JP3833538B2 - Ｐｔｃ伝導性ポリマーを含む電気装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
［技術分野］
本発明はＰＴＣ伝導性ポリマーを含む電気装置に係り、さらに詳しくは電解銅箔上に無電解ニッケルメッキ層を形成した電極をＰＴＣ伝導性ポリマーと結合させることによってＰＴＣ特性に優れるのみならず、電極とＰＴＣ伝導性ポリマーとの化学的及び機械的な結合力に優れるようにしたＰＴＣ伝導性ポリマーを含む電気装置に関する。
［背景技術］
ＰＴＣ伝導性ポリマーを含む電気装置は種々公知されている。伝導性ポリマーは有機重合体に伝導性充填剤が分散されているものでＰＴＣ特性を示す。
【０００２】
ＰＴＣ(Positive temperature coefficient)特性とは、比較的狭い温度領域で温度上昇に帰因して電気抵抗が急激に増加する性質を意味する。ＰＴＣ特性を有する高分子材料は定温電線(constant-temperature wire)、過電流遮断用保護装置、回路保護素子、加熱器
などに応用されている。
このような伝導性ポリマーは電気装置内で少なくも一つの電極と機械的及び化学的に結合されている。伝導性ポリマーと結合されている電極としては通常金属の板材（metal plate）が使用される。このような金属板材は伝導性ポリマーを外部電極と連結させるよう
働くと共に、伝導性ポリマーのＰＴＣ特性を損なってはいけない。そのためには金属板材
と伝導性ポリマーが電気的、機械的特性を満たせる良好な接着特性を有するべきである。
【０００３】
金属板材と伝導性ポリマーの接着力は、機械的な接着力と化学的な接着力とに大別される。機械的な接着力を向上させるためには金属板材の表面粗度を増加させる製造工程が金属板材と伝導性ポリマーとの分離を抑えるために必要である。しかし、同一な表面粗度を有する金属板材であってもポリマーに対する結合力は金属の種類に応じて相当な差を示し、これは金属とポリマーの化学的接着特性の差に起因する。天然ゴムやポリプロピレンなど多くのポリマーにおいて化学的結合力は銅、鉄、ニッケル、アルミニウム、亜鉛などのような順に増加することが知られている。このような理由から、ポリマー接着用金属板材は表面酸化、黄銅及び亜鉛を用いた表面処理、シラン系の接着剤塗布などを施す場合もある。
【０００４】
一方、金属板材の表面粗度を増加させ金属板材と伝導性ポリマーが分離されることを抑えるための代表的な方法としては電気メッキがある。印刷回路基板(printed circuit boards : 以下、'ＰＣＢ'と称する)に使われる銅下地メッキ(copper plating foil)とＰＴＣ特性を有する電気装置に使われる金属板材が現在このような方法を通して製造されている。
【０００５】
ＰＣＢ用銅下地メッキは１０〜１５０μｍの厚さを有するように製造されるが、そこに伝導性ポリマーと機械的な固定効果(Anchoring effect)を有するようピラミッド状を有するノジュール(nodule)上に球形のノジュールを形成させる。
ＰＣＢはベースプレート上に銅ホイール（foil）をラミネートさせた後そこに熱及び圧力を加えて製造される。この際銅ホイールはベースプレートに付着された後酸抵抗のような化学的抵抗、エッチング後基板の変色に対する抵抗を有すべきであり、エッチング後錆びないことが求められる。このため、ＰＣＢ用銅ホイールの表面は亜鉛、インジウム、黄銅などで構成された層でコーティングされたり(日本特許第51-35711号)、二つの層を含んだ電着(electrodeposition)された銅層を利用し(日本特許第53-39376号)てもよい。銅イオン、亜鉛イオン、タルタル酸及びアルカリを含む銅-亜鉛の電解槽で陰極によって銅ホイールの片面を電気分解させ、前記銅ホイールにクローム酸塩を処理して銅-亜鉛層を形成する場合もある(アメリカ特許第5、304、428号)。
【０００６】
その他、ＰＴＣ特性を有する伝導性ポリマーを含む電気装置に関する関連技術はアメリカ特許第4、426、633号、第4、689、475号、第4、800、253号、第5、874、885号、第5、234、573号などがある。
しかし、従来の電解メッキまたは電着によって製造された電極はその厚さが不均一であり、このことが電極がＰＴＣポリマーから分離する原因となっている。
【０００７】
これに、本発明者らはこのような問題を解決すべく鋭意研究をしてＰＣＢ用電解銅箔（foil）に無電解メッキを施して均一な厚さの電極を開発した。
［発明の開示］
本発明は電解銅箔上に均一な厚さの無電解ニッケルメッキを形成した金属電極をＰＴＣ伝導性ポリマーと結合させることによってＰＴＣ特性に優れるのみならず、電極とＰＴＣ伝導性ポリマーとの化学的および機械的な結合力が優秀な電気装置を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明はＰＴＣ(Positive Temperature Coefficient)伝導性ポリマーを含む電気装置であって、電解銅箔の両面に無電解メッキニッケル層を有する電極と、当該電極間に融着されたＰＴＣ伝導性ポリマーを有し、前記無電解メッキニッケルが均一な厚さであり、ＰＴＣ伝導性ポリマーとの結合力を十分に保証できることを特徴とする電気装置を提供する。
好ましくは、前記電解銅箔は１〜２０μｍの表面租度を有し、前記無電解メッキニッケ
ル層は０．０１〜１０μｍの厚さを有する。
［発明を実施するための最良の態様］
これらの、および本発明の他の特徴、側面および利点を以下の説明、添付した請求の範囲、該当する部品を該当する符号で訳した添付図面により、より詳細に理解される。
以下、本発明の好ましい実施態様を添付図面を用いて詳細に説明する。
【０００８】
本発明はＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）特性を有する伝導性ポリマーと無電解メッキ処理された金属電極を含む電気装置である。前記ＰＴＣ伝導性ポリマーは前記電極の間にサンドイッチ状に融着されていることを特徴とする。
前記ＰＴＣ特性を有する伝導性ポリマーは有機重合体に伝導性充填剤、架橋剤、酸化防止剤などを混合して得る。
【０００９】
この際、有機重合体としてはポリエチレン、またはエチレン-アクリル酸共重合体、エチレン-エチルアクリレート共重合体、エチレン-ビニルアセテート共重合体、エチレン-ブチルアクリレート共重合体などが使われ、特にポリエチレンが望ましい。
前記伝導性充填剤としてはニッケル粉末、金粉末、銅粉末、銀メッキされた銅粉末、金属合金粉末、カーボンブラック、炭素粉末または黒鉛が使用でき、特にカーボンブラックが望ましい。
【００１０】
前記金属電極は機械的結合力に優れるよう製造された電解銅箔上に前記ＰＴＣ伝導性ポリマーと化学的結合力に優れた金属を無電解メッキして製造される。電解銅箔の表面粗度(ＲＺ)はその製造工程において電解メッキを通して１〜２０μｍになるよう製造されたものである。本発明では電解銅箔はＬＧIndustry Co.から商業的に求めることができ、これを本発明で特に用いる。
【００１１】
前記電解銅箔に無電解ニッケルメッキを施す。無電解ニッケルメッキ手順は脱脂、酸洗い（pickling）、活性化及び敏感化処理、無電解ニッケルメッキ工程、水洗いの工程を含む。１μｍの厚さで無電解ニッケルメッキされた試験片の表面写真を図２に示す。図２によれば、試験片の表面粗度と形状にはさほど変化がないことが容易に分かる。
【００１２】
前述したように銅上にニッケルを無電解メッキ処理した金属電極２を前記ＰＴＣ伝導性ポリマー１の両面に融着させ電気装置を製造する。これを図３に示した。
本発明を実施例を挙げて一層詳述すれば次の通りである。但し、下記の実施例は本発明の一実施例にすぎず、本発明が下記の実施例に限られない。
【００１３】
【実施例１】
ポリエチレンとカーボンブラックとを混合してＰＴＣ伝導性ポリマーを製造する。電解メッキを通して表面粗度が５〜１０μｍの電解銅箔を用意する。それから、脱脂、酸洗い、活性化及び敏感化処理、無電解ニッケルメッキ、水洗い工程を通して前記電解銅箔上に１μｍの厚さで無電解ニッケルメッキ層を形成して電極を製造する。前記ＰＴＣ伝導性ポリマーの両面にサンドイッチ状に前記電極を融着させ、図３のような形態のＰＴＣ電気装置を製造する。
【００１４】
【実施例２】
ポリエチレンとカーボンブラックを混合してＰＴＣ伝導性ポリマーを製造する。電解メッキを通して表面粗度が５〜１０μｍの電解銅箔を用意する。それから、脱脂、酸洗い、活性化及び敏感化処理、無電解ニッケルメッキ、水洗い工程を通して前記電解銅箔上に１０μｍの厚さで無電解ニッケルメッキ層を形成して電極を製造する。前記ＰＴＣ伝導性ポリマーの両面にサンドイッチ状に前記電極を融着させ、図３のような形態のＰＴＣ電気装置を製造する。
【００１５】
【実施例３】
実施例１と同様な方法で電気装置を製造する。しかし無電解メッキ工程から活性化及び敏感化処理を省き、かつ酸洗い処理に引き続き無電解ニッケルメッキを施す。その後、クローム浴で置換メッキを通して前記ニッケル無電解メッキ層上にクロームを塗布する。
【００１６】
［比較例］
実施例１〜３のように、銅上にニッケルを無電解メッキする代わりに、従来に一般に使用された銅箔自体を用いた電極をＰＴＣ伝導性ポリマーに融着させ、図３のような形態の装置を製造する。
【００１７】
［試験例１］
抵抗 - 温度特性
前記実施例１〜３によって製造された電気装置の温度に依存した抵抗変化を図4に示す。前記図４によれば、本発明に係る電気装置は抵抗-温度特性において従来の電解銅箔を使用した電気装置とさほど差がないことが分かる。
【００１８】
これは、本発明に係る電気装置は、ＰＴＣ伝導性ポリマーおよび電極間の結合力を強化させるだけでなく、従来の電解銅箔を使用した電気装置のような抵抗-温度特性を保有することを意味する。
【００１９】
［試験例２］
湿度試験
前記実施例１によって製造された電気装置と比較例によって製造された電気装置について湿度試験前後の抵抗を測定する。その結果は下記の表1の通りである。
【００２０】
【表１】
【００２１】
前記表１に示した通り、比較例の銅電極を使用した電気装置は、湿度試験前後に抵抗値に大きな変化があることが分かる。しかし実施例1のように無電解ニッケルメッキを使用した電気装置の抵抗値は、湿度試験後に抵抗値が１０ｍΩしか減少しない。
前記試験例１、２の結果によれば、本発明に係る電気装置は従来の電解メッキまたは電着によって製造された電気装置に比べてＰＴＣ特性に優れるのみならず、ＰＴＣ伝導性ポリマーと電極との結合力が一層優秀であることが容易に分かる。
本発明に係る無電解メッキは、電解メッキまたは電着に比べて、でこぼこした表面を有する物体についても均一にメッキすることができる長所がある。
【００２２】
従って、本発明に係る電気装置は、電解銅箔上にニッケルを無電解メッキした電極を使用することによってＰＴＣ伝導性ポリマーとの機械的及び化学的な結合力に優れるのみならず、ＰＴＣ特性に優れるという利点がある。
以上、本発明に係るＰＴＣ伝導性ポリマーを有する電気装置について詳述した。しかし、詳細な説明、特定の実施例は、本発明の好ましい態様を示しているが、単に実例として示したに過ぎない。なぜなら、本発明の精神および目的の範囲内で数々の変更および修飾がこの詳細な説明から当業者にとって明らかだからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は本発明において使用された電解銅箔の表面写真を示す。
【図２】 図２は電解銅箔に１μｍの厚さで無電解ニッケルメッキした試験片の表面写真を示す。
【図３】 図３は本発明に係る電気装置を示した図である。
【図４】 図４は本発明の第１〜第３実施例に係る電気装置の抵抗−温度グラフである。
［技術分野］
本発明はＰＴＣ伝導性ポリマーを含む電気装置に係り、さらに詳しくは電解銅箔上に無電解ニッケルメッキ層を形成した電極をＰＴＣ伝導性ポリマーと結合させることによってＰＴＣ特性に優れるのみならず、電極とＰＴＣ伝導性ポリマーとの化学的及び機械的な結合力に優れるようにしたＰＴＣ伝導性ポリマーを含む電気装置に関する。
［背景技術］
ＰＴＣ伝導性ポリマーを含む電気装置は種々公知されている。伝導性ポリマーは有機重合体に伝導性充填剤が分散されているものでＰＴＣ特性を示す。
【０００２】
ＰＴＣ(Positive temperature coefficient)特性とは、比較的狭い温度領域で温度上昇に帰因して電気抵抗が急激に増加する性質を意味する。ＰＴＣ特性を有する高分子材料は定温電線(constant-temperature wire)、過電流遮断用保護装置、回路保護素子、加熱器
などに応用されている。
このような伝導性ポリマーは電気装置内で少なくも一つの電極と機械的及び化学的に結合されている。伝導性ポリマーと結合されている電極としては通常金属の板材（metal plate）が使用される。このような金属板材は伝導性ポリマーを外部電極と連結させるよう
働くと共に、伝導性ポリマーのＰＴＣ特性を損なってはいけない。そのためには金属板材
と伝導性ポリマーが電気的、機械的特性を満たせる良好な接着特性を有するべきである。
【０００３】
金属板材と伝導性ポリマーの接着力は、機械的な接着力と化学的な接着力とに大別される。機械的な接着力を向上させるためには金属板材の表面粗度を増加させる製造工程が金属板材と伝導性ポリマーとの分離を抑えるために必要である。しかし、同一な表面粗度を有する金属板材であってもポリマーに対する結合力は金属の種類に応じて相当な差を示し、これは金属とポリマーの化学的接着特性の差に起因する。天然ゴムやポリプロピレンなど多くのポリマーにおいて化学的結合力は銅、鉄、ニッケル、アルミニウム、亜鉛などのような順に増加することが知られている。このような理由から、ポリマー接着用金属板材は表面酸化、黄銅及び亜鉛を用いた表面処理、シラン系の接着剤塗布などを施す場合もある。
【０００４】
一方、金属板材の表面粗度を増加させ金属板材と伝導性ポリマーが分離されることを抑えるための代表的な方法としては電気メッキがある。印刷回路基板(printed circuit boards : 以下、'ＰＣＢ'と称する)に使われる銅下地メッキ(copper plating foil)とＰＴＣ特性を有する電気装置に使われる金属板材が現在このような方法を通して製造されている。
【０００５】
ＰＣＢ用銅下地メッキは１０〜１５０μｍの厚さを有するように製造されるが、そこに伝導性ポリマーと機械的な固定効果(Anchoring effect)を有するようピラミッド状を有するノジュール(nodule)上に球形のノジュールを形成させる。
ＰＣＢはベースプレート上に銅ホイール（foil）をラミネートさせた後そこに熱及び圧力を加えて製造される。この際銅ホイールはベースプレートに付着された後酸抵抗のような化学的抵抗、エッチング後基板の変色に対する抵抗を有すべきであり、エッチング後錆びないことが求められる。このため、ＰＣＢ用銅ホイールの表面は亜鉛、インジウム、黄銅などで構成された層でコーティングされたり(日本特許第51-35711号)、二つの層を含んだ電着(electrodeposition)された銅層を利用し(日本特許第53-39376号)てもよい。銅イオン、亜鉛イオン、タルタル酸及びアルカリを含む銅-亜鉛の電解槽で陰極によって銅ホイールの片面を電気分解させ、前記銅ホイールにクローム酸塩を処理して銅-亜鉛層を形成する場合もある(アメリカ特許第5、304、428号)。
【０００６】
その他、ＰＴＣ特性を有する伝導性ポリマーを含む電気装置に関する関連技術はアメリカ特許第4、426、633号、第4、689、475号、第4、800、253号、第5、874、885号、第5、234、573号などがある。
しかし、従来の電解メッキまたは電着によって製造された電極はその厚さが不均一であり、このことが電極がＰＴＣポリマーから分離する原因となっている。
【０００７】
これに、本発明者らはこのような問題を解決すべく鋭意研究をしてＰＣＢ用電解銅箔（foil）に無電解メッキを施して均一な厚さの電極を開発した。
［発明の開示］
本発明は電解銅箔上に均一な厚さの無電解ニッケルメッキを形成した金属電極をＰＴＣ伝導性ポリマーと結合させることによってＰＴＣ特性に優れるのみならず、電極とＰＴＣ伝導性ポリマーとの化学的および機械的な結合力が優秀な電気装置を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明はＰＴＣ(Positive Temperature Coefficient)伝導性ポリマーを含む電気装置であって、電解銅箔の両面に無電解メッキニッケル層を有する電極と、当該電極間に融着されたＰＴＣ伝導性ポリマーを有し、前記無電解メッキニッケルが均一な厚さであり、ＰＴＣ伝導性ポリマーとの結合力を十分に保証できることを特徴とする電気装置を提供する。
好ましくは、前記電解銅箔は１〜２０μｍの表面租度を有し、前記無電解メッキニッケ
ル層は０．０１〜１０μｍの厚さを有する。
［発明を実施するための最良の態様］
これらの、および本発明の他の特徴、側面および利点を以下の説明、添付した請求の範囲、該当する部品を該当する符号で訳した添付図面により、より詳細に理解される。
以下、本発明の好ましい実施態様を添付図面を用いて詳細に説明する。
【０００８】
本発明はＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）特性を有する伝導性ポリマーと無電解メッキ処理された金属電極を含む電気装置である。前記ＰＴＣ伝導性ポリマーは前記電極の間にサンドイッチ状に融着されていることを特徴とする。
前記ＰＴＣ特性を有する伝導性ポリマーは有機重合体に伝導性充填剤、架橋剤、酸化防止剤などを混合して得る。
【０００９】
この際、有機重合体としてはポリエチレン、またはエチレン-アクリル酸共重合体、エチレン-エチルアクリレート共重合体、エチレン-ビニルアセテート共重合体、エチレン-ブチルアクリレート共重合体などが使われ、特にポリエチレンが望ましい。
前記伝導性充填剤としてはニッケル粉末、金粉末、銅粉末、銀メッキされた銅粉末、金属合金粉末、カーボンブラック、炭素粉末または黒鉛が使用でき、特にカーボンブラックが望ましい。
【００１０】
前記金属電極は機械的結合力に優れるよう製造された電解銅箔上に前記ＰＴＣ伝導性ポリマーと化学的結合力に優れた金属を無電解メッキして製造される。電解銅箔の表面粗度(ＲＺ)はその製造工程において電解メッキを通して１〜２０μｍになるよう製造されたものである。本発明では電解銅箔はＬＧIndustry Co.から商業的に求めることができ、これを本発明で特に用いる。
【００１１】
前記電解銅箔に無電解ニッケルメッキを施す。無電解ニッケルメッキ手順は脱脂、酸洗い（pickling）、活性化及び敏感化処理、無電解ニッケルメッキ工程、水洗いの工程を含む。１μｍの厚さで無電解ニッケルメッキされた試験片の表面写真を図２に示す。図２によれば、試験片の表面粗度と形状にはさほど変化がないことが容易に分かる。
【００１２】
前述したように銅上にニッケルを無電解メッキ処理した金属電極２を前記ＰＴＣ伝導性ポリマー１の両面に融着させ電気装置を製造する。これを図３に示した。
本発明を実施例を挙げて一層詳述すれば次の通りである。但し、下記の実施例は本発明の一実施例にすぎず、本発明が下記の実施例に限られない。
【００１３】
【実施例１】
ポリエチレンとカーボンブラックとを混合してＰＴＣ伝導性ポリマーを製造する。電解メッキを通して表面粗度が５〜１０μｍの電解銅箔を用意する。それから、脱脂、酸洗い、活性化及び敏感化処理、無電解ニッケルメッキ、水洗い工程を通して前記電解銅箔上に１μｍの厚さで無電解ニッケルメッキ層を形成して電極を製造する。前記ＰＴＣ伝導性ポリマーの両面にサンドイッチ状に前記電極を融着させ、図３のような形態のＰＴＣ電気装置を製造する。
【００１４】
【実施例２】
ポリエチレンとカーボンブラックを混合してＰＴＣ伝導性ポリマーを製造する。電解メッキを通して表面粗度が５〜１０μｍの電解銅箔を用意する。それから、脱脂、酸洗い、活性化及び敏感化処理、無電解ニッケルメッキ、水洗い工程を通して前記電解銅箔上に１０μｍの厚さで無電解ニッケルメッキ層を形成して電極を製造する。前記ＰＴＣ伝導性ポリマーの両面にサンドイッチ状に前記電極を融着させ、図３のような形態のＰＴＣ電気装置を製造する。
【００１５】
【実施例３】
実施例１と同様な方法で電気装置を製造する。しかし無電解メッキ工程から活性化及び敏感化処理を省き、かつ酸洗い処理に引き続き無電解ニッケルメッキを施す。その後、クローム浴で置換メッキを通して前記ニッケル無電解メッキ層上にクロームを塗布する。
【００１６】
［比較例］
実施例１〜３のように、銅上にニッケルを無電解メッキする代わりに、従来に一般に使用された銅箔自体を用いた電極をＰＴＣ伝導性ポリマーに融着させ、図３のような形態の装置を製造する。
【００１７】
［試験例１］
抵抗 - 温度特性
前記実施例１〜３によって製造された電気装置の温度に依存した抵抗変化を図4に示す。前記図４によれば、本発明に係る電気装置は抵抗-温度特性において従来の電解銅箔を使用した電気装置とさほど差がないことが分かる。
【００１８】
これは、本発明に係る電気装置は、ＰＴＣ伝導性ポリマーおよび電極間の結合力を強化させるだけでなく、従来の電解銅箔を使用した電気装置のような抵抗-温度特性を保有することを意味する。
【００１９】
［試験例２］
湿度試験
前記実施例１によって製造された電気装置と比較例によって製造された電気装置について湿度試験前後の抵抗を測定する。その結果は下記の表1の通りである。
【００２０】
【表１】
前記表１に示した通り、比較例の銅電極を使用した電気装置は、湿度試験前後に抵抗値に大きな変化があることが分かる。しかし実施例1のように無電解ニッケルメッキを使用した電気装置の抵抗値は、湿度試験後に抵抗値が１０ｍΩしか減少しない。
前記試験例１、２の結果によれば、本発明に係る電気装置は従来の電解メッキまたは電着によって製造された電気装置に比べてＰＴＣ特性に優れるのみならず、ＰＴＣ伝導性ポリマーと電極との結合力が一層優秀であることが容易に分かる。
本発明に係る無電解メッキは、電解メッキまたは電着に比べて、でこぼこした表面を有する物体についても均一にメッキすることができる長所がある。
【００２２】
従って、本発明に係る電気装置は、電解銅箔上にニッケルを無電解メッキした電極を使用することによってＰＴＣ伝導性ポリマーとの機械的及び化学的な結合力に優れるのみならず、ＰＴＣ特性に優れるという利点がある。
以上、本発明に係るＰＴＣ伝導性ポリマーを有する電気装置について詳述した。しかし、詳細な説明、特定の実施例は、本発明の好ましい態様を示しているが、単に実例として示したに過ぎない。なぜなら、本発明の精神および目的の範囲内で数々の変更および修飾がこの詳細な説明から当業者にとって明らかだからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は本発明において使用された電解銅箔の表面写真を示す。
【図２】 図２は電解銅箔に１μｍの厚さで無電解ニッケルメッキした試験片の表面写真を示す。
【図３】 図３は本発明に係る電気装置を示した図である。
【図４】 図４は本発明の第１〜第３実施例に係る電気装置の抵抗−温度グラフである。
Claims (2)
- ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）伝導性ポリマーを含む電気装置において、
１〜２０μｍの範囲の表面粗度を有する電解銅箔、の両面に無電解メッキ処理されたニッケル層を含む電極と、
該電極間に融着されているＰＴＣ伝導性ポリマーとを有し、
前記無電解ニッケルメッキの厚さが均一であり前記ＰＴＣ伝導性ポリマーとの結合力に優れることを特徴とする電気装置。 - 前記無電解メッキ処理されたニッケル層の厚さが０．０１〜１０μｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の電気装置。
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