木材由来のナノ繊維で電子回路をコーティング――濡れ/割れによる故障を防いでショートの回避へ

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大阪大学は2021年4月1日、同大学産業科学研究所の能木雅也教授らの研究グループが、木材由来のナノ繊維を電子回路にコーティングするだけで、水濡れ故障を長時間抑制できることを発見したと発表した。従来の防水技術と容易に組み合わせることができ、ウェアラブルデバイスやヘルスケアデバイスなどにおいて、重大事故が許されない用途でさらなる安全性の向上が期待できるという。

水は電子デバイスにとって天敵であり、これまで防水コーティングやパッキングなどさまざまな封止技術が開発されてきたが、どんな封止も一度損傷すると水の侵入を防げず、故障は免れない。しかし、水濡れ故障は必ずしも水が付着した瞬間に発生するわけではないという。

水が電子回路の金属部分に付着すると、陽極(+)金属は金属イオンとして溶け出し、負極(-)で金属銅として樹状に析出する。このイオンマイグレーションと呼ばれる現象が進行すると、回路は樹状析出により短絡し、故障や発熱、発火といった事故が発生する。

今回の研究では、木材由来のナノ繊維を電子回路上にコーティングすることで、回路の短絡、発熱、発火といった事故を防止できることを発見した。さらにその短絡抑制効果は、コーティングが損傷した状態からでも発揮され、24時間以上継続するという。

研究グループは、電子回路上に木材由来のナノ繊維(セルロースナノファイバー)をコーティングし、イオンマイグレーションの発生過程を評価。その結果、コーティングをしなかった回路は水没後に数分で短絡してしまったが、ナノ繊維をコーティングした回路は水没後24時間経っても短絡しないことを見出した。

詳しくメカニズムを見ると、乾燥状態で積層していたナノ繊維が吸水、再分散し、陽極(+)の周囲に電気泳動することで集まり、陽極から溶け出した金属イオンを吸着して固まる(ゲル化する)ことが分かった。樹状析出の成長を陽極周囲に構築されたナノ繊維のゲルが阻害し、長時間経過しても短絡しないという。コーティングが損傷していた場合でも、損傷部を修復するようにナノ繊維が電気泳動して集まり、コーティングが破損するような過酷な状況でも水濡れ故障を抑制する。

木材由来のナノ繊維による短絡抑制メカニズム

今回の研究成果は、電子回路上にナノ繊維が含まれたコーティング液を塗って乾かす簡便な手順で、コーティングが損傷した状態でも機能する回路保護膜が実現できる点がポイントとなる。容易に既存技術と組み合わせることができ、防水コーティングとナノ繊維コーティングの積層によってさらなる安全性の向上が期待できる。また、木材ナノ繊維膜を用いた短絡抑制技術は世界初の技術で、このメカニズムを用いた新たなデバイス技術が登場するかもしれないという。

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