JP7176411B2 - フレキシブル電極及びセンサー素子 - Google Patents
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Description
繊維状のカーボンナノホーン集合体は、直径が30nm~200nm程度で、長さが1μm~100μm程度とすることができる。
繊維状のカーボンナノホーン集合体は、アスペクト比(繊維長/直径)の大きい長尺構造が特に好ましく、アスペクト比が10以上であることが望ましい。後述する図2や図3の場合にも同様である。
球状のカーボンナノホーン集合体は、直径が30nm~200nm程度でほぼ均一なサイズである。
カーボンナノチューブは、アスペクト比(繊維長/直径)の大きい長尺構造が特に好ましい。カーボンナノチューブでは、アスペクト比が100以上であることが望ましい。
本実施形態例に係るフレキシブル電極は、以下のようにして製造することができる。
(1)繊維状のカーボンナノホーン集合体、または、繊維状のカーボンナノホーン集合体と球状のカーボンナノホーン集合体、または、繊維状のカーボンナノホーン集合体と球状のカーボンナノホーン集合体とナノカーボンにより電極ペーストを形成する工程、
(2)絶縁性の可撓性基材に電極ペーストを塗布・乾燥する工程。
窒素雰囲気下で、鉄を約5質量%含有した炭素ターゲットにCO2レーザーを照射することで、繊維状のカーボンナノホーン集合体と球状のカーボンナノホーン集合体を作製した。具体的には鉄を含有した炭素ターゲットを、2rpmで回転させた。CO2レーザーのエネルギー密度は、150kW/cm2で連続的に照射し、チャンバー温度は室温であった。チャンバー内は、ガス流量を10L/minになるように調整した。圧力は933.254~1266.559hPa(700~950Torr)に制御した。SEMにて観察した結果、繊維状の物質は、直径が30-100nm程度で、長さが数μm-数10μmであり、球状の物質は、直径が30-200nm程度の範囲でほぼ均一なサイズのものが多くを占めていた。得られた繊維状及び球状のカーボンナノホーン集合体は、種型、つぼみ型、ダリア型、ペタル-ダリア型のカーボンナノホーン集合体が混在したものであった。
繊維状のカーボンナノホーン集合体と球状のカーボンナノホーン集合体の混合物50mgをメチルイソブチルケトン50mgに加えて、超音波分散処理を1時間行った。さらに攪拌機により、2000rpmで3分間撹拌混合してペーストを作製した。得られたペーストをポリジメチルシロキサン(PDMS)を用いて製造される0.5mm厚の基材上に塗布し、乾燥させ、厚さ20μmの電極膜を有するフレキシブル電極を得た。図6のように電極膜61の両端に電極端子63,64を取り、基材62を伸縮させた。測定では基材への歪みが5%に達するまで引張り、その後、歪みを緩和させるというサイクルでの抵抗変化を測定した。歪みを印加することで抵抗が増加し、歪みを緩和すると抵抗が減少することを確認できた。表1は、歪を加える前(初期)の抵抗値をR0、歪加えた後の伸縮前後の抵抗値の差をΔRとしたときの2、3、20回後の抵抗変化率(ΔR/R0)を示している。未伸縮状態から1回伸縮させた時の抵抗値は、2回目以降の抵抗値と異なった。また、2回目以降から抵抗値は安定的に変化した。これは、1回目の伸縮により電極膜61中の繊維状のカーボンナノホーン集合体と球状のカーボンナノホーン集合体とが安定的な位置に移動したためである。従って、以下では安定的に変化する2回目以降の抵抗値を用いて説明する。実施例1から、伸縮においてばらつきの少ない安定な抵抗変化を示すことが分かった。
実施例1と同様にして、繊維状のカーボンナノホーン集合体のみの電極膜(実施例2)、繊維状のカーボンナノホーン集合体と球状のカーボンナノホーン集合体とカーボンナノチューブ(平均繊維径:20nm、平均長さ:50μm)の混合物の電極膜(実施例3)、カーボンナノチューブのみの電極膜(比較例1)をPDMS基材上に作製し、実施例1と同様の測定を行った。比較例1は、抵抗変化のばらつきが大きく、さらにサイクル数の増加に伴い抵抗変化率が増大した。実施例2は、実施例1に比べてサイクル中での抵抗変化が大きくなったが問題のない範囲である。実施例3は、実施例1とほぼ同等の特性であった。また測定での抵抗値が小さくなった。これは、カーボンナノチューブが繊維状のカーボンナノホーン集合体や球状のカーボンナノホーン集合体により分散したため、導電パスが有効に働いたためである。
この出願は、2016年8月25日に出願された日本出願特願2016-164661を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
[付記1]
絶縁性の可撓性基材と、
前記可撓性基材に積層された繊維状のカーボンナノホーン集合体を含む電極膜と、
を有するフレキシブル電極。
[付記2]
前記繊維状のカーボンナノホーン集合体は、直径が1nm~5nm、長さが30nm~100nmであり、先端がホーン状である単層のカーボンナノホーンが、繊維状に集合し、直径が30nm~200nm、長さが1μm~100μmであることを特徴とする付記1に記載のフレキシブル電極。
[付記3]
前記繊維状のカーボンナノホーン集合体は、種型、ダリア型、つぼみ型、ペタルダリア型、ペタル型の少なくとも一種類のカーボンナノホーン集合体が繊維状に繋がったものであることを特徴とする付記1又は2に記載のフレキシブル電極。
[付記4]
前記電極膜は、さらに、種型、つぼみ型、ダリア型、ペタルダリア型、ペタル型の少なくとも一種類の球状のカーボンナノホーン集合体を含むことを特徴とする付記1~3のいずれか1項に記載のフレキシブル電極。
[付記5]
前記電極膜は、さらに、カーボンナノチューブ、カーボンブラック、グラフェンの少なくとも一種のナノカーボンを含むことを特徴とする付記1から4のいずれか1項に記載のフレキシブル電極。
[付記6]
前記可撓性基材が、エラストマーを含む付記1から5のいずれか1項に記載のフレキシブル電極。
[付記7]
繊維状のカーボンナノホーン集合体を含むペーストを調製する工程と、
該ペーストを絶縁性の可撓性基材上に塗布、乾燥して電極膜を形成する工程と、
を含むフレキシブル電極の製造方法。
[付記8]
前記繊維状のカーボンナノホーン集合体は、直径が1nm~5nm、長さが30nm~100nmであり、先端がホーン状である単層のカーボンナノホーンが、繊維状に集合し、直径が30nm~200nm、長さが1μm~100μmであることを特徴とする付記7に記載のフレキシブル電極の製造方法。
[付記9]
前記繊維状のカーボンナノホーン集合体は、種型、ダリア型、つぼみ型、ペタルダリア型、ペタル型の少なくとも一種類のカーボンナノホーン集合体が繊維状に繋がったものであることを特徴とする付記7又は8に記載のフレキシブル電極の製造方法。
[付記10]
前記ペーストは、さらに、種型、つぼみ型、ダリア型、ペタルダリア型、ペタル型の少なくとも一種類の球状のカーボンナノホーン集合体を含むことを特徴とする付記7から9のいずれか1項に記載のフレキシブル電極の製造方法。
[付記11]
前記ペーストは、さらに、カーボンナノチューブ、カーボンブラックグラフェンの少なくとも一種を含むことを特徴とする付記7から10のいずれか1項に記載のフレキシブル電極の製造方法。
[付記12]
前記可撓性基材が、エラストマーを含む付記7から11のいずれか1項に記載のフレキシブル電極の製造方法。
[付記13]
付記1から6のいずれか1項に記載のフレキシブル電極を有するセンサー素子。
[付記14]
付記13に記載のセンサー素子を少なくとも一つ有する歪センサー。
[付記15]
付記13に記載のセンサー素子を少なくとも一つ有する圧力センサー。
[付記16]
付記13に記載のセンサー素子を少なくとも一つ有する温度センサー。
11 球状のカーボンナノホーン集合体
12 カーボンナノチューブ
100,101,102 電極膜
21 電極膜
22 基材
23 接着層
Claims (10)
- 絶縁性の可撓性基材と、
前記可撓性基材に積層された繊維状のカーボンナノホーン集合体を含む電極膜と、
を有するフレキシブル電極であって、
該フレキシブル電極の変形に伴う前記電極膜の抵抗変化を測定するフレキシブル電極。 - 前記繊維状のカーボンナノホーン集合体は、直径が1nm~5nm、長さが30nm~100nmであり、先端がホーン状である単層のカーボンナノホーンが、繊維状に集合し、直径が30nm~200nm、長さが1μm~100μmであることを特徴とする請求項1に記載のフレキシブル電極。
- 前記繊維状のカーボンナノホーン集合体は、種型、ダリア型、つぼみ型、ペタルダリア型、ペタル型の少なくとも一種類のカーボンナノホーン集合体が繊維状に繋がったものであることを特徴とする請求項1又は2に記載のフレキシブル電極。
- 前記電極膜は、さらに、種型、つぼみ型、ダリア型、ペタルダリア型、ペタル型の少なくとも一種類の球状のカーボンナノホーン集合体を含むことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載のフレキシブル電極。
- 前記電極膜は、さらに、カーボンナノチューブ、カーボンブラック、グラフェンの少なくとも一種のナノカーボンを含むことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載のフレキシブル電極。
- 前記可撓性基材が、エラストマーを含む請求項1から5のいずれか1項に記載のフレキシブル電極。
- 請求項1から6のいずれか1項に記載のフレキシブル電極を有するセンサー素子。
- 請求項7に記載のセンサー素子を少なくとも一つ有する歪センサー。
- 請求項7に記載のセンサー素子を少なくとも一つ有する圧力センサー。
- 請求項7に記載のセンサー素子を少なくとも一つ有する温度センサー。
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