JP2008207967A - グラファイトシートの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】有機フィルムの熱分解により作製されるグラファイトシートの歩留まりを向上することを目的とする。
【解決手段】有機フィルム１２を熱分解する工程において、前記有機フィルム１２を炭素質の第１の円筒１１表面の周囲に巻き付けた巻回体１７を、炭素質の第２の円筒１３内部に収納し、最初は前記第１の円筒１１を加熱して前記有機フィルムの熱分解を行い、その後第２の円筒１３を加熱して熱分解を行うことにより、有機フィルム１２の収縮、膨張による歪を軽減することができるため、シートの幅方向両端部付近の波打ちを低減し、平坦で均一なグラファイトシートが得られ、歩留まりを向上することができる。
【選択図】図１

Description

本発明はグラファイトシートの製造方法に関するものであり、特にグラファイト化するための焼成に関するものである。

小型、高性能化する電子機器において、ＬＳＩやパワーアンプなどから発する熱を効率よく拡散、放熱するために種々の放熱部品が用いられている。

特に携帯電話機などのような薄型の電子機器においては、厚みが薄くても面方向の熱伝導率が１００〜１０００Ｗ／（ｍ・Ｋ）と大きく、熱の拡散や放熱に最適な、黒鉛を主成分とするグラファイトシートが用いられている。

このようなグラファイトシートとしては、ポリイミドフィルムのような有機フィルムを高温の中性または還元性雰囲気中で熱分解して得られる熱分解グラファイトシートと、天然の黒鉛を酸処理した後、加熱膨張させた黒鉛粉末を加圧してシート状にした、膨張黒鉛シートと呼ばれるものがある。

このうち、有機フィルムを熱分解して得られる熱分解グラファイトシートは、膨張黒鉛シートよりも熱伝導率が高く、柔軟なシートであるため放熱部品として広く用いられている。

なお、本出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開昭６３−２５６５０８号公報

しかし、上記特許文献１に記載されたような方法で有機フィルムを熱分解してグラファイトシートを得ると、グラファイトシート全体にわたる皺の発生を防止することはできるが、得られたグラファイトシートを平面状に広げたとき、図２の斜視図に示すように、グラファイトシート２１の幅方向の両端部付近が昆布のように波打ち、変形して波打ち部２２が形成される。

グラファイトシート２１の両端部付近に波打ち部２２が形成された場合、熱分解後のグラファイトシート２１は所定の間隔を有する一対の回転するローラー間を通すことなどにより柔軟化処理を行うが、その柔軟化工程でグラファイトシートが破れたり、皺が寄り歩留まりが低下することになる。

また、両端部付近の波打ち部２２を除去すれば比較的平坦なシートが得られるが、この場合も両端部付近のかなり広い領域を捨てなければ平坦にならないため、得られたグラファイトシート２１の寸法が小さくなるとともに、歩留まりが低下することになる。

そこで本発明は歩留まりを向上させることができるグラファイトシートの製造方法を提供することを目的とする。

そしてこの目的を達成するために、本発明のグラファイトシートの製造方法は、有機フィルムを熱分解する工程は、前記有機フィルムを第１の円筒表面の周囲に巻き付けた巻回体を、第２の円筒内部に収納し、最初は前記第１の円筒を加熱して前記有機フィルムの熱分解を行い、その後第２の円筒を加熱することにより熱分解を行うものである。

有機フィルムを熱分解する工程において、前記有機フィルムを第１の円筒表面の周囲に巻き付けた巻回体を、第２の円筒内部に収納し、最初は前記第１の円筒を加熱して前記有機フィルムの熱分解を行い、その後第２の円筒を加熱して熱分解を行うことにより、有機フィルムの収縮、膨張による歪を軽減することができるため、シートの幅方向両端部付近の波打ちを低減し、平坦で均一なグラファイトシートが得られ、歩留まりが向上する。

本発明のグラファイトシートの製造方法について一実施の形態および図面を用いて説明する。

図１は本発明の一実施の形態におけるグラファイトシートの製造方法を模式的に示す断面図であり、炭素質の第１の円筒１１の表面に複数枚の有機フィルム１２を巻き付けた巻回体１７を、炭素質の底面を有する第２の円筒１３の内部に載置している。

第１の円筒１１と第２の円筒１３には、その両端部におのおの電極板１４，１５と、共通の電極板１６が取付けられており、この電極板１４，１５を通じて電源１９，２０から電流を流すことにより、第１の円筒１１、第２の円筒１３が発熱する。

まず、有機フィルム１２として長さ６００ｍｍ、幅２５０ｍｍ、厚みが７５μｍのポリイミドフィルム５０〜１００枚を外径が１５０ｍｍ、内径が１４０ｍｍで高さ５５０ｍｍの両端が開口した炭素質の第１の円筒１１の外周表面に巻き付けて巻回体１７を作製する。

その後、第１の円筒１１に有機フィルム１２を巻き付けた巻回体１７を、外径が２００ｍｍ、内径が１９０ｍｍ、高さ５２０ｍｍの大きさの一端が開口した有底の第２の円筒１３の内部に縦置きに載置する。

そして巻回体１７を載置した第２の円筒１３を、密閉チャンバー１８に収納し、密閉チャンバー１８内部を減圧する。

その後、第１の円筒１１の両端部に取付けられた電極板１５と共通の電極板１６間に電源２０から電流を流して第１の円筒１１を１２００℃に加熱して２時間保持し有機フィルム１２の熱分解を行う。

この時、巻回体１７の有機フィルム１２は、まず第１の円筒１１の表面に近い内側の方から熱分解とともに収縮が始まり、収縮は第１の円筒１１表面に近い内側の方から外側に向かって順次収縮する。

このように、有機フィルム１２の収縮は、第１の円筒１１に近い有機フィルム１２から巻回体１７の表面に近い有機フィルム１２に向かって順次進むため、収縮応力によって有機フィルム１２にかかる歪を軽減することができる。

もし、この段階で、第１の円筒１１ではなく、第２の円筒１３を発熱させた場合は、巻回体１７の表面側から加熱されるため、巻回体１７の表面近くの有機フィルム１２がまず収縮してしまう。

そして巻回体１７の表面付近の有機フィルム１２が収縮する結果、表面付近より内部に近い部分の有機フィルム１２は、表面付近の有機フィルム１２の収縮応力により、大きな歪を受け、図２に模式的に示したように、有機フィルム１２を熱分解して得られたグラファイトシート２１の両端部に波打ち部２２が生じる原因となる。

次に密閉チャンバー１８内の雰囲気をＡｒガスやＮ₂ガスによる中性雰囲気、または還元性雰囲気にした後、第１の円筒１１に流す電流を増加させ、第１の円筒１１を２５００℃まで昇温する。

第１の円筒１１の温度が２５００℃になった段階で、第１の円筒１１の温度を２０００℃〜２３００℃に低下させた後、電極板１４と共通の電極板１６間により電源１９から第２の円筒１３に同様に電流を流し、２５００℃に加熱する。

この状態で、熱分解した有機フィルム１２をさらに熱分解してグラファイトに転化させる。

ここで、グラファイトへの転化が起こる時に、有機フィルム１２は膨張するが、第１の円筒１１の温度を第２の円筒１３の温度よりも低く保っているため、有機フィルム１２の膨張は巻回体１７の最表面付近から始まり、その後第１の円筒１１の表面に近い方、すなわち内側へ向かって膨張が進むことになり、その結果グラファイトへの転化時の膨張に伴う歪を緩和することができる。

第２の円筒１３に電流を流して加熱する時に、必ずしも第１の円筒１１に通電して加熱しなくてもよいが、第１の円筒１１が全く発熱しない場合には全体の加熱効率が低下するため、上記のように第２の円筒１３の温度よりも２００〜５００℃程度低い温度に第１の円筒１１を加熱しておくことが好ましい。

第１の円筒１１及び第２の円筒１３を加熱する方法としては、炭素質の円筒の抵抗を利用し、円筒両端に接続した電極板１４と１６または１５と１６から電流を流すことにより抵抗加熱を行うことが好ましい。

これは、抵抗加熱による加熱においては、円筒の肉厚や材質により、円筒の抵抗値が比較的容易に変更できることと、流す電流により精密な温度制御が可能であるためである。

抵抗加熱以外の加熱方法としては、高周波誘導加熱のような加熱方法を用いてもよい。

このようにして作製したグラファイトシートを第１の円筒１１ごと第２の円筒１３から取り出し、第１の円筒１１から外して平面状に広げて外観検査を行ったところ、図２に示したグラファイトシート両端部の波打ち部２２は殆ど見られず、平坦で亀裂などがないグラファイトシートが得られた。

次にこのグラファイトシートに柔軟化処理を行った後、光交流法熱定数測定装置（アルバック理工製レーザーピット）を用いて光交流法により熱伝導率を測定した。

熱伝導率の測定結果としては、８００〜１０００Ｗ／（ｍ・Ｋ）と、熱分解グラファイトシートとして満足する結果が得られた。

柔軟化処理としては、所定の間隔を設けた互いに逆回転する一対のローラー間にグラファイトシートを通すことにより行った。

また、一対のローラー間を通す代わりに、台板上に熱分解後のグラファイトシートを置き、この台板上に所定の間隔を設けて設置された、表面に螺旋状の溝を有する１本のローラーを回転させることにより柔軟化処理を行ってもよい。

ここで、ローラー表面に設けた螺旋状の溝により、グラファイトシートを押さえつつ適度な加圧力を加えて柔軟化を効率よく行うことができる。

柔軟化後のグラファイトシートの柔軟性も高く、繰り返し曲げ試験機（例えば株式会社東洋精機製のＭＩＴ耐揉疲労試験機）を用いて、曲げ半径Ｒが５ｍｍで、静止状態から左右に９０度（合計１８０度）の曲げ角度で試験を行った結果、５００００回の繰り返し曲げ試験でもグラファイトシートに破損や亀裂などの欠陥は見られなかった。

以上詳述したように、本一実施の形態のグラファイトシートの製造方法によれば、有機フィルム１２を熱分解してグラファイトシートを作製する工程において、有機フィルム１２を炭素質の第１の円筒１１表面の周囲に巻き付けた巻回体１７を、炭素質の第２の円筒１３内部に収納し、最初は有機フィルム１２が加熱により収縮するため、有機フィルム１２を巻き付けた第１の円筒１１を加熱して有機フィルム１２にかかる歪を低減しつつ有機フィルム１２の熱分解を行い、その後の熱分解で有機フィルム１２がグラファイトに転化するときに膨張するため、第２の円筒１３を加熱して熱分解を行うことにより、有機フィルム１２の膨張による歪を軽減することができる。

これにより、有機フィルム１２の熱分解に伴う膨張、収縮を緩和し、有機フィルム１２を熱分解してグラファイトシートを作製する時のグラファイトシートの幅方向両端部付近の波打ち部２２を低減し、平坦で均一なグラファイトシートを得ることができるため、歩留まりが向上する。

また、本一実施の形態では長さ６００ｍｍで幅２５０ｍｍの寸法に裁断した有機フィルム１２を用いたが、本一実施の形態によれば有機フィルム１２の熱分解時に生じる収縮、膨張による歪を低減できるため、さらに長さの長い、例えば１０００ｍｍの長さの有機フィルム１２を熱分解して平坦なグラファイトシートを得ることもできる。

さらに第１の円筒１１と第２の円筒１３の加熱条件をより詳細に制御することにより、長さが数ｍから数十ｍの連続した長尺のグラファイトシートを得ることも可能である。

このため従来にない長尺の連続した熱分解グラファイトシートが得られ、グラファイトシートの生産性を向上することができるとともにグラファイトシートを所望の形状に打ち抜き加工するときなどの加工効率を向上することができる。

なお、本一実施の形態では第１の円筒１１と第２の円筒１３として炭素質の円筒を用いたが、これに限定されるものではなく、グラファイト質の円筒でもよい。

また、有機フィルム１２の熱分解で、１２００℃で２時間保持した後、さらに温度を上げて２５００℃に加熱したが、昇温の途中段階で加熱保持する温度としては１２００℃に限定されるものではなく、６００〜１８００℃の温度領域のいずれかの温度であってもよい。

さらに、この１２００℃２時間の加熱は必ずしも必要ではなく、直接２５００℃まで昇温しても同様の効果が得られる。

有機フィルムを第１の円筒表面の周囲に巻き付けた巻回体を、第２の円筒内部に収納し、最初は前記第１の円筒を加熱して前記有機フィルムの熱分解を行い、その後第２の円筒を加熱することにより熱分解を行うことにより、有機フィルムの収縮、膨張による歪を軽減することができるため、シートの幅方向両端部付近の波打ちを低減し、平坦で均一なグラファイトシートを得ることができ、熱分解グラファイトシートの製造方法等に有用である。

一実施の形態におけるグラファイトシートの製造方法を模式的に示す断面図 従来のグラファイトシートの斜視図

符号の説明

１１ 第１の円筒
１２ 有機フィルム
１３ 第２の円筒
１４，１５，１６ 電極板
１７ 巻回体
１８ 密閉チャンバー
１９，２０ 電源

Claims (4)

1. 有機フィルムを熱分解してグラファイトシートを作成する工程と、前記グラファイトシートを柔軟化する工程とを有するグラファイトシートの製造方法であって、前記有機フィルムを熱分解する工程は、前記有機フィルムを第１の円筒表面の周囲に巻き付けた巻回体を、第２の円筒内部に収納し、最初は前記第１の円筒を加熱して前記有機フィルムの熱分解を行い、その後第２の円筒を加熱することにより熱分解を行うことを特徴とするグラファイトシートの製造方法。
2. 前記柔軟化工程は、熱分解後のグラファイトシートを、回転するローラーにより柔軟化するものである請求項１に記載のグラファイトシートの製造方法。
3. 前記第１の円筒の加熱後、この第１の円筒の温度を低下させた後に、前記第２の円筒の加熱を行う請求項１に記載のグラファイトシートの製造方法。
4. 第１の円筒および第２の円筒は炭素質の円筒であり、この第１、第２の円筒を加熱する方法は抵抗加熱である請求項１に記載のグラファイトシートの製造方法。

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