기술동향
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2광자 광역학 치료용 신형 광민감제 개발

중국과학원 유전·발육생물학연구소 등 기관의 연구팀은 신형 나노발광재료—디히드로리포산(dihydrolipoic acid)을 배위체로 하는 금나노클러스터(Au nanocluster)를 설계하고 합성했다. 해당 금나노클러스터 기반의 2광자 광역학 요법은 종양치료 특히 뇌신경교종, 고형종양(solid tumor) 등에서의 임상중개 전망이 밝다. 해당 성과는 "ACS Nano"에 온라인으로 게재되었다. 종양 광역학 요법은 종양 표적화 광민감제를 레이저로 조사하여 대량의 활성산소 자유기를 생성함으로써 종양조직을 괴멸시킨다. 광역학 요법은 화학방사선 요법 등 일반적 종양 치료방법에 비해 공간 선택성이 높고 약물내성을 쉽게 유발하지 않으며 시스템적 독성부작용이 낮은 등 장점이 있어 최근 식도암, 방광암, 피부암 등 암치료에 광범위하게 활용되고 있다. 광민감제 성능은 광역학치료 효과를 결정짓는 관건이다. 현재 임상에서 사용되는 광민감제는 가시광에 의해 여기되며 조직 투과 깊이가 얕아 고형종양, 심부종양 등 치료에서의 적용이 어렵다. 또한 치료받은 환자는 몇 주간 빛을 피해야 하는 등 생활에서 많은 불편을 감안해야 한다. 최근 장파에 의해 여기되는 차세대 2광자 광역학 치료가 빠르게 발전하고 있지만 현재 그를 뒷받침할 2광자 광민감제가 없어 임상응용은 큰 제한을 받고 있다. 연구팀이 설계·합성한 신소재는 광조사 조건에서 자유기를 생성하는 특성이 매우 강해 종양세포 및 조직에 대한 살상 작용이 뛰어나다. 해당 광역학 치료용 광민감제의 치료효과는 현재 임상에 사용되고 있는 ALA 광민감제에 비해 훨씬 우수하다.

2020년 궤도 운행 우주선 200개 이상

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중국항천과기집단공사에 의하면, 중국은 2013년 16회의 우주발사를 실시하고, 선저우10호, 창어3호 등 20개의 위성을 우주로 발사할 계획이다. 그 중 중국항천과기집단공사 주도로 연구개발한 선저우10호와 톈궁1호는 유인 우주도킹을 수행하고, 창어3호는 최초로 달 연착륙 탐사와 자동 순시탐사를 실현할 예정이다. 중국항천과기집단공사는 2020년까지 '우주 과학기술산업 신규 시스템 구축, 세계 일류 대형 우주기업그룹 육성'을 포함한 다음과 같은 전략적 배치를 전반적으로 수행할 계획이다. 전반적인 우주공간 탐사능력을 확보한다. 차세대 로켓 시리즈를 형성하고, 중형 로켓 핵심기술을 확보한다. 중국 자체 우주정거장을 구축하고, 달 탐사 '궤도비행, 착륙, 귀환' 임무를 수행하며, 유인 달 상륙 핵심기술을 확보한다. 이 밖에 화성, 금성, 토성, 목성, 소행성 등 심우주 탐사공정을 실시한다. 완비된 국가 우주기반시설과 우주장비시스템을 구축한다. 글로벌위성항법시스템, 고해상도 지상관측시스템 등의 구축을 수행하고, 체계가 현대적이고 기능이 완비된 우주기반시설과 우주장비시스템을 구축한다. 2020년 궤도 운행 우주선 수를 세계 궤도 운행 우주선의 20%인 200개 이상으로 늘리고, 연간 발사 수를 세계 발사 수의 30%인 30회로 증가한다. 전략적 신흥산업 중심의 산업클러스터를 구축한다. 위성응용, 우주 첨단장비 제조, 우주 전자정보, 신에너지 및 신소재를 대표로 하고, 국가 전략적 신흥산업 발전방향에 부합되는 우주기술응용산업과 우주서비스업을 집중적으로 육성한다. 기술수준이 높고 성장 전망이 밝으며 국가와 중대 산업응용을 지원하는 우주 첨단기술 산업클러스터를 육성하고, 국제경쟁우위를 보유한 주력산업을 형성한다. 규모가 500억 위안 이상인 핵심 산업그룹과 규모가 100억 위안 이상인 중점전문기업을 육성한다. 실력이 강한 우주 국제경쟁력과 발언권을 확보한다. 위성통신, 위성항법, 위성원격탐사 등 우주 기반시설의 글로벌화 응용을 실현하고, 2020년까지 대외수입 비중을 15% 이상으로 끌어올리며, 우주비행과 국방사무 국제업무 수입의 영업수입 비중을 25%로 향상시킨다. 국제우주기구에서 중요한 책임을 맡고 있는 전문가와 학자를 양성하며, 우주 국제표준과 국제법칙의 제정, 중대 국제프로젝트협력, 주류 국제협력기구에서의 참여도와 발언권을 선명하게 보여준다. 중국과기집단공사는 지난 5년간 연구개발한 창정(长征) 계열 로켓을 70회 발사하고, 위성 84개, 선저우우주선 3개, 톈궁1호, 창어2호 달탐사선 등을 정상 궤도로 발사했다. 특히 2011년과 2012년 발사 횟수는 2년 연속 미국을 제치고 세계 2위를 기록했다. 궤도 운행 통신위성 수는 5개에서 12개로 증가하고, 위성 서비스 범위는 세계 80% 이상 지역으로 확대되었다. 러시아, 유럽, 파키스탄 등 20개 국가(지역)와 우주 협력관계를 구축하고, 통신위성과 원격탐사위성 완제품 10개 납품 계약서를 체결했다. 통신위성 3개, 원격탐사위성 1개를 수출하고, 상용 로켓발사 서비스 7회와 탑재 서비스 1회를 수행했다.

중국과학원, 신형 루비듐 원자시계의 획기적 연구진전

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중국과학원 왕위주(王育竹) 원사가 이끄는 신형 위성탑재 원자시계 과제팀은 최초로 자기 광학(Magneto-optical) 회전효과 기반의 직교 편광(orthogonal polarization) 탐사기술을 이용해 기포식 루비듐 원자시계의 이전신호를 연구하고, 90%의 초고명암비를 획득했다. 이에 따라 산탄 잡음을 억제하고, 시계이전 신호의 신호 대 잡음비와 원자시계 주파수의 안정성을 크게 향상시켰다. 이 성과는 국제 저널인 '옵틱스 레터스'(Optics Letters)에 발표되었다. 원자시계는 위성항법시스템(미국의 GPS와 중국의 북두시스템)의 핵심부품이다. 현재 국가마다 스펙트럼 램프로 펌핑한 루비듐 기포형 원자시계를 위성항법시스템의 위성 탑재 시계로 사용한다. 그러나 기존의 루비듐 기포형 원자시계는 연속 광학 펌핑 기술을 활용하기 때문에 광 주파수 변환 현상이 존재한다. 산탄 잡음의 영향이 원자시계의 중기 주파수 안정성 저하로 이어진다. 직교 편광 탐사기술을 적용한 펄스광 펌핑 루비듐 원자시계는 광 주파수 변환 제거가 가능해 주파수 안정성 지표를 수동 수소 원자시계보다 조금 높일 수 있다. 게다가 부피가 작고 무게가 가벼운 장점이 있으며, 차기 위성항법시스템의 이상적인 원자시계이다. 세계적으로 기포식 루비듐 원자시계의 이전신호는 모두 흡수법으로 탐사한다. 산탄 잡음의 제한으로 시계이전 신호의 명암비는 최고로 30%를 넘지 않는다. 직교 편광 탐사기술은 빛의 후면광원 필터링 탐사가 가능하기 때문에 산탄 잡음과 레이저 잡음을 억제하여 원자시계의 주파수 안정성을 대폭 향상시킬 수 있다. 전문가는 같은 여건에서 직교 편광 탐사기술을 활용해 얻은 알란 분산(Allan variance) 특성 구현 루비듐 원자시계의 주파수 안정성이 흡수법에 의한 탐사기술보다 한 자리수가 더 향상되었다고 밝혔다.

첫 순수 연료전지 무인기, 처녀비행 성공

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최근 퉁지(同济)대학 항공우주역학단과대학과 상하이아오커싸이(奥科赛)비행기공사가 1년간 공동 연구개발한 중국의 첫 순수 연료전지 무인기 비약(飞跃)1호가 상하이에서 처녀비행에 성공했다. 바이오매스에너지, 수소에너지 등 신에너지 비행기 개발은 항공기술의 미래 발전방향이다. 특히, 수소를 원료로 하는 제로배출 연료전지 전기 항공기 개발은 항공업의 중요한 발전추세이다. 퉁지대학 항공우주역학단과대학은 2008년부터 연료전지 비행기 연구개발에 착수하고, 2011년 상하이아오커싸이공사와 퉁지대학-아오커싸이신에너지비행기연구실을 공동 설립했다. 항공우주역학단과대학은 무인기 프로젝트 실시과정에서 총체적인 방안, 시스템 설계 및 분석, 공기동력과 구조계산, 재료와 구조 실험 등 사업을 담당하고, 상하이아오커싸이공사는 무인기 외형 설계, 제조 및 처녀비행 등 사업을 담당했다. 연료전지 무인기는 친환경적이고 작업 온도가 낮으며, 소음이 작고 유지보호에 용이하여 환경 모니터링, 전장 정찰 등에 적합하다. 관련 기술은 또한 연료전지를 동력으로 하는 경량형 항공기를 비롯한 신에너지 항공기 연구개발, 대형 민간 항공기 연료전지 보조동력시스템의 설계에 사용이 가능하다. 앞으로 대학과 기업 공동 연구팀은 비약1호 성능 개선 및 안정에 주력해 연속 항속시간을 8시간에서 10시간으로 연장하고, 제품화와 산업화를 가속화할 전망이다. <비약1호 무인기 제원> - 날개길이: 5m - 이륙중량: 20kg - 페이로드: 1kg - 순항시속: 30km - 비행고도: 2km 이하 - 항속시간: 2시간 - 연료: 모터가 아닌 수소 - 동력: 1kW의 양성자교환막 연료전지 - 적용영역: 환경 모니터링, 전투장소 정찰

세계 첫 20만kW 고온가스냉각형원자로 건설 허가

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최근 화넝산둥스다오만(华能山东石岛湾)공사의 고온가스냉각형원자로(HTGR) 시범공정이 건설 허가증을 따내고 첫 콘크리트 주입 허가를 받았다. 이는 세계 최초의 20만kW급 고온가스냉각형원자로 시범발전소가 건설 허가를 받았음을 의미한다. 대형 선진 가압수형 원자로 및 고온가스냉각형원자로 원전 과기중대전문프로젝트는 <국가 중장기 과학기술 발전계획 강요(2006-2020년)>에서 확정된 16개 중대전문프로젝트 중의 하나로서 국제 원전 발전의 최신추세에 착안해 대형 선진 가압수형 원자로와 고온가스냉각형원자로 연구개발 및 시범발전소 건설사업을 추진하여 중국의 원전 종합기술 수준과 자주혁신력을 전반적으로 향상시킬 계획이다. 고온가스냉각형원자로 시범공정은 전문프로젝트의 주요임무이다. 목표는 이미 운영에 들어간 10MW급 고온가스냉각형 실험로를 바탕으로 고온가스냉각형원자로 산업규모 확대 및 공정 실험검증 기술, 고성능 연료부품 대량 제조 기술을 연구하고, 자체 지적재산권을 보유한 20만kW급 모듈식 고온가스냉각형원자로의 상용화 시범발전소를 건설하는 것이다. 고온가스냉각형원자로는 4세대 원자력시스템의 안전특징을 지닌 고급 원자로 유형이다. 중국이 독자적으로 연구개발한 이 기술은 세계에서 장기간 선두우위를 유지해왔다. 시범공정의 개시는 중국의 4세대 원전기술의 최첨단단계 진입 촉진, 원전 건설 기업의 연구개발 역량 확대 추진, 원자력발전 인력 집결 및 유치 강화에 대해 중요한 의미를 지닌다.

중국과학자 복제동물의 출생율이 낮은 핵심요인 규명

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중국과학원 상하이생명과학연구원 생화세포연구소의 리진숭(李勁松) 박사가 이끄는 연구팀이 복제배반포의 영양외배엽(trophectoderm)에 존재하는 리프로그래밍 이상세포가 복제배아 발육의 실패를 초래하는 핵심요인임을 규명하고, 이들 결함을 복구하는 방법으로 복제동물의 출생율을 6배 향상시켰다. 관련된 연구성과는 4월 8일자《Cell Stem Cell》지에 등재되었다. 체세포복제기술이 탄생한 이래 복제배아가 개체로 발육되는 효율은 낮았다. 일례로 실험용 쥐의 경우, 50~70%의 핵이식배아가 체외에서 배반포로 발육할 수 있지만, 이들 배반포를 쥐의 자궁 속에 넣으면 단 3% 정도만 복제동물로 발육 가능하다. 왜 대부분의 복제배반포는 개체로 발육할 수 없을까? 복제배반포의 영양외배엽에 존재하는 리프로그래밍 이상세포가 복제배아발육의 실패를 초래하는 핵심요인이라는 가설이 제기되었지만, 이 가설이 직접적으로 입증된 바는 없었다. 최근 들어서는 오히려 가설을 부인하는 일부 간접 증거들이 나타나기도 하였다. 연구팀 내 린쟝워이(林江維) 등은 위 가설을 입증하기 위해 4배체배아 보상기술을 사용하였다. 4배체배아 보상기술이란 4배체배아와 2배체배아를 융합해서 하나의 배아로 만든 다음, 융합배아의 발육과정에 4배체의 세포는 대부분 배아외부조직으로, 2배체의 세포는 배아로 발육하게 하는 기술이다. 이 기술은 일반적으로 태반 발육의 결함으로 유발되는 2배체 배아의 발육 실패를 만회하는데 사용된다. 연구자들은 만약 복제배반포 영양외배엽에 리프로그래밍 이상세포가 확실하게 존재한다면, 4배체배아 보상기술을 이용해서 출생율을 향상시킬 수 있을 것으로 내다보았다. 연구자들이 한 복제배아와 두개의 4배체배아로 융합배아를 만들었더니 복제동물의 출생율이 2.6배 향상되었다. 이는 복제 영양외배엽에 정상기능을 보유한 4배체 세포를 주입하면 복제배아의 발육율이 크게 향상된다는 것을 뜻한다. 연구자들은 또 실험과정에 비정상적인 영양외배엽이 배아외부조직에 계속적으로 존재할 경우 배아의 발육에 불리한 영향을 미친다는 것을 발견하고, 복제배반포의 영양외배엽 세포를 전부 4배체 세포로 대체하면 복제동물의 출생율이 대폭 향상될 수 있을 것으로 예측하였다. 따라서 그들은 면역수술법을 이용해 복제배반포의 영양외배엽 세포를 제거한 후, 분리해낸 내세포괴(inner cell mass) 세포와 두개의 4배체 세포를 융합시켰는데, 그 결과 복제동물의 출생율이 6배 향상되었다. 마지막으로 연구팀은 상반된 실험을 해보았다. 정상적인 배반포의 내세포괴 세포와 두개의 복제원 4배체 세포를 융합시켰는데, 그 결과 출생율이 직접적인 핵이식 복제쥐와 유사하였다. 이는 복제배반포의 영양외배엽에 리프로그래밍 이상세포가 확실하게 존재하며, 배아의 발육에 영향을 준다는 것을 입증한다.

중국과학자, 글로벌 최대의 미생물게놈프로젝트 참여

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중국과학자가 글로벌 최대의 미생물게놈 연구프로젝트(Earth Microbiome Project,EMP)에 참여할 예정이라고 선저언화다(深圳華大)유전자연구원(BGI)이 최근 공포하였다. 중국과학자들은 전 세계에서 온 20만개의 미생물샘플에 대한 환경성 DNA(Environmental DNA)와 메타게놈(metagenome)의 서열을 분석한 토대위에 글로벌 유전자 맵을 구축하는 EMP 프로젝트에서 핵심사업을 담당할 예정이다. 이 프로젝트는 글로벌 범위 내 미생물군락의 기능과 진화 다양성을 전 방위적이고 시스템적으로 연구하는데 목적을 두고 있다. 기존의 미생물연구와 달리 EMP 프로젝트의 연구대상은 해양과 인체 환경속의 미생물군락에 집중되었을 뿐만 아니라, 토양, 공기, 담수 생태시스템 등 지구표면의 대부분 미생물군락을 포함하였다. BGI 연구원은 아시아지역의 모든 샘플의 수집과 감정을 담당하는 동시에 전체 프로젝트의 실시를 위한 DNA 추출과 뱅크 구축, 메타게놈 서열분석 등의 사업, 그리고 생물정보학 분석프로세스에 필요한 전산자원의 개발을 담당할 예정이다. EMP 프로젝트의 책임자인 Jack Gilbert 박사(Chicago 대학 및 Argonne 국립실험실 교수)는 BGI 연구원이 서열분석능력, 분석기술, 정보분석 등의 분야에서 실력이 특출하기 때문에, 전례가 없는 대규모의 게놈서열 분석사업에 세계 최대의 유전체학연구센터인 동 연구원의 참여가 매우 중요하다고 언급하였다. 미생물이 지구상의 모든 생명체에 중요한 영향을 미치지만, 미생물의 복잡성과 다양성에 대한 인류의 인식은 매우 부족하다. 이런 미지의 분야를 탐색하는데 앞으로 중국과학자들의 기여가 기대된다. * EMP 프로젝트의 주요 참여기관: BGI 연구원 외 Argonne 국립실험실, Chicago 대학, Colorado 대학, LBNL 국립실험실, JGI 연구소 등

바이오매스 12시간만에 옷감으로 변신

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우한(武漢)대학의 장리나(張俐娜) 교수팀이 가장 보편적이고 경제적인 수산화나트륨과 요소의 수용액을 섬유소용제로 사용, -12℃의 온도조건에서 25분 내에 섬유소를 신속하게 용해시켜 투명한 용액을 만든 후, 이로부터 신형의 재생가능섬유소 실을 생산하였는데, 전체의 생산주기는 12시간 밖에 안되었다. 이런 신형의 저온용해기술은 전통적인 가열방법을 대체하였을 뿐만 아니라, 휘발물질이 생성되지 않고, 폐액의 회수가 용이하며, 요소의 순환사용도 가능하다. 3월 29일 장교수는 상기 성과로 211년도「Anselme Payen Award」상을 수상하였다. 중국인 최초로 받은 이 상은 섬유소 및 재생가능자원 소재 분야의 국제 최고상으로 알려지고 있다. 인공섬유는 방직업의 중요한 원자재이다. 바이오매스를 이용해 섬유를 생산하려면 먼저 섬유소를 용해시켜야 한다. 전통적인 고온용해법의 경우, 섬유소를 수산화나트륨과 이황화탄소 용액에 넣고 가열처리 해야 하는데, 수십 시간이 지나야만 용해가 가능하고, 전체 섬유생산 주기는 1주일 정도 소요된다. 게다가 이황화유황은 오염이 높은 원료로서 회수도 어렵다. 장교수팀은 저온 조건에서 대분자와 용제가 자체조립을 통해 새로운 수소결합유도체를 형성함으로써 용해과정을 촉진시킨다는 것을 발견한 후, 바이오매스를 토대로 하는 새로운 기능의 소재와 생물분해가능소재를 개발하고, 미세구조가 소재의 거시성능과 기능에 미치는 영향까지 파악하였다. 연구팀은 현재 저온용해 섬유소의 방사를 위한 그린 공업화 실험을 기본적으로 완성하였다.   「Anselme Payen Award」심사위원회는 장교수가 개발한 그린용제 저온용해의 이론과 기술은 재생가능자원 소재 분야의 획기적인 성과라고 높게 평가하였다.

p53 인자가 포도당의 대사를 조절하는 새로운 경로 발견

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중국과학기술대학 생명공학학부의 오면(吳緬) 교수와 미국 펜실베이니아대학 의학부의 양소로(楊小魯) 교수가 공동연구를 통해 p53 종양억제인자가 G6PD(glucose-6-phosphate dehydrogenase)의 활성을 직접 억제하는 방법으로 세포의 생물합성을 조절한다는 것을 발견하였다. 암 치료에 중요한 잠재적 가치가 있는 이 성과는 최근 세계적인 학술지《NatureCellBiology》에 등재되었다. p53은 지금까지 발견한 세포 가운데 가장 중요한 종양억제인자에 속하는데, 인류 50% 이상의 종양세포에서 해당 인자의 결실 또는 돌연변이가 확인되었다. 최근 들어 연구자들은 p53 인자가 세포대사 특히 포도당의 대사과정에 중요한 역할을 한다는 것을 발견하였다. 오면 교수와 양소로 교수 연구팀은 p53 인자가 세포의 한 포도당대사 경로, 다시 말해서 오탄당인산(pentose phosphate) 경로의 조절에 중요한 역할을 한다는 것을 발견하였다. 이들은 실험을 통해 p53 인자가 오탄당인산 경로에서 선두로 반응하는 핵심효소 G6PD와 결합해서 그의 활성을 억제시킨다는 것을 입증하였다. 세포가 정상적인 상태일 경우, p53인자가 위 대사의 진행을 억제시키기 때문에 세포 가운데 포도당은 주로 효소분해와 트리카르복시산(tricarboxylic acid)의 순환에 참여해서 세포의 생장에 필요한 에너지를 생성하게 된다. 그러나 p53 인자에 돌연변이 또는 결실이 발생하면 G6PD과의 결합능력과 해당 효소에 대한 제어력을 상실하게 되고, p53의 제어를 받아오던 오탄당인산(pentose phosphate) 경로는 활성을 되찾게 된다. 이렇게 되면 대량의 포도당이 위 대사에서 소모되기 때문에 세포의 생장에 필요한 에너지를 생성할 수 없게 되고, 반면 이 과정에 대량 생성되는 환원제와 펜타오스(pentaose)가 종양세포의 급속한 생장을 촉진하게 된다. 이 연구는 또 최초로 p53 인자가 유전자전사 활성 외에도 촉매기능을 보유해서 G6PD의 활성을 억제시킨다는 것을 발견하였다. 이 성과는 약물작용의 위치를 정확하게 선택해서 오탄당인산의 경로를 간섭하는 방법으로 새로운 종양치료 방법을 개발할 수 있다는 것을 뜻한다고 오면 교수가 전하였다.

선양자동화연구소, 나노로봇 조종성 향상

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최근 중국과학원 선양자동화연구소 마이크로나노과제팀의 나노로봇 조종성 향상 관련 성과인 ‘가상 나노 손(Virtual nano hand)’이 세계 정기간행물에 표지논문으로 실렸다. 이는 동 과제팀이 지난 2년간 발표한 7번째 표지눈문으로서 과제팀의 혁신능력이 국내외 동종 업계의 인정과 주목을 받고 있음을 보여준다. 나노로봇의 엔드 이펙터(end effector)는 직경이 수십 나노미터인 탐침이기 때문에 대상물체와 점접촉밖에 할 수 없어 조종과정에서 나노물체를 긋고 지나기 쉽고, 또한 나노물체(예: 나노파이프)의 고정 자세 운반이 불가능하다. 이 문제를 해결하기 위해 마이크로나노과제팀은 시간과 공간 상호교환 고밀도 동시 운영전략을 고안하였고 엔드 이펙터의 운반조종 경로에 대한 계획과 실시간 고속 제어를 통해 단일 탐침의 여러 개 탐침에 대한 시뮬레이션이 가능한 조종을 실현하였으며, 나노입자와 나노파이프의 고정 자세 제어가 가능한 고정밀도 조종을 실현하였다. 이에 따라 나노로봇의 작업능력을 제고하고 단일 탐침의 나노조작에 대한 한계를 극복하였다. 동 표지논문은 ‘Tackling the Tasks at Hand’라는 주제로 나노 손의 전략에 대해 중점적으로 발표하고, 또한 그림의 형태로 나노 손이 대표하는 예술적인 의미를 구현하였다고 평가하였다. 나노로봇이란 나노크기의 물체에 대해 제어가 가능한 기계전자시스템을 가리키는 것으로, 선양자동화연구소는 2002년에 중국에서 최초로 동 분야 연구에 착수하여 증강현실(Augmented reality), 포스 피드백(force feedback), 마이크로나노 크기의 실시간 인식 등의 핵심기술을 개발하고, 실시간 시각과 촉각 피드백을 제공하는 나노로봇시스템을 구축하여 DNA, 탄소나노튜브, 양자점 등 나노물체의 제어와 조립을 실현하였다. IEEE Nanotechnology Magazine은 IEEE 나노학회가 주관하는 국제학술간행물로서 공학분야 연구자의 나노과학기술 최신성과, 특히 공학방법 나노과학기술에 대한 견인차 역할에 관심의 초점을 두고 있다.

중국웨카이그룹, 리튬이온전지 격리막 개발로 해외기술 독점 타파

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최근 중국웨카이(中国乐凯)그룹은 전기자동차에 사용하는 고성능 리튬이온배터리 격리막 연구개발에 성공하여 전략적 신흥산업 중 신소재와 신에너지 분야에 동종 제품이 전무하던 현황을 변화시켰다. 웨카이그룹은 2006년부터 리튬이온배터리 격리막 프로젝트에 관심을 기울이기 시작하였으며, 심층 시장조사와 분석을 거쳐 자사가 수년간 축적한 고분자 박막 가공기술과 정밀 코팅기술을 이용하여 주요성능이 선진국 수준인 고성능 리튬이온배터리 격리막을 개발하였다. 동 제품에 적용된 기술은 국가특허 3건을 출원했으며, 이미 2건을 획득했다. 동 제품 개발로 중국은 고성능 리튬이온배터리 격리막을 해외에서 수입하던 현황을 변화시키고 해외 기업의 동종 제품·기술 독점을 타파하여 중국 고성능 배터리의 국제경쟁력을 향상시킬 것으로 기대된다.

중국과기대, 몇 분 만에 바닷물 한 컵을 음용수로 만드는 박막 필터 연구

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중국과학기술대학의 우헝안(吳恒安) 교수가 이끄는 연구팀은 노벨상 수상자인 영국 맨체스터대학(University of Manchester)의 Andre Geim 교수 연구팀과 협력연구를 통해, 그래핀 산화물 여과막이 고속 이온 선별능력을 갖고 있음을 발견하였다. 관련 연구성과는 지에 발표되었다. 그래핀은 독특한 역학 및 전기학 특성을 지니고 있어 “신비한 재료”로 불린다. 하지만 그래핀과 물사이의 상호작용 원리에 대해서는 알고 있는 사람이 많지 않다. 그래핀은 물을 배척하는 경향을 가진 소수성 물질이지만, 물속에 넣으면 그래핀 모세관은 오히려 물을 급격하게 빨아들인다. 연구진의 최신 연구결과, 물속에서 산화 그래핀 박막은 물과 상호작용한 후, 폭이 0.9nm되는 모세관을 형성하기 때문에 0.9nm보다 작은 크기의 이온이나 분자는 빠르게 통과되지만 0.9nm보다 크기가 큰 이온을 완전히 차단하는 현상을 발견하였다. 이러한 선별효과는 이온치수에 대한 요구가 매우 정확할 뿐만 아니라 전통적인 농도확산보다 1천배이상 빠른 것이 장점이다. 우헝안 과제팀은 이론분석과 분자모의방법을 통해 그래핀 나노 통로의 고속 이온필터 원리에 대한 연구를 수행했다. 컴퓨터 시뮬레이션 연구결과, 그래핀과 이온 사이의 상호작용에 의해 이온을 나노통로에 집결시키기 때문에 이온의 고속 확산을 촉진하는 것으로 나타났다. 이 발견은 실험결과를 합리적으로 해석하였고 “이온 해면(海綿)효과”라고도 불린다. 전문가들은 만약 기계적인 수단을 통해 박막의 모세관 치수를 한층 더 압축시킨다면 해수 중의 염분을 효율적으로 여과할 수 있을 것으로 분석했다. 이는 바닷물 한컵을 몇 분 만에 음용수로 여과할 수 있는 필터장치를 만드는 것이, 더 이상은 과학환상소설에 나타나는 장면이 아님을 의미한다. 「Science」지는 그래핀 산화막의 이러한 발견은 많은 분리응용에 있어서 중요한 의미를 지니며, 특히 해수담수화, 물 정화, 센서기술 및 에너지전환 등 다양한 분야에서 응용전망이 밝을 것이라고 평가하였다.

중국과기대, 흑인(黑磷, black phosphorus) 전계효과 트랜지스터 개발

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최근 중국과기대학의 천센휘이(陳仙輝) 교수가 이끌고 있는 연구팀은 복단대학의 장웬버(張遠波) 교수가 이끄는 연구팀과 협력연구를 통해, 금속성질을 나타내는 흑인(黑磷,black phosphorus)의 2차원 나노구조 전계효과 트랜지스터(FET, field effect transistor)를 개발하였다고 밝혔다. 이 연구성과는 3월 2일 「Nature nanotechnology」 온라인판에 발표되었다. 단일 원자두께의 그래핀이 발견됨에 따라 2차원 결정체 재료는 미래 전자기술에 영향을 미치는 첨단 신소재로 주목받고 있다. 하지만 2차원 그래핀의 전자구조는 에너지 갭(gap)이 없기 때문에 전자학응용에 있어서 전류의 “on/off” 기능을 실현할 수 없기에 컴퓨터 회로의 반도체 스위치 기능을 약화시켰다. 그래핀의 결함을 극복하기 위한 대안으로 과학자들은 실리센(silicene)이나 germanene과 같은 여러 가지 대체 재료를 고안해냈으나, 이러한 대체 재료는 공기 중에서 불안정하여 실제 응용이 어렵다. 이러한 난제를 해결하기 위해 천센후이 과제팀은 에너지갭이 있는 2차원 포스포린(phosphorene)의 전계효과 트랜지스터를 개발하였다. 포스포린은 탄소 기반의 그래핀과 비슷한 구조를 가졌지만 인(phosphorus) 원자들로 이루어진 천연 반도체이다. 다른 2차원 결정체 재료와 비교하였을 때 2차원 포스포린 재료는 더욱 안정적이지만 상압에서 단결정체가 성장하기 어렵다. 이 과제팀은 고온고압의 극단조건에서 고품질의 포스포린 결정체 재료를 성장시켰고, 이를 토대로 전계효과 트랜지스터를 성공적으로 개발하였다. 연구 논문이 발표되자 국제 학술계의 많은 주목을 받았고, 「Nature」 지에 논평 문장이 발표되었으며, 연구팀의 연구를 포함한 2편의 2차원 포스포린 전계효과 트랜지스터 연구성과를 집중적으로 소개했다.