A Silver Lining For Extreme Electronics

เผยแพร่ซ้ำโดยเพลโต

ผู้ติดตาม: 0

หน้าแรก > ข่าวประชา > ซับในสีเงินสำหรับอุปกรณ์อิเล็คทรอนิคส์สุดขีด

นักวิจัยของ MSU ได้พัฒนากระบวนการเพื่อสร้างวงจรที่ยืดหยุ่นมากขึ้น ซึ่งแสดงให้เห็นโดยการสร้างหมวก Spartan สีเงิน วงจรนี้ออกแบบโดย Jane Manfredi ผู้ช่วยศาสตราจารย์แห่งวิทยาลัยสัตวแพทยศาสตร์ เครดิต: Acta Materialia Inc./Elsevier

นามธรรม:
เทคโนโลยีล้ำสมัยในวันพรุ่งนี้จะต้องใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สามารถทนต่อสภาวะที่รุนแรงได้ นั่นเป็นเหตุผลที่กลุ่มนักวิจัยที่นำโดย Jason Nicholas จาก Michigan State University กำลังสร้างวงจรที่แข็งแกร่งขึ้นในปัจจุบัน

ซับในสีเงินสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สุดขั้ว

อีสต์แลนซิง มิชิแกน | โพสต์เมื่อ เมษายน 30th, 2021

Nicholas และทีมของเขาได้พัฒนาวงจรเงินที่ทนความร้อนได้มากขึ้นด้วยความช่วยเหลือจากนิกเกิล ทีมงานได้บรรยายถึงงานดังกล่าว ซึ่งได้รับทุนสนับสนุนจากโครงการเซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์ของกระทรวงพลังงานสหรัฐ เมื่อวันที่ 15 เมษายนในวารสาร Scripta Materialia

ประเภทของอุปกรณ์ที่ทีม MSU กำลังทำงานเพื่อประโยชน์ เช่น เซลล์เชื้อเพลิงยุคหน้า เซมิคอนดักเตอร์ที่อุณหภูมิสูง และเซลล์อิเล็กโทรไลต์แบบโซลิดออกไซด์ สามารถนำมาใช้ในอุตสาหกรรมยานยนต์ พลังงาน และอวกาศได้

แม้ว่าคุณจะไม่สามารถซื้ออุปกรณ์เหล่านี้จากชั้นวางได้ในขณะนี้ แต่ขณะนี้นักวิจัยกำลังสร้างอุปกรณ์เหล่านี้ในห้องทดลองเพื่อทดสอบในโลกแห่งความเป็นจริงและแม้แต่บนดาวเคราะห์ดวงอื่น

ตัวอย่างเช่น NASA ได้พัฒนาเซลล์อิเล็กโทรไลซิสแบบโซลิดออกไซด์ที่เปิดใช้งาน Mars 2020 Perseverance Rover เพื่อสร้างออกซิเจนจากก๊าซในบรรยากาศของดาวอังคารเมื่อวันที่ 22 เมษายน NASA หวังว่าวันหนึ่งต้นแบบนี้จะนำไปสู่อุปกรณ์ที่ช่วยให้นักบินอวกาศสร้างเชื้อเพลิงจรวดและอากาศที่ระบายอากาศได้ ขณะอยู่บนดาวอังคาร

Nicholas รองศาสตราจารย์แห่งวิทยาลัยวิศวกรรมศาสตร์กล่าวว่า เพื่อช่วยให้ต้นแบบดังกล่าวกลายเป็นผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ พวกเขาจะต้องรักษาประสิทธิภาพการทำงานที่อุณหภูมิสูงเป็นเวลานาน

เขาสนใจสนามนี้หลังจากใช้เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์มานานหลายปี ซึ่งทำงานเหมือนเซลล์อิเล็กโทรไลซิสโซลิดออกไซด์ในทางกลับกัน แทนที่จะใช้พลังงานเพื่อสร้างก๊าซหรือเชื้อเพลิง พวกมันสร้างพลังงานจากสารเคมีเหล่านั้น

“เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์ทำงานกับก๊าซที่อุณหภูมิสูง เราสามารถทำปฏิกิริยากับแก๊สเหล่านั้นด้วยไฟฟ้าเคมีเพื่อดึงกระแสไฟฟ้าออกมา และกระบวนการนั้นมีประสิทธิภาพมากกว่าการระเบิดของเชื้อเพลิงเช่นเดียวกับเครื่องยนต์สันดาปภายใน” Nicholas หัวหน้าห้องปฏิบัติการในภาควิชาวิศวกรรมเคมีและวัสดุศาสตร์ กล่าว

แต่ถึงแม้จะไม่มีการระเบิด เซลล์เชื้อเพลิงก็ต้องทนต่อสภาพการทำงานที่รุนแรง

“อุปกรณ์เหล่านี้มักทำงานที่อุณหภูมิประมาณ 700 ถึง 800 องศาเซลเซียส และต้องทำเป็นเวลานาน — 40,000 ชั่วโมงตลอดอายุการใช้งาน” นิโคลัสกล่าว สำหรับการเปรียบเทียบ นั่นคือประมาณ 1,300 ถึง 1,400 องศาฟาเรนไฮต์หรือประมาณสองเท่าของอุณหภูมิของเตาอบพิซซ่าเชิงพาณิชย์

“และตลอดช่วงชีวิตนั้น คุณกำลังปั่นจักรยานด้วยความร้อน” นิโคลัสกล่าว “คุณกำลังทำให้เย็นลงและทำให้ร้อนขึ้น มันเป็นสภาพแวดล้อมที่รุนแรงมาก คุณสามารถนำวงจรปิดออกได้”

ดังนั้น หนึ่งในอุปสรรคที่ต้องเผชิญกับเทคโนโลยีขั้นสูงนี้ค่อนข้างจะเป็นพื้นฐาน: วงจรนำไฟฟ้าซึ่งมักทำมาจากเงินจะต้องยึดติดกับส่วนประกอบเซรามิกที่อยู่เบื้องล่างได้ดีกว่า

นักวิจัยพบว่าเคล็ดลับในการปรับปรุงการยึดเกาะคือการเพิ่มชั้นกลางของนิกเกิลที่มีรูพรุนระหว่างเงินกับเซรามิก

โดยทำการทดลองและจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ว่าวัสดุมีปฏิกิริยาอย่างไร ทีมงานได้ปรับปรุงวิธีการฝากนิกเกิลบนเซรามิก และเพื่อสร้างชั้นนิกเกิลบางๆ ที่มีรูพรุนบนเซรามิกในรูปแบบหรือการออกแบบที่พวกเขาเลือก นักวิจัยจึงหันมาใช้การพิมพ์สกรีน

“เป็นการพิมพ์สกรีนแบบเดียวกับที่ใช้ทำเสื้อยืด” นิโคลัสกล่าว “เราเป็นเพียงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับการพิมพ์สกรีนแทนที่จะเป็นเสื้อเชิ้ต เป็นเทคนิคที่เป็นมิตรต่อการผลิตมาก”

เมื่อนิกเกิลเข้าที่แล้ว ทีมงานจะนำไปสัมผัสกับเงินที่หลอมละลายที่อุณหภูมิประมาณ 1,000 องศาเซลเซียส นิกเกิลไม่เพียงแต่ทนทานต่อความร้อนเท่านั้น จุดหลอมเหลวของมันคือ 1,455 องศาเซลเซียส แต่ยังกระจายเงินที่เป็นของเหลวอย่างสม่ำเสมอเหนือคุณสมบัติที่ดีโดยใช้สิ่งที่เรียกว่าการกระทำของเส้นเลือดฝอย

“มันเกือบจะเหมือนต้นไม้” นิโคลัสกล่าว “ต้นไม้ดึงน้ำขึ้นมาถึงกิ่งด้วยการกระทำของเส้นเลือดฝอย นิกเกิลกำลังหลอมเงินที่หลอมเหลวด้วยกลไกเดียวกัน”

เมื่อเงินเย็นตัวลงและแข็งตัว นิกเกิลจะล็อกไว้บนเซรามิก แม้จะอยู่ในความร้อน 700 ถึง 800 องศาเซลเซียสที่นิกเกิลจะเผชิญภายในเซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์หรือเซลล์อิเล็กโทรลิซิสแบบโซลิดออกไซด์ และแนวทางนี้ยังมีศักยภาพที่จะช่วยเหลือเทคโนโลยีอื่นๆ ที่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สามารถทำงานได้อย่างรวดเร็ว

Jon Debling ผู้จัดการฝ่ายเทคโนโลยีของ MSU Technologies สำนักงานถ่ายทอดเทคโนโลยีและการค้าของรัฐมิชิแกนกล่าวว่า "มีแอพพลิเคชั่นอิเล็กทรอนิกส์หลายประเภทที่ต้องใช้แผงวงจรที่สามารถทนต่ออุณหภูมิสูงหรือพลังงานสูงได้ “สิ่งเหล่านี้รวมถึงการใช้งานที่มีอยู่ในตลาดยานยนต์ การบินและอวกาศ อุตสาหกรรม และการทหาร แต่ยังรวมถึงการใช้งานที่ใหม่กว่า เช่น โซลาร์เซลล์และเซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์”

ในฐานะผู้จัดการเทคโนโลยี Debling ทำงานเพื่อทำการค้านวัตกรรม Spartan และเขากำลังทำงานเพื่อช่วยจดสิทธิบัตรกระบวนการนี้สำหรับการสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทนทานยิ่งขึ้น

“เทคโนโลยีนี้เป็นการพัฒนาที่สำคัญ — ในด้านต้นทุนและความเสถียรของอุณหภูมิ — เหนือเทคโนโลยีการวางและการสะสมไอที่มีอยู่” เขากล่าว

ในส่วนของเขา นิโคลัสยังคงสนใจการใช้งานที่ทันสมัยที่สุดบนขอบฟ้า อย่างเช่น เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์และเซลล์อิเล็กโทรลิซิสโซลิดออกไซด์

“เรากำลังดำเนินการปรับปรุงความน่าเชื่อถือของพวกเขาที่นี่บนโลก — และบนดาวอังคาร” นิโคลัสกล่าว

# # #

ผู้ช่วยศาสตราจารย์ Hui-Chia Yu, ศาสตราจารย์ Timothy Hogan และศาสตราจารย์ Thomas Bieler มีส่วนร่วมในโครงการนี้ด้วย นักวิจัยนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาในโครงการ ได้แก่ Genzhi Hu, Quan Zhou, Aiswarya Bhatlawande, Jiyun Park, Robert Termuhlen และ Yuxi Ma (Zhou, Bhatlawande และ Ma จบการศึกษาแล้ว)

ศาสตราจารย์ Yue Qi หนึ่งในผู้ร่วมโครงการของโครงการที่มหาวิทยาลัยบราวน์ มีความผูกพันกับ MSU ด้วย เธอดำรงตำแหน่งคณาจารย์และรองคณบดีฝ่ายการรวมและความหลากหลายในวิทยาลัยวิศวกรรมศาสตร์จนถึงปี 2020

####

สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมกรุณาคลิก โปรดคลิกที่นี่เพื่ออ่านรายละเอียดเพิ่มเติม

ติดต่อ:
แคโรไลน์บรูคส์

@มสธ

ลิขสิทธิ์ © มหาวิทยาลัยแห่งรัฐมิชิแกน

หากคุณมีความคิดเห็นโปรด ติดต่อ เรา

ผู้ออกข่าวประชาสัมพันธ์ไม่ใช่ 7th Wave, Inc. หรือ Nanotechnology Now มีหน้าที่รับผิดชอบต่อความถูกต้องของเนื้อหา แต่เพียงผู้เดียว

บุ๊คมาร์ค: