기술동향
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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.

중국 서비스로봇, 세계 톱5 진열에

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7월5일~12일 터키 이스탄불에 열린 제15기 RoboCup에서 중국과기대학(中國科技大學) ‘Wright Eagle(藍鷹)’연구팀은 시뮬레이션 2D 금메달 및 서비스로봇 은메달을 땄습니다. 이는 중국이 서비스로봇 분야에 세계 톱5진열에 처음으로 진출한 것이다. 중국과기대학 컴퓨터학원 첸샤오핑(陳小平)교수에 의하면, 서비스로봇은 첨단기술산업의 새로운 발전방향이고, 최근에 매년 40% 가량의 속도로 급성장하고 있으며, MS와 Googl 등 대기업들이 대규모 개발을 추진하고 있다. 중국내에서 서비스로봇은 『국가 중장기 과학과 기술발전규획강요(2006~20년)』에 제기된 선진제조기술 4大 중점 방향 중 하나로 포함되었다. RoboCup@Home 서비스로봇경주는 지능서비스로봇 공통핵심기술 탐색에 입각하고, RoboCup 가운데 종합성 및 발전세가 가장 강하고 경쟁이 가장 치열한 아이템 중 하나로 부상하고 있다. 이전 경주에서 톱5 팀은 거의 다 선진국 대표팀이었다. RoboCup은 3단계로 나눈다. 첫 단계는 6개 테스트를 포함하며, 로봇소개 외에 당시 연구이슈를 경주내용으로 한다. 제2 단계는 4개 테스트로 구성되고, 주로 미래를 지향하는 도전적 과제이며, 예컨대 ‘Shopping Mall’ 항목은 로봇이 진정한 슈퍼마켓에서 물품을 구매하는 능력을 측정한다. 제3 단계는 결승이며, 제1, 2단계 톱5 팀들이 자유 선택내용을 공연하고 최적 연구성과를 보여주는 것이다. 결승결과는 제1, 2단계 경주성적, 전문가의 평가점수 및 현장관객의 평가점수에 따라 결정한다. 시뮬레이션 2D경주는 멀티에이전트시스템의 협력과 대항을 기본 과학과제로 하며, 이 과제는 지난 10여 년 동안 국제 인공지능계의 최대과제 및 주요 방향으로 간주되었고 넓은 응용배경을 지니고 있다. Wright Eagle연구팀은 2000년 첫 중국연구팀으로서 RoboCup에 참여하고 점차 분야의 선두자로 성장하였다. 지난 1년 동안 Wright Eagle의 2D연구팀은 ‘무 지향성 조정’기술을 개발하고 새로운 시뮬레이션 2D소프트웨어시스템의 설계에 활용하였다. 2005년부터 중국과기대학 Wright Eagle연구팀은 5개 금메달 및 9개 은메달을 땄으며, 관계성과를 국제 관계 학술지와 회의에 발표하였다. 연구팀 연구자는 중국과학원 원장특별상, 교육부 학술신인(學術新人)상 등 장려를 받았다. 연구가 체계적으로 추진됨에 따라 관계 기술은 응용단계에 진입할 것으로 전망된다.

2011년 A3 Foresight Program 신규과제 선정

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중국 자연과학기금위원회(NSFC), 일본 학술진흥회(JSPS), 한국연구재단(NRF)이 각자 심사한 후 공동 협상을 통해 2011년 A3미래프로그램(A3 Foresight Program) 신규과제 ‘차세대인터넷과 네트워크보안’을 선정하였다. 아래 2프로그램은 향후 3년 동안 NSFC, JSPS 및 NRF에서 연구보조금을 받을 것이며, NSFC는 240만위안을 지원할 예정이다.  1. ‘차세대 통신망 및 통신망 보안’ - 중국 상해교통대학 Zhenfu Cao(曹珍富) - 한국과학기술원 Dan Keun Sung(성단근) - 일본 도호쿠대학 Nei Kato 2. ‘차세대 인터넷 기반의 초현실 상호적 음향 통신’ - 중국과학원 음향학연구소 Yan Yonghong(顔永紅) - 한국 서울대학교 Nam Soo Kim(김남수) - 일본 도호쿠대학 Yoiti Suzuki

중국 첫 모바일 브라우저 렌더링엔진 독자 개발

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모바일 인터넷기술 및 응용서비스제공업체인 UC Mobile(UC优视)회사는 최근에 독자적으로 개발한 모바일 브라우저 렌더링엔진 'U3'을 출시하였다. UC사에 의하면, 2004년 UC브라우저가 지닌 특유의 클라우드구조로 인해 네티즌들이 휴대전화를 이용하여 www웹사이트를 방문할 수 있게 되었다. 이에 지난 7년 동안 UC브라우저는 모바일브라우저 산업계에 사실상의 산업표준이 되었다. 3G 등 고속 모바일인터넷 및 지능형 터미널이 보급됨에 따라 모바일브라우저는 새로운 도전에 직면하게 되었다. UC사는 3년 시간을 걸쳐 개발한 U3렌더링엔진은 고속 모바일 및 지능형 터미널 환경 하 사용자 수요에 입각하여 Webkit렌더링엔진의 전체 페이지 보기, 배리어 프리대화 등 높은 표현성의 인터넷 체험 우세를 지니고 있다. 이외에는 UC브라우저가 비롯한 클라우드구조 모바일브라우저의 신속, 저령 및 고 확산능력 우세를 지니기도 한다. 휴대전화에 부합한 검색방식으로 페이지보기효과를 나타내는 상황에서 새로운 U3렌더링엔진은 특유의 압축알고리즘 및 새로운 그림형식으로 페이지보기를 60% 압축하는 동시 신속, 안보, 지능 및 더욱 높은 확장성을 보장할 수 있다. U3렌더링엔진 기반의 UC브라우저는 다양한 플러그인 확장을 지원할 수 있다. 그때에 UC브라우저가 스마트폰의 KTML5 및 현지화 보안지불을 지원함에 따라 브라우저HTML5플랫폼기술개발을 기반으로 하는 응용과 게임이 대량으로 나타날 것으로 전망된다. U3렌더링엔진 기반의 UC브라우저제품은 하반기에 출시될 예상이다. 또한 높은 포괄력을 바탕으로 U3렌더링엔진은 Android, iPhone, Symbian, Windows Phone 등 여러 지능형 플랫폼을 신속 커버할 것으로 예상된다.

중국 센서 및 마이크로시스템기술, 장족의 진전

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6월6일 제16기 고체센서, 액추에이터(actuator) 및 마이크로시스템 국제회의(Transducers’11)가 북경에서 열렸다. 이는 Transducers회의가 처음으로 개발도상국에서 개최된 것이다. 이번 회의에 39개 국가에서 1,652편 논문요약 및 11편 최신 연구 보고를 받았으며, 엄격한 심사를 거친 후 743편(45%)의 논문이 선정되었다. 최근 중국이 센서 및 마이크로시스템 연구와 기술에 장족의 발전을 거듭함에 따라 국제영향력이 높아졌다. Transducers회의에서 선정된 중국 논문 수는 2001년 불과 2편에서 이번회의 74편으로 증가하였다. 1980년대부터 중국은 센서기술을 국가 첨단기술발전의 중요 내용으로 간주하고 ‘센서기술 국가 중점실험실’, ‘국가 센서기술공정센터’ 등 국가급 R&D기관을 설립하였다. 과기부는 마이크로나노기술 발전을 중요시하고 863계획에 MEMS(마이크로전자기계시스템) 프로젝트를 포함하고 여러 MEMS 프로세싱프랫폼을 구축하며, 중국국민경제 발전에 시급히 필요한 센서와 마이크로시스템 기술을 중점적으로 연구 개발하였다. 이에 따라 여러 중요한 성과가 나타나고, 연구진이 구축되었으며, 많은 신흥 MEMS 첨단기술기업이 육성되었다. 현재 중국 센서와 마이크로시스템기술 분야의 전체 산업수준이 점차 높아지고 있으나 해당 분야의 응용기초연구와 기술개발능력이 여전히 상대적으로 낙후한 실정이다. 최근 사물인터넷(Internet of things, 物聯網)은 국가 전략적 신흥산업 중 하나로 간주되었으며, 환경모니터링, 의료건강, 공공안전, 에너지, 교통 등 여러 분야에 중요한 역할을 수행할 것으로 전망되고 있다. 사물인터넷은 인식층, 네트워크층, 응용층 3부분으로 구성되며, 인식층의 기반기술은 마이크로센서 및 마이크로시스템기술이다. Transducers’11회의의 주제는 마이크로센서, 액추에이터 및 마이크로시스템 관계 이론, 설계, 제조, 응용 등의 동향과 핵심기술이며, 중국 사물인터넷 인식층기술 발전에 중요한 혁신 및 추진역할이 있다.

“스젠”위성 가족사

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1970년 4월 24일, 첫 인공위성 “둥팡훙(東方紅)1호”를 연구개발하고 발사한 이후 중국은 원격 탐사, 통신 방송, 기상·과학탐구 및 기술 실험, 지구 자원, 항법 위치결정 등 6개의 위성계열을 기본적으로 구축하였다. 각종 위성계열에서 과학 탐구 및 기술 실험에 사용되는 “스젠(實踐)호”위성 패밀리가 가장 일찍 만들어졌으며 그 수도 가장 많다. 2016년 4월 6일 새벽, 미세중력 과학과 우주 생명과학 연구에 이용되는 “스젠10호”가 성공적으로 발사되었다.

중국형 고온가스 냉각형 원자로, 디지털 계측제어 시스템

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2016년 4월 6일, 세계 첫 고온가스 냉각형 원자로 상업용 원자력 발전소인 화넝산둥스다오완원자력발전소(華能山東石島灣核電廠) 고온가스 냉각형 원자로 시범 프로젝트의 디지털 계측제어 시스템(DCS)은 검수를 통과하여 곧 현장으로 운반될 예정이다. 화넝산둥스다오완원자력발전소의 고온가스 냉각형 원자로 시범 프로젝트는 세계 첫 제4세대 원자력에너지 시스템 안전 기능을 갖춘 상업용 시범 원자력발전소일 뿐만 아니라, 중국 첫 디지털 계측 제어 시스템의 100% 국산화와 자율화를 구현한 상업용 원자력 프로젝트이다. 디지털 계측 제어 시스템은 원자력 발전소의 운행 모니터링, 조작 제어 및 관리 등 기능을 수행하는 핵심 설비이며, 원자력 발전소 안전 운행의 핵심이다. 기존 중국 원자력 발전소의 원자력급 DCS 설비는 수입에 의존하였으며 중국은 기술과 가격 측면에서 경쟁력이 없었고 원자력 발전 프로젝트 수행 속도와 정보 안전 측면에서도 제한적이었다. 2010년10월, 광리원자력회사(廣利核公司)에서 완전한 자주적 지식재산권을 보유한 중국 첫 원자력급 디지털 계측제어 시스템 플랫폼인 “허무(和睦) 시스템(FirmSys)”을 연구 개발함으로써 국외의 기술의존성을 낮추었다. 양장(陽江)원자력발전소 5/6호기, 훙옌허(紅沿河)원자력발전소 5/6호기 및 화룽1호(華龍一號) 국내 시범 원전 팡청강(防城港) 3/4호기에도 광리 원자력(원자력급과 비원자력급을 포함) 통합형 DCS 솔루션을 사용하였다.

중국 4세대 원자로 “노심”, 핵심 문제 해결

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최근, 중국과학원 원자력안전기술연구소 선진 원자력 연구팀은 신형 연료 어셈블리 및 클래딩 물질(Cladding material)을 개발하여 납(Pb)계열 원자로 노심재료의 핵심기술 문제를 해결한 동시에, 기타 액체상태 금속 냉각 원자로의 연료 개발에 기술적 지원을 제공하였다. 납계 원자로는 “4세대원자력시스템국제칼럼(GIF)”기구에 의해 첫 산업 시범과 상업 응용에 들어갈 4세대 원자로로 기대되고 있다. 납계 원자로는 에너지 생산의 안전성과 경제성 면에서 경쟁우위가 뚜렷한 외, 또 양호한 핵폐기물 연소 처리능력과 핵연료 증식능력을 갖고 있으며, 다양한 응용과 지속가능한 발전을 도모할 수 있는 선진적 원자력 시스템으로 꼽히고 있다. 납계 원자로는 중국과학원 전략성선도과학기술 프로젝트-“미래 선진적 핵분열 에너지-ADS 핵변환 시스템”과 국가 “12.5” 중대기초시설건설 프로젝트 - “가속기 구동 핵변환 연구장치”의 원자로 시스템으로 선정되었으며 원자력안전기술연구소가 “미래 선진적 핵분열에너지-ADS 핵변환 시스템”의 관련 연구개발을 담당하고 있다. 이미 원자로 시스템의 세부 설계 및 주요한 기술 연구개발이 완성된 상태이며, 핵심 설계 이념과 핵심 설비의 제조기술을 파악하여 납계 원자로 공법 실시능력을 확보하였다. 납계 원자로는 양호한 산업기술 기반을 갖고 있다. 한 예로 러시아 핵잠수함 장비의 납계 원자로는 약 100년을 유지하는 원자로를 성공적으로 운행되고 있다. 거대한 상업 잠재력으로 현재 러시아와 유럽이 적극적으로 추진하고 있는 납계 원자로 공법의 응용은 2021년에 상업 시범에 들어갈 예정이다.

중국 회수식 과학실험 위성 ‘스젠 10호’ 발사 성공

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2016년 4월6일 1시 38분, 지우취안(酒泉)위성발사센터에서 중국 첫 마이크로(미)중력 과학실험위성--‘스젠(實踐) 10호’ 회수식 과학실험 위성이 창정2호정(長征二號丁) 운반로켓에 실려 예정된 궤도에 성공적으로 진입했다. 2012년 말에 입안된 스젠 10호 위성 프로젝트는 공간과학 선도 프로젝트의 첫 과학실험위성 가운데 유일한 회수식 위성이자 한 번에 미중력 과학과 공간 생명 과학 실험을 가장 많이 수행할 수 있는 위성이다. 스젠 10호 위성은 공간 과학 실험을 수행하고 미중력 조건과 공간 복사 조건에서 물질 운동 및 생명 활동의 규칙을 연구하고 밝히는 것을 주요 목표로 한다. 스젠 10호 위성의 수명은 15일로 설계되었으며, 중국의 회수식 위성 기술을 이용하여 궤도에서 미중력 등 특수환경 조건을 이용하여 19개 항목의 과학실험을 수행할 예정이다. 공간과학 관련 실험 완성 후, 스젠 10호 위성의 귀환 모듈은 예정된 프로그램에 따라 지구의 예정된 지역에 착륙한다. 스젠 10호 위성 프로젝트는 중국과학원 국가우주과학센터(中國科學院國家空間科學中心)에서 총체적으로 담당하고 항천과기그룹회사 제5연구원(航太科技集團公司第五研究院)에서 위성 시스템과 위성 플랫폼을 연구 개발을, 중국과학원 역학연구소(中國科學院力學研究所)에서 과학응용시스템을, 중국과학원의 11개 연구소 및 칭화대학교 등 6개 대학교에서는 19개 항목의 과학실험을 담당한다. 그 외에 유럽우주국과 일본우주항천연구개발 기관이 각각 하나의 과학실험 항목에 참여하였다. 스젠 10호 위성의 운반 로켓 시스템은 중국항천과기그룹 산하 상하이우주기술연구원에서 연구 개발하였으며, 창정 시리즈 운반 로켓의 226번째 비행이다. 현재까지, 중국 공간과학 선도 프로젝트는 꾸준히 추진되고 있다. 중국 공간과학 시리즈의 첫 위성인 암흑 물질 입자 탐사 위성은 최근에 본격 납품되었으며, 양자과학실험위성 및 하드X변조 망원경 위성은 2016년 하반기에 발사될 예정이다.

칭화대학교, 리아노딘 수용체 관련 새로운 연구

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최근, 칭화대학교(清華大學), School of the Biological Sciences의 연구팀은 리아노딘수용체1(Ryanodine Receptor 1, RyR1)의 중심 도메인은 원거리 변환 구조 게이트 제어 채널이 개방된 센서라는 것을 입증하였다. 해당 연구 성과는 2016년 7월 29일 “Cell Research” 잡지에 발표되었다. 칭화대학교 교수 옌닝(顏寧, Nieng Yan) 연구팀은 주로 막단백질, 콜레스테롤 대사 조절 경로 관련 인자의 구조 생물학 연구를 진행하여 왔으며 Science, Nature, Cell 등 잡지에 많은 중요한 논문을 발표하였다. 근육 세포에서 세포외 혹은 근소포체 중의 칼슘 이온이 세포질에 방출될 때 근육 수축 반응이 유발된다. 해당 과정을 근육 흥분 수축(E-C) 연관이라고 하며 또한 이는 골격근 및 심근 운동의 분자 기초이다. 또한 칼슘 이온을 근소포체로부터 세포질에 쾌속적이고 대량으로 방출시키는 작용을 일으키는 것은 리아노딘수용체라고 명명한 고투과량 칼슘 이온 통로이다. RyRs는 현재 알려진 가장 큰 이온 통로 단백질이다. 포유동물에는 3종의 RyR 단백질이 있는데 그 가운데서 RyR1는 주로 골격근 세포에 분포되어 있고 RyR2는 주로 심근 세포에 분포되어 있으며 RyR3은 뇌세포에서 최초로 발견되었다. 대량의 문헌 보고 통계에 의하면 현재 약 500종을 초과하는 RyR 돌연변이체가 질병과 관련이 있다. 2015년 옌닝 연구팀은 칭화대학교 생명대학 스이궁(施一公) 연구팀 및 영국 MRC 분자 생물학 실험실 Sjors Schere 연구팀과 공동으로 토끼 근원 RyR1의 원자 수준에 접근하는 해상도 구조를 규명하여 해당 기능을 해석하는데 중요한 실마리를 제공하였다. 해당 연구성과는 Nature 잡지에 발표되었다. 해당 연구는 근육-수축 연관 및 이와 관련된 질병의 인식에 중요한 의미가 있으며 관련 질병을 치료하는데 중요한 구조적 실마리를 제공하였다(옌닝, 스이궁 교수 Nature에 중요한 성과 발표). Cell Research에 발표한 문장에서 옌닝 교수 연구팀은 RyR1의 원거리 변환 구조 게이트 제어 메커니즘을 규명하였다. 연구팀은 냉동전자현미경으로 해상도가 3.8~4.2Å 사이 이고 3가지 폐쇄 구조 상태의 토끼 RyR1 구조 및 해상도가 5.7 Å인 개방 상태의 RyR1 구조를 획득하였다. 해당 구조에 대한 비교는 골격근 중의 근육 흥분 수축 연관과 관련된 일부분의 중요한 새로운 인식을 제공하였으며 또한 RyRs의 게이트 제어 메커니즘을 규명하였다.

칭화대학교, 스플라이세오솜 연구 성과

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

푸단대학교, 최초의 뇌기능 네트워크 시네마그래프

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

군사의학과학원 야전수혈연구소, “인공혈액” 제조

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

수소화염화불화탄소 도태행동 본격 가동

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중국은 세계 최대 수소화염화불화탄소(HCFC) 생산국과 소비국이다. 환경보호대외협력센터에 의하면, 중국의 수소화염화불화탄소(HCFC) 도태전략과 행동계획이 이미 허가를 받았으며, 허가 프로젝트 자금은 2억 6,500만 달러이다.   수소화염화불화탄소 도태는 환경보호, 산업구조 조정, 성장방식 전환, 국제시장 개척, 국제지위 향상에서 중요한 역할을 한다. 수소화염화불화탄소는 오존층 파괴물질로서 공업생산에서 냉매와 발포제에 주로 활용된다. 개발도상국으로서의 중국은 2013년 1월 1일까지 수소화염화불화탄소 생산과 사용을 2009-2010년의 2년 평균치로 동결하고, 2015년 동결수준에서 10%를 줄이며, 2030년에는 유지보수와 특수용도 외에 완전 도태를 실현해야 한다. 수소화염화불화탄소 도태사업을 활성화하고자 중국은 수소화염화불화탄소 도태전략과 산업계획 작성에 나섰다. 2010년 7월 29일 캐나다에서 열린 <몬트리올의정서> 제64회 다자간 기금 집행위원회 회의에서 중국이 제출한 수소화염화불화탄소 도태 1단계 전략과 폴리우레탄 발포, 압출된 폴리스티렌 발포체, 룸 에어컨, 공상업 냉동 에어컨, 냉동 유지보수 및 능력육성 등 5개 소비업종의 1단계 수소화염화불화탄소 도태계획이 허가를 받았다.

희토 분리추출 신기술, 폐수 제로방출 실현

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폐수 1톤 처리비: 40위안 희토 분리추출로 고농도 염화암모늄 폐수를 생성하는 문제가 장기간 동안 해결을 보지 못한 와중에 너이멍구유전영동응용기술연구원은 세계 최초로 유전영동(Dielectrophoresis) 기술을 막분리 분야에 응용하여 일거에 희토 분리추출에 따른 공업폐수 제로방출을 실현했다. 유전영동이란 비균일 전기장의 중성미자가 유전분극(dielectric polarization)으로 생성되는 병진운동(translational motion)을 말한다. 신기술은 유전영동이 입자에 대해 생성하는 추진과 난류 효과에 의존해 폐수 가운데 매우 작은 고체입자상물질과 고농도 이온이 막 표면과 시종일관 어느 정도 거리를 유지하도록 하여 유해물질이 막 표면과 접촉하는 기회를 크게 줄임으로써 막 표면 오염을 피하고 매질의 유량을 증가했다. 유전영동 막분리 공법에는 고체와 액체 분리공법, 이온선정 분리공법, 물질과 에너지 회수공법 단계가 망라된다. 고체와 액체 분리공법의 경우 염화암모늄 폐수 가운데 석유유제를 미량 거르기를 통해 유전영동력의 작용으로 추출하여 재활용한다. 이온선정 분리기술의 경우 다중 유전영동 나노여과(nanofiltration: NF)공법을 적용하여 염화암모늄을 농축 분리한다. 물질과 에너지 회수공법은 분리해낸 고순도 염화암모늄용액을 양이온 교환막 전해조에 주입시킴으로써 염화이온은 양극 전극으로 이동해 염소를 생성하고, 음극은 수소를 생성한다. 염소는 태양반응기에 들어가 물과 반응해 염산을 생성하고, 태양에너지는 또 차아염소산의 생성을 억제한다. 수소는 공기와 함께 수소-산소 연료전지의 발전에 들어간다. 계산결과, 폐수 1톤을 처리하는 데 작업 비용이 40위안이 소요되며, 일일 처리량을 1,600톤으로, 1톤당 폐수가 1L당 100g의 염화암모늄을 함유하는 것으로 계산하고, 위에서 기술한 공법 처리를 거쳐 생성되는 염산과 암모니아수를 각각 1톤당 700위안과 1,000위안의 가격으로 계산할 경우 순이익이 11만 위안에 달할 수 있다. 유전영동 막 컴포넌트는 일반 막분리 컴포넌트에 비해 막의 안정적인 유량을 2배 이상, 분리 효율을 3배 이상 향상시키고, 에너지는 176분의 1로 줄일 수 있어, 고농도, 다중성분, 고점도 액체 분리에 직접 활용될 수 있다.

10분만에 충전되는 전기자동차 신전원 개발

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순환수명: 5만 회 이상 톈진시 정부는 9월 1일 제품 발표회를 개최하고, 고에너지 니켈-탄소 슈퍼 커패시터(super capacitor) 연구개발에 성공했다고 밝혔다. 고에너지 니켈-탄소 슈퍼 커패시터는 중국공정원 저우궈타이(周国泰) 원사 연구팀이 종합성능 균형설계 구상에 따라 ‘내부정렬식’ 슈퍼 커패시터 구조방안을 제시하고, 활성탄소소재를 니켈-수소전지 음극에 도입시켰다. 즉 한 전극에 활성탄소전극을 적용하고, 다른 한 전극에는 커패시터 전극재료 또는 전지 전극을 적용하여 일반 슈퍼 커패시터를 전지와 하나로 결합시킨 것이다. 이와 같은 커패시터는 일반 슈퍼 커패시터 및 축전지의 뛰어난 성능을 다 갖추었다. □ 고에너지 니켈-탄소 슈퍼 커패시터 기술의 선진성 - 비용량이 높다. 부피와 무게 비용량은 차량용 슈퍼 커패시터의 10배로, 리튬이온전지 비에너지의 3분의 2에 근접하다. - 순환수명이 길다. 이 제품의 표준 검사측정 수명은 5만 회 이상이며, 실제 사용 충방전 순환수명은 1만 5,000회다. 슈퍼 커패시터의 사용수명은 축전지의 25-100배이다. - 충방전 효율이 높다. 10분 동안 충전하면 정격 용량의 95% 이상에 이를 수 있으며, 대전류 방전능력이 강하고 에너지 전환률이 높다. - 안전하고 친환경적이다. 제품은 양호한 고/저온 성능과 환경 적응성을 지니고 있으며, 사용온도 범위는 -40℃-70℃이다. 과충전이나 단락이 치명적 원인이 되지 않으며, 사용하기 안전하다. 제품은 오염물을 배출하지 않는다. - 가격대비 성능이 뛰어나다. 순수전기자동차의 전체 수명에 드는 비용은 리튬이온전지의 3분의 1에 불과하다. 이로써 전기자동차의 종합운영비가 축전지보다 훨씬 적게 든다. 한 세트의 전원이 차량 4대의 연속 사용에 공급할 수 있는데, 리튬이온전지의 종합비용보다 80% 이상 절감이 가능하다. 톈진시 과학기술위원회의 전문가 검증결과, 고에너지 니켈-탄소 슈퍼 커패시터 기술은 선진국 수준이다. 저우궈타이 원사 연구팀은 난처(南车)그룹과 공동으로 고에너지 니켈-탄소 슈퍼 커패시터 순수전기버스를 개발했으며, 톈진이치쌰리(天津一汽夏利)공사 및 톈진숭정(天津松正)전기자동차유한공사와 공동으로 C급 플랫폼 고에너지 니켈-탄소 슈퍼 커패시터 승용차를 개발했다. 제품은 또한 순수전기중형버스, 전기자전거, 휴대용 적외선 조사장치 등 제품에도 시범적으로 사용되었다.

중국, 에너지시장판도 바꿀 셰일가스 개발에 착수

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중국에서 그동안 큰 기대가 걸린 셰일가스 채굴전망이 밝아지고 있다. 우선 6월 셰일가스 ‘제12차 5개년 규획’(12.5규획)이 작성되어 국무원에 보고되었으며, 7월 상순 중국 최초의 셰일가스 입찰결과가 발표되었다. 8월 초에는 스촨성에 위치한 중국의 첫 셰일가스 수평정이 시험채굴을 개시함으로써 중국은 셰일가스 개발에 착수했다. 셰일가스(Shale Gas)는 혈암(Shale Rock)층에서 채굴된 천연가스의 일종이다. 혈암은 정수 속에서 형성되며, 진흙과 모래의 장기적인 침전과정을 거쳐 대량의 석유와 가스 자원 등을 함유하고 있다. 중국이 2000년부터 에너지개발 역량을 확대한 이래 환경오염사건이 지속적으로 발생하고 있다. 스촨성 카이현(开县)지역의 갑작스런 천연가스정 분출사고, 최근 사태가 점점 심해지고 있는 보하이만 오일유출사건에 대해 업계 인사는 엄격한 관리조치가 따르지 않고서는 셰일가스 개발의 미래가 그다지 밝아 보이지는 않다고 우려의 목소리를 내비쳤다. □ 셰일가스 혁명 현재 미국은 확보하고 있는 기술로 추출할 수 있는 셰일가스자원이 23만㎥이다. 미국의 50개 주 가운데 48개 주가 셰일가스자원을 확보하고 있으며, 특히 텍사스의 셰일가스전 채굴수명이 80-100년이 된다. 중국의 셰일가스 매장량은 15-30만㎥로 미국 다음이다. 실제상 중국은 1950년대에 이미 셰일가스 대량 채굴에 나섰으며, 생산량은 중국 석유 생산량의 과반수를 차지했다. 그 후 다칭(大庆)유전의 발견으로 비용이 많이 드는 셰일가스 채굴을 포기하였다. 21세기 이래 기술의 진보, 원유가격의 상승으로 많은 동북지역은 재차 셰일가스프로젝트를 가동했다. 미국이 셰일가스 개발에 본격적으로 나서자 중국도 이를 따랐다. 페트로차이나(CNPC)와 시노팩, 그리고 국토자원부는 2004년 이래 스촨성을 중심으로 하는 분지 내에서 셰일가스 탐사를 진행하고 대량 성과를 거두었다. 올해 6월 발표된 <국토자원 ‘12.5’규획 강요>에 의하면, ‘12.5’규획기간 신규 증가 셰일가스가 6,000억㎥에 달할 전망이다. 중국이 실질적인 개발단계에 진입하지 않았으나 셰일가스에 대한 태도는 세계적인 주목을 모으고 있다. 러시아과학원 에너지연구소 관계자가 최근 기자 취재 시 중국이 미국으로부터 셰일가스 채굴기술을 도입한 데 대해 관심을 기울이고 있다고 밝혔다. 중국이 성숙된 셰일가스 채굴기술을 장악하기만 하면 러시아로부터 천연가스를 수입하는 적극성이 저하될 것이라는 지적이다. 현재 중국과 러시아는 다국적 천연가스 파이프라인의 가스공급 가격문제를 놓고 인식의 일치를 가져오지 않은 실정이다. □ 미국의 기술원조 필요 중국은 최근 오염물방출감소 압력으로 천연가스 사용을 추진하고 있다. ‘12.5’기간 천연가스 소비비율이 2배 증가하여 현재의 에너지소비구조에서의 점유율 4%에서 8%로 향상될 전망이다. 중국은 거대한 천연가스 부족난을 해결하기 위해 여러 갈래의 다국적 천연가스 파이프를 부설하고, 액화천연가스 수입량을 늘리고 있다. 올해 상반기 중국의 천연가스 소비량은 전년 동기대비 22% 증가한 734억㎥이며, 수입량도 같은 증가율을 보였다. 중국의 천연가스 생산능력이 2020년 2,200억㎥에 달하겠지만 50%를 더 수입해야 한다. 왜냐하면 이 시기 중국의 천연가스 소비량이 4,500억㎥로 예상되기 때문이다. 이에 대비해 중국이 셰일가스 개발에 큰 기대를 걸고 있고, 또 페트로차이나(CNPC)와 시노팩이 상당히 많은 투자를 하고 있으나 중국의 셰일가스 개발은 초기발전단계에 있기 때문에 대규모 상용개발과는 거리가 멀다고 가우스셴(高世宪) 국가발전개혁위원회 에너지경제 및 발전전략연구센터 주임이 지적했다. 중국은 성숙된 셰일가스 채굴기술을 파악하지 못했다. 이 기술은 주로 다국적 석유기업 셸(Shell), 셰브론 등의 수중에 장악되어 있다. 중국은 셰일가스 채굴기술 분야에서 경험이 부족하여 해외 원조를 받아야 한다. 미국은 1980년대 중기 이래 셰일가스 대규모 개발을 진행하여 현재 방대한 매장량을 확보하고 있는 외에도, 세계에서 셰일가스 채굴기술이 가장 뛰어나다. 2009년 11월 중미 양국이 발표한 에너지안전협력 공동성명에서 셰일가스 공동개발이 핵심 사안으로 떠올랐다. 당시 양국은 <미국 국무원과 중국 국가에너지국의 중미 셰일가스자원업무와 관련한 행동계획>을 체결했다. 구체적으로 미국의 셰일가스 채굴 분야 경험을 도입하여 중국의 관련 법률과 법규에 부합되는 전제 아래 셰일가스자원 평가, 탐사개발기술, 관련 정책 분야에서 협력하여 중국의 셰일가스자원 개발을 촉진시킨다는 내용이다. 업계 인사는 중국이 미국으로부터 셰일가스 채굴기술을 도입함에 있어 많은 저해를 받지 않을 것이라고 예상하고 있다. 왜냐하면 중국이 이미 셰일가스 개발을 결심했기 때문에 낮은 이익에 연연하지 않을 것이고, 중국에는 채굴할 자원이 있어 국제에너지시장의 압력을 약화시킬 수 있기 때문이다. 이는 미국에 대해 해가 없이 이롭다. 2010년 12월 페트로차이나는 셸(Shell)과 공동개발에 나선 최초의 셰일가스정이 이미 스촨성에서 시추를 개시했다고 밝혔다. 이는 최초의 중외합작 셰일가스 탐사개발 프로젝트다. 시노팩은 BP와 구이저우성 카이리(贵州凯里), 수베이 황치아오(苏北黄桥) 등지에서 셰일가스 공동채굴에 착수했다고 전했다. □ 채굴에 따른 환경오염문제 대두 중국이 셰일가스 혁명에 열중하고 있을 때, 미국은 유사 이래로 가장 강한 질의를 받고 있다. 2011년 미국 여론은 셰일가스 채굴이 환경오염을 조성한다고 지적했다. 미국의 한 지방에서는 공익 소송까지 갔다. 미국이 이러한 곤경에 처했는데, 환경기준이 미국보다 낮은 중국이야 더 말할 나위가 없다. 핵심 수압파쇄기술의 경우, 셰일가스 채굴에서 가장 큰 문제가 물 주입이다. 지하 심층 혈암이 치밀한 틈 사이에서 가스를 추출하려면 대량 물 주입을 필요로 한다. 중국처럼 수자원이 부족한 국가로서는 아주 큰 도전이다. 물이 많은 지역인 스촨성에서 채굴한 셰일가스도 주위환경에 오염을 조성할 수 있다고 순융샹(孙永祥) 국무원 발전연구센터 유럽아시아연구소 연구원이 지적했다. 많은 국가들은 물, 모래흙, 화학용품을 전부 혼합해 지하폭발을 일으켜 암석을 파쇄하고, 방출되는 가스는 지하수원에 오염을 조성할 수 있다고 우려하고 있다. 2011년 2월 셸이 남아프리카 카루분지에서 셰일가스를 탐사하면서 현지 주민들의 항의를 받은 것이 가장 대표적인 사례다. 중국의 셰일가스 채굴은 현재 초기발전단계에 놓여있기 때문에 많은 문제를 단시일 내에 해결할 수 없다. 환경 리스크 문제는 물론이고, 가장 시급한 것이 가격문제이다. 셰일가스는 천연가스에 비해 채굴비가 높다. 게다가 중국의 천연가스 가격은 세계 행보를 같이 하지 않고 있다. 셰일가스 사용이 천연가스가격에 압력을 조성하지만 가격인상은 결코 쉬운 일이 아니다. 모순이 많지만 미래 5년 개발의 전략적 계획이 이미 적성된 실정에서 기술협력을 가속화하는 수밖에 없다. 기술협력에서도 누가 자원을 소유하는지, 민영개입을 허용하는지와 같은 복잡한 점이 많다. 신에너지로서의 셰일가스는 관리상에서 쉽게 혼동을 초래할 수 있다. 석유가스가 국가 것이라면 셰일가스는 지방이 관리하는지, 아니면 중앙이 관리하는지? 중국의 셰일가스는 반드시 개발은 해야 하나 상상하는 것처럼 빠를 수 없으며 과정이 필요하다. □ 셰일가스 개발의 필요성 중국에서 셰일가스 개발은 중대한 전략적 의미를 지닌다. 깨끗한 저탄소 셰일가스는 천연가스 공급 증가, 에너지구조 고도화, 오염물배출 감소를 추진하게 된다. 2010년 중국 내 천연가스의 1차 에너지 소비 중 비율은 4.0%이며, 이 시기 세계 평균치는 23.81%로 중국의 6배 수준이다. 중국이 이 비율을 2020년 9%, 2030년 12%로 끌어올리려면 천연가스 소비를 배로 늘려야 한다. 따라서 셰일가스자원에 대한 탐사, 개발과 이용을 추진하는 것은 중국 경제사회 발전에서의 청정에너지 수요 충족, 온실가스 배출 통제, 국민들의 에너지사용 환경개선에 대해 중대한 의미를 지닌다. 중국 정부는 현재까지 전국의 셰일가스 자원에 대한 체계적인 탐사 및 평가 작업을 실행하지 않은 상황이다. 하지만 여러 분야의 초보적인 평가 결과에 따르면, 중국의 셰일가스자원은 매우 풍부하며 분포가 넓고 개발 잠재력이 매우 큰 것으로 드러났다. ‘미국 에너지 정보성(EIA)’이 지난 4월 전 세계 32개 국가의 셰일가스 분지 48개에 대한 자원평가 결과, 중국 내 셰일가스자원의 지질 축적량은 100조㎥이고, 채굴가능한 자원량은 36조㎥인 것으로 나타났다. 중국의 셰일가스자원은 매장조건이 미국에 비해 복잡하고 셰일가스 채굴작업 비용이 미국에 비해 높겠지만, 토지 사용료가 낮고 설비 국산화 수준이 높으며, 전문 서비스 및 인력 비용이 낮은 이점을 감안하면 종합채굴비가 미국보다 낮아 상용화 전망이 밝을 것이라는 게 중국 전문가들의 관측이다. 중국은 셰일가스 채굴기술 및 설비 분야에서 일정한 기반을 보유하고 있으며 앞으로 국제협력과 독자적인 혁신을 추진하여 세계 선진수준에 도달할 수 있게 될 것이라고 중국 내 전문가들은 분석하고 있다. 중국은 시추기, 수압파쇄설비, 지하작업설비 등 관련 설비의 개발 및 제조 분야에서 강한 기술력과 생산력을 보유하고 있으며, 중국 내 회사가 개발한 시추설비는 이미 미국에 대량 수출되어 셰일가스 개발에 응용되고 있는 실정이다. 중국산 고출력 수압파쇄펌프는 효율이 낮고 원가가 높은 난제를 해결했다. 중국은 현재 시스템 전체 기술과 부분적인 보조 장비 분야에서 선진국과 격차가 존재하고 있지만 향후 대량의 응용실천을 통해 해결될 것이라 게 중국 내 전문가들의 분석이다. 미국의 셰일가스 기술이 여러 중소형 회사들에 분산되어 있는데 중국은 이런 회사들과의 기술협력 혹은 인수합병 방식을 통해 기술능력을 보유할 수 있게 될 것으로 전망된다. □ 정부의 개발조치 향후 중국 정부는 셰일가스자원 개발을 위해 다음과 같은 조치를 채택할 것으로 전망된다. - 셰일가스자원 개발 및 채굴권 관리제도 구축 - 셰일가스자원을 제품화한 후 관련 제품의 시장진입 제도 확립 - 셰일가스 종합개발응용 및 시범테스트공정 실시 - 셰일가스자원 개발과정에서 지하수, 지질, 토양, 생태 분야 감독관리 제도 구축 - 셰일가스자원 개발모델과 응용모델의 혁신 추진 - 셰일가스자원 개발과 상용화 과정에서 필요한 핵심기술 난제 해결을 중점적으로 추진 - 셰일가스자원 관련 지질학적 연구 및 조사작업을 추진하고, 셰일가스자원의 분포법칙과 역할 메커니즘 연구 추진 - 현재 적용되고 있는 ‘석탄층가스자원 개발에 대한 국가지원정책’을 셰일가스자원 개발 분야에 활용하고, 셰일가스 채굴에서의 자원세, 부가가치세, 소득세 감소 및 면세 정책을 제정하여 업체들로 하여금 셰일가스자원 개발에 적극 투자하도록 하며, 셰일가스자원 개발에서의 원가절감을 적극 추진 <참고> 셰일가스 시추기술 혁신으로 인해 북미지역의 천연가스시장이 요동을 치고 있다. 과거 기술적, 경제적 이유로 존재감이 희박했던 셰일가스가 수평정 시추기술과 수압파쇄법의 적용으로 에너지시장의 신데렐라로 떠올랐다. 셰일가스 개발 확대를 통해 천연가스 가격의 안정화, 자원의 무기화 방지, 천연가스 활용에 대한 재평가가 일어날 것으로 전망된다. 셰일가스 생산이 확대되면서 에너지 시장뿐 아니라 석유화학 산업에도 파장이 커지고 있다. 북미의 석유화학 기업들이 기지개를 켜고 있는 가운데 셰일 가스 상당량을 보유한 중국 내 기업들의 부상이 예견되고 있다. 중국도 가스 개발로 석유화학제품 자급률이 높아질 전망이다. 이는 중국에서 수출이 편중된 국내 업체들의 잠재적인 리스크다. 중국은 미국보다 회수 가능한 셰일가스 매장량이 1.5배나 많다. 이런 셰일가스 생산은 2015년이나 그보다 더 빨리 가시화될 것으로 관측되고 있다.

2016년 첨단설비의 중요성과

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만약 장비제조업이 제조업 중심이고 국민경제 기둥산업이라면, 첨단설비 제조업은 첨단제조업의 주요 부분으로서 산업사슬의 핵심부분이다. 최근, 대형 항공기, 항공기 엔진 및 가스터빈, 고급 디지털 기기와 기초 제조설비 및 일반 항공기 과학연구, 첨단기술 선박 과학연구, 스마트 제조 등 혁신과 산업화 전문프로젝트 실행을 통하여 2016년 일련의 대표적이고 선도성이 강한 첨단설비 연구제작은 중요한 발전들을 이룩하였다. 1) 사명을 지닌 우주 설비 2016년 12월 25일, COMAC(Commercial Aircraft Corporation of China Ltd,) C919 항공기의 첫 시험비행이 시작되었다. 현재 C919 대형 여객기는 대부분의 지상실험을 완성하였고 2018년에 첫 비행을 할 예정이다. C919 중형 여객기는 혁신형 국가를 건설하는 대표적 프로젝트로서 완전한 독자적 지식재산권을 보유하고 있다. 그 외, 중국 대형 여객기 엔진의 프루프 머신(proof machine)은 초기 설계단계에서 세부 설계단계로 진입하였다. 14년 간 노력을 거쳐 중국은 처음으로 글로벌 안전 감항능력(airworthiness)에 근거하여 두 대의 ARJ21-700 신형 터보팬 지선운항 여객기(feeder liner)를 제작하였고 정식으로 상업용 운영에 투입하였다. 이는 중국 대형 일반 항공기 '3스텝'의 첫 걸음을 의미하고 있다. 2) 국가의 네임카드, 궤도교통설비는 발전 개척자 리커챵(李克强) 총리는 CRRC ZHUZHOU LOCOMOTIVE CO. LTD.를 방문할 때, 중국 장비의 글로벌화에서 철도차량(rolling stock)이 대표작이라고 밝힌 적이 있다. 2016년, CEMU(China Standard EMU Train)는 세계 첫 번째 420km/h의 교차실험에 성공하였고 여객수송 실험을 진행하였다. 160km/h 도시 간 준고속열차(Intercity EMU Train)는 심사를 마치고 제조허가를 받았다. 2025년까지, 중국 궤도교통설비 제조업은 완전하고 지속적인 혁신능력을 구비한 혁신시스템을 형성해야 한다. 주요 제품은 세계 첨단수준에 달해야 하고 국외 사업 비중은 40%에 달해야 하며 서비스업은 20%를 넘겨 세계선도 현대화 궤도교통설비 산업시스템을 구축하고 세계 산업사슬의 상위에 위치한다. 3) 기술수준 향상, 에너지절약과 신에너지 자동차 산업의 발전 규범화 시진핑(習近平) 주석은 "신에너지 자동차 발전은 중국이 자동차 대국에서 자동차 강국으로 발전하는 필수 경로이다."고 지적하였다. 1월 14일에 개최된 '전기차 백인회 2017년 포럼'에서 공업정보화부 먀오웨이(苗圩) 장관은 "현재 중국 신에너지 자동차 산업 규모는 세계 선두에서 달리고 있고 기술수준도 향상되었으며 산업시스템은 구축되었고 기업 경쟁력도 현저히 향상되었다."고 밝혔다. 성루이(盛瑞)유한회사와 베이징우주항공대학에서 성공적으로 세계 첫 번째 FF(Front-engine Front-wheel drive layout) 8AT(automatic transmission)를 제작하였는데 이는 2016년 국가 과학기술 발전 1등상을 수상하였다. 먀오웨이 장관의 소개에 의하면, 향후 정층설계에 대하여 공업정보화부는 「자동차 산업 중·장기 발전계획」을 편성하였고 향후 10년 발전방향, 주요 목표, 중점 임무와 정책적 방향을 제기하였다고 한다. 계획에서 제기한 목표를 실현하기 위하여, 정책적 시스템을 완비하고 표준체계 구축을 강화하며 법률법규를 완비하고 연구개발에 대한 지원을 강화해야 한다. 또한 충전 인프라 건설을 추진하고 글로벌화 발전을 독려하며 스마트 그리드 연결 자동차 등을 발전시킨다. 4) 해양 공략, 장비 선행 선박공업은 수상 교통, 해양자원 개발 및 국방 건설에 기술설비를 제공하는 현대 종합과 전략적 산업이고 국가가 첨단설비 제조업을 발전시키는 중요한 구성부분이며 국가에서 해양강국 전략을 실행하는 기초와 중요한 기반이다. 2016년, 중국 해양공학 설비 및 첨단기술 선박은 큰 발전을 이룩하였다. 독자적으로 연구제작한 '하이더우(海鬪)'호 무인잠수기는 10,767미터의 최대 잠수기록을 달성하여 일본, 미국에 이어 3번째로 만 미터급 무인잠수능력을 구비한 국가로 되었다. 세계 첫 번째 극지 모듈수송선박이자 10만 톤급 반잠수형선박(Semi submersible ship)의 제작을 완성하고 교부하였다. 해양강국을 건설하려면 중국은 반드시 독자적 제어가능 장비시스템을 구축해야 하고 해양공학설비와 첨단기술 선박 등 첨단설비의 독자적 연구제작 능력을 마스터해야 한다. 5) 전력장비, 공업발전에 대한 에너지 장비의 기여 전력장비는 안전하고 안정적인 에너지 공급과 지속적이고 건전한 국민경제 발전 기초이다. 최근, 독자적 지식재산권을 보유한 대형 발전기설비, 특고압 송전/변전 설비, 스마트 그리드용 설비 등을 대표로 한 전력설비들은 이미 글로벌 첨단수준에 달하였다. 그 중 대표적인 것은 세계 최초 백만kW 초초임계 2차 가열 화력발전기, 세계적으로 전압 레벨이 가장 높고 수송 용량이 가장 크며(1,200만kW) 수송거리가 가장 먼 직류송전 프로젝트 건설(완성률 40%) 등이다. 6) 스마트 제조, 디지털 기기와 로봇의 고지 선점 '중국제조2025'는 디지털 기기와 기초제조설비를 "가속화 발전의 전략적 필수 영역"에 포함하였다. 2016년 중국 고속/고효율/정밀, 복합/스마트형, 빅 적재량/빅사이즈 디지털 기기 등 새로운 제품들이 중점 응용영역에 진입하였다. 그 중 정밀화 디지털 기어 연삭기, 정밀/고효율/복합 디지털 연삭기, 다축제어/정밀 대형기기 등 제품들은 세계 첨단수준에 달하였고 우주, 항공, 선박, 자동차, 발전설비제조 등에 설비보장을 제공하였고 기기공업 발전을 추진하였다. 동시에 다중통로, 다축 연합 등 고성능 디지털 시스템의 시리즈제품도 국외 기업들의 독단현상을 종료하였다. 그 주요 기술지표는 글로벌 주류 고급 디지털 시스템수준에 달하였다. 로봇은 스마트 제조장비의 주요 구성부분으로서 전략적 발전기회를 맞이하였다. 선양(瀋陽)신숭(新松)에서 첫 번째 플렉시블 로봇, 양팔 로봇 등의 연구제작에 성공하였다. 7) 바이오기기, 첨단 의료설비 발전 추진 '중국제조2025'는 바이오의약 및 고성능 의료기기를 중점발전 10대 영역 중 하나로 선정하였다. 2016년 11월 15일, 첫 번째 독자적으로 연구제작한 세계 첨단 112링 디지털 광가이드 PET-CT는 3A급 병원(3A grade hospital) 임상에서 사용되기 시작하였고 상하이 롄잉(聯影)에서 독자적 지식재산권을 보유한 112링 디지털 광가이드 PET-CT, 실시간 mrCT 등은 국내 첫 연구제작을 실현하였다. 정형외과 수술로봇기술은 이미 세계 첨단수준에 달하였고 이미징설비의 핵심 부품 FPD(flat panel detector)는 국산화를 실현하였다. 2016년 5월 30일, 시진핑 주석은 전국 과학기술혁신대회, 중국과학원·중국공정원 원사대회, 중국과학기술협회 제9차 전국대표대회에서 첨단 의료설비의 수입 의존현상은 병원비용이 높은 원인 중 하나라고 지적하였다. 중국 첨단의료기기를 발전시켜 중국 브랜드를 향상시키고 첨단 의료기기의 수입 의존현상을 벗어나는 것이 '중국제조 2025'의 최종목표이다. 8) 곡물 안전, 첨단 농업용 기기로 보장 농업용 설비는 농업 생산 효율을 향상하고 자원의 유효적인 이용을 실현하며 농업의 지속가능한 발전을 추진하는 필수적 도구이다. 이는 국가의 곡물 안전을 보장하고 농업적 생산량을 증가하며 시골 발전을 추진하는데 중요한 작용을 한다. 2016년 중국 260마력(horsepower) 변속 트랙터와 10kg/s 곡물 수확용 기기는 시장에 진입하였다. 목화, 토마토, 사탕수수, 땅콩 등 경제작물의 수확기기는 국내 수요를 만족시켰다. '중국제조2025'의 중점 발전 10대 영역 중 하나로서 농업용 설비제조는 첨단 농업장비의 안전성, 신뢰성, 적응성 등 기술적 난제를 대상으로 디지털화, 스마트화 기술과 농업장비의 융합을 추진하며 농업생산의 자동화, 스마트화, 전문화 실현을 목표로 한다. 또한 첨단적이고 오염물 배출이 적으며 오염정도가 낮고 효율적인 친환경 농업기기 제품을 매개체로 농업기기 제품의 정보수집, 스마트한 결정과 정밀작업 능력을 향상한다. 그리고 현대 농업 생산 수준을 향상하는 동시에 농업생산 기초 작업, 서비스, 정보 등 다원적 지원과 해결방법도 추진하고 농업장비산업의 레벨업을 도모하고 농업설비 제조강국으로 발전하도록 한다.

액체금속, 바이오의학 분야의 새로운 재료학 개척

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최근, 중국과학원 물리화학기술연구소 저온생물·의학실험실 및 칭화대학교 의학대학으로 구성된 류징(劉靜) 교수 연구팀은 최초로 액체금속 생물의학 재료학이라는 이 새로운 영역을 체계적으로 제안하고 구축하여 액체금속의 새로운 응용분야를 개척하였으며 또한 학술 잡지 "국제재료학평론"에 특집 논문을 발표하였다. 액체금속은 물리화학적 성질이 아주 독특한 새로운 기능성 물질이다. 기존에 과학자들은 주로 액체금속의 반도체, 로봇 제조 등 분야의 응용에 대하여 관심을 가졌지만 중국 과학자들은 연구를 거쳐 액체금속의 새로운 응용 분야를 개척하였다. 연구팀은 액체금속 분야에서 장기적으로 대량을 연구를 진행하여 최초로 아주 많은 새로운 과학 현상, 기본 효과 및 혁신적 응용 경로를 규명하였으며 광범위한 분야에서 전면적인 성과를 거두어 많은 첨단기술 산업의 형성 및 발전을 추진하였다. 예를 들면 연구팀이 최초로 개발한 액체금속을 이용한 신경연결 및 복원기술은 세계 학계로부터 "놀라운 의학 성과"라는 평가를 받았다. 최근 연구팀은 연구 과정에서 액체금속은 말초 손상 신경을 연결하는 면에서 독특한 효과가 있다는 것을 발견하였다. 액체금속을 밀폐·포장한 실리카겔 튜브와 생쥐의 손상된 좌골신경 양끝을 봉합하여 신호전달경로를 구축한 후 일련의 전기·생리학적 실험을 진행한 결과, 액체금속으로 수술치료한 후의 생쥐는 대조 그룹에 비하여 근육위축 현상 발생이 2개월 지연되었다. 이러한 연구 결과는 액체금속이 신경 복원에서의 가치와 잠재력을 한층 더 입증한다. 연구팀은 또한 베이징 셰허(協和)병원과 공동으로 최초로 피부 표면 액체금속 기반의 전기회로가 전도하는 저전압 전기학 효과로 악성 흑색종을 효과적으로 치료할 수 있다는 것을 입증하였다. 해당 방법은 액체금속 기반의 유연성 전자학으로 종양을 치료하는 방법 구축을 추진할 것이며 향후 흑색종 치료 전자 패치를 발명하여 "반창고"를 붙이는 것과 유사한 방식으로 흑색종을 치료할 수 있을 것으로 전망된다. 연구팀은 액체금속 혈관조영술, 액체금속 혈관 색전에 의한 종양 치료기술, 알칼리 금속 유체 열화학적 용해에 의한 종양 치료법, 주사식 고체-액체 상전이형 저융점 금속 골시멘트, 액체금속 유연성 외골격 기술, 프린팅 타입의 액체금속 유연성 방사선 방어 기술, 주사식 삽입 가능한 의료 전자 기술, 인체 피부 표면 전자 전기회로 액체금속 직접적 플린팅 성형 기술 등 액체금속의 생물의학 재료 분야 응용에서 독창성 성과를 거두었으며 현재 중국은 액체금속 연구 분야에서 세계 앞자리를 차지하고 있다. 액체금속은 점차적으로 많은 분야에 응용되고 있으며 액체금속이 생물의학에서의 응용 가치가 점점 뚜렷해지고 있다. 액체금속이 생물의학 재료학에서의 응용은 중대한 의학 어려움을 해결하는데 새로운 아이디어와 경로를 제공할 전망이며 혁신성 의료기술 시스템구축을 추진할 것으로 전망된다.

상하이유기화학연구소, 푸란-티오펜 퀴논식 n-형 고성능 유기반도체 재료

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최근, 중국과학원 상하이유기화학연구소 유기기능분자합성·조립화학중점실험실 리훙샹(李洪祥) 프로젝트팀은 새로운 고성능 유기반도체 재료분야에서 일련의 성과를 거두었다. 고성능 유기반도체 재료는 유기광전소자의 핵심 구성부분이며 유기광전소자의 응용 토대이다. 리훙샹 프로젝트팀은 기존의 티오펜 퀴논식(Thiophene quinone) n-형 유기 반도체에 대한 연구(Chem. Mater. 2011, 23, 1204; Adv. Funct. Mater. 2013, 23, 2277; Chem. Mater. 2014, 26, 5782)를 기반으로 티오펜 퀴논식 분자에 푸란(Furan) 구조단위를 도입하여 최초로 푸란-티오펜 퀴논식 n-형 유기반도체 분자를 합성하였다. 해당 화합물은 높은 전자 이전율을 나타냈는데, 해당 용액법으로 제조한 트랜지스터 디바이스의 이전율은 최대로 7.7 cm2/Vs에 달하였다. 단결정 구조 및 박막 XRD 검사 결과, 푸란-티오펜 퀴논식 분자는 박막에서 면대면(face-to-face)의 π-π 퇴적을 보유하고 있었으며 또한 π-π 퇴적 방향은 운반체 수송 방향과 일치하였다. 해당 결과는 푸란-티오펜 퀴논식 분자는 일종의 양호한 고성능 n-형 유기 반도체(Advanced Materials, 2016, 28, 5949)임을 의미한다. 도너-억셉터 공액 고분자(Donor acceptor conjugated polymer)는 일종의 중요한 고분자 반도체이며 우수한 억셉터 구조 단위의 부족은 새로운 고성능 도너-억셉터 고분자 반도체 발전의 병목이다. 프로젝트팀은 기존의 고성능 티오펜 이미드(Thiophene imide) 고분자 반도체에 대한 연구를 기반으로 비스말레이미드(Bismaleimide) 고분자를 합성하였다. 전기화학 및 흡수스펙트럼 검사 결과 해당 고분자는 유기 트랜지스터 및 유기 태양전지에서 잠재적 응용가치가 있었다. 용액 방법을 통하여 구축한 박막 트랜지스터 테스트 결과 해당 박막 소자는 고성능의 쌍극성 운반체 수송 특성을 나타냈는데, 최고 전자/정공 이동도(Electron / hole mobility)는 1.02/0.33 cm2/Vs에 달하였다. ITO/PEDOT: PSS/Polymer: PC71BM/Ca/Al 구조 기반의 태양전지 특성을 검사한 결과 비스말레이미드 고분자 전지는 높은 개로 전압 및 광전 변환 효율을 갖고 있는데, 해당 개로 전압은 약 1.0 V이고 전지의 광전 변환 효율은 6.46 %에 달할 수 있다. 이러한 결과는 비스말레이미드가 일종의 우수한 다기능 억셉터 구조 단위(Adv. Funct. Mater. 2016, DOI: 10.1002/adfm.201604286)라는 것을 말해준다.

베이징대학교, 5nm 초소형 탄소나노튜브 트랜지스터 개발

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최근, 베이징대학교 정보과학기술대학 펑롄마오(彭練矛) 및 장즈융(張志勇) 프로젝트팀은 최초로 5nm 선폭의 고성능 탄소나노튜브 트랜지스터를 제조하여 탄소나노튜브 전자학 분야에서 세계 수준의 성과를 확보하였다. 해당 탄소나노튜브 성능은 동일 사이즈 실리콘계 CMOS(상보성 금속 산화물 반도체)의 전계효과 트랜지스터를 초월함으로써 트랜지스터 성능을 이론한계까지 도달시켰다. 메인스트림 실리콘계 CMOS 기술은 사이즈 축소의 제한을 받고 있다. 20여년 동안 과학계·산업계에서는 다양한 신소재 및 새 원리의 트랜지스터 기술을 탐구하였지만 10nm인 새 CMOS 소자를 개발하지 못했다. 펑롄마오 프로젝트팀은 10여년 동안 연구를 거쳐 무도핑 제조방법을 개발하여 10nm 탄소나노튜브 상층 게이트(Top gate) CMOS 전계효과 트랜지스터를 제조하였다. 해당 트랜지스터의 p형 및 n형 소자는 더욱 낮은 동작 전압(0.4V) 조건에서 성능이 기존의 가장 우수한 실리콘계 CMOS를 초과하였다. 최근, 연구팀은 또 사이즈 축소 공법 제한성을 극복하여 5nm 선폭 탄소나노튜브 트랜지스터를 성공적으로 개발하였다. 연구팀은 탄소나노튜브 CMOS 소자의 비교 우위 및 성능 잠재력을 전면적으로 비교하였다. 연구 결과, 동일 선폭의 실리콘계 CMOS 소자에 비해 탄소나노튜브 CMOS 소자는 약 10배의 속도·동적출력 손실 종합 우위를 나타냈으며 또한 더욱 양호한 축소 가능성을 보유하고 있다. 연구팀은 또한 소자 전체 사이즈의 축소 및 이에 따른 소자 성능에 대한 영향을 연구하여 탄소튜브 소자의 접촉 전극 길이를 25nm로 감소시켜 성능을 보증하는 조건에서 전체 사이즈가 60nm인 탄소나노튜브 트랜지스터를 구현하였으며 또한 전체 길이가 240nm인 탄소튜브 CMOS 인버터를 개발하였는데 이는 현재 가장 작은 나노 인버터회로이다.

준1차원 그래핀 나노구조 이론연구 최신성과

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최근 중국과학원 합비(合肥)물질과학연구원 고체연구소 계산재료과학연구실의 정즈(曾雉)연구원이 이끄는 과제팀은 수소화 그래핀(그래판 나노무늬 GNS 포함)의 전자구조(에너지밴드구조, 자성 등)와 동력학 안정성 연구에서 새로운 성과를 올렸다. 연구진은 이러한 실험현상을 성공적으로 모사(simulation)하고 해석하였으며 창의적인 부품제조방안을 도출하였다. 2004년에 그래핀(단일 원자층 흑연)이 발견된 이후 학계와 산업계는 광학부품, 전자부품, 바이오기술 및 고분자 복합재료 분야에서의 응용에 대해 낙관적으로 전망하고 있다. 그래핀 트랜지스터는 중요한 응용분야에 속하는 것으로, 현재 그래핀 나노벨트를 채택하여 FET의 기능 실현이 가능해졌다. 하지만 플라즈마식각 실험제조과정에서 그래핀 나노벨트의 가장자리가 고에너지 플라즈마의 충격으로 인해 평평하지 못하고 게다가 그래핀 나노벨트 가장자리에 연결된 화학결합의 활성이 매우 높은 관계로 외부 기능단의 가장자리에서의 흡착을 제어하거나 예측하기가 매우 힘들다. 그밖에 기판과의 상호작용 역시 매우 많은 부정적인 영향을 미치게 된다. 따라서 그래핀 나노벨트를 이용해 그래핀 트랜지스터를 실제응용하기 위해서는 극복해야 할 난제가 많다. 정즈연구원이 이끄는 과제팀은 수소화그래핀의 전자구조와 동력학 안정성 연구에서 창의적인 성과를 올렸고, 이러한 실험현상을 성공적으로 모의하고 해석하였으며, 창의적인 부품설계제조방안을 도출하였다. 박사생 황량펑(黄良锋)등은 체계적인 밀도 범함수의 값 계산과 간단한 이론모형과 결합시켜 양자제한효과, 가장자리상태 내부전자상호작용 및 가장자리상대 간의 전자상호작용이 그래판 나노무늬(그래핀 나노벨트)의 에너지갭과 자성에 대한 각자의 기여도를 해석하였다. 연구진의 이러한 예측은 최근 일부 실험측정 결과와 일치한 것으로 나타났다. 그래핀/그래판 계면의 수소흡착 원자동력학 안정성에 대한 모사를 통해 연구진은 그래판으로 가장자리가 매우 평평한 그래판 나노무늬를 식각해낼 수 있으며 동시에 이러한 그래판 나노무늬가 일반 조건에서 매우 안정적이라고 주장하고 있다. 이 또한 이론적인 차원에서 동력학적 안정성 분야에서 선호하는 기존의 실험측정결과를 모의/해석하는 작업이기도 하다. 실험적으로 제작한 나노부품의 가장자리는 평평하지 못하기 때문에 나노부품의 품질을 높이기 위해서는 수소의 커버율을 높이는 것이 우선 임무가 되고 있다. 이론 모의를 토대로 연구진은 스캔탐침으로 그래핀 나노무늬를 집중 식각하는 방안을 고안해내었는데, 기판으로 지탱하는 그래판위에서 전자빔을 이용해 고성능, 고안정성, 높은 집중도의 그래판 나노무늬의 전자부품을 식각할 수 있을 것으로 예측된다. 위의 연구는 그래핀의 전자성능을 깊이 이해하는데에 기여를 하였을 뿐만 아니라 그래핀 트랜지스터의 심층 연구과 실제응용에 대해서 중요한 의미를 지니고 있다. 연구결과는 “Frontiers of Physics” 뒷표지 논문으로 발표되었다.

중국 Echo-Enabled Harmonic Generation 자유전자레이저 자극증폭 실현

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중국과학원 상해응용물리연구소의 자유전자레이저 연구진이 세계 최초로 메아리 고조파(Echo-Enabled Harmonic Generation) 자유전자레이저의 자극을 받아 증폭을 실현하였고, 연구논문이 Nature Photonics에 표지논문으로 실렸다(Z.T. Zhao et al., Nature Photonics 6, 360 (2012)). 이 학술지의 같은 호에는 과제책임자를 맡고 있는 자오전탕(赵振堂)연구원을 인터뷰한 내용도 동시에 실렸다. 이는 자유전자 레이저라는 최신 원리를 이용해 실험을 통해 검증된 중요한 성과가 현재 그리고 향후 자유전자 레이저의 발전에 있어서 중요한 의미를 지니며 영향력 있는 연구로서 시사성을 갖는다. 고이득(high gain)자유전자 레이저는 성능이 우수한 제4세대 광원으로, 최근 십몇년간 발전해온 최신 광원에 속하는데, 최대 밝기가 제3세대 같은 급의 방사광원보다 10등급 이상 밝고 펄스 길이가 3~4등급 정도 짧으며, 간섭성이 있다. 지금까지 발표된 high gain 자유전자 레이저의 주요 작업원리를 다음의 몇가지로 분류할 수 있다. 유형1. 자체증폭 자발방사(Self-Amplified Spontaneous Emission,SASE)원리, -2000년 미국 Argonne 국립 연구소에서 실험에 성공(S. Milton et al., Science 292, 2037 (2001) 유형2. high gain 고조파 발생(High Gain Harmonic Generation,HGHG) 원리, -2000년 미국 Brookhaven 국립 연구소에서 실험을 통해 검증(L.H. Yu et al., Science289, 932 (2000), Phys. Rev. Lett. 91, 074801 (2003)) 유형3. 직접 시딩형(Direct Seeding) 원리, -2008년 전후로 프랑스와 일본이 RIKEN/SPring-8실험실에서 공동으로 실험을 통해 검증(G. Lambert, T. Hara et al. Nature Physics 4, 296(2008)) 유형4. 메아리형 고조파발생 (Echo-Enabled Harmonic Generation,EEHG) 원리, -미국 SLAC연구소의 G. Stupakov박사가 2008년에 제출(G. Stupakov, Phys. Rev. Lett. 102, 074801 (2009)) 그 중 유형4의 새로운 자유전자 레이저 원리의 탁월한 장점은 매우 작은 에너지를 제어해서도 매우 높은 고차원 고조파를 발생할 수 있는데, 시딩형 자유전자레이저를 X선 대역으로 확장이 가능한 전혀 새로운 경로를 개척한 것으로, 국제 학술계의 주목을 받았고, 그동안 이론연구, 방안설계와 실험연구가 수행되어왔다. 2010년 상해응용물리연구소와 SLAC연구소가 각각 EEHG 제어메커니즘과 방사에 관한 실험연구에 착수하였다(Z.T. Zhao, D. Wang, et al., Proc. FEL 2010, 15–19 (2010);D. Xiang et al., Phys. Rev. Lett. 105, 114801 (2010)). 자유전자 레이저라는 새로운 원리가 검증되면서 차세대 대형 자유전자레이저과학실험장치가 잇달아 등장되고 있다. SASE원리 기반의 FLASH 소프트 X선 자유전자레이저(독일 DESY, 2006), LCLS 하드 X선 자유전자레이저(미국 SLAC, 2009)와 SACLA 하드 X선 자유전자레이저(일본 RIKEN/SPring-8,2011)를 각각 건설하였고, 이밖에 European XFEL(독일 DESY), PAL XFEL(한국 PAL)와 SwissFEL(스위스 PSI)등도 건설중에 있다. HGHG 원리기반의 FERMI 완전 간섭성 소프트 X선 자유전자레이저(이태리 ELETTRA,2011)도 이미 준공되었고, 중국의 X선 FEL시험장치인 SXFEL와 대련 극자외선 간섭성 광원 DCLS 등도 설계와 건설중에 있다. 이미 준공된 자유전자레이저 사용자장치를 활용해 물리, 화학, 생물, 에너지, 재료, 환경 등 다양한 분야의 세계 일류의 과학자들이 선행연구를 활발히 수행중에 있다. EEHG 새로운 원리의 검증에 성공함에 따라 미래 완전 간섭성 X선 자유전자레이저의 전혀 새로운 기술로드맵을 개척하게 될 것으로 예상된다. 세계 최신 설계한 자유전자 레이저가운데 LCLS-II, NGLS와 SwissFEL 등을 포함하여 EEHG원리에 기반한 소프트 X선 빔의 설계를 토론하기 시작하였다. 중국 상해응용물리연구소는 이 원리를 우선 SXFEL에 응용시킴으로써 국가 완전 간섭성 소프트 X선 광원을 토대로 하는 대형 과학연구기반을 제공해기 위해 힘쓰고 있다.

중국, 희토류 대형 기초과학연구과제 가동

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중국정부가 희토류 대형 기초과학연구과제를 가동하고 희토산업 발전 강화에 나서고 있다. 4월 17일, 북경대학에서 국가 기초과학연구과제인 ‘희토자원의 효율적인 이용과 녹색분리에 관한 과학기초’ 973계획 중대과제 연구 가동식을 가졌다. 이 과제는 희토류 자원개발과 추출 관련 핵심문제에 초점을 맞춘 것으로, 각 지표면에서 기존의 P507 추출제보다 우수한 희토추출제를 선별하는 것이 연구목표이다. 희토류는 재생이 불가능한 전략자원이다. 중국은 전 세계에서 희토자원이 가장 풍부하게 매장된 희토부국이지만, 자원의 종합이용효율이 낮고 희토 추출분리과정에 발생하는 환경오염이 심각하며 고순도 희토제품의 핵심기술은 여전히 해외기술의 제약을 받고 있다. 따라서 고순도화 희토분리추출 신기술을 개발하는 것이 희토산업의 발전과 직결된 시급히 해결할 중요한 과학문제로 대두되고 있다. 이번 과제의 연구내용에는 신규 추출제의 추출성능과 구조-활성관계를 연구하여 신규 추출제 분자설계 모형을 구축하고/ 대표적인 희토광의 구성, 구조와 표면상태 및 선별과 분해에 미치는 영향을 연구하여 효율적인 청정 선별과 분해기술을 개발하며/ 희토 추출의 미시적 과정을 연구하여 계면 열역학 균형과 동력학적 물질전달방정식을 도출해내고/ 미량의 불순물의 희토 고순도화 과정에서의 이동규칙을 연구하여 고순도 희토재료의 제조를 위한 기반을 다진다. 연구목표의 하나로 각 지표면에서 기존의 P507 추출제보다 우수한 희토추출제를 선별하는 것이다. 과제는 총 7개의 서브과제로 구성되는데, 고효율 희토추출제의 분자설계, 합성 및 성능/ 추출과정의 계면분자 및 이온과의 상호작용/ 신규 고효율 추출설비의 설계, 모의/ 복잡한 체계의 캐스케이드 추출이론 및 희토 녹색분리추출공정/ 희토 무수 염화물 및 금속 고순도화과정의 과학기초 등을 포함한다. 북경대학 이엔춘화(嚴純華)교수가 수석과학자를 맡고, 주요 수행기관은 북경대학, 청화대학, 북경과학원 상해유기화학연구소, 장춘응용화학연구소, 동북대학 등이다. 이 과제는 973계획의 A급 과제로 분류되었고, 과제 실시과정에 중대 과학문제에 초점을 맞춰 과학목표를 부각시키게 될 것이며, 과기부 기초연구국이 과제의 진척상황을 직접 추적관리하게 된다.

갈바닉이론을 뒤덮는 가역 환원특성 발견

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최근 중국과학원 고체물리연구소의 우즈쿤(伍志鲲)연구원이 이끄는 연구팀은 나노입자의 특이 화학성능에 대한 연구를 통해 메르캅탄(Mercaptan)으로 보호하던 초소형 금과 은 나노입자(≤ca.3nm)가 가역 갈바닉(anti-galvanic) 환원특성을 지닌다는 점을 발견하였다. 현재 관련 메커니즘과 응용은 연구중에 있다. 이러한 발견은 기존 이론의 정확성 여부에 질의를 제출하였을 뿐 아니라 특수 나노구조 구축 및 성능 제어를 위해서도 간단한 방법을 제공하였다. 갈바닉 환원은 이태리과학자 Luigi Galvani의 이름을 따서 명명한 것으로 대표적인 화학반응에 속한다. 쉽게 말하면 전기화학적 성질이 상대적으로 활발한 금속은 활발하지 않은 금속을 이온상태로부터 환원해내지만, 그 가역과정(활발하지 않은 금속으로 활발한 금속을 이온상태에서 환원해냄)은 자발적으로 발생하지 않는다는 것이다. 예를 들면 금속 Cu로 Ag+를 환원시킬 수 있으나 금속 Ag로는 Cu2+를 Cu로 환원이 불가능하다. 이 법칙은 발견되어서 2백년이 지난 지금까지 정확성여부에 대해 질의를 제출한적 없었다. 특히 나노 붐이 일고 있는 오늘날, 나노 사이즈 범위에서도 이의가 제출된바 없었다. 갈바닉 환원반응은 부식, 전기도금 등 생산과 생활에서 널리 응용되는 외에도, 나노기술에서도 특별히 주목 받으면서 나노구조의 구축이나 나노구조의 구성, 구조 및 특성 제어에서 광범위하게 응용되고 있다. 우즈쿤 연구원이 주도하는 연구팀은 금속이 일정 치수로 작아졌을 때 표면에 전자가 농축되면서 가역 갈바닉환원반응 역시 가능하다는 점을 발견하였다(즉 활발하지 않은 금속으로 활발한 금속을 이온상태에서 환원시킴). 연구팀은 금과 은으로 시험을 하였고, 또 질량분광법, 광전자분광법 등 수단을 통해 추측했던 관점을 입증하였다(그림1). 예를 들면 금의 치수가 일정 치수로 작아졌을 때 은이온과 동이온을 매우 쉽게 0가 금속으로 환원할 수 있다(그림2). 이 발견이 화학학술지 “안게반테 케미(Angewante Chemie International Edition)”에 투고되자 원고심사자의 높은 평가를 받았다. 이 연구논문은 최신호 Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 2934 –2938에 실렸다. 후속연구는 계속해서 진행중에 있으며, 연구결과가 나오면 이러한 특이한 발견을 이해하는데 도움이 될 것이다.