Bir saatlik oyun oturumu sırasında daha yeni bir modele göre fark edilir derecede daha soğuk kalan bir akıllı telefon veya maçın ortasında havalanan bir jet motoru gibi ses çıkarmayan bir oyun dizüstü bilgisayarı kullandıysanız, muhtemelen piyasadaki en çok yönlü termal yönetim malzemelerinden biri olan grafit filmden yararlanmışsınızdır. Bir grafit film tedarikçisi olarak mühendisler, ürün tasarımcıları ve hatta meraklı meraklılar bana her zaman şu soruyu soruyor: Bu ince, esnek karbon tabakası ısıyı tam olarak nasıl diğer yaygın malzemelerden çok daha iyi iletiyor? Bu elbette sihir değil; saf karbon bilimi ve onu bir kez analiz ettiğinizde çok mantıklı geliyor. Moleküler yapıyı, termal transferin fiziğini ve grafit filmin neden EV pillerinden ileri teknoloji kulaklıklara kadar her şey için tercih edilen çözüm haline geldiğini inceleyelim.
Öncelikle grafitin gerçekte ne olduğuyla başlayalım, çünkü ısıyı ileten tüm sihir burada yaşıyor. Çoğu insan grafitin kurşun kalemdeki madde olduğunu bilir, ancak bu, termal uygulamalar için kullanılan saf, yüksek düzeyde düzenli grafit değil, yoğun şekilde sıkıştırılmış grafit kil ve bağlayıcıların bir karışımıdır. Gerçek grafit, her bir karbon atomunun üç komşu karbon atomuna sıkı bir şekilde bağlandığı, kendisini doğal olarak bir kümes teli tabakası gibi altıgen bir bal peteği örgüsü şeklinde düzenleyen bir karbon şeklidir. Buna, insanoğlunun bildiği en iyi ısı iletkenlerinden biri olan, tek atom kalınlığında bir karbon tabakası olan grafen katmanı adı veriliyor. Bu grafen katmanlarından milyonlarcasını, onları bir arada tutan zayıf van der Waals kuvvetleriyle üst üste yığdığınızda, toplu grafit elde edersiniz. Ancak termal kullanım için, bu doğal yapıyı alıp, her biri belirli kullanım durumlarına göre uyarlanmış farklı türde grafit film oluşturmak için onu geliştiriyoruz. Örneğin, bizimNanografit filmiDaha küçük, daha düzgün boyutlu grafen pullarından yapılmıştır, bu da ona olağanüstü düzlem içi ısı iletkenliği sağlarken dar alanlara sığacak kadar ince ve esnek kalır.
Grafitin ısıyı ileten süper gücünün anahtarı bu altıgen kafeste ve ısının bu kafes içinde nasıl hareket ettiğinde yatıyor. Isı esas olarak atomların ve moleküllerin titreşimidir; bir malzeme ısındığında atomları daha hızlı titreşir ve bu enerjinin yayılması için komşu atomlara aktarılması gerekir. Çoğu malzemede bu transfer yavaştır çünkü atomik bağlar düzensiz veya dağınıktır, bu da titreşim enerjisinin kaybolduğu "saçılma noktaları" yaratır. Örneğin metalleri ele alalım: bakır iyi bir iletkendir, ancak atomik yapısı mükemmel şekilde tekdüze değildir, bu nedenle ısı enerjisinin bir kısmı malzemenin içinde hareket etmek yerine elektrik direnci veya ses dalgaları olarak dağılır. Grafitin düzlem içi yapısı ise neredeyse mükemmel bir düzene sahiptir. Grafen katmanlarındaki bu güçlü kovalent karbon-karbon bağları, titreşimlerin (fizik meraklıları için fonon adı verilen) grafit levhanın düzlemi boyunca neredeyse engellenmeden hareket ettiği anlamına gelir. Dur işaretleri veya trafik ışıkları olmayan bir otoyol gibidir; ısı, düzlem içi yönde 2.000 W/m·K'ye varan hızlarda hızla ilerleyebilir; bu, bakırın kabaca 401 W/m·K'sinden çok daha yüksektir. Bu nedenle grafit film, ısının sıcak noktalarda birikmesine izin vermek yerine, ısıyı yüzeye eşit şekilde yayma konusunda çok etkilidir.
İşte burada durum daha da ilginçleşiyor: Grafitin termal iletkenliği oldukça anizotropiktir; bu, ısıyı bir yönde çok iyi, diğer yönde ise zayıf ilettiğini söylemenin süslü bir yoludur. Düzlem içi yön (grafen katmanları boyunca) tüm fonon hareketinin gerçekleştiği yerdir, ancak düzlem içi yön (katmanlara dik) zayıf van der Waals kuvvetlerinin grafen tabakalarını bir arada tuttuğu yerdir ve bu kuvvetler çok daha zayıftır, bu nedenle fononlar sürekli olarak dağılır. Bu, ısının bir grafit film tabakasından kolayca dikey olarak hareket etmediği anlamına gelir; bu aslında bir özelliktir, bir hata değil. Çoğu uygulamada, ısının doğrudan cihazın içine düşmesine izin vermek yerine, küçük bir erişim noktasından (telefon işlemcisi gibi) alıp geniş bir yüzeye yaymak ve dağıtmak istersiniz. BizimIsı Yayan Grafit Film5:1 veya daha yüksek düzlem içi/düzlem içi iletkenlik oranıyla bu anizotropik etkiyi güçlendirecek şekilde tasarlanmıştır; bu da onu alanın önemli olduğu ince cihazlar için ideal kılar.
Elbette tüm grafit filmler eşit yaratılmamıştır. Yıllar geçtikçe, her biri çekirdek grafen kafes yapısı üzerine inşa edilen, farklı endüstrilerin benzersiz ihtiyaçlarını karşılamak için özel varyantlar geliştirdik. Hem yüksek ısı iletkenliğine hem de mekanik stabiliteye ihtiyaç duyan uygulamalar içinKompozit Grafit Filmsaf grafiti az miktarda polimer veya seramik dolgu maddesiyle birleştirerek ısı transferinden ödün vermeden dayanıklılık ve bükülmeye karşı direnç sağlar. Bu, esnek ekranın binlerce katlamadan sonra çatlamayacak veya katmanlarına ayrılmayacak bir termal çözüme ihtiyaç duyduğu katlanabilir akıllı telefonlar için mükemmeldir. Elektrikli araç akü paketleri veya sunucu CPU'ları gibi daha yüksek güçlü uygulamalar içinÇok Katmanlı Kompozit Grafit Filmbirden fazla grafit katmanını aralarında ince bir yapıştırıcıyla istifleyen. Yapıştırıcı fonon transferini engellemeyecek şekilde tasarlanmıştır, böylece sıradan bir yapıştırıcıdan beklediğiniz ısı kaybı olmadan birden fazla katmanın birleşik yüksek iletkenliğini elde edersiniz.
Bana sık sık neden sadece düz grafit kağıt veya toplu grafit yerine grafit film kullandığımız soruluyor. Fark, tane boyutuna ve hizalamaya bağlıdır. Grafiti ince film halinde işlediğinizde, üretim sırasında grafen katmanlarını mükemmel şekilde hizalayabilirsiniz, bu da düzlem içi termal iletkenliği en üst düzeye çıkarır. Toplu grafiti bir tabakaya bastırırsanız, grafen katmanları rastgele yönlendirilir, dolayısıyla ısı transferi çok daha dengesiz olur. BizimGrafit İnce FilmÖrneğin, yalnızca birkaç mikron kalınlığındadır ve grafen katmanları birbirinden 0,5 derece içinde hizalanmıştır, bu da ona 1.800 W/m·K'nin üzerinde, neredeyse saf, sentetik grafenin kendisi kadar yüksek bir düzlem içi iletkenlik sağlar. Bu, termal iletkenlikte %10'luk bir düşüşün bile daralmaya ve performansın düşmesine yol açabileceği üst düzey grafik kartları için ihtiyacınız olan türden bir performanstır.
Bunu somutlaştırmak için gerçek dünyadan bir örnekten bahsedelim. Birkaç ay önce, 45W hızlı şarj çipine sahip kompakt, taşınabilir bir şarj cihazı geliştiren bir startup ile çalıştık. Orijinal tasarımda bakır bir soğutucu kullanılıyordu ancak bu çok büyüktü ve şarj cihazı o kadar ısınıyordu ki tutulması rahatsız ediciydi. Isı Yayan Grafit Filmimizi değiştirdikleri zaman, ısı emicinin boyutunu %60 oranında küçültmeyi ve cihazın yüzey sıcaklığını 12 santigrat derece azaltmayı başardılar. Neden? Bakır, ısıyı çipten yalnızca birkaç milimetre uzağa yayıyordu, ancak grafit film, aynı ısıyı şarj cihazının üst yüzeyinin tamamına yayarak havaya daha hızlı dağılabiliyordu. İşte tam olarak anizotropik özellik budur; ısı grafit boyunca değil, grafit boyunca hareket eder, bu nedenle yoğunlaşmak yerine yayılır.
Başka bir yaygın soru: Grafit film, termal macun, faz değiştiren malzemeler veya ısı boruları gibi diğer termal malzemelerle nasıl karşılaştırılır? Termal macun, iki yüzey arasındaki boşlukları doldurarak çalışır, ancak yalnızca orta düzeyde iletkenliğe sahiptir (yaklaşık 8 W/m·K) ve zamanla kuruyarak performansını kaybedebilir. Isı boruları yüksek güçlü uygulamalar için harikadır ancak hacimli ve kırılgandırlar ve akıllı saatler veya kablosuz kulaklıklar gibi çok küçük alanlarda kullanılamazlar. Grafit film ince, esnek, hafiftir ve macuna göre çok daha yüksek iletkenliğe sahiptir. Tek dezavantajı, ısıyı bir boşluk boyunca aktarmada o kadar iyi olmamasıdır, bu nedenle tam bir termal arayüz malzemesi (TIM) oluşturmak için genellikle onu az miktarda termal yapıştırıcıyla eşleştirirsiniz.
Şimdi üretim tarafına geçelim, çünkü burası grafiti ham formundan müşterilerimizin güvendiği yüksek performanslı filme dönüştürdüğümüz yerdir. Süreç ya sentetik poliakrilonitril (PAN) ya da doğal grafit pullarıyla başlar. Fononlar için saçılma noktaları oluşturabilecek ve iletkenliği azaltabilecek kükürt ve metal iyonları gibi yabancı maddeleri çıkarmak için ham maddeyi saflaştırıyoruz. Daha sonra, grafen katmanlarını ayıran grafiti yüksek sıcaklıklarda genişletiyoruz. Daha sonra genişletilmiş grafiti bir bulamaç haline getiriyoruz, ince tabakalar halinde döküyoruz ve grafen katmanlarını hizalamak için yüksek basınç altında sıkıştırıyoruz. Nanografit filmimiz için, daha iyi hizalama elde etmek amacıyla daha küçük, daha düzgün pullar kullanıyoruz; çok katmanlı filmimiz ise katmanların mükemmel şekilde istiflenmesini sağlamak için ikincil bir sıkıştırma adımı ekliyor. Her parti, katı standartlarımızı karşıladığından emin olmak için termal iletkenlik, kalınlık ve esneklik açısından test edilir.
Bir grafit film tedarikçisi olarak bu malzemenin son on yılda nasıl geliştiğini gördüm. On yıl önce, grafit film çoğunlukla akıllı telefonlarda ve küçük tüketici elektroniklerinde kullanılıyordu, ancak şimdi EV pil termal yönetiminden LED aydınlatmaya, MRI makineleri gibi tıbbi cihazlara ve hatta uydu bileşenlerine kadar her şeyde kullanılıyor. Cihazlar güçlendikçe ve inceldikçe daha iyi, daha küçük ve daha hafif termal çözümlere olan talep artacak ve grafit film bu talebi karşılayacak şekilde mükemmel bir şekilde konumlandırılacak.
Daha iyi termal performansa ihtiyaç duyan bir proje üzerinde çalışan bir mühendis veya ürün tasarımcısıysanız, özel ihtiyaçlarınızı görüşmek üzere ekibimizle iletişime geçmenizi öneririm. Katlanabilir bir cihaz için ince bir filme, yüksek güçlü bir pil için çok katmanlı bir kompozite veya tıbbi bir uygulama için özel boyutlu bir tabakaya ihtiyacınız varsa, doğru grafit film çözümünü bulmanıza yardımcı olabiliriz. Farklı sektörlerden müşterilerle çalışıyoruz ve filmimizin gereksinimlerinize uygun olduğundan emin olmak için numune gruplarını test etmekten her zaman mutluluk duyuyoruz. Bir sonraki termal yönetim projenize başlamak için ekibimizle iletişime geçmekten çekinmeyin; daha serin çalışan, daha uzun süre dayanan ve daha iyi performans gösteren ürünler oluşturmanıza yardımcı olmak için buradayız.
Referanslar
- Balandin, AA (2011). Grafen ve nanoyapılı karbon malzemelerin termal özellikleri.Doğa Malzemeleri, 10(8), 569-581.
- Zhang, Y. ve diğerleri. (2018). Yüksek yönelimli grafit filmlerin anizotropik termal iletkenliği.Karbon, 134, 242-250.
- Moore, AL ve Shi, L. (2014). Elektroniklerin termal yönetimi için ortaya çıkan zorluklar ve materyaller.Bugünün Malzemeleri, 17(4), 163-174.
- Liu, J., ve diğerleri. (2020). Termal yönetim uygulamaları için kompozit grafit filmler: Bir inceleme.Malzeme Bilimi Dergisi: Elektronikte Malzemeler, 31(24), 21357-21378.
