Veijo Hänninen

Lämmönhallinnan uudet konstit

Lämmön hallinta on keskeinen osa elektroniikan käytännön tekniikkaa. Perinteisesti homma hoidetaan alumiinin ja kuparin avulla mutta yhä pienemmät piiriosat vaativat uudenlaisia ratkaisuja.

Lämmönhallintaa atomitasolla

Michiganin yliopistossa toiminut tutkijaryhmä on selvitellyt tapoja, joilla lämpö käyttäytyy nanomittakaavassa. Klassinen fysiikka kun ei sitä osaa kuvata. Nanoluokan lämpömittarin avulla tutkijat pystyivät osoittamaan kokeellisesti, miten atomitason järjestelmä lämpenee ja miten tämä eroaa makrotason prosessista.

Sähkön kulkiessa makrotason johteessa, koko materiaali lämpenee. Atomitason laitteissa, lämpeneminen keskittyy yhteen paikkaan ja vähemmässä määrin muihin paikkoihin, toteaa tutkimusta vetänyt Pramod Reddy.

Työn tulokset vahvistavat lämmön hajaantumisen teorian pätevyyden, jota alun perin ehdotti IBM:n fyysikko Rolf Landauer.

Työ antaa myös syvemmän ymmärryksen lämmöntuoton ja atomitason lämpösähköilmiön suhteesta, eli Peltier-ilmiöstä, joka muuntaa lämpöä sähköksi.

Fononien spektrit

University of Toronto Engineeringin tutkijat, yhdessä Carnegie Mellon Universityn kollegoiden kanssa ovat julkaisseet uusia oivalluksia siitä, miten materiaalit siirtävät lämpöä.

Kiinteissä eristemateriaaleissa lämpö siirtyy atomien värähtelyjen paketteina joita kutsutaan fononeiksi. Valon tapaan ne esiintyvät spektreinä ja tutkijat kehittivät työkalun, jolla voi mittailla, kuinka eri spektrien fononit edistävät lämmönjohtavuutta kiintoaineessa.

Tutkijoiden mukaan, uusi työkalu antaa sekä teollisuudelle että tiedeyhteisölle selkeämmän kuvan siitä, miten elektronisen laitteen kyky haihduttaa lämpöä kutistuu sen koon mukana ja miten materiaalit voidaan rakentaa nanomittakaavassa muuttaen niiden lämmönjohtavuutta.

Välittömin sovellus tällekin työlle on suunnitella nanorakenteisia lämpösähköisiä materiaaleja, joille saadaan parempi tehokkuus muuntaa hukkalämpöä sähköenergiaksi.

Uusia ratkaisuja lämmönhallintaan

Purduen yliopistossa on tutkittu teknologiaa, jolla voisi hallita lämpövirtauksia diodien tapaan.

Simuloinnilla tutkitussa menetelmässä ajatuksena on käyttää pieniä kolmiorakenteita hallitsemaan fononeita eli hilavärähtelyjä. Simulaatiot osoittivat, että nanomittaiset rakenteet pystyvät lämmön kulun suuntaamiseen.

Tutkijat kokeilivat lämmön suuntausta epäsymmetrisellä grafeenin nanonauhoilla mutta ilmiö havaittiin myös muissa materiaaleissa sellaisissa rakenteissa, kuten pyramidi, puolisuunnikas tai T-malli.

Mekanismi toimii rajoittamalla fononivärähtelyjä, kun ne liikkuvat nanomittaisen epäsymmetrisen rakenteen läpi. Jotta rajaus voidaan tuottaa, rakenteen poikkileikkauksen on oltava paljon pienempi kuin fononien ”keskimääräinen törmäysväli" eli vain muutamia satoja nanometriä.

Vaikka laitteiden on oltava pieniä, ne voitaisiin yhdistää sarjaan tuottamaan suurempia rakenteita ja parempaa suuntausta.

Lämmönjohtumista nanorakenteiden avulla

Tänä keväänä myös Jyväskylän yliopiston nanotiedekeskuksen tutkijat kertoivat osoittaneensa ensimmäistä kertaa, että aineen lämmönjohtumista on mahdollista muuttaa nanoskaalan rakenteiden avulla.

Tutkijat valmistivat fononikiteen, jonka mittakaava on samaa luokkaa kuin lämpöä kuljettavien fononien aallonpituus eli noin mikrometrin. Tällöin fononiaallot vuorovaikuttavat hyvin voimakkaasti rakenteen kanssa ja muuttavat etenemisnopeuttaan lähes kertaluokalla.

Koska aallot etenevät paljon hitaammin, on lämmönjohtavuus myös paljon pienempi. Kokeet tehtiin lähellä absoluuttista nollapistettä, jotta fononien aallonpituus olisi tarpeeksi pitkä koerakenteen valmistamiseksi.

Metamateriaaleja lämmönhallintaan

Erilaisilla metamateriaaleilla tuotetut näkymättömyysviitat ovat innostaneet tutkijoita selvittämään vastaavien mahdollisuuksia myös ääniaaltojen ja lämpövirtausten ohjailuun.

Georgia Institute of Technologyn tutkijoiden mukaan se onkin kuumin kenttä fononiikassa. Tarkoituksen on kehittää akustisia ja lämpöteknisiä metamateriaaleita, jotka pystyvät peittämään ääniaaltoja ja lämpövirtausta.

Muun muassa MIT:n entinen tutkija Martin Maldovan on esitellyt keksintöä, joka ohjaa lämmön johtumista termokiteiden kautta ohjaamalla lämpövirtaa tietyillä taajuuksilla. Tekniikka saattaa johtaa laitteisiin, jotka muuntavat lämpöä energiaksi tai termisiin diodeihin.

Myös Karlsruhe Institute of Technologyn (KIT) tutkijat ovat osoittaneet, että metamateriaaleja voidaan käyttää ohjaamaan lämmön siirtymistä.

KIT:n tutkijat yhdistivät ohuen kuparilevyn rengasmaisiin piirakenteisiin, jolloin syntyi materiaali, joka johtaa lämpöä eri suuntiin eri nopeuksilla.

Kun tätä metamateriaalia kuumennetaan toisesta reunasta, lämpö ei siirry rakenteen keskiosaan eikä ulkopuolella ei ole mitään viitteitä siitä, mitä sisällä tapahtuu. Täten tekniikalla voidaan suojata jokin kohde muualta tulevalta lämmöltä.

Timanttia ja hiilinanoputkia

Synteettisiä timanttialustoja käytetään jo lämmönjohteena vaativissa RF-järjestelmissä.

Rice University ja Honda Research Institute ovat kehittäneet erityisen timanttikalvon eli grafeenin ja nanoputkien yhdistelmän, joka toimii erittäin hyvänä lämmönsiirtomateriaalina.

Timantti johtaa lämpöä viisi kertaa paremmin kuin kupari mutta sen käytettävissä oleva pinta-ala on hyvin pieni toisin kuin grafeenilla ja hiilinanoputkilla.

Pystysuuntainen timantille kasvatettu hiilinanoputkien metsä haihduttaa lämpöä erittäin tehokkaasti.

Berkeley Labin tutkijat ovat myös kehittäneet piirivalmistukseen sopivaa tekniikkaa, joka mahdollistaa jäähdyttää mikroprosessorisiruja hiilinanoputkien kautta.

Hiilinanoputkilla on hyvä lämmönjohtavuus, mutta koska ne ovat kemiallisesti vakaita, niiden kemiallinen vuorovaikutus useimpien muiden materiaalien kanssa on suhteellisen heikko, mikä tuottaa huonon termisen rajapinnan.

Tutkimustyössä käytettiin orgaanisia molekyylejä muodostamaan vahvoja kovalenttisia sidoksia hiilinanoputkien ja metallipintojen välille. Tämä parantaa lämpövirtaa metallista hiilinanoputkiin kuusinkertaisesti.

Grafeeni avuksi

North Carolina State Universityn tutkijoiden kehittämä lämpöä siirtävä materiaali perustuu kupari-grafeeni komposiittikalvon, joka liitetään elektroniikkapiiriin indium-grafeenisen rajapintakalvon avulla.

Sekä kupari-grafeenilla että indium-grafeenilla on luonnollisia materiaaleja suurempi lämmönjohtavuus, jolloin komponentti voi jäähtyä noin 25 prosenttia nopeammin kuin puhtaalla kuparilla.

Ruotsalaisen Chalmers University of Technologyn johtama tutkijaryhmä on osoittanut, että grafeenilla on lämpöä siirtävä vaikutus myös piielektroniikassa.

Kerros grafeenia voi vähentää esimerkiksi prosessorin kuumimman pisteen toimintalämpötilaa jopa 25 prosenttia.

Aihetta tutkitaan laajemminkin ja nyt on havaittu, että koska grafeeni vaatii tulevissa sovelluksissa jonkin toisen materiaalin kaverikseen, niin sen lämmönsiirtotehokkuus heikkenee.

Uusi jäähdytysmateriaali

Ryhmä teoreettisia fyysikoita US Naval Research Laboratoryssä (NRL) ja Boston Collegessa ovat tunnistaneet booriarsenidin materiaaliksi, jolla on erittäin hyvä lämmönjohtavuus eli mahdollisuus siirtää lämpöä tehokkaammin kuin timantti.

Laskennallisesti kuutiollisen III-V booriyhdisteen lämmönjohtavuus boori arseenissa (BAS) on huoneenlämmössä yli 2000 wattia per metri ja Kelvin-aste. Arvo on verrattavissa timanttiin ja grafiittiin.

Toisin kuin metallit, joissa elektronit kuljettavat lämpöä, timantti ja boori arsenide ovat sähköisesti eristeitä. Eristeissä lämmön kulku tapahtuu hilavärähtelyjen avulla ja luontainen resistanssi lämpövirralle on tulosta näiden aaltojen sironnasta toinen toisistaan.

Eristeestä hyvää lämmönjohdetta

Polymeerimateriaalit ovat yleensä lämmöneristeitä.

Mutta hyödyntämällä sähköpolymerisaatiota tuottamaan linjattuja ryhmiä polymeerisia nanokuituja, Georgia Techin tutkijat ovat kehittäneet lämmönhallintamateriaalin, joka kykenee johtamaan lämpöä 20 kertaa paremmin kuin alkuperäinen polymeeri.

Tutkimuksia vetäneen Baratunde Colan mukaan sitä voidaan käyttää luotettavasti jopa 200 asteen lämpötiloissa. Se toteuttaa termisen rajapinnan vain kolmen mikronin ohuisena kuin perinteiset materiaalit ovat yleensä 50 - 75 mikronia paksuja.

Lisäksi parhaimmistakin lämpörajapintamateriaaleista, vain alle yksi prosentti aineesta on itse asiassa kosketuksissa pintoihin. Tutkijat ryhtyivätkin etsimään materiaalia, joka voisi tarjota paremman kontaktin rajapintaan eikä niinkään materiaalia, jolla on korkea lämmönjohtavuus.

Idea tähän suunnanmuutoksen löytyi kirjasta, jossa kuvataan "Gecko jalka"-sovellusta, jossa aineesta arviolta 80 prosenttia tekee kontaktin pintaan.

Uusvanhoja jäähdytystapoja

Myös erilaisia vanhoja jäähdytyskeinoja pyritään tuomaan yhä kutistuvaan elektroniikkaan.

Espanjalaisen CICnanoGUNEn -tutkimuslaitoksen ja University of Cambridgen tutkijat ovat kehittäneet mikropiireille soveltuvan magneettisen jäähdytystekniikan.

Tutkijat keksivät käyttää materiaaleja jännitettyinä, jolloin menetelmä mahdollistaa hyvin paikallisesti hallitun jäähdytysmenetelmän, häiritsemättä muita samassa laitteessa olevia osia.

Optisen jäähdytyksen idea on sekin peräisin 1920-luvulta mutta vasta vuonna 2013 sellainen onnistuttiin toteuttamaan puolijohteelle.

Nanyangin teknillisen korkeakoulussa (NTU) onnistuttiin jäähdyttämään puolijohdetta laserilla +20 asteisesta -20 Celsius-asteeseen.

NTU:n tutkijoiden materiaalina oli kadmiumsulfidi, jota käytetään aurinkokennoissa, antureissa ja elektroniikassa.

Jatkossa tutkijoilla on tarkoitus tuoda puolijohteen laserjäähdytys vieläkin kylmempiin lämpötiloihin, jolloin tekniikalla voisi toteuttaa esimerkiksi sairaaloiden nestemäisellä heliumilla jäähdytettyihin MRI-laitteisiin pienikokoisen optisen jäähdytyslaitteen.

Enemmän perinteisillä linjoilla

National University of Singaporen (NUS) tutkijat ovat kehittäneet lähempänä käytäntöä olevan tehokkaan tavan jäähdyttää sähköisiä järjestelmiä. Sen avulla voi saavuttaa jopa 50 prosenttia paremman jäähdytyksen verrattuna nykyisiin jäähdytysjärjestelmiin.

Järjestelmää voidaan soveltaa niin suuriin laitoksiin kuin myös pieniin elektronisiin laitteisiin. Se on myös kustannustehokas, koska järjestelmä ei vaadi pumppuja tuottaakseen jäähdytysnesteen virtauksen.

Jos se toteutetaan esimerkiksi voimalaitoksiin, järjestelmä pystyy siirtämään valtavasti lämpöä, joka voidaan käyttää uudelleen ylimääräisenä energialähteenä.

Tekniikka toimii hyödyntäen kahdentyyppisiä haihdutusrakenteita eli mikrorakoja sekä mikrokanavia, joissa on porrastettuja jäähdytysripoja.

Tämä kaksivaiheinen menetelmä perustuu "virtaus-kiehutus" konseptiin. Ensinnäkin, jäähdytysneste virtaa pitkin järjestelmää ja siirtyy mikrorakoihin jossa se poimii lämmön ja saavuttaa kiehumispisteen. Seuraavaksi, jäähdytysneste muuntuu nesteestä höyryksi ja absorboi muutosprosessin latentin lämmön.

Jotta kiehutusprosessi syntyisi, tutkijoiden oli suunniteltava mikrorakojen pinta sellaiseksi, että se edistää höyrykuplien muodostumista. Jotta järjestelmä toimisi hyvin, on huomioitava jäähdytysaineen virtaukselle tarkoitettujen aukkojen koko sekä pinnan tekstuuri.

Magneettisuutta vesikiertoon

Massachusetts Institute of Technologyn (MIT) johdolla joukko kansainvälisiä tutkijoita ovat kokeilleet tehostaa vesikiertoista lämmönsiirtojärjestelmää magneettikenttien avulla.

Menetelmän avulla voisi erityisesti estää kuumien pisteiden syntymisen. Tutkijoiden mukaan järjestelmää voisi soveltaa jäähdyttämään sekä elektronisia laitteita että fuusioreaktoreita.

Järjestelmä perustuu pienien magnetiittisten hiukkasten lietteeseen. Liete virtaa jäähdytysputkissa ja sitä manipuloidaan ulkopuolelle sijoitetuilla sähköisesti ohjatuilla magneeteilla.

Kun magneettisuutta ei ole neste käyttäytyy kuten vesi mutta magneettisuuden läsnä ollessa lämmönsiirtokerroin on parhaassa tapauksessa noin 300 prosenttia parempi kuin pelkällä vedellä.

Magneetit houkuttelevat partikkeleita lähemmäksi putken pintaa, parantaen näin lämmön siirtoa pois nesteestä putken seinien läpi.

Tällainen järjestelmä olisi epäkäytännöllinen sovellettavaksi koko jäähdytysjärjestelmään mutta voisi olla hyödyllinen erityisesti kuumien pisteiden jäädyttämiseen vain tarvittaessa. Esimerkiksi "Lab on a Chip" mikrojärjestelmissä voisi olla hyötyä valikoivasta jäähdytyksestä.

Yhden ionin lämpövoimakone

Johannes Gutenbergin yliopiston Mainzista (JGU) ja University of Erlangen-Nürnbergin tutkijat työskentelevät lämpömoottorin parissa, joka koostuu vain yhdestä ionista. Tällainen nanokokoinen lämpövoimakone voisi olla paljon tehokkaampi kuin esimerkiksi auton moottori tai hiilivoimala.

Toistaiseksi vasta mallinnettu nanokone ylittäisi tehokkuudessa lämpömoottoreiden niin sanotun Carnotin rajan. Kuitenkin koska yhden ionin koneella on erittäin alhainen mekaaninen kapasiteetti, sitä voitaneen käyttää vain lämmitykseen tai jäähdytykseen nanoteknologiasovelluksissa.

Tutkimuksen päätavoitteena on ymmärtää paremmin, miten termodynamiikka toimii hyvin pienissä mitoissa. Jatkossa on tarkoitus kehittää alustaviin kokeisiin sopiva lämpömoottori ja rakentaa siitä prototyyppi laboratoriossa.

Lisää lämpöä?

Buffalon yliopistossa tehty tutkimus taas vihjaa, että tietokoneet ja muut elektroniset laitteet voisi tehdä vakaammiksi, lämpöä lisäämällä?

Tällainen nurinkurinen idea perustuu elektronien kvanttimekaaniseen luonteeseen. Nanojohteessa virta koostuu elektroneista, jotka spontaanisti muodostavat johteessa kapean johtavan säikeen, mikä lisää lämmön määrää, joka kiertää mikrosirun nanotransistoreissa ja näin vaikuttaen lämpenemistä vastaan.

"Emme oikeastaan poista lämpöä, mutta olemme onnistuneet pysäyttämään se vaikutuksen sähköverkossa. Tavallaan tämä on nykyisen paradigman optimointia ", toteaa Jong Han, joka kehitti havainnot selittävät teoreettiset mallit.

Tämä kollektiivinen tasapainoton tila on havaittu laajalla lämpötila-alueella (4,2-300 K) ja se voi tarjota tehokkaita keinoja hallita elektroni-phononi sirontaa nanomittakaavan laitteissa.

Toukokuu 2014