(57)【要約】【課題】放熱性と電磁波遮蔽性を有する機能性樹脂材料、特に広帯域での電磁波を遮蔽できる材料を提供すること。【解決手段】樹脂に、アルミナ粉末、窒化アルミ粉末、炭化珪素粉末、窒化珪素粉末および窒化硼素粉末からなる群から選択されるセラミックス粉末、および、ピッチ系炭素繊維、ピッチ系超高弾性率炭素繊維およびカーボンナノチューブからなる群から選択される炭素繊維を均一に分散させることにより、放熱性が高く、且つ優れた電磁波遮蔽性を有する機能性材料を作製する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波遮蔽性と放熱性を有する材料であって、樹脂中に、セラミックス粉末と炭素繊維が均一に分散されていること、および前記セラミックス粉末が、アルミナ粉末、窒化アルミ粉末、炭化珪素粉末、窒化珪素粉末および窒化硼素粉末からなる群から選択され、前記炭素繊維が、ピッチ系炭素繊維、ピッチ系超高弾性率炭素繊維およびカーボンナノチューブからなる群から選択されることを特徴とする材料。
【請求項２】
前記材料における前記樹脂の割合が２０〜６０体積％であることを特徴とする、請求項１に記載の材料。
【請求項３】
前記セラミックス粉末の平均粒子径が０．１μｍ〜１００μｍであることを特徴とする、請求項１または２に記載の材料。
【請求項４】
前記炭素繊維の平均長さが１μｍ〜５００μｍであることを特徴とする、請求項１または２に記載の材料。
【請求項５】
前記材料における前記セラミックス粉末の割合が５〜６０体積％であり、前記炭素繊維の割合が１〜６０体積％であり、炭素繊維とセラミックス粉末の合計割合が４０〜８０体積％であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の材料。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の材料を用いて射出成形、シート成形、押出成形若しくはプレス成形することにより得られた成型品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波遮蔽性と放熱性に優れた材料に関する。特に１ＭＨｚから１ＧＨｚを越える広帯域での電磁波を遮蔽できる材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子機器の分野において、発熱素子の放熱は重要な課題である。また誤動作の原因となるため、機器や素子を電磁波から保護することも強く求められている。
【０００３】
発熱素子の放熱に関しては、例えば熱伝導性に優れた銅若しくはアルミからなるヒートシンクが用いられている。また、発熱素子の実温度上昇と共に、ヒートシンク以外にも、内部に冷却液を装填したヒートパイプを用いることが増加してきている。しかし、上述した銅やアルミ等の金属製のヒートシンクにおいて、放熱性を向上させる場合には、ヒートシンクのフィンを薄くし背を高くする必要がある。この際に渦電流が発生しやすく別途電磁波シールドを行う必要があり、電子機器のコストアップと薄型化を阻む要因となっている。
また、金属の放熱材料は比重が大きいために軽量化を阻む要因ともなっている。さらに、金属製のヒートシンクは熱伝導性が高く、発熱素子の熱を移動させやすい特徴がある一方、自己放熱性に乏しく、熱を吸収してもそれを放熱しにくいため、発熱素子を冷却させる際には冷却ファンを用いて常にこれら金属製のヒートシンクの表面を冷却させる必要がある。
【０００４】
電磁波を遮蔽する電磁波シールド体としては、通常、金属の板、箔、メッシュ、導電性の皮膜、導電性充填剤を混入した複合材、メッキ、蒸着、塗装等による導電性表面処理物が使用されている。
従来、放熱用の部材と電磁波遮蔽用の部材には別のものが用いられていたため、コストが割高になり、製品の薄型化にも支障を来していた。
【０００５】
上述した問題を解決するために、電磁波をシールドするとともに、熱伝導性に優れた材料を提供する技術もいくつか見られる。例えば、特許文献１及び特許文献２では、導電性層と絶縁性層および電磁波シールド層からなる多層構造のシートが提案されている。また、特許文献３では樹脂にフェライト粉末及びカーボンナノチューブを少量添加し、熱伝導性と静電気除去効果に優れた熱伝導シートが提案されている。
【０００６】
しかし、特許文献１および２のシートでは、多層シートを構成させるために、それぞれの層の密着性が問題となり、少しでも剥離箇所があると、特性が急激に落ちる問題がある。また、それぞれの層を別々に作る必要があるため、肉厚を薄くすることが難しいと共に、複雑形状の製品を作ることが困難であるという問題がある。また、それぞれの層を組み合わせて作る必要があるため、コストアップの要因になる。また、これらシートにおいては金属を用いているため、自己放熱性に乏しく、ヒートシンクとの併用が一般的である。また、電磁波をシールドする性質は有するものの、電磁波を吸収する性質は有しないため、筐体の内面の全面に金属材料による導電性表面処理を行う必要があり、コストアップの要因となる。
一方、特許文献３のシートは多層構造を取っていないが、熱伝導率は５Ｗ/ｍ・Ｋ以下と、ヒートシンクとして使用できるほどの値は示しておらず、放熱効果は十分とは言えない。
【特許文献１】特開２００１−１６８５７３号公報
【特許文献２】特開平１０−３１３１９１号公報
【特許文献３】特開２００４−４７９６５号公報
【０００７】
また、電磁波の遮蔽に関しては広帯域での遮蔽特性が求められているが、特定の周波数で遮蔽性を示す材料は多くあるものの、１ＭＨｚから１ＧＨｚを越えるような広帯域での遮蔽特性を示す材料を見いだすことは容易ではなく、熱を下げる効果に優れるともに、広帯域での電磁波遮蔽性を示す材料が求められていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって本発明は、放熱性および電磁波遮蔽性に優れた材料、特に１ＭＨｚから１ＧＨｚを越えるような広帯域で優れたシールド特性を示す材料を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、前記課題を解決するために様々な検討を行った結果、特定のセラミックス粉末と炭素繊維を樹脂に均一に混合することによって、放熱性に優れるとともに、広帯域の電磁波を遮蔽する材料を製造することに成功し、前記課題を解決した。
【００１０】
すなわち本発明は、放熱性と電磁波遮蔽性を有する材料であって、樹脂中に、セラミックス粉末と炭素繊維が均一に分散されていること、および前記セラミックス粉末が、アルミナ粉末、窒化アルミ粉末、炭化珪素粉末、窒化珪素粉末および窒化硼素粉末からなる群から選択され、前記炭素繊維が、ピッチ系炭素繊維、ピッチ系超高弾性率炭素繊維およびカーボンナノチューブからなる群から選択されることを特徴とする。
【００１１】
セラミックスは金属と異なり、自己放熱性を有しており、また、熱膨張係数が小さいという特徴が有る。カーボンは、熱伝導性と電磁波吸収性を有する。セラミックスとしてアルミナ、窒化アルミ、炭化珪素、窒化珪素、窒化硼素粉末を採用し、炭素繊維としてピッチ系炭素繊維、ピッチ系超高弾性率炭素繊維、カーボンナノチューブを採用し、両者を樹脂に均一に分散させることにより、良好な放熱性と電磁波吸収性を併せ持つ材料を得ることができる。また、炭素繊維は、セラミックス粉末の隙間に均一に分散し、セラミックス粉末表面に炭素繊維の一部が接し、炭素繊維同士が絡み合う事により放熱性がさらに高められる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明にかかる材料は、放熱性および電磁波遮蔽性の両方に優れており、特に広帯域で良好な電磁波遮蔽特性を示すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明に用いられる樹脂は、熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂の何れでもよく、熱可塑性樹脂ではポリオレフィン系樹脂、ポリアミド系樹脂、エラストマー系（スチレン系，オレフィン系，PVC系，ウレタン系，エステル系，アミド系）樹脂、アクリル系樹脂、エンジニアリングプラスチック等が用いられる。特にポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン樹脂、ＡＢＳ樹脂、アクリル樹脂、エチレンアクリレート樹脂、エチレン酢酸ビニル樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステルエラストマー樹脂、ポリアミドエラストマー樹脂、液晶ポリマーが選ばれる。中でも耐熱性及び柔軟性からナイロン樹脂、ポリエステルエラストマー樹脂、ポリアミドエラストマー樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、液晶ポリマーが好適である。
また、熱硬化性樹脂にはエポキシ樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂等が用いられる。なかでも、耐熱性及び柔軟性からエポキシ樹脂、シリコーン樹脂及びウレタン樹脂が好適である。
これら樹脂には分散剤、潤滑剤、可塑剤を添加してもよく、とくに分散剤に脂肪酸系エステルを用いる事により、セラミックス、及び炭素繊維材料の充填率を増加させ、特性を向上することができる。
【００１４】
セラミックス粉末にはアルミナ、窒化アルミ、炭化珪素、窒化珪素、窒化硼素粉末が用いられる。粒子径は０．１μｍ以上１００μｍ以下のものが好ましい、粒子径が０．１μｍよりも小さくなると比表面積が増えるため樹脂中に添加できる量が少なくなり、１００μｍよりも大きくなると粉末間の隙間が大きくなり、自己放熱性が低下する。特に特性の面からは好ましい粒子径は０．３μｍ以上５０μｍ以下、より好ましくは０．５μｍ以上４０μｍ以下、さらに好ましくは１μｍ以上２０μｍ以下である。
粒子形状は球状が好適である。セラミックス材料としては特にコスト面からアルミナセラミックスが好適であり、自己放熱性、熱伝導率の面からは窒化アルミが好適である。
本発明の材料に含まれるセラミックス粉末は１種類であっても、複数種であってもよく、材料中に占めるセラミックス粉末の割合は、総量で５体積％以上６０体積％以下が好ましく、１０体積％以上５０体積％以下がより好ましく、２０体積％以上４５体積％以下が特に好ましい。
【００１５】
炭素繊維にはピッチ系炭素繊維、ピッチ系超高弾性率炭素繊維、カーボンナノチューブが用いられる。特に熱伝導性を向上させるためにはピッチ系超高弾性率炭素繊維は単体で５００Ｗ/ｍ・Ｋという銅、アルミ以上の熱伝導率を有しているため好ましい。また、カーボンナノチューブは少量で電磁波を吸収する性質を有している。しかしながらカーボンナノチューブは非常に高額であるため、コスト面を考慮するとピッチ系炭素繊維を主体としてピッチ系超高弾性率炭素繊維、カーボンナノチューブを添加する事が望ましい。
また、炭素繊維は総量で材料全量の１〜６０体積％となるよう添加するのが好ましい。炭素繊維の添加量が１体積％よりも少ない場合には十分な熱伝導性と電磁波吸収能力が得られず、６０体積％よりも多い場合には成形時の十分な流動性が得られない。特に、５体積％以上４０体積％以下、さらに１５体積％以上３５体積％以下が好ましい。
本発明においてピッチ系超高弾性率炭素繊維とは、引っ張り弾性率が５００ＧＰａ以上のものを指す。
【００１６】
また、前記ピッチ系炭素繊維およびピッチ系超高弾性率炭素繊維の好ましい平均長さは１μｍ以上５００μｍ以下であり、より好ましくは５μｍ以上５００μｍ以下、特に好ましくは１０μｍ以上１００μｍ以下である。このましい平均直径は、１μｍ以上５０μｍ以下、より好ましくは３μｍ以上２０μｍ以下である。
また、カーボンナノチューブの好ましい平均長さは１μｍ以上５０μｍ以下、このましい平均直径は、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
【００１７】
本発明の材料中における、セラミックス粉末と炭素繊維の好ましい体積比率は９５：５〜２０：８０、より好ましい比率は８０：２０〜２５：７５、特に好ましい比率は７０：３０〜３０：７０である。
また、材料中に占める炭素繊維とセラミックス粉末の合計割合は、好ましくは４０体積％以上８０体積％以下、より好ましくは５０体積％以上７０体積％以下、特に好ましくは６０体積％以上７０体積％以下である。
【００１８】
熱可塑性樹脂とセラミックス及び炭素繊維との混合分散には加熱混練機、多軸押出機及び加熱ロール等を用いて行う。また、熱硬化性樹脂を母材に用いた場合にはミキサー、真空混合機、多軸押出機等を用いて行う。
得られた材料は射出成形、シート成形、押出成形若しくはプレス成形により所望する形状の成型品を作成することができる。得られた成型品は炭素繊維を含有するため強度が強く、また、セラミックス粉末を多く含むため、成形時に炭素繊維が一方向に配向することを防ぎ、材料の均等な強度向上と均質な熱伝導性及び電磁波吸収を実現することが可能となる。
成形方法では特に射出成形法を用いることにより、銅、アルミを原料としたヒートシンクと比較して、三次元複雑形状のヒートシンクを寸法精度良く、低温で成型することが可能である。また、銅、アルミのヒートシンクをダイカスト法で成型する場合と比較して、バリが少ない、肉厚１ｍｍ以下の三次元形状のヒートシンクを容易に成型できる。
【００１９】
アルミに匹敵する放熱性を持つ材料を得るためには、樹脂の量は材料全体の６０体積％以下であることが好ましい。好ましい樹脂の量は材料全量の２０〜６０体積％であり、より好ましくは２５〜５０体積％、特に好ましくは３０〜４０体積％である。セラミックス粉末の粒子径が小さすぎると、樹脂の添加量を増やす必要が生じるため、セラミックス粉末の粒子径は０．１〜１００μｍが好ましい。
特に、粒子径１μｍ〜４０μｍの球形のアルミナ粉末を細密充填できるように計算して配合し、これに炭素繊維を添加する事で、樹脂量を４０体積％以下にまで低減することが可能となり、金属性の放熱材料に匹敵する成形材料を得ることができる。また、炭素繊維がこの細密充填されたセラミックス粉末の中でランダムに存在することで、シート成形、射出成形、押し出し成形で生じる炭素繊維の配向を低減できることで、炭素繊維を用いたヒートシンクに生じる放熱効果の方向依存性を低減させ、また均質な電磁波吸収効果を得ることができる。
【００２０】
以下、実施例に基づき、本発明の材料を詳細に説明する。
【実施例１】
【００２１】
原料等の検討
放熱性と電磁波遮蔽性に優れた材料を得ることを目的として、様々な試作品を製造し特性を評価した。
【００２２】
比較品１（焼結品）
放熱性の高いアルミナセラミックス若しくは、窒化アルミセラミックス粉末を、電磁波吸収性のあるカーボン材料とともに、有機バインダと混練して成形材料を作製し、この成形材料を用いて射出成形によりヒートシンク形状の成形体を得て、脱脂、焼結を行って、焼結体からなるヒートシンクを作製した。
しかし、焼結密度が向上せず、焼結体内部に気孔が１０％程度存在する事から、期待した放熱効果が得られなかった。これはセラミックスとカーボン材料の濡れ性が無く、焼結時にカーボン材料がセラミックスの焼結を妨げる為であることが確認され、以後の実験は断念した。
【００２３】
比較品２（焼結品）
放熱性の高いアルミナセラミックス若しくは、窒化アルミセラミックス粉末を、電磁波シールド性のある銅粉末とともに、有機バインダと混練して成形材料を作製し、この成形材料を用いて射出成形によりヒートシンク形状の成形体を得て、脱脂、焼結を行って、焼結体からなるヒートシンクを作製した。
しかし、焼結時に焼結密度が向上せず、焼結体内部に気孔が１０％程度存在する事から、期待した放熱効果が得られなかった。これはセラミックスと銅粉末の濡れ性が無いことと、銅の融点がセラミックスの焼結温度よりも５００℃低いことで、焼結時に銅が溶融しセラミックスの焼結を妨げる為であることが確認され、以後の実験は断念した。
【００２４】
比較品３（樹脂材料）
樹脂に、放熱性の高いセラミックス粉末と電磁波シールド性に優れたフェライト粉末とを混練して成形材料とし、これを用いてシート成形および射出成形を行った。
放熱性を測定したところ、フェライト粉末の熱伝導が低いため、熱が内部に蓄積し金属の放熱材料に匹敵する放熱性が得られなかった。
【００２５】
比較品４（樹脂材料）
樹脂に、放熱性の高いセラミックス粉末と電磁波シールド性のある銅粉末を混合した材料の作製を試みた。熱伝導性と電磁波遮蔽性を上げるため、２０μｍ以下の銅粉末を用いて加熱混練を行ったが、混練時に銅粉末が急激に酸化するため、期待した電磁波遮蔽特性及び放熱性を得ることができなかった。
【００２６】
比較品５（樹脂材料）
セラミックス粉末およびカーボン材料を用いて樹脂と混練して、安定した性質と優れた熱伝導性の材料を得ることを試みた。
カーボン材料として黒鉛粉末を用いたところ、粒子径が非常に小さく表面積が大きいため、樹脂の添加量を４０体積％以下にして成形材料を作製することが困難であり、期待する放熱性と電磁波遮蔽特性を得ることができなかった。
【００２７】
本発明品
セラミックス粉末およびカーボン材料を用いて樹脂と混練して、安定した性質と優れた熱伝導性の材料を得ることを試みた。
カーボン材料として炭素繊維を用いたところ、PAN系炭素繊維とピッチ系炭素繊維のうち、ピッチ系炭素繊維を用いる事で、放熱性を上げることが可能となった。
さらに、カーボンナノチューブを用いたところ、添加量２〜５％と少量においても電磁波遮蔽特性に優れることが明らかとなった。
また、セラミックス粉末として、特にアルミナ粉末、窒化アルミ粉末、炭化珪素粉末、窒化珪素粉末、窒化硼素粉末を用いることにより、放熱性を向上させることに成功した。
また、アルミに匹敵する放熱性に優れた材料を得るためには、樹脂の量が材料全体の６０体積％以下が好ましいことが分かった。特に樹脂量を４０体積％以下にまで低減することで、金属性の放熱材料に匹敵する成形材料を得ることができた。
このため、最初はセラミックス粉末同士の距離を近づけるために、粒子径０．１μｍ未満のセラミックス粉末を用いていたが、粉末粒子径が小さいほど樹脂の添加量を多くする必要があるため、粒子径０．１μｍ〜１００μｍの粉末を用いることが適当であることが分かった。
【実施例２】
【００２８】
特性の評価
本発明の材料からなるシートおよび比較のためのシート（セラミックス粉末／炭素繊維の一方のみを含む）を作製し、その特性を検討した。
実施例及び比較例に用いた材料の配合表を表１に示す。
【００２９】
シートの作製
熱可塑性樹脂を用いる場合、樹脂をあらかじめ０．５Ｌの加熱混練機でポリプロピレンの場合には２００度に設定し、ナイロン樹脂の場合には２５０度に設定して１０分間混合し十分溶融させた後にセラミックス粉末及び炭素繊維を徐々に添加して1時間加熱混練を行い、取り出した塊をシート状にした後、粉砕機にかけて成形材料とした。
得られた成形材料を型締め力２０トンの射出成形機を用いて、温度測定に関しては３５mm×３５ｍｍ×厚み２ｍｍの成形体を作成してこれを用いた。電磁波吸収の測定には１００ｍｍ×１００ｍｍ×厚み１．５ｍｍの成形体を成形してこれを用いた。
熱硬化性樹脂であるシリコーン樹脂の場合は、２成分付加型液状シリコーンゴムを用い、主剤１００重量部に対して硬化剤１０重量部を混合させたものとした。これにセラミックス粉末及び炭素繊維を添加した後、１Ｌの真空脱泡混合機を用いて、２５℃で真空脱泡しながら撹拌混合を３０分間行い、取り出した後、ポリエチレンテレフタレート（PET）フィルムに２ｍｍ（温度測定用）と１．５ｍｍ（電磁波測定用）の厚みにコーティングした後、２５℃で２４時間後にPETフィルムから離型し、２５℃で４８時間放置した後、測定を行った。シートのサイズは上述通りとした。
【００３０】
なお、実施例及び比較例に用いたアルミナ粉末は平均粒子径１０μｍとした。また、実施例及び比較例で用いたピッチ系炭素繊維及びピッチ系超高弾性炭素繊維は平均直径１０μｍ、平均長さ５０μｍとした。
電磁波の測定に関してはアドバンテスト製、スペクトラムアナライザR3132を用いて０．１ＭＨｚ〜１ＧＨｚの電磁波遮蔽特性を測定した。
また、放熱特性の測定については下記に示す方法により測定を行った。幅１５ｍｍ、厚み２ｍｍ、長さ１００ｍｍの銅板を、熱源を使用して８０℃まで温度を上げて、３０分均熱を確認した後、試料(３５ｍｍ角、２ｍｍ厚)を前記銅板の上に置いて、試料から５ｍｍ後方の銅板の３０分後の温度を測定した。
【００３１】
結果を表１に示す。
【表１】
2008258253.tif 000002
表中に示す電磁波遮蔽特性は透過損失であり、対応する樹脂のみで作製したシートにおける透過量を基準値とし、実施例あるいは比較例のシートにおける透過量の減少値を示す。
【００３２】
測定結果から、本発明の材料からなるシートは何れも３０分後の銅板の温度が７２℃以下と放熱性に優れ、且つ１ＭＨｚ〜１ＧＨｚの間に於いて電磁波遮蔽特性が−１０ｄＢ以上と広帯域で優れた電磁波遮蔽性を示すことが確認された。なお、銅板を同条件で測定した場合には放熱温度は７１℃、アルミニウムでは７３℃となり、本発明にかかる材料が、アルミ、銅と同程度以上の放熱特性（吸熱効果）を有することが分かった。さらに、電磁波遮蔽特性においては低周波領域（１００ＭＨｚ以下）において−３０ｄＢを越える優れた値を示し、また１ＧＨｚまで安定したシールド特性を示す優れた材料であることが確認された。
【００３３】
なお、銅板は赤外線をほとんど発しないため、赤外線サーモグラフィーでデータを取ると、実温度に比べて測定温度がはるかに低くなるが、本発明にかかる材料では、サーモグラフィーの測定温度と実温度がほぼ一致するため、熱放射率がほぼ１に近いことが確認された。このため、本発明にかかる材料の放熱特性（相手の熱を下げる効果[吸熱効果]）は、熱放射による自己放熱性（自分の熱を発散させる効果）の高さに起因すると考えられる。
また、本発明にかかる炭素繊維は、電磁波吸収特性に優れるため、本発明にかかる材料は、電磁波遮蔽性だけでなく、電磁波吸収性にも優れていると考えられる。電磁波を試料に入射させた場合、入射量＝反射量＋吸収量＋透過量の関係が成り立つが、電磁波遮蔽性が高いとは、透過量が小さいことを意味し、電磁波吸収性が高いとは透過量と反射量が小さいことを意味する。電磁波吸収性の高い材料は、反射干渉による弊害を防ぐことができる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明にかかる材料は、優れた放熱性と電磁波遮蔽性の両方を併せ持つため、従来２つの部品が用いられていたものを一体化することができ、製品の薄型化を図ることができる。また、本発明にかかる材料は広帯域での電磁波遮蔽性を有するため、電磁波遮蔽のみを目的として使用するにも好適である。例えば、近年の通信技術の発達により、携帯電話、パソコン、ゲーム機等から発生する電磁波が人体に悪影響を及ぼす可能性が指摘されているが、本発明はこのような電磁波からの保護を目的として使用することもできる。