전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_2017.10 특집요약(p26~45)

원하는 재료를 ‘전자파’로 만든다
태양광과 마이크로파로 양산, 상식을 깨는 제조

제1부. 총론
태양광과 마이크로파로 양산, 상식을 깨는 재료 제조가 잇따라

태양광 및 마이크로파와 같은 전자파를 사용하여 재료를 양산하는 시대가 바로 눈 앞에 와 있다. 기존의 제조기술로는 뛰어넘지 못했던 기술면이나 비용 면에서의 장애물을 태양광을 이용한 인공광합성 기술 및 마이크로파 기술로 초월해 간다. 지금까지는 만들지 못했던 전자재료를 낮은 소비전력으로 저렴하게 제조할 수 있게 된다.

“이산화탄소(CO₂)를 삭감하면서 재료를 양산”, “지금까지 실현하지 못했던 나노 금속재료를 제조”---. 기존의 상식을 깨는 새로운 재료제조법의 연구개발이 활기를 띠고 있다. 그 중에서도 급속도로 발전하고 있는 것이 태양광 및 마이크로파와 같은 전자파를 활용한 제조기술이다. 기존의 제조방법에서 과제가 되었던 “소비전력이 크다”, “대량의 CO₂가 발생한다”, “거대한 부지를 필요로 한다”, “제조할 수 있는 재료에 한계가 있다”와 같은 문제를 극복하는 수단으로써 기대를 모으고 있다.

태양광을 이용하는 것은 ‘인공광합성’ 기술이다. 그 이름처럼 태양광을 이용하여 물(H₂O)과 CO₂로부터 당과 산소를 생성하는 식물의 광합성을 모방한 일련의 기술을 가리킨다. 인공광합성에서는 일반적으로 태양광을 사용하여 H₂O와 CO₂로부터 에너지원이나 재료가 되는 유기물을 생성해낸다. 온실효과가 있는 CO₂를 삭감하면서 에너지원이나 재료를 제조할 수 있다고 하여 연구개발이 활발하게 이루어지고 있다.

2012년경까지는 ‘공업화의 시나리오가 불투명’, ‘생성되는 물질이 한정됨’, ‘효율이 낮음’이라는 문제가 있었으나 최근에 와서 공업화를 위한 대응이 가속화되고 있다. 예를 들어 인공광합성 프로세스에서 이용하는 광촉매 시트 및 분리막을 조합시킴으로써 저렴한 수소발생 장치를 실용화하려는 움직임이 등장하고 있다. 일반 가정에서의 적용을 목표로 한 실증실험용 가옥 건설도 시작되었다.

생성 가능한 물질의 종류도 상당히 늘어났다. 지금까지의 개미산(HCOOH) 및 메탄(CH₄)과 같은 에너지원이 되는 산소 개수가 1개인 재료뿐만 아니라, 에틸렌(C₂H₄) 및 프로필렌(C₃H₆)과 같은 산소 개수가 2~4개인 ‘저급 올레핀’의 생성이 성공을 눈앞에 두고 있다. 올레핀과 같은 플라스틱의 재료까지도 인공광합성 기술로 만들 수 있게 된 것이다. 차아염소산 및 과산화수소와 같은 부가가치가 높은 무기 재료도 인공광합성 기술로 만들 수 있다.

개미산과 같은 에너지원이 되는 유기물은 지금까지 보다 높은 효율로 만들 수 있게 되었다. 인공광합성 기술로 생성된 유기물이 가진 에너지를 입사광의 에너지로 나눈 변환 효율은 그 이정표가 되는 식물의 효율(약 2%)을 넘어 섰다.

-- 마이크로파로 새로운 금속 나노입자 --
마이크로파 제조기술로는 지금까지 만들어내지 못했던 재료를 제조할 수 있게 되었다. 예를 들어 터치 패널의 투명 전극용으로 직경이 30nm이하, 길이가 10㎛~30㎛인 Ag 나노와이어를 양산한다는 목표가 세워졌다. 전자부품에 사용되는 입경 수십 nm의 금속 나노입자도 안정적이고 높은 시스템 효율로 제조할 수 있게 된다. 루테늄(Ru)이나 팔라듐(Pd)과 같은 섞이지 않는 금속으로도 합금을 만들 수 있다.     

이런 재료를 만들 수 있는 이유는 마이크로파를 조사(照射)한 분자(물질)에 직접 에너지를 보낼 수 있기 때문이다. 예를 들어 촉매만을 가열하여 화학반응을 촉진시킬 경우, 물질 전체에 열을 전달하는 기존 방법에 비해 소비전력 및 제조설비의 부지 면적을 대폭 줄일 수 있다.

장점이 많은 마이크로파 제조기술이지만 지금까지 실험실 레벨의 설비와 생산량으로 실용까지는 거리가 멀었다. 현재는 제조설비의 규모확대를 실현하여 연간 1,000t 규모의 양산이 가능한 수준에 달했다. 빠르게 발전하는 인공광합성 기술과 마이크로파 제조기술. 2020년에는 더욱 진화되어 적용 범위가 확대될 전망이다.

제2부. 인공광합성
대규모 플랜트에서 주택까지, 2030년 전후 가동을 목표

온실효과가 있는 이산화탄소를 삭감하면서 에너지원 및 재료를 제조할 수 있기 때문에 ‘인공광합성 기술’의 연구개발이 한창이다. 그 결과, 해당 기술은 크게 발전. 실용화를 향해 착실히 전진하기 시작했다. 대규모 플랜트를 위한 연구개발 및 실증 주택의 가동이 시작된다.

태양광을 사용하여 물(H₂O)과 이산화탄소(CO₂)로부터 인위적으로 유기물과 무기물을 만드는 ‘인공광합성 기술’. 식물의 광합성에서는 당을 생성하는 것에 반해, 인공광합성에서는 에너지원과 재료가 되는 유기물을 만드는 것이 일반적이다.

인공광합성이라고 하면, 과거에는 화학분야의 연구자 및 연구 조직, 업체 등에 한정되어 있었다. 그것이 바뀐 것은 2012년경이다. 환경부하 절감에 대한 수요가 높아지면서 전기 분야의 연구자 및 업체 등이 가세해 연구 개발이 활발해졌다. 우선, “반도체 분야의 연구자가 증가했다”(복수의 화학 분야의 인공광합성 연구자). 인공광합성 기술에 있어서 물을 산화시키는 역할을 맡고 있는 광전극에 반도체를 이용할 수 있기 때문이다. 인공광합성을 명목으로 한 연구 시설 및 ‘국가 프로젝트’가 일본에 등장한 것도 이 시기이다.

그 결과, 실용적인 성과가 나오고 있다. 예를 들어, 유기물을 고효율 시스템으로 장기간 생성이 가능한 ‘불사신’의 새로운 촉매 및 저렴한 도포법을 통해 만들 수 있는 고효율 광촉매 시트 등이 그것이다. 이것들을 활용함으로써 대량의 수소와 유기물을 제조하는 ‘인공광합성 플랜트’를 실현시키려는 움직임이 나오고 있다. 또한 주택에서 필요한 전력의 일부를 인공광합성으로 보완하는 ‘인공광합성 하우스’의 실증실험도 시작되었다. 박테리아를 이용한 인공광합성 기술도 등장했다.

-- 단계적인 실용화를 노린다 --
무엇보다 눈에 띄는 것은 이런 최근의 성과를 바탕으로 공업화를 위해 움직이기 시작한 점이다. 수년 전까지는 연구의 벽을 넘지 않았으며 공업화의 시나리오가 불투명했다. 그러나 이제는 2030년 전후의 플랜트 가동을 목표로 인공광합성 프로세스의 일부부터 착실하게 실용화를 위해 힘쓰고 있다.

이런 시나리오를 기반으로 실용화를 위해 연구 개발을 추진하고 있는 곳이 ’인공광합성 화학프로세스 기술연구조합(ARPChem)’이다. 미쓰비시 케미칼 집행위원인 세토(瀬戸) 씨가 프로젝트 리더를 맡고 있다. ARPChem은 2012년부터 시작한 신 에너지사업 기술총합 개발기구(NEDO)의 대형 프로젝트인 ‘이산화탄소 원료화 기간(基幹)화학품 제조프로세스 기술개발(인공 광합성 프로젝트)’을 위탁한 곳이다. 이 프로젝트는 2021년도(2022년 3월말)까지 10년간 150억엔 가까이 투자하는 대형 프로젝트이다.

ARPChem은 복수의 기업이 참여하고 있으며 대학과 공동으로 인공광합성에 관한 연구 개발에 도전하고 있다. 인공광합성은 프로세스가 크게 3단계로 나눠져 있으며 최종적으로는 3개를 통합하여 인공광합성 플랜트를 실현한다는 것이 목표이다.

그 3단계라는 것은 다음과 같다. (1)광촉매와 태양광으로 물을 분해하여 산소(O₂)와 수소(H₂)의 혼합 가스를 발생시켜 (2)그것을 분리막으로 O₂와 H₂를 분리. 이렇게 해서 얻은 H₂와 공장 및 발전소 등에서 나온 이산화탄소(CO₂)로부터 (3)합성 촉매를 이용하여 ‘저급 올레핀’(에틸렌이나 프로필렌 등)을 생성한다.

-- 효율은 3%, 7%도 사정거리 안에 --
-- ‘불사신의 촉매’로 올레핀을 합성 --
-- CO₂를 ‘자원화’한다 --
-- 인공광합성 하우스의 실증을 시작한다 --

제3부. 마이크로파 제조기술
‘현대의 연금술’이 현실로, 나노 재료 및 새로운 합금을 제조

지금까지 실험실 레벨에서 벗어날 수 없었던 마이크로파 제조기술이 마침내 실용화를 눈 앞에 두고 있다. 투명전극에 이용하는 금속 나노와이어 및 전자부품의 원료가 되는 금속 나노입자의 양산이 2018년 안에 시작될 전망이다. 또한 지금까지 만들 수 없었던 합금을 마이크로파로 만드는 시대가 도래하게 된다.

촉매 등의 특정 분자에 마이크로파를 통해 직접 에너지를 전달해 화학반응을 일으키는 것이 ‘마이크로파 제조기술’이다. 물질 전체에 열을 전달하던 기존 방법에 비해 에너지 소비량을 약 3분의 1로, 제조 설비의 부지 면적을 약 5분의 1로 줄일 수 있다고 한다. 지금까지 실현이 어려웠던 고품질의 나노 재료도 제조할 수 있다. 또한 실현 불가능했던 합금까지도 만들 수 있게 되어 ‘현대의 연금술’로 주목을 받고 있다.

이점이 많은 마이크로파 제조기술이지만 오랫동안 ‘실험실 레벨’에 멈춰있었다. 그러나 그 상황은 크게 바뀌게 되면서 생산 능력의 규모 확대가 진행, 연간 1,000t 규모의 공장이 가동을 시작하기에 이르렀다. 2020년대에는 연간 생산량이 수만t을 넘는 대형 제조설비가 가동될 전망이다.

그런 마이크로파 제조기술의 공업화로 앞서가는 곳이 벤처기업인 마이크로파 화학(오사카 시)이다. 이용하는 원재료에 따라 마이크로파의 주파수 및 온도 등을 바꾸는 ‘레시피’ 뿐만 아니라, 마이크로파에 적합한 매체, 제조 장치 및 그 관리 시스템 등을 일괄로 설계∙개발함으로써 규모 확대를 가능케 했다. 오사카대학 대학원 공학 연구과 특임조교수로 당사 이사직 CSO인 쓰카하라(塚原) 씨의 연구 성과를 기반으로 하고 있다.

--은(Ag)나노 와이어 양산 예정 --
마이크로파 화학의 창업은 2007년경. “100년이상 크게 변화가 없었던 화학 산업의 제조 프로세스에 변혁을 가져온다”를 슬로건으로 시장에 뛰어들었다. 그러나 마이크로파 제조기술은 화학제조의 업계에서는 실적이 저조한 ‘신참’이었기 때문에 당사의 사업은 저공비행을 지속해야만 했다. 전환기는 2014년 봄. 양산을 위한 파일럿 라인을 갖춘 자사공장을 건설함으로써 실적이 쌓여 대형 기업과의 협업이 단숨에 이뤄지기 시작했다.

구체적으로는 이 자사공장에서 2014년 봄부터 신문용 잉크 등의 원료인 ‘지방산 에스테르’를 생산하여 동양잉크용으로 출하를 개시. 그 후 같은 해 8월에는 독일의 대형 화성품 업체인 BASF사와 수지의 원료인 폴리머의 공동개발 계약을 체결했다.

전자 재료에서는 2015년에 쇼와덴코(昭和電工)와 공동으로 터치 패널로 사용되는 투명전도성 패턴용 은나노 와이어 잉크의 양산기술을 개발했다. 마이크로파 화학이 은나노  와이어를 제조하면 그것을 쇼와덴코가 잉크로 만든다. 2018년에는 은나노 와이어의 양산공장을 설립할 예정이다.

-- 저항이 작아 소형 디스플레이에 적합 --
-- 균일한 수십 nm의 금속 입자를 제조 --
-- 섞이지 않는 금속으로 합금을 제작 --
-- PdRu 합금으로 저렴한 촉매 --

■ ‘분무(Mist)’를 사용하여 비(非)진공으로 파워 디바이스 및 금속 박막을 실현

반도체 디바이스의 결정(結晶) 성장 및 금속 박막의 형성은 진공상태가 전제가 되어야 한다---. 그런 상식을 깨는 제조법 ‘미스트 CVD법’으로 산화물 반도체의 제조 및 금속 박막의 형성에 힘을 쏟고 있는 곳이 교토대학 발(發) 벤처기업인 FLOSFIA(본사 교토)이다. 진공 프로세스가 필요한 반도체의 박막을 형성하는 ‘MOCVD법’이나 금속 박막을 형성하는 ‘스패터법’과는 분명하게 구분된다.

미스트 CVD법에서는 원료에 들어간 용액을 초음파 진동을 통해 ‘분무 상태’로 기판에 분사하여 기판상에 박막을 형성시킨다. 이 때 대기압 상태로 막(膜)이 형성되기 때문에 진공으로 할 필요가 없다. 진공상태로 만드는 장비가 필요 없으므로 제조 장치와 비용을 절감할 수 있다. 프로세스 온도 또한 기존의 방법보다 낮다. 지금까지 만들기 어려웠던 금속 산화물이나 금속 박막의 형성이 어려웠던 재료의 표면 및 미세한 요철 구조에 대해서도 도금이 가능하다는 특징이 있다.

FROSFIA의 ‘미스트 CVD법’은 교토대학 대학원 공학연구과 광∙전자이공학 교육연구센터 교수인 후지타(藤田) 씨 팀의 그룹 성과가 기반이 되고 있다. 후지타 씨 그룹은 2005년경에 태양전지용 투명전극에 이용하는 산화아연(ZnO)을 형성하기 위한 미스트 CVD법의 연구에 본격적으로 나서기 시작했다. 그 이래 미스트CVD법을 이용한 다양한 연구를 시도해 왔다.  

이런 연구의 일련의 성과를 사업화하기 위해 교토대학의 교원 및 연구원, 학생 등이 2011년에 FLOSFIA의 전신인 ‘ROCA(로카)’를 설립했다. 당시에 미스트 CVD법으로 만드는 폐수 처리용 여과막 사업을 하고 있었던 것이 회사명의 유래가 되었다.

-- 산화 갈륨 파워 디바이스를 실현 --
-- 수 미크로미터(㎛)의 미세구조에 도금 --

 -- 끝 --