JP2016012448A - 導電線 - Google Patents

Abstract

【課題】電流密度が高くても溶断しにくい導電線を提供する。【解決手段】この導電線は、金属及びカーボンナノチューブを備える導電線である。前記導電線の長手方向に垂直な前記導電線の断面内の全カーボンナノチューブの面積の総和をＡｚａとし、前記断面内の、前記導電線の長手方向と４５?未満の角度をなす軸線を有するカーボンナノチューブの面積の総和をＡｚｚとしたときに、Ａｚｚ／Ａｚａ≦０．２をみたす。【選択図】図２

Description

本発明は、導電線に関する。

従来より、カーボンナノチューブを含む導電線が知られている。

ＷＯ２０１１／０６２０７２号公報

ところで、小型軽量化を求めると導電線の断面積が小さくなる。しかしながら、導電線の断面積が小さくなると電流密度が高くなり発熱により導電線が溶断する場合がある。本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、電流密度が高くても溶断しにくい導電線を提供することを目的とする。

本発明に係る導電線は、金属及びカーボンナノチューブを備える。前記導電線の長手方向に垂直な前記導電線の断面内の全カーボンナノチューブの面積の総和をＡｚａとし、前記断面内の、前記導電線の長手方向と４５°未満の角度をなす軸線を有するカーボンナノチューブの面積の総和をＡｚｚとしたときに、Ａｚｚ／Ａｚａ≦０．２をみたす。

本発明によれば、適切なカーボンナノチューブの垂直方向への配向度を有しているため、溶断電流を高くすることができる。

ここで、前記断面において、前記導電線の面積に対する全カーボンナノチューブの面積の総和の割合が１〜５％であることができる。

また、前記カーボンナノチューブの端部が前記導電線の表面から突き出ていることができる。

本発明によれば、電流密度が高くても溶断しにくい導電線が提供される。

図１は、本発明の実施形態に係る導電線を有する基板の斜視図である。 図２は、導電線の断面及びカーボンナノチューブの角度を説明する一部破断斜視図である。

本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
本実施形態においては、図１に示すように、電子デバイス１０は、基板１、及び、基板１上に設けられた導電線３を主として有する。

基板１は、導電線３を支持する支持体である。基板１は電気絶縁性を有すれば特に材料は限定されない。基板１の材料の例は、エポキシ樹脂／ポリイミド樹脂等の樹脂が含浸されたガラス布；ポリカーボネート樹脂、ＡＢＳ樹脂、アクリル樹脂等の誘電性樹脂板；アルミナ、ムライト、窒化珪素などのセラミック；酸化膜付きＳｉ基板である。基板１の平均厚さは、特に限定されないが、５０μｍ〜２ｍｍ程度である。

導電線３は、基板１の上に、シード膜２を介して設けられている。シード膜２は、電解メッキにより製造する際に必要なものであり、他の方法により製造されるものでは存在しなくても良い。シード膜２の材料の例は、導電線３中の金属、Ｃｕ／Ｃｒ膜、Ｃｕ／Ｔｉ膜等である。

導電線３は、金属及びカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を含む。導電線３は、Ｚ軸方向に延びており、長手方向はＺ軸方向である。

金属の例は、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、及び、これらの合金である。

カーボンナノチューブは、グラフェンシートから形成された単層又は多層の管である。カーボンナノチューブの直径は、１〜５０ｎｍであることができる。また、カーボンナノチューブの長さは、１００ｎｍ〜２５０μｍであることができる。カーボンナノチューブのアスペクト比は、１００〜５０００であることができる。アスペクト比とは、カーボンナノチューブの長さ（ｎｍ）をカーボンナノチューブの直径（ｎｍ）で除した値である。

導電線３のＸＹ断面形状は特に限定されず、例えば、矩形であることができる。導電線３のＸＹ断面積は、例えば、１０〜１００μｍ^２とすることができる。

導電線３の長手方向（Ｚ軸方向）に垂直な導電線３の断面（ＸＹ断面）３ＸＹにおいて（図２参照）、全カーボンナノチューブ４の面積の総和をＡｚａとし、導電線３の長手方向（Ｚ軸方向）と４５°未満の角度θをなす軸線Ｗを有するカーボンナノチューブ４の面積の総和をＡｚｚとしたときに、この導電線３は、Ａｚｚ／Ａｚａ≦０．２を満たす。

具体的には、Ａｚａは、導電線３の断面３ＸＹのＳＥＭ画像を取得し、公知の画像処理によってカーボンナノチューブに該当する面積を取得して加算することにより得ることができる。

また、Ａｚｚは、上記断面３ＸＹのＳＥＭ画像を取得した後、さらに、Ｚ軸方向に導電線３の断面を研磨等により所定の厚みΔＺ、例えば、０．０５〜１μｍ程度除去し、同様のＳＥＭ写真を撮影し、各カーボンナノチューブの位置の変化、例えば、ＸＹ面内における各カーボンナノチューブ領域の重心の移動量ΔＸＹを取得し、ΔＸＹ＜ΔＺであれば、当該カーボンナノチューブの軸線Ｗが導電線３の長手方向（Ｚ軸方向）と４５°未満の角度をなす事が確認できる。

なお、上記断面３ＸＹのＳＥＭ画像を取得した際、長尺形状の断面形状を有するものが現れる場合があるが、このようなカーボンナノチューブに該当する領域は、上記ＡｚｚおよびＡｚａの加算対象としなくてもよい。これは、上述のカーボンナノチューブのアスペクト比を考慮すると、このような長尺形状の断面形状を有するものは、Ｚ軸方向と８９．４°（ｔａｎ^−１（１００））以上の角度をなすものと考えられ、カーボンナノチューブ全体のうちごく一部であるとみなすことができるためである。

また、上記断面３ＸＹにおいて、導電線３の面積に対する全カーボンナノチューブの面積の総和の割合Ｂｃが１〜５％であることができる。

この導電線３は、その表面、例えば天面に、カーボンナノチューブ４の端部が突出していることができる。突出していると、放熱効果をより高くできる。

この導電線３は、その長手方向、即ちＺ軸方向に好適に直流電流を流すことができる。特に、長手方向における溶断電流の値を、カーボンナノチューブを含まない場合よりも高くできる。

本実施形態に係る導電線が上述の効果を奏する理由は明らかではないが、以下のように考えることができる。

すなわち、Ａｚｚ／Ａｚａは、Ｚ軸方向に対するカーボンナノチューブの配向度を表し、Ａｚｚ／Ａｚａ≦０．２は、カーボンナノチューブが長手方向に垂直な方向に高度に配向していることを意味する。なお、ランダム配向では、Ａｚｚ／Ａｚａは約０．２９となる。上記の条件を満たす場合、電流が流れることにより発生する熱が導電線の外側方向に向かって効率よく移動するため、放熱効率が上がり、溶断に必要な電流が大きくなるものと考えられる。

これに対して、Ａｚｚ／Ａｚａ＞０．２では、カーボンナノチューブの導電線の長手方向に垂直な方向への配向度が低くなり、熱を導電線の表面に向かって移動させることが促進されなくなる。

また、Ｂｃは導電線中におけるカーボンナノチューブの濃度を表し、１〜５％である場合には、溶断電流向上効果が得やすい場合がある。Ｂｃが低いと、カーボンナノチューブの濃度が低すぎて、表面に向かう熱の移動を促進する効果が低くなる傾向にある。また、Ｂｃが高すぎると、導電線の長手方向の電気抵抗が大きくなって、発熱量が増えるために、溶断電流値の向上がかえって困難になる。

このような電子デバイス１０は例えば以下のようにして製造することができる。

まず、基板上にシード膜２をスパッタ法、蒸着法、無電解メッキ法等で形成する。その後、導電線３に対応する領域が露出するようなレジストパターンをシード膜２上に形成する。その後、シード膜２を電極として、カーボンナノチューブを含むメッキ液で電解メッキを行って、導電線３を形成する。その後、レジストパターン、及び、不要なシード膜を除去すればよい。カーボンナノチューブをＺ軸に垂直に配向させるには、電解槽において電解メッキをする際に、導電線３の長手方向に垂直方向にメッキ液の定常的な流れを形成することが効果的である。これにより、Ａｚｚ／Ａｚａ≦０．２を達成することが容易である。また、電解メッキ中に、メッキ液に対して外部から電場及び／又は磁場を印加することによって、カーボンナノチューブの配向性を高めることもできる。メッキ法で製造すると、通常、導電線３の天面からカーボンナノチューブが突き出す。

また、導電線３中のカーボンナノチューブの濃度は、メッキ液中のカーボンナノチューブの濃度を調節することにより容易に調節できる。

また、メッキ以外の方法でも上述の導電線を製造することができる。例えば、導電線３に対応する領域にカーボンナノチューブ合成用の触媒粒子を配置し、アセチレン等のガスを供給して基板上にカーボンナノチューブを上下方向に延びるように成長させた後、ラビング布を巻きつけたローラーによるラビング処理等でカーボンナノチューブを折り曲げて導電線の長手方向に垂直な方向に沿うように配向させ、その後、スパッタや蒸着によりカーボンナノチューブを含む金属膜を形成し、当該金属膜をパターニングすることによって得ることもできる。このようにして製造すると、通常、カーボンナノチューブはその表面からは付きでない。

このような導電線３は、特に直流電流が流れる用途に広く利用することができる。例えば、このような導電線を備える電子デバイスの例は、電源回路、コンバータ等である。

（実施例Ａ１）

導電線の直流抵抗を４端子法で測定するための平行に延びる４つの電極が予め埋め込まれたＳｉ基板を用意した。次に、基板上に、Ｃｒ／Ｃｕシード膜をスパッタ法により形成した。次に、導電線が形成されるべき領域が露出するようなレジストパターンを形成した。次に、メッキ液中でシード膜上にカーボンナノチューブを含むＣｕ膜を電解メッキにより形成した。ここで、メッキ液の組成は、硫酸銅、カーボンナノチューブ及び分散剤を含むものであった。カーボンナノチューブとして市販の多層カーボンナノチューブを用いた。電解メッキ中に、攪拌羽根を用いて電解槽内に、導電線が形成されるべき領域において導電線の長手方向に垂直な方向に沿うメッキ液の流れが形成されるようにした。メッキ後、レジストを剥離し、シード膜の不要部分をミリングにより除去し、図１に示すような直線状の導電線を得た。導電線の断面形状は１０μｍ×１０μｍの矩形とした。また、長さは３ｍｍとした。導電線の天面には、カーボンナノチューブの端面が突出していた。

導電線の下に設けられた４つの電極を用いて４端子法により、導電線の長手方向の直流（ＤＣ）抵抗を測定した。

また、導電線の長手方向に垂直な断面のＳＥＭ画像を得ると共に、当該断面よりもさらに０．１μｍミリング研磨した断面のＳＥＭ画像を取得し、コンピュータ画像処理により、上記のＢｃ、及び、Ａｚｚ／Ａｚａを取得した。

導電線の長手方向に電流を流し、電流値を徐々に上げ、溶断する電流値を測定した。

（実施例Ａ２〜Ａ６）
メッキ液の流れの強さを変えてＡｚｚ／Ａｚａを変化させる、及び／又は、メッキ液中のカーボンナノチューブの濃度を変えてＢｃを変化させること以外は、実施例Ａ１と同様にして実施例Ａ２〜Ａ６の導電線を得た。
（実施例Ａ７）
実施例Ａ２とほぼ同様にしてカーボンナノチューブを含む導電層を形成した後、さらに、無電解めっき液で０．５μｍの厚みでＣｕメッキすることにより、天面からカーボンナノチューブが突出しない導電線を形成した。

（比較例Ａ１）
メッキ中にカーボンナノチューブを添加しない以外は実施例Ａ１と同様にした。

（比較例Ａ２〜Ａ４）
メッキ液の流れを止め、メッキ液中のカーボンナノチューブの濃度を変えてＢｃを変化させること以外は、実施例Ａ１と同様にして比較例Ａ２〜Ａ４の導電線を得た。

結果を表１に示す。

（実施例Ｂ１〜Ｂ５）
基板上の導電線３に対応する領域にカーボンナノチューブ形成用の触媒粒子を配置し、アセチレン等のガスを供給して基板上にカーボンナノチューブを上下方向に延びるように成長させた。その後、ラビング処理によりカーボンナノチューブを折り曲げて導電線の長手方向に垂直な方向に沿うように配向させた。その後、スパッタによりカーボンナノチューブを含むＡｌ膜を形成し、当該Ａｌ膜をパターニングすることによって、図１に示すような導電膜を得た。なお、シード膜は存在しない。

触媒粒子の濃度を変えてＢｃを変化させること、及び／又は、ローラーでのカーボンナノチューブを折り曲げる際のプレス強さ及びロール回数を変えることによって、Ａｚｚ／Ａｚａを変化させた。

（比較例Ｂ１）
カーボンナノチューブを形成しない以外は実施例Ｂ１と同様にした。

（比較例Ｂ２〜Ｂ３）
触媒粒子の濃度を変えてＢｃを変化させること、及び／又は、ローラーでのカーボンナノチューブを折り曲げる際のプレス強さ及びロール回数及び方向を変えることによって、Ａｚｚ／Ａｚａを変化させた。

結果を表２に示す。

この結果によれば、Ａｚｚ／Ａｚａ≦０．２の実施例では、カーボンナノチューブを含まない場合に比べて有意に溶断電流を低減できることが確認された。また、実施例Ａ７と、実施例Ａ２との比較から、カーボンナノチューブの突き出しがあると溶断電流が高くなることが確認された。

３…導電線、４…カーボンナノチューブ。

Claims (3)

1. 金属及びカーボンナノチューブを備える導電線であって、
   前記導電線の長手方向に垂直な前記導電線の断面内の全カーボンナノチューブの面積の総和をＡｚａとし、前記断面内の、前記導電線の長手方向と４５°未満の角度をなす軸線を有するカーボンナノチューブの面積の総和をＡｚｚとしたときに、
   Ａｚｚ／Ａｚａ≦０．２をみたす、導電線。
2. 前記断面において、前記導電線の面積に対する全カーボンナノチューブの面積の総和の割合が１〜５％である、請求項１記載の導電線。
3. 前記カーボンナノチューブの端部が前記導電線の表面から突き出ている、請求項１又は２記載の導電線。

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