기술동향
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홍콩중문대학, 무릎굽힘으로 발전 가능한 웨어러블 장치 개발

최근, 중국 홍콩중문대학 기계·자동화공학부 랴오웨이신(廖維新) 연구팀은 보행시 무릎 굽힘으로 생성되는 운동에너지를 통해 발전할 수 있는 웨어러블 장치를 개발해 웨어러블 건강 모니터의 전력 공급에 이용될 전망이다. 해당 연구성과는 "Applied Physics Letter"에 게재됐다. 연구팀은 압전 섬유재료 및 커넥팅 로드를 이용해 엔진 크랭크 구조와 유사한 장치를 설계했다. 해당 장치의 무게는 307g밖에 안되며 다리에 착용한 후 보행시 무릎 자연 굽힘 과정에서 생성되는 운동에너지를 "포획"해 전기에너지로 전환시킨다. 해당 장치를 착용한 후 4Km/h의 속도로 보행시 장치 출력은 1.6μW에 달한다. 해당 장치를 착용한 경우와 착용하지 않은 경우 피시험자의를 보행시 호흡 상황을 비교한 결과, 해당 장치를 착용한 후 보행시 추가적 힘이 필요하지 않았다. 인간의 보행 빈도가 매우 낮기에 진동 과정에서 에너지 수집 효율이 비교적 낮다. 하지만 이번에 개발한 무릎 굽힘 과정에서 생성된 운동에너지를 이용한 발전은 상기 문제점을 극복했다. 새로운 인체 운동에너지 수집 기술은 웨어러블 장치 개발을 추진하여 웨어러블 건강 모니터 등의 "자가 전력 공급"을 달성함으로써 사용자가 경상적으로 충전해야 하는 번거로움에서 벗어날 수 있다.

두께가 머리카락 지름의 1/4도 되지 않는 2개 모델의 유연성 칩 개발

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최근, 저장성(浙江省)유연전자지능기술세계연구센터 연구팀은 자체로 개발한 유연성 칩 기술을 기반으로 두께가 25μm미만인 2개 모델의 유연성 칩을 개발했다. 해당 칩의 두께는 머리카락 지름의 1/4도 되지 않는다. 해당 2개 모델의 칩은 오피앰프 칩(Operational amplifier chip) 및 블루투스 SoC 칩이다. 오피앰프 칩은 아날로그 신호를 증폭 처리할 수 있고 블루투스 SoC 칩은 프로세서 및 블루투스 무선통신 기능을 통합했다. 전통적인 칩에 비하여 해당 칩은 아주 얇을 뿐만 아니라 유연성이 뛰어나 2개 손가락 사이에 놓고 가볍게 누르면 아크형으로 변형된다. 유연성 칩 기술은 특수한 웨이퍼(Wafer) 두께 감소 공법, 역학적 설계 및 패키징 설계를 통하여 칩 두께를 머리카락의 1/4 이하로 감소시킴으로써 강성(Rigidity) 실리콘 칩이 유연성 및 굽힘 변형 특성을 나타내게 한다. 유연성 전자 제조 분야에서 실리콘 기반 집적회로의 유연성 달성은 아주 어렵다. 유연성 칩은 인공지능 및 의료 등 분야에 광범위하게 응용될 전망이다. 유연성 칩 기술을 이용하여 더욱 가볍고 얇은 유연성 전자 감지 시스템을 설계하여 로봇 및 인체에 더욱 적합하게 함으로써 환경 및 인체에 대한 감지 민감성을 더 한층 향상시킬 전망이다.

국제 공동 연구팀, 전문용 광양자 아날로그 칩 개발

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최근, 덴마크, 중국, 영국 과학자로 구성된 국제 공동 연구팀은 실리콘 기반 광양자 칩 기술을 이용하여 통합화 전문용 광양자 컴퓨팅 및 양자 시뮬레이터를 개발했다. 해당 연구성과는 “Nature Physics”에 게재됐다. 양자정보의 효과적 전송, 처리 및 컴퓨팅 달성은 양자컴퓨터 발전을 추진하는 핵심이다. 양자컴퓨터는 고전컴퓨터를 초월하는 강대한 컴퓨팅 능력을 보유하고 있기에 고전컴퓨터로 해결할 수 없는 특수하고도 중요한 문제를 해결할 수 있다. 양자컴퓨터 발전 과정에서 두 가지 주요 기술적 어려움을 해결해야 한다. 1) 거대하고 제어 가능한 양자 소자 및 양자 시스템을 구축해야 하고 2) 다체 단일 양자 상태를 제조 및 제어함으로써 양자정보 전송, 처리 및 컴퓨팅 등 기능을 달성해야 한다. 실리콘 기반 나노 통합화 광양자 칩 기술은 상기 어려움을 해결하는 가장 잠재력이 있는 방법이다. 연구팀은 최적화 설계, 고성능 실리콘 기반 통합화 단일 광자원(Photon source) 어레이 가공을 통하여 8개 광자 양자상태를 제조함과 아울러 12가지 모델 저소모 도파관 어레이 구조에서 고품질의 양자간섭을 달성했다. 칩의 비선형 양자 광원 어레이 재구성을 통해 해당 광양자 처리장치 칩으로 촉발형 보즈 샘플링(Triggered bose sampling) 및 가우스 보즈 샘플링(Gauss bose sampling) 알고리즘을 포함한 두 가지 종류의 중요한 양자 보즈 샘플링 알고리즘을 달성할 수 있다. 연구팀은 또한 양자 보즈 샘플링을 이용하여 화학 분자에서 고유진동 형식의 동적 진화 과정을 시뮬레이션 했다. 이는 복잡한 물리화학 시스템에서 광학 전문용 양자컴퓨터 응용에 유력한 실험 근거를 제공했다. 연구 분석 결과, 칩의 소자 성능을 심층적으로 최적화할 경우 약 20개 광자 기반의 전문용 양자컴퓨터 및 양자 시뮬레이터를 구현함과 아울러 일부 복잡한 물리화학 시스템의 양자 시뮬레이션 문제를 효과적으로 해결할 수 있다. 실리콘 기반 광자 통합화 칩 기술은 아주 강대한 기술로서 양자정보의 다양한 분야에 광범위하게 응용될 수 있다. 광양자 기술과 실리콘 기반 광자 통합화 기술 결합은 미래 양자 기술 분야에서 중요한 역할을 발휘할 전망이다. 동 연구는 덴마크기술대학(Technical University of Denmark) 딩윈훙(丁運鴻), 베이징대학 왕젠웨이(王劍威), 영국 브리스틀대학(University of Bristol) Stefano Paesani 등이 공동으로 수행했다.

중국과기대, 최초로 완전 광양자 중계 구현

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최근 중국과학기술대학 판젠웨이(潘建偉) 연구팀은 세계 최초로 완전 광양자 중계기 원리성 검증을 실험적으로 구현함으로써 원거리 광섬유 양자 네트워크 구축에 새 경로를 개척했다. 해당 성과는 “Nature Photonics”에 온라인으로 게재되었다. 원거리 양자통신 과정에서 채널전달의 양자상태는 흔히 통신거리가 증가함에 따라 기하급수적으로 감소한다. 이는 양자통신의 유효 전송거리를 크게 제한한다. 따라서 원거리 양자통신 구현은 줄곧 세계적인 연구과제이다. 기존의 두 가지 주요 해결방법에서 하나는 거의 진공 즉 양자신호 손실이 극히 적은 우주공간에서 위성으로 양자통신 거리를 늘리는 것인데 중국은 2016년에 세계 첫 양자과학실험위성 “뭐쯔호(墨子號)”를 발사해 동 방안의 실행가능성을 성공적으로 검증했다. 다른 하나는 광섬유 네트워크에서 양자중계기를 사용하는 것인데 장거리 광섬유 채널을 여러 개 단거리 채널로 분할해 거리 증가에 따른 양자신호의 기하급수적 감쇠를 없앰으로써 양자통신 거리를 늘린다. 양자중계기의 과학·응용 가치를 감안해 세계 각국은 각축전을 벌이고 있다. 기존의 양자중계기는 얽힘교환, 얽힘정제, 양자저장 등 3개 필수불가결한 기술을 기반으로 한다. 하지만 현재 양자저장 성능의 한계로 실용화 양자중계기 탄생까지는 시간이 필요하다. 완전 광양자 중계방안은 이론적으로 양자저장을 필요로 하지 않는 양자중계기를 구현할 수 있다. 이는 양자중계기를 사용한 원거리 광섬유 양자통신 네트워크 구축에 또 하나의 가능성을 제공한다. 연구팀은 먼저 원시적 완전 광양자 중계방안을 개선함과 아울러 실험적으로 가능성 있는 방안을 설계했다. 해당 방안에 따라 연구팀은 광자 GHZ상태 및 후선택 벨측정을 이용해 서로 다른 채널 간 광자쌍의 임의적 연결을 구현함으로써 양자채널 중 얽힘상태 분배의 성공 확률을 효과적으로 향상시켰다. 그 다음 6개 단독 파라미터 조건에서 전환시킨 2광자 얽힘원을 사용해 12광자 기반 완전 광양자 중계기를 실험적으로 구축하는데 성공했다. 연구팀은 해당 양자중계기의 각 방면 성능을 테스트함과 아울러 얽힘교환 방안과의 비교우위를 실험적으로 검증했다. 실험 결과, 완전 광양자 중계기는 양자상태 전송속도를 효과적으로 향상시킴으로써 양자통신의 전송거리를 늘릴 수 있다. 해당 연구는 완전 광양자 중계기 구현 가능성을 성공적으로 검증했다. 또한 원리적으로 양자중계기 구축시 양자저장기로부터 자유롭게 하는 등 실용화 양자중계기 연구의 새 경로를 개척했다.

클록 주파수 3.0GHz에 달하는 CPU 개발

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상하이자오신(兆芯)집적회로유한회사는 차세대 16nm 3.0GHz x86 CPU 제품-카이셴(開先) KX-6000 및 카이성(開勝) KH-30000 시리즈 처리장치를 개발했다. 이는 중국 첫 클록 주파수(Clock frequency)가 3.0GHz에 달하는 중국산 범용프로세서(General purpose processor, GPP)로서 세계 선진 수준과의 차이를 한층 더 단축시켰다. 자오신 차세대 처리장치의 단일 SoC 칩은 CPU, GPU 및 칩셋 등을 포함하며 고성능 및 저전력소비 등 특성을 보유하고 있다. 또한 칩 집적도가 한층 더 증강되었고 성능이 50% 향상되었으며 성능대 전력소모비가 자오신 지난 세대 제품의 3배에 달함으로써 PC, 울트라북, 서버 및 내장형 컴퓨팅 등 다양한 하드웨어 플랫폼에 아주 적합하다. 그중 카이셴 KX-6000 시리즈 처리장치는 모바일 플랫폼 설비의 배치 요구에 더욱 적합하며 그 성능은 인텔 7세대 i5-7400 수준에 해당한다. 자오신 차세대 카이셴 KX-6000/카이성 KH-30000 시리즈 처리장치는 16nm의 규모화 생산, 최대 클록 주파수가 3.0GHz에 달하는 SoC 처리장치, 단일 칩에 CPU/GPU/칩셋 집적, 구현 가능한 완정한 PC 인터페이스 등을 포함한 다양한 기술 분야에서 업계의 선두를 달리고 있다. 또한 여러 업체의 PC 플랫폼에서 동기화 개발 및 소프트웨어 호환성 테스트를 완료함과 아울러 내장형 분야에서도 다양한 모델 제품을 동시에 출시했다.

세계 첫 화룽 1호 원자로 외부돔 공사 완료

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최근 화룽(華龍) 1호 세계 첫 원자로 시범 프로젝트인 푸칭(福清)원전 5호기 외부돔 콘크리트 타설 공사의 마무리와 함께 화룽 1호 원자로 높이가 73.98m에 달함으로써 푸칭원전 현장의 “새 랜드마크”가 되었다. 아울러 동 원전기의 열 시운전, 핵연료 장전에 기반을 마련했고 또한 후속 화룽 1호 원자로 건설에 소중한 경험을 축적했다. 2중 격납용기 구조를 보유한 화룽 1호는 중국이 완전 자체적 지식재산권을 보유한 3세대 원전기술로서 대형 항공기의 충돌에도 견딜 수 있다. 화룽1호 원자로의 외부돔 구조는 현재 건설 중인 원전 가운데 최대 규모의 격납구조이다. 또한 항공기 충돌에 견디는 기계식 이음 및 풀하중 스캐폴드 지지시스템을 채택해 2중 격납용기 간 지지 및 내장돔 지지를 제공한다. 바깥층 격납용기는 튜브구조와 돔형구조 등 2개 부분으로 나뉜다. 외부 돔형구조는 튜브구조 표준형재와 연결되는데 그 두께는 1.8m이고 전체적으로 준구형 구조이다. 뿐만 아니라 구조 경간이 크고 철근이 조밀하며 콘크리트 강도가 높다. 또한 스틸 라이너 형판 지지를 사용하지 않기에 구조템플릿은 2중 격납용기 사이에 설치된 풀스캐폴드가 지지역할을 담당하기에 시공 어려움이 크다. 외부돔 시공의 중요성 및 복잡성을 감안해 협력을 강화하는 한편 선후하여 시공 선결조건 점검, 안전·품질 특별검사 및 여러 차례 현장 종합 은폐검사를 실시했다. 검사에서 발견된 문제점에 대비해 적시로 해결방안을 제정하여 보완함으로써 시공기간이 짧고 공사규모가 크며 하중지지대 설치의 안전위험이 높으며 고온다우 날씨 등 어려움을 성공적으로 극복했다. 현재 중핵그룹이 건설 중인 중국 내외 4대 화룽 1호 원전 프로젝트 단계별 작업은 계획대로 진척되거나 또는 계획을 앞당겨 완료하였으며 공사의 품질과 안전은 양호한 통제 상태에 있다.

우한대학, 위성탑재 궤도상 지능처리 기술

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최근 우한대학과 창광(長光)위성기술유한회사 등 기관은 공동으로 위성탑재 궤도상 비상응답기술시스템을 제안했다. 동 시스템은 표적 모니터링 및 추적, 고성능 처리, 다중 임무 스케줄링 등 일련의 핵심기술을 파악함과 아울러 기본 프로토타입 및 엔지니어링 프로토타입도 개발했다. 또한 “지린(吉林) 1호” 광스펙트럼 01/02위성에서의 궤도상 테스트를 통해 산불 발화지점, 해상 선박 등 표적에 대한 자동탐지 기능을 확보했다. 위성 처리 결과는 중국 자체 항법시스템을 통한 지상 단말로의 송신이 가능해 비상정보 획득의 시효성을 대폭 향상시켰다. 우한대학이 담당한 국가중점연구개발계획 “지구관측 및 항법” 특별프로젝트의 “지역협력 원격모니터링 및 비상서비스기술시스템”은 응급상황 비상대응 시효성을 높이기 위해 개발한 프로젝트이다. 동 프로젝트는 위성획득 비디오/이미지에 대한 직접적 궤도상 지능화 처리, 분 단위 심지어 초 단위의 “센서에서 슈터”로의 응용 등을 구현하며 비상응답 작업효율을 향상시키는 핵심기술이다. 2019년 3월 21일에 수행한 산불 발화지점 자율적 식별시험에서 위성탑재 시스템은 초당 500km2의 중파 적외선 이미지를 처리하여 고온 발화점을 식별했다. 위성에서 13초 동안의 궤도상 처리를 마친 후에 지상 단말에서 관련 정보를 수신했다. 분석 결과 메콩강 유역 여러 곳에서 고온 발화점을 발견했다. 위성영상 인공 대조검증을 통해 해당 결과의 정확성을 입증했다. 2019년 6월 8일에 모 해역에서 수행한 선박 자율적 수색시험에서 궤도상 위성 처리 정보는 처리 3분 후에 지상 단말에 수신됐다. 지상 대조검증을 통해 시스템 작동은 설계기준에 부합됨이 입증됐다. 위성탑재 궤도상 지능처리 기술성과는 “지린 1호” 광스펙트럼 01/02위성에 성공적으로 이용되어 시스템의 저장 및 데이터 전송 이용률을 높임과 아울러 원격감지 비상정보 획득의 시효성을 대폭 향상시켰으며 향후 위성 원격 비상대응에 핵심 기술적 지원을 제공했다.

로켓 엔진 핵심 부품 액체산소/등유 엔진 가스발생기시운전 완료

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최근, 싱허(星河)동력(베이징)우주과학기술유한회사(이하 싱허동력으로 약칭)가 개발한 액체산소/등유 엔진 가스발생기가 7라운드의 지상 열시운전을 완료했다. 누적 시운전 시간은 380s, 단일 라운드 최장 작동 시간은 100s에 달한다. 이는 싱허동력은 "즈선싱(智神星)" 운반로켓 연구개발에 새로운 한걸음을 내디디었음을 의미한다. 엔진을 로켓 "심장"에 비유하면 가스발생기는 "심장 페이스메이커"이다. 엔진의 핵심 부품인 가스발생기는 엔진의 약 4% 추진제를 과연소 상태로 연소시켜 고온고압가스(연기)를 분출하여 엔진 터빈펌프에 작동 매질을 제공한다. 이번에 시운전을 완료한 "다중 환류 와류 이형 가스발생기"는 다음과 같은 다섯 가지 혁신 포인트를 보유하고 있다. 1) 자체 개발한 열전달, 연소 통합화 컴퓨팅 시뮬레이션 소프트웨어로 저온 액체산소 및 상온 등유 충돌 분무화 파라미터를 최적화했으며 백여 개 세트(Sets)의 상호 충돌식 노즐 및 변두리 영역 멤브레인 냉각 설계를 통해 고효율 분무화 혼합 효과를 형성했다. 2) 자체 특허 기술을 이용하여 설계한 스포일러 링(Spoiler ring)은 발생기 내부에 많은 환류 영역을 형성할 수 있기에 혼합 및 연소 효율을 뚜렷하게 향상시킬 수 있다. 3) 혁신적 설계 기반 원뿔식 이형 몸체 구조는 환류 와류의 생성 및 제거를 정밀 제어할 수 있기에 출구 가스 온도 균일성을 증가시킬 수 있다. 4) 가스발생기는 광범위한 다중 작동 상황 적응성 설계를 채택하고 분사면(Jet surface)과 몸체 냉각은 새 보호조치를 이용하여 엔진 가변 추력 및 50라운드 반복 사용을 만족시킨다. 5) 점화기를 방사형 배치형식으로 설계했기에 점화 횟수를 5라운드 이상 증가시킴과 아울러 점화 신뢰성을 향상시켰다. 싱허동력은 40t급 중복 사용 가능한 액체산소/등유 엔진의 가스발생기, 터빈펌프 및 연소실 전부 설계를 완료했다. 이번 시운전을 통해 가스발생기 방안을 검증함과 아울러 제품 기술 상태를 확정했다. 시운전 제품을 후속 하프 시스템(Half system) 통합 테스트 및 엔진 전체 시스템 시운전에 직접 사용할 계획이다. 또한 해당 엔진을 "즈선싱" 운반로켓의 주동력(Main power)으로 이용할 예정이다. "즈선싱"은 중복 사용 가능한 중형(Medium) 액체 운반로켓이다.

세계 최대 규모 로켓 분리용 에어백 개발

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최근, 중국항천과기그룹 제1연구원이 “초장 대구경 고내압 에어백 검수 테스트”를 완료했다. 이는 중국이 세계 최대 규모, 강한 내압성 로켓 분리용 에어백 개발에 성공했음을 의미한다. 분리용 에어백은 운반로켓 페어링(Fairing)을 종방향으로 분리시키는 화공품이다. 분리용 에어백은 한 가닥의 가늘고 긴 허리띠와 같이 2개 페어링 하프 커버(Half face)에 압축돼 있다. 튜브모양의 에어백에는 화공품이 충전돼 있다. 로켓 비행 과정에서 에어백은 납작한 모양이고 2개의 페어링 중간에 긴밀히 압축됐다. 페어링 분리 과정에서 내부 화공품이 폭발하여 에어백이 부풀어 오름과 동시에 2개 페어링 하프 커버의 연결 구조가 펼쳐지면서 페어링이 분리됨과 동시에 위성을 방출한다. 새로 개발한 분리용 에어백은 기존의 운반로켓용 에어백에 비하여 길이가 5배, 구경이 2배 증가되고 내압성이 3배 향상됐다. 미래 중형 운반로켓은 페어링 사이즈가 크고 무게가 무겁기에 2개 페어링 하프커버가 결합된 후 페어링 중간의 분리용 에어백은 아주 큰 압력을 제공하여 2개 거대한 페어링의 분리를 방지해야 한다. 따라서 해당 에어백은 사이즈가 커야 하며 중형 운반로켓 페어링의 “허리”를 감싸야 할 뿐만 아니라 견고하여 2개 거대한 페어링의 압력 및 화공품 폭발 충격력에 견뎌야 한다. 해당 에어백 개발 과정에서 두 가지 기술적 어려움을 극복했다. 1) 대구경 초장 에어백의 안전한 제조 기술을 파악했다. 에어백 편직 규모가 아주 크기에 가황 복합 과정에서 쉽게 결함이 발생한다. 연구팀은 유연한 재질의 스프링 튜브를 통해 편직 과정의 견인력을 분산 및 평형시킴으로써 직물의 안정성을 유지함과 아울러 초장 에어백의 무손상 복합을 최대로 보장했다. 2) 내고압 에어백 재료 선택 및 편직 기술을 파악했다. 대형 에어백은 강한 내압성을 보유해야 한다. 페어링 분리 과정에서 발생하는 가스 누출 현상을 해결하기 위해 국내외 고강도 섬유 재료 및 라이닝 재료를 심층적으로 조사연구하여 지표 요구를 만족하는 제품을 선별함과 아울러 내고압 에어백 재료 선택 및 편직 기술을 파악했다. 이로써 한 장의 A4 용지 크기의 분리용 에어백이 20대 2t 중형 자동차의 압력에 견딜 수 있다. 초장 대구경 고내압 에어백은 현재 세계 최대 규모의 에어백이다. 해당 에어백의 성공적 개발은 중국의 에어백 분리 장치 기술 수준을 대폭 향상시킴과 아울러 중형 운반로켓 대형 페어링의 높은 안전성 수평 발사 분리에 기술 보장을 제공했다.

세포핵 속 바이러스 DNA 식별 분자 발견

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최근 난카이대학 차오쉐타오(曹雪濤) 연구팀은 세포핵에 바이러스 DNA를 특이적으로 식별할 수 있는 자연면역수용체 분자가 존재하며 해당 분자가 바이러스에 대한 "강반격"을 작동시킬 수 있음을 발견했다. 해당 성과는 연구논문(Research Article) 형식으로 "Science"에 온라인으로 게재되었다. 해당 새 메커니즘의 핵심은 이질 핵 리보핵산단백질A2B1(hnRNP-A2B1)이라 불리는 단백질 분자이다. hnRNP-A2B1은 평상시 mRNA 수송을 담당하다가 바이러스 공격시 단백질 "융합", 메틸화 등 변화를 통해 세포핵으로부터 세포질로 이동해 자연면역 신호경로를 활성화시킴과 아울러 항바이러스 효과를 작동시킨다. 연구팀은 먼저 핵심 바이러스 DNA 식별 분자를 확실시한 다음 면역기능을 활성화시키는 세포경로를 점차적으로 "끄집어"냈다. 연구팀은 비오틴으로 표지한 바이러스 DNA를 "미끼"로 하여 세포핵추출물에서 DNA 결합단백질을 "낚아"냈다. 다음 질량분석 및 2차원 전기영동 선별을 통해 세포핵에서 바이러스 감염 후 세포질로 이동하는 단백질 분자를 더한층 확실시했다. 일련의 세포기능 및 동물시험을 통해 23개 후보 분자 가운데서 최종적으로 hnRNP-A2B1가 핵심적인 핵내 DNA 자연면역 식별 수용체임을 감정했다. 이어서 연구팀은 동 단백질의 평시/전시 역할 승화과정은 이합체화(2개 분자 중합) 후 226번 부위 아르기닌에서의 탈메틸화 발생에서 비롯됨을 규명했다. 바이러스 공격에 대비한 식별분자는 세포핵에서 세포질로 이동해 인터페론 발현 관련 경로를 활성화시킨다. 이외 hnRNP-A2B1은cGAS, IFI16, STING 등 DNA 식별 수용체 mRNA의m6A 수식 및 핵외로의 이동을 촉진시킴으로써 세포질의 이미 알려진 상기 자연면역 분자의 효능을 증폭·증강시킴을 발견했다. 해당 발견은 세포핵 속 단백질 분자의 자연면역 식별 관여 및 신호전달의 새 메커니즘을 규명함으로써 항바이러스 치료 및 염증질환 치료에 새 아이디어와 잠재적 약물개발 표적을 제공했다.

인간 뇌구조의 계층적 모듈화 특성 발견

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최근 시안교통대학 우주항공학원 우잉(吳瑩) 연구팀은 4년간 연구 끝에 인간 대뇌구조의 계층적 모듈화(Layered Modular) 특성을 발견해 미래 뇌유사지능기계 개발에 중요한 시사점을 주고 있다. 해당 연구성과는 "뇌구조 계층적 연결모드와 임계거동 협동적 뇌기능 다양성 최대화"란 제목으로 "Physical Review Letters"에 게재되었다. 왜 대뇌가 복잡한 동역학적 거동을 발생할 수 있고 또한 풍부한 대뇌 인지기능을 형성하는지, 그리고 상대적으로 안정적인 대뇌구조와 어떠한 관계를 가지는지 등 문제는 뇌신경과학 및 복잡계 네트워크 동역학(complex network dynamics) 분야의 관심 과제이다. 연구팀은 고유모드(eigenmode) 이론 및 복잡계 네트워크 동역학 분석방법에 기반한 연구를 통해 대뇌구조의 계층적 모듈화 특성은 대뇌에 고유의 기능성 분리 및 통합 능력을 제공함을 발견했다. 또한 대뇌가 구비한 임계동역학(critical dynamics) 특성은 이러한 고유능력을 최대화 여기시킬 수 있어 대뇌로 하여금 최상의 기능성 분리 및 통합을 발생시켜 대뇌의 복잡하고 다양한 기능을 유지한다. 해당 연구는 대뇌구조, 동역학 특성 및 복잡 기능 간의 관계를 통합함으로써 물리과학, 신경과학 및 네트워크 동역학적 차원에서 대뇌 작동 메커니즘에 대한 이해를 촉진시키는 등 미래 뇌유사지능기계 개발에 중요한 시사점을 준다.

베이징대, 신형 유전자 편집기술 발표

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최근 베이징대학 연구팀은 최초로 신형 리보핵산(RNA) 단일 염기 편집기술을 개발함과 아울러 해당 기술을 사용해 일련의 질병 관련 유전자 전사체(transcript)에서의 고효율적 정밀 편집을 구현했다. 동 기술의 확립은 생명과학 기초연구 및 질병 치료에 참신한 도구를 제공했다. 해당 논문은 "Nature Biotechnology"에 온라인으로 게재되었다. 최근년래 CRISPR/Cas9를 대표로 하는 유전체 편집기술은 생물의학 등 많은 분야에 심원한 영향을 가져다주고 있다. 세균 특유의 면역계 및 일종의 Cas9라 명명한 효소를 이용해 표적세포 DNA 서열을 수정하는 방식으로 유전자 결함으로 인한 질병을 효과적으로 치료할 수 있다. 하지만 일련의 현존 문제로 이러한 기술의 임상치료 응용은 어려움을 겪고 있다. 예를 들면 단백질 과발현에 의해 유도되는 DNA/RNA 수준의 오프타겟효과(Off-Target Effect), 외인성 단백질 발현으로 유발되는 생체 면역반응 및 손상 등이 존재한다. 문제의 근원은 현재의 유전자 편집시스템이 외인성 편집효소 또는 이펙터단백질의 발현에 의존한다는 점이다. 따라서 외인성 단백질 발현에 의존하지 않는 신형 유전자 편집도구 개발이 시급하다.

각막렌즈로의 고활성 세포 접종으로 망막 "재건" 가시화

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최근 중난대학 아이얼안과(愛爾眼科)학원 탕스보(唐仕波) 교수와 아이얼안과연구소 천젠쑤(陳建蘇) 교수가 이끄는 연구팀은 유도만능줄기세포(induced Pluripotent Stem Cell) 조정배지(conditioned medium)를 사용해 증식력이 강하고 활성이 높으며 양호한 기능을 보유한 망막색소상피세포를 배양함으로써 망막 변성 등 실명질환 치료에 희망을 가져다주었다. 해당 연구성과는 "유도만능줄기세포 조정배지 및 펨토초 각막렌즈를 사용한 고활성 망막색소상피세포(RPE) 연합구축 연구"란 제목으로 "Acta Biomaterialia"에 온라인으로 게재되었다. 안구뒷벽 안쪽면의 감광성 조직인 망막은 한 층의 유연하고 투명한 박막이다. 인간의 안구를 카메라에 비유하면 망막은 감광판에 해당한다. 망막은 감광 및 이미지 형성을 담당한다. 망막 병변은 환자의 영구적 시력상실을 초래할 수 있다. 망막 변성 질환은 중국의 50세 이상 인구에서 발병률이 가장 높은 안과질환으로서 환자수는 3,000만 명을 초과한다. 연구팀은 유도만능줄기세포 조정배지의 혈소판유래성장인자AA(PDGF-AA), 인슐린유사 성장인자 결합단백질2(IGFBP-2) 등 인자를 유도해 대량의 고활성 망막색소상피세포를 획득할 수 있음을 발견했다. 심층 연구를 통해 환자 뇨액, 혈액의 체세포를 이용해 유도만능줄기세포로 전환시킬 수 있고 나아가 망막색소상피세포를 유도생성할 수 있음을 발견했다. 연구팀은 이들로 형성된 한 층의 매우 얇은 망막자연구조유사 편상조직을 환자의 망막 뒷면에 이식함으로써 시력 회복을 시도하였다. 유도만능줄기세포는 환자의 자가세포에서 유래한 것이므로 비자기(nonself) 세포 이식으로 인한 면역거부반응을 회피할 수 있다. 뿐만 아니라 연구팀은 완전 펨토초 레이저 근시교정수술에서 박리한 렌티큘(Lenticule, 각막실질조각)을 재활용하였다. 연구팀은 망막색소상피세포를 렌티큘에 접종하고 유도만능줄기세포 조건배양액으로 배양함으로써 망막색소상피세포시트로 하여금 더 많은 줄기세포 특성 및 완비한 섬모조립 등 기능을 보유하게 하였다.

홍콩중문대학, 무릎굽힘으로 발전 가능한 웨어러블 장치 개발

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최근, 중국 홍콩중문대학 기계·자동화공학부 랴오웨이신(廖維新) 연구팀은 보행시 무릎 굽힘으로 생성되는 운동에너지를 통해 발전할 수 있는 웨어러블 장치를 개발해 웨어러블 건강 모니터의 전력 공급에 이용될 전망이다. 해당 연구성과는 "Applied Physics Letter"에 게재됐다. 연구팀은 압전 섬유재료 및 커넥팅 로드를 이용해 엔진 크랭크 구조와 유사한 장치를 설계했다. 해당 장치의 무게는 307g밖에 안되며 다리에 착용한 후 보행시 무릎 자연 굽힘 과정에서 생성되는 운동에너지를 "포획"해 전기에너지로 전환시킨다. 해당 장치를 착용한 후 4Km/h의 속도로 보행시 장치 출력은 1.6μW에 달한다. 해당 장치를 착용한 경우와 착용하지 않은 경우 피시험자의를 보행시 호흡 상황을 비교한 결과, 해당 장치를 착용한 후 보행시 추가적 힘이 필요하지 않았다. 인간의 보행 빈도가 매우 낮기에 진동 과정에서 에너지 수집 효율이 비교적 낮다. 하지만 이번에 개발한 무릎 굽힘 과정에서 생성된 운동에너지를 이용한 발전은 상기 문제점을 극복했다. 새로운 인체 운동에너지 수집 기술은 웨어러블 장치 개발을 추진하여 웨어러블 건강 모니터 등의 "자가 전력 공급"을 달성함으로써 사용자가 경상적으로 충전해야 하는 번거로움에서 벗어날 수 있다.

농촌 습식 폐기물 쾌속 퇴비화 기술 개발

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최근 중국과학원 청두생물연구소 리둥(李東) 연구팀이 2년 연구 끝에 개발한 농촌 생활유기폐기물 현장 쾌속 분해 퇴비화 플랜트 기술이 청두시 솽류구(雙流區)에서 시범응용에 들어갔다. 해당 기술은 음식물폐기물, 짚, 동물배설물 등을 높이 1m, 용적이 220L인 퇴비통에 넣고 전용 분해균을 뿌려 쾌속 부식화 발효를 시키는데 30일 후 폐기물은 토양과 흡사한 갈색 유기질로 분해된다. 퇴비통에서 꺼내 2차 부식화를 거치면 최종적으로 "검은 황금"—유기비료로 변신한다. 현재 중국의 농촌 생활폐기물 처리방식은 주로 간이매립과 야외소각이다. 농촌 생활폐기물은 분포가 광범위하고 규모가 작으며 구성성분이 복잡하다. 연구팀은 습식 폐기물을 농업용 유기비료로 전환시키는 기술을 자체적으로 개발했다. 동 기술은 쾌속 부식화 및 악취제어 통합 퇴비기, 친환경 가정용 퇴비통, 퇴비 분해균 등을 포함한다. 부식화 폐기물 퇴비화 과정에서 분해균은 퇴비주기를 단축시키고 영양분 손실을 줄이는 역할을 한다. 연구팀은 단백질분해균, 유지분해균 등 퇴비 기능성 미생물을 선별한 다음 생물학적 길항 테스트 등 실험을 거친 후 이들을 조합해 유기폐기물 종류별 전용 분해균 제품을 개발했다. 통합화 퇴비설비는 20㎡ 부지면적에서 매일 500kg의 습식 폐기물을 처리할 수 있다. 가정용 퇴비통은 매일 3kg의 습성 쓰레기를 투척할 수 있으며 쓰레기 한 층에 분해균 한층을 뿌리면 된다. 분해과정에서 자가발열 온도는 70℃에 달해 병원균, 회충란 등을 효과적으로 사멸시킬 수 있다. 퇴비설비와 분해균을 배합하여 사용하면 원래 60~90일이 소요되던 분해주기를 15~30일로 단축시킬 수 있다.

차세대 순전기차플랫폼용 40KW 차량 탑재 충전기 공진 변압기 개발

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최근, 닝샤(寧夏)인리(銀利)전기주식유한회사(이하 닝샤인리전기로 약칭)가 개발한 차세대 순수 전기차 플랫폼용 40KW 차량 탑재 충전기 공진 변압기 프로토타입이 검증에 통과된 후 3회 생산분량의 소규모 주문을 접수했다. 해당 제품은 세계 최초로 개발한 고출력 차량 탑재 충전기(OBC)에 응용될 전망이다. OBC를 다양한 순수 전기 상용차에 설치할 경우 지상 직류 충전기에 의존하지 않고 충전할 수 있다. 대출력 OBC는 대형버스, 중형버스, 택시 및 도시 쓰레기 수거차, 청소차 등 특수 차량에 이용될 전망이다. 2017년 11월, 닝샤인리전기는 모 유명 신에너지자동차 기업의 차세대 순수 전기차 플랫폼용 맞춤형 고주파수 변압기, 인덕턴스(Inductance) 제품 개발을 가동했다. 2018년, “신에너지차 맞춤형 차량급 인덕턴스 및 변압기 연구개발” 프로젝트가 닝샤후이족자치구(寧夏回族自治區) 중점 연구개발 계획에 입선됐으며 정부 특별자금의 지원을 획득했다. 2018년 7월, 제4 버전 프로토타입 방안이 확정되어 연구개발 및 테스트 절차를 수행했다. 결과, 전부하(Full load) 조건에서 온도상승이 안정적이었으며 최고 온도점이 65℃에 달하여 일본의 동일 유형 제품 성능을 초과했다. 그 후 제5 버전 프로토타입에 대한 테스트도 고온 작동 검증에 통과됐다. 2019년, 닝샤인리전기가 광둥성(廣東省)선전시(深圳市)에 신축한 공장이 TS16949 인증에 통과되어 자동자 제품 생산 자격을 획득했다.

디젤유 오염 복원 가능한 “나노 스펀지 복원제” 개발

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최근, 중국과학원 허페이(合肥)물질과학연구원 기술생물·농업공학연구소 우정옌(吳正岩) 연구팀은 수중 및 토양 내 디젤유를 고효율 제거할 수 있는 새 나노 복원제를 개발했다. 해당 연구성는 “Science of the Total Environment”에 게재되었다. 디젤유 채굴 및 수송 과정에서 적지 않은 디젤유가 수중 및 토양에 유출되어 환경오염을 유발한다. 디젤유에 함유된 분해되기 어려운 방향족탄화수소는 수생생물 및 농작물의 생장에 영향을 미치므로 디젤유 오염 복원은 환경 분야의 연구 핫이슈 및 어려움으로 되고 있다. 전통적인 디젤유 흡착제는 합성 공법이 복잡하고 원가가 높기에 대규모 응용이 어렵다. 따라서 공법이 간단하고 고효율적인 디젤유 흡착제를 개발할 필요가 있다. 프로젝트팀은 나노 스펀지를 기반으로 하고 아미노 실리콘유(Amino silicone oil)와 실란 커플링제(Silane coupling agent) 수식을 통하여 새 소수성 나노 스펀지를 제조했다. 실험 결과, 해당 소수성 나노 스펀지를 복원제로 수중 및 토양에 유출된 디젤유를 고효율적으로 제거할 수 있다. 해당 복원제는 성능이 안정할 뿐만 아니라 제조 공법이 간단하여 광범위하게 응용될 전망이다.

세계 첫 "이중 기능 트리-연속로" 구리 제련 생산라인 가동

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최근, 중국언페이(恩菲)공정기술유한회사가 설계한 바오터우(包頭)화딩(華鼎)동업(銅業)발전유한회사 3단계 공사 하취(Bottom blowing)정련로가 일차적으로 순조롭게 생산에 들어감과 아울러 합격품 양극 구리(Anode copper) 생산을 달성했다. 이는 세계 첫 전체 하취, 전체 열상태, 트리-연속로(Tri-continuous furnace) 연속 구리 제련 생산라인이 전부 연결되어 운전에 들어갔음을 의미한다. 해당 생산라인은 중국 자체 지식재산권을 보유한 산소 하취 제련 기술을 이용해 기존의 송풍로(Wind furnace) 구리 제련 공법을 리노베이션 및 업그레이드했으며 산소 부화(Oxygen enrichment) 하취 제련+PS 회전로 블로잉 공법, 하취 연속 블로잉 기술, 산소 하취 정련 등 다양한 기술 공법으로 기존의 고정식 반사로 정련 기술을 대체했다. 뿐만 아니라 개선 후의 하취 제련로 및 하취 블로잉 제련로와 공동으로 "산소 하취 제련+산소 하취 연속 블로잉 제련+하취 제련"의 전체 하취 연속 구리 제련 생산 공법을 달성했다. 기존의 공법은 생산과정에서 복잡한 여러 절차를 경과했지만 신공법은 하취 제련, 하취 제련에서 조동(Crude copper) 하취 정련, 심층적 잡질 제거 처리 및 최후의 양극판 주형 등 절차를 1개 생산라인으로 달성할 수 있다. 또한 인력 및 설비가 동일한 상황에서 신공법으로 생산 효율을 최저 20% 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 생산 과정에서의 에너지소모 및 환경보호 문제를 해결할 수 있다.

쌍광자-STED 복합현미경 개발

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최근, 중국 연구진은 세계 첫 쌍광자-자극방출고갈(Stimulated Emission Depletion, STED) 복합현미경 프로토타입을 성공적으로 개발했다. STED 복합현미경 시스템의 핵심 부품을 또한 자체 지식재산권을 보유한 대면적 어레이 CMOS 카메라 및 장거리 작동 대개구수 대물렌즈 등 핵심 부품으로 개발함으로써 해당 제품의 외국 독점 국면을 개변시켰다. 초해상도 광학현미경은 생물학 및 기초의학 연구에서 매우 주요한 역할을 한다. 초해상도 미세 광학영상은 독창성 연구성과를 달성하는 주요 방법이다. 독일, 캐나다, 프랑스, 이탈리아 등 여러 나라 연구기관은 오래전부터 쌍광자-STED 이미징 기술 연구를 가동함과 아울러 쌍광자-STED 이미징 실험 시스템을 구축했다. 중국의 쌍광자 STED-이미징 기술은 현재 실험실 연구 단계이다. 따라서 쌍광자-STED 복합현미경의 성공적 개발은 중국의 생물의학 프론티어 기초연구 맞춤화 요구, 혁신 능력 향상 및 현미경 업체 업그레이드 추진 등에 중요한 의미가 있다. 동 연구는 쑤저우(蘇州)국제과학기술단지 의료과학기술발전유한회사, 지린(吉林)야타이(亞泰)생물약업주식유한회사, 중국과학원 물리연구소 등이 공동으로 연구했다.

다롄화학물리연구소, 평면화 아연-망간 마이크로형 배터리 개발

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최근, 중국과학원 다롄(大連)화학물리연구소 2차원재료·에너지소자 우중솨이(吳忠帥) 연구팀은 저원가, 규모화 스크린 인쇄(Screen printing) 기술을 개발하여 양호한 상업 응용 전망, 고유연성, 고안정성 및 장수명 기능을 보유한 2차원 수계 평면화 아연-망간 마이크로형 배터리를 제조했다. 해당 연구성과는 "National Science Review"에 게재됐다. 한국 울산과학기술원(UNIST) 마이크로형 에너지저장 전문가 이상융(LI Sang-yong) 교수는 해당 저널에 "규모화, 안전성, 인쇄 가능한 아연-망간 평면 마이크로형 배터리의 지능형 전자 소자 분야에서 광범위한 응용"이라는 평론 문장을 발표하여 해당 연구성과를 높게 평가했다. 차세대 마이크로화 웨어러블 전자 제품의 개발과 더불어 해당 제품에 필수적인 신개념, 고안전성, 장수명 마이크로형 에너지저장 소자인 평면화 마이크로형 배터리 수요가 절박하다. 전통적인 샌드위치구조 배터리는 부피가 크고 기계적 유연성이 차하며 굽힘 상태에서 아래쪽 계면이 쉽게 분리되는 등 단점이 존재한다. 높은 집적화 특성을 보유한 평면화 마이크로형 배터리는 해당 단점을 보완할 수 있기에 매우 유망한 새로운 웨어러블 전자 소자 전력원으로 거듭날 전망이다. 유기 전해액을 대체할 수 있는 고안전성 수계 전해액 개발은 고안정성 수계 평면화 마이크로형 배터리 제조의 핵심이다. 아연-망간 수계 배터리는 전극재료에 대량의 에너지저장이 가능하기에 관심사로 떠오르고 있다. 하지만 현재 집적 전자소자와 높은 호환성을 보유한 고안전성, 저원가 평면 아연-망간 배터리 핵심 제조 기술은 아주 결핍하다. 상기 문제점을 해결하기 위해 연구팀은 원가가 낮고 간단하고도 고효율적이며 규모화한 스크린 인쇄 기술을 개발하여 양호한 기계적 유연성, 고안전성 및 장수명을 보유한 신개념 수계 평면화 아연-망간 마이크로형 배터리를 개발했다. 연구팀은 먼저 이산화망간, 아연 분말, 그래핀을 기능성 재료로 하여 아연-망간 배터리의 양극과 음극 및 그래핀 컬렉터(Collector) 요변성 잉크(Thixotropic ink)를 배합했다. 다음으로 다단계 스크린 인쇄 방법을 이용해 평면화 아연-망간 마이크로형 배터리의 간단한 저원가 규모화 제조를 달성했다. 아연-망간 배터리는 친환경적이고 안전성이 뛰어날 뿐만 아니라 작동 수명도 길다. 5C 전류밀도 조건에서 1,300 라운드 순환한 후에도 83.9%의 비용량(Specific capacity)을 유지할 수 있으며 동시에 뛰어난 기계적 유연성 및 성능 일치성을 보유한다. 이외 인쇄 기판의 다양성은 다양한 응용 상황 요구를 만족한다. 스크린 인쇄는 산업 분야에서 이미 성숙된 기술이다. 동 연구는 산업 응용 전망이 아주 높은 평면화 아연-망간 마이크로형 배터리 규모화 제조 방법을 제안함으로써 기타 평면화 유연성 에너지정장 소자 개발에 새 아이디어를 제공했다.

고체물리연구소, 금속 나노포어의 수소포획 관련 정량적 예측모델 최초로 구축

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최근 중국과학원 허페이연구원 고체물리연구소 류창쑹(劉長松) 연구팀의 우쉐방(吳學邦)은 캐나다 맥길대학(mcgill university) 쑹쥔(宋俊)과 공동으로 체심입방금속(body centred cubic metal)에서 나노포어(nanopore)의 수소포획 및 응집적 기포형성에 관한 정량적 예측모델을 최초로 구축함으로써 수소유기 손상(Hydrogen-induced injury) 이해 및 신형 수소유기 손상 방지 재료설계에 신뢰성 있는 이론토대 및 도구를 마련했다. 해당 성과는 "Natural Materials"에 게재되었다. 수소는 금속재료의 내부에 쉽게 침투해 재료를 손상시킨다. 예를 들어 자기밀폐 핵융합 원자로 핵심부위에서 연료수소 동위원소는 기타 부품을 보호하는 텅스텐 금속장갑에 매우 쉽게 침투하며 중성자 조사로 인해 생성된 나노포어와 결합해 수소기포를 형성함과 아울러 균열을 발생시킨다. 최종적으로 재료구조 및 사용성능에 치명적 손상을 입혀 융합장치의 안전을 위협한다. 연구팀은 밀도범함수 이론 기반 시뮬레이션 방법으로 원자 규모에서 정확한 수소 및 나노포어 상호작용 데이터를 획득했다. 또한 멀티스케일 시뮬레이션 방법과 결합시킨 거시 규모 시뮬레이션으로 실험 결과를 비교 검증했다. 무광택 나노포어 내벽에 수소가 흡착되는 문제를 해결하기 위해 연구팀은 체심입방금속 텅스텐을 사례로 수소 운동궤적을 분석한 결과 수소는 항상 단일 원자 형태로 일부 특정 위치에 질서있게 흡착함을 발견하였다. 수소가 복잡한 포어 내벽에의 흡착 법칙을 5종 흡착 위치 및 상응한 5개 흡착 에너지 준위로 귀결할 수 있다. 이로써 무광택 나노포어 내벽에의 수소흡착 특성을 정확하게 묘사할 수 있다. 상기 법칙에 근거해 연구팀은 보편성 정량적 모델을 구축했다. 내벽의 수소 에너지는 흡착점의 유형 및 내벽의 수소 면밀도(areal density)에 의해 결정되며 코어부의 수소 에너지는 수소의 체밀도(body density)에 의해 결정된다. 해당 모델로 예측하여 획득한 구조 및 수소포획 에너지는 시뮬레이션 계산 결과와 매우 일치했다. 해당 연구는 수소 및 나노포어 상호작용의 정량적 물리모델을 구축함으로써 수소로 인한 금속재료 손상을 이해하는데 핵심적 인식을 제공했다. 이러한 금속재료는 미래 핵융합 1차벽 장갑에 이용돼 제어가능 핵융합을 실현하는데 도움을 줄 뿐만 아니라 수소차, 항공우주 등 분야에서 매우 중요한 역할을 할 전망이다.

신기술로 테라헤르츠 광스펙트럼 스캔 속도 대폭 향상

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최근 중국항천과공그룹(CASIC) 제2연구원 207연구소 연구팀은 테라헤르츠 시간 영역 광스펙트럼 시스템 쾌속 스캐닝 모듈을 개발해 광스펙트럼 스캔 속도를 대폭 향상시킬 전망이다. 음성 코일 모터(voice coil motor) 기반 시간 지연선(Delay line)과 고속 데이터 수집시스템으로 구성된 해당 모듈은 1회 파형(100ps) 스캔 시간을 기존의 15분에서 0.25초로 단축 가능하며 샘플링률을 4헤르츠에 도달시킬 수 있다. 테라헤르츠 시간 영역 광스펙트럼 기술은 근년에 개발된 테라헤르츠 주파수대 광스펙트럼 측정 기술이다. 2003년에 컬럼비아 우주왕복선은 외부 연료탱크의 폼단열층 탈락으로 폭발되었다. 해당 사고 조사시 테라헤르츠 시간 영역 광스펙트럼 기술로 연료탱크 단열폼의 내장결함을 성공적으로 검출해 동일 유형 탐측에서 가장 효과적인 방법으로 간주되고 있다. 테라헤르츠는 대부분 비금속, 비극성재료에 대해 양호한 투과력을 보유한다. 미국은 테라헤르츠 시간 영역 광스펙트럼 시스템으로 F-35 전투기의 특수 코팅층을 검사하기도 했다. 해당 기술은 코팅층을 쉽게 투과할 수 있을 뿐더러 코팅층의 두께도 측정할 수 있기에 제조 및 유지보수 효율을 대폭 향상시킬 수 있다. 많은 대분자의 회전, 진동 에너지 준위 모두 테라헤르츠 주파수대에 위치하므로 테라헤르츠 시간 영역 광스펙트럼 기술은 민간 영역에서 매우 광범위하게 응용되고 있다. 예를 들어 동 기술로 마약, 폭발물의 종류를 효과적으로 식별할 수 있는데 흔히 볼 수 있는 첨가물이 혼합돼 있더라도 검사 결과에 영향이 없다. 이외 해당 기술은 재료 브로드밴드 투사, 산란 특성 측정은 물론 재료 브로드밴드 전자기 파라미터도 획득할 수 있어 테라헤르츠 주파수대 재료특성 연구에 이용 가능하다. 하지만 광스펙트럼 스캔 속도가 해당 기술의 보급 및 응용을 일정 정도 제한하고 있다. 특히 중국의 관련 업체에 있어 어떻게 광스펙트럼 스캔 속도를 향상시킴과 더불어 시스템의 신호대잡음비 무손실을 보장할지가 기술적 어려움이다. 207연구소는 이번에 개발한 쾌속 스캐닝 모듈을 테라헤르츠 재료 파라미터 측정시스템 및 테라헤르츠 주파수대 레이더 산란 단면적 측정시스템에 응용해 데이터 실시간 획득능력을 높이는 등 해당 기술의 응용폭을 넓힐 예정이다.

이산화탄소 환원 효율 200% 향상

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최근, 중난(中南)대학 류민(劉敏) 연구팀은 캐나다 Edward Sargent 연구팀, 중국 타이완(臺灣)과기대 황빙자오(黃炳照) 연구팀 등은 공동으로 금속 퀀텀닷(Quantum dot)에서 이산화탄소를 최초로 “포획”함으로써 이산화탄소 환원 효율을 200% 이상 향상시켜 탄소순환 이용 효율을 대폭 제고했다. 해당 연구성과는 “Joule”에 게재됐다. 전기화학적 환원을 이용해 온화한 제어조건에서 이산화탄소를 유용한 탄화수소 연료 및 화학용품으로 환원시킬 수 있다. 이는 대기 중의 이산화탄소를 “포획”하고 이산화탄소 순환이용을 달성하는 효과적인 경로이다. 하지만 촉매 선택이 어려움으로 되고 있다. “퀀텀닷”이라고 불리는 중요한 저차원 반도체 재료에는 대량의 광전기 성능 하강을 유발하는 “결함 위치”를 함유하고 있다. 해당 “결함”은 촉매 활성을 개선시킬 수 있다. 하지만 해당 특성은 일반 금속 촉매에 이용되기 어렵다. 공동 연구팀은 황화물 퀀텀닷 원위치 전기화학적 환원을 통해 고배율 금속 공격자점(Vacancy) 퀀텀닷의 제조를 달성함과 아울러 이산화탄소 환원 분야에 응용했다. 해당 퀀텀닷에서 유도된 촉매는 3~5nm의 크기를 유지하지만 금속 공격자점을 최대로 20% 보유하며 또한 금속 퀀텀닷에서 양호한 원자급 분산을 나타낸다. 따라서 이산화탄소 환원반응에 적합한 원자구조 및 전자구조를 제공할 수 있다. 수백 시간의 이산화탄소 환원 반응 과정에서 해당 촉매는 양호한 촉매 활성을 유지하며 성능은 기존 촉매의 2배 이상 초과했다. 검증 결과, 해당 종류의 촉매는 금, 은, 구리, 납 등 다양한 금속에 양호한 적합성을 나타냄으로써 이산화탄소 순환이용에 잠재적 응용을 가져다줄 전망이다.

중국과기대, 고효율 산소발생반응 촉매 개발

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최근 중국과학기술대학 위수훙(俞書宏)/가오민루이(高敏銳) 연구팀은 전통프러시안블루(PBA) 재료에 대한 질소가스 플라스마 충격(Plasma bombardment)을 통해 시안기 공석을 풍부히 함유한 고효율 산소발생반응 촉매를 성공적으로 개발했다. 해당 시안기 공석은 PBA 재료의 국지 전자구조 및 금속 배위환경을 조절할 수 있을 뿐만 아니라 전기순환 과정에서 철 활성종의 유실을 고효율적으로 억제할 수 있다. 해당 연구성과는 “Nature Communications”에 게재되었다. 산소발생반응(OER)은 광/전기 가수분해, 금속공기전지 등 신에너지 저장 및 전환장치의 핵심 반쪽반응(half reaction)이다. 저렴하고 고효율적인 산소발생반응 전기촉매의 개발은 전극 과전위를 더한층 낮추고 장치 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 주요 경로이다. 재료결함공학은 촉매의 전기음성도, 전하분포 및 배위환경 등 조절이 가능해 촉매 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있는 전략으로 여겨지고 있다. 신형의 결함구조 설계 및 새 활성배위 형식 도출을 통해 기존 촉매재료의 촉매성능을 더한층 최적화할 수 있다. 연구팀은 몰리브덴산니켈 나노막대를 템플릿으로 하여 다공성 니켈-철 기반 PBA재료를 제조했다. 그 다음 해당 재료에 대한 질소가스 플라스마 충격을 통해 시안기 공석을 풍부히 함유한 PBA 촉매를 획득했다. 연구팀은 고해상도 투과전자현미경, 양전자 소멸기술, 원소 함량분석, 배기가스 흡수검사 등 다양한 특성화 수단을 통해 해당 신형 시안기 공석의 형성을 확인했다. 전기화학적 테스트 결과, 60분 동안 질소가스 플라스마 충격을 거친 PBA 샘플은 최상의 산소발생반응 활성을 나타냈는데 이는 기타 고효율 산소발생반응 촉매에 비해 훨씬 우수했다. 구조 분석 결과, 높은 산소발생반응 활성은 시안기 공석이 유도 발생한 불포화 니켈-철 부위에서 비롯되었다. 심층 연구를 통해 시안기 공석을 함유하지 않는 PBA 재료의 철 활성종은 점차 전해액에 용해되며 반대로 시안기 공석을 함유한 PBA 재료는 철 활성종의 유실을 대폭 억제함으로써 산소발생반응 순환과정에서 높은 활성의 표면 활성층을 자가 재구성적으로 형성해 우수한 OER 활성 및 안정성을 보유함을 발견했다. 해당 성과는 높은 활성의 니켈-철 수산화물 제조에 새 전략, 새 결함유형 개발에 새 참고정보, 보다 고효율적인 산소발생반응 촉매 설계에 참신한 아이디어를 제공했다.

허페이지능기계연구소, 수중 납오염 신속 검출 가능한 형광 시험지 개발

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최근, 중국과학원 허페이(合肥)지능기계연구소 지능마이크로나노소자 연구팀은 고효율 비색 형광나노탐침을 제조했다. 해당 탐침을 기반으로 제조한 형광 시험지의 색상 변화를 근거로 수중 납이온 함량을 신속하게 예비 판단할 수 있다. 해당 연구성과는 “Analytical Chemistry”에 게재됐다. 전통적인 검출 방법으로 수중 납이온의 함량에 대한 정밀 및 선택성 분석을 수행할 경우 기기 가격이 비싸고 검출 주기가 길 뿐만 아니라 전문 인력을 필요로 하기에 현장 검출에서의 응용을 제한한다. 연구팀은 청색 및 적색 탄소점(Carbon spot)을 적합한 비율로 혼합하여 새로운 비색 형광탐침을 개발했다. 해당 탐침으로 제조한 형광 시험지로 액체 중 납이온을 검출할 수 있다. 액체에 납이온이 존재할 경우 청색 탄소점 형광은 소실되지만 적색 형광은 변화되지 않으며 자외선 램프(Ultraviolet lamp)로 조사하는 조건에서 뚜렷한 청색에서 적색으로의 색상 변화를 관찰할 수 있다. 시험지의 색상 값과 색상코드표 또는 핸드폰의 색상 식별 소프트웨어와 비교하여 현장에서 납이온 함량에 대한 시각화, 실시간, 반정량화 검출을 달성할 수 있다. 해당 형광 시험지는 저독성 탄소점으로 제조했기에 친환경적일 뿐만 아니라 저장, 휴대가 편리하고 사용 방법이 간단하며 5분 내에 수중 납이온을 신속 검출할 수 있다.