極東極楽 ごくとうごくらく

豊饒なセカンドライフを求め大還暦までの旅日記

小さな巨人Ⅲ

2018年02月09日 | デジタル革命渦論

 

                     告子(こくし)    /    孟子    

                                   

            ※ 人間の本性は牛の本性と同じか告子が言った。「生きてい
             くこと、それが本性だ」
              
孟子がきいた。
             「生きていくことが本性だというのは、白いものなら、すべ
             て白だというのと同じことかね」

             「そのとおりだ」
             「では、羽の白と雪の白は同じであり、雪の白と玉の白とは
             同じなのだね」

             「そのとおりだ」
             「とすれば、犬の本性は牛の本性と同じであり、牛の本性は
             人間の本性と同じだというのだね」  

      
     
No.147 

【サーモタイル篇:最新光レクテナ技術】 

 
下図(特開2016-119836  多帯域での高周波(RF)エネルギーハーベスティングを行うための整流回
路」のように、レクテナ(整流アンテナ)とは、電波エネルギーを直流電気に変換するために用いら
れる特別な
タイプのアンテナである。レクテナは、電力を電波で送信する無線電力伝送システム内で
使用される。典型的な
レクテナ素子は、ダイポールアンテナと、そのダイポール素子の両端に接続さ
れるダイオードで構成される。ア
ンテナ内で電波から誘導される交流電流をダイオードが整流して、
直流(電源を作り、この電源を用いて、ダイオードの両端に接続される負荷に電力を供給する。ショ
ットキーダイオードは、電圧降下が最も低く、スイッチング速度が最も速いという特性を有し、その
ため、伝導とスイッチングによる電力損失が最も低いことから、レクテナには、通常、このショット
キーダイオードが用いられている。大型のレクテナは、このような数多くのダイポール素子のアレイ
で構成される。また、効率的に高周波(RF)エネルギーを取り込むレクテナ開発は情報通信やエネル
ギーハーベスティングなどへの応用で非常にに関心が高まっている。遠隔装置/携帯用装置用電源供
給以外に、未使用の周囲RFエネルギーを効率的に再変換することができる、好適なレクテナがあれば、
バッテリやその他のリモート電源に取って代わり、エネルギーの需要全体を減らせる。特に、現在の
太陽光発電技術は可視光領域(400-750nm )からエネルギー回収されており、毎秒何百万ギガワット
にもなると推定される赤外線放射の絶え間ない漏出されているが赤外線(IR)領域からのエネルギー
回収は完全にアンタップ状態にある。
Jun. 30, 2016

このように、エネルギーハーベスティング用レクテナは、従来のレクテナがRFエネルギーをDC電
力に変換できるが、周囲のRFエネルギーの大部分を取り込むことができず、アンテナ(一般に、標準
の50オームまたは75オームのアンテナ)のインピーダンスを、整流回路(一般に、抵抗の他に、
強いインダクタンス/リアクタンスを有する整流回路)の入力インピーダンスと一致させるために、
従来の整流回路は、個別にRFマッチングステージを有すが、従来のRFレクテナでできることは、RF
の高出力密度のレベル(一般に、1W/mより高い)のもとで、使用可能なDC電圧を生成するだ
けであり、無線電力伝送システム内――専用高出力トランスミッタにより十分な高RFエネルギーが生
成されている。通常、周囲RFエネルギーは非常に弱く(mWからμWまで)、エネルギーハーベステ
ィングには、周囲の供給源の電力レベルが低く不十分であることが証明されている。また、従来の
テナは、単一の周波数帯用であり、大型のため適用性がなく、RFエネルギーの大部分を取り込むこ
とはできない。アンテナ(標準の50オームまたは75オームのアンテナ)のインピーダンスを、整
流回路(抵抗の他に強いインダクタンス/リアクタンスを有する整流回路)の入力インピーダンスと
一致させるため、従来の整流回路は、個別にRFマッチングステージを有し、従来型で可能なことは、
RFの高出力密度のレベル(1W/mより高い)のもとで、使用可能なDC電圧を生成するだけで、
無線電力伝送システム内で使用――専用高出力トランスミッタにより、十分なRFエネルギー生成され
る。周囲RFエネルギーは非常に弱く(mWからμWまで)、エネルギーハーベスティングを行うには
周囲の供給源の電力レベルが低く不十分であり、単一の周波数帯用(狭い帯域のRF信号を取り込む)
であり大型で適用しない。

このように、上図の特許事例では、周囲RFエネルギーを取り込み可能なRFエネルギーハーベスティ
ング装置を提供にあっては高周波(RF)エネルギーハーベスティング装置(レクテナ)は、RF周波
数で共振するよう構成されるアンテナ構造体と異なる順電圧値および異なるピーク逆電圧値を有する
2つのゼロバイアスショットキーダイオードD1、D2を用いることにより低いエネルギーレベルを
有する多帯域のRF信号を取り込み易くする整流回路とを含む。第1のアンテナ端点121で生成され
る、取り込まれたRF信号から発生する正電圧パルスは第1のダイオードにより第1の内部ノードに送
られ、そこで第2のアンテナ端点122で生成される第2のRF信号と合計され、それにより十分に
高い電圧レベルを有する第1の中間電圧が生成される。次いで、正電圧パルスは第1の内部のノード
から第2のダイオードを介して出力制御回路に送られて使用可能なDC出力電圧に変換されるように
工夫されている(詳細は上図クリック)。

 どこが違うのか 量子トンネル効果で光電変換:天候に関係なく24時間動作

今月8日、サウジアラビアのアブドゥラ科学技術大学らの研究グループは、金属|絶縁体|金属
MI
N
) 型ダイオード回路の金とチタンで構築した蝶ネクタイ型ナノスケールレクテナ(整流アンテナ)
を作製しその性能評価結果を公表
(論文名称:Optical rectification through an Al2O3 based MIM passive
rectenna at 28.3 THz,  Nove. 2, 2017
, Materials Today Energy ,  Vol 7, In progress , March 2018)。このアン
テナ作製でもっとも艱難だったのは2つのアンテナアームがナノスケールの重ね合わせ。新しく作製
されたMIMダイオードは、印加電圧ゼロで赤外線を正常に捕捉回収に成功する。従来のソーラーパネ
ルは、可視光スペクトルの小さな領域回収するだけだったが、今回、赤外線領域をすべて捕捉回収で
きること実証したことで、多くの課題をを残しつつも、これらのエネルギーハーベスタは総発電量を
増やすため何百万ものデバイスを接続することができ、天候に関係なく、24時間動作できという画
期的な技術になると期待されている。実に面白い。

● 28.3THzにおけるAl2O3MIM受動レクテナによる光整流

 【要約】

250K~1500Kの間で変動する廃熱、すなわち2~11μmでピークを迎えるエネルギーを捕捉すること
は再生可能エネルギー源への挑戦のゲーム・チェンジャーとなり得るが、この分野の研究は数多くの
課題を残している。廃熱が中赤外線(IR)周波数帯の電磁波(電磁波)であると考える。この周波数
帯は、共振アンテナを通して捕捉され、一般にレクテナと呼ばれるダイオードを介して有用なDCに整
流する。蝶ネクタイ型アンテナは、EMシミュレーションを介してIRフィールドの捕捉と強化のため
に最適化されている。蝶ネクタイ型アンテナの重なり部分には、このような高周波(28.3THzまたは
10.6μm
)で動作可能な金属 - 絶縁体 - 金属(MIM)ダイオードが実現されている。低誘電率絶縁体
Al 2 O 3)の選択は、RC時定数とダイオードのカットオフ周波数を測定するのに役立ちますが、金と
チタンの2つの異なる仕事関数金属は、レクテナデバイスのIR捕捉および整流能力を評価めに、10.6
μm
のCO 2レーザを使用するカスタムの光学特性設定が使用されている。ノイズレベルをはるかに上回
り、計算とよく一致する偏波依存電圧出力は、レクテナの動作成功のを確認する。これは印加電圧で
MIMダイオードベースのレクテナを通して28.3THz整流の最初の実証となる。

【鍵語】

光レクテナ/テラヘルツエネルギー収穫/ナノレクテナ/ 金属|絶縁体|金属(MIM)ダイオード/
トンネルダイオード

【概要】

IRスペクトルからのエネルギー収穫についての興味深い考え方は、この変動を高周波電磁波として扱
うことであり、これは、下図2に示すように、典型的にはレクテナ装置として知られているナノアン
テナと整流器の組み合わせにより収集および整流することができる:下図1(a)。尚、RFおよびマ
イクロ波帯におけるレクテナを介したエネルギー収穫は、何度も実証されている。マイクロ波周波数
のアンテナは、自由空間の電磁波を誘導波に変換し、誘導波を負荷に供給。しかし、IR周波数で動作
するアンテナは、表面プラズモン共鳴のために、ナノアンテナの鋭い先端に非常に局在した電界を多
く発生させる。

図1.レクテナシステムの概略図 (a)アンテナによって集められた波は、金属絶縁体金属(MIM
   ダイオードによって整流され、負荷に供給される、
(b)MIMダイオードを表す図

 



図2.(a)アンテナトポロジー、(b)ボウタイアンテナでのフィールドエンハンス (c)アームの
   長さ変動、(d)弓角変動、(e)金属厚さ変動、(f)ギャップサイズ変動。

 前回のの実験では、28.3THzの蝶ネクタイ型アンテナのギャップと形状を先端/先端チップを鋭くする
ことで最適化する。これらのフィールドはかなりローカライズし、フィールド強化の恩恵のため蝶ネ
クタイ中央部(シャープチップ間のギャップ)で修正する。このような高い周波数で半導体ベースの
ダイオードは動作せず、金属絶縁体金属(metal-insulator-metal、MIM)ダイオードとして知られている
トンネリングダイオードは、蝶ネクタイアンテナの2つのアームの間のナノメートルの薄い酸化物ア
ームを重ね合わせる。このMIMダイオードは、2つの異なる金属、すなわち、銅と金の間に0.7nmの酸
化銅絶縁体を備え、印加電圧なしで電子トンネリングを実現。DCにおいて適切な応答性を有するMIM
ダイオード動作を実験的に実証できたが、その周波数(εr〜7)においてCuOの高い誘電率のため28.3T
Hz
で完全なレクテナ機能を実証できなかった。デバイスのカットオフ周波数、およびサブnm酸化物に
よるデバイスの脆弱性を含むさまざまな要因に影響される。

MIMバンドベースのレクテナは、RF帯域で実証されているが、実際の実用性は、他の半導体ベースの
ダイオードが動作しない高周波数用。高周波数(約30THz程度)のMIMダイオードベースのレクテナ
に関するいくつかの論文が実証されているにもかかわらず、光整流に関連する多くの未解決の問題が
ある。それらのうちのいくつかは対称型MIMダイオードを利用しているため、動作にバイアスを必要
とするため、エネルギーハーベスティングアプリケーションには適さない。光の整流からの信号や
Seekbeck 効果の熱応答の出力に大きく寄与するという曖昧さがある。MIMダイオードの出力を金属の
みの構成(絶縁体層なし)の出力と比較することによって、この態様を明確にしようと試みた。

結果は、MIMダイオードの全体的な出力電圧への主な貢献がSeebeck であることを示した。MIMダイ
オード出力への熱寄与の問題は重要ではあるがトリッキーであり、これらの高周波でのMIMダイオー
ドの真の光整流を理解するためには注意深い検討が必要である。上記と以前の研究を考慮して、この
作業に絶縁体層として酸化アルミニウム(Al2 O3)を選択。 Al2O3は、より高い1Hz周波数で低い誘
電率(0.53.5の範囲)を有する。この値は、以前の研究のCuOのほぼ半分(またはそれ以下)であり
、MIMダイオードのカットオフ周波数を高めるのに役立つと期待される。またAuTiは、それぞれ仕
事関数(WF)が5.1 eVと4.33 eVになると予想される金属アームとして使用される。 金属間のこの高
い仕事関数差は、電子トンネリングを容易にする。前回の研究でのもう1つの問題は、非常に薄い絶
縁体層(約0.7 nm)に起因するデバイスの脆弱性である。この研究では、酸化物の厚さを約1.5nmに倍
増加。上記のステップにより、アンテナが信号(レクテナの偏光感応出力によって確認された)をピ
ックアップし、MIMダイオードが光学的整流(ゼロバイアスの応答性および計算によって確認される)
を提供できる28.3THz MIMダイオードベースのレクテナを実証できた。これは、MIMダイオードベース
のレクテナを使用した28.3 THz信号のゼロバイアス整流の最初のデモンストレーションである。
尚、この論文では、アンテナ部の完全電磁(EM)シミュレーション、MIMダイオード部の量子力学シ
ミュレーション、プロトタイプのレクテナのナノ加工プロセス、完全DCおよび光学的特性評価を記載。

                                       この項つづく 
                           

    

 

 ❦ なぜ、かまぼこ屋がエネルギーのことを考えたのか ❦ No.3 

   ● 経済界からのもう一つの声  

  秋口に入り、原発が定期点検のためにIつひとつ停止していきました。すると並行して、原発
 がないと電気が足りなくなるという理由で再稼働を求める論調がかなり声高に
聞こえてくるよう
 になりました。一方、原発反対という声も聞こえます。そこで私か思
い浮かべたのは世論調査の
 通常の回答パターンでした。すなわち両端の2割が「そう思
う」「そうは思わない」、中間の6
 割が「どちらともいえない」。

  この2割一6劃一2割の論理を無理やり原発の議論に当てはめると、原発がなければこの国は
 立ち行かないとしきりに主張する経済界といわれる2割、昔から原発反対を唱
えるいわゆる市民
 運動派といわれるもう一端の2割、そして、真ん中の6割は、今回の
来電の事故でアッと驚きま
 したが、どっちを信じていいのかわからない多くの人たち、
私は脱原発だけを声高に言うつもり
 はありませんし、原発推進派を敵視するつもりも
ありません三肉極の2割の人たちの意見に乗っ
 かってなにかをしようとするのではなく、
福島原発事故でほぼ、みんなに共有できた「原発は危
 険だ」という観点から、できることをしていきたいのです。

  私かやりたいことは相手にする「だれか」を問題にすることではなく、「経済界」発とされる
 「原発がないと電気が足りなくなるぞ」「電気が足りなくなると海外に移転する企業が出てきて、
 GDPが下がって、国民はメシが食えなくなるぞ」といった発言に「違うぞ」と待ったをかけて、
 回じ経営者の立場から、6割の人たちが正しく判断するために、必要な正しい情報を提供してい
 くような活動なのです。
  真ん中の6割の人たちは、「原発は確かに危ない、怖い。だけど、原発がなくなってしまうと、
 ご飯が食べられなくなって困る」と思わされやすいし、思うと黙ってしまう。黙るということは
 すなわち「原発イエス」になってしまう。それを放置しておくと現状を改善していく力になって
 いかない。そこに強い危機感を感じました。メデイアを総動員して声高に主張を繰り返す経済界
 という2割、どうしてもイデオロギーだとか、偏っているとか、はたまた現実を知らない文化人
 が……シ」かいわれがちな真逆の2割、その間でどちらを信じていいか迷う6割という構図が見
 えてきました。市民活動はもっともっと盛り上げていただきたいと思いますが、敢えて誤解を恐
 れずに言えば市民運動ではなく経済人としてできる、やるべきデモンストレーションがあると思
 ったのです。それは「経済人」として「経済界」から違う意見を発信していくことだと思ったの
 です。
  具体的に仲間づくりを考える段階に至ったとき、商工会議所青年部の全国会長時代の仲間の顔
 が真っ先に浮かびました。ただし、この活動は商工会議所としての活動ではなく、あくまで趣旨
 に賛同する地域の中小零細企業を中心とした企業、団体の経営に関わる人たちによる活動である
 べきとの思いから、新たな会を立ち上げることにしました。

  2011年の秋口から私の考えをまとめたものを発信しながら、年明けから全国行脚を開始し
 ました。皆の知識レベルもまちまちですし、原発の対応についての見解も、いますぐとめろとい
 う人もいますし、ある程度の時間をかけてソフトランディングすべきだという人もいますし、脱
 原発であるにしても原子力の技術だけは継いでいかないといけないという人もいて、さまざまで
 す。しかし、「このシステムはおかしい」「何とか変えないと」という意見では一致していまし
 た。 世間には対立軸を明確にして議論を盛り上げるという方法を取る向きもあるようです。そ
 うではなく「原発は危ない」という共通項を大事にしながら、「私だけ言ってもどうにもならな
 い仁私の地域だけ動いても変わらない」と思っている人たちの背中を押していく。こういう活動
 を展開していきたい。このような考えをしたため、全国行脚しながら経穴者の仲間に伝えたとこ
 ろ、「議論をしたり、発信をする場があれば、俺たちも何かできるかもしれない」という声が数
 多く返ってきました。120余名の彼らには世話役として加わってもらい、またで今回対談にお
 付き合いくださった方々をはじめ各界の専門家の皆さまには、会のアドバイザーーとしてお知恵
 を借りることとして、2012年の3月20日に誕生したのが、「于不ルギーから経済を考える経
 営者ネットワーク会議」(以下「エネ経会議」)です。

                                     この項つづく

 

 ● 今夜の寸評:小さな巨人Ⅲ

再生可能エネルーのなかでも、デジタル革命基本則を強く反映し、地産地消型なものは、太陽光(太
陽熱)発電風力発
電、それに対し、バイオ(ネグロマスもそうですが)は木材は5~20年周期とな
りエネルギーを蓄積するものだから「デジ則」は反映しずらいが「地産地消」は可能、水力発電も同
じく時間をかけたエネルギー集約タイプでバイオマスと同じ。蓄電池は基本的に移動性の可否で分か
れるが、移動可能型は量産化とマテリアルイノベーションで「デジタル則」に沿うことも可能。そし
て、今日紹介した「光レクテナ」のように光熱電変換素子が商用レベルに仲間入りすれば、百パーセ
ント自然エネルギーは加速することになる。面白い時代である。 

  

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