JP2016012450A - 導電線 - Google Patents
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Abstract
【課題】直流抵抗を十分に低くできる導電線を提供する。
【解決手段】この導電線3は、金属及びカーボンナノチューブ4を備える。導電線3のXY断面において、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の長手方向と45°未満の角度をなす軸線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、0.4≦Azz/Azaを満たす。XY断面において、導電線3の面積に対するカーボンナノチューブ4の面積の総和の割合が1〜5%である。
【選択図】図2
【解決手段】この導電線3は、金属及びカーボンナノチューブ4を備える。導電線3のXY断面において、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の長手方向と45°未満の角度をなす軸線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、0.4≦Azz/Azaを満たす。XY断面において、導電線3の面積に対するカーボンナノチューブ4の面積の総和の割合が1〜5%である。
【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。
しかしながら、従来の導電線では直流抵抗が十分に低くできていない。本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、直流抵抗を十分に低くできる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、0.4≦Azz/Azaを満たす。
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。
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、0.4≦Azz/Azaを満たす。
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。
本発明によれば、適切なカーボンナノチューブの配向度と、適切なカーボンナノチューブの濃度と、を有しているため、カーボンナノチューブを含まない場合に比べて導電線の直流抵抗を低くすることができる。
本発明によれば、直流抵抗を十分に低くできる導電線が提供される。
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。
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、10〜100μm2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、0.4≦Azz/Aza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の断面をミリング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、長手方向における直流(DC)抵抗をカーボンナノチューブを含まない状態よりも高くできる。
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、0.4≦Azz/Azaは、カーボンナノチューブが高度に長手方向に配向していることを意味する。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%であることは、カーボンナノチューブの濃度が適切であることを意味している。なお、ランダム配向では、Azz/Azaは約0.29となる。上記の2つの条件を満たす場合、各カーボンナノチューブが長手方向に沿って配置されると共に、カーボンナノチューブの端部同士が導電線の長手方向に隣り合うように配置され、低抵抗な電流経路の形成に寄与するものと考えられる。
これに対して、0.4>Azz/Azaでは、カーボンナノチューブの導電線の長手方向への配向性が低くなり、上述のような低抵抗な電流経路の形成が行われにくくなる。また、Bcが低すぎると、カーボンナノチューブの濃度が低すぎて、上記のような低抵抗な電流経路の形成が行われにくくなる。一方、Bcが高すぎると、カーボンナノチューブの端部同士が導電線の長手方向に隣り合うように配置されるのではなく、導電線の長手方向に垂直な方向から見てカーボンナノチューブの端部同士がオーバーラップするように配置されることが多くなり、上記の低抵抗な電流経路の形成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、0.4≦Azz/Aza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。
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。
(実施例A2〜A7)
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〜A7の導電線を得た。
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〜A7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。
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)
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と同様にして比較例A2〜A8の導電線を得た。
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と同様にして比較例A2〜A8の導電線を得た。
(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。
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、ラビング処理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。
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〜B7)
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。
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。
この結果によれば、0.4≦Azz/Aza及びBcが1〜5%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直流抵抗を低減でき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 (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、0.4≦Azz/Azaを満たし、
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、導電線。
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JP2014132980A JP2016012450A (ja) | 2014-06-27 | 2014-06-27 | 導電線 |
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