기계/재료

중국 ZnO기반재료와 부품연구 진전

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중국과학원 장춘광학기계연구소, 물리연구소, 반도체연구소, 복건물질구조연구소, 상해광학기계연구소와 중국과학기술대학이 공동 수행한 중국과학원 지식혁신공정 중요방향과제인 ‘ZnO기반재료, 부품 관련 물리문제연구’가 북경에서 검수를 통과하였다. 이 과제는 중국의 ZnO 광전자부품의 발전을 제약했던 병목문제를 해결하였고, 해당분야의 국제위상을 높였으며 반도체재료를 국제경쟁력을 지닌 신성장동력산업으로 발전시키는데 중요한 의의를 지닌다. ZnO는 직접밴드갭의 광폭금지대 반도체재료로서 실온에서 에너지밴드폭은 3.37eV, 엑시톤 결합에너지(exciton binding energy)는 60meV에 달한다. ZnO는 고효율 자외선 발광다이오드, 레이저다이오드, 자외선탐지기 등을 제조하는 중요 재료로서 반도체조명공정, 미사일경보, 정보디스플레이, 광통신 등에 응용된다. ZnO의 잠재된 응용가치를 발현하기 위해 2006년에 중국과학원 기초연구국은 장춘광학기계연구소를 중심으로 ZnO연구팀을 구성하였다. 연구팀은 ZnO연구에 존재하는 p형 도핑, 고품질 단결정박막, 단결정 기판 등 병목문제에 비추어 심층적인 기초연구를 추진했다. 4년 남짓한 연구 끝에 연구팀은 많은 창의적인 원천 연구성과를 올렸다. 플라즈마처리와 저온 완충층법을 채택해 사파이어기판에 고품질의 원자급 ZnO 단결정박막을 제조하였고, N도핑형태 제어를 통해 N을 도핑한 p형 ZnO박막을 제조하였으며, Li-N 결합방법을 도입해 메인도핑 안정성을 높였고, ZnO 동종접합의 실온 청자색 전기발광을 실현하였으며 국제 최초로 실온에서 저역치 ZnO박막의 이질접합 전기펌프 유도방출을 관찰하였다. 그밖에도 Mg빔 정밀제어방법 및 상분리를 억제하는 템플릿법을 개발하여 밴드갭 제어성 MgZnO 박막을 성장시켰고 MgZnO기반 자외선탐지 시제품 부품을 개발하였으며, 수열법으로 대규격의 낮은 전위 밀도의 ZnO단결정을 성장시켰고, 제일원리 계산을 통해 ZnO 받개 불순물의 이온화에너지와 안정성을 체계적으로 연구하였으며 ZnO의 p형 도핑을 실현하는 실험방법을 제출하는 등의 연구성과를 올렸다.

‘우주선 광학 CCD이미지센서 전용 지상보정장비’ 기술검증 통과

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5월 11일 시안광학정밀기계연구소 검사측정센터가 개발한 ‘운반용 우주선 광학 CCD이미지센서 광학시스템 전용 지상보정장비’가 중국과학원 시안분원이 주관한 품평회에서 기술검증을 통과했다. 이 프로젝트는 스타포인트방법을 적용하여 광학시스템 이미지 평면에서 왜곡테스트 원리를 제시하고, 테스트장비 개발에 성공함으로써 왜곡테스트 기술 연구의 신규 방향을 유도했다. ‘운반용 우주선 광학 CCD이미지센서 광학시스템 전용 지상보정장비’는 현미경촬영시스템을 적용해 광학시스템 이미지 평면에서 수신기로 삼아 광학 줌 세분화 및 이미지 가중 무게중심(weighted centroid) 판독법과 결부해 스타포인트방법에 의한 이미지 위치를 측정했다. 한편 레이저 간섭법을 이용해 광학시스템 이미지 평면에서 현미경시스템의 배수량에 대한 고정밀 측정을 진행해 이미지 높이 측정 정밀도를 수십 나노미터로 끌어올렸다. 이 장비는 왜곡 측정 정밀도가 높으며, 광학시스템의 왜곡 설계와 결부시켰고, 왜곡 알고리즘은 가중최소제곱법과 턴테이블 표준각도를 이용해 이론적인 이미지 높이를 계산했다. 광학시스템의 영상공간 ±10mm 범위 내에서 절대적인 왜곡 측정 정밀도는 ±0.2μm보다 높았으며, 상대적인 왜곡 측정 정밀도는 0.002%보다 높았다. 사용자 사용을 통해 이 장비는 고정밀도 왜곡 측정이 가능함이 규명되었으며, 측정대상 광학시스템의 이미지 왜곡 변화와 분포를 진실하게 반영할 수 있어 '운반용 우주선 광학 CCD이미지센서 광학시스템 전용 지상보정장비'로 인정받았다.

상해응용물리연구소 2차원 나노소재 합성

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최근 영국왕립학회의 저명학술지 "Energy & Environmental Science" 온라인판에 중국과학원 상해응용물리연구소 물리생물학실험실과 상해광원*(上海光源, SSRF)이 2차원 나노소재 및 오염물 촉매분해에 관한 연구성과(DOI:10.1039/C1030EE00495B)를 게재하였다. 2차원나노소재는 독특한 광전기특성으로 인해 고체나노소자, 센서 및 기능성박막 등의 다양한 분야에 광범위하게 응용되고 있다. 하지만 Self-supporting 초박형 2차원 나노소재는 물리 혹은 화학기상증착법으로 솔리드베이스에서 성장시키는 방법으로 제조하기에 얻기 힘들다. 상해응용물리연구소 물리생물학실험실의 펑청(彭程)박사는 반춘하이(樊春海)연구원의 지도하에 상해광원 물리화학과학부의 타이인중(邰仁忠)연구원과 공동으로 그라핀의 2차원 평면을 stencil plate로 하여 용액에서 셀프서포팅 초박형 2차원 γ-FeOOH 나노소재를 합성해냈는데, 사이즈는 200nm, 두께는 2nm이다. 상해광원 소프트x선 현미 시험소(experimental station)에서 30nm의 소프트 x선 나노탐침으로 200nm 샘플 스캐닝 영상을 통해 γ-FeOOH중 3가철이온의 분포도면을 얻었다. 이는 2차원 구조의 원자가 및 그라핀 표면의 분포상태를 확정하는데 결정적 근거를 제공하였다. 이러한 2차원 나노신소재는 촉매활성이 뛰어나 용액중의 페놀과 같은 유기오염물질을 효율적으로 분해할 수 있다. 게다가 이러한 나노촉매제의 안정성은 실험실이 앞서 보도한 산화철 나노입자보다 훨씬 높아 환경보호 및 촉매응용분야에서의 응용전망이 밝다.(Nano Research, 2009, 2, 617) 상해광원이란(Shanghai Synchrotron Radiation Facility. SSRF): 중국 최대규모의 중대과학공정으로 중에너지 제3세대 싱크로트론방사광원에 속함. 상해장쟝첨단과학기술단지(张江高科技园区)에 위치해 있으며, 부지면적은 300무이며, 2004년 12월 25일에 착공하여, 2010년 1월 19일 국가 검수통과. 중국과학원과 상해시정부가 공동으로 건설한 공정으로, 총 투자액은 12억위안에 달했다.

2011년도 희토류 국가계획 채굴량 9만3,800톤으로 확정

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4월 25일 중국공업신식화부는 2011년도 텅스텐, 주석, 안티몬, 몰리브덴과 희토류를 포함한 5종 희소금속 국가계획 채굴량을 대외에 발표하였다. 텅스텐정광, 주석정광, 안티몬정광, 몰리브덴정광과 희토류 제련분리제품 생산지표는 작년보다 소폭 상향조정한 것으로 나타났다. 그중 텅스텐정광(WO3 65%)의 생산지표는 작년의 8만톤에서 8만7천톤으로, 안티몬정광(금속량 환산)은 10만톤에서 10만5천톤으로, 주석정광(금속량 환산)은 6만5천톤에서 7만3천톤으로, 몰리브덴정광(몰리브덴함량 45%)은 18만5천톤에서 20만톤으로 상향조정하였다. 희토류(REO) 광제품의 생산통제지표는 9만3,800톤으로 작년의 8만9,200톤에 비해 약 5% 상향조정하였고, 희토류 제련분리제품은 2010년의 8만6천톤에 비해 소폭 상향조정한 9만4백톤이다. 올해와 작년의 희소금속 국가계획 채굴량을 비교해보면 복건, 광서, 광동, 운남, 사천 지방의 채굴량이 비교적 많이 늘어났고, 희토류는 강서, 복건, 사천, 호남 지역의 채굴량이 소폭 상승한 것으로 나타났다. 이번에 발표한 국가계획 채굴량은 국가의 텅스텐, 주석, 안티몬, 몰리브덴, 희토류 국가계획 채굴 관리시행 요구에 근거해, 공업신식화부가 발전개혁위원회, 국토자원부와 함께 연구하여 제정한 것이다. 각 지방공업 주무부처는 전달받은 채굴지표에 근거해 4월 10일까지 지표를 세분화하여 중점기업 위주로 배분하되, 지표를 초과하여 채굴해서는 안된다. 또한 계획 시행 상황을 정기적으로 체크하고 문제점을 발견한 즉시 수정해야 한다.

중국과기부 향후 5년간 3억5천만위안을 투입해 희토류 응용연구개발 지원

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중국비철금속산업협회가 과기부에 제출하여 통과된 희토산업 ‘12차5개년’기간 신청과제 가운데 희토재료의 영구자석, 수소저장재료, 발광재료, 촉매제 등 4개 분야의 응용연구개발과제가 포함되었다. 향후 5년동안 과기부는 희토응용개발과제에 총 3억5천만위안의 경비를 직접 투입할 예정이다. 이는 국무원상무회의에서 확정한 ‘희토산업의 지속적인 건전한 발전촉진정책’의 연장선상에서 국가차원에서 희토류 응용개발기술연구에 전폭적인 지원을 기울인다는 방침이다. 희토응용개발분야는 채굴, 추출, 분리를 제외한 희토산업사슬의 하부를 가리킨다. 이미 성숙된 응용제품으로는 수소저장재료, 발광재료, 영구자석, 촉매제 등이 있다. 그중 발광재료는 주로 LED조명분야에 응용되고 촉매제는 주로 철강생산, 화공분야에 응용되며 영구자석재료는 주로 모터생산에 응용된다. 모터는 또 공업, 기계, 전자제품 등의 분야에도 광범위하게 응용되며, 수소저장재료의 연구개발은 에너지저축기술(배터리)의 원가절감, 수명연장, 안전계수 제고 등과 관련되며 에너지저축기술 확보는 국가 신에너지산업의 발전전망과 직결되어 있다. 리커창(李克强) 중국부총리가 희토류 산업에 대한 철저한 감독시스템을 구축할 것을 지시했다고 관영 신화통신이 23일 보도했다. 3월 21일 리커창은 내몽고 시찰기간 바오터우희토연구원을 방문하고 ‘희토는 말 그대로 소중한 자원이기에 산업감독체계를 철저히 갖추고 자원보호와 환경보호를 강화하며 이를 토대로 집약적인 개발, 효율적인 이용, 순환발전을 추진하며, 특히 희토류의 핵심응용기술연구와 산업화를 가속화할 것’을 강조했다. 이로부터 희토류 핵심응용기술 확보의 중요성을 인식한 중국정부가 국가차원에서 희토류의 응용분야의 연구개발 강화에 나섰음을 알 수 있다.

화상처리기술 기반 자동차안전시스템 개발 성공

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승용차 한 대가 차선을 변경하여 고속 주행하는 과정에 갑자기 통제력을 상실하고 옆에서 정상적으로 달리는 차량과 충돌하는 중대한 교통사고는 피할 수 없듯이 보인다. 이 위기일발의 시각에 통제력을 잃은 차량이 신기하게도 차머리를 돌려 곧 충돌할 차량을 스쳐지나간다. 이처럼 승용차 운전기사가 위험에 직면해서도 침착하게 충돌을 피할 수 있었던 것은 남경이공대학 컴퓨터과학 및 기술단과대학이 개발한 ‘시각 정보처리 기반 차량 능동 안전 핵심기술’ 덕분이다. 지난 4월 19일 기자는 남경이공대학에서 연구원이 해당 기술의 신비성을 시연하는 장면을 목격했다. 현재 세계에서 도로교통사고로 연간 1,000만 명이 상처를 입고 40만 명이 사망하며, 직접적인 경제적 손실은 세계 GDP의 13%이다. 미국 연방 고속도로안전관리국(NHTSA)의 평가보고서에 의하면 미국 내 모든 치명적인 교통사고 가운데 44%가 차선 변경과 관련된다. 이밖에 자동차의 백미러는 시야 폭의 부족으로 사각지역이 존재하는 문제점이 있다. 관련 업계 통계에 의하면 백미러 사각지역으로 인해 일어나는 교통사고는 중국에서 약 30%이고, 고속도로에서 차선 변경으로 발생하는 교통사고의 70%가 사각지역으로 일어나는 것으로 드러났다. 남경이공대학 컴퓨터과학 및 기술단과대학은 2009년 6월 홍콩생산력촉진국과 공동으로 ACAS와 ILAS 등 두 개의 자동차안전시스템 프로젝트 연구개발사업을 추진했다. 올해 2월에는 관련 기술을 적용한 제품에 대한 테스트를 수행했다. 소위 ACAS란 ‘선진 자동차 충돌방지 시스템 개발’을 가리킨다. 자동차 주변에 웹캠과 밀리미터파 레이더 등 두 가지 유형의 센서를 설치하고, 주행과정에 차 앞의 장애물을 동시에 검출한다. 자동차가 장애물과 충돌위험이 있는 상황에서 경보하여 운전기사가 상응한 조치를 채택해 후면과 측면 충돌 등 교통사고의 발생을 피하게 한다. ILAS는 ‘차선 검출 및 탄젠트 보조시스템"이다. 시각 센서를 통해 차량 주위환경, 특히 차 앞의 약 80도 각도 지역 및 차량 측면과 후면의 약 60도 각도 지역의 시각정보를 획득한다. 자동차 주행과정에 나타날 가능성이 있는 차선 변경의 위험, 그리고 차선 변경 시의 사각지역 차량과의 충돌위험을 적시에 경보하여 운전기사의 안전을 확보한다.

중국최초의 기업부설 경질합금 국가지정중점실험실

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주저우(株洲)경질합금집단은 경질합금분야 중국 최초의 국가지정중점실험실을 부설하였다. 공업의 ‘치아’로 불리는 경질합금은 금속절삭툴과 시추채굴툴의 핵심재료로서 야금, 기계, 지질, 석탄, 석유, 화공, 전자, 방직 및 방위 등의 분야에 광범위하게 응용된다. 국가지정 경질합금 중점실험실의 부설로 국가 경질합금산업의 기술혁신, 제품 고도화와 시장경쟁력을 크게 높이고 경질합금산업을 크게 발전시킬 것이다. 주저우경질합금집단은 50년간의 발전을 거쳐 중국 최대의 경질합금생산, 연구개발, 수출과 인재양성기지로 도약하였고, 11차5개년기간 특허출원건수는 204건, 신제품개발 품목은 118건, 신제품 기여도는 28%에 달하였다고 양버화(楊伯華)대표가 소개했다. 향후 실험실은 나노경질합금제조기술, 조대 경질합금(coarse grain cemented carbide)제조기술, 코팅층 및 툴기술, 경질합금사용기술 등에 대한 연구를 집중적으로 추진할 예정이다.

바오터우희토연구원 적색 잔광성 발광재료 개발

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바오터우희토연구원은 희토티탄산칼슘계열의 적색 잔광성형광체를 개발하였다고 밝혔다. 이 형광체의 초기휘도는 시중에 유통되는 적색 형광체의 200%이상이며, 발광성이 우수하고 잔광성이 양호하며 물리화학성능이 안정적이며, 합성공법이 간단한 것이 특징이다. 잔광성 희토발광재료의 발광원리는 흡수한 태양광이나 기타 빛에너지가운데 일부를 에너지로 저축한다음, 가시광의 형태로 서서히 방출한다. 이러한 에너지절약형 신소재는 미광조명, 응급지시등, 건축물장식과 공예미술 등의 분야에 광범위하게 응용된다. 최근 정보저장, 고에너지 방사탐지, 영상디스플레이 등의 응용분야에 이르기까지 확장되면서 사람들의 주목을 받고 있다. 그동안 청색과 황록색 형광체는 산업화를 실현하였으나, 적색 형광체는 산업화를 실현하지 못하고 있었다. 잔광성 형광체의 잔광시간이 짧고 발광휘도가 낮으며 안정성이 떨어지는 등의 문제점을 해결하기 위해 바오터우희토연구원은 고온 고상반응으로 적색 잔광성 형광체의 산업화 개발에 나섰고 액상합성방법으로 재료합성에 성공하였으며 발광재료 시제품을 개발해냈다. 연구과정에 바오터우희토연구원은 국가발명특허와 실용신안을 각각 하나씩 출원하였다. 이는 바오터우희토연구원이 최근에 올린 희토연구분야의 대표적인 성과이다.

중국 희토자원세 10배 인상

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중국정부가 희토 발언권을 장악하기 위해 부분 희토류 제품의 수출관세를 상향조정한데 이어 희토류 자원세액을 10배이상 인상하는 조치를 취했다. 재정부와 국가세무총국은 4월 1일부터 희토류 광석 자원세의 기준세액을 최소한 10배이상 일괄적으로 상향조정한다는 통지를 발표하였다. 이번 세액의 조정으로 바스트네사이트(bastnasite), 모나자이트(monazite)를 포함한 경(輕)희토류에는 톤 당 60위안, 제노타임(xenotime), 이온형 희토광 등을 포함한 중중(中·重)희토류에는 톤당 30위안의 세금을 부과하기로 결정하였다. 기존의 자원세 잠정조례규정대로라면 희토류 광석은 그동안 ‘기타 비철금속 원광’세목에 포함시켜 톤당 0.50~3.00위안의 자원세를 적용해왔다. 이번에 자원세액기준을 대폭 인상한 것은 중국정부가 희토자원을 보다 엄격히 통제하기 위한 조치이다. 신에너지, 신소재, 환경보호, 우주항공과 전자정보 등 전략적 신성장동력산업의 관련 분야에 날로 광범위하게 응용됨에 따라 희토는 전략적 신성장동력산업의 필수적인 관건 원재료가 되었다. 자원세액기준을 인상하면 희토기업의 채굴원가를 상승시켜 희토자원을 한층 더 집중하는데 유리하며 특히 일부 중대형 기업의 자원공급물량을 확보하는데 유리하다는 것이 전문가의 분석이다. 바오터우의 희토산업 관계자는 세액을 인상하면 기업이 부담하는 채광원가가 높아져 일부 중소기업이 도태될 가능성이 있다고 분석했다. 희토자원이 소수 대기업에 집중될 경우 희토자원 채굴단속과 자원의 효율적인 이용에 유리하게 작용할 것이다. 올해 양회(兩會)기간 일부 대표는 희토자원세 세율을 높일 것을 제안을 한 적 있으며, 관계 부문은 희토자원세 세액을 높이는 방법으로 희토시장가격에 자원 희소성과 채굴의 환경원가를 반영하며 또한 수급관계를 변화시킴으로써 밀수와 기타 국가의 희토사재기현상을 효과적으로 억제할 것을 제안한바 있다. 이에 앞서 희토류의 저가 판매현상을 돌려세우기 위해 정부차원에서 다양한 정책조치를 취하였다. 2007년부터 중국은 희토류 생산지령성계획을 실시하였고 또한 해마다 수출쿼터총량을 감소하여 희토수출을 규제함으로써 국제시장에서의 희토가격을 일정정도 높였다. 중국이 희토산업의 발언권을 장악하기 위해서는 희토가격 인상이나 자국내 우위기업의 자원집중과 재배분에 의존하기 보다는 희토 정밀가공분야를 발전시키는 것이 우선 풀어야 할 숙제로 남아있다.

중국 저가의 태양전지용 다결정규소잉곳 핵심기술 개발

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다결정규소 잉곳 생산기술을 이용하여 단결정규소를 인상(pulling)한 것과 똑같은 효과의 고부가가치제품을 가공할 수 있게 되었다. 최근 정룡실업집단(晶龙实业集团) 산하의 동해정오태양에너지과기유한공사(东海晶澳太阳能科技有限公司)는 ‘초대형 결정입자 준단결정규소잉곳’기술을 개발하여 원가투입비용을 기존의 160위안에서 60위안으로 절감할 수 있다. 단결정을 인상(pulling)가공하면 결정방향이 단일하고 결함이 적으며 전지효율이 높은 것이 장점이며, 한번에 투입하는 원료가 적고 조종하기 복잡하며 원가가 높은 것이 단점이다. 반면에 다결정규소 잉곳은 원료투입물량이 크고 조종이 간단하며 원가가 낮은 것이 장점이지만 결정입계 및 결함이 존재하고 전지전환효율은 단결정보다 낮은 것이 단점이다. 동해정오태양에너지과기유한공사의 총경리인 황신밍(黄新明)박사가 이끄는 연구진은 단결정규소 잉곳기술 개발에 성공했다. 이 기술로 초대형 결정규소 잉곳을 획득했고 준단결정 실리콘칩을 가공하여 양산화를 실현하였다. 이 기술은 조종성이 강하고 보급하기 용이하며 안정적이어서 제품성능은 단결정규소의 장점을 지니며 게다가 산소함량은 단결정을 인상한 것보다 적게 함유되어 있으며, 원가도 훨씬 저렴하다. 이 생산공법은 에너지소모(7kWh/h)가 낮고, 원가가 저렴하며 환경친화적이다. 준단결정규소 잉곳기술의 개발 및 생산을 수행함과 동시에 과제수행과정에 또 준단결정규소칩의 특징과 결부시켜 관련 전지공법을 개발했다. 신규공법으로 가공한 전지칩의 효율은 평균 17.2%이상으로 다결정규소 전지보다 1% 높은 18.3%에 달하며 단결정 잉곳의 전지총공률은 2~4kW 높은 것으로 나타났다. 다결정규소 잉곳과 비교하였을 때 단결정 잉곳기술을 채택하면 대당 잉곳전기로로 생산능력을 연간 0.3~0.4MW 높일 수 있어 대당 약 3천~4천위안의 수익을 더 올릴 수 있다. 그밖에 연구진은 다수의 핵심기술을 개발하였고, 국가발명특허 3건, 실용신안특허 1건을 출원하였다. 연운항시(连云港市)과기국이 전문가팀을 구성하여 기술감정을 거친 결과 기술은 국제선진국수준에 도달한 것으로 나타났다. 태양에너지제품 생산업체인 정룡실업집단은 중국 500대 기업으로, 세계 최대규모의 단결정규소생산기지를 갖추었으며, 산하에 30여개의 자회사를 두고 있으며, 직원은 2만명에 달한다. 하북성 닝진현(宁晋县)에 본부를 두고, 낭방연교(廊坊燕郊), 석가장(石家庄), 형태(邢台), 상해, 강소(江苏) 등지에 생산거점과 연구개발기지를 두고 있으며, 독일과 미국에 R&D기구를 설립하여 운영하고 있다. 지난 2003년부터 정룡실업집단의 태양에너지급 단결정규소 생산량은 연속 7년 세계 제1위를 유지해왔으며 국가화거(火炬)계획 태양에너지규소재료산업기지로 지정되었다. 현재 태양전지 생산량은 세계 제1위이며, 세계 10대 광발전기업의 반열에 진입했다. 그 산하의 동해정오태양에너지공사는 하북성이 최초로 미국 나스닥증권거래소에 상장한 민영기업이다.