Nye nanokompositfilm øger varmeafledningen i tynd elektronik

De sidste par årtier har været vidne til et enormt fremskridt inden for elektronikteknologi, med udviklingen af ​​enheder, der er tyndere, lette, fleksible og robuste. Men efterhånden som enhederne bliver tyndere, bliver pladsen til at rumme de interne arbejdskomponenter. Dette har skabt et problem med ukorrekt varmeafledning i tyndfilmsenheder, da konventionelle kølepladematerialer er omfangsrige og ikke kan integreres i dem. Der er således et behov for termiske diffusionsmaterialer, der er tynde og fleksible og kan implementeres i tyndfilmsanordninger til effektiv varmeafledning.

I øjeblikket kan flere substratmaterialer fungere som varmediffusorer som tynde film, men de fleste diffuserer varme i in-plan retningen isotropisk. Dette kan igen skabe termisk interferens med nabokomponenter af en enhed.

"For et substrat, hvorpå flere enheder er monteret i høj densitet, er det nødvendigt at kontrollere retningen af ​​termisk diffusion og finde en effektiv varmefjernelsesvej, mens man termisk isolerer mellem enhederne. Udviklingen af ​​substratfilm med høj anisotropi i in-plane termisk ledningsevne er derfor et vigtigt mål," forklarer juniorlektor Kojiro Uetani fra Tokyo University of Science (TUS) i Japan, som forsker i avancerede materialer til termisk ledningsevne og tidligere tilhørte SANKEN (Institutet for videnskabelig og industriel forskning). Osaka University.

I en nylig undersøgelse offentliggjort i ACS Applied Materials &Interfaces , Dr. Uetani og hans team, bestående af adjunkt Shota Tsuneyasu fra National Institute of Technology, Oita College, og prof. Toshifumi Satoh fra Tokyo Polytechnic University, begge i Japan, rapporterede om en nyudviklet nanokompositfilm lavet af cellulose nanofibre og kulfiber- fyldstoffer, der viste fremragende anisotropisk termisk ledningsevne i planet.

Mange polymerkompositter med termisk ledende fyldstoffer er blevet foreslået for at forbedre termisk ledningsevne. Der er dog få rapporter om materialer med partikelformede eller pladelignende fyldstoffer, der udviser termisk ledningsevneanisotropi, hvilket er vigtigt for at forhindre termisk interferens mellem tilstødende enheder. Fibrøse fyldstoffer såsom kulfibre (CF) kan på den anden side give in-plane anisotropi i todimensionelle materialer på grund af deres strukturelle anisotropi.

Det er også vigtigt at vælge en matrix med høj varmeledningsevne. Cellulose nanofibre (CNF'er) ekstraheret fra ascidians kappe er blevet rapporteret at udvise højere termisk ledningsevne (ca. 2,5 W/mK) end konventionelle polymerer, hvilket gør det velegnet til brug som et varmeafledende materiale. Som det fremgår af evnen til at skrive med blyant på papir, har cellulose en høj affinitet til kulstofmaterialer og er let at kombinere med CF-fyldstoffer. For eksempel kan hydrofob CF ikke dispergeres i vand af sig selv, men i nærvær af CNF dispergeres den let i vand. Derfor valgte holdet biobaserede ascidian-havsprøjt-afledte CNF'er som matrix.

Til materialesyntese forberedte holdet en vandig suspension af CF'er og CNF'er og brugte derefter en teknik kaldet flydende 3D-mønster. Processen resulterede i en nanokomposit bestående af en cellulosematrix med enakset opstillede kulfibre. For at teste filmens termiske ledningsevne brugte holdet laser-spot periodisk varmestrålingstermometrimetode.

De fandt, at materialet viste en høj termisk ledningsevneanisotropi i planet på 433% sammen med ledningsevne på 7,8 W/mK i den justerede retning og 1,8 W/mK i den ortogonale retning i planet. De installerede også en pulverelektroluminescerende (EL) enhed på en CF/CNF-film for at demonstrere den effektive varmeafledning. Derudover kunne nanokompositfilmen afkøle to tæt placerede pseudovarmekilder uden nogen termisk interferens.

Ud over de fremragende termiske egenskaber er en anden stor fordel ved CF/CNF-filmene deres genanvendelighed. Forskerne var i stand til at udvinde CF'erne ved at brænde cellulosematrixen, så den kunne genbruges. Samlet set kan disse resultater ikke kun fungere som en ramme for design af 2D-film med nye varmeafledende mønstre, men også tilskynde til bæredygtighed i processen. "Det affald, som vi mennesker genererer, har en enorm miljøpåvirkning. Især varmeoverførselsfyldstoffer er ofte specialiserede og dyre materialer. Derfor ønskede vi at skabe et materiale, der ikke går til spilde efter brug, men som kan genvindes og genbruges til yderligere anvendelser," slutter Dr. Uetani. + Udforsk yderligere

Termisk ledende polyimidfilm:En bedre måde at sprede varme i elektroniske enheder