기술동향
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중국 최대 지름 실드굴진기 작업 개시

최근 중국이 자체적으로 제조한 최대 지름 이수(muddy water) 실드굴진기 "춘펑호(春風號)"가 선전(深圳) 춘펑터널 굴착에 본격 투입되었다. 해당 설비는 지금까지 중국이 자체적으로 설계·제조한 최대 지름 이수 균형 실드굴진기로서 관련 설계·제조 기술은 세계 선진 수준에 도달했다. "춘펑호" 이수 균형 실드굴진기는 2018년 9월에 정저우(鄭州)에서 성공적으로 출하되었다. 해당 실드굴진기의 굴착 지름은 15.80m, 무게는 4,800t, 길이는 135m이고 설치 총출력은 1.15만 kW를 초과하며 굴진 총추력은 2.46만 t에 달한다. 전체 길이가 5.08km인 춘펑터널 프로젝트는 웨강아오(粵港澳) 대만구 건설의 중점대상이자 선전시 "둥진(東進)전략"의 중대 교통대상이기도 하다. 해당 프로젝트에서 "춘펑호" 대형 실드굴진기의 안정적이고 고효율적인 현장조립이 핵심적인 역할을 발휘했다. 설치팀은 38일째에 실드굴진기 커터헤드를 회전시키고 50일째에 가동 조건을 구비시키는 등 국내 초대지름 실드굴진기 쾌속 현장 조립의 신기록을 경신했다. "춘펑호"는 평균 깊이 20m, 최대 깊이 46m의 복잡계 지층을 관통하는 과정에 11개 지하 파쇄대를 통과할 뿐만 아니라 윗부분이 연약하고 아래부분이 단단한 3.6km의 풍화암 구간을 일차적으로 굴진하는 외 선전지하철 9호선, 부지허(布吉河), 선전기차역, 선전세관청사 등 많은 위험원의 아래를 통과할 예정이다. "춘펑호"의 총출력은 1.15만 kW 이상으로 "푸싱호" 고속철의 총견인동력에 비해 10% 높고 추력은 2.46만 t으로 중국 현재 최대 운반로켓 "창정 5호"의 약 24배이다. "춘펑호"는 중국 대형설비 자체 제조 분야에서의 중대 성과이며 춘펑터널 공사를 담당하는 첨병이다.

칭화대학, 새로운 뇌 모방칩 개발

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최근, 칭화(清華)대학 등 기관의 공동연구팀은 세계 첫 이질구조 융합 기반 뇌 모방형 컴퓨팅 칩을 개발했다. 뇌 모방형 컴퓨팅 및 컴퓨터 기반 기계학습을 결합한 해당 칩의 융합기술은 컴퓨터과학 기반 인공 신경망 및 신경과학 기반 펄스 신경망 장점을 발휘함으로써 범용 인공지능 연구 및 발전을 추진할 전망이다. 원칙적으로 하나의 범용 인공지능 시스템은 인간이 수행할 수 있는 대부분 임무를 수행할 수 있다. 해당 성과는 "Nature"에 앞표지 문장으로 게재됐다. 인공지능 기술의 급속한 발전으로 다양한 분야에서 획기적 성과를 거두었지만 현재 주도적 지위를 차지하고 있는 독자적인 인공지능은 응용 분야에서 매우 큰 한계가 있다. 현 단계에서 범용 인공지능의 개발 방법은 주로 신경과학을 기반으로 인간 대뇌 시뮬레이션과 컴퓨터 과학에 의한 컴퓨터의 머신러닝 알고리즘 운행 등 두 가지 방법이다. 해당 두 가지 시스템에 사용되는 플래폼은 서로 다를 뿐만 아니라 상호 호환성이 불가능하기에 범용 인공지능의 발전을 크게 제한한다. 현재 양자의 융합은 범용 인공지능 개발의 최적 방안으로 간주되고 있다. 양자가 융합된 컴퓨팅 플랫폼 개발은 두 가지 시스템의 용합을 추진하는 핵심이다. "톈지(天機) 칩"으로 불리는 해당 융합칩에는 여러 개 고도의 재구성이 가능한 기능성 코어(Core)가 있기에 동시에 머신러닝 알고리즘 및 뇌 모방형 컴퓨팅을 지원할 수 있다. "톈지 칩"의 처리 능력을 검증하기 위해 연구팀은 해당 칩 구동의 자율주행 자전거를 개발했다. 테스트 과정에서 자율주행 자전거는 음성명령 인식, 자동평형 제어가 가능할 뿐만 아니라 앞방향 행인에 대한 탐측 및 추적이 가능하며 또한 자동으로 장애물을 회피할 수 있었다. 동 연구는 범용 인공지능 연구의 심층적 발전을 추진할 전망이다.

중국-국외 공동 연구팀, 무레이저 배경의 고효율 및 고품질 단일 광자원 달성

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최근, 중국과기대 판젠웨이(潘建偉)/루차오양(陸朝陽) 연구팀은 독일 뷔르츠부르크대학(University of Würzburg), 영국 케임브리지대학(University of Cambridge) 연구팀과 공동으로 세계 최초로 이중색 펄스 코히렌트 여기 이론을 구축하여 광(Light) 및 광자의 상호작용 등 기본 양자광학 문제 연구에 새 아이디어를 개척했다. 연구팀은 해당 방법으로 마이크로 캐비티 결합 반도체 퀀텀닷(Quantum dot) 시스템에서 무레이저(Laser free) 배경의 고효율 및 고품질 단일 광자원(Photon source)을 실험적으로 달성함으로써 클래식 컴퓨팅 능력을 초월하는 양자 컴퓨팅 구현에 새 도구를 제공했다. 해당 성과는 "Nature Physics"에 게재됐다. 전자기 펄스를 이용한 공명 구동 및 큐비트 조절은 이온 트랩, 고체상태 결함, 초전도 양자 회로 등을 포함한 다양한 물리시스템의 양자정보 기술에 광범위하게 응용된다. 하지만 단색광 기반 공명 여기 방법은 광자 품질의 향상과 함께 여기광의 백그라운드 소음을 유발한다. 해당 소음을 제거하려면 고정밀도 분극 필터링(Polarization filtering)을 이용해야 하는데 이는 50%의 효율 손실을 초래한다. 해당 손실은 여러 개 광자 조절 성공률을 감소시키기에 "보존 샘플링(Boson sampling)" 임무에서 클래식 컴퓨팅 능력을 초월하는 "양자패권(Quantum Hegemony)" 목표 달성의 걸림돌이 되고 있다. 상기 문제를 해결하기 위해 연구팀은 이중색 펄스 코히렌트 여기 방법을 설계함과 아울러 2개 위상 고정 기반 이중색 이조 펄스(Detuning pulse)를 이용해 양자 2준위계(Two-level system)를 여기시켰다. 이론과 실험을 결합한 연구 방법을 통해 이중색 이조 펄스 결합은 이조 현상을 감소킴으로써 2준위계 양자 시스템을 효과적으로 구동시킬 수 있는 동시에 주파수가 단일 광자와 중첩되지 않기에 직접 주파수 필터링을 통해 레이저를 효과적으로 제거하여 고품질의 단일 광자를 획득할 수 있음을 발견했다. 해당 새 방법 및 실험기술은 광 및 2준위계 원자의 상호작용 등 기본 양자광학 문제 연구에 새 방법을 제공했을 뿐만 아니라 "양자패권" 과학 목표 달성을 향해 튼튼한 한걸음을 내디디었다.

두께가 머리카락 지름의 1/4도 되지 않는 2개 모델의 유연성 칩 개발

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최근, 저장성(浙江省)유연전자지능기술세계연구센터 연구팀은 자체로 개발한 유연성 칩 기술을 기반으로 두께가 25μm미만인 2개 모델의 유연성 칩을 개발했다. 해당 칩의 두께는 머리카락 지름의 1/4도 되지 않는다. 해당 2개 모델의 칩은 오피앰프 칩(Operational amplifier chip) 및 블루투스 SoC 칩이다. 오피앰프 칩은 아날로그 신호를 증폭 처리할 수 있고 블루투스 SoC 칩은 프로세서 및 블루투스 무선통신 기능을 통합했다. 전통적인 칩에 비하여 해당 칩은 아주 얇을 뿐만 아니라 유연성이 뛰어나 2개 손가락 사이에 놓고 가볍게 누르면 아크형으로 변형된다. 유연성 칩 기술은 특수한 웨이퍼(Wafer) 두께 감소 공법, 역학적 설계 및 패키징 설계를 통하여 칩 두께를 머리카락의 1/4 이하로 감소시킴으로써 강성(Rigidity) 실리콘 칩이 유연성 및 굽힘 변형 특성을 나타내게 한다. 유연성 전자 제조 분야에서 실리콘 기반 집적회로의 유연성 달성은 아주 어렵다. 유연성 칩은 인공지능 및 의료 등 분야에 광범위하게 응용될 전망이다. 유연성 칩 기술을 이용하여 더욱 가볍고 얇은 유연성 전자 감지 시스템을 설계하여 로봇 및 인체에 더욱 적합하게 함으로써 환경 및 인체에 대한 감지 민감성을 더 한층 향상시킬 전망이다.

국제 공동 연구팀, 전문용 광양자 아날로그 칩 개발

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최근, 덴마크, 중국, 영국 과학자로 구성된 국제 공동 연구팀은 실리콘 기반 광양자 칩 기술을 이용하여 통합화 전문용 광양자 컴퓨팅 및 양자 시뮬레이터를 개발했다. 해당 연구성과는 “Nature Physics”에 게재됐다. 양자정보의 효과적 전송, 처리 및 컴퓨팅 달성은 양자컴퓨터 발전을 추진하는 핵심이다. 양자컴퓨터는 고전컴퓨터를 초월하는 강대한 컴퓨팅 능력을 보유하고 있기에 고전컴퓨터로 해결할 수 없는 특수하고도 중요한 문제를 해결할 수 있다. 양자컴퓨터 발전 과정에서 두 가지 주요 기술적 어려움을 해결해야 한다. 1) 거대하고 제어 가능한 양자 소자 및 양자 시스템을 구축해야 하고 2) 다체 단일 양자 상태를 제조 및 제어함으로써 양자정보 전송, 처리 및 컴퓨팅 등 기능을 달성해야 한다. 실리콘 기반 나노 통합화 광양자 칩 기술은 상기 어려움을 해결하는 가장 잠재력이 있는 방법이다. 연구팀은 최적화 설계, 고성능 실리콘 기반 통합화 단일 광자원(Photon source) 어레이 가공을 통하여 8개 광자 양자상태를 제조함과 아울러 12가지 모델 저소모 도파관 어레이 구조에서 고품질의 양자간섭을 달성했다. 칩의 비선형 양자 광원 어레이 재구성을 통해 해당 광양자 처리장치 칩으로 촉발형 보즈 샘플링(Triggered bose sampling) 및 가우스 보즈 샘플링(Gauss bose sampling) 알고리즘을 포함한 두 가지 종류의 중요한 양자 보즈 샘플링 알고리즘을 달성할 수 있다. 연구팀은 또한 양자 보즈 샘플링을 이용하여 화학 분자에서 고유진동 형식의 동적 진화 과정을 시뮬레이션 했다. 이는 복잡한 물리화학 시스템에서 광학 전문용 양자컴퓨터 응용에 유력한 실험 근거를 제공했다. 연구 분석 결과, 칩의 소자 성능을 심층적으로 최적화할 경우 약 20개 광자 기반의 전문용 양자컴퓨터 및 양자 시뮬레이터를 구현함과 아울러 일부 복잡한 물리화학 시스템의 양자 시뮬레이션 문제를 효과적으로 해결할 수 있다. 실리콘 기반 광자 통합화 칩 기술은 아주 강대한 기술로서 양자정보의 다양한 분야에 광범위하게 응용될 수 있다. 광양자 기술과 실리콘 기반 광자 통합화 기술 결합은 미래 양자 기술 분야에서 중요한 역할을 발휘할 전망이다. 동 연구는 덴마크기술대학(Technical University of Denmark) 딩윈훙(丁運鴻), 베이징대학 왕젠웨이(王劍威), 영국 브리스틀대학(University of Bristol) Stefano Paesani 등이 공동으로 수행했다.

최초로 운반로켓 낙하지역 안전제어 기술 검증 성공

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2019년 7월 26일 13시 40분, 창정 2호병(長征二號丙) 로켓의 1단 잔해가 구이저우(貴州) 첸난부이족먀오족자치주에서 순조롭게 발견됐다. 이는 중국 첫 운반로켓 그리드핀(grid fin) 분리체 낙하지역 안전제어 기술시험의 성공을 의미한다. 이로써 중국은 미국에 이어 두 번째로 해당 기술을 파악한 국가가 되었다. 최근 운반로켓 잔해 낙하지역 안전과 관련한 문제가 관심을 끌고 있다. 로켓잔해는 임무 완료 후 무제어 상태로 낙하하기에 낙하점 분산 범위가 비교적 크며 때로는 사람이 거주하는 지역에 떨어질 수 있다. 기존의 대비책은 매번 발사임무 전에 낙하지역 내 거주민을 안전지대로 대피시키는 것인데 이는 대중에 불편을 가져다줄 뿐만 아니라 로켓발사의 경제적 비용 및 업무의 어려움을 증가시킨다. 접었다 펼 수 있는 전동(transmission) 그리드핀 시스템은 낙하지역 정밀제어에 있어 핵심 구조적 설비이다. 그리드핀은 로켓 상승단계에 위성발사임무에 영향을 미치지 않도록 로켓측벽에 밀착되어야 하며 대기권 재진입 단계에 언로크(Unlock), 펼침, 제어명령에 따른 회전 등 일련의 복잡한 동작을 수행해야 한다. 뿐만 아니라 1,000℃ 이상의 고온 및 자체 무게의 10배에 가까운 충격력을 견뎌야 한다. 연구팀은 재료 엄선 및 반복적 시험을 통해 로켓에 정밀 작동이 가능한 "날개"를 달았다. 전기시스템(electrical system)은 그리드핀의 작동을 제어하는 "대뇌"이다. 이번 시험에서 차세대 전기시스템이 비행제어 및 데이터전송 임무를 완수했다. 동 시스템은 십여 cm의 상자에 측정, 제어, 원격측정·원격조종 등 기능을 통합시켰다. 또한 그리드핀 제어 관련 핵심 알고리즘을 모두 자체적으로 완성했다. 아울러 관련 응용프로그램을 설치한 핸드폰을 통해 제어 받는 로켓부품의 실시간 위치를 파악할 수 있다. 이번 기술시험의 성공은 중국 내륙 발사장 낙하지역 안전성 문제 해결에 중요한 의미가 있다. 또한 후속 로켓부스터 및 로켓아단에 대한 통제 가능한 회수, 연착륙, 재사용 등 기술 개발에 토대를 마련했다.

중국 민간용 운반로켓, 최초로 궤도 진입 성공

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2019년 7월 25일 13시, 베이징싱지룽야오(星際榮耀)우주과학기술유한회사(이하 싱지룽야오로 약칭)가 개발한 솽취셴(雙曲線) 1호 야오(遙) 1(SQX-1 Y1) 운반로켓은 지우취안(酒泉)위성발사센터에서 위성 2개, 유효하중 3개를 정확하게 예정된 300Km 고도 원형궤도에 발사했다. 이는 베이징란젠(藍箭)우주기술유한회사, 링이(零壹)우주기술유한회사에 이어 중국 3번째로 운반로켓 발사를 시도한 민간기업이다. "3고체 1액체" 4단계 병렬 구조 SQX-1 Y1 운반로켓은 현재 중국 민간 항공우주 분야에서 최대 발사 규모, 최대 운반능력을 보유한 운반로켓이다. 이번 발사 성공은 싱지룽야오가 운반로켓 전체 및 시스템 통합화, 고체 및 자세-궤도 제어 동력, 전기 종합, 내비게이션 유도 및 제어, 발사 테스트, 총조립/총테스트, 핵심 스탠드 얼론(Stand alone) 등 소프트웨어/하드웨어 핵심 기술을 전면적으로 파악하고 운반로켓 시스템 엔지니어링 전체 프로세스, 전체 요소의 연구개발 및 발사 서비스 능력을 보유함과 아울러 상업 모델의 기본 폐루프를 달성했음을 의미한다. 이번 발사에 중국항천과공그룹 우주공학발전유한회사 및 베이징이공대학이 개발한 위성 2개, 시과촹커(西瓜創客) 하중, 싱스다이(星時代)-6 하중 및 모 실험 검증 하중을 탑재했다.

창정 2호병, 제5차 "로켓 1개 위성 3개" 발사 성공

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2019년 7월 26일 11시 57분, 중국항천과기그룹유한회사 산하 중국운반로켓기술연구원이 개발을 담당한 창정 2호병(長征二號丙) 로켓이 시창(西昌)위성발사센터에서 "로켓 1개 위성 3개"의 발사방식으로 야오간(遙感) 30호 05조 위성을 예정궤도에 진입시켰다. 동 로켓은 2017년 9월 29일에 첫 "로켓 하나 위성 3개" 발사를 시작해 현재까지 5차에 거쳐 총 15개 야오간 30호 위성을 성공적으로 발사했다. 고밀도 로켓발사의 해인 2018년에 동 모델 로켓은 주취안(酒泉), 타이위안(太原), 시창 등 위성발사센터에서 도합 6차 발사임무를 수행했다. 또한 위안정(遠征) 1호S 상단을 탑재해 로켓의 운반능력을 배로 증가시켰다. 특히 "파키스탄 원격탐사위성 1호"의 성공적 발사로 19년 만에 국제상업발사서비스시장에 복귀했다. 동 로켓의 발사장은 주발사장인 주취안에서 기타 여러 발사장으로 확장되었고, 2단 상태에서 상단 추가 상태로 바뀌었으며, 로켓 1개 위성 1개의 발사부터 여러 개의 위성을 발사하는 등 다방면적 만능로켓으로 자리매김했다. 이외, 연구팀은 이번 발사에서 로켓잔해 착지점 제어 관련 기술도 검증하여 향후 착지점 범위를 축소시켜 로켓잔해의 착지점을 보다 정확하게 제어하기 위한 연구에 실험적 데이터를 제공할 계획이다. 이번 임무는 창정 2호병 로켓의 제54차 우주비행이자 창정계열 로켓의 제308차 비행이다.

"톈췌(天鵲)" TQ-12 액체산소/메탄 엔진 개발

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2019년 7월 19일 및 21일, 중국 민간 로켓 기업인 란젠(藍箭)항천이 개발한 "톈췌(天鵲)" TQ-12 액체산소/메탄 엔진이 100% 추력 시운전에 성공했다. 최장 시운전 시간은 100s에 달했다. 이번 시운전 과정에서 엔진의 시동/정지는 신속하고 안정적이었으며 실제측정 성능 데이터는 설계 지표에 비해 우수했다. 또한 엔진의 총체적 방안, 시동/정지 프로그램, 노즐 레이저용접, 고효율 터빈펌프, 터빈펌프 유체 동압 밀봉, 신형 밸브 동적 밀봉(Dynamic seal) 등 여러 항목의 혁신 기술의 테스트와 함께 란젠항천이 자체로 구축한 100t급 액체 로켓 엔진 테스트베드(Test bed)도 검증됐다. "톈췌"는 현재 중국 최대 추력의 재사용 가능한 액체산소/메탄 엔진이다. 지상용 엔진의 해수면 추력은 67t, 진공 추력은 76t이며 진공엔진의 진공 추력은 80t이다. 해당 엔진은 재사용, 무독성 친환경, 고신뢰도, 고성능, 저원가, 간단한 조작 등 특성을 보유하고 있으며 항천 주동력(Main power) 기술의 주요 발전 방향을 대표한다. TQ-12 엔진의 100% 추력 100s 시운전 결과, TQ-12 엔진의 여러 핵심 기술 파라미터는 비행 설계 지표 요구에 도달했다. 또한 TQ-12 엔진의 생산품질 및 구조 신뢰성이 비행요구에 접근함을 입증했다. 란젠항천 "80+10"의 로켓 동력시스템 기술 로드맵에 의하면 80t급 엔진 TQ-12는 로켓 1단계 및 2단계에 통용되고 10t급 엔진 TQ-11는 로켓 2단계 보조엔진 및 3단계 주동력에 통용된다. 또한 두 가지 모델 엔진의 병렬 조합을 통해 소형, 중형에서 대형의 "주췌(朱雀)" 모든 시리즈 로켓 패밀리에 적용시켰다. 계획에 따라 향후 TQ-12 엔진의 한계 작동 상황, 한계 경계영역 조건, 장거리 시운전을 수행하여 엔진 설계 제조 품질을 엄격하게 검증할 예정이다. "톈췌" 두 가지 모델 액체산소/메탄 엔진 TQ-11와 TQ-12는 "주췌 2호" 운반 로켓의 동력 시스템을 구성할 전망이다.

푸단대학, 고효율 뇌 표적화 약물전달 달성

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최근, 푸단(復旦)대학 기초의학대학 잔창유(占昌友) 연구팀은 새로운 뇌 표적화 리포좀 약물을 설계하여 혈액순환 과정에서 내인성 아포지질단백질(Apolipoprotein)을 정밀하게 "낚음"과 아울러 아포지질단백질의 생체활성을 유지함으로써 고효율 뇌 표적화 약물전달을 달성했다. 해당 성과는 "Nature Communications"에 온라인으로 게재됐다. 리포좀은 현재 임상응용이 가장 광범위한 나노 약물 벡터이다. 표적화 리포좀 약물 관련 연구가 지난 40년 동안 활발히 진행되어 왔지만 임상 응용을 달성하지 못했으며 원천적 설계 기반 아이디어 조절이 절박하다. 혈장에 존재하고 있는 다양한 아포지질단백질은 혈뇌장벽을 통과할 수 있을 뿐만 아니라 뇌내 Aβ 단백질 제거 메커니즘의 일종이다. 또한 다양한 아포지질단백질의 지질 결합 영역을 통해 수용체 결합 영역에 노출시킴으로써 혈뇌장벽의 대응되는 수용체 유도를 거쳐 말초에 전달한다. 관련 수용체는 양방향으로 전달될 수 있기에 말초 리간드를 뇌내에 전달할 수 있다. 연구팀은 생체공학적 Aβ 단백질 설계를 통해 무독성 단사슬 펩타이드를 획득하여 리포좀 표면에 수식한 후 혈액순환 과정에서 능동적으로 표적 아포지질단백질의 지질 결합 영역에 흡착되게 함과 아울러 수용체 결합 영역을 리포좀 표면에 노출시킴으로써 고효율적 뇌 표적성 역할을 발휘하게 했다. 해당 표적 단사슬 펩타이드로 수식된 리포좀은 항암제 아드리아마이신(Adriamycin)을 탑재한 후 뇌교종, 수모세포종 등 다양한 원위치 뇌종양을 성공적으로 치료할 수 있고 모델생쥐의 중앙생존기간(Median survival time)을 뚜렷하게 연장시킬 수 있다. 동 뇌 표적화 약물전달 전략은 전통적인 설계 아이디어를 개변시킴으로써 능동적으로 혈장 중의 기능성 단백질을 이용하여 전통적인 뇌 표적화 리포좀 약물의 다양한 결함을 극복함과 아울러 안전성이 높기에 양호한 임상 사업화 전망을 보유하고 있다. 해당 성과는 PCT 국제특허를 출원했다. 동시에 해당 약물전달 전략은 인간 혈액 중에서도 상기 역할과 유사한 기능을 보유하고 있기에 리포좀 외의 약물전달 시스템에 응용될 전망이다.

최초로 환자 뇨액을 이용한 "방광암 정밀치료" 실현

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최근 푸단대학 부속중산병원 궈젠밍(郭劍明) 연구팀은 푸단대학 상하이의학원 당융쥔(黨永軍) 연구팀 및미국 조지타운대학(Georgetown University) 류쉐펑(劉學峰) 연구팀과 공동으로 "뇨액을 이용한 비침습적 방광암 종양세포 배양 및 약제감수성 예측"의 혁신 연구과제를 완성했다. 해당 연구는 세계 최초로 방광암환자 뇨액을 이용해 안정적 증폭·계대가 가능한 방광암세포를 성공적으로 분리배양함으로써 방광암 조기 진단·치료 및 말기 환자 약제감수성 선별플랫폼 구축에 기반을 마련했다. 해당 성과는 "Protein &Cell"에 게재되었다. 방광암은 중국에서 발병률이 가장 높은 비뇨생식계 악성 종양이다. 노령화 사회의 도래와 함께 방광암 발병률은 해마다 증가하고 있다. 방광암은 재발률이 높은데 조기 표재성 방광암의 경우 5년 재발률은 60~80%에 달한다. 일단 진행되기만 하면 예후가 나쁜데 근육층 침윤성 방광암 환자의 경우 5년 사망률은 65%에 달한다. 말기 방광암 환자의 경우 화학요법 등 일반치료는 부작용이 크고 내성이 약하며 치료효과에도 한계가 있다. 최신 면역치료를 받더라도 반응률은 약 10~30% 밖에 안 된다. 현재 약물의 치료효과를 예측할만한 효과적인 생물표지자도 없다. 따라서 약제감수성 선별플랫폼을 하루빨리 구축해 맞춤형 치료를 실시할 필요가 있는데 그 기술적 어려움은 주로 종양 초대세포 계대배양 및 비침습적 세포 획득이다. 해당 연구는 세계 최초로 환자 뇨액을 통해 방광암 종양 계대세포를 비침습적으로 획득함과 아울러 대규모 자동화 약물선별플랫폼을 구축하여 짧은 시간 내에 방광암환자의 대규모 항종양 약물에 대한 민감성을 파악할 수 있기에 항종양 치료에서 진짜 맞춤형 예측이 가능하다. 뿐만 아니라 유전자 차원에서 환자에 존재 가능한 방광암 유전자 돌연변이를 파악함과 아울러 발병 원인을 정밀분석할 수 있다. 해당 기술플랫폼은 건강층에 대한 선별검사도 가능해 방광암 종양병변 조기 발견이 기대된다. 아울러 방광암 예방 및 조기 선별검사 방안 제정에 중요한 의미가 있다. 조기 식별을 통해 "빠른 질병 진행"이 쉬운 돌연변이 보유자를 찾아낼 수 있기에 해당 유형 환자는 맞춤형 임상시험 참여 기회를 제공받을 수 있고 또한 1차 진단을 통해 최적의 정밀치료를 받을 수 있다.

신형 뼈지지체 개발

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최근, 쓰촨(四川)대학 장싱둥(張興棟) 연구팀과 쓰촨대학 화시(華西)병원 정형외과 투충치(屠重棋) 연구팀은 항종양 및 뼈재생 기능을 동시에 보유한 하중 지지뼈 대체 지지체를 개발했다. 동물실험 결과, 해당 지지체는 화학요법 약물을 첨가하지 않고도 양호한 치료 및 복원 효과에 도달할 수 있어 향후 사지절단 치료가 필요한 골종양 환자가 사지보존술 치료를 받음과 아울러 환자의 장기적 생존율을 향상시킬 전망이다. 해당 성과는 "Science Advances"에 게재됐다. 골격 또는 그 부속 조직에서 발생하는 골종양은 청소년에서 그 발병률이 높다. 악성골종양은 치사율 및 지체장애율이 높으며 치료과정에서 흔히 종양재발 또는 전이로 인한 환자 사망을 초래한다. 절제술은 골종양 임상치료 주요 방법이다. 하지만 사지절단술 또는 종양절제술로 인한 평생의 골결손은 노동능력 상실을 초래한다. 따라서 국소적 종양 재발 및 전이를 억제하는 조건에서 지체기능의 최대한 보존은 의사들이 추구하는 목표이다. 연구팀은 3D 프린팅 기술을 이용하여 하중지지 다공성 티타늄 지지체를 제조한 후 "나노 수산화인회석" 입자를 해당 지지체 표면에 탑재시킴과 아울러 이미 구축한 토끼 대퇴골 원위치골 종양 모델에 삽입했다. 결과, 해당 지지체는 고형종양 부피 및 폐부전이를 뚜렷하게 억제시킴과 아울러 지지체 내 새 뼈 생성을 촉진하며 긴 분절골 결손 치유를 촉진한다. 동물의 5대 장기 및 혈액 지표에 대한 심층적 검사 결과, 해장 지지체는 양호한 생체안전성을 보유함으로써 임상응용 잠재력이 매우 크다. 해당 지지체 위의 "나노 수산화인회석" 입자는 골육종 세포, 흑색종 세포, 기저암 세포 등 다양한 종양 세포의 증식을 억제시킬 수 있을 뿐만 아니라 정상 조골세포, 골수유래줄기세포, 섬유아세포 등에 대한 독성 부작용이 없다. 해당 재료 설계는 사지보존술 적응증에 확장될 전망이며 또한 방사선요법/화학요법 약물 사용량을 감소시킴으로써 임상에서 골종양 수술 후 골결손 복원 및 국소적 종양 재발 억제 어려움 해결에 새 아이디어를 제공했다.

세계 첫 야생배 유전체 지도 조립

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최근, 중국농업과학원 과수연구소 차오위펀(曹玉芬) 연구팀은 중국과학원 유전·발육생물학연구소 톈즈시(田志喜) 연구팀 등과 공동으로 세계 첫 야생배 고품질 유전체지도를 작성했다. 해당 성과는 "Plant Biotechnology Journal"에 게재됐다. 연구팀은 산시(山西) 북지콩배(杜梨, Pyrusbetulifolia Bunge)를 재료로 하고 PacBio 3세대 시퀀싱, Bionano 광학지도, Hi-C 기술을 결합해 고품질 북지콩배 참조 유전체 서열을 조립했다. 북지콩배 유전체 조립 크기는 532.7Mb, contig N50은 1.57Mb이며 총 59,552개 단백질 코딩 유전자 및 247.4Mb 반복 시퀀스(Repeated sequence)에 주석을 달았다. BUSCO를 통해 유전체 완전성을 평가한 결과, 완정성은 95.9%에 달했다. 북지콩배 확장유전자는 2차대사 경로에서 뚜렷하게 농축되는데 이는 북지콩배의 비교적 강한 역경 적응성에 영향을 미치는 것으로 추정된다. 상동성 유전자 비교 분석 결과, 순화 과정에서 둥팡배(東方梨) 열매 크기, 글루코오스대사 및 전달, 광합성 효율은 양성선택(positive selection)을 경과한다. 북지콩배 유전체에서 총 573개 NBS 유형 병저항성 유전자를 감정했다. 그중 150개는 TNL형 병저항성 유전자이고 이미 알려진 장미과 유전체에 가장 많이 분포하는데 이는 북지콩배는 야생종이며 강한 병저항성을 보유하고 있음을 의미한다. 순화 과정에서 배나무속 식물 열매의 시고 떫은맛은 점차적으로 소실된다. 연구결과, 북지콩배 프로안토시아니딘 합성 구조 유전자 복제수는 백리(白梨, PyrusbretschneideriRehd.)에 비하여 뚜렷하게 많은데 이는 프로안토시아니딘의 축적에 영향을 미친다. 동시에 안토시아니딘 환원효소(Anthocyanidinreductase, ANR) 대사경로는 프로안토시아니딘 합성의 유일한 경로이며 소르비톨 운반단백질(Sorbitol transporter, SOT)의 막관통 전달은 가용성 유기물 축적의 주요 요인인 것으로 추정된다. 해당 유전체 발견은 배나무속 식물 유전체 정보를 풍부히 함과 아울러 배 유전체 연구, 기능 유전체 발굴, 배나무속 식물 순화 및 야생자원 이용에 중요한 보장을 제공했다.

다롄화학물리연구소, 스크린 인쇄 기술로 신형 고유연성 평면전지 "인쇄"

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최근 중국과학원 다롄화학물리연구소 우중솨이(吳忠帥) 연구팀은 저원가 규모화 스크린 인쇄(Screen Printing) 기술을 개발해 상업응용 전망이 밝고 유연성·안전성이 높은 장수명 2차 수계(water system) 평면화 초소형 망간-아연 전지를 제조했다. 해당 성과는 "National Science Review"에 게재되었다. 차세대 소형화 웨어러블 전자제품의 발전은 이에 상응하는 신개념의 고안전성 및 장수명 초소형 에너지저장장치, 특히 평면화 초소형 전지에 대한 수요를 자극하고 있다. 평면화 초소형 전지는 고도로 집적된 일체화 특성을 보유하기에 기존 샌드위치 구조 전지의 부피가 크고 기계적 유연성이 떨어지며 굽힘 상태에서 계면이 쉽게 분리되는 등 결함을 극복하여 신형 웨어러블 전자장치 출력원으로 자리매김하고 있다. 연구팀은 간단하고 효율이 높은 저원가 규모화 스크린 인쇄 기술을 개발해 기계적 유연성이 양호하고 안전성이 높은 장수명 신개념 수계 평면화 초소형 망간-아연 전지를 성공적으로 제조했다. 먼저 이산화망간, 아연 분말, 그래핀을 기능성 재료로 하여 망간-아연 전지의 양극·음극 및 그래핀 집전체(current collector) 요변성(Thixotropy) 잉크를 각각 배합한 다음 다단계 스크린 인쇄 방법을 사용해 평면화 초소형 망간-아연 전지의 저원가 규모화 제조를 달성했다. 신형 망간-아연 전지는 친환경적이고 안전성이 높을 뿐만 아니라 초장수명 작동을 구현했다. 이외, 인쇄 기저의 다양성은 응용 장면별 수요를 충족시킬 수 있다.

중국과기대, 신형 촉매에 의한 이산화탄소의 고선택적 에너지 전환 달성

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최근, 중국과기대 허페이(合肥)미세규모물질과학국가연구센터 쑨융푸(孫永福)/셰이(謝毅) 연구팀은 바이메탈 활성부위 초박형 나노시트 촉매를 설계함과 아울러 해당 촉매가 이산화탄소 광환원 생성물에 대한 높은 선택성을 달성했다. 해당 연구성과는 "Nature Energy"에 게재됐다. 이산화탄소 과도 배출은 온실효과를 초래하며 인류의 지속가능한 발전에 영향을 미치는 주요 문제이다. 식물의 광합성 작용에서 영감을 받고 과학자들은 인공 광합성 작용을 이용하여 자연환경 조건에서 촉매로 이산화탄소를 탄화수소 연료로 전환시키는 방법을 설계했다. 이는 대기 중의 이산화탄소 농도를 감소시키는데 도움이 될 뿐만 아니라 고부가가치 탄소 기반 연료를 획득할 수 있다. 하지만 이산화탄소 환원 생성물 종류의 다양성, 환원 생성물의 환원전위가 비슷한 등 문제점으로 환원 생성물의 선택성을 효과적으로 제어할 수 없다. 따라서 이산화탄소의 메탄으로 고선택성 환원은 큰 어려움으로 되고 있다. 프로젝트팀은 바이메탈 활성부위 초박형 나노시트를 설계하여 이산화탄소 환원 생성물의 선택성을 정밀 제어했다. 기존에 제조한 결함상태 CuIn5S8 초박형 나노시트를 사례로 이론적 시뮬레이션 및 원위치 적외선 분광 테스트 결과, 다음과 같은 과정이 입증됐다. 1) 저배위(Low coordination) 구리 및 인듐 위치는 이산화탄소 분자와 작용하여 고안정성 구리-탄소-산소-인듐 중간체를 생성하고 해당 중간체가 동시에 분열되어 자유상태의 일산화탄소 분자를 형성할 경우 매우 높은 반응에너지 장벽을 극복해야 한다. 2) 상대적으로 해당 중간체의 탄소 원자에 수소를 첨가하여 수산기 중간체를 형성하는 반응은 발열반응이고 또한 자발적으로 진행될 수 있기에 약 100%에 달하는 메탄 선택성을 획득할 수 있다. 광촉매 테스트 결과, 황 함유 결함 CuIn5S8 초박형 나노시트는 가시광선 조건에서 이산화탄소를 메탄으로 환원시키는 선택성은 약 100%에 달함과 아울러 비교적 높은 생성률을 달성할 수 있음이 입증됐다.

세계 첫 4원계 무코발트 재료 배터리 개발

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최근, 창청(長城)자동차 산하 펑차오(蜂巢)에너지과학기술유한회사는 세계 최초로 무코발트(Cobalt free), 4원계 재료를 개발함과 아울러 20억 유로(EURO)를 투입해 유럽에 공장을 구축함으로써 2025년에 이르러 전세계적으로 약 120GWh의 배터리 생산능력을 달성할 전망이다. 해당 무코발트 재료 기반 배터리 코어(Battery core) 제품의 재료 성능은 기존의 NCM811재료와 동등한 수준이지만 원가는 NCM811재료에 비해 5%~15%로 절감됐다. 무코발트 배터리는 2020년 제3분기에 규모화 생산에 들어갈 예정이다. 다른 1개 종류의 4원계 배터리는 더욱 양호한 내열성, 소량 가스 발생량, 고안전성 등 특성을 보유하고 있으며 2020년 제4분기에 4원계 재료 배터리 코어의 표준운영절차(SOP)를 달성할 전망이다. 기존의 3원계 시스템의 리튬이온 동력 배터리에서 양극재 원가 점유 비율이 30%~45%에 달한다. 그중 코발트 원가 점유 비율이 높다. 예를 들어 523 시스템의 코발트 원가 점유 비율은 20%에 달한다. 코발트의 희소성으로 인한 가격 변동은 배터리 코어 원가에 직접적인 영향 준다. 연구팀은 무코발트화의 2가지 핵심 기술을 파악했다. 1) 홀전자의 전자스핀이 없는 특정 원소를 도핑하여 전자의 초교환(Superexchange) 현상을 감소시킴과 아울러 Li/Ni 무질서 배열을 감소시킴으로써 전기적 성능을 향상시켰다. 2) M-O 결합에너지가 큰 원소를 도핑하여 결정체 충방전 과정에서의 체적 변화를 감소시킴으로써 안정한 구조를 형성하여 사이클 수명 및 안전성을 향상시켰다.

8,882m의 아시아 육상 최대 깊이 탐사정 시추완결

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2019년 7월 19일, 타리무(塔裏木)유전에 위치한 중국석유(CNPC) 중점 리스크 탐사정(Exploration Well) 룬탄(輪探) 1호정이 8,882m 깊이에 도달한 후 시추완결(well completion) 단계에 진입했다. 룬탄 1호정은 아시아 육상 최대 깊이 시추정 기록, 8,877m의 아시아 육상 최대 검층깊이 기록, 8,641—8,649.5m 구간의 아시아 육상 최대 깊이 코어 샘플링 기록 등을 갱신했다. 타리무분지 타베이(塔北)융기 룬난(輪南)저융기(Low Uplift)의 캄브리아계 암염층하부(subsalt) 대지변두리(platform margin) 해안사구(Dunes beach)대에 위치한 룬탄 1호정은 CNPC시부(西部)시추공정유한회사가 2018년 6월에 시추를 시작했다. 시추팀은 지질자료 부족, 울트라딥(ultra deep), 초고압, 초고온, 황함유 등 시추 어려움을 감안해 공정지질 통합화 및 정밀 지질층리 연구를 견지함과 아울러 시추정 구조, 드릴공구 인장강도, 수력학 등 면에서 최적화 논증을 진행했다. 시추정 구조를 "4차 오픈 4차 완결"로 최적화 설계했고 "5차 오픈 5차 완결"을 예비로 준비했다. 웰보어(wellbore)의 완전성을 보장하기 위해 스몰 커플링 고강도 드릴로드 및 매칭용 고무 스태빌라이저를 맞춤제작했고 드릴공구 인장강도를 높였으며 케이싱 파이프 마모를 줄였다. 또한 현장 실제상황에 근거해 목표층 굴진용 최적 시추액 배합 및 성능을 실험을 통해 획득했다. 아울러 시멘트페이스트 시스템 고온성능 평가시험을 수행하고 초고온 시멘팅 안전시공을 확보함으로써 목표층 시멘팅을 위해 충분한 기술축적을 이루었다. 룬탄 1호정의 성공적 시추는 타리무유전의 울트라딥웰 시추기술이 또다시 세계 선진수준에 도달했음을 의미한다. 뿐만 아니라 룬난 하부캄브리아계(Lower Cambrian) 백운암 저류층-덮개층 조합(reservoir-seal assemblage)의 유효성 및 석유가스 부존 가능성(Hydrocarbon Potential) 탐구, 캄브리아계 암염층하부 해안사구체(Dunes beach body) 백운암의 새 유형 발견, 룬난 석유가스탐사의 새 영역 개척, 심부 층서 탐사 진척 촉진, 석유가스 탐사매장량/생산량 증대를 위한 대체지역 확보에 중요한 의미가 있다.

중국 첫 "로봇교통경찰" 근무에 돌입

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2019년 8월 7일 오전, 허베이성 한단시(邯鄲市)공안국은 "한단 로봇교통경찰" 입대식을 가졌다. 같은 날 도로순찰/차량관리자문/사고감시경계 등 3개 모델 "로봇교통경찰"이 한단시에서 근무에 돌입했다. 이는 중국 도로에서 최초로 근무를 시작한 "로봇교통경찰"로서 중국 인공지능 교통관리의 서막을 열었다. 공안부 제1연구소가 "로봇교통경찰" 기술검정 및 검정보고서를 발부하였고 공안부 교통관리과학연구소가 로봇교통경찰의 기업기준 제정·심사 및 검사를 담당했다. 상기 3개 모델 "로봇교통경찰"은 외형, 무게, 높이, 색깔, 외부장식 등 외관 초안설계부터 장면·기능 응용, 구조 분해, 구조 안내도, 프로토타입 생산 및 도장, 완제품 조립, 완제품 성능시험까지 수백 번의 수정을 거쳤고 완제품 테스트, 현장 운행시험을 거쳐 최종적으로 기대효과를 달성했다. 이번에 투입된 로봇교통경찰은 자율적 감지/주행/식별 등 성능을 보유하며 전천후 24시간 전방위 완전 지능적 자동화 근무가 가능하다. 아울러 교통경찰을 도와 불법주차 단속, 무료주차시간초과 단속, 교통 지휘, 사람·차량 식별, 증명서 확인, 음성 상호작용, 서비스 안내, 현장 감시경계 등을 수행할 수 있는 기능을 갖추었다. 이외 기차역, 공항 등 주요 교통터미널에 응용 가능해 교통경찰의 노동강도를 효과적으로 줄일 수 있을 뿐더러 교통체증도 완화할 수 있다.

시베이공업대학, 자율변형 글라이딩+날개짓 생체모방 유연체 잠수정 개발

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최근 시베이공업대학이 개발한 자율변형 글라이딩+날개짓 생체모방 유연체 잠수정이 첫 잠항에 성공했다. 이는 중국이 고성능 생체모방 지능 수중이동체 개발 분야에서 취득한 성과이다. 최근 해양자원 탐사, 개발, 이용이 날로 시급해짐에 따라 생체모방 지능 수중이동체 연구개발은 전세계 해양과학 분야의 이슈가 되고 있다. 과기부 중점지원 연구프로젝트인 자율변형 생체모방 유연체 잠수정은 쥐가오리를 모방대상으로 하고 글라이딩과 날개짓을 번갈아 하는 추진방식을 채택하기에 수중에서의 높은 추진효율/기동성/안정성, 낮은 환경교란/소음, 큰 탑재공간/탑재능력 및 해저 연착륙 등 특성을 보유한다. 글라이딩+날개짓 수중 추진기술은 잠수정에 수중이동체로서의 높은 기동능력과 수중글라이더로서의 높은 항속능력을 부여하므로 현 단계 중국 재래식 잠수정에 존재하는 기동성/은폐성/항속시간 종합성능이 미흡한 문제를 효과적으로 해결할 수 있다. 동 잠수정은 익폭이 0.8m이고 리튬전지로 구동되며 최고시속이 1노트인 원리검증용 프로토타입으로서 쥐가오리의 글라이딩+날개짓 운동자세를 생동하게 모방할 수 있다.

최초 과학뉴스 기사작성 로봇 "샤오커" 발표

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2019년 8월 1일, 최초 과학뉴스 기사작성 로봇—"샤오커(小柯)"의 본격 데뷔와 함께 "샤오커"의 첫 작품도 샤오커로봇채널(http://paper.sciencenet.cn/AInews/)에 발표되었다. 해당 프로젝트는 과기혁신 촉진 및 과학 보급 분야에서 획기적인 의미가 있다. 해당 로봇은 선진적인 기계알고리즘언어 및 영문 논문초록에 기반해 중국어 과학뉴스 기사 원고를 빠르게 작성할 수 있다. 작성된 기사는 전문가와 중국과학신문사 편집자의 이중 심사수정 및 정보보완을 거치면 일선 과학연구자의 주류 영문학술지정보 신속 구독의 수요를 대체적으로 충족시킬 수 있다. 또한 "로봇 글짓기" 기술을 이용해 과학연구논문을 공개화 과학보도자료로 전환시킴과 아울러 대중과 기타 매스미디어를 위해 최신 과학발전을 접근할 수 있는 창을 제공하는 등 과학보급사업 촉진에 큰 도움을 준다. "샤오커" 로봇은 "글로벌 중국인과학자 사회화 인텔리전트네트워크 학술교류플랫폼" 구축 프로젝트의 서브프로젝트이다. 동 플랫폼 구축 프로젝트는 과학망(ScienceNet)에 기초하여 인터넷, 뉴미디어, 인공지능기술을 이용해 빠르고도 편리하며 지능적인 학술교류플랫폼을 구축하는데 취지를 둔다. 해당 프로젝트는 베이징시 하이뎬구(海澱區) 문화개발특별프로젝트의 자금 지원을 받았다.

세계 첫 8.8m 초대형 채굴 높이 지능화 채탄기 개발

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최근, 국가에너지투자그룹 선둥(神東)석탄그룹유한책임회사와 시안석탄기계유한회사가 자체로 개발한 첫 8.8m 초대형 채굴 높이(Mining height) 지능화 채탄기가 갱내 산업적 테스트를 수행했다. 중국은 첨단 채탄 장비를 장기간 수입에 의존했으며 그 가격이 비쌌다. 또한 실제 사용 과정에서 긴 물품공급 주기, 어려운 설비 유지보수, 높은 정비 비용 등 많은 문제가 존재한다. 첨단 채탄장비 시장을 장기간 국외에 의존하는 불리한 국면을 개변시키기 위해 시안탄광기계유한회사는 수입제 채탄기 대체 분야에서 독자적 혁신 전략을 이행하여 기술 혁신, 관리 혁신을 강화했으며 초대형 채굴 높이 채탄기의 신뢰성, 다중 캐비티 윤활, 디지털화 설계, 핵심 부품 제조, 지능화 등 핵심 기술을 심층적으로 파악함과 아울러 자체로 세계 첫 8.8m 초대형 채굴 높이 지능화 채탄기를 개발했다. 해당 채탄기의 설비용량은 3,030kW에 달하고 전단면 절삭 기억, 자동 높이 조절, 자기 적응 속도조절, 삼차원 위치결정, 채탄막장(Coal face) 내비게이션, 원격 모니터링, 간섭 조기경보, 자연 언어 및 음성 원격제어, 클라우드 형식의 고장 모니터링 등 기능을 보유함으로써 채탄기의 지능화 수준이 향상됐다. 해당 채탄기의 설계 연간 생산능력은 1,800만 t 이상에 달한다. 뿐만 아니라 멀티 소프트웨어 환경 조건에서의 가상 디지털화 프로토타입 분석 수단을 이용하고 디자인 수학적 계산방법을 응용하여 다중 캐비티 윤활 로커암(Rocker arm), 부품 경량화 설계, 완제품 강성 연결 및 컴퓨터 제어 지능화 채탄기 기술을 개발함으로써 주요 기술지표가 설계 계약서 요구에 완전히 도달했다. 해당 채탄기는 현대화 대량생산 고효율 갱정 건설 핵심 설비로서 채굴 높이 범위는 5.6~8.8m, 채탄기 높이(상부 보호판을 포함)는 4,100mm, 회전 드럼 지름은 4,300mm, 총설비용량은 3,030kW이며 상완(上灣)탄광의 8.8m 지능형 거대 채굴 높이 종합 기계화 채굴 채탄막장에 적합하다. 해당 채탄기가 생산에 들어갈 경우 연간 생산량은 1,800만 t에 달하고 연간 이윤은 약 48억 위안(한화 약 828억)에 달할 전망이다. 해당 채탄기는 2019년 9월 하순, 선둥석탄그룹에서 사용할 계획이다.

이산화탄소 환원 효율 200% 향상

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최근, 중난(中南)대학 류민(劉敏) 연구팀은 캐나다 Edward Sargent 연구팀, 중국 타이완(臺灣)과기대 황빙자오(黃炳照) 연구팀 등은 공동으로 금속 퀀텀닷(Quantum dot)에서 이산화탄소를 최초로 “포획”함으로써 이산화탄소 환원 효율을 200% 이상 향상시켜 탄소순환 이용 효율을 대폭 제고했다. 해당 연구성과는 “Joule”에 게재됐다. 전기화학적 환원을 이용해 온화한 제어조건에서 이산화탄소를 유용한 탄화수소 연료 및 화학용품으로 환원시킬 수 있다. 이는 대기 중의 이산화탄소를 “포획”하고 이산화탄소 순환이용을 달성하는 효과적인 경로이다. 하지만 촉매 선택이 어려움으로 되고 있다. “퀀텀닷”이라고 불리는 중요한 저차원 반도체 재료에는 대량의 광전기 성능 하강을 유발하는 “결함 위치”를 함유하고 있다. 해당 “결함”은 촉매 활성을 개선시킬 수 있다. 하지만 해당 특성은 일반 금속 촉매에 이용되기 어렵다. 공동 연구팀은 황화물 퀀텀닷 원위치 전기화학적 환원을 통해 고배율 금속 공격자점(Vacancy) 퀀텀닷의 제조를 달성함과 아울러 이산화탄소 환원 분야에 응용했다. 해당 퀀텀닷에서 유도된 촉매는 3~5nm의 크기를 유지하지만 금속 공격자점을 최대로 20% 보유하며 또한 금속 퀀텀닷에서 양호한 원자급 분산을 나타낸다. 따라서 이산화탄소 환원반응에 적합한 원자구조 및 전자구조를 제공할 수 있다. 수백 시간의 이산화탄소 환원 반응 과정에서 해당 촉매는 양호한 촉매 활성을 유지하며 성능은 기존 촉매의 2배 이상 초과했다. 검증 결과, 해당 종류의 촉매는 금, 은, 구리, 납 등 다양한 금속에 양호한 적합성을 나타냄으로써 이산화탄소 순환이용에 잠재적 응용을 가져다줄 전망이다.

중국과기대, 고효율 산소발생반응 촉매 개발

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최근 중국과학기술대학 위수훙(俞書宏)/가오민루이(高敏銳) 연구팀은 전통프러시안블루(PBA) 재료에 대한 질소가스 플라스마 충격(Plasma bombardment)을 통해 시안기 공석을 풍부히 함유한 고효율 산소발생반응 촉매를 성공적으로 개발했다. 해당 시안기 공석은 PBA 재료의 국지 전자구조 및 금속 배위환경을 조절할 수 있을 뿐만 아니라 전기순환 과정에서 철 활성종의 유실을 고효율적으로 억제할 수 있다. 해당 연구성과는 “Nature Communications”에 게재되었다. 산소발생반응(OER)은 광/전기 가수분해, 금속공기전지 등 신에너지 저장 및 전환장치의 핵심 반쪽반응(half reaction)이다. 저렴하고 고효율적인 산소발생반응 전기촉매의 개발은 전극 과전위를 더한층 낮추고 장치 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 주요 경로이다. 재료결함공학은 촉매의 전기음성도, 전하분포 및 배위환경 등 조절이 가능해 촉매 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있는 전략으로 여겨지고 있다. 신형의 결함구조 설계 및 새 활성배위 형식 도출을 통해 기존 촉매재료의 촉매성능을 더한층 최적화할 수 있다. 연구팀은 몰리브덴산니켈 나노막대를 템플릿으로 하여 다공성 니켈-철 기반 PBA재료를 제조했다. 그 다음 해당 재료에 대한 질소가스 플라스마 충격을 통해 시안기 공석을 풍부히 함유한 PBA 촉매를 획득했다. 연구팀은 고해상도 투과전자현미경, 양전자 소멸기술, 원소 함량분석, 배기가스 흡수검사 등 다양한 특성화 수단을 통해 해당 신형 시안기 공석의 형성을 확인했다. 전기화학적 테스트 결과, 60분 동안 질소가스 플라스마 충격을 거친 PBA 샘플은 최상의 산소발생반응 활성을 나타냈는데 이는 기타 고효율 산소발생반응 촉매에 비해 훨씬 우수했다. 구조 분석 결과, 높은 산소발생반응 활성은 시안기 공석이 유도 발생한 불포화 니켈-철 부위에서 비롯되었다. 심층 연구를 통해 시안기 공석을 함유하지 않는 PBA 재료의 철 활성종은 점차 전해액에 용해되며 반대로 시안기 공석을 함유한 PBA 재료는 철 활성종의 유실을 대폭 억제함으로써 산소발생반응 순환과정에서 높은 활성의 표면 활성층을 자가 재구성적으로 형성해 우수한 OER 활성 및 안정성을 보유함을 발견했다. 해당 성과는 높은 활성의 니켈-철 수산화물 제조에 새 전략, 새 결함유형 개발에 새 참고정보, 보다 고효율적인 산소발생반응 촉매 설계에 참신한 아이디어를 제공했다.

허페이지능기계연구소, 수중 납오염 신속 검출 가능한 형광 시험지 개발

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최근, 중국과학원 허페이(合肥)지능기계연구소 지능마이크로나노소자 연구팀은 고효율 비색 형광나노탐침을 제조했다. 해당 탐침을 기반으로 제조한 형광 시험지의 색상 변화를 근거로 수중 납이온 함량을 신속하게 예비 판단할 수 있다. 해당 연구성과는 “Analytical Chemistry”에 게재됐다. 전통적인 검출 방법으로 수중 납이온의 함량에 대한 정밀 및 선택성 분석을 수행할 경우 기기 가격이 비싸고 검출 주기가 길 뿐만 아니라 전문 인력을 필요로 하기에 현장 검출에서의 응용을 제한한다. 연구팀은 청색 및 적색 탄소점(Carbon spot)을 적합한 비율로 혼합하여 새로운 비색 형광탐침을 개발했다. 해당 탐침으로 제조한 형광 시험지로 액체 중 납이온을 검출할 수 있다. 액체에 납이온이 존재할 경우 청색 탄소점 형광은 소실되지만 적색 형광은 변화되지 않으며 자외선 램프(Ultraviolet lamp)로 조사하는 조건에서 뚜렷한 청색에서 적색으로의 색상 변화를 관찰할 수 있다. 시험지의 색상 값과 색상코드표 또는 핸드폰의 색상 식별 소프트웨어와 비교하여 현장에서 납이온 함량에 대한 시각화, 실시간, 반정량화 검출을 달성할 수 있다. 해당 형광 시험지는 저독성 탄소점으로 제조했기에 친환경적일 뿐만 아니라 저장, 휴대가 편리하고 사용 방법이 간단하며 5분 내에 수중 납이온을 신속 검출할 수 있다.

나노 반응기에서 "번개급" 전기장 정밀 제어 화학반응 달성

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최근, 샤먼(廈門)대학/란저우(蘭州)대학 공동 연구팀은 세계 최초로 1억 V/m의 고강도 방향성 전기장을 이용하여 나노 규모 반응기에서 단일 분자의 화학반응 속도에 대한 선택성 제어를 구현함으로써 미래 청정에너지 기반 친환경 화학합성에 새 아이디어를 제공했다. 해당 연구성과는 "Science Advances"에 온라인으로 게재됐다. 번개는 자연계의 신기한 현상으로서 거대 에너지를 보유하고 있다. 번개의 국지적 전기장 강도는 100만 V/m 이상에 달한다. 이러한 강한 전기장 조건에서 일련의 화학반응이 발생할 수 있다. 따라서 과학자들은 강한 방향성 전기장을 제조하여 화학반응을 정밀 제어함으로써 인류를 위해 서비스를 제공하는 방안을 모색하고 있다. 화학반응에 대한 선택성 제어를 통해 친환경, 경제적인 화학품 생산을 구현할 수 있다. 방향성 전기장 촉매작용은 고효율 제어 능력을 보유한 친환경 기술이다. 이론적 연구에 의하면 외부 자기장 방향과 화학반응에서 활성화 화학결합 방향의 협각을 변화시킬 경우 선택적으로 화학반응을 제어할 수 있기에 고효율 청정 친환경 화학합성을 달성할 수 있다. 하지만 해당 이론 예측은 실험적 검증이 되지 않았다. 연구팀은 세계 최초로 고강도 방향성 전기장 조건에서 화학반응속도를 연구할 수 있는 정밀 과학기기 기술을 개발했다. 연구팀은 해당 기기를 이용해 1개 유기분자를 일정한 방향으로 2개 원자급 규모의 전극 사이에 연결시켜 화학반응에서 분자의 방향성 제어 문제를 해결했다. 해당 과정에서 연구팀은 단일 분자 에너지에서 생성된 강도가 번개의 전기장 강도보다 2~3개 수량급이 높은 고강도 방향성 전기장을 획득했다. 또한 1개 나노 규모의 반응기에서 가해진 고강도 방향성 전기장은 전기장의 반응축 방향에서 분량 화학반응이 존재함과 아울러 반응속도 면에서 1개 수량급을 초과하는 수준으로 뚜렷하게 향상됨을 발견했다.