DE112021003475T5

DE112021003475T5 - Leiter und herstellungsverfahren dafür

Info

Publication number: DE112021003475T5
Application number: DE112021003475.8T
Authority: DE
Inventors: Keisuke FUGANE; Yoshinobu Suzuki; Takumi Okamoto
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2020-06-30
Filing date: 2021-05-28
Publication date: 2023-04-20
Also published as: US20230120391A1; JP7310734B2; WO2022004215A1; CN115997259A; JP2022011777A

Abstract

Ein Leiter umfasst eine leitende Struktur, die eine vorbestimmte Form hat und ein Kohlenstoffmaterial (11) umfasst, das Leitfähigkeit hat, und einen Dotierstoff (30), der das Kohlenstoffmaterial (11) dazu bringt, eine elektrische Ladung zu erzeugen. Der Dotierstoff (30) umfasst ein Trifluormethansulfonat, das aus einem dreiwertigen Ion eines Lanthanoids und Triflat-Anionen besteht.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung basiert auf der am 30. Juni 2020 eingereichten japanischen Patentanmeldung Nr. 2020-113133 , deren Offenbarung hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen Leiter und ein Herstellungsverfahren für den Leiter.
STAND DER TECHNIK
Patentliteratur 1 offenbart eine leitende Folie, in der mit einer Oberfläche einer CNT-haltigen Folie, die eine Folie ist, die CNT enthält, Tetrachlorogoldsäure als ein Dotierstoff in Kontakt gebracht wird. Der Dotierstoff reduziert in dieser leitenden Folie einen Flächenwiderstand der CNT-haltigen Folie und er verbessert die Leitfähigkeit. Der Flächenwiderstand wird auch spezifischer Oberflächenwiderstand genannt.
ENTGEGENHALTUNGSLISTE
PATENTLITERATUR
Patentliteratur 1: JP 2015 - 210 955 A
KURZDARSTELLUNG
Allerdings haben die Erfinder herausgefunden, dass sich die Leistung der oben beschriebenen, herkömmlichen leitenden Folie in einer Umgebung hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit verschlechtert und sie ihre Wirkung verliert, die Leitfähigkeit zu verbessern. Es ist zu beachten, dass dies nicht auf eine leitende Folie beschränkt ist, dir die CNT-haltige Folie und Tetrachlorogoldsäure enthält. Es ist denkbar, dass sich die Leistung in einer Umgebung hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit auch bei einer leitenden Struktur, die ein Kohlenstoffmaterial enthält, und einem Leiter, der Tetrachlorogoldsäure enthält, verschlechtert.
Eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist, einen Leiter, der dazu imstande ist, mit einem Dotierstoff die Leitfähigkeit zu verbessern und eine Leistungsverschlechterung in einer Umgebung hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit einzuschränken, und ein Herstellungsverfahren für den Leiter zur Verfügung zu stellen.
Um die oben beschriebene Aufgabe zu lösen, umfasst gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung ein Leiter eine leitende Struktur, die eine vorbestimmte Form hat und ein Kohlenstoffmaterial umfasst, das Leitfähigkeit hat, und einen Dotierstoff, der das Kohlenstoffmaterial dazu bringt, eine elektrische Ladung zu erzeugen. Der Dotierstoff umfasst ein Trifluormethansulfonat, das aus einem dreiwertigen Ion eines Lanthanoids und Triflat-Anionen besteht.
Gemäß dieser Konfiguration kann die Leitfähigkeit der leitenden Struktur durch den Dotierstoff verbessert werden und es kann eine Verschlechterung der Leistung in einer Umgebung hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit eingeschränkt werden.
Außerdem umfasst gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung ein Herstellungsverfahren für einen Leiter Folgendes: Vorbereiten einer leitenden Struktur, die eine vorbestimmte Form hat und ein Kohlenstoffmaterial umfasst, das Leitfähigkeit hat; Vorbereiten einer Lösung, die einen gelösten Stoff und ein Lösungsmittel umfasst, wobei der gelöste Stoff als ein Dotierstoff dient, der das Kohlenstoffmaterial dazu bringt, eine elektrische Ladung zu erzeugen; Anbringen der Lösung an der leitenden Struktur; und Entfernen des Lösungsmittels aus der leitenden Struktur, nachdem die Lösung an der leitenden Struktur angebracht wurde. Das Vorbereiten der Lösung umfasst ein Vorbereiten des gelösten Stoffes, der ein Trifluormethansulfonat umfasst, das aus einem dreiwertigen Ion eines Lanthanoids und Triflat-Anionen besteht.
Gemäß dieser Konfiguration kann die Leitfähigkeit der leitenden Struktur durch den Dotierstoff verbessert werden und es kann eine Leistungsverschlechterung in einer Umgebung hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit eingeschränkt werden.
Es ist zu beachten, dass die in Klammern gesetzten Ziffern, die den Bestandteilen und dergleichen zugeordnet sind, ein Beispiel für die Übereinstimmung zwischen den Bestandteilen und dergleichen und den bestimmten Bestandteilen und dergleichen darstellen, die unten in einem zu beschreibenden Ausführungsbeispiel beschrieben werden.
Figurenliste

1 ist eine Perspektivansicht einer durchsichtigen, leitenden Folie gemäß einem Ausführungsbeispiel.
2 ist ein schematisches Schaubild einer CNT und eines Dotierstoffs gemäß dem Ausführungsbeispiel.
3 ist ein Schaubild, das die chemische Struktur eines Trifluormethansulfonats zeigt, das aus einem dreiwertigen Ion von Cer und Triflat-Anionen besteht und keine Wassermoleküle enthält.
4 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Herstellungsverfahren für den Leiter gemäß dem Ausführungsbeispiel zeigt.
5 ist ein schematisches Schaubild eines herkömmlichen, positiv geladenen Dotierstoffs und einer CNT.
6 ist ein schematisches Schaubild eines herkömmlichen, negativ geladenen Dotierstoffs und einer CNT.
7 ist eine Perspektivansicht eines Prüfkörpers von Beispiel 1, bevor eine Lösung angebracht wird.
8 ist eine Perspektivansicht des Prüfkörpers von Beispiel 1 in einem Zustand, in dem die Lösung angebracht wird.
9 ist ein Kurvenbild, das Ergebnisse von Haltbarkeitsbewertungsversuchen von Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 zeigt.
10 ist ein Schaubild, das Ergebnisse einer chemischen Zustandsanalyse eines Dotierstoffs von Vergleichsbeispiel 1 vor und nach dem Haltbarkeitsbewertungsversuch zeigt.
11 ist ein Schaubild, das die chemische Struktur eines Trifluormethansulfonats zeigt, das im Vergleichsbeispiel 2 verwendet wird.
12 ist ein Schaubild, das die chemische Struktur eines Trifluormethansulfonats zeigt, das im Vergleichsbeispiel 3 verwendet wird.
13 ist ein Kurvenbild, das Ergebnisse von Haltbarkeitsbewertungsversuchen von Beispiel 2, Vergleichsbeispiel 2 und Vergleichsbeispiel 3 zeigt.
14 ist ein Kurvenbild, das einen Zusammenhang zwischen einer Dotierstoffkonzentration und einer Flächenwiderstandänderungsrate im Beispiel 3 zeigt.
15 ist ein Schaubild, das einen Zusammenhang zwischen einer Dotierstoffkonzentration und einer Flächenwiderstandänderungsrate im Vergleichsbeispiel 4 zeigt.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Ein Leiter des vorliegenden Ausführungsbeispiels umfasst eine leitende Struktur, die ein leitendes Kohlenstoffmaterial enthält, und einen Dotierstoff, der das Kohlenstoffmaterial dazu bringt, elektrische Ladungen zu erzeugen.
Als das leitende Kohlenstoffmaterial wird ein Nanokohlenstoffmaterial verwendet. Das Nanokohlenstoffmaterial ist ein Kohlenstoffmaterial, dessen Struktur auf ein Nanogrößenniveau gesteuert ist. Die Nanogröße ist eine Größe von 1000 nm oder weniger, was 1 nm oder weniger einschließt. Das Nanokohlenstoffmaterial umfasst ein Kohlenstoffmaterial, dessen kleinste Abmessung unter seinen Eigenabmessungen in einem Bereich von 1 nm bis 1000 nm einschließlich liegt. Beispiele für das Nanokohlenstoffmaterial sind CNT (also eine Kohlenstoffnanoröhre), CNB (also ein Kohlenstoffnanobud), Graphen und dergleichen. CNT, CNB, Graphen und dergleichen haben hauptsächlich eine sechsgliedrige Ringstruktur. Als das leitende Kohlenstoffmaterial kann auch ein Kohlenstoffmaterial verwendet werden, das eine andere Leitfähigkeit als das Nanokohlenstoffmaterial hat.
Die leitende Struktur ist ein Objekt, das Leitfähigkeit hat und eine vorbestimmte Form hat. Ein Beispiel der leitenden Struktur ist eine transparente, leitende Folie 10, wie sie in 1 gezeigt ist. Die transparente, leitende Folie 10 wird ausgebildet, indem ein Kohlenstoffmaterial (zum Beispiel CNT) in einer Folienform dispergiert wird. Die transparente, leitende Folie 10 hat eine gewünschte Durchlässigkeit für sichtbares Licht und eine gewünschte Leitfähigkeit.
Die transparente, leitende Folie 10 wird von einem Substrat 20 getragen, das durchsichtig ist. Als das Substrat 20 wird ein Substrat verwendet, das aus einem Kunstharzmaterial (zum Beispiel PET und dergleichen) oder einem anorganischen Material (zum Beispiel Quarzglas und dergleichen) besteht. Es ist zu beachten, dass die transparente, leitende Folie 10 nicht von dem Substrat 20 getragen werden muss.
Die transparente, leitende Folie 10 wird als eine transparente Heizung verwendet. Die transparente Heizung wird als eine Heizung verwendet, um die Funktion eines Fahrzeugsensors oder einer Windschutzscheibe eines Fahrzeugs sicherzustellen. Die transparente Heizung heizt den Sensor oder die Windschutzscheibe, wenn auf dem Sensor oder der Windschutzscheibe eine Vereisung, ein Beschlagen oder dergleichen auftritt. Dementsprechend wird die Vereisung, das Beschlagen oder dergleichen beseitigt.
Die leitende Struktur kann eine opake, leitende Folie sein. Die Form der leitenden Struktur kann anstelle der Folienform auch eine Drahtform sein.
Der Dotierstoff durchsetzt die leitende Struktur. Der Dotierstoff ist eine Substanz, die Ladungen erhöht, die in dem Kohlenstoffmaterial vorhanden sind. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Dotierstoff ein positive Ladung verleihender Dotierstoff (also ein Dotierstoff vom p-Typ), der dem Kohlenstoffmaterial positive Ladungen verleiht.
2 zeigt eine CNT 11 als ein Beispiel des Kohlenstoffmaterials und einen Dotierstoff 30. Wie in 2 gezeigt ist, befindet sich der Dotierstoff 30 mit einer Oberfläche der CNT 11 in Kontakt. Auf diese Weise befindet sich der Dotierstoff mit dem Kohlenstoffmaterial in Kontakt, während er außerhalb des Kohlenstoffmaterials vorhanden ist. Der Dotierstoff kann sich auch mit dem Kohlenstoffmaterial in Kontakt befinden, während er innerhalb des Kohlenstoffmaterials vorhanden ist.
Der Dotierstoff umfasst in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Trifluormethansulfonat, das aus einem dreiwertigen Ion eines Lanthanoids und Triflat-Anionen besteht. Der Dotierstoff kann andere Verbindungen umfassen, solange der Dotierstoff hauptsächlich Trifluormethansulfonat umfasst. Lanthanoide sind Elemente mit Ordnungszahlen von 57 bis 71. Lanthanoide umfassen Ce (also Cer). Die chemische Formel des Triflat-Anions ist CF₃SO₃ ^-.
3 ist ein Schaubild, das die chemische Struktur eines Trifluormethansulfonats zeigt, das aus einem dreiwertigen Ion von Cer und Triflat-Anionen besteht und keine Wassermoleküle enthält. Dieses Trifluormethansulfonat wird als wasserfreies Ce(III)-Triflat, wasserfreies Ce(III)CF₃SO₃ oder wasserfreies Ce(III)TfO dargestellt.
Als Nächstes wird ein Herstellungsverfahren für den Leiter beschrieben, der die oben beschriebene Struktur hat. Wie in 4 gezeigt ist, umfasst das Herstellungsverfahren für den Leiter einen Strukturvorbereitungsvorgang S1, einen Lösungsvorbereitungsvorgang S2, einen Lösungsanbringungsvorgang S3 und einen Lösungsmittelentfernungsvorgang S4.
In dem Strukturvorbereitungsvorgang S1 wird die leitende Struktur vorbereitet, die das leitfähige Kohlenstoffmaterial umfasst.
In dem Lösungsvorbereitungsvorgang S2 wird eine Lösung vorbereitet, die einen gelösten Stoff, der als der Dotierstoff dient, und ein Lösungsmittel enthält. In der Lösung ist der gelöste Stoff in dem Lösungsmittel gelöst. Als der gelöste Stoff wird ein gelöster Stoff verwendet, der ein Trifluormethansulfonat umfasst, das aus einem dreiwertigen Ion eines Lanthanoids und Triflat-Anionen besteht. Als das Lösungsmittel wird ein organisches Lösungsmittel wie Isopropylalkohol, Ethanol, THF, Hexan, Dichlorethan, Diethylenglykoldiethylether, Aceton, NMP oder Ethylacetat verwendet. Die Konzentration der zu diesem Zeitpunkt vorbereiteten Lösung kann eine beliebige Konzentration sein, die dem Dotierstoff ermöglicht, mit dem Kohlenstoffmaterial in Kontakt zu kommen.
Es kann entweder zuerst der Strukturvorbereitungsvorgang S1 oder der Lösungsvorbereitungsvorgang S2 erfolgen, oder sie können gleichzeitig erfolgen.
Nachdem der Strukturvorbereitungsvorgang S1 und der Lösungsvorbereitungsvorgang S2 erfolgt sind, erfolgt der Lösungsanbringungsvorgang S3. In dem Lösungsanbringungsvorgang S3 wird die Lösung an der leitenden Struktur angebracht. Als ein Verfahren zur Anbringung der Lösung kann ein Verfahren, bei dem die Lösung aufgebracht wird, ein Verfahren, bei dem die Lösung aufgesprüht wird, ein Verfahren, bei dem die leitende Struktur in der Lösung eingetaucht wird, oder dergleichen eingesetzt werden. In einem Fall, in dem als die leitende Struktur eine Membran verwendet wird, wird die Lösung an einer Oberfläche der Membran angebracht. Alternativ kann die Lösung innerhalb der Membran angebracht werden, indem sie in das Innere der Membran eindringen gelassen wird.
Nachdem in dem Lösungsanbringungsvorgang S3 die Lösung angebracht wurde, erfolgt der Lösungsmittelentfernungsvorgang S4. In dem Lösungsmittelentfernungsvorgang S4 wird die leitende Struktur mit der daran angebrachten Lösung getrocknet. Zu diesem Zeitpunkt wird die leitende Struktur auf eine Temperatur erhitzt, die größer oder gleich einem Siedepunkt des Lösungsmittels ist. Dementsprechend wird das Lösungsmittel in der Lösung aus der leitenden Struktur entfernt, an der die Lösung angebracht ist. Der Leiter wird wie oben beschrieben hergestellt.
Es werden nun herkömmliche Dotierstoffe beschrieben. 5 und 6 zeigen die CNT 11 als das Kohlenstoffmaterial und herkömmliche Dotierstoffe 41 und 42. Wie in 5 gezeigt ist, nimmt der positiv geladene Dotierstoff 41 ein Elektron von der CNT 11 auf. Dementsprechend wird der CNT 11 eine positive Ladung verliehen. Wie in 6 gezeigt ist, überträgt der negativ geladene Dotierstoff 42 an die CNT 11 ein Elektron. Dementsprechend wird der CNT 11 eine negative Ladung verliehen. Indem sie Elektronen zu oder von dem Kohlenstoffmaterial übertragen, verleihen die herkömmlichen Dotierstoffe 41 und 42 dem Kohlenstoffmaterial auf diese Weise Ladungen. In den Dotierstoffen 41 und 42 werden zu diesem Zeitpunkt überschüssige Ladungen erzeugt.
Wie später in den Beispielen beschrieben wird, hat ein Leiter, der Tetrachlorogoldsäure verwendet, die ein Dotierstoff ist, der eine positive Ladung verleiht, die Wirkung, die Leitfähigkeit aufgrund des Dotierstoffs zu verbessern. Allerdings haben die Erfinder herausgefunden, dass sich die Leistung des Leiters verschlechtert und die Wirkung, die Leitfähigkeit zu verbessern, verschwindet, wenn der Leiter einer Umgebung hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit ausgesetzt wird. Es wird angenommen, dass der Grund, warum sich die Leistung des Leiters verschlechtert, der ist, dass in der Umgebung hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit Wasser mit der Tetrachlorogoldsäure reagiert, in der überschüssige elektrische Ladungen vorhanden sind.
Im Gegensatz dazu umfasst der Dotierstoff des vorliegenden Ausführungsbeispiels das Trifluormethansulfonat, das aus dem dreiwertigen Ion des Lanthanoids und den Triflat-Anionen besteht. Wie in 2 gezeigt ist, wird der Dotierstoff polarisiert und hat einen starken Grad an Polarisierung. Daher wird in dem Kohlenstoffmaterial eine elektrische Ladung aufgrund einer elektrostatischen Anziehungskraft zwischen dem polarisierten Dotierstoff und dem Kohlenstoffmaterial erzeugt. Das Kohlenstoffmaterial befindet sich zu diesem Zeitpunkt in einem polarisierten Zustand. Somit verleiht der Dotierstoff des vorliegenden Ausführungsbeispiels dem Kohlenstoffmaterial durch die Polarisation des Dotierstoffs ohne eine Übertragung von elektrischen Ladungen (also Elektronen) auf das Kohlenstoffmaterial elektrostatisch elektrische Ladungen. Daher schränkt der Dotierstoff die Erzeugung von überschüssigen elektrischen Ladungen ein.
Da gemäß dem Leiter des vorliegenden Ausführungsbeispiels durch den Dotierstoff in dem Kohlenstoffmaterial die elektrische Ladung erzeugt wird, wird daher die Leitfähigkeit der leitenden Struktur verbessert. Da die Erzeugung von überschüssigen elektrischen Ladungen eingeschränkt wird, ist es darüber hinaus möglich, eine Verschlechterung der Leistung des Leiters in einer Umgebung hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit einzuschränken und die Wirkung, die Leitfähigkeit zu verbessern, aufrechtzuerhalten.
Wie in den unten beschriebenen Beispielen beschrieben wird, ist das Lanthanoid des oben beschriebenen Dotierstoffs vorzugsweise Cer. Das Trifluormethansulfonat, das aus dem dreiwertigen Ion von Cer und den Triflat-Anionen besteht, hat eine starke Dotierstoffpolarisation und eine hohe Elektronenanziehungskraft, und es wird daher davon ausgegangen, dass es dazu imstande ist, in dem Kohlenstoffmaterial Ladungen zu erzeugen.
Allerdings kann als ein Faktor für die hohe Elektronanziehungskraft des Dotierstoffs die Elektronendichte eines Elements genannt werden, das zu einem Kation wird. Ähnlich wie bei Ce wird angenommen, dass ein Trifluormethansulfonat eines Elements, in dem Elektronen in f-Orbitalen und d-Orbitalen angeordnet sind, eine hohe Elektronenanziehungskraft hat. Somit haben auch Trifluormethansulfonate von anderen Lanthanoiden als Ce, die ähnliche Elektronenzustände wie Ce haben, eine hohe Elektronenanziehungskraft und es wird angenommen, dass sie die gleiche Wirkung wie Ce haben.
Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die vorstehende Beschreibung des Ausführungsbeispiels beschränkt und kann abgewandelt werden. Die vorliegende Offenbarung kann auch in vielerlei Hinsicht variiert werden. Derartige Variationen sind nicht als Abweichung von der Offenbarung zu betrachten, und alle derartigen Abwandlungen sollen in dem Umfang der Offenbarung enthalten sein. Einzelne Bestandteile oder Merkmale des oben beschriebenen Ausführungsbeispiels sind nicht notwendigerweise wesentlich, es sei denn, es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Bestandteile oder die Merkmale in der vorstehenden Beschreibung wesentlich sind, oder die Bestandteile oder die Merkmale sind offensichtlich im Prinzip wesentlich. Ein numerischer Wert wie die Anzahl, der numerische Wert, die Menge, der Bereich oder dergleichen von Bestandteilen, die in dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel erwähnt werden, ist nicht auf eine bestimmte Zahl beschränkt, es sei denn, es wird angegeben, dass sie erforderlich ist, sie ist im Prinzip klar auf eine solche bestimmte Zahl beschränkt oder dergleichen. Das Material, die Form, der Positionszusammenhang und dergleichen eines Bestandteils oder dergleichen, der in dem obigen Ausführungsbeispiel erwähnt wird, sind nicht auf die erwähnten beschränkt, es sei denn, es wird etwas anderes angegeben, oder sie sind im Prinzip auf das bestimmte Material, die Form, den Positionszusammenhang und dergleichen beschränkt.
BEISPIELE
- Beispiel 1 -
-- Dotierstoffbehandlung --
Wie in 7 gezeigt ist, bereiteten die Erfinder einen Prüfkörper 22 vor, bei dem auf einem Quarzsubstrat 21 ein CNT-Folie 12 ausgebildet war, die CNTs enthielt. Die CNT-Folie 12 ist eine Folie, die durch Dispergieren von CNTs ausgebildet wurde. Der Durchmesser der verwendeten CNTs liegt im Bereich von 0,7 bis 3 nm.
Die Erfinder führten an dem vorbereiteten Probekörper 22 eine Dotierstoffbehandlung durch. Für die Dotierstoffbehandlung wurde eine Lösung vorbereitet, in der in IPA (also Isopropylalkohol) als einem Lösungsmittel als ein gelöster Stoff wasserfreies Ce(III)-Triflat gelöst war. Der verwendete IPA ist 19516 IPA, hergestellt von Sigma-Aldrich Co. LLC. Das wasserfreie Ce(III)-Triflat ist Ce-Triflat abcr GmbH, PubChem SID: 316470470, Käufliche Chemikalie: AB255546. Die Konzentration der vorbereiteten Lösung beträgt 10 mM. Dann tropften die Erfinder die vorbereitete Lösung mit einer Pipette auf die Oberfläche der CNT-Folie 12. Dadurch wurde, wie in 8 gezeigt ist, ein Tröpfchen 31 der Lösung an der Oberfläche der CNT-Folie 12 angebracht. Die Erfinder brachten zu diesem Zeitpunkt 300 µl der Lösung auf dem Probekörper auf, der eine Größe von 2 cm × 2 cm hatte. Die Erfinder hielten den Zustand 30 Sekunden lang aufrecht. Danach entfernten die Erfinder die Lösung auf der Oberfläche des Probekörpers 22 mit einem Luftstoß. Darüber hinaus trockneten die Erfinder den Probekörper 22, um das Lösungsmittel zu entfernen. Die Trocknungsbedingungen waren 10 Minuten lang 100°C an Luft.
-- Bewertung Leitfähigkeitsverbesserung --
Die Erfinder maßen den Flächenwiderstand der CNT-Folie 12 vor der Dotierstoffbehandlung und der CNT-Folie 12 nach der Dotierstoffbehandlung unter Verwendung eines Wirbelstrom-Flächenwiderstandmessgeräts. Die Einheit des Flächenwiderstands ist Ω-Quadrat. Dann berechneten die Erfinder die Flächenwiderstandänderungsrate bezüglich des Flächenwiderstands vor der Dotierstoffbehandlung, indem sie den Flächenwiderstandswert vor der Dotierstoffbehandlung, den Flächenwiderstandswert nach der Dotierstoffbehandlung und die folgende Gleichung verwendeten. $Fl \ddot{a} chenwiderstand \ddot{a} nderungsrate (%) = (Rs 2 - Rs 1) / Rs 1 \times 100$
In dieser Gleichung ist Rs1 der Flächenwiderstandswert vor der Dotierstoffbehandlung. Rs2 ist der Flächenwiderstandswert nach der Dotierstoffbehandlung.
-- Haltbarkeitsbewertungsversuch --
Die Erfinder hielten den Probekörper nach der Dotierstoffbehandlung 1000 Stunden lang in einem Thermo-Hygrostat, der in einer Umgebung hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit gehalten wurde. Die Einstellung des Thermo-Hygrostats betrug 85°C und RH 85 %. Die Erfinder maßen den Flächenwiderstand der CNT-Folie unter Verwendung des Wirbelstrom-Flächenwiderstandsmessgerät jedes Mal nach einem abgelaufenen Zeitraum. Dann berechneten die Erfinder auf die gleiche Weise wie oben beschrieben die Flächenwiderstandänderungsrate bezüglich des Flächenwiderstands vor der Dotierstoffbehandlung.
- Vergleichsbeispiel 1 -
Die Erfinder führten auf die gleiche Weise wie im Beispiel 1 eine Dotierstoffbehandlung durch, indem sie als einen gelösten Stoff AuCl₄·3H₂O (also Tetrachlorogoldsäure) verwendeten. Die verwendete Tetrachlorogoldsäure ist Tetrachlorogold(III)-säure-Trihydrat 99,5% zur Analyse EMSURE (R), CAS 16961-25-4, EC 240-948-4, chemische Formel AuCl₄·3H₂O, hergestellt von Sigma-Aldrich Co. LLC. Die Konzentration der verwendeten Lösung beträgt 20 mM.
Die Erfinder maßen auf die gleiche Weise wie im Beispiel 1 den Flächenwiderstand vor und nach der Dotierstoffbehandlung. Anhand der Ergebnisse wurde die Flächenwiderstandänderungsrate berechnet. Darüber hinaus führten die Erfinder auf die gleiche Weise wie im Beispiel 1 den Haltbarkeitsbewertungsversuch durch. Die Erfinder maßen den Flächenwiderstand des CNT-Folie jedes Mal nach einem abgelaufenen Zeitraum. Die Erfinder berechneten anhand dieser Ergebnisse die Flächenwiderstandänderungsrate.
Außerdem analysierten die Erfinder den chemischen Zustand des Dotierstoffs vor und nach dem Haltbarkeitsbewertungsversuch unter Verwendung von Röntgenfotoelektronenspektroskopie. „Nach dem Haltbarkeitsbewertungsversuch“ bedeutet nach 1000 Stunden langem Halten in dem Thermo-Hygrostat.
9 zeigt die Ergebnisse der Haltbarkeitsbewertungsversuche für Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1. Die vertikale Achse des Kurvenbilds in 9 gibt die Flächenwiderstandänderungsrate bezüglich des Flächenwiderstands vor der Dotierstoffbehandlung an. Die horizontale Achse des Kurvenbilds in 9 gibt die Zeit des Ausgesetztseins in der Umgebung hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit an. Die Flächenwiderstandänderungsrate zum Zeitpunkt 0 ist die Flächenwiderstandänderungsrate nach der Dotierstoffbehandlung.
Wie in 9 gezeigt ist, beträgt die Flächenwiderstandänderungsrate nach der Dotierstoffbehandlung im Beispiel 1 weniger als -40%. Ein negativer Wert der Flächenwiderstandänderungsrate bedeutet, dass der Flächenwiderstand verglichen mit dem Flächenwiderstand vor der Dotierstoffbehandlung abnahm. Der Absolutwert der Flächenwiderstandänderungsrate ist größer als 40%. Anhand dieses Ergebnisses ist zu erkennen, dass die Reduzierungsrate des Flächenwiderstands im Beispiel 1 groß ist und die Wirkung, die Leitfähigkeit zu verbessern, hoch ist. Die Flächenwiderstandänderungsrate ist selbst nach Ablauf der Zeit des Ausgesetztseins in der Umgebung hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit beinahe konstant. Somit wurde festgestellt, dass sich im Beispiel 1 die Leistung in der Umgebung hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit nicht verschlechterte.
Wie in 9 gezeigt ist, ist die Flächenwiderstandänderungsrate nach der Dotierstoffbehandlung im Vergleichsbeispiel 1 wie im Beispiel 1 ein negativer Wert und der Absolutwert ist groß. Somit ist die Wirkung, die Leitfähigkeit zu verbessern, hoch. Allerdings erhöhte sich die Flächenwiderstandänderungsrate im Vergleichsbeispiel 1 im Verlauf der Zeit des Ausgesetztseins in der Umgebung hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit. Nach 1000 Stunden lag die Flächenwiderstandänderungsrate nahe bei 0%. Somit wurde festgestellt, dass sich die Leistung im Vergleichsbeispiel 1 in der Umgebung hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit verschlechterte und dass die Wirkung, die Leitfähigkeit zu verbessern, verschwand.
10 zeigt die Ergebnisse einer chemischen Zustandsanalyse des Dotierstoffs vor und nach dem Haltbarkeitsbewertungsversuch von Vergleichsbeispiel 1. Wie in 10 gezeigt ist, wurde festgestellt, dass Tetrachlorogoldsäure nach dem Versuch verglichen mit vor dem Versuch abnahm und Gold zunahm. Das heißt, es wurde eine Änderung von Au⁺ zu Au festgestellt. Dies liegt daran, weil AuCl₄ ^- zu Salzsäure und Hypochlorsäure hydrolisiert wurde. Aufgrund der Ergebnisse von 10 wird angenommen, dass die Ladungen der CNTs deswegen reduziert werden und sich die Leistung der CNT-Folie deswegen verschlechtert, weil Tetrachlorogoldsäure in der Umgebung hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit von einem ionisierten Produkt zu Gold reduziert wurde.
Es wurde festgestellt, dass sich die Leistung eines Probekörpers, der wie Vergleichsbeispiel 1 Tetrachlorogoldsäure als Dotierstoff verwendet, in einer Umgebung mit einer hohen Temperatur von 120°C verschlechtert und dass die Wirkung, die Leitfähigkeit zu verbessern, verschwindet. Andererseits wurde festgestellt, dass sich die Leistung eines Probekörpers, der wie im Beispiel 1 wasserfreies Ce(III)-Triflat verwendet, in einer Umgebung mit einer hohen Temperatur von 120°C nicht verschlechtert.
- Beispiel 2 -
In Beispiel 2 verwendeten die Erfinder als den gelösten Stoff das gleiche wasserfreie Ce(III)-Triflat wie im Beispiel 1. Unter Verwendung eines anderen Probekörpers als dem von Beispiel 1 führten die Erfinder auf die gleiche Weise wie im Beispiel 1 eine Dotierstoffbehandlung, Flächenwiderstandsmessungen vor und nach der Dotierstoffbehandlung und bei dem Haltbarkeitsbewertungsversuch Flächenwiderstandsmessungen jedes Mal nach einem abgelaufenen Zeitraum durch. Dann berechneten die Erfinder die Flächenwiderstandänderungsrate bezüglich des Flächenwiderstands vor der Dotierstoffbehandlung. Im Beispiel 2 wurde der Probekörper allerdings 216 Stunden lang im Thermo-Hygrostat gehalten.
Außerdem analysierten die Erfinder den chemischen Zustand des Dotierstoffs vor und nach dem Haltbarkeitsbewertungsversuch unter Verwendung von Röntgenfotoelektronenspektroskopie. „Nach dem Haltbarkeitsbewertungsversuch“ bedeutet nach 216 Stunden langem Halten in dem Thermo-Hygrostat.
- Vergleichsbeispiel 2 -
Im Vergleichsbeispiel 2 verwendeten die Erfinder als den gelösten Stoff wasserfreies Ce(IV)-Triflat, wie es in 11 gezeigt ist. Wasserfreies Ce(IV)-Triflat ist ein Trifluormethansulfonatsalz eines vierwertigen Ions von Cer ohne Wassermoleküle und wird als wasserfreies Ce(IV)TfO dargestellt.
Die Erfinder führten wie im Beispiel 2 eine Dotierstoffbehandlung, Flächenwiderstandsmessungen vor und nach der Dotierstoffbehandlung und bei dem Haltbarkeitsbewertungsversuch Flächenwiderstandsmessungen jedes Mal nach einem abgelaufenen Zeitraum durch. Dann berechneten die Erfinder die Flächenwiderstandänderungsrate bezüglich des Flächenwiderstands vor der Dotierstoffbehandlung. Darüber hinaus führten die Erfinder auf die gleiche Weise wie im Beispiel 2 eine chemische Zustandsanalyse des Dotierstoffs vor und nach dem Haltbarkeitsbewertungsversuch durch.
- Vergleichsbeispiel 3 -
Im Vergleichsbeispiel 3 verwendeten die Erfinder als gelösten Stoff eine Verbindung, deren Reagensname wässriges Ce(III)-Triflat ist. Wässriges Ce(III)-Triflat ist, wie in 12 gezeigt ist, ein Trifluormethansulfonatsalz des dreiwertigen Ions von Cer, das Wassermoleküle enthält, und es wird als wässriges Ce(III)TfO dargestellt. Es ist zu beachten, dass 12 als Cerionen nur ein dreiwertiges Ion zeigt.
Die Erfinder führten wie im Beispiel 2 eine Dotierstoffbehandlung, Flächenwiderstandsmessungen vor und nach der Dotierstoffbehandlung und bei dem Haltbarkeitsbewertungsversuch Flächenwiderstandsmessungen jedes Mal nach einem abgelaufenen Zeitraum durch. Dann berechneten die Erfinder die Flächenwiderstandänderungsrate bezüglich des Flächenwiderstands vor der Dotierstoffbehandlung. Darüber hinaus führten die Erfinder auf die gleiche Weise im Beispiel 2 eine chemische Zustandsanalyse des Dotierstoffs vor und nach dem Haltbarkeitsbewertungsversuch durch.
13 zeigt die Ergebnisse des Haltbarkeitsbewertungsversuchs von Beispiel 2, Vergleichsbeispiel 2 und Vergleichsbeispiel 3. Die vertikale Achse des Kurvenbilds in 13 gibt die Flächenwiderstandänderungsrate bezüglich des Flächenwiderstands vor der Dotierbehandlung an. Die horizontale Achse des Kurvenbilds in 13 gibt die Zeit des Ausgesetztseins in der Umgebung hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit an. Die Flächenwiderstandänderungsrate zum Zeitpunkt 0 ist die Flächenwiderstandänderungsrate nach der Dotierbehandlung.
Wie in 13 gezeigt ist, ist die Flächenwiderstandsreduktionsrate bei 0 Stunden so groß wie im Beispiel 1. Darüber hinaus ist die Flächenwiderstandänderungsrate selbst nach Ablauf der Zeit des Ausgesetztseins in der Umgebung hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit beinahe konstant. Somit wurde festgestellt, dass sich im Beispiel 2 die Leistung auch dann nicht verschlechterte, als es der Umgebung hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit ausgesetzt wurde.

In den Vergleichsbeispielen 2 und 3 ist die Flächenwiderstandänderungsrate bei 0 Stunden jeweils kleiner als -40%. Aus diesen Ergebnissen ergibt sich, dass die Wirkung, die Leitfähigkeit zu verbessern, hoch ist. Allerdings nahm die Flächenwiderstandänderungsrate in den Vergleichsbeispielen 2 und 3 verglichen mit Beispiel 2 jeweils in der Anfangsphase innerhalb von 24 Stunden nach dem Beginn dem Haltbarkeitsbewertungsversuch deutlich zu. Die Zunahme der Flächenwiderstandänderungsrate bedeutet, dass der Flächenwiderstand zunahm und die Leitfähigkeit abnahm. Somit tritt in den Vergleichsbeispielen 2 und 3 in der Anfangsphase eine Leistungsverschlechterung auf. TABELLE 1

	REAGENSNAME	VOR HALTBARKEITS-BEWERTUNG	NACH HALTBARKEITS-BEWERTUNG
BEISPIEL 2	WASSERFREIES Ce(III)TfO	III	III
VERGLEICHSBEISPIEL 2	WASSERFREIES Ce(IV)TfO	IV	III
VERGLEICHSBEISPIEL 3	WÄSSRIGES Ce(III)TfO	IV»III	IV>III

Die Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse einer chemischen Zustandsanalyse der Dotierstoff vor und nach dem Haltbarkeitsbewertungsversuch von Beispiel 2, Vergleichsbeispiel 2 und Vergleichsbeispiel 3. In dem Dotierstoff von Vergleichsbeispiel 2 nahm nach dem Versuch verglichen mit vor dem Versuch der Präsenzanteil von Ce(IV) ab und der Präsenzanteil von Ce(III) zu.
Der Name des Reagens, das im Vergleichsbeispiel 3 als Dotierstoff verwendet wurde, war wässriges Ce(III)-Triflat. Allerdings gab es in dem Dotierstoff vor dem Versuch deutlich mehr Ce(IV) als Ce(III). Daher umfasst der im Vergleichsbeispiel 3 verwendete Dotierstoff mehr von einem Trifluormethansulfonat, das aus einem vierwertigen Ion von Cer und Triflat-Anionen besteht, als von einem Trifluormethansulfonat, das aus einem dreiwertigen Ion von Cer und Triflat-Anionen besteht. In dem Dotierstoff nahm nach dem Versuch verglichen mit vor dem Versuch der Präsenzanteil von Ce(IV) ab und der Präsenzanteil von Ce(III) zu. Allerdings war in dem Dotierstoff auch nach dem Versuch mehr Ce(IV) als Ce(III) vorhanden.
Wie oben beschrieben wurde, fungieren Ce(III) und Ce(IV) beide als Dotierstoff. Im Hinblick auf das Redoxpotential ist Ce(III) jedoch stabiler als Ce(IV). In den Dotierstoffen der Vergleichsbeispiele 2 und 3 ändert sich Ce(IV) daher in der Anfangsphase zu Ce(III). Es wird angenommen, dass dies der Grund für die anfängliche Verschlechterung in den Vergleichsbeispielen 2 und 3 ist.
Andererseits änderte sich in dem Dotierstoff von Beispiel 2 vor und nach dem Versuch der Präsenzanteil von Ce(III) nicht. Daher kommt es in dem Dotierstoff von Beispiel 2 zu keiner anfänglichen Verschlechterung. Die Leistung des Dotierstoffs ist auch dann stabil, wenn er der Umgebung hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit ausgesetzt wird.
Es ist allgemein bekannt, dass in Ce-Oxiden Ce(IV) stabiler als Ce(III) ist. Wie oben beschrieben wurde, ist jedoch in Trifluormethansulfonaten von Ce Ce(III) stabiler als Ce(IV). Wenn ein Trifluormethansulfonat von Ce als ein Dotierstoff verwendet wird, ist es daher vorzuziehen, dass Ce ein dreiwertiges Ion ist.
Aus den Ergebnissen von 13 und den Ergebnissen von Tabelle 1 ergibt sich, dass es vorzuziehen ist, einen Dotierstoff zu verwenden, der mehr von einem Trifluormethansulfonat, das aus einem dreiwertigen Ion von Cer und Triflat-Anionen besteht, als von einem Trifluormethansulfonat umfasst, das aus einem vierwertigen Ion von Cer und Triflat-Anionen besteht. Darüber hinaus ergibt sich, dass es mehr vorzuziehen ist, als Dotierstoff das Trifluormethansulfonat des dreiwertigen Ions von Cer zu verwenden, das keine vierwertigen Ionen enthält. Mit anderen Worten ist es mehr vorzuziehen, als Dotierstoff das Trifluormethansulfonat zu verwenden, das aus dem dreiwertigen Ion von Cer und den Triflat-Anionen besteht und keine Wassermoleküle enthält.
- Beispiel 3 -
Im Beispiel 3 bereiteten die Erfinder drei Lösungen vor, in denen der gelöste Stoff und das Lösungsmittel die gleichen wie im Beispiel 1 waren und die Konzentrationen des gelösten Stoffs 1, 5 und 10 mM betrugen. Dann führten die Erfinder an den Probekörpern auf die gleiche Weise wie im Beispiel 1 die Dotierstoffbehandlung durch, wobei sie diese drei Arten von Lösungen verwendeten. Außerdem maßen die Erfinder den Flächenwiderstand vor und nach der Dotierstoffbehandlung. Unter Verwendung dieser Ergebnisse berechneten die Erfinder die Flächenwiderstandänderungsrate bezüglich des Flächenwiderstands vor der Dotierstoffbehandlung.
- Vergleichsbeispiel 4 -
Im Vergleichsbeispiel 4 bereiteten die Erfinder drei Lösungen vor, in denen der gelöste Stoff wasserfreies K(III)-Triflat (also Kaliumtrifluormethansulfonat) war und die Konzentrationen des gelösten Stoffs 1, 5 und 10 mM betrugen. Das verwendete wasserfreie K(III)-Triflat ist 422843, hergestellt von Sigma-Aldrich Co. LLC. Dann führten die Erfinder an Probekörpern auf die gleiche Weise wie im Beispiel 1 die Dotierstoffbehandlung durch, wobei sie diese drei Arten von Lösungen verwendeten. Außerdem maßen die Erfinder den Flächenwiderstand vor und nach der Dotierstoffbehandlung. Unter Verwendung dieser Ergebnisse berechneten die Erfinder die Flächenwiderstandänderungsrate bezüglich des Flächenwiderstands vor der Dotierstoffbehandlung.
14 zeigt die Ergebnisse von Beispiel 3. Die Flächenwiderstandänderungsrate beträgt weniger als -40%, wenn die Konzentration an wasserfreiem Ce(III)-Triflat 1 mM beträgt. Das heißt, dass die Reduzierungsrate des Flächenwiderstands dieses Probekörpers größer als 40% ist. Die Flächenwiderstandänderungsraten sind kleiner als -60 %, wenn die Konzentrationen an wasserfreiem Ce(III)-Triflat 5 mM und 10 mM betragen. Das heißt, dass die Reduzierungsraten des Flächenwiderstands dieser Probekörper jeweils größer als 60% sind.
15 zeigt die Ergebnisse von Vergleichsbeispiel 4. Die Flächenwiderstandänderungsraten bei Konzentrationen von 1, 5 und 10 mM wasserfreies K(III)-Triflat liegen zwischen -10 % und -30 %. Mit anderen Worten sind die Reduzierungsraten des Flächenwiderstands dieser Probekörper kleiner als 30%.
Somit wurde festgestellt, dass in einem Fall, in dem ein Kation des Trifluormethansulfonats Ce eines Lanthanoids ist, die Wirkung als Dotierstoff verglichen mit einem Fall, in dem das Kation des Trifluormethansulfonats K eines Alkalimetalls ist, hoch ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2020113133 [0001]
JP 2015 [0004]
JP 210955 A [0004]

Claims

Leiter mit: einer leitenden Struktur (10), die eine vorbestimmte Form hat und ein Kohlenstoffmaterial (11) umfasst, das Leitfähigkeit hat; und einem Dotierstoff (30), der das Kohlenstoffmaterial dazu bringt, eine elektrische Ladung zu erzeugen, wobei der Dotierstoff ein Trifluormethansulfonat umfasst, das aus einem dreiwertigen Ion eines Lanthanoids und Triflat-Anionen besteht.
Leiter nach Anspruch 1, wobei der Dotierstoff mehr von dem Trifluormethansulfonat, das aus einem dreiwertigen Ion von Cer und den Triflat-Anionen besteht, als von einem Trifluormethansulfonat umfasst, das aus einem vierwertigen Ion von Cer und Triflat-Anionen besteht.
Leiter nach Anspruch 1, wobei das Lanthanoid Cer ist und das Trifluormethansulfonat keine Wassermoleküle enthält.
Herstellungsverfahren für einen Leiter, das Folgendes umfasst: Vorbereiten (S1) einer leitenden Struktur, die eine vorbestimmte Form hat und ein Kohlenstoffmaterial umfasst, das Leitfähigkeit hat; Vorbereiten (S2) einer Lösung, die einen gelösten Stoff und ein Lösungsmittel umfasst, wobei der gelöste Stoff als ein Dotierstoff dient, der das Kohlenstoffmaterial dazu bringt, eine elektrische Ladung zu erzeugen; Anbringen (S3) der Lösung an der leitenden Struktur; und Entfernen (S4) des Lösungsmittels aus der leitenden Struktur, nachdem die Lösung an der leitenden Struktur angebracht wurde, wobei das Vorbereiten der Lösung ein Vorbereiten des gelösten Stoffs umfasst, der ein Trifluormethansulfonat umfasst, das aus einem dreiwertigen Ion eines Lanthanoids und Triflat-Anionen besteht.
Herstellungsverfahren für den Leiter nach Anspruch 4, wobei das Vorbereiten der Lösung ein Vorbereiten des gelösten Stoffs umfasst, der mehr von dem Trifluormethansulfonat, das aus einem dreiwertigen Ion von Cer und den Triflat-Anionen besteht, als von einem Trifluormethansulfonat umfasst, das aus einem vierwertigen Ion von Cer und Triflat-Anionen besteht.
Herstellungsverfahren des Leiters nach Anspruch 4, wobei das Lanthanoid Cer ist und das Trifluormethansulfonat keine Wassermoleküle enthält.