를 중심으로 전국 대학·연구기관이 협력하는 집중 연구를 실시하고 있다.
NIMS 안에 정비된 일본 굴지의 물질·소재 데이터베이스 「MatNavi」를 활용해 LED(Light Emitting Diode) 소재로서 적색 발광해 고압·합성으로 제조 가능하다고 예측한 아연질화물계 물질이 실제로 해당 특성을 지니고 있었다는 사실을 확인하는 등의 성과도 나오고 있다.
또 2016년 4월부터는 민간기업이 참여하는 컨소시엄을 운영하고 있다.
약 40사 가량이 참가하고 있으며 2017년부터는 MatNavi를 중심으로 MI 연구를 실시하기 위한 툴을 통합한 데이터 플랫폼을 자유롭게 사용할 수 있게 된다.
컨소시엄은 성과를 공개·공유하는 것이 기본이나 세부규칙은 없고 공통 테마로 상호 서브그룹을 만드는 활동 등도 자유롭게 추진할 수 있다.
심층연구를 희망할 때는 NIMS와 개별적으로 공동연구 계약을 체결하는 것도 가능하다.
인공지능 활용해 귀납·순문제적 답변
경제산업성은 2016년 9월 신에너지·산업기술종합개발기구(NEDO)의 위탁사업으로써 산업기술종합연구소와 첨단소재 고속개발기술연구조합(Hi-Mat)이 공동으로 추진하는 「초첨단 소재 초고속 개발 기반 기술 프로젝트(PJ)」를 시작했다.
산업기술종합연구소 내에서 에너지 변환 소재, 유전 소재, 초고기능 폴리머, 초고성능 촉매를 테마로 집중연구를 추진해 나갈 방침이다.
해당 분야는 기존 데이터베이스가 거의 없기 때문에 계산과학 시뮬레이션을 활용해 데이터를 수집하는 것이 MI2I와의 큰 차이인 것으로 파악되고 있다.
소재의 구조·조성을 통해 물성·기능을 예측하는 계산을 대량으로 실시(예측결과를 검증해 정밀도 향상에 피드백)함으로써 연역적/순문적인 지식을 쌓아 기계학습·심층학습시켜 귀납적·역문제적인 답변을 얻기 위한 인공지능(AI)을 실현하는 것이 목적이다.
PJ의 전체 구상은 MI로 설계한 소재를 실물화하기 위한 고속 시제품, 혁신 프로세스 기술, 제조한 소재의 구조·조성·기능을 파괴하지 않고 측정하기 위한 첨단 나노계측 평가 기술 이외에 소재 개발 사이클 전체의 단축을 목표로 하고 있다.
특히, 소재 시뮬레이션 기술을 확립하는 것이 핵심과제로 파악되고 있다.
원자·분자 레벨의 미크로 영역과 연속체·유체 등 소재 전체의 마크로 영역 양측에서 메소 영역을 향해 시뮬레이션의 멀티 규모화를 추진하는 것이 요구되고 있다.
CCS, 해외 메이저 재편에 신흥세력 대두
CCS(Computer Chemistry System)는 생명과학, 자동차 및 전자소재 등에 사용되는 기능소재 창출을 목표로 하는 소재과학 분야에서 모델링 & 시뮬레이션 및 인포매틱스 등 폭넓은 기술을 활용해 이노베이션을 지원하는 솔루션으로서의 역할을 수행하고 있다.
생명과학 분야에서는 웹·클라우드를 기반으로 활용하는 시스템이 급속도로 침투하고 있어 해외 선도기업들이 웹·클라우드의 이점을 전면으로 내세우며 세계시장을 공략해나갈 것으로 예상되고 있다.
해외 벤더는 2014년경까지 대규모 재편이 이루어져 인포매틱스계 메이저였던 구 Cambridge Soft를 중심으로 Laboratory Automation 분야의 벤더를 통합한 PerkinElmer, 모델링 & 시뮬레이션과 인포매틱스계 벤더가 다수 합병해 탄생한 구 Accelrys를 산하에 편입시킨 Dassault Systemes 2사가 대두했다.
PerkinElmer은 인포매틱스 사업부를 설립했으며 Dassault Systemes는 자회사 Dassault Systemes Biovia를 통해 CCS 사업을 운영하고 있다.
화합물 데이터베이스 및 전자실험 노트북 등 인포매틱스계는 2대 벤더가 한때 시장을 장악했으나 최근 몇 년 동안 유럽기업들이 시장을 확대하고 있어 시장 세력구도가 변화하고 있는 것으로 파악된다.
특히, 헝가리 ChemAxon과 영국 Dot Matex가 신흥세력으로 부상하고 있다.
ChemAxon은 화학구조를 데이터베이스 등으로 취급하기 위한 Chemistry Egine으로 실적을 늘리고 강점 분야인 어플리케이션 영역에서도 폭넓은 솔루션을 구축하고 있다.
Dot Matex는 완전 웹 베이스의 아키텍쳐를 강점으로 TCO(총 보유 코스트)의 높은 경쟁력을 통해 수주실적을 쌓고 있다. 기존 시스템은 업그레이드 등에 많은 시간과 비용이 소요됐으나 대폭 줄일 수 있는 강점으로 파악되고 있다.
또 모든 어플리케이션을 클라우드에서 제공하는 선도적인 활동으로 주목받고 있는 신진 벤더도 등장하고 있다.
Dassault Systemes Biovia와 PerkinElmer는 새로운 영역에 대한 진출을 가속화하고 있다.
Dassault Systemes Biovia는 창약 연구 분야에서 신약 개발 분야로 솔루션 다운스트림 전개를 추진하고 있으며 당국 규제에 대응한 컨프라이언스 관련 시스템화에 대한 활동을 강화하고 있다.
PerkinElmer는 데이터 해석 툴 판매권을 활용해 임상연구 데이터 해석 등을 통해 중개연구(Translational Research) 분야에서 비즈니스를 강화하고 있다.
웹 환경과 클라우드 서비스 중시
제약기업이 연구에서 개발까지 총괄하는 시대는 종연을 맞이하고 있으며 창약에서는 아카데미아 및 벤처와의 연계, 개발에서는 CRO(의약품개발위탁기관) 등의 외부기관과의 연계가 필수불가결한 것으로 파악되고 있다.
웹 베이스 시스템은 On-premises, 클라우드에서 모두 동작하고 단말기 OS에도 제약받지 않는 것이 많기 때문에 사내·사외 조직이 연계해 연구개발을 실시하는데 적합한 플랫폼으로 평가되고 있다.
특히, 전자실험노트는 해당 요건에 대한 대응이 필수적인 것으로 파악되고 있다.
모델링 & 시뮬레이션에서도 클라우드에 대한 대응이 본격화하고 있다. 계산을 더욱 고정밀화하기 위해 대량의 계산 파워가 필요해지고 있다.
Schrodinger는 독특한 라이선스의 제공을 시작했다.
단백질과 리간드간 결합 작영 에너지를 예측하는 「FFP+」는 GPU(그래픽 프로세서)를 활용한 고속계산이 필수이기 때문에 사용자가 가동환경을 준비하는데 비용이 든다.
이에 따라 일반적인 라이선스와 100개의 화합물을 해석해 계속해서 이용할 수 있는 등 종량제형 라이선스, 데이터 센터의 GPU를 자유롭게 사용할 수 있는 클라우드 서비스형 라이선스를 제공하고 있다.
계산화학을 대상으로 한 클라우드 서비스는 Fujitsu가 「TC 클라우드」, Itochu Techno Solutions(CTC)이 「RESCALE」 등으로써 제공하고 있으나 실적은 미미한 것으로 파악되고 있다.
다만, 슈퍼컴퓨터 「Kyo」를 중심으로 산업계가 이용할 수 있는 고속계산 환경을 정부가 정비함으로써 대규모 계산에 대한 수요가 증가하고 있는 것으로 나타나고 있다.
앞으로 정부 관계기관에서 테스트를 실시한 이후 본격적인 계산을 통해 클라우드의 계산 리소스에 대한 니즈가 높아질 것으로 예상되고 있다.
소재계 신규 도입 “활발”
일본 CCS 벤더는 해외제품을 수입해 취급하는 메이저와 독자 기술을 활용해 자사 패키지를 보유하고 있는 소규모 벤더로 구분된다.
인포매틱스계는 주로 CTC Life Science가 Dassault Systemes Biovia, Fujitsu가 PerkinElmer, Patcore가 ChemAxon과 협력하고 있으며 Ryoka Systems도 복수 벤더제품을 취급하고 있다.
Fujitsu는 시스템 통합기업으로서 Patcore와도 제휴하고 있으나 일반적인 시스템 통합기업 중에는 NS Solutions 및 CAC 등이 CCS 분야에서 많은 실적을 보유하고 있다.
생명과학 분야의 모델링 & 시뮬레이션도 해외벤더가 선도하고 있는 것으로 파악된다.
Dassault Systemes Biovia, Schrodinger, OPENI 등이 일본법인을 설치하고 있으나 이외의 해외제품을 판매하는 일본벤더도 많은 것으로 나타나고 있다.
해당 시장은 성숙기에 접어들었으며 사용자는 복수의 벤더제품을 구입해 사용하는 경향이 강했으나 메이저가 다기능화·통합화를 추진함에 따라 코스트 절감 관점에서 벤더를 통합하는 움직임이 나타나고 있다.
소재과학 분야의 모델링 & 시뮬레이션은 신규 도입이 활발해지고 있다.
패키지제품은 Dassault Systemes Biovia, Schrodinger, Materials Design 등이 솔루션을 제공하고 있으나 사용하는 계산 엔진은 무료 아카데믹 코드가 많기 때문에 통합해 사용하는 플랫폼 타입의 소프트가 주류를 이루고 있다.
또 일본에서는 일본기업이 만든 계산 엔진도 널리 사용되고 있다. 일본 벤더 중에는 기초적인 계산화학 기술을 위탁계산/위탁연구 스타일로 제공하는 곳도 있으나 응용분야는 소재과학 관계가 늘어나고 있다.
자동차소재 및 전자소재 분야에서는 계산화학을 희망하는 곳도 나타나고 있어 신규 수요가 늘어나고 있는 것으로 파악된다.
Ryoka, 대형 전문벤더로 재탄생
일본 CCS 시장도 30년을 넘는 역사를 보유하고 있으나 사업을 지속하고 있는 곳은 Fujitsu, CTC Life Science, Ryoka Systems 3사에 그치고 있다.
Fujitsu는 1980년대에 화학물질 데이터베이스 시스템을 메인 플레임(범용기)으로 움직이기 위해 시장에 진출했으며 Itochu상사 계열사인 CTC가 슈퍼 소형전자계산기로 동작시키기 위해 사업을 시작한 후 2014년 4월 CTC Life Science로 회사명을 변경했다.
최근에는 Ryoka Systems이 2017년 4월1일 출범하는 Mallsis에게 CCS 판매·서포트를 이관할 예정인 것으로 알려졌다.
Mallsis의 최대주주는 캐나다 Chemical Computing(CC G)이며 일본법인으로서 Ryoka Systems이 취급하고 있는 약 18개의 타사제품도 병행해 판매할 계획이다.
다만, 자본 관계는 없어지기 때문에 Mitsubishi Chemical Systems로서는 해당 사업에서 철수하는 형태가 된다.
2017년 3월까지는 Ryoka Systems이 사업을 지속했으며 라이선스 계약은 모두 Mallsis에 계승됐다.
Ryoka Systems은 Mitsubishi Chemical의 자회사로 1987년 9월 CCS 사업에 진출했다.
1991년 4월부터 생명과학과 소재과학의 양분야를 커버하며 모델링 & 시뮬레이션과 인포매틱스계를 제공하는 벤더로서 일본 CCS 시장을 리드해왔다.
그러나 Ryoka Systems이 CCG에게 사업을 매각함으로써 대형 전문벤더가 탄생해 일본 CCS 시장은 2017년 이후 성장이 본격화할 것으로 예상되고 있다. <이하나 기자: lhn@chemlocus.com>
