Nghiên cứu tổng hợp màng film dẫn nhiệt hiệu năng cao cho tản nhiệt đèn LED

Báo cáo nghiên cứu tổng hợp màng film dẫn nhiệt hiệu năng cao. Giải pháp tản nhiệt tối ưu cho đèn LED, giúp tăng độ bền và hiệu suất hoạt động.

• Tác giả: Phạm Trung Nhẩn
• Người hướng dẫn: Phạm Hoàng Ái Lệ
• Trường học: Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Hóa học
• Đề tài: Nghiên cứu tổng hợp màng film giao tiếp dẫn nhiệt hiệu năng cao cho ứng dụng tản nhiệt cho đèn LED
• Loại tài liệu: Báo cáo tổng kết đề tài khoa học cấp trường
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Màng Film Dẫn Nhiệt Giải Pháp Tối Ưu Cho Đèn LED Hiện Đại

Màng film dẫn nhiệt (Thermal Interface Materials - TIMs) là vật liệu quan trọng trong công nghệ tản nhiệt hiện đại, đặc biệt là cho đèn LED. Với sự phát triển nhanh chóng của các thiết bị điện tử, nhu cầu về giải pháp tản nhiệt hiệu quả ngày càng tăng. Các đèn LED hiện nay hoạt động với công suất cao, sinh ra lượng nhiệt lớn có thể ảnh hưởng đến tuổi thọ và hiệu suất chiếu sáng. Màng dẫn nhiệt giải quyết vấn đề này bằng cách tạo liên kết bền chặt giữa nguồn phát nhiệt và các linh kiện tản nhiệt. So với các phương pháp tản nhiệt truyền thống như tản nhiệt nước hay quạt, film dẫn nhiệt mang lại nhiều ưu điểm vượt trội về chi phí, không gian và độ tin cậy. Công nghệ này đã được nghiên cứu và phát triển tại các trường đại học hàng đầu, hứa hẹn mở ra những cơ hội lớn cho ngành công nghệ điện tử Việt Nam.

1.1. Khái Niệm Và Chức Năng Của Màng Film Dẫn Nhiệt

Màng film dẫn nhiệt là vật liệu giao tiếp nhiệt được lắp đặt giữa hai bề mặt để cải thiện truyền dẫn nhiệt. Các bề mặt giữa chip và heat sink không hoàn toàn phẳng, tạo ra các khoảng trống chứa không khí với độ dẫn nhiệt rất kém (khoảng 0,03 W/m.K). Film dẫn nhiệt lấp đầy những khoảng trống này, tăng độ dẫn nhiệt lên gấp 100 lần, từ đó cải thiện hiệu quả tản nhiệt cho đèn LED và các thiết bị điện tử khác.

1.2. Ưu Điểm So Với Các Phương Pháp Tản Nhiệt Khác

Khác với tản nhiệt nước có nguy cơ rò rỉ gây hỏng hóc, tản nhiệt bằng quạt chiếm dung lượng bảng mạch, màng dẫn nhiệt mang lại lợi ích tối ưu. Nó tiết kiệm không gian, giảm chi phí sản xuất, không cần bảo trì và an toàn hơn. Đặc biệt cho đèn LED, film dẫn nhiệt đảm bảo sự ổn định hoạt động, kéo dài tuổi thọ thiết bị mà không làm tăng tiêu thụ năng lượng.

II. Công Nghệ Graphene Fluoride Trong Sản Xuất Màng Dẫn Nhiệt

Gần đây, graphene fluoride (GF) đã trở thành vật liệu hứa hẹn nhất trong sản xuất màng film dẫn nhiệt hiệu năng cao. Vật liệu này có cấu trúc 2D độc đáo, kế thừa nhiều tính chất vượt trội từ graphene nhưng với những cải tiến đáng kể. Graphene fluoride sở hữu độ dẫn nhiệt cực tốt đạt 1800 W/m.K, vượt xa các vật liệu truyền thống. Bên cạnh đó, nó còn có độ bền cơ học cao với Young's modulus lên đến 1 TPa, đảm bảo tính chắc chắn của màng dẫn nhiệt. Một điểm nổi bật khác là độ cách điện vô cùng cao (10¹⁵ Ω), giúp bảo vệ an toàn cho đèn LED và các linh kiện điện tử. Chi phí tổng hợp và chế tạo graphene fluoride thấp hơn so với graphene, làm cho nó trở thành lựa chọn kinh tế hơn cho công nghiệp.

2.1. Đặc Tính Vật Lý Của Graphene Fluoride

Graphene fluoride sở hữu những đặc tính vật lý ấn tượng. Với độ dẫn nhiệt 1800 W/m.K, nó vượt trội so với các vật liệu dẫn nhiệt thông thường. Độ bền cơ học với Young's modulus 1 TPa đảm bảo độ chắc chắn. Độ cách điện 10¹⁵ Ω bảo vệ an toàn cho các thiết bị. Những tính chất này làm cho GF trở thành lựa chọn tối ưu cho màng film dẫn nhiệt ứng dụng trong đèn LED và công nghệ điện tử tiên tiến.

2.2. Ứng Dụng Graphene Fluoride Trong Sản Xuất

Ngành công nghiệp điện tử đang tìm kiếm vật liệu dẫn nhiệt bề mặt mới để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao. Graphene fluoride với chi phí chế tạo thấp hơn graphene, khả năng dẫn nhiệt xuất sắc và tính chất cơ học tuyệt vời, là ứng cử viên hàng đầu. Việc ứng dụng GF vào màng film dẫn nhiệt cho đèn LED hứa hẹn cách mạng hóa hiệu suất và độ bền của thiết bị chiếu sáng hiện đại.

III. Quá Trình Nghiên Cứu Và Phát Triển Màng Film Dẫn Nhiệt

Đề tài Nghiên cứu tổng hợp màng film giao tiếp dẫn nhiệt hiệu năng cao cho ứng dụng tản nhiệt đèn LED được thực hiện bởi Khoa Công Nghệ Hóa Học, Trường Đại học Công Nghiệp TPHCM từ tháng 3 năm 2023 đến tháng 1 năm 2024. Dự án được tài trợ 10 triệu đồng, tập trung vào việc tổng hợp và phát triển vật liệu dẫn nhiệt bề mặc với hiệu năng cao. Đội nghiên cứu bao gồm các chuyên gia và sinh viên, hợp tác với Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Đại học Đà Nẵng. Mục tiêu của đề tài là tạo ra màng film dẫn nhiệt có độ dẫn nhiệt vượt trội, tính chất cơ học tốt, và chi phí sản xuất hợp lý để ứng dụng trong tản nhiệt đèn LED và các thiết bị điện tử hiện đại. Kết quả nghiên cứu mở ra triển vọng lớn cho ngành công nghiệp điện tử Việt Nam.

3.1. Động Lực Và Tính Cấp Thiết Của Đề Tài

Hiện nay, hầu hết các thiết bị điện tử như điện thoại, smartwatch, laptop, đèn LED đều được thiết kế nhỏ gọn, nhẹ nhàng nhưng công suất cao. Khi hoạt động, các linh kiện như CPU, diode, anten 5G sinh ra lượng nhiệt lớn, ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ thiết bị. Màng film dẫn nhiệt là giải pháp cần thiết để giải quyết vấn đề tản nhiệt hiệu quả cho đèn LED và các thiết bị điện tử tiên tiến.

3.2. Cơ Hội Phát Triển Công Nghệ Điện Tử Việt Nam

Dự kiến đến năm 2025, số lượng người dùng điện thoại thông minh toàn cầu lên tới hàng tỷ người. Việc phát triển vật liệu dẫn nhiệt tiên tiến vừa là thách thức lớn nhưng cũng là cơ hội vàng cho Việt Nam trong lĩnh vực công nghiệp điện tử hiện đại. Nghiên cứu màng film dẫn nhiệt có thể góp phần nâng cao năng lực công nghệ nước nhà.

IV. Hướng Ứng Dụng Và Triển Vọng Thị Trường Màng Dẫn Nhiệt

Màng film dẫn nhiệt có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp điện tử hiện đại. Đèn LED là một trong những ứng dụng chính, đòi hỏi tản nhiệt hiệu quả để duy trì hiệu suất chiếu sáng và kéo dài tuổi thọ. Ngoài đèn LED, màng dẫn nhiệt còn được sử dụng trong smartphone, laptop, máy chủ, GPU, CPU và các thiết bị điện tử tích hợp công suất cao khác. Thị trường toàn cầu cho vật liệu dẫn nhiệt bề mặc đang phát triển nhanh chóng, với tỷ lệ tăng trưởng hàng năm đáng kể. Việc phát triển màng film dẫn nhiệt từ graphene fluoride với chi phí thấp và hiệu năng cao sẽ mở ra những cơ hội mới trên thị trường. Các nhà sản xuất điện tử đang tìm kiếm giải pháp tản nhiệt tối ưu, giá cả cạnh tranh, và bền vững, chính là lĩnh vực mà film dẫn nhiệt hiệu năng cao có thể thúc đẩy sự thay đổi.

4.1. Ứng Dụng Chính Của Màng Film Dẫn Nhiệt Trong Công Nghiệp

Đèn LED là ứng dụng hàng đầu của màng film dẫn nhiệt, giúp tản nhiệt hiệu quả từ chip LED. Bên cạnh đó, smartphone, laptop, máy chủ, GPU, CPU đều cần vật liệu dẫn nhiệt bề mặc để quản lý nhiệt độ. Màng dẫn nhiệt cải thiện độ tin cậy, hiệu suất, và tuổi thọ của các thiết bị này. Các ứng dụng này đại diện cho một thị trường khổng lồ với nhu cầu liên tục.

4.2. Triển Vọng Thị Trường Toàn Cầu

Thị trường vật liệu dẫn nhiệt bề mặc toàn cầu đang tăng trưởng mạnh mẽ do nhu cầu từ ngành điện tử hiện đại. Đèn LED, smartphone, và các thiết bị công suất cao đang thúc đẩy nhu cầu film dẫn nhiệt hiệu năng cao. Với chi phí sản xuất thấp và tính năng vượt trội, graphene fluoride hứa hẹn trở thành vật liệu chủ chốt trong tương lai gần, mở ra cơ hội kinh tế lớn cho Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cứu 1.1 Độ■ dẫn nhiệt ■ Độ dẫn nhiệt là khả năng dẫn nhiệt hoặc di chuyển nhiệt từ vị trí này sang vị trí khác của một chất mà không có sự chuyển động của vật liệu dẫn nhiệt. Đây là một trong ba phuong pháp truyền nhiệt, hai phương pháp còn lại là đối luu và bức xạ. Các quá trình truyền nhiệt có thể đuợc định luợng theo các phương trình tốc độ thích họp. Phuong trình tốc độ trong chế độ truyền nhiệt này dụa trên định luật Fourier về dẫn nhiệt Nó cũng đuợc định nghĩa là lượng nhiệt trên một đon vị thời gian trên một đon vị diện tích có thể được dẫn qua một tấm có độ dày đon vị của một vật liệu nhất định, các mặt của tấm khác nhau bởi một đon vị nhiệt độ.

Tứih dẫn nhiệt xảy ra thông qua sự khuấy trộn và tiếp xúc phân tử, và không dẫn đến sự chuyển động khối lượng lón của chất rắn. Nhiệt di chuyển dọc theo một gradient nhiệt độ, từ khu vực có nhiệt độ cao và năng lượng phân tử cao đến khu vực có nhiệt độ thấp hon và năng lượng phân tử thấp hon. Quá trình truyền này sẽ tiếp tục cho đến khi đạt được trạng thái cân bằng nhiệt. Tốc độ truyền nhiệt phụ thuộc vào độ lón của gradient nhiệt độ và các đặc tính nhiệt cụ thể của vật liệu.

Conducting solid Cold T ' : T Hot environment -■! ! Heat flow q ! 2 environment X-0 X =L Hình 1.1: Mô tả quá trình dẫn truyền nhiệt. Độ dẫn nhiệt được định lượng bằng cách sử dụng Hệ đon vị quốc tế (đon vị SI) W/m-K (Watt trên mét trên độ Kelvin) và là nghịch đảo của điện trở nhiệt, đo lường khả năng chống truyền nhiệt của vật thể. Phương trình dẫn nhiệt có thể được tính bằng cách sử dụng như sau: X=Q*nA(Ĩ2-ĩ\) Trong đó: À.K) Q = nhiệt lượng (W) L = chiều dài hay độ dày của vật liệu (m) A = diện tích bề mặt vật liệu (m2) T2-T1 = hiệu chênh nhiệt độ giữa hai mặt của vật liệu Độ dẫn nhiệt của một vật liệu cụ thể phụ thuộc nhiều vào một số yếu tố. Chúng bao gồm gradient nhiệt độ, tính chất của vật liệu và độ dài đường dẫn mà nhiệt đi theo.

Độ dẫn nhiệt của các vật liệu xung quanh chúng ta thay đổi đáng kể, từ những vật liệu có độ dẫn điện thấp như không khí có giá trị 0.024 W/mK ở o°c đến các kim loại dẫn nhiệt cao như đồng (385 W/mK). Độ dẫn nhiệt của vật liệu xác định cách chúng ta sử dụng chúng, ví dụ, những vật liệu có độ dẫn nhiệt thấp sẽ cách nhiệt tuyệt vời cho xây dựng và những vật liệu cách nhiệt, trong khi vật liệu dẫn nhiệt cao lý tưởng cho các ứng dụng cần truyền nhiệt nhanh chóng và hiệu quả từ khu vực này sang khu vực khác, khác, như trong dụng cụ nấu ăn và hệ thống làm mát trong các thiết bị điện tử. Bằng cách chọn vật liệu có độ dẫn nhiệt phù hợp vói ứng dụng, chúng tôi có thể đạt được hiệu suất tốt nhất có thể.2 Vật liệu dẫn nhiệt bề mặt Vật liệu dẫn nhiệt bề mặt (TIMs), còn được gọi là vật liệu dẫn nhiệt tiếp xúc, là các vật liệu được sử dụng để truyền nhiệt từ một bề mặt sang bề mặt khác. Chúng thường được áp dụng trong các ứng dụng liên quan đến tản nhiệt, truyền nhiệt hiệu quả và quản lý nhiệt độ.

Một số ví dụ về vật liệu dẫn nhiệt bề mặt bao gồm: • Chất gốc kim loại: Được sử dụng rộng rãi, như nhôm và đồng, với khả năng dẫn nhiệt tốt và dễ gia công. Chúng thường được sử dụng trong tản nhiệt máy tính, các bề mặt tản nhiệt điện tử và các ứng dụng công nghiệp khác. • Chất gốc polymer dẫn nhiệt: Các polymer chứa hạt hoặc sợi dẫn nhiệt, như các polymer chứa đồng, graphite, hoặc sợi carbon, được sử dụng để tăng khả năng dẫn nhiệt của vật liệu polymer thông thường. • Chất đệm nhiệt: Vật liệu đệm nhiệt, chẳng hạn như pad đồng hoặc pad graphite, có khả năng dẫn nhiệt tốt và được sử dụng để tăng hiệu suất truyền nhiệt giữa các bề mặt.

• Chất bôi tron nhiệt: Các chất bôi trơn nhiệt, như chất bôi trơn silicone dẫn nhiệt, được sử dụng để cải thiện truyền nhiệt và giảm độ ma sát giữa các bề mặt. Các loại vật liệu dẫn nhiệt bề mặt có tính chất và ứng dụng riêng. Việc lựa chọn vật liệu dẫn nhiệt thích hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng và các yếu tố như khả năng dẫn nhiệt, khối lượng, chi phí và môi trường hoạt động. Vật liệu dẫn nhiệt bề mặt đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa truyền nhiệt và quản lý hiệu suất nhiệt trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, bao gồm điện tử, ô tô, viễn thông và hàng không vũ trụ.Trong ngành điện tử, vật liệu dẫn nhiệt bề mặt được sử dụng để tản nhiệt và điều chỉnh nhiệt độ trong các thành phần điện tử như vi xử lý, mạch điện tử, bộ nguồn và linh kiện khác.

Chúng giúp duy trì nhiệt độ hoạt động ổn định và ngăn chặn quá nhiệt, đảm bảo hiệu suất và tuổi thọ của các thiết bị điện tử. Trong ngành ô tô, vật liệu dẫn nhiệt bề mặt được sử dụng để tản nhiệt và quản lý nhiệt độ trong các hệ thống động cơ, hệ thống làm mát và hệ thống điều hòa không khí. Chúng đảm bảo hiệu suất tối đa, giảm thiểu quá nhiệt và tăng tuổi thọ của các thành phần ô tô. Trong ngành viễn thông, vật liệu 13 dẫn nhiệt bề mặt được sử dụng để tản nhiệt và quản lý nhiệt độ trong các thiết bị viễn thông như máy chủ, định tuyến, thiết bị mạng và các linh kiện điện tử khác.

Chúng đảm bảo ổn định hoạt động và tránh quá nhiệt, đồng thời tăng hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống viễn thông.Trong ngành hàng không vũ trụ, vật liệu dẫn nhiệt bề mặt được sử dụng để tản nhiệt và quản lý nhiệt độ trong các ứng dụng vũ trụ như vệ tinh, tàu vũ trụ và các thiết bị trong không gian. Chúng đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn trong môi trường khắc nghiệt và đảm bảo các thành phần không quá nóng hoặc quá lạnh. Vật liệu dẫn nhiệt bề mặt chơi một vai trò quan trọng trong việc cải thiện truyền nhiệt và quản lý hiệu suất nhiệt, góp phần nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của các hệ thống và thiết bị trong nhiều ngành công nghiệp quan trọng.3 Sợi Kevlar và sợi nano aramid Sợi Kevlar là một loại sợi aramid nổi tiếng và được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Kevlar là tên thương hiệu đăng ký của công ty DuPont, và sợi Kevlar được sản xuất từ polymer aramid gọi là poly(para-phenylene terephthalamide) (PPTA).2: Công thức hoá học sợi Kevlar.

Quá trình tổng hợp từ para-phenylenediamine (PPD) và terephthaloyl chloride (TMC) phản ứng với nhau trong môi trường hóa chất phù hợp. Quá trình này tạo ra polymer PPTA với các đơn vị lặp lại được kết nối bằng liên kết amide.3: Phương trình hoá học của quá trình tổng hợp nên sợi Kevlar. Cấu trúc polymer của sợi Kevlar này bao gồm các đơn vị lặp lại của para- phenylenediamine (PPD) và terephthaloyl chloride (TMC). Trong cấu trúc polymer, các đơn vị PPD và TMC được kết noi với nhau thông qua các liên kết amide (CONH).

Các liên kết amide này giữ chặt các chuỗi polymer và tạo ra một cấu trúc chắc chắn và bền vững. Sợi Kevlar có cấu trúc phân tử chứa các vòng aromatic (vòng benzen) trong polymer. Các vòng aromatic này là những cấu trúc phang và cứng, tạo ra tính cứng và ổn định cho sợi Kevlar. Bên cạnh đó Kevlar được kéo và vận hành, làm cho các chuỗi polymer trong sợi có cấu trúc song song và thẳng hàng, cấu trúc này giúp tăng cường độ bền kéo và độ cứng của sợi Kevlar.

Ngoài ra sợi Kevlar có các lực tương tác mạnh giữa các phân tử, bao gồm lực tương tác van der Waals và liên ket hydrogen. Nhờ các lực tương tác này, sợi Kevlar có tính chất cơ học và ổn định cao. cấu trúc đặc biệt và sự kết hợp giữa các yếu tố trên giúp sợi Kevlar có tính chất cơ học vượt trội, chịu được tác động mạnh và đáp ứng tốt trong các ứng dụng đòi hỏi độ bền cao.1 Tính chất vật lý • Độ bền kéo cao: Sợi Kevlar có độ bền kéo rất cao, là một trong những sợi tỗng hợp mạnh nhất hiện có trên thị trường. Độ bền kéo của Kevlar khoảng 2.8 GPa (gigapascal) [1], • Độ cứng cao: Sợi Kevlar có độ cứng lớn, chỉ ra tính cứng và khả năng chống biến dạng dưới tác động của lực.

Điều này làm cho Kevlar trỗ thành một vật liệu rất cứng, giúp duy trì hình dạng và kích thước ban đầu của nó. • Độ bền mài mòn: Sợi Kevlar có khả năng chống mài mòn tốt, giúp nó chịu được sự ma sát và gia tăng độ bền trong môi trường mài mòn. • Độ bền nhiệt: Sợi Kevlar có khả năng chịu nhiệt cao, không bị phân hủy hoặc mất tính chất cơ học ỗ nhiệt độ cao [2], • Độ trương của sợi thấp: Sợi Kevlar có độ trương (độ giãn dài tuyến tính) thấp, tức là không co giãn nhiều dưới tác động của lực kéo. Điều này làm cho nó giữ được kích thước và hình dạng ban đầu của sợi.2 Tính chất hóa học • Kháng tác nhân hoá học: Sợi Kevlar có khả năng chống lại tác động của nhiều dung môi hữu cơ, axit yếu và dung dịch muối mạnh mà không bị phân hủy hoặc suy giảm tính chất cơ học.

15 • Kháng tia UV: Sợi Kevlar có khả năng kháng tia cực tím (UV) đáng kể. Điều này có nghĩa là sợi aramid không phân hủy hoặc suy giảm tính chất dưới tác động của ánh sáng mặt trời trong thời gian dài.[3] • Tính chất kháng ẩm: Nó không hấp thụ nước và không bị biến dạng khi tiếp xúc với môi trường có độ ẩm cao. Sọi Kevlar có khả năng chống thấm ẩm tốt và không thay đổi tính chất co học ngay cả khi tiếp xúc với môi trường có độ ẩm cao. Sợi Kevlar duy trì tính bền kéo và độ cứng của nó mà không bị mềm hay giãn dãn do hấp thụ nước.

• Tính chất kháng cháy: Sợi nano aramid, bao gồm cả sợi nano Kevlar, có tính chất kháng cháy đáng chú ý [3]. Nó có khả năng chống cháy tốt và không cháy hoặc chỉ cháy rất chậm khi tiếp xúc với ngọn lửa. Sợi nano aramid không cháy một cách nhanh chóng và không tạo ra lượng khói đáng kể trong quá trình cháy.