グラフェン配線構造
【課題】比較的大きな電流を流すことができる柔軟なグラフェン配線構造を提供する。
【解決手段】グラフェン配線構造１０は、絶縁樹脂層１２，２２，３２，４２とグラフェン層１６，２６，３６とが繰り返し積層されている。グラフェン層１６の上下には絶縁樹脂層１２，２２が存在し、グラフェン層２６の上下には絶縁樹脂層２２，３２が存在し、グラフェン層３６の上下には絶縁樹脂層３２，４２が存在する。また、絶縁樹脂層１２とグラフェン層１６との間には触媒金属層１４が介在し、絶縁樹脂層２２とグラフェン層２６との間には触媒金属層２４が介在し、絶縁樹脂層３２とグラフェン層３６との間には触媒金属層３４が介在する。触媒金属層１４，２４，３４は、グラフェン化を促進する機能を有する。各グラフェン層１６，２６，３６は、いずれも奇数枚（ここでは３枚）のグラフェンシートを積層したものである。
【解決手段】グラフェン配線構造１０は、絶縁樹脂層１２，２２，３２，４２とグラフェン層１６，２６，３６とが繰り返し積層されている。グラフェン層１６の上下には絶縁樹脂層１２，２２が存在し、グラフェン層２６の上下には絶縁樹脂層２２，３２が存在し、グラフェン層３６の上下には絶縁樹脂層３２，４２が存在する。また、絶縁樹脂層１２とグラフェン層１６との間には触媒金属層１４が介在し、絶縁樹脂層２２とグラフェン層２６との間には触媒金属層２４が介在し、絶縁樹脂層３２とグラフェン層３６との間には触媒金属層３４が介在する。触媒金属層１４，２４，３４は、グラフェン化を促進する機能を有する。各グラフェン層１６，２６，３６は、いずれも奇数枚（ここでは３枚）のグラフェンシートを積層したものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、グラフェン配線構造
【背景技術】
【０００２】
グラフェンは、炭素原子の六員環が単層で連なって平面状になった二次元材料である。このグラフェンは、電子移動度がシリコンの１００倍以上と言われている。近年、グラフェンをチャネル材料として利用したトランジスタが提案されている（特許文献１参照）。特許文献１では、絶縁基板上に、絶縁分離膜で分離された触媒膜パターンを形成し、その触媒膜パターン上にグラフェンシートを成長させたあと、そのグラフェンシートの両側にドレイン電極及びソース電極を形成すると共に、グラフェンシート上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成している。ここで、触媒膜パターンは絶縁膜で分離されているが、グラフェンシートは触媒膜パターンの端では横方向に延びることから、絶縁分離膜の両側の触媒膜パターンからグラフェンシートが延びて絶縁分離膜上でつながった構造が得られると説明されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１６４４３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、グラフェン素材を利用する方法については、これまであまり多く報告されていない。一例としては、グラファイトに粘着テープを付着させたあとそのテープを剥がすことにより、粘着テープの粘着面にグラファイトから分離したグラフェンシートを付着させたものを利用することが知られている。
【０００５】
しかしながら、粘着テープに付着した状態のグラフェンシートでは、サイズがミクロンメータオーダーと小さい上に、層数も上手くコントロールできない、そのような状況のため配線材料としては適さず、限られた電流しか流すことができないという問題があった。また、柔軟性を確保したいという要望もあった。
【０００６】
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、比較的大きな電流を流すことができる柔軟なグラフェン配線構造を提供することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のグラフェン配線構造は、絶縁樹脂層とグラフェン層とが繰り返し積層され、各グラフェン層の上下には前記絶縁樹脂層が存在するものである。
【０００８】
このグラフェン配線構造によれば、グラフェン層が多段になっているため、１つのグラフェン層と比べて大きな電流を流すことができる。また、それぞれの段のグラフェン層の層数を数層ないし数十層とあまり大きくない層数に制限することと、絶縁樹脂層の存在によって柔軟性が確保される。なお、「グラフェン層」とは、炭素原子の六員環が単層で連なったグラフェンシートを１枚又は複数枚(例えば２〜１０枚）有する層をいう。
【０００９】
本発明のグラフェン配線構造において、前記絶縁樹脂層と前記グラフェン層との間には、グラフェン化を促進する機能を有する触媒金属層が介在していてもよい。こうしたグラフェン配線構造を作製する際に、絶縁樹脂層の上に触媒金属層を形成し、その触媒金属層に炭素源を供給してグラフェンを成長させた場合、絶縁樹脂層とグラフェン層との間には触媒金属層が介在することになるが、こうした触媒金属層は良好な導電性を有するため、そのまま残しておいてもよい。こうして得られたグラフェン配線構造は、絶縁樹脂層とグラフェン層との間には触媒金属層が介在することになる。なお、「グラフェン化を促進する機能」とは、炭素源と接触してその炭素源に含まれる炭素成分が互いに結合してグラフェンになるのを促進する機能をいう。
【００１０】
本発明のグラフェン配線構造において、各グラフェン層は、いずれも奇数枚のグラフェンシートを積層したものであるか、又は、いずれも偶数枚のグラフェンシートを積層したものとしてもよい。奇数枚のグラフェンシートを積層したグラフェン層は電気特性が似通っているため、各グラフェン層がいずれも奇数枚のグラフェンシートを積層したものである場合には、その奇数枚のグラフェンシートを積層したグラフェン層の電気特性が強調される。また、偶数枚のグラフェンシートを積層したグラフェン層は電気特性が似通っているため、各グラフェン層がいずれも偶数枚のグラフェンシートを積層したものである場合には、その偶数枚のグラフェンシートを積層したグラフェン層の電気特性が強調される。
【００１１】
本発明のグラフェン配線構造の製法は、例えば、絶縁樹脂層の上にグラフェン層を設けたあと該グラフェン層の上に絶縁樹脂層を設ける、という作業を繰り返す工程を含むものとしてもよい。ここで、絶縁樹脂層の上にグラフェン層を設けるにあたり、別途作製しておいたグラフェン層を前記絶縁樹脂層の上に配置してもよい。このようにグラフェン層を別途作製するには、例えば、基板の上にグラフェン化を促進する機能を有する触媒金属層を一筆書きが可能な形状に形成し、触媒金属層の表面に炭素源を供給してグラフェンを成長させ、触媒金属層からグラフェンをグラフェン素材として取り出してもよい。なお、こうして取り出した複数のグラフェン素材の両端を引っ張って略直線状にした後、その状態を保ったまま絶縁樹脂で固めることにより、本発明のグラフェン配線構造を作製してもよい。
【００１２】
本発明のグラフェン配線構造のうち、絶縁樹脂層とグラフェン層との間にグラフェン化を促進する機能を有する触媒金属層が介在するものの製法は、例えば、絶縁樹脂層の上に触媒金属層を一筆書きが可能な形状（例えば直線状、ジグザグ状、渦巻き状など）となるように形成し、該触媒金属層の表面に炭素源を供給してグラフェンを成長させることによりグラフェン層を設け、触媒金属層を残したままグラフェン層の上に絶縁樹脂層を設ける、という作業を繰り返す工程を含むものとしてもよい。また、絶縁樹脂層とグラフェン層との間にグラフェン化を促進する機能を有する触媒金属層が介在しないものの製法は、例えば、絶縁樹脂層の上に触媒金属層を一筆書きが可能な形状となるように形成し、該触媒金属層の表面に炭素源を供給してグラフェンを成長させることによりグラフェン層を設け、そのグラフェン層の一端を挟持部材で挟み込んだ状態で触媒金属層を溶かして除去したあとグラフェン層の上に絶縁樹脂層を設ける、という作業を繰り返す工程を含むものとしてもよい。なお、予め配線を引き回したときの形状が決まっている場合には、絶縁樹脂層や触媒金属層をそれと同様の形状に形成しておけば、できあがったグラフェン配線構造を曲げることなくそのまま使用することができる。
【００１３】
上述した製法において、触媒金属層を一筆書きが可能な形状に形成するには、例えば、周知のフォトリソグラフィ法によってパターニングしてもよい。その場合、まず基板の全面に触媒金属層を形成し、次に所定形状の触媒金属層が残るようにレジストパターンを形成したあとウェットエッチング又はドライエッチングを行ってもよい。ウェットエッチングは、触媒金属層の金属種に応じて適宜エッチング液を選定すればよい。ドライエッチングも、触媒金属層の金属種に応じて適宜使用するガスを選定すればよい。また、所定形状の触媒金属層を形成するには、所定形状以外の部分を被覆するシャドウマスクを用いて触媒金属を蒸着又はスパッタしてもよい。
【００１４】
上述した製法において、炭素源としては、例えば、炭素数１〜６の炭化水素やアルコールなどが挙げられる。
【００１５】
上述した製法において、グラフェンを成長させる方法としては、例えば、アルコールＣＶＤ、熱ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ、ガスソースＭＢＥなどが挙げられる。アルコールＣＶＤは、例えば、成長温度を絶縁樹脂層の耐熱温度未満で適宜設定し、炭素源としてメタノールやエタノールなどのアルコールの飽和蒸気を供給する。アルコール飽和蒸気は、バブラにキャリアガスを流すことにより発生させてもよい。キャリアガスとしては、アルゴン、水素、窒素などを利用することができる。圧力は大気圧であってもよいし、減圧下であってもよい。熱ＣＶＤは、例えば、成長温度を絶縁樹脂層の耐熱温度未満で適宜設定し、炭素源としてメタン、エチレン、アセチレン、ベンゼンなどを供給する。炭素源はアルゴンや水素などをキャリアガスとして供給し、炭素源の分圧は例えば０．００２−５Ｐａ程度とする。成長時間は例えば１−２０分、圧力は加圧下（例えば１ｋＰａ）であってもよいし減圧下であってもよい。炭素源を分解するためにホットフィラメントを使用することが多い。プラズマＣＶＤは、例えば、成長温度を絶縁樹脂層の耐熱温度未満で適宜設定し、圧力を１−１．１Ｐａ、炭素源をメタン、メタン流量を５ｓｃｃｍ、キャリアガスを水素、水素流量を２０ｓｃｃｍとし、プラズマパワーを１００Ｗ程度とする。なお、成長温度を絶縁樹脂層の耐熱温度未満で適宜設定するにあたっては、例えばその耐熱温度をわずかに下回る温度としてもよい。ガスソースＭＢＥは、例えば、炭素源としてエタノールを用い、エタノールで飽和した窒素ないしは水素ガスの流量を０．３−２ｓｃｃｍとし、真空中で炭素源分解のため２０００℃に加熱したＷフィラメントを使用する。基板温度は４００−６００℃程度である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】グラフェン配線構造１０の斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】グラフェン配線構造１０の製造工程図である。
【図４】両端に電極が形成されたグラフェン配線構造１０の断面図である。
【図５】グラフェン配線構造６０の斜視図である。
【図６】図５のＢ−Ｂ断面図である。
【図７】グラフェン素材１１０の製造工程図である。
【図８】渦巻き状の触媒金属層１２６が形成された基板本体１１２の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下には、本発明の好適な実施形態を図面を参照しながら説明する。
【００１８】
［第１実施形態］
図１はグラフェン配線構造１０の斜視図、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。
【００１９】
本実施形態のグラフェン配線構造１０は、絶縁樹脂層１２，２２，３２，４２とグラフェン層１６，２６，３６とが繰り返し積層されている。グラフェン層１６の上下には絶縁樹脂層１２，２２が存在し、グラフェン層２６の上下には絶縁樹脂層２２，３２が存在し、グラフェン層３６の上下には絶縁樹脂層３２，４２が存在する。また、絶縁樹脂層１２とグラフェン層１６との間には触媒金属層１４が介在し、絶縁樹脂層２２とグラフェン層２６との間には触媒金属層２４が介在し、絶縁樹脂層３２とグラフェン層３６との間には触媒金属層３４が介在する。触媒金属層１４，２４，３４は、グラフェン化を促進する機能を有する。各グラフェン層１６，２６，３６は、いずれも奇数枚（ここでは３枚）のグラフェンシートが積層されたものである。
【００２０】
次に、こうしたグラフェン配線構造１０の製造例について図３を参照しながら説明する。図３はグラフェン配線構造１０の製造工程図である。
【００２１】
（１）まず耐熱性ポリイミド（例えばデュポン社製のカプトン Ｈタイプなど）からなる絶縁樹脂層１２を用意する（図３（ａ）参照）。このとき、絶縁樹脂層１２が形成された基板を用意してもよい。
【００２２】
（２）その絶縁樹脂層１２の上に触媒金属層１４を蒸着し、必要に応じて周知のフォトリソグラフィ法によってパターニングし、その後、熱処理を行うことにより触媒金属層１４を結晶化させる（図３（ｂ）参照）。なお、上記手法の他に、パルススパッター堆積法（ＰＳＤ）技術によって触媒金属層１４を堆積させながら結晶化させてもよい。触媒金属層１４の材質としては、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｒｕ，Ｆｅ，Ｐｔ，Ａｕ等が挙げられる。こうした金属のうち、表面に三角格子（三角形の頂点に金属原子が配置された構造）を持つものが好ましい。例えば、ＦＣＣの（１１１）面、ＢＣＣの（１１０）面、ＨＣＰの（０００１）面が三角格子になる。触媒金属層１４の厚さは、特に限定するものではないが、例えば１−５００ｎｍ程度としてもよい。但し、膜厚が薄すぎると、触媒金属が粒子化してしまうおそれがあるため、粒子化しない程度の厚さとするのが好ましい。本実施形態では、触媒金属層１４としてＮｉを用い、長方形状の薄板となるようにパターニングするものとする。Ｎｉを結晶化させると、Ｎｉ表面は（１１１）面に再配列される。そして、Ｎｉ（１１１）面には、Ｎｉ原子を頂点とした三角格子が構成される。
【００２３】
（３）図示しない反応容器内に、結晶化した触媒金属層１４を備えた絶縁樹脂層１２を入れ、その触媒金属層１４の上に炭素原料を供給することによりグラフェンを成長させグラフェン層１６を形成する（図３（ｃ）参照）。触媒金属層１４の上にグラフェン層１６を形成するには、絶縁樹脂層１２の耐熱温度を超えないようにして、上述したアルコールＣＶＤ、熱ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ、ガスソースＭＢＥなどの手法によりグラフェンを成長させる。グラフェンの成長過程において、Ｃ原子はＮｉ原子から構成されるそれぞれの三角形の重心の真上に配置される。これにより、Ｃ原子を頂点とした六角形が形成され、この六角形が互いに結合していくことでグラフェンが成長していく。グラフェン層１６のグラフェンシートの枚数の制御は、反応容器に取り付けたラマンスペクトル測定装置でグラフェン層１６のラマンシフト位置をモニタリングすることにより行う。具体的には、グラフェンシートが１枚、２枚、５枚、１０枚の場合におけるラマンシフト位置はそれぞれ異なることが知られている（Physical Review Letters, Vol.97, p187401(2006)の図２参照）。このため、グラフェンシートの枚数を予め決めておき、その枚数に対応したラマンシフト位置を予め確認しておき、そのラマンシフト位置になるまでグラフェンを成長させる。
【００２４】
（４）グラフェン層１６の上に耐熱性ポリイミドからなる絶縁樹脂層２２を形成し（図３（ｄ）参照）、その後、再び上述した（２）の工程を行うことにより、パターニングされ結晶化した触媒金属層２４を絶縁樹脂層２２の上に形成し（図３（ｅ）参照）、更に上述した（３）の工程を行うことにより、触媒金属層２４の上にグラフェン層２６を形成する（図３（ｆ）参照）。絶縁樹脂層２２を形成するには、例えば、熱硬化性ポリイミド樹脂を塗布したあと熱処理してその樹脂を硬化させるか、あるいは、耐熱性ポリイミドフィルムを貼り付ける。
【００２５】
（５）目的とするグラフェン配線構造１０のグラフェン層の数（ここでは３つ）に応じて上述した（４）の工程を所定回数繰り返す（図３（ｇ）参照）。その結果、グラフェン層２６の上に絶縁樹脂層３２、触媒金属層３４、グラフェン層３６がこの順に積層される。
【００２６】
（６）最後に、グラフェン層３６に熱硬化性ポリイミド樹脂を塗布し、熱処理して硬化させて絶縁樹脂層４２とし、目的とするグラフェン配線構造１０を得る（図３（ｈ）参照）。なお、上述した（１）の工程で絶縁樹脂層１２が形成された基板を用いた場合には、その基板を除去する。
【００２７】
次に、グラフェン配線構造１０の使用例について説明する。グラフェン配線構造１０を使用するには、まず、両端に電極を形成する。具体的には、グラフェン配線構造１０の絶縁樹脂層１２，２２，３２，４２の両端を除去し、グラフェン層１６，２６，３６及び触媒金属層１４，２４，３４を露出させ、その露出した部分を金属で被覆する。これにより、図４に示すように、一端には金属部分１２ａ，２２ａ，３２ａ，４２ａが形成されるが、これらはグラフェン層１６，２６，３６の一端及び触媒金属層１４，２４，３４の一端と一体となって電極となる。また、他端には金属部分１２ｂ、２２ｂ、３２ｂ、４２ｂが形成されるが、これらはグラフェン層１６，２６，３６の他端及び触媒金属層１４，２４，３４の他端と一体となって電極となる。こうして両端に電極が形成されたグラフェン配線構造１０は、例えば燃料電池やリチウム二次電池等のバスバーや自動車のハーネスに使用される。
【００２８】
以上詳述した本実施形態のグラフェン配線構造１０によれば、グラフェン層１６，２６，３６が多段（３段）になっているため、例えばグラフェン層１６のみの場合と比べて大きな電流を流すことができる。また、絶縁樹脂層１２，２２，３２，４２の存在によって柔軟性が確保されるし、グラフェン層１６，２６，３６が保護される。
【００２９】
また、絶縁樹脂層１２とグラフェン層１６との間には触媒金属層１４が介在し、絶縁樹脂層２２とグラフェン層２６との間には触媒金属層２４が介在し、絶縁樹脂層３２とグラフェン層３６との間には触媒金属層３４が介在するが、こうした触媒金属層１４，２４，３４は良好な導電性を有するため、大きな電流を流す場合に有利になる。
【００３０】
更に、各グラフェン層１６，２６，３６は、いずれも奇数枚（ここでは３枚）のグラフェンシートを積層したものであるが、奇数枚のグラフェンシートを積層したグラフェン層は電気特性が似通っているため、その奇数枚のグラフェンシートを積層したグラフェン層の電気特性が強調される。
【００３１】
［第２実施形態］
図５はグラフェン配線構造６０の斜視図、図６は図５のＢ−Ｂ断面図である。
【００３２】
本実施形態のグラフェン配線構造６０は、図６に示すように、絶縁樹脂層６２，７２，８２，９２とグラフェン層６６，７６，８６とが繰り返し積層されている。グラフェン層６６の上下には絶縁樹脂層６２，７２が存在し、グラフェン層７６の上下には絶縁樹脂層７２，８２が存在し、グラフェン層８６の上下には絶縁樹脂層８２，９２が存在する。各グラフェン層６６，７６，８６は、いずれも奇数枚（ここでは３枚）のグラフェンシートを積層したものである。
【００３３】
次に、こうしたグラフェン配線構造６０の製造例について図７を参照しながら説明する。図７はグラフェン層６６，７６，８６として使用されるグラフェン素材１１０の製造工程図である。
【００３４】
まず、四角形状のｃ面サファイアからなる基板本体１１２を用意し、その基板本体１１２の全面にＮｉを成膜して結晶層１１４とする（図７（ａ）参照）。続いて、リソグラフィ法により結晶層１１４を一筆書きが可能な形状、ここではジグザグ状にパターニングし、結晶層１１４を触媒金属層１１６とする（図７（ｂ）参照）。
【００３５】
次に、触媒金属層１１６のＮｉに対して、温度６００℃、圧力１ｋＰａにてアセチレンとアルゴンとの混合ガスによりＣ原子を供給する。すると、Ｎｉ表面は（１１１）面に再配列される。Ｎｉ（１１１）面には、Ｎｉ原子を頂点とした三角格子が構成される。そして、供給されたＣ原子は、Ｎｉ原子から構成されるそれぞれの三角形の重心の真上に配置されることで、Ｃ原子を頂点とした六角形が形成され、この六角形が互いに結合していくことでグラフェンが成長してグラフェン素材１１０となる（図７（ｃ）参照）。グラフェン素材１１０は、触媒金属層１１６上に形成されるため、触媒金属層１１６と同じ形状つまりジグザグ状となる。このグラフェン素材１１０は、第１実施形態と同様に枚数の制御を行い、３枚のグラフェンシートからなるものとする。なお、グラフェンが成長しすぎると、横方向に延びてジグザグを形成する溝を塞いでしまうため、そうなる前に成長を止める。
【００３６】
その後、触媒金属層１１６を酸性溶液で溶かす。ここでは、触媒金属層１１６はＮｉであるため、希硝酸を用いる。そして、触媒金属層１１６が溶けたあと、グラフェン素材１１０を取り出す（図７（ｄ）参照）。得られたグラフェン素材１１０は、ジグザグ状つまり線状部１１０ａと屈曲部１１０ｂとを交互に備えた形状である。なお、グラフェン素材１１０を取り出す際には、触媒金属層１１６を溶かす代わりに、グラフェン素材１１０をめくるようにして機械的に剥がしてもよい。
【００３７】
このようにして得られたグラフェン素材１１０は、ジグザグ状の自立した素材であるが、両末端を把持して伸ばすことにより線材にすることができる（図７（ｅ）参照）。但し、実際には真っ直ぐに伸びるわけではなく、かっこ内に示すように複数の線状部１１０ａが屈曲部１１０ｂで連なった形状になる。こうしたグラフェン素材１１０を３本用意し、両端を把持して伸ばして直線に近い形状にすると共に上下方向に隙間を空けて並べ、その状態で絶縁樹脂で固める。こうすることにより、グラフェン素材１１０の両端の把持を解いたとしても、グラフェン素材１１０は直線に近い形状を維持する。図６に示すＢ−Ｂ断面図では、複数の絶縁樹脂層６２，７２，８２，９２を示したが、この製法からわかるように、絶縁樹脂層６２，７２，８２，９２は一度に絶縁樹脂を固めて一体に形成されたものである。
【００３８】
次に、グラフェン配線構造６０の使用例について説明する。グラフェン配線構造６０は、予めグラフェン層６６，７６，８６の両端が露出するように絶縁樹脂で固めたものである。このため、その露出した部分を金属で被覆すれば、第１実施形態と同様、グラフェン配線構造６０の両端に電極が形成される。こうして両端に電極が形成されたグラフェン配線構造６０は、例えば燃料電池やリチウム二次電池等のバスバーや自動車のハーネスに使用される。
【００３９】
以上詳述した本実施形態のグラフェン配線構造６０によれば、グラフェン層６６，７６，８６が多段（３段）になっているため、例えばグラフェン層６６のみの場合と比べて大きな電流を流すことができる。また、絶縁樹脂層６２，７２，８２，９２の存在によって柔軟性が確保されるし、グラフェン層６６，７６，８６が保護される。
【００４０】
また、各グラフェン層６６，７６，８６は、いずれも奇数枚（ここでは３枚）のグラフェンシートを積層したものであるが、奇数枚のグラフェンシートを積層したグラフェン層は電気特性が似通っているため、その奇数枚のグラフェンシートを積層したグラフェン層の電気特性が強調される。
【００４１】
［その他の実施形態］
上述した第１実施形態では、グラフェン配線構造１０の両端に電極を形成するにあたり、グラフェン配線構造１０の絶縁樹脂層１２，２２，３２，４２の両端を除去し、グラフェン層１６，２６，３６及び触媒金属層１４，２４，３４を露出させ、その露出した部分を金属で被覆したが、図３に示す製造工程図の絶縁樹脂層１２の代わりに、金属部分１２ａ，１２ｂを有する絶縁樹脂層１２を使用してもよい。この場合、他の絶縁樹脂層２２，３２，４２も同様の構成とする。こうすれば、絶縁樹脂層４２を形成した時点で、図４に示す両端に電極を有するグラフェン配線構造１０が得られる。
【００４２】
上述した第１及び第２実施形態では、各グラフェン層はすべて同じ奇数枚のグラフェンシートからなるものとしたが、異なる奇数枚のグラフェンシートとしてもよい。例えば、第１実施形態のグラフェン層１６が１枚、グラフェン層２６が３枚、グラフェン層３６が５枚であってもよい。また、各グラフェン層をすべて同じ偶数枚のグラフェンシートからなるものとしてもよく、異なる偶数枚のグラフェンシートとしてもよい。
【００４３】
上述した第２実施形態では、ジグザグ状の触媒金属層１１６を基板本体１１２上に形成したが、図８（平面図）に示すように渦巻き状の触媒金属層１２６を基板本体１１２上に形成してもよい。この場合も上述した第２実施形態と同様にして触媒金属層１２６上にグラフェンを成長させたあと、触媒金属層１２６を溶かすかグラフェンを剥がせば、グラフェンを渦巻き状のグラフェン素材として取り出すことができ、この渦巻き状のグラフェン素材の両末端を把持して伸ばせば線材にすることができる。あるいは、ジグザグ状や渦巻き状以外でも、一筆書き形状であれば上述した第２実施形態と同様にしてその形状のグラフェン素材を取り出すことができる。あるいは、一筆書き形状以外の形状、例えば三角形や四角形などの多角形、円形、楕円形、星形など任意の形状を採用してもよい。この場合には、任意の形状のグラフェン素材を取り出すことができる。
【００４４】
上述した第２実施形態では、基板本体１１２が板状の場合について説明したが、基板本体が円筒状であってもよい。その場合には、例えば基板本体にリボンを巻き付けるような感じで触媒金属層のパターニングを行い、その触媒金属層の表面にグラフェンを成長させることで、非常に長く滑らかな線状のグラフェン素材を簡単に得ることができる。このとき、基板本体は、中空（中が空）であってもよいし、中実（中が詰まっている）であってもよい。円筒状で中空の基板本体にグラフェンを成長させる場合には、基板本体の外面及び内面のいずれか一方に触媒金属層をパターニングし、その触媒金属層の表面にグラフェンを成長させてもよいし、あるいは、基板本体の外面及び内面の両方に触媒金属層をパターニングし、両触媒金属層の表面にグラフェンを成長させてもよい。また、円筒状の基板本体に触媒金属層を形成する方法としては、通常のフォトリソグラフィーに準じた手法を基板本体を回転させながら適用してもよいし、ナノインプリントの技術を用いて機械的にリソグラフィーパターンを転写してもよいし、細いけがき針を使用して機械的にパターニングしてもよい。触媒金属を成膜する方法は、蒸着を採用してもよいし、その金属を含む液状の原料を吹き付ける、もしくはその液中に基板を浸し、その後、熱処理を行い触媒金属の薄膜を形成する方法を採用してもよい。触媒金属層の表面にグラフェンを成長させるには、触媒金属層の表面に炭素源を供給するが、基板本体が円筒状で中空の場合には、基板本体を真空チャンバーと見立ててその中に炭素源となる原料ガスを流してグラフェンを成長させることができるため、真空チャンバーを用意する必要がなくなり、装置構成の大幅な簡略化、ひいては生産性の向上や生産コストの削減など多くの優れた効果を期待できる。
【００４５】
上述した第１実施形態では、図３（ｈ）の構造を本発明のグラフェン配線構造の一例として説明したが、図３（ｇ）のように最表面のグラフェン層３６が絶縁樹脂で被覆されず露出しているものも本発明のグラフェン配線構造の一例といえる。というのは、図３（ｇ）のうち触媒金属層３４及びグラフェン層３６を除いた部分は、絶縁樹脂層とグラフェン層とが繰り返し積層され、各グラフェン層の上下には絶縁樹脂層が存在する構造（本発明のグラフェン配線構造）となっているからである。つまり、図３（ｇ）の構造は、本発明のグラフェン配線構造を含んでいる。こうした図３（ｇ）の構造を持つものを燃料電池やリチウム二次電池等のバスバーとして利用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明のグラフェン配線構造は、例えばリチウム二次電池のバスバーや自動車のハーネスなどに利用可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１０ グラフェン配線構造、１２，２２，３２，４２ 絶縁樹脂層、１２ａ，１２ｂ，２２ａ，２２ｂ，３２ａ，３２ｂ，４２ａ，４２ｂ 金属部分、１４，２４，３４ 触媒金属層、１６，２６，３６ グラフェン層、６０ グラフェン配線構造、６２，７２，８２，９２ 絶縁樹脂層、６６，７６，８６ グラフェン層、１１０ グラフェン素材、１１０ａ 線状部、１１０ｂ 屈曲部、１１２ 基板本体、１１４ 結晶層、１１６ 触媒金属層、１２６ 触媒金属層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、グラフェン配線構造
【背景技術】
【０００２】
グラフェンは、炭素原子の六員環が単層で連なって平面状になった二次元材料である。このグラフェンは、電子移動度がシリコンの１００倍以上と言われている。近年、グラフェンをチャネル材料として利用したトランジスタが提案されている（特許文献１参照）。特許文献１では、絶縁基板上に、絶縁分離膜で分離された触媒膜パターンを形成し、その触媒膜パターン上にグラフェンシートを成長させたあと、そのグラフェンシートの両側にドレイン電極及びソース電極を形成すると共に、グラフェンシート上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成している。ここで、触媒膜パターンは絶縁膜で分離されているが、グラフェンシートは触媒膜パターンの端では横方向に延びることから、絶縁分離膜の両側の触媒膜パターンからグラフェンシートが延びて絶縁分離膜上でつながった構造が得られると説明されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１６４４３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、グラフェン素材を利用する方法については、これまであまり多く報告されていない。一例としては、グラファイトに粘着テープを付着させたあとそのテープを剥がすことにより、粘着テープの粘着面にグラファイトから分離したグラフェンシートを付着させたものを利用することが知られている。
【０００５】
しかしながら、粘着テープに付着した状態のグラフェンシートでは、サイズがミクロンメータオーダーと小さい上に、層数も上手くコントロールできない、そのような状況のため配線材料としては適さず、限られた電流しか流すことができないという問題があった。また、柔軟性を確保したいという要望もあった。
【０００６】
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、比較的大きな電流を流すことができる柔軟なグラフェン配線構造を提供することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のグラフェン配線構造は、絶縁樹脂層とグラフェン層とが繰り返し積層され、各グラフェン層の上下には前記絶縁樹脂層が存在するものである。
【０００８】
このグラフェン配線構造によれば、グラフェン層が多段になっているため、１つのグラフェン層と比べて大きな電流を流すことができる。また、それぞれの段のグラフェン層の層数を数層ないし数十層とあまり大きくない層数に制限することと、絶縁樹脂層の存在によって柔軟性が確保される。なお、「グラフェン層」とは、炭素原子の六員環が単層で連なったグラフェンシートを１枚又は複数枚(例えば２〜１０枚）有する層をいう。
【０００９】
本発明のグラフェン配線構造において、前記絶縁樹脂層と前記グラフェン層との間には、グラフェン化を促進する機能を有する触媒金属層が介在していてもよい。こうしたグラフェン配線構造を作製する際に、絶縁樹脂層の上に触媒金属層を形成し、その触媒金属層に炭素源を供給してグラフェンを成長させた場合、絶縁樹脂層とグラフェン層との間には触媒金属層が介在することになるが、こうした触媒金属層は良好な導電性を有するため、そのまま残しておいてもよい。こうして得られたグラフェン配線構造は、絶縁樹脂層とグラフェン層との間には触媒金属層が介在することになる。なお、「グラフェン化を促進する機能」とは、炭素源と接触してその炭素源に含まれる炭素成分が互いに結合してグラフェンになるのを促進する機能をいう。
【００１０】
本発明のグラフェン配線構造において、各グラフェン層は、いずれも奇数枚のグラフェンシートを積層したものであるか、又は、いずれも偶数枚のグラフェンシートを積層したものとしてもよい。奇数枚のグラフェンシートを積層したグラフェン層は電気特性が似通っているため、各グラフェン層がいずれも奇数枚のグラフェンシートを積層したものである場合には、その奇数枚のグラフェンシートを積層したグラフェン層の電気特性が強調される。また、偶数枚のグラフェンシートを積層したグラフェン層は電気特性が似通っているため、各グラフェン層がいずれも偶数枚のグラフェンシートを積層したものである場合には、その偶数枚のグラフェンシートを積層したグラフェン層の電気特性が強調される。
【００１１】
本発明のグラフェン配線構造の製法は、例えば、絶縁樹脂層の上にグラフェン層を設けたあと該グラフェン層の上に絶縁樹脂層を設ける、という作業を繰り返す工程を含むものとしてもよい。ここで、絶縁樹脂層の上にグラフェン層を設けるにあたり、別途作製しておいたグラフェン層を前記絶縁樹脂層の上に配置してもよい。このようにグラフェン層を別途作製するには、例えば、基板の上にグラフェン化を促進する機能を有する触媒金属層を一筆書きが可能な形状に形成し、触媒金属層の表面に炭素源を供給してグラフェンを成長させ、触媒金属層からグラフェンをグラフェン素材として取り出してもよい。なお、こうして取り出した複数のグラフェン素材の両端を引っ張って略直線状にした後、その状態を保ったまま絶縁樹脂で固めることにより、本発明のグラフェン配線構造を作製してもよい。
【００１２】
本発明のグラフェン配線構造のうち、絶縁樹脂層とグラフェン層との間にグラフェン化を促進する機能を有する触媒金属層が介在するものの製法は、例えば、絶縁樹脂層の上に触媒金属層を一筆書きが可能な形状（例えば直線状、ジグザグ状、渦巻き状など）となるように形成し、該触媒金属層の表面に炭素源を供給してグラフェンを成長させることによりグラフェン層を設け、触媒金属層を残したままグラフェン層の上に絶縁樹脂層を設ける、という作業を繰り返す工程を含むものとしてもよい。また、絶縁樹脂層とグラフェン層との間にグラフェン化を促進する機能を有する触媒金属層が介在しないものの製法は、例えば、絶縁樹脂層の上に触媒金属層を一筆書きが可能な形状となるように形成し、該触媒金属層の表面に炭素源を供給してグラフェンを成長させることによりグラフェン層を設け、そのグラフェン層の一端を挟持部材で挟み込んだ状態で触媒金属層を溶かして除去したあとグラフェン層の上に絶縁樹脂層を設ける、という作業を繰り返す工程を含むものとしてもよい。なお、予め配線を引き回したときの形状が決まっている場合には、絶縁樹脂層や触媒金属層をそれと同様の形状に形成しておけば、できあがったグラフェン配線構造を曲げることなくそのまま使用することができる。
【００１３】
上述した製法において、触媒金属層を一筆書きが可能な形状に形成するには、例えば、周知のフォトリソグラフィ法によってパターニングしてもよい。その場合、まず基板の全面に触媒金属層を形成し、次に所定形状の触媒金属層が残るようにレジストパターンを形成したあとウェットエッチング又はドライエッチングを行ってもよい。ウェットエッチングは、触媒金属層の金属種に応じて適宜エッチング液を選定すればよい。ドライエッチングも、触媒金属層の金属種に応じて適宜使用するガスを選定すればよい。また、所定形状の触媒金属層を形成するには、所定形状以外の部分を被覆するシャドウマスクを用いて触媒金属を蒸着又はスパッタしてもよい。
【００１４】
上述した製法において、炭素源としては、例えば、炭素数１〜６の炭化水素やアルコールなどが挙げられる。
【００１５】
上述した製法において、グラフェンを成長させる方法としては、例えば、アルコールＣＶＤ、熱ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ、ガスソースＭＢＥなどが挙げられる。アルコールＣＶＤは、例えば、成長温度を絶縁樹脂層の耐熱温度未満で適宜設定し、炭素源としてメタノールやエタノールなどのアルコールの飽和蒸気を供給する。アルコール飽和蒸気は、バブラにキャリアガスを流すことにより発生させてもよい。キャリアガスとしては、アルゴン、水素、窒素などを利用することができる。圧力は大気圧であってもよいし、減圧下であってもよい。熱ＣＶＤは、例えば、成長温度を絶縁樹脂層の耐熱温度未満で適宜設定し、炭素源としてメタン、エチレン、アセチレン、ベンゼンなどを供給する。炭素源はアルゴンや水素などをキャリアガスとして供給し、炭素源の分圧は例えば０．００２−５Ｐａ程度とする。成長時間は例えば１−２０分、圧力は加圧下（例えば１ｋＰａ）であってもよいし減圧下であってもよい。炭素源を分解するためにホットフィラメントを使用することが多い。プラズマＣＶＤは、例えば、成長温度を絶縁樹脂層の耐熱温度未満で適宜設定し、圧力を１−１．１Ｐａ、炭素源をメタン、メタン流量を５ｓｃｃｍ、キャリアガスを水素、水素流量を２０ｓｃｃｍとし、プラズマパワーを１００Ｗ程度とする。なお、成長温度を絶縁樹脂層の耐熱温度未満で適宜設定するにあたっては、例えばその耐熱温度をわずかに下回る温度としてもよい。ガスソースＭＢＥは、例えば、炭素源としてエタノールを用い、エタノールで飽和した窒素ないしは水素ガスの流量を０．３−２ｓｃｃｍとし、真空中で炭素源分解のため２０００℃に加熱したＷフィラメントを使用する。基板温度は４００−６００℃程度である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】グラフェン配線構造１０の斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】グラフェン配線構造１０の製造工程図である。
【図４】両端に電極が形成されたグラフェン配線構造１０の断面図である。
【図５】グラフェン配線構造６０の斜視図である。
【図６】図５のＢ−Ｂ断面図である。
【図７】グラフェン素材１１０の製造工程図である。
【図８】渦巻き状の触媒金属層１２６が形成された基板本体１１２の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下には、本発明の好適な実施形態を図面を参照しながら説明する。
【００１８】
［第１実施形態］
図１はグラフェン配線構造１０の斜視図、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。
【００１９】
本実施形態のグラフェン配線構造１０は、絶縁樹脂層１２，２２，３２，４２とグラフェン層１６，２６，３６とが繰り返し積層されている。グラフェン層１６の上下には絶縁樹脂層１２，２２が存在し、グラフェン層２６の上下には絶縁樹脂層２２，３２が存在し、グラフェン層３６の上下には絶縁樹脂層３２，４２が存在する。また、絶縁樹脂層１２とグラフェン層１６との間には触媒金属層１４が介在し、絶縁樹脂層２２とグラフェン層２６との間には触媒金属層２４が介在し、絶縁樹脂層３２とグラフェン層３６との間には触媒金属層３４が介在する。触媒金属層１４，２４，３４は、グラフェン化を促進する機能を有する。各グラフェン層１６，２６，３６は、いずれも奇数枚（ここでは３枚）のグラフェンシートが積層されたものである。
【００２０】
次に、こうしたグラフェン配線構造１０の製造例について図３を参照しながら説明する。図３はグラフェン配線構造１０の製造工程図である。
【００２１】
（１）まず耐熱性ポリイミド（例えばデュポン社製のカプトン Ｈタイプなど）からなる絶縁樹脂層１２を用意する（図３（ａ）参照）。このとき、絶縁樹脂層１２が形成された基板を用意してもよい。
【００２２】
（２）その絶縁樹脂層１２の上に触媒金属層１４を蒸着し、必要に応じて周知のフォトリソグラフィ法によってパターニングし、その後、熱処理を行うことにより触媒金属層１４を結晶化させる（図３（ｂ）参照）。なお、上記手法の他に、パルススパッター堆積法（ＰＳＤ）技術によって触媒金属層１４を堆積させながら結晶化させてもよい。触媒金属層１４の材質としては、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｒｕ，Ｆｅ，Ｐｔ，Ａｕ等が挙げられる。こうした金属のうち、表面に三角格子（三角形の頂点に金属原子が配置された構造）を持つものが好ましい。例えば、ＦＣＣの（１１１）面、ＢＣＣの（１１０）面、ＨＣＰの（０００１）面が三角格子になる。触媒金属層１４の厚さは、特に限定するものではないが、例えば１−５００ｎｍ程度としてもよい。但し、膜厚が薄すぎると、触媒金属が粒子化してしまうおそれがあるため、粒子化しない程度の厚さとするのが好ましい。本実施形態では、触媒金属層１４としてＮｉを用い、長方形状の薄板となるようにパターニングするものとする。Ｎｉを結晶化させると、Ｎｉ表面は（１１１）面に再配列される。そして、Ｎｉ（１１１）面には、Ｎｉ原子を頂点とした三角格子が構成される。
【００２３】
（３）図示しない反応容器内に、結晶化した触媒金属層１４を備えた絶縁樹脂層１２を入れ、その触媒金属層１４の上に炭素原料を供給することによりグラフェンを成長させグラフェン層１６を形成する（図３（ｃ）参照）。触媒金属層１４の上にグラフェン層１６を形成するには、絶縁樹脂層１２の耐熱温度を超えないようにして、上述したアルコールＣＶＤ、熱ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ、ガスソースＭＢＥなどの手法によりグラフェンを成長させる。グラフェンの成長過程において、Ｃ原子はＮｉ原子から構成されるそれぞれの三角形の重心の真上に配置される。これにより、Ｃ原子を頂点とした六角形が形成され、この六角形が互いに結合していくことでグラフェンが成長していく。グラフェン層１６のグラフェンシートの枚数の制御は、反応容器に取り付けたラマンスペクトル測定装置でグラフェン層１６のラマンシフト位置をモニタリングすることにより行う。具体的には、グラフェンシートが１枚、２枚、５枚、１０枚の場合におけるラマンシフト位置はそれぞれ異なることが知られている（Physical Review Letters, Vol.97, p187401(2006)の図２参照）。このため、グラフェンシートの枚数を予め決めておき、その枚数に対応したラマンシフト位置を予め確認しておき、そのラマンシフト位置になるまでグラフェンを成長させる。
【００２４】
（４）グラフェン層１６の上に耐熱性ポリイミドからなる絶縁樹脂層２２を形成し（図３（ｄ）参照）、その後、再び上述した（２）の工程を行うことにより、パターニングされ結晶化した触媒金属層２４を絶縁樹脂層２２の上に形成し（図３（ｅ）参照）、更に上述した（３）の工程を行うことにより、触媒金属層２４の上にグラフェン層２６を形成する（図３（ｆ）参照）。絶縁樹脂層２２を形成するには、例えば、熱硬化性ポリイミド樹脂を塗布したあと熱処理してその樹脂を硬化させるか、あるいは、耐熱性ポリイミドフィルムを貼り付ける。
【００２５】
（５）目的とするグラフェン配線構造１０のグラフェン層の数（ここでは３つ）に応じて上述した（４）の工程を所定回数繰り返す（図３（ｇ）参照）。その結果、グラフェン層２６の上に絶縁樹脂層３２、触媒金属層３４、グラフェン層３６がこの順に積層される。
【００２６】
（６）最後に、グラフェン層３６に熱硬化性ポリイミド樹脂を塗布し、熱処理して硬化させて絶縁樹脂層４２とし、目的とするグラフェン配線構造１０を得る（図３（ｈ）参照）。なお、上述した（１）の工程で絶縁樹脂層１２が形成された基板を用いた場合には、その基板を除去する。
【００２７】
次に、グラフェン配線構造１０の使用例について説明する。グラフェン配線構造１０を使用するには、まず、両端に電極を形成する。具体的には、グラフェン配線構造１０の絶縁樹脂層１２，２２，３２，４２の両端を除去し、グラフェン層１６，２６，３６及び触媒金属層１４，２４，３４を露出させ、その露出した部分を金属で被覆する。これにより、図４に示すように、一端には金属部分１２ａ，２２ａ，３２ａ，４２ａが形成されるが、これらはグラフェン層１６，２６，３６の一端及び触媒金属層１４，２４，３４の一端と一体となって電極となる。また、他端には金属部分１２ｂ、２２ｂ、３２ｂ、４２ｂが形成されるが、これらはグラフェン層１６，２６，３６の他端及び触媒金属層１４，２４，３４の他端と一体となって電極となる。こうして両端に電極が形成されたグラフェン配線構造１０は、例えば燃料電池やリチウム二次電池等のバスバーや自動車のハーネスに使用される。
【００２８】
以上詳述した本実施形態のグラフェン配線構造１０によれば、グラフェン層１６，２６，３６が多段（３段）になっているため、例えばグラフェン層１６のみの場合と比べて大きな電流を流すことができる。また、絶縁樹脂層１２，２２，３２，４２の存在によって柔軟性が確保されるし、グラフェン層１６，２６，３６が保護される。
【００２９】
また、絶縁樹脂層１２とグラフェン層１６との間には触媒金属層１４が介在し、絶縁樹脂層２２とグラフェン層２６との間には触媒金属層２４が介在し、絶縁樹脂層３２とグラフェン層３６との間には触媒金属層３４が介在するが、こうした触媒金属層１４，２４，３４は良好な導電性を有するため、大きな電流を流す場合に有利になる。
【００３０】
更に、各グラフェン層１６，２６，３６は、いずれも奇数枚（ここでは３枚）のグラフェンシートを積層したものであるが、奇数枚のグラフェンシートを積層したグラフェン層は電気特性が似通っているため、その奇数枚のグラフェンシートを積層したグラフェン層の電気特性が強調される。
【００３１】
［第２実施形態］
図５はグラフェン配線構造６０の斜視図、図６は図５のＢ−Ｂ断面図である。
【００３２】
本実施形態のグラフェン配線構造６０は、図６に示すように、絶縁樹脂層６２，７２，８２，９２とグラフェン層６６，７６，８６とが繰り返し積層されている。グラフェン層６６の上下には絶縁樹脂層６２，７２が存在し、グラフェン層７６の上下には絶縁樹脂層７２，８２が存在し、グラフェン層８６の上下には絶縁樹脂層８２，９２が存在する。各グラフェン層６６，７６，８６は、いずれも奇数枚（ここでは３枚）のグラフェンシートを積層したものである。
【００３３】
次に、こうしたグラフェン配線構造６０の製造例について図７を参照しながら説明する。図７はグラフェン層６６，７６，８６として使用されるグラフェン素材１１０の製造工程図である。
【００３４】
まず、四角形状のｃ面サファイアからなる基板本体１１２を用意し、その基板本体１１２の全面にＮｉを成膜して結晶層１１４とする（図７（ａ）参照）。続いて、リソグラフィ法により結晶層１１４を一筆書きが可能な形状、ここではジグザグ状にパターニングし、結晶層１１４を触媒金属層１１６とする（図７（ｂ）参照）。
【００３５】
次に、触媒金属層１１６のＮｉに対して、温度６００℃、圧力１ｋＰａにてアセチレンとアルゴンとの混合ガスによりＣ原子を供給する。すると、Ｎｉ表面は（１１１）面に再配列される。Ｎｉ（１１１）面には、Ｎｉ原子を頂点とした三角格子が構成される。そして、供給されたＣ原子は、Ｎｉ原子から構成されるそれぞれの三角形の重心の真上に配置されることで、Ｃ原子を頂点とした六角形が形成され、この六角形が互いに結合していくことでグラフェンが成長してグラフェン素材１１０となる（図７（ｃ）参照）。グラフェン素材１１０は、触媒金属層１１６上に形成されるため、触媒金属層１１６と同じ形状つまりジグザグ状となる。このグラフェン素材１１０は、第１実施形態と同様に枚数の制御を行い、３枚のグラフェンシートからなるものとする。なお、グラフェンが成長しすぎると、横方向に延びてジグザグを形成する溝を塞いでしまうため、そうなる前に成長を止める。
【００３６】
その後、触媒金属層１１６を酸性溶液で溶かす。ここでは、触媒金属層１１６はＮｉであるため、希硝酸を用いる。そして、触媒金属層１１６が溶けたあと、グラフェン素材１１０を取り出す（図７（ｄ）参照）。得られたグラフェン素材１１０は、ジグザグ状つまり線状部１１０ａと屈曲部１１０ｂとを交互に備えた形状である。なお、グラフェン素材１１０を取り出す際には、触媒金属層１１６を溶かす代わりに、グラフェン素材１１０をめくるようにして機械的に剥がしてもよい。
【００３７】
このようにして得られたグラフェン素材１１０は、ジグザグ状の自立した素材であるが、両末端を把持して伸ばすことにより線材にすることができる（図７（ｅ）参照）。但し、実際には真っ直ぐに伸びるわけではなく、かっこ内に示すように複数の線状部１１０ａが屈曲部１１０ｂで連なった形状になる。こうしたグラフェン素材１１０を３本用意し、両端を把持して伸ばして直線に近い形状にすると共に上下方向に隙間を空けて並べ、その状態で絶縁樹脂で固める。こうすることにより、グラフェン素材１１０の両端の把持を解いたとしても、グラフェン素材１１０は直線に近い形状を維持する。図６に示すＢ−Ｂ断面図では、複数の絶縁樹脂層６２，７２，８２，９２を示したが、この製法からわかるように、絶縁樹脂層６２，７２，８２，９２は一度に絶縁樹脂を固めて一体に形成されたものである。
【００３８】
次に、グラフェン配線構造６０の使用例について説明する。グラフェン配線構造６０は、予めグラフェン層６６，７６，８６の両端が露出するように絶縁樹脂で固めたものである。このため、その露出した部分を金属で被覆すれば、第１実施形態と同様、グラフェン配線構造６０の両端に電極が形成される。こうして両端に電極が形成されたグラフェン配線構造６０は、例えば燃料電池やリチウム二次電池等のバスバーや自動車のハーネスに使用される。
【００３９】
以上詳述した本実施形態のグラフェン配線構造６０によれば、グラフェン層６６，７６，８６が多段（３段）になっているため、例えばグラフェン層６６のみの場合と比べて大きな電流を流すことができる。また、絶縁樹脂層６２，７２，８２，９２の存在によって柔軟性が確保されるし、グラフェン層６６，７６，８６が保護される。
【００４０】
また、各グラフェン層６６，７６，８６は、いずれも奇数枚（ここでは３枚）のグラフェンシートを積層したものであるが、奇数枚のグラフェンシートを積層したグラフェン層は電気特性が似通っているため、その奇数枚のグラフェンシートを積層したグラフェン層の電気特性が強調される。
【００４１】
［その他の実施形態］
上述した第１実施形態では、グラフェン配線構造１０の両端に電極を形成するにあたり、グラフェン配線構造１０の絶縁樹脂層１２，２２，３２，４２の両端を除去し、グラフェン層１６，２６，３６及び触媒金属層１４，２４，３４を露出させ、その露出した部分を金属で被覆したが、図３に示す製造工程図の絶縁樹脂層１２の代わりに、金属部分１２ａ，１２ｂを有する絶縁樹脂層１２を使用してもよい。この場合、他の絶縁樹脂層２２，３２，４２も同様の構成とする。こうすれば、絶縁樹脂層４２を形成した時点で、図４に示す両端に電極を有するグラフェン配線構造１０が得られる。
【００４２】
上述した第１及び第２実施形態では、各グラフェン層はすべて同じ奇数枚のグラフェンシートからなるものとしたが、異なる奇数枚のグラフェンシートとしてもよい。例えば、第１実施形態のグラフェン層１６が１枚、グラフェン層２６が３枚、グラフェン層３６が５枚であってもよい。また、各グラフェン層をすべて同じ偶数枚のグラフェンシートからなるものとしてもよく、異なる偶数枚のグラフェンシートとしてもよい。
【００４３】
上述した第２実施形態では、ジグザグ状の触媒金属層１１６を基板本体１１２上に形成したが、図８（平面図）に示すように渦巻き状の触媒金属層１２６を基板本体１１２上に形成してもよい。この場合も上述した第２実施形態と同様にして触媒金属層１２６上にグラフェンを成長させたあと、触媒金属層１２６を溶かすかグラフェンを剥がせば、グラフェンを渦巻き状のグラフェン素材として取り出すことができ、この渦巻き状のグラフェン素材の両末端を把持して伸ばせば線材にすることができる。あるいは、ジグザグ状や渦巻き状以外でも、一筆書き形状であれば上述した第２実施形態と同様にしてその形状のグラフェン素材を取り出すことができる。あるいは、一筆書き形状以外の形状、例えば三角形や四角形などの多角形、円形、楕円形、星形など任意の形状を採用してもよい。この場合には、任意の形状のグラフェン素材を取り出すことができる。
【００４４】
上述した第２実施形態では、基板本体１１２が板状の場合について説明したが、基板本体が円筒状であってもよい。その場合には、例えば基板本体にリボンを巻き付けるような感じで触媒金属層のパターニングを行い、その触媒金属層の表面にグラフェンを成長させることで、非常に長く滑らかな線状のグラフェン素材を簡単に得ることができる。このとき、基板本体は、中空（中が空）であってもよいし、中実（中が詰まっている）であってもよい。円筒状で中空の基板本体にグラフェンを成長させる場合には、基板本体の外面及び内面のいずれか一方に触媒金属層をパターニングし、その触媒金属層の表面にグラフェンを成長させてもよいし、あるいは、基板本体の外面及び内面の両方に触媒金属層をパターニングし、両触媒金属層の表面にグラフェンを成長させてもよい。また、円筒状の基板本体に触媒金属層を形成する方法としては、通常のフォトリソグラフィーに準じた手法を基板本体を回転させながら適用してもよいし、ナノインプリントの技術を用いて機械的にリソグラフィーパターンを転写してもよいし、細いけがき針を使用して機械的にパターニングしてもよい。触媒金属を成膜する方法は、蒸着を採用してもよいし、その金属を含む液状の原料を吹き付ける、もしくはその液中に基板を浸し、その後、熱処理を行い触媒金属の薄膜を形成する方法を採用してもよい。触媒金属層の表面にグラフェンを成長させるには、触媒金属層の表面に炭素源を供給するが、基板本体が円筒状で中空の場合には、基板本体を真空チャンバーと見立ててその中に炭素源となる原料ガスを流してグラフェンを成長させることができるため、真空チャンバーを用意する必要がなくなり、装置構成の大幅な簡略化、ひいては生産性の向上や生産コストの削減など多くの優れた効果を期待できる。
【００４５】
上述した第１実施形態では、図３（ｈ）の構造を本発明のグラフェン配線構造の一例として説明したが、図３（ｇ）のように最表面のグラフェン層３６が絶縁樹脂で被覆されず露出しているものも本発明のグラフェン配線構造の一例といえる。というのは、図３（ｇ）のうち触媒金属層３４及びグラフェン層３６を除いた部分は、絶縁樹脂層とグラフェン層とが繰り返し積層され、各グラフェン層の上下には絶縁樹脂層が存在する構造（本発明のグラフェン配線構造）となっているからである。つまり、図３（ｇ）の構造は、本発明のグラフェン配線構造を含んでいる。こうした図３（ｇ）の構造を持つものを燃料電池やリチウム二次電池等のバスバーとして利用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明のグラフェン配線構造は、例えばリチウム二次電池のバスバーや自動車のハーネスなどに利用可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１０ グラフェン配線構造、１２，２２，３２，４２ 絶縁樹脂層、１２ａ，１２ｂ，２２ａ，２２ｂ，３２ａ，３２ｂ，４２ａ，４２ｂ 金属部分、１４，２４，３４ 触媒金属層、１６，２６，３６ グラフェン層、６０ グラフェン配線構造、６２，７２，８２，９２ 絶縁樹脂層、６６，７６，８６ グラフェン層、１１０ グラフェン素材、１１０ａ 線状部、１１０ｂ 屈曲部、１１２ 基板本体、１１４ 結晶層、１１６ 触媒金属層、１２６ 触媒金属層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁樹脂層とグラフェン層とが繰り返し積層され、各グラフェン層の上下には前記絶縁樹脂層が存在する、グラフェン配線構造。
【請求項２】
前記絶縁樹脂層と前記グラフェン層との間には、グラフェン化を促進する機能を有する触媒金属層が介在する、請求項１に記載のグラフェン配線構造。
【請求項３】
各グラフェン層は、いずれも奇数枚のグラフェンシートを積層したものであるか、又は、いずれも偶数枚のグラフェンシートを積層したものである、
請求項１又は２に記載のグラフェン配線構造。
【請求項１】
絶縁樹脂層とグラフェン層とが繰り返し積層され、各グラフェン層の上下には前記絶縁樹脂層が存在する、グラフェン配線構造。
【請求項２】
前記絶縁樹脂層と前記グラフェン層との間には、グラフェン化を促進する機能を有する触媒金属層が介在する、請求項１に記載のグラフェン配線構造。
【請求項３】
各グラフェン層は、いずれも奇数枚のグラフェンシートを積層したものであるか、又は、いずれも偶数枚のグラフェンシートを積層したものである、
請求項１又は２に記載のグラフェン配線構造。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１４４４２１（Ｐ２０１２−１４４４２１Ａ）
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６３１９３（Ｐ２０１１−１６３１９３）
【出願日】平成２３年７月２６日（２０１１．７．２６）
【出願人】（５９９００２０４３）学校法人 名城大学 (142)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２６日（２０１１．７．２６）
【出願人】（５９９００２０４３）学校法人 名城大学 (142)
【Ｆターム（参考）】
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