Technology Brief

카본나노튜브 실리카 통 안에 생성
플라렌이나 카본나노튜브(CNT)의 발견 이래, 나노 스케일 재료의 합성과 응용이 활발하게 검토되고 있다. 카본나노 파이버(CNF)는 나노사이즈의 섬유구조를 갖는 나노스케일 탄소재료 가운데 하나이다. 필자를 포함한 연구팀은 CNF를 주형(템플레이트)에 응용한 실리카 나노튜브 합성 및 합성한 실리카 나노튜브 내부에서의 선택적인 CNT 생성을 가능케 했다. 실리카원인 테트라에톡시실란(TESO)의 가수분해로 CNF를 실리카로 피복한 후에, 공기 속에서 소성하여 CNF만을 제거한 결과, 실리카 나노튜브가 생성되었다. 투과형 전자현미경(TEM)상(像) 측정으로 생성된 실리카 나노튜브는 템플레이인 CNF의 형상을 반영하고 있다는 것을 확인했다. 또한 실리카 나노튜브의 직경, 실리카 벽의 두께는 CNF의 직경 및 TESO의 가수분해 시간으로 제어 가능하다는 것을 실증했다.
실리카 나노튜브의 원소분석을 실시한 결과, 실리카 나노튜브 안에는 미소한 금속 Ni입자가 존재한다는 것을 알았다. 미소한 금속 Ni입자는 CNF 및 CNT 합성용 촉매로 알려져 있기 때문에 실리카 나노튜브 내의 Ni촉매가 어떠한 나노카본 재료를 생성할 수 있는가를 검토하기로 했다. 그리고 실리카 나노튜브에 메탄을 접촉시켜 메탄 분해에 의한 실리카 나노튜브 내에서의 CNF 또는 CNT 합성을 시도했다. TEM상을 통해서 실리카 나노튜브 내부에 다수의 CNT가 생성된 모습을 확인할 수 있다. 생성된 CNT의 직경은 약 8nm으로 일정하며, 실리카 나노튜브를 반응기로 이용함으로써 균일한 직경의 CNT를 얻을 수 있다는 것이 밝혀졌다. 이러한 결과는 실리카 나노튜브 내부의 금속 Ni입자 상에서 메탄 분해에 의한 CNT성장이 진행된다는 것을 나타내고 있어, 실리카 나노튜브를 나노 스케일의 반응기로 응용할 수 있다는 것을 시사한다. 또 이런 CNT를 충전한 실리카 나노튜브는 기능성 필터 등에 대한 응용을 상정할 수 있어 신규 재료의 관점에서도 매우 흥미 깊다. (CJ)

초고속 질화갈륨 트랜지스터 개발
(독)정보통신연구기구 무선통신부문·東脇 등은 밀리파 주파수 대(30~300GHz)에 대한 응용을 목적으로 한 초고속 질화갈륨 헤테로 구조 FET(GaN HFET)를 연구개발하고 있다. 일반적으로 FET에 있어, 밀리파 대에서의 고속, 고주파 작동을 실현하기 위해서는 게이트 길이를 0.1㎛이하 정도까지 미세화하는 일이 필요하다. 그러나 실리콘, 갈륨 비소 등의 기존 반도체를 이용한 경우, 미세화에 따라 게이트의 드레인 단(端)에 가하는 전계는 현저하게 증대함으로써 내압이 감소한다는 점에서 저전압, 저출력 동작을 어쩔 수 없게 하게 되어, 높은 주파수 특성을 갖는다는 점과는 반대로 트랜지스터를 다루는 전력은 감소한다는 문제점이 있다. 고출력 밀리파 트랜지스터의 개발은 밀리파대 고속무선통신의 실현을 위한 중요한 기술과제이다. GaN HFET은 와이드밴드갭 반도체라는 GaN 그 자체의 물성으로 고출력 용도에 적합하며, 아울러 고온과 방사선 등의 가혹한 환경에서도 견딜 수 있는 특징이 있다. 그러나 현재 GaN HFET에 대해서는 2GHz대의 휴대전화 기지국에 대한 응용을 목표로 일본 내외의 연구기관에서 활발한 연구가 이루어지고 있는데, 밀리파 대에서의 응용을 위한 연구개발은 거의 보고되지 않은 상태이다.
위에 기술한 것처럼 FET의 고주파 특성을 향상시키기 위해서는 게이트 길이를 단축하는 일이 중요하다. 그러나 초미세 게이트 FET의 경우는 쇼트 채널 효과라고 하는 여러 가지 문제점이 발생한다. 필자 등은 RF플라즈마 분자선 에피탁시(RF-MBE)법에 의한 고Al조성으로 고품질의 질화알루미늄 갈륨(AlGaN)장벽층의 결정성장기술과 촉매화학기상퇴적법(Cat-CVD)으로 질화실리콘(SiN)보호막을 퇴적하는 방법을 개발함으로써 쇼트채널효과의 문제를 해결하는데 성공했다. 그 결과, 게이트 길이 60nm의 미세한 T형 게이트 GaN HFET에 있어, GaN HFET로서는 세계최고 속기록이 되는 전류이득차단주파수(fT)가 153GHz, 최대발진주파수(fmax) 173GHz을 얻었다. 일반적인 트랜지스터에는 실제로 동작시키는 주파수로도 충분한 이득을 얻기 때문에 그 동작주파수의 2~3배인 fT, fmax가 요구된다. 그것을 위해 이번 성과는 현재 이용되는 밀리파대 중에서도 가장 이용가치가 높다고 주목되고 있는 V대(50~75GHz)에 대한 GaN트랜지스터의 응용이 처음으로 현실적인 것이 되었음을 의미한다. (CJ)

세라믹스제 발전장치 개발, 저가로 고내열성
산업기술총합연구소·關西센터의 舟橋良次 주임연구원 등 연구팀은 쓰레기 소각로와 공업로 등의 폐열을 전력으로 변환할 수 있는 세라믹스제 발전장치를 개발했다. 저가로 고온에서도 열화하지 않는다. 에너지의 종합이용 효율향상에 도움이 될 듯하다.
앞으로는 기업과 손잡고 장치의 제조원가 절감과 열전변환효율의 향상을 추진하여 2~3년 이내의 실용화를 지향한다.
장치는 크기가 세로 6.2센티미터, 가로 5.9센티, 두께 6.5센티미터이다. 코발트계와 니켈계 2종류의 세라믹스 재료를 전극으로 접합한 구조이다. 장치의 표면을 섭씨 800도, 이면을 섭씨 300도로 가열하면 세라믹스 내부의 전자가 고온 측에서 저온 측으로 이동하여 전지와 마찬가지로 발전하는 구조이다.
출력은 10와트, 현재의 열전변환효율은 1.4%이지만 이론적으로는 4.5%까지 향상시킬 수 있다고 한다.
종래의 열전변환재료는 비스마스나 테를, 안티몬 등의 희소금속이나 유해한 납을 포함하는 화합물이 알려져 있었다. 단 고가이거나 고온에서 잘 용해되거나 하는 과제가 있었다. 개발한 장치는 특수한 재료를 사용하지 않는 만큼 값이 싸진다. 실용화하기 쉬우리라 보고 있다. 현재 쓰레기 소각장이나 공업로 등에서 발생하는 열 가운에 약 70%는 낭비가 되고 있다고 한다. 개발한 장치를 소각장 등에 설치하면 폐열을 전력에너지로 재이용할 수 있게 되고 이산화탄소 배출량의 삭감 등으로 이어지리라 기대된다. (일경산업)

다층CNT저항 절감, 내층전도에서 텅스텐 수준
비아 배선용 실용화에 응용
富士通와 富士通硏究所(川崎市 中原區, 사장 村野和雄)는 다층 카본나노튜브(CNT)의 안쪽 통도 포함하여 전자가 달리도록 할 수 있는 내층전도를 제안, 다층CNT의 저항을 비아(접속공)당 0.7옴으로 종래보다 1자릿수 절감시키는데 성공했다. 촉매의 바탕이 되는 티탄 컨택트층의 두께를 조정함으로써 내층에 대한 전자의 통로를 형성했다. 이로써 텅스텐 수준의 저저항을 최초로 실현, 앞으로 고밀도화에 의해 구리 수준으로 저저항화하여 LSI비아배선용으로 실용화할 계획이다.
신기술은 다층CNT의 통 전체에 전도하여 저저항화하는 아이디어이다. 지금까지는 다층CNT 최표면의 CNT만이 전도에 기여했을 뿐이었다. 내층 전체에 전도하게 되면 저항이 그 층의 개수만큼 저감된다는 계산이 된다. 비아에 대한 다층CNT 성장은 하부 전극으로서 구리배선층 위에 탄타르배리어층, 티탄 콘택트층, 코발트 촉매층을 순차적으로 적층, 가열하여 코발트 촉매를 미립자화하여 그 촉매로부터 화학기상성장했다.
지금까지 촉매 미립자는 티탄산화막의 절연막에 접촉, 전자는 그 얇은 산화막을 터널로 하여 다층CNT의 최표면을 흐르고 있는 것이라고 여겨왔다. 따라서 티탄 콘택트 층을 종래의 2나노미터 두께에서 6나노미터로 약간 두껍게 하고, 티탄 산화막 아래에 양질의 콘택트 층이 될 탄화티탄 층을 형성했다. 방사광시설 ‘SPring-8’에 의한 X선 회절실험에서 이 탄화티탄 층의 존재를 확인했다.
이 산화티탄 컨택트 층이 코발트 촉매 미립자를 감싸는 듯한 상태가 되기 때문에 내층 전체에 콘택트할 수 있었던 것으로 보고 있다. 균일성이 흐트러지기는 하지만 저항이 1자릿수 절감하고, 10층 전체에서 전도하고 있다는 것도 확인할 수 있었다. 국제반도체기술로드맵(ITRS) 2004년판에 따르면, LSI의 전기적 마이그레이션에 의한 배선의 절단문제는 45나노미터 세대 이후, 구리배선도 한계를 맞이하여 그것을 대신할 해결책이 없었다고 한다. 다층CNT는 전류밀도를 구리보다 3자릿수 높일 수 있어, 전기적 마이그레이션 내성이 강하여 현재로서는 구리에 대신하여 미세배선에 대응할 수 있는 유일한 재료로 주목되고 있다. (NK)

티탄산 칼륨 첨가에 의한 탄산가스 흡수재
리튬 실리케이트의 반복 내구성 향상
京都議定書 발효의 영향으로 이산화탄소 배출량의 삭감이 드디어 현실적인 것이 되었다. 이러한 상황 속에서 일본 내외의 연구기관에서 CO2분리에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다. (주)東芝에서는 고온에서도 사용할 수 있는 고체흡수재 리튬 실리케이드(Li4SiO4)를 개발했다. 리튬 실리케이트는 500℃에서 600℃의 온도 범위에서 CO2를 흡수할 수 있고, 온도를 700℃ 이상으로 하면 흡수한 CO2를 방출하는 성질을 갖고 있다. 이 성질을 살리면 CO2를 흡수한 후에 방출시켜서 재료를 반복적으로 사용할 수 있다.
500℃에서 600℃의 고온영역에서 사용할 수 있기 때문에 발전소 등 터빈에 불어넣기 전의 고온이지만 CO2농도도 짙은 단계의 가스에서 CO2를 흡수할 수 있다. CO2의 농도가 옅어진 배기가스에서 흡수하는 것보다 효율적으로 흡수할 수 있고, 또 흡수량은 종래의 아민 용액법에 비해 10배 이상으로 크기 때문에 운전에너지와 장치의 공간이 적어도 될 것으로 기대된다.
실용화를 위해 페렛화한 리튬 실리케이트를 반응기에 충전하여 성능확인실험을 한 결과, 반복으로 인해 흡수속도가 서서히 저하된다는 것을 알았다. 도 흡수재끼리의 융착도 보였다. 실험 후의 흡수재를 전자현미경으로 관찰하니, 흡수재를 구성하는 1차 입자가 조대화(粗大化)되고 기공 지름도 작아져 있었다. 그 원인의 하나로 CO2흡수로 생성되는 탄산 리튬이 고온에서 CO2를 방출할 때에 일부 액상화한다는 것을 생각할 수 있다. 즉, 세라믹스의 액상소결과 마찬가지로 흡수재를 구성하는 입자가 액상을 매개로 재배열, 용융·재석출을 반복하여 입성장, 그리고 기공의 소실로 이어졌다고 생각된다. 따라서 입자의 재배열을 억제하기 위하여 흡수반응에 관여하지 않는 물질의 첨가를 시도한 결과, 티탄산 칼륨을 첨가하는 것이 효과적이라는 것을 알았다.
티탄산칼륨을 첨가한 흡수재 페렛을 반응기에 충전하고, 실제 기기와 거의 같은 조건에서 흡수·방출 반복 실험을 실시한 결과, 반복 200회 후에도 최초 흡수속도의 약 85%를 유지하고 있다는 것이 확인되었다. 또 흡수재끼리의 융착도 보이지 않아 반응기에서 쉽게 꺼낼 수 있었다.
앞으로 세라믹스의 형상과 원료의 배합을 연구하여 1000회 정도 반복하여 사용할 수 있도록 개량하여 상품화할 계획이다. (CJ)