優れたシール性能に低いMVTRが重要な理由
(出典：Krylex.com / Chemence)
ウェアラブル機器における防湿設計と接着剤の重要性
電子機器の進化を振り返ると、多くの人が「より多機能でありながら、さらに小型化が進んでいる」という変化を思い浮かべるでしょう。この進化は、材料技術、センサー技術、CPUの処理性能など、さまざまな技術革新によって支えられています。
一方で、電子機器が十分な性能を発揮するためには、さまざまな使用環境でも安定して動作しなければなりません。そして、その使用環境は年々、人が生活する環境に近づいています。
特にウェアラブルデバイス、とりわけ医療用ウェアラブル機器は、人間の身体という非常に複雑な環境の中で使用されます。血圧や血糖値の測定、睡眠時無呼吸症候群の診断支援など、生体情報を継続的にモニタリングすることが可能になっています。
使用環境と信頼性
ウェアラブル機器は肌に直接装着されるため、想像以上に過酷な環境へさらされます。
これらの環境条件を設計段階で十分に考慮しなければ、機器の重要な機能が失われる可能性があります。
例えば、多くのユーザーは毎日シャワーや入浴を行います。また、週に数回運動をする人もいれば、階段を上ったり、バスに駆け込んだりすることもあります。
さらに、香水や日焼け止め、化粧品、保湿ローションなどを日常的に使用しています。
こうした化学物質への耐性を確保することは容易ではありません。接着部が化学薬品によって劣化する場合もあります。
しかし、電子機器にとって最も一般的かつ深刻な環境要因は「水分」です。
接着層への水分の影響
水分は電子機器にさまざまな影響を及ぼします。
例えば、水中に浸かった場合、特に高温環境では接着層に大きな圧力が加わります。
このとき接合部には熱応力が発生し、材料同士の接着強度が十分でない場合には、接着界面に沿って剥離が進行する恐れがあります。
これは、水分が最も侵入しやすい経路（最小抵抗経路）となるためです。
このような応力集中を防ぐためには、材料と接着剤の組み合わせが十分な接着強度を持つことが重要です。
一般的には、オーバーラップせん断試験（OLS：Overlap Shear Test）によって接着強度を評価するとともに、適切な接着層厚み（ボンドライン）を設計します。
また、自動ディスペンサーを適切に校正することで、接着層厚みのばらつきを最小限に抑えることができます。
水蒸気透過（Moisture Vapor Transmission）
十分な評価試験を行えば、液体の水が接着層を通過しないことは確認できます。
しかし、水は液体だけが問題ではありません。
例えば東南アジアのように年間を通じて湿度80％を超える地域もあります。
さらに運動中には大量の汗をかきます。
ウェアラブル機器は肌に密着して使用されるため、水蒸気による影響も避けられません。
つまり、水蒸気（Water Vapor）も電子機器の信頼性を低下させる重要な要因なのです。
MVTR（透湿度）の考え方
水蒸気透過を理解するには、スポーツウェアを例にすると分かりやすいでしょう。
最近のスポーツウェアには「高い通気性」がうたわれています。
従来の綿素材は汗を吸収しやすい一方、ポリエステル素材は水を弾き、水蒸気だけを効率よく外へ逃がします。
そのため、汗をかいても衣服が重くなりにくく、快適さを保つことができます。
この違いを表す指標が**MVTR（Moisture Vapor Transmission Rate：水蒸気透過率）**です。
一般的に、
- ポリエステルはMVTRが高い
- 綿はMVTRが低い
という特徴があります。
MVTRは、一定時間内に材料を通過する水蒸気量を表す指標であり、通常は次の単位で表されます。
MVTR = g/m²/day
MVTR試験
MVTR試験では、試験材料を2つのチャンバーの間に設置します。
一方のチャンバーには、一定温度・一定湿度の環境を与え、水蒸気が試験材料を透過して反対側へ移動した量を測定します。
この試験によって材料の防湿性能を評価します。
材料選定とリスク
電子機器の筐体は、通常2種類以上の材料で構成されています。
例えばスマートフォンやウェアラブル機器では、樹脂部品と金属部品を接着剤で接合して筐体を構成しています。
この外装は、内部に搭載された高機能な電子部品を保護するという重要な役割を担っています。
金属と樹脂の違い
金属は水蒸気を透過しません。
表面には酸化膜が形成されますが、アルミニウムのアルマイト処理などによって十分な耐食性を確保できます。
そのため、高級スマートフォンやスマートウォッチにはアルミニウムやステンレス筐体が多く採用されています。
一方、医療用ウェアラブル機器では事情が異なります。
これらは数日から数週間程度の使用を前提とした使い捨て製品も多く、コストが非常に重要になります。
そのため、ポリカーボネートやナイロンなどのエンジニアリングプラスチックが多く採用されています。
これらは強度や耐薬品性に優れる一方、金属とは異なり水分を吸収する性質があります。
そのため、材料選定ではMVTRも重要な評価項目になります。
しかし、最も大きなリスクとなるのは接着剤です。
酸化と腐食
金属は酸化すると表面状態が変化します。
電子基板（PCB）にはアルミニウム、銅、ニッケルめっきなどさまざまな金属が使用されています。
酸化が進行すると腐食が発生し、材料の機械的特性が低下します。
また、銅のような高導電材料では酸化によって導電性が低下し、電子回路全体の信頼性にも影響します。
そのため、コネクタなどには金や銀などの貴金属めっきが広く使用されています。
ただし、これらは非常に高価であり、基板全体へ適用することは現実的ではありません。
大気腐食
腐食にはさまざまな種類があります。
異種金属が電解質を介して接触すると発生する電食（ガルバニック腐食）もあります。
一方、電子機器で最も一般的なのは大気腐食です。
空気中の水蒸気が金属表面で結露し、酸化膜を形成することで腐食が進行します。
これは電子機器の信頼性設計における大きな課題の一つです。
樹脂は本質的に水蒸気を透過するため、どれほど優れた筐体でも、ある程度の水分は内部へ侵入します。
電子機器の高機能化に伴い、今後は腐食以外にも新たな故障メカニズムが見つかる可能性があります。
MVTRと接着剤
電子機器の設計では、基板レベルでの故障リスクをできる限り低減することが求められます。
そのためには、水蒸気の侵入を抑える優れたバリア性能を持つ材料を選定する必要があります。
その性能を評価する代表的な指標がMVTRです。
一方、電子機器の筐体において最も弱点になりやすいのが接着剤です。
筐体接着だけでなく封止材として使用する場合でも、接着剤のMVTRが低いことは極めて重要です。
一般に、接着剤は高い構造接着性を持つ材料であり、シーラントは水分や薬品の侵入を防ぐ材料として位置付けられています。
新しいソリューション ― Krylex KH9005
KrylexのKH9005は、ポリウレタン反応型（PUR）接着剤であり、極めて低いMVTRを実現するとともに、優れた耐薬品性と電子機器材料への高い接着性を兼ね備えています。
KH9005の最大の特長は、構造用接着剤としての高い接着性能と、シーラントとしての優れた防湿性能を一つの製品で実現していることです。
さらに、電子機器やウェアラブル機器向けに次のような特長を備えています。
- ISO 10993-5認証に適合した優れた生体適合性
- 優れた耐衝撃性
- 低く安定した誘電率
- 高い初期接着強度（グリーン強度）と短い固定時間により、大量生産（HVM）に最適