나노튜브전극을 활용한 열 발전장치 - 버려지는 열을 에너지로 바꾸다.
‘현존하는 물질 중 가장 완벽한 물질’, ‘21세기를 만들어 갈 꿈의 소재’ 등의 다양한 수식어를 달고 다니는 탄소나노튜브는 우수한 기계적, 전기적, 특성을 바탕으로 다양한 산업분야에 활용되고 있으며 그 활용범위는 하루가 다르게 넓어지고 있다. Dallas에 위치한 University of Texas의 연구팀은 탄소나노튜브를 열 발전장치에 활용하기 위한 연구를 진행하고 있다. 연구팀은 탄소나노튜브를 전극으로 사용하는 열 발전장치를 개발했으며 그들의 연구결과는 미국화학협회에서 발행하는 Nano Letters를 통해 소개되었다. 열 발전장치를 이용하면 자동차, 화학공장, 태양열 발전소등의 다양한 산업분야에서 버려지는 열에너지를 이용하여 전력을 생산해 낼 수 있다. 버려지는 에너지를 활용한다는 것은 궁극적으로 낮은 비용으로 청정에너지를 만들어 낼 수 있음을 의미한다. University of Texas의 연구원들에 따르면 탄소나노튜브 전극이 적용된 열 발전장치는 금속을 전극으로 사용하는 일반적인 열 발전장치 대비 3배 이상의 효율로 전력을 생산해 낼 수 있다고 한다. 열 발전장치는 열이 발생되는 모든 장치로부터 전력을 생산해 낼 수 있으며 이는 주기적인 충전 및 교체가 필요한 배터리를 대체하는 장치로 열 발전장치가 사용될 수 있음을 의미한다. 연구팀이 개발한 열 발전장치는 탄소나노튜브의 우수한 내열성, 내화학성, 전지적, 기계적 특성을 활용하고 있다. 탄소나노튜브는 매우 작은 직경을 지닌 튜브형태의 탄소구조물로 거의 1차원에 가까운 구조를 하고 있을 뿐 아니라 매우 큰 표면적을 지고 있기 때문에 탄소나노튜브 전극을 이용한 열 발전장치는 기존의 전극물질을 사용한 장치에 비해 월등히 높은 전류밀도와 효율을 가지게 된다. 연구팀에 따르면 다중벽 탄소나노튜브를 전극으로 이용한 열 발전장치는 각종 내연기관 및 화학공장 등에서 벼려지는 열을 이용, 와트당 2.76불에 해당하는 낮은 비용으로 전력을 생산해 낼 수 있을 것 이라고 한다. 이는 와트당 4.31불의 발전비용이 소비되는 태양광 발전에 비해 열 발전이 얼마나 경제적인지를 보여주는 지표로 태양광발전이 햇빛이 비추는 시간에만 가능하다는 점을 감안할 때 연구팀이 개발한 열 발전소자와 이를 이용한 발전이 매우 깨끗하고 저렴한 대체에너지원으로 각광받게 될 수 있음을 증명해 준다. 시제품으로 제작된 단추크기의 소형 열 발전장치는 다양한 센서 및 전기회로를 동작시킬 수 있을 정도의 전력을 생산해 낼 수 있다. University of Texas 화학과 교수이자 이 연구의 책임자인 Ray Baughman은 미국, 호주, 중국, 인도, 필리핀의 연구원들로 구성된 국제연구팀과의 공동연구를 수행하고 있다. “우리 대학이 위치한 Texas주는 오래 전부터 에너지를 생산해내는 ‘에너지 주’였습니다. 땅속에서 석유와 가스가 나오기 때문이었죠. 우리의 연구는 땅속에 있던 Texas의 에너지원을 지상으로 끌어올리는 역할을 할 것입니다.” Baughman은 이야기 했다. “끊임없이 뿜어져 나올 것 같던 Texas의 석유와 가스도 이제 얼마 남지 않았습니다. ‘에너지 주’로서의 Texas의 입지를 잃지 않으려면 석유, 가스가 아닌 다른 에너지를 찾아야 합니다. 버려지는 열을 에너지로 변환시키는 열 발전방식은 그 대안 중 하나일 뿐입니다. 우리 연구팀은 Texas가 미래에도 ‘에너지 주’의 지위를 유지할 수 있는데 도움을 줄 다양한 대체에너지 기술에 대한 연구를 진행하고 있습니다. ACB

내열 마그네슘 합금
샘플 제공 개시
熊本大學 등이 산학관 협력으로 하고 있는 내열 마그네슘 합금의 연구개발에서 熊本大의 연구시설에서 만들어진 샘플을 기업에 제공하기 시작했다. 지금까지 문외불출(門外不出)이었던 비장의 소재를 샘플 제공한 것은 산학관 연대의 연구개발이 제품화를 위한 단게에 들어갔다는 것을 의미한다. 공급을 받은 메이커는 조속히 제품 개발에 들어가기 시작하여 신소재에 대한 기대가 높아지고 있다.
개발은 과학기술진흥기구(JST)의 지역결집형 연구개발 프로그램에 채택된 「차세대 내열 마그네슘 합금의 기반기술개발」의 일환. 2006년 12월부터 5년 동안의 계획으로 진행되고 있다. 마그네슘은 알루미늄에 비해 경량이지만 고온 하에서의 사용에 약하다고 알려져 있어 이 과제를 극복하는 것이 테마이다.
지금까지 소재를 연구시설 밖으로 반출하지 않았던 것은 기술유출을 방지하기 위해서. 연구팀의 대표인 熊本大 대학원 자연과학연구과의 河村能人 교수는 「처음으로 밖에 내놓는 일의 의미는 크다」고 샘플 제공을 시작한 중요성을 말한다. 단, 현재도 기술유출에는 세심한 주의를 기울이고 있다. 제공에 있어서는 연구개발의 중핵기관인 구마모토 테크노 산업재단(熊本縣 益城町)과 메이커와의 사이에서 소재와 기술이 제3자에게 넘어가지 않도록 계약을 체결했다.
작년에 시작품
샘플 제공을 받은 곳은 건축재료 등 경금속 제품 메이커인 不二라이트메탈(동 長州町). 직경 2밀리미터×길이 1미터, 중량 700그램의 덩어리(막대)가 제공되었다. 또 마그네슘과 플라스틱 제품 메이커인 넥서스(동 南關町)도 작년에 제공을 받았다. 두 회사 AEN 연구개발 멤버로 마그네슘 합금 가공기술을 가지고 있다. 不二라이트메탈은 마그네슘 합금이 비교적 경량이라는 특징을 살려서 팔다리의 보정기구의 개발을 시작했다. 시작품은작년에 완성하였고, 올해 실용실험을 한다. 이 회사에 대해 연구개발 관계자는 제품개발뿐 아니라 용해주조에 의한 소재공급의 사업화도 기대하고 있다. 알루미늄의 용해주조에 풍부한 실적이 있기 때문이다. 前畑政富 사장은 「양산할 것이 나오면 설비투자를 검토할 필요가 있다」며 긍정적이다.
샘플 확대
한편 넥서스는 자사의 사출성형기술을 바탕으로 한 치크소몰드법을 이용하여 서류가방(attache case)를 제품화한다. 제품화 과정에서 대형 박판을 제작하여 가공하는 기술을 축적할 생각이다. 平澤純一사장은 「첨가물에 따라 틀 속에서 늘어나는 양상이 다르다. 어쨌든 사용해 보면서 생각해 볼 것」이라고 사업화에 의욕을 보이고 있다.
熊本大 등 연구팀은 작년에 직경 55밀리미터의 막대를 제공하는 등 샘플도 확대하였으므로 앞으로 사업화의 향방이 주목된다. 일간공업
시장보고서 : 2010년 37억불의 시장규모가 예상되는 나노테크놀로지가 적용된 코팅 및 접착제 시장
신기술 시장분석회사인 BCC사에서 발표한 시장보고서인 ‘나노코팅 및 나노접착응용시장 분석’에 따르면 2010현재 37억불의 시장규모가 예상되는 나노 코팅 및 접착응용시장은 향후 5년간 연평균 39.3%의 높은 성장률로 성장, 2015년에는 192억불의 시장규모를 형성할 것이라고 한다. 나노코팅분야의 시장규모는 2010년 기준 34억불로 나노기술 관련 시장에서 가장 큰 비중을 차지하고 있으며 연평균 39.5%의 성장률을 기록, 2015년에는 180억 불에 가까운 시장규모를 형성할 것으로 예측된다. 보고서에 따르면 나노접착응용분야 또한 높은 성장이 예상된다. 보고서는 현재 2천6백만 불에 못 미치는 시장규모의 나노접착 응용분야가  2015년 까지 연평균 36.5%의 성장률을 기록하며 2015년에는 18억불의 시장규모를 갖게 될 것으로 예상하고 있다. 나노코팅과 나노접착제는 의료, 전기, 전자, 환경, 에너지, 수송, 건설 등 모든 산업분야에서 활용되고 있으며 그 활용범위는 더욱 넓어질 것으로 예상된다. 4,850불에 판매되고 있는 이 보고서는 ‘나노코팅’ 과 ‘나노접착’의 두 부분으로 나눠져 있으며 각 분야의 기술현황과 미래기술에 대한 분석, 관련업체 및 특허 조사를 통해 나노코팅 및 나노접착분야의 미래를 예측하고 있다. CJ

CNT로 증폭기 개발
100와트급 고출력 동작
富士通硏, 2011년에 실용화
富士通硏究所(川崎市 中原區, 사장 村野和雄)은 카본나노튜브(CNT)를 사용한 신형 증폭기를 개발, 100와트급의 고출력 동작에 성공했다. CNT의 높은 방열성을 이용한다. CNT를 사용하는 실용수준의 증폭기는 세계 최초. 2.4기가헬츠 이상의 높은 N파수가 요구되는 차세대 휴대전화의 무선기지국용으로 2011년경 실용화한다.
富士通硏은 구리의 약 10배의 열전도율을 갖는 직경 수 나노미터의 다층CNT를 방열재로 사용하여 고출력 증폭기를 시작했다. 고출력 동작 시는 보통 증폭기를 구성하는 트랜지스터에서 열이 발생하여 문제가 된다.
이번에 트랜지스터의 전극과 기판 사이를 폭 약 10마이크로미터이며 높이 약 20마이크로미터의 미세한 CNT의 돌기전극(뱀프)으로 접속했다. 또 증폭기의 이면에 방열판을 부착함으로써 증폭기 양면으로 열을 빼내는 구조로 개량했다. GTB

연안 풍력발전을 위해 개발 중인 세계최대규모의 풍력발전기
스칸디나비아 반도에 위치한 에너지 회사인 Sway사는 높이 533피트, 날개길이 475피트를 자랑하는 세계에서 가장 큰 풍력발전기를 개발하고 있다. Sway사에서 개발하고 있는 이 초대형 발전기는 지상이 아닌 연안의 바다 떠있는 상태로 발전하도록 디자인되었으며 현재는 테스트를 위해 지상에 설치되어 있다. 이미 상용화된 풍력발전기들과 비교해 보면 Sway사가 개발하고 있는 풍력발전기의 엄청난 크기를 짐작할 수 있다. Sway사의 새로운 풍력발전기의 회전날개는 General Electric사의 1.5 메가와트 규모 풍력발전기보다 4배나 큰 직경을 가진다. 현존하는 가장 큰 풍력발전기는 7메가와트 규모의 발전용량을 가진 Enercon사의 E126으로 회전날개의 413피트의 직경을 가진 날개를 가지고 있다. 청정에너지 개발과 보급을 지원하는 스칸디나비아반도 정부기관인 Enova는 Sway사가 위치한 노르웨이에 풍력발전 기술 개발을 위한 2천300만 불의 자금을 지원하고 있다. Sway사가 개발하고 있는 풍력발전기는 10메가와트의 전력을 생산해 낼 수 있으며 이는 20,000가구 이상의 가정에서 사용할 수 있는 전력이다. 새로운 풍력발전기의 각종 성능을 평가하기 위한 테스트가 향후 2년간 Hordalan 지방의 Oygarden에서 수행될 예정이다. Sway사는 현재 노르웨이의 Smartmotor AS사와 터빈의 경량화와 부품절감 그리고 기어 없이 동작하는 발전기 개발 에 대한 공동연구를 수행하고 있다. 새로운 풍력발전기 개발의 핵심목표는 지상이 아닌 연안의 바다에 설치함으로서 풍력발전의 공간적 제약을 줄임과 동시에 운용에 필요한 비용을 낮추는 것이다. “연안과 해안에는 다양한 형태의 활용 가능한 재생에너지 자원이 분포하고 있습니다. 풍력은 그 중 일부일 뿐이죠. Enova가 주도하고 있는 이 프로그램의 목적은 재생에너지활용 기술의 개발과 운용의 성공적인 사례를 보여줌으로서 스칸디나비아반도 연안의 다양한 재생에너지자원 활용의 가능성을 증명하고 소개하는데 있다.”고 Enova의 수행책임자인 Nils Kristian Nakstad는 이야기 했다. Sway사의 초대형 풍력발전기를 머릿속으로 그려본 사람들은 엄청난 크기의 회전날개를 어떻게 연안까지 수송할까? 라는 의문을 품게 될 것이다. 실제로 미국에서는 풍력발전기를 구성하는 엄청난 크기의 회전날개를 설치할 장소로 운송하는데 많은 어려움을 겪고 있다. 다행히도 Sways사가 개발하고 있는 풍력발전기에 사용되는 회전날개는 풍력발전기가 설치될 노르웨이해 연안 인근에 위치한 공장에서 생산되고 있어 회전날개의 운송은 큰 문제가 되지 않고 있다. ACB

벤젠고리 8개로 고리
광흡수하여 황록색으로 발광
京大가 합성법 새 재료에 응용
京都大學의 山子茂 교수 등은 벤젠 고리 8개를 연결하여 직경 11나노미터의 고리를 합성하는데 성공했다. 이 고리는 파장 340나노미터 부근의 빛을 흡수하여 황록색으로 발광하는 등 기존 재료에 없는 성질이 있어 새로운 발광재료와 도전성 재료, 전지의 전극 등에 대한 응용이 기대된다.
벤젠고리는 탄소원자 6개로 구성된 정육각형의 화합물. 이것을 사용한 고리는 미개척 연구 분야로 벤젠고리를 똑바로 잇는 것과는 다른, 고리만의 성질을 기대할 수 있다. 9개나 12개의 벤젠고리를 연결하는 고리는 있었지만 8개는 최초.
기술적으로는 연결하는 부분을 구부리기가 어렵지만, 이번에 백금을 사용하여 그 문제를 해결했다. 백금 착체 용액 속에 분자량 비(比) 동량의 비율로 주석화합물을 섞어 화학반응시키면 주석과 백금이 치환된다. 그 결과, 벤젠고리 2개를 한 변으로 하여 네 구석에 각각 백금이 있는 정방형 구조체가 만들어졌다.
용액 속의 농도를 통상 화학반응의 약 100분의 1로 얇게 하여 원하는 화학반응만이 일어나도록 했다. 실험에서는 화학반응한 것 가운데 84%가 정방형 구조체가 되었다.
이 구조체에 취소(臭素)를 가하여 약 95℃에서 가열하면 백금이 취소와 함께 없어짐과 동시에 벤젠고리끼리 결합하여 고리가 생겼다.
山子교수는 「앞으로 카본나노튜브(CNT)와 같은 통상의 분자를 만들고 싶다. 우리의 합성법이라면 굵기와 길이, 비틀어짐 정도를 제어할 수 있을 가능성이 있다」고 말하고 있다. 일간공업

혁신형 축전지의 개발을 위하여
축전지가 환경과 에너지 자원의 문제를 해결하기 위한 유력한 디바이스로서 주목을 받고 있는 가운데, 신에너지·산업기술총합개발기구(NEDO)의 혁신형 축전지 개발을 추진하는 프로젝트가 시작되었다.
NEDO프로그램 매니저로 京都大學 산학관 연대센터 특임교수인 小久見善八을 프로젝트 리터로 「혁신형 축전지 첨단과학기초연구사업」(약칭 RISING = Research & Development Initiative for Scientific Innovation of New Generation Batteries)가 10월 1일부터 본격적으로 활동을 시작했다.
이 프로젝트는 京都大學 내에 혁신축전지개발센터(약칭 : I-BARD = Innovative Battery Research and Development Center)를 설치하고, 일본의 대표적 자동차 메이커, 전지 메이커 및 대학, 연구기관의 총력을 집결한 올재팬의 연구체제를 갖추고 있다. 참가 기업은 京都大學과 산업기술총합연구소 關西센터에 연구원을 파견하여 PJ에 참가하는 기타의 대학, 연기기관과 밀접하게 연대하여 연구개발을 추진하고 있다. 큰 조직이므로 NEDO가 京都大學에 사무소를 두고 거점 운영을 직접 서포트하는 체제를 취하고 있다.
본 PJ는 7년간의 계획이므로 Begin with the Basics를 기본으로, 리튬이온전지의 에너지 밀도·레이트 특성·안전성·내구성의 비약적 향상을 목표로 전지반응을 상세히 조사하고 그 본질을 밝히며 또한 전지성능을 지배하는 재료의 특성을 상세하게 조사하여 그 혁신을 위한 지침을 제출할 것을 목표로 하고 있다. 그것을 위해 고휘도 방사광과 중성자선 등의 대형 설비와, 라만 산란·TEM 등의 라보 장치를 활용하여 전지반응 하에서의 ‘현장’관찰을 기본으로 하는 측정 수법을 개발하는 일부터 시작하고 있다.
한편, 리튬이온전지의 한계를 넘는 고성능 2차전지의 개발을 목표로 500Wh/kg을 실증하는 포스트리튬이온전지의 개발도 진행하고 있다. 리튬이온전지의 혁신으로 얻어진 지식과 방법은 물론 최근 현저한 발전을 이룬 나노테크, MEMS, 연료전지 등의 기술을 활용하여 신개념 전지계와 함께 지금까지는 어렵다고 알려져 왔거나 별로 연구되지 않았던 2차 전지계도 포함하여 폭넓은 연구에 돌입해 있다. CJ

원자력 발전의 르네상스를 열어줄 소형원자로
지구온난화를 막기 위해 석탄을 이용하는 전력생산을 멈춰야 한다는 압력이 높아짐에 따라 원자력에너지를 이용한 발전이 다시 주목받고 있다. 기술이 아닌 사업적인 시각으로 볼 때 원자력 발전의 확산을 위해선 투자자의 위험부담을 최소화 하고 100억불에 육박하는 원자로 구매비용을 낮추려는 노력이 필요하다. Wall Street Journal의 Rebecca Smith는 기사를 통해 “원자로의 구매자인 전력회사들은 대규모의 원자로 도입이 회사의 재정적 위기를 초래할 수 있다고 생각하고 있으며 원자로 제조사 또한 이러한 상황이 벌어지는 것을 염려하고 있다”고 이야기 했다. “도입하고자 하는 원자로의 크기가 크면 클수록 상황이 안 좋아질 확률이 좋아질 확률보다 높아질 것입니다.” moody’s investors service의 부사장인 Jim Hempstead는 이야기 했다.
“대규모 원자력 발전에 모든 걸 쏟아 붙는다는 각오로 뛰어드는 전력회사들의 신용등급이 하락할 수 있을 것으로 보고 있습니다.” 이러한 문제점을 해결하기 위한 유일한 방법은 소규모 원자로를 건설하는 것이다. Wall Street Journal은 3개의 미국 전력공급업체 Tennessee Vally Authority, First Corp, Oglethorpe Power Corp가 원자로 건설회사인 Babcock & Wilcox(B&W)사로부터 원자력규제위원회의 승인을 받은 소형원자로를 공급받기로 했다고 보고했다.
B&W사에 따르면 B&W의 mPower원자로는 일반적인 원자로에 비해 매우 작은 125~140메가와트의 용량을 갖는다고 한다. 소용량 원자로에 대한 관심이 높아짐에 따라 여러 회사들이 소규모 원자로의 설계와 제작을 진행하고 있다. NuScale Power는 소규모 원자로 제작을 위해 설립된 벤처기업으로 현재 65피트의 높이와 15피트의 넓이를 가진 45메가와트 규모의 소형원자로의 제작을 준비하고 있다.
Hyperion Power또한 원자로 설계, 제작을 위해 설립된 벤처기업으로 픽업트럭에 실릴 수 있을 정도로 작은 크기(높이12피트 넓이5피트)의 초소형 원자로의 제작을 계획하고 있다. Hyperion Power의 초소형 원자로는 작은 크기에도 불구하고 25메가와트의 용량을 가지며 이는 20,000가구 이상의 가정에 충분한 전력을 공급할 수 있는 규모다. Babcock & Wilcox사는 소형원자로 개발에 있어 다른 업체보다 한발 앞선 기술력을 지닌 기업으로 보인다. B&W사의 부사장인 Michael Shepherd에 따르면 B&W 최초의 소형원자로인 mPower는 다른 기업의 소형원자로에 비해 10년 정도 앞서나가고 있다고 한다. “B&W의 mPower는 2016년부터 건설될 예정입니다. 2019년이나 2020년에는 전력망에 연결되어 전기를 공급하고 있는 mPower를 볼 수 있을 것입니다.” Shepherd는 이야기 했다. ACB

전압을 가하는 것만으로 재료가 초전도로
표제처럼 꿈과 같은 기술을 실현되고 있다. 전기화학 셀에 전합을 인가하면 고체표면에 전기 2중층이 형성되어 상당히 고밀도의 전자가 축적된다. 이 축전기구는 정전적(靜電的)으로 화학반응은 기본적으로 관여하지 않으므로 충전과 방전 반응이 빨라 고체 재료가 열화되지 않는 우수한 축전 디바이스가 된다. 이 원리를 트랜지스터에 응용한 것이 전기 2중층 트랜지스터로 이것을 이용하여 SrTiO3라는 산화물 절연체를 초전도화했다는 보고가 2008년, 川崎교수, 岩佐교수, 野島 준교수 등 東北大 WPI와 金硏의 연구팀에 의해 있었다. 이 현상은 전계에 의한 캐리어 축적으로 초전도를 유기(誘起)하므로 전계유기초전도라고 불리며 지난 세기 중반부터 고체물리학의 한 목표가 되어 왔다. SrTiO3는 수많은 초전도체 가운데에서도 가장 적은 캐리어 수로 초전도가 되는 물질이기 때문에 이 기술을 다른 많은 초전도체에 그대로 적용될 수 있는 것은 아니다. 따라서 東北大金硏의 연구팀은 전계 축적할 수 있는 캐리어 밀도를 늘리기 위해 종래의 고분자 전해질이 아니라 이온 액체에 주목했다. 그 결과, 이온 액체를 이용하면 전해질의 4~8배의 캐리어 수를 축적할 수 있다는 것을 알게 되어 많은 물질에 대해 전계유기초전도 현상을 실현할 수 있는 가능성이 열렸다.
  전기 2중층 트랜지스터에 요구되는 또 하나의 요건으로서 캐리어가 전도하는 결정표면이 원자 스케일에서 평탄하다는 점을 들 수 있다. 이것을 간단히 실현할 수 있는 재료로서 층상물질에 주목했다. 판데르워르스 갭을 갖는 층상물질은 그라펜으로 유명해진 것처럼 스카치테이프로 벗기는 것만으로 원자평탄면을 갖는 프레이크를 간단히 준비할 수 있다. 이 절연체 물질의 전기 2중층 트랜지스터를 제작하여 전계를 인가하면 3.5V이상에서 Tc~15K의 초전도가 발현한다는 것이 밝혀졌다. 이것은  SrTiO3에 이은 2열째의 전계유기초전도이다.
  이렇게 전계유기초전도가 여러 가지 물질에 대해 가능해지자 이 기술을 새로운 초전도체나 새로운 물성, 기능성을 탐색·발현하는 방법으로 삼을 수 있으리라는 가능성이 타진되고 있다. 상상을 크게 하면 전계를 가했을 때에만 실현되는 상태에는 종래의 안정 물질에서의 그것과 다른 물성이나 기능성이 숨겨져 있을 가능성이 있다. 전기 2중층 트랜지스터에 의해 새로운 비평형 상태의 물질·재료과학이 열릴 것이 기대된다. CJ

미국의 배터리산업 성장을 이끄는 NREL 배터리
성능시험 연구소
미 에너지부 (Department of Energy : DOE)는 고성능 배터리 산업분야에 대한 다양한 지원 사업을 진행하고 있다. DOE의 이번 지원은 배터리 관련기술의 발전과 함께 미국의 산업 활성화를 도모하고자 하는 것으로 최우선 목표는 고성능 배터리 제작기술을 보유한 미국 내 배터리 업체들의 고성능 배터리 대량생산을 유도하는 것이다. DOE의 이러한 노력의 결과로 국립재생에너지 연구소(National Renewable Energy Lab : NREL)의 고성능 배터리 개발 연구에 대한 직 간접적 지원이 크게 늘어나고 있으며 연구지원금의 상당부분은 American Recovery and Reinvestment Act를 통해 형성된 자금으로부터 얻어진다. 15억 불에 달하는 고성능 배터리의 개발과 생산을 위한 연방정부의 지원금은 하이브리드 자동차, 전기자동차, 연료전지 자동차에 적용 가능한 동력전달장치가 내장된 자동차용 배터리분야로 할당될 예정이다. NREL의 배터리 열-수명 테스트 센터(The Battery Thermal and Life Test Facility : BTLT)는 2백만 불의 연구지원금을 받게 된다. NREL의 연구원들에 따르면 배터리에서 발생하는 열을 효율적으로 관리하는 것은 배터리 성능의 최적화를 위해 매우 중요한 요소로 효율적인 열 관리시스템의 적용을 통해 배터리의 ‘수명주기 비용’(Life Cycle Cost)을 낮출 수 있다고 한다. DOE의 지원을 받는 미국 내 배터리 제조사들은 새롭게 개발된 배터리를 NREL의 BTLT로 보내 자신들이 개발한 배터리의 열 발생 및 수명주기비용 등을 평가할 수 있다. NREL의 연구원들은 배터리에서 발생한 열이 배터리의 성능과 수명에 미치는 영향을 연구하고 있으며 이를 통해 배터리의 성능을 최대화 할 수 있는 열 관리 기술을 개발 할 것이라고 한다. NREL의 전문가들은 배터리팩 주변을 통해 흐르는 공기 또는 유체의 흐름이 배터리의 성능과 수명주기비용에 미치는 영향을 평가하고자 하며 이를 위해 다양한 배터리 팩에 여러 가지 유체들을 흘리며 열 발생, 효율, 배터리모듈의 열 발생, 충 방전 테스트 등의 다양한 성능을 테스트 하고 있다. NREL의 BTLT는 최신의 열 이미지 분석 장치를 갖추고 있다. BTLT의 열 이미지 분석 장치는 배터리에서 발생하는 열을 실시간으로 분석할 수 있으며 이를 통해 배터리 팩 또는 배터리 모듈의 동작에 따른 열 분포는 물론 열이 집중적으로 발생하는 부분을 손쉽게 찾을 수 있다. BTLT의 연구진들은 시뮬레이션 및 모델링을 위한 데이터 확보의 목적으로 다양한 배터리 제작업체들에서 보내온 배터리의 특성평가 결과를 수집하는데 열을 올리고 있다. 자동차에 사용될 고성능 에너지 저장장치의 모델링 및 시뮬레이션은 배터리 설계자 및 연구원들이 안고 있는 다양한 기술적 난제들을 해결하는데 도움을 줄 것이다. ACB

Missouri S&T University가 개발한
맞춤형 항공재료 제작기술
Missouri University of Science and Technology(S&T)의 연구팀은 세라믹과 금속을 혼합하는 혁신적인 방법을 개발했다고 한다. S&T의 연구팀이 개발한 기술은 극초음속 여객기 및 우주항공분야에 사용될 수 있는 고강도, 고내열성의 재료를 만드는데 매우 유용하게 사용될 것으로 보인다. S&T의 기계항공 공학부 교수인 Ming Leu가 이끌고 있는 이 연구팀은 세라믹과 금속 그리고 바인더를 매우 정교한 압출방법을 이용하여 혼합하는데 이러한 방법을 이용하면 세라믹, 금속, 바인더의 비율을 매우 세밀하게 조절 할 수 있다고 한다. 지르코늄카바이드와 텅스텐 그리고 바인더의 혼합물을 만드는 경우 지르코늄카바이드, 텅스텐, 바인더의 세 물질이 들어있는 각각의 파이프를 일정한 압력으로 밀어내면 세 개의 파이프가 만나는 지점에서 세 물질의 혼합물을 얻을 수 있다. S&T가 개발한 이 기술의 장점은 개별 물질의 압출 속도를 조절을 통해 혼합된 물질의 정확한 혼합비를 조절할 수 있다는 점이며 이를 통해 연속적으로 변하는 조성을 가진 혼합물을 만들어 낼 수 있다.
이는 기존의 슬립캐스팅이나 인젝션몰딩을 통해선 불가능 했던 것으로 S&T의 압출혼합 기술은 금속-세라믹 혼합재료의 제조에 큰 혁신을 불러올 수 있을 것으로 보인다. S&T가 개발한 기술이 적용된 금속-세라믹 제품은 다음의 순서로 제작된다. 1)금속-세라믹-바인더 혼합물을 층층이 쌓는 방식으로 원하는 형태를 만들고 2)금속-세라믹-바인더 내부의 물과 바인더를 제거하기 위해 금속동결성형을 수행한 후 3)마지막으로 고온에서의 소결을 거치면 연속적으로 변하는 조성과 사용자의 요구에 맞춰진 기계적 특성을 가지는 금속-세라믹 제품이 완성된다. S&T의 항공우주 기술센터의 소속이기도 한 Leu에 따르면 S&T가 개발한 이 기술의 가장 큰 장점은 비교적 간단한 공정으로 비행기 또는 우주선에 사용될 맞춤형 부품을 제작해 낼 수 있다는 점이라고 한다. “개별 성분들의 압출압력을 조절하는 매우 간단한 방식으로 혼합물의 조성을 자유자재로 바꿀 수 있습니다.”라고 Leu는 이야기 했다.
Leu의 연구팀은 S&T의 재료공학부 교수인 Greg Hilmas, 항공우주공학부 교수인 Robert G.Landers와 공동연구를 수행하고 있다. 이 기술의 또 다른 장점은 금속과 세라믹에 혼합에 필요한 바인더의 사용량을 현저히 줄일 수 있다는 점이다. “우리가 개발한 맞춤형 세라믹-금속 혼합 물질은 고성능 연소기관에 사용될 부품 또는 초음속 비행기와 같이 매우 높은 온도를 견딜 수 있으면서도 열에 의한 변형이 작은 물질을 필요로 하는 분야에서 광범위하게 사용될 것입니다.” Leu는 이야기 했다. ACB
「온도차 발전」성능 8배로
변환소자에 열을 효율적으로 송출
폐열활용에 길
慶應義塾大學의 武藤佳恭 교수는 고온의 물질과 저온 물질의 온도차를 이용하여 발전하는 「온도차 발전」의 성능을 향상시키는 기술을 개발했다. 열을 전기로 변환하는 열전변환소자에 열을 효율적으로 보내는 구조를 만들어, 발전성능을 종래비 8배로 높일 수 있었다. 온천수와 지하수 등 온도차가 작은 경우에도 효율적으로 발전할 수 있다. 사이언스파크(神奈川縣 座間市)와 연대하여 사업화해 나갈 계획이다.
개발한 온도차발전은 사방 4센티미터의 시판 열전변환소자를 사용했다. 열전변환소자에 구리로 만든 히트파이프를 연결하는 등, 온열과 냉열 각각의 열원으로부터 효율적으로 열을 열전변화소자에 보내는 구조를 구축했다.
종래는 열전변환소자와 열원을 직접 접촉시켜서 발전하는 방식하는 연구되어 왔는데, 열을 제대로 전달하지 못한다는 것이 과제가 되었다.
실험에서는 섭씨 약 75도의 온수와 약 5도의 냉수를 이용했다. 온도차가 약 70도로 1장의 열전변환소자를 사용한 경우, 3와트 발전한다는 것을 확인했다. 또한 靜岡縣 熱海市에서 있었던 실험에서는 온천수(약 85도)와 지하수(15~20도)의 온도차를 이용하여 발광다이오드(LED)를 빛나게 하는데 성공. 온천수는 열량이 많으므로 발전성능이 10%정도 더 올라간다는 것을 발견했다. 온도차 발전은 지금까지 사용되지 않았던 폐열을 유효 활용하여 이산화탄소(CO2)를 배출하지 않고 발전할 수 있는 방법으로 주목되고 있다. 설치가 곤란했던 장소에 전원을 배치할 수 있다는 이점도 있다.
武藤교수 등은 “온도차 발전을 랜턴에 도입하는 연구도 시작했다. 랜턴 내부의 양초 열로 발전하는 구조로 정전했을 때와 캠프 등의 야외에서 조명등으로 이용할 수 있으며 또한 휴대전화 등의 충전도 가능한 장치를 지향하고 있다”고 한다. ACB

산화물 표면의 원자배열을 이해하기 위한 표면 분석법
Northwestern University와 Oxford University의 연구팀들은 대학 학부생들의 수준으로 만 생각했던 비교적 간단한 분석 방법이 산화물 표면에서의 원자들의 배열방식을 이해할 수 있는 매우 정확한 방법임을 밝혀냈다고 발표했다. “산화물 표면을 이해하는 것은 오랜 기간 동안 불가능한 문제로 여겨져 왔습니다.” Northwestern University의 재료공학부 교수인 Laurence Marks는 이야기 했다. “현재까지 우리는 완벽한 결정면을 가진 간단한 모델을 이용하는 방식으로 산화물의 표면을 이해하고자 해 왔습니다. 하지만 산화물의 표면은 이렇게 단순한 모델로 이해하기에는 너무나 복잡한 구조를 가지고 있습니다.” “하지만 이번엔 산화물 표면을 이해하기 위한 특별한 방법을 찾아낸 것 같다.”고  Marks는 이야기 했다. “그것은 Bond-Valence-Sum이라는 방법으로 오랜 기간 동안 벌크 물질을 분석하는데 사용되어 온 기술입니다. 산화물 표면을 이해하기위한 방법은 원자들의 결합패턴과 배열을  관찰하는 것입니다.” Northwestern University와 Oxford University의 이 연구결과는 Nature Materials에 개제되었다. Northwestern University의 뉴스에 따르면 재료공학부 대하원 생인 James Enterkin은 스트론튬 타이타네이트 표면의 전자회절 패턴과 Oxford University의 Bruce Russell이 제공한 주사터널링 현미경 이미지를 대조하였으며 Bruce Russell은 Enterkin이 제공한 회절패턴-주사터널링 현미경 이미지 비교 데이터를 확률밀도 계산과 Bond-Valence-Sum 방식과 결합하여 산화물 표면에 존재하는 원자 중 벌크 산화물의 결합과 비슷한 결합을 가진 원자가 가장 낮은 에너지 상태에 있다는 것을 밝혀냈다. 금속산화물 표면 분석분야의 전문가인 Austria Applied Physics Institute의 Ulrike Diebold는 Nature Materials를 통해 이 연구의 중요성을 언급 했다. “매우 단순하고 직관적이면서도 파워풀한 Bond-Valence-Sum 방식은 무기화합물의 구조를 분석하고 예측하는데 널리 사용되고 있으며 Bond-Valence-Sum방식을 이용하여 스트론튬 타이타네이트의 표면을 분석했다는 것은 다른 산화물 표면의 분석에도 Bond-Valence-Sum방식이 사용될 수 있음을 의미한다.” ACB

LSI용 스위치
대기전력 제로로
NEC 등 전원을 꺼도 상태 유지
NEC와물질·재료연구기구는 공동으로 종래에 비해 소비전력이 적은 대규모집적회로(LSI)용 스위치를 개발했다. 전원을 꺼도 온과 오프의 상태를 유지하는 독자의 소자를 사용한다. 대기전력을 제로로 회로의 구성도 자유롭게 바꿀 수 있다. 회로선 폭이 32나노미터를 밑도는 차세대 이후의 LSI에 실용화를 전망한다. 개발한 스위치는 금속이온을 전하는 「고체전해질」이라고 하는 재료를 2장의 전극 사이에 끼운 소자를 이용한다. 전압을 가하면 전극 사이에 금속이 녹아 나와서 전기저항이 바뀌면서 배선의 온오프를 조작할 수 있다.
전원을 꺼도 스위치의 상태가 유지된다. LSI 전체의 대기전력도 종래에 비해 50% 이상 적어진다.
NEC는 이 소자를 구리 배선 속에 도입해도 제대로 기능한다는 것을 확인했다. 고체전해질에 산화티탄 등을 사용하여 전기특성의 열화를 방지했다고 한다. 이용자가 배선을 바꿔서 다양한 용도로 사용할 수 있는 「프로그라마블루LSI」에 대한 응용을 지향한다. 종래의 스위치는 SRAM(기억유지동작이 불필요한 수시 기입 독해 메모리)를 사용했으나 휘발성으로 소비전력이 컸다. 새 스위치를 사용하면 회로면적도 10분의 1정도로 축소할 수 있으리라고 보고 있다. 일경산업

3차원 이미지가 밝혀낸
‘생광물화 과정’(Biomineralization Process)
재료를 연구하는 많은 과학자들은 조개, 조류 등의 바다생물이 우수한 결정질 물질을 만들어 내는 방식에 대해 연구하고 있다. Cornell University의 재료공학부 교수인 Lara Estroff의 연구팀은 생광물화(Biomineralization)분야에 대한 연구를 진행하고 있다. 그녀와 그녀의 연구팀은 조개 및 조류가 만들어낸 방해석 결정과 비슷한 결정 즉, 단백질과 다른 분자들이 삽입된 다층구조의 방해석 결정을 만드는 방법에 대해 연구하고 있으며 그들의 연구결과는 Sicience를 통해 소개되었다. “다층구조 방해석 결정 사이사이에 유기물이 존재한다는 것은 잘 알려진 사실입니다. 하지만 아직까지 그 누구도 유기물과 결정과의 계면이 어떤 구조를 가지고 있는지를 밝혀내지 못했습니다.” Estroff는 이야기 했다. Estroff와 그녀의 연구팀에 소속된 대학원생인 Hanying Li는 agarose라는 이름의 hydrogel 속에서 방해석 결정을 성장시켰다. Li와 Estroff는 이미 agarose gel환경이 솔루션환경에서와는 완전히 다른 방식으로 방해석 결정을 성장시킨다는 것을 알고 있었다.
Estroff의 연구팀은 투과전자현미경 분석을 위해 집속이온빔장치를 이용하여 agarose gel환경에서 성장시킨 결정을 매우 얇은 두께로 잘라냈다. Cornell University의 응용물리학 교수인 David Muller와 물리학을 전공하고 있는 대학원생인 Huolin Xin은 Estroff와 Li가 성장시킨 방해석의 투과전자현미경 사진 분석을 통해 방해석 결정이 단백질과 같은 큰 분자들의 주변에서 성장하기 시작하여 최종적으로 분자를 에워쌓는 결정구조를 갖게 된다는 것을 밝혀냈다. Estroff는 그들의 연구가 “자연 상태에서 발견되는 뛰어난 특성의 복합재료를 모방한 물질을 만들고 조작하는데 지금까지 보다 더 많은 아이디어를 제공해 줄 것”이라고 이야기 했다. 연구팀에 따르면 자연 상태의 물질을 모방한 복합재료의 활용분야는 각종전자소자 및 태양전지는 물론 완전히 새로운 물질을 필요로 하는 범위까지 넓어질 것이라고 한다. ACB

복합 공정 기술로 더욱 정교해진 실리콘 나노구조
나노과학 분야에서 새로운 개술이나 개념이 소개될 때, 프로토타입형태의 측정 기술이 신속하게 개발 되어 개념 증명 및 기술에 대한 분석이 요구된다. 특히 클린룸(clean room) 환경에서는, 집적소자를 위한 공정 과정과 테스트 과정이 같은 공간내에서 연속적으로 이루어 질 수 있는 시스템이 필요하다.
저널 Nanotechnology에 게재된 이번 연구에서, 핀란드의 과학자들이 실리콘 기판위에 50나노미터(nm=10-9m) 크기의 패턴을 FIB(Focused Ion Beam, 집속이온빔)를 직접적으로 사용하여 만들었다. 이렇게 패턴이 형성된 막은 TMAH(tetra
methylammonium hydroxide, 수산화 테트라메틸암모니윰)에서 에칭 마스크로서 역할을 하게 된다.
이번의 복합 기술을 통해 더욱 정밀한 나노구조를 비롯하여 나노구조의 크기나 형태를 미리 설계된 데로 만들 수 있게 되었다. 또한 3D구조를 위해 FIB 밀링(milling)기술만 이용되었을 때와 비교해도 구조면과 그 속도면에서 모두 상당한 경쟁력을 지니고 있는 것을 확인할 수 있었다.
FIB와 TMAH 에칭 공정을 결합하여, 연구진은 다양한 형태의 3D 나노구조를 형성할 수 있게 되었다. 20라인/μm 수준의 고 분해능 격자(gratings), 25나노미터의 수준의 폭을 가진 나노 다리구조, 가로 세로비가 1:30 수준의 나노 벽을 가진 채널 등을 형성하는 데 성공했다. 이는 종전의 기술보다 10배 정도 더 정밀해진 결과이다.
이번 기술은 캔틸레버(cantilever) 센서나 서브파장(subwavelength) 기술이 결합된 광집적 소자등과 같은 나노기계소자 개발의 주요한 기반 기술이 될 것이다. 특히 NEMS소자와 같이 하나의 칩에 여러 기능이 집적된 미래형 응용소자 개발에도 큰 기회를 제공할 것으로 기대된다.
이번 연구는 핀란드 헬싱키(Helsinki)에 위치하고 있는 알토대학(Aalto University)의 마이크로노바 클린룸에서 진행되었다. 이번 연구는 Ilkka Tittonen 교수가 이끄는 팀에 의해 진행 되었으며 이번 연구에 참석한 Paivi Sievila 박사는 마이크로/나노 실리콘 센서 응용분야의 전문가이며, Nikolai Chekurov 박사는 나노구조 전자소자 부분을 주로 연구하고 있다. Ilkka Tittonen 교수 연구팀은 나노기술, 마이크로시스템 및 광학 부분에서도 활발한 연구를 진행하고 있다. GTB

극초음속 비행체를 위한 복합재료
호주의 University of Queensland의 연구원들은 극초음속 비행 시 발생하는 엄청난 열에 견딜 수 있도록 설계된 새로운 재료의 테스트를 진행하고 있다.
테스트에 사용되고 있는 스크램젯(Scramjet)엔진은 음속의 8배에 해당하는 속도로 비행할 때 발생하는 열을 견딜 수 있는 복합재료로 제작되었다. 150만불의 연구비가 소요되는 이 프로젝트는 호주의 방위재료 기술 연구센터(Defence Materials Technology Centre)가 주관하고 있다.
“스크램젯 엔진이 탑재된 비행기를 이용할 경우 런던과 호주를 2시간 이내에 주파할 수 있습니다. 문제는 매우 빠른 속도로 비행할 때 발생하는 높은 열 때문에 장시간 비행이 어렵다는 것입니다. 그래서 우리는 극초음속 분위기에서 오랜 시간동안 견딜 수 있는 재료를 찾고 있습니다.” UQ의 기계공학부 교수이자 프로젝트 리더인 Michael Smart는 설명했다.
연구팀은 비행체의 날개부품과 같이 비행 시 공기와 직접 접촉하는 전연부를 구성할 새로운 재료를 찾는데 주력하고 있다. 극초음속 비행 시 발생하는 공기의 마찰력은 비행기의 주 날개, 꼬리날개, 그리고 엔진의 앞쪽 부분에 집중되며 엄청난 열을 발생 시킨다. 마하5의 속도의 비행체의 표면은 1000℃에 이른다고 하며 이는 일반적인 비행기에 사용되는 재료로는 견딜 수 없는 온도다. 공기와 비행체의 마찰에 의해 생성되는 열은 속도가 증가함에 따라 증가하는데 마하8의 속도로 비행하는 물체의 표면온도는 2700℃에 이르며 이때 엔진의 연소실 온도는 3000℃이상으로 올라간다. 스크램젯 비행기의 개발에 걸림돌이 되는 또 하나의 요소는 스크램젯 엔진이다. 스크램젯 엔진은 부식성을 지니는 높은 온도의 산소와 연소부산물에 대한 내 부식성은 물론 충분한 열적, 기계적 강도를 지녀야 한다. Smart는 UQ’의 Centre for Microscopy and Microanalysis의 디렉터이자 세라믹 복합재료 엔지니어인 John Drennan과 공동연구를 수행하고 있다. “현재 우리가 개발하고 있는 기술은 내열성과 내구성을 고루 갖춘 재료가 필요한 모든 분야에 응용될 수 있을 것입니다.” Drennan은 이야기 했다. “발전소의 터빈 및 제트엔진의 배기구를 구성하는 부품들 또한 매우 높은 온도를 견뎌야 하기 때문에 우리가 개발하고 있는 재료를 필요로 하게 될 것입니다.” ACB

탄소나노튜브를 기반으로 하는 탄성중합체의 전자기적 특성
강자성 철(Iron)로 채워진 다중벽 탄소나노튜브(Iron-filled multiwalled carbon nanotubes, FeMWNT)를 열분해과정을 통해 산화작용이 억제되는 강자성체의 나노와이어로 만들었다. FeMWNT는 일반 괴상(bulk)형태의 철보다 항자기성(coercivities)이 높으며, 물리 센서 소자에서 자기 기억 장치(magnetic memory storage)에 까지 폭 넓게 응용될 수 있는 여러가지 특성을 가지고 있다.
이번 연구팀은 영국, 이탈리아, 프랑스로부터 온 연구진들로 구성되었다. 공동 연구팀은 폴리우레탄 요소 기질(polyurethane-urea matrix )안에 FeMWNT을 넣는 실험을 진행하였으며, 축 응력(axial strain)조건에서의 자기저항효과를 분석하고 평가하였다.
연구팀은 이번 실험을 통해서 FeMWNT/탄성중합체의 퍼콜레이션 문턱값(percolation-threshold)의 특성을 나타내는 자기 저항 효과에 대한 현상학적인 모델을 제시하였다. 이번 모델은 축 응력에 따른 저항치의 변화에 대한 해석을 통해 유도되었다. 낮은 축 응력이 가해진 조건에서는, FeMWNT/폴리우레탄 요소 중합체에 퍼콜레이션 문턱값(percolation-threshold) 이상이 가해졌을 때 +90%의 순간적인 자기저항치의 큰 변화가 보였다. 연구팀은 이러한 현상은 수직으로 흐르는 전류방향에 수평으로 존재하는 전도성 나노튜브가 자기 회전력에 의해 강자성 나노튜브로 변화기 때문이라고 분석하였다. 즉 수평으로 존재하는 전도성 고분자의 방향성에 의해 전기 전도 통로가 파괴되는 현상이 발생하는 것이다.
높은 응력에서는, 전도성 나노튜브망에 형성된 전기장세기의 감소에 따라 저항이 순식간에 90%정도로 변화는 것이 관찰되었다. 높은 축 응력에서는 자기 회전력과 감소된 전기장으로 인해 진동현상이 발생하게 된다.
또한 이번 실험에서는 순간적인 자기저항은 퍼콜레이션 문턱값 가까이에서 FeMWNT를 회전시킴으로 최대가 되는 것을 관찰할 수 있게 되었다. GTB

 < 본 사이트에는 사진자료가 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2010년 7월호를 참조바랍니다.>