WO2003083993A1

WO2003083993A1 - Antenne et dispositif de communication

Info

Publication number: WO2003083993A1
Application number: PCT/JP2003/002052
Authority: WO
Inventors: Kazunori Anazawa; Chikara Manabe; Hirotsugu Kashimura; Hiroyuki Watanabe; Masaaki Shimizu
Original assignee: Fuji Xerox Co., Ltd.
Priority date: 2002-04-02
Filing date: 2003-02-25
Publication date: 2003-10-09
Also published as: JP2003298338A; US20050116861A1; US7205940B2

Description

明細書

アンテナおよび通信装置技術分野

本発明は、電磁波の送受信が可能な新規なアンテナ、並びに、それを備えた送信装置、受信装置および送受信装置に関する。背景技術

近年、通信分野では、次世代マルチメディア移動通信における 2. 5 GH z、および無線 L ANにおける 2〜 3 0 GH zなどが、 I T S ( I n t e 1 i i g e n t T r a n s p o r t S y s t e m) の分野では、 E T S (自動料金収受システム）における 5. 8 GH z , および A H S (走行支援道路システム）における 7 6 GH zなどが、高周波帯域において利用されており、今後、高周波帯域の利用範囲は、さらに急速に拡大して行くことが予想される。

また、携帯電話に代表される通信端末については、その小型化や内蔵モジュール化が進み、広帯域に対応した高周波の受送信部には、高効率の小型アンテナの必要性が高まっている。

携帯電話等の移動無線機用アンテナとして広く使用されているのは、固定式へリカルアンテナと、内蔵用の板状逆 Fアンテナである。固定式ヘリカルアンテナでは、固定式へリカルアンテナエレメントを配置することで、小型軽量なアンテナ系を実現している。また、板状逆 Fアンテナでは、放射エレメントが無線機地板に平行に近接して配置され、放射エレメントの一部を接地点に接地し、他の一部に給電点から給電することで、低背なアンテナを実現し、携帯電話本体からアンテナが飛び出ない携帯電話のデザインを可能としている。

しかし、固定式ヘリカルアンテナおよび板状逆 Fアンテナのいずれの場合も、アンテナ素子の通信帯域が特定されており、複数の帯域に渡つて効率を維持することはできない。また、モジュール化した場合、回路チップのサイズよりアンテナ部のサイズが大きくなり、その結果、モジユールの小型化に限界が生じてくる。

したがって、本発明の目的は、高周波帯域における応答特性に優れる、微少サイズのアンテナを提供することにある。また、本発明の他の目的は、高周波帯域における応答特性に優れる微少サイズのアンテナを備え、装置全体としての小型化をも実現し得る、送信機能、受信機能あるいは送受信機能を有する通信装置を提供することにある。発明の開示

本発明者らは、高周波帯域における応答特性に優れるカーボンナノチユーブをアンテナの主要な構成要素として用いることで、上記目的を解決し得ることを見出し、本発明に想到した。

すなわち本発明は、カーボンナノチューブで構成された輻射器を備えてなることを特徴とするアンテナ、具体的な構成としては例えば、前記カーボンナノチューブの一部が接続されてモノポールアンテナとして動作させる電極を備えることを特徴とするアンテナである。なお、「モノポールアンテナ」とは、輻射器の端部に給電部を持つもの（電極が設けられたもの）であり、これに対して「バイポールアンテナ」とは、輻射器の中央に給電部を持つものである。

カーボンナノチューブに代表される炭素構造体は、その電子構造から電磁波の吸収波長帯域が広く、さらに、カーボンナノチューブではその電子構造が 1次元に近いため、キャリアの伝達速度が極めて高いと考えられている。その証拠として、カーボンナノチューブでは、電流電圧特性がオーム則に従うのではなく、バリステイツク伝導と呼ばれる伝導機構を示すことがわかっている。バリスティック伝導では、電子やホールといったキャリアは、弾性散乱しか起こさないために、電気抵抗が極めて低く、 1 0⁹AZm²以上の高い電流密度でキャリア輸送が実現できる。この現象から、本発明者らは、カーボンナノチューブが、広い高周波帯域で応答することを見出し、本発明に想到したのである。

カーボンナノチューブを主要な構成要素とする本発明のアンテナは、このように、広い高周波帯域で吸収を示すばかりでなく、カーボンナノチューブの電気特性から、吸収した高周波を電流として高速で、かつ、高効率で伝達することが可能であり、高周波帯域の送信および/または受信に用いるアンテナとして、極めて実用性が高いものとなる。なお、本発明において「高周波」とは、一般的に高周波とされる概念の周波数が該当するが、主として周波数 1 0 0 ΜΗ ζ〜 1 ΤΗ ζ の範囲のものを指す。

通常アンテナは、アンテナ線と接続される輻射部（放射器あるいは給電部と呼ばれることもあり、送受信ともにこれらのように称される。）の素子長を波長の分数比（例えば、 λ Ζ 4、 3 Ζ 8 え、 λ / 2 , 5 / 8 λ等）程度の長さとし、一方向から、あるいは一方向に伝播する電磁波を効率的に送受信するために、指向性を持たせた構成としている。しかしながら、本発明のアンテナは、輻射器がカーボンナノチューブで構成されているため、従来のアンテナ材料と比較して、極めて高い電気伝導度を有しており、高周波信号を顕著に吸収するため、電磁波の変換効率が高い。一方、カーボンナノチューブ自体は、電磁波の波長に比ベて非常に小さなサイズであるため、電磁波の伝播方向に対する指向性が弱く、従来の材料と比較して全方位に対して高い感度を有する。

したがって、従来のアンテナ材料を用いたアンテナのように指向性を高めなくても、比較的良好な感度（従来のサイズのアンテナ素子との代替が可能な程度の電磁波変換出力）を持たせることができたものと考えられる。

また、主要な構成要素であるカーボンナノチューブが極めて微細なものであることから、本発明のアンテナは、従来から通信装置（送信装置、受信装置あるいは送受信装置）のアンテナとして用いられてきた各種形式のアンテナに比して桁違いに小型のものとなり、最終的に製造される通信装置の飛躍的な小型化を実現することが可能となる。

さらに、本発明において、高周波を空中に送信、および /または、空中から受信する出入り口となるカーボンナノチューブは、最長でも数百 m程度と極めて短いことから、既述の如く本発明のアンテナは、指向性が皆無に等しいものとなり、非指向性であることが一般に望まれる通信装置のアンテナとして、極めて好適である。

本発明のアンテナの構造としては、例えば、輻射器としての前記力一ボンナノチューブの一方の端部ないしその周辺が、電極に接続してなる構造が挙げられ、当該電極に接続されるカーボンナノチューブが、複数本であっても構わない。また、前記カーボンナノチューブの少なくとも一部における前記電極と接続されていない箇所が、他の部材（例えば、他の電極）に固定されてなるものであっても構わない。このとき、前記カーボンナノチューブが複数の場合には、そのうちの少なくとも一部が

、前記電極と他の部材との間に橋渡しされた状態であれば足り、全てが橋渡しされていなくても構わない。

前記カーボンナノチューブとしては、多層カーボンナノチューブであることが好ましい。アンテナの輻射部を多層カーボンナノチューブとすることで、ハンドリングが容易になり、製造効率が向上するのに加え、各層が並列的な電気伝送路として機能するため、電磁波の変換効率が向上し、アンテナとしての受信感度が向上する。

前記カーボンナノチューブとしては、その直径が、 0. 3 nm以上 1 0 0 n m以下であることが好ましく、その長さが、 0. 1 im以上 1 0 O wm以下であることが好ましい。

また、前記電極としては、 Au、 P t：、 A g、 C u、 T a、 N b、 T iからなる群より選ばれるいずれか 1の材料を含むことが望ましい。前記カーボンナノチューブと、それが接続する電極との間の接続抵抗値としては、 1 0 M Ω以下であることが好ましい。

前記電極は、一般的には基板の表面に設けられている。当該基板において、前記電極が設けられた側の最表面には、誘電体層が形成されていることが好ましい。また、該誘電体層の厚さとしては、 l nm以上 1 0 mm以下であることが好ましい。前記基板の前記電極が設けられる側の表面の抵抗率としては、 1 X I 0⁶Ω · c m以上であることが好ましい前記カーボンナノチューブの少なくとも一部は、保護層により覆われていることが好ましい。この保護層は、誘電体であることが好ましい。本発明のアンテナとしては、 5 0 0 M H z以上 1 T H z以下の範囲について、好適に送信帯域およびノまたは受信帯域とすることができる。本発明のアンテナは、送信用アンテナ、受信用アンテナあるいは送受信兼用アンテナとして機能する。

一方、本発明の通信装置は、本発明のアンテナを備えたことを特徴とする送信機能を有する通信装置（以下、「送信装置」という場合がある。）、受信機能を有する通信装置（以下、「受信装置」という場合がある。）および送受信機能を有する通信装置（以下、「送受信装置」という場合がある。）である。

本発明の送受信装置としては、次の 2つが例示される。

① 受信回路と、送信回路と、本発明のアンテナの電極が接続される先を前記受信回路および前記送信回路の間で切り替えるデュプレクサー（分波器）と、を備えてなる送受信装置。

② 送信回路と、該送信回路に接続する本発明のアンテナと、受信回路と、該受信回路に接続する本発明のアンテナと、を備えてなることを特徴とする送受信装置。図面の簡単な説明

図 1 は、本発明のアンテナの 3つの態様を、カーボンナノチューブ 1 本のみ用いた例で示す模式斜視図である。

図 2は、図 1 ( a ) のアンテナの断面図であり、図 1 ( a ) よりも実物に近似させて描かれている。

図 3は、図 1 ( a ) および図 2のアンテナに保護層を形成した状態を示す断面図である。

図 4は、図 1 ( c ) のアンテナに保護層を形成した状態を示す断面図である。

図 5は、本発明の送受信機能を有する通信装置の一例を示す回路図である。

図 6は、本発明の送受信機能を有する通信装置の他の一例を示す回路図である。

図 7は、本発明のアンテナの 1実施例の S E M写真像（倍率 2 0 0 0 0倍）である。

図 8は、図 7に示すアンテナについて、周波数に対する伝達係数特性を表すグラフであり、縦軸は伝達係数を示し、横軸は周波数を示す。図 9は、図 7に示すアンテナについて、電磁波を照射した際の起電力をモニタリングしたオシロスコープの画面を画像処理した画像である。図 1 0は、図 9のオシロスコープの画面の画像を模式的に示すグラフである。

図 1 1は、本発明のアンテナの 1実施例について、カーボンナノチューブが位置する部位のみを抜き出し、拡大させた S E M写真像（倍率 3 0 0 0倍）である。

図 1 2は、図 1 1 に示すアンテナについて、電磁波を照射した際の起電力をモニタリングしたオシロスコープの画面の画像を模式的に示すグラフである。

図 1 3は、高配向グラフアイトを用いた比較例のアンテナについて、電磁波を照射した際の起電力をモニタリングしたオシロスコープの画面の画像を模式的に示すグラフである。発明を実施するための最良の形態

以下に、本発明の詳細を好ましい実施の形態を挙げて詳細に説明する

<本発明の概要 >

図 1に、本発明のアンテナの 3つの態様を、カーボンナノチューブ 1 本のみ用いた例で、模式斜視図にて示す。

図 1 ( a ) は、基板 1 4 aの表面に一対の電極 1 2 a , 1 2 ' が設けられ、当該電極 1 2 a， 1 2 a ' 間を橋渡しする状態で、カーボンナノチューブ 1 0 aが、その端部ないしその周辺が両電極 1 2 a , 1 2 a ' に接続された状態で、配されてなるものである。

図 1 ( b ) は、基板 1 4 bの表面に電極 1 2 bが設けられ、カーボンナノチューブ 1 0 bが、一方の端部ないしその周辺が電極 1 2 bに接続され、他方の端部から長手方向の中央を超えて 3分の 2程度までが電極 1 2の縁端からはみ出すように、配されてなるものである。

図 1 ( c ) は、基板 1 4 cの表面に電極 1 2 cが設けられ、当該電極 1 2 cの略中央から鉛直方向に、カーボンナノチューブ 1 0 cが突出し、かつ一方の端部が電極 1 2 cに接続された状態で、配されてなるものである。本発明においては、これらいずれの対応であってもよい。

カーボンナノチューブ 1 0 a , 1 0 b , 1 0 cは、外気から遮断する目的、およびまたは、物理的に保護する目的で形成される、保護層により覆われていることも好ましい態様である。

以下、本発明の各構成要素について詳述する。

(カーボンナノチューブ）一般にカーボンナノチューブとは、炭素の 6角網目のグラフエンシー卜が、チューブの軸に平行に管を形成したものを言う。カーボンナノチユーブは、さらに分類され、グラフエンシー卜が 1枚の構造のものは単層カーボンナノチューブ（シングルウォールカーボンナノチューブ）と呼ばれ、一方、多層のグラフエンシー卜から構成されているものは多層カーボンナノチューブ（マルチウォールカーボンナノチューブ）と呼ばれている。どのような構造のカーボンナノチューブが得られるかは、合成方法や条件によってある程度決定される。

本発明において、主要な構成要素であるカーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブでも、二層以上の多層カーボンナノチューブでも構わないが、多層カーボンナノチューブであることが好ましい。アンテナの輻射部を多層カーボンナノチューブとすることで、ハンドリングが容易になり、製造効率が向上するのに加え、各層が並列的な電気伝送路として機能するため、電磁波の変換効率が向上し、アンテナとしての受信感度が向上する。

また、単層カーボンナノチューブの変種であるカーボンナノホーン（一方の端部から他方の端部まで連続的に拡径しているホーン型のもの）、カーボンナノコイル（全体としてスパイラル状をしているコイル型のもの）、カーボンナノビーズ（中心にチューブを有し、これがァモルファスカ一ボン等からなる球状のビーズを貫通した形状のもの）、カップスタック型ナノチューブ、カーボンナノホーンやアモルファスカーボンで外周を覆われたカーボンナノチューブ等、厳密にチューブ形状をしていないものも、本発明においてカーボンナノチューブとして用いることができる。さらに、カーボンナノチューブ中に金属等が内包されている金属内包ナノチューブ、フラーレンまたは金属内包フラーレンがカーボンナノチユーブ中に内包されるピーポッドナノチューブ等、何らかの物質をカーボンナノチューブ中に内包したカーボンナノチューブも、本発明においてカーボンナノチューブとして用いることができる。

以上のように、本発明においては、一般的なカーボンナノチューブのほか、その変種や、種々の修飾が為されたカーボンナノチューブ等、いずれの形態のカーボンナノチューブでも、その電気特性および高周波特性から見て問題なく使用することができる。したがって、本発明における「カーボンナノチューブ」には、これらのものが全て、その概念に含まれる。

これらカーボンナノチューブの合成は、従来から公知のアーク放電法

、レーザーアブレーシヨン法、 C V D法のいずれの方法によっても行うことができ、本発明においては制限されない。これらのうち、高純度なカーボンナノチューブが合成できるとの観点からは、磁場中でのアーク放電法が好ましい。

用いられるカーボンナノチューブの直径としては、 0 . 3 n m以上 1 0 O n m以下であることが好ましい。カーボンナノチューブの直径が、当該範囲を超えると、合成が困難であり、コストの点で好ましくない。カーボンナノチューブの直径のより好ましい上限としては、 3 O n m以下である。

一方、一般的にカーボンナノチューブの直径の下限としては、その構造から見て、 0 . 3 n m程度であるが、あまりに細すぎると合成時の収率が低くなる点で好ましくない場合もあるため、 1 n m以上とすることがより好ましく、 1 0 n m以上とすることがさらに好ましい。

用いられるカーボンナノチューブの長さとしては、 0. Ι ΙΏ以上 1 0 以下であることが好ましい。カーボンナノチューブの長さが、当該範囲を超えると、合成が困難、もしくは、合成に特殊な方法が必要となりコストの点で好ましくなく、当該範囲未満であると、電極に接続することが困難になる点で好ましくない。カーボンナノチューブの長さの上限としては、 1 0 m以下であることがより好ましく、下限としては、 1 m以上であることがより好ましい。

電極に接続される力一ボンナノチューブの本数は、図 1ではいずれも 1本のものを例示しており、勿論 1本でもアンテナの効果を発揮するが、複数本でも構わない。アンテナとしての受信性能 · 送信性能を高めるには、この本数は多い方が好ましい。アンテナの、さらには通信装置の小型化や製造コストとの兼ね合いで、前記カーボンナノチューブの本数を適宜選択すればよい。

(電極）

本発明の必須構成要素の 1つである電極は、既述の如く、図 1 ( a ) 中の 1 2 a , 1 2 a ' のように一対のものであってもよいし、図 1 ( b ) あるいは（ c ) 中の 1 2 bあるいは 1 2 cのように、 1つのみであつてもよい。

本発明において電極は、導電性を有するものであれば制限なく、従来公知の材料を問題なく使用することができるが、 A u、 P t、 A g、 C u、 T a、 N b、 T iからなる群より選ばれるいずれか 1の材料を含むことが好ましい。これら材料は、単独のものであってもよいが、 2以上の材料からなる合金や、これらの材料の 1以上と他の金属との合金であつても好ましいものである。これら材料は、電導性が良好であり、加工性や安定性も高く、従来から電子デバイスの電極として用いられている本発明において電極は、それ自身ある程度硬さを有し、形状保持性を有する場合には、それのみで構成されていてもよいが、一般的には、図

1 に示すように適当な基板の表面に設けられる。

図 1 ( a ) に示されるように、基板 1 4 aの表面に一対の電極 1 2 a ， 1 2 a ' が設けられる場合、両者の間隙（電極間距離）としては、 1 0 n m以上 1 0 以下とすることが好ましく、 5 O n m以上 1 0 β m以下とすることがより好ましい。電極間距離が大きすぎると、それを橋渡しし得る長さのカーボンナノチューブの調達が困難である点で好ましくない。一方、電極間距離が小さすぎると、実質的に両電極が導通状態になってしまう場合があり、また、電極作製が極めて困難となり、コス卜の点で好ましくない。

本発明において電極の厚みとしては、特に制限はないが、図 1 に示される各種態様のように、基板表面に設けられる場合には、 1 0 n m〜 l 0 0 mの範囲が適当であり、 5 0 n m〜 l mの範囲がより好ましいなお、本発明において、電極は、図 1 に示されるように明確に電極として形成されていることは要求されない。例えば、通信装置のプリント基板におけるプリン卜配線を電極として、これにカーボンナノチューブを接続しても構わないし、その他リード線やフレーム等、あらゆるものにカーボンナノチューブを接続して、これらを電極と見立てることがでさる。 (カーボンナノチューブと電極との関係）

本発明においては、カーボンナノチューブの一方の端部ないしその周辺が、電極に接続している。また、図 1 ( a ) に示すように、残りの一方の端部について、他の電極に接続していても構わない。

ここで「カーボンナノチューブの一方の端部ないしその周辺」とは、カーボンナノチューブの一方の端部から、長手方向における中途までのいずれかの部位、を意味し、それが「接続している」とは、かかるいずれかの部位において、一部でも接続していれば足りることを意味し、かかる部位の全てが接続している必要はない。また、ここで言う「接続」とは、電気的な接続を意味し、必ずしも物理的に接続されることを要求するものではない。

以上のことは、他方の端部が他の電極に接続されている構成（例えば、図 1 ( a ) の構成）の場合も、同様である。

なお、「長手方向における中途」の位置の範囲については、特に制限はなく、例えばカーボンナノチューブの長手方向におけるほとんどの部位が電極と接続していても（すなわち、「中途」の位置が、接続する側の端部よりも他方の端部からの方が近くても）、電極の縁端から突出するカーボンナノチューブの部位が僅かであっても、さらには、全く突出していなくても構わない。ただし、カーボンナノチューブの全体が電極に隠れてしまうと、電磁波が遮断されてしまう場合もあるため、カーボンナノチューブが電極から突出していることが好ましい。

前記カーボンナノチューブと、それが接続する電極との間の接続抵抗値としては、 1 0 Μ Ω以下であることが好ましく、 1 Μ Ω以下であることがより好ましい。当該接続抵抗値が大きすぎると、導電性が不十分となり、アンテナとして機能しにくくなるため好ましくない。なお、当該接続抵抗値は、小さければ小さいほど好ましいため、好適な下限値は存在しないが、カーボンナノチューブと電極の場合、一般的には l O k Q 程度が限界である。

前記カーボンナノチューブと、それが接続する電極との成す角としては、 1 0 ° 以上であることが好ましく、 3 0 ° 以上であることがより好ましく、 4 5 ° 以上であることがさらに好ましく、垂直であることが最も好ましい。この成す角を垂直に近づけることは、カーボンナノチューブを 2つの電極間に配する場合、当該 2つの電極間の最短距離でカーボンナノチューブを橋渡しする状態となり、カーボンナノチューブの長さを短くすることができる点で好ましい。

ここで「成す角」とは、カーボンナノチューブと電極とが接続している箇所において、カーボンナノチューブと電極との間に形成される角のことを言う。

直線状のカーボンナノチューブと平面状の電極とを想定して、成す角について説明する。カーボンナノチューブの一方の端部が電極の平面に点で当接し、この電極の平面から法線方向に、あるいは法線方向からある程度の角度を持ってカーボンナノチューブが配置される場合には、前記電極の平面と前記カーボンナノチューブとの間に形成される最小の角度のことを言う。図 1 ( c ) においては、カーボンナノチューブ 1 0 c が電極 1 2 cの法線方向に配されているため、成す角は 9 0 ° (垂直）である。

また、カーボンナノチューブの端部から長手方向の中途までが、電極の平面に直線状に当接し、電極の縁端から突出している場合には、前記電極の縁端と前記カーボンナノチューブとの間に形成される最小の角度のことを言う。図 1 ( b ) においては、カーボンナノチューブ 1 0 が電極 1 2 bの縁端から垂直方向に突出しているため、成す角は 9 0 ° ( 垂直）である。図 1 ( a ) における電極 1 2 aあるいは電極 1 2 a ' とカーボンナノチューブ 1 0 aについても同様に 9 0 ° (垂直）である。カーボンナノチューブが湾曲している場合や、カーボンナノビーズのように直線状でないものを用いた場合等、明確な直線相互の関係として角度を求めることが困難な場合には、上記成す角は、カーボンナノチュ —ブおよび電極の当接部と非当接部との境界において、必要に応じて接線を引いて求められる。

カーボンナノチューブと電極との接続は、図 1 ( b ) のように両者が線で当接する場合には、特に固定しなくてもある程度の接着が期待できるが、より強固な接続を企図して、あるいは、図 1 ( a ) のように両者の当接部が短い場合や、図（ c ) のように両者が点で接触する場合には、両者を何らかの方法で固定することが望ましい。具体的な固定方法としては、特に制限はないが、例えば、固定対象部位に電子線を照射することにより、アモルファスカーボンが照射部に堆積し、電極とカーボンナノチューブとを固定化する方法が挙げられる。また、カーボンナノチュ一ブの製造時、電極を触媒として、これに直接カーボンナノチューブを成長させる、あるいは、電極に触媒金属を固定し、これにカーボンナノチューブを成長させる、といった方法により、カーボンナノチューブの製造と共にカーボンナノチューブと電極とを固定化する方法も挙げられる。

(基板）本発明において、必要に応じて電極が形成される基板としては、特に制限はないが、少くとも前記電極が設けられる側の表面が、絶縁性であることが要求される。具体的な表面の抵抗率としては、 1 X 1 0⁶Ω • c m以上であることが好ましく、 5 X 1 0⁶Ω · c m以上であることがより好ましい。前記表面の抵抗率が 1 X 1 0⁶Ω · c m未満では、実質的に導電性に近くなり、例えば図 1 ( a ) の場合、電極 1 2 a— 1 2 a ' 間の絶縁が確保できなかったり、図 1 ( b ) の場合、カーボンナノチューブ 1 0 bと電極 1 2 bとの成す角が、実質的に 0 ° となってしまい、好ましくない。一方、前記表面の抵抗率の上限に制限はないが、一般的には 1 X 1 0¹²Ω · c m程度である。

図 1 ( a ) の構成のアンテナを例に挙げて、好ましい基板の構成を説明する。図 2は、図 1 ( a ) のアンテナの断面図であり、図 1 ( a ) よりも実物に近似させて描かれている。図 2において、基板 1 4 aは、支持板 1 6の電極 1 2 a， 1 2 a ' が設けられる側の表面に誘電体層 1 8 が形成されて構成される。

支持板 1 6は、本例では S i基板を用いているが、これに限定されるものではない。支持板の厚みとしては、形状保持性が十分となるように、用いる材料により適宜調整すればよく、通常は、一般の電気配線基板と同様の範囲から適宜選択される。

誘電体層 1 8の材料は、本例では S i 〇₂を用いているが、これに限定されるものではない。誘電体層 1 8の材料としては、誘電体の薄膜が形成される材料であり、電極 1 2 a , 1 2 a ' や支持板 1 6との密着性が確保しやすいものを用いればよく、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、ニオブ酸リチウム、チタン酸ストロンチウム、ダイヤモンド等が挙げられる。

このように基板 1 4 aの最表面に誘電体層 1 8を形成することで、電気的絶縁性を基板に付与することができる。

前記誘電体層の厚さとしては、 1 nm以上 1 0 mm以下であることが好ましく、 1 0 n m以上 l mm以下であることがより好ましい。前記誘電体層の厚さが 1 nm未満では、電気的絶縁性を破壊するおそれがあり、 1 0 mmを超えると、装置の小型化を実現するのが困難となるため、それぞれ好ましくない。

通信装置において内部に配される各種配線基板を、そのまま本発明のアンテナの電極を形成する基板として兼用することもできる。この場合も、表面の抵抗値は既述の範囲であることが好ましく、最表面層には既述の誘電体層が形成されていることが好ましい。

(保護層）

前記カーボンナノチューブの少なくとも一部は、保護層により覆われていることが望ましい。図 3は、図 1 ( a) および図 2に示される本発明のアンテナに保護層を形成した状態を示す断面図である。図 3においては、電極 1 2 a， 1 2 a ' およびカーボンナノチューブ 1 0 a全体を覆うように、保護層 2 0 aが形成されている。

この保護層 2 0 aとしては、導電体であっても構わないが、誘電体であることが好ましい。保護層として好ましい誘電体としては、外気遮断機能あるいは機械的保護機能の観点から、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化チタン、酸化ニオブ、ニオブ酸リチウム、チタン酸ストロンチウム、ダイヤモンド等の無機物や、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、アクリル樹脂、ポリカーボネー卜樹脂、フッ素樹脂、アミド樹脂、ポリエチレンテレフ夕レート、ポリウレタン、ポリスチレン等の各種樹脂を挙げることができる。

保護層は、図 3に示す保護層 2 0 aのように、電極 1 2 a , 1 2 a ' およびカーボンナノチューブ 1 0 a全体を覆うように形成されることが好ましいが、カーボンナノチューブの少なくとも一部が覆われていれば構わない。一部さえ覆われていれば、当該覆われた部分について、外気の遮断あるいは機械的な保護が期待できる。なお、外気の遮断について、完全密閉であることは要求されないが、勿論完全密閉であることが好ましい。

図 4は、図 1 ( c ) に示される本発明のアンテナに保護層を形成した状態を示す断面図である。図 4においては、電極 1 2 cおよびカーボンナノチューブ 1 0 c全体を覆うように、保護層 2 0 cが形成されている。図 1 ( c ) のアンテナにおいては、カーボンナノチューブ 1 0 c と電極 1 2 c との間の固定を強固にすることが比較的難しく、外力により力一ボンナノチューブ 1 0 cが脱落してしまいやすい場合もあるが、保護層 2 0 cでカーボンナノチューブ 1 0 c全体を覆うことで、その危険が大幅に軽減される。

本発明のアンテナのうち、基板を有しない態様の場合に、保護層を設けるには、電極とカーボンナノチューブとの接続部からカーボンナノチユーブ全体を覆うように保護層を形成することが好ましく、電極全体をも覆うように保護層を形成することがより好ましい。

保護層の厚みとしては、その材料の選択により異なり一概には言えないが、概して 1 0 0 11111〜 0. 1 mmの範囲とすることが好ましい。ぐ本発明のアンテナの作製〉

以上説明した各種構成の本発明のアンテナの作製方法は、特に限定されない。基板表面に電極およびカーボンナノチューブを配する具体例を以下に列記するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

基板の表面に電極を形成する方法としては、マスク蒸着法が簡便であるが、より精密に形成したいとき、特に一対の電極を形成する場合、両電極の間隙をより狭いギャップとしたいときには、電子線リソグラフィ一法によることが望ましい。

形成した 1つの電極あるいは一対の電極間に、アンテナとして機能させるカーボンナノチューブを配置させるには、走査電子顕微鏡（ S E M ) 等の顕微鏡で見ながら、マニピュレータを用いてカーボンナノチューブを直接並べる方法や、カーボンナノチューブをイソプロピルアルコールゃジメチルホルムアミド等適当な分散煤に分散させ、その分散液を 1 つの電極上または縁端、あるいは一対の電極間に滴下し乾燥する方法等が挙げられる。特に、一対の電極間にカーボンナノチューブを高配向させたい場合には、前記分散液を電極間に滴下させた後、当該電極間に電場を与えて配列させる方法が挙げられる。

ぐ本発明のアンテナの用途 >

本発明のアンテナは、回路上に電極とカーボンナノチューブとを配置するだけで、極微少なアンテナを作製することが可能であり、アンテナ部品、さらには移動携帯端末等の通信装置の飛躍的な小型化を図ることができる。

本発明のアンテナは、 5 0 0 M H z以上 I T H z以下と極めて高い周波数までの広い帯域を、送信帯域およびまたは受信帯域とすることができる。本発明のアンテナは、特に 8 0 0 M H z以上 1 0 0 G H z以下の範囲を送信帯域および/または受信帯域とすることが好ましい。

本発明の通信装置は、以上のように優れた特性を有する本発明のアンテナを備えたことを特徴とする送信装置、受信装置および送受信装置である。

本発明の送信装置では、本発明のアンテナ中の電極が送信回路に接続され、該送信回路からの送信信号がカーボンナノチューブに伝達され、ここから大気中に電磁波（高周波）として放出される。本発明のアンテナに電極が一対（ 2つ）ある場合、送信回路には、一方の電極のみ接続してもよいし、双方の電極共接続してもよい。後述の、受信装置における受信回路、および、送受信装置におけるデュプレクサー、あるいは送信回路および受信回路においても同様である。

具体的な送信装置としては、発信機、無線マイク、無線カメラ、等が挙げられる。

本発明の受信装置では、本発明のアンテナ中の電極が受信回路に接続され、大気中からカーボンナノチューブに吸収された高周波が、受信信号として電極を解して受信回路に伝達される。

具体的な受信装置としては、テレビジョン、ラジオ、電波時計、カーナビゲーシヨンシステムに代表される G P S端末、無線スピーカ一等が挙げられる。

これらに対し、送受信装置は、受信回路と送信回路とが含まれ、これとアンテナとが接続される構成となっているが、アンテナが受信した受信信号を受信装置に伝えると共に、送信回路からの送信信号をアンテナに伝えるために、これらの接続を自動的に切り替えるデュプレクサー（ D u 1 e x e r ) が、一般的に備えられている。本発明の送受信装置においても、このデュプレクサーが備えてなるものが 1つの態様として挙げられる。すなわち、本発明の送受信装置の一態様としては、受信回路と、送信回路と、前記アンテナの電極が接続される先を前記受信回路および前記送信回路の間で切り替えるデュプレクサーと、を備えてなるものが例示される。

図 5に、本態様の送受信装置の回路図の一例を示す。図 5において、 3 4は、カーボンナノチューブ 3 0および電極 3 2からなる本発明のァンテナであり、電極 3 2はデュプレクサー 3 6と接続されている。このデュプレクサー 3 6は、電極 3 2が接続される先を受信回路 4 0と送信回路 5 0との間で切り替える機能を有するものである。

アンテナ 3 4が吸収した電磁波（高周波）は、電気信号として、デュプレクサー 3 6により受信回路 4 0に振り分けられる。受信回路 4 0では、表面波フィルター（ S AW f i 1 t e r = S u r f a c e A c o u s t i c W a v e f i l t e r ) 4 2により必要な周波数のみが取り出され、アンプ 44で増幅された後、出力部 4 6で、音声や画像といった所望のソースに加工されて出力される。

一方、送信回路 5 0から送信信号が送られてきた場合、デュプレクサ — 3 6では、アンテナ 3 4との接続を受信回路 4 0から送信回路 5 0に切り替え、前記送信信号がアンテナ 3 4により電磁波（高周波）として大気中に放出される。送信回路 5 0では、入力部 5 6で入力された情報が、電気信号として表面波フィル夕一 5 2に送られ、ここで送信に必要な高周波のみが取り出され、アンプ 5 4で増幅された後、送信信号としてデュプレクサー 3 6を介してアンテナ 3 4に伝達される。以上は、送受信装置としてデュプレクサーを備える例であり、本発明のアンテナは利用可能な周波数帯域が広いので、例えば、送信信号と受信信号とで大幅に異なる周波数を採用したとしても、 1つのアンテナのみで十分に賄うことができる。

ところで、本発明のアンテナは極めて小さいので、 1つのアンテナで送受信を兼ねる構成とせず、送信回路と受信回路とで別々のアンテナをそれぞれ備えるものとしても構わない。すなわち、本発明の送受信装置の他の態様としては、送信回路と、該送信回路に接続する本発明のアンテナと、受信回路と、該受信回路に接続する本発明のアンテナと、を備えてなるものが例示される。

図 6に、本態様の送受信装置の回路図の一例を示す。図 6に示されるように、受信回路 4 0には、カーボンナノチューブ 3 0 aおよび電極 3 2 aからなる本発明の受信専用のアンテナ 3 4 aが、送信回路 5 0には、カーボンナノチューブ 3 O bおよび電極 3 2 bからなる本発明の送信専用のアンテナ 3 4 bが、それぞれ独立に接続している。なお、受信回路 4 0および送信回路 5 0の構成は、図 5と同一であるため、説明を省略する。

本態様の送受信装置では、デュプレクサーを使用しなくても済むため、回路構成が単純となり、製造コストの低減を図ることができる。また、本発明のアンテナは極めて微小であるため、本態様のように送受信独立して専用のアンテナとしても、全体的には依然として小さく、送受信装置の小型化を阻害する要因にならない。さらに、アンテナの形状、力一ボンナノチューブの本数、カーボンナノチューブと電極との成す角等の条件を、送受信それぞれの機能に適したものを採用することができ、送受信装置全体としての性能向上を図ることもできる。

具体的な送受信装置としては、携帯電話機、 P H S、コードレス電話の親機および子機、トランシーバ一等が挙げられる。

ぐより具体的な実施例 >

次に、実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明する。ただし、本発明は以下の実施例により限定されるものではない。

<<実施例 1 >>

(アンテナの作製）

まず、 S i 〇₂/ S i基板（支持板としての S i基板の厚さ： 5 0 0 m、誘電体層としての S i 0₂層の厚さ： 5 0 0 n m) の S i 〇₂層側の面に、多層カーボンナノチューブを接続するための一対の電極を、ギヤップ（間隙）が 2. 5 ^ mとなるように形成した。形成方法は、マスク蒸着法を採用し、電極材料は A u C r を用いた。電極の厚さは 5 0 n mでめった。

得られた一対の電極のギャップに、磁場中アーク放電法で作製した 1 本の多層カーボンナノチューブ（直径約 4 0 nm、長さ 4 ^m) を、橋渡しする状態で配置し固定した。具体的には、走査電子顕微鏡（ S EM ) にマイクロマニュピレーターを導入し、これを用いて行った。詳しい手順を以下に示す。

まず、 S EM中に、磁場中アーク放電法により合成した高純度の多層カーボンナノチューブを含むカソード堆積物と、前述の A uZC r電極が形成された S i 0₂/ S i基板を入れる。前記マイクロマニュピレー夕一によりカソード堆積物から一本のカーボンナノチューブをピックァップし、 S i 0₂Z S i基板の A uZC r電極が形成された側の表面に移動し、 A u電極間にその両端が電極と接するように配置する。その後、多層カーボンナノチューブの両端を電子ビーム（強度 4 X 1 0—¹²A) で約 1分程度照射し、多層カーボンナノチューブと A u電極とを固定した。

以上のようにして、本実施例のアンテナを作製した。図 7は、本実施例のアンテナの S EM写真像（倍率 2 0 0 0 0倍）である。図 7において、左上と右下に薄く見える矩形の影が一対の電極であり、これを橋渡しする状態でカーボンナノチューブが配置されていることがわかる。 (周波数特性）

得られた実施例 1のアンテナの周波数特性を測定した。具体的には、ネットワークアナライザー（アジレン卜テクノロジー製 8 7 5 3 E S ) と同軸エアラインから構成される測定系により、実施例 1のアンテナの伝達係数を測定した。測定系を校正した後、同軸エアラインに実施例 1 のアンテナを挿入し、 2つのポートを使用して測定した。測定周波数は 3 0 k H z〜 6 GH zである。図 8に、実施例 1のアンテナの、周波数に対する伝達係数特性を表すグラフを示す。このグラフより、実施例 1 のアンテナは、約 1 0⁶H zから透過率が上昇し、 6 X 1 0⁹H zでも伝達係数の減衰はほとんどないことがわかる。

(起電力）

得られた実施例 1のアンテナに対して、 8 0 0 MH zの電磁波を照射した場合に誘起される起電力を測定した。発振器の送信出力は 8 0 0 m Wとし、発振器の送信アンテナと実施例 1のアンテナとの距離は、 2 0 mmとした。オシロスコープで、誘起される電力をモニタリングしたところ、多層カーボンナノチューブを用いた本実施例では、約 1 5 0 mV の起電力が生じた。図 9は、このときのオシロスコープの画面をそのまま画像処理した画像であり、図 1 0はそれを模式的に表したグラフである。以降の実施例および比較例においては、必要に応じて模式的に表したグラフのみを添付する。

なお、他の多層カーボンナノチューブを用いて上記同様にアンテナを作製し、同様にして実験を行ったところ、その時の起電力は約 2 0 0 m Vであった。

< <実施例 2 > >

(アンテナの作製）

実施例 1 と同様にして、 S i 〇₂ノ S i基板の S i 〇₂層側の面に、 1 0 z mのギャップで一対の A u Z C r電極を作製した。電極の厚さは 5 0 n mであつ /"こ。

アーク放電法により合成された単層カーボンナノチューブを精製し（平均直径約 1 n m ) 、これを 1 0 g Z 1 の割合でジメチルホルムアミド中に分散させ、これを前記得られた一対の電極のギャップにマイクロピペットで 1滴、滴下し自然乾燥させた。

以上のようにして、本実施例のアンテナを作製した。図 1 1 は、本実施例のアンテナにおけるカーボンナノチューブが位置する部位のみを抜き出し、拡大させた S E M写真像（倍率 3 0 0 0倍）である。図 1 1 において、線状に白く細かく見えるのが単層力一ボンナノチューブであり、多数の単層カーボンナノチューブが複雑に、電極間のギャップに橋渡しされた状態で配置されていることがわかる。

(起電力）

得られた実施例 2のアンテナについて、実施例 1 と同様にして起電力を測定したところ、単層カーボンナノチューブを用いた本実施例のアンテナでは、約 5 O mVの起電力が生じた。図 1 2は、このときのオシ口スコープの画面の画像を模式的に示すグラフである。

単層カーボンナノチューブは微細であるため、電極と個別に接続することが困難であり、電極との接続抵抗が上昇してしまいやすく、また、一層のみであることから、電導度も多層カーボンナノチューブに比べて感度が低下するものと推測される。

<<比較例 1 >>

比較測定として、高配向性グラフアイトからなるアンテナを比較例 1 のアンテナとした。当該アンテナは、従来より一般的な通信装置のアンテナとして用いられてきたものである。用いた高配向性グラフアイトは、グラフアイトを C軸方向に配向させたものであり、その大きさは、長さ 1 0 mm、幅 1 0 mm、厚さ 2 mmである。

比較例 1のアンテナについて、実施例 1 と同様にして起電力を測定したところ、高配向グラフアイトを用いた比較例 1のアンテナでは、約 1 0 0 mVの起電力が発生した。図 1 3は、このときのオシロスコープの画面を模式的に示すグラフである。

<<比較例 2 >>

比較測定として、実施例 1のアンテナにおいて、カーボンナノチューブを配しない、電極形成までの状態のものを、比較例 2のアンテナとした。

比較例 2のアンテナについて、実施例 1 と同様にして起電力を測定してみたが、起電力は観測されなかった。

<結果の考察〉以上のことから、カーボンナノチューブを主要な構成要素とする本発明のアンテナは、極めて微細であるにもかかわらず、電磁波により、十分な起電力が生じることが明らかとなり、アンテナとして機能することが確かめられた。これに対して、一般的なアンテナである比較例 1では

、勿論十分な起電力を生ずるものの、アンテナ自体の大きさが極めて大きく、これを備えた通信装置の小型化に対する阻害要因となる。また、カーボンナノチューブを配していない比較例 2では、起電力が生じず、電極単体では、アンテナとして機能しないことが確認された。産業上の利用可能性

本発明によれば、高周波帯域における応答特性に優れるナノオーダーのアンテナを提供することが可能となり、通信分野におけるアンテナの更なる高性能化、小型化に対して、極めてその効果が大きく、工業的有用性は極めて高い。

また、上記のような優れた特性を有するアンテナを備え、装置全体としての小型化をも実現し得る通信装置を提供することができる。

Claims

請求の範囲

( 1 ) カーボンナノチューブで構成された輻射器を備えてなることを特徴とするアンテナ。

( 2 ) 前記カーボンナノチューブの一部が接続されてモノポールアンテナとして動作させる電極を備えることを特徴とする（ 1 ) に記載のアンテナ。

( 3 ) 前記電極に接続されるカーボンナノチューブが、複数本であることを特徴とする（ 2 ) に記載のアンテナ。

( 4 ) 前記カーボンナノチューブの少なくとも一部における前記電極と接続されていない箇所が、他の部材に固定されてなることを特徴とする（ 2 ) に記載のアンテナ。

( 5 ) 前記電極が、 A u、 P t；、 A g、 C u、 T a、 N b、 T i 力、らなる群より選ばれるいずれか 1の材料を含むことを特徴とする（ 2 ) に記載のアンテナ。

( 6 ) 前記カーボンナノチューブと、それが接続する電極との間の接続抵抗値が、 1 0 M Ω以下であることを特徴とする（ 2 ) に記載のアンテナ。

( 7 ) 前記電極が、基板の表面に設けられていることを特徴とする（ 2 ) に記載のアンテナ。

( 8 ) 前記基板の前記電極が設けられる側の表面の抵抗率が、 1 X 1 0⁶Ω · c m以上であることを特徴とする（ 7 ) に記載のアンテナ

( 9 ) 前記基板の前記電極が設けられる側の最表面に、誘電体層が形成されていることを特徴とする（ 7 ) に記載のアンテナ。 ( 1 0 ) 前記誘電体層の厚さが、 l nm以上 1 0 mm以下であることを特徴とする（ 9 ) に記載のアンテナ。

( 1 1 ) さらに、前記カーボンナノチューブの一方の端部ないしその周辺が接続される電極を備えることを特徴とする（ 1 ) に記載のァンテナ。

( 1 2 ) 前記電極に接続されるカーボンナノチューブが、複数本であることを特徴とする（ 1 1 ) に記載のアンテナ。

( 1 3 ) 前記電極が、 A u、 P t、 A g、 C u、 T a、 N b、 T i からなる群より選ばれるいずれか 1の材料を含むことを特徴とする（ 1 1 ) に記載のアンテナ。

( 1 4 ) 前記カーボンナノチューブと、それが接続する電極との間の接続抵抗値が、 1 0 ΜΩ以下であることを特徴とする（ 1 1 ) に記載のアンテナ。

( 1 5 ) 前記電極が、基板の表面に設けられていることを特徴とする ( 1 1 ) に記載のアンテナ。

( 1 6 ) 前記基板の前記電極が設けられる側の表面の抵抗率が、 1 X 1 0⁶Ω · c m以上であることを特徴とする（ 1 5 ) に記載のアンテナ。

( 1 7 ) 前記基板の前記電極が設けられる側の最表面に、誘電体層が形成されていることを特徴とする（ 1 5 ) に記載のアンテナ。

( 1 8 ) 前記誘電体層の厚さが、 l nm以上 1 0 mm以下であることを特徴とする（ 1 7 ) に記載のアンテナ。

( 1 9 ) 前記カーボンナノチューブが、多層カーボンナノチューブであることを特徴とする（ 1 ) のいずれか 1 に記載のアンテナ。 ( 2 0 ) 前記カーボンナノチューブの直径が、 0. 3 n m以上 1 0 0 n m以下であることを特徴とする（ 1 ) のいずれか 1 に記載のアンテナ。

( 2 1 ) 前記カーボンナノチューブの長さが、 0. l m以上 1 0 0 m以下であることを特徴とする（ 1 ) のいずれか 1 に記載のアンテナ。

( 2 2 ) 前記カーボンナノチューブの少なくとも一部が、保護層により覆われていることを特徴とする（ 1 ) に記載のアンテナ。

( 2 3 ) 前記保護層が、誘電体であることを特徴とする（ 2 2 ) に記載のアンテナ。

( 2 4) 送信帯域および Zまたは受信帯域が、 5 0 0 MH z以上 1 T H z以下であることを特徴とする（ 1 ) に記載のアンテナ。

( 2 5 ) 送信用アンテナとして機能することを特徴とする（ 1 ) に記載のアンテナ。

( 2 6 ) 受信用アンテナとして機能することを特徴とする（ 1 ) に記載のアンテナ。

( 2 7 ) 送受信兼用アンテナとして機能することを特徴とする（ 1 ) に記載のアンテナ。

( 2 8 ) ( 2 5 ) に記載のアンテナを備えたことを特徴とする送信機能を有する通信装置。

( 2 9 ) ( 2 6 ) に記載のアンテナを備えたことを特徴とする受信機能を有する通信装置。

( 3 0 ) ( 2 7 ) に記載のアンテナを備えたことを特徴とする送受信機能を有する通信装置。 ( 3 1 ) 送信回路と、受信回路と、前記アンテナの電極が接続される先を前記受信回路および前記送信回路の間で切り替えるデュプレクサ一と、を備えてなることを特徴とする（ 3 0 ) に記載の通信装置

( 3 2 ) 送信回路と、該送信回路に接続する（ 2 5 ) に記載のアンテナと、受信回路と、該受信回路に接続する（ 2 6 ) に記載のアンテナと、を備えてなることを特徴とする送受信機能を有する通信装置