Grafen ger effektiv nedkylning av elektronik
Ett skikt av grafen kan sänka arbetstemperaturen i värmepunkter som inuti en processor med upp till en fjärdedel – vilket kan förlänga livslängden väsentligt på datorer och annan elektronik. Ett forskarlag från Chalmers, i samarbete med universitet i Hongkong och Shanghai samt SHT Smart High Tech AB, är först med att visa att grafen har en kylande effekt på kiselbaserad elektronik.
– Upptäckten gör det också möjligt att öka funktionaliteten och fortsätta pressa gränserna för miniatyrisering av elektronik, säger professor Johan Liu vid Chalmers som leder det internationella forskarsamarbetet.
Elektroniska system skapar i dag stora mängder värme, framför allt på grund av den ständigt ökande efterfrågan på mer funktionalitet. För att behålla livslängden på systemet är det viktigt att kunna avlägsna värme effektivt. En tumregel säger att om arbetstemperaturen ökar med 10 grader Celsius, så halveras livslängden i det elektroniska systemet.
I studien har forskarna fokuserat på att sänka temperaturen i den lilla del där elektroniken arbetar som mest intensivt – som till exempel inuti en processor. Sådana små värmepunkter, eller hotspots, finns i all elektronik. Storleksmässigt befinner de sig på mikro- eller nanoskalan, det vill säga runt en tusendels millimeter eller ännu mindre.
– Den normala arbetstemperaturen i de värmepunkter vi kylt med ett skikt grafen ligger mellan 55 och 115 grader Celsius. Den temperaturen har vi lyckats sänka med upp till 13 grader, vilket inte bara ger en bättre energieffektivitet utan dessutom förlänger livstiden på elektroniken, säger Johan Liu.
Effektiv kylning är en stor utmaning i många olika tillämpningar, som till exempel fordonselektronik, kraftelektronik, datorer, radiobasstationer och för olika lysdioder, så kallade LED-lampor. I fordonselektroniska system kan varje enskild enhet i tändsystemet pumpa ut upp till 80 W kontinuerligt och i övergående skede upp till 300 W (inom 10 nanosekunder). LED-lampor kan ha en värmeintensitet nästan lika stor som solens, med upp till 600 W/cm2, på grund av sin extremt lilla storlek.
Bättre kylning av elektronik kan ge mycket stora vinster. Enligt en ny amerikansk undersökning, som bygger på data från 2006, går cirka 50 procent av den totala el som används för att köra dataservrar till att kyla systemen.
Chalmers-studien, som utförts i samarbete med HongKong University of Science and Technology, Shanghai University i Kina och SHT Smart High Tech AB, har publicerats i den vetenskapliga tidskriften Carbon.
Läs artikeln: Thermal chemical vapor deposition grown graphene heat spreader for thermal management of hot spots.
Fakta om grafen
Grafen, ett enda lager av kolatomer, är starkare än stål, och ändå lättviktigt och flexibelt. I grafen förflyttar sig elektroner mycket snabbare än i kisel. Det är också en genomskinlig elektrisk ledare, som kombinerar elektriska och optiska egenskaper på ett exceptionellt sätt. Grafen är en mycket god värmeledare, hela tio gånger bättre än koppar.
Det finns flera metoder för att tillverka grafen som kan skalas upp till industriell nivå. För elektronik-tillämpningar kan grafen av hög kvalitet tillverkas med en metod som kallas för kemisk förångningsdeponering (chemical vapour deposition).
