JP2005272164A - High thermal conductive member, method of manufacturing the same and heat radiation system using the same - Google Patents

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Toyoichi Ozaki
豊一 尾崎
Akira Taomoto
昭 田尾本
Mitsuru Hashimoto
充 橋本
Masahiro Deguchi
正洋 出口
Motoji Shibata
元司 柴田
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high thermal conductive member having thermal conductivity improved in the layer direction and enhanced tensile strength while keeping thermal conductive characteristic in the plane direction which graphite has. <P>SOLUTION: The high thermal conductive member comprises carbon (C) as main composition and has the efficient thermal conductive characteristic in the layer direction because a carbon structure 3 comprising a carbon fiber assembled body is arranged in a graphite structure 1 having an a-b axis almost aligned in the direction (plane direction) parallel to the main surface. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、主組成が炭素(C)からなる高熱伝導性部材及びその製造方法に関する。具体的には、熱伝導度に異方性を有するグラファイト構造体からなる熱伝導性部材の特性を改善するもので、主面に平行な方向(面方向)の高熱伝導性を維持しながら、主面に垂直な方向(層方向)も比較的高い熱伝導度を有し、かつ厚みや引張強度等部材の設計自由度を高めた高熱伝導性部材及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a highly thermally conductive member whose main composition is carbon (C) and a method for producing the same. Specifically, to improve the characteristics of the thermal conductive member made of a graphite structure having anisotropy in thermal conductivity, while maintaining high thermal conductivity in the direction parallel to the main surface (plane direction), The present invention relates to a highly thermally conductive member having a relatively high thermal conductivity in a direction (layer direction) perpendicular to a main surface and having a high degree of design freedom of a member such as thickness and tensile strength, and a method for manufacturing the same.

近年、電子機器の高性能化や小型化、高密度化に伴い、機器及びそれらを構成する電子デバイスより発生する熱をいかに放熱するかが課題となっている。とりわけ、コンピュータの心臓部であるCPUや半導体レーザに対する熱対策は急務な状況にある。   2. Description of the Related Art In recent years, with the performance enhancement, miniaturization, and densification of electronic devices, it has become a problem how to dissipate heat generated from the devices and the electronic devices that constitute them. In particular, heat countermeasures for CPUs and semiconductor lasers, which are the heart of computers, are in an urgent need.

冷却を効率的に行なうには、対流、輻射、伝導をうまく組み合わせることが重要であるが、前記電子部品等を冷却するには、主に熱伝導により熱を低温領域に導き、冷却することが有効である。   In order to efficiently perform cooling, it is important to combine convection, radiation, and conduction well. However, in order to cool the electronic components, etc., it is mainly necessary to conduct heat to a low temperature region and cool it by heat conduction. It is valid.

従来、電子機器/部品の放熱方法としては、熱伝導性の高い金属、例えば銅(Cu)やアルミニウム(Al)からなる放熱体が良く用いられてきた。しかしながら、素子の微細化やさらなる発熱量の増加が進む中で、高熱伝導性部材として、より熱伝導性の高いものや、幾何学的形状の自由度が高いものが望まれている。さらに厚みや引張強度が増せば理想的といえる高熱伝導性部材となる。   Conventionally, as a heat dissipation method for electronic devices / components, a heat radiator made of a metal having high thermal conductivity, such as copper (Cu) or aluminum (Al), has been often used. However, as device miniaturization and further heat generation increase, high thermal conductivity members with higher thermal conductivity and higher geometric shape are desired. Further, if the thickness and tensile strength are increased, it becomes an ideal high thermal conductive member.

その様な背景のもと、炭素(C)からなるグラファイトは、抜群の耐熱性や耐薬品性、高導電性を有すると共に、高熱伝導性といった特性も有することから、前記放熱体に代わる材料として期待されている。   Against such a background, graphite made of carbon (C) has excellent heat resistance, chemical resistance, high conductivity, and also has characteristics such as high thermal conductivity. Expected.

グラファイトは、図3に示す様な結晶構造を持つ材料であり、炭素(C)原子4からなる六員環の平面構造(グラフェン構造)5が層状に積層された構造を持つ。この結晶構造より、グラファイトの様々な特性は、2つの方向、すなわちグラフェン構造5に対して垂直方向(c軸方向)と、グラフェン構造5に対して平行方向(a-b軸方向)で特徴付けられることが示唆される。   Graphite is a material having a crystal structure as shown in FIG. 3, and has a structure in which a six-membered planar structure (graphene structure) 5 composed of carbon (C) atoms 4 is laminated in layers. From this crystal structure, various characteristics of graphite are characterized by two directions, that is, a direction perpendicular to the graphene structure 5 (c-axis direction) and a direction parallel to the graphene structure 5 (ab-axis direction). Is suggested.

例えば理想的なグラファイト結晶において、グラフェン構造5と垂直な面(c軸方向、以降、『層方向』と表記)の熱伝導率κ⊥は、10W/m・K以下と余り高くないが、グラフェン構造5と平行な面(a-b軸方向、以降、『面方向』と表記)の熱伝導度κ‖は、1000W/m・Kを越え、銅(κ(Cu)〜350-400W/m・K)の2倍以上、アルミニウム(κ(Al)〜200-250W/m・K)の4倍以上の熱伝導性を有することが報告されている。それ故にこれまでは、この面方向の高熱伝導性を活かした、様々なグラファイト熱伝導体が提案されてきた。   For example, in an ideal graphite crystal, the thermal conductivity κ⊥ of the plane perpendicular to the graphene structure 5 (c-axis direction, hereinafter referred to as “layer direction”) is not so high as 10 W / m · K or less. The thermal conductivity κ‖ of the plane parallel to structure 5 (ab-axis direction, hereinafter referred to as “plane direction”) exceeds 1000 W / m · K, and copper (κ (Cu) to 350-400 W / m · K) It has been reported that it has a thermal conductivity more than twice that of aluminum and more than four times that of aluminum (κ (Al) to 200-250 W / m · K). Therefore, various graphite thermal conductors have been proposed so far, taking advantage of the high thermal conductivity in the plane direction.

例えば、特許文献1〜4等には、シリコーン樹脂や高分子マトリクスにグラファイト粉末を分散させることで、熱伝導特性を改善した熱伝導部材が報告されている。それらで開示されている、従来の熱伝導性部材(従来例1)の概略構成イメージを図9に示す。本従来例1では、面方向熱伝導性の高いグラファイト粉末10を高分子等のマトリクス9中に分散/配向させることで、部材の熱伝導性(κ〜数10W/m・K)が改善できることを報告している。   For example, Patent Documents 1 to 4 and the like report a heat conducting member that has improved heat conduction characteristics by dispersing graphite powder in a silicone resin or a polymer matrix. FIG. 9 shows a schematic configuration image of a conventional heat conductive member (conventional example 1) disclosed therein. In Conventional Example 1, the thermal conductivity (κ to several tens of W / m · K) of the member can be improved by dispersing / orienting the graphite powder 10 having a high surface direction thermal conductivity in the matrix 9 such as a polymer. Has been reported.

また特許文献5には、フレーク状グラファイト粒子を重合体結合材と共に圧縮成型した部材が、特許文献6には、金属粉末と結晶性カーボン材を複合化したものをホットプレス加工した部材などが報告されている。図10に、これらで開示されている従来熱伝導性部材(従来例2)の概略構成イメージを示す。本従来例2では、面方向熱伝導性の高いグラファイト粉末12、あるいは金属/グラファイト粉末混合体を圧縮成型することで、熱伝導性の高いグラファイトからなる熱伝導性部材11(κ‖=400〜970W/m・K)の作製方法が報告されている。   Patent Document 5 reports a member obtained by compression molding flaky graphite particles together with a polymer binder, and Patent Document 6 reports a member obtained by hot pressing a composite of metal powder and a crystalline carbon material. Has been. FIG. 10 shows a schematic configuration image of the conventional heat conductive member (conventional example 2) disclosed therein. In this conventional example 2, by compressing and molding graphite powder 12 having a high surface direction heat conductivity or a metal / graphite powder mixture, a heat conductive member 11 made of graphite having a high heat conductivity (κ‖ = 400˜ 970W / m · K) has been reported.

さらに特許文献7には、面内配向性の高いグラファイト単体からなるシート状の熱伝導部材が開示されている。図11に、本文献で開示されている従来熱伝導性部材(従来例3)の概略構成イメージを示す。本従来例3では、有機高分子シートを焼成処理する方法で作製した、グラフェン層14の面内配向性の高いグラファイト構造体13からなる熱伝導性部材(κ‖=600〜1000W/m・K)が報告されている。   Further, Patent Document 7 discloses a sheet-like heat conduction member made of a single graphite having high in-plane orientation. FIG. 11 shows a schematic configuration image of a conventional heat conductive member (conventional example 3) disclosed in this document. In Conventional Example 3, a thermally conductive member (κ‖ = 600 to 1000 W / m · K) made of a graphite structure 13 having a high in-plane orientation of the graphene layer 14 produced by a method of firing an organic polymer sheet. ) Has been reported.

以上の様に、熱伝導物質としてグラファイトを用いた熱伝導性部材は、従来の銅(Cu)やアルミニウム(Al)で構成された部材と比較して、熱伝導性及び形状自由度などの点で優れているといった特徴を持つ。
特開平09−283955号公報 特開2002−299534号公報 特開2002−363421号公報 特開2003−105108号公報 特開平11−001621号公報 特開平10−168502号公報 特開平07−109171号公報 特開平07−138838号公報
As described above, the thermal conductive member using graphite as the thermal conductive material has points such as thermal conductivity and flexibility in shape as compared with the conventional member made of copper (Cu) or aluminum (Al). It has the characteristics of being excellent.
JP 09-283955 A JP 2002-299534 A JP 2002-363421 A JP 2003-105108 A JP-A-11-001621 JP-A-10-168502 Japanese Patent Application Laid-Open No. 07-109171 Japanese Patent Application Laid-Open No. 07-138838

しかしながら、従来例で示した様なグラファイトを用いた従来の熱伝導性部材では以下の様な課題があった。   However, the conventional heat conductive member using graphite as shown in the conventional example has the following problems.

特許文献1〜4に示される様な従来例1の構成では、確かに高熱伝導性を有するグラファイト粉末10をマトリクス9中に分散させているため、熱伝導性の改善は可能であるが、母材を構成する樹脂や高分子からなるマトリクス自身の熱伝導性が低いため、トータルとして高い熱伝導性を得ることは困難であるという課題があった。すなわち、これまでの報告によると、概ね数10W/m・Kの熱伝導性部材が限界であり、今後必要とされる熱対策に使用するには不十分であるといった課題があった。さらに、低熱伝導性マトリクス中にグラファイトを分散させて熱特性の改善を行なうことから、全体に対し比較的多いグラファイト粉末の混合が必須であり、そのため成型性に劣るといった課題があった。   In the configuration of Conventional Example 1 as shown in Patent Documents 1 to 4, since the graphite powder 10 having high thermal conductivity is certainly dispersed in the matrix 9, the thermal conductivity can be improved. There is a problem that it is difficult to obtain high thermal conductivity as a whole because the thermal conductivity of the matrix itself made of the resin or polymer constituting the material is low. That is, according to the reports so far, there is a problem that the thermal conductive member of about several tens of W / m · K is the limit, and it is insufficient for use in heat countermeasures that will be required in the future. Furthermore, since graphite is dispersed in a low thermal conductivity matrix to improve the thermal characteristics, it is essential to mix a relatively large amount of graphite powder with respect to the whole, so that there is a problem that the moldability is poor.

また特許文献5、または6に示される様な従来例2の構成では、確かに高熱伝導性を有するグラファイト粉末12を主成分として部材11が構成されているため、面方向の熱伝導性は改善されるが、粒子間同士の接触熱抵抗の影響や配向性が十分でないことから、本来グラファイトが有する高熱伝導性を部材として安定に実現することが困難であるといった課題があった。また圧縮成型によってグラファイト粒子の面内配向性を揃えるという構成であるため、層方向の熱伝導性を改善することは困難であるといった課題があった。さらに、従来例2では一般的に粉末体を圧縮成型する必要があることから、形状自由度や作製容易性の点で困難であるといった課題があった。   Further, in the configuration of Conventional Example 2 as shown in Patent Document 5 or 6, since the member 11 is composed mainly of graphite powder 12 having high thermal conductivity, the thermal conductivity in the plane direction is improved. However, there is a problem that it is difficult to stably realize the high thermal conductivity inherent in graphite as a member because the influence and orientation of the contact heat resistance between particles are not sufficient. In addition, since the in-plane orientation of the graphite particles is made uniform by compression molding, there is a problem that it is difficult to improve the thermal conductivity in the layer direction. Further, in the conventional example 2, since it is generally necessary to compression-mold the powder body, there is a problem that it is difficult in terms of the degree of freedom of shape and ease of manufacture.

また特許文献7に示された従来例3の構成では、面内配向性が非常に高い単結晶状のグラファイトで構成されているため、面方向には非常に高い熱伝導性を有するが、前記した様にグラファイトの結晶構造には著しい異方性があるため、層方向の熱伝導性は、その数10分の一程度しか得られないといった課題があった。故に、部材面方向にのみ熱を伝達する目的で使用する分には、非常に高性能な熱伝導部材であるが、今後さらに機器/デバイスの高機能化/高密度が進展する流れにあって、層方向を含めた熱伝導特性の改善が必要であるといった課題があった。   Further, in the configuration of Conventional Example 3 shown in Patent Document 7, since it is composed of single crystal graphite having very high in-plane orientation, it has very high thermal conductivity in the plane direction. As described above, since the crystal structure of graphite has a remarkable anisotropy, there has been a problem that the thermal conductivity in the layer direction can be obtained only a few tenths of that. Therefore, it is a very high-performance heat conduction member for the purpose of transferring heat only in the direction of the member surface. However, in the future, the trend toward higher functionality / high density of equipment / devices will develop. There is a problem that improvement of heat conduction characteristics including the layer direction is necessary.

そこで前記従来技術の課題を解決するために、本発明はグラファイトが有する面方向の高熱伝導性を維持しつつ、層方向の熱伝導性も改善する高熱伝導性部材を提供すると共に、部材の厚みや引張強度等の設計自由度を増すことを目的とする。   Therefore, in order to solve the problems of the prior art, the present invention provides a high thermal conductivity member that improves the thermal conductivity in the layer direction while maintaining the high thermal conductivity in the plane direction of graphite, and the thickness of the member. The purpose is to increase the degree of freedom in design such as tensile strength.

前記従来の課題を解決するために、本発明の高熱伝導性部材は、主組成が炭素(C)からなる高熱伝導性部材であって、主面に対して平行な方向(面方向)にa−b軸が略配向したグラファイト構造体内に、カーボン繊維集合体からなるカーボン構造体が配置されていることからなる。   In order to solve the above-described conventional problems, the high thermal conductivity member of the present invention is a high thermal conductivity member whose main composition is carbon (C), and is a in a direction (plane direction) parallel to the main surface. This is because a carbon structure composed of a carbon fiber aggregate is disposed in a graphite structure in which the -b axis is substantially oriented.

本構成により、母材となるグラファイト構造体が有する面方向の高熱伝導性を維持しつつ、グラファイト構造体内部に適宜配置されたカーボン繊維集合体からなるカーボン構造体が存在するので、層方向(厚さ方向)にもこのカーボン構造体を介して効率的に熱が伝搬する。その結果、グラファイト構造体単独の場合と比較して、層方向熱伝導率κ⊥を向上させることが可能になると共に、部材の引張強度や厚さも増すことにも貢献できる。   With this configuration, there is a carbon structure composed of carbon fiber aggregates appropriately disposed inside the graphite structure while maintaining the high thermal conductivity in the plane direction of the graphite structure as a base material, so that the layer direction ( Heat also efficiently propagates through this carbon structure in the thickness direction). As a result, it is possible to improve the layer direction thermal conductivity κ⊥ as compared with the case of the graphite structure alone, and it is possible to contribute to an increase in the tensile strength and thickness of the member.

本発明の構成において、前記高熱伝導性部材の形状がフィルム状であることより、省スペース性や形状多様性が高まることから、熱伝導性部材として適用可能性(自由度)を広げることができるので好ましい。   In the configuration of the present invention, since the shape of the high thermal conductivity member is a film shape, space saving properties and shape diversity are increased, so that applicability (degree of freedom) as a thermal conductive member can be expanded. Therefore, it is preferable.

また本発明の構成において、前記グラファイト構造体の内部に空孔領域を内包していることにより、得られる高熱伝導性部材として柔軟性及び圧縮性を与えることができるので好ましい。なお本明細における柔軟性とは、折り曲げ処理に対する耐屈曲性を示すものであり、本発明の構成の様に空孔を内包することで、耐屈曲回数を飛躍的に向上させることが可能になる。また圧縮性とは、圧縮処理に対する変形性を示すものであり、本発明の構成の様に空孔を内包することで、発熱源等との密着度が高まり、熱抵抗を抑えることが可能になる。またその結果として、得られる高熱伝導性部材の密度は、0.30g/cm3〜2.00g/cm3程度となり、従来放熱材よりも軽くすることができる。   Further, in the configuration of the present invention, it is preferable that the pore structure is included in the graphite structure because flexibility and compressibility can be imparted as a high thermal conductive member to be obtained. The flexibility in the present specification indicates the bending resistance to the bending process, and it is possible to dramatically improve the number of bending resistances by enclosing holes as in the configuration of the present invention. . In addition, the compressibility indicates a deformability with respect to the compression process, and by including a hole as in the configuration of the present invention, it is possible to increase the degree of adhesion with a heat source or the like and suppress the thermal resistance. Become. As a result, the density of the obtained high thermal conductivity member is about 0.30 g / cm3 to 2.00 g / cm3, which can be made lighter than the conventional heat radiating material.

また本発明の構成において、前記カーボン繊維集合体からなるカーボン構造体がメッシュ状、織布状あるいは不織布状であることより、容易に所望の形態からなるカーボン構造体をグラファイト構造体中に配置することが可能になる。   In the configuration of the present invention, the carbon structure composed of the carbon fiber aggregate is in the form of a mesh, a woven fabric, or a non-woven fabric, so that the carbon structure having a desired form can be easily arranged in the graphite structure. It becomes possible.

また本発明の構成において、グラファイト構造体に含まれる前記カーボン繊維からなるカーボン構造体が直径φ0.5μmからφ500μmの範囲から選ばれるカーボン繊維を、0.01μmから10mmから選ばれる間隔で配置したメッシュ状、織布あるいは不織布状構造であることより、母材となるグラファイト構造体の結晶性(配向性)を維持しつつ、層方向熱伝導性を高めるカーボン構造体を内部に配置することが容易となるので好ましい。   In the structure of the present invention, the carbon structure comprising the carbon fibers contained in the graphite structure is a mesh-like structure in which carbon fibers selected from a diameter of φ0.5 μm to φ500 μm are arranged at intervals selected from 0.01 μm to 10 mm. Because of the woven or non-woven structure, it is easy to arrange a carbon structure that enhances the thermal conductivity in the layer direction while maintaining the crystallinity (orientation) of the graphite structure as the base material. This is preferable.

また本発明の構成において、前記カーボン構造体がメッシュ状、織布状あるいは不織布状カーボンを積層した構造であることより、厚さ等の設計自由度を高めることが容易になるので好ましい。   Moreover, in the structure of this invention, since the said carbon structure is a structure which laminated | stacked mesh shape, woven fabric shape, or nonwoven fabric-like carbon, since it becomes easy to raise design freedom, such as thickness, it is preferable.

また本発明の構成において、主面に対して平行な方向(面方向)の熱伝導率κ‖が400W/m・K以上、1500W/m・K以下の範囲であり、かつ垂直な方向(層方向)の熱伝導率κ⊥が10W/m・K以上、150W/m・K以下の範囲であることより、従来放熱材では適用困難であった場合においても、使用可能となるので好ましい。さらに好ましくは、面方向熱伝導率κ‖が700W/m・K以上、1500W/m・K以下の範囲であり、かつ層方向熱伝導率κ⊥が50W/m・K以上、150W/m・K以下の範囲である。   Further, in the configuration of the present invention, the thermal conductivity κ 方向 in the direction parallel to the main surface (plane direction) is in the range of 400 W / m · K or more and 1500 W / m · K or less, and in the vertical direction (layer Direction) is in the range of 10 W / m · K or more and 150 W / m · K or less, which is preferable because it can be used even when it is difficult to apply the conventional heat dissipation material. More preferably, the surface direction thermal conductivity κ‖ is 700 W / m · K or more and 1500 W / m · K or less, and the layer direction thermal conductivity κ⊥ is 50 W / m · K or more, 150 W / m · K or less.

また本発明の高熱伝導性部材の製造方法は、主成分が炭素(C)からなる高熱伝導性部材の製造方法であって、(1)第一の有機高分子体を形成する溶液を準備する工程と、(2)前記第一の有機高分子体を形成する溶液を、カーボン繊維集合体からなるカーボン構造体に含浸あるいは塗布する工程と、(3)前記第一の有機高分子体を形成する溶液を固体化する工程と、(4)前記第一の有機高分子体を加熱脱水等の反応過程により、炭素前駆体となる第二の有機高分子体にする工程と、(5)前記第二の有機高分子体を所定の温度プロファイルに従って、所定雰囲気下で焼成する工程とからなる。   Moreover, the manufacturing method of the high heat conductive member of this invention is a manufacturing method of the high heat conductive member which a main component consists of carbon (C), Comprising: (1) The solution which forms a 1st organic polymer body is prepared. A step, (2) impregnating or coating a carbon structure comprising a carbon fiber aggregate with a solution for forming the first organic polymer, and (3) forming the first organic polymer. A step of solidifying the solution to be formed; (4) a step of converting the first organic polymer into a second organic polymer to be a carbon precursor by a reaction process such as heat dehydration; And baking the second organic polymer in a predetermined atmosphere according to a predetermined temperature profile.

本構成により、母材となるグラファイト構造体を容易にかつ配向性高く作製できると共に、容易にカーボン繊維集合体からなるカーボン構造体を所望な状態で内部に配置させることが可能となる。   With this configuration, it is possible to easily produce a graphite structure as a base material with high orientation, and it is possible to easily arrange a carbon structure made of a carbon fiber aggregate in a desired state.

また本発明の高熱伝導性部材の製造方法は、主成分が炭素(C)からなる高熱伝導性部材の製造方法であって、(1)第一の有機高分子体を形成する溶液を準備する工程と、(2)前記第一の有機高分子体を形成する溶液を、繊維状高分子集合体からなる高分子構造体に含浸あるいは塗布する工程と、(3)前記第一の有機高分子体を形成する溶液を固体化する工程と、(4)前記第一の有機高分子体を加熱脱水等の反応過程により、炭素前駆体となる第二の有機高分子体にする工程と、(5)前記第二の有機高分子体を所定の温度プロファイルに従って、所定雰囲気下で焼成する工程とからなる。   Moreover, the manufacturing method of the high heat conductive member of this invention is a manufacturing method of the high heat conductive member which a main component consists of carbon (C), Comprising: (1) The solution which forms a 1st organic polymer body is prepared. A step, (2) impregnating or coating a polymer structure comprising a fibrous polymer aggregate with a solution for forming the first organic polymer, and (3) the first organic polymer. A step of solidifying a solution for forming a body, and (4) a step of converting the first organic polymer into a second organic polymer to be a carbon precursor by a reaction process such as heat dehydration, 5) A step of baking the second organic polymer in a predetermined atmosphere according to a predetermined temperature profile.

本構成により、母材となるグラファイト構造体を容易にかつ配向性高く作製できると共に、容易にカーボン繊維集合体からなるカーボン構造体を所望な状態で内部に配置させることが可能となる。   With this configuration, it is possible to easily produce a graphite structure as a base material with high orientation, and it is possible to easily arrange a carbon structure made of a carbon fiber aggregate in a desired state.

また本発明の製造方法において、前記第一の有機高分子体を形成する溶液がポリアミド酸溶液であることより、取り扱いが容易であると共に、配向性の高いグラファイト構造体の形成が可能となるので好ましい。   In the production method of the present invention, since the solution for forming the first organic polymer is a polyamic acid solution, it is easy to handle and can form a highly oriented graphite structure. preferable.

また本発明の製造方法において、前記第二の有機高分子体がポリイミド(PI)であることより、取り扱いが容易であると共に、配向性の高いグラファイト構造体の形成が可能となるので好ましい。   In the production method of the present invention, the second organic polymer is preferably polyimide (PI), so that it is easy to handle and can form a highly oriented graphite structure.

また本発明の製造方法において、前記焼成工程の温度プロセスが1000℃から1500℃の温度範囲から選ばれる所定温度で予備焼成する工程と、2000℃から3000℃の温度範囲から選ばれる所定温度で本焼成する工程からなることより、第二の有機高分子体より面内配向性の高いグラファイト構造体を形成することができるので好ましい。   Further, in the production method of the present invention, the temperature process of the firing step is pre-baked at a predetermined temperature selected from a temperature range of 1000 ° C. to 1500 ° C., and at a predetermined temperature selected from a temperature range of 2000 ° C. to 3000 ° C. The step of firing is preferable because a graphite structure having higher in-plane orientation than the second organic polymer can be formed.

また本発明の製造方法において、前記繊維状高分子の集合体からなる高分子構造体がポリイミド(PI)であることより、配向性の高いカーボン構造体の形成が可能となるので好ましい。   In the production method of the present invention, the polymer structure composed of the fibrous polymer aggregate is preferably polyimide (PI), which makes it possible to form a highly oriented carbon structure.

また本発明の放熱システムは、発熱源と放熱部材とを前記記載の高熱伝導性部材を介して熱的に接続されている。   In the heat dissipation system of the present invention, the heat generation source and the heat dissipation member are thermally connected via the high thermal conductivity member described above.

本構成により、放熱システムの形状自由度が高く、放熱特性に優れた放熱システムを設計することが可能となる。   With this configuration, it is possible to design a heat dissipation system having a high degree of freedom in the shape of the heat dissipation system and excellent heat dissipation characteristics.

以上説明したように、本発明の高熱伝導性部材によれば、面方向熱伝導性の高いグラファイト構造体内に、層方向熱伝導性を補うカーボン繊維集合体からなるカーボン構造体を配置する構造を適用したので、全体として高い熱伝導機能を有する高熱伝導性部材を提供することができる。更にカーボン構造体からなるメッシュ状織布状あるいは不織布状構造をグラファイト構造体内に内蔵するため、部材厚みや引張強度等の設計自由度を高めることが可能になる。   As described above, according to the high thermal conductivity member of the present invention, the structure in which the carbon structure composed of the carbon fiber aggregate that supplements the layer direction thermal conductivity is arranged in the graphite structure having a high surface direction thermal conductivity. Since it applied, the high heat conductive member which has a high heat conductive function as a whole can be provided. Furthermore, since a mesh-like woven fabric or non-woven fabric structure made of a carbon structure is incorporated in the graphite structure, it becomes possible to increase the degree of design freedom such as member thickness and tensile strength.

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら、説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態における高熱伝導性部材の概略斜視図(a)と概略断面図(b)を示している。本高熱伝導性部材は基本的な構成要素として、主面に対して平行な方向(面方向)にa−b軸が略配向したグラファイト構造体1と、前記グラファイト構造体1中に、ほぼ均一に配置されたカーボン構造体3とからなる。なお図では2層のカーボン構造体3が積層した様に表記されているがこの限りではなく、1層でも良いし、さらに3層以上が積層されていても良い。また複数層が含まれる場合は、それらカーボン構造体3が密着していても良いし、適宜分散してグラファイト構造体1の内部に配置されていても良い。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a schematic perspective view (a) and a schematic sectional view (b) of a high thermal conductivity member in an embodiment of the present invention. The high thermal conductivity member is basically composed of a graphite structure 1 in which the ab axis is substantially oriented in a direction parallel to the main surface (plane direction), and substantially uniform in the graphite structure 1. And the carbon structure 3 disposed in the. In the figure, two layers of carbon structures 3 are shown as stacked, but this is not restrictive, and one layer may be used, or three or more layers may be stacked. When a plurality of layers are included, the carbon structures 3 may be in close contact with each other, or may be appropriately dispersed and disposed inside the graphite structure 1.

このグラファイト構造体1は、前記の様に炭素六員環構造からなるグラフェン層2が相関を持って層状に積層された構造からなる。具体的には、このグラファイト構造体1をX線回折法で評価した時、結晶面の間隔dがd=0.335〜0.340nm(単結晶グラファイトの報告値:0.335nm)の範囲にあり、かつ(002)面及びその高次ピーク以外の回折ピークが観察されないものを用いることが好ましい。図4に、グラファイト構造体1の代表的なX線回折パターンを示す。また結晶性(配向性)においても、図4に示した26.5°付近の主ピークに対する半値幅で、1°以下のものが好ましく適用される。このような結晶性(配向性)を示すグラファイト構造体1単独の面方向熱伝導率κ‖は、製法等にも依存するが概ね、400W/m・K以上であり、本発明においてもκ‖>400W/m・Kのグラファイト構造体であれば好適である。   The graphite structure 1 has a structure in which the graphene layer 2 having a carbon six-membered ring structure is laminated in a layered manner with a correlation as described above. Specifically, when this graphite structure 1 is evaluated by an X-ray diffraction method, the distance d between crystal planes is in the range of d = 0.335 to 0.340 nm (reported value of single crystal graphite: 0.335 nm), and ( It is preferable to use one having no diffraction peak other than the (002) plane and its higher order peak. FIG. 4 shows a typical X-ray diffraction pattern of the graphite structure 1. Also for the crystallinity (orientation), a half width of 1 ° or less with respect to the main peak near 26.5 ° shown in FIG. 4 is preferably applied. The plane direction thermal conductivity κ‖ of the graphite structure 1 alone exhibiting such crystallinity (orientation) is generally 400 W / m · K or more although it depends on the production method and the like. A graphite structure of> 400 W / m · K is suitable.

前記の様に本発明において母材に用いられるグラファイト構造体1は、面方向熱伝導率が高い単結晶性のグラファイトであれば、いかなるものでも使用できるが、中でも有機高分子材料(例えば、ポリイミド)を焼成処理によって熱分解することによりグラファイト化させる方法で得られる、単結晶に近い構造を持つ高配向性グラファイトが好適である。故に、以下に示す実施例では、フィルム状の有機高分子材料を焼成したグラファイト構造体1を用いた例を中心に説明する。   As described above, the graphite structure 1 used for the base material in the present invention can be any single crystal graphite as long as it has a high thermal conductivity in the plane direction. Highly oriented graphite having a structure close to a single crystal, which is obtained by a method of graphitizing by pyrolyzing) by baking treatment, is preferred. Therefore, in the following embodiment, an example using a graphite structure 1 obtained by firing a film-like organic polymer material will be mainly described.

本発明で適用されるカーボン構造体3は、グラファイト構造体1を伝搬する熱を面方向のみならず、グラフェン層構造間を熱的に接続し、層方向(厚さ方向)にも熱を伝搬させる機能を有する。同時に、高熱伝導性部材全体の引張強度を強め、厚みを増すことにも寄与する事ができる。従って、面方向と層方向の熱伝導性が高く、しかも厚みと引張強度を増したバランスに優れた部材となる。   In the carbon structure 3 applied in the present invention, heat propagating through the graphite structure 1 is thermally connected not only in the plane direction but also between the graphene layer structures, and heat is also propagated in the layer direction (thickness direction). It has a function to make it. At the same time, the tensile strength of the entire high thermal conductivity member can be increased and the thickness can be increased. Therefore, it is a member having high thermal conductivity in the plane direction and the layer direction and having an excellent balance in which the thickness and tensile strength are increased.

本発明で用いるカーボン繊維集合体からなるカーボン構造体3としては、熱伝導性が比較的高いものであれば特に限定されないが、例えば東レ社の炭素繊維(商品名:トレカクロス、タイプ:Carbon Fabrics)等を用いることができる。またその形状としては、カーボン繊維をメッシュ状、織布状あるいは不織布状等に構成したものであれば良く、例えば直径がφ0.5μm〜φ500μmの範囲から選ばれるカーボン繊維を、0.01μmから10mmから選ばれる間隔で編んだメッシュ状のものや、同様のカーボン繊維を10本/cm〜10000本/cm程度の密度で編んだ織布状、あるいは同様のカーボン繊維が絡み合った不織布状のものが好適である。   The carbon structure 3 composed of the carbon fiber aggregate used in the present invention is not particularly limited as long as it has a relatively high thermal conductivity. For example, carbon fiber (trade name: Torayca cloth, type: Carbon Fabrics manufactured by Toray Industries, Inc.) ) Etc. can be used. The shape may be any carbon fiber in a mesh, woven or non-woven shape. For example, a carbon fiber having a diameter selected from a range of φ0.5 μm to φ500 μm is selected from 0.01 μm to 10 mm. A mesh shape knitted at a selected interval, a woven fabric shape of similar carbon fibers knitted at a density of about 10 fibers / cm to 10,000 fibers / cm, or a nonwoven fabric structure in which similar carbon fibers are intertwined are suitable. It is.

また本発明で用いるカーボン繊維集合体からなるカーボン構造体3としては、カーボン繊維そのものを用いる必要はなく、母材をグラファイト化させる焼成過程において、前記熱伝導性を有するカーボン構造に変化する様な繊維状高分子材料を原材料として用いることもできる。例えば、直径が数〜数10μm程度の繊維状ポリイミドをメッシュ状にしたものや繊維状ポリイミドで作製した織布状あるいは不織布状のものを原材料とし、焼成することでカーボン構造体化させても良い。   Further, as the carbon structure 3 made of the carbon fiber aggregate used in the present invention, it is not necessary to use the carbon fiber itself, and in the firing process in which the base material is graphitized, it changes to the carbon structure having the thermal conductivity. A fibrous polymer material can also be used as a raw material. For example, a fibrous polyimide having a diameter of several to several tens of μm in a mesh shape, or a woven or non-woven fabric made of fibrous polyimide may be used as a raw material, and the carbon structure may be formed by firing. .

(実施の形態2)
図2は、本発明の他の実施の形態における高熱伝導性部材の概略斜視図(a)と概略断面図(b)を示している。基本的には前記実施の形態1と全く同様の構成であるが、本実施の形態では、主面に対して平行な方向(面方向)にa−b軸が略配向したグラファイト構造体1の片面側のみに、カーボン構造体3が配置されている。なお図では2層のカーボン構造体3が積層した様に表記されているがこの限りではなく、1層でも良いし、さらに3層以上が積層されていても良い。
(Embodiment 2)
FIG. 2 shows a schematic perspective view (a) and a schematic sectional view (b) of a high thermal conductivity member in another embodiment of the present invention. The structure is basically the same as that of the first embodiment, but in this embodiment, the graphite structure 1 in which the ab axis is substantially oriented in a direction parallel to the main surface (plane direction). The carbon structure 3 is disposed only on one side. In the figure, two layers of carbon structures 3 are shown as stacked, but this is not restrictive, and one layer may be used, or three or more layers may be stacked.

本実施の形態で用いられるカーボン構造体3としては、主として実施の形態1で述べた織布状あるいは不織布状カーボン構造体が好適である。   As the carbon structure 3 used in the present embodiment, the woven or non-woven carbon structure mainly described in the first embodiment is suitable.

(実施の形態3)
上記の様な構成を有する高熱伝導性部材を作製する手段は幾つかあるが、作製容易性や得られる特性の観点から、カーボン構造体(例えば、トレカクロス)にグラファイト化が容易な高分子性溶液を含浸あるいは塗布して焼成処理することによって、グラファイト構造中にカーボン構造体が配置された複合構造を形成するのが最良な方法である。そこで本実施の形態ではこの例について説明する。
(Embodiment 3)
Although there are several means for producing a high thermal conductivity member having the above-mentioned configuration, from the viewpoint of ease of production and obtained characteristics, the carbon structure (for example, TORAYCA cloth) is a polymer that is easily graphitized. The best method is to form a composite structure in which a carbon structure is arranged in a graphite structure by impregnating or applying a solution and baking. Therefore, this example will be described in this embodiment.

有機高分子材料を出発原料として、グラファイトとカーボン構造体の複合構造からなる高熱伝導性部材を得る方法は大きく、工程(I)カーボン構造体に有機高分子材料を含浸あるいは塗布して、有機高分子体中にカーボン構造体を配置する工程と、工程(II)それを焼成処理して、有機高分子体をグラファイト化する工程とからなる。   There is a large method for obtaining a high thermal conductive member composed of a composite structure of graphite and a carbon structure using an organic polymer material as a starting material. Step (I) An organic polymer material is impregnated or coated on a carbon structure. It comprises a step of disposing a carbon structure in the molecular body, and a step (II) of firing it to graphitize the organic polymer.

まず工程(I)のカーボン構造体を内部に配置した有機高分子体の形成工程について説明する。カーボン繊維集合体からなるカーボン構造体3を配置した有機高分子体は、溶媒中に混合した第一の有機高分子溶液をカーボン構造体3に含浸あるいは塗布して、所定の形状にした後、加熱脱水反応等の反応過程を経ることでグラファイト化が容易な第二の有機高分子体を合成することで得られる。このとき必要に応じて触媒を用いることもある。   First, the step of forming an organic polymer body in which the carbon structure in step (I) is disposed will be described. The organic polymer body in which the carbon structure 3 composed of the carbon fiber aggregate is arranged is impregnated or applied to the carbon structure 3 with the first organic polymer solution mixed in the solvent to obtain a predetermined shape, It can be obtained by synthesizing a second organic polymer that is easily graphitized through a reaction process such as a heat dehydration reaction. At this time, a catalyst may be used as necessary.

この工程では、溶媒中に溶解された第一の有機高分子材料を、溶媒揮発させることで固体化し、さらに加熱脱水反応させることで第二の有機高分子化させる。その際、用いる有機高分子材料によって、高分子の分子配列度を制御することも可能である。具体的には、所定の配向性を持ち、かつカーボン構造体3を配置した高分子体が得られる様に、固体成分である高分子原料及び溶媒の組成を決定する。その組成に調合した溶液に対して、必要に応じて触媒や粘度調整剤などを添加して撹拌し、注型/塗布などによって所望の使用形態にする。この状態で溶媒を揮発させることで、第一の有機高分子溶液は固体化する。作製時の温度条件としては、通常の作業温度である室温近傍で行なえるが、必要に応じて溶媒の沸点以下の温度まで加熱することもある。   In this step, the first organic polymer material dissolved in the solvent is solidified by volatilizing the solvent, and further heated and dehydrated to form the second organic polymer. At that time, the degree of molecular arrangement of the polymer can be controlled by the organic polymer material used. Specifically, the composition of the polymer raw material and the solvent, which are solid components, is determined so that a polymer having a predetermined orientation and having the carbon structure 3 disposed thereon is obtained. If necessary, a catalyst, a viscosity modifier or the like is added to the solution prepared to the composition and stirred, and the desired use form is obtained by casting / coating. By volatilizing the solvent in this state, the first organic polymer solution is solidified. The temperature condition during the production may be near room temperature, which is a normal working temperature, but may be heated to a temperature below the boiling point of the solvent as necessary.

さらに得られた第一の有機高分子材料を加熱脱水等の反応過程により炭素前駆体となる第二の有機高分子体に変化させる。一般的には、窒素雰囲気中や真空雰囲気での加熱処理や、化学的な反応で脱水処理を行なうが、形成する有機高分子材料によってその最適手法は異なる。作製容易性の観点から、100〜400℃程度の温度範囲で加熱する方法で、前記反応過程を実施できるものが好適である。またその配向性を制御するために延伸処理を同時に行なっても良い。   Further, the obtained first organic polymer material is changed into a second organic polymer material that becomes a carbon precursor by a reaction process such as heat dehydration. In general, heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere or a vacuum atmosphere, or dehydration is performed by a chemical reaction, but the optimum method differs depending on the organic polymer material to be formed. From the viewpoint of ease of production, those capable of carrying out the reaction process by a method of heating in a temperature range of about 100 to 400 ° C. are preferable. Further, in order to control the orientation, stretching may be performed simultaneously.

本発明において適用な可能な有機高分子材料としては、焼成処理によって高配向性グラファイト構造体が形成できれば良く、例えばポリイミド(PI)、ポリアミド(PA)、ポリフェニレンテレフタルアミド(PPTA)、ポリフェニレンオキサジアゾール(POD)、ポリベンゾチアゾール(PBT)、ポリベンゾビスチアゾール(PBBO)、ポリフェニレンベンゾイミダゾール(PBI)、ポリフェニレンベンゾビスイミダゾール(PPBI)、ポリチアゾール(PT)、ポリパラフェニレンビニレン(PPV)などを挙げることができる。中でもポリイミドが好適である。   The organic polymer material applicable in the present invention is only required to be able to form a highly oriented graphite structure by firing treatment, such as polyimide (PI), polyamide (PA), polyphenylene terephthalamide (PPTA), polyphenylene oxadiazole. (POD), polybenzothiazole (PBT), polybenzobisthiazole (PBBO), polyphenylenebenzimidazole (PBI), polyphenylenebenzobisimidazole (PPBI), polythiazole (PT), polyparaphenylene vinylene (PPV), etc. be able to. Of these, polyimide is preferred.

溶媒としては、第一の有機高分子材料が溶解すれば良く、ジメチルアセトアミドやN-メチルピロリドンなどの一般的な有機溶媒を、単独あるいは混合して用いることができる。   As the solvent, it is sufficient that the first organic polymer material is dissolved, and general organic solvents such as dimethylacetamide and N-methylpyrrolidone can be used alone or in combination.

また形成される有機高分子体の帯電性を緩和するために、リン酸水素カルシウム等のフィラーを適宜混入しても良い。   In addition, a filler such as calcium hydrogen phosphate may be appropriately mixed in order to relax the chargeability of the organic polymer formed.

次に得られたカーボン構造体を配置した第二の有機高分子体から配向性グラファイトを得る工程(II)について記す。   Next, the step (II) for obtaining oriented graphite from the second organic polymer in which the obtained carbon structure is arranged will be described.

まず前記工程で作製された、炭素前駆体となるた第二の有機高分子体を予備焼成し、有機高分子中に含まれる炭素(C)以外の成分(酸素(O)、窒素(N)、水素(H)など)を除去する。その処理温度及び処理時間は、焼成処理する試料の形状やサイズにも依存するが、アルゴン(Ar)あるいは窒素(N2)雰囲気中、またはその混合雰囲気で概ね、1000〜1500℃で、0.5〜5時間である。またその昇温速度としては、1〜15℃/minの範囲、とりわけ3〜10℃/minの範囲で加熱することが好ましい。また予備焼成処理後の降温速度としては、5〜20℃/minの範囲、とりわけ5〜10℃/minの範囲で冷却することが好ましい。   First, the second organic polymer that is the carbon precursor prepared in the above step is pre-fired, and components other than carbon (C) contained in the organic polymer (oxygen (O), nitrogen (N) , Hydrogen (H), etc.) are removed. The treatment temperature and treatment time depend on the shape and size of the sample to be fired, but are generally 1000 to 1500 ° C. and 0.5 to 5 in an argon (Ar) or nitrogen (N2) atmosphere or a mixed atmosphere thereof. It's time. The heating rate is preferably in the range of 1 to 15 ° C./min, particularly in the range of 3 to 10 ° C./min. Moreover, it is preferable to cool in the range of 5-20 degreeC / min as a temperature-fall rate after a preliminary baking process, especially the range of 5-10 degreeC / min.

以上の条件により、本焼成処理後に得られるグラファイト構造体1の面方向熱伝導率と配向度を高めることができる。   Under the above conditions, the plane direction thermal conductivity and the degree of orientation of the graphite structure 1 obtained after the main firing treatment can be increased.

予備焼成された試料は、本格的にカーボン構造体3以外の部分を配向性グラファイトとするために、2000〜3000℃の温度範囲から選ばれる所定温度で本焼成される。その際、一端所定の加熱温度に保持する中間処理(概ね2000〜2400℃)を行なうことで、得られるグラファイト構造体1の配向度を高めることができる。具体的には室温から所定の中間温度まで5〜10℃/minの昇温速度で加熱し、1時間程度保持した後、再度昇温し、本焼成する。本焼成条件は、概ね2000〜3000℃の温度範囲で、0.5〜10時間程度加熱する。本焼成処理後の冷却は、降温速度として5〜20℃/minの範囲、とりわけ5〜10℃/minの範囲で冷却することが好ましい。図5に以上の焼成工程で起こっているであろう反応の模式図を示す。   The pre-fired sample is fully fired at a predetermined temperature selected from a temperature range of 2000 to 3000 ° C. in order to make the portion other than the carbon structure 3 into oriented graphite in earnest. At that time, the degree of orientation of the resulting graphite structure 1 can be increased by performing an intermediate treatment (generally 2000 to 2400 ° C.) that is held at a predetermined heating temperature. Specifically, it is heated from room temperature to a predetermined intermediate temperature at a heating rate of 5 to 10 ° C./min, held for about 1 hour, then heated again and fired. The main firing conditions are approximately in the temperature range of 2000 to 3000 ° C. and heating for about 0.5 to 10 hours. The cooling after the main baking treatment is preferably performed in the range of 5 to 20 ° C./min, particularly in the range of 5 to 10 ° C./min as the temperature lowering rate. FIG. 5 shows a schematic diagram of a reaction that may occur in the above baking step.

以上の様な工程で、本発明の面方向熱伝導性の高いグラファイト構造体1を形成することができ、さらにその構造内に配置されているカーボン構造体3の作用により、層方向熱伝導性も改善される。同時にグラファイト単体より、カーボン構造体を内蔵することにより、引張強度も改善される。更に、カーボン構造体3とグラファイト層を積層することにより非常に厚い熱伝導部材も製作可能となる。   Through the steps as described above, the graphite structure 1 having a high surface direction thermal conductivity of the present invention can be formed, and further, the layer direction thermal conductivity is obtained by the action of the carbon structure 3 arranged in the structure. Is also improved. At the same time, the tensile strength is improved by incorporating the carbon structure from the graphite alone. Furthermore, by stacking the carbon structure 3 and the graphite layer, a very thick heat conduction member can be manufactured.

さらに、この方法で得られるカーボン構造体3を内部に配置したグラファイト構造体1において、焼成条件(主に昇温速度)を調整することや、前記フィラーを適宜混合して焼成処理することで、グラフェン構造2は二次元的に配向しつつ、構造体内部に微細な空孔を多数内包した構造を作製することができる。その空孔領域のため、形成されるグラファイト構造体1の部分の密度は、本来のグラファイトの値(〜2.26g/cm3)よりも小さくすることができる(0.30〜2.00g/cm3)。このような構造とすることで、得られる高熱伝導性部材は柔軟性を持ち、屈曲させても切断等が起こりにくく、圧縮に対しても適度に変形する構造体となる。このような特性は、熱伝導性部材として使用する際の設計自由度を高めると共に、発熱源との熱接触抵抗を低減する効果を持つ。   Furthermore, in the graphite structure 1 in which the carbon structure 3 obtained by this method is disposed, by adjusting the firing conditions (mainly the heating rate), or by appropriately mixing the filler and performing a firing treatment, While the graphene structure 2 is oriented two-dimensionally, it is possible to produce a structure in which many fine pores are included inside the structure. Due to the pore region, the density of the portion of the graphite structure 1 to be formed can be made smaller (0.30 to 2.00 g / cm 3) than the original graphite value (˜2.26 g / cm 3). By setting it as such a structure, the obtained high heat conductive member has a softness | flexibility, and even if it bends, it becomes a structure which does not generate | occur | produce a cutting | disconnection etc. easily, and deform | transforms moderately also to compression. Such characteristics have the effect of increasing the degree of design freedom when used as a thermally conductive member and reducing the thermal contact resistance with the heat source.

(実施の形態4)
実施の形態3に記載した様に、カーボン構造体3として既に炭素化している材料を用いて本発明の高熱伝導性部材を作製することができるが、前記工程(II)のグラファイト化過程において、同時に内部に配置された高分子構造体をカーボン化してカーボン構造体3にすることによって、グラファイト構造体1の中にカーボン構造体3が配置された複合構造を形成することもできる。そこで本実施の形態ではこの例について説明する。
(Embodiment 4)
As described in the third embodiment, the high thermal conductivity member of the present invention can be produced using a material that has already been carbonized as the carbon structure 3, but in the graphitization process of the step (II), At the same time, the polymer structure disposed inside is carbonized to form the carbon structure 3, whereby a composite structure in which the carbon structure 3 is disposed in the graphite structure 1 can be formed. Therefore, this example will be described in this embodiment.

基本的な作製工程は、全く前記実施の形態3と同様である。   The basic manufacturing process is exactly the same as in the third embodiment.

まず工程(I)として、溶媒中に溶解された第一の有機高分子溶液を、焼成処理によってカーボン化が可能な繊維状高分子集合体からなる高分子構造体に含浸あるいは塗布して、所定の形状にした後、溶媒揮発させることで固体化し、加熱脱水反応等の反応過程を経ることでグラファイト化が容易な第二の有機高分子体を合成する。   First, as step (I), a first organic polymer solution dissolved in a solvent is impregnated or applied to a polymer structure composed of a fibrous polymer aggregate that can be carbonized by a baking treatment, Then, a second organic polymer that is easily graphitized is synthesized by solidifying by volatilizing the solvent and passing through a reaction process such as a heat dehydration reaction.

本発明において用いることが可能な繊維状高分子集合体からなる高分子構造体材料としては、例えばポリイミド(PI)、ポリアミド(PA)、ポリフェニレンテレフタルアミド(PPTA)、ポリフェニレンオキサジアゾール(POD)、ポリベンゾチアゾール(PBT)、ポリベンゾビスチアゾール(PBBO)、ポリフェニレンベンゾイミダゾール(PBI)、ポリフェニレンベンゾビスイミダゾール(PPBI)、ポリチアゾール(PT)、ポリパラフェニレンビニレン(PPV)などを挙げることができる。中でもポリイミドが好適であり、繊維状に加工した東レ・デュポン社製のカプトンなどを用いることができる。   Examples of the polymer structure material comprising a fibrous polymer aggregate that can be used in the present invention include polyimide (PI), polyamide (PA), polyphenylene terephthalamide (PPTA), polyphenylene oxadiazole (POD), Examples thereof include polybenzothiazole (PBT), polybenzobisthiazole (PBBO), polyphenylenebenzimidazole (PBI), polyphenylenebenzobisimidazole (PPBI), polythiazole (PT), polyparaphenylene vinylene (PPV), and the like. Among these, polyimide is suitable, and Kapton manufactured by Toray DuPont and processed into a fibrous form can be used.

次の工程(II)については、全く同様である。前記した様に、この工程において第二の有機高分子体の領域は、面方向熱伝導性の高いグラファイト構造体1になると共に、内部に配置された高分子構造体もカーボン化、さらには場合によってはグラファイト化するので、グラファイト構造1の内に配置されたカーボン構造体3の作用により、層方向熱伝導性も改善することが可能になる。   The next step (II) is exactly the same. As described above, in this step, the region of the second organic polymer body becomes the graphite structure 1 having a high surface direction thermal conductivity, and the polymer structure disposed inside is also carbonized. Depending on the case, since it is graphitized, the laminar thermal conductivity can be improved by the action of the carbon structure 3 arranged in the graphite structure 1.

以下、本発明を実施例によって具体的に説明する。   Hereinafter, the present invention will be specifically described by way of examples.

(実施例1)
原料である有機高分子材料としてポリイミドを採用し、それを焼成処理することでカーボン構造体を内部に配置したグラファイト構造体を作製した例について記載する。図6にその主な工程図を示す。
(Example 1)
A description will be given of an example in which a polyimide structure having a carbon structure disposed therein is prepared by adopting polyimide as an organic polymer material as a raw material and firing it. FIG. 6 shows the main process diagram.

まずポリイミドの前駆体有機高分子溶液としてポリアミド酸溶液を作製した。その手順は、窒素(N2)ガスが充填されたドライボックス内で、ビス(4-アミノフェニル)エーテル 5.00g、及びジメチルアセトアミド 120ml、ピロメリット酸無水物 5.45gの割合で丸底フラスコに加えて混合し、約3時間攪拌することで、第一の有機高分子材料であるポリアミド酸溶液を合成した。   First, a polyamic acid solution was prepared as a polyimide precursor organic polymer solution. The procedure involves adding 5.00 g of bis (4-aminophenyl) ether, 120 ml of dimethylacetamide, and 5.45 g of pyromellitic anhydride in a dry box filled with nitrogen (N2) gas to a round bottom flask. By mixing and stirring for about 3 hours, a polyamic acid solution as the first organic polymer material was synthesized.

合成したポリアミド酸溶液に、カーボン繊維からなるメッシュ(サイズ:30mm×30mm、厚さ:100μm)を浸漬した。本実施例では、直径φ7μm程度のカーボン繊維を約1000本撚って作製したカーボン糸を約2mm間隔で配置したカーボン製メッシュを用いた。具体的には、内径φ60mmのシャレーにポリアミド酸溶液を入れ、その中にカーボン製メッシュを設置して、カーボン製メッシュを中央にして上下にほぼ等分にポリアミド酸が存在する状態にした。この場合の溶液層の厚さは約500μmであった。   A mesh (size: 30 mm × 30 mm, thickness: 100 μm) made of carbon fiber was immersed in the synthesized polyamic acid solution. In this example, a carbon mesh in which carbon yarns produced by twisting about 1000 carbon fibers having a diameter of about 7 μm and arranged at intervals of about 2 mm was used. Specifically, the polyamic acid solution was placed in a chalet having an inner diameter of φ60 mm, and a carbon mesh was placed therein, so that the polyamic acid was present almost equally up and down with the carbon mesh in the center. In this case, the thickness of the solution layer was about 500 μm.

このようにして作製した試料を、窒素雰囲気中で1時間程度乾燥してから、減圧した真空オーブン中で2時間乾燥(室温)、さらに100℃に加熱して1時間熱処理した。その結果、溶液の溶媒成分が蒸発除去され、カーボン製メッシュを内部に配置したポリアミド酸膜が形成された。   The sample thus produced was dried in a nitrogen atmosphere for about 1 hour, then dried in a vacuum oven for 2 hours (room temperature), and further heated to 100 ° C. and heat-treated for 1 hour. As a result, the solvent component of the solution was removed by evaporation, and a polyamic acid film having a carbon mesh disposed therein was formed.

さらに得られた試料を、ガラスチューブオーブン中に設置し、真空に減圧した後300℃で1時間熱処理してポリアミド酸をポリイミド化した。   Further, the obtained sample was placed in a glass tube oven, decompressed to a vacuum, and then heat treated at 300 ° C. for 1 hour to polyimidize the polyamic acid.

得られたカーボン製メッシュを内部に配置されたポリイミドをシャーレからはがして、マイクロメータで厚さを測定したところ、約380μmであった。   When the obtained carbon mesh was peeled off from the petri dish and the thickness was measured with a micrometer, it was about 380 μm.

以上の工程で得られたポリイミドを電気炉に入れて焼成処理を行なった。図7(a)に本実施例で採用した予備焼成の温度プロファイルを示す。   The polyimide obtained in the above steps was put in an electric furnace and fired. FIG. 7A shows the temperature profile of the pre-baking employed in this example.

まず予備焼成として、Ar雰囲気中で室温から1200℃までを3℃/minの昇温速度で昇温して、予備焼成温度1200℃で3時間保持した。昇温速度については、焼成処理する有機高分子膜の種類や形状を勘案して決めればよいが、一般的に15℃/min以下の範囲が良く、本実施例では3℃/minを採用した。焼成処理後、5℃/minの降温速度で室温まで冷却した。一般的に、冷却する際の降温速度に関しては、昇温速度ほど厳密に制御する必要はないが、10℃/min以下が好ましく、本実施例では5℃/minを採用した。   First, as pre-baking, the temperature was increased from room temperature to 1200 ° C. in an Ar atmosphere at a rate of temperature increase of 3 ° C./min, and the pre-baking temperature was maintained at 1200 ° C. for 3 hours. The rate of temperature increase may be determined in consideration of the type and shape of the organic polymer film to be baked, but generally the range of 15 ° C / min or less is good, and in this example 3 ° C / min was adopted. . After the firing treatment, it was cooled to room temperature at a rate of 5 ° C./min. In general, the cooling rate during cooling does not need to be controlled as strictly as the heating rate, but is preferably 10 ° C./min or less, and 5 ° C./min was adopted in this example.

この予備焼成工程では、有機高分子部分が熱分解して窒素、酸素、水素が抜けることによりポリイミド部分の重量が当初の50〜60%となり、炭素膜に変化するものである。従って、内部に配置したカーボン製メッシュには、何ら影響を与えるものではない。   In this pre-baking step, the organic polymer portion is thermally decomposed and nitrogen, oxygen, and hydrogen are released, so that the weight of the polyimide portion becomes 50 to 60% of the initial value and changes to a carbon film. Therefore, there is no influence on the carbon mesh arranged inside.

上記条件で予備焼成を行なった後、さらに試料を超高温炉に移し替えて本焼成を行なった。その温度プロファイルを図7(b)に示す。本実施例では、1000℃までは昇温速度10℃/minで行ない、その後5℃/minとして中間処理温度である2200℃で1時間の中間保持を設けた。さらに、本焼成温度2700℃までは5℃/minの昇温速度とし、2700℃での保持時間を3時間とした。本焼成温度保持後の冷却は、2200℃までは降温速度は5℃/minとし、その後1300℃までは10℃/min、室温までは20℃/minとした。   After pre-baking under the above conditions, the sample was further transferred to an ultra-high temperature furnace to perform main baking. The temperature profile is shown in FIG. In this example, the temperature was increased up to 1000 ° C. at a rate of temperature increase of 10 ° C./min, and thereafter, 5 ° C./min was set at an intermediate treatment temperature of 2200 ° C. for 1 hour. Further, the heating rate was 5 ° C./min up to the main firing temperature of 2700 ° C., and the holding time at 2700 ° C. was 3 hours. The cooling after holding the main firing temperature was 5 ° C / min until 2200 ° C, then 10 ° C / min until 1300 ° C and 20 ° C / min until room temperature.

このようにして得られたカーボン製メッシュが内部に配置されたグラファイト構造体1の膜厚は約300μmであり、走査電子顕微鏡(SEM)で得られた構造体断面を観察すると、カーボン構造体3の周りにグラフェン構造2が層状に積層されたグラファイト構造1をもっていることが確認できた。さらにカーボン構造体3以外のグラファイト構造体1の部分には、多数の微細な空孔領域が存在していることが確認された。この形成メカニズムは定かではないが、本焼成プログラムに起因するものと考えられる。さらに面方向に配向した上下のグラフェン構造2の間にカーボン構造体が3しっかりと配置されていることも観察された。   The film thickness of the graphite structure 1 in which the carbon mesh thus obtained is arranged is about 300 μm. When the cross section of the structure obtained with a scanning electron microscope (SEM) is observed, the carbon structure 3 It was confirmed that the graphene structure 2 was laminated in a layered manner around the graphite structure 1. Further, it was confirmed that many fine pore regions exist in the portion of the graphite structure 1 other than the carbon structure 3. Although the formation mechanism is not clear, it is thought to be due to the main firing program. Furthermore, it was also observed that three carbon structures were firmly arranged between the upper and lower graphene structures 2 oriented in the plane direction.

またX線回折により、形成されたカーボン構造体3を含んだグラファイト構造体1の結晶構造を評価した結果、図4と同等のグラファイト(002)及びその高次ピークが観察され、カーボン構造体3を含んでいる場合でも、十分に面方向配向性が高いグラファイト構造が得られていることがわかった。   Further, as a result of evaluating the crystal structure of the graphite structure 1 including the formed carbon structure 3 by X-ray diffraction, graphite (002) equivalent to FIG. 4 and its higher order peak were observed, and the carbon structure 3 It was found that a graphite structure having a sufficiently high orientation in the plane direction was obtained even in the case of containing.

以上の様な工程で得られたカーボン構造体3を含んだグラファイト構造体1の熱伝導特性を評価した。その結果、面方向熱伝導率κ‖は、カーボン構造体3を含まないで作製したグラファイトシート場合(約600W/m・K)よりも若干低い500W/m・Kであったが、層方向(厚さ方向)熱伝導率κ⊥は、従来の数倍である、25W/m・Kが得られた。   The heat conduction characteristics of the graphite structure 1 including the carbon structure 3 obtained by the above process were evaluated. As a result, the surface direction thermal conductivity κ‖ was 500 W / m · K slightly lower than that of the graphite sheet (about 600 W / m · K) produced without including the carbon structure 3, but the layer direction ( (Thickness direction) The thermal conductivity κ⊥ was 25 W / m · K, which is several times the conventional value.

従って、配向性の高いグラファイト構造体1内にカーボン構造体3を配置させることで、面方向の熱伝導性が高く、さらに層方向の熱伝導性も改善されたグラファイト構造体1が得られることを確認した。   Therefore, by arranging the carbon structure 3 in the highly oriented graphite structure 1, the graphite structure 1 having high thermal conductivity in the plane direction and further improved thermal conductivity in the layer direction can be obtained. It was confirmed.

また本実施例で作製した高熱伝導性部材は、グラファイト化された領域内に微細な空孔領域が多数存在しており、更にカーボン構造体3の部分もメッシュ状であることから、屈曲性や圧縮性に富んだ高熱伝導性部材を得ることができた。同時にカーボン構造体3を内部に配置しているため、従来作製が困難であった厚めの熱伝導性部材が形成でき、引張強度も上がっていた。   In addition, the high thermal conductivity member produced in this example has a large number of fine pore regions in the graphitized region, and the carbon structure 3 also has a mesh shape. A highly thermally conductive member having a high compressibility was obtained. At the same time, since the carbon structure 3 is disposed inside, a thick heat conductive member, which has been difficult to produce in the past, can be formed, and the tensile strength is also increased.

(実施例2)
実施例1と同様の工程で、カーボン構造体3を内部に配置したグラファイト構造体1からなる高熱伝導性部材を作製する際、メッシュ構造の間隔を変えた場合の結果について記す。
(Example 2)
A description will be given of the results when the interval of the mesh structure is changed when a highly thermally conductive member made of the graphite structure 1 in which the carbon structure 3 is disposed in the same process as in Example 1.

本実施例においては、実施例1で使用したカーボン糸を1〜4mmのメッシュ間隔で編み上げたカーボン構造体3を作製して、面方向と層方向の熱伝導性を評価した。   In this example, a carbon structure 3 was produced by knitting the carbon yarn used in Example 1 with a mesh interval of 1 to 4 mm, and the thermal conductivity in the plane direction and the layer direction was evaluated.

第一の有機高分子溶液であるポリアミド酸にこれらカーボン製メッシュを浸積配置して、全く同様の工程でカーボン製メッシュを内部に配置したグラファイト構造体1からなる高熱伝導性部材を形成した。   These carbon meshes were immersed and placed in the polyamic acid as the first organic polymer solution, and a highly heat conductive member made of the graphite structure 1 in which the carbon mesh was placed in the same process was formed.

得られた試料の熱伝導性特性を評価した結果、面方向熱伝導率κ⊥はメッシュ間隔に比例して480〜600W/m・Kを示したのに対し、層方向熱伝導率κ⊥はメッシュ間隔に反比例して20〜80W/m・Kの値を示した。すなわち、前記カーボン製メッシュの間隔を1〜4mmの範囲で変化させてグラファイト構造体1を作製した場合、面方向の熱伝導に関してはメッシュ間隔が広い方が望ましく、層方向は比較的間隔は狭い方が好ましいことが確認された。しかしながら、いずれの場合も層方向熱伝導はカーボン構造体3を含まない場合と比較して向上しており、カーボン構造体3がグラファイト構造体1における層方向に熱伝導を効率的に伝搬することが確認された。   As a result of evaluating the thermal conductivity characteristics of the obtained sample, the surface direction thermal conductivity κ⊥ showed 480 to 600 W / m · K in proportion to the mesh interval, whereas the layer direction thermal conductivity κ⊥ was A value of 20-80 W / m · K was shown in inverse proportion to the mesh spacing. That is, when the graphite structure 1 is produced by changing the interval between the carbon meshes in the range of 1 to 4 mm, it is desirable that the mesh interval is wide with respect to the heat conduction in the plane direction, and the interval in the layer direction is relatively narrow. It was confirmed that this was preferable. However, in any case, the heat conduction in the layer direction is improved as compared with the case where the carbon structure 3 is not included, and the carbon structure 3 efficiently propagates the heat conduction in the layer direction in the graphite structure 1. Was confirmed.

(実施例3)
実施例1と同様の工程で、カーボン構造体3を内部に配置したグラファイト構造体1からなる高熱伝導性部材を作製する際、織布状カーボンを基材として上面(片面)のみをグラファイト構造1とした場合の結果について記す。
(Example 3)
In the same process as in Example 1, when producing a high thermal conductivity member composed of the graphite structure 1 with the carbon structure 3 disposed therein, the upper surface (one side) of the graphite structure 1 is made of woven carbon as a base material. The results when

実施例1及び2の場合はメッシュ状カーボン構造体を用いて上下面にグラファイト構造1を形成したが、本実施例ではグラファイト構造体1の上面(表面、片面)のみにカーボン構造体3を配置した。すなわち、厚さ100μmのカーボン織布の上面にポリマー溶液を塗布し、同様の工程でグラファイト構造体1を作製した。なお本実施例において、上面に塗布されたポリマーの一部は、カーボン織布内部に含浸しているものと考えられる。   In Examples 1 and 2, the graphite structure 1 was formed on the upper and lower surfaces using a mesh-like carbon structure. However, in this example, the carbon structure 3 was disposed only on the upper surface (surface, one side) of the graphite structure 1. did. That is, the polymer solution was applied to the upper surface of a carbon woven fabric having a thickness of 100 μm, and the graphite structure 1 was produced in the same process. In this example, it is considered that a part of the polymer applied to the upper surface is impregnated inside the carbon woven fabric.

得られた試料の熱伝導性特性を評価した結果、面方向熱伝導率κ‖は前記実施例1と同様の約500W/m・Kを示したが、層方向熱伝導率κ⊥は20〜50W/m・Kの値が得られた。   As a result of evaluating the thermal conductivity characteristics of the obtained sample, the surface direction thermal conductivity κ‖ showed about 500 W / m · K as in Example 1, but the layer direction thermal conductivity κ⊥ was 20 to A value of 50 W / m · K was obtained.

(実施例4)
実施例1で用いた炭素前駆体有機高分子材料はポリイミドであったが、それ以外の有機高分子材料でも、上記と同様の製法でグラファイト構造体1を作製することが可能であることを確認した。具体的にはポリイミド(PI)以外に、ポリアミド(PA)、ポリフェニレンテレフタルアミド(PPTA)、ポリフェニレンオキサジアゾール(POD)、ポリベンゾチアゾール(PBT)、ポリベンゾビスチアゾール(PBBO)、ポリフェニレンベンゾイミダゾール(PBI)、ポリフェニレンベンゾビスイミダゾール(PPBI)、ポリチアゾール(PT)、ポリパラフェニレンビニレン(PPV)などの有機高分子材料で、カーボン構造体3を内部に配置したグラファイト構造体1が得られた。
Example 4
The carbon precursor organic polymer material used in Example 1 was polyimide, but it was confirmed that the graphite structure 1 could be produced by the same manufacturing method as described above using other organic polymer materials. did. Specifically, in addition to polyimide (PI), polyamide (PA), polyphenylene terephthalamide (PPTA), polyphenylene oxadiazole (POD), polybenzothiazole (PBT), polybenzobisthiazole (PBBO), polyphenylene benzimidazole ( A graphite structure 1 in which a carbon structure 3 is arranged inside is obtained using an organic polymer material such as PBI), polyphenylenebenzobisimidazole (PPBI), polythiazole (PT), polyparaphenylene vinylene (PPV).

(実施例5)
実施例1と同様の工程で、カーボン構造体3を内部に配置したグラファイト構造体1からなる高熱伝導性部材を作製する際、焼成過程でカーボン化が可能な繊維状高分子構造体を用いた場合の結果について記す。
(Example 5)
In the same process as in Example 1, a fibrous polymer structure that can be carbonized during the firing process was used when a highly thermally conductive member composed of the graphite structure 1 with the carbon structure 3 disposed therein was produced. The case results are described below.

本実施例においては、直径10μm程度の繊維状ポリイミドを撚ってメッシュ状にした高分子構造体をポリアミド酸溶液に浸漬し、高分子製メッシュを内部に配置したポリアミド酸膜を形成後、ポリアミド酸をポリイミド化した。   In this example, a polymer structure in which a fibrous polyimide having a diameter of about 10 μm is twisted to form a mesh is immersed in a polyamic acid solution to form a polyamic acid film having a polymer mesh disposed therein, and then a polyamide is formed. The acid was polyimideized.

以上の工程で得られたポリイミドを電気炉に入れて焼成処理を行なった。本実施例で採用した温度プロファイルは前記実施例1と同じである。   The polyimide obtained in the above steps was put in an electric furnace and fired. The temperature profile employed in this example is the same as that in Example 1.

その結果、まず予備焼成過程において、第二の有機高分子部分が熱分解して炭素膜に変化すると共に、内部に配置した高分子製メッシュ部も炭素化した。   As a result, first, in the pre-baking process, the second organic polymer portion was pyrolyzed and changed into a carbon film, and the polymer mesh portion disposed inside was also carbonized.

さらに本焼成過程において、第二の有機高分子部分はグラフェン構造2が層状に積層されたグラファイト構造1に変化すると共、高分子製メッシュが炭素化していた部分もさらにカーボン化、また部分的には層状構造を有するグラファイト化していることが確認できた。   Further, in the firing process, the second organic polymer portion is changed to the graphite structure 1 in which the graphene structure 2 is laminated in layers, and the portion where the polymer mesh is carbonized is further carbonized, and partially Was confirmed to be graphitized having a layered structure.

以上の様な工程で得られたカーボン構造体3を含んだグラファイト構造体1の熱伝導特性を評価した。その結果、面方向熱伝導率κ‖は、カーボン構造体を含まないで作製したグラファイトシート場合(約600W/m・K)よりも若干低い500〜550W/m・Kであったが、層方向(厚さ方向)熱伝導率κ⊥は、50〜100W/m・Kが得られた。   The heat conduction characteristics of the graphite structure 1 including the carbon structure 3 obtained by the above process were evaluated. As a result, the surface direction thermal conductivity κ‖ was 500 to 550 W / m · K, which is slightly lower than that of the graphite sheet prepared without including the carbon structure (about 600 W / m · K), but the layer direction (Thickness direction) Thermal conductivity κ⊥ was 50-100 W / m · K.

従って、配向性の高いグラファイト構造体1内にカーボン構造体3を配置させることで、面方向の熱伝導性が高く、さらに層方向の熱伝導性も改善されたグラファイト構造体1が得られることを確認した。   Therefore, by arranging the carbon structure 3 in the highly oriented graphite structure 1, the graphite structure 1 having high thermal conductivity in the plane direction and further improved thermal conductivity in the layer direction can be obtained. It was confirmed.

(実施例6)
実施例1で得られたカーボン構造体を内部に配置したグラファイト構造体1からなる高熱伝導性部材を用いて放熱システムを試作し、その熱抵抗を測定した。図8(a)は、発熱源6と放熱部材8の間に、本発明の高熱伝導性部材7を密着させて放熱を行なう構成である。比較として、銅板や高配向性グラファイト(松下製PGSグラファイトシート)を適用した場合も評価した。測定は一定加圧下(10N/cm2)のもとで行なった。
(Example 6)
A heat dissipation system was prototyped using a high thermal conductivity member made of the graphite structure 1 in which the carbon structure obtained in Example 1 was placed, and its thermal resistance was measured. FIG. 8A shows a structure in which the high heat conductive member 7 of the present invention is brought into close contact between the heat source 6 and the heat radiating member 8 to radiate heat. For comparison, a case where a copper plate or highly oriented graphite (PGS graphite sheet manufactured by Matsushita) was applied was also evaluated. The measurement was performed under constant pressure (10N / cm2).

その結果、銅板の場合の熱抵抗は、1.0℃/Wであり、高配向性グラファイトシートでは、0.4℃/W程度であったのに対し、本発明の高熱伝導性部材を用いた場合は、0.3℃/Wと熱抵抗特性が改善されることが確認された。   As a result, the thermal resistance in the case of the copper plate is 1.0 ° C./W, and in the highly oriented graphite sheet, it was about 0.4 ° C./W, whereas when using the highly thermally conductive member of the present invention, It was confirmed that the thermal resistance characteristics were improved by 0.3 ° C / W.

また図8(b)の構成や、図8(b)において高熱伝導性部材7の一部を屈曲させた構成においても、同様に放熱特性の改善が確認された。   In addition, in the configuration of FIG. 8B and the configuration in which a part of the high thermal conductivity member 7 is bent in FIG.

本発明の高熱伝導性部材は、CPUやレーザに代表される各種電子機器/デバイスなどの熱対策が必要な部分に用いられる放熱システム材料として有用であるのみならず、様々な形態に加工可能なことより、均熱性が必要とされる応用、例えば基板ステージやマスクステージなど多岐にわたる応用に適用可能である。   The highly thermally conductive member of the present invention is not only useful as a heat dissipation system material used in parts requiring heat countermeasures such as various electronic devices / devices represented by CPUs and lasers, but can be processed into various forms. As a result, it can be applied to a wide variety of applications such as a substrate stage and a mask stage, for example, where temperature uniformity is required.

本発明の高熱伝導性部材の概略図Schematic of high thermal conductivity member of the present invention 本発明の他の高熱伝導性部材の概略図Schematic of another high thermal conductivity member of the present invention グラファイトの結晶構造を示す図Diagram showing the crystal structure of graphite 配向性グラファイト構造体1の代表的なX線回折パターンを示す図The figure which shows the typical X-ray-diffraction pattern of the orientation graphite structure 1 有機高分子膜から配向性グラファイト構造体への過程を示す模式図Schematic diagram showing the process from organic polymer film to oriented graphite structure カーボン構造体を内部に配置したグラファイト構造体の作製工程図Production process diagram of graphite structure with carbon structure inside 実施例1における焼成工程の温度プログラムの例を示す図The figure which shows the example of the temperature program of the baking process in Example 1. 本発明の高熱伝導性部材を用いた放熱システムの例を示す図The figure which shows the example of the thermal radiation system using the high thermal conductive member of this invention 従来例1の概略図Schematic diagram of Conventional Example 1 従来例2の概略図Schematic diagram of Conventional Example 2 従来例3の概略図Schematic diagram of Conventional Example 3

符号の説明Explanation of symbols

1 グラファイト構造体
2 グラフェン構造
3 カーボン構造体
4 炭素原子
5 グラフェン構造
6 発熱源
7 高熱伝導性部材
8 放熱部材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Graphite structure 2 Graphene structure 3 Carbon structure 4 Carbon atom 5 Graphene structure 6 Heat source 7 High thermal conductivity member 8 Heat dissipation member

Claims (14)

主組成が炭素(C)からなる高熱伝導性部材であって、
主面に対して平行な方向(面方向)にa−b軸が略配向したグラファイト構造体内に、カーボン繊維集合体からなるカーボン構造体が配置されている高熱伝導性部材。
A high thermal conductivity member whose main composition is carbon (C),
A highly thermally conductive member in which a carbon structure composed of a carbon fiber aggregate is disposed in a graphite structure in which ab axes are substantially oriented in a direction parallel to the main surface (plane direction).
請求項1に記載の高熱伝導性部材であって、
前記高熱伝導性部材の形状が、フィルム状であることを特徴とする高熱伝導性部材。
The high thermal conductivity member according to claim 1,
A shape of the high thermal conductivity member is a film shape.
請求項1に記載の高熱伝導性部材であって、
前記グラファイト構造体の内部に、空孔領域を内包していることを特徴とする高熱伝導性部材。
The high thermal conductivity member according to claim 1,
A highly thermally conductive member characterized in that a pore region is included inside the graphite structure.
請求項1に記載の高熱伝導性部材であって、
前記カーボン繊維集合体からなるカーボン構造体が、メッシュ状、織布状あるいは不織布状であることを特徴とする高熱伝導性部材。
The high thermal conductivity member according to claim 1,
A high thermal conductivity member, wherein the carbon structure composed of the carbon fiber aggregate is in a mesh shape, a woven fabric shape or a non-woven fabric shape.
請求項1に記載の高熱伝導性部材であって、
前記カーボン繊維集合体からなるカーボン構造体が、直径φ0.5μmからφ500μmの範囲から選ばれるカーボン繊維を、0.01μmから10mmから選ばれる間隔で配置したメッシュ状、織布状あるいは不織布状構造であることを特徴とする高熱伝導性部材。
The high thermal conductivity member according to claim 1,
The carbon structure composed of the carbon fiber aggregate has a mesh-like, woven-like or non-woven-like structure in which carbon fibers selected from a diameter of φ0.5 μm to φ500 μm are arranged at intervals selected from 0.01 μm to 10 mm. A highly thermally conductive member characterized by that.
請求項1に記載の高熱伝導性部材であって、
前記カーボン構造体が、メッシュ状、織布状あるいは不織布状カーボンを積層した構造であることを特徴とする高熱伝導性部材。
The high thermal conductivity member according to claim 1,
The high thermal conductivity member, wherein the carbon structure has a structure in which mesh-like, woven or non-woven carbon is laminated.
請求項1に記載の高熱伝導性部材において、
主面に対して平行な方向(面方向)の熱伝導率κ‖が、400W/m・k以上、1500W/m・K以下の範囲であり、かつ垂直な方向(層方向)の熱伝導率κ⊥が、10W/m・k以上、150W/m・k以下の範囲であることを特徴とする高熱伝導性部材。
In the high thermal conductivity member according to claim 1,
Thermal conductivity κ‖ in the direction parallel to the main surface (plane direction) is in the range of 400 W / m · k or more and 1500 W / m · K or less, and in the perpendicular direction (layer direction) A high thermal conductivity member, wherein κ⊥ is in the range of 10 W / m · k to 150 W / m · k.
主成分が炭素(C)からなる高熱伝導性部材の製造方法であって、
(1)第一の有機高分子体を形成する溶液を準備する工程と、
(2)前記第一の有機高分子体を形成する溶液を、カーボン繊維集合体からなるカーボン構造体に含浸あるいは塗布する工程と、
(3)前記第一の有機高分子体を形成する溶液を固体化する工程と、
(4)前記第一の有機高分子体を加熱脱水等の反応過程により、炭素前駆体となる第二の有機高分子体にする工程と、
(5)前記第二の有機高分子体を所定の温度プロファイルに従って、所定雰囲気下で焼成する工程とからなる高熱伝導性部材の製造方法。
A method for producing a high thermal conductivity member comprising carbon (C) as a main component,
(1) preparing a solution for forming the first organic polymer,
(2) impregnating or applying a solution for forming the first organic polymer to a carbon structure composed of a carbon fiber aggregate;
(3) solidifying a solution for forming the first organic polymer;
(4) a step of converting the first organic polymer into a second organic polymer to be a carbon precursor by a reaction process such as heat dehydration;
(5) A method for producing a high thermal conductivity member comprising a step of firing the second organic polymer in a predetermined atmosphere according to a predetermined temperature profile.
主成分が炭素(C)からなる高熱伝導性部材の製造方法であって、
(1)第一の有機高分子体を形成する溶液を準備する工程と、
(2)前記第一の有機高分子体を形成する溶液を、繊維状高分子集合体からなる高分子構造体に含浸あるいは塗布する工程と、
(3)前記第一の有機高分子体を形成する溶液を固体化する工程と、
(4)前記第一の有機高分子体を加熱脱水等の反応過程により、炭素前駆体となる第二の有機高分子体にする工程と、
(5)前記第二の有機高分子体を所定の温度プロファイルに従って、所定雰囲気下で焼成する工程とからなる高熱伝導性部材の製造方法。
A method for producing a high thermal conductivity member comprising carbon (C) as a main component,
(1) preparing a solution for forming the first organic polymer,
(2) impregnating or applying a solution for forming the first organic polymer to a polymer structure composed of a fibrous polymer aggregate;
(3) solidifying a solution for forming the first organic polymer;
(4) a step of converting the first organic polymer into a second organic polymer to be a carbon precursor by a reaction process such as heat dehydration;
(5) A method for producing a high thermal conductivity member comprising a step of firing the second organic polymer in a predetermined atmosphere according to a predetermined temperature profile.
請求項8及び9に記載の高熱伝導性部材の製造方法において、
前記第一の有機高分子体を形成する溶液が、ポリアミド酸溶液であることを特徴とする高熱伝導性部材の製造方法。
In the manufacturing method of the high thermal conductivity member according to claim 8 and 9,
The method for producing a high thermal conductivity member, wherein the solution for forming the first organic polymer is a polyamic acid solution.
請求項8及び9に記載の高熱伝導性部材の製造方法において、
前記第二の有機高分子体が、ポリイミド(PI)であることを特徴とする高熱伝導性部材の製造方法。
In the manufacturing method of the high thermal conductivity member according to claim 8 and 9,
The method for producing a high thermal conductivity member, wherein the second organic polymer is polyimide (PI).
請求項8及び9に記載の高熱伝導性部材の製造方法において、
前記焼成工程の温度プロセスが、1000℃から1500℃の温度範囲から選ばれる所定温度で予備焼成する工程と、
2000℃から3000℃の温度範囲から選ばれる所定温度で本焼成する工程からなる高熱伝導性部材の製造方法。
In the manufacturing method of the high thermal conductivity member according to claim 8 and 9,
The temperature process of the baking step is a step of pre-baking at a predetermined temperature selected from a temperature range of 1000 ° C. to 1500 ° C .;
A method for producing a highly thermally conductive member comprising a step of main firing at a predetermined temperature selected from a temperature range of 2000 ° C to 3000 ° C.
請求項9に記載の高熱伝導性部材の製造方法において、
前記繊維状高分子の集合体からなる高分子構造体が、ポリイミド(PI)であることを特徴とする高熱伝導性部材の製造方法。
In the manufacturing method of the high thermal conductivity member according to claim 9,
A method for producing a high thermal conductivity member, wherein the polymer structure composed of an aggregate of fibrous polymers is polyimide (PI).
発熱源と放熱部材とを請求項1から7のいずれかに記載の高熱伝導性部材を介して熱的に接続した放熱システム。
A heat dissipating system in which a heat source and a heat dissipating member are thermally connected via the high thermal conductivity member according to claim 1.
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