(A hírt az innoteka.hu-ról vettük át. Az eredeti hír linkje itt található)
2023-ban indult a PowerizeD projekt, amelynek konzorciuma 13 EU ország 61 cégéből/kutatóhelyéből áll. Az Energiatudományi Kutatóközpont (EK) az egyik magyar partner, vesz aki részt vesz a munkában. Dr. Balázsi Katalint, az EK Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézetének (EK MFA) Vékonyréteg-fizika Laboratórium vezetőjét és Dr. Balázsi Csabát, az EK MFA tudományos tanácsadóját a program céljairól kérdeztük.
Mire vállalkoznak a PowerizeD program résztvevői?
Európa egyik fontos kutatási programjáról van szó, amelynek célja az energiatakarékos chipgyártás innovációs stratégiájának megerősítése Európában. A mi feladatunk a chipen található kerámiahordozók kifejlesztése. Ez az egész programnak egy apró, de nagyon fontos része, mert a kerámiák nélkül nem működnek a chipek.
Mire jók általában a kerámiák?
Extrém körülmények között számos hasznos tulajdonságot mutatnak, illetve az energiahatékonyság terén is kedvezőek a paramétereik. A szilícium-karbid kerámiákat például széles körben használják csapágyakban és tömítésekben, mivel a nagy kopásállóságuk vizes közegben. Német partnereinkkel (Fraunhofer IKTS, EagleBurgmann) kopásálló, korróziónak és a sósvíznek ellenálló kerámiát fejlesztettünk, amit tengerjáró hajók hajócsavarjainál, nagynyomású szivattyúk tömítőgyűrű anyagának használnak. Az elektromos kapcsolók élettartamát szintén hihetetlen módon megnövelik a kerámiák – elsősorban az ívkisüléseknek állnak ellent. Noha, a kerámiák előállítása drága, de megéri az alkalmazásuk, mert az eszközök nagyobb élettartama miatt visszahozzák az árukat. A szilícium-nitrid, alumínium-oxid, alumínium-nitrid kerámiák szigetelnek, de adalékanyagokkal elektromosan vezető kerámiát készíthetünk. Ezt a lehetőséget használtuk ki a svéd Gripen repülőgépek kipufogórendszerénél.
Ott mi volt a feladat?
A repülőgép minden eleme láthatatlan volt a radarok számára, kivéve a kipufogórendszer. Ott olyan magas hőmérséklet volt, 18001200 Celsius fokra is felhevülhet az a rész, hogy kellett egy különleges burkolat, aminek köszönhetően a kipufogót sem látja a radar. Három százalékos tömegarányban szénnanocsövet adagoltunk a kerámiába, amivel elértük, hogy az eredetileg szigetelő anyag jobb elektromos- és hővezető lett. Ráadásul ez a nanocsöves kerámia elnyelte a radarhullámokat. Ezt a fejlesztést használják a legújabb Gripen repülőgépeknél. Erre az eredményre több ipari partner is felfigyelt. A munkánkat élvonalbeli eszközök segítik, például a gyorszinterelő (SPS) segítségével akár öt perc alatt kisebb kerámia tömböket tudunk készíteni – a korábbi berendezéssel három-öt óra alatt szinterelődött be a tömbi kerámiánk. Az új módszer a költségeket jelentősen lecsökkentette.
A szénnanocső mellett milyen egyéb adalékanyagok javíthatják a kerámiák tulajdonságait?
Napjaink egyik slágeranyaga a grafén – hozzáadása a szilícium-nitrid alapporhoz azért ígéretes, mivel ez a módosítás megerősíti a mikrostruktúrát, kémiailag passziválja a felületet, valamint csökkenti a súrlódást és a kopást. A GRACE M-ERA.Net projekt keretében szilícium-nitrid/grafén nanokompozitokat állítottunk elő és teszteltünk vizes körülmények között, hogy felmérjük műszaki alkalmazásokban való használhatóságukat. Mi a grafént grafitból állítjuk elő úgy, hogy a grafit port megőröljük. A kapott, három-négy grafénrétegből álló néhány-rétegű graféntelektromos kapcsolók élettartamának a növelésére lehet alkalmazni. Izgalmas felismerés, ha a kerámiához néhány százalékos arányban adagolunk grafént, vezetőképessé válik. Az általunk kidolgozott módszer nagy előnye, hogy a grafén tartalom függvényében réteges kerámiát lehet előállítani a porózustól a tömörig. Ezt a fejlesztést 2018-22 között CERANEA Flag-Era (Graphene Flagship) projekt keretében valósítottuk meg, majd a képbe került az alumínium-nitrid és az alumínium-oxid.
Ezek az anyagok miért izgalmasak?
Az alumínium-oxid olcsó, a másik drága, ugyanakkor az ipar számára az utóbbinak sokkal jobbak a tulajdonságai. Az elektromos eszközök, autók agyában található chip hordozója alumínium-oxidból, alumínium-nitridből, vagy más esetekben szilícium-nitridből, szilícium-karbidból készül. Ha mi találunk egy olcsó technológiájú, sorozatgyártásba vihető megoldást az alumínium-nitrid oxidálásárakiváltására, az egyértelmű piaci sikert jelentene. Ennek kapcsán kerültünk kapcsolatba a PowerizeD projekttel, aminek a legfontosabb célja, hogy Európában megteremtsük a chip-gyártás alapjait. Ezt az innovatív programot az Európai Unió finanszírozza. A koronavírus-járvány idején ugyanis egyértelműen kiderült, hogy kontinensünk vállalhatatlan mértékben kiszolgáltatott a távol-keleti gyártóknak.
Mit akarnak elérni?
A PowerizeD célja a digitalizált és intelligens teljesítményelektronika áttörést jelentő technológiáinak fejlesztése, amelyek lehetővé teszik a fenntartható és rugalmas energiatermelést, -átvitelt és -alkalmazásokat. A projekt arra összpontosít, hogy javítsa az energiatermelés és –továbbítás módját a digitalizált és intelligens elektronikus energia felhasználásán keresztül, ami nagyban hozzájárul az európai társadalom dekarbonizációjához és éghajlatunk védelméhez. Ebben a munkában mi kerámia hordozókat fejlesztünk. Előírás, hogy egy chip szerkezetének tíz évig stabilnak kell lennie, ami nagy kihívás, hiszen mechanikai hatások mellett az,öregedésnek, korróziónak is ellent kell állnia. Erre a korszerű kerámiák jelentenek megoldást – ez esetben a szilícium-nitrid, a szilícium-karbid és az alumínium-oxid egyaránt szóba jöhet.
Hol tartanak?
Először felmértük, hogy jelenleg milyen módszereket, alapanyagokat használnak, hogy tudjuk, minél kell jobbat fejlesztenünk. A munkánk nehézségét mutatja, hogy 500 mikrométernél nem vastagabb kerámiát kell előállítani, aminek a keménysége eléri a 20 gigapascalt, illetve kiváló hővezető-képességű. Az ipari gyártásra alkalmas kerámiával (termékkel) 2025 végére kell elkészülni – ami nagy feladat számunkra, hiszen akkor is ha eddig főként alapkutatással foglalkoztunk, de előfordult már termékfejlesztés is a a munkánk középpontjában. A kísérletek időigényesek, de reménykeltők. Olyan technológiát kell laboratóriumi méretekben kidolgozni, ami ipari körülmények között száz százalékosan biztosítja a kívánt minőséget. Magyarország és az Európai Unió célja egyértelmű: 2026-ra függetlenek legyünk a távol-keleti chipgyártóktól.
A Powerized projektet a Kulcsfontosságú Digitális Technológiák Közös Vállalkozás (KDT JU) az Európai Unió HORIZON 101096387 támogatási megállapodás és a magyar NKFIH 2022-1.2.8-KDT-2022-00001 keretprogramja támogatja.
A hírt az innoteka.hu-ról vettük át. Az eredeti hír linkje alább található:
https://www.innoteka.hu/cikk/keramiachipet_fejlesztenek_csillebercen.2792.html?fbclid=IwAR0jxWyudYvELzVz91aG7o7lLEC4wQalFGLw6L8ZOrUitSdyfWGE5g9EGSg
