기술동향
/작성자:

“톈옌”으로 쌍성펄서계 최초로 발견

2020년 3월 27일, 중국과학원 국가천문대 박사연구생 왕린(王琳)/펑보(彭勃) 연구팀은 맨체스터대학교(The University of Manchester) Benjamin W. Stappers 연구팀 등과 공동으로 중국 톈옌(天眼)으로 불리는 직경 500미터 구면 전파망원경(FAST)으로 헤라클레스자리 구상성단(M13)에서 쌍성펄서계를 발견함과 아울러 펄서 타이밍 관측을 통해 해당 쌍성계는 1개의 펄서와 1개의 백색왜성으로 구성되었음을 입증했다. 이는 FAST에 의해 발견된 첫 쌍성펄서계이며 또한FAST에 의한 첫 펄서 타이밍 관측 연구 성과이다. 해당 성과는 "The Astrophysical Journal Letters(ApJ)"에 게재됐다. 2017년 12월부터 2019년 9월까지, 왕린 등은 FAST 초광대역 수신기로 1라운드 관측, 다중빔 수신기로 24라운드 관측 등 누계로 약 31시간 동안 관측을 수행하여 M13 에서 쌍성계에 위치한 밀리초 펄서 M13F를 발견했다, 또한 해당 성단(Star cluster) 중의 다른 1개 펄서 M13E가 식쌍성임을 입증한 한편 최초로 M13에서 M13F를 포함한 4개의 쌍성펄서계의 궤도 타원율을 측정함과 아울러 M13에서 현재까지 발견된 펄서의 세계에서 가장 좋은 타이밍 결과를 획득하였다. 이는 FAST가 구성성단에 대한 최초의 고감도 펄서 탐색 및 타이밍 결과로서 FAST의 흐릿한 미약 신호 펄서 탐사 능력을 보여줌과 아울러 구상성단 M13 중의 펄서 성질 및 분포 연구 공백을 메웠다. M13F 펄서는 두 가지 특성을 보유하고 있다. 1) 밀리초 펄서인 M13F는 밀리초 펄서이며 자전주기가 3밀리초이고 또한 M13 중에서 자전속도가 2번째로 빠른 펄서이다. 2) M13F 펄서는 쌍성계에 위치하여 있고 질량 하한이 태양 질량의 약 0.13배에 달하는 백색왜성과 상호 공전하면서 쌍성계를 형성하며 공전 주기는 1.4일이다. 해당 두 가지 특성은 주로 구상성단의 독특한 환경에 의해 초래된 것이며 향후 FAST로 M13에 대한 지속적인 장기간의 타이밍 관측을 수행하여 저밀도 구상성단 중 펄서의 진화과정을 규명할 필요성이 있다. 이번 첫 쌍성펄서계 발견을 통해 FAST는 알려지지 않은 쌍성펄서 발견 능력을 보유하고 있을 뿐만 아니라 기타 망원경에 비하여 더욱 우수하게 관측할 수 있음을 입증했다. 연구팀은 향후 지속적으로 FAST를 이용하여 더욱 많은 구상성단 펄서에 관한 연구를 수행하고 현재까지 발견하지 못한 펄서-블랙홀 쌍성 등 더욱 극한 조건의 쌍성계를 발견할 전망이다. 구상성단은 대량의 중력에 의해 구속된 항성으로 구성되고 대부분 은하헤일로에 존재하며 전파 펄서(Radio pulsar) 특히 밀리초 펄서 "생산 공장"으로 각광받고 있다. 현재 약 30개 구상성단에서 이미 157개 펄서가 발견됐는데 90% 이상이 밀리초 펄서이고 약 60%가 쌍성계에 위치하며 해당 비율은 은하원반 중의 펄서에 비하여 훨씬 높다. 이번 FAST에 의한 M13F 발견은 구상성단 펄서 샘플을 더한층 풍부히 하고 치밀한 천체 진화 연구를 추진할 전망이다. 2020년 1월, FAST는 순조롭게 국가 검수에 통과되어 오픈 운영에 돌입했으며 현재까지 "우주 등대"로 불리는 펄서를 114개 발견함과 아울러 검증했다. FAST는 펄서 시간측정 어레이, 드리프트 스캔(Drift-scan) 다학제 목표 전천탐사 등 과학관측 프로젝트를 지속적으로 가동하여 과학성과 창출 단계에 진입하고 있다.

1Km 고차원 양자 얽힘 분배 구현

/
중국과학기술대학교 궈광찬(郭光灿) 연구팀, 리촨펑(李传锋)/황윈펑(黄运锋) 연구팀, 지난(暨南)대학교 리차오후이(李朝晖) 연구팀, 중산(中山)대학교 위쓰위안(余思远) 연구팀은 최초로 킬로미터급 3D 궤도 각운동량의 얽힘 분배를 구현함으로써 향후 공간 모드 다중화 기술을 이용하여 장거리 고차원 양자 통신 작업을 달성할 수 있는 가능성을 마련했다. 해당 성과는 "Optics"에 게재되었다. 양자 얽힘은 양자 통신, 양자 정밀 측정 및 양자 컴퓨팅 등 양자 정보 프로세스의 주요 자원이다. 양자 얽힘의 장거리 분배는 양자 기술의 실용성 및 양자 물리학의 기본 문제 검사에 있어서 매우 필수적이다. 고차원 시스템은 더 높은 채널 용량, 더 강력한 도청 방지 기능 및 보다 효과적인 양자 컴퓨팅 기능을 구비한다. 광자의 궤도 각운동량은 최근 광범위한 관심을 받고 있는 고차원 시스템으로 차원 확장에서 매우 큰 장점을 갖고 있다. 그러나 궤도 각운동량 얽힘은 대기 난류 또는 광섬유의 모드 혼선 및 모드 분산의 영향으로 기존에는 수 미터 거리 전송만 가능했으며 이 또한 2차원 얽힘의 분배에 제한되었다. 고차원 궤도 각운동량 얽힘 분배 문제를 해결하기 위해 연구팀은 광자 공간 분할 다중화에 적합한 소모드 광섬유를 자체 개발하고 궤도 각운동량 모드 분산 사전보상 장치를 설계하여 최초로 1Km 광섬유에서 3D 궤도 각운동량 얽힘 광자쌍의 분배를 구현했다. 분배 후의 양자 상태는 일반화된 벨의 부등식(CGLMP 부등식)에 의해 검증되었고 3개 표준 편차의 부등식 위배를 획득함으로써 양자 상태의 고차원 비국소성을 검증했다. 또한, 광섬유의 모드 분산 및 디코히어런스(Decoherence) 특성에 대해 연구팀은 차원과 전송 거리를 심층 확장하기 위한 구현 방안을 제안했다.

최초로 1차원 원자 사슬 결함 양단의 제로 에너지 구속 상태 발견

/
베이징대학교 물리대학 양자재료과학센터 왕젠(王健) 연구팀은 미국 보스턴칼리지(Boston College, BC) 왕쯔창(汪自強) 연구팀 등과 공동으로 최초로 2차원 철 기반 고온 초전도체의 1차원 원자 사슬(Atomic chain) 결함 양단에서 마요라나 제로에너지 모드(Majorana zero-energy modes)를 발견함으로써 토폴로지 양자컴퓨팅의 최종 달성에 주요한 기반을 마련했다. 해당 성과는 "Nature Physics"에 온라인으로 게재됐다. 최근년래 클래식 컴퓨터의 연산능력을 능가하는 양자컴퓨터 개발은 세계 프런티어 연구 관심사 및 양자 초월을 달성하는 핵심 방향으로 되었다. 하지만 양자컴퓨팅은 결잃음 효과가 존재하기에 큐비트의 연산은 많은 비트수에 의한 얽힘을 요구한다. 따라서 고장 허용 양자컴퓨팅 즉 환경에 대해 민감하지 않은 토폴로지 양자컴퓨팅 연구는 최종적으로 규모화 양자컴퓨팅을 달성하는 주요 경로이다. 응집상태 물질 중 마요라나 준입자의 제로에너지 구속 상태를 마요라나 제로에너지 모드라 부른다. 해당 모드는 국부적 간섭 및 높은 고장 허용 특성을 구비하고 있기에 토폴로지 큐비트를 달성하는 기반으로 각광 받고 있다. 마요라나 제로에너지 모드를 연구하려면 구조 공법이 복잡한 헤테로구조가 요구될 뿐만 아니라 극저온 및 외부 자기장을 관측해야 하기에 마요라나 제로에너지 모드의 응용에 어려움을 가져다주었다. 연구팀은 분자빔 에피택시 기술을 통해 스트론튬타이타네이트(SrTiO3)기질(Substrate)에 두께가 약 0.59 nm에 달하는 대규모, 고품질의 단일층 FeTe0.5Se0.5고온 초전도 박막을 성공적으로 제조했다. 해당 박막의 초전도 천이 온도는 약 -211℃로 블록재 Fe(Te, Se)의 -258℃에 비하여 훨씬 높다. 원위치 저온 주사터널현미경 및 주사터널 스펙트럼 기술을 이용해 연구팀은 박막 표면에서 최상층 Te/Se 원자 결실로 형성된 1차원 원자 사슬 결함을 발견함과 아울러 결함 양단에서 동시에 제로에너지 구속 상태를 관측했는데 해당 구속 상태는 양호한 항간섭성을 보유하고 있다. 동 연구는 최초로 2차원 고온 초전도체 FeTe0.5Se0.5단일층 박막의 토폴로지 라인 결함 말단부 제로에너지 여기는 단일 재료, 비교적 높은 작동 온도 및 제로 외부 자기장 등 장점을 보유하고 있음을 규명했다. 이는 토폴로지 큐비트의 응용 달성에 가능한 방법을 제공했다.

509Km: 광섬유 양자 통신의 신기록 달성

/
지난(济南)양자기술연구원 왕샹빈(王向斌), 류양(刘洋) 연구팀과 중국과학기술대학교 판젠웨이(潘建伟) 연구팀은 공동으로 장거리 더블 필드 양자 키 분배 가능성의 최초 실험 검증에 이어 300Km 실제 환경 광섬유에서 더블필드 양자 키 분배 실험에 성공한 후, 509Km 실제 환경 광섬유에서 더블 필드 양자 키 분배(TF-QKD)에 성공함으로써 양자 키 분배의 최장 전송 거리 신기록을 세웠다. 해당 성과는 "Physical Review Letters"에 온라인으로 게재되었다. 양자 키 분배(QKD)의 장거리 실제 응용에서 채널 소모는 가장 심각한 제한 요소이다. TF-QKD는 단일 광자 간섭을 효과적인 감지 이벤트로 이용하여 안전 코딩 속도를 채널 감쇠의 제곱근에 따라 선형으로 감소시키며 무중계 상황에서도 QKD 코딩 속도의 선형 한계를 쉽게 깰 수 있다. 그러나 TF-QKD의 구현 조건은 매우 까다로워 두 개의 원격 독립 레이저의 단일 광자급 간섭이 있어야 함과 아울러, 단일 광자 검출 결과를 통해 장거리 광섬유 링크의 상대적 위상 쾌속 드리프트의 정확한 추산을 구현해야 한다. 해당 연구는 이론적으로 왕샹빈 교수가 제안한 "전송-불전송" 더블 필드 양자 키 분배 프로토콜에 기반하여 위상 노이즈에 대한 시스템의 내성을 크게 향상시켰다. 실험적으로, 시간-주파수 전송 기법을 이용하여 두 개의 독립 원격 레이저의 파장을 동일하게 잠구고 추가 위상 기준광을 이용하여 광섬유의 상대적 위상 쾌속 드리프트를 추산함으로써 측정 장치와 관계없이 안전 속성을 확보했다. 최종, 실험실에서 QKD 안전 코딩 거리를 509Km로 확장하여 기존의 무중계 QKD에 의해 제한된 절대 이론적 코딩 속도 한계를 극복했다. 기타 더블 필드 QKD 실험과 비교할 경우, 해당 연구는 안전성에서 독보적인 장점을 보유한다. 다시 말해서 측정 장치와 무관할 뿐만 아니라 제한된 코드 길이 조건에서의 안전성도 충분히 고려했다. 시스템 중복 주파수를 베이징-상하이 통신간선과 같은 장거리 양자 통신 네트워크에서 사용되는 1GHz로 업그레이드할 경우, 300Km되는 곳에서 코딩 속도가 5kbps에 달할 수 있으며 이는 백본 광섬유 양자 통신 네트워크의 신뢰 가능성 릴레이의 수를 대량 감소하고 광섬유 양자 보안 통신 네트워크의 안정성을 크게 향상시킬 수 있다.

세계 최초의 다중 배열 멤리스터 "스토리지 및 컴퓨팅 통합" 시스템 개발

/
칭화대학교 마이크로전자연구소, 미래칩기술 고정밀첨단혁신센터 쳰허(钱鹤), 우화챵(吴华强) 연구팀은 공동으로 복수의 멤리스터 어레이 기반 스토리지 및 컴퓨팅 통합 시스템을 개발하여 합성곱 신경망을 처리할 경우의 에너지효율을 그래픽 프로세서 칩보다 2 자릿수 높임으로써 컴퓨팅 설비의 컴퓨팅 성능을 크게 향상시키고 전력소모를 기존 칩보다 100배 줄였다. 해당 성과는 "Nature"에 게재되었다. 무어의 법칙이 한계에 다다름에 따라 집적 회로 축소 기법을 통한 컴퓨팅 성능 업그레이드가 점점 어려워지고 있다. 컴퓨팅과 스토리지는 서로 다른 회로에서 완성되는데 이 과정에서 대량 데이터 전송을 위한 전력 소모와 추가 지연이 초래된다. 컴퓨팅 및 스토리지 통합을 통한 AI 컴퓨팅 성능의 향상은 관련 분야 연구의 핫이슈이다. 연구팀은 재료와 소자 구조를 최적화하여 성공적으로 고성능 멤리스터 어레이를 개발했다. 소자의 비이상적 특성으로 인한 시스템 식별 정확도 감소 문제를 해결하기 위해 연구팀은 새로운 하이브리드 훈련 알고리즘을 제안하였다. 해당 알고리즘은 소량의 이미지 샘플만으로 신경망을 훈련시킴과 아울러 마지막 층 네트워크의 일부 가중치를 미조정함으로써 MNIST 데이터베이스에서의 스토리지 및 컴퓨팅 통합 구조의 식별 정확도를 96.19%에 달하게 하였다. 이는 소프트웨어의 식별 정확도와 맞먹는다. 연구팀은 공간 병렬 메커니즘을 제안하여 동일한 합성곱 커널을 복수의 멤리스터 배열에 프로그래밍하였으며 각 멤리스터 배열이 서로 다른 합성곱 입력 모듈을 병렬 처리할 수 있도록 함으로써 병렬 수행도를 향상시켜 합성곱 컴퓨팅을 가속화시켰다. 이를 기반으로 풀 하드웨어 구성의 완전한 스토리지 및 컴퓨팅 통합 시스템을 구축하였다. 시스템에 복수의 멤리스터 어레이를 집적하고 해당 시스템에서 합성곱 신경망 알고리즘을 효율적으로 운영하여 이미지 식별 기능을 성공적으로 검증하고 스토리지 및 컴퓨팅 통합 아키텍처의 풀 하드웨어 구현 가능성을 입증했다. 멤리스터 기반 신형 메모리 및 컴퓨팅 통합 아키텍처는 컴퓨팅 성능의 병목 현상을 극복하고 인공 지능과 같은 복잡한 작업을 위한 컴퓨팅 하드웨어의 고성능 수요를 충족시킬 수 있다.

"톈옌"으로 쌍성펄서계 최초로 발견

/
2020년 3월 27일, 중국과학원 국가천문대 박사연구생 왕린(王琳)/펑보(彭勃) 연구팀은 맨체스터대학교(The University of Manchester) Benjamin W. Stappers 연구팀 등과 공동으로 중국 톈옌(天眼)으로 불리는 직경 500미터 구면 전파망원경(FAST)으로 헤라클레스자리 구상성단(M13)에서 쌍성펄서계를 발견함과 아울러 펄서 타이밍 관측을 통해 해당 쌍성계는 1개의 펄서와 1개의 백색왜성으로 구성되었음을 입증했다. 이는 FAST에 의해 발견된 첫 쌍성펄서계이며 또한FAST에 의한 첫 펄서 타이밍 관측 연구 성과이다. 해당 성과는 "The Astrophysical Journal Letters(ApJ)"에 게재됐다. 2017년 12월부터 2019년 9월까지, 왕린 등은 FAST 초광대역 수신기로 1라운드 관측, 다중빔 수신기로 24라운드 관측 등 누계로 약 31시간 동안 관측을 수행하여 M13 에서 쌍성계에 위치한 밀리초 펄서 M13F를 발견했다, 또한 해당 성단(Star cluster) 중의 다른 1개 펄서 M13E가 식쌍성임을 입증한 한편 최초로 M13에서 M13F를 포함한 4개의 쌍성펄서계의 궤도 타원율을 측정함과 아울러 M13에서 현재까지 발견된 펄서의 세계에서 가장 좋은 타이밍 결과를 획득하였다. 이는 FAST가 구성성단에 대한 최초의 고감도 펄서 탐색 및 타이밍 결과로서 FAST의 흐릿한 미약 신호 펄서 탐사 능력을 보여줌과 아울러 구상성단 M13 중의 펄서 성질 및 분포 연구 공백을 메웠다. M13F 펄서는 두 가지 특성을 보유하고 있다. 1) 밀리초 펄서인 M13F는 밀리초 펄서이며 자전주기가 3밀리초이고 또한 M13 중에서 자전속도가 2번째로 빠른 펄서이다. 2) M13F 펄서는 쌍성계에 위치하여 있고 질량 하한이 태양 질량의 약 0.13배에 달하는 백색왜성과 상호 공전하면서 쌍성계를 형성하며 공전 주기는 1.4일이다. 해당 두 가지 특성은 주로 구상성단의 독특한 환경에 의해 초래된 것이며 향후 FAST로 M13에 대한 지속적인 장기간의 타이밍 관측을 수행하여 저밀도 구상성단 중 펄서의 진화과정을 규명할 필요성이 있다. 이번 첫 쌍성펄서계 발견을 통해 FAST는 알려지지 않은 쌍성펄서 발견 능력을 보유하고 있을 뿐만 아니라 기타 망원경에 비하여 더욱 우수하게 관측할 수 있음을 입증했다. 연구팀은 향후 지속적으로 FAST를 이용하여 더욱 많은 구상성단 펄서에 관한 연구를 수행하고 현재까지 발견하지 못한 펄서-블랙홀 쌍성 등 더욱 극한 조건의 쌍성계를 발견할 전망이다. 구상성단은 대량의 중력에 의해 구속된 항성으로 구성되고 대부분 은하헤일로에 존재하며 전파 펄서(Radio pulsar) 특히 밀리초 펄서 "생산 공장"으로 각광받고 있다. 현재 약 30개 구상성단에서 이미 157개 펄서가 발견됐는데 90% 이상이 밀리초 펄서이고 약 60%가 쌍성계에 위치하며 해당 비율은 은하원반 중의 펄서에 비하여 훨씬 높다. 이번 FAST에 의한 M13F 발견은 구상성단 펄서 샘플을 더한층 풍부히 하고 치밀한 천체 진화 연구를 추진할 전망이다. 2020년 1월, FAST는 순조롭게 국가 검수에 통과되어 오픈 운영에 돌입했으며 현재까지 "우주 등대"로 불리는 펄서를 114개 발견함과 아울러 검증했다. FAST는 펄서 시간측정 어레이, 드리프트 스캔(Drift-scan) 다학제 목표 전천탐사 등 과학관측 프로젝트를 지속적으로 가동하여 과학성과 창출 단계에 진입하고 있다.

중국 차세대 유인우주선시험선 테스트 완료

/
중국항천과기그룹(CASC) 제5연구원이 개발한 중국 차세대 유인우주선시험선의 테스트 작업이 최근 원창(文昌)위성발사센터에서 완료되어 4월 하순에 창정(长征) 5호 B탑재 로켓에 의해 발사될 예정이다. 중국우주정거장과 후속적인 유인 우주비행 임무를 위해 개발된 차세대 유인우주선시험선은 선저우(神舟) 우주선에 비해 크기가 더 크고 사람뿐만 아니라 화물도 운반할 수 있으며 재사용할 수 있다. 이번 시험선은 귀환 및 재진입(Return and Reentry Spacecraft) 제어, 단열 및 회수 등 일련의 기술을 검증함으로써 향후 우주비행사들의 중국 우주정거장 왕복수송을 위한 기술 기반을 마련할 예정이다. 차세대 유인우주선은 지구 저궤도와 우주 탐사 임무를 병행할 수 있다. 또한 새로운 내열 재료와 내열 구조를 사용하여 내열성이 선저우 비행선의 3~4배에 달한다. 귀환 및 재진입 제어에서도 착륙 지점의 정확도를 보장하고 과부하가 우주비행사의 인내 범위를 초과하지 않도록 보증할 수 있다. 이번 발사에서 보다 안전한 "엄브렐라 +에어백" 착륙 방법과 우주선 재사용 관련 기술을 검증할 예정이다. 차세대 유인우주선은 반환선의 10차 재사용을 목표로 하고 단계적으로 비용을 절감할 계획이다. 창정 5호 B탑재 로켓은 창정 5호를 기반으로 개선한 중국 최초의 1급반 구조(One and a half stage, 로켓부스터 구조) 대형 탑재 로켓으로 중국 유인우주정거장 선실과 같은 중요 우주 발사 임무를 수행한다. 이번 발사는 해당 로켓의 첫 비행이 될 것이다.

야오간 30호 06조 위성 발사 성공

/
2020년 3월 24일 11시 43분, 중국은 시창위성발사센터에서 창정 2호 병(長征二號丙) 운반로켓으로 야오간(遙感) 30호 06조 위성을 성공적으로 발사해 예정궤도에 순조롭게 진입시켰다. 다중 위성 네트워킹 방식의 야오간 30호 06조 위성은 주로 전자기환경 탐사 및 관련 기술 시험에 사용된다. 야오간 30호 06조 위성 및 창정 2호 병 운반로켓은 각각 중국과학원 마이크로위성혁신연구원, 중국항천과기그룹유한회사 제1연구원이 개발하였다.

로켓 잔해 정밀 위치결정 기술로 25분 만에 착지점 위치 찾아내

/
2020년 3월 9일, 중국은 창정 3호 을(長征三號乙) 운반로켓에 의한 베이더우(北鬥) 3호 GEO-2 위성 성공적 발사로 또 다른 기술—로켓 잔해 정밀 위치결정 기술을 파악하였다. 동 기술은 로켓 잔해 신속 추적에 이용 가능한데 이번 발사에서 보조추진로켓(booster rocket) 잔해를 순조롭게 찾아내는데 25분밖에 소요하지 않았다. 기존에 해당 작업을 완성하는데 적게는 수 시간 많게는 반 개월 이상 소요되었다. 동 위치결정시스템은 이번 임무를 통해 순조롭게 검증을 통과하였는데 이는 중국이 로켓 잔해 정밀 위치결정 기술 관련 연구에서 중요한 성과를 거두었음을 의미한다. 따라서 잔해 회수작업은 머지않아 "자유낙하체" 회수 시대에서 벗어날 전망이다. 역사적인 원인으로 인해 중국의 주요 발사장은 내륙에 구축되어 비행궤적이 인구밀집 지역을 경과하게 된다. 발사임무를 완수한 로켓에서 분리된 분리체는 자유낙하하는 과정에서 낙하지역민의 생명·재산 안전을 위협할 뿐만 아니라 낙하지역민 대피동원 및 회수작업에 큰 부담을 가져다준다. 최근 중국의 우주 사업이 고밀도 발사기에 돌입함에 따라 로켓 잔해 정밀 제어 가능한 회수 및 낙하지역민의 생명·재산 안전 보장 등은 우주사업 발전 과정에서 반드시 해결해야 할 현실적인 문제로 되고 있다. 이번 발사에서 보조추진로켓이 성공적으로 분리된 후 시창지휘통제센터 관련 설비는 보조추진로켓 낙하궤적 데이터를 즉시로 수신하였고, 로켓 잔해 정보처리 및 배포시스템은 착지점 좌표를 신속하게 계산해 그 위치를 결정한 후 지도 및 곡선형식으로 지휘센터에 잔해 궤적 및 착지점 정보를 발송하였다. 중국은 이번 임무에서 잔해정보 실시간 수신, 처리 및 디스플레이를 최초로 달성함으로써 낙하지역 작업자의 보조추진로켓 잔해 신속 회수에 기술적 지원을 제공하였다.

하이브리드쌀 안정적 다수확 유전자 발견

/
중국농업과학원 중국벼연구소 첸첸(錢前), 선전(深圳)농업게놈연구소 슝궈성(熊國勝), 중국과학원 유전·발육생물학연구소 리자양(李家洋) 연구팀은 하이브리드쌀의 안정적 다수확 성능을 결정짓는 하이브리드 "녹색혁명" 달성의 반려유전자를 발견하였다. 해당 성과는 "Molecular Plant"에 게재되었다. 식물주형(plant type)은 매우 복잡한 농업형질로서 작물 수확량에 영향을 미치는 주요인이다. 식물주 높이, 줄기 가지수, 이삭 낟알수 등 식물주형에 대한 적절한 개량을 통해 작물 수확량을 뚜렷이 향상시킬 수 있다. 20세기 50년대부터 60년대 사이 개발도상국의 의식풍족 목표 달성을 위해 "왜성유전자"를 이용해 벼, 밀 등 식량작물을 개량하는 등 다수확 육종 연구가 수행되었는데 이를 "녹색혁명"이라 일컫는다. 그 중 대표적 성과로 꼽히는 국제벼연구소가 1967년에 육성한 "IR8" 품종은 동남아시아 지역의 식량문제를 성공적으로 해결해 기적의 벼라 불린다. 기적의 벼 "IR8"의 다수확, 왜화 등 2가지 유전자는 서로 다른 벼 식물주에서 유래되었다. 중국은 벼 왜화 육종을 일찍 시작하였다. 연구팀은 이번 연구를 통해 중국 슈퍼 벼 부본 품종인 "화잔(華占)"이 새 대립유전자 "스트리고락톤(strigolactone) 합성유전자"를 함유하기에 벼 줄기 가지수 및 생산량을 효과적으로 증가시킬 수 있음을 발견하였다. "화잔"의 최대 특점은 줄기 가지수가 많고 안정적 생산성이 양호한 것이다. "화잔"을 부본으로 육성한 품종은 300개를 초과한다. 일련의 슈퍼 벼 조합은 뉴라운드 하이브리드쌀 품종 세대교체를 촉진해 양호한 생산효과를 거두었다. 아울러 기적의 벼 "IR8" 그리고 중국이 대면적으로 보급한 "쐉구이(雙桂)", "밍후이(明恢)63", "화잔" 등 다수 대표적 품종 모두 안정적 다수확 "스트리고락톤 합성유전자" 대립유전자를 보유하며, 왜화 형질 조절에 있어 유익한 대립유전자는 중국 타이완의 벼품종 "디자오우젠(低腳烏尖)"에서 유래되었음을 발견하였다. 이는 현대 인디카 벼 품종 육종 과정에서 상기 2가지 유전자는 육종 학자에 의해 동시에 선택되어 광범위하게 이용되었음을 시사한다.

세계 첫 인간세포지도 작성

/
저장대학교 의학대학 궈궈지(郭國驥) 연구팀은 60종 인체조직 샘플 및 7종 세포배양 샘플에 대한 Microwell-seq 고속 대량 단세포 염기서열 분석을 통해 세계 최초로 배아기 및 성년기의 인체 8대 시스템이 포함된 인간세포지도를 체계적으로 작성하였다. 해당 성과는 "Nature"에 게재되었다. 지난 수백 년 동안 과학계는 주로 현미경 및 유세포 분석(flow cytometry) 등 기술을 이용하는 한편 일부 표현형 특성에 의존해 자연계 다양한 종 세포에 대한 분류 및 감정을 수행하였다. 이러한 표현형 특성의 선정은 흔히 인위적 주관성이 많이 개입되는 점에 비추어 연구팀은 앞서 자체적으로 Microwell-seq 고속 대량 단세포 분석 플랫폼을 개발해 세계 첫 생쥐세포지도를 작성하였으며 그 뒤로 관련 분야 연구를 지속해 왔다. Microwell-seq는 비용이 저렴하고 쌍세포 오염률이 낮으며 세포 보편적 적용성이 넓은 등 장점이 있다. 이에 기반하여 연구팀은 70여만 개 단세포 전사체 데이터베이스를 구축함과 아울러 인체 100여 종 세포 대분류 및 800여 종 세포 아류를 감정하였다. 또한 scHCL 단세포 비교대조 시스템을 개발해 인체 세포 유형 식별에 이용하는 한편 인간세포지도 웹사이트도 구축하였다. 해당 세포지도를 통해 연구팀은 다양한 인간 상피, 내피 및 기질세포(stromal cell)가 조직에서 아마도 면역세포의 역할을 수행함을 발견하였다. 예를 들면, 케모카인 양성 상피세포, 항원 양성 내피세포 등 비전문적 면역세포는 성체의 각종 조직기관에 광범위하게 분포하며 분류상 전통적 상피, 내피, 기질 및 면역세포와 독립된다. 이에 근거해 연구팀은 성인 비면역세포의 광범위적 면역 활성화는 인체 영역화 면역의 중요 조절 메커니즘임을 주장하였다. 해당 연구는 최초로 단세포 수준에서 배아기 및 성년기 인체의 세포 종류를 전면적으로 분석하였다. 관련 연구 데이터는 세포 운명 결정 메커니즘 탐구에서 자원의 보고로 될 것이며, 해당 연구 방법은 인체의 정상 및 질병 세포상태 감정에 심원한 영향을 가져다줄 전망이다. 해당 연구는 시퀀싱 깊이 면에서 일정 정도 국한성이 있지만 범조직/범생물종 데이터 비교성 면에서 비교적 큰 우위를 지닌다. 완벽한 인간세포지도를 작성하려면 향후 공간정보, 멀티오믹스(Multi-Omics) 데이터, 인구집단 분석까지도 통합시켜야 하는데 이를 위해서는 전세계 과학자의 공동의 노력이 필요하다.

성체 줄기세포로 생쥐 체외 "인공 랑게르한스섬" 구축

/
당뇨병은 인류 건강을 위협하는 3대 주요 만성 비감염성 질병 중 하나이다. 랑게르한스섬 베타 세포 기능 장애는 인슐린 분비 불충분을 초래하며 많은 환자는 평생 인슐린 치료를 필요로 한다. 최근 랑게르한스섬 이식이 새로운 당뇨병 치료 방법으로 떠오르지만 랑게르한스섬 공여자의 심각한 부족으로 보급이 어렵다. 중국과학원 분자세포과학탁월혁신센터 쩡이(曾艺) 연구팀은 실험용 생쥐를 이용한 실험을 통해 성공적으로 생쥐 랑게르한스섬의 줄기세포 분류군을 감정하고 줄기세포 체외 배양 방법으로 생쥐 "인공 랑게르한스섬"(랑게르한스섬류 기관)을 획득함으로써 인체 "인공 랑게르한스섬" 연구를 위한 이론적 근거와 기술적 지원을 마련했다. 해당 성과는 "Cell"에 게재되었다. 이식에 사용할 수 있는 랑게르한스섬 베타 세포를 지속적으로 획득하는 방법은 무엇일가? 한 가지 방법은 장기 또는 조직 자체의 성체 줄기세포를 이용하여 체외에서 유사 기능을 보유한 장기를 "모조"하는 방법이다. 장기 특유의 성체 줄기세포는 "천연" 분화 경로를 따르고 체외의 적절한 배양 조건에서 자기재생과 분화를 통해 해당 장기의 기능 세포를 형성한다. 성체 줄기세포에 기반하여 획득한 이러한 유형의 "인공" 장기의 안전성과 조작 단순성은 이미 장(肠道)을 포함한 여러 시스템에서 검증 받았다. 그러나 랑게르한스섬의 성체 줄기세포 존재 여부는 논란의 여지가 있다. 랑게르한스섬 줄기세포를 발견하고 감정하는 것은 기능성 랑게르한스섬류 장기를 배양하는 선결 조건이자 또한, 장기적인 어려움이다. 연구팀은 생쥐를 이용하여 랑게르한스섬의 성체 줄기세포를 찾는 과정에서 실험용 생쥐에서 한 그룹의 새로운 세포 유형인 Procr+ 세포를 발견했다. 해당 세포 그룹이 기존에 알려진 랑게르한스섬 분화 세포와 완전히 다르고 미분화 상태에 있을 가능성이 있음을 확인한 후, 연구팀은 실험을 통해 Procr+ 세포가 체내의 정상적인 생리 상태에서 랑게르한스섬의 모든 세포 유형으로 분화 형성 할 수 있음을 발견함과 아울러 해당 그룹 Procr+ 세포가 랑게르한스섬의 성체 줄기세포임을 입증했다. 체내 발견을 체외 응용으로 전환하기 위하여 연구팀은 3D 배양 시스템을 구축하여 성공적으로 기능성 생쥐 랑게르한스섬류 기관을 획득했다. 체외에서 "복제"한 "인공 랑게르한스섬"은 랑게르한스섬의 모든 세포 유형을 포함하고 진짜 생쥐 랑게르한스섬 기능, 형태 등 방면이 모두 아주 유사했으며 당 자극에 신속하게 반응하고 인슐린을 분비할 수 있다. 또한, 이러한 생쥐 랑게르한스섬류 기관은 체외에서 20대 이상까지 대대로 "번식"할 수 있으며 매번 번식에서 3~7배의 세포 수 증가를 유지한다. 즉, 하나의 "인공" 장기는 매주 한 세대 번식하며 매 세대는 3~7개의 "후대"를 번식할 수 있다. 장기간 배양한 이러한 유사 장기를 당뇨병 생쥐 내에 이식한 경우, 생쥐의 혈당 수준이 회복되고 당뇨병 증상이 경감되었다. 이는 Procr+ 랑게르한스섬 줄기세포의 응용 잠재력을 입증한다. 해당 연구는 최초로 생쥐 랑게르한스섬의 성체 줄기세포의 "신분"을 감정하였고 장기간 성체 랑게르한스섬의 줄기세포 존재 여부를 둘러싼 논쟁에 답하였으며 줄기세포 기초 연구의 획기적인 성과이다. 해당 연구에서 구축한 생쥐 랑게르한스섬류 기관 배양 시스템은 체외 모델로 하여 생리 및 병리 조건에서의 랑게르한스섬 세포의 증식, 분화 및 미세환경과의 상호작용을 연구할 수 있으며 향후 체외에서 대량의 기능성 인간 랑게르한스섬 베타 세포를 획득하기 위한 새로운 방향을 개척했다. 그러나 현재 연구는 생쥐 모델에서 취득한 성공일 뿐, 인체의 랑게르한스섬의 성체 줄기세포 존재 여부 및 체외 랑게르한스섬 배양 가능 여부는 심층 연구가 필요하다.

2.52억 년 전 페름기 말기 식물 대멸종 사건에 대한 새 관점

/
윈난(雲南)대학교 펑줘(馮卓) 연구팀은 페름기 말기 생물 대멸종 연구에서 다양한 위도 식물지리구계가 대멸종 사건에 대해 서로 다른 반응을 보일 수 있기에 단일 메커니즘으로 해당 사건이 지구생태계에 미치는 영향을 해석할 수 없다는 새 관점을 제안했다. 해당 성과는 "Earth-Science Reviews"에 게재됐다. 45억 년이 넘는 지구 진화사에서 생물 대멸종 사건이 여러 번 발생했다. 그 중에서 2.52억 년 전 페름기 말기 생물 대멸종은 가장 큰 규모로 매우 짧은 시간 내에 95% 이상의 해양 종(Species)과 75% 이상의 육상 척추동물이 멸종했다. 따라서 생물계는 고생대 진화 생물형에서 현대 진화 생물형으로의 전환을 완료함으로써 생물계 진화에 매우 심각한 영향을 주었다. 연구팀은 "페름기 말기 대멸종 사건과 육상식물 진화"라는 과학적 문제를 둘러싸고 대량의 야외조사 및 실내 연구를 수행했다. 20여 개 지질 단면의 3만여 건 식물화석 표본에 대한 체계적인 연구를 기반으로 하고 퇴적학, 다중 지층 구분 등 방법을 결합해 연구한 결과, 다양성이 매우 높은 기간토프테리스식물군(Gigantopteris flora)이 존재한 최고 층위보다 약 2m 높은 위치에 단일종 석송류 식물이 특별히 집결된 층위가 존재하는 반면 기간토프테리스식물군 중의 전형적인 식물분자는 완전히 사라졌다. 이는 기간토프테리스식물군의 진화 후기에 "쾌속" 멸종 사건이 발생했음을 입증한다. 또한 기존에 고테티스해(Paleo-Tethys Ocean) 동쪽 해안 지역에 광범위하게 분포되었던 열대우림 생태계가 "갑자기" 초본 석송류 식물을 대표로 하는 "초지" 생태계에 의해 완전히 대체되었음을 더한층 입증한다. 고정밀 지층 비교를 통해 연구팀은 기간토프테리스식물군의 멸종 시간은 페름기 말기 대멸종 사건이 발생한 시간에 비하여 조금 늦음을 발견했다. 이로써 다양한 위도 식물지리구계는 페름기 말기 대멸종 사건에 대하여 다양한 반응 수준, 형식 및 시계열이 존재하며 해당 현상을 초래한 원인은 식물군집, 식물구성 형태 및 생태계 복잡성과 관련될 것으로 추정된다.

신에너지 자동차 항속 거리 600Km "블레이드 배터리" 출시

/
2020년 3월 29일, 비야디 주식회사(比亚迪, BYD)는 차세대 동력 배터리 제품인 "블레이드 배터리"를 출시했다. "블레이드 배터리"는 독창적인 구조 설계로 공간 이용률을 기존 배터리보다 50% 향상시키고 초강 안전성 및 긴 수명, 긴 항속거리 장점을 보유한다. 또한, 배터리의 안전성, 체적 에너지 밀도 및 비용 등 면에서 양호한 장점을 보유한다. "블레이드 배터리"의 가장 큰 특징은 안전성이다. "블레이드 배터리"를 장착한 신에너지 자동차의 항속 거리는 600Km에 달하며 2020년 6월에 출시될 예정이다. 기존의 신에너지 자동차 배터리는, 배터리로 배터리 모듈을 조립하고 다시 배터리팩을 조립한다. 대량의 구조부재를 사용하기 때문에 전체 배터리팩의 공간 이용률은 약 40%에 불과하다. "블레이드 배터리"는 길고 얇은 박편 형태이며 배터리 또한 구조부재이다. 배터리는 조립 과정에서 배터리 모듈절차를 거치지 않고 직접 배터리팩으로 조립되기에 배터리팩의 공간이용률이 60% 이상에 달하며 기존에 비해 50% 향상되었다. 공간 이용률이 높을수록 체적비 에너지 밀도가 크다. "블레이드 배터리"는 배터리 업계에서 공인하는 가장 엄격한 침술 테스트를 통과했다. 해당 테스트는 3~8mm 직경의 강철 바늘로 배터리를 꿰뚫어 배터리에 불이 붙거나 폭발하는지를 확인한다. "블레이드 배터리는" 침술 테스트에서 구조가 완전하고 안정적이며 불이 붙거나 연기 나는 현상이 없었다. 전기자동차 배터리의 안전 문제는 열폭주이다. 침술 실험은 아주 효과적이고 엄격한 열폭주 테스크 방법이다. "블레이드 배터리"의 구조 설계는 회로가 단락될 때 생기는 열이 적고 방열이 빠르기 때문에 침술 실험에서 우수한 성능을 보였다.

최초로 심해에서 천연가스 하이드레이트의 수평정 시추에 성공

/
자연자원부 중국지질조사국은 수심 1,225m 난하이 선후(神狐) 해역에서의 천연가스 하이드레이트("불타는 얼음"이라 불림) 제2라운드 시험 채굴에서 가스 총생산량 86.14만 m3, 일평균 가스 생산량 2.87만 m3의 2가지 세계 신기록을 세우는 한편 심해 옅은 부드러운 지층 수평정 시추 핵심 기술을 파악하고 탐사적인 시험 채굴에서 시험적인 시험 채굴의 도약을 달성함으로써 산업화 과정에서 중대한 대표적인 성과를 거두었다. 난하이 선후 해역에서의 천연가스 하이드레이트 제2라운드 시험 채굴은 2019년 10월에 본격 가동됐고 2020년 2월 17일에 시험 채굴에 성공했으며 2020년 3월 18일, 예정된 목표 임무를 달성했다. 제2라운드 시험 채굴 1개월 동안의 천연가스 총생산량은 60일 동안 수행한 제1라운드 시험 채굴 천연가스 총생산량의 2.8배에 달한다. 제2라운드 시험 채굴에서 다음과 같은 3가지 주요 성과를 달성했다. 1) 심해 옅은 부드러운 지층 수평정 시추 핵심 기술을 파악하여 가스 생산 규모를 대폭 향상시킴으로써 생산성 시험 채굴, 상업적 채굴에 튼튼한 기술 기반을 마련했다. 뿐만 아니라 중국은 세계 최초로 수평정 시추 기술로 해역 천연가스 하이드레이트 시험 채굴을 달성했다. 2) 천연가스 하이드레이트 탐사 채굴 산업화 핵심 기술 장비 시스템을 자체로 개발함으로써 심해 탐사 및 개발 능력을 대폭 향상시켰다. 또한 6가지 종류의 32개 항목 핵심 기술을 파악했고 12개 항목의 핵심 장비를 개발했는데 그 중의 갱구(Pit mouth) 안정성 제어 장치 석션 앵커(Suction anchor) 기술은 국외 독점 국면을 개변시켰다. 해당 기술 장비는 해양자원 개발, 해양공사 등 분야에 광범위하게 응용될 전망이며 새로운 심해 기술 장비 산업사슬의 형성을 이끌어 중국의 "심해 진입, 심해 탐사, 심해 개발" 능력을 증강시킬 전망이다. 3) 독특한 특성의 환경보호 및 모니터링 시스템을 구축함과 아울러 천연가스 하이드레이트의 친환경 개발 가능성을 더한층 입증했다. 뿐만 아니라 자체 혁신으로 환경 위해성 예방통제 시스템을 형성하고 대기, 수체(Water body), 해저, 갱정에서의 일체화 환경 모니터링 시스템을 구축했다. 시험 채굴 과정에서 메탄 누설이 없었고 지질재해가 발생하지 않았다. 천연가스 하이드레이트의 산업화 달성은 대체적으로 이론연구 및 시뮬레이션 시험, 탐사적인 시험 채굴, 시험적인 시험 채굴, 생산성 시험 채굴, 상업적 채굴 등 5개 단계로 나눌 수 있다. 제2라운드 시험 채굴 성공은 탐사적인 시험 채굴에서 시험적인 시험 채굴 단계로의 도약을 달성함으로써 천연가스 하이드레이트의 산업화 과정에 핵심적인 한걸음을 내디디었다. 현재 제2라운드 시험 채굴을 수행하는 한편 천연가스 하이드레이트 탐사 개발 산업화와 생산성 시험 채굴 이행에 필요한 테스트를 수행하고 있다.

혁신적 이념의 풍력열발생장치로 50~60℃ 열수 획득

/
중국과학원 국가에너지풍력발전블레이드개발(실험)센터 쉬젠중(徐建中) 연구팀은 풍력에너지 이용 및 열역학 교차 이론을 기반으로 "풍력열발생장치" 혁신 아이디어를 제안하였다. 풍력에너지를 구동력으로 하는 해당 풍력열발생장치는 전기발전 과정을 거치지 않고 직접 풍력에너지를 열에너지로 전환시킨다. 또한 풍력에너지와 전기에너지의 에너지전환 손실을 감소시킴으로써 시스템 제조비는 낮추고 시스템 효율을 대폭 향상시켰는바 그 경제적 지표는 기존 주류 청정에너지원 급열/급냉 기술을 훨씬 초과한다. 연구팀은 풍력기(wind machine) 시뮬레이션 시스템을 기반으로 풍력열발생장치 하드웨어-인-더-루프 시뮬레이션(HILS) 실험플랫폼 및 컴퓨팅 시뮬레이션 플랫폼을 구축하였다. 해당 플랫폼은 풍력기 시뮬레이션 시스템을 이용해 서보모터를 제어하기에 다양한 작동상태의 풍력기 출력을 시뮬레이션할 수 있다. 또한 서보모터를 구동력으로 하여 열펌프 입력전력(input power) 변화를 조절하며, 고온 항온수조 및 저온 항온수조를 이용해 고·저온 열원을 시뮬레이션하는 등 다양한 작동상태에서의 풍력열발생장치 열발생 성능계수 COP(열발생량/역학에너지) 변화법칙 측정이 가능하다. 한편 풍력열발생장치 시뮬레이션 계산모형을 구축해 열펌프장치 COP 실제 측정값과 시뮬레이션값의 비교 결과를 획득하였다. 해당 실험플랫폼으로 풍력열발생장치 시뮬레이션 모델의 신뢰성을 검증할 수 있다. 또한 미국 국립재생에너지연구소(NREL)가 개발한 Aerodyn/FAST 풍력기 시뮬레이션 플랫폼에 기반하고 BEM 이론 및 개방형 압축기 모델을 결합해 1.5MW 풍력열발생장치 시뮬레이션 모델을 구축하였다. 아울러 해당 모형에 기반해 다양한 풍속시의 성능곡선 및 전형적 작동상태에서의 운행법칙을 획득하였다. 풍력열발생장치의 풍력에너지 이용계수 Cp(역학에너지/풍력에너지) 및 1차에너지 이용률 Cp×COP(열발생량/풍력에너지) 그래프에서 풍력열발생장치 Cp는 먼저 감소하였다가 후에 증가하였다. 즉, 풍속 7.74 m/s시 Cp는 피크값 0.4627에 도달한 후 점차적으로 감소하였다. 풍력열발생장치 1차에너지 이용률 Cp×COP와 Cp는 유사한 변화법칙을 보였지만 그 피크값은 고풍속에서 나타났다. 즉, 풍속 8.54 m/s시 피크값은 1.9363에 도달했다. 1.5MW 풍력열발생장치를 장자커우(張家口) 줘루(涿鹿) 지역 황디청(黃帝城)진에 응용해 얻은 동계 전형적 작동상태에서의 역학에너지 및 열발생량 변화를 보면, 시간에 따른 열발생량 변화 값은 최대 5.34MW에 도달했고 평균 열발생량은 약 3.0MW로 50,000m² 건축물의 난방수요를 만족시킬 수 있다. 풍력열 이용의 산업화 촉진을 위해 연구팀은 2019년 12월에 100kW급 풍력열발생장치 프로토타입을 개발했고 2020년에 허베이성 줘루현 황디청진에서 해당 프로젝트 시범응용을 완수할 계획이다. 앞서 시행한 5,000m² 호텔건물에서의 냉열원 공급시범에서 풍력열발생장치는 토양원을 저온 열원으로 하여 50~60℃ 열수를 발생했고 열발생 COP는 3.5 이상에 도달했다. 이로써 해당 시범프로젝트는 후속 풍력열발생장치 산업화 보급을 위해 기반을 마련하였다.

긴 수명 아연 기반 플로우 배터리용 복합이온 전도막 개발

/
중국과학원 다롄(大连)화학물리연구소 리셴펑(李先锋)/장화민(张华民) 연구팀은 긴 수명 아연 기반 플로우 배터리용 복합이온 전도막을 개발하여 아연 기반 플로우 배터리의 순환 수명을 뚜렷이 향상시켰다. 해당 성과는 "Angewandte Chemie International Edition"에 게재되었다. 배터리의 핵심부품인 이온 전도막의 합리적인 막 구조 설계는 배터리의 순환 안정성을 향상시킴에 있어서 아주 중요하다. 연구팀은 고열전도성과 높은 기계적 강도를 보유한 질화붕소 나노시트를 다공질막에 도입하였다. 즉, 기저막에 한 층의 질화붕소 나노시트를 도입하여 복합이온 전도막을 제조했다. 그 중, 음극 대향 질화붕소 나노시트는 전극 표면 온도를 균일하게 분포시키고 아연 침적 형상을 날카로운 "수지상"에서 부드러운 "감자튀김상"으로 조절할 뿐만 아니라, 기계적 강도가 높아 과도 성장하는 날카로운 아연 수상돌기의 막박 재료에 대한 파괴를 효과적으로 방지할 수 있다. 두 가지 방면의 시너지 효과를 통해 배터리의 수명을 대폭 향상시킬 수 있다. 해당 복합이온 전도막을 이용하여 조립한 알칼리성 아연-철 플로우 배터리는 800mA/Cm2의 전류 밀도 조건에서 500회 충방전 주기로 800시간 안정적으로 작동하였으며 뚜렷한 감쇠가 없었다. 200mA/Cm2의 전류 밀도 조건에서도 에너지 효율이 80% 이상이었다. 해당 결과는 아연 기반 배터리의 아연 음극 조절에 중요한 참고적 가치가 있다. 아연 기반 플로우 배터리 에너지 저장 기술은 비용이 낮고 안정성이 높으며 친환경적인 등 특성을 보유하여 분포식 에너지 저장 분야에서 우수한 응용 전망을 보여준다. 그러나 아연 이온이 음극에서 환원될 때, 수지상, 이끼상, 층상 등 상이한 형상의 금속 아연으로 침적되기 때문에 그 중에 파괴성을 가진 수지상 금속 아연-"아연 수상돌기"가 어느 정도 성장하면 이온 전도막을 파괴하여 배터리 순환 수명을 단축시킨다. 연구팀은 기존의 연구에서 박막 재료의 전하 특성을 이용하여 아연 침적 방향과 형태를 조절할 수 있으며 아연 기반 플로우 배터리의 순환 안정성을 대폭 향상시킬 수 있음을 발견하였고 이를 이용하여 연구 성과를 도출했다.

그래파인의 과도 자외선 차단 기능 발견

/
자외선은 인체 세포의 커다란 적이다. 눈, 피부 등 생물 환경에 대한 초강력 자외선의 파괴를 제한하는 방법은 무엇일까? 최근, 산둥(山东)이공대학교 저차원광전재료·소자 장팡(张芳), 싱페이(邢飞) 연구팀은 광학 비선형 분야 연구에서 그래파인(Graphyne)이 우수한 자외선 비선형 특성을 보유하며 "아주 적절하게" 자외선을 흡수함을 발견했다. 해당 성과는 "Nanoscale"에 게재되었다. 그래핀(Graphene)을 대표로 하는 2차원 재료는 뛰어난 물리, 화학적 및 생물학적 특성으로 전례 없는 연구 붐과 응용을 이끌었다. 그래핀과 동소체인 그래파인은 그래핀보다도 더 우월한 초고속 광전 특성을 보유할 수 있다. 연구팀은 재료 제조, 자외선 검사 등의 어려움을 극복하고 그래파인의 우수한 자외선 비선형 특성을 입증했다. 자외선 비선형 재료는 자외선 강도가 비교적 낮을 경우, 자외선을 통과시키지만, 자외선 강도가 특정 수치보다 높을 경우, 초과한 부분의 자외선을 차단하는 신기한 기능이 있다. 생물 세포를 보호하고 적정량의 자외선 흡수를 보장하여 칼슘 흡수를 촉진하며 아울러 과도한 자외선으로 인한 인체 손상을 방지할 수 있어 이상적인 자외선 차단 재료이다. 연구팀은 또 다른 새로운 2차원 재료인 텔루렌(Tellurene)도 일정한 자외선 비선형 특성을 보유함을 발견했다. 텔루렌의 자외선 비선형 특성은 그래파인만큼 강하지 못하지만 텔루렌은 더 넓은 스펙트럼 범위에서 비선형 보호 특성을 형성할 수 있는 일종의 광대역 비선형 재료로서 아주 큰 실용 가치가 있다. 해당 연구 성과는 광학 비선형 분야의 신속한 발전을 추진하고 더 많은 응용 가치를 보유한 성과 및 제품을 창조하도록 돕는 역할을 할 전망이다.

2019년 희토류 과학기술상 발표

/
2019년 중국 희토과학기술상이 발표되었다. 이번 과학기술상은 중국희토학회와 중국희토산업협회가 공동으로 희토과학기술상수상위원회를 구성하여 2019년 5월~9월 15일까지 접수한 희토분야 지하선광/재련 분석류 5건, 재료류 22건 총 27건에 대한 심의평가를 거쳐 최종 선정한 것이다. 수상위원회는 「희토과학기술상수상조례」와 「희토과학기술상 정량화평가기준」에 근거하여, 수상평가에 참여한 희토분야 과제에 대한 온라인 심사, 심사위원회 심의평가 및 수상위원회의 최종평가를 거쳐 1등상 3건, 2등상 7건을 각각 최종 선정했다. 2019년 중국의 희토 과학기술상 수상자 명단 등 상세 내용은 첨부파일 참조

인공 시각 시스템을 위한 신형 광전 감지 저장장치 개발

/
중국과학원 금속연구소 선양(沈阳)재료과학국가연구센터 연구팀은 알루미늄 나노결정 부동 게이트에 기반한 탄소나노튜브 비휘발성 메모리를 제안함으로써 웨어러블 전자 소자 및 특수 환경 검사 시스템 개발에 신형 소자 설계 방법을 제공했다. 해당 설계 방법은 탐지, 저장 및 처리를 통합한 차세대 인공 시각 시스템에 응용될 전망이다. 해당 성과는 "Advanced Materials"에 게재되었다. 탄소나노튜브는 지난 30년 동안 재료 과학 분야에서의 가장 중요한 과학적 발견으로 우수한 전기학적, 광학적, 역학적 및 열학적 물리화학 특성을 보유하며 유연성과 신축성이 뛰어난 반도체 구축 재료이다. 신형 유연성 전자 소자와 광전자 소자 시스템에 적합하고 웨어러블 등 유연성 전자 소자 분야에서 독특한 장점과 잠재력을 가진다. 현대 전자 시스템에서 동시에 광전 감지와 저장 기능을 보유한 탄소 기반 프로토타입 소자에 관해 아직 보도된바 없다. 연구팀은 새로운 전하 저장 방법을 제안했다. 반도체성 탄소나노튜브를 이용하여 구축한 신형 전하 저장 소자는 전압 신호를 통해 조절할 수 있고 광신호에 신속하게 반응한다. 해당 방법으로 제조한 소자는 높은 전류 스위칭 비율, 장시간 저장 기능, 우수한 유연성 및 안정적인 읽기 쓰기 작업 등 특성을 보유한다. 신형 소자의 저장 시간은 최대 10 년에 달하며 광전 신호의 직접 변환과 전송, 이미지 감지와 이미지 저장을 통합한 신형 다기능 광전 감지 및 저장 시스템이다. 신형 감지 및 저장 소자는 인공 시각 시스템에 응용하여 사람 눈의 이미지 인식 및 기억 기능을 시뮬레이션할 수 있으며 기존의 이미지 처리장치의 용량, 접적도, 속도 등 방면의 기술 병목을 해결함으로써 신형 유연성 검사 및 저장 소자 개발을 위한 기반을 마련했다.

체온 측정 정밀도가 0.1℃에 달하는 적외선 센서 개발

/
중국병기공업그룹(NORINCO GROUP) 전자공정설계원 화둥(華東)광전집적소자연구소는 코로나19 현황에 비추어 센서칩 개발에 전력을 다하고 있다. 현재 성능지표 정밀도가 0.1℃에 달하고 간섭방지 능력이 현재 시장 주요 제품(성능지표 정밀도 0.3℃)에 비하여 우수한 센서칩을 개발함과 아울러 각종 단일 항목 테스트를 완료함으로써 2020년 3월말, 칩 샘플 개발을 마무리할 계획이다. 최근, 코로나19 감염 발생으로 귀체온계, 이마체온계 등 비접촉식 체온계에 의한 대규모발열 검사가 진행됨에 따라 비접촉식 체온계 수요가 급증하고 있다. 하지만 중국은 비접촉식 체온계 핵심 부품 미세전자기계시스템(MEMS) 적외선 체온센서를 장기간 주로 수입에 의존했다. 화둥광전집적소자연구소는 완전자동화 조립/패키징 핵심 설비, 보조 칩 제조 핵심 설비를 조달하여 센서칩 제조, 조립/패키징 국산화를 추진함으로써 월간 생산량을 현재의 2만 개에서 100만 개 이상으로 향상시키고 2020년 4월초, 대량으로 시장에 투입될 전망이다. 화둥광전집적소자연구소는 MEMS 센서칩 설계, 제조, 패키징, 테스트 등 완정한 연구 능력을 구비하고 있으며 기술혁신을 통해 MEMS 센서의 여러 항목 기술성과를 달성했다. 다음 단계에 관련 체온측정 제품을 개발하여 전염병 통제, 업무복귀/생산복귀에 필요한 체온측정 요구를 만족시킬 계획이다.

중국 첫 2m급 태양망원경 개발

/
중국과학원 광전기술연구소 라오창후이(饒長輝) 태양 고해상도 이미징 기술 연구팀은 2019년 12월 10일, 자체 개발한 1.8m 태양망원경으로 태양 대기 광구층과 채층의 고해상도 이미지를 획득했다. 해당 망원경은 중국 최초의 2m급 태양망원경이다. 해당 성과는 "중국과학: 물리·역학&천문학(SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy)"에 게재됐다. 연구팀은 광열 효과, 낮은 대비도 확장 목표 웨이브프론트(Wave front) 탐사 등 일련의 기초이론 연구를 통해 대구경 망원경 주경(Primary mirror) 열제어 기술, 강한 난류 조건에서의 실시간 웨이브프론트 탐사 기술, 광시야 태양 자기적응 광학적 보정 기술 등 핵심 기술을 파악함으로써 1.8m 태양망원경을 성공적으로 개발함과 아울러 451 유닛 고차 태양 자기적응 광학 시스템, 지표층 자기적응 광학 시스템(GLAO), 태양 멀티밴드 고해상도 미이징 시스템을 장착시켰다. 향후 1.8m 태양망원경에 MCAO(Multi-Conjugate Adaptive Optics) 시스템, 태양활동 영역 고해상도 자기장 및 속도장 탐사 시스템 등을 장착하여 더욱 전면적인 태양활동 모니터링 데이터를 획득하여 태양활동의 발생, 발달, 진화 연구에 더욱 정확한 관측 데이터를 제공하는 한편 태양물리학 연구 및 우주 기상예보에 중요한 데이터 지원을 제공할 예정이다. 태양은 지구와 가장 가까운 항성으로서 태양활동 및 우주환경에 미치는 영향에 대한 모니터링 및 연구는 전세계 관심사로 되었다. 기존에 구축한 2m급 태양망원경은 주로 미국의 1.6m 태양망원경 GST와 독일의 1.5m 태양망원경 GREGOR이며 미국의 4m 태양망원경 DKIST는 아직 본격적으로 운영되지 않았고 유럽의 4m 태양망원경 EST는 이미 설계 개발을 가동했다. 중국의 기존 최대 구경 태양망원경은 윈난(雲南)천문대가 개발한 1m 새로운 진공식 태양망원경(New Vacuum Solar Telescope, NVST)이다.

34종 단일 원자 촉매 제조

/
중국과학기술대학교 허페이(合肥)미세규모물질과학 국가연구센터 화학물리학부 쩡제(曾傑)/저우스밍(周仕明) 연구팀은 전기화학적 증착을 이용한 단일 원자 촉매 제조 보편적인 방법을 개발함과 아울러 해당 방법을 이용하여 34종 단일 원자 촉매를 제조함으로써 다양한 전이금속과 기질(Substrate)을 아우르는 단일 원자 촉매개발에 성공했다. 해당 성과는 "Nature Communications"에 게재됐다. 단일 원자 촉매는 최대의 원자 이용률 및 독특한 전자 구조를 보유하고 있기에 가수분해, 산소환원, 이산화탄소 수소화, 메탄 전환 등 화학반응에서 광범위한 관심사로 떠오르고 있다. 하지만 현재 단일 원자 촉매 합성 방법은 단일 원자 및 기질에 대한 요구가 높기에 어떠한 기질에서도 금속 단일 원자 촉매 제조는 불가능하다. 따라서 기질 및 금속에 대한 선택성이 없는 보편성 단일 원자 합성 방법은 주요한 의미를 갖고 있다. 연구팀은 전기화학적 3전극 시스템에서 전기화학적 증착을 수행함과 아울러 증착 조건이 단일 원자 형성에 미치는 영향 연구를 통해 금속의 담지량이 특정 한계보다 낮을 경우 단일 원자를 획득할 수 있고 특정 한계보다 높을 경우 금속 클러스터 또는 과립이 형성됨을 발견했다. 해당 변화는 액상에서 결정성장의 핵생성 과정과 유사하다. 동 방법의 보편성을 입증하기 위해 연구팀은 수산화코발트, 황화몰리브덴, 산화망간, 질소 도핑 탄소 등 기질에서 3d, 4d, 5d 금속에 적용되는 단일 원자 촉매를 성공적으로 획득함과 아울러 제조한 단일 원자 촉매에 대한 구조 특성을 연구했다. 결과, 음극 및 양극 증착으로 획득한 동일한 단일 원자 촉매는 다양한 전자구조를 보유하고 있음을 발견했다. 이는 해당 촉매의 다양한 촉매반응에서 응용에 가능성을 제공했다. 실험결과, 음극 증착으로 획득한 일부 촉매는 전기촉매 수소발생 반응에서 우수한 성능을 나타냄과 아울러 양극 증착으로 획득한 일부 촉매도 전기촉매 수소발생 반응에서 양호한 성능을 나타냈다. 전기화학적 테스트 결과, 해당 시스템은 1.39V의 전위로 10mA/cm2의 완전가수분해 전류밀도를 획득할 수 있어 염기성 전해질에서의 최저 전위 기록을 경신했다. 동 보편적인 방법은 단일 원자 촉매 분야에 새로운 활력을 부여했을 뿐만 아니라 향후 촉매 구조와 성능 사이의 관계를 체계적으로 연구하는데 새로운 아이디어를 제공했다.

하이퍼트리톤과 안티하이퍼트리톤의 질량 및 결합에너지 정밀 측정

/
푸단대학교/중국과학원 상하이응용물리연구소 중이온물리연구팀은 하이퍼트리톤(hypertriton)과 안티하이퍼트리톤(antihypertriton)의 질량 및 결합에너지에 대한 정밀 측정을 달성하였다. 해당 성과는 "Nature Physics"에 게재되었다. 실험 결과에 의하면 하이퍼트리톤 Λ(Lambda) 분리에너지는 초기 측정 결과에 비해 약 3배 큰 것으로 나타났다. 이로써 약 50년 전에 측정한 하이퍼트리톤의 Lambda 분리에너지 결과를 업데이트하였다. 또한 하이퍼트리톤과 안티하이퍼트리톤의 상대적 질량은 10,000분의 1 정밀도 하에서 그 차이가 없으며, CPT(하전공액변환—패리티반사—시간반전) 대칭성이 야릇한 물질(Strange matter)의 원자핵에서 성립됨을 검증하였는데 이는 지금까지 CPT 대칭성으로 검증한 가장 무거운 반물질(antimatter) 원자핵이다. 2014년과 2016년에 STAR 검출기로 수집한 금-금(Gold-Gold) 충돌에 의해 생성된 대량 실험데이터 분석을 통해 연구팀은 약 46억 개 충돌사건으로부터 156개 하이퍼트리톤 신호 및 57개 안티하이퍼트리톤 신호를 검출하였다. 해당 연구는 세계 최초로 안티스트레인지 쿼크(antistrange quark) 원자핵 하이퍼트리톤과 안티하이퍼트리톤의 질량 차이를 정밀 측정하였을 뿐만 아니라 10,000분의 1 정밀도에서 CPT 대칭성이 하이퍼핵(hypernucleus)에서 성립됨을 검증하였다. 해당 측정 결과는 표준 모델 파라미터 확장에 실험적 한계를 제공할 전망이다. 하이퍼트리톤 Lambda 분리에너지 측정은 중성자별 성질 이해에도 핵심적 도움을 제공한다. 이번 하이퍼트리톤 Lambda 분리에너지 측정은 하이퍼론-핵자(hyperon–nucleon) 간 상호작용 강도가 아마도 학계의 초기 인식에 비해 훨씬 강함을 시사한다. 최신 측정 결과는 하이퍼론-핵자 간 상호작용을 이론적으로 계산하는데 보다 정확한 한계를 제공할 전망이다.

고온 안정성 단일 원자 촉매의 kg급 제조 달성

/
중국과학원 다롄(大連)화학물리연구소 차오보타오(喬波濤)/리웨이전(李為臻) 연구원과 장타오(張濤) 연구팀은 공동으로 간단한 물리적 혼합 방법을 이용하고 고온 배소를 거쳐 고온 안정성 단일 원자 촉매를 제조했다. 해당 성과는 "Nature Communications"에 게재됐다. 2011년, 장타오 연구팀은 칭화대학 리쥔(李雋) 연구팀, 미국 애리조나주립대학교(Arizona State University, ASU) 류징웨(劉景月) 연구팀과 공동으로 세계 최초로 산화철 담지 백금 단일 원자 촉매를 제조함과 아울러 이를 기반으로 "단일 원자 촉매" 개념을 제안했다. 최근 단일 원자 촉매는 높은 원자 이용률, 균일한 활성부위, 특정 반응에 대한 우수한 활성, 선택성 등 장점으로 촉매 분야의 연구 핫이슈로 떠오르고 있다. 연구가 심화됨에 따라 단일 원자 촉매 제조 방법이 지속적으로 개발되고 있다. 그 중에서 단일 원자층 퇴적 및 질량 선별-연착륙법은 정밀하고 제어 가능하지만 원가가 높고 수율이 낮기에 실험실 제조에 적합하며 일반적인 제조방법인 습식화학법은 과정이 복잡하고 시간이 소요되기에 단일 원자 촉매 규모화 제조에 불리하다. 이외, 제조하여 얻은 단일 원자 촉매의 열안정성이 떨어져 고온반응에 적합하지 않다. 이는 단일 원자 촉매의 산업화 응용을 제한한다. 따라서 고온 안정성 단일 원자 촉매 규모화 제조는 시급히 해결해야 할 과제이다. 연구팀은 상업용 이산화루테늄 분말을 루테늄 소스(Source)로 하고 철을 함유한 첨정석을 담체(Carrier)로 선택했다. 그리고 간단한 물리적 혼합 방법을 통해 고온 배소를 거쳐 고온 안정성 루테늄 단일 원자 촉매를 제조했다. 다양한 농도의 아산화질소 분해 반응에서 단일 원자 촉매는 양호한 촉매활성을 나타내고 고온 조건에서 장시간 반응한 후에도 활성을 보유함과 아울러 루테늄 단일 원자는 소결 및 유실되지 않는다. 물리적 혼합으로 단일 원자를 제조하는 방법은 간단하고 규모 확장이 쉬우며 또한 상업용 산화제이철을 담체로 kg급 단일 원자 촉매 제조를 했는데 이는 고온 안정성 단일 원자 촉매 규모화 제조에 기반을 마련했다.