Carbon Base 新 Device

銅複合カーボンナノチューブ (CNT/Cu) エナメル線技術の展望
戸田泰行 1*，八名

純三 2，小西義昭 3，井上翼 4，手島愼平 5，羽賀裕一 6，中島純一 7

Technical View of Cu Composited Carbon Nanotubes for Magnet Wires and Coils
Yasuyuki TODA1*, Junzo YANA2, Yoshiaki KONISHI3, Yoku INOUE4,
Shinpei TESHIMA5, Yuichi HAGA6, and Junichi NAKAJIMA7
1

礎電線株式会社（〒 342-0013 埼玉県吉川市吉屋 718）
社団法人埼玉県産業振興公社（〒 338-0001 埼玉県さいたま市中央区上落合 2-3-2 新都心ビジネス交流プラザ）
3
KoPEL 小西技術士ラボ（〒 354-0041 埼玉県入間郡三芳町藤久保 374-22）
4
国立大学法人静岡大学（〒 432-8011 静岡県浜松市中区城北 3-5-1）
5TPR 株式会社（〒 990-0561 山形県寒河江市中央工業団地 1 番地）
6
株式会社真工社（〒 335-0032 埼玉県戸田市美女木東 2-2-6）
7川崎電線株式会社（〒 409-3843 山梨県中央市西花輪 111）
1
ISHIZUE MAGNET WIRE WORKS LTD. (718 Yoshikawa-shi, Saitama 342-0013)
2
Saitama Industrial Promotion Public Corporation (Saitama New Urban Engagement Plaza, Kamiochiai 2-3-2, Cyuou-ku, Saitama-shi, Saitama 338-0001)
3
Koishi Professional Engineers Laboratory (374-22, Fujikubo, Miyoshi-town, Iruma-District, Saitama 354-0041)
4
Shizuoka University (3-5-1 Johoku, Naka-ku, Hamamatsu 432-8011)
5
TPR Co., Ltd. (1-CENTRAL INDUSTRIAL PARK. SAGAE, Yamagata 990-0561)
6
Shinkosya Co., Ltd. (2-2-6 Toda-shi Saitama 335-0032)
7
Kawasaki Electric Wire Co., Ltd. (111 Nishi-hanawa, Chuo-shi, Yamanashi 409-3843)
2

1.

新しい技術展望を概観する。

はじめに自動車の電気自動車への流れや IoT，通信の進化などか

2.

環境調和の背景ら，益々電線の需要は拡大しつつある。この中で移動体や人類が初めて利用した金属は銅であり，銅電線は 1744 年

航空・宇宙分野をはじめとする多くの分野は軽量化，大電ライプチヒ（ドイツ）に始まったと言われている 2)。日本

流対応，高温での抵抗対策，表皮効果対策，資源の枯渇対においては，安政元年 (1854) 銅線の線引き記録があり，明策他さまざまな理由から，新たな素材による持続可能な対治 11 年 (1878) 頃より漆塗線，ゴム線や綿絹巻線が製造さ策が求められている。自動車の電気自動車への流れや IoT，れ始めている 3),4)。
銅の消費は，電気電子工業の発展とともに大きく拡大

持続可能な社会に向けて，材料開発も環境や資源の偏りのし，2018 年には世界で年間 2,379 万トンの銅が消費されてない，継続性を性能の他に目を向ける必要が出てきている。

いる。長期的な需要は，産業構造の変化に左右されるが，近来，カーボンナノチューブ（以下，CNT という。）の資源的な制約の中，コスト，品質や環境対応など，利用す

種々の特長を利用して，活発な研究，開発や実用化が進める上で克服すべき課題も多い 5)〜7)。
2019 年のアメリカ地質調査報告によると，現行の銅鉱床

ら，①軽量化・高強度化・柔軟性・透明性などが，単結晶の埋蔵量は 8 億 3,000 万トンと推定され，新たな銅鉱床のの純粋さから，②高い導電性，電磁波吸収性，半導電性な開発にはインフラが整っていない奥地にシフトすることにどが，また炭素の結合構造から，高い熱伝導性，耐熱性なよるコスト増と，良質の鉱床が少なくなり，不純物の増加

1)

どが挙げられる 。本稿では，代表的な導電材料である銅や，環境対策など開発費やさまざまな問題が顕在化して，に置き換わる，環境に調和した材料 CNT の導電性に着目しコスト増加傾向がみられる。そこに需要側の問題として自た。ここでは CNT を使った電線への取り組みを中心に，わ動車の電動化シフトが行なわれ，プラグインハイブリッド

れわれが取り組んだ銅複合カーボンナノチューブ（以下，

車 (PHEV) や二次電池式電気自動車 (BEV) の増加により自CNT/Cu という。
）線の技術を中心に概説する。CNT の導動車産業の需要を押し上げる事が予想される。自動車 1 台

電性に関する最新の研究成果を取り上げ，複合化による機あたりの銅使用量でみると，内燃機関 (CV) の乗用車では能の向上，エナメル線代替，さらにコイルへの応用などの

約 23 kg であったのが，PHEV では約 60 kg，BEV では約83 kg と大きく増える。自動車の需要は低開発国の経済的*: Corresponding author
E-mail: toda@ishizuedensen.com

Copyright© The Japan Institute of Electronics Packaging

な改善が進むに伴い，世界の自動車生産量台数も増加する
ので，銅の消費量も拡大し，ネットワーク社会を構築する

エレクトロニクス実装学会誌

Vol. 24 No. 5 (2021)

417

Deviceられている。CNT の特長としては，分子レベルの特性か

新Carbon Base

通信の進化などから，益々電線の需要は拡大しつつあり，

電気・通信産業やデバイス産業への影響は大きいものとな

3.1.2 六員環の電子の偏りると推測される。さらに銅は熱伝導や酸化による劣化が少

CNT は 6 つの炭素原子が正 6 角形を形成している六員環ないため，食品機械や冷熱機器をはじめとするさまざまなを敷き詰めた平面を円筒状に丸めた構造の集合である。

用途に広く使われ，これら全ての産業分野で需要の増加が各々の炭素原子は 4 つの結合の手（SP 混成軌道）で他の炭見込まれていて，2050 年にはこのままの 7% 台の増加率が素原子と繋がっているが，そのうち 3 つは SP2 混成軌道で続く

8)とほぼ埋蔵量に近づくとする見方もある。

平面上に 6 角形を形成し，残りの 1 つ SP 軌道は平面に垂このことから，持続可能な社会を構築するためにも，こ直方向に伸びている。有機化学の簡略な表現では 2 重結合れまで利用してきた銅の使用量を減らしつつ，地球に豊富を含んだ 6 角形で表すが，2 重結合の位置は固定されずににある元素・原料で，どうすれば性能や機能を改善できる

飛び飛びに入れ替わり，共鳴と呼ばれる。1 重結合の状態

かといった技術の開発が求められている。今回概説する，

から連続的に変化するのではなく断続的に入れ替わる。

炭素原子からなる CNT と銅の複合線を作る取り組みは，銅

立体的な表現では結合の手である電子の軌道を図 2 のよが併用されているものの，主要材料である CNT が銅代替材

うに表わす。この時に電子は位置が判る点や球ではなく電料のひとつとして将来的に重要になると思われる。その鍵子雲のような分布で表される。この時に 6 員環平面に垂直となる CNT から線（ワイヤー・紡績糸・糸・ヤーン）を作

な分布の電子雲を，平面上で歳差運動をしている独楽で表る技術は，国内外で多くの研究が進められている 9)〜11)。

してみる。歳差運動の方向は CW（時計回り）方向と CCW（反時計回り）方向が取れるが，隣合わせの電子雲は阻害しCNT 技術の潮流

3.

合わないように逆回転となる。また共鳴をしているので全3.1 自由電子をもたないカーボンナノチューブの導電性 12),13)方位の連続的な回転ではなく，炭素原子のある 3 つの方向への飛び飛びの回転である。

3.1.1 はじめに

3.1.3 六員環の 3 回対称構造

正の電流は負の電子の動きと同時に反対方向に流れる。

SP 軌道である 6 員環の 2 重結合の配置により 3 種類の状

そして，自由に動ける電子を持たない有機物や酸化物には態が出来る。ここで図 3 の 2 重結合の位置でみて，電子雲

電気が流れず絶縁物と呼ばれる。例えば炭素原子の共有結の CW 回転，CCW 回転の動きが，6 員環の内側から外側へ

合だけから出来ていて自由電子を持たないダイアモンドは向かう状態を 状態 H ，外側から内側へ向かう状態を 状

絶縁物である。しかし，同じように炭素原子の共有結合だ

態 L ，6 員環の外側を回る状態をけから出来ている CNT は電気を通す事が出来る。自由電子の状態の変化は， 状態 H ， 状態 O ， 状態 L の順で飛を持たなくとも電流は流れることが出来る。

び飛びに入れ替わることになる。そして CW 回転，CCW 回

このことについて考えてみたい。ドミノ倒しの駒は倒れてもその場から動かないが，ドミノ全体の連続的な倒れの状態 O

転の動きが全て逆になれば，状態の変化は態 O ， 状態 Hとする。図 3状態 L ， 状の順に入れ替わることになる。

動きは最後まで伝わる。このように電子も同様な動きをす

3.1.4 回対称の位置と状態

れば自由電子でなくとも隣の電子に電気を伝え，端から端6 員環平面の全体では，図 4 の縦に列のようにある位置

新Carbon Base

まで電流を伝えることが出来る。

に注目すると，その位置での状態は全て

ところで，電子と電流が同時に逆方向に動くならば，図O ， 状態 L ，再び状態 H

状態 H ， 状態の順，で変化する。また横1 のように電子が出発点から動き始めた時に電流は電子のの列のある状態に注目すると， 状態 O

到達点から出発点に向かって何もないところから突然に流H のあった位置を追うように位置変化をし， 状態 H はれ始めるのであろうか？

直前の最小単位の大きさである原子やDevice電子は，連続に存在するのではなく飛び飛びに存在する。

図 1.

418

エレクトロニクス実装学会誌

状態 L

は直前の

状態

のあった位置を追うように位置変化をする。

連続的な流れと不連続な流れ

Vol. 24 No. 5 (2021)

Copyright© The Japan Institute of Electronics Packaging

図 2.

SP 混成軌道と歳差運動

図 3.

対称形と CNT の 3 回対称新Carbon Base

3 回対称と並進対称

つまり， 位置 O ， 位置 H ， 位置 L ，再び 位置
Oの順で移動する。そしてある時刻の位置

Device

図 4.

が決まれ

3.1.5 員環の配列方向による電子の流れ
基準が CW 回転か CCW 回転かで 状態 H ・ 状態 L ・ば 状態（運動量） の関係は決まっていて，両者を勝手に状態 O選ぶことは出来ないという量子論的制約がある。ある状態

そして方向は，対称な 120 度異なる 3 つの方向の直線の

での電子の

位置の動き

の位置の順序は決まる。

にしたがって，電流はそのまま

何れかになるか，または丸まるかなる。この時に，筒状の逆方向に流れるので， 位置の動き を見れば，または 状

6 員環平面の両端に電位差があれば，電子の状態の順序は態の配置

電位差の方向に優先して並ぶ。

を見れば，電流の流れが判ることになる。

さらに，6 員環の向い合う頂点を結ぶ対角線の方向と 6

Copyright© The Japan Institute of Electronics Packaging

エレクトロニクス実装学会誌

Vol. 24 No. 5 (2021)

419

図 5.

並進対称の方向図 6.

金属型と半導体型

員環円筒の軸方向が平行の場合（ジグザグ型）と垂直な場
合（アームチェア型）では図 5 のように 3 つの配列直線の全体の方向が異なる。アームチェア型の配列では，電子の移動方向は円筒軸方向および円筒軸と 120 度をなす方向が新
Carbon Base

あり，電流は軸方向流に流れるが，ジグザグ型の配列では，電子の移動方向は筒の円周方向および円周と 120 度をなす方向があり，円筒軸の方向にはない。電子の移動方向
は円筒軸に斜めの螺旋方向になる。
3.1.6 金属型と半導体型

Device円周方向に並ぶ六員環の数が 3 の倍数以外になる場合などでは，単位となる 3 状態の組み合わせは隣同士になるの

図 7.

温度変化による電気抵抗の変化

で，歪みが生じる（図 6 の半導体型）。
3.1.7 CNT の電気抵抗中空構造で，そのグラフェンが 1 層からなる単層カーボン

金属においては自由電子による連続的な流れが電流の流

ナ ノ チ ュ ー ブ (SWCNT) と 多 層 カ ー ボ ン ナ ノ チ ュ ー ブ

れをつくるため，物質の温度が増加すれば自由電子の運動(MWCNT) があり，その他コーンカップを積層したようなが活発になると粒子の通路の障害物となる流れは妨げられ

ヘリンボーン型チューブやウニのようなカーボンナノホー

電気抵抗も増加する。しかし，とびとびの状態で変化する

ン，CNT にフラーレンがついたようなものもあるが，ここでCNT の電子雲は連続した道が無いため，図 7 のように基本

は SWCNT と MWCNT に代表される炭素原子による一次元的に温度上昇影響を受けないため，電気抵抗の上昇は無い。

構造の CNT についてその作り方と物性に関して概説する。

3.2 CNT の合成とその物性

12）

CNT は 1952 年に旧ソ連の Radushkevich と Lukyanovich

CNT は炭素原子の SP2 結合からなるグラフェンを丸めた

420

エレクトロニクス実装学会誌

Vol. 24 No. 5 (2021)

が Journal of Physical Chemistry of Russia に直径 50 nm の中

Copyright© The Japan Institute of Electronics Packaging

空グラファイト構造の繊維状物質の記載 14) が出ていたが，注目されることなく長年が過ぎていた物質である。作り方
は大別してアーク放電法 15)〜18)，レーザー励起法 19)，CVD
法 20),21)，HiPCo 法†22) が知られている。この中で，CVD 法が多くの企業で採用されている。CVD 法と呼ばれるものには炭素源と触媒前駆体を縦型炉の中で噴霧して，気相中で反応させる気相流動法や，横型炉の中で，炉内に置かれた基板上に触媒を置いて，キャリアーガスと共に炭素源を

図 8.

CNT 糸製造の概要

送って，基板上に成長させる基板法に大別できる。前者は基板の事を考えずに合成温度を上げられるため，結晶性が高い CNT ができやすく，後者は基板上の触媒のマイグレー
ションなどを考慮するため，合成温度が前者より低くなる
ため，欠陥ができやすいが，長い CNT ができる利点もある。細い直径の CNT になるのか，太い多層になるのかは触媒粒子の直径に依存し，現在ではかなり作り分ける事ができるようになってきている。
ここでは CNT/Cu 複合線にするため，CNT 線の導電率からみれば気相流動法の SWCNT が最も抵抗が低くできるが，これは前述の結晶性が高いため，Cu+ イオンが付着できるところが無く複合化が難しく，基板成長 MWCNT を採用

図 9.

試作した CNT 糸の SEM 像

し CNT/Cu 複合化を図った。
このように多層 CNT を活用するものと異なり，CNT の半導体を利用することもできる。SWCNT は合成時に触媒の直径を nm サイズで制御することはまだできていないの†で，合成時には SWCNT はそのカイラリティ で金属型と半導体型が混在して合成される。そのため，半導体を利用す

表 1. CNT 糸の代表物性
項

目

代表値

引張破断強度〜105 S/m〜1.5 GPa

糸密度〜1.2 g/cm3

電気伝導率

るには合成後の半金分離技術が求められる。半導体型と金†属型の SWCNT の分離法としてはゲルカラム法 23) と密度勾3.4 銅めっき CNT

配超遠心法 30)，片浦などの m−SWCNT と s−SWCNT の3.4.1 銅めっき†

31)

多層 CNT を基板上に高密度に垂直配向合成した CNT フォ性を利用した分離法は e-DiPS 法 による直径の細い SWCNT

レストでは，CNT の一部を水平方向に引き出すと CNT がを効率的に，しかも高純度で分離できることで，SWCNT

連結した網目状の CNT 連結帯が引き出される。このようなの半導体利用の研究や工業的な道を開いている。

現象を乾式紡績現象といい，連結帯を CNT ウェブという。

†

3.3 CNT 糸の製造

CNT ウェブに撚りを加えると CNT 糸が得られる。CNT 糸については，作製方法から諸特性評価，応用技術など幅広く研究開発が進められている。電気伝導特性に着目する

待されている。図 8 に CNT 糸の製造概要を，図 9 に試作しと，電気伝導率は概ね 103 S/cm であり，配線材料として活た CNT 糸の SEM 像を示す。CNT 糸は，基板成長 MWCNT

用するには抵抗が大きく，通電するとむしろ発熱してヒーを水平方向から連続的に引き出し，引出方向を軸に回転さターとして動作する。そこで，銅をめっきして導電性を高せ撚りをかけることで製造できる。撚り角や糸密度は，引める取り組みが研究されてきている 27)〜34)。銅を被覆した

出速度と回転速度を変更することで制御可能で，用途に合CNT 糸の電気伝導率と最大電流容量を合わせて報告していわせて作り分けができる

26)。CNT 糸は国内でも複数社で生産されており，各社で特徴がある。

る論文のデータを図 10 に示す。
CNT への銅めっきでは，硫酸銅めっきが主流である。

表 1 に試作した CNT 糸の代表物性値を示す。アルミニウ

CNT 糸を負極として硫酸銅浴内で通電すると銅が析出す

ムよりも軽量で高強度であるが電気伝導率は低いため，電る。CNT 糸などの集合体では CNT 間距離が数 nm 程度と近解めっきによる CNT と Cu の複合化を行い，電気伝導率向接しているため，電解めっきでは糸の表面付近に集中的に上を狙うことが行われている。

銅が析出しやすいという特徴がある 28),30),34)。その場合は，電流は主に外周部の銅を流れるため，見かけの電気導電率

Copyright© The Japan Institute of Electronics Packaging

エレクトロニクス実装学会誌

Vol. 24 No. 5 (2021)

421

DeviceCNT は軽量で高強度，高電導の物性を持つことから，
CNT のみで構成される CNT 糸は，次世代の線材として期新Carbon Baseが挙げられ，特にゲル吸着特

ゲル吸着を利用した分離法

は銅のそれより低下し，CNT と複合化したことによる相乗効果は表れにくい。そのため，糸内部まで銅をより均質に析出させるため，周期的に逆方向電流を流すパルスめっき(PPR) 法 32) や，あらかじめ CNT 集合体内部に銅イオンを含ませておく方法 27),33) なども研究されている。なお，銅とCNT が均質に複合化されると，銅部を流れる電流密度が高くなっても銅粒界などで生じるエレクトロマイグレーションの効果が抑制され，結果的に最大電流容量が銅より高くなるという報告が産業技術総合研究所より 2013 年になされている 27)。
一方で，国内では企業においても乾式紡績による CNT 糸の開発が進展しており，村田機械，日立造船，TPR，杉田

図 10.

銅めっき CNT 線材料の電気伝導率と最大電流容量
の研究報告

図 11.

(a) 非光沢めっき，(b) 光沢めっきの表面と断面のSEM 像

電線，浜松カーボニクスなどから提供されている。なお，
その銅被覆ワイヤーも村田機械から販売されており，軽量
高導電性ワイヤーとして多様な新規製品展開が期待される。
3.4.2 銅複合めっき
CNT に銅を複合化する目的は電気抵抗値を下げることである。CNT は優れた電気特性を持つ一方，糸にした際に非常に微細な欠陥が形成される関係で電流効率が悪く，そのまま使用するには電気抵抗値が高かった。その欠陥を補う方法として，銅複合塗料を塗布するなど，さまざまなことが検討され，めっき処理，具体的には電気硫酸銅めっきが主流となっている。電気硫酸銅めっきは，装飾部品で求められるようなレベリング製の高いめっきや，精密部品で求められるような膜厚のばらつきが少ないめっき，微細箇所のめっきなど，薬品の組成を調整することで任意の目的のめっきを施すことが可能となる35)。

導体である CNT 糸に対してダイレクトに電気銅めっきを施すことで複合化を試みられている。めっき対象となる
CNT 糸は 30 μ m〜150 μ m，単層，多層など，いくつかのメーカにて検証が行われている。めっきでは，図 11 に示す

新
Carbon Base

ように，当初は非光沢であったが，最近は光沢外観を呈したものが多い 36)。
各社とも，製品化を念頭に入れており，開発のプロセス
もそれらを意識した進め方で開発が進められている。めっ図 12.

きの検証は，いくつかの大学，メーカなどで行われていビーカー試験の様子

Deviceる。めっき溶液の組成などの化学的検証は，図 12 に示すようなビーカー試験での検証が行われている。一方，メーカ

なわち，ビーカーレベルでの検証を行い，次に糸状のもの

では自動車部品用などの装飾めっきの生産実績が豊富な会

をめっき処理するのに適当な装置を作成し，それを用いて社など，めっきの要素技術を持った会社で，製造面の検証

条件などを詰められている。装置は，めっき処理と糸の巻が行われている。ラボレベルの結果を製造現場に転用するき取りを同時に行える装置が独自に設計されている。

際に生じるギャップが，早い段階で埋められている。
めっき溶液は，製造現場で用いられる際，一から薬品を

これまでの報告では，銅が複合化された CNT 糸は，従来の銅線に置き換えることができるレベルの導電性が得られ
37),38)。この場合には，銅が CNT 糸の中まで入り込

混ぜて建浴するのは現実的ではなく，めっき薬品メーカがている

販売している決まった組成の薬品が使われる。そこでメーんでいることが，図 13 で示されたマッピング写真で確認さカ販売のめっき溶液の中から，ビーカー試験の検証結果にれる。

て好条件であったものと近い薬品を選定し，市販薬品でも糸の長さは，数 m〜1,000 m 程度の安定した品質の製品

同様の結果を得られるかという検証が進められている。すを作ることができつつある。さらに導電性を上げるべく，

422

エレクトロニクス実装学会誌

Vol. 24 No. 5 (2021)

Copyright© The Japan Institute of Electronics Packaging

素材である CNT の評価・加工の要素技術の検討も含めて39),40)3.5 エナメル塗料の被覆，製造条件や製造設備の見直しも行われている。

銅あるいはアルミの単線の上に各種のエナメル塗料が被覆されている 41)。銅の比重は 8.89，アルミの比重は 2.71 であり，CNT ではさらにその半分近い。導電性のよい CNTを用いることによって，モータやコイルの用途では，軽量化の効果が期待される。電線の被覆には，mm 単位の被覆にはゴムやプラスチックなどの樹脂材料が用いられるが，μ m 薄い被覆には図 14 に示すようなエナメル被覆塗装が一
般的用いられている。銅線に比べて CNT 線は，柔らかく，均質な形状の保持も困難なので，適切な製造条件によって，エナメル被覆が実施される。線の絶縁は，表 2 のように，耐熱性の違いによって分類される。用途に応じて，線径，被覆の材質・被覆の厚さなどが選定される 42)。エナメ
ル線の諸特性より，実現性と実用性を考慮して，CNT ／ Cu
エナメル線が設計される 43)。
写真提供
株式会社フジクラ

図 13.

銅と CNT のマッピング

4.

応用技術の展開エナメル線が使用される代表的な電気部品の一つにスピーカがある。スピーカは図 15 に示すような構成になっており，電気信号を受けてそれを物理的な振動に変え音楽や音声にする音響機器だが，電気信号を受け取るための部品はボイスコイルと呼ばれるエナメル線のコイルである。
従来，ボイスコイルには銅を導体としたエナメル線が主に使用されてきたが，高音領域の音質を向上させるため
図 14.

表 2.

ポリウレタン

記号
UEW

2

ポリエステル

PEW

絶縁品種

3

SFPEW

を向上させなければならないが，このためには軽量で十分

ポリエステルイミド

6200

ポリアミドイミド

7

220

8

240

5

はんだ可能
○
○

EIW
SFEIW

○

PAW

軽量化のため，銅線に代わり銅クラッドアルミニウム線を用いたボイスコイルがあるが，強度が低く断線しやすい
ため十分な普及に至っていない 45)。また，銅線，銅クラッ
ドアルミニウム線とも許容電流が小さいため，所定量以上の大電流が流れた場合に発熱により断線しやすいという問

AIW
ポリイミド

な電流を通じることができる導体が必要となる 44)。

題があり，いくつかの改善の取組みが行われている 46)。

PIW

新Carbon Base

180

4

た，十分な音量を出力しつつ小型化するためには音圧感度

各種エナメル線

No. 耐熱 (°C)
1
130
155

に，より振動しやすい軽量な導体が求められている。まCNT/Cu エナメル線の構造

Device

図 15.

Copyright© The Japan Institute of Electronics Packaging

スピーカーコイルの構造

エレクトロニクス実装学会誌

Vol. 24 No. 5 (2021)

423

表 3.
区分
機械

電気

特長を生かして

分子レベル
の細さ

特徴／機能
軽量

〇

高強度

〇

柔軟

〇

単結晶の
純粋さ

炭素の
結合構造

〇
〇

高い導電性

〇

〇

電磁波吸収性
熱
他

図 16.

〇

半導体分野

〇

〇

耐熱性

〇

〇

高い熱伝導性

〇

〇

〇

〇

透明性

〇

化学安定性

モーターコイル

表 4.
機
部位

予想される将来の市場

能

市

特長

部

商

導体 金属／ ゼーベック素子
半導体 FET軽量

図 17.

ワイヤリング

耐熱

これらの課題の解決手段として，CNT/Cu エナメル線を用いたボイスコイルが考えられる。CNT の密度はアルミニウムと比較しても約 1/2 と軽量で耐熱性が高く，原理的に線は繊維としての柔軟性を持つことで振動による断線が起こり難い。銅と同等以上の導電率をもつ長尺の CNT/Cu エナメル線の生産性が高まることで，より小型で高性能なス
ピーカの完成を実現することが期待できる。

コード・金糸線
高速伝送ケーブル

複合導線

宇宙エレベータ（通信）ボイスコイル

スピーカ

アンテナ

スマホ

モータ

高精度アクチュエータ・ミニカー・ラジ
コン

ソレノイド

産業機器・学校教材

ソレノイド

耐熱アクチュエータ

モータ

高効率モータ・耐熱アクチュエータ

発電機

耐熱アクチュエータ
IH ヒーター

高周波 非接触充電

6.

ガスセンサー

導線

スマートフォン

絶縁 熱放散 モータ

は，銅以上の導電性を示す可能性がある 47),48)。また，CNT

品

温度センサー

配線

非接触充電

遮蔽

場

品

超耐熱モータ導線

高周波同軸ケーブル

おわりにカーボンナノチューブは 1991 年に日本で TEM（透過電子顕微鏡）を用いて発見され，1998 年には産業技術総合研

新Carbon Base

この他の用途にも特長を生かした，図 16 に示すような究所 NEDO が実用化研究に着手した。埼玉県では，2014 年

モータなどへの展開や図 17 に示すような配線材料としてのからナノカーボンに関連する企業の県内集積を目指して発利用が期待され，内外で実用化研究が進められている 49)〜51)。

足した先端産業センター埼玉を中心に，いくつかの研究会が運営され，開発，実用化活動を推進している 52)。本報

まとめ

5.

は，およそこの研究会に参加しているメンバーで著述しDeviceCNT は耐熱性，導電性，機械強度などの特長を持っておた。研究会はオープンイノベーション的に運営されており，銅に置き換わる有力な材料の一つとして，近年研究がり，ご指導をいただいた信州大学工学部新井進教授，また進められている。CNT を線とした場合，CNT 単体とは違う研究会参加者，執筆にご協力いただいた皆様に感謝します。

挙動を示す。大きく低下する導電性を改善すべく，銅めっ（2021.6.8- 受理）・きが行われるようになり，その技術も向上しており，実用文化を目指した開発が進められている。CNT の製法・挙動，
線の特性，めっき処理，被覆，コイル化まで，川上から川下まで技術の流れを総括的にまとめた。
実用化を目指すに当たっては，表 3 に示すような CNT の特徴を利用した機能展開が期待される。さらにこれらの機能を生かした表 4 に示すような用途・市場展開が予想される。

献1) 埼玉県産業振興公社： 埼玉県ナノカーボン人材育成プログ
ラム（技術シーズ集）， 2018 年 2 月，p. 852) 日本電線工業会： 電線の知識， 2013 年 9 月，p. 653) 日本電線工業会： 電線関係の技術の歴史， 1999 年 8 月，
p. 11, 614) 桐山太志： 電線業の黎明， 電線時報，No. 760, pp. 13 –14，2018 年 5 月

424エレクトロニクス実装学会誌

Vol. 24 No. 5 (2021)

Copyright© The Japan Institute of Electronics Packaging

5) 平林豊： 銅資源の長期展望

No. 263，日本メタル経済研究所，2020 年 3 月，pp. i – iii6) 諏訪政市： 自動車とメタル， No. 213，日本メタル経済研究所，2015 年 4 月，pp. 90 – 1057) 渡辺美和： アジア動向と非鉄金属市場 No. 57， 日刊工業
新聞，2021 年 1 月 15 日，7 面
8) 石油天然ガス・金属鉱物資源機構： 銅ビジネスの変遷，
2018 年 3 月

I so l a t i o n o f C a r b o n N a n o t u b e s b y D e n si t y G r a d ie n t
Ultracentrifugation,” http::://www.photon.t.u-tokyo.ac.jp
25) 片浦弘道，田中丈士，平野篤，斎藤毅： 金属型，半導体型 SWCNT を効率的・高純度分離， aist.go.jp/aist-j/pressrelease/pr20131219/pr20131219html, 201326) M. Miao: “Yarn production from carbon nanotube forests,” Carbon
Nanotube Fibres and Yarns, 13-34, 201927) C. Subramaniam, T. Yamada, K. Kobashi, A. Sekiguchi, D. N.

9) 埼玉県産業振興公社： 埼玉県ナノカーボン人材育成プログ

Futaba, M. Yumura, and K. Hata: “One hundred fold increase in

ラム（技術シーズ集）， 2018 年 2 月，pp. 25 – 28, 61, 72

current carrying capacity in a carbon nanotube – copper

10) TPR ホームページ，https://www.tpr.co.jp/products/frontier/index.html
11) 林

composite,” Nature Communications, Vol. 4, 2202, 2013.
28) P.-M. Hannula, A. Peltonen, J. Aromaa, D. Janas, M. Lundström,

靖彦： 低炭素社会を実現する高強度・高伝導・超軽量

B. P. Wilson, K. Koziol, and O. Forsén: “Carbon nanotube-copper

カーボンナノチューブ線材の開発， at https://shingi.jst.

composites by electrodeposition on carbon nanotube fibers,”go.jp/past_abst/abst/p/14/1465/okayama09.pdf

Carbon, Vol. 107, pp. 281 – 287, 2016.

12) 埼玉県産業振興公社： 埼玉県ナノカーボン人材育成プログ
ラム（技術シーズ集）， 2018 年 2 月，pp. 78 – 8413) 斎藤弥八，坂東俊治： カーボンナノチューブの基礎， コ
ロナ社，1998.11

29) A. P. Leggiero, K. J. Trettner, H. L. Ursino, D. J. McIntyre, M.
Schauer, E. Zeira, C. D. Cress, and B. J. Landi: “High
Conductivity Copper-Carbon Nanotube Hybrids via Site-Speciﬁc
Chemical Vapor Deposition,” ACS Applied Nano Materials, Vol.

14) M. Monthioux and V. Kuznetsov:“Who should be given the credit
for the discovery of carbon nanotubes?,” Carbon Vol. 44, No. 9,2, pp. 118 – 126, 2019.
30) J. Zou, D. Liu, J. Zhao, L. Hou, T. Liu, X. Zhang, Y. Zhao, Y. T.
Zhu, and Q. Li: “Ni Nanobuffer Layer Provides Light-Weightpp. 1621 – 1623, 2006
15) R. Bacon: “Growth, structure, and properties of graphite whiskers,”
J. App. Phys., Vol. 31, pp. 283 – 290, 1960
16) G. G. Tibbetts: “Why arc carbon filaments tubular,” J. Crystal
Growth Vol. 66, pp. 612 – 638, 1984
17) S. Iijima and T. Ichihashi: “Shingle shell carbon nanotubes of 1

CNT/Cu Fibers with Superior Robustness, Conductivity, andAmpacity,” ACS Applied Materials and Interfaces, Vol. 10, pp.
8197 – 8204, 2018.
31) S. Arai, I. Murakami, M. Shimizu, and A. Oshigane: “Fabricationof CNT/Cu Composite Yarn via Single-Step Electrodeposition,”nm diameter,” Nature, Vol. 363, No. 6430, pp. 603 – 605, 1993

Journal of The Electrochemical Society, Vol. 167, 102509, 2020.

18) 安藤義則，他： アーク放電法による単層カーボンナノ32) M. B. Bazbouz, A. Aziz, D. Copic, M. de Volder, and M. E.

チューブと精製（小特集）有機結晶の新展開， 日本結晶成

Welland: “Fabrication of High Specific Electrical Conductivity

長学会誌，Vol. 32, No. 5, pp. 377 – 383, 2005

and High Ampacity Carbon Nanotube/Copper Composite Wires,”
Advanced Electronic Materials, Vol. 7, 2021.

Y. H. Lee, S. G. Kim, A. G. Rinzler, D. T. Colbert, G. E. Scuseria,

33) R. Sundaram, T. Yamada, K. Hata, and A. Sekiguchi: “Electrical

D. Tomanek, J. E. Fischer, and R. E. Smalley: “Crystalline ropes

performance of lightweight CNT-Cu composite wires impactedof metallic carbon nanotubes,” Science, Vol. 273, p. 483, 199620) A. Oberlin, M. Endo, and T. Koyama: “Filamentous growth ofGrowth, Vol. 32, pp. 335 – 349, 1976
21) 遠藤守信，他：特許「気相成長プロセスによる炭素繊維合成法」1982-58966, 1983

and H. Hou: “Fabrication and densiﬁcation of high performancecarbon nanotube/copper composite ﬁbers,” Carbon, Vol. 123, pp.
593 – 604, 2017.

22) N. Pavel: “Gas-phase production of single-walled carbon nanotubes
from carbon monoxide: a review of the hipco process,” Journal of
Nanoscience and Nanotechnology, Vol. 4, No. 4, pp. 307 – 316,

35) 斎藤囲，山下嗣人，本間英夫： 新めっき技術， 資料，

関東学院大学出版，2012 年 1 月 1 日36) 埼玉県産業振興公社： 埼玉県ナノカーボン人材育成プログ
ラム（技術シーズ集）， 2018 年 2 月，p. 53, 61, 72

200423) 片浦弘道，田中丈士，劉34) B. Han, E. Guo, X. Xue, Z. Zhao, L. Luo, H. Qu, T. Niu, Y. Xu,

華平： 低コストで SWCNT の37) 戸田泰行，八名純三： Cu 含侵 CNT 耐熱エナメル線の開

構 造 分 離 を 実 現， aist.go.jp/aist.j/press_release/pr2011/

発， 材料学会材料シンポジウム予稿，No. 528，2020 年 10

pr20110511/pr20110511.html, 2011

月 13 日24) P. Zhao, E. Eimarsson, J. Shiomi, and S. Maruyama: “Selective

Copyright© The Japan Institute of Electronics Packaging38) S. Arai, K. Kirihara, M. Shimizu, M. Ueda, A. Katada, and M.

エレクトロニクス実装学会誌

Vol. 24 No. 5 (2021)

425

Devicecarbon through benzene decomposition,” Journal of Crystal

by surface and internal Cu spatial distribution,” Scientiﬁc Reports,
Vol. 7, pp. 9267 – 9278, 2017.

新Carbon Base

19) A. Thess, R. Lee, P. Nikolaev, H. Dai, P. Petit, J. Robert, C. Xu,

Uejima: “Fabrication of Copper/Single-Walled Carbon Nanotube

用語解説

Composites by Electrodeposition Using Free-Standing Nanotube

HiPCo 法：アメリカライス大学の Smalley 教授（フラーFilms,” J. Electrochem. Soc., Vol. 164, D926, 201739) 金太成，酒井貴広，星雄大，二川秀史，細井厚史，川田宏之： 電気めっき処理によるカーボンナノチューブ／銅

レンでノーベル賞を受賞）などが開発した CNT 合成法
で，CO を炭素源，Fe を触媒とする高圧下の CNT 合成法です。

複合配線の創製および許容電流評価， JSME, 17-00313, 2017

カイラリティ：CNT は炭素原子の 6 員環構造のグラフェ

40) 埼玉県産業振興公社： 埼玉県ナノカーボン人材育成プログ

ンを丸めたもので，グラフェンの炭素原子結合部を端ラム（分析評価シーズ集）， 2020 年 12 月41) 藤倉電線： 電線要覧，巻線・自動車用電線・応用製品編，

から番号を (n, m) つけ，そのどこと結束して丸めるかで CNT の性質は変わります。六角形の中の中心を結ぶ
角度はこの結束の仕方で変わります。この角度をカイ1990 年 3 月，pp. 24 – 2542) 礎電線： マグネットワイヤ製品カタログ， pp. 7 – 14，2021

ラルベクトルと言い，CNT の構造はこのカイラルベク
トルで変化します。今 CNT の 6 員環構造の整数の組み

年4月43) 電気学会エナメル線特性調査専門委員会： エナメル線特性調査， 電気学会技術報告Ⅱ−196，1985 年 10 月44) 石垣敏宏： セラミックボイスコイルの開発， PIONEER

合わせ (n, m) をカイラルインデックスまたはカイラリ
ティと呼び，単層 CNT はこのカイラリティで電子構造が金属または半導体に変化します。
ゲルカラム法：SWCNT は半導体型と金属型が混在して

R&D，Vol. 13, No. 2, 199345) 山崎雄三： ボイスコイル材料， 日本音響学会誌，Vol. 47,

います。これを分離する方法として，産総研の片浦な
どはアガロースゲルが金属型と半導体型の付着性の違

No. 2, 1991
46) 小岩雄偉，菅原光晴，福原雅昭： モバイル機器スピーカー

いから，カラムを通過させる抵抗の違いから半金分離用銅被覆アルミ線 DCCA， 2020 年 1 月・SEI テクニカルレを行いました。この方法をゲルカラム法と呼んでいます。

ビュー・第 196 号特集
47) D. Resasco： 単層カーボンナノチューブ (SWNT) の構造

密度勾配超遠心法：SWCNT の半金分離の方法のひとつと特性，応用， at https://www.sigmaaldrich.com/japan/

で，界面活性剤の選択で半導体型と金属型の付着性がmaterialscience/nano-materials/comocat-carbon-nanotubes.html

違うことから，超遠心分離で質量差で密度勾配がで

48) 中嶋直敏，藤ヶ谷剛彦： 新しいナノ材料としてのカーボン

き，半導体リッチの部分と金属型リッチの部分に分離

ナノチューブ−最近の展開（バイオからエネルギーまで）できるので，この方法を密度勾配超遠心法と呼んでいat https://www.dojindo.co.jp/letterj/146/review/02.html

ます。

49)
50)

耐熱エナメル CNT 線開発（センサー実用化推進）， 日刊

e-DiPS 法：CNT 合成法の一つで，縦型炉の上部から炭素

産業新聞，2020 年 2 月 5 日，1 面

源としての炭化水素ガスと触媒となる有機金属化合物

CNT 耐熱エナメル線を日本で初開発（コイルサンプル出を 溶 媒 と 共 に 噴 霧 し て，炉 内 の 気 相 中 で 合 成 す る荷）， 電線新聞，2020 年 6 月 8 日，1 面

SWCNT 合成法です。

新Carbon Base

51) DEXMAT ホームページ，https://dexmat.com/
52) 藤坂浩司： 先端産業創造プロジェクト第 4 回ナノカーボ
ン， ぶぎんレポート No. 219，2018 年 3 月号，pp. 12 – 14

Device426

エレクトロニクス実装学会誌

Vol. 24 No. 5 (2021)

Copyright© The Japan Institute of Electronics Packaging

戸田泰行（とだ やすゆき）
礎電線株式会社 執行役員技術部長，論語指導士，
元株式会社フジクラで電線・コイル・モータ設計
所属学会：エレクトロニクス実装学会・AxC-PF会・日本銅学会・日本ポリイミド芳香族系高分子研究会・フィラー研究会・日本鉄道車両機械技術
協会，NBCI ナノカーボン WG

手島愼平（てしま
TPR 株式会社
先行開発部 主査

著者紹介

しんぺい）

八名純三（やな じゅんぞう）
社団法人埼玉県産業振興公社コーディネータ，元
信州大学・産業総合技術研究所，元日機装株式会
社で CNT 合成

羽賀裕一（はが ゆういち）
株式会社真工社
企画開発チーム
二級めっき技能士

小西義昭（こにし よしあき）
社団法人埼玉県産業振興公社コーディネータ，KoPEL 小西技術士ラボ，工学博士，技術士（機械部門），日本機械学会フェロー，日本人口臓器学会特別会員，ライフサポート学会功労会員，日本
レオロジー学会 A 級会員，元日機装株式会社で
CNT 複合材料研究中島純一（なかじま
川崎電線株式会社
開発部 次長日本電線工業会

じゅんいち）

井上 翼（いのうえ よく）
静岡大学工学部電子物質科学科教授，浜松カーボ
ニクス株式会社代表取締役社長，所属学会：応用物理学会，FNTG 学会，炭素材料学会，機械学
会，複合材料学会

新
Carbon Base
DeviceCopyright© The Japan Institute of Electronics Packaging

エレクトロニクス実装学会誌

Vol. 24 No. 5 (2021)

427