기계/재료

화학연구소 저차원 유기재료 광자학 부품 연구성과

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나노광자학은 주로 마이크로나노수준에서 광자운동을 어떻게 조종, 조절 혹은 제어할 것인가를 연구하는 학과로, 미래 신호전파와 정보처리 분야에서 응용전망이 밝다. 중국과학원 화학연구소 광화학 중점실험실의 연구원은 최근 몇년간 저차원 유기재료 광자학에서 체계적인 연구를 추진하였다. 초기에 1차원 유기 광도파재료에 대한 연구(Adv. Mater., 2008, 20, 1661-1665; Angew. Chem. Int. Ed., 2008, 47, 7301-7305)가운데 유기재료중의 Frenkel 여기자와 광양자와의 강한 결합작용으로 형성된 Exciton polaritons(EP)의 유기광자학중의 작용메커니즘을 발견하였다. 더 나아가 Triplet sensitizers를 이용해 EP 전파과정의 양방향 에너지 전이작용을 통해 안정된 백색광을 출력하는 광도파부품(Adv. Mater., 2011, 23, 1380-1384)을 제작했다. 또 유기 결정재료중의 EP의 초고 굴절율을 이용해 더블광자 펌핑 유기 나노레이저(J. Am. Chem. Soc., 2011, 133, 7276-7279)를 만들었다. 관련 연구성과는 유기 저차원재료의 나노광자학중의 거대한 잠재력을 입증하였고 저차원 유기재료에 기반한 광양자 기능부품 제작을 위한 기반을 다졌다. 최근 국가자연과학기금위, 과기부와 중국과학원의 지원을 받아 연구팀은 미국노스웨스턴대학의 Huang Jiaxing교수와 협력하여 초기의 연구성과를 토대로 유기 나노선 이질구조 제어로부터 착수하여 유기소분자의 특정 조립과 생장특성을 이용해 액상과 기상 2단계법을 통해 객체분자(Guest molecules) DAAQ의 주체분자 Alq3의 1차원 주요 구조에서의 제어 가능한 에피택셜 생장을 실현하였고 1차원 유기 분지형 이질구조를 얻었다. 유기 이질구조의 형광공진에너지이동(FRET)과 광도파 특성을 결합시켜 신호를 조절 가능한 나노 광자 라우터를 제작했다. 이 연구결과는 유기기능성분자시스템의 조립행위를 심층적으로 연구하고 기능성 유기물의 복잡한 미세구조를 합성제어하며 복잡한 구조중 광자학의 내재된 메커니즘을 연구하고 광자통신과 연산에 필요한 각종 필요한 부품을 모색하는데 중요한 참조 가치를 제공하였다. 관련 연구결과는 최신호「미국화학학회지」(J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 2880-2883)에 실렸다. 영국왕립화학회가 발간하는 Chemistry World에 ‘Branched organic nanowire heterojunctions’라는 제목으로 뉴스보도를 하였다.

고성능 열전재료 체계 설계 및 합성 연구성과

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열전변환기술은 반도체재료의 열전(Seebeck)효과와 펠티에(Peltier)효과를 이용해 열에너지와 전기에너지와의 직접적인 상호 전환을 실현한 것으로, 공업여열과 자동차 배기가스 폐열 발전 등 분야에서 광범위하게 응용되는 기술이다. 열전변환기술의 에너지전환효율은 주로 재료 고유의 물리적 특성에 의해 결정되는데, 일반적으로 무차원 종합지수(ZT)로 가늠한다. 구체적으로 재료의 Seebeck계수, 전기전도율, 열전도율과 절대온도 등 요소에 의해 결정된다. 전통 고성능 열전에너지전환재료는 고체 결정화합물로서 연구자는 결정체중 우수한 전기전송성능을 유지하는 한편 다차원구조의 조절제어 등 수단으로 결정격자의 열전도율을 낮추는 방법으로 높은 열전기성능을 획득한다. 최근에는 skutterudite와 clathrate를 대표로 하는 케이지모양 화합물의 열전기성능 최적화 및 나노구조를 통한 결정격자의 열전도율 감소와 열전기성능 제고 연구에서 획기적인 성과를 올렸는데 열전기 최적수치는 1.5이상이다. 하지만 결정화합물중 격자 열전도율의 감소가 구조의 장범위배열(Long Range Ordering)의 제약을 받아 최저극한(최소 결정격자 열전도율)과 완전히 무질서한 유리상태와 비슷한 수준에 처하게 되면서 열전기성능의 최적화 공간을 제한하고 있다. 최근 중국과학원 상해규산염연구소의 스쉰(史迅)연구원, 천리둥(陳立東)연구원, 장원칭(張文淸)연구원, 쉬팡팡(許鈁鈁)연구원과 미국캘리포니아이공대의 G. Jeffrey Snyder박사, 미국 브룩헤이븐(Brookhaven) 국립연구소의 Qiang Li교수, 미시간대학 Ctirad Uher교수와 공동으로 고체재료에 ‘액체’특징을 지닌 이온을 도입하여 열전도율을 낮추고 열전기성능을 최적화하는 방법으로 결정격자 열전도율의 고체 유리거나 결정재료에서의 한계를 극복하였다. 연구팀은 ‘포논액체-전자결정체’특징을 지닌 전통 결정 열전화합물과는 완전히 다른 신규 열전기재료체계를 발견하였고 열전기재료의 설계이념을 확장하였다. 연구결과, 고온 안티형석구조의 반도체 셀렌화 dione (Cu2-xSe)화합물가운데 Se원자는 상대적으로 안정된 FCC 부격자(sub-lattice)구조를 형성할 수 있으며 Cu이온은 무작위로 Se 부격자 네트워크의 틈새위치에 분포되어 자유로이 이동한다. Se 부격자는 양호한 전기전송 통로를 제공하였고 ‘액체’특징을 지닌 자유로이 이동하는 Cu이온은 강열한 확산 결정격자 포논으로 포논의 평균 자유노정을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 일부 결정격자의 진동파 모델을 감쇠하였기에 재료의 격자 열용량을 줄였고 결정재료와 유리재료의 포논 열진동과 수송 제한을 극복하였다. 연구가운데 Cu2-xSe는 양호한 열전기성능을 나타내었고 성능 최적치 ZT는 1.5이상이었으며, 현재 발견한 고성능 결정 열전재료와 같은 수준이며, 또한 도핑최적화 등 수단을 통해 한층 더 높일 수 있다. 연구과정에서 제출한 ‘포논액체’개념은 많은 Cu와 Ag이온 등을 포함한 반도체 재료에서 발견한 전열수송행위 및 법칙을 해석 가능하고, ‘포논액체-전자결정’특징을 지닌 열전신소재체계를 도출할 가망성이 있으며, 신규 열전화합물의 모색 및 전통 열전재료성능의 최적화를 위해 새로운 방향과 경로를 제시하였다. 연구성과는 「Nature Materials」지에 발표되었고, 중국발명특허를 출원하였다. 논문 심사자는 “이 논문이 기존의 포논유리-전자결정’개념을 ‘포논액체-전자결정’까지 확장하여 열전재료의 연구방향을 위해 새로운 가능성을 제공하였고, 간단한 화학식, 결정셀과 경원소로 구성된 재료로 높은 열전성능을 실현함으로써 열전재료에 대한 전통적인 관념을 바꾸어 놓았다. 또한 Cu2-xSe 신규 체계에서 보도한 고성능은 매우 흥미로운데 연구자들에게 전통열전재료보다 훨씬 우수한 성능의 신소재를 구상하도록 유도하였다는 점과 이러한 신소재의 발견이 해당연구 분야의 발전을 유력하게 추진할 것이다”고 높이 평가하였다.

심부탐사 핵심계측기 개발의 획기적 진전

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2월 15일 베이징에서 열린 ‘심부탐사기술과 실험연구 전문프로젝트’ 2011년도 성과보고 교류회에 의하면, 중국의 심부탐사 핵심계측기장비 자체 연구개발에서 획기적인 성과를 거두었다. 전문프로젝트 수석과학자 둥수원(董树文) 중국지질과학원 부원장의 소개에 의하면, 중국이 자체적으로 개발한 지진탐사시스템과 전자기탐사시스템은 핵심기술에서 획기적인 성과를 거두었다. 또한 자기 코어 재료와 저주파수의 미약한 신호 검사측정 등 자기센서의 핵심기술을 장악했으며, 유도성 광대역 자기센서 시제품을 개발했다. 성능지표는 해외 동종제품에 해당된다. 과제팀이 독자적으로 개발한 무인기 공중자기 탐사시스템은 저자성 무인기 제작, 고신뢰성 자동운전 네비게이터 연구개발, 헬륨광학 펌프(Helium optically-pumped) 항공자력계와 초전도 항공자력계에 적용되는 데이터 전처리시스템 개발에서 모두 단계적인 성과를 거두었다. 과제팀이 기업과 공동으로 연구개발 및 생산한 중국의 첫 1만m급 대륙과학시추기는 선진국 수준이다. 2월 말 이 시추기는 다칭(大庆)유전에 운반될 예정이며, 국제대륙과학시추프로그램(ICDP)과 함께 중국 지질조사국과 국가 심부탐사기술 및 실험연구 전문프로젝트가 공동 지원하는 숭랴오(松辽)분지의 과학시추 2호갱에 투입되어 깊이 6,600m의 시추작업을 진행할 계획이다. 전문프로젝트는 심부탐사 핵심계측기장비의 자체 연구개발에 3억 위안을 투입하고, 예정된 기일 안에 해외가 장기간 첨단장비를 독점하던 구도를 타개했다. 취지는 후속 국가지각탐사공정의 입안 신청과 본격 실시를 지원하는 것이다.

중국과학자 무기 다층셀 공심구 제작 최신성과

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다층셀(Multi-shell) 공심구(Hollow ball)는 매우 큰 내부공간 및 두께가 나노스케일 수준의 셀 구조를 하고 있어 광전부품, 촉매, 화학센서, 약물수송, 에너지전환 및 열저축시스템 등에서 응용전망이 밝다. 국가자연과학기금, 북경시자연과학기금과 중점실험실기금 등의 지원을 받아 중국과학원 과정공정연구소의 왕단(王丹)연구원이 주도하는 과제팀은 기존의 성과를 토대로(Angew. Chem. Int. Ed., 2011, 50, 2738-2741;중국발명특허: 다층셀 금속산화물 공심구 및 제조방법, 201010544562.4) ‘시공간 멀티척도 모듈법’을 발전시켰고 금속이온이 흡착된 탄소구체로 열처리방식과 전구체 용액농도을 조절제어하는 방법으로 ZnO 다층셀 공심구 셀 층수와 셀 간격을 조절하였다. 연구결과 이러한 재료로 제작한 염료감응형 태양전지의 광전기전환효율은 공심구 셀 층수를 늘일수록 높아졌고 셀간격과도 밀접히 연계되어 있는 것으로 나타났다. 바깥층이 서로 인접되어 있는 다층셀 공심구로 제작한 태양전지는 셀이 무작위로 분포되어 있는 다층셀 공심구로 만든 태양전지에 비해 광전기전환효율이 더욱 높다. 이는 바깥층에 인접된 다층셀 공심구의 표면적이 더욱 크기에 더욱 많은 염료분자를 흡착할 수 있으며 재료의 광분산 능력을 강화할 수 있어 빛의 재료내부에서의 경로를 증가시키기에 염료분자의 광흡수 확률도 상응하게 높이는 효과를 나타낸다. 이 성과는 고효율 염료감응형 태양전지 광전극재료의 설계와 개발을 위해 새로운 경로를 개척하였다. 관련 연구결과는 국제유명 학술지「Advanced Materials」(Advanced Materials, 2012, DOI: 10.1002/adma.201104626)에 발표되었다. 과제팀이 다층셀 공심구 분야에서 올린 획기적인 연구성과가 인정받아 왕단연구원은 Energy & Environmental Science저널의 초청을 받아 Future Article (2012, 5(2), 5604-5618)을 발표하였다. 나노미세구조 다층셀 공심구의 하드 템플릿법(hard template synthesis method), 소프트 템플릿법(soft template synthesis method), template-free method을 포함한 3종 제조방법 및 공심구조재료의 염료감응형 태양전지, 연료전지, 리튬이온전지와 수퍼 콘덴서 영역의 응용경험을 총화하고 하드템플릿법 원스톱 다층셀 공심구를 제작하는 3가지 가능한 경로를 창의적으로 고안해냈다. 이 논문은 2011년 11월과 12월 연속 2개월 Top Ten most-read EES articles에 올랐다.

영하 40도의 남극에서 로봇주행 시험 수행

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중국의 28번째 남극조사단은 2개월 동안의 반복적인 시험을 거쳐 대륙빙하 주행 로봇 시험을 수행했다. 이는 중국이 남극 빙하에서 최초로 수행한 로봇의 30km 자주 주행 시험이다. 그림은 이번 남극 빙하를 회유 이동하는 로봇의 현장시험을 책임진 중국과학원 선양자동화연구소의 부춘광(卜春光) 부연구원과 천청(陈成) 박사가 남극 빙하 주변의 시험현장에서 빙하 로봇 시험을 진행하는 장면이다. 로봇은 크롤러식 지프차와 비슷하며, 무게는 0.5톤이다. 삼각형의 무한궤도식 모바일 시스템, 자주 조종시스템, 원격통신 워크스테이션, 하중 시스템 등 시스템으로 구성되었으며, 영하 40도의 극지 저온에서 정상작업이 가능하다.

레이더 대체가능한 항공관제 내비게이션 감시장비 개발

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중국 민항국은 8일 ‘민간항공 공중교통 통신 내비게이션 감시장비 사용허가증 발급의식’을 거행했는데, 이는 관련 감시장비의 중국 민간 항공관제(ATC)에서의 대규모 응용에 투입될 수 있음을 의미한다. 이로써 중국은 해외 관련 감시장비의 독과점 구도를 타개했으며, 민간항공 중대장비 분야 자주혁신과 국산화 응용에서 획기적 성과를 거두었다. 이 장비를 개발한 민항항공관제기술장비발전유한공사 천빙(陈兵) 대표이사의 소개에 의하면, 방송식 자동 모니터링 시스템은 차세대 민간항공 공중관제 운영모델을 지원하는 핵심장비이며, 이에 앞서 서방의 강국만이 해당 장비를 확보하고 있었다. 중국은 도입한 장비를 이용해 중국 민간항공 분야 최초로 방송식 자동 감시가 가능한 청두(成都)-라싸 구간의 항로를 구축했다. 항공기의 이륙간격 시간은 기존의 10분에서 7분으로 단축되었으며, 항로교통용량과 운행효율을 향상시켰다. 장비공사는 20명의 연구인력을 투입해 이번에 국산화 장비를 개발했다. 레이더 관제에 비해 컴퓨터만큼의 크기로 점유 면적이 줄었고, 가격은 레이더 기지국 구축비용의 10분의 1 미만이다. 중국 민항국은 방송식 자동감시 시스템을 민간항공 12차 5개년 중점건설 내용에 편입했다. 민항국은 중국 민간항공 분야에 사용되는 이 부류의 장비가 국제민항기구(ICAO)와 중국 민간항공의 기술표준규범에 따라 본 국에서 심사한 장비사용허가증을 취득해야 한다고 규정했다. 이 제도는 장비의 진입제도로서 장비사용 허가증을 취득하지 못한 제조업체가 중국 내에서 판매해서는 안 된다. 장비 사용허가 제도를 통해 민간항공 공중관제 영역에 진입하는 장비의 성능과 품질을 높여 민간항공 항공관제 장비의 고장률을 기존보다 대폭 줄여야 한다는 지적이다. 중국 민항국 공중관제국 왕리야(王利亚) 국장은 공중관제국은 신규 시스템을 구축하여 미래 유동량 증가에 따른 공중관제 수요를 충족시켜줄 예정이라고 밝혔다. 장비공사가 중국 민간항공 공중관제 장비분야 최고급인 3급 유지보수 임무를 담당하며, 범위는 통신, 내비게이션, 레이더 등 공중관제장비가 포함된다.

상해규산염연구소 다기능 메조포러스 나노생체재료 연구성과 리뷰

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나노바이오의약 연구가 미래 인류 중대질병 진단과 치료에 있어서 중요한 역할을 할 것으로 전망되면서 국제 연구의 인기 연구분야로 각광받고 있다. 그중 메조포러스 나노생체재료는 조절 가능한 나노스케일 구경, 高비표면적과 공극부피, 풍부한 화학 기능단 및 양호한 생체 호환성과 생분해성을 지니고 있어 현재 세계 나노바이오의약 분야의 핵심 연구과제가 되었다. 중국과학원 상해규산염연구소의 스지엔린(施劍林) 연구원이 주도하는 메조포러스 저차원 나노재료 과제팀은 세계 최초로 관련 연구를 추진해온 연구진이다. 최근 이 연구팀은 다기능 메조포러스 나노생체재료의 설계, 제조 및 응용 분야에서 많은 연구성과를 올렸다. 우선 어떻게 메조포러스 나노생체재료의 약물코팅능력을 높일 것인가와 관련하여 신형의 구조차별화 기반의 선택성 식각법(Etching)을 고안해냈고 고도의 분산된 단일치수 메조포러스 산화규소 공심 나노입자를 제조하였다(ACS Nano, 2010, 4, 529). 식각 시간 조절을 통해 벽위의 메조포러스 구경의 크기를 효과적으로 조절함으로써 생체 대분자와 나노입자의 코팅과 운반이 가능해졌다(Small, 2011, 7, 2935). 약물코팅능력을 높이는 한편 담체에 다양한 기능을 부여할 수 있는데 기능성 나노입자를 유도 산화규소 나노입자의 공극(Cavity)에 도입시켜 임상분자영상 기능을 부여하였다(ACS Nano, 2010, 4, 6001). 일종 신형의 층층 자기조립방법을 통해 형광/자기공명 이중모드의 영상과 약물전송기능을 일체화한 다기능 나노약물담체를 획득하였다(Adv. Funct. Mater., 2011, 21, 270). 일종의 원위치 분해와 환원방법을 통해 중공 자성 내핵과 메조포러스 쌍층벽이 있는 다기능 나노약물전송체계를 구축하였다(Adv. Funct. Mater., 2011, 21, 1850). 금 나노막대를 다기능 담체에 조립하여 열과 화학요법의 협동치료효과가 있는 다기능 메조포러스 나노약물담체를 획득하였다(Biomaterials, 2012, 33, 989). 메조포러스 분산 망간의 상자성 중심(Paramagnetic centers)을 이용해 신형 무독성, 고성능의 망간베이스 MRI 영상조영제를 획득하였다(Biomaterials, 2012, 33, 2388). 약물협동치료 분야에서 과제팀은 원위치 표면활성화제와 화학약물치료와의 연합조립을 통해 약물협동치료의 메조포러스 나노약물담체를 얻었는데, 이 약물운반시스템은 거의 완벽하게 pH에 반응하는 약물방출특성을 지니며, 동시에 내약세포의 다중약물 내약성을 효과적으로 억제할 수 있다(Biomaterials, 2011, 32, 7711;J. Mater. Chem., 2011, 21, 15190). 친수성/소수성 항암약물을 메조포러스 나노담체에 동시에 코팅하는 방법으로 내약성 세포의 다중약물 내약성을 억제하였고 신형의 메조포러스 공심 나노재료 기반의 무기 ‘마이크로 유액’과 무기 ‘리포좀(Liposomes)’의 개념을 제출하였다(Adv. Funct. Mater., 2012, DOI: 10.1002/adfm.201102052). 그밖에 과제팀은 또 메조포러스 나노생체재료 기반의 형광영상분야에서 골격에 형광기능을 지닌 메조포러스 산화규소 나노입자를 제조하는데 성공하였다(Chemical Communications, 2011, 47, 7947). 최근 과제팀은 충칭의과대학(重慶醫科大學), 충칭의과대학 제2부속병원, 충칭시(重慶市) 하이푸공사(海扶公司) 등 기관과 협력하여 메조포러스 나노생체재료를 비침습 수술치료분야에서 중요한 성과를 올렸다. 고강도 초음파 집적술(High Intensity Focused Ultrasound : HIFU)은 효율적이고 경제적이며 비침습성 치료모델로서 임상에서 광범위하게 응용되고 있다. 하지만 어떻게 하면 초음파를 체내 목표 병변조직의 에너지 증착에 유도시켜 HIFU치료효과를 효과적으로 높이는가 하는 것은 시급히 해결해야 할 기술난제가 되고 있다. 고가 장비에 의존하지 않는 한 상대적으로 조작하기 쉽고 간편한 나노바이오기술이 이러한 난제 해결을 위한 새로운 경로가 되고 있다. 과제팀은 큰 공극구조의 메조포러스 산화규소 공심 나노입자의 코팅과 온도감응형 불화탄소화합물질을 운반하는 방법으로 HIFU의 치료효과를 극대화시켰다(Adv. Mater., 2012, 24,785). MRI 내비게이션기능을 지닌 메조포러스 공심 나노입자를 설계·제조하여 큰 공극구조의 코팅과 온도감응형 불소탄소분자를 운반시켜 MRI 영상과 MRI 정밀 내비게이션 위치추적기능은 물론이고 HIFU치료효과를 극대화하는 이중기능을 갖추었다. 관련 연구성과는 응용화학 분야의 세계적 권위지 앙게반테 케미(Angew. Chem. Int. Ed., 2011, 50, 12505-12509)에 논문으로 실렸다(Angew. Chem. Int. Ed., 2011, 50, 12505-12509).

나노결정 광자기 멀티모드 희토 생물표기재료 최신 연구성과

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희토원소를 도핑한 무기나노 결정체는 높은 광화학 안정성과 생물 호환성, 긴 형광수명과 형광 발사파장 조절가능 등 강점을 보유하고 있어 기존의 분자탐침을 대체할 수 있는 차세대 형광 생물표기(Fluorescent Biomarkers)재료로 각광받고 있다. 또한 가돌리늄이온은 두 번째 바깥층에 7개의 단일전자가 분포되어 있어 자기공명영상 조영제로 광범위하게 응용되고 있다. 만약 광학측정과 자기공명영상 기능을 하나의 나노입자로 실현할 수 있다면 고민감도, 저 투여량으로 생물체내의 암세포 영상, 종양의 조기진단 및 DNA염기서열분석 등을 실현할 수 있다. 중국과학기술부 863계획, 국가자연과학기금, 중국과학원 “백인(百人)계획”, 복건성(福建省)걸출청년기금 등 과제의 지원을 받아 복건물질구조연구소 중국과학원 광전재료 화학물리중점실험실의 천쉬에웬(陳學元)연구팀은 처음으로 KGdF4:Ln3+나노입자 기반의 광전자 멀티모드 생물표기방법을 제출하였다. 즉 희토이온 기반의 긴 형광수명 특성, 시간해상도 측정기술을 이용한 형광측정민감도와 신호 대 잡음비(SNR)를 높였고, 단일나노입자가 대량의 가돌리늄이온을 함유하고 있기에 나노입자의 T1자기공명 영상 이완율은 임상에서 사용하는 Gd-DTPA(이온 이완율 5.86 S–1·mM–1, 나노입자 이완율 3.99 × 105 S–1·mM–1)을 훨씬 초월하였다. 연구팀은 또한 원스톱 용제 열법으로 표면 아미노산 기능의 입방상(相) KGdF4나노입자를 직접 합성하였고 아비딘 단백질의 시간 해상도 FRET측정을 실현하였는데, 측정극한은 5.5nM에 도달하였고 연구성과는 최신호「미국화학회지」(J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 1323)에 개제되었다. 이에 앞서 연구팀은 표면 카르복실 기능의 자기/광 모드의 형광 표기재료 GdF3:Ln3+ 다양한 색상의 발광 나노결정을 합성하였고 74pM 아비딘 단백질에 대한 시간해상도 발광(TRPL) 이질상(heterogeneous phase) 측정(Chem. Eur. J., 2011, 17, 8549)을 실현하였으며, 표면 아미노산 기능의 NaYF4:Ce3+/Tb3+ 나노입자를 제조하였고 시간해상도 FRET측정방식과 결합시켜 4.8 nM의 아비딘 단백질 균일상 측정(Angew. Chem. Int. Ed., 2011, 50, 6306)을 실현한바 있다.

탄소나노튜브박막으로 간단한 구조의 슈퍼커패시터 제작

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최근 중국과학원 물리연구소/북경응집체물리 국가실험실(준비중) 선진재료구조분석실험실의 ‘나노재료와 메조물리학’과제팀은 구조가 간단하고 가벼우며 높은 에너지밀도와 파워밀도의 탄소나노튜브박막으로 만든 슈퍼커패시터 및 제조방법을 고안해냈다. 관련 연구결과는 Energy & Environmental Science(2011, 4, 1440)에 발표되었다. 장수명의 높은 비에너지와 파워밀도의 에너지저축부품을 개발하는 것은 다양한 분야의 연구자들이 관심을 기울여온 과제가 되었다. 과학기술의 발전에 따라 전기자동차 등 다양한 분야의 전원출력에 대한 요구가 크게 높아지면서 전지의 수용능력을 훨씬 초월하였다. 전통적인 커패시터는 출력파워가 크지만 에너지밀도가 한정되어 있어서 실제수요를 충족시키지 못하고 있다. 전기화학커패시터라고도 불리는 슈퍼커패시터는 그 성능이 전통커패시터와 전지사이에 있으며 전지의 높은 비에너지와 전통커패시터의 높은 비출력의 특징을 두루 갖추었다. 슈퍼커패시터는 혼합동력자동차, 대출력 레이더, 휴대폰 정보보존용 백업 전원, 노트북과 무전지 리모컨 등에 응용되고 있다. 휴대식 전자부품이 발전하면서 전통 슈퍼커패시터의 조립방식으로는 현재 전자부품의 발전을 충족시키기에는 역부족하며 슈퍼커패시터는 가볍고 스마트한 방식으로 발전하는 추세이다. 높은 비표면적과 전기전도율을 지닌 탄소나노튜브는 이상적인 슈퍼커패시터 전극재료이다. 현재 주로 탄소나노튜브와 전기전도형 폴리머와 혼합한 다음, 혼합물을 도전 기판에 코팅하거나 기판에 순수 탄소나노튜브를 직접 침전시키는 방법으로 전극재료를 만든다. 하지만 폴리머를 첨가하면 탄소나노박막전극의 전기전도율과 공극율을 줄이며 전하의 전극중의 전이와 전해액중 이온의 전극 공극중의 확산에도 불리한 영향을 미치면서 슈퍼커패시터의 출력밀도를 떨어뜨린다. 반면에 순수 탄소나노튜브박막은 높은 전기전도성과 다공극 구조를 하고 있어 도전기능의 폴리머가 전극에 미치는 영향을 효과적으로 극복할 수 있고 직접 슈퍼캐퍼시터의 전극재료로 삼을 수 있다. 하지만 2가지 탄소나노튜브의 전극을 금속기판이나 기타 기판에 코팅할 수밖에 없다. 기판을 사용하면 슈퍼 커패시터의 중량이 늘어나며 금속기판이나 기타 기판의 유연성도 떨어진다. 따라서 탄소나노튜브 베이스의 슈퍼커패시터는 전통 퍼튼타입의 구조, 즉 샌드위치 구조를 유지하고 있다. 어떻게 하면 탄소나노튜브로 고성능의 간단한 구조의 슈퍼커패시터를 제조하는가 하는 문제는 미래 탄소나노튜브를 이용한 슈퍼커패시터의 발전방향이 되었다. 다년간 탄소나노튜브박막의 제작, 물성 및 응용기초 연구에 주력해온 물리연구소의 나노재료/메조물리학 과제팀은 그동안 많은 성과를 올렸다(Nano. Lett. 2007, 7, 2307; Adv. Mater. 2009, 21, 603; Nano. Lett. 2009, 9, 2855). 최근 이 과제팀의 뉴즈치앙(牛志强)박사, 저우웨이야(周维亚)연구원, 시에스선(解思深)원사 등과 호주 울런공 대학교(University of Wollongong) 지능복합체연구소의 천쥔(陈俊)박사, 물리연구소 청정에너지실험실 E01팀의 리훙(李泓)연구원, 펑궈싱(冯国星)박사가 협력 연구를 통해 직접 생장시킨 샐프지탱형 유연성 탄소나노튜브박막의 高전기전도율, 높은 역학성능, 高자기흡착력 등의 특징을 이용해 구조가 간단하고 가벼우며 에너지밀도와 출력밀도가 높은 탄소나노튜브박막의 슈퍼커패시터 및 제조방법을 제출하였다. 연구팀은 유기 용액을 평평하게 코팅하는 방법으로 직접 생장시킨 탄소나노튜브박막의 자기흡착성을 이용해 임의 수량의 탄소나노튜브 박막을 매우 평평하고 탄탄하게 슈퍼커패시터의 격막에 조립시킴으로써 탄소나노튜브 박막간의 연결저항을 효과적으로 줄였고 탄소나노튜브박막 전극의 출력밀도를 높이는데 유리하다. 게다가 이 방법은 직접 생장시킨 탄소나노튜브 박막의 면적과 두께가 박막전극을 제조하는데 있어서의 한계를 벗어났고 대전기용량의 탄소나노튜브 슈퍼커패시터의 전극재료 면적과 두께의 수요를 해결할 수 있게 되었다. 연구팀이 위의 방법으로 얻은 규칙이 있는 치수와 표면형태의 탄소나노튜브 박막은 직접 전극재료와 집전장치로 삼을 수 있으며, 코일링형태의 간단한 구조의 고성능 슈퍼커패시터를 조립할 수 있다. 이러한 설계와 조립기술은 탄소나노튜브박막과 금속 집전장치간의 접촉저항을 효과적으로 제거하였고 슈퍼커패시터의 구조를 간소화하였으며 슈퍼커패시터의 무게를 경감시켰다. 이 기술은 탄소나노튜브박막으로 만든 슈퍼커패시터의 실제 응용에 중요한 의의를 지닌다. 실험결과, 간단한 구조의 슈퍼커패시터는 이상적인 더블전기층 전기용량행위를 구현하였고 전위가 바뀌어질 때 전류 반응이 양호하며 탄소나노튜브박막 슈퍼커패시터의 충방전 효율은 99%에 달하며 계산하여 얻은 정전용량은 35 F/g, 에너지밀도는 43.7 Wh/kg, 최대출력밀도는 197.3 kW/kg이다. 이는 활성탄소재료로 제조한 전통 슈퍼커패시터의 에너지밀도(1-10 Wh/kg)와 출력밀도(2-10 kW/kg)보다 훨씬 높다. 그밖에 간단한 구조의 슈퍼커패시터는 우수한 주파수특성을 나타내었다.

청해성 염호의 마그네슘자원으로 희토마그네슘합금을 만든다

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최근 중국과학원 산하의 연구소가 청해성에 위치한 염호(鹽湖)의 불완전탈수처리를 거친 염화마그네슘을 원료로 희토마그네슘 중간합금을 제조하는데 성공했다. 이는 중국이 청해성 염호의 무궁무진한 마그네슘자원을 종합적으로 이용하고 부가가치를 높이며 향후 희토마그네슘 중간합금의 양산화를 실현하는데에 전략적인 의의를 지닌다. 1월 8일, 청해성 과기청은 과제심사팀을 구성해 중국과학원 청해염호연구소와 장춘응용화학연구소가 공동으로 수행한 청해성 중대과기공관과제 ‘청해염호의 불완전탈수 염화마그네슘을 원료로 전해제조법으로 희토마그네슘합금 제조 시험연구’에 대한 과제심사를 마쳤다. 과제팀은 독자적으로 개발한 창의적인 공정기술을 이용해 불완전 탈수 염화물을 원료로 전해법으로 마그네슘희토중간합금을 제조하였다. 마그네슘-경희토중간합금(Mg-Ce, Mg-La, Mg-LaCe)중간테스트를 마쳤고, 합금전해공법의 기술지표는 다음과 같다. 희토함량 10-60wt%,희토회수율 >78%,마그네슘 회수율 >96%,전류효율 60-75%이다. 프로젝트를 수행하는 과정에 특허를 28건 신청하였고, 그중 14건은 출원하였다(특허 등록건수 9건). 염화물을 원료로 원스텝 전해제조법으로 제조한 마그네슘중간합금 원료의 원가를 크게 줄이는 효과를 보았다. 과제 심사에 참가한 전문가들은 과제가 기술수준이 높고 원가가 저렴하며 경제적 사회적 효과가 뚜렷하고 연구성과는 국제 선진수준에 도달하였다고 평가하였다.