슈프림 반도체: 산업용 다이아몬드

Sep 12, 2023

산업용 다이아몬드는 장거리 전력 전송 중 손실을 줄이는 최고의 반도체로 간주됩니다. 오늘날 실리콘은 반도체의 핵심이지만, 향후 수십 년 안에 다이아몬드가 이를 대체할 수 있습니다. 뛰어난 전자 및 열 용량을 갖춘 이 대체품은 비용이 떨어지면 동력 전달, 생체 공학 또는 항공학에서 많은 가능성을 제공합니다.

에너지 전환 기술의 가장 큰 어려움 중 하나는 특히 희귀 물질과 금속의 사용으로 인해 높은 비용이 든다는 것입니다. 이런 맥락에서 지나치게 비싼 소재인 다이아몬드를 사용하는 것은 금지된 것으로 간주될 수 있습니다. 그러나 이는 유럽 프로젝트 GreenDiamond의 코디네이터인 Étienne Gheeraert의 의견입니다.

프로젝트 목적: 해상 풍력 발전 단지의 전력 전송 시 에너지 손실을 줄이기 위해 컨버터의 실리콘 기반 반도체를 다이아몬드로 교체합니다.

"유럽 프로젝트 GreenDiamond의 아이디어는 에너지 손실을 최대한 줄이는 것입니다."라고 Étienne Gheeraert는 말합니다. 전력 전자 응용 분야의 경우 가장 중요한 요소 중 하나는 재료의 항복 장입니다. 실리콘의 경우 300,000V/cm에 해당하는데 이는 상당히 낮은 수준이다. 그러나 다이아몬드의 경우 항복 자기장은 10MV/cm입니다.

1,000V의 전압을 견디기 위해 컨버터는 100미크론의 층이 필요하며 이는 다이아몬드의 1미크론에 비해 상당한 저항을 초래합니다. 이번 변화로 에너지 손실을 4배 정도 줄일 수 있는 것으로 추산된다.

전기 자동차

동등한 출력이지만 크기가 줄어든 다이아몬드는 생체 공학 및 운송 분야에 응용할 수 있는 새로운 경로를 제공합니다. 재료의 무게는 차량 디자인에서 가장 큰 적이므로 이러한 교체는 매우 흥미로울 것입니다.

더 적은 양의 재료에 중량 감소가 포함되는 경우 고온 저항도 이러한 응용 분야에서 주요 논거입니다. 150°C를 넘으면 실리콘의 특성이 변하여 더 이상 최적이 아닙니다. 다이아몬드는 300°C까지 쉽게 올라갈 수 있습니다. 결과적으로 실리콘 변환기에 복잡한 냉각 시스템이 필요한 경우 다이아몬드는 더 간단하고 쉬운 솔루션을 제공합니다. Étienne Gheeraert는 "항공기 전기화의 경우 400kg에서 50kg의 변환기로의 전환을 상상할 수 있는데 이는 엄청난 이득이 될 것입니다."라고 설명합니다.

일반적으로 반도체는 무기 또는 유기 물질로, 화학 구조, 온도, 조명 및 도펀트의 존재와 관련하여 기능을 제어할 수 있는 능력을 가지고 있습니다. 반도체라는 이름은 이러한 물질이 구리, 금 등의 금속과 유리 등의 절연체 사이의 전기 전도성을 갖는다는 사실에서 유래되었습니다. 이들의 에너지 격차는 4eV(약 1eV) 미만입니다. 고체 물리학에서는 가전자대와 전도대 사이에 전자 상태가 금지되는 에너지 갭이 있습니다. 도체와 달리 반도체의 전자는 금지대를 넘어 전도대에 도달하기 위해 에너지(예: 이온화 방사선으로부터)를 얻어야 합니다. 반도체의 성질은 가전자대와 전도대 사이의 에너지 갭에 의해 결정됩니다.

다이아몬드는 원자가 다이아몬드 입방체라고 불리는 결정 구조로 배열된 탄소 원소의 고체 형태입니다. 다이아몬드는 또한 이상하게도 전기 장치에 유용하면서도 문제가 되는 매우 우수한 전기 절연체입니다. 다이아몬드는 전자제품을 포함한 많은 기기의 소재로서 잠재력이 높은 광대역 갭 반도체(Egap = 5.47eV)입니다. 다이아몬드 감지기는 실리콘 감지기와 매우 유사하지만 특히 높은 방사선 경도와 매우 낮은 드리프트 전류 등 상당한 이점을 제공합니다.

첨단 반도체 소재인 다이아몬드의 필수 특성

다이아몬드 변환기의 응용

좋은 실리콘 변환기의 효율이 약 97%라면, 다이아몬드 변환기의 경우 99%에 도달하는 것이 가능합니다. 이 차이는 작아 보일 수도 있습니다. 그러나 해상 풍력 발전 단지의 경우처럼 장거리 HVDC(고전압 직류) 송전과 같은 특정 특정 응용 분야에서는 이점이 큽니다. 대륙에 1GW의 전력을 공급하려면 20MW가 절약됩니다!