Diamant ist für seine Schönheit und seinen Wert bekannt, aber nur wenige wissen, dass dieses Material auch außergewöhnliche thermische Eigenschaften hat. Nun hat ein Team von Ingenieuren der Fraunhofer-Institut hat einen Weg gefunden, diese Eigenschaften zu nutzen, um eines der größten Probleme moderner Elektronik zu lösen: Überhitzung. Dank Diamant-Nanomembranen konnten wir eine echte Revolution auf dem Gebiet der Elektronik erleben, mit effizienteren, langlebigeren und schneller aufladbaren Geräten.
Hitze, der Feind der Elektronik
Wärme ist ein unvermeidliches Nebenprodukt von Elektrizität und kann bei übermäßigem Vorhandensein Komponenten und Geräte beschädigen, manchmal sogar gefährlich. Aus diesem Grund sind Wärmemanagement und -ableitung wichtige Überlegungen beim Elektronikdesign. Typischerweise bestehen Kühlkörper aus Kupfer oder Aluminium, aber diese Metalle sind auch gute Stromleiter, was den Einsatz einer zusätzlichen Isolierschicht erforderlich macht.
Hier kommt Diamant ins Spiel. Dieses Material ist nicht nur ein ausgezeichneter Wärmeleiter, sondern auch ein elektrischer Isolator. „Wir wollen diese Zwischenschicht durch unsere Diamant-Nanomembran ersetzen, die die Wärme äußerst effektiv auf Kupfer überträgt, da Diamant in leitende Bahnen umgewandelt werden kann“, erklärt er Matthias Mühle, einer der Wissenschaftler des Projekts.
Da unsere Membran flexibel und selbsttragend ist, kann sie überall auf dem Bauteil oder Kupfer platziert oder direkt in den Kühlkreislauf integriert werden.
Matthias Mühle, Fraunhofer-Institut
Ultradünne und flexible Nanomembranen
Diamant-Kühlkörper finden in der Elektronik bereits zunehmend Verwendung, sind jedoch in der Regel mehr als 2 mm dick und können schwierig an Komponenten befestigt werden. Nanomembranen hingegen sind nur einen Mikrometer dick. Sie sind äußerst flexibel und können durch leichtes Erhitzen auf 80 °C auf elektronischen Bauteilen befestigt werden. Wie hat das Team die Nanomembranen hergestellt? Er züchtete polykristallinen Diamanten auf Siliziumwafern, schälte dann die Diamantschichten ab und ätzte sie.
Die Forscher schätzen, dass Diamant-Nanomembranen die thermische Belastung elektronischer Komponenten reduzieren könnten um den Faktor 10. Dies würde die Energieeffizienz und Lebensdauer dieser Komponenten und des gesamten Geräts deutlich erhöhen. Das Team glaubt, dass Membranen einen Beitrag leisten könnten, wenn sie in Ladesysteme integriert würden die Ladegeschwindigkeit von Elektrofahrzeugen um das Fünffache zu erhöhen.
Ein skalierbarer Produktionsprozess
Das Beste ist vielleicht, dass sich der Herstellungsprozess relativ einfach für den industriellen Einsatz skalieren lässt, da Diamant-Nanomembranen auf Siliziumwafern hergestellt werden können. Das Team hat die Technologie bereits zum Patent angemeldet und plant, sie noch in diesem Jahr in Wechselrichtern und Transformatoren für Elektrofahrzeuge und Telekommunikation zu testen.
Mit Diamant-Nanomembranen könnte die Zukunft der Elektronik den Weg für leistungsstärkere und langlebigere Geräte sowie praktischere und erschwinglichere Elektrofahrzeuge ebnen. Wir können es kaum erwarten zu sehen, wie diese revolutionäre Technologie die Welt der Elektronik in den kommenden Jahren verändern wird.
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