JP2006265550A - 熱伝導材料及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、熱抵抗が小さく、熱伝導性能が高い熱伝導材料及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る熱伝導材料は、ポリマー材料と、該ポリマー材料に分散された複数の炭素ナノチューブと、を含む。また、この熱伝導材料は、第一表面及びそれと反対の第二表面を有し、前記複数の炭層ナノチューブの両側の端部がそれぞれ前記熱伝導材料の前記第一表面及び前記第二表面に露出される。なお、本発明は前記熱伝導材料の製造方法を提供する。
【選択図】図１
【解決手段】本発明に係る熱伝導材料は、ポリマー材料と、該ポリマー材料に分散された複数の炭素ナノチューブと、を含む。また、この熱伝導材料は、第一表面及びそれと反対の第二表面を有し、前記複数の炭層ナノチューブの両側の端部がそれぞれ前記熱伝導材料の前記第一表面及び前記第二表面に露出される。なお、本発明は前記熱伝導材料の製造方法を提供する。
【選択図】図１
Description
本発明は、熱伝導材料に関し、特に炭素ナノチューブのマトリックスを含む熱伝導材料及びその製造方法に関する。
近年、半導体チップの高集積化に伴って、電気部品の小型化の研究が進んでいるので、小型電気部品の放熱性をさらに高めることは益々注目されている。それに対応して、小型電気部品の表面に放熱ユニットを設置する手段は、この技術領域において広く利用されている。しかし、従来の放熱装置と電気部品との接触表面には凹凸があり、緊密に接触できないので、電気部品の放熱効率が低下する課題がある。従って、放熱装置と電気部品との接触表面の間に高熱伝導材料を設置することによって、この両方の接触面積を増加させる提案がある。
従来の熱伝導材料は、熱伝導係数が大きいもの、例えば、黒鉛、ＢＮ、ＳｉＯ2、Ａｌ２Ｏ３、銀などの金属粒子がポリマー材料に混入して形成される複合材料である。このような熱伝導材料の熱伝導性は大体にポリマー材料によって決定される。例えば、基材が油脂又は相変化材料である複合材料が液体状態で利用される場合、熱源の表面の大部分に濡れるので、熱抵抗が小さくなるが、基材がシリカ・ゲル又はゴムである複合材料が利用される場合、熱抵抗が大きくなる。しかし、これら熱伝導材料は熱伝導係数が１Ｗ／ｍＫ程度であり、熱伝導係数が小さいという欠点があるので、小型電気部品の放熱に適しない。また、ポリマー材料に混入される熱伝導粒子の数量を増加して、粒子同士を相互に接触させることによって複合材料の熱伝導性能を高めることができ、例えばある特別な材料の熱伝導係数が４〜８Ｗ／ｍＫ程度に達する。しかし、混入された熱伝導粒子が多過ぎる場合、該複合材料は、例えば、油脂が硬くなることが原因で、元々の優れた熱伝導特性が劣化する不都合がある。
熱伝導材料の熱伝導性能を高めるために、熱伝導性能が優れた材料、例えば、カーボンナノボール、ダイヤモンドの粉剤、炭素ナノチューブなどは熱伝導の充填材料として利用される。具体的には、非特許文献１に、「Ｚ」字形（１０,１０）の炭素ナノチューブは、室温で熱伝導係数が６６００Ｗ／ｍＫ程度に達するという発見が記載されている。従って、熱伝導材料への応用及び該炭素ナノチューブの熱伝導性能を最大にするために炭素ナノチューブを利用する研究は、熱伝導材料の性能を高めるための重要な課題として注目されている。
従来、炭素ナノチューブの熱伝導性能を利用する熱伝導材料は、炭素ナノチューブを基材に混入して一体成型で加工してから、プレス処理してなるものである。良好に放熱するために、この熱伝導材料は、放熱装置との接触面面積が熱源との接触面面積より大きいように設けられる。しかし、このような熱伝導材料において、炭素ナノチューブは不均一に基材に配列されるので、熱伝導の均一性が悪化し、炭素ナノチューブの長手方向での良好な熱伝導性能を十分に利用できなく、熱伝導材料全体の熱伝導性能が低くなる。
また、炭素ナノチューブのマトリックスを含む熱伝導材料の製造方法も提案されている。この製造方法によれば、まず、相対する二つの電極板を有する平板（フラット）コンデンサを、炭素ナノチューブが無秩序に分布した熱可塑性を有するポリマー溶剤に浸入し、前記の二つの電極板間の距離を適当に調整して前記平板（フラット）コンデンサを取出す。それぞれ前記の二つの電極板に電圧を加えて一定の電界を形成することにより、前記炭素ナノチューブを前記ポリマー溶剤の中で一定の方向に沿って配列させ、その後、前記ポリマー溶剤を固化させ、該平板（フラット）コンデンサを除去し、熱伝導材料を形成する。
しかし、前記の熱伝導材料は熱伝導性能が非常に高くなるが、希望の熱伝導の効果に達することができない。それは、前記熱伝導材料の炭素ナノチューブの端部の一部が露出され、又は、前記熱伝導材料の炭素ナノチューブの端部が完全にポリマー材料で包まれていることが原因である。これが原因で、炭素ナノチューブから形成された熱伝導のパスとそれと接触の熱伝導面との間に熱抵抗が大きいポリマー材料があるので、熱伝導材料の熱抵抗が大きくなる結果が起こる。
従って、熱抵抗が小さく、熱伝導性能が高い熱伝導材料及びその製造方法が必要となる。
本発明の実施例に係る熱伝導材料は、ポリマー材料と、該ポリマー材料に分散された複数の炭素ナノチューブと、を含む。また、この熱伝導材料は第一表面及びそれと反対の第二表面を有し、前記複数の炭層ナノチューブの両側の端部がそれぞれ前記熱伝導材料の前記第一表面及び前記第二表面に共に露出される。
また、本発明の実施例に係る熱伝導材料の製造方法は、基板を準備してこの基板に炭素ナノチューブのマトリックスを成長させる段階と、前記炭素ナノチューブの上端部に保護層を形成する段階と、前記炭素ナノチューブの下端部に保護層を形成する段階と、ポリマー材料を利用して前記炭素ナノチューブのマトリックスの各炭素ナノチューブの間の空隙を充填する段階と、前記保護層を除去する段階と、を含む。ここで、前記炭層ナノチューブは、例えば、ガラス、シリコン、金属及びその酸化物のいずれか一種から成った基材に成長される。前記複数の炭素ナノチューブはマトリックスの形態に形成されている。
従来の技術と比べて、本発明の実施例に係る熱伝導材料では、炭素ナノチューブの両側の端部が露出され、炭素ナノチューブから成った熱伝導のパスが熱伝導面と直接に接触でき、ポリマー材料で隔てられないので、熱伝導材料の熱抵抗を減少し、熱伝導性能を高めることができる。
以下、図面を参考して本発明の実施例について詳しく説明する。
図１に示すように、本実施例に係る熱伝導材料１０は、ポリマー材料５と、該ポリマー材料５に分散された炭素ナノチューブのマトリックス２と、を含む。また、前記熱伝導材料１０は、第一表面（図示せず）及びそれと反対の第二表面（図示せず）を有する。さらに、前記炭素ナノチューブのマトリックス２において、複数の炭素ナノチューブの両側の端部は、それぞれ前記第一表面及び前記第二表面に露出される。
前記ポリマー材料５としては、シリコンゴム、テレフタル酸ポリエチレン、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、嫌気性接着剤、アクリル接着剤のいずれか一種である。
前記炭素ナノチューブ２は前記第一表面及び第二表面に垂直に構成されることが好ましい。
図２に示すように、本発明の実施例において、熱伝導材料１０の製造方法である原位置射出成型法（Ｉｎ−ｓｉｔｕ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ）は、基材１を準備してこの基材１に炭素ナノチューブのマトリックス２を成長させる段階１１と、前記炭素ナノチューブのマトリックス２の上端部に保護層を形成する段階１２と、前記基材１を除去して、前記炭素ナノチューブのマトリックス２の下端部に保護層を形成する段階１３と、ポリマー材料５を利用して、前記保護層が形成されている前記炭素ナノチューブのマトリックス２の各炭素ナノチューブの間の空隙を充填する段階１４と、前記保護層を除去する段階１５と、を含む。
図３〜図１１を参照して、本発明の実施例として、前記熱伝導材料１０の製造方法について詳しく説明する。
前記の段階１１で、基材１を準備して、この基材１に炭素ナノチューブのマトリックス２を成長させる。前記基材１としては、ガラス、シリコン、金属及びその酸化物のいずれか一種であっても良い。前記炭素ナノチューブ２は、堆積法又は印刷法により形成される。本実施例には、例示として堆積法を利用する。まず、基材１に触媒層を形成し、高温で炭素を含むガスを通入して、炭素ナノチューブのマトリックス２を形成する。ここで、前記触媒層は、鉄、ニッケル、コバルト、パラジウムなどの遷移金属のいずれか一種からなっている。前記炭素を含むガスは、メタン、エチン、プロピレン、アセチレン、カルビノール、エタノールのいずれか一種である。
次に、前記の段階１１について、例示として更に詳しく説明する。まず、シリコンの基材１には、厚さが５ｎｍの鉄の膜（図示せず）を形成して３００℃の空気中で焼きなましをし、化学気相堆積反応室（Chemical Vapor Chamber）に７００℃で炭素を含むエチンを通入して炭素ナノチューブのマトリックス２を成長させる。前記炭素ナノチューブのマトリックス２は、シリコンの基材１に直立して、高さが０．３ｍｍ程度に成長される。また、前記炭素ナノチューブのマトリックス２をＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）で見た様子の側面図は、図７に示すようになる。図７の挿絵は、一本の直径が１２ｎｍである八層の炭素ナノチューブを、高分解能電子顕微鏡（Ｈｉｇｈ Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ；ＨＲＴＥＭ）で見た図である。
前記の段階１２で、前記炭素ナノチューブのマトリックス２の上端部に保護層が形成される。前記炭素ナノチューブのマトリックス２の各炭素ナノチューブを保護するために、例えば、保護層として粘着剤３（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ａｄｈｅｎｓｉｖｅ）が利用されて各炭素ナノチューブの上端部が覆われる。具体的には、ポリエステルフィルム（Ｐｌｙｅｓｔｅｒ Ｆｉｌｍ）４に厚さが約０．０５ｎｍの粘着剤３を塗布して、このポリエステルフィルム４を前記炭素ナノチューブのマトリックス２の上方に押すと、前記炭素ナノチューブのマトリックス２の上端部は前記粘着剤３で覆われて、保護層が形成される。ここで、本実施例に係る粘着剤３としては、中国の撫順軽工業研究所製のＹＭ８８１型の粘着剤が採用される。
前記の段階１３で、前記基材１を除去して、前記炭素ナノチューブのマトリックス２の下端部に保護層を形成する。まず、前記基材１を剥がして、前記段階１２の通り前記炭素ナノチューブのマトリックス２の下端部に保護層を形成する。これにより、前記炭素ナノチューブのマトリックス２の上端部及び下端部には、共に保護層が形成される。
前記の段階１４で、ポリマー材料５を利用して、前記保護層が形成した前記炭素ナノチューブのマトリックス２の各炭素ナノチューブの間の空隙を充填する。両側の端部が保護層で覆われた前記炭素ナノチューブのマトリックス２をポリマー材料５の溶融液体に浸入して、このポリマー材料５の溶融液体で前記炭素ナノチューブのマトリックス２の各炭素ナノチューブの間を十分に充填した後、前記炭素ナノチューブのマトリックス２を取り出して、真空で固化加工を行って、充填されたポリマー材料の溶融液体を固化させる。ここで、前記ポリマー材料５としては、例えば、シリコンゴム、テレフタル酸ポリエチレン、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、嫌気性接着剤、アクリル接着剤のいずれか一種からなる。本実施例において、ダウ・コーニング（Ｄｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ）社製のＳｙｌｇａｒｄ１６０型の二成分シリコン弾性体（ｔｗｏ−ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｓｉｌｉｃｏｎ ｅｌａｓｔｏｍｅｒ）が前記ポリマー材料５として利用される場合、１：１：１の比率によってこの二成分シリコン弾性体の中のＡ液体成分、Ｂ液体成分及び酢酸エチルを混合する。このような混合溶剤が充填された炭素ナノチューブのマトリックス２が真空容器に置いて室温で２４時間に固化させたものは、ＳＥＭで見られる形態が図８に示すようになる。これにより、前記炭素ナノチューブのマトリックス２は形状が変化しないことが分かる。
前記の段階１５で、前記保護層を除去して、熱伝導材料の製造工程を完成する。前記炭素ナノチューブのマトリックス２の両側の端部に形成された保護層は剥がされるが、余分な粘着剤３は有機溶液で除去されることができる。本実施例において、キシレンを有機溶液として使用して前記粘着剤３を除去する。この時、熱伝導材料１０をＳＥＭで上方から見た形態は、図９に示すように、前記炭素ナノチューブのマトリックス２の炭素ナノチューブが前記熱伝導材料１０に露出されている。
さらに、本発明の実施例としての熱伝導材料１０の製造方法は、更に次の工程を含むことが好ましい。即ち、全ての炭素ナノチューブの端部を前記熱伝導材料１０の表面に露出させるために、反応性イオンエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ， ＲＩＥ）でエッチング加工を行う。例としては、気圧が６Ｐａ、出力が１５０Ｗの条件で、Ｏ２プラズマを利用して前記熱伝導材料１０の両側の表面を１５分間エッチングする。このように加工された熱伝導材料１０をＳＥＭで見た形態は、図１０に示すようになる。
従来技術と比べて、本発明の実施例に係る熱伝導材料１０における炭素ナノチューブのマトリックス２の各炭素ナノチューブは、両側の端部が共にこの熱伝導材料１０に露出され、この炭素ナノチューブが形成された熱伝導のパスが熱伝導面に接触し、ポリマー材料で隔てられないので、熱抵抗を低減し、熱伝導性能を高めることができる。
１ 基材
２ 炭素ナノチューブのマトリックス
３ 粘着剤
４ ポリエステルフィルム
５ ポリマー材料
１０ 熱伝導材料
２ 炭素ナノチューブのマトリックス
３ 粘着剤
４ ポリエステルフィルム
５ ポリマー材料
１０ 熱伝導材料
Claims (6)
- ポリマー材料と、このポリマー材料に分散された複数の炭素ナノチューブと、を含み、第一表面及びそれと反対の第二表面を有する熱伝導材料において、
前記複数の炭層ナノチューブの両方の端部は、それぞれ前記熱伝導材料の前記第一表面及び前記第二表面に露出されることを特徴とする熱伝導材料。 - 前記ポリマー材料は、シリコンゴム、テレフタル酸ポリエチレン、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、嫌気性接着剤、アクリル接着剤のいずれか一種であることを特徴とする、請求項１に記載の熱伝導材料。
- 前記複数の炭素ナノチューブは、マトリックスの形態に形成されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の熱伝導材料。
- 前記複数の炭素ナノチューブは、前記熱伝導材料の前記第一表面及び／又は前記第二表面に垂直に構成されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱伝導材料。
- 基板を準備して、この基板に炭素ナノチューブのマトリックスを成長させる工程と、
前記炭素ナノチューブのマトリックスの上端部に保護層を形成する工程と、
前記炭素ナノチューブのマトリックスの下端部に保護層を形成する工程と、
ポリマー材料を利用して前記炭素ナノチューブのマトリックスの各炭素ナノチューブの間の空隙を充填する工程と、
前記保護層を除去する工程と、
を含むことを特徴とする熱伝導材料の製造方法。 - 前記保護層を除去してから、反応性イオンエッチングにより、前記炭素ナノチューブのマトリクスに対してエッチング加工を行うことを特徴とする、請求項５に記載の熱伝導材料の製造方法。
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