高級家電製品に柔軟なグラファイトがますます使用されているのはなぜですか?

導入

今日の家庭用電化製品におけるラジエーターの主な機能は次のとおりです。

1. プロセッサーなどの発熱コンポーネントを冷却して温度を下げます。

2. 携帯電話ケースなどの温度に敏感な部品のデバイス表面のホットスポットを軽減します。

3. 熱に敏感なコンポーネントを熱源から保護します。たとえば、OLED 電話スクリーンをプロセッサーによって生成される熱から保護します。

4. OLED TV 画面など、不均一な表面温度に敏感なデバイスの表面温度勾配を低減します。

21 世紀初頭まで、アルミニウムおよびさまざまなアルミニウム合金は、ほぼすべての家庭用電子機器の熱材料として使用されていました。プラズマ テレビ、ラップトップ、携帯電話、初期のタブレットはすべて、冷却要件を満たすために比較的安価で豊富な金属材料を使用しています。まず、熱管理材料としてアルミニウムを使用することの明らかな欠点は、金属の重さと厚さです。 21 世紀初頭、壁に掛けた重さ 30 ～ 70 kg のプラズマ テレビが頻繁に落下します。この問題を防ぐために、プロの設置業者は通常、画面の購入に「付随サービス」を提供します。 21世紀初頭の携帯電話の厚みは20mm程度が一般的です。冷却が必要な場合、通常、加熱装置は金属ベース上に配置され、熱伝導率の良い金属構造によって熱が携帯電話全体に伝達されます。プロセッサーやその他のデバイスがより高い出力で設計される場合、熱負荷の増加を補うために、より厚く重いベースが必要になります。最初のスマートフォンが発売されたとき、薄さはハイエンドの携帯電話で追求される主要なデザイン特徴となりました。この傾向はすぐにノートブック コンピューターにも広がり、ハイエンド ノートブックの設計要件としては可能な限り薄いことが求められています。望ましい製品特性を達成するために、業界はアルミニウムの重量と厚さの問題に対する解決策を開発する必要があることにすぐに気づきました。

フレキシブルグラファイトシートの時代へ

柔軟な天然黒鉛シートは、2002年からプラズマテレビのディスプレイ画面の熱管理材料としてアルミニウムに代わって使用され始めました。天然黒鉛は、その熱伝導率がアルミニウムの3倍であり、重量がアルミニウムのわずか1倍であるため、ディスプレイ画面の分野で広く使用されています。アルミニウムの3分の1。この応用の成功を基に、グラファイトの応用は他の機器や市場カテゴリーにも広がります。柔軟なグラファイトは、21 世紀初頭に初めて携帯電話に使用されました。 2015 年までに、グラファイトはすべてのハイエンド スマートフォンの標準的な熱管理素材になりました。初期のスマートフォン モデルでは厚さ 100 ミクロンの天然グラファイトが使用されていましたが、すぐに業界では 17 ～ 50 ミクロンの範囲の合成グラファイトが使用され始めました。 10ミクロンなど、より薄いグラファイトも作ることができますが、十分な熱を効果的に除去できないことが判明しています。過去 15 年間にわたり、軽量設計を追求するハイエンド家電機器の大部分では、アルミニウムに代わってグラファイトが使用されてきました。

黒鉛材料の特徴

天然黒鉛と人造黒鉛の 2 つの形態があります。天然黒鉛は片状黒鉛からなり、片状黒鉛鉱床は世界中に存在します。一般に、天然黒鉛の厚さは40ミクロンから1000ミクロンの範囲であり、その熱伝導率は300から600W/m・Kの範囲にあります。天然黒鉛は通常人造黒鉛よりも厚いため、より低い熱伝導率でもより多くの熱を伝えることができます。 。

人造黒鉛シートは、炭素原子を含む基材を2500℃以上の温度で黒鉛化して製造されます。人造黒鉛は通常、厚さが 10 ミクロンから 100 ミクロンの範囲で非常に薄いですが、その熱伝導率はより高く、700 ～ 1950 w/m·K の範囲です。生地の厚みの関係上、お持ち帰りには限りがございます。これまでにも、厚さ100ミクロンを超える人造黒鉛を製造する試みが行われてきましたが、これらの試みは達成が困難でした。

天然黒鉛と人造黒鉛はどちらも数千枚のグラフェンシートで積み重ねられています。このグラフェンシートは、内層では熱伝導性、電気伝導性、音響透過性に優れていますが、中間層ではその性能が弱くなっています。これにより、層内および層間の熱伝導率の異方性比が 100 ～ 450 倍になります [1]。メーカーは、熱伝達におけるグラファイトの特殊な異方性を利用して、表面接触温度を下げ、熱に敏感なデバイスを加熱デバイスの影響から保護します。アルミニウムや銅などの金属材料は、どの方向でも同じ熱伝導率を持っています。このため、金属表面の片面に加えられた熱は材料の反対側にすぐに伝わるため、これらの用途にはあまり適していません。

グラファイトの現状動向

タブレット、ラップトップ、VR / AR メガネ、OLED TV 画面、セットトップ ボックス、一部の携帯電話などの一部の用途では、厚さ 40 ～ 1000 ミクロンの天然グラファイトが依然として使用されています。携帯電話、タブレット、ラップトップが薄型化する傾向にあるため、これらの製品の多くは人造グラファイトに変わりつつあります。業界は、これらの用途に必要な合成グラファイトの厚さを、17 ミクロン、25 ミクロン、32 ミクロン、40 ミクロン、50 ミクロンなどの厚さに急速に標準化しました。機器の性能がますます強力になっているため、単層の人造黒鉛では熱設計を満たすのに十分な熱を伝達できないことが多く、天然黒鉛を使用するための十分な厚さのスペースがありません。この問題を解決するために、従来はグラファイトを2層以上複合した厚さ5μmのフィルムを使用する方法がとられていました。これにより、ラジエーターは天然グラファイトよりも薄いにもかかわらず、高い熱伝導率を維持することができます。すべてのデバイスが熱管理にこの多層複合スキームを使用すると、その欠点が強調されます。 1つ目は原材料のコストです。その性質上、合成グラファイト自体は比較的高価で、高度にカスタマイズされた合成材料です。この材料を4層、5層、さらには6層複合するには、多層接着フィルムを同時に使用する必要があり、この方法はコスト的に現実的ではありません。第二に、複雑な複合プロセスにより歩留まりが低下します。最も重要な問題は、各ロールのスプライス数を増やすことです。すべてのロールは、たとえそれが 1 つのロールの端からもう 1 つのロールの端までであっても、多かれ少なかれさまざまな程度で接合されます。多層グラファイトと接着フィルム材料のロールを作成すると、単層材料よりもはるかに多くの継ぎ目が生じます。どの基板でも 1 つの継ぎ目があると、多層材料全体に新しい接合が生じます。部品をダイカットする必要がある場合、これらの継ぎ目を除去するか廃棄する必要があります。これらの継ぎ目は製品の品​​質には影響しませんが、コストと生産に大きな影響を与えます。層間のしわや気泡もよく見られ、歩留まりが低下する可能性があります。最後の問題は、多層複合材料が熱伝導率の低いプラスチックや接着剤によって接着および積層されていることです。最終製品を厚くすることに加えて、これらの材料の各層は熱抵抗を増加させ、グラファイト層間のスムーズな熱伝達を妨げます。

高性能の単層厚グラファイト ソリューション

このプロジェクトは、多層人造黒鉛の問題を解決することです。天然黒鉛よりも薄いことに基づいて、人造黒鉛の熱伝導性も備えています。この方式は、多層人造黒鉛の期待される性能を備えているだけでなく、単層方式のコスト上の利点も備えています。このまったく新しい高性能の単層厚グラファイト製品が市場に投入されました。現在、厚さは70μmから300μmの間、熱伝導率は750W/m・Kから1200W/m・Kの間です。この製品が最初に使用される消費者製品は、スマートフォン、ラップトップ、VR / ARグラスです。

結論

グラファイトラジエーターは、軽量かつ薄型の設計要素を備えたハイエンド家庭用電子機器の標準的な熱管理材料となっています。単層合成グラファイトは、ほとんどのハイエンド デバイスの標準ソリューションでしたが、一部のデバイスでは現在、多層材料ソリューションが必要です。多層グラファイト材料の製造は高価で複雑です。この問題を解決するために、新しい種類の高性能な単層厚グラファイト製品が開発されました。この材料は、多層人造黒鉛のコストと歩留まりの問題を回避できます。