CoverLogo (31)

ลดขนาดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ด้วยวัสดุไดอิเล็กตริกจิ๋ว

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ปัจจุบันมีขนาดเล็กลงอย่างมากและยังคงมีแนวโน้มที่เล็กลงไปอีกเรื่อยๆ แต่การจะทำให้อุปกรณ์ยังคงประสิทธิภาพที่สูงแม้ว่าขนาดจะเล็กลง จำเป็นต้องใช้วัสดุเก็บประจุที่มีศักยภาพสูงๆนั่นเอง บทความนี้จะถ่ายทอดการออกแบบและนวัตกรรมการประดิษฐ์วัสดุเซรามิกให้มีขนาดเล็กที่เป็นวัสดุไดอิเล็กตริก ให้มีความสามารถในการเก็บประจุได้มากขึ้น นวัตกรรมการผลิตวัสดุดังกล่าวจะเป็นอย่างไรนั้นติดตามได้ในบทความนี้

ทำอย่างไรให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เล็กลง

เทคโนโลยีในปัจจุบันมีการพัฒนาไปอย่างรวดเร็ว และก้าวเข้าสู่ยุคนาโนอิเล็กทรอนิกส์ นวัตกรรมการผลิตวัสดุไดอิเล็กตริก เพื่อนำมาประกอบชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ ไม่ว่าจะเป็น ตัวเก็บประจุ รวมถึง สิ่งประดิษฐ์เก็บความจำ เป็นต้น ด้วยความก้าวกระโดดของเทคโนโลยีที่เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว จากยุคในอดีตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มีขนาดที่ใหญ่ไม่สะดวกต่อการพกพา จึงได้รับการพัฒนาไปสู่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีขนาดเล็กลง น้ำหนักเบา แต่ไม่ส่งผลกระทบต่อค่าความจุไฟฟ้า ซึ่งขั้นตอนการเริ่มให้อุปกรณ์เหล่านี้มีขนาดเล็กลงจะต้องเริ่มจากการลดขนาดของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่เป็นวัสดุปฏิบัติการ เช่น การลดขนาดของตัวเก็บประจุ เนื่องจากระบบไฟฟ้าจะประกอบด้วยตัวเก็บประจุจำนวนมากอยู่ในอุปกรณ์เดียว ดังนั้นจึงเป็นชิ้นส่วนที่สำคัญและมีบทบาทต่อขนาดของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อย่างมาก ซึ่งส่งผลถึงขั้นตอนการออกแบบอุปกรณ์ทางเทคโนโลยี เช่น เครื่องมือสื่อสารให้มีขนาดกระทัดรัดและน้ำหนักเบาสะดวกต่อการพกพา รวมทั้งการหานวัตกรรมส่งเสริมให้ตัวเก็บประจุทำงานอย่างมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น วัสดุไดอิเล็กตริกเป็นวัสดุที่นำไปประดิษฐ์เป็นตัวเก็บประจุ ซึ่งวัสดุไดอิเล็กตริกที่ดีจะต้องมีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกสูง มีค่าการสูญเสียทางไดอิเล็กตริกที่ต่ำ และมีความเสถียรต่ออุณหภูมิ บ่งบอกถึงความเป็นวัสดุไดอิเล็กตริกที่ดีเยี่ยม

CaCu3Ti4O12 เป็นวัสดุเซรามิกไดอิเล็กตริกชนิดหนึ่งที่มีความเสถียรต่ออุณหภูมิ ความสามารถในการจุไฟฟ้าจะขึ้นอยู่กับกระบวนการสังเคราะห์และออกแบบ ดังนั้นงานวิจัยนี้จึงได้สนใจศึกษาการสังเคราะห์ CaCu3Ti4O12 โดยใช้วิธีไฮโดรเทอร์มอลและวิธีโซล-เจล โดยใช้ Polyvinyl Pyrrolidone(PVP) เพื่อให้มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกสูง ค่าการสูญเสียทางไดอิเล็กตริกที่ต่ำกว่ามาตรฐาน (tan∞ น้อยกว่า0.03)เพื่อนำไปประยุกต์ใช้เป็นชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่มีความสามารถเป็นตัวเก็บพลังงานในรูปแบบสนามไฟฟ้าหรือที่เรียกว่าตัวเก็บความจุทางไฟฟ้านั่นเอง

วัสดุไดอิเล็กตริกทำอย่างไร

ในงานวิจัยนี้ได้ทำการสังเคราะห์วัสดุไดอิเล็กตริก โดยการรวมสารประกอบ แคลเซียม ทองแดง และไทเทเนียม เข้าด้วยกัน โดยให้มีสัดส่วนสารประกอบที่มีสูตรโมเลกุลคือ CaCu3Ti4O12 ด้วยวิธีที่แตกต่างกัน 2 วิธี คือ 1. วิธีไฮโดรเทอร์มอล และผ่านการเผาสารที่ได้ที่อุณหภูมิ 800-1000 0C เป็นเวลา 8 ชั่วโมง และ 2. วิธีโซล-เจล ร่วมกับสารละลาย Polyvinyl Pyrrolidone(PVP) และผ่านการเผาสารที่ได้ที่อุณหภูมิ 600-800 0C เป็นเวลา 8 ชั่วโมง

คุณสมบัติวัสดุไดอิเล็กตริกที่ดี

วัสดุที่เตรียมได้จากงานวิจัยนี้ พบว่าสภาวะที่ดีที่สุดคือ อุณหภูมิในการเผาสารหลังจากวิธีโซลเจลที่ 800 oC จากนั้นนำไปขึ้นรูปอัดเม็ด และเผาผนึกที่อุณหภูมิ 1000 oC ซึ่งเป็นกระบวนการเปลี่ยนวัสดุผงให้อยู่ในรูปวัสดุเซรามิก จากการเตรียมวัสดุเซรามิกด้วยกระบวนการดังกล่าว ทำให้ได้เซรามิกที่มีขนาดผลึกหรือเกรนเล็กลงในระดับไมโครเมตร (1.86 ± 0.62 ไมโครเมตร) ซึ่งเป็นช่วงขนาดที่เหมาะสมที่ทำให้ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกที่สูง ประมาณ 104 ซึ่งบ่งบอกถึงการมีเสถียรภาพทางความร้อนสูง จึงทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานที่ต่ำ ตรวจสอบได้จากค่าการสูญเสียพลังงานที่ต่ำมากๆของวัสดุนี้ หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งคือ การทำให้ขนาดผลึกหรือเกรนมีขนาดสม่ำเสมอและมีขนาดที่เหมาะสมจะส่งผลให้ประสิทธิภาพของไดอิเล็กตริกสูงขึ้นนั่นเอง อีกทั้งยังพบว่าขอบเกรนที่เกิดในโครงสร้างของวัสดุเซรามิก CaCu3Ti4O12 มีคุณสมบัติที่เป็นฉนวนทางไฟฟ้า ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อสมบัติทางไดอิเล็กตริก ด้วยเหตุนี้เองทำให้ประจุอิสระที่อยู่ภายในเกรนที่ได้รับจากสนามไฟฟ้าภายนอกไม่สามารถเคลื่อนที่ผ่านขอบเกรนได้เนื่องจากคุณสมบัติที่เป็นฉนวนทางไฟฟ้าของขอบเกรนส่งผลให้เกิดการสะสมประจุที่ขอบเกรนหรือเกิดการโพลาไรเซซันที่ขอบเกรนนั่นเอง จึงทำให้ความเข้มข้นของการโพลาไรเซซันที่ขอบเกรนมีค่าสูงมากส่งผลให้วัสดุ CaCu3Ti4O12 มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกสูง จึงมีความสามารถในการกักเก็บประจุไฟฟ้าไว้ได้ในปริมาณมากขึ้นตามไปด้วย

แนวทางการนำไปใช้งาน

องค์ความรู้ใหม่ที่ได้รับจากงานวิจัยนี้ถือเป็นโอกาสที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเทคโนโลยีการผลิตวัสดุไดอิเล็กตริกขนาดกระทัดรัดที่ทำหน้าที่เป็นหน่วยเก็บความจุทางไฟฟ้าในอุปกรณ์สื่อสารหรืออุปกรณ์หน่วยความจำต่างๆ สามารถนำไปสู่แนวทางการศึกษาหรือการพัฒนาโครงงานวิจัยให้เกิดการต่อยอดต่อไปได้โดยเฉพาะในปัจจุบัน การพัฒนาและการแข่งขันในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ต้องการวัสดุที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกสูง ซึ่งจะทำให้วัสดุอุปกรณ์ทางอิเล็กทรอนิกส์มีขนาดที่เล็กลงและมีประสิทธิภาพต่อการใช้งานที่สูงขึ้นอีกทั้งการพัฒนาการเตรียมและศึกษาสมบัติเชิงลึกของวัสดุนี้สามารถนำไปใช้ในการผลิตเชิงอุตสาหกรรม เช่น ตัวเก็บประจุ(capacitor) และสิ่งประดิษฐ์ความจำ(memory devices) เป็นต้น ซึ่งจะส่งผลให้ประเทศไทยสามารถแข่งขันกับต่างประเทศในเวทีโลกได้ในอนาคต

อ้างอิงข้อมูลจาก

โครงการวิจัย “การสังเคราะห์วัสดุ CaCu3Ti4O12 โดยใช้ไฮโดรเทอร์มอล และวิธีโซล-เจล โดยใช้ Polyvinyl Pyrrolidone(PVP)”

หัวหน้าโครงการ : ชิวาลรัตน์ มาสิงบุญ
สนับสนุนโดย : สำนักงานคณะกรรมการส่งเสริมวิทยาศาสตร์ วิจัยและนวัตกรรม (สกสว.)

เรียบเรียง ไพรินทร์ ตันติวิชยานนท์
กราฟิก ไพรินทร์ ตันติวิชยานนท์

 

 

00:00
00:00
Empty Playlist