세라믹 내에 규칙적으로 배열된 전기 통로를 발견
- 전기를 한 방향으로 흘리는 물질의 구조가 해명 ?
도호쿠대학 원자분자재료과학고등연구기구(AIMR) 연구팀은 IBM 취리히연구소(스위스)와 공동으로 세라믹(티탄산란탄, lanthanum titanate)에 포함된 산소성분의 비율을 변화시켜 전기의 흐름 방향이 극적으로 변화되는 메커니즘을 해명하였다. 즉, “전기가 일정 방향으로 흐르는 첨상구조”가 결정 내부에 규칙적이고 자발적으로 형성되는 것이 원인이라는 것을 밝혀내었다.
이번에 본 연구팀은 파인세라믹스센터 나노구조연구소와 공동으로 원소 식별이 가능한 분석장치(전자에너지 손실분광기)를 탑재한 최첨단 초고분해능 주사전자현미경을 이용하여 산소량을 자유롭게 제어하여 합성한 티탄산란탄의 단결정 내부에 전기가 흐르는 통로(첨상구조)를 발견하였다. 이 통로가 규칙적으로 배열됨으로써 전기가 흐르는 방향 및 흐름의 용이성이 삼차원에서 일차원으로 변화하는 원인이라는 것을 발견하였다.
세라믹에 포함된 산소량의 증가에 의한 결정구조의 변화를 주사투과형 전자현미경법으로 관찰한 사진을 보면, 산소량이 증가하기 전에는 균일하고 주기적인 원자배열(백색 대비가 원자위치에 대응)이 관찰됨으로써 입방격자를 삼차원으로 쌓아 올린 것처럼 단순한 구조(등방성)로 구성되어 있다. 그러나 산소량을 13% 정도 증가시키면 원자배열이 극적으로 변화되어 구조가 변화하여 변형된 영역과 변화되지 않은 부분이 일정 비율로 교대로 쌓인 이차원적인 구조(이방성)로 변이된 것을 알았다. 이 산소량에 의한 구조 변화와 함께 전기의 흐름방법(전기전도)도 삼차원에서 일차원의 직선적인 흐름으로 변화된다는 것을 밝혀내었다.
그리고 원소 식별관찰법(원소분포도)과 전자구조의 이론계산으로부터 전기가 흐르는 통로가 구조변화에 의해 변형이 발생하지 않는 부분 즉, 티탄 1개와 산소 6개로 이루어진 팔면체 유닛이 지면에 대해 수직방향으로 첨상형태로 연결되어 있으며, 이 첨상구조를 따라 전류가 흐른다는 것을 알았다. 한편 구조의 큰 변형이 발생하는 부분에서는 전기가 거의 흐르지 않는 상태(절연체)라는 것을 알았다. 결과적으로 구조변화 후의 결정구조는 “절연테이프로 둘러싸인 도선이 규칙적으로 무수한 다발”과 같이 “전기가 흐르지 않는 절연체” 중에 “전기가 흐르는 통로(첨상구조)”가 원자 레벨로 규칙적으로 배열된 특이한 구조라고 말할 수 있다. 전기는 저항이 적은 통로(Y방향)를 따라 흐르기 쉽고, 그 외(특히 Z방향)에서는 저항이 큰 영역을 흐를 필요가 있기 때문에 전기가 흐르기 어렵다는 것을 알 수 있었다. 이것은 전기 흐름의 용이성이 결정방향에서 어떻게 변화하는가를 조사한 실험결과(전기저항률의 결정방위 의존성)와 잘 일치한다.
본 성과는 구성원자의 식별 가능한 최첨단 초고분해능 주사투과전자현미경법과 슈퍼컴퓨터에 의한 대규모 원자구조 계산을 수행하여 구조변화 된 세라믹의 원자구조 및 화학상태를 계측하는 데 성공하였으며, 특히 결정 중에 전기가 흐르는 통로가 규칙적으로 배열된 특이한 구조를 발견한 획기적인 결과이다. 앞으로 구성 구조제어에 의한 세라믹의 고성능화 및 다양화에 관한 연구의 진전이 기대된다. 또한 구조를 자유롭게 제어할 수 있으면 양자 세선(fine line) 및 고온 초전도, 열전변환 등 기능 특성의 발현도 기대된다. GTB

그림 1. 산소량에 의한 세라믹 구조변화 사진. (a) 변화 전, (b) 변화 후

그림 2. 구조변화 후의 세라믹의 특이한 원자 배열. (a) 전자현미경 사진, (b) 원소식별법에 의한 원자분포도(적: 란탄원자, 녹: 티탄원자), (c) 결정고조의 모식도

그림 3. 구조와 전기 흐름의 관계를 나타낸 모식도

나노 수준으로 3차원 해석
연료전지재료 개발에 응용
KRI(京都市 下京區, 사장 成宮明)은 고분해능의 투과형 전자현미경(TEM)에 컴퓨터 단층촬영장치의 수법(CT법)을 조합시킴으로써 나노레벨에서 3차원 구조해석을 하는 기술을 개발했다. 구조의 특징을 정량적(定量的)으로 분석함으로써 재료가 가진 물성과 구조의 상관관계 해명으로 연결된다. 리튬이온 2차 전지나 연료전지의 재료개발용 등을 시야에 두고 수탁분석 서비스를 시작했다.
전자선을 시료에 조사하여 투과한 상을 관찰하는 TEM에서는 2차원에서의 구조해석이 일반적. 최근에는 LTFY를 경사시키면서 촬영한 수십 장의 사진 데이터를 사용하여 3차원으로 재구축하는 CT법과 조합시키는 분석 수법이 사용되고 있다. 단, 현재로서는 3차원 화상의 시각적인 표시에 그치고 있다.
이 회사는 3차원 화상에서 나노레벨로 특징적인 구조를 추출. 다른 종류의 고분자 재료를 분자 레벨에서 제어한 「블록 공중합체(共重合體)」에 의한 구조를 정량적으로 분석하는 알고리즘을 개발했다.
새 기술을 사용하여 리튬이온 2차 전지의 세퍼레이터 막이나 다공질 구조에서의 공공(空孔)의 연속성, 연료전지 전극의 금속촉매 입자의 분포상태, 담체에 대한 매몰도를 정량적으로 분석하는데 성공했다. 재료가 가진 기능의 발현이 어떤 구조와 관련지어져 있는가를 분석할 수 있다고 한다. 새 재료의 개발 등으로 이어질 것으로 보고 관련 메이커로부터의 수탁 연구를 모집한다. 일간공업

사파이어 기판 위 그래핀 직성장
최근 2차원 결정인 그래핀, BN, 그리고 MoS2를 조합한 헤테로구조의 새로운 소자들이 등장하고 있다. 2차원 물질의 잠재력을 실현하기 위해서는 실질적인 성장법을 개발하고 성장 메커니즘을 완벽히 이해할 필요가 있다.
미국 Cornell University 소속 연구진은 촉매 금속을 사용하지 않고 사파이어 기판 위에 그래핀을 성장시키는데 성공했다. 연구 결과는 2012년 12월 17일자 ACS Nano지에 “van der Waals Epitaxial Growth of Graphene on Sapphire by Chemical Vapor Deposi-tion without a Metal Catalyst”란 제목으로 게재됐다. 절연체 기판 위에 그래핀을 직접 성장하는 기술은 전사과정(transfer process)를 생략할 수 있기 때문에 다양한 접근법이 소개되고 있다. 지금까지 MBE(molecular beam epitaxy)를 이용해 사파이어 및 실리콘 기판 위 성장, 화학기상증착 시스템 내에 MgO, SiO2, Si3N4, HfO2, BN, 그리고 사파이어 기판 위 성장이 보고됐다. 하지만 통상적으로 니켈 또는 구리를 이용하여 합성된 그래핀에 비해 그레인의 크기가 작고, 전하 이동도가 낮은 것으로 나타나고 있다.
그림을 살펴보면, 고온에서 사파이어 기판 위에 직성장된 그래핀의 라만 스펙트럼을 보여주고 있다. 1단계 공정만으로 성장하는 경우에는 (라만 스펙트럼 하단) 1.2% 농도의 CH4가 사용됐고 1550도에서 H2/CH4=12의 가스를 이용해 그래핀을 성장시킬 수 있다. 상단의 2단계 공정의 경우 H2/CH4=14의 가스를 공급하면서 1350도에서 3분간 핵생성 과정을 선진행하고, H2/CH4=10 및 1450~1650도 범위 내에서 그래핀을 성장시켰다. 각각 파장 1350cm-1 및 1580cm-1 영역에서 나타나는 D peak와 G peak를 비교한 결과 그래핀 그레인은 270 nm 수준의 크기를 갖는 것으로 나타났다.
연구진은 1단계 공정만으로 성장시킨 경우 각각 CH4 농도가 0.6% 이상, 0.2% 이하인 경우, 그리고 2단계 공정을 이용해 1600~1650도 범위에서 0.2% 이하의 CH4와 함께 성장시킨 경우 등 다양한 조건으로 나누어 실험을 진행하고, 홀효과 측정을 통해 그래핀의 전기적 특성을 분석할 수 있었다. 상온에서 측정된 홀효과 측정 결과 전하 이동도는 300~2050 cm2/Vs 수준으로 기존의 직성장 그래핀 특성보다 우수함을 알 수 있었다. GTB

그림. (우측 상단) 사파이어 기판 위에 성장된 그래핀의 라만 분석 결과. CH4 농도 1.2%, H2/CH4=12, 성장 온도 1550도에서 얻어진 그래핀의 라만 스펙트럼. 1350도에서 핵 생성(H2/CH4=14, 3분) 후 1650도에서 H2/CH4=10의 조건으로 성장된 그래핀의 라만 스펙트럼. 핵 생성 및 고온 성장 모두 CH4 농도는 0.15%. 1단계 공정으로 합성된 그래핀의 라만 맵핑으로 각각 ID/IG, I2D/IG를 나타냄. 고해상도 투과전자 현미경 분석 결과로 X선 회절 패턴이 삽입되어 있음. (좌측) 사파이어 기판 위 그래핀 성장 모델. 메탄(CH4)이 쪼개지면서 탄소가 공급되고 수소 및 산소에 의해 탄소가 식각되면서 균형을 이루게 된다.

유기화합물의 열전변환 재료
産總硏, 세계 최고성능을 달성
産業技術總合硏究所 나노시스템 연구부문의 衛 慶碩 특별연구원 등 연구팀은 유기화합물의 열전변환 재료에서 세계 최고 성능을 달성했다. 열전변환의 성능을 나타내는 ZT라는 지수는 실온에서 0.27. 지금까지 0.25가 최고였다. 열전변환 재료의 나노 입자를 규칙적으로 늘어놓을 수 있게 됨으로써 실현할 수 있었다고 한다. 실온에서 이용할 수 있는 열전변환 디바이스의 실적에 한 걸음 다가갔다.
연구팀은 도전성 고분자 중에서도 높은 도전성을 가진 재료로 PEDOT와 PSS 혼합물에 주목했다. 유기재료 박막을 만드는 방법으로서 유기재료를 혼합한 용매를 떨어뜨려서 건조시키는 「캐스트법」이 많이 사용된다. PEDOT와 PSS 혼합물을 에틸렌글리콜에 섞은 뒤에 떨어뜨려 100-150℃에서 가열하면 단순히 캐스트법으로 제막하는 것보다 ZT가 대폭 향상된다는 것을 발견했다.
에틸렌글리콜이 증발하는 과정에서 용매에 분산되어 있는 PEDOT와 PSS 혼합물의나노입자가 규칙적으로 늘어서기 때문이라고 한다. 앞으로 더 고성능화를 목표로 함과 동시에 대면적 모듈을 시작한다.
실온에서 150℃까지의 온도 영역에서 높은 성능을 보이는 재료로서 무기계 비스무트 텔루륨이 알려져 있다. 독성을 가진 고가의 레아메탈을 사용하고 있어 레아메탈이 필요치 않은 유기화합물 등이 대체 재료 개발이 요구되고 있다. 일간공업

새로운 페로브스카이트 산화물
오크 리지 국립 연구소(Oak Ridge National Lab)의 연구진은 지난 10년 동안에 복잡한 산화물 박막과 복잡한 기능성 산화물인 페로브스카이트(perovskite)의 잠재적인 성질을 조사하는데 흥미를 가지고 있었다. 이 기간 동안에 연구진은 표면과 계면을 정밀하게 제어함으로써 거의 완벽한 박막과 초격자를 생성할 수 있는 기술을 개발했다. 최근에, 이번 연구진은 LaAlO3와 스트론튬 티탄산염(strontium titanate) 헤테로구조 사이에 화학적으로 안정되고 원자적으로 날카로운 란탄 알루민산염(lanthanum aluminate) 단일층(즉, 완벽하거나 거의 완벽한 계면)을 만들 수 있다는 것을 발견했다.
이 연구결과의 핵심은 SrTiO3 기판 위에서 성장된 LaAlO3의 단일 셀(cell) 층이 버퍼(buffer)로서 이용될 수 있고 계면 품질을 매우 향상시킬 수 있다는 것이다. 이번 연구진에 따르면, 이것은 상부에 서로 다른 산화물을 적층시키는 프로세스를 이용함으로써 경계면 조건을 매우 정밀하게 제어해서 새로운 성질을 만들 수 있다는 것을 의미한다.
이번 연구진의 방법은 상대적으로 낮은 산소 압력에서 SrTiO3 (STO) 기판 위에 LaAlO3(LAO)를 성장시키기 위해서 펄스 레이저 증착(pulsed laser deposition, PLD)을 이용하는 것이다. 연구진은 산소 압력의 변화가 박막 구조에 어떤 영향을 끼칠 수 있는지를 체계적으로 조사하기 시작했다. 다양한 압력에서 조사한 후에, 이 연구진은 뜻밖의 현상을 관찰했다: 상대적으로 높은 산소 압력으로 LaAlO3의 “보호층(shielding layer)”을 초기에 생성할 수 있고, 낮은 압력에서 PLD 성장을 이끌 수 있다면, 최종 결과는 매우 정렬되고 결함이 없는 계면을 초래한다는 것이다. 이 연구결과의 놀라운 점은 분리 효과(isolated effect)를 가지지 않는 원자층 기술이 페로브스카이트 산화물에 적합할 수 있다는 것이다.
PLD는 TiO2-말단 단일 결정(001) STO 기판 위에 LAO 박막을 성장시키는데 사용되었다. 샘플은 10-6 Torr에서 10-2 Torr의 범위까지 700℃에서 제조되었다. ~1 J/cm2의 레이저 강도를 가진 KrF 엑시머 레이저(excimer laser, λ = 248 nm)는 단일 결정 LAO 표적의 용접에 사용되었다. 반사고속 전자선 회절(RHEED)은 표면 구조를 관찰하고 원자 층 정밀도를 가진 박막 두께를 제어하기 위해서 사용되었다. x-선 튜브 광원의 산란 데이터에 따르면, 모든 LAO 박막은 우수한 결정성을 가졌다. 일반적인 ω는 002 STO 단일 결정 기판 피크에서 0.03°이었다. 실시간 이온 탐침 특정들은 다양한 P(O2)에서 레이저 기둥의 동역학과 에너지학을 평가하는데 사용되었다. 이온 탐침은 STO 기판에 위치되었고, 표적에서 나온 이온 종은 질량분석기(TOF)로 측정되었다.
이 연구는 “세라믹 재료에 대한 새로운 도전” 이라는 제목 하에서 조사를 진행하였다. 여기에는 산화물 전자장치의 개발과 놀라운 기능성을 가진 불균일 미세구조를 예측할 수 있는 능력 등이 세부 과제로 포함되어 있다. 실제로, 세라믹 및 다른 재료 과학자들은 이 연구의 결과에 흥분을 감추지 못하고 있다.
이 연구결과는 산화물 표면, 계면, 나노크기 구조를 설계하고 합성함으로써 높은 이동도, 초전도성, 자성 등과 같은 유용한 전기적 성질을 가질 수 있다는 것을 보여주는데, 이것은 전기적, 광학적, 자기적, 기계적, 화학적 외부 자극에 의해 조정될 수 있다. 따라서 이것은 에너지 및 정보 기술 분야(더 효율적인 태양전지, 배터리, 고체 산화물 연료 전지, 더 빠른 트랜지스터, 더 강력한 커패시터) 등의 폭넓은 분야에 이 재료의 적용을 이끌 것이다. 이 연구결과는 Advanced Materials에 “Atomic Layer Engineering of Perovskite Oxides for Chemically Sharp Heterointerfaces”라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1002/adma.201202691). GTB

그림 1. LaAlO3와 SrTiO3가 적층된 상태의 계면 모습을 보여주는 이미지.

그림 2. STO 위에 LAO 박막 (50nm 두께)이 적층되어져 있는 모습을 보여주는 노마스키형 이미지.

그림 3. (a) 10-6 Torr, (b) 10-2 Torr 후에 10-6 Torr, (c) O2 분위기 하의 10-2 Torr에서 성장된 샘플의 산란 강도.

리튬 이온 배터리의 성능을 개선하는 새로운 방법
리튬인산철(LiFePO4)은 유망한 리튬이온 배터리용 캐소드 물질이다. 리튬인산철은 긴 사이클 수명, 고온 성능, 광범위한 과충전 허용 및 안전 성능, 셀프 균형, 빠른 충전 등 여러 장점들을 가지고 있으나, 전기자동차나 하이브리드 전기 자동차와 같은 비교적 큰 전기 장치에는 아직 적용되지 못하고 있다. 이는 리튬인산철의 낮은 충방전 성능 및 가공밀도 때문이다.
중국 베이징항공항천대학(Beihang University)의 화학환경공학과 Guo Lin 교수가 이끄는 연구진은 이러한 문제를 해결할 수 있는 새로운 방법을 찾는데 성공했다. 연구진은 계측적 구조를 이룬 리튬인산철 마이크로구체를 만들 수 있게 되었다. 용매열합성법(solvothermal method)이라는 간단한 방법으로 리튬인산철과 탄소로 구성된 마이크로구체를 만들었다. 이러한 마이크로구체는 높은 가공밀도 및 뛰어난 충방전 특성을 보이고 있어서, 향후 리튬인산철의 활용성을 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
연구진은 이번 실험에서 50mL 용량을 가진 오토클레이브를 이용하였다. 연구진은 리튬, 철, 인산(PO4) 소스로 비교적 값싼 소재인 황산철(FeSO4), 인산(H3PO4)과 리튬아세트산(CH3COOLi)을 각각 선택했다. 리튬, 철, 인산을 적절한 몰 비율로 혼합하여 용매열합성 반응을 실시한 뒤에 마이크로구체에 탄소를 코팅하였다. 이러한 방법으로 최종적으로 계층적 구조를 가진 리튬인산철 탄소 나노구체가 완성되었다.
리튬인산철 탄소 마이크로구체는 20~30나노미터의 두께를 가진 나노시트로 꽉 채워졌으며, 지름은 8~10마이크로미터로 균일한 크기를 이루고 있다. 나노시트 사이의 갭은 10~50나노미터인 것으로 확인되었다. 리튬인산철 탄소 복합체의 가공밀도는 거의 1.5 g/㎤ 수준에 이르는 것으로 확인되었다. 연구진은 나노시트가 거의 완전 충진율에 가깝게 채워진 균일한 크기의 마이크로구체를 만들 수 있게 되었다.
리튬 이온 배터리용 캐소드 물질로서 리튬인산철 탄소 복합체는 0.1C, 1C, 5C, 10C에서 각각 155mAh g-1, 144mAh g-1, 129mAh g-1, 104mAh g-1 의 높은 충전율을 보였다. 전극으로서의 뛰어난 성능은 용이한 전해질 침윤과 구체 내에서의 짧은 리튬 이온 이동경로와 관련이 깊다. 이 연구결과는 Nanotechnology에 “Hierarchical LiFePO4/C microspheres with high tap density assembled by nanosheets as cathode materials for high-performance Li-ion batteries”라는 제목으로 게재됐다. (doi:10.1088/0957-4484/23/47/475401) GTB

그림. 계층적 구조를 이루고 있는 리튬인산철 탄소 마이크로 복합체

새로운 투명 다이오드
미국 연구진은 p-형 전도성 재료로서 구리-아연-황화물(CuZnS)과 n-형 재료로서 ZnO를 사용하는 투명 다이오드를 만들었다. 이 연구결과는 자전기(magnetoelectrics), 나노포토닉스(nanophotonics), 이온 전도 등에 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다.
투명 전도체는 광 방출 다이오드를 이용하는 태양전지에서부터 평면 디스플레이까지 최첨단 전자장치의 필수 구성요소이다. 기존에 사용되는 인듐 주석 산화물(ITO)은 인듐의 수요 증가와 희소성 때문에 점점 비용이 올라가고 있어서 그 대안을 찾는 시도가 급증하고 있다. 산화물 중에서, ZnO는 유망한 후보자 중 하나이다. 그러나 이 물질은 단지 n-형 전도성만을 가지고 있기 때문에 다이오드 또는 박막 트랜지스터와 같은 양극성 소자를 만드는 것이 어렵다.
구리가 포함된 ZnS는 p-형 반도체인데, 이것은 지구에 풍부하게 존재하는 구성요소로 구성된 투명한 전도성 재료이다. 열전력(Thermopower)과 홀 효과 측정으로 박막이 p-형이라는 것을 확인하였다. 연구진은 54 S cm-1의 전도성과 550에서 65%의 광 투과성을 가진 최고의 p-형 박막을 만들 수 있다는 것을 발견했다. 홀 전도 메커니즘은 ZnS의 Cu 어셉터 도핑(acceptor doping)과 Cu2S 상 속의 홀 전도성을 토대로 설명될 수 있다. 캘리포니아 대학(University of California)과 로렌스 버클리 국립 연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory)의 연구진은 기존의 ITO를 대체할 수 있는 새로운 p형 재료를 사용해서 새로운 투명 다이오드(p-CuZnS/n-ZnO)를 개발했다. 그림에서 보는 것처럼 이 다이오드는 캘리포니아 대학의 버클리 캠퍼스의 명물인 세이더 타워(Sather Tower)를 관찰할 수 있을 정도로 투명한데, 이 다이오드는 향후에 투명 전자장치 분야에 유용하게 적용될 수 있을 것이다. 타워 주변의 약간 어두운 직사각형 그림자는 p-CuZnS/n-ZnO 다이오드의 모서리이다.
이번 연구진은 인광체 물질로서 주로 알려진 ZnS를 분석했다. ZnS에 Cu를 10% 정도 첨가하면 p-형 박막을 만들 수 있는데, 이것은 200 nm의 두께로 550 nm의 파장에서 65%의 광학적 투과성을 가진다. 이 재료에서 발견되는 최고의 전도성은 최고의 p-형 물질의 것과 유사하지만, 아연, 황, 구리 등의 원소들은 지구상에 풍부하게 존재하기 때문에 비용 측면에서 큰 우위를 가진다. 이런 우호적인 성질 때문에, 이번 연구진은 두 개의 구성요소(CuZnS, ZnO)로 투명한 헤테로접합 다이오드를 만들 수 있었다. 추가적인 최적화 이후에, 이것은 새로운 투명 장치를 위한 재료 시스템으로 적용될 수 있을 것이다.
이 연구결과는 자전기, 나노포토닉스와 같은 다양한 분야에 유용하게 적용될 수 있을 것이다. 이 연구결과는 저널 physica status solidi (a)에 “Copper-alloyed ZnS as a p-type transparent conducting material”이라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1002/pssa.201228181). GTB

그림. p-CuZnS/n-ZnO로 만들어진 헤테로접합 다이오드의 높은 투과성을 보여주는 사진.

東芝, 柏崎공장에 집약
2차 전지 제조 개발
佐久공장은 11월에 생산 종료
東芝는 2 공장에 있는 2차 전지의 제조 개발 거점을 柏崎공장(新潟縣 柏崎市)에 집약한다고 발표했다. 佐久공장(長野縣 佐久市)에서 하던 생산은 11월에 종료하고 2013년 3월까지 개발 부문도 柏崎공장으로 이관한다. 柏崎공장에 개발부터 생산까지의 일관 체제를 갖추고 스마트 그리드(차세대 전력망)를 포함한 용도 확대에 동반된 수요 증가에 대응한다.
柏崎공장은 2011년 2월에 신설되어 양산을 시작했다. 佐久공장은 2008년 3월부터 생산해 오고 있었으나 柏崎공장의 가동 후에는 개발과 시작 기능을 중심으로 담당해 왔다. 이 회사의 2차 전지 「SCiB」는 전기자동차나 전동 바이크, 가정이나 사무실, 점포용 축전지로 시용화되고 있다.
앞으로 스마트 그리드에서 사용되는 전력 저장용 대형 2차 전지 시스템 등의 용도개발이 필요하다. 두 공장을 한 곳으로 집약함으로써 개발에서 양산까지의 효율을 높일 수 있다. 佐久공장의 생산량은 적으며 柏崎공장의 생산능력은 월 50만 셀로 현재와 같다. 이관 후의 佐久공장은 그룹 차원에서 활용 방법을 검토하고 있다. 일간공업

나트륨이온전지용
九大, 새 유기재료 개발
싼값에 용량 2.5배
수소 포함하지 않아 부반응 제로
九州大學 先端物質化學硏究所의 岡田重人 준교수, 智原久仁子 테크니컬 스텝 등 연구팀은 저렴한 차세대 2차 전지로 기대되고 있는 나트륨이온전지의 플러스극으로 이용할 수 있는 새로운 유기재료를 개발했다. 용량은 종래 대비 2.5배로 고가인 금속을 포함하지 않으므로 값싼 재료로 기대할 수 있다.
개발한 것은 로지존산 2나트륨이라는 유기계 재료. 나트륨 마이너스 극에 대해 방전 시의 평균 전압 1.5볼트의 최대용량은 1그램 당 250밀리암페어시(時)로 지금까지 보고된 나트륨이온전지용 유기계 플러스극 재료와 비교하여 2.5배.
현행 리튬이온전지의 플러스 극제(劑)로 이용되고 있는 코발트산리튬, 망간산리튬, 인산철리튬(동 140밀리-170밀리암페어 시)에 비해도 높은 값을 보인다. 카본 마이너스 극에서 20회 충전한 후의 용량은 동 170암페어시가 되었다.
로지존산2나트륨은 탄소와 산소, 나트륨으로 구성되어 고가의 금속을 포함하지 않는다. 또 통상의 유기화합물과 달리 수소를 포함하지 않기 때문에 수소와 나트륨의 부반응이 일어나지 않는 다는 점도 메리트가 된다고 한다.
나트륨이온전지는 리튬이온전지의 리튬을 나트륨으로 치환한 새로운 형태의 2차 전지. 귀금속인 리튬을 자원이 풍부한 나트륨으로 바꿀 수 있기 때문에 저렴한 차세대 2차 전지로 기대되고 있어 일본 내외에서 연구개발이 활발하게 이루어지고 있다.
로지존산 2나트륨의 나트륨을 리튬으로 바꾼 재료를 리튬이온전지의 플러스극 재료로 이용할 수 있다는 보고가 2008년에 있었다. 연구팀은 이것을 나트륨으로 치환하는 연구를 해 왔다.
일간공업

새로운 항균 코팅
스페인과 포르투갈 연구진은 은 나노입자가 탑재된 키토산 박막이 강한 항균 특성을 가진다는 것을 증명했다.
환원된 은 나노입자를 탑재한 키토산 박막은 짧은 접촉 시간 후에 황색포도상구균(Staphylococcus aureus)의 생물막-형성 염좌와 내성에 대해서 강한 생물 파괴성 활동을 한다. 최근 연구에서, 사라고사 대학(University of Zaragoza)과 야기엘로니안 대학(Jagiellonian University)의 연구진은 이런 나노복합물 박막의 항균성 효능이 폴리머 기질 내에서 형성된 은 나노입자의 크기와 사용된 키토산의 분자량/탈아세틸(deacetylation)의 양에 의존한다는 것을 증명했다.
모든 키토산 용액들은 다음과 같은 과정으로 제조되었다: 99.8wt% 아세트산은 0.5M 액체 용액을 달성하기 위해서 희석되었다; 키토산 박편은 용액이 될 때까지 12시간 동안 65℃로 용해되었다. 150ml의 키토산 용액은 스터링 하에서 95℃로 가열되었고 60ml의 질산은 용액(7, 12, 26, 52mM) 가열 중에 추가되었다. 확산은 12시간 동안 스터링 하에서 유지되었다. 감광이 분명히 관찰되었고, 이것은 은 나노입자의 형성을 나타낸다. 키토산의 분자량이 점점 더 낮을수록, 콜로이드 은-키토산 나노복합물의 색상은 점점 더 어두워진다.
박막은 용매 증착 방법으로 제조되었다. 키토산 용액과 은-키토산 용액(25ml)은 페트리 접시(Petri dish)(내부 지름 9cm) 속에 부어졌고, 아세트산을 증착하기 위해서 60℃로 건조되었다. 이 박막은 4wt% NaOH로 중화되었고, 증류수로 철저하게 세척되었다. 이 박막은 60℃의 로 속에서 건조되었고 어두운 곳에 저장되었다.
박테리아와 박막 사이의 직접적인 접촉은 박테리아를 완전히 박멸하기 위해서 필요하다. 은 이온의 방출은 정지 성장(stationary growth) 박테리아 집단을 완전히 제거할 수 없는데 반해서, 접촉 시에 나노복합물은 많은 박테리아를 박멸할 수 있다. 따라서 양이온 은은 항균 작용을 위해서 방출되고, 이것은 표면의 박테리아와 접촉한다.
마지막으로, 환경적인 영향의 관점에서 나노 은이 포함된 재료들은 금속 나노입자의 제어할 수 없는 방출을 예방하기 위해서 나노입자를 호스트 구조 내에 계속 유지할 수 있게 한다. 이 연구에서, 연구진은 은의 제어할 수 없는 방출이 키토산 네트워크에서 나노입자의 강한 부착으로 손상된다는 것을 증명했다.
항균 특성을 가진 골격 또는 인공 기관의 디자인은 외상학(trau-matology)과 정형외과 분야에 큰 흥미를 끌게 할 것이다. 매우 많은 수의 골격 또는 임플란트가 박테리아 군체 형성의 문제를 가지고 있다. 결국, 이런 표면 위에 천연 구성요소를 기반으로 하는 항균 코팅들은 중요한 역할을 할 것이다. GTB

그림 1. 키토산과 키토산-은 박막 위의 박테리아.

그림 2. 키토산의 분자량과 은 선구물질의 탑재에 따라서 달라지는 키토산과 은-키토산 박막의 형상.

그림 3. 키토산-은 분산을 보여주는 TEM 사진.

유기화합물에서 수지・의약품 원료
촉매 사용으로 안전하게 합성
名古屋大學 工學硏究科의 石原一彰 교수 등은 유기화합물인 케톤과 알데히드에서 섬유와 수지, 의약품의 원료가 되는 에스테르와 락톤을 안전하게 합성하는 방법을 개발했다. 산화제에 과산화수소수를, 촉매에 금속염을 사용하여 합성한다. 종래의 방법은 산화제인 과카르본산으로 합성하기 때문에 폭발의 위험성이 있었다.
石原 교수 등은 리튬 테트라키스・펜타플올로페닐・볼라이트와 칼슘 테트라키스・펜타플올로페닐・볼라이트 등 2종류의 금속염을 사용하여 케톤의 일종인 시크로헥사논에서 락톤의 일종으로 나일론 원료인 입실론・카프로락톤을 합성했다. 촉매 첨가량은 시크로헥사논의 100분의 1 - 1만 분의 1. 케톤의 일종인 아다만타논에서 락톤을 합성할 때에는 금속염에 수산(옥살산)을 첨가하면 합성효율이 높아진다는 것도 알았다.
이 합성법은 케톤이나 알데히드에만 유효. 산화되기 쉬운 성질이나 산에 잘 녹는 물질이 같은 분자 내에 존재해도 케톤이나 알데히드를 선택하여 산화한다.
에스테르의 합성은 산화제를 과카르본산에서 안전성이 높은 과산화수소수로 바꾸면 산화력이 약하여 합성이 어려웠다. 石原 교수 등은 촉매를 사용하여 합성에 성공했다.
종래의 과카르본산은 폭발의 위험이 있는데다가 반응 후의 카르본산은 부식성과 냄새가 심하여 제거하는 공정이 필요했다. 이번 방법에서 사용한 산화제인 과산화수소수는 반응 후에는 물이 되기 때문에 뒤처리가 필요치 않게 된다. 일간공업
중국, 국제선진수준에 걸맞는 백색광 유기발광다이오드
기초연구
최근 중국과학원 장춘응용화학연구소는 백색광 유기발광다이오드(organic light-emitting diodes, OLED)의 계면수식, 전송계층 전자혼합, 부품구조 디자인과 성능조절, 백색광 발광메커니즘 연구, 조명패널과 조명기구의 연구제조 등 면에서 연계적인 성과를 취득하였다.
유기발광다이오드(OLED)는 소모가 적고 친환경적이며 안정적인 특징을 갖고 있을 뿐만 아니라 매우 얇고 가벼우며 유연성과 투명성이 가능하며 동종업자들은 현재 가장 이상적이고 가장 발전전망이 있는 조명기술 중 하나라고 인식하고 있다. 이 외에 OLED는 액정모니터의 배면광으로 사용되어 LCD의 두께와 무게를 더 한층 감소할 수 있을 뿐만 아니라 파워 소모를 더욱 감소하고 빛의 이용률을 제고할 수 있는 가능성이 있다. 최근 몇 년 동안 백색광 OLED연구는 이미 현저한 성과를 취득하였지만 부품의 성능을 더 한층 제고해야 하고 특히 고광도 아래의 출력효율과 수명이 중요하다. 또한 백색광 OLED가 언급된 일부의 기본적인 과학적 문제와 관건적 기술은 더욱 깊은 연구해결 방안을 필요로 한다.
장춘응용화학연구소 연구원은 백색광 OLED의 재료, 계면, 부품구조와 발광메커니즘의 연구를 통해 캐리어 주입을 제고할 수 있는 전극 수식기술과 캐리어 전송속도를 높일 수 있는 유기반도체 전자혼합기술을 중점적으로 탐색하여 새로운 효과적인 백색광 발광층 구조와 적층(Laminated) 부품의 전하 생성 구조를 디자인하였고 부품의 제조공정을 최적화하였다. 이는 백색광 부품의 발광 효율과 안정성을 전면적으로 제고하였고 지적재산권을 가지고 있는 전 형광형, 전 인광형, 형광/인광 혼합형 백색광 OLED 및 적층 백색광 OLED를 개발하였다.
전 형광형 백색광 OLED의 최대 효율은 15.9 lm/W(lumens per watt)이고 이는 국제 동종 제품수준에 달하였고, 전 인광형 백색광 OLED의 최대 효율은 48.1 lm/W이고 광도는 1000 cd/m2(Candela/m2)일 때에도 74.1 lm/W에 달할 수 있어 국제 선진수준이다. 유기 헤테로 접합(Heterojunction) 전하 생성층에 기초한 접층 백색광 OLED는 광도가 100 cd/m2일 때, 효율이 101.5 cd/A와 53 lm/W에 달하였고 광도가 1000 cd/m2일 경우 99.9cd/A와 45 lm/W에 달할 수 있어 이미 선진수준이다.
그리고 연구원은 3인치 백색광 OLED 조명판을 개발하였을 뿐만 아니라 백색광 OLED 조명기구의 시작에 성공하였고 백색광 OLED가 기초연구에서 응용연구로의 중요한 전환을 실현하였으며 OLED 조명산업화를 위해 기초를 닦았다.
이 프로젝트는 학술논문 84건을 발표하였고 SCI에 78건이 수록되었다. 연구성과에서 6건이 중국 발명특허권을 얻었고 6건이 중국발명특허를 신청하고 있는 중이다. 관련 연구성과는 NatureChina, NewScientist, ScienceDaily, China National News와 DAILYTECH 등 국제 사이트와 미디어에 의해 발표되고 평가되었으며, 부분 연구내용은 국제 유명한 저널 Chem. Soc. Rev., J. Photo-chem. Photobiol. C: Photochem. Rev.와 Adv. Mater. 등의 종합논술과 논문 <<백색광 OLED 조명>>에 소개되었을 뿐만 아니라 원 그림도 인용되었다. GTB

실내조명으로 항바이러스 작용
산화티탄에 나노사이즈 구리
東大가 광촉매 개발
東京大學의 橋本和仁 교수 등 연구팀은 실내의 조명으로도 높은 항균・항바이러스 기능을 가진 광촉매를 개발했다. 감염리스크가 높은 공항이나 병원에서 효과를 실증했다. 2013년에 새 촉매를 이용한 제품이 시장에 나올 전망. 실외 이용이 중심이었던 광촉매 시장이 확대될 가능성이 있다.
성과는 新에너지・産業技術總合開發機構(NEDO)의 프로젝트의 일환. 현재의 광촉매는 자외선(UV)에만 기능을 발휘하므로 UV가 적은 실내에서 높은 항균・항바이러스 기능을 갖는 제품은 지금까지 없었다. 개발한 것은 대표적인 광촉매인 산화티탄의 표면에 나노사이즈의 구리를 붙인 것. 형광등 아래의 실험에서는 대장균과 다제내성균(多劑耐性菌), 인플루엔자 바이러스, 노로바이러스 등의 세균과 바이러스를 1-2시간 만에 99% 이상 사멸시켰다. 빛이 없는 어두운 곳에서도 높은 항균・항바이러스 기능을 확인할 수 있었다.
橫浜市立大學 부속병원 화장실 타일과 접수 카운터, 新千歲공항의 카트 등에서 개발한 광촉매의 효과를 1년 동안 실험한 결과, 균의 수를 50-90% 줄일 수 있다는 것을 실증할 수 있었다.
이 프로젝트에 참여한 昭和타이타늄(富山縣 富山市)가 앞으로 광촉매의 원료 메이커로서 양산화를 검토해 나간다. 盛和工業(橫浜市 都筑區)이 새 촉매를 이용한 공기청정기를 2013년에 병원용으로 발매할 예정. 이밖에 파나소닉이 필름 재료, TOTO가 타일이나 도료 재료로 제품화를 검토하고 있는데, 제품으로 만들기까지의 기술개발이 필요하여 발매시기는 미정. 일간공업

「오픈라보」 내년 봄 개설
리튬이온 2차 전지 神奈川大 중소기업과 개발
神奈川大學은 주로 神奈川縣 내의 중소기업을 대상으로 한 리튬이온 2차 전지에 관한 「오픈라보」를 2013년 4월에 개설한다. 내년 2월 상순에 참가할 기업을 모집하기 시작한다. 대학이 가진 풍부한 인재와 최첨단 장치를 활용한다. 높은 기술력이 있으면서 대형의 설비투자가 어려워 성능실험까지 이르지 못하고 있는 중소기업의 참가를 촉구하여 장래성이 높은 이 전지 관련 비즈니스 기회로 연결시킨다.
중소기업용 리튬이온 2차 전지의 오픈 라보 개설은 神奈川縣이 실시한다. 「2012년도 대학발・정책제안제도」에 채택된 테마. 神奈川縣 산업기술센터와 연대하여 2013년도부터의 2년 동안 일정한 성과를 올리는 것이 목표. 사업비는 한 해 1000만 엔 이내로 현과 대학이 절반씩 부담한다. 기업의 부담은 실험 등에 필요한 실비분의 부담에 그친다.
神奈川大學은 리튬이온 2차 전지가 처음 생겨났을 때부터 연구를 계속해 오고 있어 전지를 제조할 때 사용하는 글로브박스와 성능실험용 충방전 장치 등 연구에 필요한 주요 장치는 갖추고 있다. 지도는 프로젝트 책임자인 이 대학 공학부 물질생명화학과의 松本太 준교수 등이 담당한다.
오픈라보의 시작으로 강습회와 기술상담을 실시. 거기에서 조정을 거쳐 매력적인 기술에 관해서는 1개월을 기준으로 오픈라보를 활용한 개별 기술 실습을 실시하고, 그 결과, 한층 연구가 기대될 경우에는 최장 1년에 걸쳐서 성능실험을 한다. 첫해는 기술 실습을 10개 사, 성능실험을 2, 3개 사로 예정한다. 일간공업

유리 및 복합재료로 만들어진 세계에서 가장 긴 다리
유리섬유 보강 복합재료로 만들어진, 세계에서 가장 크고 가장 긴 다리인 skywalk가 20123년 2월에 두 개의 산봉우리 사이인 JIA JIE 캐년에 세워질 것이다. 일단 skywalk가 세워지면 이 다리는 최초의 케이블 연결다리로서 완벽하게 복합재료로 제조된다. Zhangjiajie 국립 삼림공원은 중국인민공화국의 후안 북부지역에 있는 Zhangjiajie 시내에 위치한 독특한 국립 삼림공원이다. 이 공원은 Wulingyuan 경치가 아름다운 지역에 있는 몇 개의 국립공원 중 하나이다.
프로젝트의 실현가능성은 중국 후안 철교 조사 및 디자인 연구소에 근무하는 중국 및 외국 전문가들의 만장일치로 확인되었다. 전문가 그룹들은 이 유리 skywalk를 건설하기 위해서 그리고 skywalk 센터 내에 세계에서 가장 높은 번지점프 대를 세우기 위해서 비스듬히 잡아당기는 방법을 채택하기로 결정하였다. 유리 다리 건축 기술자 그룹 멤버에는 유명한 상하이 월드 엑스포 이스라엘 전시관 디자이너 Haim Dotan, 세계의 유명한 건물 파워, 구조 보안 전문가인 Doronshalev와 다른 국내의 유명한 다리 전문가들이 포함되어 있다. 전문가 그룹은 새로운 복합재료를 적용할지 아닌지에 대한 그리고 유리 다리를 위한 갑판 유리 선택에 대한 상세한 분석과 토의를 수행한다. 전문가들은 최종적으로 유리 skywalk 건축 구조가 실현가능하고 안전한지를 결정하게 된다.
디자인에 의하면, 그랜드 캐년 Skywalk 유리 다리 프로젝트는 ZHANG JIA JIE 그랜드 캐년 경치가 좋은 Li Shu Ya와 Wu Wang Po지역에 세워질 것으로 계획되고 있다. 그랜드 캐년에 걸친 두 개의 절벽 꼭대기에서 세워질 것이다. 바닥으로부터 다리의 상대적인 높이는 약 400미터이고 넓이는 3.2미터, 다리 길이는 약 370미터이다. 다리의 갑판은 완전히 투명한 유리 재료를 사용할 것이며 완전한 유리 구조 다리가 될 것이다. 전체 프로젝트에서 강철 보강재나 콘크리트 지지체는 사용되지 않을 것이다. 케이블은 현재 세계의 가장 첨단 복합재료를 사용하도록 디자인되었다. 그리고 세계에서 가장 높은 번지 점프대는 다리의 중앙에 세워지게 된다.
3년 동안의 디자인, 시험 및 연구를 걸쳐 유리 다리 건축 프로젝트는 현재 재료 선정의 최종 단계에 있다. 올해 말에 아름다운 유리 다리 건축은 시작될 것이다. 초기 구조물은 철도 케이블 자동차, 번지 점프 및 다른 부수적인 작업이 진행될 것이며 2013년 말에는 관광객들에게 개방될 것이다. 유리 다리 프로젝트에는 전체 4200만 불이 투자되고 항공우주 재료들이 전체 다리의 안전성과 안정성을 향상시키기 위해 선택될 것이다. GTB