다이아몬드 트랜지스터

전력전자 내부자

애리조나 주립대학교와 Northrop Grumman의 연구원들은 다이아몬드로 전력 트랜지스터를 만드는 새로운 프로젝트를 진행하고 있습니다. 그 결과 전력망 변전소의 크기를 크게 줄이고 잠재적으로 휴대폰 기지국 비용을 낮추는 효율성을 얻을 수 있습니다.

전력 트랜지스터는 전통적으로 실리콘으로 만들어졌습니다. 그러나 Northrop Grumman Mission Systems와 협력하는 ASU Advanced Materials 팀은 다이아몬드가 현재 재료보다 8~10배 더 효율적으로 열을 발산하기 때문에 다이아몬드를 연구하고 있습니다. 이는 다이아몬드의 잠재력을 최대한 활용하면 전력 트랜지스터의 크기를 90%까지 줄일 수 있음을 의미합니다.

또한 다이아몬드는 항복 전계가 높아서 파손되기 전에 대부분의 다른 재료에 비해 많은 양의 전압을 처리할 수 있습니다. 높은 항복 필드는 대량의 전력을 처리하는 애플리케이션에 이상적이며, 이로 인해 이러한 새로운 트랜지스터가 재생 가능 에너지로의 전환과 운송 부문의 전기화를 진전시키는 데 필수적일 수 있습니다.

실리콘은 오랫동안 반도체 장치의 표준 소재였습니다. 전력 트랜지스터는 전력의 흐름을 조절하며 전통적으로 실리콘으로 만들어졌지만, 보다 발전된 최신 트랜지스터는 탄화규소나 질화갈륨과 같은 재료로 만들어졌습니다.

애리조나 주립대학교 Ira A. Fulton 공과대학의 전기 공학 교수인 Trevor Thornton은 다이아몬드와 질화붕소라는 두 가지 새로운 트랜지스터 재료의 사용을 연구하는 팀을 이끌고 있습니다.

연구진은 트랜지스터 본체에 다이아몬드를 선택한 반면, 트랜지스터의 전기 접점에 질화붕소를 사용하는 방법을 연구하고 있습니다. 다이아몬드와 마찬가지로 질화붕소도 높은 파괴 전계와 높은 열전도율을 가지고 있습니다.

연구팀은 다이아몬드와 질화붕소가 트랜지스터 재료로 어떻게 작용하는지에 대한 지식을 결합해 두 재료로 만든 트랜지스터를 만들 수 있을 것으로 기대하고 있다. 팀의 희망은 재료가 서로를 보완하고 개별적으로 사용하는 것보다 함께 사용하면 훨씬 더 잘 작동하는 것입니다.

이 연구는 통신 기술에 특히 유용할 응용 프로그램을 가지고 있습니다. 예를 들어, 많은 위성은 태양 에너지로 작동하는데, 이를 위해서는 전기를 위성이 사용할 수 있는 형태로 바꾸는 트랜지스터가 필요합니다.

손튼은 “우주에 변전소를 발사할 수는 없다”고 말했다. "따라서 위성의 크기와 무게에 대한 개선은 큰 영향을 미칩니다."

트랜지스터가 개선할 수 있는 다른 통신 기술은 우리 집에 좀 더 가깝습니다. 바로 휴대폰 기지국입니다. 트랜지스터는 휴대폰이 사용하는 무선 주파수를 생성하는 데 필요한 적절한 형태로 전력을 변환합니다.

Thornton은 휴대폰 타워를 설계하고 운영할 때 직면하는 가장 큰 과제 중 하나는 냉각을 유지하는 것이라고 말했습니다. 특히 Phoenix와 같은 더운 환경에서는 더욱 그렇습니다.

구형 휴대폰 타워의 전력 트랜지스터는 일반적으로 실리콘으로 만들어지는 반면 최신 5G 시스템의 전력 트랜지스터는 질화갈륨을 사용합니다. 개선된 열 방출 덕분에 Thornton 팀은 다이아몬드와 질화붕소로 만든 트랜지스터가 셀 타워에 필요한 냉각 전력을 크게 줄일 것으로 기대합니다. 이렇게 하면 셀 타워의 과열을 훨씬 쉽게 방지할 수 있습니다.

Northrop Grumman Mission Systems의 프로젝트는 통신 기술에 초점을 맞추고 있지만 다이아몬드와 질화붕소로 만든 트랜지스터는 전기 시스템과 전력망의 전력 변환에도 적용됩니다. 이러한 보다 효율적인 재료는 전력망 변전소의 크기 요구 사항을 줄일 수 있습니다. 변전소는 일반적으로 건물 크기만큼의 토지를 차지합니다. "우리는 그것들을 더 작고 더 효율적으로 만들고 싶습니다"라고 Thornton은 말했습니다.

ASU 물리학과 교수인 Robert Nemanich는 ULTRA 에너지 프론티어 연구 센터(ULTRA Energy Frontier Research Center)라는 전력 전자 연구를 수행하는 그룹을 이끌고 있습니다. 그는 또한 Thornton 팀의 연구에 사용될 인공 다이아몬드 재료 재배 실험실을 이끌고 있습니다. Nemanich는 "우리는 지난 10년 동안 전자 장치용 다이아몬드를 재배해 왔습니다."라고 말했습니다. "저희 다이아몬드 증착 연구실은 전자재료 및 소자 개발에 있어 독보적인 역량을 갖추고 있다고 믿습니다."