항공엔진용 ITO/PtRh 박막 열전쌍의 고온 안정성

요약

박막 열전쌍(TFTC)은 항공우주 추진 시스템에서 정확하고 비침습적인 온도 모니터링을 가능하게 합니다. 우리는 마그네트론 스퍼터링으로 알루미나 세라믹 위에 제조하고 N₂-공기 사이클로 후어닐링한 ITO/PtRh:PtRh TFTC를 보고합니다. 이 소자는 1000°C까지 다중 사이클로 보정되었으며, 탁월한 기전력(EMF) 안정성과 재현성을 입증했습니다. PtRh 산화로 형성된 산소 확산 장벽과 ITO 결정립계 쇼트키 장벽이 캐리어 농도 드리프트를 억제합니다. TFTC는 가혹한 환경에서 30시간 이상 작동을 유지하여 항공엔진 고온 부품 온도 측정을 위한 신뢰할 수 있는 센서로 자리매김했습니다.

배경

정확한 온도 데이터는 항공엔진 열역학 모델 검증, 운전 조건 모니터링, 진단에 필수입니다[1-3]. 기존 와이어 열전쌍, 적외선 카메라, 열분사 게이지와 비교할 때 TFTC는 빠른 응답, 최소 기체유동 교란, 측정 표면 온도 분포에 무시할 만한 영향을 제공합니다[4,5].

고온 TFTC는 Pt-PtRh와 In₂O₃-ITO 시스템으로 구성되어왔습니다[6-9]. 그러나 이러한 박막 구조는 항공엔진 대표 온도인 800-1000°C 범위에서 안정성과 재현성 문제를 겪곤 합니다. 로듐 산화는 Pt-PtRh 소자에서 드리프트를 유발하고[10,11], 산소 공공 동역학은 In₂O₃ 기반 TFTC에서 출력 드리프트나 고장을 초래합니다[12,13]. 고온 어닐링, 질소 도핑[14-16], 나노복합체 접근법[8] 등 다양한 전략이 ITO 성능을 개선했으나, 산소 확산으로 열전 출력이 일반적으로 저하됩니다. 반도체/금속 다층 열전소자는 아직 보고되지 않았습니다.

본 연구에서는 ITO/PtRh 복합 다층을 열전소자로 도입합니다. 스퍼터 증착과 N₂-공기 어닐링 후, 결과 ITO/PtRh:PtRh TFTC의 미세구조, 저항률, 고온 열전 응답을 조사합니다.

방법

시료 제조

ITO(In₂O₃:SnO₂=90:10, 99.99 wt%, 100 mm 직경)와 Pt-13%Rh(99.99 wt%, 100 mm 직경) 타겟을 7×10⁻⁴ Pa 챔버에서 110 mm 타겟-기판 거리로 알루미나와 Si(100) 기판에 스퍼터링했습니다. 기판은 아세톤, 에탄올, 탈염수로 순차 세척했습니다. ITO와 Pt-Rh 층을 교대로 증착하여 총 ~1 µm 두께 복합 박막을 만들었으며, ITO 층 ≈400 nm, Pt-Rh 층 ≈100 nm입니다. 후어닐링은 N₂ 분위기 1000°C 5시간 후 공기 분위기 1000°C 2시간(N₂-Air) 수행했습니다[15].

ITO/PtRh:PtRh TFTC 제조

63 mm × 1 mm × 1 µm TFTC를 75 mm × 12 mm × 0.5 mm 알루미나 기판에 스텐실 마스크로 패터닝했습니다. N₂-Air 어닐링 후, 300-1000°C 노에서 소자를 보정했습니다. 각 설정점은 열평형 도달을 위해 ≥1시간 유지했습니다. 표준 S형과 K형 와이어 열전쌍이 뜨거운(T₁)과 찬(T₂) 접합부 온도를 측정했으며, 디지털 멀티미터가 찬 접합부 리드에서 EMF를 기록했습니다.

특성 분석

X선 회절(XRD)로 ITO 결정성을 조사했으며, 주사전자현미경(SEM)으로 복합 박막 단면을 관찰했습니다. 4점 프로브로 박막 저항률을 측정했습니다.

보정 절차

보정 설정은 그림 1b에 나와 있습니다: 순환 수조가 뜨거운 접합부와 찬 접합부 사이에 온도 구배를 만듭니다. EMF를 기록하면서 기준 열전쌍으로 T₁과 T₂를 모니터링합니다.

결과 및 논의

미세구조 및 저항률

어닐링된 ITO 박막 XRD는 다결정 입방 비크사이트 In₂O₃ 피크를 보이며 우선 배향은 없습니다. Sn이나 Sn-산화물 피크가 나타나지 않아 고용체 형성을 확인합니다[17].

SEM 단면(그림 3)은 의도한 ~1 µm 총 두께를 확인하며, ITO 층이 Pt-Rh 두께의 약 4배입니다.

저항률 측정(표 2)에 따르면 증착된 ITO/PtRh 복합체는 순수 ITO보다 10배 더 전도성입니다. 후어닐링 후 ITO 저항률은 약간 감소(8.52×10⁻² Ω·cm → 7.55×10⁻² Ω·cm)했는데, 이는 치밀화와 결함 감소 때문으로 보입니다. 반면 복합체 저항률은 증가(1.68×10⁻³ Ω·cm → 7.61×10⁻³ Ω·cm)했는데, 어닐링 중 표면 Rh 산화가 전하 수송을 방해하기 때문입니다[18].

열전 성능

정적 보정(그림 4a)은 온도 차에 따른 EMF의 비선형 증가를 보여주나, 1000°C까지 다중 사이클에서 EMF 값이 거의 변하지 않아 우수한 안정성을 입증합니다.

그림 4b는 Seebeck 계수가 ΔT와 함께 급격히 상승함을 보여주며, 이는 축퇴 ITO의 온도 의존적 캐리어 농도를 반영합니다. 3사이클 평균 Seebeck 계수는 2.19 µV/°C로, 기존 S-형이나 R-형 열전쌍보다 약간 낮습니다. 이 감소는 ITO 결정립계 쇼트키 장벽이 캐리어 농도 변동을 제한하고 소자를 안정화시키기 때문으로 여겨집니다[21-23].

EMF-ΔT 관계는 3차 다항식(식 3)으로 피팅되며, 계수는 사이클 간 거의 동일합니다(표 3). 피팅 곡선은 소자 재현성을 확인합니다. TFTC는 1000°C에서 30시간 이상 기능 유지로, 항공엔진 표면 온도 모니터링 적합성을 강조합니다.

결론

우리는 실온 마그네트론 스퍼터링으로 알루미나 위에 ITO와 ITO/PtRh 복합 박막을 증착하고 N₂-공기 어닐링으로 안정적인 다층 ITO/PtRh:PtRh TFTC를 구현했습니다. 복합체 저항률 증가는 Rh 산화 기인, ITO 저항률은 치밀화로 약간 개선됩니다. 소자 고온 안정성은 PtRh 산화로 형성된 산소 확산 장벽과 ITO 결정립계 쇼트키 장벽에서 기인하며, 캐리어 농도 드리프트를 억제합니다. 평균 Seebeck 계수 2.19 µV/°C와 가혹 조건 30시간 이상 수명으로, 이 TFTC는 정밀 항공엔진 부품 온도 측정을 위한 유망한 센서입니다. 다층 전략은 고온 어닐링이나 질소 도핑에만 의존하지 않고 ITO 안정성을 높이는 새로운 길을 제시합니다.