JP2010070413A - グラファイト複合体 - Google Patents

Abstract

【課題】膨張黒鉛を用いた黒鉛シートや高分子フィルムを熱分解した熱分解グラファイトシートは、熱対策として熱伝導率を大きくしたりシート厚みを厚くしたりすることが難しく熱輸送性能が不十分であるという課題があった。
【解決手段】高分子フィルムを高温で熱分解した熱分解グラファイトシート１２の両主面１４上に黒鉛シート１１を積層し、さらに黒鉛シート１１が主面１４から外方に延びて熱分解グラファイトシート１２の外周１５で互いに結合した結合部１７を形成し、結合部１７を少なくとも熱分解グラファイトシート１２の重心１６を挟んで対向した位置に設け、かつこの対向した結合部１７を外周１５の４分の１以上に夫々設けてグラファイト複合体を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発熱体が発生した熱を伝導、放散するためのグラファイト複合体に関するものである。

近年、電子機器は、携帯電話やパーソナルコンピュータに代表されるように高性能化、小型化、薄型化の要求に伴い、半導体素子等の電子部品の高性能化、高密度化によって発熱量が著しく増大し、電子機器の温度上昇を抑制することが重要な課題になっている。

この熱対策として熱伝導率が良好で薄膜、軽量で柔軟性のあるグラファイトシートを用い、グラファイトシートを介在させて電子部品の発熱体の熱をヒートシンクや筐体等の放熱体へ熱を伝達したり発熱体の熱を迅速に拡散しヒートスポットの温度を下げたりしている。

これに用いるグラファイトシートとして、高分子フィルムを高温で熱分解した熱分解グラファイトシートや膨張黒鉛を用いた黒鉛シートが知られている。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば特許文献１に示すものが知られている。
特開２００６−２０３０１８号公報

電子機器の小型、薄型化や、半導体素子等の高性能化、高密度化が更に増大しているため、グラファイトシートの熱輸送量を大きくし熱輸送性能を更に向上させることが求められている。そしてグラファイトシートの熱輸送量は、シート面方向に熱を伝導させる場合、面方向の熱伝導率とシート厚みを大きくすることにより高めることができる。

しかしながら、従来の熱分解グラファイトシートの場合は、熱伝導率は非常に大きいが原料の高分子フィルムを厚くすると熱分解時にフィルム内部から発生するガスのため脆く粉状になりシートを厚くすることができない課題があった。

また、黒鉛シートの場合は、熱分解グラファイトシートに比較するとシートを厚くすることができるがシートを厚くしていくと層間剥離を生じ易くより厚くすることが困難であり、また熱伝導率が熱分解グラファイトシートに比べ相対的に低いため所定のシート厚みにおいて熱輸送量を大きくできず熱輸送性能が不十分であるという課題があった。

本発明は、このような従来の課題を解決し所定のシート厚みにおいて熱輸送性能が高いグラファイト複合体を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、熱分解グラファイトシートと、この熱分解グラファイトシートの両主面上に積層された黒鉛シートとを備えたグラファイト複合体であって、前記熱分解グラファイトシートは高分子フィルムを焼成して生成されたもので、前記黒鉛シートは黒鉛粉を含有するものであり、前記黒鉛シートは前記熱分解グラファイトシートの外周の少なくとも一部で前記黒鉛シートが互いに結合した結合部を有し、前記結合部は、少なくとも前記熱分解グラファイトシートの重心を挟んで対向した位置に設けられ、この対向した結合部は前記外周の４分の１以上に夫々設けられたグラファイト複合体である。

以上のように本発明のグラファイト複合体によれば、黒鉛シートの結合部を少なくとも熱分解グラファイトシートの重心を挟んで対向した位置に設け、この対向した結合部を熱分解グラファイトシートの外周の４分の１以上に夫々設けることによって、熱分解グラファイトシート上に柔軟性のある黒鉛シートを直接密着して積層できる。

そのため熱分解グラファイトシートと黒鉛シートとの主面界面における熱伝導の低下を抑制し、黒鉛シートと熱分解グラファイトシートとを積層した合成熱伝導率を低下させることなくシート厚みを厚くすることができ、また熱伝導率の大きい黒鉛シート間に熱伝導率が黒鉛シートより大きい熱分解グラファイトシートを積層しているので合成熱伝導率を大きくすることができ、所定のシート厚みにおいて熱輸送性能が高いグラファイト複合体を得ることができる。

またグラファイト複合体は、熱分解グラファイトシートの前記主面に貫通孔を備え、前記貫通孔に充填された黒鉛粉を介して黒鉛シート同士が結合されたものとしてもよく、熱分解グラファイトシートと黒鉛シートとの主面界面における密着性を高め隙間をより低減でき、主面界面における熱伝導の低下を抑制し合成熱伝導率の低下を防止できるため熱輸送性能を更に高めることができる。

またグラファイト複合体は、黒鉛シートが前記貫通孔上にある黒鉛シートの嵩密度を前記貫通孔のない部分の前記主面上にある黒鉛シートの嵩密度より小さく設けたものでもよく、黒鉛シートの層間剥離の発生や拡大を防止することができグラファイト複合体の耐曲げ性を良好にすることができる。

（実施の形態１）
請求項１に記載の本発明に係る実施の形態１のグラファイト複合体について説明する。

図１は本発明の実施の形態１におけるグラファイト複合体の側面断面図、図２は同平面図であり、図１は図２のＡ−Ａ断面である。

グラファイト複合体は、図１、図２に示すように、熱分解グラファイトシート１２と、熱分解グラファイトシート１２を挟持する黒鉛シート１１とを備えている。

熱分解グラファイトシート１２は、矩形状の主面１４を両面に備え、この主面１４の外周の端面に外周１５を有している。

黒鉛シート１１は、熱分解グラファイトシート１２の両主面１４上に接して積層され、この両主面１４上の黒鉛シート１１が主面１４の外方に延びて互いに結合した結合部１７を有している。

結合部１７は、熱分解グラファイトシート１２の外周１５の少なくとも一部に接して設けられ、少なくとも熱分解グラファイトシート１２の重心１６を挟んで対向した位置に設けられ、さらに対向した結合部１７は外周１５の４分の１以上に夫々設けられている。

図２においては、熱分解グラファイトシート１２の重心１６は、熱分解グラファイトシート１２は一定のシート厚みで均質であるので、主面１４の中央の位置に設けられている。

このように結合部１７を設けることにより、熱分解グラファイトシート１２上に柔軟性のある黒鉛シート１１を確実に密着して積層できる。そのため黒鉛シート１１と熱分解グラファイトシート１２が接した主面１４界面における熱伝導の低下を抑制して、黒鉛シート１１と熱分解グラファイトシート１２とに熱伝導を相互に分散させて効率よく主面１８方向に熱伝導させることができる。そして黒鉛シート１１と熱分解グラファイトシート１２とを接して積層した状態の合成熱伝導率を低下させることがなくグラファイト複合体のシート厚みを厚くすることができ、グラファイト複合体の熱輸送性能を高めることができる。

一方、対向した結合部１７を外周１５の４分の１より小さく設ける場合には、主面１４上にある黒鉛シート１１の変形を防止できなくなり、黒鉛シート１１と熱分解グラファイトシート１２とを主面１４上において密着させることが困難になる。

図２においては、グラファイト複合体の結合部１７は、外周１５の両側の対向する長辺全体に亘って外周１５に沿って設けられ、外周１５の短辺側には設けられていない。そして結合部１７によって黒鉛シート１１を熱分解グラファイトシート１２の主面１４に密着させて黒鉛シート１１間に熱分解グラファイトシート１２を挟み込んでいる。

またグラファイト複合体は、結合部１７を熱分解グラファイトシート１２の外周１５全体に亘って設けて、熱分解グラファイトシート１２全体を黒鉛シート１１間に埋設したものであることがより好ましく、黒鉛シート１１と熱分解グラファイトシート１２との密着強度をより高めることができる。

グラファイト複合体の黒鉛シート１１は、鱗片状の黒鉛粉を含有するものであり、黒鉛粉はグラファイト複合体の主面１８に沿って配向するように堆積されている。

また、前記黒鉛粉は膨張黒鉛を用いることが好ましく、膨張黒鉛は天然グラファイトを粉砕しグラファイト層間に濃硫酸、濃硝酸の溶液を添加して酸処理した後、加熱処理を行って天然グラファイトを発泡させ、鱗片状の黒鉛粉を形成したものであり、膨張黒鉛は可塑性があるため樹脂の結合剤を用いずに加圧成形でき熱伝導率の高い黒鉛シート１１を得ることができる。

また前記黒鉛粉は、鱗片状又は球状の熱分解黒鉛等を用いることができる。

黒鉛シート１１は、主面１８方向の熱伝導率は１００Ｗ／ｍＫ〜３５０Ｗ／ｍＫを有し、主面１４上の黒鉛シート１１のシート厚みを厚くすることにより、単体の熱分解グラファイトシートに比べシート厚みを厚くできグラファイト複合体の主面１８方向の熱輸送性能を高めることができる。

グラファイト複合体の熱分解グラファイトシート１２は、一定厚みを有する原料の高分子フィルムを温度２５００℃〜３１００℃で焼成して生成されたものであり、層状の結晶が大きいグラファイトが主面１４方向に沿って配向して積層されている。

また、熱分解グラファイトシート１２は、焼成した後の熱分解グラファイトシートを更に圧延処理したものを用いることが好ましく、熱伝導率を向上させることができる。

前記高分子フィルムは、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド等の耐熱性の芳香族高分子を用いることが好ましく、熱分解グラファイトシート１２は熱伝導率を黒鉛シート１１に比べ非常に高くすることができ、熱分解グラファイトシート１２の主面１４方向の熱伝導率を４００Ｗ／ｍＫ〜１８００Ｗ／ｍＫとすることができる。

このように熱分解グラファイトシート１２の熱伝導率は黒鉛シート１１より大きいので、グラファイト複合体の主面１８方向の熱伝導率は単体の黒鉛シートの熱伝導率に比較し大きい値とすることができ、同じシート厚みを有する単体の黒鉛シートに比較し熱輸送性能の高いグラファイト複合体を得ることができる。

次に、実施の形態１のグラファイト複合体の製造方法は、まず黒鉛粉をロール成形して黒鉛シートを形成し、この黒鉛シートの主面を熱分解グラファイトシートの主面の面積より大きく設けて、この黒鉛シート間に熱分解グラファイトシートを直接接して重ね合わせる。

次に黒鉛シートに当接する面が平坦な剛体板を用い、この剛体板を黒鉛シートに押し当て黒鉛シートをプレス加圧して圧縮する。

このプレス加圧により、両面の黒鉛シートにおける熱分解グラファイトシートの外周から外方に突出した部分を互いに圧着接合して結合部１７を形成し、シート状のグラファイト複合体を形成するものである。

また、グラファイト複合体は、樹脂接着剤等の熱伝導率の低い材料を介さずに熱分解グラファイトシート１２と黒鉛シート１１とが直接接して積層しているのでシート厚み方向の熱伝導率を高くすることができる。

以上のように、本実施の形態１のグラファイト複合体は、熱分解グラファイトシート１２の主面１４上に黒鉛シート１１を密着させて積層することができ、所定のシート厚みにおいて熱輸送性能の高いグラファイト複合体を得ることができる。

なお、グラファイト複合体は樹脂フィルム又は金属フィルムで被覆されてもよく、グラファイト複合体を保護したり取り扱いを向上したりすることができる。

（実施の形態２）
次に請求項２、請求項３に記載の本発明に係る実施の形態２のグラファイト複合体について説明する。

図３は本発明の実施の形態２におけるグラファイト複合体の側面断面図、図４は同平面図である。

実施の形態２のグラファイト複合体において、熱分解グラファイトシート２２は、実施の形態１の熱分解グラファイトシート１２に貫通孔３１を設けた以外は同じであり、また黒鉛シート２１は、実施の形態１の主面２４上の黒鉛シート１１の構成が異なる以外は同じであり、同じ構成は同一番号を付し説明は省略する。

グラファイト複合体は、図３、図４に示すように、熱分解グラファイトシート２２の主面２４に少なくとも１つの貫通孔３１を設け、この熱分解グラファイトシート２２の両主面２４上に接して黒鉛シート２１が積層されている。

熱分解グラファイトシート２２の貫通孔３１は主面２４に対して略直角方向に貫通し主面２４の中央に対して対称に設けられ、熱分解グラファイトシート２２の重心２６は主面２４の中央に設けられている。

黒鉛シート２１は、両主面２４上の黒鉛シート２１が外方に延びて結合部１７で互いに結合され、さらに両主面２４上の黒鉛シート２１が貫通孔３１に充填された黒鉛粉を介して結合されている。

このように貫通孔３１に充填された黒鉛粉を介して黒鉛シート２１を結合することにより、主面２４上に設けた黒鉛シート２１の領域内で黒鉛シート２１を熱分解グラファイトシート２２に固定するので、主面２４上に設けた黒鉛シート２１の変形を更に小さくできる。これによって主面２４界面において黒鉛シート２１と熱分解グラファイトシート２２との密着性を高めて熱伝導を向上することができ熱輸送性能を高めることができる。

実施の形態２のグラファイト複合体の製造方法は、実施の形態１で用いた熱分解グラファイトシートの代わりに、実施の形態１の熱分解グラファイトシートに打ち抜きプレスにより貫通孔を形成した熱分解グラファイトシートを用いる以外は、実施の形態１と同様に行うものである。

まず、ロール成形して形成された黒鉛シート間に貫通孔を有する熱分解グラファイトシートを直接接して重ね合わせた後、黒鉛シートをプレス加圧して圧縮する。このプレス加圧によって、熱分解グラファイトシートの両主面上に配設された黒鉛シートの黒鉛粉の一部を貫通孔３１に押し込んでいく。

次に、この押し込まれた黒鉛粉を貫通孔３１内部で互いに結合させて貫通孔３１に黒鉛粉を充填させ、貫通孔３１に充填された黒鉛粉を介して両主面２４上の黒鉛シート同士を接合する。さらに熱分解グラファイトシート２２の外周１５にて両主面２４上の黒鉛シート同士を圧着接合させて結合部１７を形成し、シート状のグラファイト複合体を形成するものである。

主面２４上の黒鉛シート２１は、貫通孔３１上にある黒鉛シート２１の領域３２と貫通孔３１のない部分の主面２４上にある黒鉛シート２１の領域３３とからなり、領域３２は領域３３に囲まれて設けられている。

前記プラス加圧では、貫通孔３１上に配設された黒鉛シートの黒鉛粉の一部が貫通孔３１に充填されて、領域３２は領域３３より黒鉛粉の量が少なくなり、かつ主面２４上の黒鉛シート２１の主面２８は平坦に形成され領域３２と領域３３の厚みは同じとなるので、黒鉛シート２１の領域３２は領域３３より嵩密度が小さく形成される。

このように主面２４上の黒鉛シート２１に領域３３より嵩密度の低い領域３２を設けることにより、黒鉛シート２１の領域３２は嵩密度が低いため柔軟性が良化するので黒鉛シート２１の層間剥離の発生が低減でき、また層間剥離が生じても領域３２で拡大を防ぐことができ、そのため黒鉛シート２１と熱分解グラファイトシート２２との主面２４界面における密着性を高めながらグラファイト複合体の柔軟性を改善し耐曲げ性を良好にすることができる。

本発明のグラファイト複合体は、所定のシート厚みにおいて熱輸送性能を向上することができる効果を有し、発熱体が発生した熱を伝導、放散するためのグラファイト複合体に有用である。

本発明の実施の形態１におけるグラファイト複合体の側面断面図 本発明の実施の形態１におけるグラファイト複合体の平面図 本発明の実施の形態２におけるグラファイト複合体の側面断面図 本発明の実施の形態２におけるグラファイト複合体の平面図

符号の説明

１１ 黒鉛シート
１２ 熱分解グラファイトシート
１４ 主面
１５ 外周
１６ 重心
１７ 結合部
１８ 主面
２１ 黒鉛シート
２２ 熱分解グラファイトシート
２４ 主面
２６ 重心
２８ 主面
３１ 貫通孔

Claims (3)

1. 熱分解グラファイトシートと、この熱分解グラファイトシートの両主面上に積層された黒鉛シートとを備えたグラファイト複合体であって、
   前記熱分解グラファイトシートは高分子フィルムを焼成して生成されたもので、前記黒鉛シートは黒鉛粉を含有するものであり、前記黒鉛シートは前記熱分解グラファイトシートの外周の少なくとも一部で前記黒鉛シートが互いに結合した結合部を有し、前記結合部は、少なくとも前記熱分解グラファイトシートの重心を挟んで対向した位置に設けられ、この対向した結合部は前記外周の４分の１以上に夫々設けられたグラファイト複合体。
2. 前記熱分解グラファイトシートの前記主面に貫通孔を備え、前記貫通孔に充填された黒鉛粉を介して前記黒鉛シート同士が結合された請求項１に記載のグラファイト複合体。
3. 前記黒鉛シートは、前記貫通孔上にある黒鉛シートの嵩密度を前記貫通孔のない部分の前記主面上にある前記黒鉛シートの嵩密度より小さく設けた請求項２に記載のグラファイト複合体。

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