JP2008300342A - カーボンナノチューブ入り金属はんだ材、導電材及び半導電材 - Google Patents

Abstract

【課題】現在の産業界において、如何に省エネルギー、省資源を実現するかが地球環境の保護に影響しています。また世界規模で金属が高騰し、はんだ材や電子部品のコストが上がっていることも見過ごすことはできません。コストが低く、かつ高品質な素材の開発が望まれています。
【解決手段】カーボンナノチューブの優れた特性を利用し、素材として使用することによって、装置の小型化、省電力化、長寿命化が可能となる。特にはんだ業界においては鉛フリーはんだに代わりコストの安いはんだ材や電子部品材を開発することが可能となる。以上に述べただけでなく、多くの可能性を作り出せる発明である。

Description

本発明はカーボンナノチューブと金属やセラミックス、ガラス等と混合させた複合材を作り、線材、はんだ材、その他各種素材として利用するころを目的とする。

技術背景

現在、地球環境の保護のため、様々な産業分野で省資源省エネルギー化が叫ばれている。電気・電子部品やモレキュラーシーブの素材として、金属、セラミックス、ガラス及びそれらの混合材が使用されているが、これら従来品よりも高い物理・化学特性を持ち、かつ長寿命な新素材の開発が望まれている。はんだ業界においては、世界的にＲｏＨＳ指令等の影響を受け、従来使用されている錫−鉛合金はんだに代わり鉛を使用しないＰｂフリーはんだ材（代表的なものに錫９６．５％、銀３％、銅０．５％のＥＣＯはんだ等）が主流になりつつある。Ｐｂフリーはんだは従来の鉛入り共晶はんだ（組成例、錫６３％、鉛３７％）に比べて高価で、また溶融点が高く（Ｐｂフリー２１０〜２２０℃、共晶１８３．３℃）なっており、実装はんだ付け時の部品の熱影響も問題となってきている。

本発明は上記の問題点に鑑み、新素材としてのカーボンナノチューブに着目した。銅の５倍以上の導電性、鋼鉄の２０倍の強度など高い物質特性を持つカーボンナノチューブを金属、セラミックスなどに０．１％〜数拾％混合させることで、金属そのものが持つ特性を向上させることが出来る。これにより製品の小型化、高性能化、長寿命化をはかり、資源の少ない日本の産業界を恒久的な繁栄させることを目的とする。

本発明で応用できるカーボンナノチューブを軸とした混合材の作成・使用法は以下のとおりである。

カーボンナノチューブは純銅の数倍〜数１０倍、銀の数倍という優れた電気特性を有している。銅やニッケル、アルミニウムなどにカーボンナノチューブを数％〜数拾％混合すると、電位差により応答速度が速く、感度の高いセンサー素材などに応用が出来る。

カーボンナノチューブは耐熱性が高く、金属喰われなどにも強い優れた物理特性を持っている。金属材と混合し、金属の持つ濡れ性などを付加することで、長寿命かつ前述のとおり高い導電性をもったはんだこてチップなどの素材とすることが出来る。

また、カーボンナノチューブは原子レベルで細密な構造を持っており、この特性を生かして造粒、あるいはつなぎとして活性炭や樹脂造粒炭と混合することで、窒素や酸素の吸着剤モレキュラーシーブとして、窒素発生装置や酸素発生装置に応用可能である。

はんだ材に利用する場合、パウダー、ペースト、線はんだ、ヤニ入り線はんだ、棒はんだ、ワッシャースプリングなどに応用可能である。

カーボンナノチューブはもちろんナノ粒子であるため、これと混合する金属・セラミックス材もナノ粒子かそれに近い分子の方が混ざりやすく、これにキュアー、プレスキュアー、焼結といった処理を行うことによって均一な分子配分の混合剤が出来る。

カーボンナノチューブは上記のように高い物理・化学特性を持つため、装置の超小型化、ひいては省エネルギーに有効である。

以下、例として添付図面を参照し、実施の形態について説明する。

図１ははんだこてのチップ材として本発明を利用した際の模式図である。カーボンナノチューブに金属を混合することにより、錫合金はんだなどが温度で溶融してチップ先端の金属と拡散反応が起こり、重力の方向に反して滑り落ちにくい、いわゆる濡れ性がよい状態となる。また、カーボンナノチューブの特性により、金属のみのチップにくらべて熱伝導率、導電率が高く、熱による磨耗も少なくなる。

図２は窒素発生装置に使用する酸素吸着剤として本発明を利用した際の模式図である。筒の中に詰めたカーボンナノチューブ材、又は複合体のモレキュラーシーブが酸素を吸着し、窒素ガスが取り出される。従来のモレキュラーシーブよりも吸着性が高いため、小型化することが出来る。

図３、４ははんだ材として本発明を利用した際の模式図である。図中の黒点部分がカーボンナノチューブを表しており、従来のはんだ材よりも導電性、熱伝導率に優れるため少量で済み、作業効率も向上する。

ははんだこてのチップ材として本発明を利用した際の模式図である。 は窒素発生装置に使用する酸素吸着剤として本発明を利用した際の模式図である。 はクリームはんだ材として本発明を利用した際の模式図である。 はヤニ入り線はんだとして本発明を利用した際の模式図である。

Claims (11)

1. 金属とその合金（金、白金、銀、銅、ニッケル、亜鉛、鉄、鉛、パラジューム、シリコン、マグネシウム、アルミニウム、インジューム、ニクロム、クローム、ビスマス、アンチモン、チタン、ステンレス、ベリリウム、酸化ベリリウム、真鍮、カンタル、インコネル等）をベースに、にカーボンナノチューブを混合（混合率は金属及び合金特性によって０．１％〜数拾％と異なる）した導電材料。
2. 請求項１の材料を数ｎｍ〜数μｍのパウダーにしてフラックスを混ぜ、クリームペースト状にしたクリームはんだ材としたり、焼結又は溶融して棒材、板材、線材（中心にフラックス樹脂を入れた線はんだ等）にしたりした成型品及びコイル電線材。
3. 請求項１、請求項２の材料と、セラミックス（酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ベリリウム、窒化ケイ素、チタン酸アルミニウム、カーボン等）と混合したり焼結したりした半導体素材、及びカーボンナノチューブ−金属、合金、セラミックス、ガラス等の混合材料又は複合素材。
4. 請求項１、請求項２、請求項３の新素材の電線材及びプレス成型材、射出成型材。
5. 請求項１〜４を応用した、コイル材、熱伝対、補償導線、端子、フィラメント、ＬＥＤ発光材、電極、ブスバーリード線、ペルチェ材、ヒーター材、ＩＣ、ＩＣチップ、抵抗、コンデンサー、モーター捲線コイル材、センサー材、センサーコイル材等あらゆる導電材及び半導電材。
6. 太陽光発電用光電気変換素子、蓄電池及び蓄電池用キャパシター材、電気自動車用モーター材、その他自動車、船舶、宇宙船、医療、バイオ、流通産業、環境、ロボット、スポーツ用の新素材。
7. 請求項１〜４を応用した、スプリング材、ビス、ナット、ワッシャー、歯車、冶具、軸受け衣類、住宅、シャフト、柱、屋根、瓦、桶等建築材、ＦＡ機器、テレビ、冷蔵庫等家電機器等に応用できる新素材。
8. カーボンナノチューブと導電性ペースト材を混合した導電性ペースト材
9. カーボンナノチューブと導電性ペースト材を混合した超導電性ペースト材
10. 請求項８〜９に金属パウダーを混合した超導電性ペースト材
11. 請求項８〜１０にセラミックス材を混合した耐熱性導電性ペースト材

Images