JP2013187415A - 薄膜グラファイトを含有する構造体の製造方法、及び電気部品 - Google Patents

Abstract

【課題】電気抵抗率が低く、かつ電流密度が高い薄膜グラファイトの電気的性質を利用した電気部品として実装可能な構造体を製造する。
【解決手段】グラファイト２２の表層面に粘着テープ２４Ａを貼り付け、その後、この粘着テープ２４Ａを剥離する作業を、１回以上実行することで、厚さ寸法が約０．０１ｍｍの薄膜グラファイトシート１２を形成する。薄膜グラファイトシート１２の表層面に対して、別途準備した溶着シート２６を押し当てた所望の単位数の二層体２８を生成する。二層体２８を順次積み重ねていき、溶着処理を実行して一体化し、輪状のコイル部１２Ａと、このコイル部１２Ａの周方向の両端部に形成された一対の配線端子１２Ｂとなるように加工する。
【選択図】図４

Description

本発明は、薄膜グラファイトを含有する構造体の製造方法、及び電気部品に関する。

薄膜の単原子層グラファイト（以下、「薄膜グラファイト」、「グラフェンシート」等という場合がある）において、一辺が数百μｍ幅を超える寸法を持つような、従来と比較して大面積のグラフェンシートを製造する方法が提案されている。

例えば、基板の一面に、ライン状の触媒金属層を位置決めし、所定の環境下で加熱し、当該触媒金属層面に炭素含有ガスを供給することで、所望の膜厚及び層数のグラフェンシートを形成することが提案されている。

薄膜グラファイトは、導電材料として多用される銅に比べて、電気抵抗率や、最大電流密度等の電気的性質、或いは熱的性質に優れており、将来の導電材料として注目されている。

例えば、薄膜グラファイトの電気抵抗率は、１０^−６Ω・ｃｍであり、銅の電気抵抗率よりも４０％程度小さい。また、薄膜グラファイトの最大電流密度は、１０^８Ａ／ｃｍ^２であり、銅の最大電流密度の１０００倍以上である。

このため、薄膜グラファイトは、銅に代わり巻線材料や配線材料として適用することで、例えば、少なくとも電気的特性を維持しつつ、チョークコイルやトランス等の巻線構造体やヒートシンクの小型化を図ることが可能である。また、薄膜グラファイトは、熱的性質にも特異な性質を持ち、ヒートシンク等の冷却構造体としても適用され得る。

しかしながら、薄膜グラファイトは、前述したように製造方法は確立しつつあるものの、当該薄膜グラファイトを製造した後、さらに、積層処理、裁断処理、熱処理等の二次加工を施して、前記巻線構造体等の電気部品を製造するための工程が確立していない。従って、大量生産が困難であり、巻線構造体等の電気部品として実装することができない。

なお、薄膜グラファイトの二次加工の参考例として、グラファイトシートからグラフェン層を壁開して支持層に配置する冷却構造体として用いることが提案されている。

また、冷却構造体として、グラファイト層と弾性層とを交互に積層して積層ブロックを形成して柔軟な高熱伝導シートを製造することが提案されている。

特開２００９−６２２４７号公報 特開２００９−９１１７４号公報 特開２００７−２７３９４３号公報 国際公開ＷＯ２００７／１４２２７３号公報

１つの側面では、本発明は、薄膜グラファイトを用いた電気部品として実装可能な構造体を容易に製造することが目的である。

１つの案では、所定の表面積及び肉厚寸法のグラファイトシートを複数枚形成するグラファイトシート形成工程を実行する。前記グラファイトシート形成工程で形成されたグラファイトシートと、絶縁部材で形成され前記所定の表面積よりも広い表面積を有する溶着シートとを交互に積層する積層工程を実行する。前記積層工程によって積層されたグラファイトシート間からはみ出た溶着シートの周縁部を溶着する溶着工程を実行する。前記溶着工程によって融着された前記グラファイトシートと溶着シートの複合部材を所定の形状に加工して導電部材として機能する構造体を形成する加工工程を実行する。

また、他の案では、薄膜のグラファイトが加工されることで、円弧部及び当該円弧部の両端に形成された端子部が形成された導電部材を備える。また、層状に積み重ねられる複数の前記導電部材の間に設けられ、隣接する導電部材を絶縁状態に保持する絶縁部材を備える。導電部材と絶縁部材とで構造体となる。開示の技術は、前記構造体と、当該構造体における前記導電部材の端子間に接続され電流を流すことで前記導電部材の円弧部を所望のインダクタンスを持つコイルとして機能させる通電部材と、を有する電気部品である。

薄膜グラファイトを用いた電気部品として実装可能な構造体を容易に製造することができる、という効果を有する。

第１の実施の形態に係るチョークコイルの斜視図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 第１の実施の形態に係るチョークコイルのコイル部の正面図、（Ｂ）は薄膜グラファイトシートが並列接続されたときの等価回路図、（Ｃ）は薄膜グラファイトシートが直列接続されたときの等価回路図である。 第１の実施の形態に係る薄膜グラファイトシートを含有する構造体を製造する手順を示す工程図である。 第２の実施の形態に係るトランスの内部構造を示す、図２に対応した断面図である。

（第１の実施の形態）

図１は、開示の技術である薄膜グラファイトを含有する構造体の一実施形態であるチョークコイル１０が示されている。なお、チョークコイル１０は、開示の技術に係る電気部品の一例である。

チョークコイル１０は、高周波に対して抵抗の働きをし、高周波を減衰させる高周波用フィルタとしての役目を有する。チョークコイル１０は、コイルインダクタとして分類される場合がある。このコイルインダクタは、チョークコイル１０の他、高周波同調コイル、バーアンテナ、電源用チョーク等がとしても用いられる。

高周波同調コイルは、コイルとコンデンサを並列接続し、ある一定の周波数に同調して信号を取り出すために使われ、テレビやラジオ等の同調回路などに利用される。

バーアンテナは、高周波同調コイルと同じく同調用であるが、内部に挿入するコアを特別に長くしてアンテナと同等の特性を持たせたものであり、携帯ラジオ等に利用される。

電源用チョークは、低周波に対しても、特に大きな抵抗を示すようにして、電源ノイズ防止用のフィルタや、平滑回路のフィルタに使われる。

第１の実施の形態のチョークコイル１０は、導電性の線材として、従来適用されていた銅線に代えて、複数枚の薄膜グラファイトシート１２（図２参照）が適用されている。

第１の実施の形態の薄膜グラファイトシート１２は、比較対象の銅線と同様に高周波フィルタとしての機能を持つが、銅線と大きく異なる点は、電気抵抗率が１０^−６Ω・ｃｍ以下であり、銅線の電気抵抗率の約４０％である。また、薄膜グラファイトシート１２の最大電流密度が１０^８Ａ／ｃｍ^２であり、銅線の１０００倍以上である。

この複数枚の薄膜グラファイトシート１２の間には、それぞれ絶縁体である溶着シート１４が介在されている。この結果、薄膜グラファイトシート１２と溶着シート１４とは、複数層に亘り、交互に積み重ねられて薄膜グラファイトシート１２を含有する構造体１６となっている。

溶着シート１４は、その材質として、ポリエチレン、ポリプロピレン等の合成樹脂材料が適用可能であり、厚さ寸法は製造されるチョークコイル１０の仕様によって異なるが、０．０１ｍｍ〜１０ｍｍ程度である。

溶着シート１４は、前述のように絶縁体であるため、前記薄膜グラファイトシート１２はそれぞれ電気的には非接触の状態で積層されることになる。なお、複数枚の薄膜グラファイトシート１２は、後加工（配線）において、電気的に接続された状態となる。

前記薄膜グラファイトシート１２を含有する構造体１６は、２分割された鉄心１８、２０によって挟み込まれることでチョークコイル１０の外郭を成す。

図３は、第１の実施の形態に係る構造体１６における薄膜グラファイトシート１２により形成される電気的配線の等価回路を示している。

複数層の薄膜グラファイトシート１２は、図３（Ａ）に示す正面視で、所謂鍵穴形状に切削加工されている。この切削加工された薄膜グラファイトシート１２は、輪状のコイル部１２Ａが形成されている。このコイル部１２Ａの周方向の両端部からは、互いに平行に延長された一対の脚部が設けられ、配線端子１２Ｂとしての役目を有している。

脚部１２Ｂには、各層の薄膜グラファイトシート１２同士を電気的に接続するように配線が施されている。この配線は、用途又は所望の特性に応じて、図３（Ｂ）に示される如く、コイル部１２Ａを並列接続してもよいし、図３（Ｃ）に示される如く、直列接続してもよい。

ここで、第１の実施の形態のチョークコイル１０の外形寸法（図１の寸法Ｌ×Ｄ×Ｈ）は、一辺が３ｃｍ前後の矩形体である。比較例として、第１の実施の形態と同様の電気的性能を維持するために、線材として銅線を適用した場合、単純計算で、８倍の体積が必要となる。

以下、図４に従い、第１の実施の形態に係る、薄膜グラファイトシート１２を含有する構造体１６をコイル部１２Ａとして適用したチョークコイル１０の製造手順を説明する。

（手順１「グラファイトシート形成工程その１」）

図４（Ａ）に示される如く、矩形ブロック状で高配向のグラファイト２２の表層面に粘着テープ２４Ａを貼り付け、その後、この粘着テープ２４Ａを剥離する（一部をグラファイト２２から離間させる）。この結果、粘着テープ２４Ａの粘着力によってグラファイト２２の表層面が剥離され、薄膜のグラファイト素材２２Ａが粘着テープ２４Ａの粘着面側に移行する。

（手順２「グラファイトシート形成工程その２」）

図４（Ｂ）に示される如く、粘着テープ２４Ａに貼りついている薄膜のグラファイト素材２２Ａに対して、さらに、別の粘着テープ２４Ｂを貼り付け、その後、この粘着テープ２４Ｂを剥離する（一部をグラファイト素材２２Ａから離間させる）。

この結果、粘着シート２４Ｂの粘着力によってグラファイト２２Ａの表層部が剥離され、薄膜のグラファイト素材２２Ａよりも薄い、薄膜のグラファイト素材２２Ｂが粘着テープ２４Ｂの粘着面側に転写される。

上記手順２の作業を、１回以上実行することで、厚さ寸法が約０．０１ｍｍの薄膜グラファイトシート１２を形成する。この厚さ寸法０．０１ｍｍは、電気抵抗率が１０^−６Ω・ｃｍ以下となる目安となる。２回以上実行する場合、粘着シート２４Ｃ、Ｄ、Ｅ・・・が必要であり、その度に、薄膜のグラファイト素材２２Ｃ、Ｄ、Ｅ・・・が形成され、最終段階が、厚さ寸法が約０．０１ｍｍの薄膜グラファイトシート１２となる。

（手順３「積層工程その１」）

図４（Ｃ）に示される如く、所望の厚さ寸法となった薄膜グラファイトシート１２の表層面に対して、別途準備した溶着シート２６を押し当てる。この溶着シート２６は、その表面積（輪郭）が薄膜グラファイトシート１２の表面積（輪郭）よりも大きいため、溶着シート２６の周縁は、薄膜グラファイトシート１２の周縁からはみ出している。このとき、薄膜グラファイトシート１２がさらに薄膜化されるため、この最終段階の処理（溶着シート２６への転写処理）を含めて、厚さ寸法を約０．０１ｍｍの薄膜グラファイトシート１２となるようにしてもよい。言い換えれば、手順３までの処理では、目標の厚さ寸法（０．０１ｍｍ）である必要はない。また、粘着シート２４Ａ、Ｂ，Ｃ、Ｄ、Ｅ・・・と、溶着シート２６とを区別しなくてもよく、最初から溶着シート２６を適用してもよい。

（手順４「積層工程その２」）

手順１〜手順３を繰り返し実行することで、溶着シート２６と薄膜グラファイトシート１２の二層体２８を１単位として、所望の単位数の二層体２８を生成する。

（手順５「積層工程その３」）

図４（Ｄ）に示される如く、複数単位数の二層体２８は、全てを同一の向きとする。図４（Ｄ）では、薄膜グラファイトシート１２が上層で溶着シート２６が下層となる向きにしている。

全て同一の向きとなった二層体２８を順次積み重ねていき、複数単位の二層体２８を一体化する。

また、最終的に、溶着シート２６によって全ての薄膜グラファイトシート１２を挟み込む必要がある場合は、単体の溶着シート２６Ｘを１枚準備すればよい（図４（Ｄ）の最上層の溶着シート２６Ｘ参照）

（手順６「溶着工程」）

図４（Ｅ）に示される如く、二層体２８及び溶着シート２６Ｘが積層された状態では、隣接するそれぞれの二層体２８の溶着シート２６及び溶着シート２６Ｘの周縁部が互いに接触している。この溶着シート２６及び溶着シート２６Ｘの接触状態で溶着処理を実行する。この溶着処理によって、二層体２８及び溶着シート２６Ｘが一体化され、薄膜グラファイトシート１２を含有する構造体１６が形成される。

なお、溶着処理としては、加熱溶着、高周波（超音波）溶着等が代表的である。

例えば、加熱溶着は、熱風式の場合、熱風温度が、１００°Ｃ以上８００°Ｃ以下であることが好ましい。グラファイトシート１２を含有する構造体１６が実装されるチョークコイル１０の最高動作温度が約１００°Ｃであり、薄膜グラファイトシート１２の変質するのが８００°Ｃであるからである。これにより、実装後に溶着した個所が変質することが防止される。

（手順７「加工工程」）

図４（Ｆ）に示される如く、手順６の溶着処理で形成された薄膜グラファイトシートを含有する構造体を所望の形状に加工する。第１の実施の形態では、当該薄膜グラファイトシートを含有する構造体を、チョークコイル１０を高周波フィルタとして動作するべく、輪状のコイル部１２Ａと、このコイル部１２Ａの周方向の両端部に形成された一対の配線端子１２Ｂが形成される。

加工工程に適用する加工方法としては、レーザー加工が一般的である。例えば、エキシマレーザー加工の場合は、エキシマレーザー光の光源として、ＸｅＣｌレーザー光を使用し、その波長は３０８ｎｍであり、パルス幅は２０ｎsecである。ここで、ＸｅＣｌレーザーからの出力光を、照射面におけるパルス当たりのエネルギー密度が２ジュール／ｍ^２となるように集光する。そして、被加工物である薄膜グラファイトシートを含有する構造体に照射して、第１の実施の形態では、所謂鍵穴形状（コイル部１２Ａと端子部１２Ｂ）となるように加工する。

巻線材料として適用されている銅線等に比べて、電気抵抗率が４０％程度低く、最大電流密度が１０００倍以上の薄膜グラファイトシートは、単体として、機械的な製造方法や、化学的な製造方法等、所謂手作業に近い製造方法は確立していた。しかし、当該グラファイトシートを利用した電気部品等の製造方法は確立していなかった。

なお、機械的にグラファイトから層状に引き剥がす製造方法としては、例えば、スコッチテープ法等がある。また、化学的にグラファイトシートを成長させる製造方法としては、例えば、金属触媒を用いたＣＶＤ法、Ｓｉｃ表面分解法等当がある。

そこで、第１の実施の形態では、当該グラファイトシートを用い、チョークコイル１０のコイル部１２Ａ等に実装するための構造体１６を製造する工程を確立することで、銅線等を用いた電気部品の小型化、軽量化を実現することができる。

（第２の実施の形態）

なお、第１の実施の形態では、薄膜グラファイトシートを含有する構造体として、チョークコイル１０を例にとり、その製造方法を説明した。しかし、薄膜グラファイトシートを含有する構造体としては、このチョークコイル１０に限らず、同様な構成のトランス３０（図５参照）であっても同様の効果を奏する。なお、トランス３０は、開示の技術における電機部品の一例である。

トランスの基本構成は、鉄心であるコアに導電性の線材が巻かれたものであり、用途により、電源トランス、スイッチング電源用トランス、オーディオ用トランス等に分類される場合がある。

電源トランスは、複数のコイルを同じ磁心に巻いたもので、電圧変換の機能を有する。これを利用して、交流電圧を降圧あるいは昇圧させるのに多用する。

スイッチング電源用トランスは、前記電源用トランスと同じだが、周波数が高いため小型で効率の良いトロイダルコアを使っているのが特徴である。

オーディオ用トランスは、トランジスタ回路などでインピーダンスが大きく異なる場合、伝達ロスを少なくするためにインピーダンス変換用として使われるトランスである。

図５は、第２の実施の形態に係る、薄膜グラファイトシートを含有する構造体を用いたトランス３０が示されている。

第２の実施の形態のトランス３０は、要求される電気的仕様等を維持するため、コイル部３２が、従来の銅線を巻線とするコイル部３２Ａと、複数枚の薄膜グラファイトシート１０を含有する構造体１６によって形成されるコイル部３２Ｂとを備えている。コイル部３２Ａは、トランス３０の一次巻線及び二次巻線の一方として作用し、コイル部３２Ｂは、トランス３０の一次巻線及び二次巻線の他方として作用する。

コイル部３２Ａは、例えば図示しないコア（鉄心）を中心として、銅線３４が何重にも巻き回されている。銅線３４の巻線部は、絶縁部材３６によって２分割されている。

前記コイル部３２Ａを挟むように、一対のコイル部３２Ｂが設けられている。コイル部３２Ｂは、前記第１の実施の形態で適用された、薄膜グラファイトシート１２を含有する構造体１６であり、その製造方法は、第１の実施の形態の作用で説明した手順によって製造される。従って、ここで、製造方法の手順の説明は省略する。

第２の実施の形態の薄膜グラファイトシート１２は、比較対照の銅線３４と同様に高周波フィルタとしての機能を持つが、銅線と大きく異なる点は、電気抵抗率が１０^−６Ω・ｃｍ以下であり、銅線の電気抵抗率の約４０％である。また、薄膜グラファイトシート１２の最大電流密度が１０^８Ａ／ｃｍ^２であり、銅線の１０００倍以上である。

この複数枚の薄膜グラファイトシート１２の間には、それぞれ絶縁体である溶着シート２６が介在されている。この結果、薄膜グラファイトシート１２と溶着シート２６とは、複数層に亘り、交互に積み重ねられてコイル部３２Ｂとなっている。

溶着シート２６は、前述のように絶縁体であるため、前記薄膜グラファイトシート１２はそれぞれ電気的には非接触の状態で積層されることになる。なお、後加工（配線）において、電気的に接続状態となる。

前記コイル部３２Ａ及びコイル部３２Ｂは、２分割された鉄心３８、４０によって挟み込まれることでトランス３０の外郭を成す。

この第２の実施の形態では、銅線を用いたコイル部３２Ａと、薄膜グラファイトシート１２を含有する構造体１６を用いたコイル３２Ｂとを併用した。これは、製造するトランス３０の電気的仕様等に基づき、コイル部３２Ｂのみでは対応できない場合があるからである。例えば、電気的仕様等として、耐久性、高電圧に対する補償、物理的な強度等が挙げられる。

なお、第２の実施の形態のトランス３０は、第１の実施の形態のチョークコイル１０と区別するために、コイル部３２Ａとコイル部３２Ｂとを併用したが、コイル部３２Ｂの単体でコイル部を形成してもよい。

また、上記第１の実施の形態、第２の実施の形態では、薄膜グラファイトシート１２をチョークコイル１２やトランス３０等、直接的な電気部品として適用したが、間接的な電気部品であるヒートシンクとして適用することも可能である。

すなわち、薄膜グラファイトシート１２は、熱伝導率が５０００Ｗ／ｍＫ程度であり、ダイヤモンドの２０００Ｗ／ｍＫ、銅の４００Ｗ／ｍＫに比べて、非常に良好であるからである。

本明細書に記載された全ての文献、特許出願及び技術規格は、個々の文献、特許出願及び技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記載された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。

１０ チョークコイル
１２ 薄膜グラファイトシート
１４ 溶着シート
１６ 構造体
１８、２０ 鉄心
１２Ａ コイル部
１２Ｂ 配線端子
２２ グラファイト
２４Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ・・・ 粘着テープ
２２Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ・・・ グラファイト素材
２６ 溶着シート
２６Ｘ 溶着シート
２８ 二層体
３０ トランス
３２Ａ コイル部
３２Ｂ コイル部
３４ 銅線
３６ 絶縁部材
３８、４０ 鉄心

Claims (5)

1. 所定の表面積及び肉厚寸法のグラファイトシートを複数枚形成するグラファイトシート形成工程と、
   前記グラファイトシート形成工程で形成されたグラファイトシートと、絶縁部材で形成され前記所定の表面積よりも広い表面積を有する溶着シートとを交互に積層する積層工程と、
   前記積層工程によって積層されたグラファイトシート間からはみ出た溶着シートの周縁部を溶着する溶着工程と、
   前記溶着工程によって融着された前記グラファイトシートと溶着シートの複合部材を所定の形状に加工して導電部材として機能する構造体を形成する加工工程と、
   を有する薄膜グラファイトを含有する構造体の製造方法。
2. 前記グラファイトシート形成工程が、予め定めた肉厚寸法よりも厚い高配向のグラファイトに粘着テープを貼り付け、その後前記グラファイトと前記粘着テープとを剥離することで、当該粘着テープの粘着面に前記グラファイトの表層部を移し取ることを少なくとも１回実行して、前記グラファイトシートの肉厚寸法を調整し、当該グラファイトシートの電気抵抗率を１０^−６Ω・ｃｍ以下とする請求項１記載の薄膜グラファイトを含有する構造体の製造方法。
3. 前記積層工程が、前記グラファイトシート形成工程によって形成された複数枚のグラファイトシートのそれぞれを前記溶着シートに転写して二層体を形成する転写工程を備え、前記転写工程によって生成された二層体を必要数準備して積層する請求項１又は請求項２記載の薄膜グラファイトを含有する構造体の製造方法。
4. 前記加工工程が、前記構造体を軸線が前記積層方向となる円筒形状に切削する切削工程と、切削工程後に側面から露出する前記グラファイトシートがコイル巻線として機能するように電気的に直列接続又は並列接続する配線工程と、を備える請求項１〜請求項３の何れか１項記載の薄膜グラファイトを含有する構造体の製造方法。
5. 腹膜のグラファイトが加工されることで、円弧部及び当該円弧部の両端に形成された端子部が形成された導電部材と、層状に積み重ねられる複数の前記導電部材の間に設けられ、隣接する導電部材を絶縁状態に保持する絶縁部材とを備えた構造体と、
   前記構造体における前記導電部材の端子間に接続され、電流を流すことで前記導電部材の円弧部を所望のインダクタンスを持つコイルとして機能させる通電部材と、
   を有する電気部品。

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