KR20180133842A - 열전도성 시트 - Google Patents

Abstract

열전도성이 높은 열전도성 시트를 제공하는 것.
고분자 매트릭스(2) 중에 분산된 탄소 섬유(3)와 인편상(鱗片狀) 흑연 분말(4)을 포함하는 열전도성 시트(1)로서, 상기 인편상 흑연 분말(4)이, 상기 탄소 섬유(3)끼리의 사이에 개재하고, 상기 탄소 섬유(3)의 섬유축 방향이 시트의 두께 방향(Z)으로 배향하고, 상기 인편상 흑연 분말의 인편면의 장축 방향이 시트의 두께 방향(Z)으로 배향하고 또한 상기 인편면에 대한 법선 방향이 시트의 면 방향으로 불규칙하게 향하고 있고, 상기 탄소 섬유(3)와 인편상 흑연 분말(4)의 질량 비율이 120:10∼60:70의 범위 내에 있는 열전도성 시트(1)로 했다. 이와 같은 열전도성 시트로 함으로써, 탄소 섬유나 인편상 흑연 분말을 단독으로 사용하는 것보다 열전도성을 높일 수 있다.

Description

열전도성 시트

본 발명은, 발열체와 방열체의 사이에 배치하여 사용되는 열전도성 시트에 관한 것이다.

컴퓨터나 자동차 부품 등의 전자 기기에서는, 반도체 소자나 기계 부품 등의 발열체로부터 생기는 열을 방열하기 위해 히트싱크(heat sink) 등의 방열체가 사용되고 있고, 이 방열체로의 열의 전달 효율을 높일 목적으로 발열체와 방열체의 사이에 열전도성 시트를 배치하는 경우가 있다. 이와 같은 열전도성 시트로서, 예를 들면, 열전도재로서 탄소 섬유를 충전하여 배향시킨 열전도성 시트가 일본공개특허 제2005-146057호 공보(특허문헌 1)에 개시되어 있다. 또한, 탄소 분말이 시트의 두께 방향으로 배향한 열전도성 시트가 일본공개특허 제2014-001388호 공보(특허문헌 2)에 개시되어 있다.

일본공개특허 제2005-146057호 공보 일본공개특허 제2014-001388호 공보

그런데, 최근, 전자 기기는 점점 소형화, 고성능화가 진행되어, 발열량은 증가의 일로를 걷고 있으며, 일본공개특허 제2005-146057호 공보(특허문헌 1)이나 일본공개특허 제2014-001388호 공보(특허문헌 2)에서 개시된 열전도성 시트보다 더욱 열전도율을 높인 열전도성 시트가 기대되고 있다. 이상과 같은 배경 하에서 이루어진 것이 본 발명이다. 즉 본 발명은, 열전도성이 높은 열전도성 시트를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하는 본 발명은 다음과 같이 구성된다. 고분자 매트릭스 중에 분산된 탄소 섬유와 인편상(鱗片狀) 흑연 분말을 포함하는 열전도성 시트로서, 상기 인편상 흑연 분말이, 상기 탄소 섬유끼리의 사이에 개재하고, 상기 탄소 섬유의 섬유축 방향이 시트의 두께 방향으로 배향하고, 상기 인편상 흑연 분말의 인편면(鱗片面)의 장축(長軸) 방향이 시트의 두께 방향으로 배향하고, 또한 상기 인편면에 대한 법선 방향이 시트의 면 방향으로 불규칙하게 향하고 있고, 상기 탄소 섬유와 인편상 흑연 분말의 질량 비율이 120:10∼60:70의 범위 내에 있는 열전도성 시트이다.

고분자 매트릭스 중에 분산된 탄소 섬유와 인편상 흑연 분말을 포함하는 열전도성 시트에 대하여, 상기 인편상 흑연 분말이, 상기 탄소 섬유끼리의 사이에 개재하고, 상기 탄소 섬유의 섬유축 방향이 시트의 두께 방향으로 배향하고, 상기 인편상 흑연 분말의 인편면의 장축 방향이 시트의 두께 방향으로 배향하고, 또한 상기 인편면에 대한 법선 방향이 시트의 면 방향으로 불규칙하게 향하고 있으므로, 시트면 방향으로 이격된 탄소 섬유와 인편상 흑연 분말이 접촉하기 쉽고, 또한 시트의 두께 방향으로는 배향하고 있으므로, 시트의 두께 방향의 열전도성이 높은 열전도성 시트로 할 수 있다.

또한, 탄소 섬유와 인편상 흑연 분말의 질량 비율이 120:10∼60:70의 범위 내에 있는 열전도성 시트로 하였으므로, 탄소 섬유만이나 인편상 흑연 분말만을 포함하는 경우보다 높은 열전도율을 얻을 수 있다. 그리고, 이 범위를 환언하여 표현하면, 탄소 섬유와 인편상 흑연 분말의 합계 질량에 대한 탄소 섬유의 질량 비율이 0.46∼0.92인 범위라고 할 수 있다.

고분자 매트릭스 100질량부에 대하여, 탄소 섬유와 인편상 흑연 분말의 합계 질량이 80∼180 질량부가 되는 비율로 탄소 섬유와 인편상 흑연 분말을 포함하는 열전도성 시트로 할 수 있다.

고분자 매트릭스 100질량부에 대하여, 탄소 섬유와 인편상 흑연 분말의 합계 질량이 80∼180 질량부가 되는 비율로 탄소 섬유와 인편상 흑연 분말을 포함하기 때문에, 열전도성 시트의 유연성을 손상하지도 않아, 유연한 열전전도성 시트를 얻을 수 있다.

탄소 섬유 및 인편상 흑연 분말 이외의 열전도성 충전재를 더욱 포함하고, 이 열전도성 충전재의 평균 입경(粒徑)이 상기 탄소 섬유의 평균 섬유 길이 및 상기 인편상 흑연 분말의 평균 입경보다 작고, 어스펙트비가 2 이하인 열전도성 시트 로 할 수 있다.

탄소 섬유 및 인편상 흑연 분말 이외의 열전도성 충전재를 더욱 포함하고, 이 열전도성 충전재의 평균 입경이 상기 탄소 섬유의 평균 섬유 길이 및 상기 인편상 흑연 분말의 평균 입경보다 작고, 어스펙트비가 2 이하인 것으로 하였으므로, 시트 두께 방향뿐만 아니라 시트 두께에 대한 수직 방향에서의 열전도성 충전재끼리의 접촉을 높이고, 결과적으로 시트 두께 방향의 열전도성을 높일 수 있다.

탄소 섬유나 인편상 흑연 분말 이외의 그 외의 열전도성 충전재를 산화 알루미늄이나 수산화 알루미늄으로 할 수 있다.

탄소 섬유나 인편상 흑연 분말 이외의 그 외의 열전도성 충전재를 산화 알루미늄이나 수산화 알루미늄으로 하였으므로, 자장의 영향을 받지 않고 고분자 매트릭스 중에 불규칙하게 분산시킬 수 있고, 탄소 섬유나 인편상 흑연 분말의 간극에 개재시켜 열전도성 시트의 열전도성을 높일 수 있다.

고분자 매트릭스 100질량부에 대하여, 상기 탄소 섬유와 상기 인편상 흑연 분말과 상기 열전도성 충전재의 합계를 380∼790 질량부의 비율로 포함하는 열전도성 시트로 할 수 있다.

고분자 매트릭스 100질량부에 대하여, 상기 탄소 섬유와 상기 인편상 흑연 분말과 상기 열전도성 충전재의 합계를 380∼790 질량부의 비율로 포함하므로, 열전도성 시트의 유연성을 손상시키지 않고, 열전도성이 우수한 열전도성 시트로 할 수 있다.

본 발명의 열전도성 시트에 의하면, 유연성이 있으며 열전도성이 높다.

도 1은 열전도성 시트의 모식도이다.
도 2는 열전도성 시트 중의 탄소 섬유와 인편상 흑연 분말의 배향 상태를 설명하는 모식도이다.
도 3은 열전도성 시트 중의 그 외의 열전도성 충전재의 함유 상태를 설명하는 모식도이며, 도 1의 영역 R의 부분 확대도이다.
도 4는 열전도성 시트를 탄소 섬유의 배향 방향을 따라 절단한 단면의 170배의 현미경 사진이다.
도 5는 열전도율 측정기의 개략도이다.

본 발명의 열전도성 시트를 실시형태에 입각하여 더욱 상세하게 설명한다.

열전도성 시트는, 고분자 매트릭스 중에 탄소 섬유와 인편상 흑연 분말, 그리고, 탄소 섬유나 인편상 흑연 분말 이외의 그 외의 열전도성 충전재를 포함하여 구성하고 있다.

보다 구체적으로는 도 1의 모식도에서 나타낸 바와 같이, 열전도성 시트(1)는, 탄소 섬유(3)나 인편상 흑연 분말(4)이 고분자 매트릭스(2) 중에서 소정의 방향으로 배향하고 있다. 그 배향 방향을 보다 상세하게 설명하면, 도 2의 확대 모식도에서 나타낸 바와 같이, 탄소 섬유(3)는 그 섬유축 방향이 시트의 두께 방향(도 2의 Z 방향)으로 배향하여 함유되어 있고, 인편상 흑연 분말(4)은 그 인편면의 장축 방향이 시트의 두께 방향(도 2의 Z 방향)으로 배향하면서, 그 단축 방향(인편면의 법선 방향)은 장축에 대하여 수직인 불규칙한 방향(도 2의 X-Y 평면 내의 불규칙한 방향)을 향하여 함유되어 있다. 또한, 상기 그 외의 열전도성 충전재(5)는, 도 3의 확대 모식도에서 나타낸 바와 같이, 탄소 섬유(3)나 인편상 흑연 분말(4)과는 달리, 고분자 매트릭스(2) 중에 불규칙하게 분산하여 함유되어 있다.

이상은 열전도성 시트(1)를 모식적으로 설명한 것이지만, 실제 열전도성 시트의 단면을 전자 현미경으로 보면 도 4에 나타낸 상태에 있으므로, 본 발명에 있어서 탄소 섬유가 시트의 두께 방향으로 배향하고 있는 상태란, 50%를 넘는 탄소 섬유의 섬유축 방향이, 시트의 두께 방향으로부터 15° 이내의 범위를 향하고 있는 상태를 의미하는 것으로 한다. 또한, 인편상 흑연 분말이 시트의 두께 방향으로 배향하고 있는 상태란, 50%를 넘는 인편상 흑연 분말의 인편면의 면 방향이, 시트의 두께 방향으로부터 15° 이내의 범위를 향하고 있는 상태를 의미하는 것으로 한다.

또한, 인편상 흑연 분말의 인편면의 법선 방향이 면 방향에 불규칙한 상태란, 그 법선 방향이 시트면 내의 특정한 방향으로부터 15° 이내의 범위를 향하고 있는 인편상 흑연 분말이 50% 미만인 상태를 의미하는 것으로 한다. 환언하면, 법선 방향이 시트면 내의 특정한 방향으로부터 15° 이내의 범위를 향하고 있는 인편상 흑연 분말이 50%를 넘는 경우에는, 인편상 흑연 분말의 법선 방향이 면 방향으로 불규칙하지 않은 상태를 의미하는 것으로 한다.

이와 같은 배향의 상태는, 전자 현미경에 의해 단면을 관찰함으로써 확인할 수 있다.

이와 같은 열전도성 시트에 포함되는 재료에 대하여 설명한다.

(고분자 매트릭스:)

고분자 매트릭스는, 열전도성 충전재를 유지하는 부재이며, 유연한 고무형 탄성체로 이루어진다. 탄소 섬유나 인편상 흑연 분말을 배향한 상태에서 함유시키기 위해서는, 배향시키는 공정 시에 유동성을 가지고 있는 것이 요구된다. 예를 들면, 열가소성 수지라면, 가열하여 가소화(可塑化)한 상태에서 탄소 섬유나 인편상 흑연 분말을 배향시킬 수 있다. 또한, 반응성 액상 수지라면, 경화 전에 탄소 섬유나 인편상 흑연 분말을 배향시키고, 그 상태를 유지한 채 경화하면, 탄소 섬유나 인편상 흑연 분말이 배향한 경화물을 얻을 수 있다. 전자는 비교적 점도가 높고, 또한 저점도로 될 때까지 가소화하면 수지가 열열화(熱劣化)될 우려가 있으므로, 후자의 수지를 사용하는 것이 바람직하다.

반응성 액상 수지로서는, 반응 전은 액상이며, 소정 조건에서 경화하여 가교 구조를 형성하는 고무 또는 겔을 사용하는 것이 바람직하다. 가교 구조란 폴리머 중 적어도 일부가 3차원적으로 가교하고, 가열에 의해 용융하지 않는 경화체를 형성하고 있는 것을 일컫는다. 또한, 액상 수지에 열전도성 충전재를 가한 혼합 조성물을 제작하고, 유동성이 있는 액상 수지 중에서 탄소 섬유나 인편상 흑연 분말을 배향시키기 위하여, 저점도인 것이 바람직하고, 배향 후에는 소정 조건에서 경화 가능한 성질을 가지는 것이 바람직하다.

이와 같은 반응성 액상 수지의 경화 방법으로서는, 예를 들면, 열경화성이나 광경화성의 것을 예시할 수 있지만, 광을 차폐하는 탄소 섬유나 인편상 흑연 분말을 다량으로 포함하므로, 열경화성의 고무나 겔을 사용하는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로는, 부가 반응형 실리콘, 폴리올과 이소시아네이트의 반응을 이용하는 우레탄 고무, 아크릴레이트의 라디칼 반응이나 양이온 반응을 이용하는 아크릴 고무, 유연한 골격을 가지는 에폭시 수지 등을 예시할 수 있지만, 부가 반응형 실리콘을 사용하는 것이 바람직하다. 부가 반응형 실리콘은, 탄소 섬유나 인편상 흑연 분말, 그 외의 열전도성 충전재를 고충전하기 쉽고, 촉매 등에 의해 소정의 온도에서 경화하도록 조정할 수 있기 때문이다. 보다 구체적으로는, 알케닐기 함유 폴리오르가노실록산 및 하이드로겐오르가노폴리실록산의 조합이 저점도에서 열전도성 충전재를 고충전할 수 있으므로 바람직하다.

(탄소 섬유:)

고분자 매트릭스 중에 함유되는 탄소 섬유에는, 섬유상, 봉형, 침형 등의 각종 형상의 탄소 섬유를 포함한다. 탄소 섬유는 그래파이트의 결정면이 섬유축 방향으로 나란하게 되어 있고, 그 섬유 축 방향으로 극히 높은 열전도율을 가진다. 이 때문에, 그 섬유축 방향을 소정의 방향으로 맞추는 것에 의해, 그 방향의 열전도율을 높일 수 있다.

탄소 섬유는 흑연화된 것이 바람직하고, 그 원료로서는, 예를 들면, 나프탈렌 등의 축합 다환 탄화 수소 화합물, PAN(폴리아크릴로니트릴), 피치, 폴리벤즈아졸 섬유 등의 축합 복소환 화합물 등이 있으며, 특히 메소페이즈 피치나 폴리벤즈아졸 섬유를 사용하는 것이 바람직하다. 메소페이즈 피치를 사용함으로써, 그 이방성(異方性)에 의해 방사(紡絲) 공정에서 피치가 섬유축 방향으로 배향하고, 그 섬유축 방향으로 우수한 열전도성을 가지는 흑연 화 탄소 섬유를 얻을 수 있다. 이 메소페이즈 피치는, 방사 가능하다면 특별히 한정되지 않고, 1종을 단독으로 사용할 수도 있고, 2종 이상을 적절하게 조합하여 사용할 수도 있지만, 메소페이즈 피치를 단독으로 사용하는 것, 즉, 메소페이즈 피치 함유량 100%의 흑연화 탄소 섬유가, 고열전도화, 방사성 및 품질의 안정성의 면에서 특히 바람직하다.

또한, 폴리벤즈아졸 섬유는, 주쇄의 방향족환을 가지고, 이것을 열처리하여 흑연화시키면, 주쇄 방향으로 흑연층면이 고도로 발달한 탄소 분말을 얻을 수 있다. 이 때문에, 얻어지는 탄소 섬유는, 육방정형의 흑연 결정 구조의 C축에 수직한 방향, 즉 기저면(흑연층면)에 평행한 방향으로 특히 우수한 열전도율을 가지는 것이 된다. 특히, 주쇄에 방향족환을 가지는 고분자 재료는, 그 방향족환 구조가 많을수록 흑연화하기 쉬운 경향이 있고, 폴리벤즈아졸 섬유를 사용하면, 현저하게 열전도성이 우수한 탄소 섬유를 얻을 수 있다.

탄소 섬유는, 방사, 불융화(不融化) 및 탄화의 각 처리를 순차적으로 행하고, 소정의 입경으로 분쇄 또는 절단한 후에 흑연화한 것이나, 탄화 후에 분쇄 또는 절단한 후에 흑연화한 것을 사용할 수 있다. 흑연화 전에 분쇄 또는 절단하는 경우에는, 분쇄로 인해 새롭게 표면에 노출한 표면에 있어서 흑연화 처리 시에 축종합 반응, 환화 반응이 진행하기 쉬워지므로, 흑연화도를 높이고, 더 한층 열전도성을 향상시킨 흑연화 탄소 섬유를 얻을 수 있다. 한편, 방사한 탄소 섬유를 흑연화한 후에 분쇄하는 경우에는, 흑연화 후의 탄소 섬유가 단단하므로 분쇄하기 쉬우며, 단시간의 분쇄로 비교적 섬유 길이 분포가 좁은 탄소 섬유를 얻을 수 있다.

탄소 섬유의 섬유 직경은, 바람직하게는 5∼20 ㎛이다. 섬유 직경이 5∼20 ㎛의 범위가 공업적으로 생산하기 쉽고, 시트의 열전도성을 높일 수 있다. 한편, 섬유 직경이 5㎛보다 작고, 혹은 20㎛보다 크면 생산성이 저하된다.

탄소 섬유의 평균 섬유 길이는, 바람직하게는 10∼600 ㎛, 더욱 바람직하게는 80∼500 ㎛이다. 평균 섬유 길이가 10㎛보다 짧으면, 고분자 매트릭스 중에 있어서 탄소 섬유끼리의 접촉이 적고, 열의 전달 경로가 불충분하게 되어, 열전도성이 저하될 우려가 있다. 한편, 평균 섬유 길이이 600㎛보다 길면, 탄소 섬유가 부피가 커지게 되어, 고분자 매트릭스 중에 고충전하는 것이 곤란하게 된다. 그리고, 이 평균 섬유 길이는, 탄소 섬유를 현미경으로 관찰한 입도(粒度) 분포로부터 산출할 수 있다.

또한, 탄소 섬유의 평균 섬유 길이는, 시트 두께의 40% 이하가 바람직하고, 또한 시트 두께의 80%를 넘는 섬유 길이의 탄소 섬유의 함유량이 5질량% 이하인 것이 바람직하다. 시트 두께의 80%를 넘는 섬유 길이의 탄소 섬유의 함유량이 5질량%를 넘으면 시트를 압축했을 때, 그 압축 두께를 넘는 탄소 섬유가 많아지기 때문이다. 혹은, 탄소 섬유의 평균 섬유 길이가 시트 두께의 50% 이하라면, 압축 시에도 시트 두께를 넘는 탄소 섬유의 양을 적게 할 수 있다. 이와 같은 우려를 고려하면, 탄소 섬유의 입도 분포는 좁은 것이 바람직하다. 또한, 다른 입도 분포를 가지는 복수의 탄소 섬유를 혼합하여 사용하는 것은, 열전도율을 높이는 관점에서 바람직하다.

탄소 섬유의 어스펙트비는 2를 넘는 것이 바람직하다. 이는 어스펙트비가 2 이하에서는, 탄소 섬유를 특정 방향으로 배향시키는 것이 곤란하여 열전도성을 높이기 어렵기 때문이다. 더욱 바람직하게는 어스펙트비가 5 이상이다. 그리고, 여기서 말하는 어스펙트비는 탄소 섬유의 「섬유의 길이/섬유의 직경」의 값이다.

탄소 섬유의 섬유축 방향에서의 열전도율은, 바람직하게는 400W/m·K 이상, 더욱 바람직하게는 800W/m·K 이상, 특히 바람직하게는 1000W/m·K 이상이다. 이는 열전도성 시트의 열전도율을 높이기 위해서이다.

탄소 섬유의 함유량은, 고분자 매트릭스 100질량부에 대하여 60∼150 질량부인 것이 바람직하다. 60질량부 미만에서는 열전도성을 높이기 어렵고, 150질량부를 넘으면, 혼합 조성물의 점도가 높아져 배향성이 나빠질 우려가 있다.

(인편상 흑연 분말:)

고분자 매트릭스 중에서 배향하는 인편상 흑연 분말은, 인편상이나 편평상 등으로 칭해지는 편형한 흑연 분말을 포함하는 것이다. 인편상 흑연 분말은 그래파이트의 결정면이 면 방향으로 넓어지고 있고, 그 면 내에 있어서 등방적으로 극히 높은 열전도율을 가진다. 이 때문에, 그 인편면의 면 방향을 시트의 두께 방향으로 맞추는 것에 의해, 시트의 두께 방향의 열전도율을 높일 수 있다. 그러한 한편, 인편면에 대한 법선 방향은 불규칙한 방향을 향하고 있다. 따라서, 시트가 넓어져 방향에서는 이방성을 발현시키지 않고, 등방적으로 열을 전달하도록 구성되어 있다.

인편상 흑연 분말로서는 천연 흑연이나 인조 흑연을 예로 들 수 있지만, 고분자 필름을 열분해하고, 얻어진 인조 흑연 시트를 분쇄하여 제작한 인편상 흑연 분말을 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같은 인편상 흑연 분말은 시트면 방향으로의 열전도율을 높일 수 있다. 흑연화의 원료가 되는 고분자 필름에는 폴리이미드 등의 방향족 고분자를 사용하는 것이 바람직하다. 이는 그래파이트 구조가 발달한 열전도성이 높은 흑연 필름을 얻을 수 있기 때문이다.

인편상 흑연 분말의 어스펙트비는 2를 넘는 것이 바람직하다. 어스펙트비가 2 이하에서는, 인편상 흑연 분말을 특정 방향으로 배향시키는 것이 곤란하여 열전도성을 높이기 어렵다. 더욱 바람직하게는 어스펙트비가 5 이상이다. 그리고, 여기서 말하는 어스펙트비는 인편상 흑연 분말의 「인편면의 장축의 길이/두께(단축)」의 값이다. 또한, 어스펙트비가 높을수록 단위중량당의 배향 방향의 열전도율을 향상시키는 효과가 높아지지만, 한편으로는 어스펙트비가 지나치게 높으면 혼합 조성물의 점도가 높아지기 쉽다. 이와 같은 관점에서 어스펙트비는 10∼1000의 범위인 것이 더욱 바람직하다.

인편상 흑연 분말은, 그 평균 입경이 10∼400㎛의 범위인 것이 바람직하다. 평균 입경이 10㎛ 미만에서는, 점도 상승이 커져 특성이 향상되기 어렵다. 또한, 평균 입경이 400㎛를 넘으면, 시트로부터의 탈락이 눈에 띄게 된다.

인편상 흑연 분말의 함유량은, 고분자 매트릭스 100질량부에 대하여 10∼70 질량부인 것이 바람직하고, 20∼60 질량부인 것이 더욱 바람직하다. 10질량부 미만에서는 열전도성을 높이기 어렵고, 70질량부를 넘으면, 혼합 조성물의 점도가 높아져 배향성이 좋지 못하고, 또한 열전도성도 높아지지 않을 우려가 있다. 또한, 20∼60 질량부의 범위에서는 열전도성을 비약적으로 높일 수 있다.

탄소 섬유와 인편상 흑연 분말을 합친 열전도성 충전재의 고분자 매트릭스 중의 함유량은, 고분자 매트릭스 100질량부에 대하여 80∼180 질량부로 하는 것이 바람직하다. 80질량부 미만에서는, 열전도성을 충분히 높일 수 없을 우려가 있으며, 180질량부를 넘어도, 열전도성을 그다지 높일 수 없을 뿐만아니라, 혼합 조성물의 점도가 지나치게 높아져, 탄소 섬유 및 인편상 흑연 분말을 배향하는 것이 어려워지기 때문이다.

그런데, 탄소 섬유와 인편상 흑연 분말을 비교하여 열전도성에 대하여 고찰하면 다음과 같다.

탄소 섬유는, 1축의 대략 봉형(棒形)이므로, 액상 수지 내에서의 유동 저항이 작고 배향하기 쉽고, 또한 점도가 상승하기 어려우므로 고충전하기 쉬운 특징이 있다. 그러한 한편, 탄소 섬유는 1축형이므로 다른 열전도성 충전재와 접촉하는 면적은 작고, 고충전하지 않으면 열전도성을 높이기 어려운 것으로 여겨진다.

인편상 흑연 분말은, 인편상이므로, 액상 수지 내에서의 유동 저항이 크고 배향하기 어려우며, 또한 점도가 상승하기 쉬우므로 고충전이 어려운 특징이 있다. 그러나, 인편상으므로 다른 열전도성 충전재와 접촉하는 면적은 크고, 비교적 저충전이라도 열전도성을 높이기 쉬운 것으로 여겨진다.

실제로, 혼합 조성물 중ㄹ[yk 탄소 섬유나 인편상 흑연 분말을 배향시키기 위한 점도 상한은, 예를 들면, 압출 성형 등의 유동 배향을 이용하는 경우에는 1000Pa·s 정도이며, 자기장에 의해 배향하는 경우에는 500Pa·s 정도이다. 따라서, 이와 같은 배향 가능한 소정의 점도 내에서, 열전도성 충전재를 함유시키는 것을 검토하면, 탄소 섬유를 단독으로 함유시키는 경우에는, 비교적 고충전할 수 있지만 열전도성을 원하는 정도로까지 높이는 것은 어렵다. 또한, 인편상 흑연 분말을 단독으로 함유시키는 경우에는, 열전도성을 높이기 쉬운 것으로 여겨지지만 고충전할 수 없어, 이 역시 열전도성을 원하는 정도로까지 높이는 것은 곤란하다.

그런데, 탄소 섬유와 인편상 흑연 분말의 합계량을 100%로 했을 때, 탄소 섬유의 비율을 46∼92 %의 범위로 했을 때 탄소 섬유 단독의 경우나 인편상 흑연 분말 단독의 경우보다 열전도성을 높일 수 있고, 54∼85 %의 범위로 했을 때 열전도성을 비약적으로 높일 수 있고, 최대로 열전도율을 30% 정도 높이는 것에 성공한 것이다.

(그 외의 열전도성 충전재:)

열전도성 시트에는, 탄소 섬유 및 인편상 흑연 분말 이외의 열전도성 충전재를 포함할 수 있다. 여기서는, 앞서 언급한 탄소 섬유 및 인편상 흑연 분말 이외의 열전도성 충전재를 「그 외의 열전도성 충전재」로 칭하기로 한다. 그 외의 열전도성 충전재는 이하의 성질을 가지는 것이 바람직하다.

바람직한 제1 태양으로서는, 어스펙트비가 2 이하인 열전도성 분말을 예로 들 수 있다. 어스펙트비가 2 이하인 분말은, 어느 정도 다량으로 첨가해도 혼합 조성물의 점도가 상승하기 어렵고, 또한 상이한 입경의 분말끼리를 병용함으로써, 단독으로 사용한 경우보다 혼합 조성물의 점도를 낮추는 효과가 있다. 인편상 흑연 분말이 시트의 두께 방향으로 배향하고, 또한 어스펙트비가 작은 열전도성 충전재를 포함하는 것에 의해, 배향한 인편상 흑연 분말의 면끼리의 간극에 그 외의 열전도성 충전재의 분말이 양호하게 개재하여, 열전도율이 높은 열전도성 시트가 얻어진다. 구상(球狀)의 열전도성 분말은, 이와 같은 효과가 특히 높기 때문에 바람직하다.

바람직한 제2 태양으로서는, 비자성체 또는 극히 자성이 약한 열전도성 분말을 예로 들 수 있다. 탄소 섬유나 인편상 흑연 분말은, 혼합 조성물의 점도에 따라 다르지만 약 1T(테슬라(tesla)) 이상의 강자장 중에 혼합 조성물을 두면, 원하는 방향으로 탄소 섬유나 인편상 흑연 분말을 배향시킬 수 있다. 그러한 한편, 비자성체나 지극히 자성이 약한 열전도성 분말은, 상기 자장 중에서의 상호 작용이 작거나, 없기 때문에, 열전도성 시트 중에서 배향시키지 않고 불규칙하게 분산시킬 수 있다. 이 때문에, 이와 같은 비자성체 또는 자성이 약한 열전도성 분말을 열전도성 시트에 포함시킴으로써, 시트의 두께 방향뿐만 아니라 면 방향으로도 열을 전달하기 쉽게 할 수 있다. 따라서, 이 열전도성 분말의 기여에 의해 탄소 섬유나 인편상 흑연 분말을 시트의 면 방향으로 연결하는 작용에 의해, 시트의 두께 방향으로의 열전도성도 향상시킬 수 있다.

이와 같은 그 외의 열전도성 충전재에는, 예를 들면, 금속, 금속 산화물, 금속 질화물, 금속 탄화물, 금속 수산화물 등의 구상이나 부정형의 분말, 구상 흑연 등이 있다. 금속으로서는, 알루미늄, 동, 니켈 등, 금속 산화물로서는, 산화 알루미늄, 산화 마그네슘, 산화 아연, 석영 등, 금속 질화물로서는, 질화 붕소, 및 질화 알루미늄 등을 예시할 수 있다. 또한, 금속 탄화물로서는, 탄화 규소를 예로 들 수 있고, 금속 수산화물로서는, 수산화 알루미늄을 예로 들 수 있다. 이들 열전도성 분말 중에서도, 산화 알루미늄이나 알루미늄은, 열전도율이 높으며, 구상인 것이 입수하기 쉬운 점에서 바람직하고, 수산화 알루미늄은 입수하기 쉬우며 열전도성 시트의 난연성을 높일 수 있는 점에서 바람직하다.

그 외의 열전도성 충전재의 평균 입경은 0.5∼50 ㎛인 것이 바람직하다. 평균 입경이 50㎛를 넘으면, 탄소 섬유나 인편상 흑연 분말의 크기에 근접하여 이들의 배향을 흩뜨릴 우려가 있다. 한편, 평균 입경이 0.5㎛ 미만의 열전도성 충전재는, 비표면적이 커지므로, 점도가 상승하기 쉬워 고충전하기 어려워진다. 다만, 충전성에 악영향이 없는 경우에는, 0.5㎛ 미만의 열전도성 충전재를 포함할 수도 있다. 또한, 평균 섬유 길이가 50㎛ 이하인 탄소 섬유 또는 평균 입경이 50㎛ 이하인 인편상 흑연 분말을 사용할 경우에는, 이들보다 평균 입경이 작은 열전도성 충전재를 사용하는 것이 바람직하다. 열전도성 충전재의 평균 입경은, 레이저 회절 산란법(JIS R1629)에 의해 측정한 입도 분포의 체적 평균 입경으로 나타낼 수 있다.

그 외의 열전도성 충전재는, 고분자 매트릭스 100질량부에 대하여, 250∼700 질량부의 범위에서 첨가하는 것이 바람직하고, 350∼600 질량부의 범위에서 첨가하는 것이 더욱 바람직하다. 250질량부 미만의 경우에는, 탄소 섬유나 인편상 흑연 분말끼리의 간극에 개재하는 양이 부족하여 열전도성이 좋지 못하게 될 우려가 있다. 한편, 700질량부를 넘어도, 열전도성을 높이는 효과가 향상되지 않게 되어, 오히려 탄소 섬유나 인편상 흑연 분말에 의한 열전도를 저해할 우려가 있다. 그리고, 350∼600 질량부의 범위에서는, 열전도성이 우수하고 혼합 조성물의 점도도 양호하다.

(첨가제:)

열전도성 시트로서의 기능을 손상하지 않는 범위에서 다양한 첨가제를 포함시킬 수 있다. 예를 들면, 가소제, 분산제, 커플링제, 점착제 등의 유기 성분을 포함할 수도 있다. 또한 그 외의 성분으로서 난연제, 산화 방지제, 착색제 등을 적절하게 첨가할 수도 있다.

(제조 방법:)

상기 원료를 사용한 열전도성 시트로 제조에 대하여 설명한다.

경화하여 고분자 매트릭스가 되는 반응성 액상 수지 등의 액상 수지에, 탄소 섬유나 인편상 흑연 분말, 그 외의 열전도성 충전재 등의 열전도성 충전재와, 첨가제 등을 첨가하고 혼합, 교반하여, 반응성 액상 수지 중에 열전도성 충전재를 분산시킨 혼합 조성물을 얻는다. 반응성 액상 수지가 주제(主劑)와 경화제의 혼합에 의해 경화시키는 액상 수지의 경우에는, 주제과 경화제 중 어느 한쪽, 또는 양쪽에 열전도성 충전재를 분산시킬 수 있고, 주제과 경화제를 혼합하여 혼합 조성물을 얻는다.

다음으로 소정의 형(型) 내에 혼합 조성물을 주입한다. 일실시태양으로서, 여기서는 최종적으로 얻어지는 열전도성 시트와 동일 형상의 형을 사용한다. 형 내의 혼합 조성물에 대해서는, 자기장을 인가하여, 탄소 섬유와 인편상 흑연 분말을 시트의 두께 방향으로 배향시킨다. 그리고, 그 배향 상태를 유지한 채 가열하여 혼합 조성물 중의 반응성 액상 수지를 경화시키고, 고분자 매트릭스 중에 탄소 섬유와 인편상 흑연 분말이 배향한 열전도성 시트를 얻는다.

자기장 배향에 의해 탄소 섬유 및 인편상 흑연을 배향시키기 위해서는, 혼합 조성물의 점도는, 10∼500 Pa·s인 것이 바람직하다. 이는, 10Pa·s 미만에서는 탄소 섬유나 인편상 흑연 분말, 그 외의 열전도성 충전재가 침강할 우려가 있고, 500Pa·s를 넘으면 유동성이 지나치게 낮아 자기장으로 탄소 섬유나 인편상 흑연 분말이 배향하지 않거나, 배향에 지나치게 시간이 걸리기 때문이다. 그러나, 침강하기 어려운 열전도성 충전재를 사용하거나, 침강 방지제 등의 첨가제를 조합함으로써 10Pa·s 미만으로 할 수 있는 경우도 있다.

자력선을 인가하기 위한 자력선 발생원으로서는, 초전도 자석, 영구 자석, 전자석, 코일 등을 예로 들 수 있지만, 높은 자속 밀도의 자장을 발생할 수 있는 점에서 초전도 자석이 바람직하다. 이 자력선 발생원으로부터 발생하는 자기장의 자속 밀도는, 바람직하게는 1∼30 테슬라이다. 이 자속 밀도가 1테슬라 미만이면, 탄소 섬유 및 인편상 흑연 분말을 배향시키는 것이 어려워진다. 한편, 30테슬라를 넘는 자속 밀도는 실용 상 얻기 어렵다.

탄소 섬유와 인편상 흑연 분말의 배향은, 자기장의 인가에 대신하여 압출 성형에 의해 행할 수 있다. 압출 성형에서는, 유동 배향의 성질을 이용하여 압출 성형 중의 혼합 조성물의 유동 방향으로 탄소 섬유를 배향시킬 수 있다. 즉, 압출 성형으로 탄소 섬유와 인편상 흑연 분말을 배향시킨 후, 혼합 조성물을 경화시켜 열전도성 시트를 얻을 수 있다.

또한 별도의 실시태양으로서, 최종적으로 얻어지는 열전도성 시트와는 상이한 형상의 형으로 성형할 수도 있다. 여기서 사용하는 형은, 최종적인 열전도성 시트의 형상으로 하기 전의 단계의 괴상(塊狀) 성형체를 얻기 위한 것이다. 혼합 조성물로부터 대략 직육면체의 외형을 한 괴상 성형체를 형성해 두고, 이것을 후 공정에서 절단 또는 절삭(이하 이들을 합쳐서 「슬라이스」라고도 함)하여, 얇게 형성함으로써, 원하는 두께로 이루어지는 열전도성 시트를 얻는 방법이다.

탄소 섬유나 인편상 흑연 분말이 배향한 고분자 매트릭스를 얻기까지의 방법은, 형이 상이할 뿐이며 그 방법은 동일하다. 얻어진 괴상 성형체는, 탄소 섬유의 배향 방향에 수직한 평면에서 슬라이스하는 공정을 행한다. 절단 수단으로서는, 날붙이, 선재(線材), 레이저 등 다양한 수단을 이용할 수 있고, 날붙이로서는 전단 날, 누름날, 대패 등을 사용할 수 있다. 얻어진 괴상 성형체를 대패에 의해 절삭하는 경우에는, 대패 평면으로부터의 날각을 45°, 돌출하는 날끝을 0.5mm로 하고, 괴상 성형체에 0.2∼0.3 MPa정도의 압력으로 대패를 가압하여 절삭할 수 있다.

이와 같은 슬라이스 공정을 행함으로써, 얻어진 열전도성 시트의 표면은 슬라이스면이 되고 있다.

이 슬라이스면에는, 필요에 따라 연마 공정을 실행할 수 있다. 연마 공정에서는, 연마지나 천이나 줄 등을 사용하여, 시트의 표면으로부터 노출한 탄소 섬유의 단면(端面)을 연마한다. 이로써, 노출한 탄소 섬유의 단면이 평탄하게 찌부러진다. 이와 같은 단면은, 발열체나 방열체와의 밀착성을 높이고, 최종적으로 얻어지는 열전도성 시트의 열저항을 저감하는 효과를 얻을 수 있다.

탄소 섬유나 인편상 흑연 분말을 배향시키는 방법으로서, 혼합 조성물을 슬릿 코터나 도포법에 의해 도포하고, 얇은 반경화상의 1차 시트를 형성한 후, 이 1차 시트를 적층하고 경화시키고, 단부로부터 슬라이스하는 방법이 알려져 있다. 그러나, 이 방법으로 열전도성 시트를 제작하면, 인편상 흑연 분말의 인편면의 법선 방향이 맞추어지므로, 두께 방향뿐만 아니라, 면내의 일방향으로도 배향한 것이 된다. 이 때문에, 인편상 흑연 분말의 인편면이 불규칙한 방향을 향한 열전도성 시트는 얻을 수 없다.

또한, 이와 같은 1차 시트를 적층하는 방법은, 1차 시트의 형성 시에 표면에 고분자 매트릭스의 농도가 높은 스킨층이 형성된다. 이 때문에, 1차 시트끼리를 적층하면 이 스킨층이 개재하게 되므로, 고분자 매트릭스 중에 열전도성 충전재의 농도가 작은 부분이 생겨 열전도를 저해할 우려가 있다. 이 때문에, 이와 같은 방법을 사용하는 것은 바람직하지 않다.

(열전도성 시트의 성질:)

열전도성 시트에서는, 탄소 섬유나 인편상 흑연 분말의 장축이 시트 두께 방향으로 배향하고 있으므로, 시트 두께 방향의 열전도율을 높일 수 있고, 또한, 인편상 흑연 분말의 단축이 장축에 수직한 불규칙한 방향을 향하고 있으므로, 일정 방향을 향하고 있는 경우에 비해 인편상 흑연 분말끼리의 접촉 부분이 증가하므로 시트 두께 방향의 열전도율을 높일 수 있다.

그리고, 탄소 섬유와 인편상 흑연 분말을 소정 비율로 포함하므로, 고분자 매트릭스에 대하여, 열전도성 충전재의 함유량을 그다지 높이지 않고도 열전도율을 높이고, 유연한 열전도성 시트로 할 수 있다.

[실시예]

혼합 조성물의 조제:

부가 반응형 실리콘의 주제 100질량부에 대하여, 탄소 섬유(평균 섬유 길이100㎛) 130질량부와, 그 외의 열전도성 충전재로서 산화 알루미늄(구상, 평균 입경 10㎛) 250질량부 및 수산화 알루미늄(부정형, 평균 입경 8㎛) 250질량부를 혼합하여 혼합 조성물(주제)을 얻었다. 또한, 부가 반응형 실리콘의 경화제에 대해서도 주제와 동일하게, 부가 반응형 실리콘의 경화제 100질량부에 대하여, 탄소 섬유(평균 섬유 길이 100㎛) 130질량부와, 그 외의 열전도성 충전재로서 산화 알루미늄(구상, 평균 입경 10㎛) 250질량부 및 수산화 알루미늄(부정형, 평균 입경 8㎛) 250질량부를 혼합하여 혼합 조성물(경화제)을 얻었다. 그리고, 혼합 조성물(주제)과 혼합 조성물(경화제)을 혼합함으로써, 시료 1의 혼합 조성물(주제와 경화제의 혼합물)을 얻었다.

또한, 표 1∼표 3에 나타내는 원재료와 배합(질량부)으로 변경한 점 이외에는 시료 1와 동일하게 하여 시료 2∼시료 24의 혼합 조성물을 얻었다.

각 표에 나타낸 원재료에 있어서, 인편상 흑연 분말은, 평균 입경이 130㎛이며, 어스펙트비는 약 10이다. 그래핀은, 평균 입경 80㎛, 어스펙트비가 8000이다. 구상 흑연은, 평균 입경 20㎛이다. 산화 알루미늄은, 구상이며, 평균 입경 20㎛이다. 또한, 시료 22∼시료 24에서의 그 외의 열전도성 충전재는 시료 1과 동일한 산화 알루미늄과 수산화 알루미늄이며, 이 양자의 함유량은 동일한 양으로 하고 있다.

또한, 각 표에 있어서, 탄소 섬유와 인편상 흑연 분말의 합계 질량을 (A)+ (B)로 나타내고, 탄소 섬유와 인편상 흑연 분말의 합계 질량에 대한 탄소 섬유의 질량 비율을 (A)/[(A)+(B)]로 나타내고 있다.

상기 원재료에 대하여, 탄소 섬유의 평균 섬유 길이는 전자현미경에 의해 측정했다. 구체적으로는, 전자현미경으로 100개의 탄소 섬유의 길이를 측정하고, 그 평균값을 평균 섬유 길이로 했다. 인편상 흑연 분말 및 열전도성 충전재의 평균 입경은, 레이저 회절 산란법(JIS R1629)에 의해 측정한 입도 분포의 체적 평균 입경이다.

열전도성 시트의 제작:

시료 1∼시료 12 및 시료 14∼시료 24의 각 혼합 조성물을 형에 주입하고, 형 내의 주형 재료에 진동을 가하면서, 탄소 섬유나 인편상 흑연 분말이 형의 상하 방향으로 배향하도록 10테슬라의 자장을 인가했다. 계속해서, 90℃에서 60분간 가열하여 부가 반응형 실리콘을 경화시킨 후, 형으로부터 성형체를 꺼냈다. 얻어진 성형체는, 후술하는 열저항을 측정할 수 있는 시험편의 크기, 즉 탄소 섬유나 인편상 흑연 분말의 배향 방향을 두께 방향으로 하고, 그 두께가 2mm인 26mm×26mm(가로×세로)의 사방 시트 형상이 되도록 절단하여 시료 1∼시료 12 및 시료 14∼시료 24의 열전도성 시트를 얻었다.

또한 시료 13은, 그 혼합 조성물을 코터에 의해 도포하여 박막형으로 1차 시트를 형성하고, 이것을 적층하여 완전히 경화시킨 괴상체를 형성한 후, 상기 적층 방향을 따라 슬라이스하여 두께가 2mm인 2차 시트를 얻었다. 다음으로, 이 2차 시트로부터 26mm×26mm(가로×세로)의 사방을 잘라내어 시료 13의 열전도성 시트를 얻었다.

그리고, 표 1∼표 3에 있어서, 시트의 두께 방향과 탄소 섬유나 인편상 흑연 분말의 배향 방향이 맞추어져 있고, 인편상 흑연 분말의 인편면의 법선 방향이 시트의 면 방향으로 불규칙하게 향하고 있는 시료 1∼시료 12, 시료 14∼시료 24의 경우를 「○」, 시트의 두께 방향과 탄소 섬유나 인편상 흑연 분말의 배향 방향이 맞추어지지만, 인편상 흑연 분말의 인편면의 법선 방향이 시트의 면내의 일방향을 향하고 있는 시료 13의 경우를 「×」로 표시하고 있다.

[표 1]

[표 2]

[표 3]

각 시료의 특성:

(혼합 조성물의 점도 측정:)

각 시료의 혼합 조성물의 점도를 측정했다.

이 점도는 점도계(BROOK FIELD에서 제조한 회전점도계 DV-E)로, 스핀들 No.14의 회전자를 사용하고, 회전 속도 10rpm, 측정 온도 23℃에서 측정한 값이다. 각 시료의 혼합 조성물의 점도를 표 1∼표 3에 나타낸다.

(열전도성 시트의 경도 측정:)

각 시료의 열전도성 시트의 경도를 측정했다. 이 경도는, JIS K6253 규정에 따라 타입 E 듀로미터를 사용하여 측정한 E 경도의 값이다.

(열전도율의 측정:)

열전도율은, 도 5의 개략도에서 나타낸 열전도율 측정기를 사용하여, ASTM D5470-06에 따른 방법으로 측정했다. 보다 구체적으로는, 시험편(S)으로서의 각 시료의 열전도성 시트를, 측정면이 25.4mm×25.4mm이며 측면이 단열재(11)로 덮여진 동제 블록(12) 상에 부착하고, 위쪽의 동제 블록(13)으로 협지하고, 압축율이 10%로 되도록 로드셀(16)에 의해 하중을 가하였다. 여기서, 아래쪽의 동제 블록(12)은 히터(14)와 접하고 있다. 또한, 위쪽의 동제 블록(13)은 팬이 부착된 히트싱크(15)에 접속하고 있다. 다음으로, 아래쪽의 동제 블록(12)의 표면이 80℃로 되도록 히터(14)를 발열시켜, 온도가 대략 정상 상태가 되는 15분 후에, 위쪽의 동제 블록(13)의 온도(θ_j0)와 히터의 발열량(Q)을 측정하고, 이하의 식(1)으로부터 각 시료의 열저항을, 또한 이하의 식(2)으로부터 열전도율을 구했다. 또한, 이 때의 각 시험편(S)의 두께(T)도 측정했다.

열저항=(θ_j1-θ_j0)/Q ···식(1)

식(1)에 있어서, θ_j1은 아래쪽의 동제 블록(12)의 온도(80℃), θ_j0는 위쪽의 동제 블록(13)의 온도, Q는 발열량이다.

열전도율=T/열저항···식(2)

식(2)에 있어서, T는 각 시험편의 두께이다.

시료의 평가:

(경도:)

각 시료의 열전도성 시트의 경도에 대해서는, 시료 1∼시료 12, 시료 14∼시료 24에 있어서 E32∼E37의 범위 내에 있으며 거의 동일하였다. 그러나, 시료 13은 E60이 되어 다른 시료보다는 경질인 결과로 되었다.

(열전도율:)

시료 1은 탄소 섬유를 130부(인편상 흑연 분말을 포함하지 않음), 시료 9는 인편상 흑연 분말을 130부(탄소 섬유를 포함하지 않는다) 포함하고 있고, 이 양쪽시료는 열전도성 충전재의 배합량으로서는 같은 양이지만, 시료 1이 혼합 조성물의 점도는 낮고, 열전도율은 높은 결과가 되었다(시료 1과 시료 9의 대비).

또한, 시료 1보다 더욱 탄소 섬유의 배합량을 증가시키고, 자기장 배향시킬 때의 한계에 가까운 점도로 한 시료 10을 제작했지만 열전도율은 시료 1과 다름없었다. 한편, 탄소 섬유를 포함하지 않고 인편상 흑연 분말 단독의 시료 9는, 점도가 높았기 때문에, 인편상 흑연 분말의 배합량을 저감하고, 인편상 흑연 분말을 자기장 배향시키기에 적합한 한계에 가까운 점도로 한 시료 12를 제작한 바 시료 9보다 열전도율은 증대했다. 이러한 결과로부터, 탄소 섬유나 인편상 흑연 분말만의 배합량을 증가시켜도 소정의 배합량 이상에서는 열전도성의 향상이 관찰되지 않는 것을 알 수 있다(시료 1, 시료 9, 시료 10, 시료 12의 대비).

그리고, 본 실시예의 설명에서는, 그 외의 열전도성 충전재를 포함하는 것이라도 인편상 흑연 분말을 포함하지 않고 탄소 섬유를 포함하는 시료를 탄소 섬유 단독, 탄소 섬유를 포함하지 않고 인편상 흑연 분말을 포함하는 시료를 인편상 흑연 분말 단독과 같이 칭하고 있다.

탄소 섬유와 인편상 흑연 분말의 합계량이 130질량부인 시료 2∼시료 8 중에서, 시료 2∼시료 7에서는, 인편상 흑연 분말을 포함하지 않고 탄소 섬유를 130질량부 포함하는 시료 1보다 열전도율이 높았다. 이 시료 2∼시료 7 중에서, 특히 시료 3∼시료 6에서는 열전도율이 시료 1보다 20% 이상 높아지고, 탄소 섬유와 인편상 흑연 분말을 병용함으로써, 탄소 섬유 단독이나 인편상 흑연 분말 단독의 경우보다 열전도성을 비약적으로 높일 수 있었다(시료 1과 시료 2∼시료 7의 대비).

인편상 흑연 분말을 전혀 포함하지 않는 시료 1보다 열전도성이 향상한 시료 2에서는, 탄소 섬유와 인편상 흑연 분말의 합계에 대한 탄소 섬유의 비율이 0.92이므로, 탄소 섬유의 비율이 0.92 이하가 되도록 혼합하면, 열전도성을 향상시킬 수 있는 것을 알 수 있다. 그러한 한편, 탄소 섬유를 전혀 포함하지 않는 시료 9보다 열전도성이 향상한 시료 7에서는, 탄소 섬유와 인편상 흑연 분말의 합계에 대한 탄소 섬유의 비율이 0.46이므로, 탄소 섬유의 비율이 0.46 이상이 되도록 혼합하면, 열전도성을 향상시킬 수 있는 것을 알 수 있다. 즉, 탄소 섬유와 인편상 흑연 분말의 합계에 대한 탄소 섬유의 비율이 0.46∼0.92의 범위에 있으면, 탄소 섬유 단독으로, 또는 인편상 흑연 분말 단독으로 사용하는 것보다 열전도성이 높아지는 것을 알 수 있다. 특히 탄소 섬유의 비율을 0.62로 한 시료 5에서는, 그 열전도율이 탄소 섬유 단독인 시료 1에 비해 30% 이상 높아지고 있는 것을 알 수 있다(시료 1과 시료 2∼시료 7의 대비).

배합이 동일하며 인편상 흑연 분말의 인편면의 법선 방향이 불규칙한지 일방향을 향하고 있는지가 상이한 시료 4와 시료 13의 열전도성 시트를 비교하면, 시료 4는 시료 13에 비해 열전도성이 우수하다. 이에 따라, 인편상 흑연 분말의 인편면의 법선 방향이 불규칙한 것에 의해, 열전도성을 크게 향상시킬 수 있는 것을 알 수 있다(시료 4와 시료 13의 대비).

인편상 흑연 분말 대신 그래핀을 혼합한 시료 15를 보면, 인편상 흑연 분말을 사용한 시료 9보다 열전도율이 낮아졌다. 또한, 탄소 섬유 단독의 시료 1에 대하여, 그 탄소 섬유의 일부를 그래핀으로 변경한 배합이 되는 시료 14에 대해서도, 시료 1보다 열전도율이 낮아졌다. 이에 따라 탄소 섬유와 그래핀을 병용해도, 열전도율을 향상시키는 효과는 관찰되지 않는 것을 알 수 있다(시료 1과 시료 14, 시료 15의 대비).

마찬가지로, 인편상 흑연 분말 대신 구상 흑연 분말을 사용한 시료 17을 보면, 구상 흑연 분말을 사용한 시료 9에 비해 점도는 낮지만, 열전도율이 낮은 결과가 되었다. 또한, 탄소 섬유 단독의 시료 1에 대하여, 그 탄소 섬유의 일부를 구상 흑연 분말로 변경한 배합이 되는 시료 16에 대해서도, 시료 1보다 열전도율이 낮아지고, 탄소 섬유와 구상 흑연 분말을 병용해도, 열전도율을 향상시키는 효과는 관찰되지 않는 것을 알 수 있다(시료 1과 시료 16, 시료 17의 대비).

또한, 인편상 흑연 분말 대신 산화 알루미늄을 사용한 시료 19를 보면, 구상 흑연 분말을 사용한 시료 9에 비해 점도는 낮지만, 열전도율이 낮은 결과가 되었다. 또한, 탄소 섬유 단독의 시료 1에 대하여, 그 탄소 섬유의 일부를 산화 알루미늄으로 변경한 배합이 되는 시료 18에 대해서도, 시료 1보다 열전도율이 낮아지고, 탄소 섬유와 산화 알루미늄을 병용해도, 탄소 섬유와 인편상 흑연 분말을 병용했을 때와 같은 열전도율을 향상시키는 효과는 관찰되지 않는 것을 알 수 있다(시료 1과 시료 18, 시료 19의 대비).

탄소 섬유와 인편상 흑연 분말의 합계가 130질량부이며, 그 외의 열전도성 충전재가 500질량부인 시료 2∼시료 8에 대하여 탄소 섬유와 인편상 흑연 분말의 합계량이나 그 외의 열전도성 충전재의 배합량을 변경한 시료 20∼시료 24에 있어서, 시료 20은 다소 점도가 높아졌지만 시료 1의 탄소 섬유 단독의 경우보다 열전도율은 높아졌다. 시료 21은 탄소 섬유와 인편상 흑연 분말의 합계가 80질량부이며, 시료 1의 탄소 섬유 단독으로 130질량부의 경우에 비해 6할 정도로 열전도성 충전재량이 저감하고 있음에도 불구하고 열전도율의 저하는 그다지 인정되지 않았다.

시료 22는 시료 2∼시료 8과 탄소 섬유＋인편상 흑연 분말의 배합량은 동일하지만, 그 외의 열전도성 충전재량을 절반으로 저감시켰지만, 열전도율의 저하는 거의 없으며 시료 7과 대략 동일한 정도였다. 그리고, 시료 23은 탄소 섬유＋인편상 흑연 분말의 합계가 70질량부로 적었기 때문에, 그 외의 열전도성 충전재를 700질량부로 많이 배합해도 열전도율은 높게 할 수 없었지만, 시료 24에서는 높은 열전도율이 얻어졌다.

탄소 섬유와, 인편상 흑연 분말과, 그 외의 열전도성 충전재의 배합량의 합계가, 시료 22에서 가장 적어 380질량부이며, 시료 24에서 가장 많아 790질량부이므로, 고분자 매트릭스 100질량부에 대하여, 가해지는 열전도성 충전재의 합계, 즉 탄소 섬유와 인편상 흑연 분말과 그 외의 열전도성 충전재의 합계를 380∼790 질량부로 함으로써 혼합 조성물의 점도가 적합하며, 얻어지는 열전도성 시트의 열전도율도 높아지는 것을 알 수 있다.

상기 실시형태나 실시예에서 나타낸 형태는 본 발명의 예시이며, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위에서, 실시형태나 실시예의 변경 또는 공지 기술의 부가나, 조합 등을 행할 수 있으며, 이러한 기술도 또한 본 발명의 범위에 포함되는 것이다.

1: 열전도성 시트
2: 고분자 매트릭스
3: 탄소 섬유
4: 인편상 흑연 분말
5: 그 외의 열전도성 충전재
10: 열전도율 측정기
11: 단열재
12: 아래쪽의 동제 블록
13: 위쪽의 동제 블록
14: 히터
15: 팬이 부착된 히트싱크
16: 로드셀
S: 시험편
θ_j0: 위쪽의 동제 블록(13)의 온도
θ_j1: 아래쪽의 동제 블록(12)의 온도

Claims (5)

1. 고분자 매트릭스 중에 분산된 탄소 섬유와 인편상(鱗片狀) 흑연 분말을 포함하는 열전도성 시트로서,
   상기 인편상 흑연 분말이, 상기 탄소 섬유끼리의 사이에 개재하고,
   상기 탄소 섬유의 섬유축 방향이 시트의 두께 방향으로 배향하고, 상기 인편상 흑연 분말의 인편면(鱗片面)의 장축(長軸) 방향이 시트의 두께 방향으로 배향하고, 또한 상기 인편면에 대한 법선 방향이 시트의 면 방향으로 불규칙하게 향하고 있고,
   상기 탄소 섬유와 인편상 흑연 분말의 질량 비율이 120:10∼60:70의 범위 내에 있는, 열전도성 시트.
2. 제1항에 있어서,
   고분자 매트릭스 100질량부에 대하여, 탄소 섬유와 인편상 흑연 분말의 합계 질량이 80∼180 질량부가 되는 비율로 탄소 섬유와 인편상 흑연 분말을 포함하는, 열전도성 시트.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 탄소 섬유 및 인편상 흑연 분말 이외의 열전도성 충전재를 더욱 포함하고, 이 열전도성 충전재의 평균 입경(粒徑)이 상기 탄소 섬유의 평균 섬유 길이 및 상기 인편상 흑연 분말의 평균 입경보다 작고, 어스펙트비가 2 이하인, 열전도성 시트.
4. 제3항에 있어서,
   상기 열전도성 충전재가 산화 알루미늄과 수산화 알루미늄인, 열전도성 시트.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
   고분자 매트릭스 100질량부에 대하여, 상기 탄소 섬유와 상기 인편상 흑연 분말과 상기 열전도성 충전재의 합계를 380∼790 질량부의 비율로 포함하는, 열전도성 시트.

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