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発表・掲載日:2015/07/07

カーボンナノチューブ集積化マイクロキャパシターを開発

-アルミ電解コンデンサーと同等の性能で体積を1/1000に-

ポイント

  • スーパーグロース法による高純度、高比表面積の単層カーボンナノチューブを電極材料に活用
  • リソグラフィー技術を用いて、マイクロキャパシターの集積化を初めて達成
  • 電解コンデンサーの代替、電子機器の軽薄小型化、超小型電子機器の電源への応用に期待


概要

 国立研究開発法人 産業技術総合研究所【理事長 中鉢 良治】(以下「産総研」という)ナノチューブ実用化研究センター【研究センター長 畠 賢治】CNT用途チーム【研究チーム長 山田 健郎】小橋 和文 主任研究員、ラスチェスカ カロリーナ アーズラ 産総研特別研究員(現:技術研究組合 単層CNT融合新材料研究開発機構 パートナー研究員)は、アルミ電解コンデンサーと同等な性能(作動電圧4 V、静電容量30 μF、充放電速度(緩和時定数)数 ms)を持ちながらも体積が1/1000となる超小型のカーボンナノチューブ(CNT)集積化マイクロキャパシターを開発した。

 キャパシター電極材料として有望な、スーパーグロース法で作製した高純度で比表面積の大きい単層CNTを用いて、リソグラフィーによるCNT膜電極微細加工技術と電極隔離技術を開発し、超小型で集積化されたキャパシターを開発した。今回開発したCNT集積化マイクロキャパシターは、アルミ電解コンデンサーの代替、電子機器の軽薄小型化、超小型電子機器の電源への応用が期待される。

 なお、この研究の詳細は、ドイツの学術誌Advanced Energy Materialsに近く掲載される。

アルミ電解コンデンサー(右)と同等の性能をもちながら体積が1/1000のCNT集積化マイクロキャパシター(左)の写真
アルミ電解コンデンサー(右)と同等の性能をもちながら体積が1/1000のCNT集積化マイクロキャパシター(左)


開発の社会的背景

 電子機器の発展は、トランジスタ、レジスターインダクターなどの構成部品の小型化によって達成されてきたが、アルミ電解コンデンサーだけはいまだにサイズが大きく、小型化が望まれている。アルミ電解コンデンサーは高速で充放電できるため、電子機器の回路の中で整流素子として主に使われてきた。一方で、キャパシターは、アルミ電解コンデンサーほど充放電は早くないが、容量が大きく寿命が長いため、無停電電源装置(UPS)やバックアップ電源などに使用されてきた。

 近年、CNTやグラフェンなどの比表面積が大きいナノカーボンを電極材料とした薄型のマイクロキャパシターが、アルミ電解コンデンサー並みの早さで充放電できることが分かり、アルミ電解コンデンサーを代替し、小型化することが期待されている。しかし、マイクロキャパシターは、単体では作動電圧が低いため、必要な作動電圧をもたせるには、複数のマイクロキャパシターを接続・集積化する必要がある。集積化を行うには、電極の微細加工や各電極の隔離などが課題であり、実現が困難であった。

研究の経緯

 産総研は、スーパーグロース法による単層CNTをキャパシターの電極に用いることで、従来の材料をしのぐ高エネルギー密度・高パワー密度を実現し(2010年1月4日産総研プレス発表)、高電圧・安定動作を実証してきた(2010年6月21日産総研主な研究成果)。また、スーパーグロース法、CNT高密度化法と、半導体のリソグラフィー技術を融合させて、CNTデバイスの集積化の研究開発に取り組んできた。その結果、3次元で複数のCNTが高密度に配向したCNTカンチレバーや3次元のCNT配線など(2008年5月5日産総研プレス発表)CNTデバイスの集積化を可能にするCNT微細加工技術が開発された。

 この優れたキャパシター特性を示すスーパーグロース単層CNTを電極材料とし、リソグラフィーによりCNT膜をキャパシター電極に微細加工する技術を開発することで、小型で軽量かつ高性能な、今回のCNT集積化マイクロキャパシターの開発に至った。

 なお、本研究開発は、国立研究開発法人 科学技術振興機構の戦略的創造研究推進事業チーム型研究(CREST)「プロセスインテグレーションによる機能発現ナノシステムの創製」研究領域の研究課題「自己組織プロセスにより創製された機能性・複合CNT素子による柔らかいナノMEMSデバイス」(平成20~25年度)の支援を受けて行った。

研究の内容

 今回開発したのは、集電体配線が載ったシリコン基板上のCNT膜をリソグラフィーによって、くし型マイクロキャパシター電極形状に微細加工する技術と、各CNT電極を直列で接続するための電極の隔離壁を構築する技術である。図1にCNT集積化マイクロキャパシターの製造法を示す。

リソグラフィー技術によるCNT集積化マイクロキャパシターの製造法の図
図1 リソグラフィー技術によるCNT集積化マイクロキャパシターの製造法

 8 mmx10 mmのシリコン基板上でこのCNTマイクロキャパシター100個を直列に接続し100 Vでの充放電動作を実証した。水系電解質を使用した場合、CNTマイクロキャパシター単体では1 Vまでしか充放電できないが、複数を直列に接続して集積化することで、小型で100 Vという高電圧で動作できる。さらに4インチシリコンウエハー上に4700個のCNTマイクロキャパシターを集積化し(図2)、リソグラフィーによる量産化の可能性を示すことができた。また、このCNT集積化マイクロキャパシターは、集積度、電極デザイン、直列並列といった接続様式の設計により、作動電圧、容量、出力、充放電速度が制御できる。

100個を直列接続して集積化したCNTマイクロキャパシター(左上)の100 V充放電動作の実証(左下)と4インチシリコンウエハー上に4700個を集積化したCNTマイクロキャパシター(右)写真と図
図2 100個を直列接続して集積化したCNTマイクロキャパシター(左上)の100 V充放電動作の実証(左下)と4インチシリコンウエハー上に4700個を集積化したCNTマイクロキャパシター(右)

 今回開発したCNT集積化マイクロキャパシターは、他のエネルギーデバイス(既存のキャパシター、マイクロキャパシター、アルミ電解コンデンサー、電池)と性能を比較しても(図3)、体積あたりのパワー密度(出力)とエネルギー密度(容量)を兼ね備えており、特にアルミ電解コンデンサーと比較すると、同等な出力をもちながらも体積は1/1000である。このCNT集積化マイクロキャパシターは、用途に応じて必要なスペックを満せる自由度の高い設計が可能であり、高性能エネルギーデバイスとして有望である。

CNT集積化マイクロキャパシターと他エネルギーデバイスの性能比較の図
図3 CNT集積化マイクロキャパシターと他エネルギーデバイスの性能比較

今後の予定

 今後は、電子機器関連の産業界、特にコンデンサー、キャパシター、電池、半導体メーカーに対してニーズ調査を行うとともに、この技術に興味を持った企業と連携した開発を行う。さらに、CNTマイクロキャパシターは集積度・電極デザインの設計により作動電圧、容量、出力、充放電速度を幅広く制御できることを明らかにしていくとともに、半導体バックエンドなどでの量産化技術の開発に取り組み、用途の開拓を進める予定である。



用語の説明

◆カーボンナノチューブ(CNT)
カーボンナノチューブは炭素原子だけからなり、直径が0.4~50 nm、長さが1~数10 µmの一次元性のナノ材料である。その化学構造はグラファイト層を丸めてつなぎ合わせたもので表され、層の数が1枚だけのものを単層カーボンナノチューブと呼び、グラファイト層の巻き方(らせん度)に依存して電子構造が金属的になったり半導体的になったりする。[参照元へ戻る]
◆キャパシター
電気二重層という、固体と液体との界面に正負のイオンが対となって層状に並ぶ現象を利用したエネルギー蓄積デバイスを電気二重層キャパシターと呼ぶ。充放電時には電解質イオンが移動し、電極に吸脱着するだけなので、化学反応を行う二次電池よりも急速充放電ができるという特長があり、また劣化も少ない。近年では、二次電池的な化学反応を伴うにもかかわらず、キャパシターのような急速充放電が可能な疑似キャパシターなど、さまざまなタイプの次世代キャパシターが開発されている。[参照元へ戻る]
◆スーパーグロース法
単層カーボンナノチューブの合成手法の一つである化学気相成長(CVD)法で、水分を極微量添加することにより、触媒の活性時間および活性度を大幅に改善した方法。従来の 500倍の長さに達する高効率成長、従来の2000倍の高純度単層カーボンナノチューブを合成することが可能である。さらに、配向性も高く、マクロ構造体も作製できる。[参照元へ戻る]
◆リソグラフィー
半導体製造の際にシリコンウエハーなどの基板上に微細なパターンを描画して加工する技術。レジストといわれるマスク材をシリコンウエハーなどに塗布して、露光・現像・エッチングすることによって微細加工する。[参照元へ戻る]
◆アルミ電解コンデンサー
高純度アルミ箔の表面に酸化皮膜を誘電体として形成したものを陽極とし、陰極引き出し用のアルミ箔、電解液を含んだ電解紙から構成されたコンデンサー。他のコンデンサーに比べ容量が大きく、電源回路の平滑用に主に使用される。[参照元へ戻る]
◆レジスター、インダクター
レジスターとは一定の電気抵抗値を得るために使用される受動素子で、電気回路用部品として電流の制限、電圧の分圧、時定数回路などに用いられる。インダクターとは流れる電流により形成される磁場にエネルギーを蓄えられる受動素子で、巻線コイルで構成されていて、アナログ回路や信号処理に広く用いられる。[参照元へ戻る]
◆整流素子
電流を一方向にだけ流す機能をもつ素子で、交流電力を直流電力に変換するのに用いられる。[参照元へ戻る]


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