JP6739003B2 - グラファイトとその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、グラファイトとその製造方法に関する。特に、熱拡散用のグラファイトとその製造方法に関するものである。

電子機器から発生する熱を拡散させる材料として、グラファイトを使用した熱対策材が用いられている。電子機器の高性能化に伴い、発熱量が増大する。これに対応するためには、グラファイトを厚くして、多くの熱量を逃がす必要である。

従来、厚いグラファイトを作製するために、１枚の厚い高分子フィルムを通電焼結法で製造する方法が提案されている（特許文献１）。また、高分子フィルム複数枚を積層し、加熱加圧で、厚いグラファイトを作製する方法もある（特許文献２）。

特開昭６０−１８１１２９号公報 特開昭６１−２７５１１６号公報

しかし、１枚の高分子フィルムから製造する特許文献１の方法では、厚い高分子フィルムが必要である。しかし、厚み１５０μｍまでしか高分子フィルムを作製できない。また、厚い高分子フィルムの場合、熱処理時に内部のガス抜けが悪く、結晶性、形成性が悪い。

また、特許文献２の複数の高分子フィルムを加熱加圧する方法では、厚いグラファイトを作製できるが、柔軟性がない。このため、電子機器内に設置するには、厚いグラファイト分、余分にスペースが必要であり、薄い電子機器には用いることができない。

よって、本願の課題は、放熱性と柔軟性を併せ持つグラファイトとその製造方法を提供することである。

上記課題を解決するために、熱を搬送する搬送部と、可撓性のある可撓部と、を含むグラファイトを用いる。また、上記搬送部の空隙率が１％以上３０％以下で、上記可撓部の空隙率が３０％より大きく５０％以下であるグラファイトを用いる。

さらに、少なくとも１つの原料フィルムを熱処理して、少なくとも１つの炭素質フィルムを得る工程と、上記少なくとも１つの炭素質フィルムを含む単層構造体または多層構造体を準備する準備工程と、不活性雰囲気中で上記単層構造体または多層構造体の少なくとも一部を加熱加圧する工程と、を含むグラファイトの製造方法を用いる。

作製時に部分的に加圧力を調整することで、可撓部を持ったグラファイトが実現する。結果、本願グラファイトを電子機器に使用すれば、部品配置に阻害されることなく、放熱面積を大きくとることができる。薄型電子機器の発熱を防ぐことが出来る。

実施の形態のグラファイトの断面図 実施の形態の搬送部の断面観察写真を示す図 放熱性実験を示す断面図

図１は、実施の形態のグラファイト１０の模式断面図である。熱輸送量の高い搬送部１と柔軟性を持つ可撓部２とを有する。以下に各部と製造方法について詳細に説明する。なお、グラファイト１０は、シート状、または、平面状である。

＜搬送部１＞
搬送部１は、熱を搬送し、熱を逃がすことで放熱する部分である。搬送部１は、グラファイトからなり、図１に示すように、グラファイトの積層構造体である。グラファイトのベーサル面が、搬送部１の表面と平行となって、グラファイトが積層されている。可撓部２も同様である。搬送部１の厚みは１００μｍ以上であることが望ましい。熱搬送量は熱伝導率と厚みの積で決まる。そのため、搬送部１の厚みが、１００μｍ未満であると効果的に放熱することが出来ない。

また、搬送部１の厚みが、５００μｍを超えると、柔軟性が悪くなり、機器への挿入もやりにくい。搬送部１の厚みは、５００μｍ以下が好ましい。

図２は実施の形態の搬送部１の断面を走査型電子顕微鏡で観察したものである。断面観察像を２値化することで、空隙率を算出することが出来る。ここで、空隙は、グラファイトの層構造の層間にできる空間である。グラファイトを高温高圧化で作製すると、空隙は無くなり、ダイヤモンド的になる。

搬送部１は、空隙率が１％以上、３０％以下であることが望ましい。空隙率が１％よりも小さい場合には、単結晶グラファイトになり非常に硬くなる。このために貼り付ける熱対策材としては不適である。また、空隙率が３０％を超えると熱搬送が低下するために熱対策材として不適である。

＜可撓部２＞
可撓部２は、可撓性、柔軟性がある部分である。可撓部２の長さＬは１ｍｍ以上であることが望ましい。熱対策部品であるグラファイト１０が乗り越える必要がある高さは、３００μｍ以上必要であると思われる。つまり、グラファイト１０を電子機器内で用いる場合、グラファイト１０は、電子機器内の電子部品を乗り越える必要がある。グラファイト１０が、電子部品を乗り越えるためには、電子部品の多くは３００μｍ以上の高さを有することから、長さＬは、電子部品の高さである３００μｍ以上必要である。長さＬの最大は３ｍｍあればよい。熱伝達性から３ｍｍ以下が好ましい。

可撓部２の長さは、１ｍｍよりも小さい場合には電子部品の高さの違いを無視できずに割れてしまう可能性がある。

可撓部２の空隙率は３０％より大きく、５０％以下であることが望ましい。空隙率が３０％以下の場合、十分な柔軟性を得ることが出来ずに割れが発生する。また、空隙率が５０％を超えると熱搬送性が著しく低下し、熱の搬送を阻害する。

ここで、柔軟性は、４５度曲げることができることを意味する。また、柔軟性は、少なくとも１回の変形が可能であることを示す。各種機器へグラファイト１０を設置する場合に、１回変形させればよいためである。ただし、２〜３回変形できる柔軟性があれば、各種機器へ再度の設置ができるので好ましい。

＜グラファイト１０の製造方法＞
実施の形態であるグラファイト１０は、（１）炭素質フィルム製造工程と、（２）成形準備工程と、（３）成形工程とで作製される。

（１）炭素質フィルム製造工程（工程（ｉ））では、少なくとも１つの原料フィルムを４００〜２０００℃で熱処理して、少なくとも１つの炭素質フィルムを取得し得る工程である。昇温速度は１℃／分〜５℃／分であってもよい。

（２）成形準備工程（工程（ｉｉ））は、炭素質フィルム製造工程で得られた少なくとも１つの炭素質フィルムを含む単層構造体または多層構造体を準備する。工程（ｉ）において、複数のフィルムを熱処理して複数の炭素質フィルムを製造し、工程（ｉｉ）においては、当該製造した複数の炭素質フィルムを重ねることにより前記多層構造体を準備してもよい。

（３）成形工程（工程（ｉｉｉ））では、不活性雰囲気中で成形型内で前記単層構造体または多層構造体の少なくとも一部を加熱加圧する。前記単層構造体または多層構造体を２２００℃以上の温度に維持し、部分的に５ＭＰａ以上、２０ＭＰａ以下の圧力で加圧成形し得る。

工程（ｉ）に関して、炭素質フィルムを製造するための熱処理温度は４００〜２０００℃の範囲で実施される。２０００℃より高い温度領域で熱処理を行うこともできるが、上記温度範囲内で熱処理したものを、曲面を構成の一部に加工された等方性黒鉛型を用いて、加熱成形して、ホットプレス加工できる。後者の方が、最終的に製造されるグラファイトの品質に良い結果を与える。
炭素質フィルムとは、ガラス状のアモルファス状のカーボンである。

工程（ｉ）で、少なくとも１つの炭素質フィルムを製造した後、工程（ｉｉ）において、当該少なくとも１つの炭素質フィルムを前記単層構造体として提供し、又は生じた複数枚の炭素質フィルムを重ねて、前記多層構造体を準備してもよい。ついで、工程（ｉｉｉ）において、当該単層構造体または多層構造体を、昇温工程の後に実質的に加熱条件下での圧着工程である成形プロセスを行い、又は当該成形プロセスに直接実施することにより、当該単層構造体または多層構造体における炭素質のグラファイト化を進行させてもよい。このようにして、グラファイト結晶が最終的に生じるグラファイトフィルムの表面に平行に配向されたグラファイト１０が製造される。

この工程（ｉｉｉ）、すなわち、成形工程においては、当該単層構造体または多層構造体の少なくとも一部を、２２００℃以上の温度に維持しつつ５ＭＰａ以上の圧力で成形し得る。その場合、当該少なくとも一部は、製造されるグラファイト１０において、熱の搬送部１として機能する。

圧力に関しては５ＭＰａより低い圧力の場合、薄い炭素質フィルム同士が密着せず所望の厚みをもつ搬送部１を得ることが出来ない。

圧力が２０ＭＰａより大きい場合、空隙率が１％より小さくなり非常に硬くなってしまう。搬送部１のみに５ＭＰａ以上、２０ＭＰａ以下の圧力を加えることで、搬送部１と可撓部２をもつグラファイトを得ることが出来る。なお、可撓部２は、加圧はしない。ただし、可撓部２は、搬送部１と同じ熱処理を受ける。このため、搬送部１と可撓部２とは同じ、高分子フィルムから製造される。搬送部１と可撓部２とは連続しており、搬送部１と可撓部２との間でグラファイトのベーサル面が連続する。

昇温速度に関しては１℃／分よりも遅くなると可撓部２の空隙率が３０％以下となる。また、５℃／分よりも速いと可撓部２の空隙率が５０％よりも大きくなってしまう。なお、搬送部１も上記昇温速度で問題なく作製できる。

空隙率が３０％以下となると可撓性が失われるために割れが発生し、放熱性が低下する。
また、空隙率が５０％よりも大きいと可撓部の熱伝導性が低下してしまうために放熱性が低下する。

なお、可撓部２は、搬送部１で挟まれるのが好ましい。図１のように、複数の搬送部１の間に可撓部２が位置するのが好ましい。可撓部２の周辺に少なくとも２方向において搬送部１が位置している場合、可撓部２が安定して膨らみ、また、上記熱処理を安定して行える。したがって、そのような搬送部１および可撓部２の配置が好ましい。

なお、グラファイト１０は、熱処理で酸素、水素などが除去され、炭素が実質的に１００％である。不可避の元素は含まれる。

＜原料フィルム＞
実施の形態で用いることができる原料フィルムとしては、高分子フィルムであり、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリオキサジアゾール（ＰＯＤ）、ポリベンゾチアゾール（ＰＢＴ）、ポリベンゾビスチアゾール（ＰＢＢＴ）、ポリベンゾオキサゾール（ＰＢＯ）、ポリベンゾビスオキサゾール（ＰＢＢＯ）、ポリパラフェニレンビニレン（ＰＰＶ）、ポリフェニレンベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）、ポリフェニレンベンゾビスイミダゾール（ＰＰＢＩ）、ポリチアゾール（ＰＴ）が挙げられる。

これらのうちから選ばれる少なくとも１種を含む耐熱芳香族性高分子フィルムであることが好ましい。なぜなら、最終的に得られるグラファイト１０の電気伝導性、熱伝導性が高くなるためである。これらのフィルムは、公知の製造方法で製造すればよい。

この中でもポリイミドは、原料モノマーを種々選択することによって様々な構造および特性を有するものを得ることができるために好ましい。

また、使用する原料フィルムの厚みは７５μｍ以下が望ましい。厚みが７５μｍより厚い原料フィルムの場合、ガスの発生タイミングにより結晶性が乱れるため、熱伝導率が低下するため、熱搬送材として適さない。

なお、搬送部１のグラファイトは、上記高分子フィルムを熱処理で作製されるので、搬送部１のグラファイトは、酸素、水素などが焼成で除外される。搬送部１のグラファイトは、酸素が、３．１ａｔ％以下、窒素が、４．１ａｔ％以下が好ましい。

また、搬送部１のグラファイトは、炭素の六員環構造の層間が３．３Å以上３．７３Å以下が好ましい。また、高分子フィルムを熱処理で作製されるグラファイトは、高分子由来の層構造である。また、搬送部１のグラファイトは、グラファイトの（００２）面のＸ線ピークの２θ／θの半値幅が、０．５°以下と結晶性の高いグラファイトであることが好ましい。

なお、可撓部２のグラファイトも上記と同様の物性を有する。

以下、実施例に基づいて実施の形態をより具体的に説明する。ただし、以下の実施例は
実施の形態を限定するものではない。

＜実施例１−３＞
グラファイトとなる原料フィルムとして厚み、２５μｍのポリイミドフィルム（東レ・デュポン株式会社製、カプトンフィルム）を２０枚重ね使用した。加圧力、昇温速度、各部の空隙率、可撓部２の長さを表１の条件で作製し、放熱性の評価結果も併せて示す。空隙率変化の条件を表１に記載しました。

＜比較例１−４＞
実施例と同様に、表１に示す条件で処理を行った。

＜放熱性評価＞
実施例、比較例で得られたグラファイトの放熱性について簡易的なジグを用いて検証を行った。図３は効果検証ジグの断面図を示したものである。発熱体３の近傍に発熱体３よりも３００μｍ高い部品４を配置した後に、各種グラファイトを押し当てる。グラファイトの発熱体３の直上５と端部６の温度を測定し、この二つの温度差が小さいほど放熱性が高いと判断した。温度差が１０℃以下のものを○、それより大きいものを×と判定した。

＜考察＞
搬送部１の空隙率＋
表１の比較例１より、搬送部１の空隙率を小さくした場合（０．５％）、搬送部１のグラファイトは結晶性が高く硬くなっており、発熱体に押し当てた際に微小な割れが発生し放熱効果が低下した。

逆に、比較例２の搬送部１の空隙率を大きくした場合（４０％）は、搬送部１で十分な熱を伝えることが出来ずに放熱性が低下したと考えられる。一方、実施例１〜３より空隙率を１〜３０％にした場合には高い放熱性を示す。よって搬送部１の空隙率は１％以上３０％以下がよい。

（２）可撓部２の空隙率
比較例３は可撓部２で段差を吸収することが出来ずに割れていたために著しく放熱性が低下した。逆に、比較例４では割れは発生していなかったが、可撓部２の熱搬送性が低いために放熱性が低下したと考えられる。一方、実施例４〜６より空隙率３０％以上５０％以下にした場合には高い放熱性を示した。ただし、より柔軟性を高めるため、３０％より大きくした方が好ましい。よって可撓部２の空隙率は３０％より大きく５０％以下がよい。

（３）可撓部２の長さ
比較例５より、可撓部２の長さが短い場合にはわれが発生し放熱性が著しく低下する。よって可撓部２長さは１ｍｍ以上がよい。

以上まとめると、以下となる。
（１）搬送部１の空隙率は１％以上３０％以下がよい。
（２）可撓部２の空隙率は３０％より大きく５０％以下がよい。
（３）可撓部２の長さは１ｍｍ以上がよい。

本発明の製造方法で作製されるグラファイトフィルムは、熱伝導性が高いために、例えば、サーバー、サーバー用パソコン、デスクトップパソコン等の電子機器や、ノートパソコン、電子辞書、ＰＤＡ、携帯電話、ＰＤＰ、ポータブル音楽プレイヤー等の携帯電子機器だけではなく、車載用電池均熱化を行う熱搬送材として好適である。

１ 搬送部
２ 可撓部
３ 発熱体
４ 部品
５ 直上
６ 端部
１０ グラファイト

Claims (10)

1. 熱を搬送する搬送部と、
   可撓性のある可撓部と、を含み、
   前記搬送部の空隙率が１％以上３０％以下で、前記可撓部の空隙率が３０％より大きく５０％以下であるグラファイト。
2. 熱を搬送する搬送部と、
   可撓性のある可撓部と、を含み、
   酸素が３．１ａｔ％以下、窒素が４．１ａｔ％以下であるグラファイト。
3. 前記搬送部と前記可撓部とは連続して形成され、前記搬送部と前記可撓部と間で、グラファイトのベーサル面が繋がっている請求項１または２に記載のグラファイト。
4. 前記搬送部の間に、前記可撓部が配置された請求項１〜３のいずれか１項に記載のグラファイト。
5. 前記可撓部の長さが１ｍｍ以上である請求項１〜４のいずれか１項に記載のグラファイト。
6. 炭素の六員環構造の層間が３．７３Å以下である請求項１〜５のいずれか１項に記載のグラファイト。
7. 前記グラファイトは、空隙以外、実質炭素のみからなる請求項１〜６のいずれか１項に記載のグラファイト。
8. 少なくとも１つの原料フィルムを熱処理して、少なくとも１つの炭素質フィルムを得る工程と、
   前記少なくとも１つの炭素質フィルムを含む単層構造体または多層構造体を準備する準備工程と、
   不活性雰囲気中で前記単層構造体または前記多層構造体の少なくとも一部を加熱加圧する工程と、を含むグラファイトの製造方法。
9. 加圧しない部分を設けた請求項８のグラファイトの製造方法。
10. 前記加圧しない部分は、柔軟性がある部分であり、加圧する部分は柔軟性のない部分である請求項９のグラファイトの製造方法。

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