Nghiên cứu ứng dụng vật liệu ống nano cacbon trong chất lỏng tản nhiệt cho linh kiện điện tử

Sự phát triển của công nghệ vi điện tử, nano điện tử ngày nay cho phép các linh kiện điện tử và quang điện tử tăng mạnh cả về mật độ linh kiện, công suất và tốc độ hoạt động. Tuy nhiên, các linh kiện điện tử, nhất là các linh kiện điện tử công suất cao như điốt phát quang công suất cao High Brightness LED (HB-LED) hay vi xử lý máy tính (CPU) khi hoạt động trong một thời gian đủ dài sẽ tiêu tốn năng lượng và giải phóng nhiệt lượng lớn. Do vậy, việc cải tiến nâng cao hiệu quả tản nhiệt sẽ giúp kéo dài tuổi thọ, tăng hiệu suất và công suất phát quang của LED, nâng cao tốc độ hoạt động của CPU nói riêng và các linh kiện điện tử công suất khác nói chung.

Vật liệu ống nano cacbon (CNTs) đã được giới khoa học-công nghệ quốc tế đặc biệt quan tâm kể từ khi được công bố vào năm 1991. Vật liệu ống nano cacbon có nhiều tính chất cơ học, vật lý, hoá học đặc biệt và nhiều tiềm năng ứng dụng mang tính đột phá. Các nghiên cứu và thử nghiệm đã cho thấy vật liệu CNTs là vật liệu có độ dẫn nhiệt cao được biết đến hiện nay, với CNTs đơn sợi độ dẫn nhiệt có thể lên đến 2000 W/mK (so sánh với độ dẫn nhiệt của đồng là 400 W/mK, và của bạc là 429 W/mK). Nhờ tính chất ưu việt này, CNTs mở ra hướng ứng dụng nâng cao độ dẫn nhiệt cho các vật liệu, ứng dụng trong hệ thống tản nhiệt cho các linh kiện và thiết bị công suất.

Để nghiên cứu chế tạo, khảo sát tính chất và thử nghiệm chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần ống nano cac bon (CNTs) cho các linh kiện điện tử công suất lớn (CPU, LED), tập thể cán bộ nghiên cứu Phòng Vật liệu Cácbon nanô, Viện Khoa học vật liệu đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu ứng dụng vật liệu ống nano cacbon trong chất lỏng tản nhiệt cho linh kiện điện tử công suất” thuộc chương trình Độc lập Cán bộ trẻ do Viện Hàn lâm KHCNVN quản lý, thực hiện từ tháng 1/2013 đến 12/2014 và do ThS. Bùi Hùng Thắng làm chủ nhiệm.

Về mặt lý thuyết, đề tài xây dựng thành công mô hình tính toán lý thuyết độ dẫn nhiệt của chất lỏng chứa thành phần CNTs. Kết quả tính toán cho thấy sự phù hợp cao giữa mô hình tính toán lý thuyết với kết quả thực nghiệm của các nhóm nghiên cứu khác trên thế giới. Kết quả nghiên cứu về mô hình tính toán lý thuyết đã được đăng trên tạp chí quốc tế thuộc danh mục SCI (Physics of Fluids - American Institute of Physics) vào tháng 3/2015.

Về mặt thực nghiệm, đề tài đã nghiên cứu thành công 02 quy trình biến tính vật liệu CNTs với các nhóm chức –OH và –COOH bằng phương pháp hóa học. Đồng thời tập thể nghiên cứu đã thực hiện quy trình tán thành công vật liệu CNTs biến tính vào trong nền chất lỏng để sử dụng cho mục đích tản nhiệt. Chất lỏng nền sử dụng trong tản nhiệt bao gồm nước cất và ethylene glycol có chứa thành phần CNTs. Kết quả đo phổ phân tán theo kích thước trên thiết bị Zeta Sizer đã khẳng định được sự phân tán đồng đều và không còn xuất hiện sự tụ đám của CNTs trong chất lỏng nền.

Tập thể đề tài đã tiến hành thử nghiệm ứng dụng chất lỏng chứa thành phần CNTs cho đèn pha LED công suất 450 W, kết quả thử nghiệm cho thấy khi sử dụng chất lỏng chứa thành phần CNTs ở nồng độ 1,2 g/lít thì nhiệt độ của chip LED giảm xuống khoảng 4,5oC, hiệu quả tản nhiệt của chất lỏng CNTs làm tăng tuổi thọ của chip LED lên khoảng 30%.

Thử nghiệm sử dụng chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs cho đèn pha LED công suất 450 W 

Đề tài cũng đã thử nghiệm ứng dụng chất lỏng chứa thành phần CNTs cho vi xử lý máy tính Intel Core i5. Kết quả thử nghiệm cho thấy khi sử dụng chất lỏng chứa thành phần CNTs ở nồng độ 1,2 g/lít thì nhiệt độ của vi xử lý Intel Core i5 giảm xuống khoảng 5oC nếu so sánh với trường hợp sử dụng chất lỏng thông thường.

Thử nghiệm chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs cho vi xử lý máy tính Intel Core i5

Đề tài đã công bố 04 bài báo trên các tạp chí quốc tế, trong đó 03 bài trên tạp chí thuộc danh mục ISI, và 02 bài báo trên tạp chí quốc gia, cùng một số báo cáo tại hội nghị khoa học. Ngoài ra đề tài còn góp phần hình thành 02 đăng ký sáng chế (đã được Cục Sở hữu trí tuệ chấp nhận đơn). Đề tài được nghiệm thu cấp Viện Hàn lâm KHCNVN tháng 4/2015 với kết quả đạt loại xuất sắc.

Với những kết quả đã đạt được, trong thời gian tới chủ nhiệm đề tài cùng các đồng nghiệp thuộc Viện Khoa học vật liệu sẽ tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs cho linh kiện điện tử công suất lớn, đặc biệt là triển khai theo hướng ứng dụng cho đèn LED dùng trong chiếu sáng công cộng.

Nguồn tin: Ths.Bùi Hùng Thắng, Viện Khoa học vật liệu
Xử lý tin: Thanh Hà