การพัฒนาตัวทำความเย็นเทอร์โมอิเล็กทริกแบบฟิลม์บางสำหรับระบบปรับอากาศยานยนต์

1 กรกฎาคม 2563

 

       อุตสาหกรรมการผลิตรถยนต์ในไทยมีพัฒนาการต่อเนื่องกว่า 50 ปี และมีความสามารถด้านการผลิตสูงสุดในอาเซียน [1]  อย่างไรก็ตาม ภาคการผลิตทั่วโลกกำลังเคลื่อนเข้าสู่มิติใหม่ โดยเฉพาะการพัฒนากระบวนการดำเนินงานบนพื้นฐานของอุตสาหกรรม 4.0 ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและประสิทธิผลการผลิตให้มีมูลค่าเพิ่ม รองรับการเปลี่ยนแปลงของภาวะเศรษฐกิจทั้งภายในและภายนอกได้อย่างเท่าทันท่ามกลางปัจจัยเสี่ยงที่อาจส่งผลกระทบต่อภาคการผลิตที่มีการส่งออกเป็นแรงขับเคลื่อนที่สำคัญ จากประเด็นท้าท้ายดังที่ได้กล่าวข้างต้น อุตสาหกรรมยานยนต์ไทยต้องปรับตัวเข้าสู่สภาวะการแข่งขันของห่วงโซ่อุปทานโลก (global supply chain) ในระดับโลก ที่เป็นการแข่งขันที่ไม่ใช่เป็นเพียงการเป็นฐานการผลิตที่สําคัญของโลกเท่านั้น หากแต่ต้องมุ่งพัฒนาในเรื่องการทําวิจัยและพัฒนาผลิตภัณฑ์ ให้สอดรับกับแนวโน้มของเทคโนโลยียานยนต์ในอนาคต และในขณะเดียวกันก็ต้องเน้นเรื่องการประหยัดพลังงาน เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและมีมาตรฐานความปลอดภัย

 

       ประเด็นปัญหาหนึ่งในที่ต้องมีการวิจัยคือ การทำความเย็นในรถยนต์ซึ่งส่วนใหญ่จะใช้ระบบการทำความเย็นแบบอัดไอและใช้สารทำความเย็นคือ R-134a ซึ่งสารทำความเย็นนี้นอกจากจะทำลายชั้นโอโซนแล้วยังก่อให้เกิดภาวะโลกร้อนอีกด้วย การรั่วไหลของสารทำความเย็นในรถยนต์ก็เป็นอีกปัญหาที่สำคัญ ปัจจุบันมีเทคโนโลยีการทำความเย็นด้วยเทอร์โมอิเล็กทริก (thermoelectric cooling technology) ซึ่งสามารถเข้ามาแก้ปัญหาและตอบโจทย์การทำความเย็นในรถยนต์ได้ เทคโนโลยีการทำความเย็นด้วยเทอร์โมอิเล็กทริกเป็นเทคโนโลยีที่ได้รับความสนใจ เนื่องจากมีเสถียรภาพสูง ไม่มีส่วนประกอบเชิงกลที่เคลื่อนไหวจึงไม่ก่อให้เกิดเสียงดัง มีขนาดเล็กและน้ำหนักเบา ไม่ต้องใช้สารทำความเย็น นอกจากนี้ การทำความเย็นด้วยเทอร์โมอิเล็กทริกยังมีจุดเด่นที่สำคัญคือ การใช้ไฟฟ้ากระแสตรงเป็นตัวขับเคลื่อนในการทำความเย็น โดยแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงนี้อาจมาจากเซลล์แสงอาทิตย์ เซลล์เชื้อเพลิง (fuel cell) หรือแหล่งจ่ายไฟกระแสตรงจากรถยนต์ เป็นต้น ตัวย่างเช่น Luo และคณะ (2010) [2] ได้ประยุกต์นำเทอร์โม อิเล็กทริกเพื่อลดอุณหภูมิภายในห้องโดยสารรถยนต์ พบว่า ค่าสัมประสิทธิสมรรถนะ (COP) มีค่าอยู่ระหว่าง 0.4-0.8 เมื่ออุณหภูมิของอากาศภายนอกอยู่ในช่วง 46 ถึง 30 องศาเซลเซียส Hyeung-Sik และคณะ (2007) [3] ได้พัฒนาระบบควบคุมอุณหภูมิของเบาะที่นั่งในรถยนต์โดยใช้เทอร์โมอิเล็กทริก จากแนวความคิดนี้บริษัท Gentherm ได้พัฒนาเบาะที่นั่งของรถยนต์และรถจักรยานยนต์โดยการใช้เทคโนโลยีเทอร์โมอิเล็กทริก (thermoelectric technology) เพื่อปรับอุณหภูมิให้ผู้ขับขี่รู้สึกสบายและผ่อนคลาย [4] จากที่กล่าวมาพบว่าปัจจุบันเทคโนโลยีเทอร์โมอิเล็กทริกสามารถเข้าไปมีบทบาทในการทำความเย็นให้กับอุตสาหกรรมยานยนต์ และจะยังขยายตัวอย่างต่อเนื่องในทศวรรษหน้า [5] อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีการทำความเย็นด้วยเทอร์โมอิเล็กทริกก็ยังจำเป็นที่ต้องได้รับการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ทั้งด้านการปรับปรุงประสิทธิภาพของวัสดุและการออกแบบอุปกรณ์ให้มีรูปแบบที่สามารถปรับเปลี่ยนเพื่อการใช้งานได้หลากหลายและความสามารถในการทำความเย็นที่มากขึ้น 

 

       การพัฒนาทางเทคโนโลยีเทอร์โมอิเล็กทริกมีความเจริญก้าวหน้าอย่างรวดเร็วจนสามารถนำเทคโนโลยีนี้มาใช้งานได้จริง กล่าวคือเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า (thermoelectric generator) หรือเครื่องทำความเย็น (thermoelectric cooler)  โดยสามารถหาซื้อมาใช้งานได้ทั่วไปซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ทำจากวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกแบบก้อน (bulk thermoelectric) หรือทางการค้าเรียกว่า “แผ่นร้อนเย็น” อุปกรณ์เทอร์โม อิเล็กทริกแบบก้อนมีองค์ประกอบแสดงดังรูปที่ 1 (a) เมื่อจ่ายกระแสไฟฟ้าเข้าอุปกรณ์เทอร์โมอิเล็กทริกจะสามารถผลิตความเย็นได้โดยง่ายแสดงดังรูปที่ 1 (b) ขณะเดียวกัน ได้มีการพัฒนาเทอร์โมอิเล็กทริกในรูปแบบของฟิล์มบาง ซึ่งมีความเหมาะกับการใช้งานในชิ้นงานขนาดเล็ก เช่น การทำความเย็นแก่ไมโครชิฟ และไอซี รวมทั้งสามารถพัฒนาเทอร์โมอิเล็กทริกแบบฟิล์มบางที่โค้งงอหรือยืดหยุ่นได้ (flexible thin film thermoelectric) เพื่อรองรับการใช้งานที่หลากหลายได้ยิ่งขึ้น ดังแสดงในรูปที่ 2

 

(a)       

 

   

(b) 

                                           

รูปที่ 1 (a) องค์ประกอบอุปกรณ์เทอร์โมอิเล็กทริกแบบก้อน [6] และ (b) การใช้งานทำความเย็นเทอร์โมอิเล็กทริก [7]

 

 

รูปที่ 2 (a) แผนผังและ (b) มอดูลเทอร์โมอิเล็กทริกฟิล์มบางบนวัสดุฐานรองแบบบิดงอได้ [8]

 

       ดังนั้น โครงการวิจัยนี้จึงมุ่งเน้นพัฒนาวัสดุและระบบการทำความเย็นด้วยเทอร์โมอิเล็กทริกแบบฟิล์มบางเพื่อประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมยานยนต์ โดยขั้นแรกจะเลือกพัฒนาวัสดุสารกึ่งตัวนำกลุ่ม Bi2Te3 และ Sb2Te3  ซึ่งเป็นสารกึ่งตัวนำชนิดเอ็น (n-type) และชนิดพี (p-type) ตามลำดับ ให้อยู่ในรูปแบบของฟิล์มบางบนวัสดุฐานรองที่บิดงอได้ (flexible substrate) ซึ่งสามารถนำไปใช้งานกับระบบที่ต้องการระบายความร้อนได้หลากหลายมากขึ้น ขั้นที่สองเป็นการพัฒนาและออกแบบอุปกรณ์การทำความเย็น หลักที่ใช้ในการวิจัยคือ การเคลือบฟิล์มหลายชั้นแบบสปัตเตอริง (multi-layer sputtering) ซึ่งฟิล์มแต่ละชั้นจะทำหน้าที่แตกต่างกันเพื่อประกอบกันเป็นโมดูลเทอร์โมอิเล็กทริก กระบวนการนี้สามารถเคลือบชั้นฟิล์มวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริก รวมถึงชั้นฟิล์มโลหะซึ่งทำหน้าที่เป็นขั้วไฟฟ้าและสามารถเชื่อมต่อเซลล์เข้าด้วยกันเป็นโมดูล โดยกระบวนการเคลือบอาศัยหน้ากาก (mask) ในการสร้างลวดลายการเชื่อมต่อเซลล์เข้าหากัน โดยจะทำการประดิษฐ์โมดูลเทอร์โมอิเล็กทริกฟิล์มบาง 2 แบบ คือ แบบที่ให้ฟลักซ์ความร้อนไหลตามระนาบของฟิล์มและแบบที่ให้ฟลักซ์ความร้อนไหลตั้งฉากระนาบของฟิล์ม เพื่อเปรียบเทียบประสิทธิภาพทางการระบายความร้อนที่สูงสุด อย่างไรก็ตาม หลักการพัฒนาทางวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริก จะต้องคำนึงถึงค่าประสิทธิภาพของวัสดุหรือค่า Dimensionless Figure of Merit:  ซึ่งได้มาจากสมบัติของวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกที่สำคัญ 3 ประการ คือ สัมประสิทธิ์ซีเบค (Seebeck coefficient: ) สภาพต้านทานไฟฟ้า  (electrical resistivity: ) และสภาพนำความร้อน (thermal conductivity: ) เมื่อ  คืออุณหภูมิสัมบูรณ์) อย่างไรก็ตาม สำหรับประสิทธิภาพของวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกฟิล์มบางจะประเมินค่าได้จากค่าเพาเวอร์แฟคเตอร์ (power factor;  ) เนื่องจากค่าสภาพนำความร้อนของฟิล์มบางมักขึ้นกับค่าสภาพนำความร้อนของวัสดุฐานรองเป็นหลัก

 

       ในการพัฒนาวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกฟิล์มบางชนิดเอ็นกลุ่มบิสมัทเทลลูไรด์ (Bi2Te3) ซึ่งเป็นกลุ่มวัสดุที่ถูกใช้งานเป็นวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกอย่างแพร่หลาย เนื่องจากมีประสิทธิภาพสูงที่อุณหภูมิห้อง (~27 oC) โดยเฉพาะการเตรียมในรูปบแบบของฟิล์มบาง (thin film) เพื่อให้ยืดหยุ่นกับการใช้งาน [9] n-Bi2Te3 จัดเป็นสารกึ่งตัวนำหมู่ 5-6 มีช่องว่างแถบพลังงาน (band gap) ประมาณ 0.15 eV [10] นอกจากนี้ยังมีการรายงานถึงความโดดเด่นในการส่งผ่านอิเล็กตรอน โดยปัจจัยที่สำคัญคือการเกิดระนาบ (00l) ในฟิล์มบาง Bi2Te3 ซึ่งส่งผลให้ค่าเพาเวอร์แฟคเตอร์มีค่าสูง เมื่อเทียบกับฟิล์มบาง Bi2Te3 แบบปกติ [11] สำหรับการเตรียมฟิล์มบาง Bi2Te3 ที่ทำให้เกิดการเจริญเติบโตขอบเกรน (grain) ในแนวแกนตั้ง (c-axis) ทำได้โดยการปลูกผลึกด้วยลำโมเลกุล (molecular beam epitaxy, MBE), การตกสะสมของไอโลหะอินทรีย์เชิงเคมี (metal organic chemical vapor deposition) และการเคลือบด้วยเลเซอร์แบบห้วง (pulsed laser deposition, PLD) แต่เมื่อเปรียบเทียบความสะดวกสำหรับประยุกต์ใช้งานในภาคอุตสาหกรรม เทคนิคแมกนีตรอนสปัตเตอริง (magnetron sputtering, MS) มีความเหมาะสมมากกว่าทุกเทคนิค เนื่องจากระบบที่ง่ายและราคาไม่แพง อย่างไรก็ตาม ความยากของเทคนิค MS คือการควบคุมสัดส่วนทางเคมีระหว่างบิสมัท (Bi) และเทลลูเรียม (Te) เนื่องจากค่ายีลด์ของสปัตเตอริง (sputtering yield) ของ Bi และ Te มีค่าต่างกัน ซึ่งการควบคุมองค์ประกอบให้ได้ Bi2Te3 เป็นสิ่งสำคัญ เนื่องจากจะได้ค่าสมบัติเทอร์โมอิเล็กทริกส์ที่ดี [11] ในโครงการวิจัยนี้สามารถเตรียมฟิล์มบางที่บิดงอได้ Bi2Te3 ที่มีสัดส่วนทางเคมี ([Bi] : [Te] = 2:3) พร้อมทั้งแสดงระนาบที่โดดเด่น (00l) โดยใช้เทคนิคดีซีสปัตเตอริง โดยมีเงื่อนไขของการเคลือบคือการให้ความร้อนกับวัสดุรองรับก่อนเคลือบ (preheat temperature) เท่ากับ 350 °C และความดันการสปัตเตอริงอยู่ที่ 1.8 × 10−3 mbar (แสดงดังรูปที่ 3) จากเงื่อนไขการเคลือบที่เหมาะสมนี้พบว่า องค์ประกอบของ Bi และ Te ของฟิล์มบางใกล้เคียงกับองค์ประกอบของ Bi2Te3 และมีค่าความคล่องตัวของพาหะสูง (carrier mobility) อยู่ที่ประมาณ ~118 cm2/V ซึ่งเป็นผลมาจากการเกิดระนาบ (00l) โดยค่าการนำไฟฟ้า (electrical conductivity) อยู่ที่ ~14.90 × 103 S/cm ที่อุณหภูมิ 50 oC โดยค่าการนำไฟฟ้านี้สูงกว่า Bi2Te3 ที่อยู่ในรูปแบบก้อน (bulk) ที่ได้จากการเตรียมด้วยวิธีอัดร้อน (hot-pressed)  โดยในโครงการวิจัยได้ฟิล์มบางที่เตรียมได้มีค่า PF อยู่ที่ ~12.5 mW/m.K2 ที่อุณหภูมิ 300 oC

 

 

รูปที่ 3 แสดงกลไกการก่อตัวของระนาบ (00l) (a) เมื่อความดันที่ใช้เคลือบต่ำ (b) เมื่อความดันที่ใช้เคลือบสูง (1.8×10−3mbar) [12]

 

       ขณะที่การพัฒนาวัสดุฟิล์มบางชนิดพี กลุ่มแอนติโมนีเทลลูไรด์ (Sb2Te3) ซึ่งได้พัฒนาวัสดุกลุ่มนี้โดยการเจือ Ag (Ag-Sb2Te3; AST) พบว่า วัสดุกลุ่ม AST เป็นวัสดุเปลี่ยนเฟสด้วยความร้อน (phase change materials) โดยฟิล์มบางขณะพอกพูนได้ (As-deposited thin film) จะเป็นอสัณฐาน (amorphous) เมื่อได้รับความร้อนโดยการอบ (annealing) ภายใต้สุญญากาศจึงจะแสดงความเป็นผลึก (crystalline) พร้อมกับแสดงสมบัติเทอร์โมอิเล็กทริก โดยฟิล์มบาง AST ที่ผ่านการอบให้ความร้อนที่อุณหภูมิ 350 oC มีค่าปัจจัยกำลังสูงสุดประมาณ 10 mW/m.K2 ขณะเดียวกัน คณะผู้วิจัยได้ทำการประดิษฐ์มอดูลเทอร์โมอิเล็กทริกฟิล์มบางของ AST แบบ uni-leg จำนวน 5 แถบ ตามเงื่อนไขการเตรียมฟิล์มบางผ่านกระบวนการแมกนีตรอนสปัตเตอริงแบบดีซี (DC magnetron sputtering) และผ่านการอบให้ความร้อนที่อุณหภูมิ 300 – 450 oC ภายใต้สุญญากาศ แสดงดังรูปที่ 4 พบว่า มอดูลเทอร์โมอิเล็กทริกฟิล์มบางของ AST ที่ประดิษฐ์ขึ้นมีค่าความต่างศักย์ไฟฟ้าวงจรเปิดและกำลังไฟฟ้าสูงสุดเป็น 17 mV และ 0.9 nW ตามลำดับ ณ ผลต่างอุณหภูมิ 50 °C ขณะที่การผลิตความเย็นสามารถสร้างผลต่างอุณภูมิได้ถึง 5 °C

 

 

รูปที่ 4 การศึกษามอดูลเทอร์โมอิเล็กทริกฟิล์มบางของ Ag-Sb2Te3 แบบ uni-leg [13]

 

          ความท้าทายสำหรับโครงการวิจัยอยู่ที่การพัฒนาตัวทำความเย็นเทอร์โมอิเล็กทริกแบบฟิลม์บางที่ผ่านการพัฒนาวัสดุแล้วมาประยุกต์ใช้งานสำหรับระบบปรับอากาศรถยนต์ แนวทางการพัฒนาตัวทำความเย็นเทอร์โมอิเล็กทริกแบบฟิลม์บางสำหรับระบบปรับอากาศรถยนต์จะดำเนินการออกแบบและพัฒนาในรูปแบบลูกฟูกซึ่งมีความเป็นไปได้ที่จะติดตั้งตัวทำความเย็นเทอร์โมอิเล็กทริกแบบฟิลม์บางบนหลังคารถยนต์ เพื่อปรับอากาศภายในห้องโดยสารรถยนต์แสดงดังรูปที่ 5

 

 

รูปที่ 5 ตัวทำความเย็นเทอร์โมอิเล็กทริกแบบฟิลม์บางสำหรับระบบปรับอากาศรถยนต์

 

เอกสารอ้างอิง

 

[1] http://www.aseanthai.net/ewt_news.php?nid=5720&filename=index (accessed March 2018).

[2] L. Qinghai, W. Yanjin, Z. Pengfei, in: International Conference on Advances in Energy Engineering. (2010) 178-181.

[3] H.-S. Choi, S. Yun, K.-i. Whang, Appl. Therm. Eng. 27 (2007) 2841-2849.

[4] http://www.gentherm.com/page/thermal-management-applications (accessed January 2018).

[5] D. Zhao, G. Tan. Appl.Therm. Eng. 66 (2014) 15-24.

[6] http://chamber.testequity.com/TEC.html  (accessed March 2018)

[7] https://ridhoirwansyah.wordpress.com/tag/thermoelectric-cooling/ (accessed March 2018).

[8] F. Jiao, C-a. Di, Y. Sun, P. Sheng, W. Xu, D. Zhu. Phil. Trans. R. Soc. A 372, (2014) 20130008. [9] L. Francioso, C.D. Pascali, I. Farella, C. Martuccia, P. Cretì, P. Siciliano, A. Perrone. J. Power Sources 196, (2011) 3239.

[10] T. Khumtong , A. Sakulkalavek, R. Sakdanuphab. J.  Alloy. Compd.  715, (2017) 65

[11] Z. Zhang, Y. Wang, Y. Deng, Y. Xu. Solid State Commun. 151, (2011) 1520.

[12] N. Somdock N, S. Kianwimol, A. Harnwunggmoung, A. Sakulkalavek, R. Sakdanuphab. J. Alloy. Compd. 773, (2019) 78.

[13] N. Prainetr, A. Vora-Ud, M. Horprathum, P. Muthitamongkol, S. Thaowonkaew, T. Santhaveesuk, T. B. Phan, T. seetawan, J. Elect. Mater. 49, (2020) 572.

 

รายงานโดย

 

ศ. ดร. สันติ แม้นศิริ

สาขาวิชาฟิสิกส์ สำนักวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี จ. นครราชสีมา 30000

E-mail: Santimaensiri@g.sut.ac.th