카본나노튜브에 대항
방사(紡絲)기술로 탄소섬유 가늘게 하는 기술 개발

帝人은 직경이 종래 상품의 100분의 1 전후라는 미세한 탄소섬유를 개발, 샘플출하를 지난 4월에 시작했다. 연료전지의 발전효율을 높이는 나노테크놀로지(초미세 기술)재료로써 용도개척을 지향한다. 지금까지는 비싼 제조 원가가 벽이 되었으나 독자의 방사기술을 채용하여 저가화의 기준을 마련했다.
‘카본나노튜브(통상탄소분자)와 비슷한 소재를 싼값에 만들 수는 없을까 ?’帝人·신사업개발그룹 신사업개발부의 佐脇透(프로젝트 추진실·제2 프로젝트 리더)가 새로운 탄소섬유의 개발을 생각한 것은 5년 전인 2000년이었다.
그 무렵 나노테크 소재의 대표적인 예로서 카본나노튜브는 이미 각광을 받고 있었으나, 1그램에 수천 엔-수만 엔이라는 높은 가격이 보급의 방해가 되었다. 통상이 아니어도 미세하고 고밀도한 탄소섬유를 싸게 만들 수 있다면 순도가 낮은 나노튜브에 대항할 수 있지 않을까 하고 佐脇은 생각했다.
나노튜브든 탄소섬유든 값싼 제조법은 철 등의 금속미립자를 촉매로 하는 방법이 일반적이라고 알려져 있었는데, 금속이 섞이기 때문에 순도가 떨어지는 문제가 있었다. 따라서 佐脇은 이전에 연구하던 ‘피치계(系)’라고 하는 방사기술을 응용하기로 했다.
피치계는 석유나 석탄으로 만들어진 섬유원료인 피치를 물엿 상태로 녹여서 실을 잣는 요령으로 늘이는 방법이다. 용융하여 형상이 변화되지 않도록 불융화제를 섞어서 소성한다.
현재 탄소섬유제조에서 주류인 것은 아크릴계 원사를 소성하여 만드는 ‘PAN계’라고 하는 방법. 피치계에 비해 부드러운 실로 만들 수 있다. 따라서 佐脇가 도입했던 피치계는 상품화에 이르지 못했다.
단, 나노튜브에 대항한다는 것 이외에도 피치계에는 유리한 특징이 있었다. 섬유에 탄소분자가 차지하는 비율이 PAN계의 경우는 45~50%인데 비해, 피치계는 90%나 되었고, 게다가 탄소분자는 말끔하게 배열해 있다. 따라서 고강도이며 전도성이 높다.
고분자 재료연구소에 배속된 뒤에 佐脇은 피치계의 의문시하는 목소리도 나왔으나 ‘이번에야말로 물건을 만들겠다’는 굳은 결의로 주위를 납득시켰다.
과제였던 것은 어떻게 하면 탄소섬유를 가늘게 할 수 있을 것인가. 원료인 피치계 유기물에 고온의 소성으로 분해하는 고분자 폴리머를 섞음으로써 해결할 수 있을 것이라고 佐脇는 생각했다. 늘인 후에 주위의 폴리머 부분이 분해되어 없어지므로 종래보다 미세한 탄소섬유가 남는다는 발상이다.
단, 피치계 유기물에 불융화제가 골고루 퍼지지 않으면 탄소섬유도 함께 녹아 없어져 버린다. 여기에 적합한 폴리머가 필요하다. 佐脇는 닥치는 대로 실험하여 반년이 걸려서 폴리올레핀계 폴리머를 발견했다.
이렇게 해서 완성한 탄소섬유는 직경 50~200나노미터이며, 종래 PAN계의 동 8마이크로미터에 비해 40분의 1에서 160분의 1의 가늘기이다. 제조 원가는 나노튜브의 10분의 1쯤은 낮출 수 있으리라고 계산하고 있다.
연료전지의 전극에 이용하면 발전효율의 향상을 기대할 수 있고, 복합수지에 섞으면 강도 등이 높아진다고 한다. 성능은 나노튜브보다 떨어지지만 저가로 커버할 전략이다. 피치계의 상품화를 포기한지 15년, 나노테크 분야에서 재기가 이루어질 것인가. 함께 피치계 연구에 참여한 적이 있던 신사업개발 그룹 신사업개발부장인 柴田達也는 ‘카본나노뷰트에 대항하려면 더욱 싼 1킬로그램 1만 엔 이하로 해야 한다’고 독려하고 있다. (일경산업)

염화마그네슘 이용한 신형 축냉제 렌탈
운송회사 등의 용도
투자용 원룸 아파트가 주력사업인 토신(東京都 武藏野市, 사장 佐藤信哉)은 지난 4월부터 축냉제의 렌탈을 시작했다. 드라이아이스보다 안전하며 저가인 상품으로 운송회사 등의 이용이 전망된다고 한다. 첫해 매상고 5억 엔을 전망한다.
‘슈퍼네오아이스(SNI)’는 영하 37도까지 얼릴 수 있는 설계이다. 염화마그네슘 등 2종류의 식품첨가물을 섞고 물의 융점을 낮췄다. 550밀리미터, 1리터, 500밀리미터가 7개 연결된 타입 등 3종류가 있다.
기온이 30~40도인 상태에서 용량 14리터의 발포스티로폴 용기에 70% 정도 음식물을 담아서 실험한 결과, 550밀리리터의 SNI를 5개 사용하면 영하 20도 이하의 온도로 약 1시간 보존할 수 있었다고 한다. 현재 드라이아이스를 월간 6.5톤 정도 사용하고, 연간 900만 엔 전후로 사용하고 있는 기업의 경우, 20~30%의 경비절감으로 이어지게 한다는 것이 목표이다.
용기는 밀폐하여 주위의 식품 등에 액체가 스미지 않도록 설계했다. 드라이아이스처럼 손에 붙거나 하지 않기 때문에 저온화상의 우려도 적으리라 보고 있다.
신형 축냉제는 토신이 강도 높은 콘크리트를 개발할 목적으로 계약한 고문(顧問)의 연구 성과이다. 이밖에도 20건 정도의 특허신청 안건을 가지고 있다. 작년 4월에 설립한 제조회사 토신 라이프 시스템과 판매회사 아이에스아이에서 순차 다뤄나갈 계획이며 첫해 20만 개의 대여할 계획이다.
토신은 투자용 원룸 아파트를 주력사업으로 한다. 2004년 3/4분기의 단독 매상고는 167억 3200만 엔, 경상이익은 8억 7500만 엔. 3년 이내에 신흥시장에 상장할 것을 계획하고 있다.
(일경산업)

변화효율 최상급 태양전지모듈 발매
다결정형으로 15.8%
샤프는 태양광에서 전력으로의 변환효율을 높인 태양전지모듈 ‘썬비스타 NE-152AR’을 지난 6월 1일부터 발매했다. 변환효율은 15.8%로 다결정형 모듈로써는 세계 최고수준이다. 京都의정서의 발효 등 환경보전의식의 고양을 배경으로 월 생산 5000대를 목표로 한다.
152AR은 모듈의 기간부품인 셀의 표면에 빛의 반사를 저감시키는 가공을 하여 태양광이 잘 흡수되도록 했다. 모듈 안에 늘어서 셀과 셀의 틈새를 좁혀서 밀도를 높였다. 이 회사의 종래 모듈의 변환효율은 14.8%가 최고였다.
1 모듈 당 발전량이 커짐으로써 같은 면적에 설치한 경우, 출력이 7% 정도 향상한다. 좁은 옥상에서도 효율적으로 발전할 수 있다. 최대 출력은 152와트이며, 희망소매가격은 9만 3천 2백 40엔이다.
152AR의 발매에 앞서 4월 1일에는 변환효율 13.6%로 출력 157와트인 모듈 ‘NR-157AR’을 발매했다. 가격은 6만 9천 3백 엔으로 155와트의 종래 기종보다 5% 정도 가격을 낮추었다.                     
(일경산업)

크롬을 사용하지 않는 표면처리기술 개발
가공기술, 시작품 개발의 아트빔(東京都 八王子市, 사장 松木良春)과 티와이어소시에이츠(神奈川縣 海老名市, 사장 山本隆久)는 크롬을 사용하지 않는 금속표면처리기술을 개발했다.
신기술은 식물소재의 유기물과 유기산, 요소, 브롬, 옥소산, 무기염류 등을 함유하는 표면처리제 ‘AAT-21’(상품명)을 사용하여 아연 도금한 금속의 표면에 화성피막을 형성한다.
내식성은 6가 크롬을 포함하는 크로메이트 처리, 3가 크롬처리와 동등하거나 그 이상이다. 가격은 크로메이트 처리와 같은 정도이지만, 폐액처리비가 필요치 않으므로 그만큼 가격이 싸진다고 보고 있다.
6가 크롬을 포함하는 처리법에 의한 전기·전자기기, 부품 등은 2006년 7월 이후 EU시장의 규제가 시작되기 때문에 일본 내 각사도 대응에 쫓기고 있다. 두 회사는 신기술의 보급을 위해 처리제의 양산체제 확립을 서두른다.                          (일경산업)

이종(異種)금속선을 레이저 접합하는 기술 개발
전자부품 메이커인 三興전자공업(靑森縣 十和田市, 사장 小松崎壽志)와 靑森縣공업종합연구센터 八戶지역기술연구소(八戶市 사장 大原周一)는 다른 종류의 금속으로 된 리드선을 레이저로 접합하는 기술을 개발했다. 납땜을 불필요하며 공정도 단축할 수 있다. 1년 후를 목표로 자동화 장치를 개발한다.
구리 리드선과 철 합금 세선(細線)의 이종금속접합에 성공했다. 7줄의 가는 선을 다발로 묶은 직경 0.5밀리의 리드선을 꼬아서 0.2밀리의 세선과 접합시켜 10~11줄의 강도의 레이저를 0.01초 조사했다.
레이저 접합은 초기 투자가 많지만 납땜에 필요한 세정이나 건조, 예비 납 등의 공정이 필요치 않게 된다. 납 없는 땜은 은 등을 사용하기 때문에 고가이며 접합이 어려워서 불량품 비율이 높아지는 경향이 있다. 납땜 장치의 인두 손상이 빠른 부품 메이커로서는 원가 증가 요인이 되고 있다.
(일경산업)

난연성의 신소재 발포스티로폼 개발
단열재 등을 개발하는 永和 마텍스(大阪府 八尾市)는 난연성을 높인 새 발포스티로폼을 개발했다. 일반적인 발포스티로폼은 최대 섭씨 250도 전후의 불꽃에 녹아내리지만, 신소재는 1200도의 불꽃에서도 1분 이상 모양이 변하지 않는다고 한다. 6월부터 주택이나 건축물의 단열재용 등으로 판매를 시작, 첫해 약 4억 엔의 매상을 목표로 한다.
신소재는 ‘카루쿠’(상품명). 발포스티로폼 원료인 발포스틸렌비즈의 하나하나에 독자적으로 개발한 난연제를 도포함으로써 잘 타지 않게 했다. 강도나 내수성은 일반적인 발포스티로폼에 비해 같은 정도를 유지하고 있다. 가격은 약 2배. 앞으로 단열재뿐 아니라 신칸센 등 차량용 소재로서도 판매할 계획이다.
신제품은 미국의 난연성 규격에서는 최고 수준이라고 한다. 이 회사는 난연제를 도포하는 이번의 새 제조법의 특허를 미국과 일본 등에서 취득했다.                          (일경산업)

탄화실리콘 소자로 정전유도, 전력손실 1/12로 저감
산업기술종합연구소는 탄화실리콘 기판을 이용한 정전유도 트랜지스터(SIT)에서 최고성능을 실현했다. 내압 700볼트, 온 저항 1.01밀리옴 평방센티미터를 실현하여 종래의 인버터 회로에서 사용되고 있는 실리콘 파워 소자에 비해 12분의 1로 전력손실을 낮추었다. 이 소자를 응용하면 기기의 전력이용효율이 2~3% 향상될 수 있다고 한다.
신기술은 山梨대학과 공동으로 육방정탄화실리콘 기판을 이용하여 고농도 p형 게이트 영역을 메운 구조의 SIT를 독자개발한 프로세스를 구사하여 제작했다.
온 정항은  내압 600~1200볼트계의 스위칭 소자로써는 최소를 실현했다.
현재 시판되는 탄화실리콘 스위칭 소자는 독일 회사가 유일하게 시판하는 SIT뿐이다.
그러나 종래 구조로는 채널의 미세화가 어려워 성능향상이 곤란했다.
따라서 産總硏과 山梨大는 고농도 p형 게이트를 완전히 메운 SIT구조를 제안하였다. 이점은 각 전극 간의 위치를 한데 모으기가 용이해지며, 단위소자 사이즈도 대폭 축소할 수 있어 단위면적 당 흐르는 전류량의 늘려서 소자의 온 저항의 저감으로 이어진다고 한다.
이 소자는 가전 등의 소용량 인버터에서부터 자동차용 중용량, 산업용 대용량까지 광범위한 용도가 전망되어 그에 따른 20년 시점에서 이산화탄소 배출삭감효과는 90년 일본의 배출량의 1%에 상당한다.              (NK)

납·아연·할로겐 화합물 불포함 페이퍼글라스 기판 실용화
실리콘 연마에 두께 50마이크로미터
화인테크니카(神奈川縣 相模原市, 사장 仁村治之)는 납, 아연, 할로겐 화합물 등을 포함하지 않는 종이에 유리를 함침시킨 ‘페이퍼 글라스’를 실용화하여 본격적으로 판매한다. 유리 프렉시블 기판을 대신하는 용도를 상정하고 있다. 10마이크로미터 피치의 도체막 인쇄나 구리박 등 금속 라미네이트, 도금이 가능하며, 펀칭 구멍 뚫기 가공에서도 특성을 보인다. 종이를 소재로 사용하기 때문에 대폭적인 원가절감이 가능하며, 첫해 60만 평방미터의 판매를 전망하고 있다.
‘페이퍼 글라스’는 森實敏 유리학 박사의 특허기술을 베이스로 개발되었다. 이 회사는 3년간, 큰 제지 메이커 등과 실용화 실험을 진행해 왔다. 실용화와 양산화의 기준이 세워졌기 때문에 본격 판매에 들어간다.
특히 상용화를 위해 개발을 추진하고 있는데, 실리콘이나 수정소재 등의 연마에 이용되는 캐리어를 대신하는 용도이다. 종래는 담금질을 한 블루스틸(철)을 사용했는데 100마이크로미터 이하의 두께로 만들기는 어려웠다. 또 사용자가 표면의 뒤틀림을 제거하기 때문에 2차 가공이 필요했다.
이 회사는 “실리콘 웨하의 슬림화 요구가 100마이크로미터 이하까지 와 있다. 페이퍼 글라스의 두께는 50마이크로미터까지 가능하며, 표면의 정도가 1마이크로미터 이내이기 때문에 뒤틀림 제거 작업은 불필요(高橋 이사)하다”고 한다. 4인치 캐리어에서의 실용화 실험은 이미 끝났고, 앞으로 가장 수요가 많은 인치의 캐리어용으로 상품화를 추진한다. 또 이 회사에서는 페이퍼 글라스가 기밀성, 재활용성이 우수하다는 특성을 살려서 캔을 대신할 용기로서의 용도도 검토한다.
            (NK)

실온에서 강자성 보이는 반도체 개발
筑波대학 수리물질과학연구과의 瀧田宏樹 교수 등은 실온에서 강자성을 보이는 반도체를 개발했다. 텔루르화 아연의 아연 일부를 자성금속인 크롬으로 5% 치환한 아연·크롬·텔루르에서 크롬을 n형 불순물인 요소와 동시에 첨가하는 연구로 결정성을 유지하는데 성공했다. 실온에서도 전류로 자성 스핀을 제어하는 스핀트로닉스를 유력한 재료로 이어진다고 한다.
실온 이상에서 자석이 되는 강자성 반도체의 실현을 목표로 전 세계에서 여러 가지 물질 탐색이 이루어지고 있는데 새 재료는 강자성이 확실한 형태로 확인된 몇 안 되는 것 가운데 하나라고 KS다.
이 재료계는 실온에서 강자성을 보이려고 하면 지금까지 크롬의 비율을 20% 정도까지 고농도로 높일 필요가 있어 결정성이 저하되기 때문에 실현이 곤란했다.
크롬을 요소 첨가와 동시에 첨가하는 연구로 조성 5%라는 낮은 농도에서도 결정성을 완전히 유지한 상태로 강자성 전이온도가 실온에 달하는 재료를 개발할 수 있었다.
이것은 전하 도핑이라는 전자 수의 조정으로 자성을 제어하는 기술로 이어진다고 한다.                    (NK)
               

직경 수 나노미터의 중공을 가진 공모양의 실리카 입자 제작
사이즈 균일, 금속도 내포
神奈川대학의 內藤周貳교수, 宮尾敏廣 조교 등은 중앙에 입경 몇 나노미터의 닫힌 공간을 가지며, 이 공간에 금속나노입자를 내포하는 공모양의 실리카 입자를 만드는데 성공했다. 유기용매 속에서 계면활성제가 형성하는 역 미셀을 실리카 입자를 만드는 ‘용기’로 쓰기 때문에 크기와 모양이 일정하다. 수소가스를 쏘이면 상온상압에서 실리카 입자가 수소를 빨아들이다는 것도 실험으로 알았다.
역미셀은 물과 친숙한 친수부(헥사옥시에틸렌)의 바깥쪽을 물과 친하지 않는 소수부(노니르페닐)가 감싸서 친수부의 안쪽에 실리카 입자를 만드는 공간이 있다. 이 공간이 ‘용기’의 역할을 한다.
목적하는 금속 착체가 녹은 물 속에서 역미셀의 친수부 안쪽의 공간에는 재결정화에 의한 금속착체의 핵이 만들어진다. 여기에 실리카원인 테트라에톡시실란(TEOS)를 넣으면 착체의 표면과 가수분해반응을 일으켜 핵 주위가 TEOS로 덮인다. 다음으로 ‘용기’를 씻어낸 뒤에 진공 속 300℃정도에서 가열하면 착체가 분해되어 직경 1나노~2나노미터 정도의 금속나노입자가 만들어지고 닫힌 미소공간도 생겼다.
이 공간의 직경은 4나노~12나노미터, 공모양 실리카 입자의 직경은 30나노~40나노미터이며, 만드는 조건을 바꾸면 크기를 제어할 수 있다. 금속나노입자는 미소공간 안이나 공간 벽면에 있다. 지금까지 백금이나 인듐, 로듐, 루테늄 등으로 실험했다.
실리카막은 수소를 다루는 한편, 일산화탄소를 빨아들이지 않는 선택투과성이 있다. 따라서 공모양 실리카 입자로 실험한 결과, 인듐 입자를 내포하는 경우 상온상압 하, 시료 1그램 당 약 15입방센티미터의 비율로 수소를 빨아들였다. 수소가스의 농도를 낮게 하여 100℃ 정도에서 가열하면 빨아들인 수소를 방출할 수 있다고 한다.
內藤교수는 ①실리카입자가 둥글고 크기가 균일 ②닫힌 공간이 적당하게 작다 ③공간 내에 금속나노입자가 가늘게 밀폐되어 있기 때문에 실험처럼 수소를 빨아들였다고 보고 있다. 이밖에 자성체 등에 대한 응용도 기대할 수 있다고 하는데, 앞으로 티타니아, 알루미나와 같은 다른 산화물에서도 같은 입자를 만들어 특성 등을 조사하는 연구를 계속해 나갈 계획이다.
(NK)