(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
非整数次コンデンサであって、
第１の側、及び前記第１の側の反対側の第２の側を備える、厚さｔの誘電性ナノ複合材料層を備え、前記誘電性ナノ複合材料層は、誘電性ポリマー・マトリックスとともにマイクロコンデンサを形成するため、前記誘導性ポリマー・マトリックス内に分散するグラフェンを含むポリマー・ナノ複合材料を備え；
前記誘電性ナノ複合材料層の前記第１の側に結合した第１の電極層；
前記誘電性ナノ複合材料層の前記第２の側に結合した第２の電極層；
を備え、
前記マイクロコンデンサは、前記誘電性ナノ複合材料層をとおして前記第１の電極層から前記第２の電極層に伝わる電子信号に複素インピーダンス位相角を注入するよう形成され、さらに、
前記グラフェンの材料重量パーセンテージは、前記誘電性ナノ複合材料層の全重量に基づき、１．７５％から２％の間を含む、
ことを特徴とする非整数次コンデンサ。
【請求項２】
前記グラフェンは部分酸化グラフェンである、請求項１に記載の非整数次コンデンサ。
【請求項３】
前記グラフェンは完全未酸化グラフェンである、請求項１に記載の非整数次コンデンサ。
【請求項４】
前記第１の電極層及び前記第２の電極層は、導電性材料を含む、請求項１に記載の非整数次コンデンサ。
【請求項５】
前記第１の電極層は白金を含み、前記第２の電極層はアルミニウムを含む、請求項４に記載の非整数次コンデンサ。
【請求項６】
前記第１の電極層及び前記第２の電極層は、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを含む、請求項４に記載の非整数次コンデンサ。
【請求項７】
０°から−９０°の間の複素インピーダンス位相角を含む、請求項１に記載の非整数次コンデンサ。
【請求項８】
前記電子信号の周波数に対してほぼ一定である損失正接を含む、請求項１に記載の非整数次コンデンサ。
【請求項９】
前記非整数次コンデンサは、１０ｋＨｚから２ＭＨｚの間の周波数に対し非整数的な挙動を呈する、請求項１に記載の非整数次コンデンサ。
【請求項１０】
プリント回路板に備えられる、請求項１に記載の非整数次コンデンサ。
【請求項１１】
前記非整数次コンデンサは、通信回路の少なくとも一部分を構成する、請求項１０に記載の非整数次コンデンサ。
【請求項１２】
前記非整数次コンデンサは、感知回路の少なくとも一部分を構成する、請求項１０に記載の非整数次コンデンサ。
【請求項１３】
前記非整数次コンデンサは、制御回路の少なくとも一部分を構成する、請求項１０に記載の非整数次コンデンサ。
【請求項１４】
集積回路に備えられる、請求項１に記載の非整数次コンデンサ。
【請求項１５】
前記非整数次コンデンサは、通信回路の少なくとも一部分を構成する、請求項１４に記載の非整数次コンデンサ。
【請求項１６】
電子デバイスに備えられる、請求項１に記載の非整数次コンデンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１３年３月１４日出願の米国仮特許出願第６１／７８３，３７３号の利益を主張する。
【０００２】
本開示は、一般に、複素インピーダンス位相角を含むコンデンサ特性に対する制御を改良した非整数次コンデンサに関する。コンデンサは、コンデンサ特性に対する制御の改良を可能にする、フィラー材料を有する誘電性ナノ複合材料層を有する。
【背景技術】
【０００３】
歴史的に、非整数次計算法は、その複雑さ、及び完全に許容可能な形状的又は物理的実現形態がなかったという事実のために、工学において探究されてこなかった。例えば、電気構成要素は、一般に、それぞれ−１、０及び１のα値を有する理想的な誘導子、抵抗器及びコンデンサの特性に制限される。この状況において、αは、式−απ／２によりデバイスの電流とその電圧との間の位相シフトを決定するために使用できる。度数、即ち９０、０及び−９０に変換したとき、これらの値は複素インピーダンス位相角を表す。
【０００４】
しかし、現実の用途で実施する際、電気構成要素は完全な整数値αを有さないので、標準的な構成要素の特性間のどこかでα値を意図的に制御できることは、自動制御の実施、パターン認識、システム特性決定、信号処理、並びに電気化学、粘弾性及び更には生物学及び神経系の分野に関連するフィルタ及び発振器の適用を含む様々な用途のために有用である場合がある。
【０００５】
０＜α＜１の範囲内に特定のα値を有する電気構成要素を意図的に設計する以前の試みは、一般に、非常にかさばる設計をもたらしており、多くのケースにおいて実際の用途又は回路では使用できないか又は実用的ではない。例えば、液体電極ベース（ＬＥＢ）型非整数コンデンサでは、銅電極をＰＭＭＡ−クロロホルム溶液に浸漬し、位相角を電極の浸漬深さに応じて変化させる。しかし、この方法は、明らかに、プリント回路板及び／又は電子回路との容易な統合を可能にしない。更に、そのような機構のパッケージングは、非常にかさばる装置をもたらすことになる。
【０００６】
他の試みは、フラクタル型（ＦＴ）非整数コンデンサ設計を含んでいる。これらの設計は、典型的には、ウェハ上に生成され、伝送線路の理論に依存する。こうした種類のコンデンサの背後にある基本動作原理には、スタブ又は伝送線路としてフラクタル形状を生成することを必要とし、このフラクタル形状が、形状及び技術的パラメータに基づき特定のインピーダンスをもたらすことができる。コンデンサの生成ではなく、ＦＴは、回路上に生成される一連の金属トレースを使用してインピーダンスを生成する。このことは、しばしば、集中素子設計とは反対に分散素子設計と呼ばれる。更に、ＦＴ非整数コンデンサを使用する際、達成できるα値は、０．４６〜０．５の範囲内にすぎない。更に、マイクロ波回路の性質を考慮すると、定位相挙動は超高周波範囲（１ＭＨｚ〜１０ＧＨｚ）で発生し、位相角の変動は約５°である。
【０００７】
他の手法は、非整数次問題を整数に近似させることによってシミュレートし、近似解を計算することを含んでいる。整数近似値は、必然的に高消費型コンピュータ・リソースの帯域幅を制限し、精度の制限された計算結果による不安定な数値により損なわれることがある。これらの不都合は、高速処理又は強力な抵抗力が関与する「骨の折れる」処理の制御等の多くの問題を整数技法により解くことを非実用的又は不可能にする可能性がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者等は、フィラー材料とも記載される２次元ナノ材料の重量パーセンテージを使用してコンデンサの複素インピーダンス角を制御できることを発見した。具体的には、コンデンサの誘電体層は、ポリマー・マトリックス中の組合せに基づき、グラフェン等のフィラー材料の特定の重量パーセンテージを選択することによって形成できる。重量パーセンテージは、範囲０＜α＜１の範囲内にある任意の非整数値αを選択するために使用でき、任意の非整数値αは、前述したようにコンデンサの複素インピーダンス位相角を直接的に変更する。
【０００９】
２次元ナノ材料としてグラフェンを使用する固有の態様の１つには、誘電体層内にマイクロコンデンサを形成することを伴う。具体的には、ポリマー・マトリックス内にグラフェン・シートを充填することによって非整数静電容量を制御し、分散型マイクロコンデンサの形成をもたらす。このことは、シミュレーションで使用するＲＣラダー・ネットワークに近似しており、複雑でかさばる回路設計を必要とせずにα値の同調を可能にする。グラフェンは、電子の超高速で自由な流れを促進するという固有の特性も有する。
【００１０】
更に、本発明の非整数次コンデンサの作製は、拡張可能で費用対効果が高く、効果的な作製及び商業化を可能にする。
【００１１】
本開示の一態様によれば、非整数次コンデンサは、厚さｔの誘電性ナノ複合材料層を含み、第１の側及び第１の側の反対側の第２の側を含む。非整数次コンデンサは、誘電性ナノ複合材料層の第１の側に結合した第１の電極層、及び誘電性ナノ複合材料層の第２の側に結合した第２の電極層を更に含む。非整数次コンデンサは、誘電性ナノ複合材料層内のフィラー材料の少なくとも１つの材料重量パーセンテージに依存する複素インピーダンス位相角も含む。
【００１２】
本開示の別の態様によれば、非整数次コンデンサの誘電性ナノ複合材料層は、マトリックス材料及び導電性フィラー材料を含み、マトリックス材料はポリマーであり、導電性フィラー材料はグラフェンである。グラフェンは、部分酸化グラフェンであっても、完全未酸化グラフェンであってもよい。更に、グラフェンの材料重量パーセンテージは、誘電性ナノ複合材料層の全重量に基づき、約０．１％から１５％の間である。
【００１３】
本開示の更に別の態様によれば、非整数次コンデンサの第１の電極層及び第２の電極層は、導電性材料を含む。第１の電極層は白金を含み、第２の電極層はアルミニウムを含む。第１の電極層及び第２の電極層は、代替的にＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを含むことができる。
【００１４】
本開示の更なる態様によれば、非整数次コンデンサは、０°から−９０°の間の複素インピーダンス位相角を含むか、又は周波数に対してほぼ一定である損失正接を含むか、又は１０ｋＨｚから２ＭＨｚの間の周波数に対し非整数的な挙動を呈する。
【００１５】
本開示の別の態様によれば、非整数次コンデンサは、プリント回路板又は集積回路の中に含め、且つ通信回路又は感知回路又は制御回路の少なくとも一部分内で使用できる。非整数次コンデンサは、電子デバイス内に含めることもできる。
【００１６】
本開示の更に別の態様によれば、非整数次コンデンサを製造する方法は、第１の電極層を得ることを含む。方法は、特定の複素インピーダンス位相角を達成するために、誘電性ナノ複合材料層中のフィラー材料の材料重量パーセンテージを選択することも含む。方法は、誘電性ナノ複合材料層を第１の電極層上に配置することを更に含む。方法は、誘電性ナノ複合材料層が第１の電極層と第２の電極層との間に配置されるように第２の電極層を誘電性ナノ複合材料層上に配置することも含む。
【００１７】
本開示の更なる態様によれば、非整数次コンデンサの誘電性ナノ複合材料層は、マトリックス材料及び導電性フィラー材料により製造でき、マトリックス材料はポリマーであり、導電性フィラー材料はグラフェンである。グラフェンは、部分酸化グラフェンであっても、完全未酸化グラフェンであってもよい。更に、グラフェンの材料重量パーセンテージは、誘電性ナノ複合材料層の全重量に基づき、約０．１％から１５％の間である。更に、非整数次コンデンサは、０°から−９０°の間の複素インピーダンス位相角を含むか、又は周波数に対してほぼ一定である損失正接を含むか、又は１０ｋＨｚから２ＭＨｚの間の周波数に対し非整数的な挙動を呈する。
【００１８】
本開示の別の態様によれば、非整数次コンデンサは、導電性材料を含む第１の電極層及び第２の電極層により製造できる。第１の電極層は白金を含み、第２の電極層はアルミニウムを含む。第１の電極層及び第２の電極層は、代替的にＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを含むことができる。
【００１９】
本開示の更に別の態様によれば、非整数次コンデンサの誘電性ナノ複合材料層は、溶液流延、ドクター・ブレード、又はテープ・キャスティング又はシルクスクリーン印刷又はホットプレスによって第１の電極層上に配置できる。第２の電極層は、シャドーマスクを使用して誘電性ナノ複合材料層上で熱蒸発させる。本開示の別の態様によれば、非整数次コンデンサは、プリント回路板又は集積回路内にパッケージングすることができる。
【００２０】
本開示の更なる態様によれば、本発明の非整数次コンデンサのうちいずれか１つにより電気信号上に選択遅延を課すために遅延回路を動作させる方法は、特定の複素インピーダンス位相角を達成するために、非整数次コンデンサの誘電性ナノ複合材料層中のフィラー材料の材料重量パーセンテージを選択することを含む。方法は、入力信号に反応する充電速度で第１の電圧まで前記非整数次コンデンサを充電することも含む。方法は、入力信号に反応する放電速度で第２の電圧まで前記非整数次コンデンサを放電することを更に含む。方法は、前記非整数次コンデンサの複素インピーダンス位相角の関数として遅延信号を生成することも含む。
【００２１】
本開示の更なる態様によれば、抵抗器、及び本発明の非整数次コンデンサのうちいずれか１つを含むフィルタの周波数応答を調節する方法は、特定の複素インピーダンス位相角を達成するために、非整数次コンデンサの誘電性ナノ複合材料層中のフィラー材料の材料重量パーセンテージを選択することを含む。方法は、非整数コンデンサ及び抵抗器の一連の組合せの両端に入力電圧を供給することも含む。方法は、電圧に基づき出力電圧を抵抗器の両端に供給することを更に含む。方法は、特定周波数でフィルタの利得を測定することも含む。方法は、特定周波数でのフィルタの利得に従って、複素インピーダンス位相角を変更することによって非整数次コンデンサの静電容量を調節することを更に含む。
【００２２】
本開示の別の態様によれば、本発明の非整数次コンデンサのうちいずれか１つを含むＲＦ通信回路を動作させる方法は、特定の複素インピーダンス位相角を達成するために、非整数次コンデンサの誘電性ナノ複合材料層中のフィラー材料の材料重量パーセンテージを選択することを含む。方法は、共振周波数でＲＦ信号を発生させることも含む。方法は、ＲＦ通信回路内の他の構成要素の一連の抵抗値を検出することを更に含む。方法は、ＲＦ通信回路内の他の構成要素の少なくとも一部の等価直列抵抗値をオフセットするために、複素インピーダンス位相角を変更することによって非整数次コンデンサの負性抵抗値を設定することも含む。
【００２３】
更に開示するのは、本発明の以下の実施形態１から４４である。実施形態１は、非整数次コンデンサであって、第１の側、及び第１の側の反対側の第２の側を備える、厚さｔの誘電性ナノ複合材料層；誘電性ナノ複合材料層の第１の側に結合した第１の電極層；誘電性ナノ複合材料層の第２の側に結合した第２の電極層；並びに誘電性ナノ複合材料層中のフィラー材料の少なくとも１つの材料重量パーセンテージに依存する複素インピーダンス位相角を備える非整数次コンデンサである。実施形態２は、誘電性ナノ複合材料層がマトリックス材料及び導電性フィラー材料を備える、実施形態１の非整数次コンデンサである。実施形態３は、導電性フィラー材料がグラフェンである、実施形態２の非整数次コンデンサである。実施形態４は、グラフェンが部分酸化グラフェンである、実施形態３の非整数次コンデンサである。実施形態５は、グラフェンが完全未酸化グラフェンである、実施形態３の非整数次コンデンサである。実施形態６は、グラフェンの材料重量パーセンテージが、誘電性ナノ複合材料層の全重量に基づき、約０．１％から１５％の間を含む、実施形態３から５のうちいずれか１つの非整数次コンデンサである。実施形態７は、マトリックス材料がポリマーを含む、実施形態２から６のうちいずれか１つの非整数次コンデンサである。実施形態８は、第１の電極層及び第２の電極層が導電性材料を含む、実施形態１から７のうちいずれか１つの非整数次コンデンサである。実施形態９は、第１の電極層が白金を含み、第２の電極層がアルミニウムを含む、実施形態８の非整数次コンデンサである。実施形態１０は、第１の電極層及び第２の電極層がＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを含む、実施形態８の非整数次コンデンサである。実施形態１１は、０°から−９０°の間の複素インピーダンス位相角を含む、実施形態１から１０のうちいずれか１つの非整数次コンデンサである。実施形態１２は、周波数に対してほぼ一定である損失正接を含む、実施形態１から１１のうちいずれか１つの非整数次コンデンサである。実施形態１３は、非整数次コンデンサが１０ｋＨｚから２ＭＨｚの間の周波数に対し非整数的な挙動を呈する、実施形態１から１３のうちいずれか１つの非整数次コンデンサである。実施形態１４は、実施形態１から１３のうちいずれか１つの非整数次コンデンサを備えるプリント回路板である。実施形態１５は、実施形態１から１３のうちいずれか１つの非整数次コンデンサを備える集積回路である。実施形態１６は、非整数次コンデンサが通信回路の少なくとも一部分を構成する、実施形態１４のプリント回路板である。実施形態１７は、非整数次コンデンサが感知回路の少なくとも一部分を構成する、実施形態１４のプリント回路板である。実施形態１８は、非整数次コンデンサが制御回路の少なくとも一部分を構成する、実施形態１４のプリント回路板である。実施形態１９は、非整数次コンデンサが通信回路の少なくとも一部分を構成する、実施形態１５の集積回路である。実施形態２０は、非整数次コンデンサが感知回路の少なくとも一部分を構成する、実施形態１５の集積回路である。実施形態２１は、非整数次コンデンサが制御回路の少なくとも一部分を構成する、実施形態１５の集積回路であ��。実施形態２２は、実施形態１から１３のうちいずれか１つの非整数次コンデンサを備える電子デバイスである。実施形態２３は、非整数次コンデンサを製造する方法であって、第１の電極層を得ること；特定の複素インピーダンス位相角を達成するために、誘電性ナノ複合材料層中のフィラー材料の材料重量パーセンテージを選択すること；誘電性ナノ複合材料層を第１の電極層上に配置すること；及び誘電性ナノ複合材料層が第１の電極層と第２の電極層との間に配置されるように第２の電極層を誘電性ナノ複合材料層上に配置することを含む方法である。実施形態２４は、誘電性ナノ複合材料層がマトリックス材料及び導電性フィラー材料を含む、実施形態２３の方法である。実施形態２５は、導電性フィラー材料がグラフェンである、実施形態２４の方法である。実施形態２６は、グラフェンが部分酸化グラフェンである、実施形態２５の方法である。実施形態２７は、グラフェンが完全未酸化グラフェンである、実施形態２５の方法である。実施形態２８は、グラフェンの材料重量パーセンテージが、誘電性ナノ複合材料層の全重量に基づき、約０．１％から１５％の間で選択される、実施形態２５から２７のうちいずれか１つの方法である。実施形態２９は、マトリックス材料がポリマーを含む、実施形態２４から２８のうちいずれか１つの方法である。実施形態３０は、第１の電極層及び第２の電極層が導電性材料を含む、実施形態２３から２９のうちいずれか１つの方法である。実施形態３１は、第１の電極層が白金を含み、第２の電極層がアルミニウムを含む、実施形態３０の方法である。実施形態３２は、第１の電極層及び第２の電極層がＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを含む、実施形態３０の方法である。実施形態３３は、誘電性ナノ複合材料層を溶液流延によって第１の電極層上に配置する、実施形態２３から３２のうちいずれか１つの方法である。実施形態３４は、誘電性ナノ複合材料層をドクター・ブレードによって第１の電極層上に配置する、実施形態２３から３３のうちいずれか１つの方法である。実施形態３５は、誘電性ナノ複合材料層をテープ・キャスティングによって第１の電極層上に配置する、実施形態２３から３４のうちいずれか１つの方法である。実施形態３６は、誘電性ナノ複合材料層をシルクスクリーン印刷によって第１の電極層上に配置する、実施形態２３から３５のうちいずれか１つの方法である。実施形態３７は、誘電性ナノ複合材料層をホットプレスによって第１の電極層上に配置する、実施形態２３から３６のうちいずれか１つの方法である。実施形態３８は、シャドーマスクを使用して第２の電極層を誘電性ナノ複合材料層上で熱蒸発させる、実施形態２３から３７のうちいずれか１つの方法である。実施形態３９は、複素インピーダンス位相角が０°から−９０°の間である、実施形態２３から３８のうちいずれか１つの方法である。実施形態４０は、非整数次コンデンサを集積回路内にパッケージングするステップを更に含む、実施形態２３から３９のうちいずれか１つの方法である。実施形態４１は、非整数次コンデンサをプリント回路板内にパッケージングするステップを更に含む、実施形態２３から４０のうちいずれか１つの方法である。実施形態４２は、実施形態１���ら１３の非整数次コンデンサのうちいずれか１つで電気信号上に選択遅延を課すために遅延回路を動作させる方法であって、特定の複素インピーダンス位相角を達成するために、非整数次コンデンサの誘電性ナノ複合材料層中のフィラー材料の材料重量パーセンテージを選択するステップ；入力信号に反応する充電速度で第１の電圧まで前記非整数次コンデンサを充電するステップ；入力信号に反応する放電速度で第２の電圧まで前記非整数次コンデンサを放電するステップ；前記非整数次コンデンサの複素インピーダンス位相角の関数として遅延信号を生成するステップを含む方法である。実施形態４３は、抵抗器、及び実施形態１から１３のうちいずれか１つの非整数次コンデンサのうちいずれか１つを備えるフィルタの周波数応答を調節する方法であって、特定の複素インピーダンス位相角を達成するために、非整数次コンデンサの誘電性ナノ複合材料層中のフィラー材料の材料重量パーセンテージを選択するステップ；非整数コンデンサ及び抵抗器の一連の組合せの両端に入力電圧を供給するステップ；電圧に基づき出力電圧を抵抗器の両端に供給するステップ；特定周波数でフィルタの利得を測定するステップ；特定周波数でのフィルタの利得に従って、複素インピーダンス位相角を変更することによって非整数次コンデンサの静電容量を調節するステップを含む方法である。実施形態４４は、実施形態１から１３のうちいずれか１つの非整数次コンデンサのうちいずれか１つを備えるＲＦ通信回路を動作させる方法であって、特定の複素インピーダンス位相角を達成するために、非整数次コンデンサの誘電性ナノ複合材料層中のフィラー材料の材料重量パーセンテージを選択するステップ；共振周波数でＲＦ信号を発生させるステップ；ＲＦ通信回路内の他の構成要素の一連の抵抗値を検出するステップ；ＲＦ通信回路内の他の構成要素の少なくとも一部の等価直列抵抗値をオフセットするために、複素インピーダンス位相角を変更することによって非整数次コンデンサの負性抵抗値を設定するステップを含む。
【００２４】
用語「約」又は「およそ」は、当業者が理解するように、類似するものとして定義し、非限定的一実施形態では、これらの用語は、１０％以内、好ましくは５％以内、より好ましくは１％以内、及び最も好ましくは０．５％以内であると定義する。
【００２５】
文言「１つ（ａ又はａｎ）」の使用は、特許請求の範囲又は明細書中で用語「備える」と共に使用する場合、「１つ（ｏｎｅ）」を意味することができるが、「１つ又は複数」、「少なくとも１つ」及び「１つ又は１を超える」という意味とも一致する。
【００２６】
文言「含む（ｃｏｍｐｓｉｓｉｎｇ）」（及び「ｃｏｍｐｒｉｓｅ」及び「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」等のｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇのあらゆる形態）、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」（及び「ｈａｖｅ」及び「ｈａｓ」等のｈａｖｉｎｇのあらゆる形態）、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」（及び「ｉｎｃｌｕｄｅｓ」及び「ｉｎｃｌｕｄｅ」等のｉｎｃｌｕｄｉｎｇのあらゆる形態）又は「含む（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」（及び「ｃｏｎｔａｉｎｓ」及び「ｃｏｎｔａｉｎ」等のｃｏｎｔａｉｎｉｎｇのあらゆる形態）は、包括的又は無制限であり、更なる列挙していない要素又は方法ステップを除外するものではない。
【００２７】
用語「結合される」は、必ずしも直接的でも必ずしも機械的でもないが、接続されるものとして定義される。
【００２８】
本発明の誘電性材料、電極層、非整数次コンデンサ及び電子デバイスは、本明細書全体を通じて開示する特定の成分、構成要素、組成等「を備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」か、「から本質的に構成する（ｃｏｎｓｉｓｔ  ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ  ｏｆ）」か、又は「から構成する（ｃｏｎｓｉｓｔ  ｏｆ）」ことができる。非限定的な一態様では、移行句「から本質的に構成する」に関して、本発明のコンデンサの基本的で新規な特性は、コンデンサの複素インピーダンス角を制御できることである。
【００２９】
本発明の他の目的、特徴及び利点は、以下の図面、詳細な説明及び例から明らかになるであろう。しかし、図面、詳細な説明及び例は、本発明の特定の実施形態を示す一方で、例として示すにすぎず、限定を意味するものではないことを理解されたい。更に、この詳細な説明から、本発明の趣旨及び範囲内の変更及び修正が当業者に明らかになることを企図する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の非整数次コンデンサの図である。
【図２】非整数次コンデンサの誘電性ナノ複合材料中のフィラー材料を示す断面図である。
【図３】本発明の非整数次コンデンサを有利に利用できる例示的ワイヤレス通信システムを示すブロック図である。
【図４】グラフェンを有するＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＦＥ）のグラフであり、作製したナノ複合材料コンデンサの損失正接が、測定した周波数範囲全体にわたって一定値を有することを示す。
【図５】グラフェンのないＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＦＥ）のグラフであり、周波数が１０〜１００ｋＨｚの間で増大するにつれて損失正接値が大幅に増加することを示す。
【図６】Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＦＥ）／ポリアニリン・ナノ複合材料のグラフであり、周波数が１０〜１００ｋＨｚの間で増大するにつれて損失正接値が大幅に増加することを示す。
【図７】ポリスチレンのグラフであり、周波数が１０〜１００ｋＨｚの間で増大するにつれて損失正接値が大幅に増加することを示す。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
非整数次コンデンサの実現を可能にする、コンデンサのための改良された誘電性材料を発見した。具体的には、グラフェン等の２次元ナノ複合材料フィラー材料をポリマー・マトリックス中に混合し、次に、フィラー材料の重量パーセンテージを変化させることによって、コンデンサの複素インピーダンス位相角が変更でき、したがって非整数次コンデンサの実現を可能にする。
【００３２】
本発明のこれら及び他の非限定的な態様は、以下の節で更に詳細に説明する。
【００３３】
Ａ．非整数次コンデンサ
図１は、誘電性ナノ複合材料層を備える本発明の非整数次コンデンサの断面図である。非整数次コンデンサ（１）は、基板（１０）、下側電極（１１）、誘電性ナノ複合材料層（１２）及び端部電極（１３）を含むことができる。非整数次コンデンサは、誘電性ナノ複合材料層を間に挟むことによって基板上に作製でき、２つの導電性電極（１１）と（１３）との間で、誘電性ナノ複合材料層は、ポリマー・マトリックス、及びフィラー材料としても記載される２次元ナノ材料を含む。
【００３４】
実質的に整数次のインピーダンスを有する標準的なコンデンサとは対照的に、本発明の非整数次コンデンサは、−９０度の値に制限されない位相角シフトを達成できる。例えば、非整数次コンデンサは、抵抗器の位相角とコンデンサの位相角との間に−０．５等の位相角シフトを有することができる。したがって、このことにより、特定のニーズに対して位相及びエネルギー貯蔵／消費の関係を選択する際、より多くの選択肢を電気設計者に与え、こうして、従来には利用可能ではなかった電気回路及び方法の実現を可能にする。
【００３５】
１．基板（１０）
基板（１０）を支持体として使用する。本発明の非整数次コンデンサは、様々な基板を使用して作製できる。当業者に公知の多くの更なる基板材料を本発明の非整数次コンデンサ（１）で使用できる。そのような材料の非限定例には、シリコン、プラスチック、紙等の無機材料を含む。他の例には、ポリエーテルイミド（ＵＬＴＥＭ、ＥＸＴＥＭ、ＳＩＬＴＥＭ等）、ポリ（エチレンテレフタレート）、ポリ（ブチレンテレフタレート）、ポリカーボネート（ＬＥＸＡＮ等）、ポリ（フェニレンオキシド）、ポリオレフィン、ポリスチレン及びポリ（塩化ビニル）を含む、ＳＡＢＩＣポリマー並びにこれらのコポリマー及び配合物をベースとする基板を含むことができる。非整数次コンデンサは、シリコン基板上のみならず金属電極上でもデバイスを等しく機能させることがわかっている。基板は、典型的には、熱又は有機溶剤によって容易に改質又は劣化しない材料から作製される。
【００３６】
２．下側電極（１１）及び上側電極（１３）
下側電極（１１）は、導電性材料製である。典型的には、下側電極（１１）は、そのような材料を使用する膜の形成により得られる（例えば真空蒸着、スパッタリング、イオンめっき、めっき、被覆等）。代替的に、基板は、高導電性ポリマー（ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）：ポリ（スチレンスルホン酸）、約４％ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）をドープしたＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ  ＣｌｅｖｉｏｓＰＨ−１０００（Ｈｅｒａｅｕｓ）の薄層で被覆でき、この薄層が底部電極として働く。導電性膜の形成に使用できる導電性材料の他の非限定例には、金、白金、銀、アルミニウム及び銅、イリジウム、酸化イリジウム等を含む。更に、導電性ポリマー材料の非限定例には、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ、ポリアニリン、グラフェン等の導電性ポリマーを含む。下側電極（１１）の膜厚は、典型的には２０ｎｍから５００ｎｍの間である。
【００３７】
上側電極（１３）は、パターニング及びプロービング用シャドーマスクを使用した熱蒸発によって誘電性ナノ複合材料層（１２）上に配置できる。上部電極は、ＰＨ１０００をドープしたインクジェット印刷を介してパターニングもできる。そのようなコンデンサは、シリコン基板上のみならず金属電極上でもデバイスを等しく機能させることがわかっている。上側電極（１３）に使用する材料も導電性であり、好ましくはアルミニウムである。そのような他の材料の非限定例は、下側電極（１１）の文脈で上記したもの等、金属、金属酸化物、導電性ポリマー（例えばポリアニリン、ポリチオフェン等）を含む。上側電極（１３）は、単一層であっても、それぞれが異なる仕事関数を有する材料から形成した積層であってもよい。更に、上側電極（１３）は、仕事関数の低い１つ又は複数の材料の合金、並びに金、銀、白金、銅、マンガン、チタン、コバルト、ニッケル、タングステン及びスズからなる群から選択される少なくとも１つとすることができる。合金の例には、リチウム−アルミニウム合金、リチウム−マグネシウム合金、リチウム−インジウム合金、マグネシウム−銀合金、マグネシウム−インジウム合金、マグネシウム−アルミニウム合金、インジウム−銀合金及びカルシウム−アルミニウム合金を含む。上側電極（１３）の膜厚は、典型的には２０ｎｍから５００ｎｍの間である。
【００３８】
３．誘電性ナノ複合材料層（１２）
図２は、下側電極（１１）と上側電極（１３）との間に挿入した誘電性ナノ複合材料層（１２）の断面図である。誘電性ナノ複合材料層（１２）は、フィラー材料（１５）及びポリマー材料（１４）を含む。一例では、誘電性ナノ複合材料層（１２）は、非酸化グラフェンでも部分酸化グラフェンでもよいフィラー材料としてのグラフェン、及びポリマー（１４）を使用する配合溶液とすることができる。ポリマー（１４）を有するグラフェンの濃度は、０．１ｗｔ％から１５ｗｔ％の間である。グラフェン合成の非限定例は、修正Ｈｕｍｍｅｒ法（ＤＯＩ：１０．１０２１／ｊａ０１５３９ａ０１７）に従ってグラファイトから酸化グラファイトを調製すること、又は酸化グラファイトを剥離して酸化グラフェンを形成し、その後ヒドラジン一水和物により還元することを含む（ＤＯＩ：１０．１０１６／ｊ．ｃａｒｂｏｎ．２０１１．０２．０７１）。
【００３９】
誘電性ナノ複合材料層は、ポリマー及び懸濁フィラー材料を含む溶液を得ることによって付着できる。溶液は、ドクター・ブレード・コーティング、ドロップ・キャスティング、スピン・コーティング、メニスカス・コーティング、転写印刷、インクジェット印刷、オフセット印刷、スクリーン印刷法、ディップ・コーティング、キャスティング、バー・コーティング、ロール・コーティング、ワイヤ・バー・コーティング、吹付け、スクリーン印刷、グラビア印刷、フレキソ印刷、オフセット印刷、グラビア・オフセット印刷、ディスペンサ・コーティング、ノズル・コーティング、キャピラリ・コーティング等によって付着できる。
【００４０】
Ｂ．非整数次コンデンサ作製方法の実施形態
図２を参照すると、非整数次コンデンサ（１）は、フィラー材料（１５）及びポリマー（１４）の誘電性ナノ複合材料層（１２）を２つの導電性電極の間に配置することによってシリコン基板上に作製される。Ｐｔ被覆シリコン基板を使用し、この基板はデバイス作製の前にアセトン、ＩＰＡ及びＤＩ水で洗浄できる。０．１から１５ｗｔ．％のグラフェン粉末を所望の充填量に従って計量し、次に、溶液中に懸濁させ、１〜１０時間、超音波処理できる。ポリマー（１４）を溶液に添加し、連続撹拌する。グラフェン／ポリマー溶液を１〜３００分の間で４回超音波処理すると、ポリマー溶液中グラフェン懸濁液がもたらされ、キャスティングの準備ができる。
【００４１】
誘電性ナノ複合材料層（１２）溶液をドロップ・キャスティングにより付着させ、次に、１〜２４時間の間乾燥のために放置できる。空気乾燥させた膜を真空内に移し、１〜４８時間乾燥させる。上部アルミニウム電極は、膜の上部表面上でシャドーマスクを使用して熱蒸発及びパターニングする。
【００４２】
本発明の方法は、大量の高性能非整数次コンデンサを効率的に作製できる。
【００４３】
Ｃ．非整数次コンデンサの適用例
コンデンサは、集積回路内における重要な素子の１つであり、多くの電子デバイス内で広範に使用される。本発明の非整数次コンデンサは、従来には利用可能ではなかった電子回路及び方法を実現するのに使用できる。このことには、回路内で必要とする構成要素の数を低減すること、回路の共振周波数を高めること、電子フィルタの周波数応答を成形する際により一層の柔軟性を可能にすること、並びに負性抵抗値及び周波数依存負性抵抗器の実現を可能にすることを含む。こうした上記の利点は、非常に価値のあるものとすることができ、より汎用性のある電子機器回路へのきっかけとなり得る。
【００４４】
非整数次コンデンサは、エネルギー貯蔵機能も実現する。電圧が極板の両端に印加されると、誘電体内の電界が電荷を変位させ、こうしてエネルギーを貯蔵する。非整数次コンデンサにより貯蔵されるエネルギー量は、絶縁材料の誘電率及び誘電体の寸法（合計面積及び厚さ）によって異なる。本発明の非整数次コンデンサの誘電率は、フィラー材料の量及び種類を変更することによって変えることができる。コンデンサに蓄積できるエネルギー総量を最大化するには、誘電率を最大化し、誘電体層の厚さを最小にする。
【００４５】
上記で開示した非整数次コンデンサは、集積回路内でも利用できる。例えば、非整数次コンデンサは、マイクロプロセッサ等の論理デバイス内のＮＡＮＤ又はＮＯＲゲートの一部とすることができる。特定の回路構成を示しているが、本開示を実施するために開示した回路構成の全てを必要としないことは当業者には了解されよう。更に、本開示への焦点を維持するために、特定の周知の回路を記載していない。
【００４６】
図３は、本開示の一実施例を有利に利用できる例示的ワイヤレス通信システム４０を示すブロック図である。例示のために、図３は、３つのリモート・ユニット４２、４３及び４５並びに２つの基地局４４を示す。ワイヤレス通信システムは、はるかに多くのリモート・ユニット及び基地局を有することができることは了解されよう。リモート・ユニット４２、４３及び４５は、回路デバイス４２Ａ、４２Ｃ及び４２Ｂを含み、回路デバイス４２Ａ、４２Ｃ及び４２Ｂは、開示する非整数次コンデンサを含む集積回路又はプリント回路板を備えることができる。集積回路又はプリント回路板を含むあらゆるデバイスも、基地局、切換えデバイス及びネットワーク機器を含めた本明細書で開示する非整数次コンデンサを含み得ることは了解されよう。図３は、基地局４４からリモート・ユニット４２、４３及び４５への順方向リンク信号４８、並びにリモート・ユニット４２、４３及び４５から基地局４４への逆方向リンク信号４９を示す。
【００４７】
図３では、リモート・ユニット４２を移動電話として示し、リモート・ユニット４３をポータブル・コンピュータとして示し、リモート・ユニット４５をワイヤレス・ローカル・ループ・システム内の固定位置リモート・ユニットとして示す。例えば、リモート・ユニットは、移動電話、携帯パーソナル通信システム（ＰＣＳ）ユニット、個人情報端末等の携帯データ・ユニット、ＧＰＳ対応デバイス、ナビゲーション・デバイス、上限設定ボックス、音楽プレーヤ、ビデオ・プレーヤ、エンターテイメント・ユニット、計器読取り機器等の固定位置データ・ユニット、又はデータ若しくはコンピュータ命令を記憶若しくは抽出するあらゆる他のデバイス、或いはこれらの任意の組合せとすることができる。図３は、本開示の教示によるリモート・ユニットを示すが、本開示は、例示的に示すこれらのユニットに限定するものではない。本開示の実施形態は、非整数次コンデンサ１を含むあらゆるデバイスにおいて適切に利用できる。
【００４８】
本開示及びその利点を詳細に説明してきたが、添付の特許請求の範囲により定義される本開示の技術から逸脱することなく、様々な変更、代用及び改変を本発明内で行い得ることは理解されよう。更に、本出願の範囲は、本明細書に記載する工程、機械、製品、組成物、手段、方法及びステップの特定の実施形態に限定することを意図しない。当業者であれば本開示から容易に了解するように、本明細書で説明した対応実施形態と実質的に同じ機能を実施するか又は実質的に同じ結果を達成する既存の又は後に開発される工程、機械、製品、組成物、手段、方法又はステップは、本開示に従って利用できる。したがって、添付の特許請求の範囲は、そのような工程、機械、製品、組成物、手段、方法又はステップを特許請求の範囲内に含めることを意図する。
【００４９】
例
本発明を具体的な例としてより詳細に説明する。以下の例は、説明の目的のみで提供し、本発明をいかなるようにも限定することを意図しない。重要ではない様々なパラメータは、本質的に同じ結果をもたらすように変更又は修正できることを当業者は容易に了解するであろう。
【００５０】
例１（グラフェンを有するＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＦＥ）は、作製したナノ複合材料コンデンサの損失正接が測定した周波数範囲全体にわたって一定値を有することを示す）
非整数コンデンサが周波数に対して一定の位相挙動を呈することを示す損失正接試験を実施した。換言すれば、非整数コンデンサは、周波数に対して一定の損失正接を呈することになる（即ちｔａｎ（損失正接）＋位相＝９０°）。例では、異なるグラフェン充填量を有する３つのサンプルを示しており、損失正接及び／又は位相は大きな周波数範囲にわたって一定であることが明らかに観測される。また、図４は、０．７５％の充填量よりも２％及び１．７５％の充填量がより安定していることを示す（図４を参照）。
【００５１】
例２（グラフェンのないＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＦＥ）は、周波数が１０〜１００ｋＨｚの間で増大するにつれて損失正接値が大幅に増加することを示す）
本発明の非整数次コンデンサの固有の結果を検証するために、３つの他の静電コンデンサからの更なる損失正接データを取得した。選択した膜は、（１）グラフェンのないＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＦＥ）、（２）Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＦＥ）＋ポリアニリン（ＰＡＮＩ）及び（３）ポリスチレンであった。これらの試験では、結果は、１０〜１００ｋＨｚの間で、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＦＥ）ポリマー膜に対して損失正接の有意な変化（約１４０％の偏差）を示した。このことは、主に、グラフェン・シートがないこと、したがってマイクロコンデンサが形成されないことによる。損失正接の安定性は、明らかに、ポリマー・マトリックス中に導電性グラフェンを添加した効果である（図５を参照）。
【００５２】
例３（Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＦＥ）／ポリアニリン・ナノ複合材料は、周波数が１０〜１００ｋＨｚの間で増大するにつれて損失正接値が大幅に増加することを示す）
Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＦＥ）に導電性ＰＡＮＩ粒子を充填した、異なる複合材料システムを使用して更なる試験を実施した。図６では、これらの膜の性能は、選択した同じ周波数範囲内における損失正接の大きな変動（＞１３０％）を明白に示す。ＰＡＮＩ粒子は、グラフェン・シートに対し浸透的な複合材料であるが、かなり低いアスペクト比を有し、ＲＣネットワーク・シミュレーションに必要なマイクロコンデンサ構造に似せることはできない。
【００５３】
例４（ポリスチレンは、周波数が１０〜１００ｋＨｚの間で増大するにつれて損失正接値が大幅に増加することを示す）
従来のポリスチレン・コンデンサ膜も図７において試験した。上記のコンデンサ試験と比較すると損失正接値は約３桁低いが、ポリスチレンは、最大偏差の損失（＞４００％）を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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