원자단위의 분해능을 가진 초고해상도 Z-Constrast 주사투과전자현미경 - 화합물의 원자배열을 파헤치다
Oak Ridge National Laboratory(Oak Ridge 국립연구소: ORNL)의 연구원들은 특수하게 디자인된 Z-constrast 주사투과전자현미경(Scanning Transmission Electron Microscope: STEM)을 이용, 세계최초로 화합물내부의 원자들을 식별해 낼 수 있을 정도의 고배율, 고해상도의 사진을 찍는데 성공했다고 발표했다. ORNL이 원자단위 해상도 사진의 촬영을 위해 사용한 초고해상도주사(Super-High-Resolution Scanning)기술은 극소량의 원소첨가를 통해 지금까지는 보지 못했던 우수한 특성의 물질을 만들어내는 첨단재료 분야에 매우 유용하게 사용될 것으로 보인다. ORNL이 촬영한 원자단위 화합물 사진이 세계최초의 원자단위 사진은 아니며 최초의 원자단위 화합물 사진도 아니다. 하지만 이전에 촬영됐던 원자단위, 또는 원자단위 화합물 사진들은 과학자들에 의해 인위적으로 배열된 원자들을 촬영한 사진인 반면, ORNL이 촬영한 원자단위 화합물 사진은 화학적으로 합성한 화합물 내부의 원자들과 그 배열을 촬영한 것이라는 점에서 이전의 것들과 비교된다. “ORNL의 이번연구결과의 핵심은 화학적 분석을 위해 사용될 수 있는 최초의 실용성 있는 원자단위 사진촬영 기술을 개발해 냈다는 것입니다.” ORNL의 Mater
ials Science and Technology부서의 연구원이자 본 연구에 참여하고 있는 Stephen Penny
cook은 이야기 했다. “ORNL의 이번 원자단위 화합물 사진촬영기술개발은 Z-constrast STEM기술과 수차보정 기술의 결합을 통해 달성할 수 있었습니다.” ORNL의 연구팀이 촬영한 사진속의 물질은 질화붕소(boron nitride)로 붕소와 질소, 산소, 그리고 원자단위 촬영의 용이성을 높이기 위해 인위로 첨가된 소량의 탄소로 구성되어 있다. STEM의 촬영에는 가속전압이 60KV인 낮은 에너지의 전자빔을 사용하는데 이는 높은 가속전압의 전자빔이 화합물 시편에 조사될 경우 화합물을 구성하는 원자들의 배열변화를 일으킬 수 있기 때문이다. ORNL의 이 기술을 통해 과학자들은 자신들의 합성한 화합물의 정확한 조성은 물론 내부의 원자배열을 눈으로 직접 확인할 수 있게 될 것이다. ORNL의 Z-constrast STEM 분석에 관한 연구결과는 Nature에 개제되었다. ACB

 ORNL의 Z-Constrast 주사투과전자현미경으로 촬영된 영상을 통해 질화붕소를 구성하는 질소와 붕소원자들을 정확히 식별해 낼 수 있다. 사진 속에 보이는 육각형은 밝은 색의 질소원자3개와 어두운 색의 붕소원자 3개로 구성된다.

반도체 제조 BD기술로 미세가공
유기재 사용 40나노로
富士필름은 청색레이저를 사용하여 블루 레이 디스크(BD)의 재생과 같은 원리로 원판 위에 수십 나노미터의 미세 구조를 제작할 수 있는 기술을 개발했다. 감광성 재료인 레지스트에 독자의 유기화합물을 사용함으로써 실현했다. 광학부품과 대규모 집적회로(LSI)의 제조에 이용할 수 있다. 종래의 반도체 제조 기술에 비해 공정 수를 대폭 줄여 생산효율을 높일 수 있다.
신기술은 원판 위에 유기 레지스트를 도포하고 BD재생기의 1배속으로 같은 회전수로 돌린다. BD재생과 같은 파장 405나노미터의 청색 레이저를 쏘면 그 부분의 레지스트는 기화하여 구멍이 생긴다. 구멍을 통해 기판의 회로를 새기고 레지스트를 제거하면 질서정연한 구멍과 홈의 패턴이 남는다.
반도체 재료에 널리 사용되는 실리콘과 산화실리콘, 사파이어(산화알루미늄)의 원판으로 실험. 직경 40나노미터의 구멍과 폭 200나노미터의 홈이 규칙적으로 늘어선 패턴을 만들 수 있다는 것을 확인했다.
레지스트에는 색소증감형 태양전지에도 이용되고 있는, 유기계 이온화합물인 비올로겐염을 사용했다. 청색레이저광이 닿아서 수십 나노미터의 영역이 섭씨 300도 이상의 고온이 되었을 때에 열에 의해 순식간에 기화하므로 사용이 쉽다고 한다.
현행의 노광(露光)·전사법은 빛에 의한 레지스트의 화학변화를 이용, 빛의 파장 이하의 미세가공은 어렵다. 화학변화 후에 소결, 현상, 세정도 필요. 신기술에서는 이러한 공정이 불필요하므로 생산효율이 높아진다.
청색레이저에 의한 미세가공은 2004년에 소니 등이 BD의 원반 제작을 위해 실용화. 금속 산화물 레지스트를 사용하여 미세구조를 새겨서 소리나 영상을 기록했다. 富士필름의 신기술이라면 그 반 이하의 미세구조를 만들 수 있어, 장치의 용도확대도 전망할 수 있다. 장치 메이커와 손잡고 청색레이저 장치와 레지스트를 일체화한 종합 시스템의 상품화를 지향한다. 일경산업

440억 불의 가치를 지닌 에너지 저장 기술
Lux Research사가 최근 발간한 보고서에 따르면 자동차와 스마트그리드 분야에 응용될 배터리, 슈퍼캐패시터, 연료전지 시장은 2010현재 214억불 규모에서 2015년 440억 불의 규모로 급격한 성장을 이룰 것이라고 한다. 미국세라믹협회(AcerS’)가 주관하는 컨퍼런스인 ‘Ceramic Leadership Summit’에서는 에너지저장기술 분야에서 이슈가 되는 요소들에 대한 소개와 엄청난 규모를 갖게 될 에너지저장기술 시장을 어떻게 이용할지에 대한 소개가 있을 예정이다. ‘Ceramic Leadership Summit’의 프로그램 중 하나인 Energy Innovation Track은 6월 10일 열릴 예정으로 ‘원자력르네상스’, ‘연료전지의 현재와 미래 전망’, ‘에너지보존 전략’이란 소주제를 갖는다. 이 자리에서 United Technologies의 대표는 산업적 관점에서의 에너지저장, 고체산화물 연료전지, 가스터빈의 에너지 및 배기가스 절감에 대해 발표할 예정이다. ‘440억불의 가치를 갖는 떠오르는 기술 - 에너지 저장기술’이라는 이름의 Lux의 보고서는 배터리, 연료전지, 슈버캐패시터, 전기자동차, 스마트그리드 구성을 위한 기반기술, 스마트그리드 기술 등의 에너지 저장과 관련된 각종기술들에 대한 전망을 분석하고 있으며 보고서의 내용 중 가장 중요하다고 판단되는 부분을 아래에 요약하였다.
● 2010년 기준 77억불의 시장규모를 가진 전기를 이용한 교통수단에 사용되는 전력저장 분야는 매년 13.5%의 성장률을 기록하며 2015년에는 135억불의 시장이 될 것이다. 놀라운 점은 오토바이와 스쿠터가 시장의 성장을 견인할 것이라는 점으로 보고서는 현재 64억불인 관련 시장의 규모가 2015년에는 109억불로 성장할 것으로 예측하고 있다.
●현재 중국에서 사용되고 있는 대부분의 전기자전거는 납축전지를 이용한 것으로 2010현재 전체 전기자전거 중 90%가 납축전지를 사용하고 있다. 하지만 리튬이온 전지를 이용한 전기자전거의 보급이 매우 빠른 속도로 진행될 것으로 예상되며 하이브리드 자동차 및 전기자동차에 대한 수요가 늘면서 리튬이온 전지의 성장이 매우 가파르게 진행될 것으로 예상된다. 보고서가 예측하고 있는 자료에 따르면 리튬이온 배터리 시장은 매년 22%의 성장률을 기록 할 것으로 보이며 이는 납축전지 시장 성장률의 3배 이상 되는 수치라고 한다.
●차세대 전력망 기술 시장의 성장률 또한 매우 높을 것으로 예상된다. 이 분야의 현재 규모는 137억불 인데 반해 보고서가 예상하는 2015년의 시장규모는 300억 불로 17%의 연평균 성장률을 보여줄 것이라고 한다. 차세대 전력망 시장에서 가장 큰 규모와 성장률을 보일 것으로 예상되는 분야는 스마트 그리드 분야로 이 분야의 성장률은 가히 폭발적일 것이라고 한다. Lux의 보고서에 따르면 현재 54억불 규모의 스마트 그리드 시장은 2015년 158억불의 규모가 될 것으로 예상되며 이는 매년 23%의 성장률을 기록해야 가능한 수치라고 한다. ACB

유리섬유 제조기술이 적용된 고밀도 탄소나노튜브다발
Oak Ridge National Lab(ORNL)이 최근 개발한 탄소나노튜브 가공기술이 의학계의 오랜 숙원이었던 인공신경 시스템 구현을 실현해 줄 수 있을 것으로 보인다. 탄소나노튜브의 우수한 전기적, 기계적 특성을 이용한 인공신경시스템의 개념은 이전부터 있어왔으나 문제는 인간의 신경다발과 같은 고밀도의 탄소나노튜브 다발을 제작할 방법이 없다는 것으로 이전까지 개발된 어떠한 기술로도 인간의 손가락 끝에 분포된 신경세포와 맞먹는 밀도의 탄소나노튜브 다발을 만들 수 없었다. ORNL의 연구팀은 전통적인 유리섬유 제조기술을 응용하여 고밀도의 탄소나노튜브 다발을 만들어 내는데 성공했으며 이는 인공신경시스템 개발에 큰 진보를 가져다 줄 것으로 기대된다. “우리의 목표는 이 기술과 센서기술을 융합하여 신경손상을 입은 환자들의 촉각을 되살려 줄 수 있는 인공 신경시스템을 개발하는 것입니다.” ORNL의 Center for Nanophase Materials Science Division 소속 연구원인 Ilia Ivanov는 이야기 했다. Ivanov와 ORNL의 다른 연구원들에 의해 수행된 이 연구결과에 대한 논문은 Nanotechnology를 통해 발표되었으며 발표된 논문에 소개된 탄소나노튜브 다발은 거의 20,000개에 탄소나노튜브 채널로 이루어져 있다. Ivanov에 따르면 ORNL이 개발한 이 기술의 궁극적인 목표는 탄소나노튜브가 지닌 다양한 특성을 활용하여 생체시스템을 모방하는 것이라고 한다. “탄소나노튜브 다발을 만들기 위해 우리가 사용하고 있는 기술은 고등학교 과학실습 과정 중 Bunsen 버너를 이용하여 모세유리관을 만드는 것과 매우 유사합니다.” Ivanov는 이야기 했다. “여러분들은 유리관을 만들기 위해 가열하고 당기기를 반복했을 것입니다. 우리가 탄소나노튜브를 만드는 과정도 그와 비슷합니다.” Ivanov와 ORNL의 Measurement Science and Systems Engeering Division 소속의 John Simpson에 따르면 탄소나노튜브 다발의 제작은 유리관 안에 탄소나노튜브 파우더를 채운다는 것을 제외하면 모세유리관 제조방법과 거의 동일하다고 한다. Ivanov의 연구팀이 만든 탄소나노튜브 다발은 머리카락 4배정도의 굵기를 가지며 그 안에는 총 19,600개에 달하는 전도성 탄소나노튜브채널이 배열된 구조로 이루어져 있는데 각각의 채널은 전기적으로 분리된 상태이기 때문에 각각의 채널이 신호전달의 통로로 사용될 수 있다. “인간의 손가락 끝에는 약 2,500개 정도의 감각수용체가 있으며 손에는 총 17,000여개에 달하는 촉각수용체 들이 있다는 점에서 봤을 때 우리가 만들어낸 탄소나노튜브다발은 인간의 손에 사용될 수 있을 정도의 수준에 근접했다고 볼 수 있습니다.” ORNL이 개발한 이 기술은 기능성 경량 섬유를 필요로 하는 우주항공 분야에도 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다. ACB

ORNL이 개발한 탄소나노튜브 다발의 주사전자현미경 이미지 - 머리카락의 4배정도 굵기를 가진 탄소나노튜브 다발은 20,000개에 이르는 전도성 채널을 포함한다.

철기반 초전도체의 메커니즘 발견
일본의 연구진은 철기반 고온 초전도체에서 전자쌍 형성의 기반이 되는 메커니즘을 실험적으로 결정하였다. 이 연구 결과는 사이언스 저널에 발표되었는데 초전도체에서 자성의 역할을 이해하는데 크게 도움이 될 것으로 보인다.
고전이론에서, 초전도는 두 개의 전자들이 격자 진동에 의해서 쿠퍼쌍이라고 알려진 쌍을 형성하여 서로 결합되었을 때 발생한다. 이런 쿠퍼쌍 메커니즘은 전이 온도가 이론적인 한계인 약 40K 보다 훨씬 높은 고온 초전도체에서는 지금까지 한번도 확인된 적이 없어 응집 물질 물리학의 수수께끼로 남아있다.
철기반 초전도체는 2008년 일본의 연구진에 의해서 처음 발견되었는데 이런 수수께끼를 푸는데 좋은 물질이다. 최대 전이 온도가 55K인 이 초전도체는 이전의 고온 초전도와는 다르게 전자쌍 메커니즘에 의해서 지배된다. 이전의 고온 초전도체는 격자 진동에 의해서 중재된다고 가정되었다.
이런 복잡한 쌍 메커니즘을 분석하기 위해서 연구진은 주사 투과 현미경을 가장 간단한 결정 구조를 가진 철 기반 초전도체인 Fe(Se, Te)의 전자쌍에 적용하였다. 10 테슬라의 강력한 자기장하에서 산란 간섭(interference)에 의해서 생성된 전자구조 정상파의 영상을 찍은 결과, 연구진은 쿠퍼쌍이 두 가지 형태의 전자들을 가진 물질에 독특한 “s±-파” 구조 특성을 채택하고 있다는 것을 발견하였다. GTB

자기장은 “s±-파” 구조의 증거가 되는 전자구조적 정상파의 세기를 변화하도록 유도하였다. 자기장이 인가되면 두 가지 형태의 특성들이 나타난다. 하나는 자기장에 의해서 향상된 것(청색)이고 다른 하나는 자기장에 의해서 제한되는 것이다(적색). 이런 거동은 쿠퍼쌍의 “s±-파” 구조의 증거가 되며 자성과 관련된 전자쌍 메커니즘을 강하게 암시하는 것이다.
s± 파 구조의 발견은 전자쌍이 격자 진동에 기반한 것이 아니라 다른 형태의 고온 초전도처럼 자성에 기반한 것이라는 것을 지지하는 획기적인 연구이다. 이론적 모델에 강력한 제약을 가함으로써, 이들의 발견은 고온 초전도체의 신비를 푸는데 큰 기여를 한 것으로 간주되고 있다

폴리머 나노입자를 이용한 고휘도 백색 OLED 제조기술
Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL)의 한 연구팀이 조명용 백색 OLED를 제조할 수 있는 새로운 기술을 개발했다고 한다. 유기물 또는 폴리머 반도체물질을 기반으로 하는 OLED물질을 이용하면 대 면적 디스플레이 또는 조명용 판넬을 낮은 제조비용으로 생산해 낼 수 있다. 단색의 OLED물질을 이용한 디스플레이 소자는 이미 오래전부터 광범위하게 활용되어 왔다. 적색, 녹색, 청색의 OLED물질을 함께 사용하면 조명용으로 활용가능한 백색광원을 만들 수 있다. 하지만 이렇게 제작된 소자에서 각각의 OLED 물질들은 서로 반응하는 경향을 보이며 이에 따라 OLED물질이 열화 되고 결과적으로 OLED의 수명이 단축되거나 색 품질이 떨어지는 현상이 나타난다. LBNL의 Molecular Foundary 연구팀은 폴리머 나노입자를 이용하여 감광성 잉크를 감싸는 기술을 개발 했으며 이용 Iridium기반 게스트 분자를 이용하여 다양한 색깔의 빛을 방출하는 박막 OLED를 제작했다. 이들이 개발한 폴리머 나노입자는 빛을 방출하는 역할을 하는 게스트분자들을 서로 분리시켜주는 역할을 하는데 이를 통해 주변물질과의 반응이 억제된 백색 OLED를 만들어 낼 수 있다고 한다. “매우 간단하지만 혁신적인 이 기술은 조명용 백색 OLED분야에 새로운 문을 열어주는 역할을 할 것입니다.” LBNL Molecular Foundary연구팀의 일원이자 본 연구에 참여한 Biwu Ma는 이야기 했다. Ma와 그의 동료들은 이 기술을 기반으로 적색, 청색, 녹색 형광체의 혼합비를 변화시켜 OLED의 효율과 밝기를 개선하기 위한 연구를 계획하고 있다고 한다. ACB

고차모드 광섬유 개발
덴마크와 오스트리아의 과학자들은 추가적인 광학장비를 사용하지 않고 티타늄-사파이어 레이저로부터 125 펨토초의 펄스를 전달할 수 있는 고차모드 광섬유를 제작하였다. 프리처핑(pre chirping)을 필요로 하지 않는 광섬유 전송 시스템은 기존의 많은 티타늄-사파이어 레이저에 쉽게 추가될 수 있어서 테라헤르쯔 영상, 공초점 현미경, 그리고 내시경 다중 포톤 영상과 같은 응용에 도움을 줄 수 있을 것이다.
덴마크와 오스트리아 공동 연구진은 레이저로부터 필요한 곳에 초단파의 광펄스를 전달할 수 있다고 말하였다. 연구진은 광섬유의 전송 특성을 위해서는 사전 보상(pre-compensate)에 필요한 추가적인 벌크 광부품을 사용하지 않고 800 나노미터에서 특이한 분산을 가진 광섬유의 개발이 핵심 요소라고 말하였다. 연구자들이 광섬유 기반 펄스 전달 시스템을 개발하는데 있어서 당면한 가장 큰 문제는 광섬유 기술의 근본적인 문제인 분산 특성과 비선형 특성이다. 비록 이전에도 광섬유 전달에 관한 연구가 있었지만 이전의 연구 대부분은 광격자 또는 프리즘 구조에 의존하였다.
이런 문제를 극복하기 위해서, 이들 연구진은 다른 분산 특성을 가진 고체 실리카 섬유의 결합을 사용하였다. 그들의 펨토초 펄스 전달 시스템은 두개의 싱글모드 섬유 부분 사이에 놓인 고차모드 섬유 부분을 포함한다. 섬유의 각 부분은 중립적인 분산 프로필을 가진 광섬유 링크로 유도되는 분산 보상(dispersion compensation)을 제공한다.
연구진은 1 마이크로미터에서 작동하는 광섬유 어셈블리를 제작하였다고 연구진은 말하였다. 작동 파장을 800 나노미터로 변이하기 위해서 연구진은 800 나노미터에서 높은 물질 분산을 보상하기 위해서 웨이브가이드 분산을 더 증가시켜야만 했다고 말하였다. 연구진은 티타늄 사파이어 레이저로부터 방출되는 125 펨토초 펄스를 3.6미터 광섬유에 제공할 수 있었다. 초기 테스트에서 연구진은 216 펨토초 펄스를 같은 원리에 기반한 55 미터 길이의 광섬유에 전달할 수 있었다. 현재 연구진은 그들의 기술에 관심이 있는 산업체 파트너를 찾고 있다. 연구진은 산업체에 응용되기 위해서는 현재보다 3-10배 정도 더 큰 파워 성능을 보여야 하는데, 이를 위해서 유효 면적, 고차 분산과 새로운 광섬유 디자인을 통하여 더 향상시킬 수 있는 여지가 있다고 말하였다. 연구진은 또한 축적된 고차 분산을 감소시킬려고 노력하고 있는데 그 이유는 그것이 달성할 수 있는 펄스 지속 기간을 제한하기 때문이라고 덧붙였다. 일경산업
 
 덴마크 연구진은 3.6 미터의 광섬유에 125 펨토초 펄스를 전달할 수 있었다.

반도체 제조 BD기술로 미세가공
유기재 사용 40나노로
富士필름은 청색레이저를 사용하여 블루 레이 디스크(BD)의 재생과 같은 원리로 원판 위에 수십 나노미터의 미세 구조를 제작할 수 있는 기술을 개발했다. 감광성 재료인 레지스트에 독자의 유기화합물을 사용함으로써 실현했다. 광학부품과 대규모 집적회로(LSI)의 제조에 이용할 수 있다. 종래의 반도체 제조 기술에 비해 공정 수를 대폭 줄여 생산효율을 높일 수 있다.
신기술은 원판 위에 유기 레지스트를 도포하고 BD재생기의 1배속으로 같은 회전수로 돌린다. BD재생과 같은 파장 405나노미터의 청색 레이저를 쏘면 그 부분의 레지스트는 기화하여 구멍이 생긴다. 구멍을 통해 기판의 회로를 새기고 레지스트를 제거하면 질서정연한 구멍과 홈의 패턴이 남는다.
반도체 재료에 널리 사용되는 실리콘과 산화실리콘, 사파이어(산화알루미늄)의 원판으로 실험. 직경 40나노미터의 구멍과 폭 200나노미터의 홈이 규칙적으로 늘어선 패턴을 만들 수 있다는 것을 확인했다.
레지스트에는 색소증감형 태양전지에도 이용되고 있는, 유기계 이온화합물인 비올로겐염을 사용했다. 청색레이저광이 닿아서 수십 나노미터의 영역이 섭씨 300도 이상의 고온이 되었을 때에 열에 의해 순식간에 기화하므로 사용이 쉽다고 한다.
현행의 노광(露光)·전사법은 빛에 의한 레지스트의 화학변화를 이용, 빛의 파장 이하의 미세가공은 어렵다. 화학변화 후에 소결, 현상, 세정도 필요. 신기술에서는 이러한 공정이 불필요하므로 생산효율이 높아진다.
청색레이저에 의한 미세가공은 2004년에 소니 등이 BD의 원반 제작을 위해 실용화. 금속 산화물 레지스트를 사용하여 미세구조를 새겨서 소리나 영상을 기록했다. 富士필름의 신기술이라면 그 반 이하의 미세구조를 만들 수 있어, 장치의 용도확대도 전망할 수 있다. 장치 메이커와 손잡고 청색레이저 장치와 레지스트를 일체화한 종합 시스템의 상품화를 지향한다. 일경산업

440억 불의 가치를 지닌 에너지 저장 기술
Lux Research사가 최근 발간한 보고서에 따르면 자동차와 스마트그리드 분야에 응용될 배터리, 슈퍼캐패시터, 연료전지 시장은 2010현재 214억불 규모에서 2015년 440억 불의 규모로 급격한 성장을 이룰 것이라고 한다. 미국세라믹협회(AcerS’)가 주관하는 컨퍼런스인 ‘Ceramic Leadership Summit’에서는 에너지저장기술 분야에서 이슈가 되는 요소들에 대한 소개와 엄청난 규모를 갖게 될 에너지저장기술 시장을 어떻게 이용할지에 대한 소개가 있을 예정이다. ‘Ceramic Leadership Summit’의 프로그램 중 하나인 Energy Innovation Track은 6월 10일 열릴 예정으로 ‘원자력르네상스’, ‘연료전지의 현재와 미래 전망’, ‘에너지보존 전략’이란 소주제를 갖는다. 이 자리에서 United Technologies의 대표는 산업적 관점에서의 에너지저장, 고체산화물 연료전지, 가스터빈의 에너지 및 배기가스 절감에 대해 발표할 예정이다. ‘440억불의 가치를 갖는 떠오르는 기술 - 에너지 저장기술’이라는 이름의 Lux의 보고서는 배터리, 연료전지, 슈버캐패시터, 전기자동차, 스마트그리드 구성을 위한 기반기술, 스마트그리드 기술 등의 에너지 저장과 관련된 각종기술들에 대한 전망을 분석하고 있으며 보고서의 내용 중 가장 중요하다고 판단되는 부분을 아래에 요약하였다.
● 2010년 기준 77억불의 시장규모를 가진 전기를 이용한 교통수단에 사용되는 전력저장 분야는 매년 13.5%의 성장률을 기록하며 2015년에는 135억불의 시장이 될 것이다. 놀라운 점은 오토바이와 스쿠터가 시장의 성장을 견인할 것이라는 점으로 보고서는 현재 64억불인 관련 시장의 규모가 2015년에는 109억불로 성장할 것으로 예측하고 있다.
●현재 중국에서 사용되고 있는 대부분의 전기자전거는 납축전지를 이용한 것으로 2010현재 전체 전기자전거 중 90%가 납축전지를 사용하고 있다. 하지만 리튬이온 전지를 이용한 전기자전거의 보급이 매우 빠른 속도로 진행될 것으로 예상되며 하이브리드 자동차 및 전기자동차에 대한 수요가 늘면서 리튬이온 전지의 성장이 매우 가파르게 진행될 것으로 예상된다. 보고서가 예측하고 있는 자료에 따르면 리튬이온 배터리 시장은 매년 22%의 성장률을 기록 할 것으로 보이며 이는 납축전지 시장 성장률의 3배 이상 되는 수치라고 한다.
●차세대 전력망 기술 시장의 성장률 또한 매우 높을 것으로 예상된다. 이 분야의 현재 규모는 137억불 인데 반해 보고서가 예상하는 2015년의 시장규모는 300억 불로 17%의 연평균 성장률을 보여줄 것이라고 한다. 차세대 전력망 시장에서 가장 큰 규모와 성장률을 보일 것으로 예상되는 분야는 스마트 그리드 분야로 이 분야의 성장률은 가히 폭발적일 것이라고 한다. Lux의 보고서에 따르면 현재 54억불 규모의 스마트 그리드 시장은 2015년 158억불의 규모가 될 것으로 예상되며 이는 매년 23%의 성장률을 기록해야 가능한 수치라고 한다. ACB

유리섬유 제조기술이 적용된 고밀도 탄소나노튜브다발
Oak Ridge National Lab(ORNL)이 최근 개발한 탄소나노튜브 가공기술이 의학계의 오랜 숙원이었던 인공신경 시스템 구현을 실현해 줄 수 있을 것으로 보인다. 탄소나노튜브의 우수한 전기적, 기계적 특성을 이용한 인공신경시스템의 개념은 이전부터 있어왔으나 문제는 인간의 신경다발과 같은 고밀도의 탄소나노튜브 다발을 제작할 방법이 없다는 것으로 이전까지 개발된 어떠한 기술로도 인간의 손가락 끝에 분포된 신경세포와 맞먹는 밀도의 탄소나노튜브 다발을 만들 수 없었다. ORNL의 연구팀은 전통적인 유리섬유 제조기술을 응용하여 고밀도의 탄소나노튜브 다발을 만들어 내는데 성공했으며 이는 인공신경시스템 개발에 큰 진보를 가져다 줄 것으로 기대된다. “우리의 목표는 이 기술과 센서기술을 융합하여 신경손상을 입은 환자들의 촉각을 되살려 줄 수 있는 인공 신경시스템을 개발하는 것입니다.” ORNL의 Center for Nanophase Materials Science Division 소속 연구원인 Ilia Ivanov는 이야기 했다. Ivanov와 ORNL의 다른 연구원들에 의해 수행된 이 연구결과에 대한 논문은 Nanotechnology를 통해 발표되었으며 발표된 논문에 소개된 탄소나노튜브 다발은 거의 20,000개에 탄소나노튜브 채널로 이루어져 있다. Ivanov에 따르면 ORNL이 개발한 이 기술의 궁극적인 목표는 탄소나노튜브가 지닌 다양한 특성을 활용하여 생체시스템을 모방하는 것이라고 한다. “탄소나노튜브 다발을 만들기 위해 우리가 사용하고 있는 기술은 고등학교 과학실습 과정 중 Bunsen 버너를 이용하여 모세유리관을 만드는 것과 매우 유사합니다.” Ivanov는 이야기 했다. “여러분들은 유리관을 만들기 위해 가열하고 당기기를 반복했을 것입니다. 우리가 탄소나노튜브를 만드는 과정도 그와 비슷합니다.” Ivanov와 ORNL의 Measurement Science and Systems Engeering Division 소속의 John Simpson에 따르면 탄소나노튜브 다발의 제작은 유리관 안에 탄소나노튜브 파우더를 채운다는 것을 제외하면 모세유리관 제조방법과 거의 동일하다고 한다. Ivanov의 연구팀이 만든 탄소나노튜브 다발은 머리카락 4배정도의 굵기를 가지며 그 안에는 총 19,600개에 달하는 전도성 탄소나노튜브채널이 배열된 구조로 이루어져 있는데 각각의 채널은 전기적으로 분리된 상태이기 때문에 각각의 채널이 신호전달의 통로로 사용될 수 있다. “인간의 손가락 끝에는 약 2,500개 정도의 감각수용체가 있으며 손에는 총 17,000여개에 달하는 촉각수용체 들이 있다는 점에서 봤을 때 우리가 만들어낸 탄소나노튜브다발은 인간의 손에 사용될 수 있을 정도의 수준에 근접했다고 볼 수 있습니다.” ORNL이 개발한 이 기술은 기능성 경량 섬유를 필요로 하는 우주항공 분야에도 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다. ACB

철기반 초전도체의 메커니즘 발견
일본의 연구진은 철기반 고온 초전도체에서 전자쌍 형성의 기반이 되는 메커니즘을 실험적으로 결정하였다. 이 연구 결과는 사이언스 저널에 발표되었는데 초전도체에서 자성의 역할을 이해하는데 크게 도움이 될 것으로 보인다.
고전이론에서, 초전도는 두 개의 전자들이 격자 진동에 의해서 쿠퍼쌍이라고 알려진 쌍을 형성하여 서로 결합되었을 때 발생한다. 이런 쿠퍼쌍 메커니즘은 전이 온도가 이론적인 한계인 약 40K 보다 훨씬 높은 고온 초전도체에서는 지금까지 한번도 확인된 적이 없어 응집 물질 물리학의 수수께끼로 남아있다.
철기반 초전도체는 2008년 일본의 연구진에 의해서 처음 발견되었는데 이런 수수께끼를 푸는데 좋은 물질이다. 최대 전이 온도가 55K인 이 초전도체는 이전의 고온 초전도와는 다르게 전자쌍 메커니즘에 의해서 지배된다. 이전의 고온 초전도체는 격자 진동에 의해서 중재된다고 가정되었다.
이런 복잡한 쌍 메커니즘을 분석하기 위해서 연구진은 주사 투과 현미경을 가장 간단한 결정 구조를 가진 철 기반 초전도체인 Fe(Se, Te)의 전자쌍에 적용하였다. 10 테슬라의 강력한 자기장하에서 산란 간섭(interference)에 의해서 생성된 전자구조 정상파의 영상을 찍은 결과, 연구진은 쿠퍼쌍이 두 가지 형태의 전자들을 가진 물질에 독특한 “s±-파” 구조 특성을 채택하고 있다는 것을 발견하였다. GTB

폴리머 나노입자를 이용한 고휘도 백색 OLED 제조기술
Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL)의 한 연구팀이 조명용 백색 OLED를 제조할 수 있는 새로운 기술을 개발했다고 한다. 유기물 또는 폴리머 반도체물질을 기반으로 하는 OLED물질을 이용하면 대 면적 디스플레이 또는 조명용 판넬을 낮은 제조비용으로 생산해 낼 수 있다. 단색의 OLED물질을 이용한 디스플레이 소자는 이미 오래전부터 광범위하게 활용되어 왔다. 적색, 녹색, 청색의 OLED물질을 함께 사용하면 조명용으로 활용가능한 백색광원을 만들 수 있다. 하지만 이렇게 제작된 소자에서 각각의 OLED 물질들은 서로 반응하는 경향을 보이며 이에 따라 OLED물질이 열화 되고 결과적으로 OLED의 수명이 단축되거나 색 품질이 떨어지는 현상이 나타난다. LBNL의 Molecular Foundary 연구팀은 폴리머 나노입자를 이용하여 감광성 잉크를 감싸는 기술을 개발 했으며 이용 Iridium기반 게스트 분자를 이용하여 다양한 색깔의 빛을 방출하는 박막 OLED를 제작했다. 이들이 개발한 폴리머 나노입자는 빛을 방출하는 역할을 하는 게스트분자들을 서로 분리시켜주는 역할을 하는데 이를 통해 주변물질과의 반응이 억제된 백색 OLED를 만들어 낼 수 있다고 한다. “매우 간단하지만 혁신적인 이 기술은 조명용 백색 OLED분야에 새로운 문을 열어주는 역할을 할 것입니다.” LBNL Molecular Foundary연구팀의 일원이자 본 연구에 참여한 Biwu Ma는 이야기 했다. Ma와 그의 동료들은 이 기술을 기반으로 적색, 청색, 녹색 형광체의 혼합비를 변화시켜 OLED의 효율과 밝기를 개선하기 위한 연구를 계획하고 있다고 한다. ACB

고차모드 광섬유 개발
덴마크와 오스트리아의 과학자들은 추가적인 광학장비를 사용하지 않고 티타늄-사파이어 레이저로부터 125 펨토초의 펄스를 전달할 수 있는 고차모드 광섬유를 제작하였다. 프리처핑(pre chirping)을 필요로 하지 않는 광섬유 전송 시스템은 기존의 많은 티타늄-사파이어 레이저에 쉽게 추가될 수 있어서 테라헤르쯔 영상, 공초점 현미경, 그리고 내시경 다중 포톤 영상과 같은 응용에 도움을 줄 수 있을 것이다.
덴마크와 오스트리아 공동 연구진은 레이저로부터 필요한 곳에 초단파의 광펄스를 전달할 수 있다고 말하였다. 연구진은 광섬유의 전송 특성을 위해서는 사전 보상(pre-compensate)에 필요한 추가적인 벌크 광부품을 사용하지 않고 800 나노미터에서 특이한 분산을 가진 광섬유의 개발이 핵심 요소라고 말하였다. 연구자들이 광섬유 기반 펄스 전달 시스템을 개발하는데 있어서 당면한 가장 큰 문제는 광섬유 기술의 근본적인 문제인 분산 특성과 비선형 특성이다. 비록 이전에도 광섬유 전달에 관한 연구가 있었지만 이전의 연구 대부분은 광격자 또는 프리즘 구조에 의존하였다.
이런 문제를 극복하기 위해서, 이들 연구진은 다른 분산 특성을 가진 고체 실리카 섬유의 결합을 사용하였다. 그들의 펨토초 펄스 전달 시스템은 두개의 싱글모드 섬유 부분 사이에 놓인 고차모드 섬유 부분을 포함한다. 섬유의 각 부분은 중립적인 분산 프로필을 가진 광섬유 링크로 유도되는 분산 보상(dispersion compensation)을 제공한다.
연구진은 1 마이크로미터에서 작동하는 광섬유 어셈블리를 제작하였다고 연구진은 말하였다. 작동 파장을 800 나노미터로 변이하기 위해서 연구진은 800 나노미터에서 높은 물질 분산을 보상하기 위해서 웨이브가이드 분산을 더 증가시켜야만 했다고 말하였다. 연구진은 티타늄 사파이어 레이저로부터 방출되는 125 펨토초 펄스를 3.6미터 광섬유에 제공할 수 있었다. 초기 테스트에서 연구진은 216 펨토초 펄스를 같은 원리에 기반한 55 미터 길이의 광섬유에 전달할 수 있었다. 현재 연구진은 그들의 기술에 관심이 있는 산업체 파트너를 찾고 있다. 연구진은 산업체에 응용되기 위해서는 현재보다 3-10배 정도 더 큰 파워 성능을 보여야 하는데, 이를 위해서 유효 면적, 고차 분산과 새로운 광섬유 디자인을 통하여 더 향상시킬 수 있는 여지가 있다고 말하였다. 연구진은 또한 축적된 고차 분산을 감소시킬려고 노력하고 있는데 그 이유는 그것이 달성할 수 있는 펄스 지속 기간을 제한하기 때문이라고 덧붙였다. 일경산업
초원심분리법, 탄소나노튜브의 순도를 높이다
라이스대학교(Rice University) 연구진은 최근 두 편의 논문을 통하여, 초원심분리법(ultracentrifugation, UCF)을 이용하여 매우 순도가 높은 탄소나노튜브를 제작하는 방법을 발표하였다.
라이스 대학의 Junichiro Kono 교수와 그가 이끄는 연구팀에 있는 대학원생인 Erik Haroz 와 William Rice는 높은 전도성 양자 나노와이어를 기반으로 하는 효과적인 전국적 전력망 실현에 대한 꿈을 향하여 작지만 위대한 발걸음을 내디디게 되었다. 같은 대학의 Bruce Weisman교수가 이끄는 또 다른 연구팀은 구조적으로 잘 맞추어진 배치를 만들기 위해 UCF를 활용하였다. 이를 통해 순도 높은 반도체 나노튜브를 만들 수 있게 되었다. 이러한 UCF는 의학 분야와 전자공학분야에서 아주 중요한 역할을 할 수 있다. UCF는 혈장으로부터 혈액 세포를 분리하기 위해 의료 실험실에서 사용되는 초 고속 버전의 원심분리기와 같은 것이다.
실험에 사용된 액체는 서로 다른 밀도를 가지고 그 안에는 단일 벽을 가진 탄소 나노튜브 종류의 부유 혼합물을 포함되어 있다. 이를 원심분리기를 이용하여 중력가속도가 250,000g까지 올라가도록 회전시킨다면(중력의 25,000배), 나노튜브는 그와 같은 입자 밀도와 일치하는 액체로 이동하게 된다. 원심분리기에서 몇 시간이 지나면, 시험용 튜브는 순수한 나노튜브 층으로 이루어진 칼라플한 파르페가 된다. 각각은 고유한 전기적, 광학적 특성을 가지며 이러한 각각의 특성은 여러 분야에 유용하게 적용될 수 있다.
“탄소나노 튜브를 제작을 위한 순수한 배치의 부족은 거의 20년 동안 이러한 분야에서 실제적인 어려움이 되었다”라고 Weisman 교수는 말했다. UCF기술은 새로운 것은 아니지만 그의 연구팀은 Rice 교수가 개발한 HiPCO (high pressure carbon monoxide)공정을 통해 10가지 이상의 개별적인 나노튜브 종을 분리할 수 있게 되었다.
“이러한 기초 연구는 매우 큰 강점을 가지고 있다. 만약에 순수한 나노튜브 샘플을 얻을 수 있다면, 이를 통해 나노튜브에 대해 많은 것을 배울 수 있을 것이다. 또한 이에 대한 전자적 응용은 더욱 간단 해 질 수 있다. 이는 튜브의 형태가 나노튜브의 밴드 갭과 같은 주요한 전자적 특성을 결정하기 때문이다. 그리고 특정한 형태의 나노튜브의 광학적 특성에 대한 이해는 생명공학과 같은 분야에도 큰 도움이 될 것이다”라고 Weisman교수는 말했다.
Kono 교수팀이 진행한 실험에서는 금속성의 나노튜브가 다른 대부분의 반도체 나노튜브가 바닥으로 가라앉는 것과는 달리 회전 부분의 꼭대기로 떠 오르는 것이 확인 되었다. 이와 같은 놀라운 실험 결과는 거의 모든 금속성의 튜브가 암체어 단일벽 탄소 나노튜브(single-walled carbon nanotubes , SWNTs)이었다는 것을 나타내고 있다. 이런 암체어 단일벽 탄소 나노튜브는 양자 나노와이어 제작을 위한 가장 바람직한 형태이다. 지그재그 형태의 종류는 대부분 금속성으로 인식되고 또한 가라앉게 된다.
암체어 나노튜브는 끝자락이 “U” 자형 모양을 띠기 때문에 그렇게 불리어진다. 이론적으로는, 암체어는 가장 전도성이 높은 나노튜브이며, 전자에 있는 전하를 속도를 줄이지 않고 중간 부분까지 내리는 역할을 하게 만든다.
Haroz는 “이번 연구에 사용된 계면활성제의 하나인 나트륨 콜레이트(sodium cholate)는 육각형의 나노튜브와 같은 분자구조를 가지고 있다.”라고 말했다. 또한 그는 “나노 튜브와 나트륨 콜레이트는 어느 정도 일치하는 부분이 있으며, 이러한 것은 나노튜브가 지그재그형태보다 암체어 구조가 되도록 결합이 되게 한다.’라고 말했다.
양자 암체어 나노 와이어 연구에는 여전히 장애물들이 놓여 있지만 나노 기술 분야에 선구자인 Richard Smalley는 이런 암체어 나노 와이어가 세상의 여러 문제를 해결할 수 있는 일종의 만병통치약이 될 것이라고 생각했다. 2005년에 세상을 떠난 그는 노벨 수상자이며, Haroz에게는 라이스 대학의 첫 멘토였다.
“암체어 양자 나노와이어 프로젝트의 1단계는 ‘암체어를 얻을 수 있는가?’였으며 우리는 이제 그것을 수행했다.”라고 Haroz는 말했다. 또한 그는 “이제 전도성을 시험하기 위한 거시적인 구조를 만들 것이다.”라고 말했다. GTB

라만 분광법(Raman Spectroscopy)으로 표시되는 나노 파르페

실용화에 한층 가까워진 ORNL의 핵재처리 기술
Oak Ridge National Laboratory(ORNL)는 이미 사용된 핵연료를 재활용하기 위해 고준위 핵폐기물을 분리하는 화학공정에 관한 연구를 진행하고 있다.
ORNL이 연구하고 있는 이 분야는 ‘핵폐기물 재활용’이란 이름으로 알려진 분야이다. 한번 사용했던 연료를 다시 활용할 수 있다는 점에서 ‘핵폐기물 재활용의’도입은 선택의 여지가 없는 문제로 보일 수 있다. 하지만 미국의 어떠한 원자력발전소도 재처리를 통해 재활용된 핵물질을 연료로 사용하는 방식을 사용하지 않고 있다. “핵폐기물을 재활용 하는 것은 그것을 저장하는 것과 비교했을 때 매우 현명한 방법입니다. 핵폐기물의 보관은 많은 비용이 소비될 뿐 아니라 사회적 갈등을 만들어 낼 수 있습니다.” ORNL 원자력기술 분야의 책임자인 Sherrell Greene은 이야기 했다. “핵연료를 통해 생산해 낼 수 있는 에너지의 90%가 골칫덩어리로 여겨지고 있는 ‘고준위 핵폐기물’속에 남아있습니다. (핵연료에 포함된 에너지의 일부만 사용하고 폐기하는 이유는 핵연료에서 방출되는 방사능이 연료봉을 변형시킬 뿐 아니라 공정을 오염시키고 효율을 떨어뜨리기 때문이다.) 일본, 러시아, 프랑스 등의 국가에선 핵연료 재처리기술이 이미 사용되고 있다 하지만 지난 30년 간 그 어떤 핵재처리 기술도 미국에서 승인 받지 못했다. 원자력 분야의 연구원들은 한번 사용된 핵연료로 부터 사용가능한 부분을 정확히 추출해 낼 수 있기를 기대하고 있다. 전문가들에 따르면 현재 사용되고 있는 핵연료 재처리기술은 매우 높은 방사성을 띤 위험한 부산물을 만들어 낸다. 이 방사능 물질들은 수십만 년의 반감기를 가지기 때문에 핵폐기물을 장기간 보관할 수 있는 보관시설이 필요하다고 한다. 이에 따라 핵재처리를 연구하는 과학자들은 핵재처리 규모를 확대하는 연구와 함께 이때 생성되는 부산물의 반감기를 감소시키는 방안에 대한 연구를 진행하고 있다. ACB
백금촉매를 대체할 Peroviskite 산화물 개발
General Motors의 Grobal R&D 센터의 연구팀은 Science를 통해 자동차의 배기가스 저감장치에 사용되는 백금촉매를 대체할 수 있는 ‘Strontium이 첨가된 Perovskite’ 물질을 개발했다고 발표했다. 하이브리드 자동차보다 높은 연비를 자랑하는 최신의 Lean-Burn(희박연소엔진) 디젤 엔진 개발에 가장핵심이 되는 부분이 고가의 백금이 사용되는 배기가스 저감 장치라는 배경에서 볼 때 General Motors의 이번연구결과는 매우 가치 있는 것으로 보인다. 저 배기가스, 고연비의 엔진을 제작하는데 있어 질소 산화물 가스배출을 줄이는 기술은 매우 중요하다. 이에 따라 자동차 회사들은 질소산화물 배기가스 처리를 위해 값비싼 백금촉매 또는 매우 복잡한 구조의 요소기반 배기가스저감 장치를 사용하고 있으며 지구온난화 에 따른 환경규제 강화와 백금촉매 가격의 상승에 따라 자동차 제조비용에 있어 배기가스저감 장치가 차지하는 비율은 날로 증가하는 추세이다. 이러한 관점에서 볼 때 Chang Hwan Kim이 이끄는 General Motors의 연구팀이 개발한 Perovskite 산화물인 La1-xSrCoO3와 SrxMnO3이 백금촉매와 비슷한 질소산화물 배기가스 처리능력을 갖는 다는 것은 매우 고무적인 일이다. 하지만 불행하게도 Kim과 그의 연구팀이 개발한 Perovskite산화물은 개선되어야 할 몇 가지 문제점을 가지고 있다. 그 첫째는 Perovskite 산화물인 La1-xSrCoO3와 SrxMnO3가 질소산화물 배기가스 이외의 탄화수소, 일산화탄소등의 다른 배기가스 물질들을 처리하는 능력이 백금촉매에 비해 떨어진다는 것이며 두 번째 문제는 연료에 섞여있는 황 오염물들이 Provskite산화물의 활성화도를 떨어뜨린다는 것이다. 희망적인 소식은 Kim과 그의 연구팀은 앞서 언급한 문제를 해결할 수 있는 실마리를 찾았다는 것이다. 연구팀의 리더인 Kim에 따르면 Perovskite 산화물에 소량의 Paladium원소를 첨가할 경우 황 오염물이 존재 할 경우에도 Provskite산화물의 활성화도가 떨어지지 않음을 밝혀냈다고 한다. Paladium은 백금과 같은 주기의 금속원소로 값싼 금속은 아니지만 백금의 가격이 워낙 높기 때문에 같은 양을 사용할 수 있다면 백금보다 훨씬 경제적인 대체물이 될 수 있다. Oak Ridge National Lab의 과학자인 James Park은 관련기사를 통해 GM의 Perovskite산화물 촉매에 대해 “백금의 가격은 계속해서 오르고 있다. 더욱 큰 문제는 오름폭이 시시각각 변한다는 것인데 이 때문에 백금촉매를 이용한 제품을 개발하는 엔지니어들은 제품의 제작에 소요되는 백금가격과 이에 따라 변화하는 생산비용을 산정하는데 어려움을 겪고 있다. General Motors의 Kim과 그의 연구팀이 개발한 Perovskite 산화물인 La1-xSrCoO3와 SrxMnO3촉매를 배기가스 저감장치에 적용할 경우 값비싼 백금의 사용량을 현저히 줄이면서도 일반적으로 사용되는 백금촉매를 이용한 것과 대등한 질소 산화물 처리효율을 보여줄 것으로 기대된다. 이러한 점으로 미루어 볼 때 GM이 개발한 이 물질의 사용이 보편화 될 경우 Lean-Burn 시스템을 설계하는 엔지니어들은 값비싼 백금의 사용에 대한 압박으로부터 자유로워 질 뿐 아니라 제품개발에 대한 유연성을 갖게 될 것으로 생각되며 고가의 Lean-Burn엔진의 가격에 상당부분을 차지하고 있는 백금촉매의 사용량을 줄임으로서 고가의 Lean-Burn엔진의 가격을 일반적인 엔진 수준으로 낮춰 Lean-Burn엔진의 보급을 앞당기는 역할 을 할 것이다.”라고 이야기 했다. Nature에 소개된 Kim과 그의 연구팀의 연구결과에 관한 기사에 따르면 Perovskite물질을 촉매로 사용하고자 하는 기술의 개발은 이미 수 십년 전 부터 진행되어 왔다고 한다. 하지만 현재까지 어떤 연구팀도 백금촉매를 대체할 정도의 우수한 특성을 지닌 Perovskite촉매물질을 만들어 내지 못해왔으며 이 분야를 연구하고 있는 많은 연구자들이 이 Perovskite 산화물 촉매 개발에 놀라움을 표하고 있다. Chalmers University of Technology에서 촉매에 관한 연구를 하고 있는 Louise Olsson은 Nature를 통해 “지금껏 백금을 사용하지 않은 물질 중 이렇게 우수한 산화력을 지닌 물질을 본적이 없다.”고 이야기 했으며 Umicore사에서 비슷한 연구를 진행 중인 Owen Bailey는 “13년 동안 백금촉매와 그 대체물질에 관련된 연구를 했지만 백금 이외의 그 어떤 물질도 이렇게 우수한 특성을 보여주지 못했습니다. 이번 개발의 파급효과는 상상할 수 없을 정도입니다.”라고 이야기 했다. ACB

녹슬지 않는 철로 사막에 원자력 발전소를
물처리 막으로 붕소 제거, 식물공장도
아시아와 중동 등에서는 거대한 제철소와 화학공장의 건설이 이어져, 일상생활용 소재가 대량으로 만들어지고 있다. 규모로 맞겨룰 수 없는 일본의 소재산업이 살아남을 길은 무엇인가. 그것은 혹독한 환경에서도 인간이 쾌적하게 살아나갈 수 있는 「생활혁명」으로 이어지는 연구개발에 있을 것 같다. 그 최전선을 따라가 본다.
진공상태에서 제련
해변 주택의 지붕이 덧문, 옥외에 놓여 있는 자동차와 자전거, 공장 이러한 것들이 모두 녹에서 해방되는 “녹으로부터 자유”로운 세계가 올지도 모른다.
사용하는 것은 東北大學 금속재료연구소의 安彦兼次 객원교수가 개발한 순도 99.9998% 이상의 철. 일반적인 철의 순도는 99.9% 정도이지만, 安彦교수는 기압이 10의 마이너스 13승이라는 우주공간보다 1000배 이상의 진공상태에서 고온으로 제련함으로써 「초고순도 철」을 개발했다.
극단적으로 불순물이 적어 불순물에 힘이 집중하기 때문에 생긴다고 알려진 「녹이나 고온고압 하에서의 갈라짐을 발생하지 않는다」고 한다. 이 “철을 뛰어넘은 철”은 아직 공업화의 기준은 서지 않아 일반 생활에 선보이는 것은 나중의 일. 그래도 우리들의 생활을 일변시킬 수 있는 가능성을 내포하고 있다.
「이것이 있으면 관리가 필요치 않는 원자력 발전소와 해수담수화 설비로 이어진다.」 安彦교수는 이용방법을 설명한다. 원자력 발전소의 배선과 열교환기 등에 사용하면 보수작업을 극한까지 줄일 수 있어 사막 등의 벽지에도 원자력 발전소 등을 건설하기 용이해진다. 전력만 확보되면 바닷물로 진수(眞水)를 만들 수 있다.
이미 전력회사 등으로부터도 실험조각을 나누어 달라고 하는 문의가 들어오고 있다. 安彦교수는 현재 보급을 위해 1회에 종래의 10배인 100킬로그램 초고순도 철을 생산할 수 있는 시작 설비를 개발 중이다. 「전력을 안정시키려면 표면의 요철을 억제해야 한다」. 日本金屬의 板橋工場(東京·板橋) 안에 있는 기술 연구소. 기술자는 두께 1밀리미터 이하의 마그네슘(Mg)의 박판 개량을 위해 연구하고 있다.
용도는 반복하여 충방전할 수 있는 Mg이온 2차전지의 마이너스극용 재료. 이 전지는 이론 상, 전기자동차(EV)등의 동력원으로 기대되는 리튬이온전지의 2배의 전력을 얻을 수 있다.
사막에서 새 전지를 태양광 발전장치와 조합시킨다면 - 「태양광으로 얻은 전력을 효율적으로 저장할 수 있으므로 사막에서도 전력 확보가 가능하다」(日本金屬의 마그네 사업부·桶口부장). 이 회사는 상온에서 압력을 가하면 갈라지는 Mg를 섭씨 200~400도로 따뜻하게 하여 펴는 「온간압연(溫間壓延)」으로 1밀리미터의 박판에 가능한 세계 유일한 회사이다.

열화억제기술도
Mg이온 2차전지의 정극재는 열화되기 쉽지만 埼玉縣 産業技術總合센터는 열화를 억제할 수 있는 기술을 개발. 5회 이상의 충방전에 견딜 수 있는 정극재를 실현했다. 이 센터에 Mg박막을 공급하는 日本金屬은 일정한 전력을 확보하는 연구를 진행하고 있다. 에너지 다음은 물. 진수를 만드는 것이 물처리막이다. 지중해에 면한 알제리아 북부의 마을 마그타에 건설되고 있는 세계최대의 해수 담수화 플랜트에 東レ는 최첨단 물처리막을 납품한다. 특징은 바닷물 속에 포함된 붕소를 제거할 수 있다는 점. 붕소는 인체에 대한 영향과 농작물의 고갈을 일으킬 가능성이 지적되고 있다. 이론적으로는 물처리막의 구멍을 작게 하면 제거할 수 있으나 너무 작게 하면 조수(造水) 능력이 희생되어 버린다. 東レ는 붕소에 최적인 구멍의 크기가 0.6~0.8나노미터라는 것을 밝혀내고 조수능력을 유지한 체 제거율을 95%로 높일 수 있는 기술을 확립했다. 플랜트 가동은 2010년. 조수양은 200만인분의 생활용수에 상당. 현지에서는 사막의 확대가 심각한 가운데, 식수와 농지확대 등, 주거환경유지에도 중요한 역할을 한다. 일본기업이 강한 물처리막을 사용하여 식수를 만들어지는 것이 「식물공장」이다. 일경산업

University of Pennsylvania의 연구팀 -
원자현미경의 미스터리를 풀다
University of Pennsylvania(UPenn)의 기계공학부 소속 연구원들은 원자현미경(Atomic Force Micro scope:AFM)분석 시 관찰되는 ‘원자 층 감소에 따른 마찰력증가’현상이 일어나는 원인을 밝혀냈다고 한다. AFM은 캔틸레버와 연결된 미세한 탐침으로 시편을 긁고 지나갈 때 탐침에 가해지는 힘에 의해 위아래로 움직이는 탐침의 위치변화를 감지하여 물질의 표면을 분석하는데 매우 얇은 두께를 지닌 나노스케일 물질의 분석 시 시편의 두께, 즉 시편을 구성하는 원자 층의 개수가 작아질수록 AFM의 탐침에 가해지는 힘이 증가하는 현상이 관찰된다. UPenn의 연구원들은 이러한 현상의 원인을 밝혀내기 위해 다양한 두께를 지닌 4가지 물질(graphene, molybdenum, disulfide, hexagonal-boron nitride, niobium)의 원자층 개수에 따른 마찰력 변화에 대한 연구를 수행하였으며 이를 통해 원자 층 개수 감소에 따른 마찰력 증가가 모든 물질에서 관찰되는 보편적인 현상임을 밝혀냈다. 이들의 연구결과는 Science에 개제되었다. UPenn의 연구팀은 단일 원자 층으로 구성된 시편에서부터 원자 층의 개수를 늘려감에 따라 AFM의 탐침에 가해지는 마찰력을 측정하고 이 값들을 벌크상태 물질에서의 그것과 비교하는 실험을 수행하였으며 그 결과 원자 층의 개수가 감소함에 따라 탐침과 시편사이의 마찰력이 증가함을 확인할 수 있었다. 이 연구의 공동책임자 중 한명인 Robert Carpick는 Upenn 웹사이트를 통해 “나노스케일의 두께를 가진 박막의 마찰력증가현상을 ‘Puckering Effect’라고 이름 붙였습니다.”라고 이야기 했다. Robert Carpick에 따르면 ´Puckering Effect´는 벌크형태의 물질과 같이 두꺼운 물질에서는 관찰하기 힘들며 이는 벌크형태의 물질이 나노스케일의 물질보다 훨씬 딱딱하기 때문이라고 한다. “무수히 많은 원자 층으로 구성된 벌크형태의 물질에서도 Puckering Effect는 작용합니다. 하지만 그 크기가 작아 관찰하기가 어렵죠.” Carpick은 이야기했다. Upenn의 연구팀은 ‘Peckering Effect’를 감소시키기 위한 방안에 대한 연구도 진행하였으며 그 결과 운모 등의 물질로 구성된 기판에 나노스케일의 원자 층을 강하게 접착시킬 경우 ‘Peckering Effect’가 감소함을 발견했다. Carprick과 그의 연구팀에 따르면 ‘Peckering Effect’을 감소시키는 기술은 나노기계소자(Nanomechanical Device)에 윤활코팅제로 사용되는 MoS2 및 BN의 성능을 향상시키는데 중요한 역할을 하게 될 것이라고 한다. ACB

UPenn의 연구원들은 원자층 감소에 따른 마찰력 증가 현상의 원인을 밝혀내기 위해 다양한 두께를 지닌 4가지 물질(graphene, molybdenum, disulfide, hexagonal-boron nitride, niobium)의 원자층 개수에 따른 마찰력 변화에 대한 연구를 수행하였다.