CN103811651A - 导热复合材料及其衍生的发光二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明是有关于一种导热复合材料，包括：一基体以及一片状石墨烯。片状石墨烯具有二维平面结构，且片状石墨烯的基面侧向(basal plane)尺寸是介于0.1纳米至100纳米，使得片状石墨烯具有量子井结构。因此，当辐射热能通过本发明的导热复合材料时，可通过片状石墨烯的量子井结构，将辐射热能转化成远红外线，而有效导热。本发明进一步包括该导热复合材料衍生的发光二极管，其可有效达到散热的功效。

Description

导热复合材料及其衍生的发光二极管
技术领域
本发明是关于一种导热复合材料与具有其的发光二极管，尤指一种导热复合材料中可以达到将辐射热能转化成远红外线的导热情形，以及具有其的发光二极管。
背景技术
21世纪起，电子产业的蓬勃发展，电子产品在生活上已经成为不可或缺的一部分，因此企业对于电子产品开发方向以多功能及高效能发展等为主，也开始将发光二极管芯片应用于各种电子产品。其中尤其是可携式电子产品种类日渐众多，电子产品的体积与重量越来越小，因此，电子产品的导热效果成为值得重视的问题之一。
现今经常使用的发光二极管(Light Emitting Diode，LED)芯片而言，由于发光亮度够高，因此可广泛应用于显示器背光源、小型投影机以及照明等各种电子装置中。然而，目前LED的输入功率中，将近80％的能量会转换成热能，倘若承载LED元件的载板无法有效地导热时，便会使得发光二极管芯片界面温度升高，除了影响发光强度之外，亦可能因热度在发光二极管芯片中累积而造成各层材料受热膨胀，促使结构中受到损伤而对产品寿命产生不良影响。此外，由于发光二极管内所激发的光线是以一放射方式扩散，并非所有光线都会经由发光二极管表面而散射出，故造成出光率不佳，且无法达到最有效的出光率。
据此，若能进一步改善发光二极管的导热效率以及缓和或去除发光二极管受热膨胀的不良影响，且寻求一结构整体上的设计来提升导热率，将更可促使整体电子产业的发展。
石墨烯通常被定义为单一原子厚度具有sp2键结的碳原子的平板，该等碳原子是紧密堆栈成具有蜂巢结晶晶格的苯环的结构。此二维材料在层状结构的平面呈现高电子稳定性以及优异的导热性，于多彼此相互平行堆栈的层状石墨烯是由石墨所组成。目前来说，石墨稀应用于不同的产品以及材料上，已经是必然的趋势。
而如中国台湾专利TW 2012177446揭示一种聚合物树脂组合物，使用聚合物树脂组合物制造的绝缘薄膜及制造该绝缘薄膜的方法，绝缘薄膜包括石墨稀而应用于电子电路板上用以降低热膨胀系数；中国台湾专利TW201220562揭示一种散热基板及制造其的方法及具有该散热基板的发光元件封装构造，散热基板包含高分子树脂以及分散于高分子树脂中的石墨烯，而散热基板将一预定发热元件所产生的热散出至外部；另外，中国台湾专利TW 201145474揭示一种电子/光电元件的散热装置，石墨烯或纳米碳管配合现有半导体元件(如LED光电元件或IC电子元件)作为散热的用，通过石墨烯或纳米碳管高热传导是数以及导热均匀的特点，提高整体的散热效果。
然而，上述的散热材料的发明，仅止于对于热传导方式的解决方法，据此，若能进一步发现一种复合材料其本身可具有除高度热传导特性外，而能具有其它导热路径来达到导热性果，所应用的产品更能降低热因素对于产品本身寿命及效能的影响。因此，发明人发明了一种导热复合材料。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种导热复合材料，其具有的量子井结构特性，辐射能通过复合材料的过程中的，通过所具有的量子井结构特性，在辐射能转换成远红外光，有效达成导热的效果。即使有部分热量没有自发光二极管中散失而促使整体结构产生热膨胀。
为达成上述目的，本发明的一态样提供一种导热复合材料，包括：一基体以及多个片状石墨烯。该些片状石墨烯具有二维平面结构，其中，片状石墨烯的基面侧向尺寸(La)是介于0.1纳米至100纳米，且片状石墨烯的基面具有量子井结构。
并且，本发明的片状石墨烯的基面侧向尺寸(La)较佳为介于20纳米至70纳米；更佳为，片状石墨烯的基面侧向尺寸(La)较佳为介于30纳米至50纳米。此外，该石墨烯薄片的基面侧向尺寸(La)及堆栈层距尺寸(Lc)的比值为100至1,250,000，较佳为该石墨烯薄片的基面侧向尺寸(La)及堆栈层距尺寸(Lc)的比值为250至50,000。
由于片状石墨烯在本发明需要具有完美的二维平面结构，因此，极佳的片状石墨烯应为仅单单由六方晶体所组成。如任何在片状石墨烯形成的五角形或七角形晶体都会构成缺陷，这种缺陷改变片状石墨烯的基面所具有平坦的性质。例如，单一五角形晶体会使得平板弯曲(warp)成圆椎状，当12个五角形晶体于适当的位置时会产生平坦的富勒烯。同样地，单一的七角形晶体会将平板弯曲成鞍状(saddle-shape)。因此，需要高度石墨化程度的片状石墨烯。
在此所述的「石墨化程度(degree of graphitization)」指石墨的比例，其具有理论上相隔3.354埃(angstrom)的石墨平面(graphene plane)，因此，石墨化的程度为1是指100％的石墨具有基面的石墨平面间距(d(0002))为3.354埃的碳原子六角形网状结构。较高的石墨化程度是指较小的石墨平面间距。石墨化程度(G)能利用式1来计算。
G＝(3.440-d(0002))/(3.440-3.354)(1)
相反地，d(0002)能根据G而使用式2计算而得。
d(0002)＝3.354+0.086(1-G)(2)
根据式1，3.440埃是非晶碳
Figure BDA00002490945000031
基面面的层间距离，而3.354埃是纯石墨
Figure BDA00002490945000032
的层间距离，纯石墨是可通过在3000℃以一延长的时间(如12小时)烧结可石墨化的碳。较高程度的石墨化对应于较大的结晶尺寸，其是通过基面侧向尺寸(La)和层间距离的尺寸(Lc)所表征。需注意尺寸参数是反比于底面的间隔。本文所述的「高度石墨化」是依照所使用的材料，但通常是指石墨化的程度等于或大于约0.8。在本发明下述所提到的实施例中，高程度的石墨化是指大于约0.85的石墨化程度。
而当辐射能作用于本发明的导热复合材料时，由于导热复合材料中所含有的片状石墨烯为一具有sp2键结形成的碳原子蜂巢结构，以及单层片状石墨烯或多层片状石墨烯堆栈形成量子井结构特性，故辐射能由石墨烯的堆栈层距尺寸(Lc)方向(即垂直于基面侧向尺寸(La)的共价键结区域)进入此量子井结构，使辐射射能转换成远红外光(波长5微米至20微米)，再由石墨烯的基面侧向尺寸(La)方向(即石墨烯侧面的)摇摆键结(danpingbonding)区域离开此量子井结构，并同时将热量传送散逸至空气中。
辐射能被局限于片状石墨烯的量子井结构中，其欲转换所发出来的光波长需符合片状石墨烯所具有量子井结构的能阶特性，因此，辐射能容易于片状石墨烯所具有量子井结构中转换产生远红外线光。
一般而言，金属材料的表面辐射率都在0.10以下，高分子材料的表面辐射率可达到0.80左右，而石墨烯的表面辐射率可达到0.80～1.00。因此，本发明的导热复合材料，当辐射热能通过片状石墨烯时，可通过片状石墨烯的量子井结构，将辐射热能转化成远红外线，而有效导热。
本发明的片状石墨烯可为一透明片状石墨烯，因此导热复合材料作为发光二极管的封装材料时，由于所包括的片状石墨烯为透明，因此对于发光二极管的出光率影响小；此外，片状石墨烯可占总重量的0.1wt％至15wt％调配于基体；另外，片状石墨烯可为一单层片状结构或多层片状结构；较佳为，多层片状结构的层数可介于2至100层；更佳为10至70层；最佳为20至40层。此外，当片状石墨烯为单层结构时，其光透射率更可达到97.5％以上。
本发明的基体可选至少一选自由有机材料、纤维材料、陶瓷材料、金属材料及其组合所组成的群组；其中，有机材料可为酚醛树脂、环氧树脂、聚酯树脂、聚酰胺树脂、聚亚酰胺树脂、聚碳酸树脂、聚苯乙烯树脂、聚对苯二甲酸、乙二醇酯、高密度聚乙烯、聚氯乙烯、低密度聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚苯碳酸、或其组合所组成。另外，纤维材料可为玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维或其组合；此外，上述的陶瓷材料可为氧化铝、碳化硅、氮化铝或其组合。
本发明的导热复合材料还可包括一添加剂；其中，添加剂可至少一选自由荧光粉、纳米碳管、六方氮化硼、石英、或其类似物、或其组合所组成的群组。
在本发明的一态样中，是提供一种保暖衣，包括上述本发明的导热复合材料。例如，导热复合材料的基体为碳纤维，结合片状石墨烯，当太阳的辐射能入射于保暖衣时，即能转换成远红外线，对于穿着保暖衣的人达到保暖作用。
在本发明的一态样中，是提供一种太阳能微波式净水器，包括一本发明上述的导热复合材料。例如，导热复合材料作为太阳能微波式净水器的罩盖，而导热复合材料的基体为聚丙烯，结合片状石墨烯，当太阳的辐射能入射于太阳能微波式净水器的罩盖时，即能转换成远红外线，对于太阳能微波式净水器内的污水达到加热的作用。
本发明的一态样提供一种红外线漆料，包括一本发明上述的导热复合材料。例如，导热复合材料的基体为油漆或树脂涂料时，将导热复合材料结合片状石墨烯将可以视需求而达到热量储存(保暖)或耐高温的效果。
为达成上述目的，本发明的另一态样提供一种发光二极管，包括：一绝缘基板、一芯片、一导线架、一导线以及一透明封装材料。芯片设置绝缘基板上，而导线架夹置于绝缘基板与芯片之间，且导线的一端连接于芯片，以及导线的另一端连接于导线架上。另外，透明封装材料是本发明上述的导热复合材料，透明封装材料覆盖于绝缘基板。
因此，本发明的发光二极管可通过透明封装材料，将芯片所发出的辐射热能转化远红外线，因此，可有效提高发光二极管整体散热的效果。
附图说明
图1是本发明的实施例一的发光二极管示意图。
图2是本发明的实施例一的片状石墨烯的示意图。
图3是本发明的实施例二的发光二极管示意图。
【主要元件符号说明】
发光二极管    1，2
绝缘基板      11，21
芯片          12，22
导线架        13，23
导线          14，24
透明封装材料  15，25
环氧树脂      151，251
片状石墨烯    152，252
基面侧向尺寸    La
荧光粉          253
具体实施方式
以下是通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技艺的人士可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不悖离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
本发明的实施例中所述图式均为简化的示意图。但所述图标仅显示与本发明有关的元件，其所显示的元件非为实际实施时的态样，其实际实施时的元件数目、形状等比例为一选择性的设计，且其元件布局型态可能更复杂。
实施例一
根据对于导热复合材料的需求，本发明的一较佳实施例提供一种导热复合材料，包括：一基体以及多片状石墨烯。每一片状石墨烯具有二维平面结构，其中，每一片状石墨烯的基面侧向尺寸(La)可介于0.1纳米至100纳米；较佳为，片状石墨烯的基面侧向尺寸是介于20纳米至70纳米；更佳为，片状石墨烯的基面侧向尺寸较佳为是介于30纳米至50纳米，使得片状石墨烯的基面具有量子井结构的特性。在本实施例中，每一片状石墨烯的基面侧向尺寸(La)是介于35纳米至45纳米之间。
因此，本实施例的导热复合材料，当辐射热能通过片状石墨烯时，可通过片状石墨烯的量子井结构，将辐射热能转化成远红外线，而有效导热。
在本实施例中，片状石墨烯为一高度石墨化、透明片状石墨烯，且可一单层多层片状结构或多层片状结构，其层数是介于20层至40层之间，因此片状石墨烯层间距离(Lc)为一纳米尺度，是介于6纳米至12纳米之间；此外，片状石墨烯可占总重量的0.1wt％至15wt％调配于基体，在本实施例中，片状石墨烯占导热复合材料总重量5wt％。
而基体可选至少一选自由有机材料、纤维材料、陶瓷材料、金属材料及其组合所组成的群组。其中，有机材料可为酚醛树脂、环氧树脂、聚酯树脂、聚酰胺树脂、聚亚酰胺树脂、聚碳酸树脂、聚苯乙烯树脂、聚对苯二甲酸乙二醇酯、高密度聚乙烯、聚氯乙烯、低密度聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚苯碳酸、或其组合所组成。另外，纤维材料可为玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维或其组合；此外，上述的陶瓷材料可为氧化铝、碳化硅、氮化铝或其组合。
本发明的导热复合材料还可包括一添加剂，其中，添加剂至少一选自由荧光粉、纳米碳管、六方氮化硼、石英、或其类似物、或其组合所组成的群组。在本实施例中，基体为一环氧树脂的有机材料，且导热复合材料更可包含六方氮化硼或纳米碳管。
实施例二
请参阅图1，是本发明的实施例的发光二极管示意图。由图1所示，一种发光二极管1，包括：一绝缘基板11、一芯片12、一导线架13、一导线14以及一透明封装材料15。芯片12设置绝缘基板11上，而导线架13夹置于绝缘基板11与芯片12之间，且导线14的一端连接于芯片12，以及导线14的另一端连接于导线架13上。另外，透明封装材料15如上述实施例一的导热复合材料，其包括环氧树脂151及多个片状石墨烯152，且透明封装材料15覆盖于绝缘基板11。
请参阅图2，是本发明的实施例的片状石墨烯示意图，且一并参考图1。由图2所示，片状石墨烯152由六方晶体所组成，因此，片状石墨烯152的基面侧向尺寸La不仅在一纳米尺度中，且由于片状石墨烯152有完整个六方晶体排列，使片状石墨烯152可具有平整的二维平面结构。
因此，本发明的发光二极管1可通过透明封装材料15，将芯片所发出的辐射热能转化远红外线，因此，可有效提高发光二极管整体散热的效果。
实施例三
请参阅图3，是本发明的实施例的发光二极管示意图。由图3所示，一种发光二极管2，包括：一绝缘基板21、一芯片22、一导线架23、一导线24以及一透明封装材料25。芯片22设置绝缘基板21上，而导线架23夹置于绝缘基板21与芯片22之间，且导线24的一端连接于芯片22，以及导线24的另一端连接于导线架23上。并且，透明封装材料25为一导热复合材料，透明封装材料25包括有环氧树脂251、多个片状石墨烯252以及多个荧光粉253，且透明封装材料25覆盖于绝缘基板21。
在本实施例中，每一片状石墨烯252是一高度石墨化、透明片状石墨烯，且为一多层片状结构，其层数是介于50层至70层之间，因此片状石墨烯252层间距离(Lc)为一纳米尺度，是介于15纳米至21纳米之间，而片状石墨烯252的基面侧向尺寸是介于50纳米至60纳米。而片状石墨烯252占透明封装材料25总重量10wt％。
因此，芯片222所发出的光可通过不同波长的多个荧光粉253混色达到预期的光色，而透明封装材料25的片状石墨烯252具有一透明结构，所以不会影响发光二极管2的出光率也能有效达到散热的效果。
本发明的导热复合材料，除上述实施例应用于发光二极管上，亦可应用于如太阳能微波式净水器、保暖衣或是红外线涂料等。
上述实施例仅是为了方便说明而举例而已，本发明所主张的权利范围自应以申请专利范围所述为准，而非仅限于上述实施例。

Claims (14)

1.一种导热复合材料，包括：
一基体；以及
多个片状石墨烯，具有二维平面结构；
其中，该这些片状石墨烯的基面侧向尺寸(La)介于0.1纳米至100纳米，该这些片状石墨烯的该基面具有量子井结构。
2.如权利要求1所述的导热复合材料，其中，该这些片状石墨烯是一透明片状石墨烯。
3.如权利要求1所述的导热复合材料，其中，该这些片状石墨烯占总重量的0.1wt％至15wt％调配于该基体。
4.如权利要求1所述的导热复合材料，其中，该这些片状石墨烯是一单层片状结构或多层片状结构。
5.如权利要求4所述的导热复合材料，其中，该这些多层片状结构的层数介于2至100层。
6.如权利要求1所述的导热复合材料，其中，该基体是选至少一选自由有机材料、纤维材料、陶瓷材料、金属材料及其组合所组成的群组。
7.如权利要求6所述的导热复合材料，其中，该有机材料为酚醛树脂、环氧树脂、聚酯树脂、聚酰胺树脂、聚亚酰胺树脂、聚碳酸树脂、聚苯乙烯树脂、聚对苯二甲酸、乙二醇酯、高密度聚乙烯、聚氯乙烯、低密度聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚苯碳酸、或其组合。
8.如权利要求6所述的导热复合材料，其中，该纤维材料是玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维或其组合。
9.如权利要求6所述的导热复合材料，其中，该陶瓷材料是氧化铝、碳化硅、氮化铝或其组合。
10.如权利要求1所述的导热复合材料，还包括一添加剂，该添加剂是至少一选自由荧光粉、纳米碳管、六方氮化硼、石英、或其类似物、或其组合所组成的群组。
11.一种保暖衣，包括一如权利要求1至第10任一所述的导热复合材料所组成。
12.一种太阳能微波式净水器，包括一如权利要求1至10任一项所述的导热复合材料所组成。
13.一种红外线漆料，包括一如权利要求1至10任一项所述的导热复合材料所组成。
14.一种发光二极管，包括：
一绝缘基板；
一芯片，设置该绝缘基板上；
一导线架，夹置于该绝缘基板与该芯片之间；
一导线，该导线的一端连接于该芯片，该导线的另一端连接于该导线架上；以及
一透明封装材料，如权利要求1至10中任一项所述的导热复合材料，该透明封装材料覆盖于该绝缘基板。
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