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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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- 포커스온
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[신소재 신기술(43)] 투명 소재로 광전지 새로운 가능성 열어
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미국 최초의 나트륨 이온 배터리 공장, 미시간주 홀랜드에 건설
- 미국 최초의 나트륨 이온 배터리 공장이 미시간주 홀랜드에 건설됐다고 클린테크니카가 최근 보도했다. 리튬 이온 배터리는 2000년대 초반부터 재생 에너지 전환의 주력원이 되어왔지만 현재 에너지 저장 시징은 나트륨 이온 배터리를 주목하고 있다. 연구원들은 공급망 문제를 야기할 수 있는 기존 리튬 이온 배터리와 달리 높은 성능을 제공하는 새로운 나트륨 이온 배터리를 연구해왔다. 미국 스타트업 나트론 에너지(Natron Energy)는 지난 4월 29일 미시간 주 홀랜드에 위치한 공장 가동을 시작하면서 미국 최초의 상업용 규모 나트륨 이온 배터리 생산을 시작했다. 이 새로운 공장은 리튬 이온 배터리 공장을 개조했다. Natron은 이 공장을 통해 연간 600메가와트 규모의 나트륨 이온 배터리를 생산할 예정이다. 600메가와트는 1시간 동안 테슬라 모델 3과 같은 전기차를 약 1만800대를 충전할 수 있는 규모다. 이는 각 차량의 배터리 용량이 50kw이고 충전 효율이 90% 일 때의 계산 결과다. 다만, 이 공장은 초기에 급격히 증가하는 데이터 센터의 에너지 저장 요구를 충족시킬 예정이다. 나트론은 특히 인공지능 기술의 폭발적인 성장이 미국 데이터 센터에서 24시간 전력 공급 및 에너지 저장에 대한 더 큰 수요를 유발할 것으로 예상한다. 나트론은 홀랜드 공장이 향후 기가와트 규모 공장의 모델이 될 것으로 예상하며, 오프로드 산업용 차량, EV 고속 충전소 및 통신 분야 등 추가 시장을 목표로 하고 있다. 미 정부, 나트륨 이온 배터리 개발 지원 미국 에너지부(DOE)가 나트론의 새로운 나트륨 이온 배터리 공장 건설에 기여했다. 2020년 9월, 나트은 고위험 고수익 프로젝트 지원을 위한 에너지부 ARPA-E 사무소로부터 1990만 달러(약 274억원)의 지원금을 받았다. 이 지원금은 새로운 공장 건설을 목표로 하며, 6개월 동안 지속적인 생산 및 판매를 통해 공급망 및 제품의 완전한 위험 제거를 목표로 한다. ARPA-E는 회사의 8킬로와트 50볼트 배터리 트레이가 주로 데이터 센터의 최대 부하량 관리 및 비상 백업 전력 공급을 위해 설계되었지만, EV 고속 충전소 및 그리드 규모 저장과 같은 신흥 시장도 타겟으로 하고 있다고 말했다. ARPA-E는 또한 "나트론의 트레이는 기존 제품에 비해 데이터 센터 운영자에게 최대 2배 높은 출력 밀도와 10배 긴 수명주기를 제공하며 우수한 안전 성능을 보유하고 있다"고 덧붙였다. 은백색 금속 원소인 나트륨(라틴어 natrium에서 유래된 화학 기호 Na)의 지속 가능성 요인은 나트륨 이온 배터리에 대한 관심을 끌고 있다. 하지만 미래의 배터리로 주목받아온 나트륨 이온 배터리는 최근 몇 년 전까지도 쉽게 구현되지 못했다. 나트륨은 리튬보다 훨씬 풍부하지만 무게도 훨씬 무겁다. 전기차용 에너지 저장 측면에서 리튬은 주행 거리 면에서 나트륨보다 유리하다. 반면 나트륨과 리튬 간의 화학적 친밀감은 배터리 연구에 도움이 된다. '피직스 매거진(Physics Magazine)'은 지난 주 "나트륨은 주기율표에서 리튬 바로 아래에 위치하여 화학적 특성이 매우 유사하다"고 설명했다. 나트륨 이온 배터리의 과제 나트륨 이온 배터리는 아직 초기 개발 단계이지만, 리튬 이온 배터리의 단점을 보완할 수 있는 차세대 배터리 기술로 주목받고 있다. 특히 대규모 에너지 저장 시스템(ESS), 저가형 전기 자동차, 항공 우주 분야 등에 활용될 가능성이 높다. 리튬 이온 배터리는 충전과 방전 과정에서 리튬 이온이 양극과 음극 사이를 이동하지만 나트륨 이온 배터리는 나트륨 이온이 음극과 양극 사이를 이동하는 것이 차이점이다. 나트륨 이온 배터리를 리튬보다 풍부하고 저렴하다. 또한 우수한 저온 성능(영하 20°C에서도 90% 이상의 용량 유지)을 제공하고 안전성이 높다. 반면 리튬 이온 배터리는 에너지 밀도가 높아 휴대폰, 노트북 등 소형 전자 기기에 적합하다. 단, 고온에서 성능 저하 및 안전 문제가 발생할 수 있다. 나트륨 이온 배터리는 에너지 말도가 낮으며 아직 초기 개발 단계라서 상용화에 시간이 걸릴 수 있다. 게다가 나트륨 이온을 전달하는데 적합한 전해질과 음극 재료 개발이 필요하다. 향후 지속적인 연구개발을 통해 나트륨 이온 배터리의 에너지 밀도를 높이고 상용화에 필요한 기술을 개발한다면 리튬 이온 배터리의 강력한 경쟁자가 될 것으로 예상된다.
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미국 최초의 나트륨 이온 배터리 공장, 미시간주 홀랜드에 건설
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[신소재 신기술(41)] 극한의 강도와 인성 가진 혁신적인 합금
- 미국 버클리 국립연구소 과학자들은 원자 수준에서 합금 결정의 꼬임이나 굽힘으로 인해 극한의 온도에서도 균열이 발생하지 않는 특별한 금속 합금을 발견했다. 과학 전문매체 사이테크데일리는 지난 4월 29일(현지시간) 로렌스 버클리 국립연구소와 UC 버클리의 연구원들이 개발한 신소재에 대해 거의 불가능에 가까운 강도와 인성으로 재료 과학자들에게 충격을 주는 혁신적인 새로운 합금이라고 전했다. 니오븀, 탄탈륨, 티타늄, 하프늄으로 구성된 금속 합금은 지금까지 거의 달성하기 불가능해 보였던 극한의 고온과 저온 모두에서 놀라운 강도와 인성을 보여주었다고 한다. 여기서 강도는 재료가 원래 모양에서 영구적으로 변형되기 전에 견딜 수 있는 힘의 양으로 정의되며, 인성은 파단(균열)에 대한 저항력을 의미한다. 광범위한 조건에서 굽힘과 파단에 대한 합금의 복원력은 더 높은 효율로 작동할 수 있는 차세대 엔진을 위한 새로운 종류의 재료에 대한 문을 열 수 있다고 평가된다. 이전에는 이러한 특성을 동시에 달성하는 것이 거의 불가능하다고 여겨졌다. 이 연구는 로버트 리치(Robert Ritchie) 박사가 이끄는 로렌스 버클리 국립연구소(Berkeley Lab)와 UC 버클리 팀과 디란 아펠리안(Diran Apelian) 교수가 이끄는 UC 어바인 팀, 엔리케 라베르니아(Enrique Lavernia) 교수가 이끄는 텍사스 A&M 대학교 팀의 협력으로 진행됐다. 이 연구는 최근 '사이언스(Science)' 저널에 게재됐다. 이 합금의 특징은 넓은 온도 범위에서 강도과 파손에 대한 놀라운 저항성을 가지고 있다는 것이다. 이는 차세대 엔진을 위한 새로운 소재 개발에 혁신을 가져올 수 있는 가능성을 열어준다. 새로운 금속 합금 RHEA/RMEA 연구팀은 이 합금의 놀라운 특성을 발견하고 원자 구조에서 발생하는 상호 작용으로 인해 이러한 특성이 어떻게 발생하는지 밝혀냈다. 이들은 특히 RHEA/RMEA(Refractory High or Medium Entropy Alloys)라고 불리는 새로운 금속 합금 계열에 속하는 합금에 집중했다. 리치 연구실의 박사 과정 학생인 제1저자 데이비드 쿡(David Cook)은 "열을 전기 또는 추력으로 변환하는 효율은 연료가 연소되는 온도에 따라 결정되며, 온도가 높을수록 더 좋다. 그러나 작동 온도는 이를 견뎌야 하는 구조 재료에 의해 제한된다"고 설명했다. 쿡 연구원은 "우리는 현재 고온에서 사용하는 재료를 더욱 최적화할 수 있는 새로운 금속 재료가 절실히 필요하다. 이 합금이 바로 그 가능성을 보여주는 것"이라고 덧붙였다. 기존 RMEA의 한계 돌파한 뛰어난 인성 대부분의 상업용 또는 산업용 응용 분야에서 사용되는 금속은 하나의 주요 금속에 소량의 다른 원소를 혼합하여 만든 합금이지만, RHEA/RMEA는 매우 높은 녹는점을 가진 금속 원소를 거의 동일한 비율로 혼합해서 만든다. 이로 인해 RHEA/RMEA는 과학자들이 아직 밝혀내지 못한 독특한 특성을 가지고 있다. 리치 박사 팀은 고온 응용 분야의 잠재력으로 인해 수년 동안 이러한 합금을 연구해 왔다. 해당 논문의 공동 저자인 푸닛 쿠마르(Punit Kumar)박사는 "저희 팀은 이전에 RHEA/RMEA에 대한 연구를 진행했으며 이러한 재료가 매우 강하지만 일반적으로 극도로 낮은 인성을 가지고 있다는 것을 발견했다. 따라서 이 합금이 예외적으로 높은 인성을 보이는 것을 발견했을 때 매우 놀랐다"고 말했다. 극한의 온도에서도 강도와 인성 유지 쿡에 따르면 대부분의 RMEA는 파단 인성이 10MPa√m 미만으로, 기록상 가장 부서지기 쉬운 금속 중 하나다. 골절에 견디도록 특별히 설계된 최고의 극저온 강은 이 소재보다 약 20배 더 강하다. 하지만 니오븀, 탄탈륨, 티타늄, 하프늄(Nb45Ta25Ti15Hf15) RMEA 합금은 상온에서 일반적인 RMEA보다 25배 이상의 강도를 기록하여 극저온 강철을 능가할 수 있었다. 연구팀은 -196°C(액체 질소 온도), 25°C(실온), 800°C, 950°C 및 1200°C의 총 5가지 온도에서 새로운 합금의 강도와 인성을 평가했다. 마지막 온도인 1200°C는 태양 표면 온도의 약 1/5에 해당한다. 마침내 연구팀은 합금이 추위에서는 가장 강도가 높고 온도가 상승함에 따라 다소 약해졌지만 여전히 넓은 범위에서 인상적인 수치를 자랑한다는 것을 발견했다. 인성은 기존 균열에 얼마나 많은 힘이 필요한지 계산해서 산출되며 모든 온도에서 높았다. 원자 배열의 비밀 풀기 거의 모든 금속 합금은 결정질이며, 이는 재료 내부의 원자가 반복 단위로 배열되어 있음을 의미한다. 그러나 완벽한 결정은 없으며 모두 결함을 포함하고 있다. 가장 눈에 띄는 결함은 결정 내 원자의 미완성 평면인 전위라고 불리는 결함이다. 금속에 힘이 가해지면 모양 변화를 수용하기 위해 많은 전위가 움직이게 된다. 예를 들어 알루미늄으로 만든 종이 클립을 구부리면 종이 클립 내부의 전위가 움직이면서 모양이 변한다. 그러나 낮은 온도에서는 전위의 움직임이 더 어려워지고, 그 결과 많은 재료가 저온에서 전위가 움직이지 못해 부서지기 쉽다. 타이타닉의 강철 선체가 빙산에 부딪혔을 때 부서진 것도 바로 이 때문이다. 녹는 온도가 높은 원소와 그 합금은 이러한 현상을 극한으로 끌어올려 800°C까지 부서지기 쉽다. 하지만 이 RMEA는 액체 질소(-196°C)와 같은 낮은 온도에서도 잘 깨지지 않는 특성을 보이고 있다. 공동 연구자인 앤드류 마이너와 연구팀은 이 놀라운 금속 내부 특성을 이해하기 위해 버클리 랩 분자 파운드리의 일부인 국립 전자 현미경 센터의 4차원 주사 투과 전자 현미경(4D-STEM)과 주사 투과 전자 현미경(STEM)을 사용해 응력을 받은 샘플과 구부러지지 않고 금이 가지 않은 대조 샘플을 분석했다. 전자 현미경 데이터에 따르면 합금의 특이한 인성은 '꼬임 밴드(kink band)'라는 희귀 결함의 예상치 못한 부작용에서 비롯된 것으로 밝혀졌다. 꼬임 밴드는 가해진 힘으로 인해 결정 조각이 스스로 붕괴되어 갑작스럽게 구부러질 때 결정에 형성된다. 연구팀은 이전 연구를 통해 RMEA에서 꼬임 밴드가 쉽게 형성된다는 사실을 알고 있었지만 연화 효과가 격자를 통해 균열이 퍼지기 쉽게 만들어 재료의 강도를 낮출 것이라고 가정했다. 하지만 실제로는 그렇지 않았다. 쿡은 "우리는 원자 사이에 날카로운 균열이 있는 경우 꼬임 밴드가 실제로 손상을 멀리 분산시켜 균열의 전파에 저항하여 균열을 방지하고 매우 높은 파괴 인성을 이끌어 낸다는 것을 처음으로 보여주었다"라고 말했다. 한편, 리치는 "기계 엔지니어는 실제 세계에서 사용하기 전에 재료의 성능에 대한 깊은 이해가 당연히 필요하기 때문에 Nb45Ta25Ti15Hf15 합금을 제트기 터빈이나 스페이스X 로켓 노즐과 같은 것을 만들기 전에 훨씬 더 근본적인 연구와 엔지니어링 테스트를 거쳐야 한다"고 지적했다.
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- 포커스온
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[신소재 신기술(41)] 극한의 강도와 인성 가진 혁신적인 합금
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왜 쓰레기를 화산에 던져서 태워버릴 수 없을까
- 쓰레기를 용암이 끓고 있는 화산에 던져서 태우지 않는 이유는 무엇일까. 화산의 용암이 일부 쓰레기를 태울 정도로 뜨거운 것은 사실이다. 지난 2018년 하와이 빅아일랜드에서 킬라우에아 화산이 폭발했을 때, 용암류는 섭씨 1100도 이상이었다. 이는 금성 표면보다 더 뜨거운 온도다. 암석을 충분히 녹일 정도로 높은 온도였다. 쓰레기를 태우는 폐기물 소각로의 온도가 섭씨 1000~1200도임을 감안하면, 화산의 용암류로도 쓰레기를 태울 수 있을 것이라는 짐작을 하게 된다. 그러나 야후 테크에 실린 정보에 따르면 실제는 그렇지 않다. 모든 화산 용암이 그렇게 높은 온도인 것은 아니다. 하와이에서의 킬라우에아 화산 폭발은 현무암이라고 불리는 일종의 용암을 생성한다. 현무암은 다른 화산에서 분출되는 용암보다 훨씬 뜨겁고 더 유동적이다. 워싱턴주의 세인트 헬렌스 산에서 분출한 화산 등 일반적인 화산의 경우 현무암보다 더 두꺼운 데이사이트 용암(석영안산암 화산암)이다. 세인트 헬렌스 산에서 2004~2008년까지 분출된 화산은 표면 온도가 섭씨 704도 미만의 용암 돔을 생성했다. 다시 말해 쓰레기를 완전히 태울 충분한 고온이 형성되지 않는다는 의미다. 온도 외에도, 화산에서 쓰레기를 태울 수 없는 이유가 몇 가지 더 있다. 첫 번째로, 섭씨 1100도 온도의 용암은 음식물 찌꺼기, 종이, 플라스틱, 유리 및 일부 금속 등을 녹일 수는 있지만, 강철, 니켈 등 특수한 일부 물질들은 녹이지 못한다. 둘째, 지구에는 쓰레기를 버릴 수 있는 용암 호수나 용암으로 가득 찬 그릇 모양의 분화구가 있는 화산이 많지 않다. 지구상에 있는 수천 개의 화산 중, 과학자들이 발견한 활화산 용암 호수는 남극의 킬라우에아, 에레부스 산, 콩고민주공화국의 니라공고 등을 포함해 8개에 불과하다. 대부분의 활화산은 세인트 헬렌스 산과 같이 바위와 냉각된 용암으로 채워진 분화구이거나 오레곤주의 크레이터 호수처럼 물로 채워진 분화구들이다. 세 번째는 활성 용암 호수라 해도 이곳에 쓰레기를 버리는 것은 매우 위험하다는 사실이다. 용암 호수는 냉각된 용암의 지각으로 덮여 있지만, 그 지각 바로 아래는 용암이 녹아 있어 온도가 매우 높다. 암석이나 다른 물질들이 용암 호수의 표면으로 떨어지면 지각이 깨지고, 밑에 있는 용암의 흐름을 방해해 폭발을 일으키게 된다. 2015년 킬라우에아에서 이런 사태가 일어났다. 분화구 가장자리의 암석 덩어리가 용암 호수로 떨어져 큰 폭발을 일으켰고, 암석과 용암이 분화구 위로 분출됐다. 사람이 용암 호수에 쓰레기를 버린다면 불타 오르는 쓰레기와 폭발하는 용암을 피해 도망치는 방법을 고안해야 할 것이다. 화산에 쓰레기 버리면 유독가스 방출 용암 호수에 쓰레기를 안전하게 버릴 수 있다고 가정한다면 어떻게 될까. 플라스틱, 쓰레기, 그리고 금속이 연소되면 많은 유독 가스가 방출된다. 화산은 이미 황, 염소, 그리고 이산화탄소 등 수많은 유독 가스를 배출하고 있다. 유황 가스는 ‘보그(vog)’라고 부르는 산성 안개를 생성한다. 이는 식물을 죽이고 근처에 거주하는 사람들에게 호흡기 질환을 일으킬 수 있다. 이처럼 위험한 화산 가스에 쓰레기를 태울 때 발생하는 다른 가스가 섞이면 화산 근처의 사람과 식물에 더욱 해로울 것이다. 마지막으로, 많은 원주민 공동체는 화산을 신성한 장소로 여긴다. 예를 들어, 킬라우에아에 있는 할레마우마우 분화구는 하와이 원주민이 섬기는 불의 여신 펠레의 고향으로 여겨지고 있으며, 분화구 주변은 하와이 원주민에게는 신성한 지역이다. 화산에 쓰레기를 버리는 것은 그들에게는 큰 모욕이 될 것이다.
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- IT/바이오
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왜 쓰레기를 화산에 던져서 태워버릴 수 없을까
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[신소재 신기술(39)] 식염수로 폐전자제품서 희토류 광물 회수
- 미국 에너지부 산하 태평양 북서부 국립연구소(Pacific Northwest National Laboratory) 연구원들은 폐전자제품에서 망간, 마그네슘, 디스프로슘, 네오디뮴 등 주요 희토류를 선택적으로 회수하는 방법을 개발했다고 마이닝닷컴이 전했다. 연구팀은 간단한 혼합염 수용액과 금속 특성에 대한 지식을 활용하여 연속 흐름 반응로(챔버)에서 이러한 미네랄을 분리할 수 있었다. 두 개의 보완 연구 기사에 자세히 설명되어 있고 시애틀에서 열린 2024 재료 연구 학회(MRS) 춘계 회의에서 발표된 이 방법은 두 개의 서로 다른 액체가 지속적으로 함께 흐르는 화학 반응 챔버에 배치되었을 때 서로 다른 금속의 거동을 기반으로 합니다. 연구팀은 금속이 시간이 지남에 따라 서로 다른 속도로 고체를 형성하는 경향을 이용하여 금속을 분리하고 정제했습니다. 이 방법은 2024년 시애틀에서 열린 재료 연구 학회(MRS) 봄 회의 발표와 함께 두 편의 연구 논문에 상세히 설명되어 있으며, 두 개의 서로 다른 액체가 지속적으로 함께 연속 흐름 반응로(챔버)에서 다른 금속들의 행동을 기반으로 한다. 연구팀은 금속들이 서로 다른 속도로 고체를 형성하는 경향을 이용하여 광물을 분리 및 정제했다. 이 그룹은 2024년 2월에 처음으로 두 가지 필수 희토류 원소인 네오디뮴과 디스프로슘을 혼합 액체에서 성공적으로 분리했다고 보고했다. 기존 분리 방법에 일반적으로 필요한 30시간에 비해 4시간 만에 반응 챔버에서 두 개의 분리되고 정제된 고체가 형성되었다. 두 가지 중요한 광물은 무엇보다도 컴퓨터 하드 드라이브와 풍력 터빈에서 발견되는 영구 자석을 제조하는 데 사용된다. 지금까지 매우 유사한 특성을 가진 이러한 요소를 분리하는 것은 어려운 일이었다. 전자 폐기물에서 이를 경제적으로 회수할 수 있는 능력은 이러한 주요 광물의 새로운 시장과 공급원을 열 수 있다. 이 두 가지 중요 광물은 컴퓨터 하드 드라이브와 풍력 터빈 등에 사용되는 영구 자석 제조에 사용된다. 지금까지는 성질이 매우 유사한 이러한 원소들을 분리하는 것은 어려운 과제였다. 전자 폐기물에서 이들을 경제적으로 회수할 수 있는 능력은 이러한 중요 광물의 새로운 시장과 공급원을 열 수 있다. 마그네슘 공급원인 광산 폐기물과 염수 전자 폐기물에서 광물을 회수하는 것이 이 분리 기술의 유일한 응용 분야는 아니다. 연구팀은 바닷물은 물론 광산 폐기물과 염호 염수로부터 마그네슘을 회수하는 방법을 연구하고 있다. 수석 연구원 친푸 왕(Qingpu Wang)은 보도자료에서 “다음으로 더 많은 양의 제품을 효율적으로 회수하기 위해 원자로 설계를 수정하고 있다”고 말했다. 왕과 그의 동료 엘리아스 나쿠지(Elias Nakouzi)는 보완 기술을 사용해 용해된 리튬 이온 배터리 폐기물을 모방한 용액에서 거의 순수한 망간(>96%)을 회수할 수 있음을 보여주었다. 배터리용 망간은 전 세계적으로 소수의 회사에서 생산되며 주로 음극 또는 배터리의 음극 또는 음극에 사용된다. 본 연구에서 연구팀은 젤 기반 시스템을 사용하여 샘플 내 금속의 다양한 이동 및 반응 속도를 기반으로 물질을 분리했다. 나쿠지는 "이 프로세스의 장점은 간단하다는 것이다"라고 말했다. 그는 "고비용 또는 특수 재료에 의존하는 대신 우리는 이온 거동의 기본 원리를 다시 생각했다. 그리고 거기에서 영감을 얻었다"라고 설명했다. 연구팀은 연구 범위를 확대하고 중요 미네랄과 희토류 원소의 안정적인 국내 공급망을 제공하기 위해 환경 친화적인 새로운 분리 기술을 개발하는 PNNL의 새로운 이니셔티브인 '비평형 수송 구동 분리(NETS, Non-Equilibrium Transport Driven Separations)'를 통해 프로세스를 확장시킬 예정이다. 나쿠지는 "이 접근 방식은 복합적인 공급 흐름과 다양한 화학 성질로부터의 화학 분리와 관련하여 폭넓게 적용될 것으로 예상되며, 이는 더욱 지속 가능한 재료 추출 및 처리를 가능하게 할 것으로 기대한다"라고 말했다.
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[신소재 신기술(39)] 식염수로 폐전자제품서 희토류 광물 회수
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줄자 다리를 사용해 빠르게 기어오르는 등산 로봇 등장
- 줄자 다리를 이용해 스마트하고 독특한 방법으로 금속 구조물을 올라갈 수 있는 새로운 바퀴 달린 로봇이 등장해 주목된다고 온라인 매체 뉴아틀라스가 전했다. 이 로봇은 줄자로 거리를 측정해 길이를 늘리거나 줄이면서 이동할 수 있는 팔다리로 만들어졌다. 기능이 개선되면 타워, 다리, 발전소, 선박과 같은 구조물이나 제품을 검사하거나 수리하는 용도로 발전할 가능성이 농후하다는 진단이다. 수직으로 곧추선 금속 표면 위로 오르내릴 수 있는 로봇은 다수 등장했지만, 이들 대부분은 진공 시스템과 바퀴의 조합, 또는 자석 발을 가진 다리들을 사용한다. 그러나 이 로봇들은 느리게 움직이고 기계적으로 복잡하며 상대적으로 작은 장애물들을 통과하지 못한다는 단점이 있었다. 이런 단점을 개선해 새로 선보인 로봇은 EEWOC(Extended-reach Enhanced Wheeled Orb for Climbing), 즉 기어오르는 확장 가능한 바퀴 구조로 설계됐다. 팔다리에 줄자가 들어가 늘이거나 줄일 수 있는 것. 로봇 프로토타입은 UCLA 로봇 공학 및 메커니즘 연구소(RoMeLa)의 저스틴 콴, 밍장 주, 데니스 홍 연구팀이 개발, 국제 디자인 엔지니어링 기술 컨퍼런스에서 발표됐다. 로봇은 땅이나 금속 등 수평 표면에 있을 때는 두 개의 바퀴로 굴러간다. 그러나 가파른 경사면을 오르게 되면 EEWOC는 EEMMa(이동 및 조작을 위한 탄력적 확장 메커니즘)로 개발된 팔다리를 수직으로 뻗는다. 이 장치는 로봇의 몸 안에 전동 스풀이 탑재된 줄자 구조다. 줄자는 로봇의 외부로 뻗어나가 거꾸로 된 U자 모양을 만들고, 다시 아래로 내려가 로봇의 꼭대기에 고정된다. 그리고 이동하고자 하는 곳에 전자석이 장착된 도구(엔드 이펙터)를 보내 고정시키고 줄자를 당겨 이동하게 된다. 작동 원리는 어렵지 않다. 상상하자면 세계적으로 흥행한 영화 ‘인디애나 존스’에서 존스 박사가 채찍을 던져 끝을 고정시키고 타잔처럼 이동하는 모습과 유사하다. EEMMMa 장치는 줄자를 늘리면서 시작한다. 그러면 줄자가 늘어나 사지가 길어지고(최대 1.2m 길이), 자석이 달린 엔드 이펙터는 역 U자 상단에 위치해 부착된다. 로봇은 줄자를 다시 스풀에 감으면서 본체를 이동한다. 이 같은 작업을 반복 수행해 경사진 어떤 방향이든 줄자 최대 거리 이내에서 표면 또는 공간 이동이 가능하다. 엔드 이펙터에는 브레이크가 포함돼 있어 로봇 본체의 이동을 조정할 수 있도록 해 원하는 이동 목표 지점에 대한 접근성을 높였다. 구형으로 만들어진 로봇의 지름은 260mm이고, 무게는 2.1kg에 불과하다. 로봇은 또한 초당 0.24m의 최대 등반 속도를 낸다. 이는 지금까지 만들어진 로봇 가운데 가장 빠른 등반 로봇 중 하나다. 연구팀은 다양한 방향으로 이동할 수 있는 발전된 EEMMMa 장치를 로봇에 적용할 방침이다. 그렇게 되면 전후좌우 가리지 않고 이동하는 것이 가능하다고. 연구팀은 나아가 나무나 콘크리트 벽과 같은 표면에서도 이동할 수 있는 비자성 EEMMMa 개발도 구상하고 있다.
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- IT/바이오
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줄자 다리를 사용해 빠르게 기어오르는 등산 로봇 등장
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[신소재 신기술(38)] 한국 과학자팀, 상온 상압에서 다이아몬드 최초 합성
- 한국 기초과학연구원 연구원들이 새로운 액체 금속 합금 시스템을 사용해 상온 상압에서 다이아몬드 합성에 성공했다. 기초과학연구원(IBS)은 다차원탄소재료연구단 로드니 루오프 연구단장 팀이 갈륨, 철, 니켈, 실리콘으로 구성된 액체 금속 합금을 이용해 1기압과 1025°C의 상온 상압 조건에서 다이아몬드를 합성하는 데 세계 최초로 성공했다고 25일 밝혔다. 이 연구는 기존의 다이아몬드 합성 방법을 획기적으로 발전시킬 수 있는 성과라고 사이언스얼럿과 과학기술 웹사이트 Phsy 등에서도 비중있게 다뤘다. 기존의 다이아몬드 합성은 고온 고압(HPHT) 방법을 사용하며, 고온고압 조건을 유지하기 위한 압력 셀 제한 크기 때문에 다이아몬드 크기도 작아서 약 1㎠로 제한된다. 일반적으로 다이아몬드는 액체 금속 촉매를 사용해 '기가파스칼 압력 범위'(일반적으로 5~6GPa, 1GPa는 약 1만 기압)와 1300~1600°C의 고온에서만 다이아몬드를 생산할 수 있다. 천연 다이아몬드는 지하 깊은 곳의 극식한 압력과 온도에서 형성되는 데 수십억년이 걸린다. 합성 다이아몬드는 최대 몃 주 동안 강력한 압착이 필요하다. IBS 연구팀이 이번에 개발한 액체 금속 혼합을 기반으로 한 새로운 방법은 기존 다이아몬드 합성 패러다임을 깨고,1025도 온도 및 1기압 압력 조건에서 처음으로 다이아몬드를 합성했다. 이는 우리가 해수면에서 느끼는 압력과 동일하며 일반적으로 요구되는 압력보다 수만 배 더 낮다. 연구팀은 빠르게 가열과 냉각이 가능한 'RSR-S'라는 냉벽 진공 장치를 자체 제작해 통상 3시간 걸리는 기존 장치들과 달리, 15분이면 끝날 수 있게 했다. RSR-S는 온도와 압력을 빠르게 조절해 액체 금속 합금을 만드는 장치다. 연구팀은 메탄과 수소에서 갈륨 77.75%, 니켈 11.00%, 철 11.00%, 실리콘 0.25%로 구성된 액체 금속 합금을 만들어 하부 표면에서 다이아몬드 구성 물질인 탄소가 성장하는 것을 확인했다. 이 연구는 '네이처(Nature)' 저널 온라인에 게재됐다. 현재 다양한 산업 공정, 전자 제품, 심지어 양자 컴퓨터에 사용되는 대부분의 합성 다이아몬드를 만드는 데 사용되는 공정은 며칠이 걸리며 훨씬 더 많은 압력이 필요하다. 이 새로운 기술이 그 잠재력을 발휘한다면 다이아몬드 제작은 훨씬 더 빠르고 쉬워질 것이다. UNIST 석좌교수이기도 한 루오프 소장은 "이 선구적인 돌파구는 인간의 독창성과 끊임없는 노력, 그리고 많은 공동 연구자들의 협력이 만들어낸 결과"라고 말했다. 연구팀은 "액체 금속을 사용하는 일반적인 접근 방식은 다양한 표면에서 다이아몬드의 성장을 가속화하고 발전시킬 수 있으며 아마도 작은 다이아몬드(씨앗) 입자에서 다이아몬드의 성장을 촉진할 수 있다"라고 썼다. 루오프 소장은 "우리는 대형 챔버(내부 용적이 100리터인 RSR-A 챔버)에서 파라미터 연구를 진행했는데, 공기를 펌핑(약 3분)하고 불활성 가스로 퍼지(90분)한 다음 다시 진공 수준으로 펌프 다운(3분)하여 챔버를 1기압의 매우 순수한 수소/메탄 혼합물로 채우고(다시 90분) 실험을 시작하는 데 3시간 이상 소요되는 시간 때문에 다이아몬드 성장을 위한 파라미터 탐색이 더뎠다!"고 밝혔다. 이어 성원경 박사는 "메탄과 수소의 혼합물에 노출된 액체 금속으로 실험을 시작하고 완료하는 데 필요한 시간을 크게 줄이기 위해 훨씬 더 작은 챔버를 설계하고 제작하도록 요청했다"고 말했다. 성 박사는 "우리가 새로 제작한 시스템 즉, 내부 용적이 9리터에 불과한 RSR-S은 총 15분 만에 메탄/수소 혼합물을 펌핑, 퍼지, 배출, 채우기까지 완료할 수 있다. 매개변수 연구가 크게 가속화되었고, 이를 통해 액체 금속에서 다이아몬드가 성장하는 매개변수를 발견할 수 있었다"라고 설명했다. 제1저자인 얀 공 UNIST 대학원생은 "어느 날 RSR-S 시스템으로 실험을 진행한 후 흑연 도가니를 식혀 액체 금속을 고형화한 후 고형화된 액체 금속 조각을 제거했을 때, 이 조각의 바닥면에 수 밀리미터에 걸쳐 '무지개 무늬'가 퍼진 것을 발견했다. 그 무지개 색이 다이아몬드 때문이라는 사실을 알게 되었다! 이를 통해 다이아몬드의 재현 가능한 성장에 유리한 매개변수를 파악할 수 있었다"라고 말했다. 연구팀은 또 '광 발광 분광법' 실험으로 물질에 빛을 쏘아 방출되는 파장 빛을 준석해 다이아몬드 내 '실리콘 공극 컬러 센터' 구조도 발견했다. 이 구조는 액체 금속 합성 구성요소 중 하나인 실리콘이 탄소로만 이루어진 다이아몬드 결정 사이에 끼어들어 있는 것이다. 실리콘 공극 컬러 센터 구조는 양자 크기의 자성을 가져 자기 민감도가 높고, 양자 현상(양자적인 특성)을 보인다. 그로 인해 향후 나노 크기의 자기 센서 개발과 양자 컴퓨팅 분야의 응용이 기대된다. 논문 공동 저자인 메이후이 왕 박사는 "실리콘 공극 컬러 중심을 가진 이 합성 다이아몬드는 자기 감지 및 양자 컴퓨팅에 응용될 수 있을 것"이라고 말했다. 연구팀은 이러한 새로운 조건에서 다이아몬드가 핵을 형성하고 성장할 수 있는 메커니즘에 대해 심도 있게 연구했다. 시료의 단면을 고해상도 투과전자현미경(TEM)으로 촬영한 결과 다이아몬드와 직접 접촉한 고체 액체 금속에 약 30~40nm 두께의 비정질 표면 영역이 존재하는 것으로 나타났다. 공동 저자인 최명기 박사는 "이 비정질 영역의 상부 표면에 존재하는 원자의 약 27%가 탄소 원자였으며, 탄소 농도는 깊이에 따라 감소하는 것으로 나타났다"고 말했다. 연구팀은 또한 실리콘이 다이아몬드의 새로운 성장에 중요한 역할을 한다는 사실도 발견했다. 합금의 실리콘 농도가 최적 값보다 증가함에 따라 성장한 다이아몬드의 크기는 작아지고 밀도는 높아진다. 실리콘을 첨가하지 않으면 다이아몬드를 전혀 성장시킬 수 없었으며, 이는 실리콘이 다이아몬드의 초기 핵 형성에 관여할 수 있음을 시사한다. 루오프 소장은 "이 액체 금속에서 다이아몬드의 핵 형성과 성장에 대한 우리의 발견은 매우 흥미롭고 기초 과학을 위한 많은 흥미로운 기회를 제공한다. 이제 우리는 핵 형성과 그에 따른 다이아몬드의 빠른 성장이 언제 일어나는지 탐구하고 있다. 또한 탄소와 기타 필요한 원소의 과포화를 먼저 달성한 다음 온도를 빠르게 낮춰 핵 생성을 촉발하는 '온도 강하' 실험도 유망한 연구"라고 말했다.
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- 포커스온
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[신소재 신기술(38)] 한국 과학자팀, 상온 상압에서 다이아몬드 최초 합성
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[먹을까? 말까?(7)] 미세 플라스틱이 가장 많이 들어 있는 음식은?
- 아침 밥과 점심, 저녁 식사로 우리는 얼마나 많은 플라스틱을 먹었을까? 이는 공상 과학 영화에 등장하는 내용이 아니다. 즉석 조리 음식과 배달 음식이 넘쳐나는 현재 우리 식탁을 점검해야 할 때가 되었다. 최근 외신에서는 미세 플라스틱이 인체에 미치는 폐해에 대한 보도가 넘쳐나고 있다. "놀랍게도 소금 대체재로 알려진 히말라야 소금에 미세 플라스틱이 엄청나게 함유돼 있다는 사실을 알고 있는 사람은 드물다. 새우와 과일, 당근 등 각종 채소, 즉석밥은 물론 쌀에도 미세 플라스틱이 들어 있다"고 CNN은 22일 보도했다. 2024년 2월 발표된 연구에 따르면 동식물성 단백질 샘플의 90%에서 0.2인치(5mm) 미만에서 2만5000분의 1인치(1마이크로미터)에 이르는 미세한 폴리머 조각인 미세플라스틱 양성 반응이 나왔다. 1마이크로미터보다 작은 것은 나노 플라스틱으로 10억 분의 1미터 단위로 측정해야 한다. 2021년에 발표된 한 연구에 따르면 채식주의자조차도 미세 플라스틱을 피해갈 수 없다. 플라스틱 크기가 아주 작으면 과일과 채소는 뿌리 시스템을 통해 미세 플라스틱을 흡수하여 식물의 줄기, 잎, 씨앗, 열매에까지 이들 미세 플라스틱을 옮길 수 있다. 다시 말하면 육안으로 확인할 수 없지만 우리가 먹는 과일과 채소 등 식용 식물들의 잎이나 뿌리, 열매 등에 이미 다량의 미세 플라스틱이 포함되어 있다는 의미다. 일상 생활에서 흔히 접하지만 미처 인식하지 못했던 미세 플라스틱이 함유된 음식을 다음과 같이 정리했다. 소금·설탕·과일·채소, 전부 미세 플라스틱 함유 소금도 플라스틱이 함유돼 있다. 2023년에 발표된 연구에 따르면 땅에서 채굴한 굵은 히말라야 핑크 소금에 미세 플라스틱이 가장 많았고, 그다음으로 검은 소금과 해양 소금이 그 뒤를 이었다. 2022년 연구에 따르면 설탕도 "인간이 미세 오염 물질에 노출되는 중요한 경로"로 밝혀졌다. 대부분 플라스틱으로 만들어진 티백도 엄청난 양의 플라스틱을 배출할 수 있다. 캐나다 퀘벡의 맥길 대학교 연구진은 플라스틱 티백 하나를 끓일 때 약 116억 개의 미세 플라스틱과 31억 개의 나노 플라스틱 입자가 물로 방출된다는 사실을 발견했다. 동양인들의 주식인 쌀도 미세 플라스틱을 지니고 있다. 호주 퀸즐랜드 대학교의 연구에 따르면 사람들이 밥 100g(1/2컵)을 먹을 때마다 3~4밀리그램의 플라스틱을 섭취한다. 특히 플라스틱 용기에 들어 있는 인스턴트 밥(즉석밥)의 경우 1회 제공량당 미세 플라스틱 섭취량은 13밀리그램으로 증가한다고 한다. 연구원들은 쌀을 씻으면 플라스틱 오염을 최대 40%까지 줄일 수 있다고 말했다. 또한 쌀에 많이 함유되어 있는 비소도 줄일 수 있다고 한다. 생수도 미세 플라스틱 오염을 벗어날 수 없다. 2024년 3월 발표된 연구에 따르면 표준 크기의 생수 두 병에 해당하는 1리터의 물에는 나노 플라스틱을 포함한 7가지 유형의 플라스틱 입자가 평균 24만 개 포함되어 있는 것으로 나타났다. 산모의 태반과 모유에도 미세 플라스틱 발견 미세 플라스틱은 이미 사람의 폐, 산모와 태아의 태반 조직, 모유, 사람의 혈액에서 발견됐다. 그러나 안타깝게도 최근까지 이러한 폴리머가 신체의 장기와 기능에 어떤 영향을 미치는지에 대한 연구는 거의 없었다. 2024년 3월 발표된 연구에 따르면 목의 동맥에 미세 플라스틱이나 나노 플라스틱이 있는 사람은 그렇지 않은 사람보다 향후 3년 동안 심장마비, 뇌졸중 또는 어떤 원인으로든 사망할 확률이 두 배나 높다고 한다. 전문가들은 인체 건강에 가장 우려스러운 플라스틱 오염 물질은 바로 '나노 플라스틱'이라고 지적했다. 그 이유는 아주 미세한 플라스틱 입자가 인체의 주요 장기의 개별 세포와 조직에 침입해 세포 과정을 방해하고 비스페놀, 프탈레이트, 난연제, 과불화화합물 또는 PFAS(자연 상태에서 절대 분해되지 않는 '영원한 화학물질')와 같은 내분비 교란 화학물질과 중금속을 침착시킬 수 있기 때문이다. 펜실베이니아주 이리에 위치한 펜 스테이트 베렌드의 지속가능성 책임자인 셰리 "샘" 메이슨은 이전 CNN 인터뷰에서 "이러한 화학물질은 모두 플라스틱 제조에 사용되므로 플라스틱이 우리 몸에 들어오면 그 화학물질도 함께 들어오는 것"이라고 말했다. 메이슨은 "체온이 외부보다 높기 때문에 이러한 화학 물질은 플라스틱에서 이동go 우리 몸속으로 들어가게 된다"면서 "이러한 화학 물질은 간과 신장, 뇌로 전달될 수 있으며 심지어 태반 경계를 넘어 태아에게까지 전달될 수 있다"고 설명했다. 반면, 국제생수협회 대변인은 앞서 CNN에 "현재 나노 및 미세 플라스틱 입자의 잠재적인 건강 영향에 대한 과학적 합의는 없다. 따라서 가정과 추측에 근거한 언론 보도는 대중을 불필요하게 겁주는 것 이상도 이하도 아니다"라고 말했다. 소고기 등 모든 유형의 단백질도 오염돼 지난 2월 '환경 연구(Environmental Research)'에 게재된 연구에서 연구진은 소고기, 빵가루를 입힌 새우, 닭 가슴살과 너겟, 돼지고기, 해산물, 두부, 명태 피쉬 스틱, 갈은 소고기와 유사한 식감의 식물성 크럼블, 식물성 생선 스틱 등 여러 식물성 육류 대체품을 포함해 일반적으로 소비되는 12가지 이상의 단백질에 대해 조사했다. 연구 결과에 따르면 빵가루 입힌 새우에는 1회 제공량당 평균 300개 이상의 미세 플라스틱 조각이 발견돼, 미세한 플라스틱이 가장 많이 함유된 식품으로 이름을 올렸다. 그 뒤를 이어 식물성 너겟이 1회 제공량당 100개 미만으로 2위를 차지했고, 치킨 너겟, 명태 피쉬 스틱, 최소한의 가공을 거친 화이트 걸프 새우, 갓 잡은 키웨스트 핑크 새우, 식물성 생선 스틱이 그 뒤를 이었다. 가장 오염이 적은 단백질은 닭 가슴살이었으며, 돼지 등심과 두부가 그 뒤를 이었다. 연구 결과를 소비자 소비 데이터와 비교한 결과, 미국 성인의 미세 플라스틱 평균 노출량은 연간 11,000~29,000개이며, 연간 최대 380만 개의 미세 플라스틱에 노출될 것으로 추정된다. 사과와 당근, 미세 플라스틱 가장 많이 오염돼 바다는 플라스틱으로 가득 차 있으며, 이들 플라스틱이 우리가 먹는 해산물에 어떻게 유입되는지는 여러 연구를 통해 밝혀졌다. 그러나 2020년 8월 발표된 한 연구에 따르면 채소와 소, 돼지 등 육상 동물 단백질과 미세 플라스틱에 대한 연구는 거의 이루어지지 않았다. 학술지 '환경 과학(Environmental Science)'에 발표된 이 연구에서는 다양한 과일과 채소에서 10㎛(1마이크로미터는 빗방울 지름 정도) 미만의 플라스틱 입자가 5만2050~23만3000개 발견됐다. 연구 결과에 따르면 사과와 당근은 각각 그램당 10만개 이상의 미세 플라스틱을 함유해, 가장 오염된 과일과 채소였다. 가장 작은 미세 플라스틱 입자는 당근에서 발견되었고, 가장 큰 플라스틱 조각은 양상추에서 발견됐다. 참고로 양상추는가장 오염이 적은 채소였다. 플라스틱으로 가득찬 세계 최근 분석에 따르면 오늘날 전 세계에는 엄청난 수의 플라스틱이 존재한다. 그 중 최소 4200종에서 인체와 환경에 '매우 유해한' 것으로 간주되는 1만6000개의 플라스틱 화학물질이 존재한다. 이러한 화학물질은 환경에서 분해되면서 미세 플라스틱으로 변한 다음 나노 플라스틱으로 변할 수 있는데, 이 입자는 너무 작아 수십 년 동안 과학계에서 이를 발견하는 데 어려움을 겪었다. 새로운 기술을 활용한 최근 연구에 따르면 미국에서 판매되는 인기 생수 브랜드 3곳의 나노플라스틱 수가 리터당 11만개~37만 개에 달하는 것으로 나타났다. 앞서 말했듯이 1리터는 약 16온스(약 480ml, 음료에서 일반적인 그란데 사이즈) 생수 두 병에 해당하는 양이다. 연구 저자들은 어떤 브랜드의 생수를 연구했는지는 밝히지는 않았다. 이전 기술을 사용한 연구에서는 같은 양의 생수에서 더 큰 미세 플라스틱과 함께 약 300개의 나노 플라스틱만 확인됐다. 플라스틱 오염을 줄이는 방법 메이슨은 생수에서 발견되는 플라스틱 오염의 노출을 줄이기 위해 유리 또는 스테인리스 스틸 용기에 담긴 수돗물을 마시라는 오랜 전문가의 조언을 거듭 지적했다. 이러한 조언은 플라스틱으로 포장된 다른 음식과 음료에도 적용된다고 그녀는 덧붙였다. 메이슨은 "사람들은 플라스틱을 흘린다고 생각하지 않지만 실제로는 흘린다"면서 "우리가 피부 세포를 끊임없이 벗겨내는 것과 거의 같은 방식으로 플라스틱은 상점에서 구입한 샐러드나 플라스틱으로 포장된 치즈의 플라스틱 용기를 열 때 등 깨진 작은 조각을 끊임없이 포장된 내용물에 흘리고 있다"고 설명했다. 전문가들에 따르면 우리가 섭취하는 플라스틱에 대해 과학이 더 많은 내용을 밝혀주기까지 사람들은 플라스틱 노출을 줄이기 위해 노력해야 한다. 먼저 플라스틱 용기에 보관된 음식은 먹지 않도록 하는 것이 좋다. 대신 유리, 에나멜 또는 호일에 보관된 식품을 찾아보라고 전문가는 권했다. 또한 천연 섬유로 만든 옷을 입고 천연 소재로 만든 소비재를 구입하는 것이 좋다. 특히 플라스틱 용기에 음식을 담아 전자레인지에 돌리지 말고, 유리 용기에 담아 전자레인지를 돌리는 것이 좋다. 또한 가스레인지에서 음식을 가열해서 데우는 방법도 있다. 전문가들은 "가능한 한 신선한 식품을 많이 섭취하고, 플라스틱으로 포장된 가공식품 및 초가공식품의 구매를 제한하는 것이 바람직하다"고 강조했다.
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- 생활경제
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[먹을까? 말까?(7)] 미세 플라스틱이 가장 많이 들어 있는 음식은?
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국제에너지기구, 올해 판매차량 5대중 1대이상 EV⋯석유수요 추가 감소 전망
- 국제에너지기구(IEA)는 23일(현지시간) 올해 전세계에서 전기자동차(EV)가 1700만대 넘게 판매돼 신차 5대 중에서 1대 이상을 차지할 것으로 전망했다. 이날 로이터통신 등 외신들에 다르면 IEA는 이같은 EV 올해 판매전망을 내놓으면서 EV판매 급증으로 원유수요가 더욱 감소할 것이라고 지적했다. IEA는 올해애는 EV 1700만대가 판매돼 지난해(1400만대)보도 크게 증가할 것으로 예측했다. 이는 신차판매 5대중 1대이상이 EV가 차지하는 수치다. 이중 1000만대가 중국에서 판매될 것으로 예상된다. IEA는 '전세계 EV 전망'이라는 보고서에서 "박한 수익마진, 불안정한 배터리 금속가격, 고인플레, 일부국가의 구매인센티브 단계적 폐지가 EV시장의 우려를 불러일으켰지만 세계적인 판매 데이터는 호조를 유지하고 있다"고 지적했다. 올해 1분기 EV 판매대수는 지난해보다 25%나 급증했다. 총 판매대수에서 차지하는 EV 비중은 지역에 따라 크게 차이가 날 것으로 예측된다. 미국에서는 대략 9대중 1대, 유럽에서는 4대중 1대, 중국에서는 절반정도를 차지할 것으로 IEA는 예상했다. EV 가격이 계속 성장의 열쇠가 될 것이라고 IEA는 지적했다. 유럽에서 내연기관차가 같은 EV보다 저렴한 가격으로 판매되고 있지만 중국에서는 지난해 판매된 EV중 3분의 2 가까이가 기존의 동등 내연차량보다 저가였다. IEA는 "EV는 일반적으로 배터리 가격이 하락하고 경쟁이 심화하며 자동차 제조업체가 규모의 경제를 달성함에 따라 가격이 저렴해지고 있다'"고 설명했다. 인플레이션을 조정하면 전기차 가격은 2018년과 2022년 사이에 가격이 정체되거나 약간 상승한 경우도 있다고 IEA는 지적했다. 전기차는 충전 인프라를 통해 증가하는 수요를 맞추는 것도 중요한 과제가 될 것이며 2035년까지 충전 네트워크를 6배 성장시켜야 한다고 IEA는 덧붙였다. IEA는 EV 급속한 보급으로 자동차용 연료수요가 2025년경에 정점을 맞을 것이라고 예측했다. 각국이 표명하고 있는 에너지∙기후정책을 실행한다면 2030년까지 석유수요가 하루 약 600만 배럴, 2035년까지 하루 1100만 배럴 감축돼 현재 총 석유수요중 10분의 1이상으로 줄게 될 것이라고 지적했다.
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국제에너지기구, 올해 판매차량 5대중 1대이상 EV⋯석유수요 추가 감소 전망
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구리 가격, 공급 불안 지속으로 톤당 1만달러 근접⋯2년만에 최고치 경신
- 구리 가격이 최근 1톤당 1만달러에 근접해 2년 만에 최고치를 경신했다. 21일(현지시간) 마이닝 닷컴은 구리 가격 상승은 투자자들이 주요 광산의 공급 혼란으로 인해 제련소들이 대체 공급원 확보에 어려움을 겪을 것이라는 전망에 따라 투자를 늘리고 있는 것과 관련이 있다며 이같이 보도했다. 다른 기본 금속들도 최근 몇 주 동안 큰 폭의 상승세를 보였고, 구리는 22일 장중 한때 최고치인 톤당 9988달러까지 상승했다. 이란과 이스라엘의 지정학적 리스크와 통화정책에 대한 불확실성 재부각은 여전히 시장 부담 요인으로 남아 있지만, 미국과 중국의 제조업 활동 개선 조짐이 금속을 끌어올렸다. 구리 가격 상승은 주요 광산에서 발생한 일련의 공급 차질에 의해 촉발되었으며, 이로 인해 제련소들은 대체 공급원 확보에 어려움을 겪고 있다. 중국의 수요는 계절적으로 저점을 찍고 있지만, 글로벌 제조업 활동의 일시적인 반등이 수요 회복에 도움이 될 것이라는 기대가 높아지고 있기 때문이다. 씨티그룹 애널리스트들은 이메일 메모에서 "앞으로의 방향은 데이터에 따라 달라질 것이며 개별 금속 펀더멘털이 주도할 것"이라고 전망했다. 이들은 향후 3개월 동안 구리 가격은 타이트한 시장과 숏 커버링에 대한 전망으로 강세를 보일 것으로 보이지만 다른 금속은 물리적 펀더멘털이 상대적으로 약하다고 말했다. 최근 미국 연방준비제도(연준·Fed) 이사회의 금리 인하 지연이라는 입장 변화에도 불구하고 구리 가격은 상승했다. 제롬 파월 연준 의장은 지난주 인플레이션 통제에 확신을 갖기까지는 은행이 "예상보다 더 오랜 시간"이 걸릴 것이라고 언급했다. 알루미늄은 아시아 창고에서 금속 출고 주문이 5일 연속 증가하면서 재고량이 사상 최저 수준으로 떨어졌다. 블룸버그는 지난 19일 글로벌 무역 및 광산회사인 글렌코어(Glencore)와 트라피구라(Trafigura)가 대규모 금속 출고 주문에 참여했다고 보도했다. 글렌코어(Glencore)는 스위스 바르에 본사를 둔 글로벌 무역 및 광산회사다. 석유, 석유 제품, 석탄, 금속, 광물 등 다양한 상품을 생산, 운송, 거래하며, 세계 최대 규모의 상품 거래 회사 중 하나로 자리매김하고 있다. 1974년에 설립된 글랜코어는 현재 100개국 이상에서 약 19만 명의 직원을 보유하고 있다. 2023년 기준 연 매출은 약 2500억 달러를 기록했다. 트라피구라는 스위스 제네바에 본사를 둔 글로벌 무역 및 원자재 회사다. 석유, 석유 제품, 석탄, 금속, 광물 등 다양한 상품을 거래하며, 세계 최대 석유 상인 중 하나로 꼽힌다. 1993년 설립된 트라피구라는 현재 50개국 이상에서 사업을 운영하고 있으며, 2023년 기준 연매출은 약 2500억달러에 달한다. 구리는 22일 1.1% 상승해 장중 한때 최고치인 톤당 9988 달러에 도달한 후 현지 시간 오후 3시 53분에 0.2 % 하락한 9861 달러에 거래됐다. 다른 금속들은 횡보 또는 하락세를 보였으며, 아연과 주석은 각각 0.7%와 2.4% 하락했다.
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- 산업
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구리 가격, 공급 불안 지속으로 톤당 1만달러 근접⋯2년만에 최고치 경신
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남극 활화산, 매일 6000달러 상당 금가루 분출⋯사업성은?
- 남극 최남단의 활화산 에레버스 산에서 매일 6000달러(약 830만원) 상당의 금가루가 분출되지만 가까이 다가가 쓸어담을 수는 없는 것으로 확인됐다고 IFL사이언스와 뉴욕포스트, 지오 뉴스 등 다수 외신이 보도했다. 지구 최남단에 있는 에레버스 산(Mount Erebus)은 남극 대륙 로스 해의 제임스로스 섬에 있는 활화산이다. 남극에는 수십 개의 화산이 있으며, 그 중 대부분은 서남극과 마리 버드 랜드에 위치해 있다. 2017년의 한 연구에 따르면 남극 대륙의 이 지역에서만 138개의 화산이 발견됐다. 이 중 대부분은 휴화산이지만, 8~9개의 남극 화산은 활화산으로 간주된다. 최근 역사상 남극의 화산이 폭발한 사례는 단 3건에 불과하다. 남극 대륙의 얼음 코어를 수집한 연구에 따르면 남극 대륙은 마지막 빙하기 동안 거대한 화산 폭발로 몸살을 앓았으며, 그 중 상당수는 현대 역사상 어떤 폭발보다 더 컸던 것으로 나타났다. 현재 남극 대륙에서 가장 사납게 활동하는 화산 중 하나인 에레버스 산은 정상 고도가 3794미터(1만2448피트)이다. 참고로 우리나라 제주도의 한라산 정상 높이는 약 1947m이다. 그리스 신화에 나오는 어둠의 화신에서 이름을 따온 에레버스 산은 1841년 영국 탐험가 제임스 클라크 로스 경이 처음 발견했을 때 분화 중이었다고 전해진다. 산 이름은 탐험가 제임스 클라크 로스의 배 이름에서 유래됐다고도 한다. 이 화산은 영국 탐험가의 이름을 딴 로스 섬의 다른 두 화산과 나란히 위치해 있다. 이 거대한 화산의 위성 사진을 자세히 보면 정상 분화구(lava lake)에 용암이 끓고 있음을 암시하는 아주 작은 붉은 색이 엿보인다. 뉴욕 컬럼비아 대학교 라몬트-도허티 지구 관측소의 코너 베이컨에 따르면 에레버스는 1972년부터 지속적으로 폭발해왔다. 그는 산 정상 분화구 중 하나에 끓어오르는 뜨거운 용암호수가 있는 것으로 알려져 있다고 덧붙였다. 화산은 정기적으로 많은 양의 가스와 증기를 뿜어낸다. 과거의 화산 활동에서는 '화산 폭탄'으로 알려진 용암에 의해 부분적으로 녹은 매우 뜨거운 암석을 분출하는 것으로도 알려져 있다. 미국 항공우주국(나사·NASA)에 따르면 에레버스 화산은 정기적으로 가수와 증기 기둥을 방출하고, 때때로 (용암으로 된)암석 폭탄을 뿜어낸다고 한다. 나사 과학자들은 이 화산이 분출하는 가스에는 20㎛(마이크로미터) 이하의 작은 금속 금 결정이 들어 있다는 사실을 발견했다. 이 화산은 하루 동안 약 80g의 금을 분출하는 것으로 추정되며, 이는 약 6000달러의 가치가 있다. 또한 남극의 연구자들은 이 화산에서 최대 1000km(621마일) 떨어진 대기에서 금 가루의 흔적을 발견했다. 1841년 영국의 탐험가이자 해군장교 제임스 클라크 로스가 처음 발견한 이후 여러 사람이 등정을 시도했으나 소규모 화산 폭발로 번번히 등정에 실패했다. 이후 1908년 호주의 지질학자 에지워스 데이비드가 처음으로 등반에 성공했다. 하지만 이 화산은 에레버스 화산 재해로 가장 악명이 높다. 1979년 11월 28일, 에어뉴질랜드 901편이 화산 측면을 정면으로 들이받아 탑승자 257명 전원이 사망했다. 당시 이 비행은 오클랜드에서 남극까지 11시간 동안 관광 비행을 한 후 다시 뉴질랜드로 돌아오는 에어뉴질랜드 프로그램의 일부였다. 1979년 11월 28일 사고 당일 날씨가 흐려졌지만 항공 투어는 예정대로 진행됐다. BBC의 보도에 따르면, 기장 짐 콜린스 대위는 비행기를 두 번 크게 돌면서 약 610m(2000피트)까지 하강하려고 시도했다. 이 기동 중 오후 1시 직전에 비행기는 에레버스 산 서쪽 측면에 부딪혀 탑승자 전원이 사망했다. 구조대원들은 사고 현장에서 승객들의 카메라에 필름이 온전히 남아 있는 것을 발견했다. 충돌 몇 초 전에 촬영된 이 사진들은 추락 당시 시야가 좋았고 비행기가 구름 아래에 있었음을 보여 주었다. 그로 인해 두꺼운 구름 층에 의해 화산이 시야에서 가려졌을 가능성은 배제됐다. 에어뉴질랜드 901편의 추락 원인은 '화이트아웃(whiteout)'으로 추정된다. 화이트아웃은 극심한 눈보라 상태에서 주로 발생하는 기상 현상으로, 눈과 얼음이 확산된 빛을 반사하여 지평선과 다른 시각적 지표들을 구분할 수 없게 만든다. 이 현상은 주로 극지방이나 높은 산악 지역에서 발생하며, 시야가 극도로 제한되어 항해나 이동에 매우 위험할 수 있다. 눈, 구름, 안개가 혼합되어 시야가 거의 제로에 가까워지는 상태를 말한다. 당시 조종사는 거리감을 가늠할 수 없었고 조종석 바로 앞에 보이는 산은 화이트아웃으로 인해 산의 모습이 아니라 아래 풍경의 얼음과 눈이라고 착각했다는 것이다. 이 사고로 인해 에어뉴질랜드는 여러 차례의 소송과 수많은 논란 끝에 남극 상공 관광 비행을 중단했다. 남극의 몇 안 되는 활화산인 에레버스 산은 매우 아름다운 풍경과 금가루를 뿌리는 신비한 모습으로 유혹하지만 동시에 매우 위험한 곳임을 기억해야 한다.
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- 생활경제
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남극 활화산, 매일 6000달러 상당 금가루 분출⋯사업성은?
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[신소재 신기술(35)] 혁신적인 미사일 기술, 군사 기술·컴퓨터 파괴하지만 인명 피해는 최소화
- 군사 장비나 컴퓨터를 골라서 파괴하지만 사람은 죽이지 않고 인명 피해를 최소화하는 혁신적인 미사일 '챔프(CHAMP)'가 개발됐다. 챔프(CHAMP)는 대전자 고출력 마이크로웨이브 첨단 미사일 프로젝트(Counter-Electronics High Power Microwave Advanced Missile Project)의 약자로 미 공군 연구소에서 개발한 공동 개념 기술 실증 프로그램이다. 다시 말하면 CHAMP는 일종의 고출력 전자레인지인 '고출력 마이크로파 에너지 펄스' 이용해 컴퓨터를 파괴하기 위해 제작된 미사일이다. 미국 국방 전문 매체 포스 넷(Forces net)에 따르면 CHAMP 미사일의 목적은 사망자를 발생시키지 않고 적의 군사 능력을 사실상 쓸모없게 만드는 것이다. 즉, 이 프로젝트는 적의 전자 시스템을 무력화시키는 것이 목표다. CHAMP는 미 공군 연구소(Air Force Research Laboratory)에서 처음 개발한 후 보잉의 국방 및 보안 부문 첨단 프로토타입 제작 부문인 보잉의 팬텀 웍스(Phantom Works)가 제작한 것으로 알려졌다. 이 무기에 대해서는 알려진 바가 거의 없지만 공중 발사 순항 미사일에 장착되어 B-52 폭격기에 의해 전달되는 것으로 전해져 있다. CHAMP 미사일은 적 영공에 진입하면 낮게 유지되며 특정 목표를 겨냥하여 고출력 마이크로파 에너지 펄스를 방출해 중요한 전자 장비를 비활성화한다. 이러한 고출력 마이크로파 폭발로 손상을 입히지 않고 전자 장치를 튀겨버려 순식간에 컴퓨터를 마비시킬 수 있다. 미국이 이 무기를 어디에 배치하고 있는지, 누구와 기술을 공유했는지는 확실하지 않다. 간단히 설명하자면, CHAMP는 고출력 마이크로파 방출기를 장착한 미사일을 개발하는 프로젝트다. 이 미사일은 기존의 폭발물을 사용하지 않고도 적의 전자 시스템을 교란하거나 손상시키기 위해 발사할 수 있다. 또한 무인 시스템으로 설계되어 조종사가 탑승하지 않고도 발사 및 작동할 수 있다. 이란 당국자 두 명은 이 공격이 이스파한주 인근의 군사기지 내 S-300 대공 시스템을 타격했다고 밝혔다. 뉴욕타임스가 분석한 위성 이미지에 따르면, 이스라엘의 무기는 이스파한의 제8 셰카리 공군 기지에 위치한 S-300 대공 시스템의 레이더를 타격했다. 그에 앞서 이스라엘은 지난 13일 이란의 공격에 대응하여 그보다 적은 무기를 사용해 이란의 방어망을 우회하고 무력화시킬 수 있음을 보여줬다. NYT는 이스라엘의 이번 공격에 사용된 정확한 무기 유형이 어떤 것인지 불확실하다고 밝혔다. 다만 서방 당국자 세 명과 이란 당국자 두 명은 이스라엘이 여러 드론과 적어도 하나의 공대지 미사일을 사용했다고 전했다. 이에 반해, 이란 당국자들은 이번 공격이 소형 드론에 의한 것이었다고 주장했다.
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- 포커스온
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[신소재 신기술(35)] 혁신적인 미사일 기술, 군사 기술·컴퓨터 파괴하지만 인명 피해는 최소화
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[신소재 신기술(34)] 수소 저장용 신소재, 칠수소화 세슘(CsH7)과 9수소화 루비듐(RbH9) 합성 화합물
- 러시아 스콜코보 과학기술연구소(스콜테크·Skoltech) 연구팀과 러시아 과학 아카데미 슈브니코프(shubnikov) 결정체 연구소 및 중국, 일본, 이탈리아 연구 기관의 과학자들은 현재 최고의 수소 저장 물질보다 4배 더 많은 양의 수소 기체를 "흡수"할 수 있는 수소 화학 저장 물질을 발견했다고 테크익스플로어가 17일(현지시간) 보도했다. 이 연구팀이 개발한 합성한 화합물인 칠수소화 세슘(CsH7)과 9수소화 루비듐(RbH9)은 각각 금속 원자당 최대 7개와 9개의 수소를 저장할 수 있는 획기적인 기술이다. 기존 금속 합금기술로는 금속 원자 하나당 약 2개의 수소 원자를 넣을 수 있었다. 수소를 효율적으로 저장하는 방법을 찾는 것은 미래의 지속 가능한 경제에 통합하는 데 매우 중요하다. 적절한 저장 기술을 갖춘 수소는 향후 고온의 산업 공정과 운송에 연료를 공급하고 전력망의 공급과 수요를 균형 있게 조절하는 역할을 할 수 있다. 이번 연구는 학술지 '첨단 에너지 재료(Advanced Energy Materials)'에 게재됐다. 수소는 미래의 저탄소 경제에서 중요한 역할을 할 것으로 예상된다. 수소는 재생 가능하게 생산될 수 있고, 연료 전지나 연소를 통해 전기나 열을 생성하는 데 사용될 수 있다. 수소 에너지로 인해 가장 큰 이익을 얻을 수 있는 분야는 제철, 유리 및 시멘트 생산, 화학 산업 등이다. 국제 해운 및 일반적인 운송과 모빌리티 전반도 수소 에너지로 이익을 얻을 수 있다. 그 외에도 수소는 재생 가능 에너지의 불규칙한 공급을 포함해 잉여 에너지를 저장함으로써 전력망의 균형을 유지하는 데 도움이 될 수 있다. 수소 발전의 광범위한 채택을 막는 가장 큰 장애물은 공기보다 14배 가볍고, 반응성이 높으며, 가두기 어렵고 폭발성이 있는 가스인 수소를 저장하는 안전하고 지속 가능하며 경제적인 기술력의 부족이다. 가스 실린더, 튜브, 극저온 탱크 및 파이프 라인에서 수소를 축적하고 운반하려면 압축 또는 액화하거나 수소 분자로 구성된 고체로 변환해야 할 수도 있다. 하지만 이 방법에는 몇 가지 문제점이 있다. 첫째, 이러한 처리에는 매우 많은 비용이 든다. 압축 및 냉장 과정은 최종적으로 수소가 제공하는 총 에너지의 약 20%~40%에 해당하는 에너지를 소비한다. 이는 매우 높은 손실이다. 둘째, 수소는 질량당 가장 에너지 밀도가 높은 화학 연료이지만 너무 가벼워 압축 또는 액화된 천연가스보다 단위 부피당 여전히 약 절반의 에너지를 보유한다. 이는 특히 차량에 불편하다. 셋째, 수소는 가장 작은 분자이기 때문에 컨테이너에서 쉽게 빠져나가고 심지어 금속 벽에도 침투해 벽을 부서지게 하고 균열과 누출을 일으킨다. 연구의 주요 저자 중 한 명인 스콜테크의 재료 과학 및 공학 박사 드미트리 세메노크(Dmitrii Semenok)는 "대안은 화학 저장"이라고 지적했다. 세메노크 박사는 "예를 들어 마그네슘-니켈 및 지르코늄-바나듐 합금과 같은 특정 물질은 금속 원자가 결정 구조를 형성하는 사이의 공극에 수소를 저장할 수 있다. 이러한 축전기는 상대적으로 밀도가 높고 안전하며 필요에 따라 가열 시 빠르게 수소를 방출한다"라고 설명했다. 그는 "하지만 수소를 포집하고 방출하는 데 필요한 조건과 얼마나 많은 충방전 사이클을 견딜 수 있는지에 따라 금속 합금을 조정할 수는 있지만, 금속 원자 하나당 약 2개의 수소 원자를 넣을 수 있다는 상대적으로 엄격한 제한이 있다. 이것이 가장 큰 지표다"라고 부연했다. 세메노크 박사는 "우리가 합성한 화합물인 칠수소화 세슘(세슘 헵타하이드라이드·CsH7)과 9수소화 루비듐(루비듐 비수소화물·RbH9)은 금속 원자당 각각 최대 7개와 9개의 수소 원자를 담고 있다. 이 두 물질은 대기압에서 안정적으로 수소가 풍부한 최초의 물질이 될 것으로 예상되지만, 후자는 추가 확인이 필요하다. 어쨌든 이 화합물에서 수소 원자의 비율은 알려진 모든 수소화물 중에서 가장 높으며 메탄 CH4보다 두 배나 높다"라고 말했다. 이 연구의 수석 연구자인 스코테크의 재료 발견 연구실 책임자 아르템 오가노프(Artem R. Oganov) 교수는 "우리는 수소가 풍부한 암모니아 보란 분말을 세슘 또는 루비듐과 반응시킨다"고 설명했다. 이렇게 하면 세슘 또는 루비듐 아미도보란으로 알려진 염이 생성된다. 열을 가하면 이러한 염이 세슘 또는 루비듐 일수화물과 다량의 수소로 분해된다. 오가노프 박사는 "실험은 대기압의 10만 배에 달하는 압력을 가하는 두 다이아몬드 사이의 셀에서 실행되기 때문에 여분의 수소가 결정 격자 공극으로 강제 이동하여 세슘 헵타하이드라이드와 루비듐 비수소화물(후자는 두 가지 다른 결정 격자 종류)을 형성한다"라고 말했다. 연구팀에 따르면 세슘과 루비듐은 원자의 크기가 커서 결정 구조에서 수소가 차지할 수 있는 빈 공간이 더 커지기 때문에 "예정된 운명"이라고 한다. 이 화합물의 형성은 연구팀의 시뮬레이션과 기본 물리 법칙에 기반한 계산의 예측과 일치했다. 화합물의 존재는 여러 분석 기법을 통해서도 확인됐다. X-선 분석, 라만 분광법, 반사/투과 분광법 등 다양한 분석 기법을 통해 화합물의 존재를 확인했다. 후자는 스콜테크의 하이브리드 포토닉스 연구소의 데니스 산니코프 연구원의 기여로 가능했다. 연구팀은 이제 약 1만기압의 낮은 압력에서 대규모 유압 프레스를 사용해 실험을 반복하여 더 많은 양의 세슘과 루비듐 폴리하이드리드를 얻고, 이 화합물이 지금까지 알려진 다른 폴리하이드리드와 달리 일단 합성되면 대기압에서도 안정적으로 유지되는지 검증할 계획이다.
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- 포커스온
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[신소재 신기술(34)] 수소 저장용 신소재, 칠수소화 세슘(CsH7)과 9수소화 루비듐(RbH9) 합성 화합물
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[신소재 신기술(33)] 원자 1개 두께의 이상한 형태의 금
- 스웨덴 과학자들은 단일 원자층으로 구성된 아주 얇은 박막의 금 소재를 개발했다. 이 새로운 물질은 '골덴'이라고 명명되었으며 반도체 특성을 지니고 있다. 과학 전문매체 사이언스 얼럿은 스웨덴 린쇼핑 대학교(Linköping University) 연구원들은 금을 더 이상 얇아질 수 없는 원자 1개 두께의 납작한 박막 시트 형태로 만들어내는 새로운 방법을 개발했다며 지난 16일(현지시간) 이같이 보도했다. 재료 과학의 명명 관습에 따라 연구팀은 이 새로운 2차원 물질에 '골덴(goldene)'이라는 이름을 붙였다. 골덴은 3차원 형태의 금에서는 볼 수 없는 몇 가지 흥미로운 특성을 가지고 있다. 스웨덴 린쇼핑 대학교의 재료 과학자 슌 카시와야는 "그래핀처럼 물질을 매우 얇게 만들면 놀라운 일이 일어난다"며 "금도 마찬가지다. 아시다시피 금은 보통 금속이지만, 단일 원자층 두께로 만들면 금이 반도체가 될 수 있다"라고 설명했다. 금은 서로 뭉치는 경향이 있기 때문에 2차원 구조로 동축하는 것은 매우 어렵다. 이전의 시도는 몇 원자 두께의 얇은 시트를 만들거나 다른 물질 사이에 또는 그 위에 단층을 끼워 분리할 수 없는 결과를 낳았다. 카시와야와 연구팀은 금을 만들려고 시작한 것이 아니라 우연히 공정의 첫 단계를 발견하게 됐다고 전했다. 린쇼핑 대학교의 나노 공학 분야의 연구를 이끌고 있는 재료 물리학자 라르스 튈트만(Lars Hultman)은 "우리는 완전히 다른 응용 분야를 염두에 두고 기본 재료를 만들었다"면서 "우리는 실리콘이 얇은 층으로 이루어진 티타늄 실리콘 카바이드라는 전기 전도성 세라믹으로 시작했다. 그런 다음 이 소재를 금으로 코팅해 접촉을 만드는 것이 아이디어였다. 하지만 부품을 고온에 노출시켰을 때 실리콘 층이 기본 재료 내부의 금으로 대체됐다"라고 설명했다. 튈트만 교수는 금속 나노구조의 합성 및 특성 연구에 선구자적인 역할을 했다. 특히, 금속 나노입자, 나노선, 나노막 등 다양한 금속 나노구조를 합성하고, 그들의 광학적, 전기적, 촉매적 특성을 연구해 다양한 응용 분야에 활용 가능한 새로운 재료를 개발하는 데 기여했다. 앞서 연구팀은 단층 금을 만들려는 시도에서 중요한 단계에서 한계에 도달해 연구 과정이 중단됐다. 몇 년 동안 연구팀이 만든 인터칼레이티드 티타늄 금 카바이드는 티타늄과 탄소 층 사이에 있는 초박막 금 층을 추출할 방법이 없어 그냥 그 상태로 남아있었다. 이에 연구팀은 무라카미 시약이라는 에칭 용액에 기반한 기술을 사용해 지난 연구의 한계를 돌파했다. 무라카미 시약은 금속 가공에 사용되는 화학 물질의 혼합물로, 탄소를 에칭하고 강철을 얼룩지게 하여 일부 일본 칼에서 볼 수 있는 무늬를 만들어낸다. 연구팀은 혼합물의 농도와 에칭 공정이 금을 둘러싼 티타늄과 탄소를 부식시키는 시간대를 다르게 시도했다. 무라카미 시약의 에칭 효과는 페로시아나이드 칼륨이라는 부산물을 생성한다. 이 화합물은 빛에 노출되면 시안화물을 방출하여 금을 녹이기 때문에 연구팀은 에칭 공정을 완전히 어둠 속에서 진행해야 했다. 게다가 얇은 금 시트는 말리거나 뭉치는 경향이 있었다. 이에 연구팀은 층이 접히거나 달라붙는 것을 방지하는 계면활성제를 추가해 금의 단일 원자층의 무결성을 유지했다. 연구팀은 이론적 시뮬레이션에서 예측한 대로 이 까다로운 단계를 거쳐 마침내 안정적인 금을 형성하는 데 성공했다. 이번 연구는 학술지 '네이처 신티시스(Nature Synthesis)'에 게재됐다. 일반적으로 금은 우수한 전기 전도성 물질이다. 원소가 2차원 시트 형태를 취할 때 원자는 두 개의 자유 결합을 가지며 도체와 절연체 사이의 전도 특성을 가진 반도체로 변모한다. 이는 전도도를 조절할 수 있기 때문에 유용하다. 다시 말하면, 전기 전도성이 우수하고 부식에 강한 금은 반도체 소자의 접점, 연결 부품, 패키징 등에 사용된다. 금은 나노 크기의 입자로 제조될 수 있으며, 이러한 금 나노 입자는 차세대 반도체 소자의 제작에 활용될 수 있다. 예를 들어, 금 나노 입자는 트랜지스터의 게이트 전극, 메모리 소자의 저장 매질, 광전자 소자의 광 감지 소자 등으로 사용될 수 있다. 게다가 금은 생체 적합성이 우수하고 전기 전도성이 높기 때문에 생체 의료 분야에서 사용되는 뇌-컴퓨터 인터페이스, 심장 박동기 리드, 인공 근육 등의 전극 소재로 활용될 수 있다. 그러나 금은 높은 비용과 가공의 어려움, 제한된 반도체 특성 등의 단점도 존재한다. 금은 반도체 특성이 제한적이기 때문에 고성능 트랜지스터 제작에는 적합하지 않다.
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[신소재 신기술(33)] 원자 1개 두께의 이상한 형태의 금
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[신소재 신기술(32)] 획기적인 '종이 기반' 배터리 개발⋯"식물에서 영감 얻어"
- 일본에서 희귀 금속이 필요 없는 종이 기반의 물로 활성화되는 배터리가 개발됐다. 일본 도호쿠대학(東北大學)의 재료연구소(AIMR) 연구진은 GPS 센서나 맥박 산소 측정기 센서에 사용할 수 있는 종이 기반의 고성능 마그네슘-공기(Mg-air) 배터리를 개발했다고 오일 프라이스가 14일(현지시간) 보도했다. 이변 연구는 종이의 재활용성과 가벼운 특성을 활용해 보다 환경 친화적인 에너지원으로 발전할 수 있는 가능성을 제시했다. 연구 보고서 논문 '희귀 금속이 없는 고성능 물 활성화 종이 배터리: 웨어러블 센싱 장치를 위한 일회용 에너지원'은 'RSC 인터페이스 응용(RSC Applied Interfaces)' 저널에 게재됐다. 종이는 지난 2000년 동안 인류 문명의 필수품이었다. 종이는 일반적으로 중국 후한 시대 105년 경에 채륜이 발명했다고 알려져 있다. 하지만 최근 중국에서 기원전 2세기 경으로 거슬러 올라가는 종이가 발견되기도 해 종이의 정확한 기원은 알 수가 없다. 글 쓰기를 통해 그동안 인류 역사를 기록해온 종이가 이제는 배터리에 활용돼 친환경적인 미래를 여는 중요한 역할을 하게 됐다. 가볍고 얇은 종이 기반 디바이스는 금속이나 플라스틱 소재에 대한 의존도를 낮추는 동시에 폐기하기도 더 쉽다. 이 연구의 교신 저자인 히로시 야부(Hiroshi Yabu) 교수는 "우리는 식물의 호흡 메커니즘에서 이 장치에 대한 영감을 얻었다"고 말했다. 야부 교수는 "광합성은 배터리의 충전 및 방전 과정과 유사하다. 식물이 태양 에너지를 이용해 땅의 물에서 설탕을, 공기에서 이산화탄소를 합성하는 것처럼, 우리 배터리는 마그네슘을 기질로 활용해 산소와 물에서 전력을 생성한다"고 설명했다. 연구팀은 배터리를 제작하기 위해 마그네슘 호일을 종이에 접착하고 음극 촉매와 가스 확산층을 종이 반대편에 직접 추가했다. 종이 배터리는 1.8V(볼트)의 개방 회로 전압, 100mA/cm²의 1.0V 전류 밀도, 103mA/cm²의 최대 출력을 달성했다. 야부 교수는 " 이 배터리는 인상적인 성능 결과를 보여줬을 뿐 아니라 독성 물질을 사용하지 않고 엄격한 평가를 통과한 탄소 음극과 안료 전기 촉매를 사용해서 작동한다"라고 덧붙였다. 연구팀은 맥박 산소 측정기 센서와 GPS 센서에서 이 배터리를 테스트해 웨어러블 디바이스에 대한 다용도성을 입증했다.
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- 포커스온
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[신소재 신기술(32)] 획기적인 '종이 기반' 배터리 개발⋯"식물에서 영감 얻어"
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미국·영국, 러시아 자금줄 막기 위해 구리·니켈·알루미늄 수입 금지
- 미국과 영국은 우크라이나 침략 전쟁을 벌이는 러시아의 자금줄을 막기 위해 러시아산 구리, 니켈, 알루미늄 수입을 금지했다. 미국 재무부는 12일(현지시간) 미국과 영국 정부의 공동 조치로 시카고상업거래소(CME)와 런던금속거래소(LME)가 러시아산 알루미늄, 구리, 니켈 신규 생산(4월13일 이후 생산) 물량을 취급하는 것을 금지했다고 밝혔다. 미국 재무부는 4월 13일 이후 생산된 러시아산 알루미늄, 구리, 니켈의 거래를 시카고상업거래소(CME)와 런던금속거래소(LME)에서 금지했다. 다만, 양국은 현재 각 거래소가 보유한 기존 재고 물량은 예외로 했다. 미국과 영국은 이번 조치를 통해 러시아의 전쟁 자금 조달을 막고자 한다. 미국과 영국은 러시아산 알루미늄·구리·니켈에 대해 자국으로의 수입을 각각 금지했다. 재닛 옐런 미 재무장관은 "우리의 파트너인 영국과의 공조 하에 이뤄지는 핵심 광물에 대한 이번 제재는 우크라이나를 상대로 한 잔인한 전쟁을 계속하는 데 쓸 러시아의 재정 수입을 계속 겨냥할 것"이라고 밝혔다. 옐런 장관은 이어 "이번 제재는 정밀하고, 책임있게 시행함으로써 원치않는 파급효과로부터 우리 파트너와 동맹들을 보호해가면서 러시아의 수입을 감소시킬 것"이라고 강조했다. 러시아는 세계 알루미늄 생산량의 5%, 구리 4%, 니켈 6%를 차지한다. 이번 조치로 인해 런던금속거래소(LME) 등에서 러시아산 금속을 거래할 수 없게 되면서 러시아산 알루미늄 등의 국제 유통이 상당히 위축될 것으로 예상된다. 실제로 3월 말 기준 LME 창고의 니켈 재고 중 36%, 구리 재고 중 62%, 알루미늄 재고 중 91%가 러시아산이었다. 이번 조치는 러시아 경제에 상당한 타격을 줄 것으로 예상된다. 하지만, 글로벌 금속 시장에 변동성을 야기할 수 있다는 우려도 제기되고 있다.
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- 산업
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미국·영국, 러시아 자금줄 막기 위해 구리·니켈·알루미늄 수입 금지
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미세 플라스틱, 인간 소변서도 발견⋯자궁내막증과 연관 시사
- 플라스틱이 인체에 미치는 다양한 연구가 진행되는 가운데. 인간의 소변에서 매우 강한 독성을 지닌 미세 플라스틱이 검출됐다. 과학 전문매체 더 쿨다운은 과학자들이 건강한 참가자와 자궁 내막 조직이 자궁 밖에서 자라는 만성 질환인 자궁내막증 환자의 소변 샘플에서 모든 종류의 미세한 입자(미세 플라스틱입자)를 검출했다고 지난 10일(현지시간) 보도했다. 이 연구는 4월 1일 '생태독성학 및 환경 안전 저널(Ecotoxicology and Environmental Safety)'에 게재됐다. 연궈 결과 두 집단 간의 미세 플라스틱 수치는 큰 차이가 없었지만, 검출된 미세 플라스틱의 종류는 달랐다. 건강한 사람의 경우 폴리에틸렌(27%)이 주를 이루었고, 자궁내막증 환자는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE, 59%)이 가장 많았다. 또한 건강한 사람의 검체에서는 폴리스티렌(16%), 레진(12%), 폴리프로필렌(12%) 등이 검출됐다. 연구에 따르면 폴리에틸렌은 자궁내막증 참가자의 샘플에서 발견된 미세 플라스틱의 16%를 차지했다. 자궁내막증 환자의 금속 카테터에서 두 번째 샘플 세트를 채취한 결과, 미세 플라스틱의 크기는 약 32 마이크로미터에서 22 마이크로미터로 다른 검체보다 상당히 작았다. 일반적인 미세 플라스틱 크기는 평균 177 x 117 마이크로미터이다. 1마이크로미터는 0.001밀리미터이다. 연구팀은 "미세 플라스틱은 모든 환경에서 발견되며 인체 음식 사슬에도 존재하고 최근 여러 인체 조직에서 검출됐다"고 밝혔다. 자궁내막증은 알려진 원인이 없으며, 과학자들은 미세 플라스틱 수치가 질병과 관련이 있는지, 염증을 유발하거나 화학 물질을 체내로 침출시키는지 여부를 조사했다. 연구팀은 "미세 플라스틱이 신체 내 이동 경로와 이러한 입자의 크기가 신장 사구체 여과 시스템을 통과하기에는 너무 큰 것으로 보이지만 어떻게 이 기관을 통과하거나 우회했는지, 그리고 이러한 미세 플라스틱 존재로 인한 잠재적인 생물학적 영향에 대한 중요한 새로운 질문을 제기한다"라고 밝혔다. 연구팀은 "이는 미세플라스틱의 체내 이동과 신장 사구체 여과 시스템을 통과하거나 우회하는 방법, 그리고 이러한 장기를 통과하기에는 너무 커 보이는 크기로 인해 잠재적인 생물학적 영향과 관련하여 중요한 새로운 의문을 제기한다"고 말했다. 또한 연구팀은 미세 플라스틱이 인체 내에서 어떻게 이동하는지 살펴본 결과, 미세 플라스틱의 크기와 모양도 문제라고 말했다. 또한 오염 물질이 "이론적으로는 신장의 작은 모세혈관을 따라 방광에 도달하기에는 너무 크다"고 지적했다. 이 논문은 미세 플라스틱이 인간에게 미치는 영향은 알려지지 않았지만 "폴리머 특성 분석과 절차적 공백을 설명하는 인간 소변의 미세 플라스틱 오염에 대한 최초의 증거"를 제공했다고 밝혔다. 연구팀은 "그러나 높은 수준의 미세 플라스틱과 염증성 질환, 특히 장 질환 간의 관련성이 나타나고 있다"고 말했다. 또한 "이전 세포 기반 노출 실험에서 불규칙한 모양의 미세 플라스틱이 특히 독성이 강한 것으로 나타났다"면서 "'염증 및 산화 스트레스 유형의 영향'이 자궁 내막증 환자에게도 유사하게 영향을 미칠 수 있다"고 지적했다. 미세 플라스틱과 더 작은 나노 플라스틱은 플라스틱으로 만든 물병이나 식품 용기 등이 시간이 지남에 따라 분해될 때 생성된다. 미세 플라스틱의 양을 줄이는 가장 좋은 방법은 플라스틱 소비를 줄이는 것이다. 예를 들어 영국과 프랑스에서는 대부분의 패스트푸드와 테이크아웃 음식점에서 플라스틱 식기류의 사용을 금지했다. 인도는 2022년에 일회용 플라스틱 사용을 금지했다. 워싱턴 포스트는 다른 연구 결과를 인용하여 미세 플라스틱이 암과 알츠하이머병 위험을 증가시키고 출산 문제를 유발할 수 있다고 보도했다. 또한 이러한 영향은 나이가 들면서 더욱 악화될 수도 있다. 또다른 연구에 따르면 미세 플라스틱은 심장마비와 뇌졸중 발병에도 연관되어 있다. 세계자연보호연맹(IUCN)에 따르면 매년 약 4억톤 이상의 플라스틱이 생산되고 있다. 프랑스 파리의 에펠탑 무게는 약 1만톤이다. 매년 에[펩탑 4만 개 이상에 해당되는 플라스틱이 생산되고 있는 셈이다. 그러나 전 세계적으로 재활용되는 플라스틱은 약 9%에 불과하다. 매일 더 많은 플라스틱이 생산되고 있기 때문에 기업이 플라스틱에 대한 의존도를 낮추는 것이 중요하다. 소비자는 유리나 스테인리스 재질로 된 재사용 가능한 물병을 구입하고 플라스틱을 사용하지 않는 브랜드를 지지하는 등의 노력을 기울일 수 있다. 또한 기술 개발로 식수에서 미세 플라스틱을 제거할 수 있다. '예방이 치료보다 낫다'는 말이 있다. 플라스틱을 줄이기 위한 이러한 작은 실천이 모여 더 안전하고 깨끗한 미래를 만들 수 있다.
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- 생활경제
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미세 플라스틱, 인간 소변서도 발견⋯자궁내막증과 연관 시사
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반도체 칩 실장하는 기판도 전기 변화에 반응…소재 연구 획기적 전기 마련
- 컴퓨터 칩 설계에서 크게 고려되지 않는 재료가 실제 정보 처리에서는 중요한 역할을 하며, 이는 더 빠르고 효율적인 디바이스로 이어질 수 있다는 연구 결과가 나와 주목된다고 기술 전문지 테크익스플로어가 전했다. 펜실베이니아 주립대 연구진이 이끈 국제 연구팀은 반도체 칩을 실장하는 기판이 기판에 꽂히는 반도체 칩과 마찬가지로 전기 변화에 반응한다는 사실을 발견했다. 연구팀이 분석에 적용한 것은 고급 이미징 기술과 반도체 재료인 이산화바나듐이었다. 이산화바나듐은 바나듐과 산소가 1대 2 배율로 결합된 산화물 반도체 재료로, 전자 스위치로서 큰 가능성을 보여주었다. 팀은 또 이산화바나듐이 기판을 구성하는 물질인 이산화티타늄과 어떻게 상호작용하는지를 분석했는데, 그 결과는 놀라운 것이었다. 반도체가 전기가 흐르지 않게 하는 절연체와 전기가 흐르게 하는 금속 사이로 전환할 때 기판이 반도체 칩과 유사한 동작을 보여, 기판 자체에도 활성층이 있을 가능성이 높다는 사실을 발견한 것. 연구 책임자 펜실베이니아 대학 벤카트라만 고팔란 교수는 "기판이 반도체 공정에서 적극적인 역할을 할 수 있다는 사실은 미래의 재료와 장치를 설계하는 데 매우 중요하다"고 말했다. 이 연구 결과는 '어드밴스트머티리얼즈'에 실렸다. 고팔란은 "무어의 법칙을 극복하기 위해서는 더 작고 빠른 디바이스에 대한 새로운 아이디어가 필요하다"며 "주목되는 아이디어는 1조분의 1초 안에 금속(디지털 신호 1의 상태)과 절연체(0의 상태) 사이를 전환할 수 있는 이산화바나듐과 같은 물질이다"라고 설명했다. 금속-절연체 트랜지스터로서의 이산화바나듐의 가능성은 이미 밝혀졌으며, 이 물질은 에너지 소비가 특히 적어 반도체 기술에 유망하다. 그러나 이산화바나듐의 특성은 아직 완전히 풀리지 않았으며, 지금까지는 실제 디바이스에서 작동하기 보다는 격리된 상태에서 관찰하는 것이 일반적이었다. 이산화바나듐은 전자 효과와 밀접한 상관관계가 있다. 전자 사이의 반발력이 디바이스를 방해하기 때문에 현재의 실리콘계 디바이스에서 발생하는 것처럼 무시할 수 없다. 이런 특성 때문에 고온 초전도 및 강화된 자기 특성과 같은 새로운 기능의 재료를 만들 수 있다. 고팔란은 "이산화바나듐의 근본적인 물리적 성질은 아직 충분히 이해되지 않았으며 디바이스의 기하학적 구조에서의 성능도 마찬가지"라고 말했다. 그는 "만약 우리가 이산화바나듐을 제대로 동작시킬 수만 있다면, 전자공학의 르네상스가 일어날 것이다. 특히 신경망 컴퓨터인 뉴로모픽 컴퓨팅은 이 디바이스를 사용함으로써 엄청난 성과를 거둘 수 있다"고 강조했다. 연구팀은 이산화바나듐을 디바이스에 전압을 가하여 절연 상태에서 전도성 상태로 전환하는 과정에서의 변화를 조사했다. 이를 위해 강력한 X선 빔을 주사할 수 있는 아르곤 국립연구소의 첨단 광자원(APS: Advanced Photon Source)를 사용했다. 절연-전도성 전환에 대한 재료의 공간적, 시간적 반응을 매핑하면서 연구팀은 기판의 구조에 대한 예상치 못한 변화가 일어난 것을 관찰했다. 이산화바나듐 필름이 금속으로 변하면서 전체 필름 채널이 부풀어 오른 것. 일반적으로는 축소되어야 했는데, 반대 현상이 일어나 필름 구조에서 뭔가 다른 일이 벌어지고 있었던 것이다. APS X선은 이산화바나듐 필름을 통과하여 전기적, 기계적으로 수동적 물질인 이산화티타늄 기판에서 박막을 성장시켰다. 기판은 전기 펄스를 받아 이산화바나듐 필름이 절연체에서 금속으로 전환될 때 매우 활동적이고 완전히 새로운 방식으로 움직이고 반응했다. 펜실베이니아 대학 수학 및 공학팀은 이에 대한 이론 정립을 위해 시뮬레이션과 함게 이론적인 프레임워크도 개발했다. 연구진은 과거 수동적으로 반도체 칩만 실장하는 용도로 사용됐던 이산화티타늄 기판에서 아직 발견되지 않은 잠재적인 현상을 포함해 이산화바나듐의 숨겨진 기능을 파악하는 데도 큰 도움이 될 것이라고 기대했다. 이 연구는 10년에 걸쳐 진행됐는데, 앞으로도 추가 연구와 분석을 진행할 계획이다.
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- IT/바이오
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반도체 칩 실장하는 기판도 전기 변화에 반응…소재 연구 획기적 전기 마련
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[신소재 신기술(27)] 전고체배터리 스타트업 타이란신에너지, 초고에너지밀도 셀 공개
- 중국의 신재생 에너지 기업 타이란신에너지(太藍新能源·Talent New Energy)가 초고에너지 밀도를 갖춘 새로운 전고체 배터리 셀을 공개했다. 중국 전기차 전문매체 CNEV포스트는 전고체 리튬배터리 스타트업 타이란신에너지(이하 타이란)는 단일 셀 용량이 120Ah이고 실제 에너지 밀도가 720Wh/kg인 자동차 등급 전고체 리튬 금속 배터리 시제품을 세계 최초로 개발하는 데 성공했다고 지난 3일(현지시간) 보도했다. 타이란은 지난 2일 성명에서 이 수치가 리튬 배터리의 단일 셀 용량과 에너지 밀도 부분에서 새로운 업계 기록이라고 밝혔다. 참고로 전기차 제조사 니오(Nio)의 150kWh 반고체 배터리 팩은 베이징 위리온 뉴 에너지 테크놀로지(위리온)의 셀을 사용하며, 용량은 360Wh/kg이다. 니오는 지난달 이 반고체 배터리 팩이 2분기에 출시될 예정이며, 니오 차량에 탑재돼 1회 충전으로 최대 주행 거리(단일 충전 기준)를 1000km 이상으로 늘릴 것이라고 밝혔다. 타이란의 전고체 배터리는 위리온의 반고체 배터리보다 에너지 밀도가 두 배 높기 때문에 대량 생산이 가능하다면 전기차의 주행 가능 거리가 약 2000km에 달할 것으로 예상된다. 전고체 배터리와 반고체 배터리는 모두 차세대 에너지 저장 기술로 주목받고 있다. 두 배터리 기술의 주된 차이점은 전해질의 상태에 있다. 전고체 배터리는 액체나 젤 형태의 전해질 대신 고체 전해질을 사용한다. 고체 전해질은 일반적으로 폴리머, 세라믹 또는 복합체로 만들어진다. 고체 전해질은 불연성이기 때문에 전통적인 리튬 이온 배터리보다 화재나 폭발 위험으로부터 더 안전하다. 또한 고체 전해질을 사용함으로써 더 높은 에너지 밀도를 달성할 수 있다. 즉, 더 적은 공간에 더 많은 에너지를 저장할 수 있다. 반고체 배터리는 고체와 액체 성분을 혼합한 전해질을 사용한다. 즉, 부분적으로는 고체 물질을 포함하지만 액체 성분이 일부 존재한다. 반고체 배터리는 전고체 배터리로의 전환을 위한 중간 단계로 볼 수 있다. 타이란은 성명에서 초박막 고밀도 복합 산화물 전고체 전해질, 고용량 양극 및 음극 소재, 전고체 배터리 성형 공정 등 전고체 리튬 배터리의 여러 핵심 기술에서 혁신을 이뤄냈다고 밝혔다. 새로 발표된 배터리의 양극은 고용량, 수명이 긴 리튬이 풍부한 망간 기반 소재를 사용하고 음극은 초광대폭, 초박막이며 높은 사이클 안정성과 다양한 이점을 갖춘 리튬 금속 기반 복합 소재를 사용한다고 회사 측은 설명했다. 타이란은 또 양극 내 이온 및 전자 수송 네트워크를 효율적으로 구축해 양극 내부의 하전 입자 이동을 개선했다고 밝혔다. 아울러 자체 개발한 유연한 층 소재를 통해 배터리의 종합적인 성능 향상을 실현했으며, 이는 기존 리튬 이온 배터리의 주행거리와 안전성 문제 등을 근본적으로 해결할 수 있을 것으로 기대된다고 전했다. 2018년에 설립된 타이란은 전고체 리튬 배터리 및 소재 기술 개발에 주력하고 있다. 2022년 3월 중국 부동산 개발업체 비구이위안(碧桂園·컨트리 가든)으로부터 투자를 유치한 바 있다. 타이란은 산화물 시스템을 기반으로 고체 전해질과 고체 리튬 배터리를 개발했으며 다양한 소재와 반고체 및 전고체 배터리에 대한 기술 파이프라인을 완성했다. 지난해 보도자료에 따르면 1세대 반고체 배터리의 에너지 밀도는 최대 400Wh/kg, 2세대 준고체 배터리는 400Wh/kg에서 500Wh/kg의 에너지 밀도를 달성했다. 타이란은 이러한 1세대 및 2세대 배터리는 여전히 액체 전해질을 포함하고 있으며, 2023년 7월에 3세대 전고체 배터리는 더 이상 액체 전해질을 포함하지 않을 것이라고 말했다.
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[신소재 신기술(27)] 전고체배터리 스타트업 타이란신에너지, 초고에너지밀도 셀 공개
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[퓨처 Eyes(30)] 한국형 인공태양, 1억도 플라즈마 세계 신기록 수립
- 한국 핵융합에너지연구원(핵융합연·KFE) 연구팀은 인공태양 연구에서 획기적인 성과를 달성하며 과학 역사에 찬란한 족적을 남겼다. 바로 1억도 플라즈마를 48초간 유지하는 놀라운 기록을 세운 것이다. 이는 핵융합 에너지 실현이라는 꿈에 한 발짝 더 다가선 뜻깊은 성과이다. KSTAR(한국 초전도 토카막 핵융합 연구장치)라는 인공태양 핵융합로를 활용한 이번 연구는 한국 과학자들의 탁월한 기술력을 여실히 보여준다. 1억도라는 극한의 온도를 48초간 유지하는 것은 쉬운 일이 아니다. 이는 핵융합 에너지 개발 분야에서 세계 최고 수준의 기술력을 자랑하는 한국 과학의 위상을 더욱 굳건히 하는 계기가 되었다. 토카막(Tokamak)은 태양처럼 핵융합 반응이 일어나는 환경을 만들기 위해 초고온의 플라즈마를 자기장을 이용해 가두는 핵융합장치다. 플라즈마를 구속하는 D자 모양의 초전도 자석으로 자기장을 만들어 플라즈마가 도넛 모양의 진공용기 내에서 안정적인 상태를 유지하도록 제어한다. 1억도 플라즈마 48초간 유지 KFE는 한국의 '인공태양'으로 불리는 KSTAR가 최근 실험에서 핵심 부품을 업그레이드해 태양 중심핵 온도의 7배에 해당하는 1억도의 플라즈마를 48초 동안 연속 운전하는데 성공했다고 지난 3월 27일 밝혔다. 이는 2022년 기록했던 30초를 크게 뛰어넘는 놀라운 발전이며, 핵융합 기술의 지속적인 진보를 보여주는 명확한 증거이다. 플라즈마는 높은 온도에서 전자와 양이온이 분리되어 형성되는, 전기적으로 중성인 기체 상태이다. 이는 태양과 별의 뜨거운 심장부에서 발견되는 특별한 물질 상태이며, 핵융합 반응의 필수적인 요소이다. KSTAR는 한국 초전도 토카막 첨단연구의 정식 명칭으로, 2022년에 1억도 플라즈마를 30초간 유지하는 기록을 세웠다. 텅스텐 디버터로 안정성 향상 2023년 12월 31일부터 3개월간 진행된 최근 테스트에서 KSTAR은 텅스텐 디버터를 사용해 플라즈마의 안정성을 크게 향상시키고 유지 시간을 48초까지 늘리는 데 성공했다. 이는 이전 기록 30초를 크게 뛰어넘는 성과다. 또한 저감속 모드보다 안정적인 고성능 플라즈마 운전 모드인 'H 모드(H-mode)'를 102초 동안 장시간 유지하며 기록을 경신했다. H-모드는 토카막형 핵융합 장치 운전시 특정 조건 하에서 플라즈마의 가둠 성능이 약 2배 증가하는 현상이다. 이는 핵융합 연구 분야에서 획기적인 진보를 의미하며, 미래 에너지 문제 해결에 중요한 기여를 할 것으로 기대된다. 1억도 운전을 추진한 고성능시나리오연구팀 한현선 박사는 "1억도 초고온 이온 플라즈마(High-Ti shot) 운전을 기존 30초에서 48초간 유지 달성하며 우리의 운전 방식이 40초대에서도 유효함을 확인했다. 지난해에는 플라즈마를 충분히 가열하고 유지할 파워가 부족해 실험이 어려웠다. 이번에는 중성자빔 가열장치의 성능 향상이 48초 유지의 바탕이 됐다"며 1억도 플라즈마의 장시간 운전은 초고온 플라즈마에 대한 이해를 높일 수 있는 자료이자 향후 핵융합 발전로에 쓰일 새로운 운전 모드 연구의 기반이 된다고 말했다. 텅스텐 재질 디버터(divertor)의 도입이 이러한 획기적인 성과를 가능하게 했다. 디버터는 핵융합 반응에서 발생하는 열과 불순물을 제거해 플라즈마 오염을 최소화하고 주변 장벽을 보호하는 역할을 한다. 텅스텐은 기존 탄소 재질보다 녹는점이 훨씬 높아 열 부하에 대한 내구성이 뛰어나다. 실험 결과, 텅스텐 디버터는 동일한 열 부하 상황에서 표면 온도 상승률이 25% 감소했다. KSTAR 연구 본부 고성능시나리오팀 김현석 선임연구원은 "디버터는 플라즈마의 열속이 집중되는 부분이다. 이번 테스트를 준비하면서 KSTAR처럼 토카막 내벽을 텅스텐으로 교체한 해외 융합 장치들의 사례를 토대로 KSTAR의 새로은 텅스텐 환경이 기본 카본 환경과 크게 다르지 않을 것으로 에상했다. 하지만 초기 실험에서 무언가 달랐다"고 전했다. 김 연구원은 "초기에 토카막 내벽 온도가 잘 안 올라갔다. 디버터는 소재만 바뀐 게 아니라 아랫부분의 구조(형상)도 기존 직선형에서 고래꼬리 형태로 바뀌었다. 형상과 소재 두 가지 요인이 복합적으로 작용해서 플라즈마 성질이 바뀌었는데, 바뀐 형태에서 어떻게 해야 좋은 성능을 발휘할 수 있을지 고민했다. 샷이 발생하면 과거의 형상을 만드는 것에서 시작해서 플라즈마 성능을 잠시 유지하고 안정이 되면 바뀐 디버터 형상으로 바꾸어 유리하는 전략으로 운전하며 기존 성능을 재현할 수 있엇다"고 설명했다. 핵융합은 두 개의 가벼운 원자핵이 합쳐져 더 무거운 원자핵을 만들면서 엄청난 양의 에너지를 방출하는 과정이다. 모든 금속 중 가장 높은 녹는점(3422°C)을 자랑하는 텅스텐은 핵융합 반응의 극한 환경에서도 흔들림 없이 자리한다. 또한 낮은 불순물 형성은 플라즈마 오염을 최소화하여 핵융합 반응의 순도를 높이는 데 기여한다. 프랑스에 건설 중인 ITER 실험로는 핵융합 에너지의 실현 가능성을 검증하는 국제 핵융합 연구의 중심 무대이다. 텅스텐 다이버터를 사용하는 ITER 실험로는 내년 첫 플라즈마 생성을 목표로 하고 있다. KSTAR의 이번 성과는 ITER 실험로의 성공적인 운영에 중요한 데이터를 제공할 것으로 기대된다. 한국핵융합연구소 소장은 이번 성과가 미래 핵융합 발전 시설 개발에 필요한 핵심 기술 확보에 중요한 발걸음이라고 강조했다. 연구팀은 앞으로 ITER 운영 및 미래 핵융합 발전 시설에 필수적인 핵심 기술 확보에 집중할 계획이다. 연구팀은 '토카막'이라 불리는 도넛 모양의 핵융합로 안에 뜨거운 플라즈마를 가두어 물을 가열하고 터빈과 발전기를 사용하여 생성된 증기를 전기로 전환함으로써 반응에서 순 양의 에너지를 획득할 수 있기를 희망한다. 토카막 융합로의 다양한 성과 한편, 전 세계 다른 토카막 핵융합로 또한 최근 몇 년 동안 중대한 성과를 거두었다. 지난해에는 중국 과학자들이 실험용 첨단 초전도 토카막 내부에 플라즈마를 403초 동안 유지하는 데 성공했다. 또한 영국은 JET(Joint European Torus) 장치를 사용해 핵융합 에너지 세계 기록을 수립했다. 뉴사이언티스트에 따르면 단 5초 동안이지만 약 1만 2000가구에 전력을 공급할 수 있는 69메가줄의 에너지를 생산했다. 미국 로렌스 리버모어 국립 연구소는 재래형 토카막 설계와는 크게 다른 레이저 기반 핵융합로인 내셔널 이그니션 퍼실리티(National Ignition Facility)에서 투입한 에너지의 두 배를 얻었다고 주장했다. 하지만 이러한 모든 연구 결과가 핵분열 원자로를 완전히 대체할 수 있는 핵융합 에너지 혁명으로 이어질지 여부는 아직 불확실하다. 위에서 언급한 것처럼 프랑스 남부 생폴레즈듀랑스 카다라쉬에 다국적 거대 핵융합 연구 시설 'ITER(국제핵융합실험로·International Thermonuclear Experimental Reactor)'가 건설되고 있다. ITER 총 사업 기간은 2007~2042년으로 건설과 운영, 방사능감쇄, 해체 등 4단계를 포함한다. 총건설비는 약 117.7억유 한국을 비롯해 중국, 인도, 일본, 유럽연합(EU·29개국) 등 35개국이 참여하는 이 프로젝트는 핵융합 에너지 상용화의 가능성을 판단하는 중요한 단계이며, 현재까지 건설된 토카막 핵융합로 중 가장 큰 규모를 자랑한다. 2007년 설립된 ITER는 2025년 완공 예정이다. 현재 우리가 사용하는 화석 연료 대신 안전하고 지속 가능한 에너지원 개발 가능성을 가진 ITER는 완공 후 핵융합 실험을 통해 핵융합 에너지의 실현 가능성을 평가할 계획이다. 프랑스의 ITER 시설이 완공되면 인공태양으로 불리는 핵융합에너지에 대한 실용성과 타당성 등에 대한 중요한 답변을 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
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[퓨처 Eyes(30)] 한국형 인공태양, 1억도 플라즈마 세계 신기록 수립
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