Kohti IoT-teknologiaan perustuvaa yhteiskuntaa mentäessä miniatyrisoituja lämpösähkögeneraattoreita kaivataan erityisesti kannettaviin kulutuselektroniikan laitteisiin. Yhtenä lupaava lämpösähköisenä materiaalina on noussut esiin piin nanolangat. Niillä on suhteellisen alhainen lämmönjohtavuus, mutta hyvä sähkönjohtavuus.
Piipohjaiset lämpösähkögeneraattorit rakentuvat tavallisesti pitkistä, noin 10 - 100 nanometrin pituisista nanolangoista, jotka oli ripustettu onteloon katkaisemaan lämpövirran kulku ja varmistamaan lämpötilaero piin nanolankojen yli. Kuitenkin ontelorakenne heikentää laitteiden mekaanista kestävyyttä ja kasvattaa valmistuskustannuksia.
Ongelman ratkaisuksi ryhmä japanilaisia tutkijoita Wasedan, Osakan ja Shizuokan yliopistosta ovat onnistuneesti kehittäneet uudenlaisen rakenteen, joklla onnistuttiin nanolangoilla tuottamaan 12 mikrowattia neliösenttiä kohti. Tämä on tarpeeksi tuottamaan tehoa antureille tai ajoittaiselle langattomalle viestinnälle varsin pienellä vain 5 asteen lämpötilaerolla.
- Koska generaattorin valmistukseen käytetään puolijohdepiireistä tuttua tekniikkaa, sen valmistuskustannukset saattavat kutistua nopeasti massatuotannon kautta, toteaa tutkimuksen johtava tutkija Waseda Universityn professori Takanobu Watanabe.
Watanaben mukaan tekniikka voi myös avata polun erilaisiin, itsenäisesti toimiviin IoT-laitteisiin, joissa käytetään ympäristön ja kehon lämpöä. Esimerkiksi voisi olla mahdollista ladata älypuhelinta hölkkälenkillä.
Japanilaistutkijoiden kehittämässä lämpösähkögeneraattorissa ei ole ontelorakennetta ja piin nanolangatkin ovat lyhentyneet 0,25 nanometriin, koska simulaatiot osoittivat, että lämpösähköinen suorituskyky parani laitteen minimoinnilla. Professori Watanabe selittää, että uudesta rakenteesta huolimatta termosähköinen generaattori ylsi samaan tehotiheyteen kuin monet perinteiset laitteet. Yllättävää on, että lämpöresistanssi vaimeni ja tehotiheys moninkertaistui kymmenkertaiseksi ohentamalla generaattorin piisubstraatti tavanomaisista 750 nanometristä 50 nanometriin.
Veijo Hänninen
Nanobittejä 3.8.2018
Perinteinen elektroniikan valmistus perustuu prosesseihin, jotka johtavat usein materiaalihävikkiin, korkeisiin työkalukustannuksiin ja merkittäviin varastointikuluihin. Viime vuosina lisäävä valmistus (additive), erityisesti 3D-tulostus, on kuitenkin alkanut nousta varteenotettavaksi vaihtoehdoksi elektroniikan valmistuksessa, sillä se tarjoaa lisää suunnittelun joustavuutta sekä mahdollisia ympäristö- ja taloudellisia etuja.
