JP2009253172A - 電磁波抑制材料及び電磁波抑制シート - Google Patents
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Abstract
【課題】低温環境においても光透過性が高く十分に電磁波抑制効果を発揮できる電磁波抑制材料、及び、当該電磁波抑制材料が封止されてなる電磁波抑制シートを提供する。
【解決手段】電磁波抑制シート３は、電磁波抑制材料１が、防湿性を有する防湿フィルム２に充填され、防湿フィルム２の周囲が、所定の接着剤によりラミネートされて構成される。
【選択図】図１
【解決手段】電磁波抑制シート３は、電磁波抑制材料１が、防湿性を有する防湿フィルム２に充填され、防湿フィルム２の周囲が、所定の接着剤によりラミネートされて構成される。
【選択図】図１
Description
本発明は、電子機器から発生する電磁波の不要輻射を抑制する電磁波抑制材料、及び、当該電磁波抑制材料が封止されてなる電磁波抑制シートに関する。
従来、電子機器から発生する電磁波の不要輻射が問題となっている。特に、近年、高周波数の電磁波の利用が増加しており、これに伴って、電磁波ノイズ（干渉）による機器の誤作動や、脳、人体への悪影響といった被害や障害等が新たな環境問題として提起されている。
このような電磁干渉（ＥＭＩ：Electromagnetic Interference）の問題に対処するために、個々の電子機器において、他の機器の正常な作動を妨害する不要な電磁波の放射を抑制したり、外部から進入する電磁波に対して影響を受けることがない程度まで耐力を向上させて、相互の影響を十分に低減、回避できる構成とすることが要求されている。
電磁波吸収能を有する電磁波抑制体（以下、単に、電磁波抑制体として説明する。）における電磁波吸収の原理は、入射した電磁波エネルギーのほとんどを電磁波抑制体の内部で熱エネルギーに変換するというものである。このため、電磁波抑制体では、その前方に反射するエネルギーと後方へ透過するエネルギーの双方を小さくすることができる。
電磁波の熱エネルギーへの変換メカニズムは、主に、導電損失、誘電損失、磁性損失に分類され、これら３種類の損失により、電磁波の熱エネルギーへの変換量（電波吸収量）が想定される。このとき、単位体積あたりの電磁波吸収エネルギーＰ[Ｗ／ｍ３]は、電界Ｅ、磁界Ｈ及び周波数ｆを用いて、数式（１）のように表される。
この数式（１）において、第１項が導電損失、第２項が誘電損失、第３項が磁性損失を表している。また、ｊε’’、ｊμ’’はともに電磁波吸収の遅れ成分を表している。
電磁波抑制体は、現在、主に電子機器に利用され、特に、プリント回路基板上、フレキシブルプリント回路（ＦＰＣ：Flexible Printed Circuits）上、パッケージ上面等に貼り付けて利用されている。電磁波抑制体を構成する材料は、フェライトや金属磁性粉末を樹脂と混合した磁性シートをはじめとして、カーボン系の材料を含有させたもの等、様々な種類のものが開発されている。
この電磁波抑制体は、例えば、アンテナ源から輻射された電磁波を吸収する吸収体や、アンテナ源に高調波ノイズ成分が乗ることを未然に抑制する高調波フィルタ等として使用されている。
高周波数帯域において電磁波を抑制する電磁波抑制材料は、特に、磁性材料が主流であった。この磁性材料を用いた磁性シートは、電磁波を吸収して抑制するために数式（１）の磁性損失である第３項の透磁率μ’’が高くなるように設定されている。
そこで、既存の磁性シートには、磁性粉末の混合量を増やして吸収特性を高めるようにするものがあるが、この場合、磁性粉末の量とともに磁性シートの比重も増加して硬い磁性シートとなり、フレキシブルプリント回路等に貼り付けるには不適当であった。また、磁性シートには磁性粉末が用いられるため、高コストになり、より安価な電磁波抑制シートが必要とされていた。
そこで、高周波帯域においては、極性を有する液状材料や、電解液のようなイオンを有する液状材料の誘電率に着目し、これらの材料を用いた電磁波吸収効率の高い電磁波抑制材料が開発されている。さらに、架橋構造を有するゲルを用いることにより、セットの温度変化に対しても、安定状態を保ち続けることができる電磁波抑制材料が開発されている。
このような電磁波抑制体の一例として、特許文献１には、塩化ナトリウム等の電解質溶液に、樹脂成分であるアクリルアミド、硬化剤であるメチレンビスアクリルアミド、開始剤である硫化アンモニウムを添加してゲル化させた電磁波抑制材料を耐水蒸気の蒸散防止用フィルムにて封止した電磁波抑制デバイスが記載されている。この電磁波抑制シートは、電解質溶液がゲル状態で保持されるため、１０ＧＨｚ帯域まで高い誘電損失を有し、高周波帯域において、電磁波の不要輻射を抑制する効果（以下、電磁波抑制効果という。）を有するものである。
ところで、電子機器は、冷凍室等の低温な環境においても使用されているが、この場合、周囲の温度が電磁波吸収体であるゲルの凍結点以下であると、電磁波吸収体は凍結してしまい電磁波抑制機能が発揮されなくなる。
特許文献１に記載の電磁波抑制シートは、水溶液成分が氷点下において凍結し氷の結晶を析出するため、誘電率が低下し、電磁波抑制効果が得られなくなるといった問題があった。
本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、低温環境においても十分に電磁波抑制効果を発揮できる電磁波抑制材料、及び、当該電磁波抑制材料が封止されてなる電磁波抑制シートを提供することを目的とする。
上述の問題を解決するために、本発明に係る電磁波抑制材料は、電解質とアルコール類とを含有するアクリレート系高分子ゲルからなるものである。
また、上述の問題を解決するために、本発明に係る電磁波抑制シートは、本発明に係る電磁波抑制材料が防湿フィルムに封止されてなるものである。
本発明に係る電磁波抑制材料及び電磁波抑制シートによれば、アクリレート系高分子ゲルの凍結点が降下されることにより、低温環境においても電磁波抑制機能が安定的に発揮される。
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本実施の形態における電磁波抑制材料１が防湿フィルム２に封止されてなる電磁波抑制シート３の断面図である。電磁波抑制材料１は、ゲルが凍結する温度である凍結点が降下されていることにより低温環境においても電磁波抑制機能を安定的に維持できるゲル化合物からなる。
具体的には、電磁波抑制材料１は、電解質とアルコール類とを含有するアクリレート系高分子ゲルからなる。このアクリレート系高分子ゲルは、アクリレートモノマーに重合開始剤及び架橋剤を添加すると、アクリレートモノマーが重合して架橋構造を有するアクリレート系高分子が生成し、このアクリレート系高分子が電解質及びアルコール類を吸収して得られるものである。
電磁波抑制シート３は、電磁波抑制材料１が防湿性を有する防湿フィルム２に充填され、防湿フィルム２の周囲が所定の接着剤によりラミネートされて構成される。電磁波抑制シート３の厚さは、例えば０．０５〜３ｍｍであることが好ましいが、これに限定されるものではない。
上述の数式（１）中の誘電損失である第２項の誘電率ε’’が高い材料は、ＭＨｚ帯域、ＧＨｚ帯域の高周波数帯域において電磁波を効率的に吸収、抑制することが可能である。例えば、極性分子を含有する溶液や含有する電解液は、このような高周波数帯域における電磁波吸収効率を高める材料として有用である。
電磁波抑制材料１は、溶液の凝固点降下を引き起こすとともに高周波数帯域における電磁波抑制・電磁波吸収効果の目安となる電磁波の損失率（Ｌｏｓｓ）を高める電解液を含有する。また、電磁波抑制材料１は、電解液との相溶性に優れる極性溶媒であり溶液の凝固点降下を引き起こすとともに高周波数帯域における損失率を高める不凍液として働くアルコール類を含有する。
本実施の形態におけるアルコール類としては、例えば、１級アルコール、２級アルコール、３級以上のアルコール類が挙げられる。具体的には、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、エチレングリコール（ＥＧ）、プロピレングリコール（ＰＧ）、ペンタエリスリトール等が挙げられ、その中でも、機能発現及び他の化合物との相互作用の観点から、グリコール類、特にはエチレングリコールが最も好ましい。
本実施の形態における電解液は、溶液の凝固点降下を引き起こす何れの電解質の電解液であってもよい。
このような電解質としては、多少の温度変化でも結晶が析出せずイオンが安定的に維持される電解質であること、さらには、溶液中で完全にイオンに解離する強電解質であることが好ましく、例えば、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化カルシウムや、酢酸カリウム等が挙げられる。なお、酢酸カルシウムは保水性、拡散性を有するグリセリンとともに用いることにより電磁波抑制機能を持続的に維持することが可能となる。
図２は、硝酸ナトリウム、硝酸カリウム、塩化カリウム、塩化ナトリウムの溶解度曲線を示す図である。この４種類の物質のうち、塩化カリウム及び塩化ナトリウムは、溶解度曲線の勾配が小さく多少の温度変化でも結晶が析出する可能性が少ない。このため、塩化カリウム及び塩化ナトリウムは、多少の温度変化でも結晶が析出せずにイオンが安定的に維持される物質である。
本実施の形態では、電解質及びアルコール類の添加量を調整することにより、凍結点が−２０℃以下のアクリレート系高分子ゲルを製造する。これにより、電磁波抑制材料１は、冷凍室等の低温環境においてもゲルが凍結せずに安定的に電磁波抑制機能を発揮でき、例えば日本国内では、一年を通じて屋内、屋外問わず殆どの場所で電磁波抑制材料１を使用することが可能となる。
電磁波抑制材料１を構成するアクリレート系高分子ゲルは、アクリレートモノマーに重合開始剤及び架橋剤が添加されて得られる三次元の網目構造を有するゲル化合物である。重合開始剤がアクリレートモノマー同士の連鎖反応を開始させることによりアクリレートモノマーからアクリレート系高分子が重合される。また、架橋剤は、アクリレート系高分子の側鎖の一部と連結する架橋の役割を果たし、この架橋によりアクリレート系高分子は、三次元の網目構造を有するものとなる。
本実施の形態におけるアクリレートモノマーとしては、メチルアクリレート、エチルアクリレート、芳香族アクリレート、アクリルアミド等、１官能アクリレートであれば何れのものでもよく、特に、グリコール類や電解質との相互作用の観点から、アクリルアミドが最も好ましい。
また、本実施の形態における架橋剤としては、例えば、２官能アクリレート、３官能以上のアクリレートが挙げられる。その中でも、グリコール類や電解質との相互作用の観点から、Ｎ，Ｎ’−アルキレンビスアクリルアミドが好ましく、Ｎ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミドが最も好ましい。また、架橋方法としては、熱架橋と光架橋とを併用した架橋方法を用いることが可能である。
また、本実施の形態における重合開始剤としては、例えばラジカル開始剤が挙げられ、特に、アゾ系開始剤、過酸化物系開始剤が好ましい。その中でも、グリコール類や電解質との相互作用の観点から、ペルオキソ二硫酸アンモニウムが最も好ましい。
アクリレートモノマーとしてアクリルアミド、架橋剤としてＮ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミド、重合開始剤としてペルオキソ二硫酸アンモニウム、さらには、電解液として塩化ナトリウム水溶液、不凍液であるアルコール類としてエチレングリコールを用いた場合、ペルオキソ二硫酸アンモニウムによりアクリルアミドが重合され、これとともに、架橋剤のＮ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミドがアクリルアミドの一部の側鎖に結合して架橋を形成し、三次元の網目構造を有するポリアクリルアミドが生成される。
そして、このポリアクリルアミドが塩化ナトリウム及びエチレングリコールを吸収して膨潤することによりポリアクリルアミドゲルが生成される。
この場合、塩化ナトリウム濃度［ｍｏｌ／Ｌ］は、２〜４ｍｏｌ／Ｌであることが好ましい。塩化ナトリウム濃度［ｍｏｌ／Ｌ］が１ｍｏｌ／Ｌ以下であると、ポリアクリルアミドゲルの凍結点は−２０℃以下にならない。また、塩化ナトリウム濃度［ｍｏｌ／Ｌ］が５ｍｏｌ／Ｌ以上であると、電磁波抑制シート１を０℃以下とした段階で塩化ナトリウムが析出し、評価が不可能となる上、凍結による体積膨張により防湿フィルム２を破損することがある。
また、この場合、エチレングリコールは、ポリアクリルアミドゲル１００質量部に対して１０〜３５質量部であることが好ましい。エチレングリコールがポリアクリルアミドゲル１００質量部に対して１０質量部未満であると、凍結点の低下の効果が少ない。また、エチレングリコールがポリアクリルアミドゲル１００質量部に対して３５質量部を超えると、塩化ナトリウムの相対濃度が低下し、ＧＨｚ帯域でのノイズ抑制効果が劣化する。
電磁波抑制材料１は、それ自体をシート状にして使用することが可能であるが、この場合、破損により形状が保持されなくなる虞がある。このため、電磁波抑制材料１は、その形状が十分に保持されるように、防湿性を有する防湿フィルムに封止されてなる電磁波抑制シート等の電磁波抑制デバイスとして使用することが好ましい。
防湿フィルム２は、防湿性、好ましくはさらに光透過性を有するセル状のフィルムからなる。本実施の形態における防湿フィルム２としては、例えば優れた防湿性及び透明性を有する超防湿フィルム（株式会社クレハ製「セレール」；以下、超防湿フィルム２ａという。）を用いることが可能である。超防湿フィルム２ａは、金属酸化物等の透湿防止用バリア層が形成されたＰＥＴ（polyethylene terephthalate）フィルムが熱可塑性樹脂にて複数枚ラミネートされ、最表面である封止面に封止用熱可塑性樹脂が形成された構造を有する。
防湿フィルム２に電磁波抑制材料１が封止されてなる電磁波抑制シート３は、低温環境においても電磁波抑制機能を安定的に維持できる上、柔軟性を有することにより、フレキシブルプリント基板等の複雑な形状の構造体に貼り付けることが可能である。
以下、本発明の実施例について説明する。なお、本実施例は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
＜電磁波抑制シート３の製造＞
以下、電磁波抑制材料１を防湿フィルム２に封止されてなる電磁波抑制シート３の製造方法の一例について説明する。
先ず、純水（６８．６２ｇ）、塩化ナトリウム（８．０１ｇ、関東化学社製）、エチレングリコール（１７．１６ｇ、関東化学社製）、アクリルアミド（６．１０ｇ、和光純薬工業社製）、Ｎ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミド（０．０７ｇ、和光純薬工業社製）を配合し、完全に溶解するまでスターラーで攪拌した。そして、重合開始剤のペルオキソ二硫酸アンモニウム（０．０４ｇ、和光純薬工業社製）を加え、ペルオキソ二硫酸アンモニウムが完全に溶解するまでスターラーで十分攪拌した。
その結果、混合溶液の濃度は、塩化ナトリウム２．０ｍｏｌ／Ｌ、エチレングリコール２０ｗｔ％、アクリルアミド１．０ｍｏｌ／Ｌ、Ｎ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミド０．５ｍｏｌ％、ペルオキソ二硫酸アンモニウム０．２ｍｏｌ％となった。
次に、常温で減圧した真空オーブン内に攪拌後の混合溶液を入れ、混合溶液内の酸素を抜く脱泡処理を行った。
次に、上述の超防湿フィルム２ａを所定のサイズにカットし、熱可塑性樹脂形成面である封止面を向かい合わせにして、インパクトシーラーにて、所定の温度を加えて、混合溶液の注入口以外の３方向をラミネートし、超防湿フィルム２ａをセル形状にした。
次に、ガラス基板と電磁波抑制シート３に必要な厚さを有するアルミ板のスペーサーとから組み立てられた厚み出し治具に超防湿フィルム２ａを差し込み、この超防湿フィルム２ａの中に混合溶液を注入して充填した。インパクトシーラーにより、溢れ出た混合溶液を押し出しながら超防湿フィルム２ａのセル上部を閉じて電磁波抑制シート３の形状にした。
続いて、厚み出し治具に混合溶液が充填されたシートを挟み、これを６０℃に設定されたオーブンに入れ、ラミネートされたシート中でアクリルアミドの重合反応及び架橋反応を行わせて電磁波抑制材料１としてのポリアクリルアミドゲルを生成させた。これにより、電磁波抑制シート３が製造された。オーブンから電磁波抑制材料１が封止されてなる電磁波抑制シート３を取り出した。
＜電磁波抑制材料１の凍結点降下測定＞
上述の製造方法において、塩化ナトリウム濃度［ｍｏｌ／Ｌ］及びエチレングリコール濃度［ｗｔ％］を変えて製造した場合の１６種類の電磁波抑制シート３（サンプル１〜１６）の凍結点を測定した。サンプル１〜１６における塩化ナトリウム濃度［ｍｏｌ／Ｌ］、エチレングリコール濃度［ｗｔ％］及び凍結点［℃］の値を表１に示す。
この表１に示された値に基づく塩化ナトリウム濃度１．０ｍｏｌ／Ｌ，２．０ｍｏｌ／Ｌ，３．０ｍｏｌ／Ｌ，４．０ｍｏｌ／Ｌにおけるエチレングリコール濃度［ｗｔ％］と凍結点［℃］との関係を図３に示す。
図３に示すように、ポリアクリルアミドゲルの凍結点は、塩化ナトリウム濃度［ｍｏｌ／Ｌ］の増加に伴って降下した。また、ポリアクリルアミドゲルの凍結点は、エチレングリコール濃度［ｗｔ％］の増加に伴って降下した。
この図３からもわかるように、塩化ナトリウム濃度が１．０ｍｏｌ／Ｌである場合、エチレングリコール濃度が１０〜２５ｗｔ％の何れであってもポリアクリルアミドゲルの凍結点は、−２０℃以下にはならなかった。
＜電磁波抑制シート３の電磁波抑制効果の評価＞
上述の製造方法において、塩化ナトリウム濃度［ｍｏｌ／Ｌ］及びエチレングリコール濃度［ｗｔ％］を変化させて製造した電磁波抑制材料１が封止されてなる電磁波抑制シート３（厚さ１ｍｍ）における電磁波抑制効果を評価した。
本実施例では、マイクロストリップラインを用いて電磁波抑制・電磁波吸収効果の目安となる電磁波の損失率［％］を測定した。
本実施例では、図４に示すような構成により電磁波の損失率［％］を測定した。図４（Ａ），（Ｂ）に示すように、裏面にグランド電位の導電層１１を有した基板１２上に、マイクロストリップライン１４を形成し、このマイクロストリップライン１４上に電磁波抑制シート３を設置した。基板１２は、誘電率εｒが４．１、縦×横×厚さが１００．０ｍｍ×１００．０ｍｍ×１．５ｍｍである。導電層１１の膜厚は０．０１８ｍｍである。マイクロストリップライン１４の幅×長さは３ｍｍ×１００．０ｍｍである。マイクロストリップラインの入力側から出力側に信号を入射することにより、反射特性と伝送特性を測定した。測定には図５に示すネットワークアナライザ１５を用いた。その際の電磁波抑制シート３の有無における信号特性の測定結果から、電磁波抑制シート３の高調波フィルタ（遮蔽）効果について評価した。電磁波抑制シート３の形状は、５０ｍｍ×３０ｍｍ×０．５ｍｍである。
図６〜９は、マイクロストリップラインの入力側に信号を入力するとき、条件の異なる複数の電磁波抑制シート３で吸収される損失特性を示す図であり、縦軸は損失率（Ｌｏｓｓ）［％］を、横軸は周波数［ＧＨｚ］を示している。入力側から反射量、透過量を差し引いた量は損失量に値し、この損失量が大きい程、電磁波抑制・吸収効果が大きいということがわかった。
損失率［％］は、反射特性をＳ１１、透過特性をＳ２１として以下の数式（２）で算出される。
すなわち、図６〜９には、塩化ナトリウム濃度を１．０ｍｏｌ／Ｌ，２．０ｍｏｌ／Ｌ，３．０ｍｏｌ／Ｌ，４．０ｍｏｌ／Ｌとして上述の製造方法により製造した電磁波抑制材料１が封止されてなる電磁波抑制シート３（厚さ１ｍｍ）においてエチレングリコールが０ｗｔ％，１５ｗｔ％，２５ｗｔ％，３５ｗｔ％である場合の損失率［％］の周波数変化が示されている。
図６〜９に示すように、損失率［％］は、塩化ナトリウム濃度１．０ｍｏｌ／Ｌ，２．０ｍｏｌ／Ｌ，３．０ｍｏｌ／Ｌ，４．０ｍｏｌ／Ｌである場合にそれぞれ定められる所定の周波数［ＧＨｚ］帯域において、エチレングリコール濃度［ｗｔ％］が増加するとともに増加することがわかった。
本実施例においては、防湿フィルム２に電磁波抑制材料１が封止されてなる電磁波抑制シート３は、−２０℃以下の低温環境下でも、安定的に、所定の周波数帯域において電磁波抑制機能を発揮できることがわかった。
なお、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。
１ 電磁波抑制材料、２ 防湿フィルム、３ 電磁波抑制シート
Claims (9)
- 電解質とアルコール類とを含有するアクリレート系高分子ゲルからなる電磁波抑制材料。
- 上記アクリレート系高分子ゲルは、アクリルアミドとＮ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミドとが重合されたポリアクリルアミドゲルであり、
当該ポリアクリルアミドゲルは、上記電解質として２〜４ｍｏｌ／Ｌの塩化ナトリウムと上記アルコール類として当該ポリアクリルアミドゲル１００質量部に対して１０〜３５質量部のエチレングリコールとを含有し、且つ、当該ポリアクリルアミドゲルの凍結点が−２０℃以下となる請求項１記載の電磁波抑制材料。 - 上記アクリレート系高分子ゲルは、アクリルアミドとＮ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミドとが重合されたポリアクリルアミドゲルであり、
当該ポリアクリルアミドゲルは、上記電解質として２ｍｏｌ／Ｌの塩化ナトリウムと、上記アルコール類として当該ポリアクリルアミドゲル１００質量部に対して２０〜３５質量部のエチレングリコールとを含有する請求項１記載の電磁波抑制材料。 - 周波数０．１〜０．５ＧＨｚにおいて、電磁波の損失率が上記エチレングリコールの含有量の増加に伴って増加する請求項３記載の電磁波抑制材料。
- 上記アクリレート系高分子ゲルは、アクリルアミドとＮ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミドとが重合されたポリアクリルアミドゲルであり、
当該ポリアクリルアミドゲルは、上記電解質として３ｍｏｌ／Ｌの塩化ナトリウムと、上記アルコール類として当該ポリアクリルアミドゲル１００質量部に対して１５〜３５質量部のエチレングリコールとを含有する請求項１記載の電磁波抑制材料。 - 周波数０．１〜０．５ＧＨｚにおいて、電磁波の損失率が上記エチレングリコールの含有量の増加に伴って増加する請求項５記載の電磁波抑制材料。
- 上記アクリレート系高分子ゲルは、アクリルアミドとＮ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミドとが重合されたポリアクリルアミドゲルであり、
当該ポリアクリルアミドゲルは、上記電解質として４ｍｏｌ／Ｌの塩化ナトリウムと、上記アルコール類として当該ポリアクリルアミドゲル１００質量部に対して１０〜３５質量部のエチレングリコールとを含有する請求項１記載の電磁波抑制材料。 - 周波数０．１〜０．４ＧＨｚにおいて、電磁波の損失率が上記エチレングリコールの含有量の増加に伴って増加する請求項７記載の電磁波抑制材料。
- 請求項１乃至８の何れかに記載の電磁波抑制材料が防湿フィルムに封止されてなる電磁波抑制シート。
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