RIT, Delphi가 고체산화물 연료전지 개발을 위한 연구비 275만 달러를 받다
Rochester Institute of Technology
(RIT)와 Delphi 社가 공동으로 고체산화물 연료전지 개발을 위해 연방기금 275만 달러를 받게 되었다. 이 돈은 제조기술의 가속과 고체산화물 연료전지의 응용을 위한 공동연구에 사용될 예정이다.
미국 위원장인 Slaughter는 국방부의 2008년 예산 안에 있었다고 덧붙였다. 또한, Slaughter는 국방부의 투자는 뉴욕의 민간부문 파트너와 지역 학교의 학회에 의한 SOFC발전을 가속시키는 첫 번째 성공 중의 하나라고 언급하기도 했다.
Dlphi Corp의 연료전지 대표 연구원인 Steven Shaffer는 이 투자가 국방부내 모바일 시스템에 고체산화물 연료전지의 적용을 촉진 시킬 것이라고 말했다. 또한, 이 형태의 연료전지는 현재 이용하는 연료 중에서 친환경적으로 전기를 생산하는데 매우 효과적일 것이라는 것을 강조했다. 이 연구는 RIT 기관의 연료 전지로 작동하는 시스템의 품질을 평가하기 위해 통합제조 연구의 최신 기술 감지 모니터링 기술을 이용할 것이다. ACB

백색LED내구성 향상
백색발광 다이오드(LED)는 소형이며 소비전력이 적고, 수명이 길며 수은이 없다는 점에서 전구나 형광등을 대신할 조명용 광원으로서 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 일반적으로 백색LED는 황색형광체 분체를 포함하는 투명수지상과 청색LED로 구성된다. 청색LED에서 나온 청색광은 일부가 형광체에 의해 파장 변환되어 황색광이 되고 다른 것은 투명수지상을 청색광으로서 투과하여 이들 황색광과 청색광이 섞여서 의사 백색광이 된다. 현재, LED의 고출력화가 진행되고 있는데, 사용되고 있는 투명수지에서 LED의 발열에 의한 열열화(熱劣化), 청색광에 의한 광열화(光劣化)가 우려되고 있어, 히트싱크의 장착 등의 여러 가지 연구가 필요하다. 宇部興産(주)은 지금까지 내열재료로서 개발해 온 알루미나/희토류 산화물계 한 방향 의고재료(MGC : Melt Growth Composite)를 이용하여 백색LED용으로 용도전개를 검토해 온 결과, 백색LED의 내구성 향상으로 이어질 새로운 재료(Al2O3/YAG :CE MGC)를 개발했다. 이 MGC는 서로 연속한 Al2O3 단결정상과 CE도프 YAG단결정상이 3차원적으로 결합하고, 상간(相間)은 원자 레벨에서 결합한 조직으로 구성되어 있다. 이 MGC와 청색 LED를 조합시킨 경우, Al2O3 단결정상은 청색광의 도파로로서 CE도프 YAG단결정상은 황색광에 대한 파장 변환상으로 작용하여 의사 백색광을 얻을 수 있다. 종래의 백색LED에서 사용해 왔던 투명수지상이 MGC에서는 내열성, 내광성이 우수한 Al2O3 단결정상이 되므로 백색 LED의 대폭적인 내구성 향상을 기대할 수 있다. 또 MGC를 구성하는 각 단결정상은 연속상으로서 존재하므로 내부에서 빛이 확산되기 쉬워, 적은 수의 청색 LED와 MGC의 구성으로 면발광을 실현할 수 있다. CJ

값싸고 안전한 금속 나노입자 제작법
東北大學의 林大和 조교 등 NEDO(新에너지·産業技術總合開發機構)산업기술연구 조성사업 그룹 (湧澤博胤 교수, 대학원생인 石川大, 澤田圭, 井上雅博 조교(大阪大學), 成田一人 조교(九州大學))은 금속산화물을 원료로 한, 단분산 귀금속 나노입자 제작법을 개발했다.
금속나노입자 재료는 양자 사이즈 효과와 체적효과로 벌크로는 보이지 않는 특이한 성질과 고활성의 성질을 보이므로 다양한 용도로 수요가 늘어나고 있다. 종래의 제작기술에서는 가열이나 고진공이므로 대형 챔버가 필요하여 거액의 설비투자가 필요한 경우와, 금속원이 되는 원료에 기인한 유해한 잔류 이온의 발생, 유기폐기물의 문제가 있어 공업화를 위해서는 탈염화 등 공해대책을 위한 거액의 설비투자가 필요했다.
개발한 금속나노입자 제작법은 금속산화물을 금속원으로 하고, 반응장으로서 초음파를 이용한다. 금속산화물은 금속과 산소원소로 구성되어 있고, 원료로 했을 경우에는 환경부하가 작은 프로세스 설계가 가능한 특징이 있다. 금속산화물을 알코올 속에서 초음파 조사하고, 그때 발생한 초음파 캐비테이션으로 금속산화물을 분해시켜 금속나노입자를 제작한다. 초음파도 세정기 정도의 출력으로 제작이 가능하다.
이 방법은 3~50mm의 레벨에서 입자경의 제어가 가능하며, 은 이외에 백금이나 금 등에 대한 응용도 가능하다.
이 제작법의 특징은 산화물과 알코올의 고액2상의 반응으로, 초음파 캐비테이션의 발생 사이트가 반응장이 되기 때문에 종래의 기상반응이나 이온에 의한 액상반응과 비교했을 때 높은 금속농도에서의 제작이 가능하다. 또 초산성 질소 등의 잔류 이온이나 유기금속화합물에서 유래하는 유기잔류물이 발생하지 않아 탈염 등의 폐기물 처리가 필요치 않고, 각종 용매에 대한 범용성도 있기 때문에 저가와 저환경 부하의 양립을 가능하게 했다. 안전하고 값싼 프로세스이므로 촉매나 잉크젯 배선용 페스트 등 공업재료뿐 아니라 의료, 식료 등 다양한 분야에서의 응용이 기대된다. CJ

질소 도프 산화아연 나노 입자의 합성과 응용
島根大學의 중점연구인 S-나노테크 프로젝트의 藤田恭久准 교수 등은 금속아연에서 간편한 프로세스를 이용하여 단결정 박막과 동등한 발광 특성을 가지며, 단결정 박막에 비해 값이 싼 질소 도프 산화아연 나노입자를 개발했다.
산화아연은 전자와 홀이 서로 속박된 상태인 여기자의 속박 에너지가 커서 실온에서 근자외역의 강한여기자 발광을 나타내는 것이 특징이다. 백색발광 다이오드의 저명용도로 시장에서 급격히 확대되고 있는 질화갈륨계 반도체와 비교해서 레어메탈을 사용하지 않아 값이 싸다는 점, 벌크 단결정을 용이하게 얻을 수 있다는 점에서 차세대 발광재료로서 기대되고 있다. 그러나 p형 전도제어가 어려운 점 등의 과제로 실용화에 이르지 못하고 있다.
본 연구에서는 아크 방전으로 공기 중에서 아연을 증발시키는 가스 속 증발법으로 단결정 박막과 동등한 강한 여기자 발광을 보이는 고품질의 산화아연 입자를 생성할 수 있었다. 입자 사이즈는 100×200mm정도인데, 분쇄처리로 약 60mm까지 미세화가 가능하다. 또한 이 방법에서는 아크플라즈마가 공기 중의 질소분자를 야기하여 입자 속에 용이하게 억셉터 불순물인 질소원자를 도핑할 수 있어 p형 전도를 기대할 수 있다.
島根大學에서는 이 나노입자를 분산하여 n형 산화아연을 성막한 유리 기판 위에 도포한 구조를 이용하여 고휘도 청색 일렉트로 루미네센스를 얻는데 성공했다. 이 방법에서는 고가의 단결정 기판이 불필요하며 대면적화도 용이하므로 형광등으로 값싼 고체 조명 디바이스의 실현을 기대할 수 있다. 또한 산화아연 나노입자는 여기자의 효과로 CdSe양자 도트에서 샤프한 발광을 보이고 게다가 독성이 없기 때문에 항체 수식하여 의료용 형광표식으로 응용할 것을 기대할 수 있다. 현재, 島根大學 의학부의 中村守彦 교수와 공동으로 임상응용을 위한 의료용 형광표식의 개발도 진행 중이다. CJ

초강자장 프로세스로 실현된 메소채널의 수직배향 - 강자장이 작용하는 반자성 물질에 대한 자장 효과
(독)物質.材料硏究機構의 국제나노아키테크토닉스 연구거점의 山內愁輔 독립연구원, 나노세라믹스센터의 目義雄 센터장, 廣田憲之 연구원 등의 연구팀은 早稻田대학 이공학술원의 黑田一幸 교수 등과 함께 기구 내의 강자장 공용 스테이션의 하이브리드 마그넷이 발생하는 30테슬러급의 초강자장을 이용함으로써 메소채널을 기판에 대해 수직으로 배향시키는데 성공했다.
지금까지 계면활성제와 실리카원(源)을 포함하는 전구용액을 기판 위에 코팅함으로써 다양한 메소 구조를 갖는 박막을 얻어왔다. 이러한 박막을 디바이스 등에 이용하기 위해서는 마크로스코픽한 수준에서 메소폴러스 구조를 제어하는 것이 바람직하다. 특히 메소채널이 기판에 대해 수직으로 배향한 ‘수직배향성 메소폴러스 박막’은 고밀도 기록매체로서의 전개를 비롯해 고활성 촉매, 고감도 센서 등에 대한 응용이라는 관점에서도 한층 더 메소폴러스 물질의 연구의 한계를 극복할 수 있게 되리라 생각되어 그 실현에 기대가 모아지고 있다.
이 연구의 강자장 프로세스는 메소 세공의 주형이 되는 계면활성제 분자(약자성체)의 매우 적은 자화률을 이용한다. 약자성체의 자화율은 강자성체에 비해 상당히 작아서 보통 배향은 일어나지 않는다. 그러나 자장효과는 자장의 크기의 2승에 비례하므로 강자장 하에서는 약자성체여도 강자성체처럼 용이하게 배향시킬 수 있게 된다. 따라서 이번에 계면활성제 분자의 자기배합 과정에서 강자장을 인가하고, 초분자 주형을 미리 기판과 수직에 배향시켜서 그 주형 주위에서 무기종(실리카)의 중합을 실시했다. 그 결과, 완전하지는 않지만 비교적 작은 계면활성제 분자를 이용해도 수직으로 배향시키는데 성공했다. 앞으로 더 배향도가 높은 박막의 창제를 위해서 자화율이 높은 관능기의 계면활성제의 도입과 기판 표면의 개발등을 과제로 들 수 있다. 일간공업

세계 최대의 나노세라믹 막
日本가이시株式會社는 1나노미터 이하(서브나노)의 세공경을 가진 세계 최대의 세라믹스제 분리막을 개발했다.
당사는 지금까지 독자의 세라믹스 기술을 살려서 여러 가지 분리막 제품을 제공해 왔다. 자동차 배기가스 정화용 필터와 정수자의 막(膜)여과 정수 시스템, 가정용 정수기로서 또 정밀여과(MF)막, 한외(限外)여과(UF)막으로서 의약, 식품, 전자분야에서의 청징화, 제균 등에 폭넓게 사용되어 왔다. 분리막 기술은 앞으로 분자 사이즈 이하에서의 분리가 가능한 1나노미터 이하(서브나노)의 영역에서의 용도가 기대되고 있는데 산업용도에서의 실용화에는 막 면적의 대형화가 불가결했다.
당사는 지금까지 길러 온 대형 MF세라믹막의 기재 제조 기술과 새롭게 개발한 박막성형기술을 조합함으로써 제올라이트, 탄소, 실리카 등의 박막을 균일하게 성막하여 서브나노사이즈의 세공경을 가진 세계 최대 세라믹막의 개발에 성공했다. 대형 나노세라믹 막의 형상은 직경 180mm, 전체 길이 1,000mm의 원통형 세라믹제 기재에 내경 2.5mm의 셀 약 2000개를 배치한 하니컴(벌집모양)구졸, 한 줄 당 막 면적은 15m2이다.
이 대형 나노세라믹 막의 개발로 초산이나 IPA(이소프로필알코올)등의 유기용제의 탈수, 에탄올의 선택적 농축, CO2가스의 분리 등, 지금까지 막에서는 실용화가 어려웠던 분자 레벨의 분리가 가능하게 되었다. 유기용제 등에서의 탈수에서는 종래의 증류탑방식에 비해 복잡한 열조작 없이 분리할 수 있기 때문에 에너지 절약과 CO2배출량의 삭감, 운전 원가의 저감을 기대할 수 있다. 또 막 하나 당 여과면적이 크기 때문에 막 장치의 컴팩트화가 가능하게 된다.
기존 세라믹막의 라인업에 대형 나노세라믹 막을 더함으로써 마이크로미터~서브나노미터 영역까지의 모든 사이즈의 분리 요구에 응해 나갈 수 있다. 일간공업

레어메탈을 사용하지 않는 투명도전막
東海大學의 久慈俊郞 교수 등 연구팀(千葉雅史准 교수, 本城貴充 대학원생)은 인듐 등 희소금속을 전혀 사용하지 않는, 비산화물계 투명도전성 박막의 개발에 세계 최초로 성공했다.
현재 플랫 패널 디스플레이등의 전극으로 사용되는 투명도전막은 산화인듐주석(ITO)가 압도적으로 많다. 그러나 인듐은 그 클라크수가 0.00001로 작아 자원고갈의 문제를 무시할 수 없다. 따라서 ITO를 대신할 투명도전재료의 개발이 급선무가 되어 산화물 아연을 주로 하는 연구가 정력적으로 이루어지고 있다.
이번에 개발에 성공한 재료는 Mg(OH)2
(블루사이트)의 대칭성을 갖고 있어, 그 결정 속에 탄소가 분산되어 있다고 추측하고 있다. 막 투과율의 파장의존성을 보면 가시광역에서 평균 90% 이상의 투과율을 나타내고 있으며, 수산화마그네슘의 투명성을 유지하고 있다는 것을 알 수 있다.
한편, 도전성을 담당하는 탄소는 결정입계에 편석하는 일 없이 막 속의 균일하게 분산해 있고 저향율은 3×10-1(Ω.㎝)이다.
이러한 나노사이즈에서의 하이브리드화는 RF스팩터 장치를 이용하여 실현했다. 금속 Mg와 그라파이트의 타깃을 이용하여 회전성막을 실시 Mg-C막을 얻은 후에 대기 중의 수증기에 폭로함으로써 수산화 반응을 촉진하여  Mg(OH)2-C막으로 유도했다. 일간공업

고성능 밀리파 흡수자성재료
東京大學의 大越愼一 교수 등 연구팀(東京大學 대학원 이학계 연구과와 DOWA일렉트로닉스와의 공동연구)은 30Ghz(기가헬츠)에서 150Ghz대역에 달하는 높은 주파수의 밀리파를 흡수하는 자성재료의 개발에 성공했다. 지금까지의 자성체에서는 80Ghz 정도가 한계였기 때문에 전자파 흡수 재료로 획기적인 성능이다.
화상정보를 비롯한 대용량 데이터 정보를 전송하기 위한 차세대 방식으로서 현재, 밀리파(30~300Ghz)를 이용한 고속무선통신법이 상당히 주목되고 있다. 특히 실내 LAN 등의 로칼 에리어 네트워크 등에는 밀리파에 의한 무선고속통신이 기대되고 있다. 지난 몇 년 동안, 미국의 대형 전자 메이커 등에 의해 밀리파 발생용의 값싼 상보형(相補型) 급속산화막 반도체(CMOS)의 개발도 발표되어, 100Ghz영역의 밀리파 사용이 본격화되기 시작했다. 또 76Ghz의 밀리파는 차간 레이더 용도로 대형 자동차 메이커에 의해 현재 연구가 진행되고 있다. 한편, 현재 80Ghz 이상의 밀리파를 주파수 선택적으로 흡수하는 재료는 거의 없어 이 영역에서의 전자파 간섭의 위험성이 우려되고 있다. 이번에 大越교수 등은 입실론형-산화철이라는 특수한 나노자성체 철이온 일부를 갈륨이온으로 치환했다. 입실론형-갈륨산화철(ε-CaXFe2XO3;0.10<x
<0.67)나노미립자(입경이 30나노미터 정도)를 화학적으로 합성, 갈륨 치환량에 따라 30Ghz에서 150Ghz까지의 높은 주파수 영역에서 밀리파를 유효하며 동시에 주파수 선택적으로 흡수한다는 것을 밝혀냈다. 또 이론계산으로 이 계열의 재료에서는 갈륨 치환량으로 흡수 가능한 최대 주파수는 200Ghz에 달한다는 것을 알게 되었다. 이 밀리파 흡수는 입실론형-갈륨산화철 자성체가 갖는 높은 보자력으로 높은 주파수에 자연공명이 나타난 것에 기인한다.
입실론형-갈륨 산화철은 금속산화물이기 때문에 장기간에 걸쳐 안정적이다.
전자파 간섭 억제재료로서 오피스나 의료실의 벽에 도포하는 이외에 자동차, 전차, 비행기의 동체에 도포 또 그 선택적인 공명주파수를 이용하여 밀리파 발신기를 안정화시키는 서큐레이터와 아이소레이터 등의 신규 밀리파용 전자 디바이스에 대한 응용도 기대되고 있다. 일간공업

질화인규 활성층의 청색 LED
千葉大學의 吉川明彦 교수 등 연구팀(石谷善博准 교수ㅡ 崔成伯 조교)은 질화갈륨(GaN)의 결정 속에 삽입한 1분자층 두께의 질화인듐(InN)을 활성층으로 하는 청색 발광 다이오드(LED)를 개발했다.
InN은 GaN에 비하면 결정 속의 질소와 금속원자간의 결합에너지가 작아 InN의 질소평형증기압이 높아지기 때문에 열분해를 일으키기가 매우 쉽다. 또 InN의 격자정수는 GaN보다도 약 11% 크다. 한편, InN의 에너지 밴드갭은 극히 작다. 이렇게 둘은 물리적 화학적 성질이 크게 달라 강한 비혼화성을 보여, 3원혼정(InGaN)을 제작할 때에는 상분리나 조성 흔들림이 일어나기 쉬워서 청색이나 녹색의 InGaN/GaN계 질화물 발광다이오드(LED)나 레이저 다이오드(LD)에서는 완전성이 높은 활성층, 전자우물구조(QW)를 만들기 어렵다. 또 InGaN3원혼정 활성층은 수mm으로 두꺼워 격자부정합 뒤틀림으로 발생하는 극히 큰 피오제 전계가 활성층 안의 전자와 정공을 공간적으로 분리하여 발광효과가 극단적으로 작아진다(전자밀폐 슈타르크효과 : QCSE라고 한다. 중요한 것은 잘화물계 반도체의 경우는 이러한 원인으로 녹색의 LD나 적색의 LED의 제작이 곤란하다는 것이다. 1분자층 두께 수준의 InN을 활성층으로 하는 LED/LD에서는 원리적으로 이러한 문제점들의 비약적인 개선, 저감이 가능하다.
우선 InN활성층이 1분자층인 경우에는 GaN과 의사격자정합이 되어 격자완화에 의한 결함은 원리적으로 발생하지 않는다. 또 비혼화성으로 자기질서적으로 초급준계면이 형성되어 상당히 완전성이 높은 QW구조가 된다. 또 활성층의 두께가 매우 얇기 때문에 QCSE도 극한적으로 저감할 수 있는 구조로, 진동자 강도의 증대에 의한 바뢍효율의 개선도 기대할 수 있다.
시작한 LED에서 대략 420mm부근의 발광특성 평가로 전류밀도는 2자릿수의 범위에서 변화시켰을 때의 발광파장변화는 극히 적어 원리적으로 QCSE가 매우 적어진다는 적을 실험적으로 확인할 수 있었다.
InN활성층의 두께는 제작 조건에 따라 1분자층 이하(분수층)이나 2분자층 이상이나 되어 발광파장의 제어가 가능하게 된다.
질화물계 LD의 녹색영약에 대한 전개를 생각하면 활성층이 매우 얇으며 동시에 2원화합물이라는 것은 발광의 파장을 길에 함에 따른 효율저하의 원인이 되고 있는 QCSE와 활성층의 조성 흔들림의 비약적 개선이 가능해져 1분자층 InN양자우물구조는 LD의 활성층으로서 이상적인 특성, 동작을 기대할 수 있다. 일간공업

연료전지 효율을 향상시킬 수 있는
혁신 연구
새롭게 개발된 연료 전지가 효율을 상당히 개선할 수 있다고 듀크 대학의 프랫 공학부 과학자들은 주장한다. 이론적으로 높은 온도에서 즉, 낮은 습도에서도 작동될 수 있는 연료전지의 새로운 박막(membrane)을 개발해 오고 있다. 전지를 두 부분으로 나누고 반을 유용하게 도와줄 수 있는 박막은 연료전지 파워(power)의 효율을 결정하는 아주 중요한 요소이다.
철(Iron)제 나노 파티클로 만들어진 아주 낮은 습도에서도 작동할 수 있는 세라믹 박막을 개발했으며, 이는 철제 세라믹이 고열을 견딜 수 있기 때문이라고 듀크 대학 토목공학과 교수이며 본 연구의 저자인 마크 위에스너(Mark Wiesner) 박사는 말했다. 일련의 테스트가 잘 진행되면, 이 기술을 상용화하는 투자가 있을 것이라고 위에스너 교수는 덧붙였다. 이 최신 연료 전지 연구는 과학 재단과 미국 해군 연구 지원에 의해 행하여졌다. 과학재단(Science Foun
dation)은 과학/기술의 발전에 관여하는 독립 기구이다. GTB

새로운 탄소 나노튜브 복합재료
후지쯔 실험실은 탄소 나노튜브와 그라펜을 조합하여 자기 조립 구조의 특성을 가지는 새로운 나노 크기의 탄소 복합재료를 제조하였다.
새로 발견된 복합재료 구조는 전자장비에 사용하기 위해서 매우 높은 온도에서 만들었던 기존의 그라펜 합성온도보다 낮은 섭씨 510도에서 합성된다. 이 방법은 그라펜을 열에 약한 전자장비에 실제로 사용할 수 있는 적합한 재료로서 실용화할 수 있는 길을 제시해준다. 탄소 나노튜브는 매우 우수한 열전도도와 전기밀도를 가지는 반면에 그라펜은 전자이동도가 우수한 것으로 알려져 있다. 이 두 재료들이 결합된 탄소 나노구조들은 재료연구와 응용분야에서 새로운 잠재성을 보여주고 있다. 이 기술에 대한 상세한 내용들은 일본 나고야에서 3월 3~5일에 개최된 제34회 풀러렌 나노튜브 심포지엄에서 발표되었다.
탄소나노튜브와 그라펜은 모두 탄소원자들로 구성된 나노 크기의 구조들이다. 그라펜은 탄소원자들이 시트와 같은 형태로 육각형으로 되어 있으며 탄소 나노튜브는 나노 크기의 지름을 가진 원통형 안에 쌓여있는 그라펜으로 표현될 수 있다. 두 재료들이 모두 같은 탄소원자들로 만들어졌음에도 불구하고 각각의 재료는 매우 다른 특성들을 가진다.
자연에서 발견된 모든 물질 중에서 탄소 나노튜브는 가장 우수한 전기 밀도를 가질 뿐만 아니라 가장 우수한 열전도도와 기계적 강도를 가진다. 이러한 특성에 의해 탄소 나노튜브를 전선, 열 발산기(heat dissipation), 전기장 이미터(field electron emitters) 및 다른 여러 분야에 응용할 수가 있다. 현재는 탄소 나노튜브를 약 섭씨 400도의 낮은 온도에서 합성할 수 있는 방법을 개발하기 위한 연구가 진행되고 있다. 섭씨 400도는 탄소 나노 튜브전자를 열에 약한 전자장비에 사용할 수 있는 온도이다.
2004년에 그라펜의 우수한 전자이동도가 발견된 이래로 그라펜은 미래의 트랜지스터에 사용될 채널재료로 매우 각광을 받게 되었다. 그러나 전자장비에서 사용하기에 너무 높은 온도인 섭씨 700도 이상에서 그라펜을 합성하는 기존의 방법들은 그래파이트 결정들을 벗겨내기에 시간 소모적이며 별로 좋은 방법이 아니었다. 후지쯔 실험실의 연구원들은 탄소 나노구조의 우수한 특성들을 이용하여 전자장비들을 개발하기 위한 연구를 수행하고 있다.
탄소 나노튜브의 성장 메커니즘을 보다 잘 이해하기 위해서 연구원들은 투입되는 가스가 진공방 내에서 열 분해되어 기질 위에 필름이나 구조를 합성하는 방법인 화학증착법을 사용하였다. 이 방법에 의해 자기 조립되어 형성된 층 위에 2~3개의 층에서 약 12개의 층으로 된 그라펜 층을 형성한 다중벽 탄소 나노튜브를 정렬하여 성장시켜 복잡한 형태의 복합재료가 만들어졌다.
탄소를 기반으로 하는 재료들은 탄소원자들이 어떻게 연결되었는가에 의해 0차원의 풀러렌, 1차원의 나노튜브, 2차원의 그라펜 및 3차원의 다이아몬드와 같이 매우 다양한 형태를 가진다. “완두꼬트리 모양의 낚시배(peapod[8])” 구조로 알려져 있는 0차원과 1차원 요소들로 만들어진 복잡한 구조들은 이미 만들어진 바 있다. 후지쯔 실험실에서 새로 개발한 복잡한 구조의 복합재료는 그라펜 층들과 나노튜브가 수직으로 연결되어 있는, 1차원 및 2차원 크기의 요소들로 된 세계 최초의 복합재료이다. 이 복합재료는 상대적으로 낮은 온도인 섭씨 510도에서 합성되었다.
탄소 나노튜브가 일직선이고 1차원 구조를 가지기 때문에 튜브 축에 수직인 2차원 방향 내에서 이들은 거의 튜브들 사이에 열 전도성 혹은 전기전도성을 가지지 않는다. 반면에, 그라펜은 2차원에서 열 전도성 혹은 전기전도성을 가진다. 새로 발견된 탄소 나노구조는 모든 방향으로 전기전도성과 열 발산 특성을 가지는 것으로 예측되고 있다. 기존의 배열된 탄소 나노튜브들은 길이가 상태적으로 불균일하기 때문에 상층과 접합하는 것이 일정하지 않아 열 전도도 및 전기 전도도에서 큰 저항값을 나타내었다. 새로 개발된 복합재료에서는 탄소나노튜브가 그라펜에 거의 일정하게 연결되어 있고 그라펜은 평평하기 때문에 복합재료는 우수한 열전도도 및 전기전도도를 가질 수 있는 것으로 예측된다. 이 기술의 개발에 의해 그라펜을 전자장비에 사용하는 기술이 보다 실용화에 가까워질 수 있다. GTB

탄화 붕소 세라믹스의 실용적인
상압 소결법을 개발
보론 카바이드는 현재 지구상에 존재하는 물질 중 다이아몬드 다음으로 강한 물질로 인공위성의 배기가스 분사구, 인공위성 부품, 항공기 부품, 골프채 등 내열성, 내마모성 소재로 쓰이고 있다. 어떤 소재보다 내마모성, 내열성에서 우수한 보론은 70년 전 프랑스의 과학자가 개발을 시작한 이래, 미국의 텍스트론에서 개발 완성한 신소재이다. (참조URL1)
최근 에너지 절약, 생산 효율화 등의 관점에서 재료에 대한 요구가 높아지고 있다. 세라믹스는 고온에서도 안정적으로 우수한 경도, 내식성, 경량성 등을 가지고 있어 가혹한 환경에서 사용되는 반도체 제조장치, 고온용 부재, 내마모 부재, 정밀기계 등의 기계 부품으로 이용되고 있다.
향후, 에너지 절약, 환경 문제 대응을 위해 기계의 유지보수 빈도, 마찰 손실, 윤활유 사용량 등의 저감이 가능해 높은 내마모성을 가지는 부재가 바람직하다. 또한, 생산 효율의 향상은 국제 경쟁력을 높이기 위해서 중요한 부분이고 생산 기계의 고속 동작이 가능한 강하면서도 경량인 재료가 요구되고 있다.
탄화 붕소(Boron Carbide)는 실용 세라믹스 중에서 최고의 경도와 경량성을 가진다. 또한 높은 탄성률을 가지기 때문에 탄성률을 재료의 비중으로 나눈 값인 비강성은 다른 세라믹스, 탄소섬유 복합재료나 베릴륨 합금에 버금가 실용 재료로서는 최고의 값을 나타낸다. 이 때문에 내마모 부재나 비강성이 높은 경량 부재로서 기대되고 있다.
이상과 같이 탄화 붕소는 뛰어난 특성을 나타내지만, 실용 세라믹스로서 광범위하게 이용되고 있는 탄화 규소와 비교하면 소결이 매우 어렵다. 현재, 탄화 붕소 세라믹스의 공업적인 소결법으로서는 핫 프레스 등 고온에서 형을 이용하고 가압하는 가압 소결법이 이용되고 있기 때문에, 상압(무가압)에서 소결해 얻을 수 있는 다른 세라믹스와 비교해 제조 비용이 매우 높고, 제조할 수 있는 형상이나 크기 등에도 큰 제약이 있다. 따라서 뛰어난 특성을 가지는 탄화 붕소 세라믹스를 광범위하게 적용하기 위해서는 일반적인 세라믹스와 같이 상압에서 소결할 수 있는 상압 소결법의 개발이 요구되고 있다.
일본 산업기술 종합연구소 선진 제조 프로세스 연구부문 고성능 부재화 프로세스 연구 그룹에서는 질화 규소, 탄화 규소, 알루미나 등의 구조용 세라믹스의 고성능화나 신규 제조 프로세스의 연구를 진행하고 있다. 그 연구의 일환으로 세라믹스 메이커인 미노 세라믹과 공동으로 실용 세라믹스로서는 가장 경도가 높고 가장 경량인 탄화 붕소 세라믹스의 상압 소결 기술의 개발을 진행해 왔다.
현재, 탄화 붕소 세라믹스의 공업적인 소결법으로서 핫 프레스법이 이용되고 있지만, 이 방법에서는 원료 분말을 고온으로 내열성의 형에 넣어 가압할 필요가 있기 때문에 단순한 형상의 성형체만 소결이 가능하고 또, 소결 후에 고가의 다이아몬드 공구를 이용한 연삭가공에 의해 필요한 형상으로 가공할 필요가 있다. 그 때문에 제조 비용이 매우 높고 제조할 수 있는 형상이나 크기 등에도 큰 제약이 있었다.
한편, 가압을 필요로 하지 않는 상압 소결법에 관한 지금까지의 연구에서는 비교적 많은 소결조제(소결을 촉진하는 보조 재료)를 첨가하는 것이 대부분이었다. 이 소결조제를 첨가하면 탄화 붕소 세라믹스가 가지는 고경도, 경량성이라고 하는 장점이 손상되기 때문에 대량으로 첨가하는 것은 피할 필요가 있다.
이 연구에서는 가압이나 소결조제 첨가를 하지 않고 금속 증기를 포함한 분위기 중에서 소결하면 탄화 붕소 세라믹스의 치밀화가 큰폭으로 향상되고 금속 증기로 특히 알루미늄에 그 효과가 크다는 것을 새롭게 알아냈다.
구체적으로는 그림 2에 나타냈듯이 흑연 도가니 안에 소결조제를 첨가하지 않은 탄화 붕소 성형체와 알루미늄을 접촉하지 않는 위치에 배치해 상압의 아르곤 분위기, 소결 온도 2,200℃ 이하로 소결했는데, 이론 밀도의 95%를 넘는 고밀도인 탄화 붕소 세라믹스 소결물을 얻을 수 있었다.
이렇게 얻은 탄화 붕소 세라믹스 소결물에는 1중량% 미만의 알루미늄이 함유되지만, 극히 소량이기 때문에 탄화 붕소 세라믹스의 성능에는 영향을 주지 않는다. 또한, 이 성형체에 실리콘이나 텅스텐 등의 다른 소결조제를 1% 정도 첨가하면 더욱 고밀도화할 수 있었다.
이번 개발에 의해 상압 소결이 가능해졌기 때문에, 1회의 소결로 다수의 소결물을 제조할 수 있어 기존의 방법인 1회 소결로 1개의 소결물을 제조한 후 절단 등의 가공이 필요한 가압 소결(핫 프레스)법과 비교해 대폭적인 생산성의 향상을 기대할 수 있다.
또, 기존의 여러 가지의 성형법을 이용할 수 있는데, 이러한 성형법을 이용해 필요한 형상(복잡한 형상을 포함)을 성형, 소결할 수 있기 때문에 소결 후에 연삭가공이 최소화되어 복잡한 형상의 부품을 저가로 제작하는 것이 가능해졌다. 이러한 생산성의 개선으로 제조 비용을 2/3 이하로 저감하는 것도 기대할 수 있다.
이 방법에 의해 제작한 상압 소결 탄화 붕소 세라믹스 재료, 시판의 핫 프레스 소결 재료, 소결조제(13중량% TiB2)를 다량으로 첨가한 상압소결재료의 기계적 특성이다. 방법으로 제작된 상압 소결 재료는 시판되는 핫프레스 재료에 버금가는 값을 나타내 실생활에서도 충분히 견딜 수 있다는 것을 확인했다.
향후에는 금속 증기 중에서 상압 소결하면 치밀화가 큰폭으로 향상하는 등의 학술적 근거의 해명을 진행시키는 것과 동시에 소결 조건의 개선이나 다양한 종류의 성형 방법 적용 등 제조 프로세스의 검토를 실시할 예정이다.
또, 탄화 붕소의 결점인 취성을 극복하기 위해 지금까지 축적해 온 탄화 규소의 고인화 수법을 이 재료에도 적용하는 등의 검토를 실시할 예정이다. GTB