産業技術総合研究所（産総研）は５月15日、東京大学大学院新領域創成科学研究科の長谷川瑠偉大学院生（産総研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リサーチアシスタント兼務）と、同研究科の伊藤剛仁准教授、寺嶋和夫教授（産総研所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兼務）らによる研究チームが、窒化ホウ素フィラーと、環動高分子のポリロタキサンを複合化し、金属のように熱を通す絶縁体のゴムシートを開発したと発表した。
水中プラズマ技術で表面を改質したフィラーを高分子溶液に分散し、電界強度を従来の50倍に高めたパルス交流電界をシート厚み方向に印加してフィラーの配向度を高めたシートを成形した。これにより、ゴムのように柔らかく、シート厚み方向の熱伝導率が金属並みに高い絶縁体のゴムシートを実現した。このゴムシートは、スマートフォンなどの電子部品の放熱シートへの応用が期待される。
コンピュータやスマートフォン、ウェアラブルデバイスなどでは、高機能化及び省スペース化に伴い、電子部品からの発熱密度が拡大し続けている。そこで、その熱を放熱部品に逃がして、電子部品の昇温と誤動作を防ぐ、熱層間材と呼ばれる放熱シートが必要であり、熱層間材は、シートの厚み方向の高い熱伝導性だけでなく、様々な形の電子部品に密着して熱を受け渡すための柔軟性や、外部から電子部品を電気的に保護する絶縁性も併せ持つ必要がある。しかし従来、金属並みの10Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率と、ゴムのような柔らかさの指標となる１００ＭＰａ（メガパスカル）以下のヤング率に加え、電気絶縁性をも兼ね備える熱層間材は実現していなかった。
同研究チームは産総研と共同で、環動高分子ポリロタキサンを母材として、水中プラズマにより表面改質した高熱伝導性の窒化ホウ素フィラーを加えた、しやなかで放熱性に優れたゴム材料を開発してきた。ポリロタキサンは、直鎖高分子（ポリエチレングリコール）と、その上で動く環状分子（シクロデキストリン）からなる超分子の一種で、その環状分子を架橋点とするゴムは、伸びやすくちぎれにくい性質を持っている。
この高分子に均一にフィラーを分散させるために、水中プラズマ処理により表面に水酸基などの官能基を導入（改質）した。窒化ホウ素フィラーは、板状の単結晶構造を持ち、板面に沿った方向に高い熱伝導性を持つため、ゴムと複合化する際にフィラーの板面が互いにそろうように配向させる必要があり、表面改質したフィラーを、高分子溶液中で配向させる際、従来の正弦波交流電界では電界強度の不足や、長時間の印加で生じる誘電加熱により溶液のゲル化が促進され、十分な配向ができなかった。
そこで今回、パルス交流電界を採用し、電極配置を改良することで、電界強度を従来の50倍に高めたことにより、短時間の印加で高分子のゲル化を抑制しながら窒化ホウ素フィラーの配向度を高めることが可能になった。
従来の正弦波交流電界印加では、フィラー濃度が30重量％以上では配向困難であることが報告されてきたが、今回のパルス交流電界印加では、世界的に高いレベルの最大65重量％でも配向を示すことができた。
同時に、このシートは電気的に絶縁体であることも分かり、金属のように熱を通す絶縁体のゴムシートであるため、多くの電子デバイス放熱に応用可能な新しい熱層間材の実用化が期待できる。
今後は、フィラーの電界配向条件や複合化条件をさらに最適化して、熱伝導性と柔軟性の向上を図っていく。企業と共同で、熱層間材の実用性能や耐久性を高める研究を行ない、放熱シートとしての実用化を目指す。
