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2024-11-22 (금)

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합금의 한계를 뛰어넘는 레이저 제작 금속

미국 에너지부(DOE)의 오크리지 국립 연구소(ORNL) 연구팀은 레이저 기반 적층 제조(AM)를 사용하여 더 강하고 파손 가능성이 적은 고엔트로피 합금을 개발했다. 적층 제조는 금속 분말을 레이저나 열 등으로 녹여서 원하는 모양의 구조물을 만드는 공정으로, 3D 프린팅이라고도 한다. 미국의 과학기술 전문 매체인 사이테크데일리(SciTechDaily)에 따르면 연구원들은 다섯 가지 이상의 원소를 일정 비율로 혼합하여 고엔트로피 합금(HEA)이라는 내구성 있는 합금을 개발했다. 고엔트로피 합금은 심각한 마모 저항성, 극한의 온도와 방사선, 높은 응력을 견딜 수 있는 특성으로 인해 다양한 산업 분야의 사용이 기대된다. 그러나 기존의 3D 프린팅으로 만든 고엔트로피 합금은 강도는 높지만 연성이 부족해 성형하기 어렵고 하중이 가해질 때 쉽게 파손될 수 있다는 단점이 있다. 이는 합금의 응용 범위를 제한하는 문제점 중 하나다. 새로운 고엔트로피 합금의 특징 연구팀은 레이저 기반 적층 제조 공정을 활용하여 나노미터 두께의 나노 라멜라 구조를 가진 새로운 고엔트로피 합금을 개발했다. 이 나노 라멜라는 서로 다른 결정 구조를 가지고 있어 고강도를 제공한다. 또한, 이 판들의 명확한 가장자리는 일정 정도의 어느 정도의 미끄러짐을 허용하여 합금에 연성을 제공한다. 이것은 나노 라멜라가 여러 층으로 쌓인 판 구조와 유사하다는 것을 의미한다. 이러한 층과 층 사이에는 서로 다른 원소들이 포함되어 있다. 이 구조 덕분에 각 층이 서러 잘 붙어 강도가 높아지고, 판의 가장자리가 미끄러짐을 통해 연성이 향상되는 것이다. 새로운 고엔트로피 합금의 성능 새로운 고엔트로피 합금은 기존의 3D 프린팅 고엔트로피 합금에 비해 강도가 1.3배, 연성이 2배 이상 향상됐다. 이는 고엔트로피 합금의 한계를 극복하여 다양한 산업 분야에서 활용 가능성을 높일 것으로 기대된다. 연구팀은 오크리지 국립 연구소에 있는 파쇄 중성자 소스(Spallation Neutron Source)와 고급 광자 소스(Advanced Photon Source)를 활용하여 나노 라멜라의 구조와 특성을 분석했다. 파쇄 중성자 소스는 핵분열을 통해 생성된 중성자를 이용하여 물질의 내부 구조를 연구하는 장비이다. 반면, 고급 광자 소스는 고에너지의 광자를 사용하여 물질의 구조와 특성을 조사하는 장비다. 연구팀은 이러한 장비를 사용해 나노 라멜라의 두께와 결정 구조를 측정하고, 나노 라멜라가 합금의 강도와 연성에 미치는 영향을 연구했다. 연구 결과 나노 라멜라의 두께가 100나노미터(nm) 미만인 경우 강도가 가장 높고, 나노 라멜라의 결정 구조가 서로 다른 경우 연성이 가장 높다는 것을 발견했다. 고엔트로피 합금 응용 분야 연구팀은 이번 연구를 통해 레이저 기반 AM을 사용하여 고엔트로피 합금의 강도와 연성을 동시에 향상시킬 수 있다는 것을 보여주었다. 이는 고엔트로피 합금의 한계를 극복하여 다양한 산업 분야에서 활용 가능성을 높일 것으로 기대된다. 예를 들어, 새로운 고엔트로피 합금은 더 안전하고 연료 효율적인 차량, 더 강력하고 더 오래 지속되는 기계를 생산하는 데 사용될 수 있다. 새로운 고엔트로피 합금은 △더 가볍고 강한 항공기 및 우주선 제작, △더 안전하고 연료 효율적인 자동차 제작, △더 내구성이 뛰어난 풍력 터빈 및 태양광 패널 제작, △더 강하고 내식성이 뛰어난 의료 기기 제작 등에서 활용될 수 있다.
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2024-01-18
포스코, 포항제철소도 '신재생에너지용 후판공장' 인증 획득

포스코 포항제철소가 신재생에너지용 후판공장으로서 인증을 획득했다. 포스코는 17일, 자사의 포항제철소 후판 공장이 세계적으로 권위 있는 전문 인증 기관 노르웨이선급협회(DNV)로부터 신재생 에너지용 공장 인증을 받았다고 발표했다. 노르웨이선급협회는 에너지와 조선·해양 산업에 대한 소재부터 설계까지 안전성 및 기술적 평가를 통해 인증을 부여하는 세계 최대 규모의 에너지 분야 전문 기술 기관이다. 후판 공장은 철강 산업에서 사용되는 용어로, 두꺼운 강판을 제조하는 공장을 의미한다. '후판(Thick Plate)'이란 일반적으로 두께가 6mm 이상인 강판을 지칭하며, 이러한 강판은 주로 큰 구조물이나 중장비, 선박, 대형 파이프라인, 풍력 터빈과 같은 다양한 산업 분야에서 사용된다. 즉, 후판 공장에서는 원자재인 강철을 녹여, 롤링 및 가열 과정을 통해 일정한 두께와 크기의 강판으로 만든다. 이 과정은 고도의 기술과 엄격한 품질 관리를 요구한다. 후판의 품질은 사용되는 재료의 성질, 제조 공정, 최종 용도에 따라 크게 달라질 수 있다. 후판 공장의 주요 공정에는 제강(철광석에서 순수한 강을 만드는 과정), 연주(강을 연속적으로 주조하는 과정), 그리고 열간압연(고온에서 강을 압연하여 원하는 두께와 크기로 만드는 과정) 등이 포함된다. 이러한 후판은 특히 강도와 내구성이 중요한 산업 분야에서 필수적인 재료로 사용된다. 이번 포항제철소 후판 공장의 인증 획득은 지난 2022년 7월 광양제철소 후판 공장에 이은 것으로, 포스코의 모든 후판 공장이 신재생 에너지용 강재 생산 공장으로 인정받은 것이다. 글로벌 해상 풍력 프로젝트에 철강 제품을 공급하기 위해서는 노르웨이선급협회와 같은 신뢰할 수 있는 기관의 인증이 필수적이다. 포스코는 이번 인증을 통해 후판 제품의 신뢰성과 마케팅 경쟁력을 높일 수 있게 되었다고 평가했다. 포스코는 이번에 인증받은 자사 후판 제품을 이용해 8메가와트(㎿)급 이상의 풍력 구조물에 사용할 경우, 기존 유럽 표준 규격재 대비 강재 중량을 약 5% 절감할 수 있다고 밝혔다. 서영기 포스코 에너지조선마케팅실장은 인증패 수여식에서 "포스코가 세계 최초로 후판 제품 및 공장에 대해 신재생에너지용으로 인증받은 철강사라는 것은 매우 의미 있는 성과"라며, "이를 기반으로 해상풍력 시장에서의 철강 수요를 선점해 나가겠다"고 포부를 밝혔다. 이번 포스코의 성과는 국내 철강 산업에 있어 중요한 이정표로 평가되며, 특히 신재생 에너지 분야의 강재 수요에 대응하는 데 큰 역할을 할 것으로 기대된다. 참고로, '강재(Steel)'는 철과 탄소를 주요 성분으로 하는 합금을 일컫는 넓은 범위의 용어이며, '강판'은 이 강재 중에서 특정 형태, 즉 두꺼운 평판 형태를 지칭한다. 따라서 모든 강판은 강재에 포함되지만, 모든 강재가 강판인 것은 아니다.
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2024-01-17
레이저 가공 HEA, 3D 프린팅으로 강도·연성 향상

최근 레이저와 3D 프린팅 기술을 활용해 강도가 높고 유연성을 갖춘 새로운 형태의 합금을 개발하는 데 성공했다. 합금이란, 기본 금속에 다른 금속을 섞어 고온에서 녹인 후 식혀 만들어진, 원래 금속과는 다른 성질을 가진 새로운 금속 물질을 말한다. 이러한 합금을 제작하는 주된 목적은 기계적 성질을 개선하고, 부족한 특성을 보완하여 금속의 기능을 증진시키기 위함이다. 과학기술 전문 매체 사이테크데일리(SciTechDaily)는 레이저 기반 적층 제조 방식을 이용하여 더 강력하고 파손 가능성이 낮은 고엔트로피 합금(HEA)을 만드는 방법을 소개했다. '고엔트로피 합금(HEA:High entropy alloys)'은 기존의 합금 제조 방식과 비교했을 때 뛰어난 강도와 내구성을 제공하며, 합금의 적용 범위를 확장시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있다. HEA는 심각한 마모, 극한의 온도, 방사선 및 높은 압력과 관련된 응용 분야에서 사용가능하다. 3D 프린팅, 또는 적층 가공(AM)으로 알려진 기술을 사용해 만들 수 있는 합금은 일반적으로 연성이 부족하다는 단점을 가지고 있다. 이는 3D 프린팅을 통해 제작된 고엔트로피 합금이 형태를 유지하는 데 어려움을 겪고, 하중을 받을 때 충분히 변형되거나 늘어나지 않아 쉽게 파손될 수 있다는 것을 의미한다. 그러나 최근 과학자들은 레이저 기반의 적층 가공 방식을 사용하여, 이러한 연성 문제를 개선한 더욱 강하고 연성이 뛰어난 고엔트로피 합금을 개발하는 데 성공했다. 이들은 이러한 성능 향상의 기본 메커니즘을 더 깊이 이해하기 위해 중성자와 X선 산란, 그리고 전자 현미경과 같은 고급 분석 기술을 활용했다. 이러한 연구 결과는 3D 프린팅 합금의 사용 범위를 확장하고, 그것이 적용될 수 있는 산업 분야를 다양화하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 특히, 연성과 강도가 모두 향상된 새로운 형태의 합금은 더욱 까다로운 응용 분야에서도 활용될 수 있을 것으로 전망된다. 잠재적인 산업 응용과 에너지 효율성 산업계는 미래에 제조 과정에서 더욱 강력하고 형태를 쉽게 잡을 수 있는 고엔트로피 합금을 사용 가능할 것으로 기대하고 있다. 이러한 HEA를 산업 응용 분야에 사용하기 위해서는 가벼우면서도 복잡한 형태의 HEA 부품에 대한 높은 내구성, 신뢰성, 그리고 파손 저항성이 요구된다. 새로운 합금은 더 안전하고 연료 효율적인 차량의 제조, 더 강한 제품의 생산, 그리고 더 오래 지속되는 기계의 개발을 가능하게 하여, 소비자와 산업계 모두에 혜택을 가져올 것으로 기대된다. 또한, 레이저를 사용하여 분말 합금을 고체 금속 형태로 융합하는 레이저 기반의 적층 가공 방식은 에너지 효율성이 매우 높다는 점에서, 새로운 유형의 HEA 생산에 있어 매력적인 방법으로 여겨진다. 이는 에너지 소비를 줄이면서도 고품질의 합금 부품을 생산할 수 있는 방법으로, 지속 가능한 제조 및 공정 효율성 측면에서 중요한 역할을 할 것으로 예상된다. 나노 라멜라 구조와 기계적 특성 레이저 기반 적층 가공 공정은 나노미터 두께의 나노 라멜라(얇은 판층) 구조를 생산할 수 있다. 이 공정은 높은 강도를 제공하면서도, 나노 라멜라의 뚜렷한 가장자리가 일정 수준의 미끄러짐(연성)을 허용하여 유연성을 보장한다. 이러한 나노 라멜라는 평균 약 150나노미터 두께의 면심 입방체(FCC) 결정 구조와 평균 약 65나노미터 두께의 체심 입방체(BCC) 결정 구조의 교차 층으로 구성된다. 개발된 새로운 고엔트로피 합금은 약 1.3기가파스칼(인장강도 단위)의 높은 항복 강도를 나타내며, 이는 가장 강한 티타늄 합금의 강도를 능가하는 수준이다. 또한, 이 HEA는 약 14%의 연신율을 제공하는데, 이는 동일한 항복 강도를 가진 다른 AM 금속 합금보다 높은 수치다. 연신율은 재료가 파손되지 않고 얼마나 많은 굽힘을 견딜 수 있는지를 나타내는 지표로, 재료의 유연성과 내구성을 측정하는 중요한 요소다. HEA 첨단 연구기술 및 시설 한편, 미국 테네시주에 위치한 오크리지 국립연구소(ORNL: Oak Ridge National Laboratory)의 연구원들은 에너지부(DOE) 산하 과학 사용자 시설인 파쇄 중성자원(Spallation Neutron Source)을 통해 변형 상태에서 HEA 샘플의 내부 기계적 부하 분배를 조사할 수 있었다. 이 시설의 중성자 데이터는 합금 내부의 상세한 구조적 정보를 제공함으로써 HEA의 기계적 특성에 대한 깊은 이해를 가능하게 했다. 또한, 연구팀은 ORNL 내의 다른 DOE 과학 사용자 시설인 나노입자 재료 과학(Nanophase Materials Sciences) 센터에 위치한 원자 프로브 장비를 활용하여, 교대로 층을 이루는 나노 라멜라 구조 및 미세 구조의 상세한 3D 이미지를 캡처했다. 이와 별개로, 미국 일리노이주에 위치한 시카고 아르곤 국립연구소(Argonne National Laboratory)의 첨단방사광가속기(Advanced Photon Source)는 어닐링 과정을 거친 다양한 HEA 샘플의 단계를 연구하는 데 사용되었다. 이 시설에서의 X선 회절 분석은 합금의 열처리 과정이 그 성질에 어떻게 영향을 미치는지를 평가하는 데 중요한 역할을 했다. 미국 내 첨단 연구기술 및 시설의 활용은 HEA의 개발과 응용에 있어 중요한 도약점을 제공하며, 합금의 구조적 및 기계적 특성에 대한 포괄적인 이해를 가능하게 한다. 이러한 첨단 연구는 HEA의 미래 적용 가능성을 확장하고, 재료 과학 분야에서의 혁신적 발전을 촉진할 것으로 기대된다. 연구소들의 고도화된 기술과 시설은 재료의 기본 구조부터 그 성능에 이르기까지 광범위한 분석을 허용함으로써, 합금의 특성을 극대화하고 다양한 산업 분야에 적용할 수 있는 새로운 기회를 열어준다.
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2024-01-16
해왕성과 천왕성, 옅은 청록색의 진실

우리 태양계의 바깥쪽 가장자리에 있는 얼음 거성인 해왕성과 천왕성의 색깔이 이전에 생각했던 것보다 더 유사할 수 있다는 새로운 연구 결과가 나왔다. 미국 CNN에 따르면, 옥스퍼드 대학의 행성 물리학 교수 패트릭 어윈과 그의 팀은 허블 우주 망원경과 초대형 망원경의 데이터를 사용하여 보이저 2호가 찍은 해왕성과 천왕성의 이미지를 재구성한 결과, 두 행성 모두 옅은 청록색을 띠고 있음을 발견했다. 두 행성 모두 대기 안개가 있지만, 해왕성은 연무층이 더 얇기 때문에 약간 더 파랗게 보인다. 연구팀은 "우리의 모델을 원본 데이터에 적용하여, 우리는 해왕성과 천왕성의 색깔에 대한 가장 정확한 표현을 재구성할 수 있었다"고 말했다. 이 연구 결과는 왕립천문학회 월간지(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)에 발표되었다. 천왕성 색깔 변화, 연무층 두께 변화 때문 천왕성의 색깔은 태양 주위를 공전하는 동안 변화한다. 1950년대에는 옅은 청록색을 띠었지만, 2010년대에는 더 짙은 청색으로 변했다. 이 변화의 원인은 천왕성의 극지방에 있는 연무층의 두께 변화 때문으로 밝혀졌다. 천왕성의 1년은 지구의 84년과 같다. 지구는 하지와 동지에는 더 푸르게 보이지만 춘분에는 더 푸른 색조를 띤다. 천왕성은 옆으로 회전하기 때문에 동지 동안 행성의 극 중 하나가 지구와 태양을 가리킨다. 미국 애리조나주에 있는 로웰 천문대는 1950년부터 2016년까지 천왕성의 이미지를 촬영하고 밝기를 측정했다. 연구팀은 이 데이터를 사용하여 천왕성의 색깔 변화를 분석했다. 연구팀은 천왕성의 극지방과 적도 지역의 빛 데이터를 비교하는 모델을 개발했다. 이 모델은 극지방이 녹색과 적색 파장의 빛에서 더 잘 반사되는 것을 보여주었다. 또한, 연구팀은 천왕성의 동지 동안 극지방에 메탄 얼음으로 만들어진 연무층이 두꺼워지는 것을 관찰했다. 연구팀은 이러한 결과를 바탕으로 천왕성이 동지에 더 푸르게 보이는 이유에 대해 설했다. 얼음 거인, 미스터리 속으로 태양계의 바깥쪽 가장자리에 있는 두 얼음 거성, 해왕성과 천왕성은 아직 많은 미스터리를 품고 있다. 최근 제임스 웹 우주망원경(James Webb Space Telescope)은 천왕성의 새로운 초상화를 공개했다. 이 초상화는 천왕성의 종종 보이지 않는 고리와 대기의 숨겨진 특징을 보여준다. 초상화에서 가장 눈에 띄는 특징은 천왕성의 고리이다. 천왕성의 고리는 토성의 고리보다 훨씬 희미하고 얇다. 초상화는 천왕성의 고리가 총 13개임을 보여주며, 그 중 11개를 구분할 수 있다. 초상화는 또한 천왕성 대기의 다양한 색상을 보여준다. 천왕성의 대기는 주로 수소와 헬륨으로 이루어져 있지만, 메탄과 아산화질소도 함유하고 있다. 메탄은 천왕성의 대기에 푸른 색을 띠게 한다. 연구자들은 천왕성에서 오는 X선을 감지하기도 했다. X선은 천왕성의 대기 상층부에서 발생하는 것으로 보인다. 보이저 2호 데이터를 분석한 결과, 천왕성의 자기장이 거대한 플라스모이드를 형성하고 있다는 사실도 밝혀졌다. 이 플라스모이드는 행성 대기의 일부를 잘라내어 우주로 날려 보낼 수도 있다. 연구팀은 앞으로 수십 년 동안 천왕성 시스템을 탐사하는 것이 우주 기관의 최우선 과제라고 말했다. 지구 기반 연구는 이러한 미래 임무의 발견을 더 넓은 맥락에서 이해하는 데 도움이 될 것이다.
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2024-01-13
빙하 침식으로 사라진 지구 지각, 깊은 바다에서 재발견

"지구는 어떻게 형성되었을까", "지구에는 물이 얼마나 있었을까"와 같은 질문들은 전 세계 과학자들에게 끊임없이 제기되는 수수께끼 같은 문제들이다. 이러한 질문들은 지구의 과거에 대한 깊은 탐구와 이해를 요구한다. 우주 영상과 같은 첨단 기술은 지구 표면에 남아 있는 물의 흔적과 같은 미스터리를 해결하는 데 큰 도움을 주고 있다. 이러한 기술을 통해 과학자들은 지구의 역사와 진화에 대한 새로운 정보를 발견하고 있다. 그런데 한 세기가 넘도록 전문가들을 당혹스럽게 만들었던 또 다른 미스터리는 ‘대부정합’으로 알려졌으며 지질학적 기록에서 누락 된 지각의 큰 판을 언급했다. 지질학적 기록에서 누락된 지각의 큰 판을 언급하는 ‘대부정합’은 한 세기 이상 전문가들을 혼란스럽게 만들었던 또 다른 수수께끼다. 영국의 인디펜던트 온라인 뉴스판 인디100(indy100)은 대부정합이 사라진 것이 '눈덩이 지구'로 알려진 시기에 발생한 심각한 빙하 침식 때문일 수 있다는 새로운 연구 결과를 보도했다. 이 시기는 행성 전체가 거의 얼음으로 뒤덮였던 고대 지구의 상태를 나타낸다. 연구 결과에 따르면, 이전에 형성된 암석이 침식되면서 그 나이가 급격하게 변하고, 이 과정에서 더 젊은 암석으로 대체될 때 퇴적 기록에서 발생하는 공백이 생기게 된다. 이 현상은 암석층의 연속성이 끊어진 것으로 볼 수 있으며, 지질학적 기록의 중요한 부분이다. 이러한 현상은 1869년 애리조나주의 그랜드캐니언에서 처음 관찰됐다. 전문가들은 암석층 사이에 나타나는 연대의 급격한 변화에 주목했고, 이러한 현상이 전 세계 여러 곳에서 반복적으로 나타나는 것을 발견했다. 이러한 현상을 '대부정합(The Great Unconformity)'이라고 명명했다. 한 연구의 저자는 빙하 침식으로 인해 전 세계적으로 평균 3~5km(2~3마일) 두께의 암석이 벗겨져 지질학적 기록에서 누락된 것으로 추정할 수 있다고 주장했다. 이러한 발견은 지구의 과거를 이해하는 데 있어 중요한 단서를 제공하며, 지질학적 연구에 있어 중대한 의미를 가지고 있다. 이를 통해 과학자들은 지구의 역사와 지질학적 변화를 더욱 정확하게 파악할 수 있게 됐다. 이번 연구의 주요 저자인 버클리 지구연대학 센터의 브렌힌 켈러(Brenhin Keller) 박사는 암석 손실의 규모가 엄청나다고 설명하며 동료들과 함께 10억㎢(2억 입방 마일)의 선캄브리아기 물질이 누락되었거나 존재할 것으로 예상했다. 그들의 이론은 전문가들이 원래 생각했던 것보다 현생대가 시작되기 전에 훨씬 더 많은 침식이 발생했음을 시사한다. 연구팀은 그 시대의 결정이 하프늄과 산소의 동위원소(아이소타입)를 가지고 있음을 증거로 제시했다. 이러한 동위원소는 오래된 암석에서 침식되어 저온에서 퇴적된 것과 일치한다. 또한, 7억 년 미만의 소행성 분화구가 많고 그보다 오래된 소행성 분화구는 두 개만 존재하는 이유임을 시사한다. 암석의 현재 위치에 관해서는 퇴적암을 침식한 빙하가 바다로 휩쓸어 갔다는 주장도 있다.
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2023-12-27
전기화학 기술, 가축 분뇨에서 친환경 자원 생산

환경 오염을 주범으로 여겨지는 가축 분뇨에서 친환경적으로 전기를 생산하는 기술이 개발됐다. 매년 전 세계 축산농가에서 30억톤 이상의 동물 배설물이 발생하고 있다. 이는 미국 엠파이어 스테이트 빌딩 9000개 이상에 해당하는 양이다. 모든 분뇨는 수질을 악화시키며 유독한 연기와 온실가스를 방출한다. 그러나 저렴한 전기를 이용해 동물 배설물을 재활용하고 귀중한 화학물질을 회수할 수 있는 기술이 개발돼 환경 오염을 크게 줄일 수 있을 것으로 기대된다. 학술지 '사이언스 어드밴스(Science Advances)'에서는 '네이처 서스테이너빌리티(Nature Sustainability)'에 발표된 연구를 소개했다. 이 연구는 전기를 이용하여 동물 배설물에서 유기 영양소를 분해하고, 동시에 가치 있는 화학물질을 회수하는 새로운 방법을 제시한다. 초기 예측에 따르면, 이 방법으로 얻어지는 화학물질의 경제적 가치가 기술 구현 비용을 상회할 것으로 예상된다. 이는 농부들에게 수익성이 높은 선택지가 될 수 있음을 시사한다. 클락슨 대학의 김태영 화학자는 이번 연구에는 참여하지 않았지만 "풍력, 태양열 발전소에서 발생하는 값싸고 재생가능한 전기를 결합하면 거름이 풍부한 시골 농업 지역에서도 찬환경 전기가 생산될 수 있다"고 말했다. 많은 축산업자들은 이미 동물 배설물을 재활용하기 위해 노력하고 있다. 이들은 배설물을 분뇨 라군(연못)에 저장하여, 바닥에 침전된 암모니아가 풍부한 고형물을 준설하여 비료로 재사용한다. 또한, 남은 유기 화합물을 미생물이 메탄으로 분해하게 하여 이를 수집, 태워 전기를 생산할 수 있다. 이러한 방식은 지속 가능한 에너지와 농업 사이의 상호 작용을 보여주는 예이다. 그럼에도 불구하고, 엄청난 양의 암모니아와 기타 화합물이 자연환경으로 방출되어 해조류가 번성하고 물고기가 죽게 되는 환경오염이 발생한다. 이에 최근 몇 년 동안 몇몇 연구팀에서는 분뇨 라군에서 암모니아와 기타 귀중한 화학물질을 포착하기 위한 전기화학적 방법을 탐색하기 시작했다. 예를 들어, 2021년 실험실 연구에서 김태영 교수와 그의 동료들은 전류를 사용해 막을 통해 양으로 하전된 암모늄 이온을 유도하여 비료 전구체를 농축하고 쉽게 복구할 수 있는 배터리 유형 설정을 보고했다. 그러나 멤브레인(두께가 얇은 막) 설정은 운영하기 어렵고 확장하는 데 비용이 많이 들 수 있다. 위스콘신 매디슨 대학교 환경 엔지니어인 모한 킨(Mohan Qin)과 동료 송진이 이끄는 연구팀은 2단계 접근 방식을 채택해 멤브레인을 없앨 수 있는 가능성을 확인했다. 두 단계 모두 KNiHCF(칼륨·니켈·헥사시아노철산염)라는 배터리 전극 재료를 사용한다. KNiHCF는 이온이 들어오고 나갈 수 있는 간격이 있는 층 구조를 가지고 있다. 연구원들은 KNiHCF의 층 간격이 나트륨이나 칼슘과 같이 분뇨에서 일반적이지만 가치는 떨어지는 이온 대신 암모늄 및 칼륨 이온을 끌어들이는 데 이상적이라는 것을 발견했다. 연구진은 이후 이온으로 채워진 KNiHCF 전극을 폐수 용액에서 제거하고, 이를 이온 전도성 전해질을 첨가한 깨끗한 물이 담긴 두 번째 용기에 두 번째 전극과 함께 배치했다. 전압을 가하면 전자가 두 번째 전극으로 흘러 들어갔고, 이로 인해 KNiHCF 전극에서 양전하를 띤 암모늄 및 칼륨 이온을 용액으로 끌어당겨 농축하고 쉽게 복구할 수 있는 음전하가 생성됐다. 이 설정에는 보너스가 있다. 두 번째 전극의 음전하는 용액의 물과 산소를 유발하여 수소 가스나 과산화수소로 반응했는데, 두 가지 모두 회수된 암모니아 및 칼륨과 함께 판매될 수 있는 귀중한 화학물질이다. 연구팀은 KNiHCF 전극은 반복적으로 사용하면 성능이 저하되는데, 이 문제는 이미 해결 방안을 찾았다고 밝혔다. 연구원들은 또한 1000마리의 젖소가 있는 낙농장의 폐기물을 확장하고 관리하기 위한 설정의 잠재력을 평가하기 위한 분석을 수행했다. 그들은 전기 가격이 미국 평균인 킬로와트시(kWh)당 약 0.08달러(약 100원)로 책정될 경우 해당 운영에서 연간 최대 20만달러(약 2억6320만원)의 이익을 창출할 수 있을 만큼 귀중한 화학 물질을 생성할 수 있다는 사실을 발견했다. 송진 연구원은 재생 가능 전력이 일부 농촌 지역의 전기 비용을 2030년까지 kWh당 약 0.03달러(약 39원)로 낮출 수 있을 것으로 예상했다. 풍력이나 태양열 발전소는 종종 전력망이 처리할 수 있는 것보다 더 많은 전기를 생산하므로 엔지니어는 전력을 버리거나 터빈을 꺼야 했다. 이에 송진은 "풍력, 태양광과 결합할 수 있다면, 가격이 저렴할 때만 전기를 사용하도록 설계할 수 있다"고 말했다. 모한 킨은 "전체 공정이 얼마나 효율적인지 고려할 때, 전기화학적 처리는 거름에 있는 암모니아의 거의 70%를 포착하고 비슷한 양만큼 농장에서 배출되는 암모니아를 줄일 수 있다"며 "이것은 오래된 (가축 분뇨)문제를 처리하는 매우 간단하고 효율적인 방법"이라고 주장했다.
- 산업
2023-12-14
로봇 굴삭기, 거대한 돌담 자율 건설 주목

모양이 일정하지 않은 무정형의 바위를 정밀하게 쌓아 벽을 쌓는 작업은 육체적, 정신적으로 매우 힘든 일로 간주된다. 최근에 이러한 작업을 로봇이 수행했다는 사실이 많은 이들에게 놀라움을 주고 있다. 미국의 과학 전문 매체 뉴아틀라스(newatlas)는 스위스의 ETH 취리히 연구소 팀이 개조한 12톤짜리 보행형 로봇 굴삭기에 대해 보도했다. 이 로봇의 이름은 HEAP(자율 목적을 위한 유압식 굴삭기)으로, ‘Menzi Muck M545’ 모델의 보행형 굴삭기다. 이 로봇에는 GNSS GPS(글로벌 위치 결정 시스템), 새시(sash)에 장착된 IMU(관성 측정 장치), 제어 모듈, 그리고 객실 및 굴착 암에 설치된 LiDAR 센서 등이 추가됐다. 이 최신 프로젝트에서 HEAP는 건설 현장을 스캔하고 3D 지도를 작성한 다음, 현장에 버려진 여러 톤의 무게를 가진 바위들의 위치를 파악하는 작업부터 시작했다. 그런 다음 로봇은 각각의 바위를 땅에서 들어올려 머신 비전 기술을 사용하여 각 바위의 무게와 무게 중심을 추정하고 3차원 모양을 기록했다. HEAP의 제어 모듈에서 실행되는 알고리즘은 6미터(20피트) 높이와 65미터(213피트) 길이의 안정적인 건식 석벽을 구축하기 위해 각 바위의 최적 위치를 결정한다. '건식' 석벽이란 모르타르나 접착제 없이 오로지 돌만을 사용하여 쌓은 벽을 의미한다. HEAP는 건물 세션당 약 20~30개의 바위를 배치하여 이러한 벽을 건설했다. 연구원들은 이러한 작업량이 외부에서 공급되는 암석이 사용될 경우, 한 번에 얼마나 많은 양을 처리할 수 있는지를 보여주는 예시라고 말했다. 실험 시스템의 주요 특징 중 하나는 현장에서 조달한 바위나 기타 건축 자재를 사용할 수 있다는 점이다. 이는 다른 위치에서 자재를 가져오는 데 드는 에너지 낭비를 줄일 수 있다. 연구팀은 대규모 건식 석벽을 건설하는 데 최초로 로봇 굴착기를 사용했다. 이들은 인공지능을 탑재한 로봇이 건설업의 생산성을 높이고 지속 가능한 성장을 이끌 것으로 기대하고 있다. 로봇 굴착기는 돌 하나를 쌓는 데 평균 12분 정도 소요된다. 이는 사람이 조종하는 경우보다 약 10% 느린 속도이지만, 로봇이 혼자 모든 작업을 수행할 수 있어 노동력 부족 문제를 해결할 수 있을 것으로 보인다. 특히, 현지에서 구할 수 있는 천연 자재나 재활용 재료를 사용할 수 있기 때문에 환경 부담도 줄일 수 있을 것으로 기대된다. 이 굴착기를 개발한 취리히 대학교의 후터 교수는 로봇 굴착기로 담을 쌓으면 비슷한 성능의 철근 콘크리트로 담을 쌓는 것 보다 탄소배출을 41% 줄일 수 있다고 설명했다. 한편, 한국생산기술연구원은 지난 2021년 한양대학교, 한국전자기술연구원, 한국기계산업진흥회 등과 함께 재난 현장에서 소방관들의 안전을 보호하면서 어렵고 복잡한 구조 작업을 신속하게 수행할 수 있는 특수 굴삭기를 개발했다. 이 굴삭기는 자체적으로 움직이지는 못하지만, 웨어러블 장치를 통해 조종사가 마치 자신의 팔처럼 작업기를 자유롭게 움직일 수 있도록 설계됐다. 이 장치는 최대 200kg의 대형 장애물을 옮기거나 22mm 두께의 철근을 절단하고, 시멘트 덩어리를 부수거나 샌드위치 패널을 뚫는 등 다양한 작업을 쉽게 수행할 수 있어, 매몰된 인명을 굴삭기보다 빠르게 구조할 수 있다. 이러한 기능은 숙련되지 않은 사람도 직관적으로 조종할 수 있게 해, 재난 상황에서 큰 도움이 될 것으로 기대된다.
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2023-11-29
美 MIT, 연필심 흑연에서 5층 능면체 적층 그래핀 개발

미국 MIT의 물리학자들이 연필심에 사용되는 흑연, 즉 그래파이트에서 새로운 형태의 그래핀을 개발했다는 소식이 전해졌다. 이 그래핀은 흑연의 5층 능면체 구조를 적층하여 제작됐다. 흑연은 탄소로 구성된 광물로, 연필심의 주요 성분이다. MIT 뉴스에 따르면, 연구팀은 5개의 얇은 층을 특정 순서대로 쌓아 천연 흑연에서 볼 수 없었던 중요한 세 가지 특성을 지닌 새로운 재료를 만들어냈다. 이 연구를 이끈 물리학과 롱 주(Long Ju) 조교수는 "자연에는 놀라움이 많고, 특히 흑연에 많은 흥미로운 특성이 내장되어 있음을 발견했다"며, 이러한 다양한 특성을 지닌 재료를 찾는 것이 매우 드물다고 강조했다. 이 연구는 '네이처 나노테크놀러지(Nature Nanotechnology)'에 게재됐다. 5층 능면체 적층 그래핀 개발 흑연은 그래핀으로 구성되는데, 그래핀은 벌집 구조와 유사한 육각형 형태로 배열된 단일 탄소 원자 층이다. 그래핀은 약 20년 전 처음 분리된 이후로 집중적인 연구 대상이 되었다. 대략 5년 전, MIT 팀을 포함한 연구자들은 그래핀 시트를 쌓고 서로 약간 비틀면 재료에 초전도성에서 자성에 이르기까지 새로운 특성을 부여할 수 있다는 것을 발견했다. 이러한 발견으로 '트위스트로닉스'라는 분야가 생겨났는데, 이는 2차원 격자 구조를 다양한 방식으로 겹쳐 나타나는 성질을 연구하는 것이다. 롱 주 조교수는 이번 그래핀 연구에서 "전혀 뒤틀림이 없는 특별한 특성을 발견했다"고 말했다. 그와 동료들은 특정 순서로 배열된 5개의 그래핀 층이 전자들이 물질 내에서 서로 상호작용할 수 있도록 하는 것을 발견한 것. 이러한 현상은 '전자 상관관계'라고 알려져 있으며, 주 연구원은 이를 "이러한 모든 새로운 특성을 가능하게 하는 마법"이라고 표현했다. 벌크 흑연과 단일 시트의 그래핀은 이미 우수한 전기 전도체로 알려져 있지만, 이것이 전부는 아니다. 주의 연구팀이 분리한 '5층 능면체 적층 그래핀'이라 불리는 새로운 물질은 단순한 부품의 합보다 훨씬 더 큰 성질을 나타낸다. 이 물질을 분리하는 데 핵심적인 역할을 한 것은 나노스케일에서 중요한 특성을 빠르고 비교적 저렴하게 파악할 수 있는 2021년 MIT에서 주 연구원이 개발한 새로운 현미경 덕분이었다. 5층 능면체 적층 그래핀의 두께는 수십억 분의 1미터에 불과하다. '산란형 주사형 근접장 광학 현미경(s-SNOM)'으로 알려진 주 연구원이 개발한 현미경을 통해 과학자들은 특정한 능면체 적층 순서에서 5층 그래핀만을 식별하고 분리할 수 있었다. 주 연구원을 포함한 과학자들은 '능면체 적층'이라는 매우 정밀한 순서로 쌓인 다층 그래핀을 연구하고 있었다. 주는 "5개 레이어(층)로 이루어진 구조에서는 10개 이상의 적층 순서가 가능하며, 능면체 적층은 그 중 하나"라고 설명했다. 연구팀은 이 5층 능면체 적층 그래핀을 질화붕소로 만든 '빵'으로 둘러싼 '샌드위치' 구조에 전극을 부착했다고 이해하기 쉽게 설명했다. 이를 통해 다양한 전압과 전류를 사용하여 시스템을 조절할 수 있었으며, 그 결과 전자의 수에 따라 세 가지 다른 현상이 나타나는 것을 발견했다. 이들은 이 물질이 절연성, 자성 또는 위상학적 성질을 보일 수 있다는 것을 발견했다. 위상학적 물질(토폴로지, topology)은 물질의 가장자리를 따라 전자가 방해받지 않고 움직일 수 있지만, 중앙을 통과하는 것은 허용하지 않는 특성을 갖는다. 위상학적 물질에서 전자는 중심부를 구성하는 중앙 분리대에 의해 분리되며, 물질의 가장자리를 따라 고속도로처럼 한 방향으로 이동한다. 이로 인해 위상학적 물질의 가장자리는 완벽한 도체 역할을 하고, 중심부는 절연체가 된다. 주와 그의 연구팀은 이 연구를 통해 "강력하게 상관된 위상물리학의 새로운 가능성을 탐구하기 위한 고도로 조정 가능한 플랫폼으로서 능면체 적층 다층 그래핀을 확립했다"고 결론지었다. 이는 위상물리학 분야에서 새로운 연구 방향을 제시하는 중요한 발견으로 여겨진다. 카이스트, '납작한 벨트형 그래핀 섬유' 개발 한편, 한국의 카이스트(KAIST) 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀은 지난 6월 그래핀의 기존 응용범위와 한계를 뛰어넘는 새로운 형태의 그래핀 섬유를 개발하는데 성공했다. 이 새로운 기술은 값싼 흑연을 사용하여 용액 공정을 통해 쉽게 얻을 수 있으며, 기존의 탄소섬유보다 저렴하면서도 유연성과 같은 차별화된 물리적 특성을 지니고 있어 경제적인 장점도 갖추고 있다. 그래핀(Graphene)은 탄소 원자가 벌집 모양으로 이뤄진 2차원 물질(원자만큼 얇은 물질)이다. 이론적으로 강철보다 100배 강하고 열·전기 전도성이 뛰어나기 때문에 꿈의 신소재로 불린다. 김상욱 연구팀의 이번 성과가 높게 평가받는 이유는 100% 그래핀으로 이뤄진 섬유가 만들어지는 과정에서 스스로 납작해져서 벨트와 같은 단면을 형성하는 현상을 세계 최초로 발견했다는 점이다. 이 납작한 벨트형 그래핀 섬유는 내부에 적층된 그래핀의 배열이 우수해 섬유의 기계적 강도와 전기전도성이 크게 향상됐다는 평가다. 연구 결과, 이 섬유는 원형 단면을 갖는 일반 섬유에 비해 기계적 강도가 약 3.2배(320%), 전기전도성이 약 1.5배(152%) 향상된 것으로 나타났다. 해당 연구 논문은 그 성과를 인정받아 'ACS 센트럴 사이언스'의 7월호 표지에 게재됐다.
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2023-11-28
美 MIT 연구원, 흑연에서 금 생성 연구

꿈의 신소재로 불리는 그래핀. 전기전도성과 열전도성을 갖고 있으면서 강도가 높아 디스플레이나 에너지 재료로 사용되고 있다. 그런데 이 그래핀으로 금을 만드는 연구가 진행됐다. 미국 매사추세츠 공과대학(MIT)의 연구팀이 특정 순서로 쌓인 5개의 초박편 조각을 분리해 흑연을 금으로 만들었다. 과학지 마이닝닷컴(mining.com)은 국제학술지 '네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)'에 발표된 MIT 연구팀의 금 생성 과정을 최근 소개했다. 연구에 따르면 생성된 물질이 이전까지 자연 흑연에서 볼 수 없었던 세 가지 중요한 특성을 나타내도록 조정될 수 있다. 흑연은 벌집 구조와 유사한 육각형으로 배열된 단일 탄소 원자층인 그래핀(탄소 동소체 중 하나)으로 구성된다. 약 20년 전에 처음 분리된 이후로 그래핀은 강력한 연구 대상이 되었다. 특히, 약 5년 전 연구자들은 그래핀 시트를 서로 약간의 각도로 비틀어 쌓음으로써, 재료에 초전도성에서 자성에 이르는 새로운 특성을 부여할 수 있다는 사실을 발견했다. 이러한 연구는 '트위스트로닉스' 분야의 탄생으로 이어졌다. MIT의 수석 연구원 롱 주(Long Ju)는 이 연구에 대해 언급하면서, "전혀 비틀지 않아도 흥미로운 특성을 발견했다"고 말했다. 그와 동료들은 특정한 순서로 배열된 5개의 그래핀 층이 물질 내부를 돌아다니는 전자들이 서로 상호작용할 수 있게 한다는 것을 발견했다. 이러한 전자 상관관계(electron correlation) 현상은 새로운 재료 특성을 가능하게 하는 '마법'으로 묘사된다. 단순한 대량의 흑연이나 심지어 단일 그래핀 층은 기본적으로 우수한 전기 전도체에 불과하다. 주 연구원 팀이 분리한 이 재료는 몇십 나노미터 두께밖에 안 되지만, 그 부분들의 합보다 훨씬 더 많은 역할을 수행한다. 연구팀은 '능면체 적층(rhombohedral stacking)'으로 알려진 특정한 순서로 적층된 다층 그래핀을 연구하고 있었다. 연구원은 이에 대해, "5개의 층을 쌓을 때 가능한 순서는 10가지 이상이 있으며, 능면체 적층은 그 중 하나에 불과하다"라고 언급했다. 주 연구원이 2021년에 개발한 특별한 현미경은 나노 규모에서 재료의 다양하고 중요한 특성을 신속하고 상대적으로 저렴한 비용으로 결정하고 분리하는 데 사용됐다. 이 현미경의 도움을 받아, 연구팀은 보론 질화물로 만들어진 '빵'과 같은 구조의 작은 샌드위치에 전극을 부착했고, 이는 펜타레이어(5층) 마름모형으로 쌓인 그래핀의 연약한 '육질(meat)' 부분을 보호한다. 이 전극을 활용해 시스템에 다양한 전압이나 전기량을 적용할 때, 전자 수에 따라 세 가지 다른 현상이 관찰됐다. 주 연구원은 "우리는 재료가 절연성, 자성 또는 위상학적 성질을 가질 수 있음을 발견했다"고 말했다. 위상학적 성질은 도체와 절연체 둘 다와 어느 정도 관련이 있는 특성이다. 기본적으로, 위상학적 물질은 물질의 가장자리를 따라 전자가 방해받지 않고 이동할 수 있게 하지만, 물질의 중간을 통과하는 것은 허용하지 않는다. 이러한 전자들은 재료의 가장자리를 따라 한 방향으로만 이동하며, 물질의 중앙을 가로지르는 중심선에 의해 중간 부분과 구분된다. 결과적으로 위상학적 재료의 가장자리는 완벽한 전도체 역할을 하고, 중앙 부분은 절연체로 작용한다. 롱 주의 연구팀은 "우리의 연구는 마름모형으로 쌓인 다층 그래핀을 사용하여, 위상학적 물리와 관련된 새로운 가능성을 탐구하기 위한 높은 조절 가능성을 가진 플랫폼으로 확립한다"고 말했다.
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2023-11-10
인도, 초소형 슈퍼커패시터 개발⋯에너지 저장 분야 혁신 기대

인도에서 개발된 초소형 슈퍼커패시터(콘덴서)가 에너지 저장 분야에서의 혁신을 예고했다. 과학기술 전문매체 '사이테크 데일리(SciTechDaily)'는 최근 인도 과학 연구소(Indian Institute of Science, IISc)의 응용 물리학부 연구진이 기존의 슈퍼커패시터보다 훨씬 작고 밀도가 높은 초소형 슈퍼커패시터를 개발했다고 보도했다. 화학 분야 학술지 'ACS 에너지 레터(Energy Letters)'에 게재된 최근의 연구에서, 연구원들은 전통적인 커패시터에서 사용되는 금속 전극을 대체하여, 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistors, FET)를 전하 수집기로 활용해 슈퍼커패시터를 제작했다. 이 연구를 주도한 교신 저자인 아바 미스라(Abha Misra) IAP의 교수는 "FET를 슈퍼커패시터의 전극으로 사용하는 것은 커패시터의 전하 조정 방식에 있어 혁신적인 접근이다"라고 언급했다. 현재 사용되는 커패시터들은 주로 금속 산화물 기반의 전극을 사용하지만, 이는 전자 이동성이 낮다는 한계를 가지고 있다. 이 문제를 해결하기 위해, 미스라 박사 팀은 전자 이동성을 개선하고자 이황화몰리브덴(MoS₂)과 그래핀 층을 몇 원자 두께로 번갈아 가며 금 접점에 연결한 하이브리드 FET를 개발하기로 결정했다. 이들은 두 FET 전극 사이에 고체 젤 전해질을 적용하여 고체 상태의 슈퍼커패시터를 구축했다. 이 전체 구조는 이산화규소와 실리콘 베이스 위에 구축됐다. 미스라 박사는 "두 시스템을 통합하는 것이 설계의 핵심이다"라고 언급했다. 이 두 시스템은 서로 다른 전하 용량을 가진 두 개의 FET 전극과 이온성 매질인 젤 전해질로 구성된다. IAP의 박사 과정 학생이자 연구의 수석 저자 중 한 명인 비노드 판와르(Vinod PanWar)는 트랜지스터의 모든 이상적인 특성을 구현하기 위한 장치 제작이 어려웠다고 말했다. 이 초소형 슈퍼 커패시터는 매우 작아 현미경 없이는 볼 수 없으며, 제작 과정에서는 높은 정밀도와 뛰어난 손기술이 필요하다. 현미경으로 관찰 가능 크기와 무게 면에서 기존 슈퍼커패시터를 능가하는 이 초소형 슈퍼커패시터는 배터리를 대체할 수 있는 새로운 가능성을 제시하고 있다. 연구팀은 전계 효과 트랜지스터(FET)와 이황화 몰리브덴(MoS₂)과 그래핀 층을 통합해 특정 조건에서 전기 용량이 3000% 이상 증가하는 결과를 얻었다. 슈퍼커패시터(콘덴서)는 특히 전기 용량의 성능을 강화하여, 전지처럼 사용할 수 있도록 설계된 부품이다. 전자 회로에서 사용되는 이 커패시터는 전기적으로 충전지와 유사한 기능을 제공한다. 기본적인 원리는 '전력을 저장하여 필요에 따라 방출하는 것'이며, 전자 회로가 안정적으로 작동하도록 하는 데 필수적인 부품 중 하나이다. 초소형 슈퍼커패시터는 기존 슈퍼커패시터보다 훨씬 작고 조밀한 구조를 가진다는 장점이 있다. 이러한 특성은 거리의 가로등부터 전자제품, 전기 자동차, 의료 기기에 이르기까지 다양한 응용 분야에 활용될 수 있는 기회를 제공한다. 현재 이러한 대부분의 장치는 배터리로 작동한다. 하지만 배터리는 시간이 지나면서 전기 저장 능력이 감소하여 제한된 수명을 갖게 된다. 반면, 커패시터는 설계 특성상 훨씬 오래 전기를 저장할 수 있는 장점이 있다. 슈퍼커패시터는 배터리와 커패시터의 장점을 결합하여 대량의 에너지를 저장하고 방출할 수 있는 장치로, 차세대 전자기기에서 매우 중요한 역할을 할 것으로 여겨진다. 이번 연구는 초소형 슈퍼커패시터의 가능성을 보여주는 중요한 성과로 평가된다. 향후 연구가 성공적으로 진행된다면, 초소형 슈퍼커패시터는 기존의 배터리를 대체하여 다양한 전자 기기의 성능과 수명을 향상시키는 데 기여할 것으로 기대된다. 한국, 초소형 슈퍼커패시터 개발 현황 한편, 한국에서도 슈퍼커패시터 관련 연구와 개발을 진행하는 업체가 다수 있다. 에스피지(주)는 고체 전해질 기반의 슈퍼커패시터와 FET를 이용한 초소형 슈퍼커패시터를 개발하고 있다. 포스코케미칼(주)는 그래핀 기반의 초소형 슈퍼커패시터를, LG화학(주)는 전기 자동차용 초소형 슈퍼커패시터를 개발하고 있다. 한국의 슈퍼커패시터 기술은 세계 수준에 도달하고 있다. 이를 바탕으로 국내 업체들이 초소형 슈퍼커패시터 시장에서 글로벌 경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 전망된다. 초소형 슈퍼커패시터는 다양한 전자 기기에 적용 가능한 높은 잠재력을 가지고 있다. 특히 전기 자동차, 스마트 워치, IoT 기기 등에서 기존의 배터리를 대체할 수 있는 새로운 솔루션으로 기대를 모으고 있다. 전기 자동차의 경우, 초소형 슈퍼커패시터를 사용하면 배터리의 용량을 줄일 수 있고, 충전 시간을 단축할 수 있다. 또한, 스마트 워치나 IoT 기기에서의 사용은 배터리 수명을 연장할 수 있다. 초소형 슈퍼커패시터 기술의 지속적인 개발과 상용화가 진행된다면, 에너지 저장 분야에서 혁신적인 변화를 이끌 것으로 기대된다.
- IT/바이오
2023-11-06
그린란드 빙하, 온도 상승 제어하면 복원 가능하다

기후 변화로 인해 그린란드의 빙하가 빠르게 녹고 있다. 과학자들은 이러한 변화가 지속될 경우 해수면이 상승하여 일부 국가들은 땅이 잠길 위험이 있으며, 다른 국가들은 가뭄과 극심한 무더위에 시달릴 것이라고 경고하고 있다. 미국 매체 뉴저(Newser)는 지구의 온도가 파리 협정의 목표를 초과하여 상승하더라도 특정 조건하에서 빙하가 회복할 수 있다는 '네이처(Nature)'에 게재된 연구 결과를 소개했다. 지구온난화 방지 노력이 필요 없다는 것이 아니라, 온도 상승을 빠르게 제어할 경우 빙하의 복원이 가능하다는 주장이다. 또다른 매체 NPR에 따르면, 역사적으로 두께가 2마일(약 3.2km)에 이르는 밀도 높은 빙하는 몇 차례 큰 변화를 겪었지만 완전히 회복된 적이 있다. 논문의 주 저자인 닐스 보초(Nils Bochow)는 "그린란드 빙하는 우리가 생각했던 것보다 더 탄력적이다"라고 평가했다. 빙하의 회복력은 기후 변화의 정도와 그 영향에 대해 어떻게 대응하는지에 따라 결정될 것이라는 것. 네이처의 보고서에 따르면, 2023년 기후 변화의 기록적인 온도 상승이 산업화 이전에 비해 화씨 3.6도(섭씨 약 -15.7℃)를 초과하지 않을 것으로 파리협정 목표에 부합할 것으로 예상된다. 하지만, 연구팀은 온도가 계속 상승하여 목표치를 초과하더라도, 100~200년 후에 온도가 급격히 하락한다면 빙하는 회복의 기회를 갖게 될 것이라고 예측했다. 보초는 "온도를 일정 시간 동안 제어할 수 있다면, 빙하의 큰 손실을 방지할 수 있다"고 설명했다. 즉, 산업화 이전 대비 지구 온도가 6도 이상 상승해도 몇 세기 내에 온도 상승을 1.5도로 조절할 수 있다면, 빙하 손실을 크게 줄일 수 있을 것이라고 추정했다. 지구의 온도가 앞으로 몇 도 상승되고, 빙하 회복 기간이 얼마나 걸릴지에 대한 확실한 답은 아직 없다. 현재 빙하 녹는 속도는 과거의 환경 조건에 크게 의존하고 있다. 파리협정의 목표 온도에 도달한다면, 시간이 흐름에 따라 빙하는 점차 회복될 가능성이 있다. 그러나 이는 아직 '가정'에 불과하다. '파리협정'은 2015년 유엔 기후 변화 회의에서 채택된 조약으로 195개국이 채택했으며 '파리기후변화협정'이라고도 한다. 2016년 11월 4일부터 국제법으로 효력이 발효됐다. 당시 버락 오바마 전 미국 대통령 주도로 체결된 이 협정은 산업화 이전 수준 대비 지구 평균온도가 2℃ 이상 상승하지 않도록 온실가스 배출량을 단계적으로 감축하는 내용을 담고 있다. 보초는 네이처와의 인터뷰에서 "지금 당장 조치를 취하지 않으면, 우리는 시간과의 싸움에서 밀릴 것"이라면서 "기다릴수록 상황은 더 어려워질 것"이라고 말했다. 그러나 빙하의 회복 가능성이 있지만, 그 이전에 빙하가 녹으면서 다른 지역에서는 여전히 파괴적인 영향을 끼칠 것이 분명하다고 우려했다. 워싱턴 포스트(Washington Post)는 앞서 미국에서 2050년까지 해수면이 약 30.5cm(1피트) 상승할 경우, 해안을 따라 '매우 파괴적인 홍수'가 발생할 가능성이 5배 커질 것이라고 보도했다. 현재 그린란드의 빙하는 매년 약 2700억 톤씩 녹아 내려가고 있어, 해수면이 연간 약 4mm 상승하고 있다. 빙하 전문가 지니 카타니아(Ginny Catania)는 "그린란드에서 녹아 내린 빙하는 이미 해수면 상승의 약 20%를 차지하고 있다. 만약 그린란드의 빙하가 모두 녹아내린다면, 해수면은 약 6m(20피트) 상승할 것"이라고 말했다. 카타니아는 "이것은 인간이 기후 변화에 어떻게 대응해야 하는지에 대한 중요한 고려 요소"라고 덧붙였다.
- 산업
2023-10-27
LG화학, 1500℃서 20분 견디는 '배터리 열폭주 지연 소재' 개발

LG화학은 섭씨 1500도 화염에서도 20분 이상 손상되지 않고 견디는 배터리 열폭주 지연 소재를 LX하우시스와 공동 개발했다고 27일 밝혔다. 양사가 공동 개발한 '특수 난연 열가소성 연속 섬유 복합소재(특수 난연 CFT)' 강한 불길과 높은 압력에서도 기존 복합소재보다 14배 이상 긴 시간 견딜 수 있는 것으로 나타났다. LG화학 자체 테스트(Torch Test)에서 1.6㎜ 두께의 얇은 특수 난연 CFT에 1500℃ 이상의 열과 압력을 가했을 때 20분이 지나도 녹아 흘러내리거나 구멍이 생기지 않았다. 이는 업계 최고 수준의 화염 차단 성능이라고 LG화학은 설명했다. LX하우시스는 LG화학이 지난해 개발한 열폭주 지연 소재를 테이프 형태로 만들어 적층하는 제조 공법으로 화염 차단 성능을 높였다. 특수 난연 CFT에는 LG화학의 열폭주 지연 소재 기술과 LX하우시스의 열가소성 복합소재(CFT, Continuous Fiber Thermoplastics) 제조 기술이 적용됐다. LG화학이 지난해 개발한 열폭주 지연 소재는 1000℃ 이상에서 당시 세계 최장시간인 10분 이상 화염을 차단하는 성능을 나타냈다. LX하우시스는 LG화학의 소재를 테이프 형태로 만들어 적층하는 제조 공법을 사용해 차단 성능을 더욱 향상시켰다. 이번에 개발된 특수 난연 CFT는 단단하고 힘에 의한 변형이 작아(고강성) 전기차 배터리 부품 중 크기가 큰 배터리팩 상단과 하단 커버 등에 적용될 수 있다. 특히 전기차 화재 발생 시 불길이 퍼지는 것을 효과적으로 지연시켜 운전자의 대피와 화재 진압에 필요한 시간을 확보하는 데 도움이 될 것으로 기대된다. 앞서 LG화학이 개발한 열폭주 지연 소재는 세밀한 성형이 가능해 배터리 모듈에 주로 쓰이는 만큼 올해 개발한 두 소재가 함께 활용되면 전기차 배터리 화재 시 불길이 퍼지는 것을 이중 차단할 수 있다는 회사 측의 설명이다. 전기차 배터리 화재의 주요 원인인 열폭주는 다양한 원인으로 배터리 셀에 스트레스가 가해지며 열이 발생하는 현상이다. 열폭주 현상은 전기차의 대중화를 늦추는 요소 중 하나로, 전기차·배터리 고객사의 페인 포인트(Pain point, 어려운 지점)로 꼽혀왔다. LG화학과 LX하우시스는 기존 플라스틱만으로는 견디기 어려웠던 열폭주의 열과 압력을 특수 난연 CFT 개발로 해결했다. LG화학은 지난 2009년부터 열폭주 지연 소재에 대한 연구개발을 이어왔다. 지난해에는 소재 개발을 완료하고 양산 체계를 구축했다. 신재명 LG화학 엔지니어링소재사업부 마케팅부문 담당은 "전기차 배터리 열폭주 지연 소재와 글래스매트, CFT 등 토탈 솔루션 라인업을 갖추게 된 것을 자랑스럽게 생각한다"며 "전기차 운전자의 일상을 더 안전하게 지키는 동시에 고객의 페인 포인트를 해소할 수 있도록 연구개발을 이어갈 것"이라고 말했다.
- 산업
2023-10-27
목성 위성 중 하나의 바다에서 탄소 발견

목성의 달 중 하나인 유로파의 깊은 지하 해양에는 생명 유지에 필요한 성분인 탄소가 포함되어 있다는 것이 확인됐다. 제임스 웹 우주 망원경의 관측에 따르면, 유로파의 표면의 이산화탄소 얼음은 약 1만6000m 두께의 얼음 층 아래의 소금물 해양에서 비롯된 것으로 보인다. 영국 매체 더가디안에 따르면 이 연구 결과는 유로파의 지하 해양에 탄소가 존재한다는 것을 확인하고, 생명의 존재 가능성을 시사하는 동시에, 유로파 해양이 태양계 내에서 탐사가 가장 유망한 지역 중 하나라는 견해를 뒷받침한다. 텍사스의 남서부 연구소(Southwest Research Institute)의 지화학자인 크리스토퍼 글린 박사는 "이는 매우 중요한 발견이고, 나는 이로 인해 매우 기쁘다"라고 말했다. 그는 또한 "유로파의 해양에 실제로 생명이 존재하는지 여부는 아직 확실하지 않지만, 이러한 새로운 발견은 그곳에 todaqud이 있을 가능성이 높다는 더 많은 근거를 제공한다. 그러한 환경은 우주생물학적 관점에서 흥미로워 보인다"고 덧붙였다. 지구의 달보다 약간 작은 유로파는 지표면 온도가 -140도씨를 거의 넘지 않고 목성으로부터 오는 복사선을 포함한 극한의 어려움에 직면하는 것으로 알려져 있다. 유로파의 해양 깊이는 약 6만4160km에 이르며, 얼음 표면 아래에서도 약 1만6000m~2만4140m의 깊이에 달한다. 이러한 깊고 넓은 해양 덕분에 유로파는 생명 탐색의 주요 후보지로 떠올랐다. 깊은 해양에서의 생명 존재 가능성은 탄소와 같은 생물학적으로 필수적인 요소의 풍부도와 그 화학적 특성에 연관되어 있다. 이전 연구에서는 유로파의 표면에서 고체 이산화탄소 얼음의 존재를 확인했으나, 이것이 지하 해양에서 나온 것인지, 아니면 운석 충돌을 통해 유로파 표면에 전달된 것인지는 확실하지 않았다. 최근에는 제임스 웹 망원경의 근적외선 관측을 활용하여 유로파 표면의 이산화탄소 분포를 정밀하게 지도화했다. 특히 '카오스 지형'이라 불리는 지역, 즉 얼음 블록이 지질학적 움직임으로 인해 표면으로 밀려나와 생성된 균열과 능선이 특징인 약 1800km2 크기의 타라 레지오(Tara Regio)에서 이산화탄소의 농도가 특히 높게 관측됐다. 나사 제트 추진 연구소(Nasa's Jet Propulsion Laboratory)의 우주생물학자이자 논문의 공동 저자인 케빈 핸드는 이 연구 결과를 "중요하다"고 평가했다. 그는 "우리가 알고 있는 생명체는 이산화탄소를 섭취하고 호흡하는데, 유로파의 해양에서 이산화탄소가 풍부하다는 점은 그곳의 생명 거주 가능성과 잠재적 생물존재에 대한 중요한 단서가 될 수 있다"고 강조했다. 우주생물학에서는 지구의 생명체에게 필요한 '주요 여섯 가지' 원소를 종종 언급하는데, 이 중 탄소, 수소, 산소, 황의 네 가지는 이미 유로파에서 발견됐다. 그러나 황이 유로파의 해양에서 나온 것인지, 아니면 제우스의 다른 위성인 이오(Io)에서 전달된 것인지는 아직 확인되지 않았다. 글린 박사는 "유로파 해양에서 사용 가능한 탄소의 존재는 그곳의 생명 거주 가능성을 높인다"고 지적했다. 그는 "앞으로 제임스 웹 망원경과 내년에 예정된 유로파 클리퍼 미션의 관측 결과를 통해 유로파에서 질소와 같은 생명의 기본 구성 요소가 얼마나 쉽게 접근 가능한지에 대한 추가적인 정보를 얻을 수 있을 것이다"라며 기대감을 드러냈다. 이번 연구 결과는 '사이언스(Science)' 저널에 발표되었고, 이와 함께 탄소 동위원소(원소의 다른 형태)의 비율 분석도 함께 제시되었다. 탄소-12와 탄소-13의 비율은 생명의 흔적을 나타낼 수 있지만, 이번 연구에서는 명확한 결론을 내리지 못했다. 런던 대학교 머러드 우주과학 연구소의 행성과학 부문장 앤드루 코츠 교수는 이 연구를 "중요하며 흥미롭다"고 평가했다. 그는 "우리는 유로파에 이러한 요소들이 존재할 가능성이 크다고 보고 있다"고 말했다.
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2023-10-14
화웨이, 스마트폰 현미경 카메라 특허출원

망원경 없이도 휴대폰으로 달의 표면을 가까이에서 볼 수 있는 시대가 도래했다. 스마트폰 카메라 렌즈의 기술은 매일매일 눈에 띄게 진화하고 있다. 이제는 멀리 있는 달을 관찰하는 것이 아니라, 박테리아의 세계까지 선명하게 볼 수 있는 놀라운 현미경 기능을 갖춘 휴대폰이 시장에 등장해 화제를 모으고 있다. 기술과 산업 전문 매체 테크노드(TechNode)는 최근 중국 화웨이가 미국특허청(USPTO)으로부터 이러한 스마트폰 현미경 카메라 기술에 대한 특허를 획득했다고 보도했다. 보도에 따르면, 이 새로운 렌즈 기술은 최소 약 5mm 거리에서의 물체를 20~400배까지 확대하여 촬영할 수 있으며, 이를 통해 스마트폰에서 직접 박테리아를 분석하는 것이 가능하다고 한다. 화웨이 측은 "스마트폰 시장에서의 경쟁이 가열되면서, 다양한 신기능을 도입해 소비자들의 눈길과 신뢰를 얻고자 한다"며, "이런 현미경 카메라 기능이 시장에서 경쟁력을 갖출 것"이라고 기대감을 드러냈다. 이처럼 기술의 발전은 스마트폰의 새로운 장을 열고 있다. 테크노드에 따르면, 화웨이는 최근 획득한 현미경 카메라 기술 특허를 차세대 주력 휴대폰에 적용할지 여부를 아직 발표하지 않았다. 그러나 특허 문서에는 현미경 렌즈의 세부 정보와 다양한 사용 방법이 상세하게 제공되어 있다. 이 특허에 따르면, 두 개의 카메라가 기능을 분담한다. 하나는 일반적인 이미지 캡처용이고, 다른 하나는 마이크로 카메라로 위생 분석에 사용된다. 예를 들어, 마이크로 카메라는 사과나 손과 같은 대상의 이미지를 캡처한 후, 마이크로 모드로 전환하여 음성이나 문자를 통해 대상의 위생 상태를 분석하고 평가하며, 필요한 경우 위생 유지를 위한 조언을 제공한다. 화웨이의 이같은 혁신적인 특허는 식품 안전, 주방 기구의 청결 관리, 개인 위생 평가, 어린이 장난감과 애완동물 위생 상태 모니터링 등 여러 분야에서 활용될 수 있다. 사용자는 이 기술을 활용하여 집에서 야채나 과일의 표면 박테리아를 감지하고, 커피머신이나 전자레인지와 같은 주방 가전제품의 청결 상태를 점검할 수도 있다. 앞서 화웨이는 2021년에 미국특허청에 현미경 카메라 기술에 대한 특허 신청을 제출했다. 특허 신청서에서는 카메라가 촬영한 이미지에서 박테리아의 양을 식별하고, 관련 위생 조언을 제공하는 기능이 강조됐다. 또한, 이 특허가 코로나19 팬데믹이 심각하게 확산되던 시기에 출원되었다는 점도 눈에 띈다. 화웨이의 현미경 카메라의 혁신적인 특허는 산업 내에서도 주목받고 있다. 이미 350여 개의 기업이 패턴트 풀을 통해 화웨이의 특허 라이선스를 획득했고, 이로 인해 화웨이는 2022년 약 7조 5096억 원(약 5억 6000만 달러)의 수익을 올렸다고 한다. 또 다른 중국 기업인 오포(Oppo)도 2021년 최대 60배 확대 기능을 가진 '파인드 X3 프로(Find X3 Pro)'를 출시했다. 하지만 이 기능은 매크로 사진 촬영에 한정되어 있으며, 화웨이의 현미경 카메라 기술만큼의 세밀함은 보이지 않는다. 지난 9월, 화웨이와 샤오미는 5G를 비롯한 다양한 통신 기술에 대한 글로벌 특허 교차 라이선스 계약을 체결했다고 발표했다. 더불어 화웨이는 지난 8월에는 지상 신호를 필요로 하지 않는 위성 통화 기술이 탑재된 '메이트60(Mate60)' 시리즈를 선보였다. 이를 통해 사용자는 어디에서든 전화를 걸거나 받을 수 있게 되었다. 한편, 한국에서도 카메라 렌즈 기술 혁신 소식이 전해졌다. 포스텍의 노준석 교수 연구팀은 휴대폰 뒷면의 여러 카메라 렌즈를 하나의 메타렌즈로 통합, 초점 위치를 자유롭게 조절하는 기술을 성공적으로 개발했다. 이 메타렌즈는 나노미터(nm) 크기의 인공 구조체로 구성되어 있으며, 빛의 다양한 특성을 제어할 수 있다. 또한 기존 렌즈의 두께를 획기적으로 줄일 수 있어, 생체 분자 이미징이나 광학 컴퓨터 등 다양한 분야에서 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
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2023-10-13
지구 자전축, 80cm 또 기울어진 이유는?

지구의 자전축 기울기가 약 80cm(약 31.5인치)나 또 어긋난 것으로 밝혀졌다. 최근에 '지구의 기울기'가 다시 화제가 되고 있는 가운데, 과학자들의 조사에 따르면 지구의 기울기 변동이 가속화되어 31.5인치(약 80 센치)나 변경된 것으로 확인됐다. 이 데이터는 2023년 6월 지구과학 저널 「지구물리학 연구 레터(Geophysical Research Letters)」에 게재된 연구에 따른 것으로, '지하수의 과도한 채취'가 지구 기울기의 주요 원인으로 보고됐다. 또한 이 연구에서는 "지구의 기울기 변화와 전 세계적인 해수면 상승(약 0.24인치 또는 약 6mm) 간에 연관성이 있다"고 지적했다 지구 자전축의 변화가 세계 해수면에 어떤 영향을 미치는지, 그리고 지하수 채취가 왜 자전축의 기울기에 영향을 주는지, 그리고 자전축의 기울기가 31.5인치로 커진 것이 실제로 얼마나 큰 문제인지에 대해 정리했다. 먼저 자전축의 기울기는 지구에 어떤 영향을 미칠까. 자전축의 기울기는 지구를 특징짓는 특징 중 하나다. 자전축이 기울어져 있기 때문에 지구에는 봄, 여름, 가을, 겨울과 같은 계절이 발생하는 지역이 있으며, 북극과 남극에서는 궁극적으로 극야(위도 66.55도 이상인 극지방에서 겨울철에 해가 뜨지 않고 밤만 계속되는 기간)와 극주야(?)/백야(해가 지지 않아 밤에 어두워지지 않는 현상)가 존재한다. 이 현상을 놀이기구를 떠올리면 쉽게 이해할 수 있다. 자전축이 공전 궤도에 수직이라면, '틸트 어 휠(Tilt-a-Whirl)' 놀이기구처럼 어느 북반구나 남반구에서도 일년 내내 일정한 일조 시간을 가지며, 태양의 궤도 위치가 항상 같아 시간의 흐름에 따른 변화가 없을 것이다. 이와 같은 상황은 북극점과 남극점에서도 동일한 상황이 지속될 것이다. 하지만, 지구는 기울어져 있기 때문에 '틸트 어 휠' 내부에 있는 것처럼 중심(태양)이나 수평선에 가까워질 때도 있고 멀어질 때도 있다. 우리가 평소에 단단하다고 느끼는 지구의 안정성은 실제로는 그렇지 않다. 지구의 지각은 주로 단단한 암석으로 구성되어 있으며, 대부분의 지역에서는 약 40킬로미터(약 25마일)의 깊이에 이른다. 1 평방피트(약 930㎠) 크기의 지표면 아래 40킬로미터 깊이의 지각 부분은 부피로 따지면 대략 1만1000톤으로 추정된다. 이것은 2012년 티레니아 해에서 전복된 호화 여객선 코스타 콘코르디아(약 11만4000톤)의 무게와 거의 비슷하며, 이 배를 원래의 상태로 세울 수 있는 무게와 동일하다. 그러나 태양계 내에서 밀도가 가장 높은 행성인 지구에서도 40킬로미터 두께의 지각은 지구 지름의 0.33% 정도에 불과하며, 1만1000톤은 지구의 총 질량인 5.972 ×10²⁴kg에 비하면 미미하다. 지구를 M&M 초콜릿 한 알로 비유하면, 얇은 설탕 코팅 부분이 지각에 해당한다. 그렇다면 과도한 지하수 채취는 어떤 문제를 야기할까. 지각 위에는 바다가 있고, 지각 바로 아래에는 광대한 지하 담수층이 있다. 그 아래에는 유동성 있는 암석을 포함한 맨틀이 있으며, 외피 아래의 외부 핵은 액체이다. 현재 지구의 내부 핵은 고체라는 주장이 유력하다. 최근 발표된 지하수 관련 논문에서는 특정 현상에 대한 조사가 진행되고 있다. "지하수를 얻기 위해 지하 또는 지각 내에 저장된 물을 얻으려고 구멍을 뚫으면 갑자기 지구 외부의 일부 무게가 크게 가벼워지며, 지구 전체의 균형 유지에 매우 간단한 형태로 영향을 미치게 된다"는 설명이다. 볼링 공이나 회전하는 스피너 외부에만 구멍을 뚫는다면 어떤 변화가 일어나는지 상상해보자. 볼링공은 여전히 회전은 가능하겠지만, 원래의 회전과는 달리 불규칙한 방식으로 회전할 것이다. 게다가 지구에는 대량의 물과 용해된 금속이 있으므로, 이러한 물질들이 새로운 회전 방향에 영향을 받아 추가적인 회전 특성을 나타낼 수도 있다. 지구의 기울기는 '자전축 기울기'라고도 하며, 약 4만 1000년마다 22.1도에서 24.5도 사이로 변동한다. 지구의 위도 1도당 거리는 대략 111.11킬로미터(약 69마일)이기 때문에, 80cm의 변화는 사실상 크게 중요하지 않다고 볼 수 있다. 이 논문은 지구의 기울기에 영향을 미치는 특정 요인에 집중하고 있다. 중요한 것은 이 변화가 자연적인 변동이 아닌 인간의 활동에 의한 결과라는 점이다. 인류는 약 4만 1000년 전부터 존재했지만, 그 당시 인간은 지하수를 채취하기 위해 지각을 깊게 파지 않았다. 반면, 정화된 물을 위한 우물의 역사를 살펴보면, 약 9000년 전 신석기 시대의 시리아 텔 사비 아비아드(Tell Seker al-Aheimar) 유적에서 발견된 것이 가장 오래된 것으로 기록되어 있다. 과도한 지하수 채취 문제는? 미국 지질 조사국(USGS)에 따르면 지표면 아래의 수층은 세계의 강과 호수의 수백 배 이상의 물량을 포함하고 있다. 여기서수층은 지하수를 저장하는 암석과 퇴적층을 의미한다. 이 지하수는 지구의 다양한 지역(사막 포함)에서 볼 수 있지만, 접근이 어렵거나 정화 처리가 필요한 경우가 많다. 지하수는 지표면 근처에 위치하며, 단지 몇 시간 정도만 축적되었을 수도 있고, 지하의 매우 깊은 곳에서 몇 천 년 동안 존재했을 수도 있다. 미국 과학·공학·의학 아카데미와 애리조나 주립 대학교의 '과학과 기술의 이슈(Issues in Science and Technology)' 간행물에 따르면, 호수와 강의 담수 부족 때문에 인간은 지하수를 채취하기 시작했다. 이러한 지하수는 음용, 관개, 그리고 광물 채굴 등 여러 목적으로 사용되고 있다. 그렇지만 지하수의 과도한 채취는 자연 환경과 습지에 큰 피해를 준다. 이는 땅이 건조해지는 것뿐만 아니라 토양의 붕괴, 야생동물과 물고기, 나무에 대한 부정적 영향, 그리고 일부 종의 멸종 위험을 가져온다. 더욱이, 최근의 연구에서는 지하수 채취가 지구의 기울기에도 영향을 주고 있음이 밝혀졌다. 지구 기울기가 변한 다른 요인 지구는 완벽한 균형을 가진 공이나 볼링 공처럼 완벽하게 균형 잡힌 상태를 유지할 필요가 없다. 사실, 과학자들은 '테이아(Theia)'라는 천체가 원시 지구와의 충돌로 인해 지구가 기울게 되어 자전하게 되었다는 가설을 제기하고 있다. 이 충돌에 의해 원시 지구에서 분리된 부분이 달이 되었다고 추측하고 있다. 당시 충돌로 인해 원시 지구의 한 쪽에는 커다란 스위스 치즈 같은 크레이터가 생겨나, 그 결과 회전 축이 변화했다고 본다. 그 이후로 지구의 자전축이 다시 원래대로 돌아온 적은 없다. 지구와 같은 행성은 자전으로 인해 시간이 지남에 따라 점차적으로 거의 완벽한 구형에 가까운 형태로 변화한다. 이 개념은 '정적압력 균형'이라고 불린다. 사실, 거의 완벽한 구형에 가까운 형태는 행성이나 천체의 기본적인 특성 중 하나이다. 이를 고려하면 '테이아'라는 천체의 충돌 이전의 울퉁불퉁한 지구는 자전 활동이 회복되기 전까지 '행성'으로 간주되지 않았을 수도 있다. 지구의 자전축 기울기는 지구의 구 형태를 유지하는 데 영향을 미치지 않는다고 여겨진다. 지구의 정적압력 균형은 이러한 기울기와 상관없이 각 행성의 자전 현상에 의해 결정되기 때문이다. 미국 항공우주국(NASA)은 2018년 "20세기에 지구의 기울기 변화를 초래한 3가지 주요 원인을 확인했다"고 보고했다. 나사에서 파악한 원인은 '그린란드의 얼음 해빙', 빙하의 이동 또는 해빙으로 인해 얼음의 무게가 사라져 지각이 서서히 상승하는 '빙하성 반동', 그리고 '맨틀 대류'이다. 맨틀 대류는 지각 아래에 있는 유동성 있는 암석 성분이 가열되어 상층으로 이동하고 표면 근처에서 냉각되어 밀어내는 운동이다. 온도가 다른 암석의 밀도가 서로 다르기 때문에 중심을 뒤흔드는 것. 한편, 과학자들은 지구의 기울기가 많은 다른 요인에 의해 변동된다는 사실을 알고 있지만, 이러한 요인을 동시에 연구하는 단계는 아직 확립되지 않았다고 말했다. 2020년 논문에서 과학자들은 "지구는 내부에서부터 외부로 이르기까지 다양한 시간 스케일에서 연속적인 변화가 진행 중이기 때문에 이러한 동적 매개변수는 모두 안정된 값을 갖지 않으며 시간이 지남에 따라 변화한다"고 지적했다. 또한 "이러한 변동은 상대적으로 작기 때문에 최근까지 관측하기 어려웠다"면서 "앞으로 몇 년 안에 지구의 기울기 변화가 특정 요인에 의해 크게 변할 것이라는 뉴스를 자주 접할 가능성은 낮을 것으로 생각된다"고 밝혔다.
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2023-09-26
눈물로 충전하는 '스마트 렌즈 배터리' 개발

눈물로 작동하는 스마트 콘택트 렌즈가 개발됐다. 프랑스 매체 위진누벨(L`USINENOUVELLE)은 싱가포르의 난양 공과대학(Nanyang Technological University)의 연구팀은 지난 9월 초 눈물로 충전되는 배터리를 개발했다고 전했다. 이 스마트 콘택트 렌즈는 눈물을 이용하여 12시간 동안 작동 가능하다. 사용자의 안구 내에 있는 눈물만으로도 배터리를 충전하는 이 기술은 기존 렌즈와 같이 눈에 장착하여 다양한 정보를 제공한다. 이 기술의 도입으로 이메일 확인, 소셜 미디어 접근, 건강 모니터링, 시력 보정 등 다양한 기능이 눈 앞에서 가능해질 전망이다. 물론, 안전한 배터리 개발이 주요 과제로 거론되어 왔으나, 난양 공과대학의 연구팀은 혁신 기술을 통해 스마트 콘택트 렌즈의 보급이 한층 가까와졌다. 특히, 이번에 공개된 배터리는 두께가 0.5mm에 불과한 유연한 형태로, 솔루션 식염수에 담가놓기만 해도 충전이 가능하다. 눈물의 나트륨 및 포타슘 이온이 배터리의 포도당 기반 코팅과 반응하여 전기를 생성하는 원리로 작동한다. 눈물을 흘리기 위해 '타이타닉'과 같은 슬픈 영화를 볼 필요 없이, 평소의 눈물만으로도 이 배터리를 충전하는 데 문제가 없다고 연구진은 밝혔다. 과학자들의 연구 결과를 토대로, 이 배터리는 45 마이크로암페어(μA)의 전류와 201 마이크로와트(mW)의 최대 출력을 제공할 수 있어, 스마트 콘택트 렌즈의 12시간 연속 작동이 가능하다. 그러나, 이 기술의 충전 및 방전 주기는 200회로, 기존 리튬 배터리의 300~500회와 비교할 때 상대적으로 낮다. 리석우(Seok Woo Lee) 난양 공과대학 교수는 "우리 방식은 포도당과 물을 활용하여 전기를 발생시키는데, 이는 인간과 환경에 해가 없다"고 설명했다. 이러한 연구 성과를 바탕으로 난양대 연구팀은 스마트 콘택트 렌즈 제조사들에게 배터리 테스트를 제안할 계획이다. 이 기술의 도입은 스마트 콘택트 렌즈 개발의 속도를 더욱 높일 것으로 전망된다.
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2023-09-14
스위스 연구지원회사(BTRY), 전고체 배터리 시장 진출

스위스 연방재료 과학기술연구소(EMPA)가 혁신적인 배터리 기술로 전고체 배터리 시장에 진출한다. 금속산업 및 광업 전문 매체인 '마이닝(MINING)'에 따르면, EMPA는 전고체 배터리 시장 진입을 목표로 새 회사 'BTRY'를 설립할 예정이다. 이 매체에 따르면, '전고체 배터리(solid state battery)'는 기존 리튬 이온 배터리와 달리 1분 이내의 빠른 충전과 방전이 가능하고 수명이 10배 이상 지속된다. 게다가 온도 변화에도 안정적인 성능을 보인다. 또한 전고체 배터리는 인화성이 없어 안전하다. 기존의 리튬 이온 셀은 부주의하게 취급하거나 손상될 경우 유독한 가스가 방출되거나, 진화가 어려운 위력적인 화재가 발생하기도 했다. 전고체 배터리의 한 예로 박막 배터리(Thin Film battery)가 있다. 이는 반도체 공정기술인 진공증착 방식을 사용해 얇은 기판 위에 양극재, 고체 전해질, 음극재를 순차적으로 적층하여 제작하는 2차 전지를 지칭한다. 고비용으로 대량 생산 난항 박막 배터리는 두께가 단지 0.15mm로, 종이처럼 휘어지는 특성을 가지고 있다. 기존 전지에 비해 고온에서의 안정성이 우수하며, 수명도 매우 길다. 그러나 단위 부피당 충전 용량은 리튬 이온 배터리보다 낮고, 제조 비용은 3배 이상 더 비싸기 때문에 대량 생산에 어려움이 있다. 마이닝에 따르면 BTRY의 책임 연구원인 압데살렘 아리비아(Abdessalem Aribia)와 모리츠 푸셔(Moritz Futscher)가 개발한 이 새로운 배터리는 에너지 저장 용량을 늘리는데 성공했다. 푸셔 연구원은 "박막 배터리 제조 시 사용되는 박막셀의 생산 방법은 현재 반도체 칩과 유리 코팅 제작 기술을 활용하므로, 새로 개발한 박막 배터리의 제조에 큰 어려움이 없을 것"이라고 설명했다. 박막 배터리 저장 용량 향상 박막 배터리는 고정밀 제조 방식을 사용을 하는데 독성 용매가 필요하지 않은 환경 친화적인 장점을 가지고 있으나 아직까지 대량 생산 하기엔 원가 대비 효율성이 낮은 부분이 있다. 이에 아리비아 연구원은 "스마트폰이나 스마트워치처럼 배터리 전체를 구동하는 것이 아니라 일부만을 담당하는 제품에 적합하다"고 밝혔다. BTRY사의 연구원들은 박막 배터리의 에너지 저장 용량 향상을 기반으로 원가 대비 효율성을 개선해 대량 상용화를 목표로 연구에 더욱 매진할 계획이다.
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2023-09-12