Al/PTFE 나노라미네이트와의 통합을 기반으로 한 향상된 에너지 성능

초록

칩에 에너지 재료를 통합하는 것은 전기 개시 장치를 포함하여 마이크로스케일 에너지 소비 시스템에서 광범위하게 잠재적인 응용을 위해 큰 주목을 받았습니다. 이 기사에서는 준안정 시스템에서 연료 Al, 산화 PTFE 및 불활성 층 Al-F 화합물로 구성된 마그네트론 스퍼터링에 의해 주기적 층 구조를 갖는 반응성 Al/PTFE 나노라미네이트를 제조합니다. 증착된 상태의 Al/PTFE 나노라미네이트는 상당히 높은 에너지 출력을 나타내며 개시 온도와 반응열은 각각 410°C 및 3034J/g입니다. 이러한 특성을 기반으로 Al/PTFE 나노라미네이트를 Cu 폭발 호일과 통합하여 통합 필름 브리지를 설계 및 제작합니다. Cu 필름 브리지. Cu 필름 브리지의 확장에서 파생된 플라이어의 운동 에너지는 Al/PTFE 나노라미네이트와의 통합을 통해 약 29.9% 증가했습니다. 전반적으로, Al/PTFE 나노라미네이트의 화학 반응과 Cu 필름 브리지의 전기 폭발의 조합을 통해 에너지 성능이 크게 향상될 수 있습니다.

<섹션 데이터-제목="배경">

배경

지난 10년 동안 나노구조 에너지 재료에 대한 조사는 낮은 점화 온도, 빠른 에너지 방출, 높은 에너지 밀도 및 조정 가능한 반응성을 포함한 우수한 에너지 성능으로 인해 전 세계적으로 관심을 받고 연구 관심이 증가하고 있습니다[1,2,3,4,5 ,6,7,8,9,10]. 이러한 물질에 저장된 화학 에너지는 전기적, 광학적, 충격 또는 열적 작동 시 방출될 수 있으며, 이는 2차 반응의 개시[11], 물질의 결합[12], 자동차와 같은 군사 목적 및 민간 용도로 사용될 수 있습니다. 에어백 추진제[13], 전원 공급 장치[14]. 나노분말의 물리적 혼합, 고밀도 나노복합체의 정지 반응성 밀링, 전기영동 나노에너지 코팅, 나노라미네이트의 주기적 증착을 포함한 많은 방법이 나노구조 에너지 재료를 제조하기 위해 도입되었다[15,16,17,18,19]. 이 방법들 중, 두 개 이상의 서로 다른 필름을 교대로 증착하여 나노라미네이트를 제조하는 것은 층의 수와 단층의 두께를 쉽게 제어하고 결과적으로 에너지 성능을 조정하기 때문에 조정 가능한 에너지 성능을 가진 장치 통합을 위한 매혹적인 구조를 제공합니다.

EFI(Exploding Foil Initiator)는 2차 반응의 개시에 사용되는 일종의 발전 불꽃 장치입니다[20]. 전기 펄스를 인가한 후 순간적으로 증가하는 전류 밀도는 금속 필름 브리지의 기화 및 고압 플라즈마 발생을 유발합니다. 그런 다음 필름 브리지의 전단지가 전단되고 가속되어 폭발물에 충돌합니다. 전기 점화 장치 소형화 및 저에너지 개시에 대한 요구 사항이 증가함에 따라 MEMS(Microelectronic and Mechanical System) 기술을 기반으로 한 금속 필름 브리지와 나노 에너지 층을 통합하여 기능성 나노 에너지 칩(NOC)을 달성하는 것은 유망한 구성 요소입니다. EFI 개발 옵션. 에너지 물질의 반응열과 금속 필름 브리지의 기존 전기 줄의 결합으로 EFI의 전기 폭발 성능을 개선할 수 있으며 소형 크기에서 낮은 에너지 개시로 EFI의 전기 폭발 성능을 향상시킬 수 있습니다.

Al/PTFE 나노라미네이트 필름은 다음과 같은 이유로 EFI와 통합될 유망한 후보입니다. 첫째, 금속 Al은 산화 시 높은 에너지 밀도와 에너지 방출율을 갖는 일반적인 물질이다. 한편 PTFE의 불소 함량은 최대 76wt.%이며 금속 Al과 반응하여 AlF₃를 형성할 수 있습니다. 5571J/g의 높은 이론적 에너지 방출로 [21]. 둘째, 대기 조건에서 PTFE 필름의 열분해와 옥시카바이드의 반응 생성물에서 파생된 잠재적인 가스 방출은 생성된 플라즈마의 압력을 증가시킬 수 있으며, 이는 플라이어의 전단 및 가속에 유리합니다[22]. 이 논문에서는 Al/PTFE 나노라미네이트를 Cu 폭발 필름 브리지와 통합하여 통합 필름 브리지를 설계하고 제작했습니다. 증착된 상태의 Al/PTFE 나노라미네이트의 구조 및 화학적 조성은 TEM 및 XPS 분석으로 연구되었습니다. 통합 Al/PTFE 나노라미네이트가 전기 개시 성능에 미치는 영향은 전기 폭발 테스트를 통해 조사되었습니다.

방법

Al/PTFE 나노라미네이트의 증착

직류 마그네트론 스퍼터링과 무선 주파수 마그네트론 스퍼터링으로 각각 Al 층과 PTFE 층을 교대로 증착하여 Al/PTFE 나노라미네이트를 제조하였다. 스퍼터링에 사용된 타겟은 직경 100mm 크기의 순수 알루미늄 호일(순도> 99.999%)과 폴리테트라플루오로에틸렌 포일(순도> 99.99%)이었습니다. 회전하는 기판 테이블은 다중 교대 증착을 실현하기 위해 사용되었습니다. 필름 증착을 위한 기본 압력은 5 × 10^{- 4} 미만이었습니다. Pa, 아르곤 가스가 가스 매체로 도입되었습니다. 최적의 필름 품질과 안정적인 증착 속도를 얻기 위해 증착 매개변수를 PTFE 레이어의 경우 1.1Pa, 300W, Al 레이어의 경우 0.45Pa, 100W로 설정했습니다.

(Al/PTFE)_n 준비 /Cu-통합 EFI

(Al/PTFE)_n /Cu 필름 브리지는 직경이 3인치인 알루미나 세라믹 기판에 마그네트론 스퍼터링 및 MEMS 기술에 의해 준비되었습니다. (Al/PTFE)_n /Cu 필름 브리지는 그림 1에 나와 있습니다. 각 유닛은 하단에 있는 Cu 폭발 필름 브리지, Cu 필름 브리지 상단에 증착된 직사각형 모양의 Al/PTFE 나노라미네이트 필름, Al/PTFE 나노라미네이트의 양면입니다.

<그림>

(Al/PTFE)_n의 개략도 및 제작 공정 흐름 /Cu 필름 브리지

증착 전에 아세톤, 알코올, 탈이온수를 사용하여 10분 동안 기판을 순차적으로 초음파 세척했습니다. 다음으로, 세정된 기판을 아르곤 가스로 블로우 건조하고 추가 건조를 위해 120°C에서 1시간 동안 열처리했습니다. 건조 후 DC 마그네트론 스퍼터링에 의해 2μm 두께의 Cu 층이 세척된 기판 위에 증착되었습니다. 이어서, 증착된 Cu 필름을 포토리소그래피를 통해 패터닝하고 구리 식각제(CE – 100)로 습식 식각하였다. 패턴화된 Cu 필름 브리지의 치수는 600μm × 600μm였습니다. 그런 다음, ~ 2-μm 두께의 Al/PTFE 나노라미네이트가 Cu 필름 브리지의 상단에 증착되고 이미지 반전 리프트오프 프로세스로 패턴화되었습니다. Al/PTFE 나노라미네이트를 스퍼터링하기 위한 적층 순서는 Al/PTFE/Al/PTFE/Al이었고, Al 층은 상부 층으로 남겨두었다. 그 후, 마스크로 패터닝된 2개의 Cu 접촉 패드를 전압원에 연결하기 위해 Al/PTFE 나노라미네이트의 양면에 적층하였다. 마지막으로 완성된 샘플을 개별 단위로 분할했습니다.

Al/PTFE 나노라미네이트의 특성

Al/PTFE 나노라미네이트의 결정도 및 구조적 현미경 특성화는 투과 전자 현미경(TEM)을 사용하여 수행되었습니다. X선 광전자 분광법(XPS)에 의해 Al 층과 PTFE 층 사이 계면의 화학적 조성을 결정하기 위해 ~ 1 nm 두께의 Al 필름이 PTFE 층에 증착되었습니다. PTFE 나노라미네이트를 기판에서 스크랩하고 시차 주사 열량계(DSC)에 의한 에너지 방출 분석을 위해 알루미나 도가니로 옮겼습니다. 각 테스트의 샘플 질량은 ~ 10mg이었고 테스트는 흐르는 아르곤에서 10°C/min의 가열 속도로 25~800°C에서 수행되었습니다.

필름 브리지의 전기 폭발 테스트

샘플의 전기 폭발 특성은 전기 폭발 측정 시스템에 의해 테스트되었으며, 이는 Cu/Al/CuO 필름 브리지에 대한 이전 보고서와 유사합니다[23]. 전기폭발온도 특성은 “구리원소의 이중선 원자방출분광법”[24, 25]에 기초한 전기폭발온도 진단방식으로 결정하였다. 전기 폭발 현상은 초당 20,000프레임의 고속 카메라에 의해 동시에 기록되었습니다. 플라이어의 가속 과정은 플라이어를 운전하는 능력을 조사하기 위해 PDV(Photonic Doppler Velocimetry)를 통해 얻었습니다.

결과 및 토론

Al/PTFE 나노라미네이트의 특성

Al/PTFE 나노라미네이트의 단면 TEM 이미지는 그림 2a에 나와 있습니다. Al 층과 PTFE 층은 수직 방향으로 주기적으로 배열되며 잘 정렬된 층 구조가 명확하게 보입니다. 어두운 스트립은 Al 레이어에 해당하고 밝은 스트립은 PTFE 레이어와 일치합니다. Al 층과 PTFE 층을 쉽게 구별할 수 있으며 Al 층과 PTFE 층 사이의 물결 모양 계면도 이미지에서 볼 수 있습니다. Al 층과 PTFE 층의 단층 두께는 각각 약 50nm 및 75nm입니다. Al 층과 PTFE 층의 고해상도 이미지는 그림 2b, c에 나와 있으며 전자 회절 패턴이 삽입되어 있습니다. Al막의 격자 배열을 명확하게 관찰할 수 있으며, 이는 잘 정의된 나노 다결정 구조를 나타냅니다. PTFE 필름은 비정질 구조를 나타내는 넓고 확산된 링을 나타냅니다. 주기적인 층 구조는 Al 층과 PTFE 층 사이의 계면 확산에 유리하여 에너지를 방출합니다. 균일한 필름 두께는 또한 각 레이어의 두께와 레이어 수를 변경하여 조정 가능한 에너지 성능을 가능하게 합니다.

<그림>

아 Al/PTFE 나노라미네이트의 단면 명시야 TEM 이미지. ㄴ Al 층과 전자 회절 패턴의 고해상도 이미지가 삽입됩니다. ㄷ PTFE 층 및 전자 회절 패턴의 고해상도 이미지 삽입

Al 층과 PTFE 층 사이의 계면 화학 조성을 추가로 확인하기 위해 표면에 증착된 ~ 1nm 두께의 Al 층이 있는 Al 필름, PTFE 필름 및 PTFE 필름 샘플에 대해 XPS 분석을 수행합니다. 그림 3a는 ~ 1nm 두께의 Al이 증착된 Al 필름과 PTFE 필름의 Al 2p 코어 레벨 스펙트럼을 보여줍니다. 72.2eV의 결합 에너지(BE)에서 나타나는 Al 2p core 준위의 피크는 금속성 Al 때문이다. Al 필름에서 75.4eV의 피크와 PTFE 필름에 증착된 ~ 1nm Al에서 75.6eV의 피크는 산화된 알루미늄에 기인할 수 있습니다. 표면에 Al이 증착되지 않은 PTFE 필름과 비교하여 Al³⁺ 와 일치하는 Al 2p 코어 레벨의 피크 더 높은 결합 에너지로 약간 이동합니다. 이는 Al과 PTFE 사이의 반응에 의해 유발될 수 있습니다[26, 27]. 한편, 그림 3b는 ~ 1 nm Al 증착 전후에 PTFE 필름의 F1s 코어 레벨의 변화를 보여줍니다. 686.6eV의 피크는 AlF₃의 Al-F 결합과 잘 맞습니다. 이는 증착 초기에 Al층과 PTFE층 사이의 계면에서 화학반응이 일어나는 것을 명확하게 보여주고 있다. 이러한 결과는 또한 Al/PTFE 나노라미네이트가 연료 Al, 산화 PTFE 및 불활성 층 Al-F 화합물로 구성된 준안정 반응 시스템에 있음을 증명합니다. Al/PTFE 나노라미네이트의 계면에 존재하는 소량의 Al-F 결합은 Al/PTFE 나노라미네이트의 높은 에너지 밀도와 안정성을 유지하는 데 중요한 구성요소인 PTFE와 Al 사이의 지속적인 반응을 방지할 수 있습니다[28]. <그림>

아 ~ 1nm 두께의 Al 오버레이어가 있는 Al 필름 및 PTFE 필름의 Al 2p 코어 레벨의 고해상도 스펙트럼. ㄴ ~ 1nm 두께의 Al 오버레이어가 있는 PTFE 필름과 PTFE 필름의 F 1s 코어 레벨의 고해상도 스펙트럼

Al/PTFE 나노라미네이트의 열 방출 특성은 흐르는 아르곤에서 분당 10°C의 일정한 가열 속도로 25~800°C의 온도 범위에서 DSC에 의해 테스트되었습니다. 그림 4와 같이 주요 발열 피크는 507°C의 온도 값에서 급격히 상승하는 것으로 관찰되며, 이는 Al과 PTFE의 산화 환원 반응과 관련이 있습니다. Al/PTFE 나노라미네이트의 반응 개시 온도는 410°C이고 반응열은 시간에 대한 양의 발열 열 흐름을 적분하여 계산된 약 3034J/g입니다. Al/PTFE 나노라미네이트는 상대적으로 낮은 개시 반응 온도로 상당히 높은 에너지 출력을 나타냅니다. 반응열은 최대 이론값보다 낮습니다. 이는 온도 상승 시 불완전한 반응으로 인해 발생할 수 있으며 계면에 Al-F 화합물 층이 형성되어 열 방출이 약간 감소합니다.

<그림>

아르곤 환경에서 온도에 따른 Al/PTFE 나노라미네이트의 DSC 곡선

(Al/PTFE)의 전기 개시 성능_n /Cu 필름 브리지

Al/PTFE 나노라미네이트의 구조 및 발열 특성을 기반으로, Al/PTFE 나노라미네이트와 Cu 폭발 필름 브리지를 통합하여 통합 필름 브리지를 제작했습니다. Cu 필름 브리지 및 (Al/PTFE)_n의 전기적 개시 현상에 대한 일련의 고속 비디오 프레임 /Cu 필름 브리지는 그림 5와 같이 2500V 방전 전압에서 기록되었습니다. 인접한 사진 사이의 간격은 50μs입니다. 브리지를 통해 저장된 전기 에너지를 방출한 후 Cu 필름 브리지에서 밝은 섬광을 동반한 격렬한 전기 폭발 과정이 관찰됩니다. 이것은 Cu 필름 브리지에서 발생하는 고체에서 이온화된 플라즈마로의 빠른 상태 변화를 나타냅니다. 지속 시간은 250μs입니다. (Al/PTFE)_n의 경우 /Cu 필름 브리지, 더 많은 양의 제품이 위쪽으로 토출되는 더 격렬한 폭발 과정이 관찰됩니다. 지속 시간은 Cu 필름 브리지의 두 배인 500μs 이상입니다. 이러한 결과는 Al/PTFE 나노라미네이트의 화학 반응이 Cu 필름 브리지의 이온화에 참여하고 Al/PTFE 나노라미네이트의 에너지 방출이 전기 개시 성능을 실질적으로 향상시킬 수 있음을 분명히 보여줍니다. 잠재적인 가스 방출과 더 많은 양의 위쪽으로 방출되는 제품은 생성된 플라즈마의 압력을 높이는 데 도움이 됩니다.

<그림>

Cu 필름 브리지의 전기 폭발 과정에 대한 고속 카메라 관찰(a ) 및 (Al/PTFE)_n /Cu 필름 브리지(b ) 2500V 방전 전압에서

전기 폭발 온도가 마이크로 또는 나노초 내에 수천 도에 도달할 수 있기 때문에 과도 온도를 측정하는 것은 어려운 작업입니다. 이 기사에서 개시 과정 동안 플라즈마의 온도 변화는 동일한 원자 또는 이온 종에서 스펙트럼 라인의 상대적인 강도를 비교하여 결정됩니다. 그림 6은 Cu 필름 브리지와 (Al/PTFE)_n의 플라즈마 온도 변화를 보여줍니다. 전기 개시 과정 동안 /Cu 필름 브리지. 트리거 후 Cu 필름 브리지의 전기 폭발 온도가 급격히 증가하여 최대 ~ 6819K에 도달합니다. (Al/PTFE)_n의 경우 /Cu 필름 브리지, 피크 온도는 ~ 8289 K입니다. Cu 필름 브리지보다 훨씬 높습니다. 이는 Al/PTFE 나노라미네이트의 화학 반응이 많은 수의 열 방출로 유발된다는 것을 분명히 나타냅니다. 온도가 높을수록 금속막의 이온화 및 플라즈마의 급속한 팽창에 유리합니다. 이러한 결과는 고속 관찰과 잘 일치합니다.

<그림>

Cu 필름 브리지 및 (Al/PTFE)_n에 대한 전기폭발 과정 중 데이터 처리 후 온도 변화 곡선 2500V 방전 전압에서 /Cu 필름 브리지

우리 모두 알고 있듯이 플라이어의 최종 속도는 폭발물의 성공적인 폭발에 영향을 미치며 플라이어의 운동 에너지는 Cu 플라즈마의 급속한 팽창에서 파생됩니다. 트리거링 후 필름 브리지에 코팅된 절연 플라이어 포일은 그림 7a와 같이 고온 및 고압 플라즈마에 의해 전단되고 위쪽으로 밀려납니다. PDV 신호로부터 고속 푸리에 변환을 통해 시간에 따른 속도 변화를 재구성하였다[29]. 그림 7b는 Cu 필름 브리지 및 (Al/PTFE)_n에 대한 속도 변화 곡선을 보여줍니다. 2500V 방전 전압에서 /Cu 필름 브리지. 브리지 필름이 기화되고 플라즈마가 빠르게 팽창함에 따라 플라이어 층이 거품을 형성하기 시작한 다음 배럴의 가장자리에서 잘립니다. 플라이어는 공기 저항과 폭발 압력 사이의 균형에 도달할 때까지 위쪽으로 가속되고 이후에 플랫폼이 발생합니다. 최대 속도는 Cu 필름 브리지의 경우 2792m/s이고 (Al/PTFE)_n의 경우 3180m/s입니다. /Cu 필름 브리지. 이는 전기폭발로 인한 플라이어의 운동에너지가 Al/PTFE 나노라미네이트와의 통합으로 인해 약 29.9% 증가함을 의미합니다. (Al/PTFE)_n의 시작 시간이지만 /Cu 필름 브리지는 Cu 필름 브리지보다 약간 늦고 전체 가속 시간은 상당히 근사합니다. Al/PTFE 나노라미네이트의 화학 반응은 Cu 필름 브리지의 전기 폭발과 일치하며 Cu 필름 브리지의 에너지 출력은 Al/PTFE 나노라미네이트와의 통합을 통해 분명히 증가할 수 있습니다.

<그림>

아 전기 개시 프로세스에서 EFI 작동의 개략도 측면도. ㄴ Cu 필름 브리지 및 (Al/PTFE)_n에 대한 전기 개시 프로세스 동안 PDV 신호로부터 재구성된 속도 변화 곡선 2500V 방전 전압에서 /Cu 필름 브리지

결론

요약하면, 주기적 층 구조를 갖는 반응성 Al/PTFE 나노라미네이트는 마그네트론 스퍼터링에 의해 성공적으로 제조되었다. Al/PTFE 나노라미네이트는 준안정 시스템에서 PTFE 층(비정질), Al 층(다결정질) 및 불활성 층(Al-F 화합물)으로 구성되어 3034J/g의 높은 에너지 출력을 제공할 수 있습니다. MEMS 기술을 통해 Al/PTFE 나노라미네이트는 Cu 폭발 호일과 통합되어 통합 필름 브리지를 구성했습니다. Al/PTFE 나노라미네이트의 화학 반응은 Cu 필름 브리지의 전기 폭발과 잘 일치합니다. 전기 폭발 온도와 통합 필름 브리지의 에너지 출력도 분명히 증가합니다. 전반적으로 Cu 필름 브리지의 개시 성능은 Al/PTFE 나노라미네이트와의 통합을 통해 분명히 향상될 수 있습니다.