과학자들은 관련 연구를 통해 적합한 조건 하에서 전자 관련 산화물(oxide) 헤테로 접합 인터페이스(Heterojunction interface) LaAlO3/SrTiO3（LAO/STO） 부근에서 2차원 전자 액체를 형성할 수 있다는 점을 발견하였다.

일반적인 반도체 2차원 전자 가스와 달리 포텐셜 우물(Potential well) 속의 전자는 d 전자 특징을 보유하고 있으며 다양한 d 궤도를 차지하고 있기 때문에 자기장에 의존하는 전송 행위, 강자성 및 초전도성 등 다양하고 새로운 특성을 나타내고 있다.

차원의 제한 때문에 2차원 전자 시스템은 일반적으로 강한 전계 효과-게이트 전압을 나타내기 때문에 전자 농도와 이전 비율을 대폭 조절하여 시스템으로 하여금 다양한 양자 상태를 거치게끔 함으로써 신기한 물리 효과에 대한 탐색 공간을 대폭 넓힌다.

자기장과 게이트 전압의 조합 및 조정 제어를 통해 2차원 전자 가스 시스템 속에서 과학자들은 양자 홀 효과 및 분수 양자 홀 효과 등 다양하고 신기한 양자 효과를 발견하였다. 제일 전형적인 반도체 트랜지스터 전계 효과도 필드 효과에 기반하고 있는 상황이다.

전계 효과가 2차원 전자 시스템에 대한 조절은 용량 효과(Capacitive effect) 기초 상에 구축되며 용량의 충전 및 방전 과정을 통해 헤테로 접합 인터페이스 전자 가스 농도 및 이전 비율에 대한 조정 제어를 실현하게 된다.

하지만 LAO/STO 헤테로 접합 인터페이스의 2차원 액체 농도는 일반적인 반도체 2차원 전자 가스보다 한 개 수량 등급이나 더 높기 때문에 용량 효과 조정 제어 범위를 대폭 초월하는 것으로 나타난다. 때문에 새로운 조정 제어 원리 및 방법에 대한 탐색은 2차원 전자 액체의 신기한 물리 효과를 탐색하는데 있어서의 핵심이 된다.

최근 중국과학원 물리 연구소 산하 `베이징(北京) 응집물질 물리 국가 실험실(설립 중에 있음)` 소속 `자성(Magnetism)학 국가 중점 실험실`의 순지룽(孫繼榮) 연구원 연구팀은 광전자 협동(Photoelectric collaborative) 역할을 통해 새로운 전계 효과 조정 제어 원리를 발견한 동시에 산화물 2차원 전자 액체 전송 행위에 대한 큰 범위 조정 제어를 실현하는데 성공하여 이슈가 되고 있다.

연구팀은 관련 연구를 통해 광 여기(Optical excitation)와 게이트 전압(Gate voltage)의 협동 역할은 SrTiO3 인터페이스 격자 확장, 대칭성 파괴를 발생시켜 광 전자 유도의 인터페이스 전극화를 발생시키게 된다는 점을 발견하였다. 광 유도 인터페이스 전극화는 헤테로 접합 인터페이스 전자 액체에 대한 추가 조정 제어를 발생시켜 전계 효과로 하여금 대폭 강화되게 한다.

헤테로 접합 인터페이스 전기 저항에 대한 조정 제어에서 새로운 메커니즘이 발생시키는 전기 저항 변화 효과는 단일 게이트 전압에 대한 조정 제어 효과보다 두 개 수량 등급이나 더 높아지는 것으로 나타났다.

연구팀은 관련 연구를 통해 광 전자 협동 조정 제어 원리를 한층 더 심층적으로 해석하였으며 전기장(Electric field)의 LAO/STO 부근의 산소 결핍(Oxygen vacancies)이 SrTiO3 속으로 이전한다는 점을 발견하였다. 이런 과정을 동반하여 SrTiO3 격자는 전기장 방향과 평행되어 뚜렷한 확장을 발생시키게 된다.

전기장이 독자적으로 역할을 발휘하는 상황 하에서 이런 과정은 매우 천천히 진행되기 때문에 측정하기 어렵다. 이런 상황이 발생하게 되는 원인은 산소 결핍이 일반적으로 집중되어 덩어리를 형성하여 이전 비율이 극히 낮아지는데 있다.

광 여기는 산소 결핍 클러스터 분해를 발생시켜 산소 결핍의 이전 비율을 대폭 향상시킴으로써 격자 왜곡 과정(Lattice distortion process)을 가속화하게 된다. 이런 과정에 대한 연구를 통해 연구팀은 SrTiO3이라는 전형적이고 복잡한 산화물체의 잘 알려지지 않은 부분을 해석하는데 성공하였으며 더욱 중요한 점은 다중 필드 협동 조정 제어의 거대한 잠재력을 제시하였다는 점이다. 연구팀은 이번 연구를 통해 2차원 전자 액체의 신기한 물리 효과에 대한 탐색을 위해 새로운 연구 공간을 개척하였다.

연구팀의 관련 연구 성과는 세계적 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)`에 게재됐다(Nat. Comms. 5, 5554(2014)). 이번 연구는 국가자연과학기금위원회 및 국가과학기술부의 관련 과학연구 비용 지원을 받아 실행되었다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

핀란드 의회는 12월 5일 핀란드의 Pyhajoki에 신규 원전건설의 결정과 관련하여 페노보이마(Fennovoima) 원전의 보완을 선호하는지 여부에 대한 투표를 실시했다. 이 투표 찬반결과는 115대 74였다.

페노보이마는 2010년 한히키비(Hanhikivi)에 1500~2500 MWe 용량의 원전 건설에 대해서 정부로부터 긍정적인 결정을 획득한 바 있다. 그러나 지난 3월 초, 동사는 1200 MWe급 러시아 로사톰(Rostom)의 AES-2006 원자로를 포함시키기 위해서 기 결정된 사항에 대한 개정본을 제출했다.

핀란드 의회는 지난 9월 핀란드 원자력법에 따라서 페노보이마 원전 프로젝트가 여전히 전체적으로 핀란드 사회에 긍정적이라고 고려한다. 페노보이마 프로젝트의 결정은 의회로부터 논의를 거쳤다. 의회는 그 결정을 승인하거나 철회하는 권력을 가졌지만 원칙적인 결정의 내용을 수정할 수는 없었다.

“나는 중요한 프로젝트에서 핀란드 의회의 신뢰에 감사하고 싶다”고 페노보이마 CEO인 Toni Hemminki는 말했다. “한히키비 1호기는 향후 수십 년 동안 예측가능하고 합리적인 가격으로 페노보이마에게 탄소제로 전기를 제공할 것이다. 이 대규모 투자는 신규 일자리를 창출하고 경제성장을 제공할 것”이라고 그는 덧붙였다.

페노보이마는 2015년 6월 말까지 정부에 건설 인허가 신청서를 제출할 예정이다. 이 원전 설계 및 건설 인허가 신청서는 원전 공급사인 러시아 원자력 국영기업인 로사톰의 자회사인 Rusatom Overseas와 함께 작성될 것이다.

지난 9월 중순에 Pyhajoki에서 신규 접근도로의 건설이 착수되었다. 2015년과 2017년 사이에 수행될 광범위한 인프라 업무에는 터파기, 지반업무 및 보조건물의 건설을 포함한다. 최초 콘크리트 타설은 2018년으로 계획되어 있다.

Rusatom Overseas는 이 프로젝트에 대한 주기기 공급사들과 최종 협상 중이며, 계약은 2014년 말까지 서명될 예정이라고 페노보이마는 발표했다. 다음 단계의 협상은 2015년 초반에 수행될 것이다.

Rusatom Overseas는 12월 3일 핀란드 에너지 기업인 포텀(Fortum)이 Voimaosakeyhtio SF의 지분을 구입하는 것으로 한히키비 1호기 프로젝트에 참여하는 조건부 결정에 환영한다고 밝혔다. 포텀은 12월 2일 페노보이마 원전 프로젝트의 지분 중 최대 15%에 참여하려고 준비하고 있다.

Voimaosakeyhtio SF는 최근 그 프로젝트의 지분을 50.2%에서 55.5%로 증대시켰다고 말했다. 이 원전은 2024년까지 전기를 생산하도록 계획되어 있다. “페노보이마에 의해서 수행되는 이 프로젝트에 대해서 포텀의 지분 매입은 최소 60%의 지분이 핀란드가 소유해야 한다는 핀란드 고용경제부의 요건을 만족할 수 있다”고 Rusatom Overseas는 말했다.

로사톰에서 개발 및 국제 비즈니스 부회장인 Kirill Komarov는 러시아 원자력 산업이 40년 이상 포텀과 함께 협력하고 있으며, 로사톰이 이 협력에 새로운 단계를 들어가는 것을 환영하고 있다고 말했다.

페노보이마와 함께 공동 프로젝트에 참여하는 포텀의 준비는 긍정적인 신호이다. 만약 포텀이 이 프로젝트의 지분을 가지게 된다면 한히키비 1호기 프로젝트는 핀란드에서 주도적인 한 에너지 전문조직의 능숙함을 보유할 것“이라고 Komarov 부회장은 말했다.

Rusatom Overseas와 페노보이마는 작년 12월 한히키비 1호기에 대한 엔지니어링, 구매 및 건설 계약에 서명했다. 지난 3월, Rusatom Overseas의 자회사인 RAOS Voima Oy는 페노보이마 지분 34%를 구입했다.

2007년에 설립된 Voimaosakeyhtio는 현재 40개 이상의 기업을 거느리고 있다. 그 중 2개의 기업인 Sallila Energia와 Keravan Energia는 페노보이마 원전의 지분을 증대시키기로 결정했다. 그리하여 Sallila Energia and Keravan Energia의 지분은 55.5%로 증대되었다. 그 프로젝트에서 10% 이상 현재 지분이 할당되지 않는 상태이다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

JR도카이는 도카이 신칸선의 “주파수 변환장치”를 교체한다고 발표하였다. 가나가와현(神奈川?) 내 두 군데의 설비에 대해 사업비 134억 엔을 투자하여 약 8년간의 공사를 완료하였다. 전력사용량을 2% 삭감할 수 있으며, 유지관리 비용도 낮아진다.

일본의 전력계통은 동쪽의 50Hz와 서쪽의 60Hz 두 개로 나누어져 있다. 태평양측에서는 시즈오카현이 양쪽에 걸쳐 있으며, 후지가와부터 동쪽은 50Hz, 서쪽은 60Hz이다. 때문에 도쿄전력과 츄부전력 사이에는 세 군데의 주파수 변환설비가 설치되어 있으며, 50Hz와 60Hz의 전력을 필요에 따라 상호 변환하고 있다.

양쪽 지역에 걸쳐 있는 철도는 어떻게 되어 있는가? 도카이도 신칸선은 전체 노선에서 60Hz의 교류(2만 5000V)를 이용한다. JR도카이는 주파수를 변환하는 설비를 스스로 운용하고 있으며, 후지카와부터 동에서는 전력회사에서 받은 50Hz의 교류를 사용하여 60Hz의 교류를 만들어 낸다.

2014년 11월 JR도카이는 도카이 신칸선의 “주파수변환장치”를 교환한다고 발표하였다. 사업비는 134억 엔을 투자하여 약 8년간 공사를 완료한다. 목적은 두 가지이다. 하나는 주파수 변환 시의 전력손실을 줄이는 것이고, 다른 하나는 정기점검에 필요한 시간을 단축함으로써 보다 쉽게 안정운송을 실현하는 것이다. 모두 운용비용 저감에 도움이 된다. 장치 변환에 따라 전력사용량을 2% 삭감할 것으로 보인다. 전기요금의 삭감액으로 환산하면 연간 수억 엔 정도에 상당한다. 정기점검의 시간을 단축하는 효과는 비용에 계산하기 어려우나, 투자 대비 효과가 있다.

변환 전의 주파수 변환장치를 “회전형 주파수 변환장치”라고 부른다. 우선 50Hz의 교류로 모터를 회전시킨다. 모터 축은 발전기와 직결하고 있으며, 발전기가 60Hz의 교류를 만들어 낸다. 모터와 발전기를 조합한 기계적 변환장치이므로 회전에 의한 손실이 발생한다. 그리고 정기점검 시에는 기기를 해체할 필요가 있어 점검시간이 늘어나게 된다.

변환 후의 장치의 명칭은 “정지형 주파수 변환장치”이다. 50Hz의 교류를 컨버터로 입력하면 직류를 만들어 내고, 그 직류를 인버터에 입력함으로써 60Hz의 교류를 만들어낸다. 태양광발전시스템에서 필요한 인버터(파워콘덴서)로 기계형이 존재하지 않는 것에서도 알 수 있듯이 정지형은 변환효율이 높다. 즉 손실이 적다. 이들 인버터와 컨버터에는 대전력에 견디는 파워반도체를 이용한다. 도입하는 파워반도체의 후보는 IGBT, IEGT, GCT 세 가지이다. 앞으로 도입 시의 사양을 결정할 것이다.

이와 같이 장점만이 눈에 띄는 정지형에도 약점이 있다. 일시적으로 대전류가 필요할 때 현재의 파워 반도체기술에서는 모두를 조달하는 것은 불가능하다. 그래서 기존의 회전형 장치를 남기고, 병용한다. 후지카와 동쪽의 도카이도 신칸선의 노선과 역, 변전소, 주파수 변환변전소, 장치의 위치를 보면, 주파수 변환장치가 현재 9대가 운용 중이다. 서에서 누마츠(沼津) 주파수 변환변전소(누마츠 FC: Frequency Conversion substation), 서사가미(西相模) FC, 츠나시마(綱島) FC, 오이(大井) FC로 불리는 4개 거점이 있으며, 합계 9대의 주파수변환장치가 작동하고 있다.

현재는 9대 중 6대가 회전형, 3대가 선행 도입된 정지형이다. 이번 교체에서는 가나가와현에 위치하는 츠나시마 FC와 서사가미 FC의 회전형을 각각 1대씩 정지형으로 교체할 것이다. 츠나시마 FC, 서사가미 FC의 회전형이 두 대씩 남아 대전류가 필요할 때에 보조하는 형태이다. 츠나시마 FC의 공사기간은 2014년도부터 2019년도이며, 서사가미 FC는 2015년도부터 2021년도이다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』