Aros Graphene-baserade termiska interfacematerial (avslutat)

Syfte och mål
Aros Graphene® är ett nyutvecklat joniskt hybridgrafenmaterial vars tillverkningsprocess är enkel och miljövänlig. Aros Graphene® är designat för att undvika hopklumpning av grafenflak och därigenom förbättra dispersion i matris. Termiska interfacematerial består av en matris av silikongel och värmeledande fyllmedel. De kan ta upp mekaniska toleranser och används för att leda bort värme från till exempel en komponent till en kylfläns.

Genom att använda Aros Graphene® som fyllmedel i termiska interfacematerial, tror vi att dessa kan uppnå en betydande förbättring av de termiska egenskaperna, jämfört med nuvarande teknologier.

Eftersom grafen uppvisar högst värmeledningsförmåga av alla material i naturen, finns det också potential för att nå högre värmeledning i förhållande till dagens kommersiella produkter. Förbättrad prestanda krävs inom elektronikindustrin för att utnyttja mindre och kraftfullare komponenter i framtida produkter.

FoI-projektet utförs i samarbete mellan Ericsson, Graphmatech och Nolato. Projektet görs i flera steg där vi gradvis bygger kunskap om hur Aros Grafen® interagerar i en värmeledande blandning. De tre huvudstegen är:

  1. Aros Graphene® och matrisinteraktioner
  2. Aros Graphene® som ytmodifierare av andra termiskt ledande fyllmedel
  3. Formuleringar av värmeledande blandningar baserade på Aros Graphene®

I projektet tror vi att vi kan visa ”proof-of-concept”, att ta resultaten till kommersiella produkter.

Resultat
Studiens huvudsakliga syfte var att testa om grafens höga värmeledningsförmåga kan utnyttjas i termiska dynor för förbättrad överföring av värme från komponenter till kylflänsar i moderna elektroniktillämpningar. Inledande försök gjordes med enbart grafen och därefter ökade komplexiteten gradvis genom tillsats av olika fyllmedel i de värmeledande materialen. Vi fann att de värmeledande egenskaperna hos grafen i stor grad beror på storlek, råmaterial och bearbetning av grafenpartiklarna. Aros Graph-processen, för funktionalisering av grafen, gav en mycket bra spridning av grafenet. Små mängder grafen gav en hög viskositet och resulterade i att användning av enbart grafen som fyllmedel inte gav tillräckligt hög värmeledningsförmåga, varför grafen fungerade bättre när det användes som tillsatsmedel. Genom grafenfunktionalisering av andra fyllmedel erhölls något förbättrade egenskaper jämfört med användning av rent Aros-grafenpulver. Funktionalisering är dock en komplex process som begränsar den kommersiella potentialen på kort sikt. För att skapa material med hög värmeledningsförmåga användes olika fyllmedel med matchande storlekar. Med tillsats av grafen ökade värmeledningsförmågan upp till 40%, med maxvärden runt 20 W/mK.

Första delen av studien uppnådde sitt mål och vi har erhållit en god förståelse för hur grafen kan användas som tillsats i termiska dynor, speciellt kunskap om spridning och förstärkning avvärmeledningsförmågan i enkla system. För material som kräver högre värmeledningsförmåga uppnåddes något lägre nivåer än målet på 30 W/mK.  Följaktligen minskade fokuset på framställning av produktprototyper och deras verifiering. Överlag är resultaten dock tillräckligt bra för att vara av kommersiellt intresse, även om fortsatt optimering av både de värmeledande och mekaniska egenskaperna hos grafenförstärkta termiska dynor och deras tillverkningsprocesser kommer att krävas.

Huvudinsikten från projektet var hur viktigt det är med jämn kvalitet av grafenet och val av rätt fyllmaterial. På grund av sin höga inneboende värmeledningsförmåga har grafen sannolikt en framtid som tillsats i dynor inom elektroniktillämpningar. Inom Graphmatech och Nolato finns redan kärnkompetens och produktionsanläggningar för en potentiell kommersialisering av grafenförbättrade termiska dynor och möjligen kan en produkt finnas på marknaden inom ett år.

Abstract in English

Aros Graphene based thermal interface materials

Aros Graphene® is a novel hybrid-ionic graphene material, designed to prevent agglomeration between graphene flakes and hence improve dispersion when added into a matrix. Thermal interface materials consist of a matrix such as silicone rubber filled with heat conductive particles. Thermal interface materials are used to conduct heat and conform to dimensional tolerances between heat-conducting surfaces, typically a component and heatsink. By using Aros Graphene® as filler in thermal interface material, we believe that these can achieve a significant improvement in thermal properties compared to current technologies. There is also potential for reaching higher heat dissipation relative to today's commercial products. Improved performance is demanded in the electronics industry. We believe that we can show proof of concept to take findings into commercial products, such as a high performance thermal pad.

Results
We started investigations with pure graphene and have gradually increased the complexity with several different fillers for the heat conducting compounds. We have found that the thermal conductivity of the graphene depends to a large extent on the size, raw material and machining. The Aros Graph process provides a very good distribution of graphene. Small amounts of graphene give a high viscosity and result in that only graphene fillers do not provide a sufficiently high heat conduction, which is why the graphene is better used as an additive. Graphene functionalization of other fillers gives a slightly improved performance relative to the use of Aros graphene powder. However, functionalization is a complex process that limits the short-term commercial potential. For compounds with high thermal conductivity, we have used several fillers with matching sizes. We showed an increase in thermal conductivity in the range 40% using graphene as an additive, with a maximum thermal conductivity of about 20W / (mK).

For the first work packages, the study achieved its goal and we have a good understanding of how we can use graphene as a filler in thermal pads, especially spreading and strengthening of thermal performance in simple systems. For compounds with high thermal conductivity, the results are slightly lower than the target of 30W / (mK), so the focus on product prototypes and verification was less than planned. However, the results are good enough to be commercially interesting, but some optimization of the thermal and mechanical properties of thermal pads and process is required.

The main insight of the project is how important it is with uniform quality of the right graphene material. Because of its high inherent thermal conductivity, the graphene is likely to be a filler in thermal interface materials. Graphmatech and Nolato have core competencies and production facilities for commercialization already in place, so there is potential to have a product on the market within a year.

Utlysning:
Samverkansprojekt för kommersiella tillämpningar med grafen – våren 2018

Projektpartners: Nolato Silikonteknik, Ericsson, Graphmatech

Projektledare: Nolato Silikonteknik

Projektform: FoI-projekt (litet)

E-mail: jorgen.gustafsson@nolato.se

Bidrag: 999 000 kr

Projektets löptid: 15 maj 2018 - 14 nov. 2019

Relaterade styrkeområden: