인공보석을 사용한 건강 목걸이
아크 퀘스토 건강 쥬얼리 목걸이 「코란토테TAO(타오) 목걸이」에 京세라가 독자 개발한 인공 보석 「京都오팔」과 파인세라믹스 소재 「컬러 세라믹스」를 각각 채용한 신제품 5모델 17종류를 올 봄 개발했다. 코란토테의 브랜드 로고를 표현한 스테인리스제 탑 부분에 파랑과 노란색의 京都오팔, 흰색과 검은색의 지르코니아 세라믹스를 조합시켰다. 가격은 3만 9900 - 4만 8300엔. 일간공업

게르마늄 CMOS 소자 실현에
전극 형성 기술을 개발
九州大學의 浜屋宏平 준교수는 게르마늄을 상보형 금속산화막 반도체(CMOS)트랜지스터에 응용하기 위한 전극 형성 기술을 개발했다. 게르마늄과 금속을 접합한 계면 부분을 원자층 레벨에서 제어하는 기술을 고안하여 전극 재료를 종래의 반도체에서 금속으로 바꾼 메탈 소스/드레인의 n형 게르마늄 채널 트랜지스터의 실현으로 이어지는 정류(整流)특성을 최초로 실현했다.
게르마늄은 실리콘보다 높은 전자 이동도를 갖기 때문에 메탈 소스/드레인 기술과 조합시킴으로써 실리콘 CMOS를 상회하는 성능을 가진 게르마늄 CMOS를 개발할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 그러나 지금까지 실용으로 이어진 정류 특성은 얻지 못했다.
게르마늄 위에 직접, 단결정을 성장하여 계면 부근의 1.5나노미터 정도의 철 실리사이드 화합물 층을 제어하여 양호한 정류 특성을 얻었다. 앞으로 전극 재료를 임의의 금속으로 바꿈으로써 게르마늄 CMOS 트랜지스터의 실현을 목표로 한다. 일간공업

Microcavity를 통한 그래핀 광검출기의 응답 특성 향상
광검출기는 빛을 전기적 신호로 변환시켜주는 요소로써 광섬유 네트워크 속에서 수신기(receiver) 역할을 한다. 통상적으로 실리콘(Si) 또는 갈륨비소(GaAs)와 같은 반도체를 이용해 제작된다. 광자가 반도체 물질에 유입되면 전자-정공 쌍이 생성되어 전기장을 통해 분리되고 전류가 되는 것이다. 전기장은 보통 외부에서 인가하게 된다.
그래핀을 광전자 분야에 적용하고자 하는 노력이 광범위하게 진행되고 있다. 그래핀은 10 GBit/s 속도의 광데이터링크 속에서 광대역폭의 광검출이 적합하기 때문에 특히 광검출기에 활용이 가능하다.[참조 1]
오스트리아 Vienna University of Technology 소속 연구진은 optical microcavity 속에 그래핀을 집적함으로써 새로운 접근을 소개했다. Cavity 속에서 향상된 전계 진폭을 통해 더 많은 에너지를 흡수함으로써, 광응답 특성을 향상시킬 수 있었다. 연구 결과는 2012년 5월 7일자 Nano Letters지에 “Microcavity-Integrated Graphene Photodetector”란 제목으로 게재됐다.
그래핀을 활용함으로써 그래핀과 금속 계면에 존재하는 내부 전기장을 활용할 수 있다. 하지만 단원자 두께의 그래핀은 불과 2.3%의 빛만 흡수하기 때문에, 소자 응답 특성이 매우 낮다고 할 수 있다. 여러 그룹들이 그래핀의 광흡수 특성을 향상시키기 위한 노력을 진행하고 있다.
Thomas Mueller 박사는 새로운 복합체 광전자소자 개발을 위해 그래핀을 기존 물질에 조합하는 연구를 진행하고 있다고 밝혔다. 특히, 마이크로 캐비티 속에 그래핀을 집적합으로써 낮은 광 흡수 특성을 26배 이상, 60% 이상으로 획기적으로 끌어올릴 수 있었다. 이러한 접근을 바탕으로 연구진은 광응답 특성이 향상된 그래핀 광검출기를 제작할 수 있었다. 또한 저비용 멀티모드 광데이터링크에 활용되는 850 nm 파장의 빛을 이용해 구동했다. 그래핀의 광대역폭 흡수 특성 덕분에, 중적외선에서부터 자외선 영역에 이르기까지 실질적인 구동이 가능하다.
¼ 파장 두께로 구성된 두개의 브래그 거울을 통해 높은 캐비티를 갖는 소자를 구현할 수 있었다. 브래그 거울은 금속 거울과 달리 반사도를 정교하게 제어할 수 있기 때문에 마이크로 캐비티 광전자소자에 있어 이상적인 선택이라 할 수 있다. 브래그 거울은 검출을 위한 빛 파장 영역을 흡수하지 않는 넓은 밴드갭을 갖는 물질로 제작된다.
그래핀 광검출기의 빠른 구동 속도 및 광대역폭 구동 특성 덕분에, 광 통신, 보안, 센싱, 및 분광학과 같은 포토닉스 분야에서 널리 활용이 가능할 것으로 전망된다. 제작된 소자는 설계된 파장에만 응답함에 따라 파장 분할 다중(wavelength division multiplexing)에도 적합한 것으로 평가된다. 이러한 기술은 광검출기의 실현뿐 아니라 광변조기(EAM; electro-absorption modulators), 가변 광감쇠기(variable optical attenuators), 그리고 미래에는 그래핀 발광 소자 등에서도 유용할 것으로 기대된다. 연구진은 그래핀 광검출기의 구동 파장을 원적외선, 중적외선 영역까지 확장시킬 계획을 가지고 있다. 이러한 영역은 개발이 많이 진행되지 않았고, 새로운 광전자소자 개발을 위해 필요한 연구라 할 수 있다. GTB

이온성 액체 약물의 고체 제형
약학적으로 활성을 가진 이온성 액체를 고체 지지대에 고정시켜 액체 약물을 고체 형태로 투입할 수 있게 되었다(K Bica et al, Chem. Commun., 2012, DOI: 10.1039/c2cc30959a). 미국과 유럽의 과학자들은 그들의 연구가 제약 산업으로 하여금 고체 약물에 대한 실현가능한 대안으로서 이온성 액체를 고려하도록 하기를 바라고 있다. 약학적으로 활성을 가진 이온성 액체들은 고체 약물들보다 더 수용성이고 안정하며, 세포 막을 더 잘 통과한다. 그러나, 그것들은 만들기가 어렵고 다루기 쉽지 않다. 미국 알라바마대(University of Alabama)의 Robin Rogers와 동료들이 만들고 다루는 것을 향상시키기 위해서 다공성 이산화규소 위에 그 액체들을 고정하였다.
그 연구진은 알려진 활성 약물 성분들(active pharmaceutical ingredients (APIs))을 두 가지 방법으로 새로운 이중 기능성 액체 염에 통합시켰다. ‘먼저, 우리는 단순히 함께 갈거나 섞음으로써 산성 API를 염기성 API와 통합했다. 이것은 양자가 산성으로부터 염기성으로 전달되는 염을 만든다.’고 Rogers가 설명했다. 두 번째로, 그들은 양이온성 API와 음이온성API를 가지고 시작해서 무활성 반대이온을 교환해서 API1-와 API2-의 새로운 염을 만들었다.
그 연구진은 그 액체 염들을 이산화규소 위에 고정하였는데, 그 결과 이산화규소의 내부 구멍들 위에 이온성 액체의 얇은 막이 만들어졌다. 그 다음에 그들은 다른 체액들-인산 완충 염수, 모의 위액, 모의 장액에서 그것을 시험함으로써, 그것이 몸 안에서 그 표적으로 이동할 때 API의 방출을 통제할 수 있다는 것을 보였다. 그들은 위액과 장액에서, API의 방출이 완전하지 않다는 것을 알아냈다. 인산 완충 염수에서, 그 약물은 완전하게 방출되었다.
‘이 중요한 개발은 약학적으로 활성을 가진 이온성 액체들을 어떻게 조절가능한 방출 성질을 가지면서 “건조하고”, 흐르지 않는 고체 제형으로 이용할 수 있는지를 보여준다. 단일 전달 수송체에 두 가지 활성성분들을 통합하는 능력은 두 가지 활성 성분들의 시너지 효과를 실현할 대단히 흥미로운 가능성을 만들어준다.’고 호주 모나쉬대(Monash University)에 있는 이온성 액체와 응용 전문가인, Douglas MacFarlane이 말했다. 그는 약학적으로 활성을 가진 이온성 액체들은 최근에 약물 개발에서 출현하고 있는 가장 흥미로운 방향들 중의 하나라고 덧붙였다.
‘결정이나 무정형 고체 상태에 대한 의존을 극복하고 양쪽 이온이 모두 생물학적으로 활성을 가질 수 있는 액체 염을 활용하는 것은 무엇이 실현가능한 제품을 구성하는지에 대하여 제약 산업이 다르게 생각하도록 요구할 것이다. 액체 염을 사용하지만 그것을 고체 형태로 다루는 방법을 갖는 것은 API-IL(API 이온성 액체) 접근법의 전체 잠재성을 실현하도록 해줄 것이다.’라고Rogers가 말했다. GTB

<그림> 다공성 이산화규소 위에 고정된 생물학적으로 활성인 이온성 액체들은 수용성 환경에서 고체처럼 다루면서 빠르고 완벽한 방출을 가능하게 해준다.

화장실 세정수를 순환 사용
J톱 활성탄 사용 정화 장치
J톱(堺市 北區, 사장 仲喜治一)은 화장실의 세정수를 활성탄으로 깨끗하게 하여 순환 사용하는 장치를 개발했다. 수증기를 대면 오수정화기능이 재생하는 활성탄을 사용하여 관리가 1년 동안 필요치 않도록 했다. 제휴처인 近建빌딩관리(京都市 左京區, 사장 朝田華美)를 통해서 시장 투입을 시작했고, 올해 안에 1000대의 판매를 계획하고 있다.
새 장치는 정화조 안에서 퍼 올린 화장실 세정수를 특수한 활성탄으로 정화하는 구조. 정화 후에는 무취로 투명도도 상수도 수준이라고 한다. 장치 사이즈는 폭 70센티×깊이 50센티×높이 150센티미터로 사용상황에 따라서 더욱 컴팩트화할 수 있다. 가격은 공중 화장실 등 업무용은 100만 엔부터. 일반 가정용도 가격 70만 엔으로 5월 무렵의 판매를 검토하고 있다.
400℃의 수증기로 가열하면 정화기능이 재생하는 활성탄을 개발하여 장치에 응용했다. 장치 안에는 이 활성탄이 들어간 금속제 통을 두 개 설치. 하나는 오수 처리, 다른 한쪽 편에서는 기능 재생을 한다. 일정 시간마다 밸브로 오수와 수증기의 흐름을 바꿔서 연속 사용이 가능. 통상의 활성탄을 사용했을 경우, 월 1회 정도의 비율로 교환이 필요했다.
화장실의 세정수는 진재 후의 피난거점 등에서 부족이 우려되고 있다. 따라서 J톱은 지자체 등을 중심으로 세정수의 재활용 수요가 높아질 것으로 보고, 이번 장치를 개발했다. 이 회사의 주요 사업은 환경기기의 제조판매로, 2011년 4분기 매상고는 약 1억 5000만 엔.

열전도율이 높은 세라믹스 가공
京세라 표면에 열전도율이 높은 세라믹스를 고밀착 가공한 프라이팬 「세라브리드 프라이팬<캐스트타입>」을 발매했다. 불소 수지 가공에 비해 내구성이 높고, 흠집이 잘 생기지 않는다. 중불 이하에서도 식재료를 충분히 가열할 수 있다. 캐스트 제법(저압주조제법)을 이용하여 프라이팬 바닥을 두껍게 하여 보열성(保熱性)이 향상되었다. 색은 화이트와 블랙 두 가지. 가격은 5040-6615엔. 종래 제품을 포함하여 연 50만 개의 판매를 목표로 한다.

온천 진흙으로 조류(藻類) 배양
거친 피부 개선 미용화장품 발매
사라비오 화장품(大分縣 別府市, 사장 浜田拓也)는 지역 시내의 온천 진흙에서 항염증 효과가 있다고 알려진 조류를 배양하는 기술을 개발했다. 조류가 분비하는 지질 성분을 추출하여 거친 피부 개선을 목적으로 한 미용화장품을 상품화했다. 온천 진흙에 있는 미생물을 일본 메이커가 배양, 상품화하기는 이번이 처음.
배양하는 조류는 80℃ 이상의 온천 진흙에 생식하고 온천에 포함된 유기물을 영양분으로 한다. 조류를 배양하는 최적 조건을 갖추기 위해 빛의 양 제어 등을 검토. 독자의 배양 . 발표기술을 개량하여 통상 3개월이 걸리는 배양 기간을 1주일 정도로 단축하는 기술도 개발했다. 배양 후에 추출한 발효 엑기스는 젤로 상태로 가공, 미용화장품으로 전국에 판매한다. 홈페이지와 판매 대리점을 통해서 첫해 1억 엔의 매상고를 목표한다.
해외에서는 이미 조류의 지질 성분이 피부의 염증을 억제하는 효과가 있다는 것이 확인되었다. 그러나 일본에서는 「열과 방사성물질에 주목한 온천요법은 지금까지 인지되어 왔으나 진흙 속에 생식하는 특정 미생물을 사용한 치료연구는 거의 이루어지지 않았다」(浜田茂 회장)고 한다.
이 회사는 원료의 연구개발에서 제조판매까지 일관하는 화장품 메이커. 2011년 1분기 매상고는 약 10억 엔.

막(膜) 형식 하수처리
쿠보타, 40% 에너지 절약
MRB식 플랜트의 개요와 개선 포인트
兵庫에 실증 플랜트
쿠보타는 물 처리막을 사용한 하수처리법의 소비 에너지를 40% 줄이는 신형 플랜트의 실증 운전을 시작했다. 처리 능력을 2배로 높인 물 처리막의 개발과 처리 상태에 따라 공기의 공급량을 조정하는 제어법의 확립 등 30% 이상의 삭감에 기준이 세워졌다. 실제로 플랜트를 작동하면서 적절하게 기기를 운전하여 40% 절감을 달성했다. 2014년도에는 세계적으로 수요가 높아지고 있는 하수 배수 재활용 시장에 투입한다.
물 처리막을 사용한 하수처리법은 막 분리 활성 오니법(MBR). 소비 에너지를 40% 삭감하는 MBR식 플랜트의 개발은 09년에 新에너지ㆍ産業技術總合開發機構(NEDO)의 위탁을 받아 시작. 쿠보타는 지난 3월까지 福崎정화센터(兵庫縣 福崎町)에 하루 400톤의 하수를 철할 수 있는 실증 플랜트를 건설하여 2013년도 말까지 운전한다.
신형 플랜트에는 1평방미터 당 하루 1톤의 물을 투과할 수 있는 물 처리막을 탑재한다. 불소계 소재의 채용 등으로 종래보다도 투과 수량(水量)이 배증했기 때문에 물 처리막의 설치 매수가 반으로 줄어든다. 따라서 물 처리막에 부착한 오염을 제거하는 세정용 공기의 공급 에너지를 반감하여 최종적으로 종래 대비 4분의 1이 되기 때문에 물 처리막의 오염을 감시하고 공기량을 조정하는 제어도 적용한다. 지금까지 공기는 일정량을 항상 공급하고 있었는데, 투과 수량이나 수압으로 오염의 정도를 판정하고 공급을 바꿔 에너지를 절약한다.
MBR은 처리수의 수질이 양호하기 때문에 해외에서는 배수 재활용 용도로 보급이 시작되었다. 단, 일반적인 활용 오니법보다 에너지 소비가 2배 정도 많다는 점이 과제. 쿠보타는 MBR용 물 처리막에 있어 세계 2위로, 에너지 절약으로 플랜트 전체의 경쟁력을 높인다. 배수 재활용 시장은 2025년에 현재의 20배인 2조 엔 규모가 될 전망이다.

탄화된 적토-폐기물로부터 제조된 새로운 수처리 물질
영국 글래스고 대학(University of Glasgow) 연구진은 독성 산업용 폐기물(toxic industrial waste)을 오염된 물을 처리하는 데 사용될 수 있는 새로운 재료로 전환하는 데 성공했다.
글래스고 대학 화학과 소속의 연구팀은 인도 뉴델리에 있는 인도 에너지 자원 연구소(TERI; The Energy and Resources Institute)와 파트너십을 구축하고 적토(red mud)라고 알려진 물질이 보다 더 안전한 물질로 전환되기 위하여 탄화될 수 있는 고무적인 징후를 발견했다. 또 탄화된 적토는 물에서 중금속(heavy metal)을 제거하는 데 이용될 수 있다.
적토는 보크사이트 원광에서 알루미나를 추출하는 산업 공정인 베이어 공법(Bayer process)에서 발생하는 부산물이다. 산화알루미늄(aluminium oxide)으로 알려져 있는 알루미나는 주로 알루미늄을 산업적으로 생산하는 데 이용된다. 이 공정에서 부산물로 생성되는 진흙이 특징적인 붉은색을 띠고 있는 것은 높은 농도의 산화철(iron oxide)을 함유하고 있기 때문이다.
베이어 공법은 알루미나의 약 2배 이상의 적토를 생성하며, 연간 1200억 톤 가량의 적토가 전 세계에서 생산된다. 적토는 높은 알칼리성으로 다루기 위험하여, 폐기에 어려움이 따른다. 폐기하는 대신, 적토는 주로 대규모 옥외 저류지(open-air holding pond)에 보유된다.
2010년 10월 1일 헝가리 Ajka 지역에 있는 산업용 공장 인근 저류지가 붕괴되는 사고로 1 백만 ㎥의 부식성 적토가 배출되는 사건이 발생했다. 알루미늄 생산의 부산물인 적토는 상당한 양의 강염기인 수산화나트륨(sodium hydroxide, lye 가성 알칼리 용액)을 포함하고 있으며, 이러한 적토의 방출은 위험하게 높은 pH 용액을 초래했다. 그 외에도 적토는 비소, 크롬 및 바나듐 등과 같은 독성 금속의 혼합물을 함유하고 있다.
이러한 적토 범람 이후, 이 지역의 토양 40 ㎢가 영향을 받았으며, 9명이 사망했으며 120명 이상이 상해를 입었다. 국제 환경 보호 운동 단체인 그린피스(Greenpeace)는 헝가리에서 발생한 적토 방출 사건이 지난 20-30년 동안 유럽에서 발생했던 3대 환경 재난 중 제 1의 사건이라고 묘사한 바 있다.
글래스고 대학 화학과 소속의 Justin Hargreaves 박사는 인도와 2008년 이후 파트너십을 체결한 후 연구진이 적토가 보다 더 안전하게 처리될 수 있는 방법을 조사했다고 밝혔다. 또 연구진은 이러한 위험한 폐기 물질이 물에서 납과 구리 같은 금속을 제거하기 위하여 이용되기 위하여 변형될 수 있다는 사실을 확인했다고 Hargreaves 박사는 밝혔다.
메탄을 분해하기 위한 촉매로 적토 시료를 이용함으로써, 수소를 해리시켜서 연구진은 적토에 있는 산화철을 철 금속 또는 탄소로 코팅된 철분 카바이드(iron carbide)로 환원시키는 데 성공했다. 이러한 재료는 자성을 띠고 있기 때문에 금속으로 오염된 물에 첨가됐을 때, 물에서 금속 오염물질을 끌어당겨 제거하는 데 사용될 수 있다.
또 탄화 공정(carbonization process)은 일반적으로 진흙에 산을 추가하는 방법을 포함하여 현재 상용되고 있는 방법보다 훨씬 더 효과적으로 진흙에서 pH를 낮춘다. 이 공정을 거쳐 탄화된 적토는 알칼리성이 완화되어 다루는 데 덜 위험하다.
연구진이 연구한 재료는 한 번에 몇 그램 정도만 얻을 수 있으며, 이러한 공정이 대규모로 재현될 수 있는지 여부는 아직까지 알 수 없다고 Hargreaves 박사는 밝혔다. 적토의 화학적 조성은 공급원에 따라 매우 달라질 수 있으며, 이러한 사실은 초기 단계에서 확정적인 언급을 하는 것이 어렵다는 것을 의미한다. 연구진은 아직까지 산업용 수준으로 공정의 규모를 확대하는 것이 상당히 먼 미래의 이야기지만, 발견되지 않은 또 다른 가능성이 추가로 더 조사하기를 바라고 있다고 Hargreaves 박사는 덧붙였다.
이 연구는 영국 문화원의 영국과 인도의 교육 및 연구 이니셔티브(UKIERI; UK-India Education and Research Initiative)의 후원으로 수행됐다. 새로운 논문은 “탄화된 적토-폐기물로부터 제조된 새로운 수처리 물질(Carbonized red mud - A new water treatment product made from a waste material)”이라는 제목으로 2012년 6월 Journal of Environmental Management에 발표되었다. GTB