Att effektdensiteten . i elektronik eskalerar, än mer så i spåren av digitaliseringen, är givetvis ovedersägligt. I denna situation är, som belysts i flera artiklar, kylteknik ett allt mer kritiskt medel för att säkra industrins konkurrenskraft. Därför startades förra året Cool Sweden Initiative (CSI) som ett utvecklingsinitiativ under Smartare Elektroniksystems paraply. Initiativet syftar till att i samarbete med svensk industri, akademi och institutioner främja kompetensutveckling och samverkan specifikt inom thermal management — samt även bejaka innovation och utveckling av ny, framåtblickande teknik inom området.
CSI:s senaste sammankomst hölls i april, och anordnades då i samverkan med SIO Grafen, det strategiska innovationsprogram som syftar till att främja utvecklingen av en svensk industri baserad på grafen i dess olika former. Syftet med denna workshop var att erbjuda deltagarna insikter och inspiration kring både thermal management och grafen, samt något om det arbete som pågår i landet för att tillämpa grafen för kylning av elektronik.
Sedan initiativets första workshop i januari förra året har CSI anordnat en handfull sammankomster. På grund av den pågående pandemin har flertalet av dessa av nödvändighet varit virtuella. Effektiviteten i t.ex. nätverkande och matchmaking har därför givetvis blivit lidande; men icke desto mindre har feedbacken från deltagarna varit extremt positiv, och deltagarantalet har i stort sett dubblats varje gång — så även denna gång. Det är tydligt att intresset från industrin att få veta vad grafen kan erbjuda elektronikkylning är stort.
Grafen är på många sätt ett enkelt material — en hexagonal matta av kolatomer, en atom tjock — men icke desto mindre ett mycket komplext ämne. Grafen kan levereras i många olika former, och tillämpas på många olika sätt — som komponent, som ingrediens i material, som ytbeläggning, som något helt nytt som ingen tidigare sett. Möjligheterna är obegränsade, men så är också komplexiteterna. Den nuvarande verktygslådan för elektronikkylning har som bekant två huvudfack: passiv kylteknik och aktiv.
Passiv teknik är allt som endast utnyttjar temperaturskillnaden mellan värmekälla och omgivning och värmens naturliga strävan att förflyttas från varmt till kallt för att få bort värme. Det passiva facket innehåller således verktyg som termiska interface-material, kylflänsar för naturlig konvektion, värmespridare, Phase Change-kylare — även heat pipes och vapour chambers. Aktiv teknik är allt som tillför en extern effektkälla i någon form för att underlätta värmens rörelse; således hittar man i detta fack verktyg som fläktar, pumpar, termoelektrisk kylning och kylaggregat av olika slag.
Det visar sig att grafen har potentiellt värde att tillföra i det närmaste samtliga dessa verktyg. Grafen som eget material i komponenter av olika slag kan erbjuda högre värmeledningstal än något annat material — upp till 5 000W/(m·K), beroende på omständigheter. Som jämförelse har koppar ”endast” 380W/(m·K), aluminium runt 200W/(m·K) och en typisk plast runt 0,2W/(m·K). Detta innebär att grafen potentiellt kan sprida och leda bort värme bättre än något annat, med undantag av heat pipes — men även heat pipes kan förbättras med grafenbaserad teknik, något som ett forskningsprojekt på Chalmers tittar på.
Grafenpartiklar kan användas för att ”dopa” andra material och materialmatriser för att förbättra eller skapa nya egenskaper; grafen i skum- eller gelform som matris kan utgöra bas för kylkroppar, bädda in fasändrande material som PCM-kylare. Grafen som ytbeläggning kan ändra ytans emissivitet och/eller värmeövergångstal och därigenom förbättra dess kylegenskaper. Det finns flera olika uppslag för hur grafen skulle kunna användas för att skapa nya och överlägsna termiska interface-material.
Möjligheterna är som synes flertaliga — och ändå skrapar allt detta bara ytan för grafenets potential för thermal management. Men, som sagt, det finns komplexiteter. Grafen är fortfarande relativt nytt som material, och att jämka de olika metoderna att tillverka grafen med de olika potentiella användningsområdena — inte minst att hitta metoder att säkra kvalitet och egenskaper hos råvaran — är en gott och väl lika stor uppgift som att utveckla alla de spännande tillämpningar som vi anar runt hörnet.
Grafen är också i grund närbesläktat grafit — ett material som av goda skäl används som smörjmedel: det är halt; det binder och interagerar ogärna med andra material eller partiklar i samma matris. Detta innebär att för att skapa somliga av de mer avancerade kompositerna måste grafiten funktionaliseras för att till exempel kunna fånga upp och lämna av värme från andra partiklar i en värmeöverföringskedja inuti ett kompositmaterial av något slag. Att utveckla metoderna för detta och sedan finna de relevanta tillämpningarna är en helt egen utmaning. Och även här skrapar vi bara på ytan.
Lyckligtvis har vi ett antal företag i landet som har kommit långt i att utveckla metoder för mycket av det ovanstående; Smart High Tech (SHT) i Göteborg och Graphmatech i Uppsala är två goda exempel. Vi har också mycket framstående akademisk forskning på gång inom grafenområdet; Chalmers utmärker sig här, men även andra skolor och institutioner gör gott arbete. Och givetvis har grafen många olika potentiella tillämpningsområden även utanför elektronikkylning; dock faller detta utanför denna texts ämne.
Cool Sweden Initiative arbetar nu vidare, och siktar mot en ny sammankomst efter sommaren. Förhoppningen är att kunna anordna ett fysiskt möte, så som innan pandemin slog till var planerat för april 2020. Alla som har frågor om ämnet eller önskar säkerställa en inbjudan till nästa CSI-evenemang är välkomna att kontakta författaren.
Jussi Myllyluoma Initiativledare Cool Sweden Initiative jussi.myllyluoma@smartareelektroniksystem.se