• □ 국제 공동 연구진은 상온에서도 대규모 양자 얽힘 현상을 구현할 수 있는 양자 소재 후보 물질을 확인했다.
• □ 한국원자력연구원 첨단양자소재연구실 김재욱 박사는 터븀인듐산화물(TbInO3)이 양자컴퓨터 소자 등에 쓰일 수 있는 양자스핀액상(Quantum Spin Liquid, 이하 QSL) 물질이 될 수 있음을 실험적으로 증명했다고 8월 23일 밝혔다.
  • 해당 연구 결과는 세계적 학술지 ‘네이처 피직스(Nature Physics, IF 19.684)’ 온라인판에 8월 17일 게재됐다. 김재욱 박사는 정택선 박사(연세대), 쉬샹한(徐祥翰) 박사(미국 럿거스(Rutgers)대)와 함께 공동 제1저자로 참여했다. ※ 논문명: Unconventional room-temperature carriers in the triangle-lattice Mott insulator TbInO3(삼각격자 구조의 모트 부도체 터븀인듐산화물에서 특이한 상온 운반자)
  • 연세대 김재훈(공동교신저자), 최영재 교수, 한국과학기술원(KAIST) 문은국 교수(공동교신저자), 미국 럿거스대 정상욱 교수(공동교신저자), KAIST 부설 고등과학원(KIAS) 김범현 박사 등과 공동 연구한 결과다.
• □ 양자컴퓨터는 양자역학의 고유 특성인 중첩과 얽힘을 이용해 한 번에 많은 정보를 동시에 처리할 수 있다. 또한 특정 문제에 대해 기존의 수퍼 컴퓨터보다도 수 백만 배 이상 빠르게 풀 수 있어 양자 기술이 미래 산업의 판도를 바꿀 게임 체인저 기술로 주목받는다.
  • 하지만 양자역학적 중첩과 얽힘 현상은 구현이 어렵다. 온도 변화, 불순물, 외부 전자기장 등 미세한 자극에도 다양한 오류가 발생한다. 취약한 양자 상태를 안정적으로 만들려면 절대영도(-273.15도)에 가까운 극저온 환경을 구현해야하는 등 까다로운 조건들이 필요하다.
• □ 지금도 양자 오류를 해결할 수 있는 후보 소재들이 다양하게 연구되고 있으며, QSL도 그 중 하나다. QSL은 새로운 자기 상태의 물질로 양자 요동에 의한 대규모 양자 얽힘이 가능하다. 양자 오류를 대폭 줄인 양자컴퓨터 구현에 필요한 강력한 후보 소재로 여겨진다.
  • 2010년대부터 MIT 등 연구그룹에서 이론상으로 QSL은 양자 얽힘으로 발생하는 스피논(spinon)이라는 준입자(quasi-particle)가 빛과 상호작용하며, 스피논에 의해 광학전도도*가 빛의 주파수 제곱에 비례할 것이라고 예측했다. 즉, 어떤 물질에서 광학전도도가 빛의 주파수 제곱에 비례하는 특성을 발견한다면, 이는 곧 그 물질이 QSL이 될 수 있음을 말해준다. * 광학전도도: 빛 등 교류전기장에 의한 물질의 전기전도도
• □ 이제까지 수 많은 QSL 후보 물질에 대한 검증이 이뤄졌지만, 불순물, 무질서한 물질 구성 등으로 인해 광학전도도-주파수 제곱 비례 현상을 실험적으로 확인할 수 없었다. 하지만, 공동 연구진은 최초로 QSL 후보 물질 중 하나인 터븀인듐산화물(TbInO3) 단결정에서 이를 실험적으로 확인하는데 성공했다.
  • 연구진은 먼저, 레이저로 녹여 구조가 고른 단결정을 제조하는 레이저 부유 용융로(Laser-diode floating zone)를 사용해 고품질의 TbInO3 단결정을 합성했다. 이후 테라헤르츠(THz) 전자기파를 물질에 쪼여 광학전도도를 측정하는 분광실험을 수행했다.
  • 실험은 극저온에서 상온에 이르는 넓은 온도 범위와 다양한 자기장, 주파수 대역에서 진행됐다. 특히 실험에 방해가 되는 빛의 내부 반사 효과를 줄이기 위해 시료 두께를 정밀히 제어했다.
• □ 그 결과, 특정 영역에서 광학전도도가 정확히 주파수 제곱에 비례함을 실험적으로 입증했다. 특히 영상 27도 수준의 실온에서도 광학전도도 비례 현상이 나타났다. 이는 TbInO3가 상온에서도 QSL 특성을 구현할 수 있음을 실제 확인한 최초 사례다. 이번 연구 결과를 바탕으로 연구진은 TbInO3이 무오류 양자컴퓨터의 소자로 응용할 수 있는지 등을 더 연구할 계획이다.
• □ 한편, 연구원은 양자역학적 현상을 측정하고 분석할 수 있는 하나로 중성자산란시설 및 100 MeV 양성자가속기 등 대형 양자빔 연구시설을 보유하고 있다.
  • 이를 기반으로 2021년부터 본격적으로 양자소재 개발 연구를 수행해 QSL을 비롯해 반데르발스 층상소재, 양자자성체 등 50여건 이상의 양자 자성 소재를 합성하고 국내외 공동 연구를 진행하고 있다.
  • 2024년부터는 본 연구결과를 바탕으로 무오류 양자컴퓨팅용 양자소재 개발 사업을 통해 무오류 큐비트(qubit, 양자 정보 기본 단위) 구현에 필요한 위상초전도 양자소재 개발을 추진할 계획이다.
• □ 연구원 김재욱 박사는 “이번 연구 결과는 양자스핀액상 물질의 오래된 이론적 예측을 실험적으로 검증한 첫 사례”라며, “향후 양자컴퓨팅 및 양자 센서 소자의 설계에 큰 도움이 될 것”이라고 말했다.

• □ 100% 해외 기술에 의존해 온 안전 모니터링 센서 기술을 우리 손으로 직접 개발해 시제품 제작까지 성공했다.
• □ 한국원자력연구원(원장 주한규)은 국가 기반산업 핵심 설비의 안전을 상시 모니터링할 수 있는 압전형 센서 소재·부품 원천 기술을 개발하고, 개발된 센서 제품에 대해 국내외 인증을 획득했다고 8월 8일 밝혔다.
• □ 원자력 발전, 중화학 플랜트, 철도·교량 등 국가 기반산업의 핵심 설비는 오랜 기간 끄떡없어야 한다. 설비의 충격, 진동, 결함 등 이상 상태를 상시 모니터링하는 것이 중요한데, 이를 위해선 외부 충격에 전기적 신호를 발생시켜 정보를 실시간 제공하는 압전형 센서가 필요하다.
  • 국내의 경우, 압전형 센서의 소재, 부품 기술의 취약성으로 미국, 유럽 등 기술 선진국 제조사로부터 센서를 전량 수입에 의존하고 있다.
  • 이런 센서는 대표적인 유해물질 납(Pb)이 함유된 ‘납 티탄산 지르코늄(Pb(Zr,Ti)O3, 이하 PZT)’이라는 압전세라믹 소재로 만들었다. 유럽의 경우 전자제품·기기 속의 납을 엄격히 규제하는 등 세계적으로 납 사용을 금지하고 있어 친환경 소재 개발 및 제품화 경쟁이 치열하다.
• □ 이에 기기안전진단연구부 이민구 박사 연구진은 2017년부터 기초 핵심 소재인 친환경 압전 소재부터, 디자인, 부품 제작 기술까지 센서 원천 기술 개발에 집중해왔다.
  • 먼저, PZT를 대체할 친환경 소재로 주목받고 있는 ‘칼륨 소듐 니오베이트((K,Na)NbO3, 이하 KNN)’에 미세 도핑 방식으로 비스무트(Bi)계 화합물을 첨가해 압전성이 우수한 압전 소재를 만들었다.
  • 이후 개발된 소재를 적용한 센서가 감도, 주파수, 안정성 측면에서 최적의 성능을 발휘할 수 있도록 디자인을 개발했고, 센서 내 복잡한 구성 부품의 제작, 조립, 가공 기술을 최적화하는데 성공했다.
• □ 연구진이 개발한 센서는 원전 등 다양한 산업 설비의 이상진동, 이물질 충격 등을 감시할 수 있는 직경 2cm, 높이 6cm 가량의 가속도계 센서 2종과 배관 등의 누설이나 결함을 탐지할 수 있는 직경 2~3cm, 높이 2~4cm 가량의 음향방출형 센서 2종이다. 올해 초 한국인정기구(KOLAS) 공인시험을 통해 기존 PZT 기반 상용 제품을 대체할 만큼의 성능을 확인했다. 이는 즉시 상용화가 가능한 수준이다.
  • 제품의 안전성과 신뢰성을 인증하는 국내 KC 인증과 유럽 CE 인증, 친환경성 인증인 유럽 RoHS 인증도 7월까지 획득했다. 국내 특허 등록 2건과 출원 2건도 마쳤으며, 현재 국내 상표 등록과 미국, 유럽 등 해외 특허 등록이 진행 중이다.
  • 그 간 개발 과정에서의 우수성을 인정받아 2018년 ‘국가연구개발 우수성과 100선’, 2019년 ‘출연(연) 우수성과 10선’에도 선정된 바 있다.
• □ 연구원 최영철 기기안전진단연구부장은 “향후 개발된 센서 제품을 각종 산업 설비에 적용하기 위해 다양한 사업화 방안을 모색하는 중”이라며, “고온과 방사선 등 극한 환경에서도 안정적으로 작동하는 친환경 특수 센서 개발에 이번 기술을 연계 활용해나갈 것”이라고 밝혔다.

 서울대학교 원자핵공학과가 주최하고 한국원자력산업협회(회장 황주호)가 주관하는 「제38회 원자력관리자를 위한 하계강좌」가 7월 12일(수)부터 7월 14일(금)까지 서울대학교에서 개최되었다.

 올해 38회째를 맞는 원자력관리자를 위한 하계강좌는 매년 7월 개최되고 있으며, 올해는 현 정부 출범 후 본격적으로 추진되는 원전 이용 확대와 원전 수출 등을 감안한 ‘국민 공감 원자력 – 포스트 탈원전 시대’를 주제로 진행되었다.

 원자력산업계 등 중간관리자 50여 명을 대상으로 진행된 이번 과정에서는 주한규 한국원자력연구원 원장, 송민순 前외교통상부 장관 등을 비롯하여 산‧학‧연 최고의 강연진으로 구성되었다. 특히, 국민 공감을 바탕으로 원자력이 당면한 과제를 중심으로 SMR, 사용후핵연료 처분, 핵융합, 방사선, 원자력 인력양성 등 다양한 주제로 강연과 참가자 간 토론으로 구성됐다.

 원자력계 종사자 간 네트워크 구축과 강화를 목적으로 하는 본 강좌는 내년 7월 서울대에서 제39회로 개최될 예정이다.

• ▣ 한전원자력연료(사장 최익수)는 브라질 원자력연료 회사인 INB사에 올해 12월까지 미화 약 225만 불(한화 약 29억 원) 상당의 원자력연료 지지격자 등을 수출할 예정으로, INB사와 2020년 12월에 체결한 수출 계약(미화 약 1,050만 불, 한화 약 137억 원)을 성공적으로 이행하고 있다고 밝혔다.
• ▣ 지지격자는 우라늄이 장입된 연료봉을 일정한 간격과 힘으로 고정·지지하면서 원자로에서 냉각재로의 열전달을 향상시키는 원자력연료의 핵심부품이다.
• ▣ 한전원자력연료는 2006년 6월 브라질 INB사와 최초로 핵연료 부품 공급계약을 체결한 이후, 현재까지 매년 INB사가 제조하는 표준형 핵연료의 지지격자 및 소형부품류(연료봉 스프링 및 슬리브) 수출을 확대해오고 있으며, 2022년까지 누적 매출액은 약 180억원 규모이다.
• ▣ 아울러 한전원자력연료는 현재 동사와 2024 ~ 2025년 핵심부품 추가 공급에 대한 계약 협의를 진행 중이며, 장기 공급을 위한 협력강화를 위한 노력을 다하고 있다.
• ▣ 한전원자력연료는 본 수출 사업을 국내 중소기업과 협업하여 추진해오고 있으며, 협력 중소기업과 기술 및 상생 협력을 강화하며 동반성장의 기회로 활용하고 있다.
• ▣ 최익수 사장은 “정부의 원자력 수출 정책 기조에 힘입어 수출경쟁력 강화를 위해 노력하고 있다”며 “원자력연료 핵심부품 수출시장의 안정적 확보를 위해 최선을 다할 것”이라고 밝혔다.

• 한국원자력의학원은 8월4일(금) 암 치료 바이오마커* 기술을 질병 진단 기술 및 치료제 개발 업체 ㈜압타머사이언스에 이전했다고 밝혔다.

  * 바이오마커: 단백질, 유전물질 DNA 등을 활용해 몸 안의 변화를 알아내는 지표로서 암을 비롯한 각종 난치병의 조기진단, 치료반응은 물론 예후를 파악하는 데 유용한 생체 표지자

• 한국원자력의학원 황상구 박사 연구팀은 신경세포 분화에 중요한 역할을 하는 HRP-3 단백질이 암세포에 많이 발현되어 있으면 방사선 치료 과정에서 암세포가 잘 죽지 않고 내성을 갖는 것을 확인했으며, HRP-3 단백질 억제로 방사선 치료 효과가 증진되는 기전을 환자의 유전적 특이성별로 규명한 바 있다.

• 양 기관은 지난 2019년 소량의 혈액으로 암과 관련한 바이오마커를 측정해 진단 및 치료경과를 예측할 수 있는 키트 개발을 위한 상호협력협약을 체결하고 HRP-3 관련 공동연구를 진행했으며, 연구결과를 토대로 개발된 방사선 내성 암 바이오마커 HRP-3와 HRP-3 억제제 및 진단 기술은 ㈜압타머사이언스에 기술 이전되어 방사선 내성 진단 검사에 활용되고 암 치료제로 개발될 예정이다.

• 한국원자력의학원 이진경 원장은“바이오마커 시장이 정밀 의학 시대를 맞아 각광받고 있다”며,“이번 기술이전을 비롯해 의학원의 다양한 암 진료 바이오마커 개발성과가 사업화를 이뤄 국민들에게 직접적인 혜택으로 돌아가기를 바란다”고 말했다.

• □ 한국원자력통제기술원(KINAC)은 이영욱 핵안보본부장이 2023년 9월부터 임기 3년의 국제원자력기구(IAEA) 핵안보 자문위원회(AdSec) 위원으로 위촉되었다고 밝혔다.
  • * KINAC :

    Korea Institute of Nuclear Nonproliferation And Control

  • IAEA :

    International Atomic Energy Agency

  • AdSec :

    Advisory Group on Nuclear Security

• □ AdSec은 핵안보 관련 정책 수립 및 자문활동 등을 수행하는 IAEA 사무총장 상설자문기구로, 2023년 8월 현재 미국, 러시아 등 주요 원자력 국가를 비롯 16개국 16명의 핵안보 전문가들이 위원으로 참여하고 있다.
• □ 이번에 임명된 이영욱 본부장은 서울대학교 원자핵공학을 전공하고 KINAC의 미래전략실장, 비확산기술지원센터장 등 다양한 핵비확산‧ 핵안보 부서장을 역임하여 원자력 규제 및 핵안보 분야 전문성을 두루 갖춘 전문가로 평가받고 있다.
• □ AdSec에 한국인 자문위원이 진출한 것은 이번이 세 번째로, 핵안보 분야에서 우리나라의 위상을 강화함과 동시에 핵안보체제 구축 등에 있어서 우리나라 입장 반영에도 크게 기여할 것으로 기대되고 있다.
• □ 한편, 이영욱 본부장이 참석하는 AdSec의 첫 회의는 오는 10월 16일부터 19일까지 오스트리아 비엔나에 위치한 IAEA 본부에서 개최될 예정이다.