첨단 세라믹스  해외기술정보

초음파 홀로그래피 방법 개발
아래에 묻혀 있거나 포함되어 있는 구조의 비파괴 나노 크기 이미지를 관찰해야 할 필요에 따라, 미국 Northwestern 대학의 연구진들은 인접장 초음파 홀로그래피(SNFUH)라고 불리는 새로운 방법을 개발하였다. SNFUH는 깊이에 따른 정보뿐만 아니라 측면 방향으로도 10~100nm의 분해능을 가지고 있다.
초음파를 물체 표면에 쏘면 표면 탄성 정상파로 요동치게 되어 초음파의 위상과 진폭이 변하게 되는데, 이 정보가 스캐닝 프로브 현미경으로 맵핑되어 여러 재료의 내부구조 이미지가 나노크기의 분해능으로 형성되게 된다. SNFUH는 단단하거나(가공 가능한 물질), 부드러운 재료(폴리머나 생체 구조)와 이동 재료에도 적용 가능하다. 연구진들은 SNFUH를 이용하여 아래 묻혀있는 나노구조의 이미지를 보거나 미세 전자 구조의 표면 형상 관찰, 적혈구에 기생하고 있는 말라리아 기생충을 관찰해 보였다. (ACB)

광학 통신을 위한 ‘느린 빛’ 이용
미국 IBM의 연구진은 전자부품들의 연결에 전기를 대신하여 빛을 사용하기 위한 궁극의 단계에 한발 다가서는 기술이 개발되었음을 나타내는 작은 장치를 만들어 냈다. 연구진은 빛을 광 결정 파동가이드를 지나게 하여 빛의 속도를 원래 속도의 1/300 이하로 줄일 수 있었다. 광 결정 파동가이드는 빛을 산란시키는 규칙적인 구멍의 어레이에 의해 나뉜 얇은 실리콘 판이다.
구멍의 형태와 크기로 큰 굴절률을 갖도록 할 수 있는데, 굴절률이 클수록 빛이 느려진다. 파동 가이드를 국부적으로 가열하면 굴절률을 바꿀 수 있어 적은 전력으로 큰 범위로 빛의 속도를 조절할 수 있게 해준다. 이러한 특징은 광 지연 선, 광 버퍼, 광메모리와 같은 다양한 나노광학 부품들의 형성뿐만 아니라 강력한 광 통신 네트워크에 의해 함께 연결될 컴퓨터 시스템에 사용될 모든 것들에 사용될 수 있을 것으로 기대된다. (ACB)

고성능 액추에이터 개발
Pennsylvania 주립대학의 연구진들은 자신들이 개발한 새로운 정밀 결합 공정을 사용하여, 작은 전압을 가하면 부피가 줄어드는 벌크 PZT의 평평한 선과 정확하게 미세 가공된 실리콘 빔을 이용하여 작은 압전 미세액추에이터를 개발, 제조하였다. PZT에 부착된 실리콘 빔은 PZT가 수축하면서 실리콘 빔이 휘어질 때 PZT 형태의 변화에 의한 신호를 증폭하고 볼록 튀어나오는 변형으로 변환한다. 요구되는 다리 모양을 만들기 위한 용접 공정에 사진 식각과 저온 용접이 사용되었다. 액추에이터의 동작에서 측정된 실리콘 빔 변형은 PZT 크기 변화에 대하 20정도의 이득을 나타냈다. 새로운 접근법을 사용하여 연구진은 길이가 350에서 600㎛, 너비가 50~100㎛, 두께가 5~6㎛되는 액추에이터를 개발하였다. (ACB)

수소흡장능을 갖는 금속내포 중공 실리카 나노입자의 개발
형상 및 사이즈의 균일한 산화물 나노입자는 고기능 촉매나 광학소자 등에 대한 응용 면에서 상당히 주목되고 있다. 그중에서도 중공 산화물 입자는 나노캡슐인 나노리액터로서의 응용을 기대할 수 있고, 중공에 귀금속 등의 활성원소를 넣은 것은 나노사이즈의 촉매반응기가 될 수 있다. 필자 등은 금속 안민 착체를 가용화한 역 미셀 속에서 TEOS의 가수분해를 중심으로 수십 nm의 균일한 실리카 공(球)의 중심에 몇 nm의 중공을 갖는 단분산입자의 합성에 성공했다. 이 입자의 중공에는 1~2nm의 금속 클러스터가 들어 있어 TEM 관찰 중인 전자선 조사에 의해 그 클러스터들이 중공 속을 자유롭게 움직이는 모양을 관찰할 수 있다. 이 방법의 특징으로서는 생성하는 중공 실리카 입자가 균일하다는 것, 그램 스케일의 분말을 간단히 얻을 수 있다는 것, 또 안민 착체의 선택으로 여러 원소를 속에 넣을 수 있다는 것 등을 들 수 있다. 또한 생성한 중공구조는 열적으로도 안정되어 700℃ 이상의 진공가열처리를 해도 구조는 유지된다. 이번 합성에 성공한 것은 Ir, Rh, Ru 및 Co의 클러스터를 내포한 중공입자로, 금속전구체에는 각각의 안민 염화물(M(NH3)6Cl3, M은 금속원소)을 이용하였다. 이들 금속의 안민 염화물의 수용액을 비이온성 계면활성제인 시크로헥산 용액에 가용화하면 첨가한 수용액 속의 물이 계면활성제에 흡착 용해도가 낮은 안민 염화물 결정이 미셀 속에서 석출된다. 여기에 TEOS를 첨가하면 미셀 속의 결정표면에서 가수분해가 선택적으로 진행되어 안민 염화물이 분해하여 금속 클러스터를 내포한 중공구조가 만들어진다. 이렇게 이 방법으로는 안민착체가 중공의 주형이 되고, 역미셀이 실리카쉘 외측의 주형이 됨으로써 중공과 실리카 공 양쪽에 크기가 일정한 단분산 입자가 만들어지는 것이라고 생각된다.
이들 금속내포 중공입자의 수소흡착특성을 검토한 결과, 상온상압에서 Ir-SiO2와 Rh-SiO2 중공입자가 시료 속에 존재하는 금속 화학양론을 크게 넘는 수소흡착성을 보인다는 것이 확실해졌다. 특히 Ir-SiO2중공입자는 해리흡착수소와 금속의 비H/Ir이 3을 넘을 가능성이 시사되었다. 수소의 흡착열이나 내포하는 금속양과의 관계에서 해리흡착한 수소가 중공입자 속에 스필오버함으로써 수소흡장특성이 발현되는 것이라고 생각된다. (CJ)
고강도 반응 소결 SiC에 의한 우주용 경량 거울의 개발
(주)東芝 전력·사회시스템기술개발센터, NEC東芝스페이스 시스템(주), 日本파인세라믹스(주)는 공동으로 고강도 반응소결 탄화규소(SiC)에 의한 650mm구경의 우주용 경량 거울을 개발했다. 이 거울은 인공위성에 탑재하여 지구나 우주를 관측하는 반사식 망원경에 적용되는 것으로 고강도 반응소결 SiC의 적용으로 망원경 전체적으로 20~30 가벼워졌기 때문에 보다 크고 성능이 우수한 장치의 발사에 기여할 수 있다.
지구관측 센서와 천문관측용 망원경용으로 이용하는 반사경은 지금까지 주로 저열팽창률 글라스가 이용되어 왔다. 그러나 유리는 강성이 낮아 우주용으로 중요한 경량화라는 면에서 한계가 있었다. 이에 대해 SiC는 강성이 높을 뿐 아니라 열전도율이 높아 열변성에 대한 특성이 우수하여 우주용 반사경으로써 이상적인 재료라고 일컬어지고 있다.
지금까지 상압소결SiC를 중심으로 적용검토가 이루어졌는데, 東芝 전력·사회시스템기술개발센터가 개발한 고강도 반응소결SiC는 이하와 같은 점에서 정밀한 대형광학반사경을 제작하기에 적합한 소재이다. (1)굴곡강도가 850MPa과 상압소결 SiC의 2배의 강도를 갖고 있어 한층 더 경량화에 적합하다. (2)상압소결SiC는 기공을 갖기 때문에 그대로 고성능의 경면을 만들지 못하므로 반사경으로 사용하기 위해서는 화학증착법(CVD)에 의한 치밀한 SiC코팅을 할 필요가 있다. 이에 대해 고강도 반응소결 SiC는 포어가 없는 치밀질 소결체를 얻을 수 있기 때문에 CVD코팅 없이 반사경면을 제작할 수 있다. (3)상압소결 SiC는 소결수축으로 성형체의 80~85%만이 완성되지만 고강도 반응소결 SiC는 소결수축률이 ±1% 이하이기 때문에 대형화에 있어 칫수 정밀도가 높은 소결체를 얻을 수 있다. (4)고강도 반응소결 SiC는 소결온도가 1400℃~1500℃로, 상압소결 SiC의 소결온도 2000℃~2200℃에 비해 저온에서 소결할 수 있다. 따라서 설비나 운전비용의 절감을 기대할 수 있어 앞으로 저가격화가 가능케 된다. 이상에서 고강도 반응소결 SiC는 종래의 유리거울이나 상압소결 SiC에 비해 저가이며 공기(工期)를 단축한 제품의 제공이 가능하게 된다.
앞으로 직경 1m급의 고강도 SiC 반사경을 개발하여 수년 내에 실용화와 대형거울을 사용한 관측센서의 개발에 대응해 나갈 것이다. (CJ)

나노재료 ‘섬유상 다공성 실리카’ 개발
이 섬유상 다공성 실리카는 (독)산업기술총합연구소의 연구 성과를 바탕으로 楠本化成(주)(화성품 사업부)와의 공동연구로 개발되어 2005년 2월 東京빅사이트에서 개최된 국제나노테크놀러지 종합전·기술회의에 신규 나노재료 ‘섬유상 다공성 실리카’로 공표되었다.
이 섬유상 실리카는 계면활성제에 트르브로크 공중합체를 사용하는 메소폴러스 실리카의 합성법을 베이스로 저가의 실리카 원료인 규산소다를 이용하여 환경에 대한 부담을 억제한 합성방법으로 실온부근 대기압 하에서 제작할 수 있다. 생성하는 다공성 실리카는 섬유상 형태와 독특한 규칙 세공구조를 갖도록 설계되어 마크로 형태와 나노레벨이라는 다른 차원에서 질서구조를 갖는다는 것이 커다란 특징이다.
합성의 포인트는 교반조건 하에서 계면활성제와 실리카 용존종(種)과의 상호작용을 엄밀하게 제어하여 생성하는 로드상 유기무기 나노복합체를 연결하여 생성시키게 된다. 생성물에서 계면활성제를 가열하여 제거함으로써 로드상 입자의 연쇄체인 섬유상 다공성 실리카를 얻을 수 있다. 개개의 로드상 입자는 모두 같은 구조를 가져 길이 약 1㎛, 폭 약 0.5㎛으로  신장(伸長) 방향에 메소 세공이 관통하여 존재하고, 로드 단면을 보면 메소채널이 허니컴 상으로 규칙적으로 배열되어 있다. 섬유 길이는 기본구조 단위인 로드상 입자의 성장과정을 컨트롤함으로써 제어할 수 있다. 가장 짧은 것은 길이 약 1㎛의 로드상 입자를 거의 단분산 상태로 얻을 수 있다. 긴 섬유상 다공성 실리카에서는 약 500㎛이 된다. 메소 세공의 크기는 반응조건에 따라 4~십 몇 nm의 범위에서 균일하게 제어할 수 있고, 400~1100m2/g의 비표면적을 갖고 있다. 또 1차원 메소채널은 마이크로공에 의해 서로 연결되어 있어 마크로 형태와 나노 규칙 구조에 기인한 특이한 가스 흡착능을 발휘한다는 것이 밝혀졌다.
이 섬유상 메소폴러스 실리카는 흰색이며 동시에 섬유형상을 살린 여러 가지 복합재료, 나아가서는 마크로 형태와 세공구조의 고차원 구조를 이용한 흡착제, 촉매담체, 또 나노 공간을 화학수식한 나노리액터 등으로 여러 가지 용도가 기대된다. 産總硏 및 楠本化成에서는 이 섬유상 다공성 실리카의 마크로 형태와 세공구조를 살린 응용전개를 추진, 현재 복수의 민간기업과 연구개발에 착수한 상태이다. (CJ)