Mire vállalkoznak a PowerizeD projekt résztvevői?

– Európa egyik fontos kutatási programjáról van szó, amelynek célja az energiatakarékos chipgyártás innovációs stratégiájának megerősítése a kontinensünkön. A mi feladatunk a chipen található kerámiahordozók kifejlesztése. Ez az egész programnak egy apró, de nagyon fontos része, mert a kerámiák nélkül nem működnek a chipek.

Mire jók általában a kerámiák?

– Extrém körülmények között számos hasznos tulajdonságot mutatnak, illetve az energia­hatékonyság terén is kedvezőek a paramétereik. A szilícium-karbid kerámiákat például széles körben használják csapágyakban és tömítésekben, mivel nagy a kopás­állóságuk vizes közegben. Német partnereinkkel (Fraunhofer IKTS, EagleBurgmann) kopásálló, korróziónak és a sós víznek ellenálló kerámiát fejlesztettünk, amelyet tengerjáró hajók hajó­csavarjainál, nagy­nyomású szivattyúk tömítőgyűrű-anyagának használnak. Az elektromos kapcsolók élet­tartamát szintén hihetetlen módon megnövelik a kerámiák – elsősorban az ívkisüléseknek állnak ellent. Noha a kerámiák előállítása drága, de megéri az alkalmazá­suk, mert az eszközök hosszabb élet­tartamának köszönhetően vissza­hozzák az árukat. A szilícium-nitrid, alumínium-oxid, alumínium-nitrid kerámiák szigetelnek, és adalék­anyagokkal elektromosan vezető kerámiát készíthetünk. Ezt a lehetőséget használtuk ki a svéd Gripen repülő­gépek kipufogó­rendszerénél.

Ott mi volt a feladat?

– A repülőgép minden eleme láthatatlan volt a radarok számára, kivéve a kipufogó­rendszert. Ott olyan magas hőmérséklet volt; 1200 Celsius-fokra is felhevülhet az a rész, hogy kellett egy különleges burkolat, amelynek jóvoltából a kipufogót sem látja a radar. Három­százalékos tömeg­arányban szén nanocsövet adagoltunk a kerámiába, amivel elértük, hogy az eredetileg szigetelő anyag jobb elektromos és hővezető lett. Ráadásul ez a nano­csöves kerámia elnyelte a radar­hullámokat. Ezt a fejlesztést használják a legújabb Gripen repülőgépeknél. Erre az eredményre több ipari partner is felfigyelt. A munkánkat élvonal­beli eszközök segítik, például a gyors­szinterelővel (SPS) akár öt perc alatt kisebb kerámia­tömböket tudunk készíteni. A korábbi berendezéssel három-öt óra alatt szinterelő­dött be a tömbi kerámiánk. Az új módszer a költségeket jelentősen csökkentette.

Szén nanocső háló a szilícium-nitridben, elektromosan vezető és radarelnyelő kerámia

A szén nanocső mellett milyen egyéb adalékanyagok javíthatják a kerámiák tulajdonságait?

– Napjaink egyik sláger­anyaga a grafén. Hozzá­adása a szilícium-nitrid alap­porhoz azért ígéretes, mert ez a módosítás megerősíti a mikro­struktúrát, kémiailag passziválja a felületet, valamint csökkenti a súrlódást és a kopást. A GRACE M-ERA.Net projekt keretében szilícium-nitrid/grafén nano­kompozito­kat állítottunk elő és teszteltünk vizes körülmények között, hogy felmérjük műszaki alkalmazásokban való használhatósá­gukat. Mi a grafént grafitból állítjuk elő úgy, hogy a grafitport megőröljük. A kapott, három-négy grafén­rétegből álló grafént elektromos kapcsolók élet­tartamának növelésére lehet alkalmazni. Izgalmas felismerés: ha a kerámiához néhány százalékos arányban adagolunk grafént, vezető­képessé válik. Az általunk kidolgozott módszer nagy előnye, hogy a grafén­tartalom függvényé­ben réteges kerámiát lehet elő­állítani a porózustól a tömörig. Ezt a fejlesztést 2018 és 2022 között a CERANEA Flag-Era (Graphene Flagship) projekt keretében valósítottuk meg, majd a képbe került az alumínium-nitrid és az alumínium-oxid.

Attritor őrlés, olcsó technológia néhány rétegű grafén előállítására grafitporból

Ezek az anyagok miért izgalmasak?

– Az alumínium-oxid olcsó, a másik drága, ugyanakkor az ipar számára az utóbbinak sokkal jobbak a tulajdonságai. Az elektro­mos eszközök, autók agyában található chip hordozója alumínium-oxidból, alumínium-nitridből vagy más esetekben szilí­cium-nitridből, szilícium-karbidból készül. Ha mi találunk egy olcsó technológiájú, sorozat­­gyártásba vihető megoldást az alumínium-nitrid kiváltására, az egyértelmű piaci sikert jelentene. Ennek apropóján kerültünk kapcsolatba a PowerizeD projekttel, amely­nek a leg­fontosabb célja, hogy Európában meg­teremtsük a chip­gyártás alap­jait. Ezt az innovatív programot az Európai Unió finanszírozza. A koronavírus-járvány idején ugyanis egyértelműen kiderült, hogy kontinensünk vállalhatatlan mértékben kiszolgáltatott a távol-keleti gyártóknak.

Mit akarnak elérni?

– A PowerizeD projekt célja a digitalizált és intelligens teljesítmény­elektronika áttörést jelentő technológiáinak fejlesztése, amelyek lehetővé teszik a fenn­tartható és rugalmas energia­termelést, -átvitelt és -alkalmazásokat. A projekt arra összpontosít, hogy javítsa az energia­termelés és -továbbítás módját a digitalizált és intelligens elektronikus energia fel­használásán keresztül, ami nagyban hozzájárul az európai társadalom dekarbonizáció­jához és éghajlatunk védelméhez. Ebben a munkában mi kerámia­hordozókat fejlesztünk. Előírás, hogy egy chip szerkezetének tíz évig stabilnak kell lennie, ami nagy kihívás, hiszen mechanikai hatások mellett az öregedésnek, korróziónak is ellent kell állnia. Erre a korszerű kerámiák jelentenek megoldást, ebben az esetben a szilícium-nitrid, a szilícium-karbid és az alumínium-oxid egyaránt szóba jöhet.

Szinterelt, többrétegű szilícium-nitrid/grafén kerámia

Hol tartanak most?

– Először felmértük, hogy jelenleg milyen módszereket, alap­anyagokat használnak, hogy tudjuk, minél kell jobbat fejlesztenünk. A munkánk nehézségét mutatja, hogy 500 mikro­méternél nem vastagabb kerámiát kell előállítani, aminek a keménysége eléri a 20 giga­pascalt, illetve kiváló hővezető képességű. Az ipari gyártásra al­kalmas kerámiával (termékkel) 2025 végére kell elkészülni. Ez nagy feladat számunkra, akkor is, ha eddig főként alap­kutatással foglalkoztunk, de előfordult már termék­fejlesztés is a munkánkban. A kísérletek idő­igényesek, de reménykeltők. Olyan tech­­no­lógiát kell laboratóriumi méretekben ki­dolgozni, ami ipari körülmények között száz­százalékosan biztosítja a kívánt mi­nőséget. Magyar­ország és az Európai Unió célja egyértelmű: 2026-ra függetle­nek legyünk a távol-keleti chipgyártóktól.•

A PowerizeD projektet a Kulcsfontosságú Digitális Technológiák Közös Vállalkozás (KDT JU), az Európai Unió Horizon 101096387 támogatási megállapodás és a magyar NKFIH 2022-1.2.8-KDT-2022-00001 keretprogramja támogatja.