＜速報研究論文＞微細カーボン素材の磁界特性解析滝川浩史＊1，須田善行＊l，元島栖二＊2，小松晃＊3，江口宇三郎 AnalysISOnMagneticFieldCharacterofMinuteCarbonMaterials HirohumiTakikawa＊l，YoshiyukiSuda＊1，Se臼iMotqjima＊2，AkiraKomatsu＊3 andUsaburoEguchi （ReceivedonSep．28，2010） Abstract Wecon且rmedthatnewminutecarbonmaterialsofCarbonNanoCoil（CNC），CarbonNanoTwist（CNTw）and CarbonMicroCoil（CMC），Whichweredevelopedrecently，hadgoodsensitivityonthemagneticneld．CNC hadahighestsensitivityonmagneticneld，andintheorderofCMC，CNTw・Andwhenthedensityofcarbon materialswastoohigh，WeVerinedthatthesensitivltyOfthemagneticfieldwasdecreasedduetothecontactof thecarbonmaterialsandthecancelofthenuxofmagneticinduction・キーワード：カーボンナノコイル、カーボンナノツイスト、カーボンマイクロコイル、磁界 1．目的近年、ナノテクノロジーでは多くの革新的な材料や微細加工、計測などの技術が開発され、従来には類を見ない技術が生み出されている。本研究では、ナノテクノロジーの根幹を担っている微細カーボン素材に着目し、今回はそれらの基本特性の一つである磁界との相互作用の角牢析を行うことを目的としている。使用した微細カーボン素材は、近年、豊橋技術科学大学で新たに開発され、実用性の期待が非常に大きいナノメータオーダーの大きさを持つカーボンナノコイル（CNC）、カーボンナノツイスト（CNTw）ならびに株式会社CMC総合研究所の開発したマイクロメータオーダーのカーボンマイクロコイル（CMC）の3種類である。 ☆1豊橋技術科学大学電気・電子工学系 ☆2 株式会社CMC総合研究所 ☆3 鶴岡工業高等専門学校専攻科 2．特徴炭素原子は2s軌道と2p軌道が混じること（spn混成）によって結合形態を自由に変えることができる。禁制帯がない電子状態を持つグラファイトはsp2混成で2次元の炭素固体を作り、導体の性質を有する。半導体または絶縁体の電子状態を持つダイヤモンドはバンドギャップの大きさにより半導体あるいは絶縁体に分類され、Sp2混成とsp3混成によって3次元の炭素固体を作る。今回使用した3種類のカーボン素材（CNC，CNTw，CMC）は、SP2混成とsp3混成がランダヰに混ざることによって構成された非晶質の炭素繊維であるため、導体と半導体の2つの性質を合わせ持つものと推定できる1）。これらのカーボン素材は触媒化学気相成長法（CVD法）によって生成される。CNCは、図1に示すように、線径は15nm，コイル径が50nm、長さが 1000nm程度の大きさを持つコイル形炭素繊維である。CNTwは、図2に示すように、カーボンナノコイルと類似しており、CNCを更に微小化した「ねじれ」が極めて強くコイルの穴がないものである1）。鶴岡工業高等専門学校研究紀要・第45号 CMCは、図3に示すように、線径は100nm，コイル径が5〃m、長さが500〃m程度の大きさを持つ α＝竺×100［wt％】但し、mはカーボン素材の重量、Mはカーボン素コイル形炭素繊維である2）。上記より、これらのカーボン素材は、導体と考えると導体のコイルが持つ電気磁気学的な相互作用が期待でき、半導体であれば熱などの外部エネルギーによる価電子から伝導体への電子励起発生が可能となる。図1CNCのSEM像図2 CNTwのSEM像（倍率：6000倍）（倍率：15000倍）（1） M 材と導電性接着剤を加えた試料の重量とする。図4に試料の構造、図5に試料の概観写真を示す。 CNC，CNTwまたはCMC ガラス板（導電性接着剤含む）図4 試料構造図図3 CMCのSEM像（倍率：3000倍）図5 試料概観写真 CNC、CNTwの磁界に対するインピーダンス変化の測定は以下のようにして行った。実験システムの 3．実験方法構成を図6に示す。 3．1 測定試料カーボン試料 CNC、CNTwおよびCMC試料はスキージ法により試料を作製した。スキージ法による試料作製手順は以下の通りである。 ① ガラス板を縦30mm、横26mmに切り取る． ② CNC、CNTwまたはCMCを導電性接着剤（有機バインダ）と混ぜ、ペースト状にする。 ③ ガラス板に縦20mm、横23mmにメンディン LCRメータグテープで段差を作り②で作製したペーストを引き伸ばす。 ④ 銅板とリード線ならびに②のペーストと銅板との間に導電性ペーストにより貼り付ける。図6 実験システム構成図 CNC、CNTwまたはCMCから成る各試料をLCR 尚、CNC試料ならびにCNTw試料は重量パーセント濃度が0．25、0．50、2．50、5．00および13．00wt％メータに接続し、磁界を印加したときのインピーダンス変化をパソコン上に表示した。測定は、試料への5種類をそれぞれ作製したが、CMC試料についの交流印加電圧および周波数は比較的安定した結果が得られた一定条件下で行い、それぞれの測定を4 回ずつ実施し、その平均値を測定データとした。印加した交流電圧は5V、周波数は10kn乙一定とし、イては導電性接着剤の量が不足したことなどにより、重量パーセント濃度が2．50【wt％］のものを1種類作製することになった。重量パーセント濃度αの算出式を（1）式に示す一2− 滝川・須田ほか：微細カーボン素材の磁界特性解析ンピーダンス変化率とは（2）式より求めた。図7より、CNCの磁界に対する応答性は印加磁界が大きくなるにつれインピーダンス変化率も増加し（Zl−Zo） ×10d［％】（2） Zo 但し、Zoは印加磁界を印加しないときのインピーダンス、Zlは磁界を印加したときのインピーダンスた。CNCの濃度との関連は、2．5wt％のときが最大の変化率となり、濃度が高くなると徐々に変化率が減少した。濃度13．Owt％の場合には磁界の増減に対してほとんど変化しなくなり、いわゆる純抵抗の状態に近くなった。とする。図8より、CNTwの磁界に対する応答性は、CNC る傾向が確認された。の場合と同様に、印加磁界が大きくなるにつれインピーダンス変化率も増加した。CNTwの濃度との関連は、0．25wt％のときが最大の変化率となり、濃度が高くなると徐々に変化率が減少し、濃度5．Owt％以上になると磁界の増減に対してほとんど変化しなくなり、いわゆる純抵抗の状態に近くなった。以下に、（2）式で求めたそれぞれの試料のインピーダンス変化率について述べる。のインピーダンス変化率を図9に示す。尚、測定条件図7にCNC試料に含まれるCNC濃度および印加磁界Bを可変したときのインピーダンス変化率を、同様に、図8にCNTwの場合のインピーダンス変化は比較的安定した結果が得られた条件の、試料の重量パーセント濃度2．5wt％、印加電圧5Vならびに印加電源周波数100kHz一定とし、整合性を図った。 4．実験結果および考察 CNC、CNTwおよびCMCの3種類の各試料とも印加磁界の増大につれてインピーダンスが大きくな CNC、CNTwおよびCMCの磁界に対するそれぞれ率を示す。［盗り掛︺†凰ペ∧h−M∧ヾ 7654321 6543210 ︻盟掛空尉ぺ∧h−u∧ヽ 50 100 磁界B［mT］ 50 100 150 磁界B【mT］図9 磁界に対するインピーダンス変化率（濃度：2．5wt％電圧：5V 周波数：100kHz一定）図7 CNCの磁界に対するインピーダンス変化率図9より、CNC、CNTwおよびCMCの磁界特性は磁界が大きくなるにつれてインピーダンス変化率（電圧：5V 周波数：10kHz一定）が増大しており、この測定条件下ではCNCが最大 CNC、CNTwならびにCMCへの磁界印加によりインピーダンスが変化した原因については、まだ多 3．5 3 くの課題はあるが、現時点では次のように推察される。CNC、CNTwおよびCMCは導体のコイルの形状を持つことから、試料に一定の電流を流した場合、コイル内の磁束密度とコイルの自己インダクタンス 2．5 1 2 5 1 5 ［芭り掛蜜観べ∧h−u∧ヾのインピーダンス変化率を持つことがわかった。 4 0 は比例するという自己誘導が生じる。即ち、コイル 0 50 100 に直流磁界を印加し、直流磁界が強くなるにつれ、 150 鎖交磁束数もそれに応じて増加することになる。その結果、自己インダクタンスが大きくなることに繋磁界B［mT］図8 CNTwの磁界に対するインピーダンス変化率（電圧：5V 周波数：10kHz一定）がる。この関係を図10に示す。 −3− 150 鶴岡工業高等専門学校研究紀要第45号 ⊥「 5．今後の課題＼＼J、J、、J‘、、ユ‥、J 今回使用したカーボン素材は開発されてまだ日も浅いことから、それらの性質・特性が十分に解明されていないが、現時点での研究内容を紹介した。今後、更に研究・解明を進め応用分野の調査や実用性に向かって道筋をつけて行く所存である。 V ∵ く＞し図10 コイルと鎖交磁束数但し、￠は電流による鎖交磁束数、￠1は直流磁界による鎖交磁束数、Ⅰは電流、Ⅴは電圧、Lは自己インダクタンスを表わし、ⅠおよびⅤは一定とする。コイルに電流が流れると鎖交磁束が発生する。それによりインダクタンスLは（3）式で求めることが謝辞できる。本研究は豊橋技術科学大学との共同研究であり、レ（3） CNC、CNTwの素材や技術資料などを提供いただい Ⅰ 固定磁石によりコイルに直流磁界を印加することにより鎖交磁束数が増加し、その結果自己インダクた滝川教授ならびに須田准教授、またCMC素材を提供いただいた元島先生に感謝します。タンスは増加する。レ旦（4）参考文献また、図7および図8に示すように、CNCやCNTw の重量パーセント濃度が高濃度になると、試料内で 1）豊橋技術科学大学電気電子系滝川教授および須コイル同士が接触する状態が多く発生する。それにより短絡や磁束を打ち消す現象が生じるため、インダクタンス成分が減少することになり、インピーダ田准教授提供の共同研究資料 2）YⅨato，N．Adati，T．Okuyama，S．Motojima and T．Tsuda：Jpn．J．Appl．Phys．42，5035（2003）ンス変化率が小さくなったものと考えられる。尚、各試料のインピーダンスの測定値は次の通りであった。・CNC試料のインピーダンス：約1．1Mn ・CNTw試料のインピーダンス：約510k良・CMC試料のインピーダンス：約630kn 4．結論 CNC、CNTwならびにCMCに磁界を印加するとインピーダンスは増加し、印加磁界が大きくなるにつれてインピーダンスもより大きくなる。同一の測定条件のもとでは、磁界の応答性はCNCが最も良く、CMC、CNTwの順に応答性が悪くなった。また、試料に混入するカーボン素材の重量パーセント濃度が高くなると、インピーダンス変化率が小さくなったが、この理由としてはコイル内の鎖交磁束数の減少が影響しているものと考えられる。 −4−