고순도 단층 카본나노튜브를 400℃에서 생성
단층 카본나노튜브는 그 특이한 형상(높은 아스펙트비), 기계적, 전기적, 화학적 특성으로 폭넓은 분야에서 응용이 기대되고 있다. 특히, 결정구조에 따라 금속적으로도 반도체적으로도 된다는 점에서 LSI(대규모집적회로)를 중심으로 한 차세대 디바이스의 혹은 MEMS(미소전기기계시스템)의 소재로 주목을 모이고 있다. 그러나 성장온도는 600℃ 이상으로, 현재의 LSI구조의 내열온도를 넘고 있기 때문에 저온성장이 큰 과제가 되고 있다. 또 저온성장은 유리, 수지 등의 저내열성 재료 상의 직접 성장을 가능케 하여 단층 카본나노튜브의 응용 범위를 크게 넓힐 수 있게 된다.
필자는 직경 1.0mm의 탄소 롯드에 직접 통전하여 1400~1700℃로 가열해서 이것으로 에탄올 등의 원료기체를 분해하고, 별도로 가열된 실리콘 웨이퍼 위의 코발트 미립자에 공급함으로써 400℃에서 30분 만에 두께 0.2㎛의 불순물이 적은 탄층 카본나노튜브 막을 생성하는데 성공했다. 450℃에서는 실리콘 웨이퍼 위에 수직 방향으로 브러시처럼 단층 카본나노튜브를 성장시킬 수 있고(수직방향성장), 그 두께는 30분 만에 3㎛에 달했다. 이 기판 표면에 물방울을 떨어뜨리자 기판에 대한 물방울의 접촉각은 130°가 되어, 이 방법은 기판 표면의 고발수성 가공에도 유효하다. CJ

Ceramatec의 가정용 배터리
Provo’s Daily herald는 Utah주에 위치한 Ceramatec사에서 일반적인 가정의 하루 전력사용량에 해당하는 20kilowatt hours을 저장할 수 있는 배터리의 개발을 보고했다. Ceramatec의 베터리는 매우 얇은 세라믹 막으로 Sulfer와 Sodium을 분리하는 구조로 제작되며 이러한 구조 덕분에 낮은 온도에서도 안정적인 전력저장이 가능하다. 이 베터리는 지역 전력라인, 풍력 또는 태양광 등 다양한 전력원으로 부터 20kilowatt hours에 해당하는 전력을 충전할 수 있다. Ceramatec에 따르면 이 배터리는 5killowatt의 전력을 4시간 동안 흘릴 수 있으며 최소 3,650회의 충전과 방전이 가능하다고 한다. 일반적인 지역 전력라인을 통해 공급받는 전력의 가격은 1kilowatt당 8센트 정도인 반면 스마트 그리드 또는 전력사용이 적은 지역의 전기를 사용할 경우 1kilowatt당 수 센트 낮은 가격으로 전력을 공급받을 수 있기 때문에 배터리를 이용하여 전력사용이 적은 시간의 전기만을 이용할 경우 Ceramatec는 매우 경제적으로 활용될 수 있을 것으로 보인다. Ceramatec을 사용하면 여름철 전력사용 피크타임에 에어컨을 꺼 놓을 필요가 없다. ACB

가시광으로 작용, 섬유와 플라스틱에 사용할 수 있는 저가의 광촉매 개발
産總硏의 峠田博史 주임연구원 등은 탈취나 항균효과가 우수하며 섬유와 플라스틱, 종이 등에 사용가능하며 색이 누렇게 변색되어 보이지 않는 범용성이 높은 고성능이며 실용적인 가시광 응답형 광촉매를 개발했다.
광촉매는 빛의 조사로 유해화학물질을 무독한 물이나 탄산가스로까지 분해할 수 있어 항균 곰팡이 방지, 탈취, 대기정화, 수질정화, 오염방지 등 여러 가지 응용이 가능하다는 점에서 환경기술의 비장의 기술 가운데 하나로 알려져 있다. 그러나 종래의 광촉매는 자외선의 조사가 필요했기 때문에 자외선이 적은 실내에서는 광촉매의 기능이 충분히 발휘되지 않아 실내용도에 대한 응용이 좀처럼 진척되지 않았다.
따라서 전등의 빛 등 가시광으로 반응하는 광촉매의 개발이 이루어져, 산소결핍을 갖는 산화티탄 광촉매와 질소를 도입한 산화티탄 광촉매, 산화텅스텐 및 귀금속 등을 이용한 강촉매가 개발되었다. 그러나 모두 안정성과 원가 등에 문제가 있어 보급이 곤란했다. 또한 이들 가시광으로 반응하는 광촉매는 노란색을 띠고 있기 때문에 벽지 등에 사용했을 경우, 누렇게 변색된 듯이 보인다는 문제가 있고, 게다가 광촉매는 접촉해 오는 거의 모든 유기물을 분해하기 때문에 섬유나 플라스틱, 종이 들을 기재로 사용했을 경우, 기재가 분해된다는 문제가 있었다.
이번에 개발한 것은 산화티탄과 아파타이트와 철이라는 값싸고 안전한 물질을 효과적으로 조합시킨 것으로 표면이 광촉매 활성을 갖지 않는 아파타이트로 부분적으로 뒤덮여 있기 때문에 유기계 기재의 분해를 억제할 수 있어서 섬유나 플라스틱, 종이 등에도 적용이 가능하다. 그리고 형광등 아래에서의 아파타이트의 분해성능이 가시광 응답화되어 있지 않는 것에 비해 5.9배 향상됨과 동시에 아세트알데히드가 완전히 산화 분해되어서 이산화탄소와 물이 되었다는 것이 확인되어 가시광 뿐 아니라 자외선에 의한 분해성능도 크게 향상되었다. 아파타이트는 세균이나 악취, NOx등을 흡착하기 때문에 항균과 탈취, NOx제거·대기정화 등의 효과도 대폭 향상했다.
신형 광촉매는 특허의 실시로 (주)나노웨이브가 지난 4월 1일부터 제조 판매하고 있다. 이것을 이용하여 지금까지 효과를 얻기 힘들었던 택시 등의 차 안이나 흡연실 등의 실내에 대한 시공도 추진되어 앞으로 폭넓은 보급이 기대된다. CJ

Brain Imaging에 사용되는 다기능 나노물질
2가지 이상의 기능을 가진 물질의 개발, 그 중 나노물질의 개발에 관해 엔지니어 들은 나날이 정교해 지고 있다. 이러한 다기능 나노물질의 개발에 가장 큰 공헌을 한 것 을 고르라면 그것은 아마 물질의 정확한 배열을 가능케 해주는 나노과학과 물질이 어떻게 거동할지를 예측하게 해주는 수학분야의 눈부신 도약일 것이다. 다기능 물질이 실제 생활에 어떻게 적용되는 지를 알아보는 의미로 Washington University의 Miqin Zhang 교수가 이끄는 연구팀이 수행하고 있는 연구를 살펴보자. Zhang의 연구팀은 신경교종과 같은 뇌 암의 치료방법 개선을 위한 연구를 진행하고 있다. 전이되기 쉬운 이들 암의 특성 때문에 건강한 조직에 손상을 주지 않으면서 발암성 조직을 모두 제거하는 것은 매우 어려운 일이다. Zhang과 그의 연구팀은 수술 뿐 아니라 수술 후 치료에 모두 도움이 되는 두 가지 기능의 나노물질을 개발 했다고 했다. 연구팀이 개발한 물질은 암세포를 찾아내는 기능과 뇌종양을 MRI사진 상에 밝게 빛나게 해주는 두 기능을 지닌 나노물질이다. Zhang의 연구팀이 개발한 나노입자의 첫 번째 능력은 외과의사 들이 어떤 부위가 악성인지 결정하는데 사용되는 MRI 및 광학현미경 사진의 명암비를 높여주는 것이다. “수술 중 의사들은 우리가 개발한 나노물질의 도움으로 제거 할 종양과 아닌 곳의 경계를 더욱 명확히 구분 지을 수 있습니다.” Zhang은 이야기 했다. “우리는 이 물질을 ‘뇌종양 페인팅’ 또는 ‘뇌종양 Illumination’이라고 부릅니다. 뇌종양 부위가 밝게 빛나기 때문이죠.” “나노 이미징의 높은 해상도는 암을 초기에 진단하는데 도움을 준다고” 그녀는 덧 붙였다. 나노물질이 혈관과 뇌막을 넘어 뇌로 이동하게끔 하는 것은 매우 어려운 일이다. 나노물질이 뇌막을 통과할 수 있느냐 없느냐는 나노입자의 크기, 지질함유량, 그리고 나노입자의 전하에 따라 결정된다. Zhang의 연구팀은 뇌종양을 찾아내기 위한 물질로 chlorotoxin을 사용하며 이 분자위에 매우 작은 형광입자를 붙여 광학 현미경으로 관찰할 수 있게 하였고 다른 분자가 부착될 수 있게 하였다. “이것은 차세대 암세포 이미징 기술입니다.” UW School of Medicine의 교수겸 신경외과의 과장으로 연구팀의 맴버인 Richard Ellengoben은 이야기 했다. “이전에는 CT가 최신의 기술이었습니다. 지금은 MRI, 다음 세대에는 이 기술이 최신의 진단방법이 될 것입니다.” Zhang의 나노입자 연구소는 암 치료와 관련된 연구를 진행하고 있으며 그중에서도 ‘nanoconjugates’or ‘multifunctional nanovector’이라고 이름 붙여진 분야에 집중하고 있다. Zhang의 연구팀은 홈페이지를 통해 다기능 물질이 어떻게 비수술적 암치료에 응용되고 있는지에 대해 보여주고 있다. : nanoconjugates는 화학적으로 변형된 나노 입자로 생물학적 분자를 특정 세포로 보내주는 역할을 한다. nano
vector는 치료기능을 가진 나노 입자를 말한다. nanovector는 타겟팅 물질이 코팅된 코어와 특수한 기능을 갖는 생체분자가 결합된 형태로 구성된다. nanovector는 위치와 시간에 따른 효과를 알 수 있도록 최소한 한 가지 이상의 검사방식으로 검출이 되어야 한다. nanovector는 암세포만을 찾아서 공격하도록 되어 있으며 따라서 정상세포의 피해를 최소화 할 수 있다. 암세포의 자살을 유도하고, 전이 및 이동을 억제하기 위해 치료 효과를 가진 물질을 특정세포에 전달하기 위한 nanovector의 활용기술의 개발은 꼭 필요하다. 우리는 의료용으로 사용되는 다양한 다기능 나노 물질을 개발한다. ACB

고온에서 불순물의 적은 플라즈마 생성을 실증
자연과학연구기구 핵융합 과학연구소는 일본 독자의 아이디어에 기초한 나선형(헬리컬)의 초전도 자석을 이용한 플라즈마 자장 가두기 실험장치, 대형 헬리컬장치(LHD)에 있어서 이온온도가 6,000만도 이상인 고온 플라즈마를 생성하고, 불순물 혼입량을 핵융합로 의 필요조건 이하로 억제할 수 있다는 것을 실증했다. 플라즈마 속의 원자핵 융합반응에 의한 에너지를 이용한 핵융합로의 실현에는 전기적 발전을 넘어서 원자핵끼리 충돌할 수 있도록 높은 플라즈마 온도가 필요하다. 한편, 플라즈마의 온도가 높아지면, 플라즈마에 대향한 진공용기 벽에 대한 열 및 입자 부하가 커져 벽이 소모되어 그 재료가 불순물로 플라즈마 속에 혼입된다. 불순물은 연료를 희석함과 동시에 플라즈마 속의 에너지를 전자파의 형태로 놓치기 때문에 플라즈마 온도의 저하도 야기한다. 플라즈마 온도의 저하는 불순물 원자 속의 전자 수가 증가하면 커지기 때문에 현재 가동 중인 대부분의 핵융합 실험 장치와 국제협력을 건설이 시작된 국제열핵융합실험로(ITER)에서는 특히 플라즈마에서 나온 열 및 입자 부하가 큰 벽의 재료에는 비교적 전자 수가 적어 열내성이 우수한 탄소재료가 이용되고 있다. LHD에서는 등방성 흑연재료로 제작된 타일이 플라즈마 대향부에 설치되어 있다. 따라서 플라즈마 속의 주요 불순물을 탄소로, 앞으로의 핵융합로에서는 플라즈마 속의 탄소밀도는 연료수소밀도의 1% 이하로 억제할 것이 요구되고 있다. LHD에서는 플라즈마 속의 이온 온도측정을 위해 탄소이온이 나오는 빛을 이용하고 있으며, 이온 온도와 동시에 탄소 밀도도 얻을 수 있다. 2008년도 실험에서는 이 측정의 정밀도가 향상되어 플라즈마 속의 탄소밀도의 정밀한 분포를 얻을 수 있었다. 탄소밀도 분포는 고온의 플라즈마 중심부가 낮아져 있는 오목형으로, 이온온도 6,500만도의 영역에서 탄소이온의 밀도가 전자밀도 0.3%정도로 낮추어져 있다는 것을 알았다. 또한 탄소의 작은 알갱이를 의도적으로 플라즈마 속에 입사해도 이온 온도의 상승에 따라서 탄소가 나온다는 것을 알았다. 연료 수소의 순도는 핵융합로 실현의 결정적인 조건 가운데 하나이기 때문에 이 성과는 앞으로의 핵융합로 운전에 있어 극히 중요한 의의를 갖는다. CJ

나노튜브가 만들어내는 새로운 X-ray
Technology Review는 2009년 말 까지 North Carolina 대학병원에 설치될 최첨단 X-ray 기기의 핵심으로 사용되는 탄소나노튜브에 대해 소개했다. 새롭게 도입될 X-ray 기기는 지금까지의 X-ray와는 차원이 다른 고해상도의 X-ray 이미지를 제공할 수 있을 뿐 아니라 매우 높은 정확도로 방사선을 조사할 수 있어 항암치료에 응용될 경우 정상세포의 피해를 최소화 하면서 암세포를 매우 효과적으로 제거할 수 있을 것으로 보인다. 이 X-ray 기기는 기존의 X-ray 기기에서 전자를 방출시키기 위해 사용되었던 텅스텐 에미터 대신에 수직으로 배열된 나노튜브를 사용하고 있는데 수 백개에 이르는 탄소나노 튜브 하나하나가 전자를 방출하는 전자총의 역할을 하게 된다. 텅스텐 에미터의 경우 전자를 방출하기 위해선 일정 온도 이상으로의 가열과 그에 따르는 대기시간이 필요한 반면 나노튜브의 경우 전기장이 인가되는 순간 전자를 방출 한다. “탄소나노튜브를 이용한 멀티 빔을 이용하면 고해상도의 신체기관 X-ray 이미지를 찍는 것이 훨씬 수월해 질 것”이라고 University of North Carolina의 재료공학과 교수인 Otto Zhou는 이야기 했다. Technology Review는 Zhou교수의 멀티빔 X-ray 기기를 CT Scanner와 비교했다. CT Scanner 시스템은 회전하면서 수백장의 X-ray 사진을 찍고 그것을 조합하여 3차원 이미지를 합성해 낸다. Zhou에 따르면 Zhou의 시스템은 기기를 회전시키는 대신에 수백개의 탄소나노튜브 Emitter를 순차적으로 On / Off 하는 방식으로 X-ray가 방출되는 방향을 자유자재로 조정 할 수 있다고 한다. “탄소 나노튜브로 만들어진 Emitter는 시간지연 없이 즉각적으로 On / Off 되기 때문에 동일한 시간동안 CT에 비해 더 많은 X-ray 이미지를 얻을 수 있을 것”이라고 Massachusetts의 General Hospital의 흉부 x-Ray과장인 Diniel Kopans는 이야기 했다. Kopans는 덧 붙여 이야기 했다. “고속 이미지 촬영을 통해 X-ray 이미지가 흐리게 찍히는 걸 막을 수 있습니다. 사진을 찍을 때 셔터스피드를 높이는 것과 같은 원리죠.” 새로운 X-ray기기를 개발한 Zhou 교수와 그의 연구팀은 이 기술이 좀 더 높은 정확도의 항암치료 및 치료와 검사를 동시에 할 수 있는 시스템에 활용되길 바라고 있다. ACB

세라믹계 나노 복합탄화물 박막 사용
소형 역각(力覺)센서의 개발
(주)아사히 전자연구소는 압력센서 메이커인 日本리니악스(주)와 공동으로 신소재료·세라믹스계 나노복합탄화물 박막을 이용한 새로운 소형 고성능 역학 센서를 개발했다. 센서 본체 사이즈 3.0×5.0mm, 중량 약 0.1g 이하(종래 굴절 센서의 1/5 소형화)의 최소 . 최경량 급을 달성하였고, 또 저항온도계수(TCR)이 10ppm/℃ 이하로 극히 작으며, 종래 80℃ 정도였던 온도 범위가 -50~+250℃까지로 광범위한 온도환경 하에서의 응력 계측에 적용할 수 있다. 종래의 굴절 게이지식 역각 센서는 감도가 비교적 낮아 환경온도에 계측정도가 영향을 받기 쉬운 등의 문제를 안고 있었다. 이번에 연구개발된 소형 고성능 역각 센서는 반응성 스팩터링에 의해 세라믹스계 나노 복합탄화물을 수십 나노미터의 막 두께로 스테인리스 혹은 특수한 필름 기판 위에 집적하는 구성을 갖추어 막 밀착성이 높아서 내충격성에도 우수하고 또한 종래 굴절 센서에 비해 약 6배의 고감도화에 성공했다. 이로써 구조체에 작용하는 복합 성분력을 동시에 연속해서 그리고 실시간(최대 10㎑의 고속응답처리)으로 직접 검출할 수 있게 된다. 또 급격한 외부로부터의 작용력의 번동에 대해서도 우수한 반응성을 발휘할 수 있어 여러 가지 상황에 대응한 안정성이 높은 역계측·자세제어를 실현할 수 있다.
이 회사에는 최근 그 수요가 높아가고 있는 필름·시트재료를 취급하는 Roll-to-Roll(롤 투 롤)장치에 주목, 소형 고성능 역학센서를 장치에 도입함으로써 고차원적인 텐션 제어를 실현하여 고기능 필름 제품의 고품질화와 생산효율향상을 달성하는 인텔리전트 시스템의 실용화를 목표로 하고 있다. 이 프로젝트는 슬림형 디스플레이와 박막계 태양전지용 필름의 양산 라인에 대한 응용전개 등 많은 기대를 모으고 있다. CJ

생체전달물질로 사용되는 나노다이아몬드
Northwestern University의 연구팀은 유전치료에 사용되는 DNA운송을 위해 나노 다이아몬드를 사용하는 방법을 고안해냈다. Dean Ho교수가 이끄는 연구팀은 다이아몬드 입자의 표면을 특수한 폴리머로 변경하는 방식을 이용하여 기존의 것보다 70배 이상 높은 효율로 DNA를 전달하는데 성공했다. Northwestern University에서 발표한 자료를 보면 Ho 교수가 그들의 발명에 대해 얼마나 기뻐하는 지를 엿볼 수 있다. “현재 사용되고 있는 유전자 전달방식 보다 효율적이고 안전한 방법을 찾는 것은 의학 분야의 오랜 숙원이었습니다.” Ho는 이야기 했다. “polyethyleneimine-800이라는 이름의 비교적 작은 분자량을 갖는 폴리머 물질은 현재 유일하게 상용화된 DNA전달 물질입니다.” Ho 교수의 그룹에서 Post Doctoral 과정 중인 Xue-Qing Zhang은 이야기 했다. “polyethyleneimine-800은 우수한 생체친화도를 가지는 물질입니다. 하지만 DNA 전달효율은 매우 낮습니다. 반변 큰 분자량을 갖는 PEI라는 물질은 우수한 DNA전달효율을 갖지만 세포에 대한 독성이 커서 인체에 사용할 수 없는 실정입니다.” Ho 교수와 그의 연구팀은 그들이 개발한 나노다이아몬드 물질을 이용하여 지속치료물질(chronotherapeutic compound)은 물론 물에 대한 용해도 때문에 세포로의 전달에  문제가 될 수도 있다고 생각되었던 수용성 단백질을 포함한 다양한 단백질들을 세포에 전달하는데 성공했다. 그들은 또한 나노다이아몬드 물질을 통한 인슐린의 전달에도 부분적인 성공을 거뒀다고 한다. 나노다이아몬드 물질의 성공 이후 Ho의 연구팀은 PEI800의 높은 생체친화도와 DNA전달 능력을 이용하기 위한 노력을 진행했다. 그들은 나노다이아몬드물질의 표면에 PEI800을 부착하는 방식으로 나노다이아몬드 입자의 기능성을 높이기 위한 실험을 진행하였으며 PEI800이 결합된 나노다이아몬드 입자는 PEI800을 단일 물질로 사용했을 경우에 비해 70배나 높은 DNA 수송율을 보여주었다. 연구팀은 나노다이아몬드-PEI800물질을 인간의 자궁경부암 세포에 적용하는 실험도 실시하였다. 실험결과 나노다이아몬드-PEI800의 경우 PEI800보다 3배나 많은 양을 투여했음에도 불구하고 일반세포 치사율이 PEI보다 훨씬 적음을 나타냈으며 이는 나노다이아몬드-PEI800의 우수한 생체적합도를 보여주는 결과이다. “이 기술이 상용화되어 질병의 치료에 사용되기 까지는 극복해야할 많은 것들이 있을 것입니다. 하지만 우리는 나노다이아몬드 기반의 DNA전달 물질의 현재까지의 연구결과와 앞으로의 전망에 대해 매우 긍정적으로 생각하고 있습니다.” ACB

흑연에서 아몰퍼스 다이아를 생성
兵庫교육대학의 庭瀨敬右 교수와 東京공업대학의 中村一隆 준교수 등의 연구팀과 東京大學의 岩田忠夫 특임연구원은 공동으로 중성자선 조사와 충격압축 초급냉법을 조합시켜서 흑연에서 아몰퍼스(비정질) 다이아몬드를 생성하는 새로운 방법을 개발했다. 다이아몬드는 천연 고체 중에서 가장 단단한 물질인데 충격에 약하고 잘 갈라지는 것이 결점이다. 결정의 미세화를 추진함에 따라 보다 단단한 다이아몬드를 얻을 수 있다고 보고되고 있지만, 흑연의 고압·고온 조건 하에서의 직접 변환의 경우는 결정의 미세화에 한계가 있었다.
이번에 중성자선을 장기간 조사한 후, 흑연 결정을 금 박막으로 뒤덮은 것에 텅스텐 원판(圓板)을 초속 1.7km의 속도로 충돌시켜서 그 충격 압력으로 발생하는 초고압으로 흑연을 순간적으로 압축했다. 충격에 의한 온도 상승은 금 박막이 제어하여 생성물의 탄화를 막았다. 중성자 조사를 하지 않은 흑연은 충격압축 후에도 흑연의 층상구조를 유지한 채이지만, 조사를 한 것의 경우는 약 0.1mm 이하 사이즈의 투명한 유리 편상(片狀)의 아몰퍼스 다이아몬드로 변환했다. 중성자 조사에 의해 도입된 결함이 다이아몬드의 핵형성을 촉진, 급냉이 결정성장을 저지한 것이 성공의 원인이라고 생각되고 있다.
이번에 개발한 새 수법은 원리적으로 불순물이 혼입되기 어렵고, 결정립을 극한까지 작게 만들 수 있으므로 종래보다 단단한 다이아몬드 제조가 가능해져 절삭공구에 대한 응용이 기대되고 있다. 또 전기적, 또는 광학적으로도 새로운 기능을 보일 가능성이 있고, 전자부품과 광학부품에 대한 응용도 유망하다. 탄소계 물질의 새 제법에 대한 지침이 되기도 한다. CJ

자기력을 가지는 Graphene - ‘Graphone’
Virginia Commonwealth University(VCU)의 연구팀은 반도체와 같은 거동을 보이며 차세대 소자용 물질로 사용할 수 있는 그라파이트 계열의 새로운 자기 나노물질을 디자인했다고 한다. 연구팀은 컴퓨터 모델링 기법을 이용하여 Graphene으로부터 만들어지는 Graphone이라는 새로운 물질을 고안해냈다. Graphene에 자기적 특성을 부여하면 Graphene은 차세대 소자인 spintronics로 응용될 수 있다. 스핀트로닉스는 전자의 스핀을 이용하여 데이터를 저장하거나 처리하는 차세대 소자를 일컫는다. Graphene의 특성은 수소원자를 포화상태까지 첨가하거나 Graphene의 격자에 결함을 만들어 줌으로서 크게 변화 시킬 수 있지만 이러한 방법으로도 Graphene에 자기적 특성을 부여하는 것은 매우 어려운 것으로 생각되어 왔다. “우리가 예측하고 있는 Graphone이란 물질은 Graphene에 결합되어있는 수소원자의 수를 조절함으로서 Graphene에 자기특성을 부여한 것입니다. 자기특성을 지니는 Grophene의 제작에는 오랫동안 어려운 과제로 생각되던 Graphene의 자기화에 따르는 과정들이 생략됩니다.” VCU의 저명한 물리학과 교수인 Puru Jena는 이야기 했다. “이번 연구가 보여주는 가장 놀라운 발견은 부분적 수소화가 자기화를 결정짓는데 매우 큰 역할을 한다는 것입니다. 우리가 예측한 물질인 강자성을 지니는 Grephone sheet는 그동안 생각하지 못했던 다양한 어플리케이션으로 사용이 가능할 것으로 보입니다. VCU의 연구교수인 Qiang Sun 은 이야기 했다. VCU의 연구팀의 이번 연구결과는 Journal ‘Nano Letters’를 통해 확인할 수 있다. VCU는 2010년부터 나노과학과 나노기술분야를 동시에 전공하는 박사과정을 개설하여 미국 최초의 연구중심 대학으로 거듭나고자 하는 계획을 세우고 있다. ACB

점 결함이 없는 탄화규소 결정을 실현
탄화규소(SiC)반도체는 Si보다 절연파괴와 열에 강하다는 특징을 가지고 있어 차세대의 고내압·저손실의 전력용 소자로서 최근 산업계로부터 크게 주목을 받고 있다. 일본 내외의 소자개발 경쟁이 격화되고 있는 한편, SiC결정 속에 많은 결함이 존재하여 소자의 성능과 신뢰성을 저하시킨다는 것이 과제가 되고 있다. 이번에 京都大學에서는 독자의 방법으로 SiC결정 속에 존재하는 모든 종류의 점 결함을 소멸시키는데 성공했다.
지금까지 SiC결정 속에는탄소 공공(空孔)이라고 불리는 탄소원자가 빠져나간 구멍과 기원이 분명치 않은 여러 가지 점 결함이 1013cm-3(약 0.1ppb)정도의 밀도로 존재한다는 것이 알려져 있었다. 京都大學 등의 연구로 특히 탄소 공공에 관계하는 점 결함은 SiC 속의 캐리어 라이프타임(수명) 킬러로 작용하여 pn접합의 누전을 증대시키는 등, 소자 성능에 악영향을 미친다는 것이 밝혀졌다. 이 점결함은 결정성장 시의 조건을 최적화함으로써 어느 정도 저감할 수 있지만, 그 하한은 약 1012cm-3(약 0.01ppb)에 머물러 있었다. 이 결함은 열적으로 극히 안정적이어서 통상의 열처리로 소멸시키는 것은 곤란했다.
京都大學에서는 우선 1150~1300℃에서 열산화를 실시함으로써 탄소 공공을 포함한 대부분의 점결함을 검출한계(1×1011cm-3(약 0.001ppb)) 이하로까지 저감할 수 있다는 것을 밝혀냈다. 그러나 열산화로 인해 새로운 점결함이 1013cm-3(약 0.1ppb)의 높은 밀도에서 발생한다는 것도 밝혀냈다. 다음으로 이 SiC결정에 불활성 가스(Ar) 분위기 속에서 1500~1600℃의 열처리를 실시하자 탄소 공공 등의 점결함이 다시 생성되지 않고 열산화로 인한 점결함가 검출한계(1×1011cm-3) 이하로 저감된다는 것을 밝혀냈다. 즉 SiC결정에 열산화를 시행한 후에 불활성 가스 분위기 속의 고온 열처리를 실시함으로써 전기적으로 활성한 모든 점결함을 사실상 소멸시키는데 성공했다고 할 수 있다. 점결함이 없는 결정의 실현은 SiC에서는 물론 처음 있는 일로, 다른 화합물 반도체의 경우에도 예가 없는 성과였다. 현재 京都大學에서는 결함 소멸의 메커니즘을 해명하기 위한 기초연구를 수행하고 있다. 동시에 실용화를 의식한 연구도 추진하여 이 초고품질 SiC 결정을 이용함으로써 결함에 가장 민감한 성질인 캐리어라이프타임이 몇 배로 개선된다는 것을 확인했다. 또 이 고품질 SiC 결정을 토대로 고내압(10㎸급) pn다이오드를 제작하여 온 특성이 대폭 향상되었음도 확인했다. SiC는 이러한 고내압 소자 응용에 유망하므로 이번 성과가 SiC소자의 실용화를 더욱 가속할 수 있으리라 생각된다. CJ

전이 온도 이상에서의 고온 초전도성
최근 저온 초전도체를 연구하는 미국 및 일본의 과학자들은 극저온 이상의 온도에서도 초전도체의 일부 특성들이 유지된다는 것을 보고했다. “측정 결과는 연구된 재료가 전이 온도(transition temperature) 이상에도 초전도체라는 명확한 분광학적 증거를 제공한 것이며, 무저항으로 전류를 흘리는데 필요한 양자 상 부합(quantum phase coherence)이 없어도 가능함을 입증한 것”이라고 Brookhaven National Laboratory(BNL) 및 Cornell University의 Seamus Davis는 말했다. “측정을 통해 얻어진 분광학적 지문은 보다 높은 온도에서 전자가 짝을 이루어 초전도성을 나타내지만, 몇몇 이유로 인해 전류를 수송하기 위해 정합적으로 공조하지는 않는다는 것을 의미합니다.” 이전의 연구에서 David의 연구팀은 초전도체의 모든 양자 역학적 세부사항이 포함된 분광학적 신호들을 모두 측정할 수 있었다. 이후 David의 연구팀은 큐프레이트(cuprate) 초전도체를 37 K 이상까지 가열하며 분광학적 특성을 관찰하였다. “우리는 특정 신호는 초전도 상태로부터 변화되지 않은 상태로 모 상태, 즉 전이 온도의 1.5배인 55 K를 통과함을 발견하였습니다.” David는 이야기 했다. “우리는 이러한 분광학적 지문이 다른 측정 방법을 통해 존재할 것으로 제안되었었던 상 부정합 초전도 상태가 아닌 다른 상태로 존재하는 이유를 아직은 알지 못합니다.”
BNL의 또다른 연구팀은 bismuth, strontium, 그리고 calcium을 포함하는 구리산화물인 BCCO의 자기적 특성이 전이온도 이상까지 가열 될 때 어떻게 변화하는지에 대해 연구하고 있다. 이 연구팀의 가장 큰 어려움은 BCCO 결정을 자기적 특성을 측정할 수 있을 정도의 크기로 키우는 것이다. “많은 이론 과학자들이 고온 초전도성에 자성이 일치하다는 데에는 일치된 목소리를 내고 있습니다. 하지만 자성이 어떻게 중요한 지에 대해선 의견이 분분하죠.” BNL의 물리학자이자 본연구를 이끌고 있는 John Tranquada는 이야기 했다. “기존의 이론학자들은 초전도체 물질이 천이온도 이하로 냉각될 때 전자의 성질이 극적으로 변하는 것으로 자기성질도 유사한 큰 변화가 있을 것이라고 예견했습니다.” BNL의 물리학자인 Guangyong Xu는 전했다. “하지만 우리가 수행한 자기특성의 직접측정 결과는 자기특성의 변화가 매우 작음을 보여 주며 이것은 이론학자들이 자기 성질을 설명하는데 사용해 왔던 모델이 불완전 하다는 것을 의미합니다. 자기성질은 전자성질과 완벽하게 관련되지 않은 것은 아닙니다. 서로 간섭하지만 그 정도가 매우 작은 것일 수 있습니다.” ACB

Anode 기판을 지지층으로 하는 저온 SOFC
The Institute of Energy Research at German Research Center, Julich (FZJ)는 연료전지의 작동온도를 낮추기 위한 연구를 진행하고 있다. 연료전지의 작동온도 저감은 연료전지의 웜업(Warm up), 운용비용 절감, 안정성 개선 등을 위한 필수적인 요소로서 FZJ의 연구팀은 SOFC(고체산화물 연료전지)를 구성하는 고체전해질 층의 두께를 줄이는 방식으로 SOFC의 동작온도를 낮추는 연구를 수행하고 있다. FZJ의 연구팀은 평면의 양극을 사용하는 방식을 적용하여 750℃, 0.7V 에서 의 출력을 가지는 SOFC를 개발했다. FZJ가 개발한 SOFC는 Anode가 코팅된 기판을 지지층으로 사용하여 제작된다. FZJ의 SOFC에 사용되는 하부기판은 니켈 옥사이드와 yttria-stablised zirconia로 구성되며 세라믹 분말을 coat-mix 방법으로 혼합하고 가열하는 방식을 통해 제작된다. 이렇게 제작된 하부기판은 1000℃이상의 온도에서 구워 진 후 진공 Slurry 코팅을 통해 Anode 물질과 고체전해질 물질이 코팅되며 이후 소결과정을 통해 Anode는 다공성 구조를 갖게 되고 고체 전해질은 기체가 누출되지 않을 정도로 기밀한 구조를 가지게 된다. 이 기판/고체전해질 지지체는 알맞은 크기로 절단 된 후 습식 분말 분사방식을 이용하여 Cathode 물질을 코팅되는 방식을 통해 SOFC로 제작된다. ACB