JR도카이는 도카이 신칸선의 “주파수 변환장치”를 교체한다고 발표하였다. 가나가와현(神奈川?) 내 두 군데의 설비에 대해 사업비 134억 엔을 투자하여 약 8년간의 공사를 완료하였다. 전력사용량을 2% 삭감할 수 있으며, 유지관리 비용도 낮아진다.

일본의 전력계통은 동쪽의 50Hz와 서쪽의 60Hz 두 개로 나누어져 있다. 태평양측에서는 시즈오카현이 양쪽에 걸쳐 있으며, 후지가와부터 동쪽은 50Hz, 서쪽은 60Hz이다. 때문에 도쿄전력과 츄부전력 사이에는 세 군데의 주파수 변환설비가 설치되어 있으며, 50Hz와 60Hz의 전력을 필요에 따라 상호 변환하고 있다.

양쪽 지역에 걸쳐 있는 철도는 어떻게 되어 있는가? 도카이도 신칸선은 전체 노선에서 60Hz의 교류(2만 5000V)를 이용한다. JR도카이는 주파수를 변환하는 설비를 스스로 운용하고 있으며, 후지카와부터 동에서는 전력회사에서 받은 50Hz의 교류를 사용하여 60Hz의 교류를 만들어 낸다.

2014년 11월 JR도카이는 도카이 신칸선의 “주파수변환장치”를 교환한다고 발표하였다. 사업비는 134억 엔을 투자하여 약 8년간 공사를 완료한다. 목적은 두 가지이다. 하나는 주파수 변환 시의 전력손실을 줄이는 것이고, 다른 하나는 정기점검에 필요한 시간을 단축함으로써 보다 쉽게 안정운송을 실현하는 것이다. 모두 운용비용 저감에 도움이 된다. 장치 변환에 따라 전력사용량을 2% 삭감할 것으로 보인다. 전기요금의 삭감액으로 환산하면 연간 수억 엔 정도에 상당한다. 정기점검의 시간을 단축하는 효과는 비용에 계산하기 어려우나, 투자 대비 효과가 있다.

변환 전의 주파수 변환장치를 “회전형 주파수 변환장치”라고 부른다. 우선 50Hz의 교류로 모터를 회전시킨다. 모터 축은 발전기와 직결하고 있으며, 발전기가 60Hz의 교류를 만들어 낸다. 모터와 발전기를 조합한 기계적 변환장치이므로 회전에 의한 손실이 발생한다. 그리고 정기점검 시에는 기기를 해체할 필요가 있어 점검시간이 늘어나게 된다.

변환 후의 장치의 명칭은 “정지형 주파수 변환장치”이다. 50Hz의 교류를 컨버터로 입력하면 직류를 만들어 내고, 그 직류를 인버터에 입력함으로써 60Hz의 교류를 만들어낸다. 태양광발전시스템에서 필요한 인버터(파워콘덴서)로 기계형이 존재하지 않는 것에서도 알 수 있듯이 정지형은 변환효율이 높다. 즉 손실이 적다. 이들 인버터와 컨버터에는 대전력에 견디는 파워반도체를 이용한다. 도입하는 파워반도체의 후보는 IGBT, IEGT, GCT 세 가지이다. 앞으로 도입 시의 사양을 결정할 것이다.

이와 같이 장점만이 눈에 띄는 정지형에도 약점이 있다. 일시적으로 대전류가 필요할 때 현재의 파워 반도체기술에서는 모두를 조달하는 것은 불가능하다. 그래서 기존의 회전형 장치를 남기고, 병용한다. 후지카와 동쪽의 도카이도 신칸선의 노선과 역, 변전소, 주파수 변환변전소, 장치의 위치를 보면, 주파수 변환장치가 현재 9대가 운용 중이다. 서에서 누마츠(沼津) 주파수 변환변전소(누마츠 FC: Frequency Conversion substation), 서사가미(西相模) FC, 츠나시마(綱島) FC, 오이(大井) FC로 불리는 4개 거점이 있으며, 합계 9대의 주파수변환장치가 작동하고 있다.

현재는 9대 중 6대가 회전형, 3대가 선행 도입된 정지형이다. 이번 교체에서는 가나가와현에 위치하는 츠나시마 FC와 서사가미 FC의 회전형을 각각 1대씩 정지형으로 교체할 것이다. 츠나시마 FC, 서사가미 FC의 회전형이 두 대씩 남아 대전류가 필요할 때에 보조하는 형태이다. 츠나시마 FC의 공사기간은 2014년도부터 2019년도이며, 서사가미 FC는 2015년도부터 2021년도이다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

동영상 및 비주얼 기술들이 사용자들과 상호작용하면서 나날이 중요성이 증대되고 있다. 가트너 그룹은 2017년경 라이브 브로드캐스팅 기술이 새로운 발전전기를 가지게 될 것이라고 제시하면서, 프로젝트 제품 관리자들이 이와 같은 트렌드를 조율하기 위하여 새로운 형태의 비주얼 전략들을 창출할 필요성이 있음을 제시한다.

사용자 서비스와 제품을 위한 차세대 전략은 한 가지로 요약되는데, 바로 "동영상"이라는 부분이라고 가트너 관계자는 제시한다. 라이브 동영상과 다른 형태의 실시간 기술을 제품과 통합하는 것이 사용자들로 하여금 다양한 형태의 라이브 이벤트에 참여하도록 만들고, 더욱 더 다양한 개인화된 커뮤니케이션을 가능하도록 만들면서, 더욱 양질의 사용자 지원을 가능하도록 하고, 커넥티드 홈에 대한 최적의 경험을 제공하게 된다고 말한다.

지난 4~5년 동안, 가트너 그룹은 기존의 정적인 형태의 화상 이미지에서 동영상으로의 주목할 만한 이전이 이루어졌다고 말하면서, 라이브 동영상이 중요한 매개체가 되었음을 언급한다. 일일 업로드되고 공유되는 사진 이미지 숫자가 1조건이 넘는 상황 속에서 매우 의미 있는 변화 움직임이라고 관련 전문가들은 말하면서, 사진 이미지의 업로드와 공유는 이제 정점에 달하였고, 실시간의 사용자 생성 동영상 자료들이 새로운 성장 변곡점을 만들게 될 것이라고 제시한다.

자기표현을 위하여 보다 리치 미디어로서 가지게 되는 잠재력을 넘어, 라이브 동영상에 대한 사용자 사례들이 정적인 이미지나 녹화된 동영상이 가지지 못한 새로운 양상들을 만들어내고 있다고 전문가들은 말한다. 원격 모니터링(예를 들어 아기나 기업 보안), 원격 진료나 원격 작업, 사용자 서비스의 개선 부분에 적극 응용될 수 있을 것으로 전망된다. 라이브 동영상 기술에 대한 접근이 보다 가능할수록, 모바일 앱 부분에서도 더욱 다양한 양상으로 채택 움직임이 이루어지게 될 것으로 전망되며, 사용자들은 이를 위하여 더욱 다양한 대역폭, 디바이스, 카메라를 필요로 하면서, 앱과 관련 서비스가 동영상 커뮤니케이션 전력의 중요한 부분으로 자리매김하게 될 것이라고 언급한다.

가트너 그룹은 다음과 같이 두 가지 방향으로 커넥티드 홈을 중심으로 이와 같은 기술 채택이 가시화될 것이라고 제시한다.

첫째, 2018년까지 커넥티드 홈 앱 중 76%가 스마트 TV를 통하여 접근이 이루어질 것이다.

스마트 TV는 가장 빠르게 성장하고 있는 대량 시장 제품 분야 중 하나이다. 가트너 그룹의 2014년 사용자 서베이에서는 미국 가정 중 거의 25퍼센트가 스마트 TV를 보유하고 있으며, 독일의 경우 32퍼센트에 달한다고 말한다. 가트너 그룹은 2018년 출시되는 전 세계 TV중 82 퍼센트 이상이 스마트 TV가 될 것이라고 언급하면서, 일반 가정에서 가장 일반적인 형태의 디바이스로 자리매김할 것이라고 제시한다.

TV에 대한 상대적으로 낮은 교체주기에도 불구하고, 스마트 TV 침투는 꾸준히 이루어지고 있다고 가트너 관계자는 말한다. 스마트 TV는 이미 커텍티드 홈 엔터테인먼트의 중심이고, 이와 같은 형태의 디바이스들은 다른 연결형 홈 디바이스에 대한 통제와 관리에 있어서 중요한 변곡점을 만들어 낼 것이라고 제시한다. 통제 애플리케이션과 가정용 보안 카메라, 도어락 온도계와 기타 연결형 디바이스에 대한 모니터링이 스마트 TV를 통하여 이루어지게 되면서 다양한 연결형 홈 애플리케이션의 중심을 담당하게 될 것이라고 전문가들은 예측한다.

최근 산업 발전양상은 스마트 TV에 대한 관리 및 통제 앱을 추가하도록 만들고 있다. 스마트 TV 플랫폼에 대한 통일되지 못하고 있는 현재의 양상들은 미디어와 엔터테인먼트 디바이스를 제외하고 커넥티드 홈 디바이스 제조사들과 앱 개발자들이 액세스 및 관리용 앱을 위한 소위 네 번째 스크린을 개발하도록 만드는 것을 더욱 난해하게 만들고 있다. 그럼에도 불구하고, 연결형 디바이스가 서서히 성장 변곡점을 얻고 있고, 다양한 스크린을 기반으로 한 앱 프리센스가 중요한 차별화 요인이 되고 있으며, 커넥티드 디바이스를 위한 스마트 TV앱이 스마트폰과 태블릿 앱과 거의 쌍벽을 이루면서 성장양상을 더욱 확대시키고 있다.

둘째, 2018년에 커넥티드 홈 서비스 비용은 현재 보다 50퍼센트가 감소된다.

가격이 더 이상 커텍티드 홈 서비스의 채택에 커다란 작용을 하지는 않을 것으로 여겨진다. 공급사들이 제공하고 있는 기존 가격 계획이 상대적으로 합리적이고, 사용자들에 대한 추가적인 비용은 이미 통신 예산부분으로 확대되고 있는 것으로 여겨진다. 월별 서비스 요금을 부과하고 있는 연결형 홈 서비스의 공급사들은 영국의 Hive사나 구글에 인수된 Nest사와 같은 가정용 에너지 관리 공급사와 같은 기업들과의 경쟁방법에 대하여 고심하고 있다. 전기 스토어들이 사용자들로 하여금 자신들의 커넥티드 홈 플랫폼을 창출하는데 전문적인 어드바이스를 획득할 수 있도록 만드는 새로운 플랫폼을 만들고 있으며, 사용자들에게 유사한 경험을 제공하기 위하여, 서비스 공급사들은 소매 영역과 스탭 교육에 대한 투자를 더욱 더 진행할 필요가 있게 될 것으로 여겨진다.

커텍티드 홈 산업은 아직 태동기인 것으로 파악된다. 낮은 보급률, 높은 관심과 높은 가격들로 하여금 대량 생산 채택에 대하여, 가격들이 하락하고 있으며, 가격하락은 더 이상 이와 같은 부분에서 충분한 근거로 자리매김하고 있지 못한 상황에 놓여 있다. 공공부분에 대한 관심부족은 사용자들로 하여금 커넥티드 홈 서비스의 실효적인 이익이 무엇인지 파악하지 못하도록 하고, 사내 전문가들의 어드바이스를 제공하는 전략을 포괄하도록 만드는 것이 중요한 부분으로 자리매김할 수 있을 것으로 여겨진다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

일본 교토대, 도쿄대, 오사카대 및 일본 원자력연구개발기구의 공동연구진은 특정 우라늄화합물의 초전도체의 열자기효과가 지금까지 예상한 것에 비해 현격하게 크다는 사실을 발견하였다. 열자기효과는 자장에서 종방향의 온도차를 횡방향의 전압으로 변환하는 기능(열전변환)으로 인해 만들어지며, 여기에서 얻어진 거대 열자기효과는 물질이 초전도현상을 보여주는 온도(초전도 전이온도)보다 낮은 고온의 온도에서 형성된 ‘초전도 거품’에서 유래한다. 이 거대 열자기효과는 우라늄화합물의 초전도 거품이 원인이며, 이는 종래의 초전도체에는 없는 기하학적구조를 가진 전자의 산란과정으로 설명할 수 있다.

물질의 온도를 내리면, 저온에서 2개의 전자가 페어(쿠퍼짝)를 이루며 전기저항이 0이 되는 초전도상태가 형성된다. 이 페어는 초전도 전이온도 이하에서만 형성되는 것이 아니며, 전이온도보다 높은 온도에서도 열진동(Heat fluctuation) 효과에 의해 형성되기도 한다. 이 열진동에 의한 페어는 거품처럼 생성과 소멸을 반복하며, 그 결과 초전도상태의 전조라고 불리는 `초전도 요동` (superconducting fluctuation) 현상이 발현된다. 이 초전도 요동은 여러 가지 물리량에 영향을 미친다. 특히, 자장중 열전변환 효과의 일종인 열자기효과 (네른스트효과)는 초전도요동의 성질을 조사하기 위한 중요한 물리량이다. 하지만, 그 동안의 초전도체 연구에서는 이 열자기효과 자체가 크지 않아 열전 변환 재료로 거의 주목받지 못했다.

본 연구에서는 우라늄화합물 초전도체 URu2Si2를 사용하여 초전도요동에서 기인한 열전기효과를 정밀하게 측정하였다. 그 결과 시료의 순도가 증가하면 초전도 요동효과에 의한 열자기 효과가 현저하게 증가한다는 것을 확인하였다. 이는 지금까지 초전도체에서 관측된 실험결과와 정성적으로 다른 결과이다. 또한 열자기 효과의 크기는 종래에 예상한 수치에 100만배에 달한다는 것을 확인하였다. URu2Si2 초전도체는 쿠퍼쌍을 형성하는 2개의 전자가 서로의 주변을 오른쪽으로 회전하거나, 왼쪽으로 회전하는 한 방향으로만 회전하는 초전도 현상이 일어난다. 이러한 초전도체를 카이랄 초전도체라고 부르며, 이 쿠퍼쌍은 종래의 초전도체와 다른 기하학적 구조를 가지고 있다. 이 카이랄 초전도체는 초전도 거품의 표면에 있는 페어 전자에 의해 전도전자가 산란된다. ([그림]) 본 실험결과는 이 산란과정을 바탕으로 한 새로운 이론으로 설명할 수 있다.

본 연구를 통해 카이랄 초전도상태라는 신기한 초전도현상을 초전도요동을 통해 처음으로 관측하였다. 이는 종래의 초전도체와는 다른 새로운 메커니즘에 의한 초전도현상으로 향후 초전도 기초연구 발전에 기여할 것으로 기대된다. 또한 거대 열자기효과에 의해 열전환효율의 지표가 되는 성능지수가 종래의 물질과 비교하여 현격하게 높다는 것을 확인하였다. 이는 향후 열전변환 재료의 개발 및 응용으로 연결될 것으로 기대된다.

본 연구결과는 2014년 12월 1일 학술지 `Nature Physics`에 `Colossal thermomagnetic response in the exotic superconductor URu2Si2’라는 논문으로 게재되었다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

초전도성(superconductivity)은 특이할 만한 현상이다: 초전도체는 어떤 저항 없이도 전류를 전송할 수 있어서 전력손실이 발생하지 않는다. 초전도체는 이미 핵 자기 단층촬영(nuclear spin tomography) 혹은 입자 가속기(particle accelerator)의 자석과 같은 특수한 분야에서 이미 사용되고 있다. 그러나, 이런 용도로 사용하기 위해서는 매우 낮은 온도로 초전도체를 냉각시켜야만 한다. 그러나 작년, 놀라운 실험결과가 발표되었다.

단파장 적외선 레이저 펄스(short infrared laser pulse)를 이용해, 과학자들은 매우 짧은 시간 동안이기는 하지만 처음으로 상온에서 세라믹 초전도성을 구현하는데 성공하였다. 막스플랑크 연구소(Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter)의 물리학자들이 핵심적인 기여를 한 국제 연구팀은, 연구결과를 Nature지에 게재하였다. 레이저 펄스는 결정 격자 내의 개별원자의 움직임을 허용함으로써 초전도성을 향상시키는 것으로 여겨진다. 본 발견은 상대적으로 높은 온도에서 초전도성을 나타내는 물질의 개발을 돕게 됨으로써 새로운 활용가능성을 높여주고 있다.

맨 처음에 초전도성은 영하 섭씨 273도의 절대 영도(absolute zero) 근처의 온도에서 오직 몇 종류의 금속만이 나타내는 특성으로 알려졌었다. 그리고 1980년대 물리학자들에 의해 세라믹 물질을 기반으로 하는 새로운 종류를 발견하게 되었다. 이 물질은 영하 섭씨 200도 정도의 온도에서 전기를 손실 없이 전송할 수 있기 때문에 고온 초전도체(high-temperature superconductor)로 불렸다. 이 세라믹 물질은 초전도성 케이블, 모터 및 발전기와 같은 기술분야에서 가장 활용도가 높다.

YBCO 결정은 특수한 구조를 가지고 있다. 얇은 산화구리(copper oxide) 이중층이 바륨(barium) 및 구리와 산소를 포함하는 더 두꺼운 중간층과 교대를 이루고 있다. 초전도성은 얇은 산화구리 층에서 기원한다. 이곳에서 전자가 관여하여 소위 쿠퍼 쌍(Cooper pairs)을 형성한다. 쿠퍼 쌍은 서로 다른 층 사이를 방해 받지 않고 이동할 수 있음을 의미하며, 일종의 양자효과에 해당한다. 이 결정은 오직 임계온도(critical temperature) 이하에서만 초전도성을 나타내지만, 쿠퍼 쌍은 이중층 내 뿐만 아니라 더 두꺼운 층을 통과하여 다음 이중층으로 이동할 수 있다. 임계온도 이상에서, 이중층 간의 커플링이 소실되어 이 물질은 전도성이 미약한 금속이 된다.

2013년, 국제 연구팀은 막스플랑크 연구원인 Andrea Cavalleri와 함께, YBCO를 적외선 레이저 펄스로 조사하였을 때 상온에서 초전도성을 나타낸다는 것을 발견하였다. 레이저 빛은 결정 내 이중층의 커플링을 명백히 변형시켰다. 그러나 물리학자들이 전 세계에서 가장 강력한 엑스선 레이저가 있는 미국의 LCLS에서 실험을 통해 비밀을 밝혀내기 전까지는 정확한 메커니즘은 밝혀지지 않았었다. 본 연구를 이끈 막스플랑크 물리학자인 Roman Mankowsky에 따르면, 과학자들은 우선 적외선 펄스를 결정에 조사하고 특정 원자가 여기되어 진동하도록 유도하였다고 한다. 그리고 결정의 정확한 구조를 밝혀내기 위해 단파장 엑스선 펄스를 활용하였다고 밝혔다.

결과: 적외선 펄스는 원자를 여기시켜 진동시킬 뿐만 아니라 결정 내에서 위치가 변하도록 하였다. 이로써 산화구리 이중층은 2피코미터(picometer) 정도 더 두꺼워졌으며, 이는 원자 지름의 백분의 일 정도에 해당하는 값이다. 그리고 이중층 사이의 층은 그 만큼 더 얇아졌다. 결국 이중층 사이의 양자 커플링(quantum coupling)이 증가하였으며, 결정은 수 피코초(picosecond) 동안 상온에서 초전도성을 나타내는 결정이 되었다.

이 새로운 연구결과는 고온 초전도체의 불완전한 이론을 수정하는데 도움을 주게 될 것이다. 또한 재료과학자들로 하여금 더 높은 임계온도를 갖는 새로운 초전도체를 개발하는 데에도 이용될 것이다. 궁극적인 목표는 상온에서 활용할 수 있는 초전도체를 개발하는 것이다. 지금까지 초전도성 자석, 모터 및 케이블은 액체 질소나 헬륨으로 절대 영도까지 냉각시켜야만 했다. 만약 이런 복잡한 냉각이 불필요하게 된다면, 이 기술의 돌파구가 될 것이다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

반도체를 포함하는 새로운 잉크를 이용하여 연구자들은 최초로 발광다이오드(LED)를 인쇄할 수 있었다. 이는 3차원 인쇄술을 이용하여 반도체 및 다른 재료로부터 기능성 전자회로를 인쇄하는 새로운 방법을 개척할 가능성을 제시하고 있다.

3차원 인쇄기는 이미 금속이나 중합체로부터 시작품이나 예비 부품을 만들 수 있다. 이제 미국 프린스턴 대(Princeton University)의 연구자들은 반도체 및 다른 재료들을 이용하여 기능성 전자회로를 인쇄하는 방법을 개발함으로써 3차원 인쇄술이 가지는 가능성을 확대하는 데에 중요한 진전을 이룩하였다.

또한, 연구자들은 생체 적합성 재료나 심지어 살아 있는 조직과 전자공학을 결합하는 방법을 구체화하고 있으며, 이는 실험적인 새로운 종류의 이식(implant)을 위한 길을 열 수 있다.

반도체 잉크로 가득 찬 카트리지를 이용하여 모든 종류의 작업을 위한 회로를 인쇄하는 것이 가능할 수 있다고 이 연구를 이끌고 있는 프린스턴 대의 마이클 맥알파인(Michael McAlpine) 조교수가 말했다. 이러한 가능성을 시연하기 위하여 연구자들은 콘택트렌즈 내에 발광다이오드를 인쇄하였다.

컴퓨터 내부에 있는 프로세서나 디스플레이 회로는 나노미터 규모로 제작된 수많은 복잡한 구성요소들을 요구하기 때문에 3차원 인쇄술을 이용하기에는 적합하지 않다. 그러나 전자공학이 결합한 의료 기기나 이식을 수행하는 데에는 사용될 수 있다. 예를 들어 연구자들은 신경 조직을 성장시키기 위한 뼈대를 인쇄할 수 있다고 마이클 맥알파인 조교수가 전했다. 그리고 이러한 뼈대 내부에 발광다이오드 및 회로를 인쇄할 수 있다면, 광을 발생시켜 신경을 자극할 수 있으며, 사용된 전자공학은 의수와 접속하여 통신하는데 사용될 수 있다고 마이클 맥알파인 조교수가 제안하였다.

지난해(2013년) 마이클 맥알파인 조교수는 생체 전자 장치를 사용한 인공 귀를 3차원 인쇄기로 제작하였다. 이 인공 귀는 부드럽고 끈적거리는 히드로겔(hydrogel: 물을 분산 매체로 하는 겔)을 지지 매트릭스(supporting matrix)로 하여 살아 있는 조직으로부터 만들어졌다. 또한, 이 인공 귀는 은 나노입자의 현탁액으로부터 만들어진 전도성 잉크를 가지며, 무선 신호를 수신할 수 있는 전기 코일을 형성하였다.

이후로 마이클 맥알파인 조교수의 연구 그룹은 수신되는 음향을 처리할 수 있는 장치를 인쇄할 수 있도록 3차원 인쇄술을 반도체 재료로 확장하는 연구를 수행하고 있다. 반도체는 정보 처리 회로의 주요한 구성요소이며, 광을 탐지하고 방출하는 데도 사용될 수 있다.

3차원 인쇄술의 범위를 확장하기 위하여 마이클 맥알파인 조교수의 연구 그룹은 자체적으로 3차원 인쇄기를 제작하였다. 현재 시장에 출시된 대부분의 3차원 인쇄기는 단지 플라스틱을 인쇄하도록 설계되었다. “만약 기존의 3차원 인쇄기에 다른 재료를 사용하려고 시도한다면, 작동하지 못할 것”이라고 마이클 맥알파인 조교수가 말했다. 또한, 연구 그룹은 더 높은 해상도로 인쇄할 필요가 있다. 예를 들어 인공 귀는 밀리미터 크기를 가지는 특징들을 가지며, 발광다이오드를 만들기 위해서는 마이크로미터 규모가 되어야 한다.

발광다이오드를 만들기 위하여 프린스턴 대 연구진은 전류에 반응하여 매우 밝은 빛을 방출하는 반도체 나노입자인 양자 점(quantum dot)을 선택하였다. 또한, 연구진은 중합체와 실리콘 매트릭스뿐만 아니라 장치에 사용되는 전기 리드 및 접점을 만들기 위하여 두 종류의 금속을 사용했다. 이렇게 많은 잉크로 인쇄할 때의 난관은 잉크들이 서로 번질 수 있는 위험이다. 그래서 연구자들은 다른 것들과 섞이지 않는 용제에 각각의 재료들이 부유하도록 확실히 만들어야 했다.

마이클 맥알파인 조교수의 연구 그룹은 2x2x2로 층층이 쌓인 8개의 녹색 및 주황색 발광다이오드 입방체를 만들었다. 그리고 연구자들은 콘택트렌즈 표면의 곡률에 들어맞는 형상을 만들기 위하여 스캔을 수행한 후에 그 콘택트렌즈 상에 발광다이오드를 인쇄하였다.

“이 발광다이오드는 3차원 인쇄된 능동형 전자소자라는 난제의 일부에 불과하다”고 마이클 맥알파인 조교수가 말했다. 일단 연구자들이 능동형 전자장치에 사용되는 재료를 인쇄할 수 있으면, 정보 처리 회로, 센서, 광 탐지기 등의 구성요소들을 만들 수 있을 것이며, 결국 이들을 생물학적인 조직과 결합하게 될 것이라고 마이클 맥알파인 조교수가 예측하였다.

마이클 맥알파인 조교수와 그의 동료 연구자들은 3차원 인쇄술의 가능성을 빠르게 확대하고 있는 유일한 사람들이 아니다. “대부분의 3차원 인쇄술은 미화시킨 글루 건(glue gun: 접착제를 바를 때 사용되는 분무 기기)과 같아서 단지 중합체만을 인쇄한다”고 노스캐롤라이나 주립대(North Carolina State University)의 화학 공학자인 마이클 딕키(Michael Dickey)가 말했다. 마이클 딕키의 연구그룹은 마이클 맥알파인 조교수의 연구에 관련되지 않았지만, 늘어나는 자기 회복 전선으로 인쇄될 수 있는 액체 금속을 개발하였다.

그리고 생체 모방 공학을 전공한 교수인 미국 하버드 대(Harvard University)의 제니퍼 루이스(Jennifer Lewis)는 혈관을 포함하는 복잡한 패턴에서 여러 세포 형식을 결합함으로써 조직 공학을 위한 3차원 인쇄술을 개발하고 있다.

마이클 맥알파인 조교수는 맞춤화된 생체 의학 장치를 만들기 위하여 새로운 기법을 이용하고 있으며, 일부는 동물 연구를 통하여 시험되고 있다. 마이클 맥알파인 조교수는 아직 발표되지 않은 이 연구에 대하여 상세한 내용을 밝히는 것을 거부하였지만, 살아 있는 세포를 이용하는 복잡한 전자 장치를 만들기 시작했다는 것을 덧붙였다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

이탈리아 연구진은 그래핀 복합체의 용매로서 염료를 사용했다. 이 연구결과는 그래핀 복합체가 다양한 산업 분야에 적용할 수 있는 새로운 길을 열어줄 것이다.

그래핀-고분자 복합물을 제조할 수 있는 효율적인 방법들은 마이크로전자공학과 고분자 산업을 이해하는데 핵심적인 역할을 한다. 그러나 지금까지 그래핀 용액을 제조하는데 사용되는 많은 용매들은 고분자 복합체를 제거하는 것이 어렵고, 이것은 최종 특성에 영향을 끼친다. 용매로서 산업용 염료를 사용하는 것은 프로세스의 말미에 이것을 추출하지 않아도 되게 한다. 또한 염료의 특성들과 비-독성은 잘 알려져 있기 때문에 염료-그래핀 복합체를 결합할 때의 위험을 추가적으로 감소한다.

그래핀은 2차원 벌집 모양의 탄소 격자이고, 놀라운 특성을 가진 가지고 있다. 그리고 그동안 많은 연구를 통해서 그래핀 제조 및 처리를 위한 수많은 흥미로운 접근 방법이 존재한다.

“현재, 그래핀은 서로 다른 종류의 용매 또는 비누를 사용해서 용액 속에서 제조된다”고 Palermo가 말했다. “이것은 기초 연구에서 매우 잘 작동하지만, 대규모 산업용 분야에 적용하는데 이런 용액을 사용하는 것은 여전히 어렵다. 우리는 화합물을 대규모로 만드는데 사용되는 분자들로 흑연 박리를 할 수 있다는 것을 증명했다; 따라서 그들은 복합체 속에 포함되기 전에 그래핀 용액에서 제거될 필요가 없다”고 Palermo가 덧붙였다. 

산업에서 이미 자주 사용되고 있는 염료를 사용하는 것은 상당한 장점이 될 수 있다고 이번 연구진은 강조했다. “마이크로전자장치 또는 폴리머 제조와 같은 대규모 제조 및 높은 최적화가 필요한 산업들은 생산 사슬 속에서 도입되는 새로운 다른 단계 또는 첨가제에 보수적인 접근을 가지는 경향이 있다”고 연구진은 말했다. 

이번 연구팀은 IBS(indanthrone blue sulphonic acid sodium salt)가 흑연과 어떻게 상호작용하는지를 실험했다. 인단트론 유도체(Indanthrone derivative)는 수십 년 동안에 면 염료, 페인트, 에나멜로서 사용되는 안료의 일종이다. 더 최근에, IBS는 액정 제조에 사용되었고, 이것은 이런 화합물이 전자 발광식 유기 반도체를 자기 조립하는데 잠재력을 가질 수 있다고 제안했다.

이번 연구진은 IBS에 흑연을 추가할 때의 반응을 조사했다. 흑연 위에 증착된 IBS 용액의 자외선/가시광선 분광 관찰은 분자들이 흑연 표면 위에 흡수된다는 것을 제안했다. 초음파로 관찰했을 때, 흑연은 단일층과 몇-층 그래핀 박편으로 부서지는데, 이것은 0.1 mg/mL IBS의 용액에서 안정화되었다.

이번 연구진은 IBS-그래핀 제조 및 처리 방법이 전기 전도성을 향상시키기 위해서 폴리머 복합체에 적용될 수 있다고 제안했다. 복합체의 전도성은 전자기 차폐 분야에서 필요한 수준에 미치지 않지만, 그들은 정전기 분산의 요구조건을 충족하고 유기 전기장치 속에 적용될 수 있다.

2008년 처음 그래핀이 발견된 이후로 많은 연구들이 수행되었지만, 그래핀의 화학적 특성은 상대적으로 적게 조사되었다. “현재, 우리는 대면적, 거의 없는 결함, 우수한 가공성을 가진 그래핀 시트를 달성하기가 어려웠다. 그래서 우리는 그래핀의 박리 프로세스에 큰 관심을 가졌다.”

이번 연구진의 향후 연구는 그래핀과 폴리머 사이의 상호작용을 더 잘 이해하기 위한 추가적인 연구에 초점을 맞출 것이다. “석기 시대에서 실리콘 시대까지, 재료들은 우리의 삶에 항상 영향을 끼치고, 특히 탄소 기반의 재료들은 차세대 분야에 큰 잠재력을 가지고 있다.” 이 연구결과는 저널 2D Materials에 “Exfoliation of graphene with an industrial dye: teaching an old dog new tricks”라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1088/2053-1583/1/3/035006).

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

오사카부는 2014년 12월 2일, 전력공급용 연료전지시스템을 1.2MW분 도입하는 기본합의를 Bloom Energy Japan과 체결한 것을 발표하였다. 오사카부 중앙도매시장 내에 설치한다. 시장의 비상용 전원 출력을 1.5배로 높여 연간 이산화탄소 배출량을 약 30% 삭감하는 것을 목표로 한다.

중앙도매시장은 채소 및 과일, 수산물(생, 냉동, 가동) 등을 취급한다. 때문에 대량의 전력을 사용한다. 칸사이전력과의 계약전력(최대전력)은 현재 4,600kW이다. 시장이 도입하는 연료전지시스템은 Bloom Energy Japan의 것으로, 출력은 200kW이다. 1세트의 크기는 높이 2.1m, 폭 8m, 깊이 2.6m이다.

이번 기본 합의 내용은 네 가지이다. 첫째, 연료전지시스템을 합계 1,200kW분 설치하여 연료전지가 만들어내는 전력을 시장이 전량 구입하는 것이다. 연료전지 도입 후에는 칸사이전력과의 계약전력이 대략 1,200kW로 줄어들며, 그만큼을 연료전지가 조달한다. 연료전지는 상시(정격출력에서) 동작한다. 전력을 구입하는 기간은 도입 후 20년간이다.

둘째, 도입 후 3년간은 Bloom Energy Japan이 이산화탄소 삭감량 효과 등의 검증을 수행하여 오사카부에 보고한다. 이산화탄소 이외의 검증항목도 있다. 스프링클러와 유도등에 전력을 공급하기 위하여 소방법에서 정한 비상용 전원을 시장 내에 설치해야 된다. 그러나 소방법에서 연료전지는 비상용 전원으로 인정하지 않는다. 일본 국내에서 1MW급의 연료전지가 상용으로서 도입되는 것은 이번이 처음이다.
　
셋째, 앞으로의 스케줄이다. 전력매매에 관한 계약을 Bloom Energy Japan과 지정관리자로 체결할 예정이다. 연료전지의 설치는 2014년도 내에 완료할 예정이므로 그때까지 계약을 체결한다.

넷째, 전기요금의 부담이다. 시장 전체의 전기요금 부담을 연료전지 도입 전과 동등하게 하도록 한다. 칸사이전력의 전기요금(4,600kW)이 도입 후의 전기요금(약 3,400kW)과 연료전지(1,200kW)의 요금 합계와 동등하도록 한다는 의미이다.

오사카부가 새롭게 전원을 도입하게 된 원래의 발단은 시장개설 시에 설치한 비상용 디젤전원(900kW)를 갱신할 필요가 있다는 것이다. 단순히 갱신하는 것만이 아닌 용량을 늘려 비상시에도 냉장고를 작동시킬 계획이다. 시장측의 당초 요망은 계통전력이 끊겨도 냉장고의 기능을 유지할 수 있는 1MW의 전원을 도입한다는 것이다. 비용에 관해서는 현재의 비상용 전원을 갱신, 증강한 경우보다 삭감할 수 있다면 좋다는 조건이었다. Bloom 에너지 서버는 지진 등에 강한 중압도관에서 도시가스를 모아 화학반응에 의해 전력을 만들어 내는 연료전지이다. 이 때문에 계통전력이 끊겨도 비상용 전원으로서 기능한다. 이번 기본합의에 따르면, 900kW의 비상용 전원이 1,200kW로 증강된다. 총 전기요금이 바뀌지 않는다면 당초의 목적을 달성하게 된다.

도시가스는 LNG 1차 수입기지 등에서 고압(1MPa 이상)으로 송출되어, 정압기에서 중압(0.1MPa~1MPa 미만)으로 정압된 후, 가스 홀더(구형의 가스탱크) 등에 저장된다. 일반가정과 빌딩에 보낼 때 다시 한번 정압기를 통하여 압력을 떨어뜨려 저압으로 한다. 지진으로 피해를 받는 것은 주로 저압도관이다.

“동일본 대지진을 토대로 한 도시가스 공급의 재해대책 검토보고서”에 따르면 1995년에 발생한 한신, 아와지 대지진에서는 중압도관의 피해 지점이 106개소/5,000km(100km당 2개소)였다. 2011년에 발생한 동일본 대지진에서는 동일하게 22개소/1만 2,549km(100km당 0.2개소)였다. 22개소 중 13개소는 플랜지 연결부분으로부터 경미한 누설에 머물렀다. 공급정지에 이른 것은 22개소 중 3개소뿐으로 이것은 중압도관이 루프화(우회로화)되었기 때문이다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

포유동물에 있어 촉감을 매개하는 “기계적 수용체(mechanoreceptor)”의 확인으로 신경과학분야의 오랜 수수께끼가 스크립연구소 Scripps Research Institute, TSRI)의 생물학자들이 주도한 연구팀에 의해 풀렸다. 피부 세포와 신경 말단에 Piezo2 이온 채널 단백질(Piezo2 ion-channel protein)이 없는 생쥐는 가벼운 접촉에 대한 감도는 거의 없지만 고통스런 기계적 자극에 대한 감도는 대체로 정상적이다.

포유류에서 Piezo2가 주요 촉감 센서라고 확신할 수 있다는 것이 패더푸티안 (Ardem Patapoutian) 교수의 말이다. 이번 연구 결과는 학술지 Nature 의 12월 4일 호에 실렸다.

<단서 찿기> 1980년 대에는 포유류의 시각 기능을 담당하는 주요 단백질인 광수용체가 확인되었고, 1990년대 초에는 후각과 미각 수용체가 확인되었다. 그러나 촉각을 매개하는 기계적 수용체에 대해서는 더 이상의 진전이 없었다. 기계적 수용체는 극소수의 특수 세포에서 작동되고, 그런 세포에서도 그 수가 많지 않아서, 가능성 있는 단서가 많지 않은 상황에서 이번 연구가 시작되었다고 한다.

이 연구팀은, 4년 전 발달된 유전체 기술의 도움으로, 생쥐 세포에서 두 개의 기계적으로 활성화되는 이온 채널 단백질, Piezo1과Piezo2를 확인했다. 이들 이온 채널이 박혀있는 세포 막을 일그러뜨릴 수 있는 정도의 물리력이면 이 이온 채널을 닫힌 상태에서 열린 상태로 효율적으로 바뀌어, 나트륨을 비롯한 양으로 하전된 전해질(electrolytes)이 안쪽으로 흘러 들어가게 할 수 있다. 그리고 전기적인 신경 자극(electrical nerve impulse)을 촉발할 수 있는 감각 신경에서 물리적 자극이 신경적 자극으로 전환된다.

두 개의 새로이 확인된 이온 채널 단백질 중에 척추의 후근신경절(dorsal root ganglia )을 기반으로 하여 신경돌기가 피부까지 신장될 수 있는 촉감 감지 뉴런에서 Piezo2만이 유의적으로 발현되었다. 이 연구팀은 이를 근거로 포유류의 촉감에 대한 가능한 전도 장치(transducer)로 이 유전자에 집중하게 되었다. 지난해, 패더푸티안 팀은 Piezo2가 머켈 세포에서 촉감센서 역할을 한다는 보고를 했는데, 이 세포는 피부의 접촉 감수성 신경 말단에 위치한 특수 세포로, 생쥐에서 촉감을 증대시킨다.

<한 가지 유형의 접촉에 한 가지 이온 채널> 이번 연구에서 연구자들은 이 선행 발견을 접촉 감수성 신경 말단 그 자체까지 확장했다. 이들 신경은 힘의 서로 다른 종류와 방향을 감지할 수 있도록 만들어져 있기도 하고, 그리고 별도의 민감도를 위해 머켈 세포와 모낭과 같이 다른 힘 반응 구조물에 부착되어 있을 수도 있다. 연구 시작부터 특별한 생쥐가 이용되었는데, 이 생쥐는 이전의 연구에서 머켈 세포 연구를 위해 만들어진 것으로 형광 단백질이 연결된 Piezo2를 생성한다. 이 형광 표식 Piezo2로 인한 발광으로 Piezo2가 광범위한 “낮은 역치의 기계적 수용체 (low-threshold mechanoreceptor)" 신경 말단에서 발현된다는 것이 확인될 수 있었는데, 이는 생쥐 피부의 유모와 무모(hairless) 영역 둘 다에 박혀있었다.

다음 단계의 연구는 Piezo2 유전자를 생쥐에서 절단하여 이 유전자가 발현되지 않아도 촉각에 대해 정상적으로 반응하는지 여부를 관찰하는 것이었다. 하지만, Piezo2가 소실된 생쥐 모두는 사산되었다. 그래서 “조건부 넉아웃”되는 생쥐 라인(conditional knockout mouse line)을 만들었는데, 이 경우 성체에 임박하면, 후면신경절 뉴런과 머켈 세포에서만 Piezo2 유전자가 거의 완전히 소실되도록 만들어졌다.

이들 생쥐로부터 배양된 신경에 대한 전기적 시험에서 일반적으로 가벼운 접촉을 감지하는데 필요한 기계적 자극에 대해 아무런 반응이 없는 것으로 확인되었다. 이 생쥐에서 유래되고 손상되지 않은 피부 신경에 대한 특수 시험에서도 기계적 민감도에 대해 동일하게 심각한 소실이 확인되었다. 신경 말단과 머켈 세포에서 Piezo2가 결핍된 생쥐에서도 정상적 생쥐에 비해 명확한 행위 차이가 확인되었다. 일련의 시험에서 통상적 접촉 자극에 대한 반응성에서 극적인 감소가 관찰되었다고 한다.

이들 접촉 무감각 생쥐에서 더위, 추위 및 꼬집기 같이 보통 고통이 있는 피부 부하 자극에 대한 반응은 확실하게 유지되었다. 꼬집기와 같이 고통이 있는 기계적 감각은 높은 역치의 기계적 수용체 신경 말단에 의해 매개되는 것으로 추측되는데, 이 경우는 더 강한 힘이 있어야 활성화된다. 이들 높은 역치의 기계적 수용체 신경은 Piezo2가 조건적으로 넉아웃되는 생쥐에서는 영향을 받지 않는 것으로 보였다고 한다.

이번 발견이 시사하는 것은 빛, 촉감, 일반적으로 생각하는 무해한 접촉은 Piezo2 이온 채널을 이용한 한 세트의 신경 말단에 의해 주로 매개된다는 것이다. 반대로, 더 강하고 고통을 유발하는 접촉감각은 아직 밝혀지지 않았지만 그들 자신의 이온 채널이 있는 덜 강력한 민감성 세트의 신경 말단에 의해 매개되는 것으로 보인다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 

단일벽 탄소 나노 튜브들은 매력적인 특성들을 가지고 성장된다. 특히, 고속으로 전기를 전도하는 능력은 나노 크기 트랜지스터로 이용하기에 매력적이다. 그러나, 이런 특성들은 그들의 구조에 의존하고, 나노 튜브가 막 형성되기 시작할 때 결정된다.

나노 튜브가 어떻게 형성되는지 영향을 주는 요소들에 대해 이해하기 위하여, 국립 표준 기술 연구소 (National Institute of Standards and Technology; NIST), 메릴랜드 대학 및 텍사스 A&M의 연구팀은 나노 튜브들이 수 개의 원자들일 때를 영상화하는데 성공하였다. 이러한 나노 튜브 “베이비 사진들”은 나노튜브들이 어떻게 시작하고 성장하는지에 대한 중요한 정보를 준다. 이는 잠재적으로 과학자들에게 그들이 원하는 특성들을 가지는 나노 튜브들을 집단으로 만드는 길을 보여줄 것이다. 연구의 결과는 나노 레터(Nano Letters)지 온라인에 게재되었다.

탄소 나노튜브들이 어떻게 성장하는지와 어떻게 원하는 것으로 성장하는지를 더 잘 이해하기 위하여 핵생성이라고 불리는 성장 프로세스의 초기 단계를 이해해야만 한다. 이를 위하여, 발생된 사건 순서대로 핵생성 프로세스를 이미지화할 수 있어야만 한다. 그러나, 매우 빠르게 고해상도 사진들을 찍어야 한다는 의미하는 이 프로세스는 작은 수의 빠르게 움직이는 원자들을 포함하고 있기 때문에 매우 어렵다.

빠르고, 고해상도 카메라들이 고가이기 때문에, NIST 과학자들은 대신에 환경 주사 투과 전자 현미경 (environmental scanning transmission electron microscope) 내에 압력을 낮게 함으로써 성장을 느리게 하였다. 고열 및 저압의 현미경 챔버 내에서 연구팀은 탄소원자들이 부착되고 그라핀으로 형성되며 이 나노입자들을 둥글게 둘러싸고 나노튜브들로 성장하기 시작하는 코발트 카바이드의 1.2나노미터 비트들 위로 떨어지는 아세틸렌으로부터 발생된 탄소 원자들을 관찰하였다.

연구팀을 이끄는 NIST의 화학자 레누 샤르마(Renu Sharma) 박사는 “우리의 관찰들은 탄소 원자들이 탄소 원자들과 얽힌 면들이 아니라 코발트 카바이드 나노 입자의 순금속 면들에만 부착되었다는 것을 보였다. 이후 급성장하는 튜브는 닫힌 캡을 형성하면서 부착된 다른 순금속 표면에서 발견될 때까지 코발트-탄소 면 위에 성장하였다. 탄소 원자들은 튜브의 길이를 늘이고, 일종의 탄소 조립 라인에서 캡 방향을 따라 전에 형성된 그라핀을 누르면서 코발트 측면들에 부착하기 시작하였다. 이러한 전체 프로세스는 오직 몇 초만에 이루어졌다”고 말했다.

샤르마 연구원에 따르면, 탄소 원자들은 코발트 카바이드 나노 입자들의 표면 상에 그라핀을 형성하는 것처럼 활발하게 가장 선호하는 모습을 찾는다. 그라핀이 대부분 육각형, 벌집 모양의 구조를 가지는 반면에, 나노 입자들의 형태는 탄소 원자들의 벌집 격자 내의 오각형 형태로 배열하게 한다. 결정적으로, 이러한 그라핀 구조에서의 오각형 불규칙들은 그라핀이 곡선화하고 나노튜브가 형성되게 하는 것이다.

나노 입자들의 면들도 나노튜브들의 직경, 분자 비대칭성, 트위스트 각도에서 결정적인 역할을 하는 것으로 보이기 때문에, 연구팀의 다음 단계는 나노튜브들이 성장함에 따른 나노튜브들의 분자 비대칭성을 측정하는 것이다. 또한, 연구팀은 나노 입자들이 튜브들의 분자 비대칭성 및 직경에 어떻게 영향을 미치는지 알기 위하여 접착 특성을 연구하는 서로 다른 측면들을 가지는 금속 나노 입자들의 사용을 계획하고 있다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』