Lapisan Pendingin Perangkat Elektronik

Dalam sebuah studi yang diterbitkan akhir Januari di jurnal Joule, para penulis menyajikan lapisan perangkat elektronik dengan kemampuan melepaskan uap air untuk mengurangi ataupun menghilangkan panas dari perangkat yang sedang berjalan atau tengah digunakan.

Metode ini bisa menjadi metode manajemen termal baru yang dapat mencegah elektronik dari kepanasan dan membuatnya lebih dingin dibandingkan dengan strategi yang sudah ada. “Pengembangan mikroelektronika menempatkan tuntutan besar pada teknik manajemen termal yang efisien karena semua komponen dikemas dengan rapat dan cip bisa menjadi sangat panas,” kata penulis senior Ruzhu Wang.

Wang mempelajari teknik pendingin di Shanghai Jiao Tong University. “Misalnya, tanpa sistem pendinginan yang efektif, ponsel kita dapat mengalami gangguan sistem atau setidaknya membakar tangan kita jika kita menjalankannya dalam waktu yang lama atau memuat aplikasi yang besar,” tambah Wang.

Perangkat yang lebih besar seperti komputer menggunakan kipas untuk mengatur suhu. Namun, kipas besar cenderung lebih berisik, dan memakan energi yang cukup banyak sehingga tidak cocok untuk perangkat yang lebih kecil seperti ponsel. Pabrik telah menggunakan bahanbahan perubahan fasa atau phase change materials (PCM) seperti lilin dan asam lemak sebagai bagian dari metode pendinginan di telepon.

Bahan- bahan ini dapat menyerap panas yang dihasilkan oleh perangkat saat meleleh. Namun, jumlah total energi yang dipertukarkan selama transisi padat-cair relatif rendah.

Sebaliknya, transisi cair-uap air dapat bertukar 10 kali energi dibandingkan dengan transisi padat-cair PCM. Terinspirasi oleh mekanisme keringat mamalia, Wang dan timnya mempelajari sekelompok bahan berpori yang dapat menyerap uap air dari udara dan melepaskan uap air saat dipanaskan.

Di antara mereka, metal organic frameworks (MOF) adalah yang paling menjanjikan karena mereka dapat menyimpan sejumlah besar air dan dengan demikian menghilangkan lebih banyak panas saat dipanaskan. “Sebelumnya, para peneliti telah mencoba menggunakan MOF untuk mengekstraksi air dari udara gurun,” kata Wang.

“Tapi MOF masih sangat mahal, jadi aplikasi berskala besar tidak terlalu praktis. Studi kami menunjukkan pendinginan elektronik adalah aplikasi kehidupan nyata yang baik dari MOF. Kami menggunakan kurang dari 0,3 gram bahan dalam percobaan kami, dan efek pendinginan itu menghasilkan signifikan,” kata Wang.

Tim memilih jenis MOF yang disebut MIL-101 (Cr) untuk percobaan karena kapasitas menyerap air yang baik dan sensitivitas tinggi terhadap perubahan suhu. Mereka melapisi tiga lembaran aluminium 16 sentimeter persegi dengan MIL-101 (Cr) dengan ketebalan yang berbeda - 198, 313, dan 516 mikrometer, masing- masing - dan memanaskannya pada hot plate.

Tunda Kenaikan Suhu

Tim menemukan bahwa lapisan MIL-101Cr mampu menunda kenaikan suhu lembaran, dan efeknya meningkat dengan ketebalan lapisan. Sementara lembaran yang tidak dilapisi mencapai 60 derajat Celsius setelah 5,2 menit, lapisan tertipis menggandakan waktu dan tidak mencapai suhu yang sama hingga 11,7 menit. Lembaran dengan lapisan paling tebal mencapai 60 derajat Celsius setelah pemanasan 19,35 menit.

“Selain pendinginan yang efektif, MIL-101 (Cr) dapat dengan cepat pulih dengan menyerap kelembaban lagi setelah sumber panas dihilangkan, sama seperti bagaimana mamalia rehidrasi dan siap berkeringat lagi,” kata Wang.

“Jadi, metode ini sangat cocok untuk perangkat yang tidak berjalan sepanjang waktu, seperti ponsel, pengisian baterai, dan stasiun basis telekomunikasi, yang kadangkadang bisa kelebihan beban,” sambung Wang. Untuk menyelidiki efek pendinginan MIL-101 (Cr) pada perangkat aktual, Wang dan timnya menguji heat sink pada perangkat mikrokomputasi.

Dibandingkan dengan heat sink yang tidak dilapisi, yang dilapisi mengurangi suhu cip hingga 7 derajat Celsius ketika perangkat dijalankan pada beban kerja yang berat selama 15 menit. Ke depan, tim berencana untuk meningkatkan konduktivitas termal material. “Setelah semua air hilang, lapisan kering akan menjadi resistensi yang mempengaruhi pembuangan panas perangkat,” kata penulis pertama Chenxi Wang.

Memasukkan aditif konduktif termal seperti graphene ke dalam material dapat membantu mengatasi masalah,” jelasnya. Sementara itu menurut Ruzhu Wang, sebelum produsen dapat memasang sistem pendingin ini ke telepon, persoalan biaya adalah masalah utama.

“Dengan menemukan aplikasi MOFs praktis, kami berharap dapat meningkatkan permintaan pasar untuk mereka dan mendorong lebih banyak penelitian tentang MOF untuk menurunkan biaya,” kata Ruzhu Wang.

Sebelumnya, sebuah penelitian yang dilakukan oleh Singapore’s Agency for Science, Technology and Research (A*STAR) Institute of Microelectronics berhasil mengembangkan lapisan berlian untuk mencegah panas berlebih pada perangkat elektronik berdaya tinggi.

Tapi selain lebih mahal, namun dalam kondisi tertentu, lapisan berlian tersebut justru bisa menyebabkan panas dan meningkatkan kinerja termal sebuah perangkat.

nik/dariberbagaisumber/S-2