JP2007152540A

JP2007152540A - カーボンナノチューブ素子の製造方法

Info

Publication number: JP2007152540A
Application number: JP2006111143A
Authority: JP
Inventors: 開利 ▲キョウ▼; Kaili Jiang; 守善 ▲ハン▼; Feng-Yan Fan
Original assignee: Qinghua University; Hongfujin Precision Industry Shenzhen Co Ltd
Current assignee: Qinghua University; Hongfujin Precision Industry Shenzhen Co Ltd
Priority date: 2005-12-02
Filing date: 2006-04-13
Publication date: 2007-06-21
Also published as: TW200722368A; TWI272245B

Abstract

【課題】本発明は、カーボンナノチューブ素子の製造方法に関する。
【解決手段】本発明に係るカーボンナノチューブ素子の製造方法は、カーボンナノチューブ糸を準備する段階と、前記カーボンナノチューブ糸を揮発性有機溶剤に浸入して表面処理を行う段階と、加工装置を利用して前記カーボンナノチューブ糸を所定の形状によって加工して、カーボンナノチューブ素子の予備成形物を形成する段階と、前記カーボンナノチューブ素子の予備成形物を所定の温度まで加熱して所定の形状に固定させて、カーボンナノチューブ素子を形成する段階と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、カーボンナノチューブ素子の製造方法に関する。

カーボンナノチューブ（ＣａｒｂｏｎＮａｎｏｔｕｂｅ, ＣＮＴ）は新型のカーボン材料であり、日本の研究員Ｉｉｊｉｍａによって１９９１年に発見された後、大面積のカーボンナノチューブのマトリックスの合成やカーボンナノチューブが一定方向への成長についての研究が進んでいる。非特許文献１を参照して、整列したカーボンナノチューブのマトリックスからカーボンナノチューブの束を引き出すと、複数のカーボンナノチューブの束の端から端まで接続されて連続的なカーボンナノチューブ糸（ＣａｒｂｏｎＮａｎｏｔｕｂｅＹａｒｎ）が形成される。

カーボンナノチューブは良好な光学性能、電気性能、機械性能を有するので、フィールドエミッタの電子源や照明装置などに広く利用されることが注目されている。前記カーボンナノチューブ糸をフィールドエミッタディスプレイの陰極の支持部に設置することにより、前記カーボンナノチューブ糸をエミッタの電子源として利用することができる。前記複数のカーボンナノチューブ糸を配列して形成する偏光シートは紫外線の環境で利用される。前記カーボンナノチューブ糸を白熱ランプのフィラメントとして利用する場合、電気消費が低くなる。

しかし、異なる応用領域に対応して、異なる形状のカーボンナノチューブ糸が要求されるので、前記方法によっては前記要求を満足することができないという課題がある。
中国特許出願公開第０２１３４７６０．３号明細書「ＳｐｉｎｎｉｎｇＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＣＮＴＹａｒｎｓ」、Ｎａｔｕｒｅ、▲ハン▼守善、２００２年、第４１９巻、第８０１頁

前記課題を解決するために、本発明は所定の形状によってカーボンナノチューブ素子を製造する方法を提供する。

本発明に係るカーボンナノチューブ素子の製造方法は、カーボンナノチューブ糸を準備する段階と、前記カーボンナノチューブ糸を揮発性有機溶剤に浸入して表面処理を行う段階と、加工装置を利用して前記カーボンナノチューブ糸を所定の形状によって加工して、カーボンナノチューブ素子の予備成形物（preform）を形成する段階と、前記カーボンナノチューブ素子の予備成形物を所定の温度まで加熱して所定の形状に固定させて、カーボンナノチューブ素子を形成する段階と、を含む。ここで、予備成形物とは、カーボンナノチューブ素子を作成する間の、カーボンナノチューブの半製品（semi-product）である。

従来技術と比べて、本発明に係るカーボンナノチューブ素子の製造方法により、加工装置を利用して、カーボンナノチューブ糸を所定の形状によって直接形成することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施例について詳しく説明する。

（実施例１）
本実施例に係るカーボンナノチューブ素子の製造方法は、次の段階を含む。

第一段階で、連続的なカーボンナノチューブ糸１０を提供する。

まず、化学気相堆積法（ＣＶＤ）で、整列したカーボンナノチューブのマトリックスを成長させる。特許文献１を参照して、本実施例に係る化学気相堆積法で前記のカーボンナノチューブのマトリックスを成長する工程は次の段階を含む。（ａ）段階で、基材を提供する。該基材は、例えば、ｐ型又はｎ型のシリコン基材である。（ｂ）段階で、前記基材に触媒を堆積して触媒層を形成する。前記触媒層は、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ又はその合金からなる。（ｃ）段階で、前記触媒層が形成された基材を、例えば保護ガスの雰囲気で３００℃〜４００℃程度に１０時間加工して焼鈍しをする。（ｄ）段階で、前記（ｃ）段階で形成された基材を５００℃〜７００℃程度まで加熱して、炭素ガス及び保護ガスを導入して、５〜３０分間に反応させ、カーボンナノチューブのマトリックスを前記基材に成長させる。ここで、前記炭素ガスの導入速度を制御することにより、前記触媒層の温度と環境温度との差を５０℃以上に保持する。前記炭素ガスと前記保護ガスとの導入速度の比率を制御して、前記炭素ガスの分圧は２０％以下になるようにする。前記炭素ガスは、例えば、アセチレン、エタンなどの炭化水素であり、アセチレンであることが好ましい。前記保護ガスは、不活性ガス又は窒素である。前記製造方法によって得られたカーボンナノチューブのマトリックスは緊密的に形成され、各カーボンナノチューブの間にファンデルワールス(Ｖan Ｄer Ｗaals)力が強く形成され、各カーボンナノチューブの直径がほぼ同様である。

次に、前記カーボンナノチューブのマトリックスからカーボンナノチューブ糸１０を引出す。即ち、ピンセットなどの工具を利用して前記カーボンナノチューブのマトリックスの一部を取って直線方向に沿って引き出す。各カーボンナノチューブが前記ファンデルワールス力で相互に連接されて連続的なカーボンナノチューブ糸１０が形成される。

第二段階で、前記カーボンナノチューブ糸１０を揮発性有機溶剤に浸入して表面処理を行う。前記カーボンナノチューブ糸１０は表面積が大きい複数のカーボンナノチューブからなるので、粘着性が大きくなる。前記揮発性有機溶剤の表面張力が大きいので、前記カーボンナノチューブ糸１０の表面積及び直径は小さくなり、その粘着性が除去され、良好な機械強度及び強靭性が具備される。詳しくは、まず、前記カーボンナノチューブ糸１０を完全に前記揮発性有機溶剤に浸入する。次に、前記カーボンナノチューブ糸１０を前記揮発性有機溶剤から取り出し、スプールのような工具に巻き付ける。前記揮発性有機溶剤はエタノール、メタノール、アセトン、ジクロロエタン（Ｄｉ−ｃｈｌｏｒｏＥｔｈａｎｅ）、クロロホルムなどのいずれか一種である。

第三段階で、加工装置を利用して前記カーボンナノチューブ糸１０を所定の形状によって加工して、カーボンナノチューブ素子の予備成形物を形成する。例えば、図１を参照すると、カーボンナノチューブのバネを製造する場合、前記表面処理が行って形成されたカーボンナノチューブ糸１０を円柱形状のサファイア（Ｓａｐｐｈｉｒｅ）体２０に巻き、所定の螺旋の形状によって形成される。

第四段階で、前記カーボンナノチューブ糸１０を前記所定の形状に保持するために、前記カーボンナノチューブ素子の予備成形物を所定の温度まで加熱する。前記所定の温度は６００℃〜２０００℃に設定され、１６００℃〜１７００℃であることが好ましい。前記加熱処理により、ファンデルワールス力で連続的なカーボンナノチューブ糸の両端が緊密に連接され、前記連続的なカーボンナノチューブ糸１０の形状が保持できる。また、前記加熱処理の方法は、電流加熱方法及び高温加熱方法がある。

なお、電流加熱方法は、所定の時間に前記カーボンナノチューブ糸１０へ所定の加熱電流を導入することである。前記加熱電流の強度は前記カーボンナノチューブ糸１０の直径によって、前記カーボンナノチューブ糸１０を所定の温度まで加熱する程度に設定される。しかし、電流加熱方法によれば、前記加熱処理の時間は４時間以下にされればよく、４時間より長くなれば、前記カーボンナノチューブ糸１０の炭素の損失が生じる課題がある。

なお、高温加熱方法によれば、前記カーボンナノチューブ糸１０を加熱容器（例えば、黒鉛の容器）に置いて所定の温度で所定の時間に加熱する。前記加熱時間は加熱温度に関係する。例えば、２０００℃の高温で、０．５〜１時間に加熱すればよい。前記電流加熱方法と比べて、高温過熱方法は黒鉛の容器を利用する場合、加熱時間が長くなっても、黒鉛が有する炭素でカーボンナノチューブ糸１０の炭素の損失を防止するので、前記加熱時間に対して制限しないという優れた点がある。

また、前記二種の加熱方法を結合して利用することもできる。この場合、高温の条件で前記カーボンナノチューブ糸１０へ電流を導入するように前記カーボンナノチューブ糸１０を加熱する。

本実施例においては、電流加熱方法を利用する。前記サファイア体２０に設置された前記カーボンナノチューブ糸１０へ電流を導入して１６００℃の高温で３〜４時間保持する。その後、前記カーボンナノチューブ糸１０を前記サファイア体２０から分離させて、カーボンナノチューブのバネが形成される。前記カーボンナノチューブのバネは弾性を有するので、質量が微小なものを測定することができる。

（実施例２）
本実施例において、サファイア体２０’がプリズム形状に形成される点は実施例１と異なる。実施例１と同様に、前記サファイア体２０’に設置された前記カーボンナノチューブ糸１０’へ電流を導入して１６００℃の高温で３〜４時間保持する。その後、前記カーボンナノチューブ糸１０’を前記サファイア体２０’から分離させて、Ｖ字型のカーボンナノチューブ素子が形成される。前記カーボンナノチューブ素子は、電子運動量移行分光装置（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＭｏｍｅｎｔｕｍＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ、ＥＭＳ）の熱電子放出源として利用される。

従来技術と比べて、本発明に係るカーボンナノチューブ素子の製造方法によれば、加工装置を利用して、カーボンナノチューブ糸を所定の形状によって形成するので、所定の形状を有するカーボンナノチューブ素子を直接製造することができる。

本発明の実施例１に係る、加工装置を利用してカーボンナノチューブをバネの形状に加工する図である。本発明の実施例２に係る、加工装置を利用してカーボンナノチューブをＶ字形に加工する図である。

符号の説明

１０、１０’ カーボンナノチューブ糸
２０、２０’ サファイア体

Claims

カーボンナノチューブ糸を準備する段階と、
前記カーボンナノチューブ糸を揮発性有機溶剤に浸入して表面処理を行う段階と、
加工装置を利用して前記カーボンナノチューブ糸を所定の形状によって加工して、カーボンナノチューブ素子の予備成形物を形成する段階と、
前記カーボンナノチューブ素子の予備成形物を所定の温度まで加熱して所定の形状に固定させて、カーボンナノチューブ素子を形成する段階と、を含むことを特徴とするカーボンナノチューブ素子の製造方法。
前記カーボンナノチューブ糸の製造方法は、カーボンナノチューブのマトリックスを製造する段階と、工具を利用して前記カーボンナノチューブのマトリックスからカーボンナノチューブ糸を引き出す段階と、を含むことを特徴とする、請求項１に記載のカーボンナノチューブ素子の製造方法。
前記カーボンナノチューブ素子の予備成形物を加熱する方法は、カーボンナノチューブのマトリックスを黒鉛容器で加熱処理を行う段階を含むことを特徴とする、請求項１に記載のカーボンナノチューブ素子の製造方法。
前記カーボンナノチューブ素子の予備成形物を加熱する他の方法は、前記カーボンナノチューブ糸に電流を導入する段階を含むことを特徴とする、請求項１に記載のカーボンナノチューブ素子の製造方法。
前記所定の温度は６００℃〜２０００℃に設定されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のカーボンナノチューブ素子の製造方法。
前記所定の温度は１６００℃〜１７００℃に設定されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のカーボンナノチューブ素子の製造方法。