(57)【要約】【課題】多孔質グラファイトのヒートシンクとその製造方法を提供する。【解決手段】多孔質グラファイトのヒートシンクであって、主体はグラファイト顆粒から構成され、且つ、グラファイト顆粒間に、空洞構造を有する。多孔質グラファイトのヒートシンクは、優れた導熱効果を有すると共に、炭素発泡体の脆性欠陥を改善する。このほか、本発明は、多孔質グラファイトの製造方法も提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質グラファイトのヒートシンク（１）であって、その主体は、グラファイト顆粒で構成され、且つ、グラファイト顆粒間に空洞構造を有することを特徴とする多孔質グラファイトのヒートシンク。
【請求項２】
前記主体の前記空洞構造の多孔率は５−５０％であることを特徴とする請求項１に記載の多孔質グラファイトのヒートシンク（１）。
【請求項３】
更に、フィン構造を含むことを特徴とする請求項１に記載の多孔質グラファイトのヒートシンク（１）。
【請求項４】
外形はランプキャップであることを特徴とする請求項１に記載の多孔質グラファイトのヒートシンク（１）。
【請求項５】
更に、前記ヒートシンクの表面に設置される保護層、又は、絶縁層を有することを特徴とする請求項１に記載の多孔質グラファイトのヒートシンク（１）。
【請求項６】
多孔質グラファイトの製造方法であって、
グラファイト粉末と結合剤を混合して、混合物を得る混合工程（Ｓ１）と、
前記混合物を素地に成形する成形工程（Ｓ２）と、
前記素地を所定温度に加熱して、所定時間維持した後冷却して、前記多孔質グラファイトを得る熱処理工程（Ｓ３）と、
を含むことを特徴とする多孔質グラファイトの製造方法。
【請求項７】
更に、造粒工程（Ｓ１３）を含み、前記混合物を造粒して、粒径が大きい複数のグラファイト顆粒を得ることを特徴とする請求項６に記載の多孔質グラファイトの製造方法。
【請求項８】
前記グラファイト粉末は、天然グラファイト、合成グラファイト、又は、両者の組み合わせを含むことを特徴とする請求項６に記載の多孔質グラファイトの製造方法。
【請求項９】
前記結合剤は、ピッチ、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、又は、上述の組み合わせを含むことを特徴とする請求項６に記載の多孔質グラファイトの製造方法。
【請求項１０】
前記混合工程（Ｓ１）中に、更に、金属粉末、セラミック粉末、発泡剤、又は、離型剤を加えることを特徴とする請求項６に記載の多孔質グラファイトの製造方法。
【請求項１１】
前記成形工程（Ｓ２）は、コールドプレス成形、熱プレス成形、又は、射出成形方式を採用することを特徴とする請求項６に記載の多孔質グラファイトの製造方法。
【請求項１２】
前記熱処理工程（Ｓ３）は、不活性ガス、又は、真空環境下で実行することを特徴とする請求項６に記載の多孔質グラファイトの製造方法。
【請求項１３】
更に、二次加工工程（Ｓ４）を含み、機械加工法により、前記多孔性構造を有する前記多孔質グラファイトを加工して、多孔性構造を有するグラファイト製品を得ることを特徴とする請求項６に記載の多孔質グラファイトの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多孔質グラファイト（ｐｏｒｏｕｓ  ｇｒａｐｈｉｔｅ）の応用とその製造方法に関するものであって、特に、多孔質グラファイトのヒートシンク、および、多孔質グラファイトの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子製品は小型化し、中でも、チップの製造工程はナノメートルスケールに達し、操作時に生じる熱量と発熱密度が増加し続けている。よって、高性能の放熱材料を開発して、電子製品の高電力により生じる放熱問題を解決することが現在の課題である。
【０００３】
炭素発泡体（Ｃａｒｂｏｎ  Ｆｏａｍ）は、低密度、耐火性、低熱膨脹係数、および、耐化学的侵食等の長所を有し、炭素結晶配列と発泡体構造の違いに基づいて、導熱、又は、断熱等の異なる用途に用いることができる。炭素発泡体は、熱伝導率がよく、また、相互接続した空洞を有して、熱伝導と放熱の極めて高い比表面積を提供する。よって、炭素発泡体は、既に、現代の電子製品の放熱問題を解決する有望な放熱材料の１つであると見なされている。
【０００４】
現在、炭素発泡体は、主に、米国オークリッジ国立研究所ＯＲＮＬによるピッチ（ｐｉｔｃｈ）通気法により製造され、ピッチ通気方法は、無酸素環境下で、中間相ピッチ前駆体を、約５０℃の軟化点まで加熱するものである。ピッチが融解し始める時、制御速度で、炉内圧力と温度が高騰する。ピッチが融解する時、小分子量の種が揮発し、これらの揮発性気体は、坩堝底部と側面の核形成部位で気泡を形成すると共に、頂部まで上昇し、中間相結晶が垂直方向に上昇し始める。時間と共に、大量の中間相結晶が垂直方向に上昇する。発砲した中間相材料は、６００〜１０００℃の間で加熱することにより炭化されて、比較的純粋な炭素発泡体を生成する。炭素発泡体は、アルゴンパージ下、２８００℃以上の温度で熱処理を実行して、黒鉛発泡体に転換させる。
【０００５】
炭素発泡体中の孔洞を相通させるため、気孔率は、通常、８０％以上で（図５に示される）、よって、その物理的強度が不足する。応力が大きい時、炭素発泡体が断裂しやすく、炭素発泡体は、使用上の制限を受ける。このほか、ピッチ通気法による炭素発泡体の製造工程は、操作やコスト方面で改善が必要である。
【０００６】
これにより、導熱効果がよく、強い物理的強度の新規のグラファイト材が必要とされる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、導熱効果が高く、物理的強度が強い多孔質グラファイトを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施例によると、多孔質グラファイトのヒートシンクは、主体がグラファイト顆粒から構成され、且つ、グラファイト顆粒間に空洞構造を有する。
【０００９】
本発明のもう１つの実施例によると、多孔質グラファイトの製造方法は、グラファイト粉末と結合剤を混合して、混合物を得る混合工程と、混合物を素地（ｇｒｅｅｎ  ｂｏｄｙ）に成形する成形工程と、素地を所定温度に加熱後、冷却して、多孔質グラファイトを得る熱処理工程と、を含む。
【００１０】
本発明の他の利点は、添付の図面とともに以下の説明によって明らかになるが、本発明のある実施例は以下の説明と例により示す
【図面の簡単な説明】
【００１１】
前述の態様および本発明に付随する利点は、添付の図面とともに、以下の詳細な説明を参照することでより明らかになるであろう。
【図１】本発明の実施例による多孔質グラファイトの製造方法のフローチャートである。
【図２】本発明の実施例による造粒（ｇｒａｎｕｌａｔｉｏｎ）工程のフローチャートである。
【図３】本発明の実施例によるヒートシンクを示す図である。
【図４】本発明の実施例による発光ダイオードランプアセンブリを示す図である。
【図５】従来の炭素発泡体の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【図６】本発明の実施例による多孔質グラファイトの製造工程の流れと製品を示す。
【図７】本発明の実施例による多孔質グラファイトの製造工程の流れと製品を示す。
【図８】本発明の実施例による多孔質グラファイトの製造工程の流れと製品を示す。
【図９】本発明の実施例による多孔質グラファイトの製造工程の流れと製品を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明は、グラファイト顆粒から構成され、グラファイト顆粒間に空洞構造を有し、ヒートシンク中の導熱素子となる多孔質グラファイトを提供する。
【００１３】
図１は、本発明の実施例による多孔質グラファイトの製造方法のフローチャートで、多孔質グラファイトの製造方法は、混合／造粒工程Ｓ１、成形工程Ｓ２、熱処理工程Ｓ３、および、二次加工工程Ｓ４を含む。
【００１４】
まず、混合／造粒工程Ｓ１で、グラファイト粉末と結合剤を混合して、混合物を得る。続いて、グラファイト粉末と結合剤を含む小さい粒径の混合物を粒状にし、粒径が大きい複数のグラファイト顆粒を得る。グラファイト粉末は、天然グラファイト、合成グラファイト、又は、両者の組み合わせを含む。造粒の目的は、小粒径、不規則形状の粉末を、粒径が大きく、且つ、形状が均一な顆粒にすることである。造粒後のグラファイト顆粒の粒径は３００μｍ〜１０００μｍで、使用する工程、及び／又は、成分によって調整する。
【００１５】
造粒工程は、一般に、球形化（ｓｐｈｅｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ）造粒法、又は、噴霧造粒法を含む。球形化造粒法は、グラファイト粉末と結合剤を混合し、回転させて、粒径が大きいグラファイト顆粒を形成する。又は、造粒ブレードにより、グラファイト粉末と結合剤の混合物をカットして、粒径がほぼ一貫したグラファイト顆粒を得る。噴霧造粒法は、グラファイト粉末を噴霧して、チャンバー中に懸濁させ、別のノズルからゲル状又は液状結合剤を噴霧し、結合剤がグラファイト粉末外層を封入して、グラファイト顆粒を形成する。又は、グラファイト粉末と低粘度の結合剤を混合して噴霧乾燥させて、粒径が大きいグラファイト顆粒を形成する。
【００１６】
上述の結合剤は、これに限定されないが、ピッチ、熱硬化性樹脂（例えば、エポキシ、ポリイミド樹脂ＰＩ、フェノール樹脂ＰＦ、ポリウレタンＰＵ）、熱可塑性樹脂（例えば、ポリカーボネートＰＣ、ポリエステルＰＥ、ポリプロピレンＰＰ、ポリエチレンテレフタレートＰＥＴ）、又は、上述の組み合わせを含む。このほか、工程Ｓ１中に、添加物を加えて、多孔質グラファイトの物理性質を調整してもよく、添加物は、金属粉末やセラミック粉末である。金属粉末は、例えば、アルミニウム、鉄、銅である。セラミック粉末は、例えば、カオリン粘度、シリカ、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、二酸化チタン、又は、シリコンアルミネートである。
【００１７】
このほか、１つの実施例中、工程Ｓ１中に、発泡剤を加えてもよく、例えば、重炭酸ナトリウム、炭酸アンモニウム、アゾビスイソブチロニトリル又はアゾジカーボンアミドで、得られる多孔質グラファイトの多孔率を調整および／または増加する。
【００１８】
図２は、本発明の実施例による造粒工程のフローチャートで、図１の工程Ｓ１を参照すると、高品質のグラファイト顆粒を得るため、グラファイト造粒工程Ｓ１３前後で、部分工程を実行する。例えば、好ましい実施例中、粉末精製工程Ｓ１１と粉末粒径制御工程Ｓ１２により、高品質のグラファイト粉末を得る。粉末精製工程Ｓ１１は、酸性の精製、アルカリ性の精製、又は、高温精製により、グラファイト粉末中に含まれる不純物を除去する。例えば、粉末精製工程Ｓ１１は、硫酸とフッ化水素により、グラファイト粉末を酸性精製後、２６００℃の高温で、６０分間熱処理して、グラファイト粉末中に含まれる不純物を除去して、精製効果を達成する。粉末粒径制御工程Ｓ１２は、精製後のグラファイト粉末を研磨すると共に、平均粒径２００（μｍ）以下になるようふるいにかけ、粒径の制限により、グラファイト顆粒の品質安定性を向上させる。
【００１９】
グラファイト造粒工程Ｓ１３完成後、顆粒乾燥工程Ｓ１４を実行して、グラファイト顆粒を乾燥させ、後続のプレス成形、又は、射出成形の工程を行いやすくする。顆粒乾燥工程Ｓ１４後、顆粒粒径制御工程Ｓ１５を実行して、グラファイト顆粒をふるい、粒径が均一な造粒グラファイト顆粒を得る。
【００２０】
続けて図１を参照すると、成形工程Ｓ２を実行して、グラファイト顆粒を素地に成形する。成形工程Ｓ２は、一般に、コールドプレス成形、熱プレス成形、又は、射出成形方式を含む。１つの実施例では、コールドプレス成形は、１００ｋｇ／ｃｍ２以上の圧力下で、成形材料を素地にプレスする。１つの実施例では、前もって造粒を実行せずにグラファイト粉末と結合剤の混合物は成形工程Ｓ２を経て良い。
【００２１】
１つの実施例では、素地を離型しやすくするため、工程Ｓ１中で、離型剤を加え、離型剤は、これに限定されないがステアリン酸亜鉛、ステアリン酸マグネシウム、又は、ワックス粉末である。
【００２２】
１つの実施例中、成形工程Ｓ２で、グラファイト顆粒をヒートシンク外型に成形して、本発明の多孔質グラファイトのヒートシンクを得る。
【００２３】
成形工程Ｓ２完成後、熱処理工程Ｓ３を実行して、素地を所定温度に加熱すると共に、所定時間維持した後冷却して、多孔質グラファイトを得る。熱処理工程Ｓ３の目的は、主に、素地中のグラファイト粉末以外の成分を炭化、又は、好ましくは、グラファイト化することである。炭化後の成分は、熱伝導性を有し、グラファイト化後の成分は、更によい導熱および放熱効果を有する。よって、熱処理工程Ｓ３中の所定温度は、最低６００℃以上で、素地を炭化し、好ましくは、最低２３００℃以上で、素地をグラファイト化する。
【００２４】
詳細には、１つの実施例中、熱処理工程Ｓ３は、素地を熱処理炉中に入れ、且つ、熱処理炉を真空にして、純度９９％以上の不活性ガスを入れると共に、素地を不活性ガスの保護下で所定温度以上になるまで加熱し、且つ、所定時間維持した後、室温になるまで冷却し、素地の中の結合剤、発泡剤を含む有機添加物等が、炭化又はグラファイト化される。不活性ガスは、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドン、窒素などである。冷却方式は不活性ガス、液体冷却またはこの組み合わせにより、室温まで強制冷却する。１つの実施例では、純度９９％以上の窒素を保護気体としており、素地を２５００℃に加熱して６０分間維持し、室温まで自然冷却して、多孔質グラファイトのヒートシンクを得る。
【００２５】
多孔質グラファイトは、グラファイトの高導熱材料特性と多孔性構造により大きな比表面積を有するので、優れた放熱効果を有するので、放熱素子の優れた代替となるため、高い放熱が求められる電子製品中への優れた放熱効果を達成する。
【００２６】
図６−９は、本発明の各工程の写真で、それぞれ、グラファイト粉末（図６）、造粒したグラファイト顆粒（図７）、ＬＥＤの放熱に用いる多孔質グラファイト素地ランプキャップ（図８）、および、多孔質グラファイト製品の断面（図９）を示す。上述の処理工程により得られた多孔質グラファイトの断面は、図９で示され、図５のＯＲＬＮ方法によるピッチ通気工程により得られる炭素発泡体と比較すると、本発明の多孔質グラファイトは、グラファイト顆粒と積み重なり、ギャップがグラファイト顆粒の間に形成されているので、容易に区別できる。
【００２７】
本発明の多孔質グラファイトの多孔率は約５〜５０％なので、物理的強度が強く、応力によって損壊、又は脆化しにくい。炭素発泡体と比較すると、本発明の多孔質グラファイトの製造工程が簡単なだけでなく、コストも安く、優れた導熱効果と物理的強度を提供することができる。
【００２８】
更に、図１に示されるように、多孔質グラファイトは二次加工工程Ｓ４を実行してもよい。二次加工工程Ｓ４中、機械加工により、多孔質グラファイト材を加工してもよく、機械加工法は、研磨、カット、又は、ドリル等である。１つの実施例では、機械研磨とドリル方式で加工して、多孔質グラファイト製品を得ている。
【００２９】
図３は、本発明の実施例によるヒートシンクを示す図である。一般の熱源は、これに限定されないが、例えば、チップや発光ダイオードを含む。高い熱伝導率と多孔性による大きな比表面積を有する多孔質グラファイトのおかげで、熱源が生成する熱を効果的に放熱することができる。
【００３０】
このほか、多孔質グラファイトのヒートシンク１は、複数の形式で実施され、例えば、導熱素子はフィン構造１１および／または導熱素子と結合するファン（図示されない）を含み、これにより、熱源からの熱が、多孔質グラファイトの孔洞から導出されて、放熱を促進する。
【００３１】
１つの実施例では、本発明のヒートシンクは発光ダイオードの放熱に用いることができ、図４は、本発明の実施例による発光ダイオードランプを示す図である。発光ダイオードランプは、多孔質グラファイトのランプキャップ２１、ランプベース２２および少なくとも１つのＬＥＤモジュール２３を有する。ＬＥＤモジュール２３とランプベース２２は電気的に接続する。当業者なら分かるように、ＬＥＤ素子は、必要な電気素子を含んで、ＬＥＤモジュール２３を発光させる。実施例中、ＬＥＤ素子は、さらに、ランプシェード２４を含み、ＬＥＤモジュール２３を収容、保護すると共に、ＬＥＤモジュール２３が発する光線を軟化および拡散させる。
【００３２】
多孔質グラファイトのランプキャップ２１表面に、複数のフィンを形成し、該フィン構造によりランプキャップ外縁の表面積を増加して、ＬＥＤモジュール２３により生成される熱エネルギーを外に放熱する。ランプキャップの内側表面は反射層（図示されない）を形成してもよく、反射層の材質は、例えば、銀である。
【００３３】
このほか、導熱素子の品質を改善するため、導熱素子の表面に、保護層、及び／又は、絶縁層を設置してもよい。保護層および絶縁層の材質は、例えばセラミックである。
【００３４】
総合すると、本発明は、グラファイト顆粒から構成され、グラファイト顆粒間に空洞構造を有する多孔質グラファイトを提供し、多孔質グラファイトは、好ましい導熱効果と物理的強度を有し、放熱効果に優れたヒートシンクとして用いることができる。
【００３５】
本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲内で各種の等価物、変更や代替を加えることができ、従って本発明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。
参考図１
【００３６】
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参考図２
【００３７】
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参考図３
【００３８】
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参考図４
【００３９】
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参考図５
【００４０】
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【符号の説明】
【００４１】
Ｓ１  混合／造粒工程
Ｓ２  成形工程
Ｓ３  熱処理工程
Ｓ４  二次加工工程
Ｓ１１  粉末精製工程
Ｓ１２  粉末粒径制御工程
Ｓ１３  グラファイト造粒工程
Ｓ１４  顆粒乾燥工程
Ｓ１５  顆粒粒径制御工程
１  多孔質グラファイトのヒートシンク
１１  フィン構造
２１  多孔質グラファイトランプキャップ
２２  ランプベース
２３  ＬＥＤモジュール
２４  ランプシェード
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【外国語明細書】
2012171865000001.pdf