KR20190021230A - 방열 장치 - Google Patents

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KR20190021230A
KR20190021230A KR1020187035712A KR20187035712A KR20190021230A KR 20190021230 A KR20190021230 A KR 20190021230A KR 1020187035712 A KR1020187035712 A KR 1020187035712A KR 20187035712 A KR20187035712 A KR 20187035712A KR 20190021230 A KR20190021230 A KR 20190021230A
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KR
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heat
conductive sheet
sheet
heat dissipating
area
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KR1020187035712A
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겐 코바야시
야스유키 무라카미
다이스케 우치우미
Original Assignee
니폰 제온 가부시키가이샤
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Publication date
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Abstract

높은 방열성을 실현할 수 있는 방열 장치를 제공한다. 본 발명의 방열 장치는 발열체와, 방열체와, 상기 발열체 및 상기 방열체 사이에 협착된 열전도 시트를 갖추고, 상기 열전도 시트의 두께 방향의 열전도율이 15W/m·K 이상이고, 또한 협착면의 면적이 상기 발열체 및 상기 방열체의 피착면의 면적보다 작다.

Description

방열 장치
본 발명은 방열 장치에 관한 것으로, 특히 발열체, 방열체, 및 열전도 시트를 구비하는 방열 장치에 관한 것이다.
근년, 전자 기기를 구성하는 반도체 패키지, 파워 모듈, 집적 회로(IC, LSI), 플라즈마 디스플레이 패널(PDP) 등에 포함되는 전자 소자는, 고성능화에 따라 발열량이 증대되고 있다. 당해 전자 소자로는, 예를 들어 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT), 전계 효과 트랜지스터(FET) 등의 트랜지스터, 발광 다이오드(LED) 등의 다이오드와 같은 반도체 소자를 들 수 있다.
따라서, 이러한 전자 소자의 온도 상승을 원인으로 한 전자 기기의 기능 장해를 방지하기 위해서는, 예를 들어 당해 전자 소자로부터의 방열성을 높이고, 전자 소자로부터 발생한 열을 양호하게 외부로 놓아줄 필요가 있다.
여기서, 전자 소자로부터의 방열성을 높이는 방법으로는, 일반적으로, 전자 소자, 또는 당해 전자 소자를 포함하는 파워 모듈 등의 발열체에 대해, 금속제의 히트 싱크 등의 방열체를 장착함으로써, 방열을 촉진시키는 방법이 채용되고 있다. 그리고, 방열체를 사용할 때에는, 발열체로부터 방열체로 열을 효율적으로 전달하기 위해, 열전도성을 갖는 시트상의 부재(열전도 시트)를 사용하고, 열전도 시트를 통해서 발열체와 방열체를 밀착시킨 방열 장치로서 방열을 촉진시키는 방법이 이용되고 있다.
그리고, 방열 장치로부터 열을 양호하게 방산시키기 위해서는, 통상, 발열체와 방열체 사이에 끼어넣어 사용되는 열전도 시트의 열전도성이 높은 것, 그리고 발열체 및 방열체 간의 열 저항이 낮은 것이 필요하며, 발열체로부터 방열체로 효율적으로 전열하는 것이 요구되고 있다.
따라서, 예를 들어 특허문헌 1에서는, 방열 부재의 표면이 갖는 미세한 요철에 주목하고, 당해 미세한 요철에 대해서 10분의 1 이하의 입자경을 갖는 열전도성 미세 충전제와, 소정의 입자경을 갖는 무기 충전제와, 열경화성 수지를 구비하는 열전도 시트를 사용하고 있다. 그리고, 특허문헌 1에서는, 방열 부재의 표면의 미세한 요철이 열전도 시트 중의 열전도성 미세 충전제에 의해서 충전됨으로써, 높은 열전도성을 실현하고 있다.
특허문헌 1: 일본 공개특허공보 2008-153430호
그러나, 발열체와 방열체 사이에 열전도 시트를 개재시켜 이루어지는 종래의 방열 장치에는, 발열체 및 방열체 간의 열 저항을 더욱 저감하고, 열을 더욱 양호하게 방산시킬 것이 요구되고 있었다.
따라서, 본 발명은, 높은 방열성을 실현할 수 있는 방열 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은, 상기 목적을 달성하기 위해 예의 검토를 행했다. 그리고, 본 발명자들은, 열전도 시트의 두께 방향의 열전도율을 높임으로써 발열체와 방열체 사이의 열 저항을 저감하는 것을 시도했다. 그러나, 본 발명자들이 검토를 행한 바, 열전도 시트의 두께 방향의 열전도율을 높이더라도, 발열체와 방열체 사이의 열 저항을 충분히 저감할 수 없는 경우가 있었다. 따라서, 본 발명자들은 더욱 검토를 거듭하고, 발열체와 방열체 사이에 소정 이상의 열전도율을 갖는 열전도 시트를 구비하는 방열 장치에서는, 의외로, 발열체와 방열체가 대향하는 영역의 전면에 높은 열전도율의 열전도 시트를 협착시켰을 경우에 비해, 발열체와 방열체가 대향하는 영역의 일부에만 높은 열전도율의 열전도 시트를 협착시키는 편이 발열체와 방열체 사이의 열 저항이 저하하는 것을 알아내고, 본 발명을 완성시켰다.
즉, 이 발명은, 상기 과제를 유리하게 해결하는 것을 목적으로 하는 것으로, 본 발명의 방열 장치는, 발열체와, 방열체와, 상기 발열체 및 상기 방열체 사이에 협착된 열전도 시트를 구비하는 방열 장치로서, 상기 열전도 시트의 두께 방향의 열전도율이 15W/m·K 이상이며, 상기 전도 시트의 협착면의 면적이, 상기 발열체 및 상기 방열체의 피착면의 면적보다도 작은 것을 특징으로 한다. 이처럼, 소정의 열전도율을 갖는 열전도 시트를 사용하고, 또한 열전도 시트의 협착면의 면적을 발열체 및 방열체의 피착면의 면적보다도 좁게 하면, 발열체와 방열체 사이의 열 저항을 충분히 저하시키고, 방열 장치에 높은 방열성을 실현시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 「열전도율」은, 본 명세서의 실시예에 기재된 방법으로 측정할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 「열전도 시트의 협착면」이란, 방열 장치가 구비하는 열전도 시트의 표면 중, 발열체 또는 방열체와 접촉하는 표면(접하고 있는 부분)을 가리킨다. 또한, 본 발명에 있어서, 열전도 시트에 관련하고, 발열체와 접촉하는 표면의 면적과, 방열체와 접촉하는 표면의 면적이 다른 경우에는, 「협착면의 면적」이란, 상기 2개의 면적 중 좁은 쪽의 면적을 가리킨다. 또한, 발열체와 방열체 사이에 복수의 열전도 시트가 면 내에 배치되어 있는 경우에는, 「협착면의 면적」이란, 전체 열전도 시트의 협착면의 합계 면적을 가리키는 것으로 한다.
또한, 본 발명에 있어서, 「발열체 및 방열체의 피착면」이란, 발열체 및 방열체가 대향하고 있는 측의 전체면(대향 전체면) 중, 서로 대향하는 범위(실제로 열전도 시트를 개재시키고 있는지 어떤지에 관계 없이, 발열체와 방열체가 열전도 시트를 통해서 밀착할 수 있는 최대 범위)에 있어서의 발열체 및 방열체의 대향 면을 가리킨다.
그리고, 본 발명에 있어서, 각 면의 「면적」은, 후술하는 표면 요철을 고려하지 않고, 각 면의 외형 치수(외경 등)로부터 산출하는 것으로 한다.
또한, 본 발명의 방열 장치는, 상기 열전도 시트의, 25℃에서의 아스카 C 경도가 30 이상인 것이 바람직하다. 열전도 시트의 경도가 상기 하한 이상이면, 열전도 시트에 충분한 물리적 강도를 제공하는 동시에, 발열체와 방열체 사이의 열 저항을 더욱 저하시키고, 방열 장치의 방열성을 보다 높일 수 있기 때문이다.
또한, 본 발명에 있어서, 「아스카 C 경도」(이하, 단순히 「경도」로 표기하는 경우가 있다.)는, 일본고무협회 규격(SRIS0101)의 아스카 C 법에 준거하고, 경도계를 사용하여 온도 25℃에서 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 방열 장치는, 상기 전도 시트의 두께가 2.0mm 이하인 것이 바람직하다. 열전도 시트의 두께가 상기 상한 이하이면, 발열체와 방열체 사이의 열 저항을 더욱 저하시키고, 방열 장치의 방열성을 더욱 높일 수 있기 때문이다.
또한, 본 발명의 방열 장치는, 상기 발열체 및 상기 방열체의 피착면의 면적에 대한, 상기 열전도 시트의 협착면의 면적 비율이 10% 이상 70% 이하인 것이 바람직하다. 열전도 시트의 협착면의 면적 비율이 상기 하한 이상이면, 발열체 및 방열체에 접촉하는 열전도 시트의 크기를 충분히 확보하고, 방열 장치에 높은 방열성을 부여할 수 있기 때문이다. 또한, 열전도 시트의 협착면의 면적 비율이 상기 상한 이하이면, 발열체와 방열체 사이의 열 저항을 더욱 저하시키고, 방열 장치의 방열성을 더욱 높일 수 있기 때문이다.
또한, 본 발명의 방열 장치는, 상기 발열체 및 상기 방열체의 피착면의 적어도 일방의 표면 요철이 5μm 초과인 것이 바람직하다. 발열체 및/또는 방열체의 피착면의 표면 요철이 상기 하한 초과인 경우에는, 상기 소정의 열전도율을 갖는 열전도 시트의 협착면의 면적을 피착면의 면적보다도 작게 한 때의 열저항의 저감 효과가 크기 때문이다.
또한, 본 발명에 있어서, 「표면 요철」은, 이하에 제시하는 방법으로 측정할 수 있다.
즉, 우선, 피측정면 상의 대략 중심에 위치하는 중심점을 기준으로 한 수평 방향의 확대를 기준면으로 설정한다. 여기서, 상기 중심점은 목시로 설정할 수 있지만, 예를 들어 피측정면이 다각형인 경우는 각 꼭짓점으로부터 대략 등거리에 있는 점 또는 대각선의 교점으로 할 수 있고; 피측정면이 원형인 경우는 원의 중심 혹은 장축 및 단축의 교점으로 할 수 있다. 다음으로, 3차원 형상 측정기 등의 레이저 현미경을 이용하여, 피측정면에 있어서의 소정의 선상에서의 두께 방향에 대한 표면 요철 형상 상태를 나타낸 그래프를 얻는다. 여기서, 상기 소정의 선상이란, 피측정면의 면내에 있어서 두께 방향으로 최고점과 최저점을 지나는 직선 상이다. 그리고, 얻어진 그래프의 두께 방향에 있어서의, 기준면의 높이와 최대 높이(최고값)와의 고저 차이, 및 기준면의 높이와 최소 높이(최저값)와의 고저 차이의 절대값 중 큰 쪽을 「표면 요철」로 한다.
여기서, 본 명세서에 있어서, 표면 요철이 5μm 이하인 표면은, 「평활」이라고 한다.
또한, 본 발명의 방열 장치는, 상기 전도 시트가 수지와 탄소 재료를 포함하는 것이 바람직하다. 열전도 시트가 상기 성분을 포함하면, 방열 장치가 구비하는 열전도 시트에 보다 높은 열전도성을 용이하게 발휘시킬 수 있기 때문이다. 그 결과, 방열 장치의 방열성을 보다 높일 수 있기 때문이다.
그리고, 본 발명의 방열 장치는, 상기 수지가 열가소성 수지인 것이 바람직하다. 열전도 시트가 열가소성 수지를 포함하면, 방열 장치가 구비하는 열전도 시트의 높은 열전도성을 유지하면서, 발열체 및 방열체 사이에 협착시키기 위한 가요성을 보다 양호하게 할 수 있기 때문이다. 그 결과, 방열 장치의 방열성을 더욱 효율적으로 높일 수 있기 때문이다.
본 발명에 의하면, 높은 방열성을 실현할 수 있는 방열 장치를 제공할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 상세히 설명한다.
본 발명의 방열 장치는, 예를 들어 전자 소자를 내부에 갖는 전자 기기에 있어서, 당해 전자 소자를 포함하는 전자 부재로서 사용할 수 있다. 여기서, 본 발명의 방열 장치는, 상기 전자 기기 등의 각종 기기의 내부에 완전히 편입되어 있어도 되고, 기기의 외부에 일부 또는 전부가 구비되어 있어도 된다.
그리고, 본 발명의 방열 장치는, 후술하는 발열체, 방열체, 및 소정의 열전도 시트를, 소정 조건에서, 임의의 방법으로 조립하여 제조할 수 있다.
여기서, 본 발명의 방열 장치를 호적하게 사용할 수 있는 각종 기기로는, 특별히 한정되는 일 없이, 서버, 서버용 컴퓨터, 데스크톱 컴퓨터 등 전자 기기; 노트북, 전자 사전, PDA, 휴대 전화, 휴대용 음악 플레이어 등의 휴대 전자기기; 액정 디스플레이(백라이트를 포함), 플라즈마 디스플레이, 액정 프로젝터, 시계 등의 표시 기기; 잉크젯 프린터(잉크 헤드); 전자 사진 장치(현상 장치, 정착 장치, 히트 롤러, 히트 벨트) 등의 화상 형성 장치; 진공 처리 장치; 반도체 제조 장치; 표시 기기 제조 장치 등의 제조 장치; 단열재, 진공 단열재, 복사 단열재 등을 구비하는 단열 장치; DVD(광 픽업, 레이저 발생 장치, 레이저 수광 장치), 하드 디스크 드라이브 등의 데이터 기록 장치; 카메라, 캠코더, 디지털 카메라, 디지털 비디오 카메라, 현미경, CCD 등의 화상 기록 장치; 충전 장치, 리튬 이온 전지, 연료 전지의 배터리 기기; 등을 들 수 있다.
（방열 장치）
본 발명의 방열 장치는, 발열체와, 방열체와, 소정의 열전도율을 갖는 열전도 시트를 갖추고, 열전도 시트의 협착면의 면적이 발열체 및 방열체의 피착면의 면적보다도 작아지는 조건으로, 발열체 및 방열체 사이에 상기 열전도 시트가 협착되고 있는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명의 방열 장치는, 상기 발열체, 방열체 및 열전도 시트 이외에, 예를 들어 각 구성 부재 간을 고정하는 고정 부품 등의, 임의의 기타 부재를 더 갖추고 있어도 된다.
그리고, 본 발명의 방열 장치에서는, 소정의 열전도율을 갖는 열전도 시트가, 발열체 및 방열체 사이에, 상기 소정의 면적 조건에서 협착되기 때문에, 발열체와 방열체 사이의 열 저항이 낮아, 방열 장치로서의 방열성이 높다. 즉, 본 발명의 방열 장치는, 예를 들어 전자 소자 자체 또는 전자 소자를 포함하는 파워 모듈 등의 발열체로부터 발생하는 열을 효율적으로 외부로 발산할 수 있다. 그 결과, 예를 들어 본 발명의 방열 장치를 구비하는 전자 기기 등의 각종 기기에 대해, 발열체로부터의 열에 기인한 기능 장해가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
＜발열체＞
발열체는, 본 발명의 방열 장치를 구성하는 일 구성 부재이며, 본 발명의 방열 장치에 있어서, 후술하는 방열체와 함께, 열전도 시트를 협착한다. 환언하면, 발열체는, 본 발명의 방열 장치에 있어서, 열전도 시트와 접착하는 피착물의 일종이다.
［종류］
여기서, 발열체는, 예를 들어 전자 기기 등의 각종 기기에 있어서 열을 발하면 특별히 제한되지 않는다. 발열체의 종류로는, 예를 들어 트랜지스터, 다이오드, 사이리스터(thyristor), 유기 EL, 무기 EL 등의 반도체 소자; 및 당해 반도체 소자를 구비하는 메모리, 중앙 연산 처리 장치(CPU) 등의 집적 회로(IC, LSI) 및 IC칩, 반도체 패키지, 반도체 봉지 케이스, 반도체 다이 본딩, 파워 모듈, 파워 트랜지스터, 파워 트랜지스터 케이스 등의 반도체 관련 부품; 리지드 배선판, 플렉시블 배선판, 세라믹 배선판, 빌드업 배선판, 다층 기판 등의 배선 기판(배선판에는 프린트 배선판 등도 포함된다); 등을 들 수 있다.
또한, 상기 트랜지스터로는, 예를 들어 전계 효과 트랜지스터(FET), 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET), 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 등을 들 수 있다.
또한, 상기 다이오드로는, 예를 들어 발광 다이오드(LED), 포토? 다이오드 등을 들 수 있다.
상술한 중에서도, 본 발명의 방열 장치에 있어서 열전도 시트와 접착하는 발열체는, 핸들링성의 관점에서, 반도체 소자를 구비하는 IC칩, 파워 모듈 등인 것이 바람직하다.
［피착면］
여기서, 발열체는, 후술하는 방열체와 서로 대향하고 있는 피착면을 갖는다. 그리고, 일반적으로, 발열체로부터 생긴 열의 대부분은, 피착면을 통해서 방열체로 전열하고, 발산된다.
[[표면 요철]]
또한, 발열체는, 상기 피착면의 표면 요철이 5μm 초과인 것이 바람직하고, 15μm 이상인 것이 보다 바람직하고, 25μm 이상인 것이 더욱 바람직하며, 50μm 이하인 것이 바람직하고, 35μm 이하인 것이 보다 바람직하다. 발열체의 피착면의 표면 요철이 상기 하한 초과이면, 발열체와 방열체 사이의 열저항의 저감 효과를 더욱 높이고, 방열 장치의 방열성을 보다 효율적으로 높일 수 있기 때문이다. 또한, 발열체의 피착면의 표면 요철이 상기 상한 이하이면, 열전도 시트와 접촉하는 발열체의 표면 부분의 변형이 과도하게 커지는 것을 막고, 발열체 및 열전도 시트의 밀착성을 양호하게 유지할 수 있기 때문에, 발열체와 방열체 사이의 열 저항을 더욱 저하시키고, 방열 장치의 방열성을 보다 효율적으로 높일 수 있기 때문이다.
＜방열체＞
방열체는, 본 발명의 방열 장치를 구성하는 일 구성 부재이며, 본 발명의 방열 장치에 있어서, 상술한 발열체와 함께, 열전도 시트를 협착한다. 환언하면, 방열체는, 본 발명의 방열 장치에 있어서, 열전도 시트와 접착하는 피착체의 일종이다.
［종류］
여기서, 방열체의 종류로는, 예를 들어, 판, 핀 등의 형상 부분을 갖는 히트 싱크; 히트 파이프에 접속되어 있는 블록; 냉각 액체를 펌프로 순환시키고 있는 구조를 내부에 갖는 블록; 펠티에 소자; 펠티에 소자를 구비하는 히트 싱크; 및 펠티에 소자를 구비하는 블록; 등을 들 수 있다. 여기서, 양호하게 방열하는 관점에서는, 상기 히트 싱크 및 블록은, 예를 들어 알루미늄, 동 등의 금속제인 것이 통상이다.
상술한 중에서도, 본 발명의 방열 장치에 있어서 열전도 시트와 접촉하는 방열체는, 핸들링성 및 방열성의 관점에서, 알루미늄, 동 등의 금속제 히트 싱크인 것이 바람직하다.
［피착면］
또한, 방열체는, 상술한 발열체와 서로 대향하고 있는 피착면을 갖는다. 그리고, 일반적으로, 발열체로부터 생긴 열의 대부분은, 피착면을 통해서 방열체로 전열하고, 발산된다.
[[표면 요철]]
또한, 방열체의 피착면의 표면 요철은, 특별히 제한받지 않고, 50μm 이하인 것이 바람직하고, 35μm 이하인 것이 보다 바람직하며, 10μm 이하인 것이 더욱 바람직하다. 방열체의 피착면의 표면 요철이 상기 상한 이하이면, 열전도 시트와 접촉하는 방열체의 표면 부분의 변형이 과도하게 커지는 것을 막고, 방열체 및 열전도 시트의 밀착성을 양호하게 유지한다. 그 때문에, 발열체와 방열체 사이의 열 저항을 더욱 저하시키고, 방열 장치의 방열성을 보다 효율적으로 높일 수 있기 때문이다.
상술한 중에서도, 적어도 발열체의 피착면이 상술한 표면 요철을 갖는 것이 보다 바람직하며, 발열체 및 방열체의 쌍방 피착면이 상기 범위의 표면 요철을 각각 갖는 것이 더욱 바람직하다. 적어도 발열체의 피착면의 표면 요철이 상기 하한 초과이면, 후술하는 소정의 면적 조건에서 발열체 및 방열체 사이에 열전도 시트를 협착했을 때, 발열체와 방열체 사이의 열 저항의 저감 효과를 더욱 높이고, 방열 장치의 방열성을 더욱 효율적으로 높일 수 있기 때문이다. 또한, 적어도 발열체의 피착면의 표면 요철이 상기 상한 이하이면, 열전도 시트와 접촉하는 발열체 및 방열체의 표면 부분의 변형이 과도하게 커지는 것을 막고, 발열체 및 방열체와 열전도 시트와의 밀착성을 더욱 양호하게 유지하기 때문에, 발열체와 방열체 사이의 열 저항을 더욱 저하시키고, 방열 장치의 방열성을 더욱 효율적으로 높일 수 있기 때문이다.
＜열전도 시트＞
열전도 시트는, 소정의 열전도율을 갖고, 또한 본 발명의 방열 장치에 있어서, 열전도 시트의 협착면의 면적이 발열체 및 방열체의 피착면의 면적보다도 작아지는 조건에서, 발열체 및 방열체 사이에 협착된다. 또한, 열전도 시트가 상기 소정의 열전도율을 갖지 않거나, 또는 발열체 및 방열체 사이에 상기 소정의 면적 조건에서 협착되지 않는 경우는, 방열 장치에 높은 방열성을 발휘시킬 수 없다.
여기서, 일반적으로, 열전도 시트는 공기보다도 높은 열전도율을 갖기 때문에, 당해 열전도 시트를 통한 발열체 및 방열체 간의 전열을 양호하게 하고, 발열체로부터 방열체로의 열의 방산을 촉진한다. 따라서, 통상은, 열전도 시트가 발열체 및 방열체의 피착면의 보다 큰 영역과 양호하게 밀착할수록, 환언하면 발열체 및 방열체의 피착면 사이에 열전도 시트가 존재하고 있지 않은 영역이 보다 작을수록, 발열체 및 방열체 사이의 열 저항을 저감할 수 있다. 그러나, 발열체 및 방열체의 표면에는 대체로 목시로는 판별하기 어려운 정도의 요철이 존재할 수 있는 바, 본 발명과 같이, 열전도 시트가 소정 이상의 열전도율을 갖는 경우에는, 발열체와 방열체가 대향하는 영역의 전면에 열전도 시트를 협착시키기보다도, 발열체와 방열체가 대향하는 영역의 일부에만 열전도 시트를 협착시키는 편이, 열전도 시트와 발열체 및/또는 방열체의 밀착정도가 높아지고, 보다 효율적으로 전열되는 것으로 추찰된다.
［성상］
[[열전도율]]
여기서, 열전도 시트는, 두께 방향의 열전도율이, 50℃에 있어서, 15W/m·K 이상인 것을 필요로 한다. 또한, 열전도 시트의 두께 방향의 열전도율은, 50℃에 있어서, 20W/m·K 이상인 것이 바람직하고, 25W/m·K 이상인 것이 보다 바람직하다. 열전도율이 상기 하한 이상이면, 놀랍게도, 열전도 시트의 협착면의 면적을 발열체 및 방열체의 피착면의 면적보다도 좁게 하고, 열전도 시트를 발열체와 방열체 사이에 끼워넣어 사용한 경우에, 발열체와 방열체 사이의 열 저항을 효율적으로 저하시킬 수 있다. 그 결과, 방열 장치에 높은 방열성을 발휘시킬 수 있다.
[[경도]]
또한, 열전도 시트는, 25℃에서의 아스카 C 경도가 30 이상인 것이 바람직하고, 40 이상인 것이 보다 바람직하고, 50 이상인 것이 더욱 바람직하고, 60 이상인 것이 한층 바람직하며, 90 이하인 것이 바람직하고, 80 이하인 것이 보다 바람직하다. 열전도 시트의 경도가 상기 하한 이상이면, 열전도 시트에 충분한 물리적 강도를 부여하는 동시에 발열체와 방열체 사이의 열 저항을 더욱 효율적으로 저하시키고, 방열 장치의 방열성을 보다 높일 수 있기 때문이다. 또한, 열전도 시트의 경도가 상기 상한 이하이면, 열전도 시트가 과도하게 딱딱해지지 않고, 열전도 시트를 통한 발열체 및 방열체의 양호한 밀착성을 확보할 수 있고, 방열성이 높은 방열 장치를 얻을 수 있기 때문이다.
[[두께]]
또한, 열전도 시트는, 두께가 2.0mm 이하인 것이 바람직하고, 1.5mm 이하인 것이 보다 바람직하고, 0.6mm 이하인 것이 더욱 바람직하고, 0.4mm 이하인 것이 한층 바람직하며, 0.25mm 이상인 것이 바람직하다. 열전도 시트의 두께가 상기 상한 이하이면, 열전도 시트 자체의 열 저항(이하, 「벌크 열저항」이라고 칭하는 경우가 있다.)을 저하시킬 수 있고, 방열 장치의 방열성을 보다 높일 수 있기 때문이다. 게다가, 열전도 시트의 가요성을 높이고, 발열체 및 방열체의 피착면으로의 열전도 시트의 형상 추종성을 향상시킴으로써, 방열 장치의 방열성을 보다 높일 수 있기 때문이다. 또한, 열전도 시트의 두께가 상기 하한 이상이면, 열전도 시트의 두께를 과도하게 작게 하는 일없이, 열전도 시트가 갖는 높은 열전도율을 유지함으로써, 방열 장치의 양호한 방열성을 확보할 수 있기 때문이다. 게다가, 열전도 시트의 설치시 등의 핸들링성을 양호하게 할 수 있기 때문이다.
［조성］
여기서, 열전도 시트는 수지와 탄소 재료를 포함하는 것이 바람직하다. 열전도 시트가 수지 및 탄소 재료를 포함하면, 높은 열전도성을 갖는 열전도 시트를 용이하게 얻을 수 있고, 높은 방열성을 발휘할 수 있는 방열 장치를 용이하게 제조할 수 있기 때문이다.
[[수지]]
여기서, 수지로는, 특별히 한정되지 않고, 열전도 시트의 형성에 사용될 수 있는 기지의 수지를 사용할 수 있다. 구체적으로는, 수지로는, 열가소성 수지 또는 열경화성 수지를 사용할 수 있다. 또한, 열가소성 수지와 열경화성 수지를 병용해도 된다.
또한, 본 발명에 있어서, 고무 및 엘라스토머는, 「수지」에 포함되는 것으로 한다.
－열가소성 수지－
상술한 중에서도, 수지로는, 열가소성 수지를 사용하는 것이 바람직하고, 열가소성 불소 수지를 사용하는 것이 보다 바람직하다. 열가소성 수지를 사용하면, 예를 들어 방열 장치의 사용시(방열시)의 고온 환경 하에 있어서, 열전도 시트의 가요성을 보다 양호하게 하고, 열전도 시트를 통해서 발열체와 방열체를 잘 밀착시킬 수 있기 때문이다. 그 결과, 발열체와 방열체 사이의 열 저항을 보다 저하시키고, 방열 장치의 방열성을 보다 향상시킬 수 있기 때문이다. 또한, 열가소성 불소 수지를 사용하면, 상기 효과에 더하여, 열전도 시트의 내열성, 내유성 및 내약품성을 향상시킬 수 있기 때문이다.
또한, 열가소성 수지는, 23℃, 1atm 하에서 고체인 열가소성 수지와, 23℃, 1atm 하에서 액체인 열가소성 수지를 포함할 수 있다. 상온 상압 하에서 고체인 열가소성 수지와 상온 상압 하에서 액체인 열가소성 수지를 병용한 경우, 설치시 및 교환시 등의 상온 상압 환경에서는, 열전도 시트 내에 고체인 열가소성 수지 성분과 액체인 열가소성 수지 성분이 공존한다. 따라서, 열전도 시트의 경도와 가요성의 균형을 양호하게 하고, 핸들링성을 보다 향상시킬 수 있다. 또한, 방열 장치의 사용시(방열시)의 고온 환경 하에서는, 상온 상압 하에서 고체인 열가소성 수지가 가소화함으로써, 발열체 및 방열체와 열전도 시트가 보다 양호하게 밀착한다. 그 결과, 발열체와 방열체 사이의 열 저항이 더욱 효율적으로 저하하고, 방열 장치의 방열성을 보다 효율적으로 향상시킬 수 있다.
또한, 본 명세서에 있어서, 「상온」이란, 23℃를 가리키고, 「상압」이란, 1atm(절대압)을 가리킨다.
＝상온 상압 하에서 고체인 열가소성 수지＝
여기서, 23℃, 1atm 하에서 고체인 열가소성 수지로는, 예를 들어 폴리(아크릴산 2-에틸헥실), 아크릴산과 아크릴산 2-에틸헥실의 공중합체, 폴리메타크릴산 또는 그 에스테르, 폴리아크릴산 또는 그 에스테르 등의 아크릴 수지; 실리콘 수지; 불소 수지; 폴리에틸렌; 폴리프로필렌; 에틸렌-프로필렌 공중합체; 폴리메틸펜텐; 폴리염화비닐; 폴리염화비닐리덴; 폴리초산비닐; 에틸렌-초산비닐 공중합체; 폴리비닐알코올; 폴리아세탈; 폴리에틸렌 테레프탈레이트; 폴리부틸렌 테레프탈레이트; 폴리에틸렌 나프틸레이트; 폴리스티렌; 폴리아크릴로니트릴; 스티렌-아크릴로니트릴 공중합체; 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체(ABS수지); 스티렌-부타디엔 블록 공중합체 또는 그 수소 첨가물; 스티렌-이소프렌 블록 공중합체 또는 그 수소 첨가물; 폴리페닐렌에테르; 변성 폴리페닐렌 에테르; 지방족 폴리아미드류; 방향족 폴리아미드류; 폴리아미드이미드; 폴리카보네이트; 폴리페닐렌술파이드; 폴리술폰; 폴리에테르술폰; 폴리에테르니트릴; 폴리에테르케톤; 폴리케톤; 폴리우레탄; 액정 폴리머; 이오노머; 등을 들 수 있다. 이들은, 1종을 단독으로 사용해도 되고, 2종 이상을 병용해도 된다.
상술한 중에서도, 상온 상압 하에서 고체인 열가소성 수지는, 상온 상압 하에서 고체인 열가소성 불소 수지인 것이 바람직하다.
상온 상압 하에서 고체인 열가소성 불소 수지로는, 예를 들어 불화비닐리덴계 불소 수지, 테트라플루오로에틸렌-프로필렌계 불소 수지, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로비닐에테르계 불소 수지 등, 불소 함유 모노머를 중합해서 얻어지는 엘라스토머 등을 들 수 있다. 보다 구체적으로는, 폴리테트라플루오로에틸렌, 플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체, 테트라플루오로에틸렌-에틸렌 공중합체, 폴리비닐리덴플로오라이드, 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 에틸렌-클로로플루오로에틸렌 공중합체, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로디옥솔 공중합체, 폴리비닐플루오라이드, 테트라플루오로에틸렌-프로필렌 공중합체, 비닐리덴플루오라이드-테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체, 폴리테트라플루오로에틸렌의 아크릴 변성물, 폴리테트라플루오로에틸렌의 에스테르 변성물, 폴리테트라플루오로에틸렌의 에폭시 변성물 및 폴리테트라플루오로에틸렌의 실란 변성물 등을 들 수 있다. 이들 중에서도, 가공성의 관점에서, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리테트라플루오로에틸렌의 아크릴 변성물, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체, 비닐리덴플루오라이드-테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체가 바람직하다.
또한, 시판되고 있는, 상온 상압 하에서 고체인 열가소성 불소 수지로는, 예를 들어 다이킨공업주식회사제의 다이엘(등록상표) G-700시리즈(폴리올 가황·2원 폴리머, 불화비닐리덴계 불소 수지), 다이엘 G-550시리즈/G-600시리즈(폴리올 가황·3원 폴리머, 불화비닐리덴계 불소 수지); ALKEMA사제 KYNAR(등록상표) 시리즈(불화비닐리덴계 불소 수지), KYNAR FLEX(등록상표) 시리즈(비닐리덴플루오라이드/테트라플루오로에틸렌/헥사플루오로프로필렌의 공중합체의 3원계 불소 수지); 등을 들 수 있다.
＝상온 상압 하에서 액체인 열가소성 수지＝
또한, 상온 상압 하에서 액체인 열가소성 수지로는, 예를 들어 아크릴 수지, 에폭시 수지, 실리콘 수지, 불소 수지 등을 들 수 있다. 이들은, 1종을 단독으로 사용해도 되고, 2종 이상을 병용해도 된다.
상술한 중에서도, 상온 상압 하에서 액체인 열가소성 수지는, 상온 상압 하에서 액체인 열가소성 불소 수지인 것이 바람직하다.
상온 상압 하에서 액체인 열가소성 불소 수지는, 상온 상압 하에서 액체상인 열가소성 불소 수지라면, 특별히 한정되지 않는다. 상온 상압 하에서 액체인 열가소성 불소 수지로는, 예를 들어 비닐리덴 플루오라이드/헥사플루오로프로필렌 공중합체, 불화비닐리덴-헥사플루오로펜텐-테트라플루오로에틸렌 3원 공중합체, 퍼플루오로프로펜옥사이드 중합체, 테트라플루오로에틸렌-프로필렌-불화비닐리덴 공중합체 등을 들 수 있다. 　
또한, 시판되고 있는, 상온 상압 하에서 액상인 열가소성 불소 수지로는, 예를 들어 바이턴(등록상표) LM(듀폰주식회사제), 다이엘(등록상표) G101 (다이킨공업주식회사제), 다이니온 FC2210(쓰리엠주식회사제), SIFEL시리즈(신에츠화학공업주식회사제) 등을 들 수 있다.
또한, 상온 상압 하에서 액체인 열가소성 불소 수지의 점도는, 특별히는 한정되지 않지만, 혼련성, 유동성, 가교 반응성이 양호하고, 성형성도 우수한 관점에서는, 온도 105℃에 있어서의 점도가, 500cps 이상 30000cps 이하인 것이 바람직하고, 550cps 이상 25000cps 이하인 것이 보다 바람직하다.
＝열가소성 수지 중의 배합 비율＝
그리고, 열가소성 수지로서 병용할 때의 상온 상압 하에서 고체인 열가소성 수지와 상온 상압 하에서 액체인 열가소성 수지의 배합 비율은, 특별히 한정되지 않는다. 당해 배합 비율은, 열가소성 수지 100질량% 중, 상온 상압 하에서 고체인 열가소성 수지가 80질량% 이하 30질량% 이상이며, 상온 상압 하에서 액체인 열가소성 수지가 20질량% 이상 70질량% 이하인 것이 바람직하다.
또한, 열가소성 수지로서 병용할 때의 상온 상압 하에서 고체인 열가소성 불소 수지와 상온 상압 하에서 액체인 열가소성 불소 수지의 배합 비율은, 열가소성 수지 100질량% 중, 상온 상압 하에서 고체인 열가소성 불소 수지가 80질량% 이하 30질량% 이상이며, 상온에서 액체인 열가소성 불소 수지가 20질량% 이상 70질량% 이하인 것이 바람직하다. 또한, 당해 배합 비율은, 열가소성 수지 100질량% 중, 상온 상압 하에서 고체인 열가소성 불소 수지가 65질량% 이하 40질량% 이상이며, 상온 상압 하에서 액체인 열가소성 불소 수지가 35질량% 이상 60질량% 이하인 것이 보다 바람직하다.
상온 상압 하에서 고체인 열가소성 수지 및 상온 상압 하에서 액체인 열가소성 수지의 배합 비율이 상기 범위 내이면, 설치시 및 교환시 등의 상온상압 환경 하에 있어서, 열전도 시트의 딱딱함과 가요성의 균형을 보다 양호하게 하고, 핸들링성을 보다 향상시킬 수 있기 때문이다. 또한, 방열 장치의 사용시(방열시)의 고온 환경 하에서는, 발열체 및 방열체와 열전도 시트와의 밀착성을 보다 높이고, 발열체와 방열체 사이의 열 저항을 더욱 효율적으로 저하시키고, 방열 장치의 방열성을 보다 효율적으로 향상시킬 수 있기 때문이다.
－열경화성 수지－
또한, 열경화성 수지로는, 예를 들어, 천연 고무; 부타디엔 고무; 이소프렌 고무; 니트릴 고무; 수소화니트릴 고무; 클로로프렌 고무; 에틸렌프로필렌 고무; 염소화폴리에틸렌; 클로로술폰화폴리에틸렌; 부틸 고무; 할로겐화부틸 고무; 폴리이소부틸렌 고무; 에폭시 수지; 폴리이미드 수지; 비스말레이미드 수지; 벤조시클로부텐 수지; 페놀 수지; 불포화 폴리에스테르; 디알릴프탈레이트 수지; 폴리이미드실리콘 수지; 폴리우레탄; 열경화형 폴리페닐렌에테르; 열경화형 변성 폴리페닐렌에테르; 등을 들 수 있다. 이들은, 1종 단독으로 사용해도 되고, 2종 이상을 병용해도 된다.
[[탄소 재료]]
탄소 재료로는, 특별히 한정되지 않고, 기지의 탄소 재료를 사용할 수 있다. 구체적으로는, 탄소 재료로는, 입자상 탄소 재료, 섬유상 탄소 재료 등을 사용할 수 있다. 또한, 입자상 탄소 재료 및 섬유상 탄소 재료는, 어느 일방을 단독으로 사용해도 되고, 양방을 병용해도 좋지만, 열전도 시트의 열전도성을 용이하게 높이는 관점에서는, 적어도 입자상 탄소 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 열전도 시트의 열전도성을 보다 높이는 관점에서는, 입자상 탄소 재료 및 섬유상 탄소 재료를 병용하는 것이 보다 바람직하다.
－입자상 탄소 재료－
입자상 탄소 재료로는, 특별히 한정되는 일 없이, 예를 들어 인조 흑연, 인편상 흑연, 박편화 원자, 천연 흑연, 산처리 원자, 팽창성 흑연, 팽창화 흑연 등의 흑연; 카본 블랙; 등을 사용할 수 있다. 이들은, 1종 단독으로 사용해도 되고, 2종 이상을 병용해도 된다.
그중에서도, 입자상 탄소 재료로는, 팽창화 흑연을 사용하는 것이 바람직하다. 팽창화 흑연을 사용하면, 열전도 시트의 열전도성을 보다 향상시킬 수 있기 때문이다.
＝팽창화 흑연＝
여기서, 입자상 탄소 재료로서 호적하게 사용할 수 있는 팽창화 흑연은, 예를 들어 인편상 흑연 등의 흑연을 황산 등으로 화학 처리하여 얻은 팽창성 흑연을, 열처리하여 팽창시킨 후, 미세화함으로써 얻을 수 있다. 그리고, 팽창화 흑연으로는, 예를 들어, 이토흑연공업주식회사제의 EC1500, EC1000, EC500, EC300, EC100, EC50(모두 상품명) 등을 들 수 있다.
＝입자상 탄소 재료의 성상＝
여기서, 열전도 시트에 포함되어 있는 입자상 탄소 재료의 평균 입자경은, 0.1μm 이상인 것이 바람직하고, 1μm 이상인 것이 보다 바람직하고, 200μm 이상인 것이 더욱 바람직하며, 250μm 이하인 것이 바람직하다. 입자상 탄소 재료의 평균 입자경이 상기 하한 이상이면, 열전도 시트의 열전도성이 보다 높아지기 때문이다. 그리고, 미세 탄소 재료의 평균 입자경이 상기 범위 내이면, 높은 열전도성을 갖는 열전도 시트를 용이하게 얻을 수 있기 때문이다.
또한, 입자상 탄소 재료의 평균 입자경은, 원료로서 사용하는 입자상 탄소 재료 자체의 평균 입자경을 변경함으로써 조정해도 되고, 열전도 시트의 제작 조건(시트의 형성에 사용하는 조성물의 해쇄 조건이나 시트 성형시의 가압 조건 등)을 변경함으로써 조정해도 된다.
또한, 열전도 시트에 포함되어 있는 입자상 탄소 재료의 애스팩트비(장경/단경)는, 1 이상 10 이하인 것이 바람직하고, 1 이상 5 이하인 것이 보다 바람직하다.
또한, 본 발명에 있어서 「평균 입자경」은, 열전도 시트의 두께 방향에서의 단면을 SEM(주사형 전자 현미경)으로 관찰하고, 임의의 50개의 입자상 탄소 재료에 대해서 최대 직경(장경)을 측정하고, 측정한 장경의 개수 평균값을 산출함으로써 구할 수 있다. 또한, 본 발명에 있어서, 「애스팩트비」는, 열전도 시트의 두께 방향에서의 단면을 SEM(주사형 전자 현미경)으로 관찰하고, 임의의 50개의 입자상 탄소 재료에 대해서, 최대 직경(장경)과, 최대 직경에 직교하는 방향의 입자경(단경)을 측정하고, 장경과 단경의 비(장경/단경)의 평균값을 산출함으로써 구할 수 있다.
＝입자상 탄소 재료의 함유 비율＝
그리고, 열전도 시트에 포함되어 있는 입자상 탄소 재료의 함유 비율은, 열전도 시트의 전체 조성 100질량%에 대해서 30질량% 이상인 것이 바람직하고, 40질량% 이상인 것이 더욱 바람직하며, 90질량% 이하인 것이 바람직하고, 70질량% 이하인 것이 보다 바람직하고, 60질량% 이하인 것이 더욱 바람직하다. 열전도 시트 중의 입자상 탄소 재료의 함유 비율이 상기 하한 이상이면, 높은 열전도성을 갖는 열전도 시트를 보다 용이하게 얻을 수 있기 때문이다. 또한, 열전도 시트 중의 입자상 탄소 재료의 함유 비율이 상기 하한 이하이면, 열전도 시트에, 발열체 및 방열체와 잘 밀착할 수 있는 보다 적당한 가요성을 부여하는 동시에, 입자상 탄소 재료의 가루 떨어짐을 충분히 방지할 수 있기 때문이다.
－섬유상 탄소 재료－
섬유상 탄소 재료로는, 특별히 한정되지 않고, 예를 들어, 카본 나노튜브, 기상 성장 탄소 섬유, 유기 섬유를 탄화하여 얻어지는 탄소 섬유, 및 그들의 절단물 등을 사용할 수 있다. 이들은, 1종 단독으로 사용해도 되고, 2종 이상을 병용해도 된다.
그리고, 열전도 시트가 섬유상 탄소 재료를 포함하면, 열전도 시트의 열전도성을 더욱 향상시킬 수 있는 동시에, 입자상 탄소 재료의 가루 떨어짐을 방지할 수 있다. 또한, 섬유상 탄소 재료를 배합함으로써 입자상 탄소 재료의 가루 떨어짐을 방지할 수 있는 이유는 분명하지 않지만, 섬유상 탄소 재료가 3차원 그물코 구조를 형성함으로써, 열전도 시트의 열전도성 및 강도를 높이면서, 입자상 탄소 재료의 탈리를 방지하고 있기 때문이라고 추찰된다.
상술한 중에서도, 섬유상 탄소 재료로는, 카본 나노튜브 등의 섬유상의 탄소 나노 구조체를 사용하는 것이 바람직하고, 카본 나노튜브를 포함하는 섬유상의 탄소 나노 구조체를 사용하는 것이 보다 바람직하다. 카본 나노튜브 등의 섬유상의 탄소 나노 구조체를 사용하면, 열전도 시트의 열전도성을 더욱 향상시키면서, 강도를 양호하게 할 수 있기 때문이다.
＝카본 나노튜브를 포함하는 섬유상의 탄소 나노 구조체=
여기서, 섬유상 탄소 재료로서 호적하게 사용할 수 있는, 카본 나노튜브를 포함하는 섬유상의 탄소 나노 구조체는, 카본 나노튜브(이하, 「CNT」라고 칭하는 경우가 있다.)로만 이루어지는 것이어도 되고, CNT와, CNT이외의 섬유상의 탄소 나노 구조체와의 혼합물이어도 된다.
또한, 섬유상의 탄소 나노 구조체 중의 CNT로는, 특별히 한정되는 것 없이, 단층 카본 나노튜브 및/또는 다층 카본 나노튜브를 사용할 수 있지만, CNT는 단층부터 5층까지의 카본 나노튜브인 것이 바람직하고, 단층 카본 나노튜브인 것이 보다 바람직하다. 단층 카본 나노튜브를 사용하면, 다층 카본 나노튜브를 사용한 경우와 비교하여, 열전도 시트의 열전도성 및 강도를 더욱 향상시킬 수 있기 때문이다.
또한, CNT를 포함하는 섬유상의 탄소 나노 구조체로는, 평균 직경(Av)에 대한, 직경의 표준 편차(σ)에 3을 곱한 값(3σ)의 비(3σ/Av)가 0.20 초과 0.60 미만인 탄소 나노 구조체를 사용하는 것이 바람직하고, 3σ/Av가 0.25 초과인 탄소 나노 구조체를 사용하는 것이 보다 바람직하고, 3σ/Av가 0.50 초과인 탄소 나노 구조체를 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 3σ/Av가 0.20 초과 0.60 미만인 CNT를 포함하는 섬유상의 탄소 나노 구조체를 사용하면, 탄소 나노 구조체의 배합량이 소량이어도 열전도 시트의 열전도성 및 강도를 충분히 높일 수 있다. 따라서, CNT를 포함하는 섬유상의 탄소 나노 구조체의 배합에 의해 열전도 시트의 가요성이 크게 저하하는 것을 억제하고, 열전도 시트의 열전도성 및 가요성을 충분히 높은 레벨로 병립시킬 수 있다.
또한, 「섬유상의 탄소 나노 구조체의 평균 직경(Av)」및 「섬유상의 탄소 나노 구조체의 직경의 표준 편차(σ: 표본 표준 편차)」는, 각각, 투과형 전자 현미경을 이용하여 무작위로 선택한 섬유상의 탄소 나노 구조체 100개의 직경(외경)을 측정하여 구할 수 있다. 그리고, CNT를 포함하는 섬유상의 탄소 나노 구조체의 평균 직경(Av) 및 표준 편차(σ)는, CNT를 포함하는 섬유상의 탄소 나노 구조체의 제조 방법이나 제조 조건을 변경함으로써 조정해도 되고, 상이한 제조법으로 얻어진 CNT를 포함하는 섬유상의 탄소 나노 구조체를 복수 종류 조합함으로써 조정해도 된다.
그리고, CNT를 포함하는 섬유상의 탄소 나노 구조체로는, 전술한 바와 같이 하여 측정한 직경을 가로축에, 그 빈도를 세로축에 취하여 플롯하고, 가우시안으로 근사하였을 때에, 정규 분포를 취하는 것이 통상 사용된다.
또한, CNT를 포함하는 섬유상의 탄소 나노 구조체는, 라만 분광법을 이용하여 평가했을 때, Radial Breathing Mode(RBM)의 피크를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 3층 이상의 다층 카본 나노튜브만으로 이루어지는 섬유상의 탄소 나노 구조체의 라만 스펙트럼에는, RBM이 존재하지 않는다.
또한, CNT를 포함하는 섬유상의 탄소 나노 구조체는, 라만 스펙트럼에 있어서의 D밴드 피크 강도에 대한 G밴드 피크 강도의 비(G/D비)가 1.0 이상 20 이하인 것이 바람직하다. G/D비가 1.0 이상 20 이하이면, 섬유상의 탄소 나노 구조체의 배합량이 소량이어도 열전도 시트의 열전도성 및 강도를 충분히 높일 수 있다. 따라서, 섬유상의 탄소 나노 구조체의 배합에 의해 열전도 시트의 가요성이 크게 저하하는 것을 억제하고, 열전도 시트의 열전도성 및 가요성을 충분히 높은 레벨로 병립시킬 수 있다.
또한, CNT를 포함하는 섬유상의 탄소 나노 구조체의 평균 직경(Av)은, 0.5nm 이상인 것이 바람직하고, 1nm 이상인 것이 더욱 바람직하며, 15nm 이하인 것이 바람직하고, 10nm 이하인 것이 더욱 바람직하다. 섬유상의 탄소 나노 구조체의 평균 직경(Av)이 0.5nm 이상이면, 섬유상의 탄소 나노 구조체의 응집을 억제하여 탄소 나노 구조체의 분산성을 높일 수 있다. 또한, 섬유상의 탄소 나노 구조체의 평균 직경(Av)이 15nm 이하이면, 열전도 시트의 열전도성 및 강도를 충분히 높일 수 있다.
또한, CNT를 포함하는 섬유상의 탄소 나노 구조체는, 합성 시에 있어서 구조체의 평균 길이가 100μm 이상 5000μm 이하인 것이 바람직하다. 또한, 합성시의 구조체의 길이가 길수록, 분산시에 CNT에 파단이나 절단 등의 손상이 발생하기 쉬우므로, 합성시의 구조체의 평균 길이는 5000μm 이하인 것이 바람직하다.
또한, CNT를 포함하는 섬유상의 탄소 나노 구조체의 BET 비표면적은, 600m2/g 이상인 것이 바람직하고, 800m2/g 이상인 것이 보다 바람직하며, 2500m2/g 이하인 것이 바람직하고, 1200m2/g 이하인 것이 보다 바람직하다. CNT를 포함하는 섬유상의 탄소 나노 구조체의 BET 비표면적이 600m2/g 이상이면, 열전도 시트의 열전도성 및 강도를 충분히 높일 수 있다. 또한, CNT를 포함하는 섬유상의 탄소 나노 구조체의 BET 비표면적이 2500m2/g 이하이면, 섬유상의 탄소 나노 구조체의 응집을 억제하여 열전도 시트 중의 CNT 분산성을 높일 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 「BET 비표면적」이란, BET법을 이용하여 측정한 질소 흡착 비표면적을 가리킨다.
또한, CNT를 포함하는 섬유상의 탄소 나노 구조체는, 후술하는 슈퍼그로스법에 의하면, 카본 나노튜브 성장용의 촉매 층을 표면에 갖는 기재 상에, 기재에 대략 수직한 방향으로 배향된 집합체(배향 집합체)로서 얻어지며, 당해 집합체로서의, 섬유상의 탄소 나노 구조체의 질량 밀도는, 0.002g/cm3 이상 0.2g/cm3 이하인 것이 바람직하다. 질량 밀도가 0.2g/cm3 이하이면, 섬유상의 탄소 나노 구조체끼리의 결속이 약해지므로, 열전도 시트 중에서 섬유상의 탄소 나노 구조체를 균질하게 분산시킬 수 있다. 또한, 질량 밀도가 0.002g/cm3 이상이면, 섬유상의 탄소 나노 구조체의 일체성을 향상시켜, 흩어지는 것을 억제할 수 있기 때문에 핸들링이 용이하게 된다.
그리고, 상술한 성상을 갖는 CNT를 포함하는 섬유상의 탄소 나노 구조체는, 예를 들어 카본 나노튜브 제조용의 촉매 층을 표면에 갖는 기재 상에, 원료 화합물 및 캐리어 가스를 공급하여, 화학적 기상 성장법(CVD법)에 의해 CNT를 합성할 때, 계내에 미량의 산화제(촉매 부활 물질)를 존재시킴으로써, 촉매층의 촉매 활성을 비약적으로 향상시키는 방법(슈퍼그로스법; 국제 공개 제2006/011655호 참조)에 준하여, 효율적으로 제조할 수 있다. 또한, 이하에서는. 슈퍼그로스법에 의해 얻어지는 카본 나노튜브를 「SGCNT」라고 칭하는 경우가 있다.
여기서, 슈퍼그로스법에 의해 제조한 CNT를 포함하는 섬유상의 탄소 나노 구조체는, SGCNT로만 구성되어 있어도 되고, SGCNT에 더하여, 예를 들어, 비원통형상의 탄소 나노 구조체 등의 다른 탄소 나노 구조체가 포함되어 있어도 된다.
＝섬유상 탄소 재료의 성상＝
그리고, 열전도 시트에 포함될 수 있는 섬유상 탄소 재료의 평균 섬유경은, 1nm 이상인 것이 바람직하고, 3nm 이상인 것이 보다 바람직하며, 2μm 이하인 것이 바람직하고, 1μm 이하인 것이 보다 바람직하다. 섬유상 탄소 재료의 평균 섬유경이 상기 범위내이면, 열전도 시트의 열전도성, 가요성 및 강도를 충분히 높은 레벨로 병립시킬 수 있기 때문이다.
여기서, 섬유상 탄소 재료의 애스팩트비는, 10을 초과하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 있어서, 「평균 섬유 직경」은, 열전도 시트의 두께 방향에 있어서의 단면을 SEM(주사형 전자 현미경) 또는 TEM(투과형 전자 현미경)으로 관찰하여, 임의의 50개의 섬유상 탄소 재료에 대해서 섬유 직경을 측정하고, 측정한 섬유 직경의 개수 평균값을 산출함으로써 구할 수 있다. 특히, 섬유 직경이 작은 경우에는, 동일한 단면을 TEM(투과형 전자 현미경)으로 관찰하는 것이 호적하다.
＝섬유상 탄소 재료의 함유 비율＝
그리고, 열전도 시트 중의 섬유상 탄소 재료의 함유 비율은, 열전도 시트의 전체 조성 100질량%에 대해서 0.03질량% 이상인 것이 바람직하고, 0.04질량% 이상인 것이 보다 바람직하며, 5질량% 이하인 것이 바람직하고, 1질량% 이하인 것이 보다 바람직하며, 0.06질량% 이하인 것이 더욱 바람직하다. 열전도 시트 중의 섬유상 탄소 재료의 함유 비율이 상기 하한 이상이면, 열전도 시트의 열전도성 및 강도를 충분히 향상시킬 수 있는 동시에, 입자상 탄소 재료의 가루 떨어짐을 충분히 방지할 수 있기 때문이다. 또한, 열전도 시트 중의 섬유상 탄소 재료의 함유 비율이 상기 상한 이하이면, 섬유상 탄소 재료의 배합에 의해 열전도 시트의 가요성이 크게 저하하는 것을 억제하고, 열전도 시트의 열전도성 및 가요성을 충분히 높은 레벨로 병립시킬 수 있기 때문이다.
[[첨가제]]
또한, 열전도 시트에는, 필요에 따라, 열전도 시트의 형성에 사용될 수 있는 기지의 첨가제를 배합할 수 있다. 그리고, 열전도 시트에 배합할 수 있는 첨가제로는, 특별히 한정되는 것은 아니고, 예를 들어, 세바스산에스테르와 같은 지방산에스테르 등의 가소제; 적린계 난연제, 인산에스테르계 난연제 등의 난연제; 불소 오일(다이킨공업주식회사제의 뎀남 시리즈)와 같이 가소제와 난연제를 겸하는 첨가제; 우레탄아크릴레이트 등의 인성 개량제; 산화칼슘, 산화마그네슘 등의 흡습제; 실란 커플링제, 티타늄 커플링제, 산 무수물 등의 접착력 향상제; 비이온계 계면 활성제, 불소계 계면 활성제 등의 젖음성 향상제; 무기이온 교환체 등의 이온 트랩제; 등을 들 수 있다.
［열전도 시트의 제작 방법］
그리고, 열전도 시트는, 특별히 제한되지 않고, 예를 들어, 상술한 수지 및 탄소 재료 등의 성분을 포함하는 조성물을 가압하여 시트상으로 성형함으로써 제작할 수 있다. 여기서, 열전도 시트는, 예를 들어, (A) 상기 가압하여 얻어지는 1매의 시트상 성형체로 이루어진 것이어도 되고, (B) 상기 가압하여 얻어지는 시트상 성형체를 프리 열전도 시트로 하고, 당해 프리 열전도 시트를 복수매 포갠 적층체를 대략 적층 방향으로 슬라이스한 슬라이스편으로 이루어진 것이라도 된다. 상술한 중에서도, 깊이 방향으로 높은 열전도성을 발휘하는 관점에서는, 상기 (B)의 열전도 시트가 바람직하다. 이하, 상기 (B)의 열전도 시트를 제작하는 방법의 일 예에 대해서 설명하지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다.
우선, 예를 들어, 상술한 상온상압 하에서 고체인 열가소성 수지, 상온상압 하에서 액체인 열가소성 수지, 입자상 탄소 재료, 및 섬유상 탄소 재료 등의 성분을 니더, 롤, 헨셀 믹서, 호바트 믹서 등의 기지의 혼합 장치를 이용하여 임의 조건으로 혼합하고, 열전도 시트용 조성물을 조제한다.
다음으로, 얻어진 열전도 시트용 조성물을 프레스 성형, 압연 성형 또는 압출 성형 등 기지의 성형 방법을 사용하여 시트상으로 성형하고, 프리 열전도 시트를 형성한다. 여기서, 형성된 프리 열전도 시트에서는, 탄소 재료가 주로 면내 방향으로 배열하고, 특히 프리 열전도 시트의 면내 방향의 열전도성이 향상하고 있다고 추찰된다.
이어서, 얻어진 프리 열전도 시트를, 임의의 방법으로 두께 방향으로 복수매 적층하거나, 혹은 프리 열전도 시트를 절첩 또는 권회하고, 적층체를 얻는다. 여기서, 얻어진 적층체에는, 탄소 재료가 주로서 적층 방향에 대략 직교하는 방향으로 배열하고 있다고 추찰된다.
그리고, 얻어진 적층체를, 예를 들어, 멀티블레이드법, 레이저가공법, 워터제트법, 나이프가공법 등 기지의 방법을 이용하여, 대략 적층 방향, 즉, 적층 방향에 대해서 45°이하의 각도로 슬라이스하고, 적층체의 슬라이스편으로 이루어지는 열전도 시트를 얻는다. 여기서, 열전도 시트의 열전도성을 높이는 관점에서는, 적층체를 슬라이스하는 각도는, 적층 방향에 대해서 30° 이하인 것이 바람직하고, 적층 방향에 대해서 15° 이하인 것이 보다 바람직하며, 적층 방향에 대해서 대략 0°인(즉, 적층 방향을 따르는 방향인) 것이 바람직하다.
그리고, 이렇게 하여 얻어진 열전도 시트 내에서는, 탄소 재료가 두께 방향으로 배열하고 있다고 추찰된다. 따라서, 상술한 방법에서 얻어진 열전도 시트는, 두께 방향의 열전도성이 높고, 또한 두께 방향의 도전성도 우수하다고 추찰된다.
＜방열 장치의 구성＞
본 발명의 방열 장치는, 상술한 발열체 및 방열체 사이에, 상술한 소정의 열전도율을 갖는 열전도 시트를, 이하에 상세하게 설명하는 소정의 면적 조건을 가지고 협착시켜 이루어지는 구성이라면, 특별히 제한되지 않는다. 또한, 발열체 및 방열체 사이에 열전도 시트를 협착시키는 방법도, 열전도 시트의 두께 방향 일방으로 발열체를 배치하고, 두께 방향 타방으로 방열체를 배치하여 열전도 시트를 협착하는 것이 가능한 방법이라면, 임의의 방법을 이용할 수 있다.
［협착면］
여기서, 열전도 시트의 협착면은, 발열체나 방열체와 접촉하는 면이며, 통상은 열전도 시트의 두께 방향으로 직교하는 면이다. 그리고, 본 발명의 방열 장치에서는, 열전도 시트의 협착면의 면적이, 발열체 및 방열체의 피착면의 면적보다도 작은 것을 필요로 한다.
또한, 상술한 대로, 일반적으로, 공기의 열전도율은 열전도 시트보다도 현저하게 낮기 때문에, 통상은, 대향하는 발열체 및 방열체 간에 공기를 개재시키지 않을수록, 발열체 및 방열체 사이의 열 저항을 저감시킬 수 있다고 생각되고 있다. 즉, 일반적으로는, 발열체 및 방열체의 피착면의 전면에 걸쳐 열전도 시트를 협착시킴으로써, 발열체 및 방열체 사이의 열 저항을 저감시킬 수 있다고 생각되고 있다. 그러나, 본 발명의 방열 장치에서는, 놀랍게도, 발열체 및 방열체의 피착면의 면적보다도, 소정의 열전도율을 갖는 열전도 시트의 협착면의 면적을 좁게 하여 열전도 시트를 협착함으로써, 발열체 및 방열체 간의 열 저항을 낮출 수 있다. 즉, 본 발명의 방열 장치에서는, 의외로, 종래의 열전도 시트의 사이즈와 비교해서 작은 사이즈의 열전도 시트를 사용하여, 방열 장치의 방열성을 효율적으로 높일 수 있다.
또한, 발열체 및 방열체의 피착면의 면적에 대한, 열전도 시트의 협착면의 면적 비율은, 10% 이상인 것이 바람직하고, 20% 이상인 것이 보다 바람직하며, 70% 이하인 것이 바람직하고, 60% 이하인 것이 보다 바람직하고, 50% 이하인 것이 더욱 바람직하며, 40% 이하인 것이 한층 바람직하다. 발열체 및 방열체의 피착면과 열전도 시트의 협착면과의 면적 비율이 상기 상한 이하이면, 발열체와 방열체 사이의 열 저항을 더욱 효율적으로 저하시키고, 방열 장치의 방열성을 보다 효율적으로 높일 수 있기 때문이다. 또한, 발열체 및 방열체의 피착면과 열전도 시트의 협착면과의 면적 비율이 상기 하한 이상이면, 발열체 및 방열체와 접촉하는 열전도 시트의 면적을 지나치게 작게 하지 않고, 방열 장치의 높은 방열성을 유지할 수 있기 때문이다.
또한, 열전도 시트를 협착시키는 때는, 특별히 한정되지 않지만, 열전도 시트가 갖는 열전도성을 보다 효율적으로 활용하는 관점으로부터, 발열체에 있어서 가장 온도가 높아지는 부위에 열전도 시트를 직접 붙이는 것이 바람직하다. 예를 들어, 발열체로서, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)를 구비하는 파워 모듈을 이용하는 경우, 일반적으로, 열원인 IGBT는 파워 모듈의 대략 중심부에 위치하므로, 열전도 시트는, 발열체의 방열체와 마주하는 측의 면의 대략 중심 개소에 부착하는 것이 바람직하다. 또한, 열전도 시트를 협착시키는 영역은, 통상, 발열체의 피착면의 중심점을 포함하는 영역이 바람직하다. 또한, 발열체의 피착면의 중심점은, 상술한 「표면 요철」의 측정에 있어서의 피측정면 상의 중심점의 설정 방법에 준하여 설정할 수 있다.
［협착 방법］
열전도 시트를 발열체 및 방열체의 사이에 협착하는 방법은, 발열체와 방열체의 사이에, 상술한 소정의 열전도율을 갖는 열전도 시트를 끼워 개재시키고, 각각의 면을 상술한 소정의 면적 관계로 접착시키는 이외에는 특별히 제한되지 않는다.
또한, 열전도 시트의 협착 방법으로는, 예를 들어, 발열체 및 방열체의 표면에 변형이 있는 경우이더라도, 발열체 및 방열체와, 당해 발열체 및 방열체 간에 개재시킨 열전도 시트를 충분히 밀착시킨 상태로 고정하는 방법이 바람직하다. 이와 같은 양호한 밀착성을 지속시키는 관점, 및 작업의 간이성의 관점에서는, 열전도 시트의 협착 방법으로는, 스프링을 통해서 나사고정하는 방법, 클립으로 끼우는 방법과 같이 누르는 힘이 지속되는 협착 방법; 및 임의의 힘으로 가압하면서 협착하는 방법;을 호적한 방법으로서 들 수 있다. 또한, 가압시의 압력은, 통상, 0.05MPa~1.5MPa이고, 바람직하게는 0.1MPa~1.0MPa이다.
실시예
이하, 본 발명에 대해서 실시예에 기초하여 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다. 또한, 이하 설명에 있어서, 양을 나타내는 「%」 및 「부」는, 달리 언급하지 않는 한, 질량 기준이다.
그리고, 실시예 및 비교예에 있어서, 발열체의 표면 요철 및 표면 요철 형상; 열전도 시트의 열전도율 및 아스카 C 경도; 및 방열 장치의 열 저항 값은, 각각 이하의 방법을 사용하여 측정했다.
<표면 요철 및 표면 요철 형상>
발열체 및 방열체의 표면 요철은, 3차원 형상 측정기(키엔스제, 제품명 「VR-3100원샷 3D형상 측정기」)를 이용하여 측정했다. 여기서, 피측정면은, 각각, 발열체의 방열체와 대면하는 측의 대향 전체 면(즉, 열전도 시트와 접착하는 측의 전체 면), 및 방열체의 발열체와 대면하는 측의 대향 전체 면으로 했다. 이때, 피측정면은 대략 장방형을 갖고 있었다. 또한, 당해 피측정면의 단변 방향을 X축, 장변 방향을 Y축, X축 및 Y축에 직교하는 방향(두께 방향)을 Z축, 대각선끼리 교차하는 점을 중심점으로 하고, 당해 중심점을 중심으로 X축, Y축에 평행으로 10mm×10mm의 범위를 기준면(측정 범위)으로 설정했다. 다음으로, 상기 3차원 형상 측정기를 이용하여, 피측정면 전체를 측정했다. 이어서, 상기 측정한 피측정면 중, 중심점으로부터 X축 방향으로 0.6mm 이동한 점(중심 X점)을 지나고, 또한 Y축으로 평행한 선(평행 Y 선) 상에 있어서의, Z축 방향에 대한 표면 요철 형상 상태를 나타낸 그래프를 얻었다. 또한, 상기 평행 Y선상에는, 피측정면의 면내에 있어서 두께 방향으로 최고점과 최저점이 지나고 있었다. 즉, 가로축을 상기 평행 Y선으로 하고, 세로축을 Z축으로 한, 피측정면의 단면 상태를 나타낸 그래프를 얻었다.
그리고, 얻어진 그래프에 있어서, Z축 방향(두께 방향)에서의, 기준면의 높이와 최대 높이(최고값)의 고저차의 절대값, 및 기준면의 높이와 최소 높이(최저값)의 고저차의 절대값을 산출하고, 당해 절대값 중 큰 것을 「표면 요철」(μm)로서 구했다.
또한, 발열체의 표면 요철 형상은 이하대로 결정했다. 즉, 상기에서 얻어진 그래프에서의, 중심 X점과 평행 Y선의 양단(측정 범위의 양단)의 Z축 방향에 대한 높이의 관계에서 표면 요철 형상을 결정했다. 구체적으로는, 평행 Y선의 양단의 Z축 방향에 대한 높이의 어느 것보다도, 중심 X점의 Z축 방향에 대한 높이가 높은 경우는 철형(凸型)으로 했다. 또한, 평행 Y선의 양단의 Z축 방향에 대한 높이의 어느 것보다도, 중심 X점의 Z축 방향에 대한 높이가 낮은 경우는 요형(凹型)으로 했다. 또한, 중심 X점의 Z축 방향에 대한 높이가 평행 Y선의 일단의 Z축 방향에 대한 높이와 평행 Y선의 타단의 Z축 방향에 대한 높이 사이에 있는 경우는, 요철 없음으로 했다.
＜열전도율＞
열전도 시트의 열전도율의 측정은, 수지 재료 열저항 시험기(주식회사 히타치 테크놀로지 앤드 서비스제, 제품명「C47108」)을 사용하여 행했다. 구체적으로는, 열전도 시트를 1cm×1cm으로 잘라낸 것을 시료로 하고, 0.5MPa의 압력 하, 시료 온도를 50℃로 하고 열 저항의 값을 측정했다. 그리고, 측정한 열 저항의 값으로부터 자동 환산한 열전도율 λ(W／m?K)를 얻었다
열전도율이 높을수록 전도 시트의 열전도성이 우수하고, 발열체와 방열체의 사이에 개재시켜서 방열 장치로 한 때의 방열성이 우수하다는 것을 나타낸다.
＜아스카 C 경도＞
열전도 시트의 아스카 C 경도는, 일본 고무 협회 규격(SRIS0101)의 아스카 C 법에 준거하여, 경도계를 사용하여, 온도 25℃의 환경하에서 행했다.
구체적으로는, 얻어진 열전도 시트의 원편(原片)을, 실시예 1~4, 실시예 6, 비교예 1~4 및 비교예 6에서는 세로25mm×가로50mm×두께0.3mm 크기로 잘라내고, 실시예 5 및 비교예 5에서는 세로25mm×가로50mm×두께1.3mm크기로 잘라내며, 비교예 7~12에서는 세로25mm×가로50mm×두께0.5mm의 크기로 잘라냈다. 그리고, 각각 50매 포갬으로써 시험편을 얻었다. 그리고, 얻어진 시험편을 온도 25℃로 유지된 항온실 내에 48시간 이상 정치함으로써 시험체를 얻었다. 다음으로, 지침이 95~98이 되도록 댐퍼 높이를 조정하고, 시험체와 댐퍼를 충돌시켰다. 그리고, 당해 충돌로부터 60초 후의 시험체의 아스카 C 경도를, 경도계(고분자계기사제, 제품명 「ASKER CL-150LJ」)를 이용하여 2회 측정하고, 측정 결과의 평균치를 채용했다. 일반적으로, 아스카 C 경도가 작을수록, 가요성이 높은 것을 나타낸다.
＜열 저항＞
방열 장치의 열 저항값은, 제조된 방열 장치에 대하여, 과도 열측정 장치(Mentor Graphics제, 제품명 「T3Ster」), 및 가압 치구(키나스디자인제)를 이용하여, 이하대로 측정했다. 또한, 발열체로는, IGBT탑재 파워 모듈을 사용했다. 또한, 방열체로는, 펠티에 소자로 냉각된 히트 싱크(키나스디자인제)를 이용했다.
우선, 얻어진 방열 장치에 대해서, 방열체의 초기 온도를 25℃로 했다. 다음으로, 당해 방열 장치를 구비하는 발열체에, 가열 전류: 10A, 가열 시간: 150초의 조건으로 전류를 통과시켜, 발열체를 가열했다. 또한, 발열체의 가열 시, 발열체 및 방열체 간에 협착된 열전도 시트에는 0.50MPa 압력을 걸고 있었다. 이어서, 가열 후의 발열체 및 방열체 간에, 측정 전류: 20mA, 측정 시간: 150초의 조건으로 전류를 흘리며, 가열 후의 발열체의 온도 T1(℃) 및 방열체의 온도 T2(℃)를 측정했다. 그리고, 얻어진 T1, T2 및 발열체에 인가한 전력 W(W)를 이용하여, 하기 식(I):
X＝（T1－T2）／W　...（I）
으로 방열 장치에서의, 열전도 시트를 통한 발열체 및 방열체 간의 열 저항의 값 X(℃/W)를 구했다. 열 저항값이 작을수록, 발열체로부터 방열체로 열이 전달되어, 방산되기 쉬운 것을 나타낸다.
또한, 본 명세서에 있어서, 열전도 시트의 협착면의 면적을 피착면의 면적보다도 작게 함에 의해 저하한 열 저항값(열 저항의 감소량)은, 열전도 시트의 협착면의 면적을 피착 면의 면적보다 작게 한 경우에 있어서의 열 저항의 값 X1, 및 열전도 시트의 협착면의 면적을 피착면의 면적과 같게 한 경우에 있어서의 열 저항의 값 X2를 이용하여, 하기 식(II):
열저항의 저하량 ＝（X2－X1）　...（II）
으로 구할 수 있다. 그리고, 본 명세서에 있어서, 열 저항의 저하량(℃/W)이 플러스인 경우는 열 저항의 값이 저하한 것을 나타내고, 마이너스인 경우는 열 저항의 값이 증대된 것을 나타낸다.
또한, 본 명세서에 있어서, 열전도 시트의 협착면의 면적을 피착면의 면적보다 작게 함으로써 저하한 열 저항의 비율(열 저항의 감소 비율)은, 상기 X1및 X2를 이용하여, 하기 식(III):
열저항의 저하 비율 ＝（X1／X2）×100　...（III）
으로 구할 수 있다. 그리고, 열 저항의 감소 비율(%)이 100% 미만인 경우는 열 저항의 값이 저하한 것을 나타내고, 100% 초과인 경우는 열 저항의 값이 증대된 것을 나타낸다.
（실시예 1）
＜CNT를 포함하는 섬유상 탄소 나노 구조체의 조제＞
국제 공개 제2006/011655호의 기재에 따라서, 슈퍼그로스법에 의해서 SGCNT를 포함하는 섬유상 탄소 나노 구조체를 얻었다.
또한, 얻어진 섬유의 탄소 나노 구조체는, G/D비가 3.0, BET 비표면적이 800m2/g, 질량 밀도가 0.03g/cm3이었다. 또한, 투과형 전자 현미경을 이용하고, 무작위로 선택한 100개의 섬유상의 탄소 나노 구조체의 직경을 측정한 결과, 평균 직경(Av)이 3.3nm, 직경의 표본 표준 편차(σ)에 3을 곱한 값(3σ)이 1.9nm, 그들의 비(3σ/Av)가 0.58, 평균 길이가 100μm이었다. 또한, 얻어진 섬유상의 탄소 나노 구조체는, 주로 단층 CNT(이하, 「SWCNT」라고 칭하는 경우가 있다.)에 의해 구성되어 있었다.
＜섬유상 탄소 나노 구조체의 이분산성(易分散性) 집합체의 조제＞
［분산액의 조제］
섬유상 탄소 재료로서의, 상술에서 얻어진 섬유상의 탄소 나노 구조체를 400mg 양을 재어 취하고, 용매로서의 메틸에틸케톤 2L 중에 섞고, 호모게나이저에 의해 2분간 교반하여, 조분산액을 얻었다. 다음으로, 습식 제트밀(주식회사죠코산제, 제품명 「JN-20」)을 사용하고, 얻어진 조분산액을 습식 제트밀의 0.5mm의 유로에 100MPa의 압력으로 2사이클 통과시켜, 섬유상의 탄소 나노 구조체를 메틸에틸케톤에 분산시켰다. 그리고, 고형분 농도 0.20질량%의 분산액을 얻었다.
［용매의 제거］
그 후, 상술에서 얻어진 분산액을 키리야마 여과지(No.5A)를 이용하여 감압 여과하고, 시트상의 이분산성 집합체를 얻었다.
＜열전도 시트용 조성물의 조제＞
섬유상 탄소 재료로서의, 살술에서 얻어진 섬유상의 탄소 나노 구조체의 이분산성 집합체를 0.1질량부와, 입자상 탄소 재료로서의 팽창화 흑연(이토흑연공업주식회사제, 상품명 「EC-50」, 평균 입자경: 250μm)을 85질량부와, 수지로서의 상온에서 고체인 열가소성 불소 수지(다이킨공업주식 회사제, 상품명 「다이엘 G-704BP」) 40 질량부 및 상온에서 액체인 열가소성 불소 수지(다이킨공업주식회사제, 상품명 「다이엘 G-101」) 45질량부와, 가소제로서의 세바스산에스테르(다이하치화학공업주식회사제, 상품명 「DOS」) 5질량부를, 용매로서의 초산에틸 100부의 존재하에 있어서, 호바트 믹서(주식회사 코다이라제작소제, 제품명 「ACM-5LVT형」)를 사용하여 5분 교반 혼합했다. 다음으로, 얻어진 교반 혼합물을 30분 진공 탈포하고, 탈포와 동시에 초산에틸의 제거를 실시함으로써, 상온에서 고체인 열가소성 불소 수지와, 상온에서 액체인 열가소성 불소 수지와, 팽창화 흑연과, 섬유의 탄소 나노 구조체(SGCNT)를 포함하는, 열전도 시트용 조성물을 얻었다. 그리고, 얻어진 조성물을 해쇄기에 투입하여, 10초간 해쇄했다.
＜프리 열전도 시트의 형성＞
이어서, 해쇄한 조성물 5g을, 샌드 블라스트 처리를 실시한 두께 50μm의 PET 필름(보호 필름) 사이에 두고, 롤 간극 550μm, 롤 온도 50℃, 롤 선압 50kg/cm, 롤 속도 1m/분의 조건에서 압연 성형하여, 두께 0.5mm의 프리 열전도 시트를 얻었다.
＜적층체의 형성＞
이어서, 얻어진 프리 열전도 시트를 세로60mm×가로60mm×두께0.5mm로 재단하고, 프리 열전도 시트의 두께 방향으로 120매 양면 테이프로 적층하여, 두께 약 60mm의 적층체를 얻었다.
＜열전도 시트의 제작＞
그 후, 얻어진 프리 열전도 시트의 적층체의 적층 단면을, 0.3MPa의 압력으로 누르면서, 목공용 슬라이서(주식회사 마루나카철공소제, 상품명 「슈퍼 피니싱 대패반 슈퍼메카 S」를 이용하여, 적층 방향에 대해서 0도 각도로 슬라이스(환언하면, 적층된 프리 열전도 시트의 주면의 법선 방향으로 슬라이스)하고, 세로60mm×가로60mm×두께0.3mm의 열전도 시트의 원편을 얻었다. 또한, 얻어진 원편의 사이즈를 세로15mm×가로15mm×두께0.3mm로 함으로써, 열전도 시트를 얻었다.
또한, 이렇게 하여 얻어진 열전도 시트의 협착면은, 외경이 세로15mm×가로15mm의 사각형이 되고, 면적은 225mm2이다.
또한, 목공용 슬라이서의 나이프는, 2매의 외날이, 절단날의 반대 측끼리 접촉하고, 겉날의 날끝의 최선단이 안날의 날끝의 최선단보다도 0.5mm 높게 슬릿부로부터의 돌출 길이 0.11mm에 배치되고, 겉날의 날각 21°인 2매 날의 것을 사용했다.
그리고, 얻어진 열전도 시트에 대해서, 상술한 측정 방법에 따라서, 열전도율 및 아스카 C 경도를 측정했다. 결과를 표 1에 나타낸다.
＜방열 장치의 제조＞
발열체로서, IGBT탑재 파워 모듈(STMicroelectronics사제, 형번(型番) 「STGE200NB60S」, 표면 요철: 30μm, 표면 요철 형상: 요형)을 준비했다. 여기서, 당해 발열체의 표면 요철 및 표면 요철 형상에 대해서는, 상술한 측정 방법에 따라서, 측정, 결정했다. 결과를 표 1에도 나타낸다.
또한, 방열체로서 알루미늄제의 히트 싱크(키나스디자인제, 제품명 「PDS-100」, 펠티에 소자 냉각, 표면 요철: 5μm 이하)를 준비했다.
또한, 준비한 발열체의 대향 전체면은, 외경이 세로38mm×가로25mm의 사각형, 면적이 950mm2이며, 준비한 방열체의 대향 전체면은, 외경이 세로50mm×가로50mm의 사각형, 면적이 2500mm2이었다. 또한, 발열체 및 방열체의 피착면의 면적은 950mm2이었다.
그리고, 상기 발열체의 방열체와 마주하는 측의 면의 대략 중심 개소와, 열전도 시트의 대략 중심 개소가 겹치도록, 발열체 상에 상술에서 얻어진 열전도 시트를 첩합시켰다. 또한, 첩합시킨 열전도 시트의 발열체와 접하고 있지 않는 면과, 상기 방열체를, 각각의 대략 중심 개소가 겹치도록 접촉시켰다. 또한, 열전도 시트를 통해서 대향하고 있는 발열체 및 방열체를, 열전도 시트에 0.5MPa의 힘이 걸리도록 가압 장치(키나스디자인제, 제품명 「PDPT-50-250N」)를 이용하여 가압했다.
그리고, 제조된 방열 장치에 대해서, 상술한 측정 방법에 따라서, 열 저항의 값을 측정했다. 결과를 표 1에 나타낸다.
（실시예 2）
방열 장치의 제조에 있어서, 발열체의 종류를, 실시예 1과는 상이한 종류의 IGBT탑재 파워 모듈(Vishay사제, 형번 「VS-GA200SA60UP」, 표면 요철: 10μm, 표면 요철 형상: 요형)로 변경한 이외는 실시예 1과 마찬가지로 하여, 열전도 시트용 조성물, 프리 열전도 시트, 열전도 시트, 및 방열 장치를 제조했다. 또한, 준비한 발열체의 대향 전체면은, 외경이 세로38mm×가로25mm의 사각형, 면적은 950mm2이며, 준비한 방열체의 대향 전체면은, 외경이 세로50mm×가로50mm의 사각형, 면적은 2500mm2이었다. 또한, 발열체 및 방열체의 피착면의 면적은 950mm2이었다.
그리고, 실시예 1과 마찬가지로 하여 측정했다. 결과를 표 1에 나타낸다.
（실시예 3）
방열 장치의 제조에 있어서, 발열체의 종류를, 실시예 1과는 상이한 종류의 IGBT탑재 파워 모듈(IXYS사제, 형번 「IXYN80N90C3H1」, 표면 요철: 40μm, 표면 요철 형상: 철형)로 변경한 이외는 실시예 1과 마찬가지로 하여, 열전도 시트용 조성물, 프리 열전도 시트, 열전도 시트, 및 방열 장치를 제조했다. 또한, 준비한 발열체의 대향 전체면은, 외경이 세로38mm×가로5mm의 사각형, 면적은 950mm2이며, 준비한 방열체의 대향 전체면은, 외경이 세로50mm×가로50mm의 사각형, 면적은 2500mm2이었다. 또한, 발열체 및 방열체의 피착면의 면적은 950mm2이었다.
그리고, 실시예 1과 마찬가지로 하여 측정했다. 결과를 표 1에 나타낸다.
（실시예 4）
열전도 시트용 조성물의 조제에 있어서, 이하대로 조성물을 조제했다.
또한, 방열 장치의 제조에 있어서, 발열체의 종류를, 실시예 1과는 상이한 종류의 IGBT탑재 파워 모듈(Vishay사제, 형번명 「VS-GA200SA60UP」, 표면 요철: 10μm, 표면 요철 형상: 요형)로 변경한 이외는 실시예 1와 마찬가지로 하여, 열전도 시트용 조성물, 프리 열전도 시트, 열전도 시트, 및 방열 장치를 제조했다. 또한, 준비한 발열체의 대향 전체면은, 외경이 세로38mm×가로25mm의 사각형, 면적은 950mm2이며, 준비한 방열체의 대향 전체면은, 외경이 세로50mm×가로50mm의 사각형, 면적은 2500mm2이었다. 또한, 발열체 및 방열체의 피착면의 면적은 950mm2이었다.
그리고, 실시예 1과 마찬가지로 하여 측정했다. 결과를 표 1에 나타낸다.
＜열전도 시트용 조성물의 조제＞
섬유상 탄소 재료로서의, 섬유상의 탄소 나노 구조체의 이분산성 집합체를 0.1질량부와, 입자상 탄소 재료로서의 팽창화 흑연(이토 흑연공업주식회사제, 상품명 「EC-100」, 평균 입자경: 190μm)을 50질량부와, 수지로서의 상온에서 액체인 열가소성 불소 수지(다이킨 공업주식회사제, 상품명 「다이엘G-101」) 100 질량부를, 호바트 믹서(주식회사 샤오핑제작소제, 상품명 「ACM-5LVT형」)에 투입하고, 온도 80℃까지 승온, 유지하고, 30분간 교반 혼합했다. 당해 혼합에 의해, 상온에서 액체인 열가소성 불소 수지와, 팽창화 흑연과, 섬유상의 탄소 나노 구조체(SGCNT)를 포함하는, 열전도 시트용 조성물을 얻었다. 그리고, 얻어진 조성물을 원더 크래쉬 밀(오사카케미칼 주식회사제, 제품명 「D3V-10」)에 투입하고, 1분간 해쇄했다.
（실시예 5）
열전도 시트의 제작에 있어서, 적층체를 세로60mm×가로60mm×두께1.3mm의 사이즈로 슬라이스하여 열전도 시트의 원편을 얻었다. 또한, 얻어진 원편의 사이즈를 세로15mm×가로15mm×두께1.3mm로 하고 열전도 시트를 얻은 이외는 실시예 4와 마찬가지로 하여, 열전도 시트용 조성물, 프리 열전도 시트, 열전도 시트, 및 방열 장치를 제조했다. 또한, 이렇게 하여 얻어진 열전도 시트의 협착면은, 외경이 세로15mm×가로15mm의 사각형이 되고, 면적은 225mm2이다.
그리고, 실시예 1과 마찬가지로 하여 측정했다. 결과를 표 1에 나타낸다.
（실시예 6）
열전도 시트의 제작에 있어서, 얻어진 원편의 사이즈를 세로25mm×가로25mm×두께0.3mm로 하고 열전도 시트를 얻은 이외는 실시예 1와 마찬가지로 하여, 열전도 시트용 조성물, 프리 열전도 시트, 열전도 시트, 및 방열 장치를 제조했다. 또한, 이렇게 하여 얻어진 열전도 시트의 협착면은, 외경이 세로25mm×가로25m의 사각형이 되고, 면적은 625mm2이다.
그리고, 실시예 1과 마찬가지로 하여 측정했다. 결과를 표 1에 나타낸다.
（비교예 1~4）
비교예 1~4는, 주로, 상기 실시예 1~4와, 방열 장치의 열 저항을 각각 비교하기 위한 예이다.
열전도 시트의 제작에 있어서, 원편의 사이즈를 세로38mm×가로25mm×두께0.3mm로 하고 열전도 시트를 얻었다. 또한, 이렇게 하여 얻어진 열전도 시트의 협착면은, 외경이 세로38mm×가로25mm의 사각형이 되고, 면적은 950mm2이다.
또한, 방열 장치의 제조에 있어서, 열전도 시트가 발열체의 방열체와 마주하는 측의 면 전체를 덮을 수 있도록, 발열체 상에 열전도 시트를 첩합시킨 이외는 각각 실시예 1~4와 마찬가지로 하여, 열전도 시트용 조성물, 프리 열전도 시트, 열전도 시트, 및 방열 장치를 제조했다.
그리고, 실시예 1과 마찬가지로 하여 측정했다. 결과를 표 1에 나타낸다.
（비교예 5）
비교예 5는, 주로, 상기 실시예 5와, 방열 장치의 열 저항을 비교하기 위한 예이다.
열전도 시트의 제작에 있어서, 얻어진 원편의 사이즈를 세로38mm×가로25mm×두께1.3mm로 하고 열전도 시트를 얻었다. 또한, 이렇게 하여 얻어진 열전도 시트의 협착면은, 외경이 세로38mm×가로25mm의 사각형이 되고, 면적은 950mm2이다.
또한, 방열 장치의 제조에 있어서, 열전도 시트가 발열체의 방열체와 마주하는 측의 면 전체를 덮을 수 있도록, 발열체 상에 열전도 시트를 첩합시킨 이외는 실시예 5와 마찬가지로 하여, 열전도 시트용 조성물, 프리 열전도 시트, 열전도 시트, 및 방열 장치를 제조했다.
그리고, 실시예 1과 마찬가지로 하여 측정했다. 결과를 표 1에 나타낸다.
（비교예 6）
비교예 6은, 주로, 상기 실시예 6과, 방열 장치의 열 저항을 비교하기 위한 예이다.
열전도 시트의 제작에 있어서, 원편의 사이즈를 세로38mm×가로25mm×두께 0.3mm로 하고 열전도 시트를 얻었다. 또한, 이렇게 하여 얻어진 열전도 시트의 협착면은, 외경이 세로38mm×가로25mm의 사각형이 되고, 면적은 950mm2이다.
또한, 방열 장치의 제조에 있어서, 열전도 시트가 발열체의 방열체와 마주하는 측의 면 전체를 덮을 수 있도록, 발열체 상에 열전도 시트를 첩합시킨 이외는 실시예 6과 마찬가지로 하여, 열전도 시트용 조성물, 프리 열전도 시트, 열전도 시트 및 방열 장치를 제조했다.
그리고, 실시예 1과 마찬가지로 하여 측정했다. 결과를 표 1에 나타낸다.
（비교예 7）
열전도 시트를 제작하는 일 없이, 실시예 1에 기재한 방법으로 제작한 열전도 시트에 대체하여, 시판의 열전도 시트(덴카주식회사제, 형번 「FSL-050B」, 외경: 세로15mm×가로15mm×두께0.5mm로 조정)를 사용한 이외는 실시예 1과 마찬가지로 하여 방열 장치를 제조했다. 또한, 이렇게 하여 얻어진 열전도 시트의 협착면은, 외경이 세로15mm×가로15mm의 사각형이 되고, 면적은 225mm2이다.
그리고, 실시예 1과 마찬가지로 하여 측정했다. 결과를 표 1에 나타낸다.
（비교예 8）
열전도 시트를 제작하는 일 없이, 실시예 1에 기재한 방법으로 제작한 열전도 시트에 대체하여, 시판의 열전도 시트(덴카주식회사제, 형번 「FSL-050B」, 외경: 세로15mm×가로15mm×두께0.5mm로 조정)를 사용했다. 또한, 이렇게 하여 얻어진 열전도 시트의 협착면은, 외경이 세로15mm×가로15mm의 사각형이 되며, 면적은 225mm2이다.
또한, 방열 장치의 제조에 있어서, 발열체의 종류를, 실시예 1과는 상이한 종류의 IGBT탑재 파워 모듈(Vishay사제, 형번 「VS-GA200SA60UP」, 표면 요철: 10μm, 표면 요철 형상: 요형)로 변경한 이외는 실시예 1과 마찬가지로 하여 방열 장치를 제조했다. 또한, 준비한 발열체의 대향 전체면은, 외경이 세로38mm×가로25mm의 사각형, 면적은 950mm2이며, 준비한 방열체의 대향 전체면은, 외경이 세로50mm×가로50mm의 사각형, 면적은 2500mm2이었다. 또한, 발열체 및 방열체의 피착면의 면적은 950mm2이었다.
그리고, 실시예 1과 마찬가지로 하여 측정했다. 결과를 표 1에 나타낸다.
（비교예 9）
열전도 시트를 제작하는 일 없이, 실시예 1에 기재한 방법으로 제작한 열전도 시트에 대체하여, 시판의 열전도 시트(덴카주식회사제, 형번「FSL-050B」, 외경: 세로15mm×가로15mm×두께0.5mm로 조정)를 사용했다. 또한, 이렇게 하여 얻어진 열전도 시트의 협착면은, 외경이 세로15mm×가로15mm의 사각형이 되고, 면적은 225mm2이다.
또한, 방열 장치의 제조에 있어서, 발열체의 종류를, 실시예 1과는 상이한 종류의 IGBT탑재 파워 모듈(IXYS사제, 형번명 「IXYN80N90C3H1」, 표면 요철: 40μm, 표면 요철 형상: 철형)로 변경한 이외는 실시예 1과 마찬가지로 하여 방열 장치를 제조했다. 또한, 준비한 발열체의 대향 전체면은, 외경이 세로38mm×가로25mm의 사각형, 면적은 950mm2이며, 준비한 방열체의 대향 전체면은, 외경이 세로50mm×가로50mm의 사각형, 면적은 2500mm2이었다. 또한, 발열체 및 방열체의 피착면의 면적은 950mm2이었다.
그리고 실시예 1과 마찬가지로 하여 측정했다. 결과를 표 1에 나타낸다.
（비교예 10~12）
비교예 10~12는, 주로, 상기 비교예 7~9와, 방열 장치의 열 저항을 각각 비교하기 위한 예이다.
열전도 시트를 제작하는 일 없이, 시판의 열전도 시트의 사이즈를 세로38mm×가로25mm×두께0.5mm로 하고 열전도 시트로 사용했다. 또한, 이렇게 하여 얻어진 열전도 시트의 협착면은, 외경이 세로38mm×가로25mm의 사각형이 되고, 면적은 950mm2이다.
또한, 방열 장치의 제조에 있어서, 열전도 시트가 발열체의 방열체와 마주하는 측의 면 전체를 덮을 수 있도록, 발열체 상에 열전도 시트를 첩합시킨 이외는 각각 비교예 7~9와 마찬가지로 하여 방열 장치를 제조했다.
그리고, 실시예 1과 마찬가지로 하여 측정했다. 결과를 표 1에 나타낸다.
Figure pct00001
표 1에서, 소정 이상의 높은 열전도율을 갖는 열전도 시트를 사용하고, 또한 열전도 시트의 협착면의 면적을 발열체 및 방열체의 피착면의 면적보다 작게 한 실시예 1~6에서는, 열전도 시트의 열전도율이 소정 미만인 비교예 7~12와 비교하여, 열 저항값이 낮고, 방열 장치의 방열성이 높은 것을 알 수 있다.
또한, 소정 이상의 높은 열전도율을 갖는 열전도 시트를 사용하고, 또한 열전도 시트의 협착면의 면적을 발열체 및 방열체의 피착면의 면적보다 작게 한 실시예 1~6에서는, 각각 같은 열전도 시트를 사용하고, 또한 열전도 시트의 협착면의 면적을 피착면의 면적과 같게 한 비교예 1~6과 비교하여, 모든 비교 패턴(예를 들어, 실시예 1 및 비교예 1~실시예 6 및 비교예 6의 각 패턴)에 있어서, 열 저항의 값이 저하하고, 방열 장치의 방열성이 향상하고 있는 것을 알 수 있다.
한편, 열전도 시트의 열전도율이 소정 미만인 비교예 7~12의 경우는, 열전도 시트의 협착면의 면적을 피착면의 면적보다도 작게 한 비교예 7~9에서는, 각각 열전도 시트의 협착면의 면적을 피착면의 면적과 같게 한 비교예 10~12와 비교하여, 열 저항값이 증대하고, 방열 장치의 방열성이 악화하고 있는 것을 알 수 있다.
본 발명에 의하면, 높은 방열성을 실현할 수 있는 방열 장치를 제공할 수 있다.

Claims (7)

  1. 발열체와, 방열체와, 상기 발열체 및 상기 방열체 사이에 협착된 열전도 시트를 구비하는 방열 장치로서,
    상기 열전도 시트의 두께 방향의 열전도율이 15W/m·K 이상이고,
    상기 열전도 시트의 협착면의 면적이, 상기 발열체 및 상기 방열체의 피착면의 면적보다 작은 것을 특징으로 하는, 방열 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전도 시트의, 25℃에서의 아스카 C 경도가 30 이상인, 방열 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 열전도 시트의 두께가 2.0mm 이하인, 방열 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발열체 및 상기 방열체의 피착면의 면적에 대한, 상기 열전도 시트의 협착면의 면적의 비율이 10% 이상 70% 이하인, 방열 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발열체 및 상기 방열체의 피착면의 적어도 일방의 표면 요철이 5μm 초과인, 방열 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열전도 시트가 수지와 탄소 재료를 포함하는, 방열 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 수지가 열가소성 수지인, 방열 장치.
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