(57)【要約】【課題】本発明は、熱伝導率に優れ、放熱性能の高い放熱構造を安価に提供することを課題とする。【解決手段】本発明に係る放熱構造は、少なくとも、基板と、該基板の少なくとも一表面に形成された、テンプレート層の孔部側面形成層を除去して得られた孔部底面形成層と、該孔部底面形成層から成長した複数のファイバー状の炭素前駆体又は炭素構造体と、を有し、該複数の炭素前駆体又は炭素構造体が基板面に対して略垂直方向に配向して、炭素前駆体又は炭素構造体を有する層が形成されていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、
基板と、
該基板の少なくとも一表面に形成された、テンプレート層の孔部側面形成層を除去して得られた孔部底面形成層と、
該孔部底面形成層から成長した複数のファイバー状の炭素前駆体又は炭素構造体と、
を有し、
該複数の炭素前駆体又は炭素構造体が基板面に対して略垂直方向に配向して、炭素前駆体又は炭素構造体を有する層が形成されていることを特徴とする放熱構造。
【請求項２】
前記テンプレート層が、金属の陽極酸化層であることを特徴とする請求項１に記載の放熱構造。
【請求項３】
前記テンプレート層が、Ａl、Ｎi、又はＴiを陽極酸化して得られた陽極酸化層である
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の放熱構造。
【請求項４】
前記基板が、Ａl、Ｎi、Ｔi、又はＣuのいずれかであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一に記載の放熱構造。
【請求項５】
前記炭素前駆体又は炭素構造体を有する層の厚さが１μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一に記載の放熱構造。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一に記載の放熱構造を発熱体及び／又は放熱体の表面に接触させて使用することを特徴とする放熱装置。
【請求項７】
基板の少なくとも一表面に、複数の孔を有するテンプレート層を形成する工程と、
該テンプレート層の孔中に、熱分解による炭素化の過程で液状化する有機高分子化合物を、その液状化段階で浸透・充填させて加熱して、炭素前駆体又は炭素構造体を形成する工程と、
該テンプレート層の、孔側面形成部分を除去する工程と、
を有することを特徴とする放熱構造の製造方法。
【請求項８】
前記テンプレート層の形成を、少なくとも表面が金属である基板を陽極酸化することにより行うことを特徴とする請求項７に記載の放熱構造の製造方法。
【請求項９】
前記金属が、Ａl、Ｎi、又はＴiであることを特徴とする請求項８に記載の放熱構造の
製造方法。
【請求項１０】
前記加熱温度が、１０００℃以上であることを特徴とする請求項７〜９のいずれか一に記載の放熱構造の製造方法。
【請求項１１】
前記有機高分子化合物が、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、又はポリアクリルアミド（ＰＡＡ）であることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか一に記載の放熱構造の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱体及び／又は放熱体に接触するように用いられる放熱構造であって、熱抵抗の低い放熱構造に関する。より詳しくは、基板表面に微小突起物を有することにより相手材との接触性に優れる放熱構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
パーソナルコンピュータやモバイル電子機器の高機能化、高密度実装化に伴い、ＣＰＵ、ＧＰＵ、チップセット、メモリーチップ等の発熱源の単位面積あたりの発熱量が飛躍的に増大しており、放熱装置の高性能化が求められている。放熱装置の一つとして簡易でかつ効果的な方法は、発熱源の表面に放熱シートを貼り付けたりグリースを介在させたりして熱抵抗を低下させる方法である。
【０００３】
このような放熱材料は、高い熱伝導率を持つことはもちろんであるが、発熱源表面に存在する微小な凹凸の隙間に、隙間なく入り込むことにより接触熱抵抗を低くしている。隙間が空いた場合は、そこに熱伝導率の極めて低い空気が介在するために、発熱源との間の接触熱抵抗が大きくなってしまう。
【０００４】
このような凹凸への追従性を持たせるために、一般には放熱シートの材質としては、柔らかい樹脂が用いられる。これらの材料は、一般的には樹脂中に高熱伝導率の粒子を分散した材料である。高熱伝導率粒子としては、熱伝導率が４００Ｗ／ｍＫ程度あるＡgやＣuなどの金属粒子（特許文献１）や、Ａl2Ｏ3、ＡlＮなどのセラミックス粒子が用いられることが多い（特許文献２）。また、熱伝導率の高いフィラーとしては、カーボンナノチューブがよく知られている。
しかし、従来の高熱伝導率粒子を利用した放熱シートには、樹脂中にこれらの粒子が分散して存在するために、高い熱伝導率は得られないという問題点があった。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−００３８２９号公報
【特許文献２】特開２００５−１３９２６７号公報
【特許文献３】特許第３１８３８４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで本発明は上記問題点に鑑みて、熱伝導率に優れ、放熱性能の高い放熱構造、及び放熱構造を安価に製造する方法を提供することを課題とする。また、該放熱構造を発熱体及び／又は放熱体に接触させて用いる放熱装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、これまでに、上記放熱材料の代わりに金属等の基板表面にカーボンナノチューブが長さ方向に配向した層を形成し、カーボンナノチューブ、特にカーボンナノチューブの先端を発熱源等の相手材表面に接触させることにより効率よく熱を吸い上げることができる、すなわち、カーボンナノチューブと発熱源との接触熱抵抗を極めて低下させ得ることを見出した。また、発熱源の表面に対してカーボンナノチューブを垂直に接触させることで低い熱抵抗が実現できることも見出している。
【０００８】
カーボンナノチューブの長さ方向の熱伝導率はダイヤモンドに匹敵するとも言われており、例えば、カーボンナノチューブの先端を発熱体表面に接触させると、微細なカーボンナノチューブの先端が発熱体表面の凹凸部分に極めて良好に接触し、低い熱抵抗が得られ
る。このように、カーボンナノチューブが相手材（発熱体、放熱体等）に対して垂直に接触することが重要である。
【０００９】
基板面に対して垂直に成長したカーボンナノチューブは例えば昇華法と呼ばれる方法で合成できる（詳しくは特許文献３を参照）。すなわち、真空下において、ＳiＣ基板が分
解してケイ素原子が失われる温度に加熱すると、ＳiＣが分解して珪素原子が失われる。
このとき、ケイ素原子はＳiＣ結晶の表面から順に失われるため、まずＳiＣ結晶の表面がケイ素原子の欠乏した層（炭素層）に変化し、このＳi除去層（炭素層）が次第に元のＳiＣ結晶の内部に浸透するように厚みを増す。この層を顕微鏡で観察すると、カーボンナノチューブがＳiＣ表面から垂直に生成している層であることが知られている。
【００１０】
しかし、昇華法でカーボンナノチューブを合成するためには高温が必要であり、耐熱性の低い金属等の表面に直接カーボンナノチューブを形成することができないという問題がある。
本発明は上記課題に加えて、このような問題点を解決すべくされたものであり、以下の特徴を持つ。
【００１１】
（１）本発明に係る放熱構造は、少なくとも、基板と、該基板の少なくとも一表面に形成された、テンプレート層の孔部側面形成層を除去して得られた孔部底面形成層と、該孔部底面形成層から成長した複数のファイバー状の炭素前駆体又は炭素構造体と、を有し、該複数の炭素前駆体又は炭素構造体が基板面に対して略垂直方向に配向して、炭素前駆体又は炭素構造体を有する層が形成されていることを特徴とする。
（２）上記（１）に記載の放熱構造であって、前記テンプレート層が、金属の陽極酸化層であることを特徴とする。
（３）上記（１）又は（２）に記載の放熱構造であって、前記テンプレート層が、Ａl、
Ｎi、又はＴiを陽極酸化して得られた陽極酸化層であることを特徴とする。
【００１２】
（４）上記（１）〜（３）のいずれか一に記載の放熱構造であって、前記基板が、Ａl、
Ｎi、Ｔi、又はＣuのいずれかであることを特徴とする。
（５）上記（１）〜（４）のいずれか一に記載の放熱構造であって、前記炭素前駆体又は炭素構造体を有する層の厚さが１μｍ以上であることを特徴とする。
（６）本発明に係る放熱装置は、上記（１）〜（５）のいずれか一に記載の放熱構造を、発熱体及び／又は放熱体の表面に接触させて使用することを特徴とする。
【００１３】
（７）本発明に係る放熱構造の製造方法は、基板の少なくとも一表面に、複数の孔を有するテンプレート層を形成する工程と、該テンプレート層の孔中に、熱分解による炭素化の過程で液状化する有機高分子化合物を、その液状化段階で浸透・充填させて加熱して、炭素前駆体又は炭素構造体を形成する工程と、該テンプレート層の、孔側面形成部分を除去する工程と、を有することを特徴とする。
（８）上記（７）に記載の放熱構造の製造方法であって、前記テンプレート層の形成を、少なくとも表面が金属である基板を陽極酸化することにより行うことを特徴とする。
（９）上記（８）に記載の放熱構造の製造方法であって、前記金属が、Ａl、Ｎi、又はＴiであることを特徴とする。
【００１４】
（１０）上記（７）〜（９）のいずれか一に記載の放熱構造の製造方法であって、前記加熱温度が、１０００℃以上であることを特徴とする。
（１１）上記（７）〜（１０）のいずれか一に記載の放熱構造の製造方法であって、前記有機高分子化合物が、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、又はポリアクリルアミド（ＰＡＡ）であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によると、微細なファイバー状炭素構造体が相手材の表面の凹凸に良好に接触する優れた放熱構造を安価なプロセスで作製することができる。
また、ファイバー状炭素構造体は多孔質で弾性率が小さいために、異なる熱膨張係数の材料間に挿入して使用することにより、両者の間の熱応力を緩和し、剥離等を生じさせず、かつ熱が伝搬しやすい放熱構造となる。本発明に係る放熱構造を用いた放熱装置は、パソコン等の家電部品を初めとする電子デバイス、自動車部品、構造材料等、接触により熱抵抗が発生する部位に用いることで、システムの放熱能力を増大させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明に係る放熱構造は、金属等の熱伝導率の高い基板の表面に形成された孔径がナノメートル、マイクロメートルレベルの孔を持つ表面テンプレート層の孔部から形成されたカーボンナノチューブ等のファイバー状の黒鉛構造体又は、その前駆体が成長した構造を持つ。例えばこれを発熱源に接触させることで、発熱源から本材料に効率よく熱を移動させることができる。
【００１７】
本発明に係る放熱構造は、少なくとも、基板と、該基板の少なくとも一表面に形成された、テンプレート層の孔部側面形成層を除去して得られた孔部底面形成層と、該孔部底面形成層から成長した複数のファイバー状の炭素前駆体又は炭素構造体と、を有し、該複数の炭素前駆体又は炭素構造体が基板面に対して略垂直方向に配向して、炭素前駆体又は炭素構造体を有する層が形成されていることを特徴とする。
【００１８】
製造過程において基板表面に形成するテンプレート層は、孔径がナノメートル、マイクロメートルレベルの多数の孔を持つ。なお、本発明においては、テンプレート層を、概念的に孔部側面形成層と孔部底面形成層とに分けて説明する。孔部底面形成層とは、陽極酸化金属と基板とが接触するいわゆるバリア層のことであり、微細孔の底面部分を形成し基板との界面部分までの陽極酸化層をいう。また、孔部側面形成層とは、孔部底面形成層から外側の、微細孔の側面部分を形成している陽極酸化金属部分のことをいう。孔部側面形成層と孔部底面形成層とは、境界によって厳密に区別されるものではなく、後述する炭素前駆体をテンプレート層から露出させる際に除去されるテンプレート層部分が孔部側面形成層であるともいえる。
【００１９】
該テンプレート層中のナノ、マイクロメートルレベルの微細孔に、熱分解による炭素化の過程で液状化する有機高分子化合物を、その液状化段階で浸透・充填させ、次いで炭化することにより、前記構造体を作製することができる。本発明においては、該構造体はテンプレート層の孔部底面形成層に密着して形成されていることを特徴とする。
【００２０】
本発明は、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）、又はＰＡＡ（ポリアクリルアミド）などのある種の有機高分子化合物が熱分解の過程で液状化するという性質を利用し、ナノメートルレベルの孔径を持つ表面層をテンプレートとして、これらの微小サイズの孔に液状化段階にある原料物質を浸透・充填させて炭化させることにより、これらの孔をテンプレートとするナノ、マイクロメートルレベルの炭素構造体、もしくはその前駆体を形成するものである。
【００２１】
このような熱分解によって炭化する過程で液状化、若しくはピッチ状となって流動性を示す有機高分子材料は、本明細書に挙げた例にとどまらないが、これらの有機高分子化合物の液状化の際の流動性やテンプレートの材質に対する濡れ性、或いは目的とする炭素構造体のサイズ、アスペクト比等から多くの組合せが可能であるから、目的とするカーボンナノ構造材料に応じてこれらの条件を勘案して適宜選定することができる。
【００２２】
該テンプレート層としては、例えばアルミニウム等の金属の陽極酸化層を用いることができる。陽極酸化とは、アルミニウム板を電解液中で、数十ボルトの電界を印加することにより、その表面から多孔質アルミナに変質させていくプロセスであり、直径が数ナノメートルから数ミクロン程度の微細孔が規則的なピッチで基板面に対して垂直方向に林立した多孔質構造が得られる。電解液としては、シュウ酸、硼酸アンモニウム、リン酸アンモニウム、アジピン酸アンモニウム等の水溶液がよく用いられる。
アルミニウム以外では、ニッケル、チタンなどが陽極酸化によりアルマイトと似た微細孔を持つテンプレート層が得られる。
【００２３】
前記基板としては、表面が陽極酸化可能な上記金属であれば、その他の部分の材質は特に限定されるものではない。しかし、放熱体として用いることから熱伝導率に優れるものであることが好ましい。例えば、アルミニウム、ニッケル、チタン、又は銅などが好ましい。
【００２４】
本発明に係る放熱構造は、基板表面に形成された炭素前駆体又は炭素構造体を有する層中の炭素前駆体又は炭素構造体の先端を、発熱源等の相手材表面に接触させることにより低い熱抵抗が実現できる。また、基板表面に対して略垂直に前記構造体が形成されているため、効率よく熱を伝えることができる。
このため炭素前駆体又は炭素構造体を有する層の厚さは重要であるが、１μｍ以上であれば、ほぼ相手材表面の微細な凹凸に隙間なく接触することが可能となる。なお、基板面に対して略垂直であるとは、該構造体が基板面に対して概ね垂直方向に立設されていることをいい、所々で他方向を向いていたり、屈曲していたりしても構わない。
【００２５】
また、本発明に係る放熱構造を、発熱体及び／又は発熱体の表面に接触させて用いる放熱装置は、熱の伝搬性能に優れた放熱装置となる。また、熱膨張係数の異なる部材間に挿入して用いられる装置であっても、両部材間の熱応力を緩和し、剥離等の不具合を生じさせることがなく、良好な装置となる。
【００２６】
本発明に係る放熱構造の製造方法は、基板の少なくとも一表面に、複数の孔を有するテンプレート層を形成する工程と、該テンプレート層の孔中に、熱分解による炭素化の過程で液状化する有機高分子化合物を、その液状化段階で浸透・充填させて加熱して、炭素前駆体又は炭素構造体を形成する工程と、該テンプレート層の、孔側面形成部分を除去する工程と、を有することを特徴とする。かかる製造方法の一例を図１に基づいて以下に述べる。
【００２７】
まず、アルミニウム基板の両面に陽極酸化アルミナ（アルマイトと呼ばれる）層を形成しておく（図１（ａ）、（ｂ））。かかるアルマイト層は、ナノメートル、マイクロメートルレベルの微細孔を有する多孔質層であり、炭素前駆体を形成する際のテンプレートとして用いられる。
【００２８】
上記アルマイト層中の孔に、前記高分子材料を含浸させる。その後、５００℃程度の比較的低温で加熱処理して孔中の高分子材料を炭素前駆体に転化させる（図１（ｃ））。これにより炭素前駆体は、テンプレート層の孔部底面形成層に密着して形成される。炭素前駆体とは、主として炭素からなる非晶質材を意味する。
【００２９】
その後、液中でアルマイト層の孔部側面形成層のみを溶解して除去することにより、アルミニウム基板から炭素前駆体のみが林立した構造体が得られる（図１（ｄ））。最終的にこれを大凡１０００℃で加熱すると炭素前駆体が炭素構造体（結晶質）に転化するのである。
【００３０】
炭素前駆体は非晶質なので、それ自体熱伝導率は高くないが、熱抵抗を決定する大きな因子は熱伝導率よりも接触状態であり、ファイバーが相手材の表面の凹凸部に接触することの方が重要である。
【００３１】
熱伝導率の高い炭素構造体にまで転化させるためには高温が必要なので、融点の低いアルミニウム基板は使えないが、銅やチタン、ニッケル等の金属は使用可能である。銅やニッケルは陽極酸化を用いて前記した微細孔からなる上記テンプレート層を形成することは難しいので、例えば、銅基板の表面部にアルミニウムやチタンをコーティングしておき、これを陽極酸化する等の手法が使える。なお、本発明に係る放熱構造の製造方法により、基板表面にファイバー状構造物を有する層を容易に作製することができる。また、該構造物は、カーボンナノチューブにのみならず、黒鉛に似た層状構造炭素等の、炭素構造体又はその前駆体等を形成することが可能となる。
【００３２】
ファイバー形状の炭素前駆体又は炭素構造体からなる層の厚さは１μｍ以上であることが好ましい。これを下回ると、相手材の表面の凹凸の隙間に侵入して良好な接触が得られず熱抵抗が高くなる場合がある。１０μｍ以上あると、相手材の形状のうねりに追従しやすくなるので平坦度の低い相手材の場合には有効である。
【実施例】
【００３３】
＜基板＞
基板として１０×１０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの下記基板を用いた。
[１]アルミニウム
[２]チタン
[３]銅、ニッケル基板の両面に、各種厚さのアルミニウム、チタンをＰＶＤ法でコーティングした。
【００３４】
＜テンプレート層の形成：陽極酸化＞
[１]表面がアルミニウムの場合
硫酸又はシュウ酸溶液中で、各種条件で陽極酸化することにより、基板表面に陽極酸化多孔質皮膜を形成した。
[２]表面がチタンの場合
１．５Ｍ Ｈ2ＳＯ4−０．３Ｍ Ｈ3ＰＯ4−０．３Ｍ Ｈ2Ｏ2系電解浴中で陽極酸化した
。
【００３５】
＜ファイバーの形成＞
基板面積１ｃｍ2に対し、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ：積水化学製ＴＳ−１０００Ｒ）、
又はポリビニルアルコール（ＰＶＡ：ユニチカ製ＵＰ−１８０）の粉末を０．１〜０．２ｇの割合で混合し、アルミナボートに入れてアルゴン雰囲気中で３００℃に昇温して３０min保持後、さらに６００℃まで昇温して１ｈ保持した。
【００３６】
＜テンプレートの除去＞
[１]表面がアルミニウムの場合
再び上記陽極酸化液に浸漬し、電流値を１００ｍＡで数分間陽極酸化することで多孔質層（上記陽極酸化多孔質皮膜）を崩壊させて、孔部側面形成層を除去した。
[２]表面がチタンの場合
再び上記陽極酸化液に浸漬し、電流値を４５０ｍＡで数分間陽極酸化することで多孔質層（上記陽極酸化多孔質皮膜）を崩壊させて、孔部側面形成層を除去した。
【００３７】
＜炭素化処理＞
一部の試料は、アルゴン雰囲気中で、各種温度で熱処理して炭素化させた。
電子顕微鏡により観察した結果、前駆体及び炭素構造体は共にファイバー状の形態をしていた。
Ｘ線回折によりファイバーの生成相を同定した。熱処理により前駆体は黒鉛に似た層状構造炭素（乱層構造炭素と呼ぶ）となった。
【００３８】
＜熱抵抗の測定＞
図２に示すように、幅１０×１０ｍｍ、厚さ２０ｍｍのＣu製ホルダの各位置に熱電対
を埋め込んだＣuホルダの間に試料を設置し、３．７５ｋｇ／ｃｍ2の圧力で押さえつけた。上部からＡlＮヒータで、１３Ｖ、２５０ｍＡで加熱して熱量Ｑを付加した。上下のＣuホルダの各位置の温度を測定し、定常状態になるまで保持した。Ｃuホルダの周囲は断熱
材で囲った。
定常状態に達した時の、各Ｃuホルダ内の温度勾配から、試料の表面温度（Ｔ１）と裏
面温度（Ｔ２）を外挿して算出した。
Ｃuホルダの表面加工は、図３に示すように、凸型とし、最大うねりを１２．２μｍ、
表面粗さであるＲzを１．１μｍとした。
【００３９】
熱抵抗は下記の式で算出した。
熱抵抗の測定（Ｋ／Ｗ）＝（Ｔ１−Ｔ２）／Ｑ・・・（式）
【００４０】
比較例として、基板自体の熱抵抗も測定した（試料Ｎｏ．１、３、７及び９）。
結果を表１に示す。本発明に係る放熱構造は熱抵抗が低く、高い放熱性を示した。
【００４１】
【表１】
2009272507.tif 000003
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明に係る放熱構造の製造方法の一例の概略を表す図である。
【図２】実施例において使用した熱抵抗を測定する装置の概略を表す図である。
【図３】上記熱抵抗測定装置に使用した銅ホルダの概略を表す図である。
【図１】
2009272507.tif 000004
【図２】
2009272507.tif 000005
【図３】
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