CN105408247B - 包含高密度压缩和膨胀石墨颗粒的复合石墨绝热材料及其制造方法 - Google Patents

包含高密度压缩和膨胀石墨颗粒的复合石墨绝热材料及其制造方法 Download PDF

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Abstract

公开了在厚度方向上具有改善热导率的复合石墨绝热材料及其制造方法。根据本发明的复合石墨绝热材料包含：在厚度方向上被压缩的膨胀石墨基体；以及填充到压缩膨胀石墨基体内的孔隙中并且密度为0.1g/cm3或更高的高密度的经压缩的膨胀石墨颗粒。

Description

包含高密度压缩和膨胀石墨颗粒的复合石墨绝热材料及其制 造方法
技术领域
本公开内容涉及用于制备石墨基散热材料的技术，更具体地涉及包含具有高密度的经压缩的膨胀石墨颗粒的复合石墨散热材料以及制备所述散热材料的方法。
本申请要求于2013年5月29日在大韩民国提交的韩国专利申请No.10-2013-0061217的优先权，其通过引用并入本文。
背景技术
集成电路或发光显示器已被用于包括计算机、笔记本、平板PC、手机和显示面板的各种电子产品，并且在其工作期间产生大量的热。
这样的热应通过合适的散发方式散发至外部。否则，电子产品可能因温度过度升高而经历可靠性和耐久性劣化。
作为散热材料，已使用具有良好热导率的金属或石墨。其中，石墨作为用于多种产品的散热材料在轻量化和成本节约方面是有利的。
通常，包含石墨的散热材料通过使膨胀的天然石墨自身压制成型以片材或垫(gasket)的形式获得。
然而，由于压缩的天然石墨具有各向异性，所以其在其平面方向上具有非常高的热导率，但在其厚度方向上表现出不足的热导率。
韩国专利No.10-0755014(2007年8月28日登记)公开了涂覆有导热粘合剂的散热石墨片材及其制备。
发明内容
技术问题
本公开内容是为了解决相关技术的问题而设计的，因此本公开内容涉及提供这样的石墨基散热材料：所述石墨基散热材料在厚度方向上具有提高的热导率并且在平面方向上同样具有高热导率，从而表现出热导率特征的整体提升。
技术方案
在本公开的一个方面中，提供了用于制备散热材料的复合石墨，其中将膨胀石墨与具有0.1g/cm3或更高的高密度的经压缩的膨胀石墨颗粒混合。
在复合石墨中，经压缩的膨胀石墨颗粒的密度为0.1g/cm3至2.2g/cm3。
另外，在复合石墨中，高密度的经压缩的膨胀石墨颗粒以基于膨胀石墨和高密度的经压缩的膨胀石墨颗粒的总重量5重量％至50重量％的量存在。
此外，在复合石墨中，高密度的经压缩的膨胀石墨颗粒直径为0.01μm至0.2μm。
在本公开内容的另一个方面中，还提供了用于制备复合石墨散热材料的方法，其包括：(a)压缩膨胀石墨以获得密度为0.1g/cm3或更高的高密度的经压缩的膨胀石墨颗粒；(b)将另外的膨胀石墨与高密度的经压缩的膨胀石墨颗粒混合以获得复合石墨；以及(c)使所述复合石墨压制成型。所述压制成型可通过滚压进行。
在本公开内容的又一个方面中，还提供了复合石墨散热材料，其包含：在厚度方向上被压缩的膨胀石墨的基体；以及填充到基体的孔隙中并且具有高密度(0.1g/cm3或更高)的经压缩的膨胀石墨颗粒。
在本公开内容的再一个方面中，还提供了复合石墨散热材料，其包含：在厚度方向上被压缩的膨胀石墨的基体；以及填充到基体的孔隙中并且密度为0.1g/cm3至2.2g/cm3的高密度的经压缩的膨胀石墨颗粒，其中所述高密度的经压缩的膨胀石墨颗粒以基于膨胀石墨基体和高密度的经压缩的膨胀石墨颗粒的总重量5重量％至50重量％的量存在。
此外，高密度的经压缩的膨胀石墨颗粒的直径为0.01μm至0.2μm。
有益效果
根据本公开的复合石墨散热材料(其中经压缩的膨胀石墨基体中的孔隙填充有经压缩至高密度的相同的膨胀石墨材料组分)可以出乎意料地提高厚度方向上的热导率并最终获得高水平的散热特性。
因此，本发明的石墨散热材料可以将通过电子产品放热平面传递的热快速地传导进入其平面和厚度两个方向上，从而提供良好的散热效果。
附图说明
参照附图，根据下面描述的实施方案，本公开的其他目的和方面将变得明显，其中：
图1示出了根据本公开内容一个实施方案的复合石墨散热材料附接至放热平面的情况。
图2示意性地示出了根据本公开一个实施方案的复合石墨散热材料。
图3示出了用于测量实施例1至实施例3和比较例1中制备的复合石墨的散热材料的散热性能的装置。
图4是设置在测试平台中的热源的放大视图。
具体实施方式
除附图之外，本公开的优点和特征根据下面描述的实施方案也将变得明显。然而，所述实施方案并不旨在限制本发明，而是仅以举例说明的方式给出以使本领域普通技术人员更好地理解本发明，并且也可对所述实施方案做出其他的等效方案和修改。因此，应理解，本发明由权利要求的范围所限定。在整个说明书中，相同的附图标记表示相同的组件。
下文中，将参照附图详细地描述根据本公开内容优选实施方案的包含高密度的经压缩加工的膨胀石墨的复合石墨散热材料及其制备。
图1示出了根据本公开内容一个实施方案的复合石墨散热材料连接至放热平面的情况。
参照图1，根据本公开内容的复合石墨散热材料110是片、垫或三维体的形式，并且附接至电子产品的放热平面101。在图1中，A表示复合石墨散热材料的平面方向，并且B表示其厚度方向。
图2示意性地示出了根据本公开的一个实施方案的复合石墨散热材料。
参照图2，根据本公开内容的复合石墨散热材料110包含膨胀石墨基体210以及填充到膨胀石墨基体210的颗粒之间的孔隙215中的高密度的经压缩的膨胀石墨颗粒220。
通过使密度为约0.0025g/cm3至0.0125g/cm3的常规膨胀石墨以预定间距排列以形成基体阵列来获得膨胀石墨基体210，并且最终在复合石墨散热材料110的压制成型工艺期间在每个颗粒的厚度方向对其进行压缩，如图2所示。
将高密度的经压缩的膨胀石墨颗粒220填充到膨胀石墨基体210中存在的孔隙215中。
当在厚度上压缩膨胀石墨基体210时，在构成膨胀石墨基体210的膨胀石墨颗粒之间形成孔隙215，并且所述孔隙变成使厚度方向上的热导率变差的因素。因此，已知通过使膨胀石墨压制成型所形成的常规散热材料在平面方向(A)上表现出约230W/mK或更高的热导率，但在厚度方向(B)上表现出约5W/mK或更低的热导率。在本发明中，膨胀石墨颗粒220填充膨胀石墨基体210中的孔隙，从而形成复合结构，所述膨胀石墨颗粒220表现出与膨胀石墨基体的石墨完全相同的物理和化学特性并且也经历了高密度压缩。
将高密度的经压缩的膨胀石墨颗粒220填充到膨胀石墨基体210的孔隙215中以提高厚度方向上的热导率。特别地，由于高密度的经压缩的膨胀石墨颗粒220与基体210的材料是相同的石墨组分，所以其可以提供比填充聚合物或其他碳基颗粒的情况更高的热导率。
高密度的经压缩的膨胀石墨颗粒220通过将膨胀石墨压缩约8至400次获得，并且其是几乎各向同性的石墨。该各向同性的石墨在1.75g/cm3的密度下的热导率为80W/mk，并且在1.85g/cm3的密度下的热导率为160W/mk。也就是说，随着密度增加，热导率非常快速地提高。
考虑到这点，本公开内容中使用的经压缩的膨胀石墨颗粒220限制为密度为0.1g/cm3或更高。如果经压缩的膨胀石墨颗粒220的密度低于0.1g/cm3，则在厚度方向上提高热导率的效果不足。同时，为了产生具有超过2.2g/cm3的超高密度的经压缩的膨胀石墨颗粒，必须做出过多的压缩，这导致生产成本增加。因此，更优选的是，经压缩的膨胀石墨颗粒的密度为0.1g/cm3至2.2g/cm3。
高密度的经压缩的膨胀石墨颗粒以基于膨胀石墨基体和高密度的经压缩的膨胀石墨颗粒的总重量5重量％至50重量％的量存在。如果高密度的经压缩的膨胀石墨颗粒以少于5重量％的量存在，则基体中的孔隙没有被充分地填充，并且在厚度方向上提高热导率的效果可能不良。如果高密度的经压缩的膨胀石墨颗粒以超过50重量％的量存在，则难以获得稳定的产率和良好的可靠性。
同时，优选的是，高密度的经压缩的膨胀石墨颗粒的直径为0.01μm至0.2μm。如果高密度的经压缩的膨胀石墨颗粒的直径超过0.2μm，则颗粒不能进入孔隙中。如果高密度的经压缩的膨胀石墨颗粒的直径小于0.01μm，则生产颗粒的成本可过度增加。
根据本公开的复合石墨散热材料可以通过高密度的经压缩的膨胀石墨颗粒使膨胀石墨基体中的孔隙最小化，从而在平面和厚度两个方向上提高热导率。
因此，根据本公开的复合石墨散热材料可以通过与面板和装置(例如，壳)直接或间接接触用作使由各种电子产品的印刷电路板(PCB)顶部、显示装置的光源等产生的热扩散的散热材料。
具有包含在厚度方向上被压缩的膨胀石墨基体和填充到该基体中的高密度的经压缩的膨胀石墨颗粒的结构的散热材料可由复合石墨制备，在所述复合石墨中，将膨胀石墨与0.1g/cm3或更高的高密度的经压缩的膨胀石墨颗粒混合。
更具体地，根据本公开的复合石墨的散热材料可通过以下步骤制备：使膨胀石墨压缩8至500次以获得具有0.1g/cm3或更高的高密度的经压缩的膨胀石墨颗粒；将另外的膨胀石墨与高密度的经压缩的膨胀石墨颗粒混合以获得石墨混合物；以及在厚度方向上使该混合物压制成型。压制成型可在约100MPa或更高的压力下进行，并且可根据模具的形式进行三维加工。另外，压制成型可通过滚压进行。
实施例
下文中，将更详细地描述本公开的各个优选实施例，用以更好地理解本发明的结构和功能。然而，给出本公开的实施例仅为了举例说明的目的，并且不应解释为限制本发明的范围。对于本领域的普通技术人员可以充分预测的事项，将省略其解释。
1.复合石墨的制备
如表1所示，使密度为0.008g/cm3的膨胀石墨与密度为1.0g/cm3的高密度的经压缩的膨胀石墨颗粒混合。
表1
2.由复合石墨制备散热材料
将实施例1至实施例3和比较例1中制备的复合石墨各自放置于模具中，并且用200MPa的压力使其压制成型，直到可以获得1.5mm的厚度，以制备复合石墨散热材料的片材。
3.散热特性的评价
用图3中所示的装置测量由实施例1至实施例3的复合石墨散热材料和比较例1的石墨散热材料制备的散热片材的散热性能。图4是设置在图3的测试平台中的热源的放大视图。
散热性能的测试条件示于表2中。
表2
散热性能的结果示于表3中。
表3
如可以从表3看到，没有高密度的经压缩的膨胀石墨颗粒的比较例1的散热材料在后来的(第6段)散热效果表现出相对于最初的(第1区段)散热效果3.91％的保留率。
相比之下，与比较例1的散热材料相比，在具有高密度的经压缩的膨胀石墨颗粒的实施例1至实施例3的复合石墨散热材料中，后续散热效果大幅度改善。特别地，证实了实施例3的后续散热效果相对于比较例1的散热效果增长至187％。
已经详细描述了本公开，然而，应理解，详细描述和具体实施方案在指示本公开的优选实施方案时仅以举例说明的方式给出，并且不旨在限制本公开，原因是通过该详细描述，在本发明精神和范围内的各种变化和修改对于本领域技术人员将是显而易见的。
<附图标记说明>
101：放热平面
110：复合石墨散热材料
210：在厚度方向上被压缩的膨胀石墨
215：孔隙
220：高密度的经压缩的膨胀石墨

Claims (3)

1.一种复合石墨散热材料，包含：
在厚度方向上被压缩的密度为0.0025至0.0125g/cm3的膨胀石墨的膨胀石墨基体；以及
填充到所述基体中的孔隙中的并且密度为1.0g/cm3至2.2g/cm3的高密度的经压缩的膨胀石墨颗粒，
其中所述石墨颗粒以基于所述基体和所述石墨颗粒的总重量的5重量％至50重量％的量存在，以及
其中所述石墨颗粒的直径为0.01μm至0.2μm。
2.一种用于制备复合石墨散热材料的方法，包括：
(a)压缩膨胀石墨以获得密度为1.0g/cm3至2.2g/cm3的经压缩的高密度膨胀石墨颗粒；
(b)将密度为0.0025至0.0125g/cm3的另外的膨胀石墨与所述石墨颗粒混合以获得复合石墨；以及
(c)使所述复合石墨压制成型以形成所述复合石墨散热材料，
其中所述复合石墨散热材料包含：
在厚度方向上被压缩的所述另外的膨胀石墨的膨胀石墨基体；以及
填充到所述基体中的孔隙中的所述石墨颗粒，所述石墨颗粒以基于所述基体和所述石墨颗粒的总重量的5重量％至50重量％的量存在，以及
其中所述石墨颗粒的直径为0.01μm至0.2μm。
3.根据权利要求2所述的方法，其中压制成型的步骤(c)通过滚压进行。
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