츠쿠바에 오픈라보
반도체 실장 첨단소재 개발
日立化成은 4월에 츠쿠바(筑波)종합연구소(茨城縣 츠쿠바시)에서 후가공과 조립(반도체 실장 공정)에 관한 첨단설비를 갖춘 시설을 개설한다. 3차원 실장 등 첨단기술에 대응. 고객에게 시작(試作) 제공과 기술 제안의 신속화로 이어진다. 해외에서는 영업과 개발의 현지화를 본격화하는 한편, 일본에서는 고급 스마트폰 등에 사용할 첨단소재의 개발을 할 수 있는 설비를 확충한다.
기존의 반도체 실장 재료개발 시설에 설비를 추가 도입하여 고객 기업 등 외부 기관에 설비를 개방하는 ‘오픈라보’형 시설로 쇄신한다. 반도체 웨이퍼를 얇게 깎는 백그라인드와 반도체를 잘라내는 다이싱, 와이어 배선, 재배선과 봉지(封止) 등 반도체 실장 공정을 일관되게 할 수 있다. 투자액은 수억 엔 규모로 보인다.
극박 웨이퍼와 3차원 실장 등의 첨단기술에 대응에 따라 日立製作所의 협력을 얻어 분자 레벨의 해석기술을 도입하여 시작품으로 실증 평가하는 작업을 일부 생략할 수 있도록 했다.
日立化成은 봉지재나 기판 재료, 가공ㆍ반송용 필름 등 실장재료를 폭넓게 다루고 있다. 새 시설이 반도체 실장 공정을 망라한다는 점에서 제품 라인업의 확대를 강점으로 살리기 쉬워진다.
한편, 실장 재료의 제조거점이 입지할 중국과 말레이시아 등에서는 현지 스태프의 육성을 추진하여 현지인끼리 상담과 기술적인 논의를 하는 체제를 갖추고 있다. 텔레비전이나 퍼스널컴퓨터와 같은 디지털 제품은 기능적인 성숙화가 이루어짐에 따라 부재의 가격경쟁도 격화되고 있다. 이렇게 해외에서 경영을 현지화 함으로서 이들의 범용화가 이루어져도 일정한 수익을 유지하면서 판매를 늘려 나갈 계획이다. 일간공업

고출력으로 안정성 10배
스핀 토르크 발진소자 개발
産業技術總合硏究所, 캐논아네르바(川崎市 麻生區), 大阪大學은 높은 출력과 종래의 10배 가까운 진동안정성을 양립한 나노 콘탁트형 스핀 토르크 발진소자를 개발했다. 소비전력이 낮아 100나노미터 이하의 소형화를 전망할 수 있는, 스핀 토르크 발진소자의 실용화 가속으로 이어진다. 고밀도 집적회로(LSI)에 도입할 나노 스케일 발진기와 초고감도ㆍ고분해능 자계 센서, 차세대 와이어리스 통신용 마이크로파 발진기 등에 대한 응용을 기대할 수 있다.
스핀의 방향에 따라 저항값이 달라지는 ‘자기저항막’에 자기 터널 접합막을 사용하여 외부로부터 자계를 가해서 스핀의 방향을 막 면에 수직 방향으로 기울임으로써 진동안정성을 높일 수 있었다. 자계의 크기가 6킬로 엘스테드 이상일 경우, 진동안정성을 나타내는 Q값은 최대 3200이다. 자기 터놀 접합막이나 소자의 구조를 연구하는 것만으로는 성능에 한계가 있어 1000을 넘는 Q값의 달성이 과제였다. 또 고출력과 안정성의 양립은 어려웠다.
앞으로는 박막 재료나 소자 구조를 연구하여 외부 자계 없이 하는 발진을 추진한다. 또 다른 전자부품을 조합시켜서 회로를 제작하여 실용화를 위한 성능평가를 해 나갈 것이다. 일간공업

3차원 프린팅을 할 수 있는 새로운 방법
미국 연구진은 원하는 영역 위에 3차원 패턴을 형성할 수 있는 새로운 방법을 개발했다.
거의 1 세기 동안, 전기영동 증착(electrophoretic deposition, EPD)은 다양한 제품 표면 위에 입자를 증착시키는 코팅 방법으로 사용되었다. EPD를 사용하는 가장 일반적이고 가장 오래된 프로세스 중 하나는 자동차 생산 조립 라인에서 새로운 차체에 중도(primer coat)를 하는 것이다. 차체는 양으로 대전되고 덩크 탱크(dunk tank) 속의 액체 프라이머(liquid primer)는 음으로 대전되는데, 이로 인해서 금속 표면에 프라이머가 부착된다.
EPD는 세라믹, 금속, 폴리머, 심지어 살아있는 세포 등의 표면 위에 다양한 재료를 증착하는데 사용된다. 이 프로세스는 잘 작동하지만 적용이 제한적이다. EPD는 지금까지 특정된 위치가 아니라 단지 전체 표면 위에 재료를 증착할 수 있었다. 로렌스 리버모어 국립연구소(Lawrence Livermore National Laboratory)의 연구진은 광-유도된 전기영동 증착이라고 불리는 기술을 개발했다. 이 기술은 표면에 패턴을 형성하기 위해서 광전도성 전극과 DC 전기장을 이용한다. 이것은 광을 이용해서 광전도체의 표면과 접촉하는 표적 영역에 형상을 만들 수 있게 한다. 즉, 이것은 매우 높은 해상도로 복합물의 3차원 패턴을 형성할 수 있게 한다. 이 연구결과는 저널 Advanced Materials에 게재되었다.
이번 연구진은 알루미나 세라믹-텅스텐 나노입자 복합물을 제조하기 위해서 광-유도된 EPD를 사용했다. 텅스텐 나노입자는 광전도성 표면의 전체에 증착되었고, 레이저 절단 알루미늄 마스크를 통해서 광이 조사(照射)되었다. 서로 다른 형상의 마스크는 세라믹 물질을 증착시키기 위해서 새로운 재료로 대체되었다. 향후에, 알루미늄 마스크는 자동화된 증착 시스템을 위해서 DLP 텔레비전에서 개발한 것과 유사한 투명 마스크로 대체되어야 할 것이다.
광 유도된 전기영동 증착은 단일 층, 단일 재료 코팅에서부터 독특한 복합물을 형성할 수 있는 제조 기술까지 다양한 분야에 매우 유망하게 적용될 수 있을 것이다. 예를 들어, 에너지 흡수를 위해서 폴리머 재료의 특성을 제어할 수 있도록 공극 영역이 정밀하게 생성될 수 있다. 또한 인공 장기를 위한 혈관을 제조하기 위해서 세포 물질 내에 공극 영역을 정밀하게 생성할 수 있다.
이번 연구진은 광전도성 층 위에 패턴을 형성하기 위해서 광을 이용하는 새로운 전기영동 증착 기술을 제시했다. 이 기술은 복합물의 복잡한 3차원 패턴을 제조할 수 있는 방법이기 때문에 전기영동 증착 분야에 큰 진전을 이루어내었다. 이 연구결과는 저널 Advanced Materials에 “Light-Directed Electrophoretic Deposition: A New Additive Manufacturing Technique for Arbitrarily Patterned 3D Composites”라는 제목으로 게재되었다. GTB

그림 1. 새로운 제조 프로세스인 광-유도된 EPD를 사용해서 3차원 프린팅된 로고. 텅스텐 나노입자 층(다크 브라운)은 레이저 절단 알루미늄 마스크를 통해서 조사된 영역 위에 증착되었다. 그 후에 마스크는 알루미나 세라믹 물질(백색)을 증착하기 위해서 나노입자 용액과 함께 변화되었다. 향후에, 마스크는 완전히 자동화된 증착 시스템을 위해서 투명 마스크로 대체될 것이다.
그림 2. 광-유도된 EPD 프로세스의 모식도.

PZT박막으로 압전 MEMS 디바이스
200㎜웨이퍼로 제작
産業技術總合硏究所와 大日本印刷는 직경 200밀리미터 대구경 웨이퍼 위에 일반적인 압전 재료인 티탄산지르콘산연(PZT) 박막을 사용한 압전미소전기기계 시스템(MEMS)디바이스를 제작하는 기술을 개발했다. 압전 MEMS 디바이스의 생산능력 향상과 저가화로 이어진다. 앞으로는 양산 시작을 추진하여 3년 이내에 실용화할 계획이다.
産總硏이 제조 조건을 바꾸지 않고 직경 100밀리, 150밀리, 200밀리미터 웨이퍼에 두께 10마이크로미터 이하의 PZT 박막을 형성할 수 있는 장치를 개발했다. 원심력을 이용하여 웨이퍼 위에 자동으로 금속용액을 퍼트려서 박막으로 만든다. 형성 시의 분위기나 열처리 조건을 개량하여 재료 대비 완성품의 비율이 저하되는 원인이 되는 크고 엉성한 입자의 발생을 10분의 1 이하로 낮추었다.
또 大日本印刷와 공동으로 PZT박막을 형성한 웨이퍼를 압전 MEMS 디바이스로 가공하는 기술을 개발했다. 압전을 가했을 때의 변형량을 나타내는 압전정수 d31은 마이너스 2- 플러스 2볼트에서 구동했을 때에 1볼트 당 마이너스 90피코미터로 실용 레벨이었다. PZT박막을 사용한 압전 MEMS 디바이스는 잉크젯 프린터의 헤드나 자일로센서 등에 사용되며, 앞으로 더 큰 시장확대가 예상된다. 지금까지 제조할 수 있는 웨이퍼의 직경은 최대 150밀리미터로 200밀리미터에서는 결함이 많아져 제조가 불가능했다. 일간공업

나노기술을 이용한 광촉매 효율의 향상
NIMS(National Institute of Materials Science)와 교토 대학(Kyoto University)의 연구진은 나노기술을 이용해서 가시광선으로 활성화될 수 있는 광촉매 재료를 개발하는데 성공했다. 이 연구결과는 저널 Light: Science & Applications에 게재되었다.
티타늄 이산화물이 자외선에 노출될 때 물 분해를 불러올 수 있기 때문에 많은 분야에서 티타늄 이산화물을 광촉매로서 사용하고 있다. 예를 들어, 티타늄 이산화물 광촉매는 유독 가스의 분해에 사용되었다. 그러나 태양광 속에 포함된 자외선 광의 결핍 때문에, 이런 광촉매는 태양광 아래의 물 분해를 유도할 수 없어서 에너지를 생산하지 못한다. 가시광선에 더 많은 반응을 가지는 광촉매 재료를 개발하기 위해서, 많은 과학자들은 티타늄 이산화물 광촉매를 향상시키려고 노력했지만, 원하는 효율을 가진 광촉매를 개발하는데 실패했다.
이런 문제를 극복하기 위해서, 이번 연구팀은 약 1나노미터 정도 떨어져 있는 금속 나노입자의 어레이 근처에 티타늄 이산화물 광촉매를 설치했고, 금속 나노입자 사이의 나노갭(nanogap)으로 인한 빛의 비선형 특성을 이용했다. 그렇게 함으로써, 이번 연구진은 가시광선을 사용했을 때 자외선 광에 해당하는 광여기(photoexcitation)를 초래할 수 있었다. 실제로, 이번 연구진은 염료의 분해 반응을 조사했고, 이 새로운 광촉매가 단지 티타늄 이산화물로 만들어진 광촉매보다 6.5배 더 빠르게 가시광선에 반응한다는 것을 발견했다.
티타늄 이산화물 광촉매를 제조하는 과정을 살펴보면, 먼저 평편한 ITO 기판 위에 36 나노미터의 금 나노입자 어레이를 제조하고(1 나노미터 = 1 미터의 10억분의 1), 이것은 알카네티올(alkanethiol) 분자들로 코팅된다. 그 후에 1 나노미터의 TMOS 분자층을 형성한다. 여기서 TMOS(trimethoxyoctylsilane) 분자 속의 한 개의 치환기는 소수성이고 금 나노입자 위에 고정된다. 다른 치환기는 친수성이고 티타늄 이산화물과 결합된다. 마지막으로, 티타늄 이산화물 입자층이 형성된다.
이번 연구진은 근적외선 광발생 층으로서 금 나노입자가 삽입된 2차원 티타니아 광촉매 장치를 제조할 수 있는 상향식 방법을 증명했다. 이 장치는 투명한 전도성 기판(석영 위의 10 nm의 인듐 주석 산화물 층) 위에 금 나노입자의 2차원 어레이를 증착함으로써 적층형 구조가 제조되었다. 이것은 TMOS 단일층으로 금 나노입자의 2차원 어레이를 코팅했고, 앵커링(anchoring) 분자 층 위에 티타니아 나노결정을 증착했다.
장치의 가시광선 활성은 가시광선(700 nm)과 자외선 광(250~300 nm)으로 장치를 조사(照査)함으로써 메틸렌 블루(methylene blue)의 광촉매 분해가 조사되었다. 금 나노입자의 국부적인 표면 플라즈몬 공명 피크는 약 700 nm이다. 다른 대조군과 비교했을 때, 이 장치는 가시광선 조사(照査) 하에서 가장 높은 광촉매 활성을 가지는데, 이것은 자외선 조사를 가진 티타니아의 것보다 1.7배 더 높았다. 가시광선 활성은 플라즈몬 유도된 2-광자 흡수와 활성 스펙트럼에 의해서 확인되었다.
이 연구결과는 광전극 시스템의 박막 전극 재료로서 새로운 티타늄 이산화물 광촉매를 사용할 수 있게 할 것이다. 또한 적절한 환원 재료와 결합해서 적용될 수 있을 것이다. 이 새로운 광촉매는 독성 화학 물질의 분해와 제거에도 사용될 수 있을 것이다. 따라서 광촉매의 적용은 실용화 단계에 있고, 향후에 더욱 확대될 예정이다. GTB

그림 1. 새로운 광촉매의 개략도
그림 2. (a) 36 nm의 금 나노입자의 2차원 어레이의 SEM 이미지. (b) 티타니아 코팅된 2차원 어레이의 TEM 이미지, (c) 티타니아 코팅 및 어닐링 전(청색)과 후(적색)의 여기 스펙트럼.

리튬이온 전지
부극재(負極材)의 입경(粒徑) 제어
産總硏 고용량ㆍ저가화에 길
産業技術總合硏究所는 리튬이온 2차 전지의 부극재료에 사용되는 티탄산화물(HTO)의 크기를 제어하여 충방전 용량을 높이는 기술을 개발했다. 종래의 제조 프로세스에 분쇄기술과 열처리 공정을 도입한 것만으로 생산이 가능하여 전기자동차와 하이브리드 자동차 등 전동차량용 리튬이온 2차 전지의 고용량화, 저가화를 기대할 수 있다. 石原産業과 공동으로 양산화기술을 확립한 뒤에, 3-5년 후의 샘플 제공 개시를 시야에 두고 있다.
개발한 기술로 제작한 HTO 1그램 당 충방전 용량은 약 250밀리암페어 시(時)이다. 원료인 티탄산나트륨을 분쇄함으로써 HTO의 입경을 제어한다.
평균 입경이 약 2마이크로미터인 티탄산나트륨을 분쇄하여, 동 약 0.2마이크러미터로 만들어 열처리를 한 후, 산(酸)처리 등을 실시하면 동 약 0.2마이크로미터의 HTO가 생긴다. 전극을 시작하여 25℃에서 평가한 결과, 충방전을 1시간 만에 완료하는 데 드는 전류값(IC)은 지금까지는 1그램 당 164밀리암페어 시였던 것에 비해, 입경을 제어하자 1그램 당 210밀리암페어 시로 향상했다. 산화물계 재료를 사용한 리튬 전지는 높은 안정성과 긴 수명화 등으로 이어진다고 하여 실현에 기대를 모으고 있다. 그러나 지금까지는 1그램 당 충방전 용량이 실용 레벨인 200밀리암페어 시를 넘기가 어려웠다. 일간공업

나노기술을 이용한 새로운 초고속 전기 회로
싱가포르 연구진은 수백 헤르츠의 주파수에서 작동될 수 있는 전기 회로를 디자인하고 제조하는데 성공했다. 이것은 현대의 최첨단 마이크로프로세스보다 수만 배 더 빠르다. 이 놀라운 연구결과는 고속 전자장치, 나노크기 광-전자장치, 비선형 광학에 새로운 혁신을 불러올 수 있을 것이다.
싱가포르 국립대학(National University of Singapore)의 연구진은 싱가포르 과학기술청(Agency for Science)의 연구진과 협력해서 수백 테라헤르츠 주파수에서 작동될 수 있는 전기 회로를 제조하는데 성공했다. 이 전기 회로는 최첨단 마이크로프로세서보다 수만 배 더 빠르다.
이 새로운 연구는 ‘양자 플라즈몬 터널링(quantum plasmonic tunnelling)’이라고 불리는 새로운 물리적 프로세스를 이용했다. 분자 전자장치 속의 분자들을 변화시킴으로써, 회로의 주파수는 수백 헤르츠 영역에서 변화될 수 있다. 이 새로운 회로들은 향후에 초고속 컴퓨터 또는 단일 분자 검출기를 구성하는데 사용될 수 있고, 나노-전자장치를 개발할 수 있는 새로운 가능성을 열어줄 것이다. 이 연구는 싱가포르 연구재단(National Research Foundation)과 A*STAR에 의해서 자금을 지원받았고, 저널 Science에 3월 28일자로 게재되었다.
빛은 정보 전달 매체로서 사용되고, 광 케이블로 전송된다. 포토닉스 구성요소들은 부피가 크지만 데스크톱 컴퓨터보다 약 10,000 배 더 빠른 100 테라헤르츠의 지극히 높은 주파수에서 작동된다. 그러나 현재의 최첨단 나노-전자장치는 훨씬 더 작은 크기에서 작동되는데, 이것은 나노크기 전자장치와 포토닉스 구성요소의 초고속 특성들을 결합시키는 것을 매우 어렵게 한다.
과학자들은 빛이 특정 금속과 상호작용할 수 있고 플라즈몬의 형태로 포집될 수 있다는 것을 오래 전부터 알고 있었다. 플라즈몬은 나노크기에서 조절될 수 있는 전자의 집단적, 초고속 진동이다. 소위 양자 플라즈몬 모드들이 원자 크기에서 일어날 수 있다는 것은 이론적으로 예측되었다. 그러나 현재의 최첨단 제조 기술들은 단지 약 5 나노미터보다 더 큰 크기를 달성할 수 있었는데, 이것은 양자-플라즈몬 효과의 조사를 어렵게 했다.
이번 연구팀은 실제 적용이 가능한 길이 크기에서 양자-플라즈몬을 가질 수 있다는 것을 증명했다. 이번 연구진은 두 개의 플라즈몬 공진기를 사용해서 분자 전자 회로의 구성요소를 제조하는데 성공했다. 이 분자 전자 회로는 1 개의 분자 두께를 가진 분자 층으로 연결된 플라즈몬의 형태로 빛을 포집할 수 있는 구조로 구성되어 있다. 분자 층은 양자 플라즈몬 터널링 효과를 스위칭(swiching)할 수 있는데, 이것은 회로가 테라헤르츠 주파수에서 작동될 수 있게 한다.
이번 연구진은 나노미터 해상도로 이 구조의 광전자 특성을 측정하기 위해서 첨단 전자 현미경 기술을 사용했다. 이 측정으로 인해서 양자 플라즈몬 모드의 존재를 밝혀내었고, 장치의 분자 특성을 변화시킴으로써 이 구조의 속도를 제어할 수 있다는 것을 증명했다. 양자-보정된(quantum-corrected) 시뮬레이션을 수행함으로써, 이번 연구진은 양자 플라즈몬 특성들이 현재의 프로세서보다 10,000 배 더 높은 주파수의 분자 전자 장치에서 제어될 수 있다는 것을 확인했다.
이번 연구진은 양자 플라즈몬 터널링 효과를 직접적으로 관찰하는데 세계 최초로 성공했다. 또한 광학적 주파수에서 매우 빠른 스위칭(switching)이 분자 전자 장치에서 실제로 가능하다는 것을 최초로 증명했다. 이 연구결과는 나노-전자장치에 광학의 빠른 작동 속도를 결합한 플라즈몬-전자장치를 개발할 수 있는 새로운 가능성을 열어 줄 것이다. 이번 연구진은 실제 전자 회로 속에 이런 장치의 집적 등과 같은 몇 가지 연구를 수행할 계획을 가지고 있다. 이 연구결과는 저널 Science에 “Quantum Plasmon Resonances Controlled by Molecular Tunnel Junctions” 라는 제목으로 게재되었다. GTB

그림. 구조의 특성을 평가하고 0.5 nm의 길이를 가진 분자 층으로 연결된 두 개의 플라즈몬 공진기의 광학적 특성을 탐침하는데 사용되는 집속 전자빔(황색).

리튬이온 2차 전지 개발
높은 입출력으로 장수명화
村田製作所는 입출력 성능이 높고 수명이 긴 리튬이온 2차 전지 모듈을 개발했다. 라미네이트셀(전극) 내부저항을 낮춤으로써 높은 입출력 특성과 급속충전을 실현했다. 다른 축전지와 병용도 가능하다. 소형전동차량이나 무정전 전원장치(UPS)용으로 제안한다. 2015년에 野州事業所(滋賀縣 野州市)에서 양산을 시작했다.
개발한 축전지는 주력 제품인 적층 세라믹 콘덴서로 쌓은 분산기술을 응용하여 얇은 전극 시트에 효율적으로 전기를 축적할 수 있다. 모듈 단체(單體)의 출력은 130와트 시(時)로 6분 동안 충전으로 약 90%의 충전량을 확보할 수 있다.
전지의 잔용량이나 입출력 전력 등을 실시간 파악할 수 있는 배터리 관리 시스템도 탑재했다. 외형 치수(모듈 단체)는 폭 150밀리 × 높이 150밀리 × 깊이 250밀리미터이다. 일간공업

급속충전 가능한 무인 반송자동차 개발
프라임어스EV에너지(PEVE, 靜岡縣 湖西市, 사장 林芳郞)은 하이브리드 자동차(HV)용 니켈 수소 전지를 응용한 무인반송차(AGV)를 개발했다. AGV가 대기 중일 때 급속 충전이 가능하므로 공장 내에서 연속적으로 장시간 운용할 수 있다. 생산설비 메이커와의 협력도 시야에 두고 사업화할 계획이다.
PEVE는 도요타 자동차의 자회사로 HV용 전지 메이커이다. 니켈 수소 전지와 리튬 전지를 생산하고 있다. HV용 니켈 T서 전지로 배양한 급속 충방전 기술을 AGV에 응용했다.
AGV는 납축전지 탑재 타입이 일반적. 납축전지는 급속 충전이 어려워 2교대로 운용하는 공장에서는 도중에 전지를 교환하는 경우가 많다. 개발한 니켈 수소 전지 탑재 타입이라면 공장 가동 중에도 AGV의 급속 충전이 가능하다. 전지 교혼이 불필요해서 훨씬 사용이 간편해진다.
이미 자동차 메이커 공장 내에서 플로트 타입의 운용 실험을 마쳤다. 현재 사업화를 위해 자사에서 AGV를 양산할 것인지, 전지 유닛을 생산설비 메이커 등에 공급할지를 검토하고 있다.
HV의 수요 확대로 PEVE의 주력사업인 HV용 니켈 수소 전지는 생산이 수주를 따라가지 못하는 상황. 우선은 HV용 전지의 양산을 최우선으로 한다. 단 HV 등 전동차량용 전지는 앞으로 리튬 이온 전지로 변형될 가능성이 있다. PEVE는 장기적인 관점에서 HV 이외의 니켈 수소전지의 사용 용도를 넓힘으로써 지속적 성장의 초석을 만든다. 일간공업

성형시간 2-3분
탄소섬유 강화 열가소성 플라스틱
日大, 실용화의 기준 마련
日本大學 生産工學部의 邊吾一교수 ED은 탄소섬유 강화 열가고성 플라스틱(CFRTP)를 단시간에 성형하는 기술의 실용화에 기준을 마련했다. 성형 시간은 2-3분 정도로 오토크레이브(복합재 경화로)를 이용하는 열경화성 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)의 성형에 비해 약 10분의 1로 단축할 수 있다. 성형 시의 온도조절이 필요치 않기 때문에 에너지 효율이 높다.
邊교수 등은 진공 펌프로 수지를 금형에 주입하여 진공 성형하는 방법을 확립했다. 오토크레이브에 비해 설비투자를줄일 수 있다. CFRTP는 체적비로 탄소섬유 45%, 수지 55%. 모재로 액상 입실론 카프로락탐을 주입하여 성형한다.
CFRTP의 인장(引張)이나 굴곡 강도 등의 역학적 특성은 CFRP와 동등하다. 부드러운 열가소성 수지를 사용한다는 점에서 충격 특성에 우위성이 있다. 열을 가하면 연화하므로 재이용할 수 있다.
CFRP는 항공기나 고급자동차에서 채용되고 있다. 성형에 시간이 걸린다는 것이 과제였는데, 생산성의 향상에 의한 원가 메리트를 전망할 수 있다. 수지에 대한 카본 화이버의 함유율을 늘리는 연구로 자동차와 부품 메이커 등에 제안하여 조기 실용화할 계획이다. 일간공업

가정용 축전지 시스템
전력의 변환 손실 저감
엘리파워가 개발
엘리파워(東京都 品川區, 사장 吉田博一)는 태양광 패널로 만든 전력을 가정에서 사용하기 적합한 축전지 시스템을 개발했다. 축전지를 태양광 패널과 직결하여 직류전력 그대로 충전하기 때문에 도중에서 손실된 전력이 적어 발전한 전력을 유효하게 사용할 수 있다. 매전을 하지 않기 때문에 태양광 패널은 소규모면 되고, 정전 시에도 전원을 확보할 수 있는 시스템을 싼값에 구축할 수 있다. 西洋하우징(東京都 豊島區)의 분양주택에 채용이 결정되었다.
개발한 것은 엘리파워의 축전지 「파워이레 플러스」와 태양광 패널을 직결한 시스템. 축전지의 충전 용량은 2.5킬로와트 시(時)로, 정전 시에는 발광다이오드(LED)조명, 텔레비전 등을 10시간 가동시킬 수 있다. 태양광 패널의 출력은 1킬로와트이다. 평상시는 발전한 전력을 가전에 공급하고, 나머지를 충전한다.
태양광 패널의 직류전력은 파워컨디셔너(전력조정장치)로 교류로 교환한 뒤에 전력 계통이나 가정 내의 배선에 보낸다. 그러나 변환손실이 발생하므로 가전에 이를 때는 발전한 전력이 줄어들어 버린다. 새 시스템은 파워컨디셔너를 매개로 하지 않고 직류 그대로 축전지에 보내 충전까지의 손실을 없앴다. 가전에는 축전지의 파워컨디셔너 기능으로 교류로 바꾸어 보내기 때문에 변환 횟수가 적어져 전체의 손실을 줄일 수 있다.
보통 발전하고 남은 전력을 전력계통에 매전 할 것을 전제로 설계하기 때문에 태양광 패널은 출력 4킬로-5킬로와트가 많고, 설치에 200만 엔 정도가 든다. 축전지를 병용하여 발전한 전력을 DIRS이나 정전 시에 사용하는 시스템이 있지만 고가였다. 새 시스템은 가정에서의 사용에 태양광 패널의 출력을 최저한으로 하여 원가를 낮추었다.
西洋하우징은 센다이 시내에서 분양 중인 주택 22동 등에 표준탑재를 시작했다. 엘리파워는 2006년 설립된 대학발 벤처이다. 축전지 사업 메이커로 大和하우스工業과 샤프, 스즈키 등이 출자한다. 일간공업

수소를 저장하는 복합 세라믹
미국 연구진은 세라믹 물질을 이용해서 수소를 안전하고 효율적으로 저장할 수 있는 새로운 기술을 개발하는데 성공했다. 이번 연구진은 3 가지 세라믹을 합성하여 새로운 구조체를 만들었고, 이것은 저렴하고 간단한 수소저장체로서 기능하였다. 이번 연구진은 연소 합성법(combustion synthesis)이라고 불리는 기술을 이용했다
캘리포니아 대학의 샌디에이고 캠퍼스(University of California, San Diego)의 연구진은 수소를 안전하고 효율적으로 저장하는데 사용될 수 있는 새로운 세라믹 재료를 만들었다. 이번 연구진은 칼슘 헥사보라이드(calcium hexaboride), 스트론튬, 바륨 헥사보라이드(barium hexaboride)의 화합물을 세계 최초로 만들었다. 또한 이번 연구진은 이 화합물이 연소 합성법이라고 알려진 간단하고 저렴한 제조 방법을 사용해서 제조될 수 있다는 것을 증명했다.
이 연구는 개념 단계(concept stage)이고, 국립 과학 재단(National Science Foundation)에 의해서 120만 달러의 연구 자금 중 일부를 지원받았다. 이번 연구에는 알프레드 대학(Alfred University)과 네바다 주립대학(University of Nevada, Reno)의 연구진이 참여했다. 세라믹 제조 프로세스는 이런 유형의 재료를 제조하는데 사용되는 기존의 방법보다 더 빠르고 더 간단했다. 이 연구결과는 2014년 3월에 열린 제 3차 International Symposium on Nanoscience and Nanomaterials에서 발표되었다.
이번 연구진은 그동안 수소를 쉽게 저장하고 방출할 수 있는 고체 물질을 찾고 있었다. 수소 연료전지가 다양한 분야에 효율적인 전원 공급을 할 수 있기 때문에 수소 저장은 점점 더 중요한 역할을 차지하고 있다. 그러나 수소는 주기율표상에서 가장 가벼운 원자이고, 저장하기가 어렵다. 또한 이것은 압력 탱크의 벽을 통해서 확산될 수 있다. 그리고 이것은 저장하는 공간을 줄이기 위해서 압축을 할 필요가 있다.
이번 연구진이 개발한 세라믹은 붕소 케이지(cage) 속에 결정질 구조로 구성되어 있다. 수소를 저장하기 위해서, 이번 연구진은 수소 원자를 케이지 내의 칼슘, 스트론튬, 붕소와 대체할 수 있었다. 이번 연구진은 상용 피자 오븐 온도보다 더 낮은 약 400 ℃(750℉) 이하의 온도를 가진 박스 속에서 금속 질산염을 가진 붕소와 요소와 같은 유기 연료를 혼합시켰다. 질산염과 유기 연료는 발화되면서 외부 전원 없이 반응을 구동할 수 있는 열을 생성한다. 이 방법은 연소 합성법이라고 알려져 있다.
“이것은 매우 간단하고 우수한 프로세스”라고 이번 연구진은 설명했다. 이 연구결과는 수소 저장 방법으로서 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다. GTB

그림 1. 이번 연구진이 만든 칼슘 헥사보라이드, 스트론튬, 바륨 헥사보라이드로 구성된 결정구조의 모식도. 수소를 저장하기 위해서, 이번 연구진은 케이지 내에
수소 원자와 칼슘, 스트론튬, 붕소를 대체하였다.
그림 2. 칼슘 헥사보라이드, 스트론튬, 바륨 헥사보라이드의 혼합물로 만들어진 화합물.
(왼쪽) 5 마이크론 크기의 헥사보라이드 구조의 주사 전자 현미경 이미지.

住友電工, 미국에서 실증
올해 안에 수주 개시 재생에너지에 초점
住友電氣工業은 2014년 안에 차세대 대형 축전지 「레독스 플로(RF)전지」의 실증 설비를 미국 캘리포니아주에 마련하고, 해외에서 수주 활동을 시작한다. 태양광 발전 등 재생가능 에너지의 도입을 추진하고 있는 이 주는 출력변동조정용으로 현지 전력회사 3사에 합계 1325 킬로와트의 전력저장 시스템의 채용을 요청했다. 이 회사는 이러한 움직임이 세계적으로 확대될 것으로 보고 우서 이 주에서 실적을 쌓을 계획. 축전설비를 사용한 출력변동조정과 발전부족을 보충하는 서포트를 담당할 현지의 축전 서비스 회사와 손잡고 수주할 계획이다.
투자액은 10억 엔 규모로 보이며, 공동출자가 될 전망. 캘리포니아주는 2020년까지 재생가능 에너지의 발전 비율을 33%로 만든다는 목표를 내걸고, 안정공급을 위해 전력 저장시스템의 도입도 요구하고 있다.
住友電工은 RF전지에 대해 일본에서는 大阪市와 橫浜市에 있는 이 회사 사업소에 각각 10억 - 15억 엔을 투자하여 실증실험을 진행하고 있다. 北海道電力의 변전소에서 실증을 위한 총액 200억 엔 규모의 프로젝트도 결정했다.
大阪市의 사업소에서는 이와는 별도로 20억 - 30억 엔을 투자한 RF전지 자동생산 라인의 구축이 2013년 12월에 완성되어 본격 양산에 들어갔다. 제1호기는 北海道電力을 위한 것이 된다. 전력회사와 태양광발전사업자 등으로부터 문의가 늘고 있다고 한다.
RF전지는 실용화에서 앞선 리튬이온 2차 전지와 달리 충방전에 의한 극이나 전해액의 열화가 거의 없어 수명이 길다. 대용량, 대출력에 적합하며 충전전력을 정확하게 관리할 수 있다. 따라서 발전, 공급량이 불안정한 재생가능 에너지와 전력 계통 사이에서 주파수와 전압의 조정, 전력저장, 출력평준화 등을 담당할 수 있다. 기본원리를 공표한 미국 항공우주국(NASA)이 있는 미국에서도 주목을 받고 있다. 일간공업

탄소섬유 강도 20% 향상
GSI크레오스, 레저용으로
컵 적층형 CNT활용
GSI크레오스는 탄소섬유 수지 함침 시트인 프리프렉에 끼워 넣어 압축강도의 성능을 약 20% 높일 수 있는 수지필름에 대한 제안을 시작했다. 탄소망이 바닥이 뚫린 컵 모양을 한 컵 적층형 카본나노튜브(CSCNT) 「컬벨」을 매트릭스 수지 안에 분산시킨 것으로, 지금까지 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)의 과제가 되었던 압축강도의 성능향상이 가능해진다. 낚싯대나 로드바이크, 골프샤프트 등 레저용도를 중심으로 채용할 계획이다.
컬벨은 금속미립자를 촉매로 하여 화학기상성장(CVD)법으로 합성되는 카본나노튜브로 탄소망이 바닥이 뚫린 컵 모양으로 적층된 중공(中空)구조로 분산성이 우수하여 표면처리 등을 용이하게 할 수 있다. 굴곡 강도와 굴곡 탄성률 등도 우수하다.
아울러 실시한 인장 실험에서는 프리프리그층 사이에 CSCNT의 수지필름을 포함하지 않은 시료는 하중 측에서부터 이면까지 파괴되고, 파단응력의 약 80%부터 층간 박리가 시작되었다. 이에 대해 이 필름을 포함시킨 시료는 파괴가 시작되어도 이면까지 파괴가 미치지 않는 등, 판단될 때까지 층간 박리가 거의 일어나지 않았다고 한다. 일간공업

인공 광합성 재료 개발
東工大와 豊田中硏 수십 배의 효율로 집광
東京工業大學과 豊田中央硏究所(愛知縣 長久手市)는 공동으로 종래의 10 - 몇10 배의 효율로 태양의 빛을 모으는, 인공 광합성용 재료를 개발했다. 식물의 잎과 마찬가지로 큰 면적에서 넓게 모인 빛을 최종적으로 하나의 분자로 모은다. 태양의 빛에서 에너지를 만들어내는 인공 광합성에 응용하면 고가인 광촉매 사용량을 대폭 줄일 수 있다. 앞으로 개발한 광 보수 시스템을 에너지 변환 시스템과 조합시켜서 식물과 비슷한 성능을 가진 인공 광합성 실현을 목표로 한다.
직경이 대략 5나노-6나노미터인 다수의 구멍을 가진, 메소폴러스 유기 실리카(PMO)라는 재료를 이용했다. PMO는 직경이 마이크로미터 레벨의 구상 재료로 빛을 흡수하는 유기분자가 매립되어 있다. 모아진 빛은 우선 구멍 속에 도입한 5개의 금속착체에 모여지며, 그 후 루테늄 착체라는 한 개의 분자에 집약된다. 東工大의 石谷治 교수에 따르면 “모아진 광자의 수는 식물에 필적한다”고 한다.
식물은 잎의 표면에 모아진 빛을 최종적으로 하나의 분자에 모아서 효율적으로 광합성한다. 단 종래의 인공광하성은 모아진 빛을 집약시키지 못하고 R대로 이용하는 경우가 많았다. 식물과 마찬가지로 2단계의 공정으로 빛을 모으는 인공적인 시스템의 개발은 이번이 처음이다. 일간공업

그래핀 초전도체를 만들 수 있는 새로운 방법
미 에너지부의 SLAC 국립 가속기 연구소(SLAC National Ac-celerator Laboratory)와 스탠포드 대학(Stanford University)의 연구진은 그래핀 초전도체를 만들 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 그래핀 초전도체는 100%의 효율로 전기를 전달할 수 있다.
이번 연구진은 그래핀과 칼슘의 적층으로 만들어진 전자 구조 속을 조사하기 위해서 강한 자외선 광을 사용했다. 이런 재료가 초전도성을 가진다는 것은 이미 10년 전부터 잘 알려져 있었지만, 이번 연구진의 새로운 연구는 그래핀 층이 초전도성에 중요한 역할을 한다는 것을 최초로 증명했다. 이 연구결과는 그래핀이 나노크기 전자장치를 위한 재료로서 유용하게 변환될 수 있다는 것을 보여준다.
이 연구는 그래핀 초전도체를 만들 수 있는 새로운 방법을 제시하고 있다. 그래핀 초전도체는 긴 시간 동안에 많이 연구되었지만, 결국 달성될 수 없었다. 이번 연구진은 그래핀과 칼슘 사이에서 전자가 어떻게 산란되고, 전자가 재료의 원자구조 속의 진동과 어떻게 상호작용하고, 저항 없이 전기를 전도하기 위해서 전자가 어떻게 쌍을 이루는지를 관찰했다. 이 연구결과는 저널 Nature Communications에 3월 20일자로 게재되었다.
그래핀은 벌집 구조로 배열된 단일층 탄소 원자들이고, 가장 얇으면서 가장 강한 재료로 알려져 있다. 또한 매우 우수한 전기 전도성과 같은 많은 매력적인 특성들을 가지고 있다. 그래서 과학자들은 매우 빠른 트랜지스터, 센서, 심지어 투명 전극을 만드는데 이것을 적용할 수 있을 것이라고 예상하고 있다. 그래핀을 만드는 고전적인 방법은 흑연 블록에서 매우 얇은 그래핀 시트를 벗겨내는 것이다. 흑연은 연필심으로 사용되는 순수한 탄소 형태를 가지고 있다. 그러나 과학자들은 순수한 칼슘 결정을 가진 흑연을 화학적으로 짜깁기함으로써 이런 탄소 시트를 분리할 수 있었다. 이 연구는 칼슘이 적층된 흑연 또는 CaC6이라고 알려져 있는 그래핀 초전도체를 만들게 하고, 그래핀과 칼슘을 한 개의 원자층으로 적층시킴으로써 만들어진다.
CaC6의 초전도성은 10년 전에 이미 알려졌지만, 그래핀이 초전도성에 어떤 영향을 끼치는지를 알지 못했다. 이번 연구진은 유니버시티 칼리지 런던(University College London)에서 만들어진 CaC6 샘플을 SSRL에서 분석했다. 이것은 지극히 어려운 실험이었다고 이번 연구진은 말했다. 샘플에 자외선 광선을 조사함으로써 재료를 조사할 수 있었고, 각 층 속의 전자들이 무슨 일을 하는지를 확인할 수 있었다. 그래서 이번 연구진은 전에는 관찰할 수 없는 반응들을 상세하게 조사할 수 있었다.
이 기술을 이용해서, 이번 연구진은 그래핀 평면 위의 전자들이 초전도성을 가지는데 어떤 역할을 하는지를 최초로 증명할 수 있었다. 또한 칼슘 층은 중요한 역할을 하였다. 마지막으로, 이번 연구진은 재료 속의 초전도 메커니즘을 이해할 수 있었다. 초전도 그래핀의 적용은 아직 불투명하지만, 그들은 고주파수 아날로그 트랜지스터, 나노크기 센서, 전기기계적 소자, 양자 컴퓨팅 소자 등에 적용될 수 있을 것이다. 이 연구결과는 저널 Nature Communications에 “Superconducting graphene sheets in CaC6 enabled by phonon-mediated interband interactions”라는 제목으로 게재되었다. GTB

그림 1. 그래핀 평면(청색 벌집 구조) 사이에 칼슘 원자들(오렌지 구체)을 추가함으로써 CaC6 이라고 불리는 초전도체가 생성된다. 이 연구는 그래핀이 이런 초전도성에
중요한 역할을 한다는 것을 최초로 증명했다.
그림 2. CaC6의 띠 구조(band structure).

SiC 연마 효율 5배
난삭재 대응 공구 개발
立命館大學의 谷泰弘교수 등은 크리스탈光學(大津市, 사장 桐野茂)와 공동으로 사파이어와 탄화규소(SiC)와 같은 지금까지 연마하기 어렵다고 알려진 소재를 3-5배의 효율로 연마하는 고기능 연마 공구를 개발했다. 액정용 커버글라스와 반도체 기판 등의 가공에서 이용을 상정하고 있다. 연마공정에 드는 시간을 단축함으로써 제조 원가의 삭감으로 이어진다. 1-2년 후의 사업화를 목표한다. 개발한 것은 랩 정반(ラップ定盤)이라고 하는 원반 모양의 연마 공구이다. 직경 30마이크로 - 50마이크로미터의 스테인리스 제(製) 섬유로 된 금속부직포에 우레탄 수지를 물들여서 제작했다. 지립(砥粒)을 포함한 연마액을 사용하여 대상물을 연마하는 습식 래핑에 이용한다.
섬유에 따라 지립의 유지성이 향상되므로 연마 특성이 향상된다. SiC를 연마했을 경우, 기존의 주철제 랩 정반은 30분 - 1시간 걸렸던 연마시간을 15 - 20분으로 단축할 수 있었다. 또 항상 지립이 가공대상물(워크)에 닿을 수 있는 구조이므로 내마모성도 높아진다. 주로 거친 연마가공에 대한 이용을 시야에 두고 있는데 재료의 배합 등을 바꾸어 표면의 거칠기를 제어하면 정밀연마에 응용도 가능하다고 한다. 현재 시작품의 크기는 최대 40센티미터 정도. 앞으로 요구가 많은 직경 102센티미터의 랩 정반에 대응할 수 있도록 대구경화를 추진한다.
랩핑 가공은 반도체 웨이퍼와 유리의 전(前)가공 등 많은 정밀기계가공에 사용되고 있다. 최근에는 사파이어 등 종래보다 단단한 소재를 연마할 필요성이 커져, 원가 절감을 위해 가공이 효율화와 고품질화가 요구되고 있다. 단 기존의 랩 정반은 연마액과 잘 어우러지지 않아서 지립의 유지 상태가 나쁘거나 연마 특성이 저하되거나 하는 과제가 있었다. 일간공업

그림. 사파이어와 SiC 등 연마하기 어려운 소재를 고효율로 연마할 수 있다.

무선 센서
전지 수명 10배로
東北大 NEC 스핀트로닉스 활용
東北大學과 NEC는 무선센서 단말의 전지 수명을 약 10배로 늘리는 신기술을 개발했다. 전자의 스핀(자석의 성질)과 부전하(負電荷), 이 둘을 이용하는 스핀트로닉스 기술을 응용하여 이 센서 단말에 탑재할 수 있는 마이크로 컨트롤러(MCU)를 개발. MCU의 소비전력을 종래 대비 80분의 1까지 삭감하여 실증했다. 앞으로 신기술을 이용하여 고성능, 저소비전력으로 유지성능이 우수한 이 센서 단말의 실현에 공헌하여 빅데이터(대용량 데이터) 분야에서의 활용을 촉구한다.
개발한 기술은 논리 회로 속에 있는 전원제어회로와 타이머, 승산기(乘算器), AD컨버터(아날로그 디지털 변환기)등에 스핀트로닉스 소자를 적용했다. 대기전력을 최소한으로 억제하면서 고속 전원 제어를 실현. 또한 소비전력이 큰 불휘발성 레지스터의 기입 전력을 삭감했다.
이번 신기술을 바탕으로 회로선 폭 90나노미터의 상보형(相補型) 금속산화막 반도체(CMOS) 회로와 3단자 자기터널접합(MTJ) 소자를 조합시킨 집적회로(IC)칩을 시작했다. 센서 단말에서의 사용을 상정한 데이터 수집과 연산처리를 실증했다. 일간공업

< 그림자료는 세라믹코리아 2014년 5월호를 참조바랍니다.>