JP2004253614A

JP2004253614A - 高分子ｐｔｃ素子及びその製造方法

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Publication number: JP2004253614A
Application number: JP2003042414A
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: 2003-02-20
Filing date: 2003-02-20
Publication date: 2004-09-09

Abstract

【課題】高分子ＰＴＣ素子の電極を、接触抵抗を上げずに、接合強度を高め、しかも簡易な工程で製造できるような高分子ＰＴＣ素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】高分子ＰＴＣ素子用電極箔１に強磁性体の導電性ペーストを塗工し、かつ電極箔に対して垂直方向の磁場を印加しながら乾燥させて接着層５を形成し、その後、高分子ＰＴＣ組成物２との熱圧着を行って高分子ＰＴＣ素子を製造する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＰＴＣ（ＰｏｓｉｔｉｖｅＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ：正温度係数）を有する素子に関するものであり、電池や電子機器の回路等への異常発生時に流れる過電流を防止する過電流保護素子等として好適な高分子ＰＴＣ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来からＰＴＣ特性を有するものとして、Ｙ_２Ｏ_３を微量添加したＢａＴｉＯ_３等のセラミックＰＴＣ組成物とポリエチレンを代表とする結晶性高分子材料に導電性フィラー、一般的には粒状のカーボンブラック粉末等を混練して成形した高分子ＰＴＣ組成物が知られている。
【０００３】
しかしながら、セラミックＰＴＣ組成物は定常状態の低抗率が約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ＰＴＣ組成物が前記過電流保護素子として用いることができないことを意味している。さらに、セラミックＰＴＣは、所望形状に成形、加工することが困難であり、耐衝撃性に劣る面がある。それに対して、本発明で論述する高分子ＰＴＣ組成物は、セラミックＰＴＣ組成物に比べて室温抵抗が低いこと、成形や加工が容易であること、さらに耐衝撃性が優れていること等により、過電流保護素子の用途として適している。
【０００４】
高分子ＰＴＣ組成物の導電性フィラーとして一般的には、カーボンブラックのような比較的かさ密度が大きく、粒度の小さい安価な材料が用いられている。またその原理は、前記導電性フィラーが結晶性高分子材料中に所定の配合量で分散されている組成物中において、室温では導電フィラーのネットワークにより低い抵抗率を示すが、結晶性高分子材料の結晶融点Ｔｍを境にして相対的に高分子材料の体積が増加して導電粒子相互間のネットワークが切断されていくことにより、抵抗率が急に上昇していく（いわゆるＰＴＣ特性）。それが常温に戻ると、その導電性フィラー相互間のネットワークが復帰することにより元の低い低抗値となる。
【０００５】
このような高分子ＰＴＣ素子の一般的な製法として、例えば熱可塑性高分子材料を代表するポリオレフィン類等の高分子材料、例えば高密度ポリエチレン等と良好な導電性を有するカーボンブラックや金属炭化物等のフィラーを混練（混合）して、分散処理を行う。その際に２本ロールやニーダー等を用いる場合では、展延機やロール成形や押し出し成形等で高分子ＰＴＣ組成物を作製し、熱プレス機等で金属箔等や各種金属でパターン化された基板２枚に挟んで成形する等の方法でシート状に加工して、電極端子を取りつけて素子を作製する。
【０００６】
しかし、高分子ＰＴＣ素子において、電極を形成する場合、高分子ＰＴＣ組成物と金属とでは熱膨張率に大きな差があり、熱により高分子ＰＴＣ組成物−金属界面において剥離が生じ易いため、他の有機／無機材料の接合（例えばプリント基板）同様、如何にして高分子ＰＴＣ組成物−金属界面の接合性を上げるかが課題である。
【０００７】
接合強度を高めるために、メッキ処理等により金属箔表面に粗面化処理を施す方法が知られているが、十分な接合性を得るためには、金属箔表面に長時間メッキ処理を施す必要があることと、大掛かりな設備が必要になるなど生産性に乏しい。
【０００８】
また、熱膨張の差を小さくする手法として高分子ＰＴＣ組成物−金属間に緩和層を設ける方法があるが、接触抵抗が取れなくなり素子抵抗が上がってしまう問題があった。
【０００９】
この対策のため、特許文献１では、高分子ＰＴＣ組成物表面を酸化処理すると共に、金属箔上に導電性フィラーとバインダーを混合した導電層を形成させ熱圧着する方法が提案されている。この方法では、接触抵抗を低くし、酸化処理により接合強度を高めているが、工程が複雑である。
【００１０】
【特許文献１】
特開平６−３１８５０４号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の課題は、高分子ＰＴＣ素子の電極の接触抵抗を上げずに、接合強度を高め、しかも製造工程が比較的簡略であるような高分子ＰＴＣ素子及びその製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記従来の欠点を解決するためになされたもので、高分子ＰＴＣ素子用電極箔に強磁性の導電性ペーストを塗工し、かつ電極箔に対して垂直方向の磁場を印加しながら乾燥させて、接着層を形成し、その後ＰＴＣ樹脂組成物との熱圧着を行う高分子ＰＴＣ素子の製造方法である。
【００１３】
即ち、本発明は、電極箔に強磁性の導電性ペーストを塗工して接着層を形成後、高分子ＰＴＣ組成物と前記電極箔を圧着する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、前記接着層が導電性フィラーと強磁性体粒子と高分子材料からな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、前記接着層が強磁性体の導電性フィラーと高分子材料からなることを特徴とするＰＴＣ素子の製造方法である。
【００１６】
また、本発明は、前記導電性フィラーがアスペクト比２以上の強磁性体粒子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。
【００１７】
また、本発明は、前記接着層が磁場中乾燥により形成されることを特徴とする高分子ＰＴＣ素子の製造方法である。
【００１８】
また、本発明は、前記磁場が前記電極箔に対して垂直方法へ印加されていることを特徴とする高分子ＰＴＣ素子の製造方法である。
【００１９】
また、本発明は、電極箔が強磁性の導電性フィラーと高分子材料からなる接着層により高分子ＰＴＣ組成物に圧着されていることを特徴とする高分子ＰＴＣ素子である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明は、高分子ＰＴＣ素子用電極箔に強磁性体の導電性ペーストを塗工し、かつ電極箔に対して垂直方向の磁場を印加しながら乾燥させて接着層を形成し、その後、高分子ＰＴＣ組成物との熱圧着を行って高分子ＰＴＣ素子を製造する。
【００２１】
図１は、本発明で製造された高分子ＰＴＣ素子の断面を示す模式図である。図２は、従来法により製造された高分子ＰＴＣ素子の断面を示す模式図である。本発明では、図１及び図２に示すように、接着層５に特徴があり、本発明で製造された高分子ＰＴＣ素子は電極箔１が強磁性の導電性フィラー６と高分子材料からなる接着層５により高分子ＰＴＣ組成物２に圧着されている。
【００２２】
高分子ＰＴＣ組成物２としては、結晶性高分子材料４に導電性フィラー３を混合して製造される。結晶性高分子材料４として結晶性のオレフィン系高分子材料が用いられるが、高密度ポリエチレンが望ましい。また、導電性フィラー３は、金属粒子やカーボンブラック等の導電性炭素材料やＴｉＣ、ＷＣ、Ｗ_２Ｃ、ＺｒＣ、ＶＣ、ＮｂＣ、ＴａＣ、ＭｏＣ等の金属炭化物のうち１種以上を用いることができるが、比重が低く熱伝導率の良好なＴｉＣ等の金属炭化物が望ましい。
【００２３】
高分子材料と導電性フィラーと強磁性体に溶媒等を加えて混練して製造した導電性ペーストを電極箔１に塗工して接着層５を形成する。高分子材料としては、溶媒（一般的なケトン類、トルエン等の有機溶剤または水）に溶けやすい高分子材料を選定することが望ましく、特に塩素化ポリエチレンを用いることが好ましい。また、導電性フィラー６は、高分子ＰＴＣ組成物２用のものも使用できるが、金属粒子が望ましく導電性の面からは銀粒子が好ましい。強磁性体６は、特に粒子形状が不規則な粉末が望ましく、アスペクト比が２以上のものが好ましい。
【００２４】
強磁性体粉末として、金属粒子を用いれば、導電性フィラーと兼用することが可能である。特に耐食性も良好であるニッケル粉を用いることが望ましい。図１の場合は、導電性フィラー６と強磁性体６とが同一、即ち強磁性の導電性フィラー６を用いた例である。
【００２５】
電極箔１としては、銅、ニッケル、アルミニウム等の金属箔を用いることができる。
【００２６】
接着層５は、電極箔１に強磁性を有する導電性ペーストを塗工し、電極箔に対して垂直方向の磁場を印加しながら乾燥させて形成する。詳しくは接着層５が乾燥固化する際、電極箔と垂直な方向へ磁場を印加することでペースト内に含有する強磁性体が磁場方向へ配向するため、接着層５の表面が非常に荒れた構造を有するようになり、簡単に粗面を形成することができる。ここで、薄い電極箔を用いれば、電極箔が縒れて電極箔と導電ペーストとの接触面積が増える効果もある。
【００２７】
次いで、接着層５を形成した電極箔１の間に高分子ＰＴＣ組成物を挟んで熱圧着することにより高分子ＰＴＣ素子が製造される。
【００２８】
【実施例】
さらに、具体的に本発明の高分子ＰＴＣ素子の製造方法を実施例、比較例を基に詳細に説明する。
【００２９】
（実施例１）
まず、高分子材料として軟化点１３０℃程度の結晶性高密度ポリエチレンと粒径１〜５μｍのＴｉＣ導電性粉末を２００℃程度の温度での加熱ロール上で導電性粉末５０ｖｏｌ％となるように混練して高分子ＰＴＣ混練物を得て、それを成形することにより高分子ＰＴＣ組成物シートを得た。
【００３０】
また、金属電極箔上に、アスペクト比３のＮｉ粉末と塩素化ポリエチレン及び溶剤からなる導電性ペーストを塗布し、その際に４００Ｇ磁場強度の垂直配向磁場をかけながら１２０℃×５分の乾燥処理を行った結果、接着層の表面が粗い電極箔シートが得られた。
【００３１】
その金属電極箔シート間に高分子ＰＴＣ組成物シートを挟んで２００℃の温度で１５分間熱プレスを行い熱圧着して、高分子ＰＴＣシートを得た。そのシートを所定の形状に打抜き高分子ＰＴＣ素子を作製した。
【００３２】
（比較例）
実施例１と同様の高分子ＰＴＣ組成物シートおよび金属電極箔を用いて、金属電極箔間に直接高分子ＰＴＣ組成物シートを挟んで２００℃の温度で１５分間熱プレスを行い、熱圧着して、高分子ＰＴＣシートを得た。そのシートを所定の形状に打抜き高分子ＰＴＣ素子を作製した。
【００３３】
実施例１および比較例の各々の高分子ＰＴＣ素子について、各々、サンプル数１００個についての素子抵抗の測定と、−２０℃と８０℃間で１００サイクルのヒートサイクル試験を行い、その前後の素子抵抗を測定した結果を表１に示す。
【００３４】
【表１】

【００３５】
素子抵抗の測定結果によれば、実施例１の高分子ＰＴＣ素子の方が比較例の高分子ＰＴＣ素子に比べてばらつきが小さく、安定しており、電極箔と高分子ＰＴＣ組成物との電気的な接触が良好である。
【００３６】
ヒートサイクル試験後でも実施例１の高分子ＰＴＣ素子では、素子抵抗が１０％程度の増加を示しただけで安定性が高いことが分かる。また、素子の抵抗値をサイクル試験前の抵抗値で割った倍率をみると明らかなように、実施例１の高分子ＰＴＣ素子の方が比較例の高分子ＰＴＣ素子に比べて数十倍良好な結果が得られている。
【００３７】
この結果より、本発明の方法で製造された実施例１の高分子ＰＴＣ素子は、従来方法で製造された比較例の高分子ＰＴＣ素子に比べて、接着力が向上して接触低抗値の低減とそのばらつきが抑えられ、ヒートサイクルに対する信頼性も高いことがわかる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、高分子ＰＴＣ素子用電極箔に強磁性体を含む導電性ペーストを塗工し、かつ電極箔に対して垂直方向の磁場を印加しながら乾燥させることで、表面を粗面化した接着層を簡単に形成でき、接触抵抗の低減と電極の接合強度を向上させた高分子ＰＴＣ素子が得られる。また、本発明により、接触抵抗のばらつきの問題、およびヒートサイクルの信頼性も解決される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高分子ＰＴＣ素子の断面図。
【図２】従来の高分子ＰＴＣ素子の断面図。
【符号の説明】
１電極箔
２高分子ＰＴＣ組成物
３導電性フィラー
４結晶性高分子材料
５接着層
６導電性フィラー（強磁性体）

Claims

電極箔に強磁性の導電性ペーストを塗工して接着層を形成後、高分子ＰＴＣ組成物と前記電極箔を圧着することを特徴とする高分子ＰＴＣ素子の製造方法。
前記接着層が導電性フィラーと強磁性体粒子と高分子材料からなることを特徴とする請求項１記載の高分子ＰＴＣ素子の製造方法。
前記接着層が強磁性体の導電性フィラーと高分子材料からなることを特徴とする請求項１記載の高分子ＰＴＣ素子の製造方法。
前記導電性フィラーがアスペクト比２以上の強磁性体粒子であることを特徴とする請求項３記載の高分子ＰＴＣ素子の製造方法。
前記接着層が磁場中乾燥により形成されることを特徴とする請求項１記載の高分子ＰＴＣ素子の製造方法。
前記磁場が前記電極箔に対して垂直方法へ印加されていることを特徴とする請求項５記載の高分子ＰＴＣ素子の製造方法。
電極箔が強磁性の導電性フィラーと高分子材料からなる接着層により高分子ＰＴＣ組成物に圧着されていることを特徴とする高分子ＰＴＣ素子。