Warstwa grafenu osadzona na hotspotach (gorących miejscach) może zmniejszyć temperaturę pracy procesora nawet o 25 procent. Zagwarantuje to znaczne wydłużenie żywotności komputerów i innych urządzeń elektronicznych.
Międzynarodowa grupa naukowców, prowadzona przez Chalmers University of Technology z Szwecji, pierwsza na świecie wykazała, że grafen ma wpływ na rozpraszanie ciepła w urządzeniach elektronicznych na bazie krzemu.
“Odkrycie to otwiera drzwi do zwiększenia funkcjonalności oraz przesuwa granice w kwestii dalszej miniaturyzacji elektroniki” – powiedział profesor Johan Liu z uczelni Chalmers, który stoi na czele międzynarodowego projektu badawczego.
Nowoczesne układu scalone generują dużo ciepła. Ważne jest, aby usunąć je w sposób efektywny, tak żeby aby wydłużyć żywotność systemu. Jedna z zasad brzmi następująco: wzrost temperatury o 10 stopni Celsjusza skraca o połowę “czas życia” systemu elektronicznego.
Podczas badań naukowcy skupili się na obniżeniu temperatury w małym obszarze, gdzie podzespoły elektroniczne pracują najintensywniej, np. wewnątrz procesora. Ich rozmiary są bardzo małe, skala to mikro i nano, czyli tysięczne milimetra i mniej.
“Normalna temperatura pracy w hotspotów chłodzonych warstwą grafenu wahała się od 55 do 115 stopni Celsjusza. Byliśmy w stanie zredukować temperaturę nawet o 13 stopni, co nie tylko poprawiło sprawność energetyczną, ale również wydłużyło żywotność układu elektronicznego” – powiedział Johan Liu.
Warstwy grafenu wytworzono stosując metodę termicznego chemicznego osadzania z fazy gazowej (TCVD). Do oceny parametrów termicznych grafenu wykorzystano cienkie platynowe płytki jako podłoże. W badane miejsce skierowano strumień ciepła o wartości 430 W/CM-2. Pokrycie płytki monowarstwą grafenu pozwoliło zmniejszyć temperaturę ze 121°C do 108°C (ΔT≈13°C). Pojedyncza warstwa jako składowa w multiwarstwie grafenu (6-10 warstw) zmniejszyła temperaturę o około 8°C.
Różne są parametry wpływające na wydajność rozpraszania ciepła przez grafen. Największy wpływ ma liczba warstw grafenu, rozpraszanie fononowe, graniczna odporność termiczna.
Wydajne chłodzenie to duże wyzwanie w wielu technicznych zastosowaniach, takich jak elektronika samochodowa, zasilacze, komputery, stacje radiowe, diody emitujące światło, światła LED. Według ostatnich badań w USA na podstawie danych z 2006 roku około 50 procent całkowitej energii elektrycznej wykorzystywanej do działania serwerów danych wykorzystywana jest na chłodzenie układów scalonych.
Źródło:
[1] Thermal chemical vapor deposition grown graphene heat spreader for thermal management of hot spots. Zhaoli Gaoa, Yong Zhanga, Yifeng Fud, Matthew M.F. Yuenb, Johan Liua.
[2] http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622313004272 | 09.07.2013
[3] http://www.chalmers.se/en/news/Pages/Graphene-provides-efficient-electronics-cooling.aspx | 09.07.2013
[4] Printed circuit board – side A by Jean-Pierre (JPC24M), flickr.com, CC BY-SA 2.0