◆ 에너지 생산 주택 (태양광 발전 시스템이나 가정용 CHP를 설치하는 주택)
에너지 생산 주택 시장에서는 태양광 발전 시스템이 중심이 되고 있다. 2013 년도에는 소비세 증세 전의 갑작스런 수요와 태양광 발전의 잉여 전력 매입 제도의 매입 가격이 2014년부터 대폭 인하될 것으로 보여서 2013년 말까지 태양광 발전 시스템 도입의 갑작스런 수요가 발생하고 전년 대비 20.8 % 증가한 512 만 호가 되었다.

결과적으로 2014 년도 1 엔 밖에 떨어지지 않았지만 2015 년 이후에는 태양광 발전의 매입 가격이 인하될 것으로 보이지만, 전기 요금의 수요가 부담 (부가금)의 확대에 의해 경제 산업성이 총량 규제 (전력 회사의 매입 금액의 상한을 설정하고 그 이상의 가격을 자유롭게 설정할 수있는 제도)의 도입을 검토하고 있는 것으로부터, 매전의 혜택을 크게 감소시킬 것으로 보인다. 한편, 시스템 가격 하락으로 2013년에 그리드 패리티에 도달했다는 추정도 있어, 매전 수익이 감소하더라도 수요의 총 비용 혜택은 일정 수준 확보되는 것으로 생각된다. 앞으로도 그럴 절약 주택은 변함없이 태양 광 발전 시스템이 중심이 되는 것의 성장은 둔화하고 2025년도에는 2013 년도 대비 17.4% 증가한 60.1만 호가 예상된다.

또한 에너지 팜, 에코 윌 등의 가정용 CHP(Combined Heat and Power)도 꾸준히 확대하고 에너지 생산 주택 수에서 차지하는 비중도 2013 년 9 %에서 2025 년도에는 35%로, 그 중 태양 광 발전 시스템과 병설 W 발전도 4 %에서 10 %로 확대될 것으로 예측된다. 또한, 누계 에너지 생산 주택 수는 2013 년도에 200 만 가구를 돌파해 보급률은 4%를 기록했다. 2025 년에는 누계로 670.2 만호 보급률은 13%로 에너지 생산 주택을 견인하는 태양광 발전 시스템은 주택 10 가구에 1 가구의 비율로 탑재될 것으로 보인다.

◆ 전화(電化) 주택
전화(電化) 주택은 동일본 대지진을 계기로 2011 년 이후 계속 축소되고 있지만 2013년에는 소비세 증세 전의 갑작스런 수요에 신축 착공 건수가 증가함에 따라 전년 대비 2 만 가구 감소에 그쳤다. 그러나 신축 주택에 대한 모든 전기의 구성비는 25 %로 전년도보다 4 포인트 마이너스를 기록하고 있으며, 여전히 전화(電化) 주택의 채용 비율은 감소하고 있다. 향후 전력 회사가 영업을 본격적으로 재개하기 위해서는 원자력 발전소의 재가동에 따른 전력 수급의 안정이 필요하다고 생각된다. 큐슈 전력의 센다이 원자력 발전소 2 호기가 국가의 안전 심사를 통과한 다른 원자력 발전소 안전 심사 중임에서 원자력 발전소의 가동이 곧 재개될 것으로 보인다. 원자력 발전소의 재가동 전력 회사에 의한 새로운 메뉴 설정 등에 힘입어 일부 전력 회사에 의한 단계적인 모든 전기의 영업 활동 재개가 예상된다. 전화(電化) 주택은 신축은 2015 년 이후 24만호 전후로 추이하고 축소의 큰 요인이었다. 기축에서도 2014 년 12 만호를 바닥에 2025 년도에는 21 만호까지 회복하고 장기적으로는 신축, 기축 총 2014 년도의 34.6 만호에서 2025 년도에는 45.3 만호가 예상된다. 또한 누계 전화(電化) 주택 수는 2012 년도에 500 만 가구를 돌파했다. 2025 년도에는 1,000 만 가구를 돌파할 것으로 예측되며, 보급률은 20 %와 5 호에 1 호가 전화(電化) 주택이 될 것으로 보인다.

<전력 소매 완전 자유화 이후 시장 환경의 변화와 전망>
2016 년 4 월부터 전력 소매 전면 자유화를 향한 전력 회사는 고객의 이탈 억제를 위한 새로운 요금 메뉴와 부가 가치 서비스의 제안을 계획하고 있다. 새로운 요금 메뉴에서는 스마트미터를 이용하여 수용처별 전력 소비량을 바탕으로 괄호 요금 단가를 30 분이나 1 시간 단위로 변동시키는 실시간 가격을 전략 메뉴로 자리매김하는 전력 회사가 많다. 이는 주택에서도 전력 소비량의 부하 평준화 혜택이 확대되어 축전지와 에코 큐트 등의 채용이 진행될 것으로 보인다. 또한 태양 광 발전 시스템도 낮의 수요 피크 시에 발전하여 도입 메리트가 있다. 또한 에너지 생산과 蓄 절약 기기 낮과 밤의 전력 소비량을 실시간으로 조정할 HEMS의 수용성이 명확화되어 전화(電化) 이외에 에너지 생산 ? 스마트 기기 시장 확대에 기여할 것으로 보인다.

한편, 전력 자유화를 향한 도시 가스, LP 가스, 통신 사업자 등이 시장 진입을 향해 움직이고 있다. 그러나 현실적으로는 전원을 확보하고 연료를 저렴하게 조달할 수 있는 에너지 사업자 이외의 진입 장벽이 높고, 결과적으로 기존의 전력 회사와 일부 새로운 전력에 의한 충돌이 발생할 정도로 보인다. 전력뿐만 아니라 가스 소매 자유화 논의가 진행되고 있으며, LNG 조달 능력이 있는 전력 회사에 의한 참가도 예상되지만, 전력, 가스, 수도, 통신 등의 서비스를 세트로 제안 할 수 있는 종합 유틸리티 서비스 사업을 전개하려면 많은 규제 완화와 업계 재편이 필요하다.

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

- 미츠비시 머터리얼(Mitsubishi Material) 주식회사(이하, 미츠비시)와 주식회사 SCREEN Holdings 그룹회사인 SCREEN 반도체 Solutions(이하, SCREEN 반도체)가 MEMS 업계 최초 PZT(지식리포터 주) 압전막(壓電膜) 양산 기술을 공동으로 개발 / 종래 대비 2배 이상의 생산성을 실현 -

미츠비시의 전자재료 사업 회사와 SCREEN 반도체는 미소 전기 기계 시스템(MEMS(주 1)) 디바이스에 사용되는 PZT(lead zirconate titanate) 압전막(주 2)에 대해서 이번에 MEMS 업계 최초가 되는 양산 기술을 공동으로 개발할 예정이라고 한다.

본 양산 기술개발의 배경으로 PZT 압전막은 압전 효과를 발휘하는 기능성 박막으로 잉크젯 프린터의 헤드, 차량 탑재용 센서나 액추에이터, 센서 네트워크용의 환경 발전 디바이스 등 많은 MEMS 디바이스에 대해 사용 확대가 전망되는 기능 부재이다.

반도체 제조에 있어서의 PZT 압전막의 성막 방법에는 스패터링법과 Sol-Gel법(주 3)의 주로 두 가지 방법이 적용되고 있다. 스패터링법은 폭넓게 이용되고 있지만 PZT가 3성분계 복합 산화물이므로 약간의 조성 차이에 의해 전기 특성 등이 불안정하기 때문에 특히 대구경 웨이퍼에서의 ′안정적`이면서 ′균일′한 성막에 과제가 있었다.

한편 Sol-Gel법은 균일한 조성의 Sol-Gel 약액을 사용하기 때문에 대구경 웨이퍼에 성막하는 경우에서도 ′안정적′이면서 ′균일′한 성막이 가능하다. 그러나 MEMS 디바이스로 필요한 2μm 정도의 막 두께를 얻기 위해서 도포 및 소성을 20~30회 정도 반복할 필요가 있기 때문에 생산성 향상이 과제가 되고 있었다.

또한 PZT 압전막의 양산에 대해서 기존 사용자는 자사에서 기술 개발을 실시하지 않으면 안 되어 양산 체제에 이르기까지 막대한 비용?시간을 필요로 하는 점도 아울러 과제가 되고 있었다.

본 양산 기술은 미츠비시의 Sol-Gel 약액(PZT-N)을 SCREEN 반도체가 도포?소성 장치(80 EX)로 이용하는 것으로 실현 가능하게 된다. 도포 막 두께를 증가시켜 대면적에서의 균일한 도포 및 소성을 도모하는 것으로 도포 회수는 기존 20~30회(주 4)에서 10회 정도로 크게 저감된다.

본 양산 기술에 의해 도포?소성 장치 1대당 처리량(throughput)은 1.3매/시간부터 기존 대비 2배 이상의 2.9매/시간에 향상되기 때문에 생산성의 대폭적인 개선에 연결된다.또한 웨이퍼 사이즈는 MEMS 용도로서 최대의 8인치까지 대응 가능하다고 한다.

미츠비시가 판매하는 Sol-Gel 약액과 SCREEN 반도체가 판매하는 도포?소성 장치를 조합한 본 양산 기술에 의해 실용 레벨의 PZT 압전막의 양산이 조기이면서 간단하게 실현 가능하게 된다. 미츠비시와 SCREEN 반도체는 본 양산 기술의 제공에 의해 향후에도 MEMS 디바이스의 발전에 공헌할 예정이라고 한다.

(주 1) MEMS
Micro Electro Mechanical Systems의 약어로 기계 요소 부품, 센서,액추에이터, 전자 회로를 하나의 기판 상에 집적화한 디바이스.
(주 2) PZT(Lead Titanate Zirconate) 압전막
압력을 가하면 전압을 발생시켜 반대로 전압을 가하면 변형하는 기능 재료막.
(주 3) Sol-Gel법
유기 금속 화합물의 용액(Sol-Gel 약액)을 이용하여 도포, 건조, 소성의 공정을 거침으로써 기판 상에 금속 산화물의 막을 얻는 성막 방법.
(주 4) MEMS용으로서 일반적으로 구할 수 있는 2μm 두께의 PZT 압전막의 도포 회수.

(지식리포터 주) PZT(Lead Titanate Zirconate(Pb(Zr, Ti))
PZT란 압전 세라믹스의 일종으로 SPM(주사형 프로브 현미경)의 스캐너에 조립되는 압전 소자의 재료로서 일반적으로 사용되고 있다. PZT의 압전 정수는 0.1~수nm/V 정도이며 그대로 스캐너에 사용하려면 변위가 작다. 이런 이유로 가능한 낮은 인가전압으로 큰 변위를 얻을 수 있도록 판 모양의 압전 재료의 휘어짐을 이용한 휨 방향이나 얇게 가공한 압전 재료를 전극과 교대로 적층해 일체화한 적층형(신축 방향) 등의 구조가 개발되고 있다.

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

2016년형 토요타 프리우스를 구입하면 이 하이브리드 차에 충전되었는지 걱정할 필요가 없다. 그저 차고로 차를 넣고 무선 전력 이송을 선택하면 바닥 위 패드에서 자동적으로 배터리를 충전시킬 것이다.

향후 일 년 내지 이 년 후, 노트북 컴퓨터, 태블릿, 휴대폰 및 다른 소비자 전자소자들의 전력 요구를 무선 전송으로 충족시킬 수 있어 어떤 전선도 필요하지 않는 전자 제품들을 구입할 수 있을 것이다.

모든 소자를 위한 서로 다른 충전 코드를 가지는 대신 휴대폰이나 노트북 컴퓨터를 요구된 장소에 올려놓고 자동적으로 충전되는 것을 기대리면 된다고 매사추세츠 워터나운의 위트리시티 (Witricity) 기술 사장인 모리스 케슬러가 말했다. 이제 이런 소자들은 충전하기 위한 전선이 더 이상 필요하지 않을 것이다.

MIT 스핀오프인 위트리시티는 소자가 충전될 필요있는 배터리나 코드를 가진 어떠한 상황에서도 적용할 수 있는 공명 무선 전력 이송 기술을 제공한다.

자기 유도에서 교류 자기장은 전송 코일 내에서 생성되고 수신 코일 내 전류로 전환된다. 이 기술을 이용하는 무선 전력 시스템들은 하나의 예로 무선 충전 칫솔을 수 십년 동안 이용하여 왔다. 그러나 자기 유도를 기반하는 일반적인 무선 전력 시스템들은 이송 거리와 위치에 매우 심각한 이용 제한을 가지고 있다.

2006년 MIT 물리학과 교수 마린 솔리아시크 박사와 그의 동료들은 위트리시티에 의해 상용화된 제품인 더 긴 거리에 걸쳐 효과적으로 무선 전력을 이동시킬 수 있는 자기 유도의 높게 공명하는 형태를 시연했다.

공명의 이용은 일반적인 유도 시스템으로 얻을 수 있는 것보다 더 큰 위치 자유와 더 긴 거리에 걸쳐 에너지 이동을 효과적으로 할 수 있게 해 준다. 예를 들어, 무선 칫솔이 칫솔이 홀더 내에서만 작동한다. 공명 기술은 수신기가 더 멀리 움직이면서도 여전히 에너지를 효율적으로 이동시킬 수 있고 테이블과 같은 물질들을 통과해 충전할 수 있다.

특히, 이 기술은 이에 대한 걱정없이 충전할 수 있다. 그저 테이블이나 작업장 위에 소자를 두면 떠날 때까지 충전하고 있을 것이다.

다른 자기 유도 전력 전송처럼 위트리시티 기술은 인체에 매우 약하게 상호작용한다. 안전 측면에서 이 기술은 일반적인 가정용 전자소자들과 응용들과 같은 규정 제한들을 만족하고 있다.

기초적인 특허들의 소유자로 위트리시티는 레젠스TM 세부사항이 위트리시티 기술을 포함하고 있는 무선전력 협회에 의해 추구된 소비자 전자제품들과 자동차 엔지니어 협회에 의해 운영되는 자동차들을 위해 자기 공명을 이용하여 장거리에서 무선 전력 이송의 표준화 노력들에 도움을 주고 있다.

자동차와 소비자 전자소자들의 편리 증가를 제공하면서 위트리시트 기술은 전력이 이송하기 어려운 응용들에서 극적인 향상을 제공할 수 있다.

하나의 예로 위트리시티가 인가한 토라텍은 더 좋은 심장 보조 펌프들을 개발하기 위해 개선된 무선 전력 이동을 이용하고 있다. 최근 이런 펌프들은 신체에 존재하는 삽입 와이어들에 의해 일반적으로 전력을 공급받는다. 무선 전력 이송은 질병을 일으키고 불편한 와이어들을 제거하고 움직임의 자유를 향상시켜 환자들에게 삶의 질을 향상시킬 수 있게 해주고 있다. 피부 아래 수 센티미터 삽입된 의료 소자들은 고효율로 안전하게 충전될 수 있다.

의료 응용들과 함께, 이 기술은 산업체 설치에서 많이 이용할 수 있다. 특정 거리에 걸쳐 작동하는 무선 전력 이송은 젖을 수 있는 장비 전력 공급에 중요한 장점들을 제공한다. 이런 소자 내로 이 기술을 포함하여 연결없이 무선으로 충전할 수 있다. 이는 더 안전한 사용 모델을 기본적으로 제공한다.

예를 들어, 연안 석유 시추에 이용되는 원격 조정 심해 운송 수단들은 충전을 위해 매우 정확하게 연결되도록 도킹되어야 한다. 위트리시티 기술은 어떤 전기 소자 노출도 없고 정확한 정박의 요구 없이 이런 운송 수단들을 충전할 수 있게 해준다.

또한 이 회사는 전투원들에 의해 이동시키는 배터리들을 없애기 위해 원격으로 작동하는 자동차들에 전력을 공급하는 등의 국방 응용들을 계획하고 있다.

위트리시티의 공식적인 인가 회사들에는 소비 전자소자들을 위해 인텔과 메디아텍, 델파이, IHI, TDK, 자동차 응용을 위해 토요타가 포함된다. 모든 종류의 무선 전력 시스템 총 시장은 휴대 전화와 태블릿 컴퓨터 이용에 의해 매우 강하게 추진되어 2018년 8.5 억만 달러에 달할 것으로 HIS 기술이 예측하고 있다. 이런 매우 경쟁적인 시장에서 수많은 회사들이 서로 다른 기술과 시스템 디자인들을 제공할 것이다. 많은 제품들이 일반적인 자기 유도에 의해 작동할 것이지만 자기 공명 기술을 이용하는 제품의 경우에는 위트리시티의 라이선스가 필요할 것이다.

 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

일본의 산업기술총합연구소(National Institute of Advanced Industrial Science and Technology)의 연구진은 다이아몬드 금속-반도체 전계효과 트랜지스터(diamond metal-semiconductor field-effect transistor, MESFET)에서 가장 높은 항복 전압을 기록하는데 성공했다.

원칙적으로, 다이아몬드 트랜지스터는 높은 항복 전계, 높은 열전도율, 낮은 유전율, 높은 벌크 캐리어 이동도 등의 장점을 가지고 있다. 이러한 재료 특성들은 고전력과 저손실 또는 고전력과 고주파수 등의 높은 성능을 가진 전자장치를 이끌 수 있다. 고온 작동은 복잡하고 고가인 열 관리 필요를 감소하거나 없애는 관점에서 조사되었다.

MESFET는 반절연성 Ib(001) 합성 다이아몬드 기판 위에 마이크로파 플라즈마 보조 화학 기상 증착(microwave plasma-assisted chemical vapor deposition) p-형 에피택셜(epitaxial) 재료로 제조되었다(그림 1). 탄소원은 메탄이고 p-형 광 도펀트는 붕소이다.

이번 연구진은 제곱센티미터당 ~10^15 원자 수준을 가진 붕소 도핑을 실시했다. 낮은 도핑 수준은 박막 품질과 쇼트키 접촉의 저하를 방지할 목적으로 이루어졌다. 트랜지스터는 중심에 옴 드레인 접촉, 외부에 소스 접촉, 소스와 드레인 사이에 아주 얇은 환형의 쇼트키 게이트를 가진 원형의 ‘코르비노 유형(Corbino type)’으로 구성되었다. 옴 금속은 티타늄-금이었다.

쇼트키 게이트 금속 적층은 백금/금 다중층으로 구성되었다. 게이트 영역은 게이트 금속 접촉을 형성하기 전에 오존 속의 자외선으로 노출시켰다. 전처리는 에피택셜 층의 표면 결합이 안정적인 산소 종단(oxygen termination)을 가지도록 디자인되었다.

소스-게이트 거리는 5μm로 고정되었다. 게이트 길이와 게이-드레인 거리는 다양한 성능 특성의 최적화가 가능하도록 변화되었다. 20μm-게이트-길이 장치들(게이트-드레인 30μm)의 최대 드레인 전류와 최대 트랜스컨덕턱스(peak transconductance)는 온도가 상온에서 300°C까지 올라갈 때 증가했다. 드레인 전류는 각각 ?0.06mA/mm과 ?1.23mA/mm이었다. 해당 트랜스컨덕던스는 9.7μS/mm과 61μS/mm이었다. 전류의 증가는 0.36eV의 붕소 어셉터 수준에서 홀의 더 큰 열적 활성화에 기인한다. 드레인 전류를 향상시키는 또 다른 요인은 고온에서의 낮은 옴 접촉 저항이다.

기생 저항(parasitic resistance)을 분석함으로써, 이번 연구진은 300℃에서 143μS/mm의 트랜스컨덕턴스의 값을 얻었다. 이것은 상온에서 29μS/mm보다 4.9배의 값이다.

이번 연구진은 향상된 전류 반응이 감소된 게이트 길이, 소스-게이트 갭 속의 기생 저항, 옴 접촉 저항을 필요로 한다는 것을 발견했다. 장치의 임계 전압은 2.7V이다. 온/오프 전류비는 상온에서 ~10^7이었는데, 이것은 300℃에서 ~10^3로 감소했다. 300℃에서 훨씬 낮은 비율은 쇼트키 접합의 증가된 게이트 누설에 기인되었다.

항복(breakdown)은 누설 전류를 줄이기 위해서 50V의 게이트 전위에서 평가되었다. 수많은 20μm-게이트-길이 장치들이 조사되었다(그림 2). 30μm-게이트-드레인 거리를 가진 항복은 1530V에서 발생되었다. 이것은 이전에 보고된 것보다 2.5배 더 높다. 이번 연구진은 1530V의 항복 전압이 다이아몬드 FET에서 가장 높은 것이라고 주장했다. 이전에, 다이아몬드 트랜지스터 속의 항복 전압은 700 V로 제한되었다. 1530V의 성능은 갈륨 질화물(GaN) 기반의 장치에서 달성되는 것과 거의 유사했다.

항복이 발생한 후에, 이후의 테스트는 임계 손상(critical damage) 때문에 항복 전압에서 30% 이하의 저하를 보였다. 항복을 위한 임계 전기장의 추정치는 실리콘의 임계 전기장보다 더 높았지만 다이아몬드의 이상적인 수치보다 5-10배 더 낮았다. 이것은 더 향상될 여지가 있다는 것을 보여준다. 이 연구결과는 저널 IEEE Electron Device Letters에 “Diamond Metal?Semiconductor Field-Effect Transistor With Breakdown Voltage Over 1.5 kV”라는 제목으로 게재되었다(10.1109/LED.2014.2356191).

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

프랑스의 CEMES-CNRS 연구진은 싱가포르와 영국 브리스톨대학 연구진과 공동으로 결정질 금나노입자를 길게 체인 형태로 연결하여 광 에너지를 전달하는 새로운 전송수단으로 활용하는 데 성공했다. 광 에너지는 이렇게 길게 연결된 나노입자 체인을 통해서 효과적으로 전송될 수 있다. 이번 연구는 저널 Nature Materials에 "Multimodal plasmonics in fused colloidal networks"라는 제목으로 게재되었다.

광(光)은 정보를 전송하는 수단으로 사용될 수 있다. 정보 전송은 광섬유를 통해서 이루어지며 전자소재를 대체하는 새로운 수단으로 많은 주목을 받고 있다. 최근 들어 광을 이용하여 정보를 전달하는 비율은 점점 더 증가하고 있다. 광을 이용하면 전기 신호 전송 시 발생하는 열 발생으로 인한 에너지 손실을 최소화할 수 있다. 그러나 여기에는 여러 해결해야만 하는 과제들이 남아있다. 특별히 전송수단을 소형화하는 것이 중요하다. 광 섬유는 광을 마이크로미터 이하로 구속하는 것이 매우 어렵다.

전자들은 금속을 통해 자유롭게 이동할 수 있다. 때때로 빛의 효과로 인해서 표면을 따라 공진하는 경우가 발생하기도 한다. 금이나 은 같은 귀금속에서는 이러한 현상이 자주 발생한다. 이러한 집합적인 진동의 특성은 플라즈몬이라고 알려져 있으며 과거 20여 년간 광 에너지를 마이크로미터 이하 수준으로 구속하기 위한 방법으로 연구되어왔다. 광자를 통해 전달된 에너지를 전자로 이동시키면 광 섬유보다 더 작은 구조체로 정보를 전송하는 것이 가능하게 된다. 이러한 광 구속을 가능하게 위해서 현재 플라즈모닉2라는 기술로 나노결정체의 광학적 특성에 관한 연구가 이루어지고 있다. 부드러운 결정 표면은 전자들이 진동으로 산란되는 것을 억제하여 에너지 손실을 줄여준다. 이러한 나노입자의 특성 연구를 통해서 나노 크기의 폭을 가진 긴 전송관으로 정보를 전달하는 것을 가능케 할 수 있다.

연구진은 10 나노미터 지름을 가진 금 나노입자를 길게 체인형태로 합성하는 새로운 기술을 소개하였다. 특정한 진동을 발생시키는 플라즈몬은 새로운 효과적인 정보 전달수단이 될 수 있다는 것을 보여주고 있다. 그러나 에너지는 두 나노입자 사이의 통로를 통해서 손실이 된다. 이러한 특성은 특정한 부분에만 활용될 수 있으며 국부적 열 소스를 필요로 한다. 특별히 장 거리 전송 등에는 불가능하게 적합하지 않다.

연구진은 이번에 나노 비드 휴즈를 만들었다. 에너지 전자빔으로 나노 비드에 초점을 맞추어 연속적인 나노 결정체를 만들었다. 연구진은 에너지 손실이 줄어드는 것과 플라즈몬이 매우 긴거리를 거쳐서 자유 진동한다는 것을 확인했다. 이러한 비드 스트링은 나노미터의 폭으로 4000나노미터까지 연결된다.

전자 진동은 나노입자 체인의 표면에서 관찰되었다. 플라즈몬 움직임의 여러 종류는 전자에너지손실현미경(electron energy-loss spectroscopy, EELS)이라는 현미경분석을 통해서 확인되었다. EELS는 매우 정교한 공간 해상도를 가지고 있어서 플라즈몬의 거동에 대한 새로운 이론적인 계산 모델을 만들어내는 데 매우 적합하다. 이러한 모델을 기반으로 하는 시뮬레이션은 실험결과와 매우 정확하게 일치한다는 것을 보여주고 있다. 이번 연구는 브리스톨과 싱가포르 연구진과의 오랜 공동 연구 결과이다. 이번 기술은 텔레통신, 광전지 등을 비롯하여 센서 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

일본의 산업기술총합연구소(National Institute of Advanced Industrial Science and Technology)의 연구진은 다이아몬드 금속-반도체 전계효과 트랜지스터(diamond metal-semiconductor field-effect transistor, MESFET)에서 가장 높은 항복 전압을 기록하는데 성공했다.

원칙적으로, 다이아몬드 트랜지스터는 높은 항복 전계, 높은 열전도율, 낮은 유전율, 높은 벌크 캐리어 이동도 등의 장점을 가지고 있다. 이러한 재료 특성들은 고전력과 저손실 또는 고전력과 고주파수 등의 높은 성능을 가진 전자장치를 이끌 수 있다. 고온 작동은 복잡하고 고가인 열 관리 필요를 감소하거나 없애는 관점에서 조사되었다.

MESFET는 반절연성 Ib(001) 합성 다이아몬드 기판 위에 마이크로파 플라즈마 보조 화학 기상 증착(microwave plasma-assisted chemical vapor deposition) p-형 에피택셜(epitaxial) 재료로 제조되었다(그림 1). 탄소원은 메탄이고 p-형 광 도펀트는 붕소이다.

이번 연구진은 제곱센티미터당 ~10^15 원자 수준을 가진 붕소 도핑을 실시했다. 낮은 도핑 수준은 박막 품질과 쇼트키 접촉의 저하를 방지할 목적으로 이루어졌다. 트랜지스터는 중심에 옴 드레인 접촉, 외부에 소스 접촉, 소스와 드레인 사이에 아주 얇은 환형의 쇼트키 게이트를 가진 원형의 ‘코르비노 유형(Corbino type)’으로 구성되었다. 옴 금속은 티타늄-금이었다.

쇼트키 게이트 금속 적층은 백금/금 다중층으로 구성되었다. 게이트 영역은 게이트 금속 접촉을 형성하기 전에 오존 속의 자외선으로 노출시켰다. 전처리는 에피택셜 층의 표면 결합이 안정적인 산소 종단(oxygen termination)을 가지도록 디자인되었다.

소스-게이트 거리는 5μm로 고정되었다. 게이트 길이와 게이-드레인 거리는 다양한 성능 특성의 최적화가 가능하도록 변화되었다. 20μm-게이트-길이 장치들(게이트-드레인 30μm)의 최대 드레인 전류와 최대 트랜스컨덕턱스(peak transconductance)는 온도가 상온에서 300°C까지 올라갈 때 증가했다. 드레인 전류는 각각 ?0.06mA/mm과 ?1.23mA/mm이었다. 해당 트랜스컨덕던스는 9.7μS/mm과 61μS/mm이었다. 전류의 증가는 0.36eV의 붕소 어셉터 수준에서 홀의 더 큰 열적 활성화에 기인한다. 드레인 전류를 향상시키는 또 다른 요인은 고온에서의 낮은 옴 접촉 저항이다.

기생 저항(parasitic resistance)을 분석함으로써, 이번 연구진은 300℃에서 143μS/mm의 트랜스컨덕턴스의 값을 얻었다. 이것은 상온에서 29μS/mm보다 4.9배의 값이다.

이번 연구진은 향상된 전류 반응이 감소된 게이트 길이, 소스-게이트 갭 속의 기생 저항, 옴 접촉 저항을 필요로 한다는 것을 발견했다. 장치의 임계 전압은 2.7V이다. 온/오프 전류비는 상온에서 ~10^7이었는데, 이것은 300℃에서 ~10^3로 감소했다. 300℃에서 훨씬 낮은 비율은 쇼트키 접합의 증가된 게이트 누설에 기인되었다.

항복(breakdown)은 누설 전류를 줄이기 위해서 50V의 게이트 전위에서 평가되었다. 수많은 20μm-게이트-길이 장치들이 조사되었다(그림 2). 30μm-게이트-드레인 거리를 가진 항복은 1530V에서 발생되었다. 이것은 이전에 보고된 것보다 2.5배 더 높다. 이번 연구진은 1530V의 항복 전압이 다이아몬드 FET에서 가장 높은 것이라고 주장했다. 이전에, 다이아몬드 트랜지스터 속의 항복 전압은 700 V로 제한되었다. 1530V의 성능은 갈륨 질화물(GaN) 기반의 장치에서 달성되는 것과 거의 유사했다.

항복이 발생한 후에, 이후의 테스트는 임계 손상(critical damage) 때문에 항복 전압에서 30% 이하의 저하를 보였다. 항복을 위한 임계 전기장의 추정치는 실리콘의 임계 전기장보다 더 높았지만 다이아몬드의 이상적인 수치보다 5-10배 더 낮았다. 이것은 더 향상될 여지가 있다는 것을 보여준다. 이 연구결과는 저널 IEEE Electron Device Letters에 “Diamond Metal?Semiconductor Field-Effect Transistor With Breakdown Voltage Over 1.5 kV”라는 제목으로 게재되었다(10.1109/LED.2014.2356191).

경쟁력 있고 지속가능한 교통시스템 창조를 위해, 유럽연합은 휘발유나 디젤을 대체하거나 보완하기 위해 대체연료를 검토해야 한다. 이것은 대중교통 배출가스의 감소뿐 아니라 도시 지역의 공기 질과 소음 수준을 개선하게 될 것이다. 이러한 생각을 염두에 두고, 배출가스 제로 도시형 버스시스템(ZEEUS, Zero Emission Urban Bus System) 프로젝트는 전기버스를 도시의 버스 네트워크의 핵심으로 만들고자 연구를 진행 중이다.

시작 후 단 1년 만에, [ZEEUS] 프로젝트 연구팀은 실제 실증화 시험을 통해 버스 전기화 솔루션에 대해 이미 시험을 진행 중이다. 10월 중순경, 바르셀로나는 최초의 [ZEEUS] 프로젝트 핵심 실증화 작업을 시작했고, 이것은 바르셀로나 시의 자비에르 트리아스(Xavier Trias) 시장에 의해 도시 거리를 가로지르는 짧은 길이로 끝이 났다. 스페인의 지역 운영회사인 [TMB]( Transports Metropolitans de Barcelona)사가 현재 4대의 완전 전기버스를 시험을 진행할 예정이다. 2대는 12m 길이의 표준 [i2e IRIZAR] 버스이며 다른 2대는 18m 길이의 굴절 [SOLARIS] 버스로, 이 모델 모두 버스 차량기지에서 야간에 충전된다.

바르셀로나는 [ZEEUS] 프로젝트를 시험하는 8개 시험 도시 중 하나로, 2017년 4월까지 진행될 예정이다. 연구팀은 본, 칼리아리, 글래스고우, 런던, 문스터, 플젠 그리고 스톡홀름의 7개 다른 실증화시험 장소에서 다양한 종류의 혁신적인 전기버스 기술과 충전 인프라시설 솔루션을 시험 중이다. 다른 현장에서의 시험은 여러 가지 위치에서의 경제적, 환경적 그리고 사회적인 타당성을 시험하기 위한 다양한 운행 조건을 제공하게 될 것이다.

9월 하순, [ZEEUS] 프로젝트는 체코의 플젠시에 최초의 축전지 전원공급의 전기버스인 [?koda Perun] 모델을 도입했다. 그리고 2015년 봄에, 이 도시는 2대의 완전 전기 전원공급방식이며 배출가스가 전혀 없고 조용한 버스 2대를 도입할 예정이다. 이 차량은 운행 도중에 발생하는 열을 재사용할 수 있는 독특한 냉난방 시스템을 가지고 있다. 더욱이, 축전지는 12분 만에 완전 충전이 가능하다.

한편, 이번 주 스톡홀름시는 시민과 시 공무원 그리고 지역 이해관계자들에게 볼보사의 12m 길이의 플러그인 하이브리드 버스를 선보일 준비를 하고 있다. 스웨덴 수도는 도심부 73노선을 따라 신속 충전이 가능한 8대의 플러그인 하이브리드 버스를 시험할 예정이다.

[ZEEUS] 프로젝트의 코디네이터인 움베르토 구이다(Umberto Guida)씨는 "일련의 버스들이 여러 해 동안 대체연료와 엔진을 위해 시험되고 있지만, 오늘날 모든 버스의 95%가 여전히 화석연료를 사용하고 있다. 이 프로젝트를 통해, 우리는 우리의 도시를 위한 더 청정하고 스마트한 대중교통 시스템을 제공하기 위한 과정에 잘 돌입하고 있으며, 전기자동차는 공기를 깨끗하게 하는데 실질적인 역할을 하여 우리의 마을과 도시를 생활하고 일하기에 더 조용하고 즐거운 장소로 만들게 될 것"이라고 말했다.

[ZEEUS] 프로젝트에는 대중교통기관, 대중교통 운영회사, 산업계와 자동차 제작회사, 에너지 공급회사, 대학교와 연구센터, 엔지니어링 회사, 컨설팅 회사와 협회 등을 포함한 40개의 파트너들이 참여하고 있다. 그들은 핵심적인 도시 버스 네트워크에 전기 솔루션을 확장시키는 프로세스를 진행할 중요 역할을 하는 단체와 의사결정자들을 망라한다.

첫 번째 초점이 이 8개 유럽 도시에 주어져 있지만, [ZEEUS] 프로젝트 연구팀은 유럽과 그 외부 지역으로 전기버스의 적용을 넓히는 큰 그림을 그리고 있다. 그것은 이 프로젝트의 코디네이터인 국제대중교통연합(UITP)이 세계적으로 전기버스의 적용을 세밀하게 모니터링하고 모든 관련 정보와 데이터를 간행하는 전기버스 관측대(Electric Bus Observatory)를 운영하는 이유이다. 유럽연합과 국제 프로그램에 의해 자금이 지원되는 전기버스 실증화 시험과 파일럿 시험은 확인된 실증화 시험(Observed Demonstration)에 지원할 수 있다. 선택된 실증화 시험은 정기 회의에 참석하여 주요 관심사와 이슈를 논의하게 될 것이며, 그것은 [ZEEUS Electrification Roadmap]이라고 불리는 이 [ZEEUS] 프로젝트의 핵심 성과물을 위한 핵심 입력물이 될 것이다. 확인된 실증화 시험(Observed Demonstration) 지원을 위한 최종 시점은 2014년 10월 31일이다.

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』