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エレクトロニクス分野のカーボン材料


 カーボン(炭素)は、燃料として、記録・描画材料として、宝石として人類に利用されてきた。近代の化学産業は石炭・石油をカーボン原料として各種製品を作りだして、生活・文化の向上に深く関与してきた。一方、電気は現代社会の要求する利便性とマッチして、照明・動力・熱源・放送・通信・情報などの分野に幅広く浸透してきて、現代の社会では不可欠なものになっている。エレクトロニクス分野では、従来のカーボンの常識では思いつかない新しいカーボンの発見や利用技術の開発が行われて、製品化が進められている。
 本書では、エレクトロニクス分野で使用されるカーボン材料の動向をまとめた。

  • 絶縁性と導電性の両方の性質を持つカーボン材料!
  • 層間化合物として機能!
  • フラーレン・カーボンナノチューブなどの新カーボンのエレクトロニクスへの応用動向!
  • ダイヤモンド薄膜・グラファイト・カーボン繊維などの新しい利用例!
  • 電子部品、光ファイバ、ディスプレイ、記録メディア、電池、キャパシタなどに貢献!


   □体裁 A4判 272 ページ
   □価格 本体68,000円+消費税
   □送料 弊社負担
   □発行 2002年6月


章 目 次

第1章 カーボン材料とその応用の変遷
第2章 新しいカーボン材料
第3章 フラーレン
第4章 カーボンナノチューブ
第5章 ダイヤモンド
第6章 グラファイト(Graphite)、黒鉛
第7章 カーボンブラック(Carbon black)
第8章 活性炭,活性炭素繊維,マイクロコイル炭素繊維
第9章 電気二重層キャパシタ(コンデンサ)
第10章 磁気記録媒体
第11章 マスク
第12章 電界放出機器
第13章 表面弾性波素子(Surface Acoustic Wave Devices)
第14章 保護
第15章 電子デバイスの放熱
第16章 光記録媒体で用いられるカーボン材料
第17章 光ファイバーへのカーボン材料の利用
第18章 電池材料としてのカーボン材料

詳 細 目 次

第1章 カーボン材料とその応用の変遷
1.1 始めに …1
1.2 各種のカーボン材料と用途 …1
1.3 カーボン材料の応用分野の変遷の歴史 …1
1.3.1 第一世代 …2
1.3.2 第二世代 …2
1.3.3 第三世代 …3
1.4 カーボン材料の結合状態 …3
1.4.1 カーボン同位体 …4
1.4.2 カーボン同素体 …4
1.4.3 カーボン材料の結合 …4
1.4.4 カーボン材料の次元性 …4
1.4.5 フラーレン・カーボンナノチューブの発見によるC-C結合の考え方の変革 …5
1.5 カーボン材料の同素体の概要 …5
1.5.1 グラファイト(Graphite: 黒鉛) …5
1.5.2 ダイヤモンド(Diamond) …6
1.5.3 カルビン(carbyne) …6
1.5.4 カルボライト(carbolite) …7
1.5.5 フラーレン …8
1.5.6 カーボンナノチューブ …10
【第1章 参考資料】 …11

第2章 新しいカーボン材料
2.1 日本おける幾つかの新カーボン材料創成の動き …12
2.1.1 フロンティアカーボンテクノロジー(Frontier Carbon Technology: FCT) …12
2.1.2 カーボン材料の鋳型による合成 …13
2.1.3 カーボンアロイ(Carbon Alloy) …15
2.2 新しく変貌したカーボン材料 …16
2.2.1 ガラス状炭素 …16
2.2.2 パイロポリマー …18
2.2.3 グラファイト …18
2.2.4 高機能ダイヤモンド …20
【第2章 参考資料】 …22

第3章 フラーレン
3.1 はじめに …23
3.1.1 作製法の概要 …23
3.1.2 フラーレンの種類 …24
3.1.3 フラーレンの精製 …24
3.2 フラーレンの機能性化学的反応性とその応用 …25
3.2.1 概要 …25
3.2.2 化学的な反応によるフラーレンの化学修飾 …26
3.3 フラーレンの特性 …30
3.3.1 フラーレンの特性と分子構造 …30
3.3.2 ドーピングによる超伝導機構 …30
3.4 フラーレン類の新規開発での基本的な構想、概念の提案 …31
3.4.1 新規の複合機能を持つ結晶 …31
3.4.2 フラーレンの疑似元素(超原子)としての概念 …32
3.4.3 超原子としての金属内包フラーレン …32
3.4.4 フラーレンの不動態化 …33
3.5 フラーレン類の機能による将来の用途開発 …34
3.5.1 医薬品 …34
3.5.2 フラーレンの構造的特性を利用する応用分野の提案 …34
3.5.3 エレクロトニクスでの応用 …36
3.6 フラーレン薄膜 …39
3.6.1 フラーレン類の薄膜で光電子記録への実用化 …40
3.6.2 a-フラーレンの光キャリア発生効率 …40
3.7 電池材料としての応用 …41
3.7.1 アルカリ蓄電池用負極とこれを用いた電池 …41
3.7.2 光化学電池、光電変換素子ならびに光化学電池用電極への応用 …43
3.7.3 金属酸化物・フラーレン蓄電池への応用 …43
3.8 その他のフラーレンの応用特許の例 …43
3.8.1 薄膜の固定化 …43
3.8.2 内包物を有するフラーレン …44
3.8.3 超微粒子内包巨大フラーレン …45
3.9 フラーレンC60の二量体化 …46
3.9.1 メカノケミカル反応によるフラーレンC60の二量体化 …46
3.9.2 フラーレン重合体,フラーレン重合体膜,フラーレン重合体含有材料 …47
3.10 市場情報 …48
【第3章 参考資料】 …48

第4章 カーボンナノチューブ
4.1 カーボンナノチューブの概要 …51
4.2 カーボンナノチューブの市場情報 …53
4.3 カーボンナノチューブの作成法 …54
4.3.1 アーク放電法 …54
4.3.2 炭化水素触媒分解法 …55
4.3.3 炭化水素触媒分解法による単層カーボンナノチューブの作成 …55
4.4 精製法の問題 …56
4.4.1 カーボンナノチューブの精製法 …56
4.4.2 カーボンナノチューブの精製方法 …56
4.4.3 カーボンナノチューブの分離精製方法 …57
4.5 鋳型法によるカーボンナノチューブの作成 …57
4.6 カーボンナノチューブの構造 …58
4.7 電子物性 …59
4.8 カーボンナノチューブの配向 …60
4.9 実用化の動き …61
4.9.1 カーボンナノチューブ電子デバイス …61
4.9.2 走査プローブ顕微鏡探針 …62
4.9.3 カーボンナノチューブをプローブに実用化した新聞情報 …63
4.9.4 電界放出(Fie1d Emission)と電子源への応用 …64
4.9.5 フラットパネル化 …65
4.9.6 水素吸蔵 …66
4.10 カーボンナノチューブが現時点で抱える問題点、可能性 …67
4.11 最近の公開特許 …69
4.11.1 複合カーボンナノチューブ、カーボンナノチューブの閉口方法 …69
4.11.2 液相におけるカーボンナノチューブの精製・開口方法および官能基の導入方法 …69
4.11.3 カーボンナノチューブを表面に有する炭素質物およびその製造方法 …70
4.11.4 磁束ピン止め作用を持つ超電導体 …71
【第4章 参考資料】 …71

第5章 ダイヤモンド
5.1 序論 …73
5.2 ダイヤモンド薄膜およびDLC(diamond Like Carbon)薄膜 …73
5.2.1 ダイヤモンド薄膜 …74
5.2.2 高機能ダイヤモンドの用途 …75
5.2.3 ダイヤモンドの半導体デバイスとしての期待 …76
5.2.4 化学気相合成法によるダイヤモンド薄膜技術の現状と今後の展開 …77
5.2.5 ダイヤモンド薄膜の応用例 …79
5.3 ダイヤモンド状硬質炭素(Diamond Like Carbon: DLC)薄膜 …82
5.3.1 DLC薄膜の特性 …83
5.3.2 数μm厚のDLC薄膜を安定に作成 …84
5.3.3 ダイヤモンド膜とDLC薄膜との相互関連を示す公開特許 …85
5.3.4 ダイヤモンド薄膜またはDLC薄膜を用いた冷陰極 …86
【第5章 参考資料】 …88

第6章 グラファイト(Graphite)、黒鉛
6.1 はじめに …89
6.2 結晶形 …89
6.3 黒鉛の種類 …90
6.3.1 天然黒鉛 …90
6.3.2 人造黒鉛 …91
6.4 人造黒鉛の製造工程の概要 …91
6.5 各種の人造黒鉛材料 …92
6.5.1 キッシュ黒鉛 …92
6.5.2 高配向性熱分解黒鉛 …92
6.5.3 高配向性グラファイトブロック …93
6.5.4 膨脹黒鉛 …93
6.5.5 黒鉛ウイスカー(Graphite whisker) …93
6.6 黒鉛材料の応用製品 …93
6.6.1 高分子フィルムを原料とした高配向性黒鉛 …93
6.6.2 導電性黒鉛薄片微粒子 …96
6.7 黒鉛の二次電池負極材料としての応用 …97
6.7.1 膨張黒鉛粒子を使用したリチウムイオン二次電池 …97
6.7.2 キッシュ黒鉛のリチウムイオン二次電池負極 …99
6.7.3 スーパーグラファイトの黒鉛層間化合物の応用 …100
6.7.4 黒鉛のインターカレーションによる生成物利用 …102
6.7.5 黒鉛繊維ミルドと黒鉛の微粒子の混合による二次電池の負極 …103
6.7.6 その他のリチウム二次電池用の黒鉛材 …105
【第6章 参考資料】 …106

第7章 カーボンブラック(Carbon black)
7.1 はじめに …107
7.2 カーボンブラックの製造 …107
7.3 カーボンブラックの生成機構 …108
7.4 カーボンブラックの三大特性 …109
7.4.1 一次粒子 …109
7.4.2 ストラクチャーとアグリゲート …110
7.4.3 粒子表面の性質 …110
7.4.4 粒子表面の改質 …111
7.5 カーボンブラックのエレクトロニクス分野での応用 …111
7.5.1 導電性カーボンブラック …112
7.5.2 カーボン系導電性フィラーの主な用途 …113
7.5.3 導電性ゴムにおけるカーボンブラック …114
7.5.4 新しいゴム用導電性カーボンブラックの特性 …115
7.5.5 トナーとその材料 …116
7.5.6 電子写真用トナーに用いるカーボンブラックの特性 …116
7.5.7 カーボンブラックの安全性 …119
7.5.8 カーボンブラックの今後の課題 …119
【第7章 参考資料】 …120

第8章 活性炭,活性炭素繊維,マイクロコイル炭素繊維
8.1 はじめに …121
8.2 活性炭 …121
8.3 繊維状活性炭(活性炭素繊維) …121
8.4 マイクロコイル状炭素繊維 …123
8.4.1 炭素繊維の分類 …123
8.4.2 マイクロコイル状炭素繊維 …123
8.4.3 電磁波感受性とマイクロコイル状炭素繊維の電磁波吸収特性 …125
8.5 炭素繊維に関する公開特許 …127
8.5.1 リチウム二次電池の正極材料としての炭素繊維その他の構成 …127
8.5.2 リチウムイオン二次電池 …129
【第8章 参考資料】 …130

第9章 電気二重層キャパシタ(コンデンサ)
9.1 概要 …131
9.2 電気二重層キャパシタの特徴と期待される応用分野 …131
9.3 二次電池との性能比較 …133
9.4 電気二重層キャパシタの原理,材料,構造 …134
9.4.1 電気二重層キャパシタの原理 …134
9.4.2 基本セルの構造 …135
9.4.3 市販の小型コインセルの構造 …135
9.4.4 有機電解液系角型大容量電気二重層キャパシタの構造 …136
9.5 電解液 …136
9.6 電極材料 …138
9.6.1 活性炭 …138
9.6.2 電気二重層キャパシタに使用する電極用の活性炭 …139
9.6.3 フェノール樹脂を原料とした活性炭 …141
9.6.4 PVDC炭素電極(硫酸系電気二重層キャパシタ) …142
9.7 分極性電極 …143
9.7.1 粉末活性炭からの3種の分極電極製法 …143
9.7.2 活性炭繊維使用法 …144
9.7.3 粉末混練法 …144
9.7.4 活性炭を含むスラリー液の塗布 …144
9.7.5 固体電極 …144
9.7.6 炭素アエロゲル(Aeroge1) …145
9.8 カーボン材料以外の材料による分極性電極 …145
9.8.1 金属酸化物 …145
9.8.2 導電ポリマー …145
9.9 その他の分極性電極製法 …145
9.10 ECS(Energy Capacitor System) …146
9.10.1 ECSの開発目標と成果 …146
9.10.2 電界賦活法による分極性電極 …147
9.11 現況のまとめと今後の展開 …148
9.12 電気二重層キャパシタに関する公開特許 …149
9.12.1 電気二重層キャパシタおよびその製造方法 …149
9.12.2 電気二重層キャパシタ、そのための炭素材料および電極 …152
9.13 キャパシタのカーボン材料 …153
9.13.1 LSIの高集積化に伴う問題 …153
9.13.2 誘電体材料とその組み合わせでリーク電流を少なくする …154
9.14 金属化フィルムコンデンサにおけるカーボン材料の利用 …156
9.15 セラミックキャパシタにおけるカーボン材料の利用 …157
【第9章 参考資料】 …158

第10章 磁気記録媒体
10.1 はじめに …159
10.2 保護膜および下地層、遮断層 …159
10.3 金属薄膜型磁気テープの硬質炭素膜保護層 …161
10.4 金属磁性薄膜型の磁気記録媒体 …162
10.5 真空槽内に析出したDLC膜を酸素プラズマで除去するDLC膜製膜法 …162
10.6 ハードディスクに用いられる硬質基板上でのカーボン保護膜 …163
【第10章 参考資料】 …164

第11章 マスク
11.1 微細加工技術の現状 …165
11.2 リソグラフィの概要 …165
11.3 エネルギー源 …166
11.4 マスク …167
11.5 公開特許の例 …169
11.5.1 転写マスクのカーボン材料薄膜 …169
11.5.2 X線リソグラフィに適したダイヤモンド膜の特性 …170
11.5.3 経時的位置ずれを抑制したX線リソグラフィ用マスク …171
11.5.4 アモルファス状基板上に成長させるX線露光用マスク …172
11.6 次世代露光装置“リープル"向けシリコンマスク …173
【第11章 参考資料】 …173

第12章 電界放出機器
12.1 はじめに …174
12.2 電界放出現象 …174
12.3 電界放出陰極材料としてカーボン材料薄膜が注目されている理由 …175
12.4 電界放出顕微鏡 …175
12.4.1 電界放出顕微鏡の原理 …175
12.4.2 カーボンナノチューブの先端構造ならびに電気放出特性 …176
12.5 フィールドエミッションディスプレイ(FED) …178
12.5.1 FEDの構造の概要 …178
12.5.2 FEDの特徴と実用化の現況 …179
12.5.3 各種の電子源 …180
12.6 最近発表されたエミッタ …181
12.6.1 表面伝導型電子放出素子:SCE …181
12.6.2 Metal-Insulator-metal(MIM) Emitter …182
12.6.3 薄膜エミッタ(Planer Type Thin-Film Fie1d Emitters) …182
12.6.4 多孔質ポリシリコン酸化膜を利用した弾道電子面放出エミッタ …183
12.6.5 カーボンナノチューブ(CNT)を電子源としたFED …184
12.7 FEDと電子源開発の現状と今後 …185
12.8 カーボン材料のFEDにおける役割 …186
12.9 カーボン材料のFEDにおける応用例 …186
12.9.1 表面伝導型電子放出素子 …186
12.9.2 針状カーボン(ダイヤモンド)の電界放出型冷陰極 …188
12.9.3 特定組成を持つ非晶質カーボンによる冷陰極素子 …191
12.9.4 真空部分を有しないダイヤモンド膜を有する発光素子 …191
12.9.5 強誘電体冷陰極装置の電子放出効率を向上させる方法 …193
12.9.6 フラーレン混合のアモルファスカーボン膜を用いたFED …195
12.9.7 真空マイクロ素子の新構成 …196
【第12章 参考資料】 …196

第13章 表面弾性波素子(Surface Acoustic Wave Devices)
13.1 はじめに …198
13.2 表面弾性波素子 …198
13.2.1 表面弾性波素子の基本構造 …198
13.2.2 表面弾性波の動作機構 …199
13.3 カーボン材料薄膜の表面弾性波素子としての適性 …200
13.4 表面波伝播膜用カーボン材料 …201
13.4.1 表面弾性波素子用ダイヤモンド薄膜の粒径制御 …201
13.4.2 ダイヤモンド薄膜またはダイヤモンド状炭素薄膜を用いた表面弾性波素子 …201
13.4.3 結晶質ダイヤモンドと高配向熱分解炭素を含む硬質炭素膜 …202
13.4.4 グラファイト状ダイヤモンドとカーボンクラスターの混合膜 …202
【第13章 参考資料】 …203

第14章 保護
14.1 湿度に対する保護 …204
14.1.1 耐吸湿性と耐熱応力特性のバランスをとった実装回路基板 …204
14.1.2 多層プリント配線板およびマルチチップモジュール基板 …205
14.1.3 透過スイッチ型カーボン膜 …206
14.2 耐摩耗性の保護膜 …207
14.2.1 磁気ヘッドスライダの保護膜 …207
14.2.2 磁気記録媒体の保護膜 …208
14.2.3 サーマルアスペリティによるノイズ低減した磁気抵抗効果型磁気ヘッド …209
14.2.4 サーマルヘッド …210
14.2.5 サーマルプリントヘッド …212
14.3 その他各種の機能を持つカーボン保護膜 …213
14.3.1 電磁波遮断部材 …213
14.3.2 電子銃 …213
14.3.3 半導体ウェハ製造用器具 …214
【第14章 参考資料】 …215

第15章 電子デバイスの放熱
15.1 電子デバイスに於ける放熱処理の必要性 …216
15.2 カーボン材料の熱伝導性とその利用 …217
15.2.1 スーパーグラファイトシート …218
15.2.2 ヒートシンク用ダイヤモンド膜 …219
15.2.3 磁気抵抗効果型磁気ヘッドでの放熱ダイヤモンド膜 …220
15.2.4 ダイヤモンド薄膜ヒートシンクの製造方法 …221
15.2.5 高密度記録対応磁気抵抗効果型磁気ヘッド …222
【第15章 参考資料】 …222

第16章 光記録媒体で用いられるカーボン材料
16.1 ガラス状カーボン製磁気ディスク用基板 …223
16.2 光ディスク原盤の製造方法 …224
16.3 薄膜形成方法および記録媒体 …225
16.4 光記録媒体 …226
16.5 光記録媒体 …227
【第16章 参考資料】 …229

第17章 光ファイバーへのカーボン材料の利用
17.1 カーボンコート光ファイバ …230
17.2 カーボンコート光ファイバ心線のD2処理 …231
17.3 カーボンコート光ファイバのカーボン薄膜の特性をモニタする装置 …233
【第17章 参考資料】 …234

第18章 電池材料としてのカーボン材料
18.1 はじめに …235
18.2 電池に用いられるカーボン材料 …236
18.3 リチウム一次電池とリチウムイオン二次電池 …236
18.3.1 リチウム一次電池 …237
18.3.2 リチウムイオン二次電池開発の歴史的経緯 …237
18.3.3 リチウム一次電池,リチウムイオン二次電池,ポリマーリチウム二次電池の差異 …239
18.3.4 リチウムイオン二次電池の作動原理 …239
18.3.5 リチウムイオン二次電池の市販品の構成および性能 …240
18.3.6 リチウムイオン二次電池の今後の開発方向 …242
18.4 リチウムイオン二次電池の負極用カーボン材料に要求される特性 …244
18.4.1 負極用カーボン材料選定の基礎的な考え方 …244
18.4.2 負極用カーボン材料の種類 …245
18.5 ポリアセン電池 …250
18.5.1 ポリアセン系物質 …250
18.5.2 ポリアセン物質の二次電池電極としての特性 …251
18.5.3 キャパシタタイプポリアセン二次電池の特性 …252
18.6 ポリマーリチウムイオン二次電池 …253
18.6.1 なぜポリマーリチウムイオン二次電池が必要なのか …253
18.6.2 ポリマーリチウムイオン二次電池の開発例 …254
18.6.3 ポリマーリチウムイオン二次電池の安全性 …255
18.7 リチウムイオン二次電池の将来の発展の可能性 …256
18.8 公開特許によるリチウムイオン二次電池負極用カーボン材料の開発 …257
18.8.1 Ni,Co金属や合金混合で低温焼成した黒鉛質カーボン材料 …257
18.8.2 メソフェーズピッチ系カーボン繊維ミルドと黒鉛の混合物 …258
18.8.3 固体電解質リチウム二次電池 …260
18.8.4 黒鉛と非晶質カーボンの混合負極材料 …260
18.8.5 鱗片状黒鉛と低結晶性カーボンの混合負極材料 …261
18.8.6 鱗片状黒鉛粒子を複合化処理した負極材料 …262
8.8.7 結晶質カーボン/非晶質カーボンの微粒子の複合化 …263
18.9 カーボンナノチューブのリチウムイオン二次電池負極材料としての利用 …265
18.9.1 はじめに …265
18.9.2 アルカリ金属のインターカレーション …265
18.9.3 多層カーボンナノチューブの電極挙動 …266
18.9.4 単層カーボンナノチューブのリチウムのインターカレーション …267
18.9.5 鋳型カーボン化カーボンナノチューブのリチウムイオン二次電池負極材料 …267
18.9.6 カーボンナノチューブのリチウムイオン二次電池材料としての今後 …268
18.10 その他の各種カーボン材料の電池への応用 …269
18.10.1 コロイド状超微粒カーボン …269
18.10.2 マンガン酸リチウム正極のカーボンナノチューブ導電剤 …270
18.10.3 非晶質カーボン粉末とフッ素系樹脂繊維よりなる多孔質鉛蓄電池極板 …271
【第18章 参考資料】 …271

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