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高い放熱性能を持つゴム複合材料を開発 ~しなやかで壊れにくい,フレキシブルデバイスに使用できる材料~

 国立研究開発法人 産業技術総合研究所(産総研)は2018年3月6日,産総研・東大先端オペランド計測技術オープンイノベーションラボラトリ タフコンポジット材料プロジェクトの伯田幸也ラボチーム長らの研究グループが,ポリロタキサンと窒化ホウ素のフィラーからなる高熱伝導性エラストマー複合材料を開発した,と発表した.本研究は独立行政法人 日本学術振興会による科学研究費助成事業 基盤研究(B)の支援を受けて行われ,技術の詳細はApplied Physics Lettersに掲載された(注).

 近年,装着型ロボットや健康管理機器などの用途でウェアラブルデバイスが注目されている.ウェアラブルデバイスに使用されるフレキシブル電子基板には,電源モジュール,CPU,センサーなどさまざまな電子部品が搭載され,それらからの発熱を効率良く放熱することが必要である.現在のフレキシブル基板には,ポリイミド系などの高分子に熱伝導性の無機フィラーを添加したものが用いられており,熱伝導性を向上させるためフィラー濃度を高めると,フィラーの分散が悪化して凝集したり,フィラーと高分子間の摩擦が増大し,基板の柔軟性が低下して脆くなるという問題がある.そのため,無機フィラーを高濃度に添加しても,機械的特性の悪化しないエラストマーの製造技術が求められていた.

 本研究では,ベースとなる高分子として,環状分子(シクロデキストリン)が,環を貫通する直鎖状分子(ポリエチレングリコール)の上を滑るように動くことができるポリロタキサンが利用された.また,無機フィラーには分散性向上のため,溶媒中でパルス電圧を印加する水中プラズマ法による表面改質が行われた.環状分子にはポリカプロラクトンがグラフトされており,これを介して表面改質された無機フィラーと環状分子が結合する.これらの効果により,フィラーが高濃度であっても分散が良好で,基板を変形させてもフィラーと高分子の摩擦抵抗が低減され,機械的特性に優れる新奇な熱伝導性エラストマーコンポジットが開発された.

 実験で用いられた熱伝導性無機フィラーは,平均粒子径0.2µmの窒化ホウ素(BN)である.水中プラズマ法で表面改質したBN粒子を乾燥し,トルエン中でポリロタキサン,触媒,架橋剤とともに混練,架橋させてエラストマーコンポジットが得られた.BN濃度が50wt%でもエラストマー内部は粒子凝集が無く均質で,繰り返し変形を加えても柔軟性や形状は維持された.フィラー無添加のサンプルの破断伸度は46%,破断応力は3.5MPaであるが,表面改質したフィラーを50wt%加えたエラストマーでは,それぞれ84%と11.5MPaに向上した.フィラーに表面処理を施すことで,破断伸度と破断応力は向上するが,ヤング率はほぼ変わらず,靭性は1.4~4.9倍に向上した.熱伝導率は,フィラー無添加の0.2W/mKから50%添加では1.1W/mKと,5倍以上になった.

 本研究により,従来は実現できなかった熱伝導率1~20W/mKの領域のエラストマー熱伝導材料が得られる可能性があり,今後,フレキシブルエレクトロニクス機器の高放熱性基板への応用が期待されるという.
 
(注)T. Goto, M. Iida, H. Tan, C. Liu, K. Mayumi, R. Maeda, K. Kitahara, K. Hatakeyama, T. Ito, Y. Shimizu, H. Yokoyama, K. Kimura, K. Ito, Y. Hakuta, and K. Terashima, "Thermally conductive tough flexible elastomers as composite of slide-ring materials and surface modified boron nitride particles via plasma in solution", Applied Physics Letters, Vol. 112, 101901 (2018); doi: 10.1063/1.5020325; Published Online: March 5, 2018