(57)【要約】      （修正有）【課題】画像表示素子の明るさを改良し、画像焼付を低減し、平均スクリーン温度を低下し、温度均質性を改良した画像表示素子を提供する。【解決手段】特性を改良した画像表示素子は、画像表示パネルと、この画像表示パネルの近くに配置された、面内熱伝導率が少なくとも１４０Ｗ／ｍ・Ｋの少なくとも一枚の剥離グラファイトの圧縮粒子のシートからなるヒートスプレッダ材料と、このヒートスプレッダ材料の近くで、前記画像表示パネルに対向して配置された支持部材としてのフレームとを含んでなり、この支持部材の厚さにその面内熱伝導率を掛けることによって求められるサポートファクターが３７５ｍｍ・Ｗ／ｍ・Ｋ未満とするものである。【選択図】図１
0003150023.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
特性を改良した画像表示素子であって、
画像表示パネル、
該画像表示パネルの近くに配置された、面内熱伝導率が少なくとも１４０Ｗ／ｍ・Ｋの少なくとも一枚の剥離グラファイトの圧縮粒子のシートからなるヒートスプレッダ材料、および
該ヒートスプレッダ材料の近くで、前記画像表示パネルに対向して配置された支持部材としてのフレームを含んでなり、
該支持部材の厚さにその面内熱伝導率を掛けることによって求められるサポートファクターが、３７５ｍｍ・Ｗ／ｍ・Ｋ未満である画像表示素子。
【請求項２】
前記画像表示パネルが液晶ディスプレイである請求項１に記載の画像表示素子。
【請求項３】
前記液晶ディスプレイのバックライトが発光ダイオード、冷陰極蛍光灯またはフラット蛍光灯である請求項２に記載の画像表示素子。
【請求項４】
前記画像表示パネルが発熱性のディスプレイである請求項１に記載の画像表示素子。
【請求項５】
前記発熱性のディスプレイがプラズマディスプレイパネルである請求項４に記載の画像表示素子。
【請求項６】
少なくとも一個のファンをさらに含んでなる請求項１乃至５のいずれかに記載の画像表示素子。
【請求項７】
前記支持部材が鋼またはアルミニウムよりなる請求項１乃至６のいずれかに記載の画像表示素子。
【請求項８】
画像表示素子であって、
画像表示パネル、
該画像表示パネルの近くに配置された、面内熱伝導率が少なくとも１４０Ｗ／ｍ・Ｋの少なくとも一枚の剥離グラファイトの圧縮粒子のシートからなるヒートスプレッダ材料、
該ヒートスプレッダ材料の近くで、前記画像表示パネルに対向して配置されたフレーム、および
該フレームと係合する複数の電子部品を含んでなり、
該フレームが支持部材のないオープンフレームであって、前記画像表示素子が０ｍｍ・Ｗ／ｍ・Ｋのサポートファクターを示す画像表示素子。
【請求項９】
前記画像表示パネルが液晶ディスプレイである請求項８に記載の画像表示素子。
【請求項１０】
前記液晶ディスプレイのバックライトが発光ダイオード、冷陰極蛍光灯またはフラット蛍光灯である請求項９に記載の画像表示素子。
【請求項１１】
前記画像表示パネルが発熱性のディスプレイである請求項８に記載の画像表示素子。
【請求項１２】
前記発熱性のディスプレイがプラズマディスプレイパネルである請求項１１に記載の画像表示素子。
【請求項１３】
前記フレームが鋼またはアルミニウムよりなる請求項８乃至１２に記載の画像表示素子。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、特徴的なデバイス用支持構造により、明るさを改良し、画像焼付(image sticking)を低減し、温度均質性を改良した、例えばプラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）等の画像表示素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマディスプレイパネルは、複数の放電セルを含み、放電セルの電極を横切って電圧を印加することより、所望のセルに発光させ、画像を表示するように構築された表示装置である。プラズマディスプレイパネルの主要部分であるパネルユニットは、２枚のガラス製ベースプレートを、それらの間に複数の放電セルを挟むように接着することにより製造される。
【０００３】
プラズマディスプレイパネルでは、発光して画像形成する放電セルのそれぞれが発熱し、従ってそれぞれが熱源を構成し、プラズマディスプレイパネル全体の温度上昇を引き起こす。放電セルで発生する熱は、ベースプレートを形成するガラスに伝達されるが、ガラス製ベースプレートの放熱特性が悪いために、パネル面に対して平行な方向における熱伝導が困難である。
【０００４】
さらに、発光用に活性化された放電セルの温度は、著しく上昇するのに対し、活性化されていない放電セルの温度はあまり上昇しない。このために、プラズマディスプレイパネルのパネル面温度は、画像が発生している区域で局所的に上昇する。その上、白色または明色スペクトルで活性化された放電セルは、暗色スペクトルで活性化された放電セルよりも多くの熱を発生する。従って、パネル面の温度は、画像形成で発生した色に応じて局所的に異なる。この差を緩和する対策を講じない限り、これらの局所的な温度差は、影響を受ける放電セルの熱劣化を促進することがあり、この熱劣化は、それらの永続性のレベルに応じて、「バーン−イン」または「画像焼付」と呼ばれることが多い。さらに、ディスプレイ上の画像性質が変化すると、局所的な発熱箇所が画像と共に変化する。
【０００５】
さらに、活性化された放電セルと活性化されていない放電セルとの間の温度差が高いことがあり、白色光を発生している放電セルと暗色を発生している放電セルとの間の温度差も高いことがあるので、パネルユニットに応力が作用し、従来のプラズマディスプレイパネルは亀裂および破損を起こし易い。
【０００６】
放電セルの電極に印加する電圧が増加すると、放電セルの明るさが増加するが、そのようなセルにおける発熱量も増加する。このため、活性化用に大きな電圧を有するセルは、熱劣化に対してより敏感になり、プラズマディスプレイパネルのパネルユニットの破損問題を悪化させる傾向がある。その上、パネル温度が上昇するにつれて、特に温度が均質に分散されない場合、パネルの明るさも損なわれる。
【０００７】
ＬＣＤディスプレイ、例えばＬＥＤ（発光ダイオード）、ＣＣＦＬ（冷陰極蛍光灯またはランプ）およびＦＦＰ（フラット蛍光灯またはランプ）、用のバックライトも、発光ディスプレイ、例えばＰＤＰと同様に、発熱に関して類似の問題を生じる。
【０００８】
プラズマディスプレイパネル用の熱界面材料として、いわゆる「高配向グラファイトフィルム」を使用してパネル背面と吸熱ユニットとの間を充填し、局所的な温度差を均等化する方法が、Morita、Ichiyanagi、Ikeda、Nishiki、Inoue、KomyojiおよびKawashimaにより、米国特許第５，８３１，３７４号で提案されている。しかし、この開示は、グラファイト系材料として熱分解グラファイトを使用しており、剥離された(exfoliated)グラファイトの圧縮された粒子から製造されたシートの使用または明らかな優位性に関しては記載されていない。その上、重いアルミニウム吸熱ユニットの使用は、Moritaらの特許の好ましくない部分である。さらに、Tzengの米国特許第６，４８２，５２０号は、熱源、例えば電子部品用の放熱体（この特許では熱的界面と呼ばれている）として、剥離されたグラファイトの圧縮された粒子から製造されたシートの使用を開示している。実際、そのような材料は、オハイオ州レイクウッドのAdvanced Energy Technology Inc. からeGraf（登録商標）スプレッダ遮蔽区分の材料として市販されている。Tzengのグラファイト放熱体は、発熱する電子部品と吸熱源との間に配置し、発熱部品の有効表面積を増加するのが有利であるが、Tzengの特許は、表示素子により引き起こされる具体的な熱的問題には触れていない。
【０００９】
グラファイトは、炭素原子の六角形配列または網目の層平面から形成されている。これらの、六角形に配置された炭素原子の層平面は、実質的に平らであり、実質的に互いに平行で等間隔になるように配向または配列されている。実質的に平らで、平行で、等間隔の炭素原子のシートまたは層は、通常、グラフェン層または基底面と呼ばれ、一つに連結または結合されており、それらの群がクリスタライトに配置されている。高度に秩序付けられたグラファイトは、かなりの大きさのクリスタライトからなり、それらのクリスタライトは、相互に高度に整列または配向しており、十分に秩序付けられた炭素層を有する。つまり、高度に秩序付けられたグラファイトは、高度の選択的クリスタライト配向を有する。グラファイトは、異方性構造を有し、従って、方向性が高い多くの特性、例えば熱的および電気的伝導性およそ流体拡散を示すか、または有する。
【００１０】
簡潔に述べると、グラファイトは炭素のラミネート構造、すなわち弱いファンデルワールス力により一つに接合された炭素原子の重なり合った層または薄片からなる構造として特徴付けることができる。グラファイト構造を考える時、２つの軸または方向、すなわち「ｃ」軸または方向および「ａ」軸または方向を指定する。簡単にするために、「ｃ」軸または方向は炭素層に対して直角の方向と考えることができる。「ａ」軸または方向は炭素層に対して平行の方向または「ｃ」方向に対して直角の方向と考えることができる。フレキシブルグラファイトシートを製造するのに好適なグラファイトは、非常に高度の配向を有する。
【００１１】
上記の様に、炭素原子の平行な層を一つに保持している結合力は弱いファンデルワールス力だけである。天然グラファイトを処理し、重なり合った炭素層または薄片間の間隔を十分に広げ、その層に対して直角の方向、すなわち「ｃ」方向に大きく拡張し、膨張した、または膨れあがったグラファイト構造を形成することができ、その際、炭素層の薄層特性は実質的に維持されている。
【００１２】
大きく膨張した、より詳しくは、最終的な厚さ、つまり「ｃ」方向寸法が本来の「ｃ」方向寸法の約８０倍以上にも膨張したグラファイトフレークを、結合剤を使用せずに形成し、膨張したグラファイトの凝集性の、または一体化されたシート、例えばウェブ、紙、細片、テープ、ホイル、マット、等（典型的には「フレキシブルグラファイト」と呼ばれる）を製造することができる。最終的な厚さ、つまり「ｃ」方向寸法が本来の「ｃ」方向寸法の約８０倍以上にも膨張したグラファイト粒子を、一体化されたフレキシブルシートに、結合剤を使用せずに圧縮により形成することは、大きく膨張したグラファイト粒子間に達成される機械的なかみ合わせ力または凝集性により、可能であると考えられる。
【００１３】
シート材料は、膨張グラファイト粒子およびグラファイト層が、非常に大きな圧縮、例えば、ロールプレス加工により得られるシートの対向面に対して実質的に平行に配向しているために、可撓性に加えて、上記の様に熱的および電気的伝導性および流体拡散に関して、出発材料である天然グラファイトに匹敵する高度の異方性を有することも分かっている。この様にして製造されたシート材料は、可撓性に優れ、良好な強度を有し、非常に高度に配向している。
【００１４】
簡潔に言えば、可撓性があり結合剤を含まない異方性のグラファイトシート材料、例えばウェブ、紙、細片、テープ、ホイル、マット等の製造方法は、予め決められた負荷の下で、結合剤の不存在下で、「ｃ」方向寸法が本来の粒子の約８０倍以上にも膨張したグラファイト粒子を圧縮または圧迫し、実質的に平らで可撓性があり、一体化されたグラファイトシートを形成することを含んでなる。一般的に外観がウォーム状であるか、または細長い膨張したグラファイト粒子は、圧縮された後、圧縮永久ひずみを維持し、シートの対向する主表面と整列している。シート材料の密度および厚さは、圧縮の程度を制御することにより変えることができる。シート材料の密度は約０．０４ｇ／ｃｍ３〜約２．０ｇ／ｃｍ３である。可撓性のグラファイトシート材料は、グラファイト粒子がシートの対向する平行な主要表面に対して平行に整列しているために、かなりの程度の異方性を示し、異方性の程度は、シート材料をロール圧縮し、配向性を増加することにより増加する。ロール圧縮された異方性シート材料では、厚さ、すなわち、対向する平行なシート表面に対して直角の方向は「ｃ」方向を含んでなり、長さおよび幅に沿った、すなわち対向する主要表面に沿った、または平行な方向は「ａ」方向を含んでなり、シートの熱的、電気的および流体拡散特性は、「ｃ」および「ａ」方向で非常に大きく、数等級異なっている。
【００１５】
剥離されたグラファイト（すなわちフレキシブルグラファイト）の圧縮された粒子から製造されたシートの使用は、熱源から発生する熱を放散させるための放熱体、熱的界面および吸熱源の構成部品として提案されている（例えば米国特許第６，２４５，４００号、第６，４８２，５２０号、第６，５０３，６２６号、および第６，５３８，８９２号参照）が、グラファイト材料の使用は、これまで独立しており、他の部品、例えばディスプレイパネルの支持構造に相関しているとは見なされていない。
【００１６】
従来の表示素子は、典型的には、厚く重い金属支持部材（厚いアルミニウムシート、または一式の複数シートであることが多い）を使用し、この部材にディスプレイパネルユニットおよび関連する電子部品、例えばプリント基板の両方を取り付ける。これらの電子部品を通過して来る熱は、パネルユニット自体の上に生じる不均一な温度分布を助長し、これがディスプレイパネル上に形成される画像に悪影響を及ぼす。典型的には、パネルユニットは支持部材に、両面粘着テープ材料を使用して取り付けられる。あるいは、一般的には粒子充填したアクリル樹脂またはシリコーンである熱伝導性接着材料の全シートを使用して、パネルユニットを支持部材に直接取り付けることもある。
【００１７】
どちらの場合も、従来の支持部材は、機械的機能（すなわち、パネルユニットおよび関連するエレクトロニクスを取り付けるための）、ならびに熱的機能（すなわちパネルユニットおよび／または関連するエレクトロニクスから発生する熱を吸収および放散し易くするための）の両方を与える。従って、支持部材は、典型的には、約２．０ｍｍのオーダーにある厚さを有するアルミニウムの非中空シートから製造する。言い換えると、支持部材を有する従来のディスプレイパネルは、約４４０ｍｍ・Ｗ／ｍ・Ｋ以上のサポートファクターを示す。このサポートファクターは、ディスプレイパネル中に存在する支持部材の厚さに、その面内熱伝導率を掛けることにより求められる（例えば、高熱伝導率アルミニウムの面内熱伝導率は２２０Ｗ／ｍ・Ｋであるので、アルミニウムの２．０ｍｍシートのサポートファクターは、４４０ｍｍ・Ｗ／ｍ・Ｋである）。無論、ほとんどの金属は、比較的熱等方性であるので、面内熱伝導率はその材料の面貫通(through-plane)熱伝導率と実質的に異なっていない。
【００１８】
このような支持部材は、重量が約１０ポンド以上になることがあり、一定の平面性が求められ、エレクトロニクスをネジ止めする必要があり、高熱伝導率アルミニウムシートのコストが高いために、高価で構築が困難な場合がある。さらに、フレーム（鋼またはアルミニウムから製造することが多い）を使用し、支持部材にさらに機械的支持を与え、ディスプレイパネルを壁の金具またはスタンドユニットに取り付けるための頑丈な取り付け手段を可能にする。
【００１９】
従来の表示素子製造業者、特にＰＤＰ製造業者は、自社の既存ディスプレイ製品のコストおよび重量を下げることが強く求められており、一方、パネルユニットの明るさおよび光効率(luminous efficiency)の増加も同時に望まれている。これは、より多くの電力をディスプレイに送るので、システムに対する熱的負荷が増加することになり、ディスプレイユニット中での放熱能力の増強が必要であることを意味している。能動的な冷却手段、例えばファンおよび／またはヒートパイプは、信頼性が無く、騒音があり、システムのコストおよび重量に不利になるために好ましくない。ディスプレイの明るさおよび光効率の増加に加えて、ディスプレイ製造業者は、より大型のパネルを製造することも益々強く求められており、これは支持部材の重量を比例して増加させる傾向がある。
【００２０】
その上、従来のフレームシステムを有する表示パネルは、画像焼付性が過度に高く、明るさが不当に低く、上に詳細に記載した問題を悪化させている。さらに、従来のフレームシステムは、パネルの熱的問題を緩和しようとしているが、表示パネル中での不均質な温度分布は、平均スクリーン温度、および温度を増加する映像が現れることが多いスクリーンの底部３分の１における温度のように、依然、問題を抱えている。
【００２１】
そのため、軽量でコスト的に有利な表示素子用フレームシステム、特に明るさが改良され、画像焼付が低減され、優れた熱移動能力を与えると共に、パネルユニットおよび関連するエレクトロニクスの取付、ならびに表示素子自体を取り付け、支持をするための構造的一体性の両方を与える構造的に十分に堅固なフレームシステムが求められている。この望ましいフレームシステムは、支持部材、特に高伝導性アルミニウムから形成された支持部材の必要性を低下させるか、または排除する。
【考案の開示】
【考案が解決しようとする課題】
【００２２】
そこで、本考案の目的は、表示素子、例えばプラズマディスプレイパネル、液晶ディスプレイ等に使用する、軽量で構造的に堅固なフレームを提供することである。
【００２３】
本考案の別の目的は、特性が改良された、すなわち明るさが改良され、画像焼付が低減され、平均スクリーン温度が低下し、温度均質性が改良された表示素子を提供することである。
【００２４】
本考案のさらに別の目的は、パネルの底部３分の１における表示パネルのスクリーン温度を下げることである。
【００２５】
本考案の別の目的は、表示素子用の表示素子の放熱素子と、表示素子のプリント基板でよい制御装置との間に配置された、フレームを提供することである。
【００２６】
本考案のさらに別の目的は、表示素子用の、表示素子に構造的な一体性を与える周辺縁部を包含するフレームを提供することである。
【００２７】
本考案の別の目的は、表示素子用の、表示素子中でヒートスプレッダ材料により熱の移動および放散を容易にするための内部開口部を有するフレームを提供することである。
【００２８】
本考案のさらに別の目的は、表示素子用の鋼を含んでなるフレームを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
下記の説明を読むことにより当業者には明らかである、これらの、および他の目的は、画像表示パネルと、該画像表示パネルの近くに配置された、面内熱伝導率が少なくとも１４０Ｗ／ｍ・Ｋの少なくとも一枚の剥離グラファイトの圧縮粒子のシートからなるヒートスプレッダ材料と、該ヒートスプレッダ材料の近くで、該画像表示パネルに対向して配置されたフレームを含んでなり、該支持部材の厚さにその面内熱伝導率を掛けることによって求められるサポートファクターが、３７５ｍｍ・Ｗ／ｍ・Ｋ未満である画像表示素子を提供することにより達成することができる。このサポートファクターは、より好ましくは、１５０ｍｍ・Ｗ／ｍ・Ｋ未満を与え、最も好ましい実施態様では、０ｍｍ・Ｗ／ｍ・Ｋを与える、すなわち該支持部材は完全に除去されている。
【００３０】
フレームは、鋼またはアルミニウムから構成されていてよく、ヒートスプレッダ材料および／または、存在する場合、支持部材に接着剤で接合することができる。オープンフレームは、ある高さおよびある幅を含むことができ、ヒートスプレッダ材料は、実質的にこの高さおよび幅全体に伸びている。さらに、第一クロスサポートがオープンフレーム全体に広がっており、複数の第二プリント基板が第一クロスサポートと係合することができる。さらに、第二クロスサポートがオープンフレーム全体に広がり、第二プリント基板の少なくとも一個が第二クロスサポートと係合する。そのようなフレーム用配置が好ましいが、他の類似の配置、例えばローマ数字のIIを連想させる２個の「Ｉ」形状片をフレーム構造として使用することもできる。
【００３１】
支持部材が存在する場合、ヒートスプレッダ材料は、好ましくはパネルユニットと支持部材との間に配置する。あるいは、支持部材が十分に薄い、および／または表示パネルユニットからヒートスプレッダ材料に熱を効率的に移動させる熱伝導性を有する場合、支持部材は、表示パネルユニットの近くで、ヒートスプレッダ材料とパネルユニットとの間に配置することができる。
【００３２】
別の実施態様では、画像表示パネルが画像表示側を有し、ヒートスプレッダ材料を、画像表示パネルの近くで、画像表示側に対向して配置する。周辺フレームをヒートスプレッダ材料の近くに、画像表示パネルに対向して配置し、その際、周辺フレームは、上部、底部、第一側および第二側を含む。複数のプリント基板が周辺フレームと係合する。周辺フレームの上部、底部、第一側および第二側は、開口部を限定し、ヒートスプレッダ材料がその開口部全体に実質的に広がっており、周辺フレームの上部、底部、第一側および第二側と係合することができる。画像表示パネルは、プラズマディスプレイパネルまたは液晶ディスプレイパネルでよく、ヒートスプレッダ材料はグラファイトから構成することができる。
【００３３】
別の実施態様では、画像表示素子は、ヒートスプレッダ材料の近くに配置された画像表示パネルを包含する。フレームは、ヒートスプレッダ材料の近くで、画像表示パネルに対向して配置される。このフレームは、ある高さ、ある幅、およびこの高さおよび幅全体に実質的に伸びている開口部を包含する。複数のプリント基板をこのフレームと係合させ、フレーム中で実質的に整列させ、開口部と重なるように配置することができる。
【００３４】
支持部材が存在する場合、支持部材は一般的にシートとして形成され、フレームに対して、一般的にフレームと表示パネルユニットとの間に配置される。支持部材は、存在する場合、表示パネル中で、グラファイトまたは他の種類のヒートスプレッダ材料を使用する表示パネルでも、効果的な放熱を行うのに十分であると以前考えられていた伝熱性よりも低い伝熱性を有する金属を含んでなることができる。例えば、高熱伝導率アルミニウムの厚いシートを使用するのではなく、面内熱伝導率が約２０Ｗ／ｍ・Ｋのオーダーにある鋼のシートを使用することができる。鋼は、高熱伝導率アルミニウムよりかなり安価なので、これは、高熱伝導率アルミニウムと同じ厚さレベル、２．０ｍｍで使用しても、かなりの節約になる。そのような鋼シートは、４０ｍｍ・Ｗ／ｍ・Ｋのサポートファクターをユニットに与えることになろう。あるいは、支持部材は高熱伝導率アルミニウムでもよく、グラファイトまたは他の種類のヒートスプレッダ材料を使用する表示パネルにおいても、有用であると以前考えられていたものよりもかなり薄いシートとして使用することができる。例えば、厚さ０．５ｍｍの高熱伝導率アルミニウムシートは、サポートファクター約１１０ｍｍ・Ｗ／ｍ・Ｋを与え、はるかに軽量の構造が得られる。無論、支持部材を完全に排除する場合、ユニットは、サポートファクターが０ｍｍ・Ｗ／ｍ・Ｋになり、かなりの重量節約とコスト節約の両方が達成される。
【考案を実施するための最良の形態】
【００３５】
上記のように、使用するヒートスプレッダ材料は、好ましくはグラファイトから形成され、最も好ましくは、一般的にフレキシブルグラファイトと呼ばれる剥離されたグラファイトの圧縮された粒子のシートから形成される。グラファイトは、平らな層状平面で共有結合した原子を含んでなり、平面間で弱く結合した結晶形態の炭素である。グラファイトの粒子、例えば天然グラファイトフレーク、を、例えば硫酸および硝酸の溶液のインターカレート(intercalant)で処理することにより、グラファイトの結晶構造が反応し、グラファイトとインターカレートの化合物を形成する。処理したグラファイト粒子を、以下、「インターカレーション処理されたグラファイトの粒子」と呼ぶ。高温にさらすことにより、グラファイト中のインターカレートが分解して揮発し、インターカレーション処理されたグラファイトの粒子を、「ｃ」方向で、すなわちグラファイトの結晶平面に対して直角の方向で、アコーディオン状に、その本来の体積の約８０倍以上もの寸法で膨張させる。剥離されたグラファイト粒子は、細長い外観を呈するので、一般的にウォームと呼ばれる。これらのウォームを一緒に圧縮し、可撓性のシートを形成することができるが、これらのシートは、本来のグラファイトフレークと異なり、様々な形状に成形および切断することができる。
【００３６】
本考案で使用するのに好適なグラファイト出発材料は、有機および無機酸ならびにハロゲンでインターカレーション処理し、次いで加熱した時に膨脹することができるグラファイト化度の高い炭素質材料である。これらのグラファイト化度の高い炭素質材料は、最も好ましくは約１．０のグラファイト化度を有する。本考案で使用する用語「グラファイト化度」は、下記式：
【数１】
0003150023.tif 000003
に従う値を意味する。ここでｄ（００２）は、オングストローム単位で測定した結晶構造中にある炭素のグラファイト層間における間隔である。グラファイト層間の間隔ｄは標準的なＸ線回折技術により測定される。（００２）、（００４）および（００６）ミラー指数に対応する回折ピークの位置を測定し、標準的な最小二乗技術を使用し、これらのピークすべてに対する総誤差を最小にする間隔を導く。グラファイト化度の高い炭素質材料の例としては、様々な供給源から得られる天然グラファイト、ならびに他の炭素質材料、例えば化学蒸着、重合体の高温熱分解、または溶融した金属溶液からの結晶化、等により製造されたグラファイト、がある。天然グラファイトが最も好ましい。
【００３７】
本考案で使用するフレキシブルシート用のグラファイト出発材料は、出発材料の結晶構造が必要なグラファイト化度を維持し、剥離可能である限り、非グラファイト成分を含むことができる。一般的に、結晶構造が必要なグラファイト化度を有し、剥離可能である炭素含有材料はすべて、本考案で使用するのに好適である。その様なグラファイトは、好ましくは純度が少なくとも８０重量％である。より好ましくは、本考案で使用するグラファイトは、純度が少なくとも約９４％である。最も好ましい実施態様では、使用するグラファイトの純度が少なくとも約９８％である。
【００３８】
グラファイトシートの一般的な製造方法は、ここにその開示を参考として含めるShaneらの米国特許第３，４０４，０６１号に記載されている。Shaneらの方法の典型的な実施では、例えば硝酸および硫酸の混合物を、好ましくはグラファイトフレーク１００重量部あたりインターカレート溶液約２０〜約３００重量部（ｐｐｈ）のレベルで含む溶液中にフレークを分散させることにより、天然グラファイトフレークをインターカレーション処理する。インターカレーション溶液は、この分野で公知の酸化剤および他のインターカレーション剤を含む。例としては、酸化剤および酸化性混合物を含む溶液、例えば硝酸、塩素酸カリウム、クロム酸、過マンガン酸カリウム、クロム酸カリウム、二クロム酸カリウム、過塩素酸等、または混合物、例えば、濃硝酸と塩素酸塩、クロム酸とリン酸、硫酸と硝酸、または強有機酸の混合物、例えばトリフルオロ酢酸、および有機酸に可溶な強酸化
剤、を含む溶液が挙げられる。あるいは、電位を利用してグラファイトの酸化を引き起こすこともできる。電解酸化を利用してグラファイト結晶中に導入することができる化学種としては、硫酸ならびに他の酸がある。
【００３９】
好ましい実施態様では、インターカレーション剤は、硫酸、または硫酸およびリン酸、と酸化剤、すなわち硝酸、過塩素酸、クロム酸、過マンガン酸カリウム、過酸化水素、ヨウ素酸または過ヨウ素酸、等、との混合物の溶液である。あまり好ましくはないが、インターカレーション溶液は、金属ハロゲン化物、例えば塩化第二鉄、および硫酸と混合した塩化第二鉄、またはハロゲン化物、例えば臭素と硫酸の溶液として、または臭素の有機溶剤溶液として、臭素を含むこともできる。
【００４０】
インターカレーション溶液の量は、約２０〜約３５０ｐｐｈ、より典型的には約４０〜約１６０ｐｐｈである。フレークをインターカレーション処理した後、過剰の溶液はすべてフレークから排出し、フレークを水洗する。あるいは、インターカレーション溶液の量を約１０〜約４０ｐｐｈに制限することができ、これによって、ここにその開示を参考として含める米国特許第４，８９５，７１３号に開示されている様に、洗浄工程を無くすことができる。
【００４１】
インターカレーション溶液で処理したグラファイトフレークの粒子は、所望により、例えば混合により、アルコール、糖、アルデヒドおよびエステルから選択された、温度２５℃〜１２５℃で酸化性インターカレーション溶液の表面被膜と反応し得る還元剤と接触させることができる。好適な、具体的な有機試剤としては、ヘキサデカノール、オクタデカノール、１−オクタノール、２−オクタノール、デシルアルコール、１，１０デカンジオール、デシルアルデヒド、１−プロパノール、１，３−プロパンジオール、エチレングリコール、プロピレングリコール、デキストロース、フルクトース、ラクトース、スクロース、ジャガイモデンプン、エチレングリコールモノステアレート、ジエチレングリコール、ジベンゾエート、プロピレングリコールモノステアレート、グリセロールモノステアレート、ジメチルオキシレート、ジエチルオキシレート、メチルホルメート、エチルホルメート、アスコルビン酸およびリグニンに由来する化合物、例えばリグノ硫酸ナトリウムがある。有機還元剤の量は、グラファイトフレーク粒子の約０．５〜４重量％であるのが好適である。
【００４２】
インターカレーションの前、最中または直後に膨脹助剤を塗布することによっても改良することができる。これらの改良には、剥離温度の低下および膨脹体積（「ウォーム体積」とも呼ばれる）の増加が含まれる。本明細書における膨脹助剤は、膨脹の改良を達成できるように、インターカレーション溶液に十分に可溶な有機材料が有利である。より詳しくは、好ましくは炭素、水素および酸素だけを含むこの種の有機材料を使用するとよい。カルボン酸が特に効果的であることが分かっている。膨脹助剤として有用な好適なカルボン酸は、少なくとも一個の炭素原子、好ましくは約１５個までの炭素原子を有し、インターカレーション溶液中に、剥離の一つ以上の特徴を大きく改善するのに有効な量で溶解し得る、芳香族、脂肪族または環状脂肪族、直鎖状または分岐鎖状の、飽和および不飽和モノカルボン酸、ジカルボン酸およびポリカルボン酸から選択される。有機膨脹助剤のインターカレーション溶液に対する溶解度を改良するために、好適な有機溶剤を使用することができる。
【００４３】
飽和脂肪族カルボン酸の代表例は、例えば式Ｈ（ＣＨ２）ｎＣＯＯＨを有し、ｎが０〜約５の数である酸であり、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、ペンタン酸、ヘキサン酸等を包含する。カルボン酸の代わりに、酸無水物または反応性カルボン酸誘導体、例えばアルキルエステル、も使用できる。アルキルエステルの代表例は、ギ酸メチルおよびギ酸エチルである。硫酸、硝酸および他の公知の水性インターカレートは、ギ酸を最終的に水および二酸化炭素に分解する能力を有する。このため、ギ酸および他の敏感な膨脹助剤をグラファイトフレークと接触させた後で、水性インターカレートにフレークを浸漬するのが有利である。ジカルボン酸の代表例は、２〜１２個の炭素原子を有する脂肪族ジカルボン酸、特にシュウ酸、フマル酸、マロン酸、マレイン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、１，５−ペンタンジカルボン酸、１，６−ヘキサンジカルボン酸、１，１０−デカンジカルボン酸、シクロヘキサン−１，４−ジカルボン酸および芳香族ジカルボン酸、例えばフタル酸またはテレフタル酸である。アルキルエステルの代表例は、シュウ酸ジメチルおよびシュウ酸ジエチルである。環状脂肪族酸の代表例は、シクロヘキサンカルボン酸であり、芳香族カルボン酸の代表例は、安息香酸、ナフトエ酸、アントラニル酸、ｐ−アミノ安息香酸、サリチル酸、ｏ−、ｍ−およびｐ−トリル酸、メトキシおよびエトキシ安息香酸、アセトアセタミド安息香酸およびアセトアミド安息香酸、フェニル酢酸およびナフトエ酸である。ヒドロキシ芳香族酸の代表例は、ヒドロキシ安息香酸、３−ヒドロキシ−１−ナフトエ酸、３−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸、４−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸、５−ヒドロキシ−１−ナフトエ酸、５−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸、６−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸および７−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸である。ポリカルボン酸の中ではクエン酸が特記される。
【００４４】
インターカレーション溶液は、水性であり、剥離を強化するのに有効な量、好ましくは約１〜１０％の膨脹助剤を含む。膨脹助剤をグラファイトフレークと、インターカレーション水溶液中に浸漬する前または後に接触させる実施態様では、膨脹助剤をグラファイトと、典型的にはグラファイトフレークの約０．２〜約１０重量％の量で、好適な手段、例えばＶ−ブレンダー、により混合することができる。
【００４５】
グラファイトフレークをインターカレーション処理し、インターカレーション処理したグラファイトフレークを有機還元剤と混合した後、その混合物を温度２５〜１２５℃にさらし、還元剤とインターカレート被覆の反応を促進する。加熱期間は約２０時間までであり、上記範囲中の高い温度では、より短く、例えば少なくとも約１０分間である。高い温度では、半時間以下、例えば１０〜２５分間のオーダーの時間でよい。
【００４６】
この様に処理したグラファイトの粒子は、「インターカレーション処理したグラファイトの粒子」と呼ばれることがある。高温、例えば少なくとも約１６０℃、特に約７００℃〜１０００℃以上の温度、にさらすことにより、インターカレーション処理されたグラファイトの粒子は、ｃ−方向で、すなわち構成するグラファイト粒子の結晶面に対して直角の方向で、アコーディオン状に、その本来の体積の約８０〜１０００倍以上にも膨張する。膨脹した、すなわち剥離されたグラファイト粒子は、細長い外観を呈するので、一般的にウォームと呼ばれる。これらのウォームを一緒に圧縮し、フレキシブルシートを形成することができるが、これらのシートは、本来のグラファイトフレークと異なり、様々な形状に成形および裁断することができる。
【００４７】
フレキシブルグラファイトシートおよびホイルは、凝集性であり、良好な取扱強度を有し、例えばロールプレス加工により、厚さ約０．０７５ｍｍ〜３．７５ｍｍ、典型的な密度約０．１〜１．５グラム／立方センチメートル（ｇ／ｃｍ３）に効果的に圧縮される。米国特許第５，９０２，７６２号（この特許は本明細書に参考として包含される）に開示されているように、約１．５〜３０重量％のセラミック添加剤をインターカレーション加工したグラファイトフレークと混合し、最終的なフレキシブルグラファイト製品の樹脂含浸性を高めることができる。これらの添加剤は、長さ約０．１５〜１．５ミリメートルのセラミック繊維粒子を含む。粒子の幅は約０．０４〜０．００４ｍｍが好適である。セラミック繊維粒子は、グラファイトに対して非反応性で非粘着性であり、約１１００℃までの、好ましくは約１４００℃以上の温度で安定している。好適なセラミック繊維粒子は、細断した石英ガラス繊維、炭素およびグラファイト繊維、ジルコニア、窒化ホウ素、炭化ケイ素およびマグネシア繊維、天然鉱物繊維、例えばメタケイ酸カルシウム繊維、ケイ酸カルシウムアルミニウム繊維、酸化アルミニウム繊維、等から形成される。
【００４８】
グラファイトフレークをインターカレーション処理し、剥離させるための上記の方法は、国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ０２／３９７４９号に記載されているように、グラファイトフレークをグラファイト化温度、すなわち約３０００℃以上の温度で前処理し、潤滑性添加剤のインターカレート中に包含することにより、有利に増強することができる。
【００４９】
グラファイトフレークの前処理、つまりアニーリング、により、続いてフレークをインターカレーション処理および剥離にかけた時に、膨脹が大幅に増大する（すなわち、膨脹体積が３００％以上増加する）。実際、膨脹の増加は、アニーリング工程を含まない類似の処理と比較して、少なくとも約５０％である。アニーリング工程に使用する温度は、１００℃低い温度でも膨脹はかなり小さくなるので、３０００℃を大きく下回るべきではない。
【００５０】
本考案のアニーリングは、インターカレーションおよびそれに続く剥離により高い膨脹度を有するフレークを得るのに十分な時間行う。典型的には、必要な時間は１時間以上、好ましくは１〜３時間であり、不活性環境中で行うのが最も有利である。最大限の有利な結果を得るには、アニーリング処理したグラファイトフレークを、この分野で公知の他の処理、すなわち有機還元剤、インターカレーション助剤、例えば有機酸、の存在下でのインターカレーション処理、およびインターカレーション処理に続く界面活性剤洗浄、にもかけ、膨脹度を増大させる。その上、最大限の有利な結果を得るには、インターカレーション処理工程を繰り返すとよい。
【００５１】
本考案で使用する、３０００℃の範囲内にある温度はグラファイト化製法で見られる範囲の上限にあるので、本考案のアニーリング工程は、誘導炉または他の、この分野でグラファイト化に公知であり、認められているそのような装置中で行うことができる。
【００５２】
インターカレーション前のアニーリングにかけたグラファイトを使用して製造されたウォームは、一つに「固まる」場合があり、坪量(area weight)の均質性に悪影響を及ぼすことが観察されているので、「自由流動性」ウォームの形成を助ける添加剤が非常に好ましい。インターカレーション溶液に潤滑性添加剤を加えることにより、圧縮装置の床（例えばグラファイトウォームをフレキシブルグラファイトシートに圧縮（または「カレンダー加工」）するのに従来から使用されているカレンダー加工区域の床を横切ってウォームをより一様に配分することができる。従って、得られるシートは、坪量の均質性が高くなり、引張強度が大きくなる。潤滑性添加剤は、好ましくは長鎖炭化水素、より好ましくは少なくとも約１０個の炭素を有する炭化水素である。長鎖炭化水素基を有する他の有機化合物も、他の官能基が存在していても、使用できる。
【００５３】
より好ましくは、潤滑性添加剤は油であり、鉱油は不快臭や臭気を発し難いことを考えると、鉱油が最も好ましいが、これは長期間の貯蔵には重要なことである。上に詳細に説明した特定の膨脹助剤も潤滑性添加剤の定義に適合することが分かる。これらの材料を膨脹助剤として使用すると、インターカレートに別の潤滑性添加剤を含まなくてもよい場合がある。
【００５４】
潤滑性添加剤は、インターカレート中に少なくとも約１．４ｐｐｈ、より好ましくは少なくとも約１．８ｐｐｈの量で存在する。潤滑性添加剤を含む上限は、下限ほど重要ではないが、約４ｐｐｈを超えるレベルで潤滑性添加剤を含んでも、それに見合う程の利点は見られない。
【００５５】
この様に処理したグラファイトの粒子は、「インターカレーション処理したグラファイトの粒子」と呼ばれることがある。高温、例えば少なくとも約１６０℃、特に約７００℃〜１２００℃以上の温度、にさらすことにより、インターカレーション処理されたグラファイトの粒子は、ｃ−方向で、すなわち構成するグラファイト粒子の結晶面に対して直角の方向で、アコーディオン状に、その本来の体積の約８０〜１０００倍以上にも膨張する。膨脹した、すなわち剥離されたグラファイト粒子は、細長い外観を呈するので、一般的にウォームと呼ばれる。これらのウォームを一緒に圧縮し、フレキシブルシートに成形することができるが、これらのシートは、本来のグラファイトフレークと異なり、以下に説明するように様々な形状に成形および裁断し、小さな横方向の開口部を持たせることができる。
【００５６】
フレキシブルグラファイトシートおよびホイルは、凝集性であり、良好な取扱強度を有し、例えばロールプレス加工により、厚さ約０．０７５ｍｍ〜３．７５ｍｍ、典型的な密度約０．１〜１．５グラム／立方センチメートル（ｇ／ｃｃ）に効果的に圧縮される。米国特許第５，９０２，７６２号（ここに参考として含める）に開示されているように、約１．５〜３０重量％のセラミック添加剤をインターカレーション加工したグラファイトフレークと混合し、最終的なフレキシブルグラファイト製品の樹脂含浸性を高めることができる。これらの添加剤は、長さ約０．１５〜１．５ミリメートルのセラミック繊維粒子を含む。粒子の幅は約０．０４〜０．００４ｍｍが好適である。セラミック繊維粒子は、グラファイトに対して非反応性で非粘着性であり、約１１００℃までの、好ましくは約１４００℃以上の温度で安定している。好適なセラミック繊維粒子は、細断した石英ガラス繊維、炭素およびグラファイト繊維、ジルコニア、窒化ホウ素、炭化ケイ素およびマグネシア繊維、天然鉱物繊維、例えばメタケイ酸カルシウム繊維、ケイ酸カルシウムアルミニウム繊維、酸化アルミニウム繊維、等から形成される。
【００５７】
フレキシブルグラファイトシートは、場合により、樹脂で処理するのが有利であり、吸収された樹脂は、硬化後、フレキシブルグラファイトシートの耐湿性および取扱強度、すなわち剛性、を高めると共に、シートの形状を「固定する」。好適な樹脂含有量は、好ましくは少なくとも約５重量％、より好ましくは約１０〜３５重量％、好適には約６０重量％までである。本考案の実施に特に有用であることが分かっている樹脂としては、アクリル、エポキシおよびフェノールを基剤とする樹脂系、フルオロ系重合体、またはそれらの混合物がある。好適なエポキシ樹脂系には、ビスフェノールＡのジグリシジルエーテル（ＤＧＥＢＡ）を基剤とする系、および他の多官能性樹脂系があり、使用できるフェノール系樹脂としては、レゾールおよびノボラックフェノール系がある。所望により、フレキシブルグラファイトは、樹脂に加えて、または樹脂の代わりに、線維および／または塩を含浸させることができる。さらに、反応性または非反応性添加剤を樹脂系と併用し、特性（例えば粘着性、材料流動性、疎水性、等）を変えることができる。
【００５８】
あるいは、本考案のフレキシブルグラファイトシートは、国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ０２／１６７３０号に記載されているように、新しく膨脹させたウォームではなく、再粉砕したフレキシブルグラファイトシートの粒子を利用することもできる。シートは、新しく形成されたシート材料、循環使用された材料、スクラップシート、あるいは他のいずれかの好適な供給源でもよい。
【００５９】
また、本考案の方法は、未使用材料と循環使用材料の混合物も使用できる。
【００６０】
循環使用材料用の供給源材料は、上記のように圧縮成形されたシートまたはシートの切り取り部分、または例えば予備カレンダー加工ロールで圧縮してあるが、樹脂含浸していないシートでよい。さらに、供給源材料は、樹脂含浸してあるが、まだ硬化させていないシートまたはシートの切り取り部分、または樹脂含浸し、硬化させたシートまたはシートの切り取り部分でもよい。供給源材料は、循環使用するフレキシブルグラファイトプロトン交換メンブラン（ＰＥＭ）燃料電池部品、例えばフローフィールドプレートまたは電極、でもよい。グラファイトの各種供給源のそれぞれは、そのまま、または天然グラファイトフレークと混合して使用することができる。
【００６１】
フレキシブルグラファイトシートの供給源材料を入手した後、粒子を製造するための公知の処理または装置、例えばジェットミル、エアミル、ブレンダー、等により粉砕することができる。好ましくは、粒子の大部分は、２０ＵＳメッシュを通過し、より好ましくは主要部分（約２０％を超える、最も好ましくは約５０％を超える）が８０ＵＳメッシュを通過しないような直径を有する。最も好ましくは、粒子は、約２０メッシュ以下の粒子径を有する。フレキシブルグラファイトが樹脂含浸されている場合、粉砕工程の際に樹脂系に対する熱損傷を避けるために、粉砕する時に冷却するのが好ましい場合がある。
【００６２】
粉砕した粒子のサイズは、グラファイト製品の機械加工性および成形性と、所望の熱的特性が釣り合うように、選択することができる。例えば、小さな粒子は、容易に機械加工および／または成形できるグラファイト製品を与えるのに対し、大きな粒子は、異方性が高く、従って、面内の電気的および熱的伝導性が高いグラファイト製品を与える。
【００６３】
供給源材料が樹脂含浸されている場合、樹脂を粒子から除去するのが好ましい。樹脂除去に関しては、以下に詳細に説明する。
【００６４】
供給源材料を粉砕し、すべての樹脂を除去した後、その材料を再度膨脹させる。再膨脹は、上記のインターカレーションおよび剥離工程、およびShaneらの米国特許第３，４０４，０６１号およびGreinkeらの米国特許第４，８９５，７１３号に記載されている方法を使用して行うことができる。
【００６５】
典型的には、インターカレーションの後、インターカレーション処理した粒子を炉中で加熱することにより、粒子を剥離させる。この剥離工程の際、インターカレーション処理された天然グラファイトフレークを、循環使用されるインターカレーション処理された粒子に加えることができる。好ましくは、再膨脹工程の際、粒子は、約１００ｃｃ／ｇ〜約３５０ｃｃ／ｇ以上の範囲内の比体積を有するように膨脹させる。最後に、再膨脹工程の後、再膨脹した粒子を、上記のようにフレキシブルシートに圧縮することができる。
【００６６】
出発材料が樹脂含浸されている場合、好ましくは樹脂を粒子から少なくとも部分的に除去すべきである。この樹脂工程は、粉砕工程と再膨脹工程との間に行うべきである。
【００６７】
一実施態様では、除去工程は、樹脂を含む再粉砕粒子を、例えば空気中の火炎(open flame)上で加熱することを含む。より詳しくは、含浸された樹脂を少なくとも約２５０℃の温度に加熱し、樹脂を除去する。この加熱工程の際、樹脂の分解生成物が急激な発火を避けるように注意すべきであり、これは、空気中で慎重に加熱するか、または不活性雰囲気中で加熱することにより、行うことができる。好ましくは、加熱は、約４００℃〜約８００℃の範囲内で、少なくとも約１０〜約１５０分間以上行うべきである。
【００６８】
さらに、樹脂除去工程により、樹脂を除去しない類似の方法と比較して、成形方法で製造される製品の引張強度が増加することがある。膨脹工程（すなわちインターカレーションおよび剥離）の際に、樹脂をインターカレーション薬剤と混合した時に、場合によって毒性副生成物が生じることがあるので、樹脂除去工程は有利である。
【００６９】
膨脹工程の前に樹脂を除去することにより、上記の強度特性増加のように、より優れた製品が得られる。強度特性増加は、一部、膨脹増加の結果である。粒子中に樹脂が存在する場合、膨脹は制限される。
【００７０】
強度特性および環境上の問題に加えて、樹脂が場合により酸と暴走発熱反応を引き起こす恐れがあるために、インターカレーションの前に樹脂を除去するとよい。
【００７１】
上記のことから、大部分の樹脂を除去するのが好ましい。より好ましくは、約７５％を超える樹脂を除去する。最も好ましくは、９９％を超える樹脂を除去する。
【００７２】
フレキシブルグラファイトシートを粉砕した後、所望の形状に成形し、好ましい実施態様では硬化させる（樹脂含浸してある場合）。あるいは、シートを粉砕の前に硬化させることもできるが、粉砕後の硬化が好ましい。
【００７３】
所望により、本考案の熱的解決策の形成に使用するフレキシブルグラファイトシートは、ラミネート層間に接着剤を含むか、または含まないラミネートとして使用することができる。そのラミネート積重構造には、非グラファイト層を含むこともできるが、これには接着剤の使用が必要であり、これは、上記のように不利である。そのような非グラファイト層は、金属、プラスチックまたは他の非金属材料、例えば線維ガラスまたはセラミック、を含むことができる。
【００７４】
上記のように、このようにして形成された、剥離されたグラファイトの圧縮粒子のシートは、本来異方性である、すなわちシートの熱伝導率が、シートを貫通する方向、つまり「ｃ」方向に対して、面内方向、つまり「ａ」方向で、より大きい。このようにして、グラファイトシートの異方性は、熱を本熱的解決策の平面方向に（すなわちグラファイトシートに沿った「ａ」方向に）向ける。そのようなシートは、一般的に面内方向で少なくとも１４０Ｗ／ｍ・Ｋ、より好ましくは少なくとも約２００Ｗ／ｍ・Ｋ、最も好ましくは少なくとも約２５０Ｗ／ｍ・Ｋ、面貫通方向で約１２Ｗ／ｍ・Ｋ以下、より好ましくは約１０Ｗ／ｍ・Ｋ以下、最も好ましくは約６Ｗ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導率を有する。従って、本熱的解決策は、熱的異方性比（すなわち、面内熱伝導率と面貫通熱伝導率の比）が約１０以上である。
【００７５】
ラミネートの面内および面貫通方向における熱伝導率の値は、ラミネートの形成に使用される場合を含めて、本熱的解決策の形成に使用するフレキシブルグラファイトシートのグラフェン層の方向的整列を変えることにより、あるいはラミネートが形成された後の、ラミネート自体のグラフェン層の方向的整列を変えることにより、操作できる。このようにして、本熱的解決策の面内熱伝導率は増加し、一方、本熱的解決策の面貫通熱伝導率は低下し、これによって熱的異方性比が増加する。
【００７６】
このグラフェン層の方向的整列を達成できる方法の一つは、構成フレキシブルグラファイトシートに圧力を、シートをカレンダー加工すること（すなわちせん断力を作用させることにより）、またはダイプレス加工または往復プラテンプレス加工すること（すなわち圧縮作用により）であるが、方向的整列にはカレンダー加工がより効果的である。例えば、シートを密度１．１ｇ／ｃｃに対して１．７ｇ／ｃｃにカレンダー加工することにより、面内熱伝導率は約２４０Ｗ／ｍ・Ｋから約４５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上に増加し、面貫通熱伝導率は比例して低下し、従って、個々のシートおよびさらに、そこから形成されるすべてのラミネートの熱的異方性比が増加する。
【００７７】
あるいは、ラミネートを形成する場合、例えば圧力をかけることにより、ラミネートを形成するグラフェン層の方向的整列が全体で増加し、ラミネートを構成するフレキシブルグラファイトシートの出発密度より大きい密度になる。実際、この様式で、ラミネート化された製品に、少なくとも約１．４ｇ／  ｃｃ、より好ましくは少なくとも約１．６ｇ／ｃｃで、約２．０ｇ／ｃｃまでの最終密度が得られる。圧力は、通常の手段、例えばプレス加工またはカレンダー加工により、作用させることができる。少なくとも約６０メガパスカル（ＭＰａ）の圧力が好ましく、２．０ｇ／ｃｃまでの密度を達成するには、少なくとも約５５０ＭＰａ、より好ましくは少なくとも約７００ＭＰａの圧力が必要である。
【００７８】
驚くべきことに、グラフェン層の方向的整列を増加することにより、密度は純粋な銅の密度よりはるかに小さいままで、グラファイトラミネートの面内熱伝導率を、純粋な銅の伝導率と等しいか、またはそれ以上の伝導率に増加させることができる。さらに、得られる整列したラミネートは、強度が「整列していない」ラミネートより増加している。
【００７９】
そのようなグラファイト系ヒートスプレッダ材料を使用することにより、必要な機械的支持および効果的な放熱性を与えながら、表示パネル用のサポートファクターを下げ、支持部材全体を無くすこともできる。さらに、本考案のサポートファクターを下げたフレームシステム使用することにより、明るさの改良、画像焼付の低減、温度均質性の改良、平均スクリーン温度の低下、およびパネルの底部３分の１における温度低下を包含する、表示パネル特性の改良を達成することができる。このようにして、表示パネルの全体的性能が改良され、同時に重量およびコストが節約される。
【００８０】
上記のような改良された特性を示す画像表示素子の製造方法も包含する。本方法は、画像表示パネル、ヒートスプレッダ材料、オープンフレーム、および少なくとも一個のプリント基板を用意することを包含する。本方法は、ヒートスプレッダ材料を画像表示パネルとオープンフレームとの間に配置すること、および少なくとも一個の電子部品、例えばプリント基板、をオープンフレーム上に配置し、画像表示パネル上への画像の表示を制御することを包含する。熱の放散を容易にする一個以上のファンを含むことは、上記のように好ましくないが、熱の放散をさらに必要とする場合は、この目的にファンをフレームの周りに配置することができる。
【００８１】
上記の一般的な説明および下記の詳細な説明の両方が、本考案の実施態様を提供し、実用新案登録請求する本考案の性格および特徴を理解するための全体図および骨格を提供することを理解すべきである。添付の図面は、本考案をさらに理解するためにここに包含し、本明細書の一部を構成する。これらの図面は、本考案の様々実施態様を例示し、説明と共に、本考案の原理および操作を開示するのに役立つ。
【００８２】
好ましい実施態様の詳細な説明
ここで全体的に図１〜１３に関して、画像表示素子を一般的に番号１０で示す。画像表示素子１０は、画像１４を表示するための画像表示パネル１２、画像表示パネル１２の近くに配置されたヒートスプレッダ材料１６、ヒートスプレッダ材料１６の近くで、画像表示パネル１２に対向して配置されたフレーム１８、およびフレーム１８と係合する複数のプリント基板２０を含んでなる。フレーム１８は、高さ２２、幅２４、および高さ２２と幅２４全体に実質的に伸びている開口部２６を包含する。ヒートスプレッダ材料１６は、フレーム１８の高さ２２と幅２４全体に実質的に伸びていることができる。
【００８３】
プリント基板２０は、フレーム１８中に実質的に整列し、開口部２６の一部と重なっていてよい。この整列により、ヒートスプレッダ材料１６は、プリント基板２０により発生した熱を放散し易くなる。
【００８４】
好ましい実施態様では、ヒートスプレッダ材料１６は、グラファイトを含んでなり、フレーム１８は鋼製である。さらに、フレーム１８は、フレーム１８の周辺部に配置されたリップ２８を包含し、フランジ３０が、リップ２８から内側に向かって伸びている。プリント基板２０は、リップ２８および／またはフランジ３０と係合し、プリント基板２０をフレーム１８に固定することができる。ヒートスプレッダ材料１６は、プリント基板２０の反対側で、フランジ３０とも係合することができる。ヒートスプレッダ材料１６自体は、フレーム１８の開口部２６全体に実質的に伸びていてよい。これによって、画像表示素子１０の中でヒートスプレッダ材料１６が熱を放散させることができる。
【００８５】
画像表示パネル１２は、画像表示側１３を含むことができ、その上に画像１４が表示される。画像表示側１３は、図１０に最も分かり易く示すように、画像表示素子のケーシング１１を通して見ることができる。
【００８６】
ここで図１〜８に関して、本考案により製造される画像表示素子１０の一実施態様の組立構造を下記のように説明することができる。接着剤３２、例えばアクリル系接着剤テープ、を、リップ２８の反対側でフランジ３０に取り付けることができる。接着剤３２の幅は、好ましくはフランジ３０の幅より小さく、ヒートスプレッダ材料１６をフレーム１８のフランジ３０に取り付ける余地を残す。第二接着剤３３、例えば感圧接着剤、をフランジ３０の内側部分に使用し、ヒートスプレッダ材料１６をフレーム１８のフランジ３０に取り付けることができる。あるいは、接着剤３２は、フランジ３０の幅に実質的に伸び、ヒートスプレッダ材料１６を接着剤３２によりフレーム１８に取り付けることもできる。
【００８７】
好ましい実施態様では、接着剤３２の厚さは、ヒートスプレッダ材料１６の厚さと実質的に等しい。これによって、さらにヒートスプレッダ材料１６を画像表示パネル１２の近くに配置し易くなり、フレーム１８を画像表示パネル１２に適切に取り付け易くなる。あるいは、フレーム１８、ヒートスプレッダ材料１６、および表示パネル１２を取り付けるのに、機械的固定具を使用することもできる。
【００８８】
ヒートスプレッダ材料１６は、画像表示パネル１２に面する表面上に接着剤（図には示していない）を含むこともできる。この接着剤、例えば感圧接着剤、により、画像表示パネル１２とヒートスプレッダ材料１６との間に良好な熱的接触を与え、画像表示素子１０中の放熱を強化することができる。
【００８９】
フレーム１８とヒートスプレッダ材料１６の組合せを、画像表示パネル１２に圧力で密封することができる。この種の密封により、ヒートスプレッダ材料１６を画像表示パネル１２に適切に配置し、画像表示パネル１２により発生した熱が分散し易くなる。さらに、この種の密封は、フレーム１８が画像表示パネル１２を適切に支持するのに役立つ。この圧力は、組立の際に、様々な方法、例えば柔軟なパッドまたは加圧空気機構、で作用させることができる。あるいは個別に、ヒートスプレッダ材料１６を画像表示パネル１２に係合させ、続いてフレーム１８を、画像表示パネル１２とヒートスプレッダ材料１６の組み立てた組合せに係合させることもできる。
【００９０】
次に、プリント基板２０をフレーム１８またはヒートスプレッダ材料１６に付けることができる。プリント基板２０は、この分野で公知の様に支柱（図には示していない）に取り付け、画像表示パネル１２の画像表示側１３における画像１４の表示を適切に制御するように配置することができる。プリント基板２０は、フレーム１８のリップ２８またはフランジ３０上に配置することもできる。
【００９１】
さらに、クロスサポート３４をフレーム１８に取り付けることができる。クロスサポート３４は、フレーム１８および画像表示素子１０全体を強化および安定化するのに使用できる。クロスサポート３４とフレーム１８との間の係合は、この分野で公知の機械的固定具、例えばネジ、ボルト、リベット、クリップ、等を包含することができる。
【００９２】
複数のクロスサポート３４を使用し、フレーム１８および画像表示素子１０に剛性をさらに加えることができる。これらのクロスサポート３４は、追加の横断部材３６を含み、フレーム１８にさらなる剛性を加えることができる。クロスサポート３４は、好ましくはフレーム１８全体に伸び、リップ２８またはフランジ３０と係合することができる。クロスサポート３４および横断部材３６は、個別に、または組合せで、鋼、アルミニウム、およびプラスチックから構成することができる。クロスサポート３４は、ケーシング１１と係合し、ケーシング１１を画像表示素子１０の一部として固定するのに使用できる。別の実施態様では、複数の第二プリント基板２１をクロスサポート３４または横断部材３６に取り付け、画像表示素子１０をさらに制御することができる。
【００９３】
プリント基板２０および２１は、ヒートスプレッダ材料１６から間隔を置いて配置し、プリント基板２０および２１とヒートスプレッダ材料との間により多くの空気移動を与え、画像表示素子１０から熱を効果的に除去し易くすることができる。
【００９４】
あるいは、フレーム１８は、オープンフレーム１８として記載することができる。オープンフレーム１８は、その周辺部中に開口部２６を包含し、画像表示素子１０内での熱伝達を容易にする。あるいは、フレームは、周辺部フレーム１８として記載することができ、周辺部フレーム１８は、上部３８、底部４０、第一側部４２、および第二側部４４を包含する。上部３６、底部４０、第一側部４２、および第二側部４４は、周辺部フレーム１８のフランジ３０を形成するように成形することができる。
【００９５】
フレーム１８は、単一の押出片として製造し、屈曲させて、または折り曲げて、成形することができる。あるいは、フレーム１８は、多数の断片として製造し、例えばリベット、溶接、等により機械的に組み立てることにより、材料の単一シートからフレーム１８を打ち抜く必要性を低減することができる。
【００９６】
ここで図１４〜１６に関して、フレーム１８の幾つかの異なった実施態様を示し、提供可能な異なったフォーマットおよび配置を示唆する。それぞれの場合、フレーム１８は、上部３８、底部４０、第一側部４２、および第二側部４４を包含する。さらに、クロスサポート３４および横断部材３６が存在し、フレーム１８に構造的な支持、ならびにエレクトロニクス、等を取り付ける点を与える。
【実施例】
【００９７】
本考案をより深く理解するために、以下に幾つかの例を記載する。しかし、本考案の範囲は、例示のためにのみ記載するこれらの例で開示する具体的な実施態様に限定されるものではない。下記の例に記載するすべての比率および量は、他に指示がない限り、重量で表示する。
【００９８】
例１
４２”ＰＤＰ(Hitachi Ultravision HD42T51)を、納入された状態で、熱的に試験する。パネルの熱時特性試験は、ＰＤＰの前面に焦点を合わせた赤外線カメラ（IR Flexcam（登録商標）赤外線カメラ）を使用して行う。試験は、１００％照明（全白色）の条件下で
行う。
【００９９】
次いで、同じＰＤＰを分解し、既存のアルミニウムシャシおよび鋼製サブフレーム（図１７）を、図１８に示す本考案のフレームと交換する。次いで、熱的試験を繰り返し、結果を表１に示す。
【０１００】
表１
0003150023.tif 000004
【０１０１】
表１に示すように、１１．３lbsの重量低下および平均３．６℃の温度低下が達成される。例２に示すように、どちらも重要なディスプレイパラメータである輝度および画像焼付が温度低下と共に改良されるので、この温度低下は、重要である。もう一つの予期せぬ利点は、底部３０ｍｍ以内にある、パネルの全幅を横切って伸びる区域として定義されるＰＤＰの底部３分の１が、従来のＰＤＰと比較して、約４．４℃のさらに大きな平均温度低下を示すことである（表１）。この区域は、白色背景が長時間静止していることがあり（例えば、字幕(ticker messaging)などの図形が表示される）、温度を局所的に上昇させ、輝度の低下および画像焼付を引き起こすことがある一般的な区域であるので、この区域における低温は、特に重要である。
【０１０２】
ファンの使用により達成できるさらなる利点を立証するために、４基のクロス−フローファンModel DF25、Dofasco Inc.製、をフレームの周囲に設置、熱的試験を繰り返す。結果を表２に示す。
【０１０３】
表２
0003150023.tif 000005
【０１０４】
表２に示すように、本考案の最適化されたフレームにファンを使用することにより、温度をさらに４℃低下させることができる。
【０１０５】
例２
低い温度が、どちらも重要なディスプレイパラメータである、明るさを改良し、画像焼付を低減させることを立証するために、ＰＤＰスクリーン温度を広範囲に変化させ、対応する、温度による明るさおよび画像焼付傾向を測定する実験を行う。ＰＤＰスクリーンを、図１９に示すように、放熱体無し、アルミニウムシャシに接着させた低熱伝導率（約１Ｗ／ｍ・Ｋ）アクリル樹脂熱界面材料、およびＰＤＰガラスに接触している高面内熱伝導率（約４００Ｗ／ｍ・Ｋ）グラファイト放熱体をそれぞれ備えた３つの区域に分割する。次いで、図２０に示すように、ホワイトスポットテストパターンを２スポット／区域で設定糸、各スポットの温度を、ＰＤＰパネルが発熱する時に２分毎に測定する。典型的なＩＲ画像を図２１に示し、温度と時間のグラフを図２２に示す。ホワイトスポット区域における温度上昇を最少に抑える点で、グラファイト放熱体の優位性は明らかである。この実験で達成される、ＰＤＰ性能の極限を表す温度の広い範囲にも注意すべきである。
【０１０６】
同じ時間間隔で、６個のスポットのそれぞれに対して、明るさ測定を、Minolta CA210 Luminance計を使用して行う。これによって温度と明るさの関係を示すデータを得ることができ、得られたプロットを図２３に示す。温度増加と共に明るさが低下する、温度と明るさの明らかな関係が立証されるが、本考案のグラファイト放熱体は、温度が低いことによる、明るさの高い読みと関連している（表３も参照）。この実験で得た明るさと温度の関係を表す等式を使用し、表１に示す温度の値に置き換えることにより、本考案のフレームシステムは、ＰＤＰの明るさを１平方メートルあたり平均で５．１カンデラ（ｃｄ／ｍ２）改良することが計算できる。
【０１０７】
表３
0003150023.tif 000006
【０１０８】
低温の他の重要な利点は、背景がＰＤＰスクリーン上で変化する時に画像が固定される傾向である画像焼付が低減されることである。画像焼付は、ＰＤＰがモニターとして、またはＴＶスクリーンとして使用される時に、観察者が旧画像の残像を見ることになるので、非常に好ましくない。画像焼付は、２通りの方法で定量することができる。一つの方法は、ホワイトスポットパターンを全白色スクリーンに切り換えた時に、単純に肉眼で観察される、残像が消失するのに要する時間である（明画像焼付）。他方は、白色スポット区域における輝度が、隣接する白色（以前は黒色）区域における輝度と等しくなるのに要する時間に基づく。
【０１０９】
画像焼付を評価するために行った試験は、図２０に示すホワイトスポットテストパターンである。約３０分後に、ホワイトスポットテストパターンを全白色パターン（１００％照明）に置き換える。この試験では、図２４に示すように、白色スポットが、上記のようにより高い温度にあるので、周囲の白色背景よりも直ちに明るさが低下する（輝度が低くなる）のが、目視により明らかである。白色スポットが冷却するにつれて、それらの輝度が増加し、最終的にスポットは肉眼で見えなくなる。これは画像焼付の第一の測定である（スポットが目に見えなくなる時間）。白色スポットの輝度が増加するにつれて、その輝度が背景の白色の輝度と等しい点に到達する。これは画像焼付の第二の測定である（輝度が等しくなるのに要する時間）。実際には、これらの時間は非グラファイト系放熱体では非常に長いことがあるので、比較できるようにするために、相対的明るさの９６％値（白色背景の輝度の９６％に到達するスポット輝度として定義する）を使用する。相対的明るさ値の時間に対するプロットを図２５に示す。表３は、スポットが肉眼で見えなくなるまでの時間、および輝度が９６％相対的明るさの値に到達するまでの時間を分で示す。両方の画像焼付規準で、低温が画像焼付傾向を低くすることは明らかである。
【０１１０】
従って、本考案の実施により、低重量およびコストに加えて、特性および特徴が驚く程改良された画像表示パネルが得られる。これらの改良された特性および特徴としては、従来の画像表示パネルと比較して、明るさが改良され、画像焼付が低減され、温度均質性が改良され（すなわちスクリーンを横切る温度差が小さくなる）、平均スクリーン温度が下がり、スクリーンの底部３分の１に沿った温度が低下することが挙げられる。これらのファクターをすべて組み合わせると、これまで予想されているよりも、より長く、より効率的な寿命を有する画像表示パネルが得られる。
【０１１１】
本明細書で参照した特許および特許出願は、すべて本明細書に参考として包含される。
【０１１２】
上に説明した本考案を、多くの様式で変形できることは明らかである。そのような変形は、本考案の精神および範囲から離れていると見なすべきではなく、当業者には明らかなように、そのような修正のすべては、請求項に規定する範囲内に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【図１】現在開示されている技術により製造された画像表示素子の一実施態様の構成部品の一例を示す側方透視図である。
【図２】図１に示す実施態様の上から見た透視図である。
【図３】図１−２に示す実施態様の側方透視図である。図３は、フレームに塗布された接着剤の例を示す。
【図４】図３と類似の側方透視図である。図４は、フレーム中に配置された放熱材料の一例を示す。
【図５】図３〜４と類似の側方透視図である。図５は、画像表示スクリーンの近くに配置されたフレームおよび放熱材料を示す。
【図６】図３〜５と類似の透視図である。図６は、フレーム上に配置されたプリント基板を示し、フレームおよび放熱材料は画像表示パネルの近くに配置されている。
【図７】図３〜６と類似の背面透視図である。図７は、フレームと係合するように配置された支持部材を示し、残りの構成部品は、整列し、実質的に互いに近接して配置されている。
【図８】図７と類似の背面透視図である。
【図９】本考案により製造された表示素子の別の実施態様を示す背面透視図である。
【図１０】ケーシング中にある画像表示素子の正面図であり、その上に画像が表示されている。
【図１１】本考案により製造されたフレームの、リップおよびフランジの一例を示す背面図である。
【図１２】本考案により製造されたフレームの背面図である。図１２は、フレームのフランジに塗布された接着剤の一例を示す。
【図１３】図１２と類似の背面図である。図１３は、フレームのフランジ上に配置されたヒートスプレッダ材料および接着剤を示す。
【図１４】サポートファクター０ｍｍ−Ｗ／ｍ・Ｋを有する本考案のフレームシステムの様々な実施態様を図式的に示す図である。
【図１５】サポートファクター０ｍｍ−Ｗ／ｍ・Ｋを有する本考案のフレームシステムの様々な実施態様を図式的に示す図である。
【図１６】サポートファクター０ｍｍ−Ｗ／ｍ・Ｋを有する本考案のフレームシステムの様々な実施態様を図式的に示す図である。
【図１７】例１に記載するＰＤＰの、既存のアルミニウム製シャシおよび鋼製サブフレームを示す写真である。
【図１８】例１に記載するＰＤＰの、既存のアルミニウム製シャシおよび鋼製サブフレームの代わりに使用する本考案のフレームシステムを示す写真である。
【図１９】例２の実験を行うのに使用したＰＤＰを示す図である。
【図２０】例２の実験で使用したホワイトスポットテストパターンを示す図である。
【図２１】例２の実験から得た典型的なＩＲ画像を示す図である。
【図２２】例２の実験から得た温度と時間の関係を示すグラフである。
【図２３】例２の実験から得た温度と明るさの関係を示すグラフである。
【図２４】例２の実験で使用した画像焼付を評価するために、完全ホワイトパターンで得た、図２０のホワイトスポットテストパターンを示す図である。
【図２５】例２の実験から得た明るさと時間の関係を示すグラフである。
【図１】
0003150023.tif 000007
【図２】
0003150023.tif 000008
【図３】
0003150023.tif 000009
【図４】
0003150023.tif 000010
【図５】
0003150023.tif 000011
【図６】
0003150023.tif 000012
【図７】
0003150023.tif 000013
【図８】
0003150023.tif 000014
【図９】
0003150023.tif 000015
【図１０】
0003150023.tif 000016
【図１１】
0003150023.tif 000017
【図１２】
0003150023.tif 000018
【図１３】
0003150023.tif 000019
【図１４】
0003150023.tif 000020
【図１５】
0003150023.tif 000021
【図１６】
0003150023.tif 000022
【図１９】
0003150023.tif 000023
【図２０】
0003150023.tif 000024
【図２１】
0003150023.tif 000025
【図２２】
0003150023.tif 000026
【図２３】
0003150023.tif 000027
【図２４】
0003150023.tif 000028
【図２５】
0003150023.tif 000029
【図１７】
0003150023.tif 000030
【図１８】
0003150023.tif 000031
【手続補正書】
【提出日】平成21年2月24日(2009.2.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】実用新案登録請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
特性を改良した画像表示素子であって、
画像表示パネル、
該画像表示パネルの近くに配置された、面内熱伝導率が少なくとも１４０Ｗ／ｍ・Ｋの少なくとも一枚の剥離グラファイトの圧縮粒子のシートからなるヒートスプレッダ材料、および
該ヒートスプレッダ材料の近くで、前記画像表示パネルに対向して配置された支持部材としてのフレームを含んでなり、
該支持部材の厚さにその面内熱伝導率を掛けることによって求められるサポートファクターが、３７５ｍｍ・Ｗ／ｍ・Ｋ未満である画像表示素子。
【請求項２】
前記画像表示パネルが液晶ディスプレイである請求項１に記載の画像表示素子。
【請求項３】
前記液晶ディスプレイのバックライトが発光ダイオード、冷陰極蛍光灯またはフラット蛍光灯である請求項２に記載の画像表示素子。
【請求項４】
前記画像表示パネルが発熱性のディスプレイである請求項１に記載の画像表示素子。
【請求項５】
前記発熱性のディスプレイがプラズマディスプレイパネルである請求項４に記載の画像表示素子。
【請求項６】
少なくとも一個のファンをさらに含んでなる請求項１乃至５のいずれかに記載の画像表示素子。
【請求項７】
前記支持部材が鋼またはアルミニウムよりなる請求項１乃至６のいずれかに記載の画像表示素子。
【請求項８】
画像表示素子であって、
画像表示パネル、
該画像表示パネルの近くに配置された、面内熱伝導率が少なくとも１４０Ｗ／ｍ・Ｋの少なくとも一枚の剥離グラファイトの圧縮粒子のシートからなるヒートスプレッダ材料、
該ヒートスプレッダ材料の近くで、前記画像表示パネルに対向して配置されたフレーム、および
該フレームと係合する複数の電子部品を含んでなり、
該フレームが支持部材のないオープンフレームであって、前記画像表示素子が０ｍｍ・Ｗ／ｍ・Ｋのサポートファクターを示す画像表示素子。
【請求項９】
前記画像表示パネルが液晶ディスプレイである請求項８に記載の画像表示素子。
【請求項１０】
前記液晶ディスプレイのバックライトが発光ダイオード、冷陰極蛍光灯またはフラット蛍光灯である請求項９に記載の画像表示素子。
【請求項１１】
前記画像表示パネルが発熱性のディスプレイである請求項８に記載の画像表示素子。
【請求項１２】
前記発熱性のディスプレイがプラズマディスプレイパネルである請求項１１に記載の画像表示素子。
【請求項１３】
前記フレームが鋼またはアルミニウムよりなる請求項８乃至１２のいずれかに記載の画像表示素子。