신재료·신기술 해외정보
고기능 디바이스 실현으로 실리카 글라스의 형성을 제어
광디바이스의 기간재료로 널리 이용되고 있는 이산화규소(실리카)글라스의 결합은 상당히 유연하여 빛의 굴절률이나 밀도 등의 물성값도 변화한다. 이 구조의 다양성을 제어하면 광디바이스의 고성능화, 저가화에 이어질 가능성이 있는데, 현재는 충분히 활용되고 있다고는 말하기 어렵다. 그 활용을 실현하기 위하여 豊田공업대학의 齊藤和也 조교수와 日立電線의 연구팀은 글라스 형성과정을 제어하여 광 손실이 낮은 광디바이스 등의 실용화를 위해 노력하고 있다.
실리카 글라스는 통신용 광 파이버나 광도파로 등에 이용되고 있다. 또 글라스 재료로 가장 자외선 투과역이 넓기 때문에 자외선 파워 전송용 파이버나 자외선 플랜 하우징 등에도 이용되는 등 광디바이스에는 없어서는 안 될 재료이다. 그래도 여전히 “실리카 글라스의 특성을 다 살리지 못하고 있다”는 것이 실정이다.
실리카 결합은 결합각이 120~180도로 광범위하여 유연성이 있다. 결합각 등의 구조가 다르면 빛의 굴절률이나 밀도 등의 물성값도 다르다. 이 차이를 자유롭게 제어할 수 있게 되면 광디바이스의 고성능화나, 제조공정의 간소화에 의한 저가화로 이어진다.
齊藤조교수와 日立電線은 우선 2002년에 광 손실이 낮은 광파이버를 위하여 공동연구에 착수하였다. 용융온도보다 낮아져도 결정이 되지 않는 상태를 과냉각액체라고 하는데 광 손실을 낮게 하려면 실리카의 과냉각액체가 몇 도에서 동결했는가를 나타내는 가상온도를 낮출 필요가 있다. 가상온도를 낮게 할수록 실리카 결합의 결합각의 분포 폭이 좁아 구조 무질서성이 작은 유리가 되어 광 손실의 주요인인 광산란을 줄일 수 있기 때문이다.
단, 가상온도를 낮추려면 그만큼 많은 시간이 걸린다. 한편, 용융한 실리카글라스를 파이버 상태로 하는 방사(紡絲)공정에는 몇 초, 길어도 10초미만의 시간밖에 걸리지 않는다. 따라서 가상온도의 설정과 방사 스피드의 밸런스가 열쇠를 쥐게 된다.
이 저손실 광파이버의 연구개발은 2003, 2004년 등 2년에 걸쳐서 文部科學省 ‘산학관 연대 이노베이션 창출 사업’에 채택되었다. 용융 실리카 글라스를 방사하는 아닐로(爐)를 사용하면 가상온도가 낮아진다는 것을 알고 있었으나 가상온도의 결정적인 요인이 되는 아닐로의 온도와 방사 스피드 등의 조건을 확정하기가 어려웠다.
따라서 방사하는 시간을 조금이라도 벌기 위해서 로의 길이가 2미터인 아닐로를 사용하는 등 조건확정을 위해서 시행착오를 했다. 최적의 조건을 구한 결과, 가상온도가 1340℃, 광 손실이 1킬로미터 당 0.17데시벨 레벨의 광화이버를 실용 레벨의 방사 속도에서 실현할 수 있는 기술을 확립했다. 하지만 실제로는 ‘기술을 확립했을 뿐 사업으로서 성공할 것인지 판단하기는 어렵다’(齊藤조교수)라며 개발의 지속을 주저하는 부분도 있었다. 이런 가운데 豊田工大가 대학의 시즈를 사업화로 이어가기 위한 새로운 연구지원제도 ‘드림펀드제도’를 적시에 창설했다. 齊藤조교수의 연구개발은 그 제 1호로 채택되어 日立電線뿐 아니라 대학 측으로부터도 강력한 백업을 받을 수 있었다.
그 다음으로 이어지는 연구 테마는 광 손실과 마찬가지로 가상온도와 밀접하게 관련된 빛의 굴절률과 밀도에 주목했다. 가상온도가 높을수록 굴절률, 밀도도 높아지므로 가상온도를 제어하면 굴절률, 밀도를 제어할 수 있다. 또한 불소를 실리카 글라스에 첨가하여 실험한 결과, 불소 농도가 일정한 비율을 넘으면 가상온도가 높아짐에 따라 반대로 굴절률, 밀도가 낮아진다는 특이성도 발견했다. 이 특이성을 광 손실이 낮은 광화이버 이외의 광디바이스에도 살릴 것을 목적으로 개발을 게속하기로 했다.
그 일환으로 아닐로에서는 광파이버 전체의 가상온도를 낮추는 제어가 가능하지만 국소적으로 가상온도를 낮추는 제어로서 적외선을 사용한 이산화탄소 레이저를 파이버에 조사하는 기술도 개발했다. 이로써 국소적인 굴절률의 제어도 가능하게 된다. 이들 기술을 구사함으로써 특정한 파장만을 반사하는 긴 주기의 파이버 글레이딩(광학필터)이 가능하다.
이 기술을 응용하면 굴절률의 제어가 수지 코팅 전인 방사 도중에 가능하기 때문에 제조공정의 단축, 나아가서는 저가화에도 이어진다. 종래는 수지코팅 후에 굴절률을 변화시키는 부분에만 수소가스와 자외선을 쏘아서 글라스 구조를 파괴하여 처리해 왔으나 이 공정을 생략할 수 있다.
또 플레너(평판)형 광디바이스인 광도파로의 저가화에도 공헌할 수 있을 것 같다. 광도파로는 보통 실리카 글라스의 기판 위에 실리카보다 굴절률이 높은 게르마늄의 박막을 만들어 미세한 에칭 공정을 거쳐서 만들어진다. 이에 대해 가상온도에 의한 굴절률의 제어를 사용하면 게르마늄을 사용하지 않고 값싼 실리카만으로 가능하며 동시에 에칭공정을 삭감할 수 있다.
앞으로의 과제는 이산화탄소 레이저에 의한 국소적 제어기술의 고도화가 포인트가 된다. 개발한 것은 고정시킨 파이버에 대한 기술로 앞으로는 파이버 방사 중에 제어할 수 있는 기술의 개발을 목표로 하고 있다. 개발하게 되면 사업화로의 길이 크게 열릴 것으로 기대를 모으고 있다.       (NK)

도전성 4배 이상 높인 베어링 개발
복사기 등의 용도
日本精工은 상온환경에서 사용되는 복사기와 프린터의 부품용으로 종래 제품에 비해 도전성을 4배 이상으로 높인 ‘아스프리 베어링’을 발매했다. 부품 주변에서 발생한 정전기를 베어링을 매개로 제거하여 장기간 사용했을 때의 대전에 따른 화질의 열화를 방지한다. 내륜(內輪)의 지름 4밀리~35밀리미터를 시리즈화했다. 사무기기용 베어링의 매상고를 07년도에 04년도 대비 12% 증가한 54억 엔으로 끌어올린다.
복사기에서 사용되는 감광 드럼이나 전사 롤러용으로 개발했다. 베어링 내부의 그리스에 입자 지름이 다른 카본 블랙을 배합. 강구(鋼球)와 궤도면의 마찰에 의한 산화막의 형성을 방지하는 첨가제를 섞어서 카본블랙의 전체적인 양도 늘렸다. 이로써 도전성을 장시간 유지할 수 있어, 일반 하중 조건인 경우 도전성능은 종래 제품의 8배로 향상된다.                    (NK)

사방 100mm 대형 페르체서모모듈 개발
岡野電線은 사방 10밀리미터인 대형 페르체서모모듈을 개발했다. 다른 도체의 접촉면에 전류를 넣음으로써 발열, 흡열이 일어나는 페르체 효과를 이용한 전자냉각소자로, 흡열량은 400와트 이상으로 사방 55밀리미터의 4배이다. 종래는 세라믹스 사이에 끼우는 타입이 주류였는데, 중앙에서 소자를 억제하는 스켈톤 타입이라고 하는 구조로 열변화에 의한 일그러짐을 직접 받지 않는다. 페르체서모모듈은 열에 의한 일그러짐을 반복해서 받으면 쉽게 망가지므로 55밀리미터를 넘는 대형화는 어려웠다.
岡野電線은 이미 사방 70밀리미터 모듈을 판매하고 있다. 100밀리 타입은 반도체 제조장치용 등을 위해 작년 7월부터 발매되었다.               (NK)

나노와이어를 주형(鑄型)으로 나노홀어레이 새 제조법 개발
다양한 재료로 제작 가능
NTT물성과학기초연구소에서는 등은 알루미늄·갈륨·비소 나노와이어를 주형으로 하여 다양한 재료의 나노홀어레이를 만드는 새 제조법을 개발했다. 지금까지 양극(陽極)산화에 의한 알루미나 나노홀어레이가 있었는데 절연체이기 때문에 용도가 한정적이다. 이번에 인듐 인과 바구니형 탄소분자인 플라렌으로 실증했다. 이로써 재료선택에 따라서 발광하는 포토닉 결정 등 다양한 광소자와 센서, 촉매 등의 실현을 기대할 수 있다.
신기술은 나노와이어를 틀로, 성막하면서 나노와이어를 메워나간다. 선택 에칭을 유효하게 하기 때문에 나노와이어가 완전히 매몰되지 않은 상태에서 성막을 정지하고 액상 에칭을 한다. 나노와이어가 깨끗하게 제거되어 나노홀어레이가 되는 구조이다.
실제로 갈륨·비소기판에 전자선 노광으로 금 미립자의 패터닝을 실시, 기상액상고상성장(氣相液相固相成長, VLS)법이라는 일종의 촉매작용으로 알루미늄·갈륨·비소의 주상 (柱狀) 나노와이어를 성장시킨다. 직경 8나노미터, 길이는 성장시간에 따라서 몇 마이크로미터에 달할 수도 있다.
이 고(高)아스펙트비(比)의 나노와이어가 기판에 서 있는 상태에서 유기금속기상성장으로 인듐·인 막이 성장했다. 그 후에 선택 에칭을 하기 위해 나노와이어 끝이 삐져나온 상태에서 성막을 그치는 것이 필수이다. 액상에칭으로 나노와이어를 선택제거하면 인듐·인의 나노홀어레이가 생긴다.
마찬가지로 플라렌을 증착하여 성막한 후에 선택 에칭으로 플라렌의 나노홀어레이를 실현할 수 있었다. 무른 재료인 플라렌도 액층 에칭에 견디었다. 인듐·인과 갈륨·비소 기판과는 격자 부정(不整)이 3.8%나 되어 일반적으로는 양질로 성막하기가 어렵다. 그러나 다수의 홀이 뒤틀림을 흡수하여 자연스럽게 성막할 수 있었을 가능성이 있다.                  (일경산업)

은 미립자촉매 사용 실리콘 기판에 나노 심공(深孔) 제조법 개발
깊이 500마이크로미터 형성
大阪대학 태양에너지화학연구센터의 松村道雄 교수와 대학원생 등은 은 미립자촉매를 이용, 용액 속에서 실리콘 기판에 나노사이즈 심공을 만드는 방법을 개발했다. 은 미립자가 드릴처럼 실리콘 기판 속에 직선적으로 파고들어 깊이 500마이크로미터 이상의 구멍을 형성한다. 화학약품처리만으로 은 미립자에 천공기능을 갖게 하는 현상은 예가 없어서  반도체의 고성능화에 공헌할 것 같다.
은 미립자는 은이온을 포함하는 알칼리 용액을 이용하여 기판에 붙인 후에 붕산과 과산화수소의 혼합액에 담가 처리한다. 화학 처리한 은 미립자(직경 30나노~100나노미터)는 구멍의 지름을 유지한 채 천공을 한다. 특히 용액에 약 30분 담그면 천공의 깊이는 약 40마이크로미터. 또 약 10시간 담그면 지름은 300나노미터, 깊이 500나노미터가 된다는 것을 확인할 수 있었다.
구조는 완전히 해명되지 않았으나 은 미립자나 산화제인 과산화수소의 작용으로 실리콘이 산화. 게다가 산화된 실리콘이 붕산으로 녹기 쉬워진 부분에 은 미립자가 드릴처럼 구멍을 형성하는 것이라고 생각된다고 한다.
나노 사이즈의 심공 형성법은 松村교수 등이 태양전지의 발광효율을 향상시키는 실리콘 표면처리에 대한 연구를 하는 가운데 우연히 발견했다. 같은 현상을 일으키려면 지금까지는 화학처리 이외에 전기를 가하는 공정도 필요했다. 응용 면에서는 반도체 분야 이외에 미세가공의 원가 절감 등을 기대할 수 있다.
이번의 기술 확립에 대해서 松村교수는 “가공에 대한 응용 등 기업이나 나노테크 연구자와 공동으로 추진하고 싶다”고 말하고 있다.   (일경산업)