KR101815719B1 - 전열시트, 전열시트의 제작방법, 및 방열 장치 - Google Patents

전열시트, 전열시트의 제작방법, 및 방열 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 전열시트는, 기재시트와, 상기 기재시트의 한쪽의 표면상에, 상기 기재시트의 두께의 1~30%의 두께의 금속박(C)를 갖는다. 상기 기재시트는, 실온에서 탄성을 나타내는 바인더 성분(A)와 이방성을 가지는 흑연분(B)를 함유하고, 흑연분(B)가 두께 방향으로 배향하고 있다.

Description

전열시트, 전열시트의 제작방법, 및 방열 장치{HEAT TRANSFER SHEET, MANUFACTURING METHOD FOR HEAT TRANSFER SHEET, AND HEART RADIATION DEVICE}
본 발명은, 전열시트, 전열시트의 제작방법, 및 방열 장치에 관한 것이다. 상세하게는, 높은 전열성과 취급성이 뛰어나고, 더욱이 사용되는 발열체 및 방열재의 형상에 대응 가능한 가공성을 가지는 전열시트, 전열시트의 제작방법, 및 전열시트를 이용한 방열 장치에 관한 것이다.
최근, 퍼스널 컴퓨터를 비롯한 각종 전자기기의 정보처리량은 급격하게 증가하고, 상기 기기 내부의 중요 부재인 다층 배선판이나 반도체는 고밀도화하고, 또한 전자 부품의 대형화가 진행되고 있다. 상기 배경 중, 기기 내부에서 발생하는 열량도 종래의 기종에 비해 큰 것으로 되고, 조작 중의 트러블(오작동, 조작 불능) 등의 문제를 일으키고 있다.
현재 이와 같은 문제를 해결할 수 있도록 전자기기 메이커 각 사는, 내부의 냉각을 신속하게 행하기 위하여, (1) 종래보다도 고성능의 냉각 팬을 설치하고, (2) 발열체와 방열재의 사이에 열전도율이 높고 또한 유연성이 있는 방열재를 개재시켜 발열체의 방열성을 향상시키는, 등의 대응을 도모하고 있다. 그러나 냉각 팬의 고성능화는 전자기기의 대형화를 불러 일으키고, 더욱이 소음의 증가 및 고비용의 요인으로 되어 있다.
그래서, 주목되는 것은, 발열체와 방열재의 사이에 부설하는 전열재이다. 전열재에는, 가능한 한 얇고 전열성이 뛰어난 것, 발열체 및 방열재의 변형에 추종 가능한 것이 요구된다.
전열재로서는, 그리스형의 재료를 대표적으로 들 수 있다. 그러나 이 방법은, 그리스의 낮은 점성에 기인하는 취급성의 나쁨때문에, 방열 장치의 조립시의 작업성의 악화를 초래하고 있다. 또한, 일반적으로 그리스는 온도 변화에 따른 점도 변화가 크고, 전열특성의 변화가 문제시되고 있다.
그래서, 상기 그리스형 전열재의 작업성을 개량한 재료로서, 탄성을 갖는 표면 택성(끈적임)이 안정되어 있는 전열시트가 주목받고 있다.
그러나, 현상 시판되고 있는 전열시트는, 방열 특성(발열체의 냉각 효과), 취급성, 및 시트 특성(탄성량이나 표면 택성)의 밸런스가 나빠서, 개선이 요망되고 있다. 또한, 유연성을 가진 방열 금속재료로서, 인듐을 시트화한 것도 사용되고 있지만, 고비용이기 때문에 일부의 사용에 머물고 있다.
이와 같은 상황 중, 저비용으로 방열 특성 및 작업성이 뛰어난 여러가지 복합 재료 조성물 및 그 가공물이 제안되고 있다.
예를 들면, 흑연 분말을 열가소성 수지에 배합한 방열성 수지 성형품(예를 들면, 일본국 특허공개공보 소62-131033호)나, 흑연, 카본 블랙 등을 함유하는 폴리에스테르 수지 조성물(예를 들면, 일본국 특허공개공보 평4-246456호)이 개시되고 있다. 또한, 입경 1~20㎛의 인조 흑연을 배합한 고무 조성물(예를 들면, 일본국 특허공개공보 평5-247268호)나, 결정면 간격이 0.330~0.340nm의 구상 흑연분을 실리콘 고무에 배합한 조성물(일본국 특허공개공보 평10-298433호)가 개시되어 있다.
또한, 특정의 흑연 입자를 고체 중에서 가압 압축하여 조성물의 표면에 대해서 평행하게 정렬시킨 고방열성 복합재료와 그 제조방법이 기재되어 있다(예를 들면, 일본국 특허공개공보 평11-001621호). 또한, 성형체 내의 흑연 분말의 결정 구조에 있어서의 c축이, 방열 방향에 대해서 직교 방법으로 배향되어 있는 방열성 성형체 및 그 제조방법이 개시되어 있다(예를 들면, 일본국 특허공개공보 2003-321554호).
취급성이 뛰어난 전열시트는, 상기한 바와 같이 방열 장치를 조립할 때의 작업성이 간편하다고 하는 특징을 가진다. 이 특징을 더욱 살리는 사용 방법에 있어서, 방열재의 형상에 맞춘 형상 가공성, 발열체 및 방열재면의 요철이나 곡면 등의 특수한 형상에 대한 추종성, 응력 완화 등의 기능을 부여하는 필요가 생기고 있다. 예를 들면, 디스플레이 패널과 같은 큰 면적으로부터의 방열에 있어서는, 상기 기능의 발휘가 중요한 과제로 되고 있다. 따라서, 취급성, 형상 가공성 및 높은 전열성을 가지는 시트의 개발이 강하게 요망되고 있다.
본 발명의 과제는, 높은 전열성과 취급성이 뛰어나고, 또한 용도에 따라서 여러가지 형상으로 가공 가능한 전열시트, 상기 전열시트의 제작방법, 및 상기 전열시트를 이용한 전열장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명자 등은, 상기 과제를 해결할 수 있도록 열심히 검토를 거듭한 결과, 이방성 흑연분을 바인더 성분 중에 일정 방향으로 배향시키고 또한 시트 표면에 특정의 두께의 금속박을 부여함으로써, 전열특성이 뛰어나고, 또한 취급성 및 형상 가공성도 뛰어난 전열시트를 발견했다.
즉, 본 발명은 이하와 같다.
<1> 실온에서 탄성을 나타내는 바인더 성분(A)와 이방성을 가지는 흑연분(B)를 함유하고, 상기 흑연분(B)가 두께 방향으로 배향한 기재시트와,
상기 기재시트의 한쪽의 표면상에, 상기 기재시트의 두께의 1~30%의 두께의 금속박(C)를 가지는 전열시트.
<2> 상기 금속박(C)가, 알루미늄, 구리, 또는 주석으로 형성되어 이루어지는 상기 <1>에 기재된 전열시트.
<3> 바인더 성분(A)로서, 유리 전이 온도 50℃ 이하의 열가소성 고무 성분(D)를 포함하는 상기 <1> 또는 <2>에 기재된 전열시트.
<4> 바인더 성분(A)로서, 유리 전이 온도 50℃ 이하의 열가소성 고무 성분(D)와, 열경화성 고무 성분(E)와, 상기 열경화성 고무 성분(E)에 가교 가능한 열경화형 고무 경화제(F)를 포함하는 상기 <1>~<3> 중 어느 한 항에 기재된 전열시트.
<5> 상기 흑연분(B)가 팽창 흑연 성형시트의 분쇄분이며, 분쇄 전의 상기 팽창 흑연 성형시트의 겉보기 밀도가 0.1g/㎤~1.5g/㎤의 범위에 있는 상기 <1>~<4> 중 어느 한 항에 기재된 전열시트.
<6> 상기 흑연분(B)가, 박편 바늘 가지상 또는 수지상이며, 평균 입경이 50㎛~2000㎛의 범위에 있는 상기 <1>~<5> 중 어느 한 항에 기재된 전열시트.
<7> 인산에스테르를 더 함유하는 상기 <1>~<6> 중 어느 한 항에 기재된 전열시트.
<8> 실온에서 탄성을 나타내는 바인더 성분(A)와, 이방성을 가지는 흑연분(B)를 함유하는 조성물을 조제하는 공정과,
상기 조성물을 이용하여, 흑연분(B)가 주된 면에 대해서 평행 방향으로 배향하는 1차 시트를 제작하는 공정과,
상기 1차 시트를 적층 또는 권회하여, 성형체를 제작하는 공정과,
상기 1차 시트면으로부터의 법선에 대해 45~80도의 각도로, 상기 성형체를 슬라이스하여 기재시트를 제작하는 공정과,
상기 기재시트의 두께에 대해서 1~30%의 두께의 금속박(C)를, 상기 기재시트의 표면에 부설하는 공정
을 가지는 상기 <1>~<7> 중 어느 한 항에 기재된 전열시트의 제작방법.
<9> 상기 바인더 성분(A)로서, 점착성 부여제와, 열가소성 고무 성분(D)와, 열경화성 고무 성분(E)와, 상기 열경화성 고무 성분(E)에 가교 가능한 열경화형 고무 경화제(F)를 포함하고,
상기 금속박(C)를 상기 기재시트의 표면에 부설하는 공정의 전 또는 후에, 상기 바인더 성분(A)를 가교시키는 공정을 가지는 상기 <8>에 기재된 전열시트의 제작방법.
<10> 발열체와,
방열체와,
상기 발열체와 전기 방열체의 사이에, 상기 발열체 및 방열체의 쌍방에 접하도록 배치한, 상기 <1>~<7> 중 어느 한 항에 기재된 전열시트
를 가지는 방열 장치.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
<전열시트>
본 발명의 전열시트는, 실온에서 탄성을 나타내는 바인더 성분(A)(이하 「바인더 성분(A)」라고 약칭하는 경우가 있다.)와 이방성을 가지는 흑연분(B)(이하 「흑연분(B)」라 약칭하는 경우가 있다.)를 함유하고, 흑연분(B)가 두께 방향으로 배향한 기재시트를 갖고, 이 기재시트의 한쪽의 표면에, 기재시트 두께의 1~30%의 두께의 금속박(C)을 구비한다. 이와 같은 구성으로 함으로써, 전열시트의 전열특성을 유지한 채로 취급성이 개선된다.
상기 두께의 금속박(C)를 부여하는 것에 의해서 전열시트의 강도가 향상하고, 방열재의 형상이나 설계에 맞춘 가공이 가능하게 되고, 또한 설치 작업시의 취급성도 향상한다. 또한, 이방성 흑연분(B)가 두께 방향으로 배향함으로써, 전열시트의 두께 방향의 열전도성이 향상하고, 발열체와 방열재 사이에 설치되는 경우에, 발열체의 열을 방열판에 효율적으로 전열시킬 수 있다.
본 발명에 있어서, 「이방성을 가지는」흑연분이란, 열전도율에 있어서 이방성을 갖고, 형상에 있어서 아스펙트비(단축 및 장축)를 갖는 흑연분을 의미한다.
이하, 「이방성을 가지는 흑연분」을, 「이방성 흑연분」이라고 칭하는 경우가 있다.
이방성 흑연분(B)가 「시트의 두께 방향으로 배향」한다는 것은, 전열시트를 정팔각형으로 자른 각 변의 두께 방향에서의 단면을 형광 현미경으로 관찰하고, 어느 1변의 단면에 있어서, 임의의 50개의 이방성 흑연분(B)의 장축이, 전열시트의 표면에 대해서 이루는 각도(90도 이상의 경우는 보각을 채용한다)를 측정하고, 그 평균치가 60~90도의 범위내에 있는 상태를 말한다.
「실온에서 탄성을 나타낸다」는, 25℃에 있어서, 유연성을 나타내는 것을 의미한다.
바인더 성분(A)와 이방성 흑연분(B)란, 각각 충분히 혼합된 상태로 되어 있는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 전열시트를 구성하는 재료에 관하여 설명을 행한다.
(바인더 성분(A))
본 발명의 방열시트는, 실온에서 탄성을 나타내는 바인더 성분(A)를 함유하고, 바인더 성분(A) 중에서, 후술의 이방성 흑연분(B)가 시트의 두께 방향으로 배향하고 있다.
바인더 성분(A)으로서는, 실온에서 탄성을 나타내는 것이면 제한되지 않지만, 유리 전이 온도 50℃ 이하의 열가소성 고무 성분(D)를 이용하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 -70~20℃, 더욱 바람직하게는 -60~0℃의 유리 전이 온도를 가지는 경우이다. 유리 전이 온도가 50℃ 이하의 경우는, 유연성이 뛰어나고, 금속박(C), 발열체 및 방열체에 대한 밀착성이 양호하게 된다. 또한 유리 전이 온도(Tg)는 시차주사 열량장치(DSC)에 의해 측정한다.
사용되는 열가소성 고무 성분(D)는 특별히 제한되지 않고, 예를 들면 아크릴산에스테르(에틸, 부틸 또는 2-에틸헥실 등의 아크릴산에스테르)와 다른 모노머와의 공중합으로 얻어지는 아크릴 고무나, 에틸렌과 프로필렌을 촉매로 반응시켜 얻어지는 에틸렌-프로필렌 고무, 이소부틸렌과 이소프렌의 공중합으로 얻어지는 부틸 고무, 부타디엔과 스티렌의 공중합으로 얻어지는 스티렌부타디엔 고무, 아크릴로니트릴과 부타디엔으로 이루어지는 NBR 등을 들 수 있다.
또한 상기 열가소성 고무 성분(D)는 단독 및 복합화하여 사용된다. 사용되는 열가소성 고무 성분(D)의 중량 평균 분자량은, 10만~200만의 범위가 바람직하고, 보다 바람직한 범위는 20만~150만이다. 중량 평균 분자량이 10만 이상의 경우에는, 최종적으로 얻어지는 기재시트로서의 유리 전이 온도의 저하가 억제되고, 전자기기 내부의 온도 변화에 수반하는 전열시트의 물성의 변동이 억제되어 전열 특성의 변동이 억제된다. 또한 사용하는 열가소성 고무 성분(D)의 중량 평균 분자량이 200만 이하의 경우에는, 이방성 흑연분(B)와의 혼합성이 향상하고, 또한 택성 및 탄성이 뛰어나다.
열가소성 고무 성분(D)의 함유량에 특별히 제한은 없지만, 기재시트 100중량부에 대해, 5중량부~70중량부인 것이 바람직하고, 5중량부~60중량부인 것이 보다 바람직하다. 이 범위내에 있으면 상술의 시트 특성이 유지된다.
열가소성 고무 성분(D)로서는, 구체적으로, 아크릴 고무로서, 상품명 : THR-811DS, 중량 평균 분자량 : 50만, 나가세켐텍스(주)제 ; 상품명 : THR-811DR, 중량 평균 분자량 : 50만, 나가세켐텍스(주)제 ; 상품명 : Nipol AR31, 닛뽄제온(주)제 ; 상품명 : Nipol AR51, 닛뽄제온(주)제 ; 상품명 : Nipol AR71, 닛뽄제온(주)제 ; 상품명 : Nipol AR32, 닛뽄제온(주)제 ; 상품명 : Nipol AR42W, 닛뽄제온(주)제 ; 등을 예시할 수 있다.
일반적으로, 전열시트는 발열 부재와 방열판에 끼워지고, 일정한 압력이 가해짐과 동시에 사용 환경의 온도가 변화하는 상황에서 사용된다. 그 때문에 사용 환경하에서의 압력 부하에 견딜 수 있도록, 바인더 성분(A)로서, 상술의 열가소성 고무 성분(D)에 가하여 열경화성 고무 성분(E)를 병용하는 것이 적절하다. 열가소성 고무 성분(D)와 열경화성 고무 성분(E)의 병용에 의해, 더 취급성을 높이는 것이 가능하다.
또, 본 발명에 있어서 「열경화성 고무 성분(E)」란, 경화 전의 성분을 의미하고, 열경화형 고무 경화제(F)와 열처리하는 것에 의해, 경화한 성분으로 된다.
본 발명에 있어서, 열경화성 고무 성분(E)는, 열경화형 고무 경화제(F)와 가교하는 것에 의해, 전열시트의 사용 온도에 의해서도 분자쇄 운동의 변화가 적게 되어, 취급성이 향상(강도 향상)하고, 또한 사용 환경의 급격한 고온측에의 온도 변화에 있어서 안정된 전열특성을 얻을 수 있다.
본 발명에서 사용하는 열경화성 고무 성분(E)에 특별히 제한은 없고, 열경화형 고무 경화제(F)와 가교 가능한 관능기를 가지는 변성 합성고무이면 된다. 또한, 열경화성 고무 성분(E)를 선택할 때에는, 열경화형 고무 경화제(F)의 종류의 선택이 중요하게 된다.
본 발명에 관련되는 열경화성 고무 성분(E)의 가교는, 가교에 의해서 열경화성 고무 성분(E)의 분자량이 증가하여 시트 강도가 높아진다고 하는, 분자량의 증가만을 단순하게 생각하는 것이 아니라, 조입(組入)되는 열경화성 고무 성분(E) 및 열경화형 고무 경화제(F)의 구조나 그 특징을, 가교에 의해 얻어진 기재시트의 특성에 반영시키도록 설계하는 것이 바람직하다. 또한 열경화성 고무 성분(E)는, 열경화형 고무 경화제(F)에 대해서 가교할 수 있는 관능기를 가지는 것이 바람직하다.
상기의 목적을 고려하면, 열경화성 고무 성분(E)에 있어서, 열경화형 고무 경화제(F)와 반응하는 관능기로서는, 카르복실기, 수산기, 아미노기 등이 바람직하고, 열경화성 고무 성분(E)로서는, 이들의 관능기로 변성된 변성 합성고무를 사용하는 것이 바람직하다. 특히, 카르복실기를 가지는, 아크릴로니트릴ㆍ부타디엔ㆍ메타크릴산의 공중합체인 NBR이나 아크릴산부틸ㆍ아크릴로니트릴ㆍ아크릴산과의 공중합으로 얻어지는 아크릴 고무가, 시트 특성 및 비용의 면에서 바람직하다.
또, 열경화성 고무 성분(E)로서, 상온에서 고체인 성분(E1)과, 상온에서 액체인 성분(E2)를 병용하는 것이 바람직하다. 상온에서 고형인 성분(E1)은, 강도 및 내열성이 뛰어나고, 상온에서 액체인 성분(E2)는 유연성이 뛰어나기 때문에, 이들 양쪽의 배합에 의해, 내열성과 유연성을 밸런스 좋게 얻을 수 있다. 여기에서 상온이란, 15℃~30℃로 한다.
상온에서 고체인 열경화성 고무 성분(E1)로서는, 카르복실기, 수산기, 및 아미노기 등 중 적어도 1개로 변성된 변성 합성 고무가 바람직하고, 더욱이 고형 카르복실기 변성 합성고무가 바람직하다.
상온에서 액체인 열경화성 고무 성분(E2)로서는, 카르복실기, 수산기, 및 아미노기 등 중 적어도 1개로 변성된 변성 합성고무가 바람직하고, 더욱이 액상 카르복실기 변성 합성고무인 것이 바람직하다.
바람직하게 사용되는 카르복실기 변성의 고형 고무(E1)의 분자량은, 상온에서 고체이면 특별히 제한은 없고, 중량 평균 분자량으로 10만 이상인 것이 바람직하고, 중량 평균 분자량 15만~50만인 것이 보다 바람직하다.
바람직하게 사용되는 카르복실기 변성의 액상 고무(E2)의 분자량은, 상온에서 액체이면 특별히 제한은 없고, 중량 평균 분자량으로 9만 이하인 것이 바람직하고, 중량 평균 분자량 3만~9만인 것이 보다 바람직하다.
상기 카르복실기 변성 고형 고무(E1)와 상기 카르복실기 변성 액상 고무(E2)는, 각각 단독으로, 혹은 혼합하여 사용할 수 있다. 혼합하여 사용하는 경우의 비율은, 요구 특성에 의해 임의로 결정된다. 또, 상온에서 고체인 열경화성 고무 성분(E1)을 많이 이용하면, 강도, 내열성을 높이는 경향이 있고, 상온에서 액체인 열경화성 고무 성분(E2)를 이용하면 유연성을 높이는 경향이 있다.
상온에서 고체의 열경화성 고무 성분(E1)으로서는, 구체적으로, 카르복실기 변성 NBR(상품명 : Nippol 1072, 중량 평균 분자량 : 25만, 카르복실기 농도 : 0.75(KOHmg/g), 닛뽄제온(주)제) 등을 예시할 수 있다.
상온에서 액체의 열경화성 고무 성분(E2)로서는, 구체적으로, 카르복실기 변성 NBR(상품명 : Nippol DN601, 중량 평균 분자량 : 6.8만, 카르복실기 농도 : 0.75(KOHmg/g), 닛뽄제온(주)제), X750, X740, X146, X160(JSR(주)제) 등을 예시할 수 있다.
상기 열경화성 고무 성분(E)의 사용량은, 바인더 성분(A) 중의 열가소성 고무 성분(D)과 열경화성 고무 성분(E)와의 총량 100중량부에 대해서 10~70중량부가 바람직하고, 10~60중량부가 보다 바람직하다. 이 범위 내이면 밸런스를 취한 전열시트가 얻어지기 쉽다.
또, 열경화성 고무 성분(E)로서의 수산기를 가진 변성 합성고무와, 열경화형 고무 경화제(F)로서의 이소시아네이트(NCO) 화합물을 병용하는 방법도 채용할 수 있지만, 이소시아네이트 화합물은 수분과도 순간 반응하기 때문에, 취급성 및 반응의 컨트롤의 관점에서는 이소시아네이트 화합물 이외의 것을 이용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 사용하는 열경화형 고무 경화제(F)에 특별히 제한은 없다.
고무의 가교(가류)제로 되는 열경화형 고무 경화제(F)로서는, 일반적인 유황, 유황 화합물, 과산화물 등을 사용하는 것도 가능하지만, 환경(악취), 안전 위생 및 고무와의 가교성의 유지의 관점에서, 열경화성 고무 성분(E)가 가지는 카르복실기, 수산기, 아미노기 등의 관능기와 용이하게 반응하고, 안정된 물성을 가지는 열경화형 고무 경화제(F)가 바람직하다.
열경화성 고무 성분(E)로서 카르복실기 변성 합성고무 또는 아미노기 변성 합성고무를 사용하는 경우, 열경화형 고무 경화제(F)로서는 에폭시기 함유 화합물이 바람직하고, 특히 에폭시기를 2개 이상 가지는 에폭시기 함유 화합물이 바람직하다. 에폭시기 함유 화합물은, 다른 부재와의 전열시트의 접착력이나 내열성의 향상, 바인더 성분(A)와 이방성 흑연분(B)와의 혼합성의 향상 등의 기능도 있다. 따라서, 에폭시기 함유 화합물을 사용한 전열시트에서는, 사용하는 에폭시기 함유 화합물의 특징이 일부 반영한 물성을 가진 것으로 된다.
본 발명에서 사용하는 에폭시 함유 화합물의 분자량 및 구조에 특별히 제한은 없지만, 열가소성 고무 성분(D)와 열경화성 고무 성분(E)와의 상용성, 내열성 및 비용 등을 고려하면, 수평균 분자량(Mn) 500 이하의 에피클로르히드린과 비스페놀 A로 구성되는 에폭시 함유 화합물이 바람직하다.
특히 열경화성 고무 성분(E)가 카르복실기 변성 합성고무 또는 아미노기 변성 합성고무일 때의, 열경화형 고무 경화제(F)로서의 에폭시기 함유 화합물의 비율은, 열경화성 고무 성분(E)에 포함되는 카르복실기 농도 또는 아미노기 농도와 에폭시기 함유 화합물의 분자량 및 에폭시기의 수(당량)으로 결정된다. 일반적으로는, 카르복실기 변성 합성고무 또는 아미노기 변성 합성고무 100중량부에 대해, 에폭시기 함유 화합물 1~30중량부로 배합되는 것이 바람직하다. 에폭시기 함유 화합물의 배합량이 1중량부 이상의 경우, 에폭시기 함유 화합물을 개재시킨 가교 밀도가 향상하고, 택성 및 바인더 성분(A)와 이방성 흑연분(B)의 혼합성이 향상한다. 또한, 에폭시기 함유 화합물의 배합량이 30중량부 이하의 경우에는, 첨가한 에폭시기 함유 화합물의 전체가 가교에 충분히 기여하여, 내열성이나 시트 특성이 향상한다.
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또한 필요에 따라서, 이소시아네이트 또는 아민 화합물 등의 경화촉진제가 사용된다.
상기 열경화형 고무 경화제(F)와 상기 열경화성 고무 성분(E)와의 반응에서는, 열처리되는 것이 바람직하다. 열처리 조건에 특별히 제한은 없지만, 150℃/60분에 완전 경화한다. 완전 경화는, 카르복실기, 수산기, 아미노기 등의 관능기의 완전 소실(IR)이 확인되고, 이것을 완전 경화한 상태로 판단할 수 있다. 따라서, 전열시트 중의 경화 폐해를 줄이고 싶은 경우는, 저온ㆍ장시간에 열처리하고, 또한, 생산성 향상을 도모하는 경우에는 고온ㆍ단시간에 열처리한다.
열경화형 고무 경화제(F)와 열경화성 고무 성분(E)의 가교에 의해 얻어지는 가교 밀도는, 열처리 조건에 의해 임의로 설정할 수 있다. 상기 열처리 조건에 의해 바인더 성분(A) 중에 포함되는 열경화성 고무 성분(E)와 열경화형 고무 경화제(F)와의 가교 밀도를 변경할 수 있기 때문에, 소망한 요구에 맞춘 성상의 전열시트를 제공할 수 있다.
예를 들면, 본 발명의 전열시트에 있어서, 발열 부재와 방열판의 택성을 우선하고 싶은 경우에는, 열처리 하지 않고 전열시트를 발열체 및 방열체에 부착시킨 후에, 열처리를 실시하여 열경화성 고무 성분(E)와 열경화형 고무 경화제(F)를 경화시키는 방법이 있다.
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또한, 기재시트와 후술의 금속박(C)와의 밀착성을 보다 향상시키는 경우에는, 열처리 하지 않고 기재시트를 제작하고, 이 기재시트에 금속박(C)를 부여한 후에, 열처리를 실시하여 열경화성 고무 성분(E)와 열경화형 고무 경화제(F)를 경화시키는 방법이 있다.
이와 같이, 열처리하지 않고 기재시트나 전열시트를 형성하고, 그 후에 열처리를 실시하는 경우에는, 점착성 부여제를 바인더 성분(A)에 가하는 것이 바람직하다. 점착성 부여제로서는, 예를 들면, 태키파이어 등을 들 수 있다. 시판품으로서는, 슈퍼 에스테르 A-75(아라카와화학공업(주)제), 에스테르검 AA-L(아라카와화학(주)제), 펜셀 A(아라카와화학(주)제) 등을 예시할 수 있다.
다른 한편, 택성보다도 생산성을 중시하는 경우, 기재시트나 전열시트를 제작한 단계에서 열처리하고, 바인더 성분(A) 중의 열경화성 고무 성분(E)와 열경화형 고무 경화제(F)를 경화시켜, 바인더 성분(A) 중에 분산하는 열가소성 고무 성분(D)의 택성에 의해, 발열 부재와 방열판의 사이에 고정하는 방법 등이 있다.
어쨌든, 본 발명의 전열시트를 방열재로서 이용하기 전에는, 열경화성 고무 성분(E)와 열경화형 고무 경화제(F)를 경화시키는 것으로는 되지만, 상술한 대로, 방열재로서 사용하기 전의 전열시트는, 소망한 요구에 의해 가교 밀도를 변경하는 것이 가능하다.
(흑연분(B))
본 발명의 전열시트는, 이방성을 가지는 흑연분(이방성 흑연분)(B)를 함유한다. 방열 재료로서 기능하는 이방성 흑연분이면 특별히 한정되지 않지만, 팽창 흑연 성형시트의 분쇄분인 것이 바람직하고, 더욱이 박편바늘 가지상(針枝狀) 또는 수지상(樹枝狀)의 형상을 가지는 것이 바람직하다.
팽창 흑연 성형시트의 분쇄분은, 예를 들면, 하기의 공정을 거쳐 제작된다.
(1) 팽창 흑연을 제작하는 공정.
(2) 팽창 흑연에 의해, 팽창 흑연 성형시트를 제작하는 공정.
(3) 팽창 흑연 성형시트를 분쇄하는 공정.
(4) 분급에 의해 분쇄분의 입도를 가지런히 하는 공정.
상기 (1)의 공정에 있어서, 팽창 흑연을 제작하는 방법은 특별히 제한은 없고, 예를 들면 원료의 천연 흑연 등을, 산성 물질 및 산화제를 포함한 용액 중에 침지하여 흑연 층간 화합물을 생성시키는 공정 후에, 상기 흑연 층간 화합물을 가열하여 흑연 결정의 c축 방향을 팽창시켜 팽창 흑연으로 하는 공정을 거쳐 제조할 수 있다. 이것에 의해, 팽창한 흑연이 충상(蟲狀) 단섬유로 되어 복잡하게 얽힌 형태로 된다.
팽창 흑연의 팽창 배율은 특별히 제한은 없지만, 방열 특성을 고려하면, 10배 이상이 바람직하고, 50배에서 500배인 것이 더욱 바람직하다. 팽창 배율이 10배 이상의 팽창 흑연을 사용하면, 얻어지는 팽창 흑연 성형시트의 강도가 뛰어나고, 또한 500배 이하의 팽창 흑연을 사용하면, 팽창 흑연 성형시트의 제작의 작업성이 뛰어나다. 또한 필요에 따라서, 상기 팽창 흑연을 더욱 높은 온도에서 열처리하고, 팽창 흑연 중에 포함되는 불순물을 제거하여 사용되는 것도 바람직하다.
또, 상기 팽창 흑연의 원료 흑연으로서는 특별히 제한은 없지만, 천연 흑연, 캐슈 흑연, 열분해 흑연 등의, 고도로 결정이 발달한 흑연이 바람직한 것으로서 들 수 있다. 얻어지는 특성과 경제성의 양자를 고려하면 천연 흑연이 바람직하다. 이용하는 천연 흑연으로서는, 특별히 제한은 없고, F48C(일본 흑연(주)제), H-50(나카고에 흑연(주)제) 등의 시판품을 이용할 수 있다. 이들은, 비늘 조각상의 성상 형태로 사용하는 것이 바람직하다.
상기 (1)의 공정에 있어서, 흑연의 처리에 이용되는 산성 물질은, 흑연층 사이에 진입하여 충분한 팽창 능력을 가지는 산성 뿌리(음이온)를 발생 가능한, 황산 등이 사용된다. 산성 물질로서의 황산은, 적당한 농도로 사용되어, 95중량% 이상의 농도인 것이 바람직하고, 진한 황산을 사용하는 것이 특히 바람직하다. 산성 물질의 사용량에 관해서는 특별히 제한은 없고, 목적으로 하는 팽창 배율로 결정되고, 예를 들면, 원료 흑연 100중량부에 대해서 100~1000중량부로 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 산성 물질과 함께 이용되는 산화제는, 과산화수소, 과염소산칼륨, 과망간산칼륨, 중크롬산칼륨 등의 과산화물, 또한 질산(硝酸) 등의 산화 작용이 있는 산을 이용하는 것이 바람직하고, 양호한 팽창 흑연을 얻기 쉽다는 관점에서 과산화수소가 특히 바람직하다.
산화제로서 과산화수소를 이용하는 경우에는, 수용액으로서 이용하는 것이 바람직하다. 수용액 중의 과산화수소의 농도에 관해서는 특별히 제한은 없지만, 20~40중량%의 범위가 바람직하다. 과산화수소수의 사용량에 관해서도 특별히 제한은 없지만, 원료 흑연 100중량부에 대해서 5~60중량부의 범위에서 사용하는 것이 바람직하다.
상기 (2)의 공정에 있어서, 얻어진 팽창 흑연을 성형하여 시트화하는 방법에 특별히 제한은 없고, 상온에서의 롤, 프레스 등에 의해 간단하게 시트화할 수 있다. 또한, 얻어지는 팽창 흑연 성형시트층의 겉보기 밀도는, 팽창 흑연 충전량과 성형 압력의 크기로 거의 결정된다.
사용되는 팽창 흑연 성형시트의 겉보기 밀도에 제한은 없고, 0.07g/㎤~1.5g/㎤의 범위가 바람직하고, 0.1g/㎤~1.5g/㎤의 범위가 보다 바람직하다. 겉보기 밀도가 0.07g/㎤ 이상의 경우, 팽창 흑연 성형시트의 강도가 충분하게 되고, 겉보기 밀도가 1.5g/㎤ 이하의 경우, 성형시에 팽창 흑연 응집물이 파괴하는 것이 억제된다.
팽창 흑연 성형시트는 상기 제법에 의해 얻을 수도 있고, 또한 하기에 나타내는 시판품을 입수하여 사용하는 것도 가능하다. 본 발명에서 이용되는 팽창 흑연성형 시트로서는, 히다치가세고교(주)제의 카보피트 HGP-105, HGP-207 등을 들 수 있다.
상기 (3) 및 (4)의 공정에서 사용하는 장치에 제한은 없고, 일반적인 건식 분쇄기 및 건식 분급기를 사용할 수 있고, 형상이 박편바늘 가지상 또는 수지상의 이방성 흑연분을 얻을 수 있다.
본 발명의 전열시트에 있어서, 이방성 흑연분(B)의 형상이 구상 혹은 구상에 가까운 경우는, 후에 말하는 이방성 흑연분(B)끼리의 접촉이 완만하게 되어 높은 전열성을 가지는 전열시트가 얻어지기 어렵게 되기 때문에, 박편바늘 가지상 또는 수지상의 이방성 흑연분을 이용하는 것이 적절하다.
여기에서, 「박편바늘 가지상」이란, 침엽수와 같은 뾰족한 잎을 평평하게 한 형상을 가리킨다. 또한 「수지상」이란, 나뭇가지와 같은 형상으로, 복수의 작은 가지가 뒤얽힌 형상을 가리킨다. 또, 이들의 형상의 확인은, SEM을 이용하여 행한다.
이방성 흑연분(B)의 평균 입경(D50)은, 50㎛~2000㎛의 범위가 바람직하다. 이방성 흑연분(B)의 평균 입경이 50㎛ 이상의 경우, 방열 특성을 좌우하는 흑연분의 이방성이 충분하게 되어, 이방성 흑연분(B)끼리의 접촉 확률이 증대하여 방열 특성이 향상하는 경향이 있다. 평균 입경이 2000㎛ 이하의 이방성 흑연분(B)를 사용했을 경우는, 바인더 성분(A)와 균일하게 혼합하기 쉽고, 전열시트의 전열특성 및 물성이 균일화하기 쉽다.
이방성 흑연분(B)의 기재시트에 있어서의 배합량은, 기재시트 전체에 대하여, 20~70중량%인 것이 바람직하고, 25~60중량%인 것이 바람직하다. 20중량% 이상에서는 방열 효과가 충분하게 되고, 70중량% 이하에서는 기재시트가 지나치게 딱딱해지는 것이 방지된다.
(그 외의 성분)
본 발명의 전열시트로 사용되는 그 외의 성분으로서는, 난연제, 가소제 등을 들 수 있다. 난연제로서는 특별히 제한은 없지만, 기재시트의 바인더 성분(A)의 일부로서 기능하기 위해, 바인더 성분(A)와의 상용성이나 내열성 및 얻어지는 기재시트의 물성을 배려하여 선택한다.
난연제로서는 일반적인 할로겐화 화합물을 사용할 수 있지만, 상기 시트 특성의 밸런스를 고려하면 인산에스테르계의 난연제가 바람직하고, 예를 들면 트리메틸포스페이트, 트리에틸포스페이트의 지방족 인산에스테르나, 트리페닐포스페이트, 트리크레질포스페이트 등의 방향족 인산에스테르 및 비스페놀 A 비스(디페닐포스페이트) 등의 방향족 축합형 인산에스테르를 들 수 있고, 이들은 단독 및 혼합하여 사용할 수 있다.
본 발명에서 사용할 수 있는 인산에스테르의 일례로서는, 방향족 축합 인산 에스테르(다이하치화학공업(주)의 CR-741) 등을 들 수 있다.
난연제의 사용량은, 전열시트의 바인더 성분(A)의 100중량부에 대해 5~50중량부의 범위가 바람직하고, 이방성 흑연분(B)의 사용량에 따라 적절히 결정된다. 난연제의 사용량이 5중량부 이상의 경우에는, 목표로 하는 난연성이 얻어지기 쉽고, 50중량부 이하의 경우에는, 얻어지는 전열시트의 유연성이 급격하게 저하하는 것이 억제된다.
또한, 가소제로서는 각종 저분자 화합물이 사용되고, 예를 들면, 폴리부텐(일유(주)제, 상품명 0N, 3N, 5N, 10N, 30N, 200N) 등을 들 수 있다.
(기재시트)
본 발명에 관련되는 기재시트는, 상기 바인더 성분(A)와 상기 이방성 흑연분(B)를 함유하고, 이방성 흑연분(B)가 두께 방향으로 배향해서 이루어진다.
이 기재시트의 두께는, 100㎛~2000㎛인 것이 바람직하고, 100㎛~1500㎛인 것이 보다 바람직하고, 100㎛~1000㎛인 것이 더욱 바람직하다. 기재시트의 두께가 상기 범위내에 있으면, 취급성 및 전열특성이 뛰어나다.
또, 본 발명의 전열시트 중에 있어서의 기재시트의 두께는, 두께 게이지에 의해서 측정하고, 그 평균치(동일 기재 시트내의 임의의 5점에서의 측정의 평균치)로 한다. 또, 두께 게이지로서는, 예를 들면, 디지털 다이얼 게이지(주식회사 미츠토요 데지마틱인디케이터 ID-C112C)를 들 수 있다.
상술한 대로, 기재시트는 열처리하여 경화한 경화 시트이어도 되고, 열처리 하지 않고 미가교 상태의 시트이어도 된다.
미가교의 기재시트는, 후술의 금속박(C)를 라미네이트하여 전열시트를 제작한 후에, 혹은, 전열시트를 발열체와 방열체의 사이에 배치한 후에, 열처리를 실시해도 된다.
기재시트의 구체적인 제작방법에 관해서는 후술한다.
(금속박(C))
본 발명에 있어서, 사용되는 금속박(C)의 재질은 용도에 맞추어 적절히 선정된다. 그 중에서도, 취급성, 전열 특성의 관점에서 알루미늄, 구리 또는 주석이 바람직하다.
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금속박(C)의 두께는, 상기 기재시트 두께의 1~30%이며, 1~25%인 것이 보다 바람직하고, 1~20%인 것이 더욱 바람직하다. 금속박(C)의 두께가 상기 시트 두께의 1% 이하의 경우에는 취급성의 개선효과가 부족하고, 또한 30% 이상의 경우에는 시트 표면이 딱딱해져, 전열특성이 저하한다.
본 발명의 전열시트 중에 있어서의 금속박(C)의 두께는, 두께 게이지에 의해서 측정하고, 그 평균치(동일 금속박 내의 임의의 5점에서의 측정의 평균치)로 한다. 또한, 두께 게이지로서는, 예를 들면, 디지털 다이얼 게이지(주식회사 미츠토요제, 데지마틱크 인디케이터 ID-C112C)를 들 수 있다.
금속박(C)의 두께는, 상기 기재시트 두께의 1~30%이면 되고, 용도나 기재시트의 두께에 따라 적절히 선정하는 것이 보다 바람직하다. 구체적으로는, 5㎛~100㎛인 것이 바람직하고, 5㎛~90㎛인 것이 보다 바람직하고, 5㎛~80㎛인 것이 더욱 바람직하다. 금속박(C)의 두께가 상기 범위내에 있으면, 취급성 및 전열특성이 뛰어나다.
<전열시트의 제조방법>
전열시트의 제조방법에서는, 우선, 상기 바인더 성분(A)와 상기 이방성 흑연분(B)를 함유하고, 이방성 흑연분(B)가 두께 방향으로 배향한 기재시트를 제작한다. 다음에, 기재시트의 한쪽의 표면에 기재시트 두께의 1~30%의 두께의 금속박(C)를 부설한다.
상세하게는, 전열시트의 제조방법은, 하기의 공정을 포함한다.
(a) 상기 바인더 성분(A)와 상기 이방성 흑연분(B)를 함유하는 조성물을 조제하는 공정.
(b) 상기 조성물로부터 1차 시트를 제작하는 공정.
(c) 상기 1차 시트를 적층 또는 권회하여 성형체를 얻는 공정.
(d) 상기 성형체를 슬라이스하여 슬라이스 시트(기재시트)를 얻는 공정.
(e) 상기 슬라이스 시트(기재시트)의 한쪽의 표면에, 금속박(C)를 부설(라미네이트)하여 전열시트를 얻는 공정.
((a)공정)
우선, 상기 바인더 성분(A), 이방성 흑연분(B), 및 적절히 다른 성분을 혼합하여 조성물을 얻는다.
상기한 바인더 성분(A), 이방성 흑연분(B) 및 그 외의 성분의 혼합 방법으로 특별히 제한은 없고, 상기 각 성분을 변이 없이, 단시간에 균일하게 혼합할 수 있는 방법이 바람직하다. 특히, 가열한 가압형의 니더를 사용하여 혼합하는 것이 바람직하다.
혼합 조건은, 사용하는 바인더 성분(A)의 분자량이나 이방성 흑연분(B)의 배합량 등으로 임의로 결정한다. 일반적인 니더에의 각 성분의 투입 순서는, 바인더 성분(A)로서, 고분자의 고형 성분과 저분자의 액상 성분을 사용하는 경우에는, 고형 성분을 최초에 니더에 투입하고, 소련(素練) 상태에서 액상 성분을 소량씩 배합하여 혼합하는 방법으로 행해진다. 이렇게 하는 것에 의해, 균일한 바인더 성분(A)를 얻을 수 있어 효과적이다.
또한, 고형 성분 및 액상 성분의 것보다 한층 더 균일성을 바라는 경우에는, 고형 성분과 액상 성분을 니더 및 롤로 균일 혼합하고(이 때에 다른 성분의 소량을 배합해도 된다), 상기 혼합과 다른 재료를 니더로 재차 혼합해도 된다.
또한, 열경화형 고무 성분(E)를 사용하는 경우에 있어서, 조성물의 점도가 높게 혼합시에 마찰열이 발생하고, 열경화형 고무 경화제(F)와 열경화성 고무 성분 (E)와의 가교 반응의 진행이 염려되는 경우는, 혼합 종료시의 10~20분 정도 전에 열경화형 고무 경화제(F)를 니더에 투입하는 것이 바람직하다. 조성물의 혼합의 균일성(열경화형 고무 경화제(F)에 의한 가교 반응의 진행의 확인도 포함된다)의 판단은, 조성물의 점도를, 큐라스트메이타나 무니-점도계로 측정함으로써 행한다.
이 때의 목표로 하는 점도는, 각종의 배합계에 있어서 혼합 온도나 시간을 바꾸는 등에 의해 예비 검토를 행하여, 목적으로 하는 물성치의 얻어진 전열시트 조성물의 점도치로 하는 것이 바람직하다. 또, 여기에서 목표로 하는 조성물의 점도란, 경화 반응에 의한 영향이 거의 없고, 이방성 흑연분(B)와 바인더 성분(A)와의 혼합 상태에만 기인하는 점도이다.
또한, 필요에 따라서 유기용제를 소량 첨가하여, 혼합성의 향상을 도모하는 것도 가능하지만, 최종적으로는 사용한 용매를 제거하는 것이 바람직하다.
((b)공정)
다음에, 상기 (a)공정에서 얻은 조성물로부터 1차 시트를 제작한다.
구체적으로는, (a)공정에서 얻은 조성물을, 압연 성형, 프레스 성형, 압출 성형 또는 도공하는 것에 의해, 상기 이방성 흑연분(B)를 주된 면에 관하여 거의 평행한 방향으로 배향한 1차 시트를 제작한다. 이 중에서도, 압연 성형 또는 프레스 성형에 의한 방법이, 확실히 이방성 흑연분(B)를 배향시키기 쉽고 바람직한 방법이다.
여기에서, 이방성 흑연분(B)가 시트의 주된 면에 관해서 평행 방향으로 배향한 상태란, 이방성 흑연분(B)가 시트의 주된 면을 따라서 배향한 상태를 말한다. 구체적으로는, 이방성 흑연분(B)의 장축과 시트의 주된 면과 이루는 각도(90도 이상의 경우는 보각을 채용한다)가, 0~45도의 범위내에 있는 상태를 말한다. 시트면내에서의 이방성 흑연분(B)의 배향의 방향은, 상기 조성물을 성형할 때에, 조성물이 흐르는 방향을 조절하는 것에 의해서 조절된다.
또, 이방성 흑연분(B)는 이방성을 가지는 입자이기 때문에, 조성물을 압연 성형, 프레스 성형, 압출 성형 또는 도공하면, 통상, 이방성 흑연분(B)의 방향을 가지런하게 하여 배치된다.
((c)공정)
뒤이어, 상기(b)공정에 있어서 얻어진 1차 시트를 적층 또는 권회하여 성형체를 얻는다.
1차 시트를 적층하는 방법에 관해서는 특별히 제한은 없고, 예를 들면, 복수매의 1차 시트를 적층하는 방법, 1차 시트를 작게 접는 방법 등을 들 수 있다.
적층할 때는, 시트면 내에서의 이방성 흑연분(B)의 방향을 가지런히 하여 적층한다. 적층할 때의 1차 시트의 형상은, 특별히 제한은 없고, 예를 들면 직사각형상의 1차 시트를 적층했을 경우는 각주장의 성형체가 얻어지고, 원형상의 1차 시트를 적층했을 경우는 원주상의 성형체가 얻어진다.
또한, 1차 시트를 권회하는 방법도 특별히 제한은 없고, 상기 1차 시트를 이방성 흑연분(B)의 배향 방향을 축으로 하여 권회하면 된다. 권회의 형상도 특별히 제한은 없고, 예를 들면, 원통형이어도 각통형이어도 된다.
1차 시트를 적층할 때의 압력이나 권회할 때의 견인력은, 이 후의 공정의 1차 시트면으로부터의 법선에 대해 45~80도의 각도로 슬라이스하는 형편상, 슬라이스면이 찌부러져서 소요 면적을 밑돌지 않을 정도로 약하고, 또한 시트 사이가 잘 접착할 정도로 강해지도록 조절된다.
통상은 이 조절에 의해서 적층면 또는 권회면간의 접착력이 충분히 얻어지지만, 부족한 경우는 용제 또는 접착제 등을 얇게 1차 시트에 도포한 다음 적층 또는 권회를 행하여 성형체를 얻어도 된다. 또한, 슬라이스 조건에 의해서 발생하는 응력에 대해 1차 시트의 계면박리가 걱정스러운 경우는, 성형체를 열처리하여, 1차 시트 계면의 일부 경화 및 전체 경화하여 성형체를 얻은 후, 슬라이스할 수도 있다. 이 경우, 성형체를 상하 가열한 금속판에 끼워, 성형체가 변형하지 않을 정도로 압력을 가하는 방법은 유효하다. 또한 성형체를 열처리(경화) 후에 슬라이스하여 얻어지는 전열시트는, 후공정에서 열처리를 행하지 않아도 된다.
((d)공정)
다음에, 상기 (c)공정에 의해 얻은 성형체를 슬라이스하여, 슬라이스 시트(기재시트)를 얻는다. 1차 시트면으로부터의 법선에 대해 45~80도의 각도로, 바람직하게는 55~70도의 각도로 슬라이스하여, 소정의 두께를 가지는 슬라이스 시트(기재시트)를 얻는다. 슬라이스할 때의 각도는, 기재시트 중의 이방성 흑연분(B)의 장축이, 기재시트의 표면에 대해서 평균하여 60~90도(90도 이상의 경우는 보각을 채용한다)의 범위내로 되도록 조절하는 것이 바람직하다.
상기 성형체가 적층체인 경우는, 1차 시트의 적층 방향과는 수직 또는 대략 수직으로 되도록, 상기 각도로 슬라이스하면 된다.
또한, 상기 성형체가 권회체인 경우는, 권회의 축에 대해서 수직 또는 대략 수직으로 되도록, 상기 각도로 슬라이스하면 된다.
더욱이, 원형상의 1차 시트를 적층한 원주상의 성형체의 경우는, 상기 각도의 범위 내에서 무를 토막내어, 껍집을 벗기듯 얇고 길게 돌려 깍는 것처럼 슬라이스해도 된다.
슬라이스하는 방법은 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 멀티 블레이드법, 레이저-가공법, 워터 제트법, 나이프 가공법 등을 들 수 있다. 슬라이스 시트(기재시트)의 두께 정밀도 및 절단면의 평활성을 고려하면 나이프 가공법이 바람직하다.
슬라이스할 때의 절단도구는, 특별히 제한되지 않고, 슬릿을 가지는 평활한 반면(盤面)과, 상기 슬릿부에서 돌출한 칼날부(刃部)를 가지는 대패 모양의 부위를 가지는 슬라이스 부재로서, 상기 칼날부가, 슬라이스 시트(기재시트)의 소망의 두께에 따라서, 상기 슬릿부로부터의 돌출 길이가 조절 가능한 것을 사용하면, 얻어지는 슬라이스 시트(기재시트)의 표면 근방의 바인더 성분(A)의 균열 혹은 이방성 흑연분(B)의 배향을 어지럽히기 어렵고, 또한 소망의 두께의 얇은 시트도 제작하기 쉽기 때문에 바람직하다.
구체적으로는, 상기 슬라이스 부재는, 예리한 칼날을 구비한 대패 또는 슬라이서를 이용하는 것이 바람직하다. 이들의 칼날은, 슬라이스 시트(기재시트)의 소망한 두께에 따라서, 상기 슬릿부로부터의 돌출 길이를 조절 가능하게 함으로써, 용이하게 소망한 두께로 하는 것이 가능하다.
슬라이스하는 온도는, 사용하는 열가소성 고무 성분(D)의 Tg(유리전이온도)와 사용하는 이방성 흑연분(B)의 배합량 및 입경에 의해 조정되고, 통상, 성형체 표면온도로 -50℃~＋50℃의 범위가 바람직하다.
＋50℃ 이하의 유리 전이 온도의 성형체는, 성형체 전체의 유연성이 억제되어 슬라이스하기 쉽고, 결과로서, 이방성 흑연분(B)의 배향이 흐트러지는 것이 억제되어 전열특성이 뛰어나다. 또한, 슬라이스 온도가 -50℃ 이상의 경우에는, 성형체가 단단하고 물러지게 되는 것이 억제되어, 슬라이스 직후에 얻어진 슬라이스 시트의 분열이 억제된다.
성형체의 슬라이스 두께는, 용도 등에 의해 임의로 결정되고, 0.1~5mm 정도가 바람직하다. 성형체의 슬라이스 두께가 0.1mm 이상에서는 취급하기 쉽고, 5mm 이하의 경우는, 열전도성이 뛰어나다.
((e)공정)
상기 (d)공정에 의해 얻어진 슬라이스 시트(기재시트)의 한쪽의 표면에, 금속박(C)를 부설(라미네이트)하여, 전열시트를 얻는다.
사용하는 금속박(C)의 종류나 두께는, 용도나 슬라이스 시트(기재 시트)의 두께에 의해 적절히 선정한다. 라미네이트에 사용하는 라미네이터에는 메탈 롤, 고무 롤이 사용된다. 라미네이트 온도는 0~120℃가 바람직하고, 0~100℃가 보다 바람직하다. 라미네이트 온도가 0℃ 이상의 경우에는 기재시트와 금속박의 밀착성이 뛰어나서, 벗겨지기 어려워지게 되고, 120℃ 이하에서는 이방성 흑연분의 배향의 혼란이 억제되고, 전열특성이 뛰어난 전열시트가 얻어진다.
(그 외)
상술한 바와 같이, 바인더 성분(A)의 경화를 위한 열처리는, (b)공정 후, (c)공정 후, (d)공정 후, (e)공정 후, 또는 전열시트를 발열체와 방열체의 사이에 협지시킨 후 중, 어느 단계에서 행해도 된다. (b)공정 후에 열처리 공정을 구비하면, 생산성이 높아지고, (c)공정의 후에 열처리 공정을 구비하면, 1차 시트를 적층했을 때의 1차 시트 사이의 밀착성이 향상하고, (d)공정 후에 열처리 공정을 구비하면, 슬라이스 시트(기재시트)의 일체성이 향상하고, (e)공정 후에 열처리 공정을 구비하면, 슬라이스 시트(기재시트)와 금속박(C)와의 밀착성이 향상하고, 전열시트를 발열체와 방열체의 사이에 협지시킨 후에 열처리 공정을 구비하면, 발열체와 전열시트와 방열체의 사이에서의 밀착성이 향상한다.
<방열 장치>
본 발명의 방열 장치는, 본 발명의 전열시트를 발열체와 방열체의 사이에 개재시켜 이루어지는 것이다.
본 발명의 전열시트를 적용하는 발열체로서는, 사용 온도가 200℃를 넘지 않는 것이 바람직하다. 사용 온도가 200℃ 이하에서는, 상기 바인더 성분(A)의 급격한 유연성의 저하가 억제되어, 방열 특성의 저하가 억제된다. 사용하는 적절한 온도는, -20~150℃의 범위이며, 반도체 패키지, 디스플레이, LED, 전등 등이, 적절한 발열체의 예로서 들 수 있다.
방열체로서는, 예를 들면, 알루미늄, 구리의 핀ㆍ판 등을 이용한 히트 싱크, 히트 파이프에 접속되어 있는 알루미늄이나 구리의 블록, 내부에 냉각액체를 펌프로 순환시키고 있는 알루미늄이나 구리의 블록, 펠티에 소자 및 이것을 구비한 알루미늄이나 구리의 블록 등을 사용할 수 있는 대표적인 것이다.
본 발명의 방열 장치는, 발열체와 방열재에, 본 발명의 전열시트의 각각의 면을 접촉시켜 배치한 것이다. 발열체, 전열시트 및 방열재를 충분히 밀착시킨 상태로 고정할 수 있는 방법이면, 접촉ㆍ고정시키는 방법에 제한은 없지만, 밀착을 지속시키는 관점에서, 용수철을 개재시켜 나사 고정하는 방법, 클립으로 끼우는 방법 등과 같이 꽉 누르는 힘이 지속하는 접촉ㆍ고정 방법이 바람직하다.
또, 일본국 출원 2010-138488의 개시는 그 전체가 참조에 의해 본 명세서에 받아들여진다.
본 명세서에 기재된 모든 문헌, 특허 출원, 및 기술 규격은, 개개의 문헌, 특허 출원, 및 기술 규격이 참조에 의해 받아들여지는 것이 구체적이고 또한 개개에 기록된 경우와 동일한 정도로, 본 명세서 중에 참조에 의해 받아들여진다.
본 발명에 의하면, 전열특성(열전도율), 취급성(강도, 택성), 및 시트의 형상 가공성(응력 완화)이 뛰어난 전열시트를 제공할 수 있다.
실시예
이하, 실시예에 의해 본 발명을 구체적으로 설명한다. 본 발명은, 하기 실시예에 한정되지 않는다.
[실시예 1]
(1) 이방성 흑연분(팽창 흑연 성형시트의 분쇄분)의 제작
겉보기 밀도 0.2g/㎤의 팽창 흑연 성형시트(히다치가세고교(주)제, 상품명 : 카보핏트 HGP-105)를 분쇄기(호소카와 미크론사(주)제, 상품명 : 로트프렉스)로 분쇄하여, 얻어진 분쇄분을 진동체로 분급하고, 입도 분포 500~1000㎛의 이방성 흑연분(팽창 흑연 시트 분쇄분)을 2kg 제작했다.
얻어진 이방성 흑연분의 형상을 SEM 사진으로 관찰하고, 수지상인 것을 확인했다.
(2) 조성물의 조제
용량 1L의 가압 기구를 구비한 니더(요시다 제작소(주)제 상품명 : 1100-S-1)을 80℃로 승온(배럴 온도)하고, 열가소성 고무 성분(D)으로서의 아크릴 고무(나가세켐텍스(주)제, 상품명 : HTR-811DR, 중량 평균 분자량 : 50만, 유리 전이 온도 : -46℃, 택성 크고, 실온에서 탄성을 나타낸다.) 320g과 상기(1)에서 제작한 이방성 흑연분 250g을 투입하여, 10분간 혼합했다.
혼합 종료후, 난연제로서 인산에스테르(다이하치 화학공업(주)제, 상품명 : CR-741(점도 : 2400mpaㆍs(40℃))) 150g을 4회로 나누어 20분 걸려(1회마다 5분 혼합) 상기 혼합물 중에 혼합하여 넣었다.
그 후, 200g의 이방성 흑연분의 잔분을 투입하여 20분 혼합하고, 조성물로 했다. 이 조성물에 있어서, 방열 재료인 이방성 흑연분의 배합량은, 전체 배합량의 48.9중량%로 된다.
또한 혼합물의 점도는, 무니 점도계(우에시마 제작소(주)제, 상품명 : VR-1130)의 값으로, 25(60℃), 18(80℃), 13(100℃)이었다. 이것에 관하여 측정 온도를 횡축으로 점도를 종축으로 취하여, 온도 변화에 따른 점도 변화(온도 의존성)를 확인한 바, 양자의 관계가 직선 관계에 있고, 사용한 열가소성 고무 성분(D)의 무니 점도와 경향이 일치(점도의 값은 다르다)했다. 이상의 결과로부터 바인더 성분(A) 중의 이방성 흑연분의 분산성이 양호한 것, 및 혼합시의 바인더 성분(A)의 성질과 상태의 변화가 적은 것으로 판단했다.
(3) 1차 시트의 제작
성형체에 이용하는 1차 시트는, 하기와 같이 하여 얻었다.
우선, 이형 처리한 0.1mm 두께의 PET 필름에, 상기 조제한 조성물의 50g을 끼우고, 상온의 프레스기를 사용하여 약 3mm 두께의 시트에 가공했다. 얻어진 가공 시트를 80℃로 승온한 롤(갭 1.2mm)에 통과시키고, 냉각 후 두께 1mm의 1차 시트를 얻었다. 이 1차 시트의 밀도는 1.4g/㎤이었다.
(4) 1차 시트의 적층
상기 (2)에서 제작한 1차 시트를, 롤 방향에 맞추어 50mm×250mm 사이즈로 절단한 것 50매를 제작하여, 상기 절단 시트를 치수대로 적층한 적층체를 얻었다.
적층체의 최외면인 양 표면에 이형지를 충당하여, 반면을 50℃의 가열한 하드 프레스에 얹었다. 또한, 적층체의 양단 측에, 두께 조정재로서 두께 4.5mm의 금속판을 설치했다. 이 상태에서 프레스를 5분간 행하여, 슬라이스용의 성형체를 제작했다.
(5) 성형체의 슬라이스(기재시트의 제작)
식육 블록용의 슬라이스기를 응용한 자가제의 슬라이스 장치를 사용하여, 상기 (3)에서 제작한 성형체를 슬라이스 장치에 고정했다. 성형체의 표면온도를 -10℃로 냉각한 후, 정반에 고정한 단칼에 의해, 성형체의 슬라이드 속도 60mm/분, 절삭 각도 30°의 조건에서 슬라이스하여, 두께 0.25mm의 슬라이스 시트(기재시트)를 제작했다.
또한, 기재시트의 단면을 SEM(주사형 전자현미경)에 의해 관찰하고, 임의의 50개의 이방성 흑연분의 장축이, 기재시트의 표면에 대해서 이루는 각도를 측정하여, 그 평균치를 구한 바 90도이며, 이방성 흑연분은 기재시트의 두께 방향으로 배향하고 있는 것이 확인되었다.
(6) 금속박의 라미네이트
뒤이어 제작한 기재시트에 두께 20㎛의 알루미늄 박을 얹고, 온도 60℃로 설정한 메탈 롤로 라미네이트하여, 두께 0.25mm의 전열시트를 제작했다.
기재시트 및 금속박(알루미늄 박)의 두께는, 디지털 다이얼 게이지(주식회사 미츠토요제 데지마틱 인디케이터 ID-C112C)로 측정하고, 기재시트 및 금속박의 임의의 5점에서의 평균치로 했다.
두께 0.25mm의 전열시트에 있어서의 기재시트의 두께는 230㎛이고, 금속박의 두께는 20㎛이었다.
[실시예 2]
실시예 1과 동일하게 하여, 단, 실시예 1의 (6)의 알루미늄 박을 두께 20㎛의 주석박으로 대신하여, 전열시트를 제작했다.
[실시예 3]
실시예 1과 동일하게 하여, 단, 실시예 1의 (2)의 조성물을, 하기 조제한 조성물로 대신하여, 전열시트를 제작했다.
(조성물의 조제)
열가소성 고무 성분(D)로서의 아크릴 고무(나가세켐텍스(주)제, 상품명 : HTR-811DR, 중량 평균 분자량 : 50만, 유리 전이 온도 : -46℃, 택성 크고, 실온에서 탄성을 나타낸다.) 211g과 열경화성 고무 성분(E)으로서의, 상온에서 고체의 고형 카르복실기 변성 NBR(닛뽄제온(주)제, 상품명 : Nippol 1072, 중량 평균 분자량 : 25만, 카르복실기 농도 : 0.75(KOHmg/g)) 80g, 및 실시예 1의 (1)로 제작한 이방성 흑연분 200g을, 실시예 1과 동일한 니더에 투입하여, 10분간 혼합했다.
혼합 종료후, 상온에서 액체의 액상 카르복실기 변성 NBR(닛뽄제온(주)제, 상품명 : Nippol DN601, 중량 평균 분자량 : 6.8만, 카르복실기 농도 : 0. 75(KOHmg/g)) 30g과, 난연제로서 인산에스테르(다이하치 화학공업(주)제, 상품명 : CR-741, 점도 : 2400mpaㆍs(40℃)) 150g을 혼합한 것을, 4회로 나누어 20분 걸려(1회마다 5분 혼합) 상기 혼합물 중에 혼합하여 넣었다.
그 후, 262g의 이방성 흑연분의 잔분을 투입하여 20분 혼합하고, 또한 열경화형 고무 경화제(F)로서, 에폭시기 함유 화합물(쉘화학사제, 상품명 : 에피코트 828(이하, 「Ep828」라고 생략한다), 수평균 분자량 : 380, 2관능형, 에폭시기의 수(당량) : 190(액상)) 11g(NBR 사용 중량의 10중량%)을 투입하고 10분 혼합하여, 조성물로 했다.
얻어진 조성물의 바인더 성분 100중량부(열가소성 고무 성분(D)와 열경화성 고무 성분(E)의 합계량) 중, 열가소성 고무 성분(D)로서의 아크릴 고무는, 65.7중량부, 열경화성 고무 성분(E)로서의 NBR이 34.3중량부로 된다.
또한, 이 조성물에 있어서, 방열 재료인 이방성 흑연분의 배합량은, 전체 배합량의 48.9중량%이며, 혼합물의 무니 점도는, 27(60℃), 20(80℃), 15(100℃)이었다.
[실시예 4]
실시예 1과 동일하게 하여, 단, 실시예 1의 (2)의 조성물을, 하기 조제한 조성물로 대신하여, 전열시트를 제작했다.
(조성물의 조제)
열가소성 고무 성분(D)로서의 아크릴 고무(나가세켐텍스(주)제, 상품명 : HTR-811DR, 중량 평균 분자량 : 50만, 유리 전이 온도 : -46℃, 택성 크고, 실온에서 탄성을 나타낸다.) 170g과, 실시예 1의 (1)로 제작한 이방성 흑연분 200g을, 실시예 1과 동일한 니더에 투입하여, 10분간 혼합했다.
난연제로서의 인산에스테르(다이하치 화학공업(주)제, 상품명 : CR-741(점도 : 2400mpaㆍs(40℃))) 150g, 및 가소제로서의 폴리부텐(니치유(주)제, 상품명 200N) 150g을 혼합한 것을, 4회로 나누어 20분 걸려(1회마다 5분 혼합) 상기 혼합물 중에 혼합하였다.
그 후, 250g의 이방성 흑연분의 잔분을 투입하여 20분 혼합하여, 조성물로 했다.
이 조성물에 있어서, 방열 재료인 이방성 흑연분의 배합량은, 전체 배합량의 48.9중량%이며, 혼합물의 무니 점도는, 22(60℃), 17(80℃), 12(100℃)이었다.
[실시예 5]
실시예 1과 동일하게 하여, 단, 실시예 1의 (6)의 알루미늄 박을 두께 20㎛의 구리 박으로 대신하여, 전열시트를 제작했다.
[비교예 1]
실시예 1과 동일하게 하여, 단, 실시예 1의 (6)에 있어서 알루미늄 박을 라미네이트하지 않고, 전열시트를 제작했다.
<전열시트의 평가>
상기 실시예 1~4 및 비교예 1에서 얻은 전열시트에 관하여, 하기와 같이 하여 시트 특성을 평가했다. 그 결과를 표 1에 나타낸다. 또한 전열특성에 관해서는, 시트의 열저항치를 이용했다.
[열저항]
얻어진 전열시트로부터, 세로 1cm × 가로 1.5cm의 크기의 시험 시트를 제작하고, 이 시험 시트를 트랜지스터(2SC2233)와 알루미늄 방열 블록과의 사이에 끼우고, 0.5MPa의 압력으로 트랜지스터를 가압하여 전류를 통했다. 트랜지스터의 온도 : T1(℃)과, 방열 블록의 온도 : T2(℃)를 측정하여, 측정치와 인가 전력 : W1(W)로부터, 다음 식(1)에 의해 열저항 : X(℃/W)를 산출했다.
X = (T1-T2)/W1 식(1)
상기 식(1)의 열저항 : X(℃/W)와 전열시트의 두께 : d(㎛),
열전도율이 기지의 시료에 의한 보정 계수 : C로부터, 다음 식(2)에 의해 열전도율 : Tc(W/mK)를 추측했다(실온 23℃에서 측정).
Tc = C × d/X 식(2)
[복원성]
얻어진 전열시트로부터, 20mm×40mm 및 20mm×30mm의 시험 시트를 각 2매 제작하고, JASO M303-95(자동차 규격 : 비금속 가스켓재 : 자동차 기술회 발행(1995년))의 P9~P10 기재의 측정 치구(jig, 治具) 및 측정법을 응용하여, 가열 전의 볼트 신장 Do(mm)를 0.018mm로 하여, 150℃/1시간 열처리하여, 냉각한 후의 볼트 성장 Df(mm)를 측정하여, 식(3)에 의해서 응력 완화를 구했다.
응력 완화율(%) = (DO-Df)/DO×100 식(3)
[핸들링성의 평가]
(긴 방향)
얻어진 전열시트로부터, 20mm×40mm의 시험 시트를 제작하고, 오토그래프를 이용하여 시험 시트의 긴 방향(적층면에 대해 90도 방향)의 인장강도를 실온 23℃에서 측정했다.
(적층 방향)
얻어진 전열시트로부터, 20mm×40mm의 시험 시트를 제작하고, 시험 시트의 적층 방향의 인장 강도를, 긴 방향의 인장 강도와 동일한 방법으로 측정했다.
[택성]
택킹 시험기(RHESCA사제 TAC-II, 프로브 직경 5.1mm)를 이용하여 20~30℃에서, 압부 속도 120mm/분 , 인상 속도 600mm/분, 프로브 접촉 하중 50gf, 및 프로브 접촉 시간 10초의 조건에서, 시트 표면의 택성을 측정했다.
[난연성]
UL규격에 준해, JIS Z 2391(1999)에 따라 수직 연소 시험을 행했다. 이 때의 시험 시트의 크기는, 125×13mm로 했다. 난연성 시험 합격품에 관해서, 가장 난연효과가 높은 레벨을 VO으로 하고, 뒤이어 V1, V2, HB로 했다.
Figure 112012103059094-pct00001
표 1에서 보여진 바와 같이, 실온에서 탄성을 나타내는 바인더 성분(A)와 이방성을 가지는 흑연분(B)를 함유하고, 이방성 흑연분(B)가 두께 방향으로 배향한 기재시트상에, 기재시트 두께의 1~30%의 두께의 금속박(C)을 구비하는 실시예 1~5의 전열시트에서는, 전열특성(열저항), 취급성(강도, 택성, 난연성), 및 시트의 형상 가공성(복원성(응력 완화))의 양립이 도모되고 있는 것을 알 수 있다.
[실시예 6, 실시예 7, 실시예 8 및 비교예 2]
실시예 1과 동일하게 하여, 단, 실시예 1의 (6)에 있어서 이용한 알루미늄 박의 두께를 하기 표 2에 나타낸 바와 같이 변경하여, 전열시트를 제작했다. 얻어진 전열시트의 시트 특성을 상기 방법으로 평가했다. 결과를 하기 표 2에 나타낸다.
Figure 112012103059094-pct00002
표 2에서 보여진 바와 같이, 기재시트 두께에 대해 1~30%의 두께의 금속박을 설치한 실시예 6~8의 전열시트에서는, 전열 특성(열저항), 취급성(강도, 택성, 난연성), 및 시트의 형상 가공성(복원성(응력 완화))의 양립이 도모되고 있는 것을 알 수 있다. 이에 대하여, 기재시트 두께에 대해 30%를 넘는 두께의 금속박을 설치한 비교예 2의 전열시트에서는, 실시예의 전열시트에 비해, 열저항 및 복원력(응력 완화)의 점에서 뒤떨어지고 있었다. 또한, 금속박을 설치하지 않고, 따라서 금속박의 두께의 비율이 1% 미만의 비교예 1의 전열시트는, 실시예의 전열시트에 비해, 취급성(강도, 택성)의 점에서 뒤떨어지고 있었다.

Claims (10)

  1. 실온에서 탄성을 나타내는 바인더 성분(A)와 이방성을 가지는 흑연분(B)를 함유하고, 상기 흑연분(B)가 두께 방향으로 배향한 기재시트와,
    상기 기재시트의 한쪽의 표면상에, 상기 기재시트의 두께의 1~30%의 두께의 금속박(C)를 가지고,
    상기 금속박(C)가 최외면에 설치되어 있는 전열시트.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 금속박(C)가, 알루미늄, 구리, 또는 주석으로 형성되어 이루어지는 전열시트.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 바인더 성분(A)로서, 유리 전이 온도 50℃ 이하의 열가소성 고무 성분(D)를 포함하는 전열시트.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 바인더 성분(A)로서, 유리 전이 온도 50℃ 이하의 열가소성 고무 성분(D)와, 열경화성 고무 성분(E)와, 상기 열경화성 고무 성분(E)에 가교 가능한 열경화형 고무 경화제(F)를 포함하는 전열시트.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 흑연분(B)가 팽창 흑연 성형시트의 분쇄분이며, 분쇄 전의 상기 팽창 흑연 성형시트의 겉보기 밀도가 0.1g/㎤~1.5g/㎤의 범위에 있는 전열시트.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 흑연분(B)가, 박편 바늘 가지상 또는 수지상이며, 평균 입경이 50㎛~2000㎛의 범위에 있는 전열시트.
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 인산에스테르를 더 함유하는 전열시트.
  8. 실온에서 탄성을 나타내는 바인더 성분(A)와, 이방성을 가지는 흑연분(B)를 함유하는 조성물을 조제하는 공정과,
    상기 조성물을 이용하여, 흑연분(B)가 1차 시트의 주면(主面)에 대해서 평행 방향으로 배향하는 1차 시트를 제작하는 공정과,
    상기 1차 시트를 적층 또는 권회하여, 성형체를 제작하는 공정과,
    상기 1차 시트의 주면으로부터의 법선에 대해 45~80도의 각도로, 상기 성형체를 슬라이스하여 기재시트를 제작하는 공정과,
    상기 기재시트의 두께에 대해서 1~30%의 두께의 금속박(C)를, 상기 기재시트의 표면에 최외면이 되도록 부설하는 공정
    을 가지는 제 1항 또는 제 2항에 기재된 전열시트의 제작방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 바인더 성분(A)로서, 점착성 부여제와, 열가소성 고무 성분(D)와, 열경화성 고무 성분(E)와, 그 열경화성 고무 성분(E)에 가교 가능한 열경화형 고무 경화제(F)를 포함하고,
    상기 금속박(C)를 상기 기재시트의 표면에 부설하는 공정의 전 또는 후에, 상기 바인더 성분(A)를 가교시키는 공정을 가지는 전열시트의 제작방법.
  10. 발열체와,
    방열체와,
    상기 발열체와 전기 방열체의 사이에, 그 발열체 및 방열체의 쌍방에 접하도록 배치한, 제 1항 또는 제 2항에 기재된 전열시트
    를 가지는 방열 장치.
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