直径20センチのダイアモンド単結晶が有ればいいな

アクセサリや装飾にしたいのでも、もちろん窓ガラスに使いたいのではない。大電力を高速でスイッチできる半導体素子が欲しいのだ。

発電量の変動が激しい太陽光発電や風力発電を広域連携させ、日本国内で出力電圧を平均化すれば利用しやすくなり普及が促進される。この場合、直流送電が有利だ。電力を双方向で送・受電する場合、交流では位相(波の時間ずれ)を考えると長距離(300km?)の送電はできない。しかし、変圧器(トランス)で電圧を変換できる交流に対して直流送電の場合は電圧を高めたり低下させる装置が必要で高速でスイッチできる大電力の半導体素子が不可欠だ。

これまで、シリコンのスイッチ素子であるサイリスタを応用した装置が採用されていたが高価であり、直流送電は普及していない。このため変換装置を低価格、高効率化できる大電力スイッチ素子に適した材料が求められている。


半導体材料の基本的性質を比較したものを表にしめす。シリコンカーバイド(SiC)とガリウム窒素(GaN)は共に日本で開発され実用化が進められた材料だが、(GaNの研究で赤木、天野両博士がノーベル賞を受賞されたことはご存じでしょう)絶縁破壊電界が高く、また移動度が大きいためスイッチ素子のオン時の抵抗を小さくできるため大電力スイッチ素子に適している。現在ではどちらも実用化され、直流で発電する太陽光の出力を交流に変換するパワーコンディショナやハイブリッドカーのモータ制御回路などへの応用が進み効率の向上と低価格化が実現されている。

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大電力用スイッチ素子への応用を考えると、表からダイアモンドはSiCやGaNより更に優れていることが判るが、それだけでなく熱伝導率が非常に高いので冷却しやすい。このための実現に向けたダイアモンド単結晶を工業的に合成する研究は日本の産業技術総合研究所をはじめ世界中で進められている。

日本の研究者が開発競争に勝利して世界にアピールできることと早期に実用化して自然エネルギーの普及に貢献してくれることを望んでいる。


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