| 研究課題/領域番号 |
20H02487
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| 研究機関 | 甲南大学 |
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研究代表者 |
赤松 謙祐 甲南大学, フロンティアサイエンス学部, 教授 (60322202)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 電気めっき / 高分子電解質 / ダイレクトめっき |
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| 研究実績の概要 |
環境負荷インパクトの小さい高速電気めっき技術の開発は、回路基板製造における危急的課題である。本研究では、めっきプロセスにおけるイオン輸送相に固（電解質膜）－液（電解液）界面を導入し、「界面濃縮」を新たにイオン輸送駆動力とすることにより、廃液レスおよび低濃度電解質溶液からの高速めっきを可能にする新しい電析システム「SED」を提案する。2020年度は、固相電気化学反応における界面イオン輸送機構の解明と実証を目的とし、銅めっきを対象にした界面反応モデルを用いて反応速度式の立案を行った。
まず、固体電解質としてナフィオンを用い、電解質相との界面にイオン吸着層が存在すると仮定し、銅イオンが吸着する際の反応速度式を立案した。ここでは、銅イオンのペネトレーション速度定数、吸着平衡定数、脱離速度定数を導入し、ナフィオン相中の銅イオン濃度の時間変化を表す微分方程式を解くことで解析解を得ることに成功した。次に、硫酸銅水溶液にナフィオンを所定時間浸漬し、導入イオン量をICPによって定量した後、得られた反応速度式を用いてフィッティングすることでペネトレーション速度定数を算出した。次に、めっき反応時の反応速度式を同様に立案し、めっき反応速度定数を導入した微分方程式を解くことで、めっき反応中の銅イオン濃度変化を表す解析解を得、さらにその濃度から電流―時間式を得た。得られた式を実際の電流カーブにフィッティングさせることにより、めっき反応速度定数を得た。
以上の成果により、SED反応における速度式を算出し、めっき反応中の電流ー時間曲線をシミュレーションすることに成功した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
研究期間初年度（2020年度）の目標は、「反応速度式の立案と各種パラメータの算出」および「定電圧電解における電流ー時間曲線のシミュレーション」であり、ペネトレーションおよびめっき速度定数を算出し、電流カーブを再現可能な反応速度式を構築することに成功し、論文発表に至ったことから、おおむね順調に進展していると判断できる。また、各種イオンに対する展開についても検討しており、ニッケルや金、および半導体被膜の形成に成功したことから、一部発展的な成果も得られている。
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| 今後の研究の推進方策 |
2021年度は、構築した反応速度式をベースとし、めっき速度のさらなる向上にむけて、電解質膜とアノードの間に電解質相を導入することでペネトレーション速度の向上に取り組む。予備的検討から、電解質相を導入した場合の微分方程式は解析解が得られないため、数値解析法によるフィッティングが必要であることが分かっているため、4次精度レベルの数値解析により、電流カーブを算出する予定である。さらに、電解質膜と電解液の接触面積を、カソード面積より大きくした場合に大きなペナとレーション速度が得られることから、ナフィオンの面積、電解質との接触面積およびアノード面積から決定されるセル定数を用いて伝習シミュレーションを行い、定常電流の最大化を目指す。実験的には電解質相を導入した方が定常電流値が増大したことから、新たな界面導入により、SEDの優位性が示されると期待している。さらに、銅めっき以外への展開として、ニッケル、金、各種半導体被膜の作製に取り組み、被膜の電気伝導性に及ぼす構造因子の明確化を行う。
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