Mikroelektronikkens sektor har gjennomgått betydelige og raske fremskritt på 2000-tallet. En av de viktigste årsakene til denne utviklingen er evnen til å lage små komponenter med enestående termisk ledningsevne (TC), noe som gjør det mulig å dissipere varme raskt. Dette er avgjørende for en rekke sektorer, fra luftfart og bilindustri til militær teknologi, databehandling og telekommunikasjon. Overoppheting av elektroniske enheter er den primære årsaken til svikt i elektronisk utstyr, og dette fører ofte til alvorlige feil på for eksempel kretskort (PCB), som kan føre til systemfeil og redusert pålitelighet.

I takt med den økende utviklingen av elektroniske enheter som nettbrett og bærbare datamaskiner, har det blitt et økende behov for mer effektive termiske grensesnittmaterialer. Disse materialene, kjent som thermal interface materials (TIM), er avgjørende for å forbedre varmeledningsevnen mellom to overflater. TIM brukes vanligvis i elektroniske pakksystemer for å fylle mellomrom og forbedre varmeoverføring mellom kontaktflaten. Selv om tradisjonelle materialer som loddemidler, termisk ledende lim, termisk fett og geler har sine fordeler, er de også forbundet med ulemper. For eksempel kan termisk fett være rotete, forurense miljøet og ekstrudere ut ved trykk, noe som gjør det uegnet som et varmesystem. Derimot er termiske pads enklere å håndtere, men de er ikke gjenbrukbare, og dette understreker behovet for alternative materialer.

Et slikt alternativ som har fått økt oppmerksomhet, er termisk ledende papir. Dette materialet har blitt ansett som et renere og mer håndterbart valg for TIM-applikasjoner. Forskning viser at termisk ledende papir kan oppnå høy TC uten at de mekaniske egenskapene til papiret går tapt. Termisk ledende papir har mange fordeler, inkludert høye termiske ledningsevner, utmerkede mekaniske egenskaper, god elektrisk isolasjon og tilfredsstillende brannmotstand. Dette gjør det til et lovende materiale for varmehåndtering i elektronikk, spesielt med tanke på de nye utfordringene som kommer med energioverføring og 5G-kommunikasjon, der varmehåndtering spiller en stadig viktigere rolle.

Epoksyharpikser (EPs), som brukes mye i elektronikk, energisektorer og elektriske applikasjoner, har fremragende elektrisk isolasjon og termisk stabilitet. Imidlertid er deres lave TC, omtrent 0,2 W (mK)−1, en betydelig begrensning, og de anses derfor primært som varmeisolatorer. For å overvinne denne utfordringen har det blitt utviklet termisk ledende kompositter ved å blande EPs med fyllstoffer som karbonbaserte materialer og boron-nitrid, som er kjent for sine eksepsjonelle varmeledende egenskaper. Slike kompositter kan forbedre TC, men de kan også føre til økte produksjonskostnader og tap av mekaniske egenskaper.

Cellulose, den makromolekylære polysakkariden som utgjør hovedbestanddelen i papir, er et spesielt interessant materiale på grunn av sine unike egenskaper. Cellulose er fornybar, giftfri, biologisk nedbrytbar og biokompatibel. I tillegg har cellulose og papir laget av cellulose et svært lavt TC og fungerer derfor som utmerkede varmeisolatorer. Når cellulose utsettes for høye temperaturer, nedbrytes det vanligvis mellom 200 og 300 °C, og det dannes kull og avgis flyktige kjemikalier. Dette gjør cellulose til et nyttig materiale i sammenhenger der termisk isolasjon er nødvendig.

Papir, som er laget av cellulose, viser også lav termisk ledningsevne ved standard temperatur og trykk, omtrent 0,05 W (mK)−1. Dette gir papir en høy termisk resistivitet, som gjør det til et effektivt isolasjonsmateriale. I tillegg har papir en høy spesifikk varmekapasitet på omtrent 1,4 kJ (kg K)−1, som betyr at det kan absorbere mye varme før temperaturen stiger betydelig. Selv om papir er kjent for sine brennbare egenskaper, kan dets forbrenningsevne påvirkes av forskjellige faktorer, som tetthet og tilsetningsstoffer som brannhemmere.

Termisk ledende papir er en spennende utvikling fordi det kombinerer fordelene med cellulose og de termiske egenskapene til spesialiserte fyllstoffer. Dette åpner for nye muligheter innen elektronikk og andre applikasjoner som krever effektiv varmehåndtering. I tillegg til papirbaserte termiske kompositter laget med polymere materialer, karbonbaserte materialer og keramiske materialer, er det en kontinuerlig forskningsinnsats for å finne de beste kombinasjonene av disse komponentene. Dette området er fremdeles under utvikling, og det forventes at vi vil se flere innovative løsninger for termisk ledning og varmehåndtering i fremtidens elektronikk.

Det er også viktig å forstå hvordan ulike prosesser og strukturer kan påvirke de termiske egenskapene til cellulose og papirbaserte kompositter. For eksempel kan fiberstruktur, tetthet, fuktinnhold og tilsetningsstoffer som karbon- og keramiske materialer ha stor innvirkning på hvordan disse materialene presterer i ulike temperatur- og trykkforhold. I tillegg er det avgjørende å vurdere både de termiske og mekaniske egenskapene når man designer nye materialer for elektroniske applikasjoner, for å sikre både effektiv varmehåndtering og langvarig pålitelighet i elektroniske enheter.

Hvordan termisk ledende papirer kan revolusjonere moderne teknologi og materialer

Termisk ledende kompositter som inneholder cellulose nanofibriller (CNF) har nylig fått stor oppmerksomhet for sine unike egenskaper, spesielt på grunn av deres forbedrede termiske og mekaniske ledningsevne. Dette skyldes flere faktorer, der den viktigste er interaksjonen mellom hydrogenbindingene mellom matrisen og fyllstoffene, som forbedres ved esterisering av fyllstoffene. Denne prosessen øker kompatibiliteten og grenseflatedbindingen, noe som resulterer i mer stabile og effektive materialer. Et annet viktig element er bruken av CNF skum i 3D-struktur, der to forskjellige diametre av AlN (aluminium nitritt) oppnås gjennom fryseforming, og dermed etablerer en kontinuerlig termisk bane i kompositten. Dette forbedrer varmeoverføringen og reduserer phonon-spredning, som er essensielt for effektiv termisk ledning.

I tillegg er sammensetningen av CNF og forholdet mellom AlN@CNF og AlN avgjørende for å oppnå en jevn fordeling av fyllstoffene i matrisen. Dette muliggjør bedre ytelse i et bredt spekter av teknologiske applikasjoner, der effektiv varmeledelse er kritisk. En spesielt interessant applikasjon av slike materialer er deres bruk i fleksible elektronikk.

Fleksible elektronikkprodukter, som bøybare skjermer og bærbare enheter, er sterkt avhengige av effektiv varmespredning for å opprettholde stabil ytelse og forlenge levetiden. Her kommer termisk ledende papir til nytte. Papirene er laget av høyytelses cellulosepapir, som er gjennomsiktig, ledende og fleksibelt, noe som gjør det ideelt for bruk i en rekke elektroniske enheter som mobiltelefoner, bærbare datamaskiner og solcellepaneler. For eksempel har Liu et al. (2020) brukt magnetron sputtering for å påføre TiO2 på cellulose, og skapt et fleksibelt, gjennomsiktig cellulosepapir som fungerer som en elektrode i fargestoffsensitiserte solceller. Denne typen papir kan derfor bidra til både varmehåndtering og funksjonalitet i høyverdig elektronikk.

Termisk ledende papirer har også blitt brukt i batteriteknologi, spesielt for å håndtere temperaturkontrollen i batteripakker, som er en kritisk faktor i elektriske kjøretøy og bærbare enheter. Den organiseringen av anhydroglucose-enheter i cellulose danner en struktur som muliggjør stabilisering av litiumbatteriers ytelse, samtidig som den letter litiumionenes transport. Dette har ført til utviklingen av cellulosenanofiber (CNF)-baserte elektroder og elektrolytter, som er fleksible, kostnadseffektive og har høy ytelse. Et bemerkelsesverdig eksempel på dette er et solid polymer ionisk leder laget av cellulose som ble brukt i Li-ion batterier, og viste høy ionisk ledningsevne og stabilitet over et bredt spenn av spenninger.

I tillegg til fleksible elektronikk og batteriteknologi, har termisk ledende papirer også funnet applikasjoner som varmevekslere og termiske grensesnittmaterialer (TIMs). I elektroniske enheter hjelper de med å lede varme bort fra kritiske komponenter, og forhindrer overoppheting som kan føre til feil i enhetene. Tidligere ble kopper- og aluminiumsfilmer brukt som varmefordelere, men disse har høy tetthet og kan være utsatt for korrosjon, noe som gjør dem mindre attraktive. I dag er grafittbaserte filmer, som har lavere tetthet og kostnad, et lovende alternativ for termisk styring, spesielt i små enheter som mobiltelefoner.

Termisk ledende papirer har også applikasjoner i emballasjematerialer, særlig for produkter som er følsomme for temperatur. Dette er viktig for farmasøytiske produkter, elektronikk og matvarer som krever presis temperaturkontroll under transport. Forskning på termisk ledende emballasje har ført til utviklingen av nanofiberbaserte materialer som kan håndtere varmetransport raskt og effektivt. For eksempel har Shen et al. (2022) utviklet et bor-nitritt/polycaprolacton/chitosan-nanofibermateriale som viste seg å ha betydelig høyere termisk ledningsevne enn tradisjonelle materialer, samtidig som det opprettholdt antibakterielle egenskaper og var motstandsdyktig mot fuktighet.

Ved å kombinere termisk ledende materialer med miljøvennlige og biobaserte materialer som cellulose, har det blitt mulig å skape både effektive og bærekraftige løsninger på termiske utfordringer. Den raske utviklingen av teknologier som benytter termisk ledende papirer åpner for et bredt spekter av industrielle anvendelser, fra elektriske kjøretøy til elektroniske enheter og emballasjematerialer.

Det er viktig å forstå at mens teknologien er i rask utvikling, krever implementeringen av termisk ledende materialer nøye vurdering av materialenes egenskaper, produksjonsprosesser og kostnader. Uten riktig sammensetning og bearbeiding kan materialene miste sine termiske og mekaniske egenskaper, noe som kan redusere deres effektivitet i applikasjoner. Derfor er det viktig å kontinuerlig forske på og forbedre både materialene og prosessene som brukes til å fremstille disse avanserte termiske løsningene.

Hvordan Mediedekning Skapte en Storm av Ekstremisme i 2016-valget
Hva gjør Mercedes W196R til en legende i motorsportens historie?
Hva førte til at etterforskningen av Donald Trump stoppet opp?