JP2002343603A

JP2002343603A - 高分子ｐｔｃ素子及びその製造方法

Info

Publication number: JP2002343603A
Application number: JP2001144475A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Sakamoto; 晋一坂本; Katsumi Sawada; 勝実澤田
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2001-05-15
Filing date: 2001-05-15
Publication date: 2002-11-29

Abstract

(57)【要約】【課題】結晶性高分子に導電性フィラーを分散した、
高分子ＰＴＣ組成物を成形したシートの両面に、電極板
を配置した構成を有する高分子ＰＴＣ素子において、高
分子ＰＴＣ組成物と電極板との界面の接着性を向上する
方法を提供すること。【解決手段】電極板の表面にプライマー層を設けると
ともに、電極板の表面、プライマー層の表面、シート状
に成形された高分子ＰＴＣ組成物表面の少なくともいず
れかに、プラズマ処理を施すことで、電極板表面及び高
分子ＰＴＣ組成物表面に官能基を導入したり、微細な凹
凸構造を導入したりすることで、界面の接着性を向上す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＰＴＣ（Positive
Temperature Coefficient：正温度係数）特性を有
し、電池や電子機器の回路などに異常が発生した際の過
電流を防止する機能を有する、ＰＴＣ素子及びその製造
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】特定の温度領域において、電気抵抗が急
激に増大する正の温度特性を示すＰＴＣ素子は、自動的
に温度を制御するヒータや、自己復帰型の過電流保護素
子などとして多用されている。そして、ＰＴＣ素子に用
いる組成物としては、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）を
微量添加したチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）などの
セラミックス系ＰＴＣ組成物、カーボンブラックなどの
導電性粒子を結晶性高分子中に分散した高分子ＰＴＣ組
成物が知られている。

【０００３】セラミックス系ＰＴＣ組成物を用いたＰＴ
Ｃ素子では、キュリー点での急激な抵抗値上昇を利用
しているが、定常状態における抵抗率が、約〜１００Ω
・ｃｍと高いために、数Ａ程度の比較的大きな電流を流
すことができない。このことはセラミック系ＰＴＣ組成
物を用いたＰＴＣ素子が、過電流保護素子として利用す
るのが困難であることを意味している。また、セラミッ
ク系ＰＴＣ組成物は、所望の形状に成形、加工するのに
多くの工程を要し、耐衝撃性に劣るという問題がある。

【０００４】これに対し、高分子ＰＴＣ組成物を用いた
ＰＴＣ素子では、室温での抵抗率が低いために、過電流
保護素子に適していて、耐衝撃性が優れ、成形、加工が
容易である。

【０００５】高分子ＰＴＣ素子の動作原理は、結晶性高
分子の結晶融点での大きな熱膨張を利用して、室温でネ
ットワークを形成している導電性粒子を切り離すことに
よるものである。このために、結晶性高分子の結晶融点
近傍の温度で、抵抗率が急激に上昇し、室温に戻ると、
導電性粒子のネットワークが再形成され、抵抗率も低下
する。

【０００６】そして、高分子ＰＴＣ素子の一般的な製造
方法には、ロールなどを用いて結晶性高分子に導電性粒
子を分散させて高分子ＰＴＣ組成物を得、これを加熱プ
レスやロールなどでシート成形し、金属箔などからなる
電極を圧着した後、所要の形状に打ち抜くという、乾式
法がある。

【０００７】また、高分子ＰＴＣ組成物のシートを得る
方法として、結晶性高分子の溶液に導電性フィラーを分
散させたスラリーを用いて成膜する湿式法もあり、この
場合は、電極を構成する金属箔の上に成膜して、成膜し
た側を対向させて一体化するという方法もある。

【０００８】前記のように、高分子ＰＴＣ組成物には、
結晶性高分子が用いられ、その代表的なものに、高密度
ポリエチレン（以下、ＨＤＰＥ）がある。ＨＤＰＥは、
価格や成形性の面で優れていて、高分子ＰＴＣ組成物に
も多用されているが、電極や導電性フィラーとの接着性
が比較的低いため、定常状態における抵抗値を高くした
り、高分子ＰＴＣ素子の繰り返し動作特性を低下させた
りするという問題がある。

【０００９】この対策として、電極の表面に微細な凹凸
を付与するための加工を施すことなどが行われてきた。
しかし、この対策も必ずしも十分な効果を発現するわけ
ではなく、この加工が製造コストを押し上げる要因とな
っていた。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の技術
的な課題は、前記ＰＴＣ素子の製造工程において、高分
子ＰＴＣ組成物と電極板との接着性を、簡便な方法で向
上する方法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題の解
決のため、従来の方法による電極板表面への凹凸の付与
以外で、高分子ＰＴＣ組成物と電極板の界面の性状を調
整し、接着性を向上することを検討した結果なされたも
のである。

【００１２】即ち、本発明は、結晶性高分子に、強磁性
体を含む導電性フィラーを分散して高分子ＰＴＣ組成物
を得る分散工程と、前記高分子ＰＴＣ組成物をシート状
に成形する成形工程と、前記シートに電極板を配置して
接着する接着工程と、前記電極板を接着したシートを所
要の大きさに切断する切断工程を含む高分子ＰＴＣ素子
の製造方法において、前記電極板の表面に、プライマー
層を設けることを特徴とする高分子ＰＴＣ素子の製造方
法である。

【００１３】また、本発明は、前記の高分子ＰＴＣ素子
の製造方法において、前記プライマー層の形成に用いる
プライマーは、高分子化合物もしくはその前駆体を含む
ことを特徴とする高分子ＰＴＣ素子の製造方法である。

【００１４】また、本発明は、前記の高分子ＰＴＣ素子
の製造方法において、前記プライマー層の厚みが、５０
μｍ以下であることを特徴とする高分子ＰＴＣ素子の製
造方法である。

【００１５】また、本発明は、前記の高分子ＰＴＣ素子
の製造方法において、前記電極板の表面、前記プライマ
ー層の表面、前記シート状に成形された高分子ＰＴＣ組
成物表面の少なくともいずれかに、プラズマ処理を施す
ことを特徴とする高分子ＰＴＣ素子の製造方法である。

【００１６】また、本発明は、前記の方法で製造される
ことを特徴とする、導電性フィラーと結晶性高分子を含
む高分子ＰＴＣ組成物のシートの両面に、電極板を配置
してなる高分子ＰＴＣ素子である。

【００１７】

【作用】本発明においては、電極板表面に高分子ＰＴＣ
組成物のシートを接着する際に、電極板表面への高分子
ＰＴＣ組成物の接着性を向上するために、電極板表面に
プライマー層を設ける。また、通常の印刷においても印
刷面にメジウムと称される材料を塗布して、印刷性の向
上を図ることが多いが、印刷インクに用いられるビヒク
ルにも高分子化合物が含まれるので、メジウムをそのま
ま金属表面のプライマー層として用いることができる。

【００１８】プライマーは、それ自体が金属表面との密
着性が高いという特性を有するが、プライマーを塗布す
ることにより、電極板表面に種々の官能基を導入し、化
学的な相互作用で塗膜との密着性を向上することができ
る。

【００１９】本発明においては、プライマーの塗布に加
え、金属表面、プライマー層の表面、高分子ＰＴＣ組成
物の表面の少なくともいずれかに、プラズマ処理を施す
ので、より接着性の向上が図れる。即ち、プラズマ処理
により、表面の不純物を除去する効果、表面に水酸基な
どの親水性基を導入して濡れ性を向上する効果、プラズ
マ粒子の表面への衝突による原子レベルの凹凸の生成効
果などで、接着性を向上できる。

【００２０】接着や印刷を施す際の表面処置法には、プ
ラズマ処理の他に、コロナ放電やフレーム処理などの手
法がある。しかし、前者は処理後の経時劣化が著しく、
後者は火炎を用いるため、処理を施す面が可燃性である
場合は、危険を伴う作業となる。プラズマ処理によれ
ば、安全確実に接着性向上の効果が得られる。

【００２１】従って、本発明に用いられるプライマーと
しては、前記のような目的に沿うために、エポキシ基、
カルボキシ基、水酸基などを有する高分子化合物もしく
はその前駆体が挙げられる。具体的には、グリシジルメ
タクリレートなどのようなエポキシ変性アクリルモノマ
ー、もしくはそのオリゴマーやポリマー、アルキド樹
脂、ポリエチレングリコールジアクリレートなどが用い
られる。電極板と高分子ＰＴＣ組成物の間の界面抵抗を
低下させるために、プライマーには、ニッケルなど各種
金属の粉末、ポリアニリンなどの導電性を有する粉末を
混合してもよい。

【００２２】また、本発明においては、プライマー層の
厚みを５０μｍ以下とするが、これ以上厚くすると、電
極板と高分子ＰＴＣ組成物との間に距離ができてしま
い、界面での抵抗が大きくなるためであり、電極板と高
分子ＰＴＣ組成物との間の電気的接触を安定させるに
は、プライマー層の厚みを１０μｍ以下とするのが望ま
しく、より望ましい範囲は５μｍ以下である。このよう
に、プライマー層の厚みを薄くするために、プライマー
を適当な溶媒で希釈して塗布してもよい。

【００２３】また、高分子ＰＴＣ素子には、従来カーボ
ンブラックなどが用いられてきたが、本発明において
は、カーボンブラックが凝集することや、耐電圧を考慮
して、金属粉末や各種金属炭化物粉末を混合して用いて
もよい。金属炭化物の具体例としては、チタンカーバイ
ド、タングステンカーバイド、ジルコニウムカーバイ
ド、バナジウムカーバイド、ニオブカーバイド、タンタ
ルカーバイド、モリブデンカーバイドなどが挙げられ
る。これらの金属炭化物の中では、チタンカーバイドを
多く用いることが、耐電圧向上に効果をもたらす。

【００２４】また、導電性フィラーを充填する結晶性高
分子としては、高密度ポリエチレン、塩素化ポリエチレ
ン、エチレン−アクリル酸コポリマー、エチレン−酢酸
ビニルコポリマーなどが挙げられる。そして、結晶性高
分子と導電性フィラーの配合比率は、体積比で３０／７
０〜７０／３０とする。これは、要求されるＰＴＣ特性
や耐電圧などの電気的な特性によって決定される。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下に、具体的な実施例及び比較
例を挙げ、本発明の実施の形態について説明する。ここ
では、電極板として、厚み５０μｍの銅箔、導電性フィ
ラーとして、平均粒径が５μｍのチタンカーバイド粉
末、結晶性高分子として、高密度ポリエチレンを用い、
高分子ＰＴＣ組成物の調製には、加圧ニーダーを用い
た。

【００２６】また、プライマーとしては、無水マレイン
酸とジエチレングリコールの重縮合によって得られるポ
リマーに、スチレンモノマーを加えた、不飽和ポリエス
テル、５０重量％と、ポリエチレングリコールジアクリ
レート、５０重量％からなる混合物を用いた。また、プ
ラズマ処理には、キーエンス社製のプラズマ照射機：Ｓ
Ｔ−７０００を用いた。

【００２７】まず、チタンカーバイド粉末を８０重量
％、高密度ポリエチレン２０重量％秤量し、加圧ニーダ
ーに投入して均一になるまで混練した。そして、得られ
た高分子ＰＴＣ組成物を、熱プレスを用いて、厚みが２
５０μｍのシートとした。次に、プラズマ処理を施した
銅箔、比較のためプラズマ処理を施していない銅箔のそ
れぞれについて、プライマーを塗付し硬化処理を施し
た。また、比較のため、プライマー処理を施さないもの
も準備した。なお、プライマー層の厚みも、比較のた
め、５μｍ、６０μｍの２種類とした。

【００２８】つまり、電極用の銅箔は、何ら処理を施し
ていないもの、プラズマ処理のみを施したもの、プライ
マー処理のみを施したもの、プラズマ処理を施してから
プライマー処理を施したもの、という４種類を準備し
た。これらの電極板のそれぞれを、高分子ＰＴＣ組成物
シートの両面に配置して、温度２００℃、圧力２０ＭＰ
ａで１５分間、熱プレスを行い、１辺が４ｍｍの正方形
に切断して高分子ＰＴＣ素子を得た。その際に、高分子
ＰＴＣ組成物シートに、プラズマ処理を施したものも準
備して用いた。表１は、これらの条件をまとめて示した
ものである。

【００２９】

【表１】

【００３０】表１に示したように、実施例１の試料は、
プラズマ処理した銅箔に、厚み５μｍのプライマー層を
設けてプラズマ処理し、更に高分子ＰＴＣ組成物シート
にもプラズマ処理を施したものである。また、実施例２
の試料は、プライマー層を設けないでプラズマ処理した
銅箔を、プラズマ処理した高分子ＰＴＣ組成物シートの
両面に配置したものである。

【００３１】また、比較例１の試料は、プラズマ処理を
施さない銅箔に厚み５μｍのプライマー層を設け、プラ
イマー層にも高分子ＰＴＣ組成物シートにも、プラズマ
処理を施さないものである。また、比較例２の試料は、
プラズマ処理を施さない銅箔に厚み６０μｍのプライマ
ー層を設け、プライマー層にも高分子ＰＴＣ組成物シー
トにも、プラズマ処理を施さないものである。また、比
較例４は、銅箔を高分子ＰＴＣ組成物シートの両面に配
置したのみで、プライマー処理もプラズマ処理も施して
いないものである。

【００３２】次に、これらの実施例、比較例について、
接着性、２５℃、４０ＲＨ％における抵抗値、耐電圧を
測定した。測定数は、各試料について１０とし、抵抗値
は平均値を、耐電圧は最小値を示した。また、電極に対
する接着性は、両側の電極を強制的に剥離したとき、電
極と高分子ＰＴＣ組成物の界面で剥離がまったく見られ
なかったもの、つまり高分子ＰＴＣ組成物の層が破断し
たものを「◎」、電極と高分子ＰＴＣ組成物の界面で面
積の半分以下に剥離が見られたものを「○」、界面の面
積の半分以上に剥離が見られたものを「△」、接着が不
可であったものを「×」で示した。

【００３３】

【表２】

【００３４】表２に示したように、実施例１と実施例２
は、比較例１、比較例３に較べて接着性に優れていて、
電極板、プライマー層、高分子ＰＴＣ組成物へのプラズ
マ処理が、接着性向上に効果を発現していることを示し
ている。また、プライマー処理も接着性向上に効果があ
ることを示している。

【００３５】また、抵抗値、耐電圧の測定結果は、実施
例１、実施例２、比較例１が、ＰＴＣ素子として使用に
耐える数値を示したものの、比較例２では、測定がまっ
たく不可能であり、比較例３では、一部が測定できなか
った。比較例２は、プライマー層が厚過ぎて絶縁層とし
て機能したためであり、比較例３では、電極板と高分子
ＰＴＣ組成物の接着が不良となっている試料が半数以上
であったためである。

【００３６】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、電極板と高分子ＰＴＣ組成物の界面の接着性が向上
し、品質が安定した高分子ＰＴＣ素子、及びその製造方
法が得られ、高分子ＰＴＣ素子の製造コストの低減や、
用途拡大に寄与することができる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】結晶性高分子に、強磁性体を含む導電性
フィラーを分散して高分子ＰＴＣ組成物を得る分散工程
と、前記高分子ＰＴＣ組成物をシート状に成形する成形
工程と、前記シートに電極板を配置して接着する接着工
程と、前記電極板を接着したシートを所要の大きさに切
断する切断工程を含む高分子ＰＴＣ素子の製造方法にお
いて、前記電極板の表面に、プライマー層を設けること
を特徴とする高分子ＰＴＣ素子の製造方法。
【請求項２】請求項１に記載の高分子ＰＴＣ素子の製
造方法において、前記プライマー層の形成に用いるプラ
イマーは、高分子化合物もしくはその前駆体を含むこと
を特徴とする高分子ＰＴＣ素子の製造方法。
【請求項３】請求項１または請求項２のいずれかに記
載の高分子ＰＴＣ素子の製造方法において、前記プライ
マー層の厚みは、５０μｍ以下であることを特徴とする
高分子ＰＴＣ素子の製造方法。
【請求項４】請求項１ないし請求項３のいずれかに記
載の高分子ＰＴＣ素子の製造方法において、前記電極板
の表面、前記プライマー層の表面、前記シート状に成形
された高分子ＰＴＣ組成物表面の少なくともいずれか
に、プラズマ処理を施すことを特徴とする高分子ＰＴＣ
素子の製造方法。
【請求項５】請求項１ないし請求項４のいずれかに記
載の方法で製造されることを特徴とする、導電性フィラ
ーと結晶性高分子を含む高分子ＰＴＣ組成物のシートの
両面に、電極板を配置してなる高分子ＰＴＣ素子。