JP7370917B2

JP7370917B2 - 接続構造

Info

Publication number: JP7370917B2
Application number: JP2020057132A
Authority: JP
Inventors: 英樹會澤
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2019-03-29
Filing date: 2020-03-27
Publication date: 2023-10-30
Anticipated expiration: 2040-03-27
Also published as: JP2020167160A

Description

本発明は、カーボンナノチューブ線材と、金属製の基材とを接続してなる接続構造に関する。

自動車や産業機器などの様々な分野における電力線や信号線として、一又は複数の線材からなる芯線と、該芯線を被覆する絶縁被覆とからなる電線が用いられている。芯線を構成する線材の材料としては、電気特性の観点から銅又は銅合金が一般に使用されている。しかし近年、自動車用モーターや医療分野などにおいて小型化及び軽量化のニーズが高まっており、これに対応すべく電力線等においては、従来の銅等の金属線に代わる線材が望まれている。

このような要請に対応すべく、例えば、カーボンナノチューブを線材として活用する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。カーボンナノチューブは、その比重が銅の比重の約１／５（アルミニウムの比重の約１／２）であり、且つ電気抵抗率が銅（電気抵抗率１．６８×１０^－６Ω・ｃｍ）よりも小さく高い導電性を示す。したがって、カーボンナノチューブを撚り合わせてカーボンナノチューブ線材を形成することにより、当該線材を活用した自動車モーター等の製品の小型化、軽量化及び高導電性化を実現することが期待される。

上記のようなカーボンナノチューブ線材を金属製の端子に対して電気的に接続するために、カーボン用のはんだが使用される。カーボン用のはんだは、カーボンナノチューブとの濡れ性は良好であるが、金属との濡れ性が良好ではない。したがって、カーボン用のはんだを使用してカーボンナノチューブと金属製の端子を電気的に接続するためには、金属製の端子を通常のはんだ（鉛とスズを主成分とするはんだ）で濡らした後に、カーボン用のはんだを用いてカーボンナノチューブを接合することが一般的である。

特開２０１７－１７１５４５号公報

上記のように、カーボンナノチューブ線材と金属製の端子との電気的接続において通常のはんだとカーボン用のはんだを使用する場合は、はんだ付けの処理が２度必要となり、接続作業に大きな手間が掛かるという課題があった。また、カーボンナノチューブ線材と金属製の基材との間に２種類のはんだが介在するので、１種類のはんだのみを使用する場合と比べて接触界面が増え、接続抵抗の増加につながるおそれがあった。

本発明の目的は、上記課題に鑑みてなされたものであり、カーボンナノチューブと金属製の端子等との電気的接続において、円滑な接続作業が実現され、且つ電気抵抗を低減する接続構造を提供することにある。

すなわち、上記課題は以下の発明により達成される。
（１）カーボンナノチューブ線材と、金属製の基材とを電気的に接続してなる接続構造であって、前記基材に、厚さが１μｍ以上８００μｍ以下であるカーボン系被覆層が形成されており、前記カーボンナノチューブ線材と前記基材とが、前記カーボン系被覆層を介して電気的に接続されていることを特徴とする接続構造。
（２）前記カーボン系被覆層は、厚さが１μｍ以上５００μｍ以下であることを特徴とする、上記（１）記載の接続構造。
（３）前記カーボン系被覆層は、厚さが２μｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする、上記（１）記載の接続構造。
（４）前記カーボンナノチューブ線材と前記カーボン系被覆層とが、カーボン用のはんだによって電気的に接続されていることを特徴とする、上記（１）～（３）のいずれかに記載の接続構造。
（５）前記カーボンナノチューブ線材の撚り数が、１０００Ｔ／ｍ以下であることを特徴とする、上記（１）～（４）のいずれかに記載の接続構造。
（６）前記カーボンナノチューブ線材の撚り数が、７００Ｔ／ｍ以下であることを特徴とする、上記（１）～（４）のいずれかに記載の接続構造。
（７）前記カーボンナノチューブ線材の撚り数が、５０Ｔ／ｍ以上４００Ｔ／ｍ以下であることを特徴とする、上記（１）～（４）のいずれかに記載の接続構造。
（８）前記カーボンナノチューブ線材の撚り数が、８０Ｔ／ｍ以上２００Ｔ／ｍ以下であることを特徴とする、上記（１）～（４）のいずれかに記載の接続構造。

本発明に係る態様によれば、金属製の端子等の基材とカーボンナノチューブとがカーボン系被覆層を介して電気的に接続されるので、接続時の作業性を向上させ、且つ電気抵抗の低減を実現することができる。

本実施の形態に係るカーボンナノチューブと金属製の基材との接続構造を表す斜視図である。本実施の形態に係るカーボンナノチューブと金属製の基材との接続構造を表す断面図である。

本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に示す実施の形態は一つの例示であり、本発明の範囲において、種々の形態をとり得る。

＜カーボンナノチューブと金属製の基材との接続構造＞
図１及び図２を用いて、本実施の形態に係るカーボンナノチューブと金属製の基材との接続構造について説明する。接続構造１は、カーボンナノチューブ電線（以下、ＣＮＴ電線という）１０を構成するカーボンナノチューブ線材（以下、ＣＮＴ線材という）１１と、金属製の基材２０とを接続して構成されるものである。
この接続構造１においては、基材２０上の一部にカーボン系被覆層３０が形成されている。カーボンナノチューブ線材１１と基材２０とは、カーボン系被覆層３０を介して電気的に接続されている。
また、この接続構造１においては、カーボンナノチューブ線材１１とカーボン系被覆層３０とは、カーボン用のはんだ４０を用いて電気的に接続されている。

（ＣＮＴ線材）
図１に示すように、ＣＮＴ線材１１は、１層以上の層構造を有するカーボンナノチューブ（以下、ＣＮＴという）が複数束ねられてなるＣＮＴ束１１ａ同士を撚り合わせることによって構成されている。ＣＮＴ線材１１の外径は、例えば、０．０１～１ｍｍである。ＣＮＴ線材１１は、ＣＮＴ束１１ａに異種元素がドープされてなるカーボンナノチューブ複合体を複数撚り合わせることにより構成されてもよい。

ここでＣＮＴは、単層構造又は複層構造を有する筒状体であり、それぞれＳＷＮＴ（single-walled nanotube）、ＭＷＮＴ（multi-walled nanotube）と呼ばれる。例えば、２層構造を有するＣＮＴは、六角形格子の網目構造を有する２つの筒状体が略同軸で配された３次元網目構造体となっており、ＤＷＮＴ（double-walled nanotube）と呼ばれる。構成単位である六角形格子は、その頂点に炭素原子が配された六員環であり、他の六員環と隣接してこれらが連続的に結合している。

ＣＮＴの性質は、上記のような筒状体のカイラリティ（chirality）に依存する。カイラリティは、アームチェア型、ジグザグ型、及びそれ以外のカイラル型に大別され、アームチェア型は金属性、カイラル型は半導体性、ジグザグ型はその中間の挙動を示す。よってＣＮＴの導電性はいずれのカイラリティを有するかによって大きく異なり、ＣＮＴ集合体の導電性を向上させるには、金属性の挙動を示すアームチェア型のＣＮＴの割合を増大させることが重要とされてきた。一方、半導体性を有するカイラル型のＣＮＴに電子供与性もしくは電子受容性を持つ物質（異種元素）をドープすることにより、金属的挙動を示すことが分かっている。また、一般的な金属では、異種元素をドープすることによって金属内部での伝導電子の散乱が起こって導電性が低下するが、これと同様に、金属性ＣＮＴに異種元素をドープした場合には、導電性の低下を引き起こす。

複数のＣＮＴの集合体で構成されるＣＮＴ束１１ａにおいて、複数のＣＮＴの個数に対する、２層構造又は３層構造を有するＣＮＴの個数の和の比率が５０％以上であるのが好ましく、７５％以上であるのがより好ましい。すなわち、一のＣＮＴ束を構成する全ＣＮＴの総数をＮ_TOTAL、上記全ＣＮＴのうち２層構造を有するＣＮＴ（２）の数の和をＮ_CNT(2)、上記全ＣＮＴのうち３層構造を有するＣＮＴ（３）の数の和をＮ_CNT(3)としたとき、下記式（１）で表すことができる。
（Ｎ_CNT(2)＋Ｎ_CNT(3)）／Ｎ_TOTAL×１００（％）≧５０（％）・・・（１）

２層構造又は３層構造のような層数が少ないＣＮＴは、それより層数の多いＣＮＴよりも比較的導電性が高い。また、ドーパントは、ＣＮＴの最内層の内部、もしくは複数のＣＮＴで形成されるＣＮＴ間の隙間に導入される。ＣＮＴの層間距離はグラファイトの層間距離である０．３３５ｎｍと同等であり、多層ＣＮＴの場合その層間にドーパントが入り込むことはサイズ的に困難である。このことからドーピング効果はＣＮＴの内部および外部にドーパントが導入されることで発現するが、多層ＣＮＴの場合は最外層および最内層に接していない内部に位置するチューブのドープ効果が発現しにくくなる。以上のような理由により、複層構造のＣＮＴにそれぞれドーピング処理を施した際には、２層構造又は３層構造を有するＣＮＴでのドーピング効果が最も高い。また、ドーパントは、強い求電子性もしくは求核性を示す、反応性の高い試薬であることが多い。単層構造のＣＮＴは多層よりも剛性が弱く、耐薬品性に劣るためにドーピング処理を施すと、ＣＮＴ自体の構造が破壊されてしまうことがある。よって本発明ではＣＮＴ集合体に含まれる２層構造又は３層構造を有するＣＮＴの個数に着目する。また、２層又は３層構造のＣＮＴの個数の和の比率が５０％未満であると、単層構造又は４層構造を有するＣＮＴの比率が高くなり、ＣＮＴ集合体全体としてドーピング効果が小さくなり、高導電率が得にくくなる。よって、２層又は３層構造のＣＮＴの個数の和の比率を上記範囲内の値とする。

ＣＮＴにドープされるドーパントは、導電性が向上すれば特に限定はないが、例えば硝酸、硫酸、ヨウ素、臭素、カリウム、ナトリウム、ホウ素及び窒素からなる群から選択される１つ以上の異種元素もしくは分子である。

また、ＣＮＴ束１１ａを構成するＣＮＴの最外層の外径は５．０ｎｍ以下であることが好ましい。ＣＮＴ束１１ａを構成するＣＮＴの最外層の外径が５．０ｎｍを超えると、ＣＮＴ間および最内層の隙間に起因する空孔率が大きくなり、導電性が低下してしまうため、好ましくない。したがって、ＣＮＴ束１１ａを構成するＣＮＴの最外層の外径を５．０ｎｍ以下とする。

また、ＣＮＴ線材１１（ＣＮＴ束１１ａ）の撚り数は、１０００Ｔ／ｍ以下であることが好ましい。ＣＮＴ線材１１の撚り数が１０００Ｔ／ｍを越えると、後述するカーボン用のはんだ４０が、撚りかけられた隣接するＣＮＴ束１１ａ同士の間に浸透しにくくなる。その結果、カーボン用のはんだ４０を介したＣＮＴ線材１１と基材２０との接続抵抗が高くなり、導電性が低下してしまうため、好ましくない。さらに、カーボン用のはんだ４０がＣＮＴ束１１ａ同士の間に浸透しにくいことにより、ＣＮＴ線材１１とカーボン系被覆層３０との接続界面においてはんだの存在量が少なくなる。その結果、カーボン用のはんだによる接着効果が弱くなり、ＣＮＴ線材１１とカーボン系被覆層３０との界面における強度低下（引きはがし強度の低下）が生じるため好ましくない。ＣＮＴ線材１１の撚り数は、ＣＮＴ線材１１と基材２０との接続抵抗及び引きはがし強度の観点からは、７００Ｔ／ｍ以下であることがより好ましく、５０～４００Ｔ／ｍ以下であることがさらに好ましく、８０Ｔ／ｍ以上２００Ｔ／ｍ以下であることがさらに好ましい。
またＣＮＴ線材１１（ＣＮＴ束１１ａ）の撚り線の本数は１０本以上２００本以下であることが好ましい。撚り線の本数が１０本以上２００本以下であることによりカーボン用のはんだ４０がＣＮＴ束１１ａ同士の間に浸透しやすくなり接着効果を高めることができる。
またＣＮＴ線材１１（ＣＮＴ束１１ａ）を構成する素線の直径は２０μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。素線の直径が２０μｍ以上１００μｍ以下であることによりカーボン用のはんだ４０がＣＮＴ束１１ａ同士の間に浸透しやすくなり接着効果を高めることができる。

（金属製の基材）
金属製の基材２０は、例えば、図示しない外部端子と電気的に接続される端子である。基材２０は、金属材料（銅、アルミニウム、鉄、またはこれらを主成分とする合金等）によって構成される。基材２０は、金属材料のみから構成されてもよく、或いは、導電性と強度を確保するために母材上に金属を主成分とするメッキ層を設けることによって構成されてもよい。

（カーボン系被覆層）
カーボン系被覆層３０は、カーボンを主成分として含有する。カーボン系被覆層３０に占めるカーボンは、７０重量％以上であることが好ましい。含有するカーボンとしては、特に制限はなく、例えば、カーボンブラック、グラファイト（人造黒鉛、鱗片状黒鉛、膨張化黒鉛）、グラフェン、カーボンナノフレーク、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、カーボンナノコーン、カーボンナノチューブ、カーボンナノコイル、カーボンマイクロコイル、カーボンナノウォール、カーボンナノチャプレット、フラーレン、ダイヤモンド、アモルファスカーボンおよびこれらの誘導体などが挙げられる。
本実施の形態において、カーボン系被覆層３０は、カーボンブラックまたはグラファイトを含有することが好ましく、カーボンブラックおよびグラファイト（なかでも膨張化黒鉛）を含有することがより好ましい。
また、カーボン系被覆層３０は、カーボン以外の導電性材料を含有してもよい。

カーボン系被覆層３０の厚さは、１μｍ以上８００μｍ以下であることが好ましい。カーボン系被覆層３０に含まれるカーボン成分は、その一部が、ＣＮＴ線材１１とカーボン系被覆層３０との接続に使用される後述のカーボン用のはんだ４０側へと移行する。カーボン系被覆層３０の厚さが１μｍ未満であると、上記カーボン成分の被覆層外への移行により、カーボン系被覆層３０の一部においてカーボン被覆がない露出部分が発生する。その結果、当該露出部分においては、カーボン用のはんだ４０との濡れ性が悪化し、ＣＮＴ線材１１と基材との接続抵抗が高くなるため好ましくない。一方、カーボン系被覆層３０の厚さが８００μｍを超えると、ＣＮＴ線材１１と基材２０との接続構造１の機械的特性は、カーボン系被覆層３０の機械的特性に支配されやすくなる。その結果、カーボン系被覆層３０を起点とする破壊（クラックの発生）が起こりやすくなり、引きはがし強度が低下するため好ましくない。カーボン系被覆層３０の厚さは、ＣＮＴ線材１１と基材２０との接続抵抗及び引きはがし強度の観点からは、１μｍ以上５００μｍ以下であることがより好ましく、２μｍ以上１０μｍ以下であることがさらに好ましい。

（カーボン用のはんだ）
カーボン用のはんだ４０は、カーボン素材に対して濡れ性の良いはんだである。カーボン用のはんだ４０としては、例えば、C-Solder(Cametics社製)が挙げられる。

以下、本発明の実施の形態に係る実施例について説明する。なお以下の実施例は、本発明に係る態様を説明する例示にすぎず、本発明は当該実施例に限定されるものではない。

（実施例１～１３及び比較例１～２）
金属製の基材として、銅製又はアルミニウム製の端子を使用した。この端子の表面にカーボンコーターEC-32010CC（日本電子株式会社製）を用いてカーボン系被覆層を形成した。被覆層にＣＮＴ線材（素線の直径０．１ｍｍ、素線密度１．８ｇ／ｃｍ^３、ＣＮＴ束の撚り本数１８本）を接触させた状態において、カーボン用のはんだ（C-Solder(Cametics社製)）を用いて、被覆層とＣＮＴ線材とを電気的に接続した。以上の方法により、カーボンナノチューブ線材と金属製の基材とを電気的に接続してなる接続構造を作製した。

次に、下記の方法によって接続構造の特性を評価した。

（ａ）接続抵抗率
ソースメータ（ケースレー２４００（Keithley社製））を用いて、端子と線材の間に電流０．１ｍＡを流したときの抵抗値を計測し、上記接続構造の接続抵抗値を計測した。測定は４サンプル行い、接続抵抗値の平均値を算出した。

（ｂ）引きはがし強度
マイクロオートグラフ（株式会社島津製作所製）を用い、端子と撚り線をそれぞれつかみ具で固定し、撚り線の長手方法に平行で、端子と撚り線を離す方向に試験速度試験速度０．０５ｍｍ／ｍｉｎで引きはがし試験を実施した。線材は１０ｃｍとした。測定は４サンプル実施し、引張試験強度の平均値を算出した。

（ｃ）腐食性
以下の手順で腐食処理を実施した。前記構造体に、５％塩化ナトリウム水溶液を試験温度３５℃で９６時間噴霧し、その後試験温度８０℃、湿度９５％で９６時間保持した。その後接続抵抗値を計測した。サンプルは４サンプル行い、接続抵抗値の平均値を算出した。
腐食処理後の接続抵抗値の平均値が、腐食処理前の接続抵抗値の２倍未満であるものは「○」、２倍以上１０倍未満のものは「△」とした。

上記実施例１～１３及び比較例１～２の測定及び評価結果を表１に示す。

表１に示すように、実施例１～１３の接続構造においては、ＣＮＴ線材と金属製の基材との間の接続抵抗が６５ｍΩ以下であり、良好な接続抵抗を示した。特にカーボン系被覆層の厚さが５００μｍ以下である実施例１～１２の接続構造においては、さらに良好な接続抵抗を示した。また、接続抵抗は、基材である端子として銅を使用したほうが良好であった。

また、実施例１～１２の接続構造においては、ＣＮＴ線材の引きはがし強度が２．４Ｎ以上であり、良好な引きはがし強度を示した。特にＣＮＴ線材の撚り数が５０Ｔ／ｍ以上４００Ｔ／ｍ以下である実施例２、５、８及び１１においては、さらに良好な引きはがし強度を示した。また、引きはがし強度は、基材である端子として銅を使用したほうが良好であった。

また、実施例１～１３の接続構造においては、腐食性がいずれも良好であった。

一方、表１に示すように、比較例１及び２の接続構造においては、接続抵抗が２００ｍΩ以上であり、高い接続抵抗を示した。比較例１及び２の接続構造は、カーボン系被覆層の厚さが１μｍ未満であり、ＣＮＴ線材とカーボン系被覆層との接続部分において、カーボン系被覆層の一部が剥がれる状態が発生した。その結果、当該部分においてカーボン用のはんだが濡れず、これが接続抵抗の増加に起因した。また、比較例１及び２の接続構造においては、引きはがし強度が１Ｎ未満であり、十分な接続強度が得られなかった。さらに、比較例１及び２の接続構造においては、腐食性が十分ではなかった。

１接続構造
１１ＣＮＴ線材
２０金属製基材
３０カーボン系被覆層
４０カーボン用はんだ

Claims

カーボンナノチューブ線材と、金属製の基材とを電気的に接続してなる接続構造であって、
前記基材に、厚さが１μｍ以上８００μｍ以下であるカーボン系被覆層が形成されており、
前記カーボンナノチューブ線材と前記基材とが、前記カーボン系被覆層を介して電気的に接続されていることを特徴とする接続構造。
前記カーボン系被覆層は、厚さが１μｍ以上５００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の接続構造。
前記カーボン系被覆層は、厚さが２μｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の接続構造。
前記カーボンナノチューブ線材と前記カーボン系被覆層とが、カーボン用のはんだによって電気的に接続されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の接続構造。
前記カーボンナノチューブ線材の撚り数が、１０００Ｔ／ｍ以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の接続構造。
前記カーボンナノチューブ線材の撚り数が、７００Ｔ／ｍ以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の接続構造。
前記カーボンナノチューブ線材の撚り数が、５０Ｔ／ｍ以上４００Ｔ／ｍ以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の接続構造。
前記カーボンナノチューブ線材の撚り数が、８０Ｔ／ｍ以上２００Ｔ／ｍ以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の接続構造。