மின்சார வாகனங்களின் எதிர்காலத்தையே இந்திய விஞ்ஞானிகளின் சிறு கண்டுபிடிப்பு மாற்றுமா?

இந்தியாவின் சாலைகள் எங்கும் மின்சார வாகனங்கள் அதிகரித்து வருகின்றன. அதேநேரத்தில், ஆன்லைன் வங்கிப் பரிமாற்றம், யுபிஐ பரிமாற்றம், வீடியோ ஸ்ட்ரீமிங், சமூக ஊடகங்கள், கிளவுட் ஸ்டோரேஜ் ஆகியவற்றை ஆதரிக்கத் தேவையான தரவு மையங்களும் வேகமாக விரிவடைந்து வருகின்றன.

இந்த இரண்டும் தனித்தனியாகப் பார்க்கையில் இருவேறு உலகங்களாகத் தெரிந்தாலும், இவை ஒரு முக்கியமான தொழில்நுட்பத்தை அடிப்படையில் சார்ந்துள்ளன. அதுதான், வலுவான, நம்பகமான மின்னணுவியல்.

சமீபத்திய ஆராய்ச்சியில், பெங்களூருவில் உள்ள இந்திய அறிவியல் நிறுவனத்தின் ஆராய்ச்சியாளர்கள், கேலியம் நைட்ரைட் அல்லது GaN என்றழைக்கப்படும் சக்திவாய்ந்த ஒரு பொருளின் பரவலான பயன்பாட்டிற்குத் தடையாக இருந்த ஒரு முக்கியமான சிக்கலுக்குத் தீர்வு கண்டுள்ளனர்.

அவர்களுடைய ஆராய்ச்சியின் விளைவாக, மின்சார வாகனங்களின் பாதுகாப்பு, ஆற்றல் திறன் ஆகியவை பல மடங்கு அதிகரிக்கும் என்றும், அவற்றை விரைவாக சார்ஜ் செய்ய முடியும் எனவும் இது குறித்து இந்திய அறிவியல் நிறுவனம் வெளியிட்டுள்ள செய்திக் குறிப்பில் தெரிவித்துள்ளது.

இந்த ஆய்வுக்குத் தலைமை தாங்கிய, இந்திய அறிவியல் நிறுவனத்தின் மின்னணு அமைப்புகள் பொறியியல் துறையைச் சேர்ந்த மயங்க் ஸ்ரீவஸ்தவா பிபிசி தமிழிடம் பேசியபோது, "இப்போது பயன்பாட்டில் இருக்கும் சிலிக்கானை விட கேலியம் நைட்ரைட் அதிவேகம் மற்றும் அதிக திறனைக் கொண்டது. ஆனால், சில தடைகளின் காரணமாக அது நம்பகமானதாக இதுவரை இருக்கவில்லை. அதை இந்த ஆராய்ச்சியில் நாங்கள் வடிவமைத்துள்ள புதிய கட்டமைப்பு மாற்றுகிறது," என்று கூறினார்.

கேலியம் நைட்ரைட் என்றால் என்ன? அது ஏன் முக்கியம்?

இதைப் புரிந்துகொள்ள முதலில் டிரான்சிஸ்டர் எனப்படும் ஒரு சிறிய, ஆனால் சக்திவாய்ந்த சாதனத்தைப் பற்றித் தெரிந்துகொள்ள வேண்டும்.

டிரான்சிஸ்டர் என்பது ஒரு சிறிய மின்சார சுவிட்ச் போன்றது. அது இயக்கப்படும்போது, மின்சாரம் பாய்கிறது. அது அணைக்கப்படும்போது, மின்சார ஓட்டம் நிறுத்தப்படுகிறது. இத்தகைய சுவிட்சுகளை நவீன இயந்திரங்கள் ஆயிரக்கணக்கில், லட்சக்கணக்கில் பயன்படுத்துகின்றன.

இந்த டிரான்சிஸ்டர்கள் பன்னெடுங்காலமாக, பெரும்பாலும் சிலிக்கான் எனப்படும் ஒரு பொருளைப் பயன்படுத்தியே தயாரிக்கப்படுகின்றன. சிலிக்கான் மின்னணு உலகுக்கு மிகச் சிறப்பாகச் சேவையாற்றிக் கொண்டிருக்கிறது. ஆனால் இயந்திரங்கள் அதிக சக்தி வாய்ந்தவையாக மாறி, ஆற்றல் தேவைகள் அதிகரிக்கும்போது, அதற்கு ஈடுகொடுக்கும் வகையிலான ஒரு மாற்றினை விஞ்ஞானிகள் தேடுவதும் தொடங்கியது.

அத்தகைய ஒரு மாற்றுப் பொருள்தான் கேலியம் நைட்ரைட். சுருக்கமாக GaN என்றழைக்கப்படுகிறது. சிலிக்கானுடன் ஒப்பிடும்போது, இதனால் ஒப்பீட்டளவில் அதிக ஆற்றலைக் கையாள முடியும், மின்சாரத்தை வேகமாக மாற்ற முடியும். வழக்கமாக இயந்திரங்களில் ஆற்றல் பயன்பாட்டைப் பொறுத்து, வெப்பமாகக் குறிப்பிடத்தக்க அளவிலான ஆற்றல் வீணாகும். இந்த கேலியம் நைட்ரைட், அப்படி வெப்பமாக வீணாகும் ஆற்றலின் அளவையும் குறைக்கிறது.

இந்த நன்மைகள் இருப்பதால், சிலிக்கானுக்கு பதிலாக கேலியம் நைட்ரைட் பயன்படுத்தி தயாரிக்கப்பட்ட சாதனங்கள் அளவில் சிறியதாகவும், சில நேரங்களில் மூன்று மடங்கு சிறியதாகவும் இருக்கலாம் என்று இந்த ஆராய்ச்சி கூறுகிறது.

இதன் விளைவாக, மின்சார வாகனங்கள், சார்ஜர்கள், புதுப்பிக்கத்தக்க எரிசக்தி அமைப்புகள் மற்றும் தரவு மையங்களில் இவற்றின் பயன்பாடு பல சாதகமான பலன்களை வழங்கும் என்று இந்திய அறிவியல் நிறுவனத்தின் செய்திக் குறிப்பு கூறுகிறது.

இவ்வளவு நன்மைகள் இதன் மூலம் கிடைக்கும் என்றாலும், சிலிக்கானுக்கு பதிலாக அவற்றை முழுமையான மாற்றாக சந்தையில் பயன்படுத்த முடியாமல் இருப்பதற்குக் காரணம் உள்ளது. அதற்கான காரணம், 'கேட்' என்று அழைக்கப்படும் டிரான்சிஸ்டரின் மிகச் சிறிய ஆனால் முக்கியமான பாகத்தில் இருக்கிறது.

'கேட்'டில் என்ன பிரச்னை?

ஒவ்வொரு டிரான்சிஸ்டரின் உள்ளேயும், அந்தச் சாதனம் எப்போது இயக்கப்படும், அணைக்கப்படும் என்பதைக் கட்டுப்படுத்துவதற்கான கேட் என்ற பாகம் இருக்கிறது. அதை ஒரு தண்ணீர் குழாயுடன் ஒப்பிடலாம். குழாயின் பிடியைத் திருப்பும்போது தண்ணீர் பாய்கிறது, அதை பின்புறமாகத் திருப்பும்போது குழாய் மூடப்பட்டு தண்ணீர் வரத்து தடை செய்யப்படுகிறது. இதேபோன்ற வகையில்தான் மின்சார ஓட்டத்தை டிரான்சிஸ்டரில் உள்ள இந்த கேட் கட்டுப்படுத்துகிறது.

ஒரு டிரான்சிஸ்டர் இயக்கப்படுவதற்கு, கேட்டில் குறைந்தபட்ச மின்னழுத்தம் பயன்படுத்தப்பட வேண்டும். இந்தக் குறைந்தபட்ச மின்னழுத்தம் 'கேட் மின்னழுத்தம்' என்று அழைக்கப்படுகிறது. அதாவது ஒரு குழாயைத் திறப்பதற்கு நீங்கள் கொடுக்க வேண்டிய குறைந்தபட்ச அழுத்தமாக இதைக் கற்பனை செய்யலாம்.

தற்போதைய பல கேலியம் நைட்ரைட் சாதனங்களில், இந்த கேட் மின்னழுத்தம் என்பது ஒப்பீட்டளவில் குறைவாக உள்ளது. அதாவது, சுமார் 1.5 முதல் 2 வால்ட் வரையிலான மின்னழுத்தம் இருந்தாலே, மின்சார ஓட்டத்தை அனுமதிக்கும் கேட் திறந்துவிடுகிறது. இது ஒரு சிக்கலை உருவாக்கியது. மின்சார வாகனங்கள், தரவு மையங்கள் போன்ற பெரிய மின்னணு அமைப்புகளில் உள்ள மின்னழுத்தத்தில் சிறிய தேவையற்ற தொந்தரவுகளை ஏற்படுத்துகிறது. கேட் மின்னழுத்தம் மிகக் குறைவாக இருந்தால், இவ்வாறு ஏற்படும் சிறிய தொந்தரவுகள்கூட தற்செயலாக சாதனத்தை இயக்கிவிடக்கூடும்.

இதில் இருக்கும் மற்றொரு சிக்கல் மின் கசிவுப் பிரச்னை. அதாவது, மின்னணு சாதனம் அணைக்கப்பட வேண்டியிருந்தாலும்கூட, சிறிதளவு மின்சாரம் பாய்ந்துகொண்டிருக்கும். இது ஒரு குழாய் மூடப்பட்ட பிறகும் தண்ணீர் சொட்டிக் கொண்டிருப்பதைப் போன்றது. காலப்போக்கில், இந்தத் தொடர்ச்சியான கசிவு டிரான்சிஸ்டரின் செயல்பாட்டை பாதிக்கக்கூடும்.

இந்தப் பிரச்னைகளின் விளைவாக, மிக அதிக நம்பகத்தன்மை கொண்ட அமைப்புகளில் கேலியம் நைட்ரைட்டை பயன்படுத்துவதில் நிபுணர்கள் எச்சரிக்கையாகவே இருந்தனர். மின்சார வாகனங்கள், தரவு மையங்கள் போன்றவை வெப்பம், அழுத்தம், மாறி வரும் நிலைமைகளுக்கு நடுவில் பல ஆண்டுகளுக்குப் பாதுகாப்பாக இயங்க வேண்டும். அவற்றில் கேலியம் நைட்ரைட் சாதனங்களில் நிகழும் இத்தகைய எந்தவொரு கணிக்க முடியாத நடத்தையாக இருந்தாலும் அது மிகவும் ஆபத்தானது.

தீர்வுக்கு அடித்தளம் அமைத்த நுண்ணிய கண்டுபிடிப்பு

ஆனால், இந்த ஆபத்துகளுக்குத் தீர்வு காணும் வகையில், இந்தச் சிக்கலுக்குப் பின்னாலுள்ள அடிப்படை அறிவியலைப் புரிந்துகொள்ள இந்திய அறிவியல் நிறுவனத்தைச் சேர்ந்த விஞ்ஞானிகள் முயன்றனர்.

டிரான்சிஸ்டருக்குள் இருக்கும் சிறிய கசிவுப் பாதைகள், அதன் இயக்கவியல் நடத்தைகளை எவ்வாறு பாதிக்கின்றன என்பதை அவர்கள் கவனமாக ஆராய்ந்தனர்.

இதன் மூலம் மின் கசிவுக்கும் டிரான்சிஸ்டர் எவ்வாறு இயக்கப்படுகிறது என்பதற்கும் இடையே ஒரு வலுவான தொடர்பு இருப்பதை ஆய்வுக் குழு கண்டுபிடித்ததாக பேராசிரியர் மயங்க் ஸ்ரீவஸ்தவா விளக்கினார். "அது சீக்கிரமாகவோ அல்லது தாமதமாகவோ இயக்கப்படுமா என்பதில் சிறிய கசிவுப் பாதைகள் தாக்கம் செலுத்தின. இது இதற்கு முன்பு காணப்படாத ஒரு புரிதல்."

சோதனை அளவீடுகளை விரிவான மாதிரிகள் மற்றும் நுண்ணிய பகுப்பாய்வுகளுக்கு உட்படுத்தியதன் மூலம், இந்தச் சிறிய கசிவுப் பாதைகளைக் கட்டுப்படுத்துவது கேட் மின்னழுத்தத்தைக் கட்டுப்படுத்த உதவும் என்பதை ஆய்வாளர்கள் நிரூபித்தனர். இந்த நுண்ணறிவு கேலியம் நைட்ரைட்டில் இருந்த பிரச்னைகளுக்கான தீர்வுக்கு அடித்தளம் அமைத்தது.

விஞ்ஞானிகள் வடிவமைத்த புதிய கேட்

கேலியம் நைட்ரைட் சாதனங்கள் ஏன் நம்பத்தகுந்தவையாக இருப்பதில்லை என்பதற்கான மூல காரணத்தைக் கண்டறிந்த பிறகு, ஆய்வுக்குழு, அதை நிவர்த்தி செய்யும் வகையில் புதிய கேட் கட்டமைப்பை வடிவமைத்தது.

டிரான்சிஸ்டரில் உள்ள p-GaN உடன் அலுமினியம்-டைட்டானியம் ஆக்சைடை பயன்படுத்தி மேம்படுத்தப்பட்ட கேட் அடுக்குகளை உருவாக்கியுள்ளதாக இதுகுறித்து விளக்கிய பேராசிரியர் மயங்க் தெரிவித்தார். "இந்தப் புதிய அமைப்பு தேவையற்ற கசிவை கணிசமாகக் குறைக்கிறது" எனவும் அவர் குறிப்பிட்டார்.

ஆய்வாளர்களின் கூற்றுப்படி, இந்தப் புதிய வடிவமைப்பு இதற்கு முன் கேட்களில் நிகழ்ந்த மின் கசிவை 10,000 மடங்கு வரை குறைக்கும். அதேநேரத்தில், இது 4 வால்ட்டுகளுக்கு மேல் தொடக்கநிலை மின்னழுத்த அளவை அதிகரிக்கிறது. அதாவது முன்பு 1.5 வால்ட் மின்சாரத்திலேயே திறக்கப்பட்ட சுவிட்ச் இனி அவ்வாறு தற்செயலாகத் திறக்காது.

"இது முக்கியமானது, ஏனெனில், மோஸ்ஃபெட் (MOSFET) எனப்படும் பாரம்பரிய சிலிக்கான் சாதனங்கள் வழக்கமாக 3 முதல் 3.5 வால்ட்களில் இயக்கப்படும். அதோடு சுமார் 15 வால்ட் வரை கேட் மின்னழுத்தங்களை பொறுத்துக்கொள்ள முடியும். இந்த ஆய்வின் மூலம், கேலியம் நைட்ரைட் சுவிட்ச்களிலும் 1.5 வால்ட்டுகளில் இருந்து 4 வால்ட்டுகளாக அவற்றின் தாங்குதிறனை உயர்த்தி, நிலைத்தன்மையை மேம்படுத்துவதன் மூலம், புதிய GaN சாதனங்கள் நம்பகமான சிலிக்கான் கூறுகளைப் போலவே செயல்படுகின்றன என்பது தெரிய வந்துள்ளது. அதேபோல, கேட் முறிவு மின்னழுத்தமும் சுமார் 15.5 வால்ட்டுகளாக அதிகரித்துள்ளது, அதன் வலுவான தன்மையை மேம்படுத்துகிறது."

பேராசிரியர் ஸ்ரீவஸ்தவா இதுகுறித்துப் பேசியபோது, "குறைவான கசிவுடன், அதிகமான தாங்குதிறன் மின்னழுத்தத்தை அடைவது கேலியம் நைட்ரைட் சாதனங்களைப் பரவலாகப் பயன்படுத்துவதன் அடுத்த கட்டத்திற்கான முக்கிய செயல்படுத்தல்களில் ஒன்று" எனத் தெரிவித்தார்.

"எளிமையாகச் சொல்ல வேண்டுமெனில், கேலியம் நைட்ரைட் சாதனங்களை பொறியாளர்கள் எதிர்பார்க்கும் அமைப்புகளில் பயன்படுத்துவதற்கு மிகவும் கணிக்கக்கூடிய, நிலையான, வசதியான, நம்பகத்தன்மை வாய்ந்த சாதனமாக மாற்றியுள்ளது."

மின்சார வாகனங்களுக்கு இதனால் என்ன பயன்?

மின்சார வாகனங்கள் மின்னணுவியல் சாதனங்களைப் பெரிதும் சார்ந்துள்ளன. இந்த மின்னணு சாதனங்கள், ஆன்-போர்ட் சார்ஜர்கள், டிசி-டிசி மாற்றிகள், இன்வெர்ட்டர்கள், மோட்டார் டிரைவ்கள் ஆகியவற்றில் பயன்படுத்தப்படுகின்றன.

சார்ஜரில் இருந்து பேட்டரிக்கும் பேட்டரியில் இருந்து மோட்டாருக்கும் மின்சாரம் பாயும் விதத்தை இவை கட்டுப்படுத்துகின்றன.

சென்னையிலுள்ள வேலூர் இன்ஸ்டிடியூட் ஆஃப் டெக்னாலஜியின் மின்னணு பொறியியல் பள்ளியின் மின்சார வாகனங்கள் இன்குபேஷன் சோதனை மற்றும் ஆராய்ச்சி மையத்தைச் சேர்ந்த பேராசிரியர் முனைவர் ஃப்ளோரன்ஸ் ஞான பூவதி, "மின் கசிவைக் குறைப்பது, மின்னழுத்த தாங்குதிறனை அதிகரிப்பது போன்ற முன்னேற்றங்கள் மின்சார வாகன அமைப்புகளில் செயல்திறனை கணிசமாக மேம்படுத்தும்" என்று விளக்கினார்.

அதோடு, மின் கசிவு குறைக்கப்படும்போது, வெப்பமாக வீணடிக்கப்படும் ஆற்றலின் அளவும் குறைவதாகக் கூறுகிறார் அவர். "இதனால் சிறந்த வெப்ப மேலாண்மை மற்றும் அளவில் பெரிய குளிரூட்டும் கட்டமைப்புகளுக்கான தேவையும் மின்சார வாகனத்தில் குறைகிறது."

இதன்மூலம் பேட்டரியின் செயல்திறன் அதிகரிப்பதால், அதிகமான ஆற்றல் மோட்டாரை அடைய முடியும் என்பதோடு, சார்ஜிங் நேரமும் குறையும், பேட்டரி வேகமாக சார்ஜ் ஆவதற்கு இந்தக் கட்டமைப்பு உதவும் என்று ஃப்ளோரன்ஸ் ஞான பூவதி விளக்கினார்.

அதுமட்டுமின்றி, அவரது கூற்றுப்படி கேலியம் நைட்ரைட் பயன்படுத்துவதால் ஏற்படும் தற்செயல் டர்ன்-ஆன்களை இது தடுப்பதால், சாதனத்தின் மீதான பாதுகாப்பு மற்றும் நம்பகத்தன்மை மேம்படுகிறது.

பொதுவாகவே, கேலியம் நைட்ரைட் சாதனங்களைப் பயன்படுத்துவது மின்னணு சாதனங்களின் மொத்த அளவைக் குறைப்பதாக ஏற்கெனவே அறியப்படுகிறது. தற்போது, அவற்றில் இருந்த சிக்கல்களைத் தீர்க்க உதவும் இந்த மேம்படுத்தப்பட்ட கேட் வடிவமைப்பால், மின்சார வாகனங்களால் சிறிய வடிவமைப்புகளைச் செயல்படுத்த முடியும். ஒருவேளை பேட்டரிகள் அல்லது பிற கூறுகளின் அளவு குறைவதால் அதிகமான வெற்றிடத்தை அது விட்டுச் செல்லக்கூடும்.

இத்தகைய மேம்பாடுகள், நடைமுறையில், எதிர்கால மின்சார வாகனங்களில், நீண்ட தூர செயலாற்றல், வேகமான சார்ஜிங், சிறந்த செயல்திறன் ஆகியவற்றை வழங்கக்கூடும் என்கிறார் ஃப்ளோரன்ஸ்.

கரிம உமிழ்வை குறைக்க உதவுமா?

தரவு மையங்கள் அதிகளவிலான மின்சாரத்தைப் பயன்படுத்துகின்றன. இந்தக் கட்டமைப்புகளுக்குள் ஏற்படும் மின் இழப்புகள் மின்சார கட்டணங்களை அதிகரிப்பது மட்டுமின்றி, அதிக வெப்பத்தையும் உருவாக்குகின்றன. இதனால் அவற்றுக்குப் பெரிய அளவிலான குளிரூட்டும் அமைப்புகள் தேவைப்படுகின்றன.

தரவு மைய மின் விநியோகங்களில் மிகவும் நம்பகமான, திறன் மிக்க GaN சாதனங்கள் ஏற்றுக்கொள்ளப்பட்டால், ஆற்றல் இழப்புகள் குறைக்கப்படலாம் என்கிறார் ஃப்ளோரன்ஸ் ஞான பூவதி.

ஆற்றல் வீணாவது குறைவது, குளிரூட்டும் தேவைகளைக் குறைக்கும். இது கரிம உமிழ்வு அளவைக் குறைக்கும் என்றும் விஞ்ஞானிகள் வாதிடுகின்றனர். ஆயிரக்கணக்கான தரவு மையங்களில் இந்தச் சிறிய செயல்திறன் மேம்பாட்டைச் செய்வது பெரிய தாக்கத்தை ஏற்படுத்தலாம் என்பது நிபுணர்களின் கருத்தாக உள்ளது.

இந்தப் புதிய தொழில்நுட்ப முன்னேற்றம், ஓர் அடிப்படை இயற்பியல் சிக்கலைத் தீர்த்து, அதை நடைமுறை பொறியியல் தீர்வாக மாற்றுவதன் மூலம் இந்திய அறிவியல் நிறுவனத்தின் ஆய்வுக்குழு கேலியம் நைட்ரைட் தொழில்நுட்பத்தைப் பயன்படுத்துவதில் நிலவிவந்த தொழில்நுட்பத் தடையைச் சரி செய்துள்ளது.

இதோடு, "அரசின் ஆதரவு, தொழில் கூட்டாண்மைகள், உரிமம் ஆகியவற்றின் மூலம் வணிக ரீதியாக இதைப் பயன்படுத்துவதற்கான தொழில்நுட்பங்களை அளவிடும் நிலையில் ஆய்வாளர்கள் இருப்பதாக" இந்திய அறிவியல் நிறுவனத்தின் செய்திக்குறிப்பில் கூறப்பட்டுள்ளது.

இந்தக் கண்டுபிடிப்பு வெற்றிகரமாக ஏற்றுக்கொள்ளப்பட்டால், அது மின்சார வாகனங்களில் ஒரு புதிய முன்னேற்றத்தை இந்தியா காண உதவும் எனவும் நிபுணர்கள் கருதுகின்றனர்.

- இது, பிபிசிக்காக கலெக்டிவ் நியூஸ்ரூம் வெளியீடு