국제전기통신기초기술연구소(AT R)미디어 정보과학연구소는 공기총의 원리를 이용하여 코를 향해 향기를 쏘는 ‘향기 디스플레이 장치’를 개발했다. 공기알(소용돌이 모양의 원형)속에 향기를 가두는 구조. 게임이나 텔레비전 등과 연동시켜서 각기 다른 향기를 차례차례 방출하는 어뮤즈멘토시스템이나, 향기에 의해 자동차 운전 시의 졸음방지책에 대한 응용을 생각할 수 있다고 한다. 코에 직접 향기를 보낼 수 있기 때문에 적은 향료를 사용한다는 점이 특징. 또 향기의 지속시간이 짧아 냄새제거 설비가 불필요하다. 장치 전에 앉은 사람의 카메라 화상을 이용하여 코의 위치를 검출. 추적함으로 얼굴을 움직여도 장치가 따라가며 향기를 보낼 수 있다. 내보낼 향기는 10종류의 향기를 넣을 수 있는 카트리지를 이용한다. 카트리지 이외에도 호스를 통해서 향기를 보낼 수 있다. (NK)

가시광에서 물을 분해하는 광촉매
질화갈륨-산화아연 고용체 개발
얼마 전 東京大學의 堂免一成 교수(대학원 공학계 연구과 화학시스템 공학전공)와 長岡기술과학대학의 井上泰宣 교수(공학부 화학계)의 연구팀은 질화갈륨과 산화아연으로 된 고용체가 500㎚부근까지의 가시광을 흡수, 물을 수소와 산소로 분해할 수 있는 안정적인 광촉매 재료라는 것을 최초로 밝혀냈다.
과거 30년에 걸쳐서 물을 분해하여 수소를 제조하기 위한 광촉매 재료에 관한 연구는 산화물을 중심으로 많이 행해져 왔다. 그러나 광촉매를 이용할 수 있는 산화물은 기본적으로 자외광만을 흡수하기 때문에 가시광을 이용할 수는 없다. 태양광의 파장분포는 가시광에서 적외광 영역이 대부분이며, 자외광은 아주 조금만이 포함되어 있다. 태양광을 유효하게 이용하려면 가시광(400㎚<파장<800㎚)을 이용할 필요가 있다. 따라서 이 연구팀에서는 가시광에서 물을 분해할 수 있는 재료를 개발하기 위해서 5년쯤 전부터 질소와 유황을 ‘구성원소’로 포함하는 재료의 탐색을 행해 왔다. 산화물인 산소를 질소와 유황으로 일부 또는 모두 치환하면 밴드갭을 축소하여 가시광을 흡수할 수 있게 된다.
이러한 비산화물계 재료를 중심으로 탐색한 결과, 질화갈륨(GaN)과 산화아연(ZnO)의 고용체가 물을 분해할 수 있는 안정적인 광촉매 재료가 된다는 것을 처음으로 밝혀냈다. GaN이나 ZnO이나 모두 밴드갭이 크기 때문에 가시광을 흡수하기는 불가능하다. 그러나 GaN과 ZnO이 고용체를 형성하면 아래의 그림에 나타나 있듯이 500nm 부근까지의 가시광을 흡수할 수 있게 된다. 이 고용체를 산화루테늄의 나노입자로 수식하여 400nm 이상의 가시광을 조사한 결과, 물을 수소와 산소로 분해하는데 성공했다. 이것은 가시광에 응답할 수 있는 작은 핸드갭을 가진 재료로 물을 분해한 최초의 사례가 된다. 현재 이런 새로운 광촉매 재료를 베이스로 하여 보다 효율적으로 장파장까지 사용할 수 있는 물 분해 광촉매의 개발을 진행하고 있다. (CJ)

폴리아크릴산 겔 빛이 닿자 ‘귀’ 가 생겨
산화티탄의 광촉매 반응 이용   
빛이 닿자 ‘귀’가 생겼다. 쥐 얼굴을 본뜬 겔에 빛을 조사하여 귀처럼 생긴 팽창을 만드는 실험에 東京大學의 立間徹 조교수, 古田主岳 조교, 宮崎太地 대학원생 등이 성공했다. 겔 속에 점재하는 산화티탄의 광촉매 반응을 이용하여 자외광이 비친 부분만 팽창하는 구조로, 조사를 멈추면 원래의 형태로 돌아간다. 빛의 강약으로 팽창 정도를 제어하면 임의의 모양을 만들 수 있다는 점에서 다시 그릴 수 있는 입체적인 그림이나 지도, 그탬 등에 대한 응용을 기대할 수 있을 것 같다.
폴리아크릴산 겔은 직쇄상(直鎖狀)의 폴리머로 구성되었고, 겔 속에는 직경 수 십 나노-수백 나노미터의 산화티탄 알맹이와 구리이온이 점재해 있다. 자외광이 산화티탄에 흡수되면 구리이온은 전자를 얻어 구리로 바뀌며 산화티탄 주변에 들러붙는다.
구리이온은 폴리머를 한데 묶는 역할을 하는데, 구리로 바뀌면 그 기능을 잃는다. 게다가 폴리머끼리가 마이너스 전하에 의해 서로 반발하는데다가 겔이 물을 잘 흡수하는 상태가 되므로 겔이 팽창한다. 반대로 자외광 조사를 멈추면 구리가 구리이온으로 돌아가 폴리머끼리의 연결이 강해진다. 흡수한 물이 배출되어 거의 원래대로의 모양이 된다.
실험에서는 겔을 물 속에 넣었다. 겔의 두 점에 직경 1밀리미터의 자외광을 6시간 계속 쏜 결과, 폭 2밀리-3밀리미터 정도로 두 개가 둥글게 팽창했다. 그 후, 자외광 조사를 멈추고 5시간 방치하자, 팽창이 서서히 줄어들어 원래의 형태가 되었다. 古田조교는 ‘빛을 쏘는 방법에 따라서 별 모양으로도 만들 수 있을 것이다. 단, 팽창하면 둥근 모양을 띠기 때문에 해성처럼 보일지도 모른다’고 말한다. (NK)

절연체 고온 산화구리 초전도체
도핑된 Mott 절연체로 알려진 재료군의 절연 상태의 근원을 밝히려는 실험의 미스터리가 Illinois대학의 Urbana-Champaign에 의해 해결되었다. 이 해결책은 고온 산화 구리 초전도체와 같은 도핑된 Mott 절연체의 기괴한 거동을 설명하는데 도움을 주었다. 약간 도핑된 Mott 절연체가 사실은 여전히 절연체 상태로 있는 것임을 보고하였다. 이론적인 결과는 다른 연구진에 의해 발견된 이전의 발견들이 옳음을 다시 한 번 확인시켰다.
메탈과 같은 저온 초전도체와 달리, 고온 초전도체는 일반적인 상태에서는 절연체이다. 이것은 과학적으로 매우 퍼즐과 같은 일이라고 할 수 있다. 왜냐하면 전자 상태의 절반이 비어있기 때문이다. 더욱 놀라운 사실은, Mott 절연체가 정공으로 약간 도핑되어 전자가 차지할 수 있는 공간이 더 발생하게 되어도, 재료가 전도성을 띠지 않는 다는 것이다.
약간 도핑된 Mott 절연체가 여전히 절연체라는 사실은 Mott 물리의 근원적인 특성이라고 연구자들은 주장해왔다. 절연 상태는 무질서에 의해 발생하는 것이 아니라, 외부 여기 또는 시스템 외의 어떤 요인 때문이라는 것이다.
앞으로의 실험은 연구진의 주장을 보다 쉽게 증명할 수 있게 될 것이다. 이 연구는 NSF 에 의해 지원되었다. (ACB)

유기 - 은 복합 나노입자 이용 접합기술 개발
무연 납땜의 대체 재료로
大阪대학 대학원 공학연구과의 小林鑛二郞 교수 등은 유기-은 복합 나노입자를 이용한 접합기술을 개발했다. 은과 구리를 150℃에서 접합할 수 있고, 779℃의 고온에서도 안정적인 접합을 형성, 금속결합에 의해 전기전도도를 높게 유지할 수 있다. 탄화실리콘 파워디바이스와 하이브리드카의 인버터 등 고온, 대전류 환원 하에서 이용하는 디바이스로 무연 납땜을 대신할 접합재료로서의 응용을 기대할 수 있다.
개발한 유기-은 복합 나노입자는 약 10나노미터 지름의 은나노입자 주변에 알코올계 유기물로 껍질을 만들어 입자의 응집을 방해하고 있다. 은 화합물 용액과 유기물을 이용하여 화학적으로 합성한다. 유기 껍질은 2, 3회 화학적으로 치환하여 가열분해 온도를 150℃까지 낮출 수 있다.
은나노입자를 감싸는 유기 껍질은 150℃에서 분해를 시작해 제거된다. 유기 껍질이 없어지면 표면활성이 높은 은나노입자가 입자끼리 혹은 구리와 결합하는 구조이다.
유기-은 복합 나노입자는 분말상태로 얻어진다. 접합부에 도포할 때에는 은 나노입자 분말을 용제로 하여 페이스트 상태로 만들어 사용한다. 단시간에 효율적으로 반응시킬 목적이므로 접합 온도 280℃에서 실험했다. 5메가펄스에서 5분 가압하고, 유기-은 나노입자를 이용하여 구리를 접합하면 은 층은 입경이 나노사이즈의 다결정 구조로 구리와의 계면에는 박리나 공공(空孔)은 없고, 은과 은이 급속결합하고 있다는 것을 확인할 수 있었다.
실장기술에서는 디바이스에 피해를 주지 않기 때문에 온도를 300℃ 이하로 낮추어야 한다. 개발한 기술은 300℃ 이하에서 접합할 수 있기 때문에 기존의 프로세스를 사용할 수 있다는 메리트가 있다.  (NK)

웨트 프로세스에 의한 산화물 나노 코팅 기술 개발
기재 표면의 코팅 처리는 보호효과뿐 아니라 여러 가지 기능을 부여할 수 있기 때문에 오래 전부터 많은 연구가 이루어져 왔다. 최근 보다 고도한 기능의 발현, 제어에 대한 요구가 높아지고 있고, 막 두께와 내부구조를 나노레벨로 제어할 것을 요구하고 있다. 이러한 요구에 대응할 수 있는 제막기술로서 스팩터링법, 펄스레이저 디포지션법 등이 알려져 있는데 이들은 초고진공기술, 선진적인 빔 기술을 구사한 고가의 대형장치를 필요로 한다. 한편 웨트 프로세스를 이용한 코팅은 큰 장치를 필요로 하지 않고, 손쉽게 저렴한 방법이라는 특징이 있다. 그러나 그 대표적인 방법인 졸겔법에서 볼 수 있듯이 제어할 수 있는 두께는 통상 서브 ㎛렌지이며 나노레벨에서의 세밀한 제어는 곤란하다는 문제점이 있다.
이 기술은 층상 티탄산화물과 망간산화물 등의 층간에 높은 게스트를 인터카레이션함으로써 단층 박리시켜서 합성한 초슬림 2차원 시트상 산화물(나노시트)을 코팅 소재로 이용하고 이것을 액상 속에서 자기조직화 반응을 활용하여 기판 위에 레이어 바이 레이어로 누적하는 방법으로 1nm의 두께 정도(精度)에서의 산화물 코팅을 가능케 한 것이다. 그 원리는 나노시트가 분산된 콜로이드 용액 또는 나노시트와 반대 전하를 가진 폴리머 용액에 기판을 적절한 조건 하에서 침적하면 기판 표면에서 모노레이어 흡착이 일어난다는 점, 일단 모노레이어가 형성되면 용액 안에 존재하는 잉여 성분의 흡착은 정전반발로 인해 제어된다는 점, 나노시트 흡착과 폴리머 흡착을 반복하면 기판 표면의 전하가 순차적은 반전하여 원리적으로 필요 회수 누적을 계속할 수 있다는 점에 따른다. 나노시트의 두께는 약 1nm이며, 이것을 단위로 하여 막후를 제어할 수 있으며 동시에 표면 거칠기도 nm오더로 억제할 수 있다. 또 얻어진 나노시트와 폴리머의 다층 콤포짓 초박막을 가열처리함으로써 유기성분을 제거하여 무기산화물 나노박막으로 변화할 수도 있다.
얻어진 박막은 사용할 나노시트에 의존하여 다양한 기능성을 갖는다. 예를 들면 산화티탄 초박막은 광촉매성 및 광유기 초친수성을 나타내어 셀프클리닝 코팅 등에 대한 응용을 기대할 수 있고, 산화망간 초박막은 전극재료나 일렉트로크로믹 막 등으로서의 전개를 기대할 수 있다. (CJ)

생물의학에 응용되는 자성 나노입자 발견
생물체에 거부 반응이 없는 자성 나노 입자가 발견되어 추적, 이미징, 센싱 및 분리와 같은 다양한 생물 의학 제품에 응용될 것으로 기대되고 있다. 현재 사용되고 있는 대부분의 자성 입자는 약 20~30 emu/g의 낮은 비자성 모멘트를 갖는 강자성 철 산화물을 기반으로 만들어져있다.
러시아의 Idaho 대학의 연구진은 새롭게 개발된 나노클러스터 원을 이용하여 200emu/g 이상의 비자성 모멘트를 갖는 단분산 코어-쉘 나노구조 클러스터를 합성하는데 성공했다고 발표했다. 나노 클러스터는 증착 챔버에서 철 산화물로 코팅된다. 15nm 이하의 코어-쉘 나노클러스터는 상온에서 수퍼-상자성을 띠며 클러스터 크기가 증가할수록 강자성을 띠게 된다.
코어-쉘 나노클러스터의 비자성 모멘트는 크기에 따라 달라지며 클러스터 크기가 약 3nm에 이르기까지 그 값이 급격하게 증가하며 약 80emu/g의 값을 갖고, 100nm의 크기에서는 약 200emu/g 이상의 비자성 모멘트를 갖는다. 큰 자성 모멘트를 갖는 나노 클러스터는 MRI에 사용될 경우 큰 대조비를 갖게 만들 수 있다. (ACB)

합금 나노입자의 신기술 개발
福田金屬箔粉工業(京都市, 사장 林泰彦)은 京都대학 대학원 공학연구과의 川崎三津夫 조교수와 공동으로 직경이 100나노미터 이하인 금속 미립자의 제조기술을 개발했다. 합금가루를 유기용매에 넣고 섞으면서 레이저를 조사하는 것만으로 미립자가 생긴다. 용도에 적합한 합금 미립자를 생산할 수 있기 때문에 나노테크의 용도범위를 넓히는 효과가 기대되고 있다. 크기가 3~5마이크로미터, 두께 0.1마이크로미터의 박(箔) 상태의 합금가루를 유기용매에 넣고 외부에서 레이저를 쏜다. 합금가루 내부의 온도는 융점에서 빙점 이상으로 상승하지만 표면은 유기용매로 차갑게 식어 있다. 따라서 합금가루가 폭발적으로 미립자로 분열, 직경이 몇 나노미터에서 수백 나노미터의 미립자가 된다.
福田金屬은 구리와 은의 합금, 구리와 아연 합금을 사용하여 각각 나노 미립자가 생긴다는 것을 확인했다. 같은 방법으로 금이나 구리 등 순금속의 나노 미립자를 만들 수도 있다. 이 회사는 이 방법을 사용하면 스테인리스 등 다른 합금의 미립자도 생산할 수 있으리라 보고 있다.
금속의 나노 미립자를 만들 경우, 수용액 속의 금속산화물을 환원하는 방법을 사용하는 경우가 많다. 단, 이 방법은 순금속에는 응용할 수 있지만 합금에는 사용할 수 없다는 문제가 있었다. 이번 연구 성과는 文部科學省이 진행하는 京都나노테크크러스터 사업의 일환이다. (일경산업)

3차원 반도체 SGT 개발회사 설립, 10배속의 MPU개발
日本유니선티스일렉트로닉스(주)(대표이사 사장, 福田欣一)가 설립되어 프랙쉬 메모리의 발명자인 舞岡富士雄 東北대학교수가 최고기술책임자(CTO)로 취임했다. 곧바로 이 회사는 3차원 반도체 SGT(Surrounding Gate Transistor) 개발에 들어간다.
1947년에 미국에서 바이폴러 트랜지스터가 발명된 것이 반도체 산업이 큰 산업으로 성장하게 되었던 기원이다. 결과적으로 이것이 반도체 산업발전의 첫 번째 견인차가 되었다. 이어서 미국의 인텔사가 개발한 DRAM/CPU가 1970년대에 제 2의 견인차로서 일본의 舞岡이 발명한 프랙쉬 메모리가 1980년대에 제3의 견인차로서 반도체 산업 발전에 공헌했다. 이번에 개발할 SGT는 프랙쉬 메모리에 이은 차후 20년간의 반도체 산업 발전을 짊어질 제 4세대 견인차를 목표로 하고 있다.
SGT는 실리콘 기둥에 N형 확산층, 산화막, 금속을 순서로 감은 원주형 구조의 트랜지스터로 소스, 게이트, 드레인 전극이 수직으로 배치되어 있는 특징적인 구조를 갖는다. 종래의 MOS트랜지스터는 금속 게이트(반도체), 산화막(절연체), 실리콘(반도체)으로 구성되어 게이트 전극에 전압을 가해서 절연막 아래의 드레인 소스 사이에 흐르는 전류를 제어하는데, 평면적인 형상이기 때문에 동일 사이즈로 집적화를 하려면 미세가공이 필수였다. 그러나 종래 구조에서 이 이상의 미세화에는 발열과 오작동이라는 문제가 있기 때문에 더 이상의 고집적화는 상당히 곤란해진다.
舞岡이 발명한 SGT에서는 트랜지스터를 입체형으로 함으로써 종래의 평면형과 비교해서 실리콘 표면을 점유하는 면적을 몇 분의 1로 할 수 있어(만약 10분의 1이 되면 평면형과 같은 면적에서의 집적도는 10배가 된다), 획기적인 고집적화를 실현할 수 있다. 이로써 저소비전력화, 고속화, 저가화가 가능하게 된다.
종래의 평면 MOS트랜지스터에서는 최고속인 크록 주파수가 2㎓정도인데, 日本유니선티스일렉트로닉스사에서는 한 자릿수 위의 크록 주파수, 최종적으로는 크록 주파수 50GHz를 실현, 차세대의 세계최고성능의 MPU(초소형 연산처리장치)의 개발을 목표로 한다. (CJ)

녹이 잘 슬지 않는 무기도료 발매
무기도료제조·판매의 딕재팬(大阪府 堺市, 사장 坂口忠弘)은 광석인 실리카를 주원료로 한 무기도료 ‘무키크린’을 발매했다. 다리 등 대형건축물에서 주택건재까지 용도를 개척한다.
실리카 이외에 공업용 알코올을 포함하는 무기 안료를 사용했다. 실리카와 알코올은 분자가 미세하기 때문에 강판이나 목재의 미세한 구멍에 침투하기 쉽다. 구멍에 침투하면 알코올은 공기 중의 수분과 중화하여 증발하고 실리카는 단단해져서 도막을 만들어 구멍을 막는다. 녹이 잘 슬지 않고 자외선에 별로 변색하지 않는다는 특징이 있다.
전 日商岩井에서 목재를 취급했던 坂口씨가 퇴직 후에 독자적으로 개발하여 특허를 출원했다. 약 280종류의 색이 있으며 표준가격은 1킬로당 4천~8천 엔이다. (일경산업)

액체와 자기 사용 금속 표면 연마장치 개발
FDK는 福島大學(福島市)과 공동으로 철 등을 포함한 특수한 액체와 자기를 사용하여 금속 등의 표면을 연마하는 장치를 개발했다. 일반적인 연마장치의 한계라고 알려져 있는 10나노 이하 정도로 연마할 수 있다는 것이 특징이다. 평면뿐 아니라 요철 등 복잡한 형상을 연마하기 쉽다는 메리트도 있다. 광학부품이나 금형 메이커 등에 판매한다.
이 대학의 島田邦雄 공생시스템 理工學類 조교수가 개발한 자기 클러스터라고 하는 액체로 연마한다. 자기 클러스터는 기름 등의 안에 직경 1마이크로의 철 구체(球體)와 직경 10나노의 산화철이 결합된 물질을 포함한다. 열구자석으로 자기를 가하면 미세한 막대 상의 덩어리가 브러시 같은 형태를 이루고, 연마대상물에 맞대고 문지르면 부드럽게 깎을 수 있다.
FDK에 따르면 유리 등에 이용하는 일반 연마장치는 다이아몬드나 산화철을 대상물에 눌러서 갈기 때문에 압력이 작용하여 10나노 이하의 정도는 거의 나오지 못했다. 또 요철 등을 연마할 경우, 형상에 맞춘 지석(砥石)을 복수 제조하여 지석을 교환하면서 갈기도 한다. 개발한 장치로는 막대상의 덩어리가 홈이 패인 부분 등에 들어가서 한꺼번에 연마할 수 있어 그러한 수고를 덜 수 있으리라 보고 있다. FDK는 직경 3센티 이하의 연마대상물을 취급하는 소형기의 제조·판매를 시작했다. 가격은 170만~200만 엔이다. 10여 센티 이하의 대상물을 연마할 수 있는 대형기도 수백만 엔에 투입했다. (일경산업)

나노사이즈 물 입자 발생시키는 드라이어 개발
松下電器産業은 수 나노미터 사이즈의 물 입자를 발생시키는 드라이어 ‘이오니티 나노케어 위드프레스’를 발매했다. 물 입자가 손상된 머리카락에 윤기를 주어, 광택, 신선함, 생기를 되찾아 준다. 실제 가격은 1만 8천 엔 전후이며, 월 생산 9000대를 계획하고 있다.
물 입자는 전하를 띤 약산성의 상태에서 발생시킨다. 알칼리성이 되어 있는 손상된 머리카락을 물 입자에 의해 약산성으로 만들어서 머리카락의 큐티클을 조여 준다. 물 입자는 송풍구 바깥쪽에서 나오는 냉풍을 타고 방출되므로 중앙부에서 나오는 온풍의 영향을 잘 받지 않는다.
이 회사의 실험에 따르면 신제품을 사용하며 종래품보다도 머리카락의 강도가 20% 향상, 윤기가 2배 오래 간다. (NK)

5나노의 다이아몬드 수용액 개발
초미립 금속분말을 사용한 윤활제 등을 개발하고 있는 나노테크·시스템즈(東京·千代田, 사장 小山功)는 직경 5나노미터의 인공단결정 다이아몬드를 초순수에 혼합한 수용액(슬러리)을 개발했다. 실리콘웨이퍼 등 초정밀 가공용 연마제나 발수제용 원료로서의 수용을 전망하고, 첫해 약 1억 엔의 매상을 목표로 한다.
지금까지의 다이아몬드 슬러리는 마이크로미터 사이즈이다. 독자의 노하우로 초음파로 액 속에 미세한 기포를 발생시켜서 기포가 파열하는 에너지를 사용해서 다이아몬드를 초순수에 혼합했다. 슬러리화했기 때문에 미분체 상태에 비해서 고객이 용도에 맞게 가공하기 쉽다. 다이아몬드는 러시아 기업으로부터 조달했다.
최고의 경도를 가진 다이아몬드 미립자는 극히 높은 정밀도를 요구하는 반도체의 실리콘웨이퍼나 렌즈 원기(原器)의 연마, 특수금속의 경면가공 등에 사용되고 있다. 정밀기기의 방수가공, 윤활유에 혼합한 미소 베어링으로도 활용할 수 있다.
단결정 다이아몬드를 비결정(아몰퍼스)카본으로 피막, 클러스터(방, 房)화한 직경 15나노미터의 다이아몬드를 혼합한 슬러리도 동시에 개발했다. 모두 가격은 500밀리미터 당 3만6천750엔(세금 포함)에 발매한다. (일경산업)

복잡입체형상에 대응하는
고밀도 프라즈마 표면처리 기술 개발
名古屋大學의 上坂裕之 조교 등은 복잡하고 입체적인 형상에 대응하는 고밀도 프라즈마 표면처리기술을 개발했다. 마이너스 전압을 가하면서 대상물의 형상에 따라 마이크로파를 전반시키는 방식으로, 종래의 직류방전보다 100~1000배 고밀도의 프라즈마를 얻을 수 있다. 1시간이 걸렸던 표면처리라면 2~3분 정도로 단축할 가능성이 있어, 공구나 금형 이외에 기어, 실린더 등 자동차 금속부품의 표면처리 등에 효과가 있을 듯하다.
실험에서는 직경 3센티미터의 스테인리스 공을 구리 막대로 좌우에서 받치고, 이들을 휘감듯이 마이크로파를 아르곤 가스 속에서 전반시켰다. 종래의 직류방전과 비교하면 프라즈마가 고밀도한 만큼 강하게 빛나고, 철 원자와 구리 원자의 영향까지 받아서 붉은 기마저 보였다.
아르곤가스 속에서 프라즈마를 만들면 아르곤이온과 전자쌍이 튀어 다닌다. 직류방전에서는 1입방 센티미터 당 109 페어의 밀도밖에 되지 않지만 이번 기술에서는 1011~1012 페어로 보다 고밀도가 된다.
이것은 아르곤 원자가 마이크로파에 의해 흔들려서 아르곤이온과 전자로 나뉘는 수가 늘어나기 때문으로, 이 수가 많을수록 고밀도한 프라즈마가 되어 효율적인 표면처리로 이어진다.
아르곤가스 속에서는 대상물의 표면에 붙은 오염물을 제거하는 표면처리가 가능한데, 별종의 가스를 이용하면 고속성막도 가능할 듯하다. 질소가스를 사용하면 표면을 질화할 수 있고, 메탄이나 아세틸렌, 벤젠과 같은 탄화수소계 가스를 이용하면 다이아몬드 라이크 카본(DLC)을 코팅할 수 있을 가능성이 있다. (NK)

납땜하지 않고 이종금속 접합기술 개발
초음파 복합진동으로 실현
神奈川大學發 벤처인 아사히 이 엠 에스(東京都 臺童區, 사장 杉本榮一)는 납땜을 사용치 않고 ‘구리와 알루미늄’, ‘알루미늄과 철’등, 지금까지 불가능했던 이종금속의 접합을 가능하게 하는 ‘초음파 복합진동접합기술’을 개발했다. 접합시키는 한쪽을 고정시키고, 다른 쪽을 그 위에서 진동시켜서 표면의 산화물을 제거하여 활성면을 드러냄으로서 표면에 원자간 흡인력이 발생하여 이종금속도 접합된다. 실용화를 위해 앞으로 공동개발, 기술제휴처의 개척에 나선다.
이 기술은 神奈川大 교수가 개발한 것으로, 고속의 타원운동을 하면서 진동시키는 복합진동을 이용했다. 이로써 접합력이 높아져, 같은 종류의 접합은 물론, ‘구리와 알루미늄’, ‘알루미늄과 철’등 종래의 상식으로는 생각할 수 없는 이종접합이 가능하게 되었다.
게다가 공기 중, 상온에서 실행할 수 있고, 납땜이나 접착제 등을 사용할 필요가 없다. 접합에 필요한 시간은 재료의 성질이나 크기에 따라 다르지만, 몇 초 정도면 된다. 현재, 이 회사의 개발센터(橫浜市 港北區)에 있는 매초 2만 회전과 4만 회전의 실험장치를 사용하여 이 기술을 여러 각도에서 검증하고 있다.
이 회사는 전자부품이나 자동차 분야 등에서의 용도를 전망하고 있는데, ‘어떤 시장이 있을지 모르겠다’(人見宏 이사 영업부장)고 하며, 앞으로 파트너와 손잡고 유망한 용도를 찾아 실용화를 위한 장치개발을 할 계획이다. 접합력을 외부평가할 기업도 찾고 싶다고 한다. (NK)

카본나노튜브 실리카 통 안에 생성
플라렌이나 카본나노튜브(CNT)의 발견 이래, 나노 스케일 재료의 합성과 응용이 활발하게 검토되고 있다. 카본나노 파이버(CNF)는 나노사이즈의 섬유구조를 갖는 나노스케일 탄소재료 가운데 하나이다. 필자를 포함한 연구팀은 CNF를 주형(템플레이트)에 응용한 실리카 나노튜브 합성 및 합성한 실리카 나노튜브 내부에서의 선택적인 CNT 생성을 가능케 했다. 실리카원인 테트라에톡시실란(TESO)의 가수분해로 CNF를 실리카로 피복한 후에, 공기 속에서 소성하여 CNF만을 제거한 결과, 실리카 나노튜브가 생성되었다. 투과형 전자현미경(TEM)상(像) 측정으로 생성된 실리카 나노튜브는 템플레이인 CNF의 형상을 반영하고 있다는 것을 확인했다. 또한 실리카 나노튜브의 직경, 실리카 벽의 두께는 CNF의 직경 및 TESO의 가수분해 시간으로 제어 가능하다는 것을 실증했다.
실리카 나노튜브의 원소분석을 실시한 결과, 실리카 나노튜브 안에는 미소한 금속 Ni입자가 존재한다는 것을 알았다. 미소한 금속 Ni입자는 CNF 및 CNT 합성용 촉매로 알려져 있기 때문에 실리카 나노튜브 내의 Ni촉매가 어떠한 나노카본 재료를 생성할 수 있는가를 검토하기로 했다. 그리고 실리카 나노튜브에 메탄을 접촉시켜 메탄 분해에 의한 실리카 나노튜브 내에서의 CNF 또는 CNT 합성을 시도했다. TEM상을 통해서 실리카 나노튜브 내부에 다수의 CNT가 생성된 모습을 확인할 수 있다. 생성된 CNT의 직경은 약 8nm으로 일정하며, 실리카 나노튜브를 반응기로 이용함으로써 균일한 직경의 CNT를 얻을 수 있다는 것이 밝혀졌다. 이러한 결과는 실리카 나노튜브 내부의 금속 Ni입자 상에서 메탄 분해에 의한 CNT성장이 진행된다는 것을 나타내고 있어, 실리카 나노튜브를 나노 스케일의 반응기로 응용할 수 있다는 것을 시사한다. 또 이런 CNT를 충전한 실리카 나노튜브는 기능성 필터 등에 대한 응용을 상정할 수 있어 신규 재료의 관점에서도 매우 흥미 깊다. (CJ)

초고속 질화갈륨 트랜지스터 개발
(독)정보통신연구기구 무선통신부문·東脇 등은 밀리파 주파수 대(30~300GHz)에 대한 응용을 목적으로 한 초고속 질화갈륨 헤테로 구조 FET(GaN HFET)를 연구개발하고 있다. 일반적으로 FET에 있어, 밀리파 대에서의 고속, 고주파 작동을 실현하기 위해서는 게이트 길이를 0.1㎛이하 정도까지 미세화하는 일이 필요하다. 그러나 실리콘, 갈륨 비소 등의 기존 반도체를 이용한 경우, 미세화에 따라 게이트의 드레인 단(端)에 가하는 전계는 현저하게 증대함으로써 내압이 감소한다는 점에서 저전압, 저출력 동작을 어쩔 수 없게 하게 되어, 높은 주파수 특성을 갖는다는 점과는 반대로 트랜지스터를 다루는 전력은 감소한다는 문제점이 있다. 고출력 밀리파 트랜지스터의 개발은 밀리파대 고속무선통신의 실현을 위한 중요한 기술과제이다. GaN HFET은 와이드밴드갭 반도체라는 GaN 그 자체의 물성으로 고출력 용도에 적합하며, 아울러 고온과 방사선 등의 가혹한 환경에서도 견딜 수 있는 특징이 있다. 그러나 현재 GaN HFET에 대해서는 2GHz대의 휴대전화 기지국에 대한 응용을 목표로 일본 내외의 연구기관에서 활발한 연구가 이루어지고 있는데, 밀리파 대에서의 응용을 위한 연구개발은 거의 보고되지 않은 상태이다.
위에 기술한 것처럼 FET의 고주파 특성을 향상시키기 위해서는 게이트 길이를 단축하는 일이 중요하다. 그러나 초미세 게이트 FET의 경우는 쇼트 채널 효과라고 하는 여러 가지 문제점이 발생한다. 필자 등은 RF플라즈마 분자선 에피탁시(RF-MBE)법에 의한 고Al조성으로 고품질의 질화알루미늄 갈륨(AlGaN)장벽층의 결정성장기술과 촉매화학기상퇴적법(Cat-CVD)으로 질화실리콘(SiN)보호막을 퇴적하는 방법을 개발함으로써 쇼트채널효과의 문제를 해결하는데 성공했다. 그 결과, 게이트 길이 60nm의 미세한 T형 게이트 GaN HFET에 있어, GaN HFET로서는 세계최고 속기록이 되는 전류이득차단주파수(fT)가 153GHz, 최대발진주파수(fmax) 173GHz을 얻었다. 일반적인 트랜지스터에는 실제로 동작시키는 주파수로도 충분한 이득을 얻기 때문에 그 동작주파수의 2~3배인 fT, fmax가 요구된다. 그것을 위해 이번 성과는 현재 이용되는 밀리파대 중에서도 가장 이용가치가 높다고 주목되고 있는 V대(50~75GHz)에 대한 GaN트랜지스터의 응용이 처음으로 현실적인 것이 되었음을 의미한다. (CJ)

세라믹스제 발전장치 개발, 저가로 고내열성
산업기술총합연구소·關西센터의 舟橋良次 주임연구원 등 연구팀은 쓰레기 소각로와 공업로 등의 폐열을 전력으로 변환할 수 있는 세라믹스제 발전장치를 개발했다. 저가로 고온에서도 열화하지 않는다. 에너지의 종합이용 효율향상에 도움이 될 듯하다.
앞으로는 기업과 손잡고 장치의 제조원가 절감과 열전변환효율의 향상을 추진하여 2~3년 이내의 실용화를 지향한다.
장치는 크기가 세로 6.2센티미터, 가로 5.9센티, 두께 6.5센티미터이다. 코발트계와 니켈계 2종류의 세라믹스 재료를 전극으로 접합한 구조이다. 장치의 표면을 섭씨 800도, 이면을 섭씨 300도로 가열하면 세라믹스 내부의 전자가 고온 측에서 저온 측으로 이동하여 전지와 마찬가지로 발전하는 구조이다.
출력은 10와트, 현재의 열전변환효율은 1.4%이지만 이론적으로는 4.5%까지 향상시킬 수 있다고 한다.
종래의 열전변환재료는 비스마스나 테를, 안티몬 등의 희소금속이나 유해한 납을 포함하는 화합물이 알려져 있었다. 단 고가이거나 고온에서 잘 용해되거나 하는 과제가 있었다. 개발한 장치는 특수한 재료를 사용하지 않는 만큼 값이 싸진다. 실용화하기 쉬우리라 보고 있다. 현재 쓰레기 소각장이나 공업로 등에서 발생하는 열 가운에 약 70%는 낭비가 되고 있다고 한다. 개발한 장치를 소각장 등에 설치하면 폐열을 전력에너지로 재이용할 수 있게 되고 이산화탄소 배출량의 삭감 등으로 이어지리라 기대된다. (일경산업)

다층CNT저항 절감, 내층전도에서 텅스텐 수준
비아 배선용 실용화에 응용
富士通와 富士通硏究所(川崎市 中原區, 사장 村野和雄)는 다층 카본나노튜브(CNT)의 안쪽 통도 포함하여 전자가 달리도록 할 수 있는 내층전도를 제안, 다층CNT의 저항을 비아(접속공)당 0.7옴으로 종래보다 1자릿수 절감시키는데 성공했다. 촉매의 바탕이 되는 티탄 컨택트층의 두께를 조정함으로써 내층에 대한 전자의 통로를 형성했다. 이로써 텅스텐 수준의 저저항을 최초로 실현, 앞으로 고밀도화에 의해 구리 수준으로 저저항화하여 LSI비아배선용으로 실용화할 계획이다.
신기술은 다층CNT의 통 전체에 전도하여 저저항화하는 아이디어이다. 지금까지는 다층CNT 최표면의 CNT만이 전도에 기여했을 뿐이었다. 내층 전체에 전도하게 되면 저항이 그 층의 개수만큼 저감된다는 계산이 된다. 비아에 대한 다층CNT 성장은 하부 전극으로서 구리배선층 위에 탄타르배리어층, 티탄 콘택트층, 코발트 촉매층을 순차적으로 적층, 가열하여 코발트 촉매를 미립자화하여 그 촉매로부터 화학기상성장했다.
지금까지 촉매 미립자는 티탄산화막의 절연막에 접촉, 전자는 그 얇은 산화막을 터널로 하여 다층CNT의 최표면을 흐르고 있는 것이라고 여겨왔다. 따라서 티탄 콘택트 층을 종래의 2나노미터 두께에서 6나노미터로 약간 두껍게 하고, 티탄 산화막 아래에 양질의 콘택트 층이 될 탄화티탄 층을 형성했다. 방사광시설 ‘SPring-8’에 의한 X선 회절실험에서 이 탄화티탄 층의 존재를 확인했다.
이 산화티탄 컨택트 층이 코발트 촉매 미립자를 감싸는 듯한 상태가 되기 때문에 내층 전체에 콘택트할 수 있었던 것으로 보고 있다. 균일성이 흐트러지기는 하지만 저항이 1자릿수 절감하고, 10층 전체에서 전도하고 있다는 것도 확인할 수 있었다. 국제반도체기술로드맵(ITRS) 2004년판에 따르면, LSI의 전기적 마이그레이션에 의한 배선의 절단문제는 45나노미터 세대 이후, 구리배선도 한계를 맞이하여 그것을 대신할 해결책이 없었다고 한다. 다층CNT는 전류밀도를 구리보다 3자릿수 높일 수 있어, 전기적 마이그레이션 내성이 강하여 현재로서는 구리에 대신하여 미세배선에 대응할 수 있는 유일한 재료로 주목되고 있다. (NK)

티탄산 칼륨 첨가에 의한 탄산가스 흡수재
리튬 실리케이트의 반복 내구성 향상
京都議定書 발효의 영향으로 이산화탄소 배출량의 삭감이 드디어 현실적인 것이 되었다. 이러한 상황 속에서 일본 내외의 연구기관에서 CO2분리에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다. (주)東芝에서는 고온에서도 사용할 수 있는 고체흡수재 리튬 실리케이드(Li4SiO4)를 개발했다. 리튬 실리케이트는 500℃에서 600℃의 온도 범위에서 CO2를 흡수할 수 있고, 온도를 700℃ 이상으로 하면 흡수한 CO2를 방출하는 성질을 갖고 있다. 이 성질을 살리면 CO2를 흡수한 후에 방출시켜서 재료를 반복적으로 사용할 수 있다.
500℃에서 600℃의 고온영역에서 사용할 수 있기 때문에 발전소 등 터빈에 불어넣기 전의 고온이지만 CO2농도도 짙은 단계의 가스에서 CO2를 흡수할 수 있다. CO2의 농도가 옅어진 배기가스에서 흡수하는 것보다 효율적으로 흡수할 수 있고, 또 흡수량은 종래의 아민 용액법에 비해 10배 이상으로 크기 때문에 운전에너지와 장치의 공간이 적어도 될 것으로 기대된다.
실용화를 위해 페렛화한 리튬 실리케이트를 반응기에 충전하여 성능확인실험을 한 결과, 반복으로 인해 흡수속도가 서서히 저하된다는 것을 알았다. 도 흡수재끼리의 융착도 보였다. 실험 후의 흡수재를 전자현미경으로 관찰하니, 흡수재를 구성하는 1차 입자가 조대화(粗大化)되고 기공 지름도 작아져 있었다. 그 원인의 하나로 CO2흡수로 생성되는 탄산 리튬이 고온에서 CO2를 방출할 때에 일부 액상화한다는 것을 생각할 수 있다. 즉, 세라믹스의 액상소결과 마찬가지로 흡수재를 구성하는 입자가 액상을 매개로 재배열, 용융·재석출을 반복하여 입성장, 그리고 기공의 소실로 이어졌다고 생각된다. 따라서 입자의 재배열을 억제하기 위하여 흡수반응에 관여하지 않는 물질의 첨가를 시도한 결과, 티탄산 칼륨을 첨가하는 것이 효과적이라는 것을 알았다.
티탄산칼륨을 첨가한 흡수재 페렛을 반응기에 충전하고, 실제 기기와 거의 같은 조건에서 흡수·방출 반복 실험을 실시한 결과, 반복 200회 후에도 최초 흡수속도의 약 85%를 유지하고 있다는 것이 확인되었다. 또 흡수재끼리의 융착도 보이지 않아 반응기에서 쉽게 꺼낼 수 있었다.
앞으로 세라믹스의 형상과 원료의 배합을 연구하여 1000회 정도 반복하여 사용할 수 있도록 개량하여 상품화할 계획이다. (CJ)