JP7485082B2 - キャパシタ - Google Patents

Description

本発明は、キャパシタ、より詳細には、導電体－誘電体－導電体の構造を有し得るキャパシタに関する。

従来、垂直配向カーボンナノチューブ（Vertically aligned carbon nanotubes、以下、「ＶＡＣＮＴ」とも言う）は、電気二重層キャパシタの電極や、電界放出型冷陰極などに使用可能であることが知られている（例えば特許文献１～２参照）。

より詳細には、特許文献１～２には、触媒を付着させた合成基板上にＶＡＣＮＴを成長させた後、別途準備した導電性接着剤層（または導電性バインダー）を有する基材に対して、合成基板上のＶＡＣＮＴを接着剤層に押し付けて接着し、合成基板を剥離することによって、ＶＡＣＮＴを転写し、この結果、ＶＡＣＮＴが接着剤層を介して基材に固定された構造体を製造できることが開示されている。

特開２００４－１２７７３７号公報 特開２００４－２８１３８８号公報

ＶＡＣＮＴは、大きい比表面積を有する導電体である。よって、かかるＶＡＣＮＴを、導電体－誘電体－導電体の構造を有するキャパシタにおいて、一方の導電体（換言すれば誘電体の下地）として、または一方の導電体の下地として使用できれば、大きい容量が得られると考えられる。しかしながら、本発明者らの研究により、上述のような従来既知の方法によって、ＶＡＣＮＴが接着剤層（固定層）を介して基材に固定されているキャパシタを製造すると、キャパシタの製造過程および／またはユーザーによる使用中に印加され得る熱応力や機械応力によって、ＶＡＣＮＴが接着剤層（固定層）から剥離する現象が起こり得るという問題があることが判明した（より詳細には図７を参照して後述する）。ＶＡＣＮＴが接着剤層から剥離すると、キャパシタにおいて所望の容量が得られず、製品の不良および／または故障を招き、高い信頼性を得ることができない。

上記のような現象は、ＶＡＣＮＴに限られず、複数のファイバー状芯材が固定層を介して基材に固定されているキャパシタに共通して起こり得るものである。

本発明の目的は、複数のファイバー状芯材が固定層を介して基材に固定されているキャパシタであって、高い信頼性を有するキャパシタを実現することにある。

本発明の１つの要旨によれば、
基材と、
複数のファイバー状芯材と、
互いに対向する２つの主面を有し、一方の主面が前記基材の表面に接するように配置された固定層であって、前記複数のファイバー状芯材の一方の端部を埋設して固定する固定層と
を含み、
前記複数のファイバー状芯材の各々が、少なくとも前記一方の端部を（誘電体層から）露出させた状態で、誘電体層で（直接的または間接的に）被覆され、
前記誘電体層が導電体層で被覆され、
前記複数のファイバー状芯材のうち前記固定層に埋設された部分の長さが、前記複数のファイバー状芯材と前記固定層の他方の主面との接触部と、前記固定層の前記一方の主面との間の距離より大きい、キャパシタが提供される。

本発明の１つの態様において、前記複数のファイバー状芯材の各々において、前記誘電体層で被覆された部分と前記誘電体層から露出した部分との境界が、前記固定層の外部に位置する。

本発明の１つの態様において、前記複数のファイバー状芯材の各々が、ナノチューブまたはナノロッドであり得、好ましくは、カーボンナノチューブであり得る。

本発明の１つの態様において、前記基材の少なくとも前記表面が、金属から成り得る。

本発明の１つの態様において、前記導電体層が、前記誘電体層のうち前記複数のファイバー状芯材と反対側の表面の凹凸を埋めるように延在していてよい。

本発明の１つの態様において、前記複数のファイバー状芯材および前記固定層が、導電性を有していてよい。

本発明のもう１つの態様において、前記固定層の前記他方の主面および前記複数のファイバー状芯材のうち前記固定層に埋設されていない部分の表面が、別の導電体層で被覆されていてよく、および、
前記別の導電体層が、前記誘電体層および前記導電体層で順次被覆されていてよい。

本発明の１つの態様において、前記基材の前記表面が、凹凸を有し得る。

本発明のキャパシタは、基材と、複数のファイバー状芯材と、互いに対向する２つの主面を有し、一方の主面が前記基材の表面に接するように配置された固定層であって、前記複数のファイバー状芯材の一方の端部を埋設して固定する固定層とを含み、前記複数のファイバー状芯材の各々が、少なくとも前記一方の端部を露出させた状態で、誘電体層で被覆され、前記誘電体層が導電体層で被覆されている。そして、本発明のキャパシタにおいては、複数のファイバー状芯材のうち固定層に埋設された部分の長さが、複数のファイバー状芯材と固定層の前記他方の主面との接触部と、固定層の前記一方の主面との間の距離より大きく、これにより、複数のファイバー状芯材が固定層から剥離する現象を効果的に防止できる。すなわち、本発明によれば、複数のファイバー状芯材が固定層を介して基材に固定されているキャパシタであって、高い信頼性を有するキャパシタが実現される。

本発明の１つの実施形態における１つの例示的なキャパシタの概略断面模式図を示す。 本発明の１つの実施形態におけるもう１つの例示的なキャパシタの概略断面模式図を示す。 本発明の１つの実施形態における改変例のキャパシタの概略断面模式図を示す。 本発明のもう１つの実施形態における１つの例示的なキャパシタの概略断面模式図を示す。 本発明のもう１つの実施形態における改変例のキャパシタの概略断面模式図を示す。 本発明の更にもう１つの実施形態におけるキャパシタの概略断面模式図を示す。 本発明に対する比較の目的で本明細書にて説明された１つの例示的なキャパシタの概略断面模式図を示す。

本発明の３つの実施形態におけるキャパシタについて、以下、図面を参照しながら詳述するが、本発明はこれら実施形態に限定されない。

（実施形態１）
本実施形態は、複数のファイバー状芯材が、誘電体層で直接的に被覆されている態様に関する。

図１～２を参照して、本実施形態のキャパシタ２０は、
基材２と、
複数のファイバー状芯材３と、
互いに対向する２つの主面４ａ、４ｂを有し、一方の主面４ａが基材２の表面２ａに接するように配置された固定層４であって、複数のファイバー状芯材３の一方の端部Ｅ_ａを埋設して固定する固定層４と
を含む。本実施形態において、固定層４は、複数のファイバー状芯材３を基材２に対して垂直に配向した状態で固定するように、複数のファイバー状芯材３の一方の端部Ｅ_ａを埋設し得るが、このことは本発明に必須でない。

本実施形態のキャパシタ２０において、複数のファイバー状芯材３の各々は、少なくとも一方の端部Ｅ_ａを露出させた状態で（換言すれば、少なくとも一方の端部Ｅ_ａを除く部分において）、誘電体層５で、本実施形態では直接的に被覆される。そして、誘電体層５は、導電体層（第１導電体層）７で被覆される。よって、複数のファイバー状芯材３の一方の端部Ｅ_ａは、誘電体層５および導電体層７から露出し、かつ、固定層４に埋設されている。

本実施形態において、複数のファイバー状芯材３は導電性を有し（換言すれば、導電体であり）、固定層４および／または基材２を介して同一の電位または電圧にあり得る。よって、複数のファイバー状芯材３、誘電体層５および導電体層７により、導電体－誘電体－導電体の構造が形成される。かかる導電体－誘電体－導電体の構造は、いわゆるＭＩＭ構造（金属－絶縁体－金属の構造）に相応するものとして理解可能である。かかる構造を有するキャパシタ２０は、複数のファイバー状芯材３の大きい比表面積により、大きい容量を得ることができる。

加えて、本実施形態のキャパシタ２０は、複数のファイバー状芯材３のうち固定層４に埋設された部分（固定層埋設部）３ａの長さＬが、複数のファイバー状芯材と固定層の上記他方の主面４ｂとの接触部Ｘ（換言すれば、他方の主面４ｂを含む面におけるファイバー状芯材の断面）と、固定層４の上記一方の主面４ａとの間の距離Ｄより大きいことを特徴とする。接触部Ｘは、固定層４の他方の主面４ｂ上に位置することから、固定層の厚さｔが均一である場合には、接触部Ｘと主面４ａとの間の距離Ｄは、固定層の厚さｔに等しいと考えてよい。かかる特徴により、（距離Ｄひいては固定層４の厚さｔを大きくしなくても）複数のファイバー状芯材３と固定層４との間の接触面積を十分に大きくすること、更に、アンカー効果を得ることができて、これらの間の接着強度を高めることができる。このため、キャパシタ２０の製造過程および／またはユーザーによる使用中に熱応力や機械応力が印加されても、複数のファイバー状芯材３が固定層４から剥離する現象が起こることを効果的に防止でき、製品（キャパシタ２０）の不良および／または故障を効果的に低減できる。換言すれば、高い信頼性を有するキャパシタ２０を実現することができる。

本発明において、複数のファイバー状芯材のうち固定層に埋設された部分（本明細書において「固定層埋設部」とも言う）の長さＬが、複数のファイバー状芯材と固定層の他方の主面との接触部Ｘと、固定層の一方の主面との間の距離Ｄより大きいとは、下記の式（１）を満たすことを意味する。
Ｌ_ＡＶＥ－２σ ＞ Ｄ ・・・（１）
式中、各記号は下記の意味である。
Ｌ_ＡＶＥ：１００本のファイバー状芯材の固定層埋設部の長さの平均値
σ：１００本のファイバー状芯材の固定層埋設部の長さの標準偏差
Ｄ：１００本のファイバー状芯材と固定層の他方の主面との接触部と、固定層の一方の主面との間の距離の平均値（固定層の厚さｔが均一である場合には、距離Ｄに代えて、厚さｔを適用してよい）

１００本のファイバー状芯材の固定層埋設部の長さ、ならびに１００本のファイバー状芯材と固定層の他方の主面との接触部と、固定層の一方の主面との間の距離（以下、これらを総称して「１００本のファイバー状芯材の固定層埋設部の長さ等」とも言う）は、下記のようにして測定される。まず、固定層の厚さ方向断面を切り出すことによって、少なくとも１００本のファイバー状芯材を露出させる。これにより得られた断面を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で撮像し、このＳＥＭ写真から、上記のようにして露出したもののうち１００本のファイバー状芯材の固定層埋設部の長さを測定する。また、このＳＥＭ写真から、上記１００本のファイバー状芯材について、固定層の他方の主面との接触部（各ファイバー状芯材の他方の主面上の断面とし得る）を決定し、該接触部と固定層の一方の主面との間の距離を測定する。固定層の厚さが均一（または実質的に均一）である場合には、１００本のファイバー状芯材と固定層の他方の主面との接触部と、固定層の一方の主面との間の距離の測定を省略して、固定層の厚さを適用してよい。固定層の厚さは、上記で切り出した厚さ方向断面から、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を使用して測定される。固定層の厚さが均一でない場合、便宜的に、上記断面における最大厚さを適用してもよい。なお、「厚さ方向」とは、基材の表面（後述するように凹凸を有する場合はいわゆる主面）に対して垂直な方向を意味する。固定層の厚さ方向断面の切り出しおよびファイバー状芯材の固定層埋設部の長さ等の測定は、最終的に合計１００本のファイバー状芯材の固定層埋設部の長さ等を測定できれば特に限定されず、例えば、上記切り出しおよび長さ等の測定の組み合わせを１回で実施しても、複数回に分けて順次実施してもよい。

上記の式（１）を満たすことにより、統計学上、ファイバー状芯材の固定層埋設部の長さが正規分布に従うものと仮定すれば、「６８－９５－９９．７則」から、全てのファイバー状芯材のうち９７．５％（＝９５％＋５／２％）が、Ｌ＞Ｄを満たすものと理解される。このことから、複数のファイバー状芯材が固定層から剥離する現象が起こる確率、換言すれば、剥離に起因する（剥離により所望の容量が得られないことで生じる）製品の不良および／または故障の確率を２．５％以下にできるものと考えられる。

なお、本発明において、複数のファイバー状芯材３の固定層埋設部３ａの長さＬが、複数のファイバー状芯材３と固定層４の他方の主面４ｂとの接触部Ｘと、固定層４の一方の主面４ａとの間の距離Ｄより大きいとは、上記の式（１）を満たせばよく、キャパシタに存在する全てのファイバー状芯材３が、Ｌ＞Ｄを満たす必要はないことに留意されたい。

比較の目的で、図７に、複数のファイバー状芯材６３の固定層埋設部６３ａの長さＬ’が、複数のファイバー状芯材６３と固定層６４の他方の主面６４ｂとの接触部Ｘと、固定層６４の一方の主面６４ａとの間の距離Ｄ（固定層の厚さｔが均一である場合には、距離Ｄに代えて、厚さｔが適用され得る）より小さいキャパシタ６０を示す。かかるキャパシタ６０は、例えば特許文献１または２に記載されるような従来既知の方法を適用して製造され得る。キャパシタ６０では、キャパシタの製造過程および／またはユーザーによる使用中に印加され得る熱応力や機械応力によって、複数のファイバー状芯材６３が固定層６４から剥離する現象が起こり得、この結果、キャパシタ６０において所望の容量が得られず、製品の不良および／または故障を招き、高い信頼性を得ることができない。本発明者らの知見によれば、上記現象が起こる理由は、複数のファイバー状芯材６３が、固定層６４に対して垂直方向にのみ埋設されているためであると考えられる。複数のファイバー状芯材６３の固定層埋設部６３ａの長さＬ’が、複数のファイバー状芯材６３と固定層６４の他方の主面６４ｂとの接触部Ｘと、固定層６４の一方の主面６４ａとの間の距離Ｄより小さいキャパシタ６０において、複数のファイバー状芯材６３の剥離を防止するには、距離Ｄひいては固定層６４の厚さを大きくし、これにより、固定層埋設部６３ａと固定層６４との間の接触面積を大きくして、これらの間の接着強度を高めることが考えられる。しかしながら、この場合、距離Ｄひいては固定層６４の厚さが大きくなることで、キャパシタ６０のサイズ（より詳細には高さ）の増大を招き、キャパシタ６０の体積当たりの有効比表面積が犠牲になるという別の問題を招くこととなる。これは、市場要求である小型化（より詳細には低背化）に反するので好ましくない。

これに対して、本実施形態のキャパシタ２０（図１～２参照）は、上記特徴により、距離Ｄひいては固定層４の厚さｔを大きくしなくても、複数のファイバー状芯材３と固定層４との間の接触面積を十分に大きくすることができて、これらの間の接着強度を高めることができる。よって、体積あたりの有効比表面積を犠牲にすることなく、高い信頼性を有するキャパシタ２０を実現することができる。別の観点からみれば、高い静電容量密度が得られ、かつ、小型（より詳細には低背）のキャパシタ２０を実現することができる。

本実施形態のキャパシタ２０において、複数のファイバー状芯材３の端部Ｅａの各々が向いている方向は、図１に例示的に示すように揃っていても、図２に例示的に示すように揃っていなくても（ランダムであっても）よい。いずれの場合にも、複数のファイバー状芯材３の固定層埋設部３ａの長さは、実質的に同じであっても、異なっていても（長いものと短いものが混在していても）よい。なお、添付の図面においては、模式的に３つのファイバー状芯材３を示しているが、本実施形態はこれに限定されない。

本実施形態において、複数のファイバー状芯材３は、その長手方向（より詳細には、複数のファイバー状芯材３の固定層埋設部３ａを除く部分の長手方向）が、基材２に対して垂直に配向している。なお、「垂直」とは、基材の表面（いわゆる主面）に対して実質的に垂直（例えば±１５度以内の範囲、好ましくは±１０度以内の範囲）であることを意味する。なお、キャパシタに存在する全てのファイバー状芯材３が、基材の表面に対して垂直である必要はなく、比較的少ない割合のファイバー状芯材３は、湾曲、屈曲および／または傾斜等していてもよい。

ファイバー状芯材３（複数のファイバー状芯材３の各々）は、その長手方向寸法（長さ）が該長手方向に垂直な断面最大寸法に比して（好ましくは著しく）大きいもの、概略的には細長い糸状のもの、であれば特に限定されない。

ファイバー状芯材３の長さおよび断面最大寸法（略円形断面を有する場合は直径、以下も同様）は、特に限定されない。

ファイバー状芯材３の長さは、より長いほうが、面積あたりの容量密度を大きくできるので好ましい。ファイバー状芯材３の長さは、例えば、数μｍ以上、２０μｍ以上、５０μｍ以上、１００μｍ以上、５００μｍ以上、７５０μｍ以上、１０００μｍ以上、または２０００μｍ以上であり得る。ファイバー状芯材３の長さの上限は適宜選択され得るが、ファイバー状芯材の長さは、例えば、１０ｍｍ以下、５ｍｍ以下、または３ｍｍ以下であり得る。

ファイバー状芯材３の断面最大寸法は、例えば、０．１ｎｍ以上、１ｎｍ以上、または１０ｎｍ以上であり得る。ファイバー状芯材３の断面最大寸法は、１０００ｎｍ以下、８００ｎｍ以下、または６００ｎｍ以下であり得る。

隣接するファイバー状芯材３の間の距離は、より小さいほうが、面積あたりの容量密度を大きくできるので好ましい。隣接するファイバー状芯材３の間の距離は、例えば、１０ｎｍ以上１μｍ以下であり得る。

ファイバー状芯材３は、好ましくはナノファイバー（断面最大寸法がナノスケール（１ｎｍ以上１０００ｎｍ未満）のもの）である。ナノファイバーは、例えばナノチューブ（中空、好ましくは円筒状）またはナノロッド（中実、好ましくは円柱状）であってよい。導電性（半導電性を含む）を有するナノロッドは、ナノワイヤとも称される。

本発明に利用可能なナノファイバーとしては、特に限定されないが、カーボンナノファイバー、セルロースナノファイバー等が挙げられる。本発明に利用可能なナノチューブとしては、特に限定されないが、金属系ナノチューブ、有機系ナノチューブ、無機系ナノチューブ等が挙げられる。典型的には、ナノチューブは、カーボンナノチューブ、またはチタニアカーボンナノチューブであり得る。本発明に利用可能なナノロッド（ナノワイヤ）としては、特に限定されないが、シリコンナノワイヤ、銀ナノワイヤ等が挙げられる。

本実施形態に利用可能なファイバー状芯材３は、上述したもののうち、導電性を有するものである。導電性を有するファイバー状芯材３は、導電体－誘電体－導電体の構造において一方の導電体として機能し得る。

好ましくは、ファイバー状芯材３は、カーボンナノチューブである。カーボンナノチューブは、導電性および熱伝導性を有する。カーボンナノチューブは、強度および可撓性が高く、垂直に配向した状態を維持しやすい。

カーボンナノチューブのカイラリティは、特に限定されず、半導体型または金属型のいずれであってもよく、または、これらを混合して用いてもよい。抵抗値を低減する観点からは、金属型の比率が高いほうが好ましい。

カーボンナノチューブの層数は、特に限定されず、１層のＳＷＣＮＴ（single-walled carbon nanotube）または２層以上のＭＷＣＮＴ（multi-walled carbon nanotube）のいずれであってもよい。

カーボンナノチューブの製造方法は、特に限定されず、任意の適切な方法を利用してよい。

好ましくは、複数のファイバー状芯材３は、垂直配向カーボンナノチューブ（ＶＡＣＮＴ）である。ＶＡＣＮＴは、大きな比表面積を有し、合成基板上に垂直に配向した状態で成長させて製造できるという利点がある。

ＶＡＣＮＴの製造方法は、特に限定されず、化学気相成長法（ＣＶＤ）やプラズマ強化ＣＶＤなどを、必要に応じて加熱下にて用いることができる。この場合、触媒としては、鉄、ニッケル、白金、コバルト、またはこれらを含む合金などが用いられる。触媒を付着させる合成基板の材料は、特に限定されず、例えば、酸化シリコン、シリコン、ガリウム砒素、アルミニウム、ＳＵＳなどを用いることができる。合成基板に触媒を付着させる方法には、スパッタ、物理気相成長法（ＰＶＤ）などを使用でき、場合により、かかる技術を、リソグラフィやエッチングなどの技術と組み合わせてもよい。使用するガスは、特に限定されず、例えば一酸化炭素、メタン、エチレンおよびアセチレンからなる群より選択される少なくとも一種、あるいは、これらの少なくとも一種と水素および／またはアンモニアとの混合物などを用いることができる。触媒を付着させた合成基板上に、触媒を核としてＶＡＣＮＴが成長する。合成基板の触媒を付着させた側のＶＡＣＮＴの端は、合成基板に（一般的には触媒を介して）固定されている固定端であり、ＶＡＣＮＴの反対側の端が、成長点である自由端である。ＶＡＣＮＴの長さおよび径は、ガス濃度、ガス流量、温度等のパラメータに応じて異なり得る。即ち、これらのパラメータを適宜選択することにより、ＶＡＣＮＴの長さおよび径を調整することができる。所望される場合には、ＶＡＣＮＴを成長させる際の周囲雰囲気中に、水分を存在させてもよい。

しかしながら、本実施形態はこれに限定されず、複数のファイバー状芯材３は、例えば分散液中で一定方向に配向させて製造してもよい。

基材２は、互いに対向する表面２ａおよび裏面２ｂを有し、例えば板状（基板）、箔状、フィルム状、ブロック状などの形態であり得る。基材２の表面２ａおよび／または裏面２ｂは、平滑であっても凹凸を有していてもよい。基材２の表面２ａが、凹凸を有する場合、基材２ａと固定層４との間の接着強度を高めることができる。凹凸は、例えば表面処理（粗面化処理）により形成され得、好ましくは微細な凹凸であり得る。凹凸の寸法は特に限定されず、例えば±５μｍであり得る。

基材２の厚さは、特に限定されず、キャパシタ２０の用途により様々であり得る。

基材２を構成する材料は、特に限定されず、例えば金属等の導電性材料、セラミックや樹脂等の絶縁性（または比較的導電性が低い）材料であり得る。基材２は、一種の材料から成っていても、二種以上の材料の混合物から成っていても、二種以上の材料から構成される複合体であってもよい。例えば、基材２は、金属（例えばアルミニウムや銅等）から成る箔または板であってよい。また例えば、基材２は、絶縁性材料から成る支持材の表面側および／または裏面側に金属層を形成したものであってもよい。金属層は、例えば、原子層堆積法（ＡＬＤ）、スパッタ、塗布、メッキ等を用いて形成することができる。金属層は、面全体に亘って延在する層であっても、パターン形成されていてもよい。

基材２の表面２ａに固定層４が（一方の主面４ａが表面２ａに接するように）配置される。固定層４は、（本実施形態においては、複数のファイバー状芯材３を基材２に対して垂直に配向した状態で固定するように）複数のファイバー状芯材３の一方の端部Ｅａを埋設する。固定層４内において、複数のファイバー状芯材３の固定層埋設部３ａは任意の形状であり得、例えば湾曲および／または屈曲していてよい。複数のファイバー状芯材３の固定層埋設部３ａは、基材２に接触していても、いなくてもよい。複数のファイバー状芯材３の固定層埋設部３ａは、互いに接触および／または絡み合っていても、いなくてもよいが、互いに接触および／または絡み合っている場合には、上記剥離現象をより一層効果的に防止できる。

固定層４の厚さｔは、好ましくは１μｍ以上１００μｍ以下、より好ましくは５μｍ以上５０μｍ以下であり得、距離Ｄも同様であり得る。

固定層４を構成する材料は、特に限定されないが、任意の適切な硬化性材料（いわゆる接着剤）であり得る。固定層４は、複数のファイバー状芯材３を（本実施形態においては、基材２に対して垂直に配向した状態で）接着する接着層としても理解され得る。

本発明に利用可能な硬化性材料は、熱、光、放射線、湿気等で硬化可能な材料であり得、好ましくは熱硬化性材料である。硬化性材料は、既知の接着剤や接着ペーストであり得、導電性フィラーを含んでいても、いなくてもよい。

本実施形態において、固定層４は導電性を有することが好ましい。複数のファイバー状芯材３および固定層４が導電性を有することにより、複数のファイバー状芯材３を確実に同一の電位または電圧にすることができる。

固定層４が導電性を有する場合、固定層４を構成する材料として、導電性の硬化性材料が選択される。

導電性の硬化性材料としては、導電性フィラーを任意の適切な硬化性樹脂／高分子に分散させせたものや、導電性かつ硬化性の樹脂／高分子などが挙げられる。前者の例としては、金、銀、ニッケル、銅、錫もしくはパラジウム等の金属フィラーまたはカーボンフィラーを、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂、ポリウレタン樹脂等の樹脂に分散させた材料が挙げられる。後者の例としては、例えば、ポリピロール、ポリピロール誘導体、ポリアニリン、ポリアニリン誘導体、ポリチオフェン、ポリチオフェン誘導体等が挙げられる。

硬化性材料は、ペースト状、シート状、ゲル状または液状であり得る。複数のファイバー状芯材３の間隙に硬化性材料を導入しやすいように、液状またはゲル状の硬化性材料、あるいは加熱時に粘度が一旦低下して液状またはゲル状になり得る熱硬化性材料が好ましい。

複数のファイバー状芯材３を（本実施形態においては、基材２に対して垂直に配向した状態で）固定するように、複数のファイバー状芯材３の一方の端部Ｅａを固定層４に埋設する方法は、特に限定されず、任意の適切な方法を適用し得る。

より詳細には、複数のファイバー状芯材３としてＶＡＣＮＴ（可撓性である）を用いる場合、例えば、以下の埋設方法１～３のいずれかを適用してよい。

・埋設方法１
（１－ａ）まず、上述したように、ＶＡＣＮＴを合成基板上に成長させる。
（１－ｂ）別途、基材２の表面２ａ上に硬化性材料を適切な厚さで塗布する。
（１－ｃ）上記（１－ａ）で合成基板上に成長させたＶＡＣＮＴと、上記（１－ｂ）で表面２ａに硬化性材料を塗布した基材２とを、ＶＡＣＮＴの自由端と硬化性材料とが対向し、かつ、ＶＡＣＮＴの長手方向が基材２に対して垂直になるように配置する。
（１－ｄ）そして、ＶＡＣＮＴ付きの合成基板を、基材２に向かって押圧する。このとき、実質的に真っすぐに成長したＶＡＣＮＴの元の長さより、ＶＡＣＮＴの固定端が位置する合成基板表面と基材２の表面２ａとの間の距離が小さくなるように押圧することで、ＶＡＣＮＴが硬化性材料内に押圧挿入され、かつ、ＶＡＣＮＴの自由端（端部Ｅａ）が基材２の表面２ａと接触して硬化性材料内にて曲げられる。この結果、複数のファイバー状芯材３（ＶＡＣＮＴ）の端部Ｅａの各々が向いている方向はランダムになり得る。
（１－ｅ）上記（１－ｄ）の状態で、硬化性材料を硬化させて固定層４を形成する。
（１－ｆ）その後、合成基板を剥離する。

・埋設方法２
（２－ａ）まず、上述したように、ＶＡＣＮＴを合成基板上に成長させる。
（２－ｂ）別途、基材２の表面２ａ上に硬化性材料を適切な厚さで塗布する。
（２－ｃ）上記（２－ａ）で合成基板上に成長させたＶＡＣＮＴと、上記（ｂ）で表面２ａに硬化性材料を塗布した基材２とを、ＶＡＣＮＴの長手方向が基材２に対して垂直であるが、ＶＡＣＮＴの自由端が硬化性材料を塗布した基材２の側方に位置するように配置する。このとき、実質的に真っすぐに成長したＶＡＣＮＴの元の長さより、ＶＡＣＮＴの固定端が位置する合成基板表面と基材２の表面２ａとの間の距離が小さくなるようにする。
（２－ｄ）そして、ＶＡＣＮＴ付きの合成基板を、基材２に対して平行にスライドさせる。このとき、実質的に真っすぐに成長したＶＡＣＮＴの元の長さより、ＶＡＣＮＴの固定端が位置する合成基板表面と基材２の表面２ａとの間の距離が小さい状態でスライドされるので、ＶＡＣＮＴが硬化性材料内にスライド挿入され、かつ、ＶＡＣＮＴの自由端（端部Ｅａ）近傍の側面が基材２の表面２ａと接触して硬化性材料内にて曲げられる。この結果、複数のファイバー状芯材３（ＶＡＣＮＴ）の端部Ｅａの各々が向いている方向はスライド方向に揃い得る。
（２－ｅ）上記（２－ｄ）の状態で、硬化性材料を硬化させて固定層４を形成する。
（２－ｆ）その後、合成基板を剥離する。

・埋設方法３
（３－ａ）まず、上述したように、ＶＡＣＮＴを合成基板上に成長させる。
（３－ｂ）上記（３－ａ）で合成基板上に成長させたＶＡＣＮＴと、基材２とを、ＶＡＣＮＴの長手方向が基材２に対して垂直であるが、ＶＡＣＮＴの自由端が基材２の側方に位置するように配置する。このとき、実質的に真っすぐに成長したＶＡＣＮＴの元の長さより、ＶＡＣＮＴの固定端が位置する合成基板表面と基材２の表面２ａとの間の距離が小さくなるようにする。
（３－ｃ）そして、ＶＡＣＮＴ付きの合成基板を、基材２に対して平行にスライドさせる。このとき、実質的に真っすぐに成長したＶＡＣＮＴの元の長さより、ＶＡＣＮＴの固定端が位置する合成基板表面と基材２の表面２ａとの間の距離が小さい状態でスライドされるので、ＶＡＣＮＴの自由端（端部Ｅａ）近傍の側面が基材２の表面２ａと接触して曲げられる。この結果、複数のファイバー状芯材３（ＶＡＣＮＴ）の端部Ｅａの各々が向いている方向はスライド方向に揃い得る。
（３－ｄ）上記（３－ｃ）の状態で、基材２の表面２ａ上に硬化性材料を適切な厚さで流し込む。この結果、ＶＡＣＮＴの端部Ｅａが硬化性材料内に沈められる。
（３－ｅ）上記（３－ｄ）の状態で、硬化性材料を硬化させて固定層４を形成する。
（３－ｆ）その後、合成基板を剥離する。

上述した埋設方法１～３は、いずれも、ＶＡＣＮＴの自由端が端部Ｅａとして固定層４内に埋設され、ＶＡＣＮＴの固定端が固定層４の外部に配置される。ＶＡＣＮＴの固定端は、元々、同一面上に存在していたものであるので、基材２の表面２ａから均一な高さに存在することとなる。換言すれば、基材２の面内における、複数のファイバー状芯材の高さのバラつきを小さくする（好ましくは均一にする）ことができる。

本実施形態において、複数のファイバー状芯材３、基材２および固定層４の各々を構成する材料は、固定層４、誘電体層５および導電体層７を形成する方法（温度等の条件を含む）、ならびにキャパシタ２０の用途等に応じて適宜選択され得る。

複数のファイバー状芯材３として、カーボンナノチューブなどの熱伝導性物質を用い、かつ、熱硬化性材料を用いて固定層４を加熱形成する場合、基材２は、少なくとも表面２ａが金属から成ることが好ましい。複数のファイバー状芯材３が熱伝導性を有すると、放熱性が高くなるが、基材２の少なくとも表面２ａを金属で構成することで、基材２の表面２ａに配置される熱硬化性材料を均一に加熱できて、安定した加熱硬化を実現できる。その結果、これにより形成される固定層４の面内における、複数のファイバー状芯材３の接着強度のバラつきを低減する（好ましくは均一にする）ことができる。少なくとも表面２ａが金属から成る基材２は、基材２の全部が金属から成っていても（例えば金属箔または金属板）、表面２ａにおいて金属層を有していてもよい。

再び図１～２を参照して、複数のファイバー状芯材３の各々は、固定層埋設部３ａを除く部分において、誘電体層５で被覆され、そして、誘電体層５は導電体層７で被覆される。

別の観点からみれば、複数のファイバー状芯材３の各々において、誘電体層５で被覆された部分と誘電体層５から露出した部分との境界が、固定層４の内部に存在せず、よって、固定層４の外部（表面上であってもよい）に位置する。本実施形態では、複数のファイバー状芯材３の各々において、誘電体層５で被覆された部分と誘電体層５から露出した部分との境界が、固定層４の外表面と同一面上に位置する。

誘電体層５の厚さは、５ｎｍ以上が好ましく、１０ｎｍ以上がより好ましい。誘電体層の厚みを５ｎｍ以上とすることにより、誘電性を高めることができ、漏れ電流を小さくすることが可能になる。また、誘電体層５の厚さは、１００ｎｍ以下が好ましく、５０ｎｍ以下がより好ましい。誘電体層５の厚さを１００ｎｍ以下とすることにより、より大きな静電容量を得ることが可能になる。

誘電体層５を構成する誘電性材料（または絶縁性材料）としては、特に限定されないが、例えば、二酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化シリコン、酸化タンタル、酸化ハフニウム、チタン酸バリウム、ジルコン酸チタン酸鉛等が挙げられる。これらは単独で用いてもよく、２種以上を（例えば積層して）用いてもよい。

誘電体層５の成膜法は、特に限定されず、ＡＬＤ、スパッタ、ＣＶＤ、ＰＶＤ、ゾルゲル法、超臨界流体を用いた成膜法等を用いることができる。

導電体層７の厚さは、例えば３ｎｍ以上、好ましくは１０ｎｍ以上であり得る。導電体層７の厚さを３ｎｍ以上とすることにより、導電体層７自体の抵抗値を小さくすることができる。また、導電体層７の厚さは、例えば５００ｎｍ以下、特に１００ｎｍ以下であり得る。本実施形態において、導電体層７には、図示するように、複数のファイバー状芯材３の間の空間に対応する空隙（または第１トレンチ構造）が設けられ得る。しかしながら、導電体層７の厚さは、後述する改変例のように、より厚いものであってもよい。

導電体層７を構成する導電性材料としては、特に限定されないが、例えば金属、導電性高分子などであってよい。これらは単独で用いてもよく、２種以上を用いてもよい。金属は、銀、金、銅、白金、アルミニウム、またはこれらの少なくとも２種を含む合金が挙げられる。導電性高分子としては、ＰＥＤＯＴ（ポリエチレンジオキシチオフェン）、ＰＰｙ（ポリピロール）、ＰＡＮＩ（ポリアニリン）などが挙げられ、これらは、適宜、有機スルホン酸系化合物、例えばポリビニルスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリアリルスルホン酸、ポリアクリルスルホン酸、ポリメタクリルスルホン酸、ポリ－２－アクリルアミド－２－メチルプロパンスルホン酸、ポリイソプレンスルホン酸などのドーパントがドープされ得る。導電体層７は、導電性材料が異なる複数の層の積層体であってもよい。

導電体層７の成膜法は、特に限定されず、ＡＬＤ、スパッタ、ＣＶＤ、塗布、メッキ等を用いることができる。

以上により、本実施形態のキャパシタ２０は製造可能であるが、これに限定されない。

本実施形態のキャパシタ２０は、複数のファイバー状芯材３、誘電体層５および導電体層７により、導電体－誘電体－導電体の構造を有する。複数のファイバー状芯材３と、導電体層７とは、互いに直接接触せず、誘電体層５を介して対向する。本実施形態のキャパシタ２０において、複数のファイバー状芯材３および導電体層７は、任意の適切な態様で、それぞれ外部に電気的に接続される。

例えば、固定層４が導電性を有し、かつ、基材２の全部が金属から成ることが好ましい。これにより、複数のファイバー状芯材３から、固定層４を通じて、基材２（例えば裏面２ｂ）から容易にコンタクトを取ることができる。基材２の全部が金属から成ることにより、キャパシタ２０の抵抗値を低減することができ、更に、高い耐熱性が得られる。

また例えば、固定層４が導電性を有し、かつ、基材２がその表面２ａに金属層を備えていてよい。これにより、複数のファイバー状芯材３から、固定層４を通じて、基材２の表面２ａの金属層からコンタクトを取ることができる。金属層は、パターン形成された配線および／または電極であってよい。場合により、基材２は、裏面２ｂに金属層を更に備えていてもよく、表面２ａの金属層と裏面２ｂの金属層は、例えばビア等により、電気接続されていてよい。

しかしながら、これらの例に限定されず、複数のファイバー状芯材３が基材２の表面２ａに接触している場合には、固定層４は必ずしも導電性でなくてよい。この場合、固定層４を構成する材料は、例えばアクリル系非導電性接着剤やエポキシ系の非導電性接着剤であり得る。

他方、導電体層７は、その露出表面からコンタクトを取ることができる。例えば、導電体層７は、必要に応じて配線を介して、外部電極に接続され得る。

また例えば、導電体層７のうち複数のファイバー状芯材３の他方の端部Ｅ_ｂに対応する頂部に接触して、追加の導電層（図示せず）を配置して、該追加の導電層からコンタクトを取ってもよい（この場合、上記空隙が残存していてよい）。かかる追加の導電層は、例えば導電性ペーストから形成されてよい。導電性ペーストは、特に限定されず、既知の導電性ペーストを使用でき、例えばカーボンペースト、銀ペーストなどであり得る。必要に応じて、かかる追加の導電層を、導電体層７と反対側にて樹脂層（図示せず）で被覆してよい。樹脂層は、キャパシタ２０の素子構造（導電体－誘電体－導電体の構造）を封止する外装樹脂であり得る。樹脂層は、任意の適切な樹脂材料から形成され得る。樹脂材料は、特に限定されず、既知の封止用樹脂材料を使用でき、例えば、熱硬化性エポキシ樹脂に、シリカなどの微粒子を分散させたものであり得る。

本実施形態のキャパシタ２０は、種々の改変が可能である。例えば図３に示すキャパシタ２０’のように、導電体層７’が、誘電体層５のうち複数のファイバー状芯材３と反対側の表面の凹凸を埋めるように延在していてよい。この場合、導電体層７’からより容易にコンタクトを取ることができる。

（実施形態２）
本実施形態は、複数のファイバー状芯材が、誘電体層で間接的に被覆されている態様に関する。本実施形態において特に断りのない限り、実施形態１における説明が本実施形態にも当て嵌まり得る。

図４を参照して、本実施形態のキャパシタ３０において、複数のファイバー状芯材３の各々は、少なくとも一方の端部Ｅ_ａを露出させた状態で（換言すれば、少なくとも一方の端部Ｅ_ａを除く部分において）、誘電体層５で、本実施形態では間接的に（別の導電体層９を介在させて）被覆される。そして、誘電体層５は、導電体層（第１導電体層）７で被覆される。

より詳細には、本実施形態のキャパシタ３０において、固定層４のうち基材２と反対側の表面および複数のファイバー状芯材３のうち固定層４に埋設されていない部分の表面が、別の導電体層（第２導電体層）９で被覆され、および、
別の導電体層（第２導電体層）９が、誘電体層５および導電体層（第１導電体層）７で順次被覆されている。

本実施形態において、第２導電体層９、誘電体層５および第１導電体層７により、導電体－誘電体－導電体の構造が形成される。かかる導電体－誘電体－導電体の構造は、いわゆるＭＩＭ構造（金属－絶縁体－金属の構造）に相応するものとして理解可能である。かかる構造を有するキャパシタ３０は、複数のファイバー状芯材３の大きい比表面積により、その上に存在する第２導電体層９も大きい比表面積を有するので、大きい容量を得ることができる。複数のファイバー状芯材３は、導電性を有していても、有していなくてもよい。複数のファイバー状芯材３が導電性を有していても、導電性が低い場合、第２導電体層９を設けることにより、第２導電体層９がない場合に比べて、キャパシタ３０の抵抗値を低減することができる。複数のファイバー状芯材３が、導電性を有してない場合、複数のファイバー状芯材３は、第２導電体層９の下地として機能する。

再び図４を参照して、複数のファイバー状芯材３の各々は、固定層埋設部３ａを除く部分において、第２導電体層９で被覆され、第２導電体層９は誘電体層５で被覆され、そして、誘電体層５は第１導電体層７で被覆される。

別の観点からみれば、複数のファイバー状芯材３の各々において、誘電体層５で被覆された部分と誘電体層５から露出した部分との境界が、固定層４の内部に存在せず、よって、固定層４の外部に位置する。本実施形態では、複数のファイバー状芯材３の各々において、誘電体層５で被覆された部分と誘電体層５から露出した部分との境界が、固定層４の外表面よりも外側に位置する。

第２導電体層９の厚さは、例えば３ｎｍ以上、好ましくは１０ｎｍ以上であり得る。第２導電体層９の厚さを３ｎｍ以上とすることにより、第２導電体層９自体の抵抗値を小さくすることができる。また、第２導電体層９の厚さは、例えば５００ｎｍ以下、特に１００ｎｍ以下であり得る。

第２導電体層９を構成する導電性材料としては、特に限定されないが、第１導電体層７について実施形態１にて上述したものから選択され得る。第２導電体層９を構成する導電性材料は、第１導電体層７を構成する導電性材料と同じであっても、異なっていてもよい。

本実施形態のキャパシタ３０は、実施形態１にて上述したキャパシタ２０の製造方法において、複数のファイバー状芯材３の一方の端部Ｅａを固定層４に埋設して固定した後、かつ、誘電層５を成膜する前に、第２導電体層９を成膜することにより製造してよい。第２導電体層９の成膜法は、特に限定されず、ＡＬＤ、スパッタ、ＣＶＤ、塗布、メッキ等を用いることができる。

本実施形態のキャパシタ３０は、第２導電体層９、誘電体層５および第１導電体層７により、導電体－誘電体－導電体の構造を有する。第２導電体層９と、第１導電体層７とは、互いに直接接触せず、誘電体層５を介して対向する。本実施形態のキャパシタ３０において、第２導電体９および第１導電体層７は、任意の適切な態様で、それぞれ外部に電気的に接続される。

例えば、固定層４が導電性を有し、かつ、基材２の全部が金属から成ることが好ましい。これにより、第２導電体層９から、固定層４を通じて、基材２（例えば裏面２ｂ）から容易にコンタクトを取ることができる。基材２の全部が金属から成ることにより、キャパシタ２０の抵抗値を低減することができ、更に、高い耐熱性が得られる。

また例えば、固定層４が導電性を有し、かつ、基材２がその表面２ａに金属層を備えていてよい。これにより、第２導電体層９から、固定層４を通じて、基材２の表面２ａの金属層からコンタクトを取ることができる。金属層は、パターン形成された配線および／または電極であってよい。場合により、基材２は、裏面２ｂに金属層を更に備えていてもよく、表面２ａの金属層と裏面２ｂの金属層は、例えばビア等により、電気接続されていてよい。

しかしながら、これらの例に限定されず、第２導電体層９から直接的にコンタクトを取ってよい。第２導電体層９は、必要に応じて配線を介して、外部電極に接続され得る。この場合、固定層４および基材２は必ずしも導電性でなくてよい。

他方、第１導電体層７は、実施形態１にて上述したものと同様にして、その露出表面からコンタクトを取っても、追加の導電層を介してコンタクトを取ってもよい。

本実施形態のキャパシタ３０は、種々の改変が可能である。例えば図５に示すキャパシタ３０’のように、第１導電体層７’が、誘電体層５のうち複数のファイバー状芯材３（および第２導電体層９）と反対側の表面の凹凸を埋めるように延在していてよい。

（実施形態３）
本実施形態は、複数のファイバー状芯材が、基材に対して必ずしも垂直に配向していない態様に関する。本実施形態において特に断りのない限り、実施形態１または２における説明が本実施形態にも当て嵌まり得る。

図６を参照して、本実施形態のキャパシタ２０’’において、複数のファイバー状芯材３が、基材２に対して垂直に配向していないファイバー状芯材を含む。換言すれば、固定層４は、複数のファイバー状芯材３を基材２に対して任意の状態で固定しつつ、複数のファイバー状芯材３の一方の端部Ｅ_ａを埋設していてよい。例えば、複数のファイバー状芯材３のうち、少なくとも一部のファイバー状芯材３は、基材２から露出した部分（固定層埋設部３ａを除く部分）において、真っすぐでなくてよく、例えば、湾曲、屈曲および／または傾斜等していてよい。また、例えば、複数のファイバー状芯材３のうち、任意の２つ以上のファイバー状芯材３が、基材２から露出した部分（固定層埋設部３ａを除く部分）において、互いに接触（または交差）していてよい。複数のファイバー状芯材３の他方の端部Ｅ_ｂの高さ（例えば基材２の表面からの高さ）は、実質的に均一であっても、均一でなくても（揃っていなくても）よい。

本実施形態においても、複数のファイバー状芯材３の各々は、少なくとも一方の端部Ｅ_ａを露出させた状態で（換言すれば、少なくとも一方の端部Ｅ_ａを除く部分において）誘電体層５で被覆され、そして、誘電体層５は導電体層（第１導電体層）７で被覆される。例えば上述のように、複数のファイバー状芯材３のうち、任意の２つまたはそれ以上のファイバー状芯材３が、基材２から露出した部分（固定層埋設部３ａを除く部分）において、互いに接触（または交差）している場合には、接触点およびその近傍では、２つまたはそれ以上のファイバー状芯材３の接触点のまわりに誘電体層５および導電体層７が成膜される。

本実施形態においても、複数のファイバー状芯材３、誘電体層５および導電体層７により、導電体－誘電体－導電体の構造（いわゆるＭＩＭ構造に相応する）が形成され、本実施形態のキャパシタ２０’’は、キャパシタとして動作できる。

以上、本実施形態の特徴について、例示的に、図１～図２を参照して上述した実施形態１を改変した場合として図６を参照して説明したが、本実施形態の特徴は、図３を参照して上述した実施形態１の改変例、図４を参照して上述した実施形態２、および図５を参照して上述した実施形態２の改変例と組み合わせてもよい。

本発明のキャパシタは、任意の適切な用途に利用され得るが、例えば、キャパシタの製造過程および／またはユーザーによる使用中に熱応力や機械応力が加えられ得る場合にも好適に利用され得る。本発明のキャパシタは、体積当たりの有効比表面積が大きく、小型化（より詳細には低背化）が要求される場合に好適に利用され得る。

本願は、２０２０年１１月１９日付けで日本国にて出願された特願２０２０－１９２３４２に基づく優先権を主張し、その記載内容の全てが、参照することにより本明細書に援用される。

２ 基材
２ａ 表面
２ｂ 裏面
３ ファイバー状芯材
３ａ 固定層埋設部
４ 固定層
４ａ、４ｂ 主面
５ 誘電体層
７、７’ 導電体層（第１導電体層）
９ 別の導電体層（第２導電体層）
２０、２０’、２０’’、３０、３０’ キャパシタ
Ｅ_ａ、Ｅ_ｂ 端部
Ｌ 長さ
Ｄ 距離
Ｘ 接触部
ｔ 厚さ

Claims (9)

1. 基材と、
   複数のファイバー状芯材と、
   互いに対向する２つの主面を有し、一方の主面が前記基材の表面に接するように配置された固定層であって、前記複数のファイバー状芯材の一方の端部を埋設して固定する固定層と
   を含み、
   前記複数のファイバー状芯材の各々が、少なくとも前記一方の端部を露出させた状態で、誘電体層で被覆され、
   前記誘電体層が導電体層で被覆され、
   前記複数のファイバー状芯材のうち前記固定層に埋設された部分の長さが、前記複数のファイバー状芯材と前記固定層の他方の主面との接触部と、前記固定層の前記一方の主面との間の距離より大きい、キャパシタ。
2. 前記複数のファイバー状芯材の各々において、前記誘電体層で被覆された部分と前記誘電体層から露出した部分との境界が、前記固定層の外部に位置する、請求項１に記載のキャパシタ。
3. 前記複数のファイバー状芯材の各々が、ナノチューブまたはナノロッドである、請求項１または２に記載のキャパシタ。
4. 前記複数のファイバー状芯材の各々が、カーボンナノチューブである、請求項１～３のいずれかに記載のキャパシタ。
5. 前記基材の少なくとも前記表面が、金属から成る、請求項１～４のいずれかに記載のキャパシタ。
6. 前記導電体層が、前記誘電体層のうち前記複数のファイバー状芯材と反対側の表面の凹凸を埋めるように延在している、請求項１～５のいずれかに記載のキャパシタ。
7. 前記複数のファイバー状芯材および前記固定層が、導電性を有する、請求項１～６のいずれかに記載のキャパシタ。
8. 前記固定層の前記他方の主面および前記複数のファイバー状芯材のうち前記固定層に埋設されていない部分の表面が、別の導電体層で被覆され、および、
   前記別の導電体層が、前記誘電体層および前記導電体層で順次被覆されている、請求項１～６のいずれかに記載のキャパシタ。
9. 前記基材の前記表面が、凹凸を有する、請求項１～８のいずれかに記載のキャパシタ。

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