(57)【要約】【課題】本発明は、有機複合材料ダイオードに関し、特にカーボンナノチューブを含む有機複合材料からなるダイオードに関するものである。【解決手段】有機複合材料ダイオードは、複数のカーボンナノチューブを含む有機複合材料層、該有機複合材料層に間隔を置いて設置され、それぞれ、該有機複合材料層と電気的に接続された第一電極と第二電極及び、前記有機複合材料層の表面に設置され、一部の有機複合材料層を被覆する圧力層を含む。前記第一電極が前記圧力層に被覆された有機複合材料層と電気的に接続され、前記第二電極が前記圧力層に被覆されない有機複合材料層と電気的に接続される。【選択図】図１
2010021553.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のカーボンナノチューブを含む有機複合材料層及び、該有機複合材料層に間隔を置いて設置され、それぞれ、該有機複合材料層と電気的に接続された第一電極と第二電極を含む有機複合材料ダイオードにおいて、
前記有機複合材料層の表面に設置され、一部の有機複合材料層を被覆する圧力層を含み、
前記第一電極が前記圧力層に被覆された有機複合材料層と電気的に接続され、
前記第二電極が前記圧力層に被覆されない有機複合材料層と電気的に接続されていることを特徴とする有機複合材料ダイオード。
【請求項２】
前記圧力層の材料が、金属、ガラス、セラミックス又は高分子重合体であることを特徴とする、請求項１に記載の有機複合材料ダイオード。
【請求項３】
前記有機複合材料ダイオードが、前記圧力層と前記有機複合材料層との間に設置された絶縁層を含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の有機複合材料ダイオード。
【請求項４】
前記カーボンナノチューブが、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ及び多層カーボンナノチューブのいずれか一種または多種であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の有機複合材料ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機複合材料ダイオードに関し、特にカーボンナノチューブを含む有機複合材料からなるダイオードに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
カーボンナノチューブ（Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏｔｕｂｅ，  ＣＮＴ）は、新型のカーボン材料であり、日本の研究員の飯島澄男よって１９９１年に発見された（非特許文献１を参照）。その後、カーボンナノチューブは、科学界及び産業界から重視され、研究がなされている。カーボンナノチューブは、六員環からなるグラフェン構造を巻き、形成された同心円筒のものである。カーボンナノチューブは、直径とカイラリティによって、金属性又は半導体性を有する。カーボンナノチューブは、優れた力学性能を持ち、強度が鋼より１００倍高く、比重が鋼の僅か１／６である。そのほかに、カーボンナノチューブは電磁波を吸収する特性を持つので、電気磁気妨害あるいは電磁波を吸収する材料などの領域に応用されることができる。特に、カーボンナノチューブと重合体との複合材料は、Ａｊａｙａｎ等によって初めて報告されてから、もう世界的に科学研究が活発に行われている（非特許文献２を参照）。カーボンナノチューブと重合体とを複合することによって、各々の材料の優れた性質を補い合うことあるいは強化することを実現することができ、カーボンナノチューブの独特な性能を有効に利用することができる。前記複合材料は、カーボンナノチューブを含むので、該複合材料の導電性と力学性能を増加することかできる。
【０００３】
従来技術として、カーボンナノチューブを含む有機複合材料からなる有機複合材料のダイオードを提供する。該有機複合材料のダイオードは、カソード電極、アノード電極、該カソード電極と該アノード電極の間に位置された、カーボンナノチューブを含む有機複合材料フィルム及び金属の導電粒子を含む有機複合材料フィルムを含む。前記カーボンナノチューブを含む有機複合材料フィルムがＰ型半導体層であり、前記金属の導電粒子を含む有機複合材料フィルムがＮ型半導体層である。前記カソード電極は、前記カーボンナノチューブを含む有機複合材料フィルムに電気的に接続され、前記アノード電極は、金属の導電粒子を含む有機複合材料フィルムに電気的に接続される。前記カーボンナノチューブを含む有機複合材料フィルムは、均一的に分散された複数のカーボンナノチューブを含む。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｓ．Ｉｉｊｉｍａ、“Ｈｅｌｉｃａｌ  Ｍｉｃｒｏｔｕｂｕｌｅｓ  ｏｆ  Ｇｒａｐｈｉｔｉｃ  Ｃａｒｂｏｎ”、Ｎａｔｕｒｅ、１９９１年、第３５４巻、ｐ．５６
【非特許文献２】Ｐ．Ｍ．Ａｊａｙａｎ外、Ｓｃｉｅｎｃｅ、１９９４年、第２６５巻、ｐ．１２１２−１２１４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、前記有機複合材料ダイオードが両層の有機複合材料フィルムを含み、前記カーボンナノチューブを含む有機複合材料フィルムと金属の導電粒子を含む有機複合材料フィルムに対して、強靭性が異なるので、前記有機複合材料ダイオードの強靭性が均一でないという欠点がある。また、前記有機複合材料ダイオードが両層の有機複合材料フィルムを採用するので、該有機複合材料ダイオードの厚さが大きくなるという欠点がある。また、前記有機複合材料ダイオードが形成されてしまうと、そのパラメータ（例えば、電流、電圧など）が固定値となるので、調節することができないという欠点がある。
【０００６】
従って、本発明は、強靭性が均一で、厚さが小さく、パラメーターが調節できる有機複合材料ダイオードを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
有機複合材料ダイオードは、複数のカーボンナノチューブを含む有機複合材料層、該有機複合材料層に間隔を置いて設置され、それぞれ、該有機複合材料層と電気的に接続された第一電極と第二電極及び、前記有機複合材料層の表面に設置され、一部の有機複合材料層を被覆している圧力層を含む。前記第一電極が前記圧力層に被覆された有機複合材料層と電気的に接続され、前記第二電極が前記圧力層に被覆されない有機複合材料層と電気的に接続されている。
【０００８】
前記圧力層の材料は、金属、ガラス、セラミックス又は高分子重合体である。
【０００９】
前記有機複合材料ダイオードは、前記圧力層と前記有機複合材料層との間に設置された絶縁層を含む。
【００１０】
前記カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ及び多層カーボンナノチューブのいずれか一種または多種である。
【００１１】
前記カーボンナンチューブは、単層カーボンナンチューブであり、該単層カーボンナンチューブの直径が０．５ナノメートル〜５０ナノメートルであり、長さが１００ナノメートル〜２センチメートルである。
【００１２】
前記有機複合材料層におけるカーボンナノチューブの質量パーセンテージの含有量は、０．００１％〜３０％である。
【発明の効果】
【００１３】
従来のダイオードと比べると、本発明の有機複合材料ダイオードは次の利点を有する。第一の利点として、圧力によって前記有機複合材料ダイオードの電流と電圧を調節することができるので、該有機複合材料ダイオードは、より良く電子領域に応用されることができる。第二の利点として、カーボンナノチューブが強い強靭性を持つので、均一的に分散されたカーボンナノチューブを含む有機複合材料層は、強い強靭性を持つ。従って、前記有機複合材料ダイオードは、強い強靭性を持つ。また、前記有機複合材料ダイオードは、一層の有機複合材料層だけを含むので、薄い厚さを持つ。第三の利点として、前記有機複合材料層がカーボンナノチューブと高分子材料を含み、該カーボンナノチューブと高分子材料が温度に敏感でないので、前記有機複合材料ダイオードは、−５０℃〜２００℃の大きい温度の範囲で使用されることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施例に係る有機複合材料ダイオードの構造を示す図である。
【図２】本発明の実施例に係る有機複合材料ダイオードの図１に示すＩＩ−ＩＩ線に沿って切断した断面図である。
【図３】本発明の実施例に係る有機複合材料ダイオードが作動する時の構成を示す図である。
【図４】本発明の実施例に係る有機複合材料ダイオードの電圧／電流のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
【００１６】
図１及び図２を参照すると、本発明の実施例は、有機複合材料ダイオード１００を提供する。該有機複合材料ダイオード１００は、圧力層１２、絶縁層１４、有機複合材料層１６、第一電極１０２及び第二電極１０４を含む。該有機複合材料ダイオード１００は、絶縁基板１８の表面に設置される。具体的には、前記有機複合材料ダイオード１００において、有機複合材料層１６は、前記絶縁基板１８の表面に設置される。前記絶縁層１４は、前記有機複合材料層１６の、前記絶縁基板１８に面する表面と反対側の表面に設置される。前記圧力層１２は、前記絶縁層１４の、前記有機複合材料層１６に面する表面と反対側の表面に設置され、一部の前記絶縁層１４を被覆する。前記第一電極１０２と第二電極１０４とは、間隔を置いて設置され、それぞれ有機複合材料層１６に電気的に接続される。前記第一電極１０２は、前記圧力層１２及び前記絶縁層１４に被覆された有機複合材料層１６に電気的に接続される。前記第二電極１０４は、前記絶縁層１４だけに被覆された有機複合材料層１６に電気的に接続される。即ち、前記第二電極１０４は、前記圧力層１２に被覆されない有機複合材料層１６に電気的に接続される。
【００１７】
前記有機複合材料層１６は、高分子材料１６４及び該高分子材料１６４に均一的に分散された複数のカーボンナノチューブ１６２を含む。前記高分子材料１６４は、ポリエチレングリコール、ポリエステル、シリカゲルシリーズ、シリコーンゴムシリーズ、エポキシ樹脂シリーズ、低酸素プラスチックシリーズ及びアクリル樹脂シリーズのいずれか一種またはそれらの複数種である。本実施例において、前記高分子材料１６４はシリコーンゴムである。前記高分子材料１６４が温度に対しての敏度が悪いので、該有機複合材料層の作動する温度範囲が大きくなり、−５０℃〜２００℃である。前記カーボンナノチューブ１６２は、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブのいずれか一種またはそれらの複数種である。前記カーボンナノチューブ１６２が単層カーボンナノチューブである場合、その直径は０．５ナノメートル〜５０ナノメートルであり、前記カーボンナノチューブ１６２が二層カーボンナノチューブである場合、その直径は１ナノメートル〜５０ナノメートルであり、前記カーボンナノチューブ１６２が多層カーボンナノチューブである場合、その直径は１ナノメートル〜２００ナノメートルである。前記有機複合材料層１６の厚さは、１００ナノメートル〜１センチメートルである。
【００１８】
本実施例において、前記カーボンナノチューブ１６２は、単層カーボンナノチューブであり、該カーボンナノチューブ１６２の直径が０．５ナノメートル〜１０ナノメートルであり、長さが１００ナノメートル〜１センチメートルである。前記有機複合材料層１６の厚さは０．２ミリメートルである。
【００１９】
前記有機複合材料層１６は半導体的性質を有し、前記有機複合材料層１６におけるカーボンナノチューブ１６２の質量パーセンテージの含有量は０．００１％〜３０％であり、０．０１％〜４％であることが好ましい。本実施例において、カーボンナノチューブ１６２の質量パーセンテージの含有量は１％である。
【００２０】
前記一部の絶縁層１４の、前記有機複合材料層１６に面する表面とは反対側の表面に前記圧力層１２が設置される。即ち、該一部の絶縁層１４は、前記圧力層１２と前記有機複合材料層１６との間に設置される。もう一部の絶縁層１４の、前記有機複合材料層１６に面する表面とは反対側の表面には、前記圧力層１２が設置されない。前記絶縁層１４の面積は、前記圧力層１２の面積より大きい。前記絶縁層１４は、前記圧力層１２と前記有機複合材料層１６とが絶縁状態になることを確保することができる。前記絶縁層１４の厚さは、１０ナノメートル〜１センチメートルであり、前記絶縁層１４の材料は、例えば、絶縁プラスチック及び樹脂などの柔らかな材料である。本実施例において、前記絶縁層１４は、厚さが２００ナノメートルであり、材料が絶縁プラスチックである。これに制限されず、前記有機複合材料ダイオード１００は、前記絶縁層１４を含まなくてもよい。
【００２１】
前記圧力層１２は、前記絶縁層１４の表面に設置される。一部の有機複合材料層１６は、前記圧力層１２及び前記絶縁層１４に被覆され、もう一部の有機複合材料層１６は、前記絶縁層１４だけに被覆される。前記圧力層１２は、圧力を前記圧力層１２及び前記絶縁層１４に被覆された前記有機複合材料層１６に伝えることができる。従って、前記圧力層１２及び前記絶縁層１４に被覆された前記有機複合材料層１６には、圧力による歪みが発生することができる。前記有機複合材料ダイオード１００が前記絶縁層１４を含まなければ、前記圧力層１２は前記有機複合材料層１６の表面に直接設置されることができ、一部の前記有機複合材料層１６を被覆する。前記圧力層１２の厚さは、１０ナノメートル〜１センチメートルであり、前記圧力層１２の材料は、例えば、金属、ガラス、セラミックス又は高分子重合体などの強い耐圧性を持つ材料である。本実施例において、前記圧力層１２は、厚さが５００ナノメートルであり、材料がセラミックスである。
【００２２】
前記第一電極１０２と第二電極１０４とは、間隔を置いて有機複合材料層１６に設置される。前記第一電極１０２の―端は、前記圧力層１２及び前記絶縁層１４に被覆された有機複合材料層１６に設置され、もう一端は、外部に延伸して、有機複合材料層１６の中から露出し、外部と電気的に接続することができる。前記第二電極１０４の一端は、前記絶縁層１４だけに被覆された有機複合材料層１６に設置され、もう一端は、外部に延伸して、有機複合材料層１６の中から露出し、外部と電気的に接続することができる。前記第一電極１０２と第二電極１０４とは、線状又は薄いシート状であり、その厚さが１０ナノメートル〜０．５センチメートルであり、その材料が銅、アルミニウム、プラチナ及び金などの導電金属又はそれらの金属の少なくとも二種以上の合金である。本実施例において、前記第一電極１０２と第二電極１０４とは、金属線であり、その厚さが２００ナノメートルであり、その材料が金である。前記第一電極１０２と第二電極１０４とは、前記有機複合材料層１６を固化する過程で間隔を置いて該有機複合材料層１６の内部に設置されることができる。前記有機複合材料層１６を固化する過程で、該有機複合材料層１６の表面張力によって、多くのカーボンナノチューブ１６２が前記有機複合材料層１６の内部に分布され、少ないカーボンナノチューブ１６２が前記有機複合材料層１６の表面に分布される。従って、前記第一電極１０２と第二電極１０４とが前記有機複合材料層１６の内部に設置されるので、該第一電極１０２と該第二電極１０４とは、前記有機複合材料層１６に十分に電気的に接続することができる。
【００２３】
理解していただきたいことは、前記第一電極１０２と第二電極１０４とが有機複合材料層１６の表面に設置されることもできることである。前記第一電極１０２は、前記圧力層１２及び前記絶縁層１４に被覆された有機複合材料層１６と電気的に接続され、前記第二電極１０４は、前記絶縁層１４だけに被覆された有機複合材料層１６と電気的に接続される。
【００２４】
前記絶縁基板１８は、前記有機複合材料層１６を支持することに用いられ、その面積が、前記有機複合材料層１６の面積より小さくなくてもよい。前記絶縁基板１８は、厚さが２００ナノメートル〜２ミリメートルであり、材料が例えば、ガラス、石英、セラミックス及びダイヤモンドなどの硬性材料又は例えば、プラスチック及び樹脂などの柔らかな材料である。本実施例において、前記絶縁基板１８は、厚さが０．５ナノメートルであることが好ましく、材料が、セラミックスであることが好ましい。
【００２５】
図３を参照すると、本実施例の提供する有機複合材料ダイオード１００を利用する場合、前記第一電極１０２と第二電極１０４によって前記有機複合材料ダイオード１００を電気回路に接続し、前記圧力層１２の表面に均一に所定の圧力をかける。圧力の作用で、前記圧力層１２に被覆された有機複合材料層１６の中に圧力の作用領域１６６が形成される。前記圧力の作用領域１６６の面積と前記圧力層１２の面積とは等しい。前記圧力層１２にかけられた圧力によって、前記圧力の作用領域１６６におけるカーボンナノチューブ１６２は歪みことができる。従って、前記圧力の作用領域１６６におけるカーボンナノチューブ１６２のバンドギャップが大きくなるので、前記圧力の作用領域１６６のバンドギャップが大きくなる。これに対して、前記有機複合材料層１６の、圧力の作用領域１６６を除く領域で、前記有機複合材料層１６におけるカーボンナノチューブ１６２が圧力の作用を受けないので、該カーボンナノチューブ１６２のバンドギャップは変化しない。従って、前記有機複合材料層１６の、圧力の作用領域１６６を除く領域で有機複合材料層１６のバンドギャップは変化しない。前記圧力の作用領域１６６におけるカーボンナノチューブ１６２のバンドギャップは、該圧力の作用領域１６６を除く領域におけるカーボンナノチューブ１６２のバンドギャップより大きい。従って、圧力の作用で、前記有機複合材料層１６は、バンドギャップが同じでない二つの区域が形成される。即ち、圧力の作用領域１６６及び該圧力の作用領域１６６を除く領域である。従って、前記二つの領域の接合する所にヘテロ接合が形成される。
【００２６】
前記第一電極１０２と第二電極１０４との間に交流電圧を印加する場合に、圧力の作用で有機複合材料層１６の中にヘテロ接合が形成されるので、電流が前記圧力の作用領域１６６から該圧力の作用領域１６６を除く領域へ流れ、電流が前記圧力の作用領域１６６を除く領域から該圧力の作用領域１６６へ流れることができない。従って、前記有機複合材料層１６が単一方向で導通されるので、該有機複合材料ダイオード１００は、整流作用を有することができる。
【００２７】
図４は、本実施例における有機複合材料ダイオード１００のボルト／アンペアの曲線である。本実施例の提供する有機複合材料ダイオード１００の起動電圧は、０ボルト〜１．５ボルトである。図４を見ると、前記ダイオード１００の起動電圧は、前記圧力層１２にかけられた圧力が大きくなることに伴って小さくなり、前記有機複合材料ダイオード１００のボルト／アンペアの曲線は、前記圧力層１２にかけられた圧力が増大することに伴って険しくなり、前記有機複合材料ダイオード１００の逆ブレークダウン電圧は、４ボルトより大きく、前記有機複合材料ダイオード１００の逆ブレークダウン電圧は、前記圧力層１２にかけられた圧力が増大することに伴って大きくなることが分かる。従って、前記有機複合材料ダイオード１００の圧力層１２にかけられた圧力を制御することによって、前記有機複合材料ダイオード１００の電流と電圧を調節することができる。前記有機複合材料ダイオード１００の作動の温度は、−５０℃〜２００℃である。
【００２８】
本実施例の提供する有機複合材料ダイオード１００は、次の利点を有する。第一の利点として、圧力によって前記有機複合材料ダイオード１００の電流と電圧を調節することができるので、該有機複合材料ダイオード１００は、より良く電子領域に応用されることができる。第二の利点として、カーボンナノチューブが強い強靭性を持つので、均一的に分散されたカーボンナノチューブを含む有機複合材料層１６は、強い強靭性を持つ。従って、該有機複合材料ダイオード１００は、強い強靭性を持つ。また、前記有機複合材料ダイオード１００は、一層の有機複合材料層１６だけを含むので薄い厚さを持つ。第三の利点として、前記有機複合材料層１６がカーボンナノチューブ１６２と高分子材料１６４を含み、該カーボンナノチューブ１６２と高分子材料１６４が温度に敏感でないので、前記有機複合材料ダイオード１００は、−５０℃〜２００℃の大きい温度の範囲で使用されることができる。
【符号の説明】
【００２９】
１２  圧力層
１４  絶縁層
１６  有機複合材料層
１８  絶縁基板
１００  有機複合材料ダイオード
１０２  第一電極
１０４  第二電極
１６２  カーボンナノチューブ
１６４  高分子材料
１６６  圧力の作用領域
【図１】
2010021553.tif 000003
【図２】
2010021553.tif 000004
【図３】
2010021553.tif 000005
【図４】
2010021553.tif 000006