다이아몬드 양자 이미징, 차세대 파워 일렉트로닉스 혁신 주도

파워 일렉트로닉스 인사이더

연성 자성체 분석을 위한 새로운 방법론이 파워 일렉트로닉스 성능 향상에 기여할 전망입니다. (이미지: 도쿄과학대학)

고주파 손실 문제 해결의 열쇠, 연성 자성체

지속 가능한 사회를 위해 파워 일렉트로닉스의 에너지 변환 효율 개선은 필수적입니다. GaN(질화갈륨)과 SiC(탄화규소) 같은 와이드밴드갭 반도체는 고주파 동작이 가능해 이점이 크지만, 고주파에서 수동 부품의 에너지 손실이 효율과 소형화를 저해합니다. 이에 따라 낮은 에너지 손실을 가진 고성능 연성 자성 소재 개발이 시급한 과제로 떠올랐습니다.

다이아몬드 양자 센서로 AC 누설 자기장 동시 이미징

Communications Materials에 게재된 연구에서, 도쿄과학대학 공학원 하타노 무츠코 교수 연구팀은 히스테리시스 손실 이해의 핵심인 교류(AC) 누설 자기장의 진폭과 위상을 동시에 이미징하는 새로운 분석법을 개발했습니다. 이 연구는 하버드대학, 히타치제작소와 공동으로 수행되었습니다.

연구팀은 질소-공극(NV) 센터를 가진 다이아몬드 양자 센서를 활용해 두 가지 프로토콜을 개발했습니다. 킬로헤르츠 대역용 '큐비트 주파수 추적(Qurack)'과 메가헤르츠 대역용 '양자 헤테로다인(Qdyne) 이미징'으로, 광대역 AC 자기장 이미징을 실현했습니다.

검증 실험과 연성 자성 박막 분석

50턴 코일에 AC 전류를 인가하고 주파수를 100Hz~200kHz(Qurack), 237kHz~2.34MHz(Qdyne)로 스위핑하며 개념 검증 실험을 수행했습니다. 균일한 AC 앙페르 자기장의 진폭과 위상이 2~5µm의 높은 공간 분해능으로 이미징되어 두 프로토콜 모두 검증되었습니다.

이 시스템으로 고주파 인덕터용으로 개발된 CoFeB-SiO₂ 박막의 누설 자기장을 분석한 결과, 하드 축 방향에서 2.3MHz까지 위상 지연이 거의 제로에 가까워 에너지 손실이 무시할 수준임을 확인했습니다. 반면 이지 축 방향에서는 주파수에 따라 위상 지연이 증가해 에너지 소산이 커짐을 관찰했습니다.

양자 센싱의 실용화 전망

이번 성과는 고주파에서 동작하는 연성 자성체 분석에 양자 센싱을 활용할 수 있음을 보여줍니다. 이는 고효율 전자 시스템 개발의 주요 난제를 해결하는 중요한 진전입니다. 특히 에너지 손실과 밀접한 자벽 운동을 가시화할 수 있게 된 점이 실용적 발전과 최적화로 이어질 전망입니다.

하타노 교수는 "고성능 신호 발생기 도입으로 Qurack의 진폭 범위 확장, 스핀 결맞음 시간과 마이크로파 제어 속도 최적화로 Qdyne의 주파수 검출 범위 확대 등 공학적 개선으로 성능을 더 높일 수 있다"고 밝혔습니다. 또한 "광대역에서 AC 자기장의 진폭과 위상을 동시 이미징하는 기술은 파워 일렉트로닉스, 전자석, 비휘발성 메모리, 스핀트로닉스 등 폭넓은 분야에 응용 가능하며, 지속가능발전목표(SDGs) 관련 분야에서 양자 기술 가속화에 기여할 것"이라고 강조했습니다.