JP2005510857A - 耐摩耗性電極およびデバイス - Google Patents

Abstract

本発明は、分断された金属被覆をその上に有する突出部の間に金属被覆導電性谷間部を含んでなる耐摩耗性電極、複数の前記電極から製造される電気デバイス、および前記デバイスの製造方法を提供する。

Description

本発明は、電極並びに該電極の製造方法および使用方法に関する。

電子デバイスがますます小型かつ携帯型になり、この種のデバイスに使用される電極の大きさも必然的に小さくしなければならない。この種のデバイスで有用な電極は、通常可撓性でかつ近接した間隔で配置されるが、導電性経路とは電気的には絶縁される。通常、耐摩耗性電極（すなわち堅牢でばらつきのない導電性を提供するように摩耗から保護された電極）を有する電気デバイスを使用することが望ましく、必要でさえある。

例えば、グルコースモニタ装置には、通常金属被覆、非導電性フィルムから製造される電極を有する電気デバイスがある。上記金属被覆フィルムをこの種の電極に転用する際には、電極の金属被覆部分に引っ掻き傷をつけないことまたは摩滅させないことが望ましく、必要である。この種の電極の金属被覆部分に引っ掻き傷をつけたり、摩滅させることは、導電性の全損または低下を引き起こす可能性があり、この種の電極を含む電気デバイスの早期故障につながることになる。導電性が低下すると、依然として機能しているように見えても、デバイスに不正確な読取値を出力するおそれがある。導電性インク、薄い金属ワイヤまたはフォトリソグラフィを用いる方法などの従来の方法は、比較的複雑かつ高価である。他の方法では、金属被覆プラスチックデバイスが提供されるが、その場合、デバイスの突出部が導電性である。周知の型押し方法では、金属被覆誘電体を型押しし、次いでフライカッティング技術を用いて突出部から金属被覆を取り除く。

この種の電極を製造するための従来技術は有用ではあるが、より容易にかつ低コストでばらつきのない耐摩耗性電極を製造する必要がある。

一態様では、本発明は耐摩耗性電極を提供し、該電極は、高分子基板の上に提供され、かつ導電性谷間部により隔てられた、２個の平行な非導電性突出部を有する高分子基板を含んでなり、この場合非導電性突出部は分断された金属の被覆を有する。

別の態様では、本発明は、複数の耐摩耗性電極を含んでなる電気デバイスを提供する。この電気デバイスは、導電性谷間部によって隔てられる複数の非導電性突出部を有する高分子基板を含んでなり、この場合非導電性突出部は分断された金属の被覆を有する。

別の態様では、本発明は、耐摩耗性電極またはデバイスを製造する方法を提供する。この方法は、熱可塑性ポリマーを含んでなる金属被覆非導電性基板を提供するステップと、型押し工具を金属被覆基板に接触させ、充分な熱および圧力を用いて電極またはデバイスを形成するステップと、を含んでなる。この型押し工具は、１０％未満の工学歪（ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｓｔｒａｉｎ）を有する材料を含んでなる。

本発明の電極および電気デバイスは、単純な構造を有し、製造が比較的容易かつ安価である。

図１を参照すると、本発明による複数の電極１０を含んでなる耐摩耗性の電気デバイスは、非導電性突出部１６の間の導電性谷間部１８を有する非導電性基板１４を含んでなる。２個の非導電性突出部の間の各導電性谷間部が、電極である。この導電性谷間部は、非導電性基板１４の上に金属層または被覆１２を含んでなる。非導電性突出部は分断された金属層または被覆１７を有し、非導電性突出部を実質的に覆っている。分断された金属被覆は、非導電性の凝集状態にある。この実施形態１０では、導電性谷間部１８と非導電性突出部１６との間の非導電性基板１４の少なくとも一部には、金属被覆１２および分断された金属被覆１７がある。しかし、デバイスの電極によっては、分断された金属被覆が谷間部の導電性金属と接触している突出部を有しているものもあり得ること、または、分断された金属被覆が突出部の上端から突出部に沿って任意の点まで該上端と導電性金属谷間部との間を延在しているものもあり得ることが理解されよう。

上記図１は、互いに平行な直線形の導電性谷間部を示しているが、本明細書で開示する本発明には、導電性谷間部および非導電性突出部についての任意平行な構造、例えば導電性谷間部が螺旋形状の１個の連続的な導電性谷間部であるような場合が含まれることを意図している。

本発明で用いられるように、通常非導電性基板を使って電気デバイスに用いられる耐摩耗性電極が製造される。この非導電性基板は連続的な金属被覆の支持体であり、これが組み合わされて導電性谷間部および電極を形成する。上記図１では、基板に突出部および谷間部がある。本発明で用いられるように、基板を製造するのに用いる材料は、通常耐摩耗性、可撓性、導電性（すなわち非導電性）、光学的透明性、ガス透過性、強靭性、熱安定性、融点、および熱たわみ温度などの特性を基準にして選択される。他の考慮すべき点には、基板に突出部および谷間部を形成するのに用いられる方法がある。

通常、電極（すなわち導電性谷間部）を摩耗から保護するための耐摩耗性が望まれる。摩滅した電極（例えば、引っ掻き傷）は、ばらついた電気信号を出力する可能性があり、これは通常望ましいことではない。好適な耐摩耗性を提供する基板は、耐摩耗性電極の具体的な用途に応じて変化し得る。耐摩耗性は、硬度、曲げ弾性率、幾何形状および強靭性を含めた多くの特性の組合せにより調節される。場合により、ガラスビーズ、ガラス繊維または無機粒子などの充填剤を熱可塑性ポリマーに加えて、その耐摩耗性を改良することができる。フルオロポリマー樹脂、黒鉛またはペルフルオロポリエーテルポリマーなどの各種潤滑剤を基板に塗布するか、または熱可塑性ポリマーに直接配合して、耐摩耗性を改良することができる。

基板の可撓性は、耐摩耗性電極の具体的な用途によって決まる。電気部品を極めて接近させておよび／または不確定の空間的関係で接続するために、可撓性が高い基板が通常望ましく、耐摩耗性電極を提供することができる。例えばこうした電気部品を接続するために、電極を曲げたり、ねじりを加えたりすることがある。

本発明の基板は非導電性である。本明細書で用いられるように、「非導電性」は、プラスチックまたは高分子基板を意味する。上述した少なくとも一つもしくはそれ以上の特性を提供する例示的な基板としては、熱可塑性ポリマーおよびその組合せ、並びに熱可塑性および熱硬化性ポリマーの組合せ、例えばブレンドまたは多層フィルムを含んでなるものが含まれる。好適な熱可塑性ポリマーは、当技術分野でよく知られており、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ（ブチレンテレフタレート）、ポリアセタール、およびグリコール変性ポリ（エチレンテレフタレート）がある。好適な熱硬化性ポリマーには、当技術分野でよく知られており、例えば、架橋アクリレート、ポリエポキシド樹脂、およびポリジメチルシロキサン樹脂がある。

有用な基板は、通常フィルムの形である。基板フィルムを製造する際に用いられる方法に応じて、フィルムは平坦であってもよく、またはパターンを有してもよい。好適な平坦なフィルム基板を製造する方法は、当技術分野でよく知られており、例えば、キャストフィルム押出しおよび／またはインフレート法がある。パターンを有する基板フィルムの一例は、「マイクロ複写」フィルムである。マイクロ複写フィルムを製造するための方法は、当技術分野でよく知られており、例えば連続注型硬化プロセスがある。本発明に用いられる基板フィルムは、耐摩耗性電極の所望の特性に応じて、厚さを変化させることができる。基板フィルムの多くの特性（例えば可撓性、光学的透明性、ガス透過性）は、基板フィルム厚に伴い変化する傾向がある。例えば、所与の基板フィルム可撓性は、基板フィルム厚が薄くなるのにつれて、より可撓性になる傾向がある（すなわち相対的により大きい曲げ弾性率値）。所与の基板フィルムの光学的透明性およびガス透過性は、（すなわち、基板フィルムが薄くなるのにつれて）増大する傾向がある。一実施形態では、基板フィルムは、１マイクロメートルから２５，０００マイクロメートルの範囲の厚さを有することができる。別の実施形態では、基板フィルムは、１２マイクロメートルから１０，０００マイクロメートルの範囲の厚さを有することができる。さらに別の実施形態では、基板フィルムは、５０マイクロメートルから６２５マイクロメートルの範囲の厚さを有することができる。

本発明の電極には、基板の少なくとも一部を覆う金属層が含まれる。有用な金属の例としては、銀、アルミニウム、ニッケル、金、インジウム／スズ酸化物、銅、亜鉛、およびこれらの合金、並びにその組合せが含まれる。金属被覆の厚さは、２００オングストロームから２ミリメートル、５００オングストロームから１ミリメートル、および５００オングストロームから２０，０００オングストローム、並びに全部または部分的に任意に２００オングストロームから２ミリメートルの厚さの範囲でよい。

本発明の耐引っ掻き性電極は、一般にプラスチックまたは高分子フィルムを金属で被覆し、次いで、適切な型押し工具を使い該多層構造に熱および圧力を用いて型押しすることにより、製造される。効率のよい型押しに必要とされる熱量は、部分的には熱可塑性ポリマーの熱的性質に依存している。結晶質または半結晶質の熱可塑性ポリマーは、一般にそれらの融点より１５０℃以上、１００℃以上、６０℃以上、および他の実施形態では３０℃以上だけ高い温度に加熱される。実質的にアモルファスの熱可塑性ポリマーは、一般にそれらのガラス転移温度を１０℃〜１５０℃、２０℃〜１００℃、および他の実施形態では４０℃〜８０℃だけ超える温度に加熱される。

ポリマーを効率よく型押しするのに必要な型押し工具の温度は、部分的に熱可塑性ポリマーの熱的性質に依存する。型押し工具の温度は、一般に、ポリマーが固化する前に、熱可塑性ポリマーが工具の押下げ部分の全てに実質的に流れ込むことができるような温度に維持すべきである。多くの熱可塑性ポリマーの場合、ＡＳＴＭ Ｄ １５２５に記載されているように、型押し工具を、そのビカット軟化点より少なくとも６０℃低い温度まで加熱するべきである。他の熱可塑性ポリマーの場合、型押し工具を、そのビカット軟化点より少なくとも３０℃低い温度まで、またはそのビカー軟化点より少なくとも１５℃低い温度まで、加熱するべきである。金属被覆プラスチック基板は、０．１Ｍｐａ〜１００Ｍｐａ、０．５Ｍｐａ〜６０Ｍｐａ、または０．５Ｍｐａ〜２０Ｍｐａの範囲の加圧下で型押し工具に押圧される。

型押し工具は、熱可塑性ポリマーを型押しするために必要とされる熱および圧力を受けるときに、実質的に変形しない材料からなる。型押しステップの間に不適当に工具変形すると、導電性谷間部の全体にわたって金属分断をもたらし、電極が非導電性になることがある。有用な型押し工具は、熱可塑性ポリマーを効率よく型押しするのに必要とされる熱および圧力を受けるときに、１０％未満、２％未満、０．３％未満、または他の実施形態では０．１％未満の工学歪を受ける材料を含んでなる。有用な型押し工具は、銅、金属めっき銅、マグネシウム、アルミニウム、鋼、ステンレス鋼などを含めた、様々な金属および金属合金から製造することができる。

プラスチックまたは高分子フィルムは、キャストまたは押出し成形することができる。金属被覆は、通常熱的蒸発、スパッタリング、化学気相成長（ＣＶＤ）、ダイヤモンドＣＶＤ、プラズマＣＶＤ、電気めっきおよび無電解めっきにより、付着される。

本発明の耐引っ掻き性電極は、血中グルコースモニタ装置、高周波ＩＤタグ、微小規模の反応容器および圧力センサなどの計器またはデバイスに使用することができる。

本発明の利点および実施形態は、さらに次の実施例で説明されるが、これらの実施例に列挙された具体的な材料およびその量、並びに他の条件および詳細は、本発明を不当に制限するように解釈するべきではない。特に断りのない限り、部および％はいずれも重量部および重量％である。

実施例１
厚さ約１０００オングストロームの銀の被覆を、厚さ１０ｍｉｌ（０．２５ｍｍ）のポリ（エチレンテレフタレート）グリコール（ＰＥＴＧ）フィルム（イリノイ州エヴァンストンのスパーテックプラスチック社（Ｓｐａｒｔｅｃｈ Ｐｌａｓｔｉｃｓ，Ｅｖａｎｓｔｏｎ，ＩＬ）から入手可能）の上に塗布した。この金属被覆基板を、被加熱圧縮型装置中で刻装されたマグネシウム板を用いて、型押しした。刻装されたマグネシウム板には、それぞれ厚さ約５０マイクロメートル、高さ約７０マイクロメートル、およびピッチ間隔約２００マイクロメートルの平行なリブまたは突出部の配列がある。マグネシウム板の刻装された表面を、ＰＥＴＧフィルムの金属被覆表面に接触させ、この構造体を圧縮成形機に挿入した。被加熱圧縮型装置のプラテンを約１８７℃の温度に加熱し、マグネシウム板／金属被覆基板構造体を挿入し、圧力約１０ＭＰａを約５分間該構造体に加えた。加熱されたプラテンを約５５℃まで冷却しながら、圧力を更に５〜１０分間維持した。マグネシウム板を開け、型押しされた金属被覆基板を取り外した。

標準テストプローブを備えたヒューレット・パッカード９７３Ａマルチメータを用いて、金属被覆基板の導電性を、突出部に平行方向におよび突出部の法線方向に対して測定した。テストプローブを、電極に対して平行方向に約４．５ミリメートル間隔を置くと、マルチメータの読取値は約３１オームであった。次いでテストプローブを、電極に対して直角方向に約４ミリメートル間隔を置くと、マルチメータは読取値「ＯＬ」を示し、抵抗は大き過ぎて測定できないことを示した。この結果から、金属被覆基板の表面は突出部に平行方向すなわち谷間部では導電性であり、金属被覆基板は突出部の法線方向では非導電性であることがわかる。

金属被覆基板の一部を走査電子顕微鏡検査法により分析した。得られた画像を図２および３に示す。両方の画像は、はっきりと連続的な導電性の金属被覆された谷間部を示し、これが分断された銀被覆を有する突出部により囲まれている。

比較例１
銀被覆されたＰＥＴＧ基板を上記のように型押しした。ただし、銀被覆は厚さ約５０００マイクロメートルであり、型押し工具はＲＴＶシリコーンから製造したものである（シラスティックＪ（ＳＩＬＡＳＴＩＣ Ｊ）、ミシガン州ミッドランドのダウ・コーニング（Ｄｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ，Ｍｉｄｌａｎｄ，ＭＩ）から入手可能）。熱および圧力を上記と同様に加えた。得られた型押しされた銀被覆基板の導電性を上記と同様に測定した。この基板は、平行方向も法線方向も非導電性であることが判明した。該基板の一部の顕微鏡写真には、金属被覆谷間部および突出部の両方とも、銀被覆が分断されていることが示されていた。

当業者であれば、本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく、本発明の様々な変更形態および改変形態が明らかであろう。本発明を、例証を示す目的で本明細書に記載したものに制限するべきではない。

本発明による例示的な耐摩耗性電極の概略断面図である。 本発明による例示的な耐摩耗性電極の印刷されたディジタル化画像である。 本発明による例示的な耐摩耗性電極の印刷されたディジタル化画像である。

Claims (17)

1. 耐摩耗性電極であって、
   高分子基板の上に提供され、かつ金属被覆導電性谷間部により隔てられた、２個の平行な非導電性突出部を有する高分子基板を含んでなり、前記非導電性突出部が分断された金属の被覆を有する、耐摩耗性電極。
2. 電気デバイスの製造方法であって、
   金属被覆熱可塑性高分子基板を提供するステップと、
   前記金属被覆高分子基板を１０％未満の工学歪を有する材料を含んでなる型押し工具と接触させるステップと、
   前記高分子基板をその融点またはガラス転移温度より高い温度に加熱するステップと、
   前記金属被覆基板が工具の押下げ部分に実質的に流れ込むように充分な圧力を前記金属被覆基板に加えるステップと、を含んでなる方法。
3. 請求項１に記載の複数の耐摩耗性電極を含んでなる電気デバイス。
4. 前記耐摩耗性電極が可撓性である、請求項３に記載の電気デバイス。
5. 前記導電性谷間部が電気的に絶縁されている、請求項３に記載の電気デバイス。
6. 前記非導電性基板が熱可塑性プラスチック材料を含んでなる、請求項４に記載の電気デバイスまたは請求項２に記載の方法。
7. 前記熱可塑性プラスチック材料が、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ（ブチレンテレフタレート）、ポリアセタール、グリコール変性ポリ（エチレンテレフタレート）、およびこれらの組合せよりなる群から選択される、請求項５に記載の電気デバイスまたは請求項２に記載の方法。
8. 前記金属被覆が、銀、アルミニウム、ニッケル、金、インジウム／スズ酸化物、銅、亜鉛およびこれらの合金、並びにその組合せを含んでなる、請求項４に記載の電気デバイスまたは請求項２に記載の方法。
9. 前記導電性谷間部上の前記金属被覆が、２００オングストロームから２ミリメートルの範囲の厚さを有する、請求項３に記載の電気デバイスまたは請求項２に記載の方法。
10. 少なくとも１個の前記谷間部と少なくとも１個の前記突出部との間の前記基板の少なくとも一部が、分断された金属被覆を有する、請求項３に記載の電気デバイス。
11. 少なくとも１個の前記谷間部と少なくとも１個の前記突出部との間の前記基板の実質的に全てが、分断された金属被覆を有する、請求項３に記載の電気デバイス。
12. 前記高分子基板を、高分子基板の融点またはガラス転移温度より１５０℃以上高い温度に加熱する、請求項２に記載の方法。
13. 前記圧力が０．１Ｍｐａから１００Ｍｐａの範囲にある、請求項２に記載の方法。
14. 前記型押し工具が金属を含んでなる、請求項２に記載の方法。
15. 前記高分子基板が、１から２５，０００マイクロメートルの厚さを有する、請求項２に記載の方法または請求項１に記載の電極。
16. 請求項３に記載の電気デバイスを含んでなる血中グルコースモニタ装置。
17. 請求項３に記載の電気デバイスを含んでなる高周波ＩＤタグ。

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