다이아몬드 열 분산기란?
다이아몬드 열 분산기는 열을 발산하는 데 사용되는 얇은(일반적으로 ≤2mm) 합성 다이아몬드(또는 랩 다이아몬드) 시트입니다. 일반적으로 열원과 방열판 사이에 놓입니다.
다이아몬드는 일반적으로 열 관리, 특히 전자 장치에서 열을 제어하는 데 사용되는 재료 및 기술과 관련이 없습니다.
하지만 다이아몬드는 영원할 뿐만 아니라 특수 고성능 전자 장비에서 잠재적으로 손상을 줄 수 있는 열을 발산하는 데 사용되는 놀라운 열 전도체이기도 합니다.
많은 전자 부품은 작동할 때 뜨거워지는데, 이 열을 제거해야 부품 성능과 수명을 유지할 수 있습니다. 열은 전자 부품의 속성에 변화를 주어 효율을 떨어뜨리고 시간이 지남에 따라 손상을 일으킬 수도 있습니다. 열 관리는 부품에서 열을 제거하는 과학입니다.
일반적으로 다이아몬드는 그 단단함으로 유명하지만, 열 분산기에서의 다이아몬드 사용이 빠르게 증가하는 데 핵심적 역할을 한 것은 또 다른 두 가지 특성인 전기적 특성과 열 전도성입니다.
구리나 SiC보다 우수한 뛰어난 도체
재료에서 열을 이동시키는 능력은 열전도율로 측정됩니다. 일반적으로 열전도율은 미터켈빈 당 와트(W/mK)로 측정합니다. 전도율 값이 1W/mK인 재료는 1미터 두께를 가로질러 켈빈(또는 섭씨) 온도 차이 1도당 1와트의 비율로 열을 전달합니다.
일반적으로 전자 부품에서 열을 제거할 때는 구리가 사용됩니다. 열전도율이 약 400W/mK이므로 많은 분야에 적합합니다. 그러나 구리는 무겁고 쉽게 변색되고 부식될 수 있습니다. 마이크로일렉트로닉스, 혹독한 환경, 1그램이 차이를 만드는 항공우주 분야에서는 열 관리에 적합한 재료가 아닙니다. 마지막으로 구리는 전기가 잘 통하므로, 전자 장치 열 관리에 사용할 경우 엔지니어링 문제가 발생할 수 있습니다.
다이아몬드는 일반적인 탄소의 결정 배열입니다. 1,500-2,200W/mK로 모든 재료 중 가장 높은 열전도율을 가지며, 구리의 약 5배입니다. 다이아몬드는 어떻게 열을 그렇게 잘 전도할까요? 그 해답은 구조에 있습니다.
다이아몬드의 구조 다이어그램.
다이아몬드는 입방 결정 구조입니다. 각 탄소 원자가 다른 4개의 탄소 원자와 공유 결합되어 사면체(피라미드 형상)를 형성합니다. 이 구조에는 자유 전자가 없으므로 다이아몬드는 전기를 전도하지 않습니다. 구리와 같은 일반적인 열 전도체는 자유 전자를 가지고 있어 전기 전도성이 매우 높습니다. 이러한 전도체는 열 전달을 위해 주변 전자를 활용할 수 있습니다. 다이아몬드는 전기 전도성이 없기 때문에 열은 원자 진동을 통해서만 전달됩니다. 다이아몬드의 단단한 연속 결정 구조 덕분에 이러한 진동이 다이아몬드 조각을 통해 매우 빠르게 이동할 수 있습니다. 그리고 이러한 이동이 빠른 열 전도를 일으킵니다.
순도는 다이아몬드 열전도율의 핵심 요인입니다. 다이아몬드의 불순물은 격자 진동의 확산을 늦추거나 방해하여 열 전도 효율을 떨어뜨릴 수 있습니다. (일부 불순물은 다이아몬드의 주요 특성을 바꿀 수도 있습니다. 예를 들어, 천연 블루 다이아몬드에는 반도체를 만드는 붕소가 포함되어 있습니다.)
다이아몬드의 결정 구조는 또한 산, 염기, 산화제 및 기타 화학 물질에 매우 강합니다. 다이아몬드는 알려진 재료 중 가장 단단한 자연 발생 물질입니다. (더 단단한 특수 인공 재료도 있지만, 다이아몬드의 다른 고유한 특성은 없습니다.)
다이아몬드는 고성능 마이크로일렉트로닉스 분야의 열 관리에 적합한 재료입니다. 다이아몬드 열 분산기는 구리나 알루미늄보다 열을 훨씬 잘 전달하고, 전기 전도성이 없으며, 가볍고, 부식에 강하며, 내구성이 매우 뛰어납니다.
구리, 알루미늄 또는 SiC 대신 다이아몬드를 사용하는 이유
구리, 알루미늄 또는 SiC와 같은 다른 재료 대신 열 전도체로 다이아몬드를 사용하는 데에는 여러 가지 이유가 있습니다.
열전도율: 다이아몬드의 열전도율은 알려진 재료 중 가장 높은 수준인 1,500-2,200W/mK입니다. 구리의 열전도율은 400W/mK, 알루미늄의 열전도율은 220W/mK입니다.
열 안정성: 다이아몬드는 다른 온도에서 크게 팽창하거나 수축하지 않고 광범위한 온도 범위에서 매우 안정적인 상태를 유지합니다. 또한 광범위한 온도 범위에서 열전도율도 유지합니다. 이 두 가지 특성은 공간을 확보하기 어려운 마이크로일렉트로닉스에서 핵심적인 역할을 합니다.
3. 내부식성: 다이아몬드는 강산, 염기, 심지어 유기 용매에도 견디는 내성이 있습니다.
4. 전기 전도성: 다이아몬드는 전기를 전도하지 않아 매우 좋은 절연체입니다.
5. 내구성: 다이아몬드는 알려진 재료 중 가장 단단합니다.
6. 경량: 다이아몬드는 구리와 같은 다른 일반적인 열전도 재료에 비해 가볍습니다.
7. 투명도: 다이아몬드는 투명할 수 있습니다.
다이아몬드 열 분산기 제작 방법
다이아몬드 열 분산기는 다른 합성 다이아몬드 재료와 마찬가지로 제작됩니다. 강력한 마이크로파가 메탄 가스를 폭발시켜 다이아몬드 시드 층 주위에서 결정화되는 탄소 원자를 방출합니다. 다이아몬드 웨이퍼는 시간이 지남에 따라 천천히 성장합니다. 다이아몬드 열 분산기는 여러 모양과 크기로 만들 수 있지만 일반적으로 두께가 2mm 이하입니다. 대부분은 불투명하고 검은색이지만 필요에 따라 투명하게 만들 수 있습니다. 다이아몬드 열 분산기는 강력한 레이저 또는 다이아몬드 표면이 있는 다른 절단 도구를 사용하여 절단하고 정형합니다.
다이아몬드 열 분산기는 어디에서 사용됩니까?
다이아몬드 열 분산기는 엔지니어가 고효율, 경량, 고내구성, 절연 열 전도체를 필요로 하는 모든 곳에서 사용됩니다. 다이아몬드 열 분산기는 대개 데이터 센터 내의 고성능 컴퓨팅, LED 조명 시스템, 전기 자동차, 무선 주파수(RF) 송신기, 고출력 레이저에 사용됩니다.
또한 특히 위성이나 비행기의 마이크로일렉트로닉스와 같이 극한의 조건을 견뎌야 하는 장비에 유용합니다. 가볍고, 내구성이 뛰어나며, 절연성이 있고, 극한의 온도에서도 열을 전달할 수 있기 때문에 많은 항공우주 분야에서도 적합합니다.
다이아몬드 열 분산기는 일반적으로 열이 발생하는 전자 부품과 SiC, 구리 또는 알루미늄과 같은 다른 재료로 만든 더 큰 패시브 라디에이터 사이에 배치됩니다. 전자 장치에서 열 에너지를 이러한 더 큰 패시브 또는 액티브 라디에이터로 빠르게 이전해 완전히 발산할 수 있습니다.
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