JP2010036499A - 複合フィルムおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱伝導性フィラーとマトリックス樹脂との複合材料において、熱伝導性フィラーを高充填しなくても、厚さ方向において高い熱伝導性を有し得る複合材料を提供する。
【解決手段】光硬化性樹脂と当該樹脂内に分散する誘電体フィラーとを含む分散液を、ノズルから吐出して移動する支持体に塗布する工程、および前記光硬化性樹脂を硬化させる工程を含む複合フィルムの製造方法であって、前記分散液をノズルから吐出する際に、ノズル内の分散液を挟むようにして支持体の移動方向の上流側と下流側に設けられた２つの電極により、電界を印加する方法によって複合フィルムを製造する。
【選択図】図１

Description

本発明は、厚さ方向の熱伝導性に優れた、熱伝導性フィラーとマトリックス樹脂との複合フィルム、およびその製造方法に関する。

近年、半導体素子の高集積化、有機ＥＬなどの発光体の薄型化、自動車のハイブリッド化に伴うモーターの高出力化等により、電子機器、電気機器などにおいて生成する熱が大きくなり、より効率よく放熱させる必要が出てきている。電子機器、電気機器などにおいて、放熱策として、熱伝導率の高い放熱フィルムを発熱する部品に貼り付ける、熱伝導率の高い筐体で発熱する部品を囲う等が行われており、熱伝導率をより高めるべく、熱伝導性フィラーとマトリックス樹脂との複合材料に関する検討が種々行われている。

例えば、特許文献１では、ポリアリーレンスルフィド樹脂へのフィラーの分散度を向上させてフィラーを高充填化することが行われており、特許文献２では、繊維軸方向の熱伝導率が高い炭素短繊維フィラーをマトリクスに配合した複合成形体について検討がなされている。また、特許文献３では、分散性に優れた気相法炭素繊維と耐熱性樹脂を含む樹脂組成物を成形することが行われており、特許文献４では、マトリックス樹脂中にフィラーを分散させ、該フィラーを低融点金属により相互に連続的に溶着させることが行われている。
特開２００７−１４６１２９号公報 特開２００７−２９１５７６号公報 特開２００６−１３７９３８号公報 特開平６−１９６８８４号公報

放熱効率を向上させるには、熱伝導性フィラーとマトリックス樹脂との複合フィルムの熱伝導率が、厚さ方向において高いことが好ましい。しかし、上記のような複合材料においては、放熱の方向性についての検討がなされていなかった。また、フィラーを高充填した場合には、厚さ方向を含め複合材料全体で熱伝導率が向上するものの、複合材料が脆くなり、実用性に問題があった。

そこで本発明は、熱伝導性フィラーとマトリックス樹脂との複合材料において、熱伝導性フィラーを高充填しなくても、厚さ方向において高い熱伝導性を有し得る複合材料を提供することを目的とする。

上記課題を解決した本発明は、光硬化性樹脂と当該樹脂内に分散する誘電体フィラーとを含む分散液を、ノズルから吐出して移動する支持体に塗布する工程、および前記光硬化性樹脂を硬化させる工程を含む複合フィルムの製造方法であって、
前記分散液をノズルから吐出する際に、ノズル内の分散液を挟むようにして支持体の移動方向の上流側と下流側に設けられた２つの電極により、電界を印加することを特徴とする複合フィルムの製造方法である。本発明において、前記印加する電界が、周波数０．０１〜１００ｋＨｚの正弦波であり、電界強度が、１〜３０ｋＶ／ｍｍであることが好ましい。前記誘電体フィラーは、非球状であることが好ましい。本発明においては、複合フィルムから支持体を剥離する工程をさらに行ってもよい。

本発明はまた、当該製造方法により製造された複合フィルムである。

本発明はさらに、誘電体フィラー、および光硬化性樹脂の硬化物を含む複合フィルムであって、厚さ方向の熱伝導率が、面方向の熱伝導率の１．２倍以上である複合フィルムである。ここで、複合フィルム中においては、前記誘電体フィラーが複数個連なって厚さ方向に配列している。前記誘電体フィラーは、非球状フィラーであり、当該非球状フィラーの長径方向が、フィルムの厚さ方向と平行になるように配向していることが好ましい。誘電体フィラーの含有率は、１〜５０質量％であることが好ましい。当該複合フィルムは、放熱フィルムに好適に用いることができる。

本発明によれば、厚さ方向に高い熱伝導率を有しつつ、良好な靱性を有する複合フィルムが提供される。当該複合フィルムは、電子機器、電気機器において発熱する部品に貼り付けて用いるような、放熱フィルムに好適である。

本発明は、光硬化性樹脂と当該樹脂内に分散する誘電体フィラーとを含む分散液を、ノズルから吐出して移動する支持体に塗布する工程（塗布工程）、および前記光硬化性樹脂を硬化させる工程（硬化工程）を含む複合フィルムの製造方法であって、
前記分散液をノズルから吐出する際に、ノズル内の分散液を挟むようにして支持体の移動方向の上流側と下流側に設けられた２つの電極により、電界を印加することを特徴とする複合フィルムの製造方法である。

本発明において用いられる誘電体フィラーは、その誘電率が４以上であれば良く、例えば、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、炭化ケイ素等の常誘電体、チタン酸バリウム等の強誘電体等のフィラーを単独でまたは２種以上組み合わせて用いることができる。誘電率が４より小さいと、電界を印加した際に分極しにくく、誘電体フィラーの配列が起こりにくいおそれがあり、誘電率は、好ましくは１０以上である。

誘電体フィラーの形状としては、特に制限はないが、非球状であることが好ましい。非球状の誘電体フィラーを用いた場合には、フィラーが、その長径方向と電界の印加方向とが平行となるように配向することによっても、厚さ方向の熱伝導率向上効果が得られる。従って、使用されるフィラーのアスペクト比（長径／短径）が大きい程、本発明では高い効果が得られ好適である。

誘電体フィラーの大きさとしては、平均粒径が０．０５μｍ以上であることが好ましく、０．１μｍ以上であることがより好ましい。平均粒径が０．０５μｍより小さいと、誘電体フィラーが配列するためのエネルギーが、熱的エネルギーに比べて小さくなってしまう。

誘電体フィラーの配合量としては、光硬化後の複合フィルムに対して、１〜５０質量％となることが好ましく、５〜４０質量％となることが好ましい。配合量が１％より少ないと、十分な熱伝導性および機械的強度を得られないおそれがあり、５０％より多いと、得られるフィルムが脆くなるおそれがある。

光硬化性樹脂としては、紫外線、電子線等で架橋・硬化でき、硬化後に複合フィルムとして十分な強度を有するものである限り特に制限はないが、例えば、エポキシアクリレート、ウレタンアクリレート、ポリエステルアクリレート、ポリエーテルアクリレート、反応性ポリアクリレート、カルボキシル変性型反応性ポリアクリレート、ポリブタジエンアクリレート、シリコーンアクリレート、アミノプラスト樹脂アクリレート等などを単独でまたは２種以上組み合わせて用いることができる。フィラーの配列状態を維持させるためには、硬化収縮が小さい付加反応型の樹脂が好ましい。また、光硬化性樹脂は、通常光重合開始剤を含む。

光硬化性樹脂へ誘電体フィラーを分散させる方法については、公知の分散機を用いて分散を行えばよい。例えば、粘度２０Ｐａ・ｓ以下では、超音波照射、ビーズミル、ボールミル等による分散が有効であり、粘度が２０Ｐａ・ｓを超える場合には、羽攪拌、自転・公転による遠心攪拌、３本ロール等による分散が有効である。

分散液の粘度は、１０〜１００Ｐａ・ｓが好ましい。１０Ｐａ・ｓより小さいと、電界を印加した際に対流が起き易く、また比重の大きいフィラーの場合は、沈降が起きて配列状態を保てなくなるおそれがある。一方、１００Ｐａ・ｓより大きいと、電界で生じた分極フィラーが粘度の抵抗を受けて動きにくくなり、ノズル通過時に配列しないおそれがある。

分散液には、光硬化性樹脂以外の樹脂成分、誘電体フィラー以外のフィラー成分、および界面活性剤等の添加剤、溶媒などが、本発明の目的を阻害しない範囲内で添加されていてもよい。

支持体としては、分散液の塗工および硬化が可能なものである限り特に制限はないが、例えば、ポリエステルフィルム（例、ポリエチレンテレフタレートフィルムなど）、ポリイミドフィルム、アルミ箔、ポリテトラフルオロエチレンフィルム等を用いることができる。また複合フィルムの用途によって支持体が不要な場合には、離型処理されたものなど、剥離が容易なものを選択するとよい。

本発明においては、塗布工程において、分散液をノズルから吐出する際に、ノズル内の分散液を挟むようにして支持体の移動方向の上流側と下流側に設けられた２つの電極により、電界を印加する。これにより、分散液中で誘電体フィラーを、フィルムの厚さ方向に対応する方向に沿って配列させる。この誘電体フィラーの配列は、フィルムの厚さ方向にできるだけ長い距離にわたって起きることが好ましいが、数個のフィラーが連なって配列する程度でも、厚さ方向の熱伝導率向上効果が得られる。一方、非球状のフィラーを用いる場合には、配列が起こる前にまず、フィラーの長径方向と電界の印加方向とが平行となるようなフィラーの配向が起こり、この配向により厚さ方向の熱伝導率向上効果が得られる。従って、この場合には、誘電体フィラーの配列がわずかに起きる程度に電界を印加してもよい。

２つの電極は、同じ高さに配置することが好ましい。電極には、誘電体ガラスをコートしてもよい。誘電体ガラスをコートすることにより、伝導電流を抑え、安定して電界を印加することができる。

印加する電界については、誘電体フィラーの配列が起こるような印加条件を適宜選択すればよく、直流電界では、フィラーが電気泳動するおそれがあるため、直流電界よりも交流電界の方が好ましい。また、正弦波であることが好ましい。

電界の周波数は、０．０１ｋＨｚ〜１００ｋＨｚが好ましい。０．０１ｋＨｚより小さいと、電気流体の力学的不安定性により絶縁破壊が生じるおそれがあり、１００ｋＨｚを超えると、高周波発熱により、絶縁破壊が生じやすくなる傾向にある。

電界強度は、１〜３０ｋＶ／ｍｍが好ましい。１ｋＶ／ｍｍより小さいと誘電体フィラーの配列が起こらないおそれがあり、３０ｋＶ／ｍｍより大きいと、誘電泳動により絶縁破壊が起こるおそれがある。

なお、塗布工程においては、フィルムの厚さ方向に対応する方向に沿った誘電体フィラーの配列が維持されるような速度で、支持体を移動させる。また、複合フィルムの用途に応じ、所望の厚さの複合フィルムが得られるように、支持体の移動速度と分散液の塗布量を適宜調整するとよい。

硬化工程は、公知方法に準じて、紫外線、電子線等を照射することによって実施することができる。誘電体フィラーの配列を維持するために、分散液を塗布した直後に硬化させることが好ましい。

本発明において、用途を考慮して支持体が不要な場合には、複合フィルムから支持体を剥離する工程を、公知方法に準じてさらに実施するとよい。

本発明の実施態様の一例を、図１に示す。

図１においては、ノズル１の一部分（ノズル１の、支持体６の移動方向に対して上流側部分および下流側部分）に電極としての機能を持たせることにより、１対の電極２が、ノズル１内の分散液５を挟むようにして支持体６の移動方向の上流側と下流側に設けられている。これらの電極２は、絶縁分離されている。分散液５は、非球状の誘電性フィラー３および光硬化性樹脂４を含んでいる。図１において、ノズル１の一部分を電極２としているが、電極をノズルの内部に取り付けてもよい。ノズル１の吐出口は、長方形の断面形状を有しており、長方形の長辺方向が、フィルムの幅方向に、長方形の短辺方向が、フィルムの厚さ方向にそれぞれ対応している。

１対の電極２の間に電界を印加する。図１においては、支持体６の移動方向（支持体６の下の矢印の方向）に平行に電界が印加されるため、ノズル１内で、フィルムの厚さ方向に対応する方向において非球状の誘電体３がまず配向し、さらには配列が起きている。

電極２に挟まれたノズル１の先端部において誘電体フィラー３が配列した分散液５が、支持体６上に塗布され、長径方向がフィルムの厚さ方向に平行になるように誘電体３が配向し、また、複数の誘電体３が連なってフィルムの厚さ方向に配列している。

この塗布した分散液５を、ＵＶランプ７より紫外線照射し、光硬化性樹脂４を硬化させることによって、複合フィルムを得ることができる。

本発明の製造方法により得られる複合フィルムでは、誘電体フィラーが厚さ方向に配列しているため、厚さ方向の熱伝導率が、面方向よりも高いという特徴を有する。特に、厚さ方向の熱伝導率が、面方向の熱伝導率の１．２倍以上になるものである。

従って、本発明はまた、誘電体フィラー、および光硬化性樹脂の硬化物を含む複合フィルムであって、厚さ方向の熱伝導率が、面方向の熱伝導率の１．２倍以上である複合フィルムである（なお、倍率の上限は、誘電体フィラーと光硬化性樹脂等のマトリクスの種類によって定まる）。

当該複合フィルムにおいては、誘電体フィラーが複数個連なって厚さ方向に配列しており、このため、誘電体フィラーを高充填させることなく、すなわち、複合フィルムが脆くなることなく、厚さ方向の高い熱伝導率が得られる。ここで、前記誘電体フィラーが、非球状フィラーであり、当該非球状フィラーの長径方向が、フィルムの厚さ方向と平行になるように配向していることが好ましく、この場合には、厚さ方向の熱伝導率がより高くなる。誘電体フィラーの含有率は、例えば、１〜５０質量％である。

複合フィルムのサイズ（長さ、幅および厚さ）については、用途に応じて適宜決定すればよい。

本発明の複合フィルムは、厚さ方向に高い熱伝導率を有しつつ、良好な靱性を有するため、電子機器、電気機器において発熱する部品に貼り付けて用いるような、放熱フィルムに好適に用いることができる。

以下、実施例および比較例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明は、これら実施例に限定されるものではない。

実施例１
表１に示す配合で、粘度３３Ｐａ・ｓの窒化ホウ素を８．５質量％含むポリウレタンアクリレート分散液を調製した。次に、エアーの圧力でタンク内の分散液を、ノズルを挟んで配置した２つの電極より支持体の移動方向に電界を印加しながら、ノズル先端から吐出した。このとき、ノズルの先端部に掛かる電界は、周波数１０ｋＨｚ、強度１０ｋＶ／ｍｍの正弦波とし、ノズルの吐出口のギャップ幅を調整することにより、吐出量を５ｇ／分とした。また、ノズルから吐出された分散液が支持体に塗布されるが、塗布厚さは、移動速度で決定される。本実施例では、支持体の移動速度を８０ｍｍ／分とし、塗布厚さは２００μｍであった。支持体に塗布された分散液を直ちにＵＶ照射して硬化させた。ＵＶ照射は、装置に林時計工業製ＬＡ−４１０ＵＶ−１を、ＵＶランプに２００Ｗオゾンレス水銀キセノンランプ（ＵＶ強度：４５００ｍＷ／ｃｍ²）を用い、距離１０ｍｍで７．６秒間行った。

最後に、分散液の硬化物を支持体から剥離して、窒化ホウ素−ポリウレタンアクリレートの複合フィルムを得た。このフィルムの厚さ方向および面方向の熱伝導率を、後述の方法により測定したところ、それぞれ、０．４１Ｗ／ｍＫ、０．３０Ｗ／ｍＫであった。また、フィルムの断面を、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察したところ、窒化ホウ素フィラーの長径方向がフィルムの厚み方向に沿うような状態でフィラーの配向が起こっており、さらに、数個のフィラーが連なって配列を起こしているのが観察された（図２参照）。

実施例２
印加する電界の周波数を０．１ｋＨｚに代えた以外は実施例１と同様にして、複合フィルムを作製した。このフィルムの厚さ方向および面方向の熱伝導率を測定したところ、それぞれ、０．３７Ｗ／ｍＫ、０．３１Ｗ／ｍＫであった。

比較例１
電界を印加しなかった以外は実施例１と同様にして、複合フィルムを作製した。このフィルムの厚さ方向および面方向の熱伝導率を測定したところ、それぞれ、０．３３Ｗ／ｍＫ、０．３４Ｗ／ｍＫであった。

〔熱伝導率〕
複合フィルムの熱拡散率を、ブルカー・エイエックスエス製装置を用いてＸｅフラッシュ法により求めた。また、比熱を、ＳＩＩナノテクノロジー製ＤＳＣ装置を用いて昇温速度１０℃／分で求めた。また、比重を、ブタノール浸漬法により求めた。そして、熱伝導率を、熱伝導率＝熱拡散率×比熱×比重より算出した。

結果を表２にまとめた。表２より明らかなように、分散液に電界を印加する本発明の製造方法により、厚さ方向の熱伝導率が高くなることがわかる。

本発明の製造方法の実施態様の一例を示す概略図である。 実施例１で得られた複合フィルムの断面の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。写真の縦方向が、複合フィルムの厚さ方向に相当する。

符号の説明

１ ノズル
２ 電極
３ 誘電体フィラー
４ 光硬化性樹脂
５ 分散液
６ 支持体
７ ＵＶランプ

Claims (10)

1. 光硬化性樹脂と当該樹脂内に分散する誘電体フィラーとを含む分散液を、ノズルから吐出して移動する支持体に塗布する工程、および前記光硬化性樹脂を硬化させる工程を含む複合フィルムの製造方法であって、
   前記分散液をノズルから吐出する際に、ノズル内の分散液を挟むようにして支持体の移動方向の上流側と下流側に設けられた２つの電極により、電界を印加することを特徴とする複合フィルムの製造方法。
2. 前記印加する電界が、周波数０．０１〜１００ｋＨｚの正弦波であり、電界強度が、１〜３０ｋＶ／ｍｍである請求項１に記載の製造方法。
3. 前記誘電体フィラーが非球状である請求項１または２に記載の製造方法。
4. 複合フィルムから支持体を剥離する工程をさらに含む、請求項１〜３のいずれかに記載の製造方法。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の方法により製造された複合フィルム。
6. 誘電体フィラー、および光硬化性樹脂の硬化物を含む複合フィルムであって、厚さ方向の熱伝導率が、面方向の熱伝導率の１．２倍以上である複合フィルム。
7. 複合フィルム中において、前記誘電体フィラーが複数個連なって厚さ方向に配列している請求項６に記載の複合フィルム。
8. 前記誘電体フィラーが、非球状フィラーであり、当該非球状フィラーの長径方向が、フィルムの厚さ方向と平行になるように配向している請求項７に記載の複合フィルム。
9. 誘電体フィラーの含有率が１〜５０質量％である請求項６〜８のいずれかに記載の複合フィルム。
10. 請求項６〜９のいずれかに記載の複合フィルムを用いた放熱フィルム。