ナノテク情報

ナノテク・材料

世界最高の放熱性能を持つ純カーボンナノチューブ放熱シートの開発に成功

 株式会社富士通研究所は2017年11月30日,高熱伝導性と耐熱性を両立する垂直配向カーボンナノチューブから構成された,世界最高の放熱性能を持つ高熱伝導カーボンナノチューブシートの開発に成功したとのプレスリリースを行った.本技術の詳細は,米国ハワイ島で開催された国際会議WINDS2017(2017 Workshop on Innovative Nanoscale Devices and Systems)で11月30日に発表された(注).

 持続可能な発展に向けた温室効果ガス削減のため,パワーエレクトロニクスへの期待が高まっている.自動車の電動化はその適用例である.これに用いるパワーデバイスには,新幹線の交流運転以来,シリコン(Si)が用いられているが,より低消費電力・高耐圧・高温動作の特徴をもつシリコンカーバイド(炭化ケイ素,SiC)への置換えが期待されるようになった.いずれにしても,パワーデバイスの安定動作には,動作温度を低く保つよう,放熱設計が重要で,特にSiCの場合は200℃の高温領域でも安定動作させるため,SiC素子の熱を効率良く排熱する必要がある.

 パワー素子チップは基板のヒートシンクとの間に樹脂などを挟んで固定されるが,熱伝導率は25W/m・K程度で銅(Cu)の400W/m・K,SiCの270W/m・Kより遥かに低く,樹脂の耐熱温度は200℃に止まる.既存の高熱伝導材料として知られるインジウム(In)は熱伝導率が30W/m・Kを超えるが,156℃で融ける.一方,炭素原子から形成された直径数nm程度の円筒状のカーボンナノチューブ(CNT)は,円筒の軸方向にCuの10倍の熱伝導率を示し,次世代の放熱材料の候補として期待される.しかし,CNTは直径数nmの金属微粒子を触媒とし,炭素化合物ガスから化学気相成長(CVD)により基板上に生成させるが,触媒微粒子の粒径,供給ガスの濃度,基板面内の温度にバラつきがあると,生成したCNTの長さや密度が不均一となり,軸の向きが揃わない.さらに,生成した基板上のCNTは基板から剥がすと形状が保持できず不安定なため,樹脂などの固定素材に混ぜてシート化するので,耐熱性・熱伝導性が低下するという問題があった.

 これに対し富士通研究所は,熱伝導性が高くなるCNTの円筒の軸方向を排熱方向に合わせるために,独自のCNT製造プロセスを開発した.新製造法では,合成温度・圧力が触媒金属微粒子に対して最適になるように制御し,原料ガス供給源の位置を基板に応じて調整することで,垂直方向に配列したCNTを,直径200mmのSi基板上に高密度かつ均一に成長させる.さらに製造したCNTを2000℃以上の高温で加熱処理することで,熱伝導性が高い軸方向にCNTの配列を保持したままCNTをシート状に成形することに成功した.こうして得たCNTのみで構成されたシートの熱伝導率は80W/m・Kと従来の3倍以上となり,耐熱温度は700℃を超え,高耐熱・高熱伝導の純カーボンナノチューブシートが実現した.

 今回開発した高耐熱・高熱伝導の純カーボンナノチューブシートにより,次世代電気自動車やハイブリッド自動車の車載パワーモジュールを効率良く冷却することが可能となろう.今後,富士通研究所では,カーボンナノチューブ放熱シートの熱伝導性をさらに高めて,実用化に向けた開発を進め,2020年度以降での車載向け放熱シートの製品化を目指すとともに,次世代HPC(高性能コンピュータ)や次世代通信機器への適用など,新たな分野への展開も検討するとしている.

(注)Shinichi Hirose,"High Thermal Conductivity of Carbon Nanotube Sheets for Future Thermal Interface Materials", WINDS 2017(2017 Workshop on Innovative Nanoscale Devices and Systems, Poster Session, P-7, 30 Nov. 2017