Vaarallinen vety kuriin (Väitös: MEng Jongyun Moon, 11.3.2016, elektroniikka)
Vety on mahdollinen tulevaisuuden polttoaine autoissa ja polttokennoissa. Vedyn käyttöönottoa hankaloittaa kuitenkin sen paloherkkyys, jonka takia esimerkiksi vuotoja on pystyttävä havainnoimaan hyvin. Turun yliopistossa tarkastettavan väitöskirjatyön tavoitteena on ollut kehittää herkkä vetyilmaisin, joka perustuu anodisoimalla valmistettuun titaanidioksidiin (TiO2).
Turun yliopiston tiedote 8.3.2016
Titaanidioksidi TiO2 on osoittautunut hyväksi materiaaliksi vedyn havainnoinnissa. Vedyn havainnointi perustuu kahden materiaaliin liitetyn metallielektrodin välisen resistanssin muuttumiseen, kun vetyä on läsnä.
Titaanidioksidista valmistettuja kennomaisia rakenteita on käytetty laajalti esimerkiksi aurinkokennoissa, vetykaasuantureissa ja hajotettaessa vettä vedyksi ja hapeksi. Erityisen herkkiä ilmaisimia on pystytty valmistamaan anodisesti oksidoidusta titaanikalvosta, mutta tämän valmistusmenetelmän ongelma on pienikokoisten osien työstäminen metallikalvosta ja osien kokonaisuudeksi liittäminen. Tavoitteena onkin kehittää uusi rakenne, joka mahdollistaisi herkkien ja edullisten anturien massavalmistuksen.
Tutkimuksessa lähdettiin siitä, että vetyherkkä rakenne valmistetaan piin päälle, jolloin voidaan hyödyntää piiteknologian valmistusprosesseja. Luotettavuuden parantamiseksi elektrodit sijoitettiin titaanioksidikerroksen alle. Usein elektrodit on sijoitettu TiO2:n päälle, josta aiheutuu irtoamisen vaara.
Eristävän materiaalin (oksidoitu piipala) päälle tehtiin metallielektrodit, jotka lähimmästä kohdasta ovat noin 0,1 mm:n päässä toisistaan. Tämän päälle kerrostettiin 0,0004 mm:n (400 nm) paksuinen titaanikerros, joka sitten oksidoitiin tietyissä olosuhteissa anodisesti, eli sopivassa liuoksessa sähkövirran avulla. Muodostunut rakenne kiteytettiin lämpökäsittelyssä sopivaksi. Lopuksi elektrodit liitettiin anturiin.
Tulevaisuuden tavoitteena anturien massavalmistus
– Kehittämämme anturin toimintalämpötila on selvästi pienempi kuin tavallisilla metallioksidiantureilla. Nyt anturin ”herkän” osan pitää olla n. 150 °C:n lämpötilassa. Tavoitteena on, että anturi toimisi suoraan kuumentamatta, mutta tämä ei vielä onnistu, Turun yliopistossa väittelevä Jongyun Moon kertoo.
Testeissä selvitettiin anturin vetyherkkyys eri olosuhteissa. Pieni määrä katalyyttistä lisäainetta pinnalla paransi herkkyyttä lähes 1000-kertaiseksi. Anturilla kyetään mittamaan kaasuseoksen, esimerkiksi ilman, vetypitoisuuksia aina miljoonasosista alkaen. Anturi ei juuri reagoi muihin tavanomaisiin kaasuihin.
– Nyt kehitetty rakenne mahdollistaa tulevaisuudessa anturien massavalmistuksen ja integroinnin mikroelektroniikkaan, Moon sanoo.
***
MEng Jongyun Moon esittää väitöskirjansa Hydrogen sensor application of anodic titanium oxide nanostructures julkisesti tarkastettavaksi Turun yliopistossa perjantaina 11.3.2016 klo 12.00 (Turun yliopisto, Agora, XXI-luentosali, Turku).
Vastaväittäjänä toimii professori János Mizsei (Budapest University of Technology and Economics, Unkari) ja kustoksena professori Aulis Tuominen (Vaasan yliopisto). Tilaisuus on englanninkielinen.
MEng Jongyun Moon on suorittanut korkeakoulututkintonsa (MEng) 2008 (Hoseo University, Etelä-Korea). Väitöksen alana on elektroniikka.