보고서 정보
주관연구기관 |
국립농업과학원 National Institute of Agricultural Sciences |
연구책임자 |
김성완
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2022-12 |
과제시작연도 |
2022 |
주관부처 |
농촌진흥청 Rural Development Administration(RDA) |
등록번호 |
TRKO202300028185 |
과제고유번호 |
1395071980 |
사업명 |
농업정책지원기술개발사업 |
DB 구축일자 |
2023-11-08
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키워드 |
형질전환누에.식별자.물리적복제방지기능.위조의약품방지.스마트 보안.Transgenic silkworm.Silk tag.Physically unclonable function.Anti-counterfeiting of medicines.Smart security.
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초록
▼
연구개발 목표 및 내용
최종 목표
형광실크기반 차세대 물리적 복제방지 기능 식별자(silk-tag) 및 스마트 보안 활용 기술 개발
전체 내용
○ 특이형광단백질 전이벡터 구축 및 형광실크 생산
∙ 세포배양을 통해 프로그래머블 특이형광단백질(PAmKate, mlrisFP, NijiFP 및 rsEGFP2)의 발현 여부를 광특성 조사를 통해 확인하였음
∙ 각 특이형광단백질 형질전환개체 및 형질전환 전이벡터 구축을 통해 형질전환누에 제작을 하였고, 누에로부터 특이형광실크(PAmKate, mlrisFP, Ni
연구개발 목표 및 내용
최종 목표
형광실크기반 차세대 물리적 복제방지 기능 식별자(silk-tag) 및 스마트 보안 활용 기술 개발
전체 내용
○ 특이형광단백질 전이벡터 구축 및 형광실크 생산
∙ 세포배양을 통해 프로그래머블 특이형광단백질(PAmKate, mlrisFP, NijiFP 및 rsEGFP2)의 발현 여부를 광특성 조사를 통해 확인하였음
∙ 각 특이형광단백질 형질전환개체 및 형질전환 전이벡터 구축을 통해 형질전환누에 제작을 하였고, 누에로부터 특이형광실크(PAmKate, mlrisFP, NijiFP, rsEGFP2, IFP) 누에고치를 생산하였음
○ 특이형광실크의 기본 물성 특성 및 분석
∙ 특이형광실크(PAmKate, mlrisFP, NijiFP, rsEGFP2, IFP)의 광(흡수/형광) 특성을 확인하여 각 형광단백질의 광학적 특성을 보유하고 있음을 검증하였음
∙ 형광실크의 기본 물성(구조/광학/전기/양자) 측정 및 분석을 통해 광전변환에너지 차세대 바이오소재로 잠재 능력이 우수함을 발견하였음
∙ 형광실크를 이용한 광전변환 프로토타입 소자를 제작하여 광유도 전압-전류 생성을 확인하였음
○ 식별자(silk-tag) 제작 최적화 공정 및 보안 구조 형성 기술 개발
∙ 형광실크 재생 가공공정 최적화(저온용해, 동결건조, 분쇄, 박막 제조/코팅 등)를 통해 재생가공된 형광실크 마이크로입자와 박막에서도 형광 특성이 유지되는 것을 확인하였고, 분산(scattering)법과 랜덤변수 생성 QR 코드/마이크로격자 도입을 통해 식별자(silk-tag)의 보안 구조를 형성하였음
∙ 물리적복제방지기능(physically unclonable function, PUF)형 보안구조 형성을 위해 형광실크 마이크로입자를 분산(scattering)시켜 무작위적 패턴을 형성하였고, 무작위적 패턴으로부터 추출한 2진 비트 스트림을 미국 국립표준기술연구소(NIST)에서 제공하는 랜덤성 통계 테스트 수행한 결과 랜덤 분포임을 확인하였음
∙ 형광실크 조합 설계를 통해 다중 챌린지-응답 쌍 도출함으로써 보안 구조를 형성하였음
○ PUF형 식별자(silk-tag) 제작 및 성능 검증
∙ 형광실크기반 PUF형 식별자(silk-tag)를 제작(30개)하여 형광이미징 기술 개발 및 보안 키 추출 프로세싱 기술 개발을 통해 256 비트를 생성함
∙ PUF형 식별자(silk-tag)의 보안 성능 점검 및 스마트폰/모바일 앱을 이용하여 성공적으로 식별자 인증을 수행하였음
○ 히든 QR 코드형 식별자(silk-tag) 제작 및 성능 검증
∙ 형광실크기반 박막형 히든 QR 코드형 식별자(silk-tag)를 제작(30 개)하였고, QR 코드 패턴을 숨기기 위해 마이크로격자 패턴을 활용하였음
∙ 히든 QR 코드형 식별자(silk-tag)의 안정적인 2진 비트열을 추출을 위해 딥러닝 네트워크를 구성하였고, 보안성을 높이기 위해 해시함수를 이용하여 보안 키를 생성하였음
∙ 의약품 및 고급주류 정품 인증을 위한 히든 QR 코드형 식별자(silk-tag)를 스마트폰을 이용하여 형광 QR 코드 이미지 캡처하고, 보안 키 추출 및 정품 여부를 확인하는 배타버전 모바일 앱을 개발하여 성공적으로 인증 절차를 진행하였음
∙ 히든 QR 형광 코드로부터 2진 비트 보안 키를 추출하기 위해 딥러닝(deep learning) 네트워크 모델을 설계하여 1.62 ˟ 10-4의 매우 낮은 비트 생성 오류율(bit error ratio)을 도출하였음
○ 워터마크(watermark)형 식별자(silk-tag) 제작 및 성능 검증
∙ 푸드용 컬러 염료 잉크 및 잉크젯 프린팅 이용하여 사이버-물리 융합 기술인 형광실크기반 워터마크(watermark)형 식별자(silk-tag)를 제작(50개)하여 성공적으로 의약품 인증 절차를 진행하였음
○ 스캔용 스마트기기 인증 보안 활용 기술 개발
∙ 오픈 소스 컴퓨터 비전(OpenCV) 라이브러리를 이용하여 Android in Java(Android Stuidio4.0 통합 개발 환경 버전 2.1.2, Android SDK 소프트웨어 개발 키트, Android API Level 23)로 설계된 맞춤형 모바일 앱을 구축하였고, 모바일 앱은 스마트폰 제어, 이미지 캡처, 미리보기, 인증 및 하이퍼링크를 제공함
○ 식별자(silk-tag)의 안정성 및 내구성 검증
∙ 형광실크기반 식별자(silk-tag)의 세포독성, 알코올/온도/광표백 내구성 및 생분해성(소화성) 조사를 통해 안정성 및 내구성을 확인하였음
연구개발성과
○ 형질전환누에 특이형광실크 생산 및 특성 분석
∙ 본 연구에서 개발된 광변환ᐧ광스위치 형광실크는 세계 최초로 특이형광단백질 (광변환ᐧ광스위치: NijiFP, rsEGFP2, mIrisFP, PAmkate 등)을 이용한 형질전환누에 제작을 통해 생산된 것임
∙ 형광실크의 전기(양자)적 특성 검증 및 메카니즘 발견은 바이오의료/뇌과학/에너지/전자 분야로의 확장 응용성을 제시할 수 있는 새로운 천연바이오소재 개발에 기여한 것으로, 본 연구 결과는 바이오분야 저명한 저널인 Advanced Biosystems, vol. 4, pp. 2000040, 2020 (논문영향력지수: 52.44)에 게재되었음
○ 천연바이오소재 형광실크기반 보안 인증 솔루션 식별자(silk-tag) 개발
∙ 보안 인증 식별자는 주로 포장인증(QR/바코드, 라벨, 태그, RFID 등)에 초점을 맞추어 기술 개발이 이루어져 왔으나, 포장이 벗겨진 상태에서는 식별이 어렵고, 제조과정에서 환경오염 유발 등의 문제점이 있음
∙ 국내외에서 개발된 제품일체형 (특히, 의약품일체형) 보안 솔루션 식별자 기술 개발을 위한 연구와 투자가 활발히 진행되어 왔음
∙ QR 코드 또는 마이크로/나노 태그와 같은 보안 인증 방식은 복제 또는 해킹이 쉽거나, 인증 과정에서 특수 리더기가 필요함
∙ 또한, 소재측면에서도 인체 내에서 분해되지 않는 폴리머나 실리카를 이용하기 때문에 인체 유해 가능성(합성시 부산물로 생기는 발암물질, 피부 자극, 유전 독성, 체내 침식, 면역 반응 등)을 가짐
∙ 그러나, 본 연구에서 개발된 형광실크기반 식별자(silk-tag)는 PUF형, 워터마크(watermark)형 및 히든 QR 코드형 등 다양한 인증 방식 및 형태로 제조가 가능하며, 세포독성/내구성/안정성이 검증되어 바이오의료/제약/금융/제조/군사 분야 등에 필요한 여러 제품 및 사용 목적에 따라 다양한 보안 인증을 위한 활용이 가능함
∙ 특히, 본 연구에서 개발된 워터마크(watermark)형 식별자(silk-tag)는 사이버-물리 보안 융합 기술로 인쇄-카메라 워터마킹(print-camera watermarking) 개념의 새로운 위조 방지용 제품일체형 인증 보안 솔루션으로 인쇄 공정을 통한 대량생산이 가능할 것으로 사료됨
∙ 본 연구에서 개발한 식별자(silk-tag)는 국내외 위조 의약품 유통 방지를 위해 활용될 수 있으며, 이는 새로운 국내 바이오의약품 보호 정책 방안 마련 및 제약회사의 산업재산권 보호를 위한 보안 기술로 활용이 가능함
∙ 본 연구 결과의 워터마크형 식별자(silk-tag) 소재 분야 저명한 저널인 Advanced Functional Materials (vol. 32, pp. 2112479, 2022, 논문표준화된 영향력 지수: 95.22)에 히든 QR코드형 식별자(silk-tag)는 화학분야 저명한 저널인 ACS Central Science (vol. 8, pp. 513-526, 2022, 논문표준화된 영향력 지수: 93.58)에 각각 게재됨으로써 학술적, 과학적으로 인정받았음
∙ 본 연구 결과에 대해, 국내 특허 출원 2건 및 국내/국제 학회에 4편 발표하였음.
연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
○ 활용 계획
∙ 특이 형광단백질 전이벡터 제작 및 형광실크 생산 기술은 경제성 및 생체적합성/생분해성이 높은 천연 형광 바이오소재 대량 생산(단백질 생산 누에생체공장화)을 필요로 하는 생명과학/의료 분야로의 활용이 가능
∙ 본 연구에서 개발한 식별자(silk-tag)는 국내외 위조 의약품 유통 방지를 위해 활용될 수 있으며, 이는 새로운 국내 바이오의약품 보호 정책 방안 마련 및 제약회사의 산업재산권 보호를 위한 보안 기술로 활용이 가능
∙ 의약품 타입(정제, 캡슐제 등)별 맞춤형 제조 시스템 설계 및 제작을 통한 대량생산(사업화) 가능
∙ 본 연구에서 개발한 식별자(silk-tag)는 프로그래머블 보안 플랫폼으로의 응용이 가능하기 때문에 여타 식품/생체인식 보안 분야에도 적용할 있는 기회를 제공함으로써 다양한 후속 연구 가능
○ 기대 효과
1. 기술적 측면
∙ 특이 형광실크 기반 식별자(silk-tag)는 차세대 보안 솔루션으로써 의료/제약/국방/금융/유통/IoT 분야의 원천보안기술을 확보
∙ 위조 또는 부정 제품의 생산, 유통 및 판매와의 구별을 명확히 하여 복제품의 식별과 정보 확인이 용이
∙ 식별자(silk-tag)에서 생성되는 보안키는 대용량 인코딩 및 복제방지 기능을 통한 고차원 암호화와 자폭이 가능한 인증 플랫폼으로 국방/금융/IoT 분야에 원타임(1회성) 암호/인증 물리(현실) 보안 시스템에 적용이 가능
2. 경제적ᐧ산업적 측면
∙ 국내 위조(가짜) 제품(의약품, 패션, 화장품, 푸드 등)의 유통 방지용 원천보안기술 및 특허 확보로 글로벌 시장 선점
∙ 누에를 이용한 생체공장의 대량생산과 첨단 보안기술의 접목을 통한 저비용, 무탄소의 자연+기술이 조화를 이룬 BT-IT-ET 친환경 바이오 하이브리드의 새로운 산업의 가치 창출로, 이로써 국가기술 경쟁력이 강화될 것으로 기대
∙ 특히, 위조 의약품 유통을 방지함으로써 국내 약 200억원(16년기준), 세계 약 11억달러(16년 기준) 수준의 경제적 손실 감소 기여 (자료출처: 식품의약품안전처-국내 위변조의약품 유통실태 및 관리방안 연구, 2019)
∙ 또한, 의약품 정품 인증 및 보안 솔루션 개발은 국내 제약제조기업의 의약품 보호를 통한 산업 경쟁력 강화로 국내 의약품 수출 확대에 기여: 글로벌 위조제품 방지 보안 기술 시장 규모는 약 12.2조원 (2020년), 연 평균 성장률 12.09%, 2025년 약 21.6조원 규모로 확대될 것으로 예상함 (자료출처: Markets and Markets)
∙ 새로운 고부가가치 첨단 양잠 및 가공 산업 육성 가능 : 보안용 기능성 누에고치 생산을 위한 양잠 농가 증가, 재생실크 가공/생산을 위한 시스템 개발, 기업 참여(일자리 창출) 등 양잠산업 고부가가치 산업화 목표에 기여 (예, 2020년 양잠산업 6000억 규모)
∙ 1개의 식별자(silk-tag) 생산단가는 개발 단계에서 약 10원 이하 수준이나, 대량생산 제조시 훨씬 낮출 수 있을 것으로 예상
3. 사회문화적 측면
∙ 대용량 인코딩 공간을 통해 제품의 정보(성분, 유통내역, 유효기간, 주의사항 등)를 제공할 수 있어 소비자의 안전과 기업-소비자간 신뢰도를 확보
∙ 위조 의약품의 유통을 방지함으로써 개인 건강 및 국민 보건 수준 향상 효과 기대
(출처 : 요약문 2p)
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 요 약 문 ... 2
- 목차 ... 5
- 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
- 1-1. 연구개발의 필요성 ... 6
- 1-2. 연구개발의 목적 및 범위 ... 6
- 1-3. 연구개발 대상 기술의 국내외 현황 ... 7
- 1-4. 연구개발의 중요성 ... 8
- 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행내용 ... 9
- 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 16
- 1) 연구 수행 결과 ... 16
- 2) 목표 달성 수준 ... 33
- 4. 목표 미달 시 원인분석 ... 34
- 1) 목표 미달 원인(사유) 자체분석 내용 ... 34
- 2) 자체 보완활동 ... 34
- 3) 연구개발 과정의 성실성 ... 34
- 5. 연구개발성과 및 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 34
- 6. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 36
- 참고문헌 ... 39
- 끝페이지 ... 41
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