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2025-04-05 (토)

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[신소재 신기술(48)] 해킹 불가능한 양자 항법 시스템, 영국에서 최초 비행 테스트

영국에서 해킹이 불가능한 항공기 양자 기술 시험 비행이 성공했다. 영국 항공기에서 획기적인 양자 기술 시험 비행이 성공적으로 진행되어 기존 GPS 시스템을 보완하는 견고한 백업 시스템 개발에 새로운 가능성을 제시했다고 BBC가 최근 보도했다. 이번 연구 개발을 지원한 영국 정부는 공개적으로 인정된 최초의 양자 기술 항공기 시험 비행이라고 밝혔다. 앤드류 그리피스 과학부장관은 지난 9일(현지시간) 시험 비행 후 "영국이 세계 양자 기술 선두 국가임을 다시 한 번 증명하는 사례"라고 밝혔다. 양자 기술 기업인 인플렉션(Infleqtion)이 주도하고 업계 및 학계 파트너와 협력한 이 프로젝트는 정부로부터 약 800만 파운드(약 137억원)의 지원을 받았다. 25억 파운드(약 4조 2947억원) 규모의 국가 양자 전략(National Quantum Strategy) 및 국가 양자 기술 프로그램(National Quantum Technologies Programme)과 함께 이 자금 지원은 선도적인 양자 기반 경제로서 영국의 입지를 확고히 하는 것이 목표라고 영국 국방 기술업체 키네틱(QinetiQ)은 밝혔다. 인플렉션이 이끄는 틈은 일련의 시험 비행 동안 두 가지 획기적인 양자 기술, 즉 기술 기업 티커(Tiqker) 광학 원자 시계와 밀폐된 초저온 원자 기반 양지 시스템을 키네틱의 개조 항공기인 RJ100에 탑재해 시연했다. 현재 주로 사용되고 있는 GPS는 위성 기반 시스템이지만, 이번 시험에 사용된 것은 양자 기반 시스템이다. 양자 기술은 매우 미세한 단위의 물질 특성을 이용하는 기술을 말한다. GPS는 항공기, 선박, 자동차 운행뿐만 아니라 군사 분야에서도 중요하게 사용되며, 스마트폰의 위치 정보에도 활용된다. 하지만 GPS 신호는 간섭(재밍, jamming) 또는 위장(스푸핑, spoofed)을 통해 오류를 발생시킬 수 있다. 실제로 지난 3월 그랜트 샤프스 영국 국방장관이 탑승한 RAF 항공기의 GPS 신호가 러시아 영토 인근을 비행하는 동안 간섭을 받았던 사례가 있다. 핀란드 항공사인 핀에어 또한 항공기 2대가 GPS 간섭을 받은 후 매일 운항하던 에스토니아 타르투(Tartu) 행 운항을 한 달 동안 중단해야 했다. 전문가들은 러시아가 위성 항법 시스템에 장애를 일으켜 수천 건의 민간 항공편에 영향을 미쳤다고 비난했다. 드론과 미사일을 포함한 많은 군사 기술에도 GPS가 사용된다. 하지만 GPS 간섭은 소규모로도 진행될 수 있다. 예를 들어 고용주가 차량에 GPS 추적 장치를 설치한 경우 운전자가 이를 차단하는 데에도 사용될 수 있다. 전문가들은 GPS가 우주에서 수신되는 신호에 의존하기 때문에 자동차 헤드라이트 정도의 출력만을 갖춘 GPS 위성은 쉽게 간섭을 받을 수 있다고 지적했다. 영국에서 이번에 시험 운행한 새로운 시스템은 -273°C(절대 영도 근처)까지 냉각된 원자 군을 사용한다. 원자 군은 항공기 자체에 탑재되기 때문에 스푸핑이나 전파 방해의 영향을 받지 않는다. 새로운 시스템은 매우 작은 입자를 다루는 과학 용어로 ‘양자 시스템’이라고 부른다. 개별 원자는 엄청나게 작으며(머리카락 한 가닥은 약 100만 개의 원자로 이루어져 있음), 이러한 미세한 양자 단위에서 작업하는 것은 지상에서도 매우 어렵다. 원자를 사용하는 이 시스템은 항공기의 방향과 가속도 측정을 목표로 한다. 이를 종합적으로 활용하면 비행기의 정확한 위치를 정밀하게 파악하는 데 사용할 수 있다. 이번 시험 비행은 이처럼 미세한 원자를 매우 제한된 공간인 까다로운 항공기 환경에서도 사용할 수 있음을 보여주었다. 영국 정부는 이번 시험 비행이 "영국 내 최초의 항공기 탑재 양자 기술 시험"이자 "공개적으로 알려진 전 세계 최초의 시험 비행"이라고 밝혔다. 이달 초 마무리된 이번 시험 비행에는 양자 기술 기업인 인플렉션(Infleqtion)과 항공 우주 기업 BAE 시스템스(BAE Systems), 영국의 방 및 안보 과학 기술 연구 기관 키네틱(QinetiQ)이 참여했다. 하지만 양자 기술 자체는 매우 미세하지만 현재까지 개발된 장비는 여전히 사이즈가 크다는 단점이 있다. 이 프로젝트에 참여했던 BAE 시스템스 팀의 헨리 화이트(Henry White)는 이러한 이유로 "더 넓은 공간을 확보할 수 있는 선박"에 처음으로 적용될 가능성이 있다고 언급했다. 이번 시험 비행에서는 GPS 신호가 차단된 경우 백업으로 사용할 수 있는 양자 시계도 항공기에 탑재됐다. 실험실에서 최고의 양자 시계는 놀라운 정확도를 자랑했다. 화이트는 "우주 초기부터 작동하기 시작했다면 지금까지 1초도 늦지 않았을 것"이라고 말했다. 그는 이번 시험 비행이 "중대한 이정표"라고 평가하면서도 실제 활용까지는 시간이 걸릴 것이라고 인정했다. 항공 보안 분야의 사이버 보안 회사인 펜 테스트 파트너스(Pen Test Partners)의 켄 문로(Ken Munro)는 이번 시험 비행이 "올바른 방향으로 나아가는 중요한 발걸음"이라고 평가하면서도 "영국 상용 항공 분야에서 실제로 적용되기까지는 10~20년이 걸릴 것"이라고 예상했다. 영국 항공기에서 진행된 양자 기술 시험 비행은 GPS 시스템에 대한 의존도를 높일 수 있는 획기적인 기술 개발에 중요한 진전을 보여주었다. BBC는 아직 초기 단계이지만, 이번 시험 비행은 미래 항공 및 해양 운송 분야에 혁신을 가져올 수 있는 문을 열었다고 평가했다. 향후 연구 개발을 통해 양자 기술 기반 항법 시스템의 정확도, 효율성, 실용성을 더욱 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
- 포커스온
2024-05-17 13:09:00
[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
- IT/바이오
2024-05-16 16:57:00
[신소재 신기술(46)] 머리카락만큼 얇고 소리 75% 차단하는 '방음 커튼'

아파트 등 공동주택이 늘어나면서 한밤중에 들려오는 소리에 잠을 못 이루는 사람이 많다. 반대로 너무 예민해서 자신이 내는 소리에 옆방이나 옆집 사람이 잠 못 이루는 것을 걱정하는 경우도 있다. 머리카락만큼 얇지만 소리를 75% 차단하는 방음 커튼이 미국에서 개발돼 층간 소음 등 소음 문제 해결에 희소식을 전하고 있다. 미국 매사추세츠공과대학교(MIT) 요엘 핀크(Joel Fink) 등 연구팀은 머리카락처럼 가는 직물에 스피커 기술을 접목해 조용한 공간을 만들 수 있는 방음 커튼을 개발했다고 발표했다. 방음 실크, 노이즈 캔슬링 기능 과학 전문 매체 기가진(Gigazine)에 따르면 MIT가 개발한 '방음 실크(soundproof silk)'는 두 가지 방식으로 조용한 공간을 조성하고 소음을 억제한다. 첫 번째는 소리에 반응해 음파를 발생시켜 소음을 상쇄하는 노이즈 캔슬링(noise-canceling) 기능이다. 직물에 노이즈 캔슬링 기능을 부여하는 기술은 직물을 마이크로 만드는 데 사용되는 기술을 응용한 것이다. 이전 연구에서는 진동을 받으면 전기 신호를 방출하는 압전 섬유를 직물에 꿰매어 직물 마이크를 제작했다. 반면 방음 실크는 압전 섬유에 전기 신호를 통과시켜 소리를 생성했다. 연구팀은 심지어 방음 실크를 원형 프레임에 부착해 바흐 음악을 재생하는 스피커로 사용하는 데도 성공했다. 이 직물은 소음과 반대 위상의 음파를 방출해 소리를 상쇄시켜 소음 제거 방음 실크를 구현했다. MIT의 그레이스 양(Grace Yang) 연구원은 이번 연구에 대해 "직물을 이용해 소리를 낼 수도 있지만 우리가 사는 세상은 이미 소음으로 가득 차 있기 때문에 소리를 내는 것보다 침묵을 만드는 것이 더 가치 있다고 생각했다"고 설명했다. 그러나 이 소음 제거 기능은 헤드폰과 귀 사이의 공간과 같은 좁은 공간에서만 작동하며 큰 방과 같은 넓은 공간에서는 작동하지 않는다. 직물에 진동 제어 기능 삽입 따라서 연구팀은 방음 실크에 두 번째 기능을 삽입했다. 섬유의 진동을 제어하고 직물이 움직이지 않도록 해 소리가 직물을 통과하지 못하게 한 것이다. 예를 들어, 아파트에서 이웃이 한밤중에 소음을 낼 경우 소음으로 인해 벽이 진동해 방 안에 소리가 발생하기 때문에 소리가 다음 아파트로 전달된다. 연구팀은 직물을 가만히 잡고 있을 때 방음 실크가 거울처럼 작동해 소리를 반사하고, 소리가 직물을 통해 청취자에게 전달되는 것을 막는다는 것을 발견했다. 이러한 방음 효과는 방과 같은 넓은 공간에서도 작동한다. 실제로 연구팀은 위의 그림 왼쪽 하단의 '직접 억제 모드'와 함께 소음 제거 기능을 테스트했을 때 최대 65데시벨, 즉 사람이 큰 소리로 말하는 것과 같은 음량의 소리를 줄일 수 있다는 것을 발견했다. 또한 직물의 진동을 억제하는 '진동 억제 모드'(오른쪽 하단)는 최대 75%까지 소음 전달을 줄일 수 있었다. 연구팀은 앞으로 다중 주파수를 차단할 수 있는 직물을 연구하고 압전 섬유 개수, 봉제 방법 및 인가 전압을 변경하여 방음 성능을 더욱 향상시킬 계획이다. 연구팀은 "이 특수 커튼을 통해 '역위상을 통한 소리의 상쇄와 '직물의 진동을 억제해 소리를 반사하는 것'이 가능하다"고 밝혔다. 이번 연구 내용은 2024년 4월 1일자 과학저널 '언드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)'에 게재됐다.
- 포커스온
2024-05-14 11:32:00
[신소재 신기술(45)] 초인적 속도의 친환경 수중 자전거

프랑스에서 물속에서 훨씬 더 빠르게 이동할 수 있는 친환경 수중 자전거를 개발했다. 프랑스 회사 씨바이크(Seabike)는 수영하는 사람이 빠른 속도로 물속에서 이동할 수 있는 수영 장비인 수중 자전거를 개발했다고 뉴아틀라스가 보도했다. 수중 외발자전거처럼 생긴 이 장비는 약 13인치(38cm)의 크랭크 구동 프로펠러를 사용하여 사용자의 다리 힘으로 수중을 더 빠르게 이동할 수 있도록 도와준다. 해당 장비는 사용자가 원하는 길이까지 폴을 조절한 후, 벨트로 허리에 고정하고 페달을 밟으면 프로펠러가 회전되면서 추진력을 제공한다. 프로펠러는 양방향으로 작동하므로 뒤집어서 프로펠러를 앞으로 내밀고 페달 대신 손잡이를 붙인 다음 팔로 조종할 수도 있다. 씨바이크는 이 수중 자전거가 천천히 회전하기 때문에 지역 수영장에서 안전하게 사용할 수 있다고 설명했다. 제조사에 따르면, 이 제품을 사용하면 오리발(핀)을 착용한 수영 선수보다 더 빠르게 이동할 수 있다고 한다. 또한 스노클링 보드 및 스피어피싱 키트와 함께 판매되며, 개방 수역에서 먼 거리를 이동하는 데 매우 효과적이라고 밝혔다. 현재 가격은 290유로(약 310달러, 약 42만원)부터 시작한다. 이 제품은 접어서 보관할 수 있어서 휴대가 간편하며, 전기가 필요 없는 간단한 구조를 가지고 있어 친환경적이라는 장점도 있다. 한편, 수중 자전거 아이디어는 씨바이크만 있는 것이 아니다. 미국 기업인 아쿠아사이클(AquaCycle)에서 개발한 제품 아쿠아사이클은 물속에서 자전거를 타는 것과 같은 느낌으로 운동할 수 있는 수중 운동 기구다. 실내 수영장에서 주로 사용되며, 관절에 부담을 주지 않고 운동할 수 있다는 장점이 있다. 영국 회사인 워터로우어(WaterRower)에서 개발한 워터로우어는 뗏목에 자전거를 장착한 것 같은 형태의 제품으로, 물의 저항을 이용하여 운동할 수 있다. 워터로우어는 유산소 운동과 근력 운동을 동시에 할 수 있다는 장점이 있다.
- 포커스온
2024-05-10 13:39:00
[신소재 신기술(44)] 혈액뇌장벽 관통 나노입자 개발

혈액 뇌 장벽을 뚫는 나노입자가 개발돼 유방암과 뇌 전이 치료의 새로운 가능성을 열었다. 미국 마이애미 대학교 밀러 의과대학 실베스터 종합 암 센터의 연구원들은 혈액뇌장벽을 관통할 수 있는 나노입자를 개발했다고 과학 웹사이트 phys.org가 지난 6일(현지시간) 보도했다. 연구원들의 목표는 한 번의 치료로 원발성 유방암 종양과 뇌 전이를 죽이는 것이다. 이 연구는 실험실 연구에서 유방암과 뇌종양을 줄일 수 있음을 보여준다. 이차 종양이라고 불리는 '뇌 전이'는 유방암, 폐암, 대장암과 같은 고형 종양에서 가장 흔하게 발생하며 예후가 좋지 않은 경우가 많다. 암이 뇌에 침범하면 뇌와 신체의 나머지 부분을 분리하는 거의 뚫을 수 없는 막인 혈액 뇌 장벽으로 인해 치료가 어려울 수 있다. 이 연구를 주도한 실베스터의 생화학 및 분자생물학 부교수이자 기술 및 혁신 부책임자인 샨타 다르 박사는 연구팀이 개발한 나노 입자가 향후 원발 종양을 동시에 치료하는 추가적인 이점과 함께 전이를 치료하는 데 사용될 수 있다고 말했다. 다르 박사는 이번 논문의 시니어 저자이기도 하다. 이 연구 논문은 지난 5월 6일 미국 국립과학원 회보에 게재됐다. 연구팀은 전임상 연구에서 세포의 에너지 생산 중심인 미토콘드리아를 표적으로 하는 두 가지 전구 약물을 입자에 탑재해 유방암과 뇌종양을 축소할 수 있음을 보여주었다. 다르 박사는 "저는 항상 나노 의학이 미래라고 말한다. 물론 우리는 이미 그 미래에 와 있다"며 나노 입자를 제형에 사용하는 상용화된 코로나19 백신을 언급했다. 그러면서 "나노 의학은 암 치료제의 미래이기도 하다"라고 덧붙였다. 이 새로운 방법은 다르 연구팀이 이전에 개발한 생분해성 폴리머로 만든 나노 입자와 암의 에너지원을 겨냥하여 연구실에서 개발한 두 가지 약물을 결합해서 사용한다. 암세포는 건강한 세포와 다른 형태의 신진대사를 하는 경우가 많기 때문에 대사를 억제하면 다른 조직을 해치지 않고 종양을 죽이는 효과적인 방법이 될 수 있다. 이러한 약물 중 하나는 고전적인 화학 요법 약물인 시스플라틴의 변형 버전으로, 빠르게 성장하는 세포의 DNA를 손상시켜 암세포의 성장을 효과적으로 중단시킴으로써 암세포를 죽인다. 그러나 종양 세포는 DNA를 복구해 때때로 시스플라틴 내성을 일으킬 수 있다. 다르 박사팀은 약물의 표적을 염색체와 게놈을 구성하는 DNA인 핵 DNA에서 미토콘드리아 DNA로 바꾸도록 수정했다. 미토콘드리아는 세포의 에너지원이며 훨씬 작은 자체 게놈을 포함하고 있으며, 암 치료 목적상 중요한 것은 큰 게놈과 동일한 DNA 복구 메커니즘을 가지고 있지 않다는 점이다. 암세포는 성장과 증식을 유지하기 위해 다양한 에너지원을 전환할 수 있기 때문에 연구팀은 산화적 인산화로 알려진 에너지 생성 과정을 공격하는 변형 시스플라틴을 키나아제로 알려진 미토콘드리아 단백질을 표적으로 하고 다른 종류의 에너지 생성인 해당 작용을 억제하는 또 다른 약물인 Mito-DCA와 결합하여 개발했다. 다르 박사는 뇌에 접근할 수 있는 나노입자를 개발하는 것은 먼 길이라고 말했다. 그녀는 평생 동안 나노 입자를 연구해 왔으며, 다양한 형태의 폴리머를 연구하는 이전 프로젝트에서, 전임상 연구에서 일부 나노 입자가 뇌에 도달하는 것을 발견했다. 다르의 연구팀은 이러한 폴리머를 더욱 연마하여 혈액-뇌 장벽과 미토콘드리아의 외막을 모두 통과할 수 있는 나노 입자를 개발했다. 다르 박사는 "이 사실을 알아내기까지 많은 우여곡절이 있었으며, 이 입자가 혈액뇌장벽을 통과하는 메커니즘을 이해하기 위해 여전히 노력하고 있다"고 말했다. 그런 다음 연구팀은 전임상 연구에서 특수 약물이 탑재된 나노 입자를 테스트한 결과 유방 종양과 뇌에 종양을 형성하기 위해 주입된 유방암 세포를 모두 축소시키는 효과가 있다는 사실을 발견했다. 나노 입자-약물 조합은 또한 실험실 연구에서 무독성이며 생존 기간을 크게 연장하는 것으로 나타났다. 연구팀은 향후 환자 유래 암세포를 사용해 인간의 뇌 전이를 더 가깝게 재현하기 위해 실험실에서 이 방법을 테스트할 계획이다. 또한 특히 공격적인 뇌암인 교모세포종의 실험실 모델에서 이 약물을 테스트할 예정이다. 다르 박사의 연구실에서 근무하는 마이애미 대학교 박사 과정 학생이자 이번 연구의 공동 제1저자인 아카시 아쇼칸은 "저는 고분자 화학에 관심이 많고, 이를 의료 목적으로 사용하는 것이 정말 매력적이다"라고 말했다.
- 포커스온
2024-05-08 10:23:00
[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.
- 포커스온
2024-05-07 16:50:00
[신소재 신기술(42)] 플라스틱 폐기물 90% 분해하는 혁신 기술

과학자들은 우리 시대 가장 심각한 환경 문제 중 하나인 플라스틱 오염을 해결하기 위한 독창적인 방법을 제시했다. 미국 캘리포니아 대학교 연구팀이 플라스틱을 먹는 매우 강한 포자가 함유된 플라스틱이 매립지에서 스스로 분해되는 기술을 개발했다고 네이처닷컴과 BBC, 뉴아틀라스 등 다수 외신이 집중 조명했다. 이 연구에서는 고온 용융 압출을 사용해 폴리머 분해 박테리아의 포자를 열가소성 폴리우레탄에 통합하는 바이오 복합재 제작을 시연했다. 플라스틱의 한 종류인 폴리우레탄은 강도와 탄성이 뛰어나 휴대폰 케이스부터 운동화까지 모든 제품에 사용되지만 재활용이 까다로워 주로 매립된다. 플라스틱에 첨가되는 박테리아의 종류는 식품 첨가물 및 프로바이오틱스로 널리 사용되는 고초균(枯草菌)으로 영문으로는 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis)로 불린다. 고초균은 토양과 발효식품 등 다양한 환경에서 발견되는 세균이다. 또한 바실러스 서브틸리스 포자로 채워진 열가소성 폴리우레탄의 전반적인 인장 특성이 크게 개선되어 인성이 매우 향상됐다. 캘리포니아대학교 샌디에이고 라호야 캠퍼스의 김한솔 연구원은 "자연에서 플라스틱 오염을 완화할 수 있다는 희망이 있다"고 말했다. 공동 연구원 존 포코르스키는 "우리의 공정은 소재를 더욱 견고하게 만들어 플라스틱의 수명을 연장한다"고 말했다. 그는 "그리고 이 공정이 완료되면 폐기 방법에 관계없이 환경으로부터 플라스틱을 제거할 수 있다"고 설명했다. 포코르스키 연구원은 "이 플라스틱은 현재 실험실에서 연구 중이지만 제조업체의 도움을 받으면 몇 년 안에 실제 환경에 적용될 수 있을 것"이라고 덧붙였다. 플라스틱은 강하고 다양한 용도로 사용되는 소재지만, 이러한 장점은 폐기 처리를 어렵게 만드는 요인이기도 하다. 플라스틱은 분해되는 데 수십 년 또는 수백 년이 걸리기 때문에 엄청난 양의 플라스틱 쓰레기가 매립지와 바다를 오염시키고 있는 실정이다. 연구팀은 플라스틱에 플라스틱 분해 박테리아 포자를 넣어 매립지에 폐기될 때 활성화되도록 만들었다. 이를 통해 5개월 만에 플라스틱 물질의 90%가 생분해되는 것이 확인됐다. 게다가 '플라스틱 분해 박테리아 포자'를 넣은 플라스틱은 실제로 사용하는 동안 일반 플라스틱보다 더욱 견고하고 강했다. 최근 몇 년 동안 과학자들은 플라스틱을 분해하는 능력을 갖춘 박테리아를 발견하고, 이 과정을 담당하는 효소를 분리하여 효율성을 높였다. 이를 통해 효소와 박테리아로 플라스틱을 처리하는 더 효율적인 재활용 시설이 구축될 수 있다. 하지만 재활용 시설로 옮겨지지 않는 플라스틱은 어떻게 될까. 앞서 지적했듯이 열가소성 폴리우레탄(TPU)은 신발, 스포츠 용품, 휴대폰 케이스, 자동차 부품 등을 만드는데 일반적으로 사용되는 견고한 플라스틱 유형이지만 현재 재활용이 불가능하다. 연구팀은 TPU 폐기 처리를 위해 플라스틱 분해 박테리아 바실러스 서브틸리스의 포자를 플라스틱 자체에 직접 넣는 새로운 방법을 연구했다. 또한 연구팀은 포자를 넣은 플라스틱 제품이 너무 일찍 분해되지 않고, 정상적인 기간 동안 사용한 뒤 매립지나 자연 환경에서 폐기될 때만 생분해가 시작되도록 설계했다. 내열성 미생물로 온도 한계 극복 먼저 극복해야 할 문제는 플라스틱 제조에 사용되는 높은 온도였다. 플라스틱 가공시 사용되는 고온으로 인해 대부분의 박테리아 포자가 죽는다. 연구팀은 이를 극복하기 위해 내열성 미생물을 유전공학적으로 제작했으며, 플라스틱 가공 온도인 135°C(275°F)에서 변형된 박테리아의 96~100%가 생존하는 것을 확인했다. 변형되지 않은 박테리아의 경우 생존율은 겨우 20%에 불과했다. 다음으로 연구팀은 박테리아가 플라스틱을 얼마나 잘 분해하는지 테스트했다. 이 과정은 토양의 영양분과 수분에 의해 시작된다. 플라스틱 무게의 최대 1% 농도에서 박테리아는 퇴비에 묻힌 후 5개월 이내에 플라스틱 물질의 90% 이상을 분해했다. 이 새로운 플라스틱은 사용 중 강도가 약화될 것으로 추정했지만, 실제로는 그 반대 효과가 나타났다. 포자를 넣어 만든 플라스틱은 일반 폴리우레탄(TPU)보다 최대 37% 더 강하고 인장 강도가 최대 30% 더 높은 것으로 나타났다. 연구팀은 포자가 강화 충전재 역할을 하는 것으로 추정했다. 연구팀은 이 기술은 확장 가능성이 높으며, 사용 중 더욱 견고하고 강하면서 재활용이 불가능한 TPU를 폐기 처리하는 새로운 방법을 열 수 있다고 말했다. 이를 다른 몇 가지 방법과 함께 사용한다면 플라스틱 오염 문제 해결에 진전을 이룰 수 있을 것으로 보인다. 플라스틱의 약 80%가 재활용되지 않고 매립지나 자연 환경에 축적되고 있는 실정다. 또한 폴리우레탄(PU)은 세계에서 6번째로 많이 생산되는 플라스틱이지만 재활용을 위한 거버넌스는 없다. PU 폐기물은 수지 식별 코드의 카테고리 7(PETE, HDPE, PVC, LDPE, PP, PS 이외의 기타 플라스틱)에 따라 잠재적으로 수거될 수 있지만, 미국에서는 일반적으로 이 카테고리의 플라스틱 중 0.3%만이 재활용되고 있다. 플라스틱 분해 과정에 박테리아 포자를 결합시킨 것은 산업 공정에서 재생 가능한 폴리머 충전재로서 살아있는 세포를 도입할 수 있는 흥미로운 기회를 제공했다는 평가를 받고 있다. 연구진은 잠재적으로 확장 가능한 이 기술이 재활용할 수 없는 TPU를 폐기하는 새로운 방법을 제시하는 동시에 사용 중에 더 튼튼하고 강하게 만들 수 있다고 말했다. 이 기술을 다른 몇 가지 방법과 결합하면 플라스틱 오염 문제를 해결하는 데 어느 정도 진전을 이룰 수 있을 것으로 기대된다. 이 연구는 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)' 저널에 발표됐다.
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2024-05-03 14:11:00
[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.
- 포커스온
2024-05-02 11:02:00
[신소재 신기술(40) 초소형 로봇 '필봇', 내시경 검사 대체할까?

인체 내부를 탐색할 수 있는 알약 크기의 초소형 로봇이 개발돼 내시경 검사에 새로운 장을 열고 있다. 의료 검진에 사용하기 위해 삼킬 수 있도록 설계된 새로운 소형 로봇 카메라가 최근 캐나다에서 열린 학술회의에서 시연됐다. 캡슐형 로봇으로 필봇(PillBot)이라고 불리는 이 전동 내시경 카메라는 신체 외부에서 전자기적으로 원격 조종하여 체내로 이동시킬 수 있다고 러닝 잉글리시 voa뉴스가 보도했다. 개발자들은 이 기기가 기존 내시경 검사를 대체할 수 있기를 기대하고 있다. 이전의 내시경 검사는 전선에 연결된 카메라를 환자가 잠든 상태에서 목을 통해 위로 삽입하는 시술로 수면 내시경으로 불렸다. 필봇은 캘리포니아주 헤이워드에 본사를 둔 엔디텍스(Endiatx)가 개발했다. 미네소타 주 로체스터에 있는 연구 병원인 메이요 클리닉(Mayo Clinic)이 이 프로젝트의 파트너다. Endiatx는 2014년 설립됐으며, 소화기계 및 간 질환 진단을 위한 혁신적인 기술 개발에 중점을 두고 있다. 최초의 전동 내시경 카메라 필봇은 최초의 전동 내시경 카메라로 설계됐다. 개발자들의 설명에 따르면 작동 방식은 다음과 같다. △ 환자는 1일 동안 금식한 후 다량의 물과 함께 캡슐형 로봇을 삼킨다. △ 캡슐형 로봇은 무선 리모컨으로 조종되는 작은 잠수함처럼 작동한다. △ 검사가 끝나면 신체는 다른 고형 폐기물과 같은 방식으로 캡슐형 로봇을 배출한다. 비벡 컴바리(Vivek Kumbhari) 박사는 회사의 공동 설립자이며 메이요 클리닉의 의학 교수이자 위장 및 간 질환 부장이다. 그는 복잡한 의료 서비스를 더욱 접근하기 쉽게 만드는 더 큰 목표를 향한 최신 연구 결과라고 밝혔다. 컴바리 박사는 "만약 내시경 검사를 병원에서 환자 집으로 옮길 수 있다면 우리는 그 목표를 달성했다고 생각한다"며 "이 기기는 더 안전하고 편안한 접근 방식"이라고 말했다. 그는 이 기기는 의료 종사자 수를 줄이고 마취도 필요 없을 것이라고 덧붙였다. 컴바리 박사는 또한 이 기술은 기존 내시경에 비해 더 효율적이며 환자가 질병 진행 초기 단계에 치료를 받을 수 있게 할 것이라고 말했다. 의료 시설 부족한 지역 원격서비스 기대 인디텍스 공동설립자인 알렉스 루브케(Alex Luebke)는 캡슐형 로봇이 의료 센터와 치료 시설이 부족한 시골 지역 사람들을 도울 수 있다고 말했다. 그는 "특히 개발도상국에서는 질좋은 의료 서비스에 접근하기 힘들다"고 말했다. 이어 "이 장치는 모든 정보를 수집하여 원격지에서도 솔루션을 제공할 수 있다"고 말했다. 마이크로 로봇 알약 필은 테스트 중이다. 이는 앞으로 몇 달 안에 미국 식품의약국(FDA)의 승인을 받을 수 있다. 승인되면 필봇은 2026년까지 출시될 수 있다. 이 미세 로봇 캡슐은 현재 테스트 중이며, 앞으로 몇 달 안에 미국 식품의약품국(FDA)의 승인을 받을 수 있다. 승인이 되면 2026년까지 캡슐형 로봇을 사용할 수 있게 된다. 컴바리 박사는 이 미세 로봇 캡슐 기술이 장, 혈관계, 심장, 간, 뇌 및 신체의 다른 부위로 확대될 수 있기를 기대하고 있다.
- 포커스온
2024-04-30 10:03:00
[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.
- 포커스온
2024-04-29 15:05:00
[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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2024-04-25 17:05:00
[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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2024-04-24 15:25:00
[신소재 신기술(36)] 완두콩 크기 뇌 임플란트 장치 개발

미국 라이스 대학 엔지니어들은 인간 환자에게 시연된 가장 작은 이식형 뇌 자극기를 개발했다. 이 완두콩 크기의 뇌 임플란트 장치는 '오버 브레인 테라퓨틱(DOT, Digitally programmable Over-brain Therapeutic)'이라고 불리며, 경추막(두개골 바닥에 연결된 보호막)을 통해 뇌를 자극하는데 사용된다고 사이테크데일리가 22일(현지시간) 보도했다. 제이콥 로빈슨의 라이스 연구실과 신경 공학회사 모티프 뉴로테크(Motif Neurotech), 임상의 사미르 셰스(Sameer Sheth) 박사와 수닐 셰스(Sunil Sheth) 박사가 공동으로 개발한 혁신적인 장치 DOT는 선구적인 자기전기 전력 전송 기술 덕분에 외부 송신기를 통해 무선으로 전력을 공급받을 수 있다. 이 장치는 두개골 바닥에 부착된 보호막을 통해 뇌 자극에 사용될 수 있어 의료 분야에 큰 가능성을 보여주고 있다. 디지털 프로그래밍이 가능한 DOT 장치는 현재의 신경 자극 기반 치료법보다 환자의 자율성과 접근성이 뛰어나고 다른 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)보다 덜 침습적인 치료 대안을 제공함으로써 약물 내성 우울증 및 기타 정신과적 또는 신경학적 장애 치료에 혁명을 일으킬 수 있다. 이 연구는 최근 '사이언스 어드밴시즈(Science Advances)' 저널에 게재됐다. 이 뇌 임플란트 장치의 폭은 9mm(밀리미터)이며 14.5v(볼트)의 자극을 전달할 수 있다. 라이스 바이오테크 런치 패드를 통해 설립된 스타트업 모티프 뉴로테크의 설립자이자 CEO인 로빈슨은 "우리의 뇌 임플란트는 이 자기 전기 효과를 통해 모든 에너지를 얻는다"고 말했다. 모티프 뉴로테크는 신경 장애 치료법을 혁신할 수 있는 BCI의 잠재력을 연구하는 여러 신경공학 회사 중 하나다. 로빈슨은 "신경 자극은 약물 부작용과 효능 부족으로 적절한 치료 옵션이 없는 사람들이 많은 정신 건강 분야에서 치료를 가능하게 하는 핵심 기술"이라고 말했다. 연구팀은 이 장치를 인간 환자에게 일시적으로 테스트하여 운동 피질(운동을 담당하는 뇌 부분)을 자극하고 손의 움직임 반응을 생성하는 데 사용했다. 그 다음 연구팀은 돼지를 대상으로 30일 동안 이 장치가 뇌와 안정적으로 상호작용하는 것을 보여주었다. 향후에는 우울증이나 다른 질환을 가진 환자의 실행 기능을 향상시킬 수 있도록 이 장치를 전두엽피질과 같은 뇌의 다른 부위 위에 삽입할 수도 있다. 기존 삽입형 뇌 자극 기술은 피부 아래 다른 부위에 삽입되어야 하는 상대적으로 큰 배터리로 구동되며, 긴 전선을 통해 자극 장치에 연결된다. 이러한 설계상의 한계로 인해 더 많은 수술이 필요하며, 개인에게 더 많은 하드웨어 삽입 부담, 전선 파손 또는 고장 위험, 그리고 향후 배터리 교체 수술이 필요했다. 라이스대학 연구팀은 외부 송신기를 사용하여 무선으로 장치에 전원을 공급함으로써 배터리를 아예 없앴다. 임상 테스트 및 향후 연구 방향 우즈 박사는 "이전에는 이 정도 크기의 임플란트에는 무선 전력 전송이 불가능했기 때문에 경막을 통해 뇌를 자극하는 데 필요한 신호의 품질과 강도가 불가능했다"고 설명했다. 로빈슨 박사는 이 기술을 집에서 편안하게 사용할 수 있을 것으로 기대했다. 의사가 치료를 처방하고 장치 사용에 대한 지침을 제공하지만, 환자가 치료 방법을 완전히 통제할 수 있다는 것. 로빈슨은 "환자가 집에서 모자를 쓰거나 웨어러블을 착용하여 임플란트에 전원을 공급하고 통신하고, 아이폰이나 스마트워치에서 '이동'을 누르면 임플란트의 전기 자극이 뇌 내부의 신경 네트워크를 활성화할 것"이라고 설명했다. 이 장치를 이식하려면 뇌의 뼈에 장치를 삽입하는 최소 침습 30분의 시술이 필요하다. 임플란트와 절개 부위는 거의 보이지 않으며 환자는 수술 당일 퇴원해서 집으로 돌아갈 수 있다. 베일러 의과대학의 교수이자 연구 부의장, 맥에어 장학생, 컬렌 재단 신경외과 기부 석좌인 셰스 박사는 "심장 박동조율기는 심장 치료의 매우 일상적인 부분"이라면서 "신경 및 정신 질환의 경우 무섭고 침습적일 것 같은 뇌심부자극술(DBS)이 이에 해당한다"고 비유했다. 셰스 박사는 "DBS는 실제로 상당히 안전한 시술이지만 여전히 뇌 수술이며, 그 위험성으로 인해 이를 기꺼이 받아들이고 혜택을 받을 수 있는 사람의 수가 매우 제한적이다. 그래서 이런 기술이 필요한 것이다. 외래 수술 센터에서 피부 수술에 지나지 않는 30분 정도의 간단한 뇌 임플란트 시술은 DBS보다 훨씬 더 많은 사람들이 받아들일 가능성이 높다라고 설명했다. 그는 "따라서 이 치료법이 더 침습적인 대안만큼 효과적이라는 것을 보여줄 수 있다면 정신 건강에 훨씬 더 큰 영향을 미칠 수 있을 것"이라고 덧붙였다. 예를 들어 간질과 같은 일부 질환의 경우 장치를 영구적으로 또는 대부분의 시간 동안 착용해야 할 수도 있지만, 우울증이나 강박증과 같은 장애의 경우 하루에 단 몇 분의 자극만으로도 표적 신경 네트워크의 기능에 원하는 변화를 가져올 수 있다. 로빈슨은 다음 단계에 대해 연구 측면에서 "임플란트 네트워크를 만들고, 자극하고 기록할 수 있는 임플란트를 만들어 자신의 뇌 신호를 기반으로 적응형 개인 맞춤형 치료를 제공할 수 있다는 아이디어에 정말 관심이 있다"고 말했다. 한편, 모티프 뉴로테크는 치료법 개발의 관점에서 사람을 대상으로 한 장기 임상시험에 대한 미 식품의약국(FDA) 승인을 받기 위한 절차를 진행 중이다. 이 연구는 로버트 및 제니스 맥네어 재단, 맥네어 의학 연구소, DARPA 및 국립과학재단의 일부 지원을 받았다. ※ 출처: "미니어처 배터리 없는 경막외 피질 자극기" Joshua E. Woods, Amanda L. Singer, Fatima Alrashdan, Wendy Tan, Chunfeng Tan, Sunil A. Sheth, Sameer A. Sheth 및 Jacob T. Robinson, 2024년 4월 12일, Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.adn0858
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2024-04-23 16:10:00
[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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2024-04-22 10:35:00
[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.
- 포커스온
2024-04-19 11:39:00
[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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2024-04-18 15:58:00
[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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2024-04-16 10:23:00
[신소재 신기술(31)] 나트륨 전고체 배터리 혁신으로 전기자동차 주행거리 2배 향상 가능

일본 과학자들이 현재 전기자동차(EV)의 주행 거리를 두 배 이상 늘릴 수 있는 차세대 충전 배터리로의 전환을 가속화할 수 있는 새로운 프로세스를 발견했다. 인디펜던스는 오사카 메트로폴리탄 대학 연구팀이 수행한 이 연구는 스마트폰부터 전기 자동차까지 모든 것에 사용되는 기존 리튬 이온 배터리에서 더 저렴하고 안전한 고체 나트륨 배터리로의 전환을 촉진하는 데 도움이 될 수 있다고 지난 12일(현지시간) 보도했다. 연구원들은 현재 사용되고 있는 리튬 이온 배터리보다 여러 가지 장점이 있는 고체 상태 나트륨 배터리에 주목했다. 고체 상태 나트륨 배터리 개발의 핵심적인 과제는 양산 제조였다. 이번에 개발된 새로운 공정은 배터리 성능에 중요한 역할을 하는 고체 전해질의 대량 합성에 초점을 맞추고 있다. 전고체 나트륨 배터리는 리튬 이온 배터리보다 훨씬 더 풍부한 재료로 만들어졌지만 지금까지 대량 생산이 어려웠다. 일본 오사카 메트로폴리탄 대학 연구팀은 전도성이 높은 전해질의 대량 합성을 통해 이러한 장애물을 극복할 수 있다고 주장했다. 연구팀은 학교 공식 홈페이지를 통해 "대량 합성으로 이어질 수 있는 공정을 통해 세계에서 가장 높은 나트륨 이온 전도성을 지닌 고체 황화물 전해질과 높은 성형성을 지닌 유리 전해질을 생산한다"고 밝혔다. 이번 연구를 주도한 오사카 메트로폴리탄 대학의 아츠시 사쿠다 교수는 "새로 개발된 공정은 고체 전해질과 전극 활성 물질을 포함한 거의 모든 나트륨 함유 황화물 물질 생산에 유용하다"고 말했다. 사쿠다 교수는 "이 공정은 또한 기존 방식에 비해 더 높은 성능을 발휘하는 소재를 쉽게 얻을 수 있어 향후 전고체 나트륨 배터리용 소재 개발의 주류 공정이 될 것으로 기대한다"고 말했다. 고체 황화물 전해질은 상업적 사용에 필요한 것보다 약 10배 높은 세계 최고 수준의 나트륨 이온 전도성을 제공한다. 리튬 이온 배터리에 사용되는 액체 전해질과 달리, 고체 전해질은 배터리를 떨어뜨리거나 잘못된 방식으로 충전할 때도 화재의 위험이 없다. 이러한 획기적인 기술은 전기차 산업에서 뛰어난 성능, 비용 절감, 지속 가능성 개선을 통해 가장 유망한 기술로 입증될 잠재력을 가지고 있다. 또한 이 기술은 전기차 배터리의 충전 용량을 대폭 개선해 주행거리 불안감을 해소할 수 있다. 일본 자동차 제조업체인 도요타는 전고체 배터리를 사용하면 현재 시판 중인 전기 자동차의 2배가 넘는 거리인 1200km의 주행거리를 제공할 수 있다고 주장했다. 이 새로운 배터리의 충전 시간은 10분 정도로 짧을 수 있다. 이번 연구는 '전고체 나트륨 배터리용 황화물 고체 전해질 합성을 위한 반응성 폴리설파이드 플럭스 Na2Sx 활용'이라는 제목의 논문으로 과학 저널 '에너지 저장 재료(Energy Storage Materials)'와 '무기 화학(Inorganic Chemistry)'에 게재됐다. 전문가들은 "그러나 전고체 상태 나트륨 배터리가 상용화되기 전에 추가적인 연구 개발이 필요하다"고 지적했다. 한편, PR뉴스와이어는 15일(현지시간) 보고서 "배터리 종류(나트륨-황, 나트륨-염), 기술 유형(수용액 및 비수용액), 최종 사용 분야(에너지 저장, 자동차, 산업), 지역(아시아 태평양, 유럽, 북아메리카)별 나트륨 이온 전지 시장 - 2028년까지 전망"을 인용해 전 세계 나트륨 이온 전지 시장은 2023년 5억 달러에서 2028년 12억 달러까지 연평균 성장률(CAGR)이 21.5%에 달할 것으로 예상된다고 전했다. 이 매체는 리튬 이온 배터리 대비 경제성으로 인해 나트륨 이온 배터리 시장 성장이 확대될 것으로 예상된다고 덧붙였다. 이는 풍력 및 태양열과 같은 재생 에너지의 변동성을 해결하기 위한 대규모 에너지 저장 장치에 적합하다는 것. 또한 나트륨 이온 배터리는 일반적인 원소인 나트륨을 사용하기 때문에 지속 가능성이 높은 옵션으로 자리 잡고 있으며, 전 세계적인 환경 영향 저감 노력과 맞물려 시장이 성장할 것으로 전망했다. 그러면서 이 시장의 주요 업체로는 중국의 리튬 배터리 제조기업인 닝보 산산(Ningbo Shanshan Co.)과 장시 정투 신에너지 기술(Jiangxi Zhengtuo New Energy Technology), 일본의 레소낙 홀딩스(Resonac Holdings Co.)와 미쓰비시 화학, 한국의 포스코 퓨처엠(POSCO FUTURE M), 독일의 SGL 카본 등이 있다고 덧붙였다.
- 포커스온
2024-04-15 17:23:00
[신소재 신기술(30)] 190% 양자 효율 달성! 태양 전지 혁신 이끌 새로운 양자 물질 개발

미국 펜실베이니아주 리하이 대학교의 연구진은 태양전지 패널의 효율을 획기적으로 높일 수 있는 잠재력을 지닌 소재를 개발했다. 해당 물질을 태양 전지의 활성층으로 사용한 프로토타입은 평균 80%의 광전 흡수율, 높은 광여기 전하체 생성 속도, 최대 190%에 달하는 외부 양자 효율 (EQE)을 나타냈다고 과학 기술 전문 매체 테크익스플로어가 11일(현지시간) 전했다. 이는 실리콘 기반 물질의 이론적 쇼클리 퀴서(Shockley-Queisser) 효율 한계를 훨씬 뛰어넘는 수치이며, 태양전지용 양자 물질 분야를 새로운 차원으로 끌어올린 것이다. 쇼클리 퀴서 한계는 태양전지의 최대 효율을 결정하는 이론적 모델이다. 이 이론은 19661년에 물리학자 윌리엄 쇼클리에 의해 개발됐다. 이 한계는 단일 띠 구조를 가진 반도체 재료를 사용하는 태양전지의 최대 전력 변환효율을 설명하고 있다. 쇼클리 퀴서 한계는 이상적인 조건하에서 단일 접합 실리콘 태양전지의 최대 효율을 33%로 예측한다. 연구 논문을 저술한 치네두 에쿠마(Chinedu Ekuma) 리하이 대학교 물리학 교수는 "이 연구는 지속 가능한 에너지 솔루션에 대한 이해와 개발에서 중요한 도약을 의미하며, 가까운 미래에 태양 에너지 효율과 접근성을 재정의할 수 있는 혁신적인 접근 방식을 강조한다"라고 말했다. 에쿠마 교수와 리하이 박사과정 학생 스리하리 카스투아르가 함께 작성한 이번 연구 논문은 '사이언스 어드밴스' 저널에 발표됐다. 이 소재의 효율성은 주로 소재의 전자 구조 내에 태양 에너지 변환에 이상적인 방식으로 배치된 특정 에너지 레벨인 '중간 대역 상태'에 기인한다. 이러한 상태는 최적의 서브밴드 갭(물질이 태양광을 효율적으로 흡수하고 전하 캐리어를 생성할 수 있는 에너지 범위) 내에서 약 0.78 및 1.26전자볼트의 에너지 레벨을 갖는다. 또한 이 물질은 전자기 스펙트럼의 적외선 및 가시광선 영역에서 높은 흡수율을 보여 특히 우수한 성능을 발휘한다. 기존 태양 전지에서 최대 EQE는 100%이며, 이는 흡수된 태양광 한 개당 전자 하나를 생성 및 수집하는 것을 의미한다. 하지만 최근 몇 년 동안 개발된 일부 첨단 물질과 구성은 고에너지 광자로부터 둘 이상의 전자를 생성 및 수집할 수 있는 능력을 보여주었으며, 이는 100%를 초과하는 EQE를 나타낸다. 이러한 다중 엑시톤 생성(MEG) 물질은 아직 상용화되지 않았지만 태양 에너지 시스템의 효율을 크게 향상시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 리하이대학교에서 개발한 물질의 경우, 중간대 상태는 반사 및 열 생성을 포함하여 기존 태양 전지에서 손실되는 광자 에너지를 포집할 수 있다. 연구팀은 층을 이룬 2차원 물질 사이의 원자적으로 작은 틈인 '반 데르 발스 갭(van der Waals gap)'을 활용하여 새로운 물질을 개발했다. 반 데르 발스 갭은 분자나 이온을 가둘 수 있다. 재료 과학자들은 일반적으로 다른 원소를 삽입하거나 '인터칼레이트(intercalate)'하여 재료 특성을 조정하는 데 이 틈새를 사용한다. 리하이대학교 연구팀은 새로운 물질을 개발하기 위해 게르마늄 셀레나이드(GeSe)와 주석 황화물(SnS)로 구성된 2차원 물질 층 사이에 0가 구리 원자를 삽입했다. 컴퓨터 응집 물질 물리학 전문가인 에쿠마 교수는 이 시스템의 광범위한 컴퓨터 모델링을 통해 이론적 가능성을 입증한 후 개념 증명으로 프로토타입을 개발했다. 그는 "빠른 반응과 향상된 효율은 첨단 태양광 응용 분야에 사용할 수 있는 양자 물질로서 Cu-인터칼레이티드 GeSe/SnS의 잠재력을 강력하게 보여주며, 태양 에너지 변환의 효율을 개선할 수 있는 길을 제시한다"라면서 "이는 전 세계 에너지 수요를 해결하는 데 중요한 역할을 할 차세대 고효율 태양전지 개발의 유망한 후보 물질이다"라고 말했다. 새로 설계된 양자 물질을 현재의 태양 에너지 시스템에 통합하려면 더 많은 연구와 개발이 필요하지만, 과학자들은 오랜 시간 동안 원자, 이온, 분자를 물질에 정밀하게 삽입하는 방법을 터득해 왔다. 이에 에쿠마 교수는 이러한 물질을 만드는 데 사용되는 실험 기술은 이미 고도로 발전했다고 지적했다.
- 포커스온
2024-04-12 13:20:00
[신소재 신기술(29)] 물 엔진, 역사적 첫 작동! 수소 엔진 능가하는 성능 기록

역사상 최초로 움직이는 물 엔진(Water engine·수력 엔진)이 오스트리아에서 개발됐다. 오스트리아의 레이싱 기업 AVL 레이스텍(AVL Racetech)은 물을 주입하는 분사 시스템을 통해 강력한 수소 연소 엔진을 개발했다고 에코뉴스가 전했다. 최근 수소는 경제의 탈탄소화 과정에서 주목받는 대안 에너지원으로 부상하고 있다. 수소 생산에 대한 투자는 전 세계적으로 증가하고 있으며, 스페인의 경우 2022년 1분기에 세계 신규 수소 프로젝트의 20%를 차지했다. 하지만 기존 수소 연소 엔진은 출력 문제가 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 AVL 레이스텍은 헝가리의 훔브다(HUMDA) 연구소와 협력해 혁신적인 수소 연소 엔진을 개발했다. 이 엔진은 물 분사 시스템을 통해 기존 수소 연소 엔진의 문제점을 개선했다. 이 수소 연소 엔진은 더 나아가 레이싱카에 사용될 가능성도 있다. 물 분사 시스템 통한 성능 향상 AVL 레이스텍은 기존의 물 주입 방식인 PFI(포트 액체 분사)를 사용해 엔진의 공기 흡입 시스템에 물을 주입했다. 이를 통해 부품 손상을 유발할 수 있는 조기 점화를 방지하고 안정적인 연소를 촉진한다. 회사 측은 이는 '린번 엔진(lean-burn engine)'의 잠재적인 단점을 보완할 수 있다고 설명했다. 린번 엔진은 공연비(공기와 연료의 비율)가 일반적인 엔진보다 훨씬 높다. 이는 엔진이 연료 대비 더 많은 양의 공기를 사용해 연소시키는 것을 의미하며, 결과적으로 연료 효율이 개선되고 배출가스 중 일부 오염 물질의 양이 줄어든다. 린번 방식은 특히 질소산화물(NOx) 같은 오염물질의 배출을 줄이는 데 효과적일 수 있으며, 이는 환경에 미치는 부정적 영향을 감소시키는 데 도움이 된다. 하지만 이 기술은 연소 과정에서 고온이 발생할 수 있어, 질소산화물의 생성을 억제하기 위한 추가적인 기술이나 장치가 필요할 수 있다. 린번 엔진은 주로 가솔린 엔진에 적용되지만, 디젤 엔진에서도 유사한 원리의 연소 방식이 사용된다. 수소 연소 엔진의 미래 물 주입 방식인 PFI분사와 같은 개선을 통해 분당 3000~4000회 회전에서 410hp(마력)과 500Nm(뉴터 미터)의 토크를 내는 2리터 수소 엔진이 탄생했다. 이 엔진 리터당 약 205마력(리터당 150kW)의 특정 출력 밀도를 달성했다. 실제 테스트 결과 이 엔진은 하이 레벨 모터 레이싱 대회에서도 경쟁력을 갖출 것으로 예상된다. 모터스포츠 AVL 디렉터이자 전 프로 레이싱 드라이버인 엘렌 로어(Ellen Lohr)는 "H2 레이싱 엔진으로 얻은 결과는 이 기술로 매우 경쟁력 있는 패키지를 제공할 수 있다는 것을 확인시켜 주었다"고 설명했다. AVL 레이스텍은 이번 개발을 통해 모터스포츠의 지속 가능성 확보에도 기여하고자 한다. 이 수소 연소 엔진은 레이싱뿐만 아니라 일반 자동차의 탈탄소화 전환에도 활용될 수 있으며, 수소 에너지의 자동차 산업 활용 가능성을 한층 더 높였다. 이처럼 수소의 잠재력은 지금까지 우리가 가지고 있었던 자동차의 수소 개념을 바꾸고 있다.
- 포커스온
2024-04-09 14:12:00

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