기계/재료

2019년 희토류 과학기술상 발표

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2019년 중국 희토과학기술상이 발표되었다. 이번 과학기술상은 중국희토학회와 중국희토산업협회가 공동으로 희토과학기술상수상위원회를 구성하여 2019년 5월~9월 15일까지 접수한 희토분야 지하선광/재련 분석류 5건, 재료류 22건 총 27건에 대한 심의평가를 거쳐 최종 선정한 것이다. 수상위원회는 「희토과학기술상수상조례」와 「희토과학기술상 정량화평가기준」에 근거하여, 수상평가에 참여한 희토분야 과제에 대한 온라인 심사, 심사위원회 심의평가 및 수상위원회의 최종평가를 거쳐 1등상 3건, 2등상 7건을 각각 최종 선정했다. 2019년 중국의 희토 과학기술상 수상자 명단 등 상세 내용은 첨부파일 참조

인공 시각 시스템을 위한 신형 광전 감지 저장장치 개발

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중국과학원 금속연구소 선양(沈阳)재료과학국가연구센터 연구팀은 알루미늄 나노결정 부동 게이트에 기반한 탄소나노튜브 비휘발성 메모리를 제안함으로써 웨어러블 전자 소자 및 특수 환경 검사 시스템 개발에 신형 소자 설계 방법을 제공했다. 해당 설계 방법은 탐지, 저장 및 처리를 통합한 차세대 인공 시각 시스템에 응용될 전망이다. 해당 성과는 "Advanced Materials"에 게재되었다. 탄소나노튜브는 지난 30년 동안 재료 과학 분야에서의 가장 중요한 과학적 발견으로 우수한 전기학적, 광학적, 역학적 및 열학적 물리화학 특성을 보유하며 유연성과 신축성이 뛰어난 반도체 구축 재료이다. 신형 유연성 전자 소자와 광전자 소자 시스템에 적합하고 웨어러블 등 유연성 전자 소자 분야에서 독특한 장점과 잠재력을 가진다. 현대 전자 시스템에서 동시에 광전 감지와 저장 기능을 보유한 탄소 기반 프로토타입 소자에 관해 아직 보도된바 없다. 연구팀은 새로운 전하 저장 방법을 제안했다. 반도체성 탄소나노튜브를 이용하여 구축한 신형 전하 저장 소자는 전압 신호를 통해 조절할 수 있고 광신호에 신속하게 반응한다. 해당 방법으로 제조한 소자는 높은 전류 스위칭 비율, 장시간 저장 기능, 우수한 유연성 및 안정적인 읽기 쓰기 작업 등 특성을 보유한다. 신형 소자의 저장 시간은 최대 10 년에 달하며 광전 신호의 직접 변환과 전송, 이미지 감지와 이미지 저장을 통합한 신형 다기능 광전 감지 및 저장 시스템이다. 신형 감지 및 저장 소자는 인공 시각 시스템에 응용하여 사람 눈의 이미지 인식 및 기억 기능을 시뮬레이션할 수 있으며 기존의 이미지 처리장치의 용량, 접적도, 속도 등 방면의 기술 병목을 해결함으로써 신형 유연성 검사 및 저장 소자 개발을 위한 기반을 마련했다.

체온 측정 정밀도가 0.1℃에 달하는 적외선 센서 개발

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중국병기공업그룹(NORINCO GROUP) 전자공정설계원 화둥(華東)광전집적소자연구소는 코로나19 현황에 비추어 센서칩 개발에 전력을 다하고 있다. 현재 성능지표 정밀도가 0.1℃에 달하고 간섭방지 능력이 현재 시장 주요 제품(성능지표 정밀도 0.3℃)에 비하여 우수한 센서칩을 개발함과 아울러 각종 단일 항목 테스트를 완료함으로써 2020년 3월말, 칩 샘플 개발을 마무리할 계획이다. 최근, 코로나19 감염 발생으로 귀체온계, 이마체온계 등 비접촉식 체온계에 의한 대규모발열 검사가 진행됨에 따라 비접촉식 체온계 수요가 급증하고 있다. 하지만 중국은 비접촉식 체온계 핵심 부품 미세전자기계시스템(MEMS) 적외선 체온센서를 장기간 주로 수입에 의존했다. 화둥광전집적소자연구소는 완전자동화 조립/패키징 핵심 설비, 보조 칩 제조 핵심 설비를 조달하여 센서칩 제조, 조립/패키징 국산화를 추진함으로써 월간 생산량을 현재의 2만 개에서 100만 개 이상으로 향상시키고 2020년 4월초, 대량으로 시장에 투입될 전망이다. 화둥광전집적소자연구소는 MEMS 센서칩 설계, 제조, 패키징, 테스트 등 완정한 연구 능력을 구비하고 있으며 기술혁신을 통해 MEMS 센서의 여러 항목 기술성과를 달성했다. 다음 단계에 관련 체온측정 제품을 개발하여 전염병 통제, 업무복귀/생산복귀에 필요한 체온측정 요구를 만족시킬 계획이다.

사용수명을 50% 이상 향상시킬 수 있는 고성능 스프링강 개발

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양저우(揚州)대학교 기계공학대학 류청(劉澄) 연구팀은 새로운 공정기술을 활용해 양질의 고성능 스프링강을 성공적으로 개발하였다. 해당 스프링강의 경도(hardness), 피로강도, 압축성능 등은 유럽·미국의 기존 스프링지수를 전부 초과하여 향후 첨단기계, 항공우주, 해양 등 중하중 조건의 장비에 중점적으로 응용될 전망이다. 접시스프링 및 밸브스프링은 동작기계의 주요 부품이다. 현재 중국 내에서 생산되는 접시스프링 및 밸브스프링은 보편적으로 강도가 낮고 탄성인성이 떨어지며 피로성능이 부족한 등 문제가 있는데 이는 흔히 스프링의 사용수명을 떨어뜨림과 아울러 갑작스러운 조기 실효 및 균열을 쉽게 발생시켜 기계 고장, 자동차 시동정지 심지어 엔진연소 등을 초래할 수 있다. 연구팀은 새로운 멀티스텝 저온등온 담금질 공법을 활용하고 다상(multiphase) 나노구조 공명강인화 원리를 이용해 초강, 초경, 양호한 압축성능, 녹색 에너지절약형 생산라인을 구비한 양질의 스프링강을 제조하였다. 또한 이론적 모델링 및 공정 디버깅을 통해 상(phase)별 성분 배합비가 일정한 스프링 제품을 획득함으로써 우수한 종합성능을 확보하였다. 연구팀이 개발한 신형 접시스프링 제품은 업계의 10t 하중 압축성능 요구를 만족시킬 뿐만 아니라 경도, 강도, 피로수명 등도 기존 중국 내 접시스프링을 초과하였는데 이는 중국 외 최상급 고성능 제품에 뒤지지 않는다. 연구팀이 채택한 공정가열 과정은 작업인원수와 환경오염을 줄였고 녹색, 친환경, 고효율 지속가능한 발전의 산업목표를 달성하였다. 해당 성과와 생산 공법기술은 양저우허웨이(核威)접시스프링제조유한회사에 시범 응용되었는데 제품의 사용수명은 기존 중국 내 기타 스프링제품에 비해 50% 이상 향상되었다.

고체물질 형태의 결정 및 준결정 융합 구조 특성 발견

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베이징과기대 신금속재료국가중점실험실 허잔빙(何戰兵) 등은 새로운 고체물질 형태를 발견했다. 해당 형태는 결정구조의 결정(Crystal)과 준결정의 "수화불상용" 모순을 교묘하게 해결함으로써 원자배열의 "신기한 마법" 현상을 보여준다. 현재 해당 물질의 물성은 아직 밝혀지지 않았지만 물질의 주기성과 관련된 특수한 물성이 있을 것으로 예상된다. 해당 성과는 "ActaCrystallographica. Section A"에 게재됐다. 일반적인 물질 형태에는 고체, 액체, 액정, 기체, 플라즈마 등 상태가 있다. 그 중의 고체상태 물질을 또한 결정, 준결정, 비결정으로 나눌 수 있다. 준결정은 평행이동 주기적 대칭성을 보유하지 않지만 장거리 경향성 규칙적 물질 형태를 보유하고 있다. 전통적인 결정 재료와는 달리 준결정에는 주기적 중복 배열이 가능한 단위셀(Unit cell)이 1개도 없기에 평행이동 대칭성이 없다. 주기적 평행이동은 준결정과 전통적인 결정의 가장 본질적인 구분이다. 하지만 이번에 발견된 새로운 고체 물질 형태는 주기적으로 배열된 구조 블록(Structural block) 사이에 비주기적 구조 블록이 삽입되어 형성된 것으로 전통적인 결정 재료의 주기적 평행이동 대칭성과 준결정의 준주기성(Pseudo-periodicity)을 보유하고 있으며 결정 및 준결정의 구조 특성을 융합하고 있다. 연구팀은 투과전자현미경학적 특히 원자급 해상도에 도달할 수 있는 구면수차 보정 투과전자현미경적 연구를 통해 Al-Cr-Fe-Si 합금에서 이미 알려진 물질의 상태와 다른 신기한 물질의 형태를 발견했다. 해당 물질의 상태는 준결정과 관련된 구조 블록으로 구성됐지만 그 중의 일종 경향성 구조 블록은 주기적 배열을 나타내는바 결정 재료와 같은 평행이동 단위셀을 보유하고 있다. 또한 해당 주기적 배열 구조 블록 사이에 비주기적 배열 구조 블록이 삽입되어 있는데 이는 전통적인 결정상과 다르다. 주기적 구조 블록의 존재로 해당 구조는 준결정에 속하지 않으며 비주기적 모듈화 구조(Modulated structure), 1차원 튜브형 주관적-객관적 구조 및 무질서 얼음 관련 구조와도 다른 일종의 새로운 물질 형태에 속한다. 현재 해당 유형의 물질 형태를 합금에서 발견했지만 그 구조 특성은 합금 체계를 벗어나 유기재료, 나노 자기조립 재료, 다공성 재료 등 체계에도 존재할 수 있다.

자체로 신형 첨단 멜트블로운 원단 생산설비 개발

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장쑤성 창저우시(常州市)우진(武進)광위(廣宇)꽃무늬롤기계유한회사(이하 우진기계회사)가 자체 개발한 신형 첨단 멜트블로운 원단 생산 설비의 첫 번째 2세트 설비가 베이징옌산(燕山)석유화공회사에서 본격 가동됐다. 해당 설비의 전체적인 생산기술 수준은 세계 선진 수준에 도달함으로써 국외 동일 유형 의료방호품 원료 생산기술 장비를 대체할 수 있다. 여과재인 멜트블로운 원단은 생산공법이 복잡하고 기술적 난이도가 높다. 기존 중국의 첨단 멜트블로운 부직포 생산설비 및 의료방호용 멜트블로운 원단 생산기술은 장기간 수입에 의존했기에 부직포 원단 산업의 발전을 크게 제한했을 뿐만 아니라 의료방호의 특수 요구를 만족시키기 어려웠다. 우진기계회사는 기계설계에서 기술통합에 이르기까지의 여러 어려움을 극복함으로써 기존의 시장 제품에 비하여 자동화 수준이 높고 생산능력이 강하고 제품 품질이 안정적인 첨단 멜트블로운 원단 생산설비를 개발했다. 해당 설비로 생산한 의료방호품은 바이러스 전염을 효과적으로 차단할 수 있으며 2019년 장쑤성 첫 중대 장비 제품으로 선정됐다. 중국석유화공집단(Sinopec)은 마스크 핵심 원료가 부족한 상황에 대응해 베이징옌산석유화공의 2가닥의 멜트블로운 원단 생산라인과 3가닥의 스펀본드 원단 생산라인을 중점적으로 구축하기로 했다. 2020년 2월 21일, 우진기계회사는 설비의 긴급 생산 임무를 접수한 후 생산공법 프로세스를 최적화함과 아울러 망형성 장치, 권취기, 절단기 등 멜트블로운 부직포생산 장치의 핵심 설비 제조에 들어갔다. 2020년 3월 3일, 첫 번째 2세트 멜트블로운 원단 생산 설비를 옌산석유화공회사 현장에 운반하여 설치했고 2020년 3월 5일, 전체 생산라인 디버깅(Debugging)을 완료했으며 2020년 3월 8일, 순조롭게 생산에 들어갔다. 현재 옌산석유화공회사의 멜트블로운 원단 일일 생산량은 6t에 달하며 600만 매의 의료용 마스크를 생산할 수 있다.

약물내성을 발생하지 않는 은나노 고효율적 항균 새 방안 개발

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허페이공업대학교 화학·화공대학 허타오(何濤) 교수와 식품·생물공정대학 자정바오(查正寶) 교수는 공동으로 약산응답 재조합 기능을 보유한 은나노클러스터 수성분무액(aqueous dispersion)을 개발하였다. 해당 분무액을 상처에 뿌린 후 약물내성 세균 감염을 고효율적으로 표적 치료할 수 있다. 아울러 세균은 박멸하면서도 내성균을 발생하지 않는다. 이를 통해 연구팀은 고효율 항균 새 방안을 제안하였다. 해당 성과는 "Advanced Functional Materials"에 온라인으로 게재되었다. 세균감염 특히 약물내성균 감염은 인간건강 및 사회의료보건시스템에 날로 심각한 위협을 가져다주고 있다. 더욱이 기존 항생제 남용은 세균으로 하여금 쉽게 약물내성을 발생하게 한다. 항생제에 저항력을 가진 세균의 감염은 공중보건에 있어 최대 과제로 되었고 따라서 효과적인 항균재료 및 방안 개발이 시급해졌다. 약물내성균 감염 고효율적 치료를 목표로 연구팀은 약산응답 오쏘에스터(orthoester)류 폴리머를 안정제로 하고 원위치 질산은 환원을 통해 크기가 균일한 은나노클러스터를 제조하였다. 해당 은나노클러스터를 세균의 산성 미세환경에 노출 시 소수성 은나노과립으로 빠르게 해리(dissociation)되어 순간적으로 대량의 은이온을 방출함으로써 빠르고도 효과적인 멸균을 구현한다. 이어서 은나노과립은 세균 인근에서 재조립되는 한편 세균 표면에 표적화 응집되어 장기적으로 은이온을 방출함으로써 지속성 살균을 구현한다. 일반적인 무응답성 나노은에 비해 은나노클러스터의 약산응답 재조합 효과는 메티실린 내성 황색포도상구균 및 대장균에 대한 표적화 항균활성을 대폭 향상시켰고 또한 은의 사용량도 줄였다. 실험 결과, 메티실린 내성 황색포도상구균에 대한 최저 억제농도 및 최저 살균농도는 각각 4μg/mL, 32μg/mL였고 대장균에 대한 최저 억제농도 및 최저 살균농도는 각각 8μg/mL, 32μg/mL였다. 해당 은나노클러스터 분무액을 피부 상처 표면에 뿌릴 경우 메티실린 내성 황색포도상구균 감염성 상처의 치유 효과를 뚜렷하게 높일 수 있다.

스마트 플라스틱으로 "만능 그리퍼" 제조

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저장대학교 항공우주대학 쑹지저우(宋吉舟) 연구팀은 스마트 플라스틱재료를 기반으로 신형 "만능 그리퍼(gripper)"를 개발했다. 해당 만능 그리퍼는 목표 물체를 체내에 "잠그"는 방식으로 1마이크론부터 1미터까지 크기의 다양한 형태 물체를 쉽게 집었다 놓을 수 있다. 스마트 플라스틱은 광, 열 등 외부 자극 조건에서 강연도(firmness)를 변화시킬 수 있을 뿐더러 형상기억 효과도 보유한다. 집었다 놓기를 단계별로 구분하면 1단계, 외부 자극을 주어 형상기억 폴리머를 유연하게 변화시킴과 동시에 물체 또는 물체 표면 구조를 폴리머 내부에 삽입한다. 2단계, 외부 자극을 제거해 형상기억 폴리머를 단단한 상태로 변화시키는 한편 동 변형의 일시적 형상을 유지시켜 물체를 잠금으로써 잡기(grab)를 구현한다. 3단계, 물체를 목적지에 이송한 후 재차 외부 자극을 주어 형상기억 폴리머를 초기 형상으로 회복시킴으로써 물체에 대한 잠금을 해제한다. "만능 그리퍼"는 전형적 3차원 구조 물체를 잡는 힘이 매우 커 구체, 큐브, 튜브형 물체, 볼트, 너트, 대추씨, 열쇠꾸러미 등을 쉽게 잡을 수 있다. 뿐만 아니라 도마뱀붙이(gecko)처럼 물체 표면이 매끄럽든 거칠든 상관없이 그 표면에 단단히 부착할 수 있다. 물체의 크기를 미시적 규모(약 100마이크론 또는 그 이하)로 설계한 실험에서 "만능 그리퍼"는 부착력에 의존하는 것이 아닌 물체 또는 물체 표면 구조를 내부에 잠그는 방식으로 잡기를 구현하였다. "만능 그리퍼"는 미시적 전자부품 쾌속 조립에 새 수단, 유연전자소자 제조에 새 아이디어를 제공하였다.

생체모방 로봇 물고기 50M 수영 세계 신기록 달성

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남방과학기술대학교 공학대학 기계에너지원공학학부 왕정(王峥) 연구팀과 홍콩대학교 연구팀이 공동으로 개발한 생체모방 로봇 물고기 VAYU Fish("VAYU"로 약칭)가 26.79초의 성적으로 "로봇 물고기 50M 수영"의 세계 기록을 경신함과 아울러 "기네스 세계 기록" 인증을 획득했다. 생체모방 로봇 연구는 연성 재료, 구조 설계, 바이오닉 공학, 마이크로 전자, 제어 및 컴퓨터과학 등 다양한 분야의 기술과 관련된다. 수중 연구 분야에서, 생체모방 로봇 물고기는 전통적인 프로펠러를 이용한 추진 방식이 아닌 생체모방 꼬리 흔들기를 이용하였고 소음이 작고 에너지 소모가 적으며 환경을 오염시키지 않기에 수중 모니터링, 수중 안전 및 생물 과학 연구 등 분야에서 중요한 가치가 있다. 연구팀은 선전 룽강(深圳龙岗)에 위치한 홍콩중문대학교 선전캠퍼스 수영장에서 기네스 세계 기록에 도전했다. 2명의 계시원 및 3명의 증인과 함께 수중에 3대의 고정 카메라를 설치했다. 최종, VAYU는 26.79초의 성적으로 50m 결승선에 도달하여 세계 신기록을 세웠다. VAYU는 여자 50m 평영 세계 기록(29.40초)과 여자 50m 배영 세계 기록(26.98초)을 초과하였고 남자 50m 평영 세계 기록(25.95초)보다 불과 0.84초 늦었다. 기존의 실험실 조건에서 다양한 기술 방법을 이용한 순간적 제어 가능 조건에서 로봇 물고기의 고속 수영을 달성했지만 오픈된 수역의 자연 조건에서 로봇 물고기의 수영 속도는 여전히 자연 어류보다 훨씬 낮다. VAYU 로봇 물고기 프로젝트는 세계 최고의 고속 수영 생체모방 로봇 물고기 개발을 목표로 한다. 연구팀은 지난 5년간 여러 차례의 설계를 거쳐 평균 1.87m/s의 롱풀 수영 속도를 달성했다. 향후, 연구팀은 계속하여 미지에 도전하고 설계 및 제어를 최적화하여 생체모방 로봇 물고기의 속도를 지속적으로 업그레이드시키고 해당 기술 분야에서 해당 기술의 적용을 촉진할 예정이다.

괴성 비정질상태 재료에서의 가공경화 최초 구현

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중국과학원 금속연구소 선양재료과학국가연구센터는 영국 케임브리지대학교 재료학부 연구팀과 공동으로 최초로 괴성 비정질상태(amorphous state) 재료에서의 가공경화(work hardening)를 구현하였다. 해당 성과는 "Nature"에 게재되었다. 소성변형(plastic deformation)에 따른 금속재료의 강도(intensity) 상승 거동을 일컫는 가공경화 또는 변형경화(Strain hardening)는 재료가 균일 소성변형 상황에서 추가 변형에 저항하는 능력을 반영한다. 가공경화는 공학재료 역학적 거동 중 가장 주요한 현상이며 또한 구조재로서의 금속이 광범위하게 응용될 수 있는 중요한 근거이다. 비정질합금(일명 금속유리)은 다수 우수한 기계적 성능(높은 항복응력/인성 및 기록적인 "손상허용도")을 보유하는 외에 변형연화(strain softening)란 치명적 약점도 보유한다. 비정질합금의 변형은 기존의 결정질 재료와 달리 고도로 국지화된 변형으로서 전단대(shear zone) 주도의 비균일 변형으로 표현된다. 이는 실온취성(room temperature brittleness)을 직접적으로 초래하는데 이 또한 비정질합금의 병목문제이다. 괴성 비정질합금에서의 가공경화 거동 구현은 비정질합금 나아가 모든 무정형 재료 분야의 핵심 과학문제이다. 연구팀은 괴성 비정질합금의 가공경화가 재료 결함의 소멸·감소, 다시 말해 고에너지 상태에서 저에너지 상태로 전환되는 과정을 동반함을 발견하였다. 이는 결정질 재료에서 나타나는 기존 가공경화 과정과 완전히 상반되는 것으로 비정질합금이 완전 다른 가공경화 메커니즘을 보유함을 설명한다. 해당 연구는 비정질상태 재료의 변형연화 거동에 대한 기존의 인식을 바꿈으로써 균일 소성변형력을 보유한 비정질합금 개발 및 공업응용을 위해 새로운 길을 개척하였다.