เมื่อไม่นานมานี้ ทีมวิจัยนำโดย Prof. Tian Xing you และ Mr. Zhang Xian จากสถาบันโซลิดสเตทฟิสิกส์ (Institute of Solid State Physics) และสถาบันวิทยาศาสตร์กายภาพแห่งนครเหอเฝย (Hefei Institutes of Physical Science) ได้พัฒนาฟิล์มพอลิอิไมด์ (Polyimide film) ชนิดนำความร้อนสูง ที่มีความยืดหยุ่นสูงและเป็นฉนวนทางไฟฟ้า
การจัดการประสิทธิภาพทางความร้อนเป็นสิ่งสำคัญต่อการระบายความร้อนที่มากเกินไปในการปรับปรุงประสิทธิภาพและ ความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และในช่วยหลายปีที่ผ่านมา วัสดุพอลิเมอร์ถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางสำหรับการเป็นพื้นผิว (Substrate) สำหรับไมโครอิเล็กทรอนิกส์ (Microelectronics) เนื่องจากมีราคาไม่สูง น้ำหนักเบา และง่ายต่อกระบวนการขึ้นรูป ฟิล์มพอลิอิไมด์จึงถูกเลือกเพื่อนำมาใช้เป็นพื้นผิวที่มีความยืดหยุ่นของ OLED (OLDE flexible substrate)
อย่างไรก็ตาม ด้วยค่าการนำความร้อนของพอลิอิไมด์ที่มีค่าต่ำ (Low thermal conductivity) ซึ่งมีค่าเพียง 0.18 W/m.K พอลิอิไมด์จึงจำเป็นต้องใช้ร่วมกับสารตัวเติมที่นำความร้อนสูงเพื่อเพิ่มความสามารถในการนำความร้อน ในงานนี้ นักวิจัยจึงใช้กระบวนการอิมิไดเซชัน (Imidization) เพื่อเหนี่ยวนำให้เกิดการจัดเรียงตัว (Orientation) เพื่อสร้างชั้นฟิล์มเชิงประกอบที่มีความยืดหยุ่นของพอลิอิไมด์ (PI) กับ แผ่นคาร์บอนไนไตรด์ระดับนาโน (Layered PI/carbon nitride nanosheets)
แผ่นคาร์บอนไนไตรด์ระดับนาโน (CNNS) นั้น มีความสำคัญต่อการจัดเรียงตัวด้วยตัวเองในระนาบระหว่างการระเหยของตัวทำละลาย เพื่อสร้างเส้นทางทางความร้อนที่มีความต่อเนื่องในฟิล์มพอลิอิไมด์โดยอาศัยการจัดเรียงตัวของโมเลกุลพอลิอิไมด์ในระหว่างกระบวนการอิมิไดเซชันและอันตรกิริยากับพอลิอิไมด์
ผลการวิจัยพบว่า ค่าการนำความร้อนในระนาบ (In-plane thermal conductivity) ของฟิล์มเชิงประกอบพอลิอิไมด์คาร์บอนไนไตรด์ระดับนาโน มีค่าสูงถึง 2.04 W/m.K เมื่อมีการใช้แผ่นคาร์บอนไนไตรด์ระดับนาโนที่ปริมาณร้อยละ 20 โดยน้ำหนัก ซึ่งพบว่ามีค่าสูงกว่าพอลิอิไมด์ปกติถึง 11 เท่า จากการทดลองในห้องปฏิบัติการ รวมทั้งการสร้างแบบจำลอง สามารถช่วยยืนยันได้ว่า ฟิล์มเชิงประกอบของ PI/CNNS ระดับนาโน มีศักยภาพต่อการประยุกต์ใช้สำหรับการระบายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ ฟิล์มเชิงประกอบของ PI/CNNS ระดับนาโนยังให้สมบัติด้านความเป็นฉนวนไฟฟ้า และมีเสถียรภาพทางความร้อนที่ดีกว่าวัสดุแบบเดิม โดยงานวิจัยนี้ยังช่วยเพิ่มขีดความสามารถของ CNNS เพื่อเป็นแนวทางที่สะดวกและมีประสิทธิภาพในการใช้ออกแบบวัสดุนำความร้อนสูงได้อีกด้วย
ที่มา:
– Yanyan Wang et al., Imidization-induced carbon nitride nanosheets orientation towards highly thermally conductive polyimide film with superior flexibility and electrical insulation, Composites Part B: Engineering (2020). DOI: 10.1016/j.compositesb.2020.108267
– https://phys.org/news/2020-09-thermally-polyimide-dissipate-electronic-devices.html
