富士通、既存の材料に比べ3倍の放熱性能を持つ「純カーボンナノチューブ放熱シート」を開発

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富士通研究所は2017年11月30日、高い放熱性能を持つ「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発表した。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で構成された同シートは、既存のインジウムを原料とする放熱材料と比べて約3倍の放熱性能を持つという。

電気自動車やハイブリッド自動車で使用される電力制御装置であるパワーモジュールでは、これまでシリコン(Si)を用いた素子が使用されてきた。しかし、ガソリン車並の長い航続距離などのニーズから一層の消費電力低減が求められており、Siの代替となる素子材料の一つとして、より低消費電力で高耐圧かつ高温環境下で使用可能なシリコンカーバイド(SiC)の開発が進められてきた。同時に200℃以上の高温領域でも安定動作させるため、SiC素子の熱を効率よく排熱する必要があった。

カーボンナノチューブは、炭素原子から形成された直径数ナノメートル程度の円筒状のナノテクノロジー材料の一つであり、銅のおよそ10倍の熱伝導性や5000倍の電流密度耐性を持つ。シート化することで車載向けをはじめとする次世代の放熱材料の候補として期待されているが、本来の特性を十分に活用するためには課題があり、従来材料との複合など簡易的な応用への適用にとどまっていた。

今回、カーボンナノチューブの製造プロセスにおいて、熱伝導性が高い円筒の軸と排熱方向を合わせるため、温度と圧力の組み合わせを最適に制御することでカーボンナノチューブを垂直方向に高密度かつ均一に成長させる、カーボンナノチューブ成長制御技術を開発した。また、配向成長したカーボンナノチューブを2000℃以上の高温で加熱処理することでシート状に成形する、カーボンナノチューブシート化技術の開発にも成功した。これら2つの技術により、界面抵抗を含めた場合でも80W/mK(ワット毎メートル毎ケルビン)以上という高熱伝導カーボンナノチューブシートが実現した。

同社は今後、開発した技術を次世代自動車向け放熱材料として2020年以降の製品化を目指すとともに、次世代HPC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。

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