Technology Brief

  첨단세라믹스  해외기술정보

세라믹 분리 막 개발
미국 아르곤 국립 연구소의 세라믹 연구자들은 전도성의 농도가 짙은 물질을 이용하여 오직 전자와 일정한 이온들 또는 대전된 원자들만 통과할 수 있는 수소 여과 세라믹 분리 막을 개발하였다. Balachandran은 이 수소 여과 세라믹 분리 막에 “상호 연결된 정공이나 기공이 없다”고 한다.
다양한 물질의 전도성과 용해도를 연구한 후에 Balachand
ran팀은 오직 수소이온과 전자들만 이동시킬 수 있는 세라믹-산소 혼합 물질을 개발하였다. 이것은 순수한 수소를 분리하기 위하여 분리 막을 필요로 하며 이 분리 막은 청정 연료에 적용 가능하며 다른 제품의 생산에도 적용 가능하다. 실제로 수소 함량이 많은 혼합 가스를 분리 막으로 공급하였다. 대전된 수소 입자들은 분리 막을 통과하였으며 여기서 나온 순수한 수소는 즉시 사용이 가능하였으며 저장 또는 이동도 가능하였다.
대부분의 분리 막 시스템과는 달리 아르곤 국립 연구소에서 개발한 수소 분리 막은 900℃(1650℉)이상의 온도에서 견딜 수 있다. 수소를 생산하기 위하여 이렇게 높은 온도는 많은 장점이 있다. 왜냐하면 고온에서 분자들은 더욱 빨리 움직일 수 있으며 그 결과 더욱 많은 수소 원자들이 분리 막으로 이동할 수 있기 때문이다. 분리 막으로 이동한 원자들은 대전되어서 분리 막을 통과하고 결과적으로 공정 속도는 더욱 빨라질 것이다.
수소를 아르곤 국립 연구소의 세라믹 분리 막으로 분리하기 위한 가장 적합한 새로운 공급원료 물질은 수소와 일산화탄소를 혼합한 혼합 가스이다. 이 혼합 가스는 산소와 천연가스의 반응에 의해서 만들어진다. 천연가스의 많은 부분을 차지하는 메탄은 탄소와 단단히 결합하고 있는 수소를 함유하고 있다. 그러나 이때 탄소와 산소가 결합하면 수소와 탄소의 결합이 끊어지게 되어 수소를 얻을 수 있게 된다. (ACB)
 
세라믹 분리 막 혼합 가스로부터 수소 추출
아르곤 국립 연구소의 세라믹 분리 막은 혼합 가스로부터 수소를 추출할 수 있다. 하지만 이 공급 원료를 수증기 개질 법을 사용하거나 대기와 메탄의 혼합에 의하여 생산하기 위해서는 많은 비용이 든다. 이 문제를 해결하기 위하여 세라믹 연구자들은 산소를 추출하기 위하여 10년 전에 개발했던 분리 막을 이용하여 문제 해결 가능성을 연구하기를 원한다.
이 분리 막 한 쪽에 있는 전자들은 음전기로 대전된 산소 이온을 생성하기 위하여 산소와 결합하여 분리 막을 통하여 이동할 수 있다. 일단 다른 쪽에 있는 전자들이 결합 후 운반되었던 산소 이온으로부터 떨어져 나오면 이 산소 원자들은 다시 중성의 산소 원자들이 된다. 또한 전자들은 자유로운 상태가 되어 더욱 많은 이온을 형성하기 위하여 분리 막으로 향하게 된다.
이 프로세스는 화석 연료를 대체하여 운송수단과 전력 애플리케이션에 순수한 수소를 제공하는 데 있어서 경제적으로 효율적인 기술이 될 수 있다. 왜냐하면 아르곤 국립 연구소의 산소 분리 막과 수소 분리 막은 모두 높은 온도에서 가능하며 두 가지를 연계하여 사용할 수 있다. 하나의 분리 막은 혼합 가스를 생성하기 위하여 메탄에 산소를 첨가할 수 있고 다른 분리 막은 혼합가스로부터 수소를 추출할 수 있다. 아르곤 국립 연구소의 세라믹 분리 막은 연료 에너지의 미국 에너지 국(Department of Energy)에서 투자한 프로젝트의 하나로 개발되었다. (ACB)

질화알루미늄으로 세계 최단파장 210nm인
원자외 발광 다이오드의 동작에 성공
日本電信電話(주)(대표 和田紀夫)(이하 NTT)는 모든 반도체 가운데 가장 짧은 파장에서 발광하는 것이 이론적으로 예측되어 있는 질화알루미늄(AIN)을 이용한 발광다이오드(LED)의 동작에 세계 최초로 성공하여, 반도체 발광소자 가운데 세계 최단파장 210nm의 원자외 발광을 관측했다.
AIN은 높은 열전도율을 갖는다는 점에서 지금까지도 히스싱크 등에 이용되어 왔다. 한편, AIN은 직접 천이형으로 최대의 밴드갭 6eV를 가진 반도체이다. 따라서 만약 AIN으로 반도체 발광소자를 제작할 수 있게 되면 다른 반도체 재료의 경우는 물리적으로 실현 불가능했던 가장 짧은 파장 210nm의 원자외광을 발생하리라는 것이 이론적으로 예측되어 왔다. 그러나 지금까지 AIN에서는 반도체 소자의 제작에 필요불가경한 p형, n형 도핑이 불가능했기 때문에 AIN발광소자는 실현되지 못했다.
NTT물성과학기초연구소는 AIN의 pn도핑 제어에는 결정 결함과 혼입되는 불순물을 줄일 필요가 있다는 것을 밝혀냈다. 따라서 고온결정성장에 견딜 수 있는 장치의 개량, Al원료와 N원료의 부차적인 반응의 제어 등의 기술을 조합시켜서 AIN 속의 결정결함밀도와 불순물 농도를 대폭 절감시켜 세계 최고 품질의 결정 제작기술을 확립했다. 이 기술을 바탕으로 AIN에 Mg를 도핑함으로써 p형, Si를 도핑함으로써 n형을 각각 세계 최초로 실현했다. 이어서 고순도 AIN 발광층을 n형 AIN와 p형 AIN 사이에 끼운 PIN형 LED를 시작, 세계 최단파장 210nm의 원자외광의 발생을 확인했다.
AIN원자외 발광 다이오드는 최근 사회문제가 되고 있는 다이옥신, PCB등의 유해물질 분해 등 환경보전장치와 함께 나노테크놀로지, 고도 정보기술, 의료, 위생, 바이오 등 폭넓은 분야에서 응용이 기대된다. 앞으로 결정결함과 불순물을 한층 더 줄여서 도핑의 고효율에 의해 LED의 실용화를 추진한다. (CJ)