JP4528243B2 - 熱伝導材料及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱伝導材料及びその製造方法に関し、特に熱伝導性が高く、コストが低い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、電子部品はさらに小型化が進んでいくので、小型電子部品の放熱性をさらに高めることは益々注目されていく。それに対応して、各種の放熱手段、例えば、ファン、水冷放熱、ヒートパイプなどを利用する手段は開発されていた。しかし、従来の放熱装置と電子部品との接触面には凹凸があり、緊密に接触できないので、電子部品の放熱効率が低下する。従って、放熱装置及び電子部品の接触面に高熱伝導材料を設置することにより、両方の接触面積を増加する提案がある。

従来の熱伝導材料は、高熱伝導の粒子状の充填物（Particle Filler）がマトリクス材（Matrix Material）に分散されて成す複合材料である。ここで、高熱伝導の粒子物としては、石墨、ダイヤモンド、酸化亜鉛、アルミナ、銀や他の金属などである。マトリクス材は、放熱グリース（Thermal Greases）、相変化材料(Phase Change Materials)を含み、例えば、オレフィン、エラストマーパッド（Elastomeric Pad）、シリコーンなどを採用することができる。しかし、粒子状の充填物は不規則的にマトリクス材に分布されているので、熱伝導材料の両面の間に放熱パスが形成されない。従って、マトリクス材による熱伝導材料の熱伝導係数が最小の１W／K・ｍ程度に達するので、電子部品に対応する高放熱性を満足できない。
中国特許出願第１４８３６６７号明細書 Ｓｃｉｅｎｃｅ、Ｖｏｌ２０９（５４９５）、Ｐａｇｅ１３３１―１３３４（２０００年１１月１７日）の"Macroscopic Fibers and Ribbons of Oriented Carbon Nanotubes" Ｓｃｉｅｎｃｅ、Ｖｏｌ３０５（５６８９）、Ｐａｇｅ１４４７〜１４５０（２００４年９月３日）の"Macroscopic, Neat, Single-Walled Carbon Nanotube Fibers" Ｓｃｉｅｎｃｅ、Ｖｏｌ３０４（５６６８）、Ｐａｇｅ２７６〜２７８（２００４年４月９日）の"Direct Spining of Carbon Nanotube Fiber from Chemical Vapor Deposition Synthesis"

従って、高熱伝導性を持つ熱伝導材料及びその製造方法が必要となる。

次に、本発明に係る実施例に基づいて、熱伝導材料及びその製造方法について説明する。該実施例に係る熱伝導材料は、第一表面及び第二表面を備える基板と、この基板に分布されるファイバーと、を含む。ここで、前記ファイバーは、前記第一表面から前記第二表面まで延伸するように、前記基板に分布される。

前記ファイバーは、前記基板の前記第一表面及び前記第二表面と垂直して形成される。

前記ファイバーの直径は１００ｎｍ〜１００μｍにされる。

前記ファイバーは炭素ナノチューブ・高分子材料複合ファイバー、炭素ファイバー、金属・高分子材料複合ファイバー、陶磁・高分子材料複合ファイバーなどのいずれでも良い。

前記高分子材料は、相変化材料、樹脂材料、熱伝導材料、又はそれらの混合物を含む。

前記相変化材料はオレフィンが好ましい。

前記樹脂材料はエポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコン樹脂の一種が好ましい。

また、複数のファイバーを準備する工程と、この複数のファイバーを所定の方向に配列する工程と、埋め込み用の材料を利用して前記の工程で配列されたファイバーを埋め込んで、熱伝導材料を形成する工程と、を含む。

前記ファイバーの直径は１００ｎｍ〜１００μｍにされる。

前記ファイバーの配列方法は、フロック加工、巻取り方法、機械梳綿方法、手工の梳綿方法などを含む。

前記フロック加工方法は、静電フロック加工方法、機械フロック加工方法、空気駆動のフロック加工方法、又はそれらの結合の方法を含む。

前記高分子材料は、相変化材料、樹脂材料、熱伝導材料、又はそれらの混合物のいずれであってもよい。

前記相変化材料はオレフィンが好ましい。

前記樹脂材料はエポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコン樹脂の一種が好ましい。

従来の技術と比べて、本発明に係る熱伝導材料は、複合ファイバー及び／又は炭素のファイバーと基板材料とを複合して、前記の複合ファイバー及び／又は炭素のファイバーが該基板に所定の方向に沿って、互いに平行して該基板の第一表面から第二表面まで延伸して配列され、熱伝導のパスが形成されることになる。従って、このような熱伝導材料は、良好に熱伝導の目的を実現することができる。また、該熱伝導材料は、従来の技術を利用して加工が行われるので、大規模の生産に適用でき、コストが低くになる。

以下、図面を参考して本発明について詳しく説明する。

（実施例１）
図６に示すように、本発明に係る実施例１の熱伝導材料１０は、第一表面４１およびそれに反対の第二表面４２を備える基板４と、この基板４に分布される複数の炭素ナノチューブ・高分子材料のファイバー２と、を含む。ここで、前記複数のファイバー２は前記第一表面４１から前記第二表面４２まで延伸するように、基板４に規則的に（例えば、マトリックスのように）配列されている。また、前記基板４の肉厚は実際の仕様により適宜設定されるが、その材料はオレフィンを採用する。このように構成されれば、本実施例の熱伝導材料１０は電気部品に応用される場合、電気部品の平らでない接触面と完全に接合でき、熱抵抗が低減するので、電気部品の放熱を効率的に高めることができる。前記ファイバーとして、炭素ナノチューブ・高分子材料の複合ファイバー２が採用される。さらに、前記第一表面４１及び前記第二表面が平行して、複数の炭素ナノチューブ・高分子材料の複合ファイバー２の間が互いに平行し、且つ前記第一表面４２及び第二表面に垂直するように構成されることが好ましい。

本実施例において、前記複数の炭素ナノチューブ・高分子材料の複合ファイバー２は、高分子材料及び所定の方向によりこの高分子材料の中に配列された炭素ナノチューブを複合して成すものである。このような構成は、熱伝導のパスを形成することに有利である。前記炭素ナノチューブ・高分子材料の複合ファイバー２は直径が１００ｎｍ〜１００μｍにされるが、その炭素ナノチューブは炭素ナノチューブ・高分子材料の複合ファイバー２全体の体積の１％以上になり、さらに５０％以上の程度になることもできる。このように構成されれば、機械の機能が良好になり、高熱伝導係数の炭素ナノチューブの熱伝導パスが形成される。従って、前記熱伝導材料１０は優れた熱伝導の性能を持つことになる。

次に、実施例１に係る熱伝導材料の製造方法をさらに説明する。

工程１では、炭素ナノチューブ・高分子材料の複合ファイバーを提供する。具体的に以下の第一方法及び第二方法がある。

第一方法によれば、例えば製糸工程により、炭素ナノチューブ・高分子材料の複合ファイバーを直接製造することができる。まず、２０ｍｌの硝酸が入っている容器に０．２ｍｌのポリウレタン（polyurethane）と、２ｍｇの炭素ナノチューブと、を入れる。そして、前記の容器はＫＱ−５００Ｂの超音波洗浄機に置いて５分間分離動作させてから、注射針でこの容器から０．２〜０．３ｍｌの液体を取って、ステンレス製の皿に入っている脱イオン水に入れ、３０度の温度に保持される。２０〜３０分間の後、注射針で前記のように形成した液体の表面につけて線引きを行って、ステップ・モーターのローラーに付け、１２ｃｍ／ｓｅｃ程に該ステップ・モーターによる自動巻き上げの作業を行うと、直径が１μｍの、炭素ナノチューブ２１及び硝酸２２が複合されてなった（図１及び図２に示す）炭素ナノチューブ・硝酸の複合ファイバー２０が製造できる。また、混合液体の濃度及びステップ・モーターの回転速度を変更することにより、炭素ナノチューブの含有量が異なる複合ファイバーが製造することができる。なお、例えば、非特許文献１に記載されるように、他の方法として、直径が１００ｎｍ〜１００μｍの炭素ナノチューブ・高分子材料の複合ファイバーが製造することもできる。

前記の第一方法は、現在の非規則的な炭素ナノチューブの大規模製造において、炭素ナノチューブ・高分子複合ファイバーを製造することに適用する。前記非規則的な炭素ナノチューブの製造は１５ｋｇ／ｈ程度に達し、コストが１０元／ｇ以下になるので、前記第一方法による炭素ナノチューブ・高分子複合ファイバーはコストが低減し、大規模の製造に適応し、良好な機械性能及び熱伝導性能を持つ。また、このように製造された高分子複合ファイバーの炭素ナノチューブの含有量は制御することができる。

第二方法によれば、炭素ナノチューブロープ（Carbon Nanotube Yarn）を形成した後、この炭素ナノチューブロープと高分子の溶液とが複合されて炭素ナノチューブ・高分子材料の複合ファイバーが形成される。具体的には、まず、平滑なシリコンの基板に複数の炭素ナノチューブ束（Carbon Nanotube Bundle）を成長させ、そして、該複数の炭素ナノチューブ束の一つのブロックを選択して、例えばピンセットでこの炭素ナノチューブ束を引いて、炭素ナノチューブロープを形成する。引き動作の力は選択された炭素ナノチューブ束のブロックの大小によって決め、即ち、炭素ナノチューブ束のブロック面積が大きければ、引き動作の力が強くなる。また、前記炭素ナノチューブ束のブロック毎に複数の平行の炭素ナチューブ束からなり、長さが同様で、端部がファンデルワース力（Van der Waals forces）によって相互に結びつき合っているので、これらの炭素ナノチューブ束からなった炭素ナノチューブロープはほぼ同様な長さに形成されている。また、該炭素ナノチューブロープは長さが３０ｃｍ以上、幅が必要によって調整できる。具体的な説明は、特許文献１に示すようになる。なお、他の方法で各種の炭素ナノチューブロープが形成されることもできる。例えば、非特許文献２、並びに、非特許文献３に記載されている方法が採用される。

前記の炭素ナノチューブロープは、高分子材料の溶液に浸入されて、該高分子材料と複合されて、炭素ナノチューブ・高分子材料の複合ファイバーが製造される。ここで、該高分子材料は例えばエポキシ樹脂、アクリル樹脂等の樹脂材料、又は、オレフィン等の相変化材料、又は、相似の構成及び性能を有する高分子材料、又はそれらの混合物の一種を採用することができる。

前記第二方法によれば、直径が１００ｎｍ〜１００μｍの炭素ナノチューブ・高分子材料の複合ファイバーが形成され、また、該複合ファイバーが良好な機械性能及び熱伝導性能を持っている。

工程２では、次の第三方法及び第四方法により前記の炭素ナノチューブ・高分子材料の複合ファイバーをマトリックスのように配列させる。

第三方法は、短いファイバーに対応して利用されるものである。まず、フロック加工技術により、フロック加工機械を利用して、前記工程に形成されたファイバーをカットして短いファイバー（例えば２０ｍｍ以下の程度）に加工される。そして、基板１を準備し（図３に示す）、該基板１の表面に例えば、アクリル酸の接着剤又は他の接着剤が塗布される。そして、例えば、静電フロック加工、機械フロック加工、空気駆動のフロック加工、又はそれらの結合の加工方法（例えば、空気駆動のフロック・静電フロック加工方法）により、前記基板１に炭素ナノチューブ・高分子材料の複合ファイバーのマトリックス（図４に示す）を形成する。該マトリックスは複数の炭素ナノチューブ・高分子材料の複合ファイバー２が前記基板１に垂直して、互いに平行するように配列して構成される。

ここで、静電フロック加工は次の工程を含む。所定の距離に離れた二枚の極板にそれぞれ正負の電荷を与えて、例えば７ＫＶ以上の電界が形成されるようにする。前記基板は一方の極板とされてもよく、別置きの極板に設置されても良い。一方の極板におけるファイバーは該極板の電荷を持つので、逆の電荷を持つもう一方の極板により吸引され、前記ファイバーの一端が該極板の接着剤に接着される。このようにすると、前記ファイバーは接着剤に接着されない場合、続けて前記作業を行って、前記ファイバーがもう一方の極板に接着されるまでに該作業を終止する。このようにすれば、形成されたファイバーのマトリックスは電気線を基準として配列される。また、前記二枚の極板の間の電気線は互いに平行し、該極板に垂直するので、前記ファイバーのマトリックスは互いに平行し、該極板に垂直する形態になる。

なお、機械フロック加工は次の工程を含む。まず、基板１を複数の回転のローラー又は攪拌用の棒に置いて振動させると、重力によって前記ファイバーがホッパーを介して前記基板１に施される。前記複数の回転のローラー又は攪拌用の棒はファイバーの所定方向に振動させて、前記ファイバーが前記基板１の接着剤に接着され、そして、不必要なファイバーを除去して、前記基板１に直立したファイバーのマトリックスが形成される。

空気駆動のフロック加工は次の工程を含む。即ち、気流でファイバーが基板１に設置される。このようにすれば、ファイバーは気流の方向に沿って整合されて、前記基板の接着剤に接着されるので、気流の方向を制御することにより、前記基板１に直立したファイバーのマトリックスを製造することができる。

短いファイバーに対しては、フロック加工方法を利用せず、直接短いファイバーを基板１に分散して設置する。炭素ナノチューブ・高分子材料の複合ファイバーは良好な機械性能を持つので、紡績工業に利用される梳綿方法により機械の梳綿操作を行ってもでき、ブラシの製造工程に用いられる手工の梳綿方法を利用することもできる。前記のようにすれば、前記基板１にファイバーのマトリックスが整列して形成される。

第四方法は長いファイバーに対する方法である。３０ｃｍ以上のような長いファイバーに対しては、精確に所定の長さによりカット加工を行わずに、直接巻いて配列される。ここで、前記の巻取りの作業は、長いファイバーを棒の形状の物体に巻いて配列させることである。

工程３には、前記の工程に形成された炭素ナノチューブ・高分子材料のファイバーのマトリックスを埋め込み用の材料３を利用して埋め込む（図５に示す）。具体的は、前記炭素ナノチューブ・高分子材料のファイバーのマトリックス及び埋め込み用のオレフィンを複合して固化し、そして、前記炭素ナノチューブのマトリックスを埋め込み、図５に示す形態に形成する。

工程４には、カット加工して、熱伝導材料の構成が形成される。即ち、精確なミクロンレベルのカット技術を応用して、炭素ナノチューブ・高分子材料のファイバーのマトリックスをカット加工して、所定の厚さ（例えば、５０μｍ）の熱伝導材料１０（図６に示す）を製造する。該熱伝導材料１０の厚さは実際の仕様により決める。

本発明に係る実施例２の熱伝導材料は実施例１と同様であり、基板と、該基板に分布される複数のファイバーを含む。しかし、ファイバーの材質が異なるという不同な点がある。実施例２に係るファイバーは金属・高分子材料の複合ファイバーや陶磁・高分子材料の複合ファイバーなどを採用し、直径が１００ｎｍ〜１００μｍにされる。ここで、金属ファイバーは、銅ファイバー、アルミニウムファイバー、銀ファイバーなどを含み、陶磁ファイバーは、ＺｎＯファイバーやＡｌ_２Ｏ_３ファイバーなどを含む。実施例２に係る製造方法も、金属・高分子材料の複合ファイバー又は陶磁・高分子材料の複合ファイバーをマトリックスの形状に配列し、埋め込んでカット加工を行った後、熱伝導材料を製造する。

本発明に係る実施例３の熱伝導材料は実施例１及び実施例２と同様であり、基板と、該基板に分布される複数のファイバーを含む。しかし、ファイバーは炭素ファイバーから成るという不同な点がある。該炭素ファイバーの熱伝導係数は１２００Ｗ／Ｋ・ｍ以上になり、直径が１００ｎｍ〜１００μｍにされる。実施例３に係る製造方法も、炭素ファイバーをマトリックスの形状に配列し、埋め込んでカット加工を行った後、熱伝導材料を製造する。

なお、本発明に係る実施例１と実施例２と実施例３とにおけるマトリクス材は、オレフィンに限らず、他の相変化材料、又は例えば、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコン樹脂等の樹脂材料、又は熱伝導ラテックスのような物質、又は高分子弾性体、又はそれらの混合物を採用しても良い。

本発明に係る実施例１の炭素ナノチューブ・高分子材料の複合ファイバーの構成模式図である。 図１の一部を拡大して示す図である。 本発明に係る実施例１の基板の模式図である。 本発明に係る実施例１における、基板に形成された炭素ナノチューブ・高分子材料の複合ファイバーの構成模式図である。 本発明に係る実施例１における、マトリクス材を利用して炭素ナノチューブ・高分子材料の複合ファイバーを埋め込むことを示す図である。 カット加工を行った熱伝導材料の構成模式図である。

符号の説明

１０ 熱伝導材料
１、４ 基板
３ 埋め込みの材料
４１ 第一表面
４２ 第二表面
２ 炭素ナノチューブ・高分子材料のファイバー

Claims (3)

1. 第一表面及び第二表面を備える基板と、該基板に分布されるファイバーと、を含む熱伝導材料であり、
   前記ファイバーは、前記第一表面から前記第二表面まで延伸するように、前記基板に分布され、
   前記ファイバーは、炭素ナノチューブ・高分子材料複合ファイバーから成るものであることを特徴とする熱伝導材料。
2. 前記高分子材料は、相変化材料、樹脂材料、熱伝導材料、又はそれらの混合物を含むことを特徴とする、請求項１に記載の熱伝導材料。
3. 複数のファイバーを準備する工程と、
   前記複数のファイバーを所定の方向に配列させる工程と、
   埋め込み用の材料を利用して前記の工程で配列されたファイバーを埋め込んで、複合材料を形成する工程と、
   前記複合材料を所定の厚さにより、前記ファイバーの長手方向に垂直する方向に沿ってカット加工をして、熱伝導材料を製造する工程と、
   を含み、
   前記ファイバーは炭素ナノチューブ・高分子材料複合ファイバーから成るものであり、
   前記複数のファイバーを準備する工程において、
   導電部材を溶液に入れて、器具で線引きを行って、機械加工によりファイバーを製造することを特徴とする熱伝導材料の製造方法。

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