石墨烯於行動裝置熱管理的發展與未來趨勢

 

刊登日期:2016/10/5
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石墨烯因在各領域具備相當優異之性質與應用潛力,現已成為奈米科技中最重要的新型材料。但石墨烯發展至今,仍受限於其高昂的價格,使得石墨烯散熱材料的應用仍侷限於實驗室研究階段,無法進入產業應用範疇。現有人工石墨紙之平面熱傳導係數可達 1,600 W/m·K,並具備可撓曲及優異的導電特性而廣受多數 3C產業青睞,但其繁瑣的加工條件與規格,正是石墨烯可切入市場的關鍵因素。本文將以材料觀點來論述石墨烯在散熱應用上之發展,並介紹紡織所目前在相關領域研究之成果。




圖二、石墨晶體結構排列示意圖

 
行動裝置所面臨的難題
隨著行動裝置應用趨向娛樂精緻化之需求,舉凡互動式影像、2K高畫質影像輸出、虛擬實境以及擴充實境等影音娛樂需求,皆必須配備高效能處理晶片,以維持其軟硬體的運作順暢性。為了解決行動裝置晶片在運算效能提升所帶來的發熱問題,除了運算晶片多核心化及電晶體奈米化以降低其能耗外,如何有效提升行動裝置的散熱效率,是目前業界急需解決的難題之一,如常見的智慧型手機、智慧型手錶、平板電腦,以及逐漸式微的筆記型電腦與掌上型遊樂器等皆如此。

解決行動裝置過熱的情形,各家業者對於該產品的處理方法不外乎是強化其內部散熱模組的散熱效率,例如使用人工石墨紙、柔性石墨片、熱導管、散熱塗料,或以銅箔、鋁箔等均溫片貼合在發熱元件上,以提升其散熱效果。
 
石墨烯的崛起與全球發展現況
2004年由英國曼徹斯特大學的安德烈海姆與康斯坦丁.諾沃肖洛夫以物理剝離法簡易製備出石墨烯,並證明石墨烯能穩定存在於自然界中,進而於 2010年獲得諾貝爾物理獎後,石墨烯開始嶄露頭角,並掀起一股科學界對石墨烯合成及相關應用的研究熱潮。因具備優異的物理與化學特性,石墨烯被廣泛應用於各種技術領域及產品開發中。

由於石墨烯是一具有二維特徵結構之材料,判斷石墨烯的規格指標,多以其片徑、層數、比表面積或含氧量高低來進行判讀,因此在國際尚未制定石墨烯的材料驗證標準規範前,石墨烯的市售品並無一致性的統一規格。2014國際碳年會編輯會議上,所有與會專家學者就石墨烯的規格定義作出一較明確的規範,供國際學界與產業界作為參考。




圖三、石墨烯量產製程方法分析

 
石墨烯於熱管理應用之挑戰
石墨烯與膨脹石墨、天然石墨或鱗片石墨等相似結構的導熱材料比較,其價格與生產成本仍舊差異過大,雖然石墨烯在先天上即具備更優異之性能,但除了有效降低其生產成本外,還必須因應石墨烯的產品特色,做正確的應用,才是石墨烯材料當前的挑戰。一般常見的石墨粉體厚度約在數十微米之間,在未來持續輕薄化的規格需求下,目前業界常用的石墨材料必定受到相當多的限制,因此石墨烯除了較其他石墨材料具備更高的熱傳導性能以外,還具備了薄型化的最大優勢:能在更薄的尺寸規格下,達到更優異的散熱效果,是未來石墨烯能夠挑戰既有市場的最大利器。
 
石墨烯散熱應用的趨勢
目前台灣投入石墨烯生產與應用技術的廠商,以紡織所、安固強與安炬等三家企業為主要生產與應用廠商。綜觀三家廠商之現有產能估算,台灣每年石墨烯粉體生產量可達……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
作者:林勃汎 / 紡織產業綜合研究所
★本文節錄自「工業材料雜誌」358期,更多資料請見下方附檔。


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