JP2001508471A - 室温で高い電気伝導性を有する材料およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 室温での導電性が１０⁶Ｓ／ｃｍを上回るポリマー材料の製造方法が開示される。好適な実施形態では、材料は、１００μｍ未満の厚さを有する膜の形態で製造される。導通は、誘電体である膜を貫通する糸を通して起こる。この膜は、まず高分子ポリマー物質を基板上に堆積させることによって生成される。調製中、この物質は粘稠性の液体でなければならない。その後、物質をイオン化することによって、安定した自由電子（ポーラロン）が作り出される。これは、ＵＶ照射での露光、およびポリマー中の強い極性基の存在によって助けられる。その後、強い電界を与えるなどの様々な技術を用いて、ポーラロンを結合させて、媒体内の導電糸にする。導電性を安定させるために、その後、媒体をそのガラス転移点未満に冷却するか、または高分子間の架橋を引き起こすことによって、媒体を固化させる。

Description

【発明の詳細な説明】 室温で高い電気伝導性を有する材料およびその製造方法 発明の属する技術分野 本発明は、非常に高い導電性を有する材料に関する。特に、本発明は、高分子 量の化合物で形成される高導電材料およびこのような高導電材料を製造する技術 に関する。 発明の背景 近代技術において、電気伝導体は、基本的かつ一般に普及している役割を果た すため、導電体における改善は、明らかに重要であり、有用である。特に、導電 材料における電気抵抗のために、エネルギーが不可逆的に散逸するので、非常に 高い導電性を有する材料、特に、室温で非常に高い導電性を有する材料を製造す ることが明らかに所望される。さらに、導電材料は、電気エネルギーの導電性に 加えて、多くの応用を有する。有用な導電材料は、一般に、２つの広いクラスに 分類される。無機非分子導電体（金属、金属合金、および金属酸化物またはセラ ミックなど）、ならびに有機および有機エレメント分子導電体（ポリマーおよび 有機塩など）である。 金属、金属合金および金属酸化物 金属および金属合金は、現在最も広く用いられている導電体である。導電体は 、塊では、イオン結晶格子を有し、化学結合を有さない。こららの材料は、良好 な室温導電率（σ＝約10⁵S/cm）を有するが、その抵抗率は、特に高い電流で、 大きな電力を損失させるほど大きい。低温では、拡散する導電電子が減少するの で、金属の抵抗率は冷却によってわずかに減少し得る。しかし、低温におけるこ のような抵抗率の減少は、一般に、導電体を冷却するのに必要なエネルギーを補 償するのに十分大きくない。1911年、Kamerlingh Onnesは、ある臨界温度T_c未満 で、ある金属は、通常の状態から超伝導状態に電子相が遷移し、DC電気抵抗値は 突然 ゼロに低下するという驚くべき発見をした。しかし、大抵の金属の遷移温度は、 １０度の絶対零度内であるので、超伝導金属は、その技術的有用性が限定されて いた。 金属と同様に、セラミック金属酸化物は、結晶原子格子を有する。しかし、金 属とは対照的に、セラミック金属酸化物は、室温では良好でない導電体である。 驚いたことに、1987年、約100Kの超伝導遷移温度を有するセラミック金属酸化物 がいくつか発見された。10Kに冷却するよりも100Kに冷却する方がはるかに簡単 なので、これらの新しい「高温」超伝導体は、従来の超伝導金属よりもその技術 的応用範囲が広い。それにもかかわらず、これらの「高温」超伝導体は、その名 前にもかかわらず、室温よりも非常に低い温度に冷却されなければならないので 、その応用の可能性が非常に限定されている。 数年にわたって、すべての超伝導体は、最初に発見された金属超伝導体に共通 する特徴的な特性を共有していると考えられてきた。しかし、現在では、異なる タイプの超伝導体があり、その中には、共通の金属超伝導体の特徴をすべて共有 するわけではない超伝導体があることが認識されている。さらに、超伝導性のBC Ｓ理論（Phys．Rev．108:1175(1957)）は、金属の超伝導性について説明してい るが、あまり一般的ではないタイプの超伝導体については説明していないことを 認識することは重要である。例えば、現在、高温セラミック超伝導体について十 分に説明する物理的理論は存在しない。これらのセラミック超伝導体の実験的な 発見およびこれらの超伝導体を説明するための理論が提示されていないことを考 慮すると、現在科学的に未知の超伝導性に関して何かメカニズムがあるに違いな いという結果に到達する。 新しいタイプの超伝導体のメカニズムおよび特徴は、現在未知であり、本質的 な点において、確かに従来の超伝導体のメカニズムおよび特徴とは異なるので、 従来の超伝導体およびその特徴的な特性との混乱を避けるために、このような新 しいタイプの導電体を高導電材料と呼ぶ。発明者は、高導電材料を、導電率σが 10⁶S/cmを越える材料であると定義する。すべての超伝導体は必ず高導電材料で あるが、すべての高導電材料は、言葉の限定された意味において、必ずしも超伝 導体であるとは限らない。特に、理想的な導電体は、高導電材料ではあるが、超 伝導体ではない。 興味深い高導電材料については、米国特許第4,325,795号において、R．Bourgo inによって報告されている。この特許は、誘電ポリマー（エポキシ樹脂）内で懸 濁している導電粒子（ビスマス粉）から構成される材料を形成するプロセスを開 示している。２つの構成要素は共に混合され、非常に特異的な手法によって処理 され、直径が10Åと1,000Åとの間である非常に小さいフィラメントを形成する 。この特許は、これらのフィラメントの導電率が、室温で超伝導特性、即ち、金 属の導電率を上回る導電率（σ≧10⁶S/cm）を示すことをクレームしている。Bou rgoinは、高導電率を得るためには、ビスマスの濃度は、少なくとも10容量％で なければならないと教示している。現在、Bourgoinの材料の安定性を決定するた めの情報および実験テストは不十分であり、この材料は、明らかに、有用な応用 を見い出しておらず、製造されていない。 有機および有機元素分子導電体 セラミック高温超伝導体が発見される20年以上前に、スタンフォード大学の物 理学のW.A．Little教授は、限定された大きさのある化合物が、非常に高い温度 で超伝導性を示すことが理論的に可能であることを発見した(Phys．Rev．134:A1 416(1964))。この研究は、ある基本的な面において一般の超伝導体とは非常に異 なる新しいタイプの超伝導体の可能性を提起した。Littleが想定した超伝導体は 、金属の塊でもセラミックの塊でもなく、疑似一次元バンド構造を有するポリ共 役した（polyconjugated）ポリマーであった。ポリ共役したポリマー内では超伝 導性はまだ観察されていないが、Littleの研究は、有機超伝導体および有機導電 体の両方の可能性を調べる実験的かつ理論的な研究に動機を与えた。 一般的なタイプの有機導電体は、その主要分子鎖内に明確に規定された共役シ ステム(即ち、鎖内に規則的に単結合と二重結合とが交互に現れること)を有する ポリマーのクラスである。例えば、ポリアセチレンはこのクラスにはいる。その 秩序正しい共役システムが半導体の特性をつくりだしている。しかし、ドープさ れると、ポリアセチレンの導電率は、ほぼ金属レベル（σ＝約10⁵S/cm）に引き 上げられる。ポリアセチレンは、典型的には、高分子化合物、即ち、その分子 量が1000amuより大きい。通常、ポリアセチレンの結晶相の含有量は50%よりも大 きく、それによって比較的硬直な材料となる。ポリアセチレンの導電率は、単結 合の濃度が高すぎる（即ち、75%よりも大きい）か、少量の酸素が導入されると 、大幅に減少する。 1980年代に、超伝導臨界温度T_c<12Kを有するある有機塩が発見された。これら の化合物は、金属およびセラミックと対照的に、明確に規定された分子量（100a muの桁）を有するが、結晶構造を形成する。現在のところ、セラミックのように 、これらの有機塩における超伝導性のメカニズムを十分に説明する理論はない。 近年、室温で高い導電性を有するあるポリマー膜の発見が、Polymer Science ．Vol．35，No．．11(1993)の記事において、L.N．Grigorov，D.N．Rogachevお よびA.V．Kraevによって報告された。酸化アタクチックポリプロピレン（OPP） およびポリジメチルシロキサン（PDMS）の２つの高分子ポリマーが発見され、そ れぞれ、このような膜を製造するのに用いられ得る。共役ポリマー導電体とは対 照的に、OPPおよびPDMSは両方とも非共役されたポリマーであり、ドープされて いない。Bourgoinの材料とは異なり、これらの膜は、導電粒子の添加を必要とし ない。用いられるOPPおよびPDMSは、非常に高い分子量（10,000amuよりも大きい ）を有する。OPPおよびPDMSの主鎖および側鎖置換基（side substitute）は、完 全に飽和し、単結合のみを含むが、OPPの酸化中に無視できる程度の数の二重結 合が現れ得る。酸化されたOPPおよびPDMSは、かなりの量の酸素を含有し、静的 誘電率を増加させる。これらの化合物のいずれかで形成される膜が、粘稠性液体 であり、非常に小さい結晶相を有することに留意することも重要である。これら の膜の最も顕著な特徴は、膜を通した室温コンダクタンスが、種々の異なる技術 によって直接測定され、金属のコンダクタンスよりも少なくとも５桁より大きか った（即ち、σ≧10¹¹S/cm）。さらに、間接的な磁気技術では、σ≧10²⁰S/cmと 見積もられる。 高いコンダクタンスが、面と直交して膜を通して延びる特定の幅(約１μm)の チャネルにおいてのみ発生することに留意することが重要である。これらのチャ ネルを通して延びる電子糸（electronic thread）は、非導電領域によって囲ま れ、この領域から糸は分離され得ない。これらの膜の実用的な有用性を限定する これらの膜に関する１つの問題は、これらの導電糸の密度が非常に低いことであ る。他の問題点は、糸が、厚さ約10μmより大きい膜においてめったに現れない ことである。しかし、これらの導電膜の主要な問題は、膜を通した導電性が室温 で非常に不安定であり、一定の条件下で自発的に現れたり消滅したりし得ること である。さらに、従来技術の教示は、これらの高導電化合物の必須の特性の理論 または理解を含まず、また、関連のどのような化合物が同様の導電特性を示し、 またはどのような方法がその導電性の安定性を向上させるのに用いられ得るかを 当業者が予想することはできない。これらの欠点を組み合わせると、これらの膜 は、その有用性が非常に限定されている。 本発明の目的および利点 従って、本発明の主要な目的は、上記の従来技術の欠点を克服する高導電材料 のクラスを提供することである。特に、本発明の主要な目的は、室温での導電率 が安定し、10⁶S/cmよりもはるかに大きいポリマー材料のクラスを提供すること である。本発明の他の目的は、実用的な技術適用において用いられ得るような材 料を提供することである。本発明の他の目的は、このような高導電材料の製造方 法を提供することである。本発明のさらに特定の目的は、安定であり密度が高い 高導電糸を有する材料を製造するのに用いられ得るポリマーのクラスを製造する ことである。本発明の他の目的は、実用的に有用な長さの糸を有するような材料 を提供することである。本発明のこれらおよび他の目的は、以下の説明および図 面から明白である。 発明の要旨 これらの目的および利点は、室温で安定した非常に高い導電性を有する材料を 製造する方法を提供することによって成し遂げられる。開示される方法は、高分 子物質の媒体を形成する工程と、媒体中に自由電子を生成する工程と、これらの 電子を誘導し、媒体を通して電子糸を形成する工程と、媒体を実質的に固化させ 、糸の位置を安定させる工程とを包含する。好ましい実施態様において、物質は 、 少なくとも76.8%の単結合および少なくとも2000の分子量を有するポリマーであ る。ポリマーは、酸化アタクチックポリプロピレンまたは酸化イソタクチックポ リヘキセンなどの酸素によって改変された炭化水素であり得る。ポリマーはまた 、ポリウレタンまたはケイ素−酸素主鎖を有するポリジメチルシロキサンなどの ポリマーでもあり得る。方法は、好ましくは、媒体の薄膜を形成、その薄膜をUV 光で露光し、自由電子の形成を助けることを含む。電子糸の生成の援助は、好ま しくは、媒体を加熱し、媒体を電界、マイクロ波、または超音波に曝すなどの種 々の技術の１つによって行われる。糸の位置を安定化し、媒体を通して信頼のお ける導電性を可能にするために、方法は、媒体の固化を含む。好ましい実施態様 において、固化は、架橋または冷却によって成し遂げられる。 本発明によって製造される材料は、室温導電率が、10⁶S/cmよりも大きい安定 した電子糸を有する。好ましい実施態様において、材料は、0.1MPaよりも大きい ヤング率、0.1％と13%との間の酸素含有量、76.8%よりも大きい単結合、および2 .4よりも大きい静的誘電率によって特徴づけられる。 図面の説明 図１は、本発明による導電材料を製造するのに用いられるポリマーであるAPP の化学構造を示す。 図２は、本発明による導電材料を製造するのに用いられるポリマーであるIPH の化学構造を示す。 図３は、本発明による導電材料を製造するのに用いられるポリマーである２種 のPDMSの化学構造を示す。 図４は、本発明による導電材料を製造するのに用いられるポリマーであるPDMS コポリマーの化学構造を示す。 図５は、本発明による導電材料を製造するのに用いられるポリマーであるPDMS のさらに他の形態の化学構造を示す。 図６は、本発明による導電材料を製造するのに用いられるポリマーであるポリ ウレタンを形成するのに用いられる２つの構成要素の化学構造を示す。 図７は、図６に示す２つのポリマーの共重縮合によって製造されるポリウレタ ンの化学構造を示す。 図８は、高分子媒体における導電エレメントの濃度を増加させるための、発明 者によって開発された技術を示す。 図９は、導電エレメントを結合させることによって、導電エレメントの長さを 延長させるための、発明者によって考案された技術を示す。 図10は、一方の側から他方の側に通過する導電領域を有する薄膜の形状の本発 明の実施態様を示す。 図11は、高分子媒体における長い導電エレメントを形成するための、発明者に よって開発された技術を示す。 図12は、本発明の導電体の電気特性をテストするための、発明者によって用い られる技術を示す。 図13は、本発明の材料の導電特性を向上させるための回路の概略図である。 好ましい実施態様の詳細な説明 理論的な背景 本発明は、近代的な物理学および物理化学の見地からの簡単な理論的説明を含 む２つの発見に基づいている。 第１の発見は、いくつかの条件が満たされると、いくつかの高分子物質は、有 機化合物および有機エレメント化合物が、通常、電流の導電に対して自由電荷を 含まないという周知の事実の例外であり得るということである。これらの条件は 、物質が、粘稠性液体でなければならないこと、高分子が、大きな双極子運動量 （例えば、>C=O、-HC=O、-OH）を有する所定量の極性基を含んでいなければなら ないこと、および物質が低パーセントの二重結合（低度の共役）を有していなけ ればならないことである。いくつかの化合物における大きな双極子運動量は、側 鎖基ではなく主鎖（例えば、Si-O）内のエレメントによって提供され得る。 これらの条件の理由は以下の通りである。長い高分子鎖は粘稠性液体の状態で 柔軟性が高いため、極性基は容易にそれらの空間的な位置および配向を変更し得 る。その結果、物質は、高い静的誘電率を与えられ、低分子量極性溶媒の特性に 近い特性を有する。極性溶媒における電離は自発的な電荷分離を引き起こし、そ の結果、正および負の自由電荷の濃度が幾分低くなる。 同様のプロセスは、多くの高分子物質の場合、それが粘稠状態であり、極性基 を有するときに、発生することが発明者によって見い出されている。電離の場合 のように負のイオンが生成されるのではなく、この場合、自由電子は、配向され た双極子基によって囲まれて現れる。これらの自由電子は、物理化学においては 「溶媒和電子」として、物理においては「ポーラロン」として知られている。こ れらのポーラロンの典型的な平衡濃度は、1cm³当たり10¹⁴から10¹⁸個の範囲であ る。ポーラロンは、母体の高分子と結合されず、柔軟な液体高分子媒体における 熱運動のために移動し得る。しかし、ポーラロンの自由移動は、高分子がかなり の数の共役結合を有する場合失われ得る。なぜなら、大きな共役システムは、自 由電子を空の電子エネルギー準位に効果的に捕捉し得るからである。従って、３ つの条件を満たす高分子物質において、その物質は自己イオン化し、生成される 電荷は遊離したままであり得る。しかし、電子移動度は、金属に比べて最初はか なり低い。 発明者による第２の発見は、電子移動度を大幅に増加させる。所定の条件下で 、均一に広がったポーラロンの状態は不安定になり、その移動度のために、ポー ラロンは、互いに結合しはじめ、安定なマルチ電子構造（発明者は、これを「超 ポーラロン」と呼ぶ）を形成するということが見いだされている。各超ポーラロ ンは、円筒形チャネルを通して延びる長いマルチ電子糸として明視化され得る。 糸は、糸の強い電界によって半径方向に配向された均一な陽イオンの雲および双 極子の殻によって囲まれている。この極性化殻は、すべての電子をチャネル内に 保持し、その強い波機能のオーバーラッピングを形成するポテンシャルウェルを 形成する。この状態は驚くべき結果を有する。ウェルは、疑似一次元システムで あるので、電子は、金属の移動度よりも数桁高い移動度を得ることができる。さ らに、それらの波機能のオーバーラッピングはまた、クーロン反発力の効果に対 向する強い交換相互作用を形成する。発明者による量子機械計算は、極性化殻お よび強い交換相互作用の両方を組み合わせた影響が、超ポーラロンのマルチ電子 構造の安定な存在を提供するのに十分であることを示している。さらに、交換相 互 作用が、疑似一次元システムの場合に最も顕著であることは量子理論から公知で ある。著者による量子機械計算はまた、超ポーラロン糸の長さに対しては理論的 な限定がないことを示している。発明者が、超伝導体のように、本発明の導電体 は、ウィーデマン−フランツの法則にかなり反していることを見いだしたことに 留意されたい。従って、これらの導電体は、熱絶縁体および量子コヒーレンスを 含む他の応用として用いられ得る。 安定なポーラロンの形成のための３つの条件に加えて、超ポーラロン構造の形 成および安定性にはさらなる条件がある。その条件とは、超ポーラロンの糸にお ける電子の濃度が、1cm³当たり約10²⁰から10²¹個でなければならないこと、静的 誘電率が、高周波誘電率（即ち、少なくとも2.4から３）よりもかなり大きくな ければならないこと、および媒体が柔軟であると同時に粘稠でなければならない ことである。これらの条件の理由は、以下の通りである。糸の中の電子の濃度は 、強い交換相互作用および高い電子移動度を提供するためには、十分に高くなけ ればならない。この濃度は、自己イオン化高分子媒体内でのポーラロンの平均濃 度よりも２から３桁高いので、この条件は、媒体も、媒体が十分に柔軟であるた め、ポーラロンが共に収集され得るという条件を満たす限りにおいて満足され得 る。このことは、超ポーラロン構造が固体状態または結晶性の高い化合物内で現 れない理由を説明している。静的誘電率に対する条件は、十分に深いポテンシャ ルウェルが形成され得ることを確実にする。媒体は、ポーラロンおよび超ポーラ ロンの形成を可能にするのに十分柔軟でなければならないが、媒体はまたポーラ ロンのおよび超ポーラロンの安定性を可能にするのに十分に粘稠でなければなら ない。このことは、超ポーラロンが低分子量極性液体において観察されなかった 理由を説明している。高分子量化合物のみが、この条件を満たし得る。なぜなら 、高分子量化合物は、高い柔軟性と高い粘性とを同時に有するからである。 発明者は、媒体の化学変化によって超ポーラロン構造の安定性を向上させるこ とが可能であるという他の発見をした。媒体は、超伝導体の初期の形成を可能に するのに十分柔軟でなければならないので、超伝導体が一旦形成されると、この 柔軟性は超伝導体を不安定にするおそれもある。超ポーラロンが安定である場合 でも、ブラウン運動は、電気接触がなされる媒体の表面において超ポーラロンの 位置をシフトさせることによって、導電性を遮り得る。これらの影響を防止する ために、発明者は、超ポーラロンの形成後に状態が粘稠性液体から固体に変化し 得る適切なポリマーが用いられ得ることを発見した。このような遷移の後、導電 性は、硬化した媒体のヤング率が0.1MPaを越えると、非常に安定する。 安定であり、高い導電性の材料を製造する方法 上記の理解に従って、発明者は、安定であり、高い導電性の材料を製造する以 下の方法を見いだした。一般の概略において、方法は以下の工程を包含する。第 １に、超ポーラロンの形成および安定化のための条件を満足する適切な初期の化 学化合物が選択される。本発明の教示に従って、この初期の化合物は、好ましく は、膜として形成される高分子物質である。第２に、初期の化合物は、活性化ま たはイオン化され、自由電子（ポーラロン）が、高分子媒体中で生成される。活 性化された物質の特性は、初期の物質の特性とはある点では異なり得る。第３に 、超ポーラロンは、活性化された物質において形成される。ポーラロンを組み合 わせて超ポーラロンにすることは、物質の強磁性運動量の出現および結果として 生じるその増加に関連する。この工程は、超ポーラロンの形成速度を増加させる か、または形成された超ポーラロンを濃縮させるサブ工程を含み得る。第４に、 超ポーラロンを用いて所望の電気伝導材料が「ブリック」として形成される。第 ５に、物質内に安定した導電性を得るために物質が安定化される。これらの工程 が、互いに同時に行われ得ることに留意されたい。 工程１．初期化合物の選択 いくつかの非常に異なる高分子物質が、初期化合物として選択され得る。初期 の非活性化状態において、高分子物質はすべて非常に良好な電気絶縁体であり、 76.8%より多くの単結合を有し、2000amuよりも多い分子量を有する。いくつかの 実施態様において、2.4未満の初期の静的誘電率を有し得るが、すべての場合に おいて、その最終状態である物質は、2.4よりも大きい静的誘電率を有する。初 期の化合物は、炭化水素、ケイ素−酸素をベースとしたポリマー、および２つの 構成要素の共重縮合によって製造されるポリウレタンの３つの広いクラスに分類 される。好ましくは、炭化水素は、アタクチックポリプロピレン（APP）または イソタクチックポリヘキセン（IPH）のいずれかであり、ケイ素−酸素ポリマー は、様々な末端基および側鎖基を有する４つのポリマーのうちの１つである。 A．APP APPは、化学式(-C₃H₆-)_nを有し、図１に示す化学構造を有する。APP分子は、 好ましくは、4,000amuから100,000amuの分子量を有する。100,000amuより多くの 分子量も用いられ得るが、これらは、一般に合成がより困難である。APPの主鎖 は、炭素原子のみで形成されている。側鎖基は、主鎖に沿ってランダムに方向づ けられた水素原子およびメチル基であり、APPを完全に非晶質にする。APP分子は 、塊では、弱いフアンデルワールスカのみで結合され、APPを室温で粘稠性液体 にする。APPの構造は、ガラス転移温度（約-20度）未満に冷却することによって 安定化され得る。導電体を調製する前にAPPを精製するために、APPをヘプタン内 に溶解させることがしばしば有用である。 B．IPH 好ましくは初期の化合物として用いられる第２の炭化水素は、化学式(-CH((CH₂ )₃CH₃)CH₂-)_nを有し、図２に示す化学構造を有するIPHである。好ましくは、用 いられるIPH分子は、300,000amuから1,000,000amuの分子量を有する。高分子量I PH分子は、規則的（イソタクチック）な分子内構造のために容易に合成され得る 。IPH内の長い側鎖基は、結晶構造が塊で成長するのを防止する。IPHを安定化す るために、IPHは、そのガラス転移点（約-55度）未満に冷却され得る。 C.ケイ素−酸素ポリマー：PDMSおよびその改変 本発明による導電体を形成するための初期の化合物として好ましいいくつかの 様々なケイ素−酸素ポリマーが存在する。これらはすべて、側鎖基および末端基 が改変された式(-Si-O-)_nの鎖に基づいている。この主鎖はこのような高い柔軟 性を有するので、これらのポリマーは、高い非晶質構造を有し、それらのガラス 転移点は典型的に低い（通常、約-130度）である。 ケイ素−酸素ポリマーの第１のタイプは、ポリジメチルシロキサン（PDMS）で ある。１つの実施態様において、PDMSは、鎖の各末端に３つのメチル末端基を有 し、好ましくは、300,000amuより多くの分子量を有する。他の実施態様において 、PDMSは、各鎖の末端において３つのビニル末端基を有し、好ましくは、15,000 より多くの分子量を有する。これらの化合物の化学構造を図３に示す。 PDMSがメチル末端基を有する場合、PDMS分子間で化学結合は形成されない。こ の結果、この物質は、室温で粘稠性液体であり、その安定化は、ガラス転移点未 満に冷却することによって成し遂げられる。他方、PDMSがビニル末端基を有する 場合も、PDMSは、初期において、室温で粘稠性液体であるが、架橋（即ち、ビニ ル末端基の二重結合を分断し、PDMS分子間に化学結合を形成すること）によって 安定化され得る。この化学反応は、特別な触媒または加熱によって所望の時間に 誘導され得る。架橋によって粘稠性液体は固体に変換される。この場合、架橋が 可能であるので、分子量は、架橋が起こっていないときと同様に高くする必要は ない。これは、超ポーラロンの活性化および形成が、分子が小さいほどより迅速 に起こり得るという利点を有する。 ケイ素−酸素ポリマーの第２のタイプは、図４に示すように、メチル側鎖基の いくつかが水素によって置換されて、コポリマーを形成することを除いて、上記 の化合物と同一である。 水素原子の置換によって、架橋の際により迅速かつより強力な安定化が可能と なる。なぜなら、水素は、容易にビニル末端基と結合し得るからである。好まし くは、架橋が可能で、安定性を向上させ得る末端の数を増加させるために、より 小さな分子（2000amu程度）が用いられる。この分子の場合、水素で置換される メチル側鎖基の好ましい割合は25%である。 架橋の密度を増加させ、安定化を向上させるために、分子量を減少させずに主 鎖における結合の数を減少させることが所望される。これを成し遂げる１つの方 法は、メチル側鎖基を大きなジフェニル基に置換することである。これは、上記 のように、水素側鎖基の置換と組み合わせられ得る。このようなコポリマーの例 を図５に示す。 導電体は、上記ケイ素−酸素ポリマーのいずれか１つから形成され得るが、導 電体は、上記ポリマーおよびコポリマーのいつかを組み合わせるかまたは混合す ることによっても形成され得る。好ましい１つの混合物は、ビニル末端基および ジフェニル側鎖置換基を有するコポリマーと混合されたメチル末端基を有するPD MSである。最も好ましい混合物は、ビニル末端基を有し、側鎖置換基を有さない コポリマーと混合されたビニル末端基および水素側鎖置換基を有するコポリマー である。さらに、異なる側鎖置換基は共に、上記のポリマーのさらなる改変を提 供するために用いられ得る。例えば、アクリル側鎖置換基も使用され得、短波UV 処理下で架橋を可能にする。従って、当業者には当然のことながら、安定化のた めに必要な条件を得るために、本発明の教示に従って他の側鎖置換基が用いられ 得る。当業者には、本明細書で提供される教示を考慮すると、このような他の側 鎖置換基は明白である。さらに、他の混合物は、導電体の形成および安定化を容 易にするためにも製造され得る。 D．ポリウレタン類 導電体を形成するのに用いられる初期の化合物もまた、ポリウレタン類のクラ スから選択され得る。好ましくは、ポリウレタンは、4,4'-メチレンビフェニル イソシアネートおよびポリ（ブチレングリコールアジピナート）(poly(buthylen eglycol adipinat))の２つの成分を共重縮合することによって得られる生成物で ある。この２つの成分の化学構造を図６に示す。 係数ｎは、第２の成分が約2000amuの分子量を有するように選択される。共重 縮合中、２つの成分は大きな結合を形成する。結果として得られるコポリマーは 、図７に示す化学構造を有する。 このポリマーは、大きな双極子運動量を有する特定の化学基（即ち、OC=O)を 高い濃度で含み、より大きな静的誘電率（約４）を与える。酸素含有量は、好ま しくは、6.6%と15.7%との間である。通常、約12%である。この化合物の好ましい 分子量は、4500amuと10,000amuとの間である。この化合物は、例えば、ジメチル ホルムアミドなどの様々な有機溶媒に溶解し得る。上記の化合物とは対照的に、 この化合物は、室温で部分的に結晶化され得、熱力学平衡における結晶相は、50 体積％を上回る。しかし、このポリマーは、62度を越えて加熱することによって 完全に非晶質相に変換され得る。超ポーラロンが一旦形成されると、ポリマーは 、室温まで冷却され得る。しかし、結晶含有量が平衡に達するのには数時間また は数日かかり得ることに留意されたい。 上記の初期の化学化合物は、導電体ならびにこれらおよび他の化合物の改変体 の調製に用いられ得る。これは、本明細書内の教示を考慮すると、当業者には明 白である。確かに、上記実施例を通して示し、理論的な説明において説明したよ うに、適切な化学物質は、非常に異なる繊細な化学構造を有し、それは、異なる 主鎖構築に基づき得る。物質は、ある物理特性をのみを有すればよい。特に、良 好な初期の化合物は、導電材料の調製のある段階においては、非晶質粘稠性液体 でなければならない。初期化合物の静的誘電率は、化合物が活性化された後、2. 4を越える数値に到達することが可能でなければならない。初期化合物（架橋後 ）は、低い平均共役ピース部分を有さなければならない。好ましくは、単結合の 濃度は、化学結合の総数の76.8%より大きくなければならない。初期化合物は、 少なくとも2000amuの分子量を有する高分子物質でなければならない。初期化合 物はまた、架橋によって、またはマトリクスが十分に安定する温度まで冷却され ることによって、導電体を形成した後安定化され得る。最後に、初期化合物はま た、導電体が最終的に用いられる特定条件を考慮して選択され得る。 工程２．化合物の活性化 この工程の目的は、高分子媒体において安定した自由電子を生成および蓄積さ せることである。活性化は、すべての初期物質に共通するいくつかの工程を包含 する。しかし、ある物資は、その特定の特性のために、さらなる工程を必要とす る。 高分子物質において安定した自由電子を形成するために、電子は、最初に、イ オン化され、次に、高分子媒体において安定化されなければならない。発明者は 、安定した自由電子が、極性化学基を有する柔軟な高分子鎖が表面上で吸収され る環境下で形成され得ること、または、高分子が、異種の媒体内に共に存在する ２つの異なる相間での表面相間相互作用に関与するかどうかを見いだした。熱力 学的見地から、電子は、高分子イオンおよび電子が極性媒体によって強く溶媒和 さ れる場合においてのみ、自由な状態で安定化し得、必要なエネルギー利得を与え 、クーロン結合を防止する。運動力学的見地から、イオン化は、必要とされる５ eVから６eVまでの高いエネルギーのために、通常、あまり起こらない。しかし、 通常禁じられているかまたは塊の状態ではあまり起こらないあるプロセスは、媒 体の表面において容易に起こり得ることは、表面化学および異種触媒の当業者に 周知である。特に、固体表面に吸着している大きな分子は、大きな吸着エネルギ ーを有し、これによって、分子はその極性化および変形を引き上げる特異的な形 態となる。この結果、イオン化能力は大幅に減少し得る。要するに、塊状態の高 分子は、イオン化しにくいが、表面上に吸着されている同一の分子は、おそらく 、熱変動またはUV光での露光などの比較的弱いイオン化要因によって容易にイオ ン化され得る。表面で安定したマクロイオンが一旦形成されると、次に、マクロ イオンは、表面から脱着し、媒体の体積内に移動する。拡散は非常に遅くなり得 るので、高濃度の自由電子が材料の体積内に蓄積するのには数日または数週間か かり得る。しかし、この時間は、導電体調製の活性化段階（例えば、薄膜の形態 であるときに媒体を活性化させる）において体積に対する表面積の比が非常に高 い場合は減少し得る。 好ましい実施態様における活性化の第１段階は、固体基板の表面に高分子物質 の薄膜を形成することによって、体積に対する表面積の比を増加させることであ る。100μm程度の膜が製造されるが、好ましくは、膜は、20μmから30μmの厚さ を有する。但し、５μmから15μmの好ましい厚さを有するケイ素−酸素ポリマー 膜を除く。固体基板の特性はあまり重要ではなく、膜と化学的に反応しない金属 、ガラス、半導体または他の任意の固体であればよい。好ましくは、膜は、金ま たはガラスの表面上に形成される。膜は、溶融などの当該技術分野で周知の技術 によって調製され得る。膜はまた、化合物を溶媒に溶解し、その溶液を基板の表 面上に噴霧し、溶媒を蒸発させることによっても調製され得る。蒸発プロセスを 速くするために、膜は、62度の融点よりもかなり上回るように好ましくは約80度 で加熱されるポリウレタン化合物を除いて、好ましくは40度と70度との間の温度 に加熱され得る。膜がスパッタリングまたは噴霧によって形成される場合、活性 化プロセスは、小滴が堆積される間に小滴をイオン化することによって促進され 得 ることに留意されたい。 選択される初期の化合物が、炭化水素の１種である場合、活性化工程は、酸素 を含有する極性基を導入するために、膜の熱酸化を含む。膜は、100度から110度 の温度で１から２時間空気中で加熱される。加熱の正確な持続時間は、カルボニ ル基の存在が示されるまで、膜のIRスペクトルおよび静的誘電率をモニタするこ とによって制御され得る。酸素の含有量が少なくとも0.1原子％に到達し、静的 誘電率が少なくとも2.4に到達すると、熱酸化は完了する。 膜の活性化における次の段階は、吸着された高分子がイオン化されるのを助け るために、膜をUV照射で露光することである。好ましい実施態様において、0.2 から0.3MPaの動作圧力で５cmの管を有する120ワットの水銀灯は、膜から約５cm 離れたところに配置される。しかし、膜を同様のUV照射で露光する他の任意の方 法でも十分である。上記の条件下における典型的な露光時間は、典型的には４か ら６時間露光されるケイ素−酸素ポリマーを除いて、1.0から1.5時間である。露 光の正確な持続時間は、膜の磁気特性をモニタすることによって制御され得る。 磁気モーメントの形態および強度の印加される外部磁界に対する依存性の分析か ら、膜内の安定した自由電子の濃度が決定され得る。自由電子の濃度は１cm³当 たり少なくとも３×10¹⁷個であるとき、UV照射は完了する。UV照射での過剰な露 光は、高分子の主鎖を分断し始め得ることに留意されたい。 活性化工程において、イオン化された高分子および自由電子の拡散を促進する ために、媒体は、撹拌または振動させられ得る。例えば、超音波が、１W/cm²で 、またはより高い強度のパルスで絶え間なく与えられ得る。拡散はまた、媒体を 加熱して粘性を減少させることによっても促進され得る。 工程３．超ポーラロンの形成 発明者は、活性化工程において高分子媒体に形成および拡散されるポーラロン が、互いに接触し、超ポーラロンと呼ばれる安定したマルチ電子構造を形成し得 ることを発見した。強磁性の増加は、量子機構的な交換相互作用による電子の総 体的な挙動を示すので、超ポーラロンの存在は、ポリマー媒体の強磁性運動量を モニタすることによって検出され得る。ポーラロンおよび超ポーラロンの蓄積は また、媒体の静的誘電率を測定することによってもモニタされ得る。強磁性飽和 は、室温で0.5から5.0キロガウスで起こるようである。強磁性飽和に到達するの に必要な時間は、使用する初期化合物および膜の厚さに依存する。なぜなら、表 面からのポーラロンの移動および体積内での衝突は、物質の拡散係数に依存する からである。典型的には、この時間は、数時間から数週間であるが、物質を加熱 するか、物質をマイクロ波照射に曝すなどの特定の技術によって、短くすること が可能である。マイクロ波パワーレベルは、100Wから10kWの範囲であり、物質の 過剰加熱を避けるためには、より高いパワーレベルがパルスにされる。マイクロ 波は、ポーラロンと共鳴し、それらの相互の引力を高める。 実験的証拠および特定の理論的仮定に動機づけられ、発明者は、天然に存在す る超ポーラロンが、濃度が十分に高い場合に、共に結合され、長い超ポーラロン 糸に形成され得ることを発見した。このような超ポーラロンの結台には、１cm³ 当たり少なくとも10⁸から10⁹個の超ポーラロンの濃度が必要とされる。この結合 に十分な濃度を得るために、媒体は濃縮技術にかけられる。超ポーラロンは、磁 気運動量を有し、電界によって強く極性を与えられ得るので、外部電界または磁 界の印加が、超ポーラロンを濃縮するのに用いられ得る。この教示に基づいて、 多くの教示が、媒体中の超ポーラロンの数を濃縮するために可能であることは当 業者には当然のことである。 このような濃縮技術の一例を図８に示す。超ポーラロン22を含む粘稠性媒体20 を、適切な誘電材料で形成された小さなカップ24内に配置する。カップの好まし い直径は、５から６mmであるが、他の直径も可能である。電極26の鋭い先端を、 媒体の上面の中央付近に配置し、高電圧を、高電圧電源28によって印加する。好 ましくは、５から10kVの電圧が数時間印加される。多くの超ポーラロンは、自然 に電極先端に引っ張られ、そこに集中する。次に、先端付近で超ポーラロンが濃 縮された媒体を集める。 この技術は、必要に応じて、多数の電極を用いて行われ得る。この手法が、電 界の代わりに磁界を印加することによって同様に行われ得ることにも留意された い。 工程４．化合物からの導電体の形成 高分子媒体が、一旦、十分に高い濃度の超ポーラロンに濃縮されると、次に、 材料は、種々のタイプの導電体を形成するために用いられ得る。例えば、導電薄 膜は、導電方向が表面に対して直交するように形成され得る。超ポーラロンの平 均の長さよりも薄い膜の場合、濃縮プロセスは、膜の導電には必要ない。なぜな ら、超ポーラロンは、膜を導電するのにすでに十分に長いからである。しかし、 濃縮によって、膜を通してより大きな密度の導電チャネルが形成される。しかし 、平均の超ポーラロンの長さよりも厚い膜および長いワイヤを形成するには、超 ポーラロンを結合して、媒体内に長い導電糸を形成する必要がある。濃縮技術に よって十分に大きな密度の超ポーラロンを形成すると、超ポーラロンは、隣接す る超ポーラロン間に引力を誘導する技術によって結合され得る。濃縮技術のよう に、これらの技術は、超ポーラロンが、磁気双極子モーメントを有し、大きな電 気双極子モーメントを有するように誘導され得るという事実に基づいている。従 って、電界、磁界、または電界と磁界との組合せは、超ポーラロンを誘導し、共 に結合し、媒体中に長い導電糸を形成するために用いられ得る。 導電体を形成する１つのアプローチは、例えば、媒体を２つの金属プレート間 に配置し、そのプレートに高電圧を印加することによって、媒体を強い均一の電 界に曝すことである。超ポーラロンの誘導された電気双極子モーメントのために 、超ポーラロンは、回転し、電界線に対して平行に配向される傾向がある。さら に、超ポーラロンは、図９に示すように末端同士が連結する傾向にある。 超ポーラロンのいくつかは、このように濃縮プロセス中にも結合し得ることに 留意されたい。あるいは、図９に示すのと同様の双極子引力もまた、交流磁界が 材料に印加されるときに形成される。フラックス変化は、ポーラロン内に交流電 気双極子モーメントを誘導し、その結果ポーラロンは互いに引き寄せられる。こ の相互の引力は、微細な導電粒子を有する媒体をドープすることによって増強さ れ得る。これらの粒子は導電性であるが、材料の高い導電性に実質的に関与しな い。 超ポーラロンの形成を速めるために用いられる技術に応じて、このプロセスは 、数時間程度かかり得る。次に、高分子媒体は、多数の導電糸を有する。原則と し て、形成され得る電子糸の長さには理論的な限定はない。 超ポーラロンおよびより長い糸を形成する他の方法は、物質の薄膜を導電基板 上に配置し、電極を膜の表面に配置することである。電極は、最初、超ポーラロ ンの形成を誘導する電界を印加するために用いられる。しかし、媒体の導電が開 始されると、電流パルスは、導電糸を通して送られる。糸が有意な電流（例えば 、100A/m²）を流し得るとき、電極はわずかに引き上げられる。膜は、圧力を側 方部に与えるかまたは他の技術によって、引き上げられた電極と接触を保たれな ければならない。 工程５．化合物の安定化 導電性超ポーラロン糸は、一度媒体に形成されると、ほぼ安定した構造を示す 。しかし、ポリマーセグメントのブラウン運動により、糸は媒体の内部で移動す る。特に、糸の端は、媒体の表面に、または表面上の同じ位置に残るとは限らな い。したがって、表面において糸との安定した電気的接触を確立するために、高 分予媒体を安定させる必要がある。媒体の安定化は、いくつかの方法で達成する ことが可能である。 媒体を安定させる第１の方法は、架橋による方法である。初期の高分子化合物 に関する上記の説明において述べたように、特定の化学基が初期の化合物に含ま れていると、高分子間に架橋が形成され得、それにより媒体が室温で粘稠性液体 から弾性を有する固体に変化する。架橋の結果、ゼロでないヤング率が得られる 。このヤング率は、数量化可能な尺度であり、媒体が実質的に固相に変化する。 ケイ素−酸素ポリマーの場合には、架橋は、物質を150℃で1.0〜1.5時間加熱す ることによって形成され得る。 媒体を安定させる別の方法は、ブラウン運動が無視できるほどに小さくなる程 度に、マトリックスの粘性を増大させる方法である。例えば、アモルファスポリ マーマトリックスは、そのガラス転移温度よりも低い温度に冷却され得る。その ような冷却されたマトリックスは、原則的には依然として液体であるが、粘性が 非常に高いので、固体の特性を有する。室温よりも低いガラス転移温度を有する 化合物に関しては、導電体の安定した動作は、室温よりも低温で起こらなければ ならない。しかし、化合物の中には、室温よりも高いガラス転移点を有するもの がある。これらの化合物に関しては、導電体の調製工程は、媒体が室温よりも高 温に加熱されている間に行われる。その後、媒体が室温まで冷却されると、導電 体は自然に安定する。ポリウレタンの場合には、62℃よりも低温で冷却すること が、高分子媒体内での微結晶の形成につながる。注目すべきは、微結晶の含有量 が約50体積％を超えると、導電率が急激に消失することである。 高分子媒体の粘性を増大するさらに別の方法は、少量の固い極微粒子を媒体に 導入する方法である。好適には、この粒子は、0.01μmの直径および10体積％ま での濃度を有する小さな非導電率の球体である。この技術は、ポリウレタンの場 合に特に効果的である。なぜなら、極微粒子はマトリックスのアモルファス相で 形成され、それによりマトリックスがより粘性になるからである。この粒子は、 イオン化および自由電子の形成の向上のためにも使用され得ることに注目された い。この場合、濃度は１体積％であればよい。 安定化の様々な技術に必須の結果は、媒体に固体の特性を与えることである。 特に、本発明者らは、媒体のヤング率が少なくとも0.1MPaであれば、十分な安定 化が提供されることを見出した。この教示によると、その他の技術が少なくとも 0.1MPaのヤング率を提供するために使用され得、それにより必要な安定化を起こ すことが、当業者によって理解される。 上記の方法によって製造された導電体は、表１の列７に示す特徴的な特性を有 する。その他の列には、他の公知のタイプの導電体の対応する特性を列挙する。 ここで強調すべき点は、手順の動機づけを与え且つ導電体の本質的な特性に関 してより深い理解を提供するために、上記の説明において、物理学的なモデルが 提示されたことである。したがって、このモデルの提示により、当業者が、過度 の実験を行うことなく多くの細部の変形および改変を実施することを可能にする 教示が提供される。それでもやはり同様に強調すべき点は、導電体を調製する開 示された特定の工程によって、当業者が、このモデルとは無関係の本発明を実施 することが可能になることである。したがって、本発明の実施可能性は、このモ デルの細部に依存しない。例えば、以下の手順は、このモデルを参照することな く特定の導電体を製造するために実施される工程を示す。 高導電膜を生成する詳細な手順 本発明の好適な実施形態において、高導電材料は、図10に示すような、導電基 板32の上に配置された薄膜30の形態で調製される。製造される材料は、誘電体領 域36によって分離される多数の小さな導電領域34を有する。このタイプの導電膜 は、様々なタイプの電気的コネクタにおいて使用され得る。例えば、この導電膜 は、マイクロエレクトロニクスにおいて、固体チップの精密な接続のために使用 され得る。 工程１ ビニル末端基を有するPDMS（約100,000の分子量で60体積％）と、水素側鎖置 換基を有するコポリマー（5,000の分子量で40体積％）との混合物を形成する。 この混合物は、室温において当初は粘稠性の液体という点でPDMSとは異なる。 工程２ 溶液中のポリマー物質の濃度が１％を超えないように、ポリマー媒体をトルエ ンなどの適切な溶媒に溶かす。導電基板は溶媒を用いて洗浄され、溶液は乾燥窒 素のガス流を用いて基板の表面上に噴霧される。噴霧中の基板の温度は、40℃〜 70℃の範囲に維持しなければならない。厳密な温度および噴霧の割合は、表面に 落ちる溶液の液滴が、同じ点に次の液滴が落ちる前に乾くように制御される。噴 霧の持続時間は、所望の膜の厚さに依存する。噴霧は約１時間実施され、厚さ15 μmの膜が得られる。 噴霧中および噴霧後に自由電子が自発的に形成されるが、このプロセスは、好 適には膜のＵＶ処理によって速められる。好適な実施形態では、0.2〜0.3MPaの 作動圧力の5cmの管を有する120ワットの水銀ランプが、室温で4〜6時間、膜から 約5cm離れた位置に置かれる。ＵＶ照射は、膜内の自由電子の平均濃度が少なく とも３×10¹⁷電子/cm³を超えたことを強磁性運動量が示すまで、続けられるべき である。強磁性運動量は、公知のファラデー法によって測定することが可能であ る。 工程３および４ 薄膜導電体の場合には、工程３および４は、以下の通り組み合わせられ得る。 図11に示すように、絶縁材料からなる層40を備えた導電プレート38が、導電基板 44上に配置された膜42に近接して配置される。ＡＣ電圧が、高圧電源46によって 印加され、導電基板と導電プレートとの間に20〜25kV/cmの電界強度を発生させ る。交流電圧は、約10日間、印加されるべきである。 導電体調製の最後の段階では、ポリマー媒体は、1.5時間にわたって150℃まで 加熱される。好適には、その前の段階の間に印加された高圧は、この加熱時間中 、維持される。加熱の結果、高分子媒体は弾性を有する固体に変化し、ヤング率 は0.1MPaの最低値を超えていなければならない。この工程が完了すると、膜が使 用使用可能となる。 調製の全工程を慎重に完了していれば、膜全体での導電糸の密度は10,000本/c m²であり、その平均間隔は約0.1mmである。表面上での各導電点の典型的な平均 直径は、2μm〜4μmである。膜全体の導電率は、図12に示すように、膜50の上面 上に平坦な導電電極48を固定的に配置し、電極48と膜50が載っている導電基板52 との間に電圧を印加することによってテストされ得る。電圧を印加するために電 圧供給源54が使用され、電流計56が結果として生じる電流を測定する。膜内の個 々の導電糸58の特性を測定するためには、平坦な電極48は、膜表面の小さな領域 にのみ、固定的に接触していなければならない。そのような小さな領域に力を加 えることによる膜への損傷を防ぐために、電極には、図示するような保護絶縁リ ング60が設けられ得る。 好適には、電極48は銅または金により形成され、絶縁リング60はガラスまたは 硬質プラスチックにより形成される。この技術を用いて、電極の表面直径は容易 に10μm〜50μmにされ得る。電極が、適切に膜に接触するように、研磨され且つ リングと同一平面上になることに注意を払うべきである。 基板−糸−電極システムの総抵抗が測定され、基板および電極の抵抗と接触点 のトンネル抵抗とを引くことによって、糸の抵抗の上限を計算するために使用さ れ得る。50mAを超えない電流を使用して、0.001Ωよりも低くなるまで、糸の抵 抗は時折測定され得る。その結果、2μm〜4μmの糸の直径および15μmの長さに 基づいて、糸の導電率が有意に10⁶S/cmよりも高くなる。 糸の導電率は、200mAまたはそれよりも高い電流を使用して、より正確に測定 され得る。この電流は、10⁶A/cm²を超える電流密度に相当するので、電極への局 部的な損傷を避けるために、短いパルスで印加される。10〜20Aの大きさの電流 パルスが、パルスの半値幅がマイクロ秒またはそれよりも短い場合に使用され得 る。これらのパルスの結果として膜内で生成される熱の測定に基づく単純な計算 により、糸の抵抗の上限は10^-5Ωに据えられる。その結果、糸の導電率は10⁸S/c mを超える。 別の実施形態 表２に、本発明の別の実施形態に使用される様々な導電体調製パラメータを示 す。 表の第５列は、好適な実施形態の膜を製造するために使用される、２つの化合 物の60％〜40％の混合物に相当することに注目されたい。これらの別のタイプの 導電体を調製する手順は、表に示す既に詳細に記述した相違点を除いて、好適な 実施形態と同じである。 糸を介して導通を開始するためには、小さな電圧が必要とされ得る。例えば、 電流を制限する1MΩの抵抗器を介して約３ボルトを印加した。さらに、媒体の表 面に、典型的には小さな領域には0.5〜5.0kg/cm²のオーダの圧力であって、1平 方センチにつき約5kg/cm²の圧力を加えることが必要とされ得る。この圧力が容 易に達成され得ることに注目されたい（直径1mmのプローブに100g加圧すると10k g/cm²を超える）。 注目すべきは、徐々に振幅が増大する長い一組の電流パルスを用いて試料を注 意深く「鍛える」ことによって、導電率を向上することが可能なことである。１ 〜10Hzで繰り返す1〜10μsの半値幅を有する滑らかなベル形のパルスを使用する 。初期パルス振幅は、1mA/チャネルまたはそれより小さく、そして最終パルス振 幅は、10Amps/チャネルである。振幅は、30〜60分間で経時的に直線的に増大す る。ケイ素ベースのポリマーの十分に鍛えられた「若い」試料は、約10Amps/チ ャネルの最大電流振幅を有する。これに対して「古い」試料は、200Amps/チャネ ルを超える最大（臨界）電流を有し得る。十分に鍛えられた試料は、いくつかの 場合において、少量の電流を流しながらまたは全く電流を流さずに、数時間にわ たって低い抵抗を維持し得る。試料を鍛えるために使用する回路を図13に示す。 この鍛える技術は、許容される電流密度を上げること、および抵抗を下げること によって、導電率を向上し得る。 上記の実施形態が本発明の範囲から逸脱することなく多くの方法によって改変 され得ることは、当業者に明らかである。例えば、導電体の形成に使用される初 期の高分子化合物は、この開示において具体的に述べられたものに限定されず、 本発明の教示において開示されたような安定的な超ポーラロンの形成条件を満た す、任意の高分子材料であり得る。高分子媒体のイオン化、そして超ポーラロン および糸の形成を引き起こすために、他の方法が用いられ得る。さらに、これら の新しい導電材料は、従来から知られている導電率または超導電率の材料を使用 する任意の技術に適用されることは明らかである。したがって、本発明の範囲は 、以下の請求項およびそれらの法的に同等なものによって規定されるべきである 。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｂ 1/04 Ｈ０１Ｂ 1/04 1/12 1/12 (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＵ，ＢＲ ，ＣＡ，ＣＮ，ＦＩ，ＨＵ，ＩＬ，ＪＰ，ＫＰ，ＫＲ， ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＳＧ，ＵＡ (72)発明者 シャンブルック，ケビン ピー. アメリカ合衆国 カリフォルニア 95436, フォレストビル，ビラ ロード 8580 エ イ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．室温付近の温度で１０⁶Ｓ／ｃｍを上回る安定した導電率の領域を有する材 料であって、該材料は、５０体積％未満の結晶相を有する実質的に固体の高分子 物質を含み、該材料の導電性に実質的に関与するさらなる導電材料を含まず、該 物質は、室温付近の温度で０．１ＭＰａを上回るヤング率を有する、材料。 ２．前記物質は、０．１％と１３％との間の酸素含有量を有する、請求項１に記 載の材料。 ３．前記材料は、ウィーデマン−フランツの法則を大幅に破る、請求項１に記載 の材料。 ４．前記物質は、実質的に固体の非共役ポリマーである、請求項１に記載の材料 。 ５．前記ポリマーは、炭化水素、ケイ素−酸素主鎖を有するポリマー、およびポ リウレタンからなる群から選択される、請求項４に記載の材料。 ６．前記炭化水素は、酸化アタクチックポリプロピレンおよび酸化アイソタクチ ックポリヘキセンからなる群から選択される、請求項５に記載の材料。 ７．ケイ素−酸素主鎖を有する前記ポリマーは、メチル基、水素基、ジフェニル 基、およびアクリル側鎖基からなる群から選択される側鎖置換基を有するポリジ メチルシロキサンから形成される、請求項５に記載の材料。 ８．前記ポリウレタンは、４，４’−メチレンビフェニルイソシアナート、およ びポリ（ブチレングリコールアジピナート）から形成される、請求項５に記載の 材料。 ９．室温付近の温度で１０⁶Ｓ／ｃｍを上回る安定した導電性の領域を有する実 質的に固体のほぼアモルファスの高分子物質を含む導電体であって、該物質は、 室温付近の温度で０．１ＭＰａを上回るヤング率を有する、導電体。 １０．前記物質は、２．４を上回る有限の値の静電比誘電率を有する、請求項９ に記載の導電体。 １１．安定な導電性領域を含む材料の製造方法であって、 高分子物質を含む媒体を形成する工程と、 該媒体中に高分子イオンおよび自由電子を生成させる工程と、 該自由電子を誘導して、室温付近の温度で１０⁶Ｓ／ｃｍを上回る導電性を有 する導電糸を形成する工程と、 該媒体を実質的に固化させて、該導電性を安定させ、該媒体に、０．１ＭＰａ を上回るヤング率を付与する工程とを包含する、方法。 １２．前記物質は、その初期状態において、電気絶縁体であり、７６．８％を上 回る単結合を有し、２０００を上回る分子量を有する、請求項１１に記載の方法 。 １３．前記物質は炭化水素を含む、請求項１１に記載の方法。 １４．前記物質は、ケイ素−酸素主鎖を有するポリマーを含む、請求項１１に記 載の方法。 １５．前記ポリマーは、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）であり、メチル末 端基を含む、請求項１４に記載の方法。 １６．前記ポリマーは、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）であり、ビニル末 端基を含む、請求項１４に記載の方法。 １７．前記ポリマーは、メチル側鎖基、水素側鎖原子、およびビニル末端基を含 むコポリマーである、請求項１４に記載の方法。 １８．前記ポリマーは、ジフェニル側鎖基、メチル側鎖基、水素側鎖原子、およ びビニル末端基を含むコポリマーである、請求項１４に記載の方法。 １９．前記ポリマーは、アクリル側鎖を含む、請求項１４に記載の方法。 ２０．前記物質は、第１の成分と第２の成分との共重縮合によって生成されるポ リウレタンを含む、請求項１１に記載の方法。 ２１．前記材料は、約５ミクロンと約１００ミクロンとの間の厚さを有する膜の 形態である、請求項１１に記載の方法。 ２２．前記生成工程は、前記媒体をＵＶ照射で露光することによって行われる、 請求項１１に記載の方法。 ２３．前記媒体は、該媒体中の自由電子の濃度が少なくとも３×１０¹⁷個／ｃｍ³ になるまで、ＵＶ照射で露光される、請求項２２に記載の方法。 ２４．前記生成工程は、前記媒体の表面積を増加させる工程を包含する、請求項 １１に記載の方法。 ２５．前記誘導工程は、前記媒体を電界に曝す工程を包含する、請求項１１に記 載の方法。 ２６．前記固化工程は、前記媒体の前記高分子間の架橋を引き起こす工程を包含 する、請求項１１に記載の方法。 ２７．前記固化工程は、前記媒体をそのガラス転移温度よりも低い温度に冷却す る工程を包含する、請求項１１に記載の方法。 ２８．前記材料に電気パルスを通すことによって該材料の導電性を高める工程を さらに包含する、請求項１１に記載の方法。 ２９．前記物質を熱酸化させる工程をさらに包含する、請求項１１に記載の方法 。 ３０．前記媒体の強磁性運動量を増加させる工程をさらに包含する、請求項１１ に記載の方法。 ３１．前記媒体の前記強磁性運動量を増加させる工程は、前記媒体を電界中に配 置するサブ工程と、増加した強磁性運動量を有する該媒体の一部分を抽出するサ ブ工程とを包含する、請求項３０に記載の方法。 ３２．前記自由電子の生成をモニタする工程をさらに包含する、請求項１１に記 載の方法。 ３３．前記モニタ工程は、前記媒体の前記強磁性運動量を測定することによって 行われる、請求項３２に記載の方法。 ３４．前記モニタ工程は、前記媒体の前記静電比誘電率を測定することによって 行われる、請求項３２に記載の方法。 ３５．高分子材料中の自由電子の濃度を増加させる方法であって、 ａ）該材料を、該自由電子を該材料の領域内に集中させる電磁界に曝す工程と 、 ｂ）該材料の該領域を集めて、増加した自由電子濃度を有する濃縮された材料 を得る工程とを包含する、方法。 ３６．前記濃縮された材料は、少なくとも１０¹⁸個／ｃｍ³の自由電子密度を有 する、請求項３５に記載の方法。 ３７．前記濃縮された材料は、１０⁶Ｓ／ｃｍを上回る導電性を有する導電領域 を含む、請求項３５に記載の方法。 ３８．複数の導電領域を含む濃縮された高分子材料であって、該導電領域は、１ ０⁶Ｓ／ｃｍを上回る導電性を有し、前記材料中の自由電子の密度は、少なくと も１０¹⁸個／ｃｍ³である、材料。 ３９．前記高分子材料は、非共役ポリマーを含む、請求項３８に記載の材料。 ４０．１０⁶Ｓ／ｃｍを上回る導電性の領域を有する架橋された非共役ポリマー を含む、材料。 ４１．導電材料であって、 ａ）高分子材料を、該材料中の自由電子を該材料の領域内に集中させる電磁界 に曝す工程と、 ｂ）該材料の該領域を集めて、増加した自由電予濃度を有する濃縮された材料 を得る工程と、 ｃ）該濃縮された材料から該導電材料を形成する工程と を包含する方法により生成される、材料。 ４２．前記導電材料形成工程は、前記濃縮された材料から膜を形成する工程を包 含する、請求項４１に記載の材料。 ４３．前記導電材料形成工程は、前記濃縮された材料から導電体を形成する工程 を包含する、請求項４１に記載の材料。