흑연패드 (vertical graphite) 원리 및 적용법 + 최신연구 근황

흑연패드 (vertical graphite pro) 열전도율 기본원리에 관한 글입니다.

여러사람들이 서멀패드 그냥 싼거 고체물질 쓰는거라서 성능이 떨어지는거 아니냐? 흑연패드는 뭐가 다르길래 전도율이 좋다는거냐? 시간이 지날수록 왜 좋아지냐? 질문들이 많아지는걸 보고 간단하게 원리를 공유해볼까 합니다.

여기서 나오는 원리들 중 반은 팩트 (논문+히타치 보고서) 반은 뇌피셜입니다.
뇌피셜이지만...재료 전공자니 대충 믿어 주시면 감사하겠습니다 ㅎㅎ;;

흑연, 그라파이트 (graphite)의 열전도원리
vertical graphite의 구조 (왜 흑연패드가 열전도율이 좋을까?_히타치 보고서)
흑연패드가 시간이 지나면 효과가 좋아지는 이유 (뇌피셜 소개)
최신 그래핀 서멀패드 근황 (논문소개)

예전 글에서 설명드렸던 열전도율 설명 링크

서멀 구리스 원리

서멀 구리스의 원리, 내부 성분 분석

이 글은 서멀구리스 (thermal grease) 기본 원 및 내부 성분에 대한 글입니다. 참고한 글을 표시해 두었으니 관심 있으신 분들은 찾아보시면 좋을듯 합니다. 서멀, 써멀, 구리스, 그리스 ...뭐가 맞는

tteggu.tistory.com

흑연 ,그라파이트(graphite)의 열전도 원리

포인트는 자유전자, 판상결정구조

열전도율은
1. 결정구조일수록 (고체구조(포논)가 열전달)
2. 전기전도율이 좋을 수록(자유전자가 열전달)

좋아집니다.

여기서 그라파이트의 경우는 어떻게 될까요?
그라파이트, 흑연은 판상의 결정립을 가집니다.
탄소(carbon) 육방 결정립이 수평으로 강하게 결합되어(공유결합) 있고, 수직 방향으로는 반데르발스 힘으로 약하게 결합되어 있습니다.

열전도율 1번 (포논) 으로 접근하자면 수평방향으로 열전도율이 더 좋겠죠.

그런데 열전도율 2번(자유전자)로 접근해도 그라파이트의 수평 열전도율이 비약적으로 더 좋아지게 되는것이 설명됩니다. 자유전자의 모빌리티(이동도)가 수평방향이 압도적으로 좋기 때문인데요. 간단하게 설명하자면 그라파이트의 수평방향은 카본의 파이결합에 속한 전자가 delocalization에 의해 수평방향으로 공유되어, 수평방향으로 자유전자가 됩니다. 대신 수직방향으로는 파이결합의 공유가 일어나지 않기 때문에 전기 전도율이 개똥망이 되죠.

약간 이야기가 옆길로 새지만, 이 그라파이트를 한층 수평방향 분리한게 그라핀(graphene) 입니다. 한층만 분리할 수 있다면, 양자효과로 페르미 충돌이 억제되어 수평방향 모빌리티가 이론상 거의 무제한이 되어버립니다. 실제로는 2000~3000 정도의 값을 가지는데 금속의 수십배 전도율이죠.

그라파이트는 수평 결정립이 잘 유지가 된다면, 나름 수평방향으로 준수한 전기 전도율을 보입니다. 그래핀을 수평방향 접합 시켰을때 좋은 전기전도율을 보인 경우들도 있죠.

(그래서 그냥 연필심도 전기 전도율을 가집니다, 수평배열이 중간중간 끊기고 방향배열도 제각각이라 전도율이 엄청 좋지는 않지만요)

전기전도율과 열전도율은 꽤나 비례관계에 있기 때문에, 수평 전기전도율이 좋은 그라파이트가 수평방향으로도 좋은 열전도율 또한 가지게 됩니다.

Vertical graphite의 구조 (히타치 보고서)

vertical graphite의 구조 (왜 흑연패드가 열전도율이 좋을까?_히타치 보고서)

위 구조가 바로 vertical graphite 서멀패드의 내부구조를 나타냅니다. 4번째 구조(structure D)가 열전도율은 제일 좋겠지만, 아마 판매제품들은 3번째 구조 Structure C에 가깝지 않을까 추측해봅니다.

흑연 결정상의 SEM 이미지이고 결정구조를 나타냅니다. 탄소가 육방결정립으로 판상의 형태로 적측되어 있습니다. 요 흑연 결정을 쪼개서 수직으로 세운것이 수직배향구조, vertical graphite 흑연패드입니다.

이 그래프를 보면 실제 판매되고 있는 Vertical graphite PRO가 어느정도 위치에 있는지 알 수 있죠. C~D구조의 사이쯤...90W/mK 값을 가집니다.

수직배향 Vertical graphite를 만드는 방법입니다. graphite paper를 판상으로 샤샤샥 여러장 붙이고 방향을 바꾸어 절단해주게 되면(빨간색 점선) vertical graphite흑연패드가 만들어지게 됩니다.

이런 구조에서는 결정구조로 포논과 자유전자가 수직으로 이동가능한 구조가 되면서, 수직 열전도율이 좋아지게 됩니다.

히타치 보고서에도 요런식으로 만들어서 이것 저것 실험해서 인터넷에서 보실수 있구요.
이건 상당히 고전적인? 방식이고 최근 논문들에서는 좀 더 다양한 방식으로 그래핀 종이(graphene paper)를 활용하여 열전도율이...엄청난 서멀패드들을 만들내고 있습니다....수치상 30000W/mK인데.... 이거 맞나? 사실상 cpu를 구리로 녹여 접합한 것보다 더 좋은 열전도율을 보이고 있습니다...맞나?..ㄷㄷㄷ

흑연패드가 시간이 지나면 효과가 좋아지는 이유(뇌피셜 소개)

흑연패드가 시간이 지나면 효과가 좋아지는 이유 (뇌피셜 소개)

뇌피셜입니다:
1. 폴리머가 빈공간을 채운다!: 흑연패드 구조를 위에서 보시면 흑연을 감싸고 있는 고체물질을 고분자, 폴리머 입니다. 그런데 여기서 중요한것이 폴리머는 유리전이 온도가 매우 낮습니다. 요즘 CPU풀로드 온도인 90도 이상의 온도 정도면 충분히 폴리머를 유리전이 온도까지 상승시킬 수 있습니다. 이렇게 되면 어떻게 되냐? 폴리머가 흐물흐물해지면서 유리화(쉽게 말해 점성이 큰 액체가 됨)됩니다. 이렇게 되면 어떻게 될까요?? 바로 빈공간을 폴리머가 채우게 됩니다. 접촉이 100% 이루어 질 수 있는거죠. (물론 완전 100%까지는 아니지만 꽤 가깝게.) 폴리머가 열전도율이 안좋다 하더라고 접촉이 안된 영역의 공기보다는 훨씬 좋은 열전도체이기 때문에 열전도율이 상승할 수 밖에 없습니다.

2. 열로인한 화학결합 발생: 이건 가능성이 낮다고 보고 있습니다만,...노출되어 있는 흑연이 있을경우 끝단은 OH- 결합으로 산화되어 있을겁니다. 이러한 수산화기는 75도 이상의 온도에서 쉽게 탈수반응을 일으키면서 다른물체의 표면과 화학결합으로 이어질수 있습니다. 그렇게 되면? 당연 물리적인 결합보다 화학결합이 열전달을 더 잘 할 수 있기때문에 열전도율이 올라가게 됩니다.

1번 2번 가설이 적당히 섞여서 흑연패드 성능이 시간이 갈수록 좋아진다라고 생각하고 있습니다. ㅎㅎㅎ.

흑연패드 적용법

링크로 대체.

gall.dcinside.com/m/laptop/880129

-2021.01.10. 글수정중, 논문링크, 그림추가예정-
-2021.01.14. 아...요즘 바쁘네요....포스팅할 시간이 부족...보고서 그림이라도 추가해야 되는데..
-2021.04.07. 그림만 추가 ㅎㅎㅎㅎ...
-2021.04.12. 설명 추가!!

-아직 미완성 글입니다... 대략젹인 원리는 써놓았으니...기본원리를 아는데 무리는 없을겁니다...업데이트는 시간이나면....

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