JPH0457314A - 分極性電極およびその製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、電子機器のメモリーバックアップ用電源等に
利用されている電気二重層キャパシタに使用されている
分極性電極に関し、さらに詳しくは、炭化水素化合物を
原料とするクラスターイオンビーム法により基板上に形
成されたフィルム状活性炭素体からなる分極性電極とそ
の製造法に関する。

［従来の技術］ 炭素材料は、耐食性に優れているため広（利用されてお
り、電極の分野においても、例えば、空気電池で使用さ
れている活性炭素電極は、炭素の酸素吸着能を利用した
もので、一種の多孔質電極である。また、多孔質炭素電
極としては、炭素繊維およびそれを用いたフェルトや布
、ペーパーなども開発されている。

ところで、現在、電気二重層キャパシタに使用されてい
る分極性電極としては、炭素材料学会発行「炭素」第１
３２号、第５７〜７１頁（１９８８年１月）あるいはシ
ーエムシー社発行「機能材料」２月号、第３３〜４１頁
（１９８９年２月）に示されているように、粉末活性炭
と活性炭素繊維を用いた２種類のものが知られている。

前者の粉末活性炭を用いた分極性電極は、活性炭の粉末
をカーボンブラックやバインダー樹脂と混合したものを
集電体金属上に加圧成型するか、あるいはペースト状と
して集電体金属上に塗布したものである。

一方、後者の活性炭素繊維を用いた分極性電極の場合、
フェノール樹脂織布を高温下（８００〜１０００℃）で
炭素化を行なうとともに、水蒸気などの賦活ガスを導入
することによって得られた活性炭素繊維の片側の表面上
に、プラズマ溶射等の方法によって集電体金属（例えば
、アルミニウム）を取り付け、分極性電極が構成されて
いる。

分極性電極は、一般に、大表面積、高密度、低抵抗、化
学的・電気化学的不活性などの諸特性が要求される。と
ころが、現在提案されている前記２種類の分極性電極と
その製造法には、以下のような問題がある。

粉末活性炭を利用した分極性電極においては、グラファ
イトやバインダー樹脂等を多（含んでいる。このため、
分極性電極として必要である化学的・電気化学的な安定
性に欠けるとともに、粉末活性炭の特徴である大きな比
表面積（単位重量当りの表面）が十分に活用されていな
い。そのため、この種の分極性電極を用いて、大容量の
電気二重層キャパシタを構成することは困難である。

また、活性炭素繊維を用いた分極性電極については、フ
ェノール樹脂等の樹脂織布の炭素化、賦活化、および集
電体のプラズマ溶射といった複雑な諸工程を経るととも
に、活性炭素繊維では、電気抵抗が大きく、このため電
気二重層キャパシタを構成した場合、キャパシタの内部
抵抗が太き（なり、容量の低下や耐久性の低下が起こる
。

以上のように現在の分極性電極には多くの課題が存在し
ており、これらの課題を克服した新しい分極性電極が求
められている。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明の目的は、大表面積、高密度、低抵抗、化学的・
電気化学的不活性などの諸特性に優れた分極性電極を提
供することにある。

また、本発明の目的は、炭素材料を用いて、導電性が良
好な多孔質の活性炭素体を得、これを分極性電極に使用
することにある。

本発明の他の目的は、分極性電極に使用できる活性炭素
体を簡易な工程で製造することにある。

本発明者は、電気二重層キャパシタ等に用いる分極性電
極としては、導電性が高（、かつ、粉末ではなく多孔質
の活性炭素のバルク（望ましくはフィルム状活性炭素）
を用いることが望ましいことに着目した。そして、この
ような活性炭素体を簡易な工程で製造する方法について
研究を行なった。

その結果、本発明者は、従来の粉末活性炭や活性炭素繊
維ではなく、イオンブレーティング法の１つであるクラ
スターイオンビーム法（ＩｏｎｉｚｅｄＣｌｕｓｔｅｒ
　Ｂｅａｍ、　　Ｉ　ＣＢ法）によって、炭化水素化合
物を原料として基板上に形成された炭素体が、導電性が
高（、多孔質のフィルム状活性炭素体であり、分極性電
極として用いた場合に優れた諸特性を発揮することを見
出した。

しかも、このフィルム状活性炭素体は、ＩＣＢ法により
、複雑な工程を経る必要な（製造することができ、また
、大容量の電気二重層キャパシタを構成するための分極
性電極として使用可能である。

本発明は、これらの知見に基づいて完成するに至ったも
のである。

〔課題を解決するための手段１ かくして、本発明によれば、原料として炭化水素化合物
を用い、クラスターイオンビーム法によって基板上に形
成されたフィルム状活性炭素体からなることを特徴とす
る分極性電極およびその製造方法が提供される。

以下、本発明について詳述する。

（炭化水素化合物） 本発明の分極性電極である活性炭素フィルムを得るには
、炭化水素化合物を原料とするが、この原料化合物につ
いては、室温において気体でな（とも、加熱等によって
気化し、クラスター分子を発生するものであれば、室温
で液体または固体であってもかまわない。

本発明で原料として使用する炭化水素化合物としては、
例えば、ベンゼン（Ｃ，Ｈ６）、ナフタレン（Ｃ１０Ｈ
−）、アントラセン（Ｃ，４Ｈ、、）、ピレン（Ｃ，、
Ｈ，。）、メタン（ＣＨ４）、エタン（Ｃ２Ｈａ　）　
、プロパン（Ｃ，Ｈ，）、ブタン（Ｃ４Ｈ，。）、エチ
レン（Ｃ２Ｈ２）、ＣＨ３Ｒ，Ｃ，Ｈ，Ｒ（Ｒはアルキ
ル基を表わす）などの炭化水素を挙げることができる。

（クラスターイオンビーム法） ＩＣＢ法は、一般に、るつぼノズルから噴射した塊状原
子集団（クラスター）に電子シャワーを浴びせてイオン
化し、次いで加速化させて基板上に堆積させる方法であ
る。

薄膜形成用クラスターイオンビーム装置は、通常、クラ
スタ発生部、イオン化部、加速部、および蒸着部に大別
される。

本発明における分極性電極となる活性炭素フィルムを製
造する装置の具体例を第１図に示し、以下、この第１図
に基づいて説明する。

成長室１６を油回転ポンプ４および油拡散ポンプ５を用
いて、１０−７〜１０−’Ｔｏｒｒ、通常、１０−’Ｔ
ｏｒｒ程度の真空状態とした後、原料の炭化水素化合物
が固体１の場合には、るつぼヒーター７によって加熱気
化させ、炭化水素化合物のクラスター分子を発生させる
。原料の炭化水素化合物が液体または気体２の場合、原
料導入ライン３により成長室１６に導入し、クラスター
分子とする。また、このときの原料圧力は、通常、１×
１０−’　〜Ｉ　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒ程度である。

このクラスター分子をノズル８より引き出した後、電子
加速電極１０およびイオン化フィラメント９によるイオ
ン化機構部によってクラスター分子をイオン化する。

このイオン化したクラスター分子をイオン加速電極１１
により加速し、クラスターイオンビーム１２を基板１４
に到達させ、基板１４上に堆積させる。

この方法により、基板１４上に種々の形態の炭素体が得
られる。炭化水素化合物を原料として、ＩＣＢ法により
基板上に炭素体を合成した場合、ウィスカー状炭素、緻
密な炭素フィルムが基板上に合成される。ところが、適
当な条件下で炭素体を合成した場合、多孔質で、かつ、
導電性の良好な活性炭素フィルムを得ることができる。

具体的には、この炭素体の合成において、クラスターイ
オンの加速条件、堆積基板の温度をコントロールするこ
とによって導電性を有する活性炭素フィルムが得られ、
これが本発明の分極性電極となる。

これらの条件は、使用する炭化水素化合物の種類によっ
ても異なるが、通常、イオン化電子電流は２０〜３０Ａ
、クラスターイオンの加速電圧は、１〜６ｅＶ、蒸着中
の基板温度は、４００〜１０００℃の範囲に調節する。

基板としては、ステンレス鋼基板、酸化シリコンウェハ
ー、石英やニオブ、タンタル、ニッケル、ジルコン、チ
タンなどの金属等を例示することができる。

〔イ乍用］ ＩＣＢ法では、成長室内の真空度が１０−’Ｔｏｒｒ程
度と比較的高真空であるため、不純物の影響が極めて少
なく、また、イオン化および加速したクラスター分子の
基板上でのマイグレーシジン効果により、結晶性の良好
な物質の合成が可能である。

本発明によれば、多孔質で大表面積を有し、かつ、電気
伝導度が５０３／ｃｍ以上の導電性の良好なフィルム状
の活性炭素体を得ることができる。

しかも、活性炭素体からなるため、化学的・電気化学的
に不活性である。

このクラスターイオンビーム法によって製造したフィル
ム状活性炭素体を分極性電極として用いると、従来の分
極性電極の問題点が解決される。

また、炭化水素化合物より直接フィルム状の活性炭素体
が得られるため、従来の活性炭素繊維のように、高温下
に水蒸気を導入する賦活プロセスなどを省略することが
できる。

［実施例］ 以下に、実施例および比較例を挙げて本発明について具
体的に説明する。

［実施例１］ 原料炭化水素化合物としてベンゼンを用い、原料圧力５
　Ｘ　１０−’　Ｔｏｒｒとして、ベンゼンクラスター
をイオン化した後、ベンゼンクラスターイオンを２ｋＶ
で加速し、１０００℃に加熱されたステンレス鋼基板上
に炭素体を堆積した（膜厚２１μｍ）。このステンレス
鋼基板上に合成された炭素体が分極性電極とする多孔質
（気孔率８７％）のフィルム状活性炭素体である。

このフィルム状活性炭素体の電気伝導度は、５０Ｓ／ｃ
ｍであった。

［実施例２］ 原料炭化水素化合物としてベンゼンを用い、原料圧力５
×１０″’　Ｔｏｒｒとして、ベンゼンクラスターなイ
オン化した後、イオン加速電圧５ｋＶの条件下で１００
０℃に加熱された表面酸化シリコンウェハー上に炭素体
を堆積させたところ、表面酸化シリコンウェハー上に多
孔質フィルム状活性炭素体が合成され、このフィルム状
活性炭素体（気孔率７５％）の電気伝導度は１２Ｏ３／
ｃｍと良好な導電性を示し、分極性電極として使用可能
であることが分かった。

［比較例１］ フェノール樹脂糸織布な炭化、賦活して得た分極性電極
活性炭素繊維の電気伝導度は１０　Ｓ／ｃｍであった。

［発明の効果］ 炭化水素化合物を原料として、クラスターイオンビーム
法を用いて合成された炭素体は、導電性が良好な多孔質
のフィルム状活性炭素体である。

したがって、本発明のフィルム状活性炭素体は、分極性
電極として使用すると優れた特性を発揮し、特に、大容
量の電気二重層キャパシタを構成するための分極性電極
として利用すると効果的である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の分極性電極である活性炭素フィルム
の製造に使用する装置の１具体例である。 １；炭化水素化合物（固体の場合）、 ２：炭化水素化合物（液体または気体の場合）、３；原
料導入ライン、４：油回転ポンプ、５：油拡散ポンプ、
６：るつぼ、 ７、るつぼ加熱ヒーター、８：ノズル、９：イオン化フ
ィラメント、１０：電子加速電極、１１；イオン加速電
極、 １２：　クラスターイオンビーム、１３：　シャッター
１４＝基板、１５：基板加熱ヒーター、１６：成長室第
１図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）原料として炭化水素化合物を用い、クラスターイ
   オンビーム法によって基板上に形成されたフィルム状活
   性炭素体からなることを特徴とする分極性電極。
2. （２）フィルム状活性炭素体の電気伝導度が５０Ｓ／ｃ
   ｍ以上である請求項１記載の分極性電極。
3. （３）原料として炭化水素化合物を用い、クラスターイ
   オンビーム法によって基板上にフィルム状活性炭素体を
   形成することを特徴とするフィルム状活性炭素体からな
   る分極性電極の製造法。