(57)【要約】  シート状構造体は、第１の方向に延びる複数の炭素元素の線状構造体と、前記線状構造体の成長端である先端側を埋め込む相変化材料と、前記線状構造体の根元側で前記相変化材料から露出して形成される複数の凝集部と、を有し、前記凝集部は、前記第１の方向と直交する第２の方向に非局在的に分布する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の方向に延びる複数の炭素元素の線状構造体と、
前記線状構造体の成長端である先端側を埋め込む相変化材料と、
前記線状構造体の根元側で前記相変化材料から露出して形成される複数の凝集部と
を有し、前記凝集部は、前記第１の方向と直交する第２の方向に非局在的に分布することを特徴とするシート状構造体。
【請求項２】
前記根元側での前記シート状構造体の座屈応力は、前記先端側での座屈応力よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のシート状構造体。
【請求項３】
前記複数の凝集部の高さは一定であることを特徴とする請求項１に記載のシート状構造体。
【請求項４】
前記線状構造体の前記先端側は、長さばらつきを有することを特徴とする請求項１に記載のシート状構造体。
【請求項５】
前記相変化材料は、熱可塑性樹脂であることを特徴とする請求項１に記載のシート状構造体。
【請求項６】
発熱体と、
放熱体と、
前記発熱体と前記放熱体の間に配置されるシート状構造体と、
を備え、
前記シート状構造体は、
第１の方向に延びる複数の炭素元素の線状構造体と、
前記線状構造体の間を充填する相変化材料と、
を有し、
前記線状構造体の根元側に近接する線状構造体の集合体である凝集部が複数形成され、
前記凝集部は、前記第１の方向と直交する第２の方向に非局在的に分布することを特徴とする電子機器。
【請求項７】
前記シート状構造体は、前記線状構造体の先端側が前記発熱体と接して配置されることを特徴とする請求項６に記載の電子機器。
【請求項８】
前記線状構造体の先端側は、長さばらつきを含んだ状態で塑性変形していることを特徴とする請求項６に記載の電子機器。
【請求項９】
前記シート状構造体は、前記凝集部が前記放熱体に接して配置されることを特徴とする請求項６に記載の電子機器。
【請求項１０】
前記相変化材料は、前記シート状構造体を前記発熱体と前記放熱体とに接着する熱可塑性樹脂であることを特徴とする請求項６に記載の電子機器。
【請求項１１】
基板上に第１の方向に配向する炭素元素の線状構造体を複数形成し、
前記線状構造体の成長端である先端側を相変化材料で埋め込み、
前記線状構造体の根元側を前記相変化材料から露出した状態で、前記線状構造体を前記基板から剥離し、
剥離した前記線状構造体の前記根元側を凝集させる、
ことを特徴とするシート状構造体の製造方法。
【請求項１２】
前記相変化材料から露出する前記線状構造体の前記根元側の長さは、目的とする前記根元側の座屈応力に応じて決定されることを特徴とする請求項１１に記載のシート状構造体の製造方法。
【請求項１３】
前記凝集は、前記線状構造体の前記根元側を水に浸漬して乾燥することによって生じることを特徴とする請求項１１に記載のシート状構造体の製造方法。
【請求項１４】
基板上に第１の方向に配向する炭素元素の線状構造体を複数形成し、
前記線状構造体の成長端である先端側を相変化材料で埋め込み、
前記線状構造体の根元側を前記相変化材料から露出した状態で、前記線状構造体を前記基板から剥離し、
剥離した前記線状構造体の前記根元側を凝集させてシート状構造体を作製し、
前記シート状構造体を、発熱体と放熱体の間に配置する
ことを特徴とする電子機器の製造方法。
【請求項１５】
前記シート状構造体は、前記線状構造体の前記先端側を前記発熱体に接続し、前記線状構造体の前記根元側を前記放熱体に接続して配置することを特徴とする請求項１４に記載の電子機器の製造方法。
【請求項１６】
前記シート状構造体を、前記発熱体と前記放熱体の間に配置した状態で加熱、加圧することにより、前記線状構造体の前記先端側を前記発熱体の表面に対して塑性変形させることを特徴とする請求項１５に記載の電子機器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素元素の線状構造体を有するシート状構造体とその製造方法、及びシート状構造体を用いた電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
サーバーやパーソナルコンピュータの中央処理装置などに用いられる電子機器では、性能向上のために半導体素子の微細化加工が進み、単位面積当たりの発熱量は増加の一途をたどっている。電子機器からの放熱は切実な問題となっており、半導体素子の上に設けられたサーマルインターフェイスマテリアル（ＴＩＭ：Thermal Interface Material）を介して、銅などの高熱伝導性のヒートスプレッダが配置された構造が採用されている。【０００３】
サーマルインターフェイスマテリアルには、それ自身が高い熱伝導率を有する材料であることに加え、発熱源及びヒートスプレッダ表面の微細な凹凸形状に対して広面積に接触する特性が求められる。【０００４】
このような背景から、サーマルインターフェイスマテリアルとして、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）に代表される炭素元素の線状構造体を用いた熱伝導シートが注目されている。カーボンナノチューブは、非常に高い熱伝導率（１５００Ｗ／ｍ・Ｋ）を有するだけでなく、柔軟性や耐熱性に優れた材料であり、放熱材料として高いポテンシャルを有している。【０００５】
ＣＮＴを用いた熱伝導シートとしては、基板上に配向成長したＣＮＴ束を樹脂等によって埋め込んだ熱伝導シートが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。【０００６】
また、ＣＮＴを用いた放熱シートの界面の接合性を向上させる目的で、ＣＮＴの端部を変形させる構造や（たとえば、特許文献２参照）、ＣＮＴに機械的強度を付与するために被覆処理を行う構造（たとえば、特許文献３参照）が提案されている。【０００７】
しかしながら、上述した従来の熱伝導シートでは、カーボンナノチューブの有する高い熱伝導度が充分に活用されていない。たとえば、特許文献２に記載されるように垂直配向したＣＮＴの一端をシート面と平行な方向に折り曲げた構造を用いても、リフロー時に荷重不足だと相変化材料がシート界面に残存する。他方、荷重過多だとＣＮＴ放熱シートが薄膜化して発熱体の反りを吸収できなくなり、十分な放熱特性が得られない。【０００８】
特許文献３の構成では、垂直配向したＣＮＴを被覆材料で被覆することにより、隣り合うＣＮＴが被覆材料を介して結束され、見かけ上のアスペクト比が小さくなって挫屈応力が強化される。ところが、被覆処理によるＣＮＴ間の結束によりＣＮＴの変形自由度が制限され、ＣＮＴと発熱体との接触及びＣＮＴと放熱体との接触が阻害される。放熱体と発熱体の両界面に接触するＣＮＴの本数が制限されると熱伝導度が低下し、十分な放熱性が得られない。【０００９】
なお、ＣＮＴの一部を有機溶媒を含む樹脂に浸漬し、その後に有機溶媒を揮発させることで、樹脂に覆われたＣＮＴの成長端の密度を根元側の密度よりも高密度にする構成が提案されている（たとえば、特許文献４参照）。
【特許文献１】特開２００９−１６４５５２号公報
【特許文献２】特開２０１１−２０４７４９号公報
【特許文献３】特開２０１２−１９９３３５号公報
【特許文献４】国際公開第ＷＯ２００７／１１１１０７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
炭素元素の線状構造体を有するシート状構造体において、機械的強度と接合対象物に対する熱接触性を向上することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
一つの観点では、シート状構造体は、
第１の方向に延びる複数の炭素元素の線状構造体と、
前記線状構造体の成長端である先端側を埋め込む相変化材料と、
前記線状構造体の根元側で前記相変化材料から露出して形成される複数の凝集部と、
を有し、前記凝集部は、前記第１の方向と直交する第２の方向に非局在的に分布する。【００１２】
別の観点では、シート状構造体の製造方法を提供する。この製造方法は、
基板上に第１の方向に配向する炭素元素の線状構造体を複数形成し、
前記線状構造体の成長端である先端側を相変化材料で埋め込み、
前記線状構造体の根元側を前記相変化材料から露出した状態で、前記線状構造体を前記基板から剥離し、
剥離した前記線状構造体の前記根元側を凝集させる。
【発明の効果】
【００１３】
上記の構成と方法により、炭素元素の線状構造体を有するシート状構造体の機械的強度と接合対象物に対する熱接触性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態のシート状構造体の概略図と、ＣＮＴ根元側の自己組織的な凝集形態を示す図である。
【図２】図１のシート状構造体の製造工程図である。
【図３】図１のシート状構造体を用いた電子機器の概略構成図である。
【図４】実施形態のシート状構造体と発熱体との接合界面を、従来のシート状構造体と発熱体との接合界面と比較して示す図である。
【図５】実施形態のシート状構造体の効果を説明する図である。
【図６】実施形態のシート状構造体の効果を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
基板上に成長したカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を観察すると、カーボンナノチューブの成長端（以下「先端側」と呼ぶ）には長さばらつきが存在し、カーボンナノチューブどうしが絡み合っている。発明者らは、カーボンナノチューブの配向方向に荷重を加えてＣＮＴ放熱シートを圧縮変形すると、カーボンナノチューブは異方的な変形を起こし、カーボンナノチューブが基板と接する端面（以下、「根元側」と呼ぶ）が優先的に変形して、先端側は変形しづらいという課題を見出した。
【００１６】
カーボンナノチューブを用いた熱伝導シートで高い放熱特性を得るためには、カーボンナノチューブ１本１本の変形自由度を損なうことなく、カーボンナノチューブの垂直配向方向に対して機械的強度を付与し、かつ、長さばらつきの存在するカーボンナノチューブの先端側を優先的に変形させて発熱体との接触面積を増大させることが有用である。
【００１７】
そこで、実施形態では、長さバラツキの存在するカーボンナノチューブの先端側に相変化材料を充填し、長さのそろったカーボンナノチューブの根元側を相変化材料から露出して凝集させたシート状構造体を提供する。
【００１８】
このようなシート状構造体を、カーボンナノチューブの先端側が発熱体に接するように発熱体と放熱体の間に配置することで、放熱効率の高い電子機器が実現する。すなわち、シート状構造体の接合時に相変化材料が溶融して、カーボンナノチューブの先端端が発熱体表面の微細な凹凸に追従して接触する。他方で、凝集したカーボンナノチューブの根元側が先端側よりも高い座屈応力で放熱体を支持する。これにより、接触熱抵抗を低減して、発熱体と放熱体の間の熱伝導効率を向上することができる。以下の実施形態で、このようなカーボンナノチューブのシート状構造体の構成と製造方法を説明する。
【００１９】
図１（Ａ）は実施形態のシート状構造体１０の模式図、図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）は、シート状構造体１０のＣＮＴ凝集部１３のＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）画像である。シート状構造体１０は、複数の炭素元素の線状構造体１１と、線状構造体１１の先端側１４の空隙に充填される相変化材料１５と、相変化材料１５から露出する線状構造体１１の根元側の凝集部１３とを有する。
【００２０】
炭素元素の線状構造体１１は、たとえば、垂直配向した単層又は多層のカーボンナノチューブ１１である。炭素元素の線状構造体１１として、同軸管状のナノチューブの他に、中空内に炭素鎖を有するカーボンナノワイヤやカーボンナノロッドを用いてもよい。
【００２１】
カーボンナノチューブ１１の成長端である先端側１４は、相変化材料１５で充填されている。相変化材料１５は、熱や光などの外部刺激により固相と液相の間を可逆的に変化する。相変化材料１５として、たとえば、アクリル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリカーボネートなどの熱可塑性樹脂や、Ｂステージ樹脂、金属材料などを用いることができる。
【００２２】
カーボンナノチューブ１１の根元側は、一定のカーボンナノチューブ束１２が集まった凝集部１３を有する。凝集部１３は、たとえば図１（Ｂ）に示すようなハニカム形状の凝集部１３である。カーボンナノチューブ１１の根元側は、成長基板から剥離された端部であるため長さがそろっている点、及びタングリングボンドが開口した状態である点で、先端側１４と区別され得る。図１（Ｂ）の例では、凝集部１３は、規則的なハニカム形状を構成しているが、凝集部１３がシート状構造体１０の全面にわたってアトランダムに形成されていてもよいし、ライン状に形成されていてもよい。
【００２３】
後述するように、凝集部１３での座屈応力は、ＣＮＴ先端側１４の座屈応力よりも大きい。したがって、相変化材料１５が溶融した状態でシート状構造体１０に荷重がかかったときに、カーボンナノチューブ１１の先端１４が優先的に変形して、図示しない発熱体の表面の凹凸形状に追従する。また、後述するように、凝集部１３の座屈応力は、相変化材料１５から露出するカーボンナノチューブ束１２のアスペクト比の関数として規定されるので、相変化材料１５の浸透量を制御することで、凝集部１３の座屈応力を容易に調整することができる。
【００２４】
図２は、シート状構造体１０の製造工程図である。まず、図２（Ａ）に示すように、基板５１上に複数のカーボンナノチューブ１１を成長する。カーボンナノチューブ１１は、成長につれてその先端側１４で長さばらつきが生じる。カーボンナノチューブ１１の面密度は、放熱性と電気伝導性の観点から、１×１０10本／ｃｍ2以上であることが望ましい。カーボンナノチューブ１１の長さは、熱拡散シートあるいはＴＩＭシートの用途によって決まり、特に限定されるものではないが、１００μｍ〜３００μｍ程度に設定することができる。
【００２５】
基板５１として、シリコン基板などの半導体基板、アルミナ（サファイア）基板、ＭｇＯ基板、ガラス基板などを用いることができる。あるいは、これらの基板上に薄膜が形成されたものであってもよく、一例としてシリコン基板上に膜厚３００ｎｍ程度のシリコン酸化膜が形成された基板を用いてもよい。
【００２６】
基板５１はカーボンナノチューブ１１の形成後に剥離される。したがって、基板５１はカーボンナノチューブ１１の成長温度で変質しないこと、及び少なくともカーボンナノチューブ１１に接する面がカーボンナノチューブ１１から容易に剥離できる材料、あるいはカーボンナノチューブ１１に対して選択的にエッチングできる材料で構成されていることが望ましい。
【００２７】
カーボンナノチューブ１１を形成するために、基板５１に図示しない触媒層、たとえば厚さ２．５ｎｍのＦｅ（鉄）膜をスパッタ法により形成する。このとき、カーボンナノチューブ１１の用途に応じて触媒金属膜の配置パターンを決定する。触媒金属としてはＦｅのほか、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｐｔ（白金）又はこれらのうち少なくとも一の材料を含む合金を用いてもよい。
【００２８】
触媒金属膜を触媒として、基板５１上に、たとえばホットフィラメントＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法、リモートプラズマＣＶＤ法などにより、カーボンナノチューブ１１を成長する。原料ガスとして、たとえばアセチレン・アルゴンの混合ガス（分圧比１：９）を用いる。炭素原料として、アセチレンの他に、メタン、エチレン等の炭化水素類や、エタノール、メタノール等のアルコール類などを用いてもよい。成膜室内の総ガス圧、ホットフィラメント温度、及び成長時間を制御することによって、所望の長さの単層または多層のカーボンナノチューブを成長することができる。
【００２９】
図２（Ａ）の例では、長さ１００μｍ、直径１５ｎｍ、面積占有率３％でカーボンナノチューブ１１を成長する。このときのカーボンナノチューブ１１の先端側１４の長さばらつきは、５μｍ程度である。
【００３０】
次に、図２（Ｂ）に示すように、カーボンナノチューブ１１の先端側１４を相変化材料１５で充填する。相変化材料１５として、たとえば熱可塑性樹脂（OM681：ヘンケルジャパン社製）を用いる。熱可塑性樹脂の粘度は温度に依存して変化し、カーボンナノチューブ１１への充填深さを調整することができる。熱可塑性樹脂は、あらかじめフィルム状に加工したものを用いてもよい。フィルム状に加工しておけば、大面積にわたって一様に樹脂を充填することが可能である。実施形態では、フィルム状の樹脂を１６５℃で加熱融解することにより、カーボンナノチューブ１１の先端側１４を２０μｍ充填する。充填後、室温に戻すと、熱可塑性樹脂は冷却固化して固体として取り扱うことが可能である。図２（Ｂ）で用いた上記の熱可塑性樹脂は、粘度250,000Ｐａ・s以下で、ほぼ固体として扱うことが可能である。相変化材料１５としては、その他の熱可塑性樹脂、Ｂステージ樹脂、金属系材料などを用いてもよい。
【００３１】
次に、図２（Ｃ）に示すように、基板５１からカーボンナノチューブ１１を剥離する。これにより、カーボンナノチューブ１１の先端側１４が熱可塑性樹脂で充填され、長さのそろった根元側が相変化材料１５から露出した構造体を得る。
【００３２】
次に、図２（Ｄ）に示すように、得られた構造体を、水に浸漬し乾燥させることで、相変化材料１５から露出したカーボンナノチューブ１１の根元側の垂直配向性を保持したまま、自己組織的にハニカム形状に凝集させて、凝集部１３を有するシート状構造体１０を得る。
【００３３】
ここでいう凝集とは、相変化材料１５で充填されたカーボンナノチューブ１１の先端側１４と比較して、根元側の面内でカーボンナノチューブ１１が非局在的に集合した状態を形成することを指す。
【００３４】
カーボンナノチューブ１１を凝集させるために用いる溶媒としては、カーボンナノチューブ１１の先端側１４に充填された相変化材料１５が変性や溶解などの変化を受けなければ特に限定されない。上述した水の他に、アルコール、ケトン系溶媒、芳香族系溶媒、もしくは、これらの混合溶液なども適用可能である。また、溶媒に浸漬する替わりに、カーボンナノチューブのシート状構造体１０を溶媒蒸気中に晒し、溶媒蒸気を結露、乾燥させることで凝集させることも可能である。カーボンナノチューブ１１は、水分子の表面張力による水滴や、溶媒蒸気の結露による液滴に押し分けられて、凝集する。
【００３５】
凝集部１３の凝集形状はハニカム形状が好適ではあるが、これに限定されない。カーボンナノチューブ１１の根元側は長さばらつきがないため、根元側のカーボンナノチューブ１１を自己組織的に凝集させると、高さが一定の凝集部１３が形成される。凝集部１３は先端側１４と比較して座屈応力が大きい。
【００３６】
図３は、図２で得られたシート状構造体１０を組み込んだ電子機器１の概略図である。シート状構造体１０は、半導体素子などの発熱体２０と、ヒートスプレッダ３０の間に配置される。ヒートスプレッダ３０は、たとえば発熱体２０が搭載される回路基板４０上に固定される。シート状構造体１０を発熱体２０とヒートスプレッダ３０の間に接合する際に、相変化材料１５の溶融温度で加熱しながら一定の荷重を印加する。これにより、カーボンナノチューブの先端側１４を覆っていた相変化材料１５が溶融し、発熱体２０とカーボンナノチューブ１１の先端側１４との界面から相変化材料１５が除去される。電子機器１のアセンブリ前に、シート状構造体１０をいったんヒートスプレッダ３０にプレアタッチする工程を経てもよい。
【００３７】
カーボンナノチューブ束１２の凝集部１３の座屈応力は先端側１４の座屈応力よりも大きいので、発熱体２０に接するカーボンナノチューブ１１の先端側が優先的に変形して、発熱体２０の表面形状に追従する。その結果、発熱体２０のホットスポットを確実に網羅する。他方、ヒートスプレッダ３０側では、高さのそろった凝集部１３でヒートスプレッダ３０と界面全体にわたって接触する。
【００３８】
シート状構造体１０のアセンブリは、たとえば２００℃、０．２ＭＰａ、１０分の条件で行う。実施形態で用いた相変化材料（熱可塑性樹脂）１５は、２００℃で１０Ｐａ・s程度に低粘度化して流動性が高くなり、凝集部１３のカーボンナノチューブ１１間に充填され、過剰な樹脂は周辺に押し出される。このとき、低粘度化した熱可塑性樹脂１５は荷重に対する抗力が低いので、加えた荷重はほぼすべてカーボンナノチューブ１１が受けることになる。
【００３９】
凝集部１３を有するシート状構造体１０について座屈応力を計算すると、カーボンナノチューブ１１の先端側１４の座屈応力は０．０４ＭＰａ、根元側の凝集部１３では０．２６ＭＰａである。０．２ＭＰａでアセンブリを行った場合、カーボンナノチューブ１１の先端側１４は塑性変形してカーボンナノチューブ１１の長さばらつきを吸収して接合界面に追従変形する。他方、カーボンナノチューブ１１の根元側は弾性変形性を保持して接合界面に追従変形することが判る。アセンブリ終了後、荷重を加えたまま冷却すると、相変化材料（熱可塑性樹脂）１５の再固化が開始する。
【００４０】
再固化によりシート状構造体１０と発熱体２０、及びシート状構造体１０とヒートスプレッダ３０の両接合面に接着性が発現し、アセンブリ時にカーボンナノチューブ１１が受けた変形性を保持したままシート状構造体１０は固定される。
【００４１】
実施形態では、カーボンナノチューブ１１の先端側１４を充填した相変化材料（熱可塑性樹脂）１５のみを用いて凝集部１３のカーボンナノチューブ１１の間を充填したが、相変化材料１５から露出する凝集部１３の間を第２の相変化材料を用いて充填してアセンブリを完了させてもよい。
【００４２】
このように、カーボンナノチューブ１１の先端側１４の変形自由度が確保され、長さばらつきが存在する先端側１４が十分に変形して発熱体２０に接触する。また、根元側の凝集部１３か先端側よりも十分に高い座屈応力を有し、シート状構造体１０の全体として機械強度を有し、耐荷重性に優れる。
【００４３】
図４は、カーボンナノチューブ１１の先端側１４の発熱体２０への接触効果を示す図である。図４（Ａ）は、実施形態のシート状構造体１０のカーボンナノチューブ１１の先端側１４と発熱体２０との接合界面のＳＥＭ写真と、電子機器１の模式図である。図４（Ｂ）は比較例として、ＡＬＤ法により膜厚２．５ｎｍのＡｌ2Ｏ3被膜を施したカーボンナノチューブ１１１の先端側１１４と放熱体３０との接合界面のＳＥＭ写真と、電子機器１０１の模式図である。
【００４４】
図４（Ｂ）では、カーボンナノチューブ１１１の根元側が発熱体２０と接触し、先端側でヒートスプレッダ３０と接している。この構成では、被膜材料で隣り合うカーボンナノチューブ１１１が結束し、接合界面近傍でカーボンナノチューブ１１１の変形性が制限される。
【００４５】
これに対して、図４（Ａ）の実施形態では、カーボンナノチューブ１１の先端側１４が塑性変形して発熱体の界面形状に追従している。また、カーボンナノチューブ１１に被膜コーティングを施さなくても、根元側の凝集部１３によりシート状構造体１０全体として強度が付与されている。
【００４６】
図５は、図４（Ａ）の実施形態のシート状構造体１０と、図４（Ｂ）の従来のシート状構造体のアセンブリ後の特性を比較する図である。図４（Ａ）と図４（Ｂ）の双方において、カーボンナノチューブ１１とカーボンナノチューブ１１１の初期の長さＬを１００μｍとし、アセンブリ荷重を０．３ＭＰａとする。
【００４７】
図４（Ａ）の構成では、アセンブリ前の状態で相変化材料１５に埋め込まれるカーボンナノチューブ１１の先端側１４の長さＬ１を２０μｍ、相変化材料１５から露出する凝集前の根元側の長さＬ２を８０μｍとする。図４（Ｂ）の構成では、上述のように、ＡＬＤ法により膜厚２．５ｎｍのＡｌ2Ｏ3被膜を施して機械的強度を付与している。
【００４８】
図５の表に示すように、０．３ＭＰａの荷重下でのアセンブリ後のシート状構造体（ＣＮＴシート）１０の厚さは８５μｍである。これに対して、従来のシート状構造体では、ＡＬＤ被膜を施しているものの、アセンブリ後のシート厚さが６０μｍに低減している。
【００４９】
また、従来構造の熱抵抗が０．０８Ｋ／Ｗであるのに比べ、実施形態のシート状構造体１０の熱抵抗は０．０６Ｋ／Ｗと低く、熱伝導効率が向上していることがわかる。
【００５０】
図６は、実施形態のシート状構造体１０の先端側と、根元側の凝集部１３での座屈応力を説明する図である。直径１５ｎｍ、長さ１００μｍに成長したカーボンナノチューブ１１のうち、相変化材料１５に埋め込まれる先端側の長さＬ１を２０μｍ、相変化材料１５から露出する長さＬ２を８０μとする。
【００５１】
座屈応力σcrは、オイラーの式（１）で表わされる。
【００５２】
σcr＝Ｃπ2Ｅ／λ2        （１）
ここで、Ｃは、自由端と固定端の条件に関する端末条件係数、Ｅはヤング率、λはアスペクト比である。実施形態で作製したシート状構造体１０において、カーボンナノチューブ１１のヤング率Ｅは１０００ＧＰａ、端末条件係数はＣ＝０．２５である。
【００５３】
先端側において、カーボンナノチューブ１１のアスペクト比λ1は２０μｍ／１５ｎｍである。カーボンナノチューブの面積占有率を３％とすると、式（１）からシート状構造体１０の先端側での座屈応力は０．０４ＭＰａとなる。
【００５４】
凝集部１３において、カーボンナノチューブ４４４４本が集まって凝集部１３を構成する場合、凝集部１３の先端の径（幅）は１μｍであり、凝集部１３のアスペクト比λ2は８０μｍ／１μｍとみることができる。式（１）から、凝集部１３ひとつの座屈応力は３８５ＭＰａである。凝集部１３の占有率を6.75×10-4％とすると、シート状構造体１０の根元側での座屈応力は０．２６ＭＰａとなる。
【００５５】
比較として、未処理のカーボンナノチューブの座屈応力を求める。アスペクト比が１００μｍ／１５ｎｍ、面積占有率３％、カーボンナノチューブのヤング率Ｅが１０００ＧＰａ、端末条件係数Ｃが０．２５とすると、未処理のカーボンナノチューブの座屈応力は０．００１７ＭＰａとなる。
【００５６】
このように、実施形態のシート状構造体１０は、根元側で先端側よりも１桁大きい座屈応力を有することがわかる。カーボンナノチューブ１１の先端側１４を発熱体２０に接続し、根元側の凝集部１３をヒートスプレッダ３０に接続して適切な接合荷重を選択することで、シート状構造体１０の厚さを維持しつつ、発熱体２０の表面での接触面積を大きくすることができる。
【符号の説明】
【００５７】
１  電子機器
１０  シート状構造体
１１  カーボンナノチューブ（炭素元素の線状構造体）
１２  カーボンナノチューブ束
１３  凝集部
１４  先端側
１５  相変化材料
２０  発熱体
３０  ヒートスプレッダ（放熱体）
【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図１】
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【図４】
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【手続補正書】
【提出日】平成28年6月2日(2016.6.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の方向に延びる複数の炭素元素の線状構造体と、
前記線状構造体の成長端である先端側を埋め込む相変化材料と、
前記線状構造体の根元側で前記相変化材料から露出して形成される複数の凝集部と
を有し、前記凝集部は、前記第１の方向と直交する第２の方向に非局在的に分布することを特徴とするシート状構造体。
【請求項２】
前記根元側での前記シート状構造体の座屈応力は、前記先端側での座屈応力よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のシート状構造体。
【請求項３】
発熱体と、
放熱体と、
前記発熱体と前記放熱体の間に配置されるシート状構造体と、
を備え、
前記シート状構造体は、
第１の方向に延びる複数の炭素元素の線状構造体と、
前記線状構造体の間を充填する相変化材料と、
を有し、
前記線状構造体の根元側に近接する線状構造体の集合体である凝集部が複数形成され、
前記凝集部は、前記第１の方向と直交する第２の方向に非局在的に分布することを特徴とする電子機器。
【請求項４】
前記シート状構造体は、前記線状構造体の先端側が前記発熱体と接して配置されることを特徴とする請求項３に記載の電子機器。
【請求項５】
前記線状構造体の先端側は、長さばらつきを含んだ状態で塑性変形していることを特徴とする請求項３に記載の電子機器。
【請求項６】
基板上に第１の方向に配向する炭素元素の線状構造体を複数形成し、
前記線状構造体の成長端である先端側を相変化材料で埋め込み、
前記線状構造体の根元側を前記相変化材料から露出した状態で、前記線状構造体を前記基板から剥離し、
剥離した前記線状構造体の前記根元側を凝集させる、
ことを特徴とするシート状構造体の製造方法。
【請求項７】
基板上に第１の方向に配向する炭素元素の線状構造体を複数形成し、
前記線状構造体の成長端である先端側を相変化材料で埋め込み、
前記線状構造体の根元側を前記相変化材料から露出した状態で、前記線状構造体を前記基板から剥離し、
剥離した前記線状構造体の前記根元側を凝集させてシート状構造体を作製し、
前記シート状構造体を、発熱体と放熱体の間に配置する
ことを特徴とする電子機器の製造方法。
【請求項８】
前記シート状構造体は、前記線状構造体の前記先端側を前記発熱体に接続し、前記線状構造体の前記根元側を前記放熱体に接続して配置することを特徴とする請求項７に記載の電子機器の製造方法。
【国際調査報告】
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