액체 금속 응용에의 도전 ～액체 금속을 이용한 커넥터 개발～

여러분은 액체 금속을 아십니까?

갈륨과 인듐과 주석으로 구성된 합금은 -19 ° C라는 금속으로 매우 낮은 융점을 가지고 있습니다. 즉, 상온하에서는 액체인 금속입니다. 그 독성에 의해 사용이 제한되고 있는 수은의 대체 재료로서 체온계 등에 사용되고 있으며, 다양한 응용이 연구되고 있습니다.

일 IRISO 전자공업에서도 이 액체금속의 특징을 커넥터 기술에 응용함으로써 완전히 새로운 제품을 만들 수 있을까 생각했습니다. 현재까지 다양한 개념을 생각하고 실용화를 위해 연구를 계속하고 있습니다. 이번에는 그 일단을 소개하겠습니다.

액체 금속의 특징으로부터의 가능성과 도전

액체 금속의 응용을 생각할 때, 물론 무엇보다 특징적인 것은

• 상온에서 액체
• 다른 상온에서 액체인 금속에 비해 독성이 낮음

라는 점입니다.

독성이 낮으면 제품의 안전성으로 이어져 개체에 비해 자유로운 형상을 취할 수 있다는 이점이 있습니다.

커넥터에는 기구를 실현하기 위해 복잡한 형상을 가지는 금속부가 존재합니다.

또, 가공성의 관점에서 소형화에의 한계도, 액체이면 넘어지는 것은 아닐 가능성도 발견할 수 있습니다.

한편, 액체이므로 그대로는 흘러 버리기 때문에, 어떠한 유지하는 방법이 과제가 됩니다.

유지에 대한 팁이되는 특징으로는

• 증기압이 낮고 고열에 노출되어도 기화되지 않음
• 유리를 포함한 많은 재료에 대해 높은 습윤성과 접착력을

가 있으며 제품화에는 이 특징을 이용할 수 있습니다.

한편으로 커넥터로 하는 경우의 우려점으로서 아래와 같은 개체 금속과의 관계성에 우려가 있습니다.

• 다른 고체의 금속과 접촉하면 스며들어 취화를 일으켜 금속의 강도가 떨어진다.
• 금속간 화합물을 생성하기 쉬운

커넥터로서 제품화하기 위해서는 각 부위의 요구에 맞추어 금속이 개체인 부분과 액체인 부분을 구분하는 것이 필요할 것입니다. 즉 액체 금속과 다른 개체 금속을 조합한다 = 접촉이라는 형태로의 매칭이 과제가 됩니다.

간단히 정리하면 아래와 같은 가능성과 과제가 명확해집니다.

도전① ~필름형 커넥터의 개발~

개념 개요

전항에서 올린 이점 중 소형화의 관점에서 제로 높이로 저접압의 커넥터로서 FPC상에 구성하는 필름형 커넥터를 착상하고 개발하고 있습니다.

구체적으로는 개체금속으로 범프를 형성한 수컷측의 필름에 대해, VIA컵에 충전한 액체 금속을 표면 장력으로 유지하는 것으로 메스측의 필름을 만들어, 유창고와 같은 커넥터 접속을 실현시키고자 하는 것입니다.

FPC에 형성하는 필름형 커넥터

사전 검증 예: 액체 금속의 기화와 다른 개인 금속의 궁합

개발에 앞서 실시한 사전 검증의 일례를 소개합니다.

아래는 동판에 각종 도금 처리를 한 것에 액체 금속을 부착시켜 고온 방치하고

• 액체 금속의 기화에 의한 질량 감소
• 다른 금속에 침식하거나 발생하는 금속 간합물

확인을 실시했을 때의 개요입니다.

이 결과로부터 액체 금속의 기화의 우려를 해소해, 특정의 금속에 있어서 접속 상대로 할 수 있는 가능성을 확인하고 있습니다.

우려 사항 및 확인 항목 및 결과

동판의 표면 처리 액체 금속과의 반응 확인 사례

프로토 타입에 : 필름형 커넥터의 프로토 타입 완성

전항과 같은 검증을 거듭해, 컨셉의 실현성을 확신해, 실제의 시제품을 작성하고 있습니다.

액체 금속을 충전하는 암측의 필름에는 아래와 같은 VIA 컵을, 수 측 필름에는 범프를 형성했습니다.

상위 구조를 접점으로 하고, 6×6의 36ckt 배치한 2장의 구형의 필름으로 쌍이 되는 커넥터를 시작했습니다.

아래에 표시된 일부 이미지는 실제 프로토타입 구성도와 사진입니다.

필름 커넥터 프로토 타입

프로토타입된 커넥터는 커넥터로서 충분히 기능하는 레벨의 접촉 저항값으로 끼워맞춤이 가능한 것을 확인하고 있습니다.

또한 현재에도 지속적으로 환경 의존성과 신뢰성 평가를 실시하고 있습니다. 아래는 그 일부 사례입니다.

필름 커넥터의 접촉 저항 확인/초기값 및 환경 영향 확인 사례

현재는 병렬로 보다 구체적인 어플리케이션이 되는 타겟도 조사중입니다. 함께 용도 검토 받을 수 있는 협업처님도 모색중이므로, 흥미가 있는 쪽은 문의해 주세요.

도전② ～고전류 플로팅 커넥터에의 응용～

고전류 및 가동 스프링에서의 발열 : 해결해야 할 과제

플로팅 커넥터를 주력 제품으로 하고 있는 당사에서는, 그 바리에이션으로서 고전류 대응의 제품도 릴리스 하고 있습니다. 대표적인 제품으로는 소형 사이즈면서 15A의 대전류 용량을 확보한 10122B/S 시리즈가 있습니다.

10122 시리즈

https://www.irisoele.com/jp/series/view/10122B/

https://www.irisoele.com/jp/series/view/10122S/

커넥터로서 대전류를 흘리기 위해서는 저항 손실에 의한 줄 열을 어떻게 낮추는지, 즉 전류 경로 각 부분에서의 저저항화가 한 포인트가 됩니다.

10122B/S시리즈에 있어서는 가동편을 분기시키는 것으로 플로팅의 움직임을 방해하지 않고 저저항화를 실현, 덧붙여 4점 접점 구조로 신뢰성을 향상시킨 고내열(125℃정격) 커넥터입니다. 가동이 필요한 기판간 접속에 있어서의 파워 전송용으로 매력적인 선택사항이라는 평가를 받아, 많은 고객에게 채용해 주시고 있습니다.

당사의 대전류 플로팅 커넥터 10122B/S(15A 대응)

당사에서는 현재 상태에 만족하지 않고 한층 더 고전류 대응을 검토하고 있습니다.

한편, 이 궁리된 스프링 구조를 가지는 10122B/S시리즈에 있어서도, 가동 스프링의 부분이 고전류 통전시의 가장 큰 발열의 열원이 되고 있습니다. 위치 어긋남을 흡수하고, 조립성의 향상이나 기판 실장부에서의 스트레스 해소를 특징으로 하는 플로팅 커넥터에서는, 가동부의 스프링 강도를 극단적으로 강하게 할 수 없습니다.

그 때문에 아무래도 스프링부를 가늘게 혹은 얇게 좁히거나, 혹은 길게 우회시킬 필요가 생겨, 전기 저항이 아무래도 어느 정도 높아져 버립니다.

현재도 단자 구조 설계의 다양한 궁리에 의해 고전류 대응과 가동성의 양립을 목표로 하고 있습니다만, 병행해 완전히 다른 어프로치로부터 브레이크스루를 일으키는 방법이 없는지를 검토했습니다.

고전류 대응과 가동성의 양립 가능성

액체 금속으로 이동하는 단자의 착상

그리고 이 과제에 대해 연구를 계속하고 있던 액체 금속을 응용할 수 있는 것은 아닐까 착상했습니다.

• 액체이기 때문에 심플한 구조라도 스프링에 의지하지 않고 자유로운 움직임을 확보할 수 있다: 발열 영역의 삭감
• 고유 저항값(6.27×10-7Ω·m)은 높지만, 충전 체적에 의해 저저항화가 가능: 발열량의 삭감

거기서 10122B/S의 단자를 베이스로 하여, 2피스로 분리한 후 가동 스프링을 대담하게 해, 액체 금속이 충전·밀봉된 조인트 부품으로 재접속하는 구조를 검토해, 실제로 시작·평가의 실시를 했습니다.

이동식 스프링을 액체 금속으로 변경하는 개념

프로토 타입의 효과 확인과 추가 성능 개선

샘플의 작성과 평가를 실시한 결과, 10122의 단자를 유용한 최초의 시제품에서는 고전류 통전시의 열 발생량의 40% 가까이를 삭감할 수 있었습니다.

다음 단계는 액체 금속에 의한 단자 조인트를 보다 효과적인 상태로 만드는 단자 구조의 설계를 완료하는 것입니다.

사전 시뮬레이션 결과로서 현행품 대비 65%의 열발생량 삭감을 예상하고 있습니다.

액체 금속 응용에 의한 고전류 플로팅 커넥터 통전시 열 발생량 감소

지금까지의 확인으로 액체 금속의 고전류 플로팅 커넥터에의 응용의 큰 효과를 확인할 수 있습니다. 앞으로도 설계 최적화부터 생산 프로세스 구축과 비용 최적화 등 실제 제품화까지의 길은 아직도 오랫동안 지속될 것입니다. 여러분의 도움이 되는 것을 목표로 하여 한층 더 개발을 계속해 갑니다.

일 IRISO 전자공업에서는 이 다른 액체금속의 응용범위에 대해 요청을 받고 있습니다. 또한 공동 개발의 제안도 기다리고 있습니다.

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