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714 검색 결과: 베이징

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베이징대, 그래핀 단결정 웨이퍼 규모화 제조 및 장비 개발 관련 성과

최근 베이징대학/베이징그래핀연구원 펑하이린(彭海琳) 연구팀과 베이징그래핀연구원 류중판(劉忠範) 연구팀은 공동으로 “에피택셜 기판 제조-그래핀 에피택셜 성장” 아이디어에 기반해 4인치 CuNi(111) 구리니켈합금 단결정 박막을 제조한 후 해당 박막을 성장 기판으로 4인치 그래핀 단결정 웨이퍼 초고속 제조를 달성했다. 또한 파트너와 협력해 그래핀 단결정 웨이퍼 대량 제조장비를 자체적으로 개발함과 아울러 1회 25장의 4인치 그래핀 단결정 웨이퍼 생산량을 달성했다. 해당 설비의 연간 생산능력은 10,000장에 달해 세계 최초로 그래핀 단결정 웨이퍼 규모화 제조를 달성했다. 해당 논문은 “Science Bulletin”에 온라인으로 게재되었다.
미래 첨단과학기술산업 경쟁을 주도할 전략적 신소재로 자리매김하는 그래핀은 응용범위가 광범위하다. 그래핀의 독특한 성능을 보유할 수 있는 까닭은 단일층 탄소원자 평면구조 때문이다. 그래핀은 지금까지 발견된 두께가 가장 얇고 강도가 가장 높으며 구조가 가장 치밀한 재료로 전기학, 광학, 열학, 화학 등 성능이 뛰어나다. 퍼펙트한 구조를 보유한 그래핀 박막은 미래 고성능 전자장치 및 광전자장치 제조에 있어 혁신적 재료가 될 전망이다.
화학기상증착법은 반도체산업에서 다양한 박막재료 증착에 가장 광범위하게 사용되는 기술로 대면적 고퀄리티 그래핀 박막재료 대량 제조에 있어 최선의 방법이다. 하지만 화학기상증착법으로 제조한 그래핀 박막에 흔히 결정립계, 주름, 점결함(point defect), 오염 등이 존재하는데 이는 그래핀 성능을 심각하게 저하시킨다. 따라서 쾌속 대량 생산이 가능하며 웨이퍼 제조 프로세스와 호환이 가능한 방식으로 고퀄리티 그래핀 단결정 웨이퍼를 제조하는 것은 전자급 그래핀 재료 규모화 응용의 핵심이다.
연구팀은 전단계 연구에서 구리(111)/사파이어 웨이퍼에서 그래핀 단결정을 에피택셜 성장시키는 방법을 제안했고 또한 세계 최초로 4인치 무주름 그래핀 단결정 웨이퍼 화학기상증착 제조를 구현했다(ACS Nano 2017 11,12337)
특히 이번 성과를 아래 세 가지로 귀납한다.
1) 그래핀 단결정 성장 기판 설계 및 선택 면에서 4인치 사파이어 웨이퍼를 기판으로 채택하고 마크네트론 스퍼터링 및 고체상태 에피택셜 재결정 방법을 사용해 500nm 두께의 CuNi(111) 단결정 박막을 제조했다. 동 방법은 계면 응력공학을 통해 사파이어에서 에피택셜의 면심입방결정구조 금속 단결정에 흔히 존재하는 쌍정(twin crystal) 문제를 양호하게 회피한다. 뿐만 아니라 니켈을 도입해 구리박막의 고온성 휘발로 발생하는 단차를 효과적으로 줄임으로써 4인치 범위에서 구리니켈 단결정 박막의 양호한 편평도를 확보했다. 동 방법은 다양한 성분비 CuNi 합금 단결정 기판의 효과적 획득이 가능해 응용공간을 확대시켰다.
2) 그래핀 단결정 웨이퍼 쾌속 에피택셜 성장 면에서 연구팀은 상압 화학기상증착 방법을 사용해 CuNi(111) 합금 단결정에서 그래핀 단결정 도메인의 에피택셜 성장, 방향성이 일치한 그래핀 단결정 도메인의 심리스 스플라이싱(seamless splicing)을 구현함으로써 4인치 그래핀 단결정 웨이퍼를 획득했다. 뿐만 아니라 동일한 성장조건에서 4인치 그래핀 단결정 웨이퍼의 성장시간을 10분으로 단축시켰는데 이는 Cu(111) 위에서의 그래핀 성장속도보다 50배 빠르다. 따라서 생산에너지소비는 대폭 줄이고 생산능력은 크게 향상시켰다. 심층적 메커니즘 연구 결과, 적은 함량의 Ni 성분(10%)은 탄소원의 분해 속도를 효과적으로 향상시켜 그래핀의 쾌속 성장을 도왔다. 뿐만 아니라 그래핀 성장은 여전히 표면반응 주도를 유지했고, 제조된 그래핀은 단일층이었으며, 주름 문제를 극복해 매우 편평했다.
3) 그래핀 단결정 웨이퍼 대량 제조장비 개발 면에서 연구팀은 파트너와 협력해 파일럿규모의 그래핀 단결정 웨이퍼 성장 장비를 자체적으로 설계·개발했다. 연구팀은 상압 화학기상증착의 기본원리에 기반하고 설비 온도범위, 기류강약, 급기방식, 챔버압력, 거치대 등에 대한 최적화를 통해 성장챔버 내부 온도장 및 흐름장을 균일적으로 조절했다. 성장 조건 최적화 후 1회 25장의 4인치 그래핀 단결정 웨이퍼 쾌속 성장을 달성했다. 연구팀이 제조한 그래핀 단결정 웨이퍼는 시트 간 및 시트 내 균일성이 양호했고 그 품질은 소형 성장시스템과 비슷했다. 해당 설비의 연간 최대생산능력은 10,000장에 달하며 6~8인치 그래핀 단결정 웨이퍼도 제조할 수 있다.
한마디로 동 방법은 전자급 그래핀 단결정 웨이퍼 대규모 생산에 실행 가능한 기술경로 및 장비기반을 마련했다.

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베이징 전자-양전자 충돌기, 참물리 분야에서 30년간 세계 선도해

중국 베이징 전자-양전자 충돌기(BEPC)는 배드민턴채 모양이며 동 BEPC는 길이가 202m인 직선가속기 1대, 총길이가 200m인 빔트랜스퍼라인(beam transfer line) 1세트, 둘레길이가 240m인 저장링가속기 1대, 높이가 6m, 무게가 700t인 대형 검출기 “베이징 스펙트로미터(Beijing spectrometer, BES)” 하나, 싱크로트론 방사 실험장치 14대 등으로 구성되었다.
세계 최고 권위 입자 데이터 테이블에서 베이징 스펙트로미터로 측정한 데이터가 1,000개를 초과한다. 여기서 1개당 데이터는 하나의 성과를 대표한다. 특히 참물리(charm physics) 분야의 대부분 정밀 측정은 베이징 스펙트로미터 협력팀이 완성했다고 해도 과언이 아니다. 이렇듯 BEPC는 참물리 분야에서 30년간 세계를 선도했다.
BEPC는 두 가지 과학용도가 있는데 하나는 고에너지 물리실험 즉, 베이징 스펙트로미터 실험이고 다른 하나는 싱크로트론 방사 응용연구 즉, 충돌시 발생하는 싱크로트론 방사광을 이용한 여러 학과분야 연구이다. BEPC는 매년 약 500차례 실험을 수행하고 있다.
과학계는 입자를 충돌시키는 방법으로 입자를 쪼개여 그 속에 무엇이 들어있는지를 탐구해 왔다. 충돌속도가 빠를수록 더 작은 쪼각을 얻을 수 있으므로 새 발견의 가능성이 높아진다. 초고에너지 연구시 반드시 2개 빔을 충돌시켜야 하지만 충분히 높은 충돌밝기를 얻기 위해서는 많은 입자, 작은 단면적, 높은 빈도수를 갖춘 빔을 충돌시켜야 하기에 어려움이 더 크다.
BEPC는 1988년 10월 16일에 충돌실험에 성공했다. 2004년 개선 전의 충돌기는 한 쌍의 빔다발로 초당 100만 회 충돌시켰지만 2008년에 이중 링 구조로 개선 후 약 100개 빔다발에 초당 1억 회 충돌 능력을 갖추었다. 아울러 기타 성능도 제고되어 밝기가 전에 비해 100배 향상되었다.
입자물리 분야의 고에너지, 고강도, 우주학 등 3개 선도 영역에서 BEPC는 고강도 영역에 속하고 나머지 2개 선도 영역은 각각 대형강입자충돌기(LHC), 국제선형충돌기(ILC), 미래원형충돌기(CEPC와 FCC) 등과 고산우주선, 우주탐사기, 망원경 등이 담당한다.
최근 베이징 스펙트로미터Ⅲ(Beijing Spectrometer III, BESIII) 협력팀은 전자-양전자 충돌에서 람다 하이퍼론(lambda hyperon)의 가로편극(transverse polarization)을 발견했다. 협력팀은 2009년과 2012년에 수집한 13억 차모니움(charmonium) 데이터를 이용해 순도가 높고 품질이 좋은 42만 개 사례를 선별했다. 해당 사례에서 발생된 람다 하이퍼론의 25%에 가로편극이 존재함을 발견했다. 해당 성과는 “Nature Physics”에 게재되었다.
전세계 14개 국가 64개 연구기관의 400여 명 과학자들은 매일 세계 각지에서 BEPC의 양전자 흐름 세기를 표시하는 빨강선과 음전자 흐름 세기를 표시하는 파랑선을 통해 BEPC에서 일어나는 충돌을 실시간으로 모니터링할 수 있다.
베이징 스펙트로미터 협력팀은 1989년에 실험을 시작해서 30여 년간 중국 주도의 협력규범을 제정하는 등 소중한 경험을 쌓았을 뿐만 아니라 후속 연구자들에 시범을 보여주었다. BEPC는 향후 10년 이상 강세를 유지할 것으로 전망된다. 향후 가벼운 강입자(light hadron) 스펙트럼 및 새 하드론상태(hadron state) 등 실험을 지속적으로 진행할 계획이며 실험 결과에 근거해 성능 개선 여부를 결정할 방침이다.
이외, 원형 전자-양성자 충돌기(CEPC) 구축 관련 논쟁이 지속되고 있는 가운데 2018년 말에 “CEPC개념설계보고서”가 발표되었다. 고강도 선도 영역뿐만 아니라 고에너지 선도 영역에도 하루빨리 진출해야 한다는 것이 중국 과학계의 주장이다.

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베이징대, 생세포 단백질에 “제어 스위치” 장착

베이징대학 화학분자공학학원 천펑(陳鵬) 연구팀과 베이징대학 합성기능생물분자센터 왕추(王初) 연구팀은 공동으로 일종의 생체환경 조건에서 순식간에 단백질을 활성화시킬 수 있는 화학생물학 새 기술을 개발했다. 해당 성과는 “프록시멀 디케이징(proximal decaging) 기술 기반 생체 내 단백질 순간적 활성화”란 제목으로 “Nature”에 온라인으로 게재되었다.
생세포 등 생리적 환경 조건에서 단백질 기능 원위치 연구는 중요한 과학적 의미가 있다. 천펑 연구팀은 단백질 원위치 활성화 기술 연구에서 생세포 단백질에 각각 “제어 스위치” 장착을 시도했다. 최근에 왕추 연구팀과의 공동 연구를 통해 일종의 단백질 “프록시멀 디케이징” 방안을 제안했는데 동 방안은 암호 유전이 가능한 비천연 아미노산 디케이징 기술 및 컴퓨터 보조설계 선별기술을 결합시켜 일련의 다양한 종류 단백질에서 시간분해가 높은 원위치 활성화를 구현했다. 이로써 생세포 및 동물생체 내 단백질 동적 조절 메커니즘 연구에 일종의 보편성 기술을 제공했다. 연구팀은 CAGE-prox로 명명한 해당 새 기법을 사용해 “키나아제 직교 활성화 및 신호 전달 조절”, “시간분해 단백질체학 분석”, “독소 단백질 기반 항종양 단백질 프로드러그(prodrug)” 등 일련의 독창적 응용과제를 달성하고 또한 검증하여 단백질 동적 기능 연구 및 조절 분야에서 해당 화학생물학 새 기술의 장점 및 특색을 보여주었다.
천펑 연구팀이 앞서 제안한 “화학디케이징” 방안은 단백질 핵심 잔기에 대한 화학보호 및 탈보호 반응을 통해 관련 활성에 대한 “온-오프” 제어를 구현할 수 있다. 연구팀은 해당 기술로 라이신, 티로신 등 천연아미노산 곁사슬에서 생물직교 결합파괴반응 및 화학디케이징을 구현했다. 또한 키나아제 등 단백질족(protein family)에 대한 특이성 활성화 및 메커니즘 연구를 수행했다. 세포 내 단백질 종류가 많고 활성 제어 메커니즘이 다양한 원인으로 현재 동 방법은 디케이징에 필요한 아미노산 종류 제한으로 모든 단백질에서의 적용이 어렵다.
상기 문제를 해결하기 위해 공동연구팀은 “프록시멀 디케이징”이란 새 전략을 제안했다. 해당 전략은 단백질 활성중심 부근에 일종의 광보호기를 갖는 비천연 티로신을 도입함으로써 활성에 대한 원격 간섭 및 억제를 마찬가지로 달성할 수 있다. 그 다음 “광디케이징” 반응을 통해 보호기를 제거함으로써 활성을 재차 복원시킨다. 단백질 활성포켓(active pocket) 부근에 비천연 티로신을 삽입 후 단백질의 안정성에 대한 영향, 기질 결합 등 다양한 요인을 통해 단백질 활성을 조절할 수 있기에 해당 전략은 기존의 “활성부위 디케이징”을 “활성포켓 디케이징”으로 전환시킬 수 있어 그 적용범위를 대폭 확장시켰다.
천펑 연구팀은 가장 먼저 생물직교 결합파괴반응 기반 화학디케이징 전략을 사용함과 아울러 유전코돈 확장기술을 결합해 단백질 촉매부위에서의 생물직교 디케이징을 달성함으로써 원위치 기능 활성화를 구현했다. 또한 왕추 연구팀과 공동으로 “프록시멀 디케이징” 새 방안을 제안함과 아울러 컴퓨터 보조설계 및 선별을 사용해 단백질 디케이징 기술의 적용범위를 촉매부위로부터 전체 활성포켓에로 확장시켰다. 이로써 광범위한 적용성을 갖춘 단백질 활성화 새 방법을 획득했다. 해당 연구는 화학생물학 분야에서 거둔 중요한 성과로서 생세포 및 동물생체 내에서의 단백질 동적 기능 연구에 핵심적 기술을 제공했을 뿐만 아니라 생물직교반응의 새 발전방향을 개척했다.

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베이징대, 광물의 “광합성” 발견

최근 베이징대학 지구ㆍ공간과학학원 루안화이(魯安懷) 연구팀은 해빛에 노출된 지표 무기광물도 태양광을 흡수해 태양에너지로 전환시키는 광물의 “광합성”을 발견했다. 해당 연구성과는 “PNAS”에 온라인으로 게재되었다.
연구팀은 중국 북부지역 고비사막/사막 및 남부지역 카르스트/적색토 등 전형적 지형의 암석·토양 샘플에 대한 체계적인 측정분석을 통해 태양광에 직접적으로 노출된 암석·토양과립 표면은 대체적으로 한 층의 검은색 “광물막”으로 피복되었음을 발견했다. “광물막”의 두께는 수십 nm에서 수백 미크론 사이였으며 버네사이트(birnessite), 침철광, 적철광 등 천연 반도체광물을 풍부히 함유한 “막”상 구조 특성을 나타냈다.
“광물막” 형성 특성 및 발달 상황은 일조와 밀접한 연관이 있었다. 예를 들어 망간을 풍부히 함유한 광물은 태양광이 비추는 적토광물 과립, 카르스트 및 고비사막 암석의 정면에서만 “광물막”을 형성했다. 뿐만 아니라 지구 육지시스템에서 망간함유 “광물막”의 분포는 태양광 강복사 지역의 분포와 일치했다.

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베이징대학, 화학 소분자를 이용하여 체외에서 간세포 기능을 장기간 유지

최근, 베이징대학 덩훙쿠이(鄧宏魁) 연구팀, 해방군총병원 루스춘(盧實春) 연구팀 및 푸단(復旦)대학 위안정훙(袁正宏) 연구팀은 공동으로 최초로 화학 소분자를 이용한 세포신호 경로 제어를 통하여 체외에서 기능성 세포의 장기간 유지를 구현했다. 이는 기능적으로 성숙된 세포 대량 제조 및 그 이용에 가능성을 제공했다. 해당 연구성과는 “1차 배양 인간 간세포가 체외에서의 장기간 기능 유지”라는 제목으로 “Science”에 게재되었다.
덩훙쿠이 연구팀은 체외 배양 과정에서 기능이 신속히 상실된 인간 1차 배양 간세포를 연구 대상으로 하여 5종 화학 소분자 조합(5 compounds, 5C)을 선별함과 아울러 이를 이용하여 체외에서 간세포 기능의 장기간 유지를 성공적으로 구현했다. 1개월 이상의 배양 과정에서 5C 조합은 간세포의 탈분화를 억제했다. 세포 전체 유전자 발현 스펙트럼은 체내의 간세포와 아주 유사할 뿐만 아니라 장기간 알부민 분비, 요소(Urea) 합성, 약물대사 등 간세포 기능을 유지했다.
덩훙쿠이 연구팀이 새로 구축한 5C 배양 시스템에서 체외 배양한 간세포는 체내 수준과 유사한 약물대사효소를 합성할 수 있을 뿐만 아니라 장기간 약물대사 유지 능력을 보유하여 약물대사, 약물상호작용 및 약물독성 등 분야에서의 응용을 확장시켰다. 덩훙쿠이 연구팀과 위안정훙 연구팀은 공동으로 5C 배양 조건을 기반으로 B형 간염 바이러스 감염 모델을 성공적으로 구축하여 B형 간염 표면항원, e 항원, B형 간염 바이러스 합성 DNA 등 감염 지표 특히 B형 간염 바이러스 복제에 필수적인 cccDNA를 장기간 안정하게 생성할 수 있는 간세포를 지속적으로 고발현시켰다. 해당 모델의 구축은 B형 간염 바이러스의 심층적 연구 및 약물 연구개발에 주요한 의미가 있다. 5C 배양 조건에서 간세포는 B형 간염 바이러스의 고효율 감염에 견딤과 아울러 장기적으로 cccDNA를 생성할 수 있기에 이상적인 약물 선별 모델로 되어 B형 간염 치료에 희망을 가져다준다.
전통적인 유전학적 방법에 비하여 화학 소분자는 다양한 신호경로 표적에 대한 정밀 제어를 구현할 수 있다. 동 연구에서 덩훙쿠이 연구팀은 화학 소분자를 이용하여 체외에서 간세포 기능의 장기간 유지를 구현했다. 해당 연구는 화학 소분자의 세포 운명 및 기능 정밀 제어 우월성을 구현하였으며 해당 방법은 또한 기타 유형 세포의 체외에서 기능 장기간 유지에 새 경로를 제공했다.