高性能エレクトロニクス向けナノ導電性接着剤

超音波分散装置は、高性能エレクトロニクスおよびナノエレクトロニクス向けの高性能接着剤の製造において、信頼性の高い混合・粉砕技術として使用されています。高性能エレクトロニクスの製造では、ナノ導電性接着剤などの接着剤に高い需要があります。このような高性能接着剤は、例えば代替の相互接続材として使用され、スズ／鉛はんだを置き換えることができます。

高性能エレクトロニクス向け高性能接着剤

高性能エレクトロニクスの製造には、金属に対する高い接着性と、熱的分離および絶縁のための熱伝導性を備えた接着剤が必要です。電気伝導性または絶縁性、熱伝導性、引張強度、ヤング率、柔軟性などの望ましい機能特性を得るために、銀、ニッケル、グラフェン、酸化グラフェン、カーボンナノチューブ（CNTs）などのナノ粒子が、エポキシ樹脂やポリマーに頻繁に配合されています。高性能エレクトロニクス向けに開発された高性能接着剤では、電気伝導性を付与するために金属フィラー（銀、金、ニッケル、銅のナノ粒子など）が使用されます。これらの材料の卓越した特性を引き出すには、そのサイズをナノスケールまで小さくする必要があります。ナノ粒子の微細化と分散は困難な作業であるため、強力な粉砕・分散技術が接着剤の配合を成功させる鍵となります。

超音波分散は、従来の混合・粉砕技術と比較してさまざまな利点があります。超音波処理は、その信頼性と有効性によりナノ材料処理において確立されており、ナノ粒子を合成する、または液体に配合する、あるいはその両方を行うあらゆる産業で利用されています。したがって、超音波処理は、ナノ粒子、ナノワイヤー、あるいはカーボンナノチューブおよびグラフェン単層（ナノシート）などのナノフィラーを含むナノ導電性接着剤の製造に理想的な技術です。
導電性接着剤（ECAs）： 代表的な例として、ポリマーマトリックスと導電性フィラーからなる複合材料である導電性接着剤（ECAs）の配合が挙げられます。電子用途向けの高性能接着剤を配合するには、ポリマー樹脂（例えばエポキシ、シリコーン、ポリイミド）が接着性、機械的強度、衝撃強度などの物理的・機械的機能を提供する必要がある一方、金属フィラー（例えばナノ銀、ナノ金、ナノニッケル、ナノ銅）が優れた電気伝導性をもたらします。絶縁特性を持つ接着剤では、鉱物系フィラーが接着剤複合材料に配合されます。

超音波処理の前後：緑の曲線は超音波処理前の粒子径を示し、赤の曲線は超音波分散したシリカの粒子径分布を示しています。

粘性接着剤へのナノ材料の超音波分散

超音波ホモジナイザーは、粒子の凝集体、集合体、さらには一次粒子まで確実に微細化する必要がある場合に、非常に効果的です。超音波ミキサーの利点は、処理結果としてマイクロメートルサイズの粒子を目指す場合でもナノ粒子を目指す場合でも、粒子をより小さく、より均一な粒子径にまで粉砕できることです。ブレードミキサーやローター・ステーターミキサー、高圧ホモジナイザー、ビーズミルなどの他の技術には、均一に小さいナノ粒子を生成できないこと、粉砕媒体による汚染、ノズルの詰まり、高いエネルギー消費などの欠点がある一方、超音波分散装置は音響キャビテーションの作用原理を利用します。超音波によって発生するキャビテーションは、非常に効果的でエネルギー効率が高く、ナノ粒子を含有するペーストのような高粘度材料さえ分散できることが実証されています。

超音波分散はどのように作用するのでしょうか？

キャビテーションによるせん断力と液体の流れが粒子を加速させ、粒子同士を衝突させます。これは粒子間衝突として知られています。粒子自体が粉砕媒体として働くため、従来のビーズミルを使用する際に生じる粉砕ビーズによる汚染と、その後に必要となる分離工程を回避できます。粒子は最大280m/secという非常に高速な粒子間衝突によって砕かれるため、極めて大きな力が粒子に作用し、微小な破片へと分裂します。摩擦と侵食によって、これらの粒子破片には研磨された表面と均一な形状が与えられます。せん断力と粒子間衝突の組み合わせにより、超音波による均質化と分散は、非常に均質なコロイド懸濁液および分散液を得られるという優位性を発揮します！
超音波によって発生する強いせん断力のもう一つの利点は、せん断薄化の効果です。例えば、酸化CNTsを充填して超音波で調製したエポキシ樹脂は、せん断薄化挙動を示します。せん断薄化は流体の粘度を一時的に低下させるため、粘性複合材料の処理が容易になります。

3-mmソノトロードを備えた200Wの超音波装置UP200Sを使用し、水中の黒鉛片が超音波の機械的作用によって剥離する様子を示す高速連続画像（aからf）。矢印は、キャビテーション気泡が亀裂に侵入している分裂（剥離）箇所を示しています。
（研究および画像：© Tyurnina et al. 2020）

硬化剤中に分散した各種ナノフィラーの比較（超音波処理–US）：（a）0.5 wt%カーボンナノファイバー（CNF）；（b）0.5 wt% CNToxi；（c）0.5 wt%カーボンナノチューブ（CNT）；（d）部分的に分散した0.5 wt% CNT。
（研究および画像：© Zanghellini et al., 2021）

高性能接着剤の配合に用いる高出力超音波装置

Hielscher Ultrasonicsは、液体およびスラリー処理用の高性能超音波装置の専門企業です。超音波分散装置は、高充填樹脂などの高粘度材料の処理を可能にし、複合材料内でのナノ材料の均一な分布を確保します。
振幅、エネルギー投入量、温度、圧力、時間などの超音波処理パラメーターを精密に制御することで、ナノメートル領域で接着剤を調整できます。
配合にナノチューブ、セルロースナノ結晶（CNCs）、ナノファイバー、ナノ金属などの有機または無機ナノフィラーの分散が必要な場合、Hielscher Ultrasonicsはその接着剤配合に理想的な超音波装置構成を提供します。
Hielscher Ultrasonicsの産業用超音波プロセッサーは、非常に高い振幅を発生させることができ、極めて高い粘度でもナノ材料を解凝集・分散できます。最大200µmの振幅で、24/7の連続運転を容易に行えます。
Hielscherの超音波装置は、その品質、信頼性、堅牢性が認められています。Hielscher UltrasonicsはISO認証取得企業であり、最先端技術と使いやすさを備えた高性能超音波装置に特に重点を置いています。当然ながら、Hielscherの超音波装置はCEに適合し、UL、CSA、RoHsの要件を満たしています。
以下の表は、当社の超音波装置のおおよその処理能力を示しています。