세종투데이 주요연구 주요연구 GWTC-2 데이터를 이용한 쌍 블랙홀의 기원 연구 2022-11-02 hit 1301 GWTC-2 데이터를 이용한 쌍 블랙홀의 기원 연구 물리천문학과 Maurice van Putten 2017년 노벨 물리학상을 받은 LIGO의 쌍 블랙홀 (BBH)의 병합 사건, GW150914의 검출은 중성자별-중성자별 또는 중성자별-블랙홀의 병합와 같은 사건들로 가득 찬 우주의 새로운 창을 열었다. LIGO-Virgo 중력파 공동연구팀은 2021년, 40개 이상의 쌍 블랙홀 병합 사건들을 포함하는 새로운 중력파 검출 카탈로그 GWTC-2를 발표 하였다. 이는 쌍 블랙홀의 질량들과 후기 우주의 적색편이 분포 간의 상대적으로 강한 연관성을 포함한 몇몇 새로운 통계적 특징들을 드러내었다 (그림1-2). 그림 1. GWTC-2의 쌍 블랙홀의 주성 (M_1)과 동반성(M_2)의 질량 분포 (파란색 점)와 불확실성 (회색 +)을 나타낸다. 선형 피팅 결과(빨간색 실선)은 0.63의 기울기와 0.93 ± 0.06의 상관계수를 보여준다. 이러한 쌍 블랙홀들은 무거운 별 탄생의 잔재로 여겨진다. 1955년, Edwin E. Salpeter는 단일 별의 초기질량 함수를 도입 하였으며, 이를 Salpeter 지수, α_S = 2.35를 가지는 멱 법칙으로 기술하였다. 이는 놀랍도록 견고한 관계로 입증되어, 현재까지도 별 형성을 이해하는 데에 중요한 역할을 해오고 있다. ANU의 박혜진 박사과정생과 세종대의 김신정 석사후연구원, 김신나 석사후연구원과 Maurice H.P.M. van Putten 교수는 The Astrophysical Journal (천체물리학 저널)에 게재되는 논문에서, 쌍 블랙홀들의 기원이 되는 쌍성들의 평균 질량 μ의 멱 법칙 지수 (α_B^) 가 각각 최대 상관 질량, 비 상관 질량의 한계인 α_S≲α_B^≲2α_S 를 만족해야 함을 보여준다. 이 논문에서 GWTC-2 데이터는 쌍 블랙홀 병합의 평균질량 분포의 가장자리 (μ ≳ 31태양질량)에서 α_B≃2α_S의 멱 법칙 지수를 보인다. 이는 즉, 쌍 블랙홀의 기원이 되는 기원 항성들의 질량이 비 상관임을 보여준다. 또한, 그림 1에 나타난 쌍 블랙홀 질량 간의 다소 밀접한 상관관계는, 관측된 쌍 블랙홀들을 생성하는 두 개의 초신성의 폭발이 시작되기 전에, (쌍성 시스템을 유지한 채로) 두 항성이 비슷한 질량을 가지도록 상당한 질량 전달이 이루어 지는 쌍성 진화론을 시사한다. ΛCDM 현대우주론에서, 쌍 블랙홀들의 기원이 되는 쌍성 질량의 멱 법칙 지수 (α_B)는 우주론적 적색편이가 증가할수록 커진다. 하지만 GWTC-2의 관측에서 도출된 α_B≃2α_S 를 고려했을 때, 지수 α_B^ 는 α_B 보다 클 수 없다. 쌍 블랙홀들의 병합시간은 따라서 허블 타임 (139억년)보다 상대적으로 짧을 것이다. 즉, 기원이 되는 쌍성이 탄생했을 때의 적색편이 분포는 관측된 쌍 블랙홀들의 적색편이 분포 (그림 2)와 상대적으로 가까울 것이다. 특히, 이것은 쌍 블랙홀들의 기원이 되는 쌍성이 항성 종족 III 초기 우주 시대보다는 우주적으로 별 형성률이 절정이었던 시기 이후  (적색편이 z < 2), 즉, 상대적으로 최근인 후기 우주(최근 우주)에 태어났음을 시사한다. 그림 2. 적색편이 z와 쌍 블랙홀의 평균 질량 μ 분포 (초록색 동그라미). 질량분포의 꼬리 부분은 채워진 동그라미로 표시되어 있다. 꼬리 부분에서의 쌍 블랙홀의 평균 질량 (41.9태양질량)과 적색편이의 평균값 (0.51)을 1 평균 편차 (타원)과 함께 + 표시로 나타내었다.  2023년 3월에 계획된 LIGO-Virgo-KAGRA의 O4-5 관측은 더 확장된 쌍 블랙홀 병합의 관측 데이터를 제공함으로써 우리의 결론을 확고히 할 수 있을 것이다. 이러한 앞으로의 관측은 쌍 중성자별 병합과 그들의 병합 후 진화, 그리고 나아가 긴 감마선 폭발(long GRB)과 관련된 강력한 중심붕괴(core-collapse) 초신성 폭발을 포함한 지역우주(즉 가까운 우주)의 관측 자료를 제공할 것이다. 추가 읽기 자료 GWTC-2 카탈로그: https://www.ligo.org/science/Publication-O3aCatalog/index.php  Hye-Jin Park, Shin-Jeong Kim, Shinna Kim & Maurice H.P.M. van Putten, 2022, ApJ, https://doi.org/10.3847/1538-4357/ac9300, 938, 69 ON THE PROGENITORS OF BBHs IN GWTC-2 The seminal LIGO detection of the binary black hole (BBH) merger event GW150914 - awarded the Nobel Prize of Physics in 2017 - opened a new window to the Universe, rife with similar events including mergers of neutron stars with another neutron star or black hole.  The updated gravitational-wave detection catalogue GWTC-2 of 2021 released by the gravitational-wave collaboration LIGO-Virgo contains more than 40 BBH mergers events revealing some novel statistical properties such as a relatively tight correlation between their binary masses and a redshift distribution in the late-time Universe (Figs. 1-2).                                 Figure 1. Overview of primary (M1) and secondary (M2) masses of BBHs in GWTC- 2. Grey crosses indicate uncertainties. A linear fit shows a slope 0.67 with a correlation coefficient r = 0.93 ± 0.06. These BBHs are believed to be remnants of massive star-formation. In 1955, Edwin E. Salpeter introduced the Initial Mass Function (IMF) of single stars, described by a power law with Saltpeter index of α_S=2.35. This relation has proven to be remarkably robust and continues to be a central theme in understanding star formation.  In a paper to appear in The Astrophysical Journal, PhD candidate Hye-Jin Park of ANU, recent graduates Shin-Jeong Kim, Shinna Kim and Professor Maurice H.P.M. van Putten of Sejong University show that the power law index of the mean mass μ of binary stellar progenitors of BBHs satisfies α_S≲α_B^≲2α_S in the limit of maximally correlated, respectively, uncorrelated masses. GWTC-2 shows a power law index of α_B ≃2α_S in the tail of μ ≳ 31M☉ the BBH mergers, indicating uncorrelated progenitor stellar masses. The rather tight correlation of BBH masses shown in Fig. 1 suggests a binary stellar evolution with considerable mass-transfer to relatively similar masses, before the onset of two supernovae producing the observed BBHs (without disrupting the binaries). On a ΛCDM cosmology, the power law index α_B of the progenitor stellar binary systems increases with cosmological redshift. Yet, the observed relation α_B≃2α_S effectively prohibits α_B>α_B. The merger time of BBHs is hereby limited to time-scales relatively short compared to a Hubble time, i.e., the redshift distribution of their stellar progenitors is relatively close to that of the BBH mergers observed (Fig. 2). This puts BBH progenitors in late-time cosmology, at relatively recent times past the peak in the cosmic star-formation rate (i.e., z < 2), rather than the early epoch of Pop III stars.                              Figure 2. Redshifts (circles) versus mean mass μ of the BBH with elements in the tail highlighted (filled). Mean values   of mean mass and redshift in the tail (+) is indicated with 1σ uncertainty (ellipse).  Upcoming LIGO-Virgo-KAGRA observational runs O4-5 planned for March 2023 may solidify our conclusions with an enlarged data-base of BBH mergers. These upcoming observations may provide a survey of the Local Universe including double neutron star mergers and their post-merger evolution, perhaps including energetic core-collapse supernovae associated with long gamma-ray bursts. Additional Reading GWTC-2 catalog: https://www.ligo.org/science/Publication-O3aCatalog/index.php Hye-Jin Park, Shin-Jeong Kim, Shinna Kim & Maurice H.P.M. van Putten, 2022, ApJ, 938, 69, https://doi.org/10.3847/1538-4357/ac9300  다음글 기후변화 대응 벼 품종 개발과 활용 이전글 Modified gravity is boosted by a deeper analysis of galactic rotation curves 목록

세종투데이 주요연구 주요연구 Modified gravity is boosted by a deeper analysis of galactic rotation curves 2022-12-26 hit 2328 Modified gravity is boosted by a deeper analysis of galactic rotation curves: modified inertia may be out, and dark matter is questioned once again Department of Phsics & Astronomy, Sejong University Prof. Kyu-Hyun Chae One of the mysteries of the universe is that Einstein’s general relativity, which is a relativistic theory of Newton’s universal law of gravity, requires large amount of dark matter in individual galaxies and in the vast space of the universe. Dark matter inferred by general relativity has never been identified in non-gravitational experiments. This opens up the possibility that gravity’s law may be subtly different from general relativity while keeping all its experimental successes (known generally as modified gravity) or Newton’s inertia is modified. Such a paradigm known as modified Newtonian dynamics, or MOND for short, was proposed by Mordehai Milgrom in 1983. Galactic rotation curves measured by hydrogen gas orbiting in galactic disks provide powerful testbeds in testing and distinguishing theoretical possibilities. The currently popular cosmological model with cold dark matter and Einstein’s cosmological constant Λ (widely referred to as ΛCDM) predicts the properties of dark matter halos embedding galaxies of stars and gas, so that galactic rotation curves can be predicted by Newtonian dynamics or general relativity. The drastically different MOND paradigm (either modified gravity or modified inertia) proposes to explain galactic rotation curves with only the observed mass distribution of stars and gas.  In disk galaxies where orbits of stars and gas are collectively forming disk geometries, modified gravity and modified inertia predict subtly different rotation velocities in the inner rising part of the rotation curve. This is because in modified gravity theories rotation velocities in the inner disk are slightly suppressed because of gravity perpendicular to the disk plane. Such a suppression causes the rotation curve on an acceleration plane to deviate from the MOND curve. According to kinematics, a rotation velocity V in a circular orbit of radius R means an observed centripetal acceleration g_obs=V²/R while Newton’s theory also predicts an acceleration g_bar at that radius for the observed baryonic mass distribution of stars and gas. These two accelerations define the acceleration plane (Figure 1). Because this effect is tiny, it is not feasible to distinguish between modified gravity and modified inertia with any single galaxy based on current data. However, combined signals from many galaxies may distinguish the two and further provide a distinction between MOND and ΛCDM. Figure 1 The inner and outer rotation curves of 152 SPARC galaxies are separately placed on an acceleration plane. There is a tiny, but clear difference between the inner part and the outer part in remarkable agreement with the prediction of the AQUAL theory of modified gravity. Kyu-Hyun Chae, an astrophysicist and professor at Sejong University (Seoul, South Korea), has just done such a test using 152 high-quality galactic rotation curves selected from the Spitzer Photometry and Accurate Rotation Curves (SPARC) database. The results recently published in the Astrophysical Journal show that rotation velocities of the inner disks do not statistically fall on the curve on the acceleration plane followed by rotation velocities of the outer disks. The significance is more than 5-sigma, the usually accepted rule for a discovery. Rather, the rotation velocities of the inner disks of SPARC galaxies fall right on the somewhat deviated curve numerically predicted by the AQUAL Lagrangian theory of modified gravity proposed by physicists Jacob Bekenstein and Mordehai Milgrom. It was not difficult for Chae to recognize the difference between the inner and outer rotation curves on the acceleration plane and a detailed statistical analysis indeed confirmed it. Chae recalls “When Milgrom and I obtained numerical solutions of AQUAL earlier this year, I became very curious about the robust prediction of the theory on the tiny difference between the inner and outer rotation curves on the acceleration plane. So, I immediately examined the SPARC data and got excited by the fact that the tiny difference was there.” However, it took some time for Chae to do a rigorous statistical analysis and investigate any possible hidden errors. He adds, “It is clear that the SPARC data prefer modified gravity over modified inertia. Of course, this conclusion needs to be confirmed by much larger and higher-quality data in the future. However, the power of the current SPARC data is still very impressive.”  Chae further asked the question of whether dark matter halos predicted by current state-of-the-art hydrodynamics simulations of galaxy formation can be as good as AQUAL, or perhaps even better, in predicting the inner and outer rotation curves. He comments on the results of the investigation, “It is interesting that dark matter halos also predict some difference between the inner and outer rotation curves on the acceleration plane, mimicking AQUAL to some extent. However, dark matter halo results deviate from the SPARC data on the acceleration plane requiring some unnatural fine tuning. What is truly surprising is that AQUAL naturally predicts both the inner and the outer rotation curves without any fine tuning.”   What’s next in testing theories with galactic rotation curves? For a more definite test than the published results, a new database is needed. Chae is currently engaged in an international collaboration including Dr. Federico Lelli of Arcetri Astrophysical Observatory - INAF (Florence, Italy) to undertake a SPARC II project funded by National Research Foundation of Korea. Chae says “The coming years will be an exciting time in search of solutions to the dark matter problem.” References: 1. https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac93fc “Distinguishing Dark Matter, Modified Gravity, and Modified Inertia with the Inner and Outer Parts of Galactic Rotation Curves” 2. https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac5405 “Numerical Solutions of the External Field Effect on the Radial Acceleration in Disk Galaxies” 3. https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.106.103025 “Testing modified gravity theories with numerical solutions of the external field effect in rotationally supported galaxies” 다음글 GWTC-2 데이터를 이용한 쌍 블랙홀의 기원 연구 이전글 기뢰 매몰률 예측에 대한 기술동향 및 발전방향 목록

세종투데이 주요연구 주요연구 Low-acceleration catastrophe of gravity from Gaia observations of wide binary stars: dawn of a new scientific revolution 2023-07-24 hit 1727 Low-acceleration catastrophe of gravity from Gaia observations of wide binary stars: dawn of a new scientific revolution Department of Phsics & Astronomy, Sejong University Prof. Kyu-Hyun Chae A new study reports conclusive evidence for the breakdown of standard gravity in the low acceleration limit from a verifiable analysis of the orbital motions of long-period, widely separated, binary stars, usually referred to as wide binaries in astronomy and astrophysics. The study carried out by Kyu-Hyun Chae, professor of physics and astronomy at Sejong University in Seoul, used up to 26,500 wide binaries within 650 light years (LY) observed by European Space Agency’s Gaia space telescope.  ▲Left: A binary star system with a nested inner binary (credit: Wikipedia). Right: Gravitational anomaly at low acceleration observed in 20,000 wide binaries (credit: Kyu-Hyun Chae) For a key improvement over other studies Chae’s study focused on calculating gravitational accelerations experienced by binary stars as a function of their separation or, equivalently the orbital period, by a Monte Carlo deprojection of observed sky-projected motions to the three-dimensional space. Chae explains on this point, “From the start it seemed clear to me that gravity could be most directly and efficiently tested by calculating accelerations because gravitational field itself is an acceleration. My recent research experiences with galactic rotation curves led me to this idea. Galactic disks and wide binaries share some similarity in their orbits, though wide binaries follow highly elongated orbits while hydrogen gas particles in a galactic disk follow nearly circular orbits.” Also, unlike other studies Chae calibrated the occurrence rate of hidden nested inner binaries at a benchmark acceleration as shown in the Figure.   The study finds that when two stars orbit around with each other with accelerations lower than about one nanometer per second squared start to deviate from the prediction by Newton’s universal law of gravitation and Einstein’s general relativity. For accelerations lower than about 0.1 nanometer per second squared, the observed acceleration is about 30 to 40 percent higher than the Newton-Einstein prediction. The significance is very high meeting the conventional criteria of 5 sigma for a scientific discovery. In a sample of 20,000 wide binaries within a distance limit of 650 LY two independent acceleration bins respectively show deviations of over 5 sigma significance in the same direction. Because the observed accelerations stronger than about 10 nanometer per second squared agree well with the Newton-Einstein prediction from the same analysis, the observed boost of accelerations at lower accelerations is a mystery. What is intriguing is that this breakdown of the Newton-Einstein theory at accelerations weaker than about one nanometer per second squared was suggested 40 years ago by theoretical physicist Mordehai Milgrom at the Weizmann Institute in Israel in a new theoretical framework called modified Newtonian dynamics (MOND) or Milgromian dynamics in current usage.  Moreover, the boost factor of about 1.4 is correctly predicted by a MOND-type Lagrangian theory of gravity called AQUAL, proposed by Milgrom and the late physicist Jacob Bekenstein. What is remarkable is that the correct boost factor requires the external field effect from the Milky Way galaxy that is a unique prediction of MOND-type modified gravity. Thus, what the wide binary data show are not only the breakdown of Newtonian dynamics but also the manifestation of the external field effect of modified gravity. On the results, Chae says, “It seems impossible that a conspiracy or unknown systematic can cause these acceleration-dependent breakdown of the standard gravity in agreement with AQUAL. I have examined all possible systematics as described in the rather long paper. The results are genuine. I foresee that the results will be confirmed and refined with better and larger data in the future. I have also released all my codes for the sake of transparency and to serve any interested researchers.”  Unlike galactic rotation curves in which the observed boosted accelerations can, in principle, be attributed to dark matter in the Newton-Einstein standard gravity, wide binary dynamics cannot be affected by it even if it existed. The standard gravity simply breaks down in the weak acceleration limit in accordance with the MOND framework. Implications of wide binary dynamics are profound in astrophysics, theoretical physics, and cosmology. Anomalies in Mercury’s orbits observed in the nineteenth century eventually led to Einstein’s general relativity. Now anomalies in wide binaries require a new theory extending general relativity to the low acceleration MOND limit. Despite all the successes of Newton’s gravity, general relativity is needed for relativistic gravitational phenomena such as black holes and gravitational waves. Likewise, despite all the successes of general relativity, a new theory is needed for MOND phenomena in the weak acceleration limit. The weak-acceleration catastrophe of gravity may have some similarity to the ultraviolet catastrophe of classical electrodynamics that led to quantum physics. Wide binary anomalies are a disaster to the standard gravity and cosmology that rely on dark matter and dark energy concepts. Because gravity follows MOND, a large amount of dark matter in galaxies (and even in the universe) are no longer needed. This is also a big surprise to Chae who, like typical scientists, “believed in” dark matter until a few years ago.   A new revolution in physics seems now under way. On the present results and the future prospects, Milgrom says, “Chae’s finding is a result of a very involved analysis of cutting-edge data, which, as far as I can judge, he has performed very meticulously and carefully. But for such a far-reaching finding -- and it is indeed very far reaching -- we require confirmation by independent analyses, preferably with better future data. If this anomaly is confirmed as a breakdown of Newtonian dynamics, and especially if it indeed agrees with the most straightforward predictions of MOND, it will have enormous implications for astrophysics, cosmology, and for fundamental physics at large.“  Xavier Hernandez, professor at UNAM in Mexico who first suggested wide binary tests of gravity a decade ago, says, “It is exciting that the departure from Newtonian gravity that my group has claimed for some time has now been independently confirmed, and impressive that this departure has for the first time been correctly identified as accurately corresponding to a detailed MOND model. The unprecedented accuracy of the Gaia satellite, the large and meticulously selected sample Chae uses and his detailed analysis, make his results sufficiently robust to qualify as a discovery.”  Pavel Kroupa, professor at Bonn University and at Charles University in Prague, has come to the same conclusions concerning the law of gravitation. He says, "With this test on wide binaries as well as our tests on open star clusters nearby the Sun, the data now compellingly imply that gravitation is Milgromian rather than Newtonian. The implications for all of astrophysics are immense." The finding was published in the 1 August 2023 issue of the Astrophysical Journal. Reference: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ace101 “Breakdown of the Newton–Einstein Standard Gravity at Low Acceleration in Internal Dynamics of Wide Binary Stars” (The Astrophysical Journal, 2023, Vol. 952, article ID 128) 다음글 기뢰 매몰률 예측에 대한 기술동향 및 발전방향 이전글 원전 해체 발생 방사성 폐액 처리 성능 향상을 위한 친환경 바이오 소재 공정 개발 목록

세종투데이 주요연구 주요연구 고효율 전력변환을 위한 전력반도체 기술 2024-08-16 hit 229 고효율 전력변환을 위한 전력반도체 기술 반도체시스템공학과 임유승 1. 서론 전력변환(Power conversion)이란 용어가 낮설게 느껴질 수 있지만, 우리는 일상 속에서 전력변환 기술을 통해 모든 생활을 영위하고 있다. 우리가 에너지라고 일컫는 전기는 발전소에서 생산되고 모든 가정에 공급이 된다. 우리가 쓰고 있는 220V 교류(AC)전압은 가정에 공급되고 있다는 사실을 알고 있다. 그럼 발전소에서는 어떻게 전달될까?  그림 1. 가정에 공급되는 전압과 전력반도체의 역할 [1] 생산된 전기는 도심으로 전달되기 위해서는 승압이란 과정을 거쳐서 매우 높은 전압을 변환된다. 전압을 크게 바꾸기 위해서는 교류를 이용한 경우 쉽게 가능하고 손실을 감안하더라도 먼 거리를 가능케 한다. 현재 154kV에서 765kV까지 승압을 통해 전달하고 가정에는 배전이란 과정을 거쳐 교류 220V를 공급한다. 여기까지는 우리가 ‘가정에 220V 교류가 들어온다’라는 사실을 인지하기 쉽게 다가온다. 그런데 전력변환이 중요한 이유는 우리가 사용하고 있는 거의 대부분의 전자제품은 직류를 쓰고 있기 때문이다. 직류는 시간에 따라 전압이 변하지 않는 에너지로 노트북, TV, 냉장고, 세탁기 심지어 모든 전자기기까지 직류를 사용하고, 각각의 기기가 요구하는 전력량에 따라 다른 전압을 채택한다. 즉, 220V 교류전압을 5V, 10V, 15V 등의 직류전압으로 바꿔줘야 한다. 여기에 쉽게 접할 수 있는 어댑터(Adapter)를 떠올릴 수 있다. 즉, 어댑터는 교류를 직류로 바꾸어 주고, 원하는 전압으로 낮춰주거나 높여주는 역할을 하는 것이다. 바로 여기에는 반도체의 정류작용(Rectification)이 활용된다. 즉, 전류를 한쪽 방향으로만 흐르게 하는 특징을 활용해, 양과 음 전압으로 실시간으로 변화하는 교류를 한쪽 방향을 걸러 직류로 만들어 주는 기술이 적용된다. 반대로 직류를 교류로 만들어 줄 때는 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM)를 이용해 교류형태로 만들어 주는 기술을 활용한다. 여기에도 당연히 반도체가 활용된다. 그림 2는 전력변환의 종류에 따른 특성을 나타낸다. 순서대로 교류를 직류로 변환, 교류의 주파수변환, 직류 전압의 변경, 직류를 교류로 변환을 나타내며 응용 환경에 따라 사용처가 모두 다르다. 그림 2. 전력변환 종류 [1] 전력변환에 대한 간략한 이해를 돕기 위한 앞선 내용을 바탕으로 본론에서는 도대체 왜 고에너지갭이란 반도체 소재가 필요하며, 고효율이 왜 요구되는지에 대해 다루고자 한다. 2. 높은 전압을 견딘다는 의미 반도체는 밴드갭이란 고유 특성을 갖고 있고, 반도체에 전압을 가할 시 특정 전압 이상에서 항복현상(breakdown)이 발생해 급격히 전류가 증가해 반도체를 제어할 수 없게 되고 열화되는 특성을 갖는다. 이러한 항복현상은 반도체의 밴드갭 크기에 의존하고 있고 대표적으로 Si은 1.1eV의 밴드갭을 갖는다. 이를 항복전계(Breakdown Electrical Field)로 변환하면 0.3MV/cm 값을 갖는다. 즉, Si 자체의 항복전압의 임계값은 정해져 있기 때문에 항복전압을 증가시키기 위해서는 반도체의 저항성을 키워야 한다. 저항성을 키우기 위해서는 반도체의 불순물 농도(impurity concentraion)를 낮추어 저항을 크게 가져가는 방법이 널리 사용된다. 반도체는 불순물의 농도를 조절함으로써 전류를 매우 잘 흐르게 할 수도, 매우 적게 흐르게 할 수 있는 특징을 갖는다. 좀 더 쉽게 얘기하자면, 반도체 특성을 보이는 최적의 디바이스 특성에 저항을 키우기 위한 적은 양의 불순물 농도를 갖는 층을 첨가해 전류가 흐르는 방향으로 저항이 높은 영역을 만들어 주는 것이다. 여기서 저항이 높은 영역의 폭이 넓을수록 전류가 흐르기 더욱 어렵게 되고 견딜 수 있는 항복전압도 키울 수 있게 된다. 또한, 다른 방법으로는 반도체는 전자(Electron)와 정공(Hole)의 각각의 양에 따라 n타입 및 p타입으로 만들 수 있다. 즉, 전자가 많은 상태의 반도체를 n타입, 정공이 많은 상태의 반도체를 p타입으로 일컫는다. 두 반도체가 서로 접합(Junction)을 이룰 때, 우리는 다이오드(Diode)라고 부르며, 이 다이오드가 바로 정류작용을 할 수 있는 반도체 소자가 된다. 이런 반대 극성(Polarity)를 갖는 성분을 이러한 항복전압을 높이기 위한 층으로 활용함으로써도 항복전압을 높일 수 있다. 다시 정리하면, 같은 극성을 갖는 반도체 내 불순물농도가 다른 층을 삽입하는 방법, 그리고 다른 극성을 갖는 층을 삽입하여 두 극성이 만나는 접합면에 공핍층(Depletion layer)이란 층을 형성하여 저항을 키우는 방법을 활용할 수 있다. 이것이 반도체의 항복전압을 높임으로서 응용분야에 맞는 소자 설계를 가능케 한다.  3. 높은 전압 구현의 필요성, Si의 한계 그리고 산업 앞서서 전압의 종류와 변환 그리고 사용분야에 대해 알아 보았다면, 좀 더 전압의 관점에서 살펴보고자 한다. 전압(Voltage)란 전위차(Electric Potential Difference)라고도 불리며, 전기장(Electric Field) 안에서 전하가 갖는 전위(Electric Potential)라고 한다. 쉽게 말해서 어느 구간 사이에 서로 간의 위치에너지 차이라고 볼 수 있다. 전압이 크다는 것은 전하들이 더욱 큰 힘을 갖고 이동할 수 있음을 의미하며, 시간 당 이동하는 전하의 양이 많다는 뜻을 갖는다. 전압을 얘기할 때 떼어 놓을 수 없는 것이 전력(Electric Power, P)이다. 전력은 전기에너지가 일할 수 있는 능력을 나타내고, 단위 시간당 전달되거나 변환된 전기에너지에 의해 수행된 일의 양으로 나타낼 수 있다. 전력(P)는 전압(V)와 전류(I)의 곱으로 나타낼 수 있다. 여기서 우리는 두 가지 조건을 고려해 볼 수 있다. 같은 전력량을 나타내는 A, B 사례에서 A는 B보다 높은 전압을 가지면 상대적으로 적은 전류량을 나타낼 것이다. 이는 어떤 의미일까? 전류가 크면 많은 전자들이 동시간에 흐르게 된다. 이는 내부에 진동 및 충돌을 유발하고 점진적으로 열을 발생시킨다. 열은 곧 손실(Loss)로서 나타나게 된다. 즉, 같은 전력량을 가질 때 높은 전압과 낮은 전류는 손실 측면 및 설계관점에서 보다 유리해 진다.  그러면, 전압을 높이는 것이 항상 옳은 판단인 것인가 라는 질문에는 그렇지 않다. 전압을 높인 다는 것은 결국 반도체의 항복전압을 높여 개방(Open) 상태를 만들어 줘야하는데 항복전압을 높이기 위한 저항층의 두께 증가는 결국 반도체 전체의 저항을 증가시키는 결과를 가져온다. 증가된 저항에 의해 전류를 흘려야하는 상태에서 높은 저항성분으로 인해 손실이 그 만큼 발생한다. 즉, 항복전압과 저항은 서로 트레이드-오프 관계를 가지기 때문에 이를 극복하기 위한 다양한 시도들이 진행되어 왔다. 그 중 여기서는 소재의 한계 극복에 국한해 소개하고자 한다. 그림 3. (좌)물질에 따른 밴드갭 및 항복전계 특성. (우)항복전압 설계에 따른 요구 온저항 특성 그림 3의 좌측 그래프는 물질에 따른 밴드갭 값 및 변환된 항복전계 값을 나타낸 그래프이다. Si의 밴드갭은 1.1eV이고 여기 표시된 각각의 소재들은 다른 밴드갭을 나타낸다. 이 중, 가장 널리 Si를 대체할 소재로서 연구되고 제품화된 소재는 4H-SiC(3.3eV) 및 GaN(3.4eV)이다. 각각 밴드갭이 Si 대비 3배 이상 크기 때문에 소재 자체의 항복전압 특성이 우수하여 저항 설계에 이점을 갖는다. 이에 대해 그림3 우측에 반도체소자가 동작할 때의 저항값과 설계한 항복전압과의 상관관계를 나타낸 그래프에 주목해보자. 가령 1000V의 전압을 견디는 반도체를 제작했다고 가정하면, Si을 사용할 경우 앞서 언급한 저항층의 두께와 저항도를 고려할 때 100mΩ⦁cm2 이상의 저항값을 나타낼 수 밖에 없다. 반면, 4H-SiC 소재를 이용할 경우 0.5mΩ⦁cm2 수준으로 200배 가까이 낮출 수 있다. 이러한 장점을 갖는 넓은 밴드갭을 갖는 소재들을 기반한 전력반도체 개발이 주목을 받고 있다. SiC, GaN 이외에도 Ga2O3, AlN, Diamond에 이르는 울트라와이드 밴드갭을 갖는 소재들의 연구가 활발히 진행되고 있다. 그런데 이러한 고전압이 우리 일상에서 필요할까? 우리는 이미 이러한 고전압을 생활 속에서 경험하고 있다. 여기서 가장 대표적으로 전기자동차를 가져와 봤다.  그림 4. (좌)전기자동차 배러티 충전 및 사용장치 별 전력변환. (우)전압에 따른 자동차 충전 시간 그림4의 왼쪽 그림은 전기자동차 전력변환 시스템을 나타내고 있다. 앞서 살펴본 다양한 전력의 변환이 전체 시스템에 적용된 사례를 한 눈에 살펴볼 수 있다. 전기자동차는 현재 400V 및 800V 전압을 사용하는 배터리 시스템을 사용하고 있고, 용량은 60kWh에서 현재 80kWh 이상으로 증가돼 왔다. 즉, 800V 전압을 사용하는 전기자동차에 사용되는 배터리에서 나오는 직류는 오디오, 계기판 등 전자장치에 사용되는 전압(12 또는 24V)로 변환시켜줘야 하며, 모터 구동에 있어서는 교류로 바꿔줘야 한다. 또한, 높은 전압을 차용한 충전에서는 더욱 차별화가 나타나는데, 우측 그림에서와 같이 충전시간을 현저히 줄일 수 있다. 미국에서는 표준화처럼 쓰고 있는 테슬라의 슈퍼차저 시스템은 480V 충전을 지원한다. 반면, 국내 현대자동차가 출시한 아이오닉5 모델은 800V 충전 지원을 통해, 테슬라보다 1.6배 가량 충전시간을 단축할 수 있다. 전기자동차의 충전시간에 대한 고민은 모든 사용자가 갖고 있는 고민이고 빠른 충전시간은 전기자동차의 보급화에 크게 기여한다. 즉, 고전압을 이용한 시스템 설계는 효율성과 더불어 편의성도 가져올 수 있는 장점을 가진다.  여기서 800V 시스템에는 800V를 버티는 반도체를 쓰면 되는 것인가에 대한 고민을 할 수 있는데, 일반적으로 스위칭이 요구되는 전력변환에 있어 스위칭 및 충방전 동안 짧은 시간 동안의 심한 파형 변화가 불가피하게 나타난다. 이에 과도(Surge) 전압이 발생한다. 짧은 시간(수나노초)이지만 이로 인해 반도체에는 설계 전압보다 매우 큰 전압이 인가되고 이로 인해 소자 파괴에 이를 수 있다. 따라서 약 10~20% 이상의 전압 마진을 통해 설계하는 것이 일반적이며, 보통 800V 전압용으로는 1200V 내압특성을 갖는 반도체 소자가 사용된다. 즉, 고전압 설계는 일상 속에 이미 아래 그림과 같이 활용처가 매우 넓고 제품군 또한 매우 다양하다.  가전기기에서 상업용까지 쓰이지 않는 곳이 없는 이러한 전력반도체는 아이러니하게도 국산화된 기술을 통한 국내 자립도는 10%에도 미치지 못한다. 현재 전력반도체 분야를 주도하고 있는 국가로는 독일, 미국, 일본, 프랑스 등 국내 키 플레이어는 단 한 곳도 없는 실정이다. 소품종 대량생산에 초점이 맞춰져 있는 메모리 반도체 산업과는 달리 전력반도체는 소량 다품종 분야로서 기업마다 제각각인 전력용량을 맞춰야 하는 기업 입장에서는 필드엔지니어의 역할이 매우 중요하며, 고객사에 맞춤형 제품을 제공뿐만 아니라 설계 제안까지 할 수 있는 역량이 요구된다. 이러한 점 때문에 국내 기업이 아직 진출하지 못한 것도 수십 년 간 쌓아온 이러한 생태계에 맞춰 준비해야하는 어려움을 극복하는 것이 숙제로서 남아있기 때문이다. 그럼에도 메모리 분야 외 새로운 고부가가치 산업으로서의 전력반도체는 전망이 밝고 주목을 받고 있다. 스마트 해지고 더욱 지능화하는 전자기기 및 인공지능 시대에 요구되는 기술뿐만 아니라 모든 전자기기들의 근육이자 힘의 원천이 되는 전력반도체의 연구 개발 및 국내 자립도 증대는 또 다른 국내 연구자들의 숙제이자 목표로서 자리매김해 가고 있다. 그림 5. 전력반도체 분야 세계 기업 현황(2023년 YOLE 리포트) 4. 울트라와이드밴드갭 산화갈륨 기술 앞서 Si의 한계를 극복하기 위한 고에너지갭 소재가 갖는 장점들을 살펴보았다면, 실제 연구, 개발 사용화 사례를 다뤄보고자 한다. 첫 번째로 탄화규소(SiC)와 질화갈륨(GaN)에 대해 살펴보자. 탄화규소는 3.3eV 의 넓은 밴드갭과 높은 열전도 특성 (Si 대비 3배 이상)을 갖는다. 대전력 구동에서 높은 전류는 소자에 많은 열을 발생시키며 이러한 열을 빠르게 방출 시키기 위해서 소재의 열 방출 특성이 뛰어나고, 이를 뒷받침한 방열설계가 되어야 한다. 이러한 측면에서 SiC 는 최적의 소재라 할 수 있다. SiC의 Si 대체 가장 성공적인 상업화는 테슬라 Model 3의 인버터 탑재라 할 수 있다. 650V 내압 특성을 planar MOSFET을 이용하여 총 48개의 die를 병렬로 연결한 사례이다. 최근에는 구동계 말고도 충전시스템에 까지 적용 검토가 되고 있고 현대자동차를 비롯 많은 자동차 회사에서 SiC 모델 적용을 진행하고 있다.   GaN의 경우 SiC 대비 고내압 특성의 구조 제작에 어려움이 있으나 2차원전자가스층(Two-Dimensional Electron Gas, 2DEG)을 기반으로 초고속 스위칭이 가능한 High-Electron Mobility Transistor(HEMT) 소자 구현을 통해 5G통신 중계기, X-밴드, k-밴드든 광대역, 고주파용 응용기 가능하다. 특히, 고전력이 요구되는 RF소자에서 입출력 임피던스가 높아 정합회로 구현이 용이하고, 작은 칩면적 구현, Si 대비 주파수 특성이 우수하다. 마지막으로 산화갈륨에 대해 소개하고자 한다. 산화갈륨(Ga2O3)은 4.8eV-5.3eV의 매우 넓은 밴드갭을 갖고 있고 앞선 SiC 및 GaN과 가장 큰 차별점으로 Si과 같은 대구경 웨이퍼 잉곳(Ingot)기반의 소재 생산이 가능하다. 4인치 SiC 웨이퍼 한 장의 가격이 연구용으로 100만원 가까이 하고, GaN의 경우에도 50-80만원에 이르는 등 가격이 매우 높다. 이에 반해 산화갈륨의 생산성 측면에서는 매우 유리한데, 아직 연구 초기 단계로서 실질적인 웨이퍼 가격은 매우 고가이다 (2인치 기준 300만원). 그럼에도 불구하고 공정이 용이하고 초고전압 응용에 적합한 특성으로 국내외 연구진들의 불철주야 연구에 매진하고 있다. 상용화에 이르지 못한 현 시점에서 산화갈륨은 국외 의존도가 높은 전력반도체 시장에 국내 기업이 뛰어들 수 있는 기회라 할 수 있다. 원천기술에서부터 사용화 기술까지 이르는 대규모 정부 프로젝트가 현재 진행 중에 있다. 필자 또한 1200V급 산화갈륨 다이오드 및 트랜지스터 개발 과제를 산업통상자원부로부터 지원받아 개발에 참여하고 있다. 연구개발에 박차를 가해 국내 차세대 전력반도체 기술 개발이 세계적으로 선도 되기를 희망한다.  그림 6.(좌)테슬라 Model 3에 탑재된 메인 인버터의 24개 650V급 SiC MOSFET 탑재 사진. (우)400V 테슬라 Model 3 시스템의 650V SiC Planar MOSFET 기반 3상 모터 구동을 위한 구동계 인버터 모델 [3] 5. 결론 고효율 전력변환은 점차 커져가는 에너지 소비의 중요성과 더불어 저탄소 기술 구현에 필수 요건으로 자리매김 해 가고 있다. 전자제품에서부터 전기자동차, 전기항공/수상택시, 전기저장시스템, 발전소, 대형 선박, 기차, 항공 등 우리가 영위하고 있는 모든 기술에 전력변환은 필수 기술이다. 이러한 기술에 친환경, 에너지 효율 극대화라는 두 키워드는 반드시 짊어지고 가야할 숙제라 할 수 있다. 국내 기업의 자립도가 가장 낮은 반도체 분야인 전력반도체 분야에 적극적인 투자와 관심 그리고 기초연구와 함께 많은 노력을 전방위적으로 기울여야할 시기라고 할 수 있다. 국내 메모리 편중 시장에서 보다 넓은 시장으로 눈을 돌리며, 현재 국내 대기업들이 하나 둘 전력반도체 제품 개발에 뛰어드는 것을 지켜보며 성공적으로 안착하길 기대해 본다. 참고문헌 [1] https://www.semicon.sanken-ele.co.jp/en/guide/powersemicon.html [2] https://www.yolegroup.com/strategy-insights/power-electronics-meeting-the-shift-towards-electrification-and-renewable-energy-trends/ [3] https://www.pgcconsultancy.com/post/examining-tesla-s-75-sic-reduction 다음글 장주기 쌍성에서 발견된 뉴턴-아인슈타인 표준중력의 붕괴: 천체물리와 우주론에서의 과학혁명 이전글 이전글이 없습니다. 목록

세종피플 교수 교수 역사학과 이지은 교수, 모디 3기, 한국·인도 관계 집중조명 심포지엄 참석 2024-06-19 hit 665 ▲심포지엄에 참석한 이지은 교수(오른쪽에서 두 번째) 역사학과 이지은 교수는 지난 6월 7일 서울 중구 한국일보 본사에서 모디 3기 정부, 한국·인도 관계 집중조명을 주제로 열린 심포지엄에서 패널로 참석했다. 이번 행사에서는 국내외 최고 인도 전문가들이 모여 이번 총선 결과를 분석하고, 모디 3기 시대 인도와 한국의 협력관계를 재조명했다. 이번 인도 총선은 집권 BJP가 압승할 것이라는 기존의 예상과는 아예 다른 결과가 나왔다. 이에 심포지엄에 참석한 인도포럼 회장, 인도연구원장 등 많은 전문가들은 이번 총선 결과를 힌두민족주의의 퇴조와 민생을 외면한 경제성장 정책에 대한 심판이라고 분석했다. 이지은 교수는 "서민경제 위기 속에서도 파키스탄을 상대로 전쟁 위기를 조장하는 등 BJP는 종교를 정치에 이용하는 애국심 마케팅을 통해 선거공학적으로 성공해왔다"면서 "고질적 청년 실업 문제에 희망이 보이지 않자 힌두민족주의가 자연스럽게 퇴조한 것"이라고 평가했다.  취재/ 강은지 홍보기자(keej1758@naver.com) 다음글 인공지능데이터사이언스학과 정세훈 교수, ‘바이오칩 젊은 인재상’ 수상 이전글 호텔관광외식경영학과 박한 교수, ‘인터네셔날 바텐더 챔피언쉽 파타야 믹솔로지 앤드 플레어 오픈 2024’ 국제심사위원으로 4년 연속 선임 목록

세종피플 교수 교수 호텔관광외식경영학과 박한 교수, ‘인터네셔날 바텐더 챔피언쉽 파타야 믹솔로지 앤드 플레어 오픈 2024’ 국제심사위원으로 4년 연속 선임 2024-07-09 hit 628 ▲박한 교수 호텔관광외식경영학과 박한 교수는 태국 파타야에서 개최되는 인터네셔날 바텐더 챔피언쉽 파타야 믹솔로지 앤드 플레어 오픈 2024에 4년 연속 국제심사위원으로 선임됐다. 이번 챔피언쉽은 태국 최대의 휴양지인 파타야 비치 센트럴 오픈 스테이지에서 7월 8일부터 10일까지 진행된다. 아시아 지역 5대 세계대회 중 하나인 ‘인터네셔날 바텐더 챔피언쉽 파타야 믹솔로지 앤드 플레어 오픈(International Bartender Championship Pattaya Mixology & Flair Open)’은 아시아권에서 개최되는 세계 바텐더대회로 아시아는 물론 유럽 국가들까지 출전하는 세계적인 대회이다. 박한 교수는 아시아바텐더협회(Asia Bartenders Association) 국제기구의 상임이사국 한국대표로서 미쉐린가이드 스타레벨레이션서울의 총괄믹솔로지스트 겸 한국외식음료협회 회장으로도 활동하고 있는 세계 최초의 믹솔로지스트 연구 박사학위 취득자이다.   아시아바텐더협회는 아시아 지역 바텐더들의 위상이 높아짐에 따라 세계플레어바텐더협회인  월드플레어협회(World Flair Association: WFA) 협회에서 아시아권 대표 단체로 분리해 활동하게 된 아시아권 바텐더들의 공익 단체이다. 상임이사국인 △한국 △일본 △대만 △태국,  이사국인 △필리핀 △인도네시아 △베트남, 회원국인 △말레이시아 △중국 △싱가포르 △미얀마 △홍콩 등의 국가를 중심으로 약 30개국 이상의 국가에서 협회 활동 및 대회에 참가하고 있다. 박한 교수는 “이번 파타야 대회가 바텐더의 믹솔로지(크레프트 칵테일 기술연구) 부문과 플레어(이벤트 칵테일 퍼포먼스) 부문을 동시에 진행하는 첫 세계대회인 만큼 프로 바텐더들이 기술적인 발전을 이뤄낼 수 있는 경연이 되도록 상임이사국 국제심사위원으로서의 역할에 최선을 다하겠다“고 말했다. 취재/ 강은지 홍보기자(keej1758@naver.com) 다음글 역사학과 이지은 교수, 모디 3기, 한국·인도 관계 집중조명 심포지엄 참석 이전글 식품생명공학전공 임태규 교수 연구팀, 2024년 이공분야 학술연구 지원사업 선정 목록

세종피플 교수 교수 영화예술학과 송현옥 교수 연출, 라경민 교수 제작총괄 연극 <의자 고치는 여인> 공연 개최 2024-08-02 hit 343 ▲연극 <의자 고치는 여인> 성남아트리움 대극장 공연 포스터 ▲연극 <의자 고치는 여인> 하남문화예술회관 대극장 공연 포스터 영화예술학과 송현옥 교수가 연출을 맡고 라경민 교수가 제작 총괄을 맡은 연극 <의자 고치는 여인> 공연이 (재)예술경영지원센터의 ‘중소규모 콘텐츠유통사업’에 선정돼 하남, 성남에서 개최된다. 연극 <의자 고치는 여인>은 <기 드 모파상> 원작의 고전 텍스트가 가진 고유한 아름다움과 배우의 신체에서 나오는 조형미가 어우러진 작품이다. 해당 연극은 두 교수가 이끄는 세종대 산학합력극단인 극단 ‘물결’의 대표 레퍼토리 공연으로서, 2019년 한국문화예술위원회에서 주관하는 창작산실 올해의 신작 부분에 선정된 공연이다.  2020년 초연 후 공연의 작품성을 검증받아 2023년에는 한국문화예술회관연합회에서 주관하는 방방곡곡 문화공감 사업에 선정됐으며, 용인, 인천, 진주에서 순회공연을 진행했다. 올해는 (재)예술경영지원센터에서 주관하는 중소규모콘텐츠 유통 사업에 선정되는 쾌거를 이룩했다. 이번 공연은 8월 30일과 31일에 하남 문화예술회관 대극장, 9월 13일과 14일에 성남아트리움 대극장에서 진행된다.  한편, 극단 ‘물결’은 영화예술학과 출신 인물들의 공연 예술 현장 진출을 위한 교두보 역할을 하는 세종대의 산학협력극단이다. 이번 공연 또한 프로던션 참여진의 대부분이 영화예술학과 교수, 강사진과 재학생 및 졸업생으로 구성돼 세종대의 위상을 높이고 대외 경쟁력 강화 및 이미지 향상에 기여하고 있다. <의자 고치는 여인>의 연출을 맡은 송현옥 교수는 고전 드라마의 동시대적 해석과 연극, 음악, 움직임 등 다양한 표현 매체가 결합된 창의적인 무대언어 개발에 능통한 연출가로도 활동하고 있다.  이번 공연의 총괄 프로듀서를 맡은 라경민 교수는 2023년 본교에 부임 후, 교육과 현장을 연계할 수 있는 인큐베이팅 시스템 개발에 총력을 기울이고 있다.  두 교수는 “세종대만의 창의적인 공연예술 콘텐츠가 강의실에 머물지 않고 현장의 관객들과 끊임없이 소통할 수 있는 기회를 얻을 수 있어 뿌듯하다”며 “학과의 경쟁력 있는 학생들이 안전한 프로덕션 환경 안에서 현장으로 진출하고 있어 행복하다”고 소감을 밝혔다. 또한, “앞으로도 다양한 세대와 소통할 수 있는 공연예술 창작 콘텐츠를 개발해 학생들의 현장 진출을 돕고 세종대의 대외 경쟁력을 강화하는 데 최선을 다하겠다”고 밝혔다. 취재/ 최수연 홍보기자(soo6717@naver.com) 다음글 식품생명공학전공 임태규 교수 연구팀, 2024년 이공분야 학술연구 지원사업 선정 이전글 수학통계학과 하길찬 교수 저서 ‘머신러닝을 위한 수학 길잡이’, 2024년 대한민국학술원 우수학술도서 선정 목록

세종피플 교수 교수 반도체시스템공학과 엄태용 교수, 재료 분야 최고 권위 학술지 논문 발표 2024-08-07 hit 369 ▲(왼쪽부터)엄태용 교수, KAIST 신소재공학과 강기범 교수, 박현빈 연구원(제1저자) 반도체시스템공학과 엄태용 교수 연구팀이 나노과학 및 나노기술 분야 최고 권위 학술지 ACS Nano에 논문을 발표했다. ACS Nano는 높은 영향력(Impact Factor 15.8)과 엄격한 동료 심사 과정을 통해 세계적인 연구 결과를 소개하는 저널이다. 연구팀은 Bi2SeO5라는 물질로 박막을 만드는 방법을 개발했다. 이번 연구는 KAIST 신소재공학과 강기범 교수팀과 공동으로 진행됐다.   Bi2SeO5는 고유전율(High-k)을 가지는 물질로 그래핀(Graphene)과 같은 2차원 반도체 소재와 접합성이 우수해, 차세대 2차원 반도체 트랜지스터에서 절연체 역할을 한다. 그러나 이 우수한 Bi2SeO5의 특성에도 불구하고 반도체 산업에서 일반적으로 사용되는 물질(SiO2, TiN) 층위에는 전혀 형성되지 않아 추가적인 연구에 어려움이 있었다. 이에 엄태용 교수 연구팀은 원자층 증착(ALD)이라는 기술을 활용해 매우 얇고 균일한 Bi2SeO5 박막을 연구 개발했다. 이 기술은 원자를 하나씩 증착해 박막을 만드는 매우 정교한 기술로 특히 증착 과정 중 반응성이 높은 중간체를 형성하는 화학 반응을 유도해, 전기적으로 우수한 특성을 가진 Bi2SeO5 박막을 현재 반도체 기술에 범용적으로 사용되는 기판 위에 형성할 수 있었다. 연구 결과는 차세대 반도체 소자에서 고유전율 유전체로 Bi2SeO5를 사용할 수 있는 가능성을 열었다. 또한 Bi2SeO5의 우수한 전기적 특성은 차세대 전자 소자의 특성을 개선할 수 있을 것이며 기존 반도체 제조 기술과 호환성이 우수해 2차원 반도체의 상용화 가능성을 높이는 중요한 기반이 될 것으로 예상된다. 엄태용 교수는 “이번 공동 연구를 통해 박막 형성 과정에서 화학 반응을 효과적으로 제어함으로써, 차세대 2차원 소재를 형성할 수 있는 기술을 최초로 개발했다. 이를 바탕으로 2차원 반도체 트랜지스터와 이를 이용한 모놀리식 3차원(M3D) 집적 반도체 개발에 도움이 될 것이다”고 소감을 전했다. 취재/ 홍가연 홍보기자(gyhong1211@naver.com) 다음글 수학통계학과 하길찬 교수 저서 ‘머신러닝을 위한 수학 길잡이’, 2024년 대한민국학술원 우수학술도서 선정 이전글 경영학부 이상재 교수, 국제 학술지 Advances in Internet of Things and Edge Computing의 편집위원에 선임 목록

세종피플 교수 교수 경영학부 이상재 교수, 국제 학술지 Advances in Internet of Things and Edge Computing의 편집위원에 선임 2024-08-26 hit 230 ▲경영학부 이상재 교수 경영학부 이상재 교수는 국제 학술지인 Advances in Internet of Things and Edge Computing의 편집위원(editorial board member)에 선임됐다.  Advances in Internet of Things and Edge Computing은 사물통신(Internet of Things) 및 엣지 컴퓨팅의 설계 및 응용에 관한 관련 분야를 발전시키고 영향력 있는 연구 결과를 게재하는 국제학술지이다. 이 교수는 저널에 투고되는 사물통신 및 엣지 컴퓨팅 분야의 논문 심사 및 편집에 참여한다.  이 교수는 빅데이터를 활용한 비즈니스 애널리틱스 분야에 인공지능 머신러닝 기법을 활용한 기법을 적용해 비즈니스 성과를 예측하거나 설명하는 연구를 수행해 왔다. 이 교수는 모바일 및 사물통신의 지속적 사용에 대한 연구를 수행했고 인공지능 머신러닝 기법을 응용해 B2B 시스템의 보안 통제 절차를 제안하는 연구결과를 학술지에 게재했다. 또한 △RFID △클라우딩 서비스 △4G 네트워크 △인트라넷 △소셜 앱 △소셜네트워크의 도입 혹은 연속적 사용에 미치는 시스템 변수에 대한 연구 결과를 게재했다. 해당 연구 결과는 △Journal of Social Computing △Data Science in Finance and Economics △International Journal of Electronic Commerce △Information Technology and Management △Decision Support systems △European Journal of Information Systems △Information & Management △Expert Systems with Applications △Information Processing & Management △International Journal of Accounting Information Systems △Behavior & Information Technology △Journal of Knowledge Management △Technological Forecasting and Social Change △Telecommunication Systems △Computers in Human Behavior △International Journal of Mobile Communications △Applied Sciences △Management Decision △Annals of Mathematics and Physics에 게재됐다.  이 교수는 “앞으로 사물통신 기반 모바일 시스템, 빅데이터를 사용한 비즈니스 애널리틱스 그리고 사이버보안 경영관리 분야에서 높은 학문적 영향력을 달성하기 위해 노력하겠다”며 “이를 위해 더 발전적으로 변환된 최신의 머신러닝 기법을 텍스트 마이닝 등에 적용해서 비즈니스 서비스 성과를 예측하는 연구, 그리고 클라우딩 서비스, 소셜 컴퓨팅, 모바일 컴퓨팅 분야에서 질적으로 우수한 연구를 수행하겠다”고 말했다. 한편 이 교수는 구글 스칼라(Google Scholar) 인용 횟수 기준 비즈니스 정보 시스템 분야의 세계 연구자 중 4위(보안경영 분야 5위, 비즈니스 애널리틱스 분야 64위, 컴퓨터 정보시스템 분야 1위)를 기록하고 있다.  취재/ 강은지 홍보기자(keej1758@naver.com) 다음글 반도체시스템공학과 엄태용 교수, 재료 분야 최고 권위 학술지 논문 발표 이전글 경제학과 이혁진 교수, ‘Business Strategy and the Environment’에 논문 게재 목록

세종피플 교수 교수 경제학과 이혁진 교수, 국제 학술지 ‘Journal of Infrastructure, Policy and Development’의 편집위원으로 선임 2024-09-11 hit 169 ▲이혁진 교수 경제학과 이혁진 교수가 국제 학술지 Journal of Infrastructure, Policy and Development의 편집위원으로 선임됐다. Journal of Infrastructure, Policy and Development는 사회 기반 시설, 정책, 개발과 관련된 다양한 주제를 다루며 인프라 개발과 정책이 경제 및 사회 발전에 미치는 영향을 중점적으로 연구하는 국제 학술지이다. 또한 ESCI와 Scopus에 등재된 학술지로서 전 세계적으로 학술적 권위를 인정받고 있다. 이 교수는 경제의 최종 결정권자인 소비자의 심리와 선택을 이해하는 것이 기업이 효과적인 전략을 수립하고 지속 가능한 성장을 이루는 데 필수적이라는 믿음 아래 다양한 분야에서 소비자 행동을 탐구해 왔다.  최근에는 ESG(Environmental Social Governance)와 Net-Zero 관련 연구를 통해 기업의 ESG 경영과 Net-Zero 노력이 소비자의 인식, 신뢰, 선택에 미치는 영향을 분석하고 있다.  이 교수의 연구는 △Business Strategy and the Environment △Sustainable Production and Consumption △Sustainability △Applied Economics 등 저명 학술지에 게재됐다. 이 교수는 “소비자 행동에 대한 깊은 이해는 기업과 정부 모두에게 성공적인 전략을 세우는 핵심 요소가 될 수 있다. Journal of Infrastructure, Policy and Development의 편집위원으로서 저널이 이러한 지식을 제공하는 중요한 플랫폼이 될 수 있도록 기여하고자 한다. 학계와 정책 입안자들이 지속 가능한 인프라 개발과 정책을 수립하는 데 필요한 학문적 기반 마련에 도움이 되기를 바란다”라고 소감을 전했다.  취재/ 홍가연 홍보기자(gyhong1211@naver.com) 다음글 물리천문학과 Ghulam Dastgeer 교수, 성균관대 연구팀과 Advanced Functional Materials 저널에 논문 게재 이전글 이전글이 없습니다. 목록

웹진 세종소식 세종소식 Vol.207 Vol.206 Vol.205 Vol.204 Vol.203 Vol.202 Vol.201 Vol.200 Vol.199 Vol.198 Vol.197 Vol.196 Vol.195 Vol.194 Vol.193 Vol.192 Vol.191 Vol.190 Vol.189 Vol.188 Vol.187 Vol.186 Vol.185 Vol.184 Vol.183 Vol.182 Vol.181 Vol.180 Vol.179 Vol.178 Vol.177 Vol.176 Vol.175 Vol.174 Vol.172173 Vol.171 Vol.170 Vol.169 Vol.168 Vol.167 Vol.166 Vol.165 Vol.164 Vol.163 Vol.162 Vol.161 Vol.160 Vol.159 Vol.158 Vol.157 Vol.156 KR EN PDF 다운로드

웹진 세종공대 세종공대 Vol.39 Vol.38 Vol.37 Vol.36 Vol.35 Vol.34 Vol.33 Vol.32 Vol.31 Vol.30 Vol.29 Vol.28 Vol.27 Vol.26 Vol.25 Vol.24 Vol.23 Vol.22 Vol.21 Vol.20 Vol.20 Vol.19 Vol.18 Vol.17 Vol.16 Vol.15 Vol.14 Vol.13 Vol.12 Vol.11 Vol.10 Vol.9 Vol.8 Vol.7 Vol.6 Vol.5 Vol.4 Vol.3 Vol.2 Vol.1 KR EN

웹진 세종소식 기사목록 세종소식 인공지능데이터사이언스학과 정세훈 교수, ‘바이오칩 젊은 인재상’ 수상 2024-08-07 hit 127 ▲정세훈 교수 인공지능데이터사이언스학과 정세훈 교수가 경주 화백컨벤션센터(HICO)에서 열린 ‘2024 한국바이오칩학회 춘계학술대회에서 바이오칩 젊은 인재상을 수상했다. 한국바이오칩학회는 바이오 의료 BT-IT 융합 연구에 있어 대한민국에서 가장 대표적인 핵심 학회다. 바이오칩 젊은 인재상은 학문적 업적과 학회 발전에 이바지한 공로를 인정해 독창적이고 학문적 가치가 높은 성과와 업적을 낸 신진연구자 1인을 선정해 수여하는 상이다. 정 교수는 지능형 생체전자시스템 기술을 기반으로 생체 기능을 모방한 뇌 및 뇌혈관장벽 오간온어칩(Organ-on-a-chip) 시스템 기술을 개발하고, 이를 동물대체시험 신약평가시스템으로 사업화한 실적 등의 업적을 인정받아 수상했다. 뇌공학 분야를 연구하고 있는 정 교수는 전자전기컴퓨터공학을 전공하고 미국 Texas A&M University에서 바이오메디컬공학 박사 학위를 취득했으며, 스타트업 교수창업을 통해 현재 아큐바이오타스 주식회사 대표로도 활동하고 있다. 다음글 세종대, ‘2024 라이덴랭킹’ 2년 연속 국내 1위 이전글 이전글이 없습니다. 목록

웹진 세종소식 기사목록 세종소식 반도체시스템공학과 엄태용 교수, 재료 분야 최고 권위 학술지 논문 발표 2024-08-07 hit 161 ▲(왼쪽부터)엄태용 교수, KAIST 신소재공학과 강기범 교수, 박현빈 연구원(제1저자) 반도체시스템공학과 엄태용 교수 연구팀이 나노과학 및 나노기술 분야 최고 권위 학술지 ACS Nano에 논문을 발표했다. ACS Nano는 높은 영향력(Impact Factor 15.8)과 엄격한 동료 심사 과정을 통해 세계적인 연구 결과를 소개하는 저널이다. 연구팀은 Bi2SeO5라는 물질로 박막을 만드는 방법을 개발했다. 이번 연구는 KAIST 신소재공학과 강기범 교수팀과 공동으로 진행됐다. Bi2SeO5는 고유전율(High-k)을 가지는 물질로 그래핀(Graphene)과 같은 2차원 반도체 소재와 접합성이 우수해, 차세대 2차원 반도체 트랜지스터에서 절연체 역할을 한다. 그러나 이 우수한 Bi2SeO5의 특성에도 불구하고 반도체 산업에서 일반적으로 사용되는 물질(SiO2, TiN) 층위에는 전혀 형성되지 않아 추가적인 연구에 어려움이 있었다. 이에 엄태용 교수 연구팀은 원자층 증착(ALD)이라는 기술을 활용해 매우 얇고 균일한 Bi2SeO5 박막을 연구 개발했다. 이 기술은 원자를 하나씩 증착해 박막을 만드는 매우 정교한 기술로 특히 증착 과정 중 반응성이 높은 중간체를 형성하는 화학 반응을 유도해, 전기적으로 우수한 특성을 가진 Bi2SeO5 박막을 현재 반도체 기술에 범용적으로 사용되는 기판 위에 형성할 수 있었다. 연구 결과는 차세대 반도체 소자에서 고유전율 유전체로 Bi2SeO5를 사용할 수 있는 가능성을 열었다. 또한 Bi2SeO5의 우수한 전기적 특성은 차세대 전자 소자의 특성을 개선할 수 있을 것이며 기존 반도체 제조 기술과 호환성이 우수해 2차원 반도체의 상용화 가능성을 높이는 중요한 기반이 될 것으로 예상된다. 엄태용 교수는 “이번 공동 연구를 통해 박막 형성 과정에서 화학 반응을 효과적으로 제어함으로써, 차세대 2차원 소재를 형성할 수 있는 기술을 최초로 개발했다. 이를 바탕으로 2차원 반도체 트랜지스터와 이를 이용한 모놀리식 3차원(M3D) 집적 반도체 개발에 도움이 될 것이다”고 소감을 전했다. 다음글 세종대, ‘2024 라이덴랭킹’ 2년 연속 국내 1위 이전글 이전글이 없습니다. 목록

웹진 세종소식 기사목록 세종소식 고효율 전력변환을 위한 전력반도체 기술 2024-08-07 hit 276 고효율 전력변환을 위한 전력반도체 기술 반도체시스템공학과 임유승 1. 서론 전력변환(Power conversion)이란 용어가 낮설게 느껴질 수 있지만, 우리는 일상 속에서 전력변환 기술을 통해 모든 생활을 영위하고 있다. 우리가 에너지라고 일컫는 전기는 발전소에서 생산되고 모든 가정에 공급이 된다. 우리가 쓰고 있는 220V 교류(AC)전압은 가정에 공급되고 있다는 사실을 알고 있다. 그럼 발전소에서는 어떻게 전달될까?  그림 1. 가정에 공급되는 전압과 전력반도체의 역할 [1] 생산된 전기는 도심으로 전달되기 위해서는 승압이란 과정을 거쳐서 매우 높은 전압을 변환된다. 전압을 크게 바꾸기 위해서는 교류를 이용한 경우 쉽게 가능하고 손실을 감안하더라도 먼 거리를 가능케 한다. 현재 154kV에서 765kV까지 승압을 통해 전달하고 가정에는 배전이란 과정을 거쳐 교류 220V를 공급한다. 여기까지는 우리가 ‘가정에 220V 교류가 들어온다’라는 사실을 인지하기 쉽게 다가온다. 그런데 전력변환이 중요한 이유는 우리가 사용하고 있는 거의 대부분의 전자제품은 직류를 쓰고 있기 때문이다. 직류는 시간에 따라 전압이 변하지 않는 에너지로 노트북, TV, 냉장고, 세탁기 심지어 모든 전자기기까지 직류를 사용하고, 각각의 기기가 요구하는 전력량에 따라 다른 전압을 채택한다. 즉, 220V 교류전압을 5V, 10V, 15V 등의 직류전압으로 바꿔줘야 한다. 여기에 쉽게 접할 수 있는 어댑터(Adapter)를 떠올릴 수 있다. 즉, 어댑터는 교류를 직류로 바꾸어 주고, 원하는 전압으로 낮춰주거나 높여주는 역할을 하는 것이다. 바로 여기에는 반도체의 정류작용(Rectification)이 활용된다. 즉, 전류를 한쪽 방향으로만 흐르게 하는 특징을 활용해, 양과 음 전압으로 실시간으로 변화하는 교류를 한쪽 방향을 걸러 직류로 만들어 주는 기술이 적용된다. 반대로 직류를 교류로 만들어 줄 때는 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM)를 이용해 교류형태로 만들어 주는 기술을 활용한다. 여기에도 당연히 반도체가 활용된다. 그림 2는 전력변환의 종류에 따른 특성을 나타낸다. 순서대로 교류를 직류로 변환, 교류의 주파수변환, 직류 전압의 변경, 직류를 교류로 변환을 나타내며 응용 환경에 따라 사용처가 모두 다르다. 그림 2. 전력변환 종류 [1] 전력변환에 대한 간략한 이해를 돕기 위한 앞선 내용을 바탕으로 본론에서는 도대체 왜 고에너지갭이란 반도체 소재가 필요하며, 고효율이 왜 요구되는지에 대해 다루고자 한다. 2. 높은 전압을 견딘다는 의미 반도체는 밴드갭이란 고유 특성을 갖고 있고, 반도체에 전압을 가할 시 특정 전압 이상에서 항복현상(breakdown)이 발생해 급격히 전류가 증가해 반도체를 제어할 수 없게 되고 열화되는 특성을 갖는다. 이러한 항복현상은 반도체의 밴드갭 크기에 의존하고 있고 대표적으로 Si은 1.1eV의 밴드갭을 갖는다. 이를 항복전계(Breakdown Electrical Field)로 변환하면 0.3MV/cm 값을 갖는다. 즉, Si 자체의 항복전압의 임계값은 정해져 있기 때문에 항복전압을 증가시키기 위해서는 반도체의 저항성을 키워야 한다. 저항성을 키우기 위해서는 반도체의 불순물 농도(impurity concentraion)를 낮추어 저항을 크게 가져가는 방법이 널리 사용된다. 반도체는 불순물의 농도를 조절함으로써 전류를 매우 잘 흐르게 할 수도, 매우 적게 흐르게 할 수 있는 특징을 갖는다. 좀 더 쉽게 얘기하자면, 반도체 특성을 보이는 최적의 디바이스 특성에 저항을 키우기 위한 적은 양의 불순물 농도를 갖는 층을 첨가해 전류가 흐르는 방향으로 저항이 높은 영역을 만들어 주는 것이다. 여기서 저항이 높은 영역의 폭이 넓을수록 전류가 흐르기 더욱 어렵게 되고 견딜 수 있는 항복전압도 키울 수 있게 된다. 또한, 다른 방법으로는 반도체는 전자(Electron)와 정공(Hole)의 각각의 양에 따라 n타입 및 p타입으로 만들 수 있다. 즉, 전자가 많은 상태의 반도체를 n타입, 정공이 많은 상태의 반도체를 p타입으로 일컫는다. 두 반도체가 서로 접합(Junction)을 이룰 때, 우리는 다이오드(Diode)라고 부르며, 이 다이오드가 바로 정류작용을 할 수 있는 반도체 소자가 된다. 이런 반대 극성(Polarity)를 갖는 성분을 이러한 항복전압을 높이기 위한 층으로 활용함으로써도 항복전압을 높일 수 있다. 다시 정리하면, 같은 극성을 갖는 반도체 내 불순물농도가 다른 층을 삽입하는 방법, 그리고 다른 극성을 갖는 층을 삽입하여 두 극성이 만나는 접합면에 공핍층(Depletion layer)이란 층을 형성하여 저항을 키우는 방법을 활용할 수 있다. 이것이 반도체의 항복전압을 높임으로서 응용분야에 맞는 소자 설계를 가능케 한다.  3. 높은 전압 구현의 필요성, Si의 한계 그리고 산업 앞서서 전압의 종류와 변환 그리고 사용분야에 대해 알아 보았다면, 좀 더 전압의 관점에서 살펴보고자 한다. 전압(Voltage)란 전위차(Electric Potential Difference)라고도 불리며, 전기장(Electric Field) 안에서 전하가 갖는 전위(Electric Potential)라고 한다. 쉽게 말해서 어느 구간 사이에 서로 간의 위치에너지 차이라고 볼 수 있다. 전압이 크다는 것은 전하들이 더욱 큰 힘을 갖고 이동할 수 있음을 의미하며, 시간 당 이동하는 전하의 양이 많다는 뜻을 갖는다. 전압을 얘기할 때 떼어 놓을 수 없는 것이 전력(Electric Power, P)이다. 전력은 전기에너지가 일할 수 있는 능력을 나타내고, 단위 시간당 전달되거나 변환된 전기에너지에 의해 수행된 일의 양으로 나타낼 수 있다. 전력(P)는 전압(V)와 전류(I)의 곱으로 나타낼 수 있다. 여기서 우리는 두 가지 조건을 고려해 볼 수 있다. 같은 전력량을 나타내는 A, B 사례에서 A는 B보다 높은 전압을 가지면 상대적으로 적은 전류량을 나타낼 것이다. 이는 어떤 의미일까? 전류가 크면 많은 전자들이 동시간에 흐르게 된다. 이는 내부에 진동 및 충돌을 유발하고 점진적으로 열을 발생시킨다. 열은 곧 손실(Loss)로서 나타나게 된다. 즉, 같은 전력량을 가질 때 높은 전압과 낮은 전류는 손실 측면 및 설계관점에서 보다 유리해 진다.  그러면, 전압을 높이는 것이 항상 옳은 판단인 것인가 라는 질문에는 그렇지 않다. 전압을 높인 다는 것은 결국 반도체의 항복전압을 높여 개방(Open) 상태를 만들어 줘야하는데 항복전압을 높이기 위한 저항층의 두께 증가는 결국 반도체 전체의 저항을 증가시키는 결과를 가져온다. 증가된 저항에 의해 전류를 흘려야하는 상태에서 높은 저항성분으로 인해 손실이 그 만큼 발생한다. 즉, 항복전압과 저항은 서로 트레이드-오프 관계를 가지기 때문에 이를 극복하기 위한 다양한 시도들이 진행되어 왔다. 그 중 여기서는 소재의 한계 극복에 국한해 소개하고자 한다. 그림 3. (좌)물질에 따른 밴드갭 및 항복전계 특성. (우)항복전압 설계에 따른 요구 온저항 특성 그림 3의 좌측 그래프는 물질에 따른 밴드갭 값 및 변환된 항복전계 값을 나타낸 그래프이다. Si의 밴드갭은 1.1eV이고 여기 표시된 각각의 소재들은 다른 밴드갭을 나타낸다. 이 중, 가장 널리 Si를 대체할 소재로서 연구되고 제품화된 소재는 4H-SiC(3.3eV) 및 GaN(3.4eV)이다. 각각 밴드갭이 Si 대비 3배 이상 크기 때문에 소재 자체의 항복전압 특성이 우수하여 저항 설계에 이점을 갖는다. 이에 대해 그림3 우측에 반도체소자가 동작할 때의 저항값과 설계한 항복전압과의 상관관계를 나타낸 그래프에 주목해보자. 가령 1000V의 전압을 견디는 반도체를 제작했다고 가정하면, Si을 사용할 경우 앞서 언급한 저항층의 두께와 저항도를 고려할 때 100mΩ⦁cm2 이상의 저항값을 나타낼 수 밖에 없다. 반면, 4H-SiC 소재를 이용할 경우 0.5mΩ⦁cm2 수준으로 200배 가까이 낮출 수 있다. 이러한 장점을 갖는 넓은 밴드갭을 갖는 소재들을 기반한 전력반도체 개발이 주목을 받고 있다. SiC, GaN 이외에도 Ga2O3, AlN, Diamond에 이르는 울트라와이드 밴드갭을 갖는 소재들의 연구가 활발히 진행되고 있다. 그런데 이러한 고전압이 우리 일상에서 필요할까? 우리는 이미 이러한 고전압을 생활 속에서 경험하고 있다. 여기서 가장 대표적으로 전기자동차를 가져와 봤다.  그림 4. (좌)전기자동차 배러티 충전 및 사용장치 별 전력변환. (우)전압에 따른 자동차 충전 시간 그림4의 왼쪽 그림은 전기자동차 전력변환 시스템을 나타내고 있다. 앞서 살펴본 다양한 전력의 변환이 전체 시스템에 적용된 사례를 한 눈에 살펴볼 수 있다. 전기자동차는 현재 400V 및 800V 전압을 사용하는 배터리 시스템을 사용하고 있고, 용량은 60kWh에서 현재 80kWh 이상으로 증가돼 왔다. 즉, 800V 전압을 사용하는 전기자동차에 사용되는 배터리에서 나오는 직류는 오디오, 계기판 등 전자장치에 사용되는 전압(12 또는 24V)로 변환시켜줘야 하며, 모터 구동에 있어서는 교류로 바꿔줘야 한다. 또한, 높은 전압을 차용한 충전에서는 더욱 차별화가 나타나는데, 우측 그림에서와 같이 충전시간을 현저히 줄일 수 있다. 미국에서는 표준화처럼 쓰고 있는 테슬라의 슈퍼차저 시스템은 480V 충전을 지원한다. 반면, 국내 현대자동차가 출시한 아이오닉5 모델은 800V 충전 지원을 통해, 테슬라보다 1.6배 가량 충전시간을 단축할 수 있다. 전기자동차의 충전시간에 대한 고민은 모든 사용자가 갖고 있는 고민이고 빠른 충전시간은 전기자동차의 보급화에 크게 기여한다. 즉, 고전압을 이용한 시스템 설계는 효율성과 더불어 편의성도 가져올 수 있는 장점을 가진다.  여기서 800V 시스템에는 800V를 버티는 반도체를 쓰면 되는 것인가에 대한 고민을 할 수 있는데, 일반적으로 스위칭이 요구되는 전력변환에 있어 스위칭 및 충방전 동안 짧은 시간 동안의 심한 파형 변화가 불가피하게 나타난다. 이에 과도(Surge) 전압이 발생한다. 짧은 시간(수나노초)이지만 이로 인해 반도체에는 설계 전압보다 매우 큰 전압이 인가되고 이로 인해 소자 파괴에 이를 수 있다. 따라서 약 10~20% 이상의 전압 마진을 통해 설계하는 것이 일반적이며, 보통 800V 전압용으로는 1200V 내압특성을 갖는 반도체 소자가 사용된다. 즉, 고전압 설계는 일상 속에 이미 아래 그림과 같이 활용처가 매우 넓고 제품군 또한 매우 다양하다.  가전기기에서 상업용까지 쓰이지 않는 곳이 없는 이러한 전력반도체는 아이러니하게도 국산화된 기술을 통한 국내 자립도는 10%에도 미치지 못한다. 현재 전력반도체 분야를 주도하고 있는 국가로는 독일, 미국, 일본, 프랑스 등 국내 키 플레이어는 단 한 곳도 없는 실정이다. 소품종 대량생산에 초점이 맞춰져 있는 메모리 반도체 산업과는 달리 전력반도체는 소량 다품종 분야로서 기업마다 제각각인 전력용량을 맞춰야 하는 기업 입장에서는 필드엔지니어의 역할이 매우 중요하며, 고객사에 맞춤형 제품을 제공뿐만 아니라 설계 제안까지 할 수 있는 역량이 요구된다. 이러한 점 때문에 국내 기업이 아직 진출하지 못한 것도 수십 년 간 쌓아온 이러한 생태계에 맞춰 준비해야하는 어려움을 극복하는 것이 숙제로서 남아있기 때문이다. 그럼에도 메모리 분야 외 새로운 고부가가치 산업으로서의 전력반도체는 전망이 밝고 주목을 받고 있다. 스마트 해지고 더욱 지능화하는 전자기기 및 인공지능 시대에 요구되는 기술뿐만 아니라 모든 전자기기들의 근육이자 힘의 원천이 되는 전력반도체의 연구 개발 및 국내 자립도 증대는 또 다른 국내 연구자들의 숙제이자 목표로서 자리매김해 가고 있다. 그림 5. 전력반도체 분야 세계 기업 현황(2023년 YOLE 리포트) 4. 울트라와이드밴드갭 산화갈륨 기술 앞서 Si의 한계를 극복하기 위한 고에너지갭 소재가 갖는 장점들을 살펴보았다면, 실제 연구, 개발 사용화 사례를 다뤄보고자 한다. 첫 번째로 탄화규소(SiC)와 질화갈륨(GaN)에 대해 살펴보자. 탄화규소는 3.3eV 의 넓은 밴드갭과 높은 열전도 특성 (Si 대비 3배 이상)을 갖는다. 대전력 구동에서 높은 전류는 소자에 많은 열을 발생시키며 이러한 열을 빠르게 방출 시키기 위해서 소재의 열 방출 특성이 뛰어나고, 이를 뒷받침한 방열설계가 되어야 한다. 이러한 측면에서 SiC 는 최적의 소재라 할 수 있다. SiC의 Si 대체 가장 성공적인 상업화는 테슬라 Model 3의 인버터 탑재라 할 수 있다. 650V 내압 특성을 planar MOSFET을 이용하여 총 48개의 die를 병렬로 연결한 사례이다. 최근에는 구동계 말고도 충전시스템에 까지 적용 검토가 되고 있고 현대자동차를 비롯 많은 자동차 회사에서 SiC 모델 적용을 진행하고 있다.   GaN의 경우 SiC 대비 고내압 특성의 구조 제작에 어려움이 있으나 2차원전자가스층(Two-Dimensional Electron Gas, 2DEG)을 기반으로 초고속 스위칭이 가능한 High-Electron Mobility Transistor(HEMT) 소자 구현을 통해 5G통신 중계기, X-밴드, k-밴드든 광대역, 고주파용 응용기 가능하다. 특히, 고전력이 요구되는 RF소자에서 입출력 임피던스가 높아 정합회로 구현이 용이하고, 작은 칩면적 구현, Si 대비 주파수 특성이 우수하다. 마지막으로 산화갈륨에 대해 소개하고자 한다. 산화갈륨(Ga2O3)은 4.8eV-5.3eV의 매우 넓은 밴드갭을 갖고 있고 앞선 SiC 및 GaN과 가장 큰 차별점으로 Si과 같은 대구경 웨이퍼 잉곳(Ingot)기반의 소재 생산이 가능하다. 4인치 SiC 웨이퍼 한 장의 가격이 연구용으로 100만원 가까이 하고, GaN의 경우에도 50-80만원에 이르는 등 가격이 매우 높다. 이에 반해 산화갈륨의 생산성 측면에서는 매우 유리한데, 아직 연구 초기 단계로서 실질적인 웨이퍼 가격은 매우 고가이다 (2인치 기준 300만원). 그럼에도 불구하고 공정이 용이하고 초고전압 응용에 적합한 특성으로 국내외 연구진들의 불철주야 연구에 매진하고 있다. 상용화에 이르지 못한 현 시점에서 산화갈륨은 국외 의존도가 높은 전력반도체 시장에 국내 기업이 뛰어들 수 있는 기회라 할 수 있다. 원천기술에서부터 사용화 기술까지 이르는 대규모 정부 프로젝트가 현재 진행 중에 있다. 필자 또한 1200V급 산화갈륨 다이오드 및 트랜지스터 개발 과제를 산업통상자원부로부터 지원받아 개발에 참여하고 있다. 연구개발에 박차를 가해 국내 차세대 전력반도체 기술 개발이 세계적으로 선도 되기를 희망한다.  그림 6.(좌)테슬라 Model 3에 탑재된 메인 인버터의 24개 650V급 SiC MOSFET 탑재 사진. (우)400V 테슬라 Model 3 시스템의 650V SiC Planar MOSFET 기반 3상 모터 구동을 위한 구동계 인버터 모델 [3] 5. 결론 고효율 전력변환은 점차 커져가는 에너지 소비의 중요성과 더불어 저탄소 기술 구현에 필수 요건으로 자리매김 해 가고 있다. 전자제품에서부터 전기자동차, 전기항공/수상택시, 전기저장시스템, 발전소, 대형 선박, 기차, 항공 등 우리가 영위하고 있는 모든 기술에 전력변환은 필수 기술이다. 이러한 기술에 친환경, 에너지 효율 극대화라는 두 키워드는 반드시 짊어지고 가야할 숙제라 할 수 있다. 국내 기업의 자립도가 가장 낮은 반도체 분야인 전력반도체 분야에 적극적인 투자와 관심 그리고 기초연구와 함께 많은 노력을 전방위적으로 기울여야할 시기라고 할 수 있다. 국내 메모리 편중 시장에서 보다 넓은 시장으로 눈을 돌리며, 현재 국내 대기업들이 하나 둘 전력반도체 제품 개발에 뛰어드는 것을 지켜보며 성공적으로 안착하길 기대해 본다. 참고문헌 [1] https://www.semicon.sanken-ele.co.jp/en/guide/powersemicon.html [2] https://www.yolegroup.com/strategy-insights/power-electronics-meeting-the-shift-towards-electrification-and-renewable-energy-trends/ [3] https://www.pgcconsultancy.com/post/examining-tesla-s-75-sic-reduction 다음글 세종대, ‘2024 라이덴랭킹’ 2년 연속 국내 1위 이전글 이전글이 없습니다. 목록

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