기술동향
/작성자:

초평탄 그래핀 박막 개발 성공

난징대학교 물리학부 가오리보(高力波) 연구팀은 초평탄 그래핀 박막의 제어 가능한 성장을 구현함과 아울러 동 성장방법의 내재적 메커니즘 즉 양성자 보조 성장을 발견하였다. 이는 플렉시블 전자학, 고주파 트랜지스터 등 중요 연구영역에 널리 보급될 전망이다. 해당 성과는 "양성자 보조 성장 초평탄 그래핀 박막"이란 제목으로 "Nature"에 게재되었다. 화학기상증착법(CVD)에 의한 그래핀 성장은 현재 대면적, 고품질의 단결정 결정립 또는 박막 제조에서 가장 주요한 방법이다. 하지만 그래핀과 기질재료가 강결합작용으로 인해 그래핀 성장과정에서 주름이 생길 수 있다. 그래핀과 성장 매트릭스의 열팽창률 차이에서 생기는 CVD 그래핀 주름은 그 물리성질에 영향을 끼치는 주요 걸림돌이다. 이러한 현상은 대규모 균일 박막 제조를 제한함과 아울러 2차원 재료의 더한층 개발·응용을 방해한다. 연구팀은 대량 실험에 대한 종합분석에 기반해 고비율의 뜨거운 수소(H2)가 그래핀과 성장 매트릭스 간 결합작용을 일정한 정도로 약화시킴을 발견했다. 또한 이론적 시뮬레이션을 통해 그래핀과 구리 매트릭스 간 수소가 대농도, 고온 조건에서 양자 결합을 약화시키는 역할을 함을 발견했다. 뜨거운 수소 성분에서 양성자와 전자는 그래핀의 벌집격자(honeycomb lattice) 사이를 자유로이 오갈 수 있다는데 비추어 연구팀은 그래핀을 통과한 양성자와 전자가 일정한 확률로 재차 수소로 결합할 것으로 추정했다. 양성자 밀도를 증가시키는 것은 양자 결합작용을 약화시키는 핵심 경로이다. 연구팀은 수소 플라즈마(hydrogen plasma)를 이용해 주름진 그래핀 박막을 처리했다. 또한 고온 보조 조건에서 그래핀 주름을 점차 제거했다. 다시 말해 그래핀 성장시 수소 플라즈마를 도입해 성장시킨 그래핀은 완전 주름지지 않는다. 해당 그래핀 박막의 초평탄 특성으로 인해 그래핀 표면의 기타 물질 제거 특히, 그래핀 전이시 잔류한 전이매질 PMMA 청결이 쉬운 장점을 보유한다. 이외, 초평탄 그래핀 박막의 대형, 고품질 장점을 부각시키기 위해 연구팀은 2μm, 20μm, 100μm, 500μm 선폭에서 그래핀 양자홀효과를 측정했다. 기존 그래핀 양자홀 효과 발생시 최대 선폭이 50μm인데 비해 초평탄 그래핀 박막 양자홀 효과 발생 임계치 조건은 1μm 선폭에서 측정한 고유 그래핀과 거의 일치하였다. 더 중요한 것은 다양한 선폭 측정 플랫폼에서 발생한 임계치는 거의 변함이 없었다. 이는 주름을 제거해야만 대형 그래핀의 균질화, 고품질을 최대한 구현할 수 있음을 의미한다. 양성자보조 CVD법은 그래핀의 고유성질을 최대한 유지함과 아울러 향후 기타 종류 나노재료 제조에 보편성을 지닐 전망이다.

최초로 인공지능으로 다중 양자 상관관계의 동시 분류 구현

/
중국과학기술대학교 궈광찬(郭光灿) 연구팀의 리촨펑(李传锋)/쉬진스(许金时)는 머신러닝 기술을 양자 역학의 기본 문제 연구에 응용하여 최초로 머신러닝 알고리즘에 기반한 다중 비고전적 상관관계의 동시 분류 실험을 구현했다. 해당 성과는 "Physical Review Letters"에 게재되었다. 아인슈타인, 포돌스키, 로젠 등의 양자 역학의 완전성에 대한 질의를 EPR(Einstein-Podolsky-Rosen)역설이라 부른다. EPR 역설에 관한 심층적 연구에 따라 아인슈타인이 지적한 "원거리에서의 유령과 같은 작용(spooky action at a distance)"이 양자 세계의 비국소성 상관관계에서 비롯됐으며 또한 양자 얽힘, EPR, 벨의 비국소성 등 차원으로 세분화할 수 있음을 파악했다. 다양한 양자 상관관계는 양자 정보 분야의 핵심 자원으로 되어 중요한 역할을 한다. 그러나 임의로 주어진 양자상태에서 비고전적 상관관계를 부각하는 것은 여전히 어려움으로 되고 있다. 첫째, 그 계산이 극히 복잡하고 둘째, 실험에서 데이터 수집 시간이 시스템 입자의 증가에 따라 기하급수적으로 증가한다. 셋째, 동일한 측정 또는 가관측정의 집합을 통해 모든 비고전적 상관관계의 동시 구분을 달성할 수 있는 하나의 통일된 프레임이 존재하는지의 여부가 확실하지 않다. 머신러닝은 일련의 학습 데이터를 통해 예측 결과를 출력할 수 있는 함수 또는 모형을 얻을 수 있다. 연구팀은 머신러닝 기술을 비고전적 상관관계 구분에 응용하여 최초로 다중 양자 상관관계의 동시 분류 실험을 구현했다. 교묘한 실험 설계를 통해 광학 시스템에서 매개변수 조절이 가능한 2비트 양자상태를 구현하고 양자상태의 일부 정보만을 입력하여 신경망, 서포트 벡터 머신 및 결정 트리 등 머신러닝 모델을 이용하여 455개 양자상태의 비고전적 상관관계 속성을 학습하여 성공적으로 다중 비고전적 상관관계 분류기를 구현했다. 실험결과, 머신러닝 알고리즘에 기반한 분류기는 90% 이상의 높은 매칭률로 양자 얽힘, EPR, 벨의 비국소성 등 상이한 양자 상관관계의 속성을 동시 식별했다. 기존의 양자상태 크로마토그래피 분석법보다 자원 소모나 시간의 복잡성이 훨씬 작았다. 해당 연구 성과는 인공 지능과 양자 정보 기술의 심층 교차를 추진하고 머신러닝은 효과적인 분석 도구가 되어 더 많은 양자 과학 문제를 해결할 전망이다.

중국과기대, 잡음적응 양자정밀측정 실험적 구현

/
중국과학기술대학 궈광찬(郭光燦) 연구팀은 선형광학시스템(linear otpical system)에서 얽힘상태 결맞음이 수평방향 잡음에 대한 적응성을 실험적으로 검증했다. 또한 수평방향 잡음속에서도 얽힘상태 탐침의 양자측정 정밀도가 표준양자한계(Standard Quantum Limit)를 초과함을 검증했다. 해당 성과는 "Physical Review Letters"에 게재되었다. 양자정보기술은 양자상태 제어를 통해 정보의 안전 전송·저장 및 고효율적 획득·연산 등을 구현한다. 하지만 양자시스템은 불가피적으로 환경과 상호작용해 잡음이 유입되며 이로 인해 양자상태는 매우 취약해진다. 따라서 잡음 방지는 현재 확장가능 양자정보기술의 핵심적 과제이다. 능동적 피드백 및 양자오류수정(Quantum Error Correction)은 매우 유망한 방안이지만 자원소비가 너무 많아 현실화가 어렵다. 수동잡음제어(Passive Noise Control)는 고효율적이며 편리한 경로로서 양자상태가 특정 잡음에 대한 적응성을 교묘하게 이용해 잡음 방지를 구현할 수 있다. 연구팀은 고효율적 제어 가능 선형광학시스템을 도입해 얽힘상태 양자 결맞음 및 정밀 측정이 수평방향 잡음에 대한 적응성을 연구했다. 먼저 수평방향 잡음 조건에서 4광자 GHZ 얽힘상태의 결맞음 동결현상을 검증함과 아울러 잡음속에서 GHZ 얽힘상태 변화시 양자 Fisher 정보량도 변화하지 않음을 관측했다. 이는 해당 현상을 모수추정(parameter estimation)에 응용시 잡음이 증가함에 따라 측정 정밀도가 떨어지지 않음을 의미한다. 그 다음 잡음과 신호를 동시에 탐침에 작용시킨 결과, 잡음강도와 신호가 일치하더라도 실험에서 제조한 다광자 GHZ 얽힘상태 탐침은 광자수가 6에 이르러도 표준양자한계를 초과할 수 있어 잡음적응 양자정밀측정 방안의 우월성을 보여주었다. 해당 성과는 수동잡음제어의 실행가능성을 보여주어 잡음방지 양자정밀측정 연구에서 중요한 한 발짝을 내디뎠으며 또한 보다 고효율적인 잡음방지 방안 설계에 도움이 된다.

"톈허 2호"로 세계선도 수준의 양자패권 기준 평가 연산

/
세계 최초로 양자패권 기준 연구를 시작한 국방과기대학교 컴퓨터대학 우쥔제(吳俊傑) 연구팀은 정보공학대학 등 국내외 과학연구기관과 공동으로 양자컴퓨팅 시뮬레이션의 새 알고리즘을 제안했다. 해당 알고리즘을 "톈허(天河) 2호" 슈터컴퓨터에서 테스트한 결과 그 성능은 세계선도 수준에 도달했다. 앞서 "Nature"에 게재된 구글의 양자패권 논문도 해당 결과의 예비인쇄본 논문을 인용했다. 해당 성과는 "Physical Review Letters"에 온라인으로 게재되었다. 양자컴퓨팅장치의 특정 테스트 케이스에서의 모든 고전컴퓨터 연산능력 초월을 대표하는 양자패권 달성은 양자컴퓨팅의 발전을 상징하는 중요한 이정표이다. 양자패권 기준을 평가하기 위해서는 고효율적으로 고전컴퓨터에서 작동하는 양자컴퓨팅 시뮬레이터가 필요하다. 나아가 이러한 시뮬레이터는 후양자패권 시대 양자컴퓨팅 과학연구를 촉진시키는 중요한 도구로 된다. 양자컴퓨팅 시뮬레이션의 실제적 어려움은 큐비트 또는 양자게이트(quantum gate) 수효에 완전히 의존하는 것이 아니라 연산과정에서의 양자상태 복잡도—양자얽힘도(quantum entanglement degree)에 의해 결정된다. 해당 연구는 양자얽힘도 의존적 시뮬레이션 알고리즘을 제안함과 아울러 "톈허 2호" 슈퍼컴퓨터에서 양자패권 테스트 케이스—랜덤 양자회로(Quantum Circuit) 샘플링 문제에 대한 시뮬레이션을 완성했다. 구체적으로 49, 64, 81, 100 등 수적으로 서로 다른 큐비트가 다양한 깊이 양자회로에서의 문제 사례를 실제로 테스트하였는데 연산성능은 세계선도 수준에 도달했다. 양자패권 달성은 양자컴퓨팅 연구의 종점이 아니라 양자컴퓨팅 발전의 시작점이다. 향후 양자컴퓨팅 물리시스템의 성능을 지속적으로 향상시키는 외, 잡음 존재계에서의 양자알고리즘 및 양자오류수정(Quantum Error Correction) 등이 양자컴퓨팅의 다음 단계 중점연구 과제로 될 전망이다.

최초로 측정 설비 무관성 고차원 양자 조향 달성

/
중국과기대 궈광찬(郭光燦) 연구팀의 리촨펑(李傳鋒)/류비헝(柳必恒) 등은 호주 이론물리학자와 공동으로 최초로 측정 설비 무관성 고차원 양자 조향(Quantum steering)을 실험적으로 관측함과 아울러 이를 이용해 암호 양자난수를 생성했다. 해당 성과는 "Physical Review Letters"에 게재됐다. 양자 조향은 양자얽힘과 벨 국소성 사이의 양자 비국소성 특성으로서 얽힘 입자쌍 중 1개 입자에 작용하는 국소적 측정이 다른 1개 입자 상태에 비국소적으로 영향을 미치는 능력을 묘사한다. 양자 조향은 주로 양자암호키 분배, 양자채널 감별, 난수 생성 등 양자정보 임무에 이용된다. 실험설비 성능의 제한성 또는 "적대자"에 의한 제어 가능성으로 인하여 양자 조향 실험에 결함을 초래한다. 예를 들어 얽힘 광자쌍의 양자 조향 관측은 단일광자 탐지기 효율의 제한성으로 탐지하지 못하는 광자는 원칙적으로 잠재적 "적대자"에 의하여 이용되는데 이로 인하여 양자 조향 실험 결과의 비신뢰성이 유발된다. 해당 문제를 해결하기 위해 이론물리학자들은 "양자 중재(Quantum refereed)" 기반 양자 조향 검증 방법을 설계함과 아울러 제3자의 중재 도입을 통해 양자 조향 실험 검증의 측정 설비와의 무관성을 달성했다. 이에 영감을 받고 리촨펑, 류비헝 등은 측정 설비 무관성 고차원 양자 조향 목격 연산자를 교묘하게 제조함과 아울러 최초로 측정 설비 무관성 고차원 양자 조향을 실험적으로 달성했다. 연구팀은 먼저 파라미터 조건에서의 전환 과정을 이용해 편광 및 경로 자유도에서 일련의 고충실도 3차원 얽힘상태를 제조했다. 다음으로 중재자가 얽힘 쌍방에 대하여 일련의 테스트 요구를 발송함과 아울러 쌍방 데이터를 수집하여 고차원 양자 조향 부등식을 검증했다. 테스트 결과는 최대로 1.983(0.002)에 달하여 3차원 상황의 고전적 이론 한계 1.57을 훨씬 초과함으로써 해당 얽힘상태가 양자 조향 특성을 보유하고 있음을 입증했다. 연구팀은 심층적인 실험을 통해 관측한 데이터를 난수 생성에 응용한 결과, 1개의 얽힘 광자쌍으로 1.106(0.023)비트 암호 양자난수를 획득할 수 있는데 이는 2차원 얽힘상태를 이용해 도달할 수 있는 이론 한계(1비트당 얽힘 과자쌍)를 초과함으로써 고차원 얽힘의 양자정보 과정에서의 장점을 충분히 시연했다. 동 연구는 고차원 시스템 기반 측정 설비 무관성 양자 정보 임무의 첫 실험적 시도로서 양자물리 기본문제 및 측정 설비 무관성 양자정보 과정 연구에 중요한 추진 역할을 제공할 전망이다.

"타이지 1호" 위성 궤도 테스트 실험 완성

/
2019년 12월 25일, 중국 첫 번째 우주 중력파 탐지 기술 실험 위성인 "타이지(太极) 1호"가 궤도 테스트 실험에 성공했다. "타이지 1호"의 각항 기능, 성능 지표는 개발 요구에 도달했고 예정 목표를 초과했으며 성공적으로 궤도 테스트 실험을 수행했다. 이는 중국의 우주 중력파 탐지 기술 검증의 중요한 성과로 타이지 프로젝트 "3단계"의 제1단계 목표를 달성했음을 의미한다. 이어서 "타이지 1호"는 확장 실험 단계에 들어갈 예정이다. "타이지 1호"는 중국과학원 우주과학(2기) 전략적 선도 과학기술 프로젝트의 첫 번째로 발사된 위성으로 중국의 우주 중력파 탐지를 위한 하중과 위성의 고안정 레이저, 초고정밀도 간섭계, 고감도 중력 기준 센서, 드래그프리 제어 기술, 마이크로 뉴턴급 마이크로 푸시 기술, 초안정 초정적 우주선 등 주요 핵심 기술의 첫 번째 궤도 검증을 수행했다. "타이지 1호"는 2019년 8월 31일에 성공적으로 발사되어 4개월의 엄격한 테스트와 실험 결과, 위성 시스템의 궤도 작업 성능이 우수하고 개발 목표의 전부 실험 내용을 수행했다. "타이지 1호"는 제1단계에서 궤도 테스트를 기반으로 체계적인 궤도 실험을 통해 세계 최초로 고주파 이온과 홀 듀얼 모드 두 가지 유형 전기 마이크로 푸시 기술의 전부 성능 검증을 달성했다. 또한, 가속 모드 드래그프리 제어 실험 성공 후, 변위 모드하의 우주선 궤도 드래그프리 제어를 달성함으로써 중국은 두 가지 드래그프리 제어 기술을 파악했다. 일부 핵심 하중 성능 테스트 지표는 설계 지표를 한 등급 초과하여 중국의 최고 수준에 달했으며 우주 중력파 탐지 핵심 기술 로드맵을 검증했다.

민간용 액체 로켓 엔진 전체 시스템 시운전에서 500s 신기록 경신

/
2019년 12월 25일, 베이징싱지룽야오(星際榮耀)우주과학기술유한회사(이하 싱지룽야오로 약칭)는 자오뎬(焦點) 1호(JD-1) 재사용 가능한 액체산소/메탄 엔진 500s 전체 시스템 장거리 시운전을 순조롭게 완료했다. 이는 중국 최초의 스탠드 얼론(Stand alone) 전체 시스템 500s 시운전 및 신뢰성 증진 테스트 단계로 전환한 액체산소/메탄 엔진으로서 해당 모델 엔진이 제품 납품 응용 중대 단계를 통과했음을 의미하며 또한 2020년 중국 첫 재사용 가능한 액체 운반로켓 100Km 수직 이착륙 테스트를 달성하는데 기술 기반을 마련했다. 이번 500s 장거리 테스트는 예냉, 구동, 주단계(Main stage) 작동 상황, 정지 및 재사용 후 시뮬레이션 처리 등 전체 프로세스가 포함된다. 테스트 과정에서 엔진 점화, 구동 및 정지시계열은 정상이고 엔진 주단계 작동 과정에서 챔버 압력, 온도, 터빈 회전속도, 진동 등 파라미터는 평온하여 설계 요구에 도달했다. JD-1은 싱지룽야오가 자체 개발한 15t급 재사용 가능한 액체산소/메탄 엔진이며 운반로켓의 회수 재사용을 달성하는 핵심이다. 해당 엔진 설계는 30 라운드 재사용이 가능하고 로켓 제조 원가를 70%이상 절감시킬 수 있어 우주탐사 원가를 대폭 감소시킬 전망이다. JD-1은 매우 높은 공정 응용 가치를 보유하고 있고 그 기능은 감속, 착륙 및 장시간 궤도상 작동, 심우주 탐사 등 임무 요구에 적합하며 임무에 대한 적응성이 비교적 강하다. 이번 장거리 시운전을 통해 JD-1 엔진 시스템 및 제품 신뢰성이 검증됐는데 이는 해당 모델 엔진은 신뢰성 축적 단계에 들어섰으며 규모화 생산 및 규모화 500s 장거리 시운전을 수행할 수 있음을 의미한다. JD-1 엔진을 "솽취셴 2호(雙曲線二號)" 로켓에 장착할 예정이다. "솽취셴 2호" 로켓은 싱지룽야오가 자체 개발한 국제 경쟁력을 갖춘 재사용 가능한 소형 액체 운반로켓으로서 이륙 중량은 약 90t이고 저궤도 최대 운반능력은 1.9t이며 500km의 SSO 궤도 운반능력은 1.1t(비회수)/0.7t(회수 가능)이다. 2020년 솽취셴 2호 운반로켓의 1단 "포물선" 100km 수직 이착륙 테스트를 수행하고 2021년 첫 궤도진입 발사를 수행할 계획이다. 이에 앞서 싱지룽야오는 중국 첫 민간용 운반로켓의 궤도 진입 발사에 성공했다.

톈친우주중력파탐색계획 우주시험단계 돌입

/
2019년 12월 20일 11시 22분, 중국은 타이위안위성발사센터에서 창정 4호 을(长征四号乙) 운반로켓으로 "톈친(天琴) 1호" 기술시험위성을 예정궤도에 순조롭게 진입시켰다. 이는 톈친우주중력파탐색계획이 "우주시험" 단계에 본격적으로 돌입하였음을 의미한다. "톈친계획"은 중국과학원 뤄쥔(罗俊) 박사가 2014년 3월에 제안했다. 그는 1994년에 화중(华中)과기대학교 중력센터 동굴실험실에서 우주중력파탐색을 둘러싼 기초연구를 수행하였다. "톈친계획"에 따르면 2035년 전후에 지구에서 약 10만 km 떨어진 궤도에 3개 완전히 동일한 위성으로 구성된 변의 길이가 약 17만 km인 정삼각형 위성편대 즉, 우주 중력파천문대를 구축해 중력파를 탐색할 예정이다. 중산(中山)대학교/화중과기대학교 공동연구팀은 톈친우주중력파탐색계획의 임무를 예비 연구함과 아울러 실행방안 및 로드맵을 제정하였다. 2016년 2월 21일에 중산대학은 "톈친계획" 실행로드맵 "0123계획"을 공식 발표했다. "0123계획"에서 이미 "1"단계에 진입하였고 해당 단계에는 고정밀도 우주 관성 기준 기술시험위성 및 톈친선도시험위성 발사를 포함한다. 이번에 발사한 "톈친 1호" 위성이 바로 "고정밀도 우주 관성 기준 기술시험위성"이다. 해당 기술시험위성 프로젝트가 톈친 "0123계획"의 "1"단계에 해당하므로 동 기술시험위성을 "톈친 1호"라 명명하였다. 국가에서 프로젝트를 입안하고 대학교에서 주도한 "톈친 1호" 기술시험위성은 중국이 공식 입안한 첫 우주중력파탐색기술시험위성이다.

베이더우 3호 글로벌 시스템 핵심 성좌 배치 완료

/
2019년 12월 16일 15시 22분, 중국은 시창(西昌)위성발사센터에서 창정(长征) 3호 을 탑재 로겟 및 위안정(远征) 1호 상단부를 이용하여 "1개 로켓 2개 위성"방식으로 52번째, 53번째 베이더우(北斗) 항법위성을 성공적으로 발사했다. 3시간 비행 후, 위성은 순조롭게 예정 궤도에 진입하였고 후속적으로 궤도 테스트를 거친 후 적절한 시기에 서비스를 제공할 전망이다. 이로써 중국은 중원지구궤도 베이더우 위성을 전부 발사했다. 이는 베이더우 3호 글로벌 시스템 핵심 성좌 배치 완료를 의미하며 아울러 시스템의 서비스 기능과 사용자 체험을 더욱 향상시키고 글로벌 네트워킹을 위한 튼튼한 기반을 마련할 전망이다. 중원지구궤도 위성은 베이더우 3호 글로벌 시스템 성좌의 주요 위성으로 주로 전세계 사용자를 위한 항법 위치결정 시보 서비스(time service), 글로벌 단문 메시지 통신 및 국제 수색구조 등 특수 서비스를 제공한다. 기존 궤도에 진입한 24개 중원지구궤도위성 중, 14개는 중국항천과기그룹유한회사 산하 중국우주기술연구원에서 개발하였고 10개는 중국과학원 마이크로위성혁신연구원에서 개발했다. 베이더우 3호 글로벌 시스템 개발 과정에 제품의 다부문 배치, 다부문 동시 협력을 강화하여 다부문 자원을 최대한 동원하고 장단점 상호보완, 공동 협력을 통해 핵심 기술파악을 가속화했으며 상호윈윈 발전양상 형성을 추진하여 베이더우 3호 글로벌 시스템의 효과적인 네트워킹을 확보했다. 이는 베이더우 시스템 혁신 프로젝트 관리 모드의 중대한 조치로 중대 항천 프로젝트 관리 체계와 관리 능력의 현대화를 추진하는 유익한 탐색이다. 2017년 11월 이후 7대 프로젝트 시스템, 300여 개 개발부서, 10만여 명의 연구인원의 공동한 노력으로 2년 남짓한 시간에 18차의 성공적인 네트워킹 발사를 연속 실시하였고 28개 베이더우 3호 네트워킹 위성과 2개의 베이더우 2호 백업 위성을 순조롭게 예정 궤도에 진입시켰다. 평균 매달 1.2개의 고밀도 위성 발사는 전세계 위성항법시스템 네트워킹 속도의 세계기록을 세웠다. 현재 베이더우 3호 글로벌 시스템 네트워킹은 스퍼트 단계에 진입했다. 2020년 상반기에 2개의 지구 정지 궤도 위성을 발사할 계획이며 예정 목표보다 반년 앞당겨 전체 네트워킹 위성 발사를 완성할 예정이다. 이번에 발사한 베이더우 항법 위성과 탑재로켓 및 상단부는 각각 중국항천과기그룹 제5연구원과 제1연구원에서 개발했다. 이는 창정 시리즈 운반 로켓의 321번째 비행이다.

알츠하이머병 치료 신약 "지우치이" 시판 시작

/
2019년 12월 29일, 상하이교통대학교 의학대학 부속정신위생센터 샤오스푸(肖世富) 연구팀이 주도하여 개발한 알츠하이머병 치료 신약 "지우치이(九期一)"가 중국에서 본격 시판에 들어갔다. 알츠하이머병 환자는 의사 처방에 의해 전문 약방(DTP 약방)에서 구매할 수 있으며 1곽의 판매가격은 895 위안(한화로 약 15만원)이다. "지우치이" 1,2,3단계 임상시험 연구에 1,199명의 중국 피험자가 참여했다. 3단계 임상시험은 베이징셰허(協和)병원과 상하이교통대학교 의학대학 부속정신위생센터의 주도하에 34개 3급(三級) A급(甲等) 병원에서 수행했으며 818명 피험자가 약물복용 관찰에 참여했다. "지우치이" 약물의 플라세보 대조 연구는 9개월 수행됐다. 임상시험 결과, 약물 유효율은 78%로 지속적이고 뚜렷하게 환자의 인지기능을 개선시킬 수 있을 뿐만 아니라 이상반응 발생률은 플라세보 그룹과 엇비슷했다. "지우치이" 약물이 시판에 들어가기 전 연구팀은 "지우치이"의 작용 메커니즘에 관한 연구를 20여 년 수행했다. 지난 4년 동안, 연구팀은 2,700여 마리 생쥐로 23차의 시험(해당 논문은 2019년 9월 "Cell Research"에 게재)을 수행해 실질적인 매우 중요한 약물 작용 메커니즘 연구를 수행했다. 2019년 12월 26일, 연구팀은 "조건부 시판허가"에 요구되는 생쥐 107주 발암 독성 실험결과를 국가식품약품감독관리국에 납부했다. 심사결과, "지우치이"는 생쥐에 대한 발암 위험성이 없다. 상하이뤼구(綠谷)제약유한회사는 향후 30억 달러를 투자해 "지우치이" 출시 후 실제적 연구, 국제 다중심 3단계 임상연구 "녹색 기억", 적응증 확장 연구 및 심층적인 메커니즘 연구 등을 지원하며 2024년에 국제 다중심 임상시험을 완료하고 2025년에 신약 세계적 등록을 완료할 예정이다.

불명원인으로 인한 반복적 발열 메커니즘 규명

/
저장(浙江)대학교 생명과학연구원 저우칭(周青) 연구팀은 1명의 자체 염증성 질환 환아의 발병 분자 메커니즘에 관한 연구를 통해 최초로 인간 수용체 상호작용 프로테인키나이제(RIPK1) 변이가 자체 염증성 질환을 유발함을 발견했다. 이로써 해당 종류의 자체 염증성 질환 임상치료에 더욱 정밀한 치료 방법을 제공할 전망이다. 해당 성과는 "Nature"에 온라인으로 게재됐다. 많은 자체 염증성 질환은 단일 유전자의 유전병이며 이미 약 40종의 발병 유전자가 발견됐다. 자체 염증성 질환은 주기성, 반복성 발열 외에 발진, 관절염 등 증상을 동반한다. 중국에도 많은 불명성 발열 병례가 있으며 일반적으로 감염으로 인한 유발로 인정하고 유전병과 연관시키지 않으며 주로 항생제류 약물로 치료하기에 치료효과가 없다. 2018년, 푸단(復旦)대학교 부속소아과병원에서 접수한 1명의 환아는 감염되지 않은 상황에서 반복적 주기성 발열 증상이 발생하여 자체 염증성 질환으로 예측했다. 뿐만 아니라 환아에게서 아직 밝혀지지 않은 새로운 유전자 돌연변이가 발생했다. 연구 결과, 해당 환아 체내의 RIPK1 유전자 돌연변이 발생으로 RIPK1 유전자가 코딩하는 RIPK1 단백질은 프로테아제 Caspase-8의 절단 위치에서 아미노산 변화가 유발되어 RIPK1가 정상적으로 절단되지 못했다. 이로 인하여 RIPK1의 정상적인 활성화 모드가 파괴되어 활성화가 증가되고 일정한 수준에서 세포 사멸 및 프로그램화 사멸을 촉진시킨다. 세포의 "생사(Life or death)" 평형 파괴로 환아 체내의 염증인자 수준이 비정상적으로 상승함과 아울러 발열 등 염증 증상이 자발적으로 발생했다. 연구팀은 환아의 다양한 종류 세포는 동일한 RIPK1 돌연변이에 대하여 다양한 대응 조치를 보유하고 있음을 발견했다. 이는 인체의 다양한 조직 및 세포는 동일한 유전자형 조건에서 판이한 표현형을 나타냄을 의미한다. 해당 발견은 RIPK1이 다양한 종류 세포사멸을 조절하는 과정에서의 역할에 대한 인식을 풍부히 했다. 정상적인 인체에는 전체 길이 RIPK1과 절단된 RIPK1이 공동으로 존재하며 건강 문제를 유발하지 않는다. RIPK1 돌연변이가 발생한 환자 체내에 전체 길이 RIPK1 단백질 비율이 상승하고 절단된 RIPK1이 감소된다. 발병 메커니즘 연구 과정에서 연구팀은 환자 체내의 RIPK1 단백질은 아미노산 돌연변이가 발생함을 발견했다. 유전자 돌연변이 발생으로 RIPK1 단백질은 프로테아제에 의해 정밀 절단될 수 없기에 RIPK1 단백질은 활성화 상태를 지속적으로 유지하여 세포의 사멸 및 괴사를 유발하며 세포의 사멸 및 괴사는 염증인자의 방출을 활성화시키고 증가된 염증인자는 세포사멸을 더 촉진시킨다. 환아의 혈청 및 말초혈단핵세포에 대한 연구에서 연구팀은 IL-6, TNF 등 염증인자 함량이 매우 높으며 특히 환아가 발열시 해당 염증인자 함량이 매우 높음을 발견했다. 생쥐 실험 결과, RIPK1 돌연변이 발생 생쥐 세포도 자극에 대하여 더욱 민감하고 높은 수준의 염증인자를 방출하는 동시에 세포사멸을 유도한다. 해당 연구에서 연구팀은 염증인자 IL-6의 환자 체내에서 대량 발현 및 그 유발 메커니즘을 발견했다. 따라서 자체 염증성 질환 치료에서 IL-6 수용체 기반 억제제를 사용해야 한다. 자체 염증성 질환 치료에 적합한 다양한 염증 반응 통로에 근거하여 이미 다양한 생물 억제제를 개발했다. 연구팀은 또한 피부 섬유아세포 내 RIPK1, TNFR1 등 단백질 발현 수준의 뚜렷한 하향 조절, 세포 내 글루타티온(GSH) 함량 증가, 활성산소(ROS) 함량 감소 등 변화는 세포가 다양한 사멸 형식에 대한 저항성임을 발견했다. 해당 현상은 RIPK1 돌연변이로 유발된 다양한 자극 고민감성 환아의 섬유아세포를 기반으로 다양한 보상 메커니즘을 확정하여 생체 안정상태를 유지해야 함을 제시한다. 해당 연구는 최초로 세포괴사, 세포사멸로 인한 자체 염증성 질환을 발견했으며 향후 더욱 많은 임상 사례를 기반으로 기타 세포사멸로 인한 해당 증상 발병 유전자를 발견하여 해당 질병의 발병 유전자 가계도를 완벽화할 예정이다.

시각피질 회로중 흥분-억제 주기적 진동 발견

/
중국과학원 상하이유기화학연구소 생물·화학융합연구센터 허카이원(何凱雯) 연구팀은 미국 존스홉킨스대학교 Alfredo Kirkwood 연구팀과 공동으로 피라미드 뉴런(pyramidal neuron)의 E/I 균형이 항상성을 유지하는 것이 아니라 일주기에 주기적으로 진동함을 최초로 발견하였다. 해당 연구 성과는 "Neuron"에 게재되었다. 뉴런의 정보처리 및 전달은 글루타메타제(glutamatergic) 유형의 흥분성 시냅스에 의존해 신경신호를 전달하는 한편 가바너직(GABAergic) 유형의 억제성 시냅스에 의존해 신호전달을 시공간적으로 규제한다. 뉴런의 흥분-억제 사이의 균형관계(E/I 균형)는 뉴런 및 신경망의 기능 발휘를 결정짓는 핵심요소이다. 아울러 수많은 뇌질환 모두 E/I 불균형과 밀접한 연관이 있다. 연구팀은 미세 후시냅스 전류 기록 및 분석을 통해 일차시각피질/전전두엽피질/해마 내 피라미드 뉴런의 흥분성/억제성 시냅스 강도가 24시간 명암주기(light-dark cycle) 내에서 역방향 변화가 발생함을 의외로 발견했다. 흥분성 시냅스 사건의 빈도가 암주기에서 상승시 억제 사건의 빈도는 낮아졌고 반대로 흥분성 시냅스가 명주기에서 저하시 억제성 시냅스는 뚜렷이 증강되었다. 흥분성과 억제성의 역방향 변화는 뉴런의 E/I 균형이 주야간에 대폭적인 파동이 발생함을 시사한다. 이 또한 뇌에 일반적으로 존재하는 생리현상일 가능성이 크다. 연구팀은 일차시각피질을 주연구대상으로 E/I 균형 주기적 진동의 구체적 방식 및 메커니즘을 심층적으로 탐구했다. 생쥐에 대한 미온적이고 짧은 수면박탈을 통해 명주기에서 피라미드 뉴런 억제신호의 증가는 수면에 의존함을 발견했는데 이는 이미 밝혀진 수면이 흥분성 시냅스에 대한 조절작용과 비슷하다. 약물학적 방법을 결합하여 연구한 결과 암주기에서 대뇌 eCB 고발현은 시냅스 억제 하향조절에 관여함을 발견했다.

종양 정밀 방사선 치료 시스템 "치린 나이프" 개발

/
중국과학원 원자력안전기술연구소 펑린(鳳麟) 연구팀은 완전한 자체 지식재산권을 보유한 "치린 나이프(麒麟刀)"를 개발했다. 중국 국가약품감독관리국에서 발급하는 의료기기 공인증서를 획득한 "치린 나이프" 제품은 최초로 혁신 의료기기 특별 심사에 통과된 정밀 방사선 치료 계획 시스템으로써 중국 첨단 종양 방사선 치료 시장의 국외 독점 국면을 개변시켰다. 중국 국가암센터가 발표한 최신 데이터에 의하면 중국의 암 발병률 및 사망률은 전세계적으로 가장 높으며 1년에 약 400만 명의 암환자가 증가되고 있다. 그 중에서 70% 암환자가 방사선 치료에 의존한다. 연구팀은 18년 동안 연구를 거쳐 "치린 나이프"를 개발했다. "치린 나이프"는 정밀 계획, 정밀 위치확정, 정밀 방사 및 정밀 평가 등 "4가지 정밀" 기술을 적용했기에 종양 위치확정 정밀도가 서브밀리미터급에 달하고 방사선량 편차가 2% 이하로 세계 선진 수준에 도달했다. 또한 종양 병소를 효과적으로 살상하는 동시에 정상 기관조직을 최대한 보호한다. "치린 나이프" 정밀 방사선 치료 프로젝트는 난징(南京) 장베이신구(江北新區)에 자리 잡았다. 펑린 연구팀은 다중 입자 정밀 방사선 치료, 방사성 의약품, 암치료 빅데이터 등에 대한 연구개발 및 응용을 수행하여 세계 핵의학연구센터 및 산업 "고지"를 구축함으로써 "건강 중국(健康中國)" 전략 이행에 튼튼한 기반을 마련할 전망이다.

티탄산나트륨과 그래핀을 이용하여 고에너지, 고출력 마이크로 커패시터 개발

/
중국과학원 다롄(大連)화학물리연구소 우중솨이(吳忠帥) 연구팀과 바오신허(包信和) 연구팀은 공동으로 성게형 티탄산나트륨과 다공성 활성화 그래핀을 결합하여 고에너지밀도, 고내열성을 보유한 유연성 나트륨이온 마이크로 슈퍼커패시터를 개발했다. 마이크로 센서, 마이크로 로봇, 자가동력 마이크로 시스템 등은 마이크로 전기화학 에너지저장 소자를 떠날 수 없다. 해당 소자는 전극 크기가 μm 범위인 소형 전원으로서 유연성, 마이크로화, 지능화 집적 전자 제품의 핵심 전원으로 인정되고 있으며 현재 주로 마이크로 배터리, 마이크로 슈퍼커패시터 및 하이브리드 슈퍼커패시터로 분류한다. 마이크로 배터리는 고에너지밀도를 보유하고 있지만 출력밀도가 낮고 마이크로 슈퍼커패시터는 고출력밀도를 보유하고 있지만 에너지밀도가 낮다. 리튬이온 마이크로 슈퍼커패시터를 대표로 하는 하이브리드 슈퍼커패시터는 마이크로 배터리의 고에너지밀도 장점과 마이크로 슈퍼커패시터의 고출력밀도 장점을 동시에 보유한 신형 마이크로 전기화학 에너지저장 소자이다. 리튬이온 마이크로 슈퍼커패시터는 상기 장점을 보유하고 있지만 규모화 응용 면에서 금속 리튬의 자원 제한 및 비교적 높은 개발원가(리튬의 지각 내 함량은 0.006%) 제한을 받고 있다. 나트륨 자원은 지구자원의 약 2.74%에 달하기에 개발원가가 저렴하며 전기화학적 성질도 리튬과 유사하다. 따라서 나트륨이온 마이크로 슈퍼커패시터 개발은 중요한 응용 전망을 보유하고 있다. 연구팀은 성게형 티탄산나트륨을 배터리형 음극으로 하고 다공성 활성화 그래핀을 커패시터형 양극으로 했으며 고압 이온액체 겔 전해액을 결합하여 유연성 나트륨이온 마이크로 슈퍼배터리를 성공적으로 제조했다. 또한 배터리형 음극과 커패시터형 양극의 효과적인 결합을 통해 나트륨이온 마이크로 슈퍼커패시터가 3.5V의 고전압 조건에서 안정적으로 작동하게 했고 에너지밀도를 37.1MWh/cm3에 도달시킴과 아울러 초저 자가 방전 속도를 달성했다. 나트륨이온 마이크로 슈퍼커패시터는 다방향 신속 이온 확산 통로를 보유하고 있기에 전하이동 저항을 대폭 감소시킴과 아울러 출력밀도를 뚜렷하게 향상시킬 수 있다. 동시에 소자의 평면기하학적 구조 및 이온 겔 전해액의 비가연성으로 해당 마이크로 소자는 양호한 기계적 유연성 및 80℃ 고온 안정성을 보유하고 있다.

중국 첫 10MW급 해상 풍력 터빈 인증 통과

/
중국선박중공그룹(CSIC) 하이좡(海装)유한회사가 자체 개발한 H210-10MW (메가와트) 해상 풍력 터빈이 설계 인증을 통과하여 중국의 초대형 해상 풍력 터빈의 공백을 메웠다. 기존에 건설된 중국의 해상 풍력발전소는 대부분이 근해에 위치하여 제한 요소가 많다. 심해 풍력 발전은 수심이 50미터 이상인 해역에 위치하여 풍속이 더 크고 풍력이 더 안정적이며 제한 요소가 적다. 또한, 대형 MW급 터빈은 발전량을 대폭 증가시키고 운영비용을 절감할 수 있어 해상 풍력발전의 방향이다. 10MW 해상 풍력 터빈은 향후 해상 풍력 발전 시장을 포착하고 중국의 풍부하고 광범위한 해상 풍력 에너지 자원을 효율적으로 개발하기 위한 주력 모델이다. 연구팀은 10여 년의 발전을 거쳐 CSIC 시스템 내부에서 풍력 터빈 블레이드, 기어박스, 엔진 및 제어 시스템 등 주요 부품을 포함한 전체 풍력 발전 산업 체인을 구축하고 토탈 솔루션 능력을 보유했으며 5MW 해상 풍력 터빈의 양산을 달성했다. CSIC는 지난 2년간 디자인 개발과 기술 공략에 1억 위안(한화 약 165억)이 넘는 자금을 투자하여 로드쉐딩, 블레이드, 피치시스템, 전동체인, 발전 시스템 등 다방면의 핵심 기술을 파악하여 성공적으로 10MW 해상 풍력 터빈을 개발했다. H210-10MW 해상 풍력 터빈은 중국 첫 속도 증가형 10MW급 해상 풍력 터빈이며 또한 중국 최초의 200미터 이상 직경의 해상 풍력 터빈이다. 고효율성, 고신뢰성, 중속, 중압, 집적식 및 전동식의 발전 시스템은 유닛의 가용성, 제조 가능성 및 유지 보수성을 크게 향상시키고 선진적인 전기 이중구동 가변피치 기술은 가변피치 시스템의 구동 능력과 안전 수준을 향상시켰다. 중국 첫 100m급 초장 유연성 탄소섬유 블레이드를 탑재한 10MW 해상 풍력 터빈은 중국의 다양한 해상 풍력구에 저면적으로 응용될 전망이다. 연간 평균 풍속이 10m/s(표준 공기 밀도)인 동일한 풍력 자원 조건에서, H210-10MW 유닛의 발전량은 H151-5MW 유닛에 비해 98% 증가할 수 있다.

고성능 유연성 유기태양전지 개발

/
난카이대학교 화학대학 천융성(陈永胜) 연구팀은 높은 전기전도성과 투과성, 낮은 표면조도를 동시에 구비한 은나노 와이어 유연성 투명전극을 제조하여 유연한 유기태양전지 구축에 사용한 결과 상업 인듐주석산화물(Indium Tin Oxide, ITO) 유리전극을 사용한 장치와 동일한 성능을 획득했고 광전 변환(photoelectric conversion)효율은 16.5%에 도달했다. 이로써 기존 유연성 유기/고분자 태양전지가 기록한 광전변환효율 최고치를 경신했다. 해당 성과는 "Nature Electronics"에 게재되었다. 유연성 전자장치 특히 유기재료 기반 광전장치는 미래 전자장치의 발전추세로서 밝은 응용전망을 보유한다. 그 중 고성능 유연성 투명전극은 고효율 유연성 유기광전장치의 선결조건이다. 하지만 높은 전기전도성과 투과성, 낮은 표면조도를 동시에 보유하면서도 제조방법이 간단하고 친환경적인 유연성 투명전극 획득은 아직도 어려운 문제로 남아있다. 고성능 유연성 투명전극의 부재로 현재 유연성 유기광전장치 성능은 여전히 강성(rigidity)장치에 비해 많이 뒤떨어진 상황이다. 유연성 투명전극은 일반적으로 건식법(예를 들면 증착) 또는 용액처리[예를 들면, 슬릿 프린팅(Slit printing), 나노임프린트(nanoimprint) 또는 전기방사(electrospinning) 등] 공법으로 제조한다. 용액처리 방법은 건식법에 비해 원가가 저렴하고 대규모 프린팅 제조가 가능한 등 장점이 있어 잠재적 발전성이 크다. 연구팀은 고분자 전해질로 "유사격자" 구조를 보유한 은나노 와이어 유연성 투명전극을 제조해 우수한 성능을 구현했다. 동 유연성 투명전극은 표면조도가 낮고 기계적 성능 및 안정성이 양호하며 제조방법이 간단하고 친환경적이다. 해당 유연성 투명전극의 유기광전장치에서의 실용성을 입증하기 위해 연구팀은 해당 유연성 투명전극 기반 유연성 유기태양전지를 제조했다. 연구 결과, 해당 전극은 다양한 유형의 활성재료 및 단접합(unijunction)/적층 태양광발전장치에 적용 가능했다. 단접합/적층 유연성 유기태양전지의 광전변환효율은 각각 13.1%와 16.5%에 도달했고 기계적 성능도 양호했는바 연속 1,000회 굽힌 후에도 초기효율의 95% 이상을 유지했다. 저원가 고성능 유연성 투명전극은 유기태양전지 외에 유기발광다이오드(OLED), 트랜지스터, 센서 등 분야에서도 광범위한 응용잠재력을 보유한다.

3가지 종류의 신형 유실 제어 복합비료 개발

/
중국과학원 허페이(合肥)물질과학연구원 기술생물·농업공학연구소 우웨진(吳躍進) 연구팀은 천연광물 및 복합개질재료를 기반으로 3가지 종류의 신형 유실 제어 복합비료를 개발했다. 해당 복합비료는 토양의 "입단구조" 형성 촉진을 통해 토양공극을 감소시킴으로써 양분의 "완효성 방출"을 달성했다. 뿐만 아니라 비료효과 지속 시간을 연장시켜 후기 추비(Top dressing) 인력원가를 절감시켰다. 재배시험 결과, 1무(약 666.67㎡)당 벼 수확량이 100kg 이상 증가된다. 벼 고수확량을 달성하려면 화학비료를 시비해야 한다. 하지만 화학비료는 빗물에 의한 유실로 비료 낭비뿐만 아니라 환경오염도 초래한다. 또한 양분을 보충하기 위해 벼 재배 후기에 여러 번 추비하는데 이는 비료 및 인력 원가를 증가시킴과 아울러 쌀의 입맛을 감소시킨다. 2019년 6월, 연구팀은 안후이(安徽) 루안(六安)의 80무 논밭에서 동일한 품종 벼 "중허유 1호(中禾優1號)"를 재배하는 과정에서 3가지 종류의 신형 유실 제어 복합비료와 일반 화학비료 시비효과 비교 실험을 가동했다. 4개월 재배한 후, 안후성농업기술보급소, 안후이농업대학, 안후이성농업과학원 등 기관의 전문가로 구성된 전문가팀이 시험논의 성숙된 벼에 대한 수확량 측정 검수를 수행한 결과, 일반 화학비료 시비 및 후기에 여러 번 인공 추비한 논에 비하여 1차적으로 신형 유실 제어 복합비료를 시비한 3개 논의 1무당 수확량은 104~186kg 증가되어 증가폭은 19% 이상에 달했다. 해당 신형 화학비료의 주요 역할은 후기 인력 투입 절감이다. 이는 현재 농촌 노동력이 부족한 상황에서 벼 수확량 증가를 달성하는데 중요한 의미가 있다. 연구팀은 심층적인 연구 및 테스트를 수행하여 해당 신기술의 보급을 추진하고 있다.

초탄성 및 내피로성 보유 탄소 나노섬유 에어로겔 개발

/
중국과학기술대학교 위수훙(俞书宏) 연구팀과 량하이웨이(梁海伟) 연구팀은 공동으로 열분해 화학 제어를 통해 구조생물 재료를 흑연탄소 나노섬유 에어로겔로 열전환시켰다. 해당 에어로겔은 세균성 섬유소의 거시적에서 미시적에 이르는 성층 구조를 완벽하게 구현함으로써 뚜렷한 열기계적 성능을 보유함과 아울러 대규모 합성을 구현했다. 해당 성과는 "Advanced Materials"에 게재되었다. 초탄성 및 내피로성을 보유한 경량 압축 재료는 항공우주, 기계 완화, 에너지 감쇠 및 소프트 로봇 등 분야의 이상적인 재료이다. 많은 저밀도 중합체 발포체는 압축성이 높지만 재사용시 내구성이 약해지며 중합체 유리전이와 용융 온도 근처에서 초탄성이 퇴화된다. 탄소 나노 튜브와 그래핀은 고유의 초탄성과 열역학적 안정성을 갖지만 복잡한 설비와 제조 과정에서 밀리미터 크기의 재료만 제조할 수 있다. 또한, 대자연에서 수억 년 동안 진화한 복잡한 성층 구조 생물 재료는 우수한 역학적 특성으로 많은 관심을 끌지만, 순수한 유기 또는 유기/무기 복합 구조 때문에 통상적으로 좁은 온도 범위에서만 작동한다. 따라서, 이러한 비열안정적 구조 생물 재료를 고유의 성층 구조의 열안정적 흑연재료로 전환시킨다면 열역학적으로 안정적인 새로운 재료를 창조할 수 있다. 연구팀은 무기염의 세균섬유소에 대한 열분해 화학적 조절 방법을 이용하여 대규모 합성, 형태 보존적 탄화 공정을 구현하고 개발한 탄소 나노섬유 에어로겔은 세균섬유소의 거시적에서 미시적에 이르는 성층 구조를 구현했으며 비교적 넓은 온도 범위에서 온도에 따라 변하지 않는 뚜렷한 초탄성 및 내피로성을 구현했다. 탄소 나노섬유 에어로겔이 우수한 열안정적 기계 성능을 보유하고 대규모 제조를 달성할 수 있기 때문에 극단 조건에서의 기계 완화, 압력감지, 에너지 감쇠 및 우주항공 태양 에너지 배터리 등 분야에서 중요한 응용 전망이 있다.

플라즈마를 이용한 그래핀 거시적 제조 달성

/
중국과학기술대학교 공학과학대학 열과학·에너지공학학부 샤웨이둥(夏維東) 연구팀은 "자기분산 전기 아크(Magnetically Dispersed Electric Arc)에서 생성된 대면적 균일 열플라즈마를 이용한 그래핀 합성" 새 방법을 제안하여 열플라즈마 공법의 에너지 소모가 높고 제품 균일성이 낮으며 생산 안정성이 부족한 등 기술 어려움을 해결함으로써 대규모 연속 생산을 달성할 전망이다. 해당 성과는 "Carbon"에 게재됐다. 그래핀은 에너지 환경, 생물의료, 전자 소자, 화공 및 항공우주 등 여러 분야에서 중요한 응용 전망을 보유하고 있는 미래 혁신적인 기능/구조 재료로 인정받고 있다. 하지만 무선주파수 감응 가열 및 마이크로파 가열 플라즈마를 이용한 그래핀 제조는 에너지 소모가 높기에 산업화 응용이 어렵다. 또한 열플라즈마 열분해 탄화수소 화합물에 의한 그래핀 제조는 플라즈마 전기전도율이 온도의 증가에 따라 신속하게 상승하기에 전기 아크의 자동적인 매우 작은 범위 수축을 유발하여 그래핀 합성에 밀리초 수준의 반응 시간을 요구하므로 균일 가열을 달성하기 어려워 제품의 균일성이 차하고 에너지 소모가 높다. 연구팀은 자기 분산 전기 아크에 의한 대면적 균일 플라즈마 생성 기술을 개발하여 플라즈마로 물질을 신속하게 균일 가열하는 문제를 해결했다. 해당 기술로 제조한 그래핀 평면 크기는 50~300nm, 층수는 2~5층으로 양호한 결정구조 및 거대한 비표면적을 나타내고 제품 균일성이 우수했다. 또한 제조 방법 및 설비가 간단하여 1단계 합성이 가능하고 환원 과정이 필요 없을 뿐만 아니라 기질, 촉매, 용액 및 산(Acid)이 필요 없으며 고수율, 저에너지 소모, 저원가 등 장점을 보유하고 있기에 저원가 대규모 연속 생산을 달성할 수 있다. 해당 연구는 플라즈마 파라미터, 원료 기체 조성 및 나노 그래핀 형태, 층수 및 결함 사이의 관계를 연구함과 아울러 고순도 그래핀 생산에 요구되는 공법 조건을 규명했다. 또한 플라즈마 반응기 유동장/온도장 수치 시뮬레이션과 화학반응 동역학적 계산을 결합하여 그래핀의 형성 메커니즘을 제안함으로써 제품 생산 제어에 이론적 지침을 제공했다.

신형 촉각 전자 피부 개발

/
홍콩성시대학교 연구팀은 "피부 통합 촉각 인터페이스" 시스템을 성공적으로 개발했다. 피부를 매개로 하는 해당 가상현실(VR) 및 증강현실(AR) 시스템은 피부에 부착한 무선 액추에이터를 통해 에너지를 기계적 운동에너지로 전환시켜 촉각 자극을 인체에 전달한다. 해당 성과는 "Nature"에 게재되었다. 가상현실 및 증강현실 기술은 주로 시각과 청각 자극을 통해 체험을 창조하지만 피부는 눈과 귀에 비해 인체에서 면적이 가장 큰 감관 시스템이기에 촉각을 통해 외부 환경을 감지하는 것이 효과가 더 좋다. 홍콩성시대학교 생물의학공학과 위신거(于欣格)에 의하면, 연구팀의 목표는 실제 사람의 피부에 필적하는 전자 피부를 개발하는 것이다. 기존의 동종 제품과 비교할 경우, 해당 시스템은 아주 가볍고 피부에 밀착되며 전선과 배터리가 필요 없다. 해당 시스템은 새로운 재료, 구조, 에너지 전송 전략 및 통신 솔루션을 사용했다. 연구팀은 700여 개 기능 소자로 두께가 3mm 미만인 유연한 피부 소자를 구성했는데 가볍고 얇고 유연하고 신축성이 있는 내층을 포함하여 피부에 밀착될 수 있다. 실리콘으로 보호한 기능층은 내부에 무선 제어 시스템과 상호 연결된 액추에이터가 있다. 통기성 직물 외층은 웨어러블 의류에 직접 접착할 수 있다. 촉각 진동을 제공하는 기존의 액추에이터는 약 100밀리와트의 전력으로 정보를 전송하지만 해당 시스템은 주파수 기술(RF)로 전력을 공급하여 2밀리와트 미만의 전력으로 정보를 전송하고 동등한 기계적 진동을 생성하여 무선 저전력 에너지 전송 난제를 해결하고 시스템의 작동 거리를 크게 향상시켰다. 해당 연구 성과는 소셜미디어 및 전자게임에 응용 가능할 뿐만 아니라 의수, 의족 사용자가 촉각을 통해 외부 환경을 감지하기 위한 피드백을 제공하며 임상 의료에서 응용하는 관련 가상 장면까지 확장시킬 수 있다.

플렉시블 OLED 생산라인용 로봇의 응용 성공

/
시아순(SIASUN:新松)이 자체적으로 개발한 중국 첫 플랙시블 OLED 로봇이 중국 내 유명기업에 성공적으로 응용되었다. 이로써 중국은 중국 외 기술장벽을 극복한 자국산 로봇을 최초로 고급 유연성 스크린 생산라인에 도입해 플랙시블 OLED 운반 핵심장치의 중국산을 달성하였다. OLED 패널은 LCD 패널에 비해 더 얇고 가벼우며 밝을 뿐만 아니라 전력소비가 적고 응답이 빠르며 해상도가 높고 유연성이 양호한 등 장점을 보유한다. OLED 패널의 유기플라스틱층은 얇고 유연하기에 관련 생산공정에 있어 클린로봇기술에 대한 요구도 더 엄격하다. 기존의 중국산 플랙시블 OLED 생산라인은 전부 중국 외 생산설비를 도입하였는데 이는 관련 생산공정의 중국산 달성을 크게 제한하였다. SIASUN이 자체적으로 개발한 플랙시블 OLED 로봇—SCARA 매니퓰레이터(manipulator)는 고성능 제어시스템, 기계본체설계 및 정밀 리포지셔닝(repositioning) 등 기술을 확보해 여러 어려움을 극복하였다. 연구팀은 센서 스캐닝 및 소프트웨어 알고리즘을 통해 해당 로봇에 완전 새로운 중국산 "대뇌"를 부여함으로써 Alignment 자동 교정, 둘씩 잡아서 놓기, 데이터 리포팅 등 기능 수행은 물론 분석 장치의 복잡 다양한 위치 식별을 가능케 했다. 아울러 로봇 동작 조정 및 회전각도 보상을 구현해 로봇의 "눈과 손" 협동을 달성함으로써 생산라인에서의 각종 복잡한 작업의 수행을 보장하였다.

세계 최고 자기장초전도자석 개발

/
중국과학원 전기공학연구소 왕치우량(王秋良) 연구팀은 자체 개발한 고온 보간 자석 기술을 이용하여 중심자기장이 32.35테슬라(T)에 달하는 완전초전도자석을 개발했다. 이는 2017년 12월에 미국 국가강자기장실험실에서 개발한 32.0테스라 초전도자석의 세계 기록을 갱신함으로써 중국의 고자기장 보간 자석 기술을 세계 최고 수준에 도달시켰다. 기존에 저온초전도자석에 의해 생성된 자기장은 최고 강도가 약 23.0테슬라였다. 연구팀은 새로운 초전도 코일과 지지 구조를 설계 구축하여 코일의 전체 엔지니어링 전류 밀도와 국부 안전 여유를 향상시키고 축방향 탄성 지지 구조와 벤딩 장치를 이용하여 초전도 접합의 국부 응력집중 저항력을 향상시켜 극고자기장 보간 자석의 전자기 안전 여유도와 응력 안전 여유도를 대폭 향상시켰다. 테스트 결과, 해당 초고자기장 초전도자석은 액체 헬륨에 침지한 상태에서 32.35테슬라의 중심자기장을 생성했고 32.35테슬라 완전초전도자석에서의 안정적인 작동을 달성했다. 또한, 핵심 기술 매개변수는 모두 종합극한조건실험장비 국가중대과학기술 인프라 프로젝트의 극한강자기장에 대한 요구에 부합된다. 해당연구 성과는 세계 일류 수준의 종합극한실험장비 사용자를 위해 서비스를 제공하고 중국의 물질과학 분야에서 새로운 물질상태, 현상, 규칙 등 기초 연구와 응용 연구를 위해 가장 선진적인 강자기장 실험 조건을 제공할 전망이다.

유체 금속성 수소 합성

/
중국과학원 허페이(合肥)물질과학연구원 고체물리연구소 극한환경양자물질센터 연구팀은 극한 고온고압 조건에서 수소와 중수소의 금속상태를 성공적으로 획득했다. 해당 성과는 "Advanced Science"에 게재됐다. 이는 연구팀이 유체 금속성 질소(Metallic nitrogen)를 성공적으로 합성한 후 가벼운 원소 고압 연구에서 달성한 또 하나의 중요한 성과이다. 2015년과 2018년에 미국의 2개 실험실은 수소와 중수소의 유체 금속상태를 관찰했다. 해당 성과는 2015년과 2018년에 "Science"에 게재됐다. 하지만 해당 2가지 연구결과는 온도 및 압력 곡선 차이가 매우 크기에 유체 금속성 수소의 존재 영역을 정확하게 확정할 수 없다. 연구팀은 전단계 연구를 바탕으로 다이아몬드 앤빌셀(Diamond anvil cell)을 기반으로 하고 펄스 레이저 가열 기술을 결합하여 실험실에서 지구핵을 시뮬레이션 할 수 있는 극한 온도압력 조건을 구축함과 아울러 기체상태 수소와 중수소를 유체 금속상태로 성공적으로 전환시켰다. 뿐만 아니라 초쾌속 브로드밴드 초연속 스펙트럼을 이용해 샘플의 광학적 흡수, 반사 특성을 탐측함으로써 유체 금속성 수소와 중수소의 광, 전기 등 물리적 특성을 규명했다. 해당 연구는 유체 금속성 수소 및 중수소의 존재 영역을 확정함과 아울러 해당 금속상태는 매우 넓은 고온고압 반금속 영역을 경과해야만 획득할 수 있음을 심층적으로 입증했다.

새로운 간섭 단일분자 위치결정 현미경 기술 개발

/
중국 과학자는 쾌속 변조 기반 구조형 광을 이용해 반복적 광선택성 노출(Repetitive Optical Selective Exposure, ROSE)이라고 부르는 새로운 간섭 단일분자 위치결정 현미경 기술을 개발했다. 해당 성과는 "Nature Methods"에 게재됐다. 21세기에 들어선 후 다양한 고해상도 형광 이이징 기술의 개발과 더불어 광학 현미경의 해상도 한계를 깨뜨림으로써 해상도를 수십 나노미터 규모로 향상시켰다. 하지만 광학 현미경의 해상도를 분자 수준으로 더한층 향상시켜 나노미터 규모의 하위 세포 구조 더 나아가 단일 생물 대분자 내의 구조 관찰은 어려움으로 되고 있다. ROSE는 6가지 다양한 방향 및 위상 간섭무늬를 이용해 형광 분자를 여기시킨다. 형광 분자의 발광강도는 형광 분자가 위치한 무늬의 위상과 관련되기에 형광 분자 강도와 간섭무늬의 위상 관계를 통해 형광 분자의 정밀 위치 정보를 판단할 수 있다. 해당 방법의 이론적 위치결정 정밀도는 재래식 방법의 2.4배이다. 동 기술은 도트피치(Dot pitch)가 5nm인 DNA 오리가미(DNA origami) 어레이를 식별할 수 있으며 현미경의 해상도를 3nm 이내의 분자 규모로 향상시킬 수 있고 단일분자 위치결정 정밀도를 1nm에 접근시킬 수 있다. 하지만 재래식 방법으로는 20nm 어레이까지밖에 식별하지 못한다. ROSE 현미경은 생명과학 연구에 강유력한 관찰 방법을 제공함과 아울러 광학 현미경의 해상도를 현재의 한계에서 벗어나게 했다.

최초로 양자 상변화 과정에서의 양자 금속상태 존재 입증

/
전자과기대 전문가들로 구성된 연구팀은 세계 최초로 고온 초전도 나노 다공성 박막에서 양자 금속상태의 존재를 입증함으로써 양자 금속상태 연구에 새 아이디어를 제공했다. 해당 성과는 "초전도-절연 상변화에서의 보즈(Bose) 금속상태"라는 제목으로 "Science"에 최초 발표(First release) 형식으로 게재됐다. 양자재료 및 양자 상변화는 21세기 응집물질물리학 분야의 연구 핫이슈로 떠오르고 있다. 고온 초전도성이 발견된 이후 2차원 양자 금속상태의 존재 및 그 형성 메커니즘은 지난 30여 년 동안 해결하지 못한 중요한 물리 문제이다. 앤더슨 척도화 이론(Anderson scaling theory)에 의하면 양자간섭 효과 및 위상 간섭성 길이의 0℃에서 발산 특성으로 인하여 캐리어는 절대 0℃에 접근하는 조건에서 국소화 효과가 나타나기에 이론적으로 2차원 양자 금속상태가 존재하지 않는다. 또한 실험적으로 다양한 2차원 초전도 체계에서 가능한 양자 금속상태 경향이 발견됐지만 저임계온도의 제한 및 외계 고주파 잡음이 미치는 영향으로 2차원 양자 금속상태의 존재 여부에 관해서는 아직도 논쟁 중이다. 연구팀은 반응 이온 에칭 시간 조절을 통해 고온 초전도 이트륨 바륨 구리 산화물(Yttrium barium copper oxide, YBCO) 다공성 박막에서 초전도-양자 금속-절연체 상변화를 달성했다. 또한 극저온 수송 테스트를 통해 초전도, 금속 및 절연 해당 3가지 양자상태는 모두 쿠퍼 전자쌍 관련 h/2e 주기의 초전도 양자 자기유도 진동을 보유하고 있음을 발견했고 양자 금속상태는 보즈 금속상태임을 입증했으며 쿠퍼쌍 보존(Boson)이 양자 금속상태 형성에 대하여 주요 역할을 일으킴을 규명했다. 해당 성과는 양자재료에 대한 인식을 개변시킴과 아울러 양자 디바이스(Quantum device) 분야 발전을 추진할 전망이다.