Grafen-förbättrad värmespridare för elektronik (avslutat)

Syfte och mål

Detta projekt kommer att demonstrera grafen-förstärkt värmespridare för att möta efterfrågan på mer effektiva kylsystem i nästa generations elektronik, särskilt inom mobil elektronik, kommunikationsteknik och infrastruktur. Cirka 30 % av volymen i nuvarande helt aluminiumbaserade värmespridare kommer att ersättas med en tunnare grafenbeläggning (endast 10 % volym).

På grund av att grafen har hög värmeledningsförmåga och låg massdensitet, kommer de nya värmespridarna att ha en viktminskning på minst 20 % och en ökad termisk verkningsgrad med ungefär 40 %. Med tanke på den breda spridningen och den enorma marknaden för mobil elektronik och kommunikationsteknik, kommer lättare och effektivare värmespridare skapa betydande samhälleliga fördelar och ekonomiska värden.

Upplägg och genomförande

De tre parterna Kungliga Tekniska Högskolan (KTH), Huawei Technologies Sweden AB och Aninkco AB, kommer att gemensamt utveckla en 3D-teknik för att tillverka grafenbeläggningar på ett effektivt, skalbart och kostnadseffektivt sätt.

  • Aninkco ska tillverka miljövänliga grafenbläck i stor skala.
  • KTH ska skriva ut grafenfilmer i en unik 3D-struktur för att göra det bästa av grafenets höga värmeledningsförmåga.
  • Huawei kommer att göra systematiska datorsimuleringar för att optimera 3D-strukturen och vägleda tillverkningen samt formulera testprotokoll för att karakterisera de slutliga komponenterna.

Resultat

I praktiken har vi lyckats tillverka tjocka (~ 200 mikron tjocklek) grafenbeläggningar på tunnare aluminiumsubstrat och genomfört jämförande test för att kontrollera att när 30% aluminium ersätts av en grafenbeläggning (9,6% vikt av den ursprungliga värmespridaren). Det erhållna grafenbelagda provet (20,4% lättare) uppnår nästan samma värmeledningsförmåga som de ursprungliga rena aluminiumproven. Denna forskning validerar experimentellt den utmärkta termiska prestanda hos grafenbeläggningar. Den lätta lösningen har stor potential för branschapplikationer, särskilt termisk hantering för elektronik.

Jämfört med aluminium har grafenfilmer åtminstone flera gånger högre värmeledningsförmåga medan deras massatäthet är ungefär hälften av aluminium. Dessa meriter erbjuder goda möjligheter för detta projekt att utveckla den lätta lösningen. Men i praktiken är det utmanande att tillverka tjocka grafenbeläggningar. Och aluminiumsubstraten förhindrar också användning av hög glödgningstemperatur (> 2000 oC) för att optimera värmeledningsförmågan som i fristående grafenfilmer. För att lösa dessa problem formulerade vi stabila bläck med hög koncentration av orörd grafen (elektrokemiskt exfolierad grafen med få skikt, som kännetecknas av SEM och Raman) för att tillverka tjocka beläggningar via gjutning med flera passager och erhålla hög konduktivitet vid medium glödgningstemperatur.

Emellertid behövs ofta höghastighetsbeläggningsprocess på icke-plan yta för industritillämpningar. Med stöd av SIP LIGHTer har vi genomfört ett uppföljningsprojekt för att utveckla skalbar sprutprocess för grafenbeläggningar på icke-plan yta för att driva grafenbeläggningen vidare mot industrialisering. Lab-to-fab-övergången kräver också tillförlitliga leverantörer av grafen av hög kvalitet och till låg kostnad. Olika kommersiella grafen utforskas i vår nya process. Vi söker också lämpliga grafenleverantörer som nya partners.

Abstract in English

Graphene Enhanced Heat Spreaders for Electronics
This project will demonstrate graphene-enhanced heat spreaders to meet the demand for more efficient cooling systems in the next-generation electronics, especially mobile electronics, communication technology and large infrastructure.

About 30 % volume of the present pure aluminum-based heat spreaders will be replaced by graphene coating with 10 % volume. Because of the high thermal conductivity and low mass density of graphene, the new heat spreaders will have a reduced weight by at least 20 %, yet increased thermal efficiency by about 40 %.

In view of the wide spread and huge market of mobile electronics and communication technology, the lighter and more efficient heat spreaders will create significant societal benefits and economic values.

The three parties, KTH, Huawei Technologies Sweden AB and Aninkco AB, will jointly develop a 3D printing technique to fabricate the graphene-coated heat spreaders in an efficient, scalable and cost-effective manner. Aninkco will provide eco-friendly graphene inks in large scale. KTH will print graphene films in a unique 3D structure to make best of the high thermal conductivity of graphene. Huawei will conduct systematic computer simulations to optimize the 3D structure and guide the fabrication, and formulate test protocols to characterize the final devices.

Results
In practice, we have managed to fabricate thick (~ 200 microns in thickness) graphene coatings on thinned aluminum substrates and conducted comparative tests to verify that when 30% aluminum is replaced by a graphene coating (9.6% weight of the original heat spreader), the obtained graphene-coated sample (20.4% lighter) attains almost the same thermal conductance as the original pure aluminum samples. This research experimentally validates the excellent thermal performance of graphene coatings. The lightweight solution has great potential for industry applications, especially thermal management for electronics.

As compared with aluminum, graphene films have at least several times higher thermal conductivity while their mass density is roughly half of aluminum. These merits offer good opportunities for this project to develop the lightweight solution. But in practice, it is challenging to fabricate thick graphene coatings. And the aluminum substrates also prevent the use of high annealing temperature (> 2000 oC) to optimize the thermal conductivity as in free-standing graphene films. To solve these problems, we formulated high-concentration stable inks of pristine graphene (few-layer electrochemically exfoliated graphene, as characterized through SEM and Raman) to fabricate thick coatings via multiple-pass drop casting and obtain high conductivity at medium annealing temperature.

However, for industry applications high-speed coating process on non-planar surface is often needed. With the support of SIP LIGHTer, we have been conducting a follow-up project to develop scalable spraying process for graphene coatings on non-planar surface to push the graphene coating further towards industrialization. The lab-to-fab transition also necessitates reliable suppliers of high-quality and low-cost graphene. Various commercial graphene is being explored in our new process. We also seek suitable graphene suppliers as new partners.

Utlysning:
Lättviktslösningar med grafen – demonstratorprojekt 2017

Projektpartners: Kungliga Tekniska Högskolan, Huawei Technologies Sweden, Aninkco

Projektledare: Jiantong Li

E-mail: jiantong@kth.se

Bidrag: 1 050 000 kr

Projektets löptid: sep 2017 - feb 2019

Relaterade styrkeområden: