JP2010165544A

JP2010165544A - 導電性樹脂材料

Info

Publication number: JP2010165544A
Application number: JP2009006474A
Authority: JP
Inventors: Yoshiki Hayashida; 芳樹林田; Yoshiharu Yamamoto; 義春山本; Kenichi Ikeda; 健一池田
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2009-01-15
Filing date: 2009-01-15
Publication date: 2010-07-29

Abstract

【課題】金属粒子を有機ポリマー樹脂中へ高密度に充填した複合化材料を用いて、高い導電性を有する電気配線用の樹脂材料を得る。
【解決手段】導電性粒子を有機ポリマー樹脂に充填した複合化材料からなる導電性樹脂材料であって、導電性粒子は粒子径分布の異なる混合粒子４であり、混合粒子４は、所定の平均粒子径を有する粗粒子２と、粗粒子２よりも平均粒子径の小さな微粒子３とにより構成され、粗粒子２の平均粒子径と微粒子３の平均粒子径との比が３：１以上１００：１以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、有機材料中に金属粒子を含有させて複合化した導電性樹脂材料に関するものである。

近年、樹脂などの有機ポリマー（母材）中に微粒子を混合分散させて複合化することで、微粒子の持つ特異な物性と、有機ポリマー樹脂の柔軟で容易な加工性とを併せ持たせた微粒子複合化材料が注目を集めている。

電気材料の分野では、金属の微粒子を有機ポリマー樹脂中に混合させて複合化することにより、通常では電気を導通しない樹脂が、導電性を有するようになり、電気配線用の材料としての利用が期待できる。

これらの複合化材料は、従来の金属のみからなる材料に比べて融点が低く、１００℃程度の低温度での射出成形やプレス成形などの成形加工が容易である。このため、電気材料の加工コストの引き下げが可能になるという利点も有している。

また、電気配線用の材料としてこのような複合化材料を用いることにより、金属材料以上の品質安定性を維持することもできる。すなわち、電気配線用の金属材料には、従来から銅、銀などが用いられている。これらの金属材料は、大気中の酸素や水分（湿気）、また酸性の物質などに接触すると酸化して腐食し易く、導電率の低下や配線コネクタ部での接触不良などを引き起こす原因となっている。

一方、複合化材料では、導電性粒子を有機ポリマー樹脂で覆うことにより、導電性粒子の酸化や腐食を防止することができる。

しかしながら、このような複合化材料を導電性材料として用いるためには、導電性粒子を高密度で有機ポリマー樹脂に充填して、複合化材料の電気抵抗を下げることが必要である。

金属粒子と有機材料を混合した導電性材料として、粒子径の異なるニッケル粉末を混合した導電性ペーストが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平２−１１９００９号公報

有機ポリマー樹脂中に導電性の微粒子を混合させた複合化材料を導電性材料として用いる場合、有機ポリマー樹脂の電気絶縁性が大きいために、高い導電率の導電性粒子を高密度に充填しなければ、電気配線用の材料として充分な導電率が得られない。

しかしながら、導電性粒子の最大充填可能量は粒子のかさ密度で決まり、かさ密度が低くなるほど高密度で充填することが難しくなる。例えば、所定粒子径の銅の粒子を有機ポリマー樹脂に混合して導電板を形成した場合には、かさ密度を大きくすることができないものであった。そのため、銅の粒子の体積充填率は５０体積％付近が上限となり、導電板の電気抵抗率は１×１０^−５Ω・ｍ程度までにしか低下せず、さらに低抵抗の導電板を実現することができないといった課題を有していた。

導電性粒子の充填率を増やすために、有機ポリマー樹脂の所定体積中に混合させる導電性粒子の濃度を高くしても、導電性粒子の濃度がある値を超えると、導電性粒子と有機ポリマー樹脂とが均一に混じり合わずに複合化材料の表面に導電性粒子が析出する。この場合、析出した導電性粒子は有機ポリマー樹脂中へ充填されずに剥がれ落ちてしまい、導電性粒子の充填率を向上させることができないといった課題を有していた。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、金属などの導電性粒子を有機ポリマー樹脂中へ高い充填率で充填した導電性の高い導電性樹脂材料を提供することを目的とする。

この目的を達成するために、本発明の導電性樹脂材料は、導電性粒子を有機ポリマー樹脂に充填した複合化材料からなる導電性樹脂材料であって、導電性粒子は粒子径分布の異なる混合粒子であり、混合粒子は、所定の平均粒子径を有する第１粒子と、第１粒子よりも平均粒子径の小さな第２粒子とにより構成され、第１粒子の平均粒子径と第２粒子の平均粒子径との比が３：１以上１００：１以下である。

このような構成によれば、平均粒子径の大きな第１粒子間の空隙に平均粒子径の小さな第２粒子を充填させて導電性粒子のかさ密度を高くすることができる。その結果、複合化材料中の導電性粒子の充填率を増加させることができて、高い導電性を有する導電性樹脂材料を実現することができる。

さらに、混合粒子の全粒子の体積に対して、第２粒子の体積が２０体積％以上５０体積％以下であることが望ましい。このような構成によれば、導電性粒子の充填率をさらに増加させて、より低抵抗の導電性樹脂材料を実現することができる。

本発明によれば、有機ポリマー樹脂中へ導電性粒子を高密度で充填することができ、高い導電性を有し、成形加工が容易な導電性樹脂材料を実現することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１では、導電性粒子として銅を用いた場合について説明する。図１は本発明の実施の形態１における導電性樹脂材料の構成を示す概略図、図２は同導電性樹脂材料の製造方法を示すフローチャート、図３（ａ）、図３（ｂ）は同導電性樹脂材料に用いる導電性粒子である銅粒子の粒子径分布を示す図である。また、図４は、同導電性樹脂材料の銅粒子を、平均粒子径の大きな第１粒子である粗粒子と、第１粒子よりも平均粒子径の小さな第２粒子である微粒子との混合粒子とした際の、混合粒子中の微粒子の混合率と有機ポリマー樹脂中への銅粒子の充填率との関係を示す図であり、微粒子に対する粗粒子の粒子径比をパラメータとしている。図５は同導電性樹脂材料に用いる銅粒子の粗粒子と微粒子の粒子径比と最大充填率との関係を示す図であり、図４におけるそれぞれの粒子径比における最大充填率より求めている。また、図６は同導電性樹脂材料の電気抵抗率を示す図である。

図１に示すように、本発明の実施の形態１における導電性樹脂材料１は、銅の粗粒子２と銅の微粒子３とよりなる混合粒子４が有機ポリマー樹脂５の中に充填されて形成されている。混合粒子４は粗粒子２の隙間に微粒子３が入り込むように構成されて、銅粒子のかさ密度を増加させ、有機ポリマー樹脂５への混合粒子４の充填率を増加させるようにしている。このような構成により、導電性樹脂材料１中に占める銅粒子の混合粒子４の体積割合を増加させ、有機ポリマー樹脂５による電気絶縁性を低下させて導電性樹脂材料１の電気抵抗を低減させることができる。

次に、このような導電性樹脂材料１の製造方法を図２を用いて説明する。

まず、図３（ａ）に示す粒子径分布を持った平均粒子径が１５０μｍの銅の粗粒子２を２８．５ｇと、図３（ｂ）に示す粒子径分布を持った平均粒子径５μｍの銅の微粒子３を１９ｇと、それぞれ秤量準備する（ステップＳ１０１、ステップＳ１０２）。

その後、両者を混合して粒子全体に占める微粒子３の比率が４０重量％（６３体積％）となる銅の混合粒子４が４７．５ｇとなるように調合する（ステップＳ１０３）。

続いて、軟化点９０℃、比重０．９２の有機ポリマー樹脂５を２．５ｇ準備し、１９０℃の温度で加熱溶融して溶融有機ポリマー樹脂を準備する（ステップＳ１０４）。

この溶融有機ポリマー樹脂に上記の銅の混合粒子４（４７．５ｇ）を添加して、有機ポリマー樹脂５と、粗粒子２と微粒子３よりなる混合粒子４とを混合させ、１９０℃の温度の下でこの混合物を３０分間攪拌する。この過程において、銅の混合粒子４が有機ポリマー樹脂５に均一に混合した溶融混合物が調製される。

次に、この溶融混合物を５０℃以下の温度になるまで冷却して固化させる。このようにして、平均粒子径が１５０μｍの粗粒子２と平均粒子径が５μｍの微粒子３とからなる銅の混合粒子４（４７．５ｇ）が、有機ポリマー樹脂５（２．５ｇ）の内部に均一に分布した導電性樹脂材料１を作製できる（ステップＳ１０５）。

このようにして作製された導電性樹脂材料１中の銅の混合粒子４の充填率は、重量百分率では９５重量％となり、体積百分率に換算すると６６体積％となる。

このように、粒子径分布の異なる銅の混合粒子４を有機ポリマー樹脂５に混合し、微粒子３を粗粒子２の隙間に充填するようにすると、銅の混合粒子４を高密度で充填することが可能となり、導電性の高い導電性樹脂材料１を作製することができる。

最終的には、このような導電性樹脂材料１を、例えば射出成形やプレス成形などにより、導電性部材に加工する（ステップＳ１０６）。

図４には、銅の混合粒子４のうちの微粒子３の割合である微粒子混合率（体積％）に対する、導電性樹脂材料１中の混合粒子４の充填率（体積％）を示し、粗粒子２と微粒子３との粒子径比（粗粒子平均粒子径／微粒子平均粒子径）をパラメータとして示している。

図４から、例えば、粗粒子２の平均粒子径が１５０μｍ、微粒子３の平均粒子径が５μｍで粒子径比が３０の混合粒子４では、微粒子３の混合率を４０体積％としたときに、最大充填率７６体積％が得られている。また、粒子径比が３の混合粒子４では、微粒子３の混合率を３０体積％としたときに最大充填率５６体積％が得られる。さらに、粒子径比が１００の混合粒子４では、微粒子３の混合率を４０体積％としたときに最大充填率７９体積％が得られることがわかる。

図４の結果から、粗粒子２と微粒子３のいずれの粒子径比を有する混合粒子４でも、最大充填率となる微粒子３の割合（混合率）は、２０体積％以上５０体積％以下の範囲に存在する。したがって、この範囲の中に、微粒子の混合率を設定することによって導電性粒子の充填率を大きくすることができ、より導電性を向上させた導電性樹脂材料を実現することができる。

また、図５には、粗粒子２と微粒子３との粒子径比に対する最大充填率を示し、粒子径比が３以上１００以下において最大充填率が増加し、１００以上では最大充填率は飽和傾向となることがわかる。また、粒子径比が１０以上であれば、銅の混合粒子４の最大充填率が７０体積％以上となり、５０以上であれば７５体積％以上が得られる。

次に、作製した導電性樹脂材料１の導電性能について図６を参照し説明する。

図６は本発明の実施の形態１における導電性樹脂材料の電気抵抗率を示す図であり、前述の図２に示す製造方法によって作製した厚み１ｍｍ、幅５ｍｍ、長さ５０ｍｍの導電性樹脂材料１と、比較例としての粗粒子のみの銅粒子で作製した導電性樹脂材料と、同じく比較例としての金属銅線の、それぞれの電気抵抗率を示している。

図６において、サンプルＡは本発明の実施の形態１における導電性樹脂材料１であり、平均粒子径が１５０μｍの粗粒子２と平均粒子径が５μｍの微粒子３、すなわち粒子径比が３０の銅の混合粒子４を、微粒子３の混合率が６３体積％となるように調整している。したがって、導電性樹脂材料１中の混合粒子４の充填率が６６体積％である。また、サンプルＢは、図３（ａ）に示した平均粒子径１５０μｍの銅粒子のみを用いて作製した銅粒子の充填率が４０体積％の導電性樹脂材料であり、サンプルＣは一般の金属銅線である。

図６より明らかなように、本発明の実施の形態１における導電性樹脂材料１によるサンプルＡでの電気抵抗率は２０×１０^−８Ω・ｍであり、比較例としてのサンプルＢの電気抵抗率７５０×１０^−８Ω・ｍに比べ約１／４０に低下している。また、比較例としてのサンプルＣの電気抵抗率１．７×１０^−８Ω・ｍと比べても１０倍程度の大きさに収まっていることがわかる。

以上説明したように、本発明によれば、導電性粒子の微粒子と粗粒子とを混合することにより、粗粒子間の隙間に微粒子が充填されて、複合化材料内へ充填可能な充填率が増加し、導電性樹脂材料中での金属粒子同士の接触が多くなり、電気抵抗を低減することができる。

なお、上記では導電性粒子として銅の金属粒子を用いたが、電気抵抗率が１×１０^−７Ω・ｍ以下の高い導電性を有する金属であれば、同様に高い導電性能を有する樹脂材料を実現することができる。

また、上述の本発明の実施の形態１では、銅粒子を、溶融した有機ポリマー樹脂に混合して複合化材料を作製したが、複合化材料の作製方法に限定はなく、例えば、トルエンなどの有機溶媒中に金属粒子を分散した分散液を作製し、この分散液中に有機ポリマー樹脂を溶解させた後に、有機溶媒を留去して複合化材料を作製してもよい。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２では、導電性粒子として銅と金の両方を用いた場合について説明する。図７は本発明の実施の形態２における導電性樹脂材料の構成を示す概略図、図８は同導電性樹脂材料に用いる導電性粒子の粒子径分布を示す図であり、図８（ａ）は粗粒子として用いた銅粒子の粒子径分布、図８（ｂ）は微粒子として用いた金粒子の粒子径分布を示す。また、図９は同導電性樹脂材料の電気抵抗率を示す図である。

図７に示すように、本発明の実施の形態２における導電性樹脂材料１０は、銅の粗粒子６と金の微粒子７とよりなる混合粒子８が有機ポリマー樹脂９の中に充填されて形成されている。実施の形態１と同様に、銅の粗粒子６の隙間に金の微粒子７が入り込むことにより、混合粒子８のかさ密度を増加させ、有機ポリマー樹脂９への混合粒子８の充填率を増加させている。

これにより、導電性樹脂材料１０中に占める導電性粒子である混合粒子８の体積割合を増加させて、有機ポリマー樹脂９の電気絶縁性を低下させ、導電性樹脂材料１０の電気抵抗を低下させることができる。

次に、本発明の実施の形態２における導電性樹脂材料１０の製造方法を、図２に示すフローチャートを再度参照しながら詳しく説明する。

まず、図８（ａ）に示す粒子径分布を持った平均粒子径が５μｍの銅の粗粒子６を３．５ｇ（体積０．３９ｃｍ^３に相当）と、図８（ｂ）に示す粒子径分布を持った平均粒子径が０．１μｍの金の微粒子７を５．０ｇ（体積０．２６ｃｍ^３に相当）と、それぞれ秤量し、準備する（ステップＳ１０１、ステップＳ１０２）。

その後、両者を混合して粒子全体に占める金の微粒子７の体積比率が４０体積％となるように混合粒子８を８．５ｇ（体積０．６５ｃｍ^３に相当）調合する（ステップＳ１０３）。したがって、粗粒子６と微粒子７との粒子径比は５０である。

続いて、軟化点９０℃、比重０．９２の有機ポリマー樹脂９を０．３２ｇ（体積０．３５ｃｍ^３に相当）準備し、１９０℃の温度で加熱溶融して溶融有機ポリマー樹脂を準備する（ステップＳ１０４）。この溶融有機ポリマー樹脂に上記の混合粒子８を添加して、有機ポリマー樹脂８と、銅の粗粒子６と金の微粒子７よりなる混合粒子８とを混合させ、１９０℃の温度の下でこの混合物を３０分間攪拌する。この過程において、銅の粗粒子６と金の微粒子７とからなる混合粒子８が均一に分散混合した有機ポリマー樹脂９の溶融混合物が調製される。

次に、この溶融混合物を５０℃以下の温度になるまで冷却して固化させる。このようにして、平均粒子径５μｍの銅の粗粒子６と平均粒子径０．１μｍの金の微粒子７が混合された８．５ｇの混合粒子８が、０．３２ｇの有機ポリマー樹脂９の内部に均一に分布した導電性樹脂材料１０を作製できる（ステップＳ１０５）。

ここで作製された導電性樹脂材料１０中の混合粒子８の充填率は、重量百分率では９６重量％となり、体積百分率に換算すると６５体積％となる。

このような導電性樹脂材料１０を、例えば射出成形やプレス成形などにより導電性部材に加工する（ステップＳ１０６）。

上述の実施の形態２における複合化した導電性樹脂材料１０では、前述の実施の形態１における導電性樹脂材料１に比べて、導電性粒子の粒子径を小さくすることによって、導電性樹脂材料１０の薄肉化、薄膜化が容易となる。そのため、フィルム状の電気配線部材や帯電防止膜を実現することが可能となる。

次に、本発明の実施の形態２において作製した導電性樹脂材料１０の導電性能について図９を参照しながら説明する。図９において、サンプルＤは本発明の実施の形態２における導電性樹脂材料１０で作製した厚さ０．０５ｍｍ、幅５ｍｍ、長さ５０ｍｍの薄膜状導電性樹脂材料であり、比較例としてのサンプルＥは、平均粒子径５μｍの銅粒子のみを用いて充填率が４０体積％の導電性樹脂材料、また、比較例としてのサンプルＦは金属銅線である。

図９より明らかなように、本発明の実施の形態２における導電性樹脂材料１０によるサンプルＤでの電気抵抗率は２４×１０^−８Ω・ｍであり、比較例としてのサンプルＥの電気抵抗率１２００×１０^−８Ω・ｍに比べ約１／５０に低下している。また、比較例としてのサンプルＦの電気抵抗率１．７×１０^−８Ω・ｍと比べても１４倍程度の大きさに収まっていることがわかる。

なお、実施の形態２においては、銅の粗粒子６と金の微粒子７とを混合した導電性粒子としての混合粒子８を有機ポリマー樹脂９中に分散混合して導電性樹脂材料１０を得ているが、粗粒子６に用いる金属よりも電気抵抗率が小さい微粒子７の金属を用いれば、さらに導電性能の向上効果が期待できる。例えば、銅の粗粒子６に銀の微粒子７を混合する場合や、金の粗粒子６に銅の微粒子７を混合する場合などが好ましい例として挙げられる。

また、導電性粒子としては、上述した金属以外にアルミニウムやその他の金属を任意に選択して用いることが可能であり、さらには、金属材料以外に、導電性の酸化物や有機物などを用いることも可能である。

また、上述した実施の形態２では、銅または金の粒子を溶融した有機ポリマー樹脂中に添加混合させて導電性樹脂材料を作製した例を記載した。しかし、導電性樹脂材料の作製方法は上記の方法に限定されることはない。例えば、有機ポリマー樹脂が溶解可能な溶媒中に、異なる粒子径分布を持つ導電性粒子を混合分散させた溶媒液を調合し、有機ポリマー樹脂中に添加して有機ポリマー樹脂を溶解させ、有機ポリマー樹脂と金属粒子とを均一に混合させた後に、溶媒を留去する方法も可能である。

また、有機溶媒としてはトルエン、キシレン、シクロヘキサン、エタノールなどを利用でき、これらの溶媒を単独または複数種で混合して用いることもできる。

本発明は、高い導電性を有する樹脂材料として、例えば、射出成形やプレス成形などによる様々な形状の電気配線用部材としての利用や、薄膜形成による帯電防止膜などに有用である。

本発明の実施の形態１における導電性樹脂材料の構成を示す概略図同導電性樹脂材料の製造方法を示すフローチャート同導電性樹脂材料に用いる導電性粒子である銅粒子の粒子径分布を示す図同導電性樹脂材料の微粒子混合率と混合粒子の充填率との関係を示す図同導電性樹脂材料に用いる粗粒子と微粒子の粒子径比と最大充填率との関係を示す図同導電性樹脂材料の電気抵抗率を示す図本発明の実施の形態２における導電性樹脂材料の構成を示す概略図同導電性樹脂材料に用いる導電性粒子である銅粒子と金粒子の粒子径分布を示す図同導電性樹脂材料の電気抵抗率を示す図

１，１０導電性樹脂材料
２，６粗粒子
３，７微粒子
４，８混合粒子
５，９有機ポリマー樹脂

Claims

導電性粒子を有機ポリマー樹脂に充填した複合化材料からなる導電性樹脂材料であって、前記導電性粒子は粒子径分布の異なる混合粒子であり、前記混合粒子は、所定の平均粒子径を有する第１粒子と、前記第１粒子よりも平均粒子径の小さな第２粒子とにより構成され、前記第１粒子の平均粒子径と前記第２粒子の平均粒子径との比が３：１以上１００：１以下であることを特徴とする導電性樹脂材料。
前記混合粒子の全粒子の体積に対して、前記第２粒子の体積が２０体積％以上５０体積％以下であることを特徴とする請求項１に記載の導電性樹脂材料。