새로운 열 센서가 속도를 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.

Jul 25, 2023

견고하고 저렴한 센서는 장치의 열 흐름을 모니터링하여 효율성을 향상시킬 수 있습니다.

도쿄대학

이미지: 롤투롤 스퍼터 증착 제조 기술은 잘 확립되어 있으며 상업용 환경에서 사용하기 위해 에칭 가능한 필름을 대량으로 생성할 수 있습니다.더보기

출처: ©2023 Tanaka et al. CC-BY-ND

전자 또는 기계 장치의 과도한 열은 비효율적인 성능의 신호 또는 원인입니다. 많은 경우 열 흐름을 모니터링하는 내장 센서는 엔지니어가 장치 동작이나 설계를 변경하여 효율성을 향상시키는 데 도움이 될 수 있습니다. 연구자들은 처음으로 새로운 열전 현상을 활용하여 실시간으로 열 흐름을 시각화할 수 있는 얇은 센서를 구축했습니다. 센서는 다른 종류의 센서가 실용적이지 않은 장치 내부 깊숙이 구축될 수 있습니다. 또한 잘 확립된 방법을 사용하여 빠르고 저렴하며 쉽게 제조할 수 있습니다.

에너지 보존 법칙에 따르면 에너지는 결코 생성되거나 파괴되지 않으며, 관련된 개체 간의 상호 작용에 따라 형태가 바뀔 뿐입니다. 모든 에너지는 결국 열로 귀결됩니다. 예를 들어, 겨울에 집을 난방하고 싶을 때 이는 우리에게 유용할 수 있습니다. 또는 무언가를 냉각시키거나 배터리 구동 애플리케이션을 최대한 활용하고 싶을 때 해롭습니다. 어쨌든 장치의 열 동작을 더 잘 관리할수록 이러한 불가피한 효과를 더 잘 처리하고 문제의 장치 효율성을 향상시킬 수 있습니다. 그러나 복잡하고 소형이거나 위험한 장치 내부에서 열이 어떻게 흐르는지 아는 것은 응용 분야에 따라 어려운 것부터 불가능한 것까지 다양하기 때문에 이것은 말처럼 쉽지 않습니다.

이 문제에서 영감을 받아 도쿄 대학 물리학과의 프로젝트 부교수 히고 토모야(Higo Tomoya)와 나카츠지 사토루(Nakatsuji Satoru Nakatsuji) 교수와 기업 파트너십을 포함한 팀이 해결책을 찾기 시작했습니다. “재료를 통해 전도되는 열의 양은 열유속으로 알려져 있습니다. 이를 측정하는 새로운 방법을 찾는 것은 장치 효율성을 향상시키는 데 도움이 될 뿐만 아니라 열 관리가 좋지 않은 배터리는 안전하지 않을 수 있으며, 심지어 다양한 건강 또는 생활 방식 문제가 체온과 관련될 수 있기 때문에 건강에도 도움이 될 수 있습니다.”라고 Higo는 말했습니다. “그러나 열유속을 측정하는 동시에 견고성, 비용 효율성, 제조 용이성 등 여러 가지 조건을 충족하는 센서 기술을 찾는 것은 쉽지 않습니다. 일반적인 열 다이오드 장치는 상대적으로 크기가 크며 전체 표면에 걸친 열유속의 이미지가 아닌 특정 영역의 온도 값만 제공합니다."

팀은 복잡한 열 흐름 패턴이 있을 때 특정 특수 자성 재료와 전극으로 구성된 열유속 센서가 작동하는 방식을 조사했습니다. 철과 갈륨을 기반으로 하는 자성체는 열 에너지가 비정상적으로 전기 신호로 변환되는 변칙 네른스트 효과(ANE)로 알려진 현상을 나타냅니다. 하지만 이것이 열을 전력으로 바꿀 수 있는 유일한 자기 효과는 아닙니다. 실제로 더 많은 전력을 생산할 수 있는 제벡 효과도 있지만, 이를 위해서는 많은 양의 재료가 필요하고 재료가 부서지기 쉬워 작업하기가 어렵습니다. 반면에 ANE를 사용하면 팀은 믿을 수 없을 정도로 얇고 가단성이 있는 플라스틱 시트에 장치를 엔지니어링할 수 있었습니다.

“올바른 자기 및 전극 재료를 찾아 특수한 반복 패턴에 적용함으로써 우리는 유연하고 견고하며 저렴하고 생산하기 쉬운 미세한 전자 회로를 만들었습니다. 무엇보다도 열유속 데이터를 실제 출력하는 데 매우 뛰어납니다. 시간이 됐어요.” Higo가 말했습니다. “우리의 방법은 투명하고 강하며 가벼운 PET 플라스틱의 얇은 시트를 베이스 레이어로 롤링하고 그 위에 자성 및 전극 재료를 얇고 일관된 레이어로 스퍼터링하는 방법입니다. 그런 다음 전자 회로를 만드는 방법과 유사하게 원하는 패턴을 결과 필름에 에칭합니다.”