In een mijlpaalontwikkeling voor de elektronica-industrie, GrafTech International Holdings Inc. heeft een cruciaal patent verworven voor een flexibele printplaat gebouwd op een grafietsubstraat met behulp van geavanceerde 3D-printtechnieken. De gepatenteerde technologie—officieel aangewezen onder patentpublicatie WO2016015032A1 en gerelateerde Amerikaanse dossiers, waaronder US9546763—positioneert het bedrijf in de voorhoede van de snel evoluerende sector van flexibele en opvouwbare elektronica.

Met een totale portefeuille van 364 patentaanvragen en een 500% toename van IP-activiteitheeft GrafTech blijk gegeven van een agressieve toewijding aan innovatie op het gebied van grafiet-gebaseerde materiaalkunde-1-. Denieuw gepatenteerde uitvinding betekent een grote sprong voorwaarts: een flexibele printplaat met een flexibel grafietsubstraat, waarop diëlektrische lagen en elektrisch geleidende lagen worden aangebracht—en in sommige uitvoeringsvormen worden aanvullende elektronische componenten rechtstreeks afgedrukt—gebruiken 3D-additieve productie.

De uitdaging voor thermisch beheer

De innovatie richt zich op een van de meest hardnekkige uitdagingen in het moderne elektronica-ontwerp: warmteafvoer. Naarmate elektronische apparaten steeds compacter en krachtiger worden, wordt de thermische output van componenten zoals microprocessors, geïntegreerde schakelingen en hoge temperaturen beheerd-optische apparaten met vermogen zijn van cruciaal belang geworden. Deze componenten werken alleen effectief binnen specifieke drempeltemperaturen. Wanneer zich tijdens het gebruik overmatige hitte ophoopt, verslechtert ditniet alleen de prestaties van de componenten, maar vermindert het ook de algehele systeembetrouwbaarheid en kan dit zelfs tot catastrofale storingen leiden.

Voor elke 10°Door de bedrijfstemperatuur van een typisch silicium halfgeleiderapparaat te verlagen, wordt de betrouwbaarheid ongeveer verdubbeld en wordt de levensduur van het product aanzienlijk verlengd. Dit fundamentele principe van elektronica-ontwerp heeft fabrikanten ertoe aangezet steeds verder te zoeken-meer-effectieve oplossingen voor thermisch beheer.

Hoe de technologie werkt

De gepatenteerde flexibele printplaat bestaat uit drie essentiële lagen:

1. Een flexibel grafietsubstraat – uitzonderlijke in-vlakke thermische geleidbaarheid voor efficiënte warmteverspreiding

2. Een diëlektrische laag – gevormd op het oppervlak van het grafietsubstraat voor elektrische isolatie

3. Een elektrisch geleidende laag – aangebracht op de diëlektrische laag om het eigenlijke elektrische circuit te vormen

De geleidende laag kan worden vervaardigd uit materialen zoals: zilver, koper of aluminium, en kan worden aangebracht als geleiderpasta of metaalfolie met behulp van technieken zoals zeefdruk of 3D-printen. De resulterende printplaat behoudt dezelfde buigeigenschappen als de grafietplaat zelf, waardoor deze wordt bereikt buigradii tot 3,0 mm voor een plaat van 0,25 mm dik en 6,0 mm voor een plaat van 0,5 mm dik—zonder de structurele integriteit of elektrische prestaties in gevaar te brengen.

Dit betekent dat de printplaat flexibel kan zijn gebogen, gedraaid of herhaaldelijk gebogen vanuit een vlakke configuratie zondernegatieve invloed op de functie ervan als printplaat—een mogelijkheid die geheelnieuwe mogelijkheden opent voor productontwerp.

Toepassingen in verschillende sectoren

Vooral de technologie is goed-geschikt voor toepassingen waar warmteafvoer en ruimtelijke beperkingen staan voorop:

• LED-verlichting en displays: Naarmate fabrikanten de helderheid van het scherm verhogen, verbruiken LED's meer stroom en genereren ze meer warmte. De flexibele grafietprintplaten van GrafTech kunnen LED's ondersteunen en tegelijkertijd warmte afvoeren—een cruciaal voordeel voor de volgende-generatie LCD-schermen.

• Smartphones en tablets: De drangnaar dunnere, lichtere apparaten met een hogere verwerkingskracht maakt effectief thermisch beheer essentieel. GrafTech's SPREADERSCHILD™ productlijn, die al wordt ingezet in koeloplossingen voor smartphones, demonstreert de gevestigde aanwezigheid van het bedrijf op deze markt.

• Opvouwbare smartphones: Misschien wel de meest opwindende toepassing ligt in de opkomende categorie van opvouwbare apparaten. Flexibel grafiet-gebaseerde printplaten zouden kunnen dienen als een mogelijke vervanging voor traditionele stijve PCB's in apparaten die herhaaldelijk in- en uitklappen moeten ondergaan.

• Draagbare elektronica: Van smartwatches tot apparaten voor gezondheidsmonitoring: wearables vereisen flexibele, duurzame en thermisch efficiënte circuits.

• Automobielsystemen: In-voertuigelektronica—vooral die in elektrische voertuigen en geavanceerde bestuurders-assistentiesystemen—vereisen een robuust thermisch beheer in besloten ruimtes.

Een bredere trend in de sector

GrafTech isniet de enige die flexibele elektronicanastreeft door middel van additieve productie. Begin 2017 ontdekten onderzoekers van Missouri Universiteit voor Wetenschap en Technologie demonstreerde een directe aërosolprinttechniek die flexibele substraten integreert met stijve geleidende materialen. De elastische oppervlakken die met deze methode worden geproduceerd, kunnen herhaaldelijk worden gedraaid, uitgerekt en gebogen zonder dat de prestaties achteruitgaan—innavolging van de kernprincipes van GrafTech's grafiet-gebaseerde aanpak.

Strategische implicaties

De goedkeuring van dit patent versterkt de positie van GrafTech in de snel groeiende markt flexibele hybride elektronica (FHE) markt-. Als erkend wereldleider op het gebied van technische grafietproducten en films met hoge thermische geleidbaarheid bedient het bedrijf grote OEM's op het gebied van vermogenselektronica, accu's voor elektrische voertuigen en consumentenelektronica.

De patentportfolio—inclusief gerelateerde documenten zoals US2016096736A1 (transparante geleidende artikelen) en WO2016094150A1 (flexibele ondersteuningsstructuren van grafietplaten)—biedt een uitgebreide intellectuele eigendomsgracht rond de flexibele grafiettechnologie van GrafTech.

Vooruitkijken

Terwijl de elektronica-industrie haar traject voortzet kleinere vormfactoren, hogere vermogensdichtheden en ongekende flexibiliteit, GrafTech's gepatenteerde 3D-bedrukte flexibele grafietprintplaten bieden een overtuigende oplossing. Door het combineren van de uitzonderlijke thermische geleidbaarheid van grafiet met de ontwerpvrijheid van additieve productiericht de technologie zich zowel op de uitdagingen op het gebied van thermisch beheer van vandaag als op de vorm ervan-factorbeperkingen van morgen.

Voor ontwerpers van smartphones, wearables, autosystemen en meer is de boodschap duidelijk: het tijdperk van flexibele, thermisch intelligente elektronica is aangebroken—en GrafTech loopt voorop.