Yano E plus 2019년 9월호(NO.138)
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토픽
극저온 냉동기의 동향
~MRI로 대표되듯이 초전도는 생활과 밀접한 존재, 필요한 극저온을 실현하기 위해서 자원절약, 저코스트 관점에서의 수요가 높다
극저온이란 일반적으로 절대영도에 가까운 저온을 말하는 경우가 많지만, 그 온도범위는 해석하기에 따라서 미묘하게 달라진다.
예를 들면 통상의 냉동기가 담당하는 저온은 겨우 -80℃(절대온도로 약 193K：Kelvin) 정도이지만, 상온에서 보면 엄청난 저온영역이다.
초전도의 세계에서는 일반적으로 액체헬륨(He) 온도(4.2K) 이하가 보통의 극저온이며, 액체질소 온도(77K)는 -196℃의 저온이지만 「고온」이라고 해석한다.
본고에서는 극저온의 범위를 약간 넓게 취하여 액체질소 이하의 온도영역을 말하지만, 관심이 높은 것은 액체헬륨 온도 이하가 압도적으로 높다. 이것은 극저온 냉동기의 주요 대상이 되는 초전도가 실용화하고 있는 온도영역이 액체헬륨 온도 이하가 많기 때문이다. 고온초전도는 학술적으로는 최근에 눈부시게 발전하고 있지만, 실용화 관점에서는 아직 따라잡지 못하고 있다.
실험실 규모에서 극저온을 얻기 위해서는 통상 80K 정도라면 액체질소, 10K 정도라면 액체수소, 1K 정도라면 액체헬륨4(4He), 0.3K 정도라면 액체헬륨3(3He) 등의 동결제를 사용하는 경우가 많다.
실험실 이상의 산업 레벨에서 극저온을 얻기 위해서는 극저온 냉동기의 존재가 필수이다. 4K 정도까지의 냉각이라면 동결제를 이용하거나 극저온 냉동기를 이용하는 것에 큰 차이가 없는 경우도 있지만, 4K 이하의 극저온을 얻기 위해서는 동결제만으로는 어려워, 특수한 극저온 냉동기가 필수이다.
내용목차
《차세대 전지 시리즈》
●차세대 전지 시리즈(9) 신원리/신형 전지의 최신 동향(3~24페이지)
~기업의 독자 개발에 의한 신원리/신형 전지의 상용화가 시작되고 있어,
2019~2020년경부터 신시장이 형성된다∼
1. 들어가며
1-1. 신원리 전지는 국가 프로젝트의 개발 사례가 많다
【표1. 각종 신원리 전지와 그 특징(주목 사례)】
1-2. 신형의 고기능 LIB 및 신구조 LIB 도 등장
【표2. 특징적인 신형 전지(신개발 고기능 LIB, 신구조 LIB)의 주목 사례】
1-3. 신원리 전지의 시장화 전망
【그림ㆍ표1. 신원리 축전지의 세계 시장화 전망(금액 기준: 2018~2030년 예측)】
2. 주목 기업·연구기관의 최신 동향
2-1. CONNEXX SYSTEMS 주식회사
【그림1. BIND Battery™의 안전성 회복 기능과 가정용 축전 시스템(우)】
【그림2. Hyper Battery™의 충방전 성능(입출력 특성)과 프로토 타입(우)】
【그림3. Shuttle Battery™의 기본 구조와 시제작 셀(우)】
2-2. PJP Eye 주식회사
【그림4. PJP Eye의 「Laboratory6 」제품 사례】
2-3. 주식회사 Qualtec
【그림5. 수계 포화 전해액에 의한 신형 커패시터의 충방전 곡선】
2-4. 주식회사 Ricoh
【그림6. 듀얼이온전지(DIB)의 기본구조와 작동원리】
【그림7. 듀얼이온전지(DIB)의 입력 특성(좌)과 사이클 특성】
2-5. 국립연구개발법인 물질재료연구기구
【그림8. 프로브형 전극에 의한 검사(우)와 Al 아니온 이차전지의 구조】
《차세대 시장 트렌드》
●차세대 첨단 디바이스 동향(5) 강상관 전자계 디바이스(25~53페이지)
~작은 자기장, 온도, 캐리어 농도 변화 등으로 물성이 크게 변화하는
성질을 이용하여, 신규 일렉트로닉스 디바이스가 될 가능성 있어!~
1. 강상관 전자계 물질이란
2. 강상관 전자계의 이론
2-1. 금속과 반도체
2-2. 크론력
3. 강상관 전자계로 디바이스를 만든다
4. 강상관 전자계 디바이스의 응용 가능성
4-1. 트랜지스터
4-2. 메모리
4-3. 열전변환 디바이스
4-4. 기타 디바이스
5. 강상관 전자계 디바이스의 시장규모 예측
【그림·표1. 강상관 전자계 디바이스의 일본 및 세계 시장규모 예측(금액：2020-2040년 예측)】
【그림·표2. 강상관 전자계 디바이스의 타입별 세계 시장규모 예측(금액：2020-2040년 예측)】
6. 강상관 전자계 디바이스에 관련하는 기업·연구기관의 대응 동향
6-1. 국립대학법인 오사카대학
【그림1. VO2 나노 구조체 단상 도메인의 상전이 제어】
(1) 금속/절연체 전자상의 전자 상태 해명
【그림2. Spring-8에서의 광전자 분광법에 의한 전자 상태 해명】
(2) 전자상 배열 제어와 VO2 나노미세 가공기술의 확립
【그림3. 나노 임프린트 나노 미세화법에 의한 일괄 대면적 VO2 나노 구조체 제작】
(3) 강상관 전자 상전이를 이용한 신규 디바이스의 개발
【그림4. 단일 전자상 도메인의 전기 제어와 신규 강상관 전자상 디바이스 개발】
6-2. 대학공동이용기관 법인고에너지가속기연구기구(KEK)
(1) 양자빔을 이용한 다자유도 강상관 물질에서의 동적 교차 상관물성의 해명
(2) 분자 시스템에서의 물성 제어
(3) 강상관 산화물 초구조를 이용한 신기 양자 상태의 관측과 제어
6-3. 대학공동이용기관법인 자연과학연구기구 분자과학연구소
【그림5. (A) Mott-FET의 단면도. (B) 유기 Mott 절연체(두께 약 500 nm)를 이용한
홀 디바이스의 광학 현미경상. 스케일은 100μm. (C)κ-Br의 표면 AFM상】
6-4. 국립대학법인 도쿄대학
【그림6. Sr2RuO4 초전도 박막 형성에 이용한 MBE 장치의 모식도】
【그림7. Sr2RuO4 초전도 박막 형성에 이용한 MBE 장치의 실물 사진】
6-5. 국립대학법인 도호쿠대학
(1) 강상관 산화물 양코우물 구조를 이용한 신기 양자화 상태의 개발
【그림8. 강상관 산화물 양자우물 구조를 이용한 신기 양자화 상태의 개발 이미지】
(2) 산화물 헤테로 구조를 이용한 신기능 개발
【그림9. 산화물 헤테로 구조를 이용한 신기능 개발 이미지】
(3) 산화물 나노 커패시터 구조를 이용한 그린 메모리의 개발
【그림10. 산화물 나노 커패시터 구조를 이용한 그린 메모리의 개발 이미지】
6-6. 학교법인 일본대학
【그림11. 기존의 강유전체와 전자형 강유전체의 전기 분극 모식도】
【그림12. 전자형 강유전체 희토류 페라이트 RFe2O4의 결정 구조】
【그림13. 전기 측정용 장치】
6-7. 국립연구개발법인 물질재료연구기구(NIMS)
(1) 신규 이리듐 산화물 Ba2IrO4에서의 Jeff = 1/2 스핀궤도 Mott 상태의 발견
(2) 공간 반전 대칭성이 깨진 신규 초전도체 SrAuSi3의 발견
(3) 신규 멀티 Ferroics 물질 RMnO3
6-8. 국립대학법인 요코하마국립대학
【그림14. 스핀이 무질서하면서도 강한 상관을 유지한 양자 스핀 액체】
【그림15. 염화루테늄 결정에서 볼 수 있는 양자 스핀 액체】
6-9. 국립연구개발법인 이화학연구소
6-10. 학교법인 와세다대학
【그림16. 자기스킬미온을 발현하는 B20 화합물의 구조】
【그림17. 스킬미온이 토폴로지컬에 보호된 안정성을 갖고 있는 것을 나타내는 모식도】
【그림18. 스킬미온리스 트럭 메모리의 모식도】
【그림19. 스킬미온 MRAM의 모식도】
7. 강상관 전자계 디바이스의 장래 전망
●CASE의 시장동향(5)：Connected(54~64페이지)
~Connected는 기반이 되는 영역, 새로운 비즈니스는 지금부터 시작된다∼
1. Connected의 입지
1-1. 일본 Connected의 지금까지의 동향
1-2. 이용자 입장에서의 Connected
2. 커넥티드카 시장의 주목 분류
【표1. 일본 커넥티드카 시장의 15분류】
2-1. Connected와 클라우드를 이용한 ADAS
2-2. Connected와 텔레마틱스 자동차보험
2-3. Connected와 OTA(통신기능을 이용한 소프트웨어의 갱신)
【표2. 고장 진단에서 이용하는 기기, 기능】
2-4. Connected와 V2X
3. 커넥티드카 시장규모
【그림1. 커넥티드카 시장의 동향】
【그림2. 커넥티드카 시장의 동향】
《주목 시장 포커스》
●극저온 냉동기의 동향(65~86페이지)
~MRI로 대표되듯이 초전도는 생활과 밀접한 존재, 필요한 극저온을
실현하기 위해서 자원절약, 저코스트 관점에서의 수요가 높다~
1. 극저온과 극저온 냉동기
2. 극저온을 얻는 방법
2-1. 희석냉각법
2-2. 단열소자법
(1) 상자성염을 이용한 단열소자법
(2) 핵스핀을 이용한 단열소자
3. 극저온 냉동기의 종류
3-1. GM 냉동기
3-2. 자기 냉동기
3-3. 희석 냉동기
3-4. 펄스튜브 냉동기
3-5. 스털링 냉동기
4. 극저온 냉동기의 응용 분야
4-1. 에너지
4-2. 운수
4-3. 생명과학
4-4. 일렉트로닉스
4-5. 기타
5. 극저온 냉동기의 시장규모 추이와 예측
【그림·표1. 극저온 냉동기의 일본 및 세계 시장규모 추이와 예측(2018-2022년 예측)】
【그림·표2. 극저온 냉동기의 수요 분야별 세계 시장규모 추이와 예측(2018-2022년 예측)】
6. 극저온 냉동기의 메이커 점유율
【그림·표3. 극저온 냉동기의 세계 시장에서의 기업 점유율(2018년)】
7. 극저온 냉동기에 관련하는 기업·연구기관의 대응 동향
7-1. Ulvac Cryogenics 주식회사
7-2. 국립대학법인 고치대학
【그림1. 시판 냉동기를 개조한 1K 냉동기】
【그림2. 극저온에서의 온도 진동을 1/100 이하로 저감하는 방식의 모식도】
7-3. 스미토모중기계공업 주식회사
【그림3. 대표적인 4KGM 냉동기의 구성】
【그림4. 스미토모중기계공업의 4KGM 냉동기 시리즈】
7-4. Institute of Slush Hydrogen
【그림5. 자기냉동액화법과 기체압축액화법의 차이를 나타낸 모식도】
【그림6. 자기냉동액화법과 기체압축액화법의 차이를 나타낸 모식도(온도·엔트로피선】
【그림7. Slush Hydrogen를 이용한 고효율 수소에너지시스템】
7-5. 국립대학법인 도쿄공업대학
(1) 자기냉동에 의한 실온공조
(2) 열전소자의 극저온 응용
(3) 초전도 코일 보냉시스템의 개발
7-6. 국립대학법인 도호쿠대학
【그림8. 이번에 개발한 소형 단열소자 냉동기(ADR)】
【그림9. 단열소자 냉동기(ADR)를 이용한 냉각 과정】
7-7. ROCKGATE 주식회사
【그림10. Bluefors제 무냉매 희석 냉동기 XLD 시리즈】
8. 극저온 냉동기의 향후 전망
《시기적절 콤팩트 리포트》
●정치용 축전지(ESS) 시장(87~91페이지)
~ESS를 둘러싼 외부환경의 변화가 긍정적 시그널을 보낸다
확대하는 비즈니스 찬스에 관련 업계가 들끓는다∼
1. 시장 개황
2. 분야별 동향
2-1. 주택용 ESS：FIT 단가의 하락, 전기요금의 상승 등으로 보급은 더욱 가속화
2-2. 기업·업무용 ESS：코스트다운에 의한 경제 합리성의 성립으로 대폭적인 시장 확대를 기대
2-3. 전력계통용 ESS：재생에너지의 도입 확대에 따라, 2020년 이후는 폭발적 성장이 전망된다
3. 주목 토픽
3-1. 경제 합리성의 성립은 아직 멀어, 그럼에도 불구하고 ESS는 「필연적인 시장」
3-2. 향후 ESS 시장은 LiB의 독무대가 될 가능성 높아
4. 장래 전망
【그림1. 정치용 축전지(ESS)의 설치처·수요 분야별 시장규모 추이(세계 시장, 용량 기준)
(수량：2017-2025년 예측)
《후기》
독자 앙케트 「흥미 있는 리포트」 톱3 예상(92페이지)
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