신재료·신기술  해외정보

텐트의 단열도료 개발, 자동차 부품으로도 용도 확대
新和精工(愛知縣 豊田市, 사장 安井了介)은 텐트의 단열성을 향상하는 도료를 완성, 판매하고 있다. 수성도료에 세라믹스 재료를 혼합함으로써 단열효과를 얻는다. 가격은 1평방미터당 1600엔이다. 2007년도에 연간 20억 엔의 매상을 전망하며, 자동차 부품에도 용도를 확대한다.
도료는 우주항공연구개발기구(JAXA)가 개발한 기술을 日進産業(東京都 板橋區)으로 이전해 新和精工이 日進産業의 기술을 베이스로 해서 천에 도장을 할 수 있게 했다.
혼합한 세라믹스 재료는 직경 20마이크로~40마이크로미터의 중공 비즈와 동 10마이크로미터의 파우더이다. 건조하면 천 위에 비즈 층이 생기고, 또 그 위에 파우더가 층을 형성하여 단열효과를 발휘한다. 愛知縣 지구박람회의 맘모스 전시장의 보행자용 텐트에서 실험한 결과, 텐트 바로 아래 도장하지 않은 부분보다도 2~3도의 온도저하를 확인했다. 업무용, 레저용 텐트 메이커에 공급하며 자동차의 엔진 주변, 내장부품으로 용도확대도 목표로 하고 있다. (NK)

탄화규소 에피택시얼 웨이퍼 양산화를 위해 공동연구
産業技術總合硏究所, 電力中央硏究所, 昭和電工은 탄화규소(SiC)반도체 에피택시얼 웨이퍼의 양산화를 위해 공동연구를 시작했다. 고품질 균일 에피택시얼 성장기술을 3인치 이상의 대구경(大口徑)의 것을 여러 장 동시에 처리할 수 있도록 실용기 단계에서 실증할 것을 목표로, 3년 계획으로 총액 약 6억 엔 규모의 공동연구를 실시하는 것이다. 연구 성과를 바탕으로 새로이 설비할 생산회사에서 4인치 5장 또는 3인치 7장의 동시생산이 가능하게 될 것으로 목표로 하고 있는데, 2006년 10월을 목표로 웨이퍼의 공급을 개시, 3년 후에는 월간 100장 규모의 웨이퍼를 공급할 수 있도록 할 예정이다.
에피택시얼 웨이퍼의 생산거점구축에 대해서는 반도체 디바이스 기업으로부터의 요청과 기대도 커서, 이 공동연구의 성과를 관계자가 설립할 웨이퍼 생산회사에 기술 이전하여, 일본 내에 SiC고품질 에피택시얼 웨이퍼 공급개시로 연결해 나갈 수 있다.
이들 활동을 통해서 일본의 세계 SiC시장을 리드할 수 있는 상황을 만들어서 새로운 반도체 산업을 창출해 나가려고 하고 있다.
단결정 SiC박막 등을 형성하는 것을 에피택시얼이라고 하는데, 에피택시얼 웨이퍼는 고품질의 벌크 웨하 위에 불순물 농도와 두께를 정밀하게 제어한 SiC박막을 퇴적하여 만든다. 대구경 웨이퍼 위에는 고품질이면서 균일한 정밀 에피택시얼 성장기술이 필요하게 된다.
그러나 현실적으로는 디바이스 제작에 사용되는 에피택시얼 웨이퍼의 품질이 충분하지 않기 때문에 특히 대면적 칩의 제작이 곤란하여 SiC의 재료특성의 유용성이 발휘되어야 하는 대전류 디바이스의 실용화에 큰 장벽이 되어왔다. (NK)

니켈 내포 단백질 사용, 유리기판에 실리콘 박막 제작
奈良先端科學技術大學院 大學의 冬木隆 교수, 蒲岡行治 조교수 등은 니켈을 내포한 단백질을 사용하여 유리 기판 위에 결정화한 실리콘 박막을 제작했다. 약 500℃의 저온에서 결정화한다. 기판 위의 단백질을 위치 제어할 수 있고, 박막 트랜지스터(TFT)등 스위칭 소자의 형성 장소를 선택할 수 있다. 몇 년 후에는 유리 기판 위에 TFT와 주변 회로를 만들 예정이다.
유리와 플라스틱 위에 표시기능만이 아니라 기억연산기능을 탑재한 시트형 컴퓨터 등의 개발로 이어진다.
이용한 단백질은 철 저장 단백질인 페리틴이다. 외경은 12나노미터, 내경 7나노미터의 바구니 모양으로 되어 있다. 이번에는 山下一郞 松下電器産業 주간연구원 등이 개발한 니켈 내포 페리틴을 이용했다.
우선 유리 기판 위에 형성한 아모르파스 실리콘 박막 위에 자외선/오존 처리로 니켈 내포 페리틴을 흡착시킨다. 그리고 25시간 후, 약 500℃에서 열처리하면 단백질은 없어진다. 니켈은 촉매의 역할을 하여 실리콘을 결정화한다. 그러면 박막 속에 직경 3마이크로-5마이크로미터, 두께 50나노미터의 결정립이 생긴다. 또 니켈은 직경 7나노미터이므로 박막 속의 금속불순물을 줄일 수 있다.
앞으로는 니켈 이외의 금속도 시도하고, 또 열처리 온도의 저하를 추진해 나갈 것이다. 결정화하면 아모르파스에 비해 박막 속에서의 전자보족과 전자의 이동을 방해하는 입계가 줄어들어 전기가 잘 흐른다. 열에 약한 유리나 플라스틱 기판 위에 질 높은 실리콘 결정을 만드는 일은 어렵지 않았다. (NK)

세라믹 재료 이용한 단열 지붕재 개발
아이테크(東京都 東村山市, 사장 柳田覺)는 공장이나 창고 등 건물의 지붕을 차열하는 도료 ‘아이서모’의 판매, 시공을 시작했다. 히트아일랜드 환경대책사업을 강화하는 일환으로 지금까지의 특수도로포장용의 개발, 시공과 함께 건재분야에도 나선다. 포장도로용 차열 코팅기술을 응용하여 현재 지붕용으로서 사용되고 있는 도료와 비교해서 지붕 표면온도를 15~20도 낮출 수 있다.
판매하는 이 도료에는 반사성능이 높은 착색안료에 미국 항공우주국(NASA)의 기술을 응용한 세라믹스재 ‘중공진공 세라믹 벌룬’을 섞었다. 이 세라믹스 재료는 태양광의 적외선을 70~
80% 반사하는 이외에 열방사도 우수하여 지붕의 표면온도가 상승하는 것을 막는다. 여름철에는 지붕의 표면온도가 70~80℃에 달한다고 하는데, 이 도료를 바르면 15~20℃ 정도 낮아진다. 柳田사장은 “실내의 공조 비용 삭감으로 이어질 수 있다”고 한다. 시공가격은 1평방미터 당 2400엔부터이다.
용도는 공장이나 창고, 플랜트 등의 슬레이트, 함석, 철강제 지붕, 단독주택용 새 기와, 빌딩의 옥상 녹화 통로에도 대응한다. 색은 그레이, 갈색, 파란색, 검정색 등 4가지이다. (NK)

실리콘으로 양자 비트 개발, 유지시간 2자릿수 길게
日立유럽社의 日立캠브리지연구소는 영국의 캠브리지 대학과 공동으로 실리콘 최초로 양자계산기의 최소단위인 양자비트를 개발했다. 실리콘에 의한 2중 결합양자 도트로 실현한 것인데, 배선을 없애는 구조 등으로 종래의 화합물 반도체 등과 비교해서 양자상태를 유지할 수 있는 코히렌스 시간을 200나노초로 2자릿수 길게 만들 수 있었다. 집적화에도 적합하게 구조를 개발했기 때문에 실리콘 프로세스를 이용한 양자계산기에 한 걸음 다가갈 수 있게 된다.
시작한 실리콘 양자비트는 산화막 매입 기판(SOI)을 이용하여 개발했다. 2중 양자비트는 표주박 모양으로 그 잘록한 장벽을 넘어서 자유롭게 전자가 왔다 갔다 할 수 있도록 외부의 게이트로 제어했다.
모든 전자상태의 초기화나 겹침, 읽기는 이들 전계를 매개로 한 게이트로 제어할 수 있도록 했다. 따라서 배선으로 연결된 경우와 비교해서 비접촉이므로 코히렌스 시간을 길게 할 수 있었다. 그 사이에 기가헬츠대의 제어 펄스를 더하면 1만 번의 양자연산은 가능하게 될 것이라고 한다.
이 표주박 모양의 이중양자도트를 평면적으로 늘어놓음으로써 배선없이 용량 결합만으로 상호 뒤엉킴 등의 양자계산을 하는 집적이 가능하다고 한다. 1년 후에는 두 개의 중합결합양자도트를 늘어놓아 뒤엉킴 등의 연산이 가능한 제어 NOT게이트를 실현시킬 계획이다. (NK)

효율적으로 열을 전기로 바꿀 수 있는 재료 개발
大阪대학의 山中伸介 교수와 黑崎健 조교는 종래보다 20% 이상 효율적으로 열을 전기로 바꿀 수 있는 재료를 개발했다. 열전변화 시스템에 필요한 2종류의 재료 가운데 하나(p형)로 또 한쪽의 재료(n형)도 1년 이내에 개발할 계획이다. 두 재료를 이용하여 폐열을 이용하는 발전시스템을 만든다. 이 재료는 430℃ 부근에서 발전효율이 높기 때문에 자동차나 발전소 등의 폐열을 이용한 효율적인 시스템이 가능하게 된다.
새 물질은 ‘은·탈륨·텔루르’를 조성으로 한 화합물이다. 시판되고 있는 ‘은·텔루르’와 ‘탈륨·텔루르’를 9대 1의 비율로 혼합하여 제조했다. 혼합물을 용융하여 냉각하는 것만으로 덩어리 상태의 새 물질을 얻을 수 있기 때문에 제조와 가공을 쉽게 할 수 있다.
열을 전기로 바꾸는 성능을 나타내는 수치는 430℃ 부근에서 1.23을 달성했다. 다른 주요 재료의 430℃ 부근에서의 수치는 0.8이하로 낮다. 430℃ 이외의 온도대에서도 최고치는 1정도 밖에 되지 않는다. 따라서 이 물질을 이용하면 430℃ 전후에 있는 발전소나 쓰레기 소각장, 자동차 배기가스 등의 폐열을 효율적으로 이용할 수 있다. 이 연구팀은 태양전지 수준인 1평방센티미터 당 1와트의 발전성능을 목표로 하고 있고 이 수준이 달성되면 ‘실용화도 가능’(山中伸介교수)하리라 보고 있다.
열을 전기로 바꾸는 성능은 열을 전달하기 어려울 정도로 높아진다. 또 물질은 구조가 복잡해질수록 열을 전달하기 어려워진다. 새 물질은 단위격자 당 180개의 원자를 포함하는 복잡한 구조계열 화합물이므로 열을 잘 전달하지 못하여 열을 전기로 바꾸는 성능이 높다. (NK)

직경 1㎛이하의 미립자 속에서 직경 몇 ㎛의
조립자(粗粒子)를 효율적으로 제거
이 분리방법의 응용 예로서 예를 들면 적층 세라믹 칩 콘덴서 작성용 전극의 금속미립자 분극을 들 수 있다. 적층 콘덴서는 초박층·다층화를 위해서 내부전극을 1㎛이하인 파라듐 입자나 니켈 입자를 박막이 되도록 피복하여 작성하고, 그 전극 사이에 티탄산 발륨 등의 유전체 가루를 채우고 이것을 여러 층 적층한 후 소결하여 제조한다. 만약 한 개라도 큰 금속입자가 존재한다면 전극 사이에서 절연파괴가 일어나므로, 가능한 한 미세한 직경 1㎛ 이하로 분급한 금속미립자가 전극으로 사용된다. 여기에서는 효율적으로 직경 1㎛이상의 입자를 제거하는 에너지절약형 분급방법을 소개하겠다. 수용액 속에서의 입자 평판간 상호작용의 포텐셜 에너지 VT는 다음 식으로 얻을 수 있다.
VT=VA+VR
VA : London-van der Waals 인력 포텐셜 에너지, VR : 정전적 상호작용의 포텐셜에너지이며 페테로 응집이론에서는 포텐셜 장벽이 거의 15kT보다 낮아지면 응집한다고 알려져 있다.
니켈은 표면이 약간 산화하고 등전위점은 약 pH9.5이며, 한편 사용한 유리관의 등전위점은 약 pH2.5이다. 따라서 pH가 중성 부근인 물 속에서는 니켈입자는 플러스로, 유리는 마이너스로 대전(帶電)하고 있으므로 니켈 입자가 유리에 접촉하면 장벽이 없기 때문에 응집하게 된다.  pH를 10-11로 하면 양자 모두 플러스로 대전하므로 반발하여 떨어진다. 정적인 상태에서는 모든 입자는 입자 지름에 관계없이 응집 혹은 반발하는데, 흐름을 이용하면 조입자만을 이(異)부호의 관(管) 벽에 충돌시켜서 이종 응집할 확률을 증가시킬 수 있다.
본 연구에서는 미립자가 다른 부호인 제타 전위를 가진 원통관 속을 흐르게 함으로써 관의 중앙은 유속이 빠르고, 관 벽에 가까운 쪽에서 유속이 느려진다는 것을 이용해서 분급한다. 거친 입자는 특히 Saffman 양력(揚力)을 받아 관 벽에 충돌할 기회가 증가하고, 충돌한 입자와 관 벽에 의해 헤테로 응집이 발생한다. 한편, 직경 1㎛이하의 미립자는 Saffman 양력이 적어 관 벽과 충돌할 기회가 적어서 대부분은 관에서 외부로 유출하게 된다. 이렇게 헤테로 응집과 흐름장을 이용하여 분급이 가능하게 된다. 이 실험에서 사용한 유속은 2㎜/s이며, 관의 직경은 1mm이다. 단일 입자의 시뮬레이션에서는 몇~몇 십㎛의 입자는 수류에 의해 관에 대한 충돌이 증가한다. 이어서 관 벽에 충돌하여 포착된 거친 입자의 회수는 관과 같은 부호인 제타 전위가 되도록 pH를 조정한 물, 혹은 염류 수용액을 흘려 넣음으로써 입자는 관 벽에서 반발하여 떨어져 유출시켜 회수할 수 있다. (CJ)