저항 최소화로 전력 변환 효율 높이는 산화 갈륨 반도체 소재
에너지의 한 형태인 전기는 열 손실 등의 문제로 효율적이지 않다.
전력 시스템 내부의 컨버터 및 전자 스위치는 전기 에너지를 하나의 형식에서 다른 형식(AC-DC 또는 DC-AC)으로 변환하고 제어한다. 이러한 에너지 손실은 매우 커서 재생 가능한 에너지 원에서 발생하는 것보다 매년 더 많은 전력이 손실된다.
더 효율적인 전력 변환기를 만들고 전력 손실을 최소화 할 수 있다면 어떨까.
유타(Utah) 대학 전기 및 컴퓨터공학과 부교수 마크 스카풀러(Mike Scarpulla)와 유타대, 워싱턴 주립대 동료 연구자들은 고압 전원 시스템에서 사용할 수 있는 산화 갈륨으로 알려진 반도체 재료의 기본 특성을 연구하고 있다.
연구팀은 이를 위해 공군 과학연구소(the Air Force Office of Scientific Research)로부터 188만 달러의 교부금을 받았다. 이는 자동차에서부터 항공기 및 선박에 이르기까지 고전압 전력 시스템 연구에 사용될 수 있다.
이 연구는 감시 드론의 비행 시간 확장과 속도 제고 등 성능을 개선, 태양력으로 작동하거나 전기 자동차, 버스 및 기차의 성능과 범위를 향상시키는 모든 전기 동력 이동 수단의 개발 속도를 높일 수 있다.
스카풀러는 “우리는 거대 전류를 처리 할 수 있는 몇 가지 장치에 대해 이야기하고 있다. 더 높은 전압에서 작동하도록 노력하고 있다”고 말했다.
반도체는 전기 회로에서 전류를 전도하는 물질이다. 실리콘은 컴퓨터 프로세서에서 가장 많이 사용되는 반도체이다. 엔지니어들은 갈륨 산화물이 과도한 열이나 연소를 유발하지 않으면서 특정 전기장에서 고전압으로 작업 할 수 있기 때문에 보다 우수한 반도체로 판명 될 것이라고 믿는다.
모든 물질은 ‘임계붕괴장(critical breakdown field)’라고 불리는 특정 전기장에서 분해되며, 이 임계 영역은 질화 갈륨 및 탄화 규소와 같은 다른 반도체에 비해 산화 갈륨이 훨씬 더 높을 것으로 예상된다.
연구팀은 “이 중요한 영역을 강화하면 주어진 전압을 유지하기 위해 ‘얇은’ 물질을 사용할 수 있게 된다. 소재가 얇을수록 저항이 낮아지고 결과적으로 전력이 손실이 줄어든다”고 설명했다.
또 다른 이점은 산화 갈륨이 다량으로 성장할 수 있는 결정질 물질이라는 것이다.
연구진은 “이 프로젝트에서 최고의 소재 품질을 얻는 방법과 병목 현상이 무엇인지에 대한 근본적인 연구를 함으로써 이 새로운 재료의 진정한 잠재력을 발견하게 될 것”고 말했다.
참고 : University of Utah
에너지, 전기, 환경 에디터.
