三菱電機は、ファンデルワールス(vdW)積層材料の1種である「高配向性熱分解グラファイト」(HOPG)が、自己復元特性を持つことを世界で初めて確認。同素材を用いた「MEMS」の長寿命化や、振動環境でも壊れにくい信頼性の高い機器の実現につながる成果と説明している。

  • 三菱電機と京都大学の共同研究により、ファンデルワールス(vdW)積層材料の1種である「高配向性熱分解グラファイト」(HOPG)を使ったマイクロレベル試験片を作成し、せん断変形させる新たな試験方法を確立。画像はその試験方法と、自己回復特性の試験結果 出所：三菱電機ニュースリリース

    三菱電機と京都大学の共同研究により、ファンデルワールス(vdW)積層材料の1種である「高配向性熱分解グラファイト」(HOPG)を使ったマイクロレベル試験片を作成し、せん断変形させる新たな試験方法を確立。画像はその試験方法と、自己回復特性の試験結果 出所：三菱電機ニュースリリース

三菱電機と、京都大学 大学院工学研究科の固体力学研究室(平方研究室)との共同研究による研究成果で、2019年から続く京都大学との組織連携活動の一環として実施されたもの。詳細はダイヤモンドや関連材料に関する国際的な学術誌「Diamond and Related Materials」に掲載されている。

研究の背景

スマートフォンの高機能化や、車載システムにおける自動運転・安全制御の高度化、ウェアラブルデバイスの普及などに伴い、加速度センサーや圧力センサーといったMEMS(Micro Electro Mechanical Systems、微小電気機械システム)の需要が急速に拡大している。

MEMSは機械要素部品やセンサー、アクチュエーター、電子回路をひとつの基板上に集積したミクロンレベルのデバイスで、身近なところではインクジェットプリンターのヘッド(印刷用のインクを吐き出す部分)、イヤホンやスマホ用の超小型マイク、スピーカーなどが挙げられる。

MEMSデバイスは、長期間の振動や衝撃に耐える高い耐久性を確保しながら、軽量化を実現することが求められる。これまで、分子同士の弱い引力を利用して構造を形成する材料であり、軽くて柔軟かつ高い強度を持つ「vdW積層材料」の適用が有望視されてきた。

しかしこの材料はマイクロレベル試験片の作製が難しく、試験方法も確立されていないという課題があった。このため、中長期的な信頼性、特に繰り返しの負荷に対する疲労特性は、これまで解明されていなかった。

今回の研究成果

三菱電機と京都大学は今回、高配向性熱分解グラファイト(HOPG)のマイクロレベル試験片の作製に成功し、さらに試験片に繰り返し曲げ負荷を与えてせん断変形させる新たな試験方法を確立。試験結果の分析を進めてきた。

その結果、HOPGの試験片が負荷回数の増加によって軟化し、時間の経過とともに硬さを含む機械的強度が回復する“自己復元特性”を持つことを、世界で初めて確認した。

同社はこの発見の意義について、「積層構造によって振動エネルギーを逃がす特性を持つHOPGを、振動による疲労を回復する機能を備えた“振動吸収機構”として利用できる可能性を示している」と指摘。

外部から加わる振動エネルギーを内部で吸収・分散させることで、対象物の振動や衝撃を軽減し、ダメージや疲労を抑制する仕組みを応用することで、継続的な振動環境でも壊れにくく、信頼性の高い機器の開発に寄与することが期待されるとしている。

今後は、この疲労試験方法を他のvdW積層材料にも適用し、MEMSの長寿命化を実現するための研究を進めていく。