WO2021039383A1 - カーボンナノチューブ構造体およびカーボンナノチューブ構造体の製造方法 - Google Patents

カーボンナノチューブ構造体およびカーボンナノチューブ構造体の製造方法 Download PDF

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WO2021039383A1
WO2021039383A1 PCT/JP2020/030606 JP2020030606W WO2021039383A1 WO 2021039383 A1 WO2021039383 A1 WO 2021039383A1 JP 2020030606 W JP2020030606 W JP 2020030606W WO 2021039383 A1 WO2021039383 A1 WO 2021039383A1
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adhesive layer
heating element
array
cnt
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PCT/JP2020/030606
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井上　鉄也
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日立造船株式会社
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    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials
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    • C01B32/158—Carbon nanotubes
    • C01B32/168—After-treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
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    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating

Definitions

  • the present invention relates to a carbon nanotube structure and a method for producing a carbon nanotube structure.
  • TIM Thermal Interface Material
  • the carbon nanotube aggregate, the thermoplastic resin portion formed in the central region of the carbon nanotube aggregate, and the uncured thermosetting region formed in the outer peripheral region of the carbon nanotube aggregate so as to surround the thermoplastic resin portion A carbon nanotube sheet having a resin portion has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
  • the carbon nanotube sheet is arranged on a semiconductor element connected to a wiring board. Further, a heat spreader having a flat plate portion and an annular protruding portion protruding from the peripheral edge of the flat plate portion is prepared. Then, the heat spreader is arranged on the wiring board so that the carbon nanotube sheet is located between the flat plate portion and the semiconductor element. In addition, a thermosetting adhesive is placed between the protrusion of the heat spreader and the wiring board.
  • the carbon nanotube sheet described in Patent Document 1 since the carbon nanotube aggregate is embedded in the thermoplastic resin portion and the thermosetting resin portion, the resin is formed at the interface between the carbon nanotube sheet and the heat spreader and / or the semiconductor element. In some cases, the carbon nanotubes cannot make stable contact with the heat spreader and / or the semiconductor element due to interference, and the heat generated from the semiconductor element cannot be efficiently conducted to the heat spreader. In addition, it was difficult to pour each resin into the gaps in the carbon nanotube aggregate to impregnate it.
  • the present invention provides a carbon nanotube structure having excellent heat dissipation performance and a method for manufacturing a carbon nanotube structure having high manufacturing efficiency.
  • the present invention [1] relates to a carbon nanotube array in which a plurality of carbon nanotubes are oriented in a predetermined direction, a first member that contacts the carbon nanotube array from one of the predetermined directions, and the carbon nanotube array.
  • a second member that comes into contact with the other in a predetermined direction and an adhesive layer that adheres the first member and the second member are provided, and the adhesive layer surrounds the carbon nanotube array to form the carbon. It contains a carbon nanotube structure that forms the space in which the nanotube array is placed.
  • the adhesive layer surrounds the carbon nanotube array to form a space in which the carbon nanotube array is arranged, and adheres the first member and the second member. Therefore, the adhesive layer can be prevented from interfering with the interface between the carbon nanotube array and the first member and the interface between the carbon nanotube array and the second member, while the adhesive layer is formed between the first member and the second member. Adhere to the member. As a result, the plurality of carbon nanotubes contained in the carbon nanotube array can stably contact the first member and / or the second member. As a result, excellent heat dissipation performance can be ensured.
  • the adhesive layer contains the carbon nanotube structure according to the above [1], which contains a curable adhesive.
  • the adhesive layer can be cured. Therefore, the adhesive layer can firmly bond the first member and the second member.
  • the present invention [3] comprises a step of arranging a carbon nanotube array in which a plurality of carbon nanotubes are oriented in a predetermined direction so that one surface of the carbon nanotube array in the predetermined direction is in contact with the first member, and the carbon.
  • the adhesive layer adheres the first member and the second member.
  • the carbon nanotube array can be used as it is for manufacturing the carbon nanotube structure.
  • the plurality of carbon nanotubes can be stably contacted with the first member and / or the second member, and the production efficiency of the carbon nanotube structure can be improved.
  • the adhesive layer adheres the first member and the second member in a state where a predetermined pressure is applied in the direction in which the first member and the second member approach each other. Therefore, a member that applies pressure so that the first member and the second member approach each other while being able to stably follow the surface irregularities of the first member and / or the second member with a plurality of carbon nanotubes.
  • the number of parts can be reduced as compared with the case where it is provided separately.
  • the present invention [4] comprises the method for producing a carbon nanotube structure according to the above [3], wherein the first member and a part of one surface of the carbon nanotube array in the predetermined direction are joined. Includes.
  • the adhesive layer can be smoothly arranged on the first member so as to surround the carbon nanotube array.
  • the carbon nanotubes are compared with the thickness of the carbon nanotube array before contacting with the second member.
  • the first member and the second member are adhered to each other in a state where a predetermined pressure is applied in a direction in which the first member and the second member approach each other so that the thickness of the array is 2/3 or less.
  • the method for producing a carbon nanotube structure according to the above [3] or [4] is included.
  • the thickness of the carbon nanotube array is 2/3 or less in the state where the adhesive layer adheres the first member and the second member, so that a plurality of carbon nanotubes can be used as the first member and / or. Alternatively, it can be pressed against the surface of the second member. Therefore, the plurality of carbon nanotubes can be made to follow more stably due to the unevenness of the surface of the first member and / or the second member.
  • the adhesive layer contains a photocurable adhesive, and the carbon nanotube array in the predetermined direction in the step of the adhesive layer adhering the first member and the second member.
  • a second member is brought into contact with the other surface of the adhesive layer, and the adhesive layer is cured by light of a specific wavelength in a state where a predetermined pressure is applied in a direction in which the first member and the second member approach each other.
  • the method for producing a carbon nanotube structure according to any one of the above [3] to [5], which adheres the first member and the second member.
  • the adhesive layer containing the photocurable adhesive can be cured by light of a specific wavelength, so that the first member and the second member can be smoothly adhered to each other.
  • the carbon nanotube structure of the present invention has excellent heat dissipation performance.
  • the method for producing a carbon nanotube structure of the present invention can efficiently produce a carbon nanotube structure.
  • FIG. 1A is a side sectional view of the carbon nanotube structure of the present invention according to the first embodiment.
  • FIG. 1B is an exploded perspective view during the production of the carbon nanotube structure shown in FIG. 1A.
  • FIG. 2A is an explanatory diagram for explaining the method for manufacturing the carbon nanotube array shown in FIG. 1A, and shows a step of forming a catalyst layer on a substrate.
  • FIG. 2B shows a step of heating the substrate to agglomerate the catalyst layer into a plurality of granules, following FIG. 2A.
  • FIG. 2C shows a step of supplying raw material gas to a plurality of granules to grow a plurality of carbon nanotubes, following FIG. 2B.
  • FIG. 2A is a side sectional view of the carbon nanotube structure of the present invention according to the first embodiment.
  • FIG. 1B is an exploded perspective view during the production of the carbon nanotube structure shown in FIG. 1A.
  • FIG. 2A is an ex
  • FIG. 2D shows a step of peeling VACNTs from the substrate following FIG. 2C.
  • FIG. 3A is an explanatory diagram for explaining the method for manufacturing the carbon nanotube structure shown in FIG. 1A, and shows a step of arranging the carbon nanotube array on the heat radiating body.
  • FIG. 3B shows a step of arranging the adhesive layer on the radiator, following FIG. 3A.
  • FIG. 3C shows a step in which the adhesive layer adheres the radiator and the heating element, following FIG. 3B.
  • FIG. 4 is a side sectional view of the carbon nanotube structure of the present invention according to the second embodiment.
  • FIG. 5 is a side sectional view of the carbon nanotube structure of the present invention according to the third embodiment.
  • CNT structure 1 The carbon nanotube structure 1 (hereinafter referred to as CNT structure 1) as the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1A and 1B.
  • the CNT structure 1 includes a carbon nanotube array 2 (hereinafter referred to as a CNT array 2), a heating element 4 as an example of the first member, and an example of the second member.
  • the heating element 3 and the adhesive layer 5 are provided.
  • the first member may be a heating element 3, and the second member may be a heating element 4.
  • the carbon nanotube array CNT array 2 is a group of vertically oriented carbon nanotubes 26 (described later; Vertically Aligned carbon nanotubes; hereinafter referred to as VACNTs 26) peeled off from the substrate 20 (described later; see FIG. 2C), and is a plurality of carbon nanotubes. It is an aggregate of carbon nanotubes formed in a sheet shape from 25 (hereinafter referred to as CNT25).
  • a plurality of CNTs 25 are oriented in the thickness direction (predetermined direction) of the CNT array 2 and are adjacent to each other in the plane direction (longitudinal direction and horizontal direction) orthogonal to the thickness direction. They are arranged so that they have a shape.
  • the CNT array 2 holds the shape so that a plurality of CNTs 25 come into contact with each other in the surface direction in a state of being peeled off from the substrate 20 (described later).
  • the shape of the CNT array 2 is not particularly limited, but in the present embodiment, the CNT array 2 has a rectangular shape in a plan view.
  • the CNT array 2 has flexibility.
  • a van der Waals force acts between the CNTs 25 adjacent to each other.
  • the CNT 25 may be any of single-walled carbon nanotubes, double-walled carbon nanotubes, and multi-walled carbon nanotubes, and is preferably multi-walled carbon nanotubes. These CNTs 25 can be used alone or in combination of two or more.
  • the average outer diameter of the CNT 25 is, for example, 1 nm or more, preferably 5 nm or more, for example, 100 nm or less, preferably 50 nm or less, and more preferably 20 nm or less.
  • the average length (average axial dimension) of the CNT 25 is, for example, 1 ⁇ m or more, preferably 100 ⁇ m or more, for example, 1000 ⁇ m or less, preferably 500 ⁇ m or less.
  • the number of layers, the average outer diameter and the average length of the CNT 25 are measured by a known method such as Raman spectroscopic analysis or electron microscope observation.
  • the thickness range of the CNT array 2 is the same as the average length range of the CNT 25 described above.
  • the average bulk density of the CNT array 2 is, for example, 10 mg / cm 3 or more, preferably 20 mg / cm 3 or more, more preferably 50 mg / cm 3 or more, for example 500 mg / cm 3 or less, preferably 300 mg / cm. 3 or less, more preferably 200 mg / cm 3 or less.
  • the average bulk density of the CNT array 2 is, for example, the mass per unit area (grain: unit mg / cm 2 ) and the average length of carbon nanotubes (SEM (manufactured by JEOL Ltd.) or a non-contact film thickness meter (SEM). It is calculated from) measured by Keyence).
  • the thermal conductivity of the CNT array 2 can be sufficiently secured.
  • the substrate 20 is not particularly limited, and examples thereof include known substrates used in the CVD method, and commercially available products can be used. Specific examples of the substrate 20 include a silicon substrate and a stainless steel substrate 21 on which the silicon dioxide film 22 is laminated, and preferably a stainless steel substrate 21 on which the silicon dioxide film 22 is laminated. 2A to 2C show an embodiment in which the substrate 20 is a stainless steel substrate 21 on which the silicon dioxide film 22 is laminated.
  • the catalyst layer 23 is formed on the silicon dioxide film 22 (substrate 20).
  • a metal catalyst is formed on the silicon dioxide film 22 by a known film forming method.
  • metal catalyst examples include iron, cobalt, nickel and the like, and iron is preferable. Such metal catalysts can be used alone or in combination of two or more.
  • film forming method examples include vacuum vapor deposition and sputtering, and preferably vacuum vapor deposition.
  • the substrate 20 on which the catalyst layer 23 is arranged is heated to, for example, 700 ° C. or higher and 900 ° C. or lower.
  • the catalyst layer 23 aggregates into a plurality of granules 23A.
  • the raw material gas is supplied to the heated substrate 20 for, for example, 1 minute or more and 30 minutes or less.
  • the raw material gas contains a hydrocarbon gas having 1 to 4 carbon atoms (lower hydrocarbon gas).
  • the hydrocarbon gas having 1 to 4 carbon atoms include methane gas, ethane gas, propane gas, butane gas, ethylene gas, acetylene gas, and the like, and acetylene gas is preferable.
  • the raw material gas may also contain hydrogen gas, an inert gas (for example, helium, argon, etc.), water vapor, and the like, if necessary.
  • a plurality of CNTs 25 grow from each of the plurality of granules 23A as a starting point.
  • FIG. 2C for convenience, it is described that one CNT 25 grows from one granule 23A, but the present invention is not limited to this, and even if a plurality of CNTs 25 grow from one granule 23A. Good.
  • the plurality of CNTs 25 extend on the substrate 20 in the thickness direction of the substrate 20 so as to be substantially parallel to each other, and are oriented (oriented vertically) so as to be orthogonal to the substrate 20.
  • VACNTs26 composed of a plurality of CNTs 25 grow on the substrate 20.
  • VACNTs26 the plurality of CNTs 25 are densely packed with each other in the plane direction of the substrate 20.
  • the bulk density of VACNTs26 is, for example, 10 mg / cm 3 or more, preferably 20 mg / cm 3 or more, for example 60 mg / cm 3 or less, preferably 50 mg / cm 3 or less.
  • the VACNTs26 are peeled from the substrate 20 to form the CNT array 2.
  • a cutting blade for example, a cutter blade, a razor, etc.
  • a cutting blade is slid along the upper surface of the substrate 20 to cut a plurality of CNT 25 base ends (board 20 side ends) at once.
  • the VACNTs 26 are separated from the substrate 20.
  • the separated VACNTs 26 are pulled up from the substrate 20. As described above, the VACNTs 26 are peeled off from the substrate 20 to prepare the CNT array 2.
  • the CNT array 2 can be used as it is for the CNT structure 1, but may be subjected to a high density treatment from the viewpoint of improving various characteristics (for example, thermal conductivity).
  • Examples of the densification treatment include a method of heat-treating the CNT array 2, a method of supplying a volatile liquid (for example, water, an organic solvent, etc.) to the CNT array 2 to vaporize the CNT array 2, and mechanically processing the CNT array 2.
  • Examples include the method of compression.
  • the densification process is performed at least once and can be repeated multiple times.
  • the same densification treatment may be repeated a plurality of times, or a plurality of types of densification treatments may be combined and carried out.
  • a method of heat-treating the CNT array 2 is preferable. Specifically, the CNT array 2 is heated under the following conditions in an inert gas atmosphere.
  • the inert gas examples include nitrogen, argon and the like, and preferably argon and the like.
  • the heating temperature for increasing the density is, for example, 2600 ° C. or higher, preferably 2700 ° C. or higher, more preferably 2800 ° C. or higher.
  • the heating temperature may be lower than the sublimation temperature of the plurality of CNTs 25, and is preferably 3000 ° C. or lower.
  • the heating time for densification is, for example, 10 minutes or more, preferably 1 hour or more, for example, 5 hours or less, preferably 3 hours or less.
  • the CNT array 2 When the CNT array 2 is heat-treated, the CNTs 25 adjacent to each other in the CNT array 2 become bundled while maintaining the orientation (linearity) due to the van der Waals force acting between them. Densely. As a result, the entire CNT array 2 is uniformly densely packed, and the CNT array 2 becomes denser. After that, the CNT array 2 is cooled (for example, naturally cooled) if necessary.
  • the G / D ratio of the CNT array 2 after the heat treatment is, for example, 2 or more, preferably 5 or more, more preferably more than 10, and for example, 20 or less, preferably 15 or less.
  • the G / D ratio is the ratio of the spectral intensity of the peak called the G band observed near 1590 cm -1 to the spectral intensity of the peak called the D band observed near 1350 cm -1 in the Raman spectrum of carbon nanotubes. Is.
  • the D-band spectrum is derived from defects in carbon nanotubes, and the G-band spectrum is derived from in-plane oscillations of the six-membered ring of carbon.
  • the crystallinity of the CNT 25 can be improved and the thermal conductivity of the CNT array 2 can be improved.
  • the heat dissipator 4 contacts the CNT array 2 from one of the thickness directions of the CNT array 2.
  • the CNT array 2 is arranged on the radiator 4.
  • Examples of the heat radiating body 4 include a heat sink and a heat spreader.
  • the shape of the heat radiating body 4 is not particularly limited, but in the present embodiment, the heat radiating body 4 has a flat plate shape having a rectangular shape in a plan view.
  • the size of the heating element 4 is larger than the size of the CNT array 2 and larger than the size of the heating element 3. That is, the CNT array 2 is included in the radiator 4 in a plan view.
  • the surface of the radiator 4 inevitably has fine irregularities (surface roughness).
  • Their surface roughness Rz ten-point average roughness according to JIS B0601-2013
  • Rz is, for example, 1 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less.
  • Heating element 3 contacts the CNT array 2 from the other side in the thickness direction of the CNT array 2. In other words, the heating element 3 is located on the opposite side of the radiator 4 with respect to the CNT array 2.
  • the CNT array 2 is arranged between the heating element 3 and the radiator 4.
  • heating element 3 examples include semiconductor elements (IC (integrated circuit) chips, etc.), light emitting diodes (LEDs), high-power laser oscillator elements, high-power lamps, power semiconductor elements, and other heat-generating elements.
  • semiconductor elements IC (integrated circuit) chips, etc.
  • LEDs light emitting diodes
  • high-power laser oscillator elements high-power lamps, power semiconductor elements, and other heat-generating elements.
  • the shape of the heating element 3 is not particularly limited, but in the present embodiment, the heating element 3 has a rectangular flat plate shape in a plan view.
  • the size of the heating element 3 is larger than the size of the CNT array 2. That is, the CNT array 2 is included in the heating element 3 in a plan view.
  • the surface of the heating element 3 inevitably has fine irregularities (surface roughness) like the surface of the heating element 4.
  • Their surface roughness Rz ten-point average roughness according to JIS B0601-2013
  • Rz is, for example, 1 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less.
  • Adhesive layer The adhesive layer 5 is located between the radiator 4 and the heating element 3.
  • the adhesive layer 5 surrounds the CNT array 2 to form a space S in which the CNT array 2 is arranged.
  • Space S is a space surrounded and defined by the adhesive layer 5.
  • a plurality of CNTs 25 included in the CNT array 2 are arranged without being filled with an adhesive.
  • the adhesive layer 5 has a rectangular frame shape in a plan view and is in contact with the peripheral edge portion of the CNT array 2.
  • the adhesive layer 5 does not impregnate the CNT array 2, and the CNT array 2 is not embedded in the adhesive layer 5.
  • a part (peripheral portion) of the CNT array 2 may be embedded in the adhesive layer 5.
  • the adhesive layer 5 adheres the radiator 4 and the heating element 3. Specifically, the adhesive layer 5 adheres the heating element 3 and the heating element 4 so that a predetermined pressure is applied in the direction in which the heating element 4 and the heating element 3 approach each other. As a result, the CNT array 2 is sandwiched between the heating element 3 and the heat radiating element 4.
  • a predetermined pressure for example, 1 MPa or more
  • the plurality of CNTs 25 of the CNT array 2 can follow the fine irregularities on the surface of the heating element 3 and can stably contact the surface of the heating element 3, and also follow the fine irregularities on the surface of the heating element 4. Therefore, it can be stably contacted with the surface of the heating element 4.
  • the adhesive layer 5 contains an adhesive.
  • the adhesive include pressure-sensitive adhesives, thermoplastic adhesives, curable adhesives, and the like, and preferably curable adhesives.
  • the curable adhesive examples include a thermosetting adhesive (for example, an epoxy adhesive) and a photocurable adhesive (for example, an acrylic adhesive).
  • a thermosetting adhesive for example, an epoxy adhesive
  • a photocurable adhesive for example, an acrylic adhesive
  • the adhesive layer 5 contains, for example, a thermosetting adhesive.
  • the adhesive layer 5 contains, for example, a photocurable adhesive.
  • the adhesive layer 5 contains a photocurable adhesive
  • the adhesive layer 5 can be cured by irradiating the adhesive layer 5 with light of a specific wavelength in the method for producing the CNT structure 1 described later. it can. Therefore, damage to the heating element 3 due to heat can be suppressed.
  • the thickness of the adhesive layer 5 is, for example, 30% or more, preferably 40% or more, for example, less than 100%, based on the thickness of the CNT array 2 in a state where the heating element 3 and the heat radiating element 4 are adhered to each other. It is preferably 70% or less, more preferably 50% or less. This is because it is preferable to compress the CNT array 2 with respect to the average length in order to fully exhibit the thermal resistance (heat dissipation characteristics) of the CNT array 2.
  • the heating element 3 and the radiator 4 can be stably adhered to each other. If the thickness of the adhesive layer 5 is equal to or greater than the above upper limit, the thickness of the CNT structure 1 can be reduced.
  • the method for manufacturing the CNT structure 1 includes a step of arranging the CNT array 2 on the radiator 4 (see FIG. 3A), a step of arranging the adhesive layer 5 on the radiator 4 (see FIG. 3B), and an adhesive layer 5. Includes a step of adhering the heating element 3 and the radiator 4 (see FIG. 3C).
  • the CNT array 2 described above is arranged so that one surface of the CNT array 2 in the thickness direction is in contact with the radiator 4.
  • the CNT array 2 is arranged at the central portion on the surface of the radiator body 4.
  • the adhesive layer 5 is arranged on the radiator body 4 so as to form a space S in which the CNT array 2 is arranged by surrounding the CNT array 2.
  • the curable adhesive is in a state before curing.
  • the thickness of the adhesive layer 5 is smaller than the thickness of the CNT array 2.
  • the thickness of the adhesive layer 5 is, for example, 30% or more, preferably 40% or less, for example, less than 100%, preferably 70% or less, still more preferably 50% or less, based on the thickness of the CNT array 2. Is.
  • the heating element 3 and the heat radiating element 4 can be stably adhered to each other.
  • the thickness of the adhesive layer 5 is not more than the above upper limit, pressure can be stably applied to the CNT array 2 in the step of the adhesive layer 5 described later adhering the heating element 3 and the heat radiating body 4.
  • the heating element 3 is first brought into contact with the other surface of the CNT array 2 in the thickness direction. Then, a pressure is applied in the direction in which the heating element 3 approaches the heat radiating body 4 by a flat plate press or the like (not shown) to bring the heating element 3 into contact with the adhesive layer 5 and cure the adhesive layer 5.
  • the heating element 3 is heated to the curing temperature of the thermosetting adhesive while applying pressure in a direction approaching the heat radiating body 4, and the adhesive is applied.
  • the layer 5 is cured.
  • a heater is built in the flat plate press.
  • the heating element 3 is pressed toward the heat radiating body 4, and the adhesive layer 5 is cured by light having a specific wavelength (for example, ultraviolet rays). ..
  • a transparent flat plate press is used, or light is irradiated from between the two flat plate presses.
  • the heating element 3 has a thickness of the CNT array 2 of, for example, 2/3 or less, preferably 1/2 or less of the thickness of the CNT array 2 before contacting with the heating element 3. It is pressed toward the heating element 4.
  • the adhesive layer 5 adheres the heating element 4 and the heating element 3 in a state where the heating element 3 and the heating element 4 are applied at a predetermined pressure in a direction approaching each other.
  • the CNT structure 1 is manufactured.
  • the adhesive layer 5 surrounds the CNT array 2 to form a space S in which the CNT array 2 is arranged, and also with the heating element 4. Adhere to the heating element 3. Therefore, the adhesive layer 5 generates heat with the radiator 4 while suppressing the adhesive layer 5 from interfering with the interface between the CNT array 2 and the radiator 4 and the interface between the CNT array 2 and the heating element 3. Adhere to body 3. As a result, the plurality of CNTs 25 included in the CNT array 2 can stably contact the radiator 4 and / or the heating element 3. As a result, excellent heat dissipation performance can be ensured.
  • the adhesive layer 5 preferably contains a curable adhesive. Therefore, the adhesive layer 5 can be cured, and the heat radiating element 4 and the heating element 3 can be firmly adhered to each other.
  • the CNT array 2 can be used as it is for manufacturing the CNT structure 1.
  • the plurality of CNTs 25 can stably contact the radiator 4 and / or the heating element 3, and the manufacturing efficiency of the CNT structure 1 can be improved.
  • the adhesive layer 5 adheres the heating element 4 and the heating element 3 in a state where a predetermined pressure is applied in a direction in which the heating element 3 and the heating element 4 approach each other. Therefore, a plurality of CNTs 25 can be stably followed to the unevenness of the surface of the heating element 4 and / or the heating element 3 without providing a separate member (for example, a vise).
  • the thickness of the CNT array 2 is preferably 2/3 of the thickness of the CNT array 2 before contact with the heating element 3. It becomes as follows. Therefore, a plurality of CNTs 25 can be pressed against the surfaces of the heating element 4 and / or the heating element 3. As a result, the plurality of CNTs 25 can be made to follow more stably due to the unevenness of the surface of the heating element 4 and / or the heating element 3.
  • the adhesive layer 5 contains a photocurable adhesive
  • the adhesive layer 5 can be cured by light of a specific wavelength. Therefore, while the heat radiating element 4 and the heating element 3 can be smoothly adhered to each other, damage due to heat to the heating element 3 can be suppressed.
  • the surface of the heating element 3 facing the other surface of the CNT array 2 has a step 3A.
  • the adhesive layer 5 adheres the heating element 3 and the heating element 4 so that a predetermined pressure is applied in the direction in which the heating element 3 and the heating element 4 approach each other. Therefore, the plurality of CNTs 25 can follow the step 3A of the heating element 3 and stably contact the surface of the heating element 3.
  • the surface of the heating element 4 facing one surface of the CNT array 2 may also have a step as in the heating element 3.
  • the plurality of CNTs 25 can follow the step of the heat radiating body 4 and stably contact the surface of the heat radiating body 4. Even with such a second embodiment, the same effects as those of the first embodiment described above can be obtained.
  • the heat radiating body 4 and at least a part of one surface of the CNT array 2 in the thickness direction are joined.
  • the CNT structure 11 has a second adhesive layer 6 that adheres the CNT array 2 and the heat radiating body 4.
  • the second adhesive layer 6 is arranged on the radiator 4 in the space S of the adhesive layer 5.
  • the second adhesive layer 6 adheres at least a part of the CNT array 2 to the heat radiating body 4 in a state where the plurality of CNTs 25 are in contact with the heat radiating body 4.
  • the second adhesive layer 6 contains the above-mentioned adhesive.
  • the adhesive contained in the second adhesive layer 6 is not particularly limited.
  • the thickness of the second adhesive layer 6 is smaller than the thickness of the adhesive layer 5, and smaller than the thickness of the CNT array 2 in contact with the heating element 3 and the heat radiating element 4.
  • the thickness of the second adhesive layer 6 is, for example, 20% or less, preferably 10% or less, with respect to the thickness of the CNT array 2 in contact with the heating element 3 and the radiator 4.
  • the thickness of the second adhesive layer 6 is not more than the above upper limit, the length of the CNT 25 protruding (exposed) from the second adhesive layer 6 can be sufficiently secured, and the followability of the CNT 25 to the heating element 3 can be ensured. Can be done.
  • the second adhesive layer 6 is first arranged on the heat radiating body 4. Then, the ends of the plurality of CNTs 25 included in the CNT array 2 are embedded in the second adhesive layer 6 so as to come into contact with the heat radiating body 4. As a result, the CNT array 2 is adhered to the radiator body 4.
  • the adhesive layer 5 is placed on the heat radiating body 4 so as to surround the CNT array 2. Can be placed smoothly.
  • the third embodiment can also exert the same action and effect as the first embodiment described above. These first to third embodiments can be combined as appropriate.
  • the carbon nanotube structure of the present invention can be used in various industrial products, and is particularly suitable for electronic devices including heat generating elements (for example, semiconductor elements, light emitting diodes, high power laser oscillators, high power lamps and power semiconductor devices). Used for.
  • heat generating elements for example, semiconductor elements, light emitting diodes, high power laser oscillators, high power lamps and power semiconductor devices. Used for.

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Abstract

ＣＮＴ構造体１に、複数のＣＮＴ２５が所定方向に配向されるＣＮＴアレイ２と、ＣＮＴアレイ２に対して所定方向の一方から接触する発熱体３と、ＣＮＴアレイ２に対して所定方向の他方から接触する放熱体４と、発熱体３と放熱体４とを接着する接着剤層５とを備える。接着剤層５は、ＣＮＴアレイ２を囲むことにより、ＣＮＴアレイ２が配置される空間を形成する。

Description

カーボンナノチューブ構造体およびカーボンナノチューブ構造体の製造方法
　本発明は、カーボンナノチューブ構造体およびカーボンナノチューブ構造体の製造方法に関する。
　電子部品と放熱部材との間に熱伝導性材料（Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　Ｍａｔｅｒｉａｌ：以下、ＴＩＭとする。）を配置して、電子部品から発生する熱を効率よく放熱部材に伝導することが知られている。そのようなＴＩＭに、優れた熱伝導率を有するカーボンナノチューブを利用することが検討されている。
　例えば、カーボンナノチューブ集合体と、カーボンナノチューブ集合体の中央領域に形成された熱可塑性樹脂部と、熱可塑性樹脂部を取り囲むようにカーボンナノチューブ集合体の外周領域に形成される未硬化の熱硬化性樹脂部とを有するカーボンナノチューブシートが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
　そのようなカーボンナノチューブシートをＴＩＭとして利用するには、まず、カーボンナノチューブシートを、配線基板に接続される半導体素子上に配置する。また、平板部と、平板部の周縁から突き出る環状の突出部とを有するヒートスプレッダを準備する。そして、ヒートスプレッダを、カーボンナノチューブシートが平板部と半導体素子との間に位置するように、配線基板上に配置する。また、ヒートスプレッダの突出部と配線基板との間に、熱硬化性の接着剤を配置する。
　その後、ヒートスプレッダを配線基板に向かって押圧しながら加熱処理する。これによって、カーボンナノチューブシートとヒートスプレッダおよび半導体素子とが、熱可塑性樹脂部および熱硬化性樹脂部によって接着されるとともに、突出部と配線基板とが、接着剤によって接着される。
特開２０１５－１３８９０３号公報
　しかし、特許文献１に記載のカーボンナノチューブシートでは、カーボンナノチューブ集合体が熱可塑性樹脂部および熱硬化樹脂部に埋め込まれているので、カーボンナノチューブシートとヒートスプレッダおよび／または半導体素子との界面において、樹脂が干渉して、カーボンナノチューブがヒートスプレッダおよび／または半導体素子と安定して接触できず、半導体素子から発生する熱をヒートスプレッダに効率よく伝導できない場合がある。また、カーボンナノチューブ集合体内の隙間に各樹脂を流し込んで含浸させるのは、困難であった。
　本発明は、優れた放熱性能を有するカーボンナノチューブ構造体、および、製造効率のよいカーボンナノチューブ構造体の製造方法を提供する。
　本発明［１］は、複数のカーボンナノチューブが所定方向に配向されるカーボンナノチューブアレイと、前記カーボンナノチューブアレイに対して前記所定方向の一方から接触する第１部材と、前記カーボンナノチューブアレイに対して前記所定方向の他方から接触する第２部材と、前記第１部材と前記第２部材とを接着する接着剤層とを備え、前記接着剤層は、前記カーボンナノチューブアレイを囲むことにより、前記カーボンナノチューブアレイが配置される空間を形成する、カーボンナノチューブ構造体を含んでいる。
　このような構成によれば、接着剤層が、カーボンナノチューブアレイを囲むことにより、カーボンナノチューブアレイが配置される空間を形成し、かつ、第１部材と第２部材とを接着する。そのため、接着剤層が、カーボンナノチューブアレイと第１部材との界面、および、カーボンナノチューブアレイと第２部材との界面に干渉することを抑制できながら、接着剤層が、第１部材と第２部材とを接着する。その結果、カーボンナノチューブアレイに含まれる複数のカーボンナノチューブが、第１部材および／または第２部材と安定して接触できる。これによって、優れた放熱性能を確保することができる。
　本発明［２］は、前記接着剤層は、硬化性接着剤を含む、上記［１］に記載のカーボンナノチューブ構造体を含んでいる。
　このような構成によれば、接着剤層を硬化させることができる。そのため、接着剤層が、第１部材と第２部材とを強固に接着できる。
　本発明［３］は、複数のカーボンナノチューブが所定方向に配向されるカーボンナノチューブアレイを、前記所定方向における前記カーボンナノチューブアレイの一方面が第１部材に接触するように配置する工程と、前記カーボンナノチューブアレイを囲むことにより、前記カーボンナノチューブアレイが配置される空間を形成して、接着剤層を前記第１部材に配置する工程と、前記所定方向における前記カーボンナノチューブアレイの他方面に第２部材を接触させ、前記第１部材と前記第２部材とが互いに近づく方向に所定の圧力が付与された状態で、前記接着剤層が前記第１部材と前記第２部材とを接着する工程と、を含む、カーボンナノチューブ構造体の製造方法を含んでいる。
　このような方法によれば、カーボンナノチューブアレイをそのままカーボンナノチューブ構造体の製造に用いることができる。その結果、複数のカーボンナノチューブが第１部材および／または第２部材と安定して接触できるとともに、カーボンナノチューブ構造体の製造効率の向上を図ることができる。
　また、接着剤層が、第１部材と第２部材とが互いに近づく方向に所定の圧力が付与された状態で、第１部材と第２部材とを接着する。そのため、複数のカーボンナノチューブを第１部材および／または第２部材の表面の凹凸に安定して追従させることができながら、第１部材と第２部材とが互いに近づくように圧力を付与する部材を別途設ける場合と比較して、部品点数の低減を図ることができる。
　本発明［４］は、前記第１部材と、前記所定方向における前記カーボンナノチューブアレイの一方面の一部とは、接合している、上記［３］に記載のカーボンナノチューブ構造体の製造方法を含んでいる。
　このような方法によれば、第１部材に対してカーボンナノチューブアレイがずれることを抑制できる。そのため、接着剤層を、カーボンナノチューブアレイを囲むように、第１部材に円滑に配置できる。
　本発明［５］は、前記接着剤層が前記第１部材と前記第２部材とを接着する工程において、前記第２部材と接触する前の前記カーボンナノチューブアレイの厚みに対して、前記カーボンナノチューブアレイの厚みが２／３以下となるように、前記第１部材と前記第２部材とが互いに近づく方向に所定の圧力が付与された状態で、前記第１部材と前記第２部材とを接着する、上記［３］または［４]に記載のカーボンナノチューブ構造体の製造方法を含んでいる。
　このような方法によれば、接着剤層が第１部材と第２部材とを接着した状態において、カーボンナノチューブアレイの厚みが２／３以下となるので、複数のカーボンナノチューブを第１部材および／または第２部材の表面に押し当てることができる。そのため、複数のカーボンナノチューブを第１部材および／または第２部材の表面の凹凸により一層安定して追従させることができる。
　本発明［６］は、前記接着剤層は、光硬化性接着剤を含み、前記接着剤層が前記第１部材と前記第２部材とを接着する工程において、前記所定方向における前記カーボンナノチューブアレイの他方面に第２部材を接触させ、前記第１部材と前記第２部材とが互いに近づく方向に所定の圧力が付与された状態で、特定の波長の光によって前記接着剤層を硬化させて、前記第１部材と前記第２部材とを接着する、上記[３]～[５]のいずれか一項に記載のカーボンナノチューブ構造体の製造方法を含んでいる。
　このような方法によれば、光硬化性接着剤を含む接着剤層を、特定の波長の光によって硬化できるので、第１部材と第２部材とを円滑に接着することができる。
　本発明のカーボンナノチューブ構造体は、優れた放熱性能を有する。本発明のカーボンナノチューブ構造体の製造方法は、カーボンナノチューブ構造体を効率よく製造できる。
図１Ａは、本発明のカーボンナノチューブ構造体の第１実施形態の側断面図である。図１Ｂは、図１Ａに示すカーボンナノチューブ構造体の製造途中における分解斜視図である。 図２Ａは、図１Ａに示すカーボンナノチューブアレイの製造方法を説明するための説明図であって、基板上に触媒層を形成する工程を示す。図２Ｂは、図２Ａに続いて、基板を加熱して触媒層を複数の粒状体に凝集させる工程を示す。図２Ｃは、図２Ｂに続いて、複数の粒状体に原料ガスを供給して、複数のカーボンナノチューブを成長させる工程を示す。図２Ｄは、図２Ｃに続いて、ＶＡＣＮＴｓを基板から剥離する工程を示す。 図３Ａは、図１Ａに示すカーボンナノチューブ構造体の製造方法を説明するための説明図であって、カーボンナノチューブアレイを放熱体に配置する工程を示す。図３Ｂは、図３Ａに続いて、接着剤層を放熱体に配置する工程を示す。図３Ｃは、図３Ｂに続いて、接着剤層が放熱体と発熱体とを接着する工程を示す。 図４は、本発明のカーボンナノチューブ構造体の第２実施形態の側断面図である。 図５は、本発明のカーボンナノチューブ構造体の第３実施形態の側断面図である。
　＜第１実施形態＞
　１．カーボンナノチューブ構造体
　本発明の第１実施形態としてのカーボンナノチューブ構造体１（以下、ＣＮＴ構造体１とする。）を、図１Ａおよび図１Ｂを参照して説明する。
　図１Ａおよび図１Ｂに示すように、ＣＮＴ構造体１は、カーボンナノチューブアレイ２（以下、ＣＮＴアレイ２とする。）と、第１部材の一例としての放熱体４と、第２部材の一例としての発熱体３と、接着剤層５とを備える。なお、第１部材を発熱体３とし、第２部材を放熱体４としてもよい。
　１－１．カーボンナノチューブアレイ
　ＣＮＴアレイ２は、基板２０（後述；図２Ｃ参照）から剥離された垂直配向カーボンナノチューブ群２６（後述；Ｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ　Ａｌｉｇｎｅｄ　ｃａｒｂｏｎ　ｎａｎｏｔｕｂｅｓ；以下、ＶＡＣＮＴｓ２６とする。）であって、複数のカーボンナノチューブ２５（以下、ＣＮＴ２５とする。）からシート形状に形成されるカーボンナノチューブ集合体である。
　より詳しくは、ＣＮＴアレイ２において、複数のＣＮＴ２５が、ＣＮＴアレイ２の厚み方向（所定方向）に配向されており、厚み方向と直交する面方向（縦方向および横方向）に互いに隣接してシート形状となるように配列されている。
　また、ＣＮＴアレイ２は、基板２０（後述）から剥離された状態で、複数のＣＮＴ２５が面方向に互いに接触するように形状を保持している。ＣＮＴアレイ２の形状は特に制限されないが、本実施形態では、ＣＮＴアレイ２は、平面視矩形状を有する。ＣＮＴアレイ２は、可撓性を有している。なお、複数のＣＮＴ２５のうち、互いに隣接するＣＮＴ２５間には、ファンデルワールス力が作用している。
　ＣＮＴ２５は、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブおよび多層カーボンナノチューブのいずれであってもよく、好ましくは、多層カーボンナノチューブである。これらＣＮＴ２５は、単独使用または２種類以上併用することができる。
　ＣＮＴ２５の平均外径は、例えば、１ｎｍ以上、好ましくは、５ｎｍ以上、例えば、１００ｎｍ以下、好ましくは、５０ｎｍ以下、さらに好ましくは、２０ｎｍ以下である。ＣＮＴ２５の平均長さ（平均軸線方向寸法）は、例えば、１μｍ以上、好ましくは、１００μｍ以上、例えば、１０００μｍ以下、好ましくは、５００μｍ以下である。なお、ＣＮＴ２５の層数、平均外径および平均長さは、例えば、ラマン分光分析や、電子顕微鏡観察などの公知の方法により測定される。
　ＣＮＴアレイ２の厚みの範囲は、上記したＣＮＴ２５の平均長さの範囲と同じである。
　ＣＮＴアレイ２の平均嵩密度は、例えば、１０ｍｇ／ｃｍ3以上、好ましくは、２０ｍｇ／ｃｍ3以上、さらに好ましくは、５０ｍｇ／ｃｍ3以上、例えば、５００ｍｇ／ｃｍ3以下、好ましくは、３００ｍｇ／ｃｍ3以下、さらに好ましくは、２００ｍｇ／ｃｍ3以下である。なお、ＣＮＴアレイ２の平均嵩密度は、例えば、単位面積当たり質量（目付量：単位　ｍｇ／ｃｍ2）と、カーボンナノチューブの平均長さ（ＳＥＭ（日本電子社製）または非接触膜厚計（キーエンス社製）により測定）とから算出される。
　ＣＮＴアレイ２の平均嵩密度が上記範囲であれば、ＣＮＴアレイ２の熱伝導率を十分に確保することができる。
　このようなＣＮＴアレイ２を準備するには、図２Ａに示すように、まず、基板２０を準備する。基板２０は、特に限定されず、例えば、ＣＶＤ法に用いられる公知の基板が挙げられ、市販品を用いることができる。基板２０として、具体的には、シリコン基板や、二酸化ケイ素膜２２が積層されるステンレス基板２１などが挙げられ、好ましくは、二酸化ケイ素膜２２が積層されるステンレス基板２１が挙げられる。なお、図２Ａ～図２Ｃでは、基板２０が、二酸化ケイ素膜２２が積層されるステンレス基板２１である態様について示す。
　そして、図２Ａに示すように、二酸化ケイ素膜２２（基板２０）上に触媒層２３を形成する。二酸化ケイ素膜２２上に触媒層２３を形成するには、金属触媒を、公知の成膜方法により、二酸化ケイ素膜２２上に成膜する。
　金属触媒として、例えば、鉄、コバルト、ニッケルなどが挙げられ、好ましくは、鉄が挙げられる。このような金属触媒は、単独使用または２種類以上併用することができる。
成膜方法として、例えば、真空蒸着およびスパッタリングが挙げられ、好ましくは、真空蒸着が挙げられる。
　次いで、図２Ｂに示すように、触媒層２３が配置される基板２０を、例えば、７００℃以上９００℃以下に加熱する。これにより、触媒層２３が、凝集して、複数の粒状体２３Ａとなる。
　そして、図２Ｃに示すように、加熱された基板２０に、例えば、１分以上３０分以下、原料ガスを供給する。
　原料ガスは、炭素数１～４の炭化水素ガス（低級炭化水素ガス）を含んでいる。炭素数１～４の炭化水素ガスとしては、例えば、メタンガス、エタンガス、プロパンガス、ブタンガス、エチレンガス、アセチレンガスなどが挙げられ、好ましくは、アセチレンガスが挙げられる。また、原料ガスは、必要により、水素ガスや、不活性ガス（例えば、ヘリウム、アルゴンなど）、水蒸気などを含むこともできる。
　これによって、複数の粒状体２３Ａのそれぞれを起点として、複数のＣＮＴ２５が成長する。なお、図２Ｃでは、便宜上、１つの粒状体２３Ａから、１つのＣＮＴ２５が成長するように記載されているが、これに限定されず、１つの粒状体２３Ａから、複数のＣＮＴ２５が成長してもよい。
　複数のＣＮＴ２５は、基板２０上において、互いに略平行となるように、基板２０の厚み方向に延びており、基板２０に対して直交するように配向（垂直に配向）されている。
これによって、複数のＣＮＴ２５からなるＶＡＣＮＴｓ２６が、基板２０上に成長する。
　ＶＡＣＮＴｓ２６において、複数のＣＮＴ２５は、基板２０の面方向に互いに密集している。ＶＡＣＮＴｓ２６の嵩密度は、例えば、１０ｍｇ／ｃｍ3以上、好ましくは、２０ｍｇ／ｃｍ3以上、例えば、６０ｍｇ／ｃｍ3以下、好ましくは、５０ｍｇ／ｃｍ3以下である。
　次いで、図２Ｄに示すように、基板２０からＶＡＣＮＴｓ２６を剥離して、ＣＮＴアレイ２とする。
　例えば、図示しない切断刃（例えば、カッター刃、剃刀など）を基板２０の上面に沿ってスライド移動させて、複数のＣＮＴ２５の基端部（基板２０側端部）を一括して切断する。これによって、ＶＡＣＮＴｓ２６が基板２０から分離される。
　次いで、分離されたＶＡＣＮＴｓ２６を基板２０から引き上げる。以上によって、ＶＡＣＮＴｓ２６が、基板２０から剥離されて、ＣＮＴアレイ２が調製される。
　また、ＣＮＴアレイ２は、そのままＣＮＴ構造体１に利用できるが、種々の特性（例えば、熱伝導率など）を向上させる観点から、高密度化処理されてもよい。
　高密度化処理としては、例えば、ＣＮＴアレイ２を加熱処理する方法、ＣＮＴアレイ２に揮発性の液体（例えば、水、有機溶媒など）を供給して気化させる方法、ＣＮＴアレイ２を機械的に圧縮する方法などが挙げられる。
　高密度化処理は、少なくとも１回実施され、複数回繰り返すこともできる。同一の高密度化処理を複数回繰り返してもよく、複数種類の高密度化処理を組み合わせて実施してもよい。
　高密度化処理のなかでは、好ましくは、ＣＮＴアレイ２を加熱処理する方法が挙げられる。具体的には、ＣＮＴアレイ２を、不活性ガス雰囲気において下記条件で加熱する。
　不活性ガスとしては、例えば、窒素、アルゴンなどが挙げられ、好ましくは、アルゴンが挙げられる。高密度化のための加熱温度は、例えば、２６００℃以上、好ましくは、２７００℃以上、さらに好ましく、２８００℃以上である。また、加熱温度は、複数のＣＮＴ２５の昇華温度未満であればよく、好ましくは、３０００℃以下である。高密度化のための加熱時間は、例えば、１０分以上、好ましくは、１時間以上、例えば、５時間以下、好ましくは、３時間以下である。
　ＣＮＴアレイ２が、加熱処理されると、ＣＮＴアレイ２において、互いに隣接するＣＮＴ２５は、それらの間に作用するファンデルワールス力などにより、配向性（直線性）を維持したまま、束状となるように密集する。これによって、ＣＮＴアレイ２の全体が均一に密集され、ＣＮＴアレイ２が高密度化する。その後、ＣＮＴアレイ２を必要により冷却（例えば、自然冷却）する。
　なお、加熱処理後のＣＮＴアレイ２のＧ／Ｄ比は、例えば、２以上、好ましくは、５以上、さらに好ましくは、１０を超過し、例えば、２０以下、好ましくは、１５以下である。Ｇ／Ｄ比とは、カーボンナノチューブのラマンスペクトルにおいて、１３５０ｃｍ-1付近に観測されるＤバンドと呼ばれるピークのスペクトル強度に対する、１５９０ｃｍ-1付近に観測されるＧバンドと呼ばれるピークのスペクトル強度の比である。Ｄバンドのスペクトルは、カーボンナノチューブの欠陥に由来し、Ｇバンドのスペクトルは、炭素の六員環の面内振動に由来する。
　ＣＮＴアレイ２のＧ／Ｄ比が上記の範囲であると、ＣＮＴ２５の結晶性の向上を図ることができ、ＣＮＴアレイ２の熱伝導率の向上を図ることができる。
　１－２．放熱体
　図１Ａおよび図１Ｂに示すように、放熱体４は、ＣＮＴアレイ２に対して、ＣＮＴアレイ２の厚み方向の一方から接触する。言い換えれば、ＣＮＴアレイ２は、放熱体４上に配置されている。
　放熱体４として、例えば、ヒートシンク、ヒートスプレッダなどが挙げられる。放熱体４の形状は特に制限されないが、本実施形態において、放熱体４は、平面視矩形の平板形状を有する。放熱体４のサイズは、ＣＮＴアレイ２のサイズよりも大きく、発熱体３のサイズよりも大きい。つまり、ＣＮＴアレイ２は、平面視において、放熱体４に含まれる。
　放熱体４の表面は、不可避的に微細な凹凸（表面粗さ）を有している。それらの表面粗さＲｚ（ＪＩＳ　Ｂ０６０１－２０１３に準拠する十点平均粗さ）は、例えば、１μｍ以上１０μｍ以下である。
　１－３．発熱体
　発熱体３は、ＣＮＴアレイ２に対して、ＣＮＴアレイ２の厚み方向の他方から接触する。言い換えると、発熱体３は、ＣＮＴアレイ２に対して放熱体４の反対側に位置する。ＣＮＴアレイ２は、発熱体３と放熱体４との間に配置される。
　発熱体３として、例えば、半導体素子（ＩＣ（集積回路）チップなど）、発光ダイオード（ＬＥＤ）、高出力レーザ発振素子、高出力ランプ、パワー半導体素子などの発熱素子などが挙げられる。
　発熱体３の形状は特に制限されないが、本実施形態において、発熱体３は、平面視矩形の平板形状を有する。発熱体３のサイズは、ＣＮＴアレイ２のサイズよりも大きい。つまり、ＣＮＴアレイ２は、平面視において、発熱体３に含まれる。
　発熱体３の表面は、放熱体４の表面と同様に、不可避的に微細な凹凸（表面粗さ）を有している。それらの表面粗さＲｚ（ＪＩＳ　Ｂ０６０１－２０１３に準拠する十点平均粗さ）は、例えば、１μｍ以上１０μｍ以下である。
　１－４．接着剤層
　接着剤層５は、放熱体４と発熱体３との間に位置する。接着剤層５は、ＣＮＴアレイ２を囲むことにより、ＣＮＴアレイ２が配置される空間Ｓが形成する。
　空間Ｓは、接着剤層５によって囲まれて画定される空間である。空間Ｓは、接着剤が充填されることなく、ＣＮＴアレイ２に含まれる複数のＣＮＴ２５が配置される。
　本実施形態において、接着剤層５は、平面視矩形枠状を有し、ＣＮＴアレイ２の周縁部と接触している。接着剤層５は、ＣＮＴアレイ２に含浸しておらず、接着剤層５には、ＣＮＴアレイ２が埋め込まれていない。なお、接着剤層５には、ＣＮＴアレイ２の一部（周縁部）が埋め込まれていてもよい。
　図１Ｂに示すように、接着剤層５は、放熱体４と発熱体３とを接着する。詳しくは、接着剤層５は、放熱体４と発熱体３とが互いに近づく方向に所定の圧力がかかるように、発熱体３と放熱体４とを接着する。これによって、ＣＮＴアレイ２は、発熱体３と放熱体４との間に挟まれる。
　そのため、スタック冶具などの部材を別途設けることなく、ＣＮＴアレイ２に所定の圧力（例えば、１ＭＰａ以上）を継続的に付与することができる。その結果、ＣＮＴアレイ２の複数のＣＮＴ２５は、発熱体３の表面の微細な凹凸に追従して、発熱体３の表面と安定して接触できるとともに、放熱体４の表面の微細な凹凸に追従して、放熱体４の表面と安定して接触できる。
　接着剤層５は、接着剤を含有する。接着剤として、例えば、感圧接着剤、熱可塑性接着剤、硬化性接着剤などが挙げられ、好ましくは、硬化性接着剤が挙げられる。
　硬化性接着剤として、例えば、熱硬化性接着剤（例えば、エポキシ系接着剤など）、光硬化性接着剤（例えば、アクリル系接着剤など）などが挙げられる。例えば、発熱体３の耐熱温度が比較的高い場合、接着剤層５は、例えば、熱硬化性接着剤を含む。また、発熱体３の耐熱温度が比較的低い場合、接着剤層５は、例えば、光硬化性接着剤を含む。
　接着剤層５が光硬化性接着剤を含有すると、後述するＣＮＴ構造体１の製造方法において、接着剤層５を特定の波長の光を照射することによって、接着剤層５を硬化させることができる。そのため、発熱体３に対する熱によるダメージを抑制できる。
　接着剤層５の厚みは、発熱体３と放熱体４とを接着した状態において、ＣＮＴアレイ２の厚みに対して、例えば、３０％以上、好ましくは、４０％以上、例えば、１００％未満、好ましくは、７０％以下、さらに好ましくは、５０％以下である。これは、ＣＮＴアレイ２の熱抵抗（放熱特性）をしっかりと発揮するには、ＣＮＴ２５の平均長さに対して圧縮することが好ましいためである。
　接着剤層５の厚みが、上記下限以上であれば、発熱体３と放熱体４とを安定して接着できる。接着剤層５の厚みが、上記上限以上であれば、ＣＮＴ構造体１の薄厚化を図ることができる。
　２．カーボンナノチューブ構造体の製造方法
　次に、図３Ａ～図３Ｃを参照して、ＣＮＴ構造体１の製造方法について説明する。
　ＣＮＴ構造体１の製造方法は、ＣＮＴアレイ２を放熱体４に配置する工程（図３Ａ参照）と、接着剤層５を放熱体４に配置する工程（図３Ｂ参照）と、接着剤層５が発熱体３と放熱体４とを接着する工程（図３Ｃ参照）とを含む。
　ＣＮＴアレイ２を放熱体４に配置する工程では、上記したＣＮＴアレイ２を、ＣＮＴアレイ２の厚み方向の一方面が放熱体４に接触するように配置する。例えば、ＣＮＴアレイ２を、放熱体４の表面における中央部分に配置する。
　次いで、接着剤層５を放熱体４に配置する工程では、ＣＮＴアレイ２を囲むことにより、ＣＮＴアレイ２が配置される空間Ｓを形成するように、接着剤層５を放熱体４上に配置する。なお、以下では、接着剤層５が硬化性接着剤を含有する態様について詳述する。接着剤層５を放熱体４に配置する工程において、硬化性接着剤は、硬化前の状態である。
　このとき、接着剤層５の厚みは、ＣＮＴアレイ２の厚みよりも小さい。接着剤層５の厚みは、ＣＮＴアレイ２の厚みに対して、例えば、３０％以上、好ましくは、４０％以下、例えば、１００％未満、好ましくは、７０％以下、さらに好ましくは、５０％以下である。
　接着剤層５の厚みが上記下限以上であると、発熱体３と放熱体４とを安定して接着できる。接着剤層５の厚みが上記上限以下であると、後述する接着剤層５が発熱体３と放熱体４とを接着する工程において、ＣＮＴアレイ２に圧力を安定して付与することができる。
　次いで、接着剤層５が発熱体３と放熱体４とを接着する工程では、まず、ＣＮＴアレイ２の厚み方向の他方面に発熱体３を接触させる。そして、図示しない平板プレスなどにより、発熱体３が放熱体４に近づく方向に圧力をかけて、発熱体３と接着剤層５とを接触させるとともに、接着剤層５を硬化させる。
　より詳しくは、接着剤層５が熱硬化性接着剤を含有する場合、発熱体３が放熱体４に近づく方向に圧力をかけながら、熱硬化性接着剤の硬化温度に加熱して、接着剤層５を硬化させる。この場合、例えば、平板プレスにヒータが内蔵される。
　また、接着剤層５が光硬化性接着剤を含有する場合、発熱体３を放熱体４に向かって押圧するとともに、接着剤層５を特定の波長の光（例えば、紫外線など）によって硬化させる。この場合、例えば、透明の平板プレスを用いるか、２枚の平板プレスの間から光を照射する。
　また、発熱体３は、発熱体３と接触する前のＣＮＴアレイ２の厚みに対して、ＣＮＴアレイ２の厚みが、例えば、２／３以下、好ましくは、１／２以下となるように、放熱体４に向かって押圧される。
　これによって、発熱体３と放熱体４とが互いに近づく方向に所定の圧力で付与された状態で、接着剤層５が放熱体４と発熱体３とを接着する。以上によって、ＣＮＴ構造体１が製造される。
　３．作用効果
　図１Ａおよび図１Ｂに示すように、ＣＮＴ構造体１では、接着剤層５が、ＣＮＴアレイ２を囲むことにより、ＣＮＴアレイ２が配置される空間Ｓを形成するとともに、放熱体４と発熱体３とを接着する。そのため、接着剤層５が、ＣＮＴアレイ２と放熱体４との界面、および、ＣＮＴアレイ２と発熱体３との界面に干渉することを抑制できながら、接着剤層５が放熱体４と発熱体３とを接着する。その結果、ＣＮＴアレイ２に含まれる複数のＣＮＴ２５が、放熱体４および／または発熱体３と安定して接触できる。これによって、優れた放熱性能を確保することができる。
　また、接着剤層５は、好ましくは、硬化性接着剤を含む。そのため、接着剤層５を硬化させることができ、放熱体４と発熱体３とを強固に接着できる。
　図３Ａに示すように、ＣＮＴ構造体１の製造方法では、ＣＮＴアレイ２をそのままＣＮＴ構造体１の製造に用いることができる。その結果、複数のＣＮＴ２５が放熱体４および／または発熱体３と安定して接触できるとともに、ＣＮＴ構造体１の製造効率の向上を図ることができる。
　また、接着剤層５が、発熱体３と放熱体４とが互いに近づく方向に所定の圧力が付与された状態で、放熱体４と発熱体３とを接着する。そのため、別途部材（例えば、万力など）を設けることなく、複数のＣＮＴ２５を放熱体４および／または発熱体３の表面の凹凸に安定して追従させることができる。
　また、接着剤層５が放熱体４と発熱体３とを接着した状態において、ＣＮＴアレイ２の厚みは、発熱体３と接触前のＣＮＴアレイ２の厚みに対して、好ましくは、２／３以下となる。そのため、複数のＣＮＴ２５を放熱体４および／または発熱体３の表面に押し当てることができる。その結果、複数のＣＮＴ２５を放熱体４および／または発熱体３の表面の凹凸により一層安定して追従させることができる。
　また、接着剤層５が光硬化性接着剤を含む場合、接着剤層５を、特定の波長の光によって硬化できる。そのため、放熱体４と発熱体３とを円滑に接着することができながら、発熱体３に対する熱によりダメージを抑制できる。
　＜第２実施形態＞
　次に、第２実施形態としてのＣＮＴ構造体１０を、図４を参照して説明する。
　図４に示すように、ＣＮＴ構造体１０では、発熱体３におけるＣＮＴアレイ２の他方面に対向する表面が、段差３Ａを有している。このような第２実施形態においても、接着剤層５が、発熱体３と放熱体４とが互いに近づく方向に所定の圧力がかかるように、発熱体３と放熱体４とを接着しているので、複数のＣＮＴ２５が、発熱体３の段差３Ａに追従して、発熱体３の表面と安定して接触できる。
　なお、図示しないが、放熱体４におけるＣＮＴアレイ２の一方面に対向する表面も、発熱体３と同様に段差を有していてもよい。この場合、複数のＣＮＴ２５が、放熱体４の段差に追従して、放熱体４の表面と安定して接触できる。このような第２実施形態によっても、上記した第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
　＜第３実施形態＞
　次に、第３実施形態としてのＣＮＴ構造体１１を、図５を参照して説明する。
　図５に示すように、ＣＮＴ構造体１１では、放熱体４と、ＣＮＴアレイ２の厚み方向一方面の少なくとも一部とが接合している。ＣＮＴ構造体１１は、ＣＮＴアレイ２と放熱体４とを接着する第２接着剤層６を有する。
　第２接着剤層６は、接着剤層５の空間Ｓ内において、放熱体４上に配置される。第２接着剤層６は、複数のＣＮＴ２５が放熱体４に接触した状態で、ＣＮＴアレイ２の少なくとも一部を放熱体４に接着する。第２接着剤層６は、上記した接着剤を含有する。第２接着剤層６が含有する接着剤は、特に制限されない。
　第２接着剤層６の厚みは、接着剤層５の厚みよりも小さく、発熱体３および放熱体４と接触した状態のＣＮＴアレイ２の厚みよりも小さい。第２接着剤層６の厚みは、発熱体３および放熱体４と接触した状態のＣＮＴアレイ２の厚みに対して、例えば、２０％以下、好ましくは、１０％以下である。
　第２接着剤層６の厚みが上記上限以下であると、第２接着剤層６から突出（露出）するＣＮＴ２５の長さを十分に確保でき、ＣＮＴ２５の発熱体３に対する追従性を確保することができる。
　第３実施形態では、ＣＮＴアレイ２を放熱体４に配置する工程において、まず、第２接着剤層６が放熱体４上に配置される。そして、ＣＮＴアレイ２に含まれる複数のＣＮＴ２５の端部が、放熱体４と接触するように第２接着剤層６に埋め込まれる。これによって、ＣＮＴアレイ２が放熱体４に接着される。
　そのため、接着剤層５を放熱体４に配置する工程において、ＣＮＴアレイ２が放熱体４に対してずれることを抑制でき、接着剤層５を、ＣＮＴアレイ２を囲むように、放熱体４に円滑に配置できる。
　また、第３実施形態によっても、上記した第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。これら第１実施形態～第３実施形態は、適宜組み合わせることができる。
　なお、上記発明は、本発明の例示の実施形態として提供したが、これは単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。当該技術分野の当業者によって明らかな本発明の変形例は、後記請求の範囲に含まれる。
　本発明のカーボンナノチューブ構造体は、種々の産業製品に利用でき、とりわけ、発熱素子（例えば、半導体素子、発光ダイオード、高出力レーザ発振素子、高出力ランプおよびパワー半導体素子）を備える電子機器に好適に用いられる。
　１　　　ＣＮＴ構造体
　２　　　ＣＮＴアレイ
　２５　　ＣＮＴ
　３　　　発熱体
　４　　　放熱体
　５　　　接着剤層

Claims (6)

  1. 　複数のカーボンナノチューブが所定方向に配向されるカーボンナノチューブアレイと、
    　前記カーボンナノチューブアレイに対して前記所定方向の一方から接触する第１部材と、
    　前記カーボンナノチューブアレイに対して前記所定方向の他方から接触する第２部材と、
    　前記第１部材と前記第２部材とを接着する接着剤層とを、備え、
    　前記接着剤層は、前記カーボンナノチューブアレイを囲むことにより、前記カーボンナノチューブアレイが配置される空間を形成することを特徴とする、カーボンナノチューブ構造体。
  2. 　前記接着剤層は、硬化性接着剤を含むことを特徴とする、請求項１に記載のカーボンナノチューブ構造体。
  3. 　複数のカーボンナノチューブが所定方向に配向されるカーボンナノチューブアレイを、前記所定方向における前記カーボンナノチューブアレイの一方面が第１部材に接触するように配置する工程と、
    　前記カーボンナノチューブアレイを囲むことにより、前記カーボンナノチューブアレイが配置される空間を形成するとともに、接着剤層を前記第１部材に配置する工程と、
    　前記所定方向における前記カーボンナノチューブアレイの他方面に第２部材を接触させ、前記第１部材と前記第２部材とが互いに近づく方向に所定の圧力が付与された状態で、
    前記接着剤層が前記第１部材と前記第２部材とを接着する工程と、
    　を含むことを特徴とする、カーボンナノチューブ構造体の製造方法。
  4. 　前記第１部材と、前記所定方向における前記カーボンナノチューブアレイの一方面の一部とは、接合していることを特徴とする、請求項３に記載のカーボンナノチューブ構造体の製造方法。
  5. 　前記接着剤層が前記第１部材と前記第２部材とを接着する工程において、
    　　前記第２部材と接触する前の前記カーボンナノチューブアレイの厚みに対して、前記カーボンナノチューブアレイの厚みが２／３以下となるように、前記第１部材と前記第２部材とが互いに近づく方向に所定の圧力が付与された状態で、前記第１部材と前記第２部材とを接着することを特徴とする、請求項３に記載のカーボンナノチューブ構造体の製造方法。
  6. 　前記接着剤層は、光硬化性接着剤を含み、
    　前記接着剤層が前記第１部材と前記第２部材とを接着する工程において、
    　　前記所定方向における前記カーボンナノチューブアレイの他方面に第２部材を接触させ、前記第１部材と前記第２部材とが互いに近づく方向に所定の圧力が付与された状態で、特定の波長の光によって前記接着剤層を硬化させて、前記第１部材と前記第２部材とを接着することを特徴とする、請求項３に記載のカーボンナノチューブ構造体の製造方法。
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