기술동향
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생물물리연구소, 소두증 원인 유전자 Cenpj의 새기능 규명

최근 중국과학원 생물물리연구소 왕샤오췬(王曉群) 연구팀은 생쥐 대뇌피질 발달 과정에서 중심체 단백질 Cenpj가 체내 섬모 해중합 및 신경 생성에 대한 제어작용을 규명했다. 해당 성과는 "Cenpj regulates cilia disassembly and neurogenesis in the developing mouse cortex"란 제목으로 "The Journal of Neuroscience"에 게재되었다. 소두증은 일종의 신경계 발달 질환이다. 소두증 환자의 두부 크기는 정상 동년배의 3분의 1밖에 안 되며 정신지체, 정서장애 등 증상을 동반하는 등 환자의 정상적 생활에 심각한 영향을 미친다. 소두증을 유발하는 돌연변이는 대부분 중심체 단백질을 암호화하는 유전자이다. 연구팀이 주목한 Cenpj는 소두증을 유발하는 중심체 유전자로서 중심소체(centrioles) 성장뿐만 아니라 세포골격 구조도 제어할 수 있다. 인간 Cenpj 돌연변이가 뇌발달 결함을 유발하는 병리적 메커니즘을 탐구하기 위해 연구팀은 먼저 Cre-Loxp 기술로 생쥐 대뇌피질속 Cenpj 유전자에 대한 특이적 녹아웃을 통해 Cenpj 조건적 녹아웃 생쥐(CenpjCKO)를 획득했다. CenpjCKO 생쥐는 소두증 환자와 유사한 병리 특성 즉 머리가 작고 피질이 얇아지며 뉴런 수가 감소되는 등 표현형을 안정적으로 구현했다. 연구 결과, 배아기 CenpjCKO 생쥐의 신경줄기세포 수효는 뚜렷하게 감소했고 증식분열 능력은 뚜렷이 저하됨과 아울러 대량적 세포사멸 현상을 동반했다. 뿐만 아니라 Cenpj 유전자 결실로 인해 진핵세포 표면의 세포소기관인 섬모 구조에도 변화가 발생했다. 신경줄기세포의 섬모는 Cenpj 유전자 결실로 인해 길어지고 섬모 부속물 구조도 이상해졌다. 이외 성체기의 Cenpj 결실은 성체 신경줄기세포속 일차섬모(primary cilia) 및 운동섬모로 하여금 가늘고 길게 변화시켰고 뇌실하영역(SVZ)의 세포 증식을 저하시켰으며 후각망울(olfactory bulb) 신생 뉴런의 수효를 감소시켰다. 연구팀은 전사체학적 연구분석을 통해 Cenpj는 일종의 말단 유도 이동단백질 Kif2a를 통해 섬모의 분해 및 신경 생성을 제어함을 발견했다. 한마디로 섬모가 세포주기 발생 전에 분해되지 않을 경우 동 사건이 신경전구체 세포주기 지연 및 신경생성장애의 원인이 될 수 있다. 해당 연구는 인간의 피질 발달 및 Cenpj 돌연변이성 원발성소두증에서 섬모의 작용을 심층 이해하는데 근거를 제공했다.

중국 궤도교통, 세계 최초로 5G 시대 진입

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최근, 중처(中車)주저우(株洲)전기기관차연구원 산하 스다이(時代)전기주식유한회사에서 자체로 개발한 5G 통신기술 기반 대용량 데이터 덤프(Dump) 시스템(이하 "5G 덤프 시스템")이 청두(成都)기관구에서 열차 탑재 데이터 고속 다운로드를 성공적으로 구현하였다. 이는 중국 궤도교통이 세계 최초로 5G 시대에 진입하였음을 의미한다. 열차 운행 과정에서 생성되는 대량의 모니터링 데이터는 기관구에서 열차의 운영 유지보수를 연구 분석하는데 제공된다. 열차 장거리 라우팅(Routing), 승무교대제(Crew shifting system) 시행에 따라 열차 탑재 데이터 특히 열차 탑재 비디오 데이터가 급증되고 있다. 그러나 기존에 열차 탑재 비디오 데이터는 승무원이 USB 메모리를 이용하여 인공적으로 덤프하는 방식을 이용하였기에 USB 메모리 파괴, 비디오 데이터 분실 또는 인위적 피괴 등 문제가 발생하여 기관구에서의 운용 안전에 아주 큰 잠재위험을 가져다준다. 열차 탑재 비디오 데이터의 자동 무선 고속 다운로드를 구현하기 위해 중처주저우전기기관차연구원은 화웨이(華為)회사와 공동으로 궤도교통 응용에 적합한 5G 덤프 시스템을 개발함과 아울러 2018년 11월, 청두기관구에서 열차 탑재 응용을 구현하였다. 응용 결과, 해당 시스템은 10분 내에 55GB의 열차 탑재 데이터 쾌속 덤프를 완료할 수 있는데 이는 현재 표준 WLAN 동일한 작동상태 조건에서 전송 속도의 100배 이상에 달한다. 이로써 기존에 수동 조작 과정에서 나타나는 데이터 손실 및 이상 문제를 효과적으로 해결하여 기관차에 대한 응용 분석에 풍부한 데이터 지원을 제공함과 아울러 기관차 운행 안전을 효과적으로 보장할 수 있다. 현재 세계에서 일반적으로 사용되는 열차 탑재 데이터 덤프 시스템은 3G 또는 4G 통신으로 전송하기에 덤프 전송 효율이 비교적 낮다. 5G 덤프 시스템의 개발 성공은 빅데이터 지능 운영 유지보수 응용 조건에서의 데이터 전송에 존재하는 문제점을 해결하여 간선 기관차, 고속열차 및 도시철도 열차에 광범위하게 응용될 수 있을 뿐만 아니라 풍력, 전기 자동차 등 기타 영역에 응용되어 광대역 데이터 전송을 구현할 수 있기에 중국이 5G 시대에 국제 궤도교통 첨단 기술 시장을 선점하는데 강대한 기술 지원을 제공할 전망이다.

중국과기대, 최초로 얽힘교환 과정의 자기점검 실험적 구현

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최근 중국과기대학 궈광찬(郭光燦) 연구팀은 양자얽힘상태의 비국소성 및 Bell 기반 측정을 정량적으로 연계시켜 최초로 얽힘교환 과정에서 Bell 기반 측정의 자기점검을 구현했다. 해당 연구성과는 "Physical Review Letters"에 게재되었다. 양자얽힘은 양자통신 및 양자컴퓨팅의 주요 자원이다. 양자얽힘 네트워크 구축 과정에서 고품질 양자얽힘 상태를 재현해야 할 뿐만 아니라 노드 간 고품질 얽힘교환을 실현해야만 각 노드 간 얽힘을 달성할 수 있다. 얽힘교환은 Bell 기반 측정을 통해 구현한다. 예를 들어 애초에 Alice 노드에 A1과 A2라는 2개 입자가 얽혀있고 Bob 노드에 B1과 B2라는 2개 입자도 얽혀있다. 그러나 Alice와 Bob의 입자 사이는 서로 얽혀있지 않다. Alice와 Bob는 각자 A2와 B2라는 2개 입자(일반적으로 광자)를 약속한 지점에 발송해 Bell 기반 측정을 할 수 있는데 소모시킨 A2와 B2를 측정하는 대가로 원래 얽혀있지 않던 서로 다른 노드의 A1과 B1라는 2개 입자를 얽히게 할 수 있다. 장치 독립적 얽힘상태 및 Bell 기반 측정의 품질 점검을 학술계에서는 얽힘 자기점검이라 부른다. 장치에 대한 신뢰성이 없을 경우에도 자기점검을 통해 이미 구축한 양자얽힘 네트워크의 안전성을 보장할 수 있다. 앞서 연구팀은 얽힘상태 자기점검[Phys. Rev. Lett. 121, 240402 (2018)] 및 고차원 얽힘상태 자기점검[npj Quant. Info. 5, 4 (2019)]을 구현했다. 그러나 Bell 기반 측정에 한해 그 품질을 검측할 적합한 방법을 찾지 못했다. 따라서 그 정확성을 정량적으로 특성화할 방법이 없고 자기점검은 더구나 불가능하다. 연구팀은 Bell 기반 측정 및 얽힘상태의 비국소성 정량적 연계를 통해 광학시스템에서 실험적으로 장치 독립적 Bell 기반 측정에 대한 검측을 구현했다. 실험에서 얽힘교환시 발생한 둘의 얽힘에 대한 자기점검 외에 얽힘교환전의 2쌍 얽힘상태 독립성에 대한 자기점검도 수행했다. 이로써 실험 결과는 매우 양호한 강인성을 갖추었고 최종 Bell 기반 측정 관련 충실도 감정치는 0.87에 도달했다. 이는 세계 최초의 Bell 기반 측정 자기점검을 대상한 원리 검증실험으로서 양자얽힘 네트워크 자기점검 구현 및 양자네트워크 안전성 보장에 있어 걸림돌을 제거했다.

중국과기대, 강산란 환경에서 OAM 광통신 오류율 0.08% 달성

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최근 중국과기대학 물리학부 리인메이(李銀妹)/황쿤(黃坤) 연구팀은 생물조직 강산란을 극복해 생체세포 광제어를 달성한 연구성과를 기반으로 복잡 매질 라이트 필드 제어 기술을 OAM 광통신에 응용해 강산란 환경에서의 고품질 광통신을 구현했다. 해당 성과는 "Optical orbital-angular-momentum-multiplexed data transmission under high scattering"란 제목으로 "Light Science & Application"에 게재되었다. 최근에 궤도각운동량(Orbital Angular Momentum, OAM)은 고전통신 및 양자통신에 광범위하게 응용되고 있다. OAM은 이론상 무한 다차원의 직교기저(orthogonal basis)를 제공하므로 정보 부호화에 응용 가능하다. OAM 다중화 기술 기반 광통신은 통신속도를 향상시킬 수 있다. 하지만 무선 광통신에서 OAM을 지닌 광빔이 공간에서 전파시 대기 난류, 스모그 또는 공기속 먼지의 영향을 쉽게 받는다. 미세입자의 다중 산란은 광빔의 질량을 심각하게 저하시켜 수신단에서 광빔의 무작위 스펙클로의 변화를 초래해 통신 오류율을 증대시킨다. 따라서 강산란 조건에서 광정보의 정확한 전송 및 복원의 문제를 해결하는 것은 광통신 연구 및 응용에 중요한 의미가 있다. 상기 문제를 감안해 연구팀은 산란행렬 기반 정보복원 기술(scattering matrix-assisted retrieval technique, SMART)을 제안했다. 연구팀은 SMART 플랫폼을 이용해 여러 번 산란된 광학장에서 다수 OAM 신호채널속 정보를 추출했다. 광학 전송 실험에서 연구팀은 8개 신호채널과 24개 신호채널을 각각 사용해 그레이스케일 이미지와 컬러 이미지를 정확하게 전송했는데 오류율은 기존 보고 수치에 비해 20배 낮은 0.08% 이하에 도달했다. 연구팀이 제안한 SMART는 산란환경에서의 자유공간 광통신, 광섬유통신 및 양자통신을 위해 효과적인 기술수단을 제공했다.

중국에서 자체로 개발한 3개 항목의 삼진 대등 개체 인증 기술이 국제표준으로 선정

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2019년 3월 5일, WAPI 산업연맹 소식에 따르면 중국에서 자체로 개발한 3개 항목의 삼진 대등 개체 인증(TePA-EA) 기술이 공식 발표되어 국제표준화조직/국제전기기술위원회(ISO/IEC) 국제표준으로 되었다. 이는 중국이 기본기술 분야에서 거둔 주요 성과로서 글로벌 네트워크 안전을 위해 중요한 기여를 하였다. 또한 중국의 기술 혁신이 국제표준 기술 체계화 발전 과정에서 없어서는 안 될 부분으로 되었음을 의미한다. 개체 인증 기술은 인터넷 안전 분야의 기본 범용기술로서 네트워크 사용자에게 신분 식별 및 검증을 제공한다. 이번에 발표한 3개 항목의 TePA-EA 시리즈 기술은 개체 인증 국제표준 기술 체계에 단방향성 인증, 다중 온라인 신뢰성 제3자 등 메커니즘을 증가시켜 정보 비허가 사용, 오용(Misuse) 등 네트워크 정보 안전 잠재위험을 효과적으로 방지하였다. TePA-EA 시리즈 기술의 국제표준 제안은 WAPI 산업연맹에서 앞장서 추진하였으며 시뎬제퉁(西電捷通)회사, 무선네트워크안전기술국가공정실험실, 국가상업용암호키검측센터, 국가라디오모니터링센터 검사센터 등 연맹 회원 기관에서 공동으로 표준 프로젝트팀을 구성하였다. 시뎬제퉁회사는 해당 기술 체계의 주요 기술 기여 기관이다. TePA-EA는 국외 동종 기술에 비하여 안전성 및 사용성이 더욱 뛰어나다. ISO/IEC 9798 시리즈 개체 인증 국제표준의 모든 온라인 개체 인증 기술은 중국에서 제공하였다. 이에 앞서 시뎬제퉁회사에서 개발한 2개 항목의 개체 인증 기술이 2010년 국제표준으로 선정되었다.

태양광 드론에 의한 공중 근거리통신망 구축

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최근, 중국항천과학공업그룹(CASIC) 제3연구원은 근공간 태양광 드론 기반 공중 근거리 통신망 구축 페이윈(飛雲) 프로젝트를 제안하였다. 해당 프로젝트를 통하여 지상 및 해상 사용자에 대한 광대역 장시간 통신 보장을 구현할 수 있다. 현재까지 페이윈 프로젝트는 여러 차례 자율비행 검증을 완료하였고 공간 플랫폼 기반 통신 응용 검증을 성공적으로 수행하여 단계적 성과를 확보하였다. 근공간 태양광 드론은 태양에너지를 동력원으로 하고 비행 과정에서 자율적으로 외계로부터 에너지를 획득하며 지속적으로 며칠 또는 몇 개월 동안 비행할 수 있는 새로운 플랫폼이다. 비행 고도는 근공간에 도달할 수 있으며 비행 고도가 높고 항속 시간이 아주 길며 사용 유지보수가 간단한 등 특성을 보유하고 있다. 태양광 드론은 일정한 의미에서 "준위성" 특성을 보유하고 있으며 현재 전세계 연구 관심사로 떠오르고 있다. 제3연구원이 개발한 태양광 드론은 높은 양항비 공력 성능을 구현함과 아울러 드론의 비행 제어 어려움을 감소시켰다. 또한 초경량 고강도 복합재료 동체 구조를 사용하여 드론의 내풍능력 및 환경 적응성을 향상시켰으며 고효율 에너지 동력 시스템을 사용하여 드론의 장시간 비행 임무 신뢰도를 대폭 향상시켰다. 각 서브시스템의 매칭 조화 설계를 통하여 태양광 드론은 비상 통신 보장, 원격탐사 매핑, 기상 탐측 등 많은 분야에 광범위하게 응용될 전망이다. 페이윈 프로젝트는 태양광 드론에 탑재된 공중 근거리 통신망 설비를 이용하여 지상국의 네트워크 커버리지 범위 초월 및 지역 제한을 받지 않는 "동반식" 네트워크 접속을 제공할 수 있으며 지역 내 사용자 정보 상호연결 및 전송을 구현함과 아울러 사용자의 IP 데이터, 언어, 비디오 등 업무 데이터를 전송망에 제공할 수 있다. 또한 기지국 설치가 어려운 지역에 효과적인 통신 네트워크 커버리지 해결 방안을 제공할 수 있을 뿐만 아니라 자연재해 발생, 지역 통신시설 피해 조건에서 신속하게 재해지역의 통신 능력을 회복할 수 있다.

중국 등, 제곱킬로미터배열 거대 전파망원경 천문대 공약에 서명

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2019년 3월 12일에 중국, 호주, 이탈리아, 네덜란드, 포르투갈, 남아프리카공화국, 영국 등 7개 회원국은 이탈리아 로마에서 제곱킬로미터배열 거대 전파망원경(Square Kilometre Array, 이하 SKA) 천문대 공약에 서명했다. 이외 인도, 스웨덴, 캐나다, 프랑스, 일본, 한국, 몰타(Malta), 뉴질랜드, 스페인, 스위스 등 십여 개 국가와 조직의 백여 명 대표가 조인식에 참여했다. 중국은 2012년부터 20여 개국의 1,000여명 엔지니어, 과학자와 공동으로 SKA 핵심기술 연구, 핵심장비 개발 및 과학 문제 연구에 참여했다. 중국은 SKA 각항 사무에서 적극적인 역할을 했고 구축 준비단계의 모든 약속을 원만히 이행했다. 이번 천문대공약의 체결은 SKA에 있어 역사적 사건일 뿐만 아니라 SKA 현실화에 토대를 닦았고 세계 천문학계 역사에도 기념비적 의미가 있다. 향후 중국은 세계 각국과 공동으로 세계 최대 전파천문망원경 SKA 구축 및 공유에 이바지할 계획이다. 인류 역사상 최대 개구합성 전파망원경인 SKA는 우주에 대한 기본 인식 획득, 천문학자의 중력파 연구, 극한 환경에서의 아인슈타인 상대론 검증 및 신비한 트랜지언트 소스(Transient sources) 본질 연구에 활용할 수 있다. 또한 수십억 년 동안 우주 진화사에 대한 인식 향상, 수억 개 은하계외성운 지도 작성 및 지구 외 문명 탐색에도 도움이 된다. 전통적 전파천문 간섭 기술과 현대의 위상배열레이더 기술을 통합시킨 SKA는 전파천문학의 전통적 연구 수단을 대체할 전망이다. SKA는 우주를 전례 없이 세부적으로 모니터링할 수 있을 뿐만 아니라 성도(Sky Atlas) 작성 시간도 기존 망원경에 비해 몇 배로 축소되었다. SKA는 구축 규모가 방대하고 시스템 설계가 복잡하며 자금 투입도 엄청나다. 아울러 구축·운영 주기가 길기에 다국 정부 간 SKA국제조직을 설립해 구축 및 운영을 관장한다. SKA 천문대 본부는 영국에 있고 호주와 남아프리카공화국에 각각 천문국을 설치했다.

CNNC, 60만 kW 고온가스냉각형 원자로 프로젝트의 표준 설계 완료

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최근, 중국핵공업그룹(CNNC)은 칭화대학과 공동으로 60만 kW 고온가스냉각형 원자로 프로젝트 수행 업무를 가동함과 아울러 표준 설계 및 프로젝트 건의서에 대한 전문가 심사를 완료하였으며 현재 공장입지 선정 중이다. 고온가스냉각형 원자로는 중국이 자체로 개발한 고유 안정성을 보유한 4세대 첨단 원자력 기술이다. 이에 앞서 중국은 10MW 고온가스냉각형 실험 원자로를 구축하여 운행하였다. 국가과학기술 중대 특별프로젝트의 지원 하에 현재 산둥(山東) 룽청(榮成)에 구축 중인 세계 첫 20만 kW 고온가스냉각형 원자로 상업적 시범 프로젝트(이하 시험 프로젝트)도 이미 장비 설치 테스트 단계에 진입하여 2020년에 구축 완료되어 생산에 투입될 예정이다. 60만 kW 고온가스냉각형 원자로 프로젝트는 중국 기존의 원자력 발전 장비 제조 능력, 시범 프로젝트를 기반으로 설계하였다. 프로젝트는 6개 원자로 모듈의 설계 방안을 이용하였으며 시범 프로젝트와 동등한 수준의 안전성, 주요 장비 설계 및 운전 파라미터를 보유하고 있고 일반 가압수형 원자력 발전소 일차계통 건물 부피 및 부지 면적에 해당된다. 시범 프로젝트 연구개발 및 공사 실행 경험을 기반으로 60만 kW 고온가스냉각형 원자로 프로젝트의 경제성을 한층 더 최적화하여 향상시킬 예정이다. 표준 설계는 구체적인 공장건물 입지를 목표로 하지 않는 조건에서의 기본적인 설계를 의미하며 확정된 프로젝트 기술 방안은 프로젝트 구축에 튼튼한 기술적 기반을 마련할 예정이다. 고온가스냉각형 원자로는 안전성이 높고 출구온도가 높은 등 장점을 보유하고 있으며 고온고압 특성은 대규모 수소 생산 기반의 열화학적 순환 수소 생산 기술에 아주 적합하기에 가장 적합한 원자력 수소생산 원자로 모델로 인정받고 있다. 60만 kW 고온가스냉각형 원자로 프로젝트를 빠른 시일에 가동하기 위해 전문가들은 "원자력 수소생산 및 수소에너지 야금" 프로젝트를 국가 과학기술 중대 특별프로젝트로 선정할 것을 건의하였다. 또한 중대 프로젝트로 기술개발을 이끌어 고온가스냉각형 원자로 기술의 지속적 혁신 및 대규모 원자력 수소생산 구현에 신뢰적 보증을 제공해야 한다고 호소하였다.

창정계열 운반로켓, 300차 발사 성공

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2019년 3월 10일 0시 28분, 중국은 시창(西昌)위성발사센터에서 창정 3호 을(長征三號乙) 운반로켓으로 "중싱(中星) 6C" 위성을 성공적으로 발사해 예정궤도에 진입시켰다. 이번에 발사한 중국 라디오/TV 방송 전용 "중싱 6C" 위성과 창정 3호 을 운반로켓은 중국항천과기그룹유한회사(CASC)가 개발 및 생산을 담당했고 중국위성발사계측제어시스템부가 발사/계측제어 임무를 담당했다. 이번 발사는 창정계열 운반로켓의 300번째 비행이다. 이번 발사 성공으로 창정계열 운반로켓은 300차 발사 기록을 세웠다. 또한 100차당 발사 시간 간격은 꾸준히 단축되었는데 이는 해당 로켓의 고밀도 발사 정상화, 중국 우주사업의 고속 발전, 중국 과기수준 및 종합국력의 쾌속 성장을 의미한다. CASC가 자체적으로 개발한 창정계열 운반로켓은 중국 전체 발사임무의 96.4%를 담당했고 또한 발사한 우주선의 총질량은 중국이 발사한 전체 우주선 질량의 99.2%를 차지한다. 창정계열 운반로켓은 1970년에 첫 비행을 시작해서부터 현재까지 선후하여 17종 기본형 로켓 및 5종 상단(upper stage)이 개발돼 사용 중에 있는데 현재로 506개 우주선을 예정궤도에 성공적으로 진입시켰다. 해당 운반로켓은 무에서 유, 직렬식에서 묶음식, "1개 로켓으로 1개 위성" 발사에서 "1개 로켓으로 여러 개 위성" 발사, 위성 발사에서 유인우주선/달탐사기 발사, 현존 운반로켓에서 차세대 운반로켓 등으로의 도약식 발전을 실현했다. 또한 저·중·고 궤도의 다양한 하중 발사 능력을 갖추었고 수송능력 및 궤도진입 정밀도 모두 세계 선진 수준에 도달했다. 창정계열 운반로켓은 중국 제1, 세계적으로 자체 지식재산권을 보유한 국제 첨단기술산업 브랜드가 되었다. 다년간 창정계열 운반로켓은 중국의 유인우주비행, 달탐사, 베이더우 위성항법, 고해상도 지구관측시스템 등 일련의 주요 프로젝트의 성공적 달성을 지원했다. 아울러 관련 분야 발전, 과기강국 및 우주강국 건설을 위해 튼튼한 기반을 마련했다. 창정계열 운반로켓의 300차 발사 성공률은 약 96%이다. 초기 50차 발사에 비해 그 후의 250차 발사 성공률은 뚜렷하게 향상되어 안정화 됐다. 창정계열 운반로켓의 세 번째 100차 발사에서 총 225개 우주선을 예정궤도에 진입시켰고 발사 성공률은 97%에 달해 세계 최고 수준에 도달했다. 특히 2018년에 연속 37차 발사 성공이라는 세계 연도 우주발사 횟수 1위 최초 달성 및 지난 20년 세계 우주발사 역사상 연속 발사 성공 횟수 최고의 한해 등 세계 우주발사 신기록을 창조했다.

생물물리연구소, 소두증 원인 유전자 Cenpj의 새기능 규명

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최근 중국과학원 생물물리연구소 왕샤오췬(王曉群) 연구팀은 생쥐 대뇌피질 발달 과정에서 중심체 단백질 Cenpj가 체내 섬모 해중합 및 신경 생성에 대한 제어작용을 규명했다. 해당 성과는 "Cenpj regulates cilia disassembly and neurogenesis in the developing mouse cortex"란 제목으로 "The Journal of Neuroscience"에 게재되었다. 소두증은 일종의 신경계 발달 질환이다. 소두증 환자의 두부 크기는 정상 동년배의 3분의 1밖에 안 되며 정신지체, 정서장애 등 증상을 동반하는 등 환자의 정상적 생활에 심각한 영향을 미친다. 소두증을 유발하는 돌연변이는 대부분 중심체 단백질을 암호화하는 유전자이다. 연구팀이 주목한 Cenpj는 소두증을 유발하는 중심체 유전자로서 중심소체(centrioles) 성장뿐만 아니라 세포골격 구조도 제어할 수 있다. 인간 Cenpj 돌연변이가 뇌발달 결함을 유발하는 병리적 메커니즘을 탐구하기 위해 연구팀은 먼저 Cre-Loxp 기술로 생쥐 대뇌피질속 Cenpj 유전자에 대한 특이적 녹아웃을 통해 Cenpj 조건적 녹아웃 생쥐(CenpjCKO)를 획득했다. CenpjCKO 생쥐는 소두증 환자와 유사한 병리 특성 즉 머리가 작고 피질이 얇아지며 뉴런 수가 감소되는 등 표현형을 안정적으로 구현했다. 연구 결과, 배아기 CenpjCKO 생쥐의 신경줄기세포 수효는 뚜렷하게 감소했고 증식분열 능력은 뚜렷이 저하됨과 아울러 대량적 세포사멸 현상을 동반했다. 뿐만 아니라 Cenpj 유전자 결실로 인해 진핵세포 표면의 세포소기관인 섬모 구조에도 변화가 발생했다. 신경줄기세포의 섬모는 Cenpj 유전자 결실로 인해 길어지고 섬모 부속물 구조도 이상해졌다. 이외 성체기의 Cenpj 결실은 성체 신경줄기세포속 일차섬모(primary cilia) 및 운동섬모로 하여금 가늘고 길게 변화시켰고 뇌실하영역(SVZ)의 세포 증식을 저하시켰으며 후각망울(olfactory bulb) 신생 뉴런의 수효를 감소시켰다. 연구팀은 전사체학적 연구분석을 통해 Cenpj는 일종의 말단 유도 이동단백질 Kif2a를 통해 섬모의 분해 및 신경 생성을 제어함을 발견했다. 한마디로 섬모가 세포주기 발생 전에 분해되지 않을 경우 동 사건이 신경전구체 세포주기 지연 및 신경생성장애의 원인이 될 수 있다. 해당 연구는 인간의 피질 발달 및 Cenpj 돌연변이성 원발성소두증에서 섬모의 작용을 심층 이해하는데 근거를 제공했다.

쿤밍동물연구소, 최초로 온천 미생물 다양성 변화 관련 생물지리학적 모형 구축

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최근 중국과학원 쿤밍(昆明)동물연구소 "전산생물학·의학적생태학" 과제팀 리롄웨이(李連偉) 박사연구생은 "다양성-면적" 모형(Diversity-Area Relationship)을 응용해 캐나다 학자가 수집한 전세계 160곳 온천의 메타게놈 데이터(Sharpe et al. 2014, the ISMEJ)를 재분석하여 최초로 온천 미생물 다양성 변화의 생물지리 모형을 구축했다. 또한 최초로 공간 이질성 면에서 세균과 고세균의 유의적 차이를 발견했다. 세균과 고세균의 시스템 생물학적 "경계"는 반세기를 넘지만 생물지리학적 분포 차이에 관한 연구는 많지 않다. 그 원인은 메타게놈 서열분석 기술이 개발되기 이전에 대규모 글로벌 규모의 미생물에서 분포 조사가 어려웠기 때문이다. 해당 연구는 생태적응 면에서 세균과 고세균의 차이를 심층 연구하는데 중요한 의미가 있다. 연구팀이 구축한 일련의 전산 모형은 온천 미생물의 다양성 분포 관련 생물지리학적 지도를 본질적으로 묘사했다. 연구팀이 사용한 "다양성-면적" DAR모형은 쿤밍동물연구소 마잔산(马占山) 연구원이 최근 몇 년간 고전 "종-면적 관계(Species Area Relationship, SAR)" 면에서 거둔 성과이다. SAR모형은 100여 년의 역사를 가진 생물지리학/보존생물학에서 가장 중요한 이론 모형이다. 마잔산 연구원은 Renyi 엔트로피에 기반해 도출한 "Hill Numbers"를 범용적 "다양성 지수"로 채택했고 그 것으로 SAR 모형의 "종의 수"를 대체함으로써 고전 SAR에 존재하는 일부 결함을 근본적으로 해결했다. 또한 멱법칙이 보유한 척도 불변성(Scale-Invariance) 이론에 근거해 다른 3개 주요 파라미터 즉 다양성 중첩 파라미터(Pair-wise Diversity Overlap, PDO), 누계 다양성 최대치(Maximal Accrual Diversity, MAD), "국소-지역(전세계)"(Local to Regional/Global Diversity, LRD/LGD) 비율 파라미터를 도출했다. 상기 파라미터는 앞서 기술한 생물다양성 분포 관련 생물지리학적 지도 구축에 이용할 수 있다. 연구팀은 "다양성-면적" DAR모형을 사용한 온천 고세균과 세균 데이터 분석 및 고세균과 세균의 공간적 분포 형식 비교를 통해 고세균 총체의 공간적 분포 이질성이 세균 총체에 비해 높고 고세균의 주요 종 분포 공간적 이질성은 세균의 주요 종에 비해 낮음을 발견했다. 다양성 중첩 파라미터(PDO) 에 의하면 고차 다양성 지역 간에서의 중첩도는 더 높았다. 다시 말해서 고차의 다양성 공간 이질성은 더 낮다. 누계 다양성 최대치(MAD)로 추정한 온천 고세균은 약 8,400종이고 세균은 55,000여 종에 달했는데 이는 고세균의 6배이다. LGD 면에서 단일 온천에 함유된 고세균은 전세계적 범위의 모든 온천에 함유된 고세균의 1.25%였고 세균은 전세계 범위의 약 1.52%였는데 이 또한 환경미생물의 공간적 분포 고도 이질성을 입증하는 증거이다. 상기 온천 미생물 다양성 분포 특성 관련 파라미터는 이번에 최초로 발표되었다. 해당 연구성과는 "Global Microbiome Diversity Scaling in Hot Springs With DAR (Diversity-Area Relationship) Profiles"란 제목으로 "Frontiers in Microbiology"에 게재되었다.

국가암센터, B형 간염 바이러스 보균자 혈액 생검에 의한 초기 간암 발견 기술 개발

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최근, 국가암센터/중국의학과학원 종양병원 연구팀은 판성쯔(泛生子)유전자회사와 공동으로 혈액의 세포유리 DNA(Cell-free DNA) 돌연변이 및 단백질 표지물 검출에 의한 간암 초기 선별기술 방법을 개발하였다. 해당 기술은 무증상 B형 간염 바이러스 보균자의 초기 간암 발견에 새로운 방법을 제공하였다. 해당 연구성과는 "PNAS"에 온라인으로 게재되었다. 연구팀은 말초혈액의 세포유리 DNA 돌연변이 및 단백질 표지물 정보 획득을 통하여 331명의 알파태아단백 및 B-스캔 초음파 검사 결과가 정상인 B형 간염 바이러스 보균자에 대한 선별을 수행하였으며 24명의 양성환자를 진단함과 아울러 해당 환자에 대한 후속 6~8개월 동안의 추적관찰을 통하여 4명의 간암 환자를 발견하였다. 나머지 307명 음성환자는 추적관찰 기간에 간암 증상을 발견하지 못하였다. 또한 직경이 3cm보다 작은 초기 간암을 발견하였다. 암 초기 선별은 과학실험 설계 및 그 연구기술에 대한 요구가 아주 높다. 이번 연구에서 331명 무증상 고위험군에 대한 선별을 수행하였으며 해당 코호트에서 100%의 민감도, 94%의 특이성 및 17%의 양성 예측값을 구현하였다. 현재 연구팀은 해당 기술 기반 다중심, 더욱 큰 규모 전향적 코호트군에 대한 계통적 연구를 통하여 선별기술 및 방법을 한층 더 최적화할 예정이다. 해당 기술은 B형 간염 바이러스 보균자 등 고위험군의 간암 초기 선별에 이용될 전망이며 비교적 높은 임상적 가치 및 사회적 의미를 보유하고 있다. 해당 기술은 엄격한 임상 검증에 통과된 후 더욱 간단하고 비침습적이며 표준화적인 간암 초기 선별 방안으로 될 전망이다.

생물기술연구소, 유전자 발현 조절 패턴 예측 가능한 인공신경망 모형 개발

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최근, 중국농업과학원 생물기술연구소 왕하이(汪海) 연구팀은 미국 코넬대학(Cornell University) Edward Buckler 연구팀과 공동으로 유전체 DNA 염기서열로 유전자 발현 조절 패턴을 예측할 수 있는 인공신경망 모형을 개발하였다. 해당 모형은 마치 구글(Google)의 "AlphaGo"가 바둑에서 인간지능을 초월한 것과 같이 분자육종 분야에서의 획기적인 성과로서 인공지능(AI) 보조적 방향성 육종에 새로운 방향을 개척하였다. 해당 연구성과는 "PNAS"에 온라인으로 게재되었다. 생물의 많은 염기서열은 매우 높은 유사성을 보유한 유전자계(Gene family)이며 또한 신경망 모형 훈련 과정에서 유전자를 임의적으로 트레닝셋(train set) 및 테스트셋(test set)에 분배할 경우 해당 모형은 진정으로 유전자 발현 조절을 결정하는 모티프(Motif)를 우선적으로 학습하지 않고 DNA 염기서열의 유전자계 또는 진화와 관련된 모티프를 우선적으로 학습하기 때문에 유전체학 연구에서 AI 기술은 광범위하게 응용되지 못하고 있다. 해당 연구는 유전자계로 단일 유전자를 유닛(Unit)으로 한 임의의 트레닝셋 및 테스트셋 데이터를 대체하여 이원화 유전자 발현량을 예측할 수 있는 콘볼루션 신경망(Convolutional Neural Network, CNN) 모형을 성공적으로 구축하였다. 또한 다양한 알고리즘을 이용한 해석을 통하여 유전자 발현을 조절하는 핵심 DNA 모티프를 획득하였다. 해당 모형을 기반으로 연구팀은 진화상 친연관계가 비교적 가까운 2개 종을 이용하여 상동유전자의 상대 발현량을 성공적으로 예측함과 아울러 상동유전자 상대 발현량을 조절하는 핵심 DNA 모티프를 획득하였다.

中, 첫 남극기지용 신에너지 마이크로그리드 급전시스템 구축

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최근 중국전자과기그룹유한회사 중뎬리선(中電力神)자그룹이 개발을 담당한 남극타이산(泰山)기지 신에너지 마이크로그리드 급전시스템이 설치, 성능시험, 계통연계 운전 등 임무를 성공적으로 완성했다. 동 급전시스템은 남극타이산기지의 극저온, 강풍, 고해발, 저기압 등 특수 환경을 감안해 맞춤형 풍력터빈, 태양광발전, 에너지저장전지 및 제어단말을 통해 전반 시스템을 지능적으로 제어한다. 여름철 유인 운행 기간 동 급전시스템은 타이산기지의 디젤발전기와 계통연계되어 전력을 공급하고 겨울철에는 제어단말을 통해 오프그리드(off-grid) 무인 자율화 운행을 하기에 무인 운영 기간 타이산기지 과학기기 및 부대설비에 대한 전력공급이 가능하다. 데이터 분석 결과 동 급전시스템은 타이산기지에서 안정적으로 작동했고 양호하게 운행했으며 전반적 발전효과는 뛰어났다. 특히 제35차 남극과학탐사팀이 기지를 떠난 후에도 시스템은 기지 내 일부 과학설비에 지속적으로 전력을 공급했을 뿐만 아니라 시스템 내부 통신네트워크를 통해 운행상태를 국내로 전송했다. 기존, 중국 남극 과학탐사기지는 모두 액체연료를 에너지원으로 이용했다. 과학기술 발전과 환경보호 인식의 향상과 더불어 날로 많은 국가가 남극에 신에너지 과학탐사기지를 구축할 것을 제안했고 소수 선진국은 이미 신에너지 발전소를 성공적으로 구축해 신에너지로 전통에너지를 부분적 대체했다. 에너지 현지화 및 순환이용은 남극 에너지 개발·이용에서 필수적이다. 남극타이산기지 신에너지 마이크로그리드 급전시스템의 성공적 구축으로 중국의 남극탐사 에너지는 친환경적이고 고효율적이며 지속가능한 방향으로 바뀌고 있다.

닝보재료기술공학연구소, 고비에너지 리튬금속 음극보호 연구에서의 성과

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최근 중국과학원 닝보재료기술공학연구소 신형에너지저장재료·장치 연구팀은 고비에너지 리튬금속 음극보호 연구에서 일련의 성과를 거두었다. 리튬금속 2차전지는 차세대 고에너지밀도 에너지저장장치 영역에서 1순위에 꼽히는 시스템이다. 리튬금속 전지에서 가장 핵심적인 부분이 음극재료이다. 리튬금속은 3,860mA·h/g의 고비용량 및 가장 낮은 산화환원 전위를 보유하기에 미래 리튬-공기, 리튬-황 등 고에너지밀도 시스템을 구현하는 필수재료이다. 또한 중기 목표로 삼고 있는 500W·h/kg급 에너지저장 전지 개발에 사용될 최적의 음극재료이다. 하지만 리튬금속 퇴적 과정에 일어나는 불규칙적 수지상결정 성장 및 리튬금속과 전해액의 불가역적 반응의 제한으로, 순환 과정에서 리튬금속 음극에 매우 불안정한 전극/전해액 계면이 형성됨으로 전지용량은 빠르게 소모되고 전지 내부저항은 증가해 리튬금속 음극의 실제 응용은 다방면의 어려움을 겪고 있다. 리튬금속의 표면 SEI 막화학 및 전기화학 반응 메커니즘을 이해하기 위해 연구팀은 원위치 전기화학 및 원자력현미경을 결합하고 리튬전지용 전해질 lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI)을 연구대상으로 리튬염 농도가 SEI막 형태 및 역학성능에 미치는 영향을 체계적으로 연구해 리튬염 농도 조절을 통해 모듈러스 및 두께가 서로 다른 SEI막을 획득할 수 있음을 발견했다(그림 1a). 이러한 현상은 다양한 용제에서 모두 발생해 그 보편성이 입증되었다(J. Phys. Chem. C 2018, 122, 9825-9834). 대체에너지연구소 예지춘(叶继春) 연구팀과의 공동연구에서 최적 재료 선택 및 구조 설계, 중간 압력 플라즈마 기술 결합을 통해 일종의 탄소종이(carbon paper)/스펀지탄소 2층 구조를 개발했다. 공동연구팀은 탄소종이에서 리튬금속의 낮은 퇴적전위 및 스펀지탄소의 높은 기계적 성능과 전기화학적 불활성을 이용해 일종의 방향성 이층 탄소 구조를 획득했다. 이로써 4mA·h/c㎡의 리튬금속 음극 안정적 순환을 달성했다(Energy Storage Mater. 2018,11,47-56, 그림1b). 뿐만 아니라 일종의 특수한 적층 그래핀을 제조해 일반적 그래핀으로 구현할 수 없는 높은 퇴적 과전압을 확보했다. 상기 유형의 적층 그래핀을 구리폼(Copper Foam) 구조에 흡착시키는 방법으로 여과형 리튬금속을 3차원 구조에 퇴적시켜 높은 전류밀도(5mA·h/c㎡)에서의 안정적 순환을 획득했다(Energy Storage Mater. 2019, 16, 364-373, 그림1c). 연구팀은 상기 유형의 적층 그래핀 및 불화리튬 분산액에 대한 흡인여과를 통해 일종의 불화리튬 수식의 층상 탄소막 구조를 획득했다. 또한 1차 리튬 도금 과정에 적층 그래핀의 흠집 부위에서 불화리튬이 탄소-불소 결합으로 전환되는 현상을 발견하였으며 해당 현상을 이용하여 탄소-불소 결합 수식의 층상 보호구조를 획득함으로써 리튬금속의 보호성능을 대폭 향상시켰다(Adv. Energy Mater. 2019, 1802912, 표지문장, 그림1d). 이외, 연구팀은 일련의 리튬금속 숙주구조 재료도 설계했다. 연구팀은 질화알루미늄 전구체에 대한 간단한 리튬화 반응을 통해 일종의 안정적인 Li9Al4-Li3N-AlN 리튬금속 숙주 구조를 고효율적으로 제조해 유효비용량이 1,540mA·h/g에 달하는 복합리튬금속 음극을 획득함으로써 부하량이 4.5mA·h/c㎡에 달하는 NCA 양극재료와 매칭되는 안정적 순환을 달성했다(Nano Energy 2019, 59, 110–119, 그림1e). 또한 니켈폼(Nickel foam)을 기저재료로 하고 중간 압력 플라즈마 기술을 사용해 그 표면에 수직 그래핀 배열을 성장시켰고 의사 정전용량(pseudocapacitance) 계면 구조 수식의 숙주재료가 리튬금속 순환 안정성에 대한 증익효과를 규명했다(Adv. Funct. Mater. 2018, 1805638, 그림1f)

순베이잉 1호 시추정, 아시아 육상 시추깊이 8,588m 신기록 경신

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최근 중국석유화공그룹 시베이(西北)유전지사 산하 순베이(順北)석유가스전 순베이잉(順北鷹) 1호 유정의 시추깊이가 8,588m에 도달해 2019년 2월 14일, 순베이 5-5H 유정이 달성한 아시아 육상 최대 시추깊이 8,520m 기록을 경신하였다. 이는 중국이 세계 선진적인 울트라딥웰(ultra deep well) 시추기술을 체계적으로 파악하였음을 의미한다. 순베이석유가스전은 대부분 지하 8,000m 이하에 매장된 아시아 육상 최대깊이의 석유가스전이다. 순베이석유가스전이 위치한 타림분지는 단층운동의 영향으로 지층이 매우 복잡하고 유정 밑바닥 온도가 높다. 8,000m 깊이의 방향제어 시추에서 시추공구가 "면가닥처럼 나른해"지기에 굴진 방향을 바꾸는 성능이 약해지고 마찰저항 토크가 커지며 시추공 궤적 제어의 어려움이 커지는 등 문제가 존재한다. 상기 문제를 감안해 연구팀은 반복적 시험 및 혁신을 통해 마찰저항 저감 공구 개발, 쾌속 시추궤적 최적화 설계, 시추공 궤적 정밀 제어 및 수평정 안전적 굴진 종합평가 등을 통합한 울트라딥 수평정 시추공 궤적 "정밀 유도" 기술을 형성하였다. 이는 굴착비트에 GPS 네비게이션시스템을 설치한 것과 마찬가지로 8,000m 깊이의 지하 3차원 공간에서 예정 방향에 따른 굴착이 가능하다. 울트라딥웰 기술은 순베이1-2H 유정에서 응용에 성공한 후 선후하여 7개 유정으로 확대 응용되면서 점차적으로 보완되었다. 현재 시추공 궤적 일치율은 100%, 지질 적중률은 100%에 달해 순베이석유가스전 고효율 개발의 효자가 되었다. 순베이석유가스전 석유층은 굉장히 두터워 먼저 수직정을 뚫은 후 옆으로 굴진하여 저류층에 접근해야 한다. 연구팀은 최초로 기기 내온, 기계펌프 조건, 드릴 스트링 (Drill String) 강도, 마찰저항 토크 등 다중 요소의 제한을 받는 울트라딥 수평정 안전적 시추평가 방법을 구축하고 이를 토대로 다양한 수직깊이에서의 굴진 변위를 정량적으로 분석하였다. 반복적 시뮬레이션을 통해 최종적으로 수평 변위를 300m에서 650m까지 연장하는 것은 가능하다는 결론을 내렸다. 순베이석유가스전은 2016년에 발견되어서부터 현재까지 약 30개 울트라딥 시추공을 굴착해 70만 t의 연간 생산능력을 갖추었다. 2018년 순베이석유가스전의 원유 생산량은 52만 t을 초과하였다.

중국석유화공그룹유한회사, 아시아 육상 시추 8,520m 신기록 경신

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2019년 2월 14일, 중국석유화공그룹유한회사 시베이(西北)유전지사는 시베이유전 순베이(順北) 5-5H 유정(Oil well) 시추에서 시추 깊이 8,520m에 달하여 기존 아시아 대륙에서 가장 깊은 순베이펑(順北蓬) 1호 유정의 시추 깊이 8,450m 기록을 경신하였다. 또한 육상 120.65mm 좁은 시추공 8,520m 깊이(최심 기록), 방향성 시추 870m(최장 기록), 갱저 수평 변위 645.16m(최대 기록), 수직 깊이 8,032.84m(최심 기록) 등 4개 항목의 공정기술 아시아 신기록을 세웠다. 2016년에 발견한 순베이 석유가스전에서 이미 원유 생산이 가능한 27개 초깊이 시추공을 시추하였고 2018년 누적 원유 생산량이 52.18만 t에 달하여 70만 t 원유 생산 능력을 구비하였다. 타림분지의 특수하고 복잡한 지질 구조로 인하여 유전 매장 깊이는 아주 깊으며 특히 순베이 석유가스전은 매장 깊이가 8,000m를 초과하여 아시아에서 육상 매장 깊이가 가장 깊은 석유가스전이다. 지하 8,000m 깊이에 매장된 원유를 채굴하기 위해 중국석유화공그룹유한회사 시베이유전분회사는 2002년부터 초깊이 유정 시추 기술을 연구했다. 순베이 석유가스전은 단층운동의 영향으로 드릴링 지층이 아주 복잡하고 시추공 크기가 120.65mm에 달하며 방향성 시추 과정에 갱저 온도가 높을 뿐만 아니라 시추공 궤적을 제어하기 어려운 등 문제점이 존재한다. 상기 문제점을 해결하기 위해 시베이유전지사에서는 기술 연구팀을 구축하고 수년 동안 연구·실천을 통하여 초깊이, 고온 시추공 궤적 정밀 제어 기반의 수평정 시추 기술을 개발하였다. 순베이 5-5H 유정은 사막 중심에 위치했으며 또한 시베이유전에서 타림분지 순퉈궈러(順托果勒) 융기 북쪽 가장자리에 배치한 수평정이다. 연구팀은 단일 증가 단면의 이중 증가 단면으로의 최적화, 고효율 방향성 PDC 드릴 비트 개선, 항고온 혼합 오일 시추액 시스템 응용, 드릴공구 조합 및 시추 파라미터 최적화, 맞춤형 마찰 저항력 감소 조치 확정 등을 통하여 순베이 5-5H 유정의 순리로운 시추를 보장함과 아울러 시추공 궤적 적합률 및 시추 성공률을 확보하였다.

세계 첫 지능화 자기부상궤광 생산라인 가동

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최근 중국톄젠중궁(鐵建重工)그룹유한회사(CRCHI)가 자체적으로 설계한 세계 첫 지능화 자기부상궤광(track panel) 생산라인이 CRCHI창사(長沙)제2공업단지에서 대량생산에 들어갔다. 동 생산라인은 현재 광둥 칭위안(清遠) 자기부상 관광전용철도 프로젝트 주문 생산에 들어갔다. 길이 500m, 폭 18m인 지능화 자기부상궤광 생산라인은 궤광 자동 상하역, 자동 수송·뒤집기, 자동 클램핑 위치결정, 지능화 수치제어가공, 온라인 지능화 검사, 자동 도장 및 유연성 조립이 가능해 세계적인 자기부상궤도설비 지능화 생산을 달성했다. 동 생산라인은 제조프로세스 통합화, 생산데이터 정보화, 제어시스템 지능화 등 장점을 보유할 뿐만 아니라 흐름선 직렬/병렬식 생산 및 싱글머신 다중 바이트 기계가공, 수치제어 굽힘 등 세계 선진적 가공기술을 도입해 작업자의 노동강도를 70% 이상 낮추었고 생산품질 합격률을 99%로 통제했으며 가공효율을 대폭 향상시켜 연간 생산능력을 80km에 도달시켰다. 자기부상궤광은 자기부상열차 운행을 지원하는 철도선 장비로서 자기부상열차의 안정적 운행은 궤광을 통해 보장된다. 기존의 자기부상궤광 생산은 인공 호이스팅 및 클램핑 위치결정 방식과 단일 바이트 가공작업 방식을 이용하기에 생산 소요시간이 길고 설비/인력 투자가 많고 제조 정밀도 및 생산효율이 낮으므로 1개 F형강 가공에 적어도 9시간을 소요한다. 그러나 지능 어셈블리 라인은 40분에 1개 F형강을 가공할 수 있다. 또한 궤광 변형을 재래식의 2mm에서 0.5mm 이내로 통제할 수 있을 뿐만 아니라 설비/인력 점유율도 낮출 수 있다. 자기부상 핵심기술은 국가 "13차 5개년" 교통 분야 과기혁신 특별프로젝트 중 하나이다. 중국은 2020년에 5개 이상의 상업 운영노선을 구축할 계획이다.

아시아 최대 준설선 "톈쿤호" 첫 항행 성공

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2019년 3월 12일, 아시아에서 가장 큰 대형 자항식 커터 펌프 준설선 "톈쿤호(天鯤號)"는 통관절차를 마치고 장쑤(江蘇) 롄윈강(連雲港)에서 첫 항행에 들어갔다. 이는 중국이 자체적으로 개발하고 건조한 준설선 이다. "톈쿤호"는 현재 운행 중인 아시아에서 가장 큰 커터 펌프 준설선 "톈징호(天鯨號)"의 업그레이드 버전이다. 전체 선박의 길이는 140m, 너비는 27.8m, 최대 준설 깊이는 35m, 총 설비용량은 25,843KW, 설계 준설량은 6,000㎥/h, 커터 정격출력은 6,600KW로 현재 아시아에서 규모가 가장 크고 가장 선진적인 커터 펌프 준설선일 뿐만 아니라 현재 세계에서 지능화 수준이 가장 높은 자항식 커터 펌프 준설선이다. "톈쿤호"의 준설 능력은 "톈징호"를 초과한다. 2018년 10월 2일, "톈쿤호"는 장쑤 치둥(啟東)으로 출항하여 준설 테스트를 수행하였다. 약 1개월 동안 디버깅(Debugging)을 경과한 후 해당 준설선의 최대 생산성은 7,501㎥/h에 도달하여 6,000㎥/h의 설계 표준을 훨씬 초과하였으며 또한 해당 준설선의 15Km 초장거리 굴착 수송 능력을 입증하였다.

금속연구소, 세계 최대 심리스 일체형 스테인리스 스틸링 개발

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2019년 3월 12일, 중국과학원 금속연구소는 자체로 연구개발한 금속 구조물 성형 기술을 이용하여 세계 최대 심리스 일체형 스테인리스 스틸링(Stainless steel ring) 단조품을 성공적으로 압연하였다. 해당 단조품의 직경은 15.6m, 무게는 150t에 달하며 최초로 100t급 금속 빌릿 등급 구조물 성형을 구현하였다. 이는 현재 세계 최대 지름, 최대 무게의 일체형 스테인리스 스틸링 부품이다. 해당 심리스 전체적 스테인리스 스틸링 단조품은 압연으로 제조하였다. 해당 단조품은 일체형 심리스, 고도의 균질화, 뛰어난 조직 균일성 등 특성을 보유하고 있기에 중국 4세대 원자력 발전장치 핵심부품으로 선정되었다. 기존에 해당 유형의 거대형 단조품은 국내외에서 다단식 작은 빌릿 조립 용접 방식으로 제조하였기에 가공 주기가 길고 원가가 높을 뿐만 아니라 용접 비드 위치의 재료 조직 성능이 빈약하여 원자력 발전장치 운행에 안전 위험을 가져다주었다. 연구팀은 10여 년 동안의 노력으로 독창적인 금속 구조물 성형 기술을 개발함과 아울러 구조물 계면의 결합 메커니즘 및 조직 진화 메커니즘을 규명하였으며 거대 단조품의 "이대제대(以大制大)" 아이디어 한계에서 벗어나 표면 활성화, 진공 패키징(Vacuum packaging), 다방향 단조, 등급별 구조물 제조, 일체형 환상 압연 등 일련의 핵심 기술을 개발하였다. 따라서 다층 금속 간 계면을 철저히 제거하여 서포트링(Support ring) 단조품 구조물 계면 위치와 기질 금속의 성분, 조직, 성능이 완전히 일치되게 하였으며 "이소제대(以小制大)"의 새로운 가공 제조를 구현하여 품질을 대폭 향상시킴과 아울러 제조 원가를 감소시켰다. 해당 기술은 중국의 첨단 장비 쾌속 발전 추진 및 중대 장비 핵심 재료의 자체 제어 보장에 주요한 역할을 발휘할 전망이다.

세계 첫 궤도교통 대차틀 지능화 제조 작업장 생산 투입

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최근, 중처(中車)주저우(株洲)전기기관차유한회사는 세계 첫 궤도교통 대차틀(Bogie frame)지능화 제조 작업장이 본격 생산에 들어갔다. 해당 작업장에 설치된 10대의 차륜 지능화 제조 설비로 구성된 생산라인에서 20분에 1개 차륜을 생산한다. 궤도교통 제조업에서 대차틀은 "자동차 섀시"와 유사하며 궤도교통 제품의 안전성, 쾌적성, 스티어링(Steering), 차체 지지 역할을 담당하는 핵심 부품이다. 자동차 부품의 표준화 제조에 비하여 궤도교통 장비는 맞춤형 제품이기에 지능화 제조가 아주 어렵다. 또한 기반이 빈약하고 연구 착수시간이 오래되지 않을 뿐만 아니라 지능화 제조 작업장 구축은 참조할만한 경험적 사례도 없다. 2015년에 가동한 "궤도교통 차량 대차틀 지능화 제조 작업장 프로젝트"는 공업정보화부의 2015년 지능화 제조 특별 프로젝트이다. 작업장의 주요 건물은 총 4개 빌딩이며 내부의 가공, 조립, 용접, 도장(Coating), 물류 등 11개 대차틀 생산 제조 생산라인은 이미 생산에 투입되었다. 전통적인 수동조작 모드에 비하여 해당 지능 작업장은 인력을 50% 감소시킬 수 있고 운영 원가를 20% 절감시킬 수 있다. 또한 제품 개발 주기는 35%이상 단축시킬 수 있고 대차틀 전체 프레임 생산 효율은 30.1% 향상시킬 수 있다. 특히 작업장에서 프로젝트의 변화에 근거하여 유연한 생산을 수행할 수 있으며 소규모 테스트 제작 및 대규모 생산 투입을 동시에 수행할 수 있다. 해당 작업장은 대차틀 프레임, 차륜 및 차축 3자의 생산 "연결성"을 향상시킴으로써 11개 생산라인의 최적화 평형을 구현하여 3자간 상호 대기 시간을 최소로 감소시킬 수 있다.

다롄화학물리연구소, 최초로 초광대역 발광 스펙트럼을 보유한 0차원 비납계 페로브스카이트 합성

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최근, 중국과학원 다롄(大連)화학물리연구소 복잡분자시스템 반응동역학연구그룹 한커리(韓克利) 연구팀은 안티몬-비스무트 혼합 기반 0차원 비납계 페로브스카이트(Non-lead perovskite) 단결정을 최초로 합성하였다. 해당 단결정은 초광대역 발광 스펙트럼을 보유하고 있으며 전체 가시역을 커버리지할 수 있다. 해당 연구결과는 "Angew. Chem. Int. Ed."에 게재되었다. 0차원 비납계 페로브스카이트는 3차원 납 함유 페로브스카이트에 비하여 양호한 안정성, 무독성 등 장점을 보유하고 있다. 기존의 0차원 페로브스카이트에 관한 연구에서 1가 0차원 페로브스카이트에 대하여 관심을 가졌다. 비록 해당 0차원 페로브스카이트는 발광 양자 수율이 높지만 발광 스펙트럼이 상대적으로 비교적 좁기에 차세대 발광 소자의 광대역 스펙트럼 요구를 만족시킬 수 없다. 그러므로 전체 가시광을 커버리지할 수 있는 발광 재료 합성은 현재 연구의 프런티어로 되고 있다. 초기 단계에 연구팀은 펨토초 순간 흡수 분광학 기술을 이용하여 비스무트 도핑 기반 2차원 주석계 페로브스카이트 단결정에 대한 발광 동역학적 연구를 수행하였다. 연구 결과, 비스무트 도핑은 2차원 주석계 페로브스카이트 단결정의 발광 피크 위치 및 스펙트럼 형태를 조절할 수 있음을 발견하였다. 펨토초 순간 흡수 분광학 기술을 통하여 해당 조절 메커니즘은 비스무트 도핑으로 인한 비복사 자기 결함 엑시톤 도입으로 유발되었음을 규명하였다. 해당 연구성과는 "Journal of Energy Chemistry"에 게재되었다. 해당 연구에서 연구팀은 창의적으로 안티몬-비스무트 합금 기반 0차원 페로브스카이트 (C8NH12)4Bi0.57Sb0.43Br7·H2O를 합성하였다. 해당 단결정은 뛰어난 안정성을 보유하고 있을 뿐만 아니라 초광대역 발광 스펙트럼을 보유하고 있으며 전체 가시역을 커버리지할 수 있다. 연구팀은 펨토초 순간 흡수 분광학 등 기술을 이용하여 해당 초광대역 스펙트럼은 자유 엑시톤과 자기 결함 엑시톤의 공동 작용으로 형성되었음을 규명하였다. 해당 연구는 고성능 비납계 페로브스카이트 발광 재료에 대한 심층 탐구에 새로운 아이디어를 제공하였다.

칭화대학, 세계 첫 10m 해상도 지구 지표면 커버리지맵 작성

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최근, 칭화대학 지구시스템과학부 궁펑(宮鵬) 연구팀은 국내외 연구자와 공동으로 세계 첫 10m 해상도 지구 지표면 커버리지맵을 작성하였다. 해당 지도 제작법 및 결과는 "Chinese Science Bulletin"에 온라인으로 게재되었다. 현재 세계화 발전과정에서 도시화, 농업 확장, 자원 과도개발 등 일련의 환경 문제가 존재한다. 고해상도 토지 피복 정보 등은 토지환경 모니터링 과정에서의 필수적인 정보이다. 2011년, 연구팀은 세계 첫 30m 지표면 커버리지맵(FROM-GLC)을 작성하였다. 이를 기반으로 10m 해상도 지구 토지 피복도 제품 FROM-GLC10을 개발하였다. 해당 제품은 연구팀이 2011년 이후 FROM-GLC로 획득한 경험 및 샘플 라이브러리 구축 과정에서 축적한 경험 외에 10m 해상도 Sentinel-2로 촬영한 완정한 지구 영상 무료 제공 그리고 Google Earth Engine(GEE) 플랫폼의 강대한 클라우드 컴퓨팅 능력의 도움으로 제작되었다. FROM-GLC10은 FROM-GLC에 비하여 더욱 정밀한 정보를 획득할 수 있으며 FROM-GLC으로 구분할 수 없는 소규모 주거지, 작은 연못, 논밭 및 일부분 노면도 구분할 수 있다. 데이터량 및 컴퓨팅 요구도 약 10배 향상되었다. FROM-GLC10은 전세계 약 9.3만 개 샘플 위치의 30여만 개 서로 다른 계절에서의 훈련 샘플로 훈련한 분류기를 기반으로, 샘플수 및 오차에 대한 심층적 분석 및 시뮬레이션을 통하여 "지표면 커버리지 제한 샘플 안정적 분류" 이론을 제안하였다. 또한 실험 비교를 통하여 FROM-GLC10의 샘플 전이 실행가능성을 입증하였는데 이는 지구 지도 작성에 주요한 지침적 역할을 일으킬 전망이다. 이번의 검증 샘플은 훈련 샘플과 연관성이 없고 지구 지표면 범위에 균일하게 임의적으로 분포되었으며 또한 해당 분포점 위치 유형은 일정한 수준에서 지구의 지표면 커버리지 상황 및 각종 유형의 비율과 대응되기에 검증 정밀도의 객관성을 보증하였다. FROM-GLC10은 현재 세계적으로 가장 정밀한 지표면 커버리지 데이터이며 세계 임의적 지역의 농업, 임업, 수면(Water level) 등 상황에 대한 쾌속 매핑(Mapping) 및 모니터링 능력을 구비하고 있다. 해당 데이터는 이미 전세계에 공개하였다.

중국과기대, 열역학적 진화 과정에서 반작용이 미치는 영향 감소

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최근, 중국과기대 궈광찬(郭光燦) 소속 리촨펑(李傳鋒)/샹궈융(項國勇) 연구팀은 독일 막스플랑크연구소(Max Planck Institute) MartíPerarnau-Llobet 연구팀과 공동으로 광자 시스템에서 최초로 집합 측정(collective measurement)을 이용하여 열역학의 양자 투영 측정 반작용(back action)을 감소시킬 수 있음을 실험적으로 보여주었다. 해당 연구성과는 "Science Advances"에 온라인으로 게재되었다. 열역학 분야에서 1개 물리 시스템의 진화과정에서 에너지 변화를 탐색하기 위해 진화 전후 물리시스템의 에너지를 각각 측정한 다음 2차 측정결과를 이용하여 에너지 변화를 계산하는데 이것이 바로 전통적인 열역학적 2차 투영 에너지 측정(two projective energy measurement) 방법이다. 그러나 해당 방법은 양자 열역학 시스템에서의 1개 에너지 변화 분석에는 적합하지 않다. 양자 투영 측정은 1개 시스템의 양자중첩성을 완전히 파괴시키기에 측정하여 얻은 에너지 변화에는 양자 시스템의 양자중첩 정보가 포함되지 않는다. 이러한 측정으로 인한 시스템 진화에 미치는 영향으로서 에너지 변화를 정확하게 예측할 수 없으며 해당 현상을 열역학에서 반작용력이라고 부른다. 해당 연구의 이론 협력자 MartíPerarnau-Llobet는 2017년에 발표한 이론연구[Phys. Rev. Lett.118, 070601 (2017)]에서 양자 열역학의 기본 변화 이론(fluctuation theorems)을 위반하지 않는 조건에서 반작용이 미치는 영향을 완전히 제거할 수 있는 측정 방안을 설계할 수는 없지만 집합 측정 방식을 통하여 반작용을 감소시킬 수 있다고 제안하였다. 만약 2개의 동일한 복제 양자상태 조건에서 해당 상태에 대한 특정된 광의적 양자 측정을 수행하면 양자상태의 부분 초기 중첩성 정보를 추출할 수 있다. 다시 말해서 집합 측정을 통하여 투영 측정으로 인한 반작용을 감소시킬 수 있다. 연구팀은 실험 과정에서 양자측정의 반작용을 감소시키기 위해 선형 광학시스템의 집합 측정에 적합한 측정 방안을 설계하여 1개 양자 열역학 과정을 효과적으로 시뮬레이션하였다. 해당 시스템은 광자의 다자유도 특성을 이용하여 2개 양자상태를 단일 광자의 편광 및 경로 상태에 코딩함과 아울러 편광 및 경로에 대한 집합 측정을 통하여 초기 양자상태의 중첩 정보를 추출하였고 초기 간섭성을 보유하고 있는 양자상태가 특정된 진화 조건에서의 거동을 예측하였으며 해당 진화 과정에서 에너지의 구체적 전환 방식을 예측하였다. 연구팀은 또한 대조 실험을 통하여 고전 열역학의 2차 투영 측정 방법을 시뮬레이션하여 에너지 전환 방식을 예측하였다. 실험 결과, 다양한 양자상태 또는 다양한 진화과정에서 전통적 방법으로 얻은 열역학 과정 예측 결과는 시스템 자체의 진화 거동과 아주 큰 차이가 있지만 집합 측정을 이용하여 얻은 결과는 실제 진화 과정에 더욱 접근한다. 해당 연구는 집합 측정 및 양자 열역학 연구에 중요한 의미가 있다. 해당 연구 논문의 제1 저자는 중국과학원 양자정보실험실 박사연구생 우캉다(吳康達)이고 교신저자는 샹궈융(項國勇)과 MartíPerarnau-Llobet이다.

최초로 비쌍극자 근사에서의 미소공동-양자점 결합 시스템 증익 규명

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최근 중국과학원 물리연구소/베이징응집물질물리국가연구센터 광물리중점실험실 쉬슈라이(許秀來) 연구팀은 나노물리·장치중점실험실 구창즈(顧長志) 연구원 및 광물리중점실험실 진쿠이쥐안(金奎娟) 연구원 등과 공동으로 미소공동(microcavity)-p-shell 양자점 결합 시스템을 제안·구현했다. 또한 이론·실험적으로 해당 시스템이 비쌍극자 근사를 취하고 있음을 입증함으로써 미소공동-양자점 결합 시스템의 증익을 최초로 규명했다. 연구에서 획득한 210μeV 결합강도는 미소공동-양자점 결합 시스템에서 지금까지 획득한 최대 수치이다. 해당 논문은 "Physical Review Letters"에 게재되었다. 빛과 물질의 결맞음 상호작용은 양자광학네트워크에서의 핵심부분이다. 광자결정 미소공동-양자점 결합 시스템은 적은 감쇠, 작은 모드 부피(mode volume) 및 온칩 집적이 가능한 등 특성을 보유하기에 고체상태 양자광학네트워크에 이상적인 플랫폼을 제공한다. 동 시스템 관련 연구는 주로 양자점의 s-shell 상태에만 집중되어 있다. s-shell 상태의 파동함수는 분포가 적기에 쌍극자 근사로 상기 시스템을 기술할 수 있지만 이는 미소공동-양자점 결합 시스템의 결합강도 저하를 초래할 뿐만 아니라 고체상태 시스템 특성에 의한 광자결정 미소공동 모드 필드(mode field) 분포 제어를 어렵게 한다. 전자기장이 양자점의 파동함수에 영향을 미칠 수 있지만 s-shell 상태의 작은 파동함수 분포는 불분명한 제어 효과를 초래한다. 따라서 미소공동-양자점 결합 시스템에서 어떻게 결합강도 증익 및 고효율적 제어를 달성할 것인지는 빛과 물질의 상호작용 및 양자광학 네트워크를 연구하는데 매우 중요하다. 연구팀은 비쌍극자 근사에서의 미소공동-양자점 결합 시스템을 구현하기 위해 낮은 점밀도(Point Density), 큰 사이즈 양자점 샘플을 성장시켰다. 한편 고정밀도 미세가공 과정을 통해 Q값(quality factor)이 10,000에 달하는 L3형 광자결정 미소공동을 제조했다. 광스펙트럼으로 상기 양자점은 1개 기저상태(s-shell)와 적어도 2개 여기상태(p-shell와 d-shell)를 보유한다. 여기상태는 큰 파동함수 확산을 보유하기에 p-shell의 자기저항은 s-shell에 비해 훨씬 크다. 그중 p-shell는 일부 특수한 엑시톤 상태를 포함하는데 수직 자기장에서 항자기역전 거동을 나타낸다. 이는 해당 엑시톤 상태의 파동함수에서 상당 부분이 침윤층 속까지 확산됨을 설명한다. 연구팀은 상기 특수한 엑시톤 상태에서 비쌍극자 근사의 결합 증익을 관측했다. 미소공동과 점의 약한 결합 작용 하에서 엑시톤 상태의 복사는 Purcell 증익을 발생하는데 그 증익계수는 결합강도와 공동막의 부정합에 의해 결정된다. 실험 데이터로부터 결합강도 크기를 추출한 결과 작은 자기장에서의 결합강도는 자기장에 따라 증가했다. 강한 결합에서의 결합강도는 래비 분할(Rabi splitting)에 대한 정합을 통해 획득했고 자기장에 따른 변화는 약한 결합에서의 결과와 거의 일치했다. 미소공동 내부장의 분포가 불균일한 원인으로 양자점의 파동함수가 자기장에 따라 수축시 파동함수 위치 전기장은 반대로 강해졌다. 따라서 초기 파동함수 확산이 충분히 클 때 시스템의 결합강도는 이전 운행 중 쌍극자 근사에서처럼 자기장에 따라 단조롭게 감소하는 것이 아니라 작은 자기장에서 증익됐다. 실험 및 이론적 결과로부터 이론적 예측, 약한 결합 및 강한 결합에서의 데이터는 서로 일치함을 알 수 있다. 해당 연구는 미소공동-양자점 결합 시스템을 기저상태에서 고에너지 상태로 끌어올렸을 뿐만 아니라 최초로 결합강도의 증익 및 고효율적 제어를 달성해 해당 시스템에 존재하는 약한 결합강도 및 제어 어려움의 문제를 해결했는바 이는 제어 가능한 양자광학네트워크 및 양자 컴퓨팅 구현에 중요한 의미가 있다.