(57)【要約】【解決手段】  容器(21)内にて、片面に多数のカーボンナノチューブを有する一対の電極(24)(25)が、セパレータ(26)を介して、一方の電極(24)のカーボンナノチューブ(22)と他方の電極(25)のカーボンナノチューブ(23)が対向するように配置されている。容器(21)内に電解液が注入され、カーボンナノチューブ(22)(23)に含浸されている。この電気二重層キャパシタは１ｃｍ２当り３ｍＦと大きなキャパシタ容量を示す。【効果】電気二重層キャパシタは、所定パターンで多数の透孔を有する絶縁板枠の各透孔に組み込まれているので、高速動作素子の近傍でこれを必要な容量のキャパシタと繋ぐことができる。したがって、キャパシタ設置のための特別なスペースは必要でなく、高速動作素子間の長い接続配線も必要でない。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
片面に多数のカーボンナノチューブを有する一対の電極が、セパレータを介して、一方の電極のカーボンナノチューブ群と他方の電極のカーボンナノチューブ群が対向するように配置され、カーボンナノチューブ群に電解液が含浸されてなる、電気二重層キャパシタ。
【請求項２】
両面に多数のカーボンナノチューブを有する１枚の内部電極が、片面に多数のカーボンナノチューブを有する一対の側部電極で、セパレータを介してサンドイッチされ、一対の側部電極は、一方の側部電極のカーボンナノチューブ群と他方の側部電極のカーボンナノチューブ群が対向するように配置され、カーボンナノチューブ群に電解液が含浸されてなる、電気二重層キャパシタ。
【請求項３】
両面に多数のカーボンナノチューブを有する複数枚の内部電極がセパレータを介して多層状に配置され、この多層内部電極群が、片面に多数のカーボンナノチューブを有する一対の側部電極で、側部セパレータを介してサンドイッチされ、一対の側部電極は、一方の側部電極のカーボンナノチューブ群と他方の側部電極のカーボンナノチューブ群が対向するように配置され、カーボンナノチューブ群に電解液が含浸されてなる、電気二重層キャパシタ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の電気二重層キャパシタが、所定パターンで多数の透孔を有する絶縁板枠の各透孔に嵌込まれ、両側に回路層が積層されてなる、キャパシタ組込みプリント基板。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれかに記載の電気二重層キャパシタを、所定パターンで多数の透孔を有する未硬化絶縁板枠の各透孔に嵌込み、次いで同絶縁板枠を硬化させ、硬化絶縁板枠の両側に回路層を積層する、キャパシタ組込みプリント基板の製造方法。
【請求項６】
請求項１〜３のいずれかに記載の電気二重層キャパシタを、所定パターンで多数の透孔を有する硬化絶縁板枠の各透孔に嵌込み、次いで、硬化絶縁板枠の両側に回路層を積層する、キャパシタ組込みプリント基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大容量の電気を蓄えることが可能な、カーボンナノチューブを用いた電気二重層キャパシタ、および電気二重層キャパシタを組込んだ電子回路用プリント基板並びに同キャパシタ組込みプリント基板の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高速動作の電子回路素子（高速動作素子）で電子回路を構成するとき、プリント基板には高速動作に必要な大電流を高速動作素子に供給しなければならない。このため同素子の近くに蓄電用のキャパシタを配置する必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
高速動作の電子回路をプリント基板で構成するとき、上記従来技術では必要な電流の供給を補うためにキャパシタを高速動作素子の近傍に配置すると共に、高速動作素子間の配線長を可能な限り短くすることが求められる。しかし、高速動作素子の近傍にキャパシタを設置するとその設置スペースが必要である上に配線長が長くなり、上記要望と矛盾することになる。さらに電源供給ラインのインピーダンスが高くなるためにＥＭＩ(Electro Magnetic Interference)などの電磁放射も問題となっている。
【０００４】
本発明は、上記矛盾点を解決することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１の発明は、片面に多数のカーボンナノチューブを有する一対の電極が、セパレータを介して、一方の電極のカーボンナノチューブ群と他方の電極のカーボンナノチューブ群が対向するように配置され、カーボンナノチューブ群に電解液が含浸されてなる、電気二重層キャパシタである。
【０００６】
請求項２の発明は、両面に多数のカーボンナノチューブを有する１枚の内部電極が、片面に多数のカーボンナノチューブを有する一対の側部電極で、セパレータを介してサンドイッチされ、一対の側部電極は、一方の側部電極のカーボンナノチューブ群と他方の側部電極のカーボンナノチューブ群が対向するように配置され、カーボンナノチューブ群に電解液が含浸されてなる、電気二重層キャパシタである。
【０００７】
請求項３の発明は、両面に多数のカーボンナノチューブを有する複数枚の内部電極がセパレータを介して多層状に配置され、この多層内部電極群が、片面に多数のカーボンナノチューブを有する一対の側部電極で、側部セパレータを介してサンドイッチされ、一対の側部電極は、一方の側部電極のカーボンナノチューブ群と他方の側部電極のカーボンナノチューブ群が対向するように配置され、カーボンナノチューブ群に電解液が含浸されてなる、電気二重層キャパシタである。
【０００８】
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の電気二重層キャパシタが、所定パターンで多数の透孔を有する絶縁板枠の各透孔に嵌込まれ、両側に回路層が積層されてなる、キャパシタ組込みプリント基板である。
【０００９】
請求項５の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の電気二重層キャパシタを、所定パターンで多数の透孔を有する未硬化絶縁板枠の各透孔に嵌込み、次いで同絶縁板枠を硬化させ、硬化絶縁板枠の両側に回路層を積層する、キャパシタ組込みプリント基板の製造方法である。
【００１０】
請求項６の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の電気二重層キャパシタを、所定パターンで多数の透孔を有する硬化絶縁板枠の各透孔に嵌込み、次いで、硬化絶縁板枠の両側に回路層を積層する、キャパシタ組込みプリント基板の製造方法である。
【００１１】
請求項１〜３の電気二重層キャパシタは、いずれも小さな面積で大きなキャパシタ容量を示す。例えば請求項１の電気二重層キャパシタは１ｃｍ２当り３ｍＦと大きなキャパシタ容量を示す。
【００１２】
絶縁板枠は、炭素繊維、ガラス繊維等の強化繊維の織物に熱硬化樹脂を含浸させてなるシート、例えばプリプレグを硬化させて構成したものであってよい。絶縁板枠(10)に設けられる透孔(9) のパターンは、図１３に示すように、通常は複数の透孔(9) が縦横に並んだ碁盤目である。複数の透孔(9) は絶縁板枠(10)の全体に亘って設けられても、図１４に示すように、絶縁板枠(10)の必要部分に偏在して設けられてもよい。後者の場合、複数の透孔(9) に嵌込まれた電気二重層キャパシタ(8) をカバーして１つの高速動作素子(19)を配置することができる。
【００１３】
本発明において、基本になるキャパシタのサイズをプリント基板の配線ピッチに合うようにすることにより配線層とキャパシタ層を繋ぐスルーホールの配置を簡素化することができる。複数のキャパシタを直列または並列に接続することにより所望のキャパシタ容量を実現することができる。
【００１４】
カーボンナノチューブの構造は単層すなわち単一のチューブであってもよいし、多層すなわち同心状の複数の異径チューブであってもよい。カーボンナノチューブの直径は好ましくは１〜１００ｎｍである。
【００１５】
カーボンナノチューブは、カーボン原子が網目状に結合してできた穴径ナノ（１ナノは１０億分の１）メートルサイズの極微細な筒（チューブ）状の物質である。通常の電解液の電解質イオン直径は約０．４〜０．６ｎｍであるので、穴径１〜２ｎｍのカーボンナノチューブがイオンの吸脱着に好ましい。また、カーボンナノチューブを実質上垂直に配向させることでイオンの吸脱着がさらにスムーズとなり、放電電流が増加した場合でも容量の低下が少ないため、長時間の使用が可能となる。
【００１６】
電極を構成するカーボンナノチューブは、公知の方法で作製できる。例えば、シリコン基板の少なくとも片面上にＦｅ膜をフォトリソグラフィーでパターン化し、この面にアセチレン（Ｃ２Ｈ２）ガスを用いて一般的な化学蒸着法（ＣＶＤ法）を施すことにより作製できる。この方法では、直径１２〜３８ｎｍのカーボンナノチューブが多層構造で基板上に実質上垂直に起毛される。こうして成長させたカーボンナノチューブをシリコン基板から接着剤を施した集電体に転写し接着する。接着層は導電性ペーストからなるものであることが好ましい。集電体は、アルミニウムのような導電材からなる。
【００１７】
電気二重層キャパシタの電解液は、プロピレンカーボネート、１−ブチレンカーボネート、スルホラン、アセトニトリル、γ−ブチルラクトン、ジメチルホルムアミドなどの非プロトン性溶媒に、テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレートやテトラエチルアンモニウムヘキサフルオロホスファート、テトラブチルアンモニウム過塩素酸塩などの有機溶質、または、リチウム、第４級ホスホニウム等のカチオンとＢＦ４−、ＰＦ６−、ＣｌＯ４−、ＣＦ２ＳＯ２−などのアニオンからなる無機溶質を溶解したものや、ランタノイド元素の塩等を含む希硫酸などの水溶液系電解液、またはこれらに高分子物質を加えたポリマー型電解液などを使用することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、電気二重層キャパシタは、所定パターンで多数の透孔を有する絶縁板枠の各透孔に組み込まれているので、高速動作素子の近傍でこれを必要な容量のキャパシタと繋ぐことができる。したがって、キャパシタ設置のための特別なスペースは必要でなく、高速動作素子間の長い接続配線も必要でない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
つぎに、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
【００２０】
実施例１
請求項１の電気二重層キャパシタを示す図１において、容器(21)内にて、片面に多数のカーボンナノチューブを有する一対の電極(24)(25)が、セパレータ(26)を介して、一方の電極(24)のカーボンナノチューブ(22)と他方の電極(25)のカーボンナノチューブ(23)が対向するように配置されている。容器(21)内に電解液が注入され、カーボンナノチューブ(22)(23)に含浸されている。この電気二重層キャパシタは１ｃｍ２当り３ｍＦと大きなキャパシタ容量を示す。
【００２１】
実施例２
請求項２の電気二重層キャパシタを示す図２において、容器(21)内にて、両面に多数のカーボンナノチューブ(27)を有する１枚の内部電極(28)が、片面に多数のカーボンナノチューブを有する一対の側部電極(24)(25)で、セパレータ(26)を介してサンドイッチされている。一対の側部電極(24)(25)は、一方の側部電極(24)のカーボンナノチューブ(22)と他方の側部電極(25)のカーボンナノチューブ(23)が対向するように配置されている。容器(21)内に電解液が注入され、カーボンナノチューブ(22)(23)(27)に含浸されている。
【００２２】
実施例３
請求項３の電気二重層キャパシタを示す図３において、容器(21)内にて、両面に多数のカーボンナノチューブ(27)を有する複数枚の内部電極(29)が内部セパレータ(26)を介して多層状に配置され、こうして構成された多層内部電極群(30)が、片面に多数のカーボンナノチューブを有する一対の側部電極(24)(25)で、セパレータ(26)を介してサンドイッチされている。一対の側部電極(24)(25)は、一方の側部電極(24)のカーボンナノチューブ(22)と他方の側部電極(25)のカーボンナノチューブ(23)が対向するように配置されている。容器(21)内に電解液が注入され、カーボンナノチューブ(22)(23)(27)に含浸されている。
【００２３】
実施例４
第１工程
図４において、１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．５ｍｍ厚の低抵抗Ｎ型半導体シリコン基板の片面にフォトリソグラフィーでＦｅ膜をパターン化した後、アセチレンを流量３０ｍｌ／ｍｉｎ、温度７００℃で１５分流して化学蒸着法により基板上に無数のカーボンナノチューブをブラシ状に成長させた。得られたカーボンナノチューブは多層構造であり、直径は１２ｎｍで、長さは５０μｍであった。
【００２４】
こうして成長させたカーボンナノチューブをシリコン基板から、表面に導電性ペーストからなる接着層を施したアルミニウム薄板からなる集電体上に１５０℃／４９Ｎｃｍ２で加熱・加圧することで転写した。こうして片面に多数のカーボンナノチューブ(3) (4) を有する一対の電極(1) (2) を得た。
【００２５】
第２工程
図５において、容器(6) 内で、露点下（温度−６０℃、水分なし）の窒素雰囲気で、片面に多数のカーボンナノチューブを有する一対の電極(1) (2) を、セパレータ(5) を介して、一方の電極(1) のカーボンナノチューブ(3) と他方の電極(2) のカーボンナノチューブ(4) が対向するように配置し、サンドイッチ体(17)を作製した。その後、１５０〜２００℃で２４時間乾燥を行った。
【００２６】
第３工程
同じく図５において、乾燥窒素雰囲気下にグローブボックス内で電解液（テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレートのプロピレンカーボネート溶液（濃度＝１ｍｏｌ／ｌ））を容器(6) 内に注入し、カーボンナノチューブ(3) (4) に含浸させた。電解液の量は１ｃｍ２当たり１〜３ｃｃとした。
【００２７】
その後、ポリプロピレン製ガスケットを用いて容器(6) の口部をステンレス鋼製の蓋材(7) でかしめ封口した。こうして、上側電極(1) が陽極で下側電極(2) が陰極である電気二重層キャパシタ(8) を作製した。
【００２８】
第４工程
図６に示すように、複数の長方形の透孔(9) を有する未硬化絶縁板枠(10)を用意した。未硬化絶縁板枠(10)はプリプレグで構成されたものである。透孔(9) は、図１３に示すように、複数の透孔(9) は縦横に並んだ碁盤目状のパターンをなす。
【００２９】
未硬化絶縁板枠(10)の各透孔(9) に前工程で得られた電気二重層キャパシタ(8) を嵌込んだ。こうしてキャパシタ組込み未硬化絶縁板枠(10)を作製した。未硬化絶縁板枠(10)の厚さは電気二重層キャパシタ(8) の厚さと同じであり、したがってキャパシタ組込み未硬化絶縁板枠(11)の両側面はそれぞれ面一となった。
【００３０】
第５工程
同じく図６において、キャパシタ組込み絶縁板枠(11)の両側に、アルミニウムまたは銅製の回路(13)を有する回路層(12)を積層し、上側回路層(12)の上に電子部品設置層(14)を積層した。
【００３１】
第６工程
その後、図７に示すように、未硬化絶縁板枠(10)を構成するプリプレグを熱硬化させ、電気二重層キャパシタ(8) を硬化絶縁板枠(10)に固定し、キャパシタ組込み絶縁板枠(11)を得た。
【００３２】
第７工程
図８に示すように、キャパシタ組込み絶縁板枠(11)、回路層(12)および電子部品設置層(14)を貫通して所要位置で回路(13)に接続するスルーホール(15)を開けた。こうしてキャパシタ組込みプリント基板(16)を作製した。電子部品設置層(14)の上に高速動作素子が配置されスルーホール(15)に接続される。
【００３３】
なお、硬化絶縁板枠(10)と回路層(12)の接着強度を上げるために、硬化絶縁板枠(10)と回路層(12)の間に絶縁板を介在させ、回路(13)と電気二重層キャパシタ(8) を接続する構成としてもよい。
【００３４】
実施例５
第１工程
実施例４の第１工程と同じ操作により片面に多数のカーボンナノチューブを有する一対の電極(1) (2) を得た。
【００３５】
第２工程
実施例４の第２工程と同じ操作によりサンドイッチ(17)を得た。これを図９に示す。
【００３６】
第３工程
図１３に示すように、多数の長方形の透孔(1) を有する硬化絶縁板枠(20)を用意した。硬化絶縁板枠(20)はプリプレグを硬化させて構成したものであり、複数１の透孔(9) は縦横に並んだ碁盤目状のパターンをなす。
【００３７】
図１０において、硬化絶縁板枠(20)の各透孔(9) に前工程で得られたサンドイッチ(17)を嵌込んで、キャパシタ組込み硬化絶縁板枠(18)を作製した。硬化絶縁板枠(20)の厚さはサンドイッチ(17)の厚さと同じであり、したがってキャパシタ組込み絶縁板枠(18)の両側面はそれぞれ面一となった。
【００３８】
第４工程
図１１に示すように、キャパシタ組込み絶縁板枠(18)の両側に、アルミニウムまたは銅製の回路(13)を内装した回路層(12)を積層し、上側回路層(12)の上に電子部品設置層(14)を積層し、さらに、乾燥窒素雰囲気下に実施例１と同じ構成の電解液を各透孔(9) 内に注入し、カーボンナノチューブに含浸させた。電解液の量は１ｃｍ２当たり１〜３ｃｃとした。
【００３９】
第５工程
図１２に示すように、実施例４の第７工程と同じ操作によりキャパシタ組込みプリント基板(16)を作製した。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図１は実施例１における電気二重層キャパシタを概略的に示す垂直断面図である。
【図２】図２は実施例２における電気二重層キャパシタを概略的に示す垂直断面図である。
【図３】図３は実施例３における電気二重層キャパシタを概略的に示す垂直断面図である。
【図４】図４は実施例４における第１工程を概略的に示す垂直断面図である。
【図５】図５は実施例４における第２工程および第３工程を概略的に示す垂直断面図である。
【図６】図６は実施例４における第４工程を概略的に示す垂直断面図である。
【図７】図７は実施例４における第６工程を概略的に示す垂直断面図である。
【図８】図８は実施例４における第７工程を概略的に示す垂直断面図である。
【図９】図９は実施例５における第１工程および第２工程を概略的に示す垂直断面図である。
【図１０】図１０は実施例５における第３工程を概略的に示す垂直断面図である。
【図１１】図１１は実施例５における第４工程を概略的に示す垂直断面図である。
【図１２】図１２は実施例５における第５工程を概略的に示す垂直断面図である。
【図１３】図１３は、複数の透孔が縦横に並んだ碁盤目状のパターンをなす例を概略的に示す平面図である。
【図１４】図１４は、複数の透孔が絶縁板枠の必要部分に偏在する例を概略的に示す平面図である。
【符号の説明】
【００４１】
(1) (2) (24)(25)：電極
(3) (4) (22)(23)(27)：カーボンナノチューブ
(5) (26)：セパレータ
(6) (21)：容器
(7) ：蓋材
(8) ：電気二重層キャパシタ
(9) ：透孔
(10)：未硬化絶縁板枠
(11)：キャパシタ組込み未硬化絶縁板枠
(12)：回路層
(13)：回路
(14)：電子部品設置層
(15)：スルーホール
(16)：プリント基板
(17)：サンドイッチ体
(18)：キャパシタ組込み硬化絶縁板枠
(19)：高速動作素子＾
(20)：硬化絶縁板枠
(28)(29)：内部電極
(30)：多層内部電極群
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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