기술동향
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고속자기부상열차의 “동력 심장” 핵심 기술 파악

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.

“창어5호”, “4개 최초”와 “3개 새로운” 기록에 도전

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2015년 9월 8일 베이징에서 개최된 제2회 베이징 달·심우주탐사국제포럼에서 중국은 오는 2017년 전후로 발사 예정인 “창어5호(嫦娥五號)”가 “4개 최초”와 “3개 새로운” 기록을 창조할 것이라 밝혔다. 달탐사프로젝트인 “창어공정”이 2004년에 가동된 후, 중국은 선후로 창어1호, 2호, 3호 달탐사선과 창어5호 시험위성을 발사하였다. 중국은 2017년 전후 창어5호 탐사선을 발사하여 달에서의 샘플 수집, 지구 귀환을 목표를 실현할 계획이다. 이 과정에 창어5호는 처음으로 4개 최초와 3개 새로운 기록에 도전하게 된다. 즉 최초로 달표면에서 샘플을 자동 수집하고 포장, 발사기지가 없는 조건에서 최초로 어센더가 달표면으로부터 발사되고 이륙, 최초로 지구로부터 40만 킬로미터 떨어진 달궤도에서 탐사선과의 무인 랑데부, 도킹을 실현, 최초로 귀환선이 제2우주속도로 지구로 귀환한다는 점과 궤도선(orbiter), 귀환선, 착륙선, 어센더(ascender) 등 4개 탐사선으로 구성된 새로운 탐사선을 사용, 새로운 “창정5호” 운반 로켓을 사용, 새로운 하이난 원창(海南文昌) 발사기지에서 발사된다는 점이다. 현재 중국 과학자는 달샘플의 저장 환경과 설비, 달샘플 처리, 제조 분석 등 준비작업을 진행함으로써, 지구 환경에 의한 오염, 산화 및 수화를 방지하여 원생상태의 달샘플을 중국, 나아가 세계의 과학자들의 심층 연구에 제공하고자 한다.

신 베이더우 우주관측 시스템, 더 정확한 고층기상관측 기능 확보

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2015년 9월 7일, 중국기상국은 새로 개발한 베이더우(北斗) 기상관측시스템이 세계 선진수준에 달하였다고 밝혔다. 이는 우월한 탐측 반복성 수준을 반영하며, 중국의 설계 공법이 날따라 성숙해지고 있음을 의미한다. 베이더우 위성항법 시스템은 중국에서 자체적으로 연구개발하고 독립적으로 운행하고 있는 글로벌 위성항법 시스템이다. 이미 4개 시험위성과 16개 베이더우 항법위성의 발사와 운영을 완성하였으며, 항법 응용범위는 동아시아지역을 포함하고 있다. 2020년에 세계 범위의 시보 업무(time service), 위치결정과 항법 서비스를 실현할 예정이다. 중국기상국은 베이더우 위치결정 시스템의 풍속 측정법에 기반한 신형 라디오존데(radiosonde)를 연구 제조한 후, 라디오존데 온도/습도/압력 센서 전체를 교체하고 베이더우-GPS 혼합항법 모드를 이용하여 고도 및 풍속을 측정하였다. RS92형 라디오존데와의 비교실험을 통하여, 신형 라디오존데의 온도 센서는 진공 스플래시 알루미늄 방사선 방호용 코팅층의 구슬모양 서미스터(Thermistor)를 이용하였고 온도 센서의 지지구조와 방사보정 알고리즘을 개선한 후 그 성능이 뚜렷하게 향상되었으며 전체 불확실성이 0.22℃라는 것을 알 수 있었다. E+E 회사의 습도콘덴서(humicap)를 이용하여 습도 센서의 온도보정 기법을 개선하였다. 압력 센서에는 미국 정밀전자 실리콘 압저항을 사용하였으며, 위성의 위치 높이와 결합하여 압력을 계산하였다. 2가지 위성을 혼합 사용하여 풍향과 풍속 위치를 측정하였다. 중국기상국은 단일 베이더우 항법위성의 위치별 풍속측정 성능에 대한 시험 평가를 진행하였다. 결과, 전반적인 풍향과 풍속의 불확실성은 3.6゜과 0.34m/s으로, RS92 라디오존데에 비해, 습도 이외 신형 라디오존데 각 요소의 정확성이 모두 RS92 라디오존데와 비슷하였다. 그러므로 고층 기상관측 요구를 만족시킬 수 있으며 비교적 양호한 업무 유효성을 갖고 있다. 시험팀은 습도 센서의 저온보정 알고리즘과 압력탐측 기법 등 알고리즘을 포함한 연구 작업을 더 한층 진행하여 우주관측 시스템의 탐측 정확성을 향상시킬 예정이다.

중국공정물리연구원, 핵융합로 트리튬공장 개념설계 완료

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최근 중국공정물리연구원 재료연구소는 중국내 우수업체와 협력하여 중국핵융합로(CFETR)의 트리튬(tritium) 공장 개념 설계를 완성하였으며 트리튬추출, 트리튬 연료의 정화 및 분리, 트리튬 저장, 트리튬 측량 등 영역에서 여러가지 핵심기술을 확보하였다. 트리튬은 핵융합에서 필수적인 연료이며 우라늄과 달리 자연계에 미량으로 존재하므로 채굴하여 얻을 수가 없기에 핵융합 중성자와 리튬과의 핵반응을 빌어야만 자체유지를 구현할 수 있다. 그러므로 향후 행융합로에서 트리튬공장은 “트리튬 자체유지”순환중 정밀하고 효율적이고 안전하게 트리튬을 처리하는 기능을 담당하게 된다. 해당 개념설계는 트리튬 공장 듀테륨-트리튬 연료순환회로, 트리튬 안전 및 포용 시스템 총체적 설계를 제안하였으며 각 서브시스템의 기능요구, 기술공정, 핵심기술의 매개변수를 확보하였다. 현재, 중국공정물리원 연구팀은 플라스마 배기가스 트리튬 회수, 수소 동위원소 분리, 물의 삼중수소화 제거, 트리튬포용 등 트리튬 공장 서브시스템의 원리적 기술 및 고체트리튬증식, 트리튬 방지 코팅(tritium resistant coating) 등 트리튬 재료와 관련된 대량 제조 기술을 파악하였다. 또한 트리튬추출, 트리튬 연료의 정화와 분리, 트리튬 저장, 트리튬 측량 등 원리적인 실험 시스템 및 핵심설비의 프로토타입 샘플 등을 개발하여 향후 핵융합 에너지의 상업적 이용에 튼튼한 토대를 마련하였다.

중국원자에너지과학연구원, 중국 최초의 동력로 핵연료재처리 연구시설 본격 사용

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2015년 9월 1일, 중국 원자에너지과학연구원 핵연료재처리 방사화학실험시설(방사화학 빌딩)이 처음으로 열시험을 진행하였다. 열시험은 핵연료재처리 기술 연구개발 가운데서 가장 중요하고 도전적인 부분이다. 이번의 열시험은 중국 첫 동력로 연료재처리 연구개발시설의 본격 사용을 의미한다. 핵연료재처리 기술은 국제 핵확산 방지의 주요 관심 대상이며 또한 폐쇄순환을 구현하는 중요한 일환이다. 중국의 중요한 핵연료재처리 연구 플랫폼인 방사화학실험시설의 본격 사용은 중국이 자주적인 연구개발과 핵연료재처리 핵심기술 파악 방면에서 내디딘 중요한 첫 걸음이며, 선진적인 핵연료재처리공정기술 연구개발 성과가 실제 응용전의 핵심 검증 단계에 진입하였음을 의미한다. 이번 열시험은 중국 최초 실험실 규모의 전과정 동력로 핵연료재처리 열시험으로서, 중국이 자체로 연구개발한 선진적인 무염2사이클(two cycle) 기술을 검증하게 된다. 해당 기술은 기존의 퓨렉스 법(Purex Process)보다 공정 철차가 간단하고 폐기물 발생량이 적으며 우라늄-플루토늄(Uranium and plutonium)의 분리 계수가 향상되었다. 중국의 현재 원자력 발전규모와 속도로부터 볼 때, 사용후핵연료는 2020년에 7,500톤~1만톤, 2030년에 2만톤~2.5만톤에 달할 것으로 추정된다. 선진적인 핵연료재처리 기술로 사용후핵연료 가운데서 우라늄, 플루토늄을 회수하여 고속로에 사용할 수 있다. 그 뿐만 아니라 독성이 강하고 독성 시간이 긴 모든 방사성 물질을 분리할 수 있으므로 폐기물의 안전한 처분 혹은 변환처리를 할 수 있다.

중국과학원, “폐 내부 영상 찍는” 새로운 기체 자기공명영상기기 개발

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최근 중국과학원 우한(武漢)물리·수학연구소의 저우신(周欣) 연구팀은 폐 내부의 각종 병소 그리고 폐의 호흡 능력과 산소 소모 등 기능을 선명하게 관찰할 수 있는 새로운 기체자기공명영상기기를 개발하였다. 이는 종양 가운데서 발병율 및 사망율이 중국에서 1위를 차지하는 폐암에 대한 치료 및 예방에 중요한 의미가 있다. 현재 중국에서 임상 폐질환 검사에 주로 흉부 X선 촬영, 컴퓨터 단층 촬영(CT), 양전자 단층촬영(PET) 등 영상기술을 사용하고 있다. 하지만 해상도가 높지 못하여 폐의 기체-기체 교환 및 기체-혈액 교환 등 폐의 건강 상태를 판단할 수 있는 중요한 기능 지표를 제공할 수 없다. 폐내부 영상을 선명하게 찍어내려면 반드시 기체 신호를 증강시켜야 한다. 이에 대비해 저우신 연구팀은 캐스케이드 레이저 광펌핑 핵심 기술을 이용하여 크세논-129 기체 분극화 장치를 개발하여 기존의 기체 신호보다 44,000배 이상 증강된 기체 신호를 획득하였다. 2015년 9월 7일 우한물리·수학연구소 스펙트럼·원자분자물리 국가중점실험실에서 환자는 “조끼식” 고민감도 흉부 이미징 프로브(imaging probes)를 착용하고 크세논을 흡입한 후 6초 동안 숨을 쉬지 않는 동안에 자기공명영상기기로 검사한 결과, 컴퓨터 화면으로 환자의 좌측 폐엽 하부에서 선명한 기체 투과 결함을 발견하였는데 이는 환자의 기존 CT 검사 영상에서 나타난 결과와 일치하였다. 그 외에 자기공명영상의 오른쪽 폐엽에 CT 영상으로 발견하지 못한 작은 병변 조직이 나타났다. 새로운 “조끼식” 고민감성 흉부 이미징 프로브는 폐 내부 기체 자기공명 신호의 여기 균일성 및 접수 효율을 증가시킬 수 있고, 고효율 및 정량적으로 폐의 산소-이산화탄소 교환 및 산소-혈액 교환의 동역학적 정보와 영상학적 정보를 획득할 수 있으므로 의사가 폐의 구조 변화(섬유화 등)를 진단할 수 있게 되었을 뿐만 아니라 또한 폐의 기능 변화(호흡 기능 장애 등)도 발견할 수 있게 되었다. 기존의 CT 검사에 비하여 새로운 기술로 무접촉, 무상처, 무방사성으로 폐의 기능을 가시화할 수 있으므로 의사의 조기 진단 정확도를 증가하였고, 폐 내부에 병변이 발생하기 전에도 진단이 가능하게 되었다.

중국 3D 프린팅 고관절 “대량 생산” 시대로 진입

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최근, 중국 첫 3D 프린팅 인체이식물인 인공 고관절 제품이 국가식품약품감독관리총국(國家食品藥品監督管理總局)의 등록 승인을 받았다. 본 제품은 세계에서 처음으로 임상 실험을 통과한 후 등록 승인을 받은 3D 프린팅 인공 고관절 보형물로써 중국 3D 프린팅 이식물이 이미 산업화 단계로 진입하였음을 의미한다. 베이징대학교 제3병원(北京大學第三醫院) 정형외과 장커(張克), 류중쥔(劉忠軍), 차이훙(蔡宏) 의사 및 중국내 가장 큰 인공 관절 생산 회사인 베이징아이캉이청의료기기주식유한회사(北京愛康宜誠醫療器材股份有限公司)가 공동으로 연구개발한 인공 고관절 제품은 Ⅲ류 정형외과 이식물에 속하고 중국에서 관리 등급이 가장 높은 의료기기 제품이다. 2009년, 베이징대학교 제3병원 정형외과 장커 교수가 이끄는 정형외과 관절연구팀은 3D 프린팅 기술을 정형외과에 도입하였고 3년에 거쳐 중국 첫 3D 프린팅 인공 고관절 제품 연구개발에 성공하였다. 해당 제품의 임상관찰은 베이징대학교 제3병원이 주도하고, 베이징지수이탄병원(北京積水潭醫院), 베이징대학교인민병원(北京大學人民醫院), 산둥대학교 제2병원(山東大學第二醫院)과 우한푸아이병원(武漢普愛醫院)이 공동으로 완성하였다. 2012년 6월부터 지금까지, 모두 32명 환자가 3D 프린팅 인공 고관절 수술을 받았고 임상 관찰 효과가 양호한다. 이 제품의 등록 승인은 환자에게 첨단 기술로 질환을 치료하는 효과적인 방법을 제공하였으며, 해당 제품의 국산화는 외국 제품의 고급 시장 독점을 깰 수 있고 원가를 많이 낮출 수 있기 때문에 환자의 의료비용을 많이 줄일 수 있다. 또한, 전체 3D 프린팅 산업 사슬의 발전을 추진하는 데 획기적인 의의를 가지고 있다. 이번 제품의 등록 성공은 동종 제품의 등록 승인 성공 사례로써 향후에 연구 개발하게 될 동종 제품의 등록 승인을 추진할 전망이다.

베이징유전체연구소, 유전자 배열 가시화 도구 개발

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최근 중국과학원 베이징유전체연구소 유전체과학·정보실험실의 위쥔(於軍) 연구원은 영국런던대학교 종양연구소의 왕다펑(王大鵬)과 공동으로 새로운 네트워크 가시화 도구 LCGserver를 개발하여 다중 군집 진화 배경에서 유전자 배열의 동적 변화 규칙을 해석하였다.해당 연구 성과는 OMICS: A Journal of Integrative Biology 학술지에 게재되었다. 염색체에서의 유전자배열(Gene Orders)은 고도로 조직화된 배열이며 자연 선택 작용하에 단일 유전자의 구조와 유전자 클러스터의 배열 순서는 다양한 진화 갈래에서 다양한 수준의 가변성을 갖고 있다. 진화 유전체학의 중요한 연구 내용은 상술한 대규모적이고 다양한 수준의 유전자 배열 조건에서 서로 다른 종의 유전체가 유전자 공동 조절 메커니즘 분야에서의 유사성과 차이성을 규명하는 것이다. 현재 2세대 시퀀싱 기술의 신속한 발전과 광범위한 응용으로 서로 다른 분류군이 대표하는 종의 유전체 데이터가 생성되었다. 그러나 대규모 유전체 데이터 기반의 조작 간단한 유전자 배열 가시화 도구가 결핍하다. 연구팀은 LCGserve로 단일 유전자, 유전자쌍 및 유전자 클러스터 등 3개 수준의 분석 기능을 제공하였다. 해당 방법의 독특한 기능은 그룹화된 유전자의 상동성에 근거하여 다양한 유전체를 비교할 수 있으며, 사용자를 도와 특정된 종의 유전체가 특정된 진화 갈래에서 유전자 배열의 보존 및 변이 사건을 직관적으로 검정할 수 있다는 것이다. 연구팀은 또 보존 및 변이의 모든 가능성에 근거하여 유전자쌍을 6가지 패턴으로 분할하였으며 또한 완전하게 보존된 유전자 클러스터의 존재를 식별할 수 있었다. 해당 연구는 새로운 시퀀싱 종의 유전체와 공유 데이터베이스 유전체의 유전자 공선성 관계 연구, 근연종 유전체에 대한 비교 검색으로 조합 과정에서 나타나는 문제점에 대한 관찰 및 교정, 유전자 위치 정보를 이용한 종의 계통수 구축, RNA-Seq 데이터베이스와 결합하여 유전자 위치와 유전자 공발현에 대한 교차 검증, 고도로 보존된 유전자 클러스터를 고차원 유전체 구조의 앵커 포인트(anchor point) 등 진화유전체학 및 비교유전체학 분야에서 적극적인 영향을 미칠 전망이다.

염증 수준의 조절, 면역염증의 억제에 관한 후성유전학적 메커니즘 발견

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최근, 중국공정원 원사 겸 중국의학과학원 원장 차오쉐타오(曹雪濤) 연구팀은 자연 면역과 염증 조절 메커니즘 연구에서 새로운 진전을 얻었다. 연구성과는 2015년 8월 19일 “Nature”에 온라인으로 발표되었다. 차오쉐타오와 중국의학과학원 의학분자생물학국가중점실험실 박사후 연구생 장쳰(張遷) 및 제2군의대학 의학면역학국가중점실험실 박사과정생 선치충(沈其驄) 등으로 구성된 공동 연구팀은 후생 효소 Tet2가 염증 인자의 분비에 대해 뚜렷한 피드백 억제를 진행하며, 해당 억제 현상이 염증 면역 활성화 말기에 발생한다는 것을 발견하였다. 급성 내독성 충격과 결장염 생쥐 모델을 통하여, Tet2가 염증의 지속적인 진행을 억제하는데 중요한 역할을 한다는 것을 입증하였다. 질량 스펙트럼 등 기술을 통하여 Tet2가 HDAC2라고 명명한 겉보기 억제성 조절 분자와 함께 선택적으로 염증 인자의 유전자 촉진제를 직접 결합함으로써 그 발현을 억제한다는 것을 발견하였다.해 당 연구는 면역과 염증 연구 분야의 새로운 진전이며, 최초로 Tet 단백질이 자연 면역과정에 참여하고 염증 퇴치를 촉진하는 과정에서 일으키는 작용 메커니즘을 제시하였다. 또한 현재 광범위하게 알려진 Tet2의 유전자 전사에 대한 촉진작용과 달리, 해당 작업은 Tet2의 전사에 대한 부적 조절작용, 즉 억제작용을 입증하였는데, 이는 Tet2의 생물학적 작용 및 그 조절 메커니즘에 대한 심층 연구의 필요성을 제시한다. 해당 연구는 염증 퇴치의 촉진, 염증의 지속적 반응 억제, 자체 면역병의 저해 등을 위하여 새로운 메커니즘을 제안하였으며, 면역학과 후성유전학의 교차 연구를 위하여 새로운 방향을 제시하였다.

특고압 송전공정 ‘12.5규획’에 편입

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투자규모 두 개의 삼협공정 해당 국가전력망공사(State grid)에 따르면 중국은 특고압 송전공정을 이미 '12.5규획'에 편입시켰다. 3월 16일 발표된 '12.5' 계획 요강에서는 대규모 송전망 구축 필요성과 신에너지 발전에 의해 생산된 전력을 기존의 전력망에 맞물리는 계통연결의 중요성이 부각되면서 현대화 전력망체계 구축 및 '서전동송'(西電東送) 규모 확대, 특고압 등 대용량과 고효율 및 원격 송전기술을 적극 발전시킬 것을 제시했다.그리고 정보, 제어, 에너지저장 등 첨단기술을 바탕으로 스마트 그리드 구축에 박차를 가하고 도시와 농촌의 전력망 구축 및 개조사업을 활성화하며 전력망의 최적화 배치능력과 전력공급의 신뢰성을 향상시킬 것을 요구하고 있다. 장커샹(张克向) 국가전력망공사 발전기획부 전문가는 제일재경일보(第一財經日報)와의 인터뷰에서 원자력발전, 풍력발전, 수력발전 등 신에너지 발전은 모두 특고압 전력망 구축이 뒷받침되어야 한다고 밝혔다. 2020년 중국의 풍력발전 설비용량은 1.5억kW 이상에 달할 것으로 추정되며 현재 8대 풍력발전기지의 설비용량은 전체의 80%를 차지하고 있다. 그중 5대 풍력발전기지는 화북, 서북, 동북지역에 위치해 있으며 신강, 감숙, 내몽고, 길림 등지의 풍력발전 설비용량만 8,000만kW에 달하고 있어 풍력발전에 따른 전력 소비가 큰 관심사로 떠오르고 있다. 따라서 이들 지역에서 생산된 전력을 화북, 중부지역으로 공급하기 위해서는 특고압 전력망 구축이 시급한 상황이다. 중국은 '12.5'기간 삼종삼횡(三纵三横) 특고압 교류 송전망과 11개 특고압 직류 송전망 구축에 삼협공정의 2배에 해당되는 5000억 위안을 투입할 계획이다. 그 중 특고압 교류 송전망에 대한 투자가 투자액의 2/3을 차지한다. 그러나 이에 앞서 전문가는 중국 정부의 특고압 송전공정 가운데 특고압 교류 송전망 투자에 대한 막대한 비용으로 수익 창출이 어렵다고 우려했다.

'12.5' 태양열산업 발전전망

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중국은 열에너지가 전체 에너지 소비량의 약 50~55%를 차지하고 있으며, 태양열 보급 활성화는 대체에너지 개발, 에너지안보, 저탄소 녹색성장을 실현하는 중요한 요소로 작용하고 있다. 중국은 '11.5'계획기간 태양열산업이 고속 성장을 거듭했으며 '12.5'계획기간에도 이러한 성장세를 지속 이어갈 것으로 전망된다. 1. '12.5'기간 태양열산업 발전목표 중국은 기술개발 강화, 응용분야 확대, 산업구조 고도화, 시장 확장을 향후 10년간 태양열산업의 발전목표로 하고 있다. 따라서 2020년에는 태양열이 전체 에너지 소비량에서 차지하는 비중이 크게 늘어나고 이산화탄소 배출량 40~45%를 감소한다는 목표치를 달성함에 있어서도 큰 기여를 할 것으로 예상된다. 태양열산업 발전계획에 따르면 2015년과 2020년 중국의 태양열산업 연간 생산량은 각각 13500만㎡, 27300만㎡에 달하고 연간 생산액은 각각 1,800억 위안, 3,800억 위안에 달하며, 태양열 온수기 설치면적은 각각 4.0억㎡, 8.0억㎡에 달하고, 태양열 에너지가 재생에너지 및 전체 에너지 소비량 중 차지하는 비중은 각각 16%, 2%에 달하며(표준 석탄 기준으로 1.22억 톤에 해당하며, 이산화탄소 배출 2.62억 톤 감소), 수출액은 각각 5억 달러, 10억 달러에 달할 것으로 추정된다. 이러한 목표를 달성하기 위해서는 신소재, 신공법, 신제품, 신장비 연구개발 강화 및 중국시장에 적합한 유리 진공관 태양열 온수기 보급 확대에 역점을 두고 아래와 같은 8개 기술개발에 주력해야 할 것으로 보인다. 구체적으로 첫째, 태양열 온수기 저온활용 요소기술로 집열, 열저장, 메카트로닉스, 건물일체형, 제어기술, 둘째, 고성능 평판형 태양열 집열기, 셋째, 분체형 태양열 온수 시스템, 넷째, 태양열 온수·난방 시스템, 다섯째, 태양열 중/고온 집열 장치, 여섯째, 태양열 주택, 태양열 조리기, 일곱째, 농업분야 태양열 응용기술, 공기집열기, 태양열을 이용한 건조기술, 해수담화 및 공업용 온수 기술, 여덟째, 태양열 에어컨, 태양열 발전기술 등이다. 또한 태양열 응용분야를 확대하는 동시에 선진 장비와 기업경영제도를 도입해 산업구조 고도화를 촉진하고 선두기업을 육성하고 관련 산업사슬을 완비하며 설계, 설치, 유지보수가 가능한 태양열 온수기 시공업체를 적극 육성하고 판매 대리상, 전문점, 백화점 등 유통채널과 서비스체계를 정비할 예정이다. 한편 건물일체형 태양열시스템과 태양열 난방 공사를 통일적으로 계획, 설계, 설치, 점검 및 관리하고 설치조건에 부합되는 신규 건물에는 태양열 온수기를 설치할 것을 요구하고 있다. 아울러 정부의 가전하향 정책과 녹색 마을 시범사업과 연결시켜 농촌지역 태양열 온수기 확대 보급을 추진함과 더불어 해외시장 개척에도 적극 나설 계획이다. 따라서 2020년 중국의 태양열 온수기 수출액은 10억 달러를 상회할 것으로 추정된다. 2. '12.5'기간 태양열산업 육성정책에 대한 건의 '12.5'계획기간 태양열산업 발전목표 달성을 위해 아래와 같이 건의한다. 첫째, 태양열산업이 국가 에너지체계에서 차지하는 전략적 지위를 명확히 한다. 중국은 태양열산업에서 독자적인 지적재산권을 보유하고 있으며 연간 생산량과 전체 보유량 부문에서 독보적인 우위를 확보하고 있다. 또한 친환경, 에너지 절감, 배출 감소에도 크게 기여하고 있다. 따라서 정부는 태양열 온수기를 에너지절감제품, 친환경제품에 포함시키는 등 태양열산업에 대한 지원을 강화하는 것이 바람직하다. 둘째, 태양열산업 육성정책을 마련하는 것이 시급하다. 구체적으로 1) 세제지원정책: 태양열 온수기업체는 하이테크기업이자 친환경기업이며 이들을 대상으로 금융, 재정, 대출, 세수 등 방면의 지원책을 강화하는 것이 필요하다. 2) 건물일체형 태양열 온수기 보급정책: 중국은 2008년부터 일부 시범지역을 중심으로 건물일체형 태양열 온수기 보급정책을 실시해 왔으며 현재는 실시범위가 점차 전국으로 확산되는 추세이다. 따라서 재생에너지법과 각지의 구체적인 실정을 토대로 건물일체형 태양열 온수기 실시세칙 마련이 시급하다. 3) 보조금 지원정책: 태양열 온수기 기술개발, 도시와 농촌의 건물일체형 태양열 온수기 보급 및 설치 등을 대상으로 보조금 지원정책을 마련해야 한다. 특히 공업생산에서 태양열 온수장치 도입을 적극 독려하고 그중 날염, 방직, 식품, 제약, 제지, 가죽 등 중/저온 온수기제조업체들에 대해서는 강제적인 도입정책을 실시하고 에너지절감・배출감소 효과에 따라 보조금을 지원하는 방법을 강구해야 한다. 4) 태양열 온수/난방기술을 건물에너지절감기술에 포함시키고 각종 우대정책을 제공해야 한다. 5) 중고제품을 새 제품으로 교체할 때 보조금을 지원하는 태양열 온수기 이구환신(以舊換新) 정책을 실시해야 한다. 셋째, 선두기업 육성에 주력한다. 향후 3~5년간 태양열 온수기 연간 생산규모를 400만㎡로 끌어올리고 독자적인 기술력과 국제 경쟁력을 갖춘 5~10개사에 달하는 핵심기업을 중점 육성하여 규모화 생산을 실현해야 한다. 현재 태양열 온수기 제조업체는 주로 베이징, 산둥, 장쑤, 저장, 광둥, 윈난 등지에 집중돼 있다. 따라서 중부지역, 허베이, 허난, 동북, 서부 등지를 중심으로 약 40억 위안을 투자하여 생산규모가 2000여만㎡에 달하는 신규 산업기지를 구축함으로써 태양열 온수기 산업화 수준을 높여야 한다. 또한 핵심장비 연구개발에 대한 지원을 강화한다. 최근 몇 년간 중국은 유리진공 집열관, 세척장비, 물탱크, 보온소재 등 자동화 생산설비 개발에 성공하고, 생산효율을 30%~40% 향상시키고 에너지 절감률을 20%~30% 끌어올렸다. 그리고 최첨단 핵심기술 연구를 집중적으로 지원하는 '과푸양광계획(夸父阳光计划)' 등을 통해 중국의 태양열산업의 선두지위를 고수해야 한다. 마지막으로 시범프로젝트를 추진해 시장수요를 견인해야 한다. 전국적으로 1,000개 현, 현당 10개 마을을 선정해 보조금을 지원하는 방식으로 약 45억 위안을 투입해 총규모가 300만 ㎡에 달하는 태양열 공중목욕탕을 건설하는 '천현만촌양광(千县万村阳光)' 프로젝트를 추진해야 한다. 태양열 온수기 보급 확대를 위해 '백성양광계획(百城阳光计划)'을 가동하고 전국 600개 도시 중 100개 도시를 선정해 시범사업을 실시함으로써 이들 시범 도시에서의 태양열 온수기 보급률을 30%로 늘려야 한다. 한편 공농업 생산에서 태양열 온수응용공정을 추진해야 한다. 특히 날염, 제지, 방직, 의약, 식품 등 업종에서는 중/저 온수를 대량 사용하는 태양열온수시스템을 보급시켜 에너지절감과 배출감소를 도모해야 한다.

메틸알코올에서 저탄소 알켄을 제조하는 신기술 산업화로 매진

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중국은 독자적인 연구로 '메틸알코올에서 저탄소 알켄을 추출 제조하는 새로운 기술(DMTO-Ⅱ)' 개발에 성공하고, 2010년 10월 26일 베이징에서 이를 산업화하는 계약을 체결하였다. 중국 산시석탄업화공그룹(陕西煤业化工集团), 중국과학기술원 다롄화학물리연구소(中科院大连化学物理所), 시노펙 뤄양석유화학공정공사(中石化洛阳石化工程公司)는 산시푸청청정에너지화공유한공사(陕西蒲城清洁能源化工有限公司)와 정식으로 계약을 체결하였다. 산시푸청청정에너지화공유한공사는 중임을 짊어지고 석탄 이용 메틸알코올 연간 생산량을 180만 톤으로, 메틸알코올 이용 알켄 연간 생산량을 67만 톤으로 끌어올릴 예정이다. 선화(神华)기업은 2011년 1월 1일 내몽고 바오타우(包头)에서 60만 톤 규모의 석탄 이용 알켄 제조 산업화시범프로젝트를 정식 가동하고, 상업화 운영에 들어갔다. 이번에 산업화에 성공한 MOTO-Ⅱ기술은 산시석탄업화공그룹과 중국과학원 다롄화학물리연구소 등이 공동 개발한 것으로 대내외적으로 큰 주목을 받고 있으며, 2011년 1월 19일 중국과학원 원사와 중국공정원 원사들에 의해 2010년 중국 10대 과학기술 대표성과로 선정되었다. 류중민(刘中民) 중국과학원 다롄화학물리연구소 부소장은 본지와의 인터뷰에서 "중국과학원 다롄화학물리연구소는 1980년대 초부터 세계 에너지 발전추세를 예의주시하면서 DMTO 연구팀을 구성하고, 30년간 연구개발을 지속적으로 추진해온 결과 오늘과 같은 수준에 이르렀다."고 밝혔다.

허페이공업대학교, 지속성 수질오염물질 제거용 신형 복합재료

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최근, 허페이(合肥)공업대학교 화학·화공대학 부교수 야오윈진(姚運金)연구팀은 새로운 붕소질소로 개질한 철 코팅 탄소나노튜브 자성 복합재료의 촉매제를 성공적으로 개발하였다. 새로운 촉매 산화반응 시스템에 의해 생성된 고활성 유리기는 유기오염물질을 효과적으로 제거할 수 있으며 물처리 과정에서 오염물질이 깨끗하게 제거되기 어려운 점을 해결하였다. 관련 연구성과는 국제 학술저널 'Water Research'에 발표되었다. 공업생산과정에서 생성되는 지속성 유독 오염물질은 현재 물오염 관리 분야에서 급히 해결해야 할 핵심 기술적 문제이다. 공업생산과정에서 생성된 지속성 유독 오염물질은 자연환경에서 분해되기 어려우며 동시에 원거리 수송이 가능하고 또 동물과 인체 내 먹이사슬의 축적, 확대에 따라 발암, 기형유발, 돌연변이유발 및 내분비계 교란 등 위험을 갖고 있다. 기존의 콘크리트, 침전, 생물산화 등 물 처리 공법과 활성 탄소 흡착, 오존-활성탄소 연합이용, 막처리 등 심층적 정화기술로는 해당 유형의 오염물질을 깨끗하게 제거할 수 없다. 연구팀은 새로운 펜톤-유사 촉매산화반응 시스템을 혁신적으로 구축하였으며 멜라민 등 일반 저렴가 시제를 원료로 하여 새로운 붕소질소로 개질한 철 코팅 탄소 나노튜브 자성 복합재료를 개발하였는데 지속성 유독 오염물질에 대해 뚜렷한 제거 성능을 나타냈다. 실험 결과, 해당 재료는 기존의 펜톤-유사 반응시스템에 비해 각종 유기오염물질의 분해속도를 10부터 100배까지 향상시킬 수 있다. 동시에 해당 재료의 제조는 1단계 하소기술을 사용하였기에 금속이온 환원, 금속나노입자 탄소 코팅 및 비금속원소 도핑 개질 등 유기 오염물질의 제거 과정은 모두 같은 설비에서 구현된다. 이로써 기존의 열분해법 제조공법의 복잡하고 환원처리 위험도가 높으며 또 비금속원소 개질효과가 양호하지 않은 등 기술적 결함을 극복하였다. 해당 장비의 반응 시스템이 온화하고 설비가 간단하므로 공업 기업에 광범위하게 응용될 것으로 전망된다.

중국과학원 반도체연구소, Si 기판에서 Ga계 반도체 나노와이어 성장에 성공

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Si는 현대 CMOS 공법에 필수적인 재료이며 III-V족 반도체는 광전자, 초고속 마이크로전자와 초고주파수 마이크로파 등 소자에 광범위하게 응용된다. 오랫동안 과학자들은 Si 기판위에 고품질의 III-V족 반도체 에피택시얼 성장을 시도하였다. 그러나 결정격자의 불일치로 인하여 성장된 III-V족 반도체 품질이 떨어졌다. 재료가 나노크기로 감소될 경우, 응력이 효과적으로 방출되어 상술한 어려움이 완화시킬 수 있다. 예를 들면, 1차원 III-V족 반도체 나노와이어는 Si기판에서 양호한 에피택시얼 성장이 가능하다. 그러나 Si기판에서 III-V족 반도체 나노와이어가 성장할 경우, 표면의 산화규소 작용에 의해 일반 Au 촉매입자는 복잡한 전기기판 처리공정을 필요하므로 III-V족 반도체 나노와이어가 Si 기판위에서 안정적으로 성장하기 어렵게 된다. Ga-V 반도체는 중요한 III-V족 반도체로서 자체 성분의 Ga를 촉매제로 사용할 수 있으므로 이러한 문제점을 해결할 수 있다. 중국과학원 반도체연구소 반도체초격자국가중점실험실 자오젠화(趙建華) 연구팀은 최근 몇 년간 반도체 저차원(Low-dimensional) 재료의 분자빔 에피택시얼 성장 연구에 힘썼고 위쉐저(俞學哲) 등 연구원은 해당 연구(X.Z. Yu et al.,Nano Lett. 12, 5436, 2012; Nano Lett. 13, 1572, 2013)를 기반으로, 2단계 성장방법을 이용하여 Si 기판에서 GaAs 나노와이어의 성장온도 범위를 효과적으로 확대하였다. 이는 최초로 Ga 촉매제를 이용한 GaAs 나노와이어의 성장온도 즉 중요한 결정체 성장 파라미터에 관한 심층 연구이다. 기존의 1단계 성장방법은 GaAs 나노와이어가 매우 좁은 온도범위에서만 성장할 수 있었다. 해당 연구를 토대로, 연구팀은 Ga 촉매반응 속도를 이용하여 GaAs/GaSb 축방향 헤테로접합(hetero junction) 나노와아어를 우선 제조하였으며 적당한 As를 투입하여 성분을 조절할 수 있는 GaAs/GaAsSb 축방향 헤테로접합의 나노와이어를 합성시켜 밴드갭공학(Bandgap engineering)을 GaAsSb 나노와이어에 응용시켰다.

중국과학원 공학열물리연구소, 전기자동차 배터리팩 열관리시스템 개발

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전기자동차를 대표로 하는 신에너지 자동차 산업은 국가 ‘13.5’시기 중점적으로 발전시키는 전략성 신흥 산업이다. 배터리팩은 전기자동차의 주요 에너지 저장 장치이자 전기자동차의 핵심 설비로써 배터리팩 내 온도 상승은 배터리세트의 전기화학시스템 작동, 순환수명과 충전가능성, 배터리팩 출력, 안전성과 신뢰성에 심한 영향을 미친다. 배터리팩 각 유닛 사이 온도의 불균형은 최종 배터리 성능의 통합성과 배터리 충전상태(SOC) 추정 정확도에 영향을 미치며 전기자동차의 시스템 제어와 수명에 영향을 미친다. 따라서 배터리팩의 열관리는 신에너지 자동차 산업 생존과 발전에 영향을 미치는 걸림돌로 되고 있다. 자동차의 성능을 향상시키고 배터리세트의 최적 성능과 수명을 발휘하려면 배터리팩의 구조를 최적화하고 선진적인 배터리팩 열관리 시스템을 설계해야 한다. 중국과학원지식혁신공정 중대 프로젝트의 지원하에, 중국과학원공학열물리연구소 열물질전달연구센터 과학연구팀은 마이크로 채널그룹 복합 상전이 열방사 기술을 이용하여 전기자동차 배터리 단분자용 3 mm 극박형 일체식 열관리 유닛을 연구개발하였으며 해당 열관리 유닛을 이용하여 구체적 타입의 마이크로 채널그룹 복합 상전이 통합적 열관리 전기자동차 배터리팩 프로토 타입을 구축하였다. 해당 프로토 타입은 배터리 세트 에너지 밀도≥80Wh/kg, 순환수명≥1,500번, 배터리 단위체간의 온도차이≤3℃으로써 프로젝트 기술 지표에 도달하였으며 배터리 세트를 25-40℃사이인 배터리 최적 작업 온도 범위내에서 유지할 수 있게 하였다. 해당 연구성과는 전기자동차 업종에서 존재하는 고에너지 밀도 배터리 세트 단위체 사이의 온도 균일성을 유지하기 어려운 기술적 문제를 해결하였다. 해당 프로젝트 수행 과정에서 연구팀은 총 6편의 논문을 발표하였다. 그가운데 국제권위열전달저널 2편, 국내핵심저널 1편, 국제회의 2편, 국내회의 1편이며 특허신청은 3건인데 그 가운데 발명 특허 1건, 실용신안 2건이다. 현재 해당 프로젝트는 이미 검수를 통과하였으며 연구성과는 국내 신에너지 자동차 업종과 각 지방정부의 관심을 받아 산업화 응용 단계에 진입하기 시작하였다.

해양 전략기술, 4,500m급 무인조종잠수정 ‘하이마(海马)'호 개발

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4,500m급 무인조종잠수정(ROV, remotely operated vehicle) ‘하이마'호는 국가 ‘863’계획 해양기술영역 ‘4,500m급 심해 작업시스템’ 중점 프로젝트의 과학적인 성과이다. 2008년, 과학기술부 의탁하에 국토자원부가 해당 프로젝트의 조직 실시와 상급 주관부서로, 중국지질조사국 광저우(廣州)해양지질조사국이 소유주 기관으로 지정 되었다. 해당 프로젝트의 핵심적 임무는 중국에서 급히 필요로 하는 실용화 심해 탐사장비의 독자적 개발 및 중국 심해의 계통화 심해 잠수정 연구 개발 사업을 개척하는 것으로서 ‘863’계획 목표에서 제정한 중국 ’12.5’기간에 4,500m급 심해 작업 능력 형성을 구현하는데 있어서 매우 중요한 작용을 한다. 6년간의 노력을 거쳐 연구팀은 심해 무인조종잠수정의 여러가지 핵심기술을 확보하였으며, 지금까지 중국에서 규모와 잠수깊이가 가장 크고 국산화율이 가장 높은 심해 무인조종잠수정 ‘하이마'호를 성공적으로 연구개발하였으며 국산화율은 90%를 초과하였다. 2014년 4월 ‘하이마'호는 남중국해 중앙 해분의 4,502m 해저로 3번 잠수하여 예정한 해저 작업임무를 완벽하게 완성하였으며, 과학기술부 검수를 통과하였다. 해상 실험 검수 결과, ‘하이마'호의 신뢰성, 안정성과 적응성은 이미 실용화 해양장비 요구에 부합되었으며 국외 동유형의 ROV 기술수준에 도달하였다.

고에너지물리연구소 BEPCII 비상용 캐비티 연구진전

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중국과학원 고에너지물리연구소는 7월 7일부터 8일새벽까지 북경양음전자충돌기(BEPCII) 비상용 캐비티중 두 번째 캐비티에 대한 수직측정을 마쳤다고 밝혔다. 4.2K의 조건에서 캐비티 전압은 2.3MV, 캐비티의 품질계수는 Q0=1.2E+9에 도달하여 설계요구(캐비티 전압 1.5MV, 캐비티 품질계수 Q0=5E+8)보다 우수하며 첫 번째 비상용 캐비티의 측정지표(캐비티 전압 1.8MV, 캐비티 품질계수 Q0=1.12E+9)를 초과하여 국제선진수준에 도달하였다. 이는 올해 들어서 첫 번째 비상용 캐비티의 수직측정에 성공한데 이은 또 하나의 중요한 진전이다. 초전도 캐비티 주파수의 포집· 록킹(locking)에 성공하였고 각종 표준화측정과 Q0~Eacc특성에 대한 측정을 마쳤다. 두 번째 비상용 캐비티의 수직측정결과는 고에너지물리연구소의 500MHz초전도 캐비티 몸체의 연구제작수준을 크게 높였으며 BEPCII 초전도 비상용 캐비티의 고출력시험에 필요한 중요한 기반을 다졌다.

서안광학정밀기기연구소 마이크로나노광자학 연구 진전

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마이크로나노광자학은 주로 마이크로나노스케일의 광학과 물질과의 상호작용 법칙 및 빛의 발생, 전송, 조절제어, 측정, 감지 등에서의 응용을 연구하는 학과이다. 마이크로나노광자학 서브파장부품은 광자 집적도를 효과적으로 높일 수 있어 전자칩과 같이 광자부품을 사이즈가 매우 작은 단일 광학칩에 집적시킬 가능성이 있다. 새로운 마이크로나노광자학 영역에 속하는 나노표면플라즈마학은 주로 금속나노구조에서 빛과 물질과의 상호작용을 연구한다. 사이즈가 작고, 속도가 빠르며 회절 한계를 극복할 수 있어 전자학과 광자학을 나노스케일에서 완벽하게 결합시킨 차세대의 창의적인 광전기술기반으로 각광받고 있다. 금속-매체-금속 F-P 캐비티(Cavity)는 가장 기본적인 나노 플라즈마 도파(Waveguide)구조로서 로컬필드(Local field) 강화와 공진필터의 특성을 지니고 있어 나노필터, 파장분할 다중화기(WDM), 광스위치, 레이저 등 마이크로나노 광부품을 만드는 기초이다. 하지만 나노플라즈마구조가운데 금속 캐비티 고유의 손실과 에너지 반사로 인해 F-P캐비티는 파장분할 다중화기 응용에서 투과효율이 낮은 관계로 실제로 응용하기에 불편하다. 이러한 문제점에 비추어 중국과학원 서안광학정밀기기연구소 순간광학 및 광자기술(transient optics and photonics) 국가지정중점실험실의 리우쉐밍(劉雪明), 루화(陸華), 궁융캉(宮永康) 연구원 등이 관련 연구를 추진했다. 현재까지 Optics Express, Optics Letters, J. Opt. Soc. Am. B, Applied Physics B 등 저널에 10여편의 논문을 발표했다. 최근 연구원은 표면플라즈마 F-P 캐비티 파장분할 다중화기의 투과효율을 높이는 더블 캐비티 역방향 간섭상 제거법을 고안해냈다. 이 방법은 캐비티의 에너지반사를 효과적으로 극복할 수 있어 입사광이 완전히 채널쪽으로 투과 가능하며 투과효율을 극대화하였다. 이 설계방법은 소음광의 피드백도 효과적으로 억제하는 효과를 보았다. 한편으로 연구팀은 결합모드방법을 응용해 이러한 설계방법의 타당성을 검증하였다. 이 파장분할 다중화기는 현재 보도된 F-P 단일 캐비티 공진필터 기반의 파장분할 다중화기의 투과효율을 50%이상 높인 것으로 나타났다. 연구논문은 2011년 6월 20일 Optics Express에 발표되었다. (논문제목: Enhancement of transmission efficiency of nanoplasmonic wavelength demultiplexer based on channel drop filters and reflection nanocavities) 이 논문은 미국광학학회(Optical Society of America, OSA)의 주목을 받았고 6월 27일에 “Image of the week”로 선정되었다.

중국과기대 다중금속 나노튜브 및 복합나노촉매제 설계 및 제작 진전

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환경의식이 강화되고 자연자원에 대한 인식이 깊어지면서 화석에너지 등 재생불가능자원에 대한 의존도를 줄이기 위한 저오염 고효율 연료전지의 연구가 주목받고 있다. 하지만 연료전지촉매제의 비용이 높고 반응활성이 낮으며 안정성이 떨어지는 등의 단점으로 인해 산업화응용이 제약받고 있다. 최근 몇 년 중국과기대의 위수훙(兪書宏)교수가 이끄는 과제팀은 촉매제의 계면작용 및 표면원자구조와 성분에 대한 조절제어를 통해 타당한 신형의 촉매제 재료설계의 새로운 경로를 모색하였고, 연료전지 나노촉매제의 계면과 표면설계에서 성과를 올렸다. 관련 연구결과는 Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Chem. Sci., Adv. Mater., ACS Nano, Chem. Commun., J. Mater. Chem. 등 많은 저널에 발표되었다. 금속/산화물계면은 전자구조가 변화되기에 촉매제의 촉매활성이 효과적으로 높아진다. 하지만 전기화학적 환경에서 非귀금속의 서로 다른 산화상태의 촉매활성에 미치는 영향에 대해서는 검증하기 매우 힘들며 동시에 촉매제의 전기화학적 산화환원반응활성을 높이고 과산화수소의 부식을 극복하며, 불완전 환원으로 인한 에너지손실은 모두 시급히 해결해야 할 문제로 나서고 있다. 이러한 배경에서 연구팀은 셀프지원형(self-supporting) 다중금속 촉매제 나노튜브의 제조기술을 발전시켰고 Pd-Au-Cu 성분의 신형의 나노입자튜브 촉매제를 합성하는데 성공하였다. 이 촉매제는 높은 비표면적과 전기화학적 활성을 지닌다. Pd-Cu 성분비교결과 금(Au)을 첨가하면 구리(Cu)원소의 산화동의 형성을 촉진하지만 금(Au) 원소를 첨가하지 않으면 Pd-Cu 성분은 산화제일동을 형성하는 경향이 강한 것으로 나타났다. 연구를 통해 산화동은 산소흡착에 더욱 유리하며 게다가 전자수송의 매개체로서 산화환원능력을 높인다는 것을 발견하였다. 또한 이 3차원 촉매제는 과산화수소의 환원에 대한 촉매작용이 뛰어나며 과산화수소에 대한 내부식성도 띤다는 것도 발견하였다. 따라서 촉매제는 산소환원과 과산화환원의 이중기능을 지니며, 산소/과산화 환원의 촉매제로 삼을 수 있어, 산소가 수용액에서 용해도가 한정된 문제(과산화수소는 용액에서 매우 높은 농도를 유지할 수 있음)를 극복하였고 촉매효율을 높였다.(그림1,2) 이 연구성과는 영국 ‘화학통신’과 독일 ‘응용화학’(Chem. Commun. 2010, 46, 940-942; Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 9149-9152)에 발표되었다. 연구팀은 계면 제어성 Pd-Au 나노입자튜브촉매제를 설계하여 귀금속 계면의 촉매활성에 미치는 영향을 연구하였다. 이 촉매제는 전기촉매 에틸알코올 산화의 촉매활성을 뚜렷이 높였고 강한 안정성을 나타내었다. 연구결과, 전기촉매활성의 제고는 독립된 금속성분과는 직접적인 선형 비례관계를 나타내지 않으나 바이메탈(쌍금속) 이질계면과는 직접적인 관계가 있음을 발견하였다. 금(Au)성분이 증가되고 계면의 수량이 증가되면서 금속-금속계면과 표면의 전자구조가 변화되기에 촉매제의 전기촉매활성에 영향을 미쳤다. 따라서 재료설계를 통해 촉매활성이 높아지는 근본적인 원인이 전자구조의 변화(계면작용)로 인한 것임을 실험으로 입증하였다. 이러한 효과는 촉매활성과 계면구조간의 관계를 이해하는데 도움이 되며 고효율 촉매제 재료를 설계하는데 근거와 참조가 된다. 관련 연구성과는 미국화학회 ACS Nano 2011, 5, 4211-4218에 발표되었다. 연구팀은 또 멀티스텝 템플릿방법을 고안하여 최초로 셀프지원형 Pt 나노선/박막의 거시적 제작을 하였고(macroscopic quantity preparation), 연료전지촉매제 재료로서의 Pt박막의 탁월한 성능을 선보였다.(그림3,4) Pt 나노선/박막의 산화환원촉매활성은 각각 Pt/C와 Pt 블랙의 2.1와 1.8배이다. 상용화된 촉매제와 비교하였을 때 셀프지원형 Pt나노선/박막 촉매제는 안정성을 크게 높였으며, 고효율 양성자 교환막 연료전지의 개발을 위한 기반을 다졌다. 이 연구는 독일의 ‘선진재료(Adv. Mater)’(Adv. Mater. 2011, 23, 1467-1471)에 의해 ‘매우 중요한 논문’으로 평가되었다.

상해마이크로시스템정보기술연구소, 실리콘광기술 연구진전

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최근 중국과학원 상해마이크로시스템 및 정보기술연구소 정보기능성재료 국가중점실험실의 SOI과제팀은 광자학연구분야에서 세계적인 주목을 받는 성과를 올렸다. 연구논문은 5월 20일에 출판된「Physical Review Letters」[저자: 두쥔지에(杜駿杰), 왕시(王曦), 저우스창(鄒世昌), 간푸완(甘甫烷) 등]에 발표되었고, Editors’ Suggestion으로 선정되었다. 이 연구는 업계의 주목을 받고 있으며, 미국물리학회는 physics.aps.org에 특별보도도 하였다. 빔의 칩 제어는 중요한 이론적 의의와 실제 응용가치를 지닌다. 전통적인 광학이론에 의하면 빔이 만곡될 때 경로의 곡률반경은 파장보다 커야 한다. 일부 연구자들은 표면 플라즈몬, 높은 굴절률 입자배열 등의 근접장 방식을 이용하면 이러한 한계에서 벗어날 수 있다는 관점을 제기한 바 있다. 전파도중에 있는 빔의 경우에는 더욱 복잡한 구조로 이러한 서브파장의 빛을 편향시켜야 한다. 본 연구성과는 단일입자의 공명발생시 공명방식의 서로 다른 대칭성(그림1a와 1b)을 이용하여, 단지 몇 개의 입자로 구성된 단층배열을 형성하기에, 빔은 90도의 만곡(제로곡률반경)이 발생 가능하며(그림1d) 게다가 만곡된 빛과 입사광은 법선의 같은 측면에서 음의 굴절현상이 나타났다. SOI과제팀은 실리콘베이스 광자부품, 광학칩 집적기술, 실리콘칩 집적기술 등의 실리콘베이스 광자학연구분야에 주력해왔다. PRL에 발표한 연구성과는 고도로 집적된 실리콘베이스 광자학에서 중요하게 응용될 것으로 전망되며, 관련 연구에 전혀 새로운 광제어원리를 제공하였다. 이는 2010년 3월 과제팀이 표준CMOS공정플랫폼을 이용해 10Gbps 속도의 실리콘 광변조칩을 개발한데 이어 광전자학연구에서 올린 또 하나의 성과이다.