기계/재료

고속자기부상열차의 "동력 심장" 핵심 기술 파악

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최근, 중국 중처주저우(中车株洲)유한회사(CCRC)가 참여한 중국 "13차 5개년 계획" 중점개발 계획 "고속자기부상 교통시스템 핵심기술 연구" 서브 프로젝트가 이미 긴고정자(지상 1차, long stator) 직선형전동기와 서스펜션 전자석 독자 개발에 성공하여 시속 600km 자기부상열차 시제품에 응용되어 양호한 운행상태를 보였다. 이는 중국의 고속자기부상열차 핵심기술이 세계 선두를 달리고 있음을 의미한다. 고속자기부상열차와 중저속자기부상열차는 전기구동에 대한 요구가 서로 다르다. 중저속자기부상열차는 주로 접촉망을 통해 전력을 공급받는데 이런 전력공급 방식은 고출력 고속자기부상열차의 안정적인 전력 공급을 보장할 수 없다. 또한, 열차가 지면에 부착하여 고속 "비행"하기 때문에 열차 자체의 중량을 최대한 감소시켜야 한다. 연구팀은 긴고정자 직선형전동기를 개발하여 중저속자기부상열차의 차상 1차(short stator) 직선형전동기의 "고정자"를 차체에서 궤도로 옮겨 지상 전력공급 설비가 직접 전력을 공급하게 함으로써 안정적인 전력공급을 확보했다. 고출력 인버터도 열차에서 지상으로 옮겨 열차의 자체 중량을 대폭 감소시켰다. 해당 긴고정자 직선형전동기는 고속 운행하는 열차의 고출력 요구를 충족시킴과 아울러 열차에 부상력과 견인력을 제공한다. 중저속자기부상의 차상 1차 구조와 비교해 긴고정자는 동시 제어 방식을 이용하여 전동기 효율을 20 % 향상시키고, 전동기 전압을 10 % 이상 향상시켰다. CRRC는 긴고정자 직선형전동기, 부상, 가이드 및 브레이크 전자석 기술과 엔지니어링 제조 연구에 초점을 맞추고 3년간 독자 개발을 진행하여 3D 시뮬레이션플랫폼, 유한요소시뮬레이션플랫폼, 온도장 시뮬레이션 플랫폼, 시험 검증, 공정 검증 등 분야에서 단계적 성과를 이루었고 고속자기부상열차 전동기 구동의 핵심 기술을 보유했다.

둥난대학, 신형 인공근육 재료 개발

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최근, 둥난(東南)대학 화학화공학원 양훙(楊洪) 연구팀은 강한 역학적 성능을 보유한 폴리우레탄/폴리아크릴산에스테르 상호침투 네트워크 구조의 액정 엘라스토머(Elastomer) 재료를 개발했다. 이로써 해당 분야에서 40년 동안 지속된 연구의 걸림돌을 해결하여 인공근육 등 분야에 광범위하게 응용될 전망이다. 해당 연구성과는 "Journal of the American Chemical Society, JACS"에 게재됐다. 인공근육은 신형 지능적 형상기억재료로서 재료 내부 구조의 변화에 따라 인장/수축, 굽힘, 조임 또는 팽창된다. 일반적으로 사용하는 인공근육 재료에는 압전 세라믹, 형상기억합금, 전기활성 중합체 등이 포함된다. 액정 엘라스토머는 전형적인 양방향 형상기억 재료로서 큰 형태 변화, 가역적 형태 변화 등 장점을 보유하고 있으며 생체공학적 소자, 소프트 로봇 등 분야에서 좋은 응용 전망이 있다. 하지만 40년 동안의 연구를 경과한 후에도 액정 엘라스토머는 실험실 연구 단계이며 산업화 응용을 달성하지 못했다. 액정 엘라스토머는 40년 전에 개발했으며 20년 전, 액정 엘라스토머를 우수한 인공근육 재료로 사용할 수 있음을 인식했다. 액정 엘라스토머는 가장 양호한 양방향 형상기억 재료로서 형태 변화량이 크기에 100cm에서 20cm로 압축시킬 수 있을 뿐만 아니라 형태 변화 속도도 빨라 압전 세라믹 재료보다 더욱 큰 장점을 갖는다. 하지만 액정 엘라스토머는 형태변화 과정에서 생성되는 응력이 매우 작기에 실제 응용 환경에서의 역학적 성능 요구를 만족시킬 수 없다. 응력의 크기에 영향을 미치는 주요 지수(Index)는 탄성계수의 크기이다. 기존에 국내외에서 연구한 액정 엘라스토머의 형태변화 탄성계수는 2 MPa도 되지 않는다. 액정 엘라스토머를 인공근육에 사용하려면 형태변화 탄성계수가 적어도 10 MPa에 도달해야 한다. 연구팀은 폴리우레탄 액정 엘라스토머와 폴리아크릴산에스테르 액정 열경화성 고체의 소분자 전구체 성분을 혼합함과 아울러 동기적 가교화 기술을 통해 폴리우레탄/폴리아크릴산에스테르 상호침투 네트워크 구조의 액정 엘라스토머(Elastomer) 재료를 개발했다. 해당 재료의 변형률, 응력, 탄성계수는 각각 46 %, 2.53 MPa, 10.4 MPa에 도달하여 최초로 액정 엘라스토머 기반 인공근육의 역학적 성능 요구를 만족함으로써 해당 분야의 기술적 어려움을 해결했다.

중미 공동연구팀, 99.995%의 입사광 흡수 가능한 역대 가장 검은색 재료 개발

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최근, 상하이교통대학 재료과학공학학원 추이커항(崔可航)은 미국 매사추세츠공과대학(MIT) 항공우주공학과 브라이언 워들(Brian Wardle)과 공동으로 99.995%의 입사광을 흡수할 수 있는 역대 가장 검은색 재료를 개발했다. 탄소나노튜브(CNT) 어레이로 제조한 해당 신소재는 기존의 가장 검은색 재료에 비하여 10배 더 검다. 해당 신소재는 예술 표현력 외에도 렌즈 후드(Lens hood)에 이용되어 불필요한 글레어(Glare)를 감소시켜 우주망원경으로 외계행성을 발견하는데 도움이 되는 등 실용적 가치를 보유하고 있다. 연구팀은 CNT를 알루미늄 등 전기전도재료에서 성장시켜 전기전도재료의 전기학적 및 열학적 성능을 향상시키기 위한 연구를 수행하는 과정에서 해당 신소재를 우연하게 발견했다. CNT를 알루미늄에서 성장시키는 과정에서 알루미늄이 공기 속에 노출될 경우 산화되어 산화물이 알루미늄을 피복하기에 알루미늄의 전기전도 및 가열 성능을 개선시킬 수 없다. 연구팀은 알루미늄 산화층을 제거할 수 있는 방법을 찾기 시작하였다. 결과, 염(염화나트륨)으로 상기 문제점을 해결할 수 있음을 발견했다. 그 당시 브라이언 워들 연구팀은 CNT를 염 및 기타 제품(탄산수소나트륨, 세척제 등)에서 성장시키려고 시도했다. 염으로 테스트하는 과정에서 추이커항은 염소이온이 알루미늄 표면에 침입함과 아울러 알루미늄 산화층을 용해시키는 현상에 관심을 가졌다. 추이커항은 알루미늄박을 염수(Saline water)에 침지시킬 경우 알루미늄 산화층을 제거할 수 있음을 발견했다. 추이커항은 먼저 알루미늄박을 무산소 환경에 전이시켜 알루미늄박의 재산화(Reoxidation)를 방지했으며 최후로 에칭(Etching)된 알루미늄을 반응기에 넣음과 아울러 화학기상성장법(CVD)을 통해 CNT를 성장시켰다. 연구 결과, 산화층을 제거한 후 더욱 낮은 온도(산화층을 제거하지 않을 경우 약 100℃ 조건이 요구됨) 조건에서 CNT를 알루미늄에 성장시킬 수 있으며 또한 CNT와 알루미늄의 "결합"으로 재료의 열학적 및 전기학적 성능을 뚜렷하게 향상시킬 수 있음을 발견했다. 해당 신소재의 광학 반사율을 측정한 결과, 해당 재료의 다양한 부위는 입사광을 99.995% 이상 흡수할 수 있다. 해당 신소재의 뛰어난 입사광 흡수 기능에 대하여 완전히 해석할 수 없지만 해당 기능은 조금 검은색을 띠는 에칭된 알루미늄과 CNT의 상호결합과 관련될 것으로 추정된다. CNT는 대부분 입사광을 흡수함과 아울러 열로 전환시키기에 반사되는 광선이 아주 적다. 따라서 CNT는 특별한 검은색을 띤다. 연구팀은 심층적인 연구를 수행하여 해당 신소재의 뛰어난 입사광 흡수 기능을 규명할 예정이다.

창장을 가로지르는 최대너비 대교 주공사 완공

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2019년 9월 9일, 중철대교국(MBEC)이 담당한 우한칭산(青山)창장대교 주공사가 완공되었다. 시공팀은 대교 구축 과정에 일련의 시공 기술적 어려움을 해결함과 아울러 다수 세계 신기록을 세웠다. 전체 길이가 7,548m인 칭산창장대교의 주교량(Main Bridge)은 우한시 최대 부두[우강와이마오(武鋼外貿)부두]와 우한시 최대 정박지[왕자우(王家屋)정박지] 사이에 위치해 있다. 대교는 양방향 8차선(이외 2개 예비차선 확보) 고속도로이며 설계시속은 100km이다. 대교의 주경간은 938m로 현재 세계 최대 경간의 완전 부양지지 시스템(fully floating system) 사장교이다. 교량면의 너비는 48m로 현재 창장을 가로지르는 가장 넓은 교량이다. 주탑 높이는 279.5m로 현재 세계 최대 높이의 "A"자형 탑이다. 대교의 하중이 무겁고 교통량이 많으며 항로 폭이 넓은 등 요구를 충족시키기 위해 완전 부양지지 구조 즉, 주교량 철골보에 하부 가로보 지지가 없고 사장케이블에 의존하며 인장력이 완전 플로팅 상태의 구조로 설계했다. 이러한 설계는 대교로 하여금 지진 등 환경에서 그네 뛰듯이 흔들리게 함으로써 운영상태 및 온도차, 강풍, 지진 등 외력의 작용 하에서 변위성 변형에 훌륭하게 적응할 수 있고 구조적 공진을 회피함으로써 내진, 에너지 소산의 역할을 발휘한다. 시공팀은 최초로 대구경 가변단면 회전굴착 딥워터 기초파기 시공 공법을 개발해 딥워터 기초의 천공효율을 대폭 향상시켰다. 또한 최초로 "쇄구강관말뚝+지오텍백(Geotech-bag)" 물다짐 공법(hydraulic filling method)을 개발해 8,400㎡의 아일랜드를 구축했으며 주기둥 기초의 수중시공을 육상시공으로 바꿈으로써 시공효율을 향상시킴과 아울러 기초파기 시공의 안전위험을 낮추었다. 뿐만 아니라 세계 최대 아령형 이중벽 철제 코퍼댐(Cofferdam) 진수, 부유운반, 정밀 위치결정, 하강착상 등 일련의 시공 기술적 어려움을 극복했으며 2개월 동안에 코퍼댐 제조·진수를 완료한 시공기록을 세움으로써 동일 유형 시공에 소중한 경험을 쌓았다. 이외, 철골보 설치작업에서 교량 캔틸레버가 크고 빔 폭이 넓어 자연 온도·비바람의 영향에 민감한 등 불리한 요인이 가져다주는 어려움을 극복해 설계요구의 모든 최고치를 달성함과 아울러 대교의 제로 오차 연결을 완성했다. 칭산창장대교는 우한시의 11번째 창장대교이자 제4외곽순환도로가 창장을 가로지르는 통제성 프로젝트이다. 현재 대교는 후속 아스팔트 포장 및 조명시공 단계에 들어섰다.

최장 최심의 해저대지 전자 탐측 수행

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최근, 중국과학원 중국난하이해양연구소 연구팀은 중국 난하이 북부 주장 하구 분지의 대륙붕사면(해양-대륙 점이지대) 북부 해양 분지에서 한차례의 해저대지 전자탐측 실험을 수행했다. 단면 측선 길이는 300킬로미터 이상이고 최대 수심은 4,000미터로서 중국에서 지금까지 진행한 최장 최심의 이차원 대지 전자 탐측이다. 이번 탐측의 목적은 중국 난하이의 형성 비밀을 풀기 위해서다. 기존에 과학자들은 이베리아-뉴펀들랜드에서 비화산형 대륙 파열 모드인 맨틀 발굴식(Mantle exudation) 파열을 발견했다. 2017-2018년에 진행된 국제공동해양시추사업(IODP)의 367/368 및 368X 항차 시추 결과에 따르면, 중국 난하이의 대륙 파열 모드는 이베리아-뉴펀들랜드 모드와 달랐다. 전자는 해양분지 확장 시에 뚜렷한 암장 활동이 있고, 후자는 암장 활동이 빈약하다. 중국 난하이의 독특한 대륙 파열 모드가 검증되면 교과서가 바뀔 것이다. 해저대지 전자탐측은 지구 심부를 연구하는 중요한 지구 물리학적 방법이다. 해저대지의 전자기장은 해저 아래 암석의 전기적 정보를 지닌다. 해저 전자기장 원천을 탐측하고 측량 데이터를 영상화하면 해저 심부의 지질 구조를 추정할 수 있다. 연구팀은 이번 탐측에서 중국 난하이 대륙-해양 전환의 암석권이 얇아지는 특성과 암장 활동 과정을 심층 연구했다. 단면 해저 아래의 전기적 구조를 획득하기 위하여 연구팀은 해양 시추 주단면에 수심이 200m-400m인 실험장 30개를 설치했다. 42일간 지속된 탐측 기간에 2019년 9호 태풍 레끼마와 10호 태풍 로자를 겪는 등 어려움을 극복하고 실험에 성공하여 중요한 관측 데이터를 획득했다. 이번 탐측에서 최초로 중국이 자체 개발한 하저대지 전자 측정기를 이용하여 실험에 성공함으로써 해저대지 전자 측정기 성능을 지속적으로 제고하기 위한 중요한 경험과 데이터를 축적했다.

인장 배수가 13,000배에 달하는 신형 중합체 재료 개발

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최근, 중국연구팀은 13,000배 인장 가능한 중합체를 개발했다. 해당 성과는 "Advanced Materials"에 게재됐다. 세라믹 재료의 인장 배수는 비교적 작고 금속 재료의 인장 배수도 일반적으로 10배(일부 특수 조건에서 초소성 재료의 인장 배수는 1,000배에 달한다)를 초과하지 못한다. 지금까지 중합체 자체의 인장 배수 최고 기록은 약 180배이고 젤(Gel) 재료의 인장 배수도 210배를 초과하지 못한다. 중국과학원 연구팀은 최초로 중합체 재료의 최대 인장 배수를 13,000배에 도달시켰다. 중국과학원 화학연구소 자오닝(趙寧)/쉬젠(徐堅) 연구팀은 중합체 네트워크 구조를 설계 및 제조한 후 강/약 동적결합의 협동작용을 통해 폴리부타디엔(PB) 재료의 인장 배수를 1만 배 이상으로 향상시켰다. 해당 중합체 재료에는 이온형 수소결합 및 이민결합 가교화 네트워크 구조를 함유하고 있으며 특정 조건에서 네트워크의 동적 가교 위치는 가역적 절단 또는 소산 에너지 동적 교환을 통해 재료의 비가역적 파괴 발생을 효과적으로 방지한다. 따라서 인장 과정에서 소량의 이민결합은 네트워크 구조 유지에 이용되고 대량의 이온형 수소결합은 에너지를 소산시킨다. 해당 두 가지 메커니즘 사이의 협동작용을 통해 중합체 재료는 슈퍼 인장(Super stretch) 성능을 획득한다. 뛰어난 인장 성능은 중합체 재료가 플렉시블 전자소자, 드라이버(Driver) 및 에너지 저장 등 분야에서 이용될 수 있는 필수적인 조건이다.

중국과학원, 그래핀 나노구조의 원자급 정밀 제어 가능 접힘 구현

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중국과학원 물리연구소 가오훙쥔(高鴻鈞) 연구팀은 최초로 그래핀 나노구조의 원자급 정밀 제어가 가능한 접힘을 구현함과 아울러 신형 준3차원 그래핀 나노구조를 구축했다. 해당 구조는 2차원 회전 적층 이중층 그래핀 나노구조와 1차원 유사탄소나보튜브 구조로 구성되었다. 연구팀은 주사탐침(Scanning Probe) 조종기술을 통해 1) 그래핀 나노구조의 원자급 정밀 접힘 및 풀림, 2) 동일한 그래핀 구조에서의 임의 방향 반복 접힘, 3) 적층 각도를 정확하게 조절할 수 있는 회전 적층 이중층 그래핀 나노구조, 4) 준1차원 탄소나노튜브 나노구조 구축, 5) 쌍결정 그래핀 나노구조의 제어 가능한 접힘 및 헤테로접합 구축 등을 구현했다. 또한 주사터널링 분광법 및 제1원리 계산법을 응용하여 접힘 그래핀 나노구조의 정확한 원자구성 및 국소 전자상태 구조를 규명함과 아울러 그래핀 "나노 종이접기"를 통해 획득한 준1차원 나노튜브 헤테로접합이 서로 다른 에너지밴드 배열방식을 보유함을 발견했다. 해당 연구는 세계 최초로 원자급 정밀 제어, 수요에 따른 맞춤제작식 그래핀 접힘을 구현하였는데 이는 현재 세계 최소 사이즈의 그래핀 접힘이다. 상기 원자급 정밀 "종이접기"에 기반해 기타 신형 2차원 원자결정재료 및 복잡한 적층구조를 접을 수 있고 나아가 기능성 나노구조 및 양자디바이스(quantum device)를 제조해 그 신비한 물리현상을 밝힐 수 있다. 예를 들면 요술각 회전 적층 이중층 2차원 원자결정재료의 초전도성, 토폴로지 특성, 자성 등의 탐구 그리고 1차원 헤테로접합의 수송 성질 및 응용 등의 연구가 포함된다. 해당 연구는 양자재료 및 양자디바이스(기계) 구축에 중요한 과학·기술적 의미가 있다.

해양 생물요소 온라인 모니터링 달성

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최근 중국과학원 허페이물질과학연구원 안후이광학정밀기계연구소 자오난징(趙南京) 연구팀은 국가중점개발계획 "해양환경안전보장" 중점특별프로젝트인 "해양생화학 일반 요소 온라인 모니터 장치 개발 및 산업화" 프로젝트와 관련한 2019년 보하이(渤海)·황하이(黃海) 항차 규범화 해상 시험 임무가 원만히 수행됨과 아울러 해양 생물요소 온라인 모니터 응용 면에서도 중요한 성과를 거두었다. 연구팀은 광학/분광학 기술을 분석 수단으로 하고 자체적으로 개발한 해수 엽록소 온라인 모니터, 해양 1차 생산력 온라인 모니터, 해수 용존산소 온라인 모니터 등을 사용해 조류(algae) 군집 구조, 엽록소, 1차 생산력, 용존산소 등 요소에 대한 쾌속 온라인 및 원위치 단면 모니터링 응용을 달성했다. 연구팀은 관련 기기를 사용해 2019년 보하이·황하이 항차 계획에 따라 항행 온라인 모니터링, 원위치 단면 관측 및 비교 검사 등 임무를 차례로 수행했다. 누계 항해거리 806마일, 온라인 모니터링 130시간, 원위치 단면 관측점이 12개에 달하는 이번 항차에서 조류 군집 구조, 엽록소 농도, 1차 생산력, 용존산소 등과 관련한 9,200여 개 데이터 그리고 전형적 해역 생물요소 분포 특성을 성공적으로 획득했다. 전반 해상 시험 과정에서 해당 기기는 빠르고도 민감한 측정, 샘플 전처리 불필요, 무오염, 무파괴성 등 장점을 보여주었다. 해당 기기는 해양생태 환경품질 평가, 어업자원 평가, 적조 재해 모니터링 및 조기경보를 위해 선진적인 수단을 제공할 전망이다. 또한 해양 지구화학 과정 메커니즘 및 효과 연구, 글로벌 탄소순환 및 기후변화 예측 등에 중요한 과학적 의미와 응용가치가 있다.

허페이물질과학연구원, "광열지능농약" 개발

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최근 중국과학원 허페이물질과학연구원 우정옌(吳正岩) 연구팀은 자동 감광발열 및 농약방출 "지능"적 촉진이 가능한 광열방출조절형 농약을 성공적으로 개발해 효율을 평균 30% 향상시키고 원가를 20% 이상 저감했다. 해당 성과는 "ACS Sustainable Chemistry & Engineering"에 게재되었다. 재래식 농약은 방출/수요에 대한 정밀 매칭이 어려워 이용률이 낮고 원가가 높을 뿐더러 쉽게 오염을 초래한다. 중국은 농약 생산·사용 대국이지만 농약 유효 이용률은 40%도 안 된다. 최근 중국은 농업 친환경 전환 추진을 목표로 2020년에 이르러 전중국 주요 농작물에 대한 화학비료 농약의 사용량을 줄일 예정이다. 농약 이용률을 높이면서도 사용량을 줄이는 것이 농업·환경 분야에서 시급히 해결해야 할 중요한 기술문제로 되었다. 연구팀은 새 방법을 사용해 아타풀자이트(attapulgite), 바이오카본, 탄산수소암모늄 및 농약 글라이포세이트(glyphosate)를 원료로 하는 신형 광열방출조절형 농약을 제조했다. 해당 농약은 자동으로 빛을 감수해 열을 발생할 수 있고 또한 근적외선 및 그로 인해 발생된 열효과를 통해 농약 방출을 "지능"적으로 조절함으로써 농약의 수요에 따른 공급을 구현한다. 추산 결과, 해당 "광열지능농약"은 이용률을 20%~40% 향상시키고 원가를 20% 이상 저감할 수 있을 뿐만 아니라 환경오염을 줄일 수 있다.

국방과기대, 고깔해파리를 모방한 성층권 비행선 개발

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최근 국방과기대학 연구팀은 세계 최초로 고깔해파리에서 영감을 얻은 "성층권 비행선 생체모방디자인 방법"을 제안했다. 해당 연구로 근우주에서 장기체공 및 안정운행이 가능한 성층권 비행선이 탄생될 전망이다. 근우주란 지면에서 20~100km 떨어진 공역을 가리킨다. 근우주는 항공과 우주를 연결시키는 "공백지대"로서 육, 해, 공, 우주 다음으로 심층적으로 개발·이용되고 있는 자연환경이다. 근우주는 새 경제산업의 창출 및 전투력을 향상시키는데 중요한 전략적 의미가 있다. 근우주 저속 항공기의 대표적 사례인 성층권 비행선은 상승공기로부터 기체정역학 양력을 얻고 근우주 하층의 저속 바람대(wind belt) 및 비교적 적게 소모된 태양조사 등을 이용하기에 월/년 단위의 초장시간 공역 체공이 가능해 "성층권 위성"으로도 불린다. 따라서 정찰감시, 지역 조기경보, 환경 모니터링, 통신중계 등 군사·민간 영역에 광범위하게 응용될 수 있다. 하지만 현재까지 세계적으로 장기체공 및 안정운행이 가능한 성층권 비행선은 거의 없다. 연구팀은 고깔해파리가 부력판(pneumatophore), 부레, 가스샘(gas gland) 등으로 부력과 압력을 조화롭게 조절하는 현상에서 영감을 얻어 기존 성층권 비행선의 "메인/서브 기낭", "단낭체" 기술방안에 존재하는 환경열효과 조건에서 부력·압력에 대한 조화로운 조절이 어려운 문제를 성공적으로 해결했다. 연구팀은 고깔해파리의 형태를 생체모방해 낭체의 공기역학 외형을 설계했다. 전형적 운행조건에서 해당 외형 설계는 일반적 공기역학 외형에 비해 양항비를 70%이상 향상시키고 유효하중을 300~800kg에 도달시킨다. 또한 기능 생체모방을 통해 최초로 다낭체, 열조절 기낭 등 신개념 방안을 제안함으로써 근우주 "열팽창과 열수축"으로 인한 성층권 비행선의 외피 파열 및 "과체중" 문제를 해결했다. 비행시뮬레이션 및 기술검증비행선 시험비행 결과, 열조절 기낭의 부피비(volume ratio)가 10%일 경우 환경열효과 조건에서 기낭 내부의 최대 압력을 9.6% 낮출 수 있다. 이로써 부력·압력에 대한 조화로운 조절이 어려운 문제 해결에 효과적인 방안을 제공했다.