전자 공학의 새로운 재료 개발
MIT의 Fransis Bitter Magnet 실험실은 전력 소모는 줄이면서도 계산 능력과 미래 전자 소자의 활용성을 확장시킬 새로운 자성 반도체를 개발했다고 발표하였다.
이 새로운 재료는 전자의 스핀 상태가 전보의 수송, 조정 그리고 저장하는데 사용되는 스핀트로닉스(spintronics) 분야를 한걸음 진일보시켰다. 기본 전자 회로는 전자의 전하 상태(전류가 흐르고 안 흐르고)만을 사용했다면 이들 작은 입자는 스핀 방향(위 또는 아래)도 사용한다고 할 수 있다.
이미 랩톱이나 iPods은 초고용량 자성 하드드라이브에 정보를 저장하기 위해 스핀트로닉스가 적용되고 있지만, 회로를 통해 정보를 처리하는데는 전자 스핀 상태를 이용하는 것은 컴퓨팅에 있어서 매우 큰 발전을 가져올 것으로 기대되고 있다. 오늘날의 전자회로는 전자의 흐름을 통한 다양한 on/off 상태에 의해 정보를 이동시킨다. 이러한 같은 전자는 스핀 방향을 통해 새로운 정보를 추가할 수 있는 것이다.
연구팀에 의해 개발된 자성 반도체 재료는 크로뮴(chromium)이 소량 첨가된 인듐 산화물이다. 이 재료가 기존 실리콘 반도체에 입혀지면 주어진 스핀 방향을 가진 전자를 반도체에 주입하게 된다. 스핀이 분극화된 전자는 반도체를 통해 들어가게 되고, 회로의 반대쪽 끝에 있는 스핀 검출기에 의해 읽혀지게 되는 원리를 가지고 있다. 회로 크기를 주이는 것 외에도 스핀트로닉스는 게이트 전극을 사용한 회로를 따라 가역적으로 바뀌기 때문에 보다 다양한 장치들을 만들 수 있다. (ACB)

질화갈륨계 트랜지스터 실리콘 기판 위에서 형성 
차세대 통신용 반도체에 응용
沖電氣工業은 무선통신 등에 사용하는 질화갈륨계 트랜지스터(GaN-HEMT)를 실리콘 웨이퍼 위에 형성하는 기술을 개발했다. 종래의 고가 실리콘 카바이드 기판 위에 만들 경우와 비교해서 제조 원가를 반으로 줄일 수 있다. 휴대전화의 제3세대 기지국과 광범위를 커버하는 차세대 고속무선통신기술, WiMAX(와이맥스)용 반도체에 응용할 예정이다.
신기술에서는 실리콘 기판 위에 질화알루미늄과 질화알루미늄갈륨에 의한 중간 층을 마련한다. 실리콘과 질화갈륨은 잘 융합하지 않기 때문이다. 名古屋 공업대학 극미구조(極微構造) 디바이스 기능 시스템 연구센터(센터장 江川孝志 교수)와 공동 개발했다.
실리콘 카바이드 기판은 질화갈륨의 결정을 성장시키는데 적합한데, 기판 자체의 값이 실리콘의 50배에서 100배로 비싸다. 결정에 결함이 많은 이외에 웨이퍼의 대구경화도 어렵다는 문제가 있다. 신기술을 사용하면 출력 100와트 정도의 반도체칩의 가격을 종래의 반 이하로 낮출 수 있을 것이라고 沖電氣는 보고 있다.
GaN계 트랜지스터는 증폭성이 우수하여 증폭회로의 단수를 줄일 수 있다. 새로운 통신무선 시스템은 다채널화가 진행되어 1채널당 공간 절역, 소비전력 저감이 요구되고 있다. (일경산업)

스테인리스 표면가공재 개발, 손상·오염에 강하게
住友大阪시멘트는 부엌 싱크대용으로 잘 더러워지지 않고 세정이 간편한 코팅재료를 개발, 실용화했다. 복합세라믹스 미립자의 이용으로 경도가 향상된 이외에 내알칼리성과 내열성도 우수하다. 수도 주변 부재에 채용을 전망한다.
신형 코팅재료는 5~30나노미터 사이즈의 실리카와 칼슘을 복합한 것이다. 친수성이 있어 물이나 물때 등이 오염을 들뜨게 하기 쉽고, 오염이 부착되어도 물로 닦으면 잘 지워진다. 투명한 박막코팅 층을 만들기 때문에 스테인리스 특유의 금속광택을 유지할 수 있다.
  통상의 스테인리스 표면의 경도는 연필로 말하면 ‘HB’정도이다. 신형 코팅재료를 바름으로써 ‘9H’정도로 높아져 상처가 잘 나지 않는다. 세제에 포함된 알칼리와 열탕에 대한 내구성이 있어 일반적인 사용조건에서 내용 연수는 약 10년이다.
가격은 1평방미터 당 약 천 엔으로 이미 크리납이 스테인리스제 부엌 싱크대 ‘슈퍼 사일렌트e싱크’에 채용했다. 가전제품이나 플라스틱 부재 등에 대한 채용을 각 메이커에 권유함과 동시에 판매망을 해외에도 확대, 3년 후를 목표로 연간 매상고 5억 엔을 목표로 한다. (일경산업)

플라렌의 집합체 자유자재로 각종 형상 만들 수 있어
물질·재료연구기구는 플라렌(구상탄소분자)의 집합체를 쉽게 만드는 신기술을 개발했다. 캠슐이나 리본, 콘과 같은 여러 가지 형상의 집합체를 유기용매의 종류만 바꾸면 자유롭게 만들 수 있다. 플라렌의 우수한 전자 수수특성 등을 살린 탄소 신소재의 제작을 기대할 수 있다.
개발한 기술에서는 우선 플라렌에 독자의 분자를 화학 수식한다. 이 분자는 길이가 플라렌 직경(0.7나노미터)의 3배 정도로, 알킬고리가 3개 달린 구조이다.
화학수식 후의 플라렌에 유기용매를 넣어 60℃정도에서 2시간 가열한다. 그 후, 암실에 하루 놓아두면 자기조직화로 원하는 형상의 집합체가 만들어진다. 지금까지 다른 유기용매를 이용하여 캡슐 형태나 리본형태, 디스크 모양, 콘 모양의 집합체를 만들 수 있었다. 조건을 바꾸면 사이즈의 제어 등도 가능하다. “좀더 모양이 다른 것도 만들 수 있다”고 中西尙志 연구원이 말했다.  (NK)

나노사이즈 나선 공(孔) 실리콘 기판 형성 방법 개발
大阪대학 태양에너지화학연구센터의 松村道雄 교수, 和也 대학원생 등은 용액 속에서 실리콘 기판에 직경 약 100나노미터의 나선 공을 형성하는 방법을 개발했다. 촉매인 백금 입자를 기판에 형성하는 것부터 깊이 방향으로 약 25마이크로미터의 나선 공을 형성하기까지 약 10분이라는 단시간에 끝난다는 것이 특징이다. 나선 공을 주형으로 금속 코일을 제작하면 휴대전화의 송수신용 인덕터 등에 대한 응용을 기대할 수 있다.
나선 공의 제작은 우선 실리콘 기판에 백금입자를 형성하고, 이 기판을 과산화수소수와 불산의 혼합용액에 담근다. 나선 공의 직경은 백금 입자 지름인 약 100나노와 거의 같아진다. 실험에서는 나선 주기의 지름은 200나노-1500나노미터, 피치는 100나노-2000나노미터 범위의 나선 공을 얻었다. 현재로는 나선의 방향, 나선의 1주기 지름과 피치는 제어가 불가능하다.
우선 과산화수소수가 환원되어 백금입자 표면에 활성산소가 생긴다. 이 활성산소에 의해 실리콘이 산화되어 산화실리콘이 되고 불산에 의해 이 산화실리콘이 녹아서 구멍이 형성되는 구조이다. 백금입자 지름은 약 100나노미터로 몇 나노미터의 입자가 모여서 만들어진 것이다. 백금입자는 공모양이지만 불규칙한 부분도 있다. 따라서 나선 공이 만들어지는 것은 백금입자와 실리콘 기판의 접촉정도의 차이라고 보여진다.
실리콘 기판과 백금입자의 접촉부분이 많으면 실리콘 기판은 녹기 쉬워지고, 접촉부분이 적으면 잘 녹지 않는다. 이 실리콘 기판의 녹는 정도에 따라서 백금입자가 기판 속을 나선 모양으로 진행하는 것이라고 생각된다.  (NK)

액체 연료의 고온 촉매 재형성 방법 개발
일리노이 주립대학은 탄화수소 연료의 고온 재형성의 혹독한 환경을 견딜 수 있는 고온다공성 지지 물질을 개발했다고 발표하였다.
“우리의 새로운 재료는 핵심 요구사항들을 모두 만족시킵니다.”라고 화학 생물 분자 공학과 교수인 Paul Kenis가 말했다. “이 새로운 재료는 서로 연결된 기공들의 네트워크로 형성되어 있어 큰 표면적을 가지고 있습니다. 이것들은 촉매 표면에 숯이 형성되는 것을 방지할 수 있는 800℃이상의 온도에서도 동작할 수 있습니다. 이 물질은 압력 강하가 낮아 연료를 낮은 압력으로 촉매 안으로 밀어 넣을 수 있습니다.”
지지물을 제조하기 위해, 연구진은 polydimethylsiloxane 몰들을 평편한 표면에 놓고 양쪽 끝은 열려있는 500㎛너비의 채널을 형성하였다. 50nm에서 10㎛까지의 지름을 가진 폴리스티렌 구를 포함하고 있는 슬러리를 한쪽 끝에서 흘려 삼투압에 의해 안으로 들어가게 하였다.
슬러리가 채널의 다른 쪽 끝에 도달하면, 구는 용매가 증발함에 따라 점점 조밀화하게 쌓이게 되고, 이러한 조밀화 현상은 입구 끝을 향해 진행되게 된다. 조밀화 공정이 완료된 후에, 남아있는 용매는 제거되는데 최조밀 구로 이뤄진 구조물이 남게 된다.
다음, 구들사이의 공간을 점도가 낮은 프리세라믹 폴리머 기반의 액체로 채워 넣는다. 저온 회복과정을 고친 후에, 몰드를 제거한다. 회복된 세라믹 프리커서는 가스분위기 상태에서 2시간동안 가열하여 1200℃에서 분해하고, 폴리스티렌 구는 분해된다. 최종적으로 서로 연결된 구멍으로 인한 꼬리가 있는 실리콘 카바이드 또는 실리콘 카본나이트라이드 실리카가 남게 된다.
이들 재료를 촉매로 사용할 수 있음을 시연하기 위해, 연구진은 다공성 구조 샘플을 루세늄(ruthenium)으로 코팅하였다. 구조를 스테인리스 스틸 하우징 안에 넣어 암모니아에서 수소를 500℃에서 떼어내도록 하였다.
아직 논문으로 출판되지 않은 연구에서, Kenis와 그의 동료는 세라믹 하우징 안에 구조를 넣어 1000℃에서 암모니아를 성공적으로 분해하였다. (ACB)

광학섬유를 만드는 새로운 방법 개발
미국의 Virginia Polytechnic Institute & State University의 연구진은 화합물 유리 코어를 사용하여 광학섬유를 만들 수 있는 새로운 방법을 개발하였다고 발표하였다. ‘코어-석션(core-suction)’이라고 불리는 이 방법은 섬유 레이저, 라만 증폭기, 연속 발생장치 등에 사용되는 비선형 섬유를 만드는데 이상적이라고 한다.
Nitin Goel과 Virginia Tech과 Fisk 대학의 그의 동료들은 새로운 코어-석션 기술을 사용하여 섬유를 만드는데 성공하였다. Schott SF6와 납-텔레늄-게르마늄 유리, 납-게르마늄-텔러라이트-에르븀과 같은 다양한 재료를 코어로 사용하여 실험하였다.
코어-석션 방법은 시작 물질을 적게 사용하기 때문에, 광섬유 제조를 위해 보다 비싸고 순도가 높은 물질을 코어로 사용할 수 있도록 해줄 것으로 기대되고 있다. 이 기술을 사용하여 가장 큰 성공을 거둔 것이 실리카 클래딩 내부에 Kigre Inc.의 MM2 유리를 코어 재료로 사용한 에르븀이 도핑된 포스페이트 유리 섬유 제조였다.
“우리는 이 기술이 이 기술 아니면 만들기 힘들거나 비용이 너무 높아지는 특수 섬유 제조에 사용될 것으로 기대하고 있습니다. 이들 섬유는 의료용 제품, 센서나 통신 기기 제조에도 사용될 것이라 생각하고 있습니다.”라고 Goel이 말했다.
이 연구의 대부분은 Goel이 Virginia Tech에 있을 때 수행한 것이다. 현재, 그는 쑈채 Electronics Fiber Optics Business Unit의 제품 생산 매니저로 일하고 있다. “기존의 에르븀 도핑 섬유 증폭기에는 수십 미터의 표준 에르븀 도핑 섬유가 사용되었지만 우리는 MM2 유리 섬유를 사용하면 1에서 5cm의 광학 증폭기로 만들 수 있습니다”라고 Goel은 말한다.
Virginia Tech Intellectual Properties Inc.는 코어 석션 공정에 대한 특허를 출원하였다. (ACB)

뜨거운 나노결정 발견
미국 캘리포니아주의 Lawrence Berkely National 연구실의 연구진은 실리카 유리 내에 내장되어 원래 게르마늄 벌크가 녹는 온도보다 200K이상의 온도에서도 녹지 않는 게르마늄의 나노결정을 발견하였다.
더욱 놀라운 것은, 이들 용융 나노결정은 재결정화되기 전에 용융점보다 200K이하의 온도까지 냉각할 수 있다는 것이다. 이러한 커다랗고 거의 대칭적인 이력곡선은 내장 나노입자에서 한 번도 발견된 적이 없는 현상이다.
“기지 내에 격자구조가 없기 때문에 우리는 게르마늄 결정이 보다 독립적인 나노입자처럼 거동할 것이라고 거의 예측하였습니다. 즉, 용융 온도가 벌크 게르마늄보다 훨씬 낮다고 예상할 수 있는 것이지요.” Berkeley 연구소의 재료공학자 Joel Ager는 말한다. “대신, 놀랍게도 유리 내의 게르마늄 나노결정은 녹기위해서 과가열 되어야합니다.”
“이러한 결과는 예상하지 못한 것이었지만, 순차적으로 생각하면 설명할 수 있습니다. 우리는 1950년대에 David Turnbull에 의해 성립된 기존 핵생성 모델을 수정하였습니다”라고 재료공학부 Daryl Chrazan이 말했다.
“우리의 시스템에서 표면과 부피 비가 Turnbull이 연구했던 벌크 재료보다 훨씬 크고, 그뿐만 아니라, 고상-기상 계면대신, 우리는 고상-유리 계면을 연구하고 있지만, 우리는 이 이론을 새로운 영역에도 적용할 수 있다고 생각했던 것입니다.”
“게르마늄 나노입자의 큰 표면 비율에 고체-유리의 계면 에너지가 더해져 양쪽방향에서 예측할 수 있는 핵생성 장벽이 생기게 됩니다.”
Chrzan에 의해 수정된 Turnbull 이론은 각 경우에 어느 온도에서 일어나는지 예측할 수 있게 되었다.
TEM 이미지에서 결정 격자 구조로부터 나온 전자 회절 패턴(밝은 링들)을 알 수 있다. 게르마늄 벌크의 용융점보다 200K 높은 온도(~1211K)로 가열하여도 패턴이 유지되었다. 나노결정이 녹으면, 회절 패턴이 사라진다. (ACB)

비정질 실리콘 실온에서 결정화
실리콘디바이스 플라스틱 기판에 형성 가능
東京大學 첨단과학기술연구센터의 大崎壽 특임교수, 渡部俊也 교수 등은 가열하지 않고 비정질 실리콘을 결정화하는데 성공했다. 독자의 플라즈마 처리에 의해 몇 분 만에 다결정을 성장시킬 수 있다. 결정성의 개선과 결정방위의 제어에 기준을 마련한 것으로, 고성능 실리콘 디바이스를 처음으로 싼값에 부드러운 플라스틱 기판에 만들 수 있게 된다. 널리 산업계에 기술 공여해 나갈 예정이다.
신기술은 기판 위에 퇴적한 비정질 실리콘에 이 그룹이 개발한 고주파 플라즈마를 상온에서 가하는 방법이다. 2분에서 몇 분이라는 단시간에 다결정화할 수 있다. 약간 승온하기는 하지만 150℃ 미만에 그친다고 한다. 따라서 온도팽창에 의한 결함발생이 없어 적층구조 위에서 재결정화해도 아래의 계면을 열로 흐트러트리는 일이 없다.
액정표시장치(LCD)등에서는 구동회로에 사용하는 박막 트랜지스터(TFT)가 비정질 실리콘에서 전자의 고속성을 기대할 수 있는 다결정실리콘으로 이행하고 있다. 그러나 재결정화에는 1000℃ 정도가 필요해서 잘 녹지 않는 고가의 유리 기판을 이용할 필요가 있었다. 저온 폴리실리콘 기술을 사용하여 약 500℃로 저감했지만 그래도 일반 유리가 필요했다.
신기술은 고온이 되지 않으므로 플라스틱 기판에서도 사용할 수 있다. 프렉시블 디스플레이에, 유기반도체보다도 이동도가 큰 다결정 실리콘을 사용할 가능성도 있다. 이용한 플라즈마 처리는 어떤 플라즈마 압력 조건에서 처리한다는 것이 특색이다. 지금까지 습식법으로 성막한 산화티탄이나 스팩터 성막한 인듐주석산화물(ITO)를 각각 결정화해 왔다. 모두 2, 3분만에 고속으로 재결정화할 수 있다. 
이번에 널리 이용되고 있는 비정질 실리콘에 상온 플라즈마 처리를 적용하여 다결정화에 성공한 것인데, 실리콘 TFT의 플라스틱 기판 위의 탑재에 길을 연 것이 된다. 연구팀은 대학과 기업의 가교 역할을 하는 기관으로서 ‘플라즈마 결정화 기술 콘소시엄’을 설립하였고, 신기술을 널리 제공한다. (NK)

스핀으로 전파 검출하는 신형 다이오드 개발
大阪대학의 鈴木義茂 교수와 産業技術總合硏究所 등의 연구팀은 전자가 가진 전기적인 특성 ‘스핀’을 이용한 신형 다이오드를 개발했다. 전파의 검출기 등에 응용할 수 있어 이동체 무선의 잡음을 줄이는데 도움이 된다고 한다.
개발한 ‘스핀토르크 다이오드’는 두께 1나노미터의 산화마그네슘 절연체를 코발트나 철, 붕소로 된 두께 약 3나노미터의 자석에 끼운 구조이다. 반도체 제도기술로 타원형으로 만들어서 한쪽 자석을 기판에 고정했다.
100나노미터 정도까지의 미소한 영역에서는 전자는 스핀의 방향이 일정한 상태로 흐르기 때문에 전자의 흐름으로 자장이 크게 변화한다. 신형 다이오드는 고정된 자석에서 다른 한쪽 자석을 향해 교류전류를 가하면 자장이 진동하므로 이 성질을 역으로 이용하면 전파의 진동 수를 고정도로 측정할 수 있다고 한다.
연구는 과학기술진흥기구의 지원을 얻어 실시했다. (일경산업)