ฟิล์มกราไฟต์นำความร้อนได้อย่างไร?

หากคุณเคยถือสมาร์ทโฟนที่เย็นกว่ารุ่นใหม่อย่างเห็นได้ชัดในระหว่างเซสชั่นการเล่นเกมนานหนึ่งชั่วโมง หรือแล็ปท็อปสำหรับเล่นเกมที่ดูไม่เหมือนเครื่องยนต์ไอพ่นจะดับลงกลางเกม คุณอาจได้ประโยชน์จากฟิล์มกราไฟท์ ซึ่งเป็นหนึ่งในวัสดุการจัดการระบายความร้อนที่หลากหลายที่สุดในตลาด ในฐานะซัพพลายเออร์ฟิล์มกราไฟท์ ฉันถูกถามคำถามนี้ตลอดเวลาจากวิศวกร นักออกแบบผลิตภัณฑ์ และแม้แต่มือสมัครเล่นที่อยากรู้อยากเห็น: แผ่นคาร์บอนที่บางและยืดหยุ่นนี้นำความร้อนได้ดีกว่าวัสดุทั่วไปอื่นๆ เกือบทั้งหมดอย่างไร แน่นอนว่าไม่ใช่เรื่องมหัศจรรย์ แต่เป็นวิทยาศาสตร์คาร์บอนบริสุทธิ์ และเมื่อคุณทำลายมันลง มันก็สมเหตุสมผลดี มาดูโครงสร้างโมเลกุล ฟิสิกส์ของการถ่ายเทความร้อน และสาเหตุที่ฟิล์มกราไฟท์กลายเป็นวิธีแก้ปัญหาที่ตอบโจทย์ทุกอย่างตั้งแต่แบตเตอรี่ EV ไปจนถึงหูฟังระดับไฮเอนด์

อันดับแรก เรามาเริ่มกันก่อนว่าจริงๆ แล้วกราไฟท์คืออะไร เพราะนั่นคือที่ที่เวทมนตร์การนำความร้อนอาศัยอยู่ คนส่วนใหญ่รู้จักกราไฟท์เป็นส่วนประกอบในไส้ดินสอ แต่นั่นเป็นส่วนผสมของกราไฟท์เคลย์และสารยึดเกาะที่มีการบีบอัดอย่างหนัก ไม่ใช่กราไฟท์บริสุทธิ์ที่ได้รับการจัดลำดับอย่างสูงซึ่งใช้สำหรับการใช้งานด้านความร้อน กราไฟท์ที่แท้จริงคือคาร์บอนรูปแบบหนึ่งที่จัดเรียงตัวเองตามธรรมชาติเป็นโครงตาข่ายรังผึ้งหกเหลี่ยม เหมือนแผ่นลวดไก่ โดยอะตอมของคาร์บอนแต่ละอะตอมจะเกาะติดกันอย่างแน่นหนากับอะตอมของคาร์บอนที่อยู่ใกล้เคียงสามอะตอม สิ่งนี้เรียกว่าชั้นกราฟีน ซึ่งเป็นแผ่นคาร์บอนหนาหนึ่งอะตอมซึ่งเป็นหนึ่งในตัวนำความร้อนที่ดีที่สุดที่มนุษย์รู้จักอยู่แล้ว เมื่อคุณซ้อนชั้นกราฟีนหลายล้านชั้นซ้อนกัน โดยแรงแวน เดอร์ วาลส์ ที่อ่อนแอจับชั้นเหล่านั้นไว้ด้วยกัน คุณจะได้กราไฟท์จำนวนมาก แต่สำหรับการใช้งานด้านความร้อน เราใช้โครงสร้างตามธรรมชาตินั้นมาปรับแต่งเพื่อสร้างฟิล์มกราไฟท์ประเภทต่างๆ ซึ่งแต่ละประเภทได้รับการปรับแต่งให้เหมาะกับกรณีการใช้งานเฉพาะ ตัวอย่างเช่นของเราฟิล์มนาโนกราไฟท์ทำจากเกล็ดกราฟีนที่มีขนาดเล็กลงและมีขนาดสม่ำเสมอมากขึ้น ซึ่งให้การนำความร้อนในระนาบที่ยอดเยี่ยม ในขณะที่ยังคงบางและยืดหยุ่นพอที่จะใส่ในพื้นที่แคบได้

ตอนนี้ กุญแจสำคัญในการเป็นมหาอำนาจในการนำความร้อนของกราไฟต์นั้นอยู่ที่โครงตาข่ายหกเหลี่ยมนั้น และความร้อนจะเคลื่อนที่ผ่านได้อย่างไร ความร้อนคือการสั่นสะเทือนของอะตอมและโมเลกุลโดยพื้นฐานแล้ว เมื่อวัสดุได้รับความร้อน อะตอมของมันจะกระตุกเร็วขึ้น และพลังงานนั้นจำเป็นต้องถ่ายโอนไปยังอะตอมข้างเคียงเพื่อกระจายออกไป ในวัสดุส่วนใหญ่ การถ่ายโอนนั้นช้าเนื่องจากพันธะอะตอมไม่สม่ำเสมอหรือยุ่งเหยิง ซึ่งทำให้เกิด "จุดกระเจิง" ซึ่งพลังงานการสั่นสะเทือนจะสูญเสียไป ยกตัวอย่างเช่น โลหะ ทองแดงเป็นตัวนำที่ดี แต่โครงสร้างอะตอมของมันไม่สม่ำเสมอกันอย่างสมบูรณ์ ดังนั้นพลังงานความร้อนบางส่วนจึงกระจายไปเป็นความต้านทานไฟฟ้าหรือคลื่นเสียง แทนที่จะเคลื่อนที่ผ่านวัสดุ อย่างไรก็ตาม โครงสร้างในระนาบของกราไฟท์นั้นได้รับการจัดลำดับไว้เกือบสมบูรณ์แบบ พันธะโควาเลนต์คาร์บอน-คาร์บอนที่แข็งแกร่งในชั้นกราฟีนหมายความว่าการสั่นสะเทือน (เรียกว่าโฟนันส์ สำหรับคนเนิร์ดฟิสิกส์) เคลื่อนที่เกือบจะไม่มีอุปสรรคใดๆ ไปตามระนาบของแผ่นกราไฟท์ มันเหมือนกับทางหลวงที่ไม่มีป้ายหยุดหรือไฟจราจร ความร้อนสามารถเคลื่อนไปตามทิศทางบนเครื่องบินด้วยความเร็วสูงถึง 2,000 W/m·K ซึ่งสูงกว่าทองแดงประมาณ 401 W/m·K มาก นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมฟิล์มกราไฟท์จึงมีประสิทธิภาพในการกระจายความร้อนอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งพื้นผิว แทนที่จะปล่อยให้สะสมอยู่ในจุดที่มีความร้อนสูง

สิ่งที่น่าสนใจยิ่งขึ้นไปอีกคือ: ค่าการนำความร้อนของกราไฟต์เป็นแบบแอนไอโซโทรปิกสูง ซึ่งเป็นวิธีที่หรูหราในการบอกว่ากราไฟต์นำความร้อนได้ดีมากในทิศทางหนึ่งแต่ในอีกทิศทางหนึ่งได้ไม่ดี ทิศทางในระนาบ (ตามชั้นกราฟีน) คือจุดที่การเคลื่อนที่ของโฟนอนทั้งหมดเกิดขึ้น แต่ทิศทางผ่านระนาบ (ตั้งฉากกับชั้น) คือจุดที่แรงแวนเดอร์วาลส์ที่อ่อนแอจับแผ่นกราฟีนไว้ด้วยกัน และแรงเหล่านั้นอ่อนกว่ามาก ดังนั้นโฟนันจึงกระจายอยู่ตลอดเวลา นั่นหมายความว่าความร้อนไม่สามารถเคลื่อนที่ในแนวตั้งผ่านแผ่นฟิล์มกราไฟท์ได้อย่างง่ายดาย ซึ่งเป็นคุณสมบัติจริงๆ ไม่ใช่จุดบกพร่อง สำหรับการใช้งานส่วนใหญ่ คุณต้องดึงความร้อนออกจากฮอตสปอตเล็กๆ (เช่น โปรเซสเซอร์ของโทรศัพท์) แล้วกระจายความร้อนออกไปบนพื้นผิวขนาดใหญ่เพื่อกระจายความร้อน แทนที่จะปล่อยให้ความร้อนจมลงไปภายในอุปกรณ์โดยตรง ของเราฟิล์มกราไฟท์กระจายความร้อนได้รับการออกแบบมาเพื่อขยายเอฟเฟกต์แอนไอโซทรอปิกนี้ ด้วยอัตราส่วนการนำไฟฟ้าในระนาบต่อในระนาบที่ 5:1 หรือสูงกว่า ทำให้เหมาะสำหรับอุปกรณ์ขนาดบางที่มีพื้นที่จำกัด

แน่นอนว่าฟิล์มกราไฟท์ไม่ได้ถูกสร้างขึ้นมาเท่ากันทั้งหมด ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา เราได้พัฒนาตัวแปรพิเศษเพื่อตอบสนองความต้องการเฉพาะของอุตสาหกรรมที่แตกต่างกัน โดยแต่ละอาคารบนโครงสร้างโครงตาข่ายกราฟีนหลักนั้น สำหรับการใช้งานที่ต้องการทั้งการนำความร้อนสูงและเสถียรภาพทางกลของเราฟิล์มกราไฟท์คอมโพสิตผสมผสานกราไฟท์บริสุทธิ์เข้ากับสารตัวเติมโพลีเมอร์หรือเซรามิกจำนวนเล็กน้อย ซึ่งเพิ่มความทนทานและต้านทานการโค้งงอโดยไม่ทำให้การถ่ายเทความร้อนลดลง เหมาะสำหรับสมาร์ทโฟนแบบพับได้ ซึ่งหน้าจอที่ยืดหยุ่นต้องใช้ระบบระบายความร้อนซึ่งจะไม่แตกหรือหลุดล่อนหลังจากการพับหลายพันครั้ง สำหรับการใช้งานที่ใช้พลังงานสูงกว่า เช่น ชุดแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าหรือ CPU ของเซิร์ฟเวอร์ เราได้สร้างขึ้นฟิล์มกราไฟท์คอมโพสิตหลายชั้นซึ่งซ้อนชั้นกราไฟท์หลายชั้นโดยมีกาวบาง ๆ อยู่ระหว่างชั้นเหล่านั้น กาวได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมเพื่อไม่ให้ปิดกั้นการถ่ายโอนโฟนอน ดังนั้นคุณจึงได้ค่าการนำไฟฟ้าสูงหลายชั้นรวมกันโดยไม่สูญเสียความร้อนอย่างที่คุณคาดหวังจากกาวทั่วไป

ฉันมักถูกถามว่าทำไมเราจึงใช้ฟิล์มกราไฟท์แทนกระดาษกราไฟท์ธรรมดาหรือกราไฟท์จำนวนมาก ความแตกต่างอยู่ที่ขนาดเกรนและการจัดตำแหน่ง เมื่อคุณแปรรูปกราไฟท์เป็นฟิล์มบาง คุณสามารถจัดเรียงชั้นกราฟีนได้อย่างสมบูรณ์แบบในระหว่างการผลิต ซึ่งจะช่วยเพิ่มการนำความร้อนในระนาบได้สูงสุด หากคุณเพียงแค่กดกราไฟท์จำนวนมากลงในแผ่น ชั้นกราฟีนจะถูกวางตำแหน่งแบบสุ่ม ดังนั้นการถ่ายเทความร้อนจึงไม่สม่ำเสมอมากขึ้น ของเราฟิล์มบางกราไฟท์ตัวอย่างเช่น มีความหนาเพียงไม่กี่ไมครอน โดยมีชั้นกราฟีนจัดเรียงอยู่ภายใน 0.5 องศาจากกัน ทำให้มีค่าการนำไฟฟ้าในระนาบมากกว่า 1,800 W/m·K—เกือบสูงพอๆ กับกราฟีนสังเคราะห์บริสุทธิ์เอง นั่นคือประสิทธิภาพที่คุณต้องการสำหรับกราฟิกการ์ดระดับไฮเอนด์ โดยที่แม้แต่ค่าการนำความร้อนที่ลดลง 10% ก็อาจส่งผลให้ควบคุมปริมาณและลดประสิทธิภาพได้

เรามาพูดถึงตัวอย่างในโลกแห่งความเป็นจริงเพื่อสร้างสิ่งนี้ให้เป็นรูปธรรม เมื่อไม่กี่เดือนที่ผ่านมา เราทำงานร่วมกับสตาร์ทอัพที่กำลังพัฒนาที่ชาร์จแบบพกพาขนาดกะทัดรัดพร้อมชิปชาร์จเร็ว 45W การออกแบบเดิมใช้แผงระบายความร้อนทองแดง แต่มีขนาดใหญ่เกินไป และที่ชาร์จร้อนมากจนถือไม่สะดวก เมื่อเปลี่ยนมาใช้ฟิล์มกราไฟท์กระจายความร้อน พวกเขาสามารถลดขนาดแผงระบายความร้อนลงได้ 60% และลดอุณหภูมิพื้นผิวของอุปกรณ์ลง 12 องศาเซลเซียส ทำไม ทองแดงกระจายความร้อนจากชิปเพียงไม่กี่มิลลิเมตร แต่ฟิล์มกราไฟต์กระจายความร้อนเดียวกันนั้นไปทั่วพื้นผิวด้านบนของเครื่องชาร์จ ซึ่งสามารถกระจายไปในอากาศได้เร็วขึ้น นั่นคือคุณสมบัติของแอนไอโซทรอปิกในการทำงาน ความร้อนจะเคลื่อนที่ไปตามกราไฟต์ ไม่ใช่ผ่านกราไฟต์ ดังนั้นจึงกระจายออกไปแทนที่จะเข้มข้น

คำถามทั่วไปอีกประการหนึ่ง: ฟิล์มกราไฟท์เปรียบเทียบกับวัสดุระบายความร้อนอื่นๆ เช่น แผ่นความร้อน วัสดุเปลี่ยนเฟส หรือท่อความร้อนอย่างไร แผ่นความร้อนทำงานโดยการอุดช่องว่างระหว่างสองพื้นผิว แต่มีค่าการนำไฟฟ้าปานกลางเท่านั้น (ประมาณ 8 W/m·K) และอาจแห้งเมื่อเวลาผ่านไป ส่งผลให้ประสิทธิภาพลดลง ท่อความร้อนเหมาะสำหรับการใช้งานที่มีกำลังไฟสูง แต่มีขนาดใหญ่ เปราะบาง และไม่สามารถใช้ในพื้นที่ขนาดเล็กมาก เช่น นาฬิกาอัจฉริยะหรือหูฟังไร้สาย ฟิล์มกราไฟท์มีความบาง ยืดหยุ่น น้ำหนักเบา และมีค่าการนำไฟฟ้าสูงกว่าแบบครีมมาก ข้อเสียเพียงอย่างเดียวก็คือการถ่ายเทความร้อนผ่านช่องว่างได้ไม่ดีเท่า ดังนั้นคุณมักจะจับคู่กับกาวระบายความร้อนจำนวนเล็กน้อยเพื่อสร้างวัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อน (TIM) ที่สมบูรณ์

ตอนนี้ เรามาเข้าสู่ด้านการผลิตกันดีกว่า เพราะนั่นคือจุดที่เราปรับแต่งกราไฟท์จากรูปแบบดิบให้เป็นฟิล์มประสิทธิภาพสูงที่ลูกค้าไว้วางใจ กระบวนการนี้เริ่มต้นด้วยโพลีอะคริโลไนไตรล์สังเคราะห์ (PAN) หรือเกล็ดกราไฟท์ธรรมชาติ เราทำให้วัตถุดิบบริสุทธิ์เพื่อขจัดสิ่งเจือปน เช่น ซัลเฟอร์และไอออนของโลหะ ซึ่งจะสร้างจุดกระจายสำหรับโฟนันและลดการนำไฟฟ้า ต่อไป เราจะขยายกราไฟท์ที่อุณหภูมิสูง ซึ่งแยกชั้นกราฟีนออกจากกัน จากนั้นเราประมวลผลกราไฟท์ที่ขยายตัวให้เป็นสารละลาย หล่อให้เป็นแผ่นบางๆ และบีบอัดภายใต้แรงดันสูงเพื่อจัดแนวชั้นกราฟีน สำหรับฟิล์มนาโนกราไฟท์ของเรา เราใช้เกล็ดที่มีขนาดเล็กและสม่ำเสมอมากขึ้นเพื่อให้ได้การจัดตำแหน่งที่ดียิ่งขึ้น ในขณะที่ฟิล์มหลายชั้นของเราจะเพิ่มขั้นตอนการบีบอัดรองเพื่อให้แน่ใจว่าชั้นต่างๆ จะซ้อนกันอย่างสมบูรณ์ ทุกชุดได้รับการทดสอบการนำความร้อน ความหนา และความยืดหยุ่นเพื่อให้แน่ใจว่าเป็นไปตามมาตรฐานที่เข้มงวดของเรา

ในฐานะซัพพลายเออร์ฟิล์มกราไฟท์ ฉันได้เห็นแล้วว่าวัสดุนี้มีการพัฒนาอย่างไรในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา เมื่อ 10 ปีที่แล้ว ฟิล์มกราไฟท์ส่วนใหญ่ใช้ในสมาร์ทโฟนและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคขนาดเล็ก แต่ตอนนี้ได้นำไปใช้ในทุกสิ่งตั้งแต่การจัดการความร้อนของแบตเตอรี่ EV ไปจนถึงไฟ LED อุปกรณ์ทางการแพทย์ เช่น เครื่อง MRI และแม้แต่ส่วนประกอบดาวเทียม ความต้องการโซลูชั่นระบายความร้อนที่ดีกว่า เล็กกว่า และเบากว่านั้นจะเพิ่มขึ้นเมื่ออุปกรณ์มีประสิทธิภาพและบางลงเท่านั้น และฟิล์มกราไฟท์ก็อยู่ในตำแหน่งที่สมบูรณ์แบบที่จะตอบสนองความต้องการดังกล่าว

หากคุณเป็นวิศวกรหรือนักออกแบบผลิตภัณฑ์ที่ทำงานในโครงการที่ต้องการประสิทธิภาพการระบายความร้อนที่ดีกว่า ฉันขอแนะนำให้คุณติดต่อทีมของเราเพื่อหารือเกี่ยวกับความต้องการเฉพาะของคุณ ไม่ว่าคุณจะต้องการฟิล์มบางสำหรับอุปกรณ์แบบพับได้ คอมโพสิตหลายชั้นสำหรับแบตเตอรี่กำลังสูง หรือแผ่นขนาดที่กำหนดเองสำหรับการใช้งานทางการแพทย์ เราสามารถช่วยคุณค้นหาโซลูชันฟิล์มกราไฟท์ที่เหมาะสมได้ เราทำงานร่วมกับลูกค้าในอุตสาหกรรมต่างๆ และเรายินดีเสมอที่จะทดสอบชุดตัวอย่างเพื่อให้แน่ใจว่าฟิล์มของเราตรงตามความต้องการของคุณ อย่าลังเลที่จะติดต่อทีมของเราเพื่อเริ่มโครงการการจัดการระบายความร้อนครั้งต่อไป เราพร้อมช่วยคุณสร้างผลิตภัณฑ์ที่ทำงานเย็นกว่า ใช้งานได้นานขึ้น และทำงานได้ดีขึ้น

อ้างอิง

1. บาลันดิน, AA (2011) สมบัติทางความร้อนของกราฟีนและวัสดุคาร์บอนที่มีโครงสร้างนาโนวัสดุธรรมชาติ, 10(8), 569-581.
2. จาง วาย และคณะ (2018) การนำความร้อนแบบแอนไอโซทรอปิกของฟิล์มกราไฟท์ที่มีทิศทางสูงคาร์บอน, 134, 242-250.
3. มัวร์, อัล, และชิ, แอล. (2014) ความท้าทายและวัสดุใหม่สำหรับการจัดการความร้อนของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์วัสดุวันนี้, 17(4), 163-174.
4. หลิว เจ และคณะ (2020). ฟิล์มกราไฟท์คอมโพสิตสำหรับการใช้งานการจัดการความร้อน: บทวิจารณ์วารสารวัสดุศาสตร์: วัสดุทางอิเล็กทรอนิกส์, 31(24), 21357-21378.