JP2007516354A - チタン金属上に炭素層を作製する方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】カソードの製造方法において、炭素材料をチタン基板の一部分上に堆積させるステップと、堆積させた材料及びチタン基板を減少した圧力及び(又は)化学的に不活性な保護ガスの下にて約600℃ないし約1000℃の範囲にて加熱し、チタンと炭素材料との境界面に炭化チタン層を形成するステップと、約0.1時間ないし4時間の範囲、200℃ないし500℃の範囲の温度にて酸素を含む雰囲気中で加熱することにより堆積させた炭素材料を活性化するステップとを備える、カソードの製造方法である。
Description
本発明に従い、炭素被覆を金属基板、好ましくは、チタンに配置するため多数の各種の技術を採用することができる。その他の技術も使用可能であるが、以下の技術を明確に説明し且つ、特許請求の範囲に記載する。
炭素を保持する染料系インキのような炭素を保持する流体担体のインクジェット印刷、又は単にインクジェット印刷に適した1つ又はより多くのインキ内に又は流体担体内に懸濁させた炭素ブラック顔料のインクジェット印刷である。かかる担体は、インクジェット印刷技術にて既知であるようにグリコール及び同様のものを含むことができる。在庫品の炭素ブラックインクジェットインクを使用することもできる。インクジェット印刷技術は、典型的に、ドロップオンデマンド式又は連続式インク放出の何れかを含む。双方の型式のインクジェット印刷は、本発明を実施するため成功裏に利用することができる。
炭素を金属基板上に配置する別の過程は、炭素を転写リボンから基板に熱転写印刷するステップを含む。この過程の幾つかの有利な点は、過剰噴霧しないこと、正確にコーティングすること、一定のコーティング厚さ及び寸法とすること及び同様のことを含む。本発明のこの特徴の1つの形態において、炭素コーティングした重合系リボンを使用して炭素を基板の表面に転写する。該リボンは、典型的に、剥離ライナー(又は層)を有し、このため、(耐熱性)リボンが加熱され且つ、基板と接触する位置に配置されたとき、炭素材料は基板に実質的に接着する。上述したように、堆積した炭素の特定の後処理ステップを実行することが望まれる。かかる処理は、約600ないし1000℃にて焼鈍し(好ましくは、真空チャンバ内にて)、炭素−チタン境界面にて炭化チタン(TiC)層を形成し、印刷インク又は流体中に存在する溶媒を蒸発させ且つ、全てのポリマーを熱分解させるステップを含むことができる。次に、活性化ステップとしても知られた第二の焼鈍ステップを実行し、カソードは約0.1ないし4時間、約200ないし500℃の温度にて雰囲気状態下にて焼鈍される。炭素層の部分が基板に緊密に接着されない程度まで、炭素層を除去することができる(例えば、超音波刺激又は同様のものを用いて)。
炭素を基板に堆積させる上述した熱リボンモードと同様に、本発明のこの形態において、加熱(例えば、抵抗加熱)されたリボンがスタンピング装置と基板との間に配置され且つ、基板に押し付けられる。このように、装置のヘッドは、カソードの寸法に相応するものとし、又は所望であれば、基板の物理的寸法を1つの形態又は形状となるように形成し、キャパシタのその他の構成要素(又はキャパシタがその内部に配置される電気的装置の内側部分)に相応するよう使用することができる。先行技術と同様に、後処理ステップが必要である。
本発明のこの形態において、例えば、レーザのような可視又は赤外線放射線源がレンズ(又は光学的要素)を透過し且つ、染料昇華リボンの後部に収束光線を発生させる。反対側部に位置する炭素顔料は、迅速に昇華し且つ、リボンと密着した基板上に堆積される。上述したように、炭素層に対し各種の後処理ステップを実行することができる。
スクリーン印刷という歴史的な印刷方法は、本発明に従ってTi炭素カソードを構成するため有益に作用することができる。フレーム部材により典型的に規制されたスクリーン又はメッシュは基板に対して配置される。次に、少なくとも部分的に粘性な炭素を保持するペーストをスクリーンに施し且つ、手動にて(又は自動的に)機械的にスクリーンの孔を通して薄い材料層が基板に堆積されるようにする。この方法は、本来的に、基板に厚い炭素層(又は炭素を保持するペースト)を形成するから、比較的薄い炭素層が形成されるよう堆積させた層を機械的に減少させることが望まれ又は必要である。
チタンへの炭素の化学的気相成長法(CVD)は、選択的にメタン又はアセチレンを分解させて本発明に従って実行することができる。本発明のこの形態において、メタン、アセチレン又はその他の水素−炭素ガスの600ないし800℃の流れを比較的低温度に規制されるチタン基板に導く。その結果、炭素層が基板の表面にて成長する。過度に厚い炭素層が基板にて成長するならば、層を減少させる多岐に亙る手段を採用することができ、また、上記と同様に、色々な後処理ステップを実行し、基板に堅固で高静電容量の炭素コーティングを形成することができる。選択的に、基板の部分をマスキングし、炭素層が所望の位置でのみ成長するようにする必要がある。
チタンへの炭素の化学的気相成長法(CVD)は、本発明に従って実行することができ、この場合、炭素を保持するガスをイオン化するため高強度のマイクロ波が使用される。次に、ガスからのイオン化した成分が基板に堆積され且つ、基板上にて成長する。その結果、炭素層が基板の表面にて成長する。過度に厚い炭素層が基板にて成長するならば、層を減少させる多岐に亙る手段を採用することができ、また、上記と同様に、各種の後処理ステップを実行し、基板にて堅固で高静電容量の炭素コーティングを形成することができる。選択的に、基板の一部をマスキングし、Ti炭素層が所望の位置にてのみ成長するようにする必要がある。
チタン基板に堅固な炭素層を形成するため、簡単なスパッタリング過程を採用することができる。炭素を含む適宜に粘性な材料を基板にスパッタリングする任意の適宜な手段が満足し得るであろう。上記と同様に、最初のスパッタリング過程の後、多岐に亙る後処理ステップを実行することができる。
本発明に従った炭素カソードは、ブラシ、スキージー又はローラー型塗装装置のような任意の適宜な器具にて手操作で取り付けることもできる。本発明のこの形態において、炭素は、溶媒、ポリマー及び(又は)水溶性流体を含む、適宜に粘性な担体に保持することができる。
図4は、チタン基板20の別個の片10にカソードとして炭素25材料を堆積させるシステムであって、ヘッド30が炭素25又は炭素を保持する材料を基板20に放出するとき、印刷ヘッド30(又は別の炭素放出装置に対するキャリッジ)が軸方向部材40に沿って前後に往復運動するシステムの斜視図である。
基板20、炭化層134及び反応しなかった炭化層136は、ステップ260にて約30分ないし90分の範囲の時間、酸素を含む周囲状態又は雰囲気(例えば、空気、純粋な酸素等)内にて約300℃ないし500℃の温度まで加熱される。このステップにおいて、反応しなかった炭素層136の少なくとも一部分が活性化され、CO、COOH、C=Oのような酸素を含む官能基が形成されて活性炭素領域を形成する。すなわち、活性炭素表面部分と、反応しなかった、すなわち不活性炭素の表面下部分(1つの実施の形態に従い反応しなかった炭素層より薄い厚さを有するであろう)とを含む炭素層136から炭素系層が形成される。反応しなかった炭素部分は、活性化しなかった炭素を含む材料を有する。1つの代替的な実施の形態に従い、反応しなかった炭素部分の全体が活性炭素に変換され、炭素系層内に反応しなかった炭素が全く残らないようにする。
Claims (32)
- カソードの製造方法において、
炭素材料をチタン基板の一部分上に堆積させるステップと、
堆積させた材料及びチタン基板を減少した圧力及び(又は)化学的に不活性な保護ガスの下にて約600℃ないし約1000℃の範囲にて加熱し、チタンと炭素材料との境界面に炭化チタン層を形成するステップと、
約0.1時間ないし4時間の範囲、200℃ないし500℃の範囲の温度にて酸素を含む雰囲気中で加熱することにより堆積させた炭素材料を活性化するステップとを備える、カソードの製造方法。 - 請求項1に記載の方法において、
炭化チタン層を後処理するステップを更に備える、方法。 - 請求項1に記載の方法において、
堆積させるステップは、
手動の塗装過程、インクジェット印刷過程、熱転写印刷過程、ホットスタンピング過程、染料昇華過程、スクリーン印刷過程、化学的気相成長過程、スパッタリング過程の少なくとも1つにより実行される、方法。 - 請求項3に記載の方法において、
インクジェット印刷過程は熱インクジェット印刷過程を備える、方法。 - 請求項3に記載の方法において、
インクジェット印刷過程は圧電インクジェット印刷過程を備える、方法。 - 請求項3に記載の方法において、
化学的気相成長過程は、プラズマ増強化学的気相成長過程を備える、方法。 - 請求項1に記載の方法において、
炭素材料は炭素ナノチューブ材料を備える、方法。 - 請求項7に記載の方法において、
炭素ナノチューブ材料は単層ナノチューブ材料を備える、方法。 - 請求項1に記載の方法において、
チタン基板はキャパシタハウジングの内側部分を備える、方法。 - 請求項1に記載の方法において、
チタン基板は薄いチタンシートを備える、方法。 - 請求項10に記載の方法において、
炭素材料を薄いチタンシートの対向した主要面上に堆積させるステップを更に備える、方法。 - 請求項10に記載の方法において、
薄いチタンシートを切断してより小さい部分にするステップを更に備える、方法。 - 請求項1に記載の方法において、
カソードを誘電性仕切り材料にて被覆するステップを更に備える、方法。 - 請求項13に記載の方法において、
誘電性仕切り材料は、誘電性仕切り材料の少なくとも2つの別個の層を備える、方法。 - 請求項13に記載の方法において、
誘電性仕切り材料は、ポリウレタン材料又はポリプロピレン材料の一方を備える、方法。 - 請求項1に記載の方法において、保護ガスは、
相対的に不活性なガス状材料を備える、方法。 - 請求項16に記載の方法において、
保護ガスは無水窒素及び二酸化炭素の一方を備える、方法。 - カソードにおいて、
チタン基板と、
該チタン基板上に堆積させた炭素材料層とを備える、カソード。 - 請求項18に記載のカソードにおいて、
基板は、湿式電解質タンタルキャパシタ用のケーシングの一部分を備える、カソード。 - 請求項18に記載のカソードにおいて、炭素層は、手動の塗装過程、インクジェット印刷過程、熱転写印刷過程、ホットスタンピング過程、染料昇華過程、スクリーン印刷過程、化学的気相成長過程、スパッタリング過程の1つを介して基板に連結される、カソード。
- 請求項20に記載のカソードにおいて、
インクジェット印刷過程は熱インクジェット印刷過程を備える、カソード。 - 請求項20に記載のカソードにおいて、
インクジェット印刷過程は圧電インクジェット印刷過程を備える、カソード。 - 請求項20に記載のカソードにおいて、
化学的気相成長過程は、プラズマ増強化学的気相成長過程を備える、カソード。 - 請求項18に記載のカソードにおいて、
炭素材料は炭素ナノチューブ材料を備える、カソード。 - 請求項24に記載のカソードにおいて、
炭素ナノチューブ材料は単層ナノチューブ材料を備える、カソード。 - 請求項18に記載のカソードにおいて、
チタン基板はキャパシタハウジングの内側部分を備える、カソード。 - 請求項18に記載のカソードにおいて、
チタン基板は薄いチタンシートを備える、カソード。 - 請求項27に記載のカソードにおいて、
炭素材料は、薄いチタンシートの対向した主要面上に堆積される、カソード。 - 請求項27に記載のカソードにおいて、
チタンの表面に配置された実質的に直線状の比較的浅い溝を更に備える、カソード。 - 請求項18に記載のカソードにおいて、
カソードを被覆する誘電性仕切り材料を更に備える、カソード。 - 請求項30に記載のカソードにおいて、
誘電性仕切り材料は、誘電性仕切り材料の少なくとも2つの別個の層を備える、カソード。 - 請求項30に記載のカソードにおいて、
誘電性仕切り材料は、ポリウレタン材料又はポリプロピレン材料の一方を備える、カソード。
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