JP2017034219A - 混合グラファイトを用いた放熱材 - Google Patents

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【課題】人造黒鉛、ボロンナイトライト、ピッチ系炭素繊維ミルドからなる群から選択される熱伝導性フィラーを発泡黒鉛に配合することで、厚み方向の熱伝導性を上げ、さらにシート体で挟むことで面方向の熱伝導性も高めた放熱材を提供する。
【解決手段】発泡黒鉛とフィラーとを混合して有する混合グラファイトと、厚さ１０〜１００μｍのシート体からなり、発泡黒鉛は混合グラファイト全体の７０％〜９５％含まれ、混合グラファイトとシート体が積層されてなることを特徴とした放熱材。
【選択図】なし

Description

本発明は、混合グラファイトを用いた放熱材に関し、熱伝導性フィラーを用いることで従来の膨張黒鉛シート（天然グラファイトから製造）では低かった厚み方向（Ｚ軸方向）の熱伝導率を向上させた放熱材に関する。
従来からテレビやパーソナルコンピュータなどの電気製品の放熱材には膨張黒鉛シートを用いた放熱材を使用していた。
特許文献１には、放熱器について記載されている。より詳しくは膨張黒鉛シートの両面を金属箔で挟んだ構造を有する積層体をコルゲート状に曲げ加工した放熱材が記載されている。
特許文献２には、放熱器及びその製造方法が記載されている。より詳しくは、高分子フィルムをグラファイト化し熱伝導性を発現した人造黒鉛シートを金属板に貼り付け、金属板と共に波状に曲げ加工した放熱材が記載されている。
特開２０１５−４６５５７号公報 特許第３６４９１５０号
特許文献１及び２に記載の従来の膨張黒鉛シートを使用する放熱器は、面方向（ＸＹ軸方向）には熱伝導性が優れているが厚み方向（Ｚ軸方向）には熱伝導性が低いという問題があった。
本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであり、人造黒鉛、ボロンナイトライト、ピッチ系炭素繊維ミルドからなる群から選択される一種以上の熱伝導性フィラーと発泡黒鉛とを混合して有することで、厚み方向の熱伝導性を上げ、さらにシート体で挟むことで面方向の熱伝導性も高めた放熱材を提供する。
請求項１に係る発明は、発泡黒鉛とフィラーとを混合して有する混合グラファイトと、
厚さ１０〜１００μｍのシート体からなり、
発泡黒鉛は混合グラファイト全体の７０％〜９５％含まれ、
混合グラファイトとシート体が積層されてなることを特徴とした放熱材に関する。
請求項２に係る発明は、前記シート体がポリエステルシートであることを特徴とする請求項１に記載の放熱材に関する。
請求項３に係る発明は、前記シート体がアルミニウム箔であることを特徴とする請求項１に記載の放熱材に関する。
請求項４に係る発明は、前記フィラーは人造黒鉛、ボロンナイトライト、ピッチ系炭素繊維ミルドからなる群から選択される一種以上の熱伝導性フィラーであることを特徴とする請求項１乃至３に記載の放熱材に関する。
請求項５に係る発明は、発泡黒鉛とフィラーとを混合して有する混合グラファイトと、
厚さ１０〜１００μｍのシート体からなり、
前記フィラーは人造黒鉛、ボロンナイトライト、ピッチ系炭素繊維ミルドからなる群から選択される一種以上の熱伝導性フィラーであり、
発泡黒鉛は混合グラファイト全体の７０〜９５％含まれ、
混合グラファイトとシート体が積層されてなり、
熱伝導率は厚み方向が３〜１５Ｗ／ｍ・Ｋ、面方向が５０〜２５０Ｗ／ｍ・Ｋであることを特徴とした放熱材に関する。
請求項１に係る発明は、発泡黒鉛とフィラーとを混合して有する混合グラファイトと、厚さ１０〜１００μｍのシート体からなり、前記発泡黒鉛は混合グラファイト全体の７０％〜９５％含まれ、混合グラファイトはシート体で積層される放熱材であり、フィラーを配合することで熱伝導率を向上させたことを特徴としている。
請求項２に係る発明によれば、前記混合グラファイトを挟むシート体としてはポリエステルシートを用いることができる。
請求項３に係る発明によれば、混合グラファイトを挟むシート体としてアルミ箔を用いることができる。
請求項４に係る発明によれば、前記フィラーは人造黒鉛、ボロンナイトライト、ピッチ系炭素繊維ミルドからなる群から選択される一種以上の熱伝導性フィラーであることを特徴とする請求項１乃至３に記載の放熱材である。
請求項５に係る発明によれば、発泡黒鉛とフィラーとを混合して有する混合グラファイトと、厚さ１０〜１００μｍのシート体からなり、前記フィラーは人造黒鉛、ボロンナイトライト、ピッチ系炭素繊維ミルドからなる群から選択される一種以上の熱伝導性フィラーであり、発泡黒鉛は混合グラファイト全体の７０％〜９５％含まれており、混合グラファイトはシート体で積層されており、フィラーを配合することで熱伝導率が厚み方向が３〜１５Ｗ／ｍ・Ｋ、面方向が５０〜２５０Ｗ／ｍ・Ｋと優れている放熱材である。
本発明の混合グラファイトとは、発泡黒鉛とフィラーとが混合しているものをいう。
本発明の混合グラファイトは、フィラーを有することで従来の膨張黒鉛シートでは低かった厚み方向（Ｚ軸方向）の熱伝導率を向上させ、発泡黒鉛とフィラーとを混合して有することで発泡黒鉛はフィラー分子間のつなぎとなり、混合グラファイトをシート状に延ばすことを可能にした混合グラファイトである。
面方向とはシートの面に対して平行の方向をいい、厚み方向とはシートの面に対して垂直に交わる方向をいう。
発泡黒鉛とは天然グラファイト（黒鉛）を粉砕し粒子状にしたのち硫酸浸漬、中和洗浄し、さらに高温加熱発泡させてできたものである。
本発明のフィラーとは高熱伝導率を有する充填材のことであり、六方晶窒化ホウ素、炭素化合物が挙げられ、例えばピッチ系炭素繊維ミルドファイバー、ボロンナイトライト、人造黒鉛が挙げられるがこれに限定されない。
本発明の人造黒鉛には、コークスとピッチを原料としたものや、ポリイミドフィルムを不活性ガス中で加熱焼成し、黒鉛化したものを含む。
混合グラファイトは、例えば、天然グラファイトを上述のように処理して作成した発泡黒鉛にフィラーを混合させて製造する。
また、天然グラファイトを粉砕し粒子状にしたのち硫酸浸漬、中和洗浄した酸処理黒鉛粉末にフィラーを混合し、高温加熱発泡させて製造してもよい。フィラーに人造黒鉛を用いた場合、酸処理黒鉛粉末にフィラーを混合し、高温加熱発泡させても人造黒鉛は発泡しない。
発泡黒鉛とフィラーを混合させる方法、及び酸処理黒鉛粉末とフィラーを混合させる方法には、攪拌機で回転させ混合する方法などが挙げられるがこれに限定されない。
発泡黒鉛とフィラーの混合比率は８：２が好ましい。
また混合グラファイトの密度は０．８−１．５ｇ／ｃｍ３であり、特に１．２４ｇ／ｃｍ３が好ましい。
発泡黒鉛自体は強度が低く、使用する機器の内部で黒鉛粉末が飛散し、電気障害をおこすおそれがあるので、２枚のシートの間にグラファイト層を挟むことでその点を改善する。
シート体はポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の樹脂製シートを使用してもよく、金属箔好ましくは、アルミニウム箔を使用してもよい。
シート体の厚さは１０−１００μｍ以下であり、特に１０−５０μｍが柔らかい発泡黒鉛の表面の凹凸になじみやすく好ましい。
混合グラファイトをシート体に挟む際は、シート体をあらかじめ敷いておき、その上に混合グラファイトを延ばし更にシート体を貼り付けてもよく、また粘着剤を付けたシート体と共に混合グラファイトをローラで圧延してもよい。
（実施例１）
本件発明の放熱材の製造方法の一例を記載するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものでない。
１．発泡黒鉛の製造方法
天然グラファイトを粉砕し粒子状にしたのち硫酸浸漬、中和洗浄し、さらに高温加熱発泡させて発泡黒鉛を製造する。
２．混合グラファイトの製造方法
発泡黒鉛にフィラーとして日本グラファイトファイバー株式会社製のＧＲＡＮＯＣミルドファイバー（ＨＣ−６００−１５Ｍ、繊維長１５０μｍ）を２％添加しポリ袋を振って撹拌し１０５ｍｍ角の金型に入れ成形圧７５００Ｎ（面圧約６８ｋｇ／ｃｍ２）で混合グラファイトを成形する。
３．放熱材の製造方法
事前に接着剤処理した１１μｍのアルミ箔をセットしその上から成形した混合グラファイトを投入しさらにアルミ箔を重ねプレス成型をすることで厚さ２５０μｍの積層体を作製した。
（実施例２）
フィラーとして日本グラファイトファイバー株式会社製のＧＲＡＮＯＣミルドファイバー（ＨＣ−６００−１５Ｍ、繊維長１５０μｍ）を５％混合すること及び積層体の厚さを２００μｍにすること以外は実施例１と同じである。
（実施例３）
フィラーとして電気化学工業株式会社製の電荷ボロンナイトライド（ＧＰ 粒径８．２μｍ）を５％混合すること及び積層体の厚さを２２０μｍとすること以外は実施例１と同じである。
（実施例４）
フィラーとして電気化学工業株式会社製の電荷ボロンナイトライド（ＧＰ 粒径８．２μｍ）を１０％混合すること及び積層体の厚さを３３０μｍとすること以外は実施例１と同じである。
（実施例５）
フィラーとして粒径２０μｍのＳＥＣカーボン株式会社製のＳＥＣファインパウダー ＳＧＬ−２５を１０％混合すること及び積層体の厚さを２５０μｍとすること以外は実施例１と同じである。
（実施例６）
フィラーとして粒径２０μｍのＳＥＣカーボン株式会社製のＳＥＣファインパウダー ＳＧＬ−２５を２０％混合すること及び積層体の厚さを３２０μｍとすること以外は実施例１と同じである。
（実施例７）
フィラーとして粒径５０μｍのＳＥＣカーボン株式会社製のＳＥＣファインパウダー ＳＧＬ−５０を１０％混合すること及び積層体の厚さを２１５μｍとすること以外は実施例１と同じである。
（実施例８）
フィラーとして粒径５０μｍのＳＥＣカーボン株式会社製のＳＥＣファインパウダー ＳＧＬ−５０を２０％混合すること及び積層体の厚さを４１０μｍとすること以外は実施例１と同じである。
（実施例９）
１．混合グラファイトの製造方法
天然黒鉛粉末を硫酸浸漬、中和洗浄した酸処理黒鉛粉末に、フィラーの人造黒鉛として粒径５０μｍのＳＥＣカーボン株式会社製のＳＥＣファインパウダー ＳＧＬ−５０を２０％混合し、高温加熱発泡させた後に、１０５ｍｍ角の金型に入れ成形圧７５００Ｎ（面圧約６８ｋｇ／ｃｍ２）で混合グラファイトを成形する。
２．放熱材の製造方法
事前に接着剤処理した３０μｍのＰＥＴシートをセットし、その上から成形した混合グラファイトを投入し、さらに３０μｍのＰＥＴシートを重ねプレス成型をすることで厚さ１５６０μｍの積層体を作製した。
（実施例１０）
放熱材として５０μｍのアルミ箔を用いること及び積層体の厚さを１６００μｍとすること以外は実施例９と同じである。
（比較例）
比較例１は膨張黒鉛をＰＥＴシートで積層してなる厚さ１５７μｍの積層体を用いる。
比較例２は膨張黒鉛をＰＥＴシートで積層してなる厚さ３００μｍの積層体を用いる。
比較例３は発泡黒鉛のみを用いる。
上記実施例１乃至１０及び比較例１乃至３を夫々５ｍｍ角を試料としアイフェイズ・モバイル１ｕ（株式会社アイフェイズ社製）で放熱材の厚み方向の熱拡散率、熱伝導率を測定し比較した。
表（N＝３の平均値）
Figure 2017034219
表に示すように、従来の放熱材である比較例１の熱伝導率が０．５Ｗ／ｍ・Ｋ、比較例２の熱伝導率が１．０であるのに対し、実施例１の熱伝導率は３．６Ｗ／ｍ・Ｋ、実施例２の熱伝導率は４．４Ｗ／ｍ・Ｋと高い結果となっている。
比較例３は熱伝導率が高いが、発泡黒鉛の粉末が使用する機器の内部で飛散し、電気障害を起こすため実際は放熱材には用いることができない。
また実施例１が３．６Ｗ／ｍ・Ｋであるのに対し、実施例２は４．４Ｗ／ｍ・Ｋとフィラーを配合する量が多い程熱伝導率が向上する。
また、天然黒鉛粉末の酸処理黒鉛粉末に人造黒鉛を混合してから発泡させた実施例９、１０は、熱伝導率がそれぞれ１０．９Ｗ／ｍ・Ｋ、１２．１Ｗ／ｍ・Ｋと、比較例よりもはるかに高い値を示した。これは、人造黒鉛を混合してから発泡させることにより、発泡黒鉛と人造黒鉛との密着性が高まったためと思われる。
また従来の放熱材と比べこの発明の放熱材は熱拡散率が高くなっている。
比較例１が６．０７E−０７ｍ２／ｓ、比較例２が１４．１E−０７ｍ２／ｓであるのに比べて実施例１では４１．８E−０７ｍ２／ｓ、実施例２では５２．８E−０７ｍ２／ｓと高い値を示している。そして、実施例９、１０は、熱拡散率がそれぞれ１２８．０E−０７ｍ２／ｓ、１４１．７E−０７ｍ２／ｓと、比較例よりもはるかに高い値を示した。
本発明の混合グラファイトはＺ軸方向及びＸ−Ｙ軸方向の熱伝導率が高いため、使用する機器の薄さに合わせて放熱材としてだけでなく熱導体としても用いてもよい。
例えばコンピュータのような厚みのある機器に用いる場合は、フィンとＣＰＵが重なっておりその間に配置するため面方向の熱伝導率が高い樹脂系シート体或いは金属箔で挟んだ混合グラファイトを用いることができ、薄型テレビのように薄い機器はＣＰＵとフィンが並べて配置されそれを繋ぐヒートパイプとして用いることからＸ―Ｙ軸方向の熱伝導率が高い金属箔、特にアルミニウム箔で積層した混合グラファイトを用いることが出来る。

Claims (5)

  1. 発泡黒鉛とフィラーとを混合して有する混合グラファイトと、
    厚さ１０〜１００μｍのシート体からなり、
    発泡黒鉛は混合グラファイト全体の７０％〜９５％含まれ、
    混合グラファイトとシート体が積層されてなることを特徴とした放熱材。
  2. 前記シート体がポリエステルシートであることを特徴とする請求項１に記載の放熱材。
  3. 前記シート体がアルミニウム箔であることを特徴とする請求項１に記載の放熱材。
  4. 前記フィラーは人造黒鉛、ボロンナイトライト、ピッチ系炭素繊維ミルドからなる群から選択される一種以上の熱伝導性フィラーであることを特徴とする請求項１乃至３に記載の放熱材。
  5. 発泡黒鉛とフィラーとを混合して有する混合グラファイトと、
    厚さ１０〜１００μｍのシート体からなり、
    前記フィラーは人造黒鉛、ボロンナイトライト、ピッチ系炭素繊維ミルドからなる群から選択される一種以上の熱伝導性フィラーであり、
    発泡黒鉛は混合グラファイト全体の７０〜９５％含まれ、
    混合グラファイトとシート体が積層されてなり、
    熱伝導率は厚み方向が３〜１５Ｗ／ｍ・Ｋ、面方向が５０〜２５０Ｗ／ｍ・Ｋであることを特徴とした放熱材。
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