DE102021101644A1

DE102021101644A1 - Steckverbinder und Steckverbinderpaar

Info

Publication number: DE102021101644A1
Application number: DE102021101644.4A
Authority: DE
Inventors: Toshitaka Kubo; Kazuhiko Seki; Mitsuhiro Okada; Kazuto Hatakeyama; Kenji Koga; Tetsuo Shimizu; Nan Ye; Hiroki Kawai
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2020-01-27
Filing date: 2021-01-26
Publication date: 2021-07-29
Also published as: JP7364481B2; US11764506B2; US20210234295A1; JP2021118095A; CN113258380B; CN113258380A

Abstract

Ein Steckverbinderpaar beinhaltet einen ersten Steckverbinder und einen zweiten Steckverbinder, der elektrisch mit dem ersten Steckverbinder verbunden ist. Der erste Steckverbinder enthält einen ersten elektrischen Kontaktteil, der mit einer Graphenschicht auf einem Metallbasismaterial versehen ist. Der zweite Steckverbinder beinhaltet einen zweiten elektrischen Kontaktteil, der über die Graphenschicht elektrisch mit dem ersten Steckverbinder verbunden ist. Eine Kontaktfläche zwischen dem ersten elektrischen Kontaktteil und dem zweiten elektrischen Kontaktteil ist kleiner als eine Fläche der Graphenschicht, die auf dem Metallbasismaterial aufgebracht ist.

Description

Hintergrund der Erfindung
<Gebiet der Erfindung>
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Steckverbinder und ein Steckverbinderpaar.
<Beschreibung des Standes der Technik>
Eine Oberfläche eines Steckverbinders, der elektrische Drähte miteinander oder zwischen einem elektrischen Draht und einem elektrischen Gerät verbindet, ist normalerweise mit einer Metallbeschichtung oder ähnlichem überzogen, um einen Kontaktabschnitt von Steckverbinderklemmen zu schützen.
Da jedoch ein anderes Metall als Gold in einer Gebrauchsumgebung des Steckverbinders in unterschiedlichem Maße oxidiert, können sich durch die Oxidation, auch wenn das Metall auf der Oberfläche beschichtet ist, je nach Gebrauchsumgebung und -bedingungen Oxide mit hohem elektrischem Widerstand bilden, die den elektrischen Widerstand des Kontaktteils erhöhen können.
Eine Verschlechterung eines solchen elektrischen Kontakts, insbesondere eine Verringerung der Leitfähigkeit, führt zu einer Verringerung der Zuverlässigkeit, wie z. B. einer Zunahme des Leistungsverlusts oder eines Leitfähigkeitsausfalls des Steckverbinders, was problematisch ist.
Wenn dagegen eine Kontaktfläche des elektrischen Kontakts mit Gold beschichtet wird, gibt es fast keine Möglichkeit der Verschlechterung durch Oxidation, aber es besteht ein Problem dahingehend, dass die Herstellungskosten hoch sind, weil das Gold ein teures Material ist.
Deshalb werden verschiedene Maßnahmen untersucht, um die Oxidation auf einer Oberfläche des elektrischen Kontakts und die daraus resultierende Abnahme der Leitfähigkeit kostengünstig zu verhindern.
In einem verwandten Stand der Technik wird eine Schicht aus Graphen auf eine Kupferfolie oder ein Kupfersubstrat aufgebracht, um einen elektrischen Kontaktteil zu bilden.
In einem verwandten Stand der Technik wird eine Metallschicht aus Ni, Sn, AI, Zn, Cu, In oder einer Legierung der Metalle auf einem Basismaterial gebildet, nach Entfernen einer Oxidschicht, die nach der Bildung der Metallschicht gebildet wurde, wird eine Oberfläche der Metallschicht oxidiert oder hydroxyliert, um eine leitfähige Oxidschicht oder eine leitfähige Hydroxidschicht zu bilden, um einen elektrischen Kontaktteil für einen Steckverbinder zu bilden.

[Patentliteratur 1] JP-A-2018-56119
[Patentliteratur 2] JP-A-2012-237055

Da eine Beschichtung mit einem elektrischen Widerstandswert auf einem Basismaterial hinzugefügt wird, obwohl der elektrische Widerstandswert niedrig ist, ist der Zustand gemäß einem verwandten Stand der Technik äquivalent zu einem Fall, in dem elektrische Widerstände in Reihe geschaltet sind, und ein anfänglicher elektrischer Widerstandswert (bevor eine Verschlechterung auftritt) erhöht sich im Vergleich zu einem Fall, in dem der elektrische Kontaktteil allein durch das Basismaterial gebildet wird.
Zusammenfassung
Ein oder mehrere Ausführungsbeispiele stellen einen Steckverbinder und ein Steckverbinderpaar mit einem niedrigen elektrischen Widerstandswert bereit, bei dem eine Abnahme der Leitfähigkeit aufgrund von Oxidation verhindert wird.
In einem Aspekt beinhaltet ein Steckverbinderpaar einen ersten Steckverbinder und einen zweiten Steckverbinder, der elektrisch mit dem ersten Steckverbinder verbunden ist. Der erste Steckverbinder enthält einen ersten elektrischen Kontaktteil, der mit einer Graphenschicht auf einem Metallbasismaterial versehen ist. Der zweite Steckverbinder beinhaltet einen zweiten elektrischen Kontaktteil, der über die Graphenschicht elektrisch mit dem ersten Steckverbinder verbunden ist. Eine Kontaktfläche zwischen dem ersten elektrischen Kontaktteil und dem zweiten elektrischen Kontaktteil ist kleiner als eine Fläche der Graphenschicht, die auf dem Metallbasismaterial aufgebracht ist.
Gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen ist es möglich, einen Steckverbinder und ein Steckverbinderpaar mit einem niedrigen elektrischen Widerstandswert bereitzustellen, bei dem eine Abnahme der Leitfähigkeit aufgrund von Oxidation verhindert wird.
Figurenliste

1A und 1B sind Diagramme eines Schaltungsmodells, bei dem eine Messklemme in Punktkontakt mit einem elektrischen Kontaktteil gebracht wird, der eine einheitliche Widerstandsschicht (Widerstandswert: R₁) aufweist und auf einem Metallbasismaterial ausgebildet ist, und eine Spannung angelegt wird. 1A zeigt einen Fall, in dem keine leitfähige Beschichtung auf der Widerstandsschicht vorhanden ist, und 1B zeigt einen Fall, in dem eine leitfähige Beschichtung auf der Widerstandsschicht vorhanden ist (Widerstandswert: R_c).
2 ist ein Diagramm, das die Berechnungsergebnisse eines kombinierten Widerstandswerts zeigt, wenn R₁ = 1 Ω in dem Schaltungsmodell aus 1A und 1B. Verlauf (a) zeigt einen Fall, in dem R_h = R_v = R₁, wobei keine leitfähige Beschichtung auf einer Oberfläche vorhanden ist. Verlauf (b) zeigt einen Fall, in dem R_h = 10^-1 R_v, wobei eine leitfähige Beschichtung auf der Oberfläche vorhanden ist. Verlauf (c) zeigt einen Fall, in dem R_h = 10^-2R_v. Verlauf (d) zeigt einen Fall, in dem R_h = 10^-3R_v. Verlauf (e) zeigt einen Fall, in dem R_h = 10^-4R_v. Verlauf (f) zeigt einen Fall, in dem R_h = 10^-5R_v.
3 ist ein Diagramm, das die Berechnungsergebnisse eines Gesamtstromwertes zeigt, der durch eine Schaltung fließt, wenn R₁ = 1 Ω und die Spannung 1 V in dem Schaltungsmodell der vorliegenden Erfindung beträgt. Verlauf (a) zeigt einen Fall, in dem R_h = R_v = R₁, wobei keine leitfähige Beschichtung auf der Oberfläche vorhanden ist. Verlauf (b) zeigt einen Fall, in dem R_h = 10^-1R_v, wobei eine leitfähige Beschichtung auf der Oberfläche vorhanden ist. Verlauf (c) zeigt einen Fall, in dem R_h = 10^-2R_v. Verlauf (d) zeigt einen Fall, in dem R_h = 10^-3R_v. Verlauf (e) zeigt einen Fall, in dem R_h = 10^-4R_v. Verlauf (f) zeigt einen Fall, in dem R_h = 10^-5R_v.
4 ist ein Diagramm, das die Berechnungsergebnisse einer Verteilung des Stroms zeigt, der durch jeden Widerstand fließt, wenn R₁ = 1 Ω und die Spannung 1 V in dem Schaltungsmodell aus 1A und 1B beträgt. Verlauf (a) zeigt einen Fall, in dem R_h = R_v = R₁, wobei keine leitfähige Beschichtung auf der Oberfläche vorhanden ist. Verlauf (b) zeigt einen Fall, in dem R_h = 10^-1R_v, wobei eine leitfähige Beschichtung auf der Oberfläche vorhanden ist. Verlauf (c) zeigt einen Fall, in dem R_h = 10^-2R_v. Verlauf (d) zeigt einen Fall, in dem R_h = 10^-3R_v. Verlauf (e) zeigt einen Fall, in dem R_h = 10^-4R_v. Verlauf (f) zeigt einen Fall, in dem R_h = 10^-5R_v.
5A und 5B sind Diagramme einer Ausbreitungswirkung eines Stroms in der leitfähigen Beschichtung.
6 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Form eines Steckverbinderpaares gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
7 ist ein Diagramm eines Modells, das zur Berechnung einer Änderung eines Gesamtstromwerts mit und ohne eine Graphenschichtbeschichtung auf einem Kupferbasismaterial mit einer Kupferoxidschicht (Cu₂O) auf einer Oberfläche verwendet wird.
8 ist ein Diagramm, das den im Modell von 7 berechneten Gesamtstromwert zeigt.
9 ist ein Diagramm eines Modells, das zur Berechnung einer Änderung des Gesamtstromwerts mit und ohne die Graphenschichtbeschichtung auf dem Kupferbasismaterial mit einer Kupferoxidschicht (Cu₂O) auf der Oberfläche verwendet wird.
10 ist ein Diagramm, das den im Modell von 9 berechneten Gesamtstromwert zeigt.
11 ist ein Diagramm eines Modells, das zur Berechnung einer Änderung des Gesamtstromwerts mit und ohne die Graphenschichtbeschichtung auf einem Zinnbasismaterial verwendet wird, das auf einem Kupfersubstrat gebildet ist und eine Zinnoxidschicht (SnO₂) auf einer Oberfläche aufweist.
12 ist ein Diagramm, das den im Modell von 11 berechneten Gesamtstromwert zeigt.
13 ist ein Graph, der ein Ergebnis der Schichtdickenmessung der Graphenschicht für den elektrischen Kontaktteil gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt.
14 ist ein Diagramm, das ein Verfahren zur Messung eines in Dickenrichtung fließenden Stroms für den elektrischen Kontaktteil gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt.
15 ist ein Graph, der ein Messergebnis des in Dickenrichtung fließenden Stroms für den elektrischen Kontaktteil gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt.
16 ist ein Graph, der ein Ergebnis der Schichtdickenmessung der Graphenschicht für den elektrischen Kontaktteil gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt.
17 ist ein Graph, der ein Messergebnis des in Dickenrichtung fließenden Stroms für den elektrischen Kontaktteil gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt.

Ausführliche Beschreibung
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung basierend auf einem Ausführungsbeispiel ausführlich beschrieben, doch ist die vorliegende Erfindung nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt.
[Mechanismus der Verringerung des elektrischen Widerstands durch Graphenschichtbildung]
Wie oben beschrieben, ist ein elektrischer Widerstandswert in einer Dickenrichtung eines elektrischen Kontaktteils, der mit einer Graphenschicht auf einer Oberfläche beschichtet ist, deutlich niedriger als bei einem elektrischen Kontaktteil ohne die Graphenschicht. Zu diesem Mechanismus werden folgende Überlegungen angestellt.
Im Allgemeinen wird eine Oberfläche eines Metallbasismaterials mit einer dünnen Widerstandsschicht (Widerstandswert: R₁) bedeckt, die einen höheren elektrischen Widerstand als Metall aufweist, durch Oxidation unter dem Einfluss von Sauerstoff und Feuchtigkeit in der Atmosphäre, dem sogenannten Rost. Obwohl sich eine Dicke und ein elektrischer Widerstandswert der Widerstandsschicht (Oxidschicht) in Abhängigkeit von einer Umgebung, in der das Metallbasismaterial angeordnet ist, und einer Expositionszeit ändern, wie in einem Modell aus 1A gezeigt, kann durch Definieren eines elektrischen Widerstandswerts R_v in einer vertikalen (Dicken-) Richtung der Widerstandsschicht als gleich R₁, abgeleitet von einem elektrischen Widerstand, und durch Definieren von elektrischen Widerständen mit einem Widerstandswert R_h in einer horizontalen (in der Ebene liegenden) Richtung für jede Länge, die die gleiche ist wie in der vertikalen Richtung, als in Reihe geschaltete Widerstände, in Betracht gezogen werden, dass sowohl der elektrische Widerstandswert R_v in der vertikalen Richtung als auch der Widerstandswert R_h in der horizontalen Richtung gleich R₁ sind. Wenn hierbei eine Messklemme nur einen Teil einer Oberfläche der Widerstandsschicht berührt und eine Spannung angelegt wird, entsteht, da die Beschichtung den elektrischen Widerstand nicht nur in Dickenrichtung, sondern auch in Ebenenrichtung aufweist, eine Potentialdifferenz in Ebenenrichtung und es fließt ein Strom. Zu diesem Zeitpunkt wird ein kombinierter Widerstandswert (R_n+₁) von einem elektrischen Widerstand an einer Kontaktposition der Messklemme bis zu einem elektrischen Widerstand in Dickenrichtung, der sich an einer (n+1)-ten Position befindet, durch die folgende Formel (1) ausgedrückt, wobei ein kombinierter Widerstandswert (R_n) bis zu einem n-ten elektrischen Widerstand verwendet wird.
[Formel 1] $R_{n + 1} = \frac{1}{\frac{1}{R_{n} + R_{h}} + \frac{1}{R_{v}}} = \frac{1}{\frac{1}{R_{n} + R_{1}} + \frac{1}{R_{1}}}$
Gemäß Formel (1) nimmt im Fall von 1A, in dem keine leitfähige Beschichtung auf der Widerstandsschicht vorhanden ist, der kombinierte Widerstandswert von R₁ nicht stark ab (siehe Verlauf (a) in 2), und der Gesamtstrombetrag nimmt nicht wesentlich zu (siehe Verlauf (a) in 3). Außerdem fließt der größte Teil des Stroms nur von wenigen Widerständen von der Kontaktposition der Messklemme (siehe Verlauf (a) in 4), und ein Strom aus der Ferne kann aufgrund eines Anstiegs des Widerstandswertes nicht erfasst werden. In 2 bis 4 sind die Berechnungsergebnisse des kombinierten Widerstandswert und eines Stromwerts gezeigt, wobei R₁ = 1Ω.
Wenn dagegen, wie in einem Modell aus 1B gezeigt, eine leitfähige Beschichtung (Widerstandswert: R_c) mit einem Widerstandswert, der niedriger als derjenige einer Widerstandsschicht ist, und einer extrem dünnen Dicke auf der Widerstandsschicht ausgebildet ist, kann in einer gestapelten Schicht, die auf der Widerstandsschicht und der leitfähigen Beschichtung ausgebildet ist, der elektrische Widerstandswert R_v in der vertikalen (Dicken-) Richtung als gleich R₁ der Widerstandsschicht definiert werden, und der Widerstandswert R_h in der horizontalen (Ebenen-) Richtung kann als gleich einem Wert definiert werden, wenn R₁ und R_c parallel geschaltet sind. Der kombinierte Widerstandswert R_n+₁ wird in diesem Fall durch die folgende Formel (2) ausgedrückt.
[Formel 2] $R_{n + 1} = \frac{1}{\frac{1}{R_{n} + R_{h}} + \frac{1}{R_{1}}}$
In diesem Fall nimmt der kombinierte Widerstandswert R_n+₁ deutlich ab, wenn R_h kleiner als R_v (= R₁) ist, d. h. je kleiner R_c im Vergleich zu R₁ ist, desto größer ist die Abnahme im Vergleich zu R₁ (siehe Verlauf (a) bis (f) in 2). Wenn z. B. R_h gleich einem Widerstandswert ist, bei dem R₁ und R_c parallel geschaltet sind, ist der kombinierte Widerstandswert um eine Ziffer kleiner als R_v (= R₁) (siehe Verlauf (b) in 2), und wenn R_h um zwei Ziffern kleiner ist als R_v (= R₁) (siehe Verlauf (c) in 2), ist der kombinierte Widerstandswert etwa 1/6 des Falles von R_h = R_v. Mit abnehmendem kombinierten Widerstandswert steigt die Gesamtstrommenge, die durch die leitfähige Beschichtung fließt, stark an (siehe Verlauf (b) bis (f) in 3). Ein Strom fließt auch zu einem Widerstand an einer Position, die weiter von der Kontaktposition der Messklemme entfernt ist (siehe Verlauf (b) bis (f) in 4). Im Folgenden wird dieses Phänomen in der Beschreibung als „Ausbreitungseffekt des Stroms“ bezeichnet.
Der Ausbreitungseffekt des Stroms ist bemerkenswert in einer Schicht, die aus einem anisotropen Material besteht, das einen extrem kleinen elektrischen Widerstand in der horizontalen (in der Ebene liegenden) Richtung im Vergleich zu einem elektrischen Widerstand in der vertikalen (Dicken-) Richtung unter den leitenden Schichten hat. 5A und 5B sind Diagramme, die einen Unterschied in der Ausbreitungswirkung des Stroms zeigen, der auftritt, wenn eine Spannung direkt an das Metallbasismaterial angelegt wird, in dem die Widerstandsschicht vorhanden ist (5A), und wenn eine Spannung an eine leitfähige Beschichtung aus einem anisotropen Material angelegt wird, das einen kleineren elektrischen Widerstand in der Ebenenrichtung als in der Dickenrichtung aufweist und auf der Oberfläche eines Metallbasismaterials mit einer Widerstandsschicht ausgebildet ist (5B). Wie im Diagramm dargestellt, erhöht sich bei der Bildung der leitfähigen Beschichtung aus dem anisotropen Material die in horizontaler Richtung in einer Ebene fließende Strommenge erheblich, so dass die durch das Metallbasismaterial fließende Strommenge aufgrund des Ausbreitungseffekts des Stroms erheblich zunimmt. In 5A und 5B kennzeichnet, was Bezugszeichen (Ziffer) angeht, 110 ein Metallbasismaterial, 130 kennzeichnet eine Oxidschicht und 120 kennzeichnet eine Graphenschicht, ebenso wie in dem später beschriebenen Ausführungsbeispiel.
Wird die Anwendung des oben beschriebenen Mechanismus auf eine tatsächliche Situation in Betracht gezogen, wird, wenn die Messklemme in direkten Kontakt mit nur einem Teil der Oberfläche des Metallbasismaterials gebracht wird, da eine isotrope Oxidschicht mit einem hohen elektrischen Widerstand in vielen Fällen auf der Oberfläche des Metallbasismaterials gebildet wird, der Ausbreitungseffekt des Stroms aufgrund eines Einflusses der Oxidschicht verhindert, und ein Bereich, in dem der Strom fließt, ist nur auf eine unmittelbare Nähe zur Kontaktposition der Messklemme begrenzt. Dadurch wird die fließende Strommenge begrenzt und der gemessene Widerstandswert erhöht sich.
Andererseits ist, wenn die Messklemme in Kontakt mit der Graphenschicht gebracht wird, die auf der Oberfläche des Metallbasismaterials ausgebildet ist, aufgrund der strukturellen Eigenschaften von Graphen, d.h. einer ebenen Struktur, die aus einem Sechseck gebildet wird, das aus Kohlenstoffatomen und einer Bindung davon besteht, und aus sp2-gebundenen Kohlenstoffatomen, der elektrische Widerstandswert R_c in der Ebenenrichtung deutlich kleiner als der elektrische Widerstandswert R₁ der Widerstandsschicht aufgrund eines Oxids. Daher tritt der Ausbreitungseffekt des Stroms auf, und selbst wenn eine hochohmige Oxidschicht vorhanden ist, steigt die Gesamtstrommenge und der gemessene Widerstandswert sinkt.
[Steckverbinderpaar]
Ein Steckverbinderpaar gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung (im Folgenden einfach als „das vorliegende Ausführungsbeispiel“ bezeichnet), das den oben beschriebenen Mechanismus verwendet, beinhaltet, als ein Beispiel für das in 6 gezeigte Steckverbinderpaar einen ersten Steckverbinder 10 und einen zweiten Steckverbinder 20, der elektrisch mit dem ersten Steckverbinder verbunden ist, wobei der erste Steckverbinder 10 einen elektrischen Kontaktteil 100 aufweist, der mit einer Graphenschicht 120 auf einem Metallbasismaterial 110 versehen ist, der zweite Steckverbinder 20 einen elektrischen Kontaktteil 200 aufweist, der über die Graphenschicht 120 elektrisch mit dem ersten Steckverbinder 10 verbunden ist, und eine Kontaktfläche zwischen den elektrischen Kontaktteilen des ersten Steckverbinders 10 und des zweiten Steckverbinders 20 kleiner ist als eine Fläche der Graphenschicht 120, die das Metallbasismaterial 110 beschichtet.
Das Metallbasismaterial 110 in dem elektrischen Kontaktteil 100 des ersten Steckverbinders 10 kann ein beliebiges Material sein, solange das Material leitfähig ist, und es können Silber, Kupfer, Aluminium, Nickel oder Zinn, eine Legierung, die diese Metalle enthält, oder Ähnliches verwendet werden. Es kann auch rostfreier Stahl verwendet werden. Außerdem kann eine weitere Metallschicht auf einer Oberfläche durch Plattieren, Aufdampfen oder dergleichen gebildet werden.
Eine Form und Größe des Metallbasismaterials 110 kann entsprechend einer erforderlichen Leistung, Norm und dergleichen bestimmt werden.
Das Metallbasismaterial 110 kann auf seiner Oberfläche mit einer Oxidschicht 130 aus einem Metall für das Metallbasismaterial 110 versehen sein. Wenn das Metallbasismaterial 110 die Oxidschicht 130 enthält, wird eine Erhöhung des Stroms durch den Ausbreitungseffekt des Stroms durch die Graphenschicht 120 deutlicher. Mit anderen Worten wird der elektrische Widerstand des elektrischen Kontaktteils 100 deutlich reduziert. Insbesondere wenn das Metallbasismaterial 110 Kupfer ist und ein Kupferoxid (Cu₂O) oder eine Kupferoxidschicht (CuO) 130, bei der es sich um ein Kupferoxid handelt, auf der Oberfläche des Metallbasismaterials 110 gebildet wird, ist aufgrund des hohen elektrischen Widerstands des Kupferoxids die Abnahme des elektrischen Widerstands bemerkenswert.
Der elektrische Kontaktteil 100 des ersten Steckverbinders 10 enthält die Graphenschicht 120 auf dem Metallbasismaterial 110. Die Graphenschicht 120 kann so ausgebildet sein, dass sie die gesamte Oberfläche des Metallbasismaterials bedeckt, oder sie kann so ausgebildet sein, dass sie nur einen Teil der Oberfläche des Metallbasismaterials bedeckt. Eine Dicke der Graphenschicht 120 ist nicht begrenzt und kann z. B. 0,335 nm bis 1,0 mm betragen. Unter dem Gesichtspunkt des Schutzes des Metallbasismaterials 110 vor einem Verschlechterungsfaktor (Sauerstoff, Feuchtigkeit oder dergleichen) beträgt die Dicke der Graphenschicht 120 vorzugsweise 1 nm oder mehr, und noch bevorzugter 3 nm oder mehr. Andererseits beträgt die Dicke der Graphenschicht 120 unter dem Gesichtspunkt der Vermeidung eines Anstiegs des elektrischen Widerstands vorzugsweise 100 µm oder weniger, und noch bevorzugter 100 nm oder weniger.
Ein Verfahren zur Bildung der Graphenschicht 120 auf dem Metallbasismaterial 110 unterliegt keiner Einschränkung, und zum Beispiel kann ein Gasphasenverfahren wie ein CVD-Verfahren oder ein Verfahren durch eine Reduktionsbehandlung nach Beschichtung und Trocknung einer Flüssigkeit, die ein Graphenoxid enthält, angenommen werden. Unter den Verfahren ist das Verfahren durch die Reduktionsbehandlung des Graphenoxids insofern zu bevorzugen, als Graphenschichten mit verschiedenen Schichtdicken leicht erhalten werden können, ohne dass eine großtechnische Vorrichtung erforderlich ist. Darüber hinaus ist dieses Verfahren auch insofern vorteilhaft, als ein reduziertes Graphenoxid (rGO) mit hervorragender Leitfähigkeit erhalten wird.
Der elektrische Kontaktteil 100 des ersten Steckverbinders 10 kann eine leitfähige Polymerschicht (nicht dargestellt) zwischen dem Metallbasismaterial 110 und der Graphenschicht 120 enthalten. Bei einer solchen Konfiguration wird aufgrund einer Flexibilität der leitfähigen Polymerschicht, wenn der erste Steckverbinder 10 mit dem zweiten Steckverbinder 20 verbunden wird, eine Oberfläche des elektrischen Kontaktteils 100 entsprechend einer Oberflächenform des elektrischen Kontaktteils 200 des zweiten Steckverbinders 20 reversibel verformt, und es wird eine größere Kontaktfläche erhalten.
Der elektrische Kontaktteil 200 des zweiten Steckverbinders 20 ist so ausgestaltet, dass er die Graphenschicht 120 im elektrischen Kontaktteil 100 des ersten Steckverbinders 10 mit einer Fläche kontaktiert, die kleiner ist als die Fläche der Graphenschicht 120, die das Metallbasismaterial 110 beschichtet. Zu Beispielen für einen solchen elektrischen Kontaktteil 200 zählen eine Blattfeder, eine Schlitzklemme und dergleichen.
In einem Steckverbinderpaar 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird, selbst wenn die Kontaktfläche zwischen den elektrischen Kontaktteilen 100 und 200 klein ist, aufgrund des oben beschriebenen Ausbreitungseffekts des Stroms der elektrische Widerstand gering, und ein ausreichender Strom kann fließen. Daher ist es nicht notwendig, einen Mechanismus zum Aufbringen einer großen Druckkraft bereitzustellen, um die Kontaktfläche zwischen den elektrischen Kontaktteilen zu vergrößern, und eine Größe des Steckverbinders kann reduziert werden. Da außerdem die Kontaktfläche zwischen den elektrischen Kontaktteilen klein ist, wird ein Reibungswiderstand beim Anbringen und Lösen reduziert, und das Anbringen und Lösen kann leicht durchgeführt werden.
[Beispiele]
Nachfolgend wird jedes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung basierend auf Beispielen noch ausführlicher beschrieben, doch ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt.
Bevor ein Effekt der vorliegenden Erfindung experimentell bestätigt wurde, wurde rechnerisch abgeschätzt, wie viel Strom durch den elektrischen Kontaktteil geleitet werden kann, in dem die Graphenschicht auf der Oberfläche des Metallbasismaterials ausgebildet ist.
(Berechnungsbeispiel 1)
Unter der Annahme, dass eine Kupferelektrode mit einem quadratischen Querschnitt mit einer Seite von 5 nm mit einem elektrischen Kontaktteil an jedem Ende in Kontakt gebracht wurde, in dem ein Kupferbasismaterial mit einer Kupferoxidschicht (Cu₂O) mit einer Dicke von 5 nm auf einer Oberfläche und eine einlagige Graphenschicht auf dem Basismaterial ausgebildet waren, und eine Spannung von 1 V angelegt wurde, wurde ein Strom, der für jeden in der Ebene liegenden Abstand von der Kupferelektrode fließt, berechnet und als ein integrierter Wert in Bezug auf den in der Ebene liegenden Abstand aufgezeichnet. Der elektrische Widerstand jedes Materials betrug 1 × 10⁶ Ωm für CU₂O und 4 × 10^-7 Ωm für die Graphenschicht in der Ebenenrichtung. Da die Dicke der Graphenschicht in der einlagigen Schicht sehr dünn war, wurde der elektrische Widerstandswert in einer Richtung zwischen den Ebenen (Dicke) davon als Null berechnet. Da außerdem der elektrische Widerstand des Metalls Kupfer im Basismaterial viel kleiner war als der von Cu₂O, wurde der elektrische Widerstandswert ebenfalls mit Null berechnet. Ein für die Berechnung verwendetes Modell (mit Bildung der Graphenschicht) ist in 7 dargestellt, und ein Berechnungsergebnis ist in 8 dargestellt.
Als Ergebnis der Berechnung wurde festgestellt, dass durch die Bildung der Graphenschicht auf dem Basismaterial ein Strom von ca. 200.000 mal durchgelassen werden kann.
(Berechnungsbeispiel 2)
Ein Strom, der durch den elektrischen Kontaktteil fließt, wurde ähnlich wie in Berechnungsbeispiel 1 berechnet, mit der Ausnahme, dass angenommen wurde, dass ein Kupferbasismaterial eine Kupferoxidschicht (CuO) mit einer Dicke von 20 nm auf der Oberfläche aufweist und dass die Kupferelektrode einen quadratischen Querschnitt mit einer Seite von 20 nm hat. Ein elektrischer Widerstand von CuO betrug 1 Qm. Ein für die Berechnung verwendetes Modell (mit Bildung der Graphenschicht) ist in 9 dargestellt, und ein Berechnungsergebnis ist in 10 dargestellt.
Als Ergebnis der Berechnung wurde festgestellt, dass durch die Bildung der Graphenschicht auf dem Basismaterial ein Strom von ca. 130 mal durchgelassen werden kann.
(Berechnungsbeispiel 3)
Ein Strom, der durch den elektrischen Kontaktteil fließt, wurde ähnlich wie in Berechnungsbeispiel 1 berechnet, außer dass als Basismaterial Zinn mit einer Zinnoxidschicht (SnO₂) mit einer Dicke von 10 nm angenommen wurde, die auf einem Kupfersubstrat gebildet wurde, und dass die Elektrode aus Zinn mit einem quadratischen Querschnitt mit einer Seite von 10 nm angenommen wurde. Ein elektrischer Widerstand von Zinn betrug 12,8 × 10^-8 Ωm, und ein elektrischer Widerstand von SnO₂ betrug 4 × 10^-4 Qm. Ein für die Berechnung verwendetes Modell (mit Bildung der Graphenschicht) ist in 11 dargestellt, und ein Berechnungsergebnis ist in 12 dargestellt.
Als Ergebnis der Berechnung wurde festgestellt, dass durch die Bildung der Graphenschicht auf dem Basismaterial ein Strom von ca. 4 mal durchgelassen werden kann.
[Beispiel 1]
Zunächst wurde ein Klemmenmaterial (20 × 30 × 0,25 mm) aus einer Kupferlegierung (NB109) als Metallbasismaterial vorbereitet und mit 10 % verdünnter Schwefelsäure gewaschen, um eine natürliche Oxidschicht zu entfernen. Dann wurde eine Graphenoxidschicht (GO) auf dem Metallbasismaterial durch ein elektrophoretisches Abscheideverfahren (EPD) gebildet. Die Schichtbildungsbedingungen sind in Tabelle 1 dargestellt. Anschließend wurde ein Klebeband auf etwa die Hälfte der hergestellten GO-Schicht geklebt und dann abgezogen, um etwa die Hälfte der GO-Schicht zu entfernen. Dieser Vorgang dient der Messung einer Schichtdicke der schließlich gebildeten Graphenschicht und dem Vergleich von Stromwerten mit und ohne Graphenschicht. Abschließend wurde das Metallbasismaterial, auf dem die GO-Schicht gebildet wurde, bei 300 °C für 30 Minuten in einer Ar-Atmosphäre wärmebehandelt, um GO durch Wärme zum reduzierten Graphenoxid (rGO) zu reduzieren, und ein elektrischer Kontaktteil für den ersten Steckverbinder gemäß Beispiel 1 (im Folgenden einfach als „elektrischer Kontaktteil gemäß Beispiel 1“ bezeichnet) wurde erhalten. [Tabelle 1]

GO-DISPERSIONS-KONZENTRATION [mg/L] ANGELEGTE SPANNUNG [V] SCHICHTBILDUNGS-ZEIT [Min] DISTANZ ZWISCHEN ELEKTRODEN [mm]

4 3 5 10
Eine Schichtdicke der Graphenschicht des elektrischen Kontaktteils gemäß Beispiel 1 wurde unter Verwendung eines Rasterkraftmikroskops (AFM) (hergestellt von Park Systems, Typ NX10) gemessen. Ein Ergebnis ist in 13 dargestellt. Aus diesem Ergebnis ist ersichtlich, dass eine rGO-Schicht mit einer Dicke von etwa 9 nm auf dem Kupferbasismaterial gebildet wurde.
Für den elektrischen Kontaktteil gemäß Beispiel 1 wurde die Größe eines in Dickenrichtung fließenden Stroms unter einer konstanten Spannung mit einem leitfähigen AFM gemessen. Wie in 14 gezeigt, wurde die Messung durchgeführt, während eine Messposition entlang eines Leitungssegments von einem Kupfersubstratabschnitt, in dem die rGO-Schicht nicht ausgebildet war, zu einem rGO-Schichtabschnitt geändert wurde. Die angelegte Spannung betrug 1 V. Ein Messergebnis ist in 15 dargestellt. Aus diesem Ergebnis geht hervor, dass ein Stromwert des rGO-Schichtabschnitts größer ist als ein Stromwert des Kupfersubstratabschnitts.
[Beispiel 2]
Zunächst wurde ein Klemmenmaterial aus einer Kupferlegierung (NB109) als Metallbasismaterial vorbereitet und eine Oberfläche davon wurde chemisch-mechanischem Polieren (CMP) unterzogen. Dementsprechend heißt es, dass eine Cu₂O-Schicht auf einer Oberfläche der Kupferlegierung gebildet wird (Huchi Uma, 3 andere, „correlation between chemical mechanical polishing behavior and physical properties of surface products“, Surface Technology, Bd. 63, Nr. 4, 2012, S.252-). Als nächstes wurde die GO-Schicht auf dem Metallbasismaterial gebildet, auf dem die Cu₂O-Schicht auf der Oberfläche durch ein ähnliches Verfahren wie in Beispiel 1 gebildet wurde. Anschließend, ähnlich wie in Beispiel 1, wurde ein Klebeband auf etwa die Hälfte der hergestellten GO-Schicht geklebt und dann abgezogen, um etwa die Hälfte der GO-Schicht zu entfernen. Abschließend wurde das Kupferbasismaterial, auf dem die GO-Schicht gebildet wurde, bei 200 °C für 5 Minuten in einer Ar-Atmosphäre wärmebehandelt, um GO durch Wärme zu dem rGO zu reduzieren, und ein elektrischer Kontaktteil für den ersten Steckverbinder gemäß Beispiel 2 (im Folgenden einfach als „elektrischer Kontaktteil gemäß Beispiel 2“ bezeichnet) wurde erhalten.
Die Schichtdicke der Graphenschicht des elektrischen Kontaktteils gemäß Beispiel 2 wurde mit einem ähnlichen Verfahren wie in Beispiel 1 gemessen. Ein Ergebnis ist in 16 dargestellt. Aus diesem Ergebnis ist ersichtlich, dass eine rGO-Schicht mit einer Dicke von etwa 4 nm auf dem Kupferbasismaterial gebildet wurde.
Für den elektrischen Kontaktteil gemäß Beispiel 2 wurde die Größe eines in Dickenrichtung fließenden Stroms unter einer konstanten Spannung mit einem ähnlichen Verfahren wie in Beispiel 1 gemessen. Ein Messergebnis ist in 17 dargestellt. Aus diesem Ergebnis geht hervor, dass ein Stromwert des rGO-Schichtabschnitts größer ist als ein Stromwert des Kupfersubstratabschnitts. Aus einem Vergleich mit dem Ergebnis von Beispiel 1 (siehe 15) ist zu erkennen, dass ein Effekt der Verbesserung der Leitfähigkeit aufgrund der Bildung der Graphenschicht bei dem Metallbasismaterial mit einer isolierenden Oxidschicht auf der Oberfläche noch verstärkt wird.
Die Eigenschaften des Ausführungsbeispiels des Steckverbinders und des Steckverbinderpaares gemäß der vorliegenden Erfindung, die oben beschrieben sind, werden nachfolgend unter [1] bis [5] kurz zusammengefasst.

[1] Steckverbinderpaar (1), das beinhaltet:
- einen ersten Steckverbinder (10); und
- einen zweiten Steckverbinder (20), der elektrisch mit dem ersten Steckverbinder (10) verbunden ist,
- wobei der erste Steckverbinder (10) einen ersten elektrischen Kontaktteil (100) beinhaltet, der mit einer Graphenschicht auf einem Metallbasismaterial (110) versehen ist,
- der zweite Steckverbinder (20) einen zweiten elektrischen Kontaktteil (200) beinhaltet, der über die Graphenschicht elektrisch mit dem ersten Steckverbinder (10) verbunden ist, und
- eine Kontaktfläche zwischen dem ersten elektrischen Kontaktteil (100) und dem zweiten elektrischen Kontaktteil (200) kleiner ist als eine Fläche der Graphenschicht, die auf dem Metallbasismaterial (110) aufgebracht ist.
[2] Steckverbinderpaar (1) nach Punkt [1], wobei das Metallbasismaterial (110) in dem ersten elektrischen Kontaktteil (100) eine Oxidschicht eines Metalls auf der Oberfläche desselben beinhaltet.
[3] Steckverbinderpaar (1) nach Punkt [2], wobei das Metallbasismaterial (110) Kupfer ist und die Oxidschicht Kupferoxid ist.
[4] Steckverbinderpaar (1) nach einem aus [1] bis [3], wobei die Graphenschicht ein reduziertes Graphenoxid ist.
[5] Steckverbinderpaar (1) nach einem aus [1] bis [4], wobei der erste elektrische Kontaktteil (100) des Weiteren eine leitfähige Polymerschicht zwischen dem Metallbasismaterial (110) und der Graphenschicht enthält.
[6] Steckverbinder, der als der erste Steckverbinder (100) des Steckverbinderpaares (1) nach einem aus [1] bis [5] dient, wobei der Steckverbinder beinhaltet:
- einen elektrischen Kontaktteil, der mit einer Graphenschicht auf einem Metallbasismaterial (110) versehen ist.

Bezugszeichenliste

1: Steckverbinderpaar
10: erster Steckverbinder
100: elektrischer Kontaktteil (des ersten Steckverbinders)
110: Metallbasismaterial
120: Graphenschicht
130: Oxidschicht
20: zweiter Steckverbinder
200: elektrischer Kontaktteil (des zweiten Steckverbinders)
210: Vorsprungsabschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2018056119 A [0008]
JP 2012237055 A [0008]

Claims

Steckverbinderpaar, umfassend: einen ersten Steckverbinder; und einen zweiten Steckverbinder, der elektrisch mit dem ersten Steckverbinder verbunden ist, wobei der erste Steckverbinder einen ersten elektrischen Kontaktteil enthält, der mit einer Graphenschicht auf einem Metallbasismaterial versehen ist, der zweite Steckverbinder einen zweiten elektrischen Kontaktteil beinhaltet, der über die Graphenschicht elektrisch mit dem ersten Steckverbinder verbunden ist, und eine Kontaktfläche zwischen dem ersten elektrischen Kontaktteil und dem zweiten elektrischen Kontaktteil kleiner ist als eine Fläche der Graphenschicht, die auf dem Metallbasismaterial aufgebracht ist.
Steckverbinderpaar nach Anspruch 1, wobei das Metallbasismaterial in dem ersten elektrischen Kontaktteil eine Oxidschicht eines Metalls auf der Oberfläche desselben beinhaltet.
Steckverbinderpaar nach Anspruch 2, wobei das Metallbasismaterial Kupfer ist und die Oxidschicht Kupferoxid ist.
Steckverbinderpaar nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Graphenschicht reduziertes Graphenoxid ist.
Steckverbinderpaar nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der erste elektrische Kontaktteil des Weiteren eine leitfähige Polymerschicht zwischen dem Metallbasismaterial und der Graphenschicht enthält.
Steckverbinder, der als der erste Steckverbinder des Steckverbinderpaares nach einem der Ansprüche 1 bis 5 verwendet wird.