熱伝導性シート
【課題】熱伝導性に優れる熱伝導性シートを提供すること。
【解決手段】結晶子サイズ、平均繊維長、平均繊維径、繊維径の分散を制御したピッチ系炭素繊維フィラーとアスペクト比が３以下の無機化合物を混合し、その混合物のかさ密度が、ピッチ系炭素繊維フィラーと無機化合物の平均かさ密度より高くなる状態で、マトリクスと複合し、熱伝導性シートを作成する。
【解決手段】結晶子サイズ、平均繊維長、平均繊維径、繊維径の分散を制御したピッチ系炭素繊維フィラーとアスペクト比が３以下の無機化合物を混合し、その混合物のかさ密度が、ピッチ系炭素繊維フィラーと無機化合物の平均かさ密度より高くなる状態で、マトリクスと複合し、熱伝導性シートを作成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピッチ系炭素繊維フィラー及び球状もしくは板状無機化合物を含む熱伝導性シートに関わるものである。さらに詳しくは、メルトブロー法によって作製したピッチ系炭素繊維フィラーの結晶子サイズや繊維径、黒鉛化度、無機化合物と複合した時のかさ密度を制御し、さらに樹脂に複合化させて形成した熱伝導性シートである。更に、球状もしくは板状無機化合物のモース硬度を制御し、さらに樹脂に複合化させて形成した熱伝導性シートであり、電子部品の放熱板や熱交換器、電磁波遮蔽に好適に使用される。
【背景技術】
【０００２】
高性能の炭素繊維はポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）を原料とするＰＡＮ系炭素繊維と、一連のピッチ類を原料とするピッチ系炭素繊維に分類できる。そして炭素繊維は強度・弾性率が通常の合成高分子に比較して著しく高いという特徴を利用し、航空・宇宙用途、建築・土木用途、スポーツ・レジャー用途などに広く用いられている。
【０００３】
近年、省エネルギーに代表されるエネルギーの効率的使用方法が注目されている一方で、高速化されたＣＰＵや電子回路のジュール熱による発熱が問題になっている。これらを解決するためには、熱を効率的に処理するという、いわゆるサーマルマネジメントを達成する必要がある。
【０００４】
炭素繊維は、通常の合成高分子に比較して熱伝導率が高く、放熱性に優れていると言われている。炭素繊維など炭素材料は、フォノンの移動により高い熱伝導率を達成すると言われている。このフォノンは、結晶格子が発達している材料において良く伝達する。実際は、市販のＰＡＮ系炭素繊維の熱伝導率は通常２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）よりも小さく、サーマルマネジメントの観点からは必ずしも好適であるとは言い難い。これに対して、ピッチ系炭素繊維は黒鉛化性が高いために結晶格子が良く発達し、ＰＡＮ系炭素繊維に比べて高熱伝導率を達成しやすいと認識されている。
【０００５】
炭素繊維以外に熱伝導性が優れた物質として、酸化アルミニウムや窒化ホウ素、窒化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、炭化ケイ素、シリカ、水酸化アルミニウムなどの金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、金属水酸化物などが知られている。しかし、金属材料系の充填材は比重が高く複合材としたときに重量が大きくなってしまう。また、炭素系材料であるカーボンブラック等の球形材料は、添加量が高くなると、粉落ちが発生し、特に電子機器においては、その導電性が機器に悪影響を与える。これに対して、炭素繊維は比重が小さく金属材料系の充填材と同じ体積で添加した場合、複合材の重量を軽くできるというメリットがあるのみならず、その形状が繊維状であることより、カーボンブラックを使用したときの様な粉落ちが起こり難く、更には複合材の補強硬化を示すというメリットもある。
【０００６】
次にサーマルマネジメントに用いる複合材の特徴について考察する。炭素繊維の高い熱伝導率を効果的に利用するためには、何らかのマトリクスを介在させた状態において炭素繊維がネットワークを形成していることが好ましい。特にネットワークが三次元的に形成されている場合には、成形体の面内方向のみならず厚み方向に対しても炭素繊維の高い熱伝導が達成されることが予想される。しかし現実には、炭素繊維同士が交絡した場合、空隙が発生する。空隙部分は輻射により熱伝導が行われるが、炭素繊維もしくはマトリクスにより行われる伝熱より効率が劣るため、複合材としての熱伝導性が低下することになる。
【０００７】
そのため、複合材の熱伝導性を向上させるため、炭素繊維と球状粒子を混合させた複合材が検討されてきた（特許文献１、２、３）。しかし、炭素繊維と球状粒子を混ぜるだけでは、熱伝導性は向上するが、無機粒子を混ぜることにより成形時の粘度が大幅に向上し、成形性が低下する問題があった。
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−２６５４４１号公報第１頁
【特許文献２】特開２００５−３２０５１５号公報第１頁
【特許文献３】特開２００５−２１３４５９号公報第１頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記のように、炭素繊維、特にピッチ系炭素繊維の高熱伝導率という観点からサーマルマネジメント用途の開発が進みつつある。しかし、サーマルマネジメントの観点からは成形体としての熱伝導性が高くなっていることが必要とされている。更に、成形体を得る際に、成形性に優れることが求められている。
そこで、適切な熱伝導率を有し、さらに成形体の三次元的な熱伝導性が向上し、加えて成形性に優れる熱伝導性シートが強く望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、複合材の特に厚み方向の熱伝導度を向上させること及び複合材の成形性の向上を鑑み、一つに炭素繊維の集合状態に着目し、その集合状態が３次元的にランダムな場合に、熱伝導性シートの熱伝導率が著しく改善されることを見出し、さらに球状もしくはアスペクト比が３以下の無機化合物を炭素繊維の交絡によって発生する空隙に充填効率よく埋め込むことで、熱伝導性を改善しつつ、成形性を低下させないことで、優れた熱伝導性及び成形性を併せ持った熱伝導性シートを得ることに到達した。
【００１１】
即ち、本発明の目的は、ピッチ系炭素繊維フィラーとフィラーとアスペクト比が３以下の無機化合物とを含む熱伝導性シートであって、該熱伝導性シートのかさ密度が、それを構成するピッチ系炭素繊維フィラーのかさ密度及び含有率、該無機化合物のかさ密度及び含有率から算出される平均かさ密度よりも大きいことを特徴とする熱伝導性シートによって達成することができる。
【００１２】
更に本発明には、ピッチ系炭素繊維フィラーがメソフェーズピッチを原料とし、ピッチ系炭素繊維フィラーの六角網面の成長方向に由来する結晶子サイズが５ｎｍ以上であり、炭素繊維の平均繊維径が５〜２０μｍであり、炭素繊維の平長さが５〜６０００μｍであり、平均繊維径に対する繊維径分散の百分率（ＣＶ値）が５〜２０であることを特徴とする熱伝導性シート、球状もしくはアスペクト比が３以下の無機化合物が、シリカ、水酸化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化ベリリウム、炭化ケイ素、アルミニウム、ガラス、マグネシウム、銀、銅、スズおよびダイヤモンドからなる群より選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする熱伝導性シート、フィラーとアスペクト比が３以下の無機化合物の含有量が、ピッチ系炭素繊維フィラー１００重量部の含有量に対し、１重量部〜９００重量部であることを特徴とする熱伝導性シート、該無機化合物のモース硬度が５以下である熱伝導性シート、球状もしくはアスペクト比が３以下の無機化合物が、アルミニウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、ガラス、マグネシウム、銀、銅及びスズからなる群より選ばれる少なくとも１種である熱伝導性シートが包含される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の炭素繊維複合シートは、黒鉛結晶の広がり（六角網面の成長方向に由来する結晶子サイズ）を一定サイズ以上に制御したピッチ系炭素繊維フィラーの三次元的交絡、更に球状もしくはアスペクト比が３以下の無機化合物を、ピッチ系炭素繊維フィラーの三次元的交絡に埋め込むことで、高い熱伝導性がシート面内に発現させることを可能にせしめている。また、埋め込むことで、成形時の粘度がほとんど向上せず、成形性の低下を抑制している。更には、球状もしくはアスペクト比が３以下の無機化合物のモース硬度を５以下とすることで、ピッチ系炭素繊維フィラーの破砕を抑制することでも、高い熱伝導率が面内に発現することを可能にせしめている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に、本発明の実施の形態について順次説明する。
本発明で用いられるピッチ系炭素繊維の原料としては、例えば、ナフタレンやフェナントレンといった縮合多環炭化水素化合物、石油系ピッチや石炭系ピッチといった縮合複素環化合物等が挙げられる。その中でもナフタレンやフェナントレンといった縮合多環炭化水素化合物が好ましく、特に光学的異方性ピッチ、すなわちメソフェーズピッチが好ましい。メソフェーズピッチは、黒鉛化処理を行った際に黒鉛化度が向上しやすため、炭素繊維の熱伝導性を向上させる上で特に好ましいためである。
【００１５】
原料ピッチとなる光学異方性ピッチの軟化点はメトラー法により求めることができ、２５０℃以上３５０℃以下が好ましい。軟化点が２５０℃より低いと、不融化の際に繊維同士の融着や大きな熱収縮が発生する。また、３５０℃より高いとピッチの熱分解が生じ糸状になりにくくなる。
【００１６】
光学異方性ピッチは溶融後、ノズルより吐出しこれを冷却することによる溶融紡糸によって繊維化できる。紡糸方法としては、具体的には口金から吐出したピッチをワインダーで引き取る通常の紡糸法、熱風をアトマイジング源として用いるメルトブロー法、遠心力を利用してピッチを引き取る遠心紡糸法などが挙げられる。中でも、曲率半径の制御、生産性の高さなどの理由からメルトブロー法を用いるのが好ましい。
【００１７】
光学異方性ピッチは溶融紡糸された後、不融化、焼成、必要に応じて粉砕を経て最後に黒鉛化することによってピッチ系炭素繊維フィラーとする。以下、メルトブロー法を例にとって、各工程について説明する。
【００１８】
本発明においては、紡糸時の温度は、光学異方性ピッチの粘度が３０〜２５０ポイズの範囲にある温度であることが望ましい。更に好ましくは５０〜２００ポイズの範囲にある温度である。紡糸ノズルは、導入角αが１０〜５５°であり、吐出口長さＬと吐出口の径Ｄの比Ｌ／Ｄが６〜２０の範囲にあるノズルが好ましく用いられる。紡糸条件がこの範囲にある時、光学異方性ピッチにかかるせん断力が、芳香環をある程度配列させることできる。紡糸条件がこの条件から外れる時、例えば、粘度がより大きい、もしくは導入角がより小さい、もしくはＬ／Ｄがより大きい時などせん断力がより強くかかる条件では、配列が進みすぎて黒鉛化した際に、炭素繊維が割れやすくなる。逆に粘度がより小さい、もしくは導入角がより大きい、もしくはＬ／Ｄがより小さいなどせん断力がより小さいなどせん断力が小さくかかる条件では、芳香環があまり配列しないため、黒鉛化処理しても黒鉛化度がそれほど向上せず、高い熱伝導性が得られない。
【００１９】
ノズル孔から出糸されたピッチ繊維は、１００〜３５０℃に加温された毎分１００〜１００００ｍの線速度のガスを細化点近傍に吹き付けることによって短繊維化される。吹き付けるガスは空気、窒素、アルゴンを用いることができるが、コストパフォーマンスの点から空気が好ましい。
【００２０】
ピッチ繊維は、金網ベルト上に捕集され連続的なマット状になり、さらにクロスラップされることで３次元ランダムマットとなる。
３次元ランダムマットとは、クロスラップされていることに加え、ピッチ繊維が三次元的に交絡しているマットをいう。この交絡は、ノズルから、金網ベルトに到達する間にチムニと呼ばれる筒において達成される。線状の繊維が立体的に交絡するために、通常一次元的な挙動しか示さない繊維の特性が立体においても反映されるようになる。
【００２１】
このようにして得られたピッチ繊維よりなる３次元ランダムマットは、公知の方法で不融化する。不融化は、空気、或いはオゾン、二酸化窒素、窒素、酸素、ヨウ素、臭素を空気に添加したガスを用いて２００〜３５０℃で達成される。安全性、利便性を考慮すると空気中で実施することが好ましい。また、不融化したピッチ繊維は、真空中、或いは窒素、アルゴン、クリプトン等の不活性ガス中で６００〜１５００℃で焼成され、次いで２０００〜３５００℃で黒鉛化されるが、焼成は常圧で、且つコストの安い窒素中で実施される場合が多く、黒鉛化は使用する炉の形式に応じて、不活性ガスの種類を変更する事が一般的である。不融化後或いは焼成後、必要に応じ得られた繊維を粉砕する。粉砕は公知の方法によって行うことができる。具体的には、カッター、ボールミル、ジェットミル、クラッシャーなどを用いることができる。粉砕された炭素繊維を必要に応じて焼成し、次いで黒鉛化する。黒鉛化温度は、炭素繊維としての熱伝導率を高くするためには、２０００〜３５００℃にすることが好ましい。より好ましくは２３００〜３５００℃である。黒鉛化の際に黒鉛性のルツボに入れ処理すると、外部からの物理的、化学的作用を遮断でき好ましい。黒鉛製のルツボは上記の炭素繊維を、所望の量入れることが出来るものであるならば大きさ、形状に制約はないが、黒鉛化処理中または冷却中に炉内の酸化性のガス、または水蒸気との反応による当該炭素繊維の損傷を防ぐために、フタ付きの気密性の高いものが好適に利用できる。
【００２２】
ピッチ系炭素繊維フィラーの平均繊維径は５〜２０μｍであることが必要である。５μｍ以下の場合には、原料となるマットの形状が保持できなくなることがあり生産性が悪い。繊維径が２０μｍを超えると、不融化工程でのムラが大きくなり部分的に融着が起こったりするところが発生する。より好ましくは５〜１５μｍであり、さらに好ましくは８〜１２μｍである。
【００２３】
これに対してピッチ系炭素繊維フィラーの平均繊維長は５〜６０００μｍであることが好ましい。５μｍを下回ると繊維としての特徴が失われ、十分な熱伝導度を発揮できない。一方６０００ｍｍを超えると繊維の交絡が著しく増大し、樹脂と混合した際に粘度が非常に大きくなりハンドリングが困難になる。より好ましくは１０〜３０００μｍ、さらに好ましくは２０〜１０００ｍｍである。
【００２４】
なお、平均繊維径に対する繊維径分散の百分率として求められるＣＶ値は、５〜２０であることが好ましい。ＣＶ値が５を下回ることは工程上あり得ない。また、ＣＶ値が２０を超えると、不融化でトラブルを起こす直径２０μｍ以上の繊維が増える可能性が高くなり、生産性の観点から好ましくない。
【００２５】
本発明で用いるピッチ系炭素繊維フィラーは、六角網面の成長方向に由来する結晶子サイズが５ｎｍ以上であることが必要である。六角網面の成長方向に由来する結晶子サイズは公知の方法によって求めることができ、Ｘ線回折法にて得られる炭素結晶の（１１０）面からの回折線によって求めることができる。結晶子サイズが重要になるのは、熱伝導が主としてフォノンによって担われており、フォノンを発生するのが結晶であることに由来している。より好ましくは、２０ｎｍ以上であり、さらに好ましくは３０ｎｍ以上である。
【００２６】
本発明で用いる無機化合物は、球状もしくはアスペクト比が３以下である。形状は光学顕微鏡等で測定することができる。繊維状などアスペクト比が３より大きい形状をしていると、ピッチ系炭素繊維フィラーが交絡して形成される空隙に、無機化合物を埋め込むことができず、熱伝導性シートの熱伝導性の向上、及び成形性の低下が期待できない。
【００２７】
無機化合物に特に限定はないが、具体的にはシリカ、水酸化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化ベリリウム、炭化ケイ素、アルミニウム、ガラス、マグネシウム、銀、銅、スズ、ダイヤモンドを使用することができる。
【００２８】
無機化合物の含有量はピッチ系炭素繊維フィラー１００重量部の含有量に対し、１〜９００重量部であることが好ましい。無機化合物の含有量が１重量部より少ないと、熱伝導性接着剤の熱伝導性が向上しない。逆に、無機化合物の含有量が９００重量部より多いと、炭素繊維フィラー同士の交絡によってできる空隙に入る無機化合物の量より、含有量が多くなるため、熱伝導性シートの粘度が大幅に向上し、ハンドリング性が低下してしまう。
ハンドリングや成形性の点で、ピッチ系炭素繊維フィラー１００重量部に対し、無機化合物の含有量は好ましくは１重量部〜３００重量部である。
【００２９】
本発明の熱伝導性シートに用いるピッチ系炭素繊維フィラーとアスペクト比が３以下の無機化合物は、ピッチ系炭素繊維フィラーと無機化合物を混合した状態のかさ密度が、ピッチ系炭素繊維フィラーのかさ密度及び含有率、無機化合物のかさ密度及び含有率から算出される平均かさ密度よりも大きいことが必要である。混合した時のかさ密度が算出したかさ密度よりも小さい場合、ピッチ系炭素繊維フィラーの空隙に無機化合物が効率よく埋め込まれていないことを意味し、熱伝導率の向上は期待できない。また、熱伝導性接着剤の粘度が大幅に向上し、成形性が低下する。ここで示すかさ密度は、公知の方法によって測定することができ、ピッチ系炭素繊維フィラーと無機化合物を混合したかさ密度は、両者を混合して、マトリックスに導入する前の段階で、公知の方法で測定する。
【００３０】
多くは、ピッチ系炭素繊維フィラーの繊維長が無機化合物の粒子径より短かく、無機化合物の充填状態から計算できる空隙の大きさよりピッチ系炭素繊維フィラーの繊維長が短い場合、混合した状態のかさ密度が算出したかさ密度より大きくなる。また、無機化合物間の空隙の大きさからピッチ系炭素繊維フィラーの繊維長が離れるほど充填の効果が高くなる。
【００３１】
逆に、ピッチ系炭素繊維フィラーの繊維長が無機化合物の粒子径より長く、ピッチ系炭素繊維フィラーの充填状態から計算できる空隙の大きさより無機化合物の粒子径が小さい場合、混合した状態のかさ密度が算出したかさ密度より大きくなる。また、ピッチ系炭素繊維フィラー間の空隙の大きさから無機化合物の粒子径が離れるほど充填の効果が高くなる。
【００３２】
本発明で用いる球状もしくはアスペクト比が３以下の無機化合物は、モース硬度が５以下であることが好適である。モース硬度は、鉱物等を引っかいた時にできる傷のでき方から判断した硬さの序列であり、文献等からも確認できる。通常、炭素繊維など黒鉛化炭素に類するものはモース硬度が０．５〜１にある。モース硬度が５以下の無機化合物は炭素繊維と混合しシートを作成しても、炭素繊維を衝突によりほとんど破砕すること無く、炭素繊維の交絡からなるネットワークを維持し、高熱伝導率を達成することができる。これに対し、モース硬度が５より大きい化合物は、炭素繊維と混合した際に炭素繊維との衝突により、炭素繊維を破砕してしまう。その結果、炭素繊維の交絡からなるネットワークが形成しにくくなり熱伝導率が低下することがある。中でも、モース硬度が３以下の化合物は衝突による炭素繊維の破砕が更に少なく、好適に使用できる。
【００３３】
モース硬度が５以下の熱伝導性充填材に特に限定はないが、具体的にはアルミニウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、ガラス、マグネシウム、銀、銅、スズを使用することができる。また、モース硬度が３以下の無機化合物は窒化ホウ素、スズ、マグネシウム、銀、アルミニウム、銅などがある。
【００３４】
本発明の熱伝導性シートの熱伝導率は公知の方法によって測定することができるが、その中でも、プローブ法、ホットディスク法、レーザーフラッシュ法が好ましく、特にプローブ法が簡易的で好ましい。
【００３５】
一般に炭素繊維そのものの熱伝導度は数百Ｗ／（ｍ・Ｋ）であるが、成形体にすると、欠陥の発生・空気の混入・予期せぬ空隙の発生により、熱伝導率は急激に低減する。よって、炭素繊維複合シートとしての熱伝導率は実質的に３Ｗ／（ｍ・Ｋ）を超えることが困難であるとされてきた。
【００３６】
本発明の熱伝導性シートに用いるマトリクスに特に限定は無いが、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂共に用いることができる。熱可塑性樹脂に特に限定はないが、ポリエチレン類、ポリプロピレン類、ポリエステル類、ポリカーボネート類、ポリアミド類、ポリフェニレンスルフィド類などを用いることができる。熱硬化性樹脂に特に限定はないが、エポキシ類、アクリル類、ウレタン類、シリコーン類、フェノール類などを用いることができる。
【００３７】
本発明の熱伝導性シートは公知の方法により作製することができる。具体的な成型体作成方法としては、射出成形法、プレス成形法、押出成形法、注型成形法などが挙げられる。
【００３８】
成形する前にピッチ系炭素繊維フィラーは、電解酸化などによる酸化処理やカップリング剤やサイジング剤で処理することで、表面を改質させたものを用いることもできる。また、無電解メッキ法、電解メッキ法、真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティングなどの物理的蒸着法、化学的蒸着法、塗装、浸漬、微細粒子を機械的に固着させるメカノケミカル法などの方法によって金属やセラミックスを表面に被覆させたものでもよい。
【００３９】
ピッチ系炭素繊維フィラーとマトリックスの混合比は特に限定されないが、樹脂１００重量部に対して、２０〜２５０重量部のピッチ系炭素繊維フィラーが含まれることが好ましい。より好ましくは４０〜１５０重量部である。ピッチ系炭素繊維フィラー含有率が２０重量部より小さいと十分な熱伝導度が得られず、ピッチ系炭素繊維フィラー含有率が２５０重量部より大きくなると樹脂が少なくなりシートとしての形状を維持するのが難しくなる。また、炭素繊維複合シートの厚みは用途によって自由に設定することができるが、０．２〜１０ｍｍが成形歩留まりを向上させる上で好ましい。０．２ｍｍ以下は均一な成形が困難であり、１０ｍｍ以上は厚みムラの制御が困難になる。
【００４０】
このようにして得られた炭素繊維複合シートは、発熱体に貼付し熱伝導性性成型体として用いることができる。より具体的に、成形体の用途について説明する。当該成形体は、電子機器等において半導体素子や電源、光源などの電子部品が発生する熱を効果的に外部へ放散させるための放熱部材、伝熱部材あるいはそれらの構成材料等として用いることができる。また、本発明の炭素繊維複合シートは鋏で容易に切断することができる。また、任意の形状に加工して半導体素子等の発熱部材と放熱器等の放熱部材との間に介在させて用いたり、放熱板、半導体パッケージ用部品、ヒートシンク、ヒートスプレッダー、ダイパッド、プリント配線基板、冷却ファン用部品、ヒートパイプ、筐体等に成形加工したりして用いることできる。平面的に用いることはもとより、立体的に用いることも可能である。ヒートパイプの場合、フレキシブルな形態にすることが可能となる。
【実施例】
【００４１】
以下に実施例を示すが、本発明はこれらに制限されるものではない。
なお、本実施例における各値は、以下の方法に従って求めた。
（１）ピッチ系炭素繊維フィラーの平均繊維径は、黒鉛化を経たピッチ系炭素繊維フィラーをＪＩＳ Ｒ７６０７に準じ、光学顕微鏡下でスケールを用いて６０本測定し、その平均値から求めた。
（２）ピッチ系炭素繊維フィラーの平均繊維長は、黒鉛化を経たピッチ系炭素繊維フィラーを抜き取り、光学顕微鏡下で測長器で２０００本測定し、その平均値から求めた。
（３）ピッチ系炭素繊維フィラーの結晶子サイズは、Ｘ線回折に現れる（１１０）面からの反射を測定し、学振法にて求めた。
（４）熱伝導性シートの熱伝導率は、京都電子製ＱＴＭ−５００を用いプローブ法で求めた。
（５）ピッチ系炭素繊維フィラー、無機化合物、及びピッチ系炭素繊維フィラーと無機化合物の混合物のかさ密度は、ＪＩＳ１２０１−１に従って測定した。
（６）成形前の粘度は、Ｂ型粘度計で測定した。
【００４２】
［実施例１］
縮合多環炭化水素化合物よりなるピッチを主原料とした。光学的異方性割合は１００％、軟化点が２８３℃であった。直径０．２ｍｍφの孔のキャップを使用し、スリットから加熱空気を毎分５５００ｍの線速度で噴出させて、溶融ピッチを牽引して平均直径１４．５μｍのピッチ系短繊維を作製した。紡出された繊維をベルト上に捕集してマットとし、さらにクロスラッピングで目付３２０ｇ／ｍ２のピッチ系短繊維からなる３次元ランダムマットとした。
この３次元ランダムマットを空気中で１７０℃から２８５℃まで平均昇温速度２℃／分で昇温して不融化、更に８００℃で焼成を行った。この３次元ランダムマットをカッター（ターボ工業製）で８００ｒｐｍで粉砕し、３０００℃で黒鉛化した。
黒鉛化後のピッチ系炭素繊維フィラーの平均繊維径は９．８μｍ、平均繊維径に対する繊維直径分散の比は１２％であった。平均繊維長は３００μｍであった。六角網面の成長方向に由来する結晶サイズは７０ｎｍであった。かさ密度は０．４０ｇ／ｃｃであった。
【００４３】
ピッチ系炭素繊維フィラー３０重量部、水酸化アルミニウム（平均粒子径１０μｍ、かさ密度２．３５ｇ／ｃｃ、モース硬度９、マイクロン社製）１０重量部をビニール袋の中で混合した。フィラーの混合物のかさ密度は０．９９ｇ／ｃｃ（平均値：０．８９ｇ／ｃｃ）であった。フィラー混合物と二液硬化性エポキシ系樹脂（ジャパンエポキシレジン社製商品名「エピコート８７１」、硬化剤「エピキュア１１３」を）６０重量部とをプラネタリーミキサーを用いて３０分間混合した後、ドクターブレードで０．５ｍｍの厚みに成形した。このときの粘度は、シェアレート１．８（１／ｓ）の時、１０．０Ｐａ・ｓであった。更に、これを１３０℃で１時間硬化することで、熱伝導性シートを作成した。
作成した熱伝導性シートの熱伝導率を測定したところ、６．３Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。
【００４４】
［実施例２］
実施例１と同様の手法でピッチ系炭素繊維フィラーを作製した。
ピッチ系炭素繊維フィラー３０重量部、窒化ホウ素（平均粒子径１０μｍ、かさ密度２．０３ｇ／ｃｃ、モース硬度２、ＧＥケミカル社製）１０重量部をビニール袋の中で混合した。フィラーの混合物のかさ密度は０．９４ｇ／ｃｃ（平均値：０．８１ｇ／ｃｃ）であった。フィラー混合物と二液硬化性エポキシ系樹脂（ジャパンエポキシレジン社製商品名「エピコート８７１」、硬化剤「エピキュア１１３」）を６０重量部、とをプラネタリーミキサーを用いて３０分間混合しながら真空脱泡した後、ドクターブレードで０．５ｍｍの厚みに成形した。このときの粘度は、シェアレート１．８（１／ｓ）の時、８．７Ｐａ・ｓであった。更に、これを１３０℃で１時間硬化することで、熱伝導性シートを作成した。
作成した熱伝導性シートの熱伝導率を測定したところ、７．２Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。また、
【００４５】
［実施例３］
実施例１と同様の手法でピッチ系炭素繊維フィラーを作製した。
ピッチ系炭素繊維フィラー３０重量部、水酸化アルミニウム（平均粒子径１０μｍ、かさ密度２．３５ｇ／ｃｃ、モース硬度９、マイクロン社製）１０重量部をビニール袋の中で混合した。フィラーの混合物のかさ密度は０．９９ｇ／ｃｃ（平均値：０．８９ｇ／ｃｃ）であった。フィラー混合物と二液硬化性シリコーン系樹脂（東レダウシリコーン社製商品名「ＳＥ１７４０」）を６０重量部とをプラネタリーミキサーを用いて３０分間混合しながら真空脱泡した後、ドクターブレードで０．５ｍｍの厚みに成形した。このときの粘度は、シェアレート１．８（１／ｓ）の時、７．５Ｐａ・ｓであった。更に、これを１３０℃で１時間硬化することで、熱伝導性シートを作成した。
作成した熱伝導性シートの熱伝導率を測定したところ、６．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。
【００４６】
［実施例４］
実施例１と同様の手法でピッチ系炭素繊維フィラーを作製した。
ピッチ系炭素繊維フィラー３０重量部、水酸化アルミニウム（粒子径１０μｍ、かさ密度２．３５ｇ／ｃｃ、モース硬度９、マイクロン社製）１０重量部をビニール袋の中で混合した。フィラーの混合物のかさ密度は０．９９ｇ／ｃｃ（平均値：０．８９ｇ／ｃｃ）であった。フィラー混合物とポリカーボネート系樹脂（帝人化成社製商品名「Ｌ−１２２５ＷＰ」）を６０重量部とをニーダー（栗本鉄工所製）を用いて２８０℃で混合し、ストランドを得た。このときの粘度は、シェアレート１０００（１／ｓ）の時、７００Ｐａ・ｓであった。更に、これをノズル温度３００℃、金型温度８０℃で射出成形することで、熱伝導性シートを作成した。
作成した熱伝導性シートの熱伝導率を測定したところ、３．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。
【００４７】
［実施例５］
縮合多環炭化水素化合物よりなるピッチを主原料とした。光学的異方性割合は１００％、軟化点が２８３℃であった。直径０．２ｍｍφの孔のキャップを使用し、スリットから加熱空気を毎分５５００ｍの線速度で噴出させて、溶融ピッチを牽引して平均直径１４．５μｍのピッチ系短繊維を作製した。紡出された繊維をベルト上に捕集してマットとし、さらにクロスラッピングで目付３２０ｇ／ｍ２のピッチ系短繊維からなる３次元ランダムマットとした。
この３次元ランダムマットを空気中で１７０℃から２８５℃まで平均昇温速度２℃／分で昇温して不融化、更に８００℃で焼成を行った。この３次元ランダムマットをカッター（ターボ工業製）で８００ｒｐｍで粉砕し、その後ボールミル（レッチェ製）で粉砕し、で３０００℃で黒鉛化した。
黒鉛化後のピッチ系炭素繊維フィラーの平均繊維径は９．８μｍ、平均繊維径に対する繊維直径分散の比は１２％であった。平均繊維長は５０μｍであった。六角網面の成長方向に由来する結晶サイズは６５ｎｍであった。かさ密度は１．１５ｇ／ｃｃであった。
【００４８】
ピッチ系炭素繊維フィラー３０重量部、水酸化アルミニウム（平均粒子径１０μｍ、かさ密度２．３５ｇ／ｃｃ、モース硬度９、マイクロン社製）１０重量部をビニール袋の中で混合した。フィラーの混合物のかさ密度は１．６１ｇ／ｃｃ（平均値：１．４５ｇ／ｃｃ）であった。フィラー混合物と二液硬化性エポキシ系樹脂（ジャパンエポキシレジン社製商品名「エピコート８７１」、硬化剤「エピキュア１１３」を）６０重量部とをプラネタリーミキサーを用いて３０分間混合した後、ドクターブレードで０．５ｍｍの厚みに成形した。このときの粘度は、シェアレート１．８（１／ｓ）の時、３．８Ｐａ・ｓであった。更に、これを１３０℃で１時間硬化することで、熱伝導性シートを作成した。
作製した熱伝導性シートの熱伝導率を測定したところ、４．４Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。
【００４９】
［実施例６］
実施例５と同様の手法でピッチ系炭素繊維フィラーを作製した。
ピッチ系炭素繊維フィラー３０重量部、水酸化アルミニウム（平均粒子径５０μｍ、かさ密度２．１５ｇ／ｃｃ、モース硬度９、マイクロン社製）１０重量％をビニール袋の中で混合した。フィラーの混合物のかさ密度は１．４９ｇ／ｃｃ（平均値：１．４０ｇ／ｃｃ）であった。フィラー混合物と二液硬化性エポキシ系樹脂（ジャパンエポキシレジン社製商品名「エピコート８７１」、硬化剤「エピキュア１１３」を）６０重量％とをプラネタリーミキサーを用いて３０分間混合した後、ドクターブレードで０．５ｍｍの厚みに成形した。このときの粘度は、シェアレート１．８（１／ｓ）の時、３．９Ｐａ・ｓであった。更に、これを１３０℃で１時間硬化することで、熱伝導性シートを作成した。
作成した熱伝導性シートの熱伝導率を測定したところ、４．６Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。
【００５０】
［実施例７］
実施例１と同様の手法でピッチ系炭素繊維フィラーを作製した。
ピッチ系炭素繊維フィラー３０重量部、窒化ホウ素３０重量部（平均粒子径１０μｍ、かさ密度２．０３ｇ／ｃｃ、モース硬度２、ＧＥケミカル社製）をビニール袋の中で混合した。フィラー混合物のかさ密度は１．３５ｇ／ｃｃ（平均値：１．２２ｇ／ｃｃ）であった。フィラー混合物と熱硬化性シリコーン樹脂（東レダウシリコーン製、ＳＥ１７４０）４０重量部とをプラネタリーミキサーを用いて３０分間混合した後、ドクターブレードで０．５ｍｍの厚みに成形した。このときの粘度はシェアレート１．８（１／ｓ）の時、１２．３Ｐａ・ｓであった。更に、これを１３０℃で１時間硬化することで、熱伝導性シートを作成した。
作成した熱伝導性シートの熱伝導率を測定したところ、１３．３Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。
【００５１】
［実施例８］
実施例１と同様の手法でピッチ系炭素繊維フィラーを作製した。
ピッチ系炭素繊維フィラー３０重量部、アルミニウム３０重量部（平均粒子径８μｍ、かさ密度１．８０ｇ／ｃｃ、モース硬度２、東洋アルミニウム製）をビニール袋の中で混合した。フィラー混合物のかさ密度は１．２２ｇ／ｃｃ（平均値：１．１０ｇ／ｃｃ）であった。フィラー混合物と熱硬化性シリコーン樹脂（東レダウシリコーン製、ＳＥ１７４０）４０重量部とをプラネタリーミキサーを用いて３０分間混合した後、ドクターブレードで０．５ｍｍの厚みに成形した。このときの粘度はシェアレート１．８（１／ｓ）の時、１１．９Ｐａ・ｓであった。更に、これを１３０℃で１時間硬化することで、熱伝導性シートを作成した。
作成した熱伝導性シートの熱伝導率を測定したところ、１２．６Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。
【００５２】
［実施例９］
実施例１と同様の手法でピッチ系炭素繊維フィラーを作製した。
ピッチ系炭素繊維フィラー３０重量部、酸化亜鉛２４０重量部（平均粒子径１０μｍ、かさ密度ｇ４．００／ｃｃ、モース硬度５、堺化学工業製）をビニール袋の中で混合した。フィラー混合物のかさ密度は２．２５ｇ／ｃｃ（平均値：２．２０ｇ／ｃｃ）であった。フィラー混合物と熱硬化性シリコーン樹脂（東レダウシリコーン製、ＳＥ１７４０）４０重量部とをプラネタリーミキサーを用いて３０分間混合した後、ドクターブレードで０．５ｍｍの厚みに成形した。このときの粘度はシェアレート１．８（１／ｓ）の時、１３．１Ｐａ・ｓであった。更に、これを１３０℃で１時間硬化することで、熱伝導性シートを作成した。
作成した熱伝導性シートの熱伝導率を測定したところ、１３．６Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。
【００５３】
［比較例１］
実施例１と同様の手法でピッチ系炭素繊維フィラーを作製した。
ピッチ系炭素繊維フィラー３０重量部、二液硬化性シリコーン系樹脂（東レダウシリコーン社製商品名「ＳＥ１７４０」）７０重量部とをプラネタリーミキサーを用いて３０分間混合しながら真空脱泡した後、ドクターブレードで０．５ｍｍの厚みに成形した。このときの粘度は、シェアレート１．８（１／ｓ）の時、７．０Ｐａ・ｓであった。更に、これを１３０℃で１時間硬化することで、熱伝導性シートを作成した。
作成した熱伝導性シートの熱伝導率を測定したところ、３．８Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。
【００５４】
［比較例２］
実施例１と同様の手法でピッチ系炭素繊維フィラーを作製した。
ピッチ系炭素繊維フィラー３０重量部、水酸化アルミニウム（粒子径５０μｍ、かさ密度２．１５ｇ／ｃｃ、モース硬度９、マイクロン社製）１０重量部をビニール袋の中で混合した。フィラーの混合物のかさ密度は０．７１ｇ／ｃｃ（平均値：０．８４ｇ／ｃｃ）であった。フィラー混合物と二液硬化性シリコーン系樹脂（東レダウシリコーン社製商品名「ＳＥ１７４０」）を６０重量部とをプラネタリーミキサーを用いて３０分間混合しながら真空脱泡した後、ドクターブレードで０．５ｍｍの厚みに成形した。このときの粘度は、シェアレート１．８（１／ｓ）の時、１５．０Ｐａ・ｓであり粘度が非常に高かった。更に、これを１３０℃で１時間硬化することで、熱伝導性シートを作成した。
作成した熱伝導性シートの熱伝導率を測定したところ、４．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。
【００５５】
［比較例３］
実施例１と同様の手法でピッチ系炭素繊維フィラーを作製した。
ピッチ系炭素短繊維フィラー３０重量部、水酸化アルミニウム（粒子径５０μｍ、かさ密度２．１５ｇ／ｃｃ、モース硬度９、マイクロン社製）１０重量部をビニール袋の中で混合した。フィラーの混合物のかさ密度は０．７１ｇ／ｃｃ（平均値：０．８４ｇ／ｃｃ）であった。フィラー混合物とポリカーボネート系樹脂（帝人化成社製商品名「Ｌ−１２２５ＷＰ」）を６０重量部とをニーダー（栗本鉄工所製）を用いて２８０℃で混合し、ストランドを得た。このときの粘度は、シェアレート１０００（１／ｓ）の時、１２００Ｐａ・ｓであり、粘度が非常に高かった。更に、これをノズル温度３００度、金型温度８０℃で射出成形することで、熱伝導性シートを作成した。
作成した熱伝導性シートの熱伝導率を測定したところ、１．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明の熱伝導性シートは、ピッチ系炭素繊維フィラーとアスペクト比が小さい無機化合物を混合し、ピッチ系炭素繊維フィラーが交絡してできた空隙に無機化合物を埋め込むことで、高い熱伝導性を発現することを可能にせしめている。また、成形時に粘度を向上させることも無く、成形性を維持できる。更に、無機化合物のモース硬度を制御することによりピッチ系炭素繊維フィラーの破砕を抑制し、より高い熱伝導性の発現を可能にせしめている。これにより、高い放熱特性が要求される場所に用いることが可能になり、サーマルマネージメントを確実なものとする。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピッチ系炭素繊維フィラー及び球状もしくは板状無機化合物を含む熱伝導性シートに関わるものである。さらに詳しくは、メルトブロー法によって作製したピッチ系炭素繊維フィラーの結晶子サイズや繊維径、黒鉛化度、無機化合物と複合した時のかさ密度を制御し、さらに樹脂に複合化させて形成した熱伝導性シートである。更に、球状もしくは板状無機化合物のモース硬度を制御し、さらに樹脂に複合化させて形成した熱伝導性シートであり、電子部品の放熱板や熱交換器、電磁波遮蔽に好適に使用される。
【背景技術】
【０００２】
高性能の炭素繊維はポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）を原料とするＰＡＮ系炭素繊維と、一連のピッチ類を原料とするピッチ系炭素繊維に分類できる。そして炭素繊維は強度・弾性率が通常の合成高分子に比較して著しく高いという特徴を利用し、航空・宇宙用途、建築・土木用途、スポーツ・レジャー用途などに広く用いられている。
【０００３】
近年、省エネルギーに代表されるエネルギーの効率的使用方法が注目されている一方で、高速化されたＣＰＵや電子回路のジュール熱による発熱が問題になっている。これらを解決するためには、熱を効率的に処理するという、いわゆるサーマルマネジメントを達成する必要がある。
【０００４】
炭素繊維は、通常の合成高分子に比較して熱伝導率が高く、放熱性に優れていると言われている。炭素繊維など炭素材料は、フォノンの移動により高い熱伝導率を達成すると言われている。このフォノンは、結晶格子が発達している材料において良く伝達する。実際は、市販のＰＡＮ系炭素繊維の熱伝導率は通常２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）よりも小さく、サーマルマネジメントの観点からは必ずしも好適であるとは言い難い。これに対して、ピッチ系炭素繊維は黒鉛化性が高いために結晶格子が良く発達し、ＰＡＮ系炭素繊維に比べて高熱伝導率を達成しやすいと認識されている。
【０００５】
炭素繊維以外に熱伝導性が優れた物質として、酸化アルミニウムや窒化ホウ素、窒化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、炭化ケイ素、シリカ、水酸化アルミニウムなどの金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、金属水酸化物などが知られている。しかし、金属材料系の充填材は比重が高く複合材としたときに重量が大きくなってしまう。また、炭素系材料であるカーボンブラック等の球形材料は、添加量が高くなると、粉落ちが発生し、特に電子機器においては、その導電性が機器に悪影響を与える。これに対して、炭素繊維は比重が小さく金属材料系の充填材と同じ体積で添加した場合、複合材の重量を軽くできるというメリットがあるのみならず、その形状が繊維状であることより、カーボンブラックを使用したときの様な粉落ちが起こり難く、更には複合材の補強硬化を示すというメリットもある。
【０００６】
次にサーマルマネジメントに用いる複合材の特徴について考察する。炭素繊維の高い熱伝導率を効果的に利用するためには、何らかのマトリクスを介在させた状態において炭素繊維がネットワークを形成していることが好ましい。特にネットワークが三次元的に形成されている場合には、成形体の面内方向のみならず厚み方向に対しても炭素繊維の高い熱伝導が達成されることが予想される。しかし現実には、炭素繊維同士が交絡した場合、空隙が発生する。空隙部分は輻射により熱伝導が行われるが、炭素繊維もしくはマトリクスにより行われる伝熱より効率が劣るため、複合材としての熱伝導性が低下することになる。
【０００７】
そのため、複合材の熱伝導性を向上させるため、炭素繊維と球状粒子を混合させた複合材が検討されてきた（特許文献１、２、３）。しかし、炭素繊維と球状粒子を混ぜるだけでは、熱伝導性は向上するが、無機粒子を混ぜることにより成形時の粘度が大幅に向上し、成形性が低下する問題があった。
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−２６５４４１号公報第１頁
【特許文献２】特開２００５−３２０５１５号公報第１頁
【特許文献３】特開２００５−２１３４５９号公報第１頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記のように、炭素繊維、特にピッチ系炭素繊維の高熱伝導率という観点からサーマルマネジメント用途の開発が進みつつある。しかし、サーマルマネジメントの観点からは成形体としての熱伝導性が高くなっていることが必要とされている。更に、成形体を得る際に、成形性に優れることが求められている。
そこで、適切な熱伝導率を有し、さらに成形体の三次元的な熱伝導性が向上し、加えて成形性に優れる熱伝導性シートが強く望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、複合材の特に厚み方向の熱伝導度を向上させること及び複合材の成形性の向上を鑑み、一つに炭素繊維の集合状態に着目し、その集合状態が３次元的にランダムな場合に、熱伝導性シートの熱伝導率が著しく改善されることを見出し、さらに球状もしくはアスペクト比が３以下の無機化合物を炭素繊維の交絡によって発生する空隙に充填効率よく埋め込むことで、熱伝導性を改善しつつ、成形性を低下させないことで、優れた熱伝導性及び成形性を併せ持った熱伝導性シートを得ることに到達した。
【００１１】
即ち、本発明の目的は、ピッチ系炭素繊維フィラーとフィラーとアスペクト比が３以下の無機化合物とを含む熱伝導性シートであって、該熱伝導性シートのかさ密度が、それを構成するピッチ系炭素繊維フィラーのかさ密度及び含有率、該無機化合物のかさ密度及び含有率から算出される平均かさ密度よりも大きいことを特徴とする熱伝導性シートによって達成することができる。
【００１２】
更に本発明には、ピッチ系炭素繊維フィラーがメソフェーズピッチを原料とし、ピッチ系炭素繊維フィラーの六角網面の成長方向に由来する結晶子サイズが５ｎｍ以上であり、炭素繊維の平均繊維径が５〜２０μｍであり、炭素繊維の平長さが５〜６０００μｍであり、平均繊維径に対する繊維径分散の百分率（ＣＶ値）が５〜２０であることを特徴とする熱伝導性シート、球状もしくはアスペクト比が３以下の無機化合物が、シリカ、水酸化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化ベリリウム、炭化ケイ素、アルミニウム、ガラス、マグネシウム、銀、銅、スズおよびダイヤモンドからなる群より選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする熱伝導性シート、フィラーとアスペクト比が３以下の無機化合物の含有量が、ピッチ系炭素繊維フィラー１００重量部の含有量に対し、１重量部〜９００重量部であることを特徴とする熱伝導性シート、該無機化合物のモース硬度が５以下である熱伝導性シート、球状もしくはアスペクト比が３以下の無機化合物が、アルミニウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、ガラス、マグネシウム、銀、銅及びスズからなる群より選ばれる少なくとも１種である熱伝導性シートが包含される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の炭素繊維複合シートは、黒鉛結晶の広がり（六角網面の成長方向に由来する結晶子サイズ）を一定サイズ以上に制御したピッチ系炭素繊維フィラーの三次元的交絡、更に球状もしくはアスペクト比が３以下の無機化合物を、ピッチ系炭素繊維フィラーの三次元的交絡に埋め込むことで、高い熱伝導性がシート面内に発現させることを可能にせしめている。また、埋め込むことで、成形時の粘度がほとんど向上せず、成形性の低下を抑制している。更には、球状もしくはアスペクト比が３以下の無機化合物のモース硬度を５以下とすることで、ピッチ系炭素繊維フィラーの破砕を抑制することでも、高い熱伝導率が面内に発現することを可能にせしめている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に、本発明の実施の形態について順次説明する。
本発明で用いられるピッチ系炭素繊維の原料としては、例えば、ナフタレンやフェナントレンといった縮合多環炭化水素化合物、石油系ピッチや石炭系ピッチといった縮合複素環化合物等が挙げられる。その中でもナフタレンやフェナントレンといった縮合多環炭化水素化合物が好ましく、特に光学的異方性ピッチ、すなわちメソフェーズピッチが好ましい。メソフェーズピッチは、黒鉛化処理を行った際に黒鉛化度が向上しやすため、炭素繊維の熱伝導性を向上させる上で特に好ましいためである。
【００１５】
原料ピッチとなる光学異方性ピッチの軟化点はメトラー法により求めることができ、２５０℃以上３５０℃以下が好ましい。軟化点が２５０℃より低いと、不融化の際に繊維同士の融着や大きな熱収縮が発生する。また、３５０℃より高いとピッチの熱分解が生じ糸状になりにくくなる。
【００１６】
光学異方性ピッチは溶融後、ノズルより吐出しこれを冷却することによる溶融紡糸によって繊維化できる。紡糸方法としては、具体的には口金から吐出したピッチをワインダーで引き取る通常の紡糸法、熱風をアトマイジング源として用いるメルトブロー法、遠心力を利用してピッチを引き取る遠心紡糸法などが挙げられる。中でも、曲率半径の制御、生産性の高さなどの理由からメルトブロー法を用いるのが好ましい。
【００１７】
光学異方性ピッチは溶融紡糸された後、不融化、焼成、必要に応じて粉砕を経て最後に黒鉛化することによってピッチ系炭素繊維フィラーとする。以下、メルトブロー法を例にとって、各工程について説明する。
【００１８】
本発明においては、紡糸時の温度は、光学異方性ピッチの粘度が３０〜２５０ポイズの範囲にある温度であることが望ましい。更に好ましくは５０〜２００ポイズの範囲にある温度である。紡糸ノズルは、導入角αが１０〜５５°であり、吐出口長さＬと吐出口の径Ｄの比Ｌ／Ｄが６〜２０の範囲にあるノズルが好ましく用いられる。紡糸条件がこの範囲にある時、光学異方性ピッチにかかるせん断力が、芳香環をある程度配列させることできる。紡糸条件がこの条件から外れる時、例えば、粘度がより大きい、もしくは導入角がより小さい、もしくはＬ／Ｄがより大きい時などせん断力がより強くかかる条件では、配列が進みすぎて黒鉛化した際に、炭素繊維が割れやすくなる。逆に粘度がより小さい、もしくは導入角がより大きい、もしくはＬ／Ｄがより小さいなどせん断力がより小さいなどせん断力が小さくかかる条件では、芳香環があまり配列しないため、黒鉛化処理しても黒鉛化度がそれほど向上せず、高い熱伝導性が得られない。
【００１９】
ノズル孔から出糸されたピッチ繊維は、１００〜３５０℃に加温された毎分１００〜１００００ｍの線速度のガスを細化点近傍に吹き付けることによって短繊維化される。吹き付けるガスは空気、窒素、アルゴンを用いることができるが、コストパフォーマンスの点から空気が好ましい。
【００２０】
ピッチ繊維は、金網ベルト上に捕集され連続的なマット状になり、さらにクロスラップされることで３次元ランダムマットとなる。
３次元ランダムマットとは、クロスラップされていることに加え、ピッチ繊維が三次元的に交絡しているマットをいう。この交絡は、ノズルから、金網ベルトに到達する間にチムニと呼ばれる筒において達成される。線状の繊維が立体的に交絡するために、通常一次元的な挙動しか示さない繊維の特性が立体においても反映されるようになる。
【００２１】
このようにして得られたピッチ繊維よりなる３次元ランダムマットは、公知の方法で不融化する。不融化は、空気、或いはオゾン、二酸化窒素、窒素、酸素、ヨウ素、臭素を空気に添加したガスを用いて２００〜３５０℃で達成される。安全性、利便性を考慮すると空気中で実施することが好ましい。また、不融化したピッチ繊維は、真空中、或いは窒素、アルゴン、クリプトン等の不活性ガス中で６００〜１５００℃で焼成され、次いで２０００〜３５００℃で黒鉛化されるが、焼成は常圧で、且つコストの安い窒素中で実施される場合が多く、黒鉛化は使用する炉の形式に応じて、不活性ガスの種類を変更する事が一般的である。不融化後或いは焼成後、必要に応じ得られた繊維を粉砕する。粉砕は公知の方法によって行うことができる。具体的には、カッター、ボールミル、ジェットミル、クラッシャーなどを用いることができる。粉砕された炭素繊維を必要に応じて焼成し、次いで黒鉛化する。黒鉛化温度は、炭素繊維としての熱伝導率を高くするためには、２０００〜３５００℃にすることが好ましい。より好ましくは２３００〜３５００℃である。黒鉛化の際に黒鉛性のルツボに入れ処理すると、外部からの物理的、化学的作用を遮断でき好ましい。黒鉛製のルツボは上記の炭素繊維を、所望の量入れることが出来るものであるならば大きさ、形状に制約はないが、黒鉛化処理中または冷却中に炉内の酸化性のガス、または水蒸気との反応による当該炭素繊維の損傷を防ぐために、フタ付きの気密性の高いものが好適に利用できる。
【００２２】
ピッチ系炭素繊維フィラーの平均繊維径は５〜２０μｍであることが必要である。５μｍ以下の場合には、原料となるマットの形状が保持できなくなることがあり生産性が悪い。繊維径が２０μｍを超えると、不融化工程でのムラが大きくなり部分的に融着が起こったりするところが発生する。より好ましくは５〜１５μｍであり、さらに好ましくは８〜１２μｍである。
【００２３】
これに対してピッチ系炭素繊維フィラーの平均繊維長は５〜６０００μｍであることが好ましい。５μｍを下回ると繊維としての特徴が失われ、十分な熱伝導度を発揮できない。一方６０００ｍｍを超えると繊維の交絡が著しく増大し、樹脂と混合した際に粘度が非常に大きくなりハンドリングが困難になる。より好ましくは１０〜３０００μｍ、さらに好ましくは２０〜１０００ｍｍである。
【００２４】
なお、平均繊維径に対する繊維径分散の百分率として求められるＣＶ値は、５〜２０であることが好ましい。ＣＶ値が５を下回ることは工程上あり得ない。また、ＣＶ値が２０を超えると、不融化でトラブルを起こす直径２０μｍ以上の繊維が増える可能性が高くなり、生産性の観点から好ましくない。
【００２５】
本発明で用いるピッチ系炭素繊維フィラーは、六角網面の成長方向に由来する結晶子サイズが５ｎｍ以上であることが必要である。六角網面の成長方向に由来する結晶子サイズは公知の方法によって求めることができ、Ｘ線回折法にて得られる炭素結晶の（１１０）面からの回折線によって求めることができる。結晶子サイズが重要になるのは、熱伝導が主としてフォノンによって担われており、フォノンを発生するのが結晶であることに由来している。より好ましくは、２０ｎｍ以上であり、さらに好ましくは３０ｎｍ以上である。
【００２６】
本発明で用いる無機化合物は、球状もしくはアスペクト比が３以下である。形状は光学顕微鏡等で測定することができる。繊維状などアスペクト比が３より大きい形状をしていると、ピッチ系炭素繊維フィラーが交絡して形成される空隙に、無機化合物を埋め込むことができず、熱伝導性シートの熱伝導性の向上、及び成形性の低下が期待できない。
【００２７】
無機化合物に特に限定はないが、具体的にはシリカ、水酸化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化ベリリウム、炭化ケイ素、アルミニウム、ガラス、マグネシウム、銀、銅、スズ、ダイヤモンドを使用することができる。
【００２８】
無機化合物の含有量はピッチ系炭素繊維フィラー１００重量部の含有量に対し、１〜９００重量部であることが好ましい。無機化合物の含有量が１重量部より少ないと、熱伝導性接着剤の熱伝導性が向上しない。逆に、無機化合物の含有量が９００重量部より多いと、炭素繊維フィラー同士の交絡によってできる空隙に入る無機化合物の量より、含有量が多くなるため、熱伝導性シートの粘度が大幅に向上し、ハンドリング性が低下してしまう。
ハンドリングや成形性の点で、ピッチ系炭素繊維フィラー１００重量部に対し、無機化合物の含有量は好ましくは１重量部〜３００重量部である。
【００２９】
本発明の熱伝導性シートに用いるピッチ系炭素繊維フィラーとアスペクト比が３以下の無機化合物は、ピッチ系炭素繊維フィラーと無機化合物を混合した状態のかさ密度が、ピッチ系炭素繊維フィラーのかさ密度及び含有率、無機化合物のかさ密度及び含有率から算出される平均かさ密度よりも大きいことが必要である。混合した時のかさ密度が算出したかさ密度よりも小さい場合、ピッチ系炭素繊維フィラーの空隙に無機化合物が効率よく埋め込まれていないことを意味し、熱伝導率の向上は期待できない。また、熱伝導性接着剤の粘度が大幅に向上し、成形性が低下する。ここで示すかさ密度は、公知の方法によって測定することができ、ピッチ系炭素繊維フィラーと無機化合物を混合したかさ密度は、両者を混合して、マトリックスに導入する前の段階で、公知の方法で測定する。
【００３０】
多くは、ピッチ系炭素繊維フィラーの繊維長が無機化合物の粒子径より短かく、無機化合物の充填状態から計算できる空隙の大きさよりピッチ系炭素繊維フィラーの繊維長が短い場合、混合した状態のかさ密度が算出したかさ密度より大きくなる。また、無機化合物間の空隙の大きさからピッチ系炭素繊維フィラーの繊維長が離れるほど充填の効果が高くなる。
【００３１】
逆に、ピッチ系炭素繊維フィラーの繊維長が無機化合物の粒子径より長く、ピッチ系炭素繊維フィラーの充填状態から計算できる空隙の大きさより無機化合物の粒子径が小さい場合、混合した状態のかさ密度が算出したかさ密度より大きくなる。また、ピッチ系炭素繊維フィラー間の空隙の大きさから無機化合物の粒子径が離れるほど充填の効果が高くなる。
【００３２】
本発明で用いる球状もしくはアスペクト比が３以下の無機化合物は、モース硬度が５以下であることが好適である。モース硬度は、鉱物等を引っかいた時にできる傷のでき方から判断した硬さの序列であり、文献等からも確認できる。通常、炭素繊維など黒鉛化炭素に類するものはモース硬度が０．５〜１にある。モース硬度が５以下の無機化合物は炭素繊維と混合しシートを作成しても、炭素繊維を衝突によりほとんど破砕すること無く、炭素繊維の交絡からなるネットワークを維持し、高熱伝導率を達成することができる。これに対し、モース硬度が５より大きい化合物は、炭素繊維と混合した際に炭素繊維との衝突により、炭素繊維を破砕してしまう。その結果、炭素繊維の交絡からなるネットワークが形成しにくくなり熱伝導率が低下することがある。中でも、モース硬度が３以下の化合物は衝突による炭素繊維の破砕が更に少なく、好適に使用できる。
【００３３】
モース硬度が５以下の熱伝導性充填材に特に限定はないが、具体的にはアルミニウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、ガラス、マグネシウム、銀、銅、スズを使用することができる。また、モース硬度が３以下の無機化合物は窒化ホウ素、スズ、マグネシウム、銀、アルミニウム、銅などがある。
【００３４】
本発明の熱伝導性シートの熱伝導率は公知の方法によって測定することができるが、その中でも、プローブ法、ホットディスク法、レーザーフラッシュ法が好ましく、特にプローブ法が簡易的で好ましい。
【００３５】
一般に炭素繊維そのものの熱伝導度は数百Ｗ／（ｍ・Ｋ）であるが、成形体にすると、欠陥の発生・空気の混入・予期せぬ空隙の発生により、熱伝導率は急激に低減する。よって、炭素繊維複合シートとしての熱伝導率は実質的に３Ｗ／（ｍ・Ｋ）を超えることが困難であるとされてきた。
【００３６】
本発明の熱伝導性シートに用いるマトリクスに特に限定は無いが、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂共に用いることができる。熱可塑性樹脂に特に限定はないが、ポリエチレン類、ポリプロピレン類、ポリエステル類、ポリカーボネート類、ポリアミド類、ポリフェニレンスルフィド類などを用いることができる。熱硬化性樹脂に特に限定はないが、エポキシ類、アクリル類、ウレタン類、シリコーン類、フェノール類などを用いることができる。
【００３７】
本発明の熱伝導性シートは公知の方法により作製することができる。具体的な成型体作成方法としては、射出成形法、プレス成形法、押出成形法、注型成形法などが挙げられる。
【００３８】
成形する前にピッチ系炭素繊維フィラーは、電解酸化などによる酸化処理やカップリング剤やサイジング剤で処理することで、表面を改質させたものを用いることもできる。また、無電解メッキ法、電解メッキ法、真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティングなどの物理的蒸着法、化学的蒸着法、塗装、浸漬、微細粒子を機械的に固着させるメカノケミカル法などの方法によって金属やセラミックスを表面に被覆させたものでもよい。
【００３９】
ピッチ系炭素繊維フィラーとマトリックスの混合比は特に限定されないが、樹脂１００重量部に対して、２０〜２５０重量部のピッチ系炭素繊維フィラーが含まれることが好ましい。より好ましくは４０〜１５０重量部である。ピッチ系炭素繊維フィラー含有率が２０重量部より小さいと十分な熱伝導度が得られず、ピッチ系炭素繊維フィラー含有率が２５０重量部より大きくなると樹脂が少なくなりシートとしての形状を維持するのが難しくなる。また、炭素繊維複合シートの厚みは用途によって自由に設定することができるが、０．２〜１０ｍｍが成形歩留まりを向上させる上で好ましい。０．２ｍｍ以下は均一な成形が困難であり、１０ｍｍ以上は厚みムラの制御が困難になる。
【００４０】
このようにして得られた炭素繊維複合シートは、発熱体に貼付し熱伝導性性成型体として用いることができる。より具体的に、成形体の用途について説明する。当該成形体は、電子機器等において半導体素子や電源、光源などの電子部品が発生する熱を効果的に外部へ放散させるための放熱部材、伝熱部材あるいはそれらの構成材料等として用いることができる。また、本発明の炭素繊維複合シートは鋏で容易に切断することができる。また、任意の形状に加工して半導体素子等の発熱部材と放熱器等の放熱部材との間に介在させて用いたり、放熱板、半導体パッケージ用部品、ヒートシンク、ヒートスプレッダー、ダイパッド、プリント配線基板、冷却ファン用部品、ヒートパイプ、筐体等に成形加工したりして用いることできる。平面的に用いることはもとより、立体的に用いることも可能である。ヒートパイプの場合、フレキシブルな形態にすることが可能となる。
【実施例】
【００４１】
以下に実施例を示すが、本発明はこれらに制限されるものではない。
なお、本実施例における各値は、以下の方法に従って求めた。
（１）ピッチ系炭素繊維フィラーの平均繊維径は、黒鉛化を経たピッチ系炭素繊維フィラーをＪＩＳ Ｒ７６０７に準じ、光学顕微鏡下でスケールを用いて６０本測定し、その平均値から求めた。
（２）ピッチ系炭素繊維フィラーの平均繊維長は、黒鉛化を経たピッチ系炭素繊維フィラーを抜き取り、光学顕微鏡下で測長器で２０００本測定し、その平均値から求めた。
（３）ピッチ系炭素繊維フィラーの結晶子サイズは、Ｘ線回折に現れる（１１０）面からの反射を測定し、学振法にて求めた。
（４）熱伝導性シートの熱伝導率は、京都電子製ＱＴＭ−５００を用いプローブ法で求めた。
（５）ピッチ系炭素繊維フィラー、無機化合物、及びピッチ系炭素繊維フィラーと無機化合物の混合物のかさ密度は、ＪＩＳ１２０１−１に従って測定した。
（６）成形前の粘度は、Ｂ型粘度計で測定した。
【００４２】
［実施例１］
縮合多環炭化水素化合物よりなるピッチを主原料とした。光学的異方性割合は１００％、軟化点が２８３℃であった。直径０．２ｍｍφの孔のキャップを使用し、スリットから加熱空気を毎分５５００ｍの線速度で噴出させて、溶融ピッチを牽引して平均直径１４．５μｍのピッチ系短繊維を作製した。紡出された繊維をベルト上に捕集してマットとし、さらにクロスラッピングで目付３２０ｇ／ｍ２のピッチ系短繊維からなる３次元ランダムマットとした。
この３次元ランダムマットを空気中で１７０℃から２８５℃まで平均昇温速度２℃／分で昇温して不融化、更に８００℃で焼成を行った。この３次元ランダムマットをカッター（ターボ工業製）で８００ｒｐｍで粉砕し、３０００℃で黒鉛化した。
黒鉛化後のピッチ系炭素繊維フィラーの平均繊維径は９．８μｍ、平均繊維径に対する繊維直径分散の比は１２％であった。平均繊維長は３００μｍであった。六角網面の成長方向に由来する結晶サイズは７０ｎｍであった。かさ密度は０．４０ｇ／ｃｃであった。
【００４３】
ピッチ系炭素繊維フィラー３０重量部、水酸化アルミニウム（平均粒子径１０μｍ、かさ密度２．３５ｇ／ｃｃ、モース硬度９、マイクロン社製）１０重量部をビニール袋の中で混合した。フィラーの混合物のかさ密度は０．９９ｇ／ｃｃ（平均値：０．８９ｇ／ｃｃ）であった。フィラー混合物と二液硬化性エポキシ系樹脂（ジャパンエポキシレジン社製商品名「エピコート８７１」、硬化剤「エピキュア１１３」を）６０重量部とをプラネタリーミキサーを用いて３０分間混合した後、ドクターブレードで０．５ｍｍの厚みに成形した。このときの粘度は、シェアレート１．８（１／ｓ）の時、１０．０Ｐａ・ｓであった。更に、これを１３０℃で１時間硬化することで、熱伝導性シートを作成した。
作成した熱伝導性シートの熱伝導率を測定したところ、６．３Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。
【００４４】
［実施例２］
実施例１と同様の手法でピッチ系炭素繊維フィラーを作製した。
ピッチ系炭素繊維フィラー３０重量部、窒化ホウ素（平均粒子径１０μｍ、かさ密度２．０３ｇ／ｃｃ、モース硬度２、ＧＥケミカル社製）１０重量部をビニール袋の中で混合した。フィラーの混合物のかさ密度は０．９４ｇ／ｃｃ（平均値：０．８１ｇ／ｃｃ）であった。フィラー混合物と二液硬化性エポキシ系樹脂（ジャパンエポキシレジン社製商品名「エピコート８７１」、硬化剤「エピキュア１１３」）を６０重量部、とをプラネタリーミキサーを用いて３０分間混合しながら真空脱泡した後、ドクターブレードで０．５ｍｍの厚みに成形した。このときの粘度は、シェアレート１．８（１／ｓ）の時、８．７Ｐａ・ｓであった。更に、これを１３０℃で１時間硬化することで、熱伝導性シートを作成した。
作成した熱伝導性シートの熱伝導率を測定したところ、７．２Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。また、
【００４５】
［実施例３］
実施例１と同様の手法でピッチ系炭素繊維フィラーを作製した。
ピッチ系炭素繊維フィラー３０重量部、水酸化アルミニウム（平均粒子径１０μｍ、かさ密度２．３５ｇ／ｃｃ、モース硬度９、マイクロン社製）１０重量部をビニール袋の中で混合した。フィラーの混合物のかさ密度は０．９９ｇ／ｃｃ（平均値：０．８９ｇ／ｃｃ）であった。フィラー混合物と二液硬化性シリコーン系樹脂（東レダウシリコーン社製商品名「ＳＥ１７４０」）を６０重量部とをプラネタリーミキサーを用いて３０分間混合しながら真空脱泡した後、ドクターブレードで０．５ｍｍの厚みに成形した。このときの粘度は、シェアレート１．８（１／ｓ）の時、７．５Ｐａ・ｓであった。更に、これを１３０℃で１時間硬化することで、熱伝導性シートを作成した。
作成した熱伝導性シートの熱伝導率を測定したところ、６．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。
【００４６】
［実施例４］
実施例１と同様の手法でピッチ系炭素繊維フィラーを作製した。
ピッチ系炭素繊維フィラー３０重量部、水酸化アルミニウム（粒子径１０μｍ、かさ密度２．３５ｇ／ｃｃ、モース硬度９、マイクロン社製）１０重量部をビニール袋の中で混合した。フィラーの混合物のかさ密度は０．９９ｇ／ｃｃ（平均値：０．８９ｇ／ｃｃ）であった。フィラー混合物とポリカーボネート系樹脂（帝人化成社製商品名「Ｌ−１２２５ＷＰ」）を６０重量部とをニーダー（栗本鉄工所製）を用いて２８０℃で混合し、ストランドを得た。このときの粘度は、シェアレート１０００（１／ｓ）の時、７００Ｐａ・ｓであった。更に、これをノズル温度３００℃、金型温度８０℃で射出成形することで、熱伝導性シートを作成した。
作成した熱伝導性シートの熱伝導率を測定したところ、３．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。
【００４７】
［実施例５］
縮合多環炭化水素化合物よりなるピッチを主原料とした。光学的異方性割合は１００％、軟化点が２８３℃であった。直径０．２ｍｍφの孔のキャップを使用し、スリットから加熱空気を毎分５５００ｍの線速度で噴出させて、溶融ピッチを牽引して平均直径１４．５μｍのピッチ系短繊維を作製した。紡出された繊維をベルト上に捕集してマットとし、さらにクロスラッピングで目付３２０ｇ／ｍ２のピッチ系短繊維からなる３次元ランダムマットとした。
この３次元ランダムマットを空気中で１７０℃から２８５℃まで平均昇温速度２℃／分で昇温して不融化、更に８００℃で焼成を行った。この３次元ランダムマットをカッター（ターボ工業製）で８００ｒｐｍで粉砕し、その後ボールミル（レッチェ製）で粉砕し、で３０００℃で黒鉛化した。
黒鉛化後のピッチ系炭素繊維フィラーの平均繊維径は９．８μｍ、平均繊維径に対する繊維直径分散の比は１２％であった。平均繊維長は５０μｍであった。六角網面の成長方向に由来する結晶サイズは６５ｎｍであった。かさ密度は１．１５ｇ／ｃｃであった。
【００４８】
ピッチ系炭素繊維フィラー３０重量部、水酸化アルミニウム（平均粒子径１０μｍ、かさ密度２．３５ｇ／ｃｃ、モース硬度９、マイクロン社製）１０重量部をビニール袋の中で混合した。フィラーの混合物のかさ密度は１．６１ｇ／ｃｃ（平均値：１．４５ｇ／ｃｃ）であった。フィラー混合物と二液硬化性エポキシ系樹脂（ジャパンエポキシレジン社製商品名「エピコート８７１」、硬化剤「エピキュア１１３」を）６０重量部とをプラネタリーミキサーを用いて３０分間混合した後、ドクターブレードで０．５ｍｍの厚みに成形した。このときの粘度は、シェアレート１．８（１／ｓ）の時、３．８Ｐａ・ｓであった。更に、これを１３０℃で１時間硬化することで、熱伝導性シートを作成した。
作製した熱伝導性シートの熱伝導率を測定したところ、４．４Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。
【００４９】
［実施例６］
実施例５と同様の手法でピッチ系炭素繊維フィラーを作製した。
ピッチ系炭素繊維フィラー３０重量部、水酸化アルミニウム（平均粒子径５０μｍ、かさ密度２．１５ｇ／ｃｃ、モース硬度９、マイクロン社製）１０重量％をビニール袋の中で混合した。フィラーの混合物のかさ密度は１．４９ｇ／ｃｃ（平均値：１．４０ｇ／ｃｃ）であった。フィラー混合物と二液硬化性エポキシ系樹脂（ジャパンエポキシレジン社製商品名「エピコート８７１」、硬化剤「エピキュア１１３」を）６０重量％とをプラネタリーミキサーを用いて３０分間混合した後、ドクターブレードで０．５ｍｍの厚みに成形した。このときの粘度は、シェアレート１．８（１／ｓ）の時、３．９Ｐａ・ｓであった。更に、これを１３０℃で１時間硬化することで、熱伝導性シートを作成した。
作成した熱伝導性シートの熱伝導率を測定したところ、４．６Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。
【００５０】
［実施例７］
実施例１と同様の手法でピッチ系炭素繊維フィラーを作製した。
ピッチ系炭素繊維フィラー３０重量部、窒化ホウ素３０重量部（平均粒子径１０μｍ、かさ密度２．０３ｇ／ｃｃ、モース硬度２、ＧＥケミカル社製）をビニール袋の中で混合した。フィラー混合物のかさ密度は１．３５ｇ／ｃｃ（平均値：１．２２ｇ／ｃｃ）であった。フィラー混合物と熱硬化性シリコーン樹脂（東レダウシリコーン製、ＳＥ１７４０）４０重量部とをプラネタリーミキサーを用いて３０分間混合した後、ドクターブレードで０．５ｍｍの厚みに成形した。このときの粘度はシェアレート１．８（１／ｓ）の時、１２．３Ｐａ・ｓであった。更に、これを１３０℃で１時間硬化することで、熱伝導性シートを作成した。
作成した熱伝導性シートの熱伝導率を測定したところ、１３．３Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。
【００５１】
［実施例８］
実施例１と同様の手法でピッチ系炭素繊維フィラーを作製した。
ピッチ系炭素繊維フィラー３０重量部、アルミニウム３０重量部（平均粒子径８μｍ、かさ密度１．８０ｇ／ｃｃ、モース硬度２、東洋アルミニウム製）をビニール袋の中で混合した。フィラー混合物のかさ密度は１．２２ｇ／ｃｃ（平均値：１．１０ｇ／ｃｃ）であった。フィラー混合物と熱硬化性シリコーン樹脂（東レダウシリコーン製、ＳＥ１７４０）４０重量部とをプラネタリーミキサーを用いて３０分間混合した後、ドクターブレードで０．５ｍｍの厚みに成形した。このときの粘度はシェアレート１．８（１／ｓ）の時、１１．９Ｐａ・ｓであった。更に、これを１３０℃で１時間硬化することで、熱伝導性シートを作成した。
作成した熱伝導性シートの熱伝導率を測定したところ、１２．６Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。
【００５２】
［実施例９］
実施例１と同様の手法でピッチ系炭素繊維フィラーを作製した。
ピッチ系炭素繊維フィラー３０重量部、酸化亜鉛２４０重量部（平均粒子径１０μｍ、かさ密度ｇ４．００／ｃｃ、モース硬度５、堺化学工業製）をビニール袋の中で混合した。フィラー混合物のかさ密度は２．２５ｇ／ｃｃ（平均値：２．２０ｇ／ｃｃ）であった。フィラー混合物と熱硬化性シリコーン樹脂（東レダウシリコーン製、ＳＥ１７４０）４０重量部とをプラネタリーミキサーを用いて３０分間混合した後、ドクターブレードで０．５ｍｍの厚みに成形した。このときの粘度はシェアレート１．８（１／ｓ）の時、１３．１Ｐａ・ｓであった。更に、これを１３０℃で１時間硬化することで、熱伝導性シートを作成した。
作成した熱伝導性シートの熱伝導率を測定したところ、１３．６Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。
【００５３】
［比較例１］
実施例１と同様の手法でピッチ系炭素繊維フィラーを作製した。
ピッチ系炭素繊維フィラー３０重量部、二液硬化性シリコーン系樹脂（東レダウシリコーン社製商品名「ＳＥ１７４０」）７０重量部とをプラネタリーミキサーを用いて３０分間混合しながら真空脱泡した後、ドクターブレードで０．５ｍｍの厚みに成形した。このときの粘度は、シェアレート１．８（１／ｓ）の時、７．０Ｐａ・ｓであった。更に、これを１３０℃で１時間硬化することで、熱伝導性シートを作成した。
作成した熱伝導性シートの熱伝導率を測定したところ、３．８Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。
【００５４】
［比較例２］
実施例１と同様の手法でピッチ系炭素繊維フィラーを作製した。
ピッチ系炭素繊維フィラー３０重量部、水酸化アルミニウム（粒子径５０μｍ、かさ密度２．１５ｇ／ｃｃ、モース硬度９、マイクロン社製）１０重量部をビニール袋の中で混合した。フィラーの混合物のかさ密度は０．７１ｇ／ｃｃ（平均値：０．８４ｇ／ｃｃ）であった。フィラー混合物と二液硬化性シリコーン系樹脂（東レダウシリコーン社製商品名「ＳＥ１７４０」）を６０重量部とをプラネタリーミキサーを用いて３０分間混合しながら真空脱泡した後、ドクターブレードで０．５ｍｍの厚みに成形した。このときの粘度は、シェアレート１．８（１／ｓ）の時、１５．０Ｐａ・ｓであり粘度が非常に高かった。更に、これを１３０℃で１時間硬化することで、熱伝導性シートを作成した。
作成した熱伝導性シートの熱伝導率を測定したところ、４．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。
【００５５】
［比較例３］
実施例１と同様の手法でピッチ系炭素繊維フィラーを作製した。
ピッチ系炭素短繊維フィラー３０重量部、水酸化アルミニウム（粒子径５０μｍ、かさ密度２．１５ｇ／ｃｃ、モース硬度９、マイクロン社製）１０重量部をビニール袋の中で混合した。フィラーの混合物のかさ密度は０．７１ｇ／ｃｃ（平均値：０．８４ｇ／ｃｃ）であった。フィラー混合物とポリカーボネート系樹脂（帝人化成社製商品名「Ｌ−１２２５ＷＰ」）を６０重量部とをニーダー（栗本鉄工所製）を用いて２８０℃で混合し、ストランドを得た。このときの粘度は、シェアレート１０００（１／ｓ）の時、１２００Ｐａ・ｓであり、粘度が非常に高かった。更に、これをノズル温度３００度、金型温度８０℃で射出成形することで、熱伝導性シートを作成した。
作成した熱伝導性シートの熱伝導率を測定したところ、１．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明の熱伝導性シートは、ピッチ系炭素繊維フィラーとアスペクト比が小さい無機化合物を混合し、ピッチ系炭素繊維フィラーが交絡してできた空隙に無機化合物を埋め込むことで、高い熱伝導性を発現することを可能にせしめている。また、成形時に粘度を向上させることも無く、成形性を維持できる。更に、無機化合物のモース硬度を制御することによりピッチ系炭素繊維フィラーの破砕を抑制し、より高い熱伝導性の発現を可能にせしめている。これにより、高い放熱特性が要求される場所に用いることが可能になり、サーマルマネージメントを確実なものとする。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピッチ系炭素繊維フィラーと球状もしくはアスペクト比が３以下の無機化合物とを含む熱伝導性シートであって、該ピッチ系炭素繊維フィラーと該無機化合物を混合した状態のかさ密度が、該ピッチ系炭素繊維フィラーのかさ密度及び含有率、該無機化合物のかさ密度及び含有率から算出される平均かさ密度よりも大きいことを特徴とする熱伝導性シート。
【請求項２】
ピッチ系炭素繊維フィラーがメソフェーズピッチを原料とし、ピッチ系炭素繊維フィラーの六角網面の成長方向に由来する結晶子サイズが５ｎｍ以上であり、炭素繊維の平均繊維径が５〜２０μｍであり、炭素繊維の平均繊維長が５〜６０００μｍであり、平均繊維径に対する繊維径分散の百分率（ＣＶ値）が５〜２０であることを特徴とする請求項１記載の熱伝導性シート。
【請求項３】
球状もしくはアスペクト比が３以下の無機化合物が、シリカ、水酸化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化ベリリウム、炭化ケイ素、アルミニウム、ガラス、マグネシウム、銀、銅、スズおよびダイヤモンドからなる群より選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載の熱伝導性シート。
【請求項４】
ピッチ系炭素繊維フィラーの含有量１００重量部に対し、球状もしくは板状無機化合物の含有量が１重量部〜９００重量部であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか記載の熱伝導性シート。
【請求項５】
無機化合物のモース硬度が５以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の熱伝導性シート。
【請求項６】
球状もしくはアスペクト比が３以下の無機化合物が、アルミニウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、ガラス、マグネシウム、銀、銅、スズからなる群より選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の熱伝導性シート。
【請求項１】
ピッチ系炭素繊維フィラーと球状もしくはアスペクト比が３以下の無機化合物とを含む熱伝導性シートであって、該ピッチ系炭素繊維フィラーと該無機化合物を混合した状態のかさ密度が、該ピッチ系炭素繊維フィラーのかさ密度及び含有率、該無機化合物のかさ密度及び含有率から算出される平均かさ密度よりも大きいことを特徴とする熱伝導性シート。
【請求項２】
ピッチ系炭素繊維フィラーがメソフェーズピッチを原料とし、ピッチ系炭素繊維フィラーの六角網面の成長方向に由来する結晶子サイズが５ｎｍ以上であり、炭素繊維の平均繊維径が５〜２０μｍであり、炭素繊維の平均繊維長が５〜６０００μｍであり、平均繊維径に対する繊維径分散の百分率（ＣＶ値）が５〜２０であることを特徴とする請求項１記載の熱伝導性シート。
【請求項３】
球状もしくはアスペクト比が３以下の無機化合物が、シリカ、水酸化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化ベリリウム、炭化ケイ素、アルミニウム、ガラス、マグネシウム、銀、銅、スズおよびダイヤモンドからなる群より選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載の熱伝導性シート。
【請求項４】
ピッチ系炭素繊維フィラーの含有量１００重量部に対し、球状もしくは板状無機化合物の含有量が１重量部〜９００重量部であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか記載の熱伝導性シート。
【請求項５】
無機化合物のモース硬度が５以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の熱伝導性シート。
【請求項６】
球状もしくはアスペクト比が３以下の無機化合物が、アルミニウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、ガラス、マグネシウム、銀、銅、スズからなる群より選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の熱伝導性シート。
【公開番号】特開２００９−１３３９０（Ｐ２００９−１３３９０Ａ）
【公開日】平成２１年１月２２日（２００９．１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２５３９６９（Ｐ２００７−２５３９６９）
【出願日】平成１９年９月２８日（２００７．９．２８）
【出願人】（０００００３００１）帝人株式会社 (1,209)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１月２２日（２００９．１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月２８日（２００７．９．２８）
【出願人】（０００００３００１）帝人株式会社 (1,209)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]