TWI495716B - 石墨烯散熱結構 - Google Patents

Description

石墨烯散熱結構

本發明係有關於一種石墨烯散熱結構，尤其是利用表面改質的奈米石墨烯片以有效分散到載體樹脂中，且奈米石墨烯片之間透過填充劑相互接觸連接以提昇石墨烯散熱層之導熱性及導電性質。

自從2004年英國曼徹斯特大學Andre Geim與Konstantin Novoselov成功利用膠帶剝離石墨的方式獲得單層石墨烯並獲得2010年之諾貝爾物理獎以來，石墨烯的導電性、導熱性、抗化性等各種優異性能即不斷被產業藉應用於不同的領域。石墨烯(graphene)只具有厚度0.335nm，亦即僅一個碳原子直徑的大小，主要是由sp² 混成軌域組成六角形蜂巢排列的二維晶體結構，目前是最薄也是最堅硬的材料，機械強度可遠高於鋼鐵百倍，而比重卻僅約鋼鐵的四分之一，尤其還擁有傑出的導電與導熱性質，其中理論熱傳導系數高達5300W/mK，因此，石墨烯也是極佳的散熱材料。

然而，石墨烯在實際應用上最常面臨的問題是石墨烯本身很容易聚集、堆疊而結塊，亦即不容易均勻分散，因此，如何防止石墨烯薄片彼此不均勻地堆疊的現象以獲得高均勻性且層數少的石墨烯粉體，一直都是產業界最需解決的技術瓶頸。

此外，隨著科技快速發展以及電氣功能的提升，使得損耗功率增加，而在電子裝置需要更加輕薄短小的需求下，電氣操作的功率密度卻不斷提高，因此，需要體積更小且散 熱效率更高的散熱裝置，藉以避免過熱而失效或損毀，保障產品的使用壽命。

在習用技術中，中國專利CN103107147描述了一種表面披覆石墨烯薄膜的散熱器，主要是將獨立製得的石墨烯薄膜或含有石墨烯薄膜的載體，以背膠或其他物理固定方法覆蓋、貼附至散熱器上。這種散熱器的結構使用獨立石墨烯薄膜固定於散熱器表面，而石墨烯薄膜與散熱器間之背膠、載體層或其他物理固定方法，因此，該專利技術的缺點在於熱源所產生的熱能之傳送本質上是受制於有限的導熱界面，散熱功效相當有限。

此外，另一中國專利CN102964972A描述了一種含石墨烯或氧化石墨烯的複合強化散熱材塗料，係以回流法將石墨烯或氧化石墨烯包裹於紅外線發射粉體表面，藉以降低紅外顆粒的熱阻，進而得到一種複合強化散熱塗料。其缺點主要是石墨烯在粉體中的接觸性能不佳，無法大幅降低紅外顆粒之間界面所產生的熱阻，散熱效率不理想，而且所製成的塗料在使用時需要均勻分散至特定溶劑中，再塗佈到目標物件的表面上，並以加熱或自然揮發的方式移除其中的溶劑，使得最終散熱塗層中的塗料本身接觸性不佳，尤其是整個處理工序會在溶劑逸散時導致可能危害到人體及環境的環保、工安問題。

因此，非常需要一種創新的石墨烯散熱結構，使用具有表面改質之石墨烯，且石墨烯表面具備有官能基，可在與載體樹脂形成複合材料時藉由與樹脂之官能基的相容作用而大幅提高兩者界面之親合性，並且石墨烯奈米片之間是透過填充劑而相互接觸連接，可進一步加強導熱性及導電性質，使得本發明的基材可接收來自熱源之熱量而以熱傳方式傳送至石墨烯散熱層，並由石墨烯散熱層以熱傳導或熱輻射的方式逸散至外部，進而達到加強散熱效率的效果， 藉以解決上述習用技術的問題。

本發明之主要目的在於提供一種石墨烯散熱結構，主要包括基材及石墨烯散熱層，其中基材具有至少包含第一表面及第二表面的多個表面，且第一表面接觸至少一熱源，而石墨烯散熱層是設置第二表面上。具體而言，石墨烯散熱層具有導電特性，包含複數個表面改質之石墨烯奈米片、載體樹脂以及填充劑，其中表面改質之石墨烯奈米片是均勻分散於載體樹脂中，且該等石墨烯奈米片之間可透過填充劑而相互接觸連接。

較佳的，填充劑之粒徑與石墨烯奈米片厚度之比值介於2-100之間。

基材可選自金屬或石墨，其中金屬係選自鋁、銅、鈦以及鎳之任一者或其合金。石墨烯散熱層之較佳厚度小於50um，其中表面改質之石墨烯奈米片佔整體石墨烯散熱層之比重為0.1-20wt%，填充劑之比重為20-80wr%，載體樹脂之比重為10-50wt%之間。

表面改質之石墨烯奈米片至少包含一表面改質層形成於該奈米石墨片結構的表面，且該表面改質層包含至少一官能基，該官能基係選自乙烯基、脂肪環氧烷基、苯乙烯基、甲基丙烯醯氧基、丙烯醯氧基、脂肪基胺基、氯丙烷基、脂肪基氫硫基、脂肪基硫離子基、異氰酸基、脂肪基尿素基、脂肪基羧基、脂肪基羥基、環己烷基、苯基、脂肪基甲醯基、乙醯基及苯甲醯基的其中之一。

載體樹脂係選自聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚對苯二甲酸乙烯酯、聚氨酯、聚氧化乙烯、聚丙烯腈、聚丙烯醯胺、聚丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯吡咯烷酮、聚四甘醇二丙烯酸酯、聚醯亞胺、醋酸纖維 素、醋酸丁酸纖維素、醋酸丙酸纖維素、乙基纖維素、氰乙基纖維素、氰乙基聚乙烯醇、羧甲基纖維素、環氧樹脂、酚醛樹脂以及矽酮樹脂之任一者或其組合。

填充劑係選自金屬粒子、陶瓷粒子、石墨、奈米碳管或碳黑之任一者或其組合，其中金屬粒子係選自金、銀、銅、鎳、鈦及鋁之至少其中之一，陶瓷粒子係選自氮化鋁、氮化硼、氮化矽、碳化矽、氧化鋁及氧化矽之任一者或其組合。

上述石墨烯散熱結構之平面熱傳導值可達到大於400W/mK，而具有導電特性的石墨烯散熱層具有小於100ohm/sq的片電阻。

由於表面改質之石墨烯奈米片可提高石墨烯在載體樹脂中的分散性以及親和性，而且石墨烯奈米片相互之間是透過填充劑而相互接觸連接，因而可得到具優良導熱性及導電性質之石墨烯散熱層。因此，本發明石墨烯散熱結構的基材可將接收來自熱源之熱量以熱傳方式傳送至石墨烯散熱層，並由石墨烯散熱層以熱傳導或熱輻射的方式逸散至外部，進而達到加強散熱效率的效果。

10‧‧‧基材

20‧‧‧石墨烯散熱層

21‧‧‧奈米石墨烯片

23‧‧‧載體樹脂

25‧‧‧填充劑

HS‧‧‧熱源

第一圖是顯示依據本發明實施例石墨烯散熱結構的示意圖。

以下配合圖式及元件符號對本發明之實施方式做更詳細的說明，俾使熟習該項技藝者在研讀本說明書後能據以實施。

參閱第一圖，依據本發明實施例石墨烯散熱結構的示意圖。如第一圖所示，本發明的石墨烯散熱結構主要是包括基材10及石墨烯散熱層20，其中基材10具有多個表面， 至少包含朝向下方的第一表面(亦即下表面)及朝向上方的第二表面(亦即上表面)，且第一表面接觸可產生熱量的至少一熱源HS。具體而言，石墨烯散熱層20是設置在基材10的第二表面上，且石墨烯散熱層20具有導電特性，並包含複數個表面改質之石墨烯奈米片21、載體樹脂23以及填充劑25，其中表面改質之石墨烯奈米片21是均勻分散於載體樹脂23中，且該等石墨烯奈米片21之間可透過填充劑25而相互接觸連接，形成網路狀的導電性結構。

要注意的是，為方便說明本發明的技術特徵，圖中的每個表面改質之石墨烯奈米片21是以薄片狀的側面方向顯示，亦即，實際上在圖中的觀察角度上，有部分的表面改質之石墨烯奈米片21會顯示出其正面，或部分的表面改質之石墨烯奈米片21同時顯示部分正面及部分側面。

較佳的，上述的基材10可選自金屬或石墨，其中金屬係選自鋁、銅、鈦以及鎳之任一者或其合金。石墨烯散熱層20的較佳厚度可小於50um，其中表面改質之石墨烯奈米片21佔整體石墨烯散熱層20之重量百分比為0.1-20wt%之間，載體樹脂23是佔10-50wt%之重量百分比，而填充劑25的重量百分比為20-80wt%之間。

更加具體而言，表面改質之石墨烯奈米片21包含形成於其表面的至少一表面改質層，且表面改質層包含至少一官能基，用以改善與載體樹脂23之間的親合力，使得表面改質之石墨烯奈米片21更加容易均勻散於載體樹脂23中。

表面改質層的官能基係選自乙烯基、脂肪環氧烷基、苯乙烯基、甲基丙烯醯氧基、丙烯醯氧基、脂肪基胺基、氯丙烷基、脂肪基氫硫基、脂肪基硫離子基、異氰酸基、脂肪基尿素基、脂肪基羧基、脂肪基羥基、環己烷基、苯基、脂肪基甲醯基、乙醯基及苯甲醯基的其中之一。

石墨烯散熱層20的載體樹脂23係選自選自聚偏氟乙烯、 聚四氟乙烯、聚對苯二甲酸乙烯酯、聚氨酯、聚氧化乙烯、聚丙烯腈、聚丙烯醯胺、聚丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯吡咯烷酮、聚四甘醇二丙烯酸酯、聚醯亞胺、醋酸纖維素、醋酸丁酸纖維素、醋酸丙酸纖維素、乙基纖維素、氰乙基纖維素、氰乙基聚乙烯醇、羧甲基纖維素、環氧樹脂、酚醛樹脂以及矽酮樹脂之任一者或其組合。

此外，填充劑25本身具有導熱性的固態粒子、粉末、薄片或細絲，主要作用是增加表面改質之石墨烯奈米片21的整體接觸效應以增加熱傳導效率。因為表面改質之石墨烯奈米片21本質上是平面薄片狀，在不包含填充劑25下，則如果每個表面改質之石墨烯奈米片21是以平面相互接觸，當然接觸面積最大且熱傳導最好，但是在均勻分散於載體樹脂23中時，表面改質之石墨烯奈米片21在不同位置上會有不同的姿態，因此相鄰的不同表面改質之石墨烯奈米片21除了以平面接觸外，還會以邊緣或角落相互接觸，使得接觸面積減小，降低熱傳效率，因熱傳效率是與傳導面積成正比。因此，在使用填充劑25時，填充劑25可接觸到部分表面改質之石墨烯奈米片21，提供額外的接觸面積，用以增加熱傳導。

尤其是，基於上述作用，填充劑之粒徑與石墨烯奈米片厚度之比值是較佳的介於2-100之間。

填充劑25可較佳的選自金屬粒子、陶瓷粒子、石墨、奈米碳管或碳黑之任一者或其組合，其中金屬粒子係選自金、銀、銅、鎳、鈦及鋁之至少其中之一，而陶瓷粒子係選自氮化鋁、氮化硼、氮化矽、碳化矽、氧化鋁及氧化矽之任一者或其組合。

整體而言，上述本發明石墨烯散熱結構之平面熱傳導值可達到大於400W/mK，而具有導電特性的石墨烯散熱層20 具有小於100ohm/sq的片電阻。因此，本發明同時具有優異的導熱性及導電性。

為進一步顯示本發明石墨烯散熱結構的具體功效以使得熟知習用技術的人士者能更加清楚了解整體的操作方式，下文中將以示範性實例詳細說明實際的操作方式。

[實驗示例1]

配方內容包含當作載體樹脂的聚氨脂為48wt%，當作填充劑的導電碳黑為40wt%，而表面改質奈米石墨烯片為12wt%，同時利用鋁箔基材當作基材用。

首先，依據上述配方比例進行預混合；而後用乳化機以轉速8000rpm，經過48小時均勻混合後，可得到包含石墨烯散熱層的漿料；接著，以刮刀法方式將包含石墨烯散熱層之漿料塗佈於鋁箔基材上；進行70度烘箱或熱板的加熱烘烤處理，以去除所有液體並使漿料固化，形成所需的石墨烯散熱結構。

將上述的石墨烯散熱結構接觸75度之熱源，經10分鐘達到熱平衡之後，利用紅外線感溫槍以偵測石墨烯散熱結構的表面溫度，結果為65.6度，較熱源的原本面溫度已下降9.4度，再對比未塗佈石墨烯散熱層之鋁箔基材，其溫度為69.4度，只降低5.6度。

[實驗示例2]

所使用的配方如同實驗示例1，其中聚氨脂為48wt%，導電碳黑為40wt%，而表面改質奈米石墨烯片為12wt%，同時利用銅箔基材當作基材用。

按上述配方比例進行預混合，而後再用乳化機以轉速8000rpm，經過48小時均勻混合後，可得到石墨烯散熱層之漿料。接著，以刮刀法方式將其石墨烯散熱層之漿料塗佈於 銅箔基材上，再將此石墨烯散熱結構放置於70度的烘箱或熱板，待其石墨烯散熱層之漿料固化後，得到此石墨烯散熱結構。

進一步，將石墨烯散熱結構接觸75度之熱源，待10分鐘達到熱平衡之後，利用紅外線感溫槍偵測石墨烯散熱結構的表面溫度，為62.7度，較原本熱板表面溫度下降12.3度，再對比未塗佈石墨烯散熱層之銅箔基材，其溫度為66.4度，只下降8.6度。

[實驗示例3]

配方內容包含當作載體樹脂的聚氨脂為30.5wt%，當作填充劑的導電碳黑為53wt%，而表面改質奈米石墨烯片為16.5wt%，同時利用鋁質散熱鰭片當作基材用。

按上述配方比例進行預混合，而後再用乳化機以轉速8000rpm，經過48小時均勻混合後，可得到石墨烯散熱層之漿料。接著，以刮刀法方式將其石墨烯散熱層之漿料塗佈於鋁質散熱鰭片上，再將此石墨烯散熱結構放置於70度的烘箱或熱板，待其石墨烯散熱層之漿料固化後，得到此石墨烯散熱結構。

進一步，將石墨烯散熱結構接觸75度之熱源，待10分鐘達到熱平衡之後，利用紅外線感溫槍偵測石墨烯散熱結構的表面溫度，為67.9度，較原本熱板表面溫度下降7.1度。

從實驗示例1、2、3的實驗結果中，顯而易見的是本發明的石墨烯散熱結構能改善散熱效率，因而確實具有產業利用性。

綜上所述，本發明的主要特點在於表面改質之石墨烯奈米片可提高石墨烯在載體樹脂中的分散性以及親和性，而且 石墨烯奈米片相互之間是透過填充劑而相互接觸連接，使得本發明石墨烯散熱結構的基材可將接收來自熱源之熱量以熱傳方式傳送至石墨烯散熱層，並由石墨烯散熱層以熱傳導或熱輻射的方式逸散至外部，達成加強散熱效率，因而非常適用於需要散熱的電氣裝置或元件。

以上所述者僅為用以解釋本發明之較佳實施例，並非企圖據以對本發明做任何形式上之限制，是以，凡有在相同之發明精神下所作有關本發明之任何修飾或變更，皆仍應包括在本發明意圖保護之範疇。

10‧‧‧基材

20‧‧‧石墨烯散熱層

21‧‧‧奈米石墨烯片

23‧‧‧載體樹脂

25‧‧‧填充劑

HS‧‧‧熱源

Claims (7)

1. 一種石墨烯散熱結構，包括：一基材，具有至少包含一第一表面及一第二表面的多個表面，且該第一表面接觸至少一熱源；以及一石墨烯散熱層，具有導電特性，設置於該基材的第二表面上，並包含複數個表面改質之石墨烯奈米片、一載體樹脂以及一填充劑，且該等表面改質之石墨烯奈米片是均勻分散於該載體樹脂中，而該等石墨烯奈米片之間是透過該填充劑而相互接觸連接，其中該填充劑之粒徑與該等石墨烯奈米片之厚度的比值是介於2-100之間，且該表面改質之石墨烯奈米片佔該石墨烯散熱層的重量百分比為0.1-20wt%之間，該填充劑的重量百分比為20-80wt%之間，而該載體樹脂的重量百分比為10-50wt%之間。
2. 依據申請專利範圍第1項之石墨烯散熱結構，其中該石墨烯散熱層的厚度小於50um。
3. 依據申請專利範圍第1項之石墨烯散熱結構，其中該石墨烯散熱層具有小於100ohm/sq的片電阻。
4. 依據申請專利範圍第1項之石墨烯散熱結構，其中該基材是選自金屬或石墨，且該金屬係選自鋁、銅、鈦以及鎳之任一者或其合金。
5. 依據申請專利範圍第1項之石墨烯散熱結構，其中該表面改質之石墨烯奈米片至少包含一表面改質層，係形成於該奈米石墨片結構的表面，且該表面改質層包含至少一官能基，而該官能基係選自乙烯基、脂肪環氧烷基、苯乙烯基、甲基丙烯醯氧基、丙烯醯氧基、脂肪基胺基、氯丙烷基、脂肪基氫硫基、脂肪基硫離子基、異氰酸基、脂肪基尿素基、脂肪基羧基、脂肪基羥基、環己烷基、苯基、脂肪基甲醯基、乙醯基及苯甲醯基的其中之一。
6. 依據申請專利範圍第1項之石墨烯散熱結構，其中該載體樹脂是選自聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚對苯二甲酸乙烯酯、聚氨酯、聚氧化乙烯、聚丙烯腈、聚丙烯醯胺、聚丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯吡咯烷酮、聚四甘醇二丙烯酸酯、聚醯亞胺、醋酸纖維素、醋酸丁酸纖維素、醋酸丙酸纖維素、乙基纖維素、氰乙基纖維素、氰乙基聚乙烯醇、羧甲基纖維素、環氧樹脂、酚醛樹脂以及矽酮樹脂之任一者或其組合。
7. 依據申請專利範圍第1項之石墨烯散熱結構，其中該填充劑是選自金屬粒子、陶瓷粒子、石墨、奈米碳管或碳黑之任一者或其組合，且該金屬粒子係選自金、銀、銅、鎳、鈦及鋁之至少其中之一，該陶瓷粒子係選自氮化鋁、氮化硼、氮化矽、碳化矽、氧化鋁及氧化矽之任一者或其組合。