JP6653888B2 - ＡｌＮ結晶の作製方法、及びＡｌＮ結晶の作製装置 - Google Patents

ＡｌＮ結晶の作製方法、及びＡｌＮ結晶の作製装置 Download PDF

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Description

本発明は、ＡｌＮ結晶の作製方法、ＡｌＮ結晶、及びＡｌＮ結晶を含む有機化合物に関する。
ＡｌＮ（窒化アルミニウム）結晶の１つであるＡｌＮウィスカー（髭状の単結晶）は、熱伝導性及び絶縁性に優れている特性を有する。ＡｌＮウィスカーを作製する方法として、特許文献１には、アルミナ微粉末を遷移金属化合物の溶液と混和した後に加熱処理して溶媒を蒸発除去し、その加熱処理したアルミナ微粉末にカーボンブラックを均質混合して混合物を調製し、その調製した混合物と窒素ガスとを所定の反応温度で反応させる方法が開示されている。又、特許文献２には、Ａｌ−Ｓｉ−Ｔｉを組成とする合金を用い、合金を溶融させてＡｌ蒸気と窒素ガスとを所定の反応温度で反応させる方法が開示されている。
特開昭６２−２８３９００号公報 特開２０１４−７３９５１号公報
特許文献１の方法では、ＡｌＮウィスカー以外に粒状ＡｌＮが作製されてしまい、ＡｌＮウィスカーの収率（作製効率）が悪いという問題があった。特許文献２の方法では、ＡｌＮウィスカーの成長を促進し、粒状ＡｌＮの作製を抑制することはできるが、Ａｌと組成する元素がＳｉ及びＴｉに限られる。そのため、ＡｌＮウィスカーを作製する条件が限られるという問題があった。
本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、粒状ＡｌＮの作製を抑制しつつ、Ｓｉ及びＴｉとは別の元素を用いてＡｌＮ結晶を作製することができるＡｌＮ結晶の作製方法、ＡｌＮ結晶、及びＡｌＮ結晶を含む有機化合物を提供することにある。
請求項１に記載したＡｌＮ結晶の作製方法は、Ａｌ及びＮの何れとも化合物を形成しない条件又はＡｌ及びＮの何れかと化合物を形成するが当該化合物の標準生成自由エネルギーがＡｌＮの標準生成自由エネルギーよりも大きい条件を満たすＳｉを除く元素を少なくとも１つ用い、少なくともＡｌと当該元素とを含む組成物を溶融させてＡｌ蒸気と窒素ガスとを所定の反応温度で反応させてＡｌＮ結晶を作製することを特徴とする。
請求項３に記載したＡｌＮ結晶の作製方法は、前記元素として、Ａｌとの相互作用エネルギーが負となる条件を満たし且つ当該相互作用エネルギーの絶対値がＡｌとＧｅとの相互作用エネルギーよりも大きい条件を満たす元素を用いることを特徴とする。
請求項１に記載したＡｌＮ結晶の作製方法によれば、Ａｌと合金を組成する元素として、Ａｌ及びＮの何れとも化合物を形成しない条件又はＡｌ及びＮの何れかと化合物を形成するが当該化合物の標準生成自由エネルギーがＡｌＮの標準生成自由エネルギーよりも大きい条件を満たし且つＳｉを除く元素を少なくとも１つ用いた。そして、少なくともＡｌと当該元素とを含む組成物を溶融させてＡｌ蒸気と窒素ガスとを所定の反応温度で反応させてＡｌＮ結晶を作製するようにした。
Ａｌ及びＮの何れとも化合物を形成しない条件又はＡｌ及びＮの何れかと化合物を形成するが当該化合物の標準生成自由エネルギーがＡｌＮの標準生成自由エネルギーよりも大きい条件を満たす元素を少なくとも１つ用いることで、Ａｌと元素との化合物やＮと元素との化合物が形成されない、又は化合物が形成されたとしても当該化合物の標準生成自由エネルギーがＡｌＮの標準生成自由エネルギーよりも大きい（当該化合物がＡｌＮよりも熱力学的に不安定である）ので、粒状ＡｌＮの作製を抑制しつつ、ＡｌＮ結晶の成長を促進することができる。これにより、ＡｌＮ結晶を作製する際にＡｌと組成する元素がＳｉ及びＴｉに限定されず、Ｓｉ及びＴｉとは別の元素を用いてＡｌＮ結晶を作製することができる。
又、少なくともＡｌと当該元素とを含む組成物を溶融させることで、ＡｌＮ結晶を溶液法により溶液から成長させているので、成長したＡｌＮ結晶に微粒子が含まれることがなく、高い熱伝導性及び高い絶縁性を実現することができる。例えば特開平６−３２１５１１号公報や特開平７−１４４９２０号公報に開示されている方法では、ＡｌＮ結晶としてＡｌＮウィスカーを成長させる場合に、アーク電流で合金を加熱溶融して微粒子を生成させ、その微粒子の形状が髭状になることでＡｌＮウィスカーを作製しているが、この方法では髭状にならなかった微粒子が含まれる（混在する）ことになり、その結果、ＡｌＮウィスカーに微粒子が含まれることになる。これに対し、本発明のようにＡｌＮ結晶を溶液法により溶液から成長させる方法では、微粒子が含まれないＡｌＮ結晶を成長させることができる。
請求項３に記載したＡｌＮ結晶の作製方法によれば、元素として、Ａｌとの相互作用エネルギーが負となる条件を満たし且つ当該相互作用エネルギーの絶対値がＡｌとＧｅとの相互作用エネルギーよりも大きい条件を満たす元素を用いた。Ａｌとの相互作用エネルギーが負となる条件を満たす元素はＡｌＮ表面のＡｌと吸着し易い性質を有する。ＡｌＮ結晶がＡｌＮウィスカーである場合、＜０００１＞方向に成長したＡｌＮウィスカーは、その一方の端面がＮに覆われており（Ｎ面）、その他方の端面がＡｌに覆われている（Ａｌ面）。一般的に昇華法によるＡｌＮの成長では、Ｎ面ではＡｌＮ結晶の安定した成長が促進されるが、Ａｌ面では（１０−１１）等のファセットが形成される等によりＡｌＮ結晶の成長が阻害されることが公知である。即ち、ＡｌＮ結晶がＡｌＮウィスカーである場合、Ａｌとの相互作用エネルギーが負となる条件を満たす元素がＡｌＮウィスカーのＡｌ面に吸着すると、Ａｌ面でのＡｌＮウィスカーの成長が阻害される。その結果、安定した成長が可能なＮ面でのＡｌＮウィスカーの成長が促進され、ＡｌＮウィスカーがＮ面の方向に安定して成長することで、軸方向（成長方向）の表面が平坦な（凹凸が極めて少ない）ＡｌＮウィスカーを作製することができる。
本発明の一実施形態を示すもので、ＡｌＮウィスカーの作製装置を示す図（その１） ＡｌＮウィスカーの作製装置を示す図（その２） ＡｌＮウィスカーの作製装置を示す図（その３） Ａｌとの化合物形成の有無及びＮとの化合物形成の有無を示す図（その１） Ａｌとの化合物形成の有無及びＮとの化合物形成の有無を示す図（その２） Ａｌとの化合物形成の有無及びＮとの化合物形成の有無を示す図（その３） Ａｌとの化合物形成の有無及びＮとの化合物形成の有無を示す図（その４） Ａｌ−Ｘの相互作用エネルギーを示す図 Ａｌ−Ｆｅ合金を作製する手順を示す図 ＡｌＮウィスカーを作製する手順を示す図 Ａｌ−Ｆｅの組成図 温度勾配を示す図 ＡｌＮウィスカーの成長を模式的に示す図 Ａｌの蒸気圧と窒素ガスの蒸気圧との関係を示す図 Ａｌ−Ｆｅ合金を撮像した画像を示す図（その１） ＡｌＮウィスカーを撮像した画像を示す図（その１） ＡｌＮウィスカーを撮像した画像を示す図（その２） 走査型電子顕微鏡により撮像した画像を示す図（その１） 走査型電子顕微鏡により撮像した画像を示す図（その２） 走査型電子顕微鏡により撮像した画像を示す図（その３） 走査型電子顕微鏡により撮像した画像を示す図（その４） 走査型電子顕微鏡により撮像した画像を示す図（その５） 走査型電子顕微鏡により撮像した画像を示す図（その６） ＸＲＤの分析結果を示す図 透過型電子顕微鏡により撮像した画像を示す図（その１） 質量濃度及び原子数濃度の分析結果を示す図（その１） スペクトルを示す図（その１） 透過型電子顕微鏡により撮像した画像を示す図（その２） 質量濃度及び原子数濃度の分析結果を示す図（その２） スペクトルを示す図（その２） 透過型電子顕微鏡により撮像した画像を示す図（その３） Ａｌのマッピング像を示す図 Ｎのマッピング像を示す図 Ｏのマッピング像を示す図 Ｏのマッピング像を示す図 透過型電子顕微鏡により撮像した画像を示す図（その４） 透過型電子顕微鏡により撮像した画像を示す図（その５） 走査型電子顕微鏡により撮像した画像を示す図（その７） 透過型電子顕微鏡により撮像した画像を示す図（その６） 透過型電子顕微鏡により撮像した画像を示す図（その７） Ａｌ−Ｆｅ合金を撮像した画像を示す図（その２） ＡｌＮウィスカーを撮像した画像を示す図（その３） ＡｌＮウィスカーを撮像した画像を示す図（その４） ＡｌＮウィスカーを撮像した画像を示す図（その５） 走査型電子顕微鏡により撮像した画像を示す図（その８） 走査型電子顕微鏡により撮像した画像を示す図（その９） 透過型電子顕微鏡により撮像した画像を示す図（その８） 透過型電子顕微鏡により撮像した画像を示す図（その９） ＡｌＮウィスカーを撮像した画像を示す図（その６） 走査型電子顕微鏡により撮像した画像を示す図（その１０） 走査型電子顕微鏡により撮像した画像を示す図（その１１） 走査型電子顕微鏡により撮像した画像を示す図（その１２） ＡｌＮウィスカーを撮像した画像を示す図（その７） 走査型電子顕微鏡により撮像した画像を示す図（その１３） 走査型電子顕微鏡により撮像した画像を示す図（その１４） ＡｌＮウィスカーを撮像した画像を示す図（その８） 走査型電子顕微鏡により撮像した画像を示す図（その１５） 走査型電子顕微鏡により撮像した画像を示す図（その１６） ＡｌＮウィスカーを撮像した画像を示す図（その９） 走査型電子顕微鏡により撮像した画像を示す図（その１７） 走査型電子顕微鏡により撮像した画像を示す図（その１８） 走査型電子顕微鏡により撮像した画像を示す図（その１９） Ａｌ−Ｃｏの金属を撮像した画像を示す図 ＡｌＮウィスカーを撮像した画像を示す図（その１０） 走査型電子顕微鏡により撮像した画像を示す図（その２０） 走査型電子顕微鏡により撮像した画像を示す図（その２１） 走査型電子顕微鏡により撮像した画像を示す図（その２２） 走査型電子顕微鏡により撮像した画像を示す図（その２３） 走査型電子顕微鏡により撮像した画像を示す図（その２４） Ａｌ−Ｇｅの金属を撮像した画像を示す図 ＡｌＮウィスカーを撮像した画像を示す図（その１１） 走査型電子顕微鏡により撮像した画像を示す図（その２５） 走査型電子顕微鏡により撮像した画像を示す図（その２６） 走査型電子顕微鏡により撮像した画像を示す図（その２７） Ａｌ−Ｓｎの金属を撮像した画像を示す図 ＡｌＮウィスカーを撮像した画像を示す図（その１２） 走査型電子顕微鏡により撮像した画像を示す図（その２８） ＡｌＮウィスカーの樹脂への添加量と熱伝導率との関係を示す図 電線の断面を示す図 電球の断面を示す図 モータの断面を示す図 電子部品の断面を示す図（その１） 電子部品の断面を示す図（その２） プリント基板の断面を示す図（その１） プリント基板の断面を示す図（その２） シートの断面を示す図 グリースを示す図 紙の断面を示す図 不織布の断面を示す図 糸の断面を示す図 撚糸の断面を示す図
以下、本発明を、ＡｌＮ結晶の１つであるＡｌＮウィスカーを溶液法により成長させて作製する方法に適用した一実施形態について、図面を参照して説明する。尚、ＡｌＮウィスカーとは、結晶表面から外側に向けて髭状に成長した単結晶であり、ＡｌＮウィスカー繊維、ＡｌＮファイバー、ＡｌＮフィラーとも称される。図１に示すように、ＡｌＮウィスカーの作製装置１は、横型の高周波加熱炉２であり、円筒状の石英管（炉心管）３と、石英管３の周囲に配置された加熱用の高周波コイル（誘導コイル）４とを有する。石英管３の内部には、カーボンヒーター５と、石英管３とカーボンヒーター５とを隔てる断熱材（インシュレータ）６とが配置されている。尚、カーボンヒーター５に代えて、ＳｉＣヒーター、二珪化モリブデンヒーター、タングステンヒーター等を用いても良い。
石英管３の一端側（図１では右側）には蓋部材７が取付けられている。蓋部材７には、アルゴン（Ａｒ）ガスや窒素（Ｎ２）ガスを石英管３の内部に導入するための配管８が接続されている。配管８の途中部位には調整弁９が設けられている。調整弁９の開度が調整されることで、石英管３の内部に導入されるアルゴンガスや窒素ガスの流量が調整される。配管８は、その先端部８ａが後述するアルミナボート１４が配置される部位に近く接続されている。
石英管３の他端側（図１では左側）には蓋部材１０が取付けられている。蓋部材１０には、アルゴンガスや窒素ガスを石英管３の内部から排出するための配管１１が接続されていると共に、石英管３の内部を真空引きするための配管１２が接続されている。配管１２の先端側には真空引きするためポンプ（ロータリポンプ、ディフュージョンポンプ、ターボポンプ）（図示せず）が設けられていると共に途中部位には調整弁１３が設けられている。ポンプが駆動されて調整弁１３の開度が調整されることで、石英管３の内部が真空引きされる。
カーボンヒーター５にはアルミナボート（アルミナの容器）１４が配置可能になっている。アルミナボート１４には凹部１４ａが形成されており、その凹部１４ａに溶媒１５が投入されている。溶媒１５は、Ａｌと後述する条件を満たす元素の粉末を溶かした液体である。尚、粉末でなくても良い。図１では、ＡｌとＦｅの粉末を溶かした液体を例示している。図１では、アルミナボート１４を配置し、アルミナボート１４の凹部１４ａに溶媒１５を投入することを例示しているが、図２に示すように、アルミナ板２１上に合金２２を配置しても良い。合金２２は、Ａｌと後述する条件を満たす元素とを組成とする組成物である。図２では、ＡｌとＦｅとを組成とする合金を例示している。
又、図３に示すように、量産性を考慮した構成でも良い。図３において、ＡｌＮウィスカーの作製装置３１は、箱型の高周波加熱炉３２であり、高周波加熱炉３２の内部にはヒーター３３が配置されている。又、高周波加熱炉３２と炉壁３４との間では断熱材（耐熱煉瓦、カーボンウール等）３５が配置されている。高周波加熱炉３２の一端側（図３では下側）にはアルゴンガスや窒素ガスを高周波加熱炉３２の内部に導入するための配管３５が接続されている。配管３５の途中部位には調整弁３６が設けられている。調整弁３６の開度が調整されることで、高周波加熱炉３２の内部に導入されるアルゴンガスや窒素ガスの流量が調整される。又、高周波加熱炉３２の一端側には高周波加熱炉３２の内部を真空引きするための配管３７が接続されている。配管３７の先端側には真空引きするためポンプ（図示せず）が設けられていると共に途中部位には調整弁３８が設けられている。ポンプが駆動されて調整弁３８の開度が調整されることで、高周波加熱炉３２の内部が真空引きされる。又、高周波加熱炉３２の他端側（図３では上側）３２ｂにはアルゴンガスや窒素ガスを高周波加熱炉３２の内部から排出するための配管３９、４０が接続されている。この場合、高周波加熱炉３２の内部の温度が均一に管理されると共に、高周波加熱炉３２の内部に導入されるアルゴンガスや窒素ガスが均一に管理されることが好ましい。
本実施形態において、溶媒１５や合金２２に用いる元素、即ち、Ａｌと組成する元素は、ＡｌＮウィスカーを作製するという観点からは（ア）の条件を満たすことが望ましい。
（ア）Ａｌ及び窒素ガスの何れとも化合物を形成しない、又はＡｌ及び窒素ガスの何れかと化合物を形成するが当該化合物の標準生成自由エネルギーがＡｌＮの標準生成自由エネルギーよりも大きい。標準生成自由エネルギーとは、物質（化合物）を単体から生成するときに働くエネルギーである。
具体的には、発明者は、幾つかの元素について、Ａｌとの化合物を形成するか否か（化合物形成の有無）及びＮとの化合物を形成するか否かを調査し、化合物を形成する場合には標準生成自由エネルギーを計算した。図４は１７００Ｋでの結果を示している。１７００ＫでのＡｌＮの標準生成自由エネルギーは「−１２９．５９１ＫＪ／ｍｏｌ」であり、（ア）の条件を満たす元素として、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｓｒ、Ｓｎを特定した。図５は１８００Ｋでの結果を示している。１８００ＫでのＡｌＮの標準生成自由エネルギーは「−１１７．８６９ＫＪ／ｍｏｌ」であり、（ア）の条件を満たす元素として、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｓｒ、Ｓｎを特定した。図６は１９００Ｋでの結果を示している。１９００ＫでのＡｌＮの標準生成自由エネルギーは「−１０６．１５１ＫＪ／ｍｏｌ」であり、（ア）の条件を満たす元素として、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｓｒ、Ｓｎを特定した。図７は２０００Ｋでの結果を示している。２０００ＫでのＡｌＮの標準生成自由エネルギーは「−９４．４３６ＫＪ／ｍｏｌ」であり、（ア）の条件を満たす元素として、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｓｒ、Ｓｎを特定した。Ｓｉは、１９００Ｋ及び２０００Ｋでは（ア）の条件を満たすが、１７００Ｋ及び１８００Ｋでは（ア）の条件を満たさない。よって、ＡｌＮの反応温度（１４５０〜１８００℃）での（ア）の条件を満たす元素として、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｓｒ、Ｓｎを特定した。
加えて、ＡｌＮウィスカーの凹凸を抑制するという観点からは（ア）と（イ）の両方の条件を満たすことが望ましい。
（イ）Ａｌとの相互作用エネルギーが負であり、且つ当該相互作用エネルギーの絶対値がＡｌとＧｅとの相互作用エネルギーよりも大きい。相互作用エネルギーとは、２つの原子間の引力的な相互作用に働くエネルギーである。
具体的には、図８に示す１７００℃での溶液中での（Ａｌ（３０ａｔ％）−Ｘ（７０ａｔ％））の相互作用エネルギーに基づき、（ア）と（イ）の両方の条件を満たす元素として、Ｌｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｓｒを特定した。
次に、上記した（ア）と（イ）の両方の条件を満たす元素の１つであるＦｅを用い、Ａｌ−Ｆｅ合金を用いてＡｌＮウィスカーを作製する方法について説明する。ここでは、
（１）Ａｌ−Ｆｅ合金を作製する手順（図９参照）
（２）ＡｌＮウィスカーを作製する手順（図１０参照）
について順次説明する。
（１）Ａｌ−Ｆｅ合金を作製する手順
手順１：所望のモル比率の合金を作製するためにそれぞれの元素（Ａｌ、Ｆｅ）の重量を計測し、坩堝に投入する。坩堝は、酸化アルミニウムを主成分とする坩堝、又は酸化アルミニウムと酸化マグネシウムとを主成分とする坩堝である。尚、カーボンを主成分とする坩堝を用いても良い。本実施形態では、例えばＡｌ（３０ａｔ％）−Ｆｅ（７０ａｔ％）の組成の合金を作製する場合であれば、３０モル量のＡｌ（純度は９５％以上、好ましくは９９％以上）の粒子又は板の重量と、７０モル量のＦｅ（純度は９５％以上、好ましくは９９％以上）の粒子又は板の重量とを計測し、坩堝に投入する。図１１に、Ａｌ−Ｆｅの組成図を示す。
手順２：ＡｌとＦｅとが投入された坩堝を高周波加熱炉にセットし、高周波加熱炉の内部を真空引きする。このとき、真空度は、１ｍｍＨｇ以下、好ましくは１×１０−１ｍｍＨｇ以下とする。
手順３：高周波加熱炉の内部を真空引きした後に、アルゴンガス（純度は９５％以上、好ましくは９９％以上）を高周波加熱炉の内部に導入し、高周波加熱炉の内部を約大気圧の圧力にする。このとき、アルゴンガス中の酸素をチタンゲッターで除去したり、水蒸気を液体窒素で冷却された冷却管中で液化して除去することが好ましい。
手順４：高周波コイルに電流を流し、高周波加熱炉の加熱を開始する。約０．５〜２時間かけて約１７００℃の温度まで高周波加熱炉を昇温し、約１７００℃の温度で約０．５〜２時間保持した後に、高周波コイルに流す電流を徐々に低下させ、室温まで冷却する。
手順５：Ａｌ−Ｆｅ合金を高周波加熱炉から取出す。このとき、取出したＡｌ−Ｆｅ合金の表面（上面、側面、下面）に酸化物が存在する可能性が高いので、その表面をサンドペーパーで研磨して酸化物を除去する。又はＡｌ−Ｆｅ合金を酸でエッチングして酸化物を除去する。
手順６：酸化物を除去したＡｌ−Ｆｅ合金を所望の厚さに切断する。このときの厚さは、作製しようとするＡｌＮウィスカーの直径や長さに応じて決定する。例えば直径が約０．１〜１μｍで、長さが約１０〜５０μｍのＡｌＮウィスカーを作製する場合であれば、Ａｌ−Ｆｅ合金を約０．１〜５ｍｍの厚さとすることが望ましい。又、例えば直径が約０．５〜１．５μｍで、長さが約０．０５〜１ｍｍのＡｌＮウィスカーを作製する場合であれば、Ａｌ−Ｆｅ合金を約０．３〜２ｍｍの厚さとすることが望ましい。又、例えば直径が約１〜２μｍで、長さが約１ｍｍ以上のＡｌＮウィスカーを作製する場合であれば、Ａｌ−Ｆｅ合金を約０．５〜５ｍｍの厚さとすることが望ましい。尚、切断する方法としては、ダイヤモンドカッターで切断する方法、レーザーで切断する方法、ワイヤー放電で切断する方法がある。又、切断した後でも、Ａｌ−Ｆｅ合金の表面に酸化物が存在する可能性が高いので、サンドペーパーで研磨したり酸でエッチングしたりして酸化物を除去することが好ましい。
尚、以上は、図１及び図２に示したＡｌＮウィスカーの作製装置１の高周波加熱炉２とは別の高周波加熱炉を用いてＡｌ−Ｆｅ合金を作製する手順を説明したが、ＡｌＮウィスカーの作製装置１の高周波加熱炉２を用いてＡｌ−Ｆｅ合金を作製しても良い。即ち、同一の高周波加熱炉を用い、Ａｌ−Ｆｅ合金を作製し、その作製したＡｌ−Ｆｅ合金を用いてＡｌＮウィスカーを作製しても良い。
（２）ＡｌＮウィスカーを作製する手順
手順１：上記した（１）Ａｌ−Ｆｅ合金を作製する手順により作製したＡｌ−Ｆｅ合金を高周波加熱炉２内にてアルミナ板上にセットし、高周波加熱炉２の内部を真空引きする。このときも、真空度は、１ｍｍＨｇ以下、好ましくは１×１０−１ｍｍＨｇ以下とする。
手順２：高周波加熱炉２の内部を真空引きした後に、アルゴンガス（純度は９５％以上、好ましくは９９％以上）を高周波加熱炉２の内部に導入し、高周波加熱炉２の内部を約大気圧の圧力にする。このときも、アルゴンガス中の酸素をチタンゲッターで除去したり、水蒸気を液体窒素で冷却された冷却管中で液化して除去することが好ましい。
手順３：高周波コイル４に電流を流し、高周波加熱炉２の加熱を開始する。約１〜３時間かけて約１７００℃の温度まで昇温する。図１２に温度勾配を示す。
手順４：高周波加熱炉２の温度が約１７００℃（図１２では成長温度）に到達した後に、高周波加熱炉２の内部に導入するガスをアルゴンガスから窒素ガスに切換える。即ち、窒素ガスを例えば１Ｌ／ｍｉｎの流量で高周波加熱炉２の内部に導入し（窒素ガス雰囲気を形成し）、約１７００℃の温度で所定時間（図１２では成長時間）保持する。窒素ガスを流す方向はＡｌ−Ｆｅ合金の表面に対して平行方向とする。ここでいう平行とは、窒素ガスがＡｌ−Ｆｅ合金の表面に沿って一端側（図１では右側）から他端側（図１では左側）に向かって流れることを意味する。尚、本実施形態では、窒素ガスを流す場合を例示しているが、窒素ガスを高周波加熱炉２の内部に封じ込めても良い。このときも、窒素ガス中の酸素や水蒸気を除去することが好ましい。このとき、Ａｌ−Ｆｅ合金の表面でＡｌ元素（又はＡｌ蒸気）と窒素ガスとが反応してＡｌＮの核が作製される。続いてＡｌＮの核の先端上でＡｌ元素（又はＡｌ蒸気）と窒素ガスとが反応し、ＡｌＮがウィスカー状に成長し、ＡｌＮウィスカーが作製される。又、窒素ガスの圧力は、数ｍｍＨｇ〜大気圧以上でも良い。窒素ガスの圧力が高ければ、ＡｌＮウィスカーの成長速度は速くなり、窒素ガスの圧力が低ければ、ＡｌＮウィスカーの成長速度は遅くなる。又、Ａｌの蒸気圧との兼ね合いで窒素ガスの圧力を決定しても良い。約１７００℃の温度で保持する時間は、作製しようとするＡｌＮウィスカーの直径や長さに応じて決定する。例えば直径が約０．１〜１μｍで、長さが約１ｍｍ以上のＡｌＮウィスカーを作製する場合であれば、２０時間以上となる。約１７００℃の温度で所定時間保持した後に、高周波コイル４に流す電流を徐々に低下させ、室温まで冷却する。
手順５：ＡｌＮウィスカーを高周波加熱炉２から取出す。このとき、ＡｌＮウィスカーはＡｌ−Ｆｅ合金の表面全体をカバーする（覆う）ように成長している。その後、ＡｌＮウィスカーをＡｌ−Ｆｅ合金から剥離する。尚、ＡｌＮウィスカーをＡｌ−Ｆｅ合金から剥離し難い場合には、鋭利なナイフ等を用いることで剥離可能となる。
手順６：ＡｌＮウィスカーを保管する。ＡｌＮウィスカーは、大気中の水分と反応すると、「ＡｌＮ＋３Ｈ２Ｏ→Ａｌ（ＯＨ）３＋ＮＨ３」の化学反応式により、アンモニアと水酸化アルミニウムを生成する性質があるので、高周波加熱炉２から取出したＡｌＮウィスカーを素早く乾燥した空気で覆い、水分が極めて少ないデシケータ等の保管庫に格納することが重要である。又、このような作業を湿度が極めて低いドライルームで行うことが好ましい。そして、ＡｌＮウィスカーを水分と反応し難い表面処理剤に浸漬し、乾燥させる。尚、ＡｌＮウィスカーは酸素と接することも好ましくないので、このようにデシケータ等の保管庫に格納することが重要である。
尚、本実施形態では、反応温度を約１７００℃まで昇温させたが、ＡｌＮウィスカーが成長する温度まで昇温させれば良く、１４５０〜１８００℃の範囲まで昇温させれば良い。又、以上は、図１及び図２に示したＡｌＮウィスカーの作製装置１を用いた場合を説明したが、図３に示した量産型のＡｌＮウィスカーの作製装置３１を用いても同様の手順でＡｌＮウィスカーを作製可能である。又、連続トンネル炉を用いても同様の手順でＡｌＮウィスカーを作製可能である。連続トンネル炉を用いる場合には、Ａｌ−Ｆｅ合金とアルミナ板とをセットした台車を前室に配置し、前室と焼成室とを隔離するゲートバルブを閉めた状態で前室を真空引きしてアルゴンガスを導入する。そして、焼成室に窒素雰囲気を形成した状態で前室と焼成室とを隔離するゲートバルブを開け、Ａｌ−Ｆｅ合金とアルミナ板とをセットした台車を前室から焼成室へと移動させる。台車が焼成室の内部を移動し続けることで、焼成室の温度が上昇し、約１７００℃の空間を移動することで、Ａｌ−Ｆｅ合金の表面上にＡｌＮの核が作製される。続いてＡｌＮの核の先端上でＡｌ元素（又はＡｌ蒸気）と窒素ガスとが反応してＡｌＮがウィスカー状に成長し、ＡｌＮウィスカーが作製される。その後、Ａｌ−Ｆｅ合金とアルミナ板とをセットした台車を焼成室から後室へと移動させ、室温まで冷却する。
図１３は、Ａｌ−Ｆｅ合金の表面でＡｌ元素（又はＡｌ蒸気）と窒素ガスとが反応してＡｌＮの核が作製され、続いてＡｌＮの核の先端上でＡｌ元素（又はＡｌ蒸気）と窒素ガスとが反応し、ＡｌＮがウィスカー状に成長し、ＡｌＮウィスカーが作製される態様を示している。この場合、Ａｌと組成するＦｅが、Ａｌ及び窒素ガスの何れとも化合物を形成しない条件又はＡｌ及び窒素ガスの何れかと化合物を形成するが当該化合物の標準生成自由エネルギーがＡｌＮの標準生成自由エネルギーよりも大きい（当該化合物がＡｌＮよりも熱力学的に不安定）条件を満たす元素であるので、ＡｌＮウィスカーの成長が促進されると共に粒状ＡｌＮの作製が抑制される。
又、Ａｌと組成するＦｅが、Ａｌとの相互作用エネルギーが負となる条件を満たす元素であるので、軸方向の表面が平坦となる（凹凸が極めて少なくなる）。即ち、Ａｌとの相互作用エネルギーが負となる条件を満たす元素はＡｌＮ表面のＡｌと吸着し易い性質を有する。＜０００１＞方向に成長したＡｌＮウィスカーは、その一方の端面がＮに覆われており（Ｎ面）、その他方の端面がＡｌに覆われている（Ａｌ面）。一般的に昇華法によるＡｌＮの成長では、Ｎ面ではＡｌＮ結晶の安定した成長が促進されるが、Ａｌ面では（１０−１１）等のファセットが形成される等によりＡｌＮ結晶の成長が阻害されることが公知である。即ち、ＡｌＮ結晶がＡｌＮウィスカーである場合、Ａｌとの相互作用エネルギーが負となる条件を満たす元素がＡｌＮウィスカーのＡｌ面に吸着すると、Ａｌ面でのＡｌＮウィスカーの成長が阻害される。その結果、安定した成長が可能なＮ面でのＡｌＮウィスカーの成長が促進され、ＡｌＮウィスカーがＮ面の方向に安定して成長することで、軸方向の表面が平坦となる。
図１４は、Ａｌ蒸気の蒸気圧と窒素ガスの蒸気圧との関係を示している。図１４に示す関係から、Ａｌ蒸気と窒素ガスとの比が１：１〜１００であれば、ＡｌＮウィスカーの収率（作製効率）を高めることができる。
図１５は、ＡｌＮウィスカーが作製される前のＡｌ−Ｆｅ合金を撮像した画像であり、図１６及び図１７は、Ａｌ（３０ａｔ％）−Ｆｅ（７０ａｔ％）の組成、１７００℃の反応温度、２時間の成長時間の条件下でＡｌＮウィスカーが作製された後を撮像した画像である。図１６及び図１７から明らかなように、ＡｌＮウィスカーがＡｌ−Ｆｅ合金の表面全体をカバーするように成長していることが確認された。図１８から図２３は、走査型電子顕微鏡により撮像した画像である。ＡｌＮウィスカーの軸方向の表面には凹凸が殆ど発生しておらず、凹凸が発生している箇所でも凹凸の差は数〜１０ｎｍ（最大でも１０ｎｍ）である。このように凹凸が殆ど発生していない要因は、上記したようにＦｅが、Ａｌとの相互作用エネルギーが負となる条件を満たし、且つ当該相互作用エネルギーの絶対値がＡｌとＧｅとの相互作用エネルギーよりも大きい条件を満たす元素であるためである。又、図２２に示すように枝状の部分も確認された。これは、ＡｌＮの核がＡｌＮウィスカーの途中に存在するためである。尚、図２３に示すように凹凸が発生している箇所も確認されたが、その程度は１万本のうち数本であり、凹凸が発生していないＡｌＮウィスカーが極めて多いことが確認された。
図２４は、ＡｌＮウィスカーを細かく切断した状態でのＸＲＤ（X-Ray Diffraction）の分析結果であり、作製物の殆どがＡｌＮであることが確認され、ＡｌＮ以外の物質（不純物）が混入していないことが確認された。即ち、ＡｌＮウィスカーの収率が高いと判断することができる。
図２５から図３０は、ＡｌＮウィスカーの任意の１本について断面２箇所のＳＥＭ分析のＥＤＸの分析結果であり、Ｆｅが検出されなかったことが確認された。尚、カーボンの検出はバックグランドによるものであり、酸素の検出はＡｌＮウィスカーを取出したとき又は断面を破断したときの酸化によるものであると推定される。又、白金の検出は絶縁性の材料を分析するときにスパッタ等の蒸着によるものである。
図３１は、作製後に大気中に暴露させたＡｌＮウィスカーの任意の１本について、暴露させてから約半年が経過した状態での断面のＴＥＭ画像であり、図３２から図３４は、それぞれＡｌ、Ｎ、Ｏのマッピング像である。ＡｌＮウィスカーの表面全体に亘って約８ｎｍ（最大でも１０ｎｍ）の酸化物層が確認されている一方で、ＡｌＮウィスカーの内部では酸化物層が確認されていない。即ち、ＡｌＮウィスカーの内部はＯが進入し難い単結晶の結晶構造であると推定される。ＡｌＮウィスカーの表面の酸化物層の厚さが熱伝導性に影響するので、約８ｎｍの酸化物層の影響による熱伝導性の低下は極めて小さいと推定される。
図３５は、作製後に大気中に暴露させたＡｌＮウィスカーの任意の１本の暴露直後のＯのマッピング像である。この場合でも、ＡｌＮウィスカーの表面全体に亘って約１０ｎｍの酸化物層が確認されている一方で、ＡｌＮウィスカーの内部では酸化物層が確認されていない。図３４及び図３５から、本発明の手順により作製したＡｌＮウィスカーで確認された酸化物層の厚さは、大気中への暴露直後と、暴露させてから約半年が経過した時点とで大差がないことが確認された。即ち、本発明の手順により作製したＡｌＮウィスカーを作製後に大気中に暴露させると、その暴露直後に最大でも約１０ｎｍの酸化物層が形成されるが、暴露直後に形成された酸化物層の厚さは約半年が経過しても厚くならない（暴露直後から殆ど変化しない）ことが確認された。
ここで、酸化物層について説明を補足する。前述したようにＡｌＮウィスカーは大気中の水分と反応すると、アンモニアと水酸化アルミニウムを生成する性質がある。後述するようにＡｌＮウィスカーを樹脂に混入する用途では、樹脂に混入されたＡｌＮウィスカーが、樹脂中に浸透している水分と反応してしまうと、樹脂のひび割れを招いたり、その樹脂が充填された製品（例えばモータ、電子部品、プリント基板等）の腐食を招いたりし、製品の品質を低下させてしまう虞がある。このような事情から、ＡｌＮウィスカーが水分と反応するのを防止するためにＡｌＮウィスカーの表面全体には適度な膜厚の酸化物層が形成されるのが望ましい。適度な膜厚とは、ＡｌＮウィスカーの特性である熱伝導性及び絶縁性を妨げない程度の厚さである。この点に関し、本発明の手順では、単に大気中に暴露させただけで約１０ｎｍの酸化物層が形成されて耐湿性を確保することができ、ＡｌＮウィスカーを樹脂に混入した際に不具合が発生する虞を回避することができる。又、耐湿性を確保するために、わざわざ酸化物層を形成する処理を行う必要もない。しかも、仮に酸化物層が時間経過にしたがって約１０ｎｍ以上の厚さ（必要以上の厚さ）になってしまうと、その必要以上の厚さの酸化物層を除去する処理を行う必要があるが、本発明の手順では、大気中への暴露直後から少なくとも約半年が経過しても約１０ｎｍから厚くならないので、必要以上の厚さの酸化物層を除去する処理を行う必要もない。
又、図３６は、Ａｌ−Ｆｅの溶媒を用いて作製したＡｌＮウィスカーの表面のＴＥＭ画像であり、図３７は、Ａｌ−Ｓｉの溶媒を用いて作製したＡｌＮウィスカーの表面のＴＥＭ画像である。Ａｌ−Ｓｉの溶媒を用いて作製したＡｌＮウィスカーの表面では積層欠陥が確認されたが、Ａｌ−Ｆｅの溶媒を用いて作製したＡｌＮウィスカーの表面では転位及び面欠陥が確認されていない。
又、図３８は、Ａｌ−Ｆｅの溶媒を用いて作製したＡｌＮウィスカーの表面のＳＥＭ画像である。Ａｌ−Ｆｅの溶媒を用いて作製したＡｌＮウィスカーでは、屈曲している箇所が確認された。図３９及び図４０は、屈曲している箇所のＴＥＭ画像であり、屈曲している箇所では転位が確認された。
図４１及び図４２は、図１５から図３０に示したサンプルとは形状が異なるサンプルについて、それぞれＡｌＮウィスカーが作製される前後を撮像した画像である。この場合も、ＡｌＮウィスカーの軸方向の表面には凹凸が殆ど発生していないことが確認された。図４３は、Ａｌ（１０ａｔ％）−Ｆｅ（９０ａｔ％）の組成、１７００℃の反応温度、２時間の成長時間の条件下でＡｌＮウィスカーが作製された後を撮像した画像である。Ａｌ（１０ａｔ％）−Ｆｅ（９０ａｔ％）の組成の合金を用いた場合でもＡｌＮウィスカーの成長が確認されたが、Ａｌ（３０ａｔ％）−Ｆｅ（７０ａｔ％）の組成の合金を用いた場合に比べて収率が低いことが確認された。図４４は、Ａｌ（８０ａｔ％）−Ｆｅ（２０ａｔ％）の組成の合金を用いてＡｌＮウィスカーが作製された後を撮像した画像である。Ａｌ（８０ａｔ％）−Ｆｅ（２０ａｔ％）の組成の合金を用いた場合でもＡｌＮウィスカーの成長が確認されたが、Ａｌ（３０ａｔ％）−Ｆｅ（７０ａｔ％）の組成の合金を用いた場合ほど良好ではないことが確認された。本発明で示す試料の中ではＡｌ（３０ａｔ％）−Ｆｅ（７０ａｔ％）の組成が良好であると結論付けることができる。
図４５から図４８は、本発明の比較対象として［発明が解決しようとする課題］で説明した特許文献２の方法（Ａｌ−Ｓｉ−Ｔｉを組成とする合金を用いる方法）により作製したＡｌＮウィスカーを走査型電子顕微鏡により撮像した画像である。特許文献２の方法により作製したＡｌＮウィスカーの軸方向の表面には凹凸が発生していることが確認されており、凹凸の差の平均は数１０ｎｍであり、凹凸の差が大きい箇所では約１μｍである。この凹凸は、Ａｌと組成するＳｉが、上記した図８から明らかなようにＡｌとの相互作用エネルギーが負となる条件を満たすが、相互作用エネルギーの絶対値がＡｌとＧｅとの相互作用エネルギーよりも大きい条件を満たないためである。
図４９から図７５は、ＡｌとＦｅとの組成比、反応温度、Ａｌと組成する金属等が変更されて作製されたＡｌＮウィスカーの画像である。図４９から図５１は、Ａｌ（６０ａｔ％）−Ｆｅ（４０ａｔ％）の組成、１４５０℃の反応温度、２時間の成長時間の条件下でＡｌＮウィスカーが作製された後を撮像した画像である。図５２は、Ａｌ（６０ａｔ％）−Ｆｅ（４０ａｔ％）の組成、１５００℃の反応温度、２時間の成長時間の条件下でＡｌＮウィスカーが作製された後を撮像した画像である。図５３から図５５は、Ａｌ（６０ａｔ％）−Ｆｅ（４０ａｔ％）の組成、１５５０℃の反応温度、２時間の成長時間の条件下でＡｌＮウィスカーが作製された後を撮像した画像である。図５６から図５８は、Ａｌ（６０ａｔ％）−Ｆｅ（４０ａｔ％）の組成、１７００℃の反応温度、２時間の成長時間の条件下でＡｌＮウィスカーが作製された後を撮像した画像である。これらの条件下でも、ＡｌＮウィスカーの軸方向の表面には凹凸が殆ど発生していないことが確認された。即ち、Ａｌ（６０ａｔ％）−Ｆｅ（４０ａｔ％）の組成では、１４５０〜１７００℃の反応温度、２時間の成長時間の条件下で、ＡｌＮウィスカーの軸方向の表面には凹凸が殆ど発生していないことが確認された。
図５９から図６２は、Ａｌ（３０ａｔ％）−Ｃｕ（７０ａｔ％）の組成、１７００℃の反応温度、２時間の成長時間の条件下でＡｌＮウィスカーが作製された後を撮像した画像である。図６３は、Ａｌ（３０ａｔ％）−Ｃｏ（７０ａｔ％）の組成となるそれぞれの金属を撮像した画像であり、図６４から図６７は、Ａｌ（３０ａｔ％）−Ｃｏ（７０ａｔ％）の組成、１７００℃の反応温度、２時間の成長時間の条件下でＡｌＮウィスカーが作製された後を撮像した画像である。図６８及び図６９は、Ａｌ（３０ａｔ％）−Ｎｉ（７０ａｔ％）の組成、１７００℃の反応温度、２時間の成長時間の条件下でＡｌＮウィスカーが作製された後を撮像した画像である。これらの条件下でも、ＡｌＮウィスカーの軸方向の表面には凹凸が殆ど発生していないことが確認された。即ち、Ａｌと組成する金属としてＦｅに代えてＣｕ、Ｃｏ、Ｎｉを用いた場合でも、ＡｌＮウィスカーの軸方向の表面には凹凸が殆ど発生していないことが確認された。Ｃｕ、Ｃｏ、Ｎｉも、Ｆｅと同様に、Ａｌとの相互作用エネルギーが負となる条件を満たす元素であるためである。
図７０は、Ａｌ（３０ａｔ％）−Ｇｅ（７０ａｔ％）の組成となるそれぞれの金属を撮像した画像であり、図７１から図７４は、Ａｌ（３０ａｔ％）−Ｇｅ（７０ａｔ％）の組成、１７００℃の反応温度、２時間の成長時間の条件下でＡｌＮウィスカーが作製された後を撮像した画像である。図７５は、Ａｌ（３０ａｔ％）−Ｓｎ（７０ａｔ％）の組成となるそれぞれの金属を撮像した画像であり、図７６及び図７７は、Ａｌ（３０ａｔ％）−Ｓｎ（７０ａｔ％）の組成、１７００℃の反応温度、２時間の成長時間の条件下でＡｌＮウィスカーが作製された後を撮像した画像である。これらの条件下では、Ａｌと組成する金属としてＣｕ、Ｃｏ、Ｎｉを用いた場合とは異なり、ＡｌＮウィスカーが作製されることは確認されたが、そのＡｌＮウィスカーの軸方向の表面には凹凸が発生していることが確認された。Ｇｅ、Ｓｎは、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｎｉとは異なり、Ａｌとの相互作用エネルギーが負となるが、当該相互作用エネルギーの絶対値がＡｌとＧｅとの相互作用エネルギーよりも大きい条件を満たないためである。
このようにして作製されたＡｌＮウィスカーは、例えば樹脂中や油脂中に混入されて熱伝性及び絶縁性が高い複合部材として用いられる。図７８は、ＡｌＮウィスカーの樹脂への添加量と熱伝導率との関係を示し、下記の文献により山田モデルに基づいて計算したものである。
文献：Etsuro Yamada and Terukazu ota Warme und Stoffubertragung13
(1980)27-37
山田モデルは、ＡｌＮウィスカーが無作為方向に存在している状態で熱伝導率を計算したものであり、ＡｌＮの直径と長さとのアスペクト比で整理することができる。同じ添加量で見ると、アスペクト比が大きいほど熱伝導率が高いことが判る。ＡｌＮウィスカーの熱伝導率（２５０〜２７０Ｗ／ｍｋ）はＡｌＮが単結晶である仮定に基づいて計算している。アスペクト比が約１００（直径：約１μｍ、長さ：約１００μｍ）の材料を約４０ｖｏｌ％をポリエチレン樹脂（熱伝導率：０．３３〜０．４２Ｗ／ｍｋ）に混入して加圧し、約２５０〜３００℃で成形を行った結果、熱伝導率が約３〜１０Ｗ／ｍｋのバラツキのある樹脂混合物を得ることが確認された。この場合、ＡｌＮウィスカーと樹脂との混合の程度が悪いと（混合にバラツキがあると）、樹脂が多い部分の熱伝導率は樹脂自体の熱伝導率の値に近くなり、ＡｌＮウィスカーが多い部分の熱伝導率はＡｌＮウィスカー自体の熱伝導率の値に近くなる。一方、ＡｌＮウィスカーと樹脂との混合の程度が良いと（混合にバラツキがないと）、熱伝導率は８〜９Ｗ／ｍｋとなる（収束される）。ＡｌＮウィスカーと樹脂とを均一に混合することができると、バラツキが少なくなり、平均値もやや高くなる。この結果を図７８に示した山田モデルと比較すると、山田モデルの計算結果からはやや低い値であったが、大きく離れた値ではないと判断することができる。よって、ＡｌＮウィスカーのアスペクト比、添加量、直径、長さを変化させる（調整する）ことにより、所望の熱伝導率の樹脂混合物を得ることができる。尚、熱伝導率が高い樹脂（例えば主鎖型液晶性ポリエステル樹脂の配向材料等、熱伝導率：約１Ｗ／ｍｋ）を用い、その熱伝導率が高い樹脂とＡｌＮウィスカーとを混合することで、より高い熱伝導率の樹脂混合物を得ることができる。
次に、ＡｌＮウィスカーを樹脂に混入する方法について説明する。
手順１：図７８に示した山田モデルを参照し、所望のアスペクト比を決定し、ＡｌＮウィスカー及び粉末状の樹脂材料のそれぞれの重量を計測する。尚、このとき、ＡｌＮウィスカーは表面処理されていることが好ましい。
手順２：それぞれの材料を混練機で撹拌する。このとき、混練機の内部を減圧下にすると、樹脂とＡｌＮウィスカーとの接触界面の空気等を効率的に除去することができ、更に外部から振動を加えると、効率的に混合することができる。
手順３：混練された材料を、樹脂が一部融解する温度でプレスしつつ粒子状に真空成形する。これ以降、真空成形した粒子状の材料を所望する製品に充填する。
以下、ＡｌＮウィスカーが混入されている樹脂混合物の具体的な用途を幾つか例示する。
図７９は、ＡｌＮウィスカーが混入されている樹脂混合物（有機化合物）を電線の被覆部材として使用した態様を示している。図７９（ａ）に示す電線１０１は、断面が四角形の銅やアルミからなる線材１０２が樹脂混合物１０３により被覆されて構成されている。図７９（ｂ）に示す電線１０４は、断面が円の銅やアルミからなる線材１０５が樹脂混合物１０６により被覆されて構成されている。従来は、線材の周囲にエナメル塗料を塗布したり、耐熱線の場合にはエナメル塗料の中に雲母の鱗片を混入したりしていた。これに対し、本発明では、エナメル塗料に代えて、ＡｌＮウィスカーが混入されている樹脂混合物１０３、１０６を採用しているので、従来の雲母の添加量（重量）よりも少ない添加量で従来よりも優れた熱伝導性を期待することができる。即ち、同じ電流を流す場合には、本発明では従来よりも線材１０２、１０５の温度上昇を抑制することができる。又、同じ温度の耐熱特性であれば、本発明では従来よりも大きな電流を流すことができる。
図８０は、ＡｌＮウィスカーが混入されている樹脂混合物を電球の部材として使用した態様を示している。図８０に示すＬＥＤ電球１１１は、樹脂混合物１１２にガラスカバー１１３が組付けられ、２個のＬＥＤ素子１１４、１１５が樹脂基板１１６上に実装されて構成されている。樹脂混合物１１２にはＡｌＮウィスカーが混入されており、樹脂基板１１６にもＡｌＮウィスカーが混入されている。ＬＥＤ１１４素子は、電源基板１１７から電気線１１８、１１９を介して電力が供給されて発光し、ＬＥＤ素子１１５は、電源基板１１７から電気線１２０、１２１を介して電力が供給されて発光する。ＬＥＤ素子１１４、１１５が発光すると、ＬＥＤ素子１１４、１１５から発せられた熱は樹脂基板１１６を介して樹脂混合物１１２に伝達され、樹脂混合物１１２から大気中に放出される（放熱される）。樹脂混合物１１２の表面、即ち、大気と接触する部分は放熱され易いように凹凸形状になっているのが好ましい。
従来は、アルミ合金にガラスカバーが組付けられていた。これに対し、本発明では、アルミ合金に代えて、ＡｌＮウィスカーが混入されている樹脂混合物１１２を採用しているので、全体の重量を軽量化することができる。又、アルミ合金は放熱性の点では有効であるが絶縁性の性能が劣るために絶縁板等を介して熱を伝達させることになり、そのため、絶縁部分で熱伝導性が阻害されたり部品点数が増えて構造が複雑化したりするが、本発明では、このような不具合が発生することもない。
図８１は、ＡｌＮウィスカーが混入されている樹脂混合物をモータの部材として使用した態様を示している。図８１に示すモータ１３１は、ハウジング１３２の内部に鉄心材料１３３とコイル１３４とが配置され、シャフト１３５と磁石１３６とが磁石固定軸芯１３７により一体化された回転子（ロータ）１３８が軸受１３９により回転可能に支持されて構成されている。そして、回転子１３８とハウジング１３２の内壁との間に、ＡｌＮウィスカーが混入されている樹脂混合物１４０が充填されている。例えばＨＥＶ車のモータの場合には、数１０〜数１００ｋＷのモータが採用され、供給された電力の約７０〜８０％が動力となり、０〜３０ｋＷの熱が発生する。
従来は、モータ１３１の内部で発生した熱を外部に放出するために絶縁オイルを用い、絶縁オイルをモータ１３１の外部に流出して熱交換器により冷却し、その冷却した絶縁オイルを再度モータ１３１に流入する（循環する）ことで、モータ１３１を冷却していた。これに対し、本発明では、絶縁オイルに代えて、ＡｌＮウィスカーが混入されている樹脂混合物１４０を採用しているので、モータ１３１の外部に熱交換器を用意する必要がなくなり、モータ１３１の内部で発生した熱がハウジング１３２を介して外部に放出される。熱交換器を不要とすることで、構造のコンパクト化やコスト低下を期待することができる。又、例えば約２０Ｗ／ｍｋのＡｌＮウィスカーをポリイミド系の樹脂（分解温度５００℃以上）に混合した樹脂混合物を充填し、ハウジング１３２に放熱フィンを取付けることができれば、絶縁オイルを循環する方式と同等の効果を期待することができる。又、磁石１３６は、一般的にキューリ温度以上では磁力が減少する傾向があり、例えばＮｄＦｅ磁石のキューリ温度は３３０℃であり、これ以上の温度になると、磁力が劣化する特性がある。これに対し、例えば約２０Ｗ／ｍｋのＡｌＮウィスカーを例えばポリイミド系の樹脂に混合した樹脂混合物を採用すれば、ＮｄＦｅ磁石のキューリ温度である３３０℃の付近でも、磁力の劣化を抑制することができる。
図８２は、ＡｌＮウィスカーが混入されている樹脂混合物を電子部品の部材として使用した態様を示している。図８２（ａ）に示す電子部品１４１は、基板１４２上に実装されているＳｉ又はＧａＡｓ等からなる半導体素子１４３が樹脂混合物１４４によりモールドされて構成されている。図８２（ｂ）に示す電子部品１４５は、基板１４６上に実装されている半導体素子１４７がワイヤー１４８及びピン１４９の一部と共に樹脂混合物１５０によりモールドされて構成されている。電子部品１４６は、次の手順により作製する。半導体素子１４７を基板１４６上に実装し、半導体素子１４７とピン１４９とをワイヤー１４８により接続する（ワイヤーボンディングにより電気的に接続する）。半導体素子１４７とピン１４９とをワイヤー１４８により接続した状態のまま型の中にセットし、型を加熱しつつ樹脂混合物１５０を溶融した状態で型に注入する。このとき、空間ができない（気泡が残らない）ように真空引きして型全体に樹脂混合物１５０を注入する。その後、冷却して樹脂混合物１５０が硬化した後に、樹脂混合物１５０を半導体素子１４７等と共に型から取出す。尚、この場合に用いるＡｌＮウィスカーは、ワイヤー１４８を切断する可能性がない長さであることが好ましく、例えば数〜１００μｍが好ましい。熱伝導率が約２０Ｗ／ｍｋの樹脂混合物１５０を用いることで、従来のエポキシ系の樹脂（例えば熱伝導率：約０．１〜０．５Ｗ／ｍｋ）を用いる場合と比較し、同一の電力で通電する場合には、半導体素子の温度を大幅に低下させることができる。
図８３も、ＡｌＮウィスカーが混入されている樹脂混合物を電子部品の部材として使用した態様を示している。図８３（ａ）に示す電子部品１５１は、ＨＥＶ車等に用いられるパワーカードであり、電圧を変換する機能や直流を交流に変換する機能を有する機器である。基板１５２上にはＩＧＢＴ素子１５３が実装されている。ＩＧＢＴ素子１５３と電極１５４とはワイヤー１５５により電気的に接続されている。電子部品１５１は、次の手順により作製する。ＩＧＢＴ素子１５３を基板１５２上に実装し、ＩＧＢＴ素子１５３と電極１５４とをワイヤー１５５により接続する（ワイヤーボンディングにより電気的に接続する）。ＩＧＢＴ素子１５３と電極１５４とをワイヤー１５５により接続した状態のまま型の中にセットし、型を加熱しつつ樹脂混合物１５６を溶融した状態で型に注入する。このときも、空間ができない（気泡が残らない）ように真空引きして型全体に樹脂混合物１５６を注入する。その後、冷却して樹脂混合物１５６が硬化した後に、樹脂混合物１５６をＩＧＢＴ素子１５３等と共に型から取出す。尚、この場合に用いるＡｌＮウィスカーも、ワイヤー１５５を切断する可能性がない長さであることが好ましく、例えば数〜１００μｍが好ましい。その後、多数の羽１５７を有する放熱フィン１５８を樹脂混合物１５６に接合する。
従来は、表面が銅メッキされたＩＧＢＴ素子を基板で固定し、ＩＧＢＴ素子と電極とをワイヤーボンディングで接続してエポキシ系の樹脂で固定していた。このとき、銅メッキされた面にはエポキシ系の樹脂が残らないようにし、銅メッキの表面に熱伝導率が高いシリコングリース（熱伝導率：約１〜３Ｗ／ｍｋ）を塗布し、その上にセラミック板（熱伝導率：約３０〜３６Ｗ／ｍｋ）、窒化硅素板（熱伝導率：約３０〜８０Ｗ／ｍｋ）材料を取付け、その上に更にシリコングリースを塗布し、アルミニウム性の熱交換器を取付けていた。これに対し、本発明では、シリコングリース、セラミック板、窒化硅素板、銅メッキ等を不要とすることができ、構造を簡素化することができる。ＡｌＮウィスカーが混入されている例えば２０Ｗ／ｍｋの樹脂混合物１５６を０．３〜０．５ｍｍ厚さで用いると、従来と比較し、放熱量は窒化硅素板を用いた構成と同等以上になる。尚、図８３（ａ）に示す電子部品１５１は、放熱フィン１５８が片側（図８３では下側）のみに接合されているが、図８３（ｂ）に示す電子部品１６１のように、放熱フィン１５８が両側（図８３では下側及び上側）に接合されていても良い。
図８４は、ＡｌＮウィスカーが混入されている樹脂混合物をプリント基板の部材として使用した態様を示している。図８４（ａ）に示すプリント基板１７１は、ＡｌＮウィスカーが混入されている樹脂混合物１７４が単体で構成されている。図８４（ｂ）に示すプリント基板１７２は、銅箔又はアルミニウム箔からなる導体部分１７５に樹脂混合物１７４が接合されて構成されている。図８４（ｃ）に示すプリント基板（多層基板）１７３は、多層の導体部分１７５に樹脂混合物１７４が接合されて構成されている。
従来は、エポキシ系の樹脂にガラスファイバーを混入されてプリント基板が成形されていた。この場合、絶縁性は確保されているが、放熱性は殆ど考慮されていなく、約０．０１〜０．１Ｗ／ｍｋ程度である。これに対し、本発明では、ＡｌＮウィスカーが混入されている樹脂混合物１７４を用いることで、例えば２０Ｗ／ｍｋのプリント基板を作製することができる。尚、プリント基板１７１〜１７３には多くの穴を開けるので、比較的短いＡｌＮウィスカーを充填することが好ましく、比較的短いＡｌＮウィスカーを充填することで、穴を開き易くしながらも熱伝導率の低下を防ぐことができる。尚、多層基板であるプリント基板１７３は、次の手順により作製する。ＡｌＮウィスカーをエポキシ系の樹脂中に導入し、薄いシート状又は板状の予備成形体を作製する。予備成形体の上に銅箔や銅板（又はアルミニウム箔やアルミニウム板）を接合し、銅箔や銅板上の不必要な部分を除去し、複数枚を重ねて所定温度で加熱しつつ、プレスして硬化させ、冷却する。又、図８５に示すプリント基板１８１は、アルミニウム箔１８２、ＡｌＮウィスカーが混入されている樹脂混合物１８３、銅板１８４が接合されて構成されている。
図８６は、ＡｌＮウィスカーが混入されている樹脂混合物をシートの部材として使用した態様を示している。シート１９１は、熱伝導性アクリルシート１９２、ＡｌＮウィスカーが混入されている樹脂混合物１９３、フィルムライナーが接合されて構成されている。従来は、熱伝導性のアクリル樹脂（非粘性）の下側に熱伝導性の低硬度アクリル層が接合され、その下側にフィルムフィラーが接合されていた。これに対し、本発明では、熱伝導性の低硬度アクリル樹脂を用い、ＡｌＮウィスカーが熱伝導性の低硬度アクリル樹脂に混入されている。ＡｌＮウィスカーの長さは、数〜１００μｍが好ましく、添加量は例えば約４０ｗｔ％以下が好ましい。添加量が必要以上に多くなると、粘性が著しく低下する。
図８７は、ＡｌＮウィスカーが油脂混合物（有機化合物）に混入されている態様を示している。グリース２０１（油脂混合物）は、ＡｌＮウィスカーが混入されているシリコン系の樹脂２０２である。シリコン系の樹脂に混入されるＡｌＮウィスカーの長さは数〜数１０μｍが好ましく、長いと、塗布したときに塗布厚さが厚くなり、不向きである。又、ＡｌＮウィスカーが混入されると、粘性が高くなるので、多量に混入することは困難であるが、約４０ｗｔ％程度とすると、熱伝導率は約１０Ｗ／ｍｋを達成することができる。
図８８は、ＡｌＮウィスカーが紙に混入されている態様を示している。以下に示す手順により作製する。最初に、紙２１１の原料となるセルロース繊維を水に溶かす。次に、ＡｌＮウィスカーの表面に水との反応を防止する皮膜を施す。次に、セルロース繊維を水に溶かした溶液中のセルロース繊維の量に対し、約数〜５０％（体積％）のＡｌＮウィスカーを投入し、バインダーとなる有機糊（メチルセルロース等の糊材料）を約数〜５％程度（セルロース繊維とＡｌＮウィスカーの合計量に対する割合）を添加する。次に、溶液を撹拌して均一に混合し、網（ネット）状のフィルターで溶液を濾して水をできるだけ少なくする。この場合、濾す回数を多くすると、紙２１１が厚くなるので、濾す回数を調節して所望の厚さとする。そして、フィルターから材料を取出して紙状とし、乾燥させた後にロール状に巻き取る。ＡｌＮウィスカーが混入されている紙２１１の用途としては、絶縁が必要で且つ熱の伝導性が必要な用途に使われる。例えばコンデンサの静電容量紙等の用途がある。燃え難い紙としての用途もある。
図８９は、ＡｌＮウィスカーが繊維に混入されている態様を示している。以下に示す手順により作製する。最初に、繊維（例えば有機化学繊維等）２２１の原料となる材料を水又は有機溶剤に溶かす。次に、ＡｌＮウィスカーの表面に水との反応を防止する皮膜を施す。次に、繊維の原料となる材料を水又は有機溶剤に溶かした溶液中の材料の量に対し、約数〜５０％（体積％）のＡｌＮウィスカーを投入し、バインダーとなる有機糊（メチルセルロース等の糊材料）を約数〜５％程度（セルロースとＡｌＮウィスカーの合計量に対する割合）を添加する。次に、溶液を撹拌して均一に混合し、網（ネット）状のフィルターで溶液を濾して水をできるだけ少なくする。この場合も、濾す回数を多くすると、繊維２２１が厚くなるので、濾す回数を調節して所望の厚さとする。そして、フィルターから材料を取出して布状とし、乾燥させた後にロール状に巻き取る。ＡｌＮウィスカーが混入されている繊維２２１の用途としては、繊維２２１を熱、機械的又は科学的な作用により接着又は絡み合わせて不織布として成形することで、難燃性及び放熱性が求められる例えばカーテン材料等として使われる。
図９０は、ＡｌＮウィスカーが繊維に混入されている別の態様を示している。以下に示す手順により作製する。最初に、繊維２３１の原料となる有機物材料を有機溶剤に溶かす。次に、ＡｌＮウィスカーの表面に水との反応を防止する皮膜を施す。次に、繊維２３１となる有機物材料を水に溶かした溶液中の有機物材料の量に対し、約数〜５０％（体積％）のＡｌＮウィスカーを投入し、溶液から紡糸する。このとき、ＡｌＮウィスカーは有機物材料の中に混合されている。そして、紡糸した繊維２３１を乾燥させた後に巻き取る。ＡｌＮウィスカーが混入されている繊維２３１の用途としては、紡糸した糸を織って布にすることで、熱伝導の良い衣類等として使われる。又、カーテン、カーペット、絨毯等に用いられることで、難燃性及び熱伝導性を得ることができる。又、電気ヒーターカーペット材料に用いられることで、絶縁性及び熱伝導性に優れ、均一に加熱することができ、電気料金の節約に繋げることができる。又、耐熱伝導性及び耐熱性を有する手袋に用いられたり、無機繊維（アルミナ繊維、ムライト繊維、シリカ繊維）を混合すると、耐熱性、絶縁性及び熱伝導性があるので、熱電対の保護カバー（管）に用いられたりしても良い。更に、図９１に示すように、数本の繊維２４１を束ねて撚ることで撚糸を成形し、熱伝導性の良い衣類や摩擦熱の放散が良いロープや紐等に用いられても良い。
又、ＡｌＮウィスカーを、冷却効果を高める用途にも適用することができる。例えば車両のエンジン等の冷却には冷却水（水の熱伝導率は０℃で０．５６９Ｗ／ｍｋ、１００℃で０．６８５Ｗ／ｍｋ）が使われているが、冷却水中に耐水性の表面処理をしたＡｌＮウィスカーを添加すると、冷却水の熱伝導率を高めることができる。この場合、ＡｌＮウィスカーを添加する量は流動性が損なわれない程度であることが好ましく、体積割合で例えば６０％以下であることが好ましい。又、水とＡｌＮウィスカーとを分離させないように、直径が約０．１〜１μｍで、長さが約０．５〜１００μｍ程度のものを添加するのが好ましい。
又、有機材料の冷却溶媒中にＡｌＮウィスカーを添加することも有効である。例えば潤滑油（熱伝導率は０℃で０．１４８Ｗ／ｍｋ、１２０℃で０．１３５Ｗ／ｍｋ）中にＡｌＮウィスカーを添加すると、潤滑油の熱伝導率を高めることができる。又、この場合も、ＡｌＮウィスカーを添加する量は流動性が損なわれない程度であることが好ましく、体積割合で例えば６０％以下であることが好ましく、潤滑油とＡｌＮウィスカーとを分離させないように、直径が約０．１〜１μｍで、長さが約０．５〜１００μｍ程度のものを添加するのが好ましい。又、シリコンオイル（熱伝導率は２５℃で０．１３４Ｗ／ｍｋ）やスピンドル油（熱伝導率は２０℃で０．１４４Ｗ／ｍｋ、１２０℃で０．１３８Ｗ／ｍｋ）中にＡｌＮウィスカーを添加しても良い。
尚、以上に説明したＡｌＮウィスカーを樹脂混合物や油脂混合物に混入させる場合には、本発明で得られる表面に凹凸が発生していないＡｌＮウィスカーのみを混入させることに限らず、表面に凹凸が発生していないＡｌＮウィスカーと、従来の表面に凹凸が発生しているＡｌＮウィスカーとを混在して混入させても良い。表面に凹凸が発生していないＡｌＮウィスカーを２０ｖｏｌ％とし、表面に凹凸が発生しているＡｌＮウィスカーを２０ｖｏｌ％とした樹脂混合物では、表面に凹凸が発生しているＡｌＮウィスカーを４０ｖｏｌ％とした樹脂混合物よりも良好な熱伝導性を得ることが確認された。又、表面に凹凸が発生していないＡｌＮウィスカーを２０ｖｏｌ％とし、表面に凹凸が発生しているＡｌＮウィスカーを１０ｖｏｌ％とし、粒状ＡｌＮを１０ｖｏｌ％とした樹脂混合物でも、表面に凹凸が発生しているＡｌＮウィスカーを４０ｖｏｌ％とした樹脂混合物と同程度の熱伝導性を得ることが確認された。更に、表面に凹凸が発生していないＡｌＮウィスカーを３０ｖｏｌ％とし、粒状ＡｌＮを１０ｖｏｌ％とした樹脂混合物でも、表面に凹凸が発生しているＡｌＮウィスカーを４０ｖｏｌ％とした樹脂混合物と同程度の熱伝導性を得ることが確認された。
以上に説明したように本実施形態によれば、Ａｌと組成する元素として、Ａｌ及び窒素ガスの何れとも化合物を形成しない条件又はＡｌ及び窒素ガスの何れかと化合物を形成するが当該化合物の標準生成自由エネルギーがＡｌＮの標準生成自由エネルギーよりも大きい（当該化合物がＡｌＮよりも熱力学的に不安定である）条件を満たす元素を用いる。これにより、ＡｌＮウィスカーを作製する際にＡｌと組成する元素がＳｉ及びＴｉに限定されず、Ｓｉ及びＴｉとは別の元素を用いてＡｌＮウィスカーを作製することができる。本実施形態では、Ａｌと組成する元素として、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｓｎを用いた場合にＡｌＮウィスカーが作製されることを確認したが、（ア）の条件を満たすＬｉ、Ｍｇ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｇａ、Ｓｒを用いた場合にもＡｌＮウィスカーが作製することができると推定される。
更に、Ａｌとの相互作用エネルギーが負となる条件を満たし且つ当該相互作用エネルギーの絶対値がＡｌとＧｅとの相互作用エネルギーよりも大きい条件を満たす元素を用いる。これにより、軸方向の表面が平坦な（凹凸が極めて少ない）ＡｌＮウィスカーを作製することができる。本実施形態では、Ａｌと組成する元素として、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕを用いた場合に軸方向の表面が平坦となることを確認したが、（イ）の条件を満たすＣｒ、Ｓｒを用いた場合にも軸方向の表面が平坦となると推定される。
そして、軸方向の表面に凹凸が発生していないＡｌＮウィスカーを樹脂中や油脂中に混入する場合に、ＡｌＮウィスカー同士が点接触せずに面接触し易くなり、熱伝導性及び絶縁性に優れた樹脂混合物や油脂混合物を提供することができる。更に、そのＡｌＮウィスカーが混入されている樹脂混合物や油脂混合物を例えば電線、電球、モータ、電子部品、シート、紙、繊維等の製品における熱伝導性及び絶縁性が要求される部分に用いることで、製品の品質を高めることができる。
本発明は、上記した実施形態にのみ限定されるものではなく、以下のように変形又は拡張することができる。
ＡｌＮウィスカーを作製する方法に限らず、ＡｌＮの薄膜やバルクを作製する方法に適用することも可能である。
Ａｌ−Ｆｅ、Ａｌ−Ｃｕ等の二元系の組成物を用いてＡｌＮウィスカーを作製する方法に限らず、例えばＡｌ−Ｆｅ−Ｃｕの三元系の組成物を用いる等、三元以上の多元系の組成物を用いてＡｌＮウィスカーを作製する方法に適用することも可能である。
ＡｌＮ結晶を含む樹脂混合物を用いる製品は、電線、電球、モータ、電子部品、シート、紙、繊維以外であっても良い。即ち、熱伝導性及び絶縁性が要求される部分に適用することで、どのような製品に適用することも可能である。
図面中、１０１、１０４は電線、１０３、１０６は樹脂混合物、１１１は電球、１１２は樹脂混合物、１３１はモータ、１４０は樹脂混合物、１４１は電子部品、１４４は樹脂混合物、１５１、１６１は電子部品、１５６は樹脂混合物、１７１はプリント基板、１７４は樹脂混合物、１８１はプリント基板、１８３は樹脂混合物、１９１はシート、１９３は樹脂混合物、２０１はグリース（油脂混合物）、２１１は紙、２２１、２３１、２４１は繊維である。

Claims (5)

  1. 所定の反応温度においてＡｌ及びＮの何れとも化合物を形成しない条件又はＡｌ及びＮの何れかと化合物を形成するが当該化合物の標準生成自由エネルギーがＡｌＮの標準生成自由エネルギーよりも大きい条件を満たすＳｉを除く元素を少なくとも１つ用い、少なくともＡｌと当該元素とを含む組成物を溶融させてＡｌ蒸気と窒素ガスとを前記所定の反応温度で反応させて、少なくともＡｌと当該元素とを含む合金からＡｌＮ結晶からなるウィスカーを作製することを特徴とするＡｌＮ結晶の作製方法。
  2. 請求項１に記載したＡｌＮ結晶の作製方法において、
    前記元素として、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｓｒ、Ｓｎの何れかを用いることを特徴とするＡｌＮ結晶の作製方法。
  3. 請求項１又は２に記載したＡｌＮ結晶の作製方法において、
    前記元素として、Ａｌとの相互作用エネルギーが負となる条件を満たし且つ当該相互作用エネルギーの絶対値がＡｌとＧｅとの相互作用エネルギーよりも大きい条件を満たす元素を用いることを特徴とするＡｌＮ結晶の作製方法。
  4. 請求項３に記載したＡｌＮ結晶の作製方法において、
    前記元素として、Ｌｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｓｒの何れかを用いることを特徴とするＡｌＮ結晶の作製方法。
  5. 炉心管と、
    加熱用の手段と、を備え、
    所定の反応温度においてＡｌ及びＮの何れとも化合物を形成しない条件又はＡｌ及びＮの何れかと化合物を形成するが当該化合物の標準生成自由エネルギーがＡｌＮの標準生成自由エネルギーよりも大きい条件を満たすＳｉを除く元素を少なくとも１つ用い、少なくともＡｌと当該元素とを含む組成物を前記炉心管の内部において前記加熱用の手段による加熱により溶融させてＡｌ蒸気と窒素ガスとを前記所定の反応温度で反応させて、少なくともＡｌと当該元素とを含む合金からＡｌＮ結晶からなるウィスカーを作製するためのＡｌＮ結晶の作製装置。
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