JP2008235673A - 電磁波シールド材料及びシート - Google Patents

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Abstract

【課題】難燃性や耐熱性を有し、シールド能力と材料のフレキシブル性を両立することができる電磁波シールド材料及びそれを用いたシートを提供する。
【解決手段】イオン性液体と、該イオン性液体中に分散した電磁波を反射、抑制又は吸収する能力を有する微粒子とを含む、ゲル状の電磁波シールド材料。
【選択図】なし

Description

本発明は、電磁波シールド材料に関し、特にイオン性液体を使用した電磁波シールド材料とこれを用いたシートに関する。
近年、電子部品はより小型化するとともに、その使用周波数は高周波化する傾向がある。このため、電磁波シールドを効果的に行い、電子機器が許容量を超える電磁波を放出しないことと、電子機器が外部からの電磁波を受け入れないことが必要とされている。また、電子機器内部で発生した電磁波を吸収して、電磁波が内部で散乱することで生じる干渉を防ぐことも必要である。
さらに、無線機器、モバイル機器の普及につれて、ビルや室内の壁などでの電波の反射や干渉を防ぐためにも、電磁波抑制、吸収シートの必要性は増している。
一般に、電磁波(EMI(Electromagnetic interference)またはEMC(Electromagnetic compatibility))シールド材料は、シールド性能のほかに、実装上の要求からフレキシブルであることが求められている。また、施工および実装の容易性からシート状に加工されたものが望ましい。このような観点から、樹脂材料中に、金属材料や磁性材料等の導電性損失、誘電損失、磁性損失を生じる材料を分散させた材料がシールド材料として使用されている。このようなシールド材料のシールド性能を高めるためには、上記充填材を樹脂中に高充填する必要がある。しかし、一般に、樹脂に充填材微粒子を高充填するプロセスは容易でなく、材料のフレキシブル性を損なうことがある。このため、従来の材料によるシートでは、シートのフレキシブル性と、高いシールド能力を両立することが困難であった。
一方、特許文献1(特開昭64−52302号公報)や特許文献2(特開2006−73991号公報)に記載されるように、樹脂中でなく、高誘電率媒質、電気的極性を有する液体、電解質溶液中の微粒子を分散させる技術も存在する。溶媒及び電解質溶液としては、たとえば、水や、グリセリン、メチルアルコール、エタノールなどのアルコールや、塩化ナトリウム水溶液、ヨウ化ナトリウム水溶液などのハロゲン化物水溶液が提案されている。いずれの場合にも、誘電損失による電磁波の吸収に効果はあるが、上記の液体は揮発性又は可燃性がある。このため、シートに加工する際に、耐久性、難燃性、耐熱性を付加するなどの工夫が必要になる。また、液体に分散される微粒子としては、フェライト系磁性粉末が対象となっているのみである。
また、電磁波吸収材として、イオン性液体を利用した例がある。特許文献3(WO2006/053083号パンフレット)は重合可能なイオン性液体のモノマーを重合によって固体化した電磁波吸収材を記載している。特許文献4(WO2004/069327号パンフレット)は二枚の透明な窓ガラスの間にイオン性液体をシールした電磁波シールド構造を記載している。上述のいずれの場合も、イオン性液体による電磁波シールドを試みているが、イオン性液体のみで十分なシールド効果を達成することは困難である。また、いずれの場合にも、電磁波吸収性充填材を充填することは想定されておらず、又は、構造上、多量の充填材を充填することは困難である。
特開昭64−52302号公報 特開2006−73991号公報 WO2006/053083号パンフレット WO2004/069327号パンフレット
そこで、本発明の目的は、難燃性や耐熱性を有し、シールド能力と材料のフレキシブル性を両立することができる電磁波シールド材料及びそれを用いたシートを提供することである。
本発明は、1つの態様によると、イオン性液体と、該イオン性液体中に分散した電磁波を反射、抑制又は吸収する能力を有する微粒子とを含む、ゲル状の電磁波シールド材料を提供する。
本発明は、別の態様によると、上記電磁破シールド材料とそれを被覆し、密封し、前記電磁波シールドをシート状に保持する保護構造とを有する電磁波シールドシートを提供する。
本発明の電磁波シールド材料は、電磁波を反射、抑制又は吸収する能力を有する微粒子(以下において、「電磁波シールド性微粒子」)をイオン性液体に充填しているので、電磁波シールド性微粒子とイオン性液体との相乗的に高い電磁波シールド効果を得ることができる。
また、本発明の電磁波シールド材料は、イオン性液体中に電磁波シールド性微粒子を充填することで、イオン性液体をゲル状化しているので、取扱いが容易であるとともに、容易にシート材料へと加工することができる。
ゲル化した電磁波シールド材料の表面にフィルム材料でラミネートするなど、保護構造をもたせることで、電磁波シールドシートを容易に製造することができる。
本発明の電磁波シールド材料は、上述のとおりに高いシールド効果を達成することができるので、比較的に薄いフレキシブルな膜で十分な電磁波シールド効果が達成できる。
本発明の電磁波シールド材料は、揮発性又は可燃性材料を用いていないので、難燃性及び耐熱性がある。
以下において、本発明をその好適な実施形態に基づいて説明する。本発明の範囲は記載される具体的実施形態によって限定されることがないことは言うまでもない。
本発明の電磁波シールド材料は、イオン性液体と、該イオン性液体中に分散した電磁波シールド性微粒子とを含むゲル状の材料である。
本明細書中、用語「イオン性液体」とは、カチオン及びアニオンのみからなる塩であって、融点が100℃以下の、低融点の有機化合物塩を意味する。特に、使用温度条件、例えば室温(例えば、約25℃)において液体であるもの(常温溶融塩とも呼ばれる)が好ましい。イオン性液体は、熱的及び化学的に非常に安定でかつ不揮発性であるから、得られる電磁波シールド材料に対して難燃性及び耐熱性を付与することができる。イオン性液体の各カチオン及びアニオンは正負に帯電しているので電磁波を吸収し、シールド効果を発揮する。
本発明においてイオン性液体としては、公知のものも使用することができる。より具体的には、イオン性液体を構成するカチオンとしては、第一級(R1NH3 +)、第二級(R1R2NH2 +)、第三級(R1R2R3NH+)、第四級(R1R2R3R4N+)鎖状アンモニウムカチオン(式中、R1、R2、R3、 R4は各々独立に1〜12個の炭素原子のアルキル基又はフェニル基である。)および環状アンモニウムカチオンが挙げられる。環状アンモニウムカチオンには、オキサゾリウム、チアゾリウム、イミダゾリウム、ピラゾリウム、ピロリニウム、フラザニウム、トリアゾリウム、ピロリジニウム、イミダゾリジニウム、ピラゾリジニウム、ピロリニウム、イミダゾリニウム、ピラゾリニウム、ピリジニウム、ピラジニウム、ピリミジニウム、ピリダジニウム、ピペリジニウム、ピペラジニウム、モルホリニウム、インドリウムおよびカルバゾリウムが挙げられる。
さらに別のカチオンとしては、鎖状ホスホニウムカチオン(R5R6R7P+およびR5R6R7R8P+)、鎖状スルホニウムカチオン(R9R10R11S+)(式中、R5、R6、R7、R8、 R9、R10、R11は各々独立に1〜12個の炭素原子のアルキル基又はフェニル基である。)および環状スルホニウムカチオンが挙げられる。環状スルホニウムカチオンには、チオフェニウムおよびチオピラニウムが挙げられる。
上記のカチオンとの組み合わせで、イオン性液体を形成するアニオンの例として、ホスフェート (PO4 3-, R12PO4 2-, R12R13PO4 -)、ホスホネート (R12PO3 2-, R12R13PO3 -)、ホスフィネート(R12R13PO2 -)、ボーレート(BO3 3-, R12BO3 2-, R12R13BO3 -) (R12、R13は各々独立に水素原子、1〜4個の炭素原子のアルキル基又はフェニル基である)が挙げられる。
上記のカチオンとの組み合わせで、イオン性液体を形成する他のアニオンとしては、テトラフルオロボレート(BF4 -)、ヘキサフルオロホスフェート(PF6 -)、ヘキサフルオロアルセネート(AsF6 -)、トリフルオロメチルスルホネート(CF3SO3 -)、ビス(フルオロスルホニル)イミド[(FSO2)2N-]、ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド [(CF3SO2)2N-]、ビス(トリフルオロエチルスルホニル)イミド[(CF3CF2SO2)2N-]、トリス(トリフルオロメチルスルホニルメチド)[(CF3SO2)3C-]が挙げられる。
電磁波シールド性微粒子はイオン性液体中に充填されることで、イオン性液体を擬似固体化(ゲル化)することができる。電磁波シールド性微粒子は、たとえば、カーボン、導体、誘電体或いは磁性体微粒子を使用できる。導体微粒子としては、例えば、Al、Fe、Ni、Cr、Cu、Au、Ag、またはこれらの合金微粒子を使用できる。カーボンとしては、カーボンブラック、カーボンファイバ、カーボンナノチューブ、フラーレン、ダイヤモンドを使用することもできる。誘電体微粒子としては、SiO2、Al23、チタン酸バリウム、酸化チタン、磁性体微粒子としては遷移元素を含んだ合金や酸化物で、マグネタイト(Fe34)、パーマロイ(Fe-Ni)、センダスト(Al-Si-Ni)のような磁性体の微粒子である。一種類の微粒子を充填してもよいし、複数種の微粒子を混合して充填してもよい。これらの微粒子は、電磁波を吸収、抑制、または反射することで電磁波シールド効果を示し得る。したがって、本発明の電磁波シールド材料は、イオン性液体との相乗効果で、より高い電磁波シールド効果を示し得る。
また、イオン性液体中の微粒子は、その周囲を電荷により囲まれる傾向があるため、微粒子同士の凝集が抑制され、結果として良好な分散性を示す。
微粒子のサイズは、数平均粒度として、1nm以上100μm以下であればよい。一般に、微粒子のサイズが小さくなり、微粒子の表面積が増えると、少量の微粒子をイオン性液体に加えることでゲル化が生じるようになる。よって、ゲル化を行いやすくするためには、微粒子の粒子径を例えば10μm以下、もしくは1μm以下、あるいは繊維状の微粒子を使用することが望ましい。一方、微粒子自身に電磁シールド効果があるため、微粒子の充填率を上げる方が望ましい場合もある。このような場合は、イオン液体が分離しない程度の比較的大きな粒子(1μm又は10μm以上)を使うことが望ましい。
なお、微粒子のサイズは、走査電子顕微鏡(SEM)や透過電子顕微鏡(TEM)を用いて、あるいはダイナミック光散乱光度計(DLS)等を用いることによって測定することができる。
微粒子は、球形だけでなく、ロッド状、板状、繊維状などいかなる形態をも包含するものである。なお、本明細書において、微粒子のサイズとは、粒子の重心を通る最大の寸法を意味する。たとえば、ロッド形状であれば、ロッドの底面の直径などの底面内の最大サイズとロッド高さの長い方を微粒子のサイズとし、板状形状であれば、板状の面内の最大サイズとし、また、繊維状形状であれば、その繊維の長さを微粒子のサイズとする。
上述するように、電磁波シールド性微粒子の充填量は多量であるほど、電磁波シールド性を高めることができるので好ましい。しかし、電磁波シールド性粒子は多量でありすぎると、得られる電磁波シールド材料をシート加工しにくくなる傾向があり、また、機械強度及びフレキシブル性が失われる傾向がある。一方、電磁波シールド性微粒子は少量であると、電磁波シールド効果が低くなり、また、電磁波シールド材料のゲル化が生じなくなり、シート化できなくなり、また、電磁波シールドシートからイオン性液体が滲出しやすくなる。このような観点から、電磁波シールド性微粒子の量は、限定するわけではないが、一般に、電磁波シールド性粒子とイオン性液体を含む電磁波シールド材料の質量を基準として5〜90質量%であることが好ましい。また、さらに好ましくは、電磁波シールド性微粒子の量は、10質量%以上、または20質量%以上、及び80質量%以下、あるいは50質量%以下が望ましい。
本発明の電磁波シールド材料は、イオン性液体中に電磁波シールド性微粒子が充填されることで、ゲル状化したものである。ゲル状とは、流動性を失い、高粘調状態をいう。なお、ここで「流動性を失う」とは、少なくとも後述する電磁波シールド材料を基材に塗布した際に、流れ出しがほぼ生じない程度の状態をいうものとする。ゲル状化された電磁波シールド材料は、このように流れ出しが抑制されているので、形状が保持できる。このため、ラミネート化を含め、あらゆる加工が容易となる。
本発明の電磁波シールド材料は、ゲル状であるため、種々の基材に塗布することや、種々の形状の密封容器中に充填して使用することもできる。例えば、電磁破シールド材料を被覆し、密封し、シート状に保持する保護構造を備えることで、シート状に加工することもできる。以下に、電磁波シールド材料の製造方法と、これをシート状に加工する方法について説明する。
まず、イオン性液体と電磁波シールド性粒子とを適当な割合で混合し、攪拌し、電磁波シールド材料を形成する。ここで、混合及び攪拌には、ボールミルなどの混練機を使用してもよいが、イオン性液体はその性質上、良好に微粒子と混合し、微粒子を分散させて、ゲル状組成物を得ることができるので、特別な混練機を用いなくても、室温において電磁波シールド材料を得ることができる。イオン性液体の融点が室温を上回る場合には、融点以上の温度に加熱して液状にして微粒子と混合する。
次に、プラスチックフィルムなどの可とう性フィルムを2枚用意し、上述のとおりに製造した電磁波シールド材料のゲルが所定の厚さとなるように2枚のフィルムで挟み、電磁波シールドシートを得ることができる。電磁波シールド材を2枚のフィルムに挟み込むためには、例えば、一方のフィルムの上にキャスティング法やスクリーン印刷法等を用いてコーティングを行い、その後にもう一方のフィルムをラミネートする。可とう性フィルムの厚さは、得られる電磁波シールドシートに要求されるフレキシブル性によって適宜選択され、限定するわけではないが、たとえば、10〜2000μm程度である。ゲルの厚さは、要求される電磁波シールド特性によって適宜選択され、特に限定するわけではないが、5〜1000μm程度である。
なお、可とう性フィルムとしては、特に限定はなく、ポリエチレン、ポリプロピレン、塩化ビニル、ポリカーボネート、熱可塑性ポリウレタン、セロハン(登録商標)、ポリフッ化ビニルデン、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリスチレン、ポリ塩化ビニルデン、アクリル系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、フッ素系樹脂(PVdF、ETFE等)、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミド、ポリフェニレンエーテルなどの樹脂フィルムを挙げることができるが、これらに限定されない。
また、シート化は、必ずしも、可とう性フィルムのラミネートによって行わなければならないわけではない。たとえば、特に、薄いシートが求められている場合には、電磁波シールド材料からなるシートの表面に保護構造をもたせてイオン性液体の滲出を防止するようにすることで電磁波シールドシートとすることができる。保護構造としては、電磁波シールド材料からなるシートの表面に薄いポリマー保護膜を形成させることが考えられる。1つの態様において、2枚の剥離処理された基材(たとえば、剥離処理されたポリエチレンテレフタレート(PET)フィルムなど)上に紫外線重合性モノマーなどの重合性化合物を塗布し、これらの2枚の基材の重合性化合物が存在する側の表面をゲル状の電磁波シールド材料が所定の厚さとなるように挟み、重合性化合物を紫外線照射などによって重合する。その後、剥離処理された基材を剥離することで、ポリマー保護膜を表面に有する電磁波シールド材料からなるシートを得ることができる。あるいは、樹脂フィルム上にゲル状の電磁波シールド材を塗布し、電磁波シールド層を形成する。さらにこの電磁波シールド層表面上に直接、スプレー法等を用いて光重合性の保護膜を形成し、その後紫外線照射等により保護膜を重合し、固化させてもよい。
本発明の電磁波シールド材料はイオン性液体、電磁波シールド性粒子以外に、必要に応じて、老化防止剤、紫外線反射材、消泡剤、顔料、分散剤等を含めることもできる。
以下において、本発明を実施例を用いて説明するが、本発明の範囲はそれによって限定されない。
<実施例1>
イオン性液体中に、誘電体微粒子であるSiO2粒子を含む、電磁波シールド材料のシートを以下の手順で作製した。
下記式(I)
Figure 2008235673
(式中、Raはエチルであり、X-はBF4 -である)のイオン性液体(EMI−BF4) (関東化学[Kanto Chemicals]製、1-エチル-3-メチルイミダゾリュームテトラフルオロボレート)8.0gに、SiO2粒子 (日本エアロジル [Nippon Aerosil]製、 Aerosil 200(商品名)、12nm直径)4.5gを加え、イオン性液体が完全にゲル化するまで混合した。イオン性液体はボールミルなどの混練機を使用することなく、スパチュラ(薬さじ)により数分間混合することでゲル化した。
次に、ゲルを50μm厚の剥離処理されたポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム (パナック[Panac]製、SP50(商品名)) の上にナイフコーターを使用して塗布し、ゲル層を形成した。これに、38μm厚のポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム (帝人デュポンフィルム [DuPont Teijin Films]製, A31(商品名)) で、ゲル層をラミネートし、電磁破シールドシートを作製した。ゲル層の厚みは、約500μmになるように調整した。
作製した電磁破シールドシートを100mm×30mmに切断し、測定サンプルとした。
<実施例2>
実施例1と同様に測定サンプルを調製したが、SiO2粒子4.5gを、導体微粒子であるカーボンブラック (三菱化学 [Mitsubishi Chemical]製、#3030B(商品名)、粒子サイズ:55nm直径)3.5gに変更し、電磁波シールド材料のシートを形成した。
<実施例3>
実施例1と同様に測定サンプルを調製したが、SiO2粒子4.5gを、導体微粒子であるカーボンファイバ(昭和電工 [Syowa Denko]製, VGCF(商品名)、粒子サイズ:150nm直径、約1μm未満の長さ)1.2gに変更し、電磁波シールド材料のシートを形成した。
<実施例4>
実施例1と同様に測定サンプルを調製したが、SiO2粒子4.5gを、磁性体微粒子であるFe34粒子 (高純度化学研究所 [Koujyundo Chemical Laboratory]製、FEO07PB(商品名)、粒子サイズ:1μm未満の直径)10gに変更し、電磁波シールド材料のシートを形成した。
<実施例5>
実施例1と同様に測定サンプルを調製したが、SiO2粒子4.5gを、磁性微粒子であるFe−Ni合金(パーマロイ)微粒子(エプソンアトミックス製、50%FE−50%NI(商品名)サイズ10μm直径)55gに変更し、電磁波シールド材料のシートを形成した。
<実施例6>
イオン性液体として、PX−4 H2PO4(リン酸テトラブチルホスホニウム)を使用した。このイオン性液体は、以下の方法で調製した。40wt%のPX−4 OH(アルドリッチ [Aldrich]製, テトラブチルホスホニウムハイドロオキシド(商品名))水溶液100gに85wt%リン酸水溶液(アルドリッチ [Aldrich]製)17.5gを氷冷下で滴下した。得られた混合物をロータリーエバポレーターにより濃縮後、塩化メチレンに抽出した。塩化メチレン相を硫酸マグネシウムにより脱水した後に、塩化メチレンをロータリーエバポレーターで濃縮し、60℃で減圧乾燥することで無色透明粘性液体としてPX−4 H2PO4を41g得た。8.0gのPX−4 H2PO4に、誘電性微粒子であるAl23(シーアイ化成 [C.I.KASEI]製、粒子サイズ:31nm直径)7.1gを混合し、その他の条件は実施例1と同様の条件を用いて電磁波シールド材料のシートとサンプルを作製した。
<電磁波シールド効果の測定>
作製した実施例1〜6のサンプルについて、以下に説明するKEC法を用いて、電磁破シールド特性(電界シールド効果)を測定した。
本実施例では、電磁波シールド特性は、KEC法を用いて評価した。KEC法とは、(財)関西電子工業振興センターによる測定方法である。図1及び2を用いて測定方法を説明する。まず、図1に示すような、縦80mm、横100mmの矩形断面の筒状部1を持つシールドボックス100を2つ用意する。筒状部1の中には、中心導体2が配置されており、筒状部1の端部に先細部材が連結しており、その先端に出入力部3がある。図2に示すように、2つのシールドボックス100をそれらの開口部が向かい合うように配置するとともに、2つのシールドボックス100の間にサンプル4を配置し、圧縮し、EMIガスケット5を介してシールする。
シグナルジェネレータ6で発生させた電磁波は、RFパワー増幅器7及び減衰器8によりレベルが調整された後、入出力部3に伝送され、一方の中心導体2からサンプル4に対して発振される。サンプル4を通過した電磁波は、対向配置された他方の中心導体2から、出入力部3を経て、減衰器8及びRFプレ増幅器9によりレベルが調整された後、スペクトラムアナライザー10で受信周波数(受信レベル)として検出される。なお、KEC法の測定方法の詳細については、公知文献(E. Hariya and M.Umano, 「Instruments for measuring the electromagnetic shielding effectiveness 」Electromagnetic Compatibility Tokyo Vol.11 pp800-805, 1984)等を参照できる。
なお、シールド効果(SE)は以下の式で求められる。
SE(dB)=201ogE1−201ogE2
(式中、E1:サンプル4が存在しないときの受信レベルであり、E2:サンプル4が存在するときの受信レベルである)
図2に示す測定装置で電界シールド効果を測定し、測定結果を図3に示した。図3のグラフは、横軸に周波数、縦軸に電界シールド効果を示す。
グラフから明らかなように、実施例1〜6のいずれの実施例のサンプルも電磁波シールド効果を有している。特にカーボンや磁性体微粒子を使用した場合は、SiO2やAl23等の誘電体微粒子を使用する場合に比較し、広い周波体領域で、より高い電磁波シールド効果を示した。
本発明の実施例において使用される電磁波シールド効果測定装置のためのシールドボックスの斜視図を示す。 本発明の実施例において使用される電磁波シールド効果測定装置の構成を示す。 各実施例の各測定サンプルについての周波数VS電界シールド効果のグラフである。
符号の説明
100 シールドボックス
200 電磁波シールド効果測定装置
1 筒状部
2 中心導体
3 出入力部
4 テストサンプル
5 EMIガスケット
6 シグナルジェネレータ
7 RFパワー増幅器
8 減衰器
9 RFプレ増幅器
10 スペクトラムアナライザー

Claims (7)

  1. イオン性液体と、該イオン性液体中に分散した電磁波を反射、抑制又は吸収する能力を有する微粒子とを含む、ゲル状の電磁波シールド材料。
  2. 前記微粒子は、導体、誘電体及び磁性体からなる群より選ばれる微粒子である、請求項1記載の電磁波シールド材料。
  3. 前記微粒子のサイズは、数平均粒度として、100μm以下である、請求項1又は2記載の電磁波シールド材料。
  4. 電磁波シールド性微粒子は電磁波シールド材料の質量を基準として5〜90質量%の量で含まれる、請求項1〜3のいずれか1項記載の電磁波シールド材料。
  5. 前記イオン性液体は、カチオン及びアニオンのみからなる25℃で液体の塩である、請求項1〜4のいずれか1項記載の電磁波シールド材料。
  6. 請求項1〜5のいずれか1項記載の電磁波シールド材料と、
    前記電磁破シールド材料を被覆し、密封し、シート状に保持する保護構造とを有する、電磁波シールドシート。
  7. 前記保護構造は樹脂フィルムで形成されている、請求項6記載の電磁波シールドシート。
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