기계/재료

초탄성 및 내피로성 보유 탄소 나노섬유 에어로겔 개발

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중국과학기술대학교 위수훙(俞书宏) 연구팀과 량하이웨이(梁海伟) 연구팀은 공동으로 열분해 화학 제어를 통해 구조생물 재료를 흑연탄소 나노섬유 에어로겔로 열전환시켰다. 해당 에어로겔은 세균성 섬유소의 거시적에서 미시적에 이르는 성층 구조를 완벽하게 구현함으로써 뚜렷한 열기계적 성능을 보유함과 아울러 대규모 합성을 구현했다. 해당 성과는 "Advanced Materials"에 게재되었다. 초탄성 및 내피로성을 보유한 경량 압축 재료는 항공우주, 기계 완화, 에너지 감쇠 및 소프트 로봇 등 분야의 이상적인 재료이다. 많은 저밀도 중합체 발포체는 압축성이 높지만 재사용시 내구성이 약해지며 중합체 유리전이와 용융 온도 근처에서 초탄성이 퇴화된다. 탄소 나노 튜브와 그래핀은 고유의 초탄성과 열역학적 안정성을 갖지만 복잡한 설비와 제조 과정에서 밀리미터 크기의 재료만 제조할 수 있다. 또한, 대자연에서 수억 년 동안 진화한 복잡한 성층 구조 생물 재료는 우수한 역학적 특성으로 많은 관심을 끌지만, 순수한 유기 또는 유기/무기 복합 구조 때문에 통상적으로 좁은 온도 범위에서만 작동한다. 따라서, 이러한 비열안정적 구조 생물 재료를 고유의 성층 구조의 열안정적 흑연재료로 전환시킨다면 열역학적으로 안정적인 새로운 재료를 창조할 수 있다. 연구팀은 무기염의 세균섬유소에 대한 열분해 화학적 조절 방법을 이용하여 대규모 합성, 형태 보존적 탄화 공정을 구현하고 개발한 탄소 나노섬유 에어로겔은 세균섬유소의 거시적에서 미시적에 이르는 성층 구조를 구현했으며 비교적 넓은 온도 범위에서 온도에 따라 변하지 않는 뚜렷한 초탄성 및 내피로성을 구현했다. 탄소 나노섬유 에어로겔이 우수한 열안정적 기계 성능을 보유하고 대규모 제조를 달성할 수 있기 때문에 극단 조건에서의 기계 완화, 압력감지, 에너지 감쇠 및 우주항공 태양 에너지 배터리 등 분야에서 중요한 응용 전망이 있다.

플라즈마를 이용한 그래핀 거시적 제조 달성

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중국과학기술대학교 공학과학대학 열과학·에너지공학학부 샤웨이둥(夏維東) 연구팀은 "자기분산 전기 아크(Magnetically Dispersed Electric Arc)에서 생성된 대면적 균일 열플라즈마를 이용한 그래핀 합성" 새 방법을 제안하여 열플라즈마 공법의 에너지 소모가 높고 제품 균일성이 낮으며 생산 안정성이 부족한 등 기술 어려움을 해결함으로써 대규모 연속 생산을 달성할 전망이다. 해당 성과는 "Carbon"에 게재됐다. 그래핀은 에너지 환경, 생물의료, 전자 소자, 화공 및 항공우주 등 여러 분야에서 중요한 응용 전망을 보유하고 있는 미래 혁신적인 기능/구조 재료로 인정받고 있다. 하지만 무선주파수 감응 가열 및 마이크로파 가열 플라즈마를 이용한 그래핀 제조는 에너지 소모가 높기에 산업화 응용이 어렵다. 또한 열플라즈마 열분해 탄화수소 화합물에 의한 그래핀 제조는 플라즈마 전기전도율이 온도의 증가에 따라 신속하게 상승하기에 전기 아크의 자동적인 매우 작은 범위 수축을 유발하여 그래핀 합성에 밀리초 수준의 반응 시간을 요구하므로 균일 가열을 달성하기 어려워 제품의 균일성이 차하고 에너지 소모가 높다. 연구팀은 자기 분산 전기 아크에 의한 대면적 균일 플라즈마 생성 기술을 개발하여 플라즈마로 물질을 신속하게 균일 가열하는 문제를 해결했다. 해당 기술로 제조한 그래핀 평면 크기는 50~300nm, 층수는 2~5층으로 양호한 결정구조 및 거대한 비표면적을 나타내고 제품 균일성이 우수했다. 또한 제조 방법 및 설비가 간단하여 1단계 합성이 가능하고 환원 과정이 필요 없을 뿐만 아니라 기질, 촉매, 용액 및 산(Acid)이 필요 없으며 고수율, 저에너지 소모, 저원가 등 장점을 보유하고 있기에 저원가 대규모 연속 생산을 달성할 수 있다. 해당 연구는 플라즈마 파라미터, 원료 기체 조성 및 나노 그래핀 형태, 층수 및 결함 사이의 관계를 연구함과 아울러 고순도 그래핀 생산에 요구되는 공법 조건을 규명했다. 또한 플라즈마 반응기 유동장/온도장 수치 시뮬레이션과 화학반응 동역학적 계산을 결합하여 그래핀의 형성 메커니즘을 제안함으로써 제품 생산 제어에 이론적 지침을 제공했다.

신형 촉각 전자 피부 개발

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홍콩성시대학교 연구팀은 "피부 통합 촉각 인터페이스" 시스템을 성공적으로 개발했다. 피부를 매개로 하는 해당 가상현실(VR) 및 증강현실(AR) 시스템은 피부에 부착한 무선 액추에이터를 통해 에너지를 기계적 운동에너지로 전환시켜 촉각 자극을 인체에 전달한다. 해당 성과는 "Nature"에 게재되었다. 가상현실 및 증강현실 기술은 주로 시각과 청각 자극을 통해 체험을 창조하지만 피부는 눈과 귀에 비해 인체에서 면적이 가장 큰 감관 시스템이기에 촉각을 통해 외부 환경을 감지하는 것이 효과가 더 좋다. 홍콩성시대학교 생물의학공학과 위신거(于欣格)에 의하면, 연구팀의 목표는 실제 사람의 피부에 필적하는 전자 피부를 개발하는 것이다. 기존의 동종 제품과 비교할 경우, 해당 시스템은 아주 가볍고 피부에 밀착되며 전선과 배터리가 필요 없다. 해당 시스템은 새로운 재료, 구조, 에너지 전송 전략 및 통신 솔루션을 사용했다. 연구팀은 700여 개 기능 소자로 두께가 3mm 미만인 유연한 피부 소자를 구성했는데 가볍고 얇고 유연하고 신축성이 있는 내층을 포함하여 피부에 밀착될 수 있다. 실리콘으로 보호한 기능층은 내부에 무선 제어 시스템과 상호 연결된 액추에이터가 있다. 통기성 직물 외층은 웨어러블 의류에 직접 접착할 수 있다. 촉각 진동을 제공하는 기존의 액추에이터는 약 100밀리와트의 전력으로 정보를 전송하지만 해당 시스템은 주파수 기술(RF)로 전력을 공급하여 2밀리와트 미만의 전력으로 정보를 전송하고 동등한 기계적 진동을 생성하여 무선 저전력 에너지 전송 난제를 해결하고 시스템의 작동 거리를 크게 향상시켰다. 해당 연구 성과는 소셜미디어 및 전자게임에 응용 가능할 뿐만 아니라 의수, 의족 사용자가 촉각을 통해 외부 환경을 감지하기 위한 피드백을 제공하며 임상 의료에서 응용하는 관련 가상 장면까지 확장시킬 수 있다.

플렉시블 OLED 생산라인용 로봇의 응용 성공

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시아순(SIASUN:新松)이 자체적으로 개발한 중국 첫 플랙시블 OLED 로봇이 중국 내 유명기업에 성공적으로 응용되었다. 이로써 중국은 중국 외 기술장벽을 극복한 자국산 로봇을 최초로 고급 유연성 스크린 생산라인에 도입해 플랙시블 OLED 운반 핵심장치의 중국산을 달성하였다. OLED 패널은 LCD 패널에 비해 더 얇고 가벼우며 밝을 뿐만 아니라 전력소비가 적고 응답이 빠르며 해상도가 높고 유연성이 양호한 등 장점을 보유한다. OLED 패널의 유기플라스틱층은 얇고 유연하기에 관련 생산공정에 있어 클린로봇기술에 대한 요구도 더 엄격하다. 기존의 중국산 플랙시블 OLED 생산라인은 전부 중국 외 생산설비를 도입하였는데 이는 관련 생산공정의 중국산 달성을 크게 제한하였다. SIASUN이 자체적으로 개발한 플랙시블 OLED 로봇—SCARA 매니퓰레이터(manipulator)는 고성능 제어시스템, 기계본체설계 및 정밀 리포지셔닝(repositioning) 등 기술을 확보해 여러 어려움을 극복하였다. 연구팀은 센서 스캐닝 및 소프트웨어 알고리즘을 통해 해당 로봇에 완전 새로운 중국산 "대뇌"를 부여함으로써 Alignment 자동 교정, 둘씩 잡아서 놓기, 데이터 리포팅 등 기능 수행은 물론 분석 장치의 복잡 다양한 위치 식별을 가능케 했다. 아울러 로봇 동작 조정 및 회전각도 보상을 구현해 로봇의 "눈과 손" 협동을 달성함으로써 생산라인에서의 각종 복잡한 작업의 수행을 보장하였다.

항암 치료용 "지능 광열 재료" 개발

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중국과학기술대학교 량가오린(梁高林) 연구팀은 광열 전환 효율이 기존의 임상 광열 재료보다 1배 이상 향상된 새로운 광열 재료를 개발함으로써 광열 항암 기술 분야에서 중요한 돌파를 달성했다. 해당 성과는 "Advanced Functional Materials"에 게재되었다. 광열 요법은 수술, 화학요법, 방사선요법 후에 나타난 새로운 최소침습 항암 기술이다. 그 주요 기술 원리는 광열 전환 기능을 보유한 약재를 인체에 주입한 후 표적 식별 기술을 이용하여 약재를 종양 부근에 집합시킨 다음 레이저 조사를 통해 광에너지를 열에너지로 전환시켜 암세포를 사멸한다. 그러나 레이저 조사의 경우 광열 재료는 종종 형광을 방사하는데 방사된 형광이 많으면 전환되는 열에너지가 적어진다. 해당 문제를 해결하기 위해 국제 학술계는 "형광 담금질" 기술을 개발하여 분자 간 형광 소광을 "유도"하여 발열에 "집중"하도록 했다. 연구팀은 독특한 솔류션을 이용하여 새로운 유기소분자 재료를 설계 합성했다. 해당 재료는 암세포에 섭취된 후, 지능적으로 먼저 "분자 내 형광 담금질"을 시작하고 다음으로 "분자 간 형광 담금질"이 발생한다. 두 차례의 "담금질"을 통해 재료의 열전환 효율을 향상시킨다. 중국과학기술대학교 장쥔(江俊) 연구팀, 장췬(张群) 연구팀, 안휘이(安徽)사범대학교 왕광펑(王广凤) 연구팀 등은 이론적 계산과 실험을 통해 기존에 일반적으로 사용되는 "형광 발광 담금질" 기술과 비교할 경우, 새로 개발한 신소재는 광열 전환 효율을 1배 이상 향상시킬 수 있으며 생체 종양의 광열 치료 효과를 대폭 향상시킬 수 있음이 입증되었다. 해당 기술은 임상에서 광열 전환 효율을 향상시키기 위한 새로운 방법을 제공했으며 기타 질병의 광열 치료에도 응용될 전망이다.

기판 바벨각 조절로 LED 발광성 향상

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중국과학기술대학교 마이크로전자대학 쑨하이딩(孫海定)/룽스빙(龍世兵) 연구팀은 사파이어 기판 바벨각을 이용한 양자우물 조절을 통해 3차원 캐리어 구속을 달성함으로써 자외선 발광 다이오드(LED)의 발광성을 향상시켰다. 해당 성과는 "Advanced Function Materials"에 게재됐다. 전통적인 자외선 광원은 일반적으로 수은증기 방전 여기상태를 이용해 자외선을 생성하기에 높은 전력소비 및 발열량, 짧은 수명, 느린 반응 등 결함이 있다. 신형 심자외선 광원은 LED 발광 원리를 이용했기에 전통적인 수은등에 비해 많은 장점을 보유하고 있다. AlGaN 심자외선 LED 등 와이드 밴드갭 반도체 재료는 작은 부피, 높은 효율, 장수명 등 장점을 보유하고 있기에 엄지손톱 크기의 칩으로 수은등 보다 더욱 강한 자외선을 방출할 수 있으며 AlGaN 중의 원소 성분 조절을 통해 다양한 파장의 발광을 정밀하게 구현할 수 있다. 하지만 자외선 LED의 고효율 발광은 어려운 바 내부양자 효과에 의해 결정된다. 연구팀은 사파이어 기판 바벨각 조절을 통해 자외선 LED의 내부양자 효과 및 소자 발광 출력을 대폭 향상시켰다. 기판 바벨각을 증가시킬 경우 자외선 LED 내부의 전위(Dislocation)는 뚜렷하게 억제되며 소자의 발광강도가 뚜렷하게 향상된다. 기판 바벨각이 4°에 도달할 경우 소자의 발광 스펙트럼 강도는 1개 수량급으로 향상됨과 아울러 내부양자 효과도 90% 이상에 도달한다. 해당 연구는 기판 바벨각 조절 및 에피택셜 성장 파라미터의 매칭 최적화에 의해 자외선 LED의 발광 특성을 블루광 LED 수준에 도달시켰다. 이는 고출력 심자외선 LED의 대규모 응용에 실험적 및 이론적 기반을 마련했다.

자율주행 콤바인 경작파종기 개발

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양저우(扬州)대학교 연구팀이 자체 개발한 자율주행 콤바인 경작파종기가 양저우(扬州)시 광링(广陵)구 사터우(沙头)진에서 현장 테스트에 통과했다. 연구팀은 거의 10년간 2,000여만 위안(한화 약 33억4500만원)을 투자하고 다분야 전문가와 협력하여 중대한 연구 성과를 달성함으로써 해당 분야의 핵심 기술을 파악하고 세계 선진 수준에 도달했다. 해당 성과는 중국 농업 기술의 현대화, 지능화, 고효율화 발전을 본격 추진할 전망이다. 지능화와 무인화 경작은 현대 농업의 발전 추세이다. 연구팀은 2008년부터 작물 재배, 농업 기계, 지능화 제어, 소프트웨어 정보 등 다분야의 전문가, 농업장비 제조업체 및 농업현장 기술자들과 공동 연구팀을 구성하여 지능화, 무인화, 중복식 경작파종의 선진 장비를 개발했다. 자율주행 경작파종기는 밭에서 자율적으로 유턴, 좌우회전, 후퇴 역주행한다. 한차례 회전경운 깊이는 약 22cm에 달하고 시비가 균일하며 파종 깊이와 파종 너비가 일치하다. 해당 지능화 고기술의 선진 농업 장비는 논벼 생산에 광범위하게 응용될 전망으로 기존 농업 생산의 낙후한 작업 방식을 바꾸고 중국 쌀과 밀 생산의 질적 도약을 가져다 줄 전망이다.

초인성 "인공 거미줄" 제조

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난카이(南開)대학교 약물화학생물학 국가중점실험실, 약학대학, 기능고분자 교육부중점실험실 류쭌펑(劉遵峰) 연구팀은 히드로겔 섬유로 신형 초인성(Super tough) "인공 거미줄"을 제조 했다. 해당 거미줄은 고강도, 느린 리바운드(Rebound), 중복 신축성 등 장점을 보유하고 있기에 향후 공중 낙하 지연 등 다양한 분야에 이용될 전망이다. 해당 성과는 "Nature Communications"에 게재됐다. 자연계의 거미줄은 강한 기계적 성질을 보유하고 있으며 고등급 합금강과 유사한 높은 인장강도를 나타낸다. 높은 습도 환경에서 거미줄은 5배로 인장될 수 있을 뿐만 아니라 인장된 후 거의 리바운드 되지 않고 회전하지 않는다. 또한 인장된 거미줄은 물을 만나면 초기 길이로 회복된다. 이로써 포획물의 충격에 의해 인장된 후 자동적으로 복구되어 재사용할 수 있다. 이는 거미줄이 매우 강한 기계적 성능을 보유하고 있음을 의미한다. 기존에 피브로인을 이용해 인공 거미줄을 제조해 일정한 성과를 거두었지만 해당 방법으로 규모화 생산을 달성할 수 없다. 따라서 합성 방법을 이용해 상기 특성을 모방한 거미줄 제조는 어려움으로 되고 있다. 연구팀은 반복적 시험을 통해 히드로겔 섬유를 이용하여 "인공 거미줄"을 제조하는 매우 간단한 방법을 개발했다. 히드로겔 섬유는 폴리아크릴산으로 제조한다. 폴리아크릴산은 핵-외곽 구조를 보유하고 있기에 2가 이온을 도핑함과 아울러 트위스팅(twisting)하여 일정한 꼬임성을 획득함으로써 "인공 거미줄"의 강도를 대폭 향상시킬 수 있다. 해당 신소재의 역학적 성능은 천연 거미줄과 거의 유사하다. 고층건축물에 화재 등 긴급상황이 발생할 경우 "인공 거미줄"로 제조한 밧줄로 공중 낙하 지연에 의한 자주적 구원을 달성할 수 있다. 해당 특수한 밧줄은 인체 체중에 견딜 수 있으며 또한 천천히 인장됨과 아울러 고무줄처럼 리바운드 되지 않는다. 이로써 인체 또는 물체의 하강 속도를 대폭 감소시켜 완화작용을 일으킬 수 있다.

새 나노발광재료 합성하여 종양 광역학치료에 응용될 전망

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중국과학원 유전발생생물학연구소 장위창(降雨强) 연구팀과 베이징대학교 기초의학대학 사인린(沙印林) 연구팀은 공동으로 새 나노발광재료를 합성했다. 해당 금 나노클러스터에 기반한 쌍광자 역학 치료법은 공간 선택성이 높고 안전하고 효율적이며 광차단 기간이 필요하지 않는 등 장점을 보유하기에 종양 치료 특히, 신경교종과 고형종양 치료에서 우수한 임상화 전망이 있다. 해당 성과는 2가지 발명 특허를 출원했고 "American Chemical Society Nano"에 온라인으로 게재되었다. 연구팀은 다이하이드로리포산을 리간드로 하는 금 나노클러스터를 설계하고 합성했는데 광조사 조건에서 아주 강한 자유기 생성 특성을 보유하고 종양 세포와 조직에 대해 뛰어난 살상 효과를 나타냈다. 해당 금 나노클러스터는 성능이 우수한 광역학 치료의 감광제로서 치료 효과가 임상에서 사용하는 ALA 감광제보다 훨씬 뛰어나다. 광역학 치료 시스템은 전설의 나타(哪吒)가 요괴를 다루는 방법과 마찬가지로 인간이 종양을 대처하는 새 무기이다. 그중 감광제 성능은 종양 광역학 치료 효과의 핵심이다. 그러나 기존에 임상에서 사용하는 감광제는 가시광에 의해 여기되고 조직 침투 깊이가 작아서 고형종양과 심부종양의 치료에 적용하기 어렵다. 또한 환자는 치료 후 몇 주 동안 차광 기간이 필요하여 일상생활에 큰 불편을 겪는다. 종양 광역학 요법은 종양 표적화 감광제를 이용하여 레이저 조사 조건에서 대량의 활성산소 자유기를 생성하여 종양 조직을 파괴하는 것이다. 방사선요법 및 화학요법과 같은 통상적 종양 치료와 비교할 경우, 광역학 요법은 공간 선택성이 높고 약물내성이 쉽게 생기지 않으며 전신 부작용이 낮은 등 특징을 가지지만 기존에 대응되는 쌍광자 감광제가 없기에 임상 응용이 제한되었다. 이번에 합성한 신소재는 우수한 쌍광자 특성을 보유하여 쌍광자 흡수 단면이 높고 근적외선 레이저에 의해 여기되어 조사 깊이를 효과적으로 높이며 고형종양 치료에 적용할 수 있다. 특히 양호한 생체 적합성을 보유하여 치료 과정에서 차광이 필요 없기에 임상 조작성을 대폭 향상시킬 수 있다.

최초로 나선형 카이랄성 탄소나노튜브 단편 합성

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중국과기대 두핑우(杜平武) 연구팀은 최초로 나선형 카이랄성 탄소나노튜브 단편을 합성함과 아울러 해당 단편의 원편광 발광(Circularly polarized luminescence, CPL) 성질에 대한 심층 연구를 수행했다. 해당 성과는 "AngewandteChemie"에 게재됐다. 탄소나노튜브 재료는 뛰어난 기계적, 전기학적 및 광학적 성질을 보유하고 있기에 나노과학기술 및 전자학 분야에서 매우 주요한 역할을 한다. 하지만 전통적인 제조 방법은 탄소나노튜브 성장을 제어하기 어렵기에 금속 나노튜브 및 반도체 나노튜브의 무작위 혼합물만 획득할 수 있다. 유기화학적 상향식 합성 방법은 고순도 탄소나노튜브를 제조하는 이상적인 방법이다. 튜브모양 비평면 공액 대환식 화합물은 큰 π 시스템, 확정된 크기 및 형태를 보유하고 있기에 관심사로 떠오르고 있다. 또한 사슬 말단 효과(Chain-terminal effect)가 존재하지 않을 뿐만 아니라 높은 대칭성 및 변형에너지를 보유하고 있기에 π 공액 대환식 화합물은 탁월한 광전기학적 성질을 나타낸다. 따라서 유기 광전기 분야에서 거대한 응용 잠재력을 갖고 있다. 특히 큰 비대칭 인자 및 높은 PL 양자 수율을 보유한 카이랄성 공액 대환식 화합물은 카이랄성 광학 분야에서 응용의 이상적인 선택이다. 하지만 특정된 크기 및 지름을 보유한 전체 π 공액 카이랄성 나노튜브 단편 제조는 어려움으로 되고 있다. 연구팀은 초기단계의 탄소나노튜브 새 구조 합성 및 광물리학적 성질에 대한 연구를 기반으로 안트라센을 다환방향족탄화수소의 구조 유닛으로 교묘하게 이용하여 최초로 나선형 카이랄성 탄소나노튜브 단편을 합성했다. 그 다음 자외선 가시광선, 형광, 핵자기공명, 원이색성 및 CPL 스펙트럼을 이용하고 이론적 계산을 결합해 해당 탄소나노튜브 단편의 광물리학적 성질을 연구했다. 평면 안트라센 단량체에 비하여 해당 카이랄성 π 공액 대환은 흡수 스펙트럼 및 발광 스펙트럼에서 뚜렷한 적색편이를 나타냄과 아울러 매우 강한 원편광 발광을 나타내는바 기존의 가장 좋은 CPL 활성재료에 비하여 성능이 100배 이상 향상됐다. 해당 성과는 새로운 나선형 카이랄성 튜브모양 공액 재료를 합성함과 아울러 높은 CPL 활성 재료 설계/제조 및 해당 재료를 템플릿으로 단일 카이랄성 탄소나노튜브를 제조하는데 새 아이디어를 제공했다.