초록 ▼

□ 연구개요
본 연구는 촉매 화학반응 예측 및 최적 촉매 반응시스템 설계를 위한 빅데이터 기반 강화기계학습 플랫폼 개발하고, 이를 실제 반응 공정에 적용함으로써 실증적 성과도출를 목표로 한다.
현재 신 촉매 및 반응 개발은 기존 연구 결과 학습을 포함한 전문가의 지식과 경험에 의존하여 진행되는 상황임. 또한 촉매의 성능을 검증하기 위하여 반복 실험을 통한 전통적 try-and-error 방식에 의존함. 더욱이, 새로이 개발된 촉매의 상용화 및 실제 화학 공정에의 적용은 scale-up 단계의의 다양한 시행착오를 수반함으로

□ 연구개요
본 연구는 촉매 화학반응 예측 및 최적 촉매 반응시스템 설계를 위한 빅데이터 기반 강화기계학습 플랫폼 개발하고, 이를 실제 반응 공정에 적용함으로써 실증적 성과도출를 목표로 한다.
현재 신 촉매 및 반응 개발은 기존 연구 결과 학습을 포함한 전문가의 지식과 경험에 의존하여 진행되는 상황임. 또한 촉매의 성능을 검증하기 위하여 반복 실험을 통한 전통적 try-and-error 방식에 의존함. 더욱이, 새로이 개발된 촉매의 상용화 및 실제 화학 공정에의 적용은 scale-up 단계의의 다양한 시행착오를 수반함으로, 원천기술개발 (fundamental discovery)과 실증화 (Design of en gineering) 간의 유기적 상호 피드백은 시간적 물리적 괴리가 큰 상황임.
상기의 전통적인 반응 시스템 분석 및 설계 방식의 단점을 개선하고자 기계학습 등의 ICT 기술을 이용하여, 촉매 구조 및 공정 목표에 따른 최적 촉매 선정 및 최적운전 조건을 규명할 새로운 방법론을 개발하고자 한다.
세부목표 1: 빅 데이터 군집화를 통한 촉매 반응 독립, 종속 변수 규명 및 DB화
세부목표 2: 촉매 반응 모델링 및 최적 반응 시스템 규명 기술 개발
세부목표 3: 실증을 통한 촉매반응 분석 플랫폼 타당성 검증 및 활용전략 수립

□ 연구 목표대비 연구결과
1. 촉매 반응의 복잡계 해석을 위한 빅 데이터 군집화 및 마이닝 기술 개발
1.1 촉매 반응 변수들간의 관계 규명을 위한 빅 데이터 수집 및 데이터베이스 구축
- 문헌 조사 및 화학 공정 모사 소프트웨어 결과를 통해 화학 반응기 설계의 독립변수(촉매 구조, 원료조성, 반응조건, 촉매 활성도) 및 종속변수 (반응 전환율, 수율, 생산량) 데이터 확보.
1.2 데이터 군집화 및 데이터 처리 알고리즘 개발
- 방대한 데이터 간의 상관관계 규명 및 효율적 처리를 위한 데이터 군집화 시도.
- 군집화된 데이터 활용을 위한 기계학습-데이터 인테페이싱 기술 적용 및 개발.
2. 강화학습 기법을 활용한 촉매 반응 모델링 및 최적 반응 설계 기술 개발
2.1 다단계 인공신경망 기법을 활용한 촉매 반응 예측 기계학습 모델 개발
- 촉매 반응 데이터의 정합성 확보를 위한 기계 학습 알고리즘 비교 분석 및 선별.
2.2 기계학습 모델의 효용성 향상을 위한 신뢰성 검증 및 평가
- 개발된 강화학습기반 예측 알고리즘과 실제 반응 데이터 비교, 신뢰도 검증.
- 다양한 적합 통계량 기법을 이용하여 오차 검증 및 정규화를 통한 오차 해소.
3. 실증 사례 연구를 통한 촉매반응 분석 플랫폼 검증 및 전략 도출
3.1 전통 촉매 반응 구현을 통한 기계학습 모델의 실현 가능성 및 효용성 검증
- Fe₂O₃-Cr₂O₃-CuO 등 전통 촉매를 이용한 수성가스 반응 (water gas shift) 관련 촉매, 반응 메카니즘 분석
- 기존 전환 촉매를 이용한 최적 (최대 전환율 등) 반응 시스템 설계.
3.2 신촉매 개발을 위한 촉매 설계 전략 제시 및 유효성 검증
- 직접 수소화 (Direct CO₂ hydrogenation ) 반응 촉매 개발을 위한 촉매 구조 분석
- 촉매 설계 전략 구축을 위한 최적 반응 조건 규명 및 반응 시스템 구축.
- 다양한 평가지표(경제성, 지속가능성)들을 활용하여 방법론의 타당성 검증.

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과 (연구개발결과의중요성)
현재 화공산업 분야는 물론 다양한 산업에서 방대한 양의 데이터가 생산 및 활용되고 있으며, 데이터의 효율적 운용은 4차 산업 시대의 경쟁력의 핵심임. 특히 화학공학 분야에서 촉매 설계, 촉매 반응 공정 개발 및 실증화 전략 등의 성공적 R&D는 빠른 기술의 타당성 분석 및 정확한 응용이 미래 화공 산업 시장의 핵심적 전략임.
이에 연구 결과의 효용성 파급효과가 기대됨.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 1.1 연구 목표 ... 4
• 1.2 연차별 연구내용 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 6
• 2.1 1차년도 수행 내용 ... 6
• 2.2 2차년도 수행 내용 ... 8
• 2.3 3차년도 수행 내용 ... 11
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 12
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 12
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 12
• 3) 목표 달성 수준 ... 12
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 13
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 13
• 6. 참고문헌 ... 14
• 붙임1. 세부 정량적 연구개발성과 ... 15
• 붙임2. 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 16
• 끝페이지 ... 22