세계 최고 효율의 연료전지 개발
日本가이시(주)는 독자 구조의 고체산화물형 연료전지(이하, SOFC)셀과 스택을 개발, 출력 700W, 작동온도 800℃의 정치형(定置型) 스택으로 세계 최초의 레벨이 되는 63%의 발전효율(LHV)와 90%의 높은 연료 이용률을 달성했다.
  SOFC는 수소와 산소에서 발전하는 연료전지 1종, 전해질과 전극이 세라믹스로 구성되어 가정용으로서 제품화되어 있는 고체고분자형 연료전지(PEFC)에 비해 고온(600~1000℃)에서 작동한다. 배열을 코제네레이션(열전병합)뿐 아니라 개질(연료로 수소를 만드는 반응)에도 이용할 수 있기 때문에 에너지의 이용효율이 높아 차세대 연료전지로 조기 실용화가 기대되고 있다. 개발한 셀은 전해질(지르코니아)를 5㎛까지 박막화하여 저항을 낮춤과 동시에 셀 양면에 공기극을 형성하여 큰 발전면적을 확보함으로써 고출력을 실현했다. 셀 내부에 연료가스를 공급하는 공간(유로)를 형성하여 연료가스가 셀 전체에 균일하게 닿도록 고정도로 최적화한 결과, 90% 이상의 높은 연료이용률로 63%라는 높은 발전효율을 달성했다.
평판원통형의 셀로서는 세계에서 가장 얇은 1.5mm 두께를 실현. 셀 내부에 연료가스 유로를 내장하고 있기 때문에 일반적인 평판형 셀에서 필요로 하는 연료가스와 공기를 차폐하는 부품이 필요치 않게 되어 소형화와 저가화를 실현했다.
현재, 개발한 SOFC스택을 일본의 대형 석유회사에 제공하고 발전성능평가를 하고 있다. 앞으로 SOFC셀의 더 향상된 고성능화를 진행함과 함께 24시간 편의점과 쇼핑센터 등의 사업소와 가정에서의 실용화를 목표로 한다. CJ

발전효율 60%로 향상
日本特殊陶業 세라믹 활용 원가 저감에 길
日本特殊陶業이 세라믹스를 사용한 가정용 연료전지의 개발에 힘을 기울이고 있다. 세라믹 부품을 슬림화하는 등 개량을 거듭해 종래형보다 발전효율을 높인 고체산화물형 연료전지(SOFC)를 제조했다. 에너지를 효율적으로 활용하여 이산화탄소(CO2)의 배출 억제로 이어지는 가정용 연료전지의 개발경쟁을 효율성을 무기로 이겨낼 생각이다.
가정용 연료전지의 개량 추진
日本特殊陶業은 자동차의 산소센서와 컴퓨터용 IC패키지 기판을 제조하는 세라믹 부품의 대기업. 세라믹 원료의 배합 노하우와 소성기술을 살려 출력 1킬로와트용 SOFC에서 발전효율 60%를 실현했다. 종래는 45~50%가 일반적이었다.
SOFC는 산소와 수소의 화학반응을 이용하여 발전한다. 연료전지 속에서도 발전효율이 좋아 가정용으로서의 장래성도 높다. 발전 시스템의 심장부 「셀」은 산소가 들어가는 공기극과 수소를 많이 포함한 가스가 들어가는 연료극이라는 두 개의 전극에, 전해질이 끼워진 구조. 버너로 섭씨 700도까지 데우면 공기극의 산소이온이 전해질을 통과하여 연료극에서 수소 등과 반응하여 전기가 생긴다.
이 회사는 전해질이 되는 지르코니아계의 세라믹 판의 두께를 종래의 15~30마이크로미터에서 10마이크로미터 이하로 개량하여 산소이온이 투과하기 좋게 했다. 또 산화티켈이나 지르코니아를 사용한 다공질의 세라믹으로 되어 있는 연료극의 기공 지름을 종래의 반 가깝게 작게 했다. 가스를 균일하게 분산시켜서 셀 구석구석에 닿을 수 있게 함으로써 산소이온과 잘 반응하도록 연구했다.
얇은 세라믹판은 시트상의 점토를 구워서 만드는데 얇게 하면 잘 부서져 정도를 유지하기가 곤란해진다. 소성의 온도와 시간에 대한 배려가 포인트가 된다. 개발에 관계하고 있는 總合硏究所 프론티어연구보의 古崎圭三 부장은 「원료면에서는 지르코니아계의 세라믹 부품을 사용하는 산소센서에서의 경험을 응용. 시트 형상은 IC패키지 기판에서 축적한 기술일 도움이 되었다」고 한다. 기존 사업의 기술축적이 연료전지에 살아 숨 쉬고 있다는 것이다.
높이도 종래의 약 2분의 1인 14센티미터로 소형화하여 원가를 줄였다고 한다. 출력 1킬로와트의 SOFC는 지금까지 셀이 30-40장 필요했다. 매수가 많으면 각 셀에 대한 가스 분배가 일정치 못해서 발전효율이 높아지지 않는다. 셀마다의 발전효율을 높여 필요 매수도 16장으로 거의 반으로 줄였다.
연료전지의 연구는 현 시점에서는 SOFC보다 고체고분자형 연료전지(PEFC)가 선행하고 있다. PEFC는 수소이온이 전해질을 이동하여 산소와 반응함으로써 전기를 발생시키는 구조. SOFC와 달리 작동온도가 섭씨 70~90도로 낮다는 것이 이점이다.
그러나 발전효율은 30~40%가 한계라고 알려진 이외에 셀에 백금 등의 촉매를 이용하기 때문에 원가 저감이 과제가 되고 있다. 매장량이 적은 귀금속이 불가결한 PEFC는 항상 자원의 편재 리스크에 노출되어 있다고도 할 수 있다.
셀에 귀금속을 필요로 하지 않는 SOFC는 「심장부의 원가를 고려했을 때 장래성이 높다. 제품화에는 시간이 걸리지만 양산하면 판매가격도 낮출 수 있다」고 古崎부장은 자신을 보이고 있다. 일경산업

마찰력을 이용한 새로운 나노튜브 배열법
Georgia Institute of technology의 연구팀은 AFM Scanning시 탄소나노튜브의 배열 방향(수직방향과 수평방향)에 따라 다르게 발생하는 마찰력에 대한 연구결과를 Nature Materials에 소개했다. 그들의 연구결과는 마찰력의 기본적인 현상을 이해하는데 도움을 주었다는 평가를 받고 있다. 탄소 나노튜브에 가해진 힘을 명확히 규명해 내는 것과는 별개로 이 연구결과는 탄소나노튜브의 배열을 위한 새로운 도구로 활용될 수 있을 것으로 보인다. 예를 들어 탄소나노튜브의 방향에 따라 서로 다른 마찰력을 이용할 경우 탄소나노튜브를 일축방향으로 배열하는 것이 가능하다. “실험 결과에 따르면 탄소나노튜브를 움직이게 하는데 필요한 에너지는 탄소나노튜브를 이동시키는 방향에 따라 다르게 나타납니다. 한쪽 방향으로 움직이는데 필요한 에너지는 다른 방향으로 움직이는데 필요한 에너지에 2배에 이르지요.” Georgio Institute of technology의 조교수이자 이 논문의 공동저자인 Elisa Riedo는 이야기 했다. “나노튜브를 어떤 표면위에 배열하기 위해선 나노튜브들 간의 상호작용이 어떻게 일어나는지, 그들을 움직이게 하기위해선 어떤 힘이 필요한지를 알아야 합니다.” 이 연구는 미 에너지부 (DOE)의 지원에 의해 진행되었으며 International Center for Theoretical Physics, The International School for Advanced Studies 그리고 Italy의 CNR Democritos Laboratory, 독일의 University of Hamburg등의 도움을 받았다. 이전에도 나노튜브의 마찰력에 관한 연구가 있었으나 AFM Tip과 탄소나노튜브의 상호작용이 일어날 때 탄소나노튜브의 장축방향과, 단축방향에 대한 자세한 정보를 제공하는 연구는 이 연구가 처음이다. “시스템이 작아지면 작아질수록 마찰력을 어떻게 다루어야 할지는 매우 중요한 문제가 됩니다.” Riedo는 이야기 했다. “마이크로 또는 나노 시스템에서 마찰력은 시스템의 모든 기능을 못 쓰게 만들 수 도 있습니다.” 연구팀은 AFM Tip을 이용해 기판에 고정되어 있는 나노튜브를 장축방향과 단축방향으로 스캔하였으며 두 경우 AFM tip에는 동일한 힘이 가해졌다. 실험결과 단축방향 즉, AFM Tip이 나노튜브의 가로축을 스캐닝 할 때 더 큰 힘이 필요했다. “이론적으로 탄소나노튜브와 AFM Tip사이의 마찰력이 방향에 따라 차이가 나는 이유는 없는 것으로 보입니다.” Reido는 지적했다. “하지만 이 이론은 탄소나노튜브의 보이지 않는 회전, 부드러운 이동 등의 현상이 반대방향의 움직임에서 높은 마찰을 유발한다는 것을 증명합니다.” ACB

전극재료에 이온 주입
CMOS 저항치 30% 저감, 32나노세대용 기술
東芝는 32나노미터세대 이후의 LSI를 위한 소스/드레인 전극의 새로운 형성기술을 개발했다. 종래의 전극재료에 이온 주입으로 다른 원소를 넣어서 구조를 변화시켜 실리콘 기판과의 계면에서 일어나는 접촉저항을 줄인다. 상보형(相補型) 금속산화막 반도체(CMOS) 트랜지스터 전체의 저항값을 30% 정도 줄일 수 있을 전망. 2010년 이후의 제품에 적용할 목표로 있다. 미국 호놀룰루에서 개최된 반도체 국제학회 「VLSI기술 심포지엄」에서 발표했다.
東芝는 지금까지 종래의 전국재료인 니켈 실리사이드에 이트륨 등의 다른 금속을 퇴적하고 열처리로 확산시킴으로써 니켈 실리사이드와 실리콘 기판의 계면에 금속을 편석하는 기술을 개발해 왔다.
이번에 이 열처리 전에 게르마늄 이온을 주입하는 공정을 끼워서 니켈 실리사이드를 비정질화했다.
종래에 비해 금속을 확산시키기 쉬워져 편석량을 늘릴 수 있다. 종래 대비 2배의 효과를 확인하였고, 접촉저항은 10분의 1로 줄였다. 종래 재료를 이용하기 때문에 LSI의 개발 원가도 낮출 수 있다고 한다.
CMOS를 구성하는 소스/드레인 전극의 저항 가운데, 전극재료와 실리콘 기판과의 계면에 생기는 접촉저항은 70% 이상이나 차지한다고 한다.
특히 32나노미터 이후의 LSI는 이 접촉저항이 증대하여 성능의 향상을 막는 걸림돌이 되어왔다. 일간공업
Sandia 국립연구소 개도국 수출목표 소형원자로 개발
Sandia National Lab의 연구팀이 새로운 디자인의 소형 원자로를 개발했다. 새롭게 고안된 원자로는 100-300 메가와트의 열에너지를 생산해 낼 수 있도록 설계되었으며 비교적 큰 규모의 사무용 빌딩 절반정도 크기가 될 것이라고 한다. SNL이 개발한 이 소형 원자로는 공장에서 대량생산 될 수 있으며 중간정도 규모의 도시에 전력을 공급할 수 있다고 한다. Tom Sanders는 kilowatt hour당 5센트 이하의 가격으로 전력을 생산할 수 있는 안전하고 알맞은 크기의 원자로를 만든다는 목표를 가지고 SNL 연구팀을 이끌고 있다. 연구팀이 개발하고 있는 소형원자로는 안정적인 전력의 생산을 위한 인프라가 갖춰지지 않은 개발도상국으로의 수출을 염두에 두고 디자인 된다. 원자로의 사이즈가 작을수록 원자력 사용규제에 대한 기준으로부터 자유롭기 때문에 수입하는 국가는 원자력 사용에 대한 제약을 덜 받을 수 있다. SNL의 새로운 원자로 디자인에는 원자로 기술을 수출하는 쪽에서 원자로의 안전, 기술의 안보, 그리고 원자로의 합법적 사용을 감시할 수 있는 모니터링 시스템 디자인도 포함된다. 새로운 원자로 시스템은 액상의 sodium탱크에 우라늄 코어들이 삽입된 형태로 제작되는데 액상 Sodium은 우라늄코어를 통해 순환하며 우라늄 코어로부터 생산된 열을 열교환기에 전달하며 이렇게 전달된 열은 다시 초임계유체상태의 CO2를 이용하는 매우 높은 효율의 터빈시스템에 전달되어 전기를 생산해 내게 된다. SNL의 새로운 원자로는 증식로(breeder reactor)형태로 높은 발열량과 함께 작동에 필요한 연료를 스스로 공급할 수 있는 특징을 가지고 있다. 따라서 이 원자로는 매우 오랜 기간 동안 사용할 수 있으며 수 십년에 한번 씩만 새로운 연료를 공급해 주면 되므로 핵 확산에 따른 문제도 비교적 적은 편이다. SNL의 연구팀에 따르면 새로운 소형원자로에는 ‘Nuke Star’로 이름 붙여진 핵확산 방지기술이 적용될 것이라고 한다. SNL의 새로운 원자로를 여러 개발도상국에 안전하게 보급할 수 있다는 SNL의 믿음의 중심에는 높은 완성도의 원자로 기술과 핵확산 방지 기능의 ‘Nuke Star’ 기술에 대한 자신감이 있었다. 보안상의 이유 때문에 ‘nuke Star’가 어떤 식으로 작동하는 지에 대한 기술적 공개는 이루어 지지 않았지만 SNL 연구팀의 리더인 Sanders 는 새로운 원자로의 핵확산 방지기술에 대해 간단히 소개했다. “우리가 개발 중인 소형원자로의 우라늄코어는 유닛의 형태로 교체되도록 설계되어 있으며 외부로 부터의 어떤 침입도 쉽게 감지될 수 있습니다. 뿐만 아니라 우라늄 코어가 카트리지 타입이기 때문에 연료를 직접다루는 작업자가 필요 없습니다.” SNL은 원자로의 코어설계를 85%가량 마쳤다고 한다. 연구팀은 새로운 원자로의 상업적 활용을 위한 연구를 공동 수행할 기업을 찾고 있는 중이다. “우리가 개발하고 있는 소형원자로는 천연가스를 이용한 발전소나 기존의 화력발전소 보다 실용적이고 관리가 편할 뿐 아니라 훨씬 경제적입니다.” Sanders는 이야기 했다. SNL은 그들이 개발 중인 소형원자로가 공장에서 본격적으로 생산될 경우 유닛 당 가격이 250만 불까지 내려갈 수 있을 것으로 전망하고 있다. ACB

차세대 LSI게이트 전극, 소자 구조를 최적화
셀리트, 산학 연대로 개발
東芝와 소니 등 반도체 제조 민간 11개사가 출자하는 반도체 첨단 테크놀로지(셀리트, 茨城縣 츠쿠바시, 사장 渡邊久恒)는 상보형 금속산화막 반도체(CMOS)의 게이트 전극에 금속재료와 고유전율의 절연막을 사용하는 32나노세대 이후의 LSI를 위한 최적의 소자구조를 확립했다. 廣島大學, 築波大學, 물질·재료연구기구, 早稻田大學과의 공동성과.
차세대 LSI에서는 게이트 전극을 종래의 다결정 실리콘에서 금속재료로, 절연막은 실리콘 산화막에서 고유전율의 절연막으로 치환함으로써 미세화를 추진하여 성능을 이끌어내는 연구가 요구되어 왔다.
셀리트는 이번에 금속재료와 고유전율 절연막 등 지금까지 개별적으로 개발해 온 기술을 집약·막후 등을 계통적으로 바꾸면서 CMOS게이트 전극의 적층구조를 최적화했다.
CMOS를 구성하는 nMOS pMOS의 전극에는 금속재료인 질화티탄을 사용하고, 절연막에는 각각 하프늄 실리케이트막을 이용했다. 이것으로 질화티탄의 막후를 바꾸어 특성을 평가한 결과, nMOS는 2나노미터, pMOS는 약 10나노미터의 두께에서 가장 성능이 좋아진다는 것을 밝혀냈다.
또 nMOS는 질화티탄막을 얇게 하면 그 위에 쌓은 다결정 실리콘 층이 약간 산화되었다. 이러한 점에서 전극 위에 실리콘을 포함하는 층을 쌓으면 특성이 높아진다는 것을 알았다. 일간공업
철 촉매에서 CNT성장
원자 레벨에서 관찰, 배열변화 등 확인
대판대학의 吉田秀人특임연구원, 竹田精治교수 등은 카본나노튜브(CNT)가 철 촉매로부터 성장하는 소자를 원자레벨에서 전자현미경으로 파악하는데 성공했다. 철 촉매는 원료가 되는 탄소를 대량으로 흡입한, 철과 탄소로 된 시멘타이트(Fe3C)결정으로, CNT가 성장하기 시작하면 변형한다는 것도 알았다. 사전에 촉매를 조정하면 금속이나 반도체 등 특성이 일정한 CNT를 합성할 수 있는 가능성도 있다.
통상, 전자현미경은 진공으로 유지할 필요가 있다. 이번에는 CNT의 성장을 관찰하기 때문에 원료가 되는 가스 등을 통과시켜도 관찰이 가능한 특수한 전자현미경을 개발했다.
실험에서는 철 촉매가 되는 철 박막을 증착한 기판을 600℃로 가열하여, CNT의 원료가 되는 아세틸렌(C2H2)과 철의 환원용 수소를 이용했다. CNT가 성장하기 시작하면 철 촉매는 변형하여 원자배열도 변화되고 있다는 것을 알았다.
또 지금까지 CNT의 원료인 탄소가 촉매의 어디를 통과하고 있는지는 알지 못했다. 이번 관찰로 촉매의 원자배열이 변호하고 있다는 것 등으로 탄소는 촉매 안을 자유로이 움직이며 돌아다닐 수 있어 성장하는 CNT에 공급되는 것으로 보인다. 일간공업

질화갈륨 반도체
차세대 기지국용 NEC일렉트로닉스도 양산
NEC일렉트로닉스는 滋賀공장(大津市)에서 질화갈륨(갈륨나이트라이드)를 이용한 파워디바이스의 양산에 나섰다. 각종 전원과 차세대 고속무선통신 기지국용으로 수요를 전망한다. 질화갈륨 반도체는 높은 내압특성으로 현재 주류인 실리콘이나 갈륨비소 반도체에 비해 고주파 출력에 대응할 수 있다. 富士通 마이크로일레트로닉스도 기지국용으로 양산을 시작했으므로 질화규소(실리콘 카바이드)와 나란히 차세대 파워디바이스 재료로서 유망시되어 온 질화갈륨 반도체의 실용화에 박차를 가한다.
NEC일렉트로닉스는 제조 전(前) 공정을 담당하는 100% 출자 자회사의 NEC세미콘덕터즈 關西(大津市)의 滋賀공장에서 질화갈륨 반도체를 양산한다. 富士通 마이크로일레트로닉스는 이동체 무선통신 규격의 하나, 모바일 WiMAM 기지국에 내장하는 파워디바이스로서 양산을 막 시작한 단계.
질화갈륨은 청색 발광다이오드(청색LED)의 재료로 사용된다. 질화갈륨을 재료로 이용한 파워디바이스에서는 주파수 5기가헬츠 대에서 출력 200와트나 되는 고주파 출력을 얻을 수 있다.
현재 이용되고 있는 실리콘 반도체와 갈륨비소 반도체에서는 2010년 이후에 상용 서비스가 사용되는 통신용량이 매초 50메가-1기가피코인 제4세대 휴대전화, 중장거리 지역을 커버하는 무선통신기술인 WiMAX등에는 대응하기 어려워서 새로운 재료개발이 이루어져 왔다. 일간공업

차세대 메모리 ReRAM
東大, 메커니즘 해명
東京大學대학원 공학계 연구과의 大久保勇男 조교, 尾嶋正治 교수 등 연구팀은 전원을 꺼도 정보가 지워지지 않는 차세대의 불휘발성 메모리 ReRAM의 동작 메커니즘을 해명했다. ReRAM은 샤프나 富士通 등 각 사가 개발을 추진하고 있는데, 자세한 동작현상은 밝혀지지 않았다. 플래쉬 메모리의 대체로서 실용화가 기대되는 ReRAM의 설계, 제조의 지표가 된다.
ReRAM은 기억소자에 전압을 가했을 때에 생기는 거대한 저항변화를 이용하여 정보를 기입한다. 공동연구팀은 다수의 조합을 만드는 독자의 콘비나트리얼 제법으로 기억소자의 상부 전극에 알루미늄을 채용하면 안정적인 특성을 나타낸다는 것을 미리 밝혀냈다.
이번 이 결과를 이용하여 단결정 박막을 기판 결정면에 나란히 늘어놓고 성장시키는 에피탁셜 성장으로 상부 전극에 알루미늄을 사용한 고품질의 저항변화소자구조를 시작했다.
시작에는 종래보다 약 100배 높은 압력의 산소를 주입할 수 있는 독자 개발의 고산소 분압의 펄스레이저 퇴적장치를 사용했다.
메모리의 온오프를 결정하는 저항변화현상을 조사하니 이 2층 구조를 흐르는 전류가 전압의 2승에 비례한다(공간전하제한)는 것을 처음으로 밝혀냈다. 전극과 산화물 박막과의 ㄱ계면에 생긴 산화알루미늄 층이 저항변화를 일으키는 요인이 되고 있다고 보고 있다.
東大이외에 東京工業大學, 물질·재료연구기구의 공동연구팀이 함께 참여했다. 일간공업
자기기록 밀도 4배로
정보 스토레지 연구추진기구 1테라비트 달성
日立글로벌스토레지테크놀로지즈, 富士通, 東芝 등 하드디스크 구동장치(HDD)메이커오 대학이 공동으로 연구개발을 추진하는 정보 스토레지 연구추진기구(東京都 港區)는 현재 제품화되어 있는 HDD에 비해 기록밀도가 4배나 되는 1평방인치 당 1테라비트의 성능을 가진 자기기록기술을 개발했다. 2011년 무렵에 제품화될 HDD에 적용할 계획이다.
현행 제품에 사용되고 있는 수직자기기록기술을 개량했다. 정보를 읽는 자기 헤드에 자극을 4방향에서 압축하는 새로운 구조를 채용. 또 보자력(保磁力)이 낮은 자성층의 자속(磁束)밀도를 높이는 등 자성막의 구성을 연구하여 기입 성능과 기록밀도 특성을 양립할 수 있도록 했다.
개발기술은 3장의 원판으로 구성되는 3.5형 HDD 원판 한 장 당 약 1.3테라비트의 기록용량에 상당한다. 이번 시뮬레이션 결과로 1평방미터 당 1테라비트의 기록밀도가 가능하다는 것을 확인했다고 한다.
현재, 기록밀도가 1평방인치 당 250기가히트인 제품이 실용화되어 있다. 그러나 동 500기가히트를 넘는 영역에서 현행의 기술을 사용하면 데이터의 유지 특성이 감쇠하거나 신호의 품질이 열화하는 등 해결해야할 과제가 많았다.
이 기구는 06년 6월부터 테라비트급 고밀도 자기기록용 기술을 확립하기 위해 산학협동으로 연구개발을 해왔다. 2010년에는 동 2테라비트의 기록밀도를 실현하는 기술을 개발할 전망. 일간공업

카본나노튜브 설탕물 속에서 합성
저가ㆍ양산에 길
탄東京理科大學 공학부의 四川英一 준교수, 대학원생인 相川愼也씨 등 연구팀은 설탕물 속에서 카본나노튜브(CNT)를 만드는데 성공했다. 금속전극을 사용하여 값싼 재료로 컨 설비 없이 생산할 수 있다. 대기 하에서 저전류를 사용하므로 안전성도 높다. CNT는 제조 원가가 비싸다는 것이 보급을 방해하는 한 요인. 저가이며 안전·간소한 생산법의 확립에 의한 과제 해결을 기대할 수 있다.
종래의 방전현상을 이용한 CNT합성은 챔버를 사용한 진공환경과 100암페어 정도의 대전류가 필요하여 품질의 안정과 생산의 저가화가 어려웠다. 간소한 설비로 하는 CNT합성은 많은 연구기관이 연구를 진행하고 있으며, 벤젠 등 방향족계 탄화수소 용액 속이나 물 속에서 탄소막대를 전류로 사용하는 CNT를 얻는 기술은 존재한다. 그러나 금속전극을 사용하는 용액 속에서 탄소를 공급하는 방법을 보고 사례가 적다.
실험은 설탕의 주성분인 자당(蔗糖) 용액 속에 구리 전극막대를 두 개 넣고, 전극 사이에 20암페어의 아크방전 전류를 흘려 넣어 CNT를 합성했다. 자당의 농도는 1리터 당 1.64몰.
단, 현재로서는 CNT의 길이가 0.01마이크로미터로 통상보다 10분의 1 이하의 길이로, 형상도 공모양이 많다. 전극에 사용하는 금속이나 설탕물의 농도 등의 연구를 계속하여 과제를 해결하면서 대량생산과 저가격화를 도모해 나갈 것이다.
또 「구상의 구조를 사용한 나노캡슐에 대한 응용도 기대할 수 있다」(相川씨)라고 한다. 일간공업

고체전해질형 리튬전지
2008년 10월부터 시작 출하, 2012년 양산화 목표
出光興産은 생산기술연구소(千葉縣 市原市)에 고체전해질을 채용한 리튬이온전지의 시작 플랜트를 설치하고 시작을 출하했다. 월 생산 1000개까지 대응할 수 있도록 하고, 전기 메이커와 자동차 메이커 등에 시작품 평가를 의뢰했다. 이 회사가 개발한 것은 고체전해질이지만, 앞으로는 전극 메이커와 전지 메이커 등과도 공동 개발하여 2012년에 사업화할 계획이다.
고체전해질은 황화리튬과 황화인을 원료로 하는데 현재의 리튬이온전지에서 사용되고 있는 액체와 폴리머 전해질과 비교하여 안전성이 우수하다는 것이 특징. 고온환경 하에서의 사용에도 견딜 수 있다는 점에서 풍력발전이나 태양발전과의 조합 등 실외 시스템의 이용에도 유망시된다.
이 회사에서는 2007년에 동전 크기의 시작품을 개발했는데, 작년에는 명함 크기까지 대형화. 전압을 휴대전화기에 내장할 수 있는 3.7볼트 전후로 했다. 고체전해질의 경우, 이온 전도율이 낮다는 과제가 있었는데, 시작품에서는 종래의 액체전해질형 리튬이온전지와 거의 같은 수준의 성능에 달했다.
시작품에서는 기존의 전극과 조합시켰지만, 앞으로는 고체전해질의 특성에 최적화한 전극의 개발을, 전극 메이커 등과 추진해 나간다. 2010년 무렵의 사업화를 기준으로 하고, 2012년에는 양산 출하까지 발전시켜 나갈 생각.
이 회사는 94년에 기능성 수지 원료로 황화리튬의 제조기술을 확립. 그 황화리튬을 사용하여 01년부터 고체전해질로서의 연구개발을 추진해왔다. 양산 시에는 제유소에서 생산되는 유황을 원료로 한 고체전해질의 플랜트 건설을 상정. 전지 그 자체에 대해서는 전지 메이커 등과의 공동사업화도 시야에 넣고 있다. 아울러 리튬 이온 셀퍼의 머리글자를 따서 「LIS」라는 상표 등록도 신청했다. 일간공업

산화실리콘 입자 별사탕 모양을 확인
유기금속화학기상성장으로
大阪大學의 河野日出夫 준교수 등은 유기금속화학기상성장(MOCVD)으로 탄화실리콘(SiC)이 별사탕 모양의 입자가 된다는 것을 발견했다 최초의 실험 목적은 SiC나노와이어를 만들 목적이었다. 모양이 변한 입자가 생성된다는 것을 우연히 발견하고 그것이 별사탕과 비슷하다는 흥미로움에 연구를 전환했다. 별사탕 모양의 입자가 생기는 메커니즘을 밝히지 않았지만 SiC의 강도를 살려서 연마제 등에 사용될 가능성이 있다.
SiC의 별사탕 모양 입자 제작은 MOCVD로 했다. 실리콘 기판에 촉매가 되는 철 박막을 증착하고 원료 가스로서 메틸비닐 지크로로실란을 사용하고 특수한 조작은 하지 않았다.
SiC의 별사탕 모양 입자의 크기는 직경 0.1마이크로-1마이크로미터. 기판에서 우선 가는 와이어가 성장하고 그 후에 와이어 끝에 별사탕 모양 입자가 생긴다. 전자 회절과 고분해능 투과형 전자현미경(TEM)상으로 SiC의 입자가 다결정이라는 것을 확인했다. SiC의 별사탕 모양입자는 20분 정도의 성장으로도 형성되고 합성시간이 길어짐에 따라 직경은 두꺼워진다. 일간공업

최단 파장의 자외 LD개발
浜松호토닉스 342나노미터 발진에 성공
 浜松호토닉스는 342나노미터라는 세계 최단 자외선 파장의 반도체 레이저(LD)의 발진에 성공했다. 소형이며 저가, 저소비전력의 자외 LD의 실용화에 길을 여는 성과.
블루레이디스크를 상회하는 차세대 광디스크와 레이저 프린터, 바이오 분야 등 폭넓은 분야에 대한 응용이 기대된다.
영국 과학잡지 「네이처 포토닉스」의 올리버 그레이든 편집장은 도쿄에서 열린 기자회견에서 「반도체 리소그래피와 바이오 약학, 블루레이를 뛰어넘는 데이터 스토레이지 등 여러 가지 어플리케이션에 중요한 자외영역을 개척했다」고 평가했다.
지금까지 최단파장의 반도체 레이저는 350.9나노미터. 신기술은 질화알루미갈륨을 발광층에 사용. 독자기술로 알루미늄 조성이 30%로 높고 양질의 결정을 제작하는데 성공했다. 파장을 짧게 하는 점에서 한계가 있는 인듐을 포함하지 않기 때문에 200나노미터대도 시야에 넣었다. 지금까지 200나노-350나노미터의 자외영역의 광원은 커다란 가스 레이저 장치 등이 사용되었다. 이 기술은 마음대로 사용할 수 있는 자외 LD의 실용화로 이어진다. 일간공업

산화티탄 발광 특성 해명
나노입자에 희토류 이온 첨가, 디바이스 응용에 길
大阪대학 산업과학연구소의 眞嶋哲郞 교수, 물질·재료연구기구의 石垣隆正 플라즈마 프로세스 그룹 리더 등은 유로퓸 이온을 첨가한 산화티탄(TiO2)나노입자의 발광 거동을 단일 입자로 규명했다. TiO2는 광촉매의 용도와 함께 희토류 이온을 첨가함으로써 발광 디바이스로서의 응용도 기대된다. 이번 성과를 베이스로 TiO2나노입자의 특정한 장소에 희토류를 첨가하거나 복수의 희토류를 첨가함으로써 용도에 맞춘 발광특성을 갖는 나노입자를 개발할 수 있을 가능성이 있다.
실험에서는 아르곤 분위기의 산소농도 0.3%(체적비) 하에서 유로퓸 첨가 TiO2입자에 가시광(405나노미터)레이저를 조사했다. 그러면 현저하게 휘점이 증가했다.
스팩트럼 측정 등으로 발광은 TiO2나노입자 표면에 포착된 전자와, 정공과의 재결합으로 생긴 에너지가 입자 표면 가까이에 존재하는 유로퓸이온만을 선택적으로 여기(勵起)한다는 것을 알았다.
산소가 있으면 전자가 포착되기 때문에 유로퓸의 발광은 산소농도의 증가에 따라 수 초 이내에 소광(消光)했다.
실험에 사용한 유로퓸이온 첨가 TiO2입자는 열플라즈마에 의한 합성 프로세스로 제작했다. 그러자 용액법에 의한 제작에서는 불가능한 TiO2의 결정격자에 유로퓸이온이 끼어들어간 나노입자가 생겼다. 이 프로세스에서는 나노입자에 하는 액체용액의 조성을 조정하여 전구체로 이용, 결정성이 높고 고분산성인 나노입자를 합성할 수 있다는 이점이 있다. 일간공업

나노입자의 사이즈 제어로 실온 초이온 전도를 실현
九州대학의 北川宏 초빙교수, 牧浦理惠 특임조교 등은 실온에서 상당히 높은 이온 전도성(초이온전도성)을 갖는 요오드화은(Agl) 나노입자의 개발에 성공했다. 이 나노입자는 대기 하에서 안정적이며 내열성이 높기 때문에 안정적이고 고성능인 충전지의 고온전해질 등에 대한 응용을 기대할 수 있다.
Agl은 고체이면서 용액과 같은 이온 전도도를 나타내는 「초이온전도체」로서 오래 전부터 알려져 왔다. 그러나 Agl의 초이온 전도성은 147℃ 이상에서만 실현되며, 실온에서는 전도도가 4자릿수 낮은 보통 상태로 변화한다. Agl을 기본적인 구성요소로 하여 실온에서 초이온 전도성을 보이는 물질이 몇 가지 보고되어 있지만 대기 중에서 불안정하다는 점과 가열에 의해 초이온 전도성이 없어진다는 등의 과제가 남아 있었다.
이번에 용액 프로세스에 의한 간편한 방법으로 여러 가지 사이즈의 Agl 나노입자의 합성에 성공하여, 입자 사이즈와 초이온전도체의 상전이와의 관계를 밝혔다.
제작한 나노입자의 초이온전도상태(α상)와 이온 전도성이 낮은 보통 상태(α상, β상, γ상)사이의 상전이 거동에 관하여 방사광 X선 회절측정 등의 방법을 이용하여 조사한 결과, α상에서 β/γ상에 대한 상전이 온도가 나노입자 사이즈에 크게 의존하여 나노 입자의 사이즈가 작아짐에 따라 전이가 보다 저온에서 일어난다는 것을 밝혀냈다. 특히 10nm 정도의 나노입자인 경우에는 전이 개시 온도가 40℃로, 종래의 Agl보다도 100℃이상 낮아 초이온 전도 상태가 실온부근까지 유지될 수 있다는 것을 발견했다. 이 전이온도는 지금까지 보고된 Agl 관련 물질에서가 가장 낮은 온도이다.
또한 10nm의 나노입자에 관하여 이온 전도도 측정을 실시한 결과, b/g상으로 변화한 후의 4℃라는 낮은 온도에서도 종래의 Agl보다도 10만 배 이상 높은 이온 전도성을 나타낸다는 것을 발견했다. 이것은 Agl뿐만 아니라 두 개의 다른 원소로 된 물질군(2성분계 화합물) 중에서는 가장 높은 이온 전도도 값이다. 이 나노입자는 대기 중에서 안정적이며, 반복하여 가열해도 높은 이온 전도성으로 변화되지는 않는다는 점에서 안전하며 고성능한 고체형 충전지의 실용화가 크게 가속되기를 기대한다. CJ

세계 최초! 재료 속의 원자 1개를 3차원 관찰하는 현미경법
- 나노테크놀로지·재료개발에 박차 -
東京大學대학원 공학계 연구과 총합연구기구 柴田直哉 조교((독)과학기술진흥기구(이하, JST) 수석연구원), 幾原雄一 교수((재)파인세라믹스센터 나노구조연구소, 東京大學원자분자재료과학고등연구기구(WPI-AIMR))등의 연구팀은 재료 속에 존재하는 원자 1개를 3차원적으로 관찰하는 현미경 수법을 개발하여 결정계면상의 도펀트 원자의 규칙배열을 직접 관찰하는 데에 세계에서 최초로 성공했다. 이 성과는 지금까지 2차원적인 원자구조 정보에 그쳤던 종래의 전자현미경법을 3차원 현미경법으로 발전시키는 획기적인 연구성과로 앞으로의 나노테크놀로지·재료개발에 박차를 가할 것이 기대된다. 원자와 분자를 3차원적으로 자유롭게 조합시켜서 새로운 재료 창출을 지향하는 나노테크놀로지 개발 분야에서는 원자 레벨의 현미경 기술이 매우 중요한 역할을 한다. 투과형 전자현미경법(TEM)은 재료 내부의 원자구조를 직접 관찰할 수 있다는 점에서 현재 널리 응용되고 있는데, 원자열을 그림자처럼 2차원으로 투영하여 관찰하므로 3차원적으로 복잡한 원자구조의 해석에는 적합지 않다고 알려져 왔다. 그러나 앞으로 나노테크놀로지 개발을 촉진해 나가기 위해서는 복잡한 나노구조를 원자 레벨에서 3차원적으로 관찰하는 현미경법의 개발이 급선무가 되고 있어 전 세계 연구자들이 각고의 노력을 기울여 그 방법을 개발하는  중이다.
이번에 柴田·幾原연구팀은 원자분해능 주사투과형 전자현미경(STEM)을 베이스로 한 원자 레벨의 3차원 구조 관찰 수법을 세계 최초로 개발했다. 이 수법은 초고정밀한 시료 제작기술과 관찰상의 이론 계산을 조합시킴으로써 실현한 것으로 그 정밀도는 에베레스트산(표고 8848m)에 끼어 있는 종이 한 장을 산 위아래에서 파서 더듬어 찾는 수준에 필적한다. 또 이론계산으로 미리 시료의 두께와 관차조건(포커스)를 파악하고, 그 조건에서 관찰함으로써 원자 레벨까지 가늘게 좁힌 전자선의 시료 내부에서의 전자의 폭을 억제하여 3차원 관찰이 가능해진다는 것이 드러났다. 이 방법으로 재료 내부의 계면 위에 매립된 도펀트 원자 한 개 한 개를 직접 관찰하는데 성공하여 그 규칙적인 배열을 세계 최초로 밝혀냈다. 이 성과는 2차원적인 원자구조정보에 그쳐 있던 종래의 현미경법을 3차원 현미경법으로 발전시키는 획기적인 연구 성과임과 동시에 앞으로의 나노테크놀로지·재료개발을 강력하게 추진할 수 있으리라 생각된다. 일간공업

니오브산 칼륨의 비유전율을 5배로
名古屋공업대학 대학원 공학연구과 물질공학전공 枾本健一 준교수, 安藤聖剛 대학원생과 太陽誘電(주)의 연구팀은 비유전율 1750의 니오브산 칼륨(KNbO3)세라믹스의 합성에 성공했다.
전압을 가하면 기계적으로 작동하는 압전 세라믹스는 프린터의 잉크젯 부품, 초음파진동자 등 각종 전자부품으로 이용되고 있으며, 최근에는 자동차용 센서 등에서 중요성이 확대되고 있다. 단 납을 많이 포함하기 때문에 그 사용을 규제하는 움직임이 유럽을 중심으로 진행되고 있다. 따라서 무연화의 연구개발이 추진되고 있는데, 특히 압전 액추에이터 용도로 니오브산 칼륨을 주성분으로 하는 「니오브계 무연 압전 세라믹스」가 주목받고 있다.
니오브산 칼륨은 퀴리온도가 PZT보다 높은 400℃에서 일찍부터 고온사용이 전망되는 무연압전체 소재로 주목되고 있다. 그러나 난소결 물질로 고밀도의 세라믹 합성이 적합지 않기 때문에 비유전율 350정도의 세라믹스밖에 얻을 수 없어 용량부족에 의해 압전 변위량이 낮아 단일 재료로 액추에이터 소재로서 실용화되기는 곤란하다고 생각되어 왔다.
이번에 연구팀은 스파크 플라즈마 소결기술을 이용하여 고품질의 니오브산 칼륨 세라믹스를 정밀 합성하는데 성공했다. 그 결과, 퀴리온도 400℃에서, 실온에서의 비유전율이 종래 비 5배인 1750, 유전 손실은 3% 이하로 우수한 유전물성을 나타낸다는 것이 판명되었다. 또한 니오브 원소를 다른 금속원소로 일부 치환하면 압전정도 d33값이 125pC/N까지 향상된다는 것을 확인했다. 또한 종래의 니오브산 칼륨 세라믹스에서 문제시되어 왔던 높은 전계 강도에서도 내압성이 우수하다.
연구팀에서는 세라믹스 속의 입경 분포와 입계결합강도가 대(大)유전율화와 고내압화로 이어지는 열쇠라고 보고 상세한 메커니즘의 해명에 들어갔다.
현재, 실용화를 위해 조성 개량이 진행되고 있는 니오브계 세라믹스의 연구개발에 있어 모상(母相)인 니오브산 칼륨의 높은 기본 성능을 새롭게 드러낸 성과로 무연 압전체의 성능향상을 위한 연구개발에도 박차를 가한다. CJ

절연체 세라믹스의 3차원 아톰 프로브 해석에 성공
(독)물질·재료연구기구의 寶野和博 특별연구원, 大久保忠勝 그룹리더 등 연구팀은 초단파장에서 동작시킨 3차원 아톰프로브를 이용하여 종래는 불가능하다고 생각되었던 절연성 세라믹스의 원자레벨에서의 3차원 토모그래피의 관찰에 최초로 성공했다. 3차원 아톰 프로브법은 첨예한 바늘 끝에 고전계를 가하여 그 끝에서 평평한 판의 검출기에 방사상으로 비행하는 이온의 비행시간과 원자위치를 측정하는 방법. 금속재료의 분야에서는 20년 이상에 걸쳐 원자의 분포를 직접 3차원적으로 볼 수 있는 유일한 해석법으로 응용이 확대되어 왔다. 3차원 실공간에서 수백만 개의 원자로 구성된 원자 토모그래피를 얻을 수 있고, 게다가 그 정보에서 나노 영역의 원소의 조성도 결정할 수 있다. 그러나 시료 첨단(尖端)에서 원자를 전계로 이온화시키기 위해서는 1010V/m 정도의 고전계가 필요하며, 또한 100만 배 이상의 투영 배율을 얻기 위해 첨단이 50nm정도의 침상 시료가 필요하다는 제약이 있었다. 따라서 지금까지 절연성 세라믹스 벌크 재료 해석에 응용한 예는 전무했다. 본 연구에서는 집속 이온빔에 의한 미세가공법을 이용하여 t-ZrO2-MgAl2O4나노콤포지트 세라믹스에서 첨단의 반경이 50nm정도의 침상 시료를 가공하고 그것을 텅스텐 바늘 위에 접착했다. 고전압을 가한 시료 첨단에 330nm 파장의 펨트초 레이저를 조사시켜서 원자의 이온화를 펨트초 레이저에 동기시켜 일으켜서 3차원 원자 토모그래피의 취득에 성공했다.
이 연구는 종래 금속이나 반도체밖에 사용하지 못한다고 생각했던 3차원 아톰프로브법을 절연성 세라믹스의 벌크 재료에 응용할 수 있다는 것을 실증한 최초의 예로, 앞으로 단파장 레이저를 이용한 3차원 아톰 프로브법이 세라믹스 재료의 범용적인 나노 해석법으로 발전할 것으로 기대한다. CJ