CN108281539A - 一种基于石墨烯材质的柔性led发光结构及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于石墨烯材质的柔性LED发光结构，其包括铜带基底、设置于铜带基底一面的石墨烯膜和设置于铜带基底的另一面的电路层，电路层上贴合有多个LED光源，由于石墨烯膜优异的导热和热辐射性能，利于热量导，不用附加任何金属散热器，即可直接使用，同时该柔性LED发光结构整体轻薄且能实现一定程度的自由弯曲。这样，所有的热量直接通过LED光源本身热沉直接导热到设有石墨烯膜的铜基带上，并且铜带基底一面的石墨烯膜的石墨烯膜可以快速的将LED光源产生的热量散去，本发明的柔性LED发光结构，从而具有较好的散热效果。本发明还提供了一种基于石墨烯材质的柔性LED发光结构的制作方法。

Description

一种基于石墨烯材质的柔性LED发光结构及制作方法

技术领域

本发明涉及LED技术领域，特别涉及一种基于石墨烯材质的柔性LED发光结构及制作方法。

背景技术

发光二极管(LightingEmittingDiode，简称LED)灯丝是将多个LED芯片串联固定在玻璃基板上，再进行压模封装完成。用LED灯丝可以制作出与白炽灯形态相似的LED球泡灯，即LED灯丝灯，LED灯丝灯可实现360度全周发光。LED灯丝灯具有与白炽灯相似的形态和配光曲线，是真正意义上的代替白炽灯最理想的光源。

现有的LED是利用注入有源区载流子的自发辐射复合而发光。LED具有安全可靠、节能环保、寿命长、响应快、体积小、色域丰富等优点，因此LED在固体照明、显示屏、交通信号灯等领域获得了广泛的应用。现有的LED芯片制作，主要是采用MOCVD法，在蓝宝石或碳化硅衬底上外延生长，随着LED功率的不断增大，散热问题变的越来越突出，传统的LED由于蓝宝石不导电，所以电极只能做在同侧，这就使得出现了电流拥堵效应，降低了LED的寿命，并且由于蓝宝石衬底导热性能差，使得LED结温升高、性能下降、寿命降低。

石墨烯是单原子层的石墨片，具有优异的电学性质，其电子迁移率高达100 ,000cm2V-1s-1，最早于2004年由英国曼彻斯特大学的科学家制备出来。单层石墨烯中的电子在狄拉克点附近具有线性的色散关系，属于无质量的狄拉克费米子，其费米速度为光速的1/300。石墨烯的电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。

现有LED灯由于LED灯丝散热能力差，LED灯的瓦数很小。即使LED灯瓦数做的再小，无法散出的热量长时间在LED灯丝上积累，也会使得LED芯片上的胶体膨胀，拉伸LED芯片的焊接金线导致金线断线，LED芯片断电不亮，从而造成LED灯死灯的问题。

并且，现有LED灯丝都是在基板上等间距的设置LED芯片，由于每个LED芯片发出的热量是恒定的，每个LED芯片之间的热量呈叠加状态，LED灯丝的热场分布呈中间高逐渐向两端减小，即热量分布很不均匀，基本集中在基板中部位置。使用过程中基板中部位置的高热量，易造成中间位置的LED芯片光衰程度大，甚至失效，以及中部胶体发黄，另外温度越高所对应产生的内应力越大，从而会导致温度高处的金属线容易断线等。同样整个基板的热场分布不均匀，会导致不同位置的LED芯片衰减程度不一，以及不同位置的胶体老化程度不一，导致产品产生色飘，亮度、颜色等不一致，甚至造成产品电性不良以及失效。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于石墨烯材质的柔性LED发光结构及制作方法，由于石墨烯膜优异的导热和热辐射性能，所有的热量直接通过LED光源本身热沉直接导热到设有石墨烯膜的铜基带上，并且铜带基底一面的石墨烯膜的石墨烯膜可以快速的将LED光源产生的热量散去，以解决上述现有技术存在的问题。

本发明实施例中，提供了一种基于石墨烯材质的柔性LED发光结构，其包括铜带基底、设置于所述铜带基底一面的石墨烯膜和设置于所述铜带基底的另一面的电路层，所述电路层上贴合有多个LED光源。

进一步地，所述LED光源为SMD光源。

进一步地，所述电路层包括多个LED焊盘，所述LED焊盘与所述LED光源相接触。

在本发明实施例中，还提供了一种基于石墨烯材质的柔性LED发光结构的制作方法，其包括：

步骤S1：采用化学气相沉积法在铜带基底的一个面上形成一层石墨烯膜；

步骤S2：在形成石墨烯膜的铜带基底另一面上制作热电分离的电路层；

步骤S3：将所述电路层与所述铜带基底压合成一体。

进一步地，所述柔性LED发光结构的制作方法还包括

步骤S4：通过激光雕刻的钢网在所述电路层上印刷锡膏，并将LED光源贴合在所述电路层上。

进一步地，步骤S1之前包括：

将裁切的铜带基底进行电化学抛光、酸清洗和高压退火处理。

进一步地，步骤S1包括：

以甲烷或乙醇液滴作为碳源，Ar作为保护气，使碳源以气态方式接触铜带基底表面；

在热壁腔化学气相沉积***中一定的温度和气压条件下，使碳源在铜带基底表面上分解、淀积出石墨烯。

进一步地，步骤S2包括：

经过曝光、显影、蚀刻工艺流程后形成电路层，将屏蔽膜与电路层压合形成绝缘部分；

通过激光切割方式，将电路层中光源器件的热沉部分的焊盘镂空。

进一步地，所述LED光源为SMD光源。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明所述基于石墨烯材质的柔性LED发光结构，其包括铜带基底、设置于所述铜带基底一面的石墨烯膜和设置于所述铜带基底的另一面的电路层，所述电路层上贴合有多个LED光源，这样， 所有的热量直接通过LED光源本身热沉直接导热到设有石墨烯膜的铜基带上，由于石墨烯膜优异的导热和热辐射性能，热量能及时辐射出去，散热途径少，热阻低，利于热量导 ，所述铜带基底一面的石墨烯膜的石墨烯膜可以快速的将LED光源产生的热量散去，从而具有较好的散热效果。

另外，本发明所述基于石墨烯材质的柔性LED发光结构，其热量低，散热好，不用附加任何金属散热器，即可直接使用，单位面积的发光带无需散热可以直接加载很大的功率，形成功率型发光带，直接用于需要高光通量而空间有限的场所，同时该基于石墨烯材质的柔性LED发光结构整体轻薄且能实现一定程度的自由弯曲。

附图说明

图1是本发明实施例的基于石墨烯材质的柔性LED发光结构的结构示意图。

图2是本发明实施例的基于石墨烯材质的柔性LED发光结构的截面示意图。

图3是本发明实施例的基于石墨烯材质的柔性LED发光结构的制作方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细描述。

如图1和图2所示，本发明实施例中，提供了一种基于石墨烯材质的柔性LED发光结构，其包括铜带基底1、设置于所述铜带基底一面的石墨烯膜2和设置于所述铜带基底的另一面的电路层3，所述电路层上贴合有多个LED光源4，这样， 所有的热量直接通过LED光源本身热沉直接导热到设有石墨烯膜的铜基带上，由于石墨烯膜优异的导热和热辐射性能，热量能及时辐射出去，散热途径少，热阻低，利于热量导 ，所述铜带基底一面的石墨烯膜的石墨烯膜可以快速的将LED光源产生的热量散去，从而具有较好的散热效果，同时，所述基于石墨烯材质的柔性LED发光结构，其热量低，散热好，不用附加任何金属散热器，即可直接使用，单位面积的发光带无需散热可以直接加载很大的功率，形成功率型发光带，直接用于需要高光通量而空间有限的场所，同时该基于石墨烯材质的柔性LED发光结构整体轻薄且能实现一定程度的自由弯曲。

石墨烯(Graphenes)是一种二维碳材料，是单层石墨烯、双层石墨烯和多层石墨烯的统称；单层石墨烯(Graphene)：指由一层以苯环结构(即六角形蜂巢结构)周期性紧密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料；双层石墨烯(Bilayer or double-layer graphene)：指由两层以苯环结构(即六角形蜂巢结构)周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式(包括AB堆垛，AA堆垛等)堆垛构成的一种二维碳材料；少层石墨烯(Few-layer)：指由3-10层以苯环结构(即六角形蜂巢结构)周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式(包括ABC堆垛，ABA堆垛等)堆垛构成的一种二维碳材料；多层或厚层石墨烯(multi-layer graphene)：指厚度在10层以上10nm以下苯环结构(即六角形 蜂巢结构)周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式(包括ABC堆垛，ABA堆垛等)堆垛构成的一种二维碳材料；石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3％的光；导热系数高达5300W/m · K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000cm 2 /V · s，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10 -6 Ω · cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。因其电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管；由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。

而且，石墨烯是由碳六元环组成的两维周期蜂窝状点阵结构， 它可以翘曲成零维)的富勒烯(fullerene)，卷成一维的碳纳米管(carbon nano-tube， CNT)或者堆垛成三维的石墨(graphite)， 因此石墨烯是构成其他石墨材料的基本单元。石墨烯的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环，具有极佳的散热性能。石墨烯是众多碳质材料的基元，硬度高，具有优异的电学和热学特性，单层石墨烯热导率值高达3080～5150W/mK，单层石墨烯通过堆叠方式可以形成多层石墨烯，实验制备的石墨烯都存在一定的厚度，所述铜带基底1一面的石墨烯膜的石墨烯膜2可以快速的将LED光源产生的热量散去，从而具有较好的散热效果。

而且，作为新型碳材料，石墨烯是只具有1个原子层厚度的二维纳米材料，其室温电阻率为10 -6 Ω · cm，比室温时电阻率最低的金属银还低，并且石墨烯的电流密度耐性好，达到0.2×10 9 A/cm 2 (是铜的100倍)。同时，石墨烯的组成仅为碳，原材料来源丰富，随着石墨烯产业化制备技术的成熟。

本发明一种基于石墨烯材质的柔性LED发光结构的工作过程如下：

当接通电源后，多个个LED光源4开始工作并产生热量，铜带基底1将热量转移给石墨烯膜2，这样， 所有的热量直接通过LED光源4本身热沉直接导热到设有石墨烯膜2的铜基带1上，由于石墨烯膜2优异的导热和热辐射性能，热量能及时辐射出去，散热途径少，热阻低，利于热量导 ，所述铜带基底1一面的石墨烯膜2的石墨烯膜可以快速的将LED光源4产生的热量散去，从而具有较好的散热效果。

进一步地，所述石墨烯膜2具有从 1.2×10 -6 到 3.0×10-6 Ω·cm 的电阻率，处于此电阻率范围中的导电膜可正常实现导电功能。

进一步地，所述电路层3包括多个LED焊盘31（图未示），所述LED焊盘31与所述LED光源4相接触。所述LED光源采用SMD LED 光源。SMD LED光源就是表面贴装发光二极管的意思，SMD贴片有助于生产效率提高，以及不同设施应用，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。它的电压为1.9-3.2V，红光、黄光电压最低，LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个P-N结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。SMD光源led芯片单位电流密度降低至0.4w/㎜²左右，此时发光效率最高，电转化为光的效率最高，电转化为热量就相对最少。

如图2所示，上述基于石墨烯材质的柔性LED发光结构的制作方法，包括步骤S1-S4。下面分别进行说明。

步骤S1：采用化学气相沉积法在铜带基底的一个面上形成一层石墨烯膜。

需要说明的是，化学气相沉积(CVD)是半导体工业中应用最为广泛的用来沉积多种材料的技术，包括大范围的绝缘材料，大多数金属材料和金属合金材料。从理论上来说，它是很简单的:两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内，然后他们相互之间发生化学反应，形成一种新的材料，沉积到晶片表面上。

在步骤S1之前，需要对铜带基底进行处理，将裁切的铜带基底进行电化学抛光、酸清洗和高压退火处理，使表面干净，降低粗糙度，趋于各向同性以及降低晶格缺陷。

步骤S1中，形成石墨烯膜的具体步骤包括：

以甲烷或乙醇液滴作为碳源，Ar作为保护气，使碳源以气态方式接触铜带基底表面；

在热壁腔化学气相沉积***中一定的温度和气压条件下，使碳源在铜带基底表面上分解、淀积出石墨烯。

步骤S2：在形成石墨烯膜的铜带基底另一面上制作热电分离的电路层。

具体地，步骤S2包括：

经过曝光、显影、蚀刻工艺流程后形成电路层，将屏蔽膜与电路层压合形成绝缘部分；

通过激光切割方式，将电路层中光源器件的热沉部分的焊盘镂空。

需要说明的是，曝光、显影、蚀刻工艺流程的具体工艺如下：

爆光：将菲林放在已经喷了感光油的产品上面，主要的目的是通过爆光让菲林上的图案在产品上形成。感光（爆光）过程中要特别注意夹具一定要放好，菲林不能歪斜，否则产品图案就会出现歪斜现象，从而产生不良品，而菲林也要定期检查，不能出现折叠现象，否则也会出现不良品。

显影；显影的目的是通过显影药水将未爆光的地方冲走，经过爆光的地方固化，形成蚀刻图案；

蚀刻：蚀刻是整个生产流程的关键工序，主要是将产品通过化学溶液的化学作用将产品经过爆光显影后外露的金属部位进行腐蚀，从而形成想要的电路图案，蚀刻工作完成后对产品进行清洗，即可得到想要的电路图案。

步骤S3：将所述电路层与所述铜带基底压合成一体，从而形成结构稳定的柔性电路基板。

需要说明的是，金属铜的高达377W/m·℃导热率，石墨烯的高达5000W/m·k的导热率和热辐射能。

步骤S4：通过激光雕刻的钢网在所述电路层上印刷锡膏，并将LED光源贴合在所述电路层上。

经过上述步骤，过回流焊后，一片完整的基于石墨烯散热的led柔性发光结构即制作完成。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明所述柔性LED发光结构，其包括铜带基底、设置于所述铜带基底一面的石墨烯膜和设置于所述铜带基底的另一面的电路层，所述电路层上贴合有多个LED光源，这样， 所有的热量直接通过LED光源本身热沉直接导热到设有石墨烯膜的铜基带上，由于石墨烯膜优异的导热和热辐射性能，热量能及时辐射出去，散热途径少，热阻低，利于热量导 ，所述铜带基底一面的石墨烯膜的石墨烯膜可以快速的将LED光源产生的热量散去，从而具有较好的散热效果。

另外，本发明所述柔性LED发光结构，其热量低，散热好，不用附加任何金属散热器，即可直接使用，单位面积的发光带无需散热可以直接加载很大的功率，形成功率型发光带，直接用于需要高光通量而空间有限的场所，同时该柔性LED发光结构整体轻薄且能实现一定程度的自由弯曲。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于石墨烯材质的柔性LED发光结构，其特征在于，包括铜带基底、设置于所述铜带基底一面的石墨烯膜和设置于所述铜带基底的另一面的电路层，所述电路层上贴合有多个LED光源。

2.如权利要求1所述的基于石墨烯材质的柔性LED发光结构，其特征在于，所述LED光源为SMD光源。

3.如权利要求1所述的基于石墨烯材质的柔性LED发光结构，其特征在于，所述电路层包括多个LED焊盘，所述LED焊盘与所述LED光源相接触。

4.一种基于石墨烯材质的柔性LED发光结构的制作方法，其特征在于，包括：步骤S1：采用化学气相沉积法在铜带基底的一个面上形成一层石墨烯膜；步骤S2：在形成石墨烯膜的铜带基底另一面上制作热电分离的电路层；步骤S3：将所述电路层与所述铜带基底压合成一体。

5.如权利要求4所述的基于石墨烯材质的柔性LED发光结构的制作方法，其特征在于，还包括步骤S4：通过激光雕刻的钢网在所述电路层上印刷锡膏，并将LED光源贴合在所述电路层上。

6.如权利要求5所述的基于石墨烯材质的柔性LED发光结构的制作方法，其特征在于，步骤S1之前包括：将裁切的铜带基底进行电化学抛光、酸清洗和高压退火处理。

7.如权利要求5所述的基于石墨烯材质的柔性LED发光结构的制作方法，其特征在于，步骤S1包括：以甲烷或乙醇液滴作为碳源，Ar作为保护气，使碳源以气态方式接触铜带基底表面；在热壁腔化学气相沉积***中一定的温度和气压条件下，使碳源在铜带基底表面上分解、淀积出石墨烯。

8.如权利要求5所述的基于石墨烯材质的柔性LED发光结构的制作方法，其特征在于，步骤S2包括：经过曝光、显影、蚀刻工艺流程后形成电路层，将屏蔽膜与电路层压合形成绝缘部分；通过激光切割方式，将电路层中光源器件的热沉部分的焊盘镂空。

9.如权利要求5所述的基于石墨烯材质的柔性LED发光结构的制作方法，其特征在于，所述LED光源为SMD光源。