Jika Anda pernah memegang ponsel cerdas yang terasa lebih dingin dibandingkan model baru selama sesi bermain game selama satu jam, atau laptop gaming yang tidak terdengar seperti mesin jet yang menyala di tengah pertandingan, Anda mungkin mendapat manfaat dari film grafit—salah satu bahan manajemen termal paling serbaguna di pasaran. Sebagai pemasok film grafit, saya selalu ditanyai pertanyaan ini oleh para insinyur, perancang produk, dan bahkan penghobi yang penasaran: Bagaimana tepatnya lembaran karbon tipis dan fleksibel ini menghantarkan panas jauh lebih baik daripada bahan umum lainnya? Tentu saja ini bukan sihir—ini murni ilmu karbon, dan setelah Anda menguraikannya, hal ini sangat masuk akal. Mari kita telusuri struktur molekul, fisika transfer termal, dan mengapa film grafit menjadi solusi tepat untuk segala hal mulai dari baterai EV hingga headphone kelas atas.
Pertama, mari kita mulai dengan apa sebenarnya grafit, karena di sanalah semua keajaiban penghantar panas berada. Kebanyakan orang mengenal grafit sebagai bahan pembuat pensil, tapi itu adalah campuran tanah liat grafit dan bahan pengikat yang sangat padat, bukan grafit murni yang digunakan untuk aplikasi termal. Grafit asli adalah suatu bentuk karbon yang secara alami menyusun dirinya menjadi kisi sarang lebah heksagonal, seperti selembar kawat ayam, dengan setiap atom karbon terikat erat pada tiga atom karbon tetangganya. Ini disebut lapisan graphene—lembar karbon setebal satu atom yang merupakan salah satu konduktor panas terbaik yang dikenal manusia. Saat Anda menumpuk jutaan lapisan graphene ini di atas satu sama lain, dengan gaya van der Waals yang lemah menyatukannya, Anda akan mendapatkan grafit massal. Namun untuk penggunaan termal, kami mengambil struktur alami tersebut dan menyempurnakannya untuk membuat berbagai jenis film grafit, masing-masing disesuaikan dengan kasus penggunaan tertentu. Misalnya, milik kitaFilm nanografitterbuat dari serpihan graphene yang lebih kecil dan berukuran lebih seragam, yang memberikan konduktivitas termal dalam bidang yang luar biasa namun tetap tipis dan cukup fleksibel untuk dimasukkan ke dalam ruang sempit.
Sekarang, kunci kekuatan super penghantar panas grafit terletak pada kisi heksagonal dan bagaimana panas bergerak melaluinya. Panas pada dasarnya adalah getaran atom dan molekul—ketika suatu bahan menjadi panas, atom-atomnya berguncang lebih cepat, dan energi tersebut perlu ditransfer ke atom-atom di sekitarnya agar dapat menyebar. Pada sebagian besar material, perpindahan tersebut lambat karena ikatan atom tidak beraturan atau berantakan, sehingga menciptakan “titik hamburan” di mana energi getaran hilang. Ambil contoh logam: tembaga adalah konduktor yang baik, namun struktur atomnya tidak seragam sempurna, sehingga sebagian energi panas hilang sebagai hambatan listrik atau gelombang suara alih-alih bergerak melalui material. Namun, struktur dalam bidang grafit hampir tertata sempurna. Ikatan karbon-karbon kovalen yang kuat pada lapisan graphene berarti bahwa getaran (disebut fonon, bagi para ahli fisika) bergerak hampir tanpa hambatan di sepanjang bidang lembaran grafit. Ini seperti jalan raya tanpa rambu berhenti atau lampu lalu lintas—panas dapat menyebar ke arah dalam pesawat dengan kecepatan hingga 2.000 W/m·K, yang jauh lebih tinggi daripada tembaga yang sekitar 401 W/m·K. Itu sebabnya film grafit sangat efektif dalam menyebarkan panas secara merata ke seluruh permukaan, dibandingkan membiarkannya berkumpul di titik panas.
Di sinilah yang menjadi lebih menarik: konduktivitas termal grafit sangat anisotropik, yang merupakan cara yang bagus untuk mengatakan bahwa grafit menghantarkan panas dengan sangat baik di satu arah tetapi buruk di arah lain. Arah dalam bidang (sepanjang lapisan graphene) adalah tempat semua pergerakan fonon terjadi, tetapi arah bidang tembus (tegak lurus terhadap lapisan) adalah tempat gaya van der Waals yang lemah menyatukan lembaran graphene, dan gaya tersebut jauh lebih lemah, sehingga fonon berhamburan terus-menerus. Artinya, panas tidak mudah berpindah secara vertikal melalui lembaran film grafit, yang sebenarnya merupakan fitur, bukan bug. Untuk sebagian besar aplikasi, Anda ingin menarik panas dari hotspot kecil (seperti prosesor ponsel) dan menyebarkannya ke permukaan yang luas untuk menghilangkannya, daripada membiarkannya langsung meresap ke dalam perangkat. KitaFilm Grafit Penghilang Panasdirancang untuk memperkuat efek anisotropik ini, dengan rasio konduktivitas dalam bidang ke bidang tembus 5:1 atau lebih tinggi, sehingga ideal untuk perangkat tipis yang memerlukan ruang sangat terbatas.
Tentu saja, tidak semua film grafit diciptakan sama. Selama bertahun-tahun, kami telah mengembangkan varian khusus untuk memenuhi kebutuhan unik berbagai industri, yang masing-masing dibangun berdasarkan struktur kisi graphene inti. Untuk aplikasi yang memerlukan konduktivitas termal dan stabilitas mekanis yang tinggi, kamiFilm Grafit Kompositmenggabungkan grafit murni dengan sejumlah kecil pengisi polimer atau keramik, yang menambah daya tahan dan ketahanan terhadap tekukan tanpa mengorbankan perpindahan panas. Ini sempurna untuk ponsel pintar yang dapat dilipat, karena layar fleksibelnya memerlukan solusi termal yang tidak akan retak atau mengelupas setelah ribuan lipatan. Untuk aplikasi berdaya lebih tinggi, seperti paket baterai kendaraan listrik atau CPU server, kami telah membuatFilm Grafit Komposit Multi-Lapisan, yang menumpuk beberapa lapisan grafit dengan perekat tipis di antaranya. Perekat dirancang untuk tidak menghalangi transfer fonon, sehingga Anda mendapatkan gabungan konduktivitas tinggi dari beberapa lapisan tanpa kehilangan panas seperti yang diharapkan dari perekat biasa.
Saya sering ditanya mengapa kami menggunakan film grafit dan bukan kertas grafit biasa atau grafit curah. Perbedaannya terletak pada ukuran butir dan keselarasan. Saat Anda memproses grafit menjadi film tipis, Anda dapat menyelaraskan lapisan graphene dengan sempurna selama produksi, sehingga memaksimalkan konduktivitas termal dalam bidang. Jika Anda hanya menekan grafit massal ke dalam lembaran, lapisan graphene akan berorientasi secara acak, sehingga perpindahan panas menjadi jauh lebih tidak merata. KitaFilm Tipis Grafit, misalnya, tebalnya hanya beberapa mikron, dengan lapisan grafena disejajarkan dalam jarak 0,5 derajat satu sama lain, sehingga menghasilkan konduktivitas dalam bidang lebih dari 1.800 W/m·K—hampir sama tingginya dengan grafena sintetik murni itu sendiri. Performa seperti itulah yang Anda perlukan untuk kartu grafis kelas atas, di mana penurunan konduktivitas termal sebesar 10% pun dapat menyebabkan pelambatan dan penurunan performa.
Mari kita bicara tentang contoh dunia nyata untuk membuat hal ini menjadi nyata. Beberapa bulan lalu, kami bekerja sama dengan sebuah startup yang mengembangkan pengisi daya portabel ringkas dengan chip pengisian cepat 45W. Desain aslinya menggunakan pendingin tembaga, namun ukurannya terlalu besar, dan pengisi daya menjadi sangat panas sehingga tidak nyaman untuk dipegang. Saat mereka menukar Film Grafit Penghilang Panas kami, mereka mampu mengurangi ukuran unit pendingin sebesar 60% dan mengurangi suhu permukaan perangkat sebesar 12 derajat Celcius. Mengapa? Tembaga hanya menyebarkan panas beberapa milimeter dari chip, namun lapisan grafit menyebarkan panas yang sama ke seluruh permukaan atas pengisi daya, sehingga dapat menghilang ke udara lebih cepat. Itulah sifat anisotropik yang bekerja—panas bergerak sepanjang grafit, bukan melewatinya, sehingga panas menyebar, bukan terkonsentrasi.
Pertanyaan umum lainnya: bagaimana film grafit dibandingkan dengan bahan termal lainnya seperti pasta termal, bahan pengubah fasa, atau pipa panas? Pasta termal bekerja dengan mengisi celah di antara dua permukaan, namun hanya memiliki konduktivitas sedang (sekitar 8 W/m·K) dan dapat mengering seiring waktu, sehingga kehilangan performa. Pipa panas sangat bagus untuk aplikasi berdaya tinggi, namun ukurannya besar, rapuh, dan tidak dapat digunakan di ruangan yang sangat kecil seperti jam tangan pintar atau earbud nirkabel. Film grafit tipis, fleksibel, ringan, dan memiliki konduktivitas jauh lebih tinggi dibandingkan pasta. Satu-satunya kelemahannya adalah ia tidak begitu baik dalam memindahkan panas melintasi celah, jadi Anda biasanya memasangkannya dengan sedikit perekat termal untuk membuat bahan antarmuka termal (TIM) yang lengkap.
Sekarang, mari masuk ke sisi produksi, karena di sanalah kami menyempurnakan grafit dari bentuk mentahnya menjadi film berperforma tinggi yang diandalkan pelanggan kami. Prosesnya dimulai dengan poliakrilonitril sintetik (PAN) atau serpihan grafit alami. Kami memurnikan bahan mentah untuk menghilangkan kotoran seperti belerang dan ion logam, yang akan menciptakan titik hamburan fonon dan mengurangi konduktivitas. Selanjutnya, kami memperluas grafit pada suhu tinggi, yang memisahkan lapisan graphene. Kami kemudian memproses grafit yang diperluas menjadi bubur, menuangkannya menjadi lembaran tipis, dan mengompresnya di bawah tekanan tinggi untuk menyelaraskan lapisan graphene. Untuk film nanografit, kami menggunakan serpihan yang lebih kecil dan seragam untuk mendapatkan keselarasan yang lebih baik, sementara film multi-lapisan kami menambahkan langkah kompresi sekunder untuk memastikan lapisan-lapisan tersebut ditumpuk dengan sempurna. Setiap batch diuji konduktivitas termal, ketebalan, dan fleksibilitasnya untuk memastikannya memenuhi standar ketat kami.
Sebagai pemasok film grafit, saya telah melihat bagaimana bahan ini berkembang selama dekade terakhir. Sepuluh tahun yang lalu, film grafit sebagian besar digunakan pada ponsel pintar dan perangkat elektronik konsumen skala kecil, namun sekarang film ini digunakan dalam segala hal mulai dari manajemen termal baterai kendaraan listrik hingga pencahayaan LED, perangkat medis seperti mesin MRI, dan bahkan komponen satelit. Permintaan akan solusi termal yang lebih baik, lebih kecil, dan lebih ringan akan terus meningkat seiring dengan semakin kuat dan tipisnya perangkat, dan film grafit berada pada posisi yang tepat untuk memenuhi permintaan tersebut.
Jika Anda seorang insinyur atau desainer produk yang mengerjakan proyek yang memerlukan kinerja termal lebih baik, saya mendorong Anda untuk menghubungi tim kami untuk mendiskusikan kebutuhan spesifik Anda. Baik Anda memerlukan film tipis untuk perangkat yang dapat dilipat, komposit multilapis untuk baterai berdaya tinggi, atau lembaran berukuran khusus untuk aplikasi medis, kami dapat membantu Anda menemukan solusi film grafit yang tepat. Kami bekerja dengan pelanggan di berbagai industri, dan kami selalu dengan senang hati menguji kumpulan sampel untuk memastikan film kami sesuai dengan kebutuhan Anda. Jangan ragu untuk menghubungi tim kami untuk memulai proyek manajemen termal Anda berikutnya—kami siap membantu Anda membuat produk yang bekerja lebih dingin, bertahan lebih lama, dan berperforma lebih baik.
Referensi
- Balandin, AA (2011). Sifat termal bahan karbon graphene dan berstrukturnano.Bahan Alam, 10(8), 569-581.
- Zhang, Y., dkk. (2018). Konduktivitas termal anisotropik dari film grafit berorientasi tinggi.Karbon, 134, 242-250.
- Moore, AL, & Shi, L. (2014). Tantangan dan material yang muncul untuk manajemen termal elektronik.Bahan Hari Ini, 17(4), 163-174.
- Liu, J., dkk. (2020). Film grafit komposit untuk aplikasi manajemen termal: Tinjauan.Jurnal Ilmu Material: Material dalam Elektronika, 31(24), 21357-21378.
