(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 105015094 A (43)申请公布日 2015.11.04
(21)申请号 201410214853.5(22)申请日 2014.05.21(30)优先权数据
103115400 2014.04.29 TW
(71)申请人安炬科技股份有限公司
地址中国台湾宜兰县五结乡利工三路5号(72)发明人吴以舜 谢承佑 陈静茹 谢淑玲
黎冠廷(74)专利代理机构北京华夏博通专利事务所
(普通合伙) 11264
代理人刘俊(51)Int.Cl.
C09K 5/14(2006.01)
B32B 9/04(2006.01)B32B 9/00(2006.01)B32B 15/08(2006.01)
(54)发明名称
石墨烯散热结构(57)摘要
本发明涉及一种石墨烯散热结构，包括基材及石墨烯散热层，其中基材具有至少两个表面，其中至少一表面接触至少一热源，而在不与热源接触的另一表面上，设置具有导电特性的石墨烯散热层，且石墨烯散热层包含多个表面改质的石墨烯奈米片、载体树脂以及填充剂。表面改质的石墨烯奈米片是均匀分散于载体树脂中，且所述石墨烯奈米片之间可透过填充剂而相互接触连接，以形成导热网络，且填充剂的粒径与石墨烯奈米片厚度的比值介于2-100之间。因此，本发明的基材可将接收来自热源的热量，经石墨烯散热层以传导或辐射方式逸散至外部，达到散热效果。 C N 1 0 5 0 1 5 0 9 4 A权利要求书1页 说明书5页 附图1页
CN 105015094 A
权 利 要 求 书
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1.一种石墨烯散热结构，其特征在于，该石墨烯散热结构包括：
一基材，具有至少包含一第一表面及一第二表面的多个表面，且该第一表面接触至少一热源；以及
一石墨烯散热层，具有导电特性，设置于该基材的第二表面上，并包含多个表面改质的石墨烯奈米片、一载体树脂以及一填充剂，且所述表面改质的石墨烯奈米片是均匀分散于该载体树脂中，而所述石墨烯奈米片之间是透过该填充剂而相互接触连接，
其中，该填充剂的粒径与所述石墨烯奈米片的厚度的比值是介于2-100之间，且该表面改质的石墨烯奈米片占该石墨烯散热层的重量百分比为0.1-20wt％之间，该填充剂的重量百分比为20-80wt％之间，而该载体树脂的重量百分比为10-50wt％之间。
2.根据权利要求1所述的石墨烯散热结构，其特征在于，该石墨烯散热层的厚度小于50um。
3.根据权利要求1所述的石墨烯散热结构，其特征在于，该石墨烯散热层具有小于100ohm/sq的片电阻。
4.根据权利要求1所述的石墨烯散热结构，其特征在于，该基材是选自金属或石墨，且该金属选自铝、铜、钛以及镍的任一个或其合金。
5.根据权利要求1所述的石墨烯散热结构，其特征在于，该表面改质的石墨烯奈米片至少包含一表面改质层，形成于该奈米石墨片结构的表面，且该表面改质层包含至少一官能基，而该官能基选自乙烯基、脂肪环氧烷基、苯乙烯基、甲基丙烯酰氧基、丙烯酰氧基、脂肪基胺基、氯丙烷基、脂肪基氢硫基、脂肪基硫离子基、异氰酸基、脂肪基尿素基、脂肪基羧基、脂肪基羟基、环己烷基、苯基、脂肪基甲酰基、乙酰基及苯甲酰基的其中之一。
6.根据权利要求1所述的石墨烯散热结构，其特征在于，该载体树脂是选自聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸乙烯酯、聚氨酯、聚氧化乙烯、聚丙烯腈、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯吡咯烷酮、聚四甘醇二丙烯酸酯、聚酰亚胺、醋酸纤维素、醋酸丁酸纤维素、醋酸丙酸纤维素、乙基纤维素、氰乙基纤维素、氰乙基聚乙烯醇、羧甲基纤维素、环氧树脂、酚醛树脂以及硅酮树脂的任一个或其组合。
7.根据权利要求1所述的石墨烯散热结构，其特征在于，该填充剂是选自金属粒子、陶瓷粒子、石墨、奈米碳管或碳黑的任一个或其组合，且该金属粒子选自金、银、铜、镍、钛及铝的至少其中之一，该陶瓷粒子选自氮化铝、氮化硼、氮化硅、碳化硅、氧化铝及氧化硅的任一个或其组合。
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说 明 书石墨烯散热结构
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技术领域
本发明有关于一种石墨烯散热结构，尤其是利用表面改质的奈米石墨烯片以有效分散到载体树脂中，且奈米石墨烯片之间透过填充剂相互接触连接以提升石墨烯散热层的导热性及导电性质。
[0001]
背景技术
自从2004年英国曼彻斯特大学Andre Geim与Konstantin Novoselov成功利用
胶带剥离石墨的方式获得单层石墨烯并获得2010年的诺贝尔物理奖以来，石墨烯的导电性、导热性、抗化性等各种优异性能即不断被产业藉应用于不同的领域。石墨烯(graphene)只具有厚度0.335nm，即仅一个碳原子直径的大小，主要是由sp2混成轨域组成六角形蜂巢排列的二维晶体结构，目前是最薄也是最坚硬的材料，机械强度可远高于钢铁百倍，而比重却仅约钢铁的四分之一，尤其还拥有杰出的导电与导热性质，其中理论热传导系数高达5300W/mK，因此，石墨烯也是极佳的散热材料。[0003] 然而，石墨烯在实际应用上最常面临的问题是石墨烯本身很容易聚集、堆栈而结块，即不容易均匀分散，因此，如何防止石墨烯薄片彼此不均匀地堆栈的现象以获得高均匀性且层数少的石墨烯粉体，一直都是产业界最需解决的技术瓶颈。[0004] 此外，随着科技快速发展以及电气功能的提升，使得损耗功率增加，而在电子装置需要更加轻薄短小的需求下，电气操作的功率密度却不断提高，因此，需要体积更小且散热效率更高的散热装置，藉以避免过热而失效或损毁，保障产品的使用寿命。[0005] 在现有技术中，中国专利CN103107147描述了一种表面披覆石墨烯薄膜的散热器，主要是将独立制得的石墨烯薄膜或含有石墨烯薄膜的载体，以背胶或其它物理固定方法覆盖、贴附至散热器上。这种散热器的结构使用独立石墨烯薄膜固定于散热器表面，而石墨烯薄膜与散热器间的背胶、载体层或其它物理固定方法，因此，该专利技术的缺点在于热源所产生的热能的传送本质上是受制于有限的导热界面，散热功效相当有限。[0006] 此外，另一中国专利CN102964972A描述了一种含石墨烯或氧化石墨烯的复合强化散热材涂料，以回流法将石墨烯或氧化石墨烯包裹于红外线发射粉体表面，藉以降低红外颗粒的热阻，进而得到一种复合强化散热涂料。其缺点主要是石墨烯在粉体中的接触性能不佳，无法大幅降低红外颗粒之间接口所产生的热阻，散热效率不理想，而且所制成的涂料在使用时需要均匀分散至特定溶剂中，再涂布到目标对象的表面上，并以加热或自然挥发的方式移除其中的溶剂，使得最终散热涂层中的涂料本身接触性不佳，尤其是整个处理工序会在溶剂逸散时导致可能危害到人体及环境的环保、工安问题。[0007] 因此，非常需要一种创新的石墨烯散热结构，使用具有表面改质的石墨烯，且石墨烯表面具备有官能基，可在与载体树脂形成复合材料时藉由与树脂的官能基的兼容作用而大幅提高两者接口的亲合性，并且石墨烯奈米片之间是透过填充剂而相互接触连接，可进
[0002]
一步加强导热性及导电性质，使得本发明的基材可接收来自热源的热量而以热传方式传送至石墨烯散热层，并由石墨烯散热层以热传导或热辐射的方式逸散至外部，进而达到加强
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说 明 书
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散热效率的效果，藉以解决上述现有技术的问题。发明内容
本发明的主要目的在于提供一种石墨烯散热结构，主要包括基材及石墨烯散热层，其中基材具有至少包含第一表面及第二表面的多个表面，且第一表面接触至少一热源，而石墨烯散热层是设置第二表面上。具体而言，石墨烯散热层具有导电特性，包含多个表面改质的石墨烯奈米片、载体树脂以及填充剂，其中表面改质的石墨烯奈米片是均匀分散于载体树脂中，且所述石墨烯奈米片之间可透过填充剂而相互接触连接。[0009] 较佳的，填充剂的粒径与石墨烯奈米片厚度的比值介于2-100之间。[0010] 基材可选自金属或石墨，其中金属选自铝、铜、钛以及镍的任一个或其合金。石墨烯散热层的较佳厚度小于50um，其中表面改质的石墨烯奈米片占整体石墨烯散热层的比重为0.1-20wt％，填充剂的比重为20-80wt％，载体树脂的比重为10-50wt％之间。
[0011] 表面改质的石墨烯奈米片至少包含一表面改质层形成于该奈米石墨片结构的表面，且该表面改质层包含至少一官能基，该官能基选自乙烯基、脂肪环氧烷基、苯乙烯基、甲基丙烯酰氧基、丙烯酰氧基、脂肪基胺基、氯丙烷基、脂肪基氢硫基、脂肪基硫离子基、异氰酸基、脂肪基尿素基、脂肪基羧基、脂肪基羟基、环己烷基、苯基、脂肪基甲酰基、乙酰基及苯甲酰基的其中之一。
[0012] 载体树脂选自聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸乙烯酯、聚氨酯、聚氧化乙烯、聚丙烯腈、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯吡咯烷酮、聚四甘醇二丙烯酸酯、聚酰亚胺、醋酸纤维素、醋酸丁酸纤维素、醋酸丙酸纤维素、乙基纤维素、氰乙基纤维素、氰乙基聚乙烯醇、羧甲基纤维素、环氧树脂、酚醛树脂以及硅酮树脂的任一个或其组合。
[0013] 填充剂选自金属粒子、陶瓷粒子、石墨、奈米碳管或碳黑的任一个或其组合，其中金属粒子选自金、银、铜、镍、钛及铝的至少其中之一，陶瓷粒子选自氮化铝、氮化硼、氮化硅、碳化硅、氧化铝及氧化硅的任一者或其组合。
[0014] 上述石墨烯散热结构的平面热传导值可达到大于400W/mK，而具有导电特性的石墨烯散热层具有小于100ohm/sq的片电阻。
[0015] 由于表面改质的石墨烯奈米片可提高石墨烯在载体树脂中的分散性以及亲和性，而且石墨烯奈米片相互之间是透过填充剂而相互接触连接，因而可得到具优良导热性及导电性质的石墨烯散热层。因此，本发明石墨烯散热结构的基材可将接收来自热源的热量以热传方式传送至石墨烯散热层，并由石墨烯散热层以热传导或热辐射的方式逸散至外部，进而达到加强散热效率的效果。
[0008]
附图说明
[0016] 图1是显示依据本发明实施例石墨烯散热结构的示意图。[0017] 其中，附图标记说明如下：[0018] 10 基材
[0019] 20 石墨烯散热层[0020] 21 奈米石墨烯片
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说 明 书
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23 载体树脂[0022] 25 填充剂[0023] HS 热源
[0021]
具体实施方式
[0024] 以下配合图式及附图标记说明对本发明的实施方式做更详细的说明，使熟悉本领域的技术人员在研读本说明书后能据以实施。[0025] 参阅图1，依据本发明实施例石墨烯散热结构的示意图。如图1所示，本发明的石墨烯散热结构主要是包括基材10及石墨烯散热层20，其中基材10具有多个表面，至少包含朝向下方的第一表面(即下表面)及朝向上方的第二表面(即上表面)，且第一表面接触可产生热量的至少一热源HS。具体而言，石墨烯散热层20是设置在基材10的第二表面上，且石墨烯散热层20具有导电特性，并包含多个表面改质的石墨烯奈米片21、载体树脂23以及填充剂25，其中表面改质的石墨烯奈米片21是均匀分散于载体树脂23中，且所述石墨烯奈米片21之间可透过填充剂25而相互接触连接，形成网络状的导电性结构。[0026] 要注意的是，为方便说明本发明的技术特征，图中的每个表面改质的石墨烯奈米片21是以薄片状的侧面方向显示，即，实际上在图中的观察角度上，有部分的表面改质的石墨烯奈米片21会显示出其正面，或部分的表面改质的石墨烯奈米片21同时显示部分正面及部分侧面。[0027] 较佳的，上述的基材10可选自金属或石墨，其中金属选自铝、铜、钛以及镍的任一个或其合金。石墨烯散热层20的较佳厚度可小于50um，其中表面改质的石墨烯奈米片21占整体石墨烯散热层20的重量百分比为0.1-20wt％之间，载体树脂23是占10-50wt％的重量百分比，而填充剂25的重量百分比为20-80wt％之间。[0028] 更加具体而言，表面改质的石墨烯奈米片21包含形成于其表面的至少一表面改质层，且表面改质层包含至少一官能基，用以改善与载体树脂23之间的亲合力，使得表面改质的石墨烯奈米片21更加容易均匀散于载体树脂23中。[0029] 表面改质层的官能基选自乙烯基、脂肪环氧烷基、苯乙烯基、甲基丙烯酰氧基、丙烯酰氧基、脂肪基胺基、氯丙烷基、脂肪基氢硫基、脂肪基硫离子基、异氰酸基、脂肪基尿素基、脂肪基羧基、脂肪基羟基、环己烷基、苯基、脂肪基甲酰基、乙酰基及苯甲酰基的其中之一。
[0030] 石墨烯散热层20的载体树脂23选自选自聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸乙烯酯、聚氨酯、聚氧化乙烯、聚丙烯腈、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯吡咯烷酮、聚四甘醇二丙烯酸酯、聚酰亚胺、醋酸纤维素、醋酸丁酸纤维素、醋酸丙酸纤维素、乙基纤维素、氰乙基纤维素、氰乙基聚乙烯醇、羧甲基纤维素、环氧树脂、酚醛树脂以及硅酮树脂的任一个或其组合。[0031] 此外，填充剂25本身具有导热性的固态粒子、粉末、薄片或细丝，主要作用是增加表面改质的石墨烯奈米片21的整体接触效应以增加热传导效率。因为表面改质的石墨烯奈米片21本质上是平面薄片状，在不包含填充剂25下，则如果每个表面改质的石墨烯奈米片21是以平面相互接触，当然接触面积最大且热传导最好，但是在均匀分散于载体树脂23中时，表面改质的石墨烯奈米片21在不同位置上会有不同的姿态，因此相邻的不同表面
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改质的石墨烯奈米片21除了以平面接触外，还会以边缘或角落相互接触，使得接触面积减小，降低热传效率，因热传效率是与传导面积成正比。因此，在使用填充剂25时，填充剂25可接触到部分表面改质的石墨烯奈米片21，提供额外的接触面积，用以增加热传导。[0032] 尤其是，基于上述作用，填充剂的粒径与石墨烯奈米片厚度的比值是较佳的介于2-100之间。
填充剂25可较佳的选自金属粒子、陶瓷粒子、石墨、奈米碳管或碳黑的任一个或
其组合，其中金属粒子选自金、银、铜、镍、钛及铝的至少其中之一，而陶瓷粒子选自氮化铝、氮化硼、氮化硅、碳化硅、氧化铝及氧化硅的任一个或其组合。[0034] 整体而言，上述本发明石墨烯散热结构的平面热传导值可达到大于400W/mK，而具有导电特性的石墨烯散热层20具有小于100ohm/sq的片电阻。因此，本发明同时具有优异的导热性及导电性。
[0035] 为进一步显示本发明石墨烯散热结构的具体功效以使得熟悉本领域的技术人员能更加清楚了解整体的操作方式，下文中将以示范性实例详细说明实际的操作方式。[0036] [实验示例1]
[0037] 配方内容包含当作载体树脂的聚氨脂为48wt％，当作填充剂的导电碳黑为40wt％，而表面改质奈米石墨烯片为12wt％，同时利用铝箔基材当作基材用。[0038] 首先，依据上述配方比例进行预混合；而后用乳化机以转速8000rpm，经过48小时均匀混合后，可得到包含石墨烯散热层的浆料；接着，以刮刀法方式将包含石墨烯散热层的浆料涂于铝箔基材上；进行70度烘箱或热板的加热烘烤处理，以去除所有液体并使浆料固化，形成所需的石墨烯散热结构。
[0039] 将上述的石墨烯散热结构接触75度的热源，经10分钟达到热平衡之后，利用红外线感温枪以侦测石墨烯散热结构的表面温度，结果为65.6度，较热源的原本面温度已下降9.4度，再对比未涂石墨烯散热层的铝箔基材，其温度为69.4度，只降低5.6度。[0040] [实验示例2]
[0041] 所使用的配方如同实验示例1，其中聚氨脂为48wt％，导电碳黑为40wt％，而表面改质奈米石墨烯片为12wt％，同时利用铜箔基材当作基材用。[0042] 按上述配方比例进行预混合，而后再用乳化机以转速8000rpm，经过48小时均匀混合后，可得到石墨烯散热层的浆料。接着，以刮刀法方式将其石墨烯散热层的浆料涂于铜箔基材上，再将此石墨烯散热结构放置于70度的烘箱或热板，待其石墨烯散热层的浆料固化后，得到此石墨烯散热结构。
[0033]
进一步，将石墨烯散热结构接触75度的热源，待10分钟达到热平衡之后，利用红外线感温枪侦测石墨烯散热结构的表面温度，为62.7度，较原本热板表面温度下降12.3度，再对比未涂石墨烯散热层的铜箔基材，其温度为66.4度，只下降8.6度。[0044] [实验示例3]
[0045] 配方内容包含当作载体树脂的聚氨脂为30.5wt％，当作填充剂的导电碳黑为53wt％，而表面改质奈米石墨烯片为16.5wt％，同时利用铝质散热鳍片当作基材用。[0046] 按上述配方比例进行预混合，而后再用乳化机以转速8000rpm，经过48小时均匀混合后，可得到石墨烯散热层的浆料。接着，以刮刀法方式将其石墨烯散热层的浆料涂于铝质散热鳍片上，再将此石墨烯散热结构放置于70度的烘箱或热板，待其石墨烯散热层的浆
[0043]
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料固化后，得到此石墨烯散热结构。[0047] 进一步，将石墨烯散热结构接触75度的热源，待10分钟达到热平衡之后，利用红外线感温枪侦测石墨烯散热结构的表面温度，为67.9度，较原本热板表面温度下降7.1度。[0048] 从实验示例1、2、3的实验结果中，显而易见的是本发明的石墨烯散热结构能改善散热效率，因而确实具有产业利用性。[0049] 综上所述，本发明的主要特点在于表面改质的石墨烯奈米片可提高石墨烯在载体树脂中的分散性以及亲和性，而且石墨烯奈米片相互之间是透过填充剂而相互接触连接，使得本发明石墨烯散热结构的基材可将接收来自热源的热量以热传方式传送至石墨烯散热层，并由石墨烯散热层以热传导或热辐射的方式逸散至外部，达成加强散热效率，因而非常适用于需要散热的电气装置或组件。
[0050] 以上所述仅为用以解释本发明的较佳实施例，并非企图据以对本发明做任何形式上的限制，因此，凡有在相同的发明精神下所作有关本发明的任何修饰或变更，皆仍应包括在本发明意图保护的范畴。
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说 明 书 附 图
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