JST는 업무를 달성하기위한 기본 연구의 일환으로, 국립 선진 산업 과학 기술 연구소의 Takeuchi Daisuke와 국립 재료 재료 연구소의 Koizumi Satoshi와 같은 주요 연구원 그룹입니다바카라 사이트 쿠폰아몬드 반도체참고 1)의 특징을 사용하여 진공을 사용한 고압 저항전원 스위치참고 2)| 세계 최초의 운영을 성공적으로 시연했습니다
전기 시스템에 재생 가능한 에너지 소개스마트 그리드참고 3)개념을 실현하려면 전압, 전류 및 주파수를 변환하고 제어하려면 소형 고출력 컨버터 (여러 전원 스위치를 결합한 장치)가 필요합니다 그러나 실리콘 및 기타 재료를 사용하는 전원 스위치가 지금까지 개발 된 경우 고전압을 견딜 수있게하려고 할 때 전력 변환기가 크게 생겨 실제적으로 사용되는 문제가 발생했습니다 따라서 고체 반도체보다 더 나은 절연 전압을 갖는 진공을 사용하는 혁신적인 초고 전압 및 고효율 소형 전력 스위치를 개발할 것으로 기대가 높습니다
진공을 스위칭 요소로 사용하려면 스위치가 켜져있을 때 전류가 진공을 통해 흐르는 전자 방출 원이 필요합니다 이 연구 그룹은 바카라 사이트 쿠폰아몬드의 표면이 수소 원자로 덮여있을 때 전자가 진공 상태로 자유롭게 튀어 나옵니다 따라서, 바카라 사이트 쿠폰아몬드 반도체는 전자 방출원의 재료로 사용되었다진공 파워 스위치참고 4)를 개발 한 후 작동을 확인하면서 10kV 전압에서 전원 스위치 역할을하는 것으로 확인되었습니다 이 실험의 결과를 바탕으로 약 100kV의 고전압을 견딜 수있는 진공 파워 스위치를 만들 수 있다면 이론적으로 기존 전력 크기의 10 분의 1 인 고전력 변환기가 가능합니다
이 기술은 일본 근처의 해역에서 해상 풍력 에너지를 도입하고 일본 군도 사이의 효율적인 전력 전파를 도입 할 때 미래의 새로운 에너지 전략에 기여할 것으로 예상됩니다
이 연구 결과는 2012 년국제 전기 장치 회의(IEDM2012) 2012 년 12 월 10 일 (Eastern Time) 회의에서 발표 될 예정입니다
이러한 결과는 다음과 같은 비즈니스 및 개발 문제를 통해 얻었습니다
전략적 크리에이티브 리서치 프로모션 프로젝트 고급 저탄소 기술 개발 (ALCA)
개발 문제 이름 : "초고 전압 및 고효율 소형 진공 파워 스위치"
연구 및 개발 담당자 : Takeuchi Daisuke (독립 행정 기관, 국립 선진 산업 과학 기술 연구소
에너지 기술 연구 부서최고 연구원)
연구 및 개발 기간 : 2012 년 10 월 ~ 2018 년 3 월 (계획)
이 프로젝트에서 JST는 새로운 과학적 및 기술 지식을 기반으로 온실 가스 감소의 잠재력을 가진 기술을 만들기 위해 연구 및 개발을 수행하고 있으며, 획기적인 획기적인 실현을 실현하고 기존 개념을 극적으로 변화시킬 "게임 변화 기술"을 만들기 위해 중간 기간 동안 온실 가스 배출량을 꾸준히 줄이려고합니다
에너지를 절약하여 이산화탄소 배출량을 줄이려면 전력 시스템을 스마트 그리드로 변환하여 많은 양의 재생 에너지 및 제어 전력을 도입해야합니다 예를 들어, 일본 근처의 해수의 해상 풍력 에너지는 엄청나지 만,이를 사용하려면 해상에서 100kV 이상의 고전압 전력을 안전하고 안정적으로 제어 할 수있는 초 높아진 전압 및 고효율 소형 전력 스위치를 개발하는 것이 필수적입니다 또한, 일본 군도 사이의 재생 에너지의 효율적인 전송을위한 스마트 그리드 개념은 매우 높은 전압입니다DC 전력 전송참고 5)| 매우 높은 전압 전원 스위치를 만드는 것은 중요한 과제입니다
실리콘 및 기타 재료로 만든 반도체 장치는 기존의 전원 스위치로 개발되었지만 고전압을 견딜 수 있으려면 많은 요소가 직렬로 연결되어 있어야하므로 거대한 전력 변환기가 발생하여 실제 사용에 문제가 발생합니다
따라서, 고체 반도체보다 더 나은 절연체가 필요했다 진공 청소기는 회로 차단기 및 변전소의 X- 선 발생기에 사용되는 탁월한 절연체입니다 또한, 전자의 움직임을 방해하지 않기 때문에, 충분한 전자 방출이 전자 공급원으로부터 자유롭게 얻어지면, 전류는 작은 전압으로도 잘 흐릅니다 따라서, 전자 방출이 방출되지 않는 "OFF"상태를 사용하여 스위치를 구성 할 수 있고 전자 방출을 갖는 "ON"상태 (도 1), 더욱이 전자는 고체 상태보다 진공 상태에서 더 빠르게 이동하여 고속 켜기를 허용 할 수있다
진공을 전원 스위치로 사용하려면 고효율 및 저전압이있는 진공 상태에서 큰 전류를 사용해야합니다이상적인 전자 배출원참고 6)를 달성하려면 재료가 필요합니다 전통적인 진공 튜브의 전자 방출 공급원 인 필라멘트는 큰 전류가 빠르게 켜지고 꺼져 있으면 꺼지고 신뢰성, 효율 및 응답 성으로 인해 진공 전원 스위치에 사용할 수 없습니다 이 문제를 해결하기 위해 연구 그룹은 바카라 사이트 쿠폰아몬드 반도체를 진공에 전자 방출원의 재료로 채택했습니다
첫째, 바카라 사이트 쿠폰아몬드의 표면이 수소 원자로 덮여있을 때, 바카라 사이트 쿠폰아몬드의 유리 전자의 에너지 위치는 외부 진공보다 높을 것이며, "음성전자 친화력참고 7)" 수소로 덮인 바카라 사이트 쿠폰아몬드는 수소 원자와 탄소 원자 사이의 강한 공유 결합에 의해 안정화되며 대기 중에도 안정적이며,이 연구에서는 고온으로 진공 상태에서 안정적인 것으로 나타났습니다PN JunctionNote 8)나는 바카라 사이트 쿠폰오드를 제조하고 바카라 사이트 쿠폰오드가 켜질 때 전자 방출이 발생한다는 것을 발견했습니다 그러나, 바카라 사이트 쿠폰아몬드의 유전 상수는 다른 반도체 재료의 유전 상수보다 작기 때문에 이동할 수있는 전자의 양은 작고 실온에서의 흐름은 작기 때문에이 단계에서 고전압 진공 스위치의 작동을 확인하기가 어렵습니다
따라서 붕소에 대한 p- 레이어와 인은 고농도로 추가되었습니다+층과 혼합 된 불순물이 층 사이에 배치되는 고유 형태 (I-Layer)의 층핀 접합 유형Note 9)의 바카라 사이트 쿠폰아몬드 바카라 사이트 쿠폰오드를 개발했습니다 전자 방출원을 생성했습니다 (그림 2) 그런 다음 양극을이 바카라 사이트 쿠폰오드의 상단에서 약 100 마이크로 미터 떨어진 곳에 배치하여 진공 파워 스위치로 테스트했습니다 (그림 3) 바카라 사이트 쿠폰오드가 꺼져 있으면 진공은 절연체 역할을하므로 진공 전원 스위치가 꺼지고 양극 전압이 최대 10 kV에 적용되는 경우에도 전류 흐름이 없습니다 한편, 전압이 바카라 사이트 쿠폰오드에 가해 졌을 때 전자 방출 전류가 약 0V에서 상승하여 진공 전력 스위치가 켜져 있음을 확인했습니다
작업을보다 상세하게 확인하기 위해, 바카라 사이트 쿠폰오드 입력이 온/오프되었고, 출력이 된 고전압 회로의 전류가 부하에 적용된 전압의 변화를 측정 하였다 (도 4) 바카라 사이트 쿠폰오드가 켜지면 전류가 10kV 고전압 회로를 통해 흐르고, 약 10kV의 전압이 하중에 적용되는 것으로 관찰되었습니다 바카라 사이트 쿠폰오드에 대한 입력 전력은 826MW이며, 바카라 사이트 쿠폰오드 전압은 236V, 전류는 7mA 및 구동 시간은 05 초이며 부하에 대한 출력 전력은로드 전압Note 10)964 kV, 현재 48 μA, 운전 시간 05 초, 231 MW, 231/(826+231) = 737%전력 전송 효율참고 11)확인되었습니다 이는 세계 최초의 세계에서 고체 장치와 유사한 전력 스위칭이 진공관으로 달성 될 수 있음을 보여 주었다 이론적으로, 전력 전송 효율이 999% 이상인 설계는 100kV 이상 가능할 것으로 예상된다 진공을 사용하여 100kV 이상의 전압 설계가 충분하다는 사실은 솔리드 스테이트 장치의 기존 전력 스위치에 비해 주요 이점입니다
또한,이 연구를 위해 핀 접합 바카라 사이트 쿠폰오드를 제조 할 때, 우리는 JST 전략적 크리에이티브 리서치 프로모션 프로젝트 팀 유형 연구 프로모션 프로젝트에서 "초대형 전력 장치 실현을위한 기초 구축"(주요 연구원 : Yamazaki Satoshi, 고급 산업 과학 및 기술 연구소)로부터 협력을 받았습니다
바카라 사이트 쿠폰아몬드 반도체의 우수한 물리적 특성을 활용하여 실온에서 작동하는 진공 파워 스위치의 작동을 입증 할 수 있다는 사실은 재생 가능 에너지와 스마트 그리드 기술을 완전히 활용할 수있는 전력 시스템을 실현하는 첫 단계입니다 앞으로, 우리는 진공 전원 스위치의 특성을 더욱 개선하여 절연 전압 저항 및 전력 전환 전위에서 장점을 확인하여 이전 모델의 1/10 미만의 크기를 가진 초고 전압 고효율 소형 전원 스위치를 구체적으로 사용하게됩니다