JP2009179847A - Method for producing carbon-coated material, and carbon-coated material - Google Patents

Method for producing carbon-coated material, and carbon-coated material Download PDF

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Mineo Wajima
峰生 和島
Kenji Shibata
憲治 柴田
Fumito Oka
史人 岡
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing a carbon-coated material where thermal resistance from a metal base material to a radiation body is reduced, and heat output by radiation is remarkably increased, and to provide a carbon-coated material. <P>SOLUTION: By an aerosol deposition process of jetting a carbon material, the surface of a metallic base material 5 held to the inside of a chamber 2 in an aerosol deposition apparatus 1 is jetted with an aerosol composed of the powder of a carbon material and a conveyance fluid produced in a production vessel 7a of an aerosol feeding apparatus 7, so as to form a carbon-coated layer. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は炭素被覆材の製造方法及び炭素被覆材に関するものである。   The present invention relates to a method for producing a carbon coating material and a carbon coating material.

近年、マイクロプロセッサー(MPU)、画像処理チップ、メモリーなどLSIを用いる電子機器等では高密度化が進んでいることや高性能化に伴う消費電力の増加が進んでおり、冷却が重要になってきている。
従来は、LSIの機器内の適正な配置によって熱対策が済む場合はLSIの適性配置により、そうでないときは、ヒートシンクや小型ファンモータ等の放熱器の利用が一般的であった。しかしながら、ノート型パソコン、携帯電話機などのように、薄型軽量化(小型化)が追求される電子機器では、このような放熱器を用いることができない場合がある。そこで、電子部品の放熱効率を改善するため、熱放射特性を考慮した放熱シート等が種々提案されている。
例えば、熱伝導性フィラーを含有する粘着剤層と、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる層上にアルミナ皮膜からなる熱放射層を設けた除熱用放熱シートが提案され(特許文献1、特許請求の範囲等参照)、また、熱伝導性を有するアルミニウム、銅、ステンス鋼等からなる吸熱層の表面に、二酸化珪素、酸化アルミニウム等の熱放射性膜を形成し、吸熱層の裏面に熱伝導性接着剤を設けた放熱シートも提案されている(特許文献2、特許請求の範囲等参照)。
In recent years, electronic devices using LSIs such as microprocessors (MPUs), image processing chips, and memories have become more dense and have increased power consumption due to higher performance, so cooling has become important. ing.
Conventionally, when heat countermeasures are completed by proper arrangement in the LSI device, it is common to use an appropriate arrangement of the LSI. Otherwise, use of a heat sink such as a heat sink or a small fan motor has been generally used. However, there is a case where such a heat sink cannot be used in an electronic device in which a thin and light weight (downsizing) is pursued, such as a notebook personal computer or a mobile phone. In order to improve the heat dissipation efficiency of electronic components, various heat dissipation sheets and the like in consideration of heat radiation characteristics have been proposed.
For example, a heat-dissipating heat-dissipating sheet in which an adhesive layer containing a heat conductive filler and a heat radiation layer made of an alumina film on a layer made of aluminum or an aluminum alloy are provided has been proposed (Patent Document 1, Claims) In addition, a heat-radiating film such as silicon dioxide or aluminum oxide is formed on the surface of the heat-absorbing layer made of aluminum, copper, stainless steel or the like having thermal conductivity, and a heat-conductive adhesive is formed on the back surface of the heat-absorbing layer. A heat-dissipating sheet provided with a sheet is also proposed (see Patent Document 2, Claims, etc.).

しかしながら、特許文献1に開示された放熱シートは、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる層上にアルミナゾルを塗装・焼付けすることにより、熱放射層を形成するため、製膜工程に長時間が必要となり、多大な時間と労力が必要となる問題があり、特許文献2に開示された放熱シートもアルミニウム、銅、ステンス鋼等からなる吸熱層の表面に、二酸化ケイ素、酸化アルミニウムを含有する液状体やカオリンを含有するエマルジョン性組成物を塗布することにより熱放射性膜を形成するため、製膜工程に長時間が必要となり、多大な時間と労力が必要となる問題がある。
特開2005−101025号公報 特開2004−200199号公報
However, since the heat radiation sheet disclosed in Patent Document 1 forms a heat radiation layer by coating and baking alumina sol on a layer made of aluminum or an aluminum alloy, a long time is required for the film forming process. The heat dissipation sheet disclosed in Patent Document 2 also has a liquid or kaolin containing silicon dioxide or aluminum oxide on the surface of the heat absorbing layer made of aluminum, copper, stainless steel or the like. Since the thermal radiation film is formed by applying the emulsion composition contained therein, there is a problem that a long time is required for the film forming process, and a great amount of time and labor are required.
JP 2005-101025 A JP 2004-200199 A

そこで、本出願人等は、放熱層又は熱輻射層に好適な材料と、その被着方法について検討を重ねている。
図5は材料別の分光放射率((多田龍太郎:赤外線源の種類と特徴、塗装工学(1)112−19(1994))を示す。
同図に示すように、放熱層又は熱輻射層の材料としては、放射率の非常によい炭素材料が適しており、炭素材料の輻射により放熱特性が良くなることが期待されるが、炭素材料は、非常に脆いことや金属との反応性が極端に悪く、直接金属と接着しないという問題がある。このため、通常の金属製の放熱器では、炭素材料を混ぜた樹脂塗料を放熱器の表面に塗布し、黒色の輻射層乃至放熱層を形成し、フォノン及び伝導電子により、熱伝導が行わせることが多い。ところが、放熱器から炭素材料への熱伝導は、熱伝達係数の低い樹脂を介して行われるので、輻射層乃至放熱層への熱抵抗が大きく、期待するほどの放熱効果が得られないという問題がある。
Therefore, the present applicants have been studying a material suitable for the heat radiation layer or the heat radiation layer and a deposition method thereof.
FIG. 5 shows the spectral emissivity for each material (Ryutaro Tada: types and characteristics of infrared sources, coating engineering (1) 112-19 (1994)).
As shown in the figure, a carbon material with a very high emissivity is suitable as the material for the heat dissipation layer or the heat radiation layer, and it is expected that the heat dissipation characteristics will be improved by the radiation of the carbon material. Have the problem that they are very brittle and have extremely poor reactivity with metals and do not directly bond to metals. For this reason, in a normal metal radiator, a resin paint mixed with a carbon material is applied to the surface of the radiator to form a black radiation layer or a heat radiation layer, and heat conduction is performed by phonons and conduction electrons. There are many cases. However, since heat conduction from the radiator to the carbon material is performed via a resin having a low heat transfer coefficient, the heat resistance to the radiation layer or the heat radiation layer is large, and the heat radiation effect as expected cannot be obtained. There is.

そこで、本発明は、炭素材料の被覆層を基板上に形成して炭素被覆材とすることにより輻射体の熱抵抗を大幅に緩和し輻射による放熱量を大幅に増加させる炭素被覆材の製造方
法及び炭素被覆材を提供することを目的とする。
Therefore, the present invention provides a carbon coating material manufacturing method in which a coating layer of a carbon material is formed on a substrate to form a carbon coating material, thereby greatly reducing the heat resistance of the radiator and greatly increasing the amount of heat released by radiation. And it aims at providing a carbon coating material.

請求項1記載の発明は、炭素材料を噴き付けるエアロゾルデポジッション法により金属製の基材上に炭素材料を噴きつけて炭素被覆層を形成する炭素被覆材の製造方法を提供する。   The invention according to claim 1 provides a method for producing a carbon coating material in which a carbon coating layer is formed by spraying a carbon material on a metal substrate by an aerosol deposition method in which the carbon material is sprayed.

請求項2記載の発明は、炭素材料と金属材料とを噴き付けるエアロゾルデポジッション法により金属製の基材上に炭素材料と金属材料とを噴きつけて炭素材料と金属材料とが混合した炭素被覆層を形成する炭素被覆材の製造方法を提供する。   The invention according to claim 2 is a carbon coating in which a carbon material and a metal material are mixed by spraying the carbon material and the metal material onto a metal substrate by an aerosol deposition method in which the carbon material and the metal material are sprayed. A method for producing a carbon coating material for forming a layer is provided.

請求項3記載の発明は、金属基材上に樹脂を介さずに直接炭素材料が被覆されてなる炭素被覆材を提供する。   The invention according to claim 3 provides a carbon coating material in which a carbon material is directly coated on a metal substrate without using a resin.

請求項4記載の発明は、金属基材上に樹脂を介さずに、直接、炭素材料と金属材料とが混合状態で被覆されてなる炭素被覆材を提供する。   The invention according to claim 4 provides a carbon coating material in which a carbon material and a metal material are directly coated in a mixed state on a metal substrate without using a resin.

本発明によれば、基材上に炭素被覆層を形成することができ、熱伝導に対して熱抵抗が小さく、放熱量の大きい炭素被覆材を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, a carbon coating layer can be formed on a base material, a thermal resistance with respect to heat conduction is small, and a carbon coating material with a large heat dissipation can be provided.

以下、添付図面を参照して本発明に係る炭素被覆材の製造方法及び炭素被覆材の具体例を説明する。なお、本発明に係る炭素被覆材は、熱伝導性フィラーを含有する熱伝導性のよい粘着剤層により発熱部品の放熱面に対する接着面に密着させて取り付けられるものとする。また、本実施の形態に係る炭素被覆材は、発熱部品、例えば、電子部品の冷却用として、特に、ノート型パソコン、携帯電話機などの薄型軽量化(小型化)が追求される電子機器、例えば、LSIの冷却にも用いられるものとする。   Hereinafter, with reference to an accompanying drawing, the example of the manufacturing method of the carbon covering material and carbon covering material concerning the present invention is explained. In addition, the carbon coating material which concerns on this invention shall be attached by making it closely_contact | adhere to the adhesive surface with respect to the heat radiating surface of a heat-emitting component with the heat conductive adhesive layer containing a heat conductive filler. In addition, the carbon coating material according to the present embodiment is used for cooling a heat generating component, for example, an electronic component. It is also used for LSI cooling.

図1は本発明に係る炭素被覆材の製造方法に用いるエアロゾルデポジッション装置の解説図である。
エアロゾルデポジッション装置1には処理室としてチャンバ2が設けられる。チャンバ2内の一方側には、XYステージ3がX軸(例えば、水平方向)、Y軸(例えば、垂直方向)に移動自在に設けられ、XYステージ3に一体に基板ホルダ4が設けられる。基板ホルダ4には、金属基材として、例えば、金属シート5が保持される。また、金属シート5の被着面を覆うように炭素被覆層(後述する)を形成するため、チャンバ2内の他方側にノズル6が設けられる。金属シート5は、汎用性の高い金属、例えば、熱伝導の優れた銅又はその合金のシートから形成され、ノズル6のノズル口6aが、金属シート5の被着面に臨ませられる。なお、ノズル口(噴出口)6aと金属シート5の被着面との間には、例えば、10mm程度の間隔が設けられる。また、チャンバ2には、チャンバ内雰囲気を排気するため排気管9が設けられ、排気管9には、排気を清浄化するためのフィルタ装置10が設けられる共に、排気によりチャンバ2内を減圧するための真空ポンプ11が設けられる。
FIG. 1 is an explanatory view of an aerosol deposition apparatus used in the method for producing a carbon coating material according to the present invention.
The aerosol deposition apparatus 1 is provided with a chamber 2 as a processing chamber. On one side of the chamber 2, an XY stage 3 is provided movably along an X axis (for example, horizontal direction) and a Y axis (for example, vertical direction), and a substrate holder 4 is provided integrally with the XY stage 3. For example, a metal sheet 5 is held on the substrate holder 4 as a metal base material. In addition, a nozzle 6 is provided on the other side in the chamber 2 in order to form a carbon coating layer (described later) so as to cover the adherend surface of the metal sheet 5. The metal sheet 5 is formed of a highly versatile metal, for example, a sheet of copper or an alloy thereof excellent in heat conduction, and the nozzle port 6 a of the nozzle 6 faces the surface to be attached to the metal sheet 5. Note that, for example, an interval of about 10 mm is provided between the nozzle port (jet port) 6a and the surface to which the metal sheet 5 is attached. Further, the chamber 2 is provided with an exhaust pipe 9 for exhausting the atmosphere in the chamber. The exhaust pipe 9 is provided with a filter device 10 for purifying the exhaust gas, and the inside of the chamber 2 is decompressed by exhaust. A vacuum pump 11 is provided.

ノズル6には炭素材料の紛体(粉末、粒子(微粒子)を含む)と搬送流体とから構成されるエアロゾル(以下、炭素被覆層形成用エアロゾルという)を、ノズル6から噴出させて金属シート5の被着面に噴き付けるために、第1エアロゾル供給装置7が取り付けられる。この第1エアロゾル供給装置7には、炭素被覆層形成用エアロゾルに、金属材料、例えば、銅又はその合金の粉体と搬送流体とから構成されるエアロゾル(以下、混合用エアロゾルという)を、ノズル6の上流側で混合させてノズル6から噴出させることもできる
ようにするため、第2エアロゾル供給装置8が取り付けられている。
An aerosol composed of a carbon material powder (including powder, particles (fine particles)) and a carrier fluid (hereinafter referred to as a carbon coating layer forming aerosol) is ejected from the nozzle 6 to the nozzle 6 to form a metal sheet 5. A first aerosol supply device 7 is attached for spraying on the adherend surface. In the first aerosol supply device 7, a carbon coating layer forming aerosol, a metal material, for example, an aerosol composed of powder of copper or its alloy and a carrier fluid (hereinafter referred to as a mixing aerosol), The second aerosol supply device 8 is attached so that it can be mixed upstream of the nozzle 6 and ejected from the nozzle 6.

第1エアロゾル供給装置7には、炭素被覆層形成用エアロゾルを生成する第1エアロゾル生成容器7aと、搬送流体を第1エアロゾル生成容器7aに供給し、炭素被覆層形成用エアロゾルを生成するための上流側配管7bと、第1エアロゾル生成容器7a内で生成した炭素被覆層形成用エアロゾルをノズル6に供給するための下流側配管7cと、搬送流体供給源としてのガスボンベ7dとが設けられる。
第1エアロゾル供給装置7の上流側配管7bには減圧弁7eが設けられ、搬送流体の流量を調節するための第1マスフローコントローラ7fが減圧弁7eの下流側に設けられる。また、上流側配管7bの第1マスフローコントローラ7fの下流側には、搬送流体の供給/停止を切り換えるため第1開閉弁7hが設けられ、第1エアロゾル供給装置7の下流側配管7cには、ノズル6へのエアロゾルの供給/停止を切り換えるため第2開閉弁7iが設けられる。
The first aerosol supply device 7 supplies a first aerosol generation container 7a for generating a carbon coating layer forming aerosol and a carrier fluid to the first aerosol generation container 7a to generate a carbon coating layer forming aerosol. An upstream pipe 7b, a downstream pipe 7c for supplying the carbon coating layer forming aerosol generated in the first aerosol generating container 7a to the nozzle 6, and a gas cylinder 7d as a carrier fluid supply source are provided.
A pressure reducing valve 7e is provided in the upstream pipe 7b of the first aerosol supply device 7, and a first mass flow controller 7f for adjusting the flow rate of the carrier fluid is provided on the downstream side of the pressure reducing valve 7e. Further, a first on-off valve 7h is provided on the downstream side of the first mass flow controller 7f of the upstream side pipe 7b in order to switch supply / stop of the carrier fluid, and the downstream side pipe 7c of the first aerosol supply device 7 includes In order to switch supply / stop of the aerosol to the nozzle 6, a second on-off valve 7i is provided.

第1エアロゾル生成容器7a内、すなわち、第1エアロゾル化室7jには、炭素材料の粉体がチャージされ、ガスボンベ7dには搬送流体として不活性ガス、例えば、液体窒素が充填される。   The first aerosol generating container 7a, that is, the first aerosol generating chamber 7j is charged with powder of carbon material, and the gas cylinder 7d is filled with an inert gas, for example, liquid nitrogen as a carrier fluid.

第2エアロゾル供給装置8には、第2エアロゾル生成容器8aと、搬送流体を第2エアロゾル生成容器8aに供給するための上流側配管8bと、エアロゾルを、第1エアロゾル供給装置7の下流側配管7cに合流させるための下流側配管8cとが設けられる。   The second aerosol supply device 8 includes a second aerosol generation container 8 a, an upstream pipe 8 b for supplying a carrier fluid to the second aerosol generation container 8 a, an aerosol, and a downstream pipe of the first aerosol supply apparatus 7. And a downstream pipe 8c for joining with 7c.

第2エアロゾル供給装置8の上流側配管8bは、前記ガスボンベ7dを兼用とするため、第1エアロゾル供給装置7の上流側配管7bの減圧弁7eと第1マスフローコントローラ7fとの間に一端部が接続され、他端部が第2エアロゾル生成容器8a内に挿入される。第2エアロゾル供給装置8の下流側配管8cは、第2エアロゾル生成容器8aに一端部が挿入され、他端部が第1エアロゾル供給装置7の下流側配管7cに接続される。
第2エアロゾル供給装置8の上流側配管8bには、上流側から下流側に向かって、第2マスフローコントローラ8d、第3開閉弁8eが設けられ、第2エアロゾル供給装置8の下流側配管8cに第4開閉弁8fが設けられる。
そして、第2エアロゾル生成容器8a内、すなわち、第2エアロゾル化室8gには、金属材料、例えば、銅又はその合金の粉体がチャージされる。
Since the upstream pipe 8b of the second aerosol supply device 8 also serves as the gas cylinder 7d, one end portion is provided between the pressure reducing valve 7e of the upstream pipe 7b of the first aerosol supply device 7 and the first mass flow controller 7f. The other end is connected and inserted into the second aerosol generating container 8a. One end of the downstream pipe 8 c of the second aerosol supply device 8 is inserted into the second aerosol generation container 8 a and the other end is connected to the downstream pipe 7 c of the first aerosol supply device 7.
The upstream side pipe 8b of the second aerosol supply device 8 is provided with a second mass flow controller 8d and a third on-off valve 8e from the upstream side to the downstream side, and the downstream pipe 8c of the second aerosol supply device 8 is connected to the downstream side pipe 8c. A fourth on-off valve 8f is provided.
And the metal material, for example, the powder of copper or its alloy, is charged in the 2nd aerosol production container 8a, ie, the 2nd aerosolization chamber 8g.

次に、図1乃至図3を参照して本実施の形態に係る炭素被覆材の製造方法を説明する。
図2は本発明の実施の形態に係る炭素被覆材の断面図である。
本実施の形態では、まず、炭素被覆層形成材料である炭素材料の粉体と搬送流体としてのNガスから成る炭素被覆層形成用エアロゾルを、金属シート5の被着面に噴きつけるエアロゾルデポジッション法により金属シート5の被着面に衝突させ、これによって金属シート5の被着面上に炭素被覆層5aを形成する。
Next, with reference to FIG. 1 thru | or FIG. 3, the manufacturing method of the carbon coating material which concerns on this Embodiment is demonstrated.
FIG. 2 is a cross-sectional view of the carbon coating material according to the embodiment of the present invention.
In the present embodiment, first, an aerosol coating that sprays carbon coating layer forming aerosol, which is made of carbon material powder, which is a carbon coating layer forming material, and N 2 gas, as a transport fluid, onto the adherend surface of the metal sheet 5. The carbon coating layer 5a is formed on the deposition surface of the metal sheet 5 by colliding with the deposition surface of the metal sheet 5 by the position method.

炭素被覆層5a形成の際は、まず、第1開閉弁7h、第2開閉弁7i、第3開閉弁8e、第4開閉弁8fを閉とした状態でチャンバ2内を大気圧以下、好ましくは真空までに減圧する。次に、第3開閉弁8e、第4開閉弁8f、第2開閉弁7iを閉として、第1開閉弁7hのみを開とする。これにより、第1エアロゾル化室7jのみに搬送流体であるNガスが導入される。Nガスの導入により第1エアロゾル化室7jが攪拌され、第1エアロゾル化室7j内の炭素被覆層形成材料の粉体が舞うように攪拌されるので、炭素被覆層形成用エアロゾルが生成される。 When the carbon coating layer 5a is formed, first, the inside of the chamber 2 is under atmospheric pressure with the first on-off valve 7h, the second on-off valve 7i, the third on-off valve 8e, and the fourth on-off valve 8f being closed, preferably Depressurize to vacuum. Next, the third on-off valve 8e, the fourth on-off valve 8f, and the second on-off valve 7i are closed, and only the first on-off valve 7h is opened. Thereby, the N 2 gas that is the carrier fluid is introduced only into the first aerosolization chamber 7j. The introduction of N 2 gas stirs the first aerosolization chamber 7j and stirs the powder of the carbon coating layer forming material in the first aerosolization chamber 7j so that the aerosol for forming the carbon coating layer is generated. The

次に、第3開閉弁8e、第4開閉弁8fを閉、第1開閉弁7h及び第2開閉弁7iを開とし、同時に、XYステージ3のX軸方向、Y軸方向の走査によって金属シート5をX軸
、Y軸方向に走査し、ノズル6から噴出される炭素被覆層形成用エアロゾルを金属シート5の被着面に面内均一に衝突させる。
Next, the third on-off valve 8e and the fourth on-off valve 8f are closed, the first on-off valve 7h and the second on-off valve 7i are opened, and at the same time, the metal sheet is scanned by scanning the XY stage 3 in the X-axis direction and the Y-axis direction. 5 is scanned in the X-axis and Y-axis directions, and the carbon coating layer forming aerosol ejected from the nozzle 6 is caused to collide uniformly with the adherend surface of the metal sheet 5.

このとき、炭素材料の粉体の速度は、破砕により活性化された新生面が出現するよう、第1マスフローコントローラ7fにより調節される。このため、炭素被覆層形成用エアロゾル中の炭素材料の粉体は、金属シート5の被着面との衝突によって破砕され、新生面が露出する。この新生面により、金属シート5の被着面上で破砕された粉体同士が接合され、炭素被覆層5aが金属シート5の被着面上に形成され、炭素被覆層5aを被覆した炭素被覆材12が得られる。
すなわち、炭素被覆層5aは、樹脂のバインダを介さずに金属シート5の被着面に直接かつ一体に接合される。
金属シート5は熱伝導がよく炭素材料からなる炭素被覆層5aは輻射がよいため、金属シート5から炭素被覆層5aへの熱抵抗値が、熱抵抗の高い樹脂のバインダを介して接合した場合と比べて大幅に低下する。
よって、炭素被覆材12の輻射量が従来のよりも大幅に増加し、炭素被覆材12の放熱量が従来よりも大幅に増加する。このため、動作特性の安定化が必要な発熱部品、特に、ノート型パソコン、携帯電話機など薄型軽量化(小型化)が追求される電子機器の電子部品を良好に冷却することができ、動作特性を安定化することができる。
At this time, the speed of the carbon material powder is adjusted by the first mass flow controller 7f so that a new surface activated by crushing appears. For this reason, the powder of the carbon material in the aerosol for forming the carbon coating layer is crushed by the collision with the adherend surface of the metal sheet 5, and the new surface is exposed. With this new surface, the crushed powders are joined together on the adherend surface of the metal sheet 5, the carbon coating layer 5a is formed on the adherend surface of the metal sheet 5, and the carbon coating material covering the carbon coating layer 5a 12 is obtained.
That is, the carbon coating layer 5a is directly and integrally joined to the adherend surface of the metal sheet 5 without using a resin binder.
Since the metal sheet 5 has a good thermal conductivity and the carbon coating layer 5a made of a carbon material has good radiation, the thermal resistance value from the metal sheet 5 to the carbon coating layer 5a is bonded through a resin binder having a high thermal resistance. Compared with, it is greatly reduced.
Therefore, the radiation amount of the carbon coating material 12 is significantly increased as compared with the conventional case, and the heat radiation amount of the carbon coating material 12 is significantly increased as compared with the conventional technology. For this reason, heat-generating components that require stabilization of operating characteristics, especially electronic components of electronic devices that are pursued to be thinner and lighter (such as notebook computers and mobile phones) can be cooled well. Can be stabilized.

次に、前記エアロゾルデポジッション装置1により、金属基材としての金属シート5上に炭素材料と金属材料とが混合した炭素被覆層5bを形成する炭素被覆材の製造方法について説明する。
まず、準備工程として、第1エアロゾル化室7b に、炭素材料、例えば、汎用の担素材の粉体をチャージし、第2エアロゾル化室8gに、金属材料、例えば、銅の紛体をチャージする。チャンバ2内の圧力は、前記炭素被覆層5aの場合と同じ圧力とする。ただし、金属の粉体は、電気的に中性でない場合に凝集が発生しやすく、凝集が発生すると搬送流体の攪拌によっても粉体に戻すことは困難であるため、予め、自然酸化により、表面に酸化膜を形成しておき、粉体としての振舞いを可能にしておく。
Next, a method for producing a carbon coating material for forming the carbon coating layer 5b in which the carbon material and the metal material are mixed on the metal sheet 5 as the metal substrate by the aerosol deposition apparatus 1 will be described.
First, as a preparatory step, the first aerosolization chamber 7b is charged with a carbon material, for example, a general-purpose carrier powder, and the second aerosolization chamber 8g is charged with a metal material, for example, copper powder. The pressure in the chamber 2 is the same as that in the case of the carbon coating layer 5a. However, since the metal powder tends to agglomerate when it is not electrically neutral, and it is difficult to return it to the powder even by agitation of the carrier fluid, the surface of the metal powder is previously oxidized by natural oxidation. An oxide film is formed on the surface to enable the behavior as a powder.

準備工程を終了すると、次に、第1開閉弁7h、第3開閉弁8eを開とし、他の開閉弁(第2開閉弁7i、第4開閉弁8f)を閉とする。これにより、Nガスが第1エアロゾル化室7j、第2エアロゾル化室8gに導入される。第1エアロゾル化室7jでは、銅の紛体とNガスとが混合した炭素覆層形成用エアロゾルが生成され、第2エアロゾル化室8gでは、銅の粉体とNガスとが混合した金属混合用エアロゾルが生成される。 When the preparation process is completed, the first on-off valve 7h and the third on-off valve 8e are opened, and the other on-off valves (second on-off valve 7i and fourth on-off valve 8f) are closed. As a result, N 2 gas is introduced into the first aerosolization chamber 7j and the second aerosolization chamber 8g. In the first aerosolization chamber 7j, a carbon covering layer forming aerosol in which copper powder and N 2 gas are mixed is generated, and in the second aerosolization chamber 8g, a metal in which copper powder and N 2 gas are mixed. A mixing aerosol is produced.

次に、第1開閉弁7h、第2開閉弁7i、第3開閉弁8e及び第4開閉弁8fを開とし、同時に、XYステージ3のX軸方向、Y軸方向の走査により金属シート5のXYステージのX軸方向、Y軸方向に走査し、炭素被覆層形成用エアロゾルと混合用エアロゾルとが合流したエアロゾルを金属シート5の被着面に対して衝突させる。これにより、炭素材料の粉体が破砕し、活性面が露出するため、金属シート5の炭素被覆層5b上に炭素材と金属粉体である銅とが混合した炭素被覆層(以下、混合層という)5bが形成される。混合層5bは、樹脂のバインダを介さずに金属シート5の被着面に直接かつ一体に接合されており、金属、すなわち、銅は熱伝導がよく、炭素材料は輻射がよいので、金属シート5から金属材料、炭素材料への熱抵抗が小さくなる。
このため、炭素被覆材12の輻射に伴う放熱量は、熱抵抗の高い樹脂のバインダを介して接合した場合と比べて大幅に増大する。
また、炭素被覆層において、金属材料は、物理的な緩衝材としても機能するので、炭素被覆層5bの衝撃割れや欠け等を可及的に防止することができる。
Next, the first on-off valve 7h, the second on-off valve 7i, the third on-off valve 8e, and the fourth on-off valve 8f are opened, and at the same time, the XY stage 3 is scanned in the X-axis direction and the Y-axis direction. Scanning in the X-axis direction and the Y-axis direction of the XY stage causes the aerosol, in which the carbon coating layer forming aerosol and the mixing aerosol are merged, to collide with the adherend surface of the metal sheet 5. Thereby, since the powder of the carbon material is crushed and the active surface is exposed, the carbon coating layer (hereinafter, mixed layer) in which the carbon material and copper as the metal powder are mixed on the carbon coating layer 5 b of the metal sheet 5. 5b is formed. The mixed layer 5b is directly and integrally joined to the adherend surface of the metal sheet 5 without a resin binder, and the metal, that is, copper has good heat conduction, and the carbon material has good radiation. The thermal resistance from 5 to the metal material and the carbon material is reduced.
For this reason, the amount of heat released due to the radiation of the carbon coating material 12 is significantly increased as compared with the case where the carbon coating material 12 is bonded via a resin binder having a high thermal resistance.
Further, in the carbon coating layer, the metal material also functions as a physical buffer material, and therefore, impact cracking and chipping of the carbon coating layer 5b can be prevented as much as possible.

図3は炭素被覆層形成用エアロゾルと混合用エアロゾルとをそれぞれ別々のノズルから
噴出させるようにしたエアロゾルデポジッション装置の他の実施の形態を示す。
このエアロゾルデポジッション装置15においては、チャンバ2内に、前記ノズル6と隣接させて第2ノズル14が設けられ、第2エアロゾル供給装置8の下流側配管8cが第1エアロゾル供給装置7の下流側配管7cから切り離されて第2ノズル14に接続される。
他の構成は図1を参照して説明したエアロゾルデポジッション装置1と同じなので、ここでは、同一符号を付し、説明を省略する。
このエアロゾルデポジッション装置15により、ノズル6から噴出する炭素被覆層形成材料のエアロゾルに第2ノズル14から噴出する金属材料混合用のエアロゾルを合流させ、合流したエアロゾルを金属シート5の炭素被覆層5aの表面に衝突させることができる。このため、この実施の形態でも、前記したように、第1開閉弁7h、第2開閉弁7i、第3開閉弁8e及び第4開閉弁8fの切り換えと、XYステージ3をX軸方向、Y軸方向に走査するだけで、図3に示すように金属シート5上に炭素被覆層5a又は混合層5bを形成することができる。
FIG. 3 shows another embodiment of the aerosol deposition apparatus in which the carbon coating layer forming aerosol and the mixing aerosol are ejected from separate nozzles.
In the aerosol deposition apparatus 15, a second nozzle 14 is provided in the chamber 2 adjacent to the nozzle 6, and the downstream pipe 8 c of the second aerosol supply apparatus 8 is downstream of the first aerosol supply apparatus 7. It is cut off from the pipe 7 c and connected to the second nozzle 14.
Other configurations are the same as those of the aerosol deposition apparatus 1 described with reference to FIG. 1, and therefore, the same reference numerals are given here and the description thereof is omitted.
By this aerosol deposition device 15, the aerosol for mixing the metal material ejected from the second nozzle 14 is joined to the aerosol of the carbon coating layer forming material ejected from the nozzle 6, and the joined aerosol is the carbon coating layer 5 a of the metal sheet 5. Can collide with the surface. Therefore, also in this embodiment, as described above, the switching between the first on-off valve 7h, the second on-off valve 7i, the third on-off valve 8e and the fourth on-off valve 8f, and the XY stage 3 in the X-axis direction, Y Only by scanning in the axial direction, the carbon coating layer 5a or the mixed layer 5b can be formed on the metal sheet 5 as shown in FIG.

以下、図1、図2を参照して本発明に係る一実施例を説明する。
この実施例では、図1で説明したエアロゾルデポジッション装置1を用い、金属基材である金属シート5の上に、炭素材料からなる炭素被覆層5aを形成して炭素被覆材12を形成した。
金属シート5には銅シートを用い、炭素材料には、平均粒度(平均粒径)が10〜50nmのカーボンブラックの粉体を用いた。なお、カーボンブラックの粉体は、独国のデグッサ(Degussa)社よりPRINTEX XEの商品名で、三菱化学株式会社よりケッチエンブラックの商品名で入手することができる。
カーボンブラックの粉体は第1エアロゾル化室7jにチャージし、ガスボンベ7dには窒素ボンベを用いた。ノズル口(噴出口)6aと金属シート5の被着面との間には、10mm程度の間隔を設けた。
第1マスフローコントローラ7fの流量値は、ノズル6から金属シート5の被着面に向けてカーボンブラックの粉体が10m/minから1000m/minの高速で噴出されるように調節した。
An embodiment according to the present invention will be described below with reference to FIGS.
In this example, the carbon coating material 12 was formed by forming the carbon coating layer 5a made of a carbon material on the metal sheet 5 which is a metal substrate, using the aerosol deposition apparatus 1 described in FIG.
A copper sheet was used as the metal sheet 5, and a carbon black powder having an average particle size (average particle size) of 10 to 50 nm was used as the carbon material. Carbon black powder can be obtained from Degussa, Germany under the trade name of PRINTEX XE and from Mitsubishi Chemical Corporation under the trade name of Ketchen Black.
The carbon black powder was charged into the first aerosolization chamber 7j, and a nitrogen cylinder was used as the gas cylinder 7d. An interval of about 10 mm was provided between the nozzle opening (spout port) 6a and the adherend surface of the metal sheet 5.
The flow rate value of the first mass flow controller 7f was adjusted so that the carbon black powder was ejected from the nozzle 6 toward the adherend surface of the metal sheet 5 at a high speed of 10 m / min to 1000 m / min.

炭素被覆層5aの形成の際は、真空ポンプ11の排気により、チャンバ内圧力を1Pa〜1000Pa程度とした。次に、第3開閉弁8e及び第4開閉弁8fを閉、第1開閉弁7h、第2開閉弁7iを開とし、同時に、XYステージ3のX軸、Y軸方向の走査により、金属シート5の被着面への炭素被覆層形成用エアロゾルの噴きつけを行った。この際、第1のエアロゾル化室内では粉体が舞い、金属シート5の被着面には炭素材料から成る炭素被覆層5aが形成された。この場合、ノズル6の形状や状態によって、製膜されるレートは大きく異なるが、本実施例では、カーボンブラックの粉末のサイズや、製膜条件から炭素被覆層形成用エアロゾルの噴きつけを50回往復行って炭素被覆層の厚みを約100nmとしたが、ケッチエンブラックと基材との接触が良好であれば、フォノンや自由電子による熱伝達が効率よく起こるため、如何なる厚さとしてもよい。また、炭素材料としては、特性の点で、電気伝導性に優れる、ケッチエンブラックを用いるとよい。
炭素被覆層5aの形成後、炭素被覆層5aの表面を電子顕微鏡で観察すると、炭素材料は、衝突により、割れが発生し、粒径が小さくなっている。これは、カーボンブラックの粉体の衝突により、割れるなどして新生面が発生し、強固な付着力が発生したものと想定される。また、炭素被覆層5aの表面の炭素材料は、衝突により、割れが発生し、粒径が小さくなっているので、この状態でも十分に放熱材の表面として機能することが分かる。
なお、金属シート5の被着面に、炭素材料と銅とが混合した混合層5bを形成すると、表面の意匠性だけでなく、割れなどの物理的な耐久性がさらに向上されることも確認している。
When the carbon coating layer 5a was formed, the pressure in the chamber was set to about 1 Pa to 1000 Pa by exhausting the vacuum pump 11. Next, the third on-off valve 8e and the fourth on-off valve 8f are closed, the first on-off valve 7h and the second on-off valve 7i are opened, and at the same time, the metal sheet is scanned by scanning the XY stage 3 in the X-axis and Y-axis directions. The aerosol for forming the carbon coating layer was sprayed onto the 5 adherend surface. At this time, the powder flew in the first aerosolization chamber, and a carbon coating layer 5 a made of a carbon material was formed on the deposition surface of the metal sheet 5. In this case, the rate of film formation varies greatly depending on the shape and state of the nozzle 6, but in this embodiment, spraying of the aerosol for forming the carbon coating layer is performed 50 times depending on the size of the carbon black powder and the film forming conditions. The thickness of the carbon coating layer was set to about 100 nm by reciprocating. However, if the contact between the Ketchen Black and the base material is good, heat transfer by phonons and free electrons occurs efficiently, so any thickness may be used. As the carbon material, Ketchen Black, which has excellent electrical conductivity in terms of characteristics, may be used.
When the surface of the carbon coating layer 5a is observed with an electron microscope after the carbon coating layer 5a is formed, the carbon material is cracked by collision and has a small particle size. This is presumed that a new surface was generated by cracking or the like due to the collision of the carbon black powder, and a strong adhesive force was generated. Moreover, since the carbon material on the surface of the carbon coating layer 5a is cracked by collision and has a small particle size, it can be seen that even in this state, the carbon material functions sufficiently as the surface of the heat dissipation material.
In addition, it is confirmed that when the mixed layer 5b in which the carbon material and copper are mixed is formed on the adhesion surface of the metal sheet 5, not only the surface design but also physical durability such as cracking is further improved. is doing.

なお、本発明に係る実施の形態では炭素被覆材の炭素材料としては、汎用のカーボン材、グラファイト、ケッチエンブラック等の炭素材料が用いられるが、コスト的にやや難があるものの、カーボンナノチューブやフラーレン又はその誘導体を使用してもよい。
さらに、本実施の形態では、金属基材として金属シート5を例示したが、本発明は、これに限定されるものではない。例えば、金属基材がヒートシンク等、金属製の放熱器であってもよい。また、金属シート5の上に炭素被覆層5a又は混合層5bを形成して発熱部品を冷却するための炭素被覆材を形成する説明をしたが、輻射特性が良い材料であれば、炭素材料に代わる材料を使用してもよい。この場合、材料選定は、要求される放熱特性と、コストによって選択するものとする。
このように、本発明は、種々の改変が可能であり、このような改変された発明に本発明が及ぶことは当然である。
In the embodiment according to the present invention, a carbon material such as a general-purpose carbon material, graphite, or Ketchen black is used as the carbon material of the carbon coating material. Fullerene or a derivative thereof may be used.
Furthermore, in this Embodiment, although the metal sheet 5 was illustrated as a metal base material, this invention is not limited to this. For example, the metal substrate may be a metal radiator such as a heat sink. In addition, the carbon coating layer 5a or the mixed layer 5b is formed on the metal sheet 5 to form the carbon coating material for cooling the heat-generating component. However, if the material has good radiation characteristics, Alternative materials may be used. In this case, material selection is made according to required heat dissipation characteristics and cost.
Thus, the present invention can be modified in various ways, and the present invention naturally extends to such modified invention.

本発明の実施の形態に係るエアロゾルデポジッション装置の構成を示す解説図である。It is explanatory drawing which shows the structure of the aerosol deposition apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明に係る炭素被覆材の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the carbon coating material which concerns on this invention. 本発明に係る炭素被覆材の他の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other structure of the carbon coating material which concerns on this invention. 本発明の実施の形態に係るエアロゾルデポジッション装置の他の実施の形態を示す解説図である。It is explanatory drawing which shows other embodiment of the aerosol deposition apparatus which concerns on embodiment of this invention. 材料別の分光放射率を示す図である。It is a figure which shows the spectral emissivity according to material.

符号の説明Explanation of symbols

5 金属シート(金属基材)
5a 炭素被覆層
5b 炭素被覆層(混合層)
12 炭素被覆材
5 Metal sheet (metal substrate)
5a Carbon coating layer 5b Carbon coating layer (mixed layer)
12 Carbon coating material

Claims (4)

金属製の基材上にエアロゾルデポジッション法により炭素材料を噴きつけて炭素被覆層を形成することを特徴とする炭素被覆材の製造方法。   A method for producing a carbon coating material, comprising forming a carbon coating layer by spraying a carbon material on a metal substrate by an aerosol deposition method. 金属製の基材上にエアロゾルデポジッション法により炭素材料と金属材料とを噴きつけて炭素材料と金属材料とが混合した炭素被覆層を形成することを特徴とする炭素被覆材の製造方法。   A method for producing a carbon coating material, wherein a carbon coating layer in which a carbon material and a metal material are mixed is formed on a metal substrate by spraying the carbon material and the metal material by an aerosol deposition method. 金属基材上に樹脂を介さずに直接炭素材料が被覆されてなる炭素被覆材。   A carbon coating material in which a carbon material is directly coated on a metal substrate without using a resin. 金属基材上に樹脂を介さずに、直接、炭素材料と金属材料とが混合状態で被覆されてなる炭素被覆材。   A carbon coating material in which a carbon material and a metal material are directly coated in a mixed state on a metal substrate without using a resin.
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