위상 기하학적 절연체는 전기 손실없이 정보를 전달할 수 있는 유망한 물질로 각광받고 있다. 이제 독일 헬름홀쯔 베를린 재료에너지센터(HZB)의 연구진은 처음으로 위상 절연체 안의 전자 움직임 방향이 그들의 거동에 영향을 미치는지를 연구하였다. 이들의 연구에서, 연구진은 특정한 방향으로 전자가 이동할 때 더 많이 산란되고 전도가 되지 않는다는 것을 확인하였다. 이들의 연구 결과를 설명하기 위해서, 이들 연구진은 전자의 스핀을 모델에 포함시켰다. 이들의 연구는 위상 기하학적 절연체 연구의 진보를 가속시킬 것이다.

이들 연구진의 위상 기하학적 절연체의 비틀림에 대한 연구 결과는 "Anisotropic effect of warping on the lifetime broadening of topological surface states in angle-resolved photoemission from Bi2Te3"이라는 제목으로 Physical Review B 저널에 발표되었다. 위상 기하학적 절연체의 표면은 원칙적으로 손실없이 전류를 전도할 수 있다. 즉 전자들은 움직일 때 충돌을 피할 수 있는 것이다. 그럼에도 불구하고 전세계의 이 분야 전문가들은 왜 이런 충돌 회피가 실험에서 명백하게 나타나지 않는지에 대한 의문을 가지고 있다. 이제 HZB 연구진은 전자들의 에너지 분포에 대한 실험적 데이터가 전자의 스핀을 고려하였을 때 더 잘 설명된다는 것을 시뮬레이션을 통하여 보여줄 수 있게 되었다.

이를 위해서 이들 연구진은 이른바 전도 전자에서 에너지 분포를 기술하는 페르미 표면의 이른바 비틀림(warping)을 조사하였다. 이것은 과학 공상 프로인 스타 트렉에서 보여주는 비틀림과는 그렇게 큰 연관 관계가 없다. 스타 트렉에서는 시공간의 비틀림이지만, 이 연구에서는 위상학적 절연체에서 전자들의 에너지와 운동량 사이의 관계에 관한 문제이기 때문이다. 그러나 시공간에서 광원뿔을 다루는 것과 같이, 디랙 원뿔에서 위상기하학적 절연체 안의 전자들이 거의 빛과 같이 행동한다는 점에서 일부 유사성이 있다.

디랙 원뿔에서, 전자들은 축구공처럼 모든 방향으로 동일한 속도로 움직인다. 그러나 비스무스 텔루라이드 물질 안에서는 전자 속도가 방향에 크게 의존한다고 알려져 있다. 이들 연구진은 이제 이런 의존이 예상과는 다르다는 것을 발견하였다. 이것은 디랙 원뿔이 안쪽으로 휘어 있지 않고 바깥쪽으로 휘어 있다는 것을 의미하며, 비록 위상 기하학적 절연체의 표면에서 전자들이 방해되는 것들과 어떤 충돌을 일으키지 않음에도 불구하고, 이런 충돌이 실험에서 나타나는 것이다.

이들 연구진은 비스무스 텔루라이드의 휘어진 디랙 원뿔에서 이런 넓혀짐 역시 방향에 의존한다는 것을 발견하였다. 먼저, 이런 의존은 손실 없는 수송의 한계가 이해될 수 있기 위해서 설명되어야만 한다. 그러나 이것은 훨씬 더 신중함을 요구한다. 가장 간단한 설명은 이른바 둥지(nesting)이다. 휘어진 디랙 원뿔의 둥지는 만약에 그것의 윤곽이 반대쪽 상에서 서로 평행한 많은 부분으로 이루어져 있다면 클 것이다. 이것은 정사각형 및 육각형의 경우에는 둥지가 최대가 되며, 원형의 경우는 거의 아니고 삼각형의 경우는 전혀 아니다.

이들 연구진은 그들의 결과를 둥지와 맞출 수 없었다. 따라서 그들은 지금까지 무시된 요소를 찾았으며 전자의 스핀을 고려하였다. 이들 연구진은 시뮬레이션을 수행하고 이런 스핀을 고려하여 그들의 실험 결과를 마침내 재생시킬 수 있었다. 충돌에 의한 손실은 또한 방향에 의존하는 전자들의 수명과도 연관된다. 이런 동역학적인 효과는 극도로 짧은 시간 스케일에서 발생하며 시간 분해로 조사될 수 있다. 이런 연구는 차세대 BESSY-VSR 광소스로 가능해질 것이다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

위상 기하학적 절연체는 전기 손실없이 정보를 전달할 수 있는 유망한 물질로 각광받고 있다. 이제 독일 헬름홀쯔 베를린 재료에너지센터(HZB)의 연구진은 처음으로 위상 절연체 안의 전자 움직임 방향이 그들의 거동에 영향을 미치는지를 연구하였다. 이들의 연구에서, 연구진은 특정한 방향으로 전자가 이동할 때 더 많이 산란되고 전도가 되지 않는다는 것을 확인하였다. 이들의 연구 결과를 설명하기 위해서, 이들 연구진은 전자의 스핀을 모델에 포함시켰다. 이들의 연구는 위상 기하학적 절연체 연구의 진보를 가속시킬 것이다.

이들 연구진의 위상 기하학적 절연체의 비틀림에 대한 연구 결과는 "Anisotropic effect of warping on the lifetime broadening of topological surface states in angle-resolved photoemission from Bi2Te3"이라는 제목으로 Physical Review B 저널에 발표되었다. 위상 기하학적 절연체의 표면은 원칙적으로 손실없이 전류를 전도할 수 있다. 즉 전자들은 움직일 때 충돌을 피할 수 있는 것이다. 그럼에도 불구하고 전세계의 이 분야 전문가들은 왜 이런 충돌 회피가 실험에서 명백하게 나타나지 않는지에 대한 의문을 가지고 있다. 이제 HZB 연구진은 전자들의 에너지 분포에 대한 실험적 데이터가 전자의 스핀을 고려하였을 때 더 잘 설명된다는 것을 시뮬레이션을 통하여 보여줄 수 있게 되었다.

이를 위해서 이들 연구진은 이른바 전도 전자에서 에너지 분포를 기술하는 페르미 표면의 이른바 비틀림(warping)을 조사하였다. 이것은 과학 공상 프로인 스타 트렉에서 보여주는 비틀림과는 그렇게 큰 연관 관계가 없다. 스타 트렉에서는 시공간의 비틀림이지만, 이 연구에서는 위상학적 절연체에서 전자들의 에너지와 운동량 사이의 관계에 관한 문제이기 때문이다. 그러나 시공간에서 광원뿔을 다루는 것과 같이, 디랙 원뿔에서 위상기하학적 절연체 안의 전자들이 거의 빛과 같이 행동한다는 점에서 일부 유사성이 있다.

디랙 원뿔에서, 전자들은 축구공처럼 모든 방향으로 동일한 속도로 움직인다. 그러나 비스무스 텔루라이드 물질 안에서는 전자 속도가 방향에 크게 의존한다고 알려져 있다. 이들 연구진은 이제 이런 의존이 예상과는 다르다는 것을 발견하였다. 이것은 디랙 원뿔이 안쪽으로 휘어 있지 않고 바깥쪽으로 휘어 있다는 것을 의미하며, 비록 위상 기하학적 절연체의 표면에서 전자들이 방해되는 것들과 어떤 충돌을 일으키지 않음에도 불구하고, 이런 충돌이 실험에서 나타나는 것이다.

이들 연구진은 비스무스 텔루라이드의 휘어진 디랙 원뿔에서 이런 넓혀짐 역시 방향에 의존한다는 것을 발견하였다. 먼저, 이런 의존은 손실 없는 수송의 한계가 이해될 수 있기 위해서 설명되어야만 한다. 그러나 이것은 훨씬 더 신중함을 요구한다. 가장 간단한 설명은 이른바 둥지(nesting)이다. 휘어진 디랙 원뿔의 둥지는 만약에 그것의 윤곽이 반대쪽 상에서 서로 평행한 많은 부분으로 이루어져 있다면 클 것이다. 이것은 정사각형 및 육각형의 경우에는 둥지가 최대가 되며, 원형의 경우는 거의 아니고 삼각형의 경우는 전혀 아니다.

이들 연구진은 그들의 결과를 둥지와 맞출 수 없었다. 따라서 그들은 지금까지 무시된 요소를 찾았으며 전자의 스핀을 고려하였다. 이들 연구진은 시뮬레이션을 수행하고 이런 스핀을 고려하여 그들의 실험 결과를 마침내 재생시킬 수 있었다. 충돌에 의한 손실은 또한 방향에 의존하는 전자들의 수명과도 연관된다. 이런 동역학적인 효과는 극도로 짧은 시간 스케일에서 발생하며 시간 분해로 조사될 수 있다. 이런 연구는 차세대 BESSY-VSR 광소스로 가능해질 것이다.

클라우드 컴퓨팅 서버(cloud computing server)를 우리 가정에 설치할 수 있을까? IEEE Spectrum에서 Evan Ackerman은 마이크로소프트 연구(Microsoft Research)와 버지니아 대학(University of Virginia) 소속의 연구인 “데이터 용광로: 클라우드 컴퓨팅을 이용한 가열(The Data Furnace: Heating Up with Cloud Computing)”로부터 대담한 아이디어를 상기했다. 가정과 사무실에 설치되어 있는 클라우드 컴퓨팅 서버를 이용하여 저렴하고 효율적으로 난방과 온수를 제공하는 것이다.

데이터 용광로 개념(data furnace concept)은 두 가지 측면에서 윈윈 전략 중 하나라고 Ackerman은 밝혔다. 소비자는 열을 얻고, 클라우드 컴퓨팅 기업은 데이터 센터를 유지하고 구축하는데 소요되는 비용을 줄일 수 있다. 독일 기업인 Cloud&Heat Technologies사는 온수와 건물의 난방에 클라우드 서버로부터 폐기 열(waste heat)을 사용하는 방안을 제안했다. Cloud&Heat사는 자사의 이러한 방안을 그린 클라우드(Green Cloud)로 간주하고 있다. 그린 클라우드의 서비스는 폐기 열로 소실되는 상당한 양의 전기를 소비하는 거대 데이터 센터를 운영하는 한편, 다량의 동력을 소비하는 에어컨 시스템이 온도를 낮추는 역할을 수행한다.

Ackerman은 연구진의 히터가 크고 절연 처리가 된 금속 캐비닛으로 하드 드라이버, 컨트롤러 보드 및몇 개의 팬으로 가득 채워져 있다고 보고했다. 사용자들은 물 시스템, 전기 및 인터넷을 연결한다. 기업은 인터넷 연결하고, 이러한 그린 클라우드를 운영하는데 소요되는 동력에 비용을 지불한다. Cloud&Heat사는 에너지 공급, 서비스 및 유지 등이 품질 보증 최소 기간 동안 사용자의 비용은 무료라고 밝혔다. 초기 구매 비용은 다른 난방 시스템을 구매하는 비용에 상응한다. 사용자가 클라우드 컴퓨팅 업무를 조용하게 수행할 때, 사용자는 공기를 따뜻하게 하고 뜨거운 물을 얻을 수 있다. Cloud&Heat사의 고객은 단 한 번, 12,000 유로의 초기 구매 비용만 지불하면 된다. Cloud&Heat사는 최소 15년의 기간 동안 소요되는 모든 차후 비용을 가정했다고 밝혔다.

Cloud&Heat사의 사용에 대한 전제 조건은 500 L와 2000 L 사이의 용량을 가진 완충 탱크, 최소 50 Mbit/s의 인터넷 연결, 3상 400 V 전원 코드, 3 x 16 A(레인지 연결 박스) 및 분리된 금속 판 등을 필요로 한다. 열 교환기를 통한 제어된 환기와 추출을 갖춘 중앙 집중식 공기 분배 장치(centralized air handling system)는 Cloud&Heat를 사용하는데 장점으로 작용하고, 필요조건은 아니라고 Cloud&Heat사는 밝혔다.

작동 방법은 다음과 같다. 난방 시스템은 서버를 갖춘 내화성 캐비닛, 가열을 위한 건물 내 설치 등이 관여한다. 서버는 완충 탱크로 투입되는 열을 생성한다. 탱크는 뜨거운 물 시스템을 공급하고, 가정용 온수를 가열한다. 생성된 폐기 열은 건물의 난방에 사용된다. 만약 기후가 따뜻해지거나 여름철에는 어떤 일이 일어날 것인가? 공기 분배 장치(air handling system)와 Cloud&Heat의 그린 클라우드 결합은 필요하지 않은 열이 우회로를 통하여 건물의 밖으로 수송된다는 것을 의미한다. Cloud&Heat사는 열 수요와 복귀 온도(return temperature)에 부합되게 자체적인 건물 자체에 열 출력을 적용한다. 또 과도한 열은 예를 들면, 지붕 위에 적합한 재냉기(re-cooler)를 통하여 외부 공기로 소실될 수 있다고 Cloud&Heat사는 밝혔다.

분산된 자료 센터 시스템 하에 당신의 자료를 저장하는데 있어서, 자료의 보안은 어떻게 수행될 것인가? 건물 소유자는 건물 내 서버 캐비닛에 접근할 수 없다. Cloud&Heat사의 직원만이 서버 캐비닛에 접근할 수 있다. 게다가 서버 캐비닛은 다양한 조치와 알고리듬을 통하여 보호되고 있다. 자료의 저장은 완벽한 암호화를 이용하여 수행된다고 Cloud&Heat사는 밝혔다.

서버 위치는 독일에만 존재한다. 클라우드는 OpenStack을 기반으로 하고 있으며, AWS(Amazon Web Services)로부터 클라우드 IaaS 서비스에 상응한다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

정보는 전자와 광을 이용함으로써 점점 더 작은 부품으로 처리되고 전달된다. 독일 막스 플랑크 고체 상태 연구소(Max Planck Institute for Solid State Research)는 단일 분자를 이용해서 전기적 펄스를 광 펄스로 변환시킬 수 있는 새로운 광원을 개발했다. 여기서 분자는 빛의 강도를 조절할 수 있는 트랜지스터 제어된 광 스위치로서 기능한다. 여기서 분자는 광의 강도를 조절할 수 있는 트랜지스터로 제어되는 광 스위치로서 기능한다. 분자 스위치는 빛을 지극히 빠르게 온/오프할 수 있기 때문에, 광원은 전기 신호를 기가헤르츠 주파수를 가진 광 신호로 전환하는 나노-부품의 프로트타입으로서 활용될 수 있다.

유기 염료 위에 빛을 비출 때 카펫, 신문, 옷의 색상은 그대로 반영하지 않는다. 현재, 그들은 스마트폰 스크린 속의 유기 광발광 다이오드의 전기적 광원으로 스스로 빛난다. 그러나 디스플레이는 실제 광원(픽셀)을 따라서 밝기가 조절되는 트랜지스터를 포함한다. 막스 플랑크 고체 상태 연구소, Max Planck EPFL Center, 카를스루에 공과대학(Karlsruhe Institute of Technology)의 연구진은 단일 분자 속에 두 개의 기능들을 결합시켰다.

이번 연구진은 벅민스터플러렌스(Buckminsterfullerenes)의 층 위에 염료 분자를 위치시킴으로써 집적 트랜지스터를 제어하는데 성공했다. 벅민스터플러렌스는 구상 탄소 분자들로 구성되어 있다. 탄소 구조의 층은 금과 같은 금속 캐리어로 코팅되는데, 이것은 전극으로서 활용된다. “염료 분자 위의 2차 전극으로서, 우리는 주사 터널링 현미경의 팁을 사용했다”고 Klaus Kuhnke가 말했다. “그러나 2차 금속 층으로도 적합한 역할을 할 수 있다.” 그러나 이번 연구진은 이동할 수 있는 팁을 사용했기 때문에 각각의 분자들의 놀라운 특성을 발견할 수 있었다. 이번 연구진이 실제로 수행한 것은 팁으로 표면을 스캔하는 것이었고, 이것은 방출된 빛을 측정할 수 있게 했다. “이 프로세스의 경우에, 우리는 빛이 염료 분자 위에 생성된다는 것을 발견했다”고 Kuhnke가 설명했다.

이번 연구진은 주사 터널링 현미경의 팁과 금 캐리어 간의 전압, 두 개의 전기 접촉 간의 거리로 분자 위의 전기장을 조절하였다. 이것은 나노미터당 2.5볼트를 초과한다면, 램프는 켜진다. 그러나 분자는 빛을 on/off로 전환하지 않는다. 이것은 빛의 강도를 지속적으로 조절할 수 있게 하고, 몇 밀리볼트를 이용해서 더 밝게 하거나 더 어둡게 할 수 있다. 따라서 이것은 광 발광 트랜지스터와 유사한 범위로 기능하게 한다.

전기 에너지는 전환 프로세스에서 광 에너지를 직접적으로 전환되는 것이 아니라, “플라즈몬에 의해서 간접적으로 전환된다. 이것은 금속 표면 위에 포집되는 광파를 이용해서 가능하고, 표면 불규칙 때문에 방사성을 가질 수 있다. 그들의 도움으로, 더 많은 정보는 광을 가진 것보다 광의 형태로 작은 공간 속에 전달되거나 처리될 수 있다. 플라즈몬은 100나노미터보다 더 폭이 좁은 금속 트랙을 따라서 움직일 수 있는데, 이에 반해서 광섬유는 그들이 전달하는 빛의 파장의 적어도 절반 정도는 되어야 한다.

유기 분자는 금속 표면 위에 포집되고 방사상의 광파의 생성에 결정적인 역할을 한다: 분자 위치에서 전기장 속의 최소한의 변화는 빛이 생성되는지 그렇지 않는지를 결정한다. 이것은 빛이 가진 디지털 정보를 전달할 수 있는 나노램프를 만들 수 있게 한다. 여기서 “light on”은 1을 나타내고 “light off”는 0을 나타낸다. “분자의 전기장에 대한 작은 조절은 빛으로 방출되어 메시지를 전달하는데 큰 영향을 끼친다”고 Klaus Kuhnke가 말했다. 임계값 이상의 광원이 전압 속의 매우 작은 변화로 on이 되기 때문에, 전환 프로세스는 지극히 빠르게 발생한다: 이것은 1 초의 10억 분의 1 이하가 걸리고, 기가헤르츠 범위에서 비트 속도로 데이터 전달을 가능하게 할 수 있다.

단일 분자에 의한 빛 강도의 제어는 광 스위치 속도에 결정적이다. 기계적 광은 레버(lever)에 의해서 작동되고, 이런 레버가 점점 무거워질수록 한 개의 스위칭 위치에서 또 다른 스위칭 위치까지 전환되는데 더 많은 힘이 든다. 광 전환 구성요소가 점점 더 클수록 “기생” 커패시터를 충전하는데 더 많은 시간과 에너지가 필요하다. 여기서, 분자의 매우 작은 크기가 도움이 된다: 이것은 단일 분자의 환경에서 충전하는데 거의 어떤 추가적인 에너지 비용도 필요하지 않는다. 단일 분자는 수백 밀리볼트의 매우 작은 전압을 가진 백만 분의 1 밀리미터의 크기로 구성되어 있다. 전환 프로세스는 매우 빠르다. “이러한 분자 광원은 정보 전달을 위한 새롭고 효과적인 부품으로 매우 유망하다. 생성된 광이 약할 수 있지만 육안으로 분명하게 식별할 수 있다”고 Klaus Kuhnke가 말했다. 이 연구결과는 저널 Nano Letters에 “Dynamic Control of Plasmon Generation by an Individual Quantum System”이라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1021/nl502413k).

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

정보는 전자와 광을 이용함으로써 점점 더 작은 부품으로 처리되고 전달된다. 독일 막스 플랑크 고체 상태 연구소(Max Planck Institute for Solid State Research)는 단일 분자를 이용해서 전기적 펄스를 광 펄스로 변환시킬 수 있는 새로운 광원을 개발했다. 여기서 분자는 빛의 강도를 조절할 수 있는 트랜지스터 제어된 광 스위치로서 기능한다. 여기서 분자는 광의 강도를 조절할 수 있는 트랜지스터로 제어되는 광 스위치로서 기능한다. 분자 스위치는 빛을 지극히 빠르게 온/오프할 수 있기 때문에, 광원은 전기 신호를 기가헤르츠 주파수를 가진 광 신호로 전환하는 나노-부품의 프로트타입으로서 활용될 수 있다.

유기 염료 위에 빛을 비출 때 카펫, 신문, 옷의 색상은 그대로 반영하지 않는다. 현재, 그들은 스마트폰 스크린 속의 유기 광발광 다이오드의 전기적 광원으로 스스로 빛난다. 그러나 디스플레이는 실제 광원(픽셀)을 따라서 밝기가 조절되는 트랜지스터를 포함한다. 막스 플랑크 고체 상태 연구소, Max Planck EPFL Center, 카를스루에 공과대학(Karlsruhe Institute of Technology)의 연구진은 단일 분자 속에 두 개의 기능들을 결합시켰다.

이번 연구진은 벅민스터플러렌스(Buckminsterfullerenes)의 층 위에 염료 분자를 위치시킴으로써 집적 트랜지스터를 제어하는데 성공했다. 벅민스터플러렌스는 구상 탄소 분자들로 구성되어 있다. 탄소 구조의 층은 금과 같은 금속 캐리어로 코팅되는데, 이것은 전극으로서 활용된다. “염료 분자 위의 2차 전극으로서, 우리는 주사 터널링 현미경의 팁을 사용했다”고 Klaus Kuhnke가 말했다. “그러나 2차 금속 층으로도 적합한 역할을 할 수 있다.” 그러나 이번 연구진은 이동할 수 있는 팁을 사용했기 때문에 각각의 분자들의 놀라운 특성을 발견할 수 있었다. 이번 연구진이 실제로 수행한 것은 팁으로 표면을 스캔하는 것이었고, 이것은 방출된 빛을 측정할 수 있게 했다. “이 프로세스의 경우에, 우리는 빛이 염료 분자 위에 생성된다는 것을 발견했다”고 Kuhnke가 설명했다.

이번 연구진은 주사 터널링 현미경의 팁과 금 캐리어 간의 전압, 두 개의 전기 접촉 간의 거리로 분자 위의 전기장을 조절하였다. 이것은 나노미터당 2.5볼트를 초과한다면, 램프는 켜진다. 그러나 분자는 빛을 on/off로 전환하지 않는다. 이것은 빛의 강도를 지속적으로 조절할 수 있게 하고, 몇 밀리볼트를 이용해서 더 밝게 하거나 더 어둡게 할 수 있다. 따라서 이것은 광 발광 트랜지스터와 유사한 범위로 기능하게 한다.

전기 에너지는 전환 프로세스에서 광 에너지를 직접적으로 전환되는 것이 아니라, “플라즈몬에 의해서 간접적으로 전환된다. 이것은 금속 표면 위에 포집되는 광파를 이용해서 가능하고, 표면 불규칙 때문에 방사성을 가질 수 있다. 그들의 도움으로, 더 많은 정보는 광을 가진 것보다 광의 형태로 작은 공간 속에 전달되거나 처리될 수 있다. 플라즈몬은 100나노미터보다 더 폭이 좁은 금속 트랙을 따라서 움직일 수 있는데, 이에 반해서 광섬유는 그들이 전달하는 빛의 파장의 적어도 절반 정도는 되어야 한다.

유기 분자는 금속 표면 위에 포집되고 방사상의 광파의 생성에 결정적인 역할을 한다: 분자 위치에서 전기장 속의 최소한의 변화는 빛이 생성되는지 그렇지 않는지를 결정한다. 이것은 빛이 가진 디지털 정보를 전달할 수 있는 나노램프를 만들 수 있게 한다. 여기서 “light on”은 1을 나타내고 “light off”는 0을 나타낸다. “분자의 전기장에 대한 작은 조절은 빛으로 방출되어 메시지를 전달하는데 큰 영향을 끼친다”고 Klaus Kuhnke가 말했다. 임계값 이상의 광원이 전압 속의 매우 작은 변화로 on이 되기 때문에, 전환 프로세스는 지극히 빠르게 발생한다: 이것은 1 초의 10억 분의 1 이하가 걸리고, 기가헤르츠 범위에서 비트 속도로 데이터 전달을 가능하게 할 수 있다.

단일 분자에 의한 빛 강도의 제어는 광 스위치 속도에 결정적이다. 기계적 광은 레버(lever)에 의해서 작동되고, 이런 레버가 점점 무거워질수록 한 개의 스위칭 위치에서 또 다른 스위칭 위치까지 전환되는데 더 많은 힘이 든다. 광 전환 구성요소가 점점 더 클수록 “기생” 커패시터를 충전하는데 더 많은 시간과 에너지가 필요하다. 여기서, 분자의 매우 작은 크기가 도움이 된다: 이것은 단일 분자의 환경에서 충전하는데 거의 어떤 추가적인 에너지 비용도 필요하지 않는다. 단일 분자는 수백 밀리볼트의 매우 작은 전압을 가진 백만 분의 1 밀리미터의 크기로 구성되어 있다. 전환 프로세스는 매우 빠르다. “이러한 분자 광원은 정보 전달을 위한 새롭고 효과적인 부품으로 매우 유망하다. 생성된 광이 약할 수 있지만 육안으로 분명하게 식별할 수 있다”고 Klaus Kuhnke가 말했다. 이 연구결과는 저널 Nano Letters에 “Dynamic Control of Plasmon Generation by an Individual Quantum System”이라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1021/nl502413k).

높은 고도의 바람에서 생산되는 에너지를 하베스팅하기 위해 연을 이용한다는 아이디어가 과학 커뮤니티 사이에서 호응을 얻고 있다. 스위스 로잔 연방 공과대학교 연구진들은 최적의 전력 생산을 확보하기 위해 특이한 풍력발전용 터빈의 움직임을 최적화시키고 제어하기 위한 자동조정장치 개발에 성공했다.

바람은 지상에서 1,000미터 정도 고도 이상의 높이에서는 더 강력하고 연속적이며, 때로는 300km/h 속도 이상을 기록하기도 한다. 이것은 잠재적인 에너지 소스로서 상당한 의미가 있다. 그렇지만, 그 에너지를 어떻게 하베스팅할 것인가? 이것이 풍력발전용 터빈의 대안으로 연을 사용한다는 아이디어가 호응을 얻기 시작하고 많은 연구진과 창업회사들이 이 연구를 시작하는 이유이다. 이 대학교 자동제어 연구실(Automatic Control Laboratory)의 박사과정 학생인 싱 코스텔로(Sean Costello)씨는 최상의 전기생산을 확보하기 위해 연의 움직임을 제어하고 최적화하는 자동조정 시스템(autopilot system) 개발에 성공했다.

연의 돛(sail)은 풍력발전용 터빈의 날개처럼 작동한다. 이것은 바람에 대해 저항성을 제공하면서, 연의 결박용 케이블의 기계적인 텐션을 창조한다. 그다음, 상공 또는 지상 아무 곳에서든지 위치할 수 있는 전기 제너레이터를 구동시키기 위해 케이블을 감고 또는 풀고 하는 움직임을 이용하는 것이 가능해진다. 이것은 생태학적 측면, 에너지 이용 측면 그리고 경제적인 면 등 다양한 측면에서 흥미로운 솔루션이다. 지상에 설치되는 기존의 장치들은 평균 40km/h 정도 속도를 가지지만, 늘 변화하는 강도의 바람에 의존한다. 이 새로운 비행하는 터빈은 더욱더 강력하고 안정적으로 바람을 캡처할 수 있다. 더욱이, 돛대(mast)가 없다는 것은 상당히 인프라시설 비용을 절감할 수 있음을 의미한다.

"그런데 연이 움직이는 궤적은 반드시 연속적이고 정확하게 조정되어야 하는데, 만약 그렇지 않으면 연은 지상에 빨리 충돌하게 될 것이다. 이러한 종류의 에너지 생산장치는 연속적인 모니터링이 필요하다. 명확하게는, 사람이 그것을 항상 제어하는 것은 불가능한데, 그것이 우리가 자동조정 시스템 개발을 연구하게 된 이유"라고 싱 코스텔로(Sean Costello)씨는 설명했다.

8자 형태
여러 달 동안, 싱 코스텔로(Sean Costello)씨는 맑으면서도 바람이 부는 날에 대한 예보를 기다리며 기후를 세심하게 조사했다. 날씨가 맑고 바람이 부는 것을 동시에 해야 한다는 것은 현장시험에 필요한 조건이다. 연에 장착된 엔진, 일부 센서 그리고 컴퓨터를 가지고, 그는 가장 센 바람이 부는 스위스 발레(Valais)와 노이섀텔 호수(Lake Neuch?tel)에서 몇 시간을 보냈다. 그는 연의 움직임 모두를 기록했고, 바람의 강도와 방향이 다른 조건에서 케이블 텐션을 시험했다. 모든 데이터 분석을 통해, 그는 가장 효과적인 모델을 결정하고 그것을 알고리즘으로 변환시키는 데 성공했다.

"케이블 텐션이 강할수록, 에너지 생산밀도는 높아진다. 우리가 개발한 자동조정장치는 어떠한 상황에서도 날개를 제어하는 가장 효율적인 방법을 발견할 수 있기 때문에, 가능한 신속하게 움직여서 케이블에 극대화된 텐션을 만들 수 있다. 일반적으로, 연의 궤적은 8자 형태를 띠게 될 것이다. 일부 비행경로가 다른 곳에 비해 아주 성공적인 것으로 판명되었기 때문에, 자동조정장치는 그러한 상황에서 어느 것이 가장 좋은지 결정하게 될 것"이라고 연구진은 밝혔다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

일본 연구진은 2단계의 천연 광합성 방법을 기반으로 해서 효과적인 인공 광-수집 시스템을 개발했다.

과학자들은 광합성을 통해서 태양 에너지를 수확하는 식물의 방식을 모방하려고 노력하고 있다. 식물은 잎 속의 엽록소 분자로 만들어진 광 안테나를 사용해서 약한 태양광의 광자를 흡수할 수 있다. 이런 흡수 에너지는 식물이 설탕을 생성하는 반응 센터로 전달된다. 지금까지 매우 효율적인 천연 프로세스를 복제해서 만들어진 인공 시스템은 몇 개의 광 흡수체를 가진 단일 반응 센터로 제한되었고, 태양광과 같은 낮은 광자 수준을 가진 광원으로부터 충분한 에너지를 흡수할 수 없었다.

현재, 도쿄 공업 대학(Tokyo Institute of Technology), 도쿄 중앙 연구소(Toyota Central R&D Labs)의 연구진은 광합성의 천연 2 단계 프로세스를 기반으로 해서 효율적인 인공 광 수집 시스템을 만들었다. 새로운 시스템은 광 흡수체로서 인공적인 잎을 사용했는데, 이것은 금속 복합물을 통해서 에너지가 전달되게 한다.

“이것은 분자들이 너무나 작고 태양광이 너무 희석되어 있기 때문에 소위 광촉매와 같은 분자 장치를 사용해서 효율적인 태양 에너지 전환기를 만들기가 어렵다”고 Ishitani가 설명했다. “이러한 시스템은 수많은 분자 장치를 필요로 하는데, 이것은 고가이고 시간이 많이 소요된다. 태양광을 수집할 수 있는 능력을 가진 장치를 도입하는 것은 한 가지 유용한 방법이 될 것”이라고 Ishitani가 말했다. 

이번 연구진은 다중 광 흡수체를 가진 시스템을 만드는 것이 희석된 빛으로부터 더 많은 광자를 흡수할 수 있게 한다는 것을 증명했다. 다중 광 흡수체는 에너지 수용체와 연결된 안테나를 통해서 에너지를 전달할 수 있다. 이것은 에너지 손실을 줄일 수 있다.

이번 연구진은 소위 주기적 메조포러스 유기 실리카(periodic mesoporous organosilica)와 광을 흡수하는 비페닐(biphenyl)로 만들어진 튜브로 440여 개의 잎을 가진 장치를 만들었다. 주기적 메조포러스 유기 실리카-비페닐 복합체는 5개의 루테늄 금속 막대와 연결되었는데, 이것은 주기적 메조포러스 유기 실리카-비페닐에서 직접적으로 수집된 광 에너지를 중심 부위의 루테늄 구체에 전달했다. 이런 방식으로, 광원의 광자들은 매우 효율적으로 농축되었고, 루테늄 막대를 통해서 루테늄 반응 센터로 전달되었다. 이것은 에너지 손실이 거의 없었다.

이번 연구진은 새로운 시스템을 사용하는 일련의 테스트로 이 장치의 반응 센터가 인공 잎의 포토닉스 에너지를 전기로 방출할 수 있다는 것을 발견했다.

이 새로운 시스템은 더 나은 광촉매를 만드는데 사용될 수 있는데, 이것은 CO2 환원 및 물 산화 광촉매 등의 수많은 목적으로 사용될 수 있다. 그러나 이번 연구팀은 인공 광촉매가 이러한 시스템 속에 폭넓게 적용되기 전에 약간의 시간이 필요할 것이라고 언급했다. 왜냐하면 프로세스를 완성하기 위해서는 상당한 추가적인 연구와 개발이 필요하기 때문이다. 이 연구결과는 저널 Chemical Science에 “Efficient light harvesting via sequential two-step energy accumulation using a Ru?Re5 multinuclear complex incorporated into periodic mesoporous organosilica”라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1039/C3SC51959G).

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

미국 SLAC 국립 가속기 연구소의 과학자들은 처음으로 더 높은 온도에서 작동하는 초전도체를 제작할 수 있는지에 대한 실마리를 제공할 수 있는 연구를 수행하였다. 이들의 연구에서 SLAC과 스탠퍼드 대학의 연구진은 철-셀레나이데 박막 초전도가 STO(SrTiO3)라고 불리는 다른 물질의 상단에 놓였을 때, 왜 훨씬 더 높은 온도에서 100%의 효율로 전기를 전달할 수 있는지를 설명하였다.

이런 발견은 네이처 저널에 발표되었으며 실온에서 작동하는 초전도체를 개발하고자 하는 지난 30년의 탐구에 새로운 장을 여는 것이 될 것이다. 실온 초전도체는 개발된다면 에너지 전반에 큰 영향을 미칠 것이다. 비록 오늘날의 고온 초전도체가 전통적인 초전도체 보다 훨씬 더 높은 온도에서 작동하지만, 그것들은 아직도 섭씨 영하 135도의 낮은 온도에서만 작동한다. 이 새로운 연구에서, 과학자들은 STO 안에서의 자연적인 초고속 진동은 전자들이 초전도가 되기 위해 필요한 쌍을 이루기 위한 에너지를 공급해준다.

연구진은 그들의 시뮬레이션이 이 방법이 철기반 초전도체의 작동 온도를 적어도 50% 더 높이는데 사용될 수 있다는 것을 나타낸다고 말하였다. 2년 전 중국의 과학자들에 의해서 개발된 물질의 결합을 조사하였다. 그들은 단일층 철 셀레나이데 박막이 STO의 상단에 놓이면 그것의 최대 초전도 온도가 8도 상승하여 절대 영도로 부터 거의 77도 이상이 되는 것이다. 이것은 매우 향상된 것이지만, 정확하게 어떤 상태로 이런 것이 진행되는지를 이해하지 못한다면 더 이상의 진보를 기대하는 것은 어려울 것이다.

이 새로운 연구에서 SLAC 연구진은 STO 기반 상에 단지 한 개의 층 두께만을 가진 철 셀레나이데 박막 성장을 위한 시스템을 제작하였다. 이들 연구진은 SLAC 스탠포드 싱크로트론 방사광 소스에서 결합된 물질을 조사하였다. 그들은 ARPES라고 불리는 극도로 민감한 기술을 이용하여 X-선과 충돌된 시료로부터 방출된 전자들의 에너지와 운동량을 측정하였다. 이것은 전자들이 시료 내부에서 어떤 거동을 하는지에 대한 정보를 제공하여 준다. 초전도체 안에서 전자들은 쌍을 이루어 저항없이 전도된다. 연구진은 또한 이론학자들의 도움을 받아 그들이 관측한 것을 설명할 수 있는 시뮬레이션을 수행하였다. 이 연구에 참여하지 않은 콜롬비아 대학의 응집 물리학자인 Andrew Millis는 이것은 매우 인상적인 실험이라고 말하였다. 그리고 그것은 기판 위의 한 개 층 철 셀레나이데를 놓는 것이 왜 중요한지를 분명하게 설명하고 있다고 그는 말하였다. 그것은 많은 흥미로운 질문을 끌어 모을 것이며 많은 연구를 고무시킬 것이라고 그는 덧붙였다.

아직도 과학자들은 무엇이 전자쌍을 유지시키는지 모르고 있다. 이런 전자쌍 덕분에 전자들은 고온 초전도체에서 전류를 저항없이 흐르게 할 수 있는 것이다. 의도적으로 새로운 고온 초전도체를 만들 수 없기 때문에, 초전도 연구의 진보가 느린 것이다. 이 새로운 결과는 사람들이 이전에 고려하지 못한 새로운 방향을 제시하여 주고 있다. 이 연구는 궁극적으로 고온 초전도체의 새로운 기록을 세울 수 있는 잠재력이 실제로 있으며 지난 오랫동안 이해하지 못한 것을 이해할 수 있게 만들어 주었다고 연구진은 말하였다.

SLAC은 SSRL에 새로운 X-선 빔라인을 제작 중이며 더 진보된 ARPES 시스템으로 특이한 물질을 연구하고 제작할 수 있게 할 것이라고 연구진은 말하였다. 연구진은 그들의 논문이 이런 물질에서 초전도체를 제작할 수 있는 새로운 경로를 예측하는 것이라고 덧붙였다. 이들의 연구 결과는 “Significant Tc enhancement in FeSe films on SrTiO3 due to interfacial mode coupling”이라는 제목으로 Nature 저널에 발표되었다.

첨부그림 1: 초전도체 철 셀레나이데 단일층은 STO로 알려진 다른 물질의 상단에 놓여져있다. STO의 주요 요소는 셀레늄, 티타늄 그리고 산소이다. STO는 청색 피라미드로 보이고 있으며, 이것은 원자 정렬로 보여진다. SLAC의 연구는 STO로부터 발생하는 자연적인 진동은 철 셀레나이데 박막 안으로 움직이며 박막의 전자들은 쌍을 이루어 이전보다 훨씬 더 높은 온도에서 100퍼센트 효율로 전기를 전도할 수 있다. 이 연구 결과는 더 높은 온도에서 작동하는 초전도체를 인위적으로 제작할 수 있는 방법을 제시한다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

세계에서 가장 큰 트럭이 지멘스(Siemens)사가 공급하는 4대의 전기모터로 구성된 전기 구동시스템에 의해 전력을 공급받는데, 이 전기모터는 약 1,800마력 즉, 1,200kW의 출력으로 최대적재 상태의 중량(GVW) 800톤 이상의 차량이 도로에서 이동할 수 있도록 한다. 최초의 [BelAZ 75710] 모델이 최근에 러시아의 쿠즈바스 지역의 시베리아 광산에서 운행을 시작했다. 이 트럭은 길이 20m 이상, 폭이 약 10m 그리고 높이가 8m이다. 무게는 공차일 경우 360톤이며 450톤의 화물을 이동시킬 수 있는데, 이것은 [Airbus A380] 비행기가 완전히 적재되었을 때의 중량이다.

구동시스템을 디자인한 지멘스(Siemens)사 엔지니어들은 중요한 도전에 직면했는데, 벨로루시의 [BelAZ] 트럭 제작회사는 이 트럭이 세계에서 가장 클 뿐 아니라 현재 존재하는 세계에서 가장 큰 덤프트럭보다 25% 이상 화물적재를 더 할 수 있기를 원했다. 또한, 이 계획은 수송하는 화물의 톤당 비용을 상당히 감소시켜 달라고 요구했다. 이 트럭은 공차일 때 시간당 최대 64km/h의 속도를 가지고 있다.

지하 및 노천굴 채굴회사들의 경우, 환경보호 규정에 대한 제한이 상당히 증가하고 있다. 또한, 이 회사들은 그들의 수송용 차량이 24시간 내내 이용가능하여 생산성을 가능한 높이기를 원한다. 이러한 사항을 염두에 두고, 독일 뉘렘베르크의 지멘스(Siemens)사 구동-드라이브 전문가들은 전기모터를 사용하는 신뢰성있고 강력한 사륜구동 시스템을 개발했다. 전기는 2개의 제너레이터에 의해 공급되는데, 각각은 약 1,700kW의 출력을 가진 16기통 디젤엔진에 의해 구동된다.

각각 100톤을 지지할 수 있는 8개의 타이어
이전의 모델과는 달리, 새로운 트럭은 각각의 타이어가 약 100톤의 화물을 지지할 수 있도록 설계되었기 때문에 8개의 타이어를 장착하고 있다. 광범위하게 시험 주행된 구동시스템이 새로운 트럭의 구동시스템의 기본으로 사용되며 또한, 엔지니어들은 새로운 형태의 제어시스템도 개발했다. 전기 구동시스템의 모든 구성품은 지멘스(Siemens)사가 제작한 것이다. 이것은 모든 구성요소가 상호호환 가능하며 완벽하게 같이 사용될 수 있도록 한다.

사륜구동이라는 시스템 특성은 트럭의 양 축에 동적 구동력의 분산과 같은 새로운 특성을 제공할 수 있도록 했다. 더욱이, 만약 전기모터 중 하나가 고장이 나면 비상 구동 능력을 갖추게 되는데, 이것은 자체의 힘으로 서비스센터에 갈 수 있음을 의미한다. 달리 말하면, 견인되거나 다른 자동차를 방해하지 않는다는 의미이다. 사륜구동 시스템과 4륜 유압 스티어링 시스템은 약 4m 높이의 타이어가 거친 지역에서 손쉽게 이동할 수 있음을 의미한다.

지멘스(Siemens)사는 약 20년 동안 덤프트럭용 구동시스템을 개발해 오고 있으며, 항상 이 거대한 시스템을 더 효율적으로 만드는 방법을 찾는다는 목표가 있다. 그 본보기로는 트롤리 트럭(trolley trucks)인데, 이 시스템은 현수 전력선으로부터 전기를 공급받는다. 이 혁신적인 기술은 트럭이 가파른 경사로에서도 거의 속도를 2배로 가질 수 있도록 할 것이다.   

             출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』