Bio-based benzoxazine electrically conductive adhesives for sustainable and epoxy-free hybrid printed electronics
本研究は、市販のエポキシ系システムに匹敵する電気的性能と信頼性を実現しつつ、より低い硬化温度、低毒性、および低い地球温暖化係性を提供する、持続可能でバイオベースのベンゾキサジン異方性導電性接着剤を提示するものである。
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現代の電子機器は、デバイスを機能させるためのコンポーネント同士を接続するために、微細で目に見えない「架け橋」に依存しています。プリント回路の世界では、繊細なセンサーやチップがプラスチックや紙といった柔軟なシート上に搭載されますが、これらの架け橋は多くの場合、「導電性接着剤」と呼ばれる特殊な糊で作られています。この糊には、二つの困難な課題を同時に達成しなければなりません。それは、部品をしっかりと固定することと、回路を完成させるために特定の方向に電気を流すことです。数十年にわたり、業界は一般的なプラスチック樹脂であるエポキシをベースとした糊に頼ってきました。効果的ではあるものの、これらの伝統的な糊には負の側面があります。それらは製造に毒性のある化学物質を必要とすることが多く、それらを扱う作業者にアレルギー反応を引き起こす可能性があり、さらに、早期に硬化するのを防ぐために冷凍庫で保管しなければなりません。さらに、環境に有害な金属フィラーを含んでいることも少なくありません。よりグリーンなテクノロジーへの要求が高まる中、科学者たちは、石油ではなく自然由来で、より安全かつ使いやすいバインダーを模索しています。
スウェーデンのRISE研究機構とオーストリアのヨアヌム・リサーチの研究チームは、これらの問題を解決する新しいタイプの導電性糊を開発しました。彼らはエポキシを使用する代わりに、バイオベースの原料から作ることができるベンゾキサジンと呼ばれる材料のクラスに着目しました。具体的には、木材産業の廃棄物から見出される物質であるジフェノール酸由来の分子と、長鎖アミンを組み合わせた混合物を作成しました。この組み合わせにより、従来のベンゾキサジンよりもはるかに低い温度で硬化するバインダーが誕生しました。これにより、現代の電子機器に使用される薄いプラスチックフィルムのような、熱に敏感な材料にも安全に使用できるようになりました。この糊に導電性を持たせるため、研究者たちは微細な金属球を混ぜ合わせました。亜鉛や鉄を含むいくつかの選択肢をテストした結果、銅の球が最も優れていることが分かりました。重量比で35パーセントの銅を含む最終的な混合物は、層間で垂直方向に電気を流しつつ、横方向への広がりを阻止する結合を形成しました。これは、極小の電子部品において短絡（ショート）を防ぐための極めて重要な特徴です。
研究者たちは、この新しい接着剤が現在の業界標準を代替できるかどうかを確認するため、一連の厳格なテストを行いました。彼らは加熱工具を使用して、紙とカプトンとして知られる耐久性のあるプラスチックフィルムの両方に、微細なコンピュータチップを押し付けて取り付けました。その結果、この糊は驚くべき性能を発揮し、主要な市販のエポキシベース製品と同等の強度と導電性を持つ電気的接続を作り出しました。実際、この新しい糊はコンポーネントを非常に強固に保持したため、チップを引き剥がそうとした際、糊が剥がれる前に基材である紙の方が破れてしまいました。これは、結合が電気的に健全であるだけでなく、機械的にも堅牢であることを示しています。また、チームは、数週間のうちに数年分の摩耗と劣化をシミュレートするように設計された、高温多湿や急激な温度変化を含む過酷な条件下に、接着されたコンポーネントをさらしました。接着剤は全工程を通じて安定しており、劣化や電気的接続の喪失の兆候は見られませんでした。
性能面に加え、この研究ではこの新材料の製造に伴う環境コストについても調査が行われました。このバイオベースの糊を市販のニッケルベースの接着剤と比較することで、研究者たちはその製造過程で排出される二酸化炭素量を算出しました。バイオベースのバージョンは、市販の代替品が1キログラムあたり6.27キログラムの二酸化炭素を排出するのに対し、5.48キログラムという大幅に少ない二酸化炭素排出量となりました。研究によれば、製造プロセスを無溶剤化し、使用する銅をリサイクル素材にすることで、この環境上の優位性はさらに高まる可能性があると示唆されています。この研究は、毒性のあるエポキシーや環境に有害な金属に頼ることなく、高性能な電子用接着剤を作ることが可能であることを裏付けています。バイオベースで低温硬化型の糊が、現在の市販製品の信頼性と一致することを証明したこの研究は、私たちの日常生活を支える電子機器の組み立てにおける、より持続可能な未来への道を切り拓いています。
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