OSU-고온 어플리케이션을 위한 Double Perovskite재료 개발
Ceramics Bulletin은 2010년 3월 가스터빈엔진의 고온 환경 시뮬레이션을 목적으로 Ohio State University(OSU)가 개발한 정밀제어 화염발생 시스템에 대해 소개한 바 있다. (당시 Ohio State University의 연구는 터빈엔진을 고온으로부터 보호하기 위한 코팅물질의 수명 예측과 엔진에서 발생하는 오염물질들이 가스터빈엔진에 미치는 영향에 대한 조사에 초점이 맞춰져 있었다.) OSU의 연구팀에 따르면 그들은 이 후 추가적인 연구를 통해 기존에 사용되던 물질보다 가스터빈 엔진 내부의 고온 환경을 잘 견뎌낼 수 있는 물질을 개발하는데 성공했다고 한다. Double-Perovskite라는 결정구조를 갖는 이 산화물은 1,000℃ 이상의 온도에서도 타지 않고 그 형태와 특성을 유지하는데 이는 이 물질이 이미 완전히 산화된 물질이기 때문이다. OSU 연구팀의 Joan Slattery Wall은 OSU의 공과대학 보도 자료인 News in Engineering에 실린 기사를 통해 Double-Perovskite구조에 대해 “두 개의 피라미드 아랫면이 겹쳐진 8면체 형태로 6개의 원자가 배열된 원자 블록 4개가 Cube 형태로 중심의 원자를 둘러싼 구조”라고 설명했다. Double-Perovskite 결정에서 가운데 즉, 4개의 팔면체 블록 내부에 있는 원자는 2가지 종류로 이루어져 있으며 각각의 원자는 인접한 ‘블록 내부 공간’에 위치한다. OSU의 연구팀이 사용한 Double-Perovskite물질은 Sr2FeMoO6로 팔면체 블록 내부에 위치하는 원자는 Fe와 Mo이며 이 두 원자는 Sr2FeMoO6에 자성을 부여하는 역할을 한다. OSU의 연구팀은 OSU의 전기컴퓨터 공학부 교수인 Leonardo Brillson가 이끌고 있다. Leonardo Brillson에 따르면 Double-Perovskite구조인 Sr2FeMoO6는 고유의 자성특성을 이용하여 압력, 온도, 자기장, 전압 등을 측정하는 센서로도 활용될 수 있다고 한다. “Perovskite 결정 구조는 팔면체 블록 4개가 만들어 낸 공간상에 위치하는 상이한 크기를 지닌 두 개의 원자에 의해 독특한 전기적, 자기적 특성을 가지는데 이 두 개 원자들의 종류를 바꾸는 방법으로 물질의 특성을 조절 할 수 있다.”고 Leonardo Brillson은 News in Engineering을 통해 설명 했다. Double-Perovskite구조 물질이 유용하게 사용될 수 있는 응용분야로는 비행기의 제트엔진 모니터링 센서, 전자회로, 페이즈드 어레이 안테나(phased array antenna)등이 있다. Double-Perovskite 결정의 적층구조는 전기신호의 손실을 막아주는 역할을 한다. OSU의 연구팀은 분자 빔 에피텍시(Molecular Beam Epitaxy : MBE)기술을 통해 원자 층하나 하나를 쌓아올리는 방식을 통해 결정구조 내 결함을 최소화 한 Double-Perovskite결정을 만들 수 있었다고 한다. Double-Perovskite결정내부의 결함은 결정 내부에서 이동하는 전자들의 스핀파동을 바꾸기 때문에 전자의 스핀을 이용하기 위해선 결함을 최소화한 결정의 제작이 매우 중요하다. 전자의 스핀은 물질의 자성을 결정짓는 요소로 알려져 있으며 전자의 스핀을 이용하면 기존의 전자회로에 비해 두 배의 정보를 처리할 수 있는 전자회로의 구현이 가능하다. Leonardo Brillson은 미국세라믹학회(ACerS)에서 개최한 학술회의인 2010 Materials Challenges in Alternative and Renewable Energy에서의 보여준 뛰어난 강연으로 잘 알려진 인물이다. “Advanced Materials for Out Energy Future”라는 제목의 Leonardo Brillson의 강연은 http://www.ceramics.org/meetings/meetings-archives/energy-2010-archive에서 다운로드할 수 있다. ACB

[그림 1] Double-Perovskite 결정구조 모식도 - Double-Perovskite 결정에서 가운데 즉, 4개의 팔면체 블록 내부에 있는 원자는 2가지 종류로 이루어져 있으며 각각의 원자는 인접한 ‘블록 내부 공간’에 위치한다. OSU의 연구팀이 사용한 Double-Perovskite물질은 Sr2FeMoO6로 팔면체 블록 내부에 위치하는 원자는 Fe와 Mo 이며 이 두 원자는 Sr2FeMoO6에 자성을 부여하는 역할을 한다. Double-Perovskite구조인 Sr2FeMoO6는 고유의 자성특성을 이용하여 압력, 온도, 자기장, 전압 등을 측정하는 센서로도 활용될 수 있다고 한다. “Perovskite 결정 구조는 팔면체 블록 4개가 만들어 낸 공간상에 위치하는 상이한 크기를 지닌 두 개의 원자에 의해 독특한 전기적, 자기적 특성을 가지는데 이 두 개 원자들의 종류를 바꾸는 방법으로 물질의 특성을 조절 할 수 있다.

탁상 사이즈의 3D 현미경
物材機構 철강 재료에도 적용
物質・材料硏究機構는 中山電機(大阪府 四条畷市, 사장 中山誠)과 공동으로 철강재료에도 적용할 수 있는 탁상 사이즈의 3차원 현미경을 개발했다. 컴퓨터 제어로 조직관찰, 연마, 세정 등을 반복하여 전자동으로 실시, 고효율로 3차원 조직상을 얻을 수 있었다. 발전소 시설에서 문제가 되는 응력부식 갈라짐의 발생기점의 해명 등 재료신뢰성 확보를 위한 파괴기구의 해명에 공헌할 수 있다. 금속재료의 분야에서는 몇 마이크로미터 - 몇 백 마이크로미터 사이즈의 금속 내부 조직의 3차원 상(像)을 얻으려면 기계 연마와 광학현미경 관찰을 반복하는 방법이 사용되고 있다. 그러나 수동으로 실시할 때에는 100장의 상을 얻기 위해 몇 개월이 걸리는 이외에 자동화에도 큰 설비가 필요하여 고가가 되는 등의 과제가 있었다.
이번에 위치 정도가 높은 스테핑 모터를 사용하는 새 기구를 채용한 이외에 레이저에 의해 연마량의 고정도 측정을 실현. 재료와의 반응을 제어할 수 있는 습식 연마법 등도 도입하여 총중량 약 40킬로그램으로 소형화하면서 일련의 조직 관찰 과정을 전자동화할 수 있었다. 일간공업

실리콘 잉크 프린팅 기술을 이용한 비정질 실리콘 태양전지 제조기술 개발
태양광 에너지를 이용한 발전의 보급을 위해 가장 중요하게 생각되는 것은 태양광 발전의 발전단가를 낮추는 것이다. 태양광 발전의 발전단가를 높이는 가장 큰 원인은 태양전지의 재료가 되는 결정질 실리콘의 높은 가격이다. 기존의 값비싼 결정질 실리콘 태양전지를 대체하기 위한 기술로 비정질 박막실리콘 태양전지, 마이크로 결정질 박막실리콘 태양전지 등의 기술이 개발되고 이러한 기술들의 상용화를 위한 노력이 꾸준히 진행되고 있음에도 불구하고 현재까지 개발된 어떤 태양전지도 기존의 결정질 실리콘 태양전지를 대체하지 못하고 있다. 하지만 일본의 Japan Advanced Institute of Science and Technology(JAIST)에서 개발한 실리콘 잉크를 이용해 제작된 비정질 실리콘 태양전지는 매우 간단한 제조공정과 값싼 재료를 사용한다는 점에서 기존의 결정질 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 기술이 될 수 있을 것으로 보인다.
J연구팀의 리더이자 JAIST의 재료공학부 교수인 Tatsuya Shimoda에 따르면 그들이 개발한 잉크를 이용해 제작한 비정질 실리콘 태양전지는 1.79%의 광전 변환효율을 가진다고 한다. “1.79%의 광전 변환효율은 상용화되기엔 너무 낮은 효율이지만 잉크를 이용한 프린팅 기법을 이용해 태양전지를 제작할 수 있다는 점에서 JAIST가 개발한 비정질 태양전지는 기존의 비정질 태양전지에 비해 높은 상업적 가치를 지녔다고 할 수 있습니다.” Tatsuya는 이야기 했다.
연구팀이 개발한 태양전지는 PIN 타입(P-Type / Intrisic / Ntype이 적층된 구조의 태양전지)의 태양전지로 실리콘 잉크를 이용하여 P/I/N 각각의 층을 유리기판위에 인쇄하는 프린팅 기법을 통해 제작되었다.
JAIST의 연구팀은 실리콘 잉크를 제조하기 위해 상온에서 액체 상태인 Cyclopentasilane(Si5H10)이라는 전구체를 사용하였다. Cyclopentasilane은 중합과정을 통해 비휘발성의 Polynsilane Chain으로 변형되며 이를 용매에 용해시키는 방법으로 실리콘 잉크가 만들어진다. Polynsilane은 수년전 개발된 물질로 SiH4가 Chain처럼 얽혀있는 구조를 갖는다. 개발당시 Polynsilane은 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition)공정을 이용한 비정질 실리콘 증착을 위한 물질로 사용되었으며 Polysilane을 원료물질로 하는 화학기상증착 방식으로 제작된 PIN 태양전지는 0.51%의 광전변환 효율을 보여주었다.
JAIST의 연구팀은 Polysilane을 이용한 화학기상증착 방식으로는 넓은 면적에 균일한 두께로 증착된 비정질 실리콘 박막을 형성하는데 한계가 있다고 판단하여 Polysilane을 원료로 하는 실리콘 잉크의 제조와 실리콘 잉크를 이용한 프린팅기법을 태양전지 제작에 활용하는 기술에 대한 연구를 시작하였다. 연구팀에 따르면 실리콘 잉크-프린팅 기법을 이용해 제작한 비정질 태양전지는 화학기상증착으로 제작된 비정질 태양전지에 비해 높은 효율(잉크-프린팅:1.79 , Polysilane-화학기상증착:0.51%)을 보여주었을 뿐 아니라 훨씬 간단한 방법으로 대면적의 기판에 균일한 두께와 품질의 박막형성이 가능함을 확인했다.
Tatsuya가 이끄는 JAIST의 연구팀은 잉크-프린팅 기법을 이용한 비정질 태양전지의 효율을 상용화가 진행되고 있는 기존의 비정질 태양전지 수준까지 개선시킬 수 있다는 확신을 가지고 있었다. 비정질 실리콘 태양전지 상용화에 있어 선두를 달리고 있는 기업은 미국의 United Solar사로 United Solar사의 비정질 실리콘 태양전지는 12%의 광전변환 효율을 갖는 것으로 알려져 있다. JAIST의 연구원들이 이야기한 바와 같이 어쩌면 비정질 실리콘 태양전지의 상용화와 보급에 있어 가장 중요한 것은 효율개선 보다는 Roll-to-Roll 공정과 같은 저비용 생산 공정을 개발하는 것 일수도 있을 것으로 보인다. ACB

[그림 2] JAIST의 연구원들은 P-type, N-type, intrinsic 으로 구성된 3종류의 실리콘 잉크를 개발했으며 이를 이용 PIN구조의 비정질 실리콘 태양전지를 제조하는데 성공했다.

5㎾급 연료전지 시스템

住友精密, 업무용으로 판매
住友精密工業은 2011년도 후반에 발전출력 5킬로와트급의 업무용 고체산화물형 연료전지(SOFC)시스템의 판매에 들어간다. 타사보다 한 발 앞서 업무용 SOFC를 상품화한다. 2013년도에는 가정용 SOFC시스템을 취급하는 시스템 메이커용으로, 동 1킬로와트급의 SOFC발전 모듈의 OEM 공급도 계획. 동 100킬로와트급까지의 업무용 대형 SOFC시스템의 개발도 추진하여 2015년도에 SOFC사업에서 연 100억 엔 규모의 매상고를 목표로 하고 있다. 이 회사는 NTT등과 09년에 동 5킬로와트급에서 정격 발전효율이 46%로 업계 최고의 SOFC 시스템을 개발. 2013년도까지 발전 모듈의 소형화와 주변기기의 간소화를 이룩하여 동 약 160만 엔까지 낮출 예정이다. 2015년도에는 가정용 발전 모듈 OEM에 의한 양산효과로 동 40만 엔으로, 가스엔진 발전기와 동등한 수준까지 저감한다. 사이즈도 동 발전기와 동등한 높이 1500밀리×폭 950밀리×깊이 400밀리미터까지 소형화하여 환경의식이 높은 기업이나 공공시설 등에 대체를 촉구한다.
住友精密은 항공엔진용 열제어 시스템이나 오존발생장치, 반도체 제조장치 등으로 배양한 기술을 바탕으로 10년 전부터 SOFC 시스템의 개발에 착수. 공동개발에서는 코어 부품의 셀(발전소자) 이외의 설계 개발을 이미 착수했다. 住友精密의 神永晋 사장은「중핵사업으로 육성하고 싶다」고 말하고 있다. 일간공업

양자효과에 의한 유리의 초저온 용융현상
Columbia University와 Tel Aviv University 그리고 University of Tsukuba의 연구원들로 구성된 공동연구팀은 극한의 온도에서 벌어지는 유리의 물성변화를 예측하기위해 양자역학 이론을 적용하여 분석한 결과 유리를 절대온도 0K에 가까운 극한의 저온까지 냉각시키면 유리가 액체상태가 될 수 있음을 이론적으로 밝혀냈다고 한다. 물질을 구성하는 원자들은 일정한 범위 내에서 운동한다. 원자들의 운동 속도는 온도에 따라 변하며 온도가 낮아지면 운동속도가 늦어지고 온도가 올라가면 원자들의 운동속도는 빨라진다. 유리의 경우도 이와 마찬가지로 온도가 낮아지면서 유리를 구성하는 원자의 운동속도가 감소하며 절대온도 0K에 가까워지면 유리를 구성하는 원자들의 이동속도는 매우 늦어지고 이 때 유리를 구성하는 원자들은 입자보다는 파동에 가까운 거동을 보이기 시작한다. 공동연구팀의 연구원들에 따르면 유리를 구성하는 원자들의 파동적 거동은 각각의 원자들이 사슬처럼 배열된 유리의 실리콘과 산소 원자 망 사이를 통해 유동할 수 있게 해준다고 한다. 연구팀은 Nature Physics에 개제된 논문(doi:10.1038/nphys1865)을 통해 “극저온에서 벌어지는 이러한 현상은 유리를 구성하는 원자들의 자유도를 증가시키며 이러한 원자의 자유도 증가는 유리가 고체가 아닌 액체와 같은 물리적 거동을 보일 것”이라고 이야기 하고 있다. “‘유리를 극저온 까지 냉각시키면 액체 상태로 만들 수 있을 것’이란 이론을 만들어 낸 것은 이미 수년전입니다.” 연구팀의 리더인 David Reichman은 이야기 했다. “당시엔 연구팀의 어느 누구도 그 이론을 믿지 않았습니다. 분명 어딘가에서 착오가 있었다고 생각했죠. 하지만 거듭된 검증에도 그 결과는 변하지 않았습니다. 이후 우리 연구팀은 시뮬레이션을 통해 온도에 따른 유리의 거동변화를 관찰했으며 그 결과 극저온에서 유리가 액체처럼 거동할 수 있다는 사실이 다시한번 증명되었습니다.” 연구팀에 따르면 현재까지 ‘극저온 냉각을 통한 유리용융’현상을 실제로 관찰하지는 못했다고 한다. “흥미로운 것은 양자효과에 의해서 생각지도 못한 현상이 벌어질 수 있다는 것입니다. 유리를 녹이기 위해선 유리를 녹는점 이상의 온도까지 가열해야 한다는 것이 모든 사람의 생입니다. 어느 누가 극저온에서 액체유리가 만들어 질 것이라고 생각했겠습니까?” 연구팀의 일원인 Eran Rabani는 이야기 했다. 연구팀은 자신들이 수행한 시뮬레이션 영상을 웹사이트를 통해 공개하고 있다. (http://bcove.me/scz3ejv7) 연구팀이 공개한 시뮬레이션 영상은 절대온도 0K에 가까운 극저온에서 유리를 구성하는 실리콘과 산소원자의 운동을 보여주며 영상 속의 원자들이 마치 액체와 같이 유동하는 것을 확인할 수 있다. 연구팀의 이번 연구는 노벨상 수상자인 Philip W. Anderson에 영향을 받아 시작되었다고 해도 과언이 아니다. Philip W. Anderson는 자신의 저서를 통해 과냉각된 액체인 유리의 물리적 특성이야 말로 물리학계에서 풀어야할 가장 큰 문제라고 이야기 한 바 있다. Nature Physics에 개제된 연구팀의 논문은 통계학적 접근을 통해 유리분야를 연구하는 과학자들이 양자역학 이론을 활용하는데 있어 신중에 신중을 기해야 한다고 이야기 하고 있다. “우리는 논물을 양자역학은 매우 조심스럽게 활용되어야 한다고 이야기 했습니다. 유리의 물리적 특성을 예측하는데 있어 양자역학은 도움이 되는 경우도 있지만 오히려 문제를 어렵게 만드는 경우가 많습니다. 특히 낮은 에너지상태에서는 더욱 그러합니다.” Reichman은 이야기 했다. ACB

[그림 3] 절대온도 0K 부근의 초저온에서 유리를 구성하는 원자들의 거동에 대한 시뮬레이션 정지 이미지 - 붉은색 링처럼 보이는 부분은 유리를 구성하는 원자가 유동할 수 있는 공간이다.

중용량 고전단(高剪斷) 성형가공 장치

생산성 10배를 실현
이종 고분자재 나노 혼합
니이가타머신테크노(新潟市 東區, 사장 山口久一)은 종래에 비해 생산능력을 10배로 높인 중용량 고전단 성형가공장치를 개발했다. 폴리카보네이트(PC)와 아크릴과 같은 이종 고분자 재료를 나노미터 레벨에서 혼합할 수 있는 장치로, 종래 기종은 주로 신재료 개발용이었으나 양산용으로서 수요를 전망한다. 가격은 사양에 따라서 달라 1억 5000만-2억 엔.
PC와 아크릴은 투명한 재료인데, 혼합하면 백탁(白濁)한다. 이 장치에서는 스크류를 고속회전시켜서 PC, 아크릴 모두 수십 나노미터 정도의 입자로 만들어 섞음으로써 투명한 혼합물을 생산할 수 있다. 각종 재료의 혼합 이외에 수지 속에 카본나노튜브를 분산시키는 것과 같은 일에도 대응한다.
개발한 장치는 PC와 아크릴의 혼합물일 경우, 매시 2킬로-4킬로그램을 생산할 수 있다. 생산능력을 향상하기 위해 종래 기종에 비해 스크류의 지름을 대형화했다. 주력인 공작기계의 주축 기술을 응용하여 대형 스크류도 흔들리지 않고 돌 수 있도록 했다 장치 판매와 함께 혼합물의 양산 가공 수주도 검토하고 있다. 일간공업

GE-MIT공동연구팀- 표면 얼음생성 억제기술 개발을 위한 공동연구 수행
General Electric사의 Global Research팀과 MIT의 기계공학부 연구원들로 구성된 연구팀은 비행기, 풍력터빈, 그리고 통신타워 등에 얼음이 형성되는 것을 막기 위한 소수성표면의 얼음형성방지 효과를 높일 수 있는 기술을 개발했다고 한다.
연구팀의 연구결과는 Applied Physics Letters(APL)을 통해 개제되었다. APL에 실린 연구팀의 논문은 얼음형성방지를 위해 기존에 수행된 다양한 연구들의 문제점을 지목하고 있다. 논문에 따르면 얼음형성 방지를 위한 기존의 연구는 액상인 물이 표면과 접촉하면서 얼음이 형성되는 것을 방지하는데 에만 초점을 맞추고 있는데 이러한 연구는 실제로 얼음이 형성되는 표면에서 발생할 수 있는 다양한 현상들의 가능성을 배제한 것이기 때문에 제품에 적용될 경우 생각지 못한 문제를 불러올 수 있다고 한다. 연구팀에 따르면 기존의 연구가 간과한 가장 큰 현상은 서리에 의해 얼음이 형성되는 현상이다. (서리에 의해 얼음이 형성되는 경우엔 기체상태의 물이 액상을 거치지 않고 얼음이 된다.) 연구팀의 연구결과에 따르면 서리에 의한 핵생성이 얼음의 성장과 접착력을 증가시킨다고 하며 이는 현재까지 개발된 얼음방지용 소수성 표면이 실제로는 활용가치가 없을 수도 있다는 것을 의미한다.
비행기 표면에 형성되는 얼음은 대부분 구름을 구성하는 과냉각된 물방울들이 기행기의 표면과 접촉할 때 생성된다. 하지만 최근의 연구결과는 과냉각된 물방울 이외에도 얼음을 포함한 즉, 서리상태의 물이 포함된 구름이 과포화 되는 현상에 의해 표면에 얼음이 생성될 수 있음을 보여준다. 이 경우 표면에서는 이종 얼음 핵 생성이 일어난다. 이는 표면얼음 형성 방지효과를 높이는데 있어 서리에 의한 얼음형성현상 또한 매우 중요하게 고려되어야 함을 의미한다. 한 가지 좋은 소식은 GE와 MIT 연구팀의 연구결과가 물방울에 의한 얼음 생성과 서리에 의한 얼음생성 두 가지를 모두 억제하는 기능을 갖는 표면디자인을 제안하고 있다는 점이다.
연구팀은 논문에 따르면 얼음 핵생성이 일어나는 위치를 조절하는 표면디자인(얼음 핵생성이 표면에 형성한 주상구조물 상단에서 일어나게 하면 얼음 핵의 성장을 억제할 수 있으며 이러한 상태를 [Cassie-Baxter State]라고 한다.) 통해 얼음이 잘 생성되지 않는 성질의 표면을 만들 수 있다고 한다.
이와는 반대로 얼음의 핵이 넓은 표면에 형성되면 얼음결정과 주변의 물방울 또는 서리와의 접촉 면적이 커지기 때문에 핵 성장이 촉진되는데 이러한 상태는 “Wenzel State”라고 한다. ACB

[그림 4] 표면얼음생성을 막기 위해 제작된 소수성 표면의 주사전자현미경 사진 - 표면에 있는 주상의 돌기와 바닥면 모두 소수성 물질임에도 불구하고 시간이 지남에 따라 얼음으로 덥혀 짐을 관찰할 수 있다. 이는 표면의 얼음형성이 물방울뿐만이 아니라 기체 혹은 얼음 상태의 물에 의해서도 일어날 수 있음을 의미한다.

3가지 연구회를 축으로 활동 추진
電池・물・희소금속 관련 세미나도 개최
네오메터리얼 創成硏究會(兵庫縣 尼崎市, 이사장 市原達朗)은 2011년도에 전지 비즈니스, 물 비즈니스, 고갈・희소금속 이용용 등 3개의 연구회에서 활동을 추진함과 동시에 관련 세미나를 6, 9, 12월에 각각 개최한다. 4번 째 조직으로서 의료기재 관련 연구회 설립도 예정하고 있다.
네오메터리얼 연구소는 經濟産業省의 네오클러스터 사업에 기초한 활동을 통하여 2010년도부터 일반 사단법인으로서 활동하는 중으로 108개 사의 회원으로 구성된다.
세 개의 연구회 가운데 물 연구회는 도금 폐액 등에서 니켈, 희소금속연구회는 사용이 끝난 초경공구나 절삭폐액에서 텅스텐 등을 각각 회수, 재이용하는 연구를 담당. 모두 회수 시스템의 구축이 과제이며, 배출하는 쪽인 대기업의 가입을 촉구함과 동시에 재활용 사업추진조합을 결성하는 일도 시야에 넣고 있다.
전지연구회는 4, 5개사 단위로 만드는 공동기획실의 활동이 기초가 된다. 희토류의 삭감으로 이어질 고분자 복합재나 대체금속소재의 연구개발 그룹 등이 이미 활동을 시작했다. 새로이 발족될 의료기재 관련연구회는 새로운 카테테르의 개발이 테마가 된다.
일간공업

투명 망토처럼 물체를 숨기는 방해석결정
얘기치 않은 우연에 의해 서로 다른 나라에 위치한 두 개의 연구소에서 동일 한 연구결과가 발표됐다. 이 두 연구팀은 Calcite 결정을 이용하여 물체를 보이지 않게 만드는데 성공했다.
Calcite, Boron Nitride, Silicon Carbide 등은 복굴절을 가진 물질로 알려져 있다. 복굴절을 갖는 물질에 빛을 투과시키면 입사된 빛이 두 갈래로 갈라지는 현상이 일어난다. 복굴절을 이용한 대표적인 응용제품으로는 디스플레이로 사용되는 LCD가 있다. (LCD는 액정이 가지는 복굴절의 조절을 통해 빛의 투과도를 조절하는 방식으로 화면을 구현한다.) 복굴절 물질을 이용하여 물체가 보이지 않게 하는 기술을 개발한 두 개의 연구소는 SMART(Singapore MIT Alliance for Research and Technology)와 ‘University of Birmingham(U.K.), Iperial College(London), Technical University of Denmark의 연구원들로 구성된 영국과 덴마크의 공동연구팀’이다.
이들 두 연구팀의 연구결과는 매우 유사하다. 두 연구팀은 모두 프리즘 모양을 갖는 두 개의 방해석결정의 광축을 맞추어 배열하고 그 중간에 물체를 삽입하는 방식으로 물체가 육안에서 사라지게 만들었다. SMART연구팀의 연구결과는 Phycal Review Letters(doi:10.1103/PhysRev-Lett.106.033901)를 통해 소개되었다. Phycal Review Letters소개된 SMART팀의 논문에 따르면 투명한 액체에 담긴 방해석 프리즘을 이용할 경우 3,500nm이상의 파장을 방출하는 즉, 우리가 볼 수 있는 어떤 물질도 육안에서 사라지게 만들 수 있다고 한다. 영국과 덴마크의 공동연구팀 또한 매우 유사한 연구를 수행하였으며 다만 다른 점은 영국-덴마크 공동연구팀의 경우 투명한 액체가 아닌 공기 중에서 물체를 숨기는데 성공했다는 점이다.
공동연구팀의 연구책임자인 University of Birmingham의 물리학과 교수인 Shuang Zhang은 Nature Commnications에 개제된 논문을 통해 “초기 연구에는 복굴절을 가지는 천연결정이 사용되었으며 이후 인공적으로 만들어낸 결정을 이용하여 훨씬 큰 물질도 숨길 수 있게 되었다.
 천연결정을 이용한 실험에선 머리카락보다도 얇은 수마이크로 크기의 작은 물질만 사라지게 만들 수 있었지만 합성 방해석 결정을 개발하고 그 크기를 점차 늘려 현재는 육안으로 관찰 가능한 크기의 물체도 사라지게 할 수 있으며 추가적인 연구를 통해 지금보다도 훨씬 큰 물체를 숨기는 것도 가능할 것으로 생각 한다”고 이야기 했다. 물리학 협회인 ‘Physic World는 SMART가 개발한 기술을 2010년 주목할 기술 Top10에 선정했다. ACB

[그림 5] SMART 연구팀이 개발한 투명 결정 장치 - 방해석 사이에 놓인 막대의 중간부분은 보이지 않는다.

살균효과 높은 펩치드

선라이즈工業 산학관 연대로 개발
선라이즈工業(新潟縣 絲漁川市, 사장 世木朋美)은 新潟大學의 谷口正之 교수, 新潟大學 工科大學의 齊藤英一 교수 등과 산학관 연대로 살균효과가 있는 펩치드를 개발했다. 자연물로 된 아미노산을 합성장치에 넣어 살균효과가 높은 펩치드 생성에 성공했다.
개발한 펩치드는 높은 살균력을 갖는데, 인간의 타액과 배열이 같은 성분이므로 체내에 들어가도 인체에 무해하다고 한다. 이 회사는 2009년에 펩치드 연구에 착수. 10년에 사원이 新潟工科大에서 대학원생으로서 연구에 참여하여 팹드가 치주병 등의 유해균을 사멸시킨다는 것을 실증했다.
니이가타 産業創造機構의「10년도 시장 서포트 조성제도」의 인정을 받아 의약부외품으로서 상품화를 추진하고 있다. 천연성분으로 되었기 때문에 저가로 공업생산이 가능.
世木사장은「현재 한 회사와 접촉 중. 고령자 증가에 대응하여 구강 내 보건제품에 대한 활용방안에 대하여 조사하고자 한다」며 제안 영업을 추진한다. 일간공업

고효율 세라믹 레이저 개발
미국 해군 연구소의 광학 연구원들은 군사용 및 민간용으로 응용될 수 있는 가볍고 콤팩트한 새로운 고효율 세라믹 레이저를 성공적으로 개발하였다. 보통 고체 상태 결정 레이저는 가볍고 콤팩트한 레이저 응용에 중요하지만 이런 것들은 고온 성장의 문제점으로 인해 크기와 재질에 제한을 갖게 된다. 그러나 해군 연구소의 과학자들은 저온 세라믹화 공정으로 성장하기 어려운 문제를 해결하여 높은 광학적 품질을 가진 물질 개발을 가능하게 하였다.
이 새로운 프로세스는 녹는 온도의 65 퍼센트에서 고순도 나노 분말의 소결 또는 조밀화를 가능하게 한다. 이것은 크루서블 반응, 휘발 및 위상 전이와 연관된 전통적인 고온 문제를 극복하여 단결정과 비슷한 광학적 품질을 가진 충분한 밀도를 가진 투명한 세라믹 물질의 제조를 가능하게 해준다. 이 프로세스는 고체 상태 레이저 산업에 중요한 레이저 기술에 사용되는 하드 합성 이트륨 알루미늄 가넷인 YAG에 적용되었다.
YAG는 더높은 출력이 되면 제한된 열 전도도와 희토류 이온 불순물 농도의 증가에 따른 갑작스런 감소로 인해서 좋은 빔 품질로써 제한을 갖게 된다. 더 좋은 솔루션은 Y2O3, Sc2O3, 및 Lu2O3와 같은 더 높은 열 전도도를 갖는 산화물 물질을 이용하는 것이다. 이 세개 중에서, 가장 중요한 것은 Lu2O3이다. 그것은 이 물질의 열전도도가 이 물질이 가지고있는 비슷한 포논 에너지로 인해서 희토류 이온 주입 농도에 거의 민감하지 않기 때문이다.
얇은 디스크 구조를 가진 Lu2O3와 같은 높은 주입 농도를 필요로 하는 특정한 레이저 구조는 고출력 스케일링에 대해서 뛰어난 가능성을 보여주고 있다. 비록, 단결정 Lu2O3는 섭씨 2400도 이상에서 전통적인 고온 결정 성장 방법으로 제조하는 것은 어렵지만 NRL 연구진은 저온 소결 방법으로 레이저 품질의 희토류 주입된 Lu2O3 세라믹을 성공적으로 제작하는데 성공하였다.
이 결과 제작된 세라믹스는 극도로 높은 순도의 Yb3+주입된 Lu2O3 나노 분말의 합성에 의해서 얻어졌으며 매우 투명한 Yb3+ : Lu2O3 세라믹을 제작하기 위해 고온 압착되었다. 이 세라믹스는 74 퍼센트의 세계 기록적인 고효율로 1080나노미터에서 레이저 광선을 발사하였다. 이 결과는 Yb3+가 10 퍼센트나 주입된 고불순물 수준이라는 것을 감안할 때, 매우 혁신적인 것이다.
이것은 1 마이크로미터에서 Yb3+에 기반한 것과 같은 얇은 디스크 레이저를 개발하는데 도움을 줄 수 있을 것이다. 이것은 또한 상업용 절단 및 웰딩 뿐만 아니라 군사용으로 응용될 수 있는 고출력 파워 레이저에 적합한 TW 고피크 파워 단파장 레이저 및 다중-KW 고평균 파워 레이저를 개발할 수 있는 잠재력을 가진 작은 이동거리(100 마이크로미터)의 고주입 농도(~10 퍼센트) 특성이 있다는 장점이 있다고 연구진은 설명하였다. GTB

[그림 6] 투명 레이저(왼쪽)과 그것을 제작하는데 사용되는 나노분말을 포함한 유리병.
[그림 7] 분말 세라믹 시료로 레이저 발사에 사용되는 시험대.

富士電波工業

희망하는 대로 다양한 로(爐) 개발
富士電波工業은 창업 60년이 넘은 공업로 메이커. 반도체 관련이나 태양전지 관련용 등의 진공열처리로, 금속용 용해로를 주력제품으로 하고 있다. 상용 1600 - 2300℃, 최고 3000℃ 이상의 고온 발생이 가능하다는 것이 강점이다. 열처리로(爐)는 주로 소재 등 川上 제품의 제조 공정에서 사용되며, 해외에 반출될 수 없는 생산기술을 뒷받침해 왔다.
오랜 세월 거래해 온 고정고객이 많은 회사이지만, 신규 고객의 개척에도 적극적으로 나서고 있다.「사용자에 따라 요구하는 사양이 달라, 온도간리와 냉각시간의 변경, 연속처리가능 시간 등 여러 가지 개량이 요구된다」(橫畠俊夫 사장). 기본원리는 같더라도 조건이 다르면 로의 신규개발이 필요하다. 설계에 연구를 거듭하여 사용자 개개인의 희망에 따른 제품을 만들어내게 되었다.
그만큼 사내에서는 「하나의 제품을 하나의 주문에 대해 만든다」는 의식이 강했다고 한다. 다종다양한 의뢰를 처리하고 있는 만큼「솔류션 사례집으로서 성능 데이터를 모으면 강점이 된다」고 橫畠사장은 제품사양의 일부 표준화에 착수하려고 하고 있다.
최근에는 일보제품의 해외 제품과의 가격경쟁이 격화되어 제조원가 삭감이 요구되고 있다. 그것은 이 회사가 관계하는 상류(上流) 공정에도 영향을 미친다.「최종 제품의 가격에서 역산하여 소재 가격을 올리지 않기 위해 로의 가격 저감도 요구되고 있다」(동). 이를 위해서는 종래의 고기능 추구와는 다른 설계를 연구하여 대응하고 있다. 해외 사용을 위한 안건도 나오기 시작했다. 해외의 공업로 메이커와의 경쟁이 언젠가는 시작되리라는 사태에 대비하여 기술개발에 들어갔다.
현재 생산은 본사 공장(大阪市 淀川區)에서 소형 제품의 일부 조립을 실시하고, 주력인 滋賀공장(滋賀縣 湖南市)에서 대형제품을 중심으로 제조. 제품의 대형화에 따라 2008년에 滋賀공장 내에 제3공장을 건설했다. 천장 높이를 9 - 10미터로 하고, 2대의 크레인도 내하중량 10톤 · 후크 하 8미터의 기종을 채용. 높이가 7 - 8미터인 대형제품을 2대 동시에 조립할 수 있다.
이 회사는 공업로 외에 스테인리스 등의 주조제품도 다루고 있다. 밸브나 펌프 메이커용 부품제조가 중심이다. 2010년에는 滋賀공장 내에 있는 주조공장의 환경대책을 강화하기 위해 설비를 일신. 주조의 틀에 사용하는 모래를 천연모래에서 인공모래로 바꾸어 재활용율을 대폭 높여 폐기물 발생량을 줄이는데 성공했다.
일간공업

적외선 빛의 방향을 조절하는 실리콘 나노기둥
중국과 미국의 이론 물리학자들은 일직선의 실리콘 나노기둥에 빛추어진 적외선 빛은 전혀 반사되지 않고 물질을 통해서 전파되면서 90도로 휠 수 있다는 것을 발견하였다.
이 발견이 실험적으로 검증되면 특별히 제작되는 것이 필요한 메타 물질처럼 광학 빔 방향 조절이 가능한 새로운 방법이 될 것 으로 보인다. 연구진은 나노기둥의 선은 광 네트워크에 사용되는 부품안에서 빛의 방향을 조절하는 것이 가능한 포토닉 회로에서 빛 광선을 휘는 데 사용될 수 있을 것으로 보인다.
상하이에 위치한 중국 과학 아카데미 연구진은 1550 나노미터와 2362 나노미터의 특정한 두 파장의 적외선 빛을 45도 각도로 일직선의 15개 나노기둥에 조사하였다. 0.5 마이크론 너비의 이런 나노 기둥은 흡수 손실이 더 낮기 때문에 메타물질에서 보통 발견되는 금속 성분보다는 실리콘으로부터 만들어졌다. 연구진에 따르면, 각 나노기둥은 적외선에 의해서 여기되면 그 안에 정상파를 설정하기 위해 공명할 것이라고 한다.
정확한 파동 패턴은 실리콘안의 입사된 빛 파장에 의해서 결정되는데, 그 파장의 값은 공기중에서의 값의 1/3이다. 각 나노기둥은 본질적으로 안테나처럼 거동한다. 그것은 빛을 흡수하고 실린더 형태의 나노 구조안의 정상파의 대칭을 가진 형태로 재방출된다. 나노기둥으로부터 방출된 빛은 입사된 빛의 방향에 따라 보강 간섭적 또는 소멸 간섭적 현상이 발생한다.
연구진은 나노기둥은 1550나노미터의 적외선에 의해서 여기되면 전기 쌍극자처럼 공진한다는 것을 발견하였다. 나노기둥이 선으로 정렬되었기 때문에, 각 쌍극자로부터 방출되는 빛은 이 파장의 길이를 갖는 빛이 사용되면 보강적으로 간섭한다. 방출되는 빛은 입사된 빛의 방향과 같은 쪽이며, 음의 투과로 알려져 있다. 2362 나노미터의 빛이 일직선의 실리콘 나노기둥에 부딪히면, 등방성 정상파가 형성되며 방출되는 파는 4개의 수직적인 방향으로 나간다.
이에 비해서, 1550나노미터의 파장은 나노기둥 안에서 입사빔과 반사빔을 완전히 억누르는 쌍극자 대칭을 만들어내어, 투과되는 빔은 입사되는 빛에 수직으로 입사되는 것들 뿐이며 그것은 음으로 굴절된다. 방출되는 빔은 뾰쪽한 회전을 하게 되고 입사되는 빔에 수직한 면에 놓이게 된다고 연구진은 설명하였다. 동시에, 전통적으로 반사되고 투과되는 빔은 사라진다.
빛의 방향을 조절하기 위한 몇 개의 기술들이 이미 포토닉 회로를 통하여 제안되었다. 두 개의 옵션들은 평평한 유전체 격자 및 광범위하게 크기가 줄어든 야기-우다 안테나 버전이다. 그러나 이들 연구진은 제안된 그런 것들의 구조는 다른 크기의 많은 요소들을 포함하고 있기 때문에 제작하기가 어렵다고 말하였다. 나노기둥 어레이를 제작하는 것은 각 기둥이 동일한 반경을 가지고 있기 때문에 비교적 쉽다.
자유공간에서 빛의 파장과 비슷한 직경을 가진 작은 구멍들의 어레이를 이용하여 빛을 가이드하는 포토닉 결정 구조를 사용하는 것이다. 그러나, 연구진은 나노기둥은 더 작은 요소를 포함한 어레이로 빛을 가이드하는 것이 가능하기 때문에 더 우세하다고 말하였다. 연구진은 현재 그들의 이론을 4 마이크론 높이의 실리콘 기둥을 포함한 구조에 대해서 실험할 예정이다. 연구진은 광학적 빔을 조작하기 위한 다른 공명 모드에서 대칭의 역할을 더 연구할 계획이라고 한다. 그들의 연구 결과는 피지컬 리뷰 레터스에 발표되었다. GTB

[그림 8]  광학 및 레이저 부품을 만들기 위한 웨이퍼. 칩은 레이저에서 나오는 신호를 조작하기 위한 변조기를 포함하고 있다. 현재 기술은 훨씬 더 작은 크기에서 광학적 빔의 방향을 조절하기 위한 실리콘 나노기둥을 사용한 이론으로부터 혜택을 받을 수 있을 것이다. 각 변조기는 길이가 7 밀리미터로써 실리콘 나노기둥의 크기보다 훨씬 크다.

[그림 9] 15개의 실리콘 나노기둥의 선형적 어레이는 직각을 통하여 1550나노미터의 파장을 가진 적외선 빛의 방향을 조절할 수 있다.

희토류가 불필요한 삼색 발광형광체 소재
에너지 절약과 온난화 대책이 요청되는 가운데, 백열전구를 대신할 백색 LED와 삼파장형 형광등에 대한 교체가 늘어나고 있다. 이에 따라 고휘도 . 고연색성의 형광체 원료인 희토류(RD)인 유로퓸(Eu)과 테르븀(Tb) 등의 수요는 확대일로를 걷고 있다. 5년 후에는 Eu, Tb는 각각 90억 엔, 37억 엔 상당의 수요가 전망되며, 백색,LED와 삼파장형 형광등 등의 최종 제품에서 약 1.1조 엔의 시장규모가 예측되고 있다. 그러나 RE의 시계 총 산출량의 90% 이상을 차지하는 중국의 수출 규제와 원료 비등의 영향 등, 불안정한 재료 공급 하에서 생산된 형광체에 일본의 조명・디스플레이 산업은 의존하고 있는 실태이다. 앞이 보이지 않는 RE 자원과제를 극복하기 위해 일본의 희소금속 대체재료 개발 프로젝트에서는 Eu, Tb수요의 80% 삭감 목표치를 설정하고, 이들 RE의 회수재이용율의 향상, 발광효율의 향상에 의한 사용량의 저감화 등에 몰두하고 있지만 현재의 상황은 Eu, Tb를 사용하지 않는 고휘도・고연색성 형광체와 같은 삼색 발광기능을 갖는 대체 형광체 소재의 개발은 전망이 서지 못했다.
이러한 가운데 본 연구팀은 자외선(254㎚, 365㎚) 조사 하에서 3색 발광하는 형광체를 Eu, Tb등의 RE를 사용하지 않고 은(Ag)을 담지한 제올라이트로 만들 수 있었다. 제올라이트는 화학적으로는 알루미노 규산염으로 분자 사이즈의 공극을 다수 갖는 미소한 결정으로 된 물질이다.
결정을 구성하는 주요 원자인 규소(Si), 산소(O), 알루미늄(Al) 가운데 Al의 부분에 마이너스 전하가 발생하므로 각종 양이온을 강하게 담지 결합시킬 수 있다. 결정구조가 다른 각종 제올라이트에 Ag이온 첨가량을 바꾸어 공극 안에 존재하는 Ag 담지량을 변화시킴으로써 빨간색, 초록색, 파란색의 3색 발광 형광체를 얻었다. 제올라이트의 종류에 아날심, 포저사이트, Na-Pl을 이용했을 경우, 각각 빨간색, 초록색, 파란색의 발광이 확인되었다.
제올라이트의 어떤 종류라도 그 양이온 교환용량의 20~30% 전후의 Ag담지량에서 가장 강한 발광을 보였다. 이 형광현상의 메커니즘은 제올라이트 결정의 격자와 공극의 구조, 및 그들 구조에 대한 Ag의 결합 형태에 따라서 모양을 만들 수 있는 전자상태가 관여하고 있다는 생각되는데, 그 자세한 내용에 대해서는 현재 실험적 방법과 함께 제 1 원리계산까지 포함한 이론적인 방법으로 해석 중이다. CJ

이산화탄소를 흡수하는 친환경 시멘트
탄소절감 효과를 갖는 친환경 그린재료로 Novacem사의 ‘탄소흡수시멘트’에 관심이 집중되고 있다. Novacem사의 ‘Carbon Negative Cement’가 주목받기 시작한 건 New York에 위치한 기술컨설팅 회사인 Material ConneXion이 ‘Carbon Negative Cement’를 2010년을 빛낸 친환경 구조재료로 선정한 이후 이다. Novacem사의 ‘Carbon Negative Cement’는 이밖에도 Wall Street Journal은 물론 Technology Review를 통해서도 소개되었다. Novacem(Novacem 사는 런던에 본사를 두고 있는 영국 기업이다.)사에 따르면 그들이 개발한 MgO(마그네슘산화물)을 기반의 ‘Carbon Negative Cement’는 제조공정에서 발생하는 이산화탄소의 양을 절감하는 데에서 한발 더 나아가 시멘트의 생산 중 배출되는 이산화탄소의 양이 0보다 작은 즉, 이산화탄소를 방출하는 것이 아닌 흡수하는 공정을 통해 생산된다고 한다.
Novacem사의 웹사이트에 개제된 소개 자료는 “‘Carbon Nega- tive Cement’는 혁신적인 탄소절감 효과는 물론 일반적으로 사용되는 Portland 시멘트에 버금가는 성능과 함께 가격경쟁력까지 가질 수 있는 재료가 될 것” 이라고 한다. ‘Carbon Negative Cement’는 마그네슘 산화물과 수소화된 마그네슘 탄화물을 주재료로 사용하여 제조된다. ‘Carbon Negative Cement’를 구성하는 마그네슘 탄화물과 마그네슘 산화물은 규산마그네슘 (Magnesium Silicate)의 탄화공정과 탄화공정을 통해 생성된 마그네슘 탄화물의 산화과정을 거쳐 만들어진다.
규산마그네슘의 탄화공정은 180℃의 고압 이산화탄소분위기에서 이루어지며 마그네슘산화물 생성을 위한 산화공정은 700℃의 산소분위기에서 진행되는데 산화공정에서 배출되는 이산화탄소는 이전 공정인 탄화공정에서 소비되는 이산화탄소의 양보다 적기 때문에 결과적으로 ‘Carbon Negative Cement’는 이산화탄소를 흡수하는 공정을 통해 생산된다고 할 수 있다. 뿐만 아니라 마그네슘산화물 형성을 위한 산화공정의 공정온도인 700℃는 일반적인 산화공정에 비해 낮은 온도이며 이는 곧 산화로의 가열을 위한 연료로 낮은 탄소함량을 지닌 연료를 사용할 수 있음을 의미하는 것으로 추가적인 탄소배출 절감효과를 갖게 해주는 역할을 한다.
Novacem사에 따르면 1톤의 ‘Carbon Negative Cement’ 생산과정에서 흡수되는 이산화탄소의 양은 방출되는 이산화탄소보다 100kg이상 많으며 이러한 이유로 그들이 개발한 시멘트에 ‘Carbon Negative Cement’이라는 이름을 붙이게 되었다고 한다. 미국세라믹협회(ACers : American Ceramic Society)는 Ceramics Bulletin에 개제된 글을 통해 ‘Carbon Negative Cement’는 또 다른 종류의 친환경 시멘트인 Geoplymers와 많은 유사성을 갖고 있지만 둘은 엄연히 다른 물질로 분류되어야 한다고 전하고 있다. 다음은 Ceramics Bulletin에 실린 기사내용의 일부이다.
“Novacam사의 ‘Carbon Negative Cement’는 1967년 이전에 개발된 기존 마그네슘기반 시멘트인 ‘Sorel Cement’와는 구성성분은 물론 그 특성도 매우 다르다.” 미국세라믹협회의 회원들은 Novacem의 ‘Carbon Negative Cement’이 보여주는 탄소절감효과에 대해선 모두 인정하는 분위기이지만 ‘Carbon Negative Cement’가 과연 Portland 시멘트대비 가격경쟁력을 가질 수 있을 지에 대한 의견이 분분한 것으로 보인다. “‘Carbon Negative Cement’가 매우 혁신적인 제조공정을 가질 뿐 아니라 ‘Sorel Cement’와는 다른 물질로 제조되긴 하지만 마그네슘을 기반으로 하는 재료라는 점에서 ‘Carbon Negative Cement’가 과연 경제성을 지닐 수 있을 지에 대한 의문이 생기는 것은 분명한 사실이다. 실제로 대표적인 마그네슘 기반 시멘트인 ‘Sorel Cement’는 우수한 특성에도 불구하고 높은 생산단가 때문에 활용범위가 극히 제한되어있는 실정이다.
‘Carbon Negative Cement’는 개발 된지 1년이 채 안된 물질이라는 점에서 아직까지는 검증 되어야할 요소들을 많이 앉고 있는 물질이다. ‘Carbon Negative Cement’가 실용화되기 위해선 검증된 기관을 통해 내구성, 방수성, 내 부식성 등의 다양한 특성검증 과정을 거쳐야 할 것으로 보인다. 저탄소 녹색성장에 대한 관심이 증가하면서 대표적인 탄소배출 재료인 Portland 시멘트를 대체하기 위한 다양한 대체물질이 개발되고 있지만 현재까지 개발된 그 어떤 물질도 Portland 시멘트의 대체 재료로 적용되지 못하고 있다.
저탄소 녹색성장에 대한 관심이 급증하고 있는 상황에서도 Portland 시멘트의 대체가 이루어 지지 못하고 있는 가장 큰 이유는 성능개선 및 친환경재료 도입 등의 변화보다는 기존의 건축기술과 장비들을 활용하여 공기의 단축과 건축비용의 절감을 이루는데 초점을 맞추는 건설 산업분야의 특성 때문인 것으로 생각되며 건설 산업의 패러다임이 변하지 않는 한 ‘Carbon Negative Cement’와 같은 친환경 재료의 실용화는 쉽지 않을 것으로 보인다. 이러한 상황 속에서도 Novacem사는 ‘Carbon Negative Cement’의 실용화에 대해 매우 긍정적인 견해를 보여주고 있다. International Business Time의 웹사이트에 소개된 기사에 따르면 ‘Carbon Negative Cement’는 2014년도에 시장에 출시될 예정이라고 한다.
하지만 ‘Carbon Negative Cement’는 Novacem사가 아닌 다른 회사에서 제조되고 판매되며 Novacem사는 제조사에 ‘Carbon Negative Cement’의 특허에 대한 라이센스만 제공하게 될 것이라고 한다. ACB

[그림 10] Novacem사의 ‘Carbon Negative’시멘트로 만들어진 벽돌 (참조: http://www.novacem.com)

이부시 기와 제법을 응용하여 인산철리튬의 고출력화 실현
대형기기용 리튬이온전지의 실용화를 위한 새로운 정극 재료로서 낮은 환경부하 . 희유금속 프리라는 관점에서 LiFePO4가 활발하게 연구되고 있다. 그러나 LiFePO4 정극(正極)에서는 활물질의 전자전도성 . 이온전도성이 낮고 충분한 출력을 얻을 수 없다는 것이 실용화를 위한 장애가 되었다. 전자전도성을 개선하는 방법으로서 활물질 표면을 도전성 카본으로 피복하고, 활물질 입자 간이 도전경로를 형성하는 방법이 검토되고 있다. 일반적으로 LiFePO4 전구체 분말과 고체의 유기화합물을 혼합하여 열분해함으로써 LiFePO4/C 복합체를 조제하고 있다. 그러나 이 방법에서는 도전성 카본이 불균일하게 침착하여 도전성 패스의 형성에 관여하는 것 이상의 카본이 필요하게 되고, 그 필요이상의 카본은 전지의 체적 에너지 밀도의 저하를 초래한다.
이번에 개발한 방법은 탄화수소가스의 열분해를 이용하여 입자 표면을 도전성 카본으로 피복하는 것으로, LiFePO4 입자표면에 균일(두께 약 1.5㎚)한 카본층을 피복할 수 있었다. 이 방법은 兵庫縣의 전총적인 산업인 “이부시 기와 제조법”을 이용한 것으로 이 리튬이온 전지 정극 재료에 대한 이용에 앞서 이 방법을 이용하여 내후성 . 내열성이 우수한 피라미드형 전자파 흡수체의 제작에도 성공하는 등 이 방법을 이용한 두 건의 성공 사례가 있다.
고작 1.5wt% 정도의 카본을 피복하는 것만으로 충분한 충방전 특성을 얻을 수 있어, 10C 혹은 20C라는 높은 전류 레이트의 방전에서도 약 70%, 60%의 용량을 이끌어낼 수 있고, 게다가 충방전을 100사이클 반복한 후에도 95% 이상의 전극 이용율을 유지한다는 것이 인정되었다. 또 이 방법에서는 카본 피복에 필요한 시간은 몇 분이라는 점에서 연속적인 처리로 분말을 제작할 수 있어 공업적 관점에서도 우수한 방법으로, 전극 재료 뿐 아니라 여러 가지 응용이 기대된다. CJ

Cabot - 우수한 단열성능의 실리카 에어로젤 코팅물질 개발
실리카 기반의 에어로젤은 현존하는 물질 중 가장 높은 단열성능을 가지는 물질이다. 하지만 에어로젤이 가지는 높은 취성과 제조의 어려움 때문에 실리카에어로젤을 이용한 단열재의 활용은 매우 제한적인 실정으로 높은 실용성을 지닌 실리카에어로젤 기반의 단열물질 개발은 관련분야의 오랜 숙원이었다. 실리카에어로젤은 앞서 설명한 바와 같이 매우 잘 부서지는 성질을 가지기 때문에 대면적으로 제조되기 힘들 뿐 아니라 대량생산이 어렵고 제품의 운송에도 주의가 필요하기 때문에 높은 성능을 최우선으로 고려해야하는 일부 첨단 산업분야에만 제한적으로 사용되고 있다. 때문에 Cabot, ThermoBlock, Aspen과 같은 실리카에어로젤 생산업체들은 에어로젤이 활용되는 틈새분야를 찾기 위한 노력에 여념이 없다. 현재까지 실리카에어로젤 생산업체들이 찾아낸 틈새시장들은 성능을 위해 경제성, 실용성 등을 어느 정도 포기할 수 있는 분야에 한정되어 있었다. 하지만 Cabot사가 개발한 에어로젤 입자가 포함된 코팅물질은 성능과 실용성을 모두 만족시킬 수 있는 물질로 이전까지는 생각지 못했던 다양한 분야에 실리카에어로젤이 활용될 수 있는 역할을 해 줄 것으로 보인다. 입자형태의 에어로젤은 시트형태의 에어로젤에 비해 단열성이 떨어진다는 단점을 가지지만 입자형태의 에어로젤이 지니는 높은 실용성은 시트형태의 에어로젤에 비해 상대적으로 낮은 단열특성을 뛰어넘는 큰 장점으로 작용할 것으로 생각된다. European Coating Show를 통해 발표한 Cabot사의 발표 자료에 따르면 1mm두께의 실리카에어로젤이 코팅된 금속물질의 내부온도가 200℃인 경우 외부, 즉 코팅면의 온도는 수십 초 이상의 시간동안 피부와의 접촉에도 1도 화상을 입히지 않을 정도로 낮은 온도로 유지된다고 한다. 또한 2mm 두께의 에어로젤이 코팅된 금속용기는 용기의 온도를 70℃로 유지시키는데 있어 일반적인 코팅제로 코팅된 용기에 비해 30%이상 절감된 에너지 사용량을 갖게 된다고 한다. Cabot사의 에어로젤 코팅 물질이 갖는 높은 단열성과 실용성은 산업분야는 물론 가정용 제품으로 실리카 에어로젤이 적용되는데 획기적인 역할을 할 것으로 보인다. Cabot사에 따르면 실리카 에어로젤 입자가 포함된 코팅물질의 단열도는 12mW/m·K로 현재 널리 사용되고 있는 폴리우레탄폼(Polyurethane foam)에 비해 두배 이상의 단열성능을 갖는다고 한다. (폴리우레탄폼의 단열도는 30mW/m·K이다.) 에어로젤 입자 코팅의 단열성능은 폼 형태의 폴리우레탄이 아닌 일반적인 코팅제들과 비교했을 때 더욱 부각된다. Cabot사의 에어로젤 입자가 코팅된 제품은 동일한 두께의 일반코팅제에 비해 10배 이상의 단열성능을 보여주며 이러한 점으로 미루어 볼 때 Cabot사가 페인트제조사 또는 건설재료 업체들과 파트너쉽 체결을 통해 우수한 단열성능을 지닌 시멘트 또는 페인트를 개발하는 것도 어렵지 않을 것으로 판단된다. Enova라는 상표명으로 출시된 Cabot사의 에어로젤 입자는 입자크기에 따라 0.1~0.7mm, 0.1~1.2mm, 2~40㎛의 3가지 제품으로 나뉜다. Enova의 개발을 책임지고 있는 Cabot사의 James Pidhurney는 단열 및 코팅제 시장에서 Enova가 큰 성공을 거둘 것이라고 확신하고 있었다. “Enova 에어로젤은 코팅과 단열을 별개로 생각해왔던 산업분야에 변혁을 몰고 올 것이라 확신합니다. 이전까지 어느 누구도 코팅을 통한 단열이 가능 할 것이라고 생각하지 못했습니다.” Pidhurney는 이야기 했다. “지금까지의 단열재는 대부분 두껍고 부서지기 쉬운 형태였습니다. 따라서 구부러지거나 휘어져야 하는 제품들에 단열성능을 부여하기란 불가능 한 것으로 여겨져 왔습니다. 하지만 Enova 에어로젤이 코팅된 제품은 높은 유연성과 함께 높은 단열특성도 동시에 가지고 있기 때문에 지금까지 생각지 못했던 다양한 제품에 높은 단열성을 부여할 수 있습니다.” ACB

[그림 11] Cabot사의 Enova 3110 에어로젤 입자 (주사전자현미경 이미지) (참조 : http://www.cabot-corp.com/aerogel/coatings)

네오듐 자석에서 희유금속의 새로운 회수법 개발
秋田대학의 福本倫久 강사 등의 연구팀은 네오듐 자석에서 희유금속(네오듐 및 디스프로슘)의 새로운 회수방법을 개발했다.
네도윰 자석에 이용되고 있는 네오딤(Nd)이나 디스프로슘(Dy)는 수입에 의존하고 있어, 수출국의 제한으로 일본국 산업의 커다란 영향을 미친다. 따라서 재활용 방법의 확립이 급선무가 되고 있다. 그러나 지금까지의 재활용 방법에서는 산(酸)용액을 사용하므로 재활용에 드는 비용이 비싸 거의 실시되지 않는 것이 실정이다.
이번에 개발한 재활용 방법은 산 용액을 사용하지 않고 네오딤 산화물 및 디스프로슘 산화물을 용융염 속에 산성 용해시키고 산화물을 이온으로 용융염 속에 첨가하고 그 후 전기화학적 환원반응으로 금속으로 네오딤과 디스프로슘을 회수하는 방법이다(아래 그림). 이 방법을 이용할 때의 이점으로서는 산 용액을 사용하지 않기 때문에 안전하며 장치를 간략하게 할 수 있다. 또한 산화물의 용해 및 금속이온의 금속으로서 회수할 때의 최적 조건을 조사함으로써 선택적으로 목적하는 금속을 회수할 수 있다. 용융염으로서 황산나트륨을 이용하고, 백색 전극을 끼워 넣어 전기 분해함으로써 용융염 속의 염기도(산화물 이온 활량)을 변화시킬 수 있다는 것을 지금까지의 연구로 밝혀냈다. 그리고 용융염 속에 산화물을 첨가하여 산성 용해 및 염기성 용해를 일으킨다. 본 연구에서 산화네오듐 및 산화디스프로슘은 모두 산성 용해를 일으킨다는 것이 밝혀졌다. 이렇게 해서 용융염 속에 첨가한 네오듐 이온 및 디스프로슘 이온을 전기화학적 환원반응으로 금속으로 회수하는 방법에 성공했다.
앞으로의 과제는 네오듐 자석의 구성원소인 철산화물 및 붕소산화물을 포함하는 환경에서의 원소 선택 회수를 시도하여 현재의 재활용 온도의 저온화를 추구해야 한다고 생각한다. CJ

도요타와 東北大 등
희토류 억제 연구
대체소재 치환도 탐구
도요타자동차와 本田기술연구소, 東北大學과 名古屋大學 등은 자동차의 배기가스 정화용 초매 등에 이용하는 희토류의 사용을 억제하는 공동연구를 시작했다. 희토류의 일종인「세륨」의 산화화합물의 사용량을 30% 줄인다. 내년 2월 무렵까지의 실증을 목표로 한다.
배기가스 정화의 촉매를 둘러싸고는 백금 등을 재료로 한 주촉매의 기능을 높일 수 있는 원료로 산화세륨이 사용되고 있다. 단 세계적으로 희토류의 가격이 상승하는 가운데 세륨도 가격 비등이 과제가 되고 있다. 프로젝트에서는 재료기술과 나노테크놀로지(초미세기술)와 같은 기술을 가져와 산화세륨의 사용을 줄이기도 하고 산화철 등의 대체 재료로 바꾸는 방법도 고안한다. 일경산업