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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.

중국상용항공기유한책임회사, 자체 개발한 대형 여객기 C919 최종 완성

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2015년 11월 2일, 중국에서 자체 개발한 C919 대형 여객기가 중국상용항공기유한책임회사(COMAC) 조립제조센터 푸둥(浦东)기지 공장에서 최종 완성하여 일반인에게 공개하였다. 11월 2일 오전, 상하이푸둥주차오조립제조기지(上海浦东祝桥总装基地)에서 중국에서 반세기 가까이 기대하고 7년 동안 자체 개발한 차세대 대형 분사식 간선 여객기인 C919 출고식을 가졌다. 이로써 중국은 대형 항공기 연구 개발 능력을 갖추고 자주적 브랜드의 대형 항공기를 보유하게 되었다. 2008년부터 연구 개발한 C919 대형 항공기는 중국에서 최초로 최신 국제적 감항성 기준에 따라 연구 제작한 간선(trunk line) 민간용 항공기일 뿐만 아니라 단일 통로의 협폭동체 항공기이며 158석, 168석, 174석이 기본형으로 표준 비행 거리는 4,075km이고 확대 비행 거리는 5,555km이다. 향후 기본형을 토대로 확장형, 축소형, 비행 거리 증가형, 화물 수송형과 공무형 등 시리즈 제품을 연구 개발할 예정이다. 연구 개발팀은 항공기 엔진의 통합 설계, fly-by-wire 비행제어시스템의 제어 법칙에 관한 설계, 능동 제어 기술 등을 포함한 102개 핵심 기술을 파악하였다. C919 대형 항공기에는 최초로 8.8%의 3세대 알루미늄-리튬 합금 재료와 12%의 첨단 복합 재료 등 첨단 소재를 대규모로 사용하여 전체 항공기 무게를 7% 이상 줄이었다. C919 대형 항공기의 연구 개발은 디지털 디자인, 테스트, 제조와 관리를 구현하고 국제 경쟁력 우위 기업과 협동 제작한 백만여 개의 부품과 항공기 탑재용 시스템의 연구 개발 프로세스는 고도로 병렬되었다. C919 대형 항공기에서 사용한 새로운 기술, 재료, 공법은 중국의 경제와 과학기술 발전, 기초 학과의 진보 및 항공 산업 발전에 대해 중요한 선도 역할을 한다. 이번 C919 대형 항공기의 연구 개발 프로젝트에는 22개 성시(省市), 200여 개 기업, 36개 대학의 수십만 명의 연구자들이 참여하였고 공급 업체와 잠재적 공급 업체로는 바오강집단유한회사(宝钢集团有限公司)를 포함한 16개 재료 제조업체와 54개 표준 부품 제조업체가 있다. 현재, C919 대형 항공기는 국내외 21개 항공사로부터 517대의 주문을 받았다. C919 대형 항공기는 2016년에 첫 시험비행을 할 예정이다.

중국항천과기집단, 2016년 0.5m급 고해상도를 갖춘 원격탐사 위성 발사 예정

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2015년 10월 30일 후베이성 우한(湖北武漢)에서 개최된 중국상업항공고위급포럼에서 중국항천과기집단회사(中國航太科技集團公司)는 2022년에 0.5m급 고해상도를 갖춘 상업 원격탐사 위성 시스템을 완성하고 2016년 말 전에 첫 발사 임무를 수행할 예정이라고 밝혔다. 해당 시스템은 “16+4+4+X”의 형태, 즉 0.5m의 해상도를 갖춘 광학 위성 16개, 하이엔드 광학 위성 4개, 마이크로파 위성 4개와 초분광 영상 등 미소위성 몇 개로 구성될 예정이며, 완성된 후 지구를 매일 5~6차례 중복 관찰할 수 있다.   항천과기집단은 이미 위성 제조, 발사 서비스, 위성 운영, 지상 설비 제조와 서비스를 포함한 완전한 산업 사슬을 구축하였으며, 현재까지 통신, 항법, 원격탐사, 과학 실천 등 각 유형의 위성 215개를 연구 개발하고 발사하였는데, 그 중 궤도에서 안정적인 운행을 하고 있는 위성은 122개이다. 창정(長征) 계열의 운반로켓은 이미 215차례의 발사 임무를 완성하였다. 또 상업 위성 제조 측면에서 동3B, 동4 등 플랫폼을 대표로 하는 고궤도 상업 통신 위성, 자원, CAST2000, SAST3000 플랫폼을 대표로 하는 중소형 상업 원격탐사 위성, CAST100 플랫폼을 대표로 하는 나노위성을 개발하였으며, 산업화 설계 요구에 근거하여 20개 위성의 공용 플랫폼 스펙트럼 및 페이로드 제품 계열을 형성하였다. 총 11개 위성 제품이 이미 9개 국가로수출계약을 받았으며, 지상 설비 수출, 주파수/궤도 위치의 협력적 지원, 운영 및 기술 양성 등 일련의 부가가치 서비스를 제공하고 있는 상태이다. 상업 발사 서비스 측면에서, 총 22개 국가의 고객을 위하여 국제 상업 발사를 51번 완성하고 위성을 59개 발사하였다. 현재 창정 계열의 총 7가지 유형의 운반로켓이 상업 발사 서비스와 탑재 발사에 활용되고 있다. 이중 현재 서비스 중인 일반 운반로켓과 신속한 이동식 발사 능력을 갖춘 창정6호와 창정11호 차세대 운반로켓도 포함하고 있어 단일 위성, 다중 위성, 탑재 발사 등 다양한 발사 서비스를 제공할 수 있다. 항천과기집단은 향후 상업 통신 위성 시스템, 저궤도 데이터 수집 성좌, 위성 항법 응용 산업, 위성 종합 응용 상업화 등 분야의 적극적인 발전을 도모하고 “일대일로(一帶一路)”전략과 양국/다국 협력 메커니즘을 기반으로, 전세계에 위성수출, 발사, 기술이전 및 양성, 데이터 수출, 지상기지 건설, 항법 응용 등 일련의 상업 서비스를 제공할 예정이다.

중국 첫 역자기장 핀치 자기밀폐형 핵융합 대형장치 개발

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최근, 중국 첫 대형 역자기장 핀치 자기 밀폐형 핵융합(reversed field pinch magnetic confinement fusion) 실험 장치[KTX, “커다이환(科大一環)”으로 약칭]가 중국과학기술대학교에서 최종 설치와 실험가동을 완성했고 정상적 운행에 들어갔다. 이 장치의 전체 지름은 8미터이고, 자기장은 7,000가우스, 플라즈마 전류는 1조 암페어, 전자 온도는 600만 도, 방전 시간은 100밀리초에 달한다. 사진은 대형 역자기장 핀치 자기밀폐형 핵융합 실험 장치이다.

주취안위성발사센터, 톈후이1호 03위성 발사 성공

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2015년 10월 26일 오후 3시 10분, 중국 주취안위성발사센터(酒泉衛星發射中心)에서 창정2호정(長征二號丁) 운반로켓으로 톈후이1호03위성(天繪一號03星)을 발사하는데 성공하였다. 위성은 예정된 궤도에 진입하였다. 항태과기집단(航太科技集團) 제5연구원 산하의 항태둥팡훙위성유한회사(航太東方紅衛星有限公)에서 개발한 톈후이1호03위성은 과학실험, 국토자원 조사, 매핑, 농작물 생산량 추정 및 재해 방지·저감 등 분야에 활용되어 중국 과학연구와 국민경제 건설에서 적극적인 역할을 할 예정이다. 톈후이1호위성은 중국 첫 전송형 3차원 매핑 위성이며, 톈후이1호01위성, 02위성은 2010년과 2012년에 선후로 발사되어 중국 매핑사업을 위하여 중요한 기여를 하고 있다. 창정2호정 운반로켓은 중국항태과기집단회사(中國航太科技集團公司) 산하의 상하이항태기술연구원(上海航太技術研究院)에서 연구 개발한 것이다. 이번 발사는 창정 계열 운반로켓의 215번째 비행이다.

칭화대학교, 프로테아좀을 3차원적으로 구조해석하다

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최근, 칭화대학교(清華大學), 중국농업과학원, 하버드의과대학(Harvard Medical School)의 연구팀은 단일-입자 냉동전자현미경(cryo-EM)으로 내인성효모인 26S 프로테아좀(proteasome)의 구조를 해석하여 2종류의 주요한 구조 상태를 규명하였다. 해당 연구 성과는 2016년 2월 29일 “Proceedings of the National Academy of Sciences(PNAS)”에 발표되었다. 칭화대학교 생명과학대학의 스이궁(施一公) 교수와 왕펑(王豐) 박사는 본 논문의 공동 교신 저자이다. 스이궁 연구팀은 구조생물학과 생물화학 수단으로 종양 발생과 세포 사멸의 분자 메커니즘을 규명하는데 주력하고 있으며, 특히 종양 억제 인자와 세포 사멸 조절 단백질의 구조 및 기능 연구, 중대 질병 관련 막단백질의 구조 및 기능 연구, 세포내 생물 거대분자 기계의 구조 및 기능 연구에 집중하고 있다. 중국에 돌아온 후 스이궁은 Nature 등 세계 최고 학술지에 여러 편의 논문을 발표하였으며, 또한 칭화대학교를 중심으로 인재 도입 플랫폼을 구축하였다. 2013년 스이궁은 중국과학원 원사로 당선되었다. 26S 프로테아좀은 진핵세포 내에서 단백질을 분해시키는 주요한 분자 기계로서 표적 단백질의 특이적 분해를 통하여 생물체의 대부분 생명 활동에 거의 모두 참여한다. 26S 프로테아좀을 구조적으로 19S 조절 입자와 20S 코어 입자(core particle) 입자 2개 부분으로 나눌 수 있다. 19S 조절 입자는 유비퀴틴 사슬 표지를 보유한 단백질 기질을 식별하여 언폴딩(unfolding)하며, 마지막으로 언폴딩 단백질 기질을 20S 코어 입자에 수송하여 분해시킨다. 26S 프로테아좀은 구조 조성이 복잡하고 분자량이 아주 큰 탓으로 그 3차원 구조에 대한 연구는 큰 진전을 이루지 못하였으며 해당 구조 및 기능에 대한 인식 또한 큰 저해를 받고 있다. 최근, X선 기술 분야에서 거대 분자 복합물 구조 해석에 대한 경험이 축적되고 또한 냉동전자현미경 기술 분야의 기술이 개선됨에 따라 26S 프로테아좀의 3차원 구조 해석도 신속한 발전을 가져왔다. 연구팀은 단일-입자 냉동전자현미경으로 해상도가 4.6~6.3 옹스트롬(Å)에 달하는 사카로미세스 세레비지에(Saccharomyces cerevisiae) 내인성 26S 프로테아좀의 구조를 획득하였다. 또한 cryo-EM 영상의 고해상도 특성에 근거하여19S 조절 입자 중의 18개 서브유닛과 20S 코어 입자 중의 28개 서브유닛의 모델을 구축하였다. 프로테아좀의 구조는 2종의 서로 다른 구조 상태를 나타냈는데 연구팀은 해당 구조를 M1과 M2라고 명명하였으며, 각각 기존에 보고된 ATP-γS와 ATP가 존재하는 조건에서 정제하여 얻은 프로테아좀의 상태에 대응되었다. 해당 구조는 또한 내인성 기질이 존재하거나 부족할 때의 프로테아좀 상태와도 대응되었다. 구조 기반의 생물화학적 분석을 진행한 결과, 리드(lid)를 형성하는 과정에서 Rpn11 탈유비퀴틴화 효소의 활성은 증가되었다. 해당 구조는 프로테아좀의 기능 메커니즘을 밝혀내는데 분자적 기초를 마련하였다. 26S 프로테아좀은 많은 생명 과정에서 중요한 작용을 일으키며 또한 질병과 직접적인 연관성을 가지고 있으므로 26S 프로테아좀의 작용 기능 분자적 메커니즘을 밝혀내는 것은 매우 시급한 과제로 되고 있다. 2015년 1월 Max Planck Institute for Chemistry(MPI)의 Wolfgang Baumeister가 이끄는 연구팀은 최초로 건강한 대뇌 세포에서 작동하는 프로테아좀을 관찰 및 분석하였다. 해당 연구 성과는 Science 잡지에 발표되었다. 2015년 2월 군사의학과학원 생물공학연구소의 연구팀은 c-Abl 비수용체 타이로신 키나아제는 프로테아좀 PSMA7 서브유닛의 유비퀴틴화 분해에 대한 제어를 통하여 프로테아좀의 풍부도를 조절한다는 것을 입증하였다. 해당 연구 성과는 Cell Reports 잡지에 발표되었다. 2015년 4월 Harvard Medical School의 Marc Kirschner 연구팀은 단일-분자 형광법으로 효소가 유비퀴틴을 단백질에 첨가하는 과정 그리고 해당 단백질이 세포 프로테아좀에 의하여 식별 및 회수되는 메커니즘을 규명하였다. 해당 연구 성과는 Science 잡지의 2건의 연구 논문에 발표되었다.

그람음성균 세균의 항생제 내성을 해결하다

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최근, 이스트앵글리아대학, 중산(中山)대학, 쉬저어우(徐州)의학원 공동연구팀이 “그람음성균” 세균의 항생제 내성을 파악하여 내성세균의 세포유지 방어장벽 메커니즘을 규명하였다. 해당 성과는 《Nature》 잡지에 발표되었다. 연구팀은 세계 최신 과학장비 “다이아몬드 광원”(Diamond Light Source)을 이용하여 “그람음성균”이라고 부르는 세균을 조사하였다. Diamond에서 생성된 태양광보다 100억배 더 밝은 강한 빛은 원자수준에서 거의 모든 물질을 세부적으로 탐구할 수 있다. 항생제에 큰 내성을 나타내는 그람음성균은 통제하기 가장 어려운 세균으로 꼽힌다. 그람음성균은 모두 세포방어벽을 갖고 있으며 β-배럴 단백질은 이러한 세포벽에 영양물질을 공급하고 주요 생물분자를 분비하는 대문을 형성한다. β-배럴 단백질 합성 유닛(BAM)은 세포벽에 대문(β-배럴 단백질)을 형성하는데 이러한 단백질 형성을 억제시키면 세포가 사멸된다. 그람음성균 대장균에는 BamA, BamB, BamC, BamD와 BamE 등 5개 서브유닛(subunit)을 포함한 β-배럴 단백질 합성유닛이 있다. 연구팀은 β-배럴 단백질 합성유닛 구조는 초기상태와 최종상태에 처해있으며 5개 서브유닛은 환상구조를 이루고 그 협동작용은 신형의 회전 및 진입 메커니즘을 이용하여 외막 단백질에 진입한다는 것을 발견하였다. 해당 연구는 세균파괴 방어벽을 통하여 슈퍼박테리아를 사멸하는 약물을 개발하는데 도움을 주었는데, 이는 향후 세균이 가능하게 약제내성을 형성할 수 없다는 것을 의미한다. 또한 해당 메커니즘이 당뇨병, 파킨슨병 및 기타 신경퇴행성질환 관련의 인간세포기능장애를 인식하는데 도움이 될 것으로 전망된다.

보아오그룹, 지카 바이러스 검출 시약 3일만에 개발

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최근, 칭화지주유한회사(清華控股) 산하의 보아오(博奧)생물그룹유한회사·바이오칩 베이징(北京)국가공학연구센터(“보아오그룹”)는 감염성질환진단치료 협동혁신센터의 강력한 지원을 받아 지카바이러스(Zika virus)를 30분 내에 쾌속 검출할 수 있는 등온 증폭 검출 시약을 3일 만에 개발하고 기초 실험에 성공하였다. 또한 해당 기술을 이용하여 과학연구/제품 개발의 표준품 또는 참고품으로 이용할 수 있는 지카바이러스 가상 입자를 제조하였다. 현재 지카바이러스는 아메리카 및 카리브 지역을 휩쓸고 있다. 중국 대륙에서는 아직 해당 병례가 발견되지 않았지만 중국 정부는 해당 전염병의 대규모 발생에 대한 예방 통제를 아주 중요시하고 있으며, 지카바이러스를 제2종 법정전염병으로 지정하였다. 이집트 숲모기(Aedes aegypti)에 의해 전파되는 지카바이러스에 임산부가 감염되면 태아에 영향을 미쳐 신생아에게 소두증(microcephaly)이 발생하고 더 나아가 죽음까지 초래할 수 있다. 보아오그룹은 15년 동안의 과학연구 경험과 자체 개발한 등온 증폭 미세유동 제어칩 검출 프랫폼을 기반으로 3일 만에 지카 바이러스 검출 시약 개발에 성공하였다. 지카바이러스 검출 시약을 이용하여 미세유동 제어칩 형식으로 지카바이러스에 대한 쾌속 검출을 실현할 수 있다. 또한 일반 검출 방법에 비하여 검출 속도가 빠르고 조작이 간단하며 수요되는 샘플량이 적으므로 여러가지 지표를 동시에 검출할 수 있는 장점을 보유하고 있다. 보아오그룹은 자체로 개발한 등온 증폭 미세유동 제어칩 검출 플랫폼으로 이미 병원체 검출 관련 칩을 개발하여 호흡기 감염과 관련된 13종 병원균, 22종 바이러스, 19종 설사 질환 병원체 및 35종 세균의 약물내성 유전자 등 병원체를 동시에 검출하였으며, 또한 환자의 샘플 채취로부터 검사보고를 얻는 시간을 2시간 이내로 줄여 임상 검사 효율을 대폭 향상시켰다.

2015년 중국 생명과학 분야 10대 성과

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최근, 중국과학기술협회 생명과학학회연합회는 18개 학회의 추천, 생명과학 분야 전문가들의 평가 및 연합회의 선정과 심사를 거쳐 2015년 “중국 생명과학 분야의 10대 연구 성과”를 아래와 같이 발표하였다(순서는 순위와 상관없음). 1. 중국과학원 식물연구소 중캉(種康) 연구원과 중국논벼연구소 쳰쳰(錢前) 연구팀은 논벼의 저온 감수·저항 메커니즘에 관한 연구를 통해 세계 최초로 식물 저온 센서를 발견하고 인공 순화에 의한 메벼 내한성의 분자세포학적 메커니즘을 규명하였다. 2. 우한(武漢)대학 쑹바오량(宋保亮) 연구팀은 세포내 콜레스테롤 수송에 관한 새로운 메커니즘을 발견하여 퍼옥시좀 이상 질병을 치료하는데 새로운 가능성을 제공하였다. 3. 베이징(北京)생명과학연구소 사오펑(邵峰) 연구팀과 샤먼(廈門)대학 한자화이(韓家淮) 연구팀은 각각 독립적으로 세포 염증성 괴사에 관한 새로운 메커니즘을 규명하여 자체 면역과 염증성 질환을 위하여 새로운 이론적 근거를 제공하였다. 4. 제3군의대학 쩌우취안밍(鄒全明), 중국식품약품검증연구원 쩡밍(曾明), 장쑤성(江蘇省)질병예방통제센터 주펑차이(朱鳳才) 등 교수는 공동으로 경구 “헬리코박터 파일로리(Helicobacter pylori, Hp) 백신을 연구 개발하여 만성 위염과 위암을 예방하는데 새로운 방법을 제공하였다. 5. 칭화(清華)대학 스이궁(施一公) 프로젝트팀은 이어맞추기 복합체(Spliceosome)의 3차원 구조 및 RNA 이어맞추기의 분자 구조에 관한 기초 연구를 진행하고 이어맞추기 복합체의 작업 원리를 구현하여 메카니즘을 더 한층 이해하는데 기반을 마련하였다. 6. 베이징(北京)대학교 생명과학대학 셰찬(謝燦) 실험실은 자기 수용체 단백질 MagR를 발견하고 생물체가 감수하는 자기장의 변화에 관한 분자 메커니즘을 규명하여 자기장에 의한 생물 대분자의 성질 조절을 촉진하는데 가능성을 제공하고 생물 천이의 비밀을 밝히는데 도움을 주었다. 7. 저장(浙江)대학 장촨시(張傳溪) 연구팀이 발견한 벼멸구의 긴 날개, 짧은 날개의 가소성 발육에 관한 분자 "스위치"는 곤충을 방제하는데 아주 중요한 가치가 있다. 8. 중국과학원 식물연구소 쾅팅윈(匡廷雲), 선젠런(沈建仁) 연구팀은 고등식물의 광화학계I-광수확 안테나(PSI-LHCI)의 결정 구조를 해석하여 작물의 광이용 효율 향상, 바이오닉 시뮬레이션, 태양에너지 이용을 위하여 이론적 근거와 중요한 경로를 개척하였다. 9. 베이징(北京)대학 탕푸처우(湯富酬) 연구팀은 베이징대학 제3부속병원 차오제(喬傑) 연구팀과 공동으로 발육과정 중의 인류 원시 생식세포 유전자의 발현 네트워크에 관한 후성유전학적 조절을 분석하여 초기 인류의 배 발생 관련 유전자와 후성유전학적 조절을 위하여 새로운 이론과 기법을 제공하였다. 10. 베이징(北京)대학 덩훙쿠이(鄧宏魁) 연구팀은 화학적 재프로그래밍 과정의 중간 상태 감정과 새로운 화학적 재프로그래밍 시스템의 구축을 통해 소분자 화합물에 의해 유도되는 체세포 재프로그래밍 메커니즘을 규명하여 재생의학에 새로운 가능성을 제공하였다.

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.

중국, 세계 첫 상온상압 수소저장·수소자동차 출시

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2016년 9월 17일, 세계 첫 상온상압 수소저장·수소자동차 전시차량인 “타이거하오(泰歌号)”가 우한(武汉)에서 출시되었다. 이는 중국이 “상온상압 수소저장 기술”을 파악하였음을 의미한다. 수소에너지는 에너지밀도가 매우 높은 청정성 신재생에너지로서 이론적으로 여러 가지 동력 설비에 광범위하게 활용될 수 있으나, 상온상압에서 저장이 어려운 것은 그 발전을 저애하는 주요 걸림돌이다. 중국 지질대학교(우한) 국가 첫 번째 “천인계획” 전문가 청한쑹(程寒松)교수가 이끄는 연구팀은 수소에너지가 상온상압에서 저장과 방출이 어려운 기술적 어려움을 극복하여 수소에너지의 상온상압 저장․운송 문제를 해결하였다. “타이거하오”로 명명된 수소자동차 공학 전시차량은 후베이성(湖北省), 우한시(武汉市), 중국 지질대학교(우한)가 공동으로 구축한 신형 과학기술 서비스 플랫폼——우한지질환경공업기술연구원유한회사 그리고 청한쑹 교수가 개발한 “상온상압 수소저장 기술”을 기반으로 하는 퉁지(同济)대학교, 장쑤(江苏)칭양(氢阳)에너지유한회사, 양쯔장(扬子江)자동차그룹유한회사와 공동 개발하였다. “타이거하오” 수소자동차는 상온상압 수소저장·수소에너지 동력시스템으로 구동한다. 상온상압 수소저장 기술은 수소저장 밀도가 크고 운송원가가 낮을 뿐만 아니라 신속하고 편리하며 안전하고 안정적인 등 장점을 갖고 있다. 또한 기존의 주유소 등 기초시설을 충분히 이용할 수 있고 수소저장재료는 여러 번 순환 사용할 수 있으며 원가우위가 뚜렷하다. 해당 차량은 무오염, 무소음이며 수소첨가 속도가 빠르고 순항거리가 길며 사용수명이 긴 등 장점을 갖고 있다. 수소자동차는 미래 자동차 산업의 발천추세이다. 상온상압 수소저장·“타이거하오” 수소자동차의 개발은 수소에너지가 자동자 영역에서의 산업화 응용 발전을 크게 촉진할 것이며 전통적 자동차 녹색 저탄소로의 전환 업그레이드에 도움을 줄 것으로 전망된다.

중국과학원 상하이규산염연구소, 대규모 신형 무기 내화지 개발 성공

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최근, 중국과학원 상하이규산염연구소의 주잉제(朱英傑) 연구팀은 최적화 성분 배합 방법과 제지기술을 통하여 대규모, 두께 조절 가능 및 국가 복사용지 표준에 부합되는 신형 무기 내화지 개발에 성공하였다. 관련 연구 성과는 표지 논문 형태로 “CHEMISTRY-A EUROPEAN JOURNAL” 학술저널에 발표되었다. 신형 무기 내화지는 전통적인 제지공법으로 제조되었으며 유연성이 높은 수산화인회석 초장 나노선을 원료로 사용하였다. 수산화인회석은 인체 뼈와 치아의 주요 무기 성분으로서 친환경적이고 고온에 잘 견디며 연소되지 않는다. 수산화인회석 초장 나노선은 강한 유연성과 양질의 흰색을 나타내므로 수산화인회석 재료의 고취약성 문제를 효과적으로 해결할 수 있으며 신형 무기 내화지를 구축하는 이상적인 재료이다. 2년간의 노력을 거쳐 주잉제 연구팀은 올레산칼슘 전구체 용매열 합성법(solvothermal method)을 개발하였으며 길이가 100미크론 이상이고 최대로 1000미크론까지 가능한 수산화인회석 초장 나노선을 제작하는데 성공하였다. 확대 제작기술은 중복성이 있다. 연구팀은 최적화를 통하여 신형 무기 내화지의 다양한 성능을 대폭 증가시켰다. 즉, 척도는 기존의 몇 cm에서 A3 크기(43cm×29.7cm)로 확대되었으며 주요 성능 지표는 국가 복사용지 표준에 달하여 일상 필기, 프린트 및 복사용지로 사용 가능하며 품질이 뛰어나다. 신형 무기 내화지는 생체 적합성이 우수하고 제작 과정도 친환경적이어서 대규모 응용 과정에서 환경오염을 초래하지 않는다. 외관적으로 내화지는 전통적인 식물 섬유지와 비슷하다. 내화지는 일상 필기, 프린트, 복사 등 기능 외에 독특한 고온 내성, 내화성 등 특성을 갖고 있어 내고온 특수용지, 내고온 서법 회화지, 내고온 라벨용지로 사용할 수 있으며 문서 등 주요 서류를 장기 보관하는데 사용될 수 있다.

중국과학원 전기공학연구소, 세계 첫 백미터급 철기반 초전도선 개발

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최근, 중국과학원 전기공학연구소 마옌웨이(馬衍偉) 연구팀은 세계 첫 100미터급 철기반(鐵基) 초전도선을 개발하였다. 해당 성과는 철기반 초전도 재료가 실험실 연구에서 산업화에로의 진입을 의미하며 중국이 철기반 초전도 재료 기술 영역에서 세계 선두를 달리고 있음을 의미한다. 2008년에 발견된 철기반 초전도체는 윗임계자기장이 최대로 100테슬라를 초과하며 또한 고자기장에서 여전히 초전도 무손실 전송 및 높은 통전(current-carrying) 밀도 특성을 유지할 수 있으므로 국제 초전도 분야에서의 연구 이슈로 떠올랐다. 현재 세계적으로 미국, 일본, 유럽 등 국가의 철기반 초전도선 제조는 아직 미터급 수준에 처해 있다. 백미터급 고성능 철기반 초전도선 제조기술은 철기반 초전도선 대규모 응용의 핵심이자 또한 철기반 초전도체 발전을 제한하는 주요한 기술적 어려움이다. 연구팀은 2008년 세계 첫 철기반 초전도 선재(線材) 개발에 이어, 철기반 초전도 재료의 성상 물리화학, 원소 혼합, 초전도 와이어 테이프 제재, 열처리 공법, 미시적 구조 등 분야에서 대량의 연구를 전개하여 원가가 비교적 낮은 파우더인 튜브(Powder-in-tube, PIT)방법으로 고성능 철기반 초전도 와이어 스트립을 제조하는 일련의 핵심기술을 파악하였다. 또한 철기반 초전도 와이어 스트립의 통전 성능 영역에서 계속 국제 선두 수준을 유지하고 있으며 완전한 자체 지식재산권을 보유하고 있다. 이를 기반으로 연구팀은 철기반 초전도 선재 규모화 제조 공법의 탐색 연구를 전개하였으며 초전도선에 대한 구조 설계와 가공 기술의 시험 최적화를 통하여 철기반 초전도선 규모화 제조에서의 균일성, 안정성과 중복성 등 기술적 어려움을 극복하여 최종 115m 길이의 (Sr,K)Fe2As2 철기반 초전도선을 제조하였다. 초전도선의 통전 성능 테스트 결과 양호한 균일성과 비교적 약한 자기장 쇠퇴 특성을 나타냈으며 10테슬라 고자기장에서의 임계전류 밀도는 12,000A/cm2를 초과하였다. 이로써 중국은 자체 지식재산권을 보유한 철기반 초전도선 제조 기술을 파악하였으며 강전기 분야에서의 실용화와 산업화를 위해 튼튼한 토대를 마련하였다. 철기반 초전도 재료는 공업, 의학, 국방 등 다양한 영역에서 광범위한 응용 전망을 갖고 있으며 “science”잡지는 현재 가장 큰 발전 전망 있는 신형의 고온 초전도체의 하나로 평가하였다. 향후, 중국과학원 전기공학연구소는 초전도선의 제조공법을 한층 더 최적화 하여 초전도 심지의 전류부하 성능을 한층 더 향상시켜 초전도체의 원가를 계속해서 줄임으로써 중국 초전도 산업사슬의 혁신적인 발전과 산업화 업그레이드에 새로운 동력을 제공할 예정이다.

시안광학정밀기계연구소, 고효율․고출력 반도체 레이저칩 개발

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최근에 시안(西安)광학정밀기계연구소 양궈원(楊國文) 연구원이 담당하고 있는 12차5개년계획의 '일삼오(一三五)' 자율 배치 프로젝트-'고효율, 고출력 반도체 레이저칩 연구'는 1년간의 기술적 어려움을 극복하고 획기적인 성과를 거두었다. 중국 최초로 고효율․고출력 칩 설계, 저응력, 저결함 재료 및 소자의 제조공법, 고손상 문턱값 레이저 캐비티 표면처리, FMA 고장 메커니즘 분석 등 핵심기술을 파악하였으며 4가지 고급 반도체 레이저칩을 독자적으로 개발하였다. 그중, 100W급 반도체 레이저칩의 전기광학 변환효율은 국제 최고수준에 달하였으며 국제 동급 소자의 성능지표를 초과하였다. 연구팀은 20여개 고효율․고출력 반도체 레이저칩을 개발하였고 SCI논문 2편을 발표하였으며 특허 9개를 신청하였다. 해당 프로젝트는 최근의 최종검수에 통과되었다. 고출력 반도체 레이저칩은 전반 레이저 가공 산업사슬의 기반이자 근원이며, 레이저 시스템의 소형화, 경질화와 안정적 출력의 전제․담보로 되며, 또 선진제조, 의료미용, 우주항공, 안전보호 등 영역에서 광범위하게 응용된다. 유럽과 미국 등 선진국들은 고출력, 고효율 반도체 레이저칩 연구 분야에서 세계 선두를 달리고 있다. 현재 중국의 실용적인 고출력 반도체 레이저장치의 단일 튜브는 5W보다 크고 단일 바(bar)도 40W보다 크기에 거의 전부가 수입품에 의존하며 레이저기술 산업발전을 심각하게 제약하였다. '고효율․고출력 반도체 레이저칩 연구' 성과는 중국 고급 반도체 레이저칩이 장기간 수입품에 의존하는 형세를 개변시켰으며, '중국제조2025', '인터넷+' 등 국가 중대 응용수요에 핵심적 지원을 제공하였다.

다야완 중성미자검출기 중성미자 포집에 성공

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8월 15일 광동성 다야완에 위치한 중성미자검출기로 원자력발전소 반응로에서 방출된 중성미자를 포집하는데 성공함에 따라 반물질이 사라지는 비밀을 밝히는데 큰 역할을 할 것이라는 기대를 낳고 있다. 다야완 중성미자실험프로젝트는 중·미 양국간 기초과학분야 최대 협력프로젝트로, 2007년 10월 13일에 착공되어 4년이 지난, 올해 1월 8일에는 중성미자실험프로젝트과 관련하여 브리핑을 가진적 있다. 중국과학원, 중국과학기술부, 국가자연과학기금위원회, 미국에너지부 등의 지원을 받아 4년만에 건설된 대형과학공정인만큼 세계적인 주목을 받게 되었다. 프로젝트 건설단계인 2006년부터 중국, 미국, 홍콩, 대만, 러시아 등 6개 국가(지역), 39개 연구기관의 연구원 250명이 참여하였다. 당시 중국측의 설계방안이 가장 우수하다고 판단한 미국에너지부는 자국의 2개 실험방안을 전부 포기하고, 그 대신 미국과학자가 다야완 실험프로젝트에 합류하도록 지원하였다. 현재 이 프로젝트는 중미양국의 기초연구분야 최대 규모의 협력과제이며 미국에너지부가 해외에 투자한 제2위의 입자물리실험프로젝트로, 유럽의 대형강입자충돌기(LHC) 다음간다. 바이춘리(白春禮) 중국과학원 원장은 대형과학장비 가동식에서 기초과학분야의 국제협력 강화와 국가 기초연구분야의 창의적인 원천기술능력 향상에 있어서 다야완중성미자실험프로젝트가 지니는 의의가 깊다고 언급한바 있다. 중국과학원 고에너지연구소의 연구자는 희토류 화학 및 방사화학분야의 노하우를 바탕으로 새로운 화학배합방법과 화학제조방정식을 고안해냈고 소규모 테스트와 4톤의 확대시험을 마친 후 180톤을 생산하는 등 양산화에 성공하였다. 다야완의 중국측 연구자가 현재 한국의 중성미자실험 역시 중국의 배합방법을 사용하고 있다고 밝힐 정도로 중국의 화학배합방법이 선진국 수준임을 시사해준다.

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.