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중국 첫 납-비스무트 고속 원자로 영출력 장치-치밍싱 Ⅲ호 첫 임계 달성

중국 첫 납-비스무트 합금 냉각 원자로(이하 "납-비스무트 고속 원자로"로 약칭) 영출력 장치-치밍싱(启明星) Ⅲ호가 첫 임계 달성에 성공함과 아울러 납-비스무트 노심 핵 특성 물리 실험이 본격 가동됐다. 이는 중국이 납-비스무트 원자로 노심 핵심 기술에서 거둔 중대한 획기적인 성과이다. 원자로는 중성자 에너지 스펙트럼 분류에 따라 열중성자로, 중간 에너지 중성자로 및 고속 중성자로로 나눈다. 냉각제 유형에 따라 기체 냉각 고속 원자로, 나트륨 냉각 고속 원자로, 납-비스무트 냉각 고속 원자로로 나눈다. 납-비스무트 고속 원자로는 납-비스무트 공정합금을 냉각제로 하고 나트륨 냉각 고속 원자로와 같은 액상 금속 냉각 고속 원자로에 속하며 4세대 핵에너지 시스템의 주요 원자로 유형이다. 영출력 장치는 운행 출력이 극히 낮은(최대 100와트) 원자로이다. 해당 장치에서 획득한 영출력 실험 데이터는 마치 "표척(標尺)"과 같이 핵심 핵 데이터, 노심 물리 설계 방법, 원자로 측량 기술 등의 정확도와 신뢰성을 위한 "표준"이 될 수 있다. 신형 원자력 시스템 개발을 위해 우선 상응한 영출력 장치를 개발하여 실험을 통해 원시 데이터를 축적하고 노심 핵 매개변수와 노심 물리 특성을 전면 파악하여 이를 기반으로 열기술, 역학, 차폐 등 원자로의 기타 방면의 설계를 완성해야 한다. 치밍싱 Ⅲ호가 임계 달성에 성공한 후, 일련의 실험 작업을 수행하게 되며 획득한 노심핵 매개변수 실험 데이터는 중핵그룹(CNNC)의 각 모델의 납-비스무트 원자로 공학 설계의 기초 핵 데이터의 거시적 검사, 노심 설계와 안전 분석 방법의 전반적 검증 및 원자로 운행 기술의 혁신 연구에 사용될 예정이다. 납-비스무트 합금은 융점이 낮고 비등점이 높아 기존의 원자로에 비해 설계와 공학적 어려움을 크게 줄일 수 있고 고유 안전성과 중대 사고 방지 능력이 더 높으며 에너지 밀도가 더 크고 운행 수명이 더 길다. 응용 면에서 백만 천만 급의 대형 발전소로 설계될 수 있고 메가와트급 소형모듈식 원자력 발전소로 설계될 수 있으며 심해 공간 정거장, 해양 석유 탐사 플랫폼, 중국 난하이 지역의 섬 개발, 오지의 에너지 공급 및 빅데이터 센터 등에 응용할 수 있다.

중국과기대, 최초로 고차원 양자 순간이동 달성

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최근, 중국과기대 판젠웨이(潘建偉)/루차오양(陸朝陽)/류나이러(劉乃樂) 연구팀과 오스트리아 빈대학(University of Vienna) Salinger 연구팀은 공동으로 고차원 양자 시스템의 순간이동을 세계 최초로 구현했다. 이는 1997년에 2차원 양자 순간이동 실험 후 최초로 이론 및 실험으로 양자 순간이동을 임의의 차원으로 확장시킴으로써 복잡한 양자 시스템의 완정한 상태 전송 및 고효율 양자 네트워크 구축에 튼튼한 과학 기반을 마련했다. 해당 성과는 "Physical Review Letters"에 게재됐다. 양자정보는 광자, 원자 등 마이크로 입자의 정밀하고 능동적인 조작을 통해 혁신적 방식으로 정보에 대한 암호화, 저장 및 전송을 구현할 수 있기에 정보보안 및 컴퓨팅 속도 등 영역에서 고전 정보기술의 기술적 어려움을 극복할 수 있다. 양자통신은 현재 유일하게 입증된 무조건 보안 통신 방식으로서 정보보안 전송 문제를 효과적으로 해결할 수 있다. 양자 컴퓨팅은 초고속 병렬 컴퓨팅 능력을 보유하고 있기에 암호 분석, 빅데이터 처리 및 재료 설계 등 대규모 컴퓨팅 어려움에 해결 방법을 제공할 전망이다. 양자 순간이동은 양자얽힘을 기반으로 물질 자체를 전송하지 않고서도 미지의 양자상태를 원거리 전송할 수 있으며 또한 원거리 양자통신 및 분포식 양자 컴퓨팅의 핵심 기능 유닛이다. 기존의 모든 양자 순간이동 실험은 양자상태의 2차원 부분 공간(Sub space)에 제한되었다. 고차원 양자상태 순간이동은 1개 양자 시스템의 완정한 전송을 달성하는 마지막 하나의 해결해야 할 문제이다. 하지만 실행 가능한 이론 방안 및 실험 기술 분야에서의 이중적 어려움으로 상기 문제점을 해결하지 못했다. 고차원 시스템에서 차원의 이차항 증가에 따라 증가되는 벨 상태수 및 그에 따라 증가되는 복잡한 얽힘 특성으로 인하여 새로운 실행 가능한 이론 방안을 개발할 필요성이 있다. 실험 기술 분야에서 고차원 벨 상태를 측정하려면 동등 효과로 독립된 광자의 고차원 양자상태 사이의 제어 논리 게이트를 구현해야 하는데 이는 양자 정보기술의 "무인지경"이다. 상기 핵심 문제를 해결하려면 이론 및 실험의 동기적 혁신을 달성해야 한다. 2014년, 판젠웨이/루차오양 연구팀은 다자유도 양자 순간이동 실험을 완료한 후 고차원 프로젝트에 대한 심층적 연구를 수행했다. 연구팀은 이론 분야에서 최초로 광자 시스템의 임의의 차원으로 확장 가능한 벨 상태 측정 및 양자 순간이동 방안을 제안했으며 실험 분야에서 하나의 추가적 보조 광자를 도입해 고안정성 다채널 경로 간섭 기술을 개발함으로써 다광자 다차원 상호작용의 실험 토대를 개척함과 아울러 이를 기반으로 고차원 양자 순간이동을 구현했다. 3차원 양자상태의 전체 12개 비편향 기저 벡터(Basis vector)를 실험으로 테스트한 결과, 측정한 고차원 양자 순간이동 충실도는 75%로써 25개 통계 표준편차로 고전적 한계를 초과했다. 이로써 해당 과정의 비고전성 및 고차원 특성을 엄격하게 입증했다. 고차원 양자 순간이동은 양자통신 분야에서 장기간 존재한 어려움으로서 해당 어려움의 해결은 양자역학적 기본 검사 및 양자 기술의 새 응용 서막을 열었다.

중국 첫 사물인터넷 별자리, 기본적인 네트워킹 운행 달성

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2019년 8월 17일 12시 11분, 제룽(捷龍) 1호 상업용 로켓이 최초 발사에서 베이징궈뎬가오커(國電高科)과학기술유한회사가 개발한 톈치(天啟) 별자리의 3번째 업무위성 톈치·창저우호(天啟·滄州號)를 성공적으로 궤도에 진입시켰다. 이는 톈치 사물인터넷 별자리가 기본적인 네트워킹 운행을 달성했음을 의미한다. 중국 첫 네트워킹 운행을 달성한 사물인터넷 별자리인 톈치 별자리는 고효율적인 통신시스템 및 스펙트럼 효율을 사용함으로써 사용자에게 신뢰적이고 경제적인 위성 사물인터넷 서비스 및 업체 해결 방안을 제공할 전망이다. 톈치 별자리는 38개 저궤도, 저경사각 소위성으로 구성됐다. 그중 36개 위성은 궤도 높이를 900km, 궤도 경사각을 45°로 채택함과 아울러 매 하나의 궤도면에 6개 위성을 배치하여 모두 6개 궤도면을 형성했으며 이외 2개 위성은 태양동기궤도 위성이다. 톈치 별자리의 기본적인 네트워킹 운행 달성 후 시간 해상도는 4시간에 달할 예정이다. 2019년 말 전에 톈치 별자리에 5개 위성을 발사하여 시간 해상도를 1시간 이내에 도달시킴으로써 40% 업무량 요구를 만족시키는 한편 2020년에 전체 38개 위성의 네트워킹을 완료함으로써 글로벌 업무 실시간 커버리지 능력을 달성할 계획이다. 위성 사물인터넷 산업의 신속한 발전에 따라 중국, 미국을 대표로 하는 항공우주 기업은 수십 개 저궤도 위성 별자리를 구축해 저궤도 별자리의 광범위한 커버리지, 저시간 지연, 고신뢰도 등 특성 기반 저원가, 고효율 위성 사물인터넷 서비스 제공을 계획하고 있다. 중국의 우주 사물인터넷 구축 "선도자" 톈치 별자리는 최초로 1조 위안(한화로 약 171조 원)급 시장을 이끌 전망이다. 톈치 별자리의 핵심 포인트는 100mW급 단말 출력 달성이다. 전통적인 위성통신 단말은 1W 이하의 출력을 달성하기 어렵다. 톈치 별자리의 목표는 독특한 통신 시스템을 통해 단말 발사 출력을100~500mW로 제어하려는데 있다. 2019년 6월에 발사한 톈치 3호 위성에 대한 궤도상 테스트 결과, 저경사각 조건에서 단말 발사 출력이 500mW이면 90% 이상의 접속 성공률을 유지할 수 있는 외 병행 사용자 접속수도 설계 요구를 만족시킬 수 있다. 톈치 별자리 네트워킹은 해양목장, 수문 모니터링 등 업체의 시범응용을 달성한 후 컨테이너 수송 모니터링, 국가 전력망 모니터링, 환경 모니터링, 삼림 화재방지 모니터링, 농업 사물인터넷 모니터링 등 수십 개 분야에서 위성 사물인터넷 별자리의 시범응용 및 기본적인 모듈화 상업 운영을 수행할 계획이다.

중국과기대, 세계 최초로 고성능 단일 광자원 구현

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최근 중국과학기술대학 판젠웨이(潘建偉) 연구팀은 세계 최초로 확정적 편광(Deterministic polarization), 고순도, 높은 동일성, 고효율의 단일 광자원(Photon Source)을 구현함으로써 광학 양자컴퓨팅 특히 고전 연산능력을 초월하는 양자패권 달성을 위해 튼튼한 과학기반을 마련했다. 해당 성과는 "Nature Photonics"에 게재되었다. 단일 광자원은 광학 양자정보기술의 핵심적 자원이다. 완벽한 단일 광자원은 확정적 편광, 고순도, 높은 동일성, 고효율 등 4개 상호 모순되는 조건을 동시에 만족시켜야 한다. 그러나 기존 기술로 구현한 단일 광자는 품질이 떨어져 실용화 양자기술에 응용될 수 없다. 완벽한 단일 광자원을 구현함에 있어 2가지 어려움이 존재하는데 하나는 양자점이 무작위로 2종 편광 광자를 방출하는 것이고 다른 하나는 공명 여기(resonance excitation)를 위해 배경 레이저를 제거해야 한다는 것이다. 상기 2가지 어려움을 해결하려면 이론 및 실험 분야에서 동기혁신을 달성해야 한다. 연구팀은 이론적인 분야에서 타원 마이크로캐비티로 대칭성을 타개함으로써 캐비티 모드(cavity mode)를 2개 비축퇴 수직편광 모드로 분열시키는 방안을 제안했다. 이로써 단일 편광 단일광자를 선택적으로 증강시켰다. 또한 실험에서 수직편광 무손실 소광기술을 개발함으로써 상기 2가지 어려움을 동시에 해결하는 효과를 거두었다. 이를 토대로 내로밴드(narrow band) 마이크로컬럼(microcolumn)과 브로드밴드 표적 마이크로캐비티에서 각각 확정적 편광, 고순도, 높은 동일성, 고효율을 동시에 만족시키는 단일 광자원을 실험적으로 구현했다. 연구팀은 단일 광자원 종합성능의 세계 기록을 다시 한 번 경신함과 아울러 양자패권 달성을 위한 중요한 성과를 얻었다. 해당 성과는 확장 가능한 광학 양자정보기술 분야에서 중국의 선도 지위를 확고히 하였다. 또한 원고심사자로부터 오랫동안 존재해온 난관을 극복한 위대한 성과로 향후 관련 분야 연구를 유력하게 촉진할 전망이라는 평가를 받았다.

20개 초전도 큐비트 얽힘 달성

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최근, 중국 연구진이 20개 초전도 큐비트를 보유한 양자칩을 개발함과 아울러 전체적 얽힘을 구현함으로써 고체상태 양자소자에서 얽힘 상태 큐비트 수 생성 세계기록을 경신했다. 해당 성과는 "Science"에 게재됐다. 해당 초전도 큐비트 칩의 크기는 약 1cm2이고 20개 큐비트가 중심의 공진 캐비티 주변에 균일하게 분포됐다. 이는 저장(浙江)대학 초전도 양자 컴퓨팅 및 양자 시뮬레이션 연구팀이 실험실에서 달성한 4세대 회로 설계 방안이다. 그 목표는 임의적 2개 큐비트 사이의 직접적 "소통"을 달성함으로써 전체적 얽힘을 구현하려는데 있다. 전체적 얽힘은 전체 큐비트가 함께 협동하여 작업에 참여하게 하기 위한데 있으며 양자 제어는 양자 컴퓨팅 기술의 최고봉이다. 전체적 얽힘의 구현은 양자 제어 성공 여부를 검증하는 표지이다. 컴퓨터는 "0"과 "1"을 이용하여 정보 저장 및 처리를 수행한다. 고전컴퓨터의 1개 비트는 1개의 일반 스위치와 유사하며 0 또는 1이다. 양자컴퓨터의 양자 얽힘 및 중첩 특성으로 인하여 1개 큐비트는 동시에 0과 1을 대표할 수 있다. 실험실 제어 조건에서 연구팀은 187 나노초 내에 20개 인공원자가 "출발"시 상호간섭 상태로부터 여러 차례의 변화 과정을 거쳐 최종적으로 두 가지 상반되는 상태가 동시에 존재하는 얽힘상태 형성 과정을 포착했다. 해당 큐비트 제어에 의한 전체적 얽힘상태 형성은 연구팀이 진정으로 해당 큐비트를 활성화시켰음을 의미한다. 큐비트 수는 양자컴퓨터 성능을 평가하는 주요 지표이다. 큐비트 수가 50개 이상에 달할 경우 특정문제 처리에서 슈퍼컴퓨터의 운산 능력을 초월할 수 있다. 20개 초전도 큐비트를 보유한 양자칩은 전체 큐비트 사이를 상호 연결시킬 수 있는 특성을 갖고 있는데 이는 양자칩의 작동 효율을 향상시킬 수 있으며 또한 20 비트 얽힘을 선도적으로 달성한 주요 원인이다. 해당 연구는 저장대학, 중국과학원 물리연구소, 중국과학원 자동화연구소, 베이징계산과학연구센터 등이 공동으로 수행했다.

ITER 첫 대형 초전도마그넷 코일 개발

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최근, 중국과학원 허페이(合肥)물질과학연구원 플라스마물리연구소가 개발한 국제열핵융합실험로(ITER) 계획의 첫 대형 초전도마그넷 코일-폴로이달 자기장 6호 코일(PF6 코일)이 조립을 마치고 해상운송 방식으로 프랑스 ITER 현장에 운송됐다. PF6 코일은 ITER 실험로 초전도마그넷의 밑부분에 위치하여 있기에 반드시 가장 먼저 설치해야 하는 매우 중요한 대형 코일 부품이다. 해당 코일은 9개의 감아서 제조한 더블 케익 구조 코일 몸체 및 일련의 지지 부품으로 구성됐으며 총 무게는 400t에 달한다. 해당 코일을 감아서 만드는데 사용된 나이오븀-티타늄 초전도체의 길이는 약 13.5 Km이며 코일 본체 외경은 약 11.2m이고 케익형 구조이며 외형은 중국 고대의 화씨벽과 유사하다. PF6 코일은 세계 최대 무게, 최고 개발 어려움의 초전도마그넷으로 에너지 저장량은 중국 EAST 장치 최대 폴로이달 자기장 자성체의 60배에 달한다. PF6 코일의 정상적 작동은 플라스마를 "점화"시킴과 아울러 플라즈마의 안정한 "연소"를 유지할 수 있을지의 여부와 ITER 장치 운전의 성공을 결정하는 주요 코일이다. PF6 프로젝팀은 2년 남짓한 연구를 거쳐 해당 핵심 기술을 파악했다. PF6 코일 제조에 사용한 핵심 제조 공법 및 부품은 1차적으로 ITER 국제팀의 인증에 통과됐고 더블 케익 구조 코일 제조 합격률은 100%에 달했으며 초전도 연결기 성능은 ITER 기술 요구를 초과했다. PF6 코일의 성공적 제조는 선진국에서 해당 기술을 독점하던 국면을 개변시켰고 생산설비의 전체적 국산화를 달성함과 아울러 초전도마그넷 제조 표준 및 관련 규범을 발전 및 완벽화했으며 선후하여 10여 항목의 특별 프로젝트 표준을 개발함으로써 중국이 향후 핵융합로 표준 구축에 유익한 참조적 가치를 제공함과 아울러 중국-유럽의 핵융합 에너지 분야에서 협력 심층화 및 광범위화에 성공적 사례를 제공했다.

"주하이 1호" 03조 위성 발사 성공

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2019년 9월 19일 14시 42분, 중국은 주취안위성발사센터에서 창정(長征) 11호 운반로켓으로 "로켓 1개에 위성 5개" 방식으로 "주하이(珠海) 1호" 03조 위성을 성공적으로 발사해 예정궤도에 순조롭게 진입시켰다. 상업 원격탐사 위성 프로젝트인 "주하이 1호" 위성 프로젝트는 34개 위성을 개발 및 발사해 비디오 영상, 하이퍼스펙트럼, 합성개구레이더, 적외선 이미징 등 관측능력을 보유한 위성성좌를 구축할 계획이다. 또한 해당 위성성좌로 획득한 원격탐사 데이터로 자연자원, 생태환경, 농업·농촌 등 응용에 서비스를 제공할 예정이다. 2017년 6월 15일에 동 위성 성좌의 01조 2개 비디오 위성이 발사되었고 2018년 4월 26일에 02조 5개 위성이 발사되었다. 이번에 발사한 03조 5개 위성에는 0.9m 해상도 비디오 위성 1개와 10m 공간해상도, 2.5나노미터 분광해상도, 150km 광폭, 256개 주파수대 하이퍼스펙트럼 위성을 각각 1개씩 포함한다. 동 위성 성좌는 현재 도합 8개 하이퍼스펙트럼 네트워크 위성을 운영하고 있으며 이틀 반에 지구를 커버하고 하루에 특정지역을 재방문할 수 있어 중국의 하이퍼스펙트럼 위성 데이터 수집능력을 대폭 향상시킬 전망이다. 창정 11호 운반로켓 개발은 중국항천과기그룹 제1연구원이, 위성 제품 개발 및 생산은 하얼빈공업대학이, 응용시스템 구축 및 운영은 주하이어우비터(歐比特)우주과기주식유한회사가 담당했다. 이번 임무는 창정 계열 운반로켓의 311번째 우주비행이다.

중국 첫 민간 하이퍼스펙트럼 업무위성 발사 성공

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2019년 9월 12일 11시 26분, 중국은 타이위안위성발사센터에서 창정 4호 운반로켓으로 5m 광학 업무위성을 예정궤도에 성공적으로 진입시켰다. 광폭 하이퍼스펙트럼 및 멀티 스펙트럼 데이터를 효과적으로 획득할 수 있는 동 위성은 자연자원 위성관측시스템을 더한층 보완함과 아울러 후속 계열 위성과 네트워크를 구축해 세계 선진적인 업무화 지구 분광탐사 능력을 형성할 전망이다. 중국이 자체적으로 개발 운영하고 있는 첫 민간 하이퍼스펙트럼 업무위성인 5m 광학 업무위성은 중국 우주인프라계획의 주요 모델로서 민간 우주 인프라 신형 지구관측위성 개발에서 거둔 또 하나의 중요한 성과이다. 향후 5m 광학 업무위성은 가오펀(高分) 5호 위성과 협동 관측을 수행하는 한편 후속 위성과 육지자원 중간 해상도 위성 성좌를 구축해 커버영역 및 재방문 능력을 더한층 향상시킬 예정이다. 국가 "우주 인프라 계획", "육·해 계획"이 점차적으로 실시됨에 따라 2025년에 이르러 자연자원 분야에서 육지 중간 해상도 위성성좌, 고해상도 위성성좌 등이 잇따라 구축될 예정이며 풀 컬러, 멀티 스펙트럼, 하이퍼스펙트럼, SAR, 라이다 등 하중을 포함한 전천후, 풀 스펙트럼 원격탐사 데이터 지원시스템이 형성되어 중국의 천지(天地) 일체화 자연자원 조사 및 감독관리시스템 구축에 기반을 마련할 예정이다.

첫 극지관측 원격탐사 소형위성 징스 1호 발사 성공

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2019년 9월 12일, 중국은 타이위안위성발사센터에서 창정 4호 을(长征四号乙) 로켓으로 중국 첫 극지관측 원격탐사 소형위성 징스(京师) 1호를 성공적으로 발사해 예정궤도에 순조롭게 진입시켰다. BNU-1 번호의 징스 1호 위성은 "3극 원격탐사위성 성좌 관측시스템"의 첫 번째 시험위성이자 중국 첫 극지관측 원격탐사 소형위성이기도 하다. 해당 위성 개발프로젝트는 베이징사범대학이 제안했고 중국과기부와 베이징사범대학이 공동 투자했으며 선전항톈둥팡훙하이터(深圳航天东方红海特)위성유한회사가 개발을 맡았다. 위성이 궤도에 진입한 후 난팡(南方)해양과학·공정광둥성실험실[주하이(珠海)]이 운영을 담당하게 된다. 총무게가 약 16kg인 징스 1호 위성은 광학카메라 2대와 AIS 수신기 1대를 장착했기에 극지 관측은 물론 전세계 임의 지역에 대한 중간 해상도 영상 수집이 가능하다. 동 위성은 고집적도, 고가성비, 짧은 개발주기, 대량생산능력, 유연한 배치, 강력한 확장성 등 장점을 보유하기에 자세제어 정밀도가 높고 기동성이 강하며 데이터 전송량이 많은 마이크로나노 원격탐사위성 임무에 적합하다. 징스 1호 위성의 광폭카메라는 극지관측의 높은 동적 장면을 감안해 전문적으로 설계했다. 센서는 동일 지상물체에 대해 자동으로 장·단시간 2번 노광시켜 융합된 영상을 출력하기에 빙설, 육지 수체(water body)에 동시에 존재하는 높은 동적 장면 이미징 효과를 효과적으로 개선할 수 있다. 임무 완료 후 위성은 궤도이탈 돛을 펼쳐 능동적으로 궤도를 이탈함으로써 우주파편의 발생을 막을 수 있다. 과거 중국의 극지연구는 선박 및 연구기지에 의존해 데이터를 수집하던데서 현재 원격탐사위성 기술에 힘입어 기존에 접근이 어려웠던 지역을 관측할 수 있게 되었다. 따라서 보다 정확한 연구용 영상 및 데이터 획득이 가능해 중국은 불충분하던 극지관측 데이터를 보충할 수 있게 되었다. 징스 1호 위성에 탑재된 고해상도 카메라는 5일 내에 남극 및 북극을 완전히 커버할 수 있을 뿐더러 해빙 이동 및 얼음산 붕괴를 모니터링할 수 있다. 이는 중국의 극지 원격탐사 능력을 대폭 향상시킬 전망으로 중국의 극지 및 글로벌 변화 연구에 중요한 의미가 있다. "길잡이" 위성이기도 한 징스 1호 위성은 "비둘기 무리" 성장모델을 채택해 장차 위성 성좌를 구축할 계획이다. 성좌 구축이 완료되면 극지의 빠른 변화 과정에 대한 시간급 관측을 실현할 예정이다. 징스 1호 위성시스템은 일일 극지 관측을 통해 항로 해빙 변화를 신속하게 보고할 수 있고 또한 AIS 수신기가 수신한 선박정보를 결합해 자동으로 선박의 항해노선을 계획하는 한편 항로의 위험을 평가할 수도 있다. 이외, 동 위성 데이터는 글로벌 기후변화 연구에도 이용될 예정이다. 뿐만 아니라 동 위성의 중·저위도 지역 모니터링은 북극 항로 개발에 일조하고 칭짱(青藏)고원 또는 제3극 지역 연구에 적극적인 역할을 할 전망이다.

새 항암제 개발로 신경내분비종양 치료 전망

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최근, 중국은 종양 혈관신생 억제 및 면역조절 기능을 동시에 보유한 Sulfatinib에 대한 III단계 시험에서 중대한 성과를 달성함으로써 신경내분비종양(Neuroendocrine tumor, NET) 표적치료 새 방향을 이끌어 중국의 NET 치료 어려움을 해결하는데 새 방법을 제공할 전망이다. NET는 신경내분비세포에서 유래된 종양으로서 췌장에서 유래되는지의 여부에 따라 일반적으로 췌장 신경내분비종양 및 비췌장 신경내분비종양(ep-NET)으로 나눈다. 예측에 의하면 중국의 NET 환자 수는 약 49만 명에 달하며 2018년에만 약 65,600명 환자가 증가됐다. 현재 ep-NET 치료에 사용 가능한 유일한 약물 에베로리무스(Everolimus)는 미국에서만 사용이 비준됐기에 중국 NET 환자는 표적치료제가 결핍한 어려움을 겪고 있다. 2019년 6월, 허치슨왐포아(Hutchison Whampoa)의약은 Sulfatinib는 ep-NET를 적응증으로 하는 중국 III 단계 공인성 임상시험 SANET-ep의 예비 설계 중간 분석에서 주요 연구 목표에 도달함으로써 계획보다 앞당겨 연구에 성공했다. 해방군총병원 제5의학센터, 베이징대학 종양병원, 중산(中山)대학 종양예방치료센터 등 중국 24개 의학 기관이 SANET-ep 연구에 참여했다. 기존의 I단계, II단계 연구에서 Sulfatinib는 ep-NET 및 췌장 NET에 대하여 양호한 치료효과 및 안전성을 나타냄으로써 III 단계 연구 성공에 기반을 마련했다. 이번에 계획보다 앞당겨 성공한 III 단계 SANET-ep 연구는 이중맹검, 다중심, 플라세보 대조 기반의 공인성 연구로서 연구 결과의 증거 등급은 더욱 높으며 Sulfatinib의 유효성 및 안전성 입증에 보다 설득력 있고 완벽한 증거 지원을 제공했다. 해당 연구는 세계 최초로 중국 NET 환자를 대상으로 한 III 단계 공인성 연구이다. 2019년 9월 29일, 유럽종양내과학회 연례회의(ESMO)에서 최초로 SANET-ep 연구의 완정한 데이터를 전세계에 공개할 예정이다. ep-NET는 오진율, 진단 누락률이 높은 질환으로 인정되고 있다. 최근 10년래 NET의 생물학적 특성, 흔히 발생하는 부위, 전이 형식에 대한 이해가 완벽화되면서 진단율도 지속적으로 향상되고 있지만 선택 가능한 ep-NET 치료약물의 제한성 특히 중국 ep-NET 환자를 치료할 수 있는 비준을 획득한 표적치료제가 없기에 해당 약물의 임상 수요가 절박하다. SANET-ep 연구 성공은 ep-NET 표적치료제 제조에 기반을 마련함으로써 중국의 ep-NET 환자에게 안전하고도 효과적인 치료 조건을 제공할 전망이다.

인체 간섬유화 진단의 잠재적 표지자 발견

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안후이의과대학 제1부속병원/난팡(南方)의과대학 공동연구팀은 인체 단백질 "LECT2"과 "Tie1"의 결합이 간섬유화 과정의 "중요한 일환"임을 발견했다. 따라서 "LECT2"를 잠재적 혈청진단 표지자로 하는 비침습적 진단이 가능해졌다. 중국은 간질환 발병률이 높은 국가로 발병률 및 사망률 모두 세계 평균수준을 웃돈다. 간질환자의 대부분은 염증 발생 및 끊임없는 섬유화를 특징으로 하는 만성 간질환을 앓고 있다. 하지만 현재 간섬유화 발병의 분자 메커니즘은 밝혀지지 않았고 효과적인 치료방법도 없다. 연구팀은 간섬유화 과정의 1개 새 메커니즘을 발견했다. 즉, 인체 단백질 LECT2이 "배위체"가 되어 "수용체" Tie1과 결합할 수 있고 양자 결합 후 일련의 "신호전달"을 유발해 간혈관신생 및 간동양혈관(hepatic sinusoid)의 모세혈관화를 조절함으로써 간섬유화 진행에 영향을 미친다. 해당 성과는 "Cell"에 발표되었다. 해당 연구는 인체 혈청속 LECT2 수준 검사를 통한 비침습적 간섬유화 진단을 가능케 했고 또한 이를 간섬유화 치료의 잠재적 표적으로 이용할 수 있다.

"납팔마늘"에서 3가지 새 활성 펩타이드 발견

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최근, 텐진(天津)대학 천하이샤(陈海霞) 천연약물화학 연구팀은 중국 전통음식 "납팔마늘"에서 3가지 새 활성 펩타이드를 최초로 발견했다. 이들 활성 펩타이드는 항균성을 보유하기에 항생제 대체제로 될 전망이다. 해당 성과는 "Food & Function" 표지 기사로 게재되었다. 항생제의 발견과 응용은 인류 의학사의 대혁명이다. 그러나 임상에서의 광범위한 사용과 더불어 많은 나라에서 항생제 남용과 오용 현상이 존재한다. 약물 남용은 세균이 항생제 환경에 신속하게 적응하여 각종 "슈퍼 세균"이 잇따라 생기게 하며 인류 건강에 심각한 위해를 준다. 안전하고 효과적인 항생제 대체제를 찾는 것은 "세균 약물 내성"이라는 이 세계적 의료 문제를 해결하는 효과적인 방법이다. 동식물 체내의 "화학 메신저"로 불리는 활성 펩타이드는 유기체의 성장, 발육 ,번식, 대사 및 행위 등 생명 과정을 조절한다. 연구팀은 식품에서 다양한 기능 성분이 인체의 보건 및 치료 작용에 미치는 영향을 오랫동안 연구했다. 이번 연구에서는 연구팀은 중국 전통음식 "납팔 마늘"에서 3가지 새 활성 펩타이드를 발견하고 감정했으며 항균 활성과 작용 메커니즘을 심층 연구했다. 연구 결과, 이러한 활성 펩타이드는 세균에 작용할 경우 "통형 공도 모델"과 "카펫 모델"의 작용 메커니즘으로 세균 세포 표면에 공도를 형성하고 세균 세포막을 파괴하여 세포 내용물을 누출함으써 항균 목적에 도달한다. 새 활성 펩타이드의 광범위한 생물학적 활성은 양호한 의학적 응용 전망을 보여준다. 새 활성 펩타이드는 항균 활성이 좋을 뿐만 아니라 독성이 적고 약물 내성 세균이 쉽게 생기지 않는 등 특징을 보유하기에 인체에 적합한 안전하고 효과적인 항생제 대체제로 될 전망이다. 해당 성과는 천연 항균성 펩타이드 약물을 개발하고 응용하기 위한 이론적 근거를 제공했다.

세계 최초 유전자 편집 인체 조혈줄기세포 이식 성공

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세계에서 유일하게 완치된 에이즈 환자인 "베를린 환자"와 비슷한 치료 사례가 중국 베이징에서 나타났다. 해당 환자는 "베를린 환자"와 같은 혈액종양 및 에이즈에 걸렸으며 치료 방안도 동일한 조혈줄기세포 이식이다. 다른 점은 "베이징 환자"는 유전자 편집으로 CCR5 유전자가 돌연변이된 조혈줄기세포를 얻었고 "베를린 환자"의 돌연변이는 천연적인 것이다. 최근 베이징대학 생명과학학원 덩훙쿠이(邓宏魁), 해방군총병원 제5의학센터 천후(陈虎), 서우두(首都)의과대학 부속유안병원 우호우(吴昊) 등 공동연구팀은 세계 최초로 유전자 편집 방법으로 인체 조혈줄기세포에서 CCR5 유전자를 불활성화하고 편집한 줄기세포를 HIV 에이즈 바이러스 감염 및 급성림프모구백혈병 환자 체내에 이식하여 효과를 생성했다. 유전자 편집된 조혈줄기세포가 환자 체내에서 생존하고 "소수 외래자"에서 "절대 다수의 원주민"으로 번식하는 것은 에이즈 치료의 관건이다. 해당 연구 성과는 이제 시작이지만 유전자 편집된 조혈줄기세포가 인체 내에서 안전하고 생존 가능하며 "역경 번식"도 가능하다는 것이 입증되었다. 해당 성과는 "유전자 편집 기술의 장점을 이용하여 '베를린 환자'의 단점을 극복하다"라는 제목으로 "The New England Journal of Medicine"에 온라인으로 게재되었다. 초기에 연구팀은 유전자 편집된 줄기세포의 생존을 걱정했다. 줄기세포는 새 환경에 아주 취약하다. 환자는 골수 소멸을 진행했고 유전자 편집된 줄기세포가 체내에서 생존하지 못하면 환자는 생명의 위험이 있게 된다. 따라서 안전한 방법은 편집된 세포와 편집하지 않은 세포를 함께 투입하는 "겸유" 방식이다. 그러나 안전한 방법은 흔히 가장 효과적이지 못하다. 함께 투입된 편집하지 않은 세포는 편집된 세포가 최대 효과를 발휘하는 것을 방해할 수 있다. 예를 들면 상호 경쟁이다. 줄기세포의 경쟁적 증식 때문에 체내에서 검사된 유전자 편집 효율이 상대적으로 낮아졌다. 편집되지 않은 세포는 "민폐 팀원"이 되어 바이러스의 공격을 도울 수도 있다. 항에이즈약을 일시 정지할 때, 바이러스가 반동하는 것은 편집하지 않은 유전자의 CD4+T 세포(줄기세포 분화로 생김)가 바이러스의 복제와 반동을 위한 장소를 제공하기 때문일 수 있다. 어려운 선택 앞에서 환자의 안전과 임상 안전을 최대한 보장하기 위하여 연구팀은 안전한 방안을 선택하여 백혈병 치료를 보장했다. 최종 결과는 만족스러웠다. 함께 강적 HIV를 만났을 때, 유전자 편집된 T세포는 더 강한 저항력을 나타냈고 T세포 총수량 비율은 2.96%에서 1.5배 증가하여 4.39%에 달했다. CRISPR 유전자 편집 기술의 편집 효율과 표적이탈 효과는 줄곧 임상으로 나아가는 걸림돌이다. 조혈줄기세포는 대부분 "정지상태"에 있으며 편집이 어렵다. 기타 줄기세포에 적용하는 유전자 편집 방법은 조혈줄기세포에 소용없을 수 있다. 예를 들어, 유전자총 타겟팅 방법은 편집한 "가위"를 투입해도 전체 세포가 활성화되지 않는다면 "가위" 편집을 유도하지 못한다. 초기에 동물 실험으로 검증된 기술 시스템구축을 기반으로 연구팀은 다양한 탐구를 거쳐 유전자 편집이 가능한 조혈줄기세포의 전처리 배양 방법을 구축하여 조혈줄기세포를 활성화시켰을 뿐만 아니라 건조성, 안정 상태, 생존력 등을 파괴시키지 않았다. 연구팀은 8가지 "가위" 도입 형질감염 방법을 시도하고 편집 시간을 단축하고, 짝을 이룬 가이드 RNA를 도입하는 전략 등을 이용하여 편집 효율을 높이고 표적이탈 효과를 낮추는 방법을 탐구했다. 임상시험 환자 체내에서 이러한 기술 방안은 검증되었다. 연구 결과, 유전자 편집은 지속성, 표적 이탈성, 유효성 등 면에서 임상 검증이 가능했다. 약물복용 중단 4주 후,환자 체내 HIV 수량은 반등을 나타냈다. 유전자 편집 효율이 17.8%에 달했지만 편집하지 않은 세포와 동시에 투입되었기 때문에 체내의 편집 세포 비율은 5%-8%에 그쳤다. "베를린 환자"가 사용한 천연 CCR5 돌연변이 100%의 줄기세포와 비교하면, 5%-8%는 미미하지만 투입 전략이나 유전자 편집 효율 등 면에서 보면 모두 미래의 연구 방향이다. 앞으로 편집된 줄기세포만을 이식하여 편집된 줄기세포의 삽입율을 높이는 방법을 시도할 수 있다. 이번 연구에서 안정성, 가능성이 검증되었지만 유전자 편집 효율을 대폭 개선하여 유효성을 제고해야 한다. 최근 몇 년간 유전자 편집 기술은 지속적으로 발전하였으며 멀지 않아 더 안전하고 효율적인 유전자 편집 기술 시스템이 개발될 것이다. 기존의 방법을 최적화하는 것도 다방면의 효율을 제고할 수 있다. 향후 유전자 편집된 조혈줄기세포가 충분히 많은 돌연변이 T세포를 생성하여 HIV에 저항할 수 있을 때, 한차례의 치료로 지속적인 치료효과를 이룰 수 있다. CCR5를 표적으로 HIV와 T세포 결합을 예방하고 HIV의 인체 면역 시스템에 대한 파괴를 막는다는 점에서 유전자 편집 아기와 같은 치료 원리에 기반했지만 이번 연구는 치료성 임상시험이고 또한, 성인 신체의 체세포에서 진행하여 배아 유전자 편집의 윤리적 논란이 되지 않는다.

전고체 전지의 전극-전해질 접촉 병목문제 해결

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최근, 중국과기대 마청(馬騁) 연구팀은 칭화(清華)대학 난처원(南策文) 연구팀과 공동으로 배율성능이 전통적인 페이스트 코팅(Paste coated) 양극에 접근하는 복합 양극을 제조함으로써 전고체 전지(Solid-state battery)의 전극-전해질 접촉에 문제가 된 병목문제를 해결하는데 새 아이디어를 제공했다. 해당 성과는 "Matter"에 게재됐다. 연구팀은 전자현미경으로 페로브스카이트 구조 고체 전해질을 연구하는 과정에서 리튬이 다량 함유된 층상 산화물인 고성능 전극재의 구조는 페로브스카이트 구조 사이에서 에피택셜 성장 계면을 형성할 수 있으며 따라서 원자 규모에서 긴밀하고 충분한 고체-고체 접촉을 형성할 수 있음을 발견했다. 양자 사이의 에피택셜 성장 계면을 심층적으로 분석한 결과, 계면에서 15개 원자 평면(Atomic plane)은 1개의 불일치 전위(Misfit dislocation)를 형성함과 아울러 누적된 변형에너지를 방출함을 발견했다. 해당 메커니즘에 의한 에피택셜 성장 계면 형성은 전극과 전해질이 유사한 격자 크기를 보유할 것을 요구하지 않으며 또한 다양한 층상 구조 재료와 페로브스카이트 구조 재료 시스템 사이에서 에피택셜 성장 계면을 광범위하게 형성할 수 있다. 연구팀은 해당 결론을 실제 재료 제조에 이용하여 원자급 계면 결합 기반 전극-전해질 복합 전극재를 제조함과 아울러 성능 특성화를 달성했다. 해당 방법으로 제조한 고체-고체 복합재료 전극에서의 활성물질과 전해질 사이의 결합 충분 정도는 고체-액체 접촉 수준에 접근할 뿐만 아니라 배율성능도 전통적인 페이스트 코팅 기술로 제조한 고체-액체 복합재료 전극에 비하여 우수하다.

둥팡전기그룹, 중국 첫 10MW 해상풍력발전기 제조

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2019년 8월 21일, 둥팡전기(東方電氣)그룹이 개발한 자체 지식재산권을 보유한 중국 첫 10MW 해상 영구자석 직접 구동식 풍력발전기가 쓰촨(四川) 더양(德陽)에서 출하 테스트에 통과됐다. 2018년 10월 17일, 둥팡전기그룹 풍력발전유한회사는 10MW 해상풍력발전기 설계 제조 "통행증"인 중국품질인증센터가 발급한 10MW 해상풍력발전 장치 IEC 설계 인증서를 수여받았다. 이로써 둥팡전기그룹은 세계에서 두 번째, 중국 최초로 10MW 대형 해상풍력발전 장치 IEC 설계 인증서를 획득한 제조업체로 되었다. 10MW 해상풍력발전기는 중국 해역의 특성을 고려해 직접 구동식 영구자석+전출력(Full power) 주파수 변환 기술 로드맵을 채택하여 뛰어난 능동적 항태풍 성능을 보유하고 있다. 기존의 5MW 이하 풍력발전기에 비하여 10MW 풍력발전기는 엔진 사이즈가 크고 가공 제조 정밀도 요구가 높다. 엔진 테스트 과정에서 1차적으로 터닝(Turning)에 성공했으며 각종 지표는 모두 설계 기술 요구에 도달했다. 이는 중국이 대출력 해상 영구자석 직접 구동식 풍력발전기 개발 및 생산 제조 능력을 구비했음을 의미한다. 해당 발전기는 푸젠(福建) 싱화만(興化灣) 해상 바람장에 설치될 예정이다. 해상풍력발전은 새로운 청정에너지이다. 데이터 자료에 의하면 2018년, 톈진(天津) 해역에 구축된 총 설치용량 90MW, 18대의 5MW 풍력터빈으로 구성된 해상풍력발전소의 연간 발전량은 1.8억 kW·h에 달했다. 이는 8만 가구의 1년 전력 소비량에 해당된다. 이는 1년에 표준석탄(Standard coal)을 6.4만 t 절약할 수 있고 이산화탄소 배출량을 19.2만 t 감소시킬 수 있다. 향후 10MW 해상풍력발전기가 본격 투입될 경우 더욱 높은 발전 효율을 달성할 전망이다.

과불소화합물 전체 사슬 전이 규칙 규명

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최근, 중국농업과학원 농산물품질표준·검사기술연구소 쑤샤오어우(蘇曉鷗) 연구팀은 신형 잔류성 유기오염물질-과불소화합물이 고단백질사료 원료에서의 부존 특성 및 "사료-사육동물-인간" 전체 사슬에서의 전이/전환/노출 리스크를 논술했다. 해당 성과는 "Journal of Hazardous Materials"에 게재됐다. 최근년래 과불소화합물 등과 같은 신형 잔류성 유기오염물질의 생산량 및 사용량이 많아짐에 따라 환경으로부터 사료 및 식품 사슬에 유입되어 사료 및 식품 분야에 새로운 안전 리스크를 초래하고 있다. 우수한 성능을 보유하고 있는 과불소화합물은 광범위하게 응용되는 화학품으로서 종류가 다양하고 사용량이 많으며 또한 환경에서 매우 강한 잔류성을 보유하고 있다. 일부분 과불소화합물은 생물농축 능력 및 생물독성을 보유하고 있기에 "스톡홀름협약(Stockholm Convention)"에서 통제하고 있다. 과불소화합물 등 신형 유기오염물질이 "환경/사료-사육동물-가축가금 제품" 생산 사슬에서의 전이/전환 규칙은 확정되지 않았고 또한 부존 분포 특성을 규명하지 못했다. 상기 문제점을 감안해 연구팀은 과불소화합물의 단백질 친화성을 근거로 다양한 단백질 사료 원료의 긴사슬 및 단사슬 과불소화합물의 선택적 친화성 부존을 해석했다. 이를 토대로 연구팀은 전세계 범위 어분(Fish meal) 중 과불소화합물의 오염 수준을 심층적으로 연구했으며 실험 데이터 및 몬테카를로 모델을 결합하여 최초로 과불소화합물이 "사료-사육동물-인간 섭취" 전체 사슬에서의 전이/전환/노출로 인한 건강 리스크 수준을 예측하였다. 아울러 유럽연합에서 제안한 일일섭취허용량(TDI)과 비교함으로써 중국 다양한 지역 주민의 노출 리스크 차이성을 제안했다. 동 연구는 최초로 "사료-사육동물-인체노출" 관점에서 오염물질이 먹이사슬에서의 전이 및 부존 리스크를 해석했으며 실제 생산 관점에서 중국의 다양한 음식습관을 보유한 주민의 과불소화합물에 대한 노출 리스크를 규명함으로써 잔류성 유기오염물질이 동물성 식품 생산사슬에서 전이 예방통제에 지원을 제공했다.

태양광발전 원가 전력망 전력공급 원가보다 저렴

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2019년 8월 12일, 영국 "Nature Energy"에 발표한 최신 연구성과에 의하면 중국 도시의 상업·공업 전력공급에서 태양광발전 시스템에 의한 전력공급이 전력망에 비해 더 저렴한 것으로 나타났다. 이는 향후 중국 상업·공업 분야에서 태양광시스템의 사용을 늘리도록 자극할 전망이다. 태양광발전 가격이 전력망 전력공급 가격에 비하여 높을 경우 태양광시스템 구매에 대한 경제적 자극이 감소된다. 이를 감안해 많은 나라들은 태양광시스템에 보조금을 지불하는 방법을 채택한다. 대규모적 보조금을 제공하지 않는 나라라 할지라도 노동력과 시스템 하드웨어 원가가 비교적 낮을 경우 태양광발전 가격이 전력망 전력공급 가격과 동등한 수준에 도달할 수 있다. 스웨덴왕립공과대학(KTH Royal Institute of Technology) 옌진웨(嚴晉躍) 연구팀은 중국 도시의 태양광시스템 전기비와 총 전력 산출량을 추산함과 아울러 기타 도시의 전력망 전력공급 가격과 비교했다. 또한 전력망 기준계 조건에서 태양광발전 가격을 추산함과 아울러 석탄화력발전 가격과 비교했다. 결과, 중국의 344개 도시 상업·공업 태양광발전 시스템은 전력망 전력공급 원가보다 낮았다. 그 중에서 22% 도시의 그리드 연결(grid-connected) 태양광발전 시스템의 발전 원가도 선탄화력발전 가격에 비하여 낮았다. 전기에너지 주요 원천은 화력발전, 수력발전, 원자력발전 및 풍력발전 등 4가지이다. 이상적인 신에너지는 동시에 2가지 요구를 만족해야 한다. 1) 잠재량이 풍부하고 고갈되지 말아야 한다. 2) 안전하고 청정하며 인류에 대한 위협이 없고 환경을 파괴시키지 말아야 한다. 태양광발전은 새로운 재생 가능한 에너지로서 21세기 전세계 주요 에너지로 자리매김할 전망이다.

황허를 가로지르는 세계 물밑 최대 지름 실드터널 굴착 개시

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2019년 9월 20일, 지난(济南) 뤄커우(泺口) 황허 구간에서 2대의 초대지름 이수식 균형 실드굴진기(slurry balanced shield machine)가 굴착을 시작했다. "황허호(黄河号)"로 명명된 해당 실드굴진기의 전체 길이는 166m, 총무게는 4,000t, 설비 총출력은 8,688kW, 최대추력은 199,504KN이다. 지름이 5층 건물 높이에 해당하는 커터헤드의 메인 구동은 14개 인버터모터가 주로 제공하는데 총출력은 4,900kW에 달한다. "만리 황허의 최대 터널공사"로 불리는 지난시 황허터널의 굴착지름은 15.76m이고 전체길이는 4,760m로서 현재 세계에서 시공 중인 최대 지름의 도로·지하철 통합 실드 터널이다. 해당 터널은 최대 홍수위가 강바닥보다 11.62m 높은 황허의 지상하(地上河)를 통과하는데 터널의 최저점은 강바닥 아래 54m에 위치하며 최대 수토압력은 7.5Bar이다. 설계팀은 대직경 실드터널의 지상하 첫 통과를 감안해 이중 수문(Flood gate) 해결방안을 제안했다. 동 방안은 전방위 효과적 폐쇄가 가능해 도시의 안전을 지킬 수 있다.뿐만 아니라 도로 및 지하철의 통행 제한 수요를 충족시키기 위해 높이 조절 가능한 프리패브 함암거(prefabricated box culvert)를 개발했는데 일반적 방안에 비해 터널의 안지름을 20cm 줄일 수 있어 약 1000만 위안(16억 8,180만 원)의 직접공사비를 절감할 수 있다. 터널 내에는 소화전, 물분무, 소화기, 방송, 비상전화기, 비디오 감시, 설비 모니터링 등 재난방지 구조설비가 구전하게 배치되며 중앙컴퓨터를 통해 유기적 시스템을 형성함으로써 돌발상황시 대피시간은 위층 도로가 6분, 아래층 지하철이 30분이 될 예정이다. 연구팀은 실드굴진기 모델 최적화 선정을 거쳐 최종적으로 상기 초대지름 이수식 균형 실드굴진기 2대를 개발했다. 터널 굴착, 라이닝 일회적 성형을 겸비한 해당 실드굴진기는 자동화 수준, 시공효율, 침강 관리표준 등이 높을 뿐만 아니라 안전하고 에너지를 절약하며 친환경적이다. 지난시 황허터널 공사는 2021년에 완공되어 개통될 예정으로 남·북부 신도시와 중심도시구역 간 연계를 대폭 강화시켜 "다밍호(大明湖)시대"에서 "황허시대"로의 변화를 가속화할 전망이다.

유기 장잔광 발광 분야에서 중대한 진전

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시베이(西北)공업대학 플렉시블전자연구소 황웨이(黄维) 및 난징(南京)공업대학 선진재료연구원 안중푸(安众福) 공동연구팀은 일련의 신형 중합체 장잔광 재료를 설계 개발함으로써 유기장잔광 발광 분야에서 획기적인 진전을 이루었다. 해당 성과는 "Nature Communications"에 게재되었다. 장잔광 발광은 발광 재료에서 여기 광원을 제거한 후에도 여전히 몇 초에서 몇 시간 동안 발광하는 일종의 발광 현상이다. 장잔광 발광 재료는 "야명주"라고 불리는데 암흑속에서도 찬란한 빛을 내어 고대로부터 희귀 보물로 간주되었다. 장잔광 발광 재료는 야간 비상 표시, 측정기 디스프레이, 광전자 소자 및 국방군사 등 분야에 광범위하게 응용된다. 특히 수명이 길고 스토크스 이동이 크며 여기체가 풍부한 등 특성으로 위조 방지, 암호화 및 생물학적 이미징 등 최첨단 과학 영역에 사용된다. 무기 장잔광 재료와 비교할 경우 상온 유기 장잔광 재료는 양호한 생체 적합성, 전기 전도성을 보유하며 또한 원가가 저렴하고 구조 수정이 쉬운 등 장점으로 많은 관심을 받고 있다. 최근 몇 년간 유기 장잔광 재료 연구는 주로 결정체 소분자와 주객체 도핑 시스템에 집중되었는데 결정체 소분자 시스템의 결정성, 주객체 도핑 시스템의 상호 분리 등 문제점 때문에 재료의 실제 응용이 제한을 받고 있다. 중합체 재료는 유연하고 재질이 가볍고 스핀코팅이 가능하고 신축이 가능한 등 많은 장점을 보유하고 있기에 플렉시블전자 분자에서 거대한 응용 가능성을 보여준다. 연구팀은 이온 결합으로 발광 유닛을 잠그고 중합체 공유 결합의 도움으로 이온성 중합체의 장잔광 발광을 구현했으며 발광 수명은 2.1초에 달했다. 실험 데이터와 이론적 계산 결과, 해당 중합체 재료가 상온 장잔광을 가지는 원인은 이온 결합이 발광 유닛의 비방사성 전이를 억제하였기 때문이다. 해당 설계 아이디어는 방향족 중합체 재료 시스템뿐만 아니라 비방향족 중합체 재료 시스템에도 적용된다. 이 외에 연구팀은 최초로 여기 파장 의존의 중합체 장잔광 발광 현상을 발표하고 잔광 색상이 남색으로부터 주황색으로의 조절을 구현했다. 해당 재료는 170도 이하 온도에서 여전히 가시성 장잔광 발광이 가능하다. 해당 연구 성과는 기존의 중합체 재료에 새 성능을 부여하였다. 중합체 재료는 쉽게 구할 수 있고 원가가 낮아 플렉시블 디스프레이, 조명, 데이터 암호화 및 생물의학 등 분야에서 아주 광범위한 응용 전망을 가진다.

중국 자체개발 첫 8.5세대 TFT-LCD 유리기판 출하

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2019년 9월 18일, 중국 첫 8.5세대 TFT-LCD 유리기판 제품이 안후이 벙부(蚌埠)에서 공식 출하되었다. 이로써 중국은 자체개발 8.5세대 TFT-LCD 유리기판 제품의 산업화 생산을 실현함과 아울러 미국, 일본 다음으로 세계 세 번째로 고세대 TFT-LCD 유리기판 생산기술을 보유한 국가가 되었다. 이는 세계시장에서 중국 전자유리(electronic glass)의 주도권 및 발언권을 전면적으로 높이고 중국 정보디스플레이 산업의 안전을 보장하는데 큰 의미가 있다. 연구팀은 과기부 "13차 5개년" 국가중점특별프로젝트의 지원에 의해, 2019년 6월 18일에 생산을 시작하여 2019년 8월 26일에 유리기판을 성공적으로 획득하기까지 70일 밖에 소요하지 않았다. 제품 출하 후 연구팀은 수율 향상, 생산성 제고, 제품인증 등 작업을 지속적으로 추진할 계획이다. 제품이 대량으로 시장에 제공할 경우 중국내 주류 패널업체의 응용수요를 충족시킬 전망이다. 액정디스플레이 패널의 핵심부품인 TFT-LCD 유리기판은 전자정보디스플레이 산업의 핵심 전략적 소재이다. 디스플레이 업계는 제품 크기에 따라 세대를 구분하는데 일반적으로 6세대 및 그 이하를 저세대, 8.5세대 및 그 이상을 고세대로 구분한다. 8.5세대는 6개의 55인치 스크린을 절단할 수 있는데 가장 경제적인 절단 사이즈는 55인치이다. 일례로 핸드폰/iPad에 일반적으로 6세대가 사용되고 8.5세대로 TV/대형디스플레이패널을 만든다. 유리기판의 크기가 클수록 이용률이 더 높고 원가도 낮다. 현재 중국은 세계 최대 정보디스플레이 산업기지로 자리매김하고 있다. 연간 8.5세대 및 그 이상 TFT-LCD 유리기판 수요량은 3.8억 m²에 달한다. 하지만 중국의 대형 액정디스플레이가 필요로 하는 8.5세대 TFT-LCD 유리기판 핵심기술은 미국, 일본 등의 몇몇 외국기업에 의존하여 중국 디스플레이 산업의 발전을 심각하게 제한하고 있다. 이러한 국면을 타개하기 위해 연구팀은 "고세대 전자유리기판, 덮개판(cover plate) 핵심기술 개발 및 산업화 시범" 프로젝트를 3년간 추진해 일련의 성과를 거두었다. 선후하여 물리화학 및 공정성능을 동시에 만족시킬 수 있는 유리기판 화학구성 및 배합을 파악함과 아울러 중국특색이 있는 액정유리기판 초박 플로트법의 신공법을 혁신적으로 개발했다. 뿐만 아니라 킬른(kiln), 주석조(Tin-bath), 서냉로(Annealing Lehr) 등 핵심장비의 국산화 개발 등을 달성했다. 특히 유리의 초박화, 고강도 등 2가지 특성 구현에 있어 유리의 배합구성 파악이 중요하다. 연구팀은 수천 번의 배합시험을 통해 최종적으로 자체 지식재산권을 보유한 배합을 획득했다. 아울러 유리기판 초박화 제조설비를 개발해 초박성형을 구현했다. 8.5세대 TFT-LCD 유리기판의 출하로 말미암아 현재 1만 위안(한화로 약 168만 4,600원) 이상의 액정 TV를 향후 1,000위안(한화로 약 16만 8,460원)대에서 구입할 수 있다. 해당 유리기판이 대량 생산됨에 따라 대형 액정디스플레이의 원가는 점점 더 낮아질 전망이다. 이외 교육시스템, 디스플레이시스템, 공공시스템, 차량용 등 면에서 매우 큰 응용 잠재력을 보유한다.

고속자기부상열차의 "동력 심장" 핵심 기술 돌파

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최근, 중국 중처주저우(中车株洲)유한회사(CCRC)가 참여한 중국 "13차 5개년 계획" 중점개발 계획 "고속자기부상 교통시스템 핵심기술 연구" 서브 프로젝트가 이미 긴고정자(지상 1차, long stator) 직선형전동기와 서스펜션 전자석 독자 개발에 성공하여 시속 600km 자기부상열차 시제품에 응용되어 양호한 운행상태를 보였다. 이는 중국의 고속자기부상열차 핵심기술이 세계 선두를 달리고 있음을 의미한다. 고속자기부상열차와 중저속자기부상열차는 전기구동에 대한 요구가 서로 다르다. 중저속자기부상열차는 주로 접촉망을 통해 전력을 공급받는데 이런 전력공급 방식은 고출력 고속자기부상열차의 안정적인 전력 공급을 보장할 수 없다. 또한, 열차가 지면에 부착하여 고속 "비행"하기 때문에 열차 자체의 중량을 최대한 감소시켜야 한다. 연구팀은 긴고정자 직선형전동기를 개발하여 중저속자기부상열차의 차상 1차(short stator) 직선형전동기의 "고정자"를 차체에서 궤도로 옮겨 지상 전력공급 설비가 직접 전력을 공급하게 함으로써 안정적인 전력공급을 확보했다. 고출력 인버터도 열차에서 지상으로 옮겨 열차의 자체 중량을 대폭 감소시켰다. 해당 긴고정자 직선형전동기는 고속 운행하는 열차의 고출력 요구를 충족시킴과 아울러 열차에 부상력과 견인력을 제공한다. 중저속자기부상의 차상 1차 구조와 비교해 긴고정자는 동시 제어 방식을 이용하여 전동기 효율을 20 % 향상시키고, 전동기 전압을 10 % 이상 향상시켰다. CRRC는 긴고정자 직선형전동기, 부상, 가이드 및 브레이크 전자석 기술과 엔지니어링 제조 연구에 초점을 맞추고 3년간 독자 개발을 진행하여 3D 시뮬레이션플랫폼, 유한요소시뮬레이션플랫폼, 온도장 시뮬레이션 플랫폼, 시험 검증, 공정 검증 등 분야에서 단계적 성과를 이루었고 고속자기부상열차 전동기 구동의 핵심 기술을 보유했다.

신기술로 테라헤르츠 광스펙트럼 스캔 속도 대폭 향상

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최근 중국항천과공그룹(CASIC) 제2연구원 207연구소 연구팀은 테라헤르츠 시간 영역 광스펙트럼 시스템 쾌속 스캐닝 모듈을 개발해 광스펙트럼 스캔 속도를 대폭 향상시킬 전망이다. 음성 코일 모터(voice coil motor) 기반 시간 지연선(Delay line)과 고속 데이터 수집시스템으로 구성된 해당 모듈은 1회 파형(100ps) 스캔 시간을 기존의 15분에서 0.25초로 단축 가능하며 샘플링률을 4헤르츠에 도달시킬 수 있다. 테라헤르츠 시간 영역 광스펙트럼 기술은 근년에 개발된 테라헤르츠 주파수대 광스펙트럼 측정 기술이다. 2003년에 컬럼비아 우주왕복선은 외부 연료탱크의 폼단열층 탈락으로 폭발되었다. 해당 사고 조사시 테라헤르츠 시간 영역 광스펙트럼 기술로 연료탱크 단열폼의 내장결함을 성공적으로 검출해 동일 유형 탐측에서 가장 효과적인 방법으로 간주되고 있다. 테라헤르츠는 대부분 비금속, 비극성재료에 대해 양호한 투과력을 보유한다. 미국은 테라헤르츠 시간 영역 광스펙트럼 시스템으로 F-35 전투기의 특수 코팅층을 검사하기도 했다. 해당 기술은 코팅층을 쉽게 투과할 수 있을 뿐더러 코팅층의 두께도 측정할 수 있기에 제조 및 유지보수 효율을 대폭 향상시킬 수 있다. 많은 대분자의 회전, 진동 에너지 준위 모두 테라헤르츠 주파수대에 위치하므로 테라헤르츠 시간 영역 광스펙트럼 기술은 민간 영역에서 매우 광범위하게 응용되고 있다. 예를 들어 동 기술로 마약, 폭발물의 종류를 효과적으로 식별할 수 있는데 흔히 볼 수 있는 첨가물이 혼합돼 있더라도 검사 결과에 영향이 없다. 이외 해당 기술은 재료 브로드밴드 투사, 산란 특성 측정은 물론 재료 브로드밴드 전자기 파라미터도 획득할 수 있어 테라헤르츠 주파수대 재료특성 연구에 이용 가능하다. 하지만 광스펙트럼 스캔 속도가 해당 기술의 보급 및 응용을 일정 정도 제한하고 있다. 특히 중국의 관련 업체에 있어 어떻게 광스펙트럼 스캔 속도를 향상시킴과 더불어 시스템의 신호대잡음비 무손실을 보장할지가 기술적 어려움이다. 207연구소는 이번에 개발한 쾌속 스캐닝 모듈을 테라헤르츠 재료 파라미터 측정시스템 및 테라헤르츠 주파수대 레이더 산란 단면적 측정시스템에 응용해 데이터 실시간 획득능력을 높이는 등 해당 기술의 응용폭을 넓힐 예정이다.

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.