Control térmico

Tecnología de láminas adhesivas de nanotubos flexibles y fáciles de manejar con alta conductividad térmica

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Fujitsu Laboratories Ltd. ha anunciado el desarrollo de la primera lámina adhesiva del mundo, compuesta por nanotubos de carbono con una conductividad térmica extremadamente alta, de hasta 100 W/mK (vatios por metro por Kelvin) (1) .

Los nanotubos de carbono tienen una alta conductividad térmica y representan una opción prometedora para la disipación de temperatura de las fuentes de calor, incluyendo los dispositivos semiconductores.

Sin embargo, el material sigue siendo difícil de manejar debido a su fragilidad, haciéndolo poco práctico para muchos propósitos. Para hacer frente a esta situación, la multinacional ha desarrollado, con éxito, una tecnología para laminar nanotubos de carbono alineados verticalmente, manteniendo al mismo tiempo sus características originales de alta conductividad térmica y flexibilidad, así como una tecnología para unirlos con suficiente adhesión. Esto facilita el corte y la manipulación de las láminas de nanotubos de carbono, lo que permite utilizarlas como material de disipación de calor, por ejemplo, en módulos de energía automotriz para vehículos eléctricos (EV).


Antecedentes y desarrollo
Los vehículos eléctricos se están utilizando cada vez más, a medida que se aceleran los esfuerzos por regular los gases de efecto invernadero en todo el mundo. A pesar de ello, el hecho de que los vehículos eléctricos sean más caros que los de gasolina y carezcan de rangos de conducción similares sigue obstaculizando su adopción generalizada.

Para mejorar estas limitaciones a su uso, se han hecho esfuerzos para desarrollar dispositivos semiconductores que utilizan carburo de silicio o nitruro de galio, como material alternativo al silicio comúnmente usado, para reducir el tamaño, el peso, el consumo de energía y el coste de los módulos de energía de los vehículos eléctricos. Sin embargo, para que esto sea una realidad, deben resolverse las contramedidas para hacer frente al calor generado en torno a los dispositivos semiconductores, debido a la miniaturización de los módulos y de los componentes, tales como los materiales de disipación de calor o los de unión, que deben diseñarse para lograr niveles sin precedentes de resistencia y de conductividad térmica.



Desafíos
Los nanotubos de carbono, un tipo de material nanotecnológico hecho de átomos de carbono, tienen una conductividad térmica que es unas 10 veces mayor que la del cobre. Un uso potencial de este material es su utilización como disipador de temperatura de fuentes de calor como los dispositivos semiconductores. En 2017, Fujitsu desarrolló una lámina de alta conductividad térmica utilizando nanotubos de carbono, pero para mantener la forma de la lámina, ésta se sinteriza y moldea a una temperatura ultra alta de 2000 °C o superior, lo que da como resultado un material que es inflexible. Una lámina dura puede adherirse a materiales planos, pero no es adecuada para unir materiales que son desiguales, lo que reduce los usos en los que se puede aplicar.

Además, en las zonas que rodean a los dispositivos semiconductores en las que la fiabilidad es esencial, es necesario unir tanto el semiconductor como el disipador térmico mediante una lámina de reducción de calor compuesta por nanotubos de carbono, para seguir el cambio de forma causado por las diferencias de temperatura, antes y después de que el dispositivo funcione. En general, los nanotubos de carbono se hacen adhesivos mezclándolos con un material adhesivo como la resina o el caucho, formando una lámina. Sin embargo, debido a que estos materiales adhesivos tienen una baja conductividad térmica, ha sido extremadamente difícil lograr niveles suficientes, tanto de conductividad térmica, como de adhesión.

Acerca de la nueva tecnología desarrollada

Las principales características de la tecnología desarrollada son las siguientes:

1. Tecnología de laminado de hojas: Fujitsu ha desarrollado una técnica para laminar los nanotubos de carbono alineados verticalmente, mientras se mantiene la alineación. La lámina consiste en dos capas, una hoja protectora y una capa adhesiva y tiene una estructura en la que la capa laminada protege la parte superior e inferior de los nanotubos de carbono. Estos son difíciles de usar como materiales de disipación de calor porque pierden fácilmente su forma. Sin embargo, esta tecnología protege a los propios nanotubos de carbono con una capa laminada, lo que los hace estables en su forma, facilita el corte y la manipulación, un tema difícil de realizar con las tecnologías convencionales.


2. Tecnología de unión de láminas de alta conductividad térmica: El laminado está hecho de un polímero de varias micras de espesor. Debido a que incluso una pequeña cantidad de resina puede causar una gran resistencia térmica, se ha convertido en un problema que debe ser resuelto para lograr, tanto la adhesividad como la conductividad térmica. Así pues, mediante la optimización de tres o más parámetros de correlación, como la densidad de los nanotubos de carbono, el tipo, el grosor de la resina y las condiciones de adhesión, se han conseguido los conocimientos necesarios sobre la resistencia térmica en la interfaz entre los nanotubos de carbono y las resinas cultivadas a lo largo de muchos años, lo cual hace posible adherir los nanotubos de carbono, manteniendo las suficientes propiedades adhesivas, sin perjudicar la conductividad térmica.

Efectos

La hoja adhesiva de nanotubos de carbono recientemente desarrollada tiene una conductividad térmica de hasta tres veces la del material convencional de disipación de calor del átomo, que se conoce como material de alta conductividad térmica, en comparación con los valores medidos, incluida la resistencia de la interfaz.

Como la hoja está laminada con capas adhesivas y protectoras, puede cortarse y manipularse fácilmente y utilizarse para aplicaciones que requieran de adhesión

Estas tecnologías permitirán poner en uso práctico los nanotubos de carbono como materiales de disipación de calor, incluso en módulos de energía de automóviles para vehículos eléctricos.


Figura 2: Hoja adhesiva de nanotubos de carbono

Planes futuros

En el futuro, Fujitsu Laboratories concederá licencias para el uso de sus láminas de nanotubos de carbono a empresas eléctricas y de fabricación de materiales y seguirán apoyando su comercialización y uso práctico.

Notas

(1) W/mK (vatios por metro por Kelvin). Unidad para medir la conductividad térmica.

 

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