Łatwe srebrzenie styków i unikalne materiały termoprzewodzące, czyli innowacje prosto z Górnego Śląska

Krok pierwszy: farby z nanosrebrem

W dobie nic-nie-produkujących start-up’ów Helioenergia stanowi odwrócenie tej sytuacji: poradziła sobie bez wsparcia funduszy inwestycyjnych, medialnego szumu, właściciele sami zapracowali na wkład własny w badania nad produktami i przede-przede wszystkim: wyroby firmy są już na rynku, sprzedają się dobrze i zaczynają ciągnąć finanse firmy w górę. Helioenergia obecnie produkuje między innymi znajdujące zastosowanie w elektronice innowacyjne farby z nanosrebrem czy pasty termoprzewodzące na bazie grafenu, ale na drodze do dzisiejszego stanu jak zwykle sporo było zakrętów. Firma powstała w 2009 roku i na początku zajmowała się czymś kompletnie innym - importem i instalacją kolektorów słonecznych - a jej współwłaściciel i nasz rozmówca, Olgierd Jeremiasz, miał też wieloletnie doświadczenie na rynku energoelektroniki. W ogóle nie taki był plan: Olgierd pochodzi z Górnego Śląska, zdobył wykształcenie na Wydziale Budowy Maszyn i Lotnictwa Politechniki Rzeszowskiej, ale ówczesny przemysł lotniczy, zlokalizowany wokół stolicy Podkarpacia znajdował się w fatalnej kondycji a o dzisiejszej Dolinie Lotniczej nikt nawet nie myślał. 13 lat temu wspólnie ze swoim przyjacielem, Wojciechem Niklem postanowili stworzyć firmę Helioenergia.

-Pomysł na pierwsze produkty, farby z nanosrebrem, bierze swój początek z doświadczeń w energoelektronice. Od lat do wykończenia styków stosuje się srebrzenie galwaniczne, które jednak jest procesem skomplikowanym i drogim, niewspółmiernie kosztownym w stosunku do wartości zużywanych w nim materiałów. Z drugiej strony, ze strony środowiska akademickiego wiedziałem o poszukiwaniach przez nich możliwości rynkowych aplikacji nanosrebra. Proces srebrzenia termicznego styków jest bardzo prosty, aplikacja może być wykonana dosłownie nawet pędzlem, istnieje też wiele alternatywnych metod utwardzania za pomocą wysokiej temperatury - mówi Olgierd Jeremiasz.

Firma rozpoczęła pierwsze prace nad farbami z nanosrebrem kontynuując jednocześnie działalność na rynku kolektorów, która pozwalała na finansowanie prac. Ważnym wydarzeniem było pozyskanie w 2013 pierwszego grantu na badania z NCBiR, który w dużej mierze sfinansował trwające 3.5 roku prace nad farbami z nanosrebrem. Wynikiem prac jest oferowana obecnie farba zawierająca srebro do wytwarzania wykończeń styków metodą srebrzenia termicznego, której aplikacja jest niezwykle prosta: wystarczy aerograf lub inny rodzaj ręcznego dozownika, a jak wspomnieliśmy już wcześniej, nawet pędzel oraz urządzenie do spiekania, czyli przykładowo prosty piec. W efekcie powstaje warstwa o grubości od 0,5 do 20μm, o znakomitych właściwościach przewodnictwa cieplnego i elektrycznego, o wysokiej sile adhezji nawet na tak trudnych podłożach jak aluminium. 

Krok drugi: materiały termoprzewodzące

-Dobre doświadczenia współpracy ze środowiskiem akademickim przy opracowywaniu farb z cząstkami srebra skłoniły nas do realizacji kolejnego pomysłu, opracowania materiałów termoprzewodzących na bazie grafenu i srebra. To wyzywający projekt, natrafiliśmy na wiele niespodzianek. Spodziewaliśmy się, iż nanododatki powinny poprawiać przewodność cieplną pasty, jednak nie do końca zdawaliśmy sobie sprawę, że w skali nano … to prostu nie działa! Pierwsze próby bywały deprymujące, okazało się że efekt bywał wręcz odwrotny i dodatek nawet rozpraszał ciepło, zamiast wspomagać jego przewodzenie - Olgierd Jeremiasz potrafi otwarcie mówić o trudnościach. - Dużych trudności nastręcza sam pomiar przewodności i kiedy do gry wchodzą jednostki inżynierskie – kelwiny, waty czy dżule - już sama jego metodologia nie jest jednoznaczna, bowiem i same ciepło jest wartością trudnomierzalną. Jednak były też i dobre strony, bowiem wiele z opanowanych wcześniej przez firmę procesów mogło być wykorzystanych przy realizacji nowego pomysłu.    

Projekt realizowany jest we współpracy ze środowiskiem akademickim, wywodzącym się z Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych w Warszawie oraz Politechniki Warszawskiej, pod kierownictwem profesor Małgorzaty Jakubowskiej. Również na ten projekt Helioenergia pozyskała dofinansowanie NCBiR w kwocie 4.1 mln PLN (cały projekt miał wartość 5.8 mln PLN) a oficjalna nazwa projektu to Materiały termoprzewodzące nowej generacji do zastosowań w elektronice. Po 4.5 latach prac produkt jest dostępny u dystrybutora, którym został warszawski Semicon.

Głównym składnikiem past termoprzewodzących Helioenergii (nazwa handlowa to Coolance) jest grafen, ale to materiał wciąż nowy, trudnodostępny i nie do końca zdefiniowany: - W zbiorowej świadomości pod nazwą grafen rozumiemy jego cienką, jednoatomową warstwę. W opracowanej przez nas paście wykorzystujemy inny materiał, płatki grafenowe, w przypadku których stopniowo upowszechnia się też nazwa pseudografenu. To w istocie forma pośrednia pomiędzy grafenem a grafitem, składająca się z kilku - kilkunastu warstw grafenu. Na początku badań mieliśmy spore problemy z dostępnością materiału i przede wszystkim jego powtarzalnością. W efekcie również i nasze pasty miały różne właściwości i po wyprodukowaniu udanej partii następowało rozczarowanie następną, bowiem jej parametry były już odmienne od poprzedniej próby. Teraz ustabilizowaliśmy źródła dostaw, gwarantujące powtarzalność i cenę, która decyduje również o atrakcyjności cenowej samej pasty. 

Unikalny skład oferuje wysoką przewodność cieplną, w przedziale od 1.5 do 6.0 W/mK. Co ważne, pasta jest atrakcyjna cenowo oraz łatwa w aplikacji, wymaga jedynie standardowego wyposażenia. Inną formą są też gotowe termopady, wytworzone z tego samego materiału, wymagające jedynie docięcia do pożądanej formy.

W opracowaniu jest też kolejny materiał termoprzewodzący, oznaczający jednocześnie powrót srebra w składzie produktów firmy, gąbki srebrowe. Największym wyzwaniem odprowadzania ciepła jest to, że tak naprawdę materiały nie są doskonale płaskie, ich zawsze powierzchnia w mikroskali zawsze jest nierówna i tak naprawdę styk wytwarzany jest jedynie punktowo. Im więcej takich punktów lub im są one większe, tym właściwości warstwy termoprzewodzącej są lepsze. Gąbki srebrowe, łączące cząstki srebra i polimery, doskonale dopasowują się do powierzchni, zwielokrotniając ilość punktów styku. Co więcej, starsze powierzchnie stykowe z wiekiem ulegają degradacji, natomiast zastosowanie gąbek srebrowych eliminuje ten problem.

Co jest według Olgierda Jeremiasza unikalną wartością Helioenergia? Mój wspólnik, Wojciech Nikiel oraz cały zgrany zespół pracowników. Nasz rozmówca nie czuje się wynalazcą czy choćby innowatorem, a jako tę szczególną wartość, wyróżnik na tle innych firm, wskazuje na umiejętność połączenia innowacyjnych, akademickich koncepcji oraz rzeczywistych potrzeb rynkowych. W ten sposób powstały już dwa, znajdujące zastosowanie rynkowe produkty, a w opracowaniu są kolejne. Każdy kto próbował połączyć światy nauki i biznesu wie, jakie to trudne.  

Zainteresowany technikami montażu? tek.info.pl jest partnerem medialnym piątej edycji PB Technik Meets Friends, zapraszamy!