Fraunhofer-Gesellschaftの国際的な独立系組織であるFraunhofer USAの研究者らは、電子部品に組み込むことができる合成ダイヤモンドを原料としたナノサイズの薄膜の開発に成功した。これにより、電気自動車の走行性能と寿命が向上し、バッテリーの充電時間が大幅に短縮される可能性があると言う。
ダイヤモンドは熱伝導率が高いことで知られており、一般的に冷却能力の高い金属と認識されている銅の4～5倍もある。このため、電気輸送、太陽光発電、蓄電システムなどのパワーエレクトロニクスの冷却には、特に興味深い素材である。
これまでは、銅板やアルミ板でできたヒートシンクが、発熱する部品の放熱面を増やし、過熱による損傷を防いできた。しかし、人間の髪の毛よりも細い合成ダイヤモンドから作られた新しいナノメンブレンは、電子部品に直接組み込むことができ、バッテリーから電気モーターに牽引エネルギーを伝達し、電流を直流から交流に変換する電気自動車のパワーエレクトロニクスを冷却することができる。
この柔軟で電気絶縁性のナノメンブレンは、電気モーターの電流調整器などの電子部品の局所的な熱負荷を低減し、電気自動車のエネルギー効率、耐用年数、走行性能を向上させる可能性がある。
また、充電インフラに使用された場合、ダイヤモンド膜は現在の平均より5倍速い充電速度にも貢献する。
研究者たちは、一般的に部品の下に銅層を設けると熱の流れが良くなると指摘している。しかし、銅と部品の間には電気絶縁性の酸化物層や窒化物層があり、熱伝導率が低い。
Fraunhofer US Center Midwest CMWのダイヤモンド・テクノロジーズ・グループの責任者であるMatthias Mühle氏は、声明の中で、「私たちは、この中間層を私たちのダイヤモンド・ナノメンブレンに置き換えたいと考えています。私たちのナノメンブレンは柔軟で自立するため、部品や銅のどこにでも配置できますし、冷却回路に直接組み込むこともできます」と、説明する。
Mühle氏と彼のチームは、多結晶ダイヤモンド・ナノメンブレンを別のシリコン・ウェハー上に成長させ、それを切り離して裏返し、ダイヤモンド層の背面をエッチング除去することでこれを実現した。この結果、自立した滑らかなダイヤモンドが得られ、これを80℃の低温で加熱し、その後部品に貼り付けることができる。
「熱処理によって、マイクロメートルの厚さの膜が電子部品に自動的に接着される。ダイヤモンドはもはや自立しているのではなく、システムに組み込まれているのです」とプレスリリースでは述べている。
このMühleは、4インチ以上のウェーハスケールで製造できるため、産業用途に適している。
Mühle氏によれば、この開発についてはすでに特許が申請されているという。電気輸送や電気通信などの応用分野で、インバーターや変圧器を使った応用試験が今年中に開始される予定である。
Sources
- Fraunhofer: Faster charging with diamonds
- via New Atlas: Diamond nanomembranes make electronics 10x cooler, 5x faster to charge