Projekti / Programi
Materiali in tehnologije za uporabo debeloplastnih varistorjev in oksidnih termoelektrikov na osnovi ZnO
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.09.00 |
Tehnika |
Elektronske komponente in tehnologije |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T150 |
Tehnološke vede |
Tehnologija materialov |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.05 |
Tehniške in tehnološke vede |
Materiali |
ZnO, varistorska keramika, debeloplastni varistorji, oksidni termoelektrični materiali, termoelektrični moduli, sitotisk, nalivanje plasti, karakterizacija
Raziskovalci (13)
Organizacije (2)
Povzetek
Cilj projekta je razvoj materialov, naprav in tehnologij za uporabe debeloplastnih varistorjev na osnovi ZnO in oksidnih termoelektričnih (TE) materialov. Osrednja pozornost bo namenjena razvoju debeloplastnih in LTCC varistorjev na osnovi ZnO-Bi2O3 varistorske keramike s sito tiskom, ob tem pa bomo razvijali tudi druge tehnologije kot so nalivanje plasti (»tape casting«) in direktno oblikovanje plasti s pisanjem (»direct-writing fabrication«). TE module bomo razvijali na osnovi oksidnih TE materialov n- in p-tipa, tako v debeloplastni tehnologiji na substratih kot tudi v večplastni tehnologiji z laminiranjem plasti izdelanih z nalivanjem.
Razvoj debeloplastnih varistorjev je spodbujen z vse večjo potrebo po integraciji prenapetosnih zaščit v hibridna vezja in z razvojem novih elementov, visoko integriranimi z drugimi aktivnimi / pasivnimi komponentami, za katere masivni varistorji niso primerni. Trenutno doseženo stanje še močno zaostaja za zahtevanimi karakteristikami. Razvoj TE modulov je motiviran z njihovim potencialom pri izkoriščanju odpadne toplote, ki je razpršena in močno varira v velikosti virov. Tako TE sistemi dajejo edino možno rešitev za učinkovito izrabo odpadne energije z njeno direktno pretvorbo v električno energijo, ne glede na velikost vira, brez gibajočih delov in brez škodljivih odpadnih produktov. Oksidni TE materiali imajo potencial za visoko učinkovitost pretvorbe in so v primerjavi s klasičnimi termoelektriki netoksični, sestavljeni iz elementov, ki so na razpolago v velikih količinah in cenovno ugodni ter visoko stabilni na zraku (tudi do 800oC).
Razvoj debeloplastnih varistorjev je zasnovan na predhodnih rezultatih razvoja nizko dopirane varistorske keramike. Ugotovili smo, da imajo inverzne meje (IBs) v zrnih ZnO, ki jih sproži dodatek dopantov, kot so Sb2O3 , TiO2 , SnO2 , In2O3 ali Ga2O3, ključno vlogo pri razvoju mikrostrukture varistorske keramike. Z izrabo mehanizma rasti zrn pod vplivom inverznih mej lahko izdelamo varistorsko keramiko s širokim razponom prebojnih napetosti od 70V/mm do 350V/mm in visoko nelinearnostjo, pri dodatku le 3 do 4 ut.% varistorskih dopantov k ZnO. Na osnovi varistorskih sestav s tako nizko količino dopantov in z uporabo predreagiranega ZnO, ustrezno dopiranega za visoko prevodnost, bomo lahko pripravili visokokvalitetne debele filme z žganjem pri temperaturah nad 1000oC. Pri nižjih temperaturah žganja nam takšne sestave dajo dodatno možnost za optimizacijo dodane količine Bi2O3, za izboljšanje zgoščevanja in povezanosti med zrni ZnO. Naš cilj je razvoj debeloplastnih varistorskih past za izdelavo visoko kvalitetnih debeloplastnih varistorjev z žganjem v temperaturnem področju med 750 in 950oC.
Izdelava termoelektričnih modulov za izrabo odpadne energije zahteva n-tip in p-tip TE materialov, ki sta kombinirana v TE modulu. Keramika na osnovi ZnO, ki je dopirana z istimi dopanti, ki se uporabljajo za oblikovanje tokovno-napetostnih karakteristik varistorske keramike, ima velik potencial kot n-tip TE materiala. Njene TE lastnosti bomo izboljšali z dopiranjem z izbranimi dopanti, ki izboljšajo električno prevodnost in obenem omogočajo nastanek strukturnih defektov (enojnih ali multiplih inverznih mej), ki povzročijo sipanje fononov in znižajo termično prevodnost keramike ZnO. Kot p-tip oksidnih TE materialov bomo razvijali izbrane spojine sistema M-Co-O s plastovito strukturo, ki so do sedaj po literaturnih podatkih pokazale najbolj obetavne TE lastnosti.
Predlagani projekt bo prinesel nova fundamentalna znanja, ob tem pa je njegova velika vrednost tudi aplikativen potencial dobljenih rezultatov za razvoj novih izdelkov in tehnologij pri slovenskih proizvajalcih elektronskih komponent in naprav, ki bodo sodelovali na projektu in ga tudi finančno podpirali.
Pomen za razvoj znanosti
V okviru projekta smo razvijali materiale, procesne tehnologije in naprave, kar bi omogočilo integracijo prenapetostnih zaščit na osnovi debeloplastnih varistorjev v hibridna vezja in uporabo termoelektričnega (TE) efekta za izkoriščanje odpadne toplote. Za integracijo varistorjev v hibridna vezja morajo biti izdelani v debeloplastni tehnologiji na način, da so kompatibilni tudi z ostalimi komponentami. Projekt zadeva tudi razvoj oksidne termoelektrične (TE) keramike in tehnologij za izdelavo TE modulov. Odpadna toplota predstavlja okoli 70 % vse primarne energije in TE sistemi predstavljajo edino možnost za njeno izrabo z direktno pretvorbo v električno energijo. Oksidni TE materiali imajo potencial za visoko učinkovitost pretvorbe in so v primerjavi s klasičnimi TE materiali nestrupeni, izdelani iz elementov, ki so poceni in dostopni v velikih količinah, in so visoko stabilni na zraku do 1000oC. Rezultati projekta prispevajo k celovitemu razumevanju priprave spojin z želenimi lastnostmi in vpliva temperature, metode sintranja in dopantov na oblikovanje mikrostrukture, električnih in TE lastnosti. Razvoj debeloplastnih varistorjev, žganih pri temperaturah pod 1000oC (varistorska keramika se običajno sintra okoli 1200oC več ur), smo zasnovali na nizko dopirani varistorski keramiki z dodatkom le 3 do 4 ut. % varistorskih dopantov k ZnO (običajni dodatki so 7 do 10 ut. %), kar je bilo možno zaradi našega poznavanja ključne vloge inverznih vej (IB), ki jih povzroči dodatek Sb2O3, na rast zrn in razvoj mikrostrukture keramike na osnovi ZnO. Novo znanje in razumevanje nukleacije inverznih mej, ki jih povzroči dodatek TiO2 in posledično razvoj grobozrnate mikrostrukture, daje nove možnosti za razvoj debeloplastnih varistorjev ob boljši kontroli njihove prebojne napetosti in tudi za razvoj masivnih nizkovoltnih varistorjev. Razumevanje vpliva sestave, režima žganja in izbranih dopantov, kot so osidi W in Mo na razvoj mikrostrukture varistorske keramike pri nizkih temperaturah sintranja, je bilo pomembno za uspešno pripravo debeloplastnih varistorjev, omogoča pa tudi pripravo masivnih varistorjev z uporabnimi prebojnimi napetostmi in dobrimi tokovno-napetostnimi (I-U) karakteristikami pri teperaturah žganja pod 1000oC, kar omogoča bistvene prihranke pri energiji. Pridobljeno znanje o reoloških karakteristikah past za sitotisk glede na organsko vezivo, njegovo sestavo in količino polnila, je pomembno za pripravo past z dobrimi lastnostmi za sitotisk ob visoki vsebnosti polnila. Omogoča pripravo plasti z visoko zeleno gostoto in s tem njihovo boljše sintranje in razvoj mikrostrukture, kar je pomembno za pripravo katere koli elektrokeramike v debeloplastni tehnologiji, in še zlasti za varistorsko keramiko, katere izjemne električne lastnosti izhajajo iz narave mej med zrni in narave zrn ZnO. Pri razvoju oksidnih TE materialov smo pridobili obsežna nova spoznanja o vplivu različnih metod sintranja (klasično, vroče stiskanje, mikrovalovno, s pulznim električnim tokom – PECS), ki imajo specifičnim vpliv na difuzijske procese, na sintranje, formiranje bodisi ZnkIn2O3+k (k=5,9,11,18,…) homolognih faz v keramiki ZnO dopirani z In2O3 tipa n ali keramiki Ca3Co4O9 tipa p, strukturo, rasti zrn, razvoju mikrostrukture in posledično TE lastnostih. Rezultati in ugotovitve dajejo podlago za nadaljnje izboljšanje TE lastnosti in sicer s strukturnim in mikrostrukturnim inženiringom. Rezultati in znanje, pridobljeni z debeloplastnimi TE mikrogeneratorji iz Zn5In2O8 tipa n in Ca3Co4O9 tipa p, ki so bili izdelani s sitotiskom, kažejo na obetavne prednosti te tehnologije in možnosti za nadaljnji razvoj.
Pomen za razvoj Slovenije
Napredek pri integraciji prenapetostnih zaščit na osnovi debelopastnih vezij v hibridna vezja bo na področju elektronike vsekakor prepoznan in cenjen. Razvoj oksidnih termoelektričnih (TE) materialov in TE modulov, ki se je začel pred približno 15 leti na Japonskem in se je v zadnjih letih v svetu močno razmahnil, je zelo pomemben, saj TE sistemi predstavljajo edini možni način za izrabo odpadne toplote z direktno pretvorbo v električno energijo, ne glede na velikost vira, brez gibajočih delov in brez nastanka okolju škodljivih stranskih produktov. Glede na to je pomembno, da se je tudi v Sloveniji začel razvoj na tem področju in prispeva z rezultati in pridobljenim znanjem k prizadevanjem v svetu. Raziskovalne aktivnosti in pridobljeni rezultati na projektu so tesno povezani z razvojnimi ambicijami slovenskih firm (Varsi in Kekon), ki sta partnerici na projektu. Pomembni so tako za njun standardni program, kot tudi prizadevanja za razvoj novih izdelkov in tehnologij. Firma Varsi izdeluje različne vrste varistorjev, ki so rezultat več kot 35-letnega razvojnega sodelovanju z IJS. Rezultati razvoja debeloplastnih varistorjev in sposobnost oblikovanja mikrostrukture in tokovno-napetostnih (I-U) karakteristih nizko dopirane varistorske keramike pri bistveno nižjih temperaturah žganja od običajnih, bodo zelo koristni tudi za nadaljnji razvoj masivnih varistorjev na osnovi nizko dopirane varistorske keramike. Firmi sta že sodelujeta pri razvoju nekaterih specifičnih vrst varistorjev, razvoj debeloplastnih varistorjev pa je še poglobil njuno sodelovanje pri razvoju novih naprav. Ker firma Kekon izdeluje večplastne »chip« kondenzatorje, bo razvoj debeloplastnih varistorjev na osnovi nizko dopirane varistorske keramike odprl nove možnosti za uspešno integracijo kondenzatorjev in varistorjev. Obe firmi iščeta tudi možnosti za razvoj novih naprav in tehnologij, ki so obetavne za bodoče uporabe, in oksidni TE materiali in TE moduli so vsekakor takšna možnost. Rezultati projekta prispevajo h krepitvi konkurenčnosti domačih proizvajalcev komponent in naprav na svetovnem trgu. Rezultati projekta imajo aplikativno vrednost za razvoj novih izdelkov in tehnologij v firmah Varsi in Kekon. Gre za izdelka z visoko dodano vrednostjo, ki bazirajo na domačem znanju in bodo okrepili položaj obeh proizvajalcev na svetovnem tržišču in prispevali k varnosti delovnih mest. Že sedaj obe firmi izvozita večino svoje proizvodnje na svetovne trge, kjer je konkurenca zelo močna. Projekt predstavlja kontinuiteto sodelovanja med partnerji iz industrije in inštituta in prispeva k nadaljnji izmenjavi znanja, izkušenj in strokovnosti med partnerji, kar je izredno pomembno na področju elektronskih materialov in komponent, novih materialov in sorodnih tehnologij. Rezultati projekta odpirajo tudi možnosti za razvoj povsem novih naprav za uporabo pri izrabi odpadne toplote, kar je lahko zanimivo tudi za druge firme v Sloveniji.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
