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2024-11-24 (일)

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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 분광ㄱ장치 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.
- 포커스온
2024-07-23
[신소재 신기술(81)] 핀란드, 목재 부산물 리그닌 활용 차세대 배터리 개발 성공

나무에서 발견되는 천연물질인 리그닌을 활용한 차세대 배터리가 개발됐다. 핀란드에 본사를 둔 임업 및 재생 가능 제품 회사인 스토라 앤소(Stora Enso)는 목재의 주요 성분인 리그닌을 기반으로 한 배터리 대체품 리그노드(Lignode)를 개발했다고 더쿨다운이 보도했다. 스토라 앤소는 이 친환경 배터리 생산을 위해 스웨덴의 나트륨 이온베터리 개발사인 알트리스(Altris)와 상용화를 위해 협력했다. 리그노드는 펄프 제조에서 나오는 제품인 리그닌에서 추출한 지속 가능한 경질 탄소로 리튬 이온과 나트륨 이온의 양극(충전 및 방전 중에 이온을 받거나 방출하는 베터리 부품) 재료로 사용된다. 인터레스팅엔지니어링이 따르면, 리튬 배터리는 가장 에너지 밀도가 높은 솔루션이다. 업계는 현재 리튬 배터리를 사용해 휴대전화, 테블릿, 노트북에 전원을 공급하고 있다. 그러나 리튬 배터리는 리튬, 코발트 등 희귀 금속을 활용해 가격이 높으며, 과충전, 과방전 시 화재 위험이나 열폭주현상 등의 안전 문제가 있다. 특히 열폭주 현상은 배터리셀 하나에서 발생한 열이 다른 셀로 전달되어 연쇄적으로 폭발하는 현상으로 대형 화재의 원인이 될 수 있다. 친환경 배터리는 전기 자동차(EV), 태양광 발전, 풍력발전소를 포함한 대체 에너지 운동에도 중요하다. 에너지연구소(IER)는 리튬 배터리 생산 과정에서 상당한 양의 탄소 오염이 대기 중으로 방출된다고 밝혔다. 배터리 핵심 구성 요소 중 하나인 흑연은 대부분 중국에서 공급하기 때문에, 다른 국가들의 중국 의존도가 높은 점도 문제라고 인터레스팅엔지니어링은 지적했다. IER은 "중국이 전기의 약 60%를 석탄에서 얻는다"고 밝혔다. 석탄을 태워서 전력을 생산하면 독성 오염이 발생해 지구 온난화가 더욱 심화될 수 있다. 게다가 "리튬 배터리는 종종 매립지에 버려져 토양과 지하수로 누출될 수 있는 중금속을 포함한 독소를 방출할 수 있다"고 IER은 지적했다. 그로 인해 업게에서는 친환경적인 에너지 저장 대체품 개발에 노력을 기울이고 있다. 리그닌은 침엽수나 활엽수 등 목본식물의 목질부를 구성하는 주요 성분 중 하나로 나무의 20~30%를 차지한다. 셀룰로오스와 함께 식물 세포벽의 주성분이며. 식물의 강도와 견고함을 제공하는 역할을 한다. 리그닌은 복잡한 3차원 구조를 가진 고분자 화합물로, 다양한 페놀 단위들이 연결되어 있다. 이러한 복잡한 구조 때문에 분해가 어려워 제지산업에서는 펄프 생산 과정에 제거해야 하는 골칫거리로 여겨지기도 했다. 하지만 최근에는 리그닌의 활용 가치가 재조명되면서 바이오 연료, 바이오 플라스틱, 접착제 등 다양한 분야에서 활용될 수 있는 가능성이 높아지고 있다. 스토라 엔소는 "펄프 제조에서 나오는 리그닌은 양극 재료 제조를 위한 안정적이고 일관된 원자재 공급을 보장한다"고 설명했다. '생물 기반' 소재는 구성에 탄소를 포함하므로, 리튬 및 나트륨 배터리에서 양극 재료를 만드는 데 사용되는 흑연을 대체할 수 있는 적격 소재다. 이번 친환경 배터리 개발자인 알트리스에 따르면 나트륨 이온 배터리는 지속가능하고 재활용하기 쉽다. 스토라 앤소의 수석 부사장 겸 생체재료 성장 책임자인 유쏘 콘띠넨(Jusso Konttinen)은 "리그노드는 세계에서 가장 지속 가능한 양극 소재가 될 잠재력이 있기 때문에, 알트리스와의 이번 파트너십은 보다 지속 가능한 전기화를 지원하려는 우리의 공동 의지와 완벽하게 부합한다"고 말했다. 스토라 앤소는 자사 웹사이트에서 "리그닌은 펄프를 생산할 때 발생하는 부산물이기 때문에 양극은 순환 공정의 일부로 만들어진다"면서 "실제로 우리는 (목재) 부산물을 귀중한 자원으로 바꾸고 있다"고 밝혔다. 이 창의적인 에너지 저장 방법이 성공적이라면 현재 널리 사용되고 있는 리튬 배터리의 지속 가능한 대체품이 될 수 있다. 리그닌 활용 배터리 개발로 생산 과정에서 대기 오염을 줄이고, 매립지의 독성 폐기물 또한 동시에 줄일 수 있으며, 저렴한 친환경 소재를 활용한 지속 가능한 배터리 생산이 앞당겨질 전망이다.
- 포커스온
2024-07-22
[신소재 신기술(80)] 예일대, 팔 다리 절단 등 자유롭게 변형 가능한 로봇 개발

예일(Yale) 대학이 도마뱀이 스스로 꼬리를 자르는 것과 같이 자가 절단 기능을 갖춘 로봇이 개발했다고 발표하고 그 결과를 홈페이지에 공개했다. 예일대 연구팀이 개발한 로봇은 스스로 팔을 분리하거나 자유자재로 융합한다. 영화 '트랜스포머' 정도까지는 아니지만, 자신의 형태를 스스로 바꾸는 로봇은 오랫동안 로봇 공학계의 혁신적인 단계로 여겨져 왔다. 예일대 패브래토리(Faboratory) 로봇공학팀이 소프트 로봇 분야에서 이 같은 변신 로봇을 개발한 것은 사실상 이번이 처음이다. 연구팀은 "새롭지만 가능성이 희박했던 자가 절단 및 팔다리 재부착 기능을 적용해 성공했다"고 밝혔다. 도마뱀 등 일부 동물은 포식자를 피하고 살아있는 다리를 유지하기 위해 꼬리를 자르는 것의 이점을 입증했지만, 소프트 로봇이 사지 절단 가능이라는 새 챕터를 연 것은 이번이 처음이다. 도마뱀은 공학계에서도 연구 대상이었다. 포식자를 피하고 생명을 유지하기 위해 꼬리를 자르는 장점을 활용하자는 구상이었다. 붕괴된 건물 등 위험 환경에서 움직이는 로봇이 최우선 적용 대상이었다. 이번에 개발된 로봇도 그 일환이다. 연구팀은 새로 개발된 소프트 4족 로봇의 기능을 동영상으로 통해 시연했다. 동영상을 보면 로봇은 전류로 가열되는 가역적 관절 시스템을 선보이며, 자신의 팔다리를 스스로 절단해 함정으로부터 탈출하는 데 성공했다. 잘려진 팔다리는 나중에 다시 부착해 정상적으로 가동할 수 있었다. 로봇에 적용된 핵심 기술 중 하나는 점착성 고분자를 지지하는 새로운 소재인 2연속 열가소성 폼(BTF)이다. 이 조합을 사용하면 로봇의 구조적 무결성을 잃지 않으면서 관절을 녹이고 분리하며, 다시 연결해 현장에 투입할 수 있다. 사지 자가 절단 외에도 개발된 로봇은 서로 합쳐서 장애물을 극복할 수 있다. 연구진이 공개한 또 다른 동영상에서는 테이블 사이의 틈새를 건너지 못하는 단일 로봇이 다른 로봇과 합체해 더 큰 로봇으로 변신, 장애를 해결한다. BTF와 끈적이는 폴리머의 새로운 조합은 유연하면서도 강력한 연결 기능을 제공한다. 연결된 로봇은 내구성이 뛰어난 것으로 판명됐으며, 여러 번의 분리 및 재부착에도 문제가 발생하지 않아 소프트 로봇공학에 새로운 가능성을 열어주었다고 한다. 연구팀은 이런 로봇 기술이 자율 절단 및 상호 융합을 통해 형태 변화가 다양하게 가능한 로봇 개발로 이어질 수 있다고 밝혔다. 로봇공학의 혁명적인 변화를 예고하는 것이라고. 형태를 바꾸는 로봇은 로봇 공학의 혁명적인 단계로 여겨져 왔다. 그 꿈은 점점 현실화되고 있다. 로봇 기술의 도약은 로봇이 예측할 수 없고 익숙하지 않은 환경에서 원활하게 작동할 수 있는 세계로 더 가까이 다가가도록 만들어주고 있다. 언젠가 트랜스포머의 옵티머스 프라임이 실제로 등장할 지도 모른다.
- IT/바이오
2024-07-19
[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.
- 포커스온
2024-07-17
[신소재 신기술(78)] 유기 태양 전지 패널, 햇빛 20% 전기 변환 성공…실리콘 대체 가능성 높여

미국 과학자들이 새로운 유기 태양 전지 패널을 개발해 햇빛의 20%를 전기로 변환하는 데 성공했다. 유기 태양 전지판(Organic Solar Cell)은 빛을 흡수해 전기를 생산하는 태양 전지의 한 종류다. 기존의 실리콘 태양 전지판과 달리 탄소 기반의 유기 반도체 물질을 사용해 제작된다. 캔사스대학교 연구진이 유기 반도체에 햇빛의 20%를 전기로 변환해, 태양 에너지 분야에 혁신을 가져올 수 있는 가능성을 제시했다고 인터레스팅엔지니어링이 보도했다. 수년 동안 실리콘은 태양 에너지 환경을 지배해왔다. 실리콘의 효율성과 내구성 덕분에 태양광 패널에 가장 많이 사용하는 소재가 된 것. 하지만 실리콘 기반 태양전지는 딱딱하고 생산 비용이 비싸서 곡면에 적용하는 데 한계가 있었다. 유기 반도체는 실리콘 태양 전지 패널보다 저렴하고 유연하며, 다양한 색상과 투명도를 구현할 수 있어 차세대 태양 전지 소재로 주목받고 있다. 유기 태양 전지판은 얇고 가벼우며, 플라스틱 기판 등 다양한 소재에 적용할 수 있어 곡면이나 불규칙한 표면에도 설치가 가능하다. 게다가 유기 물질은 실리콘보다 독성이 적고 재활용이 용이해 환경 친화적이다. 유기 반도체는 이미 휴대전화, TV, 가상현실(VR)헤드셋과 같은 가전제품의 디스플레이 패널에 사용되지만 상업용 태양광 패널에는 아직 널리 사용되지 않는다. 유기 반도체인 탄소 기반 소재는 더 낮은 비용과 더 큰 유연성으로 실행가능한 대안을 제공한다. 하지만 지금까지는 빛을 전기로 변환하는 효율성이 낮아 실리콘 태양 전지 패널을 대체하기 어렵다는 한계가 있었다. 연구를 주도한 캔자스 대학교의 물리학 및 천문학 부교수인 와이런 챈 박사는 "이러한 재료는 벽에 페인트를 칠하는 것처럼 용약 기반 방법을 사용해 임의의 표면에 코팅할 수 있기 때문에 태양광 패널의 생산 비용을 잠재적으로 출 수 있다"고 설명했다. 이러한 유기 반도체는 단순히 비용 절감에만 그치지 않는다. 특정 파장의 빛을 흡수하도록 조정할 수 있어 새로운 가능성을 열어준다. 챈은 "이러한 특성 덕분에 유기 태양 전지 패널은 차세대 친환경적이고 지속 가능한 건물에 사용하기에 특히 적합하다"고 덧붙였다. 이번 연구는 유기 반도체의 일종인 비풀러렌 악셉터(NFA)의 높은 효율성에 대한 의문에서 시작됐다. 연구진은 NFA가 기존 유기 반도체보다 뛰어난 성능을 보이는 이유를 규명하는 과정에서 예상치 못한 현상을 발견했다. 특정 조건에서 NFA의 전자가 에너지를 잃는 대신 주변 환경으로부터 에너지를 얻는 현상을 관찰한 것이다. 이는 뜨거운 커피가 주변으로 열을 잃는 것과는 반대되는 현상으로 양자역학과 열역학의 결합으로 설명될 수 있었다. 연구진은 첨단 기술인 시간 분해 이광자 광전자 분해법을 활용해 1조분의 1초보다 짧은 시간 동안 전자의 에너지 변화에 추적했다. 그 결과 NFA의 전자가 양자역학적 특성으로 인해 여러 분자에 동시에 존재하는 것처럼 보이며, 이러한 현상이 열역학 제2법칙과 결합해 열흐름의 방향을 역전시키는 것을 확인했다. 이러한 역전된 열 흐름은 NFA의 전자가 주변 환경으로부터 에너지를 흡수하고 전하 분리 과정을 촉진해 전류 생성 효율을 높이는 데 기여한다. 연구진은 이번 발견이 태양 전지 효율을 20%까지 끌어올려 실리콘 태양 전지와의 격차를 좁히는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대하고 있다. 또한 이러한 에너지 획득 메커니즘은 태양 전지 뿐만 아니라 이산화탄소를 유기 연료로 변환하는 광촉매 등 다른 재생 에너지 분야에도 적용될 수 있을 것으로 전망했다. 이는 유기 반도체 기반 기술의 잠재력을 극대화하고, 지속가능한 에너지 시스템 구축에 기여할 수 있는 중요한 발견으로 평가된다. 이번 연구는 '어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)' 저널에 게재됐다.
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2024-07-16
[신소재 신기술(77)] 나사, 소변을 식수로! 혁신적인 새 우주복 개발

미국 과학자들이 소변을 식수로 5분만에 바꿀 수 있는 획기적인 우주복을 설계했다. 코넬 대학교 연구진은 영화 '듄'에 등장하는 전신 '스틸슈트'와 같은 공상 과학 기술을 현실로 구현하기 위한 우주복용 소변 수집 및 여과 시스템 시제품을 개발했다고 영국 일간지 더 가디언스와 과학 전문 웹사이트 PHYS.org, 라이스사이언스닷컴 등 다수 외신이 보도했다. 우주 유영중인 우주 비행사들이 우주복 안에서 용변을 해결해야 하는 것은 잘 알려진 사실이다. 이는 불편하고 비위생적일뿐만 아니라 ,국제 우주 정거장(ISS)내 폐수와 달리 우주 유영 중 발생하는 소변 속 물을 재활용할 수 없다는 점에서 낭비적인 측면도 있다. 스틸슈트는 땀과 소변을 통해 손실되는 수분을 흡수, 정화하여 식수로 재활용하는 기능이 있다. 나사의 새 우주복 디자인은 '프론티어스 인 스페이스 테크놀로지(Frontiers in Space Technology)' 저널에 게재됐다. 연구팀은 진공 기반 외부 도뇨관과 정삼투-역삼투 통합 장치를 통해 우주 비행사에게 지속적으로 식수를 공급하며, 다양한 안전 장치를 통해 안전을 보장한다고 밝혔다. 미국 나사가 2025년과 2026년에 예정된 유인 우주 탐사선 아르테미스 Ⅱ와 아르테미스 Ⅲ 임무를 위해 개발된 이 시스템은, 기존 우주복의 폐기물 관리 시스템인 MAG(Maximum Absorbency Garment)의 불편함과 비위생 문제를 해결하려고 했다. MAG는 1970년대 후반부터 사용된 일종의 성인용 기저귀로, 누출 및 요로 감염, 위장 장애 등 건강 문제를 일으키는 것으로 알려져 있다. 연구팀이 개발한 소변 수집 장치는 유연한 직물로 만들어진 속옷과 실리콘으로 제작된 수집컵으로 구성된다. 수집 컵은 남녀 신체 구조에 맞게 설계되었으며, 내부에는 폴리에스터 극세사 또는 나일론-스판덱스 혼합 소재가 사용되어 소변을 흡수하고 진공 펌프를 통해 빨아들인다. 수집된 소변은 우주복 등에 부착된 여과 시스템으로 이동하며, 2단계 장삼투-역삼투를 통해 87% 효율로 재활용된다. 정제된 물은 전해질을 추가하여 식수로 사용 가능하다. 500ml 소변을 수집하고 정화하는 데는 5분이 소요된다. 이 시스템은 제어 펌프, 센서, 액정 디스플레이 화면을 포함하며, 20.5V, 40Ah 배터리로 작동한다. 크기는 38x23x23cm, 무게는 약 8kg으로 우주복 뒷면에 부착할 수 있도록 작고 가볍게 설계됐다. 현재 시제품이 완성됐으며, 향후 모의 환경 및 실제 우주 유영에서 테스트될 예정이다. 이를 통해 시스템의 기능성과 안전성을 검증하고 실제 우주 임무에 적용할 수 있을 것으로 보인다.
- 포커스온
2024-07-15
[신소재 신기술(76)] 그래핀 유래 신소재 EGNITE, 신경 보철 성능 강화

그래핀에서 파생된 신소재 EGNITE가 신경 보철 성능을 크게 향상시켰다는 연구 결과가 나왔다. 스페인 바르셀로나에 위치한 UAB 신경과학 연구소(INc-UAB) 연구팀은 그래핀 유래 소재인 EGNITE 전극의 말초 신경 자극과 기록 능력을 장시간 연구해 이같은 결과를 얻었다고 메디컬 익스프레스가 지난 10일(현지시간) 보도했다. EGNITE(Engineered Graphene for Neural interface) 전극은 그래핀 유래 신소재로 만들어진 차세대 신경 인터스페이스 기술이다. 기존의 금속 미세 전극보다 크기가 작고 유연하며, 우수한 전기적 특성과 생체 적합성을 가지고 있어 신경 자극 등의 효율을 높일 수 있다. 절단 또는 신경 손상 환자는 팔다리의 운동과 감각 기능을 상실해 일상 생활에 제약을 받는다. 이러한 기능 회복을 위한 유일한 방법은 신경 보철이다. 신경 보철은 특정 감각을 유도하기 위해 신경을 자극하고. 운동 신호를 기록해 생체 공학 보철물로 전송하는 전극으로 구성된다. 신경 보철 설계에서 전극은 신경 내 소수의 축삭과만 선택적으로 상호작용할 수 있도록 충분히 작아야 한다. 기존 신경 보철에는 금, 백금, 산화이리듐과 같은 금속이 주로 사용됐다. 그러나 더 작은 전극 접점을 만들기 위해 전도성이 향상된 새로운 소재 개발이 필요했다. 이러한 요구에 부응해 그래핀과 그 유도체는 탁월한 전기적 특성을 바탕으로 차세대 미세 전극 개발에 활용되고 있다. 연구팀은 그래핀 유래 소재인 EGNITE의 말초 신경 자극 및 기록 능력을 연구하고, 장시간 기능 유지를 위한 생체 적합성을 검증했다. 연구 결과는 '어드밴스트 사이언스(Advanced Science)' 저널에 게재됐다. 이번 연구는 자비에 나바로 교수가 이끄는 INc-UAB의 신경 가소성 및 재생 연구팀과 INC2의 호세 가리도 연구팀의 협력으로 진행됐다. INC2는 신경 인터페이스와 함께 EGNITE 개발을 담당했다. 연구팀은 쥐 실험을 통해 쥐의 좌골 신경에 이식된 EGNITE 전극이 최대 60일 동안 선택적인 근육 활성화를 유도하는 것을 확인했다. 팀은 EGNITE 전극이 기존 금속 미세 전극보다 근육 활성화에 필요한 전류가 현저히 감소했다고 설명했다. EGNITE 전극은 크기가 작아 신경 내 특정 부위만 선택적으로 자극할 수 있어, 신경 보철 장치의 정확도와 효율성을 향상시켰다. 또한 그래핀의 우수한 전기 전도성을 바탕으로 신경 신호를 효과적으로 전달하고 기록할 수 있다. INc-UAB의 박사후 연구원이자 이 논문의 제1저자인 브루노 로드리게스-메이나는 "근육 활성화를 생성하는 데 필요한 전류의 감소는 다른 대형 금속 미세 전극과 비교할 때 현저한 차이가 있었다"고 말했다. 또한 EGINITE 전극은 생체 적합성이 우수해 이식된 인터페이스로 인한 기능 변화나 염증 반응이 관찰되지 않았다. 나바로 교수는 "이 연구의 다음 단계는 EGNITE 기반 기술의 최적화외 미주 신경 또는 척수 자극 시스템에 대한 임상 전 연구에의 적용으로 구성될 것이다"라고 말했다. 연구팀은 아울러 생체 전자 의학 분야에서 임상 적용을 위한 연구도 병행할 계획이다. EGNITE 전극은 신경 보철뿐만 아니라, 뇌-컴퓨터 인터페이스 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다. 또한 팔다리 절단 환자나 신경 손상 환자의 운동 및 감각 기능 회복에 기여해 삶의 질을 높일 것으로 기대된다.
- 포커스온
2024-07-12
[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.
- 포커스온
2024-07-11
[신소재 신기술(74)] 탄소 포집·저장 6배 높인 '하이드레이트'

대기에서 포집한 이산화탄소(CO₂)를 6배나 빠르게 저장하는 새로운 하이드레이트 기술이 개발됐다. 미국 텍사스대학교 오스틴 캠퍼스 연구진이 개발한 새로운 대기 중 탄소 포집 하이드레이트 기술은 기존 방식보다 약 6배 빠른 속도로, 유해 화학 촉진제 없이 탄소를 저장할 수 있다고 테크익스로어와 어스닷컴 등 다수 외신이 보도했다. 미국화학회(ACS) 학술지 '지속 가능 화학 및 공학'에 발표된 이 연구에서 연구팀은 이산화탄소 하이드레이트를 초고속으로 형성하는 기술을 개발했다. 이 독특한 얼음 형태의 물질은 이산화탄소를 해저에 저장하여 대기 중 방출을 막는 역할을 한다. 탄소 포집에서 하이드레이트는 이산화탄소를 물 분자와 함께 얼음과 비슷한 고체 상태로 만드는 기술을 의미한다. 하이드레이트는 자체 부피의 최대 180배에 달하는 이산화탄소를 저장할 수 있다. 아울러 일정한 온도와 압력 조건에서 안정적으로 유지되므로 이산화 탄소 누출 위험을 줄일 수 있다. 연구를 이끈 바이바브 바라두르(Vaibhav Bahadur) 교수는 "우리는 대기 중 수십억 톤의 탄소를 안전하게 제거하는 방법을 찾는 엄청난 과제를 안고 있다"며 "하이드레이트는 탄소 저장을 위한 보편적인 해결책을 제공하며, 탄소 저장 분야에서 중요한 역할을 하려면 빠르고 대규모로 성장시키는 기술이 필요하다. 우리는 환경친화적인 방법으로 하이드레이트를 빠르게 성장시킬 수 있음을 입증했다"고 말했다. 이산화탄소는 가장 흔한 온실가스이며, 기후 변화의 주요 원인이다. 탄소 포집 및 저장 기술은 대기 중 탄소를 제거하고 영구적으로 저장하는 기술로, 지구 탄탄소화의 핵심 요소로 간주된다. 현재 가장 일반적인 탄소 저장 방법은 이산화탄소를 지하 저류층이 주입하는 것이다. 이 기술은 탄소를 포집하고 석유 생산을 증가시키는 이중 효과를 갖는다. 그러나 이 기술은 이산화탄소 누출 및 이동, 지하수 오염, 탄소 주입 관련 시 지진 위험 등 심각한 문제를 안고 있다. 또한 지하 저류층 주입에 적절한 지질학적 특징이 부족한 지역도 많다. 바하두르 교수는 하이드레이트가 대규모 탄소 저장을 위한 '차선책'이지만 주요 문제를 극복하면 '최선책'이 될 수 있다고 강조했다. 지금까지 탄소를 포집하는 하이드레이트 형성 과정은 느리고 에너지 집약적이어서 대규모 탄소 저장 수단으로 활용되기 어려웠다.. 이번 연구에서 팀은 기존 방법보다 하이드레이트 형성 기술을 6배 증가시켰다. 이러한 속도와 화학 물질을 사용하지 않는 공정은 대규모 탄소 저장에 하이드레이트를 더 쉽게 활용할 수 있게 한다. 이 연구의 핵심은 마그네슙으로, 화학촉진제 없이도 촉매 역할을 한다. 특정 반응기에서 이산화탄소를 고속 버블링으로 추가하면 빠르고 친환경적인 하이드레이트를 형성할 수 있다. 게다가 해수에서도 잘 작동하기 때문에 복잡한 담수화 공정이 필요하지 않다. 바라두르 교수는 "해저가 안정적인 열역학 조건을 제공하여 하이드레이트 분해를 방지하기 때문에 매력적인 탄소 저장 옵션이다"라며 "우리는 해안선을 가진 모든 국가에 탄소 저장을 가능하게 만들고 있으며, 이는 전세계적으로 탄소 저장 접근성과 실현 가능성을 높여 지속 가능한 미래에 더 가까워지게 한다"고 설명했다. 이번 연구 성과는 탄소 포집뿐만 아니라 해수 담수화, 가스 분리와 저장 등 다양한 산업에도 적용될 수 있다. 연구팀과 텍사스 대학교는 관련 기술에 대한 특허를 출원했으며, 상용화를 위한 스타트업 설립도 고려하고 있다. 하이드레이트 기술은 탄소 포집 및 저장 분야에서 혁신적인 기술로 주목받고 있으며, 지속적인 ㅇ녀구 개발을 통해 미래 탄소 중립 목표 달성에 기여할 것으로 기대된다.
- 포커스온
2024-07-10
[신소재 신기술(73)] 물로 전기 생산하는 휴대용 발전기, 워터릴리 터빈

물을 전기로 바꿔주는 '수차(워터릴리 터빈)'가 개발돼 가정에서 지속가능한 에너지 생산에 힘을 보태고 있다. 태양광 패널만이 자가 발전의 유일한 수단은 아니다. 가정에서 에너지를 생산하는 방법은 점점 다양해지고 있으며, 그중 하나가 물을 전기로 바꾸는 '워터릴리 터빈(WaterLily Turbine)'이다. 워터릴리 터빈은 흐르는 물과 강에서 에너지를 쉽게 활용할 수 있는 휴대용 발전기다. 이 장치는 휴대폰 충전도 가능하며, 초기 투자 비용은 비교적 저렴하고 에너지 생산 과정은 무료라고 에코뉴스가 전했다. 물을 전기로 변환하는 이 바퀴는 캐나다에 본사를 둔 씨포매틱스(Seaformatics) 제품으로, 오지 등 전기가 없는 지역에서 전자 기기에 전력을 공급할 수 있다. 워터릴리 터빈의 주요 부품은 내구성 있는 케이스 안에 있는 프로펠러다. 이 장치를 물에 담그거나 바람이 불면 프로펠러가 회전해 전기를 생산한다. 생산된 전기는 방수 케이블을 통해 휴대폰, 카메라, 보조 배터리 등을 충전하는 데 사용된다. 물로 휴대폰 충전 가능 워터릴리 터빈은 악천후에도 발전을 멈추지 않는다. 비나 눈이 내리는 날, 흐린 날에도 꾸준히 물이 흐르기만 하면 전기를 생산할 수 있다. 따라서 야외 활동, 캠핑, 전기가 없는 오지 등에서도 유용하게 사용할 수 있다. 씨포매틱스는 최대한의 전력 생산과 휴대성을 고려해 프로펠러를 설계했다. 그 결과 약 1.4kg의 휴대용 터빈이 탄생했으며, 최대 15W의 전력을 생산할 수 있다. 이 정도 출력이면 휴대폰, 카메라, 소형 전자기기, 보조 배터리, 캠핑용 조명이나 스피커 등을 충전하기에 충분하다. 15W 에너지와 극한의 에너지 효율 워터릴리 터빈은 물의 흐름 속도에 따라 1mph에서 최대 7mph 이상의 흐름에서 최대 15W까지 에너지를 얻을 수 있다. 이러한 융통성 덕분에 완만한 개울부터 강이나 급류까지 다양한 환경에서 사용할 수 있다. 소규모로 전기를 생산하는 것은 쉽지 않지만 워터릴리 터빈과 같은 가정용 발전 장치는 에너지 생산과 자가 소비의 미래를 이끌어 갈 것으로 보인다. 이러한 기술은 탄소 배출량 감소에도 기여하며, 가정에서도 친환경 에너지 생산을 가능하게 할 것이다.
- 포커스온
2024-07-09
[신소재 신기술(72)] 새로운 에어로젤, 100% 태양 반사율과 뛰어난 복사냉각 효과 달성

중국 과학자들이 젤라틴과 DNA로 이루어진 새로운 생분해성 에어로젤을 개발해 태양 반사율 100%를 달성했다. 에어로젤은 90% 이상 공기로 이루어진 매우 가벼운 고체 물질이다. 세상에서 가장 가벼운 고체 중 하나인 에어로젤은 공기보다 약간 무거운 정도이며, 뛰어난 단열성을 지녀 극한의 온도에서도 열 전달을 효과적으로 막을 수 있다. 최근 중국 쓰촨대학 연구팀은 젤라틴과 DNA로 구성된 에어로젤을 개발해 태양 반사율 104%와 뛰어난 복사 냉각 효과를 달성했다고 인터레스팅 엔지니어링이 보도했다. 미국 과학진흥협회(AAAS)의 공식 성명에 따르면, 이 에어로젤은 생분해성이며 탁월한 복사 냉각 효과를 제공한다. 연구팀은 새러운 에어로젤은 가시광선 영역에서 104%의 반사율을 달성했으며, 이는 광 발광 효과에 의한 것이라고 밝혔다. 에어로젤의 발광은 젤라틴과 DNA가 촘촘하게 연결된 네트워크에서 비롯되며, 이는 발색단들을 함께 모아 시스템의 비복사 전이를 억제하는 데 기여한다. 이 냉각 소재는 특수한 층상 디자인과 빛에 노출될 때 독특하게 빛나는 방식으로 인해 많은 태양광을 반사할 수 있다. 또한 생분해성일 뿐만 아니라 수리와 재활용이 가능해 기존 냉각 소재에 대한 친황경적인 대안을 제시한다. 바이오매스 원료의 냉각 소재 특히, 이 소재는 바이오매스 원료를 사용하여 '워터 용접'이라는 공정으로 제작됐다. 높은 태양 복사 조건에서 주변 온도를 섭씨 16도까지 낮출 수 있으며, 수리와 생분해가 가능하다. 이 연구의 제1저자인 지안웬 마(Jian-Wen Ma)는 젤라틴과 DNA는 구조적으로 균일한 에어로젤을 얻기 위해 동결 건조 공정을 통해 졸-겔 방식으로 설계됐다고 말했다. 마 연구원은 "에어로젤의 다층 구조는 햇빛의 다중 산란/반사를 허용하여 태양 반사율을 효과적으로 향상시킨다"고 말했다. 이 새로운 접근 방식은 에너지 소비가 많고 온실가스 배출량이 많은 기존 냉각 시스템의 문제를 극복하는 것을 목표로 한다. 바이오폴리머 기반 소재를 사용하여 장기적인 안정성과 최소한의 환경 영향을 제공한다. 냉각 소재는 맑음, 흐림 등 다양한 기상 조건에서 테스트에 성공했다. 또한 이 바이오매스 에어로젤은 자연 환경에서 미생물에 의해 생분해될 수 있으며, 고온 용해-재겔화-동결 건조 과정을 통해 재활용할 수 있다. 과학자들은 현재 에어로젤의 잠재적인 실용적인 응용 분야를 모색하고 있으며, 다양한 산업 분야에서의 활용 가능성을 긍정적으로 전망하고 있다. 이 연구는 지난 7월 4일 저널 '사이언스(Science)'에 게재됐다.
- 포커스온
2024-07-08
[신소재 신기술(71)] 음식물 쓰레기 활용해 기존 소재보다 4배 강한 '식용 콘크리트' 개발

해초, 양배추와 오렌지 껍질 등 식물성 재료를 활용해 기존 콘크리트보다 3배 이상 강한 '식용 콘크리트' 건축 자재가 개발되어 주목받고 있다. 일본 도쿄대학 연구팀이 배추와 바나나,양파 껍질 등 식물성 유기물로 기존 콘크리트보다 4배 강한 콘크리트를 개발했다고 더쿨다운이 5일(현지시간) 전했다. 프린스턴 대학교에 따르면, 콘크리트는 물 다음으로 지구상에서 가장 많이 소비되는 제품이지만, 매년 44억 톤의 이산화탄소를 배출하며, 전 세계 오염의 8%를 차지한다. 이에 따라 기존 콘크리트 생산 과정의 대안을 모색하고, 건물의 내구성을 높여 콘크리트 사용량을 줄이는 노력이 중요해졌다. 이러한 맥락에서 도쿄 대학 연구팀이 개발한 '식용 콘크리트'는 기존 콘크리트보다 4배 강할 뿐 아니라 음식물 쓰레기 문제 해결에도 기여할 수 있어 더욱 주목받고 있다. 연구팀은 커피 찌꺼기, 바나나 껍질, 양배추, 오렌지 껍질, 양파 껍질, 호박 등 유기물을 건조 및 압축하고 물, 조미료와 혼합하여 고온 틀에서 압축하는 방식으로 친환경 콘크리트를 제작했다. 연구 수석 저자인 유야 사카이는 "저희의 목표는 해초와 일반 음식물 쓰레기를 사용하여 최소한 콘크리트만큼 튼튼한 재료를 만드는 것이었다"면서 "하지만 먹을 수 있는 음식물 쓰레기를 사용했기 때문에 재활용 과정이 원래 재료의 맛에 영향을 미치는지 확인하는 데도 관심이 있었다"라고 설명했다. 실험 결과, 이 식용 콘크리트는 굽힘 강도가 기존 콘크리트보다 훨씬 뛰어났으며, 소금이나 설탕을 첨가하여 맛을 개선해도 강도에는 영향을 미치지 않았다. 선임 연구원인 코다 마치타는 "호박에서 추출한 표본을 제외하고 모든 재료가 굽힘 강도 목표를 초과했다"며 "콘크리트보다 3배 이상 강한 재료를 생산한 배추 잎을 약한 호박 기반 재료와 섞어 효과적인 보강재를 제공할 수 있다는 것을 발견했다"고 말했다. 이 콘크리트는 또 부패, 곰팡이, 곤충에 강하며 4개월 동안 공기 중에 노출되어도 맛이나 강도가 변하지 않는 것으로 확인됐다. 이 연구는 더욱 견고한 건물을 위한 강력한 콘크리트를 개발하는 동시에, 지구 오염의 또 다른 원인인 음식물 쓰레기를 활용할 수 있는 방법을 제시했다. 미국 농무부에 따르면, 식량 손실 및 폐기물은 인간 소비를 위해 생산된 모든 식량의 3분의 1을 차지하며, 2021년 환경보호국 보고서에서는 식량 손실로 인한 1억 8700만 톤 이상의 이산화탄소 배출량이 석탄 화력 발전소 42개의 연간 오염량과 비슷하다고 밝혔다. 이 기술이 미래 건축물에 적용될지는 아직 미지수지만, 과학자들은 다양한 분야에 활용될 수 있다는 점에서 긍정적인 반응을 보이고 있다. 이는 기존의 틀을 벗어난 사고가 이산화탄소 배출과 환경오염 두 가지 문제를 동시에 해결할 수 있는 가능성을 보여주는 좋은 사례라는 평가다.
- 포커스온
2024-07-05
[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.
- 포커스온
2024-07-04
[신소재 신기술(69)] AI, 당 분석으로 암 조기 진단 새지평 열다

스웨덴 예테보리 대학교 연구원들이 당 분석을 통해 암 발견 가능성을 획기적으로 높인 인공지능(AI) 모델을 개발했다. 세포 내 당 분자 구조인 글리칸을 활용하는 이 AI 모델은 현재의 반수동 방식보다 빠르고 정확하게 암 관련 이상을 감지한다고 메디컬 익스프레스가 지난 1일(현지시간) 보도했다. 글리칸(Glycan)은 탄수화물의 일종으로 당 분자(단당류)들이 사슬처럼 연결되어 있는 중합체다. 글리칸은 다양한 생물학적 기능을 수행하는데, 특히 세포 표면에 존재하는 당단백질이나 당지질의 구성 성분으로 매우 중요하다. 글리칸은 질량 분석법으로 측정 가능하며, 암의 종류를 나타내는 지표로 활용될 수 있다. 암 세포는 다른 글리칸 패턴을 가지고 있기 때문에 글리칸 분석은 암 진단 및 치료에 활용될 수 있다. 그러나 질량 분석 데이터는 글리칸 조각으로부터 구조를 파악하기 위해 전문가의 세심한 분석이 필요하며, 샘플 당 수 시간에서 수 일이 소요될 수 있다. 샘플 분석 작업은 마치 수년간의 경험을 통해 습득된 탐정 작업과 유사하기 때문이다. 따라서 수많은 샘플을 분석해야 하는 암 진단 등 글리칸 분석 활용에 있어 이 과정은 종종 병목 현상을 초래했다. 이에 예테보리 대학 연구팀은 샘플 분석 작업을 자동화하는 AI 모델인 '캔디크런치(Candycrunch)'를 개발했다. 이 모델은 테스트당 불과 몇 초만에 분석 작업을 해결하는 것으로 확인됐다. 연구 결과는 '네이처 메소드(Nature Methods)' 저널에 게재됐다. AI 모델 캔디크런치는 50만 개 이상의 다양한 조각화 및 관련 당 분자 구조 예시 데이터베이스를 통해 훈련됐다. 예테보리 대학교의 다니엘 보야르(Daniel Bojar) 생물정보학 부교수는 "캔디크런치는 샘플 내 정확한 당 구조를 90% 정도 계산할 수 있다"고 밝혔다. 이는 곧 AI 모델이 DNA, RNA 또는 단백질과 같은 다른 생물학적 서열 분석과 동일한 수준의 정확도에 도달할 수 있음을 의미한다. 이 AI 모델은 빠르고 정확안 답변을 제공하기 때문에 암 진단과 예후를 위한 글리칸 기반 바이오마커 발견을 더욱 가속화할 수 있다. 보야르 교수는 "가장 큰 병목 현상을 자동화함으로써 글리칸 분석이 생물학 및 임상 연구에서 더 큰 역할을 할 것으로 기대한다"고 말했다. AI 모델인 캔디크런치는 농도가 낮아 사람들이 분석할 때 놓치기 쉬운 구조도 식별할 수 있어 새로운 글리칸 기반 바이오마커 발견에 도움을 줄 수 있다는 평가다.
- 포커스온
2024-07-03
영국 스타트업, 5분 만에 충전 가능한 EV 배터리 기술 개발

영국의 스타트업이 5분 만에 충전이 거의 완료되는 전기자동차(EV) 배터리 신기술을 개발했다고 발표했다. 1일(현지시간) 미국 CNN 방송에 따르면 영국 케임브리지에 본사를 둔 배터리 업체 니오볼트(Nybolt)는 지난주 공개한 첫 번째 라이브 시연에서 4분30초만에 배터리 충전율을 10%에서 80%로 올리는 새 리튬 이온 배터리를 공개했다. 이 배터리 용량은 35kWh로, 일반 전기차에 들어가는 85kWh에 비해 작다. 그러나 앞으로 더 큰 용량 배터리에도 이 기술이 적용될 것으로 보인다. 충전 시간은 테슬라 급속충전기인 슈퍼차저를 이용해 전기차를 충전하는 데 걸리는 시간인 20분보다 훨씬 빠르다. 이는 내연기관 차량이 연료를 채우는데 평균적으로 소요되는 2분에 더 가깝다. 니오볼트의 사이 시바레이 공동 설립자 겸 최고경영자(CEO)는 성명에서 "영국과 미국에서 진행한 광범위한 연구를 통해 확장 가능한 새로운 배터리 기술을 개발했다"면서 "우리는 현재 불가능하거나 불가능한 것으로 여겨지는 새로운 제품과 서비스의 전기화를 가능하게 하고 있다"고 말했다 니오볼트의 기술은 케임브리지 대학교 배터리 과학자인 클레어 그레이(Clare Gray)물리학자와 케임브리지 출신의 시바레디 CEO가 주도한 10년 간의 연구를 바탕으로 구축되었다고 회사측은 설명했다. 클레어 그레이는 기존 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하는 고체 전지 개발의 선구자로 리튬 이온 배터리의 성능을 향상사키기 위한 연구를 진행하고 있다. 배터리 수명에 크게 영향을 미치지 않고 초고속 충전이 가능하도록 한 신기술의 핵심은 배터리가 열을 덜 발생시키도록 한 설계다. 신기술은 또 과열로 인한 화재나 폭발 위험도 줄여준다. 니오볼트는 현재 전기차 제조업체 8개 사와 배터리 납품을 협의 중이라고 밝혔다. 충전 시간이 오래 걸리는 것은 시중의 전기차 보급 확산에 주요 걸림돌이기 때문에 이 기술이 산업 현장에 적용되면 전기차 시장에 큰 영향을 미칠 것으로 보인다. 시바레디 CEO는 "우리는 배터리 충전 시간을 내연기관 차의 주유 시간과 같게 만드는 것을 목표로 테슬라나 다른 주요 제조업체와 협력하고자 한다"고 말했다. 그럼에도 불구하고 이 배터리의 대량생산은 아직 불확실하는 게 업계의 지적이다. 컨설팅 회사 P3의 전기차 전문가 윌리엄 케프하트 엔지니어는 "니오볼트가 개발한 종류의 전기차 배터리는 회사가 밝힌 것처럼 '이론상으로는' 빠르게 충전될 수 있지만 문제는 대량생산"이라고 밝혔다. 니오볼트의 배터리에서 중요한 화학 원료가 희토류인 니오븀이다. 니오븀은 지난해 전 세계에서 채굴량이 9만4500t에 불과했다. 리튬 이온 배터리의 음극재로 많이 쓰이는 흑연이 2023년에 180만t 생산된 것과 비교하면 극히 적은 양이다. 케프하트는 "니오븀 배터리 기술에 대해 현재 알 수 없는 것들이 많이 있다"면서 "산업이 발전하면 문제가 해결되겠지만 아직은 업계에 적용할 수 있는 기술로 평가되지 않고 있다"고 말했다. 게다가 미국과 유럽 등 세계 여러 나라에서 EV 판매를 가로 막는 요인중 하나로 소위 '주행 불안'이 있다. 주행 불안이란 차량 배터리가 목적지에 도달하기 전에 충분한 충전량이 없을 수 있다는 우려로 특히 장거리 주행 시 더욱 심각하다. 전기차 배터리 용량을 증대하거나, 고속도로 휴게소 혹은 도심 주요 거점 등에 급속 충전소를 늘려 충전 시간을 단축하는 방안 등이 주행 불안을 낮추는 방법이 될 수 있다.
- 산업
2024-07-02
[신소재 신기술(68)] MIT 생체공학 다리, 신경계 직접 연결로 생체 모방 보행 가능

미국 메사추세츠 공과대학교(MIT) 연구팀은 두뇌의 신경계와 완전히 연결된 새로운 생체공학적 인공다리(의족)를 개발해, 절단 환자들에게 자연스러운 보행 능력을 회복하는 데 성공했다고 발표했다. 해당 연구에 대해서 CNN과 네이처닷컴 등 다수 외신이 1일(현지시간) 보도했다. 이번 연구는 절단 환자들의 삶을 획기적으로 변화시킬 수 있는 잠재력을 지닌 것으로 평가받고 있다. 연구에 참여한 절단 환자들은 기존의 인공다리 사용보다 보행 속도가 월등하게 향상되었으며, 일반인들의 보행과 비슷한 수준으로 걸을 수 있었다. 테스트에 참여한 매사추세추 출신의 47세인 남성은 "다리가 절단된 것 같지 않았다"며 "제 인생에 가장 행복한 순간이었다"고 말했다. 이 연구의 책임 연구원이자 수석 저자인 MIT의 양 바이오닉스 센터의 공동 책임자 휴 허(Huge Herr) 박사는 "이 의족은 인간의 신경계에 의해 완전히 제어되어 자연스러운 보행 속도와 보행 패턴을 보여주는 최초의 생체공학 다리"라고 설명했다. 허 박사는 "마치 팔다리가 살과 뼈로 만들어진 것처럼 자연스럽게 느껴진다. 뇌가 정상적인 감각을 느끼기 때문에 중뇌가 사지가 절단된 사실을 인지하지 못하는 것 같다"고 말했다. 최근 인공다리는 기능적 측면에서 상당한 발전을 이루고 있지만, 여전히 자연스러운 보행을 제공하는 데는 한계가 있었다. 기존 인공 다리는 센서와 알고리즘을 사용하여 움직임을 제어하지만 신경계와의 직접적인 연결이 부족해 불편함과 불안정성을 유발할 수 있다. MIT 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 신경계와 연결된 생체공학적 인공다리를 개발했다. 이 인공다리는 절단된 근육과 뇌 사이의 신호 전달을 유지하는 새로운 근육 연결 기법인 'AMI(agonist-antagonist myoneural interface, 길항근 근신경 인터스페이스)'를 사용해 절단 수술을 실시했다. 이후 절단 부위와 인공 다리 사이에 센서를 장착해 뇌로부터 오는 전기 신호를 전달하는 방식으로 의족이 자신의 위치와 움직임을 인식하고 이 정보를 다시 환저에게 보내 '몸의 위치 감각(proprioception)'을 가능하게 했다. 허 박사는 보철물이 인간의 신경계 보다는 로봇 알고리즘에 의해 제어되는 추세를 관찰한 후 이 프로젝트에 착수했다. 신경보철물은 제건된 절단 부위와 생체 다리 사이에 배치된 센서를 사용해 뇌에서 전기 신호를 전송한다. 이를 통해 보철물이 위치와 움직임을 감지하고 이 정보를 환자에게 다시 보내어 고유한 감각을 느낄 수 있다. 고유 감각은 뇌가 공간에서 자기 움직임과 위치를 감지하는 능력이다. 허 박사는 "우리는 인간의 몸을 제건하고 싶다"며 "우리는 재건하고 사람들이 원하는 것을 둘려주고 싶다. 우리는 그저 점점 더 호화로운 로봇 도구나 장치를 만들고 싶지 않다"고 말했다. 연구팀은 인터스페이스를 테스트 하기 위해 14명의 참가자를 두 그룹으로 나누어 생체의료용 의족을 착용하게 했다. 7명은 AMI 수술을 받았고, 7명은 수술을 받지 않았다. 연구 결과에 따르면 AMI 절단 수술을 받은 사람들은 경사로, 계단, 방해가 되는 경사로 등 다양한 난코스를 포함한 실제 환경을 더 잘 탐색하는 것으로 나타났다. 연구팀은 AMI 수술과 신경 제어 인공다리를 사용한 7명의 절단 환자를 대상으로 연구를 진행했다. 연구 결과 참가자들의 보행 속도는 기존 인공 다리를 사용할 때보다 41% 향상되었으며, 절단을 겪지 않은 일반 사람들의 보행 능력과 유사한 수준에 도달했다. 연구 결과는 지난 1일 학술지 '네이처 메디신(Nature Medicine)'에 게재됐으며, 특수 절단 수술(AMI)과 신경 제어 인공 다리를 사용한 참가자들의 보행 속도가 향상되었음을 보여줬다. 연구팀은 인공 다리 제어에 실제 몸의 위치 감각의 18%만 사용되었을 가능성이 있다고 밝혀 향후 더 큰 기능을 발휘할 수 있음을 시사했다. 이번 연구는 신경계를 이용해 자연스러운 보행 속도와 걸음걸이 패턴을 보여준 최초의 사례라는 점에서 큰 의의를 지닌다. 또한 AMI 수술과 신경 제어 바이오닉 다리가 절단 환자들의 삶의 질을 크게 향상시킬 수 있다는 가능성을 제시했다. 책임 연구원인 휴 허 박사는 절단 환자가 인공 다리를 착용하는 데 따른 불편감을 최소화하기 위해 다양한 속도에 맞게 조절이 가능하다고 강조했다. 휴 허 박사는 인공 다리 분야의 선구적인 연구로 유명한 인물이다. 그는 1982년 등반 사고로 양쪽 다리를 절단한 후 인공 다리 기술 개발에 헌신하며 절단 환자들의 삶의 질을 개선하는 데 앞장서고 있다. 허 박사는 인공 다리가 단순히 걷는 기능을 넘어 자연스럽고 편안한 보행을 가능하게 하는 데 초점을 맞추고 있다. 허 박사에 따르면 AMI 신경 보철물은 일반인에게 제공되지는 않지만, 전 세계에서 약 60명에게 AMI 수술을 시행했다. 한편, 연방 의료 연구 및 품질 기관에서 발표한 2018년 보고서에 따르면 미국인 190만 명이 사지가 절단된 채 살아가고 있다. 이는 알려진 위험 요인인 당뇨병 발병률 증가로 인해 2050년까지 두 배로 증가할 것으로 예상된다. 현재 미국에서 절단 환자의 절반 이상이 인공 다리 처방을 받지 못하고 있으며, 보험 적용 범위 문제 등으로 인해 최신 기술을 갖춘 인공 다리 사용이 어려운 실정이다. MIT 연구팀은 향후 5년 안에 신경 제어 인공 다리를 상용화할 계획으로, 이 기술이 절단 환자들의 사회 복귀에도 도움이 될 것으로 기대하고 있다.
- IT/바이오
2024-07-02
[신소재 신기술(67)] 100% 생분해되는 보리 플라스틱 개발

덴마크 코펜하겐 대학교 연구팀이 100% 생분해되는 플라스틱을 개발하고 있다. 이 플라스틱은 보리 전분으로 만들어지며, 기존 플라스틱에 비해 훨씬 빠른 속도인 약 2개월만에 분해된다고 투머로우 월드투데이가 보도했다. 플라스틱은 가볍고 질기며 저렴한 가격과 다양한 활용성 등 많은 장점을 가지고 있지만 환경 오염 문제를 일으키는 주요 원인 중 하나다. 코펜하겐 대학교에 따르면 플라스틱 생산 과정에서 발생하는 이산화탄소 배출량은 전체 항공 교통량을 합친 것보다 많다. 또한 자연적으로 분해되지 않고 미세 플라스틱 형태로 환경에 잔류해 심각한 문제를 야기한다. 미세 플라스틱은 인체의 뇌와 폐, 태반을 비롯해 고환과 음경 등의 생식기에도 검출됐다는 새로운 연구가 속속 발표되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 코펜하겐 대학교 연구팀은 변형된 보리 전분으로 만들어져 2개월 안에 완전히 분해되는 새로운 플라스틱을 개발했다. 이 플라스틱은 작물에서 얻은 천연 식물성 원료를 사용해 식품 포장재 등에 활용될 수 있다. 연구팀의 안드레아스 블레노우 교수는 "플라스틱 폐기물 문제는 재활용만으로는 해결할 수 없다"며 "우리는 기존 바이오 플라스틱보다 강하고 물에 대한 내성이 뛰어난 새로운 종류의 바이오 플라스틱을 개발했다"고 밝혔다. 또한 "이 플라스틱은 100% 생분해 가능하며, 미생물에 의해 퇴비로 전환될 수 있다"고 부연했다. 새로운 바이오 플라스틱은 아밀로스와 셀룰로오스라는 식물성 원료를 주성분으로 하며 쇼핑백, 포장재 등 다양한 용도로 활용될 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 연구팀은 아직 실험실 단계의 시제품만 개발했지만 덴마크를 비롯한 여러 지역에서 대량 생산이 가능할 것으로 전망했다. 블레노우 교수는 "바이오 플라스틱은 새로운 개념에 아니지만 오해의 소기자 있는 이름"이라고 지적했다. 현재 제한된 양의 바이오 플라스틱만이 분해 가능하며, 산업용 퇴비화 공장에서 특수한 조건에서만 분해된다는 게 그의 설명이다. 그는 "저는 그 이름이 적절하지 않다고 생각한다. 가장 흔한 유형의 바이오 플라스틱은 자연에 버려지면 쉽게 분해되지 않기 때문이다"라고 말했다. 블레노우 교수는 "플라스틱이 분해되는 과정은 수년이 걸릴 수 있으며, 일부는 미세 플라스틱으로 계속 오염을 일으킨다"며 "바이오 플라스틱을 분해하기 위해서는 특수 시설이 필요하다"고 거듭 강조했다. 소위 바이오 북합체에는 자연적으로 분해되는 여러 가지 성분이 포함되어 있다. 주요 성분은 식물계에서 흔히 볼 수 있는 아밀로스와 셀룰로오스다. 예를 들어 아밀로스는 옥수수, 감자, 보리 등에서 추출된다. 어밀로스와 셀룰로오스는 길고 강한 분자 사슬을 형성한다. 아밀로스가 풍부한 전분의 전체 생산 사슬을 이미 존재한다. 실제로 매년 수백만 톤의 순수 감자 전분과 옥수수 전분이 생산되어 식품 산업과 다른 여러 분야에서 사용된다고 불레노우 교수는 밝혔다. 그러나 플라스틱을 효율적으로 재활용하는 것은 결코 간단하지 않다. 각각의 플라스틱의 주요 차이점으로 인해 플라스틱을 분류하는 방법이 다 다르기 때문이다. 또 플라스틱을 재활용하기 위해서는 오염 물질이 용기 내부에 조금이라도 남아 있으면 안 된다. 블레노우 교수는 "플라스틱 재활용은 복잡하고 어려운 문제이며, 근본적인 해결책이 될 수 없다"며 "플라스틱처럼 작동하면서 환경을 오염시키지 않는 새로운 소재를 개발하는 것이 중요하다"고 강조했다. 현구팀은 현재 특허 출원을 처리 중이다. 승인되면 새로운 바이오 복합소재를 생산할 수 있는 기반이 마련될 수 있다.
- 포커스온
2024-07-01
애플, 공격적 할인으로 5월 중국 아이폰 판매량 40% 급증

애플 아이폰이 가격 할인을 앞세워 중국에서 판매량이 크게 늘어난 것으로 나타났다. 6월 30일(현지시각) 로이터통신 등 외신들에 따르면 중국 공업정보화부 산하 중국정보통신기술원(CAICT)은 지난 6월 중국 내 외국 브랜드 스마트폰 출하량은 502만8000대를 기록했다고 밝혔다. 이는 지난해 같은 기간 360만3000대보다 142만5000대(약 40%) 늘어난 수치다. CAICT는 애플을 명시적으로 언급하지는 않았지만 중국 시장에서 외국 브랜드 스마트폰은 아이폰이 대부분을 차지한다고 블룸버그통신 등은 전했다. 이에 따라 아이폰은 올해 초 중국에서 화웨이 등 현지 업체들과의 경쟁 심화로 판매 부진을 겪은 이후 3개월 연속 출하량 증가를 기록했다. 아이폰의 올해 1∼2월 출하량은 전년 같은 기간 대비 37% 줄어들었다. 그러나 지난 3월에는 12% 증가한 데 이어 4월에도 52%, 5월에는 40% 급증했다. 이 같은 아이폰 출하량 증가는 가격 할인에 따른 것으로 풀이된다. CAICT 보고서에 따르면 애플의 5월 출하량 급증은 중국의 공식 Tmaa 사이트에서 제공한 공격적인 할인에 기인한다고 밝혔다. 애플은 지난 2월 중국 시장에서 판매가 부진해지자 당시 최고 할인 금액으로 1150위안(약 21만6000원)을 깎아서 팔았다. 또 지난달 20일부터 다시 할인 행사에 들어가 일부 모델에 대해서는 지난 2월의 배 수준인 최대 2300위안(약 43만2000원)을 인하했다. 글로벌 리서치 기업 카운터포인트 테크놀로지 마켓 리서치는 지난 6월 25일 보도자료에서 중국에서의 애플 매출은 2023년보다 더 강력한 프로모션과 약 2주일 더 긴 618 쇼핑 페스티벌로 수혜를 입었다고 밝혔다. 올해의 618 페스티벌은 5월 20일부터 6월 20일까지 진행됐다. 2023년 618기간은 5월 31일부터 6월 18일까지였다.
- IT/바이오
2024-07-01
[신소재 신기술(66)] 혁신적인 '빛 수확 시스템', 태양 전지 효율 38% 개선

독일 과학자들이 태양 전지의 효율성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 혁신적인 광 수확 시스템을 개발했다. 율리우스 막시밀리안 대학교(JMU) 연구팀은 전체 가시광선 스펙트럼을 흡수하여 태양 에너지를 보다 효율적으로 활용할 수 있는 새로운 시스템을 설계했다고 인터레스팅엔지니어링과 인티펜던트 등 다수 외신이 27일(현지시간) 보도했다. 연구 환경에서 실험 결과, 이 시스템은 입사광의 38%를 형광으로 변환하여, 기존 시스템 대비 비약적인 발전을 이루었다. 현재 상용화된 태양 전지에 사용되는 광 수집 시스템은 효율성이 낮다. 실리콘 등 무기 반도체 재료로 제작되어 가시광선 전체 스펙트럼을 흡수할 수 있지만, 흡광도가 매우 낮아 더 많은 빛을 흡수하기 위해 두꺼운 실리콘 층이 필요하며, 이는 태양 전지의 무게 증가로 이어진다. 연구팀은 광합성을 통해 넓은 스펙트럼의 빛을 활용하는 식물과 박테리아 등 자연 시스템에서 영감을 얻어, 네 가지 메로시아닌 염료를 사용하여 빛 수확 안테나를 설계했다. 이 염료들은 정교하게 접히고 쌓여 초고속으로 에너지를 효율적으로 전달할 수 있다. 이 혁신적인 빛 수확 시스템 프로토타입은 네 가지 염료 성분이 흡수하는 파장(자외선 U, 적색 R, 보라색 P, 청색 B)을 따서 URPB라고 명명됐다. 보도자료에 따르면 연구팀은 광 수확 시스템 성능을 검증하기 위해 형광 양자 수율(시스템이 형광 형태로 방출하는 에너지의 양)을 측정했다. 네 가지 염료를 개별적으로 사용할 경우, 빛 에너지의 약 1~3%만 수집할 수 있다. 하지만 새로운 시스템에서는 이들을 통합적으로 활용하여 빛의 38%를 유용한 에너지로 변환하는 데 성공했다. JMU의 프랑크 뷔르트너 박사는 "이 시스템이 무기 반도체와 유사한 구조를 가지고 있어 '가시광선 범위 전체에 걸쳐' 빛을 흡수할 수 있다"고 설명했다. 또한 유기 염료의 높은 흡수율을 기반으로 자연광 수확 시스템처럼 얇은 층을 사용하여 상당한 양의 빛 에너지를 수집할 수 있다고 강조했다. 이변 연구 결과는 '헤테로메릭 염료 폴더머를 위한 초분자 엑시톤 밴드 엔지니어링에 의한 범색광 수확 안테나'라는 제목으로 '화학 저널(Chem)'에 게재됐다.
- 포커스온
2024-06-28
[신소재 신기술(65)] 다단계 발광으로 위조 방지 신기술 구현

캐나다 온타리오주에 있는 웨스턴 대학교 연구팀이 다단계로 빛을 방출하는 '지속 발광' 기술을 개발해 위조 방지 기술에 새로운 돌파구를 마련했다. 연구팀은 '지속 발광(PersL) 나노 형광체'라는 특수한 성질을 가진 물질을 사용해 다단계 보안 식별 표시를 생성하는 위조 방지에 혁신적인 기술을 개발했다고 아조나노가 전했다. 최근 졸업장, 화폐, 처방약, 예술 작품 등 다양한 문서의 위조 기술이 발전하고 있다. 기존에는 자외선에 노출됐을 때 빛을 발하는 발광 표시가 위조 방지책으로 사용돼 왔다. 그러나 위조범들은 이룰 우회하는 방법을 찾아냈다. 현재 위조 방지를 위해 사용되는 발광 물질은 자외선에 노출되면 발광 재료가 보인다. 그러나 광원을 제거하면 빛이 나지 않는다. 연구팀은 서스캐처원 대학교(USask)의 캐나다 광원(CLS)을 이용해 자외선이 꺼진 후에도 몇분 동안 육안으로 볼 수 있는 무기 인광 나노 입자로 구성된 새로운 위조 방지 소재를 개발했다. 이 소재는 또한 복제하기 어려운 독특한 붉은색 빛을 방출하며, 시간이 지남에 따라 점차 사라지는 특성을 가지고 있다. 일부 요소는 거의 즉시 사라지고, 다른 요소는 사라지는 데 몇 분이 걸리는 등 발광 지속 시간을 조절할 수 있다. 연구팀은 기본 재료인 산화마그네슘 게르마늄에 첨가되는 불순물(도펀트)을 조정하여 이러한 특성을 구현했다. 다단계 발광은 단일 발광 기술보다 복잡한 과정을 거치므로 위조가 어렵다. 각 단계별로 특정 조건(빛, 온도, 화학물질)을 만족해야만 다음 단계로 넘어가는 발광이 일어나도록 설계할 수 있다. 이러한 복잡성은 위조 기술의 수준을 넘어서기 때문에 위조 시도를 효과적으로 차단할 수 있다. 또한 다단계 발광 과정에 숨겨진 정보를 담을 수 있다. 특정 조건에서만 나타나는 숨겨진 발광 패턴이나 메시지는 정품 인증의 강력한 수단이 될 수 있다. 수석 저자인 이홍 류(Yihong Liu)와 그의 동료 연구팀은 마이크로미터 크기의 잔광 발광 소재가 이미 사용되고 있지만 더욱 정밀한 패턴 인쇄가 가능한 나노 크기의 지속 발광 소재를 개발했다. 이 소재는 기존 소재보다 더 오래, 더 밝게 빛나는 것이 특징이다. 연구팀은 CLS 에서 수집한 데이터를 연구에 활용했다. 류에 따르면 연구팀은 빔라인, 브록하우스(Brockhouse), SGM, IDEAS를 활용해 조율 가능한 잔광에 필수적인 도펀트(dopant, 전기 전도도를 변화시키기 위해 반도체에서 의도적으로 첨가시키는 불순물)와 기본 물질 간의 상호작용을 더 깊이 이해할 수 있었다. 이 연구는 미국화학학회(ACS) '응용 나노 물질(Applied Nano Materials)' 저널에 게재됐다. 참고: Liu, Y., et al. (2024) Multiband MgGeO3-Based Persistent Luminescent Nanophosphors for Dynamic and Multimodal Anticounterfeiting. ACS Applied Nano Materials doi.org/10.1021/acsanm.4c01069
- 포커스온
2024-06-27

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