(57)【要約】      （修正有）【課題】従来の熱伝導材料よりもカーボンナノチューブ及び熱伝導無機フィラーの含有量が少なくても優れた熱伝導性を有する熱伝導材料を提供する。【解決手段】無機バインダー中にカーボンナノチューブが分散されてなり、無機バインダーが、シリコン、アルミニウム、マグネシウム、ジルコニウム、亜鉛、イットリウムから少なくとも１種以上から選ばれる酸化物からなるナノカーボン複合材料である。更にバインダー中に熱伝導率１（Ｗ／ｍＫ）以上の無機ナノ粒子が分散させることで、カーボンナノチューブ及び熱伝導フィラーの利用量が少なくても高い熱伝導率を有することができる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
無機バインダー中にカーボンナノチューブが分散されてなり、前記無機バインダーが、シリコン、アルミニウム、マグネシウム、ジルコニウム、亜鉛、イットリウムの中から少なくとも１種以上の酸化物からなるナノカーボン複合材料。
【請求項２】
前記バインダー中に熱伝導率１（Ｗ／ｍＫ）以上の無機ナノ粒子が分散されてなるナノカーボン複合材料。
【請求項３】
前記無機ナノ粒子が、ダイヤモンド、グラフェン、炭化ケイ素、グラファイトの中から少なくとも１種以上選ばれてなるナノカーボン複合材料。
【請求項４】
前記無機ナノ粒子が、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、酸化イットリウムの中から少なくとも１種以上選ばれてなるナノカーボン複合材料。
【請求項５】
前記無機ナノ粒子が、窒化アルミニウム、窒化ホウ素の中から少なくとも１種以上選ばれてなるナノカーボン複合材料。
【請求項６】
前記無機ナノ粒子が、銀、銅、シリコンの中から少なくとも１種以上選ばれてなるナノカーボン複合材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、カーボンナノチューブ複合材料を用いた熱伝導及び熱放射材料に関する。
【背景技術】
【０００２】  近年、集積回路の高密度化に伴う電子機器、ディスプレイ等のデバイス、太陽電池、高輝度ＬＥＤデバイス、電磁誘導加熱デバイス、電気自動車等に用いられるパワーコンバータ及びインバータ等の放熱対策の問題が注目を集めている。【０００３】  これらの放熱対策としては、発生した熱を熱源から素早く移動させ、放熱させるために、熱源に熱伝導性の高いシートや封止材を設置して使用されている。そのためにシートや封止材には高い熱伝導性及び放熱性が要求される。【０００４】  例えば、特許文献１には、高い熱伝導性を確保すべく、樹脂材料に高熱伝導フィラーを混練させて、熱伝導を高める熱伝導性シートが提案されている。【０００５】  これは、樹脂材料に熱伝導率の大きな球状酸化アルミニウム粒子及び微小な酸化アルミニウム粒子を混合し、更にシランカップリング剤を添加して、８０から９０体積％と高濃度のアルミナ粒子を分散させた高熱伝導性樹脂組成物で、１０（Ｗ／ｍＫ）を超えた熱伝導率が得られている。【０００６】しかしながら、熱伝導フィラーが９０体積％と大きいため、機械的強度に課題があり、またこれ以上の熱伝導率の向上は望めない。【０００７】  一方、特許文献２には、カーボンナノチューブをその優れた熱伝導性から、熱伝導フィラーとして使用することが提案されている。【０００８】特許文献２に記載されているナノコンポジット材料は、カーボンナノチューブ及び無機ナノフィラーをポリマー材料に混合させたものである。しかしながら、前記カーボンナノチューブと無機ナノフィラーをナノコンポジット材料に５０重量％混合させても熱伝導率は、最大で６（Ｗ／ｍＫ）であった。
【先行技術文献】
【特許文献１】特開２０１３−５６９９６号公報
【特許文献２】特開２０１２−１３６６９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】  本発明は、従来の熱伝導材料よりもカーボンナノチューブ及び高熱伝導の無機フィラーの含有量が少なくても優れた熱伝導性を有する熱伝導及び熱放射材料を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】  本発明は、前記課題に鑑みて考案されたもので、大きな熱伝導率が得られない原因として、熱伝導を担うカーボンナノチューブ及び熱伝導フィラー間で発生する大きな熱抵抗にあると考え、熱抵抗低減のための検討を鋭意行い本発明に至った。【００１１】  すなわち、本発明は、無機バインダー中にカーボンナノチューブが分散されてなり、前記無機バインダーが、シリコン、アルミニウム、マグネシウム、ジルコニウム、亜鉛、イットリウムからの中から少なくとも１種以上の酸化物とすることを特徴とする。【００１２】  更に、本発明のナノカーボン複合材料では、前記無機バインダー中に熱伝導率１（Ｗ／ｍＫ）以上の無機ナノ粒子が分散されてなることが好適である。【００１３】  そして、前記無機ナノ粒子が、ナノダイヤモンド、グラフェン、炭化ケイ素、グラファイトの中から少なくとも１種以上から選ばれてなることを特徴とする。【００１４】  また、前記無機ナノ粒子が、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、酸化イットリウムの中から少なくとも１種以上から選ばれてなることを特徴とする。【００１５】  また、前記無機ナノ粒子が、窒化アルミニウム、窒化ホウ素から少なくとも１種以上から選ばれてなることを特徴とする。【００１６】  また、前記無機ナノ粒子が、銀、銅、シリコンから少なくとも１種以上から選ばれてなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】本発明は、以下のような効果を有する。【００１８】  本発明は、ナノカーボン複合材料では、無機バインダー中にカーボンナノチューブが分散されているため、カーボンナノチューブ間の熱抵抗が低減され、更に前記無機バインダー中に熱伝導率１（Ｗ／ｍＫ）以上の無機ナノ粒子が分散されているため、熱伝導フィラーの含有量が少なくても高い熱伝導率を得ることができる効果がある。【００１９】  その結果、軽量化、低コスト化が可能となり、本発明のナノカーボン複合材料を各種電子機器、デバイス等の発熱源に設置する熱伝導材料、熱放射材料として好適に用いることができる。
【発明を実施するための形態】
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】  本発明のナノカーボン複合材料は、カーボンナノチューブが無機バインダーからなる溶液に分散されてなる分散体より得ることができる。【００２１】  カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブと多層カーボンナノチューブのどちらも使用しうる。カーボンナノチューブの直径及び長さは、特に制限がないが、長いものほど望ましい。また、カーボンナノファイバも同様に使用できる。
本発明のナノカーボン複合材料におけるカーボンナノチューブの量は、５〜７０重量％が好ましい。【００２２】  無機バインダー材料は、アルコキシシラン等のシラン系材料、アルミニウムアルコキシド、マグネシウムアルコキシド、ジルコニウムアルコキシド、亜鉛アルコキシド、イットリウムアルコキシドから単独または２種以上併用し得ることができる。そして得られる無機バインダー材料は、シリコン、アルミニウム、マグネシウム、ジルコニウム、亜鉛、イットリウムの中から少なくも１種以上の元素の酸化物あるいは複合酸化物である。【００２３】無機バインダー材料を使用することにより、カーボンナノチューブと無機バインダーの熱的結合が改善され、カーボンナノチューブ間に生じる熱抵抗が大幅に低減される。その結果、優れた熱伝導性を得ることができる。【００２４】  また、厚みの大きなナノカーボン複合材料シートを得るために、前記無機バインダーにエポキシ樹脂、アクリル樹脂、ナイロン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリプロピレン樹脂、ウレタン樹脂、ゴムの樹脂材料の中から１種以上を添加しても良い。【００２５】  また、本発明のナノカーボン複合材料において、無機バインダー中に無機ナノ粒子を均質に分散させることで、更に大きな熱伝導率を得ることができる【００２６】  無機ナノ粒子は、熱伝導率が１（Ｗ／ｍＫ）以上の無機ナノ粒子で、炭素材料及び炭化物、窒化物、酸化物、金属の中から少なくとも１種以上を用いる。熱伝導率が１（Ｗ／ｍＫ）以上の無機ナノ粒子をバインダー中に均質に分散させることで、バインダー自身の熱伝導率を向上させることができ、結果として大きな熱伝導率を有するナノカーボン複合材料が得られる。【００２７】  本発明に使用される無機ナノ粒子は、炭素材料及び炭化物ナノ粒子としては、ダイヤモンド、グラフェン、グラファイト、炭化ケイ素である。【００２８】  酸化物ナノ粒子としては、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、酸化イットリウムである。【００２９】  金属ナノ粒子としては、銀、銅、アルミニウム、シリコンである。
窒化物ナノ粒子としては窒化アルミニウム、窒化ホウ素である。【００３０】  無機ナノ粒子の量は、本発明のナノカーボン複合材料中に５〜４０重量％であることが好ましい。【００３１】  また、前記ナノ粒子は、粒子径が２〜５００ｎｍの範囲にあることが好ましく、更に５〜２００ｎｍの範囲が更に好ましい。粒子径が５００ｎｍより大きくなるとバインダーと粒子界面との熱抵抗が大きくなる。【００３２】  本発明のナノカーボン複合材料は、基材表面に膜として設置して使用することが好ましく、基材は、ガラス、セラミックス、金属、樹脂材料を使用しうる。基材の形状は、特に制限されないが、板状、シート状、針状、粒状、ブロック状である。【００３３】  基材として、ガラス、セラミックス、樹脂材料等を使用する場合は、直接塗布することで、熱伝導性、放熱性に加えて、導電性も付与できる。【００３４】  例えば発熱源表面に直接塗布したり、ヒートシンクと発熱源と間に設置することで使用できる。
【実施例】
【００３５】  以下に実施例および比較例を示し、本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は、何ら実施例および比較例に限定されない。
実施例１【００３６】アルコキシシラン９０質量部をイソプロピルアルコール１０００質量部に入れて攪拌、混合させた。次に直径５０〜６５ｎｍ、長さ６〜１５μｍのカーボンナノチューブ３０質量部を混合し分散させ、複合スラリーとした。尚、アルコキシシランの質量部は、アルコキシラン原料の固形分で調整した。【００３７】次に得られた複合スラリーを、２５ｍｍ角の容器に入れ、室温で、３０時間放置して乾燥させた後、大気中で１５０℃で３０分熱処理を行い、カーボンナノチューブが酸化シリコン中に分散した厚み２１４μｍの板状の熱伝導性シートを得た。
実施例２【００３８】実施例１において、アルコキシシランを３０質量部とし、更にアルミニウムアルコキシド５０質量部を加えて複合スラリーを調整し、カーボンナノチューブ３０質量部を混合分散させた。また、実施例１と同様にして、カーボンナノチューブが、酸化シリコンと酸化アルミニウムからなるバインダーに分散した厚み２６６μｍの熱伝導性シートを得た。
実施例３【００３９】実施例１において、アルコキシシランに代えて、アルミニウムアルコキシド１００質量部、カーボンナノチューブを４０質量部で複合スラリーを調整した。尚、アルミニウムアルコキシドの質量部は、アルミニウムアルコキシド原料の固形分で調整した。【００４０】  実施例１と同様にして、カーボンナノチューブが酸化アルミニウム中に分散した厚み２３５μｍの熱伝導性シートを得た。
実施例４【００４１】実施例１において、アルコキシシラン９０質量部、カーボンナノチューブ３０質量部に加えて、粒子径１０〜５０ｎｍの炭化ケイ素（ＳｉＣ）ナノ粒子２０質量部を加えて複合スラリーを調整した。また、実施例１と同様にして、カーボンナノチューブ及びがＳｉＣが酸化シリコン中に分散した厚み３１２μｍの熱伝導性シートを得た。
実施例５【００４２】実施例１において、アルコキシシラン１００質量部とし、カーボンナノチューブ３０質量部に加えて、粒子径３〜９ｎｍのダイヤモンド粒子３０質量部を加えて複合スラリーを調整した。また、実施例１と同様にして、カーボンナノチューブ及びダイヤモンド粒子が酸化シリコン中に分散した厚み２７４μｍの熱伝導性シートを得た。
実施例６【００４３】実施例１において、アルコキシシラン９０質量部とし、カーボンナノチューブ４０質量部に加えて、粒子系２０〜５０ｎｍの銀粒子５質量部を加えて複合スラリーを調整した。また、実施例１と同様にして、カーボンナノチューブ及び銀粒子が酸化シリコン中に分散した厚み３８６μｍの熱伝導性シートを得た。
比較例１【００４４】実施例１と同様に、アルコキシシラン５０質量部をイソプロピルアルコール１０００質量部に入れて攪拌、混合させた。次に、実施例５と同様のダイヤモンド粒子８０質量部を入れ、攪拌、混合し複合スラリーを得た。これを実施例１と同様にして、ダイヤモンド粒子が酸化シリコン中に分散した厚さ２７４μｍの熱伝導シートを得た。
比較例２【００４５】エポキシ樹脂９０質量部をイソプロピルアルコール１０００質量部に入れて攪拌、混合し、。カーボンナノチューブ４０質量部入れ、攪拌、混合し複合スラリーを得た。これを実施例１と同様にして、カーボンナノチューブがエポキシ樹脂中に分散した厚さ３１１μｍの熱伝導シートを得た。【００４６】（評価）
熱伝導率（放熱性の評価）
実施例１〜６、比較例１および２により得られた熱伝導性シートについて、レーザーフラッシュ法により、熱伝導率を測定した。その結果を表１及び表２に示す。【００４７】
【表１】
2015209546.tif 000002
【００４８】
【表２】
2015209546.tif 000003
【００４９】表１及び表２から以下のことが明らかとなった。【００５０】  実施例１〜６は、カーボンナノチューブを使用していない比較例１と比べ、高い熱伝導率を示し、カーボンナノチューブが、高い熱伝導率に大きく寄与していることが分かった。【００５１】  また、実施例１〜６は、バインダーをエポキシ樹脂にした比較例２と比べ、高い熱伝導率を示した。【００５２】  具体的には、比較例２では、カーボンナノチューブ４０質量部、エポキシ樹脂９０質量部で、熱伝導率１．２（Ｗ／ｍＫ）であったのに対して、実施例３では、カーボンナノチューブが４０質量部、アルミニウムアルコキシド１００質量部で、熱伝導率は４８（Ｗ／ｍＫ）とカーボンナノチューブの比率の高い比較例２に対して、実施例３は高い熱伝導率を示した。【００５３】  更に、実施例１〜６に例示されるように、本発明の実施例の熱伝導シート中のカーボンナノチューブ、カーボンナノチューブ及び無機ナノ粒子と合わせた量とバインダー量との比率が、０．２５〜０．３８と小さいにもかかわらず、高熱伝導率を示している。これは、従来技術で、熱伝導率の高い粒子を８０から９０体積％と高濃度に混合させる技術と比較して明らかに少量である。【００５４】  以上のことから、本発明によれば、高い熱伝導率を有する良好な熱伝導材料を得ることができることが分かった。
【産業上の利用分野】
【００５５】本発明のナノカーボン複合材料は、高い熱伝導率を有し、熱伝導フィラーの利用量が少ないため、各種電子機器、デバイス等に対する熱伝導及び放熱シート、膜として好適に使用することができる。