岸川 諒子氏（産業技術総合研究所 物理計測標準研究部門）と川崎 繁男（JAXA宇宙科学研究所）らからなる共同研究チームは、窒化ガリウムダイオードとシリコン高周波整合回路を混成したHySIC(Hybrid Semiconductor Integrated Circuit)構造により、マイクロ波電力を直流電力に変換する高周波整流回路を実現し、その動作実証に世界で初めて成功しました。開発したHySICはマイクロ波で伝送した電力を効率よく直流電流に変換できることが期待され、かつ、宇宙線耐性が強く、また、小型化・軽量化が可能なデバイスです。今回動作実証したHySIC高周波整流回路を高性能化することで、人工衛星内の無線給電など将来の宇宙開発や地上応用が期待されます。

■開発したHySIC整流回路（左）と概略図（右）
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本研究成果は、2018年11月6～9日に国立京都国際会館（京都府京都市）で開催される2018 Asia Pacific Microwave Conference(APMC 2018)にて発表されます。

なお、本研究の一部は、一般財団法人宇宙システム開発利用推進機構からJAXA宇宙科学研究所に委託された経済産業省「太陽光発電無線送受電高効率化の研究開発」(平成26年度～平成28年度) の成果が基になっています。

IT技術の進歩と無線通信が社会インフラとして整備されつつあり、情報のワイヤレス化が急速に進んでいます。次のステップは、電力・電源のワイヤレス化、つまりコンセントやバッテリーフリーで様々な電気機器類が作動することでしょう。電力が無線で供給されるようになれば、電源ケーブルの配線が難しい場所で電気機器類を動かすことができます。また、様々な制約からバッテリーの設置やバッテリーへの充電が難しい場合でも電気機器類を使うことができるようにもなります。

考案されている無線電力伝送方法は大きく分けて三つ、電磁誘導を用いる方法、磁気共鳴・電界共鳴を用いる方法、電波で電力を伝送する方法があります。マイクロ波を用いた無線伝送技術は、電波で電力を送る方法のなかでもマイクロ波と呼ばれる波長帯の電波を用いる方法です。他の方法と違い、数m以上の長距離でも電力伝送できるというメリットがあり、様々な分野での利用が期待されています。例えば、建物内の無線電力伝送システム、EV車の充電を含め電気機器の無線充電、宇宙で太陽光発電した電力の地上への送電、IoT端末機器への電源供給などです。

そして、マイクロ波無線電力伝送は、衛星・探査機への応用も期待されています。人工衛星や探査機など宇宙機内にはガスセンサー、振動センサー、温度センサーなど多数のセンサーが取り付けられ、機体や装置の状態を常に監視しています。こういったセンサー類にケーブルで電力供給する場合、コネクターの接続ミスや破損により機器が使えなくなるおそれがあります。これを避けるために繰り返す試験は、衛星や探査機のコストを押し上げてしまいます。無線で電力を供給できれば、機器類へのケーブル設置作業が不要になりますから、衛星の製作が簡単で短期間に行えるようになり、結果的には低コスト化を実現できます。このほかにもケーブルを取り付けた場合に比べ、無線電力供給では宇宙機の形状変化の自由度が高くなるというメリットもあります。

さて、無線給電方法で電気機器を動かすためには、マイクロ波で送った電力を直流電流に変換する必要があるため、いかに効率よく直流電流に変換できるかが実用化への第一歩となります。

宇宙科学研究所 http://www.isas.jaxa.jp/topics/001945.html 

■図１　センサーへの無線給電システムの概要とHySIC整流回路
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本研究では衛星や探査機搭載用の無線電力伝送システムの開発を目指し、マイクロ波の電力を効率よく直流電流に変換する回路（整流回路）の設計と製作、動作確認を行いました。整流回路でいかに効率よくマイクロ波の電力を効率よく直流電流に変換できるかによって、無線電力伝送システムの性能が決まると言っても過言ではありません。

共同研究チームは、整流回路にHySIC（Hybrid Semiconductor Integrated Circuit）技術を適用しました。HySIC技術は、共同研究チームの一員である川崎 繁男が2014年に提唱した技術で、複数の半導体を一つの回路に混成させ、一種類の半導体では実現不可能な機能を持たせることができる回路のことです。HySICは低コスト・超小型化を可能とする高周波集積回路として期待されています。

整流回路は、整流デバイス（ダイオード）・（平滑回路・）入力整合回路・負荷抵抗から構成されます。マイクロ波から直流電流へ変換するにはダイオードを用います。本研究ではダイオードとしてGaN（窒化ガリウム）を用いました。

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光吸収の自在制御が可能な金属カルコハライドの低温合成法を開発 －フレキシブル太陽電池や発光ダイオードへの応用に期待－ — 京都大学
http://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research/research_results/2016/160907_1.html


本文:

　国奥広伸 工学研究科博士課程学生、東正信 同助教、阿部竜 同教授は、新たに開発した低温合成法を用いて、可視光から近赤外光まで光吸収が連続的に変化するビスマス系カルコハライドを合成しこれらが太陽電池材料として有望な性質を示すことを実証しました。

　本研究成果は2016年9月7日、「Scientific Reports」に掲載されました。


研究者からのコメント

　これまで太陽電池などへの応用が期待されながらも、その合成が難しかったビスマス系カルコハライドを、室温で合成したビスマスオキシハライドを原料に用いることによって、驚くほど低温かつ短時間で合成できることを世界で初めて見出しました。この合成法をビスマス系以外の金属系に展開することによって、これまで合成例が無いカルコハライドの新規合成にも繋がる可能性を有しており、太陽電池や発光ダイオードに用いる光機能性材料のライブラリー拡大に貢献できるものと考えています。

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東京工業大学(東工大)は6月21日、マテリアルズ・インフォマティクスと実験の連携により、希少元素を使わずに赤く光る新窒化物半導体を発見したと発表した。

同成果は、東京工業大学科学技術創成研究院フロンティア材料研究所/元素戦略研究センター 大場史康教授、平松秀典准教授、細野秀雄教授、京都大学大学院工学研究科 日沼洋陽特定助教、田中功教授らの研究グループによるもので、6月21日付けの英国科学誌「Nature Communications」に掲載された。

計算科学、データ科学、合成・評価実験およびこれらを連携した手法により、膨大な数の物質の評価を行い、その結果に基づいて新物質や新機能を開拓することを目指した「マテリアルズ・インフォマティクス」が、米国をはじめ世界各国で盛んになりつつある。今回、同研究グループは、量子力学の基本原理に基づいた第一原理計算によるマテリアルズ・インフォマティクスと高圧合成実験を連携させることで、新たな窒化物半導体を探索した。

窒化物は半導体としての応用に適した電子・光学物性だけでなく、地球上に豊富に存在する窒素の化合物というメリットを持つ。しかし、現在実用化されている窒化物半導体は、緑色や青色、紫外線の発光ダイオードに用いられる窒化ガリウム(GaN)と、窒化インジウム(InN)または窒化アルミニウム(AlN)との固溶体にほぼ限定されている。GaN-InN固溶体では、赤色、黄色の発光デバイスや、太陽電池に必要な波長領域をカバーするのは困難であり、また、既存の赤色や黄色の発光ダイオードには、高コスト、希少、あるいは使い捨てや廃棄が容易でない元素が使用されているという課題があった。

そこで、同研究グループは、伝導キャリアの輸送に有利な電子構造の観点から、亜鉛(Zn)を含む3元系窒化物半導体に着目。既知および仮想的な物質を含む583種類の候補物質のリストを作成した。さらに、この候補物質を対象に、格子振動、3元系状態図における競合相に対する安定性や、バンドギャップ、有効質量などの基礎物性を条件に、計算スクリーニングを実行し、21種類の窒化物半導体を選定した。


第一原理計算を用いた窒化物半導体のスクリーニングの概念図。既知・仮想的な物質の結晶構造、安定性、特性を高精度に予測し、候補を絞った計算スクリーニングにより選定された21種類の窒化物半導体。

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http://s.news.mynavi.jp/news/2016/06/22/053/index.html
第一原理計算を用いた窒化物半導体のスクリーニングの概念図。既知・仮想的な物質の結晶構造、安定性、特性を高精度に予測し、候補を絞った
http://news.mynavi.jp/photo/news/2016/06/22/053/images/003l.jpg
計算スクリーニングにより選定された21種類の窒化物半導体。(I)既知の半導体。これらが的確に選ばれたことは今回のスクリーニング手法の妥当性が示されたといえる (II)合成の報告はあるものの、半導体としての応用が未開拓な物質 (III)合成の報告すらない新物質
http://news.mynavi.jp/photo/news/2016/06/22/053/images/004l.jpg
合成実験のターゲットとなったCaZn2N2
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掲載日：2015年1月30日

　トヨタ自動車(トヨタ)は1月29日、パワーコントロールユニット(PCU)にSiCパワー半導体を搭載したハイブリッド車(HV)「カムリ」の試作車を開発し、2015年2月より約1年間、豊田市を中心に公道での走行試験を行うと発表した。

　PCUに使われているパワー半導体は車両全体の電力損失の約20%を占めており、その高効率化は燃費向上に不可欠とされる。今回開発された試作車は、PCU内の昇圧コンバーターおよびモーター制御用インバーターに、SiCパワー半導体(トランジスタ、ダイオード)を搭載した。

　公道走行試験では、走行速度や走行パターン、外気温などさまざまな走行条件ごとに、PCU内の電流、電圧などのデータを取得し、燃費への効果を検証する。

続きはソースで

<画像>
SiC搭載車両
http://news.mynavi.jp/news/2015/01/30/134/images/001l.jpg

SiC PCU
http://news.mynavi.jp/news/2015/01/30/134/images/002l.jpg

<参照>
トヨタ自動車、新素材SiCパワー半導体搭載車両の公道走行を開始 | トヨタグローバルニュースルーム
http://newsroom.toyota.co.jp/jp/detail/5725437

<記事掲載元>
http://news.mynavi.jp/news/2015/01/30/134/