TANAKA의 도전

에너지 혁신에 공헌하는 귀금속 재료

(2010년 봄)

귀금속을 시작한지 125년의 긴 역사를 자랑하는 TANAKA 귀금속공업. 당사는 귀금속 재료를 제공함과 동시에 그 응용 기술을 개발함으로써 첨단공업 제품의 진화에 공헌해홨다. 그런 당사가 지금 주력하고 있는 분야가 환경, 에너지 사업이다. 지금 본 사업의 4대 주축의 하나인 「신 에너지」 분야에 있어서 주된 귀금속 재료의 역할과 그것에 관련된 당사의 최신 노력에 대해서 당사 이사 기술개발 부문장인 다나카 히데마사와 기술 개발에 관련된 사원에게 들었다.

좌담회 풍경

좌담회 풍경

다나카 히데마사 TANAKA 귀금속공업 이사 기술개발부문장

다나카 히데마사
TANAKA 귀금속공업
이사 기술개발부문장

TANAKA 귀금속 그룹과 환경・에너지 사업

―「신 에너지」와 귀금속의 관계는.

다나카

「신 에너지」는 「환경배려 재료의 개발」「자원 순환」「환경 정화」와 어깨를 겨누는 TANAKA 귀금속그룹이 추진하는 환경, 에너지 사업에 있어서의 중점 과제의 하나입니다(그림1). 귀금속 재료의 응용 분야의 개척에도 힘쓰고 있는 TANAKA 귀금속그룹은 이미 일렉트로닉스 분야에서 다수의 실적을 쌓고 있습니다. 신 에너지는 이것에 잇는 신규 분야로써 기술 개발이나 시장 개척을 적극적으로 추진하고 있습니다.
신 에너지 분야에는 귀금속 재료가 도움이 되는 기술이 다수 있습니다. 예를 들면, 에너지를 만들어내는 창(創) 에너지 영역에서는 연료전지나 태양전지가 주목을 받고 있지만, 어느 것도 귀금속 재료가 중요한 역할을 담당하고 있습니다. 창(創)와 축(蓄) 에너지의 양 영역에서 필요한 수소 생성 기술에 있어서도 귀금속 재료는 핵심 테크놀러지의 하나입니다. 또한, 지금 사회 전체에 관심이 높아지고 있는 에너지 절약 영역에서도 다양한 곳에서 귀금속 재료가 도움이 되고 있습니다.

그림1. TANAKA 귀금속그룹의 환경・에너지 사업의 4가지 주축

그림1. TANAKA 귀금속그룹의 환경・에너지 사업의 4가지 주축

연료전지용 촉매의 시장 점유율은 60%

―신 에너지 분야에 있어서의 귀금속 재료의 역할을 구체적으로 가르쳐 주십시오.

오구라

우선 창(創) 에너지 분야에서 널리 주목을 모으고 있는 연료전지와 태양전지에 대해서 이야기합시다.
연료전지는 전기화학 반응을 이용해서 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 기술로 종래의 발전 방식에 비해 높은 발전효율을 얻을 수 있는 것이 특징입니다. 게다가 발전 프로세스에서 배출하는 물질이 환경에 부하를 주지 않습니다. 연료전지에서는 수소와 산소의 반응을 이용하고 있습니다. 이 프로세스에서 생성되는 것은 물입니다.
연료전지에는 몇가지 종류가 있지만, 귀금속 재료가 사용되는 것은 고체 고분자형(PEFC)이나 다이렉트 메탄올형(DMFC), 인산형(PAFC)입니다. 귀금속 재료는 이들 연료전지에 있어서 수소와 산소를 반응시키기 위한 전극 촉매로써 사용되고 있습니다. 구체적으로는 직경 30nm 정도의 카본 입자(단체)에 직경 2nm~4nm의 Pt(백금), PtCo(백금 코발트) 또는 PtRu(백금 루테늄)의 입자가 결합한 재료입니다(그림2).
TANAKA 귀금속그룹은 1985년부터 전극 촉매의 개발에 착수하고 있으며, 이것이 신 에너지 분야에 진출하는 계기가 되었습니다. 현재는 고체 고분자형, 다이렉트 메탄올형 연료전지용을 중심으로 사업을 전개하고 있으며, 이 시장에서는 60% 이상의 점유율을 획득하고 있습니다. 또한, 연료전지의 고성능화, 저비용화, 내구성 향상에 공헌할 수 있는 촉매 개발에 노력하고 있습니다.

오구라 후미아키 TANAKA 귀금속공업 기술 개발 부문 FC 촉매개발부
부부장

오구라 후미아키
TANAKA 귀금속공업
기술 개발 부문
FC 촉매개발부
부부장

그림2. 고체 고분자 연료전지용 촉매

그림2. 고체 고분자 연료전지용 촉매

태양전지 패널의 경량화에 공헌

―또 하나의 태양전지에 대해서는.

에노모토

태양전지에도 몇가지 종류가 있지만, 각 종류의 태양전지에 귀금속 재료가 활약하고 있습니다. 예를 들면, 이미 널리 보급되어 있는 Si(실리콘) 결정형이나 박막 Si형에서는 배선재에 Ag(은) 페이스트가 사용되고 있습니다. 태양전지 셀의 뒷면에 마련된 반사막도 Ag입니다. 이 외에도 Si를 사용하지 않는 화합물계 태양전지에서도 배선재나 반사막에 Ag가 사용되고 있습니다.
다양한 태양전지 가운데에서 특히 귀금속 재료가 중요한 역할을 맡고 있는 것이 색소 증감형입니다. 색소에 빛이 닿으면 전자 에너지 준위가 올라가 TiO2(티타니아) 전극에 흘러들어가는 것을 이용한 태양전지로 Si를 사용한 태양전지보다도 저비용으로 제품화할 수 있다는 가능성이 있습니다. 그리고, 여러 색조를 가진 색소를 조합함으로써 컬러풀한 태양전지를 실현할 수 있는 것으로부터 폭넓은 분야에서 색소 증감형의 실용화가 기대되고 있습니다. 현재, 이 태양전지용의 다양한 색소 재료의 개발이 진행되고 있지만, 모두 귀금속 재료인 Ru(루테늄)이 사용되고 있습니다.
TANAKA 귀금속그룹에서는 2009년부터 색소 증감형 태양전지용의 색소 개발에 착수했습니다. 저희들은 Pt족의 하나인 Ru을 안정되게 공급할 수 있는 얼마 안되는 기업중의 하나입니다. 게다가, 색소의 원료가 되는 유기재료와 금속을 융합시킨 기술에 대해서는 많은 노하우를 담고 있습니다. 이런 강점을 살린 뛰어난 재료를 제공할 수 있다고 확신하고 있습니다. 당면의 목표는 약 10%로 높은 변환효율을 갖춘 색소 증감형 태양전지를 실용화할 수 있는 재료를 개발하는 것입니다. 색소 증감형 태양전지의 시장은 2012년에는 개설될 것이라 일컬어지고 있습니다. 그에 맞추어 기술을 확립할 방침입니다.

에노모토 타카오 TANAKA 귀금속공업 기술개발부 화합물 개발 그룹
부부장

에노모토 타카오
TANAKA 귀금속공업
기술개발부
화합물 개발 그룹
부부장

연료전지차 보급의 열쇠를 잡고 있는 기술

―수소생성 기술에 있어서 귀금속의 역할에 대해서 가르쳐 주십시오.

시마

시마 쿠니히로 TANAKA 귀금속공업 기술 개발 부문 기술개발부 신제품 개발그룹 프로젝트 리더 상석기술원

시마 쿠니히로
TANAKA 귀금속공업
기술 개발 부문
기술개발부
신제품 개발그룹
프로젝트 리더 상석기술원

그림3. 수소 투과막용 Pd 소재

그림3. 수소 투과막용 Pd 소재

수소는 환경에 부담이 적은 클린한 에너지로써 지금 주목을 모으고 있습니다. 예를 들면 연료전지차의 연료도 수소입니다. 그 외에도 수소를 이용한 엔진 개발이 진척되고 있습니다.
수소 에너지를 이용하기 위해서는 수소를 효율좋게 생성하는 시스템을 개발하는 것이 불가결합니다. 수소를 생성하기 위한 재료의 하나가 물입니다. 물을 전기분해하면 수소를 얻을 수 있습니다. 실은, 물의 전기분해에 사용하는 전극의 주된 재료가 Pt나 Ir(이리듐) 등의 귀금속입니다. 도시가스를 개질해서 수소를 생성하는 시스템이 실용화되어 있지만, 이것에 사용되는 개질기에도 Ru계의 촉매가 사용되고 있습니다.
또 하나, 수소를 생성하는 기술로써 응용 전개가 기대되는 것이 Pd(팔라듐)을 사용한 수소 투과막입니다. Pd 박막은 수소만을 투과하는 성질을 가지고 있습니다. 이것을 이용하면 수소를 포함한 가스로부터 지극히 높은 순도의 수소를 추출할 수가 있는 것입니다. 이미 실용화되어 있는 기술로 실제로 반도체 제조에 사용하는 프로세스 가스의 초고순도 정제 등에 사용되고 있습니다(그림3).
수소 에너지의 이용 촉진을 도모함에 있어서 이 기술의 주목할 만한 점은 구조를 심플하게 할 수 있으므로 장치의 소형화를 도모할 수 있다는 것입니다. 예를 들면, 현재 연료전지차에 사용하는 수소를 제조하는 시스템에서는 천연가스나 메탄올 등을 개질한 후에 불필요한 성분을 흡착제로 제거하는 PSA법이 사용되고 있습니다. 이것을 Pd막을 사용해서 정제하는 방식으로 바꾸면 장치 용적은 3분의 1로 됩니다. 또한, 개질 프로세스의 온도를 700℃~800℃에서 500℃~550℃로 내릴 수가 있습니다. 그것도 효율을 30%에서 70%까지 끌어올릴 수가 있는 것입니다.
이 기술을 사용해서 소비자용으로 수소를 제공하는 장치를 실용화하려면 수소 투과막을 사용한 시스템의 처리능력을 더욱 높일 필요가 있습니다. 그를 위해서는 10μm 정도로 지극히 얇으며, 게다가 결함이 없는 팔라듐 박막을 제조하는 기술을 확립하지 않으면 안됩니다. 얇게 할 수록 수소의 투과량을 늘릴 수 있기 때문입니다. TANAKA 귀금속그룹에서는 이미 두께 5μm의 Pd 박막을 제조할 수 있는 기술을 실현하고 있으며, 이 기술을 토대로 양산용의 수소 투과막의 개발을 추진하고 있습니다. 일본에서 2015년부터 수소연료 스테이션을 실용화하는 계획이 추진되고 있습니다. 이것에 맞추는 것이 당면의 목표입니다.

제조 공정에서 귀금속이 활약

―「에너지 절약」에 대해서는.

하라

하라 노리아키 TANAKA 귀금속 판매 마케팅부 부부장

하라 노리아키
TANAKA 귀금속 판매
마케팅부
부부장

그림4. 사파이어 단결정 육성에 사용하는 Ir의 도가니

그림4. 사파이어 단결정 육성에 사용하는 Ir의 도가니

에너지 절약을 목적으로 한 귀금속 재료의 애플리케이션 가운데에 앞으로의 시장 확대가 기대되는 것이 LED입니다. 밝기를 유지하면서 종래의 백열등보다도 소비전력을 삭감할 수 있는 것이 에너지 절약에 도움이 되는 조명용 광원으로써 최근 돌연 고휘도의 백색 LED가 각광을 받고 있습니다. 앞으로 공장, 오피스나 가정 등 곳곳에 보급될 것입니다. 에너지 절약에 관련된 LED 애플리케이션으로써 하나 더 놓칠 수 없는 것이 대화면 액정 TV의 백라이트입니다. 종래에는 냉음극관이 사용되고 있었지만, 이것을 LED로 교체하려는 움직임이 급속하게 추진되고 있습니다. 소비전력의 삭감에 도움이 되기 때문입니다.
실은 백색 LED를 구성하는 재료에 다양한 귀금속 재료가 포함되어 있습니다. 예를 들면 Au(금), Pt 외에 다양한 귀금속 재료가 전극 배리어메탈, 그 외 적층 금속 박막으로써 이용되고 있습니다. 고휘도 LED에서는 빛의 이용 효율을 높이기 위해서 마련하는 반사막을 발광층의 하부에 마련합니다만, 이 재료는 Ag 합금입니다. 이 외에 패키지의 밀봉재에는 Ag와 Sn(주석) 합금이 사용되고 있습니다.
LED의 구성 재료의 제조 공정에서도 귀금속 재료가 활약하고 있습니다. 예를 들면 LED 소자의 기판에는 사파이어 단결정을 사용하지만, 이 사파이어 결정을 육성시키는 공정의 하나인 도가니에 고융점의 Ir을 사용할 필요가 있습니다. 이 Ir을 사용한 도가니는 TANAKA 귀금속공업의 중요 제품의 하나입니다(그림4).

―신 에너지 분야에 있어서의 귀금속 재료의 역할은 다방면에 걸쳐 확대되고 있지요.

다나카

그렇습니다. 게다가 그 가운데에는 대체 재료가 존재하지 않는 용도가 적지 않습니다. 즉, 중요한 역할을 지고 있다고 할 수 있겠죠. TANAKA 귀금속그룹은 신 에너지 영역에 있어서 귀금속 재료의 가능성을 넓히기 위한 기초 기술의 개발을 추진함과 동시에 디바이스 메이커나 기기 메이커 등 응용제품의 메이커 여러분과 연계를 도모하고, 그들 기술의 실용화에 힘쓰고 있습니다. 실용화의 단계에서는 재료의 공급 등 다양한 형태로 응용제품 메이커나 그 유저 여러분을 지원할 생각입니다. 귀중한 자원을 유효하게 활용하기 위해서 귀금속 재료의 리사이클에도 힘쓰고 있습니다. 현재 개발중인 다양한 기술이 실용화 단계를 맞이함에 따라 신 에너지 분야에 있어서의 TANAKA 귀금속그룹의 존재감은 한층 더 높아질 것입니다. 앞으로 저희들의 노력에 부디 주목해 주시기 바랍니다.

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