[논문 리뷰] A light-weight and high thermal performance graphene heat pipe

Ya Liu, Shujing Chen외 6명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 26.

Graphene research and applications참고 문헌 17인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 그래핀 필름과 나노구조 구리 표면을 강화한 경량이며 고성능의 열파이프를 제시하며, 열성능이 6100 W m⁻² K⁻¹ g⁻¹에 이르러 상업용 구리 기반 열파이프의 약 3배 높아, 항공전자기기, 전기자동차 및 휴대용 전자기기에 적합한 고성능 열관리 솔루션을 제공한다.

ABSTRACT

Heat pipe is one of the most efficient tools for heat dissipation in electronics and power systems. Currently, heat pipes are usually made of copper, aluminum or stainless steel. Due to their relatively high density and limited heat transmission capacity, heat pipes are facing urgent challenges in power electronics and power modules. In this paper, we report a new class of graphene enhanced heat pipes that can cope with these issues. The graphene enhanced heat pipes are made of high thermal conductivity graphene assembled film and graphene laminated copper films with nanostructure enhanced inner surfaces. The study shows that the dramatically improved heat dissipation capacity, 6100 W m-2 K-1 g-1, about 3 times higher than that of copper based commercial heat pipes can be achieved. This paves the way for using graphene enhanced heat pipes in light-weight and large capacity cooling applications, as required in many systems such as avionics, automotive electronics, laptop computers, handsets and space electronics.

연구 동기 및 목표

• 구리, 알루미늄 또는 스테인리스강으로 제작된 전통적 열파이프가 높은 밀도와 제한된 열전달 용량으로 인해 약점이 되는 문제를 해결한다.
• 경량화 및 고용량 냉각이 필수적인 파wr 전자기기 및 파워 모듈 분야에서의 과제를 극복한다.
• 그래핀 기반 필름과 나노구조 구리 표면을 활용한 새로운 열파이프 설계를 개발하여 열전도도 및 모세관 힘 성능을 향상시킨다.
• 항공전자기기, 전기자동차 및 우주 전자기기 등 요구가 높은 환경에서의 응용을 가능하게 하기 위해 경량성과 뛰어난 열성능을 조합한다.

제안 방법

• 고열전도도를 가진 그래핀 필름을 주요 열전달 층으로 제작하였다.
• 나노구조 표면을 가진 그래핀 라미네이트 구리 구조를 통합하여 모세관 힘과 열확산 성능을 향상시켰다.
• 고열전도도 그래핀 필름과 마이크로/나노구조 표면을 갖춘 구리 표면을 조합하여 열전달 및 유체 복귀 성능을 향상시킨 열파이프를 설계하였다.
• 고온 조건에서도 기능적 안정성을 유지하기 위해 밀폐된 진공 밀봉 구조를 사용하였다.
• 통제된 조건에서 열성능 시험을 실시하여 효과적 열전도도 및 열전달 용량을 측정하였다.
• 기존의 상업용 구리 기반 열파이프와 비교하기 위해 W m⁻² K⁻¹ g⁻¹ 단위의 성능 지표를 사용하여 성능을 정량화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그래핀 기반 필름이 기존의 구리 기반 설계를 뛰어넘어 열파이프의 열성능을 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 열파이프 내부 표면의 나노구조화가 모세관 힘 및 전체 열전달 효율에 어느 정도 기여하는가?
• RQ3 고열전도도 그래핀 필름의 통합이 열파이프의 특정 열성능(W m⁻² K⁻¹ g⁻¹)에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 결과로 도출된 열파이프는 고성능과 경량 특성을 동시에 확보하여 고성능 전자기기에 적합한가?
• RQ5 상업용 구리 기반 열파이프 대비 그래핀 강화 열파이프의 최대 도달 가능한 열성능은 얼마인가?

주요 결과

• 그래핀 강화 열파이프는 6100 W m⁻² K⁻¹ g⁻¹의 열성능을 달성하여 상업용 구리 기반 열파이프의 약 3배 높은 성능을 보였다.
• 그래핀 필름과 나노구조 구리 표면의 사용이 열전도도 및 모세관 힘 성능을 크게 향상시켜 효율적인 열전달과 유체 복귀를 가능하게 하였다.
• 낮은 밀도의 그래핀과 최적화된 구리 구조 덕분에 경량 설계가 가능하여 항공우주 및 휴대용 전자기기 등 질량 최소화가 요구되는 응용 분야에 적합하였다.
• 표준 운용 조건 하에서 높은 열안정성과 일관된 성능을 보여 실용적 배치에 대한 신뢰성을 입증하였다.
• 결과적으로 그래핀 기반 강화 기술이 고출력 전자기기 시스템에서 기존 열파이프 재료의 성능 및 무게 제약을 극복할 수 있음을 확인하였다.