광섬유 안의 단결정 반도체
미국의 Penn State 대학과 영국의 Southa
mpton대학의 An international Science team은 공동의 광섬유안에 단결정 반도체를 성장시킬 수 있는 공정을 개발하였다. 이 연구는 중요한데 그 이유는 빛을 이용하여 telecommunication, 의학 기기, computing 그리고 리모트 센서 기기 등에 사용되는 광섬유는 여러 종류의 신호를 전달하는 데 이상적이기 때문이다.
공동의 섬유는 빛의 99%이상이 공기중과 진공상태에서도 자유롭게 나아갈 수 있도록 고안된 것이다. 이것은 100이상의 요인에 의한 재료의 효과적인 비선형성을 줄일 뿐 아니라 잠재적으로는 더욱 낮은 손실까지도 피할 수 있게 할 것이다. 유리 재료에서 발생하는 레일리 산란현상이 실리카 광섬유의 손실정도를 지배한다. 최소 손실은 대략 0.2 dB/km 정도까지로 제한적이며 그보다 더한 진행은 대체적으로 일어나지 않는 편이다. 그러나 중동의 섬유는 전파되는 신호가 어떠한 실리카와도 상호작용을 거의 하지 않기 때문에 이와 같은 수준의 손실 메커니즘이 나타나지 않는다2006년에 이 연구팀은 전자의 특성을 갖는 광섬유를 만들기 위해 광섬유와 다결정, 비결정 반도체 물질을 처음으로 융합시켰다. 이 팀은 트랜지스터를 포함한 반도체 디바이스들을 미세 조직의 광 섬유 안에 구축하는 기법을 개발했었는데 이 공정 기법은 결정들이 길고 기공을 가지는 공동의 광섬유 안에 게르마늄이나 다른 반도체의 화학적 기상 증착[chemical vapor deposi
tion(CVD)] 기법으로 형성된다).
이 팀은 다시 만들어 낸 단결정 또한 광섬유와 함께 결합될 수 있는 연구 결과는 가장 큰 연구 성과로 많은 과학과 기술의 영역에서 사용되는 광섬유의 한 걸음 나아간 발전이다.
“대부분의 적용에 있어서 단결정반도체(single-crystal semiconductor)는 다결정(polycrystalline) 그리고 비결정 물질(amorphous materials)에 비해 더 뛰어난 성능을 보이고 있으며, 광섬유 내부를 단결정반도체(single-crystal semicon
ductor)로 둘러싸는 독자적인 기술은 광섬유의 더 큰 기능을 또한 만들어 내고 있음을 보여주었다”고 Penn주의 화학분야 부교수 John Badding은 기술한다.
이 연구팀은 섬유 내부의 결정을 만들기 위해서 고압 액체-고체 접근 방식(high-pressure fluid-liquid-solid approa
ch )을 사용하고 있다. 이것은 우선 과학자들은 금이 함유된 합성물을 레이져 광에 노출시켜 섬유 내부에 금으로 된 미세 플러그(plug)를 형성시킨다. 후에, 그들은 실리콘과 수소의 합성물인 silane을 고압 헬륨의 stream에 주입한다. 섬유와 가역되었을 때 금은 촉매와 같은 역할을 하여 silane를 분해시키게 되고, 이로서 움직이는 금 결정체 입자 뒤로 실리콘이 단결정으로 가라앉게 되어, 단결정 와이어가 섬유 내부에 형성하게 된다.
“두 개의 기술을 결합하는 열쇠는 그 해당 물질 들 뿐만 아니라 그 기능이 어떻게 형성되는가이다. 우리는 완벽한 새로운 타입의 합성 장치를 개발로, 나노 구조의 결정을 광섬유의 공동의 튜브에 삽입하는 것이 가능하다”고 Southampton 대학의 Optoelectronics 리서치 센터에 상임 리서치 연구원인 Pier Sazio는 말한다. 이 리서치 팀은 다음 레벨의 적용 범위확대를 수행할 수 있는 잠재능력을 보고 있다. “현재, 광섬유의 양끝에 전기 스위치가 여전히 있어야만 한다. 그러나 만약 전기 신호가 섬유상에서 소멸되지 않게 할 수 있다면, 이는 보다 더 빠르고 효율적인 사용이 가능하게 된다”라고 Badding은 말한다. GTB

결함이 실리콘 나노결정 광방출에
미치는 영향
영국 랜캐스터 대학(Lancaster Univer
sity)의 연구진은 대부분의 발광이 나노결정의 결함에 의해서 발생한다는 이론을 발표하였다(Nature Nanotechnology doi:10.1038/nnano.2008.7). 이 이론은 대부분의 발광 현상이 양자 제한 효과(quantum confinement effect)에 의해서 발생한다는 기존의 이론을 부정한다.
실리콘은 현대 전자공학을 지배하고 있는 물질이며, 파장규모 구조물에 대한 대량생산 기술이 현재 잘 확립되어 있다. 그러나 고대역폭 연결에 대한 수요가 증가하고 있으며 그에 대한 한 가지 해법은 광전자 부품들을 실리콘 프로세서와 직접 통합하는 것이다. 그러나 실리콘은 매우 비효율적인 광방출 물질이다. 1990년에 다공성 실리콘이 빛을 방출한다는 사실이 발견된 후부터 과학자들은 실리콘 나노결정의 광발광(photoluminescence) 기원을 밝히기 위해서 많은 연구를 진행하였다. 연구진에 따르면 발광의 근원적인 메커니즘을 이해하는 것은 실리콘으로부터 효율적인 발광소자(light-emitting device)를 만드는데 중요한 요인이 될 것이라고 말했다.
벌크 실리콘의 간접 밴드갭(indirect bandgap)에서는 거의 빛을 방출하지 않지만 다른 실리콘 나노구조에서는 효율적인 광발광이 관찰되었다. 화합물 반도체로 만들어진 나노구조와 비교할 때 실리콘 나노결정으로부터 발생하는 발광은 매우 밝지 않다. 그래서 간접천이 반도체인 실리콘의 발광효율을 향상시키기 위해, 광 여기 루맨, 나노패턴 실리콘 레이저, 실리콘 나노결정에서의 양자 제한, 희토류 첨가물의 사용 등 다양한 방법들이 제안되었다. 특히 최근의 희토류 첨가물을 이용한 연구에서는, 서로 다른 2가지 화학적 상태로 존재할 수 있는 원소인 유러퓸 한 가지만을 첨가해도 전압에 따라 빨간 빛과 파란 빛의 2가지 색을 발할 수 있는 실리콘 LED가 개발되기도 했다. 무엇보다 발광효율을 향상시키기 위해서는 빛이 어디에서 오는 지를 이해하는 것은 매우 중요하다. 그러나 일반적인 환경 아래에서 이 결함으로 인해 발생하는 발광과 양자 제한 효과에 의해서 발생하는 발광은 매우 닮아 있다.
그래서 그동안 이 두 개를 구별하는 것은 어려웠다. 연구진은 이 문제를 해결하기 위해서 강한 자기장에서 광발광 측정을 하였다. 자기장에서 인가된 자기장의 제곱근에 비례해서 감소하는 자기 길이(magnetic length)가 중요한 요소라고 연구진은 말했다. 자기장이 인가되었을 때 에너지가 증가하면서 파동함수의 상대적인 크기와 자기 길이에 의존하는 값이 발광의 원인이 될 수 있다.
결함 같은 대단히 지역적인 상태에서의 발광은 인가된 자기장에 크게 영향을 받지 않는 반면에, 나노결정이 동일한 크기를 가질 때 양자 제한 상태에서의 광발광은 조금 더 높은 에너지에서 변환되어진다. 그러나 이 나노결정은 너무나 작기 때문에 매우 큰 자기장은 광발광 스펙트럼에서 다른 결과를 초래할 수가 있다.
연구진은 50T 이상의 펄스 자기장을 사용했다. 심지어 50 T에서 양자 제한을 위한 발광의 에너지 변동은 발광선(lumines
cence line)의 반치폭(full-width at half maximum, 계의 주파수 응답을 나타내는 스펙트럼선의 폭이나 펄스폭을 첨두값의 1/2위치에서 값으로 나타낸 것)의 약 0.5% 되리라고 연구진은 기대했다. 또한 이 나노결정으로부터 발생하는 상대적으로 약한 광발광은 지극히 민감한 CCD 검출기로 확인할 수 있었고 실험에서 사용된 광학 섬유의 중요한 배경 신호는 정확성을 기하기 위해서 제거되었다.
이 실험에서, 연구진은 처음으로 샘플의 상자성체 결함을 확인하기 위해서 전자스핀 공명(electron spin resonance)을 사용했고, 그 후 인가된 자기장에서 광발광을 측정했다. 많은 결함이 존재할 때 이 발광이 결함으로 인해서 발생되었다는 사실을 관찰하지 못했다고 연구진은 말했다. 그러나 연구진이 이 결함을 제거하였을 때, 연구진이 원하는 데로 자기장에서 매우 분명한 변화를 관찰하였다. 게다가 연구진은 수소를 가지고 샘플을 부동태시켜서 결함을 제거하는 것과 UV 빛을 나노결정에 조사하여서 수소를 제거하는 두 가지 방법을 사용하였다. 연구진은 양자 제한과 결함 두 개 모두가 이 발광에 영향을 끼칠 수 있지만 결함 발광이 더 우위에 있다는 사실을 확인하였다. 연구진은 자기장을 사용해서 매우 결정적인 실험을 하였지만 샘플에 따라서 결과는 변화될 수 있을 것이라고 말했다. 즉, 다른 연구에서 양자 제한은 우월적인 메커니즘일 가능성이 여전히 있다는 소리이다. GTB
청록색 반도체 레이저
파장이 길고, 수명 1만 시간 日亞化學이 샘플 출하, 바이오, 의료 분야 개척
발광다이오드(LED)의 최대 기업인 日亞化學工業(德島縣 阿南市, 사장 小川英治)은 3월부터 청록색 반도체 레이저의 샘플출하를 시작했다. 질화갈륨을 사용하여 종래 제품보다 파장이 긴 반도체 레이저의 개발에 성공했다. 바이오, 의료기기 분야에서의 수요가 전망된다.
온도 25도에서 1천 시간의 안정 동작과 추정수명 1만 시간 이상을 확인했다고 한다.
아르곤을 사용한 가스 레이저와 티탄사파이어 사용의 고체 레이저 등이 사용되고 있는 바이오, 의료기기용의 488나노미터 광원의 대체수요를 기대하고 있다. 의료 분야에서는 주로 적혈구 수의 측정 등 검사용 기기에 사용되고 있다.
아르곤 레이저 등은 점등하면 계속 켜진 채이지만, 반도체 레이저는 고속으로 점멸할 수 있으므로 소비전력이 적어지는 외에 소형, 경량이라는 이점이 있다. 질화갈륨을 사용한 日亞化學의 반도체 레이저의 대부분은 차세대 DVD등 가전용 부품용으로 판매되고 있다. 청자색이나 청색 레이저가 중심이지만 보다 녹색에 가까운 레이저의 개발도 추진하고 있다. 신제품은 그 성과의 하나. 일경산업

세라믹 집진장치
차량 운반선용으로 소형화
日本가이시 디젤 발전용
日本가이시는 대형 자동차 운반선의 디젤 발전기용 배기가스 정화장치를 개발했다. 지금까지는 공장의 배기가스 대책 등에 사용해 오던 세라믹제 집진장치를 선박용으로 소형화, 川崎汽船에 시험적으로 3기(基)를 납입했다. 이 회사는 올해 안에 추가로 3기, 09년 안에도 역시 3기를 납입할 예정. 앞으로는 해외전개를 시야에 두고 대형 해운회사에 판매하는 이외에 크루저용 등 용도확대도 꾀할 계획이다.
선박의 디젤발전설비는 선내의 조명·공조 이외에 항구에서 접안(接岸)할 때에 사용하는 보조 스크류의 동력에 사용된다. 정화장치 없이는 운반선이 접안하여 자동차를 운반한 후에 배에서 배출되는 흑연에 포함된 입자상 물질이 자동차에 부착한다. 자동차 딜러 등이 오염을 방지하기 위해 필름을 펴거나 닦아내거나 하는 등의 수고가 발생했다.
정화장치 ‘세라레크セラレック’는 벌집모양에 구멍을 뚫은 세라믹제 통에 배기가스를 통과시켜서 입자물질을 여과하는 시스템. 오염의 원인이 되는 입자가 대기 중에 비산하는 것을 방지한다. 같은 제품에는 디젤엔진차량의 배기가스 정화장치 ‘DPF’가 있다.
배기가스정화장치에는 이외에 천으로 된 것이 있다. 단, 디젤발전기 배기가스의 압력으로 조직이 벌어져 버리거나, 불꽃이 튀었을 때 인화하거나 할 위험이 있었다. 가이시의 제품은 고온에서 구워 굳힌 세라믹제이므로 섭씨 900도까지 내열성이 있는 이외에 제품 수명도 10년 전후로 종래제품보다 배 이상이다.
가격은 사용하기에 따라 다르지만, 세라믹제 통 36개를 세트로 했을 경우, 1세트에 1천만 엔 전후. 새로 건조된 자동차 운반선용으로 판매하여 5년 후에 세라믹의 매성고를 현재의 배에 상당하는 약 20억 엔으로 늘릴 것을 계획하고 있다. 일경산업
다이아몬드 트랜지스터
최속 120기가헬츠로 동작
NTT 등 자동차 레이더용
NTT와 영국의 엘리멘트식스는 120기가헤르츠에서 동작하는 다이아몬드 트랜지스트를 개발했다. 차간거리를 측정하는 차량 탑재용 레이더를 사용할 수 있는 기준이 만들어졌다. 휴대전화의 기지국에 사용하면 고속 대용량 통신에 필요한 고출력도 실현할 수 있다고 한다. 2~3년 뒤의 실용화를 목표로 한다.
반도체의 기판 재료에 다이아몬드를 사용하는 트랜지스터는 실리콘제에 비해 고속 동작이 가능하며, 열이나 고전압에 대한 내성도 높다. 무선의 발진기에 사용하면 소형으로 고출력의 통신용 부품을 실현할 수 있다. 일본 내외의 기업과 연구기관이 개발에 참여하고 있다.
NTT 등은 직경 4인치(약 10센티미터)의 다결정 다이아몬드 기판 위에 화학적 기상성장법이라는 방법으로 다이아몬드의 박막을 형성하고, 이것을 토대로 트랜지스터 소자를 만들었다.
박막은 다수의 단결정이 모인 다결정 구조인데, 개개의 단결정을 크게 함으로써 고품질을 이룰 수 있었다.
이 소자를 사용하여 실험한 결과, 최대 120기가헤르츠로 고속 동작했다. 종래의 최고성능은 81기가헤르츠. 2기가헤르츠 시의 증폭률은 1만 배로, 주로 기지국용으로 사용되는 갈륨, 비소 반도체에 비해 2배 이상의 고출력을 끌어낼 수 있는 성능이었다.
이번에 개발한 트랜지스터의 출력을 아직 2와트로 낮다. 설계 등의 연구로 3와트까지 높일 예정.
대면적화가 용이한 다결정 다이아몬드 기판으로 만든 트랜지스터로 고속동작을 실증한 것으로 실용화로의 전망이 섰다고 한다. 일경산업

적외선 실리콘으로 검출
NTT가 고감도 소자 시작
 NTT의 物性科學基礎硏究所는 실리콘 소자를 이용한 고감도 적외선 검출기술을 개발했다. 전자 한 개로 동작하는 ‘단전자 트랜지스터’를 사용함으로써 10억분의 1초라는 짧은 시간에 검출할 수 있도록 했다. 적외선 주파수의 차이도 구별할 수 있다. 상당히 소형이며 고감도한 적외선 센서를 실현하게 되어 로봇용 센서와 감시 장치 등에 대한 응용을 목표로 하고 있다.
개발한 소자는 실리콘 기판을 사용하여 회로선폭 35나노미터의 반도체 가공기술을 이용하고, 산화처리 등으로 미세한 회로를 형성했다. 전자 1개씩의 증감을 검출하는 ‘단전자 트랜지스터’를 갖추고 있다. 소자에 적외선이 닿으면 적외선의 세기에 따라 전자가 한 개씩 검출부로 움직이는 것을 전기적으로 검출한다. 실리콘으로 적외선을 검출하는 구조는 드물다고 한다.
시작한 소자를 사용하여 실험한 결과, 10억분의 1초라는 짧은 시간 안에 적외선을 검출할 수 있다는 것을 알았다. 파장 1.3마이크로미터와 1.5마이크로미터의 적외선과 구별할 수 있었다.
신기술을 이용하면 상당히 작고 검출속도가 빠른 적외선 센서를 실현할 가능성이 있다. 고속으로 동작하는 광통신 부품 이외에 사람의 접근을 검지하는 로봇용 센서와 감시 장치 등에 대한 응용을 생각할 수 있다. 이후에는 주변회로도 제작하여 1칩으로 동작하는 센서를 개발할 계획이다. 일경산업
플라렌
박막상태로 적층기술개발
東京大學 등 연구팀은 축구공 모양을 한 플라렌(구상탄소분자)을 기판 위에 평평하게 적층하는 기술을 개발했다. 분자를 적층하면서 표면 상태를 관찰할 수 있는 새 장치를 개발, 파괴되기 쉬운 플라렌을 박막상태로 쌓는데 성공했다. 접을 수 있는 고성능 디스플레이나 태양전지 등 유기재료를 사용하는 전자기기의 고성능화에 도움이 되는 성과로 보고 있다.
재료인 플라렌을 적외선 레이저로 가열·기화하여 기판 위에 조금씩 퇴적시켰다. 동시에 밖에서부터 전자선을 쏘아서 반사한 전자의 상태로 기판표면의 모습을 순간적으로 관찰, 적층에 적합한 온도조건 등을 자세하게 조사했다.
기판을 섭씨 100도로 하면 고정도로 적층할 수 있다는 것이 판명. 수 밀리미터 사방의 영역에 직경 1나노미터 이하의 플라렌을 박막상으로 10~20층 쌓는데 성공했다. 표면이 요철을 평균하면 플라렌 분자 1개의 크기보다 작았다고 한다.
플라렌 등 유기재료는 금속 등에 비해서 무너지기 쉽지만 신기술은 최적의 실험조건에서 분자를 제어할 수 있으므로 고정도의 적층이 가능하게 된다. 일경산업

밀리파 통신용 안테나 1개로 광대역 커버
情通機構, 소형기기용으로
미국, 유럽, 일본에서 이용 가능
情報通信硏究機構는 고속으로 대용량 데이터를 전송하는  ‘밀리파 통신’용으로 평면 안테나를 개발했다. 주파수의 대역폭은 8기가헤르츠로 종래에 비해 3배. 미국, 유럽, 일본에서 밀리파 통신에 할당된 대역이면 모두 가능하다고 한다. 지금까지 2~3개 탑재해야 했던 안테나가 1개면 가능해서 대응기기의 소형, 저가화에 도움이 된다. 컴퓨터나 휴대전화용으로 1~2년 후의 실용화를 목표로 한다.
통신속도가 매초 3기가피토로 광화이버의 30배 고속인 밀리파 통신을 사용하면 2시간의 영화를 약 10초 만에 전송할 수 있다. 컴퓨터와 디지털 카메라, 비디오카메라를 연결하거나 업무용 단말에서 영화, 게임을 휴대단말기에 다운로드하거나 하는 용도를 상정하고 있다.
현재 이용하고 있는 대역폭은 일본과 유럽이 7기가헤르츠, 유럽이 9기가헤르츠로 넓어 고속통신이 가능한데, 한 개의 안테나로 이 광역대를 어떻게 커버할 것인가가 과제였다.
시작한 밀리파 통신용 부품의 크기는 새 10원짜리 동전만 하여 실제로 안테나로서 기능하는 부분은 세로 약 2.5밀리미터, 가로 약 4.5밀리미터. 증폭기 등과 조합하여 칩으로 만들어 휴대전화에 넣을 수 있는 사이즈라고 한다. 얇은 유전체로 만든 2층 구조를 채용, 안테나의 구조를 연구해서 광역대의 밀리파 대에서 작동하도록 했다.
실험에서 57기가헤르츠에서 65기가헤르츠까지 동작한다는 것을 확인했다. 시뮬레이션 상으로는 67기가헤르츠까지 동작가능하다고 한다. 종래에 비해 3배의 안테나 성능이 있으며 통신거리는 10미터를 달성할 수 있다. 단거리라면 더욱 통신성능을 높일 수 있다.
앞으로 밀리파용 반도체와 집적하여 단독으로 동작하는 무선통신부품의 개발을 목표로 한다. 또 이 무선통신 부품을 조립한 단말기의 개발에도 나선다. 통신기기 메이커 등에 기술이전을 생각하고 있다.
▼ 밀리파 통신 : 주파수가 60기가헤르츠 대의 전파를 사용하는 무선통신. 텔레비전의 전파와 적외선 중간에 상당하는 전파 대역으로 파장이 몇 밀리미터 사이즈의 주파수이기 때문에 밀리파라고 부른다.
정부의 허가 없이 이용할 수 있고 광역대이므로 유선이 없어도 고속 대용량의 정보를 보낼 수 있다. 송수신 범위는 반경 10미터로 한정되며 실내에서 전자기기끼리 무선으로 연결하는 응용을 기대할 수 있다.
일경산업

Rolls-Royce의 고체산화물
연료전지의 상업화 고려
Rolls-Royce의 최고 경영자인 John Rose는 다른 회사와의 협력을 통하여 자사의 고체산화물 연료전지 기술을 한 차원 발전해 나갈 수 있을지 고려하고 있다. 비록 다른 회사와의 협력 시 모회사에서 독립한 자회사의 주식을 모회사의 주주에게 배분해야하는 복잡한 문제가 있지만 위험을 분산할 수 있다는 장점이 있다.
Rolls-Royce는 상업적 판매를 위하여 병원과 대학, 소규모의 공장을 위한 정지 형 전력발전 시스템과 같은 주요 기능뿐만 아니라 대규모 수송, 군사 및 선박 응용분야에 적용할 수 있는 고체산화물 연료전지 기술을 2010까지 개발하고자 한다. ACB