Elmas, olağanüstü termal iletkenliği ile bilinir. Bu da malzemeyi işlemcilerde, yarı iletken lazerlerde veya elektrikli araçlarda kullanılanlar gibi yüksek güç yoğunluklarına sahip elektronik bileşenlerin soğutulması için ideal hale getiriyor.
Fraunhofer-Gesellschaft'ın bağımsız bir uluslararası iştiraki olan Fraunhofer U.S.'deki araştırmacılar, elektronik bileşenlere entegre edilebilen sentetik elmaslardan gofret inceliğinde nanomembranlar geliştirmeyi ve böylece yerel ısı yükünü on kata kadar azaltmayı başardılar. Bu, elektrikli otomobillerin yol performansını ve hizmet ömrünü iyileştirmeye yardımcı olarak akü şarj süresini önemli ölçüde azaltıyor.
Güç yoğunluğundaki artış ve bunun sonucunda elektronik bileşenlerde daha yüksek ısı dağılımı yeni malzemeler gerektirmektedir. Elmas, bakırdan dört ila beş kat daha yüksek olan yüksek termal iletkenliği ile bilinir. Bu nedenle, elektrikli ulaşım, fotovoltaik veya depolama sistemlerindeki güç elektroniğinin soğutulması söz konusu olduğunda özellikle ilginç bir malzemedir.
Şimdiye kadar bakır veya alüminyum plakalardan yapılan ısı alıcıları, ısı üreten bileşenlerin ısı yayan yüzeyini artırarak aşırı ısınmadan kaynaklanan hasarı önlüyordu. Fraunhofer-Gesellschaft'ın bağımsız bir uluslararası iştiraki olan Michigan East Lansing'deki Midwest CMW Merkezi Fraunhofer U.S. Inc. bünyesindeki bilim insanları şimdi sentetik elmastan insan saçından daha ince nanomembranlar geliştirdi. Esnek malzeme, elektrikli araçlarda çekiş enerjisini bataryadan elektrik motoruna aktaran ve akımı doğru akımdan alternatif akıma dönüştüren güç elektroniğini soğutmak için doğrudan elektronik bileşenlere entegre edilebilir.
Fraunhofer U.S. tarafından geliştirilen esnek, elektrik yalıtımlı nanomembranlar, elektrik motorlarındaki akım düzenleyiciler gibi elektronik bileşenlerin yerel ısı yükünü on kat azaltma potansiyeline sahiptir. Sonuç olarak elektrikli otomobillerin enerji verimliliği, hizmet ömrü ve yol performansı önemli ölçüde iyileştirilmektedir. Bir diğer avantaj ise, şarj altyapısında kullanıldığında elmas membranların beş kat daha yüksek şarj hızlarına katkıda bulunmasıdır.
Elmas Membranlar Yalıtkan Ara Katmanın Yerini Alıyor
Genel olarak, bileşenin altına bakır bir katman uygulamak ısı akışını iyileştirir. Ancak, bakır ile bileşen arasında elektriksel olarak yalıtkan bir oksit veya nitrür tabakası vardır ve bu da zayıf termal iletkenliğe sahiptir.
Fraunhofer ABD Merkezi Midwest CMW'de Elmas Teknolojileri grubu başkanı Dr. Matthias Mühle, "Bu ara katmanı, elmas iletken yollara işlenebildiği için ısıyı bakıra aktarmada son derece etkili olan elmas nanomembranımızla değiştirmek istiyoruz" diyor. "Membranımız esnek ve bağımsız olduğundan, bileşen veya bakır üzerinde herhangi bir yere yerleştirilebilir veya doğrudan soğutma devresine entegre edilebilir."
Mühle ve ekibi bunu, polikristalin elmas nanomembranı ayrı bir silikon plaka üzerinde büyüttükten sonra ayırarak, ters çevirerek ve elmas tabakanın arkasını aşındırarak başarıyor. Bunun sonucunda 80°C gibi düşük bir sıcaklıkta ısıtılabilen ve daha sonra bileşene tutturulabilen serbest duran, pürüzsüz bir elmas elde ediliyor. Araştırmacı, "Isıl işlem, mikrometre kalınlığındaki membranı otomatik olarak elektronik bileşene bağlıyor. Elmas artık serbest durmuyor, sisteme entegre oluyor" diye açıklıyor.
Nanomembran wafer ölçeğinde (4 inç ve daha büyük) üretilebildiğinden endüstriyel uygulamalar için çok uygun. Geliştirme için halihazırda bir patent başvurusu yapılmış durumda. Elektrikli ulaşım ve telekomünikasyon gibi uygulama alanlarında invertör ve transformatörlerle uygulama testlerinin bu yıl başlaması bekleniyor.