생체이식 감염 억제를 위한 환자 맞춤형
Silver-Hydroxyapatite
코팅물질 개발
North Carolina State University (NCSU)와 Oak Ridge National Laboratry(ORNL)의 연구원들은 인공 뼈 및 관절의 이식에 따른 감염 및 기타 부작용을 현저히 줄여줄 수 있는 코팅제를 개발했다고 한다. Hydroxyapatite가 Silver 입자위에 코팅된 구조를 지닌 이 물질은 Hydroxyapatite와 Silver 입자의 혼합비율을 조절하는 방식으로 개별 환자의 연령 및 건강상태에 최적화된 상태로 제조될 수 있는 맞춤형 물질이다. Silver-Hydroxypatite라는 이름이 붙여진 이 물질의 개발은 이미 잘 알려진 은과 Hydroxyapatite의 이점을 결합하고자 하는 아이디어에서 시작됐다. (Hydroxyapatite는 면역거부반응을 완화할 시켜줄 뿐 아니라 손상된 뼈 조직의 회복을 돕는 역할을 하며 Silver의 항균특성은 생체이식 시 발생할 수 있는 감염을 막아주는 역할을 한다.) 다층구조로 이루어진 Silver - Hydroxypatite물질의 제조에는 이온빔 증착 법이 사용된다. 연구팀은 Silver입자(10-50nm) 클러스터에 스며든 형태로 존재하는 Hydroxypatite물질의 함유량에 따른 코팅제의 특성을 분석하였다. 분석결과에 따르면  Hydroxypatite사이로 드러난 Silver입자의 표면적은 1.09%에서 6.59%의 범위를 지니는데 이는 전체 Silver 조성의 절반에 해당하는 비율이라고 한다. 연구결과가 소개된 Acta Biomaterialia을 통해 연구팀은 자신들이 개발한 Silver-Hydroxypatite가 매우 스마트한 물질임을 2가지 이유를 들어 설명하고 있다. NCSU의 의료 항공공학부 교수이자 Acta Biomaterialia에 개제된 논문의 저자인 Afsando Rabiei는 그 첫 번째 이유를 설명했다. “Silver-Hydroxypatite는 스마트 코팅 물질입니다. 우리는 Silver-Hydroxypatite 코팅제 에서 Hydroxypatite가 몸속으로 녹아내리는 비율의 조절하는 방식을 통해 개별 환자의 뼈 성장비율을 고려한 맞춤형 Silver-Hydroxypatite를 제조할 수 있습니다.” Rebiei에 따르면 환자의 나이, 건강상태 등에 따라 뼈의 성장속도는 큰 차이를 보이며 뼈에 성장속도에 맞는 코팅제의 사용은 환자의 회복에 매우 중요한 역할을 한다고 강조했다. Silver-Hydroxypatite가 스마트한 물질인 두 번째 이유는 Silver가 생체이식부위로 배출되는 속도를 조절할 수 있다는 점이다. NCSU의 보고 자료에 따르면 Silver입자 위에 코팅된 Hydroxypatite는 수술직후 빠르게 분해되어 아래에 있는 Siver입자 표면을 드러내게 하며  그 결과 생체이식에 의한 감염확률이 가장 높은 시기에 Silver가 빠르게 배출되도록 해준다고 한다. 이와는 반대로 회복이 어느 정도 진행된 시기에는 Hydroxypatite의 분해속도가 감소되어 Silver의 배출속도도 감소하게 된다. 연구팀은 Hydroxypatite와 인공뼈간의 결합력을 테스트 하는 실험도 수행하였다고 한다. Hydroxypatite와 인공뼈간의 결합력이 약할 경우 Hydroxypatite코팅의 박리현상이 일어날 수 있는데 연구팀이 개발한 Silver-Hydroxypatite코팅제는 이러한 현상을 보이지 않았다고 한다. ACB

인위적 결함이 포함된 Graphene - Graphene 소자의
실용화를 앞당기다.
미 국립과학재단(National Science Foundation)에 따르면 University of South Florida(USF)의 Matthias Batzill교수와 Ivan Oleynik교수가 이끄는 연구팀은 Graphene박막에 일정한 배열을 가진 인위적 결함을 만들어 내는데 성공했다고 한다. 연구팀에 따르면 이 기술이 차세대 반도체 소자 개발에 있어 난제가 되고 있는 문제들에 대한 해법이 될 수 있을 것이라고 한다. Graphene을 전자소자에 응용할 수 있는 물질로 만들기 위해선 Graphene내부에 소량의 결함을 만들어 주어야만 한다. USF의 연구팀이 개발한 기술은 완벽한 결정구조를 갖는 Graphene박막에 잘 정렬된 인위적 결함을 생성시키는 방법에 관한 것으로 Graphene박막이 탄소원자 6개로 구성된 링이 2차원적으로 배열 된 구조를 가지는데 반해 Graphene내부에 형성된 결함들은 탄소원자로 구성된 오각형과 팔각형구조의 링이 결합된 구조를 가진다. 오각형과 팔각형의 탄소 링으로 구성된 이 결함들은 Graphene 박막 내에서 1차원적 배열을 하고 있으며 높은 전기전도도를 지니므로 Graphene 또는 그 밖의 탄소기반 반도체 소자의 다양한 구성요소들을 전기적으로 연결해주는 전극으로 활용될 수 있다. 두 개의 Graphene박막이 만나 결합하게 되면 그 경계에 선형 결함이 형성된다. USF의 연구팀은 Graphene내부에 인위적 결함을 만들어 내기 위해 단결정 니켈의 자기정렬 특성을 이용하였으며 Ni의 표면에서 두 개의 Graphene박막을 결합시키는 방식을 사용하였다. 반도체의 집적도가 더 이상 무어의 법칙에 따라 증가하지 않을 것이란 회의론이 존재하지만 USF의 ‘전도성 선형결함이 포함된 Graphene개발’과 같은 연구들은 무어의 법칙이 반도체 시장을 지배하는 기간을 늘려줄 수 있을 것으로 보이며 그렇지 못할 경우라도 USF의 이번연구는 원자레벨에서 벌어지는 재료의 다양한 특성들을 연구하는데 새로운 방법을 제시해 주는 역할을 할 것이다. ACB

Graphene박막 내에 인위적으로 생성된 선형 결함의 개념도. Graphene 내부에 생성된 결함은 높은 전도도를 지니며 회로를 구성하는 전극으로 사용될 수 있다. USF가 개발한 이 기술은 차세대 컴퓨터의 개발에 큰 역할을 할 것이다.

결정 생성을 유도하는 X-Ray
Northwestern University(NU)의 연구팀은 Science 최신호를 통해 X-Ray가 결정생성을 유도하는 현상을 발견했다고 보고했다. 연구팀에 따르면 X-Ray의 조사를 통해 전하를 띤 실린더 형 필라멘트가 규칙적으로 배열된 결정을 만들 수 있다고 한다. 이 결정은 실린더 형 필라멘트가 상호 척력에 의해 연필묶음과 같이 배열되며 생성된다. 연구팀은 이 연구결과가 분석용으로 제한되어 있던 X-Ray의 활용범위를 재료의 구조 제어분야까지 확장시키는 역할을 해줄 것으로 기대하고 있다. Science지에 개제된 논문의 공동저자 중 한명인 Samuel I. Stupp는 그의 연구팀이 진행하고 있는 X-Ray관련 연구에 관해 설명했다. “X-Ray에 의해 결정화 되는 필라멘트들은 전하를 띠고 있습니다. 일반적으로 서로를 밀어내는 힘을 가지는  원자 또는 분자들은 결정 구조를 가지지 않습니다. 하지만 본 연구에 사용된 하전 필라멘트들은 상호 척력을 지니고 있음에도 불구하고 무수히 많은 필라멘트들이 사방에서 서로를 밀어주는 현상에 의해 규칙적인 다발형태로 배열되어 결정구조를 가질 수 있습니다.”  X-Ray유도 결정화 현상은 Stupp의 연구팀의 한 연구원이 X-Ray를 이용하여 솔루션 내에 존재하는 나노섬유를 검출해 내는 연구를 수행하는 과정에서 우연히 발견되었다. 시험을 위해 사용된 솔루션은 투명했는데 X-Ray의 조사에 의해 불투명해 지는 현상을 보여줬다고 한다. “X-Ray를 비추자 투명하던 솔루션이 불투명하게 바뀌며 X-Ray를 사방으로 산란시키는 현상이 벌어졌습니다.” X-Ray유도 결정화 연상을 최초로 발견한 연구원인 Honggang Cui는 이야기 했다. “X-Ray가 솔루션 내에 불규칙하게 배열돼있던 필라멘트들을 규칙적으로 배열시킨 것입니다. X-Ray가 결정을 만든 것이죠.” NU의 연구원들은 X-Ray가 전하를 띤 필라멘트를 추가적으로 대전 시키고 이때 발생된 추가적인 상호척력이 필라멘트분자의 규칙적인 배열을 유도, Hexagonal 구조의 결정을 만들어 낸다는 이론을 세웠다. X-Ray가 조사된 필라멘트들은 추가적인 대전에 의해 서로 멀리 떨어진 상태로 배열되게 되며 결정화된 필라멘트사이의 간격은 320nm에 달하게 된다. GTB

General Motors가 개발한 리튬-이온 배터리
General Motors(GM)는 자사의 전기자동차인 Chevy Volt에 사용되는 리튬-이온 배터리의 생산을 시작했다. GM의 전기자동차 Chevy Volt는 한번 충전으로 40마일을 주행할 수 있으며 배터리에 저장된 전력을 모두 소비했을 경우 가솔린을 연료로 하는 발전기에서 생산된 전력을 이용 최대 300마일에 달하는 거리를 충전이나 급유 없이 주행할 수 있도록 설계되었다. Volt에 사용된 배터팩은 여러 개의 배터리 모듈이 연결된 형태로 이루어져 있으며 하나의 배터리 팩은 총 200개의 배터리 셀로 구성된다. Volt에 적용된 배터리 팩은 배터리의 가장 기본적인 단위인 배터리 셀과 배터리 셀의 묶음인 배터리 모듈 제작 그리고 여러 개의 모듈을 조립하여 배터리 팩을 만드는 공정을 거쳐 만들어 진다. 일련의 과정은 자동화 설비에 의해 진행되며 각각의 공정 시작과 끝에는 성능 및 크기 평가 과정을 거치게 된다. “Chevy Volt와 같은 차량의 개발은 자동차산업과 배터리 산업은 물론 건축, 환경, 전기 등의 거의 모든 산업분야에 새로운 기회를 열어주는 역할을 할 것”이라며 GM의 회장인 ED Whitacre는 이야기 했다. “Chevy Volt의 개발과 이에 따른 파급효과는 GM이 위치한 Michigan 주는 물론 미국 전체의 경제에 활력소가 될 것입니다.” ACB

긴 수명과 아름다운 미관을 자랑하는 세라믹
Water-Cooling 시스템

‘세라믹 Water-Cooling’시스템은 시스템의 수명이 다할 때까지 초기 효율의 100%에 근접한 성능을 보여줄 뿐 아니라 동파의 우려가 없으며 이끼와 같은 생물들의 번식에 의한 오염으로부터 자유롭다.

Georgia주의 Svannah에 위치한 Armstrong American State University(AASU)의 건축가와 엔지니어들은 최근 건물의 미관 더욱 아름답게 하는 세라믹 Water-Cooling Tower를 건설했다. AASU의 학생회관과 기념관에 설치된 세라믹 Water-Cooling Tower는 향후 수십 년간 건물의 냉방과 난방은 물론 공기순환 기능을 제공할 것이다. 일반적인 냉각탑과는 완전히 다른 모양을 가진 이 ‘세라믹 Water-Cooling Tower’는 냉방과 난방을 위해 세라믹이 채워진 구조체에 물을 분사할 때 일어나는 기화현상을 이용한다는 점을 볼 때 높은 기술력이 필요한 장치는 아니다. 세라믹 구조체에 분사되어 냉각된 물은 공기순환시스템과 연결된 열교환기를 통해 순환된다. AASU에 설치된 400톤 규모의 세라믹 Water-Cooling Tower 시스템은 대형 팬 하나로 망사 형으로 배치된 25,000개의 세라믹타일에 물을 순환시킨다. ‘세라믹 Water-Cooling Tower’시스템을 이용한 공조시설과 일반적인 HVAC PVC-fill 공조시설과의 가장 큰 차이점은 장치 자체의 외형이다. 옥상 또는 실외에 건물의 외관과 어울리지 않는 대형 냉각탑을 설치해야 하는 HVAC PVC-fill 시스템과는 다르게 ‘세라믹 Water-Cooling Tower’ 시스템은 건물의 외관을 더욱 돋보이게 하는 구조물이 될 수 있다. AASU에 설치된 ‘세라믹 Water-Cooling Tower’시스템은 공조를 위해 사용되는 물의 순환시스템을 분수모양으로 설계하여 건물의 미관을 더욱 높여주는 역할을 하고 있다. 하지만  ‘세라믹 Water-Cooling Tower’시스템은 일반적인 공조시스템보다 초기설치비용이 많이 소요되기 때문에 사용하는 용도와 목적에 따라 합리적일수도 비합리적일수도 있는 방식이다. 단기간의 투자를 목적으로 건물을 짓는 투자자들은 일반적인 HVAC보다 많게는 4배 이상의 비용이 소모되는 ‘세라믹 Water-Cooling Tower’시스템을 선택하지 않을 것이다. 반면 대학교나 병원과 같이 장기적으로 사용될 건물의 공조시스템으로서 ‘세라믹 Water-Cooling Tower’시스템은 다양한 장점을 가지고 있다. ‘세라믹 Water-Cooling Tower’시스템은 다양한 기후조건에 대한 저항성이 높을 뿐 아니라 높은 내구성을 가지며 보통 30-40년의 수명을 갖도록 설계된다. 이는 HVAC 시스템과 대조되는 점으로 실외에 설치된 대형 냉각탑을 사용하는 HVAC시스템의 경우 자외선, 물때 등에 의해 시스템의 성능이 저하되기 때문에 주기적으로 관리해주어야 할 뿐 아니라 10년 정도의 주기로 시스템 전체를 교체해야 한다. ASSU의 ‘세라믹 Water-Cooling’시스템을 시공한 Tower Engineering 사의 Gary Drummond에 따르면 ‘세라믹 Water-Cooling’시스템은 시스템의 수명이 다할 때까지 초기 효율의 100%에 근접한 성능을 보여줄 뿐 아니라 동파의 우려가 없으며 이끼와 같은 생물들의 번식에 의한 오염으로부터 자유롭다고 한다. Dummond와 그의 동료들은 1968년부터 ‘세라믹 Water-Cooling’시스템 시공경험을 쌓아왔다고 한다. 실제로 이 기술은 1947년에 개발되었으며 가장 최근에 이루어진 기술적 변화는 ‘세라믹 Water-Cooling’시스템에 일렬로 배치된 세라믹 벽돌구조를 사용하는 대신 망사 형으로 배열된 세라믹 타일구조를 적용한 것으로 ASSU의 공조시스템 에 최초로 도입되었다. “우리는 ASSU의 공조시스템에 새롭게 적용된 기술을 ‘고성능 세라믹 충진 기법(High Performance Ceramic Fill)’이라고 이름 붙였습니다. ASSU의 시스템에 사용된 세라믹 타일은 기존의 세라믹 벽돌보다 넓은 표면적을 가지며 낮은 압력으로도 물을 충분히 기화시킬 수 있기 때문에 이전의 시스템보다 훨씬 효율적입니다. 이밖에도 좀 더 효율적이고 낮은 유지보수비용으로 관리할 수 있는 시스템을 만들기 위해 ASSU의 ‘세라믹 Water-Cooling’시스템에는 TEI사의 가감속도 팬을 도입하였습니다.” Dummond는 이야기 했다. ASSU의 이번 프로젝트에 2년간 참여했던 Rosser사의 Chuck Hanning은 ASSU의 학생신문을 통해 “일반적인 HVAC 시스템이 1톤의 냉각에 1.2~1.3 Kilowatt의 전력을 소비하는 반면 ASSU에 새롭게 설치된 ‘세라믹 Water-Cooling’시스템은 0.5~0.7 kilowatt의 전력만을 소비한다.”고 이야기 했다. 마지막으로 소개할 ‘세라믹 Water-Cooling’시스템의 장점은 디자인의 유연성이다.  Rosser사와 TEI사에 따르면 ‘세라믹 Water-Cooling’시스템을 디자인하는데 있어 제약이 되는 사항은 허리케인, 지진 등의 가장 기본적인 것뿐이며 이러한 요건이 충족되는 범위에선 어떠한 형태로든 디자인할 수 있다고 한다. “TEI사는 ‘세라믹 Water-Cooling’시스템의 성능을 25년간 보장합니다.” Dummond는 이야기 했다. “새로운 시스템에 사용되는 세라믹 타일은 그 자체가 복잡한 구조를 가지는 것도 아니고 특수한 물질로 제작되는 것도 아니기 때문에 쉽게 조달할 수 있습니다. 우리가 사용하는 세라믹 타일은 단지 구워진 진흙일 뿐입니다. 세계어디서든 공급받을 수 있고 어떤 형태로든 제작할 수 있습니다.” ACB

LED용 기판 재료
고온에서의 수명 10배
利昌工業, 밝기 유지  변색 억제
프린트 배선판 재료 메이커인 利昌工業(大阪市, 사장 利倉晄一)은 LED(발광다이오드)용으로 내열성을 높인 기판재료를 개발했다. LED칩에서 나오는 열이 원인으로 온도가 섭씨 약 150도 가까운 고온상태가 이어져도 재료인 수지가 잘 열화되지 않아 밝기를 장기간 유지할 수 있다. 기판의 수명은 이 회사 종래 제품의 10배 이상인 3만 ~ 5만 시간으로 연장할 수 있어 LED광원을 사용하는 텔레비전과 조명용으로 도입을 촉구한다.
개발한 것은 LED칩을 얹는 기판재료. 열에 대한 내구성이 강한 실리콘 수지를 주원료로 채용했다. 에폭시 수지를 사용하는 종래 제품에서는 장기간 계속 사용하면 백색 기판이 열에 의해 갈색으로 변색하기도 하고, 재료가 벗겨져 떨어지거나 하는 일이 있었다고 한다. 변색하면 빛의 반사율이 떨어져서 LED의 밝기가 저하하는 원인이 된다.
섭씨 200도에서 70시간 연속 가열하여 기판의 성능을 비교한 사내 실험에서는 종래 제품은 기판의 변색으로 빛의 반사율이 50~60%로 저하되었지만, 신제품은 98~99%를 확보했다.
올 2월에 샘플 출하를 시작했고 올해 안에 양산에 들어갈 계획. 제품 가격은 에폭시 수지제의 종래 제품보다 20% 정도 비싸질 전망이다. 매상은 연 2억 엔을 목표로 한다. LED방열대책으로서는 열을 내보내기 위해 기판 위에서 LED칩을 금속부품에 도입하여 실장하거나, 세라믹스제 기판을 사용하거나 하는 방법도 있다. 수지 재료 기판을 사용하는 이번 기술은 금속부품을 도입할 필요가 없기 때문에 부품을 작고 얇게 할 수 있어 생산의 효율화에도 이어질 것으로 보고 있다. 일경산업

나노튜브
분리원가 1/10 이하
産總硏 등 금속ㆍ반도체형으로
産業技術總合硏究所와 신에너지·산업기술총합개발기구(NEDO)는 단층 카본나노튜브(통상탄소분자)의 금속형과 반도체형을 저가로 분리할 수 있는 기술을 개발했다. 종래의 분리 순도가 높은 방법에 비해 10분의 1이하가 될 것으로 보고 있다. 나노튜브는 대표적인 나노테크놀로지 재료로, 합성 시에는 전기적인 특성이 다른 금속형과 반도체형이 섞여 있다. 각각에 적합한 용도로 사용하기 때문에 분리할 필요가 있는데, 고순도 분리가 어려웠다. 신기술은 한천의 주성분 아가로스를 젤리 상태로 한 겔을 이용한다. 우선 직경 0.1밀리미터 정도의 아가로즈겔 미립잘ㄹ 채운 통상의 분리기구에 나노튜브 액을 더한다. 분리용 액을 흘려 넣으면 반도체형이 겔에 흡착되고, 금속형은 기구를 빠져나와 분리된다. 겔에 흡착된 반도체형은 용출용 액체를 부으면 회수할 수 있다. 겔은 재이용이 가능.
産總硏은 작년, 겔을 동경·해동하여 분리하는 수법을 개발. 이번에 더 간단하면서 저가인 기술로 발전시켰다. 기업 등과 대량처리를 위한 연구 등을 추진한다. 일경산업

대체 에너지원으로서 마그네슘
마그네슘은 지구상에서 매우 풍부한 자원 중 하나이다. 일본 도쿄 기술원(Tokyo Institute of Technology)의 Takashi Yabe 박사는 향후 30만년간 세계 에너지 수요를 충족시킬만한 충분한 마그네슘이 존재하고 있다고 말한다. 일반적으로 마그네슘을 추출하는 방법에는 전해법(Electrolytic Pro
cess)이나 Pidgeon 공정이라고 불리는 고온 처리방법 등이 있다. 그러나 마그네슘을 정제하기 위해서는 섭씨 4,000도에 이르는 고온이 필요하기 때문에 많은 비용과 에너지가 요구되어 쉽게 사용가능한 에너지원으로 생각하지 않았다. 이러한 공정상의 문제점을 해결하기 위해 Yabe박사는 섭씨 3,700도의 환경을 가장 쉽게 만들어 낼수 있으며 친환경적이고 경제적인 태양열을 활용하였다. 그는 집속형 태양열 집열기(Concentrating Solar Collectors)와 솔라펌프 레이저(Solar-pump Laser)를 사용하는 고온 추출방법을 고안하였다. 이때 사용되는 3,700도의 고온은 해수에서 추출할 수 있는 산화마그네슘을 태우기 위해 사용한다. 집속형 태양열 집열기 단독으로는 3,700도에 이르는 열을 생산할 수 없기 때문에 보조 수단으로 솔라펌프 레이저를 사용하였다.
과학자들은 해수로 부터 추출된 마그네슘을 에너지원으로 활용하기 위해 다양한 시도들이 계속 하고 있다. 최초로 충전가능한 리튬 배터리를 개발하였던 이스라엘 Bar-Ilan 대학의 Doron Aurbac 박사는 그의 연구팀과 함께 리튬-이온 전지를 기반으로 마그네슘 충전식 전지를 개발하고 있다.
또한 마그네슘-에어 연료전지 개발 전문업체인 MagPower사의 엔지니어들은 물과 공기를 사용하여 마그네슘 양극과 함께 반응시켜 전기를 생산하는 메탈-에어 전지를 개발하였다. 마그네슘-에어 연료전지(Magnesium-air Fuel Cell, MAFC) 는 일반적인 생리식염수(Saline Solution)나 해수와 같은 다양한 전해질을 사용할 수 있다. 그리고 MagPower사가 개발한 수소 억제제(Hydrogen Inhibitor)를 첨가하여 MAFC의 성능을 개선 할 수 있다. 수소 발생은 MAFC 성능에 좋지 않은 영향을 미치기 때문에 수소 억제제는 MAFC 시스템에서 중요한 역할을 한다.
MagPower사의 주장에 의하면 MAFC에 수소 억제제를 사용함으로서 전력 효율을 증가시킬수 있고 전지 저항을 낮출 수 있다. 또한 수소개싱(Hydrogen Gassing)으로 인한 체적 증가, 압력을 줄이거나 제거할 수 있으며 공정 안정성을 증가시킬 수 있다.
이 특허기술은 일반 산업 응용분야에 적용할 수 있으며 특히 금속 생산분야에 활용하면 전력 소비량을 저감 할 수 있다. 수소 억제제는 전기화학 반응시 수소 발생을 억제하여 전류 효율을 증가시켜 전력소비를 줄일 수 있다. 수소 억제제를 사용하여 개선할 수 있는 전기화학 공정은 전기도금(Electroplating), 아연 알카라인 배터리, 폐수 재활용 분야 등이다. MagPower사는 MAFC 시스템은 마그네슘, 산소, 해수의 전해질에 MagPower 특허기술인 수소 억제제를 결합하여 전기를 생산하는 친환경적인 무독성 대체 에너지 기술이라고 말한다. 지금까지 마그네슘-에어 기술은 수소 발생으로 인해 에너지 생산량이 제한을 받아 상용화 된 적이 없었다. 마그네슘은 매우 화학반응성이 높고 많은 양의 에너지를 저장할 수 있다. 많은 연구원들은 좀 더 개선된 방법으로 마그네슘으로 부터 에너지를 추출하고 활용하기 위해 노력하고 있다. GTB

값비싼 백금을 대체할 ‘Super Atom’
Penn state University의 연구원들에 따르면 ‘Super Atom’이라고 불리는 물질이 백금과 같은 값비싼 촉매물질을 대체할 수 있을 것이라고 한다.
‘Super Atomic’ 물질에 대한 개념은 1995년 등장했다. ‘Super Atom’은 여러 개의 원자 또는 분자의 집합체 형태를 가지는데 특정한 조건에서 결합된 이 원자 혹은 분자집합체는 결합되기 전과는 완전히 다른 특성을 나타낸다. ´Super Atom’을 구성하는 전자들은 결합되기 전의 단위 원자 또는 분자와는 다른 전자궤도를 가지며 ‘Super Atom’의 전자궤도와 전자가 궤도에 채워지는 방식은 ‘Super Atom’의 특성을 결정하는 요소로 작용한다.
따라서 ‘Super Atom’을 구성하는 전자궤도와 전자의 배열방식을 조절하면 원하는 기능의 물질을 만들어 낼 수 있으며 이를 이용하여 백금과 같이 값비싼 물질들을 대체하는 ‘Super Atom’의 제작이 가능하다. 예를 들어 13개의 알루미늄원자로 구성된 ‘Super Atom’은 요오드와 거의 비슷한 특성을 지니며 여기에 몇 개의 전자를 추가하는 방식으로 값비싼 귀금속의 특징을 가지는 ‘Super Atom’을 만들어 낼 수 있다. A. Welford Castleman Jr.이 이끌고 있는 연구팀은 이전보다 더욱 정확하게 ‘Super Atom’의 특성을 예측할 수 있는 기술을 가지고 있다고 한다. Castleman의 연구팀은 광전자 현미경을 이용, 티타늄산화물과 니켈, 지르코늄산화물과 팔라듐, 그리고 텅스텐과 백금의 유사성을 조사했다. 이러한 조사를 통해 연구팀은 분자 또는 원자를 구성하는 다양한 상태에 있는 전자들을 떼어내는데 필요한 에너지를 측정할 수 있었다. 티타늄산화물과 니켈의 경우 각각의 원소로부터 전자를 떼어내는데 동일한 에너지가 필요하다. “이번 연구를 통해 특정원소의 특징을 나타내는 ‘Super Atom’을 만들기 위해 어떤 원자들을 조합해야 할지예측 할 수 있게 되었습니다.” Castleman은 이야기 했다. “주기율표만 보고도 어떤 원가 ‘Super Atom´이 될지 또 어떤 특성을 가지게 될지를 할 수 있습니다. 티타늄산화물의 경우를 예로 들어보면 티타늄은 4개의 최외각 전자를 가지고 있고 산소는 6개의 최외각 전자를 가지므로 티타늄산화물로 구성된 ‘Super Atom’은 티타늄보다 6개 많은 최외각 전자를 가지는 Nikel의 성질을 가질 것으로 예측할 수 있습니다.”
연구원들에 따르면 다음 연구과제는 다양한 ‘Super Atom’과 동일한 최외각 전자를 가지는 원소들 간의 특성을 비교하여 두 물질간의 특성이 어느 정도 비슷한지를 알아보는 것이라고 한다. Castleman은 “특정원소와 높은 유사성을 지닌 ‘Super Atom’의 발견은 매우 큰 파급효과를 가지고 있다.”고 이야기 했다. “백금은 촉매가 필요한 거의 모든 분야에 활용되고 있습니다. 하지만 제한된 생산량 때문에 매우 비싸다는 치명적 단점을 가지고 있습니다. 하지만 티타늄과 비슷한 특성을 지닌 텅스텐카바이드는 매우 저렴합니다. 비슷한 예로는 팔라듐은 특수한 연소공정에 사용되는데 비슷한 특성을 지니지만 훨씬 저렴한 지르코늄산화물로 대체될 수 있을 것으로 보인다. Castleman과 그의 연구팀이 수행한 자세한 연구결과는 Proceedings of the National Academy of Science 온라인 판으로 확인할 수 있다. ACB

뛰어난 열전도 물질로서 Graphene의 실용성이 입증되다

실리콘산화물 위에 올려진 Graphene 박막. SiO2-Graphene 접합구조의 열전도도는 단일 물질로서의 Graphene보단 한자리 수 이상 낮은 수치이지만 구리박막은 물론 벌크상태의 구리보다도 50%이상 높다.

전자소자의 고집적화와 이에 수반되는 전력소모 증가에 따라 구동 시 발생하는 열을 효율적으로 방출 시켜주는 물질 및 이를 이용한 구조의 개발은 날로 중요해 지고 있다. 소자의 방열을 위해 현재까지 가장 보편적으로 사용되고 있는 물질은 구리로 벌크형태 구리는 400W/m.K 정도의 우수한 열전도도를 가진다. 하지만 구리의 이러한 높은 열전도도는 두께가 얇아짐에 따라 급격히 감소하는 경향을 보이기 때문에 매우 높은 집적도를 가진 소자 및 소형전자제품의 방열소자를 구성하는 재료로서 구리의 사용은 적합하지 않다는 것이 정설이다. 다이아몬드는 현존하는 물질 중 가장 높은 열전도도를 가진 물질로 알려져 있으며 이에 따라 다이아몬드와 같이 우수한 열전도를 갖는 탄소계열물질에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 실제로 2008년 영국의 한 연구팀은 단층구조의 Graphene과 탄소나노튜브가 상온에서 5,000W/m.K의 높은 열전도도를 가진다는 것을 밝혀냈다. 현재 University of Texas at Austin, Boston University, Christopher Newport University, Commissariat a lEnergie atomique의 연구원들로 구성된 국제연구팀은 SiO2기판위에 Graphene박막을 결합시킨 방열구조에 관한 연구를 진행하고 있다. 연구팀이 개발한 Graphene-SiO2 방열물질은 SiO2위에 Graphene박막을 접합시킨 구조로 이루어져 있다. 연구팀에 따르면 SiO2상부에 위치한 Graphene은 SiO2표면과 완전히 결합되지 않은 상태로 존재하기 때문에 Graphene자체의 열전도도 보다는 낮은 열전도도를 보일 수밖에 없음에도 불구하고 600W/m.K라는 높은 열전도도를 가진다고 한다.
인텔사의 엔지니어인 Ravi Prasher는 이 연구에 대한 논평을 통해 “SiO2-Graphene 접합구조의 열전도도는 단일 물질로서의 Graphene보단 한자리 수 이상 낮은 수치이지만 구리박막은 물론 벌크상태의 구리보다도 높은 수준”이라고 이야기 했다. Boston College의 물리학과 교수이자 본 연구팀의 일원인 David Broido에 따르면 SiO2-Graphene접합구조가 단일물질로서의 Graphene보다 낮은 열전도도를 보이는 것은 기판으로 사용되는 SiO2와 Graphene과의 상호작용에 의한 Graphene의 격자진동 변화에 의한 것이라고 한다. 연구팀에 따르면 그들이 개발한 Graphene-SiO2 방열구조 또는 현재 연구 중인 더욱 향상된 성능의 Graphene기반의 방열구조 적용을 통해 현재 사용되고 있는 전자소자보다 훨씬 적은 에너지사용량과 낮은 온도, 높은 안정성, 그리고 빠른 속도의 전자소자개발이 가능해 질 것이라고 한다. ACB

광 흡수하여 순간적으로 자성
유기분자를 관측
東工大, X선 이용 광통신 소재에 길
東京工業大學의 腰原伸也 교수 등은 고에너지가속기연구기구(KEK)등과 공동으로 유기분자가 빛을 흡수하여 순간적으로 자성을 갖는 현상을 직접 관측하는 기술을 개발했다. 100피코초라는 극히 짧은 시간만 엑스선을 쏘아서 흡수의 모습에서 자성의 변화를 조사한다. 광통신용 새 소자의 개발에 도움이 된다.
일보의 유기물질에는 빛을 흡수하여 짧은 순간만 자성을 갖게 되는 분자가 있다. 이러한 분자는 광신호를 고속으로 양분하는 스위치 등 차세대의 고기능 소자에 대한 응용이 기대된다. 단 빛을 흡수했을 때 분자 속에서 일어나는 변화는 수백 피코초로 순식간이어서 자세하게 조사할 방법이 없었다.
연구팀은 철 원자의 주변을 「페난토로린」이라는 3개의 유기분자가 에워싸고 있는 분자에 주목. KEK의 방사광 시설에서 발생시킨 강력한 엑스선과 레이저광을 단시간씩 교대로 쏘아서 분자의 구조를 관찰했다. 엑스선 흡수의 모양에서 자성의 원인이 되는 전자의 스핀(회전)이 변화하고 있다는 것을 최초로 밝혀냈다.” ACB
고속 중성자 원자로의 상용화를 위한 중국의 노력
중국이 65메가와트 규모의 실험용 고속 중성자 원자로(China Experimental Fast Reactor : CEFR) 건설을 위한 분주한 움직임을 보이고 있다. 3억 5천만 불 규모의 예산이 투입될 이 원자로는 고속 중성자 원자로의 설계, 건설, 운용에 관한 테스트와 관련기술에 대한 다양한 실험결과를 축적하기 위한 목적으로 건설된다. 예정대로 2010년 CEFR의 가동을 시작할 경우 중국은 고속원자로를 운용하는 세계 3번째 국가가 된다. 세계 최초로 고속원자로를 운용하는 국가는 인도가 될 예정으로 인도의 고속원자로는 조만간 가동될 예정이며 일본과 러시아도 고속원자로 건설과 운용을 준비 중이다. 다양한 규모의 고속원자로 건설과 운용에 관한 테스트는 1940년대부터 이미 진행되어 왔다. 고속 중성자 원자로는 물대신 Sodium을 냉각제로 사용한다는 점에서 중수로나 경수로 보다 우수한 방식으로 여겨진다. Sodium을 사용하는 고속원자로는 물을 냉각제로 사용하는 다른 원자로와 비교할 때 우라늄원자들에 의해 중성자가 감속되는 경향이 적으며 원자로의 가동에 의해 부수적으로 발생되는 플루토늄 또는 안티나이드의 양을 줄일 수 있다. CEFR에는 260톤에 달하는 액체 Sodium을 냉각제로 사용하도록 설계되었다. 지구온난화에 대한 우려가 높아짐에 따라 다량의 CO2를 배출하는 화석연료발전 방식을 대체할 기술로 그리고 신재생에너지활용이 널리 보급되기 전까지의 공백을 매워줄 기술로 고속원자로에 관심은 날로 높아져 가고 있다. CEFR에 사용되는 연료는 64.4%의 U-235를 포함하는 UO2이다. 지금까지 공개된 자료를 통해선 중국이 개발하고 있는 CEFR이 완벽한 ‘폐쇄연료순환 시스템’인지는 알 수 없지만 IAEA의 1995년 자료를 보면 중국은 오래전부터 반감기가 긴 핵폐기물을 발생시키지 않는 원자로를 개발하고자 했음을 알 수 있다. 고장 또는 얘기치 못한 사고를 대비하여 CEFR은 액체Sodium과 공기가 자발적으로 순환할 수 있도록 하는 두 개의 독립적인 수동 열 배출 시스템을 갖추고 있다. 중국은 현재 건설 중인 CEFR이외에도 2020년 까지 추가의 고속원자로 건설을 계획하고 있다. 이후 중국은 고속원자로의 상용화에 집중할 것으로 보인다. 중국의 에너지 개발 계획에 따르면 중국은 2028년까지 1000~1500메가와트 규모의 원자로를 건설하고 2035년까지 정상적인 가동을 목표로 하고 있다. 1995년도에 발간된 IAEA의 보고서에 따르면 중국은 2050년까지 석탄을 이용한 화력발전을 고속 중성자 원자로를 이용한 발전으로 대체하고자 한다고 한다. ACB

고속 중성자 원자로의 상용화를 위한 중국의 노력
중국이 65메가와트 규모의 실험용 고속 중성자 원자로(China Experimental Fast Reactor : CEFR) 건설을 위한 분주한 움직임을 보이고 있다. 3억 5천만 불 규모의 예산이 투입될 이 원자로는 고속 중성자 원자로의 설계, 건설, 운용에 관한 테스트와 관련기술에 대한 다양한 실험결과를 축적하기 위한 목적으로 건설된다. 예정대로 2010년 CEFR의 가동을 시작할 경우 중국은 고속원자로를 운용하는 세계 3번째 국가가 된다. 세계 최초로 고속원자로를 운용하는 국가는 인도가 될 예정으로 인도의 고속원자로는 조만간 가동될 예정이며 일본과 러시아도 고속원자로 건설과 운용을 준비 중이다. 다양한 규모의 고속원자로 건설과 운용에 관한 테스트는 1940년대부터 이미 진행되어 왔다. 고속 중성자 원자로는 물대신 Sodium을 냉각제로 사용한다는 점에서 중수로나 경수로 보다 우수한 방식으로 여겨진다. Sodium을 사용하는 고속원자로는 물을 냉각제로 사용하는 다른 원자로와 비교할 때 우라늄원자들에 의해 중성자가 감속되는 경향이 적으며 원자로의 가동에 의해 부수적으로 발생되는 플루토늄 또는 안티나이드의 양을 줄일 수 있다. CEFR에는 260톤에 달하는 액체 Sodium을 냉각제로 사용하도록 설계되었다. 지구온난화에 대한 우려가 높아짐에 따라 다량의 CO2를 배출하는 화석연료발전 방식을 대체할 기술로 그리고 신재생에너지활용이 널리 보급되기 전까지의 공백을 매워줄 기술로 고속원자로에 관심은 날로 높아져 가고 있다. CEFR에 사용되는 연료는 64.4%의 U-235를 포함하는 UO2이다. 지금까지 공개된 자료를 통해선 중국이 개발하고 있는 CEFR이 완벽한 ‘폐쇄연료순환 시스템’인지는 알 수 없지만 IAEA의 1995년 자료를 보면 중국은 오래전부터 반감기가 긴 핵폐기물을 발생시키지 않는 원자로를 개발하고자 했음을 알 수 있다. 고장 또는 얘기치 못한 사고를 대비하여 CEFR은 액체Sodium과 공기가 자발적으로 순환할 수 있도록 하는 두 개의 독립적인 수동 열 배출 시스템을 갖추고 있다. 중국은 현재 건설 중인 CEFR이외에도 2020년 까지 추가의 고속원자로 건설을 계획하고 있다. 이후 중국은 고속원자로의 상용화에 집중할 것으로 보인다. 중국의 에너지 개발 계획에 따르면 중국은 2028년까지 1000~1500메가와트 규모의 원자로를 건설하고 2035년까지 정상적인 가동을 목표로 하고 있다. 1995년도에 발간된 IAEA의 보고서에 따르면 중국은 2050년까지 석탄을 이용한 화력발전을 고속 중성자 원자로를 이용한 발전으로 대체하고자 한다고 한다. ACB

중적외선 영역을 개척하는 실리콘 도파로

그림 1 : 도파로 단면                             그림 2 : OPA 실험구성도

실리콘 나노 광도파로는 광파라미터증폭기와 같은 중적외선 장치를 만드는데 이상적인 플랫폼이라고 IBM 연구진은 말한다.
실리콘 나노 광도파로의 특성을 향상시키기 위해 분투하고 있는 연구자들 덕분에, 중적외선 영역에서 효율적으로 작동하는 초소형 비선형 광학 장치를 조만간 이용할 수 있게 될 것이다. 광대역에서 25.4 dB 정도의 높은 이득을 보이는 실리콘 나노 광파라미터증폭기(OPA)를 이미 제작한 IBM 연구팀은 이제는 추가 연구가 매우 중요하다고 말했다.
“중적외선 영역에 응용하기 위한 실리콘 나노 광도파로 플랫폼을 개발하는데 추가 자원을 투자할만하다는 것이 우리의 연구로 밝혀졌다. 잠재적인 응용분야로는 자유공간 통신, 분자 지문 분석 및 진단의학 등이다. 중적외선 실리콘 나노 광도파로 플랫폼은 이러한 분야에 이용될 수 있는 칩규모의 초소형 휴대용 저가 부품을 실현할 수 있다.”라고 IBM 왓슨연구소(Thomas J Watson Research Centre)의 윌리엄 그린(William Green)은 말했다.
OPA의 핵심부는 코어 크기가 겨우 700×425nm인 4mm 길이의 실리콘 도파로다. IBM 연구팀은 4광파혼합(four-wave mixing : FWM)이라는 비선형 작용을 이용한다. 일반적으로 FWM은 4개의 서로 다른 광빔들이 서로 상호작용을 함으로써 빔들 간에 에너지가 교환되어 새로운 주파수 성분들을 만들어내는 과정이다. 실리콘은 본질적으로 비선형 계수가 높기 때문에 실리콘 나노 광도파로는 4광파혼합에 특히 유용한 플랫폼이다. 실리콘 도파로의 코어와 이산화 실리콘 클래딩 사이의 굴절률차가 크기 때문에 빛을 매우 잘 가둘 수 있으며, 그 결과로 빛의 세기가 증가되고 비선형 4광파혼합 작용의 효율은 더욱 증가된다. “원리적으로 모든 재료들은 비선형 광학계수를 나타내며 FWM 효과를 발생할 수 있다. 하지만 비교하자면, 우리의 실리콘 나노 광도파로의 유효 비선형성은 광섬유 네트워크에 사용되고 있는 일반적인 단일모드 실리카 광섬유보다 1만 배 이상 더 크다. 이렇게 증대된 비선형성 때문에, 우리는 매우 작은 실리콘 도파로 칩에서 신호를 거의 400배나 증폭시킬 수 있었다.”라고 그린은 설명했다.
OPA 실험에서는 아이들러(idler) 광자를 발생시키기 위해서 펌프 빔의 광자 2개가 신호빔의 광자 1개와 혼합되는 축퇴형 FWM 방식을 이용한다.
이 실험에서 연구팀은 중심파장이 2170nm인 피코초 펌프 펄스를 연속파 파장가변 중적외선 신호와 함께 주입한 뒤 그 출력을 관찰한다. “적절하게 설계된 도파로에 충분한 세기의 레이저로 펌핑하면, 이 과정으로 신호파장과 아이들러 파장 모두에서 광학이득이 발생되며, 우리가 입증한 것처럼 온칩 및 오프칩 증폭이 가능하다. 광대역 위상정합에 요구되는 필요한 군속도분산 특성을 얻기 위해서 도파로의 크기는 엄밀하게 설계되었다.”라고 그린은 말했다.
연구팀은 25.4 dB에 이르는 광대역 이득을 가지며 최종 오프칩 증폭 이득이 13 dB인 OPA를 이미 개발했지만, 이러한 수치들을 더욱 개선하는 것은 물론, 연구방향을 새로운 방향으로 전환할 계획이다. “우리는 우리가 입증할 수 입증할 수 있었던 큰 온칩 광학이득을 실리콘 중적외선 광파라미터발진기(OPO)의 제작과 같은 특정한 분야에 응용할 방법을 찾을 계획이다. OPO에서는 광학 피드백을 제공하기 위해서 온칩 공진공동을 이용해야 할 것이며, 이것이 광학이득과 결합되면 다중파장 중적외선 레이저 광원을 만들 수 있을 것이다. 이런 형태의 광원은 세부적인 디자인에 따라서 협대역 광원, 초광대역 광원 혹은 우수한 파장가변 광원으로 제작될 수 있을 것이다.”라고 그린은 말했다. GTB