기계/재료

중국산 중대형 태양광 무인기 "뭐쯔 Ⅱ형" 첫 비행 성공

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2019년 7월 27일, 상하이아오커싸이(奧科賽)항공기유한회사가 2년 거쳐 개발한 중대형 태양광 구동식 "뭐쯔(墨子) Ⅱ형" 장기체공 항공기가 저장(浙江)더칭(德清) 모간산(莫幹山) 범용비행장에서 첫 비행에 성공했다. 중국이 독자적 지식재산권을 보유한 "뭐쯔 Ⅱ형" 항공기의 광전전환효능, 비행시간 등은 Ⅰ세대에 비해 대폭 향상돼 상업화 응용 수준에 접근했다. 현재 "뭐쯔 Ⅱ형"은 저공 디지털화 산업 포석의 일환으로 이동통신사업자, 5G, 셀룰러(cellular)장비업체 등과 협력 중에 있다. 설계 익폭이 15m에 달하는 "뭐쯔 Ⅱ형"는 4대의 전기모터 구동 및 태양전지 전력공급 방식을 이용함과 아울러 에너지저장 전지도 장착했다. 6,000~8,000m 고공 비행시 광에너지를 전기에너지로 전환시켜 구동하기에 폐가스 배출이 없다. 이번 첫 비행에서 항공기의 공기역학, 태양에너지 전환효율, 완제품 구조, 비행 안정성, 조종 시스템 등 테스트를 통해 항공기의 고효율적 공력효율이 검증되었다. 안정성을 더한층 높여 복잡한 공중환경에 대비하기 위해 "뭐쯔 Ⅱ형"의 수평꼬리날개는 Ⅰ세대와 달리 동체 아래쪽으로 옮겼다. 또한 광에너지의 전기에너지로의 전환효율을 Ⅰ세대의 16%에서 23%로 향상시켜 맑은 날씨 상황에서 12시간의 체공작업이 가능하다. 날씨 조건이 허락될 경우 대낮에 구름층 위에서 저속으로 순항하면서 충전할 수도 있다. "뭐쯔 Ⅱ형"은 긴급 재난구조, 정찰통신 등 분야에 응용될 전망이다. 최근 2년간 범용항공기업에 대한 상하이 린강(臨港)의 대폭적 지원에 힘입어 현재 2개의 고도 300m 비행공역 및 이착륙지 허가가 떨어져 범용항공기업의 시험비행 및 납품에 유리한 조건을 마련했다. "뭐쯔 Ⅱ형" 태양에너지 항공기의 후속 성능테스트를 완료한 후 5G 셀룰러장비업체 및 모바일데이터사업자와 협력해 장기체공 항공기의 응용장면을 확장시킬 계획이다.

중국과기대, 강도와 인성이 뛰어난 생체모방 나노복합섬유 신소재 개발

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최근 중국과학기술대학 위수훙(俞書宏) 연구팀은 천연생물섬유를 참고해 강도와 인성이 뛰어난 매크로스케일 섬유소 기반 나노복합섬유 소재를 성공적으로 개발했다. 해당 성과는 "National Science Review"에 온라인으로 게재되었다. 나노스케일 섬유소는 저장량이 가장 풍부한 나노급 원재료로서 밀도가 낮고 열 안정성이 양호하며 기계적 특성이 뛰어날 뿐더러 분해/재생/지속 가능한 장점이 있어 다방면의 관심을 받고 있다. 하지만 인공적으로 제조한 섬유소 기반 매크로 섬유소재의 강도와 인성(toughness) 간 모순은 해결하기 어려운 문제로 남아있다. 따라서 해당 유형 소재의 낮은 인성, 쉬운 취성파괴(brittle fracture) 등 문제는 첨단직물 등 분야로의 실제응용을 크게 제한하고 있다. 한편 자연계의 수많은 동·식물섬유 모두 높은 강도/인성 조합을 완비한다. 이러한 섬유는 모두 천연나노복합재료이며, 고도의 방향성을 지닌 고강도 나노섬유 유닛에 의해 비교적 유연한 유기물 기질에 피복되어 형성되었으며, 매우 질서 있는 다단계 스파이럴 와인딩(spiral winding) 구조를 보유하는 등 공통성을 지닌다. 연구팀은 세균의 고강도 나노섬유소를 기본 보강유닛으로 하고 알긴산나트륨 생물대분자를 유기물 기질로 한 다음 양자의 복합 수용액으로 용액방사(solution spinning)를 수행해 인장강도가 대체적으로 향상된 단일 방향성 구조 매크로 나노복합섬유를 획득했다. 순수 알긴산나트륨 매크로섬유의 인장강도는 190MPa 밖에 안 되지만 해당 나노복합섬유의 인장강도는 420MPa로 향상되었다. 그 다음 다단계 스파이럴 와인딩 구조 설계를 통해 유사 생물섬유구조 특성을 보유한 매크로 인공섬유소재를 획득했는데 그 인장강도는 25% 향상되었고 파단연신율과 인성은 각각 50%, 100% 향상되었으며 최대인장강도(Ultimate tensile strength)는 535MPa, 파단연신율은 16%에 달했다. 해당 연구에서 획득한 최대인장강도는 고성능 섬유소 기반 천연식물섬유와 비슷했다. 해당 유형 생체모방 섬유구조 설계 전략은 기타 복잡계 구조재료 설계·제조에 응용될 전망이다.

무게가 약 8만 t에 달하는 회전체 사장교 "공중 연결" 달성

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2019년 7월 20일 새벽, 허베이성(河北省) 바오딩시(保定市) 웨카이거리(樂凱大街) 징광철도(京廣鐵路)를 가로지르는 무게가 약 8만 t에 달하는 초장 회전체 더블윙(Double wing) 사장교가 공중에서의 완벽한 회전체 연결을 달성했다. 이로써 세계 교량 건축사상 회전 무게, 회전 경간, 회전 힌지 지름의 세계기록을 경신했다. 중국건축교통건설그룹유한회사가 시공한 해당 사장교는 145+240+110m 이중 타워(Dual tower) 단일 케이블 표면 프리스트레스 콘크리트 사장교 구조 형식을 이용했으며 전체 길이는 495m, 너비는 39.7m이다. 주탑의 교면 상부 높이는 68m, 서브 타워(Sub tower)의 교면 상부 높이는 53m이며 횃불형 교탑 구조를 이용했다. 또한 횡방향 사장 케이블을 메인 보(Main beam) 중앙에 설치했으며 교량에 모두 42쌍의 사장 케이블을 설치했다. 교량 아래쪽은 북쪽에서 남쪽 순서로 징광철도의 21가닥 철도선 및 여러 가닥의 도시 도로를 가로지른다. 기차역 광장 및 징광철도의 안전 운영에 미치는 영향을 감소시키기 위해 서브 타워, 주탑 이중 회전법으로 시공했다. 회전체 무게는 각각 3.5만 t 및 4.6만 t이고 주탑 회전체 길이는 263.6m로, 회전 무게 및 회전 경간은 모두 세계기록을 경신했다. 해당 기술은 복잡하고 난이도가 매우 크다. 시공 과정에서 최초로 구면 편평 힌지(Flat hinge) 공법, 고정밀도 대직경 구면 편평 힌지 연결 제조 기술, 보 말단 무게 측정 시스템, 자체로 개발 설계한 W형 보 구조 등 선진 기술을 이용했을 뿐만 아니라 회전체 무게비는 기존의 기록에 비하여 약 1배 향상됐다. 해당 대교는 바오딩시 웨카이거리 남쪽 방향 확장 프로젝트의 핵심 공사로서 남쪽 방향 확장 프로젝트 전체 길이는 11.93km이고 총투자는 30억 위안(한화 약 5149억)이며 슝안신구(雄安新區) 주간선 연결을 담당한다.

중국 첫 장시일 묘령 벼 대묘 골파기 결합 이앙기 개발

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최근, 중국농업농촌부 난징(南京)농업기계화연구소 파종기계 연구팀이 개발한 장시일 묘령(Long-age Seedlings) 벼 대묘(Sapling) 골파기 결합 이앙기가 장쑤(江蘇)성 싱화(興化)/쑤이닝(睢寧) 지역에서 시범 테스트를 수행했다. 해당 이앙기의 기술 연구개발 아이디어 및 기계 성능은 중국 이모작벼 재배지역 및 남방 다모작 지역의 윤작 모순 해결, 벼 재배 기계화 수준 향상에 강유력한 기술 지원을 제공했다. 장시일 묘령 대묘 기계이앙은 묘령 연장, 농작물 생육기 단축을 달성할 수 있기에 이모작벼 및 벼/밀 주년생산 계절의 윤작 모순을 해결하는 효과적인 조치이다. 장시일 묘령 벼 대묘 모내기는 중국의 벼 생산 특수 수요로서 국내외에서 참조할만한 경험이 없다. 기존의 이앙기 기술은 20cm 이하 중소 유묘 기계이앙에 적합하며 장시일 묘령 대묘 기계이앙에는 적합하지 않다. 또한 기존의 이앙기는 골파기 기능이 없기에 작업에 어려움을 가져다 줄 뿐만 아니라 벼수확 및 밀파종에 영향을 준다. 연구팀은 다년간의 연구 및 기술 경험을 토대로 이미 개발한 2ZDM-6형 대묘 이앙기를 참조하여 모내기 궤적 및 비원형 기어 가공 공법을 최적화함으로써 전단계 시험 과정에서 존재한 유묘 집게 흔들림, 유묘 클램핑(Clamping)에 존재하는 문제점을 해결했다. 해당 이앙기 프로토타입에는 또한 새로 연구개발한 논 트렌처(Trencher)를 설치했다. 해당 트렌처는 전기제어 방식으로 작동하며 터닝(Turning) 과정 및 골파기가 필요 없는 상황에서 제어 스위치를 통해 작업 상태 및 작업 정지 상태로 전환시킬 수 있다. 이번 테스트에서 유묘의 최장 길이는 약 40cm에 달했고 벼 대묘 골파기 결합 이앙기의 모내기 품질은 대묘 기계이앙 생산 요구를 만족했다. 현재 연구팀은 해당 기술성과의 대면적 시범 보급을 시도하고 있다.

중미 공동연구팀, 영구자성을 보유한 액체상태 자석 "인쇄"

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최근 중미 공동연구팀은 완전 액상 3D 프린팅 기술을 사용해 액체의 유동성과 영구자성을 보유한 신형 자성 액적을 제조해 유연성 전자제품, 표적성 약물전달이 가능한 자기제어(magnetic control) 액체로봇 개발 등에 새 경로를 제공했다. 해당 성과는 "Science"에 게재되었다. 나노급 차원에서 기존 강자성유체 본체에는 자극(magnetic pole)이 존재하지 않는다. 다만 외부 자기장에 의해 지속적으로 자화될 경우 특정 자성을 나타낸다. 하지만 해당 새 자성 액적재료는 외부 자기장을 가하지 않아도 고체 자석과 같은 자성을 구현할 뿐만 아니라 액체와 같은 형태를 나타낼 수 있다. 공동연구팀은 완전 액상 3D 프린팅 기술로 액적당 지름이 20nm인 산화철 나노입자를 대량 함유한 약 1mm 지름의 강자성유체 액적을 "인쇄"했다. 자기력 측정 결과, 약 10억 개 나노입자가 함께 "붐볐다". 이들은 자성코일의 여기 하에 자성을 구현했다. 이러한 외부 나노입자는 자성을 액적의 핵심적 나노입자에 지향적으로 전달해 액적 전체가 영구자성을 띄도록 한다. 완전 액상 3D 프린팅 및 미세유체제어 성형기술을 사용해 임의 형태의 자성 액적을 제조할 수 있다. 해당 액적을 더 작은 액적으로 나누어도 여전히 자성을 유지할 수 있다. 또한 산·알칼리 환경 개변을 통해 이미 성형된 액체에 대한 가역자화(reversible magnetization) 또는 자기소거(demagnetization)도 가능하다. 강자성유체는 특수한 물리성질을 보유하기에 현재 전자설비, 의료기기, 기계공학 및 재료과학 연구에 응용되고 있다. 해당 신형 자성 액적은 향후 인체 내 표적성 약물전달이 가능한 자기제어 로봇, 제어 가능한 액체상태 마이크로반응기 등 보다 많은 분야에 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.

푸단대학, 희토 발광 나노프로브 연구에서 중요한 성과 달성

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최근, 푸단(復旦)대학 리푸유(李富友) 연구팀은 여기 및 방출 파장이 동일한 장수명 발광 나노프로브를 개발했다. 해당 연구성과는 “Nature Photonics”에 게재됐다. 발광 프로브는 중요한 생물 시각화 도구로서 생물 이미징 및 검출 등 다양한 응용 분야에 이용된다. 기존의 발광 프로브 재료는 주로 탄소나노튜브, 형광염료, 퀀텀닷(Quantum dot) 및 희토 도핑 나노재료 등을 이용했다. 그중 희토 나노재료는 뛰어난 광안정성, 낮은 생물독성 등 장점으로 연구 핫이슈로 떠오르고 있다. 하지만 일반적으로 이용되는 희토 나노재료는 낮은 양자 효율, 작은 광흡수 단면 문제점이 존재하는 등 희토 나노재료의 성질 제어에 대한 효과적인 해결책을 찾지 못했다. 연구팀이 개발한 나노프로브는 이터븀(Yb), 에르븀(Er), 툴륨(Tm), 네오디뮴(Nd) 등을 주요 도핑 원소로 했기에 독특한 제로(Zero) 스토크스 시프트(Stokes shift) 광루미네선스 특성을 보유하고 있다. 해당 프로브는 광(Light)의 단기 메모리와도 같이 여기 후 일정한 시간 내에 여기광(Excited light) 파장과 동일한 발광신호를 지속적으로 생성할 수 있다. 전통적인 파장 광필터링에 의한 발광 검출 방법으로 해당 발광 현상을 완정하게 연구할 수 없다. 연구팀은 해당 유형 프로브의 장수명 발광 특성을 이용해 새로운 신호 수집 방법을 개발했으며 발광 수집창을 통해 펄스 여기 후 시간영역에서 여기광에 대한 필터링 제거를 달성함으로써 해당 유형 프로브의 발광 신호를 최대한으로 수집했다. 예를 들면 Yb를 주요 도핑 원소로 하는 작은 나노입자(~15nm)는 기타 일반적인 발광 재료에 비해 1개 수량급 이상의 발광 강도 장점을 보유하고 있다. 코어셸(Core shell) 구조의 셸 두께 조절을 통해 재료의 발광 수명을 뚜렷하게 조절할 수 있다. 연구팀은 해당 유형 재료의 독특한 성질을 기반으로 시간 광영역 형광 이미징 방법을 개발해 시간영역에서의 다채널 디코딩(Decoding) 및 생체 내 추적에 이용함으로써 해당 나노프로브의 광범위한 응용 전망을 보여주었다.