De afgelopen decennia is er een enorme vooruitgang geboekt in de elektronicatechnologie, met de ontwikkeling van apparaten die dunner, lichtgewicht, flexibel en robuust zijn. Naarmate de apparaten echter dunner worden, neemt ook de ruimte toe voor het opnemen van de interne werkende componenten. Dit heeft geleid tot een probleem van onjuiste warmteafvoer in dunnefilmapparaten, aangezien conventionele koellichaammaterialen omvangrijk zijn en er niet in kunnen worden geïntegreerd. Er is dus behoefte aan thermische diffusiematerialen die dun en flexibel zijn en kunnen worden geïmplementeerd in dunnefilmapparaten voor efficiënte warmteafvoer.

Momenteel kunnen verschillende substraatmaterialen fungeren als warmtediffusors als dunne films, maar de meeste diffunderen warmte in de richting van het vlak isotroop. Dit kan op zijn beurt thermische interferentie veroorzaken met aangrenzende componenten van een apparaat.

"Voor een substraat waarop meerdere apparaten in hoge dichtheid zijn gemonteerd, is het noodzakelijk om de richting van thermische diffusie te regelen en een effectief warmteafvoerpad te vinden terwijl de apparaten thermisch worden geïsoleerd. De ontwikkeling van substraatfilms met hoge anisotropie in het vlak thermische geleidbaarheid is daarom een ​​belangrijk doelwit", legt junior universitair hoofddocent Kojiro Uetani van de Tokyo University of Science (TUS) in Japan uit, die onderzoek doet naar geavanceerde materialen voor thermische geleidbaarheid en voorheen toebehoorde aan SANKEN (The Institute of Scientific and Industrial Research), Universiteit van Osaka.

In een recente studie gepubliceerd in ACS Applied Materials &Interfaces , Dr. Uetani en zijn team, bestaande uit assistent-professor Shota Tsuneyasu van het National Institute of Technology, Oita College, en prof. Toshifumi Satoh van de Tokyo Polytechnic University, beide in Japan, rapporteerden een nieuw ontwikkelde nanocomposietfilm gemaakt van cellulose-nanovezels en koolstofvezel- vulstoffen die een uitstekende anisotrope thermische geleidbaarheid in het vlak vertoonden.

Veel polymeercomposieten met thermisch geleidende vulstoffen zijn voorgesteld om de thermische geleidbaarheid te verbeteren. Er zijn echter weinig rapporten over materialen met deeltjesvormige of plaatachtige vulstoffen die thermische geleidbaarheidsanisotropie vertonen, wat belangrijk is om thermische interferentie tussen aangrenzende apparaten te voorkomen. Aan de andere kant kunnen vezelachtige vulstoffen zoals koolstofvezels (CF) zorgen voor anisotropie in het vlak in tweedimensionale materialen vanwege hun structurele anisotropie.

Het is ook belangrijk om een ​​matrix te kiezen met een hoge thermische geleidbaarheid. Van cellulose-nanovezels (CNF's) geëxtraheerd uit de mantel van ascidianen is gemeld dat ze een hogere thermische geleidbaarheid (ongeveer 2,5 W/mK) vertonen dan conventionele polymeren, waardoor het geschikt is voor gebruik als warmteafvoerend materiaal. Zoals blijkt uit het vermogen om met een potlood op papier te schrijven, heeft cellulose een hoge affiniteit voor koolstofmaterialen en is het gemakkelijk te combineren met CF-vulstoffen. Hydrofoob CF kan bijvoorbeeld niet op zichzelf in water worden gedispergeerd, maar in de aanwezigheid van CNF wordt het gemakkelijk in water gedispergeerd. Daarom koos het team voor biogebaseerde ascidische-zeepijp-afgeleide CNF's als de matrix.

Voor materiaalsynthese bereidde het team een ​​waterige suspensie van CF's en CNF's voor en gebruikte vervolgens een techniek die vloeibare 3D-patroonvorming wordt genoemd. Het proces resulteerde in een nanocomposiet bestaande uit een cellulosematrix met uniaxiaal uitgelijnde koolstofvezels. Om de thermische geleidbaarheid van de films te testen, gebruikte het team de laser-spot periodieke verwarmingsstraling-thermometriemethode.

Ze ontdekten dat het materiaal een hoge anisotropie in het vlak van thermische geleidbaarheid van 433% vertoonde, samen met een geleidbaarheid van 7,8 W/mK in de uitgelijnde richting en 1,8 W/mK in de orthogonale richting in het vlak. Ze installeerden ook een poederelektroluminescent (EL) apparaat op een CF/CNF-film om de effectieve warmteafvoer aan te tonen. Bovendien zou de nanocomposietfilm twee dicht bij elkaar liggende pseudo-warmtebronnen kunnen koelen zonder enige thermische interferentie.

Naast de uitstekende thermische eigenschappen is een ander groot voordeel van de CF/CNF-films hun recycleerbaarheid. De onderzoekers konden de CF's extraheren door de cellulosematrix te verbranden, zodat ze opnieuw konden worden gebruikt. Over het algemeen kunnen deze bevindingen niet alleen fungeren als een raamwerk voor het ontwerpen van 2D-films met nieuwe warmteafvoerende patronen, maar ook duurzaamheid in het proces aanmoedigen. "Het afval dat wij mensen genereren, heeft een enorme impact op het milieu. Vooral warmteoverdrachtvullers zijn vaak gespecialiseerde en dure materialen. Daarom wilden we een materiaal creëren dat na gebruik niet verloren gaat, maar kan worden teruggewonnen en hergebruikt voor verdere toepassingen", besluit Dr. Uetani. + Verder verkennen

Thermisch geleidende polyimidefilm:een betere manier om warmte af te voeren in elektronische apparaten