JP6771195B2 - 断熱材およびそれを使用した機器と断熱材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子機器等で使用される断熱材の中でも、特に放熱材と積層して用いられる断熱材に関するものである。

近年、スマートフォン、タブレット、ノートパソコンなどＩＣＴ（ Information and
Communication Technology ）と言われる情報通信技術分野の電子機器の高性能化が進むにつれ、ＣＰＵなどの発熱部品からの発熱密度は急激に増加しており、これらの電子機器における熱拡散技術が必須となってきている。

従来、機器表面の温度上昇を低く抑えながらも機器内部の発熱部品の熱を放熱することができる断熱材として、シリカエアロゲルシートとグラファイトシートとを積層した複合シートが考えられる（特許文献１）。

グラファイトシートは、厚み方向の熱伝導率よりも面内の熱伝度率が高く、１０倍以上の異方性を持つため、発熱部品からの発熱を面内に散らすことができる。また、シリカエアロゲルシートは、不織布にナノサイズの多孔質構造を有するシリカエアロゲルを坦持させたものである。

シリカエアロゲルとは、図３に示すように１ｎｍ程度の径をもつシリカ１次粒子３０１が集合して形成された１０ｎｍ前後の径を持つシリカ２次粒子３０２が、１０〜６０ｎｍ程度の粒子間距離の空隙３０３をもつ網目構造の集合体である。

この粒子間距離が空気（窒素分子）の平均自由工程以下であるため、熱伝導率は０．０１５〜０．０２４Ｗ／ｍＫと非常に低くなり、常温の静止空気の熱伝導率である０．０２６Ｗ／ｍＫ以下にすることができる。従って、熱伝導率の低いエアロゲルシートを積層することにより、グラファイトシートで面内に散らした熱が筐体に伝わるのを抑制することができる。

しかしながら、不織布にナノサイズの多孔質構造を有するシリカエアロゲルを坦持させたシリカエアロゲルシートは、シリカエアロゲルのシリカ２次粒子３０２同士の結合力が小さく極めて脆弱であるため、外部から応力が加わると、シリカエアロゲルシート表面の不織布の開口部に存在している１００μｍ〜２００μｍ角のシリカエアロゲル片が電子機器内に脱離する。

さらに、電子機器内に脱離したシリカエアロゲル片は、外部からの応力を緩和する不織布に坦持されていない状態となるため、粉砕されて大量のシリカ粒子の微粉となり、電子機器内に飛散し、接触不良等の不具合を引き起こす。

従って、エアロゲルシートの少なくとも片面、もしくは両面の表面において、不織布にナノサイズの多孔質構造を有するシリカエアロゲルを坦持させたものである不織布に外部応力が加わった際、シリカエアロゲルが脱離するのを抑制することが必要である。

シリカ粒子の微粉が飛散するのを防止するため、放熱材と断熱材とを特許文献２のように絶縁フィルムでラミネートした状態で配置することも考えられる。
また、特許文献３のように、断熱材をアルミナからなるコーティング層で被覆することもできる。

特開２０１５−８４４０２号公報 特表平１１−５１３４３１公報 特開２０１１−１６２９０２号公報

しかしながら、特許文献２のように断熱材表面に絶縁フィルム材料を使用すると、絶縁フィルム材料を介することにより断熱材の熱伝導率の上昇や、ラミネート材の種類により使用温度域が制限されることなどの問題がある。

また、特許文献３のように、断熱材の表面にアルミナからなるコーティング層を設けた場合には、断熱材への濡れ性改善を目的して添加した界面活性剤入りの塗布液を塗布すると、表面張力の大きい水がシリカエアロゲルの細孔内に浸透する。

その後の乾燥工程において細孔内の水を揮発させる際に、シリカエアロゲル骨格の収縮を促進する毛管力が働き、収縮してしまう。このことにより細孔を潰してしまうため、固体熱伝導率が高くなり、熱伝導率が悪化するといった課題がある。

そこで本発明では、上記課題に鑑み、シリカエアロゲルの構造を保持して熱伝導率の悪化を抑制し、断熱材表面において不織布表面に存在しているシリカエアロゲル片が脱離・破壊し、大量のシリカエアロゲル微粉が電子機器内に飛散することを抑制できる断熱材を提供することを目的とする。

本発明の断熱材は、第１繊維にシリカエアロゲルを坦持させた第１複合層と、第２繊維にシリカエアロゲルを坦持させた第２複合層との積層体であり、前記第１繊維と前記第２繊維とで、目付量が異なり、前記第２繊維の目付量が前記第１繊維よりも大きく、前記第２繊維の目付量が２４ｇ／ｍ ^２ 以上３４ｇ／ｍ ^２ 以下である、ことを特徴とする。

また、本発明の断熱材の製造方法は、目付量が異なる第１繊維と第２繊維のうちの第１繊維の少なくとも片面に第２繊維を積層した積層体を、ゾル液に浸漬し、前記積層体に含浸したゾル液をゲル化させた後に、ロール間に通すことで所望の厚みに成形し、前記積層体の中のシリカ粒子を成長させた多孔質構造を形成し、これにシリカエアロゾルを担持させる、ことを特徴とする。
また、本発明の断熱材の製造方法は、目付量が異なる第１繊維と第２繊維のうちの目付量が小さい方の第１繊維にゾル液を含浸させ、ゾル液のゲル化が進行中の第１繊維の少なくとも片面に、シリカエアロゾルを含まない第２繊維を重ね合わせ、ロール間に通すことで所望の厚みに成形して、第２繊維に第２繊維のゾル液を含浸させ、第２繊維と第１繊維の中のシリカ粒子を成長させた多孔質構造を形成し、これにシリカエアロゾルを担持させる、ことを特徴とする。

本発明によれば、ラミネートによる熱伝導率シリカエアロゲルの構造とそれに紐づく熱伝導率を保持したまま、第１複合層の表面付近のシリカエアロゲル片が脱離・破壊するのを第２複合層によって抑制することができる。結果、熱伝導率が低くかつシリカ微粉の脱離量を大幅に抑制できる断熱材を実現できる。

本発明の実施の形態１の断熱材の拡大断面図 スマートフォンの筐体部分の断面図 シリカエアロゲルの一部を拡大した模式図 比較例の断熱材の拡大断面図 （ａ）〜（ｄ）目付量の異なる繊維にシリカエアロゲルを担持させた表面状態を示す図 （ａ）〜（ｃ）実施の形態の断熱材の製造方法を示す図 実施の形態の断熱材の別の製造方法を示す図 断熱材における繊維の目付量と熱伝導率の関係を示す図 断熱材における繊維の目付量とシリカエアロゲルの脱離数の関係を示す図 本発明の実施の形態２の断熱材の拡大断面図

以下、本発明の各実施の形態を図に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態における断熱材１００の一例を示す。

断熱材１００は、不織布の第１繊維１０１にナノサイズの多孔質構造を有するシリカエアロゲル１０２を坦持させた第１複合層１０３と、この第１複合層１０３の表面に設けられた第２複合層１０５とを合わせることで構成されている。第２複合層１０５は、不織布の第２繊維１０４にナノサイズの多孔質構造を有するシリカエアロゲル１０２を坦持させて構成されている。

第１複合層１０３を構成している第１繊維１０１と、第２複合層１０５を構成している第２繊維１０４とは、目付量が異なる繊維にて構成されている。目付量とは、単位面積１ｍ^２あたりに占める繊維の重量である。

＜断熱材１００の熱伝導率＞
この実施の形態では、ＩＣＴの携帯機器などのように筐体内のスペースが限られた電子機器に、断熱材１００が使用されている。ここでは、一例としてスマートフォンの断面図を図２に示す。

このスマートフォンでは、上ケース２０１ａと下ケース２０１ｂとで囲まれた筐体内部に、液晶パネル２０２、基板２０３とそれに設置された発熱部品であるＣＰＵ２０４およびＩＣ部品２０５、ＣＰＵ２０４に接触して配置される放熱材としてのグラファイトシート２０６が配置されている。この例では２枚の断熱材１００が使用されている。これを断熱材１００ａ，１００ｂとする。

上ケース２０１ａとグラファイトシート２０６との間に介装されている断熱材１００ａは、上ケース２０１ａとグラファイトシート２０６に密着している。断熱材１００ａの第１複合層１０３はグラファイトシート２０６に密着している。上ケース２０１ａとグラファイトシート２０６との隙間の厚みは、０．５ｍｍ以下が求められている。

下ケース２０１ｂと基板２０３の背面側に実装されたＩＣ部品２０５との間に介装されている断熱材１００ｂは、ＩＣ部品２０５と下ケース２０１ｂに密着している。断熱材１００ｂの第１複合層１０３はＩＣ部品２０５に密着している。下ケース２０１ｂとグラファイトシート２０６との隙間の厚みは、０．５ｍｍ以下が求められている。

そこで、０．５ｍｍ以下のスペースで使用するという断熱材１００の条件からは、断熱材１００の熱伝導率は、０．０５Ｗ／ｍ・Ｋ以下が良い。断熱材１００の熱伝導率が、０．０５Ｗ／ｍ・Ｋより大きいと、発熱部品から発せられた熱の断熱効果が低い。

＜第１複合層１０３の構成＞
断熱材１００の主体となる部分である第１複合層１０３は、シリカエアロゲル１０２の製造過程で、ゲル原料を第１繊維１０１に含浸させる。その後、ゲル原料を反応させて湿潤ゲルを形成する。最後に、湿潤ゲル表面を疎水化、熱風乾燥することにより得られる。

第１繊維１０１の繊維径は、０．１〜３０μｍであることが望ましい。第１繊維１０１の繊維径が３０μｍより大きくなると、第１繊維１０１を通じて熱が伝達しやすくなるため、熱伝導率が上昇し、断熱性が悪化してしまうためである。第１繊維１０１の繊維径が０．１μｍより小さくなると、断熱材１００に外力が付加された際に、シリカエアロゲルに応力が付加するのを緩和することが出来ず、シリカエアロゲルが破壊されやすくなる。

第１繊維１０１の目付量は、２０〜３０ｇ／ｍ^２であることが望ましい。
第１繊維１０１の目付量が３０ｇ／ｍ^２より大きくなると、第１繊維１０１間に充填できるシリカエアロゲル１０２が少なくなるため、熱伝導率が上昇し、断熱性が悪化してしまうためである。

また、第１繊維１０１の目付量が２０ｇ／ｍ^２より小さくなると、断熱材１００に外力が付加された際に、シリカエアロゲルに応力が付加するのを緩和することが出来ず、シリカエアロゲルが破壊されやすくなる。

第１繊維１０１の材質としては、無機繊維系のグラスウールやロックウール、天然系の羊毛断熱材やセルロース断熱材、発泡セラミックス、炭化発泡コルク、樹脂系断熱材としてのウレタンフォーム、フェノールフォーム、ポリスチレンフォームなどを利用することができる。これらの中でも、放熱材であるグラファイトシート２０６との良好な接着性を考慮すれば、樹脂系断熱材がより好ましい。

＜第２複合層１０５＞
第２複合層１０５は、断熱性能を極力保持しつつ、第１複合層１０３からのシリカエアロゲル片の脱離を防止する効果がある。

第２繊維１０４の厚みは、０．０２ｍｍ〜０．０５ｍｍが良い。厚みが０．０２ｍｍより小さい場合、繊維の目付量の確保が難しい。厚みが０．０５ｍｍより大きい場合、熱伝導率が悪化するからである。

第２繊維１０４の繊維径は、第１繊維１０１の場合と同様の理由で、０．１〜３０μｍであることが望ましい。
（比較例）
図１に示した実施の形態１とは構成が異なり、機器表面の温度上昇を低く抑えながらも機器内部の発熱部品の熱を放熱することができる断熱材の例を、比較例として図４に示す。この比較例は、シリカエアロゲルシートとグラファイトシートとを積層した複合シートであって、次のようにしてシリカエアロゲル片の脱離を防止している。

グラファイト層４０３と断熱層４０２の複合シートのグラファイト層４０３の面が、基板４０６に実装された発熱部品４０５に、両面テープ４０４を介して密着し、複合シートの断熱層４０２の面が、絶縁フィルム４０１を介して筐体４００に当接している。

絶縁フィルム４０１は、シリカエアロゲル片の脱離を防止に対し効果的であるが、熱伝導率が高く断熱効果を低下させる欠点がある。たとえば、上記図２のように、上ケース２０１ａ，下ケース２０１ｂとＣＰＵ２０４の隙間の厚みが０．５ｍｍ以下の場合、０．０５ｍｍの絶縁フィルムを用いた場合の熱伝導率は０．０８Ｗ／ｍ・Ｋとなり、断熱効果が大きく低下する。

＜シリカエアロゲル１０２＞
次に、実施の形態１の第１繊維１０１，第２繊維１０４に担持させるシリカエアロゲルの構造について詳しく説明する。

シリカエアロゲル１０２は、図３に示したように１ｎｍ程度の径をもつシリカ１次粒子３０１が集合して形成された１０ｎｍ前後の径を持つシリカ２次粒子３０２が、１０〜６０ｎｍ程度の粒子間距離の空隙３０３をもつ網目構造の集合体である。

シリカエアロゲル１０２は、水ガラスやテトラメトキシシランのような金属アルコキシドをゲル原料として、水やアルコールなどの溶媒と必要に応じて触媒を混合することで、溶媒中でゲル原料と反応させ湿潤ゲルを形成し、内部の溶媒を乾燥させたものである。

しかしながら、湿潤ゲルを普通に熱風乾燥させたものは、溶媒が乾燥するときの表面張力により、収縮してしまい空隙３０３を潰してしまい、断熱材として機能しない。従って、溶媒が乾燥するときに表面張力がほとんど働かないように、超臨界乾燥、あるいは湿潤ゲルの表面のシラノール基を、シリル化剤を用いてシリル化することにより疎水化した後に熱風乾燥することが必要になる。

＜第２繊維１０４の目付量と熱伝導率＞
第２繊維１０４の材質としては、第１繊維１０１と同じように、無機繊維系のグラスウールやロックウール、天然系の羊毛断熱材やセルロース断熱材、発泡セラミックス、炭化発泡コルク、樹脂系断熱材としてのウレタンフォーム、フェノールフォーム、ポリスチレンフォームなどを利用することができる。

第２複合層１０５中の第２繊維１０４における目付量の違いによる熱伝導率を下記の表１に示す。

図８に目付量と熱伝導率の関係を示す。目付量を２０，３５，４０，４５と変化させた場合の表面状態を図５（ａ）〜図５（ｄ）に示す。図５の拡大倍率は何れも同じで２０倍である。

目付量が増加するにつれ、繊維間は短く、緻密になる。結果、第２繊維１０４間に充填できるシリカエアロゲル１０２が少なくなる。このため、熱伝導率が上昇している。繊維単体での熱伝導率は０．０５Ｗ／ｍ・Ｋである。この結果から、繊維単体においても熱伝導率が絶縁フィルム以下であることが判る。上記にように、熱伝導率は０．０５Ｗ／ｍ・Ｋ以下ならよい。

したがって、第２複合層１０５は、シリカゲルを含まない繊維単体でも問題はない。つまり、熱伝導率からは、目付量に制限はない。しかし、熱伝導率が低いほど断熱性はよくなるので、第２繊維１０４にシリカエアロゲルを担持させることが望ましい。

図８からわかるように、目付量２４〜３４ｇ／ｍ^２で、熱伝導率は一定である。熱伝導率が変化しない場合、目付量を多くした方が、シリカエアロゲル片の脱離を防げる。よって、２４ｇ／ｍ ^２ 以上３４ｇ／ｍ ^２ 以下の目付量を使用するのが好ましい。

次に、目付量とシリカエアロゲル片の脱離との関係を示す。
＜第２繊維１０４の目付量と発塵の抑制＞
図９に目付量とシリカエアロゲル片の脱離数を示す。目付量２０ｇ／ｍ^２の粉落ち数を１として各それぞれのシリカエアロゲル片の脱離数を計測した。

目付量が大きくなるにつれシリカエアロゲル片の脱離数は、減少している。
目付量の増加に伴い、シリカエアロゲル片の脱離数が減少する理由として、図５（ａ）〜図５（ｄ）に示したように目付量の増加に伴い、シリカエアロゲル片のサイズも小さくなり繊維と絡み合う構造となるためである。

第１繊維１０１と第２繊維１０４の目付量を変える効果について説明する。
第１複合層１０３の断熱特性を向上させるには第１繊維１０１の目付量を少なくし、シリカエアロゲルを増加させるほど断熱特性は向上する。一方、シリカエアロゲルの増加に伴い機械的強度が低下しシリカエアロゲル片が脱離する欠点がある。そこで、第２繊維１０４の目付量を増加させることでシリカエアロゲルが第２繊維１０４に絡まりシリカエアロゲル片の脱離を抑制する効果がある。

＜断熱材１００の製造方法＞
断熱材１００の製造方法の一例を図６に示す。
はじめに、図６（ａ）に示すように、目付量の異なる第１繊維１０１（目付量１２ｇ／ｍ^２、厚み０．０７ｍｍ、寸法１２ｃｍ□）と第２繊維１０４（目付量３４ｇ／ｍ^２、厚み０．０４ｍｍ、寸法１２ｃｍ□）を合わせ、第１繊維１０１を下にして水槽６０４のゾル液６０２に浸漬してゾル液６０２を含浸させる。

ゾル液６０２に浸漬させる場合には、第２繊維１０４を下にしてゾル液６０２に浸漬するよりも第１繊維１０１を下にしてゾル液６０２に浸漬させた方が含浸時間を短縮できる。

または、図６（ｂ）に示すようにディスペンサ６０１を用いてゾル液６０２を供給する場合には、第２繊維１０４を下にして含浸させるとよい。
図６（ａ）と図６（ｂ）の何れの場合にも、ゾル液６０２は、高モル珪酸ソーダ（珪酸水溶液、Ｓｉ濃度１４％）に触媒として濃塩酸（１２Ｎ）を１．４ｗｔ％添加し攪拌することにより調合する。

図６（ａ）と図６（ｂ）の何れの場合にも、ゾル液６０２を含浸させた後に、室温２３℃で約２０分間放置し、ゾルをゲル化させる。このとき、ゲル化を促進し、時間短縮を行うため、ヒーターなどで約５０℃〜１３０℃に加熱させてもよい。次に、図６（ｃ）に示したように２軸ロール６０３等の間を通過させて所望の厚みに形成する。

次に、容器に、乾燥防止のために純水を注ぎ、８０℃の恒温槽に１２時間入れて、シラノールの脱水縮合反応を促進することにより、シリカ粒子を成長させ、多孔質構造を形成する。

次に、ゲルシートを塩酸（６〜１２Ｎ）に浸漬後、常温２３℃で１時間放置してゲルシートの中に塩酸を取り込む。
次に、ゲルシートを、例えばシリル化剤であるオクタメチルトリシロキサンと２−プロパノール（ＩＰＡ）の混合液に浸漬させて、５５℃の恒温槽に入れて２時間反応させる。トリメチルシロキサン結合が形成され始めると、ゲルシートから塩酸が排出され、上層がトリシロキサン、下層が塩酸水に２液分離する。

次に、ゲルシートを１５０℃の恒温槽に移して２時間乾燥させることにより、第１繊維１０１、第２繊維１０４のように、ナノサイズの多孔質構造を有する繊維にシリカエアロゲルを坦持させた第１複合層１０３および第２複合層１０５を有する断熱材１００ができる。

第１複合層１０３と第２複合層１０５のシートを作製する方法として、以下の別の方法がある。
図７のように第１複合層１０３の第１繊維１０１に、第１繊維１０１の嵩密度以上のゾル液６０２を含浸させる。その後、ゲル化が進行すると同時に、この第１繊維１０１に、シリカエアロゲル１０２またはゾル液６０２を含まない第２繊維１０４を重ね合わせ、ゾルをゲル化させ、２軸ロール６０３の間を通過させて、所望の厚みとする。

上記により、本発明の特徴である断熱材１００は、ナノサイズの多孔質構造を有する繊維にシリカエアロゲルを坦持させた第１複合層１０３の表面に、目付量が第１複合層１０３とは異なる第２複合層１０５を有する断熱材を製作することができる。

これにより、シリカエアロゲルの構造を保持し、熱伝導率を悪化させないまま、断熱材表面においてシリカエアロゲル片が脱離・破壊し、大量のシリカエアロゲル微粉が電子機器内に飛散することを抑制することができる。

なお、第１複合層１０３と第２複合層１０５の間の接着は、両層に位置するシリカエアロゲル１０２によって連結されている。
（実施の形態２）
実施の形態１では第１複合層１０３の片側の表面に第２複合層１０５が形成されていたが、図１０に示すように第１複合層１０３の両側の表面に第２複合層１０５を形成することもできる。

この場合の製造方法は、目付量が異なる第１繊維１０１と第２繊維１０４のうちの第１繊維１０１を中央に挟んで両面に第２繊維１０４を積層した積層体を作成し、これをゾル液に浸漬し、前記積層体に含浸したゾル液をゲル化させた後に所望の厚みに成形し、前記積層体の中のシリカ粒子を成長させた多孔質構造を形成してシリカエアロゾルを担持させる。

または別の方法として、目付量が異なる第２繊維１０４と第１繊維１０１のうちの第１繊維１０１に嵩密度以上のゾル液を含浸させ、ゾル液のゲル化が進行中の第１繊維１０１を中央にしてその両側に、シリカエアロゾルを担持していない第２繊維１０４を重ね合わせ所望の厚みに成形して、第２繊維１０４に第１繊維１０１のゾル液を含浸させ、第２繊維１０４と第１繊維１０１の中のシリカ粒子を成長させた多孔質構造を形成してシリカエアロゾルを担持させて作成することもできる。

この図１０の断熱材１００を、図２に示したスマートフォンの断熱材１００ａ，１００ｂとして使用できる。

本発明の製造方法によって製造される断熱材は、熱伝導率を保持したまま表面のシリカエアロゲル片の脱離を抑制できるものであって、広く各種の電子機器に利用することができる。情報機器、携帯電話機、ディスプレイなど、発熱を伴う製品へ応用できる。

１００ 断熱材
１０１ 第１繊維
１０２ シリカエアロゲル
１０３ 第１複合層
１０４ 第２繊維
１０５ 第２複合層
２０１ａ 上ケース
２０１ｂ 下ケース
２０２ 液晶パネル
２０３ 基板
２０４ ＣＰＵ
２０５ ＩＣ部品
２０６ グラファイトシート
３０１ シリカ１次粒子
３０２ シリカ２次粒子
３０３ 空隙
６０１ ディスペンサ
６０２ ゾル液
６０３ ２軸ロール

Claims (6)

1. 第１繊維にシリカエアロゲルを坦持させた第１複合層と、
   第２繊維にシリカエアロゲルを坦持させた第２複合層と
   の積層体であり、
   前記第１繊維と前記第２繊維とで、目付量が異なり、
   前記第２繊維の目付量が前記第１繊維よりも大きく、前記第２繊維の目付量が２４ｇ／ｍ^２以上３４ｇ／ｍ^２以下である、断熱材。
2. 前記第１複合層の厚みが前記第２複合層より厚く、前記第２複合層の厚みが０．０２ｍｍ〜０．０５ｍｍであることを特徴とする、請求項１に記載の断熱材。
3. 前記第１繊維と前記第２繊維は、繊維径が０．１〜３０μｍであることを特徴とする、請求項１または２に記載の断熱材。
4. 発熱箇所と筐体の間に、放熱材と請求項１〜３のいずれか１項記載の前記断熱材が積層して配置されている、機器。
5. 目付量が異なる第１繊維と第２繊維のうちの第１繊維の少なくとも片面に第２繊維を積層した積層体を、ゾル液に浸漬し、
   前記積層体に含浸したゾル液をゲル化させた後に、ロール間に通すことで所望の厚みに成形し、
   前記積層体の中のシリカ粒子を成長させた多孔質構造を形成し、これにシリカエアロゾルを担持させる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の断熱材の製造方法。
6. 目付量が異なる第１繊維と第２繊維のうちの目付量が小さい方の第１繊維にゾル液を含浸させ、
   ゾル液のゲル化が進行中の第１繊維の少なくとも片面に、シリカエアロゾルを含まない第２繊維を重ね合わせ、ロール間に通すことで所望の厚みに成形して、第２繊維に第２繊維のゾル液を含浸させ、
   第２繊維と第１繊維の中のシリカ粒子を成長させた多孔質構造を形成し、これにシリカエアロゾルを担持させる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の断熱材の製造方法。