에너지 손실에 대한 양자적 시각: 차세대 전력 전자 장치를 위한 다이아몬드 양자 이미징

다이아몬드 양자 센서는 전력 전자공학에 사용되는 연자성 재료의 자화 반응을 분석하는 데 사용될 수 있다고 과학자들은 공동 연구를 통해 보고했습니다. 새로운 이미징 기술을 사용하여 최대 2.3MHz의 넓은 주파수 범위에서 AC 표유 자기장의 진폭과 위상을 동시에 이미징하는 양자 프로토콜을 개발했습니다. 연구 결과는 양자 감지가 다양한 응용 분야에서 첨단 자성 재료를 개발하는 데 강력한 도구임을 보여줍니다.

전력 전자 장치의 에너지 변환 효율 향상은 지속 가능한 사회를 위해 필수적이며, GaN 및 SiC 전력 소자와 같은 와이드 밴드갭 반도체는 고주파 성능 덕분에 여러 가지 이점을 제공합니다. 그러나 고주파에서 수동 부품의 에너지 손실은 효율과 소형화를 저해합니다. 이는 에너지 손실이 낮은 고급 연자성 소재의 필요성을 강조합니다.

최근 Communications Materials 에 게재된 연구에서 일본 도쿄 과학 연구소 공학부의 하타노 무츠코 교수가 이끄는 연구팀은 히스테리시스 손실을 이해하는 데 중요한 교류(AC) 표유 자기장의 진폭과 위상을 동시에 이미징하여 이러한 손실을 분석하는 새로운 방법을 개발했습니다. 질소 공공(NV) 중심을 가진 다이아몬드 양자 센서를 사용하고 kHz 주파수용 큐비트 주파수 추적(Qurack)과 MHz 주파수용 양자 헤테로다인(Qdyne) 이미징의 두 가지 프로토콜을 개발하여 광범위한 AC 자기장 이미징을 구현했습니다. 이 연구는 하버드 대학교와 히타치(Hitachi, Ltd.)와의 협력으로 수행되었습니다.

연구진은 50회전 코일에 교류 전류를 인가하고, 쿼크(Qurack)의 경우 100Hz에서 200kHz까지, 큐다인(Qdyne)의 경우 237kHz에서 2.34MHz까지 주파수를 변화시켜 원리 증명을 위한 광역 주파수 범위 자기장 이미징 실험을 수행했습니다. 예상대로, 균일한 교류 전류 자기장의 진폭과 위상은 높은 공간 분해능(2~5µm)의 NV 중심을 사용하여 이미징되었으며, 이를 통해 두 측정 프로토콜의 유효성이 검증되었습니다.

이 혁신적인 이미징 시스템을 사용하여 연구팀은 고주파 인덕터용으로 개발된 CoFeB- SiO2 박막 의 누설 자기장의 진폭과 위상을 동시에 매핑할 수 있었습니다 . 연구 결과, 이 박막은 최대 2.3MHz까지 위상 지연이 거의 0에 가까워 하드 축(hard axis)을 따라 에너지 손실이 거의 없음을 확인했습니다. 또한, 에너지 손실은 재료의 자기 이방성에 따라 달라진다는 것을 발견했습니다. 즉, 자화가 쉬운 축(easy axis)을 따라 진행될 때 위상 지연은 주파수가 증가함에 따라 증가하여 에너지 손실이 커짐을 의미합니다.

전반적으로, 이 연구 결과는 양자 감지 기술을 이용하여 고효율 전자 시스템 개발의 주요 과제로 여겨지는 고주파에서 작동하는 연자성 소재를 분석하는 방법을 보여줍니다. 특히, 에너지 손실과 밀접한 관련이 있는 자화 메커니즘 중 하나인 도메인 벽 운동을 규명하는 능력은 전자공학 분야에서 중요한 실질적 발전과 최적화로 이어지는 중요한 단계입니다.

앞으로 연구진은 제안된 기술을 다양한 방식으로 더욱 개선해 나갈 계획입니다. 하타노는 "이 연구에 사용된 쿼크(Qurack)와 큐다인(Qdyne) 기술은 공학적 개선을 통해 더욱 향상될 수 있습니다."라고 말합니다. "쿼크의 성능은 고성능 신호 발생기를 채택하여 진폭 범위를 확장함으로써 향상될 수 있으며, 스핀 결맞음 시간과 마이크로파 제어 속도를 최적화하면 큐다인의 주파수 검출 범위가 넓어질 것입니다."

하타노는 "넓은 주파수 범위에 걸쳐 교류 자기장의 진폭과 위상을 동시에 이미징하는 것은 전력 전자, 전자석, 비휘발성 메모리, 스핀트로닉스 기술 분야에서 다양한 잠재적 응용 분야를 제공합니다."라고 설명하며, "이러한 성공은 특히 지속 가능한 개발 목표 및 웰빙과 관련된 분야에서 양자 기술의 발전에 기여할 것입니다."라고 덧붙였습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/05/250523120453.htm