高い放熱性能を持つゴム複合材料を開発

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しなやかで壊れにくい、フレキシブルデバイスに使用できる材料

2018/03/06 産総研 東京大学

ポイント

  • ネックレス状構造の高分子と高熱伝導性無機粒子からなる高い放熱性能を持つゴム複合材料
  • 水中プラズマ表面改質により無機粒子の高分子への分散性などを高めて機械特性を改善
  • パワースーツなどのフレキシブルエレクトロニクス機器の高放熱性基板としての応用に期待

概要

国立研究開発法人 産業技術総合研究所【理事長 中鉢 良治】(以下「産総研」という) 産総研・東大先端オペランド計測技術オープンイノベーションラボラトリ【ラボ長 雨宮 慶幸】タフコンポジット材料プロセスチーム 伯田 幸也 ラボチーム長、後藤 拓 リサーチアシスタント(東京大学大学院新領域創成科学研究科 大学院生)と国立大学法人 東京大学【総長 五神 真】(以下「東大」という)大学院新領域創成科学研究科 寺嶋 和夫 教授 (産総研・東大 先端オペランド計測技術オープンイノベーションラボラトリ 特定フェロー)らは、環動高分子のポリロタキサンと、水中プラズマ技術で表面改質した窒化ホウ素のフィラーからなる高熱伝導率エラストマー複合材料(コンポジット)を開発した。

今回、水中プラズマ技術により界面活性剤を使わずに表面を改質して高分子への分散性などを高めた窒化ホウ素フィラーと、環状分子と直鎖高分子から構成される超分子の一種であるポリロタキサンを複合化して、柔軟性と高い熱伝導性とを併せ持ち、かつ壊れにくいエラストマーコンポジットを開発した。今回開発したエラストマーコンポジットは、しなやかさと放熱性が求められるフレキシブルエレクトロニクスデバイス用基板などへの応用が期待される。

なお、この技術の詳細は、2018年3月5日(米国東部時間)に国際誌Applied Physics Lettersに掲載される。

水中プラズマ表面改質技術(左上)を用いて作製したエラストマーコンポジット(左下)と従来材料との比較(右)の図

水中プラズマ表面改質技術(左上)を用いて作製したエラストマーコンポジット(左下)と従来材料との比較(右)

開発の社会的背景

最近、自由に折り曲げられるディスプレーを備えた腕時計型端末や電子ペーパー、動力を備えて人の動きを補助する装着型ロボットなどのフレキシブルデバイスが、医療、製造、エネルギーなど幅広い分野で注目を集めている。これらのフレキシブルデバイスの基板には、柔軟で放熱性が高い材料が必要とされる。例えば、腕に装着するウエアラブル健康管理デバイスのフレキシブル基板には、電源モジュール、CPU、メモリー、体温や酸素などのセンサーが配置されており、多機能化や高速化に伴いこれら電子部品からの発熱量が増加し、より放熱性の高いフレキシブル基板が求められている。フレキシブル基板のベースフィルムには、ポリイミド系高分子と高熱伝導性フィラー(グラスファイバー、グラファイトなど)のコンポジットが用いられるが、柔軟性が低く、体への装着性に課題がある。

一般に、柔軟な高分子に、熱伝導性の高い無機フィラーを複合化したコンポジットの場合、基板の放熱性を高めるために無機フィラー濃度を増すと、柔軟性などの機械的特性が失われ、脆くなる。これは、無機フィラーの凝集と分散性の低下や、無機フィラーと高分子の界面で生じるエネルギー損失によると考えられている。無機フィラーの凝集を抑制しつつ、分散性を向上するには、界面活性剤を用いる化学修飾法が有効である。しかし、フィラー濃度の増加とともに化学修飾剤濃度も著しく増加するため、修飾の不均一化や分散液の高粘性化が生じて、無機フィラーの分散性が低下し、機械的特性が悪化してしまう。このため、高いフィラー濃度のエラストマーコンポジットの新たな製造技術が求められている。

研究の経緯

東大 寺嶋 教授らは、水中や超臨界流体中など高温高圧流体中でのプラズマ発生・診断・物質変換に関する研究を行ってきた。また、産総研では、プラズマや超臨界流体を利用したナノ粒子製造技術に関する研究を行ってきた。一方、共同研究者である東大 大学院新領域創成科学研究科 伊藤 耕三 教授らは、従来にない完全弾性特性を示す環動高分子、ポリロタキサンゲルを開発し、その応用研究を進めてきた。

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