Wetenschappers ontwikkelen efficiënte elektronicakoeling met grafeennanovlokjes

Onderzoekers hebben een film ontwikkeld die warmte goed kan geleiden door een laag grafeennanovlokjes toe te voegen. Daarmee wordt het mogelijk warmte beter af te voeren in elektronica en andere apparaten die moeilijk warmte kwijt kunnen.

Het onderzoek van de Chalmers University of Technology uit Zweden is zelfs al bijna zover uitgedacht dat een pilot om de film in productie te nemen, dichtbij is, zegt Johan Liu, een van de auteurs van het artikel. Daarmee heeft de groep vooruitgang geboekt sinds het ontdekken van een manier om grafeen beter aan te kunnen brengen op chips om zo voor koeling te zorgen.

De kwaliteit van de warmtegeleiding van de film nam flink toe als er een functionele laag met grafeennanovlokjes aan toegevoegd werd, in vergelijking met een film zonder zo'n laag. Dit komt vooral doordat de contactweerstand drastisch verlaagd wordt door de laag.

Onderzoek via simulaties van de lagen en de manier van warmteverplaatsing, toonden al aan dat het materiaal mogelijk goed zou kunnen werken om warmte te verspreiden. De functionele laag met de grafeennanovlokjes sluit de warmte als het ware in en geeft bewegingen van binnen de kristallijne structuur niet door aan de andere lagen.

De onderzoekers toonden onder andere aan dat de temperatuur op het heetste punt van een testchip met een warmte-element werkend op 1300W/cm² ongeveer 28 °C naar beneden gebracht kon worden, van 135 naar 107 graden. De grafeenfilm wordt in de chip als heatspreader gebruikt en is aan het siliciumdioxide gebonden. Als het grafeen niet in de vlokjes-vorm werd gebruikt, was het temperatuurverschil 17 graden. De vlokjes zorgden dus nog eens voor 11 graden extra koeling.

Het artikel is terug te vinden in Nature Communications.

Schematische weergave grafeenfilm op substraat. Bron: Nature Communications

Reacties (43)

[Pelkie]

Zou dit ook in de "normale" pc's gebruikt kunnen worden om bijvoorbeeld de processor te koelen? Ik neem aan dat er nog steeds enige vorm van afvoer van deze warmte aanwezig moet zijn in de vorm van een ventilator of heatsink.

[Marty007]

Ja en ja.
Dit zou meer gezien moeten worden als een soort van koelpasta zeg maar.
Het is een film tussen de chip en het koelsysteem die de hitte extreem efficiënt van het silicium naar buiten kan geleiden.
Nu is het geen vervanging van koelpasta maar het standaard heat sink je op de chips zou vele malen beter geleiden hierdoor

[Pelkie]

Nu blijkt, na enig onderzoek dat deze technologie al een tijd gebruikt wordt in koelpasta's. Niet zozeer de vlokjes maar al wel grafeen deeltjes gemengd met "normale" koelpasta

Zie hier de link over een artikel uit 2009(!) waarin al gesproken wordt over grafeen in koelpasta.
http://tweakers.net/nieuw...ciente-koelpasta-uit.html

[Verwijderd]

volgens mij bereik je daarmee nooit het effect van 28 / 17 graden reductie in temp.
volgens mij is de term heatsink een betere vergelijking hier dan koelpasta.

[haarbal]

Het is meer een heatspreader, de reductie die ze noemen is van de piektemperatuur.

Als een paar transistors het nu heel druk hebben kan de warmte door de grafeenlaag worden opgenomen, die het dan weer afgeeft aan de koelpasta en transistors in de buurt.

Dit laagje zit direct op de chip, daarna komt nog een laagje epoxy, dan pasta, dan de case, dan weer pasta en dan de koeler.

De gemiddelde temperatuur van de chip zal misschien weinig verbeteren, het moet nog steeds door de koelpasta heen, die een relatief hoge warmteweerstand heeft. Maar de reductie in piektemperatuur is zeer welkom natuurlijk.

[Reactie gewijzigd door haarbal op 24 juli 2024 14:19]

[Pelkie]

Het enige probleem wat daar dan mee zou kunnen zijn is dat grafeen zeer goed elektriciteit geleid. Dan zal de gebruiker wel extra voorzichtig moeten zijn met het aanbrengen van deze nieuwe koelpasta!

[Grrrrrene]

Is dat met die koper- en zilverhoudende pasta's anders dan? Het geleidt vast minder goed, maar nog altijd goed genoeg om de boel in de war te schoppen denk ik

[Eldunari]

Veel van de consumenten koelpasta's zijn niet geleidend. Alleen als je in de echt high end markt kijkt zie je dit terug. Dit is omdat fabriekanten van koelpasta ook niet willen dat mensen hun hardware kapot maken.
Zoals ik het begrepen heb is deze techniek niet toe te passen om koelpasta te maken, maar eerder als een soort coating rechtstreeks op de chip.

[Marty007]

Ik bedoelde dan ook dat dit meer een soort materiaal zou zijn wat de fabrikanten gebruiken als ze hun heatspreader op het silicium monteren waardoor de interne warmte overdracht drastisch verbeterd wordt.
In die zin een soort van koelpasta (was meer ter beeldvorming)
Voor de uiteindelijke montage van de externe koeler zal gewoon pasta gebruikt moeten worden uiteraard.
Maar je elimineert hiermee een zeer belangrijke schakel die ook nog wel eens te wensen overlaat (vroeger zelf nog wel eens de standaard heatsink van Intel eraf gepeuterd omdat dat stukje mijn thermische bottleneck was haha
Koelpasta is dan ook alleen bedoeld om het contact tussen 2 oppervlakken te optimaliseren. Maar bij de eerste stap ben je afhankelijk van de chipbakker tegenwoordig.
Het verschil tussen interne temperatuur van je silicium en de heatspreader zou hierdoor minimaal worden waardoor je eigen koeler domweg meer te doen zou krijgen waardoor het geheel weer beter zal gaan koelen.

[Somoghi]

Of AMD en Intel gaan dit gebruiken als "koelpasta" of beter thermisch geleidend materiaal, tussen de eigenlijke chip en de heatsink. Dit zodat de heatsink egaler warm wordt en een beter tussenstation wordt voor warmte afvoer. Dan heeft de eindgebruiker geen extra risico, maar wel de voordelen.

Wie herinnert zich nog de Intel chips die vele malen beter koeler bleven eens ze "delid" waren en intern voorzien van nieuw thermische pasta?

[Reactie gewijzigd door Somoghi op 24 juli 2024 14:19]

[poowerstore]

Ik heb er nog 1, een 3770K gedelid, toen liquid pro ertussen gedaan, wat ook electriciteit geleid trouwens, en een temp. drop van meer dan 20C

of AMD of Intel het gaat gebruiken..ik twijfel, zou wel een mooie stap zijn,
ik vroeg me af of het niet erg duur is om het te doen ..

[Reactie gewijzigd door poowerstore op 24 juli 2024 14:19]

[Luuk.vanRiel]

Zag laatst een video van linus tech tips waar ze delidding testten op een moderne Cpu. Hier was geen enkele temperatuur winst te behalen. Geloof goed dat het ooit wel nut had maar ik neem aan dat amd en Intel hun zaakjes daarmee nu wel op orde hebben, aangezien ze als maar stiller, zuiniger en koeler willen lijkt het verbeteren van de behuizing het eerste en goedkoopste wat ze dan zouden doen.

[stin00]

Enigszins offtopc maar goed:

Ik heb zelf een 4690K die ook gedelid is en hierbij is de TIM ook door Cool Laboratory Ultra vervangen. Wat Linus deed raakte echt kan noch wal, van gevaarlijk delidden tot het foutief vervangen van de stock intel TIM.

Het idee is dus dat je na het delidden alle lijm eraf haalt zodat de heatspreader directer contact maakt met de IHS. Door de stock Intel TIM te verwijderen (dat wordt gewoon machinaal met een dikke kwak erop geplempt) en te vervangen door een zeer dun laagje liquid metal (bijv. CLU/CLP of Thermal Grizzly Conductonaut) wordt de warmteoverdracht veel, véél beter/sneller/directer.

Volgens overclock.net bijvoorbeeld heeft Cool Lab. Ultra een 9x hogere warmteoverdracht dan bijvoorbeeld Arctic Silver 5. Cool lab Pro zit namelijk op 82 W/mk en AS 5 op ongeveer 9 W/mk. Het 'W/mk' staat voor het vermogen om warmte 'op te nemen' en te transporteren van plek naar plek (eenvoudige omschrijving). De speciale film laag beschreven in dit artikel doet in wezen hetzelfde.

Door dus de originele TIM te vervangen door een liquid metal is de warmteoverdracht veel efficiënter + beter waardoor er een dikke temperatuurdrop plaatsvindt. Als je bijv. een Haswell i7 (4790K) prime95 laat draaien dan zie je vaak enorm hoge temperaturen en ook een groot verschil tussen de cores; core 1 is bijv. 65 graden terwijl core 4 op 75 graden zit. Door het delidden wordt (meestal) het verschil tussen de cores ook nog veel lager.

Enfin long story short: ik had zelf ongeveer 15 tot 20 graden celcius temperatuur winst dankzij het delidden + nieuwe liquid metal aan te brengen als TIM op de IHS. Snelle en efficiënte warmteoverdracht is de sleutel

[Luuk.vanRiel]

Oké sorry dat ik bij heb gedragen aan het verspreiden van misinformatie. 20 graden is toch een vrij sicke verbetering. Geloof best dat een overclocker hier toch wel de moeite voor wil doen.

[Verwijderd]

Met het grote kritiek dat ze hier gewone koelpasta ertussen gedaan hebben ipv liquidpro.

De hele kritiek was dat Intel er gewone koelpasta tussen deed want dat was toch wel goed genoeg. met een 4690k halen mensen op Overclockers.net nog steeds 20 graden verbetering. Ik ben benieuwd naar een benchmark van een 6600k o.i.d.

[loki504]

Of moederboard fabrikanten moeten geen componenten rond op de CPU plaatsen. als je kijkt naar BV een GPU. daar moet je meestal een + en een X op de chip doen. dit is veel. Maar er it niets in de buurt om de boel kapot te maken. dus kan het geen kwaad.

[Verwijderd]

Dit is het zoveelste grafeen toepassing dat uitgevonden is maar zolang het niet geschikt is voor massaproductie zullen we hier niks van zien in consumenten producten helaas. Mocht dit wel massa geproduceerd worden dan kunnen we passief gekoelde consoles en game pc's verwachten : )

[Erasmo]

Passief gekoelde game computers zullen nog wel even op zich laten wachten, je moet de warmte immers niet alleen bij de chip maar ook uit de kast weghalen.

Dit is wellicht een van de eerste grafeen toepassingen die op korte termijn gerealiseerd kan worden aangezien je geen hele lappen nodig hebt maar alleen maar piepkleine schilfers.

[Nilltris]

Je zult de warmte nog steeds moeten afvoeren inderdaad. Ik denk dat je dit meer moet zien als vervanging van koelpasta

[Awesomehobo]

Het zal wellicht mogelijk zijn dat nieuwe generaties processoren worden uitgerust met een van deze "vlokjes"-lagen grafeen in de processor, zodat de processor zelf de hitte beter kan verspreiden en de warmte dus beter kwijt kan.

Ik verwacht echter niet dat dit een vervanging zal zijn van bijvoorbeeld een processorkoeling of koelpasta, simpelweg omdat het daar niet effectief genoeg voor is.
Een verschil van circa 28 graden lijkt wellicht veel, maar hou er rekening mee dat dit bij een temperatuur van 135 graden was. Bij een normale temperatuur (denk aan zo'n 40-50 graden) zal het verschil vele malen lager zijn, en zal het waarschijnlijk hooguit 8-10 graden schelen.

Er wordt tegenwoordig (de laatste paar jaar) veel geexperimenteerd met grafeen, voor verschillende doeleinden.
Zie bijvoorbeeld;
nieuws: Onderzoekers tonen aan dat warmte zich als golf door grafeen verspreidt
nieuws: Laagje grafeen bruikbaar gemaakt voor koeling elektronica

Dus nee, deze "nieuwe" techniek zal zeker (nog) geen vervanging zijn voor je reguliere processorkoeling, en je zal nog altijd een heatsink moeten aanschaffen hiervoor.

[Brousant]

Ik vermoed dat "nanoflakes" hier beter vertaald was geweest als "nanoschilfers" in plaats van "nanovlokken", aangezien het gaat om stukjes grafeen, dat een eendimensionale (platte) structuur heeft.

[lololig]

Hoe ziet een vlok er dan uit volgens jou? Volgens mij is een vlok iets wat bedoeld is om plat te zijn en waarvan de rand niet helemaal gedefinieerd hoeft te zijn qua vorm.
Een schilfer is iets wat ergens vanaf komt. (huidschilfers bijvoorbeeld).
Het is dus een vlokje omdat als een plat stukje is gemaakt en niet ergens vanaf gehaald is.

edit: typo

[Reactie gewijzigd door lololig op 24 juli 2024 14:19]

[Brousant]

Uit https://nl.wiktionary.org/wiki/vlok komt naar mijn mening niet naar voren dat het om een deeltje gaat dat specifiek plat is.

https://nl.wiktionary.org/wiki/schilfer lijkt me veel meer van toepassing op een stukje grafeen.

Vandale.nl geeft vergelijkbare beschrijvingen.

Op welke bron baseer je de door jou gegeven definitie van "vlok"?

[lololig]

van je wikitionary
schilfer: een vliesdun loskomend stukje materiaal

vlok: een samenhangend hoopje van sneeuw of andere lichte stof

dan is de vlok toch wat meer van toepassing, het stukje grafeen komt niet ergens van los (zoals bijvoorbeeld verf) maar is meer een samenhangend stukje materiaal (vlok)

ik bedoel bij de vlok niet dat het specifiek 2d hoeft te zijn maar wel dat de globale vorm enigszins plat is zoals bij een chocoladevlok. Die zitten misschien wel in een krul, maar de basisvorm is plat, bij een sneeuwvlok is dat ook zo. Een schilfer kan dan wel vliesdun zijn maar het moet ook ergens van los komen.

[Q-collective]

Klinkt goed, maar ook nog erg experiementeel. Betekent dit concreet dat we op relatief korte termijn ventilatorloze laptops kunnen verwachten die ietsje meer presteren dan de m3's van vandaag?

[lololig]

Niet direct natuurlijk, je moet nog steeds de warmte afvoeren, maar het zou wel kunnen zijn dat dat makkelijker wordt.

[Gelukshand]

elke verkleining van elementen die warmte afvoeren of voor verkoeling zorgen is natuurlijk winst.
van die winst moet je wel deze toevoeging van af moet trekken.

uiteindelijk kan het zo zijn dat het geen ruimte bespaard in sommige modellen.

Al denk ik dat het wel winst oplevert anders zouden ze daar ook niet mee naar buiten zijn gekomen met deze ontwikkeling.

[Dazzyreil]

Voor de mensen die niet kunnen wachten kunnen nu al diamantpoeder gebruiken werkt ook heel goed.

[Marty007]

Om verder te gaan op dit soort exotische materialen ben ik juist wel benieuwd naar de eerste carbon nanotube toepassingen.

[SinergyX]

Maar hoe zou conventionele koeling/spreaders werken bij zo'n test warmte-element? Je leest wel goed en beter, maar lijkt mij tov de niet-vlok-methode, niet zozeer tegenover de huidige methodes.

Net als in de 950XL zou ook 1 of ander heatpipe/ding/systeem zitten, maar ding wordt nog steeds behoorlijk warm als even 100% wordt gevraagd van de CPU.

[MadMarky]

Hopelijk beginnen ze bij Arctic Silver binnenkort ook een Graphene lijn met koelpasta's

[proatjeboksem]

Dus, zien we binnenkort koelpasta in potlood-vorm?
wel gaaf om te zien. En misschien zijn er nog wat andere toepassingen dan alleen electronica.

[Max Headroom]

Best wel een eng idee dat grafeen in consumenten electronica kan komen...
https://news.brown.edu/articles/2013/07/graphene

[Gelukshand]

Mooi, dan kan de koeling een stuk kleiner of helemaal verdwijnen.
Dat is toch iets wat veel ruimte inneemt.

[Marty007]

Nou je zal nog altijd een bepaalde hoeveelheid thermische energie kwijt moeten.
Dit verbeterd simpelweg de geleiding tussen chip en heatspreader zodat chips nog meer energie kunnen gebruiken zonder dat ze tegen en grens aanlopen waarbij de interne geleiding niet sterk genoeg is om die energie af te voeren naar je heatsink

[lololig]

Misschien kun je in de toekomst de behuizing dan wel gebruiken als heatsink.

[Pelkie]

Lijkt me niet handig. De behuizing zal dan namelijk zijn warmte ook naar de binnenkant kwijtraken en daardoor alle overige componenten die in die behuizing zitten opwarmen. Om die warmte dan vervolgens weer uit de behuizing te krijgen zijn weer fans nodig en dat was juist niet de bedoeling.

[lololig]

Het is ook maar een gedachte.
Maar als de behuizing nou een vorm heeft waardoor er lucht gaat stromen als die warm wordt. Of je kan dan de waterkoeling door de kast laten stromen (geïntegreerd).
Bij de huidige luchtkoeling heb je ook dat er warme lucht van het ene deel naar het andere stroomt. De kast van mijn pc wordt ook altijd helemaal warm (is ook helemaal van metaal) als ik mn pc een paar uur laat draaien.

[DohnJoe]

of je maakt een behuizing in de vorm van een Kleinfles

[itcouldbeanyone]

Valt opzich mee ten opzichte van een pasieve koeler heeft de behuizing voordelen.
Het vergroten van het oppervlakte buiten je kast doormiddel van koelribben zal dan een oplossing kunnen zijn

[brammieman]

Hè jammer... Net dat doosje met grafeenvlokjes weggegooid...