[論文レビュー] Magnetically-Functionalized Self-Aligning Graphene Fillers for High-Efficiency Thermal Management Applications

J. Renteria, Stanislav Legedza+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2015

Thermal properties of materials参考文献 58被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、外部磁場下で自己整列する磁気機能化グラフェン充填材を提案し、熱インターフェース材料（TIM）における熱伝導率を向上させる。わずか1 wt.%のFe3O4ナノ粒子で機能化された数層グラフェンフラクショナルを整列させることで、実用的テストにおいて熱伝導率が約2倍に向上し、チップ温度が最大10 °C低下する。これは、ランダムな充填材を用いた複合材料を上回る性能を発揮する。

ABSTRACT

We report on heat conduction properties of thermal interface materials with self-aligning "magnetic grapheme" fillers. Graphene enhanced nano-composites were synthesized by an inexpensive and scalable technique based on liquid-phase exfoliation. Functionalization of graphene and few-layer-graphene flakes with Fe3O4 nanoparticles allowed us to align the fillers in an external magnetic field during dispersion of the thermal paste to the connecting surfaces. The filler alignment results in a strong increase of the apparent thermal conductivity and thermal diffusivity through the layer of nano-composite inserted between two metallic surfaces. The self-aligning "magnetic grapheme" fillers improve heat conduction in composites with both curing and non-curing matrix materials. The thermal conductivity enhancement with the oriented fillers is a factor of two larger than that with the random fillers even at the low ~1 wt. % of graphene loading. The real-life testing with computer chips demonstrated the temperature rise decrease by as much as 10oC with use of the non-curing thermal interface material with ~1 wt. % of the oriented fillers. Our proof-of-concept experiments suggest that the thermal interface materials with functionalized graphene and few-layer-graphene fillers, which can be oriented during the composite application to the surfaces, can lead to a new method of thermal management of advanced electronics.

研究の動機と目的

• 高度な電子機器向けに、スケーラブルで低コストな熱インターフェース材料（TIM）における熱伝導率を向上させるための手法を開発すること。
• 複合材料における充填材のランダムな配向という制限要因が、熱輸送効率を制限することを是正すること。
• 磁場を用いてTIMの適用中にグラフェン充填材をイン・サイトで整列させること。
• 硬化型および非硬化型のマトリックスにおいて、極めて少量のグラフェン（≤1 wt.%）で顕著な熱的性能向上を実証すること。
• コンピュータチップを用いた実世界テストにより、運用条件下での熱的性能向上を検証すること。

提案手法

• スケーラビリティと低コストを実現するため、液体相剥離法を用いてグラフェンおよび数層グラフェンフラクショナルを合成した。
• Fe3O4ナノ粒子を用いてグラフェンフラクショナルを機能化し、磁気反応性を付与した。
• 分散工程中に外部磁場を印加することで、TIMマトリックス内での磁気的グラフェン充填材の自己整列を誘導した。
• 整列した充填材はフォノン輸送のためのパーミネーティングパスウェイを形成し、界面を越える熱伝導率を向上させた。
• 汎用性を評価するため、硬化型および非硬化型のポリマー・マトリックスにこの手法を適用した。
• 運用条件下での熱的性能を評価するために、コンピュータチップを用いた実世界テストを実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁気的機能化が、外部磁場下でTIM内でのグラフェン充填材のイン・サイト整列を可能にするか？
• RQ2 充填材の整列が、複合TIMにおける顕在的熱伝導率および熱拡散率に与える影響は何か？
• RQ3 極めて低い充填率（≤1 wt.%）において、磁気的に整列したグラフェン充填材の熱的性能が、ランダムに配向したものよりもどれほど優れているか？
• RQ4 この手法は、実用的TIM応用における硬化型および非硬化型マトリックス材料の両方に対して効果的に適用可能か？
• RQ5 この自己整列充填材アプローチを用いることで、電子機器における実世界の熱的改善はどの程度達成可能か？

主な発見

• 磁気的機能化され自己整列するグラフェン充填材の使用により、わずか1 wt.%の充填率でも、ランダムに配向した充填材と比較して、複合材料の顕在的熱伝導率が2倍に向上した。
• フォノン伝導パスウェイが連続的かつ整列した構造を形成したため、熱拡散率が顕著に向上した。
• コンピュータチップを用いた実世界テストでは、非硬化型TIMを用いた場合、最大で10 °Cの温度低下が確認された。
• この手法は、硬化型および非硬化型マトリックス材料の両方で有効であることが示され、広範な適用可能性を示した。
• 極めて少量のグラフェン（≤1 wt.%）で熱的性能の向上が達成されたため、本手法はスケーラブルでコスト効率が良いとされた。
• プロトタイプの結果から、次世代電子機器における高効率熱管理のための実現可能な新ルートが示された。