高熱伝導性シート及びレーザ光学装置
【課題】熱伝導性及び衝撃吸収性に優れる高熱伝導性シート及びその高熱伝導性シートを用いたレーザ光学装置を提供する。
【解決手段】高熱伝導性シートは、含フッ素エラストマーに無機物の熱伝導用フィラーと、カーボンナノファイバーと、を含み、熱伝導度が１０〜５００Ｗ／ｍ・Ｋである。また、レーザ光学装置は、光学素子と、光学素子を配置する基体と、光学素子と基体との間にあってそれらと当接する高熱伝導性シートと、を含む。
【解決手段】高熱伝導性シートは、含フッ素エラストマーに無機物の熱伝導用フィラーと、カーボンナノファイバーと、を含み、熱伝導度が１０〜５００Ｗ／ｍ・Ｋである。また、レーザ光学装置は、光学素子と、光学素子を配置する基体と、光学素子と基体との間にあってそれらと当接する高熱伝導性シートと、を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高熱伝導性シート及びレーザ光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザ光を利用したレーザ光学機器は、例えば材料加工分野、光記録再生装置分野、医療装置分野など、利用技術分野が広がってきている。このようなレーザ光学装置は、レーザ光を発光・出射する例えば半導体レーザなどの発光素子や、レーザ光が受光される例えばレンズやミラーのような受光素子などの複数の光学素子を有している。
【０００３】
レーザ光学装置の基体に対する光学素子のそれぞれの配置は、高い精度が要求される。また、レーザの出力による光学素子の発熱は熱膨張などによる光学素子の配置に望ましくない変化を生じるため、光学素子を基体に当接し固定する材料として熱伝導性のよいインジウム箔が用いられていた（例えば、特許文献１参照）。インジウム箔は熱伝導性に優れ、光学素子と基体との間に効率的な熱伝導を与え、光学素子を固定する材料としては好適であった。
【０００４】
しかしながら、インジウム箔は、弾性率が高く衝撃吸収性に劣るという欠点があった。
【特許文献１】特開平１０−２２３９４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明の目的は、熱伝導性及び衝撃吸収性に優れる高熱伝導性シート及びその高熱伝導性シートを用いたレーザ光学装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明にかかる高熱伝導性シートは、
含フッ素エラストマーに、無機物の熱伝導用フィラーと、カーボンナノファイバーと、を含み、
熱伝導度が１０〜５００Ｗ／ｍ・Ｋである。
【０００７】
また、本発明にかかるレーザ光学装置は、
光学素子と、
前記光学素子を配置する基体と、
前記光学素子と前記基体との間に配置される前記高熱伝導性シートと、
を含む。
【０００８】
本発明の高熱伝導性シートによれば、含フッ素エラストマーを用いることで低弾性率で衝撃吸収性に優れ、熱伝導用フィラーを含むことで熱伝導度を向上せることができ、さらにカーボンナノファイバーによって高温における高剛性を得ることができる。しかも、含フッ素エラストマーはレーザ出力時のアウトガスがほとんど発生しないため、レーザ光学装置にも用いることができる。特に、本発明のレーザ光学装置によれば、光学素子と基体との間で高熱伝導性シートを当接させることで、光学素子と基体との間に効率的な熱伝導を与えると共に、基体から光学素子への衝撃も吸収することができる。
【０００９】
本発明にかかる高熱伝導性シートにおいて、
３０℃における動的粘弾性率（Ｅ’）が０．１〜４．０ＧＰａであって、２００℃における動的粘弾性率（Ｅ’）が０．１〜２．０ＧＰａであることができる。
【００１０】
本発明にかかる高熱伝導性シートにおいて、
含フッ素エラストマーは無架橋であることができる。
【００１１】
本発明にかかる高熱伝導性シートにおいて、
前記熱伝導用フィラーは、熱伝導度が１００〜５００Ｗ／ｍ・Ｋであることができる。
【００１２】
本発明にかかる高熱伝導性シートにおいて、
前記熱伝導用フィラーは、アルミニウム、銀、銅及び窒化アルミニウムから選択された少なくとも１種であることができる。
【００１３】
本発明にかかる高熱伝導性シートにおいて、
前記熱伝導用フィラーは、平均粒径が１〜２００μｍであることができる。
【００１４】
本発明にかかる高熱伝導性シートにおいて、
前記カーボンナノファイバーは、平均直径が０．５ないし５００ｎｍであることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１６】
本実施の形態にかかる高熱伝導性シートは、含フッ素エラストマーに、無機物の熱伝導用フィラーと、カーボンナノファイバーと、を含み、熱伝導度が１０〜５００Ｗ／ｍ・Ｋである。
【００１７】
本実施の形態に用いられる含フッ素エラストマーは、分子中にフッ素原子を含む合成ゴムであり、例えば、含フッ素アクリレートの重合体、フッ化ビニリデン系共重合体、テトラフルオロエチレン−プロピレン共重合体（TFE-P）、テトラフルオロエチレン−パーフ
ルオロメチルビニルエーテル共重合体（TFE-PMVE）、含フッ素ホスファゼン系、含フッ素シリコーン系などがある。含フッ素エラストマーは、レーザ光の照射によってアウトガスの発生がほとんど無い。したがって、本実施の形態にかかる高熱伝導性シートをレーザ光学装置における光学素子と基体との間に配置してもアウトガスによる光学素子への悪影響がない。また、本実施の形態に用いられる含フッ素エラストマーは無架橋のまま用いることができる。架橋工程を必要としないので、製造が容易でありコストダウンとなるという効果を有する。また、無架橋であれば、含フッ素エラストマーを溶剤に混合してスクリーン印刷などの方法で基材に塗布することで膜化するなど加工性も高い。高熱伝導性及び衝撃吸収性を低下させなければ強度や耐熱性を向上させるために架橋させてもよい。さらに、含フッ素エラストマーを用いることで、光学素子や基体の形状に対応できる柔軟性があり、また、加工が容易である。
【００１８】
本実施の形態にかかる高熱伝導性シートは、無機物の熱伝導用フィラーを含むことで、含フッ素エラストマーでありながら、熱伝導度を１０〜５００Ｗ／ｍ・Ｋとすることができ、さらに好ましくは、５０〜３００Ｗ／ｍ・Ｋとすると加工性がよく市販用として低価格化が可能である。高熱伝導性シートの熱伝導度が１０Ｗ／ｍ・Ｋ未満だと光学素子からの熱を伝えるのには不十分であり、熱伝導度が５００Ｗ／ｍ・Ｋを超える高熱伝導性シートを製造することは困難である。
【００１９】
このような熱伝導用フィラーとしては、含フッ素エラストマーの熱伝導度を効率よく向上させることができることから、熱伝導度が１００〜５００Ｗ／ｍ・Ｋであることが好ましく、含フッ素エラストマーとの混練加工性から粒子状であることが好ましい。特に、熱伝導性フィラーとしては、加工性に優れること、市場で入手しやすいことなどの点から、アルミニウム（例えば熱伝導度２３７Ｗ／ｍ・Ｋ）、銀（例えば熱伝導度４２９Ｗ／ｍ・Ｋ）、銅（例えば熱伝導度４０１Ｗ／ｍ・Ｋ）及び窒化アルミニウム（例えば熱伝導度１５０Ｗ／ｍ・Ｋ）から選択された少なくとも１種であることが好ましい。このような熱伝導用フィラーの平均粒径は、１〜２００μｍであることが好ましい。熱伝導用フィラーの平均粒径が１μｍ未満であると、フォノンの伝達が困難なため、熱伝導性を向上させにくい。また、熱伝導用フィラーの平均粒径は、高熱伝導性シートの厚さよりも小さいことが好ましく、例えば２００μｍ以下であることが好ましい。ただし、高熱伝導性シートの厚さは、その用途によって異なる。
【００２０】
本実施の形態に用いられるカーボンナノファイバーは、平均直径が０．５ないし５００ｎｍであることが好ましく、平均直径が０．５ないし２００ｎｍであることがさらに好ましい。カーボンナノファイバーはストレート繊維状であっても、湾曲繊維状であってもよい。また、このようなカーボンナノファイバーとしては、平均長さが２０μｍ程度が好ましい。
【００２１】
カーボンナノファイバーの配合量は、特に限定されず、用途に応じて設定できるが、含フッ素エラストマー１００重量部に対して、８〜１２０重量部含むことが好ましく、２０〜１００重量部含むことがさらに好ましい。
【００２２】
カーボンナノファイバーとしては、例えば、いわゆるカーボンナノチューブなどが例示できる。カーボンナノファイバーは、炭素六角網面のグラフェンシートが円筒状に閉じた単層構造あるいはこれらの円筒構造が入れ子状に配置された多層構造を有する。すなわち、カーボンナノファイバーは、単層構造のみから構成されていても多層構造のみから構成されていても良く、単層構造と多層構造が混在していてもかまわない。また、部分的にカーボンナノチューブの構造を有する炭素材料も使用することができる。なお、カーボンナノチューブという名称の他にグラファイトフィブリルナノチューブ、気相成長炭素繊維といった名称で称されることもある。
【００２３】
単層カーボンナノチューブもしくは多層カーボンナノチューブは、アーク放電法、レーザーアブレーション法、気相成長法などによって望ましいサイズに製造される。
【００２４】
アーク放電法は、大気圧よりもやや低い圧力のアルゴンや水素雰囲気下で、炭素棒でできた電極材料の間にアーク放電を行うことで、陰極に堆積した多層カーボンナノチューブを得る方法である。また、単層カーボンナノチューブは、前記炭素棒中にニッケル／コバルトなどの触媒を混ぜてアーク放電を行い、処理容器の内側面に付着するすすから得られる。レーザーアブレーション法は、希ガス（例えばアルゴン）中で、ターゲットであるニッケル／コバルトなどの触媒を混ぜた炭素表面に、ＹＡＧレーザーの強いパルスレーザー光を照射することによって炭素表面を溶融・蒸発させて、単層カーボンナノチューブを得る方法である。気相成長法は、ベンゼンやトルエン等の炭化水素を気相で熱分解し、カーボンナノチューブを合成するもので、より具体的には、流動触媒法やゼオライト担持触媒法などが例示できる。
【００２５】
カーボンナノファイバーは、含フッ素エラストマーと混練される前に、あらかじめ表面処理、例えば、イオン注入処理、スパッタエッチング処理、プラズマ処理などを行うことによって、エラストマーとの接着性やぬれ性を改善することができる。
【００２６】
本実施の形態にかかる高熱伝導性シートは、含フッ素エラストマー１００重量部（ｐｈｒ）に対して、均一に分散された熱伝導用フィラーを１００〜９００重量部（ｐｈｒ）含むことが好ましく、さらに好ましくは２００〜８００重量部（ｐｈｒ）である。熱伝導用フィラーの配合量が１００重量部未満であると、レーザ光学装置における高熱伝導性シートとして好ましい熱伝導度が得られず、熱伝導用フィラーの配合量が９００重量部（ｐｈｒ）を超えると、エラストマーとの混練が困難となり好ましくない。
【００２７】
本実施の形態にかかる高熱伝導性シートは、３０℃における動的粘弾性率（Ｅ’）が０．１〜４．０ＧＰａであって、２００℃における動的粘弾性率（Ｅ’）が０．１〜２．０ＧＰａであることが好ましい。高熱伝導性シートの３０℃における動的粘弾性率（Ｅ’）が０．１ＧＰａ未満であると、基体に光学素子を確実に固定することが難しくなり、４．０ＧＰａを超えると、衝撃吸収性が低くなり好ましくない。また、本実施の形態にかかる高熱伝導性シートの耐熱温度は、２００℃以上が好ましい。
【００２８】
本実施の形態にかかる高熱伝導性シートは、オープンロールを用いたオープンロール法、バンバリミキサ、インタナルミキサ、ニーダなどを用いた密閉式混練法、二軸押出機、三軸押出機などを用いた多軸押出し混練法などを用いて混練して得ることができる。ここでは、２本のロールを用いたオープンロール法を用いた例について述べる。
【００２９】
図１は、２本のロールを用いたオープンロール法を模式的に示す図である。図１において、符号１０は第１のロールを示し、符号２０は第２のロールを示す。第１のロール１０と第２のロール２０とは、所定の間隔ｄ、例えば１．５ｍｍの間隔で配置されている。第１および第２のロールは、正転あるいは逆転で回転する。図示の例では、第１のロール１０および第２のロール２０は、矢印で示す方向に回転している。
【００３０】
まず、第１，第２のロール１０，２０が回転した状態で、第２のロール２０に、含フッ素エラストマー３０を巻き付けると、ロール１０，２０間に含フッ素エラストマーがたまった、いわゆるバンク３２が形成される。このバンク３２内に粒子状の熱伝導用フィラー５０とカーボンナノファイバー４０とを加えて、第１、第２のロール１０，２０を回転させると、含フッ素エラストマー３０と熱伝導用フィラー５０とカーボンナノファイバー４０の混合物が得られる。この混合物をオープンロールから取り出す。さらに、第１のロール１０と第２のロール２０の間隔ｄを、好ましくは０．５ｍｍ以下、より好ましくは０．１ないし０．５ｍｍの間隔に設定し、得られた混合物をオープンロールに投入して薄通しを行なう。薄通しの回数は、例えば５〜１０回程度行なうことが好ましい。第１のロール１０の表面速度をＶ１、第２のロール２０の表面速度をＶ２とすると、薄通しにおける両者の表面速度比（Ｖ１／Ｖ２）は、１．０５ないし３．００であることが好ましく、さらに１．０５ないし１．２であることが好ましい。このような表面速度比を用いることにより、所望の剪断力を得ることができる。
【００３１】
このようにして得られた剪断力により、含フッ素エラストマー３０に高い剪断力が作用し、凝集していたカーボンナノファイバー４０が含フッ素エラストマー分子に１本づつ引き抜かれるように相互に分離し、含フッ素エラストマー３０に分散される。
【００３２】
また、カーボンナノファイバー４０の投入に先立って、粒子状の熱伝導用フィラー５０をバンク３２に投入しておくと、ロールによる剪断力は熱伝導用フィラー５０のまわりに乱流状の流動を発生させ、カーボンナノファイバー４０を含フッ素エラストマー３０にさらに分散させることができる。
【００３３】
この工程では、できるだけ高い剪断力を得るために、含フッ素エラストマーとカーボンナノファイバーとの混合は、好ましくは０ないし５０℃、より好ましくは５ないし３０℃の比較的低い温度で行われる。
【００３４】
このとき、本実施の形態の含フッ素エラストマーは、上述した特徴、すなわち、含フッ素エラストマーの分子形態（分子長）や分子運動によって表される弾性と、粘性と、カーボンナノファイバーとの化学的相互作用と、を有することによってカーボンナノファイバーの分散を容易にするので、分散性および分散安定性（カーボンナノファイバーが再凝集しにくいこと）に優れた複合材料を得ることができる。より具体的には、含フッ素エラストマーとカーボンナノファイバーとを混合すると、粘性を有する含フッ素エラストマーがカーボンナノファイバーの相互に侵入し、かつ、含フッ素エラストマーの特定の部分が化学的相互作用によってカーボンナノファイバーの活性の高い部分と結合する。この状態で、分子長が適度に長く、分子運動性の高い(弾性を有する)含フッ素エラストマーとカーボンナノファイバーとの混合物に強い剪断力が作用すると、含フッ素エラストマーの移動に伴ってカーボンナノファイバーも移動し、さらに剪断後の弾性による含フッ素エラストマーの復元力によって、凝集していたカーボンナノファイバーが分離されて、含フッ素エラストマー中に分散されることになる。本実施の形態によれば、混合物が狭いロール間から押し出された際に、含フッ素エラストマーの弾性による復元力で混合物はロール間隔より厚く変形する。その変形は、強い剪断力の作用した混合物をさらに複雑に流動させ、カーボンナノファイバーを含フッ素エラストマー中に分散させると推測できる。そして、一旦分散したカーボンナノファイバーは、含フッ素エラストマーとの化学的相互作用によって再凝集することが防止され、良好な分散安定性を有することができる。
【００３５】
こうして薄通しされた含フッ素エラストマーの複合材料を所定の厚さ例えば２０μｍ〜１ｍｍにシート出しする。
【００３６】
さらに、このようにして得られたシートを、例えばプレス成形、押出成形、射出成形、トランスファー成形などの通常のエラストマーの加工法を用いて所望の形状に成形して高熱伝導性シートを得る。このとき、高熱伝導性シートを架橋する場合には、オープンロールによる混練の際に、架橋剤を混合させておくことで、例えばプレス成形時に架橋させて成形することができる。低弾性率を得るために、架橋させずに成形することが好ましい。このようにして得られた高熱伝導性シートは、熱伝導性フィラーによる高熱伝導性と、低弾性率による衝撃吸収性と、を有し、さらにカーボンナノファイバーによる高剛性を有している。
【００３７】
本実施の形態にかかるレーザ光学装置は、光学素子と、前記光学素子を配置する基体と、前記光学素子と前記基体との間に配置される前記高熱伝導性シートと、を含む。
【００３８】
高熱伝導性シートは、レーザ光学装置において、基体と光学素子との間にあって、効率的な熱伝導を行なうと共に、基体に対し光学素子を確実に位置決め配置することができる。光学素子は、例えばレーザ光を発光・出射する例えば半導体レーザなどの発光素子や、レーザ光が受光される例えばレンズ、ミラー、フォトダイオードなどの受光素子などがあり、レーザ光学装置は、これらの複数の光学素子を高熱伝導性シートを介して基体例えば台座やフレームなどの所定箇所に配置・固定している。光学素子と高熱伝導性シートもしくは基体と高熱伝導性シートの間は、接着剤によって接着してもよいし、高熱伝導性シート自体が柔軟に変形可能であるため、光学素子を高熱伝導性シートに押し付けて固定してもよい。
【００３９】
本実施の形態にかかるレーザ光学装置において、光学素子と基体との間で高熱伝導性シートが効率よく熱伝導するので、レーザ光出力時に光学素子の熱を基体へと伝え、光学素子の温度上昇を抑えることができる。また、本実施の形態にかかるレーザ光学装置において、高熱伝導性シートは基体からの衝撃を吸収し、光学素子への衝撃を緩和することができる。しかも、高熱伝導性シートはレーザ高出力時においてもアウトガスが発生しないので、光学素子への悪影響もない。
【実施例】
【００４０】
以下、本発明の実施例について述べるが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００４１】
（実施例１〜４、比較例１〜５）
（１）高熱伝導性シートサンプルの作製
オープンロールに、表１に示す所定量の含フッ素エラストマー（１００重量部（ｐｈｒ））を投入して、ロールに巻き付かせた。含フッ素エラストマーに対して表１に示す量（重量部（ｐｈｒ））の粒子状の熱伝導用フィラー及びカーボンナノファイバーを投入し、混練した。さらに、薄通しを５回行い、厚さ１．５ｍにシート出しした。このシートを２５０℃で１分間プレス成形して、厚さ１．０ｍｍの実施例１〜４の無架橋の高熱伝導性シートを得た。なお、ここでは各物性を測定するためシート厚を１．０ｍｍとしたが、実際にレーザ光学装置に用いる場合には、２００μｍ程度である。
【００４２】
比較例１、２、４、５も実施例１〜４と同様にして混練、薄通し、プレス成形を行ない、厚さ１．０ｍｍのシートを得た。また、比較例３は、従来から用いられている厚さ１．０ｍｍのインジウムとした。
【００４３】
なお、含フッ素エラストマーとしてはデュポン・ダウ・エラストマー・ジャパン社製のバイトンＡ−５００を用いた。また、比較例１のＥＰＤＭとしてはＪＳＲ社製のＥＰ２２を用い、比較例２のシリコーンゴムとしては信越シリコーン社製のＫＥ７５２−Ｕを用いた。さらに、銀粉としては平均粒径３５μｍのアトマイズ銀粒子を用い、カーボンブラックとしては、ケッチェンブラックを用いた。カーボンナノファイバーとしては、平均直径が約１００ｎｍの気相成長マルチウォールカーボンナノチューブを用いた。
【００４４】
（２）動的粘弾性率及び耐熱温度の測定
各シートのサンプルについて、３０℃及び２００℃におけるＥ’（動的粘弾性率）をＳＩＩ社製の動的粘弾性測定装置によって測定した。なお、比較例１〜５のサンプルの２００℃におけるＥ’（動的粘弾性率）は測定しなかった。また、ＳＩＩ社製の熱機械分析装置（ＴＭＡ）によって耐熱温度を測定した。耐熱温度の測定は、前記ＴＭＡを用いて、サンプルに２５ＫＰａの負荷をかけて、−１００℃〜３００℃の間で熱膨張を計測し、熱劣化の生じる温度を耐熱温度とした。これらの結果を表１に示す。
【００４５】
（３）熱伝導度の測定
各シートのサンプルについて、ブルカー・エイエックスエス社製のＬＦＡ４４７キセノンフラッシュアナライザーを用いてキセノンフラッシュ法で熱伝導度（単位はＷ／ｍ・Ｋ）を測定した。測定結果を表１に示す。
【００４６】
（４）アウトガスの測定
各シートのサンプルを２５０℃で１時間保持し、ガスクロマトグラフィーで発生したガスを検出した。この測定結果を表１に示す。表１において、ガスの発生が検出されなかった場合には「○」と記載し、ガスの発生が検出された場合には、「×」と記載した。
【００４７】
【表１】
表１から、本発明の実施例１〜４によれば、以下のことが確認された。すなわち、実施例１〜４は比較例３のインジウム箔に比べて動的粘弾性率が低く、熱伝導度も同等もしくはそれ以上であることがわかった。実施例１〜４の銀粉は、比較例４のカーボンブラックに比べてシートの熱伝導度を大きくすることができ、熱伝導用フィラーとして好適であることがわかった。また、実施例１〜４の含フッ素エラストマーを用いた場合はアウトガスの発生が検出されなかったが、比較例１のＥＰＤＭは耐熱温度が１５０℃であり、分解された有機物が検出され、比較例２のシリコーンゴムは耐熱温度が２００℃であり、シロキサンの発生が検出された。さらに、本発明の実施例１〜４は、２００℃における動的粘弾性率（Ｅ’）が０．１ＧＰａ以上であり、高温における高い剛性を有していることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本実施の形態で用いたオープンロール法による含フッ素エラストマーと熱伝導用フィラーとカーボンナノファイバーとの混練法を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
１０ 第１のロール
２０ 第２のロール
３０ 含フッ素エラストマー
４０ カーボンナノファイバー
５０ 熱伝導用フィラー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高熱伝導性シート及びレーザ光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザ光を利用したレーザ光学機器は、例えば材料加工分野、光記録再生装置分野、医療装置分野など、利用技術分野が広がってきている。このようなレーザ光学装置は、レーザ光を発光・出射する例えば半導体レーザなどの発光素子や、レーザ光が受光される例えばレンズやミラーのような受光素子などの複数の光学素子を有している。
【０００３】
レーザ光学装置の基体に対する光学素子のそれぞれの配置は、高い精度が要求される。また、レーザの出力による光学素子の発熱は熱膨張などによる光学素子の配置に望ましくない変化を生じるため、光学素子を基体に当接し固定する材料として熱伝導性のよいインジウム箔が用いられていた（例えば、特許文献１参照）。インジウム箔は熱伝導性に優れ、光学素子と基体との間に効率的な熱伝導を与え、光学素子を固定する材料としては好適であった。
【０００４】
しかしながら、インジウム箔は、弾性率が高く衝撃吸収性に劣るという欠点があった。
【特許文献１】特開平１０−２２３９４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明の目的は、熱伝導性及び衝撃吸収性に優れる高熱伝導性シート及びその高熱伝導性シートを用いたレーザ光学装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明にかかる高熱伝導性シートは、
含フッ素エラストマーに、無機物の熱伝導用フィラーと、カーボンナノファイバーと、を含み、
熱伝導度が１０〜５００Ｗ／ｍ・Ｋである。
【０００７】
また、本発明にかかるレーザ光学装置は、
光学素子と、
前記光学素子を配置する基体と、
前記光学素子と前記基体との間に配置される前記高熱伝導性シートと、
を含む。
【０００８】
本発明の高熱伝導性シートによれば、含フッ素エラストマーを用いることで低弾性率で衝撃吸収性に優れ、熱伝導用フィラーを含むことで熱伝導度を向上せることができ、さらにカーボンナノファイバーによって高温における高剛性を得ることができる。しかも、含フッ素エラストマーはレーザ出力時のアウトガスがほとんど発生しないため、レーザ光学装置にも用いることができる。特に、本発明のレーザ光学装置によれば、光学素子と基体との間で高熱伝導性シートを当接させることで、光学素子と基体との間に効率的な熱伝導を与えると共に、基体から光学素子への衝撃も吸収することができる。
【０００９】
本発明にかかる高熱伝導性シートにおいて、
３０℃における動的粘弾性率（Ｅ’）が０．１〜４．０ＧＰａであって、２００℃における動的粘弾性率（Ｅ’）が０．１〜２．０ＧＰａであることができる。
【００１０】
本発明にかかる高熱伝導性シートにおいて、
含フッ素エラストマーは無架橋であることができる。
【００１１】
本発明にかかる高熱伝導性シートにおいて、
前記熱伝導用フィラーは、熱伝導度が１００〜５００Ｗ／ｍ・Ｋであることができる。
【００１２】
本発明にかかる高熱伝導性シートにおいて、
前記熱伝導用フィラーは、アルミニウム、銀、銅及び窒化アルミニウムから選択された少なくとも１種であることができる。
【００１３】
本発明にかかる高熱伝導性シートにおいて、
前記熱伝導用フィラーは、平均粒径が１〜２００μｍであることができる。
【００１４】
本発明にかかる高熱伝導性シートにおいて、
前記カーボンナノファイバーは、平均直径が０．５ないし５００ｎｍであることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１６】
本実施の形態にかかる高熱伝導性シートは、含フッ素エラストマーに、無機物の熱伝導用フィラーと、カーボンナノファイバーと、を含み、熱伝導度が１０〜５００Ｗ／ｍ・Ｋである。
【００１７】
本実施の形態に用いられる含フッ素エラストマーは、分子中にフッ素原子を含む合成ゴムであり、例えば、含フッ素アクリレートの重合体、フッ化ビニリデン系共重合体、テトラフルオロエチレン−プロピレン共重合体（TFE-P）、テトラフルオロエチレン−パーフ
ルオロメチルビニルエーテル共重合体（TFE-PMVE）、含フッ素ホスファゼン系、含フッ素シリコーン系などがある。含フッ素エラストマーは、レーザ光の照射によってアウトガスの発生がほとんど無い。したがって、本実施の形態にかかる高熱伝導性シートをレーザ光学装置における光学素子と基体との間に配置してもアウトガスによる光学素子への悪影響がない。また、本実施の形態に用いられる含フッ素エラストマーは無架橋のまま用いることができる。架橋工程を必要としないので、製造が容易でありコストダウンとなるという効果を有する。また、無架橋であれば、含フッ素エラストマーを溶剤に混合してスクリーン印刷などの方法で基材に塗布することで膜化するなど加工性も高い。高熱伝導性及び衝撃吸収性を低下させなければ強度や耐熱性を向上させるために架橋させてもよい。さらに、含フッ素エラストマーを用いることで、光学素子や基体の形状に対応できる柔軟性があり、また、加工が容易である。
【００１８】
本実施の形態にかかる高熱伝導性シートは、無機物の熱伝導用フィラーを含むことで、含フッ素エラストマーでありながら、熱伝導度を１０〜５００Ｗ／ｍ・Ｋとすることができ、さらに好ましくは、５０〜３００Ｗ／ｍ・Ｋとすると加工性がよく市販用として低価格化が可能である。高熱伝導性シートの熱伝導度が１０Ｗ／ｍ・Ｋ未満だと光学素子からの熱を伝えるのには不十分であり、熱伝導度が５００Ｗ／ｍ・Ｋを超える高熱伝導性シートを製造することは困難である。
【００１９】
このような熱伝導用フィラーとしては、含フッ素エラストマーの熱伝導度を効率よく向上させることができることから、熱伝導度が１００〜５００Ｗ／ｍ・Ｋであることが好ましく、含フッ素エラストマーとの混練加工性から粒子状であることが好ましい。特に、熱伝導性フィラーとしては、加工性に優れること、市場で入手しやすいことなどの点から、アルミニウム（例えば熱伝導度２３７Ｗ／ｍ・Ｋ）、銀（例えば熱伝導度４２９Ｗ／ｍ・Ｋ）、銅（例えば熱伝導度４０１Ｗ／ｍ・Ｋ）及び窒化アルミニウム（例えば熱伝導度１５０Ｗ／ｍ・Ｋ）から選択された少なくとも１種であることが好ましい。このような熱伝導用フィラーの平均粒径は、１〜２００μｍであることが好ましい。熱伝導用フィラーの平均粒径が１μｍ未満であると、フォノンの伝達が困難なため、熱伝導性を向上させにくい。また、熱伝導用フィラーの平均粒径は、高熱伝導性シートの厚さよりも小さいことが好ましく、例えば２００μｍ以下であることが好ましい。ただし、高熱伝導性シートの厚さは、その用途によって異なる。
【００２０】
本実施の形態に用いられるカーボンナノファイバーは、平均直径が０．５ないし５００ｎｍであることが好ましく、平均直径が０．５ないし２００ｎｍであることがさらに好ましい。カーボンナノファイバーはストレート繊維状であっても、湾曲繊維状であってもよい。また、このようなカーボンナノファイバーとしては、平均長さが２０μｍ程度が好ましい。
【００２１】
カーボンナノファイバーの配合量は、特に限定されず、用途に応じて設定できるが、含フッ素エラストマー１００重量部に対して、８〜１２０重量部含むことが好ましく、２０〜１００重量部含むことがさらに好ましい。
【００２２】
カーボンナノファイバーとしては、例えば、いわゆるカーボンナノチューブなどが例示できる。カーボンナノファイバーは、炭素六角網面のグラフェンシートが円筒状に閉じた単層構造あるいはこれらの円筒構造が入れ子状に配置された多層構造を有する。すなわち、カーボンナノファイバーは、単層構造のみから構成されていても多層構造のみから構成されていても良く、単層構造と多層構造が混在していてもかまわない。また、部分的にカーボンナノチューブの構造を有する炭素材料も使用することができる。なお、カーボンナノチューブという名称の他にグラファイトフィブリルナノチューブ、気相成長炭素繊維といった名称で称されることもある。
【００２３】
単層カーボンナノチューブもしくは多層カーボンナノチューブは、アーク放電法、レーザーアブレーション法、気相成長法などによって望ましいサイズに製造される。
【００２４】
アーク放電法は、大気圧よりもやや低い圧力のアルゴンや水素雰囲気下で、炭素棒でできた電極材料の間にアーク放電を行うことで、陰極に堆積した多層カーボンナノチューブを得る方法である。また、単層カーボンナノチューブは、前記炭素棒中にニッケル／コバルトなどの触媒を混ぜてアーク放電を行い、処理容器の内側面に付着するすすから得られる。レーザーアブレーション法は、希ガス（例えばアルゴン）中で、ターゲットであるニッケル／コバルトなどの触媒を混ぜた炭素表面に、ＹＡＧレーザーの強いパルスレーザー光を照射することによって炭素表面を溶融・蒸発させて、単層カーボンナノチューブを得る方法である。気相成長法は、ベンゼンやトルエン等の炭化水素を気相で熱分解し、カーボンナノチューブを合成するもので、より具体的には、流動触媒法やゼオライト担持触媒法などが例示できる。
【００２５】
カーボンナノファイバーは、含フッ素エラストマーと混練される前に、あらかじめ表面処理、例えば、イオン注入処理、スパッタエッチング処理、プラズマ処理などを行うことによって、エラストマーとの接着性やぬれ性を改善することができる。
【００２６】
本実施の形態にかかる高熱伝導性シートは、含フッ素エラストマー１００重量部（ｐｈｒ）に対して、均一に分散された熱伝導用フィラーを１００〜９００重量部（ｐｈｒ）含むことが好ましく、さらに好ましくは２００〜８００重量部（ｐｈｒ）である。熱伝導用フィラーの配合量が１００重量部未満であると、レーザ光学装置における高熱伝導性シートとして好ましい熱伝導度が得られず、熱伝導用フィラーの配合量が９００重量部（ｐｈｒ）を超えると、エラストマーとの混練が困難となり好ましくない。
【００２７】
本実施の形態にかかる高熱伝導性シートは、３０℃における動的粘弾性率（Ｅ’）が０．１〜４．０ＧＰａであって、２００℃における動的粘弾性率（Ｅ’）が０．１〜２．０ＧＰａであることが好ましい。高熱伝導性シートの３０℃における動的粘弾性率（Ｅ’）が０．１ＧＰａ未満であると、基体に光学素子を確実に固定することが難しくなり、４．０ＧＰａを超えると、衝撃吸収性が低くなり好ましくない。また、本実施の形態にかかる高熱伝導性シートの耐熱温度は、２００℃以上が好ましい。
【００２８】
本実施の形態にかかる高熱伝導性シートは、オープンロールを用いたオープンロール法、バンバリミキサ、インタナルミキサ、ニーダなどを用いた密閉式混練法、二軸押出機、三軸押出機などを用いた多軸押出し混練法などを用いて混練して得ることができる。ここでは、２本のロールを用いたオープンロール法を用いた例について述べる。
【００２９】
図１は、２本のロールを用いたオープンロール法を模式的に示す図である。図１において、符号１０は第１のロールを示し、符号２０は第２のロールを示す。第１のロール１０と第２のロール２０とは、所定の間隔ｄ、例えば１．５ｍｍの間隔で配置されている。第１および第２のロールは、正転あるいは逆転で回転する。図示の例では、第１のロール１０および第２のロール２０は、矢印で示す方向に回転している。
【００３０】
まず、第１，第２のロール１０，２０が回転した状態で、第２のロール２０に、含フッ素エラストマー３０を巻き付けると、ロール１０，２０間に含フッ素エラストマーがたまった、いわゆるバンク３２が形成される。このバンク３２内に粒子状の熱伝導用フィラー５０とカーボンナノファイバー４０とを加えて、第１、第２のロール１０，２０を回転させると、含フッ素エラストマー３０と熱伝導用フィラー５０とカーボンナノファイバー４０の混合物が得られる。この混合物をオープンロールから取り出す。さらに、第１のロール１０と第２のロール２０の間隔ｄを、好ましくは０．５ｍｍ以下、より好ましくは０．１ないし０．５ｍｍの間隔に設定し、得られた混合物をオープンロールに投入して薄通しを行なう。薄通しの回数は、例えば５〜１０回程度行なうことが好ましい。第１のロール１０の表面速度をＶ１、第２のロール２０の表面速度をＶ２とすると、薄通しにおける両者の表面速度比（Ｖ１／Ｖ２）は、１．０５ないし３．００であることが好ましく、さらに１．０５ないし１．２であることが好ましい。このような表面速度比を用いることにより、所望の剪断力を得ることができる。
【００３１】
このようにして得られた剪断力により、含フッ素エラストマー３０に高い剪断力が作用し、凝集していたカーボンナノファイバー４０が含フッ素エラストマー分子に１本づつ引き抜かれるように相互に分離し、含フッ素エラストマー３０に分散される。
【００３２】
また、カーボンナノファイバー４０の投入に先立って、粒子状の熱伝導用フィラー５０をバンク３２に投入しておくと、ロールによる剪断力は熱伝導用フィラー５０のまわりに乱流状の流動を発生させ、カーボンナノファイバー４０を含フッ素エラストマー３０にさらに分散させることができる。
【００３３】
この工程では、できるだけ高い剪断力を得るために、含フッ素エラストマーとカーボンナノファイバーとの混合は、好ましくは０ないし５０℃、より好ましくは５ないし３０℃の比較的低い温度で行われる。
【００３４】
このとき、本実施の形態の含フッ素エラストマーは、上述した特徴、すなわち、含フッ素エラストマーの分子形態（分子長）や分子運動によって表される弾性と、粘性と、カーボンナノファイバーとの化学的相互作用と、を有することによってカーボンナノファイバーの分散を容易にするので、分散性および分散安定性（カーボンナノファイバーが再凝集しにくいこと）に優れた複合材料を得ることができる。より具体的には、含フッ素エラストマーとカーボンナノファイバーとを混合すると、粘性を有する含フッ素エラストマーがカーボンナノファイバーの相互に侵入し、かつ、含フッ素エラストマーの特定の部分が化学的相互作用によってカーボンナノファイバーの活性の高い部分と結合する。この状態で、分子長が適度に長く、分子運動性の高い(弾性を有する)含フッ素エラストマーとカーボンナノファイバーとの混合物に強い剪断力が作用すると、含フッ素エラストマーの移動に伴ってカーボンナノファイバーも移動し、さらに剪断後の弾性による含フッ素エラストマーの復元力によって、凝集していたカーボンナノファイバーが分離されて、含フッ素エラストマー中に分散されることになる。本実施の形態によれば、混合物が狭いロール間から押し出された際に、含フッ素エラストマーの弾性による復元力で混合物はロール間隔より厚く変形する。その変形は、強い剪断力の作用した混合物をさらに複雑に流動させ、カーボンナノファイバーを含フッ素エラストマー中に分散させると推測できる。そして、一旦分散したカーボンナノファイバーは、含フッ素エラストマーとの化学的相互作用によって再凝集することが防止され、良好な分散安定性を有することができる。
【００３５】
こうして薄通しされた含フッ素エラストマーの複合材料を所定の厚さ例えば２０μｍ〜１ｍｍにシート出しする。
【００３６】
さらに、このようにして得られたシートを、例えばプレス成形、押出成形、射出成形、トランスファー成形などの通常のエラストマーの加工法を用いて所望の形状に成形して高熱伝導性シートを得る。このとき、高熱伝導性シートを架橋する場合には、オープンロールによる混練の際に、架橋剤を混合させておくことで、例えばプレス成形時に架橋させて成形することができる。低弾性率を得るために、架橋させずに成形することが好ましい。このようにして得られた高熱伝導性シートは、熱伝導性フィラーによる高熱伝導性と、低弾性率による衝撃吸収性と、を有し、さらにカーボンナノファイバーによる高剛性を有している。
【００３７】
本実施の形態にかかるレーザ光学装置は、光学素子と、前記光学素子を配置する基体と、前記光学素子と前記基体との間に配置される前記高熱伝導性シートと、を含む。
【００３８】
高熱伝導性シートは、レーザ光学装置において、基体と光学素子との間にあって、効率的な熱伝導を行なうと共に、基体に対し光学素子を確実に位置決め配置することができる。光学素子は、例えばレーザ光を発光・出射する例えば半導体レーザなどの発光素子や、レーザ光が受光される例えばレンズ、ミラー、フォトダイオードなどの受光素子などがあり、レーザ光学装置は、これらの複数の光学素子を高熱伝導性シートを介して基体例えば台座やフレームなどの所定箇所に配置・固定している。光学素子と高熱伝導性シートもしくは基体と高熱伝導性シートの間は、接着剤によって接着してもよいし、高熱伝導性シート自体が柔軟に変形可能であるため、光学素子を高熱伝導性シートに押し付けて固定してもよい。
【００３９】
本実施の形態にかかるレーザ光学装置において、光学素子と基体との間で高熱伝導性シートが効率よく熱伝導するので、レーザ光出力時に光学素子の熱を基体へと伝え、光学素子の温度上昇を抑えることができる。また、本実施の形態にかかるレーザ光学装置において、高熱伝導性シートは基体からの衝撃を吸収し、光学素子への衝撃を緩和することができる。しかも、高熱伝導性シートはレーザ高出力時においてもアウトガスが発生しないので、光学素子への悪影響もない。
【実施例】
【００４０】
以下、本発明の実施例について述べるが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００４１】
（実施例１〜４、比較例１〜５）
（１）高熱伝導性シートサンプルの作製
オープンロールに、表１に示す所定量の含フッ素エラストマー（１００重量部（ｐｈｒ））を投入して、ロールに巻き付かせた。含フッ素エラストマーに対して表１に示す量（重量部（ｐｈｒ））の粒子状の熱伝導用フィラー及びカーボンナノファイバーを投入し、混練した。さらに、薄通しを５回行い、厚さ１．５ｍにシート出しした。このシートを２５０℃で１分間プレス成形して、厚さ１．０ｍｍの実施例１〜４の無架橋の高熱伝導性シートを得た。なお、ここでは各物性を測定するためシート厚を１．０ｍｍとしたが、実際にレーザ光学装置に用いる場合には、２００μｍ程度である。
【００４２】
比較例１、２、４、５も実施例１〜４と同様にして混練、薄通し、プレス成形を行ない、厚さ１．０ｍｍのシートを得た。また、比較例３は、従来から用いられている厚さ１．０ｍｍのインジウムとした。
【００４３】
なお、含フッ素エラストマーとしてはデュポン・ダウ・エラストマー・ジャパン社製のバイトンＡ−５００を用いた。また、比較例１のＥＰＤＭとしてはＪＳＲ社製のＥＰ２２を用い、比較例２のシリコーンゴムとしては信越シリコーン社製のＫＥ７５２−Ｕを用いた。さらに、銀粉としては平均粒径３５μｍのアトマイズ銀粒子を用い、カーボンブラックとしては、ケッチェンブラックを用いた。カーボンナノファイバーとしては、平均直径が約１００ｎｍの気相成長マルチウォールカーボンナノチューブを用いた。
【００４４】
（２）動的粘弾性率及び耐熱温度の測定
各シートのサンプルについて、３０℃及び２００℃におけるＥ’（動的粘弾性率）をＳＩＩ社製の動的粘弾性測定装置によって測定した。なお、比較例１〜５のサンプルの２００℃におけるＥ’（動的粘弾性率）は測定しなかった。また、ＳＩＩ社製の熱機械分析装置（ＴＭＡ）によって耐熱温度を測定した。耐熱温度の測定は、前記ＴＭＡを用いて、サンプルに２５ＫＰａの負荷をかけて、−１００℃〜３００℃の間で熱膨張を計測し、熱劣化の生じる温度を耐熱温度とした。これらの結果を表１に示す。
【００４５】
（３）熱伝導度の測定
各シートのサンプルについて、ブルカー・エイエックスエス社製のＬＦＡ４４７キセノンフラッシュアナライザーを用いてキセノンフラッシュ法で熱伝導度（単位はＷ／ｍ・Ｋ）を測定した。測定結果を表１に示す。
【００４６】
（４）アウトガスの測定
各シートのサンプルを２５０℃で１時間保持し、ガスクロマトグラフィーで発生したガスを検出した。この測定結果を表１に示す。表１において、ガスの発生が検出されなかった場合には「○」と記載し、ガスの発生が検出された場合には、「×」と記載した。
【００４７】
【表１】
表１から、本発明の実施例１〜４によれば、以下のことが確認された。すなわち、実施例１〜４は比較例３のインジウム箔に比べて動的粘弾性率が低く、熱伝導度も同等もしくはそれ以上であることがわかった。実施例１〜４の銀粉は、比較例４のカーボンブラックに比べてシートの熱伝導度を大きくすることができ、熱伝導用フィラーとして好適であることがわかった。また、実施例１〜４の含フッ素エラストマーを用いた場合はアウトガスの発生が検出されなかったが、比較例１のＥＰＤＭは耐熱温度が１５０℃であり、分解された有機物が検出され、比較例２のシリコーンゴムは耐熱温度が２００℃であり、シロキサンの発生が検出された。さらに、本発明の実施例１〜４は、２００℃における動的粘弾性率（Ｅ’）が０．１ＧＰａ以上であり、高温における高い剛性を有していることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本実施の形態で用いたオープンロール法による含フッ素エラストマーと熱伝導用フィラーとカーボンナノファイバーとの混練法を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
１０ 第１のロール
２０ 第２のロール
３０ 含フッ素エラストマー
４０ カーボンナノファイバー
５０ 熱伝導用フィラー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
含フッ素エラストマーに、無機物の熱伝導用フィラーと、カーボンナノファイバーと、を含み、
熱伝導度が１０〜５００Ｗ／ｍ・Ｋである、高熱伝導性シート。
【請求項２】
請求項１において、
３０℃における動的粘弾性率（Ｅ’）が０．１〜４．０ＧＰａであって、２００℃における動的粘弾性率（Ｅ’）が０．１〜２．０ＧＰａである、高熱伝導性シート。
【請求項３】
請求項１または２において、
含フッ素エラストマーは無架橋である、高熱伝導性シート。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記熱伝導用フィラーは、熱伝導度が１００〜５００Ｗ／ｍ・Ｋである、高熱伝導性シート。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかにおいて、
前記熱伝導用フィラーは、アルミニウム、銀、銅及び窒化アルミニウムから選択された少なくとも１種である、高熱伝導性シート。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかにおいて、
前記熱伝導用フィラーは、平均粒径が１〜２００μｍである、高熱伝導性シート。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかにおいて、
前記カーボンナノファイバーは、平均直径が０．５ないし５００ｎｍである、高熱伝導性シート。
【請求項８】
光学素子と、
前記光学素子を配置する基体と、
前記光学素子と前記基体との間に配置される請求項１〜７のいずれかに記載の高熱伝導性シートと、
を含む、レーザ光学装置。
【請求項１】
含フッ素エラストマーに、無機物の熱伝導用フィラーと、カーボンナノファイバーと、を含み、
熱伝導度が１０〜５００Ｗ／ｍ・Ｋである、高熱伝導性シート。
【請求項２】
請求項１において、
３０℃における動的粘弾性率（Ｅ’）が０．１〜４．０ＧＰａであって、２００℃における動的粘弾性率（Ｅ’）が０．１〜２．０ＧＰａである、高熱伝導性シート。
【請求項３】
請求項１または２において、
含フッ素エラストマーは無架橋である、高熱伝導性シート。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記熱伝導用フィラーは、熱伝導度が１００〜５００Ｗ／ｍ・Ｋである、高熱伝導性シート。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかにおいて、
前記熱伝導用フィラーは、アルミニウム、銀、銅及び窒化アルミニウムから選択された少なくとも１種である、高熱伝導性シート。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかにおいて、
前記熱伝導用フィラーは、平均粒径が１〜２００μｍである、高熱伝導性シート。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかにおいて、
前記カーボンナノファイバーは、平均直径が０．５ないし５００ｎｍである、高熱伝導性シート。
【請求項８】
光学素子と、
前記光学素子を配置する基体と、
前記光学素子と前記基体との間に配置される請求項１〜７のいずれかに記載の高熱伝導性シートと、
を含む、レーザ光学装置。
【図１】
【公開番号】特開２００８−３０３２７９（Ｐ２００８−３０３２７９Ａ）
【公開日】平成２０年１２月１８日（２００８．１２．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１５０８３９（Ｐ２００７−１５０８３９）
【出願日】平成１９年６月６日（２００７．６．６）
【出願人】（０００２２６６７７）日信工業株式会社 (840)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１２月１８日（２００８．１２．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年６月６日（２００７．６．６）
【出願人】（０００２２６６７７）日信工業株式会社 (840)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]