차세대 LSI용 금속 게이트 재료 개발 위한
새로운 설계원리 확립
물질·재료연구기구 등의 산학관 연대 팀은 차세대 LSI용 금속 게이트 재료 개발을 위한 새로운 설계원리를 최초로 확립했다. 극미세 CMOS에 채용이 검토되고 있는 금속 게이트와 고유전율 게이트 절연막(하이K막)의 계면에서 일어나고 있는 전자 레벨의 현상을 설명하는 이론을 구축, 확립했다. 이로써 계면의 성질을 예측할 수 있게 되어 LSI재료개발을 가속할 수 있다고 한다.
최첨단의 계산과학을 구사, 원자레벨에서 금속 게이트/하이K막의 계면의 결합상황을 고려한 해석을 실시하여 새 원리를 구축, 실험으로 그것을 실증했다.
지금까지 금속 게이트와 하이K막 계면에서의 전자의 교환은 게이트 전극 속의 전자가 산화물 속으로 배어나오는 실리콘에서의 이론을 전제로 생각되어 왔다. 이번에 제1원리계산의 결과로 금속/하이K막 계면에서는 이것이 성립되지 않는다는 것이 판명됐다. 금속/하이K막 계면에서는 금속 측에서 전자의 새어나옴은 극히 적고, 하이K막 속에는 전하 중성점이라는 새로운 에너지 레벨이 있다는 것을 알았다. 이로써 금 등 작업 관수가 큰 금속과 하이K막과의 조합에서는 그 에너지 레벨이 낮아진다고 한다. 작업관수가 큰 금속을 하이K막 위에 붙이면 그 변화는 크고 트랜지스터는 기능하지 못한다고 한다.
연대 팀은 ‘하이K네트’라고 부르며 物材機構 이외에 筑波大, 반도체 첨단 테크놀로지즈(Selete), 廣島大, 千葉大, 大阪大, 早稻田大가 참여하였다. (NK)

수소분리형 개질기의 소형화·저가화에 크게 진전
東京가스(주)와 日本特殊陶業(주)는 공동으로 수소분리형 개질기용 ‘촉매일체화 수소제조 모듈’의 개발에 성공했다. 수소분리형 개질기에 이용되는 종래형 모듈은 개질 촉매층 속에  수소 분리막 모듈을 설치함으로써 도시가스의 수소기 개질반응에서 생성한 수소를 선택적으로 수집하여 고순도 수소를 제조하는 것이다. 이 수소분리형 개질기는 분리막에 의해 고순도 수소를 얻을 수 있기 때문에 co변성기와 수소정제기가 불필요하게 될 뿐 아니라, 개질온도를 800℃에서 대폭 저온화(500~550℃)할 수 있으며 동시에 에너지효율을 높일 수 있다는 장점을 갖고 있다. 이번에 개발한 ‘촉매일체화모듈’은 다공질 지지체 부분에 개질촉매기능을 부여시킨 것으로 지금까지 필요했던 모듈 근방에 대한 개질촉매의 설치가 분리형 개질기를 더욱 소형화·저가화할 수 있게 된다.
이번 개발에 성공한 것은 직경 9mm, 길이 100mm의 다공질 지지체 외면에 Pd막을 도금한 튜브 모양 모듈로 지지체 부분에 개질촉매기능을 부여시켰다. 모듈 내부에 원료가스와 수증기를 공급하여 가열함으로써 외부로 순수소를 꺼낼 수 있다. 이번 실험에서는 메탄 도입량 6.6㎖/min/cm2, SC(스팀/카본비) 3.0, 개질온도 600℃, 개질압력 0.8MpaG, 투과 측 압력 0Mpa일 때 순수소 10㎖/min/cm2DMF 얻을 수 있다는 것을 확인했다. 또 순수소 속에서 500시간 안정적인 성능을 보여 기본적인 내구성을 확인했다.
시산으로는 종래에 비해 개질기의 크기를 설치면적에 1/4, 체적으로 최대 1/6정도로 할 수 있으며, 실용기술을 높이게 되면 연료전지차의 보급에 불가결한 이 시설을 기존의 급유소(SS)부지 안에 병설하는 자유도가 높아진다. (CJ)

카본나노튜브 한 줄마다의 강도 계측, 새 방법 개발
大阪府立大學 대학원 공학연구과의 中山喜萬 교수 등은 카본나노튜브(CNT) 한 줄마다의 강도를 계측하는 방법을 개발했다. CNT의 구조와 결함으로 CNT의 공진진동수에서 구할 수 있는 영률(강성)이나 전기적 특성이 변한다는 것을 응용했다. 종래는 다수의 CNT의 강도를 한 줄마다 순차 평가하기는 곤란했으나, 개발한 방법이라면 비교적 간단하게 강도평가가 가능하다. 계측에서는 화학적기상성장(CVD)법으로 합성한 CNT를 면도날 모양의 날 끝에서 튀어나오듯이 가로 한 줄로 늘어선 카트리지를 준비했다. 날 끝에서 튀어나온 CNT를 한쪽 기둥으로 이용하여 주사형 전자현미경(SEM)안에서 기계적으로 공진시켜, CNT의 공진주파수를 구했다. 게다가 공진주파수와 CNT의 길이, 바깥지름, 안쪽 지름 등에서 영률(강성)을 구했다.
또 영률과 CNT의 원주로 나눈 최대 허용 전류밀도의 관계를 조사했다. 날 끝에서 튀어나온 CNT의 끝에 백금을 코팅한 실리콘 탐침을 접촉시켜 통전하여, CNT가 절단되기 직전의 전류치를 측정했다. 카트리지 안에 늘어서 있는 CNT에 대해서 순차 측정하여 통계적인 데이터를 얻었다. 측정한 CNT의 영률은 0.2테라~0.8테라파스칼로 1나노미터 당 최대 허용 전류밀도는 0.02마이크로에서 2마이크로암페어, CNT 직경은 약 20나노~30나노미터였지만, 직경과 전류와의 상관관계는 없었다. 한편 CNT의 결함이 적어 영률이 높아지면 최대허용 전류밀도는 증강 경향이 된다는 것도 알았다. 투과형 전자현미경(TEM)은 CNT의 구조평가는 가능하지만, 다수의 CNT의 강도평가는 어렵다. 또 SEM에서는 CNT 집단의 만듦새와 전체적 평가는 가능하지만, 미시적인 구조결함평가는 어렵다는 과제가 있다. (CJ)

X-ray 현미경에서 나노미터 장벽 뛰어넘기
Argonne 미국립 연구소와 Xradia는 공동 연구를 통해 분자 크기의 형태를 관찰하여 1 나노미터 이하의 높이를 측정할 수 있는 새로운 X-ray 현미경 기술을 개발하였다. X-ray 회절과 고분해능 X-ray 현미경을 결합하여 과학자들은 나노미터의 상호작용을 연구할 수 있게 되었다.
이 새로운 기술은 이온 흡착, 부식, 촉매 반응과 같은, 표면에서의 계면 반응을 더 잘 이해할 수 있도록 해줄 것으로 기대되고 있다. 특히 이 방법은 X-ray 현미경의 능력을 화장시켜주어 나노미터 이하 크기의 계면 특징을 곧바로, 실시간으로 관찰할 수 있게 해주었다는 평을 받고 있다.
이 비파괴 접근법은 고체 표면의 모습을 프로브-팁 없이 알 수 있게 해준다. 연구 팀은 상 대조(phase contrast)를 이용하여 나노미터 크기 이하의 감도를 가질 수 있었다. 이러한 기술로 고체 표면의 원자에 의한 계단을 직접적으로 관찰할 수 있게 되었다.
표면 반응을 이해하는 것은 금속의 부식에서부터 오염물의 전송까지 많은 과학과 기술 분야에서 매우 중요하다고 할 수 있다. 이 기술은 이러한 과정들을 직접적으로 관찰할 수 있는 가능성을 열었으며 그러한 과정들을 잘 이해할 수 있는 기회를 줄 것으로 기대되고 있다. 앞으로 더 진행될 연구를 통해 물과 접촉하고 있는 실시간 광물 표면을 관찰을 하려고 하고 있다. Xradia에 의해 개발된 새로운 X-ray 현미경의 사용과 Argonne’s Advanced Photon Source에서 수행된 측정을 통해 팀의 성공을 위해 집중적인 연구가 이루어지고 있다. 이 연구는 DOE의 기초 에너지 연구소에 의해 지원되었다. (ACB)

충격시에 경화되는 액체물질 개발
5년전 한 과학적인 생각으로부터 시작하여, Delaware 대학의 연구진은 충격시에 경화되는 액체 물질을 개발하여, 보호성을 향상시켰으며, 군인이나 경찰이 개인 갑옷으로 착용하기에 편리하게 되었다.
전단-경화 액체는 폴리에틸렌 글리콜 액체와 자고 단단한 실리카 부유물로 구성되어 있다. 액체와 나노입자들을 조합하여 두께가 있고 시럽과 같은 액체가 되는데 Kevlar 또는 다른 섬유에 흡수할 수 있다. 섬유에 완전히 흡수된 재료는 만지면 기름과 같은 느낌이 들지만 일반적인 섬유 상태와 비슷한 상태가 된다.
전단-강화 액체로 알려진 이 액체로 적셔진 섬유에 칼이나 총알이 들어오면, 이 섬유는 즉시 단단해져 뚫고 들어오려는 물체를 제재하게 된다. 그 외의 시간에 이 섬유는 연하고 매우 가벼운 상태에 있다. 스트레스를 가함을 중단하면 다시 액체 상태로 들어온다고 화학 공학과 교수인 norman Wagner는 설명하였다.
Wagner는 거품 블록으로 둘러싸여진 Kevlar 섬유를 설명해보였다. 블록 중에 하나를 얼음송곳으로 찌르면 그 점은 섬유를 지나 거품으로 가게 된다. 전단-강화 액체를 흡수하고 있는 4개의 Kevlar 층으로 둘러싸여진 다른 블록은 섬유나 거품의 가시적인 손상 없이 얼음송곳을 막아내게 된다.
전단-강화 액체 기술은 Army 연구소에서 공동연구의 결과 개발되었다. 보안 제품과 자동차 장갑 시스템을 제조하고 있는 기업인 Armor Holding과 계약을 맺은 상태이다.  (ACB)

초고경도 나노 다결정 다이아몬드(NPD) 소결체의 대형화
愛媛대학 지구심부 다이나믹스 연구센터의 入般徹男 교수 등과 住友전기공업(주)일렉트로닉스·재료연구소의 角谷均 박사 등은 다(多)엠필형 초고압장치를 이용한 고온고압 하에서의 그라파이트의 직접 변환으로 다이아몬드 합성에 매달려 왔다. 그 결과 압력 15만 기압·온도 2300℃정도의 고압고온 하에서 순수한 다이아몬드 다결정체의 생성에 최초로 성공했다. 얻어진 다이아몬드는 10~20nm정도의 미립자의 집합체이며 게다가 천연 단결정 다이아몬드를 능가하는 경도를 가졌다는 것이 밝혀져 2003년에 Nature지 등에 발표했다.
그 후 이 나노 다결정 다이아몬드(NPD)의 대형화와 양질화에 노력해 온 결과, 얼마 전 직경 4mm, 두께 2mm정도의 높은 투광성을 가진 NPD의 합성에 성공했다. 단결정 다이아몬드는 면의 방향에 따라서는 갈라지기 쉽고 또 경도도 크게 변화한다. 한편 종래의 합성다결정 다이아몬드는 코발트 등을 바인더로 포함하기 때문에 경도의 면에서 단결정에 크게 떨어짐과 동시에 내열성도 별로 높지 않았다.
이번에 개발된 NPD는 종래에 없는 경도를 가짐과 동시에 단결정과 같은 벽개(劈開)의 존재나 방향에 의한 경도의 변화가 보이지 않고 또 바인더레스라는 점에서 내열성도 우수하다고 생각된다. 이번의 대형화와 양질화에 의해 NPD의 이러한 이점을 살려서 비철금속의 미세가공과 초고압 발생장치에 대한 응용 등이 가능해지리라 기대되고 있다. (CJ)

이종 실리콘 레이저 개발
미국 인텔의 연구진과 캘리포니아 대학의 연구진은 표준 실리콘 제조 공정을 이용하여 전기로 구동되는 이종(hybrid) 실리콘 레이저를 개발하였다. 연구진은 인듐 포스파이드(InP)의 빛 방출 특성을 실리콘의 빛 경로 변경 능력을 하나의 칩으로 결합하였다.
소자를 만드는 핵심기술은 저온 산소 플라즈마를 이용하여 두 재료의 표면에 얇은 산화막(원자 25개 정도 두께의) 층을 만드는 것이다. 산화막 층을 가열하여 함께 누르면 산화막 층은 두 재료를 하나의 칩으로 붙여주는 ‘유리-풀’로 작용하게 된다.
전압이 인가되면 인듐 포스파이드 기반 재료에서 빛이 발생되어 산화물-유리 풀 층을 통해 지나가 실리콘 칩의 파가이드(waveguide)에 도달하게 되어 이종 실리콘 레이저가 발생된다.
실리콘에 기반한 레이저는 큰 부피의 실리콘 제조 기술을 사용하여 크게 줄일 수 있게 때문에 컴퓨터 분야의 photonics에 넓게 사용될 수 있다. 연구진 팀은 하나의 실리콘 칩 위에 수백 개의 이종 실리콘 레이저를 다른 실리콘 photonics 부품들과 결합할 수 있을 것이라 기대하고 있다. (ACB)

모델을 이용한 나노재료의 원자 과정 시뮬레이션 개발
Massachusetts Institute of Technology(MIT)와 Georgia Institute of Technology, Ohio 주립 대학의 연구진은 스트레스를 받고 있는 재료에 대해 원자 수준에서의 컴퓨터 모델링을 개발하였다. 연구팀은 실험 데이터로부터 시뮬레이션 방법을 개발하여 재료의 변형을 강도와 연성의 조합으로 ‘조절하여’ 볼 수 있도록 시각화할 수 있었다.
금속 구조에 작은 결정립이 있어 주어진 부피에 많은 결정립계가 있는 경우, 결정립과 전위(dislocation)간에 보다 많은 상호작용이 관찰되었다. 이러한 높은 결정립 비율은 금속의 깨지기 쉬운 특성과 밀접한 관련이 있다. 효과적으로 결정립을 나누는 나노크기의 쌍둥이 결정립은 비슷한 강화효과가 있지만 쌍둥이 결정립계는 결정립계가 하는 것보다 깨지기 쉬운 특성에 미치는 영향이 적었다. 연구 결과 나노 쌍정이 있는 구리의 연성은 재료가 변형될 때 쌍둥이 결정립의 원자 구조가 변경되었기 때문이라는 것이 밝혀졌다.  (ACB)

CNT를 이용한 화합물 내의 결합 검출
Delaware 대학의 연구진은 인간 신경계와 같은 방법으로 작용하는 탄소 나노튜브의 네트워크를 이용하여 첨단 화합물 재료의 내부에 존재하는 손상을 검출하고 확인하는 방법을 발견하였다.
화합물 재료는 일반적으로 탄소, 유리 또는 Kevlar와 같은 고성능 섬유 시트로 구성되어 층져 있다. 그런 듀퐁사의 수석 엔지니어인 Tsu-Wei Chou, Pierre S.는 기존 화합물 재료는 섬유를 둘러싸고 있는 기지 물질이 강하지만 섬유보다 훨씬 덜 강하기 때문에 선천적인 약점이 있다고 지적하였다. 
그 결과 작은 미세 크랙과 같은 결함이 발생할 수 있다. 시간이 지나면 이들 미세크랙이 화합물의 결합상태를 위협할 수 있다. CNT는 화합물의 전체에 균일하게 삽입되어 있는 경우에 그러한 결합을 검출하는 데 사용될 수 있다.
“나노튜브는 섬유 다발 사이와 화합물 층사이의 영역에 침입합니다”라고 기계공학 부교수인 Erik Thostenson이 말했다. CNT는 전도체이기 때문에 ‘인체의 신경망과 같은’ 센서 네트워크를 형성할 수 있다.
“전류가 네트워크를 통해 흐를때, 만약 미세 크랙이 있다면, 센서의 이동통로를 깨기 때문에 응답을 측정할 수 있습니다”라고 Thostenson이 덧붙였다. 이 방법은 간단하지만 고비용의 장비를 필요로하지 않으며 미세크랙의 초기 단계에 민감하기 때문에 많은 이점이 있다. CNT는 최소한의 양이 사용되어 전체 부피의 0.15%가 사용된다. 이 연구는 NSF의 공군 과학 연구소에 의해 연구 자금 지원을 받아 수행되었다. (ACB)