CN100521895C - 用于显示器的散热器 - Google Patents

Abstract

一种用于显示器的散热器(10)，例如用于等离子显示屏、液晶显示器或发光二极管，包括至少一层脱层石墨压缩颗粒，其表面积大于显示器背面形成了局部区域高温的这部分表面积。

Description

用于显示器的散热器

说明

我们是：美国公民Timothy Clovesko，住址：5250 Columbia Road，Apt.407，North Omsted，Ohio 44070；美国公民Julian Norley，住址：17635 PlumCreek Trail，Chagrin Falls，Ohio 44023；美国公民Martin Dvid Smalc，住址：5608 Ely Vista Drive，Parma，Ohio 44129；以及美国公民Joseph PaulCapp，住址：10094 Juniper Court，Strongsville，Ohio 44136。我们发明了一种新颖而实用的“用于显示器的散热器”。

技术领域

本发明涉及一种适用于显示器的散热器，例如用于等离子显示屏(PDP)、液晶显示器(LCD)、发光二极管(LED)等等，以及由这些设备形成的特殊热学问题。

技术背景

等离子显示屏是一种含有多个放电单元的显示设备，其构造是，通过向电极放电单元上施加电压从而使预定的放电单元发光用以显示图像。屏板单元作为等离子显示屏的主要部件，是通过将两块之间夹着多个放电单元的玻璃基板粘合在一起而制造成的。

在等离子显示屏中，每个被促使发光用以形成图像的放电单元会产生热量，因此其每个都构成了一个热源，使得整个等离子显示屏的温度升高。放电单元中产生的热量传递给构成基板的玻璃，但是由于玻璃基板的材料性能问题，在平行于屏面的方向上不易导热。

此外，已被激活发光的放电单元的温度升高显著，而没有被激活的放电单元的温度并不怎么升高。这样，等离子显示屏的屏面温度就在形成了图像的区域内发生局部升高。而且，在白色或较浅色波谱范围内的激活的放电单元比那些在黑色或较深色波谱范围内激活的放电单元所产生的热量更多。因此，根据形成图像时所产生颜色的不同，屏面温度也有局部的差异。除非采取措施来改善这些差别，否则这些局部温差会使受其影响的放电单元的热劣化过程加速。此外，当显示器上的图像特征改变时，局部发热的位置也随着该图像而变化。

而且，由于激活和未激活的放电单元之间的温差很大，并且发白色光和发较深色光的放电单元之间的温差也很大，因此施加到屏板装置上的应力使得常规的等离子显示屏容易发生裂缝和破损。

当施加到放电单元电极上的电压升高时，该放电单元的亮度增加，但这些单元内的发热量也会增加。因此，那些具有大的激活电压的单元更容易发生热劣化，并且该等离子显示屏的屏板单元的破损问题有加剧的趋势。LED有着与PDP类似的发热问题。除了发射显示器外，其它的显示器，例如LCD中也存在类似的问题，其中热点会限制装置的效果或寿命。

Morita，Ichiyanagi，Ikeda，Nishiki，Inoue，Komyoji和Kawashima在美国专利No.5831374中建议，用所谓的“高取向性石墨薄膜”作为等离子显示屏的热界面材料(thermal interface material)，填充于屏板背面与散热单元之间用以减小局部温差，然而，其中并没有提及使用柔性的石墨片层或者它的显著优点。此外，Tzeng的美国专利No.6482520中公开了用脱层石墨压缩颗粒的片层作为散热器(在该专利中称作热界面)用于热源，如电子元件。实际上，这种材料可购自Advanced Energy Technology Inc.of Lakewood，Ohio，例如其

 SpreaderShield级材料。

石墨由碳原子的六边形阵列或网络的层状平面构成。这些六边形排列的碳原子的层状平面是大致扁平的，并且取向或者排列成彼此基本平行和等距的形式。碳原子的这种基本扁平、平行和等距的片层或层面通常被称为石墨层(graphenelayers)或者基面(basal planes)，它们连接或者结合在一起并且以微晶形式成组地排列。高度有序的石墨由相当大的微晶构成，微晶彼此之间高度对齐或定向并具有十分有序的碳原子层。换句话说，高度有序的石墨具有高度的优选晶体取向性。应当注意的是石墨具有各向异性的构造，因而呈现出或者具有许多高度方向性的特征，例如在热学上和导电性上。

简而言之，石墨的特征在于碳原子的层状构造，也就是由通过弱范德华力连接在一起的碳原子的叠层或者薄层构成的结构。鉴于石墨的这种构造，通常提及两个轴向或方向，即“c”轴或方向和“a”轴或方向。为简化起见，“c”轴或方向可以看作是垂直于碳原子层的方向。“a”轴或方向可以看成是平行于碳原子层的方向或者垂直于“c”方向的方向。适用于制造柔性石墨片层的石墨具有非常高程度的取向性。

如上所述，保持碳原子的平行层面在一起的结合力仅仅是弱范德华力。可以对天然石墨进行处理使碳原子叠层或薄层之间的空间明显地展开以便在垂直于该层面的方向上，即“c”方向上具有显著的扩张，从而形成扩大或膨胀的石墨构造并基本保持着碳原子层的层状特征。

在不使用粘合剂的情况下形成膨胀石墨的粘结或整合层，例如网络、纸张、条、带、箔片、垫片等等(通常称为“柔性石墨”)，就可以制成大大膨胀，尤其是扩大到预期的厚度或者“c”方向上尺寸比最初的“c”方向尺寸大了大约80倍或更多倍的石墨薄片。在不使用任何粘合材料的情况下，将扩大到预期厚度或者“c”方向上尺寸比最初的“c”方向尺寸大了大约80倍或更多倍的石墨颗粒通过压缩制成整合的柔性片层相信是可能的，因为体积膨胀的石墨颗粒之间达到了足够的机械连接性或凝聚力。

除了柔韧性之外，还发现上述片层材料对热传导具有高度的各项异性，这是由于膨胀的石墨颗粒和通过高度压缩得到的基本平行于该片层相对面的石墨层的取向性造成的，使得其在散热应用中特别有用。因此制成的片层材料具有优良柔韧性、高强度和高度的取向性。

简而言之，柔性、无粘合剂和各项异性的石墨片层材料，例如网络、纸张、条、带、箔片、垫片等等的制造过程包括在预定负载和没有粘合剂的情况下，压缩或压紧膨胀的、“c”方向上尺寸比最初的“c”方向尺寸大了大约80倍或更多倍的石墨颗粒，以形成大致扁平的、柔性整合石墨片层。一般来说蠕虫状或蚓状外观的膨胀石墨颗粒一旦被压缩，将保持压缩形变并与该片层相对的主表面对齐。片层材料的密度和厚度可通过控制压缩的程度来改变。该片层材料的密度在大约0.04g/cc至2.0g/cc的范围内。

由于平行于片层主相对平行表面的石墨颗粒的对齐性质，该柔性石墨片层材料呈现出明显的各向异性程度，并且当压缩该片层材料从而提高其取向性时，其各向异性程度增大。在该压缩的各项异性片层材料中，厚度，即垂直于相对平行片层表面的方向构成了“c”方向，而沿着长度和宽度的方向，即沿着或平行于所述相对主表面的方向构成了“a”方向，对于该“c”和“a”方向来说，片层的热学和电学特性在数量级上有十分大的差异。

然而，在电子工业中人们主要担心在使用基于石墨的材料时会导致石墨颗粒剥落，结果造成该剥落片会机械地(即，与灰尘相同的方式)影响设备的工作和性能，更重要的是，由于石墨的导电性，该石墨剥落片会对发射显示器的工作造成电学干扰。尽管相信并表明这些担心不必要，但其仍然存在。

同样，使用粘合剂将石墨散热器贴在发射显示器上有时会有缺点。更具体来说，在需要返工(即，去除和替换散热器)的情况下，粘合剂的连接比石墨片层的结构整体性更加牢固，这样，如果不使用刮刀或其它类似工具的话，总是不能将石墨片层从屏板上干净地去除掉，这就十分耗时并且可能会损坏石墨片层、屏面或者二者都损坏。

因此，对发射显示器来说，需要一种重量轻并且成本经济的散热器，尤其是一种被隔开以防止石墨颗粒剥落并在需要时能有效地从装置上去除的散热器。该需要的散热器应当能够平衡散热器所接触到的装置区域内的温差，从而减少屏板以其它方式受到的热应力，并能够起到减少热点的作用，甚至于在那些热点并不固定的部位。

发明简述

因此，本发明的一个目的在于提供一种用于显示器的散热器，例如用于等离子显示屏、发光二极管或者液晶显示器。

本发明的另一个目的在于提供一种能用在显示器中以改善其使用过程中出现的温差的散热器材料。

本发明还有另一个目的是，向热源，例如等离子显示屏的一个或多个单元提供一种散热器材料。使得屏板上任何两个部位之间的温差比屏板上没有该创造性的散热片时的要小。

本发明的另一个目的在于提供一种散热器材料，其可应用于热源或者热源集合，例如等离子显示屏或者发光二级管，并且该散热器与装置之间具有良好的热接触粘合性。

本发明还有另一个目的在于提供一种可以隔离开以防止或减少石墨颗粒剥落可能性的散热器材料。

本发明还有另一个目的在于提供一种散热器材料，其能够粘在热源上并从上面去掉，而对散热器或热源的损害程度最小。

本发明的另一个目的在于提供一种能够以足够大量规模和成本经济的方式生产的散热器。

阅读以下说明之后，对本领域技术人员来说很明显通过提供一种用于显示器的散热器可以实现这些以及其它的一些目的，该散热器包括至少一个脱层石墨(exfoliated graphite)压缩颗粒的片层，其表面积大于该装置的该部件如放电单元的表面积，面向该装置的背面。该显示器可以是发射显示器，例如等离子显示屏或者发光二极管屏板，或者其它类型的显示器例如液晶显示器。更优选的是，脱层石墨压缩颗粒的所述至少一个片层的表面积大于面向该装置背面的多个放电单元部分的表面积。有利的是，该散热器是包含脱层石墨压缩颗粒的多个片层的薄层结构，并且上面具有保护层以防止石墨颗粒从上面剥落。在一个优选的实施例中，该散热器的表面具有贴面层(facing layer)，例如上面是铝或铜的贴面层，从而进一部密封了该散热器并有利于返工过程。

在一个优选的实施例中，散热器上面具有粘合剂并设置有去除(release)材料，这样粘合剂夹在该散热器和去除材料之间。选择所述去除材料和粘合剂时应使得该去除材料在以预定的速率去掉时不会对散热器造成不希望的损伤。实际上，该粘合剂和去除材料在一米每秒的去除速度下具有不大于大约40克每厘米的平均去除负荷(release load)，更优选在1米每秒的去除速度下不大于大约10克每厘米。

此外，粘合剂优选能达到至少大约125克每平方厘米的最小重叠粘结剪切强度(lap shear adhesion strength)，更优选至少大约700克每平方厘米的平均重叠粘结剪切强度。该粘合剂与散热器材料本身相比，应当使粘合剂/散热器材料的全厚度热阻升高不大于大约35％。粘合剂的厚度应当不大于大约0.015毫米(mm)，更优选不大于大约0.005mm。

应当明白的是，前面的大致说明与以下的详细说明都提供了本发明的实施例，并希望如同权利要求那样提供对本发明在理解和特征上的概览或框架。还含有附图以提供对本发明进一步的理解，其加入并构成了说明书的一部分。附图表示了本发明的各种实施例，并与说明书一同用于描述本发明的原理和操作。

附图简述

图1为所述创造性散热器的实施方式的部分拆开顶部透视图。

图2为所述创造性散热器的另一个实施方式的部分拆开顶部透视图。

图3为所述创造性散热器的另一个实施方式的侧面图。

图4表示了一种用于连续制造浸树脂柔性石墨片层的系统。

优选实施方式详细说明

石墨是一种碳原子的晶体形式，由扁平层状平面内的共价键连接原子构成，平面之间的结合力较弱。在获得原材料例如上述柔性石墨片层时，通常会用诸如硫酸和硝酸溶液的插层剂(intercalant)来处理石墨颗粒，例如天然石墨薄片，在其中石墨的晶体结构反应形成石墨和插层剂的化合物。处理后的石墨颗粒在之后称作“插层石墨颗粒”。一旦暴露于高温，石墨内的插层剂分解并挥发掉，使得该插层石墨颗粒在体积上比其最初的体积在“c”方向上，即垂直于石墨晶体平面的方向上以折叠状形式膨胀了高达大约80倍或更多。该膨胀的(又称为脱层的)石墨颗粒外观呈蠕虫样，因而通常被称为蠕虫。该蠕虫可以被压缩到一起成为柔性片层，不像最初的石墨薄片，通过变形机械冲击力其可以制成或切割成各种形状并且具有很小的横向开口。

适用于本发明的柔性片层的石墨原始材料包括能够插入有机和无机酸以及卤素然后遇热膨胀的高石墨碳材料。这些高石墨碳材料最优选具有大约1.0的石墨化程度。在本公开说明中使用的术语“石墨化程度”涉及按照以下公式得到的g值：

$g=\frac{3.45-d\left(002\right)}{0.095}$

其中d(002)为晶体结构中碳原子石墨层之间的间距，测量单位为埃。石墨层之间的间距d可通过标准X射线衍射技术测得。测出对应于(002)、(004)和(006)的Miller指数的衍射峰值位置，并采用标准最小二乘法得到间距，这样可使所有这些峰值的总误差最小化。高石墨碳材料的实例包括来自于各种原料的天然石墨，以及其它的碳材料例如通过化学气相沉积法、聚合物高温分解、或者熔融金属熔液结晶等等制备的石墨。天然石墨最为优选。

用于本发明的柔性片层的石墨原始材料可以含有非石墨成分，只要该原始材料的晶体结构能保持所需的石墨化程度并且它们能够脱层。一般来说，任可含碳的材料，其晶体结构具有所需的石墨化程度并且能够脱层就适用于本发明。这类石墨优选灰分含量低于百分之二十的重量。更优选的是，本发明所采用的石墨具有至少大约94％的纯度。在最优选的实施方式中，所采用的石墨具有至少大约98％的纯度。

Shane等人在美国专利No.3404061中描述了一种制造石墨片层的常规方法，在此引入其公开内容作为参考。在Shane等人的方法的典型实践中，通过将薄片分散在含有诸如硝酸和硫酸混合物的溶液中来插层天然石墨的薄片，优选每100份重量的石墨剥落片有大约20至大约300份重量的插层剂溶液水平(pph)。该插层剂溶液含有本领域公知的氧化剂和其它插层剂。实例包括含有氧化剂和氧化混合物的溶液，例如含有硝酸、氯酸钾、铬酸、高锰酸钾、铬酸钾、重铬酸钾、高氯酸钾等等的溶液，或者混合物，例如浓硝酸和氯酸盐，铬酸和磷酸，硫酸和硝酸，或者强有机酸如三氟乙酸与溶解于该有机酸中的强氧化剂的混合物。或者，可利用电势来进行石墨的氧化过程。能够利用电解氧化过程引入石墨晶体的化学物质包括硫酸以及其它的酸类。

在优选的实施方式中，插层剂为硫酸或者硫酸和磷酸，与氧化剂即硝酸、高氯酸、铬酸、高锰酸钾、过氧化氢、碘酸或高碘酸等等，的混合物。尽管不优选，但该插层溶液可以含有金属卤化物，例如氯化铁，和与硫酸相混合的氯化铁，或者卤化物，例如溴与硫酸溶液中的溴以及在有机溶剂中的溴。

插层溶液的量可以在大约20至大约350pph的范围内，更典型的是在大约40至大约160pph。在薄片插层之后，任何过量溶液就从该薄片中排出并该用水洗涤该薄片。

可替代地，插层溶液的量可以限制在大约10至大约40pph之间，这使得可以取消洗涤步骤，如美国专利No.4895713中所教导和公开，这里也引入其公开内容作为参考。

用插层溶液处理过的石墨薄片的颗粒可以选择性地与还原性有机剂接触，例如通过混合方式，所述还原性有机试剂选自醇类、糖类、醛类以及酯类，其在25℃至125℃的温度范围内可以与氧化插层溶液的表面薄膜反应。合适的特殊有机试剂包括十六烷醇、十八烷醇、1-辛醇、2-辛醇、癸醇、1，10-癸二醇、癸醛、1-丙醇、1，3-丙二醇、乙二醇、聚丙二醇、葡萄糖、果糖、乳糖、蔗糖、土豆淀粉、单硬脂酸乙二醇酯、二甘醇二苯甲酸酯、单硬脂酸丙二醇酯、单硬脂酸甘油酯、二甲基乙醛酸酯(dimethyl oxylate)、二乙基乙醛酸酯(diethyloxylate)、甲酸甲酯、甲酸乙酯、抗坏血酸，以及木质素衍生化合物，例如木质素硫酸盐。合适的有机还原剂的量占石墨薄片颗粒重量的大约0.5至4％。

在插层之前、过程中或者之后立即使用膨胀辅助剂也能提供改进。在这些改进中，可以降低脱层温度和增大膨胀体积(也称作“蠕虫体积(worm volume)”)。本文中的膨胀辅助剂优选是能够充分溶解于插层溶液中的有机材料以便获得改良的膨胀性能。更进一步说，可以采用含有碳、氢和氧，优选只有碳氢氧的这类有机材料。我们发现羧酸尤为有效。用作膨胀辅助剂的合适羧酸可选自芳香族、脂肪族或脂环族、直链或支链、饱和和不饱和的一元羧酸、二元羧酸和多元羧酸，其具有至少1个碳原子，优选多达大约15个碳原子，能以有效的量溶解于插层溶剂中从而在一个或多个方面对脱层过程提供可测得的改进。可采用合适的有机溶剂来改善插层溶液中有机膨胀辅助剂的可溶性。

饱和脂肪羧酸的代表性实例有例如通式H(CH₂)_nCOOH的那些酸，其中n为0至约为5的数字，包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸等等。也可以采用酸酐类或者反应性羧酸衍生物如烷基酯来代替羧酸。代表性的烷基酯有甲酸甲酯和甲酸乙酯。硫酸、硝酸和其它已知的水溶液插层剂能够分解甲酸，最终形成水和二氧化碳。因此，优选在石墨薄片浸入水溶液插层剂之前将甲酸和其它的敏感性膨胀辅助剂与该薄片接触。代表性的二羧酸有具有2-12个碳原子的脂肪族二羧酸，尤其是草酸、延胡索酸、丙二酸、马来酸、琥珀酸、戊二酸、己二酸、1，5-戊二酸、1，6-己二酸、1，10-癸二酸、1，4-环己二酸以及芳香族二羧酸，例如邻苯二甲酸或对苯二甲酸。代表性的烷基酯有二甲基乙醛酸酯(dimethyloxylate)和二乙基乙醛酸酯(diethyl oxylate)。代表性的脂环族酸有环己烷羧酸，其芳香族羧酸有苯甲酸、萘酸、邻氨基苯甲酸、p-氨基苯甲酸、水杨酸、o-、m-和p-甲苯基酸类(tolylacids)、甲氧基和乙氧基苯甲酸类、乙酰乙酰氨基苯甲酸类和、乙酰氨基苯甲酸类、苯乙酸类以及萘酸类。代表性的羟基芳香族酸类有羟基苯甲酸、3-羟基-1-萘酸、3-羟基-2-萘酸、4-羟基-2-萘酸、5-羟基-1-萘酸、5-羟基-2-萘酸、6-羟基-2-萘酸和7-羟基-2萘酸。这些多元羧酸中柠檬酸最好。

插层溶液为水溶液并且优选含有大约1至10％的膨胀辅助剂量，该量能有效地提高脱层性。在浸入水溶液插层溶液之前或之后将膨胀辅助剂与石墨薄层接触的实施方式中，该膨胀辅助剂可以通过适当方式如V型搅拌器来与石墨混合，通常其含量占石墨薄片重量的大约0.2％至大约10％。

石墨薄片插层之后，接着将插层的石墨薄片与有机还原剂混合，将混合物暴露于25℃至125℃范围的温变下以促进还原剂与插层石墨薄片的反应。加热时间长达约20小时，加热的时间越短，例如至少大约10分钟，上述范围内的温度越高。在较高温度下可采用一个半小时或以下的时间，例如10至25分钟左右。

在石墨化温度下，即大约3000℃及以上的温度下预处理石墨薄片，并且在插层剂中加入润滑添加剂，可以有利地增强对石墨薄片插层和脱层的上述方法。

在薄片进行插层和脱层过程之前，对石墨薄片进行预处理或者退火可以显著地提高膨胀性(即，膨胀体积增加高达300％及以上)。实际上，理想的是，与不经过退火步骤的类似处理过程相比，其膨胀性增加了至少约50％。退火步骤中采用的温度应当不会显著低于3000℃，因为温度降低甚至100℃也会导致膨胀性的相当大的降低。

本发明的退火过程时间足以使得薄片在插层和随后的脱层过程中具有较高的膨胀程度。典型地，所需时间在1小时或以上，优选1至3小时，并最好在惰性环境中进行。为达到最佳效果，还可用本领域已知的其它方法来处理退火石墨薄片以提高膨胀度——即插层反应在存在有机还原剂、插层辅助剂如有机酸，以及表面活性剂洗涤随后的插层物的条件下进行。而且，为达到最佳效果，可以重复该插层步骤。

本发明的退火步骤可以在感应炉或者其它在石墨领域已知并常用的这类设备中进行；这里所采用的温度在3000℃的范围内，是石墨化处理过程中所遇到的上限值。

由于发现利用经过预插层退火生产的蠕虫(worm)有时会“簇集”在一起，这会对面积重量的均匀度造成不利的影响，因而非常需要一种能帮助形成“易流动”蠕虫的添加剂。向插层溶液中加入润滑添加剂有助于蠕虫在压缩设备(例如常效用于将石墨蠕虫压缩(或“碾压”)成柔性石墨片层的碾压平台床)车床上更均匀地分布。甚至当原始石墨颗粒比常规使用的小时，因而得到的片层也具有较高的面积重量均匀度和较大的抗张强度。润滑添加剂优选长链的烃。也可以采用其它具有长链烃基团的有机化合物，即使其还存在其它的官能团。

更优选的是，润滑添加剂为油，最优选为矿物油，尤其考虑到矿物油较不容易腐败和发出气味，这对长期存放来说是一个重要的考虑因素。值得注意的是一些以上详细描述的膨胀辅助剂也满足润滑添加剂的要求。当这些材料用作膨胀辅助剂时，可以不必在插层剂中包含单独的润滑添加剂。

存在于插层剂中的润滑添加剂的量为至少约1.4pph，更优选为至少约1.8pph。尽管润滑添加剂的上限并不像下限那样重要，但所含的润滑添加剂在大约4pph以上的水平时似乎没有任何更多的显著优点。

这样处里后的石墨颗粒有时被称为“插层石墨颗粒”。一旦暴露于高温，例如至少约160℃，特别是大约700℃至1000℃或更高的温度下，该插层石墨颗粒就会在c方向上，即垂直于组成性石墨颗粒的晶体平面的方向，以折叠状形式相对其最初体积膨胀高达大约80至1000倍甚至更多。膨胀的，即脱层的的石墨颗粒外观上如蠕虫形状，因而通常被称为蠕虫。该蠕虫可以被压模到一起成为具有小的横向开口的柔性片层，不像最初的石墨薄片那样，其可以被制成和切割成各种形状，之后会详细描述。

可替代地，本发明的柔性石墨片层可利用重新研磨的柔性石墨片层而不是刚经膨胀的蠕虫。该片层可以是新形成的片层材料、回收的片层材料、零碎的片层材料，或者任何其它合适的原料。

本发明的方法也可以采用纯净原料和回收材料的混合物，或者全部为回收材料。

回收材料的原料可以是经上述压模过程的片层或片层下脚料部分，或者经过例如碾压辊压缩后的片层。此外，原材料可以是经树脂浸渍但还未固化的片层或者片层下脚料部分，或者是经树脂浸透并固化了的片层或者片层下脚料部分。该原材料还可以是回收的柔性石墨PEM燃料电池元件，例如流场板或电极。各种来源的石墨中每一种都可以直接使用或者与天然石墨薄片混合使用。

有了柔性石墨片层的原料之后，就可以用已知的方法或装置，例如喷射磨机、空气磨机、搅拌机等将其粉碎以制成颗粒。优选的是，大部分颗粒所具有直径能使其通过20U.S.筛目；更优选大部分(大于大约20％，最优选大于大约50％)不能够通过80U.S.筛目。最优选该颗粒具有的颗粒尺寸不大于大约20筛目。

粉碎的颗粒大小可这样选择，使所述石墨物品的加工性和成型性可与预期的热学性能相平衡。因此，较小的颗粒所得到的石墨物品更容易加工和/或成型，而较大的颗粒所得到的石墨物品具有较高的各向异性，并因此具有较高的平面内导电和导热性。

一旦粉碎了原材料，如果需要的话去除掉任何树脂，然后使其再膨胀。利用上述插层和脱层方法可实现再膨胀过程，这些在Shane等人的美国专利No.3404061和Greinke等人的美国专利No.4895713中有所描述。

典型地，在插层之后，通过在炉中加热该插层颗粒使该颗粒脱层。在该脱层步骤中，可将插层的天然石墨薄片加入回收的插层颗粒中。优选地，在再膨胀步骤过程中，颗粒膨胀成为特定体积范围在至少大约100cc/g至高达350cc/g甚至更大。最终，在再膨胀步骤之后，该再膨胀的颗粒可被压缩成柔性片层，如之后所述。

柔性石墨片层和箔片粘着在一起，具有良好的加工强度，并且适于通过例如压模的方法压缩成大约0.025mm至3.75mm的厚度，并且典型的密度为大约0.1至1.5克每立方厘米(g/cc)。尽管不总是优选，但该柔性石墨片层有时也可以有利地用树脂进行处理，所吸收的树脂在固化之后提高了该柔性石墨片层的防潮性和加工强度，即硬度，以及“固定”了该片层的形态。使用时，适当的树脂含量优选占至少大约5％的重量，更优选占大约10至35％的重量，适宜的是占高达大约60％的重量。本发明实践中发现，尤其适用的树脂包括丙烯酸基-、环氧基-和酚醛基树脂系统，或其混合物。适合的环氧树脂系统包括那些基于二环氧甘油醚或双酚A(DGEBA)的树脂以及其它的多功能树脂系统；可采用的酚醛树脂包括resole和novolak酚醛树脂。

参见图4，公开了一种用于连续生产浸树脂柔性石墨片层的系统，其中石墨薄片和液态插层剂被装载到反应器104中。更具体地说，容器101用于容纳液态插层剂。适合用不锈钢制成的容器101通过管道106可以不断地补充液态插层剂。容器102含有石墨薄片，其和来自于容器101的插层剂一起被引入反应器104。插层剂和石墨薄片输入反应器104的各自速率可以控制，例如通过阀108，107。容器102中的石墨薄片可以通过管道109不断地补充。添加剂，如插层增强剂，例如痕量的酸类，和有机化学试剂可以通过分配器110加入，在其输出口处经阀111计量。

得到的插层石墨颗粒是潮湿的并且包覆着酸，其被导入(例如通过管道112)冲洗罐114以冲洗颗粒，优选其中的水从116、118处进出冲洗罐114。再将洗涤后的插层石墨薄片通过干燥室122，例如通过管道120。可通过容器119将添加剂，例如缓中液、抗氧化剂、污染还原化学试剂加入插层石墨薄片流中，以便在膨胀和使用过程中改良脱层物的表面化学性质，并改善造成膨胀的气体的释放。

插层石墨薄片在干燥器122中干燥，优选在大约75℃至大约150℃的温度下，主要应避免该插层石墨薄片的任何膨胀或扩张。干燥之后，插层石墨薄片作为一股流体被注入火焰200中，例如，通过导管126连续地注入收集容器124，然后作为一股流体注入膨胀容器128中的火焰200，如标记2处所示。添加剂诸如包含浸软的石英玻璃纤维、碳和石墨纤维、锆，氮化硼，碳化硅和氧化镁纤维的陶瓷纤维颗粒，天然形成的矿物纤维例如偏硅酸钙纤维、硅酸钙铝纤维、氧化铝纤维等等，可以由容器129加入到插层石墨颗粒流中，该插层石墨颗粒流通过在127处引入的非反应性气体中被夹带着前进。

在通过膨胀室201内的火焰200后，插层石墨颗粒2在“c”方向上膨胀了80倍以上，形成了“蠕虫状”的膨胀形式5；从129引入并与插层石墨颗粒混合的添加剂在通过火焰200时实质之上并未受到影响。该膨胀的石墨颗粒5可通过重力分离器130，在其中将重的灰分天然矿物颗粒从膨胀石墨颗粒中分离出，然后将送入上阔口的储料器132。在不需要时分离器130可以接旁路。

膨胀的，即脱层的石墨颗粒5与任何添加剂一起自由地落入储料器132中，随机地分散并进入压缩平台136，例如通过134。压缩平台136包括相对的、汇聚的，并且相隔开的移动多孔带157、158，用以接收所述脱层膨胀石墨颗粒5。由于该相对的移动带157，158之间间隔的渐小，该脱层膨胀石墨颗粒就被压制成为柔性石墨垫，如148所示，其厚度例如在大约25.4至0.075mm，特别是在大约25.4至2.5mm，密度在大约0.08至2.0g/cm³。气体洗涤器149可用于去除和清洁膨胀室201和储料器132散发出的气体。

垫148通过容器150，用从喷雾嘴138喷出液态树脂将其浸渍，该树脂方便地通过真空室139而“穿透该垫，之后该树脂优选在干燥器160中干燥以降低树脂的粘性，然后在压磨机170中将该浸渍了树脂的垫143压实以制成辊压式柔性石墨片147。来自于容器150和干燥器160的气体和烟尘优选在洗涤器165中收集并清除。

压实之后，柔性石墨片147中的树脂在固化炉180中至少部分固化。或者，可在压实之前进行部分固化，尽管优选的是压实后固化。

然而，在本发明的一个实施方式中，柔性石墨片并非浸渍过树脂的，在这种情况下，箱式容器150，干燥器160和固化炉180都可以去掉。

如今生产的等离子显示屏尺寸在1米及上(对角线测量)。因此，用于冷却和改善这类屏板的热点效应的散热器也需要相对较大，大约270毫米×大约500毫米左右，或者大到大约800毫米×500毫米，甚至更大。在等离子显示屏中，如上所述，存在数以千计的单元，每个都含有等离子气体。当向各个单元施加电压时，等离子气体随即与各个单元中的磷光物质反应生成彩色光。由于需要较高功率来电离气体产生等离子体，该等离子显示器会变得十分热。而且，根据屏板特定区域中的颜色，可能在屏幕上形成热点，这会造成磷光物质过早击穿使显示器的寿命缩短，并对屏板本身产生热应力。因此，需要散热器来减少这些热点效应。

人们发现，脱层石墨的压缩颗粒片层，尤其是脱层石墨压缩颗粒的层叠片层特别适于用作显示器如等离子显示屏的散热器。更具体地说，将脱层石墨压缩颗粒的一层或多层，这里称为柔性石墨片层，设置成与等离子显示屏的背面热接触，使得该柔性石墨片层覆盖着屏板内的多个热源(即放电单元)。换句话说，柔性石墨片层的表面积大于等离子显示屏背面的一个放电单元的表面积；实际上，该柔性石墨片层的表面积大于该等离子显示屏背面的多个放电单元的表面积。因此，由于该创造性散热器包含具有所述特征的柔性石墨材料，热量可以从热点散发出来，所述热点可能随着屏板所显示图像的变化，出现在该等离子显示器的不同部位。

由于柔性石墨片层材料具有所述特征，使其比其它材料，甚至于其它形式的石墨更为适合，因而减小了该散热器与等离子显示屏之间的接触电阻，并且与采用现有技术、施加相等压力的散热器相比，其能达到更佳的热接触性。

本发明的柔性石墨片散热器可以减小显示器上不同部位之间的热温差(即ΔT)。换句话说，采用所述创造性的柔性石墨散热器，相对于没有该柔性石墨片层时具有的ΔT来说，减少了等离子显示屏上热点之间的温差，例如形成白色图像的部位与附近的形成深色图像的部位之间的温差。因此，减小了等离子显示屏在其它方面受到的热应力，延长了屏板的寿命和有效性。而且，由于减少了热点(即热峰)，整个装置就可以在较高的温度下运行，并具有较高的图像品质。

在实践中，石墨散热器可优选在上面制造一层粘合剂以将该散热器粘在等离子显示屏上，尤其是在等离子显示屏组装的过程中。之后必须用一去除衬垫覆盖住该粘合剂，使粘合剂夹在去除衬垫和石墨片层之间，以便在其粘到等离子显示屏上之前可以储存和运输该石墨散热器。

使用具有去除衬垫并以粘合剂包覆的石墨片层(或叠层)如果要应用于制造大量显示器的过程的话，需要满足一些条件。更具体来说，所述去除衬垫必须能够快速地从片层上去掉而不会造成石墨的层分离。当去除衬垫在去除时实际牵扯着粘合剂和一些石墨脱离了所述片层时，就发生了层分离，从而导致了石墨的损耗，损害了石墨片层本身，并且减少了将石墨片层粘在显示器上所需的粘合剂，以及使其外规难看而不悦目。

然而接下来，尽管粘合剂和去除衬垫的选择应当使得该去除衬垫从粘合剂/石墨片层上卸下时不会造成石墨层分离，但粘合剂仍必须足够牢固以便当屏板处于各种朝向时，石墨片层都可保持在装置的位置上，并且确保散热片(组)与装置之间良好的热接触性。

此外，该粘合剂不能使散热器的热学性能显著降低。换句话说，由于粘合剂会影响从等离子显示屏或其它的显示器向散热器的热传导，因而施加相当厚度层的粘合剂会影响散热器的热学性能。

因此，该粘合剂和去除衬垫的组合必须获得一种平衡，即以大约1m/s的速度去除时，其提供的去除力不大于大约40g/cm，更优选大约20g/cm，最优选大约10g/cm，例如通过ChemInstruments HSR-1000高速去除力测试仪测得。例如，如果希望以大约1m/s的速度去除所述去除衬垫，以满足大量生产显示器如等离子显示屏的需要时，该去除衬垫的平均去除力应当不大于大约40g/cm，更优选大约20g/cm，最优选大约10g/cm，以使得以该去除速度去除所述去除衬垫时不会造成石墨层分离。为此，粘合剂的厚度应优选不大于大约0.015mm，最优选不大于大约0.005mm。

要平衡的另一个因素是粘合剂的粘结强度，如上所述其应当在制造过程中足够使散热器保持在显示器的适当位置上，并确保散热器与装置之间良好的热接触。为达到所需的粘性，粘合剂的最小重叠粘结剪切强度应当为至少大约125g/cm²，更优选的平均重叠粘结剪切强度为至少大约700g/cm²，例如通过ChemInstruments TT-1000拉力测试仪测得。

尽管如此，如上所述，粘合剂应当不会时散热器的热学性能造成实质性的影响。这意味着存在粘合剂时与散热器材料本身没有粘合剂时相比，应当不会导致散热器的全厚度热阻增大大约100％以上。实际上，在更优选的实施方式中，与没有粘合剂的散热器材料相比，该粘合剂不会导致热电阻增大大于约35％。因此，粘合剂必须满足卸载的需要和平均重叠粘结剪切强度的需要，同时要足够薄以避免不希望发生的热阻增大。为达到此目的，粘合剂应当不厚于大约0.015mm，更优选不厚于大约0.005mm。

为获得上述平衡，从而满足在大量制造显示器如等离子显示屏的过程中所应用的散热器制造的需要，其中所述散热片为厚度不大于大约2.0mm、密度在大约1.6至大约1.9克每立方厘米之间的脱层石墨压缩颗粒的片层或叠层，利用市场上可买到的预期厚度的压力敏感型丙烯酸类(acrylic)粘合剂，结合由硅涂覆的牛皮纸如L2或L4去除衬垫，可从Technicote Inc.的一个分公司Sil Tech购得，制成的去除衬垫，就可实现预期的结果。因此，提供了一种散热器组合物，包括散热器材料，如脱层石墨压缩颗粒的叠层或片层，上面具有粘合剂，其厚度应使得该散热器材料的热学性能不会有实质性的损失，并具有去除层使得所述粘合剂夹在散热器材料和去除材料之间。然后在操作中，去除材料可以从所述散热器/粘合剂组合物上去除掉，之后将该散热器/粘合剂组合物加到显示器，例如等离子显示屏上，这样粘合剂就将散热器材料粘在了等离子显示屏上。而且，当生产大量等离子显示屏时，所述大量等离子显示屏的每个上面至少要加一个散热器/粘合剂组合物。

当采用柔性石墨叠层作为所述创造性的散热器时，也可以含有其它的叠层以提高该叠层的机械或热学特性。例如，可以将导热金属如铝或铜的叠层插在柔性石墨层之间以便在不牺牲石墨所呈现的低接触电阻的情况下提高该叠层的热延展性；还可以采用其它的材料，例如聚合物来加强或以其它方式提高叠层的强度。此外，无论单层还是叠层的石墨材料都可以具有一背衬层，例如薄塑料层或者，在可替代方式中，是干燥树脂的薄涂层，以便提高材料的加工性和/或减少运输过程中或加到显示器上时造成的损伤，并且不会损害所述创造性散热器的热延展性。还可以采用绝缘材料层。

此外，预定邻接显示器的散热器的表面可具有用以提高该创造性散热器的热学性能和/或返工能力的材料贴面。最优选为金属如铝或铜，以铝为最佳。尽管可能由于较大的接触电阻会损失一些热量(因为当使用这种贴面时，适宜的石墨表面并不与装置表面接触)，但通过该金属贴面的热学均向性可以弥补这一点。然而，更重要的是，由于贴面会粘在装置的表面上，这有助于去除所述创造性的散热器以用于返工或者其它的目的，因为金属贴面的结构比粘合剂连接更牢固，使得可以迅速而非损伤性地从显示器表面上去除该散热器。

如图1所示，形成之后，可将用于所述创造性散热器的柔性石墨片层或叠层，如10所示，切割成预期的形状，大多数情况下为矩形。散热器10具有两个主表面12和14，以及至少一个边缘面，如果散热器10为矩形通常为四个边缘面16a、16b、16c、16d(显然，当散热器10被切割成方形以外的形状时，例如圆形或更复杂的形状，其会具有不同数目的边缘面)。

现在参见图1-3，散热器10优选还包括保护层20，以预防石墨颗粒从构成散热器10的柔性石墨片层或叠层上剥落或以其它方式分离开。保护层20还优选能有效地隔离散热器10，以避免在电子设备中包括了导电材料(石墨)而造成的电干扰。保护层20可包括任何合适的材料，其足以防上石墨材料的剥落和/或电学隔离该石墨，例如热塑性材料如聚乙烯、聚酯或聚酰亚胺，蜡状和/或漆面材料。实际上，当需要接地时，与电隔离相反，保护层20可包括金属，例如铝。

优选的是，为达到预期的抗剥落和/或电隔离效果，保护层20应当优选至少大约0.001mm厚。尽管保护层20没有真正的最大厚度，但为了有效地起作用，保护层20应当不大于大约0.025mm厚，优选不大于大约0.005mm厚。

当散热器10应用于显示器如等离子显示屏时，散热器10的主表面12就是与屏板有效连接的表面。这样，在许多应用中，主表面12与屏板之间的接触将起到“密封”主表面12以免石墨剥落的作用，因而取消了用保护层20来覆盖主表面12的需要。同样，假设主表面14与散热器10所在的其余电装置电隔离，就不需要对主表面12进行电隔离。然而，出于加工或其它方面的考虑，在一些实施方式中，散热器10的主表面12和14都可以涂覆着保护层20，其插在石墨片层和用在主表面12上的任何粘合剂之间以便将散热器10粘在等离子显示屏上(未示出)。

散热器10可通过几种不同的方法来提供保护层20。例如，一旦将柔性石墨片层或叠层切割成一定尺寸和性状以制成散热器10后，可将构成保护层20的材料涂覆在单个的散热器10上，以便流遍整个主表面14和边缘面等并延伸出边缘面等，从而形成绕散热器10的保护性剥落边界，如图1中所示。为此，可通过本领域技术人员熟悉的各种涂层方法来施加保护层20，例如喷涂法、滚涂法和热层压法。

在可替代的实施方式中，如图2所示，可使施加到散热器10上的保护层20能覆盖住一个或多个边缘面16a、16b、16c、16d(根据例如，哪面暴露出并因而可能会剥落和/或造成电干扰)。通过实现该过程的机械制图和层压方法可以施加该保护涂层20。

本发明还有另一个实施方式，如图3中所示，使施加至散热器10上的保护层20只覆盖住主表面14。制造该实施方式的散热器10的一个特别有利的方法是，通过滚压涂层法、粘性层压法或者热层压法将保护层20涂覆柔性石墨片层或叠层，然后将该柔性石墨片层或叠层切割成预期的散热器10形状。通过这种方式，生产效率达到了最大化，并且减少了制造过程中对保护层20的浪费。

一般来说，对于大多数应用，涂层过程能以足够的强度将保护层20粘到散热器10上。然而，如果需要的话，或者对于相对非粘性的保护层20来说，例如

聚酯材料和Kapton聚酰亚胺材料(均可购自E.I du Pont de Nemours andCompany of Wilmington，Delaware)，可以将粘合剂层30施加到散热器10和保护层20之间，如图3所示。适合的粘合剂有助于将保护层20粘到散热器10上，例如丙烯酸类或乳胶粘合剂。粘合剂层30可涂覆在散热器10和保护层20之一上或者二者都涂覆。有利地，粘合剂层30越薄越好，同时应保持保护层20与散热器10之间的粘性，优选的是，粘合剂层30的厚度不大于大约0.015mm。

此外，在另一个实施方式中，散热器10的表面12包括插在散热器10的表面12与显示器的表面之间的贴面层。如上所述，贴面层优选为金属，例如铝，利用施加到散热器10和贴面层之间的粘合剂层将其粘到表面12上，如图1所示。适合的粘合剂有丙烯酸或乳胶粘合剂，可涂覆在散热器表面12和贴面层之一上或者二者都涂覆。当然，粘合剂施加得越薄越好，同时仍应保持贴面层与表面12之间的粘性，优选厚度不大于大约0.015mm。

此外，如图1所示，贴面层可以与保护层20协同密封设置于该贴面层和保护层20之间的石墨散热器10。更具体地说，如果贴面层超出了散热器10的边缘等，则保护层可涂覆在散热器10周围并延伸到贴面层。或者，可采用诸如铝带这样的材料来密封位于贴面层和保护层20之间的边缘等。

尽管本申请是根据用在等离子显示屏上的散热器来描述的，应当明白该创造性的方法和散热器可同样应用于其它的发射显示器热源，或者热源集合(其相应的功能等价于构成等离子显示屏的单个放电单元的集合)，例如发光二极管，以及其它的产生局部高温区或热点的显示器，如液晶显示器。

以下实施例表示了本发明的一个实施方式的工作和效果，但仅仅是说明性的，并没有限制本发明要求的范围和广度的含义。

实施例1

在以下不同的屏幕条件下分析型号为No.TH42PA20的松下等离子电视的热学特性，其采用了丙烯酸类散热器贴在该等离子显示屏的背面。在显示器上形成黑白图案模式并用红外照相机测量其屏幕表面温度。在所有情况下背景均为黑色。图案包括：1)三条均匀间隔开的白色线条，水平地贯穿屏幕(23.9％的屏幕照度)以及；2)4×3均匀间隔开的白色点阵(4％的屏幕照度)。用常规的丙烯酸散热器测试该装置之后，除去该丙烯酸类散热器，用1.4mm厚具有大约260W/m°K平面内导热率的柔性石墨散热器代替。然后在与前述相同的条件下再次测试该等离子显示器，结果列于表1。

表1

 

模式	散热器	Tmax	白色模式的T范围	周围环境
					白线模式	丙烯酸	49.3	30	24.1
白线模式	柔性石墨	48.6	34.4	23.5
					白色点阵模式	丙烯酸	51.8	30.4	24.3
白色点阵模式	柔性石墨	39.3	28.3	23.4

实施例2

在以下不同的屏幕条件下分析型号为Plasmsync 42”42XM2 HD的NEC等离子显示器的热学特性，其采用了铝/硅酮散热器贴在该等离子显示屏的背面。在显示器上形成黑白图案模式并用红外照相机测量其屏幕表面温度。在所有情况下背景均为黑色。图案包括：1)三条均匀间隔开的白色线条，水平地贯穿屏幕(23.9％的屏幕照度)以及；2)4×3均匀间隔开的白色点阵(4％的屏幕照度)。用常规的铝/硅酮散热器测试该装置之后，除去该铝/硅酮散热器，用1.4mm厚具有大约260W/m°K平面内导热率的柔性石墨散热器代替。然后在与前述相同的条件下再次测试该显示器，结果列于表2。

表2

 

模式	散热器	Tmax	白色模式的T范围	周围环境
					白线模式	铝/硅酮	61.4	32.9	25.2
白线模式	柔性石墨	55.1	33.9	24.9

这些实施例表明，在所观测到的最大温度方面(Tmax)和温度范围方面(T范围)，使用柔性石墨散热器比常规的散热器技术更优越。

本申请中涉及的所有被引用的专利和出版物都引入作为参考。

本发明做出如此说明，显然其可以变为多种形式。这种变形并不被认为偏离了本发明的实质和范围，并且所有这种改变对本领域技术人员来说显然包括在以下权利要求的范围之中。

Claims (17)

1.显示器，其包括：

a.显示器，其包括多个热源；和

b.散热器，其包括至少一层脱层石墨的压缩颗粒和贴面层，所述贴面层使散热器能够从所述显示器上干净地被除掉，所述散热器具有两个主表面，该散热器的表面积大于显示器背面形成了局部区域高温的这部分表面积，其中散热器的一个主表面基本上整个与显示器热接触，以使贴面层位于所述至少一层脱层石墨的压缩颗粒和所述显示器之间，以及其中所述散热器本身减低显示器上的部位之间的温差。

2.权利要求1所述的显示器，其中所述散热器包括包含多层脱层石墨的压缩颗粒的叠层。

3.权利要求2所述的显示器，其中所述叠层包括非石墨材料层。

4.权利要求1所述的显示器，其中散热器通过粘合剂粘附在显示器上，所述粘合剂达到的最小重叠粘结剪切强度为至少大约125克每平方厘米。

5.权利要求4所述的显示器，其中所述粘合剂达到的最小重叠粘结剪切强度为至少大约700克每平方厘米。

6.权利要求4所述的显示器，其中所述粘合剂的厚度不大于大约0.015mm。

7.权利要求1所述的显示器，其中散热器至少一个主表面覆盖着足以阻止石墨颗粒剥落的保护层。

8.权利要求7所述的显示器，其中所述保护层包括金属或者热塑性材料。

9.权利要求8所述的显示器，其中所述保护层的厚度不大于大约0.025mm。

10.权利要求7所述的显示器，其中所述保护层使所述至少一层脱层石墨压缩颗粒的包覆主表面有效地电隔离。

11.权利要求7所述的显示器，其中所述至少一层脱层石墨的压缩颗粒具有边缘面，并且至少一个边缘面覆盖着足以阻止石墨颗粒剥落的保护层。

12.权利要求7所述的显示器，其中进一步包括一层插在所述保护层和所述至少一层脱层石墨的压缩颗粒之间的粘合剂。

13.权利要求1所述的显示器，其中所述贴面层包括金属、聚合物或热界面材料。

14.权利要求13所述的显示器，其中所述热界面材料包括粘合剂。

15.权利要求1所述的显示器，其中所述显示器是液晶显示器。

16.权利要求1所述的显示器，其中所述显示器是等离子显示屏。

17.权利要求1所述的显示器，其中所述显示器包括发光二极管。

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