TWI460265B - 導熱複合材料及其衍生之發光二極體 - Google Patents

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Description

導熱複合材料及其衍生之發光二極體
本發明係關於一種導熱複合材料與具有其之發光二極體，尤指一種導熱複合材料中可以達到將輻射熱能轉化成遠紅外線之導熱情形，以及具有其之發光二極體。
21世紀起，電子產業的蓬勃發展，電子產品在生活上已經成為不可或缺的一部分，因此企業對於電子產品開發方向以多功能及高效能發展等為主，也開始將發光二極體晶片應用於各種電子產品。其中尤其是可攜式電子產品種類日漸眾多，電子產品的體積與重量越來越小，因此，電子產品的導熱效果成為值得重視的問題之一。
現今經常使用之發光二極體(Light Emitting Diode,LED)晶片而言，由於發光亮度夠高，因此可廣泛應用於顯示器背光源、小型投影機以及照明等各種電子裝置中。然而，目前LED的輸入功率中，將近80%的能量會轉換成熱能，倘若承載LED元件之載板無法有效地導熱時，便會使得發光二極體晶片界面溫度升高，除了影響發光強度之外，亦可能因熱度在發光二極體晶片中累積而造成各層材料受熱膨脹，促使結構中受到損傷而對產品壽命產生不良影響。此外，由於發光二極體內所激發的光線係以一放射方式擴散，並非所有光線都會經由發光二極體表面而散射出，故造成出光率不佳，且無法達到最有效之出光率。
據此，若能進一步改善發光二極體的導熱效率以及緩和或去除發光二極體受熱膨脹的不良影響，且尋求一結構整體上的設計來提升導熱率，將更可促使整體電子產業的發展。
石墨烯通常被定義為單一原子厚度具有sp2鍵結之碳原子的平板，該等碳原子是緊密堆疊成具有蜂巢結晶晶格之苯環的 結構。此二維材料在層狀結構的平面呈現高電子穩定性以及優異的導熱性，於複數彼此相互平行堆疊之層狀石墨烯係由石墨所組成。目前來說，石墨稀應用於不同的產品以及材料上，已經是必然的趨勢。
而如台灣專利TW 2012177446係揭示一種聚合物樹脂組合物，使用聚合物樹脂組合物製造之絕緣薄膜及製造該絕緣薄膜之方法，絕緣薄膜包括石墨稀而應用於電子電路板上用以降低熱膨脹係數；台灣專利TW 201220562係揭示一種散熱基板及製造其之方法及具有該散熱基板之發光元件封裝構造，散熱基板包含高分子樹脂以及分散於高分子樹脂中之石墨烯，而散熱基板將一預定發熱元件所產生的熱散出至外部；另外，台灣專利TW 201145474係揭示一種電子/光電元件之散熱裝置，石墨烯或奈米碳管配合現有半導體元件(如LED光電元件或IC電子元件)作為散熱之用，藉由石墨烯或奈米碳管高熱傳導係數以及導熱均勻之特點，提高整體之散熱效果。
然，上述之散熱材料之發明，僅止於對於熱傳導方式之解決方法，據此，若能進一步發現一種複合材料其本身可具有除高度熱傳導特性外，而能具有其他導熱路徑來達到導熱性果，所應用之產品更能降低熱因素對於產品本身壽命及效能之影響。因此，發明人發明了一種導熱複合材料。
本發明之主要目的係在提供一種導熱複合材料，其具有之量子井結構特性，輻射能通過複合材料的過程中的，藉由所具有之量子井結構特性，在輻射能轉換成遠紅外光，有效達成導熱之效果。即使有部分熱量沒有自發光二極體中散失而促使整體結構產生熱膨脹。
為達成上述目的，本發明之一態樣提供一種導熱複合材料，包括：一基體以及複數個片狀石墨烯。該些片狀石墨烯係 具有二維平面結構，其中，片狀石墨烯之基面側向尺寸(La)係介於0.1奈米至100奈米，且片狀石墨烯之基面具有量子井結構，以及該些片狀石墨烯佔總重量之0.1wt%至15wt%調配於該基體。
並且，本發明之片狀石墨烯之基面側向尺寸(La)較佳為係介於20奈米至70奈米；更佳為，片狀石墨烯之基面側向尺寸(La)較佳為係介於30奈米至50奈米。此外，該石墨烯薄片之基面側向尺寸(La)及堆疊層距尺寸(Lc)之比值為100至1,250,000，較佳為該石墨烯薄片之基面側向尺寸(La)及堆疊層距尺寸(Lc)之比值為250至50,000。
由於片狀石墨烯在本發明需要具有完美的二維平面結構，因此，極佳的片狀石墨烯應為僅單單由六方晶體所組成。如任何在片狀石墨烯形成的五角形或七角形晶體都會構成缺陷，這種缺陷改變片狀石墨烯之基面所具有平坦的性質。例如，單一五角形晶體會使得平板彎曲(warp)成圓椎狀，當12個五角形晶體於適當的位置時會產生平坦的富勒烯。同樣地，單一的七角形晶體會將平板彎曲成鞍狀(saddle-shape)。因此，需要高度石墨化程度之片狀石墨烯。
在此所述的「石墨化程度(degree of graphitization)」係指石墨的比例，其具有理論上相隔3.354埃(angstrom)的石墨平面(graphene plane)，因此，石墨化的程度為1是指100%的石墨具有基面的石墨平面間距(d(0002))為3.354埃的碳原子六角形網狀結構。較高的石墨化程度係指較小的石墨平面間距。石墨化程度(G)能利用式1來計算。
G=(3.440-d(0002))/(3.440-3.354) (1)
相反地，d(0002)能根據G而使用式2計算而得。
d(0002)=3.354+0.086(1-G) (2)
根據式1，3.440埃是非晶碳(Lc=50Å)基面面的層間距離，而3.354埃是純石墨(Lc=1000Å)的層間距離，純石墨是可藉由在3000℃以一延長的時間(如12小時)燒結可石墨化的碳。較高程度的石墨化對應於較大的結晶尺寸，其係藉由基面側向尺寸(La)和層間距離的尺寸(Lc)所表徵。需注意尺寸參數是反比於底面的間隔。本文所述之「高度石墨化」係依照所使用的材料，但通常係指石墨化的程度等於或大於約0.8。在本發明下述所提到之實施例中，高程度的石墨化係指大於約0.85的石墨化程度。
而當輻射能作用於本發明之導熱複合材料時，由於導熱複合材料中所含有之片狀石墨烯為一具有sp 2鍵結形成之碳原子蜂巢結構，以及單層片狀石墨烯或多層片狀石墨烯堆疊形成量子井結構特性，故輻射能由石墨烯之堆疊層距尺寸(Lc)方向(即垂直於基面側向尺寸(La)之共價鍵結區域)進入此量子井結構，使輻射射能轉換成遠紅外光(波長5微米至20微米)，再由石墨烯之基面側向尺寸(La)方向(即石墨烯側面之)搖擺鍵結(danping bonding)區域離開此量子井結構，並同時將熱量傳送散逸至空氣中。
輻射能被侷限於片狀石墨烯之量子井結構中，其欲轉換所發出來的光波長需符合片狀石墨烯所具有量子井結構之能階特性，因此，輻射能容易於片狀石墨烯所具有量子井結構中轉換產生遠紅外線光。
一般而言，金屬材料的表面輻射率都在0.10以下，高分子材料的表面輻射率可達到0.80左右，而石墨烯的表面輻射率可達到0.80~1.00。因此，本發明之導熱複合材料，當輻射熱能通過片狀石墨烯時，可藉由片狀石墨烯之量子井結構，將輻射熱能轉化成遠紅外線，而有效導熱。
本發明之片狀石墨烯可為一透明片狀石墨烯，因此導熱複 合材料作為發光二極體之封裝材料時，由於所包括之片狀石墨烯為透明，因此對於發光二極體之出光率影響小；另外，片狀石墨烯可為一單層片狀結構或多層片狀結構；較佳為，多層片狀結構之層數可介於2至100層；更佳為10至70層；最佳為20至40層。此外，當片狀石墨烯為單層結構時，其光透射率更可達到97.5%以上。
本發明之基體可選至少一選自由有機材料、纖維材料、陶瓷材料、金屬材料及其組合所組成之群組；其中，有機材料可為酚醛樹脂、環氧樹脂、聚酯樹脂、聚醯胺樹脂、聚亞醯胺樹脂、聚碳酸樹脂、聚苯乙烯樹脂、聚對苯二甲酸、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、或其組合所組成。另外，纖維材料可為玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化矽纖維、石棉纖維或其組合；此外，上述之陶瓷材料可為氧化鋁、碳化矽、氮化鋁或其組合。
本發明之導熱複合材料更可包括一添加劑；其中，添加劑可至少一選自由螢光粉、奈米碳管、六方氮化硼、石英、或其類似物、或其組合所組成之群組。
在本發明之一態樣中，係提供一種保暖衣，包括上述本發明之導熱複合材料。例如，導熱複合材料之基體為碳纖維，結合片狀石墨烯，當太陽之輻射能入射於保暖衣時，即能轉換成遠紅外線，對於穿著保暖衣的人達到保暖作用。
在本發明之一態樣中，係提供一種太陽能微波式淨水器，包括一本發明上述之導熱複合材料。例如，導熱複合材料作為太陽能微波式淨水器之罩蓋，而導熱複合材料之基體為聚丙烯，結合片狀石墨烯，當太陽之輻射能入射於太陽能微波式淨水器之罩蓋時，即能轉換成遠紅外線，對於太陽能微波式淨水器內之汙水達到加熱之作用。
本發明之一態樣提供一種紅外線漆料，包括一本發明上述 之導熱複合材料。例如，導熱複合材料之基體為油漆或樹脂塗料時，將導熱複合材料結合片狀石墨烯將可以視需求而達到熱量儲存(保暖)或耐高溫之效果。
為達成上述目的，本發明之另一態樣提供一種發光二極體，包括：一絕緣基板、一晶片、一導線架、一導線以及一透明封裝材料。晶片係設置絕緣基板上，而導線架係夾置於絕緣基板與晶片之間，且導線之一端係連接於晶片，以及導線之另一端係連接於導線架上。另外，透明封裝材料係本發明上述之導熱複合材料，透明封裝材料覆蓋於絕緣基板。
因此，本發明之發光二極體可藉由透明封裝材料，將晶片所發出之輻射熱能轉化遠紅外線，因此，可有效提高發光二極體整體散熱之效果。
以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之其他優點與功效。本發明亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更。
本發明之實施例中該等圖式均為簡化之示意圖。惟該等圖示僅顯示與本發明有關之元件，其所顯示之元件非為實際實施時之態樣，其實際實施時之元件數目、形狀等比例為一選擇性之設計，且其元件佈局型態可能更複雜。
實施例一
根據對於導熱複合材料的需求，本發明之一較佳實施例提供一種導熱複合材料，包括：一基體以及複數片狀石墨烯。每一片狀石墨烯係具有二維平面結構，其中，每一片狀石墨烯之基面側向尺寸(La)可介於0.1奈米至100奈米；較佳為，片狀石墨烯之基面側向尺寸係介於20奈米至70奈米；更佳為，片狀石墨烯之基面側向尺寸較佳為係介於30奈米至50奈米，使 得片狀石墨烯之基面具有量子井結構之特性。在本實施例中，每一片狀石墨烯之基面側向尺寸(La)係介於35奈米至45奈米之間。
因此，本實施例之導熱複合材料，當輻射熱能通過片狀石墨烯時，可藉由片狀石墨烯之量子井結構，將輻射熱能轉化成遠紅外線，而有效導熱。
在本實施例中，片狀石墨烯為一高度石墨化、透明片狀石墨烯，且可一單層多層片狀結構或多層片狀結構，其層數係介於20層至40層之間，因此片狀石墨烯層間距離(Lc)為一奈米尺度，係介於6奈米至12奈米之間；此外，片狀石墨烯可佔總重量之0.1wt%至15wt%調配於基體，在本實施例中，片狀石墨烯佔導熱複合材料總重量5wt%。
而基體可選至少一選自由有機材料、纖維材料、陶瓷材料、金屬材料及其組合所組成之群組。其中，有機材料可為酚醛樹脂、環氧樹脂、聚酯樹脂、聚醯胺樹脂、聚亞醯胺樹脂、聚碳酸樹脂、聚苯乙烯樹脂、聚對苯二甲酸乙二醇酯、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、或其組合所組成。另外，纖維材料可為玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化矽纖維、石棉纖維或其組合；此外，上述之陶瓷材料可為氧化鋁、碳化矽、氮化鋁或其組合。
本發明之導熱複合材料更可包括一添加劑，其中，添加劑至少一選自由螢光粉、奈米碳管、六方氮化硼、石英、或其類似物、或其組合所組成之群組。在本實施例中，基體為一環氧樹脂之有機材料，且導熱複合材料更可包含六方氮化硼或奈米碳管。
實施例二
請參閱圖1，係本發明之實施例之發光二極體示意圖。由圖1所示，一種發光二極體1，包括：一絕緣基板11、一晶片12、一導線架13、一導線14以及一透明封裝材料15。晶片12係設置絕緣基板11上，而導線架13係夾置於絕緣基板11 與晶片12之間，且導線14之一端係連接於晶片12，以及導線14之另一端係連接於導線架13上。另外，透明封裝材料15係如上述實施例一之導熱複合材料，其包括環氧樹脂151及複數個片狀石墨烯152，且透明封裝材料15覆蓋於絕緣基板11。
請參閱圖2，係本發明之實施例之片狀石墨烯示意圖，且一併參考圖1。由圖2所示，片狀石墨烯152由六方晶體所組成，因此，片狀石墨烯152之基面側向尺寸La不僅在一奈米尺度中，且由於片狀石墨烯152有完整個六方晶體排列，使片狀石墨烯152可具有平整的二維平面結構。
因此，本發明之發光二極體1可藉由透明封裝材料15，將晶片所發出之輻射熱能轉化遠紅外線，因此，可有效提高發光二極體整體散熱之效果。
實施例三
請參閱圖3，係本發明之實施例之發光二極體示意圖。由圖3所示，一種發光二極體2，包括：一絕緣基板21、一晶片22、一導線架23、一導線24以及一透明封裝材料25。晶片22係設置絕緣基板21上，而導線架23係夾置於絕緣基板21與晶片22之間，且導線24之一端係連接於晶片22，以及導線24之另一端係連接於導線架23上。並且，透明封裝材料25係為一導熱複合材料，透明封裝材料25包括有環氧樹脂251、複數個片狀石墨烯252以及複數個螢光粉253，且透明封裝材料25覆蓋於絕緣基板21。
在本實施例中，每一片狀石墨烯252係一高度石墨化、透明片狀石墨烯，且為一多層片狀結構，其層數係介於50層至70層之間，因此片狀石墨烯252層間距離(Lc)為一奈米尺度，係介於15奈米至21奈米之間，而片狀石墨烯252之基面側向尺寸係介於50奈米至60奈米。而片狀石墨烯252佔透明封裝材料25總重量10wt%。
因此，晶片222所發出的光可藉由不同波長之複數個螢光 粉253混色達到預期之光色，而透明封裝材料25之片狀石墨烯252具有一透明結構，所以不會影響發光二極體2之出光率也能有效達到散熱之效果。
本發明之導熱複合材料，除上述實施例應用於發光二極體上，亦可應用於如太陽能微波式淨水器、保暖衣或是紅外線塗料等。
上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。
1,2‧‧‧發光二極體
11,21‧‧‧絕緣基板
12,22‧‧‧晶片
13,23‧‧‧導線架
14,24‧‧‧導線
15,25‧‧‧透明封裝材料
151,251‧‧‧環氧樹脂
152,252‧‧‧片狀石墨烯
La‧‧‧基面側向尺寸
253‧‧‧螢光粉
圖1係本發明之實施例一之發光二極體示意圖。
圖2係本發明之實施例一之片狀石墨烯之示意圖。
圖3係本發明之實施例二之發光二極體示意圖。
1‧‧‧發光二極體
11‧‧‧絕緣基板
12‧‧‧晶片
13‧‧‧導線架
14‧‧‧導線
15‧‧‧透明封裝材料
151‧‧‧環氧樹脂
152‧‧‧片狀石墨烯

Claims (13)

  1. 一種導熱複合材料，包括：一基體；以及複數個片狀石墨烯，係具有二維平面結構；其中，該些片狀石墨烯之基面側向尺寸(La)係介於0.1奈米至100奈米，該些片狀石墨烯之該基面具有量子井結構，該些片狀石墨烯佔總重量之0.1wt%至15wt%調配於該基體。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之導熱複合材料，其中，該些片狀石墨烯係一透明片狀石墨烯。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之導熱複合材料，其中，該些片狀石墨烯係一單層片狀結構或多層片狀結構。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之導熱複合材料，其中，該些多層片狀結構之層數係介於2至100層。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之導熱複合材料，其中，該基體係選自由有機材料、纖維材料、陶瓷材料、金屬材料及其組合所組成之群組。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之導熱複合材料，其中，該有機材料為酚醛樹脂、環氧樹脂、聚酯樹脂、聚醯胺樹脂、聚亞醯胺樹脂、聚碳酸樹脂、聚苯乙烯樹脂、聚對苯二甲酸、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、或其組合。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之導熱複合材料，其中，該纖維材料係玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化矽纖維、石棉纖維或其組合。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之導熱複合材料，其中，該陶瓷材料係氧化鋁、碳化矽、氮化鋁或其組合。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之導熱複合材料，更包括一添加劑，該添加劑係至少一選自由螢光粉、奈米碳管、六方氮化硼、石英、或其類似物、或其組合所組成之群組。
  10. 一種保暖衣，係包括一如申請專利範圍第1項至第9項任一項所述之導熱複合材料所組成。
  11. 一種太陽能微波式淨水器，係包括一如申請專利範圍第1項至第9項任一項所述之導熱複合材料所組成。
  12. 一種紅外線漆料，係包括一如申請專利範圍第1項至第10項任一項所述之導熱複合材料所組成。
  13. 一種發光二極體，包括：一絕緣基板；一晶片，係設置該絕緣基板上；一導線架，係夾置於該絕緣基板與該晶片之間；一導線，該導線之一端係連接於該晶片，該導線之另一端係連接於該導線架上；以及一透明封裝材料，係如申請專利範圍第1項至第9項中任一項所述之導熱複合材料，該透明封裝材料覆蓋於該絕緣基板。
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