실리콘을 앞지르는 나노튜브 메모리
오랫동안 탄소나노튜브는 더 빠르고 작은 컴퓨터 메모리를 제작하기에 완벽하다고 생각되어 왔지만, 지금까지의 시작품 장치들은 실용적으로 사용하기에는 동작이 너무 느린 것으로 입증되었다. 그런데 이제 이전보다 10만 배나 더 빠른 새로운 디자인에 의해 그러한 장벽이 돌파됨으로써, 나노튜브 플래시메모리가 미래의 전자장치와 컴퓨터 장치들의 부품이 될 수 있는 길이 열렸다.
이 장치는 매우 단순한 구성을 이용하여 개별 나노튜브에 하나의 디지털 비트를 저장한다. 각각의 튜브는 실리콘 웨이퍼 위에 눕혀져 놓여 있으며 그 길이방향을 따라 전류가 흐르는 전극 2개가 부착되어 있다. 3번째 전극인 ‘게이트(gate)’는 데이터를 기록하기 위해 사용되는데, 얇은 절연층에 의해서 이 작은 튜브와 분리되어 있다. 데이터 기록을 위해서는, 게이트가 빠르고 돌발적인 전류를 통과시키면, 전극과 나노튜브 사이에 있는 절연물질 층에 영구적인 전하형성이 유발된다. 디지털 1의 신호인 이 전하는 나머지 두 전극들 사이를 지나는 전류를 바꾸기 때문에 검출될 수 있다. 0을 기록할 때에는 게이트 전극을 통해 2번째 펄스를 보내어 저장된 전하를 지운다. 이러한 전하는 장치가 꺼졌을 때에도 메모리가 유지될 정도로 충분히 오랜 기간 동안 지속되며, USB 스틱 및 휴대폰이나 카메라의 플래시카드와 같은 플래시메모리 장치와 같은 방식이다.
이전의 탄소나노튜브 장치들은 대부분 이산화실리콘을 절연층으로 사용했다. 그러나 이 물질에 전하를 싣는 데에는 수 밀리초나 걸리며, 이것은 메모리의 관점에서는 긴 시간이다. 현존하는 플래시 메모리는 동일한 작용을 수행하는데 겨우 수 마이크로초가 걸린다. 그러나 핀란드 헬싱키공대(Helsinki University of Technology)의 패이비 토르매(Paivi Torma)와 유배스큘래대(University of Jyvaskyla)의 동료들이 개발한 새 장치는 다른 절연 물질을 이용함으로써 그러한 격차를 줄였다. 이들은 게이트 전극을 얇은 산화하프늄(hafnium oxide) 층으로 덮었다. 산화하프늄은 전압변화에 매우 민감하며 전하를 붙잡는데 도움을 주는 다공성 구조를 가진다.
시험에서 이번 새 장치는 겨우 100나노초만에 데이터를 저장하고 지울 수 있었다. 이것은 이전 시작품들보다 크게 향상된 것이며 심지어는 상용 플래시메모리보다 더 빠른 것이다. “최적화나 다듬는 과정을 거치지 않았다는 점을 고려하면 이것은 대단히 놀라운 결과다. 실제로 100나노초라는 한계를 만드는 것은 나노튜브 메모리가 아니라, 우리의 실험기구이다. 그래서 이 장치는 더욱 높은 속도에서도 작동할 수도 있을 것이며, 단지 아직 우리가 모르고 있을 뿐이다”라고 토르매는 말한다. 이 장치는 그럭저럭 18,000번의 작동을 견뎌냈으며, 이것은 메모리 장치에 있어서는 적당한 수명이라고 그녀는 덧붙였다.
지금까지는 단지 하나의 탄소나노튜브 요소에 대한 시험만 해왔기 때문에, 다음 과제는 배열로 만들어 작동하는 메모리 칩을 만드는 것이다. 그리고 비록 연구진은 전원이 차단된 뒤 며칠 동안 데이터를 ‘기억’할 수 있다는 것만 입증했지만, 이 기간이 확장될 수 있다고 연구팀은 확신하고 있다. 케임브리지대(University of Cambridge)에서 나노전자공학을 연구하고 있는 안드레아 페라리(Andrea Ferrari)는 이번 연구를 ‘중대한 진전’이라고 부른다. 느린 기록속도 때문에 일부 연구자들이 단념하기도 했던 이러한 탄소 장치에 대한 관심이 이번 발견 덕분에 부활될 것이라고도 그는 덧붙였다. “이번 연구는 탄소나노튜브 장치를 다시 유명하게 만들기 위한 첫 단계이다”라고 그는 말한다. 그러나 상업적으로 대규모로 나노튜브를 메모리칩에 고밀도로 제조하는 데에는 여전히 장애물이 남아있다고 그는 지적한다. 오늘날의 장치에서 메모리를 만드는데 사용되는 정교한 대규모 실리콘 제조공정들에 비해서, 대량의 나노튜브들을 적당한 위치로 조작하는 것은 쉽지 않다. 그러나 전기장을 이용해서 이동시키는 것과 같은 새로운 기술들이 빠르게 발전하고 있다. GTB

나노튜브를 이용한 배터리 성능 향상
전기를 보다 효율적으로 저장하는 것이 필요한가? 최근 라이스대(Rice University) 연구진은 리튬 이온 배터리(lithium-ion batteries)의 성능을 향상시킬 수 있는 전극 재료로서 하이브리드 탄소 나노튜브 금속 산화물 어레이(hybrid carbon nanotube metal oxide arrays)를 제조하였다. 전하를 보다 오랫동안 저장하는 전기 자동차 및 장치에 대한 세계적 요구에 최우선으로 부응하는 배터리 기술을 이용하기 위해선 이러한 혁신적 기술 개발이 핵심이다. 또한 전기화학적 캐패시터(capacitors) 및 연료 전지(fuel cells)도 유용하게 사용될 수 있다.
라이스대 풀릭켈 아자얀(Pulickel Ajayan) 연구진은 나노튜브가 전선에 사용되는 동축 케이블처럼 작동하도록 하는 원리 검증 실험을 최근 보고하였다. 동축 튜브는 산화 망간(manganese oxide) 껍질과 전도성이 우수한 나노튜브(nanotube) 중심으로 구성된다. 이번 연구 결과는 나노 공학의 우수한 연구 사례로 연구진은 평가하고 있다.
연구진은 두 가지 재료를 이용하였는데, 하나는 전기 전도성이 매우 우수하고 리튬 이온을 흡수하는 나노튜브이며, 다른 하나는 캐패시턴스는 우수하지만 전기 전도도가 떨어지는 산화 망간이다. 이러한 각각의 재료를 조합하면 보다 흥미로운 사실이 나타난다. 개발된 재료는 전기를 많이 보유할 수 있어 이를 효율적으로 운송할 수 있다. 연구진은 위와 같은 배터리가 나타내는 충전/방전 싸이클의 수는 보다 큰 캐패시턴스를 지닐지라도 크게 향상될 것으로 기대하고 있다.
비록 위와 같은 재료의 조합이 몇몇 연구진에 의해 복합 전극으로 연구되었었지만, 개발된 디자인은 리튬 배터리용 전극 재료로서 향상된 성능을 제공하는 동축 케이블의 의미를 지닌다. 현재 연구진은 최대의 성능을 뽑아내기 위해 개발된 디자인의 구조를 변경 중에 있다. 단지 몇 나노미터의 직경을 갖는 나노튜브는 다수의 배치 구조로 병합될 수 있다. 미래의 배터리는 얇고 유동적인 특징을 가질지도 모르며, 이러한 개념은 대형의 배터리에도 적용될 수 있다. 또한 라이스 연구진이 개발한 하이브리드 나노케이블은 배터리 요소를 결합시키지만, 전도성을 저해하지는 않는 재료인 결합제가 필요 없다. GTB

휴대용 전원공급이 가능한 최신 메탄올 연료전지 독일서 개발
독일에서 개발된 휴대용 연료전지 기술을 미 국방부에서 관심을 보이고 있으며, 관련 연료전지 기술 덕분에 군사기술의 발전과 실전 전략 수행에 있어 획기적인 진전이 이루어지고 있다는 소식이다.
독일계 한 회사는 인체 착용이 가능한 연료전지 기술을 최근 소개하였는데, 이로써 직접적으로 인체 착용이 가능한 메탄올 연료전지 기술 실용화가 이루어질 수 있는 기반이 마련되었다. 그동안은 전력공급 방식에 있어 대게 기계적인 요소가 주를 이루었던 것과는 대비되는 획기적인 발전이 아니라 할 수 없을 것이다.
수상경력이 빛나는 단축스택 기술디자인에 기반한 Jenny 600S라 불리는 신형기술은 20시간 동안 25와트의 전력만을 사용한다고 Smart Fuel Cell社는 발표했다. 또한 美 국방부의 지난 10월 착용성 연료 경쟁 부문에서 치열한 경쟁을 뚫고 최우수 기술력으로 인정받는 명예를 거머쥐었다. 하지만 앞서 언급하고 있는 최신 기술은 게임 상에 존재하는 듯한 이론이 더이상 아니다. 휴대용 연료전지의 실용화가 눈앞에 온 만큼, 일부 회사(UtraCell社 와 Jadoo Power社)들은 국방부 관계자들과 긴밀하게 접촉하여 군용 기술로 발전시켜 나가고 있다고 발표하였다.
Jenny 기술을 통해 대체가능한 액체 메탄올 연료 카트리지 사용이 가능해졌고, 또한 다양한 방식으로 군인들에게 착용이 가능할 것이라 보고 있다. 결국 착용과정에 준비시간이 필요없고, 자동적으로 충천이 가능한 배터리 덕분에 이동시간 마저 단축될 수 있다고 하였다. 상·하위 자유로운 착용이 가능하고 현장에서 작전 수행 중 수동모드에서 자동모드로의 전환이 자유로운 장점이 있다.
휴대용 배터리의 무게 역시 획기적으로 줄어 실전 요원들의 70퍼센트 이상이 특정 임무수행에 이용될 수 있을 것이란 긍정적인 반응이 나오고 있다.
또한 군사시설 연구소와 Natick 군사센터에 의해 인증절차를 거쳐 동의를 받은 스마트 연료전지 시스템은 비-가압 메탄올을 사용하기로 결정한 상태이다. 저압 메탄올 기술은 안전성 측면에서 수소, 부탄, 프로탄 등의 압축가스에 비해 안전성이 뛰어난 것으로 평가받고 있는 상태라 머지않은 미래에 상용화가 가능하리라 볼 수 있다. GTB

차세대 가정용 연료전지를 위한 연료처리장치 개발
소형화와 비용절감을 실현 
일본 도쿄가스는 가정용 연료전지(고체고분자형 연료전지(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel Cell)를 이용한 1KW급 가정용 코제너레이션(co-generation) 시스템이다)의 차세대 설비에 탑재될 예정인 연료처리장치(도시가스로부터 수소를 빼내는 장치)의 개발에 있어 종래의 성능을 유지하면서 용적을 약 2/3로 소형화하고, 제조비용을 1/2로 줄이는데 성공하였다. 이것은 연료처리장치의 제조를 대폭 간소화함과 동시에 새로운 고성능촉매를 채용하게 됨으로써 이루어진 성과이다.
이번에 개발된 연료처리장치의 특징은 다음과 같다.
- 구조의 대폭적인 간소화
종래의 연료처리장치는 도시가스로부터 수소를 빼내어 개량효율을 높이기 때문에 복잡한 구조로 되어 있으나, 이번에 개발된 연료처리장치는 종래의 효율을 유지한 상태로 구조를 대폭 간소화하였다. 종래에 비해 부품개수를 약 30% 줄였으며, 용접선 길이도 약 40% 감소시켰다.
- 고성능 촉매 개발, 채용
연료처리장치는 도시가스로부터 수소를 빼내기 위하여 반응 촉진제로서 촉매를 사용하고 있다. 종래의 촉매에서 필요한 성능을 확보하기 위해서는 다량의 촉매가 필요하기 때문에 연료처리장치의 용적이 클 수 밖에 없었다. 따라서 새로운 고성능촉매를 개발하였으며, 그 촉매를 이번에 개발한 연료처리장치에 채용함으로써 종래에 비해 촉매사용량을 30~50% 감소시킬 수 있으며, 연료처리장치의 용적을 약 2/3로 소형화할 수 있다.
가정용 연료전지의 시스템 구성은 다음과 같다.
(1) 연료처리장치(이번 개발로 소형화, 비용절감에 성공한 장치): 도시가스로부터 수소를 빼낸다.
(2) PEFC 스택(stacks): 연료처리장치에서 빼낸 수소와 공기공급장치에서 공급된 산소를 사용하여 직류전기를 발생시킨다.
(3) 인버터: PEFC 스택으로 발전한 전류전기를 교류로 교환한다. 또, 전력회사의 전기와 연계하기 위해서 필요한 성능을 준비한다.
(4) 열회수장치: PEFC 스택과 연료처리장치로부터 열을 회수하여 약 60℃의 온수를 만든다.
(5) 저수조: 회수한 따뜻한 물을 가둬두어 공급수요가 있을 때 공급합니다.
(6) 백업 열원기: 저수조 내의 온수로 급탕수요를 대응할 수 없는 경우, 백업 열원기에서 가열하여 공급한다. GTB

직접발전형 연료전지용
열화가 빨리 진행되지 않는 전극개발, 로스 적게
東京工業大學의 伊原學准 교수는 석유나 천연가스 등 화석연료에서 직접 전기를 만드는 연료전지형으로 고성능 전극을 개발했다. 종래의 전극에 비해 출력을 높여도 열화가 빨리 이루어지지 않는다. 직전발전형 연료전지는 화석연료에서 일단 수소를 만들어 연료로 쓰는 종래형에 비해 효율을 1.3배까지 향상시킬 수 있으리라 기대되고 있다. 기업과 공동으로 5년 이내에 실용화할 계획이다. 개발한 전극은 니켈 등으로 된 재료에 스트론튬, 세륨, 이트륨으로 된 재료를 첨가하여 만든다.
이 전극을 사용하여 연료전지를 시작했다. 화석연료의 주성분인 탄화수소를 사용하여 발전시켜 본 결과, 1평방센티미터당 0.42와트의 출력을 얻을 수 있었다. 탄화수소에서 직접 발전하는 방식의 경우에는 지금까지 0.29와트가 최고였다.
탄화수소를 직접 전기로 바꾸는 연료전지의 연구는 지금까지도 있었으나 전극에 탄소가 부착하여 성능이 열화하는 등의 과제가 있었다. 이번에 개발한 전극은 열화가 쉽게 진행되지 않는다고 한다. 일반적인 연료저지는 탄화수소를 수증기와 반응시키는 「수증기개질」이라는 방법으로 만든 수소를 사용하여 산소와 반응시켜서 전기를 만든다. 그러나 에너지 로스가 커서 연료전지의 에너지 효율은 50% 정도에 그친다.
직접 전기를 만드는 이번 연료전지기술에서는 67% 정도까지 높일 수 있을 것이라고 한다. 일경산업

소형연료전지 실용화 눈앞에
모바일기기용 메탄올로 장시간 구동
대전화나 노트북 컴퓨터의 차세대 전원으로 기대되는 소형연료전지의 개발이 가속화되고 있다. 파나소닉은 노트북 컴퓨터용에서 세계 최소 연료전지를 개발했다. 2012년도에 상품화한다. 東芝는 09년에 연료전지를 탑재한 휴대전화를 발매할 계획이다. 휴대형 연료가 사용되는 소형연료전지는 전원이 끊어질 염려가 없고 환경부하도 가볍다. 각 사가 개발을 다투고 있어 실용화가 눈앞에 다가왔다. 파나소닉이 개발한 것은 노트북 컴퓨터 본체 하부에 끼워 넣는 연료전지 팩. 체적은 현재의 노트북 컴퓨터용 리튬이온전지와 거의 같은 270cc. 연료와 공기를 보내는 펌프와 모터를 개량, 2년 전에 업계 최소라고 발표한 시작품에서 체적을 다시 반으로 줄였다. 연료에 메탄올을 사용하는 직접 메탄올식 연료전지(DMFC)라고 불리는 타입으로 50cc를 주입하면 약 5시간 구동한다. 이번에 개발한 연료전지의 연료이용 효율은 80%로 업계 최고 수준. 앞으로 백금 재료의 사용을 줄이는 등 원가 압축에 들어간다. 일경산업

東芝 하이브리드식 연료전지
東芝는 2008년도 말에 소형연료전지를 탑재하여 텔레비전 등을 시청할 수 있는 휴대 미디어 플레이어를 발매했다. 또한 휴대전화 회사와 제휴하면서 올해 안에 휴대전화기에도 탑재할 계획이다. 리튬이온전지와 DMFC를 도입한 하이브리드 방식으로 리튬이온전지 단독에 비해 구동시간은 2배가 된다.
東芝가 시작한 연료전지가 내장된 휴대전화기의 사이즈(접었을 때)는 세로 113밀리미터, 가로 54밀리미터, 높이 17.5밀리미터로 일반 휴대전화보다 약간 두꺼운 정도. 구조를 연구하여 소형화했다. 출력은 밝히지 않았지만 시스템적으로 1.5와트 전후의 출력이 가능하다고 한다. 3cc전후의 메탄올을 충전할 수 있다. 대기상태일 때에 발전하여 리튬이온전지에 충전하며 메탄올을 보급하면 기기를 계속 사용할 수 있다. 전용 연료 카트리지(50cc)를 개발하여 편의점 등에서 판매할 계획이다. 휴대기기용은 파나소닉, 東芝 2개 사가 선행하고 있는 양상인데, 타사도 기술개발을 서두르고 있다. 日立製作所가 휴대형 전원으로 개발을 추진하는 연료전지도 DMFC형을 채용한다. 우선 일반가정이나 공사현장에서 이용할 소형발전기용의 사업화를 목표로 한다. 출력은 100와트급이 될 전망이다.
샤프는 소형연료전지의 체적당 밀도(출력밀도)가 1cc당 0.3와트로 세계 최고가 되는 기초기술을 개발했다. 각 사와 같은 DMFC형으로 발전부를 구성하는 단위전지를 입체적으로 배치하여 효율을 높였다. 리튬이온전지에 비해 20% 정도 소형화할 수 있다.
실용화가 눈앞에 다가온 소형연료전지이지만 한편으로 고성능·저가화가 진행되고 있는 리튬이온전지와 어떻게 차별화할 것인가가 과제가 된다. 컴퓨터용 리튬이온전지는 1회의 충전으로 5-6시간 유지할 수 있게 되었다. 저가격화도 진행되어 연료전지가 가격 면에서 따라잡기는 어려울 듯. 그러나 소형연료전지의 이점인 장시간 구동의 특징을 살린 새로운 용도개발이 사업화의 열쇠가 될 것이다.
파나소닉은 「의료기기의 비상용 전원 등 새로운 용도를 공동개발해 줄 파트너를 찾고 있다」(회사 관계자)고 한다. 소형연료전지는 연료에 메탄올 이외에 부탄이나 금속가루 등을 사용하는 타입도 있는데, 일본 국내 대기업이나 한국의 삼성 그룹 등 주요 기업의 대부분은 에탄올형 개발에 힘을 쏟고 있다. 일경산업

백금을 사용하지 않는 연료전지
촉매의 작용 해명
北陸先端大, 실용화에 박차
北陸先端科學技術大學院大學의 寺倉淸之 특별초빙교수 등의 연구팀은 고가의 백금은 사용하지 않는 연료전지의 시스템을 밝혀냈다. 탄소재료를 촉매로 이용하는 연료전지로 촉매분자의 활동을 시뮬레이션으로 재현, 촉매로 작용하는 이유를 해명했다. 해석한 결과를 바탕으로 탄소로 된 촉매를 개량하면 백금을 사용하지 않는 값싼 연료전지의 실현으로 이어질 수 있다. 연구팀은 群馬大學이 개발한 「카본아로이」라고 하는 탄소 입체구조물이 연료전지의 촉매로 작용하는 메커니즘을 조사했다. 카본아로이는 자동차나 가정에서 사용할 수 있는 고체고분자형 연료전지용 촉매로서 백금을 사용하지 않아 싼값에 만들 수 있다는 이점이 있다. 단, 촉매로서 작용하는 이유를 밝혀내지 못한 상태였다.
나노(10억분의 1)미터 레벨에서 물질의 성능이나 구조를 계산하는 「제1원리계산」이라고 하는 방법을 사용하여 탄소와 질소 등의 원자가 한 개씩 움직여서 촉매로 작용하는 모습을 시뮬레이션으로 재현했다. 그 결과, 입체구조 가운데 지그재그 구조 끝 부분에 질소가 있으면 그 부근의 탄소를 활성화하여 촉매로 작용하게 된다는 것을 알게 되었다. 연료전지의 전극에서는 백금을 사용할 필요가 있으나 고가이기 때문에 연료전지의 실용화와 보급의 장벽이 되고 있다. 카본아로이는 백금을 사용하지 않기 때문에 값싼 연료전지의 실현이 가능할 것으로 기대되고 있었는데 어떻게 작용하는가가 해명되었으므로 실용 수준까지 개량할 실마리를 얻게 된 것이라고 한다. 일경산업

변형유지, 순간의 전압으로
東大가 가공기술
스위치 전력 절약에 기억촉매에 응용도
東京大學의 森田剛准 교수 연구팀은 전자부품에 사용하는 압전세라믹스에 형상기억기능을 부가하는 기술을 개발했다. 종래의 압전세라믹스는 형상을 유지하기 위해 전압을 계속 가할 필요가 있었는데, 형상기억기능을 갖게 되면 그럴 필요가 없다. 휴대전화 등에 사용하는 미소 스위치의 소비전력을 대폭 줄일 수 있다. 또 전원을 꺼도 정보를 유지할 수 있는 불휘발 메모리 등에 응용할 수 있다.
압전세라믹스로 일반적인 티탄산 지르콘산연(鉛)(PZT)를 이용한다. PZT를 섭씨 150도로 가열한 상태에서 700볼트의 직류전압을 가하면 PZT의 특성이 변화한다. 0.1초 만에 전압 130볼트를 가하면 변형된 상태에서 형상을 유지한다는 것을 알게 되었다. 거기에 더 전압을 가하면 원래의 형상으로 돌아온다.
압전세라믹스는 전압을 가하면 물리적으로 변형하는 재료로, 전기에너지를 기계적인 에너지로 바꾸는 재료. 잉크젯 프린터나 각종 센서, 스위치 등 공업제품 등에 폭넓게 사용되고 있다. 지금까지의 압전세라믹스는 전압을 가하고 있을 때에만 변형되었다.
이번에 개발한 기술을 사용하면 전압을 순간적으로 가하기만 하면 형상을 유지하는 성질을 갖게 할 수 있다. 전압을 계속 가할 필요가 없어져 소비전력을 대폭 줄일 수 있다. 휴대전화에 필요한 고주파 전파의 스위치 등에 대한 응용이 가능하다고 한다.
또 이번의 기술로 만든 압전세라믹스는 「비유전율(比誘電率)」이라는 물리특성도 유지할 수 있다. 이것을 이용하면 불휘발 메모리를 만들 수 있다고 한다. 일경산업

단백질 새로운 합성과정 발견
효소의 효율생산
筑波大學은 지금까지 알려지지 않았던 단백질이 만들어지는 과정을 발견했다. 단백질의 일종인 효소가 단백질의 일부를 교체했다. 효소를 사용하는 공업생산의 효율을 높일 수 있을 것이라고 한다. 筑波大의 小林達彦 교수 등은 니트릴히드라타제라고 하는 효소가 코발트를 받아들여 활성화하는 현상을 관찰했다. 코발트를 포함하지 않는 활성이 없는 효소가 다른 단백질과 함께 만들어진 코발트를 포함하는 블록과 블록끼리 교환하여 활성화하고 있다는 것을 밝혀냈다. 종래는 코발트를 포함하지 않는 효소가 만들어진 뒤 코발트만을 받아들여서 활성화한다고 생각해 왔다.
발견한 현상은 유전자 정보에서 단백질을 합성하는 시스템을 해명하는 새로운 단서가 될 가능성이 있는 이외에 이 현상을 이용하면 공업생산에 사용하는 효소를 재활성화하는 기술로도 이어질 수 있다고 한다. 일경산업

탄소방출량 토양의 종류별로 추정
原子力機構 등 신기술
온난화의 장기예측, 정밀하게
日本原子力硏究開發機構는 지구온난화 예측용으로 토양의 탄소방출량을 추정하는 신기술을 개발했다. 유기물에 포함된 방사성 탄소를 분석하여 토양의 종류별로 탄소의 체류 시간을 예측한다. 온난화의 정밀한 장기예측에 도움이 된다. 森林總合硏究所와의 공동연구로 미국 학술지에 논문을 게재했다.
신기술은 우주선이나 지상의 핵실험으로 만들어진 방사성 탄소의 양으로 토양 속에 탄소가 체류해 온 시간을 계산한다. 岩手縣의 너도밤나무 숲에서 분석해 보니, 약 70%의 탄소가 100년 이상에 걸쳐 토양에 축적되었다는 것이 판명. 체류시간이 20년 이하인 것도 20% 정도 존재했다. 분석한 토양의 구성비를 이용하여 지구온난화가 계속될 100년 후까지 대기 중에 방출될 탄소의 양을 예측했다. 약 50년 후까지는 체류시간이 짧은 토양에서의 탄소 방출이 많았지만 그 후는 체류시간이 긴 토양에서의 방출량이 컸다. 식물의 사해(死骸)등을 포함한 토양에는 대기의 몇 배의 탄소가 축적되어 있다. 온도 상승으로 미생물의 유기물분해가 진행되면 대량의 CO2가 대기 중에 방출되어 온난화를 가속할 것이라는 지적이 있다. 연구팀은 앞으로 세계의 여러 지역의 토양에서 이 방법을 응용해 나갈 예정. 일경산업

빛의 제어, 효율 10배로
초고속 계산기에 길
東京大學의 荒川泰彦 교수 등은 광자(빛의 입자)를 종래의 10배 이상 효율적으로 제어하는 기술을 개발했다. 반도체를 미세 가공하여 빛이나 전자를 가두는 특수한 구조물을 만들어 실현했다. 초고속 연산계산기의 실용화에 길을 여는 성과이다.
빛의 제어에는 「포토닉 결정」이라고 하는 특수한 입체구조를 한 반도체를 사용했다. 이 결정은 광자를 하나씩 조종할 수 있기 때문에 고속의 광통신 기술 등에 응용이 기대되고 있다.
荒川교수 등은 MEMS(미소전기기계시스템)이라고 하는 초미세 기술을 사용, 가로세로 10마이크로미터, 높이 5마이크로미터의 포토닉 결정을 만들었다. 내부에 전자를 가두는 10나노미터 사방의 「양자 도트」를 담아 전자도 동시에 제어할 수 있게 하였다.
빛을 자유자재로 제어할 수 있게 되면 광통신의 대폭적인 에너지절약화로 이어진다. 고도의 암호해독이나 복잡한 시뮬레이션이 가능해질 미래의 초고속 계산기인 양자 컴퓨터의 실현으로도 연결된다. 일경산업

자기의 방향 전자의 스핀으로 반전
理硏 등, 메모리에 응용
理化學硏究所의 大谷義近 팀리더와 東京大學은 공동으로 전자의 자전에 상당하는 스핀만을 사용하여 금속의 자기 방향을 반전하는 실험에 성공했다. 미래의 초고밀도 자기 메모리나 고감도 자기 센서의 실현으로 이어질 기초기술이 된다고 한다. 실험에서는 길이 100나노미터, 폭 50나노미터 정도의 미소한 금속의 자성체를 270나노미터 떨어뜨려 놓고 그 사이를 구리의 선으로 연결했다. 왼쪽 자성체에 전류를 넣으면 스핀이 한 방향으로 일정한 전자가 자성체 아래 모여 도선을 타고 서서히 퍼져간다.
전자가 오른쪽 자성체에 이르러 흡수되자 스핀과 자성체의 자기가 상호작용하여 자기의 방향이 반전되었다. 전자스핀의 방향을 거꾸로 하여 다시 한 번 흡수시키자 원래의 방향으로 되돌아갔다.
스핀을 떠맡은 전자는 전하의 이동을 동반하지 않는 특수한 전자의 흐름 「스핀류(流)」에 의해 운반된다. 전하를 운반하는 통상의 전류와 달리 열을 내지 않으며 외부로부터의 영향도 잘 받지 않는다. 전자의 스핀을 활용하는 스핀트로닉스 기술은 전하를 사용하는 종래의 일렉트로닉스 기술로는 실현이 불가능한, 고속으로 저소비 전력의 정보처리를 가능케 한다고 하는 기대가 높아지고 있다. 스핀에 의한 자기의 반전은 스핀트로닉스의 기초기술의 하나. 자기기록의 초고감도의 해독 헤드나 초고밀도 자기 메모리의 필기 기술 등에 응용을 기대할 수 있다고 한다. 일경산업

LED용 형광체 생산 3배
三菱化學, 자회사를 흡수 합병
三菱化學은 액정 텔레비전의 광원 등에 사용하는 백색발광다이오드(LED)용 형광체를 증산한다고 발표했다. 형광체 자회사인 化成옵토닉스(神奈川縣 小田原市)를 올 4월 1일부로 흡수 합병하고, 이 회사의 小田原 공장에서 LED용 형광체를 양산. 생산능력을 현재의 3배로 높인다. 액정의 광원이 현재의 CCFL(냉음극형광관)에서 고휘도로 소비전력이 낮은 LED에 시프트하리라고 보고 이 시장을 본격적으로 개척한다.
액정 텔레비전용 축으로 개척
백색, 자연스런 색조로
化成옵토닉스는 액표시장치용 CCFL과 플라즈마 텔레비전에 사용하는 제조·판매하고 있다. 三菱化學이 97.3%, 大日本塗料가 2.7% 출자하고 있는데, 大日本塗料의 보유주식을 매입하여 합병 흡수한다. 형광체 사업을 본체와 통합하여 三菱化學이 중점사업으로 위치 지우는 고정조명사업을 강화한다.
LED용 형광체는 현재, 筑波사업소(茨城縣 牛久市)에서 월간 100킬로그램을 생산하고 있는데, 化成옵트의 小田原 공장에도 약 10억 엔을 투자하여 올 9월에 월간 200킬로그램의 양산체제를 갖춘다.
三菱化學이 생산하는 형광체는 칼슘 등을 재료로 하는 적색과 녹색의 미세한 입자로 특히 적색 형광체의 제조방법에 독자의 기술이 있다. 청색 LED를 조합시키면 「적·녹·청(RGB)」등 빛의 3원색이 갖춰져 태양광에 가까운 백색으로 빛난다. 실내조명에 사용하면 식품 등을 자연스론 색조로 비출 수 있다고 한다.
종래의 백색 LED는 청색 LED와 황색의 형광체를 조합시켜서 백색을 만들고 있다. 현재, 백색LED의 90% 이상이 이런 방식으로, 청색 LED에서 선행하는 日亞化學工業이 압도적인 점유율을 쥐고 있다.
이에 대해 三菱化學은 3원색 방식 쪽이 영상의 색재현성이 높다고 보고 있으며 액정 패널 속에서도 화질에 대한 요구 수준이 높은 텔레비전용을 종심으로 시장개척을 목표로 한다. 2015년도에는 액정표시장치의 광원의 50%가 LED로 바뀔 것으로 보고 있어 표시장치용 형광체에서 최고 점유율을 지향한다.
三菱化學은 빨강과 녹색의 형광체뿐 아니라 청색 LED도 제조하고 있고 10년도까지 백색 LED 칩의 제조·판매를 자력으로 이뤄낼 생각이다. 이 회사는 작년 3월에는 三菱電線工業으로부터 「근자외LED」라고 하는 차세대 LED사업을 매수하여 실내조명용 LED의 시장개척도 노리고 있다. 일경산업

에너지 절약형 백색조명 실현에 길
자외선 LED 밝게 발광효율 50% 증가
東芝은 발광효율이 종래에 비해 50% 높은 자외선 발광 다이오드(LED)를 개발했다. LED에 사용하는 화합물 반도체 재료의 제조법을 개량, 재료에 결함이 잘 생기지 않도록 해서 발광효율을 높였다. 자외선을 사용함으로써 지금까지 LED에서는 실현하지 못했던 형광등과 같은 백색광을 낼 수 있다고 한다. 현재의 형광등을 대신할 조명용 LED로서 2010년 이후의 상품화를 목표로 한다.
백색광을 내는 LED는 소비전력이 적은 실내용 조명으로 개발이 진행되고 있다. 지금까지는 자외선의 발광효율이 낮았기 때문에 청색LED에서 나오는 빛을 형광체에 쏘아서 백색광을 발해 왔다.
그러나 청색LED를 사용하면 적색이 충분하게 나오지 않기 때문에 식품이나 의료품의 경우 표면이 빨간 것에 닿으면 거무칙칙하게 보이게 되는 과제가 있어 식품 슈퍼나 의류용품점 등에서는 사용하기 어려웠다.
東芝는 파장 383나노미터의 자외선을 내는 LED의 재료를 연구했다. 재료는 사파이어 기판 위에 발광하는 질화갈륨 등을 겹쳐서 만든다. 지금까지는 기판과 질화갈륨 경계 부근에서 결함이 생겨 금이 생기기 쉬워서 발광효율이 떨어지는 원인이 되었다. 새로운 제조법은 두께 10마이크로미터의 질화알루미늄 층을 사파이어 기판과 질화갈륨 사이에 마련하는 등으로 하여 결함의 발생을 억제했다. 종래에 비해 결함의 수가 10분의 1 이하가 되었다고 한다.
자외선 LED를 시작하여 20밀리암페어의 전류를 가한 결과, 23밀리와트 밝기의 빛이 나왔다. 종래 같은 전류로 15밀리와트가 최고였다고 한다. 자외선LED는 청색, 녹색, 적색으로 발광하는 형광체를 표면에 바름으로써 백색LED가 된다. 東芝는 에너지 효율이 나쁜 백열전구의 생산을 2010년에 중지할 방침으로, 작년 4월에 신(新)조명 시스템 사업총괄부를 설치했다. 백색LED 등 차세대 조명으로 2020년도에 1조 엔의 매상을 목표로 하고 개발에 힘을 쏟고 있다. 일경산업

東芝機械와 早大
대면적 글라스에 나노 구조
장치개발 반사억제, 화상 선명하게
東芝機械와 早稻田大學은 공동으로 면적이 큰 글라스 등의 표면에 폭이 수 십 나노미터라는 극히 미세한 구조를 새긴 장치를 개발했다. 대면적 글라스 기판 등을 성형하는 금형의 원반을 만드는데 사용한다. 종래에 비해 10배 이상의 면적을 가진 글라스 기판을 성형할 수 있다. 디스플레이용 글라스 기판의 표면을 가공하여 빛의 반사를 억제할 수 있게 되면 실외에서도 화상을 선명하게 볼 수 있는데다가 실내에서는 밝기를 줄여서 에너지 절약으로 이어갈 수 있다. 올 연말까지 제품화할 계획이다.
개발한 장치는 표면에 미세 패턴을 붙인 석영 글라스 틀(마스터)로 기판에 규칙적인 구조를 새긴 「나노인프린트」라는 기술을 사용한다. 早大의 壓子習一 교수와 水野潤·准 교수 등의 협력을 얻었다.
마스터의 크기는 사방 1~2센티미터. 사방 약 30센티의 석영 글라스 기판 위에 금속제 마스터를 깔아서 자외선으로 굳히는 재료(레지스트)를 바른 뒤에 마스터를 눌러대고 이면에 자외선을 쏘아서 레지스트를 굳힌다. 마스터의 위치를 바꿔서 대면적의 기판 전체에 나노 구조를 전사한다. 레지스트 등을 제거하면 유리 기판 위에 패턴이 남아 대형 마스터가 완성된다. 종래는 사방 몇 센티의 유리 기판이 한계였다고 한다.
장치의 동작을 모의(模擬)하여 실험한 결과, 유리 기판 위에 폭 50나노미터의 선을 50나노미터 간격으로 이어서 빈틈없이 새겨넣을 수 있었다.
나노인프린트는 디스플리에나 반도체 메이커가 양산품의 저가화를 위해 채용을 검토하고 있는 신기술. 그러나 큰 유리 기판 등을 가공할 수가 없었다.
대형 마스터를 금속제 시트를 눌러 대면 대화면의 금형이 된다. 이것을 롤로 말면 표면에 나노 구조를 붙인 디스플레이용 무반사 유리 기판이나 차세대 대규모 집적회로를 양산할 수 있게 된다.
▼나노인프린트  칫수가 수 백 나노미터 이하인 미세한 구조를 새겨 넣은 마스터라고 불리는 틀을 기판 위에 바른 수지에 눌러 대어서 구조를 전사하는 기술. 광학부품이나 대규모 집적회로(LSI)의 가공으로 공정 수를 줄일 수 있는 기술로 개발이 진행되고 있다. 그러나 마스터 자체의 제조 원가가 높다는 것이 과제 중의 하나. 東芝機械 등이 개발한 기술은 소형 마스터를 사용하여 효율적으로 대형 마스터를 만들 수 있다. 일경산업

비연(非鉛) 압전 세라믹스
생산 시간 5분의 1로
東大 수용액 속에 초음파로
東京大學의 森田剛准 교수의 연구팀은 납을 사용하지 않는 압전 세라믹의 생산시간을 종래의 5분의 1로 단축하는 기술을 개발했다. 압전 세라믹은 프린터 헤드나 손떨림 방지의 자일로 센서 등에 폭넓게 사용되므로 비연화(非鉛化)가 급선무. 연구팀은 압전성능을 더욱 향상하여 실용화를 지향한다. 개발한 것은 비연의 압전 세라믹스로서 유망한 니오브산 칼륨계 세라믹스를 초음파에 의해 수용액 속에서 생산하는 기술. 알칼리성 수용액에 금속 니오브와 칼륨을 녹여 섭씨 200도로 가열, 6~7 기압 정도로 압력을 높인다. 거기에 초음파를 쏘면 니오브산 칼륨이 생긴다. 3시간 만에 만들어졌다. 초음파를 사용하지 않는 종래 방법으로는 15시간 정도가 걸렸다. 이번 기술의 등장으로 생산성이 높아져 원가 삭감으로 이어진다. 단, 압력을 가하여 얼마만큼의 전압이 생길 것인가 하는 압전 세라믹스의 성능치는 납을 사용하는 티탄산 지르콘산연(PZT)에 비해 6분의 1. 앞으로 PZT 수준으로 성능을 높이는 기술을 개발하여 실용화한다. 일경산업

실내타일, 살균력 10배
광촉매 활용, 공기청정기도
금속가공의 후지코(北九州市, 사장 山本厚生)는 「용사법」이라고 하는 표면처리기술을 살린 광촉매 관련 제품의 판매에 나섰다. 살균력을 기존 제품의 10배 이상으로 높인 내장용 타일을 지난 11월에 발매한 이외에 올봄에도 필터 부분에 광촉매를 이용한 업무용 공기청정기를 내놓는다. 2013년 3월기에 광촉매 사업만으로 5억 엔의 매상고를 목표로 한다.
광촉매는 빛에 닿으면 유기화합물을 분해하는 등의 기능을 발휘한다. 산화티탄이 대표적인 예로 도료나 건재로 사용되고 있다. 촉매를 녹여 넣은 유리질의 용매에 기재를 담가 가열·정착시키는 졸겔법이 대표적인 제조법. 졸겔법은 광촉매 표면을 유리질로 덮기 때문에 광촉매 본래의 살균성능이 감쇄된다는 어려움이 있었다. 용사법은 가열 용해한 금속소재를 기재에 뿜어서 피막을 형성한다. 후지코는 이 기술을 광촉매 기공에 응용.
통상의 광촉매 타일의 살균력은 4~5시간 안에 1만 마리의 대장균이 100마리 정도로까지 줄어드는 수준인데, 후지코의 신제품은 5분 만에 모든 대장균이 사멸한다고 한다. 가격은 1평방미터 당 1만 엔 정도가 될 전망.
공기청정기는 제균 필터에 광촉매 가공을 한 알루미 부직포를 사용한다. 기구가 단순화됨으로써 활성탄과 세라믹 필터를 이용하는 일반적인 공기청정기와 같은 정도의 제균 성능을 유지하면서 체적을 3분의 1정도로 축소할 수 있다. 가격은 10만~20만 엔 정도로 병원 등에 판매한다. 후지코는 제철업용 용접제품이 주력. 08년 3월기의 매상고는 약 100억 엔. 일경산업

원자의 조작 실온에서
阪大 등  1개 단위로 매립
大阪大學과 물질·재료연구기구의 연구팀은 재료 표면의 특정 위치에 원자를 1개씩 매립하는 기술을 개발했다. 종래 기술과 달리 실온에서도 조작할 수 있어, 금속 이외에 전기가 통하지 않는 절연체에도 사용할 수 있다. 앞으로는 원자를 정밀하게 조립하여 새로운 전자소자를 만드는 기술 등에 응용할 수 있다고 한다.
개발한 것은 阪大의 杉本宜昭 특임강사와 森田淸三 교수 등의 연구팀. 미소한 바늘 끝으로 물질 표면을 따라서 미세한 형태를 측정하는 원자간력현미경(AFM)을 이용했다.
AFM의 탐침의 끝을 표면에 정도(精度) 높게 가까이 대면 표면과 탐침의 원자가 하나씩 교체되는 현상을 발견. 원자 크기의 약 10분의 1에 해당하는 0.01나노미터의 정도로 조작할 수 있는 AFM을 개발, 탐침의 실리콘 원자와 주석 원자를 교체하는 작업을 반복했다. 주석 표면에 실리콘을 의미하는 원소기호「Si」라는 글자를 새겼다. 원자를 움직이게 하려면 주사형 터널 현미경(STM)을 사용하여 원자를 기판에 흡착시키는 방법 등이 있다. 그러나 상당히 저온에서만 조작할 수 있거나 금속에만 사용할 수 있다는 등의 문제가 있었다. 탐침의 끝에 부착시키는 원자는 종류를 구별하지 않으므로 응용범위가 넓다고 한다. 일경산업

HDD의 자기 헤드 결정 내의 비균일 반으로
東北大 등 신기술 기억용량 3배
東北大學 등 연구팀은 기억용량이 종래의 3배로 1평방인치 당 1테라비트급의 HDD(하드디스크 구동 장치)를 실현할 수 있는 신기술을 개발했다. 자기헤드의 심장부에 해당하는 결정 내의 결함을 줄여 보다 작은 영역에서 정보를 독해할 수 있도록 했다. 앞으로 더욱 개량하여 2010년의 실용화를 목표로 한다.
東北大學의 高橋硏 교수, 角田匡淸·准교수와 富士通의 공동연구 성과. 결정은 두께 30나노미터의 절연층으로 불리는 부분이 독해 성능을 결정한다.
보통은 다른 재료를 모두 겹쳐 놓은 뒤에 가열하여 결정화하는데, 이 방법에서는 절연층의 결정에 결함이 생기기 쉽다. 연구팀은 절연층의 재료로서 산화마그네슘을 적층하여 일단 가열하고, 다시 남은 재료는 겹치는 방법으로 결함을 줄이는데 성공했다.
전자현미경으로 일정 영역을 관찰한 결과, 결함의 비율은 반 이하로 줄어 있었다. 결정의 면적을 2분의 1이하로 작게 해도 같은 성능이 나온다고 한다.
HDD는 하드디스크(HD) 위에 만든 미세한 자석의 방향을 디지털 정보로 바꾸어 기록한다. 자기 헤드는 자기의 강도를 전류로 교환하는 특수한 결정을 사용하여 정보를 읽는다. 기억용량을 크게 하려면 보다 작은 영약의 약한 자력을 전류로 바꿀 수 있는 결정이 필요하다.
연구팀은 지금까지 결정의 절연층에 사용할 재료를 변경하는 등의 방법으로 기억용량을 향상시켜 왔다. 단, 현재의 결정제작법으로는 1평방미터 당 500기가비트가 한계였다고 한다.
이번 기술의 등장으로 동일 테라비트 급도 가능할 것으로 보고 있다. 현재 제품화되어 있는 하드디스크(HD) 가운데 가장 고용량인 것은 동 300기가비트. 일경산업

日立, 소비전력 1/3로
저온가열로 박막 형성
日立製作所는 차세대의 고속무선통신용으로 낮은 소비전력으로 구동하는 트랜지스터를 개발했다 고속처리에 적합한 반도체 재료인 실리콘 게르마늄을 사용한 독자의 박막형성기술을 이용, 종래의 약 3분의 1의 소비전력이면 된다. 새 트랜지스터는 5~10년 후에 등장할 것이라고 알려진 고속무선통신의 단말에 도입할 것을 상정, 구동전력 면에서 실현에 기준이 세워졌다고 한다. 휴대전화나 무선 LAN용으로 실용화할 예정이다.
개발한 것은 실리콘 게르마늄을 재료로 하는 화합물 반도체로 만든 무선 시스템용 트랜지스터. 앞으로 휴대전화나 무선 LAN 등의 용도가 상정되는 고 마이크로파 대인 6-30기가헬츠에서 이용한다.
저온가열로 가공할 수 있는 「에피탁셜 성장」이라고 하는 박막기술로 층을 제작함으로써 불순물을 약 8% 줄였다. 전자가 이동하기 쉬워져 구동에 필요한 전력을 종래의 약 3분의 1로 삭감할 수 있었다. 종래는 고온처리를 하여 가공했기 때문에 불순물이 녹아서 혼합되어 있었다.
에피탁셜 성장은 결정이 일정한 박막을 성장시키는 기술로, 지금까지 저온에서 성장을 시키려고 하면 층에 산소가 혼합되어 불순물이 나오는 원인이 되어 왔다. 이번에는 진공상태에서 수소를 주입하면서 처리함으로써 산소와 수소가 결합하여 불필요한 산소를 제거할 수 있었다.
트랜지스터 층끼리의 사이에 있던 불순물도 감소하기 때문에 전자의 이동이 자연스러워져서 충방전이 단시간이 끝난다.
실리콘 게르마늄은 실리콘만으로 된 트랜지스터와 비교하여 전자의 이동이 빨라 고속처리에 적합하다. 고속 대용량 통신용 이외에 화합물 반도체와 비교해도 비교적 싼값에 제작할 수 있다.
단, 고속처리에 따라 소비전력이 커지므로 휴대전화나 소형 컴퓨터 등 전지를 활용하여 움직이는 운반이 가능한 정보기기에는 적합하지 않았다. 앞으로는 회로 구성을 연구하는 등으로 저소비전력화를 추진한다.
▼차세대의 고속무선통신
거리를 이동하면서 무선에 의한 고속통신이 가능하며 휴대전화나 무선LAN 등을 이용하여 고도로 정밀하고 세밀한 화상도 원활하게 송수신할 수 있다. 실현에는 전파 대역의 확보가 필요. KDDI등의 WiMAX나 윌컴의 차세대 PHS 등 2.5기가헬츠 대에서 실용화가 눈앞에 다가와 있다.
日立이 이번에 개발한 전력 절약형 트랜지스터는 그 다음 세대용. 總務省이 전파에 여유가 있는 6-30기가헬츠 대에 주파수의 할당을 옮길 것을 검토하고 있는 것에 대응했다. 일경산업

공장의 폐액에서 금속을 효율적으로 회수
알루미 입자 활용 구리, 재활용하기 쉽도록
神戶製鋼所 자회사인 神鋼環境솔루션은 공장 폐액에 포함되어 있는 구리 등의 금속을 회수하는 기술을 개발했다. 종래는 폐수 처리의 일환으로 산업폐기물로 처분해 버렸지만 신기술로 금속만을 효율적으로 채취할 수 있어 재활용이 쉬워진다. 폐기물 처리대책과 금속자원의 유효활용으로 이어진다.
개발한 기술은 직경 2~3밀리미터 정도의 알루미늄 입자를 사용한다. 폐액과 섞으면 이온화 경향의 차이로 입자 표면에 구리가 석출된다. 입자에 초음파를 쏘아서 표면에 부착한 구리를 분리·회수하는 구조. 90~95%의 회수율을 달성할 수 있다.
神鋼環境솔루션은 실험에서 폐액을 모의(模擬)한 액체를 사용하여 구리를 회수할 수 있는지 아닌지를 확인했다. 구리의 농도는 수 백 - 수 천 ppm.
일반적으로 금속가공 공장이나 도금처리공장 등에서 나오는 폐액 속의 금속은 카세이 소다 등을 사용하여 분리하고 금속을 수산화물로 만들어 침전시킨 후 최종적으로 산업폐기물로서 처리하고 있다. 이 때 70~80% 정도의 수분을 포함하는 진흙과 같은 「슬러지」라고 하는 상태가 되고 용량도 커지는 어려움이 있다.
신기술은 금속만을 효율적으로 분리할 수 있다는 것이 특징. 용량에 대해서도 종래 방법에 비해 20~30분의 1로 줄일 수 있다.
회수한 구리는 재활용할 수 있으리라 보고 있다. 희소금속(레어메탈) 등 구리 이외의 금속을 회수하는 응용도 검토하고 있다.
구리 등의 비철 금속이나 레어 메탈의 가격은 중국 등 신흥국에서의 수요 증가와 공급불안을 배경으로 비등하고 있다. 지금 당장의 가격 움직임은 비교적 안정적이지만 여전히 높은 수준을 유지하고 있다. 神鋼環境솔루션은 금속가공공장 등에서의 실용화를 목적으로 한다. 일경산업

산화티탄을 도포한 유리관에 의한 저가·간편한 대기오염
가스의 동시 포집
이산화질소, 이산화유황 등의 대기오염 가스는 環境省에 의해 환경기준치가 정해져 있어 자동 측정 장치로 수십 년 동안 대기오염 가스 농도의 모니터링이 이루어져 오고 있다. 자동 연속 측정 장치는 초 단위로 연속해서 대기오염 가스 농도를 측정할 수 있는데, 1대에 수백만 엔으로 고가이면서 대형이어서 현장에서 간편하게 측정하기 위해서는 반드시 적합하다고 하기 어렵다. 대기오염 가스는 인체나 식물에 악영향을 주는데, 그 대책을 생각할 때, 초 단위의 대기오염 가스 농도의 측정은 필요치 않으며 장기적인 대기오염 가스의 평균 농도를 간편하며 정확하게 파악하는 것이 중요하다. 퍼시브 샘플러처럼 저가의 간편한 방법으로 대기오염 가스 농도를 측정하는 방법도 있는데, 대기오염 가스의 종류마다 개별적으로 포집 . 측정방법이 다르고 또 측정 정도가 충분하다고 말하기 어렵다.
따라서 산화티탄을 내벽에 도포한 유리관을 사용하여 이산화질소, 이산화유황, 암모니아 등의 수용성 대기오염 가스를 산화티탄의 표면 흡착수에 동시에 흡수시켜서 대기오염 가스를 측정하는 방법을 개발했다. TiO2를 도포한 유리관은 내경 1.56cm, 외경 1.8cm, 유효 길이 10cm로 콤팩트한 사이즈이다. 이 TiO2 포집관에 공기를 넣으면 대기 중의 가스 성분과 입자 성분의 확산계수의 차이로 가스 성분을 재빨리 확산하여 유리 내벽의 산화티탄 표면에 도달하여 초친수성인 TiO2의 흡착수에 흡수된다. 한편, 입자성분은 공기의 흐름과 함께 유리관을 통과한다. 따라서 가스성분만을 선택적으로 포집할 수 있다. 단순히 TiO2 포집관에 공기를 넣는 것만으로 이산화질소, 이산화유황, 암모니아 등의 대기오염 가스를 동시에 포집할 수 있으며 TiO2 표면의 흡착수에 흡수된 이산화질소, 이산화유황, 암모니아 등의 수용성 가스는 물로 간단히 추출할 수 있다. 추출된 시료 용액 속의 가스 성분은 이온 크로마토 그래프로 분리·정량되어 대기오염 가스를 일괄하여 측정할 수 있다. 또 TiO2 포집관은 특별한 처리를 하는 일 없이 그대로 몇 번이나 반복하여 대기오염 가스의 포집·측정이 가능하다는 편리성을 갖고 있다. 실제로 개발한 TiO2 포집관을 이용하여 100ppbv정도의 희박 표준가스를 0.1L/min에서 20분 도입하여 이산화질소, 이산화유황, 암모니아의 포집효율을 측정한 결과, 거의 100%로 포집할 수 있다는 것이 확인되었다. 앞으로 저가의 간편한 대기오염 가스의 새로운 포집·측정법으로서 이 TiO2포집관이 실용화되리라 기대할 수 있다. CJ

화력발전소의 고온배관 보온재를 재생 이용한 보수성 시멘트
성형재의 개발
關西電力(주)은 (주)森生테크노(대표이사 田中明則)와 공동으로 화력발전소에서 사용하는 보온재를 재생 이용한 보수성(保水性)시멘트 성형재를 개발했다. 이 보수성 시멘트 성형재는 보수시킴으로써 그 표면온도가 저하하여 조사 실험(500W 할로겐램프로 약 45시간 연속 조사하여 표면온도변화를 측정한 실험)에서 보통의 콘크리트판보다 최대 25℃정도 낮아진다는 결과를 얻을 수 있었다.
보온재는 화력발전소의 고온증기배기관 등을 덮어 배관에서 나오는 열방산을 억제하기 위해 부착되어 있는데, 점검, 공사 등에서 재이용하지만 복원이 불가능한 것은 폐기물로서 처분되고 있다. 그 처분하고 있는 보온재를 유효 활용할 수단으로서 보온재의 높은 보수 능력에 주목하여 재생 이용한 것이다. 또한 이번에 재생 이용한 보온재는 그 중에서도 규산 칼슘 보온재이다. 보수성 시멘트 성형재는 내부 구조적으로 무수한 공극과 모관을 형성하고 있어 부소한 수분이 적절하게 표면에 공급되는 구조를 이루고 있다. 따라서 표면에서의 수분증발이 지속적으로 이루어져 수분증발할 때의 기화열에 의해 표면온도가 저하한다. 또한 이 보수성 시멘트 성형재는 보온재의 파쇄 방법, 물과 시멘트의 비율 및 양생방법 등을 연구하여 분 냉각 능력을 실현할 수 있었던 것이다. 현재 주요 도시에서 히트 아일랜드 대책이 긴급한 과제가 되고 있어 지표면의 냉각방법으로서 보수성 인터록킹 블록이 활용되고 있는데, 보수성 시멘트 성형재는 예를 들면, 실외에서의 복사냉방장치로서 햇빛으로부터의 인체보호나 거축재료로 실내온도 상승억제(에너지 절약)등, 여러 가지 구조물에 대한 활용이 가능하여 앞으로 히트아일랜드 대책에 일익을 담당하게 될 것이다. CJ
다공질 세라믹 신재료 개발로 단열효과 비약적으로 향상
파인세라믹스센터(JFCC)는 다공질 세라믹스 기술을 응용한 신규 단열 재료의 개발에 성공했다. 실리카 입자에 나노 오더의 미세한 기공이 존재하는 나노 다공체 분체와 적외광 제어 세라믹스 막 등 복수의 재료를 개발했다. 積水化成工業, 旭硝子, INAX 등과 기술을 융합하면서 실용화 연구를 가속해 나간다.
이 연구는 新에너지·産業技術總合開發機構(NEDO)의 위탁을 받아 「멀티세라믹스 막 신 단열 재료의 개발」로서 07년도부터 5년간의 계획으로 추진 중. 열이 잘 전달되지 않는 세라믹스를 심지 재료로 이용하여 무수한 미세한 구멍을 뚫어서 진공으로 봉입하면 단열효과가 비약적으로 높아진다는데 주목하여 새 재료를 개발했다. 개발한 새 단열 재료의 하나는 투명한 상태의 나노 다공체로 실리카 습윤 겔을 초임계 건조시켜서 합성했다. 나노 다공구조를 정밀하게 제어하자 빛이 투과하게 되어 50% 이상의 광 투과율을 실현하는 재료가 되었다.
두 번째의 적외광 제어 세라믹스 막은 유리창에 코팅하면 가시광을 투과하면서 열원이 되는 적외광을 반사하는 단열 유리로 만들 수 있다. 또 세 번째는 나노 다공체 분체 재료로 분체 내부에 대량의 나노 기공을 도입함으로써 상당히 높은 단열 효과를 얻을 수 있다. 열전도율을 측정한 결과, 새로 개발한 재료는 1~10Pa의 진공도에서 0.001~0.003W/mK의 극히 높은 단열성능을 얻을 수 있었다. 이 값은 일반적인 단열재의 열전도율 0.03W/mK와 비교해서 10배 이상의 단열 효과를 보이며, 진공 자체의 단열성능보다도 헐씬 높다는 것을 나타내고 있다.
이들 새 단열 재료를 벽이나 천장, 창, 바닥 등에 적용하면 단열효과가 비약적으로 높은 건물을 건축할 수 있어 냉난방 에너지 원가의 반감을 이룰 가능성이 있어 지구온난화 대책에 크게 공헌할 수 있으리라고 생각된다. CJ

열 저항이 낮은 카본 나노튜브/SiC 방열재료를 개발
카본나노튜브(CNT)는 극히 높은 열전도도를 갖는다고 알려져 있다. 따라서 방열 디바이스에 대한 응용이 기대되고 있는데, 아직 유용한 응용 보고 사례는 없다. 名古屋大學·(재)파인세라믹스센터의 乘松 航 조교, 楠 美智子 교수는 독자적으로 개발해 온 SiC표면분해법에 의해 여러 가지 형태의 SiC기판에 고밀도·고배향 CNT를 제작하고 이것을 이용한 방열 구조와 그 방열특성에 대해 검토했다. 그 결과, SiC표면에 형성된 CNT층을 개재시킴으로써 발열체와 냉각체 간의 온도차가 격감한다는 것을 밝혀 고효율 방열기판의 개발에 성공했다.
개인용 컴퓨터나 모바일 전자기기의 고기능화, 고밀도 실장화에 딸 반도체 디바이스의 발열문제는 해마가 심각해지고 있다. 통상 대량의 열을 방열하기 때문에 방열하는 면적을 확대하는 히트싱크, 히트스프레더라고 하는 방열장치가 이용되는데, 발열체나 냉각체 표면에 존재하는 미세한 요철부에는 그리스 등을 이용하여 접촉성을 향상시킴으로써 열저항을 낮추고 있다. 그러나 그리스 자체의 열전도율이 작기 때문에 충분한 방열효과를 얻을 수 없다는 문제가 있었다. 이번 개발에서는 고밀도로 수직 배향한 CNT의 끝이 휘는 성질을 갖는다는 점에서 접촉성이 월등히 향상함으로써 열저항이 격감한다는 것을 발견하고 열저항이 가장 저하하는 CNT의 성장조건의 검색을 실시했다. 그 결과, 그림과 같은 CNT/SiC 복합체를 이용함으로써 종래의 방열재료 구리 합금과 그리스를 사용했을 경우의 약 15분의 1까지 저하한다는 것이 밝혀졌다. 또한 열팽창으로 발생하는 계면의 굴절 문제도 CNT의 변형으로 해결할 수 있게 된다. 또 값싼 다결정 SiC을 이용해도 충분히 효과를 얻을 수 있다는 것을 알게 되어 양산성이 높으며 저가로 합성이 가능하며 이  CNT는 응집상태에서 기판 위에 고정되어 있으므로 안전성도 높다. 앞으로 가전제품에서 차량용까지 여러 가지 방열 디바이스로의 전개가 기대된다. CJ

다이아몬드가 코팅된 펌프, 발명분야의 오스카상을 수상하다
석유에서 음식, 음료수 및 제약에 이르기 까지 대부분의 산업은 기계적인 펌프를 사용하며 이런 모든 펌프들은 오일이 새어나가 발생하는 윤활유 부족에 의한 펌프의 고장과 이에 따른 보수비용을 줄이기 위해 실링제(sealing)를 사용한다. 알곤(Argonne)연구소의 연구원들은 산업체의 파트너들과 함께 기존의 실링제를 대용할 수 있는 효율적이고 경제적인 새로운 실링제를 개발하였다. 새로 개발된 실링제인 초나노결정성 다이아몬드 기계 실링제 (Ultrananocrystalline-Diamond(UNCD) Mechanical Seals)의 표면은 작은 다이아몬드로 된 연속필름으로 특별하게 처리되어 있다. 이 다이아몬드 코팅은 펌프의 신뢰성, 내구성 및 액체가 주위환경으로 새어나가는 것을 방지해 줄 수 있다. UNCD는 알곤 연구소에서 발명된 엔지니어링 나노재료이며 지름이 2~5 나노미터인 다이아몬드 결정으로 되어 있다.
알곤 연구소의 과학자들 그리고 그들과 공동연구를 진행한 산업체 파트너들은 혁신적인 기계펌프 실링제의 연구와 그 성과물을 통해 올해 여름 R&D 100 Award를 수상하였다. 시카고 트리뷴 (The Chicago Tribune)지에 의해서 “혁신의 오스카”라고 알려진 이 상은 그 해의 가장 혁신적인 발명품 중의 하나에 수여된다.
각종 유체의 흐름을 조절하는데 사용되는 기계적 펌프의 실링 Part에 다이아몬드 코팅을 사용한다는 것은 어찌 보면 사치스러운 일일 수도 있을 것이다. 하지만 실링파트의 손상으로 인한 펌프의 고장과 고장이 불러올 파장을 생각하면 우수한 내 부식성을 지닌 실링파트의 개발은 필수적이다. 기계적 펌프에 있어 실링제의 파괴는 펌프의 수명 단축과 고장의 가장 큰 원인이며 실링파트의 손상은 펌프자체의 고장 이외에도 독성물질의 유출 등의 심각한 상황을 초래할 수 있다.
과학자들은 오래전부터 다이아몬드를 기반으로 하는 제품들의 장점을 알고 있었으나 다이아몬드는 일반적으로 매우 얇은 필름으로 합성하기가 어려울 뿐 아니라 다른 재료들과 통합시켜 사용하기가 매우 힘든 점 때문에 실용화가 어려울 것으로 생각되어 왔다. 하지만 알곤연구소에서 개발된 새로운 기술은 가장 이상적인 코팅물질로 생각되어 왔던 다이아몬드 코팅의 실용화에 대한 꿈을 현실로 만들어 줄 것으로 보인다. 문제는 제조에 드는 비용인데 현재 가장 많이 사용되고 있는 매우 저렴한 가격의 탄화규소와의 경쟁하기 위해선 공정에 드는 비용 절감이 필수적이다.
UNCD 기술의 상용화
알곤연구소는 3년전 UNCD의 개발로 R&D 100 Award를 수상한 이후 수년간 미 에너지부의 산업기술 혁신 프로그램의 지원을 받아 UNCD의 실용화에 걸림돌이 되었던 기술적 문제들을 대부분 해결 해 냈다고 한다. “우리가 이번에 개발한 기술은 UNCD가 탄화규소를 대체할 수 있게 하는 큰 전기를 제공할 것으로 생각합니다. 우리는 UNCD펌프를 구성하는 실링이 필요한 각종 파트에 코팅하여 펌프의 부식을 현저히 줄이고 성능을 향상시킬 수 있는 기술을 개발했을 뿐 아니라 대량생산 및 경제적으로 제조할 수 있는 방법도 개발하였습니다.” 알곤 연구소의 공정 개발엔지니어인 존 하린(john hryn)은 말했다. 산업기술 현신 프로그램은 미국의 산업체가 산업에너지 효율성 및 환경성능을 향상시키는 분야에 연구비를 지원하며 에너지 사용을 줄이면서 생산성과 성장률을 향상시킬 수 있는 고위험, 고부가가치의 연구개발에 투자한다. 알곤 연구소는 2002년 독일 쾰른 근교에 있는 IPLAS GMBH등의 파트너와 함께 UNCD 박막생산기술을 개발하였다. 이 기술은 2003년에 이미 R&D 100 Award를 수상한 바 있다. UNCD는 다양한 다이아몬드 기반 마이크로 전자기계 시스템 장치, 바이오 장치, 바이오센서 및 마이크로 전기회로의 대량생산에 적합한 최초의 물질로 인정받았다. 기계적 실링에 사용하기 위한 경제성을 가진 UNCD 제조를 위해 원래의 생산공정을 약간 수장하였다. 알곤 연구원에서 분리독립된 회사인 ADT는 우수한재현성과 품질을 가진 UNCD 실링제를 대량으로 생산할 수 있는 상업용 제조 플랫폼을 개발하였다. 실링제 및 관련제품을 제조하는 세계에서 가장 큰 업체인 존 크래인 (John Crane)은 UNC의 향상된 실링제가 마찰을 현저하게 감소시켜 기존의 재료로 만들어진 실링제에 비해 우수한 성능을 가졌다는 것을 증명하는 완벽한 실험을 수행하였다. ACB

나노재료 위키(Wiki)사전, 2009년에 탄생 예정
국제기술표준협회에 따르면 나노테크놀로지를 연구하는 전 세계 과학자들 간의 협력 과 나노테크놀로지 분야의 기술표준 확립 가속화를 목적으로 하는 위키사전 서비스가 2009년 초반 시작될 예정이라고 한다. 위키사전 서비스를 제공하는 웹사이트는 누구에게나 공개될 예정이며 Social Networking Service를 통해 빠른 속도로 발전하고 있는 나노테크놀로지 관련정보 공유의 장을 만들어 줄 것으로 보인다. 새로운 위키사전 서비스의 첫 번째 목적은 나노테크놀로지 관련 연구를 하는 연구자들이 일반적으로 겪게 되는 여러 가지 기술적 문제에 대한 해결방안을 위키사전을 통한 정보공유를 통해 해결할 수 있도록 해주는 것이다. 웹을 통한 나노테크놀로지 커뮤니티 형성과 정보공유 서비스를 통해 나노테크놀로지의 기술 표준확립 가속화를 목적으로 하는 위키사전서비스는 최근 개최된 기술표준 워크샵에 참가한 NIST(미국표준기술 연구소), NIOSH(미국 직업안전건강 연구소), NCI(미국 암 연구소), 그리고 다양한 정부 및 민간기관의 대표들의 제안에 의해 시작되게 되었다. NSIT에 따르면  현재 NCI에 의해 세부수정 작업 중에 있는 위키사전서비스는 나노테크놀로지 표준 확립을 위해 반드시 필요한 정보공유 및 연구자들 간의 의사소통의 창구역할을 하게 될 것이라고 한다. ACB
압전 발전기에 의한 에너지 혁명
이스라엘 공과대학 Technion의 항공우주공학 부교수인 Haim Abramovich를 비롯한 몇몇 사람들은 도로 위 자동차에 의한 기계적 변형을 전류나 전압으로 변환시킬 수 있는 압전성 결정이 미래의 가장 중요한 실용대체 에너지 자원 중 하나가 될 것으로 보고 있다.
도로 위 압전 발전기 실험
Innowattech사의 최고경영자이자 공동 창립자인 Abramovich는 ‘압전 발전기의 새로운 혁명’이란 주제로 Innowattech사의 압전 발전기를 개발하고 시장화하기 위하여 Technion 스핀오프를 은밀하게 개최하였다. Abramovich는 Innowattech Piezo Electric Generators(IPEGs)를 이용하여 무게, 동작, 진동, 온도 등을 기계적 에너지로 변환시킬 수 있다고 주장한다.
Innowattech사는 압전 발전기를 산업에 적용시킬 수 있는 최초의 회사가 자사가 될 것임을 강조하면서 IPEGs를 이용하여 도로, 철도, 비행기 활주로를 지나는 교통수단에서 발생하는 에너지 또한 확보할 수 있다고 단언한다. Innowattech사는 위와 같은 목적으로 세 가지 다른 종류의 IPEG를 개발하였다.
2009년 1월 북 이스라엘의 4차선 고속도로 상 100미터 가설활주로에 Innowattech사의 도로용 IPEG가 시범적으로 설치될 것이다. Innowattech사는 IPEG가 설치된 가설활주로가 약 400㎾의 전력을 발전시킬 수 있으며 발전된 전력을 공공시설이나 전등 같은 고정 조명시설물에 공급할 수 있을 것이라고 주장한다.
전압 발전기 vs 태양광 발전기, 풍력 발전기
Innowattech사에 따르면 IPEGs가 ‘친환경’ 대체 에너지 자원이라는 것 이외에 다음과 같은 여러 가지 장점들을 가지고 있다.
● IPEGs는 설치가 간단하고 설치비용이 저렴하다. IPEGs에는 발전된 에너지를 저장할 수 있으며 도로 사이에 삽입할 수 있는 전자카드가 탑재되어 있다. IPEGs는 보통 아스팔트 내에 삽입되어 있지만 콘크리트나 콘크리트와 아스팔트의 복합물에도 삽입될 수 있다. IPEGs는 새로운 도로, 활주로, 철도 또는 표면의 정기적인 보수가 필요한 곳에도 설치할 수 있어서 결과적으로 태양광 발전기나 풍력 발전기에 비하여 설치비용을 줄일 수 있다.
● IPEGs는 공용 공간에 바로 설치될 수 있으며 많은 공간을 차지하지 않는다.
● IPEGs는 교통체증이 심한 도로에 설치될 수 있으며 특별한 기후, 날씨, 시간, 지형에 영향을 받지 않는다.
● IPEGs는 설치 후, 유지·보수가 거의 필요 없으며 유지·보수 또한 간단하다.
● IPEGs는 배열과 간격을 조정하여 차량의 수, 무게, 주기, 차량간 거리를 실시간으로 확인할 수 있도록 설치할 수 있다.
철도에서의 압전 발전기
Innowattech사의 압전 발전기는 세계적으로 큰 경쟁력을 가지고 있다. 지난 12월 동 일본 철도여객(East Japan Railway Co., EJRC)은 일본의 한 기차역 매표소 앞에 압전 발전기를 시험 설치하였다. 동 일본 철도여객(EJRC)은 기차 티켓을 사는 사람들에 의하여 생성되는 에너지를 압전 발전기로 변환하여 이 역의 전등과 디스플레이에 필요한 약 144㎾의 전력 생성을 기대한다. 이스라엘과 일본에서의 압전 발전기 테스트의 성과는 곧 알 수 있을 것이다. ACB

아르곤의 최신 플라즈마 연구팀, 플라즈마 연구를 위해
오크리지 슈퍼컴퓨터가 돕는다.
DOE 프린스턴 플라즈마 물리 연구소(PPPL)의 3개의 연구팀은 일리노이와 오크리지 국가 연구소에 있는 아르곤 국가 연구소의 슈퍼컴퓨터들은 5천6백만 처리시간을 위탁 받는 성과를 거두었다. 그 연구자들은 플라즈마 난기류 시뮬레이션을 위한 융합에너지 관련 연구를 위해 사용한다. 이 프로젝트는 DOE의 과학 팀이 66~9억 처리시간정도 사용한다. 12월 발표에서 상금들은 2009년 혁신적이고 새로운 전산적 집중을 받쳐주는 이론과 실험적 프로그램 큰 영역의 연구 프로젝트를 통해 만들어 졌다. 새로운 25개와 41개의 개편한 프로젝트는 DOE 국가 연구소에서 세계의 영향력 있는 슈퍼컴퓨터에 접근할 수 있다. 6백만 처리시간은 아르곤에 있는 IBM Blue Gene/P에서 하고, 5천6백만 처리시간은 오크리지의 CRAY XTs 슈퍼컴퓨터에서 제공해줄 것이다. PPPL은 플라즈마와 장기간 동안 풍부하고 안전하고 친환경적인 전기발전 융합에너지 관련 가능성을 연구할 것이다. ACB