카네기 연구소 - 획기적인 다이아몬드 합성·가공기술 개발
다이아몬드의 가공은 아름다운 여성가수를 다루는 것과 비교될 정도로 어렵기로 유명한 분야 중 하나로 생각되어 왔다. 하지만 카네기재단 연구소의 연구진들이 개발한 새로운 다이아몬드 가공 방법이 상용화될 경우 다이아몬드는 착한 강아지처럼 다루기 쉬운 물질로 여겨지게 될지도 모르겠다. Proceedings of the National Academies of Science를 통해 2008년 발표된 논문에 따르면 카네기재단 연구소에서 개발된 새로운 다이아몬드 가공기술을 통해 다이아몬드의 색상과 광택을 매우 쉽고 경제적으로 개선시킬 수 있다고 한다. 새롭게 개발된 다이아몬드 가공기술은 다이아몬드 생산에 필요한 경비를 획기적으로 절감할 수 있을 뿐 아니라 초정밀 수술용 칼에서부터 공업용구, 보호용 코팅, 양자컴퓨터에 이르는 다양한 분야에 다이아몬드가 사용되는 날을 앞당기는데 큰 역할을 해 줄 것으로 보인다. 높은 강도, 열전도도 등의 우수한 물성을 지닌 다이아몬드가 다양한 분야에 적용될 경우 파급효과는 엄청날 것이다. 하지만 문제는 천연 다이아몬드의 높은 가격과 그리고 우수한 품질의 다이아몬드 합성과 가공의 어려움 때문에 다이아몬드는 매우 국한된 분야에서만 사용되어 왔다. 현재 생산되고 있는 합성 다이아몬드는 내부에 존재하는 불순물, 결함 등에 의해 천연다이아몬드에 비해 강도, 투명도, 내 부식성 등에서 천연다이아 몬드에 비해 매우 떨어지는 물성을 지니기 때문에 별도의 가공과정을 거치지 않고는 실용적으로 사용될 수 없다. 열처리를 통해 합성다이아몬드 내부에 존재하는 결함을 제거할 수는 있지만 열처리 중 다이아몬드에 가해지는 열은 다이아몬드를 파괴시킬 수 있을 뿐 아니라 매우 힘들게 합성한 다이아몬드를 값싼 탄소덩어리로 만들어 버릴 수도 있다. 열처리 중 다이아몬드가 탄화되는 것을 막기 위한 방법으로 매우 높은 압력과 온도 하에서 열처리하는 방법이 주로 사용되고 있는데 이 방법 또한 매우 높은 비용이 소모되는 공정일 뿐 아니라 가공할 수 있는 다이아몬드의 품질 및 사이즈가 제한적이다.
다이아몬드 합성·가공기술
카네기 연구팀은 다이아몬드를 합성하기 위한 방법으로 화학기상증착법을 사용하였다. 다이아몬드 합성을 연구하는 대부분의 연구팀 또는 기업들이 천연다이아몬드가 매장 되어 있는 곳의 압력과 비슷한 매우 높은 압력에서 다이아몬드를 합성하기 위해 노력하는 동안 카네기 연구팀은 낮은 압력에서 다이아몬드를 합성하는 방식을 채택하였다. 카네기 연구팀의 연구원에 따르면 낮은 압력에서의 합성은 높은 압력에 비해 높은 결정성장 속도와 결정 품질을 보여준다고 한다. 카네기 연구팀은 저압 화학기상증착법을 이용하여 합성한 다이아몬드를 대기압보다 낮은 압력의 마이크로웨이브 플라즈마 분위기에서 2000℃에서 열처리 하는 방식으로 합성 후 노란색을 띠던 다이아몬드를 열처리 후 탄화를 거의 수반하지 않으면서 분홍색, 무색으로 변화시키는데 성공했다고 한다. 연구팀은 다양한 광학측정을 통해 그들이 새롭게 고안해낸 열처리 방식이 다이아몬드 내부에 존재하는 결함을 제거하는데 매우 효과적이라는 사실을 밝혀냈다. “다이아몬드가 핑크 빗을 나타내는 것은 다이아몬드 결정에서 탄소가 채워져 있어야 될 부분에 질소가 채워졌다는 것을 의미 합니다. 분홍색이었던 다이아몬드를 열처리를 통해 무색으로 만들었다는 것은 다이아몬드 내부에 존재하는 결함을 제거했다는 의미죠.”라고 카네기 연구팀의 연구원은 말했다.
새로운 기술의 다양한 장점
카네기 연구팀의 리더인 Yu-fei Meng는 화학기상증착법으로 합성된 다이아몬드의 광학적 특성 개선에 가장 큰 요인은 낮은 압력과 높은 온도라고 설명했다. “우리는 새롭게 개발된 열처리 공정 후 자외선에서 적외선에 이르는 넓은 파장대역에서 다이아몬드의 광 흡수율이 현저히 감소함을 확인했습니다.” 본 프로젝트 리포트의 공동저자인 Ho-Kwang MaO는 이야기 했다. “우리가 개발한 새로운 열처리 방식의 가장 놀라운 점은 열처리 할 다이아몬드 결정의 크기에 제한이 없다는 것입니다. 기존의 고온 고압 열처리의 경우 높은 압력을 가해져야 하기 때문에 열처리할 수 있는 다이아몬드의 사이즈가 매우 제한적이었습니다. 이밖에도 새로운 기술은 가압 프레스를 사용하지 않기 때문에 기존의 고압열처리에 비해 빠른 속도로 다이아몬드의 결함을 제거할 수 있습니다.” 그는 그밖에도 한 번에 여러 개의 결정을 열처리 할 수 있는 점, 열처리 로 크기의 제한이 없는 점 등 새로운 기술에 대한 여러 가지 장점을 이야기 했다. “마지막으로 새로운 기술에 대한 장점을 든다면 열처리에 사용되는 마이크로웨이브 유닛이 고압을 만들기 위한 장치보다 저렴할 뿐 아니라 훨씬 크게 만들 수 있다는 것입니다.” 카네기 연구팀은 리더인 Yu-fei Meng이외에 Ho-Kwang MaO, Chih-shiue Yan, Joseph Lai, Szczesny Krasnicki, Thomas Yu로 구성되어 있다. ACB
出光, 액정 텔레비전 부재 증산
시트재, 연 6000톤 휴대용도 계획
出光興産은 액정 텔레비전용 부재의 생산·판매 사업에 참여했다. 화면의 빛을 조정하기 위해 사용하는 「확산판」이라고 하는 시트재의 전용 공장을 三重縣에 신설, 가동하고 있다. 작년 6월에는 생산능력을 배증시켰다. 또한 작년 여름에는 휴대전화용 시트재의 생산개시도 시작했다. 가솔린 등 석유제품의 일본 내 시장이 축소되고 있는 가운데 부가가치가 높은 새 분야의 개척으로 수익력을 높이고 있다.
새 사업은 전액 출자 자회사인 플라스틱 제품 메이커, 出光유니테크(東京·中央)가 담당하고 있다. 확산판은 얇은 판상의 부재가 겹쳐진 액정화면 구성 부재의 하나. 두께 1.5밀리미터의 플라스틱제 판에 가는 입자를 섞은 시트재로 광원 앞에 배치하여 빛을 균등하게 확산시켜서 화면을 밝게 한다.
出光유니테크가 三重縣 龜山市에 공장을 개설. 우선 연 3천 톤 규모로 생산을 시작했다. 작년 6월에는 라인을 증가하여 연 6천 톤으로 끌어올렸다. 32인치 화면용으로 환산하면 1천만 대에 상당한다. 투자액은 모두 20억 엔.
처음에는 인근에 있는 샤프의 龜山공장용으로 출하하여 첫해 30억 엔의 매상고를 목표로 시작했다. 앞으로는 松下電器産業과 소니 등에 대한 납품도 목표로 한다.
휴대전화용으로도 화면을 밝게 하기 위한 시트재를 제조·판매한다. 먼저 대만 메이커용으로 실험 출하를 시작하여 작년 여름에 본격적인 생산을 개시했다.
出光유니테크의 주력은 식품포장용기용 시트재. 앞으로 더 큰 판매확대는 어려우리라고 판단, IT(정보기술)분야의 개척을 서두르고 있다. 2012년 3월기에는 매상고를 08년 3월기에 비해 35% 늘어난 5백억 엔으로 할 계획이다.
出光興産은 화학분야 등에서 부가가치가 높은 사업을 강화할 방침으로 出光유니테크를 그 큰 부분을 담당할 자회사회 위치시키고 강화시킨다. 일경산업

三菱化學이 신형 형광체
삼원색 선명 백색 LED로
액정 백라이트용 소비전력 20% 감소
三菱化學은 보라색의 빛을 조사하여 선명한 빨강·초록·파랑의 3원색을 낼 수 있는 3종류의 형광체를 개발했다. 이 형광체들을 섞어서 보라색의 발광다이오드(LED)와 조합시키면 백색광을 만들 수 있다. 백색LED는 형광 램프를 대신할 액정용 백라이트로서 실용화되고 있다. 신형 형광체의 활용으로 백색LED의 소비전력을 종래보다 20% 정도 줄일 수 있으리라 보고 있다.
  빨강의 형공체는 칼슘·알루미늄·마그네슘 산화물로 만들었다. 3종류 모두 공 모양에 가까운 입자로, 직경이 약 10마이크로미터. 파장 약 0.4마이크로미터의 보라색 빛을 낸다. 보라색 LED 표면에 부착하면 백색LED가 된다.
三菱化學에서는 형광체 소재 조성의 가장 적합한 조합을 선택함과 동시에 입자 속에 미세한 구멍이 생기지 않도록 하여 효율적으로 빨강초록파랑의 빛을 낼 수 있도록 했다.
액정의 백라이트는 백색의 빛을 컬러필터를 통과시켜 3원색 가운데 어느 것을 선택하여 잡아낸다. 필터를 통과하지 않는 파장의 빛은 열이 되어서 쓸데없이 버려지고 있다. 백라이트로서 현재 주류인 형광램프도 일부 실용화되어 있는 백색LED도 가시광 파장 전체의 빛이 나아고 있어 이용하지 않는 파장 부분이 많다. 새로 개발된 형광체로 만드는 백색은 대부분이 사용할 수 있는 파장대로 구성되어 있기 때문에 전력소비량을 기존의 백색LED보다 약 20% 줄일 수 있으리라 보고 있다.
  백라이트용 백색LED로서는 NEC나 한국 삼성전자가 액정 디스플레이에 채용하고 있다. 형광램프를 사용하는 백라이트를 바꿔서 제품 전체의 소비전력을 대폭 줄일 수 있다. 액정 관련 제품을 제조하는 다른 회사도 백라이트용으로 백색LED의 채용을 검토하고 있다. 三 菱化學의 형광체를 사용하면 소비전력을 더욱 낮출 수 있다. 일경산업

촉매를 자석으로 회수
千葉大, 간단히 재활용
千葉大學의 荒井孝義准 교수 연구팀은 자석에 들러붙어 용이하게 회수할 수 있는 촉매를 개발했다. 자석에 붙는 금속입자의 표면에 촉매용 고분자가 감사는 듯한 캡슐 구조로 되어 있다. 의약·농약 등의 화학합성공정에서 사용할 수 있도록 설계했다. 회수하여 재활용하면 폐기물 삭감과 저가화로 이어진다고 한다. 기업과 공동으로 실용화할 계획이다. 개발한 촉매 캡슐은 직경 100~200마이크로미터. 산화철 미립자의 표면을 촉매기능을 가진 고분자로 덮는 기술을 개발하여 실현했다. 고분자의 종류를 바꿈으로써 다양한 반응에 사용할 수 있는 촉매를 만들 수 있다.
실험에서는 유기물을 산화하는 기능을 가진 고분자를 캡슐화 했다. 유기물의 산화는 약이 체내의 단백질과 상호작용하거나 물에 잘 녹는다거나 하기 때문에 중요한 반응. 제조방법은 우선 아미노기라고 불리는 분자구조를 미리 산화철 미립자에 붙여 둔다. 고분자의 원료가 될 구리를 포함하는 화합물과 비피리딜이라고 하는 물질을 석은 액체에 산화철 미립자를 넣으면 아미노기가 구리를 끌어당겨서 미립자 주위를 덮는 듯 한 고분자가 생긴다.
고분자의 두께는 1마이크로미터 이하로 매우 얇다. 분자가 자율적으로 특정한 구조를 만드는 「자기조직화」라고 하는 현상을 잘 활용했다. 이 캡슐을 사용하여 에탄올 속에서 규소 에노라트라고 하는 유기물을 산화하여 약의 원료 등으로 이용되는 α-히드록시케톤을 만들었다. 또한 캡슐을 자석으로 회수하여 4회 재이용한 결과, 촉매로서의 기능은 거의 떨어지지 않았다.
캡슐을 약 등의 제조공정에 사용하면 촉매를 용이하게 재활용할 수 있게 된다. 캡슐에는 유해물질은 포함되지 않는다. 단 캡슐에 포함된 구리 일부가 에탄올 속에 남는다는 과제가 있으므로 앞으로 해결할 필요가 있다. 일경산업

소형 고성능 연료전지
체적 당 출력, 세계 최고
샤프는 휴대기기용 연료전지의 시작품을 공개했다. 체적 당 전력이 같은 타입의 연료전지로서 세계 최고로 현재 주류인 리튬이온전지와 동등한 크기와 성능을 확보할 수 있다고 한다. 연료전지는 차세대 에너지로서 기대를 받으면서도 소형화가 과제였다. 앞으로는 안전성 등을 높여서 실용화할 계획이다.
휴대전화용 등에 전기 회사들이 개발을 진행하고 있는 직접 메탄올형 연료전지(DMFC)의 경우 체적 당 전력을 나타내는 발전부의 출력 밀도가 1cc당 0.3와트로 세계 최고의 시작품을 개발했다. 샤프의 종래 제품에 비해 약 7배의 출력밀도로 그만큼 전지의 체적을 작게 해도 전력을 공급할 수 있다.
DMFC는 메탄올을 담는 연료부와 메탄올에 포함된 수소를 공기 중의 산소와 반응시키는 발전부로 나뉜다. 샤프는 발전부를 작게 하여 전체의 체적을 낮추는 방법을 개발했다. 시판되는 전자사전에 탑재하고 있는 22cc 리튬이온전지와 동등한 성능을 전체 체적이 18cc인 연료전지에서 확보할 수 있다고 한다.
발전부를 구성하는 단위전지의 형상을 얇은 단책(短冊) 모양으로 만들었다. 지금까지는 평면상이었는데, 단책 모양의 단위전지를 틈새를 마련하면서 입체적으로 배치하는 방법을 채용했다. 공기에 접촉하는 단위전지의 면적이 커짐으로써 발전부를 작게 만들 수 있다. 샤프는 태양전지 부문에서는 대기업의 한 축을 이루고 있는데, 연료전지의 경우는 후발. 앞으로 연구를 가속하여 휴대기기용에서 조기 실용화할 계획이다. 일경산업

플라스틱과 점토 박막으로
수소탱크용 경량 저가인 복합 소재개발
九州工業大學과 産業技術總合硏究所 등은 수소 탱크에 적합한 경량 고성능의 복합소재를 개발했다. 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)과 점토 박막을 겹쳐서 만들었는데 가스 누출을 방지하는 능력은 금속에 가깝다. 제조도 용이하여 자동차용 연료전지, 항공기 등에 사용하는 수소 탱크의 경량화와 저가격화에 도움이 된다.
九工大와 産總硏, 津山工業高等專門學校가 개발한 복합재료는 CFRP 사이에 産總硏이 개발한 가스 누출을 방지하는 점토박막을 끼운 구조. 재료를 겹쳐서 약 섭씨 150도로 가열하여 몇 기압의 압력으로 누르기만 하면 만들 수 있다. 접착제 등은 불필요. 두께 1밀리미터의 판을 50기압의 수소 탱크에 사용했을 경우에 새어나오는 양이 연간 0.01%로 가스 누출을 방지하는 능력은 종래의 수지재료의 100배 이상으로 금속과 비교해도 차이가 없다. 섭씨 마이너스 196도의 저온에서 100회 노출시키거나 1만 번 변형을 가하거나 해도 가스 누출을 방지하는 성능에 변화는 없었다.
자동차 등의 연료전지에 사용하는 수소탱크를 가볍게 하는 소재의 개발이 주목되고 있다. 플라스틱과 금속의 복합재료 연구도 추진하고 있는데 제조가 까다로운 등의 문제가 있다. 일경산업

OKI 디지털 이미징
1인치 화면에 하이비전
OKI(沖電氣工業)의 프린트 헤드 자회사, OKI디지털 이미징(東京都 八王子市)는 사방 1인치미터 크기에 하이비전 화상을 투영할 수 있는 소형 고정밀 디스플레이 기술을 개발했다. 발광다이오드(LED)를 1200dpi(1인치 당의 도트 수)에 상당하는 고밀도로 배치하여 발광시킨다. 펜 크기의 소형 프로젝터의 실현 등으로 이어지는 기술로 보고 있으며 2년 이내의 상품화를 목표로 하고 있다.
신기술은 우선 갈륨비소 기판 위에 두께 2마이크로미터의 LED층을 형성. 이 층을 벗겨서 LED의 발광을 제어하는 구동 회로 위에 눌러 붙인다. 분자간력이라고 하는 분자끼리 움직이는 미약한 힘을 사용하여 접착시키는 것이 포인트. 접착 면을 나노미터 단위에서 평평하게 가공하여 강한 분자간력을 작동시킬 수 있다.
신기술을 사용하여 디스플레이를 시작한 결과, 세로 0.5밀리미터, 가로 2밀리미터의 미소한 공간에 1200dpi에 상당하는 세로 24도트, 가로 96도트의 LED를 배치할 수 있었다. 하나의 LED소자는 가로세로 10마이크로미터. 가로세로 1인치에 배치하면 하이비전과 같은 정도의 정밀도가 된다.
LED를 평면에 배치하여 디스플레이로 사용하려면 보통 발광을 제어하는 구동회로와 LED 각각을 와이어로 접속할 필요가 있다. 접속 스페이스가 방해가 되어 LED를 고밀도로 배치하기에는 물리적으로 한계가 있었다.
OKI디지털이미징은 고정밀 프린터용 헤드를 생산한다. 프린터 헤드는 감광체에 빛을 쏘아서 잉크를 복사하기 위한 부품으로 이 회사는 구동회로의 기판 위에 분자간력으로 LED를 얹어 직선상의 헤드를 만드는 기술을 갖는다. 이 기술을 평면에 전개함과 동시에 소형으로 할 수 있도록 설계를 연구한 구동회로를 이용하여 디스플레이가 가능하게 되었다. 액정이나 플라즈마를 아주 정밀하게 해도 수 백 dpi가 한계라고 한다. LED는 소비전력이 적으며 응답속도가 빠르기 때문에 매끄러운 동화(動畵)표시도 가능. 슬림화와 경량화하기 쉽다는 이점도 있다. 이 회사는 우선 비디오카메라의 파인더와 프로젝터에 대한 제품화를 검토하고 있다. 미소한 광원으로도 세밀한 화상을 재현할 수 있으므로 펜 크기의 프로젝터를 실현할 수 있다고 한다. 일경산업

유리렌즈 표면가공 불필요하게
産總硏, 주형(鑄型)·재료를 연구
産業技術總合硏究所와 松下電器産業, 日本山村硝子는 카메라용 유리렌즈의 생산 원가를 대폭 삭감하는 기술을 개발했다. 주형과 렌즈의 재료를 연구하여 종래 필요했던 표면가공 공정을 생략하는데 성공. 제조에 드는 시간을 반 이상 단축할 수 있어 카메라에 필요한 렌즈의 수를 40% 줄일 수 있다고 한다. 2, 3년 후에 양산화를 계획하고 있다.
일반적으로 카메라용 렌즈는 500도 정도로 가열한 유리를 주형에 끼워 넣어 압박하여 성형한다. 단, 종래의 주형은 500도 정도의 고온에서는 미세한 구조를 만들기가 어려워서 반사방지를 위한 표면구조를 만들 수 없었다. 따라서 성형 후에 특수한 막으로 렌즈를 덮거나 렌즈를 약 10장 겹치거나 하여 빛이 반사하여 촬영한 사진이 하얗게 되지 않도록 했었다.
신기술에서는 주형과 유리의 재료 배합 정도를 연구하여 440도 정도에서 가공할 수 있도록 개량, 나노미터 레벨의 미세한 표면가공을 실시하였다. 주형을 사용하여 유리 표면에 290나노미터 간격으로 두께 350나노미터의 구멍을 뚫어서 반사율을 종래의 25분의 1로 낮추는데 성공했다.
막을 사용한 표면가공이 필요치 않게 되어 카메라에 사용하는 렌즈의 수도 6장으로 줄일 수 있게 되었다. 제조에 드는 시간도 반 정도로 단축할 수 있다고 한다. 앞으로는 디지털 카메라와 비디오카메라용 렌즈로서 2, 3년 후를 목표로 양산화해 나간다. 新에너지·産業技術總合開發機構 프로젝트의 성과. 일경산업

거대자기저항효과 유기물질로 실현
기억소자 등에 응용 기대
東京大學의 菅原正 교수 등 연구팀은 자장을 가하면 저항이 크게 변화하는 「거대자기저항효과」를 표시하는 유기물질을 만드는데 성공했다.
철이나 망간 등 자성을 가진 금속원소를 포함하지 않는 유기분자로 자기저항의 성능을 나타내는 자기저항비를 종래 대비 14배인 70%로 크게 만들었다. 유기분자를 자기저항 소자로서 사용할 수 있을 가능성을 최초로 보인 것이 된다.
전자를 부여하기 쉬운 성질을 가진 유기재료의 테트라티아플바렌(TTF)에 불대전자를 가진 유기분자를 결합시켰다. 이 연결 방법을 연구함으로써 자성과 전도성을 동시에 갖는 물질이 만들어졌다. 실험에서는 9테슬러의 강한 자장 하에서 온도를 2켈빈(마이너스 약 271℃)까지 냉각시키면 70%의 커다란 자기저항비를 얻을 수 있었다. 현재, 20켈빈(마이너스 약 253℃)정도까지 효과가 나타난다는 것을 확인했다. 앞으로는 실온동작을 위해 개발을 진행해 나갈 것이다.
하드디스크에서 데이터를 읽고 쓰는 자기 헤드에는 무기재료의 자기저항 소자가 사용되고 있다. 무기재료에 비해 유기재료는 가벼워 인쇄기술로 간단하게 성막할 수 있는 등 이점이 있다는 점에서 유기재료를 사용한 새로운 기억소자와 뇌의 신경회로와 같은 유연한 집적회로의 실현으로 이어지리라 보고 있다. 일간공업

CNT로 회로를 입체화
産總硏 전자기기 미소화의 길
초미세한 통 모양 탄소분자, 카본나노튜브(CNT)를 재료로 하여 입체적으로 집적한 전자회로를 만드는데 성공했다고 産業技術總合硏究所의 佃賢治 연구팀장 등이 발표했다. 현재의 실리콘 반도체 전자회로에서는 실현하지 못했던, 미소하고 고성능한 전자기기의 개발로 이어질 것으로 기대된다.
연구팀은 하나의 직경이 2.8나노미터, 길이 1밀리미터 이하인 CNT를 다수, 수직으로 늘어놓은 상태의 필름을 제작. 이 CNT를 일정 방향으로 옆으로 쓰러뜨려서 굳힌 형태로 웨하(기판)를 만들었다. 그 다음은 기존의 실리콘 반도체의 경우와 마찬가지로 에칭 등의 미세 가공 기술을 사용하여 입체적인 배선을 하기도 하고 모든 전극이 CNT로 된 릴레이(계전기, 繼電器)를 동작시키거나 했다. 일간공업

기능성 박막, 하루 만에 가공,
원가도 진공법의 100분의 1 관통 전극 싼값에 형성
에싱테크놀로지즈(神奈川縣 平塚市, 사장 市川英政)는 MEMS와 플랫트 패널 디스플레이(FPD)등에 이용할 기능성 박막을 진공 성막의 100분의 1 이하인 하루 만에 가공할 수 있는 코팅기술을 개발했다. 곤란하다고 알려졌던 3차원 형상에 대한 포토레디스트 가공으로 디바이스의 소형화에 유효한 관통전극을 싼값에 형성할 수 있다. 가공비는 진공법의 100분의 1정도인 15만 엔부터. 시작(試作)을 중심으로 연 5억 엔의 매상을 전망한다.
MEMS와 반도체 디바이스의 개발법에서는 반응속도의 향상과 소형화를 양립시키기 위해 양면 실장을 동반한 기판의 다층화가 유효하다. 단, 광통 전극의 형성이 전제되어 진공법에 의한 단차 부분에 대한 레디스트 가공이 필요. 수억 엔이나 하는 설비와 몇 개월 이상의 시간을 요한다. 대기업에서도 자사에서의 시작이 어렵고 기대할만한 조건을 도출하지 못하는 일도 많다고 한다.
새로운 제법은 특수한 가스로 기능막 재료를 안정적으로 미립화시켜서 스프레이로 발포한다. 재료의 응집을 방지함으로써 플라즈마·디스플레이 패널의 기능성을 향상시키는 산화 마그네슘 막의 가공도 가능. 유기재료에 의한 발수막 가공으로 디바이스에 대한 이물의 부착도 방지할 수 있다. 에싱테크놀로지즈는 새로운 제법으로 産業技術總合硏究所와 복수 대학과 공동개발하고 있고 장치 개발도 진행하고 있다. 일간공업

규소과학, 郡馬大가 연구 거점
레어 메탈의 대체재료 시야에
郡馬大學은 대학원 공학연구과(郡馬縣 桐生市) 안에 「규소과학 국제교육연구센터」를 설립했다. 의약품이나 레어메탈의 대체재료에 대한 응용도 시야에 둔 학제 영역 「규소과학」의 거점 형성을 위해 연구과 내에 있는 연구실과 함께 理化學硏究所, 郡馬縣에 개발 거점을 가진 信越化學工業과 모멘티브 퍼포먼스 매터리얼 재팬(東京都 港區)가 연대했다. 규소과학의 연구교육 거점은 세계적으로도 예가 없다고 한다.
규소과학 국제교육연구센터는 규소가 일본에서도 풍부하게 존재한다는 점에 주목, 부족이 우려되는 레어메탈의 대체 재료가 될 규소 화합물의 실현을 위해 文部科學省이 주도하는 「원소전략프로젝트」에 응모했다. 또 2010년까지 이 대학원 내의 각 전공을 횡단한 공통 컬큘럼으로 이행한다.
郡馬大는 50년에 걸쳐서 폭넓은 공업품에 대한 응용을 진행해 왔다. 郡馬縣 내의 공적 기관이나 기업과의 공동연구를 전개하여 05년에 산·학·관 협동으로 「郡馬규소과학기술연구소」를 발족, 「일본의 실리콘랜드」의 형성을 지향하고 있다. 이 센터의 장으로 취임한 久新莊一郞 교수는 「IT에서 의료까지를 망라하는 규소 과학의 연구조직을 세계에서 선구적으로 발전시켜 나갈 것」이라고 밝히고 있다. 일간공업

발광 강도 1.3배로 새로운 녹색 형광재료 개발
에너지 절약과 환경부하 경감 
大阪大學 대학원 공학연구과의 今中信人 교수와 增井敏行准 교수 등 연구팀은 새로운 녹색 형광재료의 개발에 성공했다. 일반적인 형광등에 사용되고 있는 녹색 형광재료와 비교하여 발광 강도가 약 1.3배로 높다. 입자 지름도 약 7분의 1로 가는데다가 발광을 담당하는 고가의 테르븀 원소의 첨가량이 적다. 소량으로도 발광 강도가 높은 이 재료는 에너지와 자원의 절약 등 환경부하의 경감으로 이어질 것으로 생각된다.
일반적으로 형광체의 사용량을 줄이려면 입자 지름을 가늘게 할 필요가 있다. 그러나 형광체를 가늘게 분쇄하면 결정 표면에 상처가 생겨 버리기 때문에 발광효율이 저하한다는 문제가 있었다. 今中교수 등은 플랙스법이라고 불리는 단결정 육성법을 응용하여 알칼리 금속염의 공정(共晶)을 융제(融劑)로 이용하여 형광체의 미결정을 제작했다.
합성단계에서 미결정이므로 분쇄 공정을 필요로 하지 않는 한편, 플랙스 효과로 표면이 상처가 적어 매끄럽기 때문에 발광효율의 향상으로 연결되는 것이라고 보인다.
제작한 것은 안정성이 우수한 육방적형 결정구조를 가진, 희토류 옥시 탄산염의 다결정 미립자 결정. 희토류 원소에는 모체 결정의 구성원소로 가드리늄과 이트륨, 발광에 기여하는 원소로서 테르븀을 각각 사용했다.
앞으로는 700℃ 이상의 내열성의 부여와 빨강과 파랑으로 발광하는 재료의 개발을 추진해 나갈 것이다. 일간공업

금속나노입자 레이저로 자유롭게 제작
阪大가 미세배선기술
大阪大學 산업과학연구소의 眞嶋哲朗 교수 등은 고분자 속의 임의의 장소에 금속 나노 입자를 제작하는 기술을 개발했다. 파장이 다른 두 개의 레이저를 이용하여 교차점 부근에서만 금속나노입자가 생기도록 했다. 레이저를 좁혀서 조사하여 고분자를 이동시키면 마이크로미터 단위에서의 3차원 금속배선 형상과 미세한 금속부품 제작 등에 응용할 수 있으리라 보고 있다.
실험에서는 고분자 「폴리비닐 알코올(PVA)」에 은이온과 구리이온을 환원하는 활성종(래디컬)을 발생시키는 벤조페논을 첨가했다. PVA에 다른 방향에서 자외 레이저와 가시 레이저를 교차하도록 조사하면 레이저의 교차점에서 래디컬이 발생하고, 그 교차점에서 구리이온이 환원되어 구리 나노입자가 생긴다. 실험에서는 사방 몇 밀리미터의 PVA 속에 입경 지름 5나노미터의 구리 나노입자가 생겨서 PVA 중앙 부근에 모여 있는 것을 확인했다.
레이저를 좁히면 10마이크로미터 정도의 교차점이 생긴다. 고분자 속에 구리 나노 입자를 제작한 후, 가열하면 나노입자끼리 결합하므로 3차원으로 마이크로미터 사이즈의 배선이 가능하리라 생각된다. 이미 실현 가능한 요점을 파악했다. 고분자 속에 금속 나노입자를 부품 형상으로 배치하고 열처리함으로써 미세한 부품 제작 등에 활용할 수 있으리라 보고 있다.
이번 방법에서는 금과 구리의 복합 나노입자 제작 등 고분자 속에 복수의 금속이온이 있을 경우에도 금속 나노입자를 제작할 수 있다. 일간공업

알루미늄 합금 기재에 대한 DLC 코팅막의
밀착ㆍ내마모성 향상 기술
不二WPC(주)와 神奈川縣産業技術센터는 알루미늄 합금 위의 DLC(Diamond - Like Carbone ;다이아몬드상 탄소) 코팅의 밀착  내마모성을 대폭 향상하는 기술을 개발했다. 알루미늄 합금 기판 위에 텅스텐 미립자 피닝을 하여 표면에 경화층을 형성하고, 이어서 예리한 볼록 부분을 연마한 후에 DLC를 코팅함으로써 종래보다 밀착·내마모성을 30~50% 향상할 수 있다는 것을 밝혀냈다.
자동차의 연비개선 등에 공헌할 수 있는 재료기술로서 DLC의 적용이 급증하기 시작하고 있다. DLC의 우수한 내마모성, 마찰특성을 살려 부품의 장수화, 콤팩트화와 프리쿠션 저감에 의한 연비향상으로 이어가고 있다. 그러나 이들의 적용은 대부분이 철계 기재 위에 코팅하는데 한정되어 있다. DLC의 주원소인 탄소는 알루미늄 합금에 잘 고용하기 어렵고 그렇기 때문에 DLC에 알루미늄이 용착하기 어렵기 때문에 알루미늄 절삭 공구용 코팅으로 DLC가 적용되고 있다. 또 철계 재료에 비해 알루미늄 합금은 경도가 낮기 때문에 DLC 코팅 표면에 높은 하중이 가해지면 기재가 좌굴 변형하여 단단한 DLC은 박리되기 쉽다. 이러한 이유에서 알루미늄 합금에 있어서는 DLC 코팅의 밀·내마모성의 신뢰성을 확보할 수 없는 상태에 있다.
일반적으로 DLC의 밀착성을 얻기 위해 몇 나노미터의 Cr, Si, SiC 등의 중간층을 끼워서 DLC가 코팅되지만 이 층은 상당히 얇기 때문에 내(耐)하중 향상은 기대하기 어렵다. 이번에 50미크론 이하의 텅스텐 미립자를 알루미늄 합금 표면에 고속투사(WPC)함으로써 최표층에 텅스텐 입자가 미세 분산한 약 10미크론의 층과 그 바로 아래에 약 40미크론의 기계적 경화층을 얻을 수 있었다. 이어서 연마처리(SMAP)에 의해 예리한 볼록 부분을 둥그렇게 만든 후 DLC 코팅함으로서 A2017, A5052 2종류의 알루미늄 합금 기재 양쪽에서 30~50%의 밀착·내마모성의 향상을 꾀할 수 있었다. 앞으로 개질 조건의 최적화 등의 과제는 있지만 알루미늄 합금에 대한 DLC 코팅 적용의 난관 극복을 위한 기술이 될 수 있으리라 생각한다. 일간공업

1㎾급 고체산화물형 연료전지 스택 : 세계 최고 수준의 발전효율 60% 달성
日本特殊陶業(주)은 기능성 세라믹스의 재료기술과 프로세스 기술을 활용하여 700℃ 작동의 1㎾급 고체산화물형 연료전지(이하 SOFC)스택으로서는 세계 최고 수준인 발전효율 60%(메탄 연료, DC발전단(發電端) 효율)을 달성했다.
SOFC는 여러 가지 연료전지 중에서도 가장 높은 효율을 기대할 수 있어 지구온난화 대책에 유효한 발전시스템이므로 출력 규모가 큰 수백 ㎾급의 시스템에서 1㎾급의 가정용 열병합발전(코제네레이션)등까지 다양한 용도개발을 활발하게 이루어지고 있다. 특히 1㎾급 가정용의 경우는 콤팩트하며 기동성이 우수한 SOFC로서는 저온인 800℃ 이하에서 작동하는 스택이 요구되고 있다.
당사의 발전 셀은 보다 저온인 700℃에서도 높은 출력밀도를 얻기 때문에 연료극 지지형 구조를 채용하여 고체전해질을 10㎛까지 박막화. 또 연료극의 기공경과 기공률을 최적화하여 유효 발전 면적 100cm2인 셀을 16단 적층한 스택의 출력밀도(수소연료)를 0.86W/cm2까지 향상시켰다. 이와 같은 개량으로 높은 전류밀도(0.75A/cm2)의 조건 하에서도 80%를 넘는 연료 이용률까지 필요한 출력전압을 유지할 수 있어, 고효율과 고출력을 양립한 스택을 실현했다. 셀의 고출력화로 1㎾ 출력에 필요한 셀 수를 겨우 16장으로, 종래의 평판형 셀에 필요했던 30~40장에 비해 비약적으로 삭감하여 1㎾급 스택을 180×180×140mm의 사이즈로 구축했다. 이 스택에는 각 셀에 가스를 분배하는 유로(流路)와 도시가스연료를 수증기 개질하는 촉매층, 발전 후의 연료와 공기를 연소시키는 연료층을 내장하고 있다. 특히 연소층을 스택의 상하 양 끝에 배치함으로써 평판형 스택에서 우려되는 셀 간의 온도가 균일하지 않게 되는 문제를 해결하여, 16단 전체적으로 균일한 온도에서 발전을 할 수 있도록 했다. 위의 기술을 집적한 스택으로 메탄 연료를 수증기 개질하면서 발전하여 700℃ 작동에서 1㎾의 출력과 DC단 발전효율 60%를 달성했다.
이 회사는 스택 개발과 병행하여 1㎾급 발전 시스템의 개발도 진행하고 있어 올해 안에 사외 실증실험을 위해 신뢰성 확인과 양산화 검토를 실시하고 있다. 일간공업

가시광 촉매 성능의 비약적인 향상에 성공
住友金屬工業(주) 總合技術硏究所(주)는 大阪티타늄 테크놀로지즈와 공동으로 유기물 분해와 초친수화에 뛰어난 성능을 보인 가시광 응답형 산화티탄계 광촉매의 개발에 성공했다.
산화티탄은 기본적으로 UV밖에 흡수하지 않기 때문에 실내 등 UV가 적은 환경에서는 충분한 광촉매 성능을 얻기는 힘들다 따라서 질소나 금속이온의 도프로 대표되듯이 산화티탄의 가시광 응답화의 연구개발이 활발하게 이루어지고 있다.
이번에 개발한 광촉매는 산화티탄에 특정한 금속을 첨가·복합화한 것이다. 베이스가 되는 산화티탄은 아나타제 결정으로 이루어져 있고, 그 사이즈는 ~10nm이다. 첨가한 금속에 대해서는 방사광(Spring-8-빔라인BL19B2)를 이용한 XAFS에 의한 구조해석에서 클러스터 레벨의 극히 미소한 산화물로서 산화티탄 위에 존재한다는 것이 확인되었다.
이 촉매는 약간 옅은 황색의 분말로 400nm이상의 가시광을 흡수한다. 흡수 스팩트럼은 광촉매 활성의 파장의존성(소위 작용 스팩트럼)거 거의 일치한다는 점에서 첨가한 금속 산화물이 관계되는 새로운 활성종의 광 여기에 의해 반응이 진행되고 있다는 것이 드러났다.
광촉매 성능으로서는 일반적인 가시광형 산화티탄에 비해 아세트알데히드와 톨루엔 등의 분해에 있어서 약 5배의 가시광 활성을 발휘한다. 미약한 빛에 대한 감도도 높아 수백 룩스  정도의 형광등 조사 하에서 친수화가 빠르게 일어나 물과의 접촉각이 거의 0°가 된다는 것을 확인했다. 또한 이 촉매는 UV의 조사 하에서도 원래의 산화티탄이나 시판되는 UV형 산화티탄을 상회하는 분해성능을 보인다. 일반적으로 산화티탄의 가시광선 응답화에서는 그 대상(代償)으로서 본래 높은 UV활성이 저하되는 일이 많다. 예를 들면 금속 이온에 의한 도프의 경우는 도프 금속이 전하 재결합 중심이 되어 광촉매 반응을 불활성화한다. 이 촉매의 경우는 첨가한 금속은 산화물로서 산화티탄과 협조하여 비교적 안정적인 전하 분리 상태를 달성할 수 있으리라 추측된다. 개발한 광촉매는 가시광 하에서의 성능을 대폭 끌어올림으로써 주택내장, 건재, 자동차 내장 등 여러 가지 부재, 장소에 대한 적용이 기대되고 있다. 일간공업

실리콘 광원으로서 유망한 게르마늄 온 실리콘
지난 몇 년 동안 실리콘 기반의 포토닉스 부품들의 개발이 급증해왔다. 실리콘 라우터, 변조기, 도파로, 스위치, 실리콘 광다이오드, 그리고 심지어는 혼성 실리콘 레이저까지 성공적으로 제조되었음에도 불구하고, 실리콘 광부품들이 집적된 완전실리콘 레이저의 실현은 아직 요원한 실정이다. 실리콘 포토닉스에 의한 칩간 네트워크와 칩내부 네트워크를 달성하기 위한 올바른 로드맵에 대해서 논쟁이 들끓음에 따라, 여러 연구팀들이 진정한 전기주입 실리콘 광원을 개발하기 위한 연구를 진척시키고 있다.
최근에 켈리포니아공대(California Institute of Technology) 연구진이 4.2 mW 전기펌핑 혼성 소멸파 Si/InGaAsP 레이저를 시연한 것에 더하여, 메사추세츠공대(Massachusetts Institute of Technology) 연구진은 실온에서 직접밴드갭 전자발광을 나타내는 모놀리식 집적 Ge-on-Si 발광다이오드를 성공적으로 제조했다. 비록 실리콘 도파로에 접합되거나 실리콘기반 버퍼층에서 성장된 1550nm 혼성 3~5족 실리콘 레이저에서도 전기주입은 가능하지만, 제조비가 높아 대량제조가 어려워진다. 더 좋은 접근방식은 CMOS 제조공정과 호환되는 모놀리식 집적 방출기로서, 이것이 바로 MIT 연구팀이 개발한 Ge-on-Si LED가 제공하는 것이다.
실리콘과는 달리, 게르마늄은 직접밴드갭이 간접밴드갭보다 0.136 eV 정도로 아주 약간만 더 크기 때문에, 전자가 전도대의 직접골짜기에 주입되어 정공과 복사성 재결합이 되도록 조작함으로써 비복사성 작용에 의한 손실을 매우 적게 만들 수 있다. 실리콘 위의 에피택셜 게르마늄 박막에 2축 장력변형을 가하면 직접밴드갭 광발광이 증대되는 것이 관찰된다. 계산 결과 게르마늄은 장력변형값 2%에서 2500nm 파장에 해당하는 0.5eV의 직접밴드갭 물질이 되는 것으로 나타났기 때문에, 0.20%~0.25% 정도의 작은 변형값이 가해지면 1550nm 원거리통신파장 근처의 밴드갭을 발생되며 재료의 품질과 신뢰성도 더 우수해진다.
붕소첨가 실리콘 기판 위에서의 에피택셜 게르마늄 성장을 통해 장치가 제조되었다. 기판 위에 증착된 SiO2 층에는 게르마늄 성장 영역을 노출시키기 위한 패턴이 만들어졌다(그림참조). 1.7-μm 두께의 게르마늄 층을 이완시키기 위한 성장후 열풀림을 한 뒤에는, 0.20% 장력변형을 가하기 위해 실온냉각이 적용되었다. 최종적인 코팅인 다결정실리콘과 n 접점 및 p 접점이 추가되었다. 20×100μm 크기의 장치에 50mA의 전류가 주입되자 1610nm 파장에 해당하는 직접밴드갭 에너지 0.77eV 정도의 빛이 방출되었다. 이것은 게르마늄 장치에서 관찰된 최초의 직접밴드갭 전자방출이라고 연구팀은 말한다. 이러한 직접밴드갭 전자방출은 주입전류에 대해서 초선형적인 관계를 나타냈으며, 이것은 Ge-on-Si 장치가 실리콘 상에서의 효율적인 전기펌핑 모놀리식 광방출기의 유망한 후보라는 것을 뜻한다.
“게르마늄은 매우 최근까지도 실리콘 상에서의 효율적인 광방출기로서 연구된 적이 없다. 장력변형 게르마늄에 대한 MIT의 열정적인 연구는 게르마늄 LED의 실현으로 이어질 것이다. 밀리와트 온칩 광원을 목표로 하여 성능을 더 높이기 위한 추가 연구와 최적화가 수행될 예정이다.”라고 MIT 연구과학자 시아오첸 순(Xiaochen Sun)은 말했다. GTB