阪大ら,発光フィルムを切って効果的な放熱を実現

大阪大学,大分工業高等専門学校,東京工芸大学は,切り紙加工を施したセルロースナノファイバー製フィルムが,空気対流によって放熱する柔軟な冷却システムとして活用可能であることを明らかにした(ニュースリリース)。

エレクトロニクスにおける放熱では,これまで金属製フィンによるヒートシンクを用いた放熱システムが主流で,柔軟性や設計自由度を高めることが困難だった。

研究グループは,ヒートシンクの周期的な3次元フィン構造が2次元フィルムへの周期的な切れ込みと類似している点に着眼し,伝統的な切り紙工芸である「網飾り」パターンに対して空気を対流させることで,放熱性が大きく向上することを実証した。

まず,熱伝熱性のホヤ殻由来セルロースナノファイバー製フィルムに切り紙加工を施し,中央にマスキングにより黒化領域を形成し,強力白色光を照射した。ここに水平方向の空気対流を当てた結果,切り紙がなく無風状態では152℃まで上昇したフィルムの温度が,切り紙切片における強制対流下では50℃まで冷却され,熱抵抗が1/5に低下した。

また,切り紙の延伸・展開による開口部の大きさによって通過風速が決定され,風速に伴って放熱性能も制御されることが判明した。用いるフィルム材料の熱伝導率も放熱性に大きく影響し,風速が同じ場合,熱伝導率が高いフィルムの方が高い放熱性能を示した。

この時,熱伝導率がセルロースより低い汎用性プラスチック・フィルムを用いても,切り紙と対流を組み合わせることで,0.56 W/cm2の発熱量であれば約50℃程度まで冷却できた。

さらに,セルロースナノファイバー製フィルムを基材として分散型EL素子を形成し,エレクトロニクスに実装した状態での放熱性能を確認した。

分散型EL素子は,高輝度を得るための電圧印加により,研究の条件下でおよそ74℃まで発熱するため,発光効率や素子寿命の低下や使用中の安全性が懸念される。この素子に網飾りパターンを形成したところ,延伸展開しても発光し続け,さらに空気対流によって体温と同程度の約35℃まで冷却されることを実証した。

今回の研究により,多彩な切り紙構造を用いてバラエティに富む放熱構造が設計可能となるため,次世代ペーパーエレクトロニクスの省エネ,長寿命化,安全性向上などに役立つと期待される。

研究グループは,フィルム素材の切り紙加工による放熱コンセプトについて,従来の様々なフィルム素材を形状可変の冷却構造として利用し,エレクトロニクスをより自由にデザインする新たな活路を開拓するものだとしている。

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