（公財）日本板硝子材料工学助成会 2023年1月27日（金）第40回無機材料に関する最近の研究成果発表会

グラフェンを用いた透明アンテナ
青山学院大学 理工学部
電気電子工学科 教授
黄 晋二

2CONTENT• 透明アンテナとは？
• 透明アンテナ材料としてのグラフェンの特徴• CVDグラフェンを用いた透明アンテナ
単層CVDグラフェンダイポールアンテナ
3層積層グラフェンモノポールアンテナ• 今後の展望3

IoT技術、5G技術において注目される透明アンテナ

注目を浴びる透明アンテナ技術

4Internet of Things

5G system

様々なモノが相互に接続

多数のアンテナが必要
高周波帯 (~27 GHz) の利用✓ 損失の増加➢ 伝搬損失➢ 障害物による損失
多数のアンテナが多くの場所に設置される多数のアンテナをモノの外側(表面) に設置する可能性

IoT や 5G といった今後の無線通信において透明アンテナを活用できる可能性

透明アンテナが使われる場所

5

 透明なモノの透明性を保持しアンテナを設置可能

車のフロントガラス

汎用的なガラス眼鏡

建物の窓 様々なモノの外観を保持しアンテナを設置可能

タッチパネルwww.sharp.co.jp

ウェアラブルデバイス

部屋の天井
www.dengyo.com

車のフロントボディ

今後の無線通信において新しい可能性

透明アンテナの材料に求められる特性
金属製のアンテナを透明にする• 金属と同程度の低い電気抵抗• 可視光領域での高い透明性
これを両立する透明導電膜が必要
透明導電膜の特性：

シート抵抗

𝑹𝑺 = 𝟏/𝝈𝒕 = 𝟏/𝒆𝝁𝒏𝒕 [Ω/sq]

光学的透過率𝑻 [%]可能な限り低い 𝑹𝑺 と高い 𝑻

6シート抵抗を低くするには

7

𝑹𝑺 = 𝟏/𝝈𝒕 = 𝟏/𝒆𝝁𝒏𝒕
𝝈 電気伝導率：抵抗率 𝜌 の逆数
𝒕 膜厚

𝝈 = 𝒒𝒏𝝁1𝜎=𝜌𝑅=𝜌𝑞 ：電荷素量 1.602 × 10−19 [C]𝑛 ：キャリア密度 [cm-3]
𝜇 ：キャリア移動度

シート抵抗を低くするには• 膜厚を厚くする• キャリア密度を高くする• キャリア移動度を高くする𝐿𝑆

8透明アンテナ材料としてのグラフェンの特徴
まずは既存の透明導電膜について

様々な透明導電膜

9• 微細金属メッシュ構造を挿入したガラス／PET• 金属酸化物薄膜 例：ITO• 金属ナノワイヤを挿入したガラス／PET• グラフェン

L. He, et al, Mater. Sci. Eng. R, 109, 1-101 (2016)

透明アンテナ金属の反射率10

赤外光～RF波はほぼ全反射

プラズマ周波数

𝜔𝑝 =𝑛𝑞 2𝑚𝜀プラズマ周波数よりも高い周波数（短波長）の光が透過する
𝑛 はキャリア密度金属では 𝑛 ~1022 cm-3

各種金属の反射率

Au箔うちわ（金沢県の今井金箔社）

11

極めて薄い金箔

金箔を透かして見ると世界が青く見える

透明導電膜材料におけるトレードオフ
金属メッシュ／金属薄膜
低抵抗化のために金属線を太くする
金属薄膜を厚くする→光学的透明度が低下

金属酸化物薄膜（ITO系）
低抵抗化のために膜厚を厚くする
キャリア密度を増大させる→プラズマ周波数が短波長側へシフト→光学的透明度が低下＊移動度向上には限界がある 高くても 100 cm2/Vs• 低抵抗化と透明性維持のトレードオフ• 低いフレキシブル性• 赤外光～RF波はほぼ全反射

1213

透明アンテナ材料としてのグラフェンの特徴

グラフェンは炭素同素体材料の母14"The rise of graphene", A. K. Geim & K. S. Novoselov,Nature Materials 6, 183 - 191 (2007)

2010年
ノーベル物理学賞の対象
明確な実用例は未だ無い

グラフェン

黒鉛（グラファイト）
C60 フラーレン

カーボンナノチューブ

グラフェンの強い炭素間共有結合

s15s bonds シグマ結合
局在（動かない）電子
C-C sp2 615 kJ/molp*C-C sp3 345 kJ/molsp＊ダイヤモンドよりも強い共有結合→化学的安定性→機械的強度p bonds パイ結合
非局在（動ける）電子2pz 軌道
電気伝導を担う電子

グラフェンの特異な電子のエネルギー分散

16グラフェンの優れた電気伝導特性の起源は特異な線形のエネルギー分散にある吊り下げグラフェンでの超高移動度

200,000 cm2/Vs （実験値）
in suspended graphene
Solid State Communications,146, 351 (2008).

Dirac ConeA. H. Castro Neto et al., Rev. Mod. Phys. 81, 109 (2009)

ゼロギャップ半導体
線形分散

Zero energy gap
Linear dispersion

質量ゼロのフェルミ粒子→優れた電気伝導特性

グラフェンの光吸収：単層で~2.3%
R.R.Nair et al., Science 320, 1308 (2008)

グラフェンの光吸収率
𝜋𝑒 2𝐴== 𝜋𝛼~2.3%ℏ𝑐

光吸収の起源は価電子帯から伝導帯への光による電子励起

𝑒21 微細構造定数𝛼=≈ℏ𝑐 137 fine structure constant

グラフェンの光吸収は微細構造定数のみで決まり、波長によらず一定値 (2.3%) をとる。

173層積層グラフェン：透過率のキャリア密度依存性
Transmittance [%]100

波長550 nmにおける可視光透過率
Pristine
90.4%
580 Ω/sq
Doped90.1%
80 Ω/sq90
Pristine

8018

Doped

706050
400

500
600
700
Wavelength [nm]800

Pristine 𝑛 = 4.5 × 1012 cm−2
Doped 𝑛 = 6.6 × 1013 cm−2

キャリアドーピングによる可視光透過率の変化が無いキャリア密度（フェルミ準位の位置）と透過率に相関が無い

低抵抗化と透明性維持のトレードオフからフリーグラフェンを用いた透明アンテナ

19

低抵抗化と透明性維持のトレードオフからフリー
高い可視光透過単層で約97.7 %RF波長帯で透明優れた電気伝導特性

化学的安定性
優れた機械的強度
フレキシブル性

厚み原子1層超軽量

炭素原子のみで構成
メタルフリー𝛔 = qnμ導電率が変調可能化学気相成長法：Cu箔上のCVD法
メタンガスと水素を原料とする結晶成長法
Cu箔上に単層グラフェンを成膜

Cu触媒基板：低炭素固溶度→1層成長後に成長停止→単層が容易に得られる➢ スケーラブルな製造方法➢ 大面積かつ高品質な単層グラフェン➢ 転写グラフェン：一様な連続膜
半導体リソグラフィ技術を適用可➢ 産業応用に適している

単層CVDグラフェンのラマンスペクトル（転写後）20グラフェンの転写

21

石英ガラス基板上に転写支持材PMMA塗布
Cu箔をエッチング

超純水
リンス

1 h×35h
硝酸鉄九水和物水溶液

転写完了
12 h
アセトンに浸漬
PMMA除去Layer by Layer 法による積層転写
層間にPMMA残渣の無い3層グラフェンを作製可能

22グラフェンの光学的透過率
石英ガラス基板上グラフェン
LBL転写によって積層化

PET、PEN基板など様々な基板に転写可能

23

光学的透過率島津製作所 UV-1900で測定

単層の場合ほぼ理論値 ～97%
3層で 約90％ （波長 550 nm）

24

CVDグラフェンを用いた透明アンテナ

単層CVDグラフェン透明アンテナ
金属のダイポールアンテナ

25

原子1層のグラフェンで作った透明ダイポールアンテナ

グラフェンアンテナ

世界初の電波放射を実証
Shohei Kosuga, Ryosuke Suga, Osamu Hashimoto, Shinji Koh,
“Graphene-based optically transparent antenna”, Appl. Phys. Lett. 110, 233102 (2017)グラフェンダイポールアンテナの動作実証

20 GHz帯での電波放射を観測
金属アンテナと異なる特性高いシート抵抗 Rs ~ 750 Ω/sq
S. Kosuga, et al., Appl. Phys. Lett. 110, 233102 (2017).
S. Kosuga et al., Microwave. Opt. Technol. Lett. 60, 2992-2998 (2018).
S. Kosuga et al., 30 th Asia-Pacific Microwave Conference, Kyoto, Japan, 7 Nov. (2018)26

グラフェンの低抵抗化の指針
1. 積層による低抵抗化＊シート抵抗27

𝑹𝑺 = 𝝆/𝒕＊積層によって光学的透過率は減少する⇒ 透過率 90％以上の3層積層を採用
2. キャリア密度増大による低抵抗化
機能性分子 TFSA を用いた化学ドーピング＊導電率

𝝈 = 𝒆𝒏𝝁𝑛 ∶ キャリア密度

𝜇: キャリア移動度

化学ドーピング～

28

グラフェンの導電率： 𝜎 = 𝑞 𝑛 𝜇𝑞: 電荷素量E𝑛: キャリア密度

𝜇: キャリア移動度

More p-dopingE

キャリアドーピング材 ～TFSA～DOS

DOSBis(trifluoromethanesulfonyl)amineEF➢ 蒸気圧が低い➢ 高い可視透過率➢ ドーピング材として機能EF

𝑛S.M. Kim et al., ACS Nano. 4, 11, pp6998 (2010)

TFSA分子がグラフェンから電子を奪いキャリア密度が増大

グラフェンシートの低抵抗化
3層積層と化学ドーピング
Hall bar29

チャネル：単層、3層グラフェン電極材料：Au

1 cm積層＋TFSAドーピングによって 80 Ω/sq を達成

石英ガラス上積層グラフェンの光学的透過率
可視光透過スペクトル＊グラフェン層のみの吸収を測定
Pauli blocking

Transmittance [%]100

波長550 nmにおける可視光透過率

Visible9080

Pristine

30

Doped

70Pristine(3層)90.9 %

Doped(3層)

90.6 %

60
50
400

600

800
1000 1200
Wavelength [nm]

1400

1600

3層積層、ドーピング後も90 %以上の高可視光透過率を維持
低抵抗化において透過率が低下しない

化学ドープ3層グラフェンを用いたモノポールアンテナの作製と評価

3110 mm

3層積層＋ドーピング
光学的透過率 ～90 %
シート抵抗 80 Ω/□

Shohei Kosuga, et al. and S. Koh,
"Optically transparent antenna based oncarrier-doped three-layer stacked graphene,"
AIP Advances 11, 035136 (2021).

グラフェンモノポールアンテナの作製
Monolayer
graphene

32

Three-layer
graphene

CVD成長

Cu エッチング

Cu箔へ転写石英ガラスへ転写

TFSA塗布グラフェンエリア形成

アンテナ
パターン作製

Au 蒸着

10 mm

接地板付きグラフェンモノポールアンテナを作製した

ሶ
入力インピーダンス Zin

3350 Ωcf) 共振周波数 fc

Lfc =C

12π LCRrad: 放射抵抗…電力放射量
Rloss: 損失抵抗…電力損失
Rground : 接地抵抗…ゼロとする
L : 直列インダクタンス
C : 直列キャパシタンス

共振周波数

Frequency[GHz]ሶ ) [Ω]Re(ZinRloss Rground

Rrad

Graphene

Au

9.8

6.3

20.2

12.0

透明グラフェンアンテナの入力インピーダンスを測定し共振周波数を明らかにした放射パターン：積層ドープCVDグラフェン透明アンテナ
Solid lines : E-plane
Dashed lines: H-Plane

6 GHz

8 GHz

10 GHzGrapheneAu

同周波数でのE面ローブ数が同じであるため波源数も同じ
グラフェン膜がアンテナの電極材料として金属に近い振る舞い⇒アンテナサイズの制御による動作周波数制御が可能⇒ 5Gなどミリ波帯への応用が可能

34

放射効率：積層ドープCVDグラフェン透明アンテナ
Radiation efficiency: Wheeler cap Method
𝑃𝑟𝑎𝑑𝑍𝑖𝑛ሶ
50 Ω 𝑅𝑙𝑜𝑠𝑠 𝑅𝑟𝑎𝑑
𝑍𝑖𝑛ሶ = 𝑅𝑙𝑜𝑠𝑠 + 𝑅𝑟𝑎𝑑

Metal cap𝑍𝑖𝑛ሶ
50 Ω 𝑅𝑙𝑜𝑠𝑠
𝑍𝑖𝑛ሶ = 𝑅𝑙𝑜𝑠𝑠

𝑅𝑟𝑎𝑑 and 𝑅𝑙𝑜𝑠𝑠 :determined by measurement of 𝑆11ሶ .
放射効率:
𝑅𝑟𝑎𝑑
𝜂=× 100 [%]𝑅𝑟𝑎𝑑 + 𝑅𝑙𝑜𝑠𝑠

Graphene(9.8 GHz)Au (500 nm)(6.3 GHz)

𝑅𝑟𝑎𝑑 [Ω]𝑅𝑙𝑜𝑠𝑠 [Ω]𝜂 [%]10.69.652.5

11.5

0.595.835

最大利得の測定結果

36

最大放射方向における利得を周波数毎に評価
グラフェンアンテナの最大利得0.34 dBi at 8.5 GHz
Gain 共振周波数-0.38 dBi
Graphene
9.8 GHz2.76 dBi
Au
6.3 GHz➢ グラフェン膜からのマイクロ波電力の放射を確認➢ 金属アンテナとの利得差 ~3 dBi➢ 44日経過後 (緑線) も利得の変化は無し ＊TFSAドーピングの安定性

CVDグラフェン透明アンテナ：まとめ
1. 単層 CVD グラフェン ダイポールアンテナ
高い可視光透過率~97%

高いシート抵抗~750 Ω/sq

2. 化学ドープした3層積層グラフェン モノポールアンテナ
シート抵抗80 Ω/sq

可視光透過率90.6 %

放射効率52.5 %

金属的な振る舞い⇒サイズ制御による動作周波数制御が可能
実用化の可能性を示した

37

38

今後の展開

インターカレーションによる低抵抗化

𝝈 = 𝒒𝒏𝝁39更なる低抵抗化を目指して：
グラフェン層間へFeCl3をインターカレーション
金属塩化物

2022年秋季応物学会で発表（9/21）
LBL法で3層積層転写したグラフェン
FeCl3のインターカレーション

シート抵抗
光学的透過率p型ドーピングによるGピークのシフト

63 Ω/sq～90 ％高い単結晶性：光電子分光による評価（UVSOR）
1st 2nd 3rd
基板の再利用性：複数回のCVD成長＋電気化学転写

高いキャリア移動度の活用
積層構造の精密制御による低抵抗化

Intensity (a.u.)Ir(111)/サファイア上単結晶グラフェンのCVD成長

40

3rd
2nd

1st20 µm
1500

2000

2500

Raman shift (cm )S. Koh, et al, Appl. Phys. Lett., 109, 023105 (2016).
A. Sakurai et al, and S. Koh, Jpn. J. Appl. Phys., 59, SIID01 (2020).
E. Hashimoto et al, Jpn J. Appl. Phys., 61, SD1015 (2022).
-13000まとめ：グラフェン透明アンテナ
1. 究極に薄く軽い
2. 化学的に安定 対候性
3. 機械的に強くフレキシブル
4. 化学修飾が可能 性質・機能を付与
5. 炭素のみ メタルフリー
6. 低抵抗化と透明化を両立できる

3層積層＋ドーピング

𝑹𝑺 = 𝟖𝟎 𝛀/𝐬𝐪 𝑻 = 𝟗𝟎%

アンテナ放射効率～50％ を達成

実用化に向けて更なるシート抵抗の低減に挑戦します日本板硝子材料工学助成会からの支援に心から感謝します。
科学研究費補助金 19J14640, 19K05218, 20H02209

41