(57)【要約】【課題】面方向における熱伝達性に優れ、厚さ方向における熱伝達を低減させて、ＩＴ機器の使用者の不快感を十分に解消することができる熱拡散カーボンシートを提供する。【解決手段】熱拡散カーボンシート１は、カーボンフィルム２の全量に対し、２．０５〜２５．９質量％のカーボンナノチューブと、６９．１〜７２．９５質量％のグラファイトと、５〜２５質量％のアクリル樹脂とからなるカーボンフィルム２と、第１の粘着層４ａと、遮熱層５とを備える。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素質材料としてカーボンナノチューブとグラファイトとを含み、該カーボンナノチューブと該グラファイトとの合計量に対し、カーボンナノチューブが２．７３〜２７．３質量％の範囲にあることを特徴とするカーボンフィルム。
【請求項２】
請求項１記載のカーボンフィルムにおいて、該カーボンフィルムの全量に対し、２．０５〜２５．９質量％の範囲のカーボンナノチューブと、６９．１〜７２．９５質量％の範囲のグラファイトと、バインダーとしての５〜２５質量％の範囲のアクリル樹脂とからなることを特徴とするカーボンフィルム。
【請求項３】
カーボンナノチューブを第１の溶媒に分散させてなり全量に対し３〜３０質量％の範囲のカーボンナノチューブを含む第１の分散液と、グラファイトを第２の溶媒に分散させてなり全量に対し４５〜９２質量％の範囲のグラファイトを含む第２の分散液と、全量に対し５〜２５質量％の範囲のアクリル樹脂を含むアクリル系塗料とからなるカーボンペーストであって、６．８〜８６３質量部の範囲の該第１の分散液と、７５．１〜１６２．１質量部の範囲の該第２の分散液と、２０〜５００質量部の範囲の該アクリル系塗料とを混合してなることを特徴とするカーボンペースト。
【請求項４】
カーボンナノチューブを第１の溶媒に分散させて全量に対し３〜３０質量％の範囲のカーボンナノチューブを含む第１の分散液を調製する工程と、
グラファイトを第２の溶媒に分散させて全量に対し４５〜９２質量％の範囲のグラファイトを含む第２の分散液を調製する工程と、
該第１の分散液６．８〜８６３質量部と、該第２の分散液７５．１〜１６２．１質量部と、全量に対し５〜２５質量％の範囲のアクリル樹脂を含むアクリル系塗料２０〜５００質量部とを混合してカーボンペーストを調製する工程と、
該カーボンペーストを撥水性シートに塗布する工程と、
該撥水性シートに塗布された該カーボンペーストを加熱して溶媒を蒸発させて除去することにより該撥水性シート上にカーボンフィルムを形成する工程とを備えることを特徴とするカーボンフィルムの製造方法。
【請求項５】
全量に対し、２．０５〜２５．９質量％の範囲のカーボンナノチューブと、６９．１〜７２．９５質量％の範囲のグラファイトと、５〜２５質量％の範囲のアクリル樹脂とからなるカーボンフィルムと、該カーボンフィルムの一方の表面上に形成された第１の粘着層と、該第１の粘着層を介して該カーボンフィルムに接合される遮熱層とを備えることを特徴とする熱拡散カーボンシート。
【請求項６】
請求項５記載の熱拡散カーボンシートにおいて、前記カーボンフィルムの前記第１の粘着層と反対側の表面に第２の粘着層を備えることを特徴とする熱拡散カーボンシート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯電話、多機能携帯電話（スマートフォン）、タブレット端末等のＩＴ機器の放熱に用いられるカーボンフィルム、その製造方法及びそれを用いる熱拡散カーボンシートに関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話、多機能携帯電話（スマートフォン）、タブレット端末等のＩＴ機器は、平板状の筐体内に配線基板が収容されており、該配線基板上に半導体素子等の発熱素子が実装されている。前記ＩＴ機器では、前記発熱素子の発熱により局所的に高熱を帯びることがあり、この熱が直ちに該ＩＴ機器の厚さ方向に熱伝達されると、使用者に不快感を与えるという問題がある。
【０００３】
前記問題を解決するために、従来、グラファイトを圧延してシート状にしたグラファイトシートからなる熱拡散カーボンシートが知られている（例えば、特許文献１参照）。前記グラファイトは多数のベンゼン環が面方向に連なった分子構造を備えており、該分子構造により面方向における熱伝達性に優れていることが知られている。
【０００４】
そこで、前記熱拡散カーボンシートは前記ＩＴ機器の面方向に沿って配設されることにより、前記発熱素子の発する熱が一旦該熱拡散カーボンシートの面方向に伝達されて拡散される。従って、前記熱拡散カーボンシートによれば、前記拡散により温度を低下させた後、前記熱を厚さ方向に伝達することにより、使用者に不快感を与えることを防止することができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１２９１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記従来の熱拡散カーボンシートでは、面方向における熱伝達が十分とは言えず、厚さ方向における熱伝達も十分に防ぐことができないため、ＩＴ機器の使用者の不快感を十分に解消することができないという不都合がある。
【０００７】
本発明者らは、前記従来の熱拡散カーボンシートによる前記不都合について検討した。この結果、熱拡散カーボンシートをカーボンフィルムを含む複合材料により構成し、該カーボンフィルムの面方向における熱伝達性を改良することにより、面方向において優れた熱伝達性を備える熱拡散カーボンシートを得ることができることを知見した。
【０００８】
そこで、本発明は、面方向において優れた熱伝達性を備えるカーボンフィルム及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
また、本発明は、面方向における熱伝達性に優れ、厚さ方向における熱伝達を低減させて、ＩＴ機器の使用者の不快感を十分に解消することができる熱拡散カーボンシー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】
【００１０】
かかる目的を達成するために、本発明のカーボンフィルムは、炭素質材料としてカーボンナノチューブとグラファイトとを含み、該カーボンナノチューブと該グラファイトとの合計量に対し、カーボンナノチューブが２．７３〜２７．３質量％の範囲にあることを特徴とする。
【００１１】
本発明のカーボンフィルムは、炭素質材料としてカーボンナノチューブとグラファイトとの合計量に対し、前記範囲のカーボンナノチューブを含むことにより、前記グラファイトのみからなる場合に比較して熱伝達性を改良することができ、面方向において優れた熱伝達性を得ることができる。
【００１２】
前記カーボンナノチューブと前記グラファイトとの合計量に対し、カーボンナノチューブの含有量が２．７３質量％未満であるときには、前記グラファイトのみからなる場合に比較して熱伝達性を改良する効果を得ることができない。一方、前記カーボンナノチューブと前記グラファイトとの合計量に対し、カーボンナノチューブの含有量が２７．３質量％を超えるときには、該カーボンナノチューブの量が過多になり、カーボンフィルムを形成することができない。
【００１３】
本発明のカーボンフィルムは、該カーボンフィルムの全量に対し、２．０５〜２５．９質量％の範囲のカーボンナノチューブと、６９．１〜７２．９５質量％の範囲のグラファイトと、バインダーとしての５〜２５質量％の範囲のアクリル樹脂とからなることが好ましい。
【００１４】
本発明のカーボンフィルムは、前記カーボンナノチューブと前記グラファイトとが前記アクリル樹脂をバインダーとして結合されている。また、本発明のカーボンフィルムは、前記範囲の前記カーボンナノチューブと前記グラファイトとを含むことにより、炭素質材料としての両者の合計量に対し、カーボンナノチューブの含有量を２．７３〜２７．３質量％の範囲とすることができる。
【００１５】
ここで、前記カーボンナノチューブの量が、前記カーボンフィルムの全量に対して２．０５質量％未満では前記グラファイトの熱伝達性を改良する効果を得ることができない。一方、前記カーボンナノチューブの量が、前記カーボンフィルムの全量に対して２５．９質量％を超えると、前記グラファイトと混合することができなくなる。
【００１６】
また、前記グラファイトの量が、前記カーボンフィルムの全量に対して６９．１質量％未満では相対的に前記カーボンナノチューブの量が多くなり、該カーボンナノチューブを該グラファイトと混合することができなくなる。一方、前記グラファイトの量が、前記カーボンフィルムの全量に対して７２．９５質量％を超えると、相対的に前記カーボンナノチューブの量が少なくなり、該グラファイトの熱伝達性を改良する効果を得ることができない。
【００１７】
また、前記アクリル樹脂の量が、前記カーボンフィルムの全量に対して５質量％未満では前記カーボンナノチューブと前記グラファイトとを結合させることができない。一方、前記アクリル樹脂の量が、前記カーボンフィルムの全量に対して２５質量％を超えると、相対的に前記カーボンナノチューブ及び前記グラファイトの量が少なくなり、面方向において十分な熱伝達性を得ることができない。
【００１８】
本発明のカーボンフィルムは、カーボンナノチューブを第１の溶媒に分散させてなり全量に対し３〜３０質量％の範囲のカーボンナノチューブを含む第１の分散液と、グラファイトを第２の溶媒に分散させてなり全量に対し４５〜９２質量％の範囲のグラファイトを含む第２の分散液と、全量に対し５〜２５質量％の範囲のアクリル樹脂を含むアクリル系塗料とからなるカーボンペーストであって、６．８〜８６３質量部の範囲の該第１の分散液と、７５．１〜１６２．１質量部の範囲の該第２の分散液と、２０〜５００質量部の範囲の該アクリル系塗料とを混合してなることを特徴とするカーボンペーストを用いて製造することができる。
【００１９】
ここで、前記カーボンナノチューブの量が、前記第１の分散液の全量に対して３質量％未満では前記第１の溶媒の量が過多となり、本発明のカーボンペーストを適切な粘度とすることができない。一方、前記カーボンナノチューブの量が、前記第１の分散液の全量に対して３０質量％を超えると、該カーボンナノチューブを前記第１の溶媒に分散させることができなくなる。
【００２０】
また、前記グラファイトの量が、前記第２の分散液の全量に対して４５質量％未満では前記第２の溶媒の量が過多となり、本発明のカーボンペーストを適切な粘度とすることができない。一方、前記グラファイトの量が、前記第２の分散液の全量に対して９２質量％を超えると、該グラファイトを前記第２の溶媒に分散させることができなくなる。
【００２１】
また、前記アクリル樹脂の量が、前記アクリル系塗料の全量に対して５質量％未満では該アクリル系塗料の溶媒の量が過多となり、本発明のカーボンペーストを適切な粘度とすることができない。一方、前記アクリル樹脂の量が、前記アクリル系塗料の全量に対して２５質量％を超えると、該アクリル系塗料の粘度が高くなり、前記第１の分散液及び前記第２の分散液と混合することができなくなる。
【００２２】
本発明のカーボンペーストは、６．８〜８６３質量部の範囲の前記第１の分散液と、７５．１〜１６２．１質量部の範囲の前記第２の分散液と、２０〜５００質量部の範囲の前記アクリル系塗料とを混合してなることにより、本発明のカーボンフィルムの製造に用いることができる。前記第１の分散液と、前記第２の分散液と、前記アクリル系塗料との量が前記範囲外にあるときには、本発明のカーボンフィルムにおける前記カーボンナノチューブと、前記グラファイトと、前記アクリル樹脂とを前記範囲とすることができない。
【００２３】
本発明のカーボンフィルムの製造方法は、本発明のカーボンペーストを調製する工程と、該カーボンペーストを撥水性シートに塗布する工程と、該撥水性シートに塗布された該カーボンペーストを加熱して溶媒を蒸発させて除去することにより該撥水性シート上にカーボンフィルムを形成する工程とを備えることを特徴とする。
【００２４】
本発明のカーボンフィルムの製造方法によれば、本発明のカーボンペーストを調製し、該カーボンペーストを前記撥水性シートに塗布した後、加熱して溶媒を蒸発させて除去することにより容易に該撥水性シート上にカーボンフィルムを形成することができる。
【００２５】
また、本発明の熱拡散カーボンシートは、本発明のカーボンフィルムと、該カーボンフィルムの一方の表面上に形成された第１の粘着層と、該第１の粘着層を介して該カーボンフィルムに接合される遮熱層とを備えることを特徴とする。
【００２６】
本発明の熱拡散カーボンシートによれば、ＩＴ機器にその面方向に沿って配設されたときに、前記遮熱層により厚さ方向の熱伝導性を抑制することができ、前記カーボンフィルムの面方向の熱伝達をより効果的に行うことができる。
【００２７】
また、本発明の熱拡散カーボンシートは、前記カーボンフィルムの前記第１の粘着層と反対側の表面に第２の粘着層を備えることが好ましい。本発明の熱拡散カーボンシートは、前記第２の粘着層を備えることにより、該第２の粘着層を介して前記ＩＴ機器に接合することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明のカーボンフィルムの製造方法を示すフローチャート。
【図２】本発明の熱拡散カーボンシートの構成を拡大して示す模式的断面図。
【図３】図２に示す熱拡散カーボンシートの粘着層に用いる両面粘着テープの構成を示す模式的断面図。
【図４】本発明の熱拡散カーボンシートの性能を試験する装置の構成を示す模式的断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
【００３０】
本実施形態のカーボンフィルムは、炭素質材料としてのカーボンナノチューブとグラファイトとの合計量に対し、カーボンナノチューブが２．７３〜２７．３質量％の範囲にある。この結果、本実施形態のカーボンフィルムは、前記グラファイトのみからなる場合に比較して熱伝達性を改良することができ、面方向において優れた熱伝達性を得ることができる。
【００３１】
また、本実施形態のカーボンフィルムは、炭素質材料としての前記カーボンナノチューブと前記グラファイトとの質量比を前記範囲とするために、該カーボンフィルムの全量に対し、２．０５〜２５．９質量％の範囲のカーボンナノチューブと、６９．１〜７２．９５質量％の範囲のグラファイトと、５〜２５質量％の範囲のアクリル樹脂とからなる。前記カーボンフィルムは、前記カーボンナノチューブと前記グラファイトとが前記アクリル樹脂をバインダーとして結合されている。
【００３２】
前記カーボンナノチューブは、単層又は複層のいずれであってもよいが、例えば平均径が５〜１３ｎｍ、長さが６〜１５μｍの範囲にあるものを用いることができる。また、前記グラファイトは、天然グラファイト又は人工グラファイトのいずれであってもよいが、例えば平均粒子径が１〜３０μｍの範囲にあるものを用いることができる。
【００３３】
次に、図１を参照して、本実施形態のカーボンフィルムの製造方法について説明する。本実施形態のカーボンフィルムを製造するときには、まず、図１のＳＴＥＰ１に示すように、前記カーボンナノチューブを第１の溶媒に分散させて、全量に対し３〜３０質量％の範囲の該カーボンナノチューブを含む第１の分散液を調製する。前記第１の溶媒としては、例えば、Ｎ−メチル−２−ピロリドン又はアルコールを用いることができる。前記アルコールとしては、イソプロピルアルコール、エチルヘキサノール等を挙げることができる。
【００３４】
次に、ＳＴＥＰ２で、前記グラファイトを第２の溶媒に分散させてなり全量に対し４５〜９２質量％の範囲の該グラファイトを含む第２の分散液を調製する。前記第２の溶媒としては、トルエン、キシレン、酢酸ブチル、メチルエチルケトン等を用いることができる。
【００３５】
次に、ＳＴＥＰ３で、前記第１の分散液と前記第２の分散液とを混合し、得られた混合液にさらにアクリル系塗料を混合して、カーボンペーストを調製する。このとき、前記第１の分散液は６．８〜８６３質量部の範囲とし、前記第２の分散液は７５．１〜１６２．１質量部の範囲として、前記混合液を調製する。また、前記アクリル系塗料は、５〜２５質量％の範囲のアクリル樹脂を含むものを２０〜５００質量部の範囲で前記混合液に混合する。
【００３６】
前記混合は、例えば出力６００Ｗ、周波数２０±０．５ｋＨｚの超音波の照射下に１２時間行う。前記超音波照射下の混合には、市販の超音波分散機（例えば、株式会社エスエムテー製、商品名：ＵＨ−６００Ｓ）を用いることができる。
【００３７】
次に、ＳＴＥＰ４で、前記カーボンペーストを撥水性シートに塗布する。前記撥水性シートは、前記カーボンペーストに含まれる前記アクリル樹脂と親和性が低いものであればよく、例えばフッ素樹脂、ポリプロピレン等の樹脂からなるシートを用いることができる。前記塗布は、ブレードコーティング、スクリーン印刷、スプレー塗布、静電塗装等、それ自体公知の方法により、湿潤状態での膜厚が例えば５０μｍとなるようにして行うことができる。
【００３８】
次に、ＳＴＥＰ５で、前記撥水性シートに塗布された前記カーボンペーストを乾燥させる。前記乾燥は、例えば、前記カーボンペーストが塗布された長尺の前記撥水性シートを赤外線乾燥炉（例えば、富士科学器械株式会社社製）に連続的に供給して、８０〜１２０℃の範囲の温度に５〜３０分間の範囲の時間保持することにより行うことができる。
【００３９】
この結果、湿潤状態での膜厚が５０μｍであった場合には、乾燥状態での膜厚が１０〜４０μｍの範囲のカーボンフィルムを前記撥水性シート上に形成することができる。
【００４０】
前記カーボンフィルムは、次にＳＴＥＰ６で前記撥水性シートを剥離することにより完成する。
【００４１】
次に、前述のカーボンフィルムを用いる本実施形態の熱拡散カーボンシートについて説明する。図２に示すように、本実施形態の熱拡散カーボンシート１は、カーボンフィルム２のＩＴ機器３と反対側の表面に第１の粘着層４ａを備え、第１の粘着層４ａを介して遮熱層５に接合されている。また、カーボンシート１は、カーボンフィルム２のＩＴ機器３側の表面に、ＩＴ機器３との接合のために第２の粘着層４ｂを備えていてもよい。
【００４２】
粘着層４ａ，４ｂは、図３に拡大して示すように、ポリエチレンテレフタレート製フィルム６の両面にアクリル樹脂系接着剤層７ａ，７ｂを備える両面粘着テープ（例えば、日栄化工株式会社製、商品名：Ｎｅｏ  Ｆｉｘ  １０又はＮｅｏ  Ｆｉｘ  ２０）により構成されている。熱拡散カーボンシート１が第２の粘着層４ｂを備えている場合、ＩＴ機器３に接合される前には第２の粘着層４ｂはＩＴ機器３側の表面を被覆する剥離フィルムを備えていることが好ましい。
【００４３】
カーボンフィルム２は前述のように前記カーボンナノチューブ及び前記グラファイトのバインダーとしてアクリル樹脂を含むので、粘着層４ａ，４ｂを形成する両面粘着テープのアクリル樹脂系接着剤層７ａ，７ｂと高い親和性を得ることができる。この結果、カーボンフィルム２は粘着層４ａと強固に接合しており、粘着層４ａを介して遮熱層５と接合することができる。また、カーボンフィルム２は粘着層４ｂを備えるときには、粘着層４ｂとも強固に接合しており、粘着層４ｂを介してＩＴ機器３と接合することができる。
【００４４】
遮熱層５は、ＩＴ機器３の熱が厚さ方向に伝達されることを抑制し、カーボンフィルム２の面方向への拡散を促進する機能を備えている。このため、遮熱層５はカーボンフィルム２よりも熱伝導度の低い材料のフィルムからなり、このような材料として、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリカーボネート等を挙げることができる。
【００４５】
前記構成を備える熱拡散カーボンシート１によれば、ＩＴ機器３の熱が厚さ方向に伝達されることを抑制し、カーボンフィルム２の面方向へ優先的に拡散させた後、厚さ方向に伝達させることができる。従って、熱拡散カーボンシート１によれば、ＩＴ機器の使用者の不快感を十分に解消することができる。
【００４６】
次に、図４に示す試験装置１０を用いて、熱拡散カーボンシート１の性能を試験した。試験装置１０において、ＩＴ機器３は配線基板１１と配線基板１１上に実装された発熱素子１２とを備え、配線基板１１は図示しない電源に接続されている。一方、熱拡散カーボンシート１は、第２の粘着層４ｂのＩＴ機器３側の表面に厚さ０．５ｍｍのアルミニウム板１３が接合されており、アルミニウム板１３を介して発熱素子１２に接触している。
【００４７】
本実施形態では、発熱素子１２を２００℃の温度とした後、６０分経過後に、遮熱層５の発熱素子１２の直上の測定位置Ａと、測定位置Ａから水平に５０ｍｍの距離を隔てた測定位置Ｂとの温度を測定した。また、熱拡散カーボンシート１を構成するカーボンフィルム３として、カーボンナノチューブとグラファイトとの合計量に対するカーボンナノチューブの含有量が１３．６５質量％（実施例１）、１８．２質量％（実施例２）、２７．３質量％（実施例３）、０．０９質量％（比較例１）、０．１８質量％（比較例２）、３６．４質量％（比較例３）の６種類を用意して性能を比較した。尚、カーボンナノチューブとグラファイトとの合計量に対するカーボンナノチューブの含有量を２７．３質量％を超える３６．４質量％とした比較例３では、カーボンフィルム３を形成することができなかった。
【００４８】
結果を表１に示す。
【００４９】
【表１】
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【００５０】
表１から、カーボンナノチューブとグラファイトとの合計量に対するカーボンナノチューブの含有量が１３．６５〜２７．３質量％の範囲にある実施例１〜３の熱拡散カーボンシートによれば、発熱素子１２の直上の測定位置Ａの温度が５３．８〜５８．２℃であって、カーボンナノチューブとグラファイトとの合計量に対するカーボンナノチューブの含有量が２．７３質量％未満の０．０９〜０．１８質量％の範囲にある比較例１〜２の熱拡散カーボンシートの７５．６〜９２．８℃よりも低く、厚さ方向における熱伝達を低減できることが明らかである。
【００５１】
また、実施例１〜３の熱拡散カーボンシートによれば、測定位置Ａから水平に５０ｍｍの距離を隔てた測定位置Ｂの温度が４８．１〜５１．０℃であり、測定位置Ａ，Ｂの温度差が２．８〜１０．１℃であって、比較例１〜２の熱拡散カーボンシートにおける測定位置Ａ，Ｂの温度差３３．３〜５３．０℃よりも小さく、面方向における熱伝達性に優れていることが明らかである。
【符号の説明】
【００５２】
１…熱拡散カーボンシート、  ３…カーボンフィルム、  ４ａ…第１の粘着層、  ４ｂ…第２の粘着層、  ５…遮熱層。
【図１】
2016023090.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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