JP2006270041A - 熱伝導材料及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、熱伝導材料及びその製造方法に関する。
【解決手段】本発明の実施例に係る熱伝導材料は、基材と、該基材に分散された複数の炭素ナノチューブと、を含む。ここで、前記基材は、第一表面及びそれと反対の第二表面を有する。前記複数の炭素ナノチューブはそれぞれ前記基板の第一表面から第二表面まで延伸し、少なくとも一方の表面から外部へ露出される。少なくとも一方の前記表面には、相変化材料層が形成されている。本発明によれば、熱伝導面に熱伝導パスが形成されるので、熱抵抗を減少し、熱伝導材料の熱伝導効率を高めることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、熱伝導材料に関し、特に炭素ナノチューブのマトリックスを備える熱伝導材料及びその製造方法に関する。

近年、半導体チップの高集積化に伴って、電気部品は小型化が進んでいるので、小型電気部品の放熱性をさらに高めることは益々注目されていく。それに対応して、小型電気部品の表面に放熱ユニットを設置する手段は、この技術領域において広く利用されている。しかし、従来の放熱装置と電気部品との接触面には凹凸があり、緊密に接触できないので、電気部品の放熱効率が低下する。従って、放熱装置及び電気部品の接触面に高熱伝導材料を設置することによって、両者の接触面積を増加する提案がある。通常、該高熱伝導材料としては熱伝導用の接着剤が利用される。熱伝導用の接着剤は、圧縮性及び高熱伝導性を持つので、電気部品から生じた熱を放熱装置に伝導させて、該放熱装置の外部に排出する機能がある。

従来技術として、低温で軟化可能の熱伝導用の接着剤の混合物が提案されている。熱伝導の効率を高めるために、該混合物にＡｌ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＢＮ、黒鉛、金属粉剤、ナノ粘土などの熱伝導材料を混入しても良い。しかし、電気部品は作動して高温になると、熱伝導用の接着剤と該電気部品との接触面にはそれぞれ不同な程度の変型が生じるので、両方の接触面積が小さくなり、放熱の効率が低下する。また、このような熱伝導用の材料は、熱伝導係数が１Ｗ／ｍＫ程度であるので、現在の電気部品の放熱の要求を満足できない。

炭素ナノチューブは軸方向での熱伝導性が非常に高いので、大部分の熱伝導材料に熱伝導性を高めるための充填材として利用される。理論的な計算により、室温の条件で、一つの単層ナノチューブは熱伝導係数が６６０Ｗ／ｍＫ程度に達するが、一つの離散的な多層ナノチューブは熱伝導係数が３０００Ｗ／ｍＫ程度に達する。しかし、炭素ナノチューブが無秩序に熱伝導材料に添加されて、複数の炭素ナノチューブが複雑に積層されることが原因で、該炭素ナノチューブの熱伝導のパスが互いに交差し、熱抵抗が大きくなる。従って、熱伝導材料の熱抵抗を小さくするために、炭素ナノチューブのマトリックスは熱伝導材料に利用されている。従来技術の炭素ナノチューブのマトリックスを有する熱伝導材料の製造方法は、ランダムに配列された炭素ナノチューブをポリマー液体に浸し、電界を有する二枚の極板も該ポリマー液体に浸した場合、電界によって炭素ナノチューブが一定の方向に沿ってポリマー基材に配列され、固化処理を行うことで、炭素ナノチューブのマトリックスの熱伝導材料が得られる。しかし、前記方法による炭素ナノチューブのマトリックスを有する熱伝導材料は、大部分の炭素ナノチューブの先端がポリマー基材の表面に露出されないので、熱抵抗が大きくなり、熱伝導の効率が低下する課題がある。
中国特許出願第０２１３４７７６．Ｘ号 中国特許出願第０１１２６８７５．１号 Science,１９９９、２８３，５１２〜５１４、"Self-Oriented Regular Arrays of Carbon Nanotubes and Their Field Emission properties"

従って、方向性を有する熱伝導のパスが形成され、熱抵抗が小さく、熱伝導の効率が高い熱伝導材料を提供することが必要となる。

次に、本発明に係る実施例として、方向性を有する熱伝導のパスが形成され、熱抵抗が小さく、熱伝導の効率が高い熱伝導材料及びその製造方法について説明する。

本発明の実施例に係る熱伝導材料は、基材と、該基材に分散された複数の炭素ナノチューブと、を含む。ここで、前記基材は、第一表面及びそれと反対の第二表面を有する。前記複数の炭素ナノチューブはそれぞれ前記第一表面から前記第二表面まで延伸し、少なくとも一側の前記表面から外部まで露出される。少なくとも一側の前記表面には、相変化材料層が形成されている。

前記炭素ナノチューブは前記相変化材料層から露出されることが好ましい。

前記複数の炭素ナノチューブは炭素ナノチューブのマトリックスである。

前記複数の炭素ナノチューブは熱伝導の方向に平行して配列される。

前記相変化材料としては、オレフィン、ポリオレフィン、低分子量のポリエステル、低分子量のエポキシ樹脂、アクリル樹脂のいずれか一種が利用され、相変化温度が２０℃〜９０℃、厚さが１μｍ〜１００μｍにされる。

前記基材としては、シリコンゴム、ポリエステル、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ，polyvinyl chloride）、ポリビニルブチラール（PVB，polyvinyl butyral）、ポリエチレン、ポリプロピレン、エポキシ樹脂、ポリカーボネート、ポリオキシメチレン、ポリアセタール等のような高分子材料の一種が採用される。

本発明の実施例に係る熱伝導材料の製造方法は、複数の炭素ナノチューブを準備する工程と、前記炭素ナノチューブの少なくとも一方の端部に保護層を形成する工程と、前記保護層が形成された前記炭素ナノチューブに基材の液体を注入して固化させる工程と、前記保護層を除去する工程と、前記保護層が除去された基材の少なくともの一側の表面に相変化材料層を形成する工程と、を含む。ここで、前記複数の炭素ナノチューブは、化学堆積法、プラズマ補助ホットフィラメント化学気相堆積方法（Plasma Assistant Hot-filament Chemical Vapor Deposition，PAHFCVD）等のいずれか一種の方法により形成される。

前記保護層は、例えばキシレンの溶剤を利用して除去される。

前記相変化材料の形成方法は次の二種がある。１つは、相変化温度以下で、前記保護相が除去されて露出された前記基材の少なくとも一側の表面に、相変化材料のシートを貼る方法である。もう一つの方法は、相変化温度以上で、前記保護相が除去されて露出された前記基材の少なくとも一側の表面を、相変化材料の液体に浸入させてから、濾過紙を利用して余計な相変化材料の液体を除去するものである。

また、保護層を除去した後、反応性イオンエッチング方法により基材をエッチングして、全ての炭素ナノチューブを基材の両側の表面に露出させる作業を行っても良い。

従来の技術と比べて、本発明の実施例に係る熱伝導材料は、複数の炭素ナノチューブを含み、且つ、該複数の炭素ナノチューブの少なくとも一方の端部が基材の表面に露出され、熱伝導面に一定の方向に沿って熱伝導のパスが形成されるので、熱伝導面の間の熱抵抗が減少する。また、炭素ナノチューブの両方の端部に設置された相変化材料は、熱伝導を始めてから温度が上昇することに伴って、相変化して液体の相変化材料になる。この液体の相変化材料は、それぞれ炭素ナノチューブと基材の間のスリットと、炭層ナノチューブ、基材と放熱装置及び熱源の界面に形成されたスリットを充填するので、各熱伝導面の間の熱抵抗を減少し、熱伝導材料の熱伝導の効率を高めることができる。

以下、図面を参考して本発明の実施例について詳しく説明する。

図１及び図２は、それぞれ本発明の実施例に係る熱伝導材料の斜視図及び側面図である。本実施例に係る熱伝導材料１０は、基材１１と、該基材１１に分散された複数の炭素ナノチューブ１２と、該基材１１の少なくとも一方の表面に形成された相変化材料１３と、を含む。ここで、前記複数の炭素ナノチューブ１２の端部は前記基材１１を貫通して、さらに、前記相変化材料層１３から外部に露出される。

前記基材１１の材料は、シリコンゴム、ポリエステル、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ，polyvinyl chloride）、ポリビニルブチラール（PVB ，polyvinyl butyral）、ポリエチレン、ポリプロピレン、エポキシ樹脂、ポリカーボネート、ポリオキシメチレン、ポリアセタール等のような高分子材料のいずれか一種が採用されてもよい。例えば、１：１：１の比率によりDow Corning Corporationから製造されたSylgard１６０型の二成分シリコン弾性体（two-component silicon elastomer）と酢酸エチルの溶剤と混合されてなるものは前記ポリマー基材１１として利用されてもよい。なお、前記基材１１は第一表面１１１及びそれと反対の第二表面１１２を含む。

前記複数の炭素ナノチューブ１２としては、マトリックスの形態に形成され、各々炭素ナノチューブが前記第一表面１１１から前記第二表面１１２に延伸して、熱伝導の方向に平行して前記基板１１に分布される。前記第一表面１１１と前記第二表面１１２との面積が不同又は平行しない場合、分散又は傾斜されるように設置されても良い。図２に示すように、前記炭素ナノチューブ１２は第一端部１２１及びそれと反対の第二端部１２２を備え、かつ、前記両方の端部の少なくとも一方は前記第一表面１１１又は第二表面１１２から外部に露出される。本実施例に係る炭素ナノチューブ１２は、端部１２１、１２２が前記両方の表面１１１、１１２から外部に露出される。

前記相変化材料１３は前記第一表面１１１及び／又は前記第二表面１１２に形成され、前記炭素ナノチューブ１２の前記第一端部１２１及び／又は前記第二端部１２２を覆うように設置される。本実施例において、前記相変化材料１３はそれぞれ前記両方の表面１１１、１１２に形成され、前記炭素ナノチューブ１２の端部の一部を覆う。ここで、前記相変化材料１３としては、オレフィン、ポリオレフィン、低分子量のポリエステル、低分子量のエポキシ樹脂、アクリル樹脂のいずれか一種が利用され、相変化の温度が２０℃〜９０℃、厚さが１μｍ〜１００μｍにされる。ここで、厚さは１０μｍが好ましい。本実施例に係る炭素ナノチューブ１２の端部１２１、１２２は前記基材１１の表面に露出されるので、前記相変化材料１３は熱処理を施すと、温度の上昇に伴って相変化して液体の相変化材料になり、前記炭素ナノチューブ１２の前記端部１２１、１２２及び前記基材１１の間のスリット、並びに、前記炭素ナノチューブ１２の前記端部１２１、１２２、前記基材１１と放熱装置（図示せず）又は熱源（図示せず）の間のスリットを充填して、各部の熱伝導面の熱抵抗を減少し、さらに全体の熱伝導面の熱抵抗を減少し、熱伝導材料１０の熱伝導効率を高めることができる。

図３に示すように、本発明の実施例である熱伝導材料の製造方法は次の工程を含む。

工程（ａ）は、複数の炭素ナノチューブを準備する工程である。該複数の炭素ナノチューブは気相堆積法により触媒層に成長させた炭素ナノチューブのマトリックスの形態である。該製造方法は、特許文献１及び特許文献２、並びに、非特許文献１に詳しく記載されている。

本実施例に係る炭素ナノチューブのマトリックスの製造方法は、前記非特許文献１に記載されているようなものである。まず、シリコンの基材１４に厚さが約５ｎｍの金属鉄の触媒層が形成され、３００℃及び空気の雰囲気で熱処理を施した後、７００℃で気相堆積法により前記シリコンの基材１４に炭素ナノチューブ１２を成長させる。

工程（ｂ）は、前記炭素ナノチューブの少なくとも一方の端部に保護層が形成される工程である。前記工程（ａ）において炭層ナノチューブのマトリックスをシリコンの基材１４に成長させたので、本工程では、炭素ナノチューブ１２のシリコンの基材１４が形成されていない側に、粘着剤１６を用いて支持基材１５を緊密に接着し、前記シリコン基材１４を除去した後、前記シリコン基材１４が取り除かれた側に粘着剤１６を用いて他の支持基材１５を緊密に接着することで、両方の端部に保護層（支持基材１５及び粘着剤１６を含む）が形成された炭素ナノチューブの金型が製造される。前記支持基材１５としてはポリエステル、前記粘着剤１６としては撫順軽工業所製のＹＭ８８１型の粘着剤、前記基材１１としてはSylgard１６０型のシリコンゴムが利用される。さらに、前記保護層は厚さが０．０５ｍｍにされることが好ましい。

工程（ｃ）は、前記の保護層を有する炭素ナノチューブに基材の溶液又は溶融液体を注入して固化させる工程である。前記工程（ｂ）において製造された炭素ナノチューブの金型を基材の溶液又は溶融液体中に置いて、真空で２４時間固化させると、基材１１を有する炭素ナノチューブ１２が製造される。ここで、前記基材１１としては、シリコンゴム、ポリエステル、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ，polyvinyl chloride）、ポリビニルブチラール（PVB ，polyvinyl butyral）、ポリエチレン、ポリプロピレン、エポキシ樹脂、ポリカーボネート、ポリオキシメチレン、ポリアセタール等のような高分子材料の一種が採用される。

工程（ｄ）は、前記保護層を除去する工程である。前記支持基材１５は直接剥されるが、前記粘着剤１６は、例えば、キシレンの溶剤で溶融して除去されることができる。該工程により、前記基材１１の前記第一表面１１１及びそれと反対の前記第二表面１１２を露出させるだけでなく、元々前記保護層で覆われた前記炭素ナノチューブ１２の両方の端部１２１、１２２をそれぞれ前記基材１１の両方の表面１１１、１１２に露出させることができる。

工程（ｅ）は、前記工程（ｄ）により露出された基材１１の少なくとも一方の表面に相変化材料１３が形成される工程である。該工程には次のいずれの方法も利用できる。まず、相変化材料１３のシートを相変化温度で前記工程による露出された基材１１の前記第一表面１１１及び前記第二表面１１２に貼り、即ち、相変化材料１３を前記炭素ナノチューブ１２の両方の端部１２１、１２２に付けて、熱伝導材料１０が形成される。又、もう一つの方法は、相変化温度より高い状態で、前記工程（ｄ）により露出された基材１１の前記第一表面１１１及び前記第二表面１１２を相変化材料１３の液体に浸入してから、濾過紙を利用して該表面の余計な相変化材料の液体を除去する。ここで、前記相変化材料１３としてはオレフィンが採用されれば良い。前記炭素ナノチューブの端部又は端部の一部を露出させるために、該相変化材料１３の厚さは１μｍ〜１００μｍにされるが、１０μｍが好ましい。

図４は、前記工程（ａ）で準備された炭素ナノチューブのマトリックスを走査型電子顕微鏡で見た側面図である。ここで、図４の挿絵は高倍率の透過型電子顕微鏡で見た図である。図４に示すように、非特許文献１に記載された成長方法による炭素ナノチューブのマトリックスは一定の方向に良好に配列され、高さが０．３ｍｍ程度になる。ここで、これらの炭素ナノチューブは一側の端部が平滑なシリコンの基材から成長されるので、該端部が揃っている。且つ、これらの炭素ナノチューブのもう一側の端部は、焼結又は切断の方法で揃わせる。なお、図４の挿絵に示すように、１つの多層炭素ナノチューブは口径が約１２ｎｍになり、その壁は黒鉛のシートが八層巻かれた構造を有している。図４に示された炭素ナノチューブのマトリックスは、複数の前記挿絵に示された多層炭素ナノチューブが配列されてなる。また、これらの炭素ナノチューブは口径及び高さが同じで、均一に分布されている。このような構成によれば、本発明に係る熱伝導材料の熱伝導の均一性及び熱伝導パスの方向の一致性が良好に保持できる。

図５は、本発明に係る実施例の炭素ナノチューブのマトリックスに高分子化合物を埋め込んでなる複合物の側面図である。図６は、本発明に係る実施例の炭素ナノチューブのマトリックスに高分子化合物を埋め込んでなる複合物の上面図である。ここで、図５及び図６は共に走査型電子顕微鏡で見られた図である。図５に示すように、前記工程（ｄ）において、炭素ナノチューブのマトリックスは基材に埋め込んだ後、元のマトリックスの状態が保持することができる。また、図６に示すように、炭素ナノチューブのマトリックスは前記基材から露出される。

さらに、前記工程（ｄ）の後、次の工程も行うことが好ましい。即ち、炭素ナノチューブをより多く基材の表面に露出させるために、反応性イオンエッチング方法（Reactive Ion Etching, RIE）により基材をエッチングする。例示としては、気圧が６Ｐａ、パワーが１５０Ｗの条件で、Ｏ_２などのイオン体を利用して基材の両方の表面を１５分間エッチングする。図７は、イオンエッチングによる基材１１及び炭素ナノチューブ１２の複合物の走査型電子顕微鏡で見られた図である。図６と比べて、図７に示された炭素ナノチューブの端部はより長く基材１１から露出され、且つ、より均一及び規則的に配列されている。

本実施例によれば、熱伝導材料に一定の方向に配列された炭素ナノチューブが埋め込み、その少なくとも一方の端部が基材から露出され、熱伝導パスが形成されるので、過多の熱抵抗を防止することができる。さらに、炭素ナノチューブの両方の端部に相変化材料を覆って熱伝導を行うと、温度の上昇に伴って相変化が始まり、液体の相変化材料になり、それぞれ炭素ナノチューブと基材の間のスリットと、炭素ナノチューブ、基材と放熱装置及び熱源とのスリットを充填して、熱伝導面の熱抵抗を減少し、さらに全体の熱伝導面の熱抵抗を減少し、熱伝導材料の熱伝導効率を高めることができる。

本発明に係る熱伝導材料の斜視図である。 本発明に係る熱伝導材料の側面図である。 本発明に係る熱伝導材料の製造方法の工程図である。 本発明に係る実施例の炭素ナノチューブの走査型電子顕微鏡での側面図である。 本発明に係る実施例の炭素ナノチューブのマトリックスに高分子化合物を埋め込んでなる複合物の走査型電子顕微鏡での上面図である。 本発明に係る実施例の炭素ナノチューブのマトリックスに高分子化合物を埋め込んでなる複合物の走査電子顕微鏡での上面図である。 本発明に係る、イオンエッチングによる基材及び炭素ナノチューブの複合物の上面図である。

符号の説明

１０ 熱伝導材料
１１ 基材
１２ 炭素ナノチューブ
１３ 相変化材料
１１１ 第一表面
１１２ 第二表面
１２１、１２２ 端部
１４ シリコンの基材
１５ 支持基材
１６ 粘着剤

Claims (8)

1. 基材と、該基材に分散された複数の炭素ナノチューブと、を含み、
   前記基材は、第一表面及びそれと反対の第二表面を有し、
   前記複数の炭素ナノチューブはそれぞれ前記基材の第一表面から第二表面までに延伸する熱伝導材料であり、
   前記複数の炭素ナノチューブは少なくとも一方の前記表面から外部に露出され、
   少なくとも一方の前記表面には、相変化材料層が形成されていることを特徴とする熱伝導材料。
2. 前記炭素ナノチューブは前記相変化材料層から露出されることを特徴とする、請求項１に記載の熱伝導材料。
3. 前記複数の炭素ナノチューブは炭素ナノチューブのマトリックスからなることを特徴とする、請求項１又は２に記載の熱伝導材料。
4. 前記複数の炭素ナノチューブは熱伝導の方向に平行して配列されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱伝導材料。
5. 前記相変化材料の相変化温度が２０℃〜９０℃であることを特徴とする、請求項１に記載の熱伝導材料。
6. 前記相変化材料の厚さが１μｍ〜１００μｍであることを特徴とする、請求項１に記載の熱伝導材料。
7. 複数の炭素ナノチューブを準備する工程と、
   前記炭素ナノチューブの少なくとも一方の端部に保護層を形成する工程と、
   前記炭素ナノチューブに基材の液体を注入して固化される工程と、
   前記保護層を除去する工程と、
   前記保護層が除去された基材の少なくともの一側の表面に相変化材料層を形成する工程と、
   を含むことを特徴とする熱伝導材料の製造方法。
8. 前記保護層を除去した後、反応性イオンエッチング方法により前記基材をエッチングすることを特徴とする、請求項７に記載の熱伝導材料の製造方法。

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