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開発東京大学と産総研

東京大学は2024年5月15日、同大学大学院新領域創成科学研究科の研究チームが、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。ゴム弾性を維持しつつ、厚み方向に金属的な熱伝導率を実現している。

熱層間材と呼ばれる放熱シート材は、シートの厚み方向の高い熱伝導性だけでなく、柔軟性や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なかった。

研究チームは産業技術総合研究所と共同で、環動高分子ポリロタキサンを母材に、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つ。この高分子にフィラーを均一に分散させるため、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。

今回、パルス交流電界を採用し、電極配置を改良。従来の50倍に電界強度を高めたことにより、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られた。

ゴム複合材料中のBNフィラー（平均粒径7μm）の電界配向と構造評価結果。
（左図）X線回折パターン。電界印加のない場合に大きな (002)面のピーク強度が、電界印加によって小さくなるとともに、(100)面や(101)面のピーク強度が大きくなり、平板状フィラーが厚み方向に配向したことを示す。
（中央）窒化ホウ素フィラーと高分子の複合化の模式図。電界印加なし（下）に対し、パルス交流電界の厚み方向印加でフィラー配向が可能。
（右図）X線CT像。黒色の窒化ホウ素フィラーが電界印加方向に整列する像が確認できる。

従来の正弦波交流電界印加では、フィラー濃度が30重量％以上では配向困難だったが、今回のパルス交流電界印加は、世界的に高いレベルの最大65重量％でも配向を示した。実際に、パルス交流電界印加した窒化ホウ素フィラーとゴムの複合シートは、厚み方向の熱伝導率が金属並みに高い11W/mKの値を示している。

窒化ホウ素フィラー複合ゴムシートの熱伝導率。
平均粒径が7μmと0.2μmの2種類のフィラーを9:1の割合で、合計65重量％の濃度で複合化。
（左）ポリロタキサンを構成する高分子を架橋させる際に電界印加を行わない場合。平板上フィラーが自然にシート面内配向して積み重なるため、面内方向の熱伝導率が厚み方向の2倍以上の値を示す。
（右）高分子を架橋させる際にパルス交流電界印加を行った場合。厚み方向の熱伝導率が面内方向に比べ3倍程度となり、異方性が変化している。

また、このシートはヤング率がゴムレベルの低い値となる58MPaを示した。体積電気抵抗率は1.9×10¹¹Ω･cmであり、電気的に絶縁体であることもわかった。これは既存の材料とは異なる新領域の材料、金属のように熱を通す絶縁体のゴムシートで、多くの電子デバイス放熱に応用できる新しい熱層間材の実用化が期待できる。

ヤング率と熱伝導率の関係。従来工業材料と今回のゴム複合シートの比較。

今後、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、熱伝導性と柔軟性を向上させ、放熱シートとしての実用化を目指す。

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開発　東京大学と産総研