2D-elektriskt ledande lim för flexibel elektronik och termoelektronik till låg kostnad

Syfte och mål

Termoelektriska moduler (TEM) är halvledarelektroniska enheter som producerar kylning/uppvärmning genom att applicera en elektrisk ström. TEM består av många hundra halvledarpellets baserade på Bi2Te3-legeringar kopplade elektriskt i serie och termiskt parallellt med metallförbindelser. Den typiska bindnings-/monteringstekniken för halvledarpellets på metallanslutningen är lödning. De höga kostnaderna för TEM är det första stora hindret för en vidare användning i fler applikationer. 50% av den totala kostnaden för TEM härrör från tillverkning, vilket fortfarande görs genom manuell lödning i tillväxtländer. Det andra stora hindret är att kommersiella TEM ofta är små och styva, vilket begränsar deras tillämpning till att kyla platta och styva ytor snarare än att kyla flexibla ytor på föremål som ändrar form. Den mekaniska styvheten hos TEM kommer från enhetens design som vanligtvis använder styv keramik som värmeöverföringsskikt, men också från lödfogarna som inte tål upprepad böjspänning och uppvisar utmattning och sprickor. 

Huvudsyftet med detta projekt är att utveckla ett nytt mjukt elektriskt ledande lim baserat på 2D-material och organiska ledande polymerkompositer för att möjliggöra en ny tillverkningsprocess, med limdispenser och ”pick-and-place”-robotar, för att tillverka billiga, stora och flexibla TEM. Även om det finns kommersiellt elektriskt ledande lim idag, har de inte tillräckligt hög värmeledningsförmåga och är inte tillräckligt mjuka och elastiska. 

Nyligen har Linköpings Universitet (LiU) visat ett nytt koncept för att ta fram mjuka, vidhäftande och elastiska kompositer gjorda av ledande polymer och polymerlim. Emellertid har denna typ av mjukt, elektriskt ledande lim inte tillräckligt hög elektrisk och termiska ledningsförmåga. Projektet syftar till att ta fram nya 2D-elektriskt ledande lim (2D-ECA) med en unik kombination av egenskaper – hög elektrisk ledningsförmåga, hög värmeledningsförmåga, mjukhet och god vidhäftning – genom att implementera exfolierade 2D-material (metallsulfider och Mxenes) från IMRA i den mjuka, ledande limmatrisen. Efter syntesen och karakteriseringen av dessa 2D-ECA kommer RISE tillsammans med ParsNord att använda den tekniken i RISE pilotlinje för tryckt elektronik för att tillverka flexibla TEM. Med dessa avancerade tillverkningsmetoder och 2D-ECA hoppas ParsNord att öka produktionshastigheten för TEM och minska den totala kostnaden för systemet upp till 50%, vilket möjliggör introduktion av TEM på större marknader för kylning. 

Abstract in English

2D-electrically conductive adhesive for low-cost flexible electronics and thermoelectrics

Thermoelectric modules (TEMs) are solid-state electronic devices producing cooling/heating by applying an electrical current. TEMs consist of many hundred semiconductor pellets based on Bi2Te3 alloys connected electrically in series and thermally in parallel with metal interconnects. The typical bonding/assembling technology of the semiconductor pellets on the metal interconnect is soldering. The high cost of the TEMs is the first major obstacle for their vast utilization in many applications. 50% of the total cost of TEMs originates from manufacturing, which is still today done by manual soldering in emerging countries. The second obstacle is that commercial TEMs are often small and rigid, which limits their application to cooling flat and rigid surface, rather than flexible surface of objects changing shape. The mechanical rigidity of TEMs comes from the device architecture typically using rigid ceramics as heat transfer layers, but also from the solder joints that cannot withstand repeating bending stress and display fatigue and cracks.

The main objective of this project is to develop a novel soft electrically conductive adhesive based on 2D-materials and organic conducting polymer composites to enable a new manufacturing process, using dispenser of the adhesive and pick-and-place robots, to fabricate inexpensive, large area, and flexible TEMs. Although some commercial electrically conducting adhesive exist, they do not possess high enough thermal conductivity and are not soft/elastic.

Recently, Linköping University (LiU) has demonstrated a new concept for creating soft, adhesive and elastic composites made of conducting polymer and polymer adhesive. However, this type of soft electrically conductive adhesive does not have high enough electrical and thermal conductivities. With the expertise and 2D materials from IMRA, the core of the project is the implementation of the exfoliated 2D conductors (metal-sulfides and Mxenes), providing enhanced electrical and thermal conductivities, into the soft conducting adhesive matrix to obtain completely novel 2D-electrical conducting adhesive (2D-ECA) with a unique combination of properties: high electrical conductivity, high thermal conductivity, softness, and good adhesion. After the synthesis and characterization of those 2D-ECAs, RISE will use that technology in the pilot line for printing and electronics together with ParsNord to fabricate flexible TEMs. With these advanced fabrication methods and the 2D-ECA, ParsNord forecasts to increase the production rate of TEMs and decrease the overall cost of the system up to 50%, thus enabling the entry of TEMs in major cooling markets.

Utlysning:
Samverkan kring kommersiella grafentillämpningar, hösten 2020

Projektpartners: Linköping universitet, ParsNord, IMRA Europe, RISE

Projektledare: Xavier Crispin, Linköpings universitet

Projektform: Forsknings- och innovationsprojekt

Bidrag: 2 229 000 kr

Projektets löptid: mars 2021 – december 2023

Relaterade styrkeområden: