(57)【要約】      （修正有）【課題】熱伝導の均一性が良好で、熱伝導係数が高く、伝熱抵抗が低い熱伝導材料の製造方法を提供する。【解決手段】カーボンナノチューブ・アレイ１５を提供するステップと、カーボンナノチューブ・アレイ１５の隙間に相変化材料１２を充填して、複合相変化材料を形成するステップと、該複合相変化材料を、前記カーボンナノチューブ・アレイ１５と交叉する方向に沿ってカット加工して、所定の厚さを有するスライスを形成するステップと、前記カーボンナノチューブ・アレイ１５の両端を前記相変化材料から露出するように、該スライスを前記相変化材料１２の相変化温度以上まで加熱した後、冷却して熱伝導材料１００を形成するステップとを含む。【選択図】図１
2006295120.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボンナノチューブ・アレイを提供するステップと、
該カーボンナノチューブ・アレイの隙間に相変化材料を充填して、複合相変化材料を形成するステップと、
該複合相変化材料を、前記カーボンナノチューブ・アレイと交叉する方向に沿ってカット加工して、所定の厚さを有するスライスを形成するステップと、
該スライスを、前記カーボンナノチューブ・アレイの両端を前記相変化材料から露出するように、前記相変化材料の相変化温度以上まで加熱した後、冷却して熱伝導材料を形成するステップと、
を含むことを特徴とする熱伝導材料の製造方法。
【請求項２】
前記相変化材料を充填する方法は、前記カーボンナノチューブ・アレイを前記相変化材料の溶液又は熔融液の中に浸漬する方法を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の熱伝導材料の製造方法。
【請求項３】
更に前記カーボンナノチューブ・アレイの隙間に充填されている相変化材料を固化するステップを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の熱伝導材料の製造方法。
【請求項４】
前記スライスの厚さの範囲は１ミクロンメートル以上１００ミクロンメートル以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれかの一項に記載の熱伝導材料の製造方法。
【請求項５】
前記カーボンナノチューブ・アレイと交叉する方向とは、該カーボンナノチューブ・アレイと垂直な方向を指すことを特徴とする請求項１から４のいずれかの一項に記載の熱伝導材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は熱伝導材料の製造方法に係り、特にカーボンナノチューブを有する熱伝導材料の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体チップの高集積化に伴って、電子部品は更に小型化が進んでいくので、小型電子部品の放熱性をより一層高めることは益々注目されている。それに対応して、例えばファン、水冷放熱、ヒートパイプなどを利用する各種の放熱手段が開発されていた。但し、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。このため、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り、両方の接触面積を増加することが必要になっている。
【０００３】
従来の熱伝導材料は、例えば、石墨、窒化ホウ素、酸化シリコン、アルミナ、銀又はその他の金属などの高熱伝導の粒子状の充填物（Particle Filler）が高分子材料に分散されて成る複合材料である。このような材料の熱伝導性は主に高分子担体物質の性質によって決められる。例えば、油脂、相変化材料を担体物質とした複合材料は、使用時に液体になっているので、熱源の表面を濡らせて、その接触伝熱抵抗が小さくなるが、シリカゲル、ゴムを担体物質とした複合材料に対しては、その接触伝熱抵抗が大きくなる。これらの熱伝導材料は熱伝導係数が低く、その値を約１Ｗ／ｍＫにしかできない。この欠点を解決するため、高分子担体物質中の高熱伝導の粒子状充填物の含量を増やして、熱伝導係数が４〜８Ｗ／ｍＫに達するようにする方法もある。しかし、高分子担体物質中の粒子状充填物の含量が所定の比率を超えると、高分子材料は元の性能を失うおそれがある。例えば、油脂またはゴムなどは硬度が上昇して、熱源の表面を濡らす効果など、柔軟性の低下を招き、熱伝導材料全体の性能に影響を与える。
【０００４】
以上の問題を克服して、熱伝導材料の性能を改善し、熱伝導係数を高くするため、カーボンナノボール、ダイヤモンド粉末、又はカーボンナノチューブ等の高熱伝導性能を有する材料を伝熱充填物として用いる。例えば、米国物理学会で発表した非特許文献１の記載内容によると、室温で「Ｚ」字形（１０，１０）のカーボンナノチューブの熱伝導係数が６６００Ｗ／ｍＫにも達することができる。このため、カーボンナノチューブの高熱伝導性能を有効に利用して、熱伝導材料の製造に用いることはより重要になっている。
【０００５】
現在、カーボンナノチューブをマトリクス材（Matrix Material）と混合して一体にした後、スタンピング（Stamping）方式によって熱伝導材料を製造する技術がある。このような技術により製造された熱伝導材料は、二つの熱伝導表面の面積が不同になって、即ち、熱源と接触する表面の面積より、放熱装置と接触する表面の面積が大きいので、放熱装置の放熱効率を高めることができる。但し、このような方法による熱伝導材料は、カーボンナノチューブがマトリクス材の中に不規則的に配列分布されているので、熱伝導の均一性が悪くなり、また、カーボンナノチューブの軸方向の伝熱特性を十分利用しないため、熱伝導材料の熱伝導性能に影響を与える。
【０００６】
更に、カーボンナノチューブが不規則的に分布しており、また熱可塑性を有する高分子パルプに平板コンデンサを浸漬した後、該各平板コンデンサの間隔を調節しながら取り出すステップと、該平板コンデンサ中のカーボンナノチューブが、熱可塑性を有する高分子パルプの中で所定の方向に向かって配列するように、該平板コンデンサに電圧を印加して電界を形成するステップと、該高分子パルプを固化させ、その後、平板コンデンサの中から該固化された高分子パルプを取り出して熱伝導構造を形成するステップとを含むカーボンナノチューブ・アレイ型の熱伝導構造を製造する方法が周知されている。
【０００７】
但し、これらの技術により製造された熱伝導材料は、その中のカーボンナノチューブの高分子材料から露出した尖端が少なく、又は全部高分子材料に覆われる可能性があるので、カーボンナノチューブから形成された熱伝導チャンネルとそれと接触する表面との間に、伝熱抵抗の大きな高分子材料が存することになる。このため、熱伝導材料の全体の伝熱抵抗が増えて、熱伝導性が低くなる。
【非特許文献１】「Ｕｎｕｓｕａｌｌｙ Ｈｉｇｈ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ」、Ｓａｖａｓ Ｂｅｒｂｅｒ、 Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ、第８４巻、２０００年、第４６１３ページ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
以上の問題点に鑑みて、伝熱抵抗が小さく、熱伝導性が高い熱伝導材料を製造する方法を提供することが必要になる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
次に、本発明に係る実施例に基づいて、熱伝導材料の製造方法を説明する。
【００１０】
該実施例に係る熱伝導材料の製造方法は、カーボンナノチューブ・アレイを提供するステップと、該カーボンナノチューブ・アレイの隙間に相変化材料を充填して、複合相変化材料を形成するステップと、該複合相変化材料を、前記カーボンナノチューブ・アレイと交叉する方向に沿ってカット加工して、所定の厚さを有するスライスを形成するステップと、前記カーボンナノチューブ・アレイの両端を前記相変化材料から露出するように、該スライスを前記相変化材料の相変化温度以上まで加熱した後、冷却して熱伝導材料を形成するステップとを含む。
【発明の効果】
【００１１】
従来の技術と比べてみると、本発明の実施例に係るカーボンナノチューブ・アレイに基づいた製造方法により製造された熱伝導材料は、以下のような利点を備えている。
【００１２】
カーボンナノチューブ・アレイに基づいて製造された熱伝導材料は、カーボンナノチューブ・アレイの均一性、柔軟性及び指向配列する利点を利用して、毎本のカーボンナノチューブが該熱伝導材料と垂直した方向に放熱チャンネルを形成するようにして、カーボンナノチューブの軸方向の熱伝導特性を最大限に利用し、従って、熱伝導材料の熱伝導係数及伝熱の均一性を高める。
【００１３】
また、前記熱伝導材料はカーボンナノチューブ・アレイの高さの影響を受けなく、カット加工の方法によって厚さが薄い熱伝導材料を製造することができて、熱伝導材料の熱伝導効果を高めるだけでなく、柔軟性を増加させて、全体の体積及び重量を低下して、電子部品の小型化に適用することができる。
【００１４】
また、本発明の実施例に係る熱伝導材料の製造方法は、複合材料からなるスライスを相変化材料の相変化温度まで加熱して、カット加工のため湾曲されたカーボンナノチューブ・アレイの両端をレジリエンス効果により本来の形状に回復し、また、熱伝導材料の上下の表面から露出する。これにより、使用時、カーボンナノチューブ・アレイの両端を熱源と放熱装置と直接接触させて、伝熱抵抗を低下する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下図面に基づいて、本発明の実施例に係る熱伝導材料の製造方法に対して詳細に説明する。
【００１６】
図１に示すように、本実施例に係る熱伝導材料１００の製造方法は次のステップを含む。即ち、ステップ（ａ）：カーボンナノチューブ・アレイ１５を提供する；ステップ（ｂ）：該カーボンナノチューブ・アレイ１５の隙間に相変化材料１２を充填して、複合相変化材料を形成する；ステップ（ｃ）：該複合相変化材料を、前記カーボンナノチューブ・アレイと交叉する方向に沿ってカット加工して、所定の厚さを有するスライス１０を形成する；ステップ（ｄ）：該スライス１０を、前記カーボンナノチューブ・アレイ１５の両端を前記相変化材料１２から露出させるように、前記相変化材料１２の相変化温度以上まで加熱した後、冷却して熱伝導材料１００を形成する。
【００１７】
図１乃至図３に示すように、具体的な実施例に基づいて上記の各ステップに対して、詳しく説明する。
【００１８】
ステップ（ａ）：カーボンナノチューブ・アレイ１５を提供する。該カーボンナノチューブ・アレイ１５は堆積法又はシルクスクリーン方法により製造できる。本実施例においては化学気相堆積法を採用する。即ち、基板１１を提供して、その表面に触媒を形成した後、高温で炭素系原料ガスを流入して、基板１１の上にカーボンナノチューブ・アレイ１５を形成する。前記基板１１の材料としてはガラス、シリコン、金属及び金属酸化物などが適し、前記触媒としては鉄、ニッケル、コバルト、バラジウムなどの遷移金属が適し、前記炭素系原料ガスとしてはメタン、エチレン、メチルエチレン、アセチレン、メチルアルコール及びアルコールなどのガスが適する。
【００１９】
本実施例において、シリコンを基板１１の材料とし、鉄を触媒とし、エチレンを炭素系原料ガスとして用いる。まず、シリコン基板１１の表面に厚さが５ｎｍである鉄膜（図示せず）を単層で覆って、空気雰囲気中の３００℃の条件でアニーリング（Annealing）する。次に、７００℃の条件で、化学気相堆積チャンバー（Chemical Vapor Deposition Chamber）の中にエチレンガスを導入して、カーボンナノチューブ・アレイ１５を形成する。該カーボンナノチューブ・アレイ１５は前記シリコン基板１１の表面に直立している。
【００２０】
ステップ（ｂ）：前記カーボンナノチューブ・アレイ１５の隙間に相変化材料１２を充填して、複合相変化材料を形成する。まず、前記カーボンナノチューブ・アレイ１５を前記相変化材料１２の溶液又は熔融液の中に浸漬して、該相変化材料１２が該カーボンナノチューブ・アレイ１５の隙間に充填されるようにする。次に、該カーボンナノチューブ・アレイ１５を取出して、真空の条件でカーボンナノチューブ・アレイ１５の隙間に充填されている相変化材料１２を固化又は硬化させる。一般に動作している電子部品の正常な温度は-２０℃〜１１０℃になるので、前記相変化材料１２は相変化温度範囲が２０℃〜９０℃であるパラフィン、ポリアルケーン、低分子量ポリエステル、低分子量エポキシ樹脂、又は低分子量プロペン酸等の材料を採用すればよい。
【００２１】
本実施例において、該相変化材料１２は相変化温度範囲が５２℃〜５４℃であるパラフィンを用いる。具体的には、前記カーボンナノチューブ・アレイ１５をキシレン（Xylene）の中に浸漬して、６０℃まで加熱する；その後、前記の相変化温度範囲が５２℃〜５４℃である粒子状のパラフィンを該キシレンの中に充填する；該キシレンを二時間ぐらい蒸発した後、熔融状のパラフィンが充填しているカーボンナノチューブ・アレイ１５を、温度が６０℃であるスライス膜（Sectioning Mold、ドイツのLeica会社）の中に移す；室温で該カーボンナノチューブ・アレイ１５の隙間に充填されているパラフィンを３０分ぐらい冷却して、固化して複合相変化材料を形成する。
【００２２】
ステップ（ｃ）：該複合相変化材料を、前記カーボンナノチューブ・アレイ１５と交叉する方向に沿ってカット加工して、所定の厚さを有するスライス１０を形成する。即ち、熱伝導材料１００の予定の厚さに基づいて、生物学の領域によく使われているスライサーを用いて、複合相変化材料をカーボンナノチューブ・アレイ１５と交叉する方向に沿ってカット加工を行う。これにより加工されたスライス１０の厚さは１μｍ〜１００μｍになる。
【００２３】
本実施例において、ドイツのＬｅｉｃａ会社の回転スライス（機械型番号：ＲＭ２２４５）を用いて、複合相変化材料をカーボンナノチューブ・アレイ１５と交叉する方向に沿ってカットして、厚さが２０μｍであるスライス１０を取り得る。図２に示すように、加工されたスライス１０のカット表面を撮ったＳＥＭ(Scanning Electron Microscope)写真からみると、カーボンナノチューブ・アレイ１５の両端は、カット加工を行う時、力を受けて湾曲され、従ってスライス１０の上下の二つのカット表面のなかに固定されて、同図に挿入したスライス１０の立体概略図に示したように、「Ｕ」字形のような構造を形成する。ここで、カーボンナノチューブ・アレイ１５と交叉する角度が、例えば６０度、８０度などの方向に沿って、前記スライス１０をカットしてもよいが、加工されたスライス１０の上下の二つのカット表面で、カーボンナノチューブ・アレイ１５により熱伝導チャンネルを形成すればよい。不同なカット方向によって、前記カーボンナノチューブ・アレイ１５の両端の湾曲方向も不同になって、「Ｕ」字形の以外の「Ｚ」字形、又はほかの形状が形成される。
【００２４】
ステップ（ｄ）：前記スライス１０を、前記カーボンナノチューブ・アレイ１５の両端から前記相変化材料１２が露出するように、前記相変化材料１２の相変化温度以上まで加熱した後、冷却して熱伝導材料１００を形成する。本実施例において、まず、前記複合相変化材料から成すスライス１０を６０℃まで加熱すると、該スライス１０の表面は図３に示すようになる。パラフィンが軟化し始める時、カーボンナノチューブの高い引張り応力のためレジリエンス効果(Resilience Effect)が発生して、前記カーボンナノチューブ・アレイ１５の両端の湾曲部分は元の直立形状に回復される。従って、カーボンナノチューブ・アレイ１５の両端はまっすぐに伸ばされ、前記スライス１０の上下のカット表面から突出して、図３に插入したスライス１０の立体概略図に示したような構造を形成する。該スライス１０を冷却して、熱伝導材料１００を形成する。
【００２５】
もちろん、ステップ（ｃ）により製造されたスライス１０は、直接熱伝導材料として用いることができる。本実施例において、熱流束（heat flux）の増加に従って前記スライス１０及び熱伝導材料１００の両者の伝熱抵抗の変化曲線は、図４に示すとおりのものである。曲線Ｉは熱伝導材料１００の伝熱抵抗の変化を示し、曲線ＩＩはスライス１０を直接熱伝導材料１００として用いる時の伝熱抵抗の変化を示す。熱流束の増加につれて、温度が４４℃（Ａ点）を超えると、該両者の伝熱抵抗は、はっきり低くなり、さらに最小値の０.０８ｃｍ２Ｋ/Ｗ（Ｂ点）まで低下される。その後のＢ点からＣ点の間において、該両者の伝熱抵抗の変化がほぼ同じである。これから見ると、本実施例により提供された熱伝導材料１００と、ステップ（ｄ）の処理を略したスライス１０を比べると、前者は熱流束が大きい場合だけでなく、熱流束が小さい場合でも低い伝熱抵抗を確保することができる。
【００２６】
図５は熱伝導材料１００の使用状態を示す図であるが、本実施例により製造された熱伝導材料１００は高い熱伝導性能を備え、発熱部品２００と放熱装置３００との間に広く応用されて、両者に良好な熱接触を提供する。相変化材料１２自体が優れた熱伝導材料であるので、該相変化材料１２が相変化温度以上の環境で液状になると、発熱部品２００と放熱装置３００との間の隙間をもっと有効に充填することができる。
【００２７】
また、該熱伝導材料１００は含有しているカーボンナノチューブ・アレイ１５の体積比率が低い場合でもかなり高い熱伝導率を持っている。例えば、熱伝導材料１００中のカーボンナノチューブ・アレイ１５の体積比率が０.２％である場合において、該熱伝導材料１００の熱伝導率は５Ｗ／ｍＫに達する。
【００２８】
更に、前記カーボンナノチューブ・アレイ１５の体積比率が高くなるに従って熱伝導率も高くなる。例えば、熱伝導材料１００中のカーボンナノチューブ・アレイ１５の体積比率が１０％である場合において、その熱伝導率が２５０Ｗ／ｍＫに達し、そして、相変化材料１２自体の熱伝導性質にも影響を与えない。
【００２９】
その上、前記実施例により製造された熱伝導材料１００は、ミクロンメートルオーダーであるかなり薄い厚さを有し、良好な柔軟性を備えている。このため、発熱部品２００と放熱装置３００の表面が不規則である場合でも、両者に良好な熱接触を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施例に係る熱伝導材料の製造ステップの概略図。
【図２】本発明の実施例に係るスライスを加熱する前のＳＥＭ写真。
【図３】本発明の実施例に係るスライスを加熱した後のＳＥＭ写真。
【図４】本発明の実施例に係る熱流束の量に従って変化するスライスと熱伝導材料の両者の伝熱抵抗を示す曲線図。
【図５】本発明の実施例に係る熱伝導材料の使用状態の概略図。
【符号の説明】
【００３１】
１００  熱伝導材料    
１０    スライス
１１    基板
１２    相変化材料
１５    カーボンナノチューブ・アレイ
２００  発熱部品
３００  放熱装置
【図１】
2006295120.tif 000003
【図２】
2006295120.tif 000004
【図３】
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【図４】
2006295120.tif 000006
【図５】
2006295120.tif 000007