JP2019187808A - Carbon electrode and manufacturing method of the same - Google Patents

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誠人 熊取谷
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Abstract

To provide a new carbon electrode capable of having an extremely fine and complicated electrode array and/or structure.SOLUTION: The carbon electrode is provided which includes: a polymer sheet including at least one kind selected from a group consisting of polyimide, polyethylene naphthalate, parylene, polylactic acid and cellulose; and a continuous structure of carbon including graphite, wherein the continuous structure is at least partially embedded inside the polymer sheet. The continuous structure of carbon including graphite can be formed inside the polymer sheet including at least one kind selected from a group consisting of polyimide, polyethylene naphthalate, parylene, polylactic acid and cellulose by condensed irradiation of ultrashort pulse laser beam having a pulse energy of 0.1 nJ or more and 50 μJ or less, a wave length of 380nm or more and 1,550 nm or less, and a pulse width of 5 fs or more and 500 ps or less.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、カーボン電極およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a carbon electrode and a manufacturing method thereof.

カーボン電極は、導電性部分にカーボンを利用した電極であり、導電性部分(カーボン部分)は、カーボンから成る1つまたは複数の電極部または電極配列等を有する。カーボン電極は、金属の電極に比較して、生体(例えば細胞、組織、臓器等を含む)との適合性に優れており、かつ、生体から信号を検出したり、生体に電気的刺激を与えたりするのに適した微細形成が可能であること等から、生体用電極として利用されている。   The carbon electrode is an electrode using carbon as a conductive portion, and the conductive portion (carbon portion) has one or a plurality of electrode portions or electrode arrays made of carbon. Carbon electrodes are more compatible with living organisms (including cells, tissues, organs, etc.) than metal electrodes, and detect signals from living organisms or give electrical stimulation to living organisms. For example, it is used as a living body electrode because it can be finely formed.

カーボン電極は、硬くて脆いというカーボンの性質に起因して、微細形成され得るカーボン部分(導電性部分)の耐久性が必ずしも十分でないため、高分子等の絶縁体でカーボン部分が被覆および/または保護され得る。例えば、炭素繊維からなる電極を絶縁体コーティング膜の内部に、該電極の少なくとも一部が露出するようにして包埋させた電極アセンブリが知られている(特許文献1)。また、柔軟な絶縁性フィルムの片面に、カーボンブラックとポリエステル系樹脂を含有する導電性塗料を設けて電極板とし、この導電性塗料形成面にアクリル系高分子物質から成る電極パッドを設けた医療用電極も知られている(特許文献2)。また、結晶性炭素微粉末と有機物粘結剤とを分散複合させた組成物を細線状に押出成形した後、焼成することにより、有機物粘結剤を炭素化して純粋な複合炭素細線を得、その両端の導通部を除く全表面を、合成樹脂等の絶縁物で被覆した炭素微小電極も知られている(特許文献3)。   Since the carbon electrode is hard and brittle, and the carbon portion (conductive portion) that can be finely formed is not always durable due to the property of carbon, the carbon portion is covered and / or covered with an insulator such as a polymer. Can be protected. For example, an electrode assembly in which an electrode made of carbon fiber is embedded in an insulator coating film so that at least a part of the electrode is exposed is known (Patent Document 1). In addition, a conductive coating containing carbon black and polyester resin is provided on one side of a flexible insulating film to form an electrode plate, and an electrode pad made of an acrylic polymer material is provided on the conductive coating forming surface. Electrodes for use are also known (Patent Document 2). Moreover, after extruding into a fine wire shape a composition in which crystalline carbon fine powder and an organic binder are dispersed and composited, and then firing, the organic binder is carbonized to obtain a pure composite carbon fine wire, There is also known a carbon microelectrode in which the entire surface excluding the conductive portions at both ends is covered with an insulator such as a synthetic resin (Patent Document 3).

特表2016−519981号公報JP-T-2006-519981 特開平4−236940号公報JP-A-4-236940 特開平3−188367号公報Japanese Patent Laid-Open No. 3-188367

生体から信号を的確に検出したり、生体に電気的刺激を効果的に与えたりするために、極めて微細かつ複雑な電極配列および/または構造を有するカーボン電極が要望されている。しかしながら、上述したような従来のカーボン電極では、バイオテクノロジーの進化に伴うより一層高い要望に応えるには最早十分ではない。   In order to accurately detect a signal from a living body or to effectively apply an electrical stimulus to the living body, a carbon electrode having an extremely fine and complicated electrode arrangement and / or structure is desired. However, conventional carbon electrodes as described above are no longer sufficient to meet the higher demands associated with the evolution of biotechnology.

本発明は、極めて微細かつ複雑な電極配列および/または構造を有することが可能な新規なカーボン電極およびその製造方法を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a novel carbon electrode capable of having an extremely fine and complicated electrode arrangement and / or structure, and a method for producing the same.

本発明の1つの要旨によれば、
ポリイミド、ポリエチレンナフタレート、パリレン、ポリ乳酸およびセルロースからなる群より選択される少なくとも1種を含む高分子シートと、
グラファイトを含むカーボンの連続構造体と
を含み、前記連続構造体が前記高分子シートの内部に少なくとも部分的に包埋されている、カーボン電極が提供される。
According to one aspect of the present invention,
A polymer sheet containing at least one selected from the group consisting of polyimide, polyethylene naphthalate, parylene, polylactic acid and cellulose;
There is provided a carbon electrode comprising a continuous structure of carbon containing graphite, wherein the continuous structure is at least partially embedded in the polymer sheet.

本発明の1つの態様において、前記カーボン電極は、生体用電極であり得る。   In one embodiment of the present invention, the carbon electrode may be a biological electrode.

本発明の1つの態様において、前記連続構造体は、前記高分子シートの厚さ方向に延在して該高分子シートから少なくとも部分的に露出している1つまたは複数の第1部分を含み得る。   In one aspect of the present invention, the continuous structure includes one or more first portions extending in the thickness direction of the polymer sheet and at least partially exposed from the polymer sheet. obtain.

本発明の上記の態様において、前記連続構造体は、前記高分子シートの面内方向に延在する第2部分を更に含み、前記第1部分および前記第2部分が互いに電気的に接続されていてよい。例えば、前記第2部分は、前記高分子シートの内部に包埋されていても、前記高分子シートから露出していてもよい。   In the above aspect of the present invention, the continuous structure further includes a second portion extending in an in-plane direction of the polymer sheet, and the first portion and the second portion are electrically connected to each other. It's okay. For example, the second portion may be embedded in the polymer sheet or exposed from the polymer sheet.

本発明の上記の態様において、前記カーボン電極が、前記高分子シートの表面に配置された導電性部分を更に含み、前記第1部分および前記導電性部分が互いに電気的に接続されていてもよい。   In the above aspect of the present invention, the carbon electrode may further include a conductive portion disposed on a surface of the polymer sheet, and the first portion and the conductive portion may be electrically connected to each other. .

本発明のもう1つの要旨によれば、パルスエネルギー0.1nJ以上50μJ以下、波長380nm以上1550nm以下かつパルス幅5fs以上500ps以下の超短パルスレーザー光を集光照射することにより、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート、パリレン、ポリ乳酸およびセルロースからなる群より選択される少なくとも1種を含む高分子シートの内部に、グラファイトを含むカーボンの連続構造体を形成することを含む、カーボン電極の製造方法が提供される。   According to another aspect of the present invention, polyimide, polyethylene naphthalate is condensed and irradiated with ultrashort pulse laser light having a pulse energy of 0.1 nJ to 50 μJ, a wavelength of 380 nm to 1550 nm, and a pulse width of 5 fs to 500 ps. There is provided a method for producing a carbon electrode, comprising forming a continuous structure of carbon containing graphite in a polymer sheet containing at least one selected from the group consisting of phthalate, parylene, polylactic acid and cellulose. The

本発明の1つの態様において、前記超短パルスレーザー光は、パルスエネルギー0.1nJ以上10μJ以下、波長500nm以上1100nm以下、パルス幅5fs以上10ps以下の超短パルスレーザー光であり得る。   In one aspect of the present invention, the ultrashort pulse laser beam may be an ultrashort pulse laser beam having a pulse energy of 0.1 nJ to 10 μJ, a wavelength of 500 nm to 1100 nm, and a pulse width of 5 fs to 10 ps.

本発明によれば、所定の高分子シートと、グラファイトを含むカーボンの連続構造体とを含み、該連続構造体が該高分子シートの内部に少なくとも部分的に包埋されている、カーボン電極が提供され、かかる連続構造体は、所定の超短パルスレーザー光を集光照射することにより、該所定の高分子シートの内部に所望の通りに形成できるので、極めて微細かつ複雑な電極配列および/または構造を有することが可能な新規なカーボン電極およびその製造方法が提供される。   According to the present invention, there is provided a carbon electrode including a predetermined polymer sheet and a continuous carbon structure including graphite, wherein the continuous structure is at least partially embedded in the polymer sheet. Such a continuous structure can be formed inside the predetermined polymer sheet as desired by condensing and irradiating a predetermined ultrashort pulse laser beam, so that an extremely fine and complicated electrode arrangement and / or Alternatively, a novel carbon electrode capable of having a structure and a manufacturing method thereof are provided.

本発明の1つの実施形態におけるカーボン電極の製造方法を示す概略模式図であって、(a)は超短パルスレーザー光を高分子シートの面内方向に移動させる場合(左側図)およびそれによって高分子シート中に形成された面内方向に延在する連続構造体(右側図)を示し、(b)は超短パルスレーザー光を高分子シートの厚さ方向に移動させる場合(左側図)およびそれによって高分子シート中に形成された厚さ方向に延在する連続構造体(右側図)を示す。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a schematic diagram which shows the manufacturing method of the carbon electrode in one embodiment of this invention, Comprising: (a) is the case where a short pulse laser beam is moved to the in-plane direction of a polymer sheet (left side figure), and thereby A continuous structure (right side view) extending in the in-plane direction formed in the polymer sheet is shown, and (b) is a case of moving ultrashort pulse laser light in the thickness direction of the polymer sheet (left side view). And the continuous structure (right side figure) extended in the thickness direction formed in the polymer sheet by it is shown. 本発明の1つの実施形態におけるカーボン電極の構造の1つの例を示す図であって、(a)はカーボン電極の概略透過斜視図を示し、(b)は(a)中に点線で示した部分の概略断面図を示す。It is a figure which shows one example of the structure of the carbon electrode in one embodiment of this invention, Comprising: (a) showed the schematic permeation | transmission perspective view of the carbon electrode, (b) showed by the dotted line in (a) The schematic sectional drawing of a part is shown. 本発明の1つの実施形態におけるカーボン電極の構造のもう1つの例を示す図であって、(a)はカーボン電極の概略透過斜視図を示し、(b)は(a)中に点線で示した部分の概略断面図を示す。It is a figure which shows another example of the structure of the carbon electrode in one embodiment of this invention, Comprising: (a) shows the schematic permeation | transmission perspective view of a carbon electrode, (b) shows by a dotted line in (a) FIG. 本発明の1つの実施形態におけるカーボン電極の構造のもう1つの例を示す図であって、(a)はカーボン電極の概略透過斜視図を示し、(b)は(a)中に点線で示した部分の概略断面図を示す。It is a figure which shows another example of the structure of the carbon electrode in one embodiment of this invention, Comprising: (a) shows the schematic permeation | transmission perspective view of a carbon electrode, (b) shows by a dotted line in (a) FIG. 本発明の1つの実施形態におけるカーボン電極の構造のもう1つの例を示す図であって、(a)はカーボン電極の概略透過斜視図を示し、(b)は(a)中に点線で示した部分の概略断面図を示す。It is a figure which shows another example of the structure of the carbon electrode in one embodiment of this invention, Comprising: (a) shows the schematic permeation | transmission perspective view of a carbon electrode, (b) shows by a dotted line in (a) FIG. 本発明の実施例および比較例において高分子シートに作製したレーザー改質部の評価方法(比抵抗測定)を説明する概略模式図である。It is a schematic diagram explaining the evaluation method (specific resistance measurement) of the laser modification part produced in the polymer sheet in the Example and comparative example of this invention. 本発明の実施例において高分子シートに作製したレーザー改質部(連続構造体)のインピーダンスの周波数特性を示すグラフである。It is a graph which shows the frequency characteristic of the impedance of the laser modification part (continuous structure) produced in the polymer sheet in the Example of this invention. 本発明の実施例1において高分子シートに作製したレーザー改質部(連続構造体)およびその近傍の断面のSTEM像(明視野(BF)STEM像)を示す。The STEM image (bright field (BF) STEM image) of the cross section of the laser modification part (continuous structure) produced in the polymer sheet in Example 1 of this invention and its vicinity is shown. 図8のレーザー照射中心部近傍におけるSTEM像の部分拡大図(明視野(BF)STEM像)を示す。FIG. 9 shows a partially enlarged view (bright field (BF) STEM image) of the STEM image in the vicinity of the laser irradiation center portion of FIG. 8. (a)は図8に示す5つの箇所(Position 1〜5)におけるEELSスペクトルを示し、(b)はダイヤモンド、グラファイトおよびアモルファスカーボンのEELSスペクトルを示す。(A) shows the EELS spectrum in five places (Position 1-5) shown in FIG. 8, (b) shows the EELS spectrum of diamond, graphite, and amorphous carbon.

本発明の1つの実施形態におけるカーボン電極およびその製造方法について、図面を参照しながら以下に詳述するが、本発明はかかる実施形態に限定されない。   The carbon electrode and the manufacturing method thereof according to one embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings, but the present invention is not limited to such an embodiment.

本実施形態のカーボン電極は、
所定の高分子シートと、
グラファイトを含むカーボンの連続構造体と
を含み、連続構造体が高分子シートの内部に少なくとも部分的に包埋されている。
The carbon electrode of this embodiment is
A predetermined polymer sheet;
A continuous carbon structure including graphite, and the continuous structure is at least partially embedded in the polymer sheet.

かかる本実施形態のカーボン電極は、所定の超短パルスレーザー光を集光照射することにより、上記高分子シートの内部に、グラファイトを含むカーボンの連続構造体を形成することにより製造することができる。   The carbon electrode of this embodiment can be manufactured by forming a continuous structure of carbon containing graphite inside the polymer sheet by condensing and irradiating a predetermined ultrashort pulse laser beam. .

本発明者らは、所定の高分子シートに対して、所定の超短パルスレーザー光を集光照射することによって、高分子シートの表面のみならず内部においても、超短パルスレーザー光の集光照射部分に存在する高分子をカーボンに、より詳細にはグラファイトに改質させ得るという独自の知見を得、かかる超短パルスレーザー光の集光照射部を高分子シートの内部(および必要に応じて表面)において一次元、二次元または三次元的に移動(または走査)させることによって、高分子の改質によって得られるグラファイトを含むカーボン部分を所望の通りに連続的に描画形成できること、換言すれば、グラファイトを含むカーボンの連続構造体を、高分子シートの内部(および表面)において所望の通りに形成できることを見出した。   By condensing and irradiating a predetermined polymer sheet with a predetermined ultrashort pulse laser beam, the present inventors condense the ultrashort pulse laser beam not only on the surface of the polymer sheet but also inside. Acquired the unique knowledge that the polymer present in the irradiated part can be modified to carbon, more specifically graphite, and the ultra-short pulse laser light focusing irradiation part is inside the polymer sheet (and if necessary, In other words, by moving (or scanning) one-dimensionally, two-dimensionally or three-dimensionally on the surface), carbon parts containing graphite obtained by polymer modification can be continuously drawn and formed as desired. For example, it has been found that a continuous carbon structure including graphite can be formed as desired inside (and on the surface) of the polymer sheet.

例えば、図1(a)に示すように、集光レンズ(例えば対物レンズ)5から超短パルスレーザー光7を高分子シート1の内部に集光照射し、集光照射部9を高分子シート1の面内方向に移動させて(図1(a)左側図中、移動方向を片矢印にて示す)、高分子シート1の内部にて高分子シート1の面内方向に延在する連続構造体3を形成することができる(図1(a)右側図)。また例えば、図1(b)に示すように、集光レンズ5から超短パルスレーザー光7を高分子シート1の内部に集光照射し、集光照射部9を高分子シート1の厚さ方向に移動させて(図1(b)左側図中、移動方向を片矢印にて示し、図示する態様では、より深い位置からより浅い位置へ移動させている)、高分子シート1の内部にて高分子シート1の厚さ方向に延在する連続構造体3を形成することができる(図1(b)右側図)。   For example, as shown in FIG. 1 (a), an ultrashort pulse laser beam 7 is condensed and irradiated inside a polymer sheet 1 from a condensing lens (for example, objective lens) 5, and the condensing irradiation unit 9 is formed on the polymer sheet. 1 is moved continuously in the in-plane direction of the polymer sheet 1 inside the polymer sheet 1 (moving direction is indicated by a single arrow in the left side view of FIG. 1A). The structure 3 can be formed (FIG. 1 (a) right side view). Further, for example, as shown in FIG. 1 (b), ultrashort pulse laser light 7 is condensed and irradiated from inside the polymer sheet 1 from the condensing lens 5, and the condensing irradiation part 9 is made to have a thickness of the polymer sheet 1 (In the left side of FIG. 1 (b), the moving direction is indicated by a single arrow, and in the illustrated embodiment, the moving direction is moved from a deeper position to a shallower position), inside the polymer sheet 1 Thus, the continuous structure 3 extending in the thickness direction of the polymer sheet 1 can be formed (the right side view of FIG. 1B).

しかしながら、集光照射部9の移動方向および連続構造体が延在する方向は、これらの例に限定されない。集光照射部9の移動方向は、所望される連続構造体3の形状、構造、配置等に応じて任意の方向であってよく、2つ以上の方向を適宜組み合わせてもよい。   However, the moving direction of the condensing irradiation unit 9 and the direction in which the continuous structure extends are not limited to these examples. The moving direction of the condensing irradiation unit 9 may be an arbitrary direction depending on the desired shape, structure, arrangement, and the like of the continuous structure 3, and two or more directions may be appropriately combined.

更に、必要に応じて、超短パルスレーザー光の集光照射部9を高分子シート1の内部からシート面1a(表面)へと移動させること、シート面1aから高分子シート1の内部へと移動させること、または高分子シート1のシート面1a上をこれに沿って移動させること等により、高分子シート1から連続構造体3を露出させてもよい(例えば、図1(b)右側図中、シート面1aからの連続構造体3の露出部を斜線にて示す)。   Furthermore, if necessary, the ultra-short pulse laser beam condensing irradiation part 9 is moved from the inside of the polymer sheet 1 to the sheet surface 1a (surface), and from the sheet surface 1a to the inside of the polymer sheet 1. The continuous structure 3 may be exposed from the polymer sheet 1 by moving or moving along the sheet surface 1a of the polymer sheet 1 (for example, the right side view of FIG. 1B). In the middle, the exposed portion of the continuous structure 3 from the sheet surface 1a is indicated by hatching).

本実施形態において、所定の高分子シートは、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート(単にPENとも言う)、パリレン、ポリ乳酸およびセルロースからなる群より選択される少なくとも1種を含む高分子シートである。かかる高分子シートは、生物学的安定性を備え、生体(例えば細胞、組織、臓器等を含み、神経細胞および神経組織、筋細胞および筋組織なども含む)との適合性および/または非反応性が高い。ポリイミドおよびPENは、フレキシブルエレクトロニクス用の基板として用いられ、ポリイミドは、医療用としても利用されている。PENは、ポリエチレンテレフタレート(単にPETとも言う)に比べて、耐熱性が高く(PENのガラス転移温度は155℃であり、PETのガラス転移温度より40℃高い)、高剛性であることから薄肉化が可能で、寸法精度に優れ、化学的に安定であり、ガスバリア性に優れるなどの利点を有し、液晶パネルの輝度向上フィルム、耐熱コンデンサ、スピーカー振動板などとして利用されている。パリレン(パラキシレン系ポリマーとも称され、パリレンN、パリレンC、パリレンD等を含む)は、FDA(アメリカ食品医薬品局)により生体適合材料として認可されており、冠状動脈ステントや神経刺激装置、人工蝸牛殻、ペースメーカーの表面不活性化用途等に利用されている。また、ポリ乳酸およびセルロースも生体適合性を有し、フレキシブルエレクトロニクス用基材としても利用されている。   In the present embodiment, the predetermined polymer sheet is a polymer sheet containing at least one selected from the group consisting of polyimide, polyethylene naphthalate (also simply referred to as PEN), parylene, polylactic acid, and cellulose. Such a polymer sheet has biological stability and is compatible and / or non-reactive with living organisms (including cells, tissues, organs, etc., and also including nerve cells and nerve tissues, muscle cells and muscle tissues, etc.). High nature. Polyimide and PEN are used as substrates for flexible electronics, and polyimide is also used for medical purposes. PEN has higher heat resistance than polyethylene terephthalate (also referred to simply as PET) (the glass transition temperature of PEN is 155 ° C, 40 ° C higher than the glass transition temperature of PET), and is thin due to its high rigidity. It has advantages such as excellent dimensional accuracy, chemical stability, and excellent gas barrier properties, and is used as a brightness enhancement film for liquid crystal panels, heat-resistant capacitors, speaker diaphragms, and the like. Parylene (also called paraxylene polymers, including Parylene N, Parylene C, Parylene D, etc.) has been approved as a biocompatible material by the FDA (American Food and Drug Administration), coronary stents, neurostimulators, artificial Used for surface inactivation of cochlea and pacemakers. Polylactic acid and cellulose are also biocompatible and are also used as substrates for flexible electronics.

高分子シートは、かかる材料を少なくとも1種含む限り、単層シートであっても、複数の層から成る積層シートであってもよく、任意の適切な方法により作製され得、例えば成型シートであってよい。かかる高分子シートは、非可撓性であってもよいが、可撓性を有するほうが、カーボン電極をフレキシブル用途に利用でき、例えば生体に容易に適用し得るので好ましい。高分子シートの厚さは、特に限定されないが、例えば10μm以上250μm以下、代表的には25μm以上125μm以下であり得る。   The polymer sheet may be a single layer sheet or a laminated sheet composed of a plurality of layers as long as it contains at least one of such materials, and can be prepared by any appropriate method, for example, a molded sheet. It's okay. Such a polymer sheet may be inflexible, but it is preferable that the polymer sheet has flexibility because the carbon electrode can be used for flexible applications and can be easily applied to a living body, for example. The thickness of the polymer sheet is not particularly limited, but may be, for example, 10 μm to 250 μm, typically 25 μm to 125 μm.

高分子シートは、他の基材(例えば他の材料から構成され得る可撓性または非可撓性のシート)に積層されていてもよい。かかる他の基材は、本実施形態のカーボン電極の製造時においては、超短パルスレーザー光の照射側と反対側に配置され得る。   The polymer sheet may be laminated to another substrate (for example, a flexible or non-flexible sheet that can be composed of other materials). Such other base material may be disposed on the side opposite to the irradiation side of the ultrashort pulse laser beam during the production of the carbon electrode of the present embodiment.

本実施形態において、所定の超短パルスレーザー光は、パルスエネルギー(即ち、1パルスあたりのエネルギー)0.1nJ以上50μJ以下、波長380nm以上1550nm以下かつパルス幅5fs以上500ps以下の超短パルスレーザー光である。波長が380nm以上1550nm以下であることによって、高分子シート内部への十分な透過を可能にし、超短パルスレーザー光を上記高分子シートの内部(および表面)の所望の集光箇所へ効率的に照射することができる。更に、パルスエネルギーが0.1nJ以上50μJ以下であり、パルス幅が5fs以上500ps以下であることによって、上記高分子シートの内部(および表面)において、超短パルスレーザー光を集光照射して、集光照射部分に存在する高分子を改質させ得る、すなわち炭化、より詳細にはグラファイト化させ得るとともに、その周囲に存在する高分子には実質的に熱ダメージを与えず(例えば、空洞部等が形成されない)、これにより、高分子シートの内部(および表面)において、局所的かつ選択的にカーボン(より詳細にはグラファイト)への改質を起こさせることができる。   In this embodiment, the predetermined ultrashort pulse laser beam is an ultrashort pulse laser beam having a pulse energy (that is, energy per pulse) of 0.1 nJ to 50 μJ, a wavelength of 380 nm to 1550 nm, and a pulse width of 5 fs to 500 ps. It is. When the wavelength is 380 nm or more and 1550 nm or less, sufficient penetration into the inside of the polymer sheet is enabled, and the ultrashort pulse laser beam is efficiently transmitted to a desired condensing portion inside (and on the surface) of the polymer sheet. Can be irradiated. Furthermore, the pulse energy is 0.1 nJ or more and 50 μJ or less, and the pulse width is 5 fs or more and 500 ps or less, so that ultrashort pulse laser light is condensed and irradiated inside (and on the surface) of the polymer sheet, The polymer present in the focused irradiation portion can be modified, that is, carbonized, more specifically graphitized, and the polymer present in the surrounding area is not substantially damaged by heat (for example, a cavity portion). Etc.), which can locally and selectively be modified to carbon (more specifically, graphite) inside the polymer sheet (and the surface).

パルスエネルギーは、0.1nJ以上50μJ以下であればよいが、例えば0.1nJ以上10μJ以下であり得る。波長は、380nm以上1550nm以下であればよいが、例えば波長500nm以上1100nm以下であり得る。パルス幅は、5fs以上500ps以下であればよいが、5fs以上10ps(または10,000fs)以下であり得る。各条件につきより狭い範囲とすることにより、グラファイト構造物の形状(線幅等)をより適切に制御することができる。   The pulse energy may be 0.1 nJ or more and 50 μJ or less, but may be, for example, 0.1 nJ or more and 10 μJ or less. The wavelength may be 380 nm or more and 1550 nm or less, and may be, for example, a wavelength of 500 nm or more and 1100 nm or less. The pulse width may be 5 fs or more and 500 ps or less, but may be 5 fs or more and 10 ps (or 10,000 fs). By making the range narrower for each condition, the shape (line width, etc.) of the graphite structure can be controlled more appropriately.

超短パルスレーザー光に関する他の条件は、実際に使用する高分子シートの材料および厚さ(または集光照射部の深さ)や、描画形成する連続構造体の所望線幅等に応じて適宜選択され得る。より詳細には、繰返し周波数は、例えば1kHz以上1MHz以下、特に1kHz以上300kHz以下であってよい。繰返し周波数を大きくすることによって、熱蓄積の効果を加えることが可能となる。材料によってはこれが炭化に有効に働くため、高分子シートの材料に応じて繰返し周波数を制御することにより、高分子を効率よく改質することができる。例えば、PENはポリイミドより繰返し周波数による改質の効果を得やすいため、繰返し周波数を大きくすると改質を促進しやすい。集光照射のために使用され得る集光レンズの開口数は、例えば0.6以上0.9以下であってよい。集光照射部の移動速度は、例えば0.1μm/s以上500mm/s以下、特に0.1μm/s以上10mm/s以下であってよい。グラファイトの結晶性は導電性に直接影響するため、良好な結晶性を維持するためにはより狭い範囲での移動速度が好ましい。   Other conditions regarding the ultrashort pulse laser beam are appropriately determined according to the material and thickness of the polymer sheet to be actually used (or the depth of the focused irradiation portion), the desired line width of the continuous structure to be drawn and formed, and the like. Can be selected. More specifically, the repetition frequency may be, for example, 1 kHz to 1 MHz, particularly 1 kHz to 300 kHz. By increasing the repetition frequency, it is possible to add the effect of heat accumulation. Depending on the material, this effectively works for carbonization. Therefore, the polymer can be efficiently modified by controlling the repetition frequency according to the material of the polymer sheet. For example, PEN is easier to obtain the effect of modification by repetition frequency than polyimide. Therefore, if the repetition frequency is increased, modification is easier to promote. The numerical aperture of the condensing lens that can be used for the condensing irradiation may be, for example, 0.6 or more and 0.9 or less. The moving speed of the condensing irradiation part may be, for example, 0.1 μm / s or more and 500 mm / s or less, particularly 0.1 μm / s or more and 10 mm / s or less. Since the crystallinity of graphite directly affects the conductivity, a moving speed within a narrower range is preferable in order to maintain good crystallinity.

本実施形態において、「グラファイトを含むカーボンの連続構造体」は、高分子シートに含まれる高分子に由来する(上記超短パルスレーザー光により改質された)グラファイトを含むカーボンから構成され、かつ、かかるカーボンが連続的に存在することにより一次元、二次元または三次元的な全体構造を成している構造体を意味する(よって、カーボン電極の「カーボン部分」として理解され得る)。かかる連続構造体は、グラファイトを含むカーボンから構成されるため導電性を有し(よって、カーボン電極の「導電性部分」としても理解され得る)、金属に比較して生体に近い電気抵抗率を有し、生体に対して好適なインピーダンスマッチングを示し得る。カーボンは、軽く、かつ生体との適合性および/または非反応性が高く、(例えば水や体液等と接触しても)生体内劣化が少なく、細胞/組織への刺激性が低く、抗血栓性等に優れる。   In the present embodiment, the “continuous structure of carbon containing graphite” is composed of carbon containing graphite (modified by the ultrashort pulse laser beam) derived from the polymer contained in the polymer sheet, and , Which means a structure having a one-dimensional, two-dimensional or three-dimensional overall structure due to the continuous presence of such carbon (thus, can be understood as the “carbon part” of the carbon electrode). Such a continuous structure has conductivity because it is composed of carbon containing graphite (thus, it can be understood as a “conductive portion” of the carbon electrode), and has an electrical resistivity close to that of a living body compared to a metal. It can have impedance matching suitable for a living body. Carbon is light and highly compatible with the living body and / or non-reactive, has little in vivo degradation (even when it comes into contact with water, body fluids, etc.), has low irritation to cells / tissues, and is antithrombotic. Excellent in properties.

一ラインで描画形成される連続構造体の線幅(または太さ)、より詳細には、集光照射部の移動方向に対して垂直な断面における連続構造体の寸法(通常、略円形断面の直径)は、超短パルスレーザー光の照射条件により可変(調整可能)であり、特に限定されないが、例えば0.1μm以上100μm以下、代表的には1μm以上20μm以下であり得る。連続構造体の全体寸法は特に限定されず、所望される場合には、描画形成を二次元的およびまたは三次元的に重ね合わせることにより、より大きい任意の寸法で連続構造体を形成することもできる。   The line width (or thickness) of the continuous structure drawn and formed with one line, more specifically, the dimension of the continuous structure in a cross section perpendicular to the moving direction of the condensing irradiation part (usually a substantially circular cross section) The diameter is variable (adjustable) depending on the irradiation condition of the ultrashort pulse laser beam, and is not particularly limited, but may be, for example, 0.1 μm to 100 μm, typically 1 μm to 20 μm. The overall dimensions of the continuous structure are not particularly limited, and if desired, the continuous structure can be formed in any larger dimension by overlapping drawing formations two-dimensionally and / or three-dimensionally. it can.

従って、本実施形態によれば、超短パルスレーザー光の集光照射という単一の工程のみで、高分子シートの内部(および表面)において、さまざまな形状および/または構造を有する連続構造体を所望の通りに形成することができ、極めて微細かつ複雑な電極配列および/または構造を有する連続構造体を形成することができる。   Therefore, according to the present embodiment, continuous structures having various shapes and / or structures can be formed inside (and on the surface) of the polymer sheet only by a single process of condensing irradiation with ultrashort pulse laser light. It can be formed as desired, and a continuous structure having a very fine and complex electrode arrangement and / or structure can be formed.

本実施形態において、上記連続構造体は、上記高分子シートの内部に少なくとも部分的に包埋されている。例えば、連続構造体のうち1つまたは複数の部分が、高分子シートから露出しており、連続構造体の他の部分が高分子シートの内部に包埋されて保護されていてよく、この場合、高分子シートから露出した1つまたは複数の部分を電極部として利用でき、複数の電極部が存在する場合には、これらを電極配列として利用できる。高分子シートから露出した連続構造体の部分は、高分子シートのシート面(シート表面)に対して、突出していても、面一であっても、凹んでいてもよい。   In the present embodiment, the continuous structure is at least partially embedded in the polymer sheet. For example, one or more parts of the continuous structure may be exposed from the polymer sheet, and the other part of the continuous structure may be embedded and protected inside the polymer sheet. One or a plurality of portions exposed from the polymer sheet can be used as an electrode portion, and when there are a plurality of electrode portions, these can be used as an electrode array. The portion of the continuous structure exposed from the polymer sheet may protrude, be flush with, or be recessed with respect to the sheet surface (sheet surface) of the polymer sheet.

より具体的には、例えば図2〜5に示すように、本実施形態のカーボン電極10、13、15、17は、
上記高分子シート1と、
グラファイトを含むカーボンの連続構造体3と
を含み、連続構造体3が高分子シート1の内部に少なくとも部分的に包埋されており、
連続構造体3が、高分子シート1の厚さ方向に延在して高分子シート1から少なくとも部分的に露出している1つまたは複数の第1部分3aを含んでいてよい。図2〜5に図示する態様において、1つまたは複数の第1部分3aは、高分子シート1のシート面1aから露出している(図中、1つの第1部分3aの露出部を矢印にて示す)が、これに限定されない。連続構造体3は、例えば図2〜5に示すように、高分子シート1の面内方向に延在する第2部分3bを更に含んでいてよく、この場合、第1部分3aおよび第2部分3bが互いに電気的に接続される。第2部分3bは、高分子シート1の内部に包埋されていても(図2、4参照)、高分子シート1から露出していてもよい(図3、5参照、図示する態様において、第2部分3bは、第1部分3aが露出しているシート面1aと反対側のシート面1bから露出しているが、これに限定されない)。
More specifically, for example, as shown in FIGS. 2 to 5, the carbon electrodes 10, 13, 15, and 17 of the present embodiment are
The polymer sheet 1;
A continuous structure 3 of carbon containing graphite, and the continuous structure 3 is at least partially embedded inside the polymer sheet 1;
The continuous structure 3 may include one or more first portions 3 a that extend in the thickness direction of the polymer sheet 1 and are at least partially exposed from the polymer sheet 1. 2-5, one or more 1st part 3a is exposed from the sheet | seat surface 1a of the polymer sheet 1 (In the figure, the exposed part of one 1st part 3a is made into the arrow. However, the present invention is not limited to this. The continuous structure 3 may further include a second portion 3b extending in the in-plane direction of the polymer sheet 1, as shown in FIGS. 2 to 5, for example. In this case, the first portion 3a and the second portion 3b are electrically connected to each other. The second portion 3b may be embedded in the polymer sheet 1 (see FIGS. 2 and 4) or may be exposed from the polymer sheet 1 (see FIGS. 3 and 5). The second portion 3b is exposed from the sheet surface 1b opposite to the sheet surface 1a from which the first portion 3a is exposed, but is not limited to this.

なお、本発明において「高分子シートの厚さ方向」とは、高分子シートを平坦な場所に配置した状態において、高分子シートの対向する2つのシート面1a、1b(あるいは、これら2つのシート面が互いに平行でない場合には、当該2つのシート面から等距離にある仮想的な中央面)の法線(図2〜5(b)中、一点鎖線にて示す)に対して平行または略平行な方向を意味し、例えば上記法線に対して0°以上30°以下、特に0°以上15°以下の角度をなす方向を意味する。また、本発明において「高分子シートの面内方向」とは、上記法線に対して垂直または略垂直な方向を意味し、例えば上記法線に対して60°以上90°以下、特に75°以上90°以下の角度をなす方向を意味する。なお、直線(上記法線)と方向とがなす角度とは、当該直線と当該方向とが形成する角度の大きさを言うものである。   In the present invention, the “thickness direction of the polymer sheet” refers to the two sheet surfaces 1a and 1b (or these two sheets) facing each other in a state where the polymer sheet is placed on a flat place. When the planes are not parallel to each other, they are parallel to or approximately parallel to the normal line (indicated by the alternate long and short dash line in FIGS. 2 to 5B) of the virtual center plane equidistant from the two sheet planes. It means a parallel direction, for example, a direction that forms an angle of 0 ° to 30 °, particularly 0 ° to 15 ° with respect to the normal line. In the present invention, the “in-plane direction of the polymer sheet” means a direction perpendicular or substantially perpendicular to the normal line, for example, 60 ° or more and 90 ° or less, particularly 75 ° with respect to the normal line. It means a direction that forms an angle of 90 ° or more. The angle formed by the straight line (the normal line) and the direction refers to the size of the angle formed by the straight line and the direction.

図2に例示的に示すカーボン電極10においては、複数本の第2部分3bが高分子シート1の内部において面内方向に延在しており、第2部分3bの各々に対して複数本の第1部分3aが連結して(よって、互いに電気的に接続されて)高分子シート1の内部において厚さ方向に延在し、各第1部分3aの端部がシート面1aから露出して、連続構造体3が構成され得る。かかる第1部分3aの各露出部は、電極部として利用でき、アレイ状に配列され得、例えば周期的配列で存在させ得る。電極部の配列は、所望される通りに適宜設計可能である。カーボン電極10においては、1本の第2部分3bに対して複数本の第1部分3aが連結していることにより、複数の電極部(第1部分3aの露出部)を集電して機能/作用させることができる。カーボン電極10は、例えば、このようにアレイ状に配列された電極部を対象物(例えば後述する生体等)に接触させて、これら電極部から対象物に電気的刺激を与えるように利用され得るが、これに限定されない。   In the carbon electrode 10 exemplarily shown in FIG. 2, a plurality of second portions 3 b extend in the in-plane direction inside the polymer sheet 1, and a plurality of second portions 3 b are provided for each of the second portions 3 b. The first portions 3a are connected (and thus electrically connected to each other) and extend in the thickness direction inside the polymer sheet 1, and the end portions of the first portions 3a are exposed from the sheet surface 1a. A continuous structure 3 can be constructed. Each exposed portion of the first portion 3a can be used as an electrode portion, and can be arranged in an array, for example, can exist in a periodic arrangement. The arrangement of the electrode portions can be appropriately designed as desired. In the carbon electrode 10, a plurality of first portions 3a are connected to one second portion 3b, thereby collecting and functioning a plurality of electrode portions (exposed portions of the first portion 3a). / Can act. The carbon electrode 10 can be used, for example, by bringing the electrode parts arranged in an array in this way into contact with an object (for example, a living body described later) and applying electrical stimulation to the object from these electrode parts. However, it is not limited to this.

図3に例示的に示すカーボン電極13においては、複数本の第2部分3bが高分子シート1のシート面1bから露出して面内方向に延在しており、第2部分3bの各々に対して複数本の第1部分3aが連結して(よって、互いに電気的に接続されて)高分子シート1の内部において厚さ方向に延在し、各第1部分3aの端部がシート面1aから露出して、連続構造体3が構成され得る。かかる第1部分3aの各露出部は、電極部として利用でき、アレイ状に配列され得、例えば周期的配列で存在させ得、図2に示す例と同様の説明が当て嵌まる。   In the carbon electrode 13 exemplarily shown in FIG. 3, a plurality of second portions 3 b are exposed from the sheet surface 1 b of the polymer sheet 1 and extend in the in-plane direction. On the other hand, a plurality of first portions 3a are connected (and thus electrically connected to each other) and extend in the thickness direction inside the polymer sheet 1, and the end of each first portion 3a is a sheet surface. The continuous structure 3 can be formed exposed from 1a. Each exposed portion of the first portion 3a can be used as an electrode portion, and can be arranged in an array, for example, can be present in a periodic arrangement, and the same description as in the example shown in FIG. 2 applies.

図4に例示的に示すカーボン電極15においては、複数本の第2部分3bが高分子シート1の内部において面内方向に延在しており、第2部分3bの各々に対して1本の第1部分3aが連結して(よって、互いに電気的に接続されて)高分子シート1の内部において厚さ方向に延在し、各第1部分3aの端部がシート面1aから露出して、連続構造体3が構成され得る。かかる第1部分3aの各露出部は、電極部として利用でき、アレイ状に配列され得、例えば周期的配列で存在させ得る。電極部の配列は、所望される通りに適宜設計可能である。カーボン電極15においては、1本の第2部分3bに対して1本の第1部分3aが連結していることにより、複数の電極部(第1部分3aの露出部)を個別に機能/作用させることができる。カーボン電極15は、例えば、このようにアレイ状に配列された電極部を対象物(例えば後述する生体等)に接触させて、各電極部にて電気信号を検出し、検出した電気信号を測定器にてそれぞれ個別に読み取るように利用され得るが、これに限定されない。   In the carbon electrode 15 exemplarily shown in FIG. 4, a plurality of second portions 3b extend in the in-plane direction inside the polymer sheet 1, and one second portion 3b is provided for each second portion 3b. The first portions 3a are connected (and thus electrically connected to each other) and extend in the thickness direction inside the polymer sheet 1, and the end portions of the first portions 3a are exposed from the sheet surface 1a. A continuous structure 3 can be constructed. Each exposed portion of the first portion 3a can be used as an electrode portion, and can be arranged in an array, for example, can exist in a periodic arrangement. The arrangement of the electrode portions can be appropriately designed as desired. In the carbon electrode 15, a single first portion 3 a is connected to a single second portion 3 b, so that a plurality of electrode portions (exposed portions of the first portion 3 a) function / activate individually. Can be made. For example, the carbon electrode 15 is configured such that the electrode parts arranged in an array in this manner are brought into contact with an object (for example, a living body described later), an electric signal is detected at each electrode part, and the detected electric signal is measured. However, the present invention is not limited to this.

図5に例示的に示すカーボン電極17においては、複数本の第2部分3bが高分子シート1のシート面1bから露出して面内方向に延在しており、第2部分3bの各々に対して1本の第1部分3aが連結して(よって、互いに電気的に接続されて)高分子シート1の内部において厚さ方向に延在し、各第1部分3aの端部がシート面1aから露出して、連続構造体3が構成され得る。かかる第1部分3aの各露出部は、電極部として利用でき、アレイ状に配列され得、例えば周期的配列で存在させ得、図4に示す例と同様の説明が当て嵌まる。   In the carbon electrode 17 exemplarily shown in FIG. 5, a plurality of second portions 3b are exposed from the sheet surface 1b of the polymer sheet 1 and extend in the in-plane direction. On the other hand, one first portion 3a is connected (and thus electrically connected to each other) and extends in the thickness direction inside the polymer sheet 1, and the end portion of each first portion 3a is a sheet surface. The continuous structure 3 can be formed exposed from 1a. Each exposed portion of the first portion 3a can be used as an electrode portion, and can be arranged in an array, for example, can exist in a periodic arrangement, and the same description as in the example shown in FIG. 4 is applicable.

本実施形態のカーボン電極において、連続構造体は、高分子シートの内部に少なくとも部分的に包埋される(好ましくは、図2および図4に示すカーボン電極においては、連続構造体は、電極部として利用可能な露出部を除いて、高分子シートの内部に包埋され得る)ため、本実施形態のカーボン電極は、高い耐久性を示し得る。また、かかる連続構造体は、超短パルスレーザー光の集光照射により高分子シートの内部(および表面)において局所的かつ選択的に直接形成することができるので、耐久性の高いカーボン電極を容易に製造することができる。本実施形態のカーボン電極の製造方法は、超短パルスレーザー光の集光照射という単一の工程のみで実施可能であり、例えば、カーボンを含む導電性材料を絶縁性基材上に(例えばマスクを用いて)印刷する工程や、その後、かかる印刷部位を絶縁性材料によりコーティングする工程等を要しない、極めて簡便なプロセスである。   In the carbon electrode of this embodiment, the continuous structure is at least partially embedded inside the polymer sheet (preferably, in the carbon electrode shown in FIGS. 2 and 4, the continuous structure is an electrode portion. Therefore, the carbon electrode of this embodiment can exhibit high durability. Such a continuous structure can be directly and locally formed inside (and on the surface of) the polymer sheet by condensing irradiation with ultrashort pulse laser light, so that a highly durable carbon electrode can be easily formed. Can be manufactured. The carbon electrode manufacturing method of the present embodiment can be carried out only by a single process of focused irradiation of ultrashort pulse laser light. For example, a conductive material containing carbon is formed on an insulating substrate (for example, a mask). This is an extremely simple process that does not require a printing step, and thereafter a step of coating such a printing site with an insulating material.

本実施形態のカーボン電極は、上記高分子シートおよび連続構造体の双方が生体に対して生物学的安定性を備え、高い適合性および/または非反応性を有することから、生体用電極(または生体プローブ)として好適に利用され得る。生体用電極は、生体から信号を検出したり、生体に電気的刺激を与えたりするための、生体と接触した入出力装置(またはインターフェース)として機能するものであり、例えば脳波、心電図、筋電図、眼振図等の生体信号を計測するため、あるいは、培養や治療・診断等の目的で、細胞、筋線維、脳神経等に電気的刺激を与えるために利用され得る。本実施形態のカーボン電極において、連続構造体の高分子シートから露出した部分が、生体に対する入出力部として機能し、連続構造体の他の部分は高分子シートの内部に包埋されて保護されている。本実施形態において、連続構造体は、印刷等では実現できない、生体用電極に所望される極めて微細かつ複雑な電極配列および/または構造を有することができ、例えば、計測対象である生体信号の取得が求められる部位、あるいは電気的刺激を与えることが求められる部位に適合するような寸法、周期的配列および/または構造とすることができる。よって、本実施形態のカーボン電極は、生体信号を的確に捉える精度の高い計測が可能であり、あるいは細胞、筋繊維、脳神経等に適切に接続して電気的刺激を効果的に与えることが可能であり、よって、生体に対して安定した電極として作用し得る。本実施形態のカーボン電極は、非侵襲性であり得、長期間に亘って生体表面に接触させたり生体内に留置したりしてよく、長期間のモニタリングが可能である。   Since the carbon electrode of this embodiment has both the polymer sheet and the continuous structure have biological stability with respect to the living body and has high compatibility and / or non-reactivity, the living body electrode (or It can be suitably used as a biological probe. The biological electrode functions as an input / output device (or interface) in contact with a living body for detecting a signal from the living body or applying an electrical stimulus to the living body. For example, an electroencephalogram, an electrocardiogram, an electromyogram is used. It can be used to measure biological signals such as diagrams and nystagmus, or to provide electrical stimulation to cells, muscle fibers, cranial nerves, etc. for the purpose of culture, treatment, diagnosis, and the like. In the carbon electrode of the present embodiment, the part exposed from the polymer sheet of the continuous structure functions as an input / output unit for the living body, and the other part of the continuous structure is embedded and protected inside the polymer sheet. ing. In this embodiment, the continuous structure can have an extremely fine and complicated electrode arrangement and / or structure desired for a biological electrode, which cannot be realized by printing or the like. For example, acquisition of a biological signal to be measured Can be sized, periodically arranged and / or structured to fit the site where it is desired, or where electrical stimulation is desired to be applied. Therefore, the carbon electrode of this embodiment can measure with high accuracy to accurately capture a biological signal, or can be appropriately connected to cells, muscle fibers, cranial nerves, and the like to effectively provide electrical stimulation. Therefore, it can act as a stable electrode for a living body. The carbon electrode of the present embodiment may be non-invasive, may be brought into contact with the living body surface for a long period of time, or may be left in the living body, and long-term monitoring is possible.

しかしながら、本実施形態のカーボン電極は、生体用電極以外の他の用途にも利用可能である。例えば、本実施形態のカーボン電極は、極めて微細かつ複雑な電極配列および/または構造が求められるような、電子回路および/または素子(例えばセンサー、コイル等)に利用可能である。特に、本実施形態において、超短パルスレーザー光に関する条件を変更しながら連続構造体を描画形成することにより、その構造や電気抵抗率などの特性を連続的に変化させることが可能であるため、従来にない機能を有する電子回路および/または素子(例えばセンサー、コイル等)の形成が可能となる。   However, the carbon electrode of the present embodiment can be used for other uses other than the biological electrode. For example, the carbon electrode of the present embodiment can be used for an electronic circuit and / or an element (for example, a sensor, a coil, etc.) that requires a very fine and complicated electrode arrangement and / or structure. In particular, in this embodiment, by drawing and forming a continuous structure while changing the conditions for ultrashort pulse laser light, it is possible to continuously change the characteristics such as the structure and electrical resistivity, It is possible to form an electronic circuit and / or an element (for example, a sensor, a coil, etc.) having a function that has not existed before.

以上、本実施形態のカーボン電極について詳述したが、かかる本実施形態のカーボン電極は種々の改変が可能である。   Although the carbon electrode of this embodiment has been described in detail above, the carbon electrode of this embodiment can be variously modified.

例えば、本発明のカーボン電極において、グラファイトを含むカーボンの連続構造体に加えて、他の導電性部分(または導電性部材)を追加的に利用してよい。1つの改変例において、カーボン電極が、高分子シートの表面に配置された導電性部分を更に含み、連続構造体の第1部分および導電性部分が互いに電気的に接続されていてよい。より具体的には、例えば図3、5を参照して例示的に上述したカーボン電極13、17において、連続構造体3が、高分子シート1の面内方向に延在する第2部分3bを有さず、第2部分3bに代えて、高分子シート1の表面に配置された導電性部分を設けてもよい。かかる導電性部分は、高分子シート1の表面において、第2部分3bと同様の領域に配置され得る(図3、5参照、導電性部分は、第1部分3aが露出しているシート面1aと反対側のシート面1bの表面に配置され得るが、これに限定されない)。かかる導電性部分は、連続構造体とは異なる導電性材料から成り得、好ましくは、カーボンより高い強度を示す導電性材料から成り得る。かかる材料としては、例えば、金(Au)、白金(Pt)、イリジウム(Ir)、チタン(Ti)、銅(Cu)などの金属や、ポリチオフェン系高分子などの導電性高分子が挙げられる。カーボン電極が生体電極として利用される場合には、導電性部分は、生体と接触しても腐食等が懸念されない材料、例えば金、白金、イリジウム、チタンなどの耐食性金属や、ポリチオフェン系高分子などの導電性高分子などから成ることが好ましい。かかる導電性部分は、高分子シートの内部(および表面)において連続構造体を形成した後(例えば第1部分3aを形成した後、第2部分3bに代えて)、高分子シートの表面の所定の領域に形成され得る。連続構造体の形成は、超短パルスレーザー光の集光照射により行われるため、連続構造体の形成後に導電性部分を形成することによって、導電性部分がレーザー光により破壊される懸念をなくすことができる。導電性部分の形成方法は、特に限定されないが、例えば導電性部分が金属から成る場合にはスパッタリングを適用することができ、導電性部分が導電性高分子から成る場合には電解重合を適用することができる。   For example, in the carbon electrode of the present invention, other conductive portions (or conductive members) may be additionally used in addition to the continuous carbon structure including graphite. In one modification, the carbon electrode may further include a conductive portion disposed on the surface of the polymer sheet, and the first portion and the conductive portion of the continuous structure may be electrically connected to each other. More specifically, for example, in the carbon electrodes 13 and 17 described above with reference to FIGS. 3 and 5, the continuous structure 3 includes the second portion 3 b extending in the in-plane direction of the polymer sheet 1. Instead of the second portion 3b, a conductive portion disposed on the surface of the polymer sheet 1 may be provided. Such a conductive portion can be disposed in the same region as the second portion 3b on the surface of the polymer sheet 1 (see FIGS. 3 and 5, the conductive portion is the sheet surface 1a where the first portion 3a is exposed). It can be arranged on the surface of the sheet surface 1b on the opposite side of the sheet surface, but is not limited to this). Such a conductive portion can be made of a conductive material different from the continuous structure, and preferably can be made of a conductive material that exhibits a higher strength than carbon. Examples of such materials include metals such as gold (Au), platinum (Pt), iridium (Ir), titanium (Ti), and copper (Cu), and conductive polymers such as polythiophene polymers. When the carbon electrode is used as a bioelectrode, the conductive portion is made of a material that is not subject to corrosion even when in contact with the living body, such as a corrosion-resistant metal such as gold, platinum, iridium, and titanium, or a polythiophene polymer. The conductive polymer is preferably used. Such a conductive portion is formed on the surface of the polymer sheet after forming a continuous structure inside (and on the surface of) the polymer sheet (for example, after forming the first portion 3a and replacing the second portion 3b). It can be formed in the region. Since the formation of the continuous structure is performed by the focused irradiation of ultrashort pulse laser light, forming the conductive portion after the formation of the continuous structure eliminates the concern that the conductive portion will be destroyed by the laser light. Can do. The method for forming the conductive portion is not particularly limited. For example, when the conductive portion is made of metal, sputtering can be applied, and when the conductive portion is made of a conductive polymer, electrolytic polymerization is applied. be able to.

上記の改変例によれば、高分子シートの表面に電極部分を設ける場合であっても、かかる電極部分として、カーボンより高い強度を示す導電性材料から成る導電性部分を適用することにより、高い耐久性を示すカーボン電極を得ることができる。   According to the above modification, even when an electrode portion is provided on the surface of the polymer sheet, the electrode portion is high by applying a conductive portion made of a conductive material having a higher strength than carbon. A carbon electrode exhibiting durability can be obtained.

(実施例1〜5および比較例1〜6)
高分子シートとして、表1に示す材料および厚さの各シートを準備した。表1中、PIはポリイミド、PENはポリエチレンナフタレート、PETはポリエチレンテレフタレート、PEはポリエチレン、PPはポリプロピレン、PCはポリカーボネート、PSはポリスチレン、PVCはポリ塩化ビニルを意味する。
(Examples 1-5 and Comparative Examples 1-6)
As the polymer sheet, each sheet having the material and thickness shown in Table 1 was prepared. In Table 1, PI means polyimide, PEN means polyethylene naphthalate, PET means polyethylene terephthalate, PE means polyethylene, PP means polypropylene, PC means polycarbonate, PS means polystyrene, PVC means polyvinyl chloride.

各高分子シートに対して、超短パルスレーザー光を集光レンズとして対物レンズを介して集光照射し、図1に示すように集光照射部を移動させて、図2(a)および(b)に示すような構造を有する連続構造体に対応するレーザー改質部を高分子シートに形成した。レーザー光照射条件、使用した集光レンズ(対物レンズ)ならびに集光照射部の移動速度(走査速度)を表1に併せて示す。   With respect to each polymer sheet, ultrashort pulse laser light is condensed and irradiated through an objective lens as a condensing lens, and the condensing irradiation part is moved as shown in FIG. A laser modified portion corresponding to a continuous structure having a structure as shown in b) was formed on the polymer sheet. Table 1 also shows the laser light irradiation conditions, the used condensing lens (objective lens), and the moving speed (scanning speed) of the condensing irradiation part.

上記によりレーザー改質部が内部に形成された高分子シートを、レーザー改質部の中心線を通る面で切断し(図6(a)の切断面Xを参照のこと)、切断面におけるレーザー改質部(連続構造体3の第1部分3aおよび第2部分3bに対応する)の線幅(該中心線に対して垂直な断面におけるレーザー改質部の略円径断面の直径に相当する)を測定した。更に、図6(a)にて点線にて囲んだ領域にてサンプルを切り出し、図6(b)に示すサンプルの切断面Xにおけるレーザー改質部3’(第1部分3aに対応するが、第1部分3aおよび第2部分3bは同等の電気特性であると考えられる)の長さ方向の両端部近傍にそれぞれプローブ11を接触させて、2端子法によってレーザー改質部3’の比抵抗(電気抵抗率)を測定した。比抵抗の測定電圧は1Vとした。レーザー改質部の線幅および比抵抗の測定結果を表1に示す。なお、表1中、記号「−」は測定可能範囲外であったこと(よって、絶縁体であったこと)を意味する。   The polymer sheet having the laser-modified portion formed therein is cut along the plane passing through the center line of the laser-modified portion (see the cut surface X in FIG. 6A), and the laser on the cut surface Line width (corresponding to the diameter of the substantially circular cross section of the laser modified portion in the cross section perpendicular to the center line) of the modified portion (corresponding to the first portion 3a and the second portion 3b of the continuous structure 3) ) Was measured. Further, the sample is cut out in the region surrounded by the dotted line in FIG. 6A, and corresponds to the laser modified portion 3 ′ (first portion 3a) in the cut surface X of the sample shown in FIG. The first portion 3a and the second portion 3b are considered to have the same electrical characteristics), and the probes 11 are brought into contact with each other in the vicinity of both ends in the length direction, and the specific resistance of the laser modified portion 3 ′ is determined by the two-terminal method. (Electrical resistivity) was measured. The measurement voltage of specific resistance was 1V. Table 1 shows the measurement results of the line width and specific resistance of the laser modified portion. In Table 1, the symbol “-” means that it was out of the measurable range (thus, it was an insulator).

表1の実施例1〜5から理解されるように、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート、パリレンC、ポリ乳酸およびセルロースでは、そのレーザー改質部において元の高分子シートの材料の比抵抗より低い比抵抗が得られ、特に10Ωcm以下、より詳細には6Ωcm以下の低い比抵抗が得られること、換言すれば導電性が得られることが確認された。これに対して、比較例1、4および6から理解されるように、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネートおよびポリ塩化ビニルでは、いずれもレーザー改質部の比抵抗が高すぎて、「導電性」を有するとは言えず、電極として機能するには適切であることが確認された。比較例2、3および6のポリエチレン、ポリプロピレンおよびポリスチレンでは、そもそも改質がうまくいかない(孔が開くだけ、または溶融する)、または、変質するだけ(元々の高分子の構造が変わるが絶縁体のまま)などであり、比抵抗を測定することができなかった。   As understood from Examples 1 to 5 in Table 1, in polyimide, polyethylene naphthalate, parylene C, polylactic acid and cellulose, the specific resistance lower than the specific resistance of the material of the original polymer sheet in the laser modified portion. In particular, it was confirmed that a low specific resistance of 10 Ωcm or less, more specifically 6 Ωcm or less was obtained, in other words, conductivity was obtained. On the other hand, as understood from Comparative Examples 1, 4 and 6, in polyethylene terephthalate, polycarbonate, and polyvinyl chloride, the specific resistance of the laser modified portion is too high, and it has “conductivity”. However, it was confirmed to be suitable for functioning as an electrode. In the comparative examples 2, 3 and 6, polyethylene, polypropylene and polystyrene are not modified in the first place (only the pores are opened or melted) or only deteriorated (the structure of the original polymer is changed but remains an insulator). The specific resistance could not be measured.

上記でレーザー改質部が導電性を有することが確認できた実施例1〜5について、そのレーザー改質部のインピーダンスの周波数特性を測定した。結果を図7に示す(縦軸はインピーダンス(Z)の絶対値(Ω)を示し、横軸は周波数(Hz)を示す)。測定器は、アジレントテクノロジー社製のE4980AプレシジョンLCRメーターを使用した。図7から、実施例1〜5の全ての場合において、生体に重要である1〜100Hzの周波数範囲に対して、各高分子シートに形成されたレーザー改質部が良好な導電性を示すことが確認された。   With respect to Examples 1 to 5 in which it was confirmed that the laser modified portion had conductivity, the frequency characteristics of the impedance of the laser modified portion were measured. The results are shown in FIG. 7 (the vertical axis indicates the absolute value (Ω) of the impedance (Z), and the horizontal axis indicates the frequency (Hz)). The measuring instrument used was an E4980A precision LCR meter manufactured by Agilent Technologies. From FIG. 7, in all cases of Examples 1 to 5, the laser modified portion formed on each polymer sheet exhibits good conductivity with respect to the frequency range of 1 to 100 Hz which is important for the living body. Was confirmed.

実施例1〜5の代表例として、実施例1について、レーザー改質部およびその近傍の断面のSTEM像(明視野(BF)STEM像)を図8に示す。図8中、超短パルスレーザー光を集光照射した中心部を「レーザー照射中心部」として点線にて示す。図8から理解されるように、超短パルスレーザー光を集光照射した部分が、他の照射していない部分(「レーザー非照射部」)に比較して黒く改質しており、よって、この集光照射部分において局所的かつ選択的に改質されていることが観察された。図9(a)は、図8のレーザー改質部におけるSTEM像の部分拡大図(明視野(BF)STEM像)を示し、図9(b)は(a)を更に拡大した図(明視野(BF)STEM像)を示す。図9(a)および(b)より、レーザー改質部において、炭素の層状構造と考えられる層構造が観察された。更に、図8において層状構造が観察された5つの箇所(Position 1〜5)において電子エネルギー損失分光法(EELS)によりC−K損失端のEELSスペクトル(単に「EELSスペクトル」とも言う)を観測した結果を図10(a)に示す。併せて、炭素系物質の標準スペクトル(リファレンス)としてダイヤモンド、グラファイトおよびアモルファスカーボンのEELSスペクトルを同様に測定した結果を図10(b)に示す。図10(a)および(b)を参照して、レーザー改質部に位置するPosition 1および5のEELSスペクトルは、sp軌道の存在に対応する282eV付近のπ*ピークと、sp軌道の存在に対応する288eV付近のσ*ピークが明確にみられることから、グラファイトのEELSスペクトルとほぼ一致しており、グラファイトの存在を示していた。よって、このレーザー改質部は、グラファイトを含むカーボンの連続構造体であることが確認された。他方、レーザー非照射部に位置するPosition 2〜4のEELSスペクトルは、アモルファスカーボンのEELSスペクトルに類似しているが、290〜300eVでの形状がアモルファスカーボンのEELSスペクトルと異なるため、未反応の高分子のままであることを示していた。実施例2〜4についても、実施例1と同様の結果を示した。 As a representative example of Examples 1 to 5, FIG. 8 shows a STEM image (bright field (BF) STEM image) of a cross section of the laser modified portion and the vicinity thereof in Example 1. In FIG. 8, a central portion obtained by condensing and irradiating ultrashort pulse laser light is indicated by a dotted line as a “laser irradiation central portion”. As can be understood from FIG. 8, the part irradiated with the ultrashort pulse laser beam is modified to be black compared to the other part not irradiated (“laser non-irradiated part”). It was observed that this focused irradiation portion was locally and selectively modified. 9A shows a partially enlarged view (bright field (BF) STEM image) of the STEM image in the laser modified portion of FIG. 8, and FIG. 9B is a further enlarged view (bright field). (BF) STEM image). 9A and 9B, a layer structure considered to be a layered structure of carbon was observed in the laser modified portion. Furthermore, the EELS spectrum (also simply referred to as “EELS spectrum”) at the CK loss edge was observed by electron energy loss spectroscopy (EELS) at five locations (Positions 1 to 5) where the layered structure was observed in FIG. The results are shown in FIG. In addition, FIG. 10B shows the result of measuring the EELS spectra of diamond, graphite, and amorphous carbon in the same manner as the standard spectrum (reference) of the carbon-based material. Referring to FIGS. 10 (a) and (b), the EELS spectra of Positions 1 and 5 located in the laser modification part are the π * peak near 282 eV corresponding to the presence of the sp 2 orbit and the sp 3 orbit. Since the σ * peak near 288 eV corresponding to the presence is clearly seen, it almost coincides with the EELS spectrum of graphite, indicating the presence of graphite. Therefore, it was confirmed that this laser modified portion is a carbon continuous structure containing graphite. On the other hand, the EELS spectrum of Positions 2 to 4 located in the laser non-irradiated part is similar to the EELS spectrum of amorphous carbon, but the shape at 290 to 300 eV is different from the EELS spectrum of amorphous carbon. It was shown to remain a molecule. Examples 2 to 4 also showed the same results as in Example 1.

これらの結果から、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート、パリレンCおよびその他のパリレンを含むパリレン、ポリ乳酸およびセルロースからなる群より選択される少なくとも1種を含む高分子シートにおいては、所定の超短パルスレーザー光を集光照射することにより、高分子シートの内部(および表面)において、局所的かつ選択的にグラファイトへの改質を起こさせることができ、よって、グラファイトを含むカーボンの連続構造体を形成できることができること、ならびに、かかる連続構造体は良好な導電性を示し、電極(電極部または電極構造)として利用可能であることが確認された。   From these results, in the polymer sheet containing at least one selected from the group consisting of polyimide, polyethylene naphthalate, parylene C and other parylene, polylactic acid and cellulose, a predetermined ultrashort pulse laser beam By focusing and irradiating, the inside (and surface) of the polymer sheet can be locally and selectively modified into graphite, and therefore, a continuous carbon structure containing graphite can be formed. In addition, it was confirmed that such a continuous structure exhibits good conductivity and can be used as an electrode (electrode part or electrode structure).

(実施例6)
高分子シートとして、ポリエチレンナフタレートからなる厚さ125μmのシートを準備した。この高分子シートに対して、実施例2と同様の条件で、超短パルスレーザー光を集光レンズとして対物レンズを介して集光照射し、図2(a)および(b)に示すような構造を有する連続構造体に対応するレーザー改質部を高分子シートに形成した。上記と同様にしてレーザー改質部(連続構造体3の第1部分3aおよび第2部分3bに対応する)の線幅を測定したところ、約3μmであった。
(Example 6)
A 125 μm thick sheet made of polyethylene naphthalate was prepared as a polymer sheet. Under the same conditions as in Example 2, the polymer sheet was subjected to focused irradiation with an ultrashort pulse laser beam as a focusing lens through an objective lens, as shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b). A laser modified portion corresponding to a continuous structure having a structure was formed on the polymer sheet. When the line width of the laser modified portion (corresponding to the first portion 3a and the second portion 3b of the continuous structure 3) was measured in the same manner as described above, it was about 3 μm.

本発明のカーボン電極は、極めて微細かつ複雑な電極配列および/または構造を有し得、生体用電極を含む幅広く様々な電極として利用可能である。   The carbon electrode of the present invention can have an extremely fine and complicated electrode arrangement and / or structure, and can be used as a wide variety of electrodes including biomedical electrodes.

1 高分子シート
1a シート面
3 連続構造体
3’ レーザー改質部
3a 第1部分
3b 第2部分
5 集光レンズ
7 超短パルスレーザー光
9 集光照射部
10、13、15、17 カーボン電極
11 プローブ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Polymer sheet 1a Sheet surface 3 Continuous structure 3 'Laser modification part 3a 1st part 3b 2nd part 5 Condensing lens 7 Ultrashort pulse laser light 9 Condensing irradiation part 10, 13, 15, 17 Carbon electrode 11 probe

Claims (9)

ポリイミド、ポリエチレンナフタレート、パリレン、ポリ乳酸およびセルロースからなる群より選択される少なくとも1種を含む高分子シートと、
グラファイトを含むカーボンの連続構造体と
を含み、前記連続構造体が前記高分子シートの内部に少なくとも部分的に包埋されている、カーボン電極。
A polymer sheet containing at least one selected from the group consisting of polyimide, polyethylene naphthalate, parylene, polylactic acid and cellulose;
A carbon electrode comprising: a carbon continuous structure including graphite, wherein the continuous structure is at least partially embedded in the polymer sheet.
生体用電極である、請求項1に記載のカーボン電極。   The carbon electrode according to claim 1, which is a living body electrode. 前記連続構造体が、前記高分子シートの厚さ方向に延在して該高分子シートから少なくとも部分的に露出している1つまたは複数の第1部分を含む、請求項1または2に記載のカーボン電極。   The continuous structure includes one or more first portions extending in a thickness direction of the polymer sheet and at least partially exposed from the polymer sheet. Carbon electrode. 前記連続構造体が、前記高分子シートの面内方向に延在する第2部分を更に含み、前記第1部分および前記第2部分が互いに電気的に接続されている、請求項3に記載のカーボン電極。   4. The continuous structure according to claim 3, wherein the continuous structure further includes a second portion extending in an in-plane direction of the polymer sheet, and the first portion and the second portion are electrically connected to each other. Carbon electrode. 前記第2部分が、前記高分子シートの内部に包埋されている、請求項4に記載のカーボン電極。   The carbon electrode according to claim 4, wherein the second portion is embedded in the polymer sheet. 前記第2部分が、前記高分子シートから露出している、請求項4に記載のカーボン電極。   The carbon electrode according to claim 4, wherein the second portion is exposed from the polymer sheet. 前記カーボン電極が、前記高分子シートの表面に配置された導電性部分を更に含み、前記第1部分および前記導電性部分が互いに電気的に接続されている、請求項3に記載のカーボン電極。   The carbon electrode according to claim 3, wherein the carbon electrode further includes a conductive portion disposed on a surface of the polymer sheet, and the first portion and the conductive portion are electrically connected to each other. パルスエネルギー0.1nJ以上50μJ以下、波長380nm以上1550nm以下かつパルス幅5fs以上500ps以下の超短パルスレーザー光を集光照射することにより、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート、パリレン、ポリ乳酸およびセルロースからなる群より選択される少なくとも1種を含む高分子シートの内部に、グラファイトを含むカーボンの連続構造体を形成することを含む、カーボン電極の製造方法。   A group consisting of polyimide, polyethylene naphthalate, parylene, polylactic acid and cellulose by condensing and irradiating an ultrashort pulse laser beam having a pulse energy of 0.1 nJ to 50 μJ, a wavelength of 380 nm to 1550 nm and a pulse width of 5 fs to 500 ps A method for producing a carbon electrode, comprising forming a continuous structure of carbon containing graphite in a polymer sheet containing at least one selected from the above. 前記超短パルスレーザー光が、パルスエネルギー0.1nJ以上10μJ以下、波長500nm以上1100nm以下、パルス幅5fs以上10ps以下の超短パルスレーザー光である、請求項8に記載のカーボン電極の製造方法。   The carbon electrode manufacturing method according to claim 8, wherein the ultrashort pulse laser beam is an ultrashort pulse laser beam having a pulse energy of 0.1 nJ to 10 μJ, a wavelength of 500 nm to 1100 nm, and a pulse width of 5 fs to 10 ps.
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