수소연료전지의 국가R&D과제와 소셜 데이터의 기술마이닝과 감성분석

2.1 수소연료전지와 국가R&D 과제 기술마이닝

수소연료전지는 수소를 공기 중 산소와 화학반응시켜 전기를 생성하는 장치로, 전해질과 동작온도에 따라 저온형, 고온형 연료전지로 구분된다[4]. 수소연료전지와 관련된 기술은 크게 수소의 생산기술, 이송 및 저장기술 그리고 활용 기술 중 수소충전기술로 나눌 수 있다.

우리나라 정부의 국가R&D 과제에서는 수소차와 수소연료전지를 양대 축으로 하는 연구가 진행되어 왔다. 한편, 민간 분야에서도 수소와 같은 신·재생에너지원의 과제로 지적되고 있는 변동성과 그에 따른 전력계통 연구[5], 그리고 기존 시스템의 디지털화에 대응하기 위해 IT 기술을 활용한 연구[6] 또한 이뤄지고 있다.

우리나라보다 앞서 수소경제에 대한 관심을 가진 일본은 수소의 높은 생산 및 유통 비용, 인프라 부족, 다른 저탄소 기술과의 경쟁 등 수소 사회를 실현하는 데 수반되는 문제점을 파악했다. 일본은 수소 기술의 글로벌 리더가 되고 글로벌 수소 시장 선점을 위한 국제 파트너십을 구축하기 위해 다각도로 노력하고 있다[7].

기술마이닝(Technology mining)은 Porter[8]가 제시한 조사 방법론으로, 전통적인 기술 정보 조사 방법 보다는 대량의 데이터에 기반하여 데이터 마이닝 기법과 텍스트 마이닝 기법을 적용한 자동화와 그에 따른 활용의 편리함을 특징으로 한다. 특허 또는 R&D 기술 문서를 전처리를 통해 정제한 뒤, 기술 정보 툴을 이용해 기술 분석 결과의 레퍼토리 파악, 적용 가능한 기술, 의사 결정 지원 등에 활용한다.

본 연구와 관련된 연구로는 데이터와 텍스트 마이닝 기법을 적용하여 그래핀 녹색기술 분야의 국가R&D 과제를 기술마이닝한 연구[9]가 있다. 수소경제 시대를 대비하여 수소차와 관련해서 국가R&D과제정보와 국내 신문기사를 가지고 텍스트 마이닝 기법을 적용한 연구[10]가 있다.

본 연구에서는 우리나라 수소연료전지 분야의 국가R&D 정보에서 기술을 공급하는 연구자들의 과제정보를 기술마이닝하고, 전 세계적인 소셜 미디어인 레딧 글에서 대중의 의견을 반영하기 위해 연관 및 감성 분석을 실시하고 수소연료전지의 현황과 향후 방향을 알아본다.

2.2 연관 및 감성 분석

본 연구에서는 대량의 데이터에 기반하여 데이터 분석을 하는 연관 분석과 텍스트에 기반하여 텍스트 마이닝을 하는 감성 분석 기법을 이용하고자 한다. 연관 분석(Association analysis)은 둘 이상의 사건이나 거래(Transaction)를 연관성 있게 발생하는지를 분석하는 방법으로 흔히 상품 추천에 많이 쓰이는 기법이다[11]. 본 연구에서는 이런 상품 추천 방법을 응용하여 레딧의 문장에서 명사형을 아이템으로 보고 연관 분석을 실시하였다.

감성 분석(Sentiment analysis)은 기사, 소설 등과 소셜 미디어에서 텍스트 안에 들어있는 긍정과 부정의 감정을 파악하는 기법이다. 대중들의 집단지성을 파악하는 방법으로 본 연구에서는 레딧이라는 소셜 미디어에서 영어로된 텍스트 문장을 가지고 감성 분석을 실시하였다. 감성 분석에서는 수집한 텍스트의 단어를 가지고 추출한 단어와 감성사전의 단어를 비교하여 산술평균하여 텍스트의 긍정지수(PT, Positive index of Text)를 식 (1)과 같이 계산하여 적용한다.

3.1 데이터 수집과 전처리

수소연료전지 분야의 국가R&D 투자는 국가 경쟁력을 제고시키는 데 중요한 요소로 우리 정부의 R&D과제는 해당 분야를 전문으로 연구는 연구자와 정부의 입장을 잘 표현한다.

이에 반해 트위터, facebook, 레딧 등의 소셜 데이터는 이 분야의 전문가는 아니지만 일반 대중의 입장을 잘 표현하는 데이터이다. 수소연료전지 분야의 전문가들이 연구하는 과제정보와 일반 대중의 소셜 데이터의 연계는 보다 정확한 수요와 공급 파악에 중요하다. 본 연구에서 수집한 소셜 데이터는 레딧으로 중장기의 시계열적 데이터로 보다 적합하기 때문이다. 트위터나 facebook은 중장기 데이터를 제공하지 않으며 최근의 일정한 수만 제공하기에 본 연구에서 원하는 데이터 수집도 어렵다.

앞에서 수집한 국가R&D과제와 레딧의 데이터에서 불필요한 어구를 제외하는 데이터 전처리 과정을 거쳤다. 이후 R언어의 형태소 분석 패키지인 NLP4kec를 사용하여 2글자 이상의 명사와 용언 원형을 추출하고 확인하였다.

3.2 연구 방법

본 연구의 연구수행 전체 흐름은 그림 1과 같다. 본 연구는 우리나라의 국가R&D에서 수소연료전지 연구 동향을 분석하기 위해 NTIS 데이터를 활용해 수소연료전지 관련 국가R&D과제 기술마이닝을 수행하였다.

Fig. 1.

Overall flow of the study

또한 해외의 수소연료전지에 대한 대중의 인식을 조사하기 위해 소셜 커뮤니티인 레딧을 분석했다. 레딧의 소셜 데이터를 수집하기 위해 R 언어의 해당 패키지를 이용해 레딧의 전체 서브레딧에서 ‘hydrogen fuel cell’ 키워드가 포함된 댓글을 8,808건을 다운로드하여 감성분석, 텍스트 마이닝 분석을 행하였다.

4.1 수소연료전지 국가R&D과제 데이터 분석

우리나라 국가R&D의 전체 정보를 제공하는 국가과학기술지식정보서비스(NTIS)에서 수집한 수소연료전지 관련 국가R&D과제의 2013년부터 2022년까지 최근 10년간 추이를 살펴보면 그림 2와 같다. 정부의 R&D 투자는 국가 경쟁력을 제고시킬 수 있는 중요한 수단이다. 이 중 수소연료전지 분야 과제의 연구과제비는 2019년 1646억원에서 2022년 5462억원으로 약 3배 급증했다. 같은 기간 연구개발 과제건수도 434건에서 830건으로 2배 가까이 늘었다. 즉, 최근 5년간 수소연료전지 분야 연구비와 과제수가 우리나라 국가R&D에서 대폭 증가한 것으로 분석돼 과거 문재인 정부의 수소경제 정책이 활성화된 것으로 파악됐다.

Fig. 2.

Costs of hydrogen fuel cell R&D projects

부처별 수소연료전지 관련 국가R&D과제를 확인한 결과 2019년부터 2022년까지 최근 5년간 부처별 현황은 표 1과 같이, 과학기술정보통신부가 전체 과제건수의 42.1%를 차지해 가장 비율이 높았다. 이어 산업통상자원부 25.1%, 교육부 16.0%, 중소벤처기업부 9.0% 순으로 나타났다.

Table 1.

Ministries of national R&D projects(2019-2022)

연구수행주체는 2019년 이후 표 2와 같이 대학이 전체의 50.1%나 됐다. 중소기업과 출연연구소는 각각 22.4%, 14.6%로 뒤를 이었다.

Table 2.

Institute type of national R&D projects(2019-2022)

수소연료전지 과제를 수행한 기관의 공동연구 상황을 파악하기 위해 R언어로 공동연구네트워크 분석을 그림 3와 같이 실시하였다.

Fig. 3.

Collaborative research network for national R&D projects

수소연료전지 분야 국가R&D과제수행 기관의 공동연구를 실시한 3,967건의 네트워크에서 한국에너지기술연구원과 한국과학기술연구원, 일진복합소재(주)가 가장 공동연구를 많이 한 것으로 나타났다. 이외에도 한국자동차연구원은 한국가스안전연구원, 한국가스공사 등과 한국전력공사는 한국동서발전, 한국중부발전 등과, 전남대학교는 한국광기술원, 한국기술교육대학교 등과 공동연구를 하고 있는 것으로 나타났다.

수소연료전지 관련 국가R&D과제 정보에서 영문 키워드를 추출하여 워드클라우드로 표현하면 그림 4과 같다. ‘fuel’, ‘cell’ 외에도 친환경 관련 ‘energy’, 백금과 같은 촉매제인 ‘catalyst’, 탄소 관련 ‘carbon’, 소재와 관련된 ‘material’의 순서로 수소연료전지 관련하여 우리나라 국가R&D과제의 키워드가 등장함을 보인다.

Fig. 4.

Wordcloud of english keywords for national R&D projects

4.2 레딧 데이터 연관 및 감성 분석

수소연료전지에 대한 대중의 인식을 조사하기 위해 소셜 커뮤니티인 레딧에서 받은 텍스트 데이터를 가지고 연관분석과 감성분석을 실시하였다. 그림 5은 R언어를 이용해 연관분석 작성된 프로그램 코드의 예시이다.

Fig. 5.

R language program for reddit sentence association analysis

먼저 연관분석에서는 레딧 글에서 문장 단위로 분리하고 지지도 0.01, 신뢰도 0.01, 향상도(lift) 1.1을 적용하여 90개의 연관규칙을 찾아 연관분석을 통한 단어들의 관계를 살펴 보면 그림 6과 같다. 대중들이 레딧에서 자주 쓰는 ‘hydrogen’, ‘energy’, ‘fuel’, ‘battery’, ‘cell’, ‘car’ 등이 화살표 방향으로 연관이 있는 것으로 나타났다. 이 그림은 레딧 글의 단어의 연관성을 잘 보여준다.

Fig. 6.

Word association using reddit post association analysis

다음으로 수소연료전지 관련 레딧의 감성 분석은 그림 7에에서와 같이 2013.8~2023.5 기간 동안에 시계열적으로 긍정과 부정이 상승과 하강을 하다가 최근에는 대세 상승을 갖고 있어 대중들의 긍정 기대가 높음을 알 수 있다. 이는 전 세계적으로 최근 2023년 긍정 기대가 매우 높은 것을 뒷받침한다.

Fig. 7.

Sentiment flow in reddit posts(2013.8-2023.5)

4.3 결과 종합 및 토의

우리나라 수소연료전지 분야의 국가R&D과제정보 2013~2022년 최근 10년치 3,959건과 레딧 소셜 데이터 8,808글에서 얻은 결과를 정리해 보면 다음과 같다.

첫째, 수소연료전지 분야의 국가R&D과제정보는 직접 해당 기술 분야를 연구하는 연구자들의 공급 측면 관점으로 수소연료전지 분야 과제의 최근 5년 연구비와 과제수는 대폭 증가해 왔으며 우리나라의 주요 현안임을 보여준다. 부처별로 보면 과학기술정보통신부, 산업통상자원부 순으로 나타났다. 이들 분야에서 공동연구를 주로 하는 연구원은 한국에너지기술연구원, 한국과학기술연구원, 한국자동차연구원 등이 있었다. 키워드 측면에서도 수소연료전지와 관련된 ‘energy’, ‘catalyst’, ‘carbon’, ‘material’ 등이 주로 등장하였다.

둘째, 레딧에서 얻은 수소연료전지에 대한 대중의 인식을 조사하기 위해 레딧 글을 가지고 연관분석을 한 결과, ‘hydrogen’, ‘energy’, ‘fuel’, ‘battery’, ‘cell’, ‘car’ 등이 화살표 방향으로 연관이 있는 것으로 나타났다. 이는 국가R&D과제의 키워드에 비해 일반 대중이 직접 실감할 수 있는 방향 즉 자동차, 배터리에 관심이 많음을 알 수 있다.

셋째, 레딧 2013.8~2023.5 기간의 글에서 얻은 일반 대중들의 감성은 최근 2023년 긍정 기대가 매우 상승해 있음을 보여 대중들의 기대가 예전보다 보다더 긍정 기대가 높음을 알 수 있다.

이외에도 우리나라 국내의 신문기사에서는 수소연료전지 관련 기업과 부처는 물론이고 미래 모빌리티, 친환경 및 에너지, 태양광, 전기차 등이 언급되고 있어 기술보다는 일반인에게 직접 다가갈 수 있는 활용 분야에 관심을 두고 있는 것으로 나타나났다.

또한 수소연료전지 분야의 세계적 수준의 우수학술지 SCI 및 SSCI 최근 논문 1,000개의 문헌 리뷰에 나온 키워드 중에서 전지(Cell)를 중심으로 수소 경제, 에너지, 전기차, 저장, 예측, 정책 등이 많이 언급됐다. 이를 우리나라 국가R&D과제와 비교해 보면 에너지의 저장, 예측 측면에서 우리나라가 수소연료전지 에너지의 수요와 공급 예측을 위한 IT에 기반한 데이터·AI 활용 서비스 산업 육성, 실시간 디지털 전환 및 활용체계 마련이 필요함을 알 수 있다.

최근 우리 정부는 국가연구개발을 통해 수소 생산과 저장·운송 기술뿐만 아니라 정보통신기술(ICT)과 빅데이터·AI 활용 서비스 기술을 융합한 탄소저감 및 기후변화에 대응한 스마트시티, 항공기와 잠수함 연료전지의 경쟁력 확보와 IT 생태계 구축에 분주하다. 예를 들어 수소추진선박에 첨단기술을 탑재하여 디지털 트윈이라 불리는 IT 융합시스템을 구축하거나, 고압연료가스 용기의 안정성 및 건전상태를 모니터링하고 주입가스 허용압력을 실시간으로 설정하는 등 센서를 활용한 탱크내장형 스마트 안전밸브를 개발하거나, AI 기반의 안전진단을 통해 그린수소 생산용 수전해 내구성 및 안전진단 기술을 개발한 사례가 있다.

본 연구 결과 우리나라는 수소 생산기술 개발이외에도 수소 공급망 최적화 및 글로벌 서플라이체인 구축을 통한 수소 유통 다각화 방안을 고려해야 할 것으로 분석됐다. 즉 현재 기술로서는 그린 수소 제조단가가 높으므로 수소를 직접 생산 방법이외에도 외국에서 수입을 하여 상시 발전보다 비상 전력 즉 데이터센터, 반도체 공장, EV충전시스템 등과 보조 전력으로 이용하는 비상발전시스템으로의 이용도 고려할 수 있다.

전방산업 측면에서는, 수소 대형 트럭 이외에도 환경 규제에 대응하기 위한 선박, 잠수함, 기차와 장시간 비행이 가능하며 고밀도·고경량화 수소연료전지가 필요한 도심항공교통(Urban Air Mobility)으로 활용을 확대하는 방안도 필요하다.

수소연료전지의 활용 분야로 스마트시티 측면에서는 ICT를 융합한 도시 문제해결·자율주행 기반의 수요응답형 버스, 스마트 교통패스 등 모빌리티 관련 서비스와 신재생 에너지 측정 시스템, 탄소중립 리워드 등 친환경 솔루션 등 IT 혁신기술을 기반으로 스마트시티 서비스를 구축해 도시경쟁력을 제고하는 방안도 있다.

향후 우리나라가 IT에 기반한 데이터·AI 활용 서비스 산업 육성, 실시간 디지털 전환 및 활용체계 구축을 통해 글로벌 수소경제 선도국으로 도약하기를 기대한다.