UH 연구원, 고온 및 극한 환경에서 작동하는 센서 개발

May 31, 2023

다양한 산업 분야를 위해 제작된 민감하고 안정적이며 내구성이 뛰어난 센서

작성자: Rashda Khan 713-743-7587

2023년 5월 18일

항공우주, 에너지, 운송, 국방 등 여러 중요 산업의 극한 환경에서는 인간의 안전과 기계 시스템의 무결성을 보장하기 위해 가혹한 조건에서 다양한 요소를 측정하고 모니터링하는 센서가 필요합니다.

예를 들어, 석유화학 산업에서는 더운 사막의 열기부터 북극의 추운 날씨까지 다양한 기후에서 파이프라인 압력을 모니터링해야 합니다. 다양한 원자로는 섭씨 300~1000도 범위에서 작동하는 반면, 심부 지열정은 최대 섭씨 600도까지 온도를 유지합니다.

이제 휴스턴 대학 연구팀은 지구상에서 가장 뜨거운 유형의 용암인 고철질 화산 용암 온도인 섭씨 900도 또는 화씨 1,650도의 높은 온도에서 작동하는 것으로 입증된 새로운 센서를 개발했습니다.

"이러한 극한 환경을 견딜 수 있는 매우 민감하고 안정적이며 내구성이 뛰어난 센서는 이러한 응용 프로그램의 효율성, 유지 관리 및 무결성을 위해 필요합니다."라고 UH의 기계 공학 부교수이자 2019년 1월호에 발표된 연구의 교신 저자인 류재현이 말했습니다. 저널 Advanced Functional Materials.

저널 표지에 실린 기사의 제목은 "유연한 초광대역 밴드갭 단결정 AlN 박막으로 제작된 매우 높은 온도 및 극한 환경에서 작동하는 압전 센서"입니다.

작동시키기

UH 연구팀은 이전에 열악한 환경 응용 분야를 위해 단결정 질화 갈륨 또는 GaN 박막을 사용하여 III-N 압전 압력 센서를 개발했습니다. 그러나 센서의 감도는 섭씨 350도 이상의 온도에서 감소합니다. 이는 PZT(납지르콘산염 티탄산염)로 만들어진 기존 변환기의 감도보다 높지만 미미합니다.

연구팀은 감도 감소가 밴드갭(전자를 자극하고 전기 전도성을 공급하는 데 필요한 최소 에너지)이 충분히 넓지 않기 때문이라고 믿었습니다. 가설을 테스트하기 위해 그들은 질화알루미늄 또는 AlN을 사용하여 센서를 개발했습니다.

논문의 제1저자이자 류 그룹에서 연구 중인 박사후 과정 학생인 김남인은 “이 가설은 압전 센서 중 가장 높은 작동 온도인 약 섭씨 1000도에서 작동하는 센서를 통해 입증됐다”고 말했다.

AlN과 GaN은 모두 극한 환경용 센서에 사용하기에 적합한 독특하고 우수한 특성을 갖고 있지만, 연구원들은 AlN이 더 넓은 밴드갭과 훨씬 더 높은 온도 범위를 제공한다는 사실을 알고 매우 기뻤습니다. 그러나 팀은 고품질의 유연한 박막 AlN의 합성 및 제조와 관련된 기술적 과제를 처리해야 했습니다.

"저는 항상 다양한 재료를 사용하여 장치를 만드는 데 관심이 있었고 다양한 재료를 특성화하는 것을 좋아합니다. Ryou 그룹에서 특히 압전 장치 및 III-N 재료에 대해 일하면서 공부하면서 배운 지식을 활용할 수 있었습니다. "라고 박사학위를 취득한 김씨는 말했다. 2022년 UH에서 재료 과학 및 공학 학사 학위를 취득했습니다. 수상 경력이 있는 그의 논문은 개인 건강 관리 및 극한 환경을 위한 유연한 압전 센서에 관한 것이었습니다.

"실제 결과로 이어지는 과정을 보는 것은 매우 흥미로웠으며 센서 개발 및 시연 과정에서 기술적 과제를 해결했습니다."라고 그는 덧붙였습니다.

무엇 향후 계획?

이제 연구원들은 AlN을 사용하여 고온 압전 센서의 잠재력을 성공적으로 입증했으므로 실제 가혹한 조건에서 추가 테스트를 진행할 예정입니다.

Ryou는 "우리의 계획은 여러 가지 가혹한 시나리오에서 센서를 사용하는 것입니다. 예를 들어 중성자 노출 및 수소 저장을 위한 원자력 발전소에서 고압 테스트를 수행하는 것"이라고 Ryou는 말했습니다. "AlN 센서는 안정적인 재료 특성 덕분에 중성자 노출 대기와 매우 높은 압력 범위에서 작동할 수 있습니다."