3.5.1 Không sử dụng kem tản nhiệt
để ựánh giá vai trò của kem tản nhiệt, chúng tôi tiến hành thắ nghiệm trong trường hợp không có kem tản nhiệt giữa CPU và ựế quạt tản nhiệt. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng cho ta kết quả như ựồ thị ở hình 3.8. Có thể thấy rằng khi CPU hoạt ựộng ở chế ựộ nhàn rỗi thì nhiệt ựộ CPU khá cao với giá trị 37oC.
và ựạt 85oC sau 20 giây, sau ựó máy tắnh tự ựộng ngắt vì nhiệt ựộ CPU vượt quá giới hạn cho phép. điều này cho thấy khi không sử dụng kem tản nhiệt, nhiệt ựộ CPU sẽ vượt quá giới hạn cho phép và hoạt ựộng không hiệu quả. Kết quả mô phỏng trong trường hợp không sử dụng kem tản nhiệt cho thấy nhiệt trở giữa quạt tản nhiệt và CPU là R1 = 0,81 K/W.
Hình 3.8. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ựộ của CPU khi không sử dụng kem tản nhiệt
3.5.2 Kem tản nhiệt STARS
Hình 3.9 là kết quả mô phỏng và thực nghiệm quá trình tản nhiệt cho CPU khi sử dụng kem tản nhiệt STARS. Kết quả cho thấy khi ở chế ựộ nhàn rỗi, nhiệt ựộ CPU vào khoảng 20oC, thấp hơn 17oC so với khi không sử dụng kem tản nhiệt, ựiều này ựã cho thấy vai trò của việc sử dụng kem tản nhiệt giữa CPU và ựế quạt. Ngay sau khi CPU hoạt ựộng ở chế ựộ 100% thì nhiệt ựộ của CPU tăng lên, sau 195 giây nhiệt ựộ CPU ựạt giá trị bão hòa 67oC. Như vậy máy tắnh không bị ngắt như trong trường hợp không sử dụng kem tản nhiệt. Kết quả mô phỏng kết hợp với thực nghiệm cho ta kết quả nhiệt trở của lớp kem tản nhiệt là R1 = 0,13 K/W. Giá trị R1 khi sử dụng kem STARS giảm 6,23 lần so với khi không sử dụng kem tản nhiệt.
Hình 3.9. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ựộ của CPU khi sử dụng kem tản nhiệt STARS
Kết quả mô phỏng kết hợp với thực nghiệm cho ta kết quả nhiệt trở của lớp kem tản nhiệt là R1 = 0,13 K/W. Giá trị R1 khi sử dụng kem STARS giảm 6,23 lần so với khi không sử dụng kem tản nhiệt. độ dẫn nhiệt của kem STARS ựược xác ựịnh qua công thức:
2 170( ) 0.13( / )x7cm STARS m k K W ộ = 1.87 ( / ) STARS k = W mK
3.5.3 Kem tản nhiệt STARS pha CNTs
Các kết quả nghiên cứu trước ựây của chúng tôi ựã cho thấy kem tản nhiệt khi pha 2% wt. CNTs sẽ cho kết quả tản nhiệt tốt nhất. Hình 3.10 là kết quả mô phỏng và thực nghiệm quá trình tản nhiệt cho CPU khi sử dụng kem tản nhiệt STARS / 2% CNTs.
Hình 3.10. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ựộ của CPU khi sử dụng kem tản nhiệt STARS / 2% CNTs
Kết quả cho thấy khi ở chế ựộ nhàn rỗi, nhiệt ựộ CPU vào khoảng 20oC. Ngay sau khi CPU hoạt ựộng ở chế ựộ 100% thì nhiệt ựộ của CPU tăng lên, sau 190 giây nhiệt ựộ CPU ựạt giá trị bão hòa 64oC. Như vậy nhiệt ựộ của CPU khi sử dụng kem tản nhiệt STARS / 2% CNTsgiảm ựi 3oC khi so với kem STARS không pha CNTs. Kết hợp với phương pháp mô phỏng chúng tôi xác ựịnh ựược nhiệt trở của lớp kem tản nhiệt STARS / 2% CNTs là R1 = 0,095 K/W. độ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt ựược xác ựịnh theo công thức:
/ 2 170( ) 0.095( / )x7cm CNTs STARS m k K W ộ = / 2.56 ( / ) CNTs STARS k = W mK
Như vậy với việc thêm 2% CNTs vào kem tản nhiệt STARS, ựộ dẫn nhiệt của kem tăng lên 1,37 lần.
3.5.4 Kem tản nhiệt AS5
Hình 3.11 là kết quả thực nghiệm và mô phỏng quá trình tản nhiệt cho CPU khi sử dụng kem tản nhiệt AS5.
Hình 3.11. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ựộ của CPU khi sử dụng kem tản nhiệt AS5
Kem tản nhiệt AS5 có thành phần chủ yếu là bạc nên hiệu quả tản nhiệt cao hơn so với kem tản nhiệt STARS. điều này ựược thể hiện ở nhiệt ựộ bão hòa của CPU khi hoạt ựộng ở chế ựộ 100% công suất là 55oC, thấp hơn 12oC so với kem tản nhiệt STARS. Kết quả cho thấy nhiệt trở của lớp kem là 0,027 K/W, tương ứng với ựộ dẫn nhiệt là 8,89 W/mK.
3.5.5 Kem tản nhiệt AS5 / CNTs
để nghiên cứu ảnh hưởng của CNTs ựến kem tản nhiệt, chúng tôi tiến hành thử nghiệm với mẫu kem AS5 / 2% CNTs. Hình 3.12 là kết quả thực nghiệm và mô phỏng quá trình tản nhiệt cho CPU khi sử dụng kem tản nhiệt AS5 / 2% CNTs.
Hình 3.12. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ựộ của CPU khi sử dụng kem tản nhiệt AS5 / 2% CNTs
Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy khi pha 2% CNTs trong kem tản nhiệt AS 5, nhiệt ựộ bão hòa của CPU là 53oC, giảm 2oC so với khi không sử dụng vật liệu CNTs. Nhiệt trở của lớp kem tản nhiệt là R1 = 0,015 W/mK, từ ựây có thể xác ựịnh ựược ựộ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt AS5 / 2% CNTs là :
/ 5 2 170( ) 0.015( / )x7cm CNTs AS m k K W ộ = / 5 16.2( / ) CNTs AS k = W mK
Bảng 2. Tổng kết các kết quả ựo ựạc và tắnh toán với các loại kem
Kem tản nhiệt Nhiệt trở (K/W)
độ dẫn nhiệt (W/mK)
Nhiệt ựộ bão hòa của CPU
(oC)
Nhiệt ựộ bão hòa của quạt
(oC) Không có kem 0.81 - - - STARS 0.13 1.87 66 55.7 STARS/ 2% CNTs 0.095 2.56 63 55.6 AS5 0.027 8.89 58 55.7 AS5/ 2% CNTs 0.015 16.2 56 55.6
Như vậy ựộ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt AS5/ 2% CNTs cao hơn 1,82 lần so với ựộ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt AS5 thông thường. điều này một lần nữa khẳng ựịnh hiệu quả của CNTs trong việc ứng dụng cho kem tản nhiệt.
Bảng 2 tổng kết các giá trị ựo ựạc và tắnh toán của nhiệt trở R1, ựộ dẫn nhiệt k của các loại kem tản nhiệt khác nhau. Từ bảng kết quả này chúng ta thấy ựược loại kem tản nhiệt AS5 / 2% CNTs có ựộ dẫn nhiệt cao nhất.
3.5.6 Quá trình giảm nhiệt ựộ của CPU
Chúng tôi cũng tiến hành mô phỏng và thực nghiệm quá trình giảm nhiệt ựộ của CPU khi CPU ở chế ựộ 100% công suất chuyển về chế ựộ nhàn rỗi. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm ựược mô tả trên hình 3.13 ựối với kem tản nhiệt STARS.
Hình 3.13. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ựộ của CPU trong quá trình giảm nhiệt ựộ khi sử dụng kem tản nhiệt STARS
Kết quả mô phỏng cho thấy công suất của CPU khi ở chế ựộ nhàn rỗi là 11 W, nhỏ hơn 7,6 lần công suất của CPU khi ở chế ựộ 100% công suất.
3.6 Tắnh ổn ựịnh và tuổi thọ của kem tản nhiệt
để kiểm tra tắnh ổn ựịnh của kem tản nhiệt, chúng tôi kéo dài thời gian thực nghiệm khi vi xử lý khi hoạt ựộng ở công suất 100%. Kết quả thực nghiệm
cho thấy khi môi trường ựược giữ ổn ựịnh ở 20oC thì nhiệt ựộ của vi xử lý giữ ổn ựịnh và không có hiện tượng tăng tiếp. Hình 3.14 là kết quả thực nghiệm với kem tản nhiệt STARS / 2% CNTs với thời gian kéo dài 10000 giây, trong ựồ thị này trục hoành tuân theo hàm số logarit của thời gian. Kết quả cho thấy nhiệt ựộ của vi xử lý ổn ựịnh với thời gian dài, qua ựây khẳng ựịnh ựược tắnh ổn ựịnh của kem tản nhiệt. Tuổi thọ của kem tản nhiệt ựược chúng tôi xác ựịnh bằng thực nghiệm là khoảng 2 năm. Sau thời gian này hiệu quả tản nhiệt của kem sẽ bị giảm xuống do một phần dung môi của kem bay hơi làm giảm tắnh nhớt và khả năng ựiền ựầy các khe hở giữa vi xử lý và ựế tản nhiệt.
Hình 3.14 Kết quả thực nghiệm với kem tản nhiệt STARS / 2% CNTs với thời gian kéo dài 10000 giây
3.7 Bước ựầu ứng dụng CNTs trong tản nhiệt cho LED
Với những kết quả ựã ựạt ựược ở trên, chúng tôi hướng ựến việc ứng dụng vật liệu CNTs ựể tản nhiệt cho LED công suất cao. để thực hiện ựiều này chúng tôi tiến hành hai phương pháp khác nhau :
- Phương pháp 1: Mọc trực tiếp vật liệu ống nanô cácbon ựịnh hướng (VA- CNTs) trên bề mặt ựế tản nhiệt bằng ựồng, sau ựó gắn chip LED lên bề mặt của VA-CNTs.
- Phương pháp 2: Chế tạo lớp màng VA-CNTs trên ựế Si, sau ựó chuyển lớp màng này lên bề mặt ựế tản nhiệt cho LED.
Hình 3.15a là ựế tản nhiệt bằng ựồng dùng cho LED, hình 3.15 b là ảnh SEM chụp ựế tản nhiệt sau khi ựã phủ lớp màng VA-CNTs và hình 3.15 c là ảnh SEM của lớp màng VA-CNTs. Hình 3.16 là hình ảnh chip LED ựược gắn trên ựế tản nhiệt ựã phủ lớp màng VA-CNTs. Loại chip LED ựược chúng tôi sử dụng là loại InGaN, kắch thước 0,5 mm x 0,5 mm, công suất 0.5 W.
(a) (b) (c)
Hình 3.15. Các ảnh SEM của (a) ựế tản nhiệt cho LED, (b) ựế tản nhiệt ựã ựược phủ lớp màng VA-CNTs, (c) ảnh SEM của lớp màng VA-CNTs
Hình 3.16. Hình ảnh chip LED ựược gắn trên ựế Cu
Kết quả thử nghiệm ban ựầu cho thấy khi sử dụng lớp màng VA-CNTs ựể tản nhiệt cho LED, cường ựộ dòng ựiện cực ựại qua LED ựược nâng lên ựến 500 mA, gấp hơn 2 lần so với khi không sử dụng lớp màng VA-CNTs.
Hình 3.17. Ảnh chụp ựộ sáng từ linh kiện LED với dòng ựầu vào (a) 100 mA, (b) 350 mA sử dụng màng VA-CNTs và (c) 500 mA sử dụng màng VA-CNTs
KẾT LUẬN
Các kết quả thu ựược trong quá trình thực hiện luận văn ựược thể hiện ở những nội dung chắnh sau ựây:
1. đã thử nghiệm ựưa vật liệu ống nanô cácbon (CNTs) vào kem tản nhiệt thương mai có sẵn trên thị trường (STARS và AS5) với nồng ựộ CNTs từ 1-5% wt. và ứng dụng vào tản nhiệt trong vi xử lý máy tắnh. Kết quả khảo sát cho thấy nhiệt ựộ của CPU giảm từ 2-3oC khi có thêm 2 % wt.CNTs trong kem tản nhiệt. Loại kem có ựộ dẫn nhiệt tốt nhất là kem AS5 / 2% CNTs.
2. đã xây dựng mô hình và mô phỏng quá trình tản nhiệt của vi xử lý. Kết quả mô phỏng ựã ựánh giá ựược hiệu suất tản nhiệt khi có CNTs trong kem tản nhiệt cao hơn so với khi không có kem, ựộ dẫn nhiệt của kem tăng lên 1,4 - 1,8 lần khi có thêm thành phần CNTs.
3. Bước ựầu ứng dụng lớp màng VA-CNTs trong tản nhiệt cho chip LED công suất 0,5 W. Kết quả ban ựầu cho thấy hiệu quả tản nhiệt ựược nâng cao, dòng ựiện cực ựại cung cấp cho chip LED lên tới 500 mA, cao hơn 2 lần so với khi không sử dụng lớp màng VA-CNTs.
Hướng nghiên cứu tiếp theo: Trong thời gian sắp tới, chúng tôi sẽ tiến hành chế tạo vật liệu ống nanô cácbon mọc ựịnh hướng ựể tăng khả năng tản nhiệt cho CPU. đặc biệt chúng tôi còn mở rộng những nghiên cứu ứng dụng CNTs trong tản nhiệt cho các linh kiện ựiện tử công suất lớn như LED, LASER. Trong thời gian tới chúng tôi sẽ kết hợp cùng Công ty CP Công nghệ Nhân Hòa ựể ứng dụng vật liệu CNTs ựể tản nhiệt cho các sản phẩm ựèn LED công suất cao.
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ
Các bài báo và báo cáo khoa học liên quan ựến luận văn:
1. Bui Hung Thang, Phan Ngoc Hong, Pham Van Trinh, Nguyen Van Chuc, Phan Hong Khoi and Phan Ngoc Minh, Simulation of Thermal
Dissipation in a ộ-processor Using Carbon Nanotubes Based Composite,
Computational Materials Science 49 (2010) S239ỜS241.
2. Bui Hung Thang, Phan Ngoc Hong, Pham Van Trinh, Nguyen Van Tu, Nguyen Van Chuc and Phan Ngoc Minh, Increasing thermal conductivity
of thermal paste using carbon nanotubesỢ, The 1st Academic Conference
on Natural Science for Master and Ph.D Students From Cambodia ỜLaos ỜVietnam, 23-27 March 2010.Vientiane, Lao, pp. 231-237
3. Bui Hung Thang, Phan Ngoc Hong, Pham Van Trinh, Nguyen Van Chuc, Phan Hong Khoi, Phan Ngoc Minh, The simulation and experimental results in thermal dissipation for ộ-processor using carbon nanotubes, Hội nghị Vật lý chất rắn và Khoa học Vật liệu toàn quốc, SPMS-2009. đà Nẵng, 8-10/11/2009, p. 974 Ờ 977
4. Bui Hung Thang, Phan Ngoc Hong, Phan Hong Khoi and Phan Ngoc Minh, Application of multiwall carbon nanotubes for thermal dissipation in a micro-processor, Journal of Physics: Conference Series 187 (2009) 0120151, IOP Publishing, doi:10.1088/1742-6596/187/1/012051
5. Bui Hung Thang, Cao Van Quang, Van Trong Nghia, Phan Ngoc Hong, Nguyen Van Chuc, Ngo Thi Thanh Tam, Le Dinh Quang, Dao Duc Khang, Phan Hong Khoi and Phan Ngoc Minh, Thermal Dissipation Efficiency in a Micro-Processor Using Carbon Nanotubes Based
Composite, Proceedings of the International Workshop on Advanced
Material for New and Renewable Energy, Jakarta, 9-11 June 2009, p.138- 143
Các bài báo và báo cáo khoa học khác:
1. Pham Van Trinh, Tran Bao Trung, Nguyen Ba Thang, Bui Hung Thang, Than Xuan Tinh, Le Dinh Quang, Doan Dinh Phuong, Phan Ngoc Minh,
Calculation of the friction coefcient of Cu matrix composite reinforced by
carbon nanotubes, Computational Materials Science 49 (2010) S329Ờ
2. Phan Ngoc Hong, Bui Hung Thang, Nguyen Tuan Hong, Soonil Lee and Phan Ngoc Minh, Electron field emission characteristics of carbon
nanotube on tungsten tip, Journal of Physics: Conference Series 187
(2009) 0120141, IOP Publishing, doi:10.1088/1742-6596/187/1/012041 3. Bui Hung Thang, Pham Van Trinh, Duong Ngoc Vinh, Dao Duc Khang
and Phan Ngoc Minh, Application of nano polyaniline/multi-walled
carbon nanotubes for protective paint, The 1st Academic Conference on
Natural Science for Master and Ph.D Students From Cambodia ỜLaos Ờ VietnamỢ, 23-27 March 2010.Vientiane, Lao, pp. 238-242
4. Pham Van Trinh, Bui Hung Thang, Tran Tien Dat, Duong Ngoc Vinh, Nguyen Van Tu, Phan Ngoc Minh, Chemical functionalization of multi- walled carbon nanotubes and the use of functionalized cnts in the
Fabrication of Cu/CNTs nanocomposites, The 1st Academic Conference
on Natural Science for Master and Ph.D Students From Cambodia ỜLaos ỜVietnamỢ, 23-27 March 2010.Vientiane, Lao, pp. 243-248
5. Duong Ngoc Vinh, Bui Hung Thang, Pham Van Trinh, Dao Duc Khang, Phan Ngoc Minh, Study and preparation the cnts/pani composite as
anode material for electrochemical energy source, The 1st Academic
Conference on Natural Science for Master and Ph.D Students From Cambodia ỜLaos ỜVietnamỢ, 23-27 March 2010.Vientiane, Lao, pp. 249- 251
6. Tran Tien Dat, Phan Ngoc Hong, Pham Van Trinh, Bui Hung Thang, Dang Tran Chien, Phan Ngoc Minh, Synthesis of Diamond films on
copper substrates using microwave plasma chemical vapour deposition,
The 1st Academic Conference on Natural Science for Master and Ph.D Students From Cambodia Ờ Laos Ờ VietnamỢ, 23-27 March 2010.Vientiane, Lao, pp. 333-336
7. Pham Van Trinh, Tran Bao Trung, Nguyen Ba Thang, Bui Hung Thang, Than Xuan Tinh, Doan Dinh Phuong, Nguyen Van Tich, and Phan Ngoc Minh, Mechanical properties of Cu/CNTs nanocomposite, Hội nghị Vật lý chất rắn và Khoa học Vật liệu toàn quốc, SPMS-2009. đà Nẵng, 8- 10/11/2009, p. 1074 - 1077
8. Dao Duc Khang, Bui Hung Thang, Vu Tan Canh, Duong Ngoc Vinh, Pham Thy San, Phan Ngoc Minh, Study and synthesis of protective paint
containing nano polyaniline/multi-walled carbon nanotube, Hội nghị Vật
lý chất rắn và Khoa học Vật liệu toàn quốc, SPMS-2009. đà Nẵng, 8- 10/11/2009, p. 837 - 840
9. Nguyen Van Chuc, Ngo Thi Thanh Tam, Nguyen Van Tu, Bui Hung Thang, Phan Ngoc Hong, Le Dinh Quang and Phan Ngoc Minh, Synthesis of vertically aligned carbon nanotubes on Cu substrates for high power electronic devices, Hội nghị Vật lý chất rắn và Khoa học Vật liệu toàn quốc, SPMS-2009. đà Nẵng, 8-10/11/2009Ợ, p. 733 - 737
10.Phan Ngoc Hong, Vo Viet Cuong, Bui Hung Thang, Phan Hong Khoi and Phan Ngoc Minh, Fabrication of Carbon nano tube on Tungsten tips, Journal of the Korea Physical Society, Vol. 52, No. 5, May 2008, p. 1386- 1489
11.Phan Ngoc Hong, Bui Hung Thang, Nguyen Tuan Hong, Soonil Lee and Phan Ngoc Minh, Electron Field Emission Characteristics of Carbon
Nanotubes on Tungsten tip, Proceedings of the APCTP-ASEAN
Workshop on Advanced Materials Science and Nanotechnology, Nha Trang, Vietnam, September 15-20, 2008, p. 368-372
12.Dao Duc Khang, Vu Tan Canh, Bui Hung Thang, Than Xuan Tinh, Phan Ngoc Minh, Polyaniline/Multi-walled carbon nanotubes as a conducting
material for protective paint, Proceedings of the APCTP-ASEAN