광물질 원료를 고온가열하여 소결 또는 용융시켜서 제조하는 세라믹스로 그 속에는 층상화합물이라는 물질이 있다. 강한 화학결합으로 된 층(호스트층)과, 비교적 약한 결합의 원자, 이온, 분자 등의 층(게스트층)이 교대로 겹쳐지는 구조이다. 천연에는 운모 등이 있고, 잘 벗겨지는 성질이 있다. 熊本대학 공학부의 松本泰道 교수와 町田正人 교수의 연구팀은 이러한 층상화합물을 사용한 차세대 기능성 재료의 개발에 몰두하고 있다. 층상화합물의 재료에는 흑연, 산화물, 황화물 등이 있다. 특히 금속산화물로서는 알루미나, 실리카 등으로 된 점토계 산화물과, 티탄, 탄탈 등의 벨브메탈계 산화물이 유명하다. 층상화합물의 특징은 1나노미터 정도의 층 사이에 물질을 삽입(인터카레이션)할 수 있고, 층간의 기존물질과 외부물질의 이온교환이 가능하다. 이러한 특징을 살려서 호스트층과 여러 가지 분자, 이온, 초미립자 등의 게스트 물질의 조합에 의해, 새로운 기능성 재료의 개발이 가능하게 되었다. 사례로서는 “리튬이온을 전기화학적으로 인터카레이트한 코발트 산화물이 리튬전지의 양극에 이용되었다”(松本 교수). 호스트층의 두께는 0.2~0.3나노미터로 넓이는 마이크로미터 사이즈가 되며 나노시트라고 불린다. 이 호스트층 그 자체가 물리적 성질을 나타낼 가능성도 있다. 또한 층간을 이용함으로써 넓은 표면적을 얻을 수 있고, 층간에 물분자가 인터카레이트되기 쉬운 층상산화물이 있다는 점 등에서 광촉매 재료로서도 주목되고 있다. 松本 교수는 층상화합물 가운데서 티탄, 탄탈 및 니오브계의 층상산화물에 대해 연구하고 있다. 이들의 호스트층은 반도체로, 아민계 용액 속에서 나노시트로 박리하는 것이 특징이다. 용액 속에서는 마이너스 이온을 가지고 분산하기 때문에 용액 속의 금속이나 플러스 이온과 혼합하면 “즉각 정전기적 상호작용으로 침전이 일어난다는 것을 발견했다”(동). 또한 침전물은 플러스 이온이 층간에 존재하는 층상산화물을 자기조직적으로 형성했다. 松本 교수는 이 방법을 정전자기조직적 석출법(ESD법)이라고 명명했다. 이것으로 종래의 인터카레이션법에 비해 다른 여러 종류의 플러스 이온을 간단히 인터카레이트할 수 있게 되었다. 또한 ESD법으로 제작한 물질을 전기영동법으로 고정화하여, “전기화학적 특성을 측정하는데 성공했다”(동). 그 결과 층간에 존재하는 물질 가운데 몇 가지는 층간에 존재하는 상황에서 전기화학적으로 활성이고, 전지의 활물질로서 이용할 수 있다는 것을 알았다. 또 루테늄 착체나 색소 등이 인터카레이트한 물질에서는 그것이 가시광에 응답하기 때문에 호스트층을 거쳐 가시광 응답형 광전지의 전극으로서 작동한다는 것을 밝혀냈다. 松本 교수는 이러한 연구성과를 바탕으로 ①전지활물질 ②태양광 광전지 전극 ③물분해 광촉매로서의 가능성을 앞으로 연구할 생각이다. 이미 전지의 전극재료로서의 실용화 실험을 시작했다. 한편, 町田 교수가 연구해 온 것은 층상화합물의 촉매로서의 이용법은 넓은 표면적과 각종 금속산화물의 특성을 살려서 환경보전이나 에너지 고도 이용을 위한 촉매로 사용하기 위함이다. 그 하나가 자동차 배기가스 속에 있는 질소산화물(NOx)을 흡장하는 촉매로 층간의 틈에 다량의 NOx를 흡입해 넣을 수 있는 촉매개발에 한창이다. 또한 町田 교수는 NOx 흡장촉매를 응용하여 상온 NOx 정화 디바이스의 개발을 추진하고 있다. 이 기술은 고체고분자전해질막(PEM)과 NOx 흡장촉매로 구성하는 마이크로 멤브렌 리액터를 이용하여 물에서 전해생성한 활성수소로 NOx를 정화하는 것이다. 소량의 수증기과 소형 전원이 있으면 장소를 불문하고 부대설비 없이 이용할 수 있다. 또 암모니아 등의 유해한 환원제를 사용하지 않고, 가열장치가 필요치 않는 등 “종래의 특허화된 탈초(脫硝)기술에 없는 획기적 기술”(町田 교수)이라고 한다. 이 기술이 확립되면 자동차 배기가스, 저온 배기가스, 열병합 시스템의 배기가스 등의 처리기술로서 응용을 기대할 수 있다. 또 町田 교수는 인프라가 갖추어지지 않은 해외에서 간편하고 효율적인 배기가스 탈취기술로서도 이용가치가 높다고 한다. (NK)