量子トンネル複合体

量子トンネル複合材（QTC）は、金属と非導電性エラストマーバインダーの複合材料で、圧力センサーとして使用されます。これらは量子トンネル効果を利用しており、圧力がないと、導電性要素は電気を通すには離れすぎています。圧力がかかると、導電性要素が近づき、電子が絶縁体を通り抜けることができます。その効果は、古典的な（非量子）効果のみから予想されるよりもはるかに顕著です。古典的な電気抵抗は線形（距離に比例）ですが、量子トンネル効果は距離の減少に対して指数関数的であり、圧力がかかった状態と圧力がかかっていない状態の間で抵抗が最大10 ¹²倍変化するためです。^[1]

量子トンネル複合材料は、専門文献では導電性/半導電性ポリマー複合材料、^[2]、 圧電抵抗センサー^[3]、力感知抵抗器（FSR）^[4]など、複数の名称で呼ばれています。ただし、場合によっては、力感知抵抗器が主にパーコレーション領域で動作することがあります。これは、複合材料の抵抗が、加えられた応力または力の増加に対して増加することを意味します。

QTCは、技術者のデイビッド・ラッシー氏が導電性接着剤の開発方法を模索していたときに1996年に発見されました。^[5]ラッシー氏は、QTCの研究と利用を専門とする会社、ペラテック社を設立しました。ペラテック社と他の企業は、タッチ技術の向上を目的とした量子トンネル複合材の開発に取り組んでいます。現在、QTCはコストが高いため使用が制限されていますが、最終的には一般ユーザーが利用できるようになると予想されています。量子トンネル複合材は、弾性のあるゴムのような特性を持つポリマー複合材、エラストマー、および金属粒子（ニッケル）の組み合わせです。センサーに空気の隙間がないため、接触点間の汚染や干渉はあり得ません。また、接触点間でアーク放電、つまり電気火花が発生する可能性もほとんどありません。QTCが非アクティブ状態では、導電要素は電子電荷を通過させるには互いに離れすぎています。したがって、量子トンネル複合材に圧力がかかっていないときは電流は流れません。 QTC の特徴は、その表面がシリコンで覆われたスパイク状になっていることです。スパイクは実際には接触していませんが、QTC に力が加えられると、スパイクは互いに近づき、スパイクの先端から次の先端へと高濃度の電子が流れる [量子] 効果が発生します。力が取り除かれると電流は止まります。^[6]

QTC にはさまざまな形態があり、それぞれの使用方法は異なりますが、変形すると同様の抵抗変化を示します。QTC ピルは、最も一般的に使用されるタイプの QTC です。ピルは圧力に敏感な可変抵抗器です。通過する電流の量は、加えられた圧力の量に指数関数的に比例します。QTC ピルは、加えられた力に反応する入力センサーとして使用できます。これらのピルは、QTC シートよりも高い電流を制御するデバイスにも使用できます。QTC シートは、QTC 材料の薄い層、導電性材料、プラスチック絶縁体の 3 つの層で構成されています。QTC シートを使用すると、高抵抗から低抵抗へ、またはその逆の切り替えをすばやく行うことができます。^[7]

2008年2月、新しく設立されたQIO Systems Incは、Peratechとの契約により、QTC技術に基づく電子機器およびテキスタイルタッチパッドの知的財産権とデザイン権に関する世界的な独占ライセンスを取得し^[8]、消費者向けおよび商業用アプリケーションの両方で使用するためのElekTex（QTCベース）テキスタイルタッチパッドの製造と販売も行いました^{[9] 。}

QTCは2012年にNASAのロボノートの指先の感覚を提供するために使用されました。ロボノートは生き残り、宇宙から詳細なフィードバックを送信することができました。人間のようなロボットのセンサーは、ロボットが何かをどれだけ強く、どこを握っているかを知ることができました。^[10]

量子トンネル複合材は比較的新しいもので、現在も研究開発が進められています。QTC は、衣服に実装され、MP3 プレーヤーや携帯電話などの衣服内の電子機器を制御するための「スマート」でタッチ可能な膜制御パネルを実現しています。これにより、衣服の層を脱いだり留め具を開いたりすることなく機器を操作でき、北極/南極探検や宇宙服などの極端な天候や環境条件でも標準的な機器を使用できるようになります。

QTC の用途としては次のようなものが考えられます。

• トレーニング用ダミーやフェンシング用ジャケットなどのスポーツ用具は、QTC 素材で覆うことができます。素材上のセンサーは、衝撃の力に関する情報を中継することができます。
• ジェスチャー、ストローク、スワイプなどのミラーやウィンドウの操作は、自動車用途に使用できます。ジェスチャーから加えられる圧力の量に応じて、車の部品は高速または低速で希望の設定に調整されます。加えられる圧力が大きければ大きいほど、操作は速くなります。^[11]
• 血圧計カフ: 血圧計カフの QTC は、カフの不適切な装着による不正確な測定値を減らします。センサーは、人の血圧を測定するのに必要な張力を伝えます。