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WO2018084272A1 - 基材表面に微細凸凹層を設けた放熱シートおよび放熱部材 - Google Patents

基材表面に微細凸凹層を設けた放熱シートおよび放熱部材 Download PDF

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WO2018084272A1
WO2018084272A1 PCT/JP2017/039836 JP2017039836W WO2018084272A1 WO 2018084272 A1 WO2018084272 A1 WO 2018084272A1 JP 2017039836 W JP2017039836 W JP 2017039836W WO 2018084272 A1 WO2018084272 A1 WO 2018084272A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
heat
fine uneven
uneven layer
area
substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2017/039836
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
修司 岩田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GlobaliCo ltd
Original Assignee
GlobaliCo ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by GlobaliCo ltd filed Critical GlobaliCo ltd
Priority to JP2018549088A priority Critical patent/JP6839824B2/ja
Publication of WO2018084272A1 publication Critical patent/WO2018084272A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B7/00—Layered products characterised by the relation between layers; Layered products characterised by the relative orientation of features between layers, or by the relative values of a measurable parameter between layers, i.e. products comprising layers having different physical, chemical or physicochemical properties; Layered products characterised by the interconnection of layers
    • B32B7/02—Physical, chemical or physicochemical properties
    • 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
    • H10W40/10—
    • H10W40/25—

Definitions

  • the present invention relates to a radiation sheet and a heat radiating member that effectively radiate heat from a heating element to the outside.
  • Patent Document 1 discloses a far-infrared high-intensity for enhancing the cooling effect by far-infrared radiation on a heat conducting aluminum substrate provided in close contact with a heating element. Some have a radiation coating.
  • the surface of the aluminum base material is only formed with a far-infrared radiation coating with a constant thickness, the size of the radiation area is limited, and the heat from the aluminum base material is not radiated sufficiently to the outside. As a result, the temperature of the heating element does not decrease sufficiently, leading to malfunction of the electronic device and failure of the electronic component itself.
  • Patent Document 2 proposes a structure in which a flexible heat radiation film having an infrared radiation effect is provided on the surface of a graphite film as a heat conductor.
  • the contents of Patent Document 2 are those in which a liquid material containing either silicon dioxide or aluminum oxide is applied to the surface of the graphite film and dried to form a heat radiation film.
  • the main purpose is to realize flexibility, and it has not been sufficiently presented that the temperature of the heating element can be effectively radiated to the outside.
  • Patent Document 1 since the far-infrared radiation coating having a constant thickness is formed on the surface of the aluminum base material that is in close contact with the heating element, the size of the radiation area is limited, and the thermal conductor The heat from the aluminum base material is not sufficiently radiated to the outside, and as a result, the temperature of the heating element does not sufficiently decrease, causing malfunction of the electronic device and failure of the electronic component itself.
  • Patent Document 2 a heat radiation film is formed by applying and drying a liquid material containing either silicon dioxide or aluminum oxide on the surface of a graphite film to achieve lightness, workability, and flexibility. However, it is not clear whether the temperature of the heating element can be effectively radiated to the outside.
  • an object of the present invention is to provide a heat dissipation sheet that can effectively radiate the temperature of a heating element to the outside.
  • the heat dissipation sheet of the present invention includes a heat conductor that diffuses heat of the heating element over the entire surface, and a substrate having a fine uneven layer on the surface side of the heat conductor.
  • a layer made of an inorganic compound containing silicon dioxide Is a layer made of an inorganic compound containing silicon dioxide, and the surface area of the fine uneven layer is at least 10 times the surface area of the flat substrate when the fine uneven layer is not provided. It is characterized by.
  • the heat transfer coefficient between the heat-dissipating sheet and the air is remarkably increased, that is, the thermal resistance is remarkably reduced, so that the heat energy of the heating element can be effectively radiated to the outside.
  • the temperature of the heating element can be greatly reduced.
  • a heat conductor that diffuses heat of the heating element over the entire surface and a base material that is provided on the surface side of the heat conductor and on which the fine uneven layer is formed. Is less than 1 ⁇ m and the density is 100 / ⁇ m 2 or more. More preferably, the protrusions of the fine uneven layer have a height of 200 nm or less and a density of 400 pieces / 1 ⁇ m 2 or more.
  • the base material is preferably a metal or a carbon-based inorganic material. This is because the heat conductivity is high and the heat of the heating element can be instantaneously diffused over the entire surface of the heat conductor.
  • the size of the surface area of the side surface of the convex portion is 10 times or more the size of the bottom area of the convex portion. More preferably, the size of the surface area of the side surface of the convex portion is 14 times or more the size of the bottom area of the convex portion, and more preferably, the size of the surface area of the side surface of the convex portion is the bottom area of the convex portion. Is at least 14.88 times the size of.
  • the fine uneven layer in the heat dissipation sheet of the present invention is a coating film formed on a substrate using any one of the following 1) to 3).
  • the fine uneven layer has functions of antistatic property, antifouling property, and transmittance improving property.
  • a heat dissipating member comprising a base material bonded and adhered to at least one surface of the heating element, wherein the base material has a fine uneven layer formed on at least one surface other than the surface to be bonded to the heat generating element. It is a layer made of an inorganic compound containing silicon dioxide, and the size of the surface area of the fine uneven layer is at least 10 times the area of the surface side of the flat substrate when the fine uneven layer is not provided.
  • the convex portions of the fine uneven layer preferably have a height of less than 1 ⁇ m and a density of 100 / ⁇ m 2 or more.
  • the heat dissipation member of the present invention is a heat dissipation member comprising a base material that covers a heating element, and the base material has a fine uneven layer formed on at least one surface, and the convex portions of the fine uneven layer have a height.
  • the density is less than 1 ⁇ m and the density is 100 / ⁇ m 2 or more.
  • the protrusions of the fine uneven layer have a height of 200 nm or less and a density of 400 / ⁇ m 2 or more.
  • size of the surface area of the side surface of a convex part is 10 times or more of the magnitude
  • the fine uneven layer in the heat radiating member of the present invention is a coating film formed on a substrate using any one of the following 1) to 3).
  • the manufacturing method of the heat radiating sheet of the present invention includes the following steps. 1) A base material is provided on the surface side of the heat conductor that diffuses the heat of the heating element over the entire surface. 2) A liquid solution of an inorganic compound containing silicon dioxide is applied to the surface of the base material and dried. Forming a fine uneven layer having a surface area of 10 times or more as compared with the surface side area of
  • the method for producing heat dissipation according to the present invention is a method for producing a heat dissipating member composed of a base material bonded and adhered on at least one surface of the heating element, and is at least one other than the surface to be bonded to the heating element.
  • One surface is provided with a step of applying a liquid agent of an inorganic compound containing silicon dioxide and drying to form a fine uneven layer having a surface area of 10 times or more as compared to the area on the surface side of the substrate.
  • the heat-dissipating sheet of the present invention has an effect that a fine uneven layer is formed on the surface of the heat radiator to effectively radiate heat from the heat generator to the outside.
  • Sectional drawing of the heat-radiation sheet of Example 1 Observation image of the surface of the fine uneven layer of the heat dissipation sheet of Example 1
  • Dimensional drawing of a model in which the constituent elements of the fine uneven layer of the heat dissipation sheet of Example 1 are conical (A) The image which shows a mode that the fine uneven layer of the thermal radiation sheet of Example 1 was formed on the heat radiation tape, (B) The mode that the fine uneven layer of the thermal radiation sheet of Example 1 was formed on the acrylic resin The image to show, (C) Confirmation image of the antifouling property of the fine uneven layer of the heat-radiation sheet of Example 1, (D) Confirmation image of the light transmittance of the fine uneven layer of the heat-release sheet of Example 1.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view of one embodiment of a heat dissipation sheet of the present invention.
  • the heat radiating sheet 1 includes a fine uneven layer 2, a heat radiator 3, an adhesive layer (A) 4, a heat conductor 5, and an adhesive layer (B) 6.
  • the heat-dissipating sheet 1 is affixed to a pressure-sensitive adhesive layer (B) 6 provided on the bottom surface side of the heat conductor 5 with a heating element (not shown) such as an electronic component serving as a heat source, or in close contact with the heating element. Used.
  • the heat conductor 5 is used for diffusing the heat from the heating element over the entire surface of the heat conductor 5.
  • An adhesive layer (A) 4 is provided on the surface side of the thermally diffused thermal conductor 5.
  • the heat conductor 5 is bonded to the heat radiator 3 for efficiently radiating heat into the air via the adhesive layer (A) 4.
  • the heat conductor 5 is brought into close contact with the heat radiator 3.
  • a fine uneven layer 2 is provided on the surface side of the thermal radiator 3 for enlarging the radiation area in order to further increase the thermal radiation efficiency.
  • the fine uneven layer 2 having a fine protrusion shape is provided on the surface side of the heat radiator 3 to increase the heat transfer coefficient between the heat radiator 3 and the air and to effectively radiate heat.
  • the heat conductor 5 is generally made of a metal or carbon-based inorganic material having a high thermal conductivity.
  • a metal or carbon-based inorganic material having a high thermal conductivity.
  • the thermal conductivity is high, and since the heat of the heating element can be instantaneously diffused over the entire surface of the thermal conductor 5, it is suitable as a material for the thermal conductor 5. It is. Considering the material cost, an organic material may be used, but care must be taken because the thermal conductivity is low.
  • the thermal radiator 3 is often a PET (Polyethylene terephthalate) film, which is advantageous in terms of cost, but the thermal radiation rate is as low as 0.5 to 0.7 in the far infrared region, so that the thermal radiation efficiency is increased. Therefore, a black body sheet or a high heat radiation sheet having a thermal emissivity of 0.9 or more may be used.
  • the effect of the fine uneven layer 2 that forms the fine protrusion shape on the surface side of the thermal radiator 3 can be explained using Newton's cooling law. That is, heat transfer between objects (substances) is caused by heat transfer on the contact surface, and the amount of heat transfer is proportional to the size of the contact area. That is, the greater the contact area between the two materials, the greater the heat transfer. This is the basic concept of Newton's law of cooling.
  • the amount of heat radiated into the air from the heat radiator 3 shown in FIG. 1 is proportional to the surface area of the heat radiator 3 and the temperature difference between the heat radiator 3 and air. That the following equation between the quantity of heat Q, the time t, the surface area S (the area in contact with air) of the heat radiator 3, the temperature T of the heat radiator 3, the temperature T m of a air with thermal radiators 3 The relationship of 1 holds. This is Newton's cooling law.
  • the proportionality constant ⁇ is a constant (heat transfer coefficient) determined by the shape of the contact surface of the heat radiator 3, the nature of air, the way air flows, and the like.
  • the heat of the heat radiator 3 can be efficiently radiated into the air. By this action, the temperature of the heating element can be reduced.
  • the fine uneven layer 2 having a fine protrusion shape formed into a surface has a liquid agent in which an ultrafine silicon dioxide compound is mixed in an aqueous solution, an inorganic compound mainly composed of silicon dioxide, an organic compound, a liquid agent mixed in alcohol or water. It can be obtained by coating on the surface of an inorganic or organic substrate and drying.
  • the fine uneven layer is formed by applying a liquid mixture obtained by mixing silicon dioxides to at least one liquid of water, alcohol, an inorganic compound, and an organic compound on the surface of an inorganic substrate or an organic substrate and drying the mixture. To get. Drying may be natural drying or forced drying in a thermostatic bath. In the case of forcibly drying, the fine uneven layer 2 can be formed on the surface of the inorganic base material or the organic base material in a short time, so that work efficiency can be improved.
  • FIG. 2 is an image obtained by observing the surface of the fine uneven layer 2 with a scanning probe microscope after a liquid agent in which an ultrafine silicon dioxide compound is mixed in an aqueous solution is applied to a glass substrate and dried.
  • the fine protrusion group constituting the fine uneven layer 2 has approximately 400 or more protrusions in 1 ⁇ m 2 , and the area occupied by one protrusion is 2.5 nm 2 or less on average.
  • the height from the bottom surface of the fine protrusion group is 200 nm or less, and the height of the protrusion group is estimated to be 15 to 30 nm.
  • the fine uneven layer 2 is a fine solid composed of silicon as a main component.
  • the thermal emissivity of silicon which is a fine solid, is as large as about 0.9 in the far-infrared region, and the heat of the thermal conductor 5 transmitted to the thermal radiator 3 can be efficiently radiated into the air.
  • the heat conductivity is less than 1 for PET film
  • silicon is as high as 148, and from the viewpoint of heat conduction, the heat of the heating element can be efficiently radiated into the air, so that the heating element as a heat source It is possible to efficiently reduce the temperature of.
  • the surface area of the fine uneven layer 2 formed on the surface of the thermal radiator 3 is obtained. It is assumed that the shape of the fine protrusion group of the fine uneven layer 2 is composed of two types of shapes, a quadrangular pyramid and a cone.
  • the side surface area for each is obtained.
  • the height of the fine protrusion group is estimated to be 15 to 30 nm, the calculation obtains the area of the side surface (side surface area) at these two values, and is several times the area of the bottom surface (bottom surface area). Calculate how big it will be.
  • FIG. 3 is a model diagram in which the area occupied by one fine protrusion is 2.5 nm 2 and the shape of the fine protrusion is a quadrangular pyramid, and the side surface area at this time is obtained.
  • the height x is 15 nm.
  • FIG. 4 is a model diagram in which the area occupied by one fine protrusion is 2.5 nm 2 and the protrusion shape is a cone, and the side area at this time is obtained.
  • the area occupied by the bottom surface portion was a square having a side length of 1.58 nm.
  • the diameter at the bottom is 1.58 nm (radius 0.79 nm).
  • the heat radiating sheet 1 shown in FIG. 1 is a heat radiator without the fine uneven layer 2 because the heat from the heating element is efficiently radiated into the air by providing the fine uneven layer 2 made of the fine protrusion group. Compared to the heat radiating sheet of only 3, it is possible to greatly suppress the temperature rise of the heating element.
  • the number of protrusions may be 400 or less, and the area occupied by one protrusion is an average of 2.5 nm 2.
  • the height from the bottom surface of the fine protrusion group may be 200 nm or more.
  • FIG. 5A shows an inorganic compound mainly composed of silicon dioxide on the surface of a heat radiation tape 50 (product name: TP7623, thermal emissivity: 0.9) manufactured by Big Technos, which has been commercialized as a heat radiator.
  • 1 shows a state in which an Excel Pure (product name) solution made by Chuo Automobile Co., Ltd. mixed in an organic compound, alcohol and water is applied.
  • the thermal radiation tape 50 is blackish.
  • FIG. 5 (B) is a micrograph in a state where an Excel pure liquid is applied on an acrylic resin and dried. From FIG. 5 (B), it can be seen that the fine protrusion groups as shown in FIG. 2 are formed on the surface of the heat radiation tape 50. Fine solids composed mainly of silicon exhibit antifouling and antistatic effects due to the hydrophilic action associated with moisture in the air, so they can be used in adverse environments where dust and oil are scattered. Since the dust has a property that the oil does not easily adhere to the heat radiating sheet 1, the highly reliable heat radiating sheet 1 can be obtained.
  • FIG. 5 (C) shows a case where dust (here, flour is used) is applied to the thermal radiation tape 50 in order to confirm the effect of the fine uneven layer 2 formed by applying and drying an Excel pure liquid on the thermal radiation tape 50.
  • dust here, flour is used
  • FIG. 5 (C) shows a case where dust (here, flour is used) is applied to the thermal radiation tape 50 in order to confirm the effect of the fine uneven layer 2 formed by applying and drying an Excel pure liquid on the thermal radiation tape 50.
  • A is an area where the Excel pure solution is not applied to the left region of the thermal radiation tape 50, and the right region is an area where the Excel pure solution is applied.
  • B shows a state where both areas are covered with flour, which is dust.
  • C is an observation of how much flour is adhered to the heat radiation tape 50 by tilting the heat radiation tape 50 and forcibly dropping the flour. Flour in the area where the Excel Pure liquid is applied It can be seen that the adhesion amount of is significantly reduced.
  • the fine uneven layer 2 coated with the Excel Pure liquid has the effect of increasing the heat dissipation. It turns out that there is antifouling action.
  • FIG. 5 (D) shows that the fine uneven layer 2 formed on the organic base material 55 by applying the Excel Pure liquid thinly on one side with a bar coater on the transparent organic base material 55 has a transmittance improving effect. It is a sample for confirming.
  • the used organic base material 55 is a transparent polycarbonate sheet (manufactured by Idemitsu Kosan Co., Ltd., product name LC1500, thickness 1 mm).
  • (A) is a blank state in which the Excel Pure liquid is not applied on the organic substrate 55. When water is dropped here, a water repellent state 52 is shown.
  • (B) shows a state in which an Excel pure solution is applied to the organic base material 55 with a bar coater, and water is dropped after drying. When water is dropped, it can be seen that the surface of the organic base material 55 shows a hydrophilic state 53 and the fine uneven layer 2 is formed.
  • FIG. 6 shows a heat dissipation sheet 1a composed of the fine uneven layer 2, the second fine uneven layer 7, the heat radiator 3, the adhesive layer (A) 4, the thermal conductor 5, and the adhesive layer (B) 6.
  • a second fine uneven layer 7 is provided on the back surface of the thermal radiator 3 on the adhesive layer (A) 4 side. Since the second fine uneven layer 7 has hydrophilicity, the generation of air (fine air bubbles) is suppressed by improving the wettability with the adhesive for forming the adhesive layer. Since the adhesion force is improved and the adhesion area with the adhesive layer (A) 4 is also increased, the heat from the heat conductor 5 can be efficiently transferred to the heat radiator 3.
  • FIG. 7 shows a heat sink type heat radiating sheet 8 composed of a fine uneven layer 2, a heat sink metal substrate 9 of a heat radiator, an adhesive layer (A) 4, a heat conductor 5, and an adhesive layer (B) 6.
  • a difference from FIG. 1 is that a fine uneven layer 2 is formed on the surface of a heat sink type metal substrate 9 which is mainly used as a heat radiator based on an aluminum substrate.
  • a heat sink type metal substrate 9 which is mainly used as a heat radiator based on an aluminum substrate.
  • the fine uneven layer 2 is provided on the surface of the heat sink type metal substrate 9, the radiation area increases, and accordingly, the heat radiation from the heat sink type metal substrate 9 increases. As a result, the temperature of the heating element decreases.
  • FIG. 8 shows a basic part of the radiator 30 used in a heat exchanger such as an automobile, a vehicle, and an air conditioner.
  • a heat exchanger such as an automobile, a vehicle, and an air conditioner.
  • hot water sent from an engine by a water pump (not shown) is cooled using the radiation fins 31 and the cooling plate 32, and the cooled water is circulated to cool the engine system.
  • the heat radiating area is increased by providing the fine uneven layer 2 on the heat radiating fin 31, the heat of the radiating fin 31 is radiated more than before, and as a result, the temperature rise of the engine is suppressed and the mechanical system, electronic / electrical The system can operate stably without failure.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of the solar cell module.
  • a method for manufacturing the solar cell module 40 will be briefly described. After laminating the upper EVA (Ethylene VinylAcetate) sheet 42, the solar battery cell 43, the lower EVA sheet 44, and the light-resistant film 45 in this order based on the heat strengthened white plate glass 41, this laminating apparatus is introduced. 9 is heated while evacuating the inside of the apparatus, the upper EVA sheet 42 and the lower EVA sheet 44 are melted, and the solar cells 43 are firmly bonded to the heat-strengthened white plate glass 41, whereby the configuration shown in FIG. 9 can be produced. .
  • EVA Ethylene VinylAcetate
  • the solar cell module 40 is manufactured.
  • the frame 46 and the sealing material 47 are provided for the purpose of reinforcing mechanical strength and preventing moisture penetration when the solar cell module 40 is used outdoors for a long time.
  • the frame 46 is an anodized aluminum frame.
  • the sealing material 47 is made of butyl rubber, which has good environmental resistance and electrical characteristics such as heat aging resistance, chemical resistance, and weather resistance, and has particularly low gas permeability.
  • As the light-resistant film 45 a sheet having a structure in which aluminum having high moisture-proof and insulating ability is sandwiched between polyvinyl fluoride films (PVF: Poly-Vinyl Fluoride) is used.
  • PVF Poly-Vinyl Fluoride
  • the solar cell module 40 When the solar cell module 40 receives sunlight, it is converted from light to electricity by the solar battery cell 43 and is taken out as electromotive force.
  • the photovoltaic / electrical conversion electromotive force of the solar battery cell 43 is increased, so that the temperature of the solar battery cell 43 is increased. Since the conversion efficiency of the solar battery cell 43 decreases as the temperature rises, the conversion efficiency greatly decreases due to the heat in the solar battery module 40 when the amount of sunlight is large as in the summer of Japan. Heat countermeasures are required.
  • the fine uneven layer 2 of the present invention on the surface of the heat-strengthened white plate glass 41, the frame 46 and the light-resistant film 45, the heat generated in the solar battery cell 43 is effectively radiated to the outside.
  • the temperature rise of the solar battery cell 43 is suppressed, and the solar battery cell 43 is subjected to photoelectric conversion with high efficiency.
  • the fine uneven layer 2 is formed on the surface of the solar cell module 40, it becomes difficult for dust and other dirt to adhere thereto.
  • the antifouling action is exhibited on the surface of the heat-strengthened white plate glass 41, there are few things that prevent the solar cells 43 from being irradiated with sunlight, and the amount of light / electricity conversion increases accordingly.
  • the fine uneven layer 2 has an effect of improving the transmittance, the amount of light / electric conversion is increased accordingly.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of the straight tube LED lamp 10.
  • An LED 12 is attached to the electronic board 15, and an electronic circuit group for controlling the brightness of the LED 12 is mounted.
  • the light emitted from the LED 12 illuminates the front space through the transparent substrate 13.
  • the power source 14 is integrated with the electronic substrate 15 and applies a voltage to the electronic substrate 15.
  • the aluminum base 11 mechanically protects the electronic board 15 and the power supply 14 and radiates heat from the LED 12, the power supply 14 and the electronic circuit group mounted on the electronic board 15 to the outside.
  • the rise of the temperature in the tube of the straight tube LED lamp 10 is suppressed so that the electronic circuit group mounted on 15 operates stably or does not cause a failure.
  • the aluminum base 11 has a high thermal conductivity of about 250, the thermal emissivity is 0.8 or less even when anodized, and heat from the LED or power source cannot be efficiently radiated to the outside.
  • the temperature inside the tube of the straight tube LED lamp 10 is further increased, leading to a decrease in the luminous efficiency of the LED 12 and a shortened life.
  • the fine uneven layer 2 is provided outside the aluminum base 11 to increase the surface area of the aluminum base 11 to radiate heat efficiently, and the fine uneven layer 2. Since the heat emissivity of the fine solid material composed mainly of silicon forming the silicon is as large as about 0.9 in the far-infrared region, the heat in the tube can be effectively radiated to the outside. As a result, an increase in the temperature inside the tube of the straight tube type LED lamp 10 is suppressed, and as a result, a reduction in luminance of the LED 12 is improved, a long life is achieved, and the electronic circuit group mounted on the electronic substrate 15 is stabilized. Operation can be performed, and failure occurrence can be greatly reduced.
  • FIG. 11 shows a structure in which a third fine uneven layer 16 is provided on the inner surface of the aluminum base 11 of the straight tube LED lamp 10 shown in FIG.
  • the third fine uneven layer 16 has an effect of efficiently transferring heat from the electronic circuit group mounted on the LED 12, the power supply 14, and the electronic substrate 15 to the aluminum base material 11.
  • an increase in the temperature inside the tube of the straight tube type LED lamp 10 is suppressed, and as a result, a reduction in luminance of the LED 12 is improved, a long life is achieved, and the electronic circuit group mounted on the electronic substrate 15 is stabilized. Operation can be performed, and failure occurrence can be greatly reduced.
  • the fine uneven layer 2 is provided on the surface of the transparent substrate 13.
  • the heat radiation from the electronic circuit group mounted on the LED 12, the power supply 14, and the electronic substrate 15 is provided on the inside of the transparent substrate 13 by providing the fine uneven layer 2, so that the heat in the tube is also released from the transparent substrate 13 to the outside. It can be radiated efficiently. That is, since the transparent substrate 13 is usually made of polycarbonate or acrylic polymer resin having an extremely low thermal conductivity of 0.3 or less, the heat in the tube of the straight tube LED lamp 10 is passed through the transparent substrate 13.
  • the surface area of the transparent base material 13 is increased by providing the fine uneven layer 2 on the surface of the transparent base material 13, so that it is mounted on the LED 12, the power supply 14 and the electronic substrate 15. More heat can be radiated to the outside of the tube. As a result, the luminance reduction of the LED 12 is improved and the lifetime is extended, and the electronic circuit group mounted on the electronic board 15 is stably operated and the occurrence of failure is reduced. Further, as described with reference to FIG. 5D, since the transmittance of the transparent substrate 13 is improved when the fine uneven layer 2 is provided on the surface of the transparent substrate 13, the supply from the power source 14 to the LED 12 is increased accordingly.
  • the power can be reduced, the temperature rise of the LED 12 and the power source 14 is suppressed, the brightness reduction of the LED 12 due to heat is improved and the life is extended, and the electronic circuit group mounted on the electronic board 15 is stable. It is possible to operate and reduce the occurrence of failures.
  • FIG. 13 is obtained by providing a fourth fine uneven layer 17 on the inner surface of the transparent substrate 13 of the straight tube LED lamp 10 shown in FIG. 12 and a fifth fine uneven layer 18 on the LED surface.
  • the heat from the electronic circuit group mounted on the LED 12, the power supply 14, and the electronic substrate 15 is provided on the front and back of the transparent substrate 13 by providing the fine uneven layer 2 and the fourth fine uneven layer 17 on the outside. Has the effect of radiating efficiently.
  • produces can also be radiated
  • the formation of the fine uneven layer 2, the fourth fine uneven layer 17, and the fifth fine uneven layer 18 suppresses an increase in the tube temperature of the straight tube LED lamp 10, and as a result, the brightness reduction of the LED 12 is improved. As a result, the service life of the electronic circuit group mounted on the electronic board 15 can be reduced and the failure can be reduced.
  • the fine uneven layer 2 is provided on the surface of the transparent substrate 13, and the fourth fine uneven layer 17 is provided on the inner surface. However, even if only one surface is provided, the heat in the tube of the straight tube LED lamp 10 is not increased. To reduce.
  • FIG. 14 is an external view of the LED spotlight 20 and a cross-sectional view of the LED optical lens 21.
  • an electronic circuit group (not shown) for controlling the brightness of the LED 23
  • a power supply (not shown) for supplying a voltage to the electronic circuit group, and the like are mounted inside the cover 24.
  • the light emitted from the LED 23 illuminates the front space through the optical lens 22.
  • the cover 24 is usually made of a metal having high thermal conductivity.
  • an aluminum base material is preferable because of its high thermal conductivity and light weight.
  • the material of the cover 24 is not limited to metal, and an organic base material may be used.
  • the cover 24 protects the mechanical shocks to the electronic circuit group and the power source and prevents a decrease in the reliability of the electrical system due to dust, and also radiates heat from the power source, the electronic circuit group and the LED 23 to the outside.
  • the rise in the temperature in the cover 24 is suppressed so that the group operates stably or does not cause a failure.
  • the seventh fine uneven layer 26 is provided outside the cover 24 to increase the surface area of the cover 24 that radiates heat, and the silicon that forms the seventh fine uneven layer 26 is mainly used. Since the thermal emissivity of the fine solid material constituted as a component is as large as about 0.9 in the far infrared region, the heat in the tube of the LED spotlight 20 can be effectively radiated to the outside. As a result, an increase in the temperature inside the LED spotlight 20 can be suppressed.
  • the luminance of the LED 23 can be reduced, and the life of the LED 23 can be extended. Is done. Further, when the eighth fine uneven layer 27 and the sixth fine uneven layer 25 are provided on the surface of the LED 23 and the optical lens 22 constituting the LED optical lens 21, the temperature of the LED 23 can be further reduced. Further, as described with reference to FIG. 5D, when the fine uneven layer 27 is provided on the surface of the optical lens 22, the light extraction efficiency is improved and the amount of light flux is improved. By reducing the input power, the temperature rise of the electronic circuit group and the LED 23 can be suppressed. As a result, an increase in the temperature inside the LED spotlight 20 is suppressed, and a decrease in luminance of the LED 23 is improved, and a stable operation of the electronic circuit group and the occurrence of a failure are greatly mitigated.
  • the present invention is useful for a heat dissipation sheet.

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Abstract

【課題】発熱体の温度を外部に効果的に放射できる放熱シートを提供する。 【解決手段】発熱体の熱を表面全域に拡散する熱伝導体と、熱伝導体の表面側に設けられ、微細凸凹層が表面に形成された基材を備え、微細凸凹層の凸部は、高さが１μｍ未満、密度が１００個／１μｍ２以上である。より好ましくは、微細凸凹層の凸部は、高さが２００ｎｍ以下、密度が４００個／１μｍ２以上である。放熱シートの凸部において、凸部の側面の表面積の大きさが、凸部の底面積の大きさの１０倍以上である。放熱シートにおける微細凸凹層は、アルカリ金属塩ケイ酸化合物の溶液、超微粒子二酸化ケイ素化合物の溶液、又は、それらの溶液に対して、アルコール類、有機化合物、無機化合物と水を混合して調製された溶液の何れかを用いて、放熱シートの基材の上に形成させた塗布膜である。

Description

基材表面に微細凸凹層を設けた放熱シートおよび放熱部材
　本発明は、発熱体からの熱を効果的に外部に放射する放射シートおよび放熱部材に関するものである。
　近年、電子機器等に使用されている集積回路（ＩＣ）等の電子部品は、その集積度の向上及び動作の高速化により消費電力が増大することによって発熱量も増大しており、これば電子機器の誤動作や電子部品自体の故障の一因となっているため、その放熱対策が大きな問題となっている。電子機器等においては、その使用中に電子部品(発熱体)の温度上昇を抑えるために、発熱体の上に熱伝導率の高い無機基材(熱伝導体)を設け、さらに熱伝導体の表面に遠赤外線放射効果を有する熱放射層(熱放射体)を設けた放熱シートが使用されている。このような放熱シートは、熱伝導体により熱を熱伝導体の表面全域に拡散させ、拡散された熱を熱放射体の表面から効率的に外部に放射するものである。
　しかしながら、発熱部品の密度が急速に増加している現在においては、その熱放射能力は十分でないため発熱体の温度の低下が思うように下がらず、発熱部の形状に対応した温度の高いヒートスポットが発生する。その結果、部品の高温化による電子機器の誤動作や、電子部品自体の故障が発生する。
　このような電子部品の発熱問題を解決するために、特許文献1では、発熱体に密着させて設けた熱伝導用アルミ基材の上に遠赤外線放射による冷却効果を高めるための、遠赤外線高放射皮膜を形成したものがある。しかし、アルミ基材の表面には厚さが一定の遠赤外線放射被膜が形成されているだけなので放射面積の大きさが限定され、アルミ基材からの熱が十分に外部に放射されず、その結果、発熱体の温度が十分に低下せず、電子機器の誤動作や、電子部品自体の故障に繋がることになる。
　また、特許文献２では、熱伝導体であるグラファイトフィルムの表面に赤外線放射効果を有する可撓性の熱放射膜を設けた構成のものが提案されている。しかし、特許文献２の内容は、グラファイトフィルムの表面に二酸化珪素、酸化アルミニウムのいずれかを含有する液状体を塗布、乾燥させて熱放射膜を形成したものであるが、軽量性、加工性、柔軟性の実現を主目的としており、発熱体の温度を外部に効果的に放射できることが十分に提示されていない。
特許第５０８３５７８号公報 特開２００８－７８３８０号公報
　上述の如く、特許文献1では発熱体に密着させたアルミ基材の表面に、厚さが一定の遠赤外線放射被膜が形成されているだけなので放射面積の大きさが限定され、熱伝導体のアルミ基材からの熱が十分に外部に放射されず、その結果、発熱体の温度が十分に低下せず、電子機器の誤動作や電子部品自体の故障の原因となっていた。また、特許文献２ではグラファイトフィルムの表面に二酸化珪素、酸化アルミニウムのいずれかを含有する液状体を塗布、乾燥させた熱放射膜を形成し、軽量性、加工性、柔軟性の実現を図っているが、発熱体の温度を外部に効果的に放射できるのか明らかではない。
　上記状況を鑑みて、本発明は、発熱体の温度を外部に効果的に放射できる放熱シートを提供することを目的とする。
　上記課題を解決すべく、本発明の放熱シートは、発熱体の熱を表面全域に拡散する熱伝導体と、熱伝導体の表面側に、微細凸凹層を有する基材を備え、微細凸凹層は二酸化ケイ素を含む無機化合物から成る層であり、微細凸凹層の表面積の大きさは、該微細凸凹層を設けない時の平らな基材の表面側の面積に比べて１０倍以上であることを特徴とする。
　これにより、放熱シートと空気との熱伝達率が格段に上がる、すなわち熱抵抗が格段に小さくなるので、発熱体の熱エネルギーを効果的に外部に放射できる。その結果、発熱体の温度を大きく下げることが可能となる。
発熱体の熱を表面全域に拡散する熱伝導体と、熱伝導体の表面側に設けられ、微細凸凹層が表面に形成された基材、を備え、微細凸凹層の凸部は、高さが１μｍ未満、密度が１００個／１μｍ２以上である。より好ましくは、微細凸凹層の凸部は、高さが２００ｎｍ以下、密度が４００個／１μｍ２以上である。
　ここで、基材は、金属やカーボン系の無機材料が好ましい。熱伝導率が高く、瞬時にして発熱体の熱を熱伝導体の表面全域に拡散できるからである。
　本発明の放熱シートの凸部において、凸部の側面の表面積の大きさが、凸部の底面積の大きさの１０倍以上である。より好ましくは、凸部の側面の表面積の大きさが、凸部の底面積の大きさの１４倍以上であり、更に好ましくは、凸部の側面の表面積の大きさが、凸部の底面積の大きさの１４．８８倍以上である。
　本発明の放熱シートにおける微細凸凹層は、下記１）～３）の何れかを用いて基材の上に形成させた塗布膜である。この微細凸凹層は、帯電防止性、防汚性、透過率向上性の機能を有する。
１）アルカリ金属塩ケイ酸化合物の溶液
２）超微粒子二酸化ケイ素化合物の溶液
３）上記１）又は２）の何れかの溶液に対して、アルコール類、有機化合物、無機化合物及び水を混合して調製された溶液
　本発明は。発熱体の少なくとも一つの面で接合し密着した基材から成る放熱部材であって、基材は、発熱体と接合する面以外の少なくとも一つの面に微細凸凹層が形成され、微細凸凹層は二酸化ケイ素を含む無機化合物から成る層であり、微細凸凹層の表面積の大きさは、該微細凸凹層を設けない時の平らな基材の表面側の面積に比べて１０倍以上であることを特徴とする。
　これにより、放熱シートと空気との熱伝達率が格段に上がる、すなわち熱抵抗が格段に小さくなるので、発熱体の熱エネルギーを効果的に外部に放射できる。その結果、発熱体の温度を大きく下げることが可能となる。
　本発明の放熱部材において、微細凸凹層の凸部は、高さが１μｍ未満、密度が１００個／１μｍ２以上であることが好ましい。
　また、本発明の放熱部材は、発熱体を覆う基材から成る放熱部材であって、基材は、少なくとも一つの面に微細凸凹層が形成され、微細凸凹層の凸部は、高さが１μｍ未満、密度が１００個／１μｍ２以上である。
　本発明の放熱部材において、より好ましくは、微細凸凹層の凸部は、高さが２００ｎｍ以下、密度が４００個／１μｍ２以上である。また、本発明の放熱部材の凸部において、凸部の側面の表面積の大きさが、凸部の底面積の大きさの１０倍以上である。より好ましくは、凸部の側面の表面積の大きさが、凸部の底面積の大きさの１４倍以上であり、更に好ましくは、凸部の側面の表面積の大きさが、凸部の底面積の大きさの１４．８８倍以上である。
　本発明の放熱部材における微細凸凹層は、下記１）～３）の何れかを用いて基材の上に形成させた塗布膜である。
１）アルカリ金属塩ケイ酸化合物の溶液
２）超微粒子二酸化ケイ素化合物の溶液
３）上記１）又は２）の何れかの溶液に対して、アルコール類、有機化合物、無機化合物及び水を混合して調製された溶液
　本発明の放熱シートの作製方法は、下記ステップを備える。
１）発熱体の熱を表面全域に拡散する熱伝導体の表面側に基材を設けるステップ
２）基材の表面に、二酸化ケイ素を含む無機化合物の液剤を塗布して乾燥させて、基材の表面側の面積に比べて１０倍以上の表面積を有する微細凸凹層を形成するステップ
　本発明の放熱の作製方法は、発熱体の少なくとも一つの面で接合し密着した基材から成る放熱部材の作製方法であって、基材に対して、発熱体と接合する面以外の少なくとも一つの面に、二酸化ケイ素を含む無機化合物の液剤を塗布して乾燥させて、基材の表面側の面積に比べて１０倍以上の表面積を有する微細凸凹層を形成するステップを備える。
　本発明の放熱シートは、熱放射体の表面に微細凸凹層を形成して、発熱体からの熱を効果的に外部に効率的に放射できるといった効果を有する。
実施例１の放熱シートの断面図 実施例１の放熱シートの微細凸凹層表面の観察画像 実施例１の放熱シートの微細凸凹層の構成要素を四角錐としたモデルの寸法図 実施例１の放熱シートの微細凸凹層の構成要素を円錐としたモデルの寸法図 （Ａ）実施例１の放熱シートの微細凸凹層が熱放射テープ上に形成された様子を示す画像、（Ｂ）実施例１の放熱シートの微細凸凹層がアクリル樹脂上に形成された様子を示す画像、（Ｃ）実施例１の放熱シートの微細凸凹層の防汚性の確認画像、（Ｄ）実施例１の放熱シートの微細凸凹層の光透過性の確認画像。 実施例２の放熱シートの断面図 実施例２の放熱シートのヒートシンクの断面図 実施例２の放熱シートを応用したラジエータの断面図 実施例２の放熱シートを応用した太陽電池モジュールの断面図 実施例３の放熱シートを応用した直管形ＬＥＤランプの断面図（１） 実施例３の放熱シートを応用した直管形ＬＥＤランプの断面図（２） 実施例３の放熱シートを応用した直管形ＬＥＤランプの断面図（３） 実施例３の放熱シートを応用した直管形ＬＥＤランプの断面図 実施例３の放熱シートを応用したＬＥＤスポットライトの外観図
　以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明していく。なお、本発明の範囲は、以下の実施例や図示例に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。
　図1は、本発明の放熱シートの一実施形態の断面図を示している。図１の断面図に示すように、放熱シート１は、微細凸凹層２、熱放射体３、粘着層（Ａ）４、熱伝導体５及び粘着層（Ｂ）６より構成される。放熱シート１は、熱伝導体５の底面側に設けられている粘着層（Ｂ）６に、熱源となる電子部品などの発熱体（図示せず）を貼り付け、あるいは、発熱体を密着して使用される。熱伝導体５は、発熱体からの熱を熱伝導体５の表面全域に拡散させるために用いる。
　熱拡散された熱伝導体５の表面側には、粘着層（Ａ）４が設けられている。熱伝導体５は、粘着層（Ａ）４を介して、空気中に効率よく熱放射させるための熱放射体３と貼り合わされている。或は、熱伝導体５を、熱放射体３と密着させる。熱放射体３の表面側には、熱放射効率をさらに高めるために放射面積を拡大させるための微細凸凹層２を設ける。熱放射体３の表面側に微細突起形状を有した微細凸凹層２を設けて、熱放射体３と空気との熱伝達率を上げ効果的に熱放射させるのである。
　熱伝導体５は、一般には熱伝導率の大きい金属、カーボン系の無機材料の基材を用いる。特に、カーボン系の一つであるグラファイトやグラフェンを用いると熱伝導率が高く、瞬時にして発熱体の熱を熱伝導体５の表面全域に拡散できるので、熱伝導体５の材料としては好適である。材料コストを考慮すると有機材料を用いても良いが、熱伝導率が低いので注意が必要である。
　熱放射体３は、一般には価格面で有利なＰＥＴ（Polyethylene terephthalate）フィルムを用いることが多いが、熱放射率が遠赤外線領域で０．５～０．７と低いので、熱放射効率を上げるために熱放射率が０．９以上の黒体シートや高熱放射シート等を用いることもある。
　熱放射体３の表面側に微細突起形状を形成する微細凸凹層２の効果は、ニュートンの冷却法則を用いて説明できる。すなわち、物体（物質）間の熱移動は接触面での熱伝達によって起こり、その熱移動量は接触面積の大きさに比例する。すなわち、２つの物質間の接触面積が大きいほど、大きな熱移動が起こる。これが、ニュートンの冷却法則の基本概念である。
　図１に示す熱放射体３から空気中に放射される熱の量は、熱放射体３の表面積や、熱放射体３と空気の温度差に比例する。すなわち熱放射体３の持つ熱量Ｑ、時刻ｔ、熱放射体３の表面積Ｓ（空気と接触している面積）、熱放射体３の温度Ｔ、空気の温度Ｔｍの間には下記の数式１の関係が成り立つ。これが、ニュートンの冷却法則である。
　ここで比例定数αは、熱放射体３の接触面形状、空気の性質および空気の流れ方などによって決まる定数（熱伝達率）である。
　（数１）
　－ｄＱ／ｄｔ ＝ α・Ｓ (Ｔ－Ｔｍ)　・・・（式１）
　このように熱放射体３の表面に、空気との接触面積Ｓを増加させるために微細凸凹層２を設けることにより、熱放射体３の熱を効率よく空気中に放射できる。この作用により、発熱体の温度の低減が図れる。
　微細突起形状を面状に形成した微細凸凹層２は、超微粒子の二酸化ケイ素化合物を水溶液に混在した液剤や、二酸化ケイ素を主体とした無機化合物や有機化合物やアルコールや水に混在させた液剤を、無機基材あるいは有機基材の表面に塗布し、乾燥させることによって得ることができる。このように微細凸凹層は、水、アルコール、無機化合物、有機化合物の少なくとも一つ以上の液剤に二酸化ケイ素類を混合した混合液剤を無機基材あるいは有機基材の表面に塗布、乾燥させることによって得るものである。乾燥は、自然乾燥でもよいし、恒温槽などで強制的に乾燥させても良い。強制的に乾燥させる場合、短時間で無機基材あるいは有機基材の表面に微細凸凹層２を形成させることができるので、作業の効率化が図れる。
　図２は、超微粒子の二酸化ケイ素化合物を水溶液に混在した液剤をガラス基材に塗布、乾燥させた後の微細凸凹層２の表面を走査型プローブ顕微鏡で観察した画像である。この微細凸凹層２を構成する微細突起群は、１μｍ２に概略４００個以上の突起があり、突起１個の占める面積は、平均２．５ｎｍ２以下である。また、微細突起群の底面からの高さは２００ｎｍ以下であり、突起群の高さは１５～３０ｎｍと推定する。
　微細凸凹層２は、ケイ素を主成分で構成された微細固形物である。微細固形物のケイ素の熱放射率は遠赤外線領域で０．９程度と大きく、熱放射体３に伝わってきた熱伝導体５の熱を空気中に効率よく放射することができる。また、熱伝導率についてもＰＥＴフィルムが１以下であるのに対して、ケイ素は１４８と高く、熱伝導という観点からも発熱体の熱を空気中に効率よく放射できるので、熱源となる発熱体の温度を効率よく低下させることが可能となる。
　次に、熱放射体３の表面に形成されている微細凸凹層２の表面積を求める。微細凸凹層２の微細突起群の形状が、四角錐と円錐の２種類の形状のものでそれぞれ構成するものと仮定する。空気に接するのはこれらの側面にあたるので、それぞれについての側面面積を求める。
　ここでは、微細突起群の高さを１５～３０ｎｍと推定したので、計算ではこの２つの値での側面部の面積（側面面積）を求め、底面部の面積（底面面積）と比べて何倍大きくなるかを計算する。
（突起物が四角錐で高さxの場合）
　図３は、微細突起1個の占める面積が２．５ｎｍ２であり、微細突起形状を四角錐としたモデル図であり、この時の側面面積を求める。四角錐の場合、微細突起1個の占める底面面積を２．５ｎｍ２とすると、一辺の長さは１．５８ｎｍである。
（１）高さｘが１５ｎｍの場合
・側面面積 ： １．５８ x １５÷２ x ４ ＝ ４７．４ｎｍ２
・底面面積 ： １．５８ x １．５８ ＝ ２．５ｎｍ２
　これより、微細凸凹層２の側面面積は、底面が平坦であるとすると底面面積の大きさに対して、１８．９６倍の大きさとなる。
（２）高さｘが３０ｎｍの場合
・側面面積 ： １．５８ x ３０÷２ x ４ ＝ ９４．８ｎｍ２
・底面面積 ： １．５８ x １．５８ ＝ ２．５ｎｍ２
　これより、微細凸凹層の側面面積は、底面が平坦であるとすると底面面積の大きさに対して３７．９倍の大きさとなる。
（突起形状が円錐で高さｙの場合）
　図４は、微細突起１個の占める面積が２．５ｎｍ２であり、突起形状を円錐としたモデル図であり、この時の側面面積を求める。ここで、底面部の占める面積は、一辺の長さを１．５８ｎｍの正方形とした。円錐の場合、突起1個の占める底面面積が２．５ｎｍ２とすると、底面における直径は１．５８ｎｍ（半径０．７９ｎｍ）である。
（１）高さｙが１５ｎｍの場合
　ここで、微細突起物の高さが１５ｎｍの場合、母線の長さも１５ｎｍとおいた。
　側面面積 ： ３．１４（π）x ０．７９ x １５ ＝ ３７．２ｎｍ２
　底面面積 ： １．５８ x １．５８ ＝ ２．５ｎｍ２
　これより、微細凸凹層の側面面積は、底面が平坦であるとすると底面面積の大きさに対して１４．８８倍の大きさとなる。
（２）高さyが３０ｎｍの場合
　ここで、突起物の高さが３０ｎｍの場合、母線の長さも３０ｎｍとおいた。
　側面面積 ： ３．１４（π）x ０．７９ x ３０ ＝ ７４．４２ｎｍ２
　底面面積 ： １．５８ x １．５８ ＝ ２．５ｎｍ２
　これより、微細凸凹層の側面面積は、底面が平坦であるとすると底面面積の大きさに対して２９．７７倍の大きさとなる。
　以上より、熱放射体３の表面に微細突起群より成る微細凸凹層２を設けることにより、表面が平坦な熱放射体３のみの表面積に比べ、微細凸凹層２を設けることによって表面積が１４．８８倍から３７．９倍に増加することがわかる。
　これはニュートンの冷却法則の関係から、発熱体の温度を低下させる方向にあることを意味している。このように図１に示す放熱シート１は、発熱体からの熱が微細突起群より成る微細凸凹層２を設けることにより、効率よく空気中に放射されるので微細凸凹層２のない熱放射体３のみの放熱シートに比べて、発熱体の温度上昇を大きく抑制することが可能となるのである。
　ここでは図２の微細凸凹層２を構成する微細突起群の構造が１μｍ２に概略４００個以上の突起であり、突起１個の占める面積を平均２．５ｎｍ２以下であるとして微細凸凹層２の面積を算出しているが、微細凸凹層２を設けることによって表面積が増加するのであれば突起の数が４００個以下であっても構わないし、突起１個の占める面積が平均２．５ｎｍ２以上で、微細突起群の底面からの高さが２００ｎｍ以上であっても構わない。
　図５（Ａ）は、熱放射体として製品化されているビッグテクノス製の熱放射テープ５０ (品名：ＴＰ７６２３、熱放射率：０．９)の表面に、二酸化ケイ素を主体とした無機化合物を、有機化合物とアルコールと水に混在させた中央自動車工業製のエクセルピュア（製品名）液剤を塗布した様子を示すものである。熱放射テープ５０は黒色を帯びている。何も処理を施さない状態（ブランク状態）の熱放射テープ５０に水を滴下すると、水滴は符号５２に示すような撥水状態を示す。熱放射テープ５０の表面にエクセルピュア液剤を塗布し、乾燥させた後、水を滴下すると、撥水状態から一転して、水滴は符号５３に示すような親水状態５３に変わる。
　ケイ素を主成分として構成された微細固形層は親水性を示すが、これにより、熱放射テープ５０の表面にエクセルピュア液剤の乾燥した微細凸凹層２が形成されていることがわかる。
　図５（Ｂ）は、アクリル樹脂の上にエクセルピュア液剤を塗布し、乾燥させた状態における顕微鏡写真である。図５（Ｂ）より、図２に示すような微細突起群が熱放射テープ５０の表面に形成されていることがわかる。ケイ素を主成分として構成された微細固形物は、空気中の水分と結びつく親水作用に起因する防汚効果や帯電防止効果を発現するので、粉塵や油類が飛散する悪環境で使用しても放熱シート１の上に粉塵が油類付着しにくい性質を有しており、信頼性の高い放熱シート１を得ることができる。
　図５（Ｃ）は、熱放射テープ５０の上にエクセルピュア液剤を塗布、乾燥させて形成する微細凸凹層２の効果を確認するために、粉塵（ここでは小麦粉を使用）を熱放射テープ５０に敷き詰め、小麦粉の付着性を調べた結果を示している。（イ）は、熱放射テープ５０の左の領域にエクセルピュア液剤を塗布していないエリア、右の領域がエクセルピュア液剤を塗布しているエリアである。（ロ）は、両エリアに粉塵である小麦粉で覆った状態を示す。（ハ）は、熱放射テープ５０を傾け、強制的に小麦粉を落下させて熱放射テープ５０に小麦粉がどの程度付着されているかを観察したもので、エクセルピュア液剤が塗布されているエリアの小麦粉の付着量が大幅に少なくなっていることがわかる。これにより、エクセルピュア液剤により形成された微細凸凹層２の親水作用（防汚効果や帯電防止効果）により、エクセルピュア液剤が塗られた微細凸凹層２には放熱の増加効果以外に、粉塵の防汚作用があることがわかる。
　図５（Ｄ）は、透明な有機基材５５の上にエクセルピュア液剤をバーコーターで片面に薄く塗布し、有機基材５５上に形成させた微細凸凹層２が透過率向上作用を有するかを確認するためのサンプルである。使用した有機基材５５は、透明ポリカーボネイトシート(出光興産製、品名ＬＣ１５００、厚さ１ｍｍ)である。
　ここで、（イ）は、有機基材５５上にエクセルピュア液剤を塗布していないブランク状態のものである。ここに水を滴下すると撥水状態５２を示す。（ロ）は、バーコーターでエクセルピュア液剤を有機基材５５に塗布し、乾燥後に水を滴下した状態を示したものである。水を滴下すると有機基材５５表面は親水状態５３を示し、微細凸凹層２が形成されていることがわかる。
　次に、輝度計を用いて透過率を測定したところ、（イ）の有機基材５５にエクセルピュア液剤を塗布していないブランク状態のものでは透過率が９０％であるのに対し、エクセルピュア液剤を塗布し微細凸凹層２を形成した（ロ）の有機基材５５の透過率は９４％に向上していることが判った。これは、微細凸凹層２が、図２および図５（Ｂ）に示しているように微細凸凹形状が、ナノモスアイ構造と類似した作用により反射率が低下したものと推察する。このように透明な有機基材５５の上に微細凸凹層２を設けられた有機基材５５は、熱放射特性の向上と共に、光利用効率特性の向上が図られていることがわかった。このことから、照明デバイスやディスプレイデバイスに応用されている透明な有機基材の上に微細凸凹層２を形成することにより、熱放射効果と光取出し効果の両作用を同時に得ることが可能であることがわかる。
　図６は、微細凸凹層２、第２の微細凸凹層７、熱放射体３、粘着層（Ａ）４、熱伝導体５、粘着層（Ｂ）６より構成した放熱シート１ａを示す。図１と異なるところは、粘着層（Ａ）４側の熱放射体３の裏面に第２の微細凸凹層７を付与しているところである。第２の微細凸凹層７に親水性があるので、粘着層を形成するための粘着剤との濡れ性が向上することによりエア（微細な空気泡）の発生が抑えられ熱放射体３との密着力が向上すると共に、粘着層（Ａ）４との接着面積も大きくなるので、熱伝導体５からの熱を効率的に熱放射体３に伝熱することが可能となる。
　図７は、微細凸凹層２、熱放射体のヒートシンク型金属基材９、粘着層（Ａ）４、熱伝導体５、粘着層（Ｂ）６より構成したヒートシンク型放熱シート８を示す。図１と異なるところは、熱放射体として主にアルミ基材をベースにして用いられるヒートシンク型金属基材９の表面に微細凸凹層２が形成されたところである。発熱体の温度がさらに上昇する環境では、表面が平坦なヒートシンク型金属基材９では外部への熱放射が十分でなくなり発熱体の温度が下がらない可能性がある。
　本実施例のヒートシンク型放熱シート８では、ヒートシンク型金属基材９の表面に微細凸凹層２を設けるので放射面積が増加し、その分、ヒートシンク型金属基材９からの熱放射が多くなるので、その結果、発熱体の温度が低下する。
　図８は、自動車、車両、エアコン等の熱交換器に使用されるラジエータ３０の基本部分を示す。一般に自動車ではエンジンからウオーターポンプ（未記載）で送られてきた熱水を、放熱フィン３１と冷却プレート３２を用いて冷やし、冷やした水を循環してエンジンシステムを冷却する。ここで放熱フィン３１に微細凸凹層２を設けることにより放熱面積が増加するので、放熱フィン３１の熱が従来よりも多く放射し、その結果、エンジンの温度上昇が抑制され機械系、電子・電気系が安定に故障なく動作することが可能となる。
　図９は、太陽電池モジュールの断面図である。まず、太陽電池モジュール４０の作製方法について簡単に説明する。熱強化白板ガラス４１をベースにして、上ＥＶＡ（Ethylene VinylAcetate）シート４２、太陽電池セル４３、下ＥＶＡシート４４、耐光性フィルム４５の順で重ね合わせたのち、ラミネート装置に導入し、このラミネート装置にて装置内部を真空排気しながら加熱することにより、上ＥＶＡシート４２と下ＥＶＡシート４４が溶けて太陽電池セル４３が熱強化白板ガラス４１に強固に接合し、図９に示す構成が作製できる。
　次に、フレーム４６とシール材４７を設けると太陽電池モジュール４０が作製される。フレーム４６とシール材４７は、太陽電池モジュール４０を屋外で長時間使う際の機械的強度の補強や水分の浸透を防ぐ目的のために設けられる。通常、フレーム４６はアルマイト加工を施したアルミニウムフレームが使用される。シール材４７は、耐熱老化性，耐薬品性，耐候性などの環境抵抗性や電気特性が良好であり、特に気体の透過性が小さいブチルゴムが使用される。耐光性フィルム４５は、防湿性と絶縁性の能力の高いアルミニウムをフッ化ビニルフィルム（ＰＶＦ：Poly－VinylFluoride）で挟んだ構造のシートが用いられる。
　太陽電池モジュール４０は太陽の光を受けると、太陽電池セル４３にて光から電気に変換され起電力として外部に取り出す。ここで、太陽光の光束量が多いと太陽電池セル４３の光・電気の変換起電力が大きくなるので、太陽電池セル４３の温度が上がる。太陽電池セル４３は温度が上がれば変換効率が低下するので、日本の夏季のように太陽光の光束量が多い時期は、太陽電池モジュール４０内の熱のため変換効率が大きく低下するので、何らかの熱対策が必要となる。
　ここに、本発明の微細凸凹層２を熱強化白板ガラス４１、フレーム４６や耐光性フィルム４５の表面に設けることにより、太陽電池セル４３で発生した熱が効果的に外部に放射され、この結果、太陽電池セル４３の温度上昇が抑制され、太陽電池セル４３は高効率に光・電気変換が行われる。
　また、太陽電池モジュール４０の表面に微細凸凹層２が形成されているので、粉塵やその他の汚れが付着しにくくなる。特に、熱強化白板ガラス４１の表面に防汚作用が発現するので、太陽電池セル４３への太陽光の照射を妨げるものが少なくなり、その分、光・電気変換量が増すことになる。また微細凸凹層２は、透過率向上効果があるので、その分、光・電気変換量が増すことになる。
　図１０は、直管形ＬＥＤランプ１０の断面図である。電子基板１５にはＬＥＤ１２を取り付けており、ＬＥＤ１２の明るさ制御等を行う電子回路群が搭載されている。ＬＥＤ１２から照射される光は、透明基材１３を通して前方空間を照らす。電源１４は電子基板１５と一体化され、電子基板１５に電圧を印加する。
　アルミ基材１１は、電子基板１５や電源１４類を機械的に保護すると共に、ＬＥＤ１２、電源１４、電子基板１５に搭載されている電子回路群からの熱を外部に放射し、ＬＥＤ１２や電子基板１５に搭載されている電子回路群が安定に動作するように、あるいは故障が生じないように直管形ＬＥＤランプ１０の管内温度の上昇を抑制する。
　しかし、アルミ基材１１は熱伝導率が２５０程度と高いものの、熱放射率がアルマイト処理していても０．８以下であり、ＬＥＤや電源からの熱を効率よく外部に放射できないことや、最近の直管形ＬＥＤランプ１０の高輝度化や高実装化により直管形ＬＥＤランプ１０の管内温度がさらに高くなることによって、ＬＥＤ１２の発光効率の低下と寿命の短命化を引き起こす。
　本発明では、これらの欠点を改善するために、アルミ基材１１の外側に微細凸凹層２を設けてアルミ基材１１の表面積を上げて熱を効率よく外部に放射すると共に、微細凸凹層２を形成するケイ素を主成分として構成する微細固形物の熱放射率が遠赤外線領域で０．９程度と大きいので管内の熱を外部に効果的に放射できる。これにより直管形ＬＥＤランプ１０の管内温度の上昇が抑えられ、その結果、ＬＥＤ１２の輝度低下が改善されると共に長寿命化が図られ、また電子基板１５に搭載されている電子回路群の安定な動作ができると共に、故障発生を大幅に削減できる。
　図１１は、図１０に示す直管形ＬＥＤランプ１０のアルミ基材１１の内面に第３の微細凸凹層１６を設けたものである。第３の微細凸凹層１６は、ＬＥＤ１２、電源１４、電子基板１５に搭載されている電子回路群からの熱を効率よくアルミ基材１１に伝える効果を有する。これにより直管形ＬＥＤランプ１０の管内温度の上昇が抑えられ、その結果、ＬＥＤ１２の輝度低下が改善されると共に長寿命化が図られ、また電子基板１５に搭載されている電子回路群の安定な動作ができると共に、故障発生を大幅に削減できる。
　図１２は、透明基材１３の表面に微細凸凹層２を設けたものである。ＬＥＤ１２、電源１４、電子基板１５に搭載されている電子回路群からの熱放射を、透明基材１３の内側に微細凸凹層２を設けることによって、透明基材１３からも管内の熱を外部に効率よく放射させることができる。すなわち通常、透明基材１３は熱伝導率が０．３以下と極めて小さいポリカーボネイトやアクリルの高分子樹脂が使用されているため、直管形ＬＥＤランプ１０の管内の熱を、透明基材１３を通して外部に放射することが困難となっているが、透明基材１３の表面に微細凸凹層２を設けることによって、透明基材１３の表面積が大きくなるのでＬＥＤ１２、電源１４や電子基板１５に搭載されている電子回路群からの熱を管外に、より多く放射することができる。その結果、ＬＥＤ１２の輝度低下が改善されると共に長寿命化が図られ、また電子基板１５に搭載されている電子回路群の安定な動作と故障発生の緩和につながる。
　また、図５（Ｄ）で説明したように、透明基材１３の表面に微細凸凹層２を設けると透明基材１３の透過率が向上するので、その分、電源１４からのＬＥＤ１２への供給電力を低くできるので、ＬＥＤ１２や電源１４の温度上昇が抑制され、熱によるＬＥＤ１２の輝度低下が改善されると共に長寿命化が図られ、また電子基板１５に搭載されている電子回路群の安定な動作ができると共に、故障発生を削減することができる。
　図１３は、図１２に示す直管形ＬＥＤランプ１０の透明基材１３の内面に第４の微細凸凹層１７と、ＬＥＤ表面に第５の微細凸凹層１８を設けたものである。ＬＥＤ１２、電源１４、電子基板１５に搭載されている電子回路群からの熱を、微細凸凹層２と第４の微細凸凹層１７を透明基材１３の表裏に設けることによって、外部に管内の熱を効率よく放射する効果を有する。また、ＬＥＤ１２の表面に第５の微細凸凹層１８を設けることにより、ＬＥＤ１２が発生する熱も効率的に放射することができ、これによってＬＥＤ１２自体の熱を低下させることが可能となる。
　これら微細凸凹層２、第４の微細凸凹層１７と第５の微細凸凹層１８の形成により、直管形ＬＥＤランプ１０の管内温度の上昇が抑えられ、その結果、ＬＥＤ１２の輝度低下が改善されると共に長寿命化が図られ、また電子基板１５に搭載されている電子回路群の安定な動作と故障発生の緩和につながる。
　図１３では、透明基材１３の表面に微細凸凹層２を、内面に第４の微細凸凹層１７を設けているが、一方の面だけ設けても直管形ＬＥＤランプ１０の管内の熱は低減する。
　図１４は、ＬＥＤスポットライト２０の外観図と、ＬＥＤ光学レンズ２１の断面図である。カバー２４の内部には、ＬＥＤ２３の明るさ制御等を行う電子回路群（図示せず）や、電子回路群に電圧を供給する電源（図示せず）等が搭載されている。ＬＥＤ２３から照射される光は、光学レンズ２２を通して前方空間を照らす。カバー２４は、通常、熱伝導率の高い金属が用いられる。カバー２４に使用する金属として、アルミ基材は熱伝導率が高く、また軽量なので好適である。
　しかし、カバー２４の素材は金属に限らず、有機基材を用いても差し支えない。カバー２４は、電子回路群や電源への機械的衝撃の保護や粉塵による電気系の信頼度低下を防止すると共に、電源、電子回路群やＬＥＤ２３からの熱を外部に放射し、ＬＥＤ２３や電子回路群が安定に動作するように、あるいは故障が生じないようにカバー２４内の温度の上昇を抑制する。
　最近のＬＥＤスポットライト２０の高輝度化や高密度化により、ＬＥＤスポットライト２０の管内温度がさらに高くなることによってＬＥＤ２３の発光効率の低下と寿命の短命化を引き起こす。これらの欠点を改善するために、カバー２４の外側に第７の微細凸凹層２６を設けてカバー２４の熱を放射する表面積を大きくすると共に、第７の微細凸凹層２６を形成するケイ素を主成分として構成される微細固形物の熱放射率が遠赤外線領域で０．９程度と大きいので、ＬＥＤスポットライト２０の管内の熱を外部に効果的に放射できる。
　これによりＬＥＤスポットライト２０の管内温度の上昇が抑えられ、その結果、ＬＥＤ２３の輝度低下が改善されると共に長寿命化が図られ、また電子回路群の安定な動作と故障の発生が大幅に緩和される。さらに、ＬＥＤ光学レンズ２１を構成するＬＥＤ２３と光学レンズ２２の表面に、第８の微細凸凹層２７と第６の微細凸凹層２５を設けると、さらにＬＥＤ２３の温度低減が図れる。また、図５（Ｄ）で説明したように光学レンズ２２の表面に微細凸凹層２７を設けると光取出し効率が上がり光束量の向上が図られるので、光束量が増加した分ＬＥＤスポットライト２０への投入電力を小さくすることによって、電子回路群やＬＥＤ２３の温度上昇を抑制することができる。これによりＬＥＤスポットライト２０の管内温度の上昇が抑えられＬＥＤ２３の輝度低下が改善されると共に、電子回路群の安定な動作と故障の発生が大幅に緩和される。
　また、光学レンズ２２の表面に第６の微細凸凹層２５と、ＬＥＤ２３表面に第８の微細凸凹層２７を設けることによって、ＬＥＤ２３と電源、電子回路群からの熱を外部に効率よく放射することができるので、ＬＥＤ２３の輝度低下が改善されると共に長寿命化が図られる。第６の微細凸凹層２５、第７の微細凸凹層２６、第８の微細凸凹層２７の形成は、図５（Ｃ）で述べているように、粉塵や油類の付着が緩和されるので、悪設置環境であってもＬＥＤスポットライト２０の設置が可能となる。
　本発明は、放熱シートに有用である。
　１，１ａ　放熱シート
　２　微細凸凹層
　３　熱放射体
　４　粘着層（Ａ）
　５　熱伝導体
　６　粘着層（Ｂ）
　７　第２の微細凸凹層
　８　ヒートシンク型放熱シート
　９　ヒートシンク型金属基材
　１０　直管形ＬＥＤランプ
　１１　アルミ基材
　１２　ＬＥＤ
　１３　透明基材
　１４　電源
　１５　電子基板
　１７　第４の微細凸凹層
　１８　第５の微細凸凹層
　２０　ＬＥＤスポットライト
　２１　ＬＥＤ光学レンズ
　２２　光学レンズ
　２３　ＬＥＤ
　２４　カバー
　２５　第６の微細凸凹層
　２６　第７の微細凸凹層
　２７　第８の微細凸凹層
　３０　ラジエータ
　３１　放熱フィン
　３２　冷却水プレート
　４０　太陽電池モジュール
　４１　熱強化白板ガラス
　４２　上ＥＶＡシート
　４３　太陽電池セル
　４４　下ＥＶＡシート
　４５　耐光性フィルム
　４６　フレーム
　４７　シール材
　５０　熱放射テープ
　５１　液剤の塗膜領域
　５２　撥水状態
　５３　親水状態
　５５　有機基材
 

Claims (16)

  1. 　発熱体の熱を表面全域に拡散する熱伝導体と、
    　前記熱伝導体の表面側に、微細凸凹層を有する基材を備え、
    　前記微細凸凹層は二酸化ケイ素を含む無機化合物から成る層であり、
    　前記微細凸凹層の表面積の大きさは、該微細凸凹層を設けない時の平らな前記基材の表面側の面積に比べて１０倍以上であることを特徴とする放熱シート。
  2. 　前記微細凸凹層の凸部は、高さが１μｍ未満、密度が１００個／１μｍ２以上であることを特徴とする請求項１の放熱シート。
  3. 　前記微細凸凹層の凸部は、高さが２００ｎｍ以下、密度が４００個／１μｍ２以上であることを特徴とする請求項１又は２の放熱シート。
  4. 　前記凸部において、凸部の側面の表面積の大きさが、凸部の底面積の大きさの１０倍以上であることを特徴とする請求項１～３の何れかの放熱シート。
  5. 　前記凸部において、凸部の側面の表面積の大きさが、凸部の底面積の大きさの１４倍以上であることを特徴とする請求項１～３の何れかの放熱シート。
  6. 　前記微細凸凹層は、下記１）～３）の何れかを用いて前記基材の上に形成させた塗布膜であることを特徴とする請求項１～５の何れかの放熱シート：
    １）アルカリ金属塩ケイ酸化合物の溶液、
    ２）超微粒子二酸化ケイ素化合物の溶液、
    ３）上記１）又は２）の何れかの溶液に対して、アルコール類、有機化合物、無機化合物及び水を混合して調製された溶液。
  7. 　前記微細凸凹層は、帯電防止性、防汚性および透過率向上性を有することを特徴とする請求項６の放熱シート。
  8. 　発熱体の少なくとも一つの面で接合し密着した基材から成る放熱部材であって、
    　前記基材は、発熱体と接合する面以外の少なくとも一つの面に微細凸凹層が形成され、
    　前記微細凸凹層は二酸化ケイ素を含む無機化合物から成る層であり、
    　前記微細凸凹層の表面積の大きさは、該微細凸凹層を設けない時の平らな前記基材の表面側の面積に比べて１０倍以上であることを特徴とする放熱部材。
  9. 　前記微細凸凹層の凸部は、高さが１μｍ未満、密度が１００個／１μｍ２以上であることを特徴とする請求項８の放熱部材。
  10. 　発熱体を覆う基材から成る放熱部材であって、
    　前記基材は、少なくとも一つの面に微細凸凹層が形成され、
    　前記微細凸凹層の凸部は、高さが１μｍ未満、密度が１００個／１μｍ２以上であることを特徴とする放熱部材。
  11. 　前記微細凸凹層の凸部は、高さが２００ｎｍ以下、密度が４００個／１μｍ２以上であることを特徴とする請求項８～１０の何れかの放熱部材。
  12. 　前記凸部において、凸部の側面の表面積の大きさが、凸部の底面積の大きさの１０倍以上であることを特徴とする請求項８～１１の何れかの放熱部材。
  13. 　前記凸部において、凸部の側面の表面積の大きさが、凸部の底面積の大きさの１４倍以上であることを特徴とする請求項８～１１の何れかの放熱部材。
  14. 　前記微細凸凹層は、下記１）～３）の何れかを用いて前記基材の上に形成させた塗布膜であることを特徴とする請求項８～１３の何れかの放熱部材：
    １）アルカリ金属塩ケイ酸化合物の溶液、
    ２）超微粒子二酸化ケイ素化合物の溶液、
    ３）上記１）又は２）の何れかの溶液に対して、アルコール類、有機化合物、無機化合物及び水を混合して調製された溶液。
  15. 　発熱体の熱を表面全域に拡散する熱伝導体の表面側に基材を設けるステップと、
    　前記基材の表面に、二酸化ケイ素を含む無機化合物の液剤を塗布して乾燥させて、前記基材の表面側の面積に比べて１０倍以上の表面積を有する微細凸凹層を形成するステップ、を備えることを特徴とする放熱シートの作製方法。
  16. 　発熱体の少なくとも一つの面で接合し密着した基材から成る放熱部材の作製方法であって、
    　前記基材に対して、発熱体と接合する面以外の少なくとも一つの面に、二酸化ケイ素を含む無機化合物の液剤を塗布して乾燥させて、前記基材の表面側の面積に比べて１０倍以上の表面積を有する微細凸凹層を形成するステップ、を備えることを特徴とする放熱部材の作製方法。
     
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