JP2016012449A - 導電線 - Google Patents

Abstract

【課題】屈曲されても電気抵抗が増加しにくい導電線等の提供。
【解決手段】金属及びカーボンナノチューブ４を備える。導電線の長手方向に垂直な断面内の全カーボンナノチューブの面積の総和をＡａとし、断面内の、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Ａｚとし、断面内の、導電線の長手方向と直交する第１方向に対して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Ａｙとし、断面内の、前記導電線の長手方向及び前記第１方向と直交する第２方向に対して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Ａｚとした時に、下記の関係を満たす導電線３。０．２＜Ａｚ／Ａａ＜０．４、０．２＜Ａｙ／Ａａ＜０．４、及び、０．２＜Ａｘ／Ａａ＜０．４。
【選択図】図２

Description

本発明は、導電線に関する。

従来より、可撓性を有する基板と、前記基板上に配置された導電線と、を備えるフレキシブル配線基板が知られている。

特開２００６−１９６７６２号

しかし、フレキシブル配線基板の屈曲を繰り返すと、導電線の電気抵抗が高くなることがある。本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、屈曲されても電気抵抗が増加しにくい導電線等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断面内の全カーボンナノチューブの面積の総和をＡａ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Ａｚとし、
前記断面内の、前記導電線の長手方向と直交する第１方向に対して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Ａｙとしたときに、
前記断面内の、前記導電線の長手方向及び前記第１方向と直交する第２方向に対して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Ａｚとしたときに、
０．２＜Ａｘ／Ａａ＜０．４、
０．２＜Ａｙ／Ａａ＜０．４、及び、
０．２＜Ａｚ／Ａａ＜０．４をみたす。

本発明によれば、カーボンナノチューブがランダムに配向しているため、屈曲された場合の導電線の電気抵抗の増加を抑制することができる。

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、本発明に係るフレキシブル配線基板は、可撓性を有する絶縁基板と、前記絶縁基板上に配置された上記の導電線と、を備える。

本発明によれば、屈曲されても電気抵抗が増加しにくい導電線等が提供される。

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、フレキシブル配線基板１００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は可撓性及び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、エポキシ樹脂やポリイミド樹脂等の樹脂、及び、これらの樹脂が含浸されたガラス布等である。基板１の平均厚さは、特に限定されないが、１０μｍ〜５ｍｍ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、Ｃｒ／Ｔｉ膜である。

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、ミアンダ形状を有している。導電線３の両端部には、端子部１０が形成されている。

金属の例は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、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の長手方向に垂直な断面形状は特に限定されず、例えば、図２の（ｂ）に示すように矩形であることができる。導電線３の厚みは、例えば、３〜５０μｍとすることができる。導電線３の長手方向に垂直な断面における幅は、例えば、１０μｍ〜３０ｍｍとすることができる。

導電線３において、カーボンナノチューブの配向方向がランダムである。具体的には、図２に示すように、導電線３の長手方向（Ｚ方向）に垂直なＸＹ断面内の全カーボンナノチューブの面積の総和をＡａとし、ＸＹ断面内の、導電線３の長手方向（Ｚ方向）と４５°未満の角度θ１をなす軸線Ｗを有するカーボンナノチューブの面積の総和をＡｚとし、
ＸＹ断面内の、導電線３の長手方向（Ｚ方向）と直交するＹ方向（第１方向）と４５°未満の角度θ２をなす軸線Ｗを有するカーボンナノチューブの面積の総和をＡｙとし、
ＸＹ断面内の、導電線３の長手方向（Ｚ方向）及びＹ方向（第１方向）と直交するＸ方向（第２方向）と４５°未満の角度θ３をなす軸線Ｗを有するカーボンナノチューブの面積の総和をＡｘとしたときに、
０．２＜Ａｚ／Ａａ＜０．４、
０．２＜Ａｙ／Ａａ＜０．４、及び、
０．２＜Ａｘ／Ａａ＜０．４をみたす。

具体的には、Ａａは、導電線３のＸＹ断面の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、Ａｚ、Ａｙ、Ａｚは、上記ＸＹ断面のＳＥＭ画像を取得した後、さらに、各断面に垂直な方向に導電線３の断面を研磨等により所定の厚みΔ、例えば、０．０５〜１μｍ程度除去し、同様にＳＥＭ写真を撮影し、各カーボンナノチューブの面内における形状及び位置の変化に基づいて、当該カーボンナノチューブの軸線ＷとＺ軸、Ｙ軸、Ｚ軸となす角θ１、θ２、θ３を求めることができる。

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、ＸＹ断面において、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。

この導電線３は、屈曲を繰り返し受けた場合でも、電気抵抗の増加が抑制される。また、屈曲を繰り返し受けた後に、さらに、高温多湿環境に置かれた場合でも、電気抵抗の増加が抑制される。

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、本実施形態に係る導電線では、カーボンナノチューブが高度にランダムに配向している。なお、完全にランダム配向では、Ａｚ／Ａａ＝Ａｙ／Ａａ＝Ａｘ／Ａａ＝約０．２９となる。カーボンナノチューブが高度にランダムに配置されている場合、カーボンナノチューブがあらゆる方向に金属粒界同士を接続する役目を果たしており、屈曲が繰り返しなされても電気抵抗が増加しにくくなると考えられる。

これに対して、カーボンナノチューブが特定の方向に優先して配向していると、当該方向と直交する方向においてカーボンナノチューブが粒界同士を接続する機能が低いので、屈曲後に電気抵抗が増加するものと考えられる。

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、屈曲前の初期電気抵抗を抑制しやすい。

なお、導電線３及び基板１の上には、導電線を保護するカバーレイヤーを設けても良い。カバーレイヤーは、ポリイミド樹脂フィルムなどの耐熱性フィルムと、この耐熱性フィルムと導電線及び基板とを接着するエポキシ樹脂などの電気絶縁性接着剤層と、を有することができる。

このようなフレキシブル配線基板１００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ランダムな方向に配向させるには、電解槽において電解メッキをする際に電解液に対して超音波を印加することが効果的である。これにより、上述の式を満たすことが容易である。なお、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、超音波以外には、例えば、めっき液中に気泡を発生させて液を攪拌してもよい。

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。

このような導電線３は、特に屈曲を受ける配線部材として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、ウェアラブル通信装置、ウェアラブル表示装置等である。また、導電線の形状はミアンダ形状に限定されず、種々の形状が可能である。

（実施例Ａ１）
厚さ１２５μｍのポリイミド基板を用意した。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、フレキシブル配線基板を得た。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、電解槽内に超音波を印加して、液の攪拌を行った。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に示すようなミアンダ形状の導電線を得た。導電線の断面形状は高さ１０μｍ×幅１０μｍの矩形とした。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。その後、ポリイミドフィルム及び２０μｍのエポキシ樹脂接着層を有するカバーレイヤーを基板及び導電線に貼り付けて導電線を保護した。

４端子法により、導電線の初期直流（ＤＣ）抵抗を測定した。その後、フレキシブル配線基板を直交する２方向にそれぞれ１０００回屈曲させた。その後、再び、導電線の直流抵抗を測定した。その後、フレキシブル配線基板を６０℃、相対湿度９０％の環境に１００時間曝した。その後、再び、導電線の直流抵抗を測定した。結果を表１に示す。

また、導電線のＸＹ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画像をそれぞれ取得し、コンピュータ画像処理により、上記のＢｃ、及び、Ａｚ／Ａａ、Ａｙ／Ａａ、Ａｘ／Ａａを取得した。

（実施例Ａ２〜Ａ９）
電解槽内での配置方向を変えて配向状況を変化させる、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〜Ａ９の導電線を得た。

（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）
超音波を止め、メッキ液に特定方向の流れを形成させてカーボンナノチューブの配向特性を替えるとともに、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。

この結果によれば、カーボンナノチューブがランダムに配向した実施例では、比較例に比べて有意に屈曲後及びその後の高温高湿条件での電気抵抗の増加を低減できることが確認された。

１…基板、３…導電線、４…カーボンナノチューブ、１００…フレキシブル配線基板。

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断面内の全カーボンナノチューブの面積の総和をＡａ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Ａｚとし、
   前記断面内の、前記導電線の長手方向と直交する第１方向に対して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Ａｙとし、
   前記断面内の、前記導電線の長手方向及び前記第１方向と直交する第２方向に対して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Ａｚとしたときに、
   ０．２＜Ａｚ／Ａａ＜０．４、
   ０．２＜Ａｙ／Ａａ＜０．４、及び、
   ０．２＜Ａｘ／Ａａ＜０．４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. 可撓性を有する基板と、前記基板上に配置された請求項１又は２に記載の導電線と、を備える、フレキシブル配線基板。
   

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