Table of Contents

الإدارة الحرارية في الإلكترونيات المرنة والفظيعة: تحد عميق في التحديات والحلول

وقد انتقلت الأجهزة الإلكترونية المرنة والمطوية من الفضول المختبرية إلى الحقائق التجارية، حيث يمكن لمنتجات مثل سلسلة " سامسونغ غالاكسي زفلد " ، و " هواي ميت " ، ومختلف النظم المصممة التي يمكن أن تُستخدم في السوق، والتي تتيح حرية التصميم غير مسبوقة، وتُطوّل دون كسر، غير أن الانتقال من عوامل ثابتة إلى عوامل ذات طابع مرن، يُحدّ من التحديات التي تواجه الإدارة الحرارية.

فهم التحديات الحرارية في الإلكترونيات المرنة

والمشكلة الأساسية هي أن البوليمرات المرنة التي تطبع بشكل ثابت مثل البوليميد، أو رباعي الإيثيلين، أو البوليفيريثالين، أو البوليوريثان الحراري، أو البوليسترات الحرارية التي تُنشر بكفاءة في نطاق 0.1 إلى 0.3 W/m-19K، مقارنةً بعملية الأشعة الرأسية التي تبلغ 400 W/mTK أو حتى النسيج المتولدة فيما بعد 150

ويضاف إلى ذلك أن الأجهزة المرنة تخضع لضغوط ميكانيكية متكررة، ويدخل التموين ببراعات يمكن أن تزيل مواد الوصل الحراري، وتكسر القوارير الحرارية، أو تضغط على الثغرات الجوية، وتغير مسارات الحرارة بشكل لا يمكن التنبؤ به، بل إن منطقة التعثر الميكانيكي في الهواتف القابلة للطي تثير إشكالية خاصة: ويجب أن تتيح تناوب جهاز التصلب 180 درجة مع الحفاظ على درجة الحرارة الكهربائية والاستمرارية

وتمتد الشواغل المتعلقة بالثقة إلى ما يتجاوز التسخين الفوري، حيث يمكن للجهاز المتراكم أن يسخن أثناء الاستخدام والبرد عندما يتسبب الاختباء في حدوث زيادة في الكبلات المرنة، ومفاصل المباعين في دوائر متعددة الطبقات، وطبقات الحرارة المتصاعدة التي تربط أكوام العرض، مما يؤدي إلى زيادة سرعة حدوث تغيرات في درجات الحرارة بين الميكانيكية، إلى زيادة عدد مراتب الفشل أو آلاف الدورات.

وثمة مسألة أخرى لا تُستهان بها هي أن الإدارة الحرارية في الإلكترونيات المرنة يجب أن تتنافس مع يد المستخدم، وعلى عكس حاسوب محمول يجلس على مكتب ما، كثيرا ما يُحتفظ به هاتف قابل للطي، وأن يكون الاتصال الجلدي بمثابة مغسلة حرارية طبيعية، ولكن التبريد السلبي عبر يد المستخدم غير متسق؛ وهو يتوقف على تدفق الدم، ودرجة الحرارة المحيطة، وكيف أن الجهاز لا يمكن أن يُشغل بدرجه تحت الحرارة غير المتحكم فيه.

وبغية تقدير حجم التحدي، ينبغي اعتبار أن المجهز الرئيسي يستطيع، في هاتف ذكي ثابت نموذجي، أن يسحب ٥-١٠ ودقيقا، وجسد الهاتف - مع زجاجه ومعدنه وبطارية كبيرة كعازلة حرارية، وفي فئة قابلة للطي، يجب أن يكون المعالج نفسه محصورا في معامل أرق وأرق، وكثيرا ما يكون ذلك بطارية أقل وكتلة هيكلية أقل.

العوامل الرئيسية التي تزيد من حدة قضايا الإدارة الحرارية

حدود المواد

كما لوحظ أن البوليمرات الفرعية المستخدمة في الإلكترونيات المرنة تقلل في جوهرها من السلوك الحراري، ولكن ليس فقط الركيزة الفرعية - كل الحزمة المادية تسهم أيضاً في وجود طبقات سلوكية شفافة لأجهزة الفرز، مثل أكسيد القصدير في الكتف المائي المكسوئ، التي تُستخدم في الأفلام المرنة، وتُحد من انتشار الحرارة بشكل غير منتظم.

التنميط النبائطي والكثافة العالية للطاقة

وأجهزة التكتل المتطورة التي تُستخدم في البطاريات، مثل أجهزة التحلل ذات القدرة العالية على الدفع، وأجهزة التصوير المتعددة، وأجهزة الدمج، وأجهزة الدفع ذات السعة 5، وحجم البطاريات الكبيرة التي تكون في أغلب الأحيان أرق من 7 ملم عندما تُكشف، ودرجة الحرارة المحصورة (الثبات لكل سنتيمتر مكعب) في هذه الأجهزة تتنافس مع بعض أجهزة التحلل الحراري.

ميكانيكية وطرق الحرارة الديناميكية

وربما يكون التحدي الحراري الأكثر ميزة في الالكترونيات المرنة/المطوية هو أن هيكل التدفق الحري يتغير في كل مرة يطوي فيها الجهاز أو يكشف عنه، وعندما يكون مفتوحاً، قد يكون للجهاز جهازان مستقلان من أجهزة التدفئة يجسران بواسطة شريط حراري مرن أو جهاز اتصال حراري متصاعد، وعندما يغلق، فإن هاتين العجلتين تتراكمان وتدفئة من المعالج في نصف الوقت يمكن أن تجري

التغير البيئي والمستخدم - الحد

فالإلكترونيات المرنة موجودة في مواضع مائية يجب أن تعمل في طائفة واسعة من البيئات - من أيام الصيف الساخنة )٤٥ درجة مئوية( إلى ظروف الشتاء الباردة )٠٢ درجة مئوية( كما أن التصميم الحراري يجب أن يُشكل هذه المتطرفة، ولكن الكتلة الحرارية المنخفضة من المواسير البلاستيكية يعني أن درجة حرارة الجهاز يمكن أن تتأرجح بسرعة مع الظروف المحيطة، وفي بيئة باردة، قد تتأقلم بسرعة تحت الحمولة، ولكن السلوك الحراري المنخفض

استراتيجيات الإدارة الحرارية الفعالة في الأجهزة المرنة والثابتة

وقد اقترح الباحثون والمهندسون مجموعة واسعة من الحلول تتراوح بين المواد المتقدمة التي لها خصائص حرارية مهندسة وبين تصميمات مهندسة معمارية دينامية تعيد تشكيل مسارات الحرارة، ويمكن تجميع النهج الأكثر واعدة في أربع فئات: ابتكار المواد، وتصميمها على الوجه الأمثل، والتبريد النشط، والإدارة الحرارية على مستوى المنظومة.

المواد ذات السلوك الحراري المتقدم

ويمكن أن تؤدي المادة الأولى من الدفاع إلى استبدال أو زيادة المواد ذات القدرة المنخفضة على الإنتاج ببدائل توفر المرونة والنقل الحراري العالي، كما أن المواد ذات الأبعاد مثل الرخامية والنيتريد الخماسي (h-BN) قد ظهرت كمرشحة رئيسية، ويمكن للأفلام التي تنتجها غرافين أن تحقق رقائق السير الحرارية التي تتراوح بين 2000 و5000 W/mK في اتجاه المخطط، بينما تظل مرنة ميكانيكية وضئيلة.

وتستخدم طبقة مواد أخرى نانواري فضية (AgNWs) مغروسة في مصفوفة متعددة، ويمكن لهذه المكونات أن تحقق أوجهاً حرارية تتراوح بين 30 و100 و/م ك، بينما تبقى متطلبات مرنة وشفافة - حرجة لاستنشاد طبقة عرض حساسة، كما أن الباحثين طوروا معادن سائلة (مثلاً، السكك الحديدية - الهندية) التي تخلق مسارات في مجهزت في القاع

وبالنسبة للفرع نفسه، فإن المركب الذي يجمع بين البوليمر المرن وملء من المواهب العالية الإنتاجية (مثل ألياف الكربون، أو الفطائر الغرافيتية، أو الجسيمات السهرية) يوفر أرضاً متوسطة واعدة، فمثلاً، تُحمَّل كمية من البوليميد مع نسبة 30 في المائة من الشرائح النترونية الفولية يمكن أن تحقق في الوقت نفسه سلوكاً حرارياً قدره 000 1 و/م كيني.

التصميم الأمثل: الفياس الحراري، ومقرّبات الحرارة، والملفات الأنيسوتروبيكية

ويمكن أن يؤدي التصميم الجيولوجي الذكي إلى تحسين درجة الحرارة، ويتمثل أحد النهجين في استخدام الركائز الحرارية المرنة التي تؤدي إلى سميك طبقة فرعية مرنة لنقل الحرارة من جانب واحد إلى طائرة نحاسية على الجانب الآخر، ويمكن صنع هذه القوارير من فتحات الكنسي المثبتة بالنحاس أو المزودة بالبخار، مصممة على نحو فعال لتشكيلات ثنائي الفينيل متعدد الإجهاد.

ويمكن أن تكون موزعات الحرارة الصغيرة تصميما ابتكاريا آخر، فبدلا من مغسلة حرارة معدنية صلبة، تكون طبقة رقيقة من البوليمر مزروعة بأجهزة صغيرة (المتوسطة - 50 ميكروم) ممتلئة بسوائل ذات قدرة حرارية مثل الماء أو مبردات الديكل، وعندما تستخدم الأجهزة، فإن قوى التصفير أو مضخة صغيرة تعمل بالثبطاقات تعمل على توزيع السوائل.

كما يمكن استغلال حرارة التحلل الحراري على طول اتجاه واحد، كما يمكن استغلال حرارة التحلل الحراري غير المجهزة بالأشعة الحرارية، حيث أن المحركات الحرارية غير المجهزة بالطيور، التي تُنشر بشكل فعال، تصل إلى 1500 دبليو/م ك. ولكن يمكن أن تؤدي إلى قيم من خلال المخططات التي لا تتجاوز 10 دبلومترات/م/م ك.

تقنيات التكرير النشطة للنظم المرنة

وفي حين أن الحلول السلبية تُفضَّل على تبسيطها وموثوقيتها، فإن بعض الأجهزة المرنة - ولا سيما تلك المجهزات القوية أو التي تشحن الفحم - قد تتطلب التبريد النشط، ولا يمكن للمعجبين التقليديين إلا أن يُقللوا من استخدام تقنيات التبريد ذات الصلبة الصلدة من أجل الاندماج المرن، إذ أن المبردات المبردة والمبردات الحرارية لا يمكن أن تُبنى على محركات المرنة.

وتستخدم تقنية نشطة ناشئة أخرى مواد تغيير المرحلة التي تستوعب الحرارة عندما تذوب، مثل شمع البارافين أو حمضات الدهون التي تذوب بحوالي 40 إلى 45 درجة مئوية، ويمكن أن تُجمع في حقيبة مرنة وتوضع على مجهز، وأثناء انفجار من أجهزة التفريغ ذات التردد العالي، يستوعب جهاز PCM الحرارة المتطاولة المتطاولة من الصمامات (150 إلى 250 جيغاغرام) مما يحول دون ارتفاع درجة الحرارة من نقطة الطولة.

الإدارة الحرارية والمحفوظات التأديبية على مستوى المنظومة

وأخيراً، يجب النظر في الإدارة الحرارية في الإلكترونيات المرنة على مستوى النظام من الرقاقة إلى يد المستخدم، ويشمل ذلك برامجيات دينامية لإدارة الطاقة تضبط سرعة ساعات العمل والفولط استناداً إلى قراءات أجهزة استشعار درجة الحرارة في الوقت الحقيقي توضع في نقاط متعددة على الدائرة المرنة، ويمكن أن تتوقّع أجهزة التكرار المتطورة على أساس سلوك المستخدم (مثلاً، تطويع الترددات، ودرجة الحرارة).

ويمكن أن يُصمم الخلل نفسه كجسر حراري، إذ أن بعض الهواتف القابلة للطي تستخدم الآن خليطا متعدد الوصلة يضم الأغطية الحرارية أو الشرائط الخفيفة التي تُبقي على اتصال بين النصفين في كل من المواقع المفتوحة والمغلقة، مما يساعد على تحقيق التكافؤ في درجات الحرارة عبر الجهاز بأكمله، باستخدام المساحة الكبيرة للبطارية والنصف الآخر المصممة كغين ملازمين للحرارة.

وهناك نهج آخر على مستوى المنظومة يتمثل في استخدام المكونات الهيكلية المعدنية - مثل الإطار الأوسط أو القوس المحجوب - كمادة حرارية، حتى وإن كان يجب تجزئتها من أجل المرونة، ويمكن أن تسمح الصفائح الألومنيومية المجزأة المرتبطة باللوين النحاسي المرن بالتركيب المعدني بأن ينحني بينما توفر مسارات حرارية منخفضة المقاومة، أو بـ5 درجات مئوية من الرطوبة الحرارية، بغرامة.

التوقعات المستقبلية: نحو إدارة حرارية لا تُذكر

وتتسارع وتيرة الابتكار في الإدارة الحرارية الإلكترونية المرنة، التي تقودها كل من البحوث الأكاديمية والتنافس في مجال الصناعة، ويمكننا أن نتوقع حدوث عدة تطورات في السنوات القليلة القادمة ستقرب الأجهزة القابلة للطي والمرنة من الأداء الحراري لنظرائها المتشددين.

المواد والتصنيع المقبل

ومن الاتجاهات الواعدة إدماج أفلام الغرافيت ذات التوجه العالي، التي تحتوي على سميكات دون ميكرومتر يمكن طباعتها أو تطهيرها في الإنتاج الجماعي، وتحسين الرقابة على الضبط البلوري للأفلام الغرافينية أثناء الترسب الكيميائي للخلايا، مما سينتج عنه بعض الظواهر الحرارية العالية في التخطيط، كما قد نرى ظهور أشكال الوصل الحرارية

آلية التصميم الحراري

ومع تزايد تعقيد الأجهزة المرنة، فإن أدوات المحاكاة الحرارية التي تشكل الطوابق الميكانيكية وظروف الحدود الدينامية ستصبح معيارا، إذ أن البرامج الحاسوبية الناشئة مثل نظام أنسيز إيكباك والفيزياء المتعددة لنظام كومسول تتيح للمهندسين إمكانية الجمع بين أنماط الاستخدام الحراري والميكانيكي والكهربائي للتنبؤ بأماكن الساخنة في إطار سيناريوهات مختلفة مطوية، ويمكن في المستقبل إدماج هذه الأدوات في نماذج الاستخدام الأمثل للتصميمات

التكامل مع تسخير الطاقة وشحن الأسرى

ويمكن أن تسترد حرارة النفايات من جهاز مرن جزئياً من خلال مولدات حرارة حرارة صغيرة تعمل على تحويل درجات الحرارة إلى كهرباء، مع أن الكفاءة في الوقت الراهن هي في طور التشغيل المنخفض.

معايير الصناعة واختبارات الموثوقية

فثقة المستهلك في الأجهزة القابلة للطي تتوقف على مدى القابلية للدوافع، ومع تطور حلول الإدارة الحرارية، فإن معايير اختبار الأداء الحراري على نطاق الصناعة في إطار دورات الإقراض (مثلاً، ينبغي تكييف الإجهاد الذي يُستخدمه المركز الدولي للكهرباء 60068-2-42 للتدوير الحراري) بحيث تشمل التحميل الميكانيكي، وتعمل الرابطة التكنولوجية المشتركة بين الدول على وضع معيار للخصائص الحرارية للحلول شبه المتجانسة.

الاستنتاج: الإدارة الحرارية بوصفها أداة رئيسية للتمكين

(أ) لا تمثل هذه الأجهزة الإلكترونية المرنة والمرنة (الإطار) في شكل نماذج متطورة من أجهزة الاستطلاع، و(الإطار)