材料開発とは、求められる機能を実現するために、材料の組成、構造、物性、製造方法などを研究し、新しい材料や改良材料を生み出すことである。

熱対策材料では、例えば次のような開発が行われる。

● 熱伝導性を高めるフィラーの研究

● 樹脂と熱伝導フィラーの配合最適化

● グラファイトや炭素系材料の構造制御

● 電気絶縁性と熱伝導性を両立する材料開発

● 柔軟性を持つ熱伝導シートの開発

● 高温環境に耐える接着材料の開発

● 熱膨張を抑える複合材料の開発

● 軽量な断熱材料の開発

● 長期使用時の劣化を抑える材料開発

これらは、化学、物理、材料工学、高分子工学、界面科学などの専門知識を必要とする。

例えば、熱伝導性の高いシートを開発する場合、単純に熱を伝えやすい粉末を樹脂へ混ぜればよいわけではない。

フィラーの種類。

粒子の大きさ。

粒子の形状。

充填量。

粒子同士の接触状態。

樹脂との界面。

これらによって、熱の伝わり方が変わる。

さらに、熱伝導性を高めようとしてフィラーを多く入れると、材料が硬くなったり、加工しにくくなったりする場合がある。

つまり材料開発とは、単に一つの性能を高めることではない。

複数の物性を、求められる用途に合わせて成立させる技術なのである。

熱対策材料では、熱伝導率が重要な指標になる。

熱伝導率とは、材料がどれだけ熱を伝えやすいかを表す物性である。

一般に、熱伝導率が高い材料ほど、同じ条件では熱を伝えやすい。

しかし、熱伝導率を高めることは簡単ではない。

例えば樹脂材料は、一般に金属などと比較して熱を伝えにくい。

そこで、熱伝導性の高い粒子を樹脂へ混ぜる方法が使われる。

代表的なフィラーには、

● アルミナ

● 窒化アルミニウム

● 窒化ホウ素

● 炭化ケイ素

● グラファイト

● 金属系粒子

などがある。

ただし、これらのフィラーは、熱伝導性だけでなく、電気絶縁性、硬さ、密度、化学的安定性なども異なる。

例えば、金属系粒子やグラファイトは熱を伝えやすい一方、電気を通す性質も持つ。

半導体や電池の周辺では、熱を逃がしたいが電気は通したくないという要求がある。

その場合、熱伝導性だけで材料を選ぶことはできない。

つまり、熱対策材料の開発では、

熱を伝える性能と、他の必要機能を両立させることが重要になる。

熱伝導性を高めるために、樹脂へフィラーを多く配合することがある。

フィラー同士が接触し、熱の通り道が形成されれば、材料全体の熱伝導性が向上する場合がある。

しかし、フィラーを増やすと別の問題が生じることがある。

例えば、

● 材料が硬くなる

● 柔軟性が低下する

● 伸びにくくなる

● 脆くなる

● 密度が高くなる

● 粘度が上がる

● 成形しにくくなる

● 相手部品の凹凸へ追従しにくくなる

という問題である。

TIMでは、熱伝導率が高くても、相手部品へ十分に密着しなければ、期待した熱性能が得られない。

材料内部の熱伝導性を改善した結果、材料が硬くなり、接触熱抵抗が増えてしまうことも考えられる。

つまり、

材料単体の熱伝導率を高めることと、実際の製品の熱抵抗を下げることは同じではない。

この両立を考えることが、材料開発の難しさの一つである。

熱は、材料内部を伝わるだけではない。

実際の製品では、複数の材料を通過する。

例えば、

半導体チップ
↓
TIM
↓
放熱板
↓
冷却機構

という構造を考える。

この場合、熱の流れに影響するのは、各材料の熱伝導率だけではない。

半導体とTIMの接触状態。

TIMと放熱板の接触状態。

TIMの厚み。

圧縮状態。

表面粗さ。

気泡の有無。

これらも熱抵抗に影響する。

例えば、熱伝導率の高いTIMを採用しても、圧着が不十分で空気層が残れば、実際の熱性能は低下する可能性がある。

反対に、材料単体の熱伝導率がそれほど高くなくても、相手面へよく追従し、接触熱抵抗を小さくできれば、実装状態では有利になる場合がある。

つまり、材料メーカーが開発した性能を製品で発揮するには、材料内部の性能と界面の状態を分けて考える必要がある。

材料メーカーのカタログには、さまざまな物性値が記載されている。

例えば、

● 熱伝導率

● 熱抵抗

● 厚み

● 硬度

● 圧縮率

● 引張強度

● 伸び

● 粘着力

● 絶縁破壊電圧

● 使用温度範囲

● 難燃性

などである。

これらは材料選定に必要な情報である。

しかし、カタログ値は通常、定められた試験条件で測定された値である。

実際の製品では、使用条件が異なることがある。

例えば、

● 圧着圧力が違う

● 相手部品の表面粗さが違う

● 材料の厚みが変わる

● 使用温度が違う

● 長期間圧縮される

● 温度サイクルを受ける

● 加工時に材料へ応力が加わる

という条件である。

そのため、材料のカタログ値が同じでも、実際の製品で同じ性能になるとは限らない。

重要なのは、カタログ値を否定することではない。

カタログ値が、どのような条件で得られた数値なのかを理解することである。

そして、実際の使用条件で必要な性能を確認することである。

研究開発段階で、非常に高い熱性能を持つ材料が生まれたとする。

しかし、その材料が、

● 脆い

● 粉が出る

● 非常に柔らかい

● 粘着性が強い

● 伸びやすい

● 薄くすると破れる

● 刃物へ付着する

● 打ち抜くと欠ける

という性質を持っていた場合、量産加工が難しくなることがある。

例えば、高熱伝導性のシートを開発できたとしても、必要な形状へ打ち抜くと端面が欠ける。

小さな穴を開けると亀裂が入る。

剥離ライナーから剥がすと伸びる。

リール搬送中にシワが発生する。

このような問題があれば、材料性能が高くても、顧客の製品へ安定して組み込むことは難しい。

つまり、材料開発の成功と量産加工の成功は別である。

優れた材料ほど、加工方法の工夫が必要になる場合もある。

グラファイトシートは、面方向へ熱を広げる用途で使われる。

特に薄型電子機器では、限られた空間で熱を拡散させるために重要な材料である。

しかし、グラファイトには加工上の難しさがある。

例えば、

● 欠けやすい

● 折れやすい

● 粉が発生する

● 層間で剥がれる場合がある

● 薄膜ではシワが生じやすい

● 微細な亀裂が入る可能性がある

という問題である。

材料メーカーが高い面方向熱伝導率を実現しても、加工によって亀裂や欠けが生じれば、熱を広げる経路に影響する可能性がある。

また、導電性の粉が発生すれば、周辺回路の絶縁性にも影響することがある。

そのため、グラファイトの量産加工では、

材料を壊さず切る。

粉を抑える。

必要な形状を維持する。

絶縁フィルムと貼り合わせる。

安定して供給する。

という加工技術が重要になる。

材料メーカーがグラファイトの性能を高めることと、加工メーカーがその性能を損なわず部品へ変えることは、異なる専門技術なのである。

TIMは、発熱部品と放熱部品の間にある微小な隙間を埋め、熱を伝えやすくする材料である。

そのため、柔軟性や圧縮追従性が重要になることがある。

しかし、柔らかい材料は量産工程では扱いにくい場合がある。

例えば、

● 打ち抜き時に潰れる

● 切断後に形状が戻る

● 剥離時に伸びる

● 吸着時に変形する

● キャリア上で位置が動く

● 粘着材が端部からはみ出す

● 搬送中に部材が反る

という問題である。

材料メーカーにとっては、柔らかさが重要な性能である。

しかし加工メーカーにとっては、その柔らかさが加工難易度を高める要因になる。

つまり、同じ材料特性でも、材料開発と量産加工では評価の意味が変わることがある。

材料として必要な柔軟性を維持しながら、加工と搬送を安定させる。

ここに、加工技術の価値がある。

熱対策は、熱を逃がすことだけではない。

熱を伝えたくない場所では、断熱も重要になる。

EVやESSでは、電池セル間や周辺部品への熱の伝達を抑えるため、断熱材料が使われることがある。

代表的な材料には、エアロゲル系材料やセラミック系断熱材料などがある。

これらは用途に応じて高い断熱性能や耐熱性を持つ一方、加工時には、

● 粉落ち

● 欠け

● 割れ

● 厚み変化

● 端面崩れ

● 異物発生

などが問題になる場合がある。

特に薄い断熱部材を複雑な形状へ加工する場合、材料を壊さずに必要な寸法を作ることが難しい。

また、加工時に発生した粉が周辺部品へ付着すれば、別の品質問題につながる可能性もある。

そのため、断熱材料でも、材料性能だけでなく、加工後の形状、端面品質、異物管理、量産再現性が重要になる。

材料メーカーは、材料そのものの性能や製造条件を深く理解している。

一方、加工メーカーは、材料を切る、貼る、搬送する、剥がす、検査する工程で発生する問題を把握しやすい。

例えば、

材料メーカーでは問題なく製造できたシートが、打ち抜き工程では割れる。

材料単体では平らだったフィルムが、異種材料と貼り合わせると反る。

材料試験では粘着力が十分だったのに、自動貼付工程では剥離できない。

このような問題は、材料単体の評価だけでは見えにくい。

しかし、加工工程では顕在化する。

ここで重要なのは、材料メーカーと加工メーカーのどちらが優れているかではない。

見ている問題が違うということである。

材料メーカーは、材料の物性を成立させる。

加工メーカーは、その物性を持つ材料を、必要な形状と品質で成立させる。

両者が情報を共有することで、より実用的な材料や部材を開発できる可能性がある。

加工で問題が発生すると、材料そのものを変更したくなることがある。

例えば、柔らかいTIMが打ち抜き時に変形する。

そこで、もっと硬い材料へ変更する。

しかし硬い材料へ変更すると、相手部品への追従性が低下する可能性がある。

あるいは、グラファイトが打ち抜き時に欠ける。

そこで、より厚い材料へ変更する。

しかし厚くすると、製品内部のスペースや積層構成へ影響することがある。

このような場合、材料を変更する前に、加工方法を見直すという選択肢がある。

例えば、

● 金型構造を変更する

● 刃物形状を見直す

● 支持フィルムを追加する

● 加工順序を変更する

● 積層してから打ち抜く

● 打ち抜いてから積層する

● 搬送張力を変更する

● 剥離ライナーを見直す

● 加工速度を調整する

という方法である。

もちろん、加工条件だけでは解決できない場合もある。

その場合は材料メーカーとの共同検討が必要になる。

重要なのは、問題が発生したときに、材料と加工を切り離して考えないことである。

新しい材料が開発されても、加工できなければ用途が限定される。

一方、加工技術があっても、必要な材料性能が存在しなければ製品は成立しない。

つまり、材料開発と加工技術は補完関係にある。

材料メーカーにとって、加工メーカーとの連携には次のような意味がある。

● 新材料の加工可能性を確認できる

● 微細形状への対応可能性を評価できる

● 加工時の破損や変形を把握できる

● 積層構成を検討できる

● 顧客の自動化工程への適合性を確認できる

● 量産時の歩留まりを評価できる

● 材料改良に必要な情報を得られる

例えば、新しい高熱伝導シートを開発したとする。

材料性能は優れている。

しかし顧客が求める複雑な形状へ加工できない。

そこで加工メーカーと共同で試作を行い、どの形状なら加工できるのか、どの厚みなら安定するのかを確認する。

その結果、材料メーカーが材料の柔軟性や支持構成を改良することも考えられる。

つまり加工メーカーは、材料開発そのものを行わなくても、材料の実用化に必要な情報を提供できる。

ここで、もう一つ重要な違いがある。

材料開発と用途開発である。

材料開発は、材料そのものの組成や物性を開発することである。

一方、用途開発は、既存材料や新材料を、どのような製品や機能に使うかを考えることである。

例えば、ある熱伝導性フィルムが存在するとする。

その材料を、

● AIサーバーの熱拡散部材

● 通信機器の放熱補助部材

● 電池周辺の熱対策部材

● 小型電子機器の熱対策部材

として使えないか検討する。

これは材料そのものを新しく作ることとは違う。

さらに、その用途に合わせて、

必要な形状へ加工する。

絶縁フィルムと積層する。

粘着材を部分的に配置する。

リール供給にする。

といった部材設計を行うこともある。

つまり、材料開発を専門としなくても、用途開発や加工構成の提案によって、新しい市場を生み出せる可能性がある。

ここはOTISにとって重要な領域である。

一つの材料だけでは、製品に必要な機能を満たせない場合がある。

例えば、グラファイトは熱を面方向へ広げる性能を持つが、電気も通す。

そこで、絶縁フィルムと組み合わせる。

あるいは、放熱材を部品へ固定するために粘着材を組み合わせる。

このように、

● 放熱材＋絶縁材

● グラファイト＋粘着材

● 金属箔＋絶縁フィルム

● 断熱材＋保護フィルム

● TIM＋剥離ライナー

● 放熱材＋EMI対策材

といった複合構成が考えられる。

ただし、材料を組み合わせれば、機能が単純に足し算されるわけではない。

積層すると、

● 厚みが増える

● 界面が増える

● 熱抵抗が変わる

● 反りが発生する

● 粘着力が変わる

● 加工難易度が上がる

という問題も生じる。

そのため、複合化では材料ごとの性能だけでなく、積層後の機能を評価する必要がある。

つまり、材料そのものを開発しなくても、材料の組み合わせ方と加工方法によって、製品としての価値を高められる可能性がある。

材料研究では、少量の試料を使って性能を確認することがある。

研究室では、慎重に試料を作製できる。

測定条件を管理できる。

良好な試料を選んで評価することもできる。

しかし量産では条件が変わる。

材料ロットが変わる。

加工速度が上がる。

設備が摩耗する。

温度や湿度が変わる。

何万個、何十万個と連続生産する。

そのため、研究室で良好な性能を示した材料でも、量産工程で同じ状態を再現できるとは限らない。

例えば、材料そのものの性能に問題がなくても、加工時の厚みばらつきや積層位置ズレによって、製品ごとの熱性能が変わることがある。

つまり、

研究室で性能を実証することと、工場で性能を再現することは別の技術である。

この違いを理解することが、新材料の量産化では重要になる。

前編では、材料開発とは何か、そして材料を製品で使うときに何が起こるのかを見てきた。

熱伝導率を高めることは簡単ではない。

カタログ値だけでは、実際の性能は分からない。

グラファイト。

柔らかいTIM。

断熱材料。

いずれも、加工の段階で難しさが現れる。

そして、研究室で成功した材料が、量産で使えるとは限らない。

つまり、材料を生み出す技術と、材料を量産で使える部品にする技術は違う。

後編では、材料メーカーだけでは解決できない問題と、用途ごとに求められる性能、そしてOTISが担う役割を考える。

 

コラム監修：角本 康司 (オーティス株式会社)
語学留学や商社での企画開発を経て2011年にオーティス株式会社入社。経営企画部を中心に製造・技術部門も兼任し、2018年より代表取締役として事業成長と組織強化に努めている。

 

※本記事は教育・啓発を目的とした一般的な技術解説であり、特定企業・製品・技術を示すものではありません