JP6750179B2 - 立体構造体 - Google Patents

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Description

本発明は、立体構造体に関し、特に、固体電解質または触媒などの機能材料を担持可能な立体構造体に関する。
立体構造体は、電解コンデンサの陽極体または触媒担体などに用いることが可能であるが、立体構造体の用途は、上記に限られず、種々の用途に適用可能である。
固体電解質を担持する陽極体を開示した先行文献として、特開２００８−１７７１９９号公報(特許文献１)、特開２００８−１７７２００号公報(特許文献２)および特開昭６１−２７８１２４号公報(特許文献３)がある。特許文献１、特許文献２および特許文献３に記載された固体電解コンデンサは、陽極体として、エッチングにより表面を粗面化されたアルミニウム線を用いている。
触媒を担持する触媒担体を開示した先行文献として、特開２０１２−１６１７１８号公報(特許文献４)がある。特許文献４に記載された触媒担体は、エッチングなどにより海綿状構造層が設けられたアルミニウム製のワイヤーからなる。
特開２００８−１７７１９９号公報 特開２００８−１７７２００号公報 特開昭６１−２７８１２４号公報 特開２０１２−１６１７１８号公報
固体電解質または触媒などの機能材料を立体構造体により多く担持させるためには、立体構造体が多くの空隙を含み、立体構造体の表面積に相当する拡面倍率が高いことが好ましい。また、電解液と立体構造体との接触面をより多くするためにも、立体構造体の拡面倍率が高いことが好ましい。しかし、立体構造体が含む空隙が多すぎる場合、空隙が存在している部分の立体構造体の機械的強度を維持することが難しくなる。
特に、エッチングによって立体構造体の外周部から中心部に向かって順に空隙を形成した場合、立体構造体の中心部に近づくに従って空隙が多く形成され、空隙が過剰に形成された部分の機械的強度が不十分となることがあった。また、空隙が過剰に形成された部分において、空隙同士が結合して大きな空隙が形成され、高い拡面倍率を得ることが難しかった。
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、機械的強度を確保しつつ高い拡面倍率を得ることができる立体構造体を提供することを目的とする。
本発明に基づく立体構造体は、導電性材料を含有する立体構造体である。立体構造体は、芯部と、芯部の周囲に位置する多孔質部とを備える。立体構造体の任意の横断面において、多孔質部の外縁から立体構造体の径の３／２０だけ内側の位置より内側に位置する多孔質部の単位面積当たりの空隙率が８０％以下である。
本発明の一形態においては、上記任意の横断面において、立体構造体の外形を相似状に縮小させた際に多孔質部の内縁と最初に接する第１仮想形状と、多孔質部の外縁との間の領域を、空隙形成領域と規定した場合、上記任意の横断面において、多孔質部の外縁から立体構造体の径の１／２０だけ内側の位置より内側に位置し、かつ、空隙形成領域に位置する、多孔質部の単位面積当たりの空隙率が１５％以上８０％以下である。
本発明の一形態においては、上記任意の横断面において、空隙形成領域に位置する多孔質部の単位面積当たりの空隙率が１５％以上８０％以下である。
本発明の一形態においては、上記任意の横断面において、多孔質部の外縁から立体構造体の径の１／２０だけ内側の位置の外側の領域の少なくとも一部に、単位面積当たりの空隙率が８０％より高い前記多孔質部が存在している。
本発明の一形態においては、上記任意の横断面において、立体構造体の外形を相似状に縮小させた際に多孔質部の内縁と最後に接する第２仮想形状と、第１仮想形状との間の間隔が、１０μｍ以下である。
本発明によれば、機械的強度を確保しつつ高い拡面倍率を得ることができる。
第１例の基材の形状を示す斜視図である。 第２例の基材の形状を示す斜視図である。 第３例の基材の形状を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る立体構造体の構成を示す横断面図である。 本発明の一実施形態の第１変形例に係る立体構造体の構成を示す横断面図である。 本発明の一実施形態の第２変形例に係る立体構造体の構成を示す横断面図である。 本発明の一実施形態の第３変形例に係る立体構造体の構成を示す横断面図である。 本発明の一実施形態の第４変形例に係る立体構造体の構成を示す横断面図である。 立体構造体の多孔質部の単位面積当たりの空隙率を測定する方法を説明するための、立体構造体の横断面図である。 実施例１の立体構造体の横断面をマイクロスコープで撮像した写真である。 比較例の立体構造体の横断面をマイクロスコープで撮像した写真である。 実施例１の立体構造体から塩化ビニルマスキングラインテープを引き剥がした状態を示す写真である。 比較例の立体構造体から塩化ビニルマスキングラインテープを引き剥がした状態を示す写真である。 本発明の一実施形態に係る立体構造体を陽極体として備える電解コンデンサの構成を示す一部断面図である。
以下、本発明の一実施形態に係る立体構造体について図を参照して説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。
本発明の一実施形態に係る立体構造体は、導電性材料を含有する立体構造体である。立体構造体は、芯部と、芯部の周囲に位置する多孔質部とを備える。多孔質部は、基材をエッチングなどにより一部除去することによって設けられる場合と、蒸着または焼結などにより材料を基材上に積層することによって設けられる場合とがある。
基材の形状は、糸状、繊維状および丸棒状などを含むワイヤー状であってもよいし、球体状、楕円体状、ペレット状およびコイン状などを含むブロック状であってもよい。なお、ブロック状には、箔状および紙状などの厚さが１ｍｍ以下である形状は含まれない。
図１は、第１例の基材の形状を示す斜視図である。図２は、第２例の基材の形状を示す斜視図である。図３は、第３例の基材の形状を示す斜視図である。図１に示すように、第１例の基材１０ａの形状は、横断面の径がｒ、長さがＬであり、ｒ＜Ｌである。図２に示すように、第２例の基材１０ｂの形状は、横断面の径がｒ、長さがＬであり、ｒ＝Ｌである。図３に示すように、第３例の基材１０ｃの形状は、横断面の径がｒ、長さがＬであり、ｒ＞Ｌである。
上記のように、基材の横断面の径ｒと長さＬとの大小関係は、特に限定されないが、基材の長さＬと立体構造体の長さとが同一である場合、基材を立体構造体の長さに合わせて切断する工程が不要となるため、立体構造体の製造工程を少なくすることができる。
多孔質部がエッチングなどにより基材の一部を除去して設けられる場合、基材は外形に、丸みを帯びていない角部を有さないことが好ましい。基材の外形に角部がある場合、エッチングによって基材の外周部から中心部に向かって順に空隙を形成した際、角部の近傍において空隙が互いに結合して大きな空隙が形成される。この場合、多孔質部の表面積の増加が抑制され、高い拡面倍率を得ることが難しくなる。高い拡面倍率を得る観点から、基材の横断面の形状は、円形であることが好ましい。
基材を構成する材料は、立体構造体の用途に合わせて適宜選定される。立体構造体が電解コンデンサの陽極体として用いられる場合には、多孔質部の表面に誘電体層が形成される。多孔質部と誘電体層との密着性の観点から、多孔質部を構成する金属成分の酸化物で誘電体層を構成することが好ましい。そのため、多孔質部がエッチングなどにより基材の一部を除去して設けられる場合には、基材は、アルミニウム、ニオブまたはタンタルなどの弁作用金属で構成される。
上記のように、立体構造体は、基材をエッチングなどにより一部除去することによって形成されてもよいし、蒸着または焼結などにより材料を基材上に積層することによって形成されてもよい。さらに、立体構造体は、多孔質部が設けられた基材を切断することにより形成されてもよい。立体構造体の外形は、ワイヤー状であってもよいし、ブロック状であってもよい。立体構造体の横断面の径と長さとの大小関係は、特に限定されない。
図４は、本発明の一実施形態に係る立体構造体の構成を示す横断面図である。図４に示すように、本発明の一実施形態に係る立体構造体１１は、芯部１２と、芯部１２の周囲に位置する多孔質部１３とを備える。図４においては、多孔質部１３の内縁１３ｂに、全周に亘って径方向の微小な凹凸がある状態を、誇張して示している。多孔質部１３の横断面の径はｒである。
本実施形態に係る立体構造体１１は、任意の横断面において、多孔質部１３の外縁１３ａから立体構造体１１の径ｒの３／２０だけ内側の位置１１ａより内側に位置する多孔質部１３の単位面積当たりの空隙率が８０％以下である。多孔質部１３の位置１１ａにおける径をｒ１とすると、ｒ１＝１７ｒ／２０を満たす。位置１１ａより内側に位置する多孔質部１３の単位面積当たりの空隙率は、７５％以下であることがより好ましい。
上記の構成により、立体構造体１１の多孔質部１３には、空隙が過剰に形成された部分が存在しないため、立体構造体１１の機械的強度を確保することができる。
ここで、本実施形態に係る立体構造体１１の製造方法について説明する。立体構造体１１は、基材をエッチングなどにより一部除去することによって形成してもよいし、蒸着または焼結などにより材料を基材上に積層することによって形成してもよい。
基材をエッチングなどにより一部除去することによって立体構造体１１を形成する方法として、交流エッチングまたはケミカルエッチングなどの方法がある。エッチング液としては、たとえば、塩酸を含む水溶液を用いることができる。多孔質部１３において空隙を均一に形成する観点からは、ケミカルエッチングより交流エッチングが好ましい。
通常の交流エッチングを用いて、基材をエッチング浴中に浸漬し、立体構造体１１の外周部から中心部に向かって順に空隙を形成した場合、立体構造体１１の最も内奥に位置する空隙に浸入しているエッチング液は、空隙が入り組んだ複雑な形状となっているために循環し難く、立体構造体１１の外部のエッチング浴中のエッチング液と比較して、組成および温度が大きく異なってくる。その結果、エッチングが局所的に集中して進行し、基材の一部を欠落させてしまうなどの異常溶解が起きやすくなる。そのため、立体構造体１１の中心部に近づくに従って空隙が多く形成され、空隙が過剰に形成され易くなる。
特に、多孔質部１３の外縁１３ａから立体構造体１１の径ｒの３／２０だけ内側の位置１１ａより内側にエッチングが進行した時点から、空隙の過剰な形成が起こりやすくなる。空隙が過剰に形成された部分では、多孔質部１３が脆化して剥離しやすくなって機械的強度が不十分となる。また、空隙同士が結合して大きな空隙が形成され、高い拡面倍率を得られない。
そこで、本実施形態に係る立体構造体１１の製造方法においては、立体構造体１１の外周部から中心部に向かって順に空隙を形成する際、多孔質部１３の外縁１３ａから立体構造体１１の径ｒの３／２０だけ内側の位置１１ａより内側にエッチングが進行した時点から、エッチングの進行に伴って、エッチング浴中のエッチング液の循環量を多くする。これにより、立体構造体１１の最も内奥に位置する空隙に浸入しているエッチング液を強制的に循環させることができる。
そのため、立体構造体１１の最も内奥に位置する空隙に浸入しているエッチング液の組成および温度を、立体構造体１１の外部のエッチング浴中のエッチング液の組成および温度に近づけることができる。その結果、多孔質部１３の外縁１３ａから立体構造体１１の径ｒの３／２０だけ内側の位置１１ａより内側に位置する多孔質部１３に、多孔質部１３の単位面積当たりの空隙率が８０％より高い、空隙が過剰に形成された部分が存在しないようにすることができる。
蒸着または焼結などにより材料を基材上に積層することによって立体構造体１１を形成する方法として、蒸着または焼結などにより基材上に付着させる粒子の粒径および密度を、多孔質部１３の単位面積当たりの空隙率が８０％以下となるように、基材上の材料の積層の進行に伴って適宜調整する。焼結の場合は、加熱温度および加熱時間についても適宜調整する。
以下、本実施形態の第１変形例に係る立体構造体１１について説明する。図５は、本発明の一実施形態の第１変形例に係る立体構造体の構成を示す横断面図である。図５に示すように、任意の横断面において、立体構造体１１の外形を矢印Ｓで示すように相似状に縮小させた際に多孔質部１３の内縁１３ｂと最初に接する第１仮想形状１３ｃと、多孔質部１３の外縁１３ａとの間の領域を、空隙形成領域１３ｔと規定する。
本発明の一実施形態の第１変形例に係る立体構造体１１においては、空隙形成領域１３ｔに位置する多孔質部１３の単位面積当たりの空隙率は、１５％以上８０％以下であり、２０％以上７５％以下であることがより好ましい。
多孔質部１３全体の空隙のほとんどが空隙形成領域１３ｔに形成されているため、空隙形成領域１３ｔの多孔質部１３によって、立体構造体１１の機械的強度および得られる拡面倍率が略決定される。
空隙形成領域１３ｔの多孔質部１３の空隙率が１５％以上８０％以下であることにより、空隙形成領域１３ｔの多孔質部１３に、空隙が過剰に形成された部分が存在しない。加えて、内縁１３ｂと第１仮想形状１３ｃとの間の領域（以下、深層領域１３ｉと称す）の多孔質部１３においても、空隙率が８０％以下である。そのため、立体構造体１１の機械的強度を確保することができる。また、空隙形成領域１３ｔの多孔質部１３において、空隙率が１５％以上確保されることにより、高い拡面倍率を得ることができる。
以下、本実施形態の第２変形例に係る立体構造体１１について説明する。図６は、本発明の一実施形態の第２変形例に係る立体構造体の構成を示す横断面図である。図６に示すように、本発明の一実施形態の第２変形例に係る立体構造体１１においては、任意の横断面において、多孔質部１３の外縁１３ａから立体構造体１１の径の１／２０だけ内側の位置１１ｂより内側に位置し、かつ、空隙形成領域１３ｔに位置する、多孔質部１３の単位面積当たりの空隙率が１５％以上８０％以下である。
多孔質部１３の位置１１ｂにおける径をｒ２とすると、ｒ２＝１９ｒ／２０を満たす。多孔質部１３の外縁１３ａから立体構造体１１の径の１／２０だけ内側の位置１１ｂより内側に位置し、かつ、空隙形成領域１３ｔに位置する領域を、主領域１３ｓと規定する。主領域１３ｓの多孔質部１３の単位面積当たりの空隙率は、２０％以上７５％以下であることがより好ましい。
上記の構成により、主領域１３ｓの多孔質部１３に、空隙が過剰に形成された部分が存在しない。加えて、深層領域１３ｉの多孔質部１３においても、空隙率が８０％以下である。そのため、立体構造体１１の機械的強度を確保することができる。また、主領域１３ｓの多孔質部１３において、空隙率が１５％以上確保されることにより、高い拡面倍率を得ることができる。
多孔質部１３の外縁１３ａから立体構造体１１の径の１／２０だけ内側の位置１１ｂの外側の領域を、表層領域１３ｈと規定する。本発明の一実施形態の第２変形例に係る立体構造体１１においては、表層領域１３ｈの少なくとも一部に、単位面積当たりの空隙率が８０％より高い多孔質部１３が存在している。なお、表層領域１３ｈの全体において、多孔質部１３の単位面積当たりの空隙率が８０％より高くてもよい。
上記の構成により、表層領域１３ｈの多孔質部１３の剛性を低下させて、表層領域１３ｈにて容易に圧縮変形するように、立体構造体１１を構成することができる。これにより、立体構造体１１に曲げ応力が負荷された際に、表層領域１３ｈにて曲げ応力を緩和して、主領域１３ｓの多孔質部１３に割れまたは亀裂が生じることを抑制できる。加えて、主領域１３ｓおよび深層領域１３ｉの多孔質部１３において、空隙率が８０％以下であるため、立体構造体１１の機械的強度を確保することができる。また、主領域１３ｓの多孔質部１３において、空隙率が１５％以上確保されることにより、高い拡面倍率を得ることができる。
仮に、多孔質部１３の内縁１３ｂの近傍において空隙率が過剰に高い場合、多孔質部１３の内縁１３ｂの近傍にて割れまたは亀裂が発生し、多孔質部１３が内縁１３ｂから外縁１３ａに亘って断裂し、多孔質部１３の大部分が剥離する可能性がある。
一方、表層領域１３ｈの多孔質部１３のみにおいて空隙率が過剰に高い場合、表層領域１３ｈの多孔質部１３にて割れまたは亀裂が発生し、多孔質部１３が表層領域１３ｈから外縁１３ａに亘って断裂し、表層領域１３ｈの多孔質部１３の一部が剥離したとしても、多孔質部１３の破壊の程度は軽微である。表層領域１３ｈの多孔質部１３の一部が剥離することにより、曲げ応力を緩和して、主領域１３ｓの多孔質部１３に割れまたは亀裂が生じることを抑制できる。
表層領域１３ｈの少なくとも一部に、単位面積当たりの空隙率が８０％より高い多孔質部１３を存在させる方法として、交流エッチングにより多孔質部１３を形成する場合には、交流エッチングを開始後の初期段階のみ、交流周波数を低くする。これにより、表層領域１３ｈに位置する多孔質部１３においてのみ、空隙を過剰に形成することができる。
蒸着または焼結などにより材料を基材上に積層することにより多孔質部１３を形成する場合には、表層領域１３ｈの少なくとも一部に、単位面積当たりの空隙率が８０％より高い多孔質部１３が存在するように、表層領域１３ｈに配置される粒子の粒径および密度を適宜調整する。たとえば、表層領域１３ｈに配置される粒子の粒径を大きくし、表層領域１３ｈに配置される粒子の密度を低くする。
以下、本実施形態の第３変形例に係る立体構造体１１について説明する。図７は、本発明の一実施形態の第３変形例に係る立体構造体の構成を示す横断面図である。本発明の一実施形態の第３変形例に係る立体構造体１１においては、図７に示すように、任意の横断面において、立体構造体１１の外形を矢印Ｓで示すように相似状に縮小させた際に多孔質部１３の内縁１３ｂと最後に接する第２仮想形状１３ｄと、第１仮想形状１３ｃとの間の間隔ｍが、１０μｍ以下である。好ましくは、間隔ｍが、５μｍ以下である。
間隔ｍは、図７に示すように、多孔質部１３の内縁１３ｂにおいて、全周に亘って現れる径方向の微小な凹凸の大きさによって決まる。この微小な凹凸は、たとえば、交流エッチングにより立体構造体１１を形成する際に、エッチングが立体構造体１１の外周部から中央部に向けて不均一に進行した場合に現れる。この場合、エッチングがより進行した部分に空隙が集中して形成される。その結果、多孔質部１３の内縁１３ｂの近傍において、多孔質部１３の外縁１３ａからの距離が同一の位置であっても、場所によって空隙率にバラツキが生じる。
間隔ｍが１０μｍ以下である場合、内縁１３ｂの近傍に位置する多孔質部１３の空隙率に、バラツキが生じることを抑制できる。その結果、主領域１３ｓおよび深層領域１３ｉの多孔質部１３において、空隙率が８０％以下であることに加えて、内縁１３ｂの近傍に位置する多孔質部１３に、空隙が過剰に形成されることを抑制するため、立体構造体１１の機械的強度を確保することができる。また、主領域１３ｓの多孔質部１３において、空隙率が１５％以上確保されることに加えて、内縁１３ｂの近傍に位置する多孔質部１３において、空隙同士が結合して大きな空隙が形成されることを抑制するため、高い拡面倍率を得ることができる。
図８は、本発明の一実施形態の第４変形例に係る立体構造体の構成を示す横断面図である。図８に示すように、立体構造体１１は、任意の横断面において、多孔質部１３の外縁１３ａおよび内縁１３ｂの各々が円形である。すなわち、多孔質部１３の内縁１３ｂには、径方向の微小な凹凸がない。多孔質部１３の外縁１３ａと内縁１３ｂとは、同心円状に位置している。よって、多孔質部１３の厚さが一定である。
上記の構成により、内縁１３ｂの近傍に位置する多孔質部１３の空隙率に、バラツキが生じることを、本発明の一実施形態の第３変形例に係る立体構造体よりも更に抑制できる。その結果、内縁１３ｂの近傍に位置する多孔質部１３に、空隙が過剰に形成されることを更に抑制して、立体構造体１１の機械的強度を十分確保することができる。また、内縁１３ｂの近傍に位置する多孔質部１３において、空隙同士が結合して大きな空隙が形成されることを更に抑制して、十分高い拡面倍率を得ることができる。
(実験例)
以下、比較例および実施例に係る立体構造体の特性について検証した実験例について説明する。まず、立体構造体の各特性の評価方法について説明する。
(１)多孔質部の単位面積当たりの空隙率
図９は、立体構造体の多孔質部の単位面積当たりの空隙率を測定する方法を説明するための、立体構造体の横断面図である。
図９に示すように、立体構造体１１の横断面をマイクロスコープにて撮像した画像を観察する。画像の色調の違いは、観察対象の組成の違いによるものではなく、観察対象の表面の凹凸を反映している。色調が濃い場所は、空隙が多い場所である。
撮像した画像上にて、多孔質部１３の外縁１３ａ上の任意の点Ｐ１と立体構造体１１の中心Ｃとを結ぶ直線ＣＰ１を引く。次に、直線ＣＰ１を中心Ｃを中心にして右回りに４５度回転させた直線と、多孔質部１３の外縁１３ａとの交点Ｐ２を求め、直線ＣＰ２を引く。以降、同様にして、右回りに４５度ずつ回転させた直線と多孔質部１３の外縁１３ａとの交点を求め、直線ＣＰ１〜ＣＰ８の８本の直線を引く。
次に、直線ＣＰ１〜ＣＰ８上の各々について、画像解析ソフトを用いて２値化処理する。２値化処理された画像において、矢印Ｓで示すように、点Ｐ１〜Ｐ８の各々から中心Ｃに向かって、各直線ＣＰ１〜ＣＰ８を中心に幅１５μｍの範囲で空隙率のプロファイルを測定する。そして、直線ＣＰ１〜ＣＰ８上の８箇所の測定結果において、多孔質部１３の外縁１３ａからの距離が同じ位置での空隙率の算術平均を求めることにより、多孔質部１３の内部の径方向の空隙率の分布を求める。
(２)空隙形成領域の厚さ
図５に示すように、立体構造体１１の横断面をマイクロスコープにて撮像する。第１仮想形状１３ｃと、立体構造体１１の外形との間の間隔を、空隙形成領域の厚さとする。
(３)拡面倍率
測定周波数１２０ＨｚのＬＣＲメーターにて、立体構造体および基材の各々の静電容量を、アジピン酸アンモニウム水溶液中またはホウ酸アンモニウム水溶液中にて測定する。なお、拡面倍率の測定に用いる水溶液は、下記のように使い分けてもよい。立体構造体に誘電体層を陽極酸化によって形成する場合は、陽極酸化の際に用いる水溶液を拡面倍率の測定用の水溶液として用いる。誘電体層を陽極酸化以外の方法によって形成する場合に、誘電体層の形成厚さが薄いときはアジピン酸アンモニウム水溶液を、誘電体層の形成厚さが厚いときはホウ酸アンモニウム水溶液を、拡面倍率の測定用の水溶液として用いる。そして、基材の静電容量に対する立体構造体の静電容量の比率を求め、これを拡面倍率とする。
なお、拡面倍率の大小は、立体構造体を電解コンデンサの陽極体として用いる場合には、電解コンデンサの静電容量に、立体構造体を触媒担体として用いる場合には、触媒反応の収率に影響を及ぼす。
(４)立体構造体の機械的強度
複数の立体構造体を横一列に約２ｍｍの幅になるように並べて束ね、その長さ方向の両端を、厚さが１ｍｍであるＦＲＰ(Fiber Reinforced Plastics)製の板にセロファンテープで貼って固定する。複数の立体構造体に、幅が３ｍｍ、厚さが０．１２ｍｍ、ステンレス板に対する引き剥がし粘着力が４５０ｇｆ／１５ｍｍである塩化ビニルマスキングラインテープを貼り付ける。塩化ビニルマスキングラインテープを複数の立体構造体に貼り付ける際には、２ｋｇｆのローラが立体構造体の全長を２往復するように押し付ける。
なお、立体構造体の径が１ｍｍを超える場合には、立体構造体を横一列に束ねたときの幅と、使用する塩化ビニルマスキングラインテープの幅とが、概ね２：３になるように、立体構造体の本数と塩化ビニルマスキングラインテープの幅を調整する。
次に、引張試験機の下側のチャックにＦＲＰ板の端部を固定し、塩化ビニルマスキングラインテープの掴み代を引張試験機の上側のチャックに固定する。引き剥がし速度１０ｍｍ／秒で、塩化ビニルマスキングラインテープを立体構造体から引き剥がす。
塩化ビニルマスキングラインテープを立体構造体から引き剥がしている間に引張試験機が負荷した最大荷重を測定する。以後、この最大荷重を試験に供した立体構造体の本数で割った値を、ピール強度(ｇｆ)と称する。
また、引き剥がした後の塩化ビニルマスキングラインテープに、立体構造体から剥離した多孔質部がどの程度付着しているか、目視にて観察して、立体構造体の機械的強度を評価する。
(５)立体構造体の曲げ変形能
立体構造体を２０Ｖの印加電圧で陽極酸化した後、曲率半径の異なる丸棒に立体構造体を沿わせ、立体構造体が破断した時の丸棒の最大曲率半径を求める。この最大曲率半径が小さいほど、立体構造体の曲げ変形能が大きい。
本実験例においては、実施例１、実施例２および比較例の３種類の立体構造体を用いて、上記の各特性について検証した。
実施例１に係る立体構造体は、直径が０．２ｍｍの円柱状の基材を用いて作製した。基材の成分は、純度が９９．９９％のアルミニウムとした。基材の表面の脱脂を目的とした酸処理を基材に施した後、４．５ｗｔ％の塩酸、０．９ｗｔ％の硫酸および２．０ｗｔ％の塩化アルミニウムを含有する水溶液(以下、エッチング液と称す)中にて、基材に対して、基材の軸方向に向かってエッチング液を供給することで、エッチング液の循環を行ないながら、空隙形成領域の厚さが約５５μｍになるように、交流エッチングを行なった。
交流エッチングの条件としては、エッチング液の温度を３５℃、電流密度を２８０ｍＡ／ｃｍ2、電流波形(半波)を三角波とした。交流エッチング中において、エッチングの進行に伴って、エッチング浴中のエッチング液の循環量が多くなるようにした。具体的には、エッチング液を供給する流速を、エッチング開始時には４０ｃｍ／分とし、その後、エッチング液の流速を徐々に速くして、エッチング終了時には１００ｃｍ／分とした。交流エッチングの終了後、塩素イオンの除去を目的とした酸処理を立体構造体に施した。
実施例２に係る立体構造体は、基材の表面の脱脂を目的とした酸処理を基材に施した後、実施例１と同条件の交流エッチングを行なう前に、０．５Ｈｚの周波数で交流エッチングを行なったこと、および、交流エッチング中にエッチング浴中のエッチング液の循環量を、実施例１において循環量を多くする前の循環量で維持したこと以外は、実施例１と同様に立体構造体を作製した。
比較例に係る立体構造体は、交流エッチング中にエッチング浴中のエッチング液の循環量を、実施例１において循環量を多くする前の循環量で維持したこと以外は、実施例１と同様に立体構造体を作製した。
表１は、実施例１、実施例２および比較例に係る立体構造体の、多孔質部の空隙率の分布、および、間隔ｍの測定結果を示す表である。多孔質部の空隙率の分布においては、多孔質部１３の外縁１３ａから位置１１ｂまでの表層領域、多孔質部１３の位置１１ｂから位置１１ａまでの第１主領域、および、多孔質部１３の位置１１ａから第１仮想形状１３ｃまでの第２主領域、第１仮想形状１３ｃから内縁１３ｂまでの深層領域の各々における空隙率の範囲を示している。なお、第１主領域と第２主領域とを合わせた領域が、主領域となる。表層領域と主領域とを合わせた領域が、空隙形成領域となる。空隙形成領域と深層領域とを合わせた領域が、多孔質部１３の全体となる。
表２は、実施例１、実施例２および比較例に係る立体構造体の、拡面倍率、立体構造体の機械的強度、ピール強度、立体構造体の曲げ変形能の評価結果を示す表である。
なお、実施例１および実施例２の立体構造体の、拡面倍率、ピール強度、および、立体構造体の曲げ変形能を示す最大曲率半径については、比較例の立体構造体の値を１００として規格化している。立体構造体の機械的強度については、塩化ビニルマスキングラインテープに付着している多孔質部の量を目視にて確認し、少ない場合を「Good」、多い場合を「Insufficient」として評価した。
図１０は、実施例１の立体構造体の横断面をマイクロスコープで撮像した写真である。図１１は、比較例の立体構造体の横断面をマイクロスコープで撮像した写真である。図１２は、実施例１の立体構造体から塩化ビニルマスキングラインテープを引き剥がした状態を示す写真である。図１３は、比較例の立体構造体から塩化ビニルマスキングラインテープを引き剥がした状態を示す写真である。
表１に示すように、実施例１の立体構造体においては、多孔質部の全体における空隙率は８０％以下であり、間隔ｍは３μｍであった。実施例２の立体構造体においては、表層領域の多孔質部の空隙率は８０％より高く、間隔ｍは５μｍであった。比較例の立体構造体においては、表層領域および第２主領域の多孔質部の空隙率は８０％より高く、間隔ｍは２μｍであった。
図１０に示すように、実施例１の立体構造体１１においては、多孔質部１３における色調が外縁から内縁に亘って略一定であった。実施例１の立体構造体１１においては、多孔質部１３の内縁の近傍における空隙の過剰な形成は認められなかった。多孔質部１３の内縁に、全周に亘って径方向の微小な凹凸が認められた。
図１１に示すように、比較例の立体構造体９１においては、多孔質部９３における色調が外縁から内縁に行くに従って濃くなっており、芯部９２と多孔質部９３との境界の色調差が大きかった。比較例の立体構造体９１においては、多孔質部９３の内縁の近傍に空隙が過剰に形成されていることが確認できた。
表２に示すように、実施例１の立体構造体においては、拡面倍率が１０８、立体構造体の機械的強度はGood、ピール強度は７５０、立体構造体の最大曲率半径は２００であった。実施例２の立体構造体においては、拡面倍率が１０２、立体構造体の機械的強度はGood、ピール強度は７３０、最大曲率半径は７５であった。比較例の立体構造体においては、拡面倍率が１００、立体構造体の機械的強度はInsufficient、ピール強度は１００、最大曲率半径は１００であった。
図１２に示すように、実施例１の立体構造体１１においては、塩化ビニルマスキングラインテープ９０に付着している多孔質部の量は少なかった。図１３に示すように、比較例の立体構造体９１においては、塩化ビニルマスキングラインテープ９０に付着している多孔質部の量が多かった。
上記の実験結果から、多孔質部１３の外縁１３ａから立体構造体１１の径ｒの３／２０だけ内側の位置１１ａより内側に位置する多孔質部１３の単位面積当たりの空隙率が８０％以下であることにより、立体構造体１１の機械的強度を確保しつつ、高い拡面倍率を得ることができることが確認できた。
実施例１と実施例２とを比較すると、実施例２は、実施例１より最大曲率半径が小さかった。すなわち、実施例２は、実施例１より立体構造体の曲げ変形能が大きかった。一方、立体構造体の機械的強度は、実施例１と実施例２とは同等であった。
従って、多孔質部１３の外縁１３ａから立体構造体１１の径の１／２０だけ内側の位置１１ｂの外側の領域の空隙率を８０％より高くすることで、立体構造体の機械的強度を維持しつつ、立体構造体の曲げ変形能を高くできることが確認できた。
以下、本実施形態に係る立体構造体を陽極体として備える電解コンデンサの一例について説明する。図１４は、本発明の一実施形態に係る立体構造体を陽極体として備える電解コンデンサの構成を示す一部断面図である。なお、図１４においては、セパレータを図示していない。
図１４に示すように、電解コンデンサ６は、陽極体１、誘電体２、電解質３、誘電体４および陰極体５を備える。陽極体１となる立体構造体の表面に誘電体２を形成する方法としては、ホウ酸アンモニウム、リン酸アンモニウムまたはアジピン酸アンモニウムなどの水溶液中で、立体構造体を陽極酸化する方法がある。
電解質３は、電解液および固体電解質のいずれでもよい。電解液としては、ポリエチレングリコールまたはγ-ブチロラクトンなどを溶媒とする電解液を用いることができる。固体電解質としては、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリフランまたはポリアニリンなどの導電性高分子を含む固体電解質を用いることができる。
陰極体５としては、アルミニウム箔を用いることができ、電解質３が固体電解質の場合は、カーボン層と銀ペースト層との積層体などを用いることもできる。
電解コンデンサは、陽極体と陰極体との間に挟まれるセパレータ、陽極体に接続される陽極端子、陰極体に接続される陰極端子、アルミケースおよび封口ゴムなどをさらに備えており、これらには、従来の電解コンデンサに用いられているものを用いることができる。
電解コンデンサ６の静電容量は、陽極体１、誘電体２および電解質３から構成されるコンデンサと、電解質３、誘電体４および陰極体５から構成されるコンデンサとを、直列に接続した合成容量となる。通常、陰極体５は陽極体１と比較して静電容量が十分高いため、電解コンデンサ６の静電容量は、陽極体１、誘電体２および電解質３から構成されるコンデンサの静電容量の値に大きく影響される。そのため、陽極体１の表面積、より正確には、陽極体１の表面に誘電体２を形成した後の表面積が、電解コンデンサ６の静電容量に大きな影響を及ぼす。すなわち、機械的強度を確保しつつ拡面倍率が高い本実施形態に係る立体構造体を用いることで、高い静電容量の電解コンデンサを製造することができる。
なお、電解コンデンサ６に求められる特性は、静電容量だけではなく、漏れ電流が低いことも重要である。誘電体２は、欠陥を有し、完全な絶縁物ではないため、電解コンデンサ６に直流電圧を印加すると、微少ではあるが漏れ電流が発生し、電解コンデンサ６が接続される回路に悪影響を及ぼすことがある。特に、立体構造体の表面積において、立体構造体の切断面の占める面積が大きい場合、漏れ電流の影響が大きくなる。
たとえば、電解コンデンサ６をローパスフィルタなどのノイズフィルタとして用いる場合、信号ラインに対して並列に電解コンデンサ６を配置させ、電解コンデンサ６をグランドと接続する。これにより、信号ラインからノイズの原因となる周波数の高い信号を取り除くことができる。
│Ｚ│＝１／(２πｆＣ)・・・(式１)
(Ｚ:インピーダンス、ｆ:周波数、Ｃ:静電容量)
式１は、電解コンデンサをノイズフィルタとして用いた場合の、インピーダンス、周波数および静電容量の関係を示す式である。なお、式１においては、インダクタは考慮していない。式１から分かるように、電解コンデンサ６のインピーダンスは周波数が高いほど低くなるため、周波数が高い信号は信号ラインから離脱して、電解コンデンサ６に流れやすくなる。
しかし、上記のように、電解コンデンサ６からは漏れ電流が流れる。漏れ電流に起因して、陽極体の表面に形成された誘電体が絶縁破壊した場合、ローパスフィルタなどのノイズフィルタとしての効果が低くなる。そのため、漏れ電流を低くする必要がある。
よって、立体構造体の表面積において、立体構造体の切断面の占める面積を小さくすることにより、電解コンデンサ６の漏れ電流を低く抑えることができ、電解コンデンサ６のノイズフィルタとしての性能を向上することができる。
以下、本実施形態に係る立体構造体を触媒担体として備える触媒体の一例について説明する。触媒体は、たとえば、マイクロリアクターのような精密な化学反応系に用いることができる。
触媒担体の製造方法としては、立体構造体を酸性電解液中で陽極酸化する。好ましくは、陽極酸化後に水和処理を行ない、更に３００℃以上５５０℃以下の温度で焼成処理を行なう。
立体構造体に担持させる触媒活性を有する金属は、特に限定されず、白金系金属などの触媒活性を有する金属、合金または金属酸化物を用いることができる。
立体構造体に触媒活性を有する金属を担持させる方法としては、たとえば、触媒活性を有する金属イオンを含有する水溶液に立体構造体を浸漬させる含浸法を用いることができる。また、触媒活性を有する金属を立体構造体に固着させるために焼成処理を行なってもよい。
触媒体の収率を高くするためには、触媒担体にいかに多くの触媒活性を有する金属を担持させることができるのかが、ひとつの鍵となる。すなわち、機械的強度を確保しつつ拡面倍率が高い本実施形態に係る立体構造体を用いることで、触媒反応において、高い収率を得ることができる。
その他、機械的強度を確保しつつ高い拡面倍率が要求される用途に、本実施形態に係る立体構造体を用いることができる。
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１ 陽極体、２，４ 誘電体、３ 電解質、５ 陰極体、６ 電解コンデンサ、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 基材、１１，９１ 立体構造体、１１ａ，１１ｂ 位置、１２，９２ 芯部、１３，９３ 多孔質部、１３ａ 外縁、１３ｂ 内縁、１３ｃ 第１仮想形状、１３ｄ 第２仮想形状、１３ｈ 表層領域、１３ｉ 深層領域、１３ｓ 主領域、１３ｔ 空隙形成領域。

Claims (5)

  1. 導電性材料を含有する立体構造体であって、
    芯部と、
    前記芯部の周囲に位置する多孔質部とを備え、
    前記導電性材料がアルミニウムで構成されており、
    前記多孔質部の内縁に、全周に亘って径方向の微小な凹凸を有し、
    前記立体構造体の任意の横断面において、前記多孔質部の外縁から前記立体構造体の径の３／２０だけ内側の位置より内側に位置する前記多孔質部の単位面積当たりの空隙率が８０％以下であり、
    前記立体構造体の外形は、厚さが１ｍｍ以下である箔状を含まないブロック状またはワイヤー状である、立体構造体。
  2. 前記任意の横断面において、前記立体構造体の外形を相似状に縮小させた際に前記多孔質部の内縁と最初に接する第１仮想形状と、前記多孔質部の外縁との間の領域を、空隙形成領域と規定した場合、
    前記任意の横断面において、前記多孔質部の外縁から前記立体構造体の径の１／２０だけ内側の位置より内側に位置し、かつ、前記空隙形成領域に位置する、前記多孔質部の単位面積当たりの空隙率が１５％以上８０％以下である、請求項１に記載の立体構造体。
  3. 前記任意の横断面において、前記空隙形成領域に位置する前記多孔質部の単位面積当たりの空隙率が１５％以上８０％以下である、請求項２に記載の立体構造体。
  4. 前記任意の横断面において、前記多孔質部の外縁から前記立体構造体の径の１／２０だけ内側の位置の外側の領域の少なくとも一部に、単位面積当たりの空隙率が８０％より高い前記多孔質部が存在している、請求項２に記載の立体構造体。
  5. 前記任意の横断面において、前記立体構造体の外形を相似状に縮小させた際に前記多孔質部の内縁と最後に接する第２仮想形状と、前記第１仮想形状との間の間隔が、１０μｍ以下である、請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の立体構造体。
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