1 時間のゲーム セッション中に新しいモデルよりも明らかに低温を保ったスマートフォン、または試合中にジェット エンジンが離陸するような音がしないゲーミング ラップトップを手にしたことがあるなら、市場で最も汎用性の高い熱管理素材の 1 つであるグラファイト フィルムの恩恵を受けたことがあるでしょう。グラファイト フィルムのサプライヤーである私は、エンジニア、製品デザイナー、さらには好奇心旺盛な愛好家からも、この質問をよく聞かれます。この薄くて柔軟なカーボン シートは、どのようにして他の一般的な材料よりもはるかに優れた熱伝導性をもつのでしょうか?もちろん、これは魔法ではありません。純粋な炭素科学であり、一度分解してみると完全に理にかなっています。分子構造、熱伝達の物理学、そしてなぜグラファイト フィルムが EV バッテリーからハイエンド ヘッドフォンに至るまで、あらゆるものにとって頼りになるソリューションになっているのかを見ていきましょう。
まず、グラファイトとは実際何なのかから始めましょう。グラファイトには熱を伝導する魔法がすべて存在するからです。ほとんどの人は黒鉛を鉛筆の芯の原料として知っていますが、これは黒鉛粘土と結合剤を高度に圧縮した混合物であり、熱用途に使用される純粋で高度に秩序化された黒鉛ではありません。本物のグラファイトは、金網のような六角形のハニカム格子に自然に配置され、各炭素原子が隣接する 3 つの炭素原子としっかりと結合した炭素の一種です。これはグラフェン層と呼ばれるもので、原子 1 枚の厚さの炭素シートであり、すでに人類に知られている中で最も優れた熱伝導体の 1 つです。弱いファンデルワールス力でこれらのグラフェン層を何百万も積み重ねると、バルクグラファイトが得られます。しかし、熱用途では、その自然な構造を利用して改良し、特定の使用例に合わせてさまざまな種類のグラファイト フィルムを作成します。たとえば、私たちのナノグラファイトフィルムは、より小さく、より均一なサイズのグラフェン フレークで作られているため、狭いスペースにフィットするのに十分な薄さと柔軟性を保ちながら、優れた面内熱伝導率を実現します。
さて、グラファイトの熱伝導能力の鍵は、その六角形の格子と、そこを熱がどのように移動するかにあります。熱は本質的に原子と分子の振動です。物質が温まると、その原子の振動が速くなり、そのエネルギーが広がるには隣接する原子に伝達する必要があります。ほとんどの材料では、原子結合が不規則または乱雑であるため、その伝達が遅くなり、振動エネルギーが失われる「散乱点」が生じます。金属を例に挙げると、銅は優れた導体ですが、原子構造が完全に均一ではないため、熱エネルギーの一部は材料中を移動するのではなく、電気抵抗または音波として散逸します。しかし、グラファイトの面内構造はほぼ完全に秩序立っています。グラフェン層内のこれらの強力な炭素-炭素共有結合は、振動 (物理オタクのためにフォノンと呼ばれる) がグラファイト シートの平面に沿ってほとんど妨げられずに移動することを意味します。これは、一時停止の標識や信号機のない高速道路のようなものです。熱は最大 2,000 W/m・K の速度で面内方向に移動する可能性があり、これは銅の約 401 W/m・K よりもはるかに高速です。そのため、グラファイト フィルムは熱をホットスポットに溜め込まず、表面全体に均一に拡散するのに非常に効果的です。
ここがさらに興味深いところです。グラファイトの熱伝導率は非常に異方性です。これは、一方向には非常によく熱を伝導しますが、もう一方の方向には伝導率が低いことを言い換えた派手な言い方です。面内方向 (グラフェン層に沿った方向) ではすべてのフォノンの動きが発生しますが、面内方向 (層に垂直) では弱いファンデルワールス力がグラフェンシートを保持し、それらの力ははるかに弱いため、フォノンは常に散乱します。これは、熱がグラファイト フィルム シートを通って垂直方向に移動しにくいことを意味します。これは実際には機能であり、バグではありません。ほとんどのアプリケーションでは、熱をデバイスの内部に直接沈ませるのではなく、小さなホットスポット (携帯電話のプロセッサなど) から熱を奪い、広い表面に広げて放散したいと考えます。私たちの放熱グラファイトフィルムは、この異方性効果を増幅するように設計されており、面内導電率と面貫通導電率の比が 5:1 以上であるため、スペースが重視される薄型デバイスに最適です。
もちろん、すべてのグラファイト フィルムが同じように作られているわけではありません。長年にわたり、当社はさまざまな業界の固有のニーズを満たす特殊なバリアントを開発してきました。それぞれがコアのグラフェン格子構造に基づいて構築されています。高い熱伝導率と機械的安定性の両方が必要な用途には、複合グラファイトフィルム純粋なグラファイトと少量のポリマーまたはセラミックフィラーを組み合わせて、熱伝達を犠牲にすることなく耐久性と耐屈曲性を高めます。これは、何千回折り曲げてもひび割れたり剥離したりしないフレキシブルなスクリーンの熱ソリューションを必要とする折り畳み式スマートフォンに最適です。電気自動車のバッテリー パックやサーバー CPU などの高出力アプリケーション向けに、多層複合グラファイトフィルム、間に薄い接着剤を挟んで複数のグラファイト層を積み重ねます。この接着剤はフォノンの伝達を妨げないように設計されているため、通常の接着剤で期待されるような熱損失を生じることなく、複数の層を組み合わせた高い伝導率が得られます。
なぜ普通のグラファイトペーパーやバルクグラファイトではなくグラファイトフィルムを使用するのかという質問をよく受けます。違いは粒子のサイズと配列に起因します。グラファイトを薄膜に加工すると、製造中にグラフェン層を完全に整列させることができ、面内熱伝導率が最大化されます。バルクグラファイトをシートに押し込むだけの場合、グラフェン層はランダムに配向するため、熱伝達はさらに不均一になります。私たちのグラファイト薄膜たとえば、厚さはわずか数ミクロンで、グラフェン層が互いに 0.5 度以内に整列しているため、面内導電率は 1,800 W/m・K を超え、純粋な合成グラフェン自体とほぼ同じ値になります。これはハイエンドのグラフィックス カードに必要なパフォーマンスであり、熱伝導率が 10% 低下しただけでもスロットリングが発生し、パフォーマンスが低下する可能性があります。
これを具体的にするために、実際の例について話しましょう。数か月前、私たちは 45W の急速充電チップを搭載したコンパクトなポータブル充電器を開発している新興企業と協力しました。当初の設計では銅製のヒートシンクが使用されていましたが、かさばりすぎて、充電器が非常に熱くなって持ちにくくなりました。当社の熱放散グラファイト フィルムに交換したところ、ヒートシンクのサイズを 60% 縮小し、デバイスの表面温度を 12 ℃ 下げることができました。なぜ？銅はチップから数ミリメートルの範囲でしか熱を拡散していませんでしたが、グラファイト フィルムは同じ熱を充電器の上面全体に広げ、より速く空気中に放散することができました。これがまさに異方性の性質です。熱はグラファイトを通さずにグラファイトに沿って移動するため、集中するのではなく拡散します。
もう 1 つのよくある質問: グラファイト フィルムはサーマル ペースト、相変化材料、ヒート パイプなどの他の熱材料とどう違うのですか?サーマルペーストは 2 つの表面間の隙間を埋めることで機能しますが、導電性は中程度 (約 8 W/m・K) しかなく、時間の経過とともに乾燥して性能が低下する可能性があります。ヒートパイプは高出力アプリケーションには最適ですが、かさばって壊れやすいため、スマートウォッチやワイヤレスイヤホンのような非常に狭いスペースでは使用できません。グラファイトフィルムは薄く、柔軟で、軽量で、ペーストよりもはるかに高い導電性を持っています。唯一の欠点は、ギャップを横切る熱の伝達があまり得意ではないことです。そのため、通常は少量の熱接着剤と組み合わせて完全なサーマル インターフェイス マテリアル (TIM) を作成します。
さて、生産面に移りましょう。ここでは、グラファイトを未加工の状態からお客様が信頼する高性能フィルムに精製するのです。このプロセスは、合成ポリアクリロニトリル (PAN) または天然グラファイト フレークから始まります。原材料を精製して、フォノンの散乱点を生成し、導電率を低下させる硫黄や金属イオンなどの不純物を除去します。次に、グラファイトを高温で膨張させ、グラフェン層を分離します。次に、膨張黒鉛をスラリーに加工し、薄いシートに成形し、高圧で圧縮してグラフェン層を整列させます。当社のナノグラファイト フィルムでは、より良好な配向を実現するために、より小さく均一なフレークを使用しています。一方、当社の多層フィルムでは、層が完全に積層されていることを保証するために二次圧縮ステップが追加されています。すべてのバッチの熱伝導率、厚さ、柔軟性がテストされ、当社の厳しい基準を満たしていることが確認されます。
グラファイト フィルムのサプライヤーとして、私はこの材料が過去 10 年間にどのように進化したかを見てきました。 10年前、グラファイトフィルムは主にスマートフォンや小型家電に使用されていましたが、現在ではEVバッテリーの熱管理からLED照明、MRI装置などの医療機器、さらには衛星部品に至るまで、あらゆるものに使用されています。デバイスの高性能化と薄型化に伴い、より優れた、小型、軽量の熱ソリューションに対する需要は高まる一方であり、グラファイト フィルムはその需要を満たすのに最適な位置にあります。
あなたが、より優れた熱性能を必要とするプロジェクトに取り組んでいるエンジニアまたは製品設計者である場合は、当社のチームに連絡して、具体的なニーズについて話し合うことをお勧めします。折りたたみ式デバイス用の薄いフィルム、高出力バッテリー用の多層複合材料、または医療用途用のカスタムサイズのシートが必要な場合でも、当社は適切なグラファイト フィルム ソリューションを見つけるお手伝いをします。当社はさまざまな業界のお客様と協力しており、当社のフィルムがお客様の要件に適合していることを確認するために、いつでも喜んでサンプル バッチをテストします。次の熱管理プロジェクトを開始する場合は、遠慮なく当社のチームにご連絡ください。当社は、より低温で動作し、より長持ちし、より優れたパフォーマンスを発揮する製品の構築をお手伝いします。
参考文献
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- ムーア、アラバマ、シー、L. (2014)。エレクトロニクスの熱管理に関する新たな課題と材料。今日の材料、17(4)、163-174。
- Liu、J.ら。 （2020年）。熱管理用途向けの複合グラファイトフィルム: レビュー。材料科学ジャーナル: エレクトロニクスにおける材料、31(24)、21357-21378。
