JP5042961B2 - グラファイト複合フィルム - Google Patents
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Description
1.CPUと冷却ファンやヒートシンクの間に挟む放熱スペーサや
2.DVD光ピックアップ部分や筐体部分に貼り熱を拡散させる放熱スプレッダ
等が挙げられる。
上記のような電子機器の小型化・高密度化に伴い、グラファイトフィルムに対しても薄膜化・柔軟化の要求が高まっている。その一方で、グラファイトフィルムの薄膜化・柔軟化が進行すると、グラファイトフィルムのコシが非常に弱くなり、フィルムを移し替えたり、移動させたり、フィルム周辺端部を切り取ったり、フィルムを異形状にカットしたりする等のフィルム取り扱い時に、グラファイトフィルムに皺や折れが入ったり、裂けたりする場合があった。
また、電子機器にグラファイトフィルムを取り付ける場合、グラファイトフィルム単体には粘着性・接着性がないために、粘着テープや接着テープを介して取り付ける必要がある。また、グラファイトフィルム単体は表面や端面からグラファイトの粉が落ちたり、グラファイトフィルム単体はコシが弱いために、表面に傷が入ったりする場合があった。このため、表面や補強のために絶縁テープを貼り付ける必要があった。しかしこのようなテープとの貼り合わせやラミネート過程において、グラファイトフィルムに筋や皺や折れが入ったり、裂けたりする場合があった。
また、電子機器にグラファイトフィルムを取り付ける場合、電子機器のスペースに合わせて、グラファイトフィルム及び粘着テープ・絶縁テープと貼り合わせる前後及び最終製品の直前で抜き加工をする場合が多い。グラファイトフィルム単体を抜く場合、グラファイトフィルム単体では、腰が弱いために、抜く前に波打ったり、抜いた際にフィルムがずれたりするために、金型通りに精度良く抜くことが難しくなり、0.2mm以上の寸法バラツキが発生することがあった。抜き加工の後、絶縁テープや粘着テープ等と貼り合わせることがあるが、グラファイトフィルム単体を抜ききってしまうと、次にグラファイトの抜きピース一つごとにテープを貼り合わせる必要があり、非常に手間が増えた。また、抜き終わった後、抜きで余ったグラファイトフィルムのカスを取り除く必要があるが、グラファイトフィルムはコシが弱いために、カスを取り除く際にフィルムが裂け、一度に綺麗にカスを取り除くのが難しくなり、作業効率が大幅に低下した。また、従来のグラファイトフィルムでは、厚みバラツキが大きく、特に厚みが薄いフィルムにおいては、厚みバラツキは大きな問題となった。というのも厚みバラツキが大きいと、抜きが浅い場合、グラファイトフィルムが綺麗に切り取れず、バリが発生しやすかった。また一方で、抜きが深い場合、グラファイトフィルム/粘着テープ複合フィルムに付いている剥離紙まで深く抜くことになり、剥離紙が剥がせなくなった。
また、グラファイトフィルムは、鱗片状のグラファイトが凝集したものであり、表面や端部からグラファイト粉が剥がれ落ちやすい。グラファイトフィルムを電子機器に用いる場合には、このような粉落ちは電気配線のショートを引き起こす可能性があるため好ましくない。そのため、グラファイトフィルムの表面および端面の少なくとも一部分を絶縁材料で0.5〜2mm程度はみ出させて被覆することが有効である。具体的には、グラファイトフィルムから0.5〜2mmほど、粘着テープや接着テープをはみ出させて貼ることなる。しかし、グラファイトフィルムは、非常にコシが弱く、はみ出させて貼り合わせることは非常に難しい。また、グラファイトフィルムは表面が剥がれやすいため、絶縁テープや粘着テープの貼り直し作業が難しく、一旦ずれて貼り合わせた場合に、グラファイトフィルムからテープを剥がそうとすると、表面からグラファイト粉が剥がれ、グラファイトフィルムに大きなダメージを与え、熱伝導性・機械強度の低下を引き起こす。特に、3cm角程度の形状に抜いたグラファイトフィルムに、絶縁テープや粘着テープを貼り合わせることは非常に難しい課題であった。さらに、3cm角程度の形状に抜いたグラファイトフィルムに絶縁テープや粘着テープを貼り合わせた後、さらに、グラファイトフィルムよりも0.5〜2mm程度大きく、精度良く、周辺端部を被覆した状態で、抜きとることはさらに難しい課題であった。
また、上記課題(ハンドリング性、ラミネート性、抜き加工性)を解決する手段として、絶縁テープや粘着テープを直接グラファイトフィルムに貼り合わせることが考えられる。特に、グラファイトフィルムの優れた熱拡散性を生かすためには、できるだけ厚みの薄い(50μm以下)絶縁テープや粘着テープを貼り合わせる必要があるが、この場合、結果として、熱伝導性に劣るグラファイト複合フィルムになるという問題がある。厚みの薄い絶縁テープや粘着テープを、厚みの薄いグラファイトフィルムに貼り合わせることは非常に困難であり、無理に貼り合わせをおこなうと、皺、折れ、破れ、裂け等が発生する。そのため、直接グラファイトフィルムに絶縁テープや粘着テープを貼り合わせる場合には、絶縁テープや粘着テープには、厚みが厚いモノしか使用できなくなり、結果として、熱伝導性に劣るグラファイト複合フィルムしか得られなかった。
(1)グラファイトフィルムの少なくとも片面の一部に剥離可能なフィルムが貼り合わせられたグラファイト複合フィルムであって、
該グラファイトフィルムが、厚みが100μm以下のグラファイトフィルムであり、
該グラファイトフィルムと該剥離可能なフィルムとの密着力が、0.001〜1(N/25mm)であることを特徴とするグラファイト複合フィルム。
該グラファイトフィルムが、厚み100μm以下、水に対する接触角60〜90度のグラファイトフィルムであり、
該剥離可能なフィルムが、厚み10〜200μmの樹脂フィルムの少なくとも片面に粘着層を設けたものであって、粘着層の粘着力が0.01〜2(N/25mm)であるものであることを特徴とするグラファイト複合フィルム。
該グラファイトフィルムが、厚み100μm以下、水に対する接触角60〜90度のグラファイトフィルムであり、
該剥離可能なフィルムが、厚み10〜200μmの樹脂フィルムであり、
該グラファイトフィルムと該剥離可能なフィルム間の静電気による密着力が、0.001〜1(N/25mm)であることを特徴とするグラファイト複合フィルム。
<1)グラファイト複合フィルムから剥離可能なフィルムを剥離する際のグラファイトの破損>
一つ目の課題として、ハンドリング、ラミネート、抜き加工、端部被覆といった作業において、グラファイト複合フィルムから剥離可能なフィルムを剥離する際、グラファイトフィルムと剥離可能なフィルムの密着力が高すぎる場合には、グラファイトフィルム表面からグラファイトが破損し剥がれる問題がある。また、グラファイト複合フィルムを保管していると、グラファイトフィルムと剥離可能なフィルムの密着力が高まり、グラファイト複合フィルムから剥離可能なフィルムを引き剥がそうとすると、グラファイトの剥がれが発生する場合がある。
(1)グラファイトの破損については、グラファイトフィルムと剥離可能なフィルムとの密着力をできるだけ弱くし、グラファイトフィルムから剥離可能なフィルムを引き剥がすのに必要な力を弱くし、剥離可能なフィルムを引き剥がす際の応力で、グラファイトフィルム表面からグラファイトが剥がれることを防止することが考えられる。この密着力を弱くする方法としては、以下の二つの方法がある。
二つ目の課題として、グラファイトフィルムと剥離可能なフィルムの密着力が不十分であると、ハンドリング、ラミネート、抜き加工、端部被覆といった作業において、グラファイトフィルムが剥離可能なフィルムから剥がれる問題がある。さらに、密着力が不十分であると、保管しているだけで剥離可能なフィルムの浮きや剥がれが発生する場合がある。
(1)剥離可能なフィルムの浮きと剥がれについては、グラファイトフィルムと剥離可能なフィルムとの密着力をできるだけ強くすることが考えられる。この密着力を強くする方法としては、以下の二つの方法がある。
本発明で使用するグラファイトフィルムの構造、性能等に特に制限を受けることなく、一般に市販されているグラファイトフィルムが使用可能である。本発明のグラファイトフィルムは、高分子を熱処理して得られるグラファイトフィルム、天然黒鉛を原料とするエキスパンドして得られるグラファイトフィルム等が適している。高分子熱分解法は、ポリオキサジアゾール、ポリイミド、ポリフェニレンビニレン、ポリベンゾイミダゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリチアゾールまたはポリアミド等の高分子フィルムをアルゴン、ヘリウム等の不活性雰囲気下や減圧下で熱処理する方法である。また、エキスパンド法は、粉状、燐片状の天然黒鉛を酸に浸漬後、加熱によりグラファイト層間を拡げることによって得られる膨張黒鉛をロールプレス加工する方法である。
本発明のグラファイトフィルムとしては、高分子分解法により得られたグラファイトフィルムが好ましい。本方法で作成されたグラファイトフィルムは、厚みが薄く、厚みバラツキが少なく、屈曲性、熱伝導性に優れ、抜きのバラツキ(寸法ずれ、位置ずれ、抜きが深くなったり・浅くなったりする抜きムラ)が少なくなるために好ましい。加工が終了した後には簡単に剥離しやすいフィルムを選択する事は、困難であった。また、高分子分解法により得られたグラファイトフィルムは高度な分子構造を示すため、非常に厚みが薄いながらも、強度が強く、屈曲性が高く、熱拡散性が優れたものとなりやすい。
本発明のグラファイトフィルムの表面状態をSEMにて観測すると、図1、図2のように、表面に微少な凹凸が確認される。図1は、エキスパンド法によって得られたグラファイトフィルムの表面SEM観察像であり、図2は、高分子分解法によって得られたグラファイトフィルムの表面SEM観察像である。これらの図から、エキスパンド法、高分子分解法のいずれの方法で作成されたグラファイトフィルムであっても、表面にグラファイトの境界が確認され、グラファイトの集合体になっていることが確認される。エキスパンド法で作製されたグラファイトフィルムでは、グラファイトの境界が多数あるのに対し、高分子分解法で作製されたグラファイトフィルムでは、グラファイトの境界がエキスパンド法に比べて少ない。
本発明のグラファイトフィルムの水に対する接触角は、60〜100度、好ましくは70〜95度、さらに好ましくは80〜90度である。水に対する接触角が60度より大きいと、剥離可能なフィルムとの密着力を弱くすることが可能となり、強い圧力で貼り合わせても、剥離可能なフィルムがグラファイトフィルムに密着しすぎることを防止することが出来る。その結果、ハンドリング、ラミネート、抜き加工、端部被覆の作業において、剥離可能なフィルムを剥がす際に発生するグラファイトフィルムの破損を最小限にすることが可能になる。水に対する接触角が100度より小さいと、剥離可能なフィルムとの密着力を強くすることが可能となり、弱い圧力で貼り合わせても、剥離可能なフィルムがグラファイトフィルムに密着させることが出来る。その結果、ハンドリング、ラミネート、抜き加工、端部被覆の作業において、グラファイト複合フィルムから剥離可能なフィルムが浮き剥がれることを最小限にすることが可能になる。
本発明のグラファイトフィルムにおける表面のO/C元素の比率は、0.007以下、好ましくは0.006以下、さらに好ましくは0.005以下である。グラファイトフィルムの表面のO/C元素の比率が0.007以下であれば、表面に存在する酸素官能基の濃度が低く、剥離可能なフィルムとの密着力を弱くすることが可能となり、強い圧力で貼り合わせても、剥離可能なフィルムがグラファイトフィルムに密着しすぎることを防止することが出来る。その結果、ハンドリング、ラミネート、抜き加工、端部被覆の作業において、剥離可能なフィルムを剥がす際に発生するグラファイトフィルムの破損を最小限にすることが可能になる。
グラファイトフィルムの表面状態をXPS(アルバック・ファイ(株)製、ESCA5800型)で解析した。400Wの出力で対陰極にMgを使用し、10-6Pa以下の真空下で測定した。測定結果を元に、各元素で最も強度の強いピーク面積の比較により、表面元素の構成比率を導いた。詳細には、C(280eV付近)、O(540eV付近)のピーク面積の比率から、表面元素の構成比率を導いた。
本発明のグラファイトフィルムの厚みは、薄いものが好ましい。薄膜であることで、電子機器において、省スペース化が実現できるために好ましい。具体的には、本発明のグラファイトフィルムの厚みは100μm以下、好ましくは70μm以下、さらに好ましくは50μm以下、特に好ましくは30μmである。100μm以下のグラファイトフィルムであることで、電子機器において、省スペース化が実現できるために好ましい。厚みが薄くなるに従い、ハンドリング、ラミネート、抜き加工、端部被覆において、皺、折れ、裂けが入りやすくなるが、厚みが薄いほど、剥離可能なフィルムを貼り合わせた際の改善効果が高い。厚みが薄くなるほど、グラファイト化が進行しやすくなり、特に表面のグラファイト化が進行しやすくなり、表面層が強固になり、剥離可能なフィルムを引きはがす際に、黒鉛粉末が剥がれにくくなる。また、グラファイトフィルムの厚みバラツキは±9μm以下、好ましくは±5μm以下である。バラツキが小さいと、剥離可能なフィルムを貼り合わせる圧力の面内バラツキがなくなり、その結果グラファイトフィルムと剥離可能なフィルムとの密着力の面内バラツキも小さくできる。さらに、厚みが薄くなるほど、抜きが深くなって剥離紙を切り込んだり、抜きが浅くなってグラファイトフィルムを切り取れなくバリが出たりするといった抜きのバラツキが出やすい。しかし、本発明のように厚みバラツキが小さいと、剥離可能なフィルムを貼り合わせ後の抜きバラツキを少なくできるために好ましい。
本発明のグラファイトフィルムの密度は、高いほど好ましい。具体的には、本発明のグラファイトフィルムの密度は、1.5g/cm3以上、好ましくは1.6g/cm3以上、さらに好ましくは1.7g/cm3以上である。密度が高くなるほど、グラファイト化が進行しており、グラファイト層間の強度が増し、さらに表面のグラファイト化が進行しやすくなり、表面層が強固になり、剥離可能なフィルムを引きはがす際に、黒鉛粉末が剥がれにくくなる。さらに、熱伝導性、屈曲性も改善される。一方、密度が高くなると、グラファイトフィルムが硬くなり、グラファイトフィルムを抜きすぎたり、抜きが浅くなったりするといった抜きのバラツキが発生しやすく、抜く力や方法を調整する事が難しくなるが、本発明の剥離可能なフィルムと貼り合わせることで大幅に改善する事が可能になる。
本発明のグラファイトフィルムの面方向の熱拡散率は、8.0×10-4m2/s以上、好ましくは8.5×10-4m2/s以上、さらに好ましくは9.0×10-4m2/s以上であると良い。特にグラファイトフィルムの厚みが薄い場合には、グラファイトフィルムの絶対的な熱拡散性が低下するために、電子機器の熱を拡散するためには8.0×10-4m2/s以上であることが好ましい。
本発明のグラファイトフィルムのMITは、50000回以上、好ましくは100000回以上、さらに好ましくは200000回以上であると良い。この範囲以上になると、電子機器の折り曲げ部や折り曲げた状態での熱拡散シートに使用することが可能となるために好ましい。また、ハンドリング、ラミネート、抜き加工、端部被覆する際に、グラファイトフィルムに曲げの力が加わる場合があるが、そのような工程において、折れ、曲げ、裂け、皺が入りにくくなるため好ましい。より具体的には、グラファイトフィルムをラミネートのローラーに這わせる際に、グラファイトフィルムに曲率が加わるがそのような過程を経ても熱特性の低下が確認されない。グラファイトフィルムのMIT耐屈曲試験は、東洋精機(株)製のMIT耐揉疲労試験機型式Dを用い、折り曲げ部分の曲率半径R1mm・屈曲角135度で測定した。
本発明のグラファイトフィルムは、線膨張係数が10ppm以下であり、引張弾性率が1GPa以上であり、引張強度が20MPa以上であることが好ましい。線膨張係数が小さく、弾性率が高いと、加工時に力や熱が加わっても変形する事が少なくなり、寸法精度良く加工する事が出来るために好ましい。一方、強度が高くなると、抜き加工でのバラツキが出やすい場合があるが、本発明のように、剥離可能なフィルムと組み合わせる事で、加工性が大幅に改善する事が出来る。
本発明のグラファイトフィルムの製造方法としては、高分子フィルムおよび/または炭素化した高分子フィルムからなる原料フィルムを2000℃以上の温度で熱処理することを特徴とする。
本発明のグラファイトフィルムの原料フィルムは、ポリイミド、ポリアミド、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリベンゾビスチアゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾビスオキサゾール、ポリパラフェニレンビニレン、ポリベンゾイミダゾール、ポリベンゾビスイミダゾール、ポリチアゾールのうちから選ばれた少なくとも一種類以上の高分子からなるフィルムである。
本発明で用いられる炭素化した高分子フィルムとしては、出発物質である高分子フィルムを減圧下もしくは不活性ガス中で予備加熱処理して得られる。この予備加熱は通常1000℃程度の温度で行い、例えば10℃/分の速度で昇温した場合には1000℃の温度領域で30分程度の温度保持を行うことが望ましい。
本発明の高分子フィルムにおける分子の面内配向性に関連する複屈折Δnが、フィルム面内のどの方向に関しても0.08以上、好ましくは0.10以上、さらに好ましくは0.12以上、最も好ましくは0.14である。複屈折0.08以上であると、フィルムの炭化(炭素化)、黒鉛化が進行しやすくなる。その結果、グラファイトの結晶配向性がよくなり、熱伝導性が顕著に改善される。また、黒鉛化温度が低温でも十分高い熱伝導性のグラファイトフィルムとなり、厚みが厚くても、高い熱伝導性を有するグラファイトフィルムとなる。また、炭化が進行しやすいため、炭化中の昇温速度を速く、熱処理時間を短くしても、品質の優れたグラファイトとなる。また、黒鉛化が進行しやすいため、最高温度を下げて熱処理時間を短くしても品質の優れたグラファイトとなる。またさらに、後述の金属と接触させて熱処理した場合には、従来技術では改善の余地があった表面硬度、密度、表面の密着性が改善される。
ここでいう複屈折とは、フィルム面内の任意方向の屈折率と厚み方向の屈折率との差を意味し、フィルム面内の任意方向Xの複屈折Δnxは次式(数式1)で与えられる。
次に、ポリイミドの製造方法には、前駆体であるポリアミド酸を加熱でイミド転化する熱キュア法、またはポリアミド酸に無水酢酸等の酸無水物に代表される脱水剤やピコリン、キノリン、イソキノリン、ピリジン等の第3級アミン類をイミド化促進剤として用いてイミド転化するケミカルキュア法のいずれを用いてもよい。中でも、イソキノリンのように沸点の高いものほど好ましい。というのは、フィルム作製中の初期段階では蒸発せず、乾燥の最後の過程まで、触媒効果が発揮されやすいため好ましい。特に、得られるフィルムの線膨張係数が小さく、弾性率が高く、複屈折が大きくなりやすく、また比較的低温で迅速なグラファイト化が可能で、品質のよいグラファイトを得ることができるという観点からケミカルキュアの方が好ましい。特に、脱水剤とイミド化促進剤を併用することは、得られるフィルムの線膨張係数が小さく、弾性率が大きく、複屈折が大きくなり得るので好ましい。また、ケミカルキュア法は、イミド化反応がより速く進行するので加熱処理においてイミド化反応を短時間で完結させることができ、生産性に優れた工業的に有利な方法である。
グラファイト化処理では、熱処理により炭素化した後、グラファイト構造に転化させられるが、その際には炭素−炭素結合の開裂と再結合が起きなければならない。グラファイト化をできる限り起こしやすくするためには、その開裂と再結合が最小のエネルギーで起こるようにする必要がある。出発原料フィルム(例えば、上記に列記した高分子フィルム、特にポリイミドフィルム)の分子配向は炭素化フィルム中の炭素原子の配列に影響を与え、その分子配向はグラファイト化の際に炭素−炭素結合の開裂と再結合化のエネルギーを少なくする効果を生じ得る。したがって、高度な分子配向が生じやすくなるように分子設計を行うことによって、比較的低温でのグラファイト化が可能になる。この分子配向の効果は、フィルム面に平行な二次元的分子配向とすることによって一層顕著になる。
本発明のグラファイト化工程は、炭素化工程により炭素化した高分子フィルムを一度炭素化工程用の炉から取り出した後、黒鉛化用の炉に移し変えてからおこなっても良いし、炭素化工程、及びグラファイト化工程を連続的に同一の炉でおこなっても良い。
グラファイト化工程は、減圧下もしくは不活性ガス中でおこなわれるが、不活性ガスとしてはアルゴン、ヘリウムが適当である。
本発明のグラファイトフィルムの製造方法においてその熱処理温度としては、最低でも2000℃以上が必要で、最終的には2400℃以上、より好ましくは、2600℃以上さらに好ましくは2800℃以上であり、このような熱処理温度にすることにより、熱伝導性に優れたグラファイトを得ることができる。熱処理温度が高いほど良質のグラファイトへの転化が可能であるが、経済性の観点からはできるだけ低温で良質のグラファイトに転化できることが好ましい。2500℃以上の超高温を得るには、通常はグラファイトヒーターに直接電流を流して、そのジュ−ル熱を利用した加熱が行なわれる。グラファイトヒーターの消耗は2700℃以上で進行し、2800℃ではその消耗速度が約10倍になり、2900℃ではさらにその約10倍になる。したがって、原材料の高分子フィルムの改善によって、良質のグラファイトへの転化が可能な温度を例えば2800℃から2700℃に下げることは大きな経済的効果を生じる。なお、現状一般に入手可能な工業的炉において、熱処理可能な最高温度は3000℃が限界である。
本発明に係るグラファイトフィルムの製造方法においては、前記グラファイト化工程を経てグラファイト化した原料フィルム、つまりグラファイトフィルムを、さらに、面状に加圧する「後面状加圧工程」を含むことが好ましく、熱拡散率に優れ、密度が高く、表面に傷、凹みがなく、皺のない、平坦性に優れたグラファイトフィルムが得られる。このような「後面状加圧工程」は室温でも行うことができる。
<フィルム状媒質>
前記グラファイトフィルム以外のフィルム状媒質としては、天然黒鉛から得られたグラファイトフィルムや、樹脂フィルムや、金属箔等が例示される。具体的には、天然黒鉛から得られたグラファイトフィルム、緩衝ゴム材、鉄板、テフロン(登録商標)フィルム等が挙げられる。
例えば、(グラファイトフィルム以外の媒質/1枚の前記グラファイトフィルム/グラファイトフィルム以外の媒質/1枚の前記グラファイトフィルム/グラファイトフィル以外の媒質/・・・)などのようにサンドイッチ状に挟む場合、(グラファイトフィルム以外の媒質/複数枚の前記グラファイトフィルム/グラファイトフィルム以外の媒質/複数枚の前記グラファイトフィルム/グラファイトフィルム以外の媒質/・・・)などのようにサンドイッチ状で挟む場合、などである。
本発明に係るグラファイトフィルムの製造方法においては、前記後面状加圧工程を経た複数のグラファイトフィルムを、1枚1枚に独立なグラファイトフィルムとして回収する独立回収工程を含むことが好ましい。具体的には、この独立回収工程は、平板状の先端を有するピンセットの先端をグラファイトフィルム同士の界面に差込入れる方法、2枚以上の前記フィルム状媒質の端部をそれぞれ把持して、グラファイトフィルムの平面方向と平行にずらす方法等により実施することができる。このように、本発明は1枚づつ独立なグラファイトフィルムを作製する技術を主な目的としている。
本発明の剥離可能なフィルムは、微粘着および/または静電気でグラファイトフィルムに貼り合わせられている。一般にグラファイトフィルムは、表面から黒鉛粉末か剥がれ落ちやすいが、剥離可能なフィルムは、微粘着および/または静電気といった弱い力でグラファイトフィルムに貼り合わせられているために、グラファイトフィルムから剥離可能なフィルムを引きはがす際に、グラファイトフィルムの表面から黒鉛粉を落とすことなく、引きはがす事が可能となる。ただし、微粘着フィルムで貼り合わせた場合には、貼り合わせミスで何回も貼り合わせると、粘着力にバラツキが生じ、何回も使用する事ができない場合がある。一方、静電気で貼り合わせたものでは、優れた繰り返し使用する事が可能となり好ましい。
本発明に係るグラファイトフィルム及びグラファイト複合フィルムは、熱伝導性に優れるため、あらゆる熱に関わる用途に使用することが可能である。さらに、柔軟性、電気伝導性にも優れるため、この特徴を活かした用途には特に適している。
複合品として好適である。
本発明に係るグラファイトフィルムを実際に発熱体、ヒートシンク、ヒートパイプ、水冷冷却装置、ペルチェ素子、筐体、ヒンジ等に適用する場合には、それらとの固定性、熱拡散性、放熱性、取り扱い性を改善するために、片面及び/または両面に接着材層、樹脂層、セラミック層、金属層、絶縁層、導電層等を形成することが好ましい。
[ポリイミドフィルムAの作製方法]
本発明にも4,4’−オキシジアニリンの1当量を溶解したDMF(ジメチルフォルムアミド)溶液に、ビロメリット酸二無水物の1当量を溶解してポリアミド酸溶液(18.5wt%)を得た。
ポリアミド酸に4,4’−オキシジアニリンの3当量を溶解したDMF溶液にピロメリット酸二無水物の4当量を溶解して、両末端に酸無水物を有するプレポリマが合成された後、そのプレポリマを含む溶液にp−フェニレンジアミンの1当量を溶解することによって得られたポリアミド酸を用いた以外はポリイミドフィルムAと同様にして厚さ75μmのポリイミドフィルム(ポリイミドフィルムB:弾性率4.1GPa、吸水率2.1%、複屈折0.14、線膨張係数1.6×10−5/℃)が製造された。
厚さ75μmのポリイミドフィルムAを黒鉛板に挟み、電気炉を用いて窒素雰囲気下で、1000℃まで昇温された後、1000℃で1時間熱処理して炭化処理(炭素化処理)が行われた。この炭素化フィルムを炭素化フィルムAとする。
厚さ50μmのポリイミドフィルムBを黒鉛板に挟み、電気炉を用いて窒素雰囲気下で、1000℃まで昇温された後、1000℃で1時間熱処理して炭化処理(炭素化処理)が行われた。この炭素化フィルムを炭素化フィルムBとする。
炭素化処理により得られた炭素化フィルムA50枚を黒鉛容器内に保持し、黒鉛化炉を用いて、3000℃まで昇温された後、3000℃で1時間熱処理して黒鉛化処理が行われた。熱処理後のグラファイトフィルムを、緩衝材として鉄板、ゴム板、SUS板(鏡面)、グラファイトフィルム、SUS板、ゴム板、鉄板で挟み、単板プレスを用い、15MPaの圧力で圧縮することで、グラファイトフィルムA(厚み40μm、厚みバラツキ±5μm、密度1.86g/cm3、熱拡散率9.1cm2/s、熱伝導率1200W/m・K、引張強度1.1GPa、引張弾性率22MPa、MIT>100000回、水に対する接触角85.0度、表面O/C元素の比率<0.0005)が作製された。
炭素化処理により得られた炭素化フィルムBをセットすること以外はグラファイトフィルムAと同様にしてグラファイトフィルムB(厚み25μm、厚みバラツキ±5μm、密度1.86g/cm3、熱拡散率9.5cm2/s、熱伝導率1250W/m・K、引張強度1.1GPa、引張弾性率22MPa、MIT>100000回、水に対する接触角85.2度、表面O/C元素の比率<0.0005)が作製された。
酸化剤(過酸化水素、過塩素酸等)の存在下、天然鱗状黒鉛の層間に硫酸、硝酸等を挿入し、形成された層間化合物を900〜1200℃程度の高温で急激に加熱することで分解ガス化し、このときのガス圧によって黒鉛の層間を拡げて黒鉛を膨張させた。以上のようにして得られた膨張黒鉛を圧縮予備成形し、その後ロールで圧延する事により、グラファイトフィルムC(厚み250μm、厚みバラツキ±10μm、密度1.0g/cm3、熱伝導率250W/m・K、引張強度0.5GPa、引張弾性率5MPa、MIT<100回、水に対する接触角55.0度、表面O/C元素の比率0.0008)が作製された。
グラファイトフィルムと剥離可能なフィルムとの密着力は、JIS Z−0237に準ずる、被着体:グラファイトフィルム、引張速度:300mm/min、剥離角度:90°の条件で測定した。
グラファイト化の進行状況は、フィルム面方向の熱拡散率を測定することによって判定され、熱拡散率が高いほど、グラファイト化が顕著であることを意味している。熱拡散率は、光交流法による熱拡散率測定装置(アルバック理工(株)社から入手可能な「LaserPit」)を用いて、グラファイトフィルムを4×40mmのサンプル形状に切り取り、20℃の雰囲気下、10Hzにおいて測定された。
グラファイトフィルムの密度は、グラファイトフィルムの重量(g)をグラファイトフィルムの縦、横、厚みの積で算出した体積(cm3)の割り算により算出された。なお、グラファイトフィルムの厚みは、任意の10点で測定した平均値を使用した。密度が高いほど、グラファイト化が顕著であることを意味している。
グラファイトフィルムの厚みの測定方法としては、200mm×250mmのフィルムを厚みゲージ(ハイデンハイン(株)社製、HEIDENHAIN−CERTO)を用い、室温25℃の恒温室にて、任意の10点を測定し、平均して測定値とした。厚みバラツキは、10枚のグラファイトフィルムについて、面内の任意の10点を測定し、その平均値との差とした。
接触角測定の滴下液としてはイオン交換水を使用した。接触角の測定機としては、協和界面科学株式会社製のCA−DT・A型、滴下液の注射針は協和界面科学株式会社製の15ゲージのものを用いた。液滴の滴下方向の液径は約2.0mmとし、23℃で1サンプル面あたり5点滴下し、30秒後の接触角を測定した。5点の接触角うちの最大値、最小値の1点ずつを除いた3点の接触角の平均値を四捨五入して表に示した。
グラファイトフィルムの表面状態をXPS(アルバック・ファイ(株)製、ESCA5800型)で解析した。400Wの出力で対陰極にMgを使用し、10-6Pa以下の真空下で測定した。測定結果を元に、各元素で最も強度の強いピーク面積の比較により、表面元素の構成比率を導いた。詳細には、C(280eV付近)、O(540eV付近)のピーク面積の比率から、表面元素の構成比率を導いた。
100×125mmのグラファイトフィルムAに、120×145mmの剥離可能な微粘着フィルム〔(株)スミロン製 EC−625〕をラミネーターで貼り合わせて、グラファイト複合フィルムを作製した。なお、(株)スミロン製 EC−625は、厚み:60μm、基材:ポリエチレン系、粘着層:アクリル系、粘着力:0.25(N/25mm)の微粘着フィルムである(粘着力の測定はJIS Z−0237に準じ、被着体:アクリル板、引張速度:300mm/min、剥離角度:180°の条件でおこなった)。
実施例2では、厚み:60μm、基材:ポリエチレン系、粘着層:アクリル系、粘着力:0.90(N/25mm)の微粘着フィルム、
実施例3では、厚み:100μm、基材:ポリエチレン系、粘着層:アクリル系、粘着力:0.25(N/25mm)の微粘着フィルム、
実施例4では、厚み:60μm、基材:ポリオレフィン系、粘着層:アクリル系、粘着力:0.25(N/25mm)の微粘着フィルム、
実施例5では、厚み:60μm、基材:ポリエチレンテレフタレート系、粘着層:アクリル系、粘着力:0.25(N/25mm)の微粘着フィルム
を剥離可能なフィルムに使用した以外は、実施例1と同様にしてグラファイト複合フィルムを作製した。
100×125mmのグラファイトフィルムAを、「鉄板、ゴム板、SUS(鏡面)、グラファイトフィルムA、120×145mmの剥離可能なフィルム(厚み:50μm、基材:ポリエチレンテレフタレート)、ゴム板、鉄板」の構成で挟み、単板プレスを用いて、15MPaの圧力で圧縮し、鉄板、ゴム板、SUS板を剥がし、グラファイトフィルムの片面に剥離可能なフィルムが静電気で密着したグラファイト複合フィルムを作製した。
100×125mmのグラファイトフィルムAを、「鉄板、ゴム板、SUS(鏡面)、グラファイトフィルムA、120×145mmの剥離可能なフィルム(厚み:50μm、基材:片面にシリコーン撥水処理されたポリエチレンテレフタレート)、ゴム板、鉄板」の構成で挟み、単板プレスを用いて、15MPaの圧力で圧縮し、鉄板、ゴム板、SUS板を剥がし、グラファイトフィルムの片面に剥離可能なフィルムが静電気で密着したグラファイト複合フィルムを作製した。
グラファイトフィルムに、グラファイトフィルムBを使用した以外は、実施例1〜7と同様にしてグラファイト複合フィルムを作製した。
比較例1では、グラファイトフィルムA単体を使用した。
(比較例2)
比較例2では、厚み:60μm、基材:ポリエチレン系、粘着層:アクリル系、粘着力:3.20(N/25mm)の微粘着フィルムを剥離可能なフィルムに使用した以外は、実施例1と同様にしてグラファイト複合フィルムを作製した。
比較例3では、グラファイトフィルムB単体を使用した。
比較例4では、厚み:60μm、基材:ポリエチレン系、粘着層:アクリル系、粘着力:3.20(N/25mm)の微粘着フィルムを剥離可能なフィルムに使用した以外は、実施例1と同様にしてグラファイト複合フィルムを作製した。
比較例5では、グラファイトフィルムC単体を使用した。
100×125mmのグラファイトフィルムCに、120×145mmの剥離可能な微粘着フィルム〔(株)スミロン製 EC−625〕をラミネーターで貼り合わせて、グラファイト複合フィルムを作製した。
(比較例7、8)
比較例6では、厚み:60μm、基材:ポリエチレン系、粘着層:アクリル系、粘着力:0.90(N/25mm)の微粘着フィルム、
比較例8では、厚み:60μm、基材:ポリエチレン系、粘着層:アクリル系、粘着力:3.20(N/25mm)の微粘着フィルム
を剥離可能なフィルムに使用した以外は、比較例6と同様にしてグラファイト複合フィルムを作製した。
実施例1〜14のグラファイト複合フィルムにおいては、以下の手順により、ハンドリング性、ラミネート性、抜き加工性を確認した。特に端部被覆されたグラファイト加工品において、各特性を評価した。
比較例1〜3のグラファイトフィルム単体においては、以下の手順により、ハンドリング性、ラミネート性、抜き加工性を確認した。特に端部被覆されたグラファイト加工品において、各特性を評価した。
以下のハンドリング作業において、皺・折れが大きく入るものを「××」、皺・折れが入るものを「×」、皺・折れが入らないものを「○」、皺・折れが入らず特に作業性に優れるものを「◎」とした。
以下のラミネート作業において、皺・折れ・筋が大きく入るものを「××」、皺・折れ・筋が入るものを「×」、皺・折れ・筋が入らないものを「○」、皺・折れ・筋が入らず特に作業性に優れるものを「◎」とした。
以下の抜き加工作業において、抜き精度(寸法ずれ、位置ずれ。ずれの限度は、1mm以下、好ましくは0.5mm以下、特に端部被覆の加工品とした場合)、抜き落とし精度(半抜き性、端部のバリ)、カス取り(フィルムの腰が弱かったり抜きが甘くなったりした場合には、裂ける)、抜き個数の効率(一度に2個以上を同時に抜く。好ましくは5以上、さらに好ましくは10以上、特に好ましくは20個以上)等で判断した。これらの特性が非常に劣るもの「××」、劣るものを「×」、一部特性で劣るものを「×」、問題がないものを「○」、特に作業性に優れるものを「◎」とした。
実施例1〜14は、比較例1、3に比べて優れたハンドリング性を有していた。
実施例1〜14、比較例1、3に比べて優れたラミネート性を有していた。
実施例1〜14は、比較例1、3、5に比べて優れた抜き加工性を有していた。
本発明のグラファイト複合フィルムを使用することで、厚みが30μm以下の両面テープ・絶縁テープと、収率良くかつ寸法精度良く貼り合わせることが可能となる。薄膜の両面テープ・絶縁テープを使用することで、グラファイト加工品に占めるグラファイトフィルムの割合が高くなり、熱伝導性に優れたグラファイト加工品を提供することが可能になる。
以上のように、グラファイトフィルムの少なくとも片面の一部に剥離可能なフィルムが貼り合わせることで、ハンドリング性、ラミネート性、抜き加工性、熱伝導性に優れたグラファイト複合フィルムを提供することが可能になる。
2 くさび形シート
3 くさび形シートの幅
4 ナトリウム光
5 干渉縞
Claims (10)
- グラファイトフィルムの少なくとも片面の一部に剥離可能なフィルムが貼り合わせられたグラファイト複合フィルムであって、
該グラファイトフィルムが、厚みが100μm以下のグラファイトフィルムであり、
該グラファイトフィルムと該剥離可能なフィルムとの密着力が、0.001〜1(N/25mm)であることを特徴とするグラファイト複合フィルム。 - グラファイトフィルムの少なくとも片面の一部に剥離可能なフィルムが貼り合わせられたグラファイト複合フィルムであって、
該グラファイトフィルムが、厚み100μm以下、水に対する接触角60〜90度のグラファイトフィルムであり、
該剥離可能なフィルムが、厚み10〜200μmの樹脂フィルムの少なくとも片面に粘着層を設けたものであって、粘着層の粘着力が0.01〜2(N/25mm)であるものであることを特徴とするグラファイト複合フィルム。 - グラファイトフィルムの少なくとも片面の一部に剥離可能なフィルムが静電気力によって貼り合わせられたグラファイト複合フィルムであって、
該グラファイトフィルムが、厚み100μm以下、水に対する接触角60〜90度のグラファイトフィルムであり、
該剥離可能なフィルムが、厚み10〜200μmの樹脂フィルムであり、
該グラファイトフィルムと該剥離可能なフィルム間の静電気による密着力が、0.001〜1(N/25mm)であることを特徴とするグラファイト複合フィルム。 - 前記グラファイトフィルムが、高分子フィルムおよび/または炭素化した高分子フィルムからなる原料フィルムを2000℃以上の温度で熱処理して得られるグラファイトフィルムであることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のグラファイト複合フィルム。
- 前記粘着層の粘着力が、0.5(N/25mm)以下であることを特徴とする、請求項2に記載のグラファイト複合フィルム。
- 前記粘着層が、合成ゴム系粘着材、アクリル系粘着材であることを特徴とする、請求項2、4、5のいずれかに記載のグラファイト複合フィルム
- 前記樹脂フィルムが、ポリエチレン系フィルム、ポリプロピレン系フィルム、ポリオレフィン系フィルム、ポリエチレンテレフタレート系フィルム、ポリ塩化ビニル系フィルムの少なくとも1種類であることを特徴とする、請求項1〜6のいずれかに記載のグラファイト複合フィルム。
- 前記グラファイトフィルムの厚みが、50μm以下であることを特徴とする、請求項1〜7のいずれかに記載のグラファイト複合フィルム。
- 前記グラファイトフィルムの厚みバラツキが、±9μm以下であることを特徴とする、請求項1〜8のいずれかに記載のグラファイト複合フィルム。
- 前記グラファイトフィルムが、MIT耐屈曲試験において、幅15mmの短冊型試験片を使用し、折り曲げクランプの曲率半径Rが2mm、左右の折り曲げ角度135度、折り曲げ速度90c/s、荷重9.8Nの条件で測定した切断するまでの往復折り曲げ回数が50000回以上であることを特徴とする、請求項1〜9のいずれかに記載のグラファイト複合フィルム。
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