發光二極體的散熱板設備、用於汽車的頭燈及製備方法與流程
2023-06-03 12:31:32 1
本公開內容涉及用於發光二極體(LED)的散熱板、包括散熱板的用於汽車的頭燈、及用於製備散熱板的方法。
背景技術：
眾所周知，產生大量熱量的電子部件包括移動通信中繼器的高功率放大器(HPA)和線性功率放大器(LPA)，個人計算機的中央處理單元(CPU)，伺服器級工作站的多處理器單元(MPU)，中繼基站的功率放大器單元(PAU)等。對於這些電子部件，表面溫度由於以最大負荷驅動產生的熱量而增加。故障和損壞可能性也由於電子部件的過熱現象而大大增加。
為了防止故障和損壞而從電子裝置中排放熱量的代表性設備，這種設備主要使用翅片散熱片用於通過散熱翅片和用於通過毛細結構將從熱源產生的熱量排放的熱管排放從熱源產生的熱量以使熱量移動至外部。
然而，儘管翅片散熱片可以增加翅片密度或者增加散熱翅片的長度用於使散熱面積最大化，但是當翅片密度增加時，冷卻效率劣化，並且當散熱翅片的長度或者尺寸增加時，散熱板擴大，因此也增加了製造成本。
另外，用於熱管的設施的擴大的成本相對昂貴，因此，其批量生產是困難的。
技術實現要素：
本公開內容的一方面提供具有重量輕並且冷卻性能改進的、用於發光二極體(LED)的散熱板。
本公開內容的另一方面提供包括用於LED的散熱板的、用於汽車的頭燈。
此外，本公開內容的另一方面提供以低成本和高效率製備散熱板的方法。
根據本公開內容的實施方式，用於LED的散熱板包括：包含羥基官能團(-OH，hydroxyl functional group)的金屬薄膜。塗層設置在金屬薄膜的至少一個表面上並且包括包含親水官能團的碳納米管。
氫鍵的結合能可以是約15KJ/mol至40KJ/mol。
親水官能團可以是羧基官能團(-COOH，carboxyl functional group)。
塗層的厚度可以是約10μm至100μm。
碳納米管的平均直徑可以是約10nm至30nm。
碳納米管的平均長度可以是約1μm至20μm。
金屬薄膜可以選自鋁、鐵、銅、鎳銀(nickel silver)、錫、鋅、鎢、以及其組合物。
金屬薄膜可以進一步包括多個突出的散熱翅片。
散熱翅片可以選自鋁、鐵、銅、鎳銀、錫、鋅、鎢、以及其組合物。
提供了包括散熱板的、用於汽車的頭燈。
頭燈可以進一步包括冷卻風扇。
根據本公開內容的另一實施方式，一種製備用於LED的散熱板的方法：包括使碳納米管在酸性水溶液中氧化。使氧化的碳納米管中和以及進行超聲波振蕩(ultra-sonication)處理以提供碳納米管分散體(dispersion)。將金屬薄膜浸於碳納米管分散體中並且加熱以將碳納米管塗敷在金屬薄膜上。
分散體可以進一步包括選自十二烷基硫酸鈉、鋰十二基硫酸鹽、曲拉通-x(Triton-x)、以及其組合物的分散劑(dispersing agent)。
可以在熱容約150W/cm2至400W/cm2的情況下進行約30分鐘至2小時的加熱。
通過以氫鍵將羥基官能團與親水官能團結合，塗層附至金屬薄膜。
根據本公開內容的實施方式，用於LED的散熱板重量輕且由於高熱導率而具有優異的冷卻特性。
附圖說明
圖1是示出未經化學處理的碳納米管和功能化(functionalized)的碳納米管的示意圖。
圖2和圖3是功能化的碳納米管的掃描電子顯微鏡(SEM)照片。
圖4是示出根據施加的功率在溫度變化方面從實例1、比較例1、和比較例2獲得的散熱板的冷卻性能結果的曲線圖。
圖5是示出根據施加的功率在溫度變化方面從實例2、比較例1、和比較例2獲得的散熱板的冷卻性能結果的曲線圖。
圖6示出在時間上從實例1獲得的用於散熱板的散熱翅片的底部溫度(Tbase)與尖端溫度(Ttip)之間的溫度差(ΔT)變化的曲線圖。
具體實施方式
在下文中，詳細地描述本公開內容的實施方式。然而，這些實施方式是示例性的，因此，本公開內容不限於此。
根據本公開內容的實施方式，用於LED的散熱板可以包括含羥基官能團(-OH)的金屬薄膜。塗層設置在金屬薄膜的至少一個表面上並且包括含親水官能團的碳納米管。通過以氫鍵將羥基官能團與親水官能團結合，可以將塗層附至金屬薄膜。
因為碳納米管重量輕並且具有高長度直徑比，所以其具有單位面積很高的表面積和物理強度幾乎是鋼的100倍的特性並且在化學方面是穩定的。尤其，碳納米管具有約1600W/mK至6000W/mK的熱導率，比銅(熱導率：約400W/mK)或者鋁(熱導率：約205W/mK)優異幾十至幾百倍。因此，在將與傳統的材料相比具有很高表面積和熱導率的碳納米管包括在金屬薄膜的至少一個表面中時，可以通過其中設置碳納米管的表面提高熱交換率。
氫鍵的結合能可以是約15KJ/mol至40KJ/mol。具體地，官能團之間的強鍵可以由通過氫鍵誘導的靜電引力提供，無需任何附加的粘合層。
因此，設置附加的粘合層的工藝不是必要的，因此可以實現散熱板的工藝簡化和重量減輕。
親水官能團可以是羧基官能團(-COOH)。
塗層的厚度可以是約10μm至100μm。
當塗層具有小於100μm的厚度時，可能存在金屬薄膜未塗有碳納米管塗層的區域，因此可能無法實現均勻的熱輻射。具體地，塗層的厚度可以是約10μm至50μm，且更具體地約10μm至30μm。
金屬薄膜可以包括具有高熱導率的任何金屬，並且可以包括純金屬或者合金。具體地，金屬薄膜可以包括選自鋁(Al)、鐵(Fe)、銅(Cu)、鎳(Ni)、銀(Ag)、錫(Sn)、鋅(Zn)、以及鎢(W)等的一種金屬的純金屬，或者選自上列金屬的至少兩種金屬的合金。具體地，考慮成本、重量、熱導率等，金屬薄膜可以包括選自Al、Cu、Sn、或者其合金的純金屬。其可以進一步包括純鋁或者包括鋁作為主要成分的鋁合金薄膜。
金屬薄膜的厚度可以根據電子產品自由確定，在從約0.01mm至5.0mm的範圍內。更具體地，用於膝上型電腦的金屬薄膜可以具有小於或等於約0.1mm，或者在從約0.01mm至0.1mm的範圍內的厚度。用於等離子顯示器的金屬薄膜可以具有大於或等於約0.1mm，或者在從約0.1mm至約5.0mm的範圍內的厚度。
為了增加表面積並且使傳熱效率最大化，通過修改平坦的金屬薄膜可以使金屬薄膜具有包括多個突出的散熱翅片的形狀。散熱翅片可以由選自鋁、鐵、銅、鎳銀、錫、鋅、鎢等的材料製成，該材料與用於金屬薄膜的材料相同。
根據本公開內容的另一實施方式，用於汽車的頭燈可以包括用於LED的散熱板。
而且，根據本公開內容的另一實施方式，製備用於LED的散熱板的方法包括：使碳納米管在酸性水溶液中氧化。使氧化的碳納米管中和以及利用超聲波振蕩處理以提供碳納米管分散體。將金屬薄膜浸於碳納米管分散體中並且加熱以使碳納米管塗敷在金屬薄膜上。
根據本公開內容的實施方式，代替複雜的陽級電鍍處理，通過在含水溶液中酸處理並且加熱可以獲得具有改進的冷卻效率的散熱板。碳納米管可以是單壁納米管、多壁納米管、繩索納米管、或者其混合。
在本公開內容的示例性實施方式中，使用具有約10m至30nm的直徑、約1μm至20μm的長度的碳納米管。碳納米管的直徑可以具體為約10nm至20nm，或者約10nm至約15nm。碳納米管的長度可以具體為約1μm至約10μm，或者約1μm至約5μm。
通過使碳納米管在酸性水溶液中氧化可以使碳納米管功能化。換言之，可以在碳納米管的表面上產生親水的官能團以在金屬薄膜的表面上更好地被吸收。用於提供與鋁表面上的羥基官能團的氫鍵的親水官能團可以包括羧基官能團。
可以通過在約pH1至2內調節酸性水溶液來優化碳納米管表面上的親水官能團的生成。通過使碳納米管在小於或等於pH7的酸性水溶液中和、蒸餾並且使其乾燥可以獲得功能化的碳納米管粉末。
為了使功能化的碳納米管粉末在水溶液中均勻分散，分散體可以進一步包括分散劑。分散劑可以選自十二烷基硫酸鈉、鋰十二基硫酸鹽、曲拉通-x、以及其組合物。在本公開內容的示例性實施方式中，更加特定的示例可以是十二烷基硫酸鈉。
在這種情況下，功能化的碳納米管和分散劑可以分別具有約100wppm的濃度。換言之，如果水在室溫下具有約1g/ml的質量，那麼功能化的碳納米管和分散劑均可以在每1L的水中使用100mg。當功能化的碳納米管和分散劑以設定的比率混合時，碳納米管可以均勻並且嚴格地(strictly)附接在金屬薄膜上。
只要條件對功能化的碳納米管沒有任何損傷，約1小時的強度為約40KHz至60KHz的超聲波振蕩可能通常足夠。另一方面，當功能化的碳納米管的分散相均勻分散在水的分散介質中時，溶液可能是黑色的。
當金屬薄膜浸入分散溶液中時，可以利用加熱將碳納米管塗敷在金屬薄膜上。在這種情況下，可以在熱容約150W/cm2至400W/cm2的情況下進行約0.5至2小時的加熱。根據本公開內容的實施方式，可以在熱容約200W/cm2的情況下進行約1小時的加熱。
當加熱條件如上時，塗層可以具有期望的厚度。
根據本公開內容的實施方式的製備散熱板的方法包括：使碳納米管功能化，然後在水溶液中加熱，這可以簡化工藝並且節省成本。因為該方法不要求諸如在金屬薄膜上進行預處理的附加工藝用於碳納米管塗敷，所以可以通過簡化的工藝提供具有改進的冷卻效率的散熱板。
使用根據本公開內容的實施方式的碳納米管的散熱板結構可以同樣適用於通過壓縮和凝結排出熱量的設備，例如，空氣調節器，機械機器以及包括膝上型電腦的計算機冷卻器(計算機處理單元(CPU)冷卻器、圖形卡冷卻器、散熱翅片、以及熱管自身冷卻器)。
在下文中，描述本公開內容的實例和比較例。然而，這些實例在任何情況下都不解釋為限制本發明構思的範圍。
(實例)
合成實例1：製備化學處理的碳納米管(CNT)
使36％的鹽酸和多壁CNT(MWCNT)混合併且中和，然後蒸餾並且乾燥12小時以提供功能化的CNT。
功能化的CNT被磨碎，然後將100wppm的功能化CNT添加到100wppm的鈉十二基硫酸(SDS)水溶液裡並且通過超聲波振蕩混合1小時以提供功能化的CNT-SDS分散溶液。
實例1：製備CNT沉積的散熱板
將鋁散熱板浸於從合成實例1獲得的功能化CNT-SDS分散溶液中並且加熱1小時施加約200W/cm2的熱容，然後取出並且利用蒸餾水衝洗以提供散熱板。
評估獲得的散熱板的冷卻性能。
實例2：製備裝配有冷卻風扇的散熱板
除了根據實例1的散熱板在裝配有冷卻板的設備中使用之外，根據如實例1中的相同的過程評估散熱板的冷卻性能。
比較例1：製備未經表面處理的散熱板
使用沒有經過分離處理的鋁散熱板。
比較例2：THMG
從現代汽車公司獲得散熱板，該散熱板根據鋁陽級氧化方法進行批量生產並且經表面處理。
評估實例1：評估散熱板的冷卻性能
評估根據實例1、實例2、比較例1、及比較例2的散熱板的冷卻性能，並且在圖4和圖5中示出該結果。
圖4是示出在根據施加的功率，從實例1、比較例1、和比較例2獲得的在溫度變化方面散熱板的冷卻性能結果的曲線圖。圖5是示出在根據施加的功率，從實例2、比較例2、和比較例2獲得的在溫度變化方面散熱板的冷卻性能結果的曲線圖。
Tbase＝124℃設定作為散熱板中的散熱翅片的底部溫度。T0＝25℃(空氣溫度)設定為空氣溫度。測量並在曲線圖中示出根據施加的功率的散熱翅片的底部溫度與尖端溫度的溫度差(ΔT＝Tbase-Ttip)。
因為根據施加的功率，ΔT更高，所以更加有效地傳輸熱量。
參考圖4和圖5，應理解的是，根據施加的功率，實例1和實例2具有相對於比較例1和比較例2更高的溫度差(ΔT)。尤其，與通過鋁陽級電鍍方法中的表面處理獲得的散熱板相比，根據實例1冷卻性能改進約18％至27％並且根據實例2改進約17％至38％。換言之，根據結果確認根據實例1和實例2的散熱板具有進一步優異的熱量排放效率，並且底部溫度(Tbase)與尖端溫度(Ttip)之間的差相對大。
評估實例2：評估散熱板的冷卻穩定性
為了確定從實例1獲得的散熱板是否可以長時間保持在相同水平的冷卻特性，利用0.29W的功率評估散熱板的冷卻性能250小時，並且在圖6中示出結果。
圖6示出根據時間從實例1獲得的散熱板的散熱翅片的底部溫度(Tbase)與尖端溫度(Ttip)之間的差(ΔT)變化的曲線圖。
參考圖6，確認平均值ΔT保持在約9.25K，具有±0.18K的誤差範圍。
儘管已經結合目前被認為是實用的示例性實施方式對本發明進行了描述，但應當理解，本發明不限於所公開的實施方式，而是相反，旨在涵蓋包括在所附權利要求的精神和範圍內的各種修改和等同配置。