[논문 리뷰] Magnetically-Functionalized Self-Aligning Graphene Fillers for High-Efficiency Thermal Management Applications

J. Renteria, Stanislav Legedza외 6명|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 28.

Thermal properties of materials참고 문헌 58인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 외부 자기장 하에서 자발적으로 정렬되는 자기기능화된 그래핀 필러를 제안하여 열인터페이스재(TIMs)의 열전도성을 향상시킨다. 1 wt.%의 낮은 농도에서 Fe3O4 나노입자를 갖는 다층 그래핀 플레이크를 정렬시킴으로써, 실제 테스트에서 열전도성이 약 2배 향상되고 칩 온도가 최대 10 °C 감소하여, 무작위 필러 복합체보다 뛰어난 성능을 보였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고성능 전자기기에 적합한 열인터페이스재의 열전도성을 향상시키기 위한 확장 가능하고 저비용의 방법을 개발하기 위해.
• 복합체에서 무작위로 정렬된 필러의 국한된 배치로 인해 열전달 효율이 제한되는 문제를 해결하기 위해.
• 열인터페이스재 제작 중 자기장을 이용해 그래핀 필러를 현장에서 정렬 가능하게 하기 위해.
• 경화 및 비경화 매트릭스에서 모두 최소한의 그래핀 농도(≤1 wt.%)로 뚜렷한 열성능 향상을 입증하기 위해.
• 실제 컴퓨터 칩에서의 테스트를 통해 운영 조건 하에서의 열성능 향상을 검증하기 위해.

제안 방법

• 확장성과 저비용을 고려해 액체상 분리법을 이용해 그래핀 및 다층 그래핀 플레이크를 합성하였다.
• Fe3O4 나노입자를 사용해 그래핀 플레이크를 기능화하여 자기반응성을 부여하였다.
• 분산 과정 중 외부 자기장을 적용하여 TIM 매트릭스 내에서 자기기능화된 그래핀 필러의 자발적 정렬을 유도하였다.
• 정렬된 필러는 진동자기 전달을 위한 연속적인 페르콜레이팅 경로를 형성하여 인터페이스 전반의 열전도성을 향상시켰다.
• 다양한 적용성을 평가하기 위해 경화성 및 비경화성 폴리머 매트릭스에 모두 적용하였다.
• 실제 운영 조건에서 전자기기 성능을 평가하기 위해 컴퓨터 칩을 대상으로 실생활 테스트를 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기기능화가 외부 자기장 하에서 열인터페이스재 내 그래핀 필러의 현장 정렬을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 필러 정렬이 복합 TIM에서의 명시적 열전도도 및 열확산도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 낮은 농도(≤1 wt.%)에서 자기적으로 정렬된 그래핀 필러의 열성능이 무작위로 정렬된 필러보다 얼마나 뛰어나게 되는가?
• RQ4 이 방법은 실용적인 TIM 응용에서 경화성 및 비경화성 매트릭스 재료 모두에 효과적으로 적용될 수 있는가?
• RQ5 이 자발적 정렬 필러 기반 접근법을 통해 실제 전자기기에서 달성 가능한 열성능 향상 수준은 어느 정도인가?

주요 결과

• 자기기능화된 자발적 정렬 그래핀 필러를 사용함으로써, 1 wt.%의 낮은 농도에서도 무작위 정렬 필러 대비 복합체의 명시적 열전도도가 2배 향상되었다.
• 복합체 내에서 연속적이고 정렬된 진동자기 전도 경로가 형성됨에 따라 열확산도가著매우 향상되었다.
• 컴퓨터 칩을 대상으로 한 실생활 테스트에서 비경화 TIM을 사용할 경우 최대 10 °C의 온도 저감 효과가 관찰되었다.
• 이 방법은 경화성 및 비경화성 매트릭스 모두에서 효과를 보이며 광범위한 적용 가능성을 시사하였다.
• 최소한의 그래핀 함량(≤1 wt.%)으로도 열성능 향상이 달성되어, 이 방법은 확장 가능하고 비용 효율적인 것으로 평가되었다.
• 초기 개념 검증 결과는 고성능 전자기기의 고효율 열관리를 위한 실현 가능한 새로운 길을 제시한다.