東芝, 급속충전기 개발
전기버스용 시내에서 실증 운행
東芝는 전기버스의 급속충전기를 개발, 東京都 港區에서 실제 노선을 이용한 실증실험을 시작했다. 전기자동차(EV)의 급속충전규격 「CHAdeMO방식」에 비해 3분의 1이라는 짧은 시간에 충전을 완료할 수 있다. 전기버스는 충전 시간을 확보할 수 있기 때문에 디젤버스와 같은 운행시간에 운행할 수 있다. 東芝가 급속충전기를 개발하기는 처음이다.
東芝는 東京都 港區의 커뮤니티버스 「치이바스」의 노선을 이용한 전기버스의 실증운행에 개발한 급속충전기를 도입했다. 環境省으로부터 실증, 연구사업 위탁을 받아 실시하게 된다. 전기버스를 田町역 앞에서 新橋역 앞까지 하루 6번 왕복, 합계 100킬로미터 이상 달리게 한다. 개발한 급속충전기에 東芝에서 만든 리튬이온 2차 전지 「SCiB」를 탑재했다. 전기버스의 전지에도 SCiB를 채용했다. 충전기의 전지에 일단 전력을 모아 전기버스의 전지에 충전한다. SCiB는 충전과 방전을 단시간에 할 수 있기 때문에 버스에 급속충전을 실현할 수 있다. 실증에서는 버스의 운행에 필요한 양의 충전을 5분 만에 완료할 수 있다.
「CHAdeMO방식」은 전력 계통에서 EV에 직접 전력을 공급한다. 도심부에서는 정체와 신호대기가 빈번하므로 전기의 충전이 많이 소비된다. 전기버스를 운행시간 대로 운용하려면 충전시간의 확보가 과제가 되었다. 東芝의 충전기로 단시간 충전이 가능해져 버스에 탑재하는 전지도 줄어든다.
東芝는 충전과 방전의 반복에 의한 전지의 열화 상태를 해석하여 전지의 교환 시기를 예측하는 기술도 검증하여 전기버스의 보급을 뒷받침한다. 충전기를 실용화하여 차량 탑재나 주택, 전력계통용으로 전개할 SCiB의 용도 개척에도 이어진다. 일간공업

희토류 회수 순도 99.9%
씨엠씨技術開發
수용액의 비중차 활용
네오디뮴 자석부터 産總硏과 연구
씨엠씨技術開發(岐阜縣 各務原市, 사장 河辺憲次)는 네오디뮴 자석에서 레아어스(희토류)인 디스프로슘(Dy)을 99.9%라는 고순도로 추출하는 기술을 개발했다. 자석을 전처리하여 희토류 수용액으로 만든 후에 유기용매와 수용액의 비중차를 활용하여 추출한다. 日本原子力開發機構와 産業技術總合硏究所의 기술을 활용했다. 디스프로슘은 네오디뮴 자석을 많이 사용하는 희토류다. 분리기술은 있었지만 비중차를 활용하는 간단한 방법은 거의 없었다. 
개발한 기술은 에멀션프로 추출이라고 불리며, 原子力機構가 기반기술을 확립했다. 통 모양의 용기 위에서 희토류 수용액을, 아래쪽에서 유기용매를 주입하면 교반하지 않아도 비중차로 용기 중간 부분에서 혼합되어 수용액 속의 디스프로슘 이온이 용매에 섞인다. 디스프로슘을 받아들인 용매는 산성의 수용액을 혼합하여 처리하여 산화물로 추출한다.
추출기술의 개발은 産總硏과 연대했다. 기존의 분리기술의 대부분은 날개에 의해 유기액층과 수용액층을 교반하는 장치를 이용한다. 이번에 개발한 기술은 비중차만으로 혼합하기 때문에 장치 전체를 소형화할 수 있다.
씨엠씨技術開發은 개발형 벤처기업. 이미 네오디뮴 자석에서 복수의 희토류가 혼합한 산화물을 회수하는 기술을 확립했다. 자석 메이커는 디스프로슘을 사용하지 않는 자석을 개발하고 있는데, 시중의 출시된 가전제품이나 전자기기에는 디스프로슘을 사용하는 자석이 많다. 이 회사에서는 재활용 기술의 확립으로 디스프로슘의 유효 활용에 공헌할 수 있으리라 보고 있다. 일간공업

GE, 새로운 자기 냉동기 기술 발표하다

GE 어플라이언스의 Michael Benedict(좌측)와 Venkat Venkatakrishnan(우측)이 차세대 가전제품을 위한 자기 냉동기를 시험한다

최근 GE 어플라이언스(GE Appliances)는 더 자연친화적이고 에너지효율적인 차세대 냉장고를 위한 자기 냉동연구에 집중하고 있다고 발표하였다.
Business Wire지의 보도 자료에 의하면, GE의 기술은 냉매나 압축기를 사용하지 않으며 현재 사용되는 기술보다 20퍼센트 더 효율적이다. 또한 그 기술은 HVAC와 같은 다른 열펌프에도 적용될 수 있으며, (미국)가정의 평균 에너지 소비의 거의 60 퍼센트에 영향을 줄 가능성을 지니고 있다.
GE의 기술이사 Venkat Venkatakrishnan은 보도 자료에서 “우리는 압축기나 화학냉매 없이 열이나 냉기를 발생시키는 방법을 발견해냈다. 이러한 돌파구로 냉장고를 더 좋은 효율로 작동시킬 수 있으며, 본 기술이 기존의 냉매들을 포함하지 않기 때문에 냉장고의 수명이 끝났을 때 재활용하는 것이 더 쉽고 저렴해질 것이다. GE는 차세대 냉동 혁명의 개발을 이끌고 있다.”고 설명했다.
Sans 냉매 시스템은 일련의 자석들을 회전시켜 펌핑된 자기 열량 물질을 포함한 물 기반의 유체를 사용한다. ‘phys.org’에 의하면, 이 시스템은 현재 니켈-망간 합금을 사용한다. 하지만 GE의 연구자들은 새로운 합금을 개발하는 데에도 힘쓰고 있다.
간단하게 들릴지 모르나, 냉장고가 압축기 없이 잘 작동하게끔 하는 것은 간단한 문제가 아니다. GE 연구자들은 몇 년 동안 시스템의 규모를 가볍게 하기 위해 연구해왔으며, 시스템이 소형 냉장고 크기의 부품으로 축소되기 위한 연구가 아직 남아있다. 그러나 GE는 향후 5년 안에 가정용 자기 열량 냉장고를 내놓기 위한 진행이 순조롭게 이루어지고 있다고 한다. GE 어플라이언스 그룹 외에도 GE 글로벌 연구센터(GE Global Research)와 오크리지 국립 연구소(Oak Ridge National Laboratory)의 연구자들이 이 기술을 연구하고 있다. ACB

실리콘 위, 초고속 카본나노튜브 발광소자 개발에 성공 
게이오의숙대학 이공학부 물리정보공학과 연구팀은 직경 약 1nm의 미세한 1차원물질인 단층 카본 나노튜브를 이용하여 기가비트/초에서 초고속 변조가 가능한 실리콘 위 고집적 발광소자 개발에 성공하였다.
정보통신분야의 급속한 발전에 따라 현재 금속 배선에 의한 전기적인 신호처리 및 전달에서는 고속화와 저소비전력화의 양립에 한계가 나타나고 있지만, 이것을 해결하기 위한 새로운 기술 중 하나로 광기술의 이용이 있다. 대표적인 광기술로서는 광섬유를 이용한 광통신이 장거리, 저소비 전력화의 기술로서 이미 실용화되어 있지만, 장래 광기술의 역할은 장거리 통신뿐만 아니라 칩 내, 칩 사이 등 광 인터커넥터 및 광, 전자 집적회로기술로 대표되는 고집적 광기술에까지 확대되고 있다.
발광소자를 중심으로 하는 광원기술이 그 핵심이지만, 현재 이러한 발광소자의 대부분은 화합물 반도체를 모재로 하여 제작된다. 그러나 종래 화합물 반도체를 이용한 광원은 실리콘 위에 직접 집적화가 어렵다. 또한 복잡한 디바이스 제조 프로세스가 필요하고, 대형 광변조기를 이용한 외부변조가 필요하다는 문제가 있어 현재 일렉트로닉스를 지원하는 실리콘 기술과의 융합 및 고집적화가 곤란하기 때문에 고집적 광기술의 실현을 방해하는 원인이 된다. 이것은 화합물 반도체의 재료 자체가 안고 있는 문제이며 화합물 반도체로 이것을 해결하기 위해서는 많은 노력이 필요하기 때문에 고집적 광기술과 같은 차세대 광기술의 실현을 위해서는 전혀 새로운 재료분야에서의 발광소자 개발이 필요하다.
한편 카본 나노튜브는 그 1차원 구조에 유래하여 특이한 물리적, 화학적, 기계적 특성을 가진 새로운 재료로, 트랜지스터 및 센서 등 다양한 전자디바이스 응용에 제안되었다. 카본 나노튜브를 이용한 디바이스는 기존 반도체 디바이스를 뛰어 넘는 성능을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 실리콘 기판 위에 직접 집적할 수 있으며, 탄소원자만으로 구성된 재료로 인듐 등 희소금속 및 비소 등 유해원소를 사용하지 않고 간단하게 합성 가능하다. 때문에 고성능화를 추진하는 원소전략 및 환경에너지 문제를 해결하는 신소재로서 주목을 받고 있다. 최근에는 카본 나노튜브의 광물성도 주목을 받고 있으며, 광여기에 의한 포토발광 및 전류주입에 의한 발광소자도 보고되고 있으며, 광디바이스로의 응용도 기대되고 있다.
이번 연구에서는 카본 나노튜브 박막을 이용한 발광소자에 의해 고속변조가 가능한 초소형 발광소자를 실리콘 칩 위에서 제작하는 데 처음으로 성공하였다. 본 소자는 카본 나노튜브 박막을 화학기상법으로 실리콘 칩 위에 성장시키고, 그 박막에 전극을 형성한다는 간단한 프로세스로 제작되었다.
제작한 소자에 전압을 인가함으로써 주울 가열에 의한 흑체 방사로 발광한다. 이번에 대부분의 카본 나노튜브가 기판에 접촉한 얇은 박막을 이용하여 발생한 열을 신속하게 기판에 전달하는 소자구조를 실현함으로써 기존 금속 필라멘트에 의한 전구와 비교하여 100만배 이상 고속이 되는 1Gbps에서의 고속변조 및 반치폭(half-width) 140ps의 펄스광 발생에 처음으로 성공하였다. 또한 발광 메커니즘의 이론적인 해명도 진행하여 이론적으로 10Gbbs 이상 고속 변조가 가능하다는 것을 나타내었다. GTB

그림 1. 고속 변조 카본 나노튜브 흑체 방사 발광소자

그림 2. 카본 나노튜브 발광소자의 직류 전압 인가 시 발광의 광학 현미경에 의한 근적외카메라 사진

그림 3. 폭 0.8~10ns, 첫 동작시간 0.7ns의 직사각형 전압을 인가한 경우, 발광소자로부터의 발광시간 분해 측정 실험

그래핀/붕소 질화물 헤테로구조를 도핑하기 위한 새로운 방법
미국 연구진은 광유도 방법을 이용해서 그래핀/붕소 질화물 헤테로구조를 도핑할 수 있는 새로운 방법을 개발했다.
그래핀은 실리콘보다 더 얇고 더 강하며 더 우수한 전자 전도체이기 때문에 전자 산업을 위한 차세대 재료로서 각광을 받고 있다. 그러나 그래핀은 에너지 밴드갭이 없기 때문에 트랜지스터와 전자장치에 적용하는데 심각한 결함을 가진다. 다양한 기술들이 이 문제를 해결하기 위해서 개발되었다. 가장 유망한 방법 중의 하나는 2차원 헤테로구조를 가진 붕소 질화물을 삽입하는 것이다. 이런 이중층 하이브리드는 순수한 그래핀만큼 빠르고, 장치를 만드는데 적합하다. 그러나 그래핀 붕소 질화물의 전기적 특성을 조절하는 것은 화학적 도핑 또는 정전기 게이팅(electrostatic-gating)과 같은 까다로운 작업을 수반한다.
버클리 연구소(Berkeley Lab)와 캘리포니아 대학 버클리 캠퍼스(University of California Berkeley)의 연구진은 그래핀 붕소 질화물 헤테로구조의 전기적 특성이 가시광선에 의해서 변화될 수 있다는 것을 증명했고, 이 연구결과를 저널 Nature Nanotechnology에 게재했다. 이번 연구진은 그래핀/붕소 질화물 헤테로구조의 광 유도된 도핑이 p-n 접합과 다른 유용한 도핑을 만드는데 사용될 수 있으면서 재료의 높은 전자 이동도를 유지할 수 있다는 것을 증명했다.
이번 연구진은 가시광선을 이용했을 때 높은 캐리어 이동도를 희생하는 일 없이 그래핀/붕소 질화물 헤테로구조 속에 전하-도핑의 쓰기(writing) 및 제거를 유도할 수 있다는 것을 증명했다. 가시광선을 사용했을 때 놀라울 정도의 유연성을 가지고, 정전기 게이팅과 화학적 도핑과는 달리, 샘플 품질을 감소시키는 다단계 제조 프로세스를 필요로 하지 않는다. 또한 서로 다른 패턴들은 임의적으로 부여하고 제거될 수 있는데, 이것은 그래핀/붕소 질화물 헤테로구조를 위해 이전에 사용되는 도핑 기술로는 불가능했던 부분이다.
그래핀은 육각형 격자 속에 탄소 원자들이 배열된 단일 층 구조를 가지고 있다 붕소 질화물은 유사한 육각형 격자를 가진 적층형 화합물이다. 실제로, 육방정계 붕소 질화물을 ‘백색 그래핀’이라고 불리기도 한다. 반데르발스 힘이라고 불리는 상대적으로 약한 분자간 인력을 이용함으로써, 그래핀/붕소 질화물 헤테로구조들은 높은 전자 이동도를 가진 트랜지스터, 광검출기와 태양전지와 같은 광전자장치를 위한 플랫폼으로서 높은 잠재력을 가지고 있다. 이번 연구팀이 개발한 광 유도된 변조 도핑(modulation doping) 방법은 반도체 산업에서 폭넓게 사용되는 광리소그래피 구조와 유사하기 때문에 이런 요구조건을 충족할 수 있다. 백열등을 이용한 그래핀/붕소 질화물 헤테로구조의 조사(照射)는 붕소 질화물 층 속에 양 전하의 분산을 유도함으로써 그래핀 층 속에 전자-전달을 변화시킬 수 있다.
이번 연구진은 광 유도된 도핑이 그래핀/붕소 질화물 헤테로구조 속에 광학적 및 전기적 반응을 불러올 수 있다는 것을 발견했다. 예를 들어, 붕소 질화물 속의 결함 변화로 인한 광학적 여기, 그래핀 속의 전기적 전달, 붕소 질화물과 그래핀 사이의 전하 전달 등을 들 수 있다. 이것은 고품질 반도체를 위해서 최초로 개발된 변조 도핑과 유사하다.  샘플을 어둡게 하면 그래핀/붕소 질화물 헤테로구조의 광 유도된 변조 도핑이 며칠 동안 지속되지만, 광에 노출되면 이런 효과를 제거된다. 며칠 동안의 변조 도핑이 과학적 탐구에서 새로운 길을 여는데 충분하고, 몇몇 적용 분야에서는 장기 안정성과 재쓰기(rewritability) 능력을 제공한다. 또한 이 기술은 그래핀 재료 속에 비균일 도핑을 할 수 있기 때문에, 새로운 과학적 연구와 적용에 새로운 길을 제공할 것이다. 이 연구결과는 저널 Nature Nanotechnology에 ‘Photoinduced doping in heterostructures of graphene and boron nitride’라는 제목으로 게재되었다. GTB

그림 1. 빛을 이용해서 도핑된 그래핀과 붕소 질화물로 만들어진 반도체. 그래핀/붕소 질화물 헤테로구조가 빛(녹색 화살표)에 노출될 때, 양 전하는 그래핀 층(보라색)에서 붕소 질화물 층(청색)으로 이동한다.
그림 2. 광유도된 변조 도핑 후의 그래핀/붕소 질화물의 전달 특성.

세라믹 열 차폐 코팅, 3배 더 오래 지속된다
제트엔진의 효율에는 뜨거운 것이 더 좋다. 하지만 스코치에서 살아남기 위해서 엔진은 격렬한 온도 변화로 겪는 응력으로부터 보호해줄 고성능 열 차폐 코팅이 필요하다.
스웨덴 웨스트 대학교(University West)의 과학자들은 제트엔진을 위한 우수한 세라믹 나노입자 열 차폐 코팅을 개발하였으며 그 코팅이 엔진의 수명을 300% 증가시킨다고 보고한다.
연구는 Nicholas Curry의 박사학위 연구이며, 그는 새로운 코팅이 이트리아 7wt%를 함유한 표준 세라믹 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)라고 한다. 그러나 Curry는 그 차이가 “좋은 특성과 안정성을 주는 구조적 효과가 주”라고 했다.
“기존의 표면층은 층 위에 층이 쌓인 샌드위치와 같은 모습을 하고 있다.”
Curry는 웨스트 대학교의 보도 자료에서 추가적인 설명을 했다. “우리가 새로운 방식으로 만들어낸 표면층은 서있는 기둥들에 더 비할 만하다. 이는 층을 더 유연하고 쉽게 관찰할 수 있게 만든다. 그리고 표면이 완전히 매끄러운지와 상관없이 금속에 접착된다. 가장 중요한 것은 재료 자체가 아니라, 재료가 얼마나 다공질인지이다.”
다공성은 코팅이 팽창하고 수축할 수 있도록 하여, 엔진의 급격한 온도변화로 인한 축소/팽창 순환을 견딜 탄성과 강도를 지니게 한다. 과학자들은 서스펜션 플라즈마 용사를 이용하여 엔진 표면에 0.5mm 두께의 YSZ 나노입자층을 더하였다.
Curry는 그들이 이 세라믹 층이 가동 중인 엔진의 온도 변화를 견딜 수 있다는 것을 확실하게 하기 위하여 열 충격 시험에서 수천 회 시험하였다고 한다. 코팅은 견뎌냈고 세 가지 요소에 있어 기존 코팅들의 내구성을 뛰어넘었다고 한다. Curry는 그의 팀이 개발을 진행하고 있다는 것을 메일로 확인해주었다.
“현재 우리의 연구 그룹에서는 이 주제에 대한 몇 가지 프로젝트들을 진행하고 있다. 구체적인 사항에 대해서는 말할 수 없다.”고 한다. “현재의 의도는 산업계 협력자들이 전체 공정이 안정적이고 반복가능하다는 것에 만족하면 엔진 부품들에 시험하는 단계로 나아가는 것이다. 향후 12-18달 안에 그렇게 진행되길 바라고 있다. 앞으로의 연구도 증착과정을 더 이해함으로써 공정을 더 개선하고 공급 원료로 사용되는 세라믹 현탁액을 개선하기 위한 연구가 될 것이다.”
보도 자료에 의하면, 본 연구는 GKN 우주항공(GKN Aerospace, 이전 볼보 항공(Volvo Aero))과 지멘스 산업 터보기기(Siemens Industrial Turbomachinery)의 ‘긴밀한 공동 작업으로 이루어졌다.’고 한다. ACB

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<세라믹코리아 2014년 7월호에서 더 자세한 내용을 확인할 수 있습니다.정기구독 회원은 지난호 보기에서 PDF파일을 보실 수 있습니다.>