何かと話題の「窒化ガリウム」ってなんだ?

最近、ガジェット業界で話題の製品があるのをご存知でしょうか?

AnkerやRAVpowerが相次いで発売をしている「窒化ガリウム」採用の充電器です。

こんなに小さいサイズの充電器なのに、出力は61WとMacbookもこれで充電ができてしまうという代物です!

今までは大きな電力を扱うものとなるとそれだけ発熱をしたり、基盤が大きくなり、どうしても個体が大きくなってしまっていたんですね。

特に急速充電の場合は尚更ですね。

昨今まで、世界で普及している充電器には、製造工程が確立され、大量生産が可能となった「シリコン」が伝導素材として使用されていたんですね。

しかし、技術は成長を続け、パソコン然り、スマホなど日に日に高度な機械を一般の人たちも使用するようになってきました。

最近のスマホもそうですが、大容量バッテリーや高電力機器の出現により今までの「シリコン」では時間や出力が追いつかなくなってきたんです。

そこで白羽の矢が立ったのが「窒化ガリウム」という素材です。

この物質は一般の人たちには最近になって聞くようになった物質ですが、実験室などでは何年も前から実用化に向けて実験が行われてきました。

では、この「窒化ガリウム」と「シリコン」ではどういった違いがあるのでしょうか?

窒化ガリウム「GaN」

まず、「窒化ガリウム」とはどういう素材なのでしょうか?

「窒化」とは、金属に窒素を浸み込ませる事です。

その金属が「ガリウム」という元素です。

ガリウム「Ga」、窒素「N」でできた素材という事ですね。

作り方は、ガリウムを1050°の高温でアンモニアと反応させると製造することができます。

皆さんの知っている応用先としては、青色発光ダイオードでしょうか?

「窒化ガリウム」は実はもう何十年も前から利用されてきた素材ということですね。

では、なぜ今まで製品としてあまり発売されてこなかったのでしょうか?

高いコストと量産体制

その答えは簡単です。

要は、製造コストがものすごくかかってしまっていたから!

「シリコン」と「窒化ガリウム」では製品化の製造工程が違うため、すぐに量産体制が整えられなかったのです。

要は、製造している機械をすべて変更する必要があったんです!

製品を製造する機械なんて、1台ウン億円からウン十億円以上もするのに、そんな簡単に変更なんてできませんよね。

それが研究を重ねた結果、約5年ほど前に現在の「シリコン」基盤を製造する機械にプラス機械を導入することによって「窒化ガリウム」基盤の製造に成功したんですね!

そこから安定的に製品として出せる量産体制が整えられるまで時間を要したというわけです。

窒化ガリウムの優位性

では、そこまでして「シリコン」から「窒化ガリウム」に変更する意味とはなんだったのでしょう?

それは、ムーアの法則に由来します。

ムーアの法則とは、集積回路上のトランジスタ数は「18ヶ月(1.5ヶ月)ごとに倍になる」というものです。

要は、「シリコン」基盤で対応ができる限界がやってきたということなんですよ。

それはこの10年、初めてのスマートフォンが出て、今の超高性能なスマートフォンの進化の速度を見てもらえればわかると思います。

その代替えとして「窒化ガリウム」の製造に拍車がかかったのです。

では、「シリコン」と「窒化ガリウム」ではどれぐらい違うのかを見ていきましょう。

この図を見てもらえれば一目瞭然ですね。

左が「シリコン」の図、右が「窒化ガリウム」の図です。

ここの話は専門的で非常に難しい話になるので、簡単に説明します。

電子の流れは、「シリコン」の縦方向の移動に比べ、「窒化ガリウム」は横方向へ動きます。

横方向への電子の流れは伝導損失を低くし、電力の損失も低くすることが実現できるため、効率が良いのです。

ということは、スイッチングスピード(切り替え速度)が向上し、スペースを節約することができます。

それに相まって、パワー回路に必要な受動部品の数を減らすことができるようになり、それに付随するコイルを小さくすることができるんですね。

そして、「窒化ガリウム」はパワー変換効率も「シリコン」よりもいいので、放射熱も軽減できます。

放射熱が少なくなるということは、放熱をするための目的があったスペースを減らすことができます。

なので、今回の充電器のように、高出力が可能なのに、本体は以前の充電器よりも小型化ができるようになったというわけです!

まとめ

いかがでしたでしょうか?

「窒化ガリウム」って「シリコン」に代わる非常に重要な元素であるということがお分かりになられたでしょうか?

さすがにもっと詳しく話をするとなると専門用語や元素記号がズラッと並ぶ科学誌みたいになるので、簡潔に解説させていただきました。

要は、伝導効率が良く、小型化でき、製造工程が確立された新しい基盤材料が「窒化ガリウム」ということです!

これからまだまだたくさんの製品が出てくると思います。

もちろん今は充電器ですが、皆さんの知らない間にいろんなものに使われ出し、10年後にはなくてはならない元素になっていることでしょう!

今、私たちは何十年も利用されていた「シリコン」から新しい時代の元素「窒化ガリウム」という革命の時代に生きているのです!

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