科学技術振興機構（JST）

　産業技術総合研究所（産総研）と科学技術振興機構（JST）はこのほど、電子顕微鏡で接着剤の剥離過程をリアルタイムで直接観察することに世界で初めて成功した。破壊に至るまでの、接着剤の極微小な変形・進行現象を明らかにしたことで、破壊メカニズムを解明し、接着接合の耐久性向上に向けた接着剤の高性能化や被着体表面処理の最適化が期待される。

　CO2排出量削減に向け、自動車などの輸送機器の燃費向上のための車体軽量化は必須で、異種材料を適材適所に配置したマルチマテリアル構造設計による軽量化が有効だ。接着接合は生産性とコストの面で優れている。普及には接合部の強度や耐久性の信頼性確保が重要だが、その実証は困難なため、科学的裏付けが必要となる。

　今回、接着接合部の破壊メカニズム究明に向け、破壊現象に伴う極微小な変形現象を観察した。光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡（SEM）では1㎛以下の微細変形を観察できないため、より高倍率の透過型電子顕微鏡（TEM）を用いた。電子線が透過するよう、アルミニウム合金とエポキシ系接着剤の接着接合試料から厚さ100㎚程度の薄片試料を切り出し、試料両端を引っ張りながら接着部の破壊挙動を観察した。

　まず接着剤に小さなひずみが発生し、それが微小なき裂となり、さらに接合面に微小の空洞が発生する。その後、微小なき裂が接合部に到達すると接合面に沿って進展し、接合面に発生していた微小の空洞と一体化し破壊に至る。破壊後の被着体表面の所々に接着剤が残っていることから、アルミ表面のわずかな凹凸が破壊挙動に関与していると考えられる。このように、破壊の起点が接着剤内部、接合面、金属層のいずれであるかが明確になり、破壊形式を明らかにすることで、接合部の耐久性向上に有効な接着剤や基材の表面処理法の開発指針の提供が可能になる。

　今後は、接着接合部の破壊現象のリアルタイム観察結果をシミュレーションで再現することで、複雑な接着破壊現象のメカニズム解明を進める。さらに、その知見を基に接着剤の耐久性向上と被着体の表面処理の最適化など、接着接合の信頼性の評価・実証につなげる予定だ。

　東京大学と物質・材料研究機構、科学技術振興機構（JST）、産業技術総合研究所（産総研）の共同研究グループはこのほど、独自開発した強力な酸化力をもつラジカル塩ドーパントと高分子半導体により共結晶構造を自発的に形成させ、従来以上の高い結晶性と伝導特性をもつ導電性高分子を開発したと発表した。

　高分子半導体は溶液を塗って乾かすだけで製膜でき、次世代エレクトロニクス材料として注目される。高分子半導体を導電性材料として使うには、ドーピング処理で電荷を注入し、電気伝導特性を向上させる必要がある。

　通常は、高分子半導体と酸化還元反応するドーパント分子を高分子膜に導入するが、ドーパント分子は陰イオンとして高分子膜内部にランダムに残るため結晶性を損ない、伝導特性に影響してしまう。結晶性構造を壊さずにドーパント分子を導入する手法を以前開発したが、ドーパント分子の立体的配置は不明瞭で、そのランダムさが電気伝導特性を制限している可能性があった。

　今回、より酸化力の強いラジカル塩ドーパントを開発。その溶液に高分子半導体の薄膜を浸漬したところドーピング量は非常に多く、X線回折分析により、高分子半導体とドーパント分子1対1による共結晶構造の形成を確認。ドーパント分子の位置を0.5㎚程度の精度で決定した。強力な酸化反応により、ドーパント分子が高分子半導体結晶にあるナノメートルスケールの周期的な空隙に入り、自発的に均質な密度で配列したと考えられる。一般的に通常の高分子膜の構造は乱れているが、今回は薄膜全体に配向性の高い共結晶構造が形成し、電気伝導度が高く白金などの貴金属に匹敵する高い仕事関数を示した。

　さらに、ドーパント分子種の最適化により、大気安定性も向上した。電気伝導特性は共結晶性領域に由来する金属的な伝導が支配的だが、今回の研究により、ミクロな共結晶構造の設計でマクロな電気伝導度の制御が可能であることが示唆された。様々な分子性イオンを充填・配列化した高分子半導体薄膜を大面積で容易に形成できるため、今後様々な機能性電子・イオン材料としての研究が進展することが期待される。