다이아몬드 양자 이미징(Diamond Quantum Imaging)으로 차세대 전력 전자 장치 구현

전력전자 내부자

연자석을 분석하는 이러한 방법은 전력 전자 장치의 성능을 향상시키는 데 도움이 됩니다. (이미지 :사이언스 도쿄)

GaN 및 SiC 전력 장치와 같은 광대역 갭 반도체는 고주파 기능으로 인해 이점을 제공하므로 전력 전자 장치의 에너지 변환 효율을 향상시키는 것은 지속 가능한 사회에 필수적입니다. 그러나 고주파수에서 수동 부품의 에너지 손실은 효율성과 소형화를 방해합니다. 이는 에너지 손실이 더 낮은 고급 연자성 소재의 필요성을 강조합니다.

Communications Materials에 게재된 연구에서 일본 도쿄 과학 연구소 공과대학 하타노 무츠코(Mutsuko Hatano) 교수가 이끄는 연구팀은 히스테리시스 손실을 이해하는 데 핵심인 교류(AC) 표유장의 진폭과 위상을 동시에 이미징하여 이러한 손실을 분석하는 새로운 방법을 개발했습니다. 이 연구는 하버드 대학과 히타치 주식회사와 공동으로 진행되었습니다.

NV(질소 공극) 센터가 있는 다이아몬드 양자 센서를 사용하고 kHz용 큐비트 주파수 추적(Qurack)과 MHz 주파수용 양자 헤테로다인(Qdyne) 이미징이라는 두 가지 프로토콜을 개발하여 광범위한 AC 자기장 이미징을 달성했습니다.

연구진은 50회전 코일에 AC 전류를 인가하고 Qurack의 경우 100Hz~200kHz, Qdyne의 경우 237kHz~2.34MHz의 주파수를 스위핑하여 원리 증명 광역 주파수 범위 자기장 이미징 실험을 수행했습니다. 예상한 대로 균일한 AC 암페어 자기장의 진폭과 위상이 높은 공간 분해능(2~5μm)의 NV 센터를 사용하여 이미지화되어 두 측정 프로토콜을 모두 검증했습니다.

이 혁신적인 이미징 시스템을 사용하여 팀은 고주파 인덕터용으로 개발된 CoFeB-SiO2 박막의 표유 자기장의 진폭과 위상을 동시에 매핑할 수 있었습니다. 그들의 연구 결과에 따르면 이들 필름은 최대 2.3MHz까지 거의 0에 가까운 위상 지연을 나타냈으며 이는 하드 축을 따라 무시할 수 있는 에너지 손실을 나타냅니다. 더욱이 그들은 에너지 손실이 물질의 자기 이방성에 달려 있다는 것을 관찰했습니다. 자화가 용이축을 따라 구동될 때 위상 지연은 주파수에 따라 증가하며 이는 더 높은 에너지 소산을 의미합니다.

전반적으로, 결과는 고효율 전자 시스템을 개발하는 데 주요 과제로 간주되는 더 높은 주파수에서 작동하는 연자성 재료를 분석하는 데 양자 감지를 사용할 수 있는 방법을 보여줍니다. 특히, 에너지 손실과 밀접한 관련이 있는 자화 메커니즘 중 하나인 자벽 운동을 해결하는 능력은 전자 장치의 중요한 실질적인 발전과 최적화로 이어지는 중추적인 단계입니다.

앞으로 연구자들은 제안된 기술을 다양한 방식으로 더욱 개선할 수 있기를 희망합니다. Hatano는 "이 연구에 사용된 Qurack 및 Qdyne 기술은 일부 엔지니어링 개선을 통해 향상될 수 있습니다."라고 말했습니다. "Qurack의 성능은 고성능 신호 발생기를 채택하여 진폭 범위를 확장함으로써 향상될 수 있으며, 스핀 일관성 시간과 마이크로파 제어 속도를 최적화하면 Qdyne의 주파수 감지 범위가 넓어질 것입니다."

Hatano는 “광범위한 주파수 범위에 걸쳐 AC 자기장의 진폭과 위상을 동시에 이미징하면 전력 전자, 전자석, 비휘발성 메모리 및 스핀트로닉스 기술에 수많은 잠재적 응용 분야를 제공합니다.”라고 말했습니다. "이는 특히 지속 가능한 개발 목표와 관련된 부문에서 양자 기술의 가속화에 기여합니다."

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