첨단 세라믹스 해외기술정보

Mo-SiO2 FGM 사용한 고농도 방전 램프 개발
일본의 ToTo 社와 규슈대학의 연구진은 Mo-SiO2 경사 기능 재료(FGM)
를 전극과 밀봉 부로 사용한 새로운 형태의 밀폐, 고밀도 방전 램프를 개발하는데 성공하였다.
침전과 압력 슬립-캐스팅 법을 사용하여 전도성 부분(Mo-rich 상)에서 밀봉 부분(혼합 실리카)까지 FSM이 성공적으로 제조되었다.
Mo와 SiO2 간의 열팽창 계수가 기능적으로 경사져있기 때문에, 많은 수의 열 주기 반복에 견딜 수 있고 냉각 시스템이 필요하지 않다.
텅스텐 전극이 FGM에 의해 램프 전극으로부터 완전하게 분리되어있기 때문에 램프 내에 큰 압력이 걸려 있어도 발광체나 가스가 새지 않는다.            
(ACB)

이종접합 나노와이어
기능성 산화물이 두 유사한 또는 다른 안정한 금속 나노와이어 사이에 축방향으로 겹쳐져 있는 나노크기 금속-산화물-금속(MOM) 이종접합 나노와이어가 다른 산화물 나노와이어와 다른 특징을 가지고 있는 것으로 보인다.
양극화 과정이 포함된 템플릿 기반 합성 방법과 전기 ehdmar 그리고 선택적 산화를 결합하여 미국의 Connec
ticut 대학과 Ohio 주립대학의 연구진은 Au-SnO2-Au와 Au-NiO-Au 시스템을 가진 MOM 이종 접합 나노와이어를 만들어 나노전기 시스템에 사용할 수 있도록 하였다. 사용된 방법은 전혀 새로운 방법이며 나노와이어의 구조와 특성을 조절할 수 있게 해줄 것으로 기대된다.
이종접합 구조라는 특징으로, MOM 나노와이어는 전산화물 나노와이어 구조 체가 가진 약점을 극복할 수 있을 것으로 기대되나 나노크기의 산화물의 기초적인 기능성 특징을 측정할 방법이 있다.               (ACB)

500℃대에서 카본나노튜브의 대면적 성장 기술 개발
東海대학(神奈川縣 平塚市)의 庄善之 강사와 (주)에이코엔지니어링(茨城縣 히타치나카市)은 삼극형(三極型) 고주파 플라즈마 화학적 기상합성(CVD)법을 이용하여 카본나노튜브(CNT)를 500℃대의 저온에서 작성하는 기술을 개발했다. 본 기술을 이용하여 작성한 CNT는 기판에 대해 수직으로 배향되어 있고, 2인치(직경 약 5cm)의 Si기판 위에 균일하게 형성되어 있다. 또 작성온도가 500℃대로 낮기 때문에 붕규산 글라스 등의 기판에도 CNT를 작성할 수 있다. 또한 지금까지의 연구로 기판 위의 임의의 장소에 선택적으로 CNT를 작성하는 기술도 개발했다. CVD법에 의한 CNT작성에서는 기판 위에 준비한 철 등의 촉매금속과 아세틸렌 등 탄화수소가스를 반응시킬 필요가 있다. 현재 일반적인 CNT의 작성법인 열 CVD법에서는 탄화수소가스를 촉매 표면에서 분해시키기 때문에 800℃이상의 온도가 필요했다. 한편, 마이크로파 플라즈마 CVD법에서는 500℃대에서 CNT의 작성이 가능한데, 대면적의 기판 위에 CNT를 작성하기가 곤란했다.
본 연구의 최대 특징은 그릿 전극을 가진 병행평판형 고주파 프라즈마 CVD장치를 개발했다는 데에 있다. 이 장치는 시료 상부에 그릿 전극을 배치한 구조이다. 따라서 프라즈마는  그릿 전극과 고주파 전극 사이에서 발생하여 기판 위의 금속촉매에는 접촉하지 않는다. 이 기구에서는 탄화수소가스가 프라즈마 속에서 래디컬화하고 그것이 그릿 전극을 통해서 기판 위의 금속촉매 표면에 공급된다. CNT의 성장에 탄화수소 래디컬을 이용하기 때문에 500℃대에서의 CNT 저온성장이 가능하게 된다. 또 프라즈마의 발생에 고주파 전력을 이용하고 있으므로 대면적의 기판 위에 CNT를 작성할 수 있다. 앞으로는 이 방법으로 작성한 CNT를 전계방출형 디스플레이용 미소전자원, 전기2중층 캐퍼시터 등에 응용하는 연구를 하여 CNT의 산업응용으로 연결해 나갈 생각이다.       (CJ)

포리머 블렌드 방사법(紡紗法)을 이용하여 탄화규소 나노파이버 개발
群馬대학의 大谷朝男 교수 등은 폴리머 블렌드 방사법을 이용하여 카본나노파이버와 카본나노튜브를 개발해 왔다. 방법의 골자는 열처리에 의해 분해소실하는 폴리머 매트릭스 속에 탄소 전구체 폴리머 입자를 분산시키고, 이것을 방사, 전구체 폴리머를 불융화한 뒤에 탄소화한다는 것이다. 매트릭스 폴리머가 소실된 후에는 섬유상 나노카본 재료가 생성된다.
탄소전구체 폴리머 대신에 SiC전구체인 폴리카르보실란을 이용하여 조제를 시도했다. 그런데 400℃ 전후에서 매트릭스가 소실된 후에 생성되는 나노파이버는 무기화가 불충분하기 때문에 융착한다. 따라서 매트릭스에 탄소 전구체 폴리머를 사용했다.
1000~1200℃ 부근에서 탄소화해서 매트릭스 탄소를 제거한 결과 사진과 같은 나노파이버를 얻을 수 있었다.
지름은 100~200nm, 길이는 100㎛을 넘는다. 사진에서 나노파이버의 가동성을 엿볼 수 있다.
SiC계 파이버는 결정화에 의해 강도가 저하되므로 보통은 비정질 상태에서 사용한다. 비정질 나노파이버를 1500℃에서 열처리한 결과, β-SiC의 X선 회절선이 나타나 조제 나노파이버가 SiC 전구체라는 것이 밝혀졌다.
금속기(基) 나노 복합재의 개발이 카본나노튜브나 카본나노파이버를 이용하여 이루어지고 있다. 낮은 반응성을 생각하면 SiC계 나노파이버의 우위성은 말할 나위 없다. 앞으로는 프로세스의 개량·개선을 행하면서 양산화, 나아가서는 용도전개를 시야에 두고 연구를 계속할 예정이다.     (CJ)

디젤·파티큐레이트·필터(DPF)용 세라믹스 소재의 개발·양산화
오세라(주)(大阪市 中央區)는 京都대학 화학연구소(京都府 宇治市) 橫尾연구실과 공동으로 내열충격성, 내열피로성이 우수한 티탄산 알루미늄계 세라믹스 ‘레코삼’을 개발했다.
티탄산 알루미늄(AT)은 저열팽창성에 기인한 우수한 스포링 특성을 갖기 때문에 오래 전부터 유용한 내화물로서의 폭넓은 응용이 기대되어 왔는데, 파괴강도가 낮고 동시에 800℃에서 1280℃의 온도범위에서 루틸과 코랜덤상(相)으로 쉽게 분해한다는 점에서 널리 실용화되지 못하고 있다. AT의 분해 내성을 향상시키는 실험은 Si, Mg, Zr 등을 포함하는 화합물을 첨가함으로써 이루어져 왔는데, 실용에 견딜 수 있는 충분한 특성을 갖는 것은 아직 개발되지 못했다.
오세라와 京都대학 화학연구소는 AT의 생성과 분해 메커니즘을 상세하게 분석하고, AT의 생성 과정에 있어서는 소결 조제가 되고, AT생성 후에는 입성장의 억제와 분해내성에 크게 기여하는 규산염계 첨가물을 넣은 AT세라믹스 ‘레코삼’을 완성시켰다. ‘레코삼’은 종래의 AT와 비교해서 내화도는 약 1700℃로 조금 떨어지지만 기공률은 약 반으로 치밀하며, 파괴강도는 4~10배로 큼에도 불구하고 종래의 저열 팽창성을 손상시키는 일은 없다. 또 AT의 분해속도가 가장 빠른 1100℃에서의 열분해 실험에서도 300시간 이상 전혀 분해되지 않는 결과를 얻었다.
‘레코삼’은 그 우수한 내열성, 내열피로성, 저열팽창성으로 현재 환경문제가 되고 있는 디젤 엔진에서 배출되는 입자상 물질(PM)을 제거하는 필터(DPF)의 소재로서 최적이라고 생각되어 오세라는 ‘레코삼’분체의 샘플 출하를 개시했다. 또 ‘레코삼’분체의 양산체제에 대해서는 지난해 10월부터 본격 가동하고 있다. ‘레코삼’의 원료 가운데 티타니아에 대해서는 연간 약 100만 톤을 제조하고 있는 듀퐁사로부터 안정적인 공급을 받고 있다.
         (CJ)

목재 탄화로 발생한 원추 나선 구조의 탄소물질 발견
목재를 고온탄화했을 때, 원추형을 이음새 없이 나선형으로 겹쳐놓은 구조를 한 ‘원추형 탄소물질’이 세포 내공에 생성한다는 것을 東京大學의 齊藤 조교, 宮崎縣 목재이용기술센터의 有馬 소장 등이 밝혀냈다.
이 탄소물질은 300~400℃에서 예비 탄화한 목탄을 아르곤 가스 속에서 2000~2500℃에서 처리한 것으로, 지름 1~수㎛, 길이 수십~백㎛으로 성장한 위스커 상(狀)의 물질이다. 원료인 목재는 지름 수십㎛, 길이 수㎛으로 된 통상의 세포벽 집합체로 조직학적 형상은 고온에서도 거의 변화하지 않는다. 이 셀 구조가 원추형 탄소물질의 성장을 가능케 한다. 즉, 세포 내부의 공동(空洞)에 세포벽에서 유래된 열분해 가스가 머물고, 어느 조건에 달하면 가스 성분인 C가 침착하여 원추상으로 탄소 육각망 평면을 형성하면서 규칙적으로 퇴적하여 ‘원추형 탄소물질’로서 기둥모양으로 성장한다.
원추형 탄소물질의 원추 꼭지는 135~138°를 중심으로 한 분포를 가진다. 일반적으로 탄소육각망 평면의 일부에 5원환(圓環)이 형성되면 원추 구조가 발달한다는 것은 알려져 있는데, 이 5원환 형성에서 유래할 경우에는 원추면은 닫히지만, 원추형 탄소물질인 경우에는 원추는 닫히지 않고 나선상으로 연속해서 겹쳐져 가는 구조를 취한다. 안정적인 결정구조인 흑연에 비해 원추형 탄소물질 상하의 망 편명끼리 겹쳐지는 형태는 불규칙하고, 때문에 망 평면 사이에는 미소한 반발이 생겨서 흑연보다는 약간 넓은 망 평면 간극을 취하는 turbo-stratic탄소가 된다. 그러나 꼭지가 135~138°일 때의 망 평면이 겹쳐짐은 비교적 안정적이므로 이 꼭지가 일단 주형으로 주어지면 형성이 진행되는 것이라고 생각된다. 주형이 될 원소를 미리 원료 목탄에 넣어서 가열하면 보다 효율적으로 생성된다는 것을 확인했다.
이 특징적인 원추 구조는 자장에 대해서 원추형 탄소물질의 축 방향이 수직이 되도록 배향하는 성질을 부여한다. 또한 보통은 불안정하기 때문에 잘 노출되지 않고, 탄소 육각 망 평면의 가장자리 부분이 원추형 탄소물질 표면에 배치되어 있으므로 이 성질을 이용하여 예를 들면 전극 재료나 탄소흡장 재료에 대한 응용 가능성이 있어, 바이오머스로 만들 신재료에 기대가 집중되고 있다.                (CJ)

다공질 세라믹스 표면적 1.3배로 확대, 반응효율 높여
東京工業大學 연구팀은 나노미터 사이즈의 미세한 구멍이 다수 뚫린 다공질 세라믹스를 촉매나 흡습제로 사용하기 쉽게 하는 기술을 개발했다. 표면적을 종래의 1.3배로 확대하여 반응이 효율적으로 진행되게 되었다. 앞으로 화학기업 등에 제안하여 실용화를 위한 연구를 추진할 계획이다.
이공학연구과의 岡田淸 교수, 中島章 조교수 등이 개발한 것은 ‘메소폴러스’라고 불리는 타입의 세라믹스이다. 입자상으로 표면에 직경 약 3나노미터의 구멍이 다수 뚫려있고, 그 구멍 벽에는 더욱 미세한 구멍이 뚫려있다.
새로 개발된 세라믹스는 이 구멍에 있는 미세한 구멍의 수가 종래보다 늘었다고 보고 있다. 1그램 당 표면적은 1800평방미터로 종래의 약 1.3배이다.
종이의 코팅제 등에 사용되는 카올리나이트라는 실리카계 재료를 원료로 사용했다. 가공의 공정을 늘림으로써 표면적을 확대했다.
개발한 타입의 다공질 세라믹스는 습도를 일정하게 유지하는 등의 기능이 있어 습도의 제어가 필요한 정밀기기공장 등에서의 응용을 생각할 수 있다. 표면적이 늘어나면 습도 등의 반응효율이 높아질 것으로 기대하고 있다.
앞으로 입자에서 막 상대로 만들어서 반응이 잘 되도록 하는 이외에 원재료 등을 연구하여 표면적을 더욱 크게 할 것이다.              (일경산업)

질화알루미늄 기판 연속식 전기로로 양산화
나노입자 첨가, 1600℃에서 소결

산업기술종합연구소 선진제조 프로세서 연구부문은 三井化學과 공동으로 열전도율이 높은 질화알루미늄 기판을 양산이 가능한 연속식 전기로에서 소성하는 기술을 개발했다. 종래는 1800℃ 이상의 소결온도가 필요하여 배치식 전기로에서만 소성할 수 있었다. 질화알루미늄 나노입자를 시판되는 질화알루미늄 분말에 첨가함으로써 1600℃에서 소결할 수 있도록 하여, 연속식으로도 생산할 수 있게 했다.
질화알루미늄 기판은 열전도율이 구리와 같은 수준으로 전자디바이스의 고밀도 실장화가 가능하다. 따라서 전자기기나 반도체 관련으로 수요가 늘어나고 있다. 단 종래의 소결기술에서는 1800℃ 이상의 소결온도가 필요하여 카본이나 텅스텐제 히터를 이용한 배치식 전기로에서만 소성할 수 있었다.
産總硏과 三井化學은 질화알루미늄이 양산화될 수 있도록 소결온도의 저온화를 실현하기 위해 우선 질화알루미늄의 나노입자 합성기술 개발에 착수했다. 단 질화알루미늄의 나노입자는 응집성이 높기 때문에 산업용으로 응용하기는 어렵다고 알려져 왔다.
이번에는 분말분쇄장치인 아펙스밀을 사용하여 입경 약 1마이크로미터의 시판 질화알루미늄을 소경(小徑)인 지르코니아제 볼(비즈)에 고속으로 충돌시켜서 분쇄함으로써 입경 30나노미터로 응집성이 낮은 나노입자를 합성했다.
나노입자를 첨가함으로써 소결성이 향상, 소결온도의 저온화로 이어졌다. 시판되는 분말에 나노입자를 2% 미만 첨가하고 또 소결보조제로서 이트리아와 카르시아를 첨가한 결과, 1600℃에서 소결할 수 있게 되었다고 한다.
이 기술로 양산한 질화알루미늄 기판의 열전도율은 1800℃ 이상의 고온에서 소결한 기판과는 거의 같은 수준인 1미터겔빈 당 133와트가 되었다. 또 밀도도 1입방미터 당 3300킬로그램으로 치밀했다. 더욱 연구를 진행하여 실용화할 계획이다.     (일경산업)