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[퓨처 Eyes(48)]세계 최초, 전자의 움직임 포착하는 '아토현미경' 개발 - 과학계 새 지평 열다
- 미국 애리조나 대학교 연구팀이 세계 최초로 전자의 움직임을 포착하는 투과 전자 현미경, 일명 '아토현미경' 개발에 성공했다. 이 현미경은 찰나의 순간에도 지구를 수십 바퀴 돌 수 있는 전자의 움직임을 포착할 수 있을 정도로 강력하다. 전자는 아주 작은 입자로 원자를 구성하는 기본 요소 중 하나다. 전자는 음(-)의 전하를 띠고 있으며, 원자핵 주변을 빠르게 돌고 있다. 전자의 움직임은 전기, 빛, 화학 반응 등 다양한 현상의 근본적인 원인지 된다. 연구팀은 움직이는 전자의 정지 프레임 화면을 찍을 만큼 강력한 아토현미경 개발이 물리학, 화학, 생명공학, 재료 과학 등 다양한 분야에 획기적인 발전을 가져올 것으로 기대하고 있다. 연구를 주도한 모하메드 하산(Mohammed Hassan) 물리학 및 광학 과학 부교수는 "이 투과 전자 현미경은 최신 스마트폰에 탑재된 고성능 카메라와 같다"며 "이전에는 볼 수 없었던 전자의 움직임을 관찰하고, 이를 통해 과학계가 전자의 행동과 양자 물리학을 더 깊이 이해할 수 있기를 바란다"고 밝혔다. 전자 빔 투과로 상세 이미지 생성 투과 전자 현미경은 빛 대신 전자 빔을 사용하여 물체를 최대 수백만 배까지 확대하는 장비다. 기존 광학 현미경으로는 볼 수 없는 미세한 부분까지 관찰할 수 있어 과학 연구에 널리 활용되고 있다. 다시 말하면, 투과 전자 현미경은 가시광선을 사용하는 대신 전자 빔을 연구 중인 샘플에 통과시킨다. 전자와 샘플 사이의 상호작용은 렌즈로 포착되고 카메라 센서로 감지되어 샘플의 상세한 이미지를 생성한다. 이와 같은 원리를 사용하는 초고속 전자 현미경은 2000년대 처음 개발됐으며, 레이저를 사용해 펄스 전자 빔을 생성한다. 이 기술은 현미경의 시간적 해상도, 즉 시간에 따른 샘플의 변화를 측정하고 관찰할 수 있는 능력을 크게 향상시킨다. 이러한 초고속 현미경에서는 카메라의 셔터 속도에 따라 이미지 품질이 결정되는 대신 투과전자 현미경의 해상도는 전자 펅스의 지속 시간에 따라 결정된다. 펄스가 빠를수록 이미지가 더 선명해진다. 연구팀이 개발한 아토현미경은 펨토초(femtosecond, 1000조분의 1초)보다 훨씬 빠른 아토초(attosecond, 100경 분의 1초-팸토초보다 1000배 더 짧음) 단위로 전자 펄스를 생성한다. 이는 2023년 노벨 물리학상을 수상한 과학자들의 연구를 기반으로 한 것으로, 극자외선 방사선 펄스를 아토초 단위로 측정하는 기술을 응용했다. 아토현미경은 강력한 레이저를 두 개의 초단파 광 펄스로 변환하여 작동한다. 첫 번째 펄스는 샘플에 에너지를 공급하여 전자를 움직이게 하고, 두 번째 펄스는 아토초 단위로 전자 펄스를 생성하여 샘플을 탐색한다. 두 펄스의 정밀한 동기화를 통해 전자의 움직임을 원자 수준에서 실시간으로 관찰할 수 있다. 하산 교수는 "전자 현미경 내부의 시간 해상도 개선은 오랜 숙원이었다"며 "이제 '아토현미경'을 통해 처음으로 전자의 움직임을 볼 수 있게 되었다"고 말했다. 아토현미경 개발의 의미 아토현미경의 개발은 과학계에 새로운 지평을 여는 혁신적인 성과로 평가된다. 전자의 움직임을 실시간으로 관찰할 수 있게 됨으로써, 과학자들은 다음과 같은 분야에서 획기적인 발전을 이룰 수 있을 것으로 기대하고 있다. 1) 물질의 근본적인 특성 규명 아토현미경을 통해 물질 내 전자의 상호작용 및 에너지 전달 과정을 밝혀낼 수 있다. 이는 새로운 소재 개발, 에너지 효율 향상, 촉매 반응 개선 등 다양한 분야에 응용될 수 있다. 2) 생명 현상의 이해 증진 생체 분자 내 전자의 이동 및 화학 반응 과정을 관찰하여 생명 현상의 메커니즘을 밝히고, 질병 치료 및 신약 개발에 기여할 수 있다. 3) 양자 컴퓨팅 기술 발전 양자 컴퓨팅의 핵심 요소인 큐비트의 동작 원리를 이해하고, 양자 컴퓨터 개발에 필요한 기술적 난제를 해결하는 데 도움을 줄 수 있다. 이번 연구 결과는 과학 학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 게재됐다.
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[퓨처 Eyes(48)]세계 최초, 전자의 움직임 포착하는 '아토현미경' 개발 - 과학계 새 지평 열다
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[신소재 신기술(93)] 미국 버팔로대학, 세계 최고 성능 초전도체 와이어 개발⋯에너지 혁신 앞당겨
- 미국에서 세계 최고 성능의 초전도체 와이어가 개발됐다. 미국 버팔로 대학교 화학생물공학과 아미트 고얄 교수 연구팀이 세계 최고 성능의 초전도(HTS) 와이어 개발에 성공했다고 Phys. org, 인터레스팅엔지니어링 등 다수 외신이 전했다. 이번에 개발된 와이어는 섭씨 영하 268도에서 영하 196도 사이의 온도에서 작동한다. 이는 다른 초전도체의 작동 온도인 절대 영도보다는 높지만 여전히 극저온 환경이다. HTS 와이어는 전력 손실 없이 전기를 전송할 수 있어 미래 에너지 시스템의 핵심 요소로 주목받고 있다. 해상 풍력 발전소의 전력 출력을 두 배로 높이고, 초전도 자기에너지 저장 시스템을 구축하는 등 에너지 인프라 분야에서 다양한 활용이 기대된다. 또한, 최근에는 핵융합 원자로, 차세대 이미징 및 분광 기술에도 적용되고 있다. HTS 와이어는 비교적 높은 온도에서 작동하는 장점이 있지만, 제조 비용이 높다는 단점이 있었다. 버팔로 대학교 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 기존의 이온 빔 보조 증착(IBAD) 기술과 나노기둥 결함 기술을 결합한 새로운 방식을 개발했다. 나노기둥 결함 기술은 절연 또는 초전도 물질을 초전도체에 통합하여 더 높은 초전류 흐름을 가능하게 하는 기술이다. 연구팀은 희토류 바륨 구리 산화물(REBCO) 와이어에 펄스 레이저 증착 시스템을 사용하여 HTS 필름을 제작했다. 또한 캐나다 맥마스터 대학교와 이탈리아 살레르노 대학교와의 협력을 통해 원자 해상도 현미경 및 초전도 특성 측정을 수행했다. 이번에 개발된 HTS 와이어는 5 켈빈(-268℃)에서 77 켈빈(-196℃)까지 모든 자기장 및 온도에서 최고의 임계 전류 밀도와 고정력을 달성했다. 특히, 4.2 켈빈에서 외부 자기장 없이 제곱센티미터당 1억 9000만 암페어의 전류를 전달했으며, 7 테슬라의 자기장에서는 제곱센티미터당 9000만 암페어를 전달했다. 또한, 상용 핵융합 반응 온도인 20 켈빈에서는 외부 자기장 없이 제곱센티미터당 1억 5000만 암페어, 7 테슬라 자기장에서는 제곱센티미터당 6000만 암페어 이상의 전류를 전달하는 데 성공했다. 이러한 성과는 0.2 마이크론 두께의 HTS 필름으로 달성되었다는 점에서 더욱 주목할 만하다. 일반적으로 이 정도의 전류를 전달하려면 10배 더 두꺼운 HTS 와이어가 필요하다. 이 연구의 책임 저자인 아미트 고얄 박사는 "이러한 결과는 산업이 상업용 코팅 도체의 가격 대비 성능 지표를 크게 개선하기 위해 증착 및 제조 조건을 더욱 최적화하는 데 도움이 될 것"이라면서 "가격 대비 성능 지표를 더욱 유리하게 만드는 것은 초전도체의 수많은 대규모 예상 응용 분야를 완전히 실현하는 데 필요하다"고 말했다. 이번 연구는 학술지 '네이처 커뮤니케이션'에 게재됐다.
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[신소재 신기술(93)] 미국 버팔로대학, 세계 최고 성능 초전도체 와이어 개발⋯에너지 혁신 앞당겨
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국제유가, 미국 원유재고 감소 등 영향 2%대 급등⋯2거래일째 상승세
- 국제유가는 7일(현지시간) 중동의 군사적 긴장 격화와 미국 원유재고 감소 등 영향으로 2거래일 연속 상승세를 이어갔다. 이날 로이터통신 등 외신들에 따르면 미국 뉴욕상업거래소에서 서부텍사스산중질유(WTI) 9월물은 전거래일보다 2.8%(2.03달러) 급등한 배럴당 75.23달러에 마감됐다. 글로벌 벤치마크인 북해산 브렌트유 10월물은 전장보다 2.4%(1.85달러) 오른 배럴당 78.33달러에 거래됐다. 국제유가는 최근 미국 경기침체에 대한 우려로 하락 압력을 받았지만 이틀째 뉴욕증시에서 위험 선호심리가 회복되자 상승반전하는 양상이다. 특히 중동의 군사적 긴장감이 격화하고 있는 점에 원유공급 차질 우려가 부각되고 있다. 팔레스타인 무장정파 하마스가 새로운 최고 지도자로 강경파인 야히야 신와르를 선출하자 이스라엘과 미국은 일제히 규탄 성명을 냈다. 신와르는 지난해 10월 이스라엘 기습 공격 및 납치를 설계하고 주도한 인물이다. 그런 만큼 이스라엘이 협상으로 전쟁을 끝낼 가능성은 더욱 낮아졌다. 이스라엘은 신와르의 목에 현상금 40만달러를 내걸 정도로 적대감을 드러내고 있다. 이스라엘의 레바논 베이루트 공습과 하니예 암살 등이 잇따르자 친이란 무장세력 '저항의 축'은 이스라엘에 대한 보복을 공언하는 한편 일제히 신와르에 힘을 싣고 있다. 지난주 미국의 원유 재고가 예상보다 더 큰 폭으로 감소한 점도 유가에 상승 요인으로 작용했다. 미국 에너지정보청(EIA)에 따르면 지난 2일로 끝난 일주일간 미국 원유 재고는 전주 대비 372만8000배럴 감소한 것으로 나타났다. 이는 시장 예상치(160만배럴)를 크게 웃도는 수치다. 다만 휘발유 재고는 전주보다 134만배럴 증가해 시장 예상치 190만배럴 감소와 배치된다. 슈나이더일렉트릭의 로비 프레이저 글로벌 리서치 매니저는 "국제 유가는 최근의 가파른 손실에서 회복하려는 양상을 보이고 있다"며 "더 광범위하게 경기침체에 대한 우려가 완화하고 있는 것으로 보인다"고 분석했다. 그는 미국 원유 재고에 대해서도 "적당한 강세 반응을 얻었다"고 말했다. 골드만삭스는 "브렌트유가 배럴당 75달러선에서 바닥을 유지할 것으로 보인다"며 "경기침체 위험이 제한적이고 서방의 원유 수요가 회복력이 있는 데다 인도의 원유 수요도 견고하기 때문"이라고 분석했다. 한편 대표적인 안전자산인 국제금값은 미국 금리인하 기대감 등에 4거래일만 반등했다. 이날 뉴욕상품거래소에서 12월물 금가격은 0.8달러 오른 온스당 2432.4달러에 거래를 마쳤다.
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국제유가, 미국 원유재고 감소 등 영향 2%대 급등⋯2거래일째 상승세
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[우주의 속삭임(37)] 화성 탐사선, 고대 생명체 흔적 발견
- 나사(NASA)의 퍼시비어런스(Perseverance) 로버(이동형 탐사선)이 화성의 암석에서 고대 생명체의 흔적을 발견했을 수 있다는 주장이 나왔다고 스페이스닷컴이 전했다. 탐사팀은 흥분하고 있지만, 사실임을 확인하기 위해서는 추가 분석이 필요하기 때문에 여전히 조심스럽다는 지적이다. 탐사선은 화성이 지금보다 더 습했던 수십억 년 전 미생물 생명체에 의해 형성되었을 수 있는 화학적 특징과 구조를 보유한 화살촉 모양의 암석을 발견했다. 학자들이 ‘체야바 폭포(Cheyava Falls)’로 명명한 암석 내부에서 탐사선은 우리가 아는 생명체의 선구자 격인 유기 화합물을 검출했다. 암석의 길이를 따라 구비져 흐르는 황산칼슘 혈관은 생명체에 필수인 물을 암시하는 광물의 퇴적물이다. 탐사선은 또한 샘플에서 수십 밀리미터 크기의 반점도 발견했다. 그 반점들은 각각 검은색 고리로 둘러싸여 있고 표범 반점 모양을 닮았다. 이 고리들은 철과 인산염을 함유하고 있는데, 이는 미생물이 주도하는 화학 반응의 결과로 지구에서도 볼 수 있다. 호주 퀸즐랜드 공과대학의 천체생물학자이자 퍼시비어런스 팀의 일원인 데이비드 플래너리는 "지구에서 이런 종류의 암석은 종종 지하에 살고 있는 미생물의 화석 기록과 관련된 특징으로, 대단히 놀라운 발견이다"라고 말했다. 화성에서 이런 특징이 집약된 흔적이 발견된 것은 이번이 처음이라고 한다. 체야바 폭포는 네레트바 밸리스(Neretva Vallis)라는 이름의 고대 400m 폭의 강 계곡 가장자리에 위치해 있다. 네레트바 밸리스는 이 지역의 내벽을 따라 흐른다. 한 가지 시나리오는 유기 화합물을 함유한 진흙이 계곡에 버려져 나중에 체야바 폭포 바위로 굳어졌다가 탐사선 샘플로 채취됐을 가능성이다. 형성된 바위에 물이 두 번째 스며들면 발견된 물체의 황산칼슘 혈관과 검은 고리 반점 모양이 만들어졌을 것이다. 바위의 눈에 보이는 특징들이 화성에 고대 미생물이 화성에 살았다는 반박할 수 없는 증거는 아니다. 예를 들어, 관찰된 황산칼슘이 화산 활동 중에 사람이 살 수 없을 정도로 높은 온도에서 바위에 들어갔을 가능성이 있다. 그러한 비생물학적 화학 반응으로 인해 검은 고리 모양의 반점이 생겼을 수 있는지는 아직 알 수 없다. 캘리포니아 공과대학의 켄 팔리 박사는 "레이저와 X-레이로 채취한 바위를 투시하고 상상할 수 있는 거의 모든 각도에서 이미지를 촬영했다. 과학적으로 퍼시비어런스 탐사선은 더 이상 제공할 것이 없다"고 말했다. 과학자들은 이제 수십억 년 전 화성의 고대 강 계곡에서 실제로 무슨 일이 일어났는지 이해하기 위해 샘플을 지구로 가져와 상세히 조사한다는 계획이다. 그러나 샘플을 지구로 가져오는 비용이 110억 달러로 너무 과도해 난관에 봉착혔다. 샘플을 이동시킬 차량의 배치 및 샘플 적재, 적재된 샘플을 궤도로 발사하고 이를 다시 우주선이 회수해 지구로 보내지는 복잡한 과정이다. 나사는 산업 및 학계에서 제안한 더 간단한 대안을 평가하고, 7개 회사와 150만 달러 규모의 계약을 체결했다. 나사의 자체 연구 센터 3곳도 연구를 수행하고 있다.
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[우주의 속삭임(37)] 화성 탐사선, 고대 생명체 흔적 발견
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[신소재 신기술(82)] 휴대폰 기반 라만 분광기 시스템 개발⋯유해물질 즉시 판별
- 독버섯 등 유해 물질을 즉시 판별할 수 있는 휴대폰 크기의 라만 분광기가 개발됐다. 미국 텍사스 A&M 대학교 피터 렌체피스 박사 연구팀이 휴대폰 카메라와 레이저 기술을 결합한 휴대용 라만 분광기를 개발했다고 사이테크데일리가 보도했다. 연구팀이 개발한 휴대용 분광기는 휴대폰 카메라와 라만 분광기를 결합해 육안으로 볼 수 없는 약물과 화학 물질, 생체 분자 등을 식별하고 검출할 수 있다. 특히 실험실 분광기를 사용할 수 없는 외딴 지역에서 유해 화학 물질 등을 비침습적으로 식별할 수 있다. 또한 기존 분광기에 비해 비용이 저렴하고 신속한 분석이 가능하며, 원격으로 현장 분석에 활용될 수 있다. 등산 중 독버섯 구별, 병원균도 '척척' 이 장치는 렌즈, 다이오드 레이저, 회절 격자(빛을 분산시켜 분석하는 작고 얇은 사각형 표면)를 휴대폰 카메라와 통합하여 라만 스펙트럼을 기록하는 방식으로 작동한다. 스펙트럼의 피크는 물질의 화학적 조성과 분자 구조에 대한 상세한 정보를 제공한다. 등산 중 먹어도 안전한 열매나 독버섯과 식용 버섯을 구별하거나 병원에서 며칠씩 걸리던 병권균 검출을 신속하게 처리하는 등 다양한 분야에 활용될 수 있다. 간편한 작동 방식, 빠르고 정확한 분석 휴대용 분광장치 사용 방법은 간단하다. 휴대폰 카메라를 투과 격자를 향하도록 배치하고 레이저를 물질 샘플에 쏘면 카메라가 스펙트럼을 기록한다. 이를 휴대폰 애플리케이션/데이터베이스와 연동하면 현장에서 신속하게 물질을 식별할 수 있다. 기존 기술로는 알수 없는 물질을 식별하는 과정에서 생체 물질 샘플링과 실험실 분석이 필요해 분석에 몇 시간 또는 며칠이 걸렸다. 또한 기존 라만 분광기 가격은 수천 달러에 달하는 고가지만, 이번에 개발된 휴대용 분광기는 훨씬 저렴하게 제작할 수 있다. 렌체피스 박사는 "이 작은 장치는 주머니에 넣고 다니면서 특정 시스템이나, 재료 또는 샘플의 구성을 알려줄 수 있다"고 말했다. 이번 연구는 텍사스 A&M 대학교 공학 실험스테이션(TEES)의 자금 지원을 받았다.
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[신소재 신기술(82)] 휴대폰 기반 라만 분광기 시스템 개발⋯유해물질 즉시 판별
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[신소재 신기술(79)] 레이저와 2D 물질로 플라스틱 쓰레기 분해
- 레이저를 활용해 플라스틱 오염을 해결할 수 있는 방법이 개발됐다. 미국 텍사스 대학교 연구진이 주도하는 국제 연구팀은 레이저를 이용해 플라스틱 분자를 기본 요소로 분해해 재활용하는 기술을 개발했다고 사이테크데일리가 전했다. 매년 수백만톤의 플라스틱 폐기물이 매립지와 바다에 쌓이는 등 플라스틱 오염은 전세계적인 환경 문제로 떠올랐다. 기존의 플라스틱 분해 방법은 에너지 집약적이고 환경적으로 유해해 비효율적인 경우가 많았다. 연구팀은 분해하려는 물질을 전이 금속 디칼코게나이드(TMD)라는 2차원 물질 위에 놓고 빛을 비추는 방식을 활용했다. 이는 기존 기술로는 분해가 어려운 플라스틱 폐기물 해결에 기여할 것으로 기대된다. 연구팀은 이 기술을 통해 플라스틱의 화학 결합을 끊고 새로운 화학 결합을 형성해 발광 탄소점(carbon dot)을 생성했다. 탄소 기반 나노 물질은 다양한 분야에서 활용 가능성이 높다. 특히 이 발광 탄소점은 차세대 컴퓨터 메모리 소자로 활용될 가능성도 있다. 텍사스 오스틴 캠퍼스(UT Austin)의 18개 단과대학 중 하나인 콕렐 공과대학 워커 기계공학부 교수이자 프로젝트 리더 중 한 명인 유빙 정은 "이러한 독특한 반응을 활용하면 환경 오염 물질을 가치있고 재사용 가능한 화학물질로 전환하는 새로운 경로를 탐색해 보다 지속 가능한 순환 경제 발전에 기여할 수 있다"고 말했다. 그는 "이 새로운 발견은 환경 문제를 해결하고 친환경 화학 분야를 발전시키는 데 중요한 의미가 있다"고 덧붙였다. 또한 이번 연구는 탄소-수소 결합 활성화(C-H activation)라는 특정 반응을 이용했다. 이 반응은 유기 분자 내 탄소-수소 결합을 선택적으로 분해해 새로운 화학 결합을 형성하는 과정이다. 연구팀은 TMD를 촉매로 사용해 수소 분자를 가스 형태로 변환시키고, 탄소 분자들이 서로 결합해 정보 저장 점을 형성하도록 유도해 플라스틱 분해를 높였다. 이번 연구는 플라스틱 폐기물 문제 해결을 위한 지속 가능한 방안 모색에 중요한 발걸음을 내디뎠다는 평가를 받고 있다. 하지만 산업적 응용을 위해서는 빛 기반 C-H 활성화 공정의 최적화 및 확장에 대한 추가 연구 개발이 필요하다. 빛 기반 C-H 활성화 공정은 플라스틱 외에도 폴리에틸렌, 계면활성제 등 다양한 고분자 유기화합물에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다. 연구 결과는 최근 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 게재됐다. 연구에는 텍사스대학교를 포함해 버클리 캘리포니아 대학교, 일본 도호쿠 대학교, 로렌스 버클리 국립 연구소, 베일리 대학교, 펜실베니아 주립대학교의 연구진이 참여했다.
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[신소재 신기술(79)] 레이저와 2D 물질로 플라스틱 쓰레기 분해
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[신소재 신기술(75)] 땀으로 혈당 측정하는 소형 레이저 장착 밴드, 당뇨 관리 혁신 이끌다
- 땀으로 혈당 등 건강상태를 측정할 수 있는 소형 레이저가 장착된 밴드(일종의 반창고)가 개발됐다. 싱가포르 난양공과대학(NTU) 연구진은 땀을 통해 건강 지표를 추적할 수 있는 혁신적인 미세 레이저 장착 밴드를 개발했다고 메디컬 익스프레스와 인터레스팅엔지니어링 등 다수 외신이 전했다. 이 혁신적인 밴드는 마이크로레이저 기술을 부드러운 하이드로겔 필름에 통합해 실시간으로 정밀한 바아오마커(생체 지표)를 감지한다. 특히 이 기술은 당뇨병 환자의 경우, 채혈 없이 혈당 수치를 실시간으로 확인할 수 있어 편의성을 크게 높였다. NTU 전자전기공학부(EEE) 연구팀은 액정 방울에 마이크로레이저를 캡슐화하고 액체를 부드러운 하이드로겔 필름에 내장함으로써 석고처럼 작고 유연한 빛 기반 감지 장치를 만들어 팔에 부착함으로써 몇 분 안에 매우 정확한 바이오마커 판독값을 제공할 수 있었다. 인간의 땀에는 포도당, 젖산, 요소와 같은 건강 상태를 나타내는 바이오마커가 포함되어 있으며, 이를 통해 다양한 건강 상태를 파악할 수 있다. 기존에는 당뇨병 환자들이 혈당 수치를 모니터링하기 위해 손가락 채혈과 같은 침습적인 방법에 의존해 왔다. 하지만 이런 방법은 통증과 불편함을 야기할 수 있다. 센서 기반 장치도 있지만 비용이 많이 들고 장시간 피부에 부착하면 불편함을 느낄 수 있다는 단점이 있다. NTU 연구팀은 미세 레이저 기술을 부드러운 하이드로겔 필름에 통합하여 유연하고 컴팩트한 센서 장치를 개발했다. 이 장치는 땀 속 생체 지표 수준을 빠르고 정확하게 감지해 채혈 등의 침습적인 절차 없이 건강 상태를 모니터링 할 수 있다. 연구팀은 이 밴드가 건강 모니터링 기술의 중요한 발전이라고 강조했다. 밴드의 각기 다른 색깔의 점들은 포도당, 젖산, 요소를 나타내며 동시에 세 가지를 모두 모니터링할 수 있도록 설계됐다. NTU의 EEE 조교수이자 바이오디바이스 및 바이오인포매틱스 센터 첸 유청 소장은 "저희의 혁신은 당뇨병 환자가 건강을 모니터링하는 비침습적이고 빠르고 효과적인 방법을 나타낸다. 마이크로레이저와 소프트 하이드로겔 필름을 결합함으로써 환자에게 보다 즐거운 건강 모니터링 경험을 제공하는 웨어러블 레이저의 실현 가능성을 입증했다"고 말했다. 실험 결과, 이 밴드는 기존 기술보다 100배 더 민감하게 0.001mm의 미세한 생체 지표 변화를 감지하는 놀라운 성능을 보였다. 이러한 정밀도는 생체 지표 추적 정확도를 높여 사용자의 건강 상태를 자세히 파악할 수 있게 한다. 연구의 제1저자인 NTU 박사 후보생 니 닝위안은 "저희 기기는 바이오마커 수치의 높고 낮은 범위를 모두 감지할 수 있다. 이는 현재 유사한 건강 모니터링 기기가 높은 포도당 수치만 추적하는 데 초점을 맞추고, 다른 건강 합병증을 나타낼 수 있는 비정상적이거나 낮은 포도당 수치는 추적하지 않기 때문에 당뇨병 환자에게 특히 유익하다. 기존 기기와 비교했을 때 저희 기기는 다양한 판독값을 나타내 사용자의 건강 상태를 명확하게 보여준다"고 설명했다. 연구팀은 이 장치를 더욱 발전시켜 땀에 존재하는 약물 및 기타 화학 물질과 같은 추가적인 물질을 감지하는 데에도 활용할 계획이다. 이번 연구 결과는 학술지 '분석 화학(Analytical Chemistry)에 게재됐다.
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[신소재 신기술(75)] 땀으로 혈당 측정하는 소형 레이저 장착 밴드, 당뇨 관리 혁신 이끌다
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[신소재 신기술(70)] 칩 크기의 초소형 '티타늄 사파이어 레이저' 개발
- 미국 스탠퍼드 대학교 연구팀이 칩 크기의 초소형 티타늄 사파이어(Ti:sapphire)레이저 개발에 성공했다. 이 레이저는 기존 티타늄 이온 도핑 사파이어 크리스탈로 만든 티타늄 사파이어 또는 Ti:사파이어 레이저보다 4배 작고 비용은 3배 더 저렴하며 효율성도 크게 향상되었다고 IFL이 3일(현지시간) 전했다. 기존 티타늄 사파이어 레이저는 높은 가격과 큰 부피, 그리고 구동을 위한 여러 대의 고출력 레이저가 필요하다는 단점이 있었따. 스탠퍼드리포트는 이번에 새로 개발 티타늄-사파이어 레이저에 대해 "'타의 추종을 불허하는 성능'을 가진 것으로 간주된다"고 전했다. 이어 "레이저는 최첨단 양자 광학, 분광학, 신경 과학을 포함한 많은 뷴야에서 없어서는 안 된다. 하지만 그 성능은 엄청난 대가를 치른다"면서 "Ti:sapphire는 부피가 입방 피트9볼링 공 4개 정도의 공간을 차지함)에 달할 정도로 크고 비용도 수십만 달러에 이른다. 또한 3만 달러 이상에 달하는 다른 고출력 레이저가 있어야 작동한다"며 기존 레이저의 단점을 지적했다. 스탠퍼드대 전기공학과 교수이자 칩 크기의 Ti:사파이어 레이저 논문의 시니어 저자인 옐레나 부치코비치(Jelena Vučković)는 "이것은 기존 모델에서 완전히 벗어난 것"리하고 말했다. 그는 "크고 값비싼 레이저 한 대가 아닌, 하나의 칩에 수백대의 레이저를 탑재할 수 있는 시대가 곧 올 것"이라고 전망했다. 연구팀은 티타늄 사파이어를 이산화규소(sio2) 절연체 위에 장착하고 수백 나노미터 두께의 티타늄 사파이어 층을 정밀하게 연마하고 에칭하여 소용돌이 모양의 융기, 즉 도파관을 형성했다. 이 도파관을 통과하는 빛은 소형 히터를 사용해 가열되며 사용자가 필요에 따라 레이저 파장을 조정할 수 있도록 한다. 즉, 연구팀은 마이크로스케일 히터를 통해 방출되는 빛의 파장을 변경해 빛의 색상을 700~1000나노미터(적색에서 적외선까지) 사이에서 원하는 대로 조절할 수 있었다. 또한 레이저 크기 축소는 강도를 높여 효율성을 향상시키는 효과도 있었다. 이 소형 레이저는 양자 광학, 분광학, 신경 과학 등 다양한 분야에 활용될 수 있으며, 넓은 파장 범위에서 에너지를 방출하는 탁월한 이득 대역폭과 1000조 분의 1초마다 빛 펄스를 방출하는 초고속 특성을 가지고 있다. 이는 기존 레이저보다 약 14배 빠른 속도다. 부치코비치 교수와 공동 제1저자인 조슈아 양과 연구팀은 이 새로운 레이저가 다양한 분양에 미칠 영향에 대해 큰 기대를 걸고 있다. 양자 물리학 분야에서는 이 저렴하고 실용적인 레이저가 최첨단 양자 컴퓨터의 소형화를 획기적으로 앞당길 수 있을 것으로 예상된다. 신경 과학 분야에서는 광섬유를 통해 뇌 속 뉴런을 빛으로 조절하는 광유전적 연구에 즉각적인 활용이 가능할 것으로 보인다. 소형 레이저를 활용하면 더욱 작은 프로브(probe, 뇌 활동을 측정하고 자극하는 데 사용되는 도구)를 개발해 새로운 실험 방법을 모색할 수 있다. 안과 분야에서는 노밸상 수상 기술은 '처프 펄스 증폭(chirped pulse amplification)'을 이용한 레이저 수술에 새로운 방식으로 활용되거나, 망막 건강 평가에 사용되는 광 간섭 단층 촬영 기술을 더 저렴하고 작게 만들수 있을 것으로 기대된다. 칩 형태의 레이저는 기볍고 휴대성이 뛰어나며 저렴하고 효율적이다. 그리고 대량 생산이 가능하다. 양 연구원은 "우리는 단일 4인치 웨이퍼에 수 전개의 레이저를 놓을 수 있었다"며 그렇게 되면 레이저당 비용이 거의 0이 되기 시작한다. 이는 매우 흥미로운 일이다"고 말했다. 연구팀은 이번 연구 결과가 티타늄 사파이어 레이저의 대중화에 기여할 것으로 기대하고 있다. 이번 연구 결과는 학술지 '네이처(Nature)'에 게재됐다.
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- 포커스온
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[신소재 신기술(70)] 칩 크기의 초소형 '티타늄 사파이어 레이저' 개발
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미국 NIST-콜로라도주립대 JILA, 역대 최고 초정밀 원자시계 개발
- 미국표준기술연구소(NIST)와 콜로라도주립대 볼더 캠퍼스가 합작해 설립한 물리학 연구소 JILA의 연구진이 아인슈타인의 일반 상대성이론이 예측한 대로 미세한 효과까지 측정할 수 있는 초정밀 빛 기반 원자시계를 개발했다고 NIST가 발표했다. NIST 홈페이지에 실린 게시글에 따르면 제작된 시계는 1초를 보다 정확하게 나타내게 되며, 심지어는 새로운 지하 광물 매장지의 발견으로까지 이어질 수도 있다고 한다. 원자시계는 일반적으로 마이크로파를 사용해 1초의 길이를 결정한다. 이번 연구는 여기에서 발전한 것으로, 가시광선으로 원자를 비추면 광파의 주파수가 마이크로파보다 훨씬 높아 초를 더욱 정확하게 계산해 낸다. 빛 기반 광학 원자시계는 마이크로파 시계에 비해 더욱 정밀해 300억 년에 1초 정도의 오차가 생길 수 있다. 다만 이 정도의 정확도에 도달하려면 시계의 정밀도 역시 높아져야 한다. 즉 극히 정밀한 초까지 측정할 수 있어야 한다. 원자시계의 정밀도 향상 JILA 연구진은 가시광선을 사용하는 대신 광학 격자로 알려진 빛의 그물을 사용해 수만 개의 원자를 동시에 측정했다. 이는 원자시계에 초를 정확하게 측정할 수 있는 더 많은 데이터를 제공했다. 과거에는 광학 격자 접근 방식이 사용됐지만, JILA 연구진은 측정을 위해 상대적으로 더 부드러운 접근 방식을 사용했다. 이로 인해 레이저 자체가 원자를 측정하거나 원자가 서로 충돌하는 효과 등 두 가지 오류 가능성을 줄일 수 있었다. 상대성과 그 이상의 효과 측정 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따르면 중력은 시간에 영향을 미친다. 중력장이 강할수록 시간의 흐름이 느려진다. JILA가 개발한 시계는 밀리미터 미만 규모의 시간 기록에 대한 중력의 영향을 감지할 수 있을 만큼 민감하다. JILA와 NIST의 물리학자인 준 예 교수는 이번 원자시계 제작과 관련, 시간 기록으로 가능한 한계를 돌파하고 있다면서 시계 설계가 측정을 넘어 양자 영역까지 확장됐다고 말했다. 양자 컴퓨터는 원자와 분자의 특성을 활용해 복잡한 계산을 수행한다. JILA 시계는 정밀한 측정이 가능하기 때문에, 일반 상대성이론과 양자역학 이론이 교차하는 미시적 영역에서 중력에 의한 시간 흐름의 왜곡까지 측정할 계획이다. 시계의 정확성은 과학자들이 매우 먼 거리에 떨어진 우주 공간에서도 정확한 시간을 유지하는 데 도움이 된다. 이와 관련, 예 교수는 "예컨대 정밀한 정확도로 화성에 우주선을 착륙시키려면 현재 GPS에 있는 것보다 훨씬 더 정확한 시계가 필요하다"고 덧붙였다. 보고서는 "과학은 측정 영역의 미개척지를 탐구하고 있다. 높은 수준의 정밀도로 사물을 측정할 수 있게 되면 지금까지 이론으로만 가능했던 현상이 실제로 보이기 시작한다"고 강조했다. 연구 결과는 '피지컬 리뷰 레터(Physical Review Letters)' 저널에 게재될 예정이다.
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미국 NIST-콜로라도주립대 JILA, 역대 최고 초정밀 원자시계 개발
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[바이오] 영양소 기반 나노의학으로 암 치료 효율 높여
- 국제 연구진이 영양소를 활용해 암세포에서 휴면 중인 대사 경로를 재활성화함으로써 암을 치료하는 새로운 방법을 개발했다고 과학 전문 매체 사이테크데일리가 전했다. 연구팀은 나노의약 형태로 전달되는, 널리 사용되는 아미노산인 티로신을 활용해 피부암의 심각한 형태인 흑색종의 신진대사를 변화시킴으로써 암 성장을 억제했다고 한다. 이 연구는 중국 상하이 소재 국립 푸단대학교의 웬보 부 교수와 호주 시드니 공과대학의 다용 진 교수가 주도해 수행했으며 연구 결과는 권위 있는 학술 저널인 '네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)' 최신호에 게재됐다. 호주는 세계에서 피부암 발병률이 가장 높은 나라다. 이번에 개발된 새로운 접근법은 현재의 치료법과 결합해 흑색종을 더 온전하게 치료할 수 있다고 보고서는 밝혔다. 이 기술은 또한 다른 유형의 암을 치료할 가능성도 있다. 티로신 나노셀의 개발 티로신은 살아있는 유기체에서 생물학적 이용 가능성이 제한되어 있다. 그러나 연구진은 새로운 나노 기술을 사용해 티로신을 암 세포막에 유인되고 쉽게 분해돼 흡수를 촉진하는 나노미셀이라는 작은 입자로 포장했다. 연구팀은 그 후 실험실에서 쥐와 인간에서 채취한 흑색종 세포를 대상으로 개발된 치료법을 테스트했다. 그 결과 티로신 나노미셀이 휴면 대사 경로를 재활성화하고 멜라닌 합성을 유발하며 종양 성장을 억제한다는 사실을 발견했다. 진 교수는 "통제되지 않은 급속한 성장은 암세포와 정상 세포를 구별하는 핵심 특징이다. 암세포에서는 일부 대사 경로가 과활성화되고, 일부 대사 경로는 억제돼 급속한 확산에 필요한 환경이 조성된다"고 설명했다. 그는 또 "과거에 유방암에서 에스트로겐 합성을 방해하는 아로마타제 억제제와 다양한 암에서 대사 과정을 표적으로 하는 HK2 억제제 등 몇 가지 대사 기반 암 약물이 개발되었지만, 이러한 약물은 과도하게 활성화되는 대사 경로를 억제함으로써 작용한다"고 말했다. 부 교수는 "우리의 연구는 휴면 중인 대사 경로를 재활성화함으로써 암 성장을 멈출 수 있다는 사실을 처음으로 보여준 결과다. 이는 안전하고 쉽게 이용 가능하며 내약성이 좋은 아미노산, 설탕, 비타민 등 간단한 영양소를 사용해 시행할 수 있다"고 의미를 부여했다. 다양한 유형의 암은 다양한 영양소에 반응한다. 흑색종 세포는 멜라닌을 생성하는 피부 세포인 멜라닌 세포에서 발생한다. 티로신은 멜라닌 생성에 필요하며 멜라닌 생성을 자극할 수 있으므로 흑색종에 효과가 있다. 멜라닌 합성의 재활성화는 흑색종 세포가 당분을 에너지로 변환하는 과정인 대사 과정을 감소시키도록 하며, 이는 항암 효과의 메커니즘으로 여겨진다. 흑색종 세포는 또한 열 스트레스에 취약하다. 연구진은 티로신 나노미셀 치료와 근적외선 레이저 치료를 결합함으로써 테스트 6일 후에 생쥐의 흑색종을 박멸했으며, 연구 기간 동안 재발하지 않았다는 사실도 확인했다. 이번 연구 결과는 암 치료를 위한 나노의학 부문에서 새로운 진전을 이루었음을 시사한다는 평가다.
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- IT/바이오
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[바이오] 영양소 기반 나노의학으로 암 치료 효율 높여
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소니 등 대형음반사, 저작권 침해 이유로 음악 생성AI 스타트업 제소
- 소니 등 미국 대형 음반사들이 인공지능(AI) 모델을 훈련하는 과정에서 저작권이 있는 음원들을 무단 사용하는 등 음원저작권을 침해한 혐의로 인공지능(AI) 스타트업들을 상대로 소송을 제기했다. 미국 레코드산업협회(RIAA)는 24일(현지시간) 회원사인 소니뮤직, 유니버설뮤직, 워너뮤직을 대표해 AI 스타트업인 수노(Suno)와 유디오(Udio)를 상대로 각각 매사추세츠지방법원과 뉴욕남부지방법원에 손해배상을 청구하는 소송을 제기했다고 발표했다. RIAA는 이들 스타트업들이 저작권이 있는 음원을 침해했음을 인정하고 앞으로 이와 같은 사례가 없도록 금지명령을 내려달라고 요구하는 한편 이미 발생한 저작권 침해 사례에 대한 손해 배상을 청구했다. 미국 음반사 측은 수노와 유디오 사용자들이 AI 서비스로 미국 가수 머라이어 캐리의 '올 아이 원트 포 크리스마스 이즈 유', 제임스 브라운의 '아이 갓 유' 등 노래를 그대로 재현할 수 있다고 주장했다. 또 마이클 잭슨과 브루스 스프링스틴, 아바 같은 뮤지션 음성과 구분할 수 없는 보컬도 AI로 재현한 점까지 고소 이유로 꼽았다. RIAA가 요구한 손해배상 규모는 저작권 침해 작품당 최대 15만달러로, AI 모델 훈련에 방대한 양의 음원이 투입됐음을 고려할 때 전체 손해배상 청구액은 수조원 규모에 달할 것으로 추산된다. 미치 글레이저 RIAA 최고경영자(CEO)는 "음악계는 AI를 받아들였으며 책임 있는 개발자들과 협력하고 있다"면서 "예술가의 평생 작품을 복제하고 무단으로 자신의 이익을 위해 이용하는 것이 '공정하다'고 주장하는 수노, 유디오와 같은 사례는 진정으로 모두를 위한 혁신적인 AI라는 약속을 저버리는 것"이라고 주장했다. 마이크로소프트(MS) 협력사인 수노와 유디오는 생성형 AI 음원제작 분야에서 고속 성장을 기록 중인 업체들로 손꼽힌다. 마이키 술만 수노 CEO는 이날 성명을 통해 "(AI 모델은) 기존 콘텐츠를 기억하고 되새기는 것이 아니라 완전히 새로운 출력을 생성하도록 설계됐다"면서 특정 아티스트를 참조하는 것이 아니라고 반박했다. 그는 음원사들에게 이러한 상황을 설명하고자 했으나 그들이 토론 대신 변호사 주도의 주장만 하고 있다고 덧붙였다. 유디오는 아직 별다른 입장을 공개하지 않았다.
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소니 등 대형음반사, 저작권 침해 이유로 음악 생성AI 스타트업 제소
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[신소재 신기술(63)] 양자 얽힘으로 지구 자전 측정 정밀도 획기적인 향상
- 오스트리아 빈 대학교(University of Vienna) 연구팀이 양자 얽힘을 이용해 지구 자전 측정의 정밀도를 획기적으로 높이는 실험에 성공했다. 이 연구는 양자 얽힘을 활용해 전례 없는 정밀도로 회전 효과를 감지하는 향상된 광학 사그낙 간섭계(Sagnac interferometer)를 사용해 양자역학과 일반 상대성 이론 모두에서 잠재적인 돌파구를 제시한다고 사이테크 데일리가 전했다. 양자 얽힘은 두 개 이상의 입자가 서로 연결되어 있어 하나의 입자를 측정하면 다른 입자의 상태도 즉시 결정되는 현상이다. 빈 대학교의 필립 빌터(Philip Walther) 박사가 이끄는 연구팀은 지구 자전이 양자 얽힘 광자에 미치는 영향을 측정하는 실험을 성공적으로 수행했다. 이번 연구는 얽힘 기반 센서의 회전 감도 한계를 뛰어넘는 중요한 성과로 평가된다. 또한, 양자 역학과 일반 상대성 이론의 교차점에서 추가 연구의 발판을 마련할 수 있을 것으로 기대된다. 연구 결과는 지난 6월 14일 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)' 저널에 게재됐다. 사그낙 간섭게의 발전 연구팀은 거대한 광섬유 사그낙(sagnac) 간섭계를 구축하고 몇시간 동안 낮은 노이즈를 유지하며 안정적인 실험 환경을 조성했다. 이를 통해 이전의 양자 광학 사그낙 간섭계보다 회전 정밀도를 1000배 향상시키는 고품질 얽힘 광자 쌍을 충분히 감지할 수 있었다. 사그낙 광학 간섭계는 회전에 가장 민감한 장치다. 사그낙 간섭계는 빛의 간섭 현상을 이용하여 회전 운동을 감지하는 광학 장치다. 1913년 프랑스 물리학자 조르주 사그낙이 고안했으며, 지난 세기 초부터 아인슈타인의 특수 상대성 이론을 확립하는 데 기여해 기초 물리학을 이해하는 중추적인 역할을 해 왔다. 오늘날에는 광섬유 자이로스코프, 레이저 자이로스코프 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 이 장치는 오늘날에도 탁월한 정밀도 분석 덕분에 고전 물리학의 한계로만 제한되었던 회전 속도를 측정하는 최고의 도구로 사용되고 있다. 빈 대학교와 오스트리아 과학 아카데미가 주최하는 연구 네트워크 TURIS의 일환으로 수행된 이번 실험은 최대 얽힘 상태의 두 광자에 대한 지구 자전 효과를 성공적으로 관측했다. 연구팀은 아인슈타인의 특수 상대성 이론과 양자 역학에서 설명하는 회전 기준 시스템과 양자 얽힘 간의 상호 작용을 확인했다. 실제 실험에서 거대한 코일에 감겨진 2km 길이의 광섬유 내부에서 얽힌 광자 2개가 전파되면서 유효 면적이 700㎡가 넘는 간섭계가 구현됐다. 실험 과정에서 연구팀은 지구의 꾸준한 회전 신호를 분리하고 추출하는 데 어려움을 겪었다. 연구의 수석 저자인 라파엘레 실베스트리(Raffaele Silvestri)는 "문제의 핵심은 빛이 지구의 회전 효과에 영향을 받지 않는 측정 기준점을 설정하는 데 있다. 지구의 자전을 멈출 수 없다는 점을 고려하여 우리는 광섬유를 두 개의 동일한 길이 코일로 나누고 이를 광 스위치를 통해 연결하는 해결 방법을 고안했다"고 설명했다. 스위치를 켜고 끄는 방식으로 연구원들은 회전 신호를 마음대로 효과적으로 취소할 수 있었고, 이를 통해 대형 장치의 안정성도 확장할 수 있었다. 마리 퀴리 박사후 연구원으로 이 실험에 참여한 하오쿤 유(Haocun Yu)는 "빛으로 지구 자전을 처음 관측한 지 한 세기 만에 개별 빛의 양자의 얽힘이 마침내 동일한 감도 영역에 진입했다는 점에서 중요한 이정표가 될 것"이라고 말했다. 본 연구는 양자 얽힘 기반 센서의 회전 감도를 더욱 향상시킬 수 있는 토대를 마련했으며, 시공간 곡선을 통한 양자 얽힘의 행동을 테스트하는 미래 실험의 길을 열 것으로 기대된다. 참고 자료: '양자 얽힘을 이용한 지구 자전의 실험적 관측', Raffaele Silvestri, Haocun Yu, Teodor Strömberg, Christopher Hilweg, Robert W. Peterson 및 Philip Walther, 2024년 6월 14일, Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.ado0215
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[신소재 신기술(63)] 양자 얽힘으로 지구 자전 측정 정밀도 획기적인 향상
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[신소재 신기술(59)] 질화갈륨-마그네슘 초격자, 새로운 합성법으로 탄생
- 과학자들이 질화갈륨(GaN)과 금속 마그네슘(Mg)을 가열해서 초격자가 형성되는 것을 발견했다. 일본 나고야 대학 연구팀은 질화갈륨과 마그네숨 간의 열 반응을 통해 톡특한 조격자 구조가 형성되는 것을 실험 과정 중에 우연히 발견했다고 PHYS가 보도했다. 이는 벌크 반도체에 2차원 금속층이 삽입되는 현상이 최초로 확인된 사례이다. 초격자는 인공적으로 만들어진 주기적인 구조를 가진 물질로, 고성능 트랜지스터, 레이저 다이오드, 광검출기 등 다양한 분야에 활용된다. 연구팀은 최첨단 분석 기술을 통해 물질을 정밀하게 관찰해 반도체 도핑 및 탄성 변형 공학에 대한 새로운 통찰력을 얻었으며, 연구 결과는 학술지 '네이처(Nature)'에 게재됐다. 질화갈륨(GaN)은 높은 전력 밀도와 빠른 작동 주파수를 요구하는 분야에서 기존 실리콘 반도체를 대체할 것으로 기대되는 광대역 갭 반도체 물질이다. GaN의 이러한 특징은 LED레이저 다이오드, 전력 전자 장치(전기 자동차 및 고속 충전기의 핵심 부품 포함) 등 다양한 분야에서 활용 가치가 높다. GaN 기반 장치의 성능 향상은 에너지 절약 사회 실현과 탄소 중립 미래를 실현하는 데 기여할 수 있다. 반도체에는 p형 및 n형이라는 두 가지 필수적이고 상호 보완적인 전기 전도 유형이 존재한다. p형 반도체는 주로 양전하를 운반하는 자유 캐리어인 정공을 특징으로 하며, n형 반도체는 자유 전자를 통해 전기를 전도한다. 반도체는 도핑이라는 과정을 통해 p형 또는 n형 전도성을 획득한다. 도핑은 순수 반도체 물질에 특정 불순물(도펀트)을 의도적으로 도입하여 전기적 및 광학적 특성을 크게 변화시키는 것을 의미한다. GaN 반도체 분야에서 p형 전도성을 생성하는 것으로 알려진 유일한 원소는 Mg이다. 그러나 Mg 도핑의 성공 이후 35년이나 지났음에도 불구하고, GaN에서 Mg 도핑의 전체 메커니즘, 특히 Mg의 용해도 한계 및 분리 거동은 여전히 명확하지 않다. 이러한 불확실성은 광전자 및 전자 분야에서의 최적화를 제한한다. 이 연구의 제1 저자인 지아 왕과 그의 동료들은 p형 GaN의 전도도를 개선하기 위해 GaN 웨이퍼에 증착된 금속 Mg 박막을 패턴화하고 고온에서 가열하는 어닐링이라는 기존 공정을 수행하는 실험을 진행했다. '어닐링(Annealing)'은 금속이나 유리 등의 재료를 가열한 후 천천히 식혀 내부 응집력을 제거하고 재료의 성질을 변화시키는 열처리 과정을 말한다. 금속을 가열하고 천천히 식히면 재료의 결정 구조를 변화시켜 강도, 경도, 내식성 등의 특징을 개선할 수 있다. 왕 연구원은 "GaN은 이온 결합과 공유 결합이 혼합된 광대역 갭 반도체이고 Mg는 금속 결합을 특징으로 하는 금속이지만, 이 두 이질적인 물질은 동일한 결정 구조를 가지고 있으며 육각형 GaN과 육각형 Mg의 격자 차이가 무시할 정도로 적다는 것은 놀랍도록 자연스러운 우연"이라고 말했다. 이어 "우리는 GaN과 Mg사이의 완벽한 격자 일치가 구조를 만드는 데 필요한 에너지를 크게 줄여 이러한 초격자의 자발적인 형성에 중요한 역할을 한다고 생각한다"라고 설명했다. 연구팀은 최첨단 전자 현미경 이미징을 사용해 GaN 및 Mg 층이 번갈아 나타나는 초격자의 자발적인 형성을 관찰했다. GaN과 Mg는 물리적 특성이 크게 다른 물질이므로 이처럼 초격자가 자발적으로 형성된 것은 매우 특이한 현상이다. 연구팀은 이 독특한 삽입 거동을 '틈새 삽입(interstitial intercalation)'이라고 명명하고, 이것이 모재에 압축 변형을 유발한다는 것을 밝혀냈다. 특히 Mg 층이 삽입된 GaN은 20GPa 이상의 높은 응력을 견뎌냈다. 이는 대기압의 20만배에 해당하며, 박막 물질에서 기록된 가장 높은 압축 변형이다. 이는 실리콘 필름에서 일반적으로 발견되는 압축 응력(0.1~2GPa)보다 훨씬 크다. 전자 박막은 이러한 변형으로 인해 전자 및 자기 특성에 상당한 변화를 겪을 수 있다. 연구팀은 변형된 방향을 따라 정공 수송을 통한 GaN의 전기 전도도가 크게 향상되었음을 발견했다. 한편, 이 연구는 'GaN 기술의 요람'으로 알려진 나고야 대학에서 이루어졌다는 데 의미가 있다. 이번 연구의 교신 저자인 아마노 히로시와 나고야 대학의 아카사키 이사무는 1980년대 후반에 Mg가 도핑된 GaN을 사용해 최초의 청색 LED를 개발했다. 이들의 공헌은 2014년 노벨 물리학상 수상으로 이어졌다. 이번 연구에서는 2차원 Mg 도핑의 새로운 메커니즘을 밝혀냄으로써 III-질화물 반도체 연구 분야의 잠재적으로 새로운 길을 열 것으로 기대된다. 왕 연구원은 "마그네슘이 삽입된 GaN 초격자 구조의 발견과 2D-Mg 도핑의 새로운 메커니즘 규명은 질화 3족 반도체 연구 분야의 선구적인 업적을 기릴 수 있는 어렵게 얻은 기회"라고 말했다. 노벨상 수상 후 10년 만에 Mg 도핑의 기술을 발전시킨 왕 연구원은 "이 시기적절한 발견이 이 분야의 새로운 길을 열고 더 많은 기초 연구에 영감을 줄 수 있는 '자연의 진정한 선물'"이라고 밝혔다. 이 연구에는 나고야 대학에서 지아 왕, 카이 웬타오, 순 루, 에미 카노, 비랩 사르카, 와타나베 히로타카, 이카라시 노부유키, 혼다 요시오, 아마노 히로시 등이 참여했다. 외에도 메이지 대학교의 연구진과 오사카 대학교의 나카지마 마코토 교수가 이끄는 광학 그룹이 이 연구의 다른 공저자로 참여했다.
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[신소재 신기술(59)] 질화갈륨-마그네슘 초격자, 새로운 합성법으로 탄생
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우주정거장에서 최초로 금속 3D 프린팅 성공
- 국제우주정거장(ISS)에서 처음으로 금속 3D 프린팅에 성공했다고 ESA(유럽우주국)이 홈페이지를 통해 공개했다. 액화 스테인리스 스틸에 3D로 증착된 S-커브(사진)는 우주 궤도 내에서의 제조에 있어서 거대한 도약을 의미한다. ESA는 이것이 ESA의 콜럼버스 연구소 모듈에 탑승해 진행된 ISS에서의 최초의 금속 3D 프린팅이라고 밝혔다. ESA 기술 책임자 롭 포스테마(Rob Postema)는 "증착된 이 S-커브는 ESA의 금속 3D 프린터의 시운전을 성공적으로 마무리한 테스트 작품"이라고 말했다. 그는 "첫 번째 3D 프린팅의 성공으로 우리는 가까운 시일 내에 전체 부품을 프린팅할 수 있게 되었다”라며 “프린팅 작업을 현장에서 감독한 프랑스 카드모스(CADMOS: 프랑스 국립 우주연구센터 CNES의 R&D 센터) 내 사용자 지원 센터인 에어버스 방위 및 우주 SAS(Airbus Defense and Space SAS)의 산업 팀과 ESA 팀의 공동 노력으로 이룬 성과였다“고 설명했다. 컨소시엄을 이끈 에어버스 팀의 세바스찬 지롤트는 "ISS에서 만들어진 최초의 금속 3D 프린팅의 품질은 우리가 생각한 것 이상으로 좋았다"고 평가했다. 금속 3D 프린터 기술을 시연하기 위한 기기는 에어버스의 산업 팀에 의해 개발됐다. 에어버스는 ESA의 인간 및 로봇 탐사국과 계약을 맺고 프로젝트에 공동 자금을 지원했다. 개발된 시연기는 지난 1월 ISS에 도착했다. ESA 우주비행사 안드레아스 모겐센은 ESA의 콜럼버스 모듈의 일부인 유러피언 드로우랙 마크 II(European Draw Rack Mark II)에 약 180kg의 탑재체(페이로드)를 설치했다. 금속 3D 프린터의 디자인은 고출력 레이저에 의해 가열돼 프린팅 영역에 공급되는 스테인리스 스틸 와이어를 기반으로 한다. 고출력 레이저는 표준 레이저 포인터보다 약 100만 배 더 강력하다. 고출력에 의해 와이어 끝이 녹아서 인쇄물에 금속이 추가된다. 프린팅 과정은 전적으로 현장에서 관리 감독된다. 탑승한 승무원들이 해야 할 일은 인쇄가 시작되기 전에 질소와 배기 밸브를 여는 것뿐이다. 안전상의 이유로, 프린터는 완전히 밀봉된 상자 안에서 작동해 과도한 열이나 연기가 빠져나가는 것을 방지한다. 이후 후속 실물 크기의 3D 프린팅을 위해 네 가지 모양이 선택되었다. 이는 나중에 지구로 가져와 일반 중력 아래 지상에서 만들어진 참조 프린트물과 비교 분석을 거치게 된다. ESA의 기술, 엔지니어링 및 품질국은 프린팅된 부품 중 두 개는 네덜란드 ESTEC(유럽우주연구기술센터)의 재료 및 전기 부품 연구소로 보내져 분석을 거치게 되며, 장기간의 미세 중력이 금속 재료의 프린팅에 어떤 영향을 미치는지를 연구하게 될 것이라고 밝혔다. 나머지 두 개는 유럽 우주비행사 센터와 덴마크 기술대학교(DTU)로 보내질 예정이다. 미래 우주 개발을 위한 ESA의 목표 중 하나는 순환형 우주 경제를 창출하고 궤도에서 재료를 재활용해 새로운 도구나 구조물로 용도 변경하는 등 자원을 더 잘 활용할 수 있도록 하는 것이다. 이 금속 3D 프린터를 적절히 발전시키고 활용하면 로켓에 도구를 실어 우주로 쏘아 보낼 필요가 없어지고 우주 비행사들이 우주 궤도에서 필요한 부품을 직접 프린팅해 생산할 수 있게 될 것으로 기대된다.
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- IT/바이오
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우주정거장에서 최초로 금속 3D 프린팅 성공
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희토류 원소 방사성 '프로메튬' 비밀 80년 만에 밝혀져
- 특수 용도로 사용되는 희토류 원소인 방사성 물질 프로메튬(promethium)이 발견된 지 80년 만에, 과학자들이 처음으로 프로메튬의 신비하고도 중요한 특성을 밝혀내 주목된다고 라이브사이언스가 전했다. 프로메튬은 주기율표의 맨 아래 15개의 란타넘족에 속해 있는 원자번호 61번의 원소다. 희토류로 알려진 프로메튬은 강한 자성과 특이한 광학 특성을 포함해 여러 가지 유용한 특성을 나타내 현대 전자 장치 소재로 중요하게 사용된다. 프로메튬은 안정된 동위원소는 없고 방사성 동위원소들만 존재한다. 프로메튬은 미국 오크리지 국립연구소(ORNL: Oak Ridge National Laboratory)가 지난 1945년 처음으로 발견했다. ORNL 연구원들이 발견한 프로메튬 자체는 원자 배터리 및 암 진단 분야에서 적용됐다. 그러나 이 원소의 화학적 성질은 지극히 일부만 알려졌고, 이 때문에 더 널리 사용되는 것은 지금까지 불가능했다. 방사성 원소를 연구하는 것 자체가 적합한 샘플 확보의 어려움으로 인해 수십 년 동안 높은 장벽으로 작용했던 것. 연구팀인 ORNL의 알렉산더 이바노프는 "프로메튬에는 안정된 동위원소가 없고 모두가 방사성이기 때문에 시간이 지남에 따라 다른 원소로 붕괴된다. 프로메튬은 핵분열 과정을 통해 얻어지기 때문에 특히 희소하고 연구하기 어렵다"고 말했다. 그런데 작년에 개발된 프로메튬 생산 방법을 사용, ORNL 연구팀은 이 동위원소를 원자로 폐기물로부터 분리, 연구를 위한 가장 순수한 샘플을 만들어내는 데 성공했다. 그 후 연구팀은 이 샘플을 금속 원자를 가두기 위해 특별히 고안된 분자인 리간드(수용체에 결합하는 항체·호르몬·약제 등의 분자)와 결합해 물속에서 안정적인 복합체를 형성했다. PyDGA로 알려진 배위 분자(리간드 배위 결합을 통해 형성된 분자)는 9개의 프로메튬-산소 결합을 형성했다. 이 결합은 연구팀에 프로메튬 복합체의 결합 특성을 분석할 수 있는 기회를 처음으로 제공했다. 그러나 분석하는 일도 쉽지는 않았다. 프로메튬이 방사성이었기 때문에 일단 붕괴되면, 주기율표상 인접 원소인 사마륨으로 변환된다. 사마륨 형태로 소량의 오염이 발생하게 됐던 것이다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 ‘싱크로트론 기반 X선 흡수 분광법’이라는 극도로 전문화된 기술을 사용했다. 입자 가속기에 의해 생성된 고에너지 광자는 프로메튬 복합체에 충격을 가해 원자의 위치와 결합 길이의 그림을 만들었다. 금속-산소 결합 길이의 미묘한 차이를 통해 팀은 오염된 사마륨과 관계없이 주요 프로메튬-산소 결합 분석에 집중할 수 있었다. 결국 이런 방식을 통해 연구팀은 처음으로 프로메튬의 특성을 다른 희토류 복합체와 비교할 수 있었다. 리간드는 모든 란타넘족 원소에 안정적인 복합체를 형성할 수 있는 방법을 제공했다. 동일한 원소 비율과 동일한 종류의 기하학적 구조를 가질 수 있게 된 것이다. 이로써 복합체의 기본적인 물리적 화학적 특성을 연구할 수 있었다. 란타넘족은 자연적인 원소들의 혼합물로 발견되므로, 결합 길이 및 복합체 형성과 같은 주기적인 경향을 이해하는 것은 과학자들이 금속을 분리하는 새롭고 보다 효율적인 방법을 개발하는 데 도움이 된다. ORNL의 연구원이자 '네이처' 지에 발표된 새로운 연구를 이끈 일자 포포브스는 라이브사이언스와의 인터뷰에서 "프로메튬은 레이저에 사용되며 스마트폰 화면에도 일부 들어간다. 또한 풍력 발전을 위한 풍력터빈과 전기자동차의 자석에도 쓰인다"고 말하고, 프로메튬에 대한 추가 연구가 이루어지면 응용을 대폭 확대할 수 있다고 설명했다. 현재 ORNL 연구팀은 프로메튬 원소의 화학적 움직임과 배위 환경에 대한 보다 명확한 그림을 만들기 위해 물속의 프로메튬 연구를 확대하고 있다. 포포브스는 "우리의 연구가 다른 과학자들에게 더 나은 분리 기술을 설계하는 방법을 알려주고, 다른 응용 분야 연구에 더 많은 관심을 불러일으킬 수 있기를 바란다"고 말했다.
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희토류 원소 방사성 '프로메튬' 비밀 80년 만에 밝혀져
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[신소재 신기술(47)] ETH 취리히, 그래핀 내 전자 소용돌이 최초 감지
- 스위스 연방 공과대학교(ETH 취리히)의 연구팀이 최초로 고해상도 자기장 센서를 사용해 그래핀에서 전자 소용돌이를 직접 검출하는 데 성공했다고 과학 웹사이트 phys.org가 지난 14일(현지시간) 보도했다. 금속 와이어와 같은 일반적인 전기 도체를 배터리에 연결하면 도체 내의 전자는 배터리가 생성하는 전기장에 의해 가속된다. 전자는 이동하는 동안 전선의 불순물 원자 또는 결정 격자의 빈 공간과 자주 충돌해 운동 에너지의 일부를 격자 진동으로 변환한다. 이 과정에서 손실되는 에너지는 예를 들어 백열전구를 만질 때 느낄 수 있는 열로 변환된다. 격자 불순물과의 충돌은 자주 발생하지만 전자 간의 충돌은 훨씬 드물다. 그러나 벌집 모양 격자로 배열된 탄소 원자 단일층인 그래핀을 일반적인 철 또는 구리 와이어 대신 사용하면 상황이 달라진다. 그래핀에서 불순물 충돌은 드물고 전자 간 충돌이 주요 역할을 한다. 이 경우 전자는 점성 액체처럼 행동한다. 따라서 잘 알려진 흐름 현상인 소용돌이(와류)가 그래핀 층에서 발생해야 한다. ETH 취리히의 크리스티안 데겐(Christian Degen) 연구원은 고해상도 자기장 센서를 사용해 그래핀의 전자 소용돌이를 처음으로 직접 감지하는 데 성공했다고 '사이언스(Science)' 저널에 보고했다. 고감도 양자 감지 현미경 데겐과 그의 동료 연구원들은 제작 과정에서 폭 1㎛(마이크로미터) 너비의 전도성 그래핀 스트립에 부착한 작은 원형 디스크에 형성된 소용돌이를 연구했다. 디스크의 직경은 1.2㎛에서 3㎛사이였다. 이론적 계산에 따르면 작은 디스크에서는 전자 소용돌이가 형성되지만 큰 디스크에서는 형성되지 않아야 한다. 소용돌이를 가시화하기 위해 연구팀은 그래핀 내부에 흐르는 전자가 생성하는 미세한 자기장을 측정했다. 이를 위해 연구팀은 다이아몬드 바늘 끝에 질소-공동 센터(Nitrogen-vacancy center, NV 센터)가 내장된 양자 자기장 센서를 사용했다. 원자 결함인 NV 센터는 외부 자기장에 따라 에너지 레벨이 변하는 양자 물체처럼 작동한다. 레이저 빔과 마이크로웨이브 펄스를 사용하면 센터의 양자 상태를 자기장에 최대 감도를 갖도록 준비할 수 있다. 연구원들은 레이저를 사용해 양자 상태를 판독함으로써 이러한 자기장의 세기를 매우 정확하게 측정할 수 있었다. 데겐 연구팀의 박사 과정 학생이었던 마리우스 팜은 "다이아몬드 바늘의 크기가 작고 그래핀 층과의 거리가 약 70나노미터에 불과하기 때문에 100나노미터 미만의 해상도로 전자 전류를 볼 수 있었다"고 말했다. 이 분해능은 소용돌이를 관찰하기에 충분하다. 소용돌이 흐름 방향 반전 관찰 연구팀은 측정에서 더 작은 디스크에서 예상되는 소용돌이의 특징적인 징후, 즉 흐름 방향의 반전을 관찰했다. 일반(확산) 전자 수송에서는 스트립과 디스크의 전자가 같은 방향으로 흐르지만, 소용돌이의 경우 디스크 내부의 흐름 방향이 반전된다. 계산에서 예측한 대로 더 큰 디스크에서는 소용돌이가 관찰되지 않았다. 팜은 "매우 민감한 센서와 높은 공간 분해능 덕분에 그래핀을 냉각할 필요도 없었고 상온에서 실험을 수행할 수 있었다"고 말했다. 또한, 연구팀은 전자 와류뿐만 아니라 정공 캐리어에 의해 형성된 와류도 감지했다. 그래핀 아래에서 전압을 가함으로써, 연구원들은 전류 흐름이 더 이상 전자가 아닌 정공이라고도 하는 누락된 전자에 의해 전달되도록 자유 전자의 수를 변경했다. 전자와 정공이 모두 작고 균형 잡힌 농도가 있는 전하 중립점에서만 와류가 완전히 사라졌다. 팜은 "현재 전자 소용돌이의 탐지는 기초 연구이며 아직 미해결 과제가 많이 남아 있다"고 말했다. 연구팀은 전자와 그래핀의 경계면과의 충돌이 흐름 패턴에 어떤 영향을 미치는지, 더 작은 구조에서 어떤 효과가 발생하는지 추가 연구를 진행할 계획이다. 출처: Marius L. Palm 외, '상온에서 그래핀의 전류 소용돌이 관찰', Science (2024). DOI: 10.1126/science.adj2167
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[신소재 신기술(47)] ETH 취리히, 그래핀 내 전자 소용돌이 최초 감지
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[신소재 신기술(43)] 투명 소재로 광전지 새로운 가능성 열어
- 독일 라이프치히 물리학자들이 빛이 반투명 물질에서도 전기를 생성한다는 것을 증명했다. 반투명 소재는 빛에 노출되면 빛의 흡수량이 매우 적더라도 전기를 생성할 수 있는 것으로 알려져 있다. 일부 물질은 특정 주파수의 빛에 투명하다. 이러한 물질에 빛을 비추면 이전의 가정과는 달리 전류가 생성될 수 있다. 라이프치히 대학교와 싱가포르 난양공과대학교의 과학자들이 이를 증명하는 데 성공했다고 오일프라이스가 전했다. 이 연구 결과는 '피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)' 저널에 발표됐다. 이번 발견은 광전자 및 광전지 분야에 혁명을 일으킬 잠재력을 가지고 있다. 라이프치히 대학교 이론물리연구소의 인티 소데만 빌라디에고 교수는 "이는 광 증폭기, 센서, 태양전지와 같은 광전자 및 광전소자를 구성하는 데 새로운 패러다임을 열었다"고 말했다. 그의 동료인 시 리쿤은 "물질의 빛 흡수량이 매우 작은 경우에도 빛으로 전류를 구동하는 것이 가능하다. 이것은 중요한 새로운 통찰력이다"라고 전했다. 플로케 페르미 액체 인티 소데만 빌라디에고와 그의 동료들은 '플로케 페르미 액체(Floquet Fermi liquid)' 상태를 조사했다. 페르미 액체는 많은 양자 역학적 입자의 특수한 상태로, 일반적인 고전적인 입자와는 매우 다른 특성을 가지고 있다. 즉, 페르미 액체는 금이나 은과 같은 금속 속 전자의 전기 유체와 같은 일반적인 물질부터 저온에서 헬륨-3 원자의 유체와 같은 보다 이색적인 상황에 이르기까지 다양한 상황에서 발생할 수 있다. 이러한 액체는 저온에서 전기의 초전도체가 되는 등 '놀라운 특성'을 나타낼 수 있다. 플로케 페르미 액체는 시간 주기적으로 변화하는 외부 힘에 의해 영향을 받는 특수한 유형의 금속 상태다. 페르미 액체는 낮은 온도에서 전자들이 마치 자유롭게 움직이는 액체처럼 행동하는 금속 상태이다. 전자 상호작용은 약하며, 전자들은 페르미 에너지로 알려진 특정 에너지 수준에 집중된다. 플로케 페르미 액체는 시간 주기적으로 변화하는 외부 힘에 의해 페르미 액체가 영향을 받는 상태이다. 이러한 힘은 전자의 운동에 영향을 미치고 새로운 에너지 상태를 생성할 수 있다. 외부 힘은 특정 주기로 진동하며, 이를 '시간 주기성'이라고 한다. 예를 들면 레이저 빛, 자기장, 전기장 등이 외부의 힘에 해당된다. 또한 외부 힘은 전자의 에너지 스펙트럼에 새로운 에너지 상태를 생성한다. 이러한 새로운 상태는 '플로케 밴드'라고 불린다. 플로케 페르미 액체는 외부 힘에 비선형적으로 응답한다. 다시 말하면, 외부 힘의 크기에 따라 응답의 크기가 비례하지 않다. 외부 힘의 강도에 따라 플로케 페르미 액체는 절연체 또는 초전도 상태 등 다른 물질 상태로 변화할 수 있다. 플로케 페르미 액체의 응용 분야 플로케 페르미 액체는 광전자 소자, 예를 들어 태양 전지 및 LED의 성능 향상에 사용될 수 있다. 또 양자 컴퓨터 구현에 사용될 수 있는 새로운 유형의 큐비트를 제공할 수 있다. 아울러 고온 초전도 현상을 이해하는 데 도움이 될 수 있다. 플로케 페르미 액체는 아직 연구 초기 단계이지만, 다양한 분야에서 혁신적인 응용 가능성을 가지고 있는 흥미로운 물질 상태이다. 소데만 빌라디에고 교수는 "우리 논문에서는 이러한 유체 상태의 몇 가지 특성을 설명한다"면서 "이를 연구하기 위해서는 빛에 의해 흔들리는 전자의 복잡한 상태에 대한 상세한 이론적 모델을 개발해야 했는데, 이는 결코 쉬운 일이 아니다"고 말했다.
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[신소재 신기술(43)] 투명 소재로 광전지 새로운 가능성 열어
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[퓨처 Eyes(34)] 펭귄처럼 헤엄치는 수중 로봇, 쿼드로인 2세대 출시
- 인간 형태를 닮은 휴머노이드 로봇, 하늘을 나는 드론이 농업에 활용되며 속속 출시되는 가운데, 펭귄의 유영 방식을 모방한 수중 로봇이 공개됐다. 독일 수중 기술 기업 에보로직스(EvoLogics)는 최근 펭귄의 유영 방식을 모방한 개선된 수중 자율 운항체(AUV) 쿼드로인(Quadroin) 2세대를 출시했다고 뉴아틀라스가 보도했다. 에보로직스는 독일 베를린에 본사를 둔 수중 로봇 공학 기업으로, 혁신적이고 고성능의 수중 로봇, 데이터 네트워크, 센서 기술 개발에 주력하고 있다. 2005년 설립된 이 회사는 해양 연구, 오프쇼어 산업, 국방 분야에서 활용되는 다양한 제품과 솔루션을 제공하며 전 세계적인 명성을 얻었다. 쿼드로인은 2020년 에볼로지스가 헬름홀츠 센터 헤레온(Helmholtz-Zentrum Hereon) 연구소의 부르카르트 바셰크(Burkard Baschek) 교수와 협력하여 개발한 핑귄(PingGuin) 실험 AUV의 후속 제품이다. 핑귄의 디자인은 이 회사의 창업자인 루돌프 바나쉬(Rudolf Bannasch) 박사의 아델리(Adelie) 펭귄 운동 연구를 기반으로 구현됐다. 저항을 최소화하도록 설계된 쿼드로인은 최대 10노트(Knot)의 속도를 달성해 에너지 효율성을 극대화하고 다양한 현장 배치를 가능하게 한다. 노트는 해양에서 배의 속도를 나타내는 단위로, 1시간에 1해리(1.85km)를 가는 속도를 의미한다. 따라서 10노트는 1시간에 18.5km의 거리를 이동하는 속도에 해당한다. 일반적으로 선박의 느린 속도는 5노트 미만이며, 보통 속도는 5~10노트, 빠른 속도는 10노트 이상으로 분류된다. 물론 선박의 종류, 엔진 성능, 해양 환경 등에 따라 10노트의 속도는 느리거나 빠르게 느껴질 수 있다. 예를 들어 소형 요트의 경우 10노트는 상당히 빠른 속도이지만, 대형 컨테이너 선의 경우 10노트는 비교적 느린 속도에 해당한다. 펭귄 모방 수중 로봇 퀘드로인 사실 펭귄 모방 수중 로봇의 개념은 2009년까지 거슬러 올라간다. 당시 에보로직스는 독일 전기 자동화 기업 페스토(Festo)와 협력하여 펭귄과 유사한 아쿠아펭귄(AquaPenguin) 시연용 모델을 개발했다. 실제 쿼드로인은 2021년 5월 처음 공개되었는데, 펭귄의 유영 방식을 모방하여 제작되었으며, 헬름홀츠 센터 헤레온 연구소의 MUM(Modifiable Underwater Mothership) 프로젝트에 활용되고 있다. 이 프로젝트에서 쿼드로인은 다양한 센서를 탑재하고 무리를 지어 해류 데이터를 수집했다. 탑재된 센서는 수심별 온도, 압력, 용존 산소량, 전기 전도도, 형광 등을 정밀하게 측정할 수 있다. 다른 AUV와 마찬가지로 쿼드로인은 선박이나 해안에서 투입된 후 사전 프로그래밍된 수중 경로를 따라 자율적으로 이동하며 데이터를 수집한다. 수집된 데이터는 쿼드로인이 수면으로 올라갈 때 무선 전송되거나 기지로 돌아와 직접 다운로드받을 수 있다. 쿼드로인은 데이터를 와이파이(Wi-Fi) 또는 옵션인 이리듐 위성 모듈을 통해 전송한다. 이 두 시스템과 탑재된 글로벌 네비게이션 위성 시스템(GNSS)은 쿼드로인이 수면에 올라올 때 자동으로 뒤집히는 아치형 다기능 안테나를 사용한다. 추가적인 장점으로 안테나에는 빨간색과 초록색 LED 점멸등이 장착되어 사용자가 로봇을 회수할 때 쉽게 찾을 수 있도록 한다. 에보로직스 대표는 "새로운 쿼드로인이 올해 4분기에 양산에 돌입할 예정이며, 상업 고객들에게는 요청 시 가격 정보를 제공한다"고 밝혔다. 쿼드로인 활용 방안 쿼드로인은 다양한 해양 생물의 행동과 서식지를 관찰하고 데이터를 수집하는 데 활용될 수 있다. 이를 통해 해양 생태계에 대한 이해를 높이고 효과적인 보호 전략을 수립하는 데 기여할 수 있다. 또한, 해양 환경을 효과적으로 모니터링하는 데에도 활용될 수 있다. 쿼드로인은 수온, 염도, 용존 산소량 등 해양 환경 변수를 정밀하게 측정하고 실시간으로 데이터를 전송할 수 있다. 이를 통해 해양 오염, 기후 변화 등 해양 환경 문제를 파악하고 해결책을 모색하는 데 도움이 될 수 있다. 쿼드로인은 해저 지형을 정밀하게 측량하고 3D 모델을 구축하는 데 활용될 수 있다. 그로 인해 해양 자원 탐사, 해저 케이블 및 파이프라인 설치, 해양 구조 작업 등에 크게 활용될 수 있다. 또한, 쿼드로인은 해저 석유 및 가스 매장지를 효율적으로 탐색하고 개발 계획을 수립하는 데 활용될 수 있으며, 이를 통해 오프쇼어 에너지 개발의 효율성을 높이고 환경 영향을 최소화하는 데 도움이 될 수 있다. 뿐만 아니라, 쿼드로인은 해저 사고 현장을 탐사하고 생존자를 구조하는 데 활용될 수 있으며, 해저 침몰선 및 잔해물을 탐색하고 인양하는 데에도 활용될 수 있다. 해양 국방 분야에도 활용 쿼드로인은 적군 함정 및 해양 활동을 정밀하게 정찰하고 정보를 수집하는 데 활용될 수 있으며, 이는 해상 작전의 효율성을 획기적으로 높이고 적의 위협을 사전에 예측하는 데 크게 기여할 수 있다. 또한, 쿼드로인은 해저 지뢰를 효과적으로 탐지하고 제거하는 데 활용될 수 있으며, 이를 통해 해상 통로의 안전을 확보하고 군함 및 상선의 안전을 보호하는 데 도움이 될 수 있다. 뿐만 아니라, 쿼드로인은 해저 침몰선을 탐색하고 인양하는 데 활용될 수 있으며, 이를 통해 해양 역사 연구를 체계적으로 수행하고 침몰선에서 귀중한 유물을 발견하는 데 기여할 수 있다. 최근 미국 농업 분야에서는 드론과 인공지능(AI) 로봇 등 첨단 기술 도입이 활발하게 이루어지고 있다. 드론, 레이저 제초기, 로봇 손 등은 농작물 재배 및 가공 과정의 일부를 자동화할 수 있으며, AI 기반 시스템의 활용은 미래 농업의 새로운 가능성을 열어주고 있다. 수중 로봇 기술의 발전과 더불어 쿼드로인 또한 다양한 분야에서 활용될 것으로 전망된다. 하늘을 나는 드론이 다방면에서 활용되고 있는 것처럼, 쿼드로인 2세대는 아직 개발 초기 단계이지만, 앞으로 해양 분야뿐만 아니라 국방, 농업, 과학 연구, 레저 및 관광, 교육 등 다양한 분야에 새로운 변화를 가져올 것으로 기대된다. 한편 해양 강국인 한국은 한국해양과학기술원(KIOST), 한국해양연구원(KORDI), 한국과학기술원(KAIST), 포항공과대학교(POSTECH), 한화오션, HD현대중공업, 삼성중공업 등을 중심으로 자율 운항, 인공지능, 센서 기술, 통신기술, 로봇 공학 등의 핵심기술을 보유하고 있다. 특히 정부는 '해양 4.0' 산업 육성을 위해 수중 로봇 개발을 핵심 전략 분야로 지정하고 적극적으로 지원하고 있다.
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[퓨처 Eyes(34)] 펭귄처럼 헤엄치는 수중 로봇, 쿼드로인 2세대 출시
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중국, 인류 최초 달 뒷면 샘플 수집해 지구 귀환 미션 나선다
- 중국이 최초로 달 뒷면의 샘플을 수집해 지구로 가져오는 우주 미션에 나선다고 스페이스뉴스가 전했다. 중국은 이를 위해 임무를 수행할 달 착륙선 창어 6호를 공개했다. 우주선을 실어 나를 로켓 창정 5호는 지난달 말 하이난도 원창 위성발사센터 기지로 이동됐다. 창어 6호의 임무는 지구에서는 직접 볼 수 없는 달 뒷면에 착륙해 최대 2kg의 달 샘플을 수집, 이를 지구로 가져오는 것이다. 이 임무는 과거에 시도된 적이 없는 세계에서 첫 번째 미션이다. 이를 중계하기 위한 Queqiao-2 중계 위성은 이미 지난 3월 19일 발사됐다. 이 중계 위성은 달 뒷면에 있는 창어 6호와 지구의 지상국 사이의 통신을 위해 달 궤도에 머무른다. 중국은 아직 창어 6호의 발사 시기를 공개하지 않았지만 현재까지의 정보를 종합하면 발사는 5월 3일 금요일로 예상된다. 창어 6호는 달 뒷면의 서쪽 150~158도, 남쪽 41~45도에 위치한 아폴로 분화구의 남쪽을 착륙 목표로 삼고 있다. 아폴로는 수많은 달의 미스터리를 풀어줄 일부 실마리를 갖고 있을 것으로 기대되는 거대한 남극-에이컨(SPA) 분지 내에 있다. 중국 국가우주국(CNSA) 산하 달탐사우주공학센터(LESEC)는 "창어 6호는 달 역행 궤도 설계 및 제어 기술, 지능형 샘플링, 이륙 및 상승 기술, 달 뒷면의 자동 샘플 채취 등의 목표를 성공적으로 달성할 것“이라고 밝혔다. 또한 창정 5호 로켓과 창어 6호 탐사선의 상태는 양호하며 발사를 위한 모든 준비는 정상적으로 진행되고 있다고 부연했다. 창정 5호는 액체수소와 산소를 동력으로 하는 직경 5m, 높이 57m의 로켓이다. 또한 4개의 등유-액체산소 사이드 부스터를 사용한다. 이 로켓은 중국에서 가장 크고 가장 강력한 발사체로 알려져 있다. 창어 6호는 목표를 달성하기 위해 총 8200kg에 달하는 4개의 우주선 복합체를 사용할 예정이다. 서비스 모듈은 달 궤도에 진입하는 데 필요한 추진력을 제공한다. 착륙선은 달 뒷면에 착륙해 샘플을 수집할 예정이다. 이들은 상승체에 의해 달 궤도로 다시 발사될 것이며, 서비스 모듈과 랑데부해 도킹하게 된다. 서비스 모듈은 지구를 향해 되돌아가고 지구에 재진입해 샘플을 안전하게 전달할 재진입 캡슐을 방출하게 된다. 미션에 성공하면 달의 역사와 태양계에 대한 지식을 깊이 해 줄 샘플이 수집될 것이다. 이 샘플은 왜 가까운 쪽과 먼 쪽 달 암석의 구성에 차이가 있는지를 설명헤 즐 것으로 기대된다. 이 임무에는 프랑스, 스웨덴, 이탈리아, 파키스탄 큐브위성의 국제 과학 탑재체도 포함될 예정이다. 이 협력은 우주 탐사 분야에서 국제 협력을 강화하려는 중국의 노력을 반영한다는 설명이다. 프랑스는 달 지각에서 나오는 라돈 가스 방출을 감지하는 가스 탐지(DORN: Detection of Outgassing RadoN) 장비를 제공한다. 스웨덴은 ESA의 지원을 받아 NILS(달 표면의 음이온) 탑재체를 제공한다. 이탈리아로부터는 패시브 레이저 역반사경을 지원받아 탑재한다. 큐브위성은 파키스탄 국립우주국 SUPARCO와 중국 상하이 자오퉁 대학교가 공동으로 제작했다. 창어 6호는 2030년까지 유인 달 탐사를 포함하는 중국의 우주 미션의 일부다. 중국은 2030년대에 국제 달 연구기지(ILRS) 프로그램을 통해 영구 달 기지를 구축하는 것을 목표로 하고 있다. 많은 국가와 기관들이 이 프로젝트에 동참했다.
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중국, 인류 최초 달 뒷면 샘플 수집해 지구 귀환 미션 나선다
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[신소재 신기술(37)] 레이저로 구동되는 초고속 잠수함 개발
- 중국 하얼빈 공업대학 연구팀은 레이저를 사용해 잠수함을 제트 엔진과 거의 동등한 속력으로 추진하는 기술을 개발 중이라고 주장했다. 하얼빈은 중국 최초의 실험 잠수함 개발 지역이다. 홍콩 매체 사우스 차이나 모닝 포스트(SCMP) 보도에 따르면, 하얼빈 공대 연구팀은 중국의 군사력이 이 획기적인 기술 개발에 임박했다고 밝혔다. 레이저 추진 잠수함 기술의 핵심 원리는 독창적이다. 레이저가 수중에서 플라즈마를 생성해 소위 '폭발 파(detonation wave)'를 만들어 잠수함을 앞으로 나아가게 하는 아이디어가 이 기술의 핵심이다. SCMP에 따르면 일본 연구팀은 20년 전 처음으로 이러한 레이저 추진 방식을 제안했다. 이후 중국에서는 과학자들이 최소 10년 이상 이 기술을 실용화하기 위해 노력해 왔다. 지금까지 레이저 추진 기술의 시도는 대부분 실패했다. 과학자들은 잠수함을 특정 방향으로 밀 수 있는 레이저 출력 실현이 거의 불가능하다는 것을 알게됐다. 하지만 하얼빈 공대 연구팀은 이제 해답을 찾았다고 말했다. SCMP는 이 기술을 사용하는 잠수함은 레이저 출력을 방출하는 아주 얇은 광섬유(머리카락 한 가닥보다 얇은 광섬유)로 코팅되어 있다고 전했다. 연구팀은 중국 광학회에서 발간하는 영문 학술지 '중국 광학학보(Acta Optica Sinica)'의 최근 논문에서 이같이 밝혔다. 연구팀은 코팅 광섬유를 사용하면 단 2메가와트의 레이저 출력만으로 상업용 제트 엔진보다 약간 적은 수치인 최대 7만 뉴턴의 추력을 생성할 수 있다고 주장했다. 추진력 제공 외에도 지향성 레이저 에너지는 수중 투사체 표면을 기포로 덮어 속도를 높이는 '슈퍼 캐비테이션(supercavitation, 고속으로 움직이는 물체 주변에 형성되는 기포로 가득찬 공간)' 현상을 유발할 수 있다. 이론적으로 이를 통해 잠수함은 음속보다 빠르게 이동하고 소나(음파탐지기·SONAR)에 감지되지 않게 할 수 있다. 기계 동력이 없기 때문에 기계적인 소음 진동도 발생하지 않기 때문이다. 소나(SONAR)는 'Sound Navigation And Ranging'의 약자로, 음파탐지기, 음향탐지기 혹은 음탐기라고도 불리며, 음파를 이용해 수중 목표의 방위와 거리를 측정하는 장비이다. 이 소식은 미국이 새로운 수중 무기 기술 연구에 막대한 투자를 하고 있는 중국에게 잠수함 군비 경쟁에서 밀릴 것을 우려하고 있다는 지난해 보도 이후 나온 것이다. 레이저 추진 잠수함이라는 개념은 SF 영화를 떠올리게 하지만, 이러한 기술의 군사적 활용은 주목할 만한 가치가 있다. 퓨처리즘은 이러한 이론적 발전 소식은 미국이 잠수함 개발 경쟁에서 중국에 뒤쳐질 수 있다는 우려를 낳고 있다고 전했다. 중국은 최근 새로운 수중 무기 기술 연구에 많은 투자를 하고 있다. 논문의 프로젝트 리더인 게 양(Ge Yang)은 SCMP가 인용한 논문에서 "이 방법은 수중 무기에도 적용할 수 있으며, 슈퍼 캐비테이션 현상을 일으켜 수중 투사체, 수중 미사일 또는 어뢰의 수중 사거리를 크게 향상시킬 수 있다"고 밝혔다.
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[신소재 신기술(37)] 레이저로 구동되는 초고속 잠수함 개발
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