리튬이온전지
마이너스극 재료, 용량 30% 증가
産總硏 등  티탄산화물로 개발
産業技術總合硏究所는 石原産業과 공동으로 전기자동차 등의 리튬이온전지용의 고성능 마이너스극 재료를 개발했다. 티탄산화물의 새로운 재료로 종래의 티탄산리튬에 비해 충방전의 용량이 약 30% 높다. 경량·대전력의 전지(電池)가 가능할 것이라고 보고 있다. 희소금속인 리튬을 포함하지 않으므로 저가화도 전망할 수 있다고 한다.
새 재료는 수소를 포함하는 티탄산화물. 티탄산리튬과 같은 정도의 약 1.55볼트의 전압을 가져, 산화물 1그램 당 충방전 용량은 약 225밀리암페어시(時). 또 마이너스극 재료인 티탄산 리튬에 포함된 리튬은 원래 전지의 충방전에는 기여하지 않으므로 새 재료라면 리튬의 절약으로도 이어질 것이다.
리튬이온전지의 마이너스극에는 흑연계 탄소재료가 원래 일반적으로 사용되고 있다. 그러나 전기자동차나 하이브리드차용은 안전성 확보와 긴 수명화를 위해 차세대 재료로서 티탄산리튬이 검토되고 있다고 한다.
새 재료는 이에 비해 고용량이므로 높은 에너지 밀도의 전지를 기대할 수 있다. 전기자동차용 전지에 요구되는 경량으로 충분한 전력으로 이어질 것으로 연구팀은 보고 있다. 실용화를 위해 결정구조의 최적화와 성능의 개선 등을 추진할 예정이다. 일경산업

차세대 소자용 신소재
전자이동, 실리콘의 10배
그라펜보다 가공 용이
東京工業大學의 笹川崇男 준교수 등은 종래의 반도체보다도 고속 . 저소비전력으로 움직이는 차세대전자소자용 신소재를 개발했다. 데이터의 운반책이 되는 전자와 전자의 구멍(홀)이 현재 주류인 실리콘보다도 10배 빨리 움직인다. 노벨물리학상으로 화제인 탄소시트 재료인「그라펜」보다도 제품이나 가공이 간단. 새로이 자기의 성질을 갖추고 있다는 점도 산업적 이용에서 우위를 차지한다. 최고의 에너지절약 반도체가 시야에 있다.
개발한 것은 셀렌과 비스마스 화합물. 셀렌 원자가 나란히 늘어선 3층 각각의 사이에 비스마스 원자층이 낀 5층 구조. 두께가 약 1나노미터인 시트를 구성한다. 서로 붙은 각 시트는 약한 분자간력「판델왈스력(力)」으로 붙고 안쪽은 절연체. 표면에만 전자나 홀이 고속으로 흐른다.
빛을 쏘아서 정밀한 전자구조를 조사한 결과, 전자와 홀이 잘 움직이는 지표인 이동도는 실리콘보다 1자릿수 높아 그라펜에 육박한다. 표면에 요철이 있거나 불순물이 섞이거나 해도 높은 이동도를 유지하며, 가공이 용이한 점은 그라펜을 능가한다.
재료 속의 전자 1개가 자전하여 만들어내는 자력선(스핀)의 방향이 각각의 전자와 홀이 한 방향으로 일정한 것도 이점이다. 전자나 홀 대신에 자기로 신호 처리하는 시핀트로닉스 기술에도 이용할 수 있으리라 보고 있다.
스핀트로닉스 기술은 반도체의 소비전력을 비약적으로 낮추거나, 기억장치의 기록용량을 대폭으로 늘리거나 하는데 없어서는 안 된다고 한다. 반도체에서 일반적인 실리콘이나 연구가 가속하는 그라펜은 이러한 스핀을 이용하는 소자에는 적합하지 않았다.
신소재는 커다란 단결정을 만들 수 있다. 비스마스와 셀렌을 2대 3의 비율로 용기에 넣고 진공 속에서 섭씨 800도로 가열하고 1~2일 유지하여 식히면 단결정이 성장한다. 이미 1센티미터 크기의 제작에 성공했다. 용기의 모양이나 가열방법을 연구하면 보다 크게 만들 수 있으리라 보고 있다.
실리콘보다 전기가 잘 흐르는 소재로서는 2010년 노벨물리학상의 수상 대상이 되었던 그라펜이 주목되고 있다. 그러나 그라펜은 탄소원자가 말끔한 1층으로 늘어서면 우수한 특성을 보이지만 일부에서라도 2층 이상이 되면 특성이 바뀐다. 대형 재료를 만들기 어렵다. 신소재는 크게 만들 수 있고 두께가 변해도 성질이 같다는 것이 특징이다. 일경산업

중국 희토류산업 사슬의 문제점
현재 중국은 세계 희토류자원의 99%를 확보하고 있다. 희토류자원 보호를 위한 일환으로 중국이 희토류산업에 대한 감독 관리를 강화하면서 또 희토류에 대한 수요량이 급증하면서 희토류 가격이 큰 폭으로 인상되고 있다. 올해 산화 프라세오디뮴(Praseodymium Oxide) 가격은 88% 올랐으며 산화 네오디뮴(Neodymium Oxide) 가격은 올해 초에 톤당 13만 위안(약 2만 달러)에서 26만 위안(약 4만 달러)으로 올라 증가폭은 100%에 달했다.
중국 당국이 희토류산업에 대한 감독 관리를 강화함에 따라 희토류 가격이 급증하면서 독점업체들의 수익률은 크게 증가하는 반면 중소기업들의 수익률이 크게 떨어졌다. 특히 가격 증가에도 불구하고 부가가치가 비교적 높은 희토류 가공업체들의 실적이 저조했다.
이런 문제점에 관하여 업계 인사는 희토류 자원으로만 희토류 제품의 가격을 결정하는 데는 한계가 있기 때문에 희토류의 심층 가공에 대한 연구 개발과 투입 강화가 필요하며 이를 통해 고부가가치 제품 분야에서의 가격 결정권을 획득해야 한다고 지적했다.
<희토류 가격 급등>
현재 희토류는 ‘과학기술 금속’이라고 불리고 있으며 전략적 우위도 갈수록 높아지고 있다. 최근 몇 년 동안 희토류 자원을 보호하기 위해 중국 정부는 희토류 채굴 허가 발급을 중단시켰으며 수출 쿼터를 통해 희토류 수출을 제한하고 있어 가격이 폭등하고 있다.
관련 통계에 따르면, 산화 네오디뮴의 올 1월 6일까지 가격은 12만2,000~13만 위안이었지만 11월 2일 기준으로 25만~26만 위안으로 폭등했으며 산화 프라세오디뮴의 가격은 11만7,000위안~12만5,000위안에서 23만~23만5,000위안까지 올랐다. 증가폭은 각각 100%, 88%를 기록했다.
희토류 가격 급등으로 인해 희토류 기업들의 수익률도 크게 높아졌다. 관련 통계에 따르면, 올해 상반기 중국 희토류 제련 제품 수출은 20315.6톤(REO)을 기록해 지난해 동기 13991.1톤(REO) 비해 64.4% 증가했으며 수출액은 2억5.600만 달러로 증가폭은 239%를 기록했다. 또한 올 상반기 희토류 자석 수출량도 6224.3톤에 달해 지난해 동기 3258.9톤에 비해 97% 증가했으며 수출액도 배로 증가했다.
<희토류 자원 독점 업체들의 수익률 대폭 증가>
관련 전문가의 설명에 따르면, 현재 희토류 분리 업체들의 수익률이 5% 안팎인 것으로 나타났다. 희토류 자원을 확보하지 못한 희토류 가공업체들이 희토류 분리, 전기분해를 통해서는 고부가가치 창출이 어려운 상황이다. 반면 희토류 자원을 확보한 업체들이 희토류 분리, 전기분해 등 산업사슬을 확보하였을 경우에는 수익률이 크게 증가하는 것으로 나타났다. 이에 따라 중국에서 희토류 고부가가치 업체들보다 희토류 자원을 개발하는 업체들의 수익률이 더 높은 상황이 벌어지고 있다.
중국이 희토류 업체들의 인수 합병을 추진한 후에 수익률을 점차 대형 업체들이 독점하고 있다. 예를 들면, 바우강(包鋼)희토류그룹은 올해 3분기 순 이윤이 2억 5,000만 위안(약 3,800만 달러)에 달해 지난해 동기 대비 368.67% 증가했으며 전 3분기 순 이윤도 6억 위안에 달했다. 올해 상장업체 주주들의 이윤 증가폭도 1200%에 달할 것으로 전망된다.
<향후 희토류 심층 가공업체들이 최대 수혜자>
중국의 희토류 수출쿼터로 인해 희토류 가격이 급등하고 있으며 이러한 상황이 단기 내에는 이어질 것으로 전망됐다. 관련 전문가는 앞으로 몇 년 동안은 희토류 가격이 계속 증가할 것이지만 폭등하지는 않을 것이라고 전망했다.
관계자의 설명에 따르면, 중국은 희토류 시장을 규범화하기 위해 앞으로 업체들의 희토류 분야의 진입 문턱을 높여 업체들의 대량 진입을 제어하는 동시에 희토류 업체들의 인수합병을 통해 시장 가격을 규범화하게 된다. 또한 희토류 가격이 안정되고 시장이 규범화되면 고부가가치를 창출할 수 있는 희토류업체가 최대 수혜자가 될 것을 전망되고 있다. GTB

신규 세라믹스 다공체 개발
京都大學 에너지 이공학연구소의 鈴木義和 조교 등 연구팀은 제3세대 디젤 입자 제거 필터(DPF)를 위한 신규 세라믹스 다공체를 개발했다. DPF는 배기가스 속의 입자상 물질을 포획하기 위해 이용되고 있고, 현재는 코디에라이트 다공체나 탄화규소 다공체가 주류를 이루고 있다.
앞으로 바이오디젤 등 다양한 연료에 대한 대응과 더 강해지는 환경규제강화에 대한 대응이 요구되고 있어 저열팽창, 저가, 고내열성, 고강도를 겸비한 제3세대 재료의 개발이 기대되고 있다.
앞으로 이 연구팀은 의(擬)블룻카이트 구조를 갖는 저열팽창재료인 티탄산 마그네슘(MgTi2O5)에 주목하여 반응소결법을 이용한 간편한 다공체의 제작에 성공했다. 비교적 값싼 원료인 염기성 탄산마그네슘과 이산화티탄을 원료로 한 펠렛을 대기 중에서 반응소결(1100℃에서 1300℃정도, 2시간)하여 샤프한 세공경이 분포된 MgTi2O5)다공체를 얻었다.
앞으로 조공제(造孔劑)의 첨가와 원료 입도의 제어로 DPF에 대한 응용을 위한 세공 구조의 최적화를 연구할 예정이다. 인 연구는 文部科學省의 과학연구비보조금(젊은 연구(A) 「3차원 네트워크형 다공질 복합 세라믹스의 디젤 입자 제거 필터에 대한 응용」)프로젝트의 일환으로 이루어졌다. CJ

연속식 도공액(塗工液) 공급 장치
(주) 노리타케컴퍼니리미티드는 각종 코팅 장치용으로 연속식 도공액 공급 장치를 개발·판매하고 있다. 이 장치는 스태틱 믹서로 도공액을 도공 직전에 조합하는 인라인 연속 방식이다.
스태틱 믹서는 장방형 판을 왼쪽 및 오른쪽 방향으로 180도 비튼 교반용 엘레멘트(혼합소자)를 교대로 직교하도록 접속하여 배관 안에 고정시킨 구조이다. 이 독자 구조의 엘레멘트로 주어지는 분할·전환·반영의 세 가지 작용으로 통과하는 유체를 효율적으로 연속으로 혼합한다.
각각의 액체는 펌프와 유량계로 유량이 제어되어 임의의 비율로 스태틱 믹서에 송액(送液)된다. 액체의 공급라인을 병렬로 증가시킴으로써 3가지 액체 이상의 혼합도 연속화할 수 있게 된다.
이 인라인 연속방식의 채용으로 종래의 탱크를 이용한 배치 방식의 조합에 비해 설치 공간의 콤팩트화(조합 탱크 없음), 정밀한 계량 및 혼합(배치 안 혹은 배치마다 계량이 일정치 않음을 해소)을 달성했다. 또 도공 직전에 혼합하므로 반응이나 용제휘발에 따른 혼합액 물성의 경시변화(열화)의 영향을 받지 않아 항상 일정한 도공조건을 유지할 수 있다.
제품 품질의 균일화뿐 아니라 도공의 박막화와 도공 속도 향상에 의한 생산성 향상에도 크게 공헌할 수 있어 각종 기능성 필름 등의 도공공정에서의 높은 품질요구에 대한 대응방법으로 유효한 기술이 되고 있다. 그밖에 스태틱 믹서는 고효율 열교환기에도 응용할 수 있어, 도공액 점도(온도) 조정 장치와 연속 탈포(脫泡) 장치 등 도공공정의 고속화·연속화·품질향상과 같은 개선에도 유효하다. CJ

규소 화합물을 이용한 다중벽 탄소나노튜브 성장
탄소나노튜브와 반도체 특성의 나노와이어로 구성된 계층 형태의 헤테로 구조는 나노일렉트로닉스 및 에너지 분야에서 많은 관심을 받고 있는 나노 물질이다.
미국 University at Albany의 연구원들은 실리콘 나노와이어(SiNW; Silicon Nano Wire) 위에 증착된 규소 화합물을 이용하여, 다중벽 탄소나노튜브(MWNT; Multi-Walled Carbon Nanotube)를 성장할 수 있는 새로운 프로세스를 제시했다. 연구 결과는 2011년 1월 17일자 Nanotechnology지에 “Silicide-induced multi-wall carbon nanotube growth on silicon nanowires”란 제목으로 게재됐다.

그림 1. (a) 실리콘 기판과 (b) 탄소를 포함한 니켈 박막이 증착된 SiNW의 SEM 이미지, (c,d) 그리고 각각의 기판에 대해 RTA 공정이 진행된 후의 SEM 이미지. (e) SiNW 표면 위에 성장한 MWNT의 투과전자현미경 이미지, (f) 캡슐화된 니켈을 포함한 MNT의 투과전자현미경 이미지.

그림 2. SiNW 표면 위에 성장하는 MWNT의 성장 메커니즘 및 모식도 (a) PEALD를 이용하여 실리콘 기판 위에 탄소를 포함한 니켈 박막 증착 (b) RTA 공정은 니켈 실리사이드 형성을 유도하고, (c) 표면에서 탄소 원자의 segreagtion에 따라 MWNT의 성장

연구진은 플라즈마 원자층 증착법(PEALD; Plasma-Enhanced Atomic Layer Deposition)을 이용하여 SiNW위에 탄소를 포함하고 있는 니켈 박막을 증착했다. 그리고 급속 열처리법(RTA; Rapid Thermal Annealing)을 통해 MWNT를 성장할 수 있었다. 이는 니켈 박막과 실리콘 계면에서 국부적으로 탄소 농도가 포화됨에 따라 5~40 nm의 직경, 수 um의 길이를 갖는 탄소나노튜브 성장을 가능케 한다. 이러한 접근은 통상적으로 필요한 촉매 금속의 확산을 막기 위한 TiN과 같은 diffusion barrier를 증착할 필요 없이, 밀도가 높은 CNT 성장이 가능하다. 그리고 규소화물(silicide)는 전도성 특성을 지니기 때문에, 넓은 표면적과 높은 전도성을 가진 물질을 요구하는 에너지 및 나노일렉트로닉스 분야에 활용이 가능하다.
그림 1.의 (a)와 (c)는 각각 실리콘 기판과 니켈이 증착된 SiNW의 주사전자현미경(SEM; Scanning Electron Microscope) 이미지이고, (b),(d)는 각각의 경우 RTA 처리가 진행된 이미지이다. 특히 (f)의 경우 니켈이 MWNT 안에 캡슐화 되어 있는데, 전자빔 굴절 분석을 진행한 결과 결정질 니켈임을 알 수 있었다. 특히 SiNW 표면 위에서 성장한 대부분의 MWNT 경우, 상단 부분에 촉매 금속이 존재 하지 않았다. 즉 니켈을 하단 부에 존재 하거나 또는 silicide 형태로 존재 하며 root-growth mode를 따라 성장한 것으로 분석됐다.
실리콘 기판 또는 SiNW 위에 MWNT가 성장하는 메커니즘은 다음과 같이 설명될 수 있다. 먼저 탄소를 포함하고 있는 니켈 박막을 증착하고, 550℃의 RTA 공정은 silicide를 형성한다. 이 때, 탄소 원자가 확산하면서 silicide를 형성하지 않은 니켈 영역의 탄소 농도가 증가하게 된다. 마지막으로 니켈 그레인에 탄소 농도의 과포화가 발생하면서, root-type의 MWNT가 성장하게 된다.
이번 연구는 탄소를 풍부하게 지니고 있는 니켈 박막을 이용한 새로운 MWNT 성장법을 제시했다. 촉매 금속과 필요한 탄소 소스를 동시에 증착하고, 또한 diffusion barrier를 증착하지 않아도 되는 장점이 있다. 하단에 형성된 nickel silicide는 전도성 특성을 지니고 있기 때문에, 계층적인 나노 구조를 이용한 다양한 응용이 가능할 것으로 전망된다. GTB

자동차 배기가스 촉매 백금보다 고성능
철ㆍ세륨 탄소합금 개발
제조원가 10분의 1
東京農工大學 대학원 공학부의 龜山秀雄 교수, 東京工業大學 국제고분자기초연구센터의 宮田淸藏 특임교수 등은 자동차 배기가스 정화로 백금계 촉매보다 고성능인 철·세륨 카본얼로이(탄소합금)촉매를 개발했다. 제조 원가는 백금계 촉매의 10분의 1이 된다. 고가인 귀금속을 사용하지 않기 때문에 중국이나 인도 등 신흥국용 저가 자동차에 활용할 수 있는 환경대응기술로서도 기대할 수 있을 것 같다.
東京農工大學과 東京工業大學의 연구팀은 철, 세륨, 카본으로 만든 특정한 비율의 새 촉매로 높은 성능을 얻었다. 구체적으로는 자동차의 배합 배기가스 모델을 사용하여 각 성분이 분해되어 반이 되는 전화율(轉化率) 50%의 온도를 조사했다. 저온일수록 고활성이라고 할 수 있다.
그 결과, 배기가스인 일산화탄소의 분해에서는 새 초매가 백금계 촉매보다 83℃, 탄화수소의 경우는 81℃, 질소산화물에서는 4℃, 각각 낮아진다는 것이 밝혀졌다.
새 초매의 원료는 모두 저가로, 제작법은 철초산염, 세륨초산염에 그라파이트를 섞어서 조정·반응시킨 것뿐. 원료가격이 현저하게 싼데다가 촉매제조과정에서 발생하는 이산화탄소(CO2)는 10%로 낮출 수 있다고 한다.
3종류의 배기가스를 처리하는 3원 촉매는 백금을 베이스로 팔라듐 등을 섞은 것이 주류로 백금의 일본 내 수요 중 3분의 2는 자동차 촉매용으로 쓰이고 있다. 비백금계 촉매인 2가지 성분의 조합도 검토되고 있지만 이번에는 3가지 성분으로 고성능을 발휘하는 혼합비를 특정 짓는데 성공했다. 일간공업

SOFC용
전해질 재료를 2종 개발
物材機構 BZY소결성 향상
물질·재료연구기구는 고체산화물 연료전지(SOFC)용의 새로운 전해질 재료를 2종류 개발했다. 차세대 재료로 기대되는 이트륨 첨가 지르콘산 바륨(BZY)의 소결성 등을 첨가물 등으로 높였다. 양산 프로세스에도 적합하여 전해질에 필요한 화학적 안정성 등의 조건을 높은 수준에서 만족시킨다. 500-650℃의 중온도역에서 작동하는 SOFC의 실용화에 기여한다.
SOFC는 연료전지 중에서도 가장 효율이 높은데, 운전온도가 700-1000℃로 높아 신뢰성에 문제가 있다고 알려져 있어 낮은 온도에서 작동하는 SOFC의 연구가 한창이다.
한편, 종래 재료인 산소이온전도체는 중온도역에서는 전해질로서 필요한 특성인 이온도전성이 저하한다는 결점이 있다.  
BZY는 우수한 화학안전성이 있는 반면, 소결로 생기는 결정입계가 수소이온(프로톤)의 전도율을 낮추기 때문에 필요한 특성이 나오지 않았다.
이번에 레어어스(희토류)인 프라세오디뮴을 10% 더해서 소결성을 개선했다. 특성을 본 결과, 600℃의 조건 하에서 높은 프로톤 전도율을 얻었다.
또 산화니켈과 BZY의 혼합분말을 곧힌 기판 위에 프레스 성형한 인듐 첨가 지르콘산바륨(BZI)도 만들었다.
두 재료 모두 범용 프레스기와 대기 중의 소결로 양산할 수 있으므로 SOFC의 양산화를 가속할 것으로 기대된다. 일간공업

재료를 초전도체로 변화시킨 레이저
1911년에 초전도체가 최초로 관찰된 지 1백년이 지나서, 비초전도체를 강력한 레이저 펄스로 때린 뒤에 초전도성의 결정적인 특징을 옥스퍼드대와 독일 및 일본 연구팀이 관찰했다.
“우리는 레이저 빛을 이용하여 보통의 절연체를 초전도체로 전환시켰다. 이번 결과로부터 이런 종류의 재료에 대해 알게 되는 것들을 생각하면 벌써 흥분된다. 그러나 당장의 문제는 훨씬 더 높은 온도에서 재료를 초전도체로 만들 수 있는지의 여부이다.”라고 옥스퍼드대 물리학과와 막스플랑크 구조동역학과 교수인 안드레아 바랄레리(Andrea Cavalleri)는 말했다. 연구진이 사용한 재료는 고온 산화구리 초전도체와 밀접한 관련이 있지만, 일반적으로 이 재료의 전자와 원자 배치는 전기적인 흐름을 방해한다. ‘Science’에 발표된 논문에서, 연구진은 강력한 적외선 레이저 펄스를 이용하여 이 재료 내부의 일부 원자들의 위치를 교란시키는 방법을 설명했다. 절대영도보다 겨우 20도 높은 온도로 유지된 이 합성물질은 거의 즉시 아주 짧은 시간 동안 초전도체가 된 뒤, 다시 보통의 상태로 이완되었다.

그림 : 레이저 빛을 이용하여 재료를 초전도체로 변형시킨다.

초전도는 전류가 재료를 저항 없이 통과해서 흐를 수 있는 현상을 말한다. 그러한 재료는 어떠한 에너지도 손실되지 않는 완벽한 전도체이다. 그러나 당장의 의문은 우리가 그러한 재료를 훨씬 더 높은 온도에서 초전도체로 만들 수 있는지의 여부이다. 고온 초전도체는 산화구리 층들로 이루어진 재료들에서 발견될 수 있으며, 전형적으로는 -170°C까지의 온도에서 초전도 특성을 보인다. 이 합성재료에서 전자들이 저항 없이 집단적으로 통과하는 상태로 정렬되도록 하는 것은 원자와 전자들의 적절한 상호작용 때문인 것으로 여겨지고 있다.
“전자들이 정렬되고 초전도 현상을 보이는 데에는 아주 짧은 시간밖에 걸리지 않는다는 점에서, 비초전도 상태와 초전도 상태는 이러한 재료에서 그렇게 다르지 않다는 것을 우리가 입증했다. 이것은 전자들이 본질적으로는 이미 비초전도 상태로 정렬되어 있지만, 무언가가 이 전자들이 저항 없이 흐르지 못하도록 막고 있었다는 것을 의미한다. 정밀하게 조절된 레이저 빛이 그러한 방해를 제거하여 초전도성이 나타나도록 만든다.”라고 카발레리는 말했다. 이번 성과는 이런 종류의 물질에서 초전도성이 어떻게 발생하는지를 정밀하게 조사할 수 있는 새로운 방법을 제공한다. 이것은 고온 초전도체가 1986년에 처음 발견된 이후부터 의문이었다.
그러나 연구진은 이번 성과로 인해서 더욱 높은 온도에서 초전도성을 얻는 새로운 수단도 제공될 수 있으리라는 희망을 갖고 있다. 만일 실온에서 작동하는 초전도체가 얻어질 수 있다면, 훨씬 더 많은 기술응용 분야들이 열릴 것이다. “훨씬 더 높은 온도에서 초전도성을 얻는 것이 가능할 것이라는 학파도 있지만, 재료 안에서 다소 경쟁적인 형태의 정렬이 방해하고 있다. 만일 이 경쟁적인 정렬을 파괴하여 초전도성을 실온에서 발현시킬 수 있다면, 우리는 이러한 생각을 조사해볼 수 있을 것이다. 확실히 시도해볼만 하다.”라고 카발레리는 말했다. GTB

절연체에서 금속으로 변화
산화물로 구조 해명
東北大學 원자분자재료과학 고등연구기구의 王中長 조교, 幾原雄一 교수, 川崎雅司 교수 등의 연구팀은 산화물 박막을 사용하여 절연체가 금속으로 바뀌는 상세한 구조를 밝혀냈다. 절연체에서 금속으로 바뀌는 경계에서 성능이 향상하는, 새로운 초전도 소자와 열전변환소자 등의 개발로 이어질 것으로 기대된다.
연구팀은 인공보석으로 알려진 티탄산스트론튬의 절연체를 사용하여 전도전자를 만들어내는 캐리어 공급층을 사이에 끼운 산화막의 초격자 구조를 제작했다. 절연체층, 캐리어 공급층, 절연체층과 층상으로 쌓은 이 구조에서 전기가 잘 흐르지 않는 절연체층의 체적을 늘리면 반대로 전기가 잘 흐르게 된다(금속상태가 된다)는 것을 발견했다.
전자현미경으로 원자구조를 직접 관찰하여 전자상태를 이론적으로 계산한 결과, 절연체를 증가시키면 계면에서 결정의 뒤틀림이 적어져 도전성이 올라간다는 것을 알았다고 한다. 산화물 재료의 도전성을 제어하는 방법이 되어 차세대 투명산화물 소자 등의 개발이 진전된다. 일간공업

분수양자홀 효과
산화물의 계면에서 관측
전자이동도가 최고치
東京大學의 塚崎敦 특임강사, 東北大學의 川崎雅司 교수 등 연구팀은 깨끗한 계면에서만 일어나는 현상 「분수양자홀효과」를 마그네슘을 첨가한 산화아연과 산화아연의 계면에서 관측하는데 성공했다. 결함 등이 생기지 않도록 계면을 만들었기 때문으로 산화물의 계면에서 이 효과를 관측하기는 세계 최초. 또 산화물 계면에서의 전자이동도에서 세계 최고치를 갱신했다.
단결정 산화아연 위에 분자선 에피탁셜법을 사용하여 마그네슘을 첨가한 산화아연 결정을 성장시켜 계면을 만들었다. 결정의 성장속도를 올려서 결함이 적고 순도가 높은 계면을 실현했다.
분자양자홀효과는 계면에 있는 전자에 대해 강한 자장을 가하면 전자 사이의 상호작용에 의해 일어나는 현상으로 결함이나 불순물이 적은 계면에서만 관측된다. 지금까지 갈륨비소로 만든 화합물 반도체끼리의 계면이나 단층 카본시트의 그라펜 등 한정된 재료에서만 관측되었다. 이번 성과는 산화물 재료에서 일어나는 새로운 양자현상이 발현과 해명의 실마리가 된다고 한다. 한편 연구팀이 만든 계면에서의 전자이동도는 지금까지 산화물계 계면에서의 최고치와 비교할 때 9배의 값을 보였다. 산화아연의 발광다이오드(LED)를 휘도를 높이거나 산화아연으로 된 투명 트랜지스터를 낮은 전압에서 동작시키거나 하는 등 전자소자의 성능향상으로 이어진다. 일간공업

친환경 자동차를 위한 차세대 전지 개발 현황
자동차 업체는 전기 자동차 (EV) 등 차세대 친환경 자동차에 탑재하는 고성능 전지의 생산을 잇따라 강화한다. 미쓰비시 자동차가 합작 생산 능력을 확충하는 한편, 닛산 자동차도 구미에서 생산을 시작할 예정이다. 차세대 친환경 자동차의 양산은 핵심 부품인 전지의 공급 태세의 확립이 열쇠를 쥐고 있으며, 각사 모두 전지의 안정 조달을 조기에 실현하여 친환경 자동차 시장에서 경쟁력을 갖출 계획이다.
Mmc는 GS 유아사 및 엠씨와 공동 출자하는 전지 메이커 “리튬 에너지”의 생산 능력을 2012년까지 현재보다 약 3.8배로 끌어올린다.
같은 년도까지 계획하는 시가현의 제 3 공장 가동은 EV 환산으로 연간 5만대 분의 리튬 이온 전지를 생산하여, 총 6 만 7800 대분 의 생산 태세를 확보할 예정이다. EV “아이 미브”을 생산하는 mmc 미즈시마 제작소 (오카야마현 쿠라 시키시)에서도 리튬 이온 배터리의 조립 라인의 강화를 도모한다.
mmc는 내년도에 경량 상용차의 EV를 투입할 예정이며, EV 생산 대수를 올해보다 2배 많은 1만 8000대로 계획하고 있다. 또한 12년도까지 EV 생산을 연 4만대 이상으로 끌어올려 EV를 중심으로 세계 시장 점유율 확대를 목표로 한다.
지난해 말 EV “리프”를 발매한 닛산도 실행중인 가나가와현 자마시 공장에 이어 12년 미국과 유럽에서도 EV용 리튬 이온 전지의 생산을 시작할 계획이다. 13년초까지 세계에서 연 50만대 분 전지 생산 체제를 마련할 계획이다.
반면 도요타는 연내에, 가정용 전원으로 충전할 수 있는 플러그인 하이브리드 자동차 (PHV)에 탑재하는 리튬 이온 전지의 양산에 나설 방침이다. 파나소닉과 공동 출자하는 전지 제조 회사에서 양산 라인 신설을 검토하고, 12년초의 PHV 시장 진출을 위한 전지도 공급 태세의 강화를 서두른다.
각사가 전지 생산을 강화하는 것은 EV 등의 공급에 걸림돌은 “차량이 아니라 (핵심 부품) 배터리 부족”(닛산의 카를로스 곤 사장)라는 인식이 강하기 때문이다. 리튬 이온 배터리는 현재 EV 생산 비용의 절반을 차지하고 있으며, 양산 효과로 비용 절감을 꾀할 수 있는 장점도 있다.
차세대 친환경 자동차 시장은 소비자의 환경 의식의 고양과 세계 각국의 환경 규제의 강화 등을 배경으로 급성장이 예상되고 있지만, 시장의 패권 싸움의 행방은 전지 증산 경쟁에 크게 좌우되는 것임에 틀림이 없다. GTB

탄소섬유 강화 플라스틱
가공속도 매분 2m
最新레이저技硏 올해 40배로
最新레이저技術硏究센터(愛知縣 安城市, 사장 沓名宗春)는 산학관 팀에서 하고 있는 레이저에 의한 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)가공의 연구에서 올해 말을 목표로 두께 1밀리미터의 CFRP의 절단속도를 현재의 매분 몇 센티미터에서 동(同) 2미터로 끌어올린다. 레이저 가공의 과제였던 열에 의한 절단면의 품질열화는 이미 해소되어 고정도(高精度)로 절단할 수 있다. 앞으로는 가공속도를 향상시켜서 CFRP의 채용이 확대될 항공기 업계 등에서의 실용화를 꾀한다.
연구에서는 레이저를 나노초 단위의 초단펄스로 발진하는 장치를 사용. 속도 향상을 위해서는 장치의 개량과 가공조건을 연구한다. 名古屋대학과 愛知縣산업기술연구소, 童夢카본매직(滋賀縣 米原市), 今井항공기기공업(岐阜縣 各務原市)등의 산학관이 연대하여 연구하고 있다.
초단펄스레이저로 가공대상물 표면을 순식간에 플라즈마화하여 제거하는 레이저 어블레이션을 일으켜서 가공한다. 연속적인 레이저 등 CFRP의 수지가 열에 의해 증발하여 탄소섬유가 드러나게 된다. 레이저 어블레이션으로는 열이 주위에 전달되기 전에 가공할 수 있으므로 품질열화를 막는다.
단 표면을 조금씩 제거하므로 절단하기 위해서는 같은 부분을 몇 번이나 왕래하며 레이저를 조사해야 한다. 따라서 가공속도는 현재, 두께 1밀리미터에 매분 5, 6센티미터에 그친다. 항공기업계에서 이미 사용되고 있는 워터제트(WJ)가공기는 동 10미터-20미터로 절단할 수 있다고 한다.
그러나 WJ를 사용하고 연마재를 포함한 물로 CFRP를 절단하면 사용 후에 연마재를 분리회수하기가 어려워 재이용이 곤란하므로 가공 원가가 높아지는 것이 문제. 레이저가 실용화되면 WJ보다도 가공 원가를 낮출 수 있을 것으로 보고 있다. 일간공업

연료 전지, 태양 전지, 축전지를 탑재한 주택 거주 실험 개시
오사카와 세키스이 하우스는 연료 전지, 태양 전지, 축전지를 함께 갖춘 주택으로 3년 동안 거주 실험을 시작한다. 전기와 열을 효율적으로 관리함으로써 쾌적성과 에너지 절약을 양립시킨 “스마트 에너지 하우스”의 실현을 목표로 한다. 주택뿐만 아니라, 거주자가 이용하는 전기 자동차 (EV)를 비롯하여 CO2 (이산화탄소) 배출량을 제로로 하는 것을 목표로 하고 있다.

그림 1. 거주 실험을 시작한 나라현

그림 2. 거주 실험에 사용 HEMS 예제 화면

천연 가스를 사용하여 발전하는 동시에 발생하는 열을 이용하는 가정용 연료 전지 열병합 발전 시스템과 태양 전지를 맞춘 더블 발전에 축전지를 추가, 전기와 열을 만들어 위해 쓰는 주택를 “스마트 에너지 하우스”라고 부른다. 양사는 2009 년도 경제산업성 위탁 사업의 실증 프로젝트에 참여하고, 3가지 전지에 의한 에너지 절약 시스템의 실현 가능성을 확인하였다. 이번에 실제 거주 환경에서 에너지 절약 효과와 편안한 편리성 향상을 검증한다. 실험은 나라현에 경량 철골조 2층 4LDK 주택으로 연면적 138.8m2으로 3인 가족이 2014 년 3월까지 주거할 예정이다. 발전 능력 700W의 고체 산화물 연료 전지(SOFC), 5.08kW 다 결정형 태양 전지, 축전 용량 3.5kWh 리튬 이온 배터리를 갖추고 있다. 3종류의 전지를 사용한 주택에 3년간 거주 실험은 일본 최초이다. 3가지 전지와 가전, 급탕 설비는 HEMS (Home Energy Management System)로 제어한다. EV 충전 시설, LED (발광 다이오드) 조명도 소개했다.
실험에서는 3가지 배터리를 최적으로 제어하는 경우 에너지 절약 효과를 검증하는 것 외에 EV 주행 충전 데이터를 검색하여 EV의 축전지를 고정형 축전지의 대안으로 사용했을 때의 효과를 검토한다. 또한 에너지의 시각화, 에너지 절약 조언으로 거주자의 에너지 절약 행동을 촉진하고 효과를 검증한다. 양사는 스마트 에너지 하우스의 조기 시장 투입을 목표로 2015년까지 실용 레벨의 기술을 개발한다. GTB

철계 고온초전도체
철 원자의 역할 해명
고휘도 광센서 등
고휘도광과학연구센터는 미국 미시건 대학, 중국의 浙江대학과 공동으로 18K(K는 절대온도, 0K는 마이너스 273℃) 부근에서 초전도 상태가 일시적으로 소실되는 철계 고온초전도체의 철 원자 역할을 밝혀냈다. 이 초전도체는 본래 철원자가 초전도의 역할을 담당한다고 생각되어 왔으나, 18K 부근의 온도에서는 철 원자가 초전도의 역할을 일단 그치고 강자성을 담당하게 된다는 것을 알았다. 성과는 자장으로 초전도를 온 오프하는 새로운 디바이스의 개발로 이어질 가능성이 있다.
이번 연구대상으로 삼은 철계 고온초전도체는 초전도와 강자성 양쪽의 성질을 아울러 가진 신기한 물질. 초전도체를 구성하는 철 원자가 초전도를 담당하고, 유로퓸 원자가 강자장을 담당한다는 구성 원자 사이의 분담작업으로 공존이 성립하고 있는 것이라고 생각되고 있다. 실험에서는 대형 방사광 시설「스프링8」의 방사광 X선을 이용하여 이 초전도체 속에 있는 자성전자의 속도분포를 해석했다. 26K에서 서서히 5K까지 온도를 낮춘 결과, 18K 부근에서 철 원자가 강자성을 담당하는 미약한 신호를 검출할 수 있었다. 일간공업

토요타, 희토류 원소 의존도를 줄이는 대체 전기모터 개발 중
프리우스 하이브리드 자동차의 제조사인 토요타는 희토류 원소(Rare Earth Metals)에 대한 의존도를 줄이고 비용을 저감시킬 수 있는 새로운 종류의 전기 모터를 개발하고 있다고 발표하였다. 토요타는 이번 새로운 기술이 세계 최대의 자동차메이커인 토요타가 중국의 희토류 자원 의존도를 줄이는데 도움을 줄 것으로 기대하고 있다. 현재 사용되는 하이브리드 가솔린-전기 모터를 포함하여 많은 최첨단 제품에 사용되는 희토류 자원은 중국이 전체생산량 중 97%를 차지하고 있다. 중국은 지난 `10년 일본과의 외교 마찰이후 특정 자원 수출금지를 내렸으며 일본의 최첨단 분야는 상당한 타격을 받은 바 있다. 또한 생산량 조절로 인해 가격이 상승하게 되었다.
대변인인 Paul Nolasco에 따르면 토요타는 자원 및 비용 절감방안을 지속적으로 모색하고 있다. 토요타 엔지니어들은 유도 모터(Induction Motor)라고 불리는 제품을 개발 중이며, 이는 현재 프리우스에서 사용되는 자석형 모터(Magnet-type Motor)보다 가볍고 보다 효율적일 것으로 기대된다. 그러나 현재 개발 단계인 이번 연구에 대해 구체적으로 언제 판매가 될지 언급하지 않았다. 희토류 원소 물질이 필요하지 않은 새로운 유도 모터는 영구자석 모터보다 높은 효율과 내구성을 제공한다. 지금까지 영구자석 모터는 주행 사이클 기간에 우수한 토크 밀도(Torque Density)를 보여주어 하이브리드 및 일부 전기자동차용으로 선호되어 왔다.
토요타는 가솔린-전기 하이브리드 기술에 크게 승부를 걸고 있다. 토요타의 한 임원은 `12년 부터 미국, 일본, 유럽에서 완전한 전기자동차의 판매가 시작될 것이라고 예상한 바 있다. 토요타는 미국의 고급 전기자동차 제조사인 테슬라(Tesla)와 함께 전기 SUV(Sport-utility Vehicle)를 개발하고자 작업 중에 있다. 토요타는 테슬라사가 제공하는 유도 모터를 장착한 소형 SUV 차량을 12년에 판매할 계획을 갖고 있으며, 이 차량은 희토류 원소를 사용하지 않는다. 테슬라사 역시 모든 전기자동차나 미래의 제품에 유사한 모델을 적용할 것이며 희토류 원소를 사용하지 않을 계획이다.
분석가들은 이러한 자동차 생산이 아직까지는 희토류 원소의 부족에서 오는 단기 위기가 거의 없을 정도로 소량만이 생산되고 있지만, 갑작스럽게 바뀔 가능성이 있다고 말한다. 미즈호 투자자 증권(Mizuho Investors Securities)의 Ryoichi Saito는 아직까지 희토류 원소는 주요 이슈가 되지 않으나, 전기자동차의 인기가 높아지면 공급 감소나 중단으로 큰 위기를 가져올 우려가 있다고 말하였다. 또한 중국의 수출 불확실성으로 대체 제품을 개발하는 것은 당연한 일이라고 덧 붙였다. 일본은 대체 자원을 개발하기 위해 아시아 지역 다른 국가들과 활발하게 거래를 추구하고 있다.
중국은 조어도 근해 중국 어선 나포 사건과 관련해 일본에 희토류 원소 수출을 금지한지 2달만인 `10년 11월에 수출을 재개하였다. 중국은 희토류 원소에 대한 국외 수출량을 점차 줄여가고 있다. 이번달 초에 중국은 환경 표준을 강화할 것이라고 발표하였으며 이로 인해 전세계적으로 가격이 상승할 가능성이 있다. `10년 중국의 희토류 자원 수출규모는 24,280톤이었으며 이는 `09년대비 30% 축소된 양이다. 미국, 캐나다, 호주는 희토류 원소를 보유하고 있으나 중국이 저가로 공급하기 시작한 90년대에 채굴을 중지하였다. 중국은 전세계 희토류 원소 매장량 중 30%를 보유하고 있는 것으로 나타났다. GTB