JP2016115659A - 熱界面素材及びその製作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリーセルにコーティングしてバッテリーセルの熱を放出する熱界面素材の熱伝導度特性を最大化するとともに、絶縁及び面接着効果を最大化することができる熱界面素材の製作方法を提供する。【解決手段】熱伝導性フィラーと、弾性力を有し、フィラーに塗布された高分子マトリックスと、フィラーとマトリックスの側面に塗布された絶縁コーティング層とを含む熱界面素材の製作方法において、フィラーを構成す物質が溶解された状態で板状に押出される段階、及び板状のフィラーにマトリックスがコーティングされる段階を含み、従来の熱界面素材（熱伝導度が最大５Ｗ／ｍＫ）と対比して高放熱熱界面素材（熱伝導度が最大２０Ｗ／ｍＫ）であり、厚さを自在にすることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、熱界面素材及びその製作方法に係り、より詳しくは、エラストマー素材を用いて界面接触を最大化し、カーボンファイバーがフィラーに含有されることにより、水平方向の熱伝導度を向上させた熱界面素材及びその製作方法に関する。

地球温暖化に伴う有害物質放出の抑制などの社会的要請によって、エコカーに対する関心が高まっているため、
エコカーのエンジンとともにバッテリー性能の最適化は、未来の自動車の重要な課題である。このようなバッテリー性能の最適化をなすために、バッテリー駆動において最適の環境を維持することがエコカーの性能を向上させる重要な要素である。
電気自動車の場合、バッテリーシステムの信頼性と安定性が電気自動車の商品価値を決定づける最も重要な要素である。多様な外部温度の変化の環境のもとでもバッテリー性能の低下防止を防止する必要があり、そのためにバッテリーシステムの適正温度範囲である攝氏４５度から攝氏５０度以下の温度を維持する必要があり、一般的な気候条件でも優れた放熱性能を有するとともに、低温環境でも適正温度を維持し得るパウチセルモジュール用熱制御システムが必要である。

現在開発中の高性能放熱複合素材としては球形フィラー及び一般炭素系フィラーを適用して熱伝導度の向上を目的としたものが殆どである。このようなフィラーの場合、７０パーセント以上のフィラー含量で熱伝導度特性の向上がみられるものの、成形性が劣るため、部品整形には限界がある。また、水平方向の熱伝導度においても限界があるため、特定の目的で水平方向の熱伝導度を必要とする部品への適用が困難である。
異種材質間の熱伝逹において、界面での空気及び異物による熱伝逹特性が低下する現象を克服するため、熱界面素材（ＴＩＭ；ＴＨＥＲＭＡＬ ＩＮＴＥＲＦＡＣＥ ＭＡＴＥＲＩＡＬ）を適用しているが、このような熱界面素材の場合は水平方向の熱伝導度特性が３Ｗ／ｍＫ以下であるため、効果的な熱伝逹に限界があり、高価格のフィラーを用いる必要がある問題点があった。

韓国登録特許 第１０−０３５３７６６号公報 特開２０１４−１８３２６１号公報

、前記問題点を解決するためになされた本発明の目的は、バッテリーセルにコーティングしてバッテリーセルの熱を放出する熱界面素材の熱伝導度特性を最大化するとともに、絶縁及び面接着効果を最大化することができる熱界面素材の製作方法を提供することにある。

前記のような目的を達成するため、本発明の一実施形態の熱界面素材の製作方法は、熱伝導性フィラーと、弾性力を有し、フィラーに塗布された高分子マトリックスと、フィラーとマトリックスの側面に塗布された絶縁コーティング層とを含む熱界面素材の製作方法において、フィラーを構成する物質が溶解された状態で板状に押出される段階、及び板状のフィラーにマトリックスがコーティングされる段階を含むことを特徴とする。

本発明の熱界面素材の製作方法によれば、従来の熱界面素材（熱伝導度が最大５Ｗ／ｍＫ）と対比して高放熱界面素材（熱伝導度が最大２０Ｗ／ｍＫ）であるため、厚さを自在に調整できる効果がある。
また、適用される部品の形状によって熱界面素材を自在に製作すること及びロールタイプの生産ができるため、大量生産が可能である。
さらに、弾性力を有するエラストマー素材をマトリックスとして用いるため、面接着特性が最大化されるとともに、ロールタイプで生産する場合、適用部品の形状に合わせて裁断及び打ち抜きが可能であるため形状の自由度が高く、素材の角部分にスプレーなどの方法を用いて絶縁特性を付与することができる。この場合、電気ショートの危険性を免れることができ、製造原価面においても従来に対比して３０から５０％のコスト節減が可能と予想される。

本発明の一実施形態の熱界面素材の製作方法のフローチャートである。 図１の熱界面素材の製作方法によるフィラーの製造状態の概要図である。 図１の熱界面素材の製作方法によって製造されたフィラーの拡大図である。 図１の熱界面素材の製作方法によってフィラーを製造する装置の写真である。 図１の熱界面素材の製作方法によってフィラーにマトリックスがコーティングされる状態の概要図である。 図１の熱界面素材の製作方法によってマトリックスがコーティングされたフィラー要部の拡大図である。 図１の熱界面素材の製作方法によってフィラーにマトリックスをコーティングする装置の写真である。 図１の熱界面素材の製作方法によってフィラーにマトリックスをコーティングする装置の他の写真である。 図１の熱界面素材の製作方法によって製作された熱界面素材の概要図である。 図１の熱界面素材の製作方法によって製作された熱界面素材及び従来の熱界面素材の面接着性を示す概要図である。 図１の熱界面素材の製作方法によって製作された熱界面素材がバッテリーセルに取り付けられた状態の及び要部の斜視図である。

現在、異種材質間の接触、すなわち、面接着の特性によって表面の粗度特性による熱抵抗（微細空気層）が形成され、効果的な熱伝逹確保のために熱界面素材を適用しているが、従来の熱界面素材の場合は高価なＡｇ（銀）、ＢＮ（窒化ホウ素；ボラゾン）をフィラーとして用いるため、コスト高となり、高効率の熱伝導度特性を確保しにくいのが実情であった。
よって、本発明は、炭素系フィラーを用いた絶縁特性の高放熱界面素材を提供し、面接着及び絶縁効果を最大化するために同一のマトリックス（エラストマー；ＫＲＡＴＯＮ、ＶＩＳＴＡＭＡＸＸなど）を活用して表面絶縁コーティングをする。また、スプレーなどを活用して側面絶縁及び前面絶縁コーティングを行うことにより、耐電圧特性及び応用時の安全性を確保することができる。

以下、本発明の実施例について、図面を参照して詳しく説明する。
図１に示すように、本発明の熱界面素材３００の製作方法は、熱伝導性フィラー１００と、弾性力を有し、フィラー１００に塗布された高分子マトリックス２００と、フィラー１００とマトリックス２００の側面に塗布された絶縁コーティング層とを含む熱界面素材３００の製作方法において、フィラー１００を構成する物質が溶解された状態で板状に押出される段階、及び板状のフィラー１００にマトリックス２００がコーティングされる段階を含む。また、マトリックス２００及びフィラー１００の側面にマトリックス２００と同一の成分の液体が散布され、絶縁コーティング層を形成する段階をさらに含む。

マトリックス２００は、スチレン系、オレフィン系、ポリエステル系、ポリアミド系ＴＰＥ（熱可塑性エラストマー；ＴＨＥＲＭＯＰＬＡＳＴＩＣ ＥＬＡＳＴＯＭＥＲ）のうちいずれか一つで製造される。マトリックス２００は、スチレン系ＴＰＥのうち、ＳＢＳ（ＳＴＹＲＥＮＥ−ＢＵＴＡＤＩＥＮＥ−ＳＴＹＲＥＮＥ ＢＬＯＣＫ ＣＯＰＯＬＹＭＥＲ）、ＳＢＥＳ（ＳＴＹＲＥＮＥ−ＢＵＴＡＤＩＥＮＥ−ＥＴＨＹＬＥＮＥ−ＳＴＹＲＥＮＥ ＢＬＯＣＫ ＣＯＰＯＬＹＭＥＲ）、ＳＩＳ（ＳＴＹＲＥＮＥ−ＩＳＯＰＲＥＮＥ−ＳＴＹＲＥＮＥ ＢＬＯＣＫ ＣＯＰＯＬＹＭＥＲ）のうちいずれか一つで製造されることが好ましい。

フィラー１００は、カーボンブラック（ＣＡＲＢＯＮ ＢＬＡＣＫ）、グラファイト（黒鉛；ＧＲＡＰＨＩＴＥ）、ＥＧＧ（膨張黒鉛；ＥＸＰＥＮＤＥＤ ＧＲＡＰＨＩＴＥ ＧＲＡＮＵＬＥ）、グラフェン（ＧＲＡＰＨＥＮＥ）及びグラフェンオキシド（ＧＲＡＰＨＥＮＥ ＯＸＩＤＥ）のうち少なくともいずれか一つで形成され得る。
また、フィラー１００は、カーボンブラック、グラファイト、ＥＧＧ、グラフェン及びグラフェンオキシドのうちいずれか一つと、ＣＮＴ（炭素ナノチューブ；ＣＡＢＯＮ ＮＡＮＯＴＵＢＥ）及びＣＦ（カーボンファイバー；ＣＡＲＢＯＮ ＦＩＢＥＲ）のうち少なくともいずれか一つとの混合物であってもよく、ＣＮＴ及びＣＦのうちいずれか一つは、方向性を有するようにフィラー１００に内蔵されてよい。ＣＮＴ及びＣＦはフィラーの熱伝導度を向上させる。

前記のような構成を有する本発明の熱界面素材３００の製作方法を介して製作された熱界面素材３００は、高放熱特性を得るために炭素系フィラー（ＥＧＧ、ＣＦなど）１００を用い、面着特性を向上させるためにエラストマー素材（ＫＲＡＴＯＮ、ＶＩＳＴＡＭＡＸＸなど）のコブロックポリマー（ＣＯ−ＢＬＯＣＫ ＰＯＬＹＭＥＲ）をマトリックス２００として用いる。
フィラー１００は、カーボンブラック、グラファイト、ＥＧＧ、グラフェン及びグラフェンオキシドのうちいずれか一つを、全体重量に対し２０〜６５ｗｔ％で含むことができる。フィラー１００は、ＣＮＴ及びＣＦのうちいずれか一つを全体重量に対し０〜２０ｗｔ％で含むことができる。
フィラー１００の構成物質及び構成の割合は、熱伝導度と成形性などを考慮して適宜変更してもよい。

水平方向の熱伝導度の向上のため、平型ＥＧＧにＣＦを混合してフィラー１００を製造する。このとき、効果を最大化するため、５０重量パーセントのＥＧＧに１０重量パーセントのＣＦを混合する。組合せによって熱伝導度特性が自在に変化する。
下記表１は、ＣＦの重量比に対する垂直方向及び水平方向の熱伝導度である。

薄膜型熱界面素材３００を構成するため、コンマコーティング（ＣＯＭＭＡＣＯＡＴＩＮＧ）方法及びマイクロコーティングなどの方法を用いてフィラー１００、特にＣＦの水平方向の配向性を向上させて、これに伴い水平方向の熱伝導度特性を強化させる（図９参照）。

絶縁特性を得るためにマトリックス２００と同一の素材を溶媒に溶解させてコーティングフィルム形態とし、これによってロールタイプに大量生産を可能とした。
部品への適用時には形状によって打ち抜き及び裁断を行い、角の部分は同一素材及び絶縁素材のスプレーコーティングなどの方法を用いて絶縁性を確保するが、絶縁方法としては、機能性素材上にコーティングすることも可能であり、絶縁フィルムの製作後にラミネーション方式で素材の製作が可能である。

本発明は、図２から図８に示すように、薄い薄膜型の熱界面素材３００を得るため、機能性炭素フィラー１００を溶媒に溶解させ、数マイクロメートルから数十マイクロメートルの厚さに圧縮させる。このとき、溶媒は、マトリックス２００素材と同一素材を用いるのが好ましい。フィラー１００の薄膜に、数マイクロメートルから数十マイクロメートルの厚さを有するようにマトリックス２００をコーティングする。これを介して、熱伝導度を有するフィラー１００、すなわち、機能層と、熱界面素材３００が取り付けられる電子部品間のショートを防止するマトリックス２００、すなわち、絶縁層とが形成される。機能層と絶縁層の厚さを調節して、面接着特性及び熱伝導度特性を取付部位に最適化させることが可能であり、適用部品に最適化した厚さに製作できる。

従来の熱界面素材３００の場合、Ａｇ（銀）、ＢＮ（窒化ホウ素；ボラゾン）などの高価のフィラー１００を適用するため、コスト面で不利な点があり、マトリックス２００の素材によってソフトタイプ、ハードタイプに区分し、タイプによって構成を異にしなければならなかった。本発明の場合、マトリックス２００、すなわち、絶縁層と、フィラー１００、すなわち、機能層との厚さを調節して、ソフトタイプ、ハードタイプの構成が可能であり、コスト的な側面においても従来に比べて３０パーセントから５０パーセント低廉に製作することができる。
本発明の製作方法によって製作された熱界面素材３００は、図６に示すように、熱伝導性フィラー１００と、弾性力を有し、フィラー１００に塗布された高分子マトリックス２００と、フィラー１００とマトリックス２００の側面に塗布された絶縁コーティング層とを含む。

前述のように、フィラー１００は膜形状に形成され、マトリックス２００はフィラー１００にコーティングされる。本発明の一実施形態で、絶縁コーティング層はマトリックス２００と同一の成分が用いられる。
一方、本発明の熱界面素材３００を高放熱複合シートに適用することが可能である。本発明の熱界面素材３００が高放熱複合シートに含まれれば、フィラー１００の熱伝導度によってＣＰＵまたは半導体などの発熱素子で発生した熱を放熱ヒーターに伝導させることが可能である。
また、マトリックス２００の弾性力を介して必要とする防塵性能及び衝撃吸収性能を確保することができる。このとき、高放熱複合シートには電磁波を遮蔽できる電磁波遮蔽層が備えられるのが好ましい。

図１０には、バッテリーセル５００に、本発明の製作方法によって製作された熱界面素材３００が取り付けられた状態、及び取り付けられていない状態での熱の移動を矢印で示した。従来は、付着面の浮彫りによって空隙が発生したが、本発明により製作された熱界面素材３００は、マトリックス２００、すなわち、絶縁層が弾性力を有するので、圧縮を受けるに伴い、マトリックス２００の形状が熱界面素材３００の付着される面の形状に従い変形され、空隙の存在を防止する。つまり、熱界面素材３００と付着面との間に空隙が発生しない。

図１１には、バッテリーモジュール４００を構成するバッテリーセル５００の間に、本発明の製作方法によって製作された熱界面素材３００が取り付けられた状態が示されている。本発明によって製作された熱界面素材３００は、必要とする熱伝導度に従い最大限薄く製作することが可能である。このような特性によって、バッテリーセル５００間の距離を最小化することができ、バッテリーモジュール４００の体積を最小化することができる。

以上のように、本発明は、好ましい実施例を図によって説明したが、本発明は前述した特定の実施例に限定されるものではなく、本発明の属する技術分野を逸脱しない範囲での全ての変更が含まれる。

１００：フィラー
２００：マトリックス
３００：熱界面素材
４００：バッテリーモジュール
５００：バッテリーセル

Claims (17)

1. 熱伝導性フィラーと、弾性力を有し、前記フィラーに塗布された高分子マトリックスと、前記フィラーと前記マトリックスの側面に塗布された絶縁コーティング層とを含む熱界面素材の製作方法において、
   前記フィラーを構成する物質が溶解された状態で板状に押出される段階、及び
   前記板状のフィラーに前記マトリックスがコーティングされる段階、
   を含むことを特徴とする熱界面素材の製作方法。
2. 前記マトリックス及び前記フィラーの側面に、前記マトリックスと同一成分の液体が分散塗布されて前記絶縁コーティング層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の熱界面素材の製作方法。
3. 前記マトリックスは、
   スチレン系、オレフィン系、ポリエステル系、ポリアミド系ＴＰＥ（熱可塑性エラストマー；ＴＨＥＲＭＯＰＬＡＳＴＩＣ ＥＬＡＳＴＯＭＥＲ）のうちいずれか一つを含むことを特徴とする請求項１に記載の熱界面素材の製作方法。
4. 前記マトリックスは、
   ＳＢＳ（ＳＴＹＲＥＮＥ−ＢＵＴＡＤＩＥＮＥ−ＳＴＹＲＥＮＥ ＢＬＯＣＫ ＣＯＰＯＬＹＭＥＲ）、ＳＢＥＳ（ＳＴＹＲＥＮＥ−ＢＵＴＡＤＩＥＮＥ−ＥＴＨＹＬＥＮＥ−ＳＴＹＲＥＮＥ ＢＬＯＣＫ ＣＯＰＯＬＹＭＥＲ）、ＳＩＳ（ＳＴＹＲＥＮＥ−ＩＳＯＰＲＥＮＥ−ＳＴＹＲＥＮＥ ＢＬＯＣＫ ＣＯＰＯＬＹＭＥＲ）のうち少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする請求項１に記載の熱界面素材の製作方法。
5. 前記フィラーは、
   カーボンブラック、グラファイト、ＥＧＧ、グラフェン及びグラフェンオキシドのうち少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする請求項１に記載の熱界面素材の製作方法。
6. 前記フィラーは、全体重量に対し２０〜６５ｗｔ％であることを特徴とするなる請求項５に記載の熱界面素材の製作方法。
7. 前記フィラーは、
   ＣＮＴ及びＣＦのうち少なくともいずれか一つをさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の熱界面素材の製作方法。
8. 前記ＣＮＴ及びＣＦのうち少なくともいずれか一つは、全体重量に対し０ｗｔ％超２０ｗｔ％未満でなることを特徴とする請求項７に記載の熱界面素材の製作方法。
9. 前記ＣＮＴまたはＣＦは、
   方向性を有するように前記フィラーに内蔵されることを特徴とする請求項８に記載の熱界面素材の製作方法。
10. 熱伝導性フィラーと、
    弾性力を有し、前記フィラーに塗布された高分子マトリックスと、
    前記フィラーと前記マトリックスの側面に塗布された絶縁コーティング層とを含むことを特徴とする熱界面素材。
11. 前記フィラーは膜形状に形成され、前記マトリックスは前記フィラーにコーティングされたことを特徴とする請求項１０に記載の熱界面素材。
12. 前記絶縁コーティング層は、前記マトリックスと同一の成分であることを特徴とする請求項１０に記載の熱界面素材。
13. 前記フィラーは、
    カーボンブラック、グラファイト、ＥＧＧ、グラフェン及びグラフェンオキシドのうち少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする請求項１０に記載の熱界面素材。
14. 前記フィラーは、全体重量に対し２０〜６５ｗｔ％でなることを特徴とする請求項１３に記載の熱界面素材。
15. 前記フィラーは、
    ＣＮＴ及びＣＦのうち少なくともいずれか一つをさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の熱界面素材。
16. 前記ＣＮＴ及びＣＦのうち少なくともいずれか一つは、全体重量に対し０ｗｔ％超２０ｗｔ％未満でなることを特徴とする請求項１５に記載の熱界面素材。
17. 熱伝導性フィラー及び前記熱伝導性フィラーにコーティングされた高分子マトリックスが備えられた熱界面素材を含むことを特徴とする高放熱複合シート。

Images