저가의 천연 물 정화 필터 시스템, 과테말라의 미래를 보여주다
5갤런 들이 플라스틱 주전자 위에 오른 진흙으로 된 솥처럼 간단한 것이 매년 수백만의 목숨을 구할 수 있을까? 공학자 Vinka Craver는 그럴 수 있다고 생각했다.
Craver는 간단한 세라믹 기술을 대장균과 다른 박테리아, 기생충과 다른 수인성 오물들로 오염되어있는 지역에 안전한 물을 공급하기 위한 노력을 하고 있는 공학자 그룹에 속해있다.
Rhode Island 대학의 도시 환경 공학부의 조교수인 Craver는 과테말라의 교외도시의 거주자를 위해 다음과 같이 간단한 유지보수 시스템 고안에 대한 방법에 대해 연구하고 있다. 어떤 지역에서 특수하게 제작된 솥에 물을 부으면 정수가 된다. 그 물은 정화가 되어 주전자에 담기고 곧바로 마실 수 있게 된다.
 비영리 단체인 Ixtalan 재단과 함께 Craver는 그녀의 버지니아 대학의 동료들은 솥을 이용한 정화 시스템의 효율을 테스트하고 있으며 얼마나 잘 제작될 수 있으며 지역 사회에 받아들여질 수 있는지에 대해 연구하고 있다.
솥은 각 지역의 재료와 노동력을 이용해 제작된다. 솥은 지역의 진흙과 톱밥을 이용해서 만들어지는데 콜로이드 상태의 은을 섞어 만든다. 진흙을 구우면 톱밥은 타서 날아가고 물이 정화되는 미세한 구멍들이 얽혀진 구조가 된다.
“‘평화를 위한 도예가들’이라는 단체는 1998년부터 필터 시스템을 배포해왔어요, 그러나 최근에서야 연구그룹들이 이 시스템을 연구해 그 우수성을 알게 된 것이지요,”라고 Craver가 설명했다. “그 시스템이 박테리아를 제거하는 효과적인 메커니즘을 가지고 있다는 것을 밝혀 제가 처음으로 과학적인 논문으로 발표한 것이에요.”
Craver에 의하면 은을 첨가하지 않아도 세라믹 필터는 물에 포함된 97퍼센트의 박테리아를 제거할 수 있으며, 은을 첨가하면 99퍼센트 이상의 박테리아를 제거할 수 있다고 한다. 진흙이 박테리아를 걸러내는 반면 은은 박테리아를 죽인다.
Craver는 잡지와의 인터뷰에서 “솥을 만드는 비용도 개당 5에서 10달러 정도로 상대적으로 낮습니다. 그리고 물의 혼탁도에 따라 2년 혹은 그 이상 사용할 수가 있습니다.” 비록 콜로이드 상태의 은이 미국이나 스페인에서 제조되고 있어도, 과테말라에서도 은을 구하기가 쉽고 제조 시에 매우 작은 양(0.5g이하)이 필요하므로 가격이 크게 비싸지지 않는다.
Craver와 James Smith(버지니아 대학)이 공동으로 저술하여 지난해에 환경과학과 기술지에 출판한 논문에 의하면 필터의 성능은 솥을 만드는 지역의 재료에 따라 달라진다고 한다. Craver와 Smith는 균일하고 작은 입자 사이즈(5 마이크로미터 이하)를 가진 흙일 수록 박테리아를 보다 효율적으로 제거할 수 있으며, 불균일하고 뭉쳐진 흙보다 구멍크기가 작을수록 효과적이라고 한다.
흙 속의 진흙 광물 또한 정화 성능에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 1000℃ 이하의 온도에서 솥은 구우면, 고령토로부터 작은 양의 비정질 재료가 형성된다. 이 온도에서 형성된 비정질 재료는 결정질 재료보다 낮은 다공성을 가지고 있다.
 그러나 보고된 대장균의 크기가 1 마이크로미터 정도의 크기라고 하면 왜 이 시스템이 작동할 수 있는 것일까? Craver와 Smith는 비록 필터 크기가 1마이크로보다 큰 구멍들이 대부분이지만 솥의 두께가 결국 필터작용을 가능하게 하는 것이라고 말한다.  “수많은 구멍들이 일렬로 솥을 뚫고 지나가지는 않을 것입니다. 그렇기 때문에 많은 박테리아와 박테리아 클러스터는 구멍들이 어긋난 곳을 지나가게 될 것이고 물을 따라 흘러가다가 걸리게 되는 것입니다.”라고 설명했다.
은 콜로이드는 색칠을 하거나 담금법으로 첨가시킬 수 있다.
이 은 첨가물의 역할을 살펴보면, 두 연구자의 측정 결과 살균력에는 큰 차이를 보이지 않지만 살균력이 포화가 된 시점에서 콜로이드 은의 양이 영향을 미치는 것으로 나타났다. 
Craver는 과테말라의 Mayan 지방의 San Mateo의 70족을 이용한 솥을 연구하였는데, Craver에 의하면 Ixtatan 제단이 San Mateo에서 솥을 만드는 작은 공장을 만들었다고 한다. 이 재단은 특수한 고효율 노(爐)를 만들어 라틴 아메리카에 있는 일반적인 노에 비해 환경오염 물질을 덜 배출한다고 한다.
재단의 웹사이트에 따르면 “이 노는 두 노가 쌍을 이루어 공정을 하게 되는데, ‘굽는’ 노와 ‘정화하는’ 노, 이렇게 두 가지이다. 정화 노에서 구워지는 진흙은 강한 음 전하를 띄게 되는데 노에서 방출 되는 연기속의 99퍼센트의 입자들을 끌어당기게 된다. 이러한 원리로 플라스틱을 기존 연료와 함께 유해물질 없이 대기로 방출할 수 있고 이를 유용한 자원으로 바꿀 수 있는 것입니다.
Craver는 거주민들에게 정화된 물을 사용하도록 하는 것은 보기보다 쉽지 않다고 말한다.
“우리가 극복해야 할 일 중에 하나가 필터가 사람들 사이에서 받아들여지도록 하는 것입니다. 우리가 이야기 해왔던 많은 사람들이 그들이 사용하고 있는 물이 건강에 해롭다고 느끼지 못하고 있고, 또 어떤 사람들은 정화된 물맛이 이상하다고  말하며 또 따른 사람들은 정화 필터와 주전자가 집에 늘 있어야 한다는 사실을 싫어하기도 합니다.”
Craver는 세라믹 필터가 반드시 과테말라인의 삶을 향상시킬 것이라고 생각하지 않으며, 이 시스템을 사용하는 사람들의 장기적인 건강을 도모하는 것이 그녀의 다음 단계라고 말했다. Craver는 올 여름에 과테말라에 방문해 주민들이 병원에 가는 횟수가 줄었는지 병가를 낸 횟수가 줄었는지, 또는 경제적 생활이 나아졌는지 알아볼 계획이라고 한다. 그녀는 또한 이 지역에서 테스트 되고 있는 다른 정수 기술의 성공과 자신의 기술을 비교해볼 것이라고 덧붙였다.
Craver는 세라믹과 공학기술이 무언가 차이를 만들어내기를 바라고 있다고 말했다. “세계에서 1억이 넘는 사람들이 안전한 물을 마시지 못하고 있으며, 약 2백만 사람들이 더러운 물에 의한 설사나 다른 질병에 의해 죽고 있습니다. 이렇게 죽는 사람의 90퍼센트가 5살도 안된 어린아이입니다. 만약에 우리가 개발도상국에 이 시스템을 사용할 수 있게 한다면 많은 생명을 살릴 수 있을 것입니다.”라고 말했다. 이뿐만 아니라, Craver의 졸업생 중에 한명은 에이즈로 고생하는 사람들의 생명 연장을 위해 정수된 물의 효과를 보기 위해 남아프리카의 Limpopo 지방에서 새로운 프로그램을 시작했다고 한다.
“에이즈 환자의 기대 수명은 더러운 물을 마심으로써 발생하는 반복적 설사 때문에 크게 짧아진 실정입니다. 그들의 면역체계에 더 많은 문제를 일으킬 수 있지요. 그렇기 때문에 우리는 그들의 건강과 생명 연장을 가능케 하는지 알아보기 위해 정수 시스템을 주려고 하는 것입니다.”라고 Craver는 말했다. ACB

연료전지 : 나노와이어가 촉매 단가를 낮춰줄 것인가?
전세계적으로 연료전지 연구는 크게 두 분야로 나눌 수 있다: 백금 촉매를 대체할 물질을 찾는 연구팀과 백금 촉매를 계속 연구하는 팀이 그것이다. 전자는 현실주의적이라고도 불리는데, 현재 사용하고 있는 백금 촉매는 귀금속을 이용하여 연료전지를 만들기 때문에 군사적 용도나 우주 연구, 특수 연구 센터를 제외하고는 사용할 수 없이 비싸다고 판단하였다. 그렇기 때문에 이들은 연료전지의 전력 출력 감소 없이 최소한의 백금을 사용할 수 있는 방법을 찾고 있다. 정답은 나노기술에 있다고 생각하고 있다.
이러한 노선을 따라, Rochester 대학의 한 연구팀은 기다란 백금 나노와이어에서 해결책을 찾을 수 있을 것이라고 생각하고 있다.
나노레터지에 발표된 논문에 따르면, 이 개념은 폭이 10 나노미터밖에 안되지만 길이는 수 센티미터에 이르는 나노 와이어를 사용하여 백금 촉매의 망을 만드는 것이다. 팀의 리더인 James C. M. Li는 Rochester 대학의 기계공학과 교수로 대학원 학생 Jianglan Shui와 함께 전자스핀 기술을 이용하여 기다란 와이어를 만드는 기술을 배웠다고 말했다.
Li가 만든 백금 나노와이어는 지름이 약 10 나노미터에 수 센티미터 길이로 세계 최초로 스스로 지지할 수 있는 순수 백금 “망”을 만들어 연료전지의 전극으로 사용하였다.
예전에도 나노컴퓨터와 나노스케일 센서와 같은 다양한 기술을 사용하여 나노와이어를 만들었었지만 이보다 훨씬 짧았었다. 그러나 두 과학자는 전자스핀이라고 알려진 상대적으로 오래되고 비침투 방식의 이 기술을사용하여 기다란 나노 와이어를 만들어 내는데 성공하였다. 전자스핀 기술은 전하를 이용하여 액체나 용융되어 있는 재료로부터 매우 작은 섬유들(전형적으로 마이크로나 나노 크기)을 뽑아낼 수 있다.
이 분야에 전자스핀을 사용하면 무엇이 좋은지 이해하는 것을 어렵지 않다. 이 기술을 높은 체적 대 표면 비를 만들어 낼 수 있으며 무엇보다도 강하고(이론 최대 강도에 준하는) 결함 없는 구조를 만들 수 있다는 것이 장점이다.  Li와 Shui는 이 기술을 이용하여 기존의 것보다 수천 배나 긴 백금 나노와이어를 만들 수 있었다.
전자스핀 기술에 문제가 없는 것은 아니었다. 초기 연구 단계에서 Li와 Shui는 백금 구슬이 나노와이어 중간 중간에 형성되는 문제를 겪었다. 이 구슬들은 와이어의 표면을 막고 그 수가 많이 있는 경우에는, 촉매 표면이 활성화 되지 않는 문제를 일으킨다. “백금이 너무 비싸기 때문에 연료전지를 만들 때 낭비되는 백금이 없도록 하는 것이 매우 중요한 일입니다. 우리는 구슬이 형성되는 데 있어서 다섯 가지의 중요한 변수에 대해 연구하였고 마침내 구슬이 거의 형성되지 않는 조건을 찾을 수 있었습니다.”라고 Li는 말했다.
Li와 Shui는 그들의 접근법을 사용하면 그동안 다른 연구자들이 나노크기의 백금을 사용할 때 겪어왔던 메탈 나노입자들이 지지 물질의 산화에 의해서 표면 확산되어 사라지는 문제들과 같은 문제들을 피할 수 있다고 한다.
Li는 왜 많은 사람들이 그동안 긴-와이어를 촉매로 사용하지 않아왔는지 이해 할 것 같다고 말했다.
“사람들이 그간 나노와이어를 사용하지 않았던 것은 그만큼 나노와이어를 만들기 힘들다는 것을 말해주는 것 같습니다. 와이어의 형상에 영향을 주는 변수들이 상당히 복잡하거든요. 그리고 와이어가 충분히 길게 형성되지 않으면 그냥 나노입자들과 같은 특성을 보이게 됩니다.”라고 Li가 말했다.
Li와 Shui는 현재 나노와이어를 더 길게 보다 균일하게 만들면서 구슬의 수를 최소화하는 기술에 대해 연구하고 있다. “이렇게만 된다면 연료전지를 만들어 이 기술을 시연할 수 있을 것 같습니다.”라고 Li가 덧붙였다. ACB

리튬-이온 시스템에서 충방전 속도를 향상시킬 수 있는
새로운 기술
Gerbrand Ceder가 이끄는 MIT 연구 팀은 몇 시간 동안 충전하는 것이 아니라 단 수 초 만에 충전할 수 있는 배터리를 만드는 기술을 알고 있다고 말했다. 이 연구팀의 배터리는 급속 충전뿐만 아니라 마치 축전지처럼 급속 방전도 가능하다. 이 연구팀의 연구는 네이처와 MIT의 기술 리뷰 웹사이트에 보고된바 있다.
Ceder와 그의 동료들은 리튬 아이언 포스페이트(lithium iron phosphate)와 관련된 데이터와 계산 결과들을 고찰한 결과 현재 리튬 배터리 보다는 훨씬 빠르게 리튬 이온이 움직여야 한다는 결론에 이르러 이를 현실화 하게 되었다. 연구팀은 이 시스템의 움직임을 방해는 것이 무엇인지 찾아 나섰다.
그 결과 연구팀은 리튬이온이 어디에 위치하게 되는지가 관건임을 알게 되었다. 만약 재료의 “터널”부분의 입구에 위치하게 되면 리튬 이온은 매우 빠른 속도로 터널로 들어가게 된다. 그러나 만약에 이온이 터널 입구에서 멀어지게 되면, 입구로 도달하게 되는데 시간이 많이 소요가 되게 된다. 이 문제를 해결하기 위해 Cede과 그 연구팀은 리튬이온이 터널에 도달하기 전까지 재료의 바깥에서 빠르게 움직일 수 있도록 하여 배열 문제를 해결할 수 있는 새로운 표면 구조를 개발하였다. 
연구팀은 현재 배터리 기술과 같이 특수한 처리를 하지 않고 만들어진 리튬 이온 전지와 비교해 겨우 5퍼센트의 충전/방전 시간을 갖는 프로토타입의 전지를 제작하였다.
Ceder는 자신의 그룹이 개발한 재료의 또 다른 장점이 충방전 사이클로 인한 열화에 대한 내성이 있기 때문에 같은 특성을 갖는 전지를 만들 때 재료를 적게 써도 된다는 것이라고 말했다. 이는 더 작고 가벼운 배터리를 만들 수 있다는 것을 의미한다.
“이것은 재료 하나지만, (그러나) 더 빨리 리튬을 흡수할 수 있는 재료입니다. 앞으로 연구해야할 것들이 많이 남아있지만, 연구실 수준에서는 훌륭하게 작동했습니다.”라고 Ceder가 말했다.
이 재료는 Texas 대학에서 이미 10년 전에 연구된 재료이다. 그러나 그 당시에는 지금처럼 빠른 흡수가 이루어지지는 않았다. Ceder 연구팀은 5년 전부터 이 재료에 대한 연구를 시작했는데 그 당시에는 재료들 간의 상호작용에 대해 연구하고 있었다. 연구팀은 그들이 예측한 모델과 연구실에서 측정된 값이 너무 이상해 깜짝 놀랐었는데, 그들의 모델에 의하면 리튬 아이언 포스페이트에서의 리튬 이온이 들어가고 나가는 움직임은 “놀라울 정로도 빨라야”했기 때문이다. 
배터리의 충전 사이클 동안, 리튬은 한 전극에서 다른 전극으로 이동해야만 하고, 리튬이온은 전해질을 떠나 반대쪽 전극 재료에 흡수되어야 한다. Ceder에 의하면 일반적인 환경에서는 입자가 들어오는 단계가 가장 느린 단계라고 한다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 연구팀은 과정이 진행되는 동안 리튬 아이언 포스페이트의 움직임을 기술할 수 있는 모델을 만들었고, 나노 크기의 비정질 코팅을 만들어 터널 이전에 가이드라인을 제공하도록 하였다.
Ceder는 실제 제품에 적용하는 경우에는, 충전이 수 초 만에 이루어지지 않을 수도 있지만 수 분 만에 이루어지게는 할 수 있다고 말했다. 왜냐하면 이 방식의 장점 중에 하나가 소비자가 사용함에 있어서 잠재적인 문제를 발생시킬 수도 있기 때문이다. 연구팀은 배터리의 전력밀도가 너무 높으면 일반적으로 사용되는 콘센트로는 충전을 할 수 없다고 말한다.
국립 라디오 방송의 “사이언스 프라이데이”라는 프로그램에서, Ceder는 “충전하기 위해서 거대한 전깃줄을 써야할지도 모릅니다. 그렇기 때문에 더 많은 연구가 남아 있는 것입니다. 현재 우리의 결과는 개념의 증명 단계이지만 지금과 같이 배터리가 느릴 필요가 없다는 것은 훌륭하게 증명해 주었습니다.”라고 말했다.
Ceder는 그렇게 말한 후에 더 나아가, 현재 에너지와 송전 분야에서 축전지가 많이 사용되고 있지만, 이 새로운 배터리가 많은 상황에서 축전지의 사용을 없애줄 것으로 내다보았다.
“축전지는 빠른 충/방전 특성을 보이지만 에너지 밀도는 낮습니다. 같은 부피에 대해서 축전지가 포함하고 있는 에너지는 배터리보다 낮습니다.”라고 Ceder는 말했다.
연구팀은 두 번째의 긴 충방전 특성은 휴대 전화에서부터 전기 자동차까지 넓은 범위에서 사용가능할 것이라고 생각하고 있으며, Ceder는 이 새로운 재료가 배터리 분야의 주재료로 사용될 것이라는 확신을 가지고 있다. 그는 이 재료가 비교적 가격이 저렴하고 풍부하다고 덧붙였다. Ceder는 몇몇 배터리 제조사들이 이미 수정되지 않은 형태의 이 재료를 사용하고 있기 때문에 충전 축전지와 디자인에 대한 연구가 동반된다면 연구팀이 개발한 수정된 형태로 사용하는데 큰 문제가 없을 것으로 내다봤다.
Ceder에 의하면 이 재료의 또 다른 큰 장점은 현재 리튬 이온 응용제품에 사용할 수 있다는 것이라고 한다. 게다가 이 재료는 열화 되는 현상이 거의 없기 때문에 과열되지 않는 경향이 있고 독성도 없는 것으로 알려져 있다.
충전 시간에 대한 문제를 풀면서 연구팀은 깨달은 것은, Ceder와 그의 동료들이 소량으로도 더 많은 이온과 전자를 붙잡을 수 있는 더 좋은 결정 구조와 재료를 찾음으로써 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다는 것이다. 연구팀은 이미 두 배, 세 배의 에너지 밀도를 갖는 재료를 발견하였지만 상용화 될 정도로 안정적이지 못하다고 한다. 결국, Ceder는 연구팀의 성공은 신속한 컴퓨터 모델링에 있으며 리튬 아이런 포스페이트는 연구팀의 최종 도착지가 아니라고 말했다. “우리는 수 천 가지의 재료를 찾아보고 있습니다. 우리는 이것을 농담으로 재료 게놈 프로젝트라고 말하고 있습니다. 또 다른 높은 에너지 밀도를 갖는 더 좋은 재료가 있는지 계속 찾아다는 것이지요. 같은 에너지를 갖는데 1/2, 1/3의 무게를 갖는 배터리를 만들고 싶습니다.”라고 라디오 인터뷰에서 Ceder는 말했다.
이미 두 회사에서 이 기술에 대해 라이센스를 맺은 상태라고 한다. 한 특허 라이센스는 미국 특허 A123인데 American Recovery와 Reinvestment Act가 새로운 재료를 이용한 배터리를 만드는데 자금적인 펀딩이 가능하게 할 것으로 보인다고 말했다. “배전에서 배터리의 잠재적인 역할을 고려해 볼 때, 저는 배터리야 말로 미국 산업의 미래라고 생각합니다.”라고 Ceder는 말했다.
그의 배터리 제품을 언제 상점 선반에서 볼 수 있을 것이라고 생각하는지에 대한 질문에 그는 웃으면서 “아마 4년 정도 걸릴 것 같습니다. 모든 제품은 상품화되는데 3년 정도 걸리기 때문에 여지를 좀 남겨봤습니다. 기술은 사람들이 생각하는 것보다 시간이 걸리는 것이거든요.”라고 말했다. ACB

나노튜브 에어로젤 시트-진짜 근육보다 우수한가?
에어로젤(aerogel)은 상상을 초월하게 가볍고(공기보다 가벼움) 강한재료이다. 최근 새로운 나노튜브 에어로젤의 응용분야가 뜨고 있다. 인공 근육. 그리고 그것은 매우 강하고 유용한 근육이다.
텍사스 대학의 나노테크 연구소장인 Ray Baughman가 이끄는 연구팀에 의해 이를 이용한 인공 근육이 개발되었다는 정보가 사이언스지 최신호에 실렸다. Ray Baughman는 나노튜브를 수년간 연구해왔으며 2005년에 나노튜브 실을 만드는 기술을 개발하였다.
그의 인공 근육으로 응용하는 아이디어는 텍사스 대학의 웹사이트에 실린 글에 의하면 DARPA의 John Main의 방문동안 발전하게 된 것이라고 전해지고 있다. “Main은 Ray 교수를 만나는 동안 사람들을 위험으로부터 보호하는 휴머노이드 로봇의 인공 근육이나 소방관, 우주인 군인들을 슈퍼휴먼으로 만들 수 있는 실제 사지 또는 외골격으로 사용될 수 있다는 그의 비전과 미래에 대해 설명했습니다. 이 모든 것들은 고 밀도 연료로 소량의 알코올만으로 장기간 임무를 수행할 수 있을 것입니다.”라고 웹사이트는 보도했다. DARPA의 격려에 힘입어 Baughman과 학생들은 나노튜브를 이용한 것과 나노와이어를 이용한 두 가지의 인공 근육에 대한 내용을 사이언스에 발표하게 되었다. 재료의 크기 변화를 위해 하나는 알코올을, 다른 하나는 수소를 연료로 사용한다고 한다.
2008년에, 연구팀은 사이언스지에 또 다른 논문을 발표하는데, 단일 벽 나노튜브와 다중벽 나노튜브로 만들어진 버키페이퍼(buckypaper)의 기계적 특성에 대한 논문이었다. 텍사스 대학의 웹사이트는 “대부분의 재료는 어떤 한 방향으로 잡아당기면 다른 방향으로는 얇아지게 됩니다. 고무줄을 잡아당기면 어떻게 되는지를 생각하면 쉽지요. 그러나 특수하게 디자인된 (‘버키페이퍼’라고 불리는) 탄소 나노튜브 종이는 잡아당기면 다른 방향으로도 너비가 늘어나게 됩니다. 버키페이퍼는 균일하게 누를 경우에는 길이와 너비가 같이 늘어나기도 합니다.”라고 덧붙였다.
Baughman은 다중벽 나노튜브층이 더해지면 버키페이퍼는 양의 Poisson의 비에서 음의 값을 갖게 된다고 보고했다.
“이러한 급작스러운 Poisson의 비의 변화는 너무 놀라운 것이며 나노튜브 시트의 구조는 너무 복잡해서 첨단 이론으로도 정량적으로 설명할 수 없다고 처음에는 생각했습니다.”라고 Baughman이 말했다. 그 당시 연구팀의 짐작은 잡아당겨지면 재료가 마치 잡아당길 수 있는 와인 랙처럼 행동하고 잡아당겨지지 않으면 그냥 일반 랙처럼 위 아래로 구조를 형성하고 있는 것이 아닌가였다.
최근 연구 결과, Baughman 연구팀은 이전의 성공에 더하여 “정렬된 리본 다발”로 에어로졸시트를 만들 수 있는 방법을 발견하였다. 그 결과 만들어진 재료는 단위 입방 센티미터 당 1.5 밀리그램의 근 밀도를 가진 것으로 나타났다. 이 재료는 매우 연성이 좋으면서도 강도가 높았다. 또 중요한 것은 전류가 가해졌을 때 발생하는 현상이다. 에어로졸은 두께와 너비가 급속하게 팽창하였다. 생체 근육은 초당 50퍼센트로 팽창하는데 반해 초당 37,000퍼센트로 팽창하였다.
동시에, 이 재료는 길이를 따라서는 연성이 없다. 그 강도는 일반 근육보다 32배가 강한 3.2 MPa의 스트레스를 견딜 수 있을 정도였다. Baughman과 그 연구 팀은 “이것은 명백히 전례 없는 수준의 비대칭입니다. 한쪽으로는 다이아몬드처럼 거동하는 반면 다른 방향으로는 고무처럼 거동하니까요.” 연구진은 에어로졸 시트의 특성이 온도에 따라 변하지 않는다고 덧붙였다.
연구팀은 관절의 인공 근육에 사용되어 보철학과 로봇공학에 새 시대를 열 것으로 내다보았다. 또한 연구팀은 에어로졸 시트가 독특한 광학적 특성을 가지고 있어 유기발광다이오드 디스플레이나 태양전지 이온빔의 전하 스트리핑이나 냉 전자 전계방출 등에도 유용하게 사용될 수 있을 것이라고 말했다. ACB

새로운 MACS, 빠르고 정확한 분광의 요건을 충족시키다
NIST와 Johns Hopkins 대학(이하 JHU)의 연구진은 Qkfm
고 정밀한 프로브를 개발하여 나노기술 과학과 관련 분야에 큰 혜택을 가져다 줄 것으로 예상된다. NIST-JHU 연구팀은 이 새로운 장비를 다중 축 결정 분광기(MACS)라고 부르기로 했다. 이 기술은 NIST의 중성자 연구 센터에서 개발한 이전 분광기 기술에 더해져 개발된 것으로 예전 분광기는 샘플에 중성자를 때리고 흩어져 나오는 중성자의 특정 방향과 속도를 측정하는 방식이었다. 그러나 이 기존 분광기는 큰 면적의 샘플이 필요했고 테스트 조건에 매우 민감한 제약이 있었다.
나노기술 연구소는 이러한 기존 모델을 극복하여 단 수 밀리그램의 샘플로도 측정이 가능하도록 만들었다. 더구나 기존 모델들은 자기장이 걸려있는 상태와 같이 특수한 환경에서의 재료 테스트는 보통 불가능했었는데 MACS 시스템은 기존의 중성자 분광기가 단일 검출 “채널”을 가지고 있는데 반해 20개의 다른 “채널”을 가지고 있다. MACS 개발팀은 이러한 다중 채널 특성은 넓은 각도, 고분해 렌즈덕분에 가능했다고 말한다.
“이전 장치로 자성 물질에 대한 비탄성 산란 실험을 할 경우에는 적어도 80밀리그램의 시료가 필요했었습니다. 그러나 MACS는 나노 구조를 하고 있는 박막 샘플에 대해서도 다양하고 자세한 정보를 얻을 수 있습니다. 재료를 나노 크기로 디자인하고 모양을 만들면 얻을 수 있는 장점들에 대해 서로 연구하려는 노력들이 진행되고 있습니다.”라고 JHU의 교수인 Collin Broholm 교수가 말했다.
NIST와 JHU 연구팀은 지속적으로 MACS를 개선하고 있지만 6개월 이내에 새로운 분광기에 대한 제안서를 제출할 수 있을 것으로 예상된다고 한다. ACB

산화티탄 표면원자의 직접 관찰에 성공
東京大學大學院 공학계 연구과·총합연구기구 柴田直哉 조교(과학기술진흥기구 선임연구원)·幾原雄一 교수((재)파인세라믹스센터 나노구조연구소, 東北大學 WPI-AIMR)등 연구팀은 산화티탄 표면원자의 직접관찰에 성공하여 지금까지 밝혀지지 않았던 표면구조를 원자 레벨에서 해명했다. 본 연구로 촉매를 비롯한 산화티탄 재료의 원자 스케일에서의 기능제어에 커다란 진전을 기대할 수 있다.
산화티탄(TiO2)는 촉매, 태양전지, 바이오세라믹스 등 환경 친화적인 재료로 기대되고 있는데, 그 유니크한 기능의 발현에는 결정표면이 매우 중요한 역할을 담당하고 있다. 그러나 지금까지TiO2의 표면구조를 원자 레벨에서 상세하게 결정하기는 극히 곤란했다. 이 연구팀에서는 최첨단 원자직시형 투과전자현미경을 이용함으로써 TiO2 표면원자의 직접 관찰에 성공하여, 복잡한 3차원 표면원자 구조를 세계에 앞서서 해명했다. 이 성과로 표면구조와 기능의 관계를 본질적으로 이해할 수 있게 되어 촉매를 비롯한 신재료 개발에 박차를 가할 수 있으리라 기대할 수 있다.
본 연구는 文部科學省 특정영역연구 「기능원소의 나노재료과학」(영역 대표자 : 東京大學대학원 공학계 연구과·총합연구기구 幾原雄一 교수), 과학기술진흥기구 전략적 창조연구추진사업 개인형 연구 선임 「계면의 구조와 제어」(연구총괄 : 東京大學 대학원 신영역창성과학연구과 川合眞紀 교수)의 지원으로 이루어졌다. 일경산업

내경 5미크론의 세라믹스 마이크로 노즐 개발
(주)長峰製作所(본사 : 香川縣)은 사출성형법으로 내경 Φ5㎛의 노즐 제작에 성공해어 시장에 공급을 시작했다. 용도는 디스펜서 등의 압송 노즐, 피펫 등의 흡인 노즐을 생각할 수 있다.
일반적으로 세라믹스에 내경 Φ5㎛의 구멍 가공을 하기는 불가능하므로 사출성형에 의한 성형법을 채용했다. 이 기술을 가능케 한 포인트는,
① 첨단 지름 Φ5㎛의 코어핀의 가공기술과 Ra 0.1㎛의 표면 조도(粗度)의 실현
② 이 극세 코어핀에 500kN을 넘는 사출압력을 가해도 견딜 수 있는 금형 설계
③ 유체의 흐름을 저해하지 않는 노즐 구멍 소결 후의 내면 면(面)조도(Ra 0.2㎛)의 확보
④ 내외 지름의 같은 심도(芯度, 0.5㎛)의 확보9첨단부의 두께는 5㎛까지 슬림화)
⑤ 제품 완성 후의 노즐 내부의 세정
이들 5개 항목 전부를 극복하여 가능하게 되었는데 ①은 ELID연삭공법의 채용에 가깝지만 코어핀 재료로서 초초미세결정의 초경합금(결정 입경 Φ0.1㎛)의 입수도 중요한 포인트이다. ②는 長峰製作所의 코어 기술로 금형제조업으로 성장해 왔기 때문이다. ③은 재질에 부분 안정화 지르코니아를 이용함으로써 강도와 결정 입경의 미세화를 양립했다. ④는 기계가공기술인데 내경 Φ5㎛의 구멍 중심을 기상(機上) 확인 후, 외주(外周) 가공함으로써 실현⑤는 초임계 세정을 채용했다.
앞으로의 방향으로서 내경 Φ2㎛에도 도전하고 있다. 얼마 후 완성될 전망도 덧붙였다. 시장 요구가 있으면 공급할 수 있는 체제로 가져갈 계획이다. 고맙게도 모노즈쿠리추진회의(經濟産業省, 일본상공회의소 후원) 「08년 ‘초(超)’모노즈쿠리 부품 대상」 기계부품상에 채택되었다. 일경산업

대형 다공질 세라믹스 진공 척 제품화
(주)나노테므는 액정제조장치용 대형 유리 기판 흡착 테이블을 제품화했다. G8사이즈(2,460×2,160) 글라스 기판에「일체형 폴러스 세라믹스(이하,「세라」)」에 대응할 수 있게 되었다. 지금까지는 사방 1,000mm정도의 판을 옆으로 나란히 붙여서 큰 면적을 커버했는데 이음새의 균일하지 않은 흡착이 유리 기판의 상황을 나쁘게 만들었다. 업계의 「일체화」요구는 커서 사내 설비도 유리 기판 사이즈와 함께 대형화가 진행되었다. 설비는 나아져도 세라의 일체화, 대형화는 간단하게는 좋아지지 않아 수많은 실패를 거듭했다. 그러나 가마를 열 때 다음의 아이디어가 갑자기 떠올라 그것을 시도하는 나날을 반복하여 오늘날의 제품화에 도달했다.
진공흡착 테이블은 흡착 면에 밀리미터 단위의 구멍, 홈을 마련한 것이 대부분이고, 특히 워크가 얇은 경우에는 그 구멍, 홈에 워크가 빠져서 「오목 형상」을 만든다. 액정 패널에 사용되는 유리의 두께는 0.7mm로, 경량화, 고성능화를 겨냥한 슬림화가 진행되고 있다. 각 액정 메이커들은 아주 정밀한 화상을 만들기 위해 TFT, 컬러필터 모두 패턴을 미세화하고 있고 그것을 실현하기 위한 주요 공정, 즉 레디스트 도포, 노광, 인쇄, 연마, 분단, 검사, 기타 등등을 담당한 제조 장치에는 유리 기판을 올록볼록한 부분 없이 정도 높고 균일하게 흡착 고정하는 테이블이 불가결하게 된다. 나노테므의 세라는 몇10㎛의 미세한 기공을 가져서 워크를 휘게 하는 일 없이 흡착이 가능하다.
흡착 테이블에는 대형 일체화, 오목 부분이 없는 것 이외에도 제조장치의 고정도 프로세스 실현을 담당하는 중요 부품의 하나로서 여러 가지 요구가 있다. 흡착면의 평면화, 평활도(平滑度), 정도(精度)의 안정성, 경량화, 진동감쇠성이 그것이다. 나노테므는 독자의 다이아 공구 기술과 연삭가공기술을 바탕으로 흡착 면을 5㎛ 이하(G6 사이즈(1,850× 1,500)로 마무리하는 것을 가능케 했다. 대면적의 수준 높은 평면도화는 「핸드랩」이라는 방법이 주류인데, 측정결과에는 나타나지 않는 요철이 발생하여 문제가 되는 경우가 있다. 그것을 연삭가공으로 바꾸면 보다 균일한 흡착 면을 얻을 수 있어 프로세스를 안정화시킨다. 또 폴러스이기 때문에 열팽창 계수가 적어 환경온도변화에 의한 정도 변화가 극히 작으며 동시에 경령화할 수 있어 테이블을 구동하는 사보계에 대한 부담을 경감한다. 작금의 대형 어영석(御影石)의 고갈이 문제가 되고 있다. 그 어영석과 동등한 감쇠능을 갖는다는 것도 인정할 수 있어 경량으로 흡착기능을 부가한 돌 정반 대체의 길도 보이기 시작했다. 일경산업

높은 열전도율 무기 입자 분산
플라스틱 복합 필름 제작
일렉트로닉스, 통신 분야의 급속한 발전에 의한 전자 회로의 고집적화, 반도체 패키지의 소형화·고밀도화로 발생하는 열을 효율적으로 방산할 수 있는 플라스틱 기판과 패키지가 요구되고 있다. 또 차세대의 휴대정보기기에서는 편리성 등의 관점에서 고열전도성 필름에 대한 기대가 크다. 범용 플라스틱 재료의 열전도율은 현재 0.1~0.5W/m℃로 Al2O3등의 산화물 필러를 첨가하여 플라스틱의 열전도율 향상이 도모되고 있다. 그러나 산화물 필러 단체(單體)의 열전도율을 1~6W/m℃로 낮아 이들을 첨가해도 무기입자분산 플라스틱 복합재료의 열전도율은 1~3W/m℃에 그친다. 한편, BN, SiC, AlN의 필러는 산화물 필러에 비해 5~40배의 높은 열전도율을 보인다. 단, 이들 필러는 재료 표면에 존재하는 관능기량이 적기 때문에 유기용매에 대한 분산성이 나쁘다. 또한 플라스틱과의 친화성이 낮기 때문에 플라스틱 속에 균일하게 분산시키는 것이 곤란했다.
産總硏의 渡利그룹장 등은 무기입자의 분산기술, 무기물질 표면의 상태평가기술, 표면처리기술의 연구개발을 실시했다. 그 일환으로 열전도율이 높은 질화물 가운데 BN에 착목하여 여러 가지 연구개발을 진행했다. 이번에 무기재료 가운데에서 비교적 높은 열전도율을 가진 BN필러에 주목했다. BN의 미립자 표면에는 -OH기(수산기), -NH2기(아미노기)등의 관능기가 있는데, 이들은 주로 BN결정의 단면(B원자와 N원자가 교대로 결합한 육각망 면 구조를 가진 적층면과 직교하는 측면)위의 B원자에 공유결합으로 연결되어 있다. 이들 관능기의 증대로 BN필러는 유기 용매에 쉽게 분산된다. 또 -OH기를 가짐으로써 커플링제(劑)에 의해 -OH기를 매개로 필러와 플라스틱을 결합시킬 수 있다.
한편, BN의 결정이 너무 성장하여 입자가 조대(粗大)해지면 플라스틱 속의 균일한 분산이 곤란해진다. 본 연구에서는 각종 BN입자를 평가하여 유기용매 속에서 우수한 분산성을 보이는 입자를 필러로 썼다. 선택한 필러의 평균입자 지름은 약 0.8㎛, 적층면 방향의 결정성장을 억제한 미립자이다. 또 확산반사 적외분광 측정으로 -OH기 및 -NH2기가 안정적으로 존재하고 있다는 것을 나타내었다. 이들 안정적인 관능기에 의해 필러와 유기용매, 플라스틱의 친화성이 향상되었다.
이번에 이용한 BN필러를 폴리아미드산 와니스에 더하고 그것을 혼합하여 열프레스로 두께 약 100㎛(마이크로미터)의 무기입자 분산 플라스틱 필름을 제작했다. BN필러를 60% 첨가한 필름은 7W/m℃의 높은 열전도율을 나타냄과 동시에 높은 가동성을 보였다. 일간공업

초음파 어시스트 수열 합성법에 의한 비연(非鉛) 압전 세라믹 분말
東京大學의 森田 剛准 교수 연구팀은 비연 압전 세라믹의 고품질 원료분말을 고속으로 제조하는 프로세스를 개발했다. 잉크젯 프린터 헤드 구동부, 자이로 센서, 압전 트랜스 등 수많은 정보기기에 이용되고 있는 티탄산지르콘산연(PZT)를 환경 부하가 적은 비연 재료로 바꾸는 연구가 세계 각지에서 활발하게 이루어지고 있다. 연구팀은 비연 압전 재료의 하나인 KNbO3 압전 세라믹스 제조법으로서 초음파 어시스트 수열합성법을 개발했다. 수열합성법은 수용액 속의 이온 반응을 응용한 프로세스로 고상법과 비교하여 저온합성(200℃정도)가 가능하여 자기 집합적으로 분말 합성을 할 수 있다는 점에서 매우 품질이 좋은 결정분말을 얻을 수 있다. 또 제조 프로세스 중에 초음파 조사함으로서 제조 프로세스 시간을 5분의 1인 3시간 정도로 단축한다는 것을 발견하여 종래의 문제점도 해결했다. 도프하지 않는 KNbO3 세라믹의 압전 정수 d33은 51pC/N이었으나 최근에는 같은 수열합성법으로 KNbO3로 고용시킴으로써 압전성의 대폭적인 향상에 성공했다. 앞으로는 소성 프로세스의 최적화와 Li 등의 첨가물을 도입하여 압전성의 더 큰 향상을 목표로 한다. 일경산업