CN106152002B - 发光二极管的散热板设备、用于汽车的头灯及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了发光二极管的散热板设备、用于汽车的头灯及制备方法。一种用于发光二极管(LED)的散热板，包括含羟基官能团(‑OH)的金属薄膜。涂层设置在金属薄膜的至少一个表面上并且包括含亲水官能团的碳纳米管。通过以氢键将羟基官能团与的亲水官能团结合，涂层附至金属薄膜。

Description

发光二极管的散热板设备、用于汽车的头灯及制备方法
技术领域
本公开内容涉及用于发光二极管(LED)的散热板、包括散热板的用于汽车的头灯、及用于制备散热板的方法。
背景技术
众所周知，产生大量热量的电子部件包括移动通信中继器的高功率放大器(HPA)和线性功率放大器(LPA)，个人计算机的中央处理单元(CPU)，服务器级工作站的多处理器单元(MPU)，中继基站的功率放大器单元(PAU)等。对于这些电子部件，表面温度由于以最大负荷驱动产生的热量而增加。故障和损坏可能性也由于电子部件的过热现象而大大增加。
为了防止故障和损坏而从电子装置中排放热量的代表性设备，这种设备主要使用翅片散热片用于通过散热翅片和用于通过毛细结构将从热源产生的热量排放的热管排放从热源产生的热量以使热量移动至外部。
然而，尽管翅片散热片可以增加翅片密度或者增加散热翅片的长度用于使散热面积最大化，但是当翅片密度增加时，冷却效率劣化，并且当散热翅片的长度或者尺寸增加时，散热板扩大，因此也增加了制造成本。
另外，用于热管的设施的扩大的成本相对昂贵，因此，其批量生产是困难的。
发明内容
本公开内容的一方面提供具有重量轻并且冷却性能改进的、用于发光二极管(LED)的散热板。
本公开内容的另一方面提供包括用于LED的散热板的、用于汽车的头灯。
此外，本公开内容的另一方面提供以低成本和高效率制备散热板的方法。
根据本公开内容的实施方式，用于LED的散热板包括：包含羟基官能团(-OH，hydroxyl functional group)的金属薄膜。涂层设置在金属薄膜的至少一个表面上并且包括包含亲水官能团的碳纳米管。
氢键的结合能可以是约15KJ/mol至40KJ/mol。
亲水官能团可以是羧基官能团(-COOH，carboxyl functional group)。
涂层的厚度可以是约10μm至100μm。
碳纳米管的平均直径可以是约10nm至30nm。
碳纳米管的平均长度可以是约1μm至20μm。
金属薄膜可以选自铝、铁、铜、镍银(nickel silver)、锡、锌、钨、以及其组合物。
金属薄膜可以进一步包括多个突出的散热翅片。
散热翅片可以选自铝、铁、铜、镍银、锡、锌、钨、以及其组合物。
提供了包括散热板的、用于汽车的头灯。
头灯可以进一步包括冷却风扇。
根据本公开内容的另一实施方式，一种制备用于LED的散热板的方法：包括使碳纳米管在酸性水溶液中氧化。使氧化的碳纳米管中和以及进行超声波振荡(ultra-sonication)处理以提供碳纳米管分散体(dispersion)。将金属薄膜浸于碳纳米管分散体中并且加热以将碳纳米管涂敷在金属薄膜上。
分散体可以进一步包括选自十二烷基硫酸钠、锂十二基硫酸盐、曲拉通-x(Triton-x)、以及其组合物的分散剂(dispersing agent)。
可以在热容约150W/cm2至400W/cm2的情况下进行约30分钟至2小时的加热。
通过以氢键将羟基官能团与亲水官能团结合，涂层附至金属薄膜。
根据本公开内容的实施方式，用于LED的散热板重量轻且由于高热导率而具有优异的冷却特性。
附图说明
图1是示出未经化学处理的碳纳米管和功能化(functionalized)的碳纳米管的示意图。
图2和图3是功能化的碳纳米管的扫描电子显微镜(SEM)照片。
图4是示出根据施加的功率在温度变化方面从实例1、比较例1、和比较例2获得的散热板的冷却性能结果的曲线图。
图5是示出根据施加的功率在温度变化方面从实例2、比较例1、和比较例2获得的散热板的冷却性能结果的曲线图。
图6示出在时间上从实例1获得的用于散热板的散热翅片的底部温度(Tbase)与尖端温度(Ttip)之间的温度差(ΔT)变化的曲线图。
具体实施方式
在下文中，详细地描述本公开内容的实施方式。然而，这些实施方式是示例性的，因此，本公开内容不限于此。
根据本公开内容的实施方式，用于LED的散热板可以包括含羟基官能团(-OH)的金属薄膜。涂层设置在金属薄膜的至少一个表面上并且包括含亲水官能团的碳纳米管。通过以氢键将羟基官能团与亲水官能团结合，可以将涂层附至金属薄膜。
因为碳纳米管重量轻并且具有高长度直径比，所以其具有单位面积很高的表面积和物理强度几乎是钢的100倍的特性并且在化学方面是稳定的。尤其，碳纳米管具有约1600W/mK至6000W/mK的热导率，比铜(热导率：约400W/mK)或者铝(热导率：约205W/mK)优异几十至几百倍。因此，在将与传统的材料相比具有很高表面积和热导率的碳纳米管包括在金属薄膜的至少一个表面中时，可以通过其中设置碳纳米管的表面提高热交换率。
氢键的结合能可以是约15KJ/mol至40KJ/mol。具体地，官能团之间的强键可以由通过氢键诱导的静电引力提供，无需任何附加的粘合层。
因此，设置附加的粘合层的工艺不是必要的，因此可以实现散热板的工艺简化和重量减轻。
亲水官能团可以是羧基官能团(-COOH)。
涂层的厚度可以是约10μm至100μm。
当涂层具有小于10μm的厚度时，可能存在金属薄膜未涂有碳纳米管涂层的区域，因此可能无法实现均匀的热辐射。具体地，涂层的厚度可以是约10μm至50μm，且更具体地约10μm至30μm。
金属薄膜可以包括具有高热导率的任何金属，并且可以包括纯金属或者合金。具体地，金属薄膜可以包括选自铝(Al)、铁(Fe)、铜(Cu)、镍(Ni)、银(Ag)、锡(Sn)、锌(Zn)、以及钨(W)等的一种金属的纯金属，或者选自上列金属的至少两种金属的合金。具体地，考虑成本、重量、热导率等，金属薄膜可以包括选自Al、Cu、Sn、或者其合金的纯金属。其可以进一步包括纯铝或者包括铝作为主要成分的铝合金薄膜。
金属薄膜的厚度可以根据电子产品自由确定，在从约0.01mm至5.0mm的范围内。更具体地，用于膝上型电脑的金属薄膜可以具有小于或等于约0.1mm，或者在从约0.01mm至0.1mm的范围内的厚度。用于等离子显示器的金属薄膜可以具有大于或等于约0.1mm，或者在从约0.1mm至约5.0mm的范围内的厚度。
为了增加表面积并且使传热效率最大化，通过修改平坦的金属薄膜可以使金属薄膜具有包括多个突出的散热翅片的形状。散热翅片可以由选自铝、铁、铜、镍银、锡、锌、钨等的材料制成，该材料与用于金属薄膜的材料相同。
根据本公开内容的另一实施方式，用于汽车的头灯可以包括用于LED的散热板。
而且，根据本公开内容的另一实施方式，制备用于LED的散热板的方法包括：使碳纳米管在酸性水溶液中氧化。使氧化的碳纳米管中和以及利用超声波振荡处理以提供碳纳米管分散体。将金属薄膜浸于碳纳米管分散体中并且加热以使碳纳米管涂敷在金属薄膜上。
根据本公开内容的实施方式，代替复杂的阳级电镀处理，通过在含水溶液中酸处理并且加热可以获得具有改进的冷却效率的散热板。碳纳米管可以是单壁纳米管、多壁纳米管、绳索纳米管、或者其混合。
在本公开内容的示例性实施方式中，使用具有约10m至30nm的直径、约1μm至20μm的长度的碳纳米管。碳纳米管的直径可以具体为约10nm至20nm，或者约10nm至约15nm。碳纳米管的长度可以具体为约1μm至约10μm，或者约1μm至约5μm。
通过使碳纳米管在酸性水溶液中氧化可以使碳纳米管功能化。换言之，可以在碳纳米管的表面上产生亲水的官能团以在金属薄膜的表面上更好地被吸收。用于提供与铝表面上的羟基官能团的氢键的亲水官能团可以包括羧基官能团。
可以通过在约pH1至2内调节酸性水溶液来优化碳纳米管表面上的亲水官能团的生成。通过使碳纳米管在小于或等于pH7的酸性水溶液中和、蒸馏并且使其干燥可以获得功能化的碳纳米管粉末。
为了使功能化的碳纳米管粉末在水溶液中均匀分散，分散体可以进一步包括分散剂。分散剂可以选自十二烷基硫酸钠、锂十二基硫酸盐、曲拉通-x、以及其组合物。在本公开内容的示例性实施方式中，更加特定的示例可以是十二烷基硫酸钠。
在这种情况下，功能化的碳纳米管和分散剂可以分别具有约100wppm的浓度。换言之，如果水在室温下具有约1g/ml的质量，那么功能化的碳纳米管和分散剂均可以在每1L的水中使用100mg。当功能化的碳纳米管和分散剂以设定的比率混合时，碳纳米管可以均匀并且严格地(strictly)附接在金属薄膜上。
只要条件对功能化的碳纳米管没有任何损伤，约1小时的强度为约40KHz至60KHz的超声波振荡可能通常足够。另一方面，当功能化的碳纳米管的分散相均匀分散在水的分散介质中时，溶液可能是黑色的。
当金属薄膜浸入分散溶液中时，可以利用加热将碳纳米管涂敷在金属薄膜上。在这种情况下，可以在热容约150W/cm2至400W/cm2的情况下进行约0.5至2小时的加热。根据本公开内容的实施方式，可以在热容约200W/cm2的情况下进行约1小时的加热。
当加热条件如上时，涂层可以具有期望的厚度。
根据本公开内容的实施方式的制备散热板的方法包括：使碳纳米管功能化，然后在水溶液中加热，这可以简化工艺并且节省成本。因为该方法不要求诸如在金属薄膜上进行预处理的附加工艺用于碳纳米管涂敷，所以可以通过简化的工艺提供具有改进的冷却效率的散热板。
使用根据本公开内容的实施方式的碳纳米管的散热板结构可以同样适用于通过压缩和凝结排出热量的设备，例如，空气调节器，机械机器以及包括膝上型电脑的计算机冷却器(计算机处理单元(CPU)冷却器、图形卡冷却器、散热翅片、以及热管自身冷却器)。
在下文中，描述本公开内容的实例和比较例。然而，这些实例在任何情况下都不解释为限制本发明构思的范围。
(实例)
合成实例1：制备化学处理的碳纳米管(CNT)
使36％的盐酸和多壁CNT(MWCNT)混合并且中和，然后蒸馏并且干燥12小时以提供功能化的CNT。
功能化的CNT被磨碎，然后将100wppm的功能化CNT添加到100wppm的钠十二基硫酸(SDS)水溶液里并且通过超声波振荡混合1小时以提供功能化的CNT-SDS分散溶液。
实例1：制备CNT沉积的散热板
将铝散热板浸于从合成实例1获得的功能化CNT-SDS分散溶液中并且加热1小时施加约200W/cm2的热容，然后取出并且利用蒸馏水冲洗以提供散热板。
评估获得的散热板的冷却性能。
实例2：制备装配有冷却风扇的散热板
除了根据实例1的散热板在装配有冷却板的设备中使用之外，根据如实例1中的相同的过程评估散热板的冷却性能。
比较例1：制备未经表面处理的散热板
使用没有经过分离处理的铝散热板。
比较例2：THMG
从现代汽车公司获得散热板，该散热板根据铝阳级氧化方法进行批量生产并且经表面处理。
评估实例1：评估散热板的冷却性能
评估根据实例1、实例2、比较例1、及比较例2的散热板的冷却性能，并且在图4和图5中示出该结果。
图4是示出在根据施加的功率，从实例1、比较例1、和比较例2获得的在温度变化方面散热板的冷却性能结果的曲线图。图5是示出在根据施加的功率，从实例2、比较例2、和比较例2获得的在温度变化方面散热板的冷却性能结果的曲线图。
Tbase＝124℃设定作为散热板中的散热翅片的底部温度。T0＝25℃(空气温度)设定为空气温度。测量并在曲线图中示出根据施加的功率的散热翅片的底部温度与尖端温度的温度差(ΔT＝Tbase-Ttip)。
因为根据施加的功率，ΔT更高，所以更加有效地传输热量。
参考图4和图5，应理解的是，根据施加的功率，实例1和实例2具有相对于比较例1和比较例2更高的温度差(ΔT)。尤其，与通过铝阳级电镀方法中的表面处理获得的散热板相比，根据实例1冷却性能改进约18％至27％并且根据实例2改进约17％至38％。换言之，根据结果确认根据实例1和实例2的散热板具有进一步优异的热量排放效率，并且底部温度(Tbase)与尖端温度(Ttip)之间的差相对大。
评估实例2：评估散热板的冷却稳定性
为了确定从实例1获得的散热板是否可以长时间保持在相同水平的冷却特性，利用0.29W的功率评估散热板的冷却性能250小时，并且在图6中示出结果。
图6示出根据时间从实例1获得的散热板的散热翅片的底部温度(Tbase)与尖端温度(Ttip)之间的差(ΔT)变化的曲线图。
参考图6，确认平均值ΔT保持在约9.25K，具有±0.18K的误差范围。
尽管已经结合目前被认为是实用的示例性实施方式对本发明进行了描述，但应当理解，本发明不限于所公开的实施方式，而是相反，旨在涵盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同配置。

Claims (2)

1.一种制备用于LED的散热板的方法，所述方法包括以下步骤：
将碳纳米管在酸性水溶液中氧化；
将氧化的所述碳纳米管中和，然后进行超声波振荡处理以提供碳纳米管分散体；以及
将金属薄膜浸于所述碳纳米管分散体中并且在150W/cm2至400W/cm2的热容下进行0.5小时至2小时加热所述金属薄膜以将所述碳纳米管涂敷在所述金属薄膜上。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述分散体进一步包括选自以下各项的分散剂：十二烷基硫酸钠、锂十二基硫酸盐、曲拉通-x、以及其组合物。
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