기술동향
/작성자:

항균 항생물부착 생체모방 다이아몬드 박막 개발

중국과학원 선전(深圳)선진기술연구원 선진통합기술연구소 기능성박막재료연구센터 탕융빙(唐永炳) 연구팀과 생물의약기술연구소 인체조직·기관퇴행성연구센터 자오잉(趙穎) 연구팀은 공동으로 자가세정, 항균, 항생물부착, 내마모 및 내부식 특성을 보유한 신형 생체모방 멀티레벨 다이아몬드 기능막을 개발해 의료 방호 및 해양기기 오염방지에 해결방안을 제공하였다. 해당 성과는 "Robust Biomimetic Hierarchical Diamond Architecture with Self-cleaning, Antibacterial and Antibiofouling Surface"란 제목으로 "ACS Applied Materials & Interfaces"에 온라인으로 게재되었다. 미생물은 공공장소, 의료기계 및 해양 정밀기기에 부착해 세균 감염, 의료기계 고장, 해양기기 성능저하를 초래한다. 미생물의 부착을 억제하면 전염병의 전파를 차단할 수 있지만 기존 폴리머 등 항부착재료의 미흡한 기계적 성능, 낮은 화학적 안정성 등 결함으로 인해 항균 항생물부착의 내구성에 영향을 미친다. 다이아몬드는 내마모, 내부식, 생체적합성 등 장점이 있어 신형 항부착재료로 거듭날 전망이다. 연구팀은 다이아몬드 박막 제조 관련 선행 연구에 기반하고 자체적으로 개발한 단계적 결정이식(seeding) 기상증착법을 통해 식물 잎사귀 생체모방 구조를 보유한 초소수성(superhydrophobic) 마이크로나노급 다이아몬드 기능막을 성공적으로 구축하였다. 해당 기능막은 연꽃잎처럼 진흙탕에서도 깨끗함을 유지할 수 있는 자가세정, 항부착 기능을 구현함과 아울러 매우 높은 기계적 성능 및 화학적 안정성을 부여하였다. 생체모방 다이아몬드 박막은 비코팅 티타늄합금에 비해 대장균 부착을 99% 억제하며 해양환경에서 무도금막 티타늄합금 및 석영유리에 비해 녹조 부착을 95% 이상 감소시킨다. 이외 내마모 성능은 무도금막 티타늄합금의 20배 이상에 달한다. 해당 박막을 부식성 액체에 담구어 1개월 지난 후에도 물리화학적 성질은 변화하지 않으며 항균성도 그대로 유지한다. 현재 동 방법으로 티타늄합금, 실리콘, 석영유리 및 세라믹 등을 포함한 다양한 복잡 형태 상업용 생체모방 모재에서 생체모방 다이아몬드 박막 제조를 구현할 수 있다. 해당 박막은 항균 항생물부착 재료로서 첨단 의료장치 및 해양 정밀기기 분야에의 응용전망이 밝다.

벨라루스 통신위성 발사 성공

/
2016년 1월 16일 0시 57분, 중국 시창(西昌)위성발사센터에서 창정3호을(長征三號乙) 운반로켓으로 벨라루스 통신위성1호를 성공적으로 발사하여 예정된 궤도에 진입시켰다. 중국은 이로써 2016년 첫 우주 발사 임무를 완벽하게 수행하였다. 벨라루스 통신위성1호는 벨라루스 공화국의 첫 통신위성이자 중국에서 최초로 유럽 사용자에게 궤도상 교부 서비스를 제공한 위성이다. 이번 발사 임무의 성공은 중국 우주 분야가 유럽 시장을 열고 글로벌 서비스를 제공하는 중요한 첫 걸음이다. 2011년에 체결된 벨라루스 통신위성1호 프로젝트 계약서 규정에 의해 창청회사는 항천과기그룹 산하의 중국운반로켓기술연구원, 중국공간기술연구원, 중국위성발사 TT&C시스템부와 공동으로 위성 설계, 제조, 총 조립, 시험과 발사 임무를 수행하고 “궤도상 교부”의 방식으로 해당 위성 및 관련 지상 TT&C 시스템을 벨라루스에 납품하였다. 둥팡훙(東方紅)4호 위성 플랫폼을 사용한 벨라루스 통신위성1호는 총 38채널 C주파대역과 Ku주파대역 트랜스폰더를 탑재하고 있으며 발사질량은 5.2 kg, 설계 수명은 15년이며 51.5°E 지구 동기 궤도에서 향후 벨라루스 및 커버지역의 방송, 통신, 원격 교육과 광대역 멀티미디어 등에 서비스를 제공할 예정이다. 창정3호을 운반로켓은 중국항천과기그룹회사(中國航太科技集團) 산하의 운반로켓기술연구원에서 연구 제조하였으며 이번 발사는 창정계열 운반로켓의 223번째 비행이다.

자계집속 홀전기 추진시스템 개발

/
최근, 중국항천과기그룹회사(中國航天科技集團公司) 제5연구원 502연구소에서 연구개발한 자계집속 홀전기 추진시스템(magnetic focusing Hall electric propulsion system)을 납품하였다. 이 시스템의 각종 성능 지표는 전체적인 요구에 도달하였으며 고궤도 위성에서 전기 추진 시스템의 첫 비행 검증을 수행할 예정이다. 차세대 홀전기 추진 기술은 현재 국제적 발전 추세이며 중국 차세대 통신, 전전기 추진(All-electric propulsion) 등 위성 플랫폼에 널리 응용될 수 있다. 해당 시스템의 성공적인 개발은 동종류 시스템이 고궤도 위성에서의 통합과 응용을 구현하였으며 제품, 서브시스템, 위성 전체를 포함한 완전한 전기 추진 안전성 기술을 제안하였다. 중국의 1세대 홀전기 추진 시스템에 비하여 차세대 자계집속 홀전기 추진 시스템은 비추력, 효율, 플룸 발산각(Plume divergence angle) 등 측면에서 뛰어난 장점을 가지고 있으며, 비추력, 효율 등 성능 지표를 중국 외 동종류 제품보다 20% 이상 높일 전망이다. 현재, 국제적으로 차세대 자계 집속 홀 전기 추진 시스템은 지면 테스트를 완성하였지만 궤도 비행 검증을 진행한 사례는 아직 없다.

2015년도 중국 원자력분야 10대 뉴스

/
1. 원자력산업 창건 60주년을 맞아 시진핑, 리커창 중요 지시 2015년 1월 15일, 중국원자력산업 창건 60주년에 즈음하여 국가경제사회의 발전과 국민생활수준 향상에 대한 원자력산업의 기여를 높이 평가하면서 동시에 원자력의 안전하고 혁신적인 발전과 평화적 이용을 주문하였고 원자력산업의 핵심 경쟁력을 전반적으로 향상시킬 것을 지시하였다. 2. 국가 3개 부서, “원자력안전문화정책설명” 공동 발표 2015년 1월 14일 국가핵안전국, 국가에너지국, 국가국방과공국(国家国防科工局)은 전업종의 원자력안전문화 육성·발전을 위한 중요 조치로 “원자력안전문화정책성명”을 공동 발표하였다. 3. “화룽1호(华龙一号)” 시범공정 등 6기 원자로 착공, 건설중 원자로 규모 세계 선두 2015년 3월 29일 훙옌허(红沿河)원전 5호기, 5월 7일 푸칭(福清)원전 5호기, 7월 24일 훙옌허원전 6호기, 12월 22일 푸칭원전 6호기, 12월 24일 팡청강(防城港)원전 3호기, 12월 27일 톈완(田湾)원전 5호기 등 6기 원자로를 착공한 가운데 푸칭 5/6호기와 팡청강 3호기는 중국이 독자설계한 제3세대 “화룽1호” 원자력발전 기술을 도입하였다. 2015년 12월말 기준으로 중국의 건설중 원자로는 24기로 건설중 원전 규모는 계속하여 세계 선두이다. 4. 팡자산(方家山)원전 2호기 등 8기 원전 차례로 가동 2015년 2월 12일 친산(秦山)원자력발전소 확장건설 프로젝트인 팡자산원전 2호기, 6월 9일 양장(阳江)원전 2호기, 6월 10일 닝더(宁德)원전 3호기, 8월 16일 훙옌허원전 3호기, 10월 16일 푸칭원전 2호기, 12월 26일 창장(昌江)원전 1호기 등 6기 원전이 차례로 가동되었다. 2015년 12월말 기준으로 중국은 운행중 원자로 30기를 보유하였고 이중 28기는 상업 운행에 들어갔다. 5. 백만kW급 원전 핵심 설비·재료의 국산화율 85%에 도달 원전 핵심 설비·재료의 자율화와 국산화 수준은 꾸준히 향상되었고 독자개발한 “화룽1호”의 국산화율은 85%에 도달하였다. 중국은 원전 주요 설비를 매년 8세트 정도 제조할 수 있는 하드웨어 조건과 동시에 30기 원전을 착공할 수 있는 시공 능력을 보유하였다. 6. 다야완(大亚湾) 중성미자 프로젝트, “기초물리학 혁신상” 획득 2015년 11월 9일, 미국 캘리포니아 산호세에서 열린 “혁신상(BREAKTHROUGH PRIZES)” 수상식에서 다야완 중성미자 프로젝트의 왕이팡(王贻芳) 수석과학자가 중국 최초로 “기초물리학 혁신상”을 받았다. 7. “해외진출” 전략으로 국제원자력협력 성과 풍성 2015년 8월 20일 중국 “화룽1호” 기술을 채택한 파키스탄 카라치원전 2호기 첫 콘크리트 타설시공 경축행사, 2015년 10월 21일 중국광핵집단(CGN)과 프랑스전력공사(EDF)는 영국 힝클리포인트(Hinkley Point) C원전 건설·운영과 관련한 “영국원자력발전프로젝트투자협의”에 서명, 2015년 11월 9일 중광핵(CGN)루마니아원자력발전공사(기획)와 루마니아 국가원자력발전공사는 “Cernavodǎ원전3/4호기프로젝트 개발·건설·운영·퇴역 양해각서”를 체결, 2015년 11월 15일 중국핵공업집단공사와 아르헨티나원자력발전공사는 아르헨티나중수로발전소 사업계약서 및 가압수형원자로발전소 프레임 계약서를 체결하였다. 8. 국가전력투자집단공사 베이징에서 설립 2015년 7월 15일, 중국전력투자집단공사(CPI)와 국가핵전기술유한공사(SNPTC)를 합병하여 국가전력투자집단공사(SPI)를 설립하였다. SPI는 화력발전, 수력발전, 원자력발전, 신에너지 자원을 동시에 보유한 중국유일의 종합에너지그룹이다. 9. 중국핵에너지전력주식유한공사(CNNP), 상하이증권거래소에 상장 2015년 6월 10일, CNNP “중국핵전”이 상하이증권거래소 A주 시장에 상장하여 중국 첫 순수원자력발전 상장사가 되었다. 10. 제11회 중국국제원자력산업전시회 베이징에서 개최 2015년 4월 22일, 중국핵에너지산업협회가 주최한 제11회 중국국제원자력산업전시회가 베이징에서 열렸다. 중국, 미국, 프랑스 등 10개 국가의 근 200개 원전기업 및 연구기관이 전시회에 참여하였다.

2016년 미리보는 중국 우주 발사

/
(1) 위성 2016년 1미터급 해상도의 위성-가오펀(高分)3호와 높은 스펙트럼 카메라와 대기환경 측정 장비를 장착한 가오펀5호가 발사되어 일부 대기 오염물질을 간접적으로 측정할 예정이며 2020년에는 선진적 육지, 대기, 해양 지상 관측 시스템이 완성될 계획이다. 또한, 2018년 베이더우(北斗) 항법 위성이 “일대일로(一帶一路)” 연결 국가를 위한 초기 글로벌 서비스 능력을 형성하고 2020년에 글로벌 서비스 능력을 갖추게 될 것으로 전망된다. (2) 운반로켓 2016년 차세대 운반로켓인 대형 운반로켓 창정(長征)5호와 중형 운반로켓 창정7호가 창정11호가 선보일 계획이다. 아울러 중국운반로켓기술연구원도 15개 로켓의 연구개발, 생산 임무를 수행할 예정이다. (3) 우주선 2016년 톈궁(天宮)2호 우주실험실, 선저우(神舟)11호 유인우주선 등이 발사될 계획이다. 톈궁2호는 우주정거장의 “실험실”로써 중국 우주실험실의 대형 시스템 구축에 일조할 예정이다. 또한 2020년 전후 중국 유인 우주정거장이 완성되어 세계 유일의 운행 중인 우주정거장으로 될 것으로 예상된다. (4) 달탐사 2016년 양자과학 실험위성, 스젠(實踐)10호 귀환식 과학실험위성, 하드 X-ray 변조 망원경 위성 등 과학실험용 위성이 발사될 예정이다.

칭화대학교, 스플라이세오솜 연구 성과

/
2016년 7월 21일, 칭화대학교(清华大学) 스이궁(施一公, Yigong Shi) 원사 과제팀은 스플라이세오솜(spliceosome) 관련 연구에서 성과를 취득하였고 두편의 논문을 동일(同日)에 “Science” 저널에 발표하였다. 2016년 초, 스이궁 원사는 칭화대학교 생명과학학원, 중국과학원 상하이(上海)생명과학연구원은 해상도가 3.8Å인 U4/U6.U5 tri-snRNP 3차원 구조를 획득하였다고 발표하였는데 이는 스플라이세오솜 조립과 촉매 작용에 대해 새로운 의견을 제공하였다. DNA는 모든 생물체 유전자정보의 매개체이다. 유전자의 DNA 특정구역은 단백질 조립에 필요한 정보를 가지고 있다. 진핵생물에서 대다수의 유전자는 모자익형(Mosaicism) 모델로 구성되었는데 이는 단백질 암호화(Encoding protein)의 DNA부분과 비번역(Non-coding) 부분이 간격적으로 교차되는 것을 가리킨다. 단백질 암호화를 위하여 유전자는 pre-mRNA로 전사되고 RNA 분자에서 비번역 부분을 제거하고 암호화 부분을 접합시켜 mRNA를 생성하게 된다. 이로써 완성된 RNA는 단백질 합성에 참여한다. 그중, 가장 중요한 부분인 RNA 완성과정을 ‘RNA 스플라이싱(RNA splicing)’이라고 부른다. 최소 15%에 달하는 인류질병은 스플라이싱 오류에 의해 발생되는 것이다. 스플라이세오솜은 일종의 동적이고 복잡한 RNA-단백질 대분자복합체이다. 그 침강계수(Sedimentation Coefficient)는 약 60S이고 U1, U2, U4, U5와 U6 등 5개의 snRNP와 여러가지 기타 단백질로 구성된다. snRNP마다 하나의 snRNA와 여러개 혹은 십여개의 단백질로 구성된다. 스플라이싱 과정에서 스플라이세오솜을 구성하고 있는 대량의 단백질과 핵산분자는 고도의 정확한 순서로 결합(Binding)과 해중합(Depolymerization)을 진행한다. 이러한 과정에서 대규모의 구조 재결합이 발생한다. 우선 U1이 인트론(intron)의 5’스플라이스 포인트(Splice point)에 접합하여 복합체 E를 형성한 후 U2가 Branch site(BS)에 접합하여 복합체 A를 형성한다. 그리고 U4/U6.U5 tri-snRNP과 결합하여 복합체 B를 형성한다. U1, U4의 연속적 해리(Dissociation)와 더불어 스플라이세오는 최종적으로 활성화된 복합체 Bact와 촉매작용을 하는 복합체 B*를 형성한다. U6/U2는 촉매 에스터(Catalytic ester) 연쇄이동반응(transfer reaction)을 하여 5’ 스플라이스 포인트와 연결이 끊어지고 인트론은 올가미구조(Lariat structure)를 형성한다. 이는 제1단계의 촉매반응을 완료하고 U2, U5, U6와 인트론 올가미구조를 포함한 복합체 C를 형성한다. 제2단계는 에스테르 결합전이반응(Transesterification)이다. 이는 인트론 3’ 포인트가 끊겨지고 엑손(exon)이 연결된다. 새로운 “Structure of a yeast catalytically activated spliceosome at 3.5 Å resolution”이라는 논문에서는 극저온전자현미경(cryo-EM)으로 맥주효모균(Saccharomyces cerevisiae)의 촉매 활성화 스플라이세오솜(복합체 Bact)의 원자구조를 확정하였는데 그 해상도는 3.52Å에 달한다. 최종으로 결정한 모델에는 U2 snRNP, U5 snRNP, U6 snRNA, NTc, NTC related(NTR)와 71개의 Pre-mRNA 분자, 38개의 단백질(13,505개의 아미노산)이 포함되며 결합되는 분자량은 1.6메가달톤(Megadalton)에 달한다. 두번째 “Structure of a yeast catalytic step I spliceosome at 3.4 Å resolution”이라는 논문에서는 극저온전자현미경으로 평균 해상도가 3.4Å에 달하는 맥주효모균 촉매반응 제1단계 스플라이세오솜(복합체C)의 원자구조를 확정하였다. 그 구조특징은은 제1단계 촉매반응을 거친 스플라이세오솜의 형성을 설명해주었고 또한 제2단계의 에스테르 결합전이반응에 필요한 구조적 변화를 예측하였다.

푸단대학교, 최초의 뇌기능 네트워크 시네마그래프

/
푸단대학교(复旦大学)의 지능뇌(Brain-inspired Intelligence)과학기술연구원 펑잰펑(冯建峰) 연구팀은 MRI 기술로 인류 대뇌 각 구역의 동적 작용패턴을 측정하여 동적 변화의 생성메커니즘을 제시하였고 뇌기능 네트워크 시네마그래프(Cinemagraph)를 최초로 작성하였다. 연구에 의하면 뇌기능 네트워크의 동적 변화는 인류의 지능과 큰 관련이 있다고 한다. 관련 성과는 온라인으로 “Brain” 저널에 발표되었다. 본 연구에 의하면 뇌학습, 기억과 밀접한 연관이 있는 뇌구역은 고도의 “가변성”을 가지고 있다. 이는 이러한 구역과 대뇌 기타 부분과의 연결패턴 변화에 사용되는 시간은 불과 몇분 심지어 몇초 사이에 발생할 수 있다는 것을 설명한다. 또한 대뇌에서 지능과 관련이 적은 구역, 즉 시각, 청각과 감각운동구역(Sensorimotor area) 등은 모두 낮은 “가변성”과 낮은 “적응성”을 나타낸다. 뇌의 “가변성”이 강할수록 개체의 지능 및 창의성도 높다. 현재, 인공지능시스템은 “가변성”과 “적응성”을 구비하지 못했다. 하지만 본 연구에서는 이러한 인류 특유의 지능특징이 인류 대뇌의 학습능력에 극히 중요한 작용을 일으키고 있음을 증명하였다. 뇌 네트워크 시네마그래프의 작성은 향후 더욱 첨단적인 인공신경 네트워크 구성에 응용되어 컴퓨터로 하여금 학습, 성장과 자아적응 능력을 구비하도록 할 것이다. 본 연구성과로 정신분열증 환자, 자폐증 환자 및 ADD-H 환자의 대뇌 기본네트워크(Default network)의 “가변성”의 상태 변이를 관찰할 수 있게 되었다. 이는 대다수 정신질환은 대뇌 가변성 혹은 유연성의 변화로 인한 것임을 설명한다. 이로써 더욱 효과적으로 정신질환을 치료하거나 예방할 수 있다.

군사의학과학원 야전수혈연구소, “인공혈액” 제조

/
군사의학과학원 야전수혈연구소, 군대줄기세포재생의학 중점실험실 페이쉐타우(裴雪涛) 연구팀은 10년이란 시간을 거쳐 “인공혈액” 제조공법을 구축하였고 줄기세포기술로 “인공 적혈구(Erythrocyte)”를 성공적으로 제조하였다. 군부대위생약품감독 기구의 검측결과에 의하면, 해당 “인공 적혈구”의 헤모글로빈 함량, 산소운반능력과 삼투압 취약성(Osmotic fragility) 등은 정상적인 적혈구와 거의 일치하였다. 또한 이는 줄기세포 파생, 체외 생성 등에서 임상응용에 가장 근접한 바이오 과학기술성과이기도 하다. 그 증폭률(Amplification rate)은 10만배 이상에 달할 수 있는데 이는 과거의 어떠한 기술보다도 우수한 것으로서 대량 생산을 위해 기초를 마련하였고 중국이 줄기세포로 “인공혈액”을 제조하는 기술이 국제 일류 수준에 도달하였다.

중국공정원 연구팀, 항바이러스 면역세포 “스위치” 발견

/
최근, 중국공정원 원사 차오쉐타오(曹雪濤) 연구팀은 DNA 메틸화효소 Dnmt3a가 천연 면역세포의 바이러스에 대한 감염을 고민감 상태로 유지하기에 바이러스 침입을 식별하면 뚜렷한 인터페론 생성 및 항바이러스 천연 면역반응을 일으킬 수 있다는 것을 발견하였다. 해당 연구성과는 영국 “Nature Immunology” 잡지에 발표되었다. 천연 면역세포의 “바이러스 침입” 쾌속 저항 기능을 규명하기 위해 연구팀은 먼저 천연 면역세포를 바이러스로 감염시킨 후 감염된 세포의 분자 발현 변화를 분석하였으며 DNA 메틸화에 대한 조절을 통하여 유전자 발현을 결정하는 “후성 유전 조절 분자”를 돌파점으로 선택하여 선별한 결과, DNA 메틸화효소 Dnmt3a가 천연 면역세포의 I형 인터페론 고효율적 방출을 촉진시킬 수 있다는 것을 발견하였다. 다음으로 천연 면역세포의 전체 유전체 DNA를 획득한 후 단일 뉴클레오티드 수준에서 DNA 사슬의 메틸화 상황을 확정하여 “스펙트럼”을 작성하였다. 연구팀은 해당 스텍트럼을 기준으로 메커니즘 연구를 진행하였다. 차오쉐타오 연구팀은 저장대학(浙江大學) 면역연구소의 박사생 리샤(李霞), 제2군의대학교 면역연구소 의학면역학국가중점실험실의 장쳰(張遷)과 공동으로 연구를 진행한 결과, Dnmt3a는 HDAC9 원거리 말단의 프로모터 영역과 결합되어 해당 영역의 DNA 고메틸화를 유지하는 것을 통하여 해당 영역의 H3K27me3에 대하여 길항하고 근거리 말단 프로모터의 활성화형 히스톤의 수식 수준을 촉진하여 HDAC9의 고발현을 유지하며 더 나아가 고발현된 HDAC9는 확정된 메커니즘을 거쳐 I형 인터페론의 생성을 고효율적으로 유도하여 항바이러스 면역 반응을 일으킨다는 것을 발견하였다. 연구 결과, DNA 메틸화는 항바이러스 신호 전달 경로의 핵심 분자 고발현을 유지할 수 있어 천연 세포로 하여금 바이러스가 침입하면 제때에 고효율적으로 항바이러스 면역반응을 일으킬 수 있게 한다는 발견하였다. 해당 발견은 항바이러스 면역 응답의 새로운 후성 유전 메커니즘을 규명하였을 뿐만 아니라 바이러스 감염성 질병 예방 치료에 새로운 잠재적 분자 표적을 제공하였다.

중국 최초의 태양열 흡수식 냉각기술 개발

/
최근 산시(陕西)이공대와 산시둥타이(陕西东泰)에너지과기유한공사가 공동 수행한 ‘태양열 흡수식 냉각설비 연구개발’프로젝트가 산시성과기청의 전문가 검증을 통과했다. 전문가는 중국에서 최초로 개발된 태양열 흡수식 냉각통합기술의 일부 기술이 선진국 수준이라고 평했다. 태양열 흡수식 냉각설비는 태양열을 에너지로 하여 집열, 축열, 에너지저장, 냉각기술과 결부시켜, 중력을 이용한 열파이프 진공관식 태양열집열기를 통해 태양열을 수집하여 흡수식 냉각기를 작동시키며, 신기술을 활용해 태양에너지의 간헐성과 불안정성을 보완한다. 따라서 흡수식 냉각시스템은 지속적인 냉각과 냉각량 조절이 가능하여 냉방 에어컨과 냉각저장에 필요한 온도 수요를 충족시켜줄 수 있다. 시제품은 지난해 8월 산시이공대 중점실험실에서 개발했다. 시제품을 완제품으로 전환하기 위해 투자측인 산시둥타이공사가 5,000만 위안을 투입해 ‘산시성 한중(汉中) 태양에너지 냉각에어컨 산업화기지’를 구축했다. 태양열 흡수식 냉각기술은 냉동, 에어컨, 신선도유지, 저장에 응용될 수 있고, 산업화를 통해 태양에너지냉각 산업사슬을 확충할 수 있어 시장 잠재력이 크다.

중국 최초의 500kV 란시변전소 광전지 발전량 5,000kWh 돌파

/
란시(兰溪)변전소는 국가전력망공사(State Grid) 산하 최초의 500kV 스마트 변전소로 2011년 4월 1일 기준 광전지 발전량이 5,042kwh를 기록했다. 란시변전소는 저장(浙江)성 란시시 산벙댄커우춘(三峰殿口村)에 위치해 있으며 부지는 99.7무(畝)이다. 국가전력망공사는 2010년부터 스마트 그리드 구축을 목표로 란시변전소를 대상으로 지능화 사업을 추진해왔다. 광전지발전소는 옥상에 설치하며, 설치면적은 200㎡, 설치용량은 20.8kW로, 연간 발전량 2만kWh로 예상된다. 태양광발전시스템은 태양전지판, 인버터, 전압 제어기, 태양에너지 직류 배전박스, 데이터 수집기, 역류방지장치, 환경 모니터링 시스템 등으로 구성되어 있다. 동 시스템은 태양빛을 직접 전기에너지로 변환하는 발전장치로서 햇빛을 받아 전기를 생성한 후 직류형태로 저장된 발전전력을 인버터를 통해 교류로 변환시켜주는 장치이다.    또한 필요에 따라 비상용 전원으로 사용할 수도 있으며 LED 조명 등 녹색 조명에도 널리 사용되고 있다.

해양 중금속 오염 구조 길은 어디에

/
중국 최초의 ‘12.5’ 국가급 전문프로젝트 계획은 중금속 오염 퇴치에 초점을 두었다. 최근 국가환경보호부는 <중금속오염 종합퇴치 ‘12.5’규획>이 국무원의 허가를 받았다고 밝혔다. 중금속 오염 퇴치는 현재와 향후 일정 기간 환경보호의 최우선 대사이다. 최근 열린 중금속오염 종합퇴치 화상회의에서 저우성샌(周生贤) 환경보호부장을 비롯한 14개 중점도시의 책임자들은 각 지역에서 중금속오염 조성 기업, 특히 기술이 낙후하고 오염이 심각한 납산 배터리 생산, 납 제련 등 기업을 조사해야 한다고 지적했다. ◉ 닝버시 70% 해역은 심각한 오염 최근 발표된 <2010년 닝버시 해양환경공보>, <2010년 썅산항(象山港) 해양환경공보> 및 <2010년 닝버시 어업생태환경 상황공보>에 따르면 닝버시 인근 해역들은 약 70%가 오염이 심각한 것으로 나타났으며, 오염이 심각한 해역은 항저우시 완난안(湾南岸), 융쟝커우(甬江口), 베이룬-다세다오(北仑—大榭岛), 썅산항, 산먼완(三门湾) 등지에 분포된 것으로 조사됐다. 그중 닝버시 해양환경공보에 따르면 2010년 닝버시 인근 해역 양자강, 치엔탕쟝(钱塘江), 융쟝(甬江) 등의 영향을 받아 영양염이 심하게 오염됐으며 오염이 심각한 해역 면적은 6,625.76㎢로 전체의 67.9%를 차지한 것으로 집계됐다. 중간정도의 오염 면적은 1,790.24㎢로 18.35%를 차지했으며 경미한 정도의 오염 면적은 861.06㎢로 8.82%를 차지, 청정해역 면적은 480.94㎢로 4.93%에 그쳤다. 따라서 2009년 대비 오염이 심각한 해역과 중간정도 오염해역 면적은 다소 증가한 반면 경미한 정도의 해역오염 및 청정해역 면적은 감소한 것으로 드러났다. ◉ 화이허(淮河) 수질오염사건 1994년 7월, 화이허에서 대형 오염 사건이 발생, 2억㎥에 달하는 폐수가 유입되어 중하류 지역의 모든 담수 양식업에 막대한 피해를 끼쳤고 안후이(安徽) 북부 공업 생산이 중지되었으며 100만 명에 달하는 주민들이 식수난에 직면했다. ◉ 어떤 종류의 중금속이 해양오염을 조성하는지? 전문가에 따르면 중금속은 아주 위험한 오염물질로 현재까지 명확한 정의가 내려지지 않고 있지만 비중이 4.5g/㎤ 이상인 금속으로서 수은, 카드뮴, 납, 아연, 크롬, 구리 등이 있으며 독성이 강하고 자주 접할 수 있는 금속이기 때문에 주요 환경오염물질로 간주되고 있다. 인위적인 오염은 산업폐수와 광산폐수의 배출 및 중금속농약의 유실이며, 석탄과 석유 연소과정에 방출되는 중금속이 대기운반을 통해 바다에 진입한다. 중금속은 물속에서 분해될 수 없어 도처에 확산되어 어느 정도 기준에 도달한 후 해수요염을 조성한다. 다른 일부 중금속은 미생물의 작용으로 다양한 형태의 상호 전환과 집결을 통해 독성이 더욱 강한 금속화합물을 형성한다. 예를 들면 수은의 메틸화로 인해 메틸수은이 형성되어 수은중독을 초래하는 것이 가장 전형적인 사례다. ◉ 해양 중금속오염은 어디에서 주로 오는지? <2009년 중국 해양환경 품질공보>에 따르면 2009년 중국에서 청정해역 수질 기준에 도달하지 못한 면적은 14만 6,980㎢로 전년대비 7.3% 증가한 것으로 나타났다. 오염이 심각한 해역으로는 보하이완(渤海湾), 랴오둥완(辽东湾), 창쟝입구(长江口), 항저우완(杭州湾), 주장입구(珠江口) 및 일부 중대도시의 인근해역으로 조사됐다. 국지적인 해역의 침적물은 중금속과 석유오염 피해를 입었으며 부분적인 조개류의 체내 오염물 잔류수준은 여전히 높았다. 하천을 따라 바다에 진입한 오염물질총량은 전년대비 크게 증가했다. 바다로 들어가는 오폐수 배출구의 73.7%는 기준을 초과해 오염물질을 배출했으며, 일부 오폐수 배출구 인근의 해역은 환경오염이 갈수록 심각해지는 추세다. 또한 한 해 동안의 적조 발생 횟수는 68회, 누계 면적은 1만 4,100㎢에 달한 것으로 드러났다. ◉ 해양 중금속오염 해결책은? 해양 중금속 오염이 세계적인 환경문제로 부각되고 있는 가운데 전문가들은 해양 중금속 오염 해결책으로 내・외부 통제방법을 병행할 것을 지적하고 있다. 외부 통제방법으로는 광물채굴, 전기도금, 금속제련, 화공생산 등에서 배출되는 중금속 함유 폐수나 고형폐기물을 처리 및 감소시키는 것이며 내부 통제방법에는 용해성 중금속을 불용성 또는 난용성 금속화합물로 전환시키는 것과 중금속의 화학적 형태를 변환시키지 않는 역삼투, 전기투석, 이온교환, 증발농축 등 방법이 제기되고 있다. 그러나 해양 중금속 오염 퇴치는 주로 예방에 중점을 두고 오염원을 통제하는 동시에 제조공법을 개선하여 중금속 유실을 방지하고 회수율을 높여야 할 뿐만 아니라 관련 환경보호법규를 실질적으로 시행하고 모니터링을 강화하는 것이 필요하다. ◉ 깊은 바다의 물고기를 선호하는 자가 해양수은 중독의 가능성 커져 생선을 대량 섭취하면 총명해지고 쇠고기 돼지고기보다 지방과 콜레스테롤이 적어 많이 먹을수록 몸에 좋다는 정보를 장기간 동안 많이 접했다. 그러나 환자 치료과정에 생선 과다섭취로 수은중독에 걸리는 현상이 자주 발생하고 있다. 아직까지 생선을 너무 많이 섭취하여 수은중독에 걸릴 수 있다는 명확한 입증자려가 없지만 환자치료 과정에 원인을 찾을 수 없는 병이 대량 발견되어 추적해보니 대부분 환자의 음식습관이 황새치, 참치, 상어 등 원양어류를 선호하는 것으로 밝혀졌다. 이들 환자 체내의 수은함량은 상당히 높았으며, 의사 건의대로 생선 섭취를 중단하니 모든 증상이 완화되었다.

칭장고원에서 최대 규모 태양광발전소 건설 한창

/
건설이 한창인 10MW급 눠르카저(诺日喀则) 태양광발전소는 산동성의 티벳 지원 최대 프로젝트로서 투자규모는 8억 위안이다. 1기공사 부지는 400무(畝), 연간 발전량은 2,000만kW로, 오는 5월 말 계통연결형 발전을 본격적으로 가동한다. 동 프로젝트는 르카저시 10만 가구 농/목축민들의 한 해 동안 생활용 전력을 공급할 수 있어 현지용 전력부족난을 완화시킬 수 있을 뿐만 아니라 연간 7,000톤의 석탄을 절약할 수 있고 이산화탄소 1만 3,000톤을 감축할 수 있다. 이에 따라 이곳의 생태환경이 앞으로 크게 개선될 전망이다.

중미 과학자, 3차원 탄소 벌집구조 그래핀으로 물리특성 확인

/
최근, 중국과학원역학연구소, 미국 콜로라도대학교(University of Colorado), 매사추세츠공과대학(Massachusetts institute of Technology) 공동 연구팀은 그래핀으로 구축한 3차원 벌집구조를 통하여 벌집벽이 sp2 결합(bonds)이고 벌집벽 경계지역에 특수 구조의 sp3결합을 형성할 경우, 이러한 순수 공유결합으로 구성된 3차원 벌집구조는 역학적으로 안정할 뿐만 아니라 초고 비강도(specific strength) 및 높은 열전도율을 보유하고 있다는 것을 발견하였다. 풀러린, 탄소나노튜브, 그래핀 등과 같은 탄소구조는 양호한 성능을 보유하고 있으므로 역학적으로 탄소구조의 안정성, 저밀도, 초고강도의 특성을 충분히 활용할 수 있기를 바래왔다. 그러나 이러한 탄소구조로 거시적 3차원 재료의 골조를 구축하거나 또는 성분을 강화시킬 경우 이런 기본단위 구조를 보호하고 있는 고강도의 공유결합을 유지시킬 수 없게 된다. 구조 사이 또는 구조와 기본물질 사이의 결합은 일반적으로 반데르발스 작용과 같이 비교적 약한 상호작용에 의해 치환된다. 이리하여 실제로 획득한 거시적 3차원 재료의 강도는 그 탄소 구축 구성단위(building units)의 강도에 비해 2~3개 수량급 낮다. 타이틀 이미지에서 a는 이러한 전형적 3차원 탄소 벌집구조를 나타내고 b는 벌집 경계부분의 전형적인 안정적 원자 구조를 해석하였다. 2개 5각 고리와 1개 8각고리가 계면을 따라 주기적으로 배열된 어레이로 구성되었다. c는 현재 최첨단 연구보고에서 재료의 비강도 비교를 통하여, 탄소 벌집구조는 그 지그재그 방향(zigzag direction)(녹색기호), 안락의자 방향(붉은색) 및 벌집의 축방향을 따라 모두 극히 높은 비강도를 갖고 있음을 보여준다. 이는 이러한 재료가 경량 고강도 구조 응용에서의 잠재력을 나타낸다. 동시에 해당 구조는 양호한 열전도 성능을 보유하고 있다.

중국과학원 전기공학연구소, 고전기전도성과 고비표면적 그래핀 분말 제조

/
최근, 중국과학원 전기공학연구소 마옌웨이(馬衍偉) 연구팀은 그래핀의 정량적 제조 및 고성능 그래핀 기반의 슈퍼커패시터(Super capacitor) 분야에서 획기적인 성과를 거두었다. 연구팀은 이산화탄소를 원료로 자전(self-propagating) 고온합성기술을 이용하여 고전기전도성과 고비표면적을 겸용한 그래핀 분말체의 쾌속·친환경·저원가 제조에 성공하였다. 관련 연구 성과는 국제 최고 재료학 저널인 ‘Advanced Materials’에 게재되었으며 중국발명특허와 PCT 특허를 신청하였다. 그래핀은 최근 몇 년간 세계적으로 주목받는 새로운 재료이지만 고품질 그래핀의 산업화 대규모적 제조는 줄곧 세계적인 어려운 문제로 되고 있다. 기존 그래핀 분말체의 규모화 제조 기술로드맵은 주요하게 팽창 흑연 박리법과 산화 흑연 환원법에 기반하고 있다. 그러나 팽창 흑연 박리법에 의한 그래핀은 저비표면적의 다중층 그래핀 조각이며 산화 흑연 환원법에 의한 그래핀은 그 잔류 산소 작용기와 구조 결함으로 인하여 낮은 전기전도성을 나타냄으로써 그래핀의 잠재적 응용을 심하게 제한하고 있다. 상술한 문제점에 초점을 맞추어 연구팀은 이산화탄소를 원료로, 금속 마그네슘 분말을 환원제로, 나노 산화마그네슘을 템플릿 시제로, 이산화탄소 대기에서 마그네슘 분말의 자전 연소방법을 통하여 메조포러스(Mesoporous) 구조를 대량으로 보유한 그래핀을 성공적으로 제조하였다. 현재 제조한 그래핀의 전기전도율은 최고로 13,000 S/m에 달하며 종합적 성능이 우수하고 이온액체 전해액에서 양호한 전기화학 성능을 나타냈다. 전극재료에 기반한 비정전용량(specific capacitance)은 최고로 244 F/g, 에너지 밀도는 최고로 136 Wh/kg, 출력밀도는 최고로 1,000 kW/kg에 달하며 100만 주기로 순환한 후 용량 보존율은 여전히 90%이상이다. 해당 그래핀의 제조방법은 그 반응과정에서 소모시간이 적고 친환경적이며 원가가 낮고 산업화 보급에 용이하여 슈퍼커패시터 등 저장에너지 분야에서 그래핀의 실제 응용을 추진할 것이다.

흑인 나노약물이 암치료에 이용

/
최근, 칭화(清華)대학교 부교수 메이린(梅林), 선전(深圳)대학교 교수 장한(張晗), 하버드대학교 교수 스진쥔(施進軍), 박사 타오웨이(陶偉) 등 전문가로 구성된 중국-미국 연합 연구팀은 흑인(Black phosphorus) 나노시트로 종양의 광열치료, 화학치료와 생체응답 3중 공동 치료를 진행함으로써 다중 모드에 의한 정확한 암치료를 구현하였다. 관련 연구 성과는 국제 최고 저널 ‘Advanced Materials’의 앞표지에 발표되었다. 연구팀은 최적화한 액체상태 박리법을 이용하여 최초로 흑인 2차원 나노시트를 제제 캐리어의 제조 및 기능화 수식(modificaion)에 응용하였으며 화학요법약물 아드리아마이신(adriamycin)의 ‘흑인 나노시트 캐리어시스템’을 개발하였다. 흑인 나노시트는 종양세포에 의해 섭취된 후 주로 ‘대음세포작용(macropinocytosis)→말기 내포작용→리소좀’과 ‘카베올린(caveolin) 매개의 섭취 경로’를 통하여 세포 내 활동을 진행하며 2차원 흑인 나노시트의 비교적 큰 비표면적은 화학요법약물 분자의 대량 흡착에 기초를 제공하여 약물 캐리어 능력을 향상시킬 수 있다. 흑인 나노시트 약물 캐리어 시스템은 기존의 치료방법에 비해 더 효과적이고 정확하다. 아드리아마이신에 대한 흑인 나노시트의 적재용량은 기존의 폴리머 나노입자 캐리어에 비해 뚜렷하게 높았으며 화학요법약물 효과를 향상시켰다. 흑인 나노시트는 808nm 레이저 방사 조건에서 국부적 고열을 생성할 수 있으며 한 면으로 종양의 광열 치료에 이용되고 또 다른 한 면으로 약물의 방출을 구동할 수 있다. 연구 결과, 생체 내에서 흑인 약물 캐리어 나노시트의 안전성과 종양 억제효과는 비교적 뚜렷하였으며 실험을 통하여 흑인 약물 캐리어 나노시트가 매우 양호한 생체 적합성을 보유하고 있음을 입증하였다. 연구에서 이용한 생체응답 조절의 화학요법-광열치료 연합 치료방법과 같은 다중 모드는 암을 더 정확하게 치료할 수 있다. 현재, 해당 연구는 동물실험에서 획기적인 성과를 거두었으며 면역결함의 누드마우스 생체에서 강화된 종양 억제 효과를 얻었다.

화웨이, 고온내성 2배 수명의 그래핀계 리튬이온 전지

/
최근에 열린 제57회 일본배터리대회에서 화웨이(華為)중앙연구원 와트실험실이 업계 첫 고온 장수명 그래핀계 리튬이온 전지를 출시했다. 실험 결과에 의하면, 그래핀을 기반으로 한 새로운 고온내성 기술은 리튬이온 전지의 최고 사용온도를 10℃ 높이고 사용 수명을 일반 리튬이온 전지의 2배로 향샹시킬 수 있다. 2015년 10월, 화웨이와 영국 맨체스터대학이 그래핀 응용연구 프로젝트를 체결한 후, 업계에서는 화웨이가 그래핀 분야에서 큰 성과를 가져올 것이라고 추측하였다. 이번에 출시된 그래핀계 리튬전지는 그래핀 기반 고온 리튬이온 전지에 관한 연구가 획기적인 기술개발을 하였음을 의미한다. 화웨이의 그래핀계 고온 리튬이온 전지기술에 관한 획기적인 성과는 주요하게 세 가지 분야에서 구현된다. ① 전해액에 특수한 첨가제를 첨가하여 물 흔적을 제거함으로써 전해액의 고온 분해를 방지하였다. ② 개질된 대형 단결정 삼원재료를 전지의 양극에 사용하여 재료의 열안정성을 향상시켰다. ③ 신형 재료 그래핀을 사용하여 리튬이온 전지와 환경 사이의 효과적인 열방출을 실현하였다. 해당 3개 기술로 화웨이의 신형 그래핀 전지의 성능은 현재 시장에서 유통하고 있는 대부분의 리튬이온 전지에 비해 압도적인 우위를 갖고 있다. 그중 그래핀의 역할은 배터리의 양극과 음극 재료로서가 아니라 효과적으로 열을 방출하기 위한 것이다. 화웨이는 “그래핀 전지”를 사막, 태양 직사광 등 고온 환경에 위치한 모바일 네트워크 기지에 사용할 예정이며, 해당 고온 리튬이온 전지의 야외 작업 수명은 4년 이상 달할 것으로 예상된다.

다야완 중성미자검출기 중성미자 포집에 성공

/
8월 15일 광동성 다야완에 위치한 중성미자검출기로 원자력발전소 반응로에서 방출된 중성미자를 포집하는데 성공함에 따라 반물질이 사라지는 비밀을 밝히는데 큰 역할을 할 것이라는 기대를 낳고 있다. 다야완 중성미자실험프로젝트는 중·미 양국간 기초과학분야 최대 협력프로젝트로, 2007년 10월 13일에 착공되어 4년이 지난, 올해 1월 8일에는 중성미자실험프로젝트과 관련하여 브리핑을 가진적 있다. 중국과학원, 중국과학기술부, 국가자연과학기금위원회, 미국에너지부 등의 지원을 받아 4년만에 건설된 대형과학공정인만큼 세계적인 주목을 받게 되었다. 프로젝트 건설단계인 2006년부터 중국, 미국, 홍콩, 대만, 러시아 등 6개 국가(지역), 39개 연구기관의 연구원 250명이 참여하였다. 당시 중국측의 설계방안이 가장 우수하다고 판단한 미국에너지부는 자국의 2개 실험방안을 전부 포기하고, 그 대신 미국과학자가 다야완 실험프로젝트에 합류하도록 지원하였다. 현재 이 프로젝트는 중미양국의 기초연구분야 최대 규모의 협력과제이며 미국에너지부가 해외에 투자한 제2위의 입자물리실험프로젝트로, 유럽의 대형강입자충돌기(LHC) 다음간다. 바이춘리(白春禮) 중국과학원 원장은 대형과학장비 가동식에서 기초과학분야의 국제협력 강화와 국가 기초연구분야의 창의적인 원천기술능력 향상에 있어서 다야완중성미자실험프로젝트가 지니는 의의가 깊다고 언급한바 있다. 중국과학원 고에너지연구소의 연구자는 희토류 화학 및 방사화학분야의 노하우를 바탕으로 새로운 화학배합방법과 화학제조방정식을 고안해냈고 소규모 테스트와 4톤의 확대시험을 마친 후 180톤을 생산하는 등 양산화에 성공하였다. 다야완의 중국측 연구자가 현재 한국의 중성미자실험 역시 중국의 배합방법을 사용하고 있다고 밝힐 정도로 중국의 화학배합방법이 선진국 수준임을 시사해준다.

고에너지물리연구소 BEPCII 비상용 캐비티 연구진전

/
중국과학원 고에너지물리연구소는 7월 7일부터 8일새벽까지 북경양음전자충돌기(BEPCII) 비상용 캐비티중 두 번째 캐비티에 대한 수직측정을 마쳤다고 밝혔다. 4.2K의 조건에서 캐비티 전압은 2.3MV, 캐비티의 품질계수는 Q0=1.2E+9에 도달하여 설계요구(캐비티 전압 1.5MV, 캐비티 품질계수 Q0=5E+8)보다 우수하며 첫 번째 비상용 캐비티의 측정지표(캐비티 전압 1.8MV, 캐비티 품질계수 Q0=1.12E+9)를 초과하여 국제선진수준에 도달하였다. 이는 올해 들어서 첫 번째 비상용 캐비티의 수직측정에 성공한데 이은 또 하나의 중요한 진전이다. 초전도 캐비티 주파수의 포집· 록킹(locking)에 성공하였고 각종 표준화측정과 Q0~Eacc특성에 대한 측정을 마쳤다. 두 번째 비상용 캐비티의 수직측정결과는 고에너지물리연구소의 500MHz초전도 캐비티 몸체의 연구제작수준을 크게 높였으며 BEPCII 초전도 비상용 캐비티의 고출력시험에 필요한 중요한 기반을 다졌다.

서안광학정밀기기연구소 마이크로나노광자학 연구 진전

/
마이크로나노광자학은 주로 마이크로나노스케일의 광학과 물질과의 상호작용 법칙 및 빛의 발생, 전송, 조절제어, 측정, 감지 등에서의 응용을 연구하는 학과이다. 마이크로나노광자학 서브파장부품은 광자 집적도를 효과적으로 높일 수 있어 전자칩과 같이 광자부품을 사이즈가 매우 작은 단일 광학칩에 집적시킬 가능성이 있다. 새로운 마이크로나노광자학 영역에 속하는 나노표면플라즈마학은 주로 금속나노구조에서 빛과 물질과의 상호작용을 연구한다. 사이즈가 작고, 속도가 빠르며 회절 한계를 극복할 수 있어 전자학과 광자학을 나노스케일에서 완벽하게 결합시킨 차세대의 창의적인 광전기술기반으로 각광받고 있다. 금속-매체-금속 F-P 캐비티(Cavity)는 가장 기본적인 나노 플라즈마 도파(Waveguide)구조로서 로컬필드(Local field) 강화와 공진필터의 특성을 지니고 있어 나노필터, 파장분할 다중화기(WDM), 광스위치, 레이저 등 마이크로나노 광부품을 만드는 기초이다. 하지만 나노플라즈마구조가운데 금속 캐비티 고유의 손실과 에너지 반사로 인해 F-P캐비티는 파장분할 다중화기 응용에서 투과효율이 낮은 관계로 실제로 응용하기에 불편하다. 이러한 문제점에 비추어 중국과학원 서안광학정밀기기연구소 순간광학 및 광자기술(transient optics and photonics) 국가지정중점실험실의 리우쉐밍(劉雪明), 루화(陸華), 궁융캉(宮永康) 연구원 등이 관련 연구를 추진했다. 현재까지 Optics Express, Optics Letters, J. Opt. Soc. Am. B, Applied Physics B 등 저널에 10여편의 논문을 발표했다. 최근 연구원은 표면플라즈마 F-P 캐비티 파장분할 다중화기의 투과효율을 높이는 더블 캐비티 역방향 간섭상 제거법을 고안해냈다. 이 방법은 캐비티의 에너지반사를 효과적으로 극복할 수 있어 입사광이 완전히 채널쪽으로 투과 가능하며 투과효율을 극대화하였다. 이 설계방법은 소음광의 피드백도 효과적으로 억제하는 효과를 보았다. 한편으로 연구팀은 결합모드방법을 응용해 이러한 설계방법의 타당성을 검증하였다. 이 파장분할 다중화기는 현재 보도된 F-P 단일 캐비티 공진필터 기반의 파장분할 다중화기의 투과효율을 50%이상 높인 것으로 나타났다. 연구논문은 2011년 6월 20일 Optics Express에 발표되었다. (논문제목: Enhancement of transmission efficiency of nanoplasmonic wavelength demultiplexer based on channel drop filters and reflection nanocavities) 이 논문은 미국광학학회(Optical Society of America, OSA)의 주목을 받았고 6월 27일에 “Image of the week”로 선정되었다.

중국과기대 다중금속 나노튜브 및 복합나노촉매제 설계 및 제작 진전

/
환경의식이 강화되고 자연자원에 대한 인식이 깊어지면서 화석에너지 등 재생불가능자원에 대한 의존도를 줄이기 위한 저오염 고효율 연료전지의 연구가 주목받고 있다. 하지만 연료전지촉매제의 비용이 높고 반응활성이 낮으며 안정성이 떨어지는 등의 단점으로 인해 산업화응용이 제약받고 있다. 최근 몇 년 중국과기대의 위수훙(兪書宏)교수가 이끄는 과제팀은 촉매제의 계면작용 및 표면원자구조와 성분에 대한 조절제어를 통해 타당한 신형의 촉매제 재료설계의 새로운 경로를 모색하였고, 연료전지 나노촉매제의 계면과 표면설계에서 성과를 올렸다. 관련 연구결과는 Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Chem. Sci., Adv. Mater., ACS Nano, Chem. Commun., J. Mater. Chem. 등 많은 저널에 발표되었다. 금속/산화물계면은 전자구조가 변화되기에 촉매제의 촉매활성이 효과적으로 높아진다. 하지만 전기화학적 환경에서 非귀금속의 서로 다른 산화상태의 촉매활성에 미치는 영향에 대해서는 검증하기 매우 힘들며 동시에 촉매제의 전기화학적 산화환원반응활성을 높이고 과산화수소의 부식을 극복하며, 불완전 환원으로 인한 에너지손실은 모두 시급히 해결해야 할 문제로 나서고 있다. 이러한 배경에서 연구팀은 셀프지원형(self-supporting) 다중금속 촉매제 나노튜브의 제조기술을 발전시켰고 Pd-Au-Cu 성분의 신형의 나노입자튜브 촉매제를 합성하는데 성공하였다. 이 촉매제는 높은 비표면적과 전기화학적 활성을 지닌다. Pd-Cu 성분비교결과 금(Au)을 첨가하면 구리(Cu)원소의 산화동의 형성을 촉진하지만 금(Au) 원소를 첨가하지 않으면 Pd-Cu 성분은 산화제일동을 형성하는 경향이 강한 것으로 나타났다. 연구를 통해 산화동은 산소흡착에 더욱 유리하며 게다가 전자수송의 매개체로서 산화환원능력을 높인다는 것을 발견하였다. 또한 이 3차원 촉매제는 과산화수소의 환원에 대한 촉매작용이 뛰어나며 과산화수소에 대한 내부식성도 띤다는 것도 발견하였다. 따라서 촉매제는 산소환원과 과산화환원의 이중기능을 지니며, 산소/과산화 환원의 촉매제로 삼을 수 있어, 산소가 수용액에서 용해도가 한정된 문제(과산화수소는 용액에서 매우 높은 농도를 유지할 수 있음)를 극복하였고 촉매효율을 높였다.(그림1,2) 이 연구성과는 영국 ‘화학통신’과 독일 ‘응용화학’(Chem. Commun. 2010, 46, 940-942; Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 9149-9152)에 발표되었다. 연구팀은 계면 제어성 Pd-Au 나노입자튜브촉매제를 설계하여 귀금속 계면의 촉매활성에 미치는 영향을 연구하였다. 이 촉매제는 전기촉매 에틸알코올 산화의 촉매활성을 뚜렷이 높였고 강한 안정성을 나타내었다. 연구결과, 전기촉매활성의 제고는 독립된 금속성분과는 직접적인 선형 비례관계를 나타내지 않으나 바이메탈(쌍금속) 이질계면과는 직접적인 관계가 있음을 발견하였다. 금(Au)성분이 증가되고 계면의 수량이 증가되면서 금속-금속계면과 표면의 전자구조가 변화되기에 촉매제의 전기촉매활성에 영향을 미쳤다. 따라서 재료설계를 통해 촉매활성이 높아지는 근본적인 원인이 전자구조의 변화(계면작용)로 인한 것임을 실험으로 입증하였다. 이러한 효과는 촉매활성과 계면구조간의 관계를 이해하는데 도움이 되며 고효율 촉매제 재료를 설계하는데 근거와 참조가 된다. 관련 연구성과는 미국화학회 ACS Nano 2011, 5, 4211-4218에 발표되었다. 연구팀은 또 멀티스텝 템플릿방법을 고안하여 최초로 셀프지원형 Pt 나노선/박막의 거시적 제작을 하였고(macroscopic quantity preparation), 연료전지촉매제 재료로서의 Pt박막의 탁월한 성능을 선보였다.(그림3,4) Pt 나노선/박막의 산화환원촉매활성은 각각 Pt/C와 Pt 블랙의 2.1와 1.8배이다. 상용화된 촉매제와 비교하였을 때 셀프지원형 Pt나노선/박막 촉매제는 안정성을 크게 높였으며, 고효율 양성자 교환막 연료전지의 개발을 위한 기반을 다졌다. 이 연구는 독일의 ‘선진재료(Adv. Mater)’(Adv. Mater. 2011, 23, 1467-1471)에 의해 ‘매우 중요한 논문’으로 평가되었다.