JP2007534588A - カーボンナノチューブ組成物用一時的粘度及び安定調整剤 - Google Patents

Abstract

本発明は、粘度および安定性を増加させたカーボンナノチューブ含有組成物に関する。特に、本発明は、電気的特性が優れたカーボンナノチューブ膜及びカーボンナノチューブ層の製造方法に関する。

Description

本発明は、粘度及び安定性を増加させたカーボンナノチューブを含む組成物を対象とする。本発明は、特に、優れた電気的特性を提供するカーボンナノチューブ膜及びカーボンナノチューブ層を製造する方法を対象とする。

（関連出願の相互参照）
本発明は、２００４年４月７日に出願された“Ｉｎｃｒｅａｓｅｄ Ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ ａｎｄ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ Ｉｎｋ（カーボンナノチューブインクの粘度および安定性の増加）”と題する米国仮出願第６０／５６００１９号に基づく優先権を伴っており、引用することによってその開示内容全体を本明細書に含めることとする。

（背景技術）
カーボンナノチューブは、分子構造の炭素族の、成長する一員として、最近加えられたものである。カーボンナノチューブは、黒鉛シートが巻き上げられてナノスケールのチューブ形態が形成され、いわゆる単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）が生成されたものとみなすことができ、このような事項は、Ｈａｒｒｉｓ、Ｐ．Ｆ．“Ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｓｔｒｕｓｔｕｒｅｓ Ｎｅｗ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｔｗｅｎｔｙ−ｆｉｒｓｔ Ｃｅｎｔｕｒｙ（カーボンナノチューブおよび関連する構造、２１世紀の新素材）”、ケンブリッジ大学出版局、ケンブリッジ、１９９９年に記載されている。コアとなるＳＷＮＴの周りには、更なる炭素チューブが存在して、多層カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ）を形成している場合もある。これらの細長いナノチューブは、数オングストローム〜数十ナノメータの範囲の直径、及び数ミクロン〜数ミリメートルの長さを有する。チューブの両端は、五角形のようなフラーレン状の構造体によって覆われていてもよい。

カーボンナノチューブとしては、真っ直ぐおよび／または曲がった多層ナノチューブ（ＮＷＮＴ）、真っ直ぐおよび／または曲がった二重壁ナノチューブ（ＤＷＮＴ）、または真っ直ぐおよび／または曲がった単層ナノチューブ（ＳＷＮＴ）、及びこれらの組み合わせ、及びこれらの混合物が挙げられる。また、ＣＮＴは、これらのナノチューブ形態の様々な組成物、及び米国特許第６３３３０１６号及び国際公開第０１／９２３８１号に記載されるような、ナノチューブ調製品に含まれる一般的な副生成物を含んでいてもよい。また、カーボンナノチューブは、化学物質または化合物を組込むために、化学的に修飾されてもよく、また、有効で有用な分子配向を生成し（米国特許第６２６５４６６号参照。）、又はナノチューブの物理的構造を調節するために、物理的に修飾されてもよい。

ＳＷＮＴは、炭素ターゲットのレーザ切除（レーザーアブレーション）、炭化水素の分解、又は２つのグラファイト電極間にアーク放電を生じさせる等の多くの技術によって形成することができる。例えば、Ｂｅｔｈｕｎｅらの米国特許第５４２４０５４号には、コバルト触媒と炭素蒸気を接触させることによって、単層カーボンナノチューブを生成するプロセスが記載されている。炭素蒸気は、固体炭素のアーク加熱によって生成され、この固体炭素は、非晶質炭素、黒鉛、活性炭、脱色炭、またはそれらの組み合わせとすることができる。炭素加熱の他の技術としては、レーザー加熱、電子ビーム加熱およびＲＦ誘導加熱などが検討されている。Ｓｍａｌｌｅｙ（Ｇｕｏ，Ｔ．，Ｎｉｋｏｌｅｅｖ，Ｐ．，Ｔｈｅｓｓ，Ａ．，Ｃｏｌｂｅｒｔ，Ｄ．Ｔ．，ａｎｄ Ｓｍａｌｌｙ，Ｒ．Ｅ．，Ｃｈｅｍ，Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．２４３：１〜１２（１９９５年））らは、この文献において、単層カーボンナノチューブを生成する製造方法について記載しており、この中で、黒鉛ロッド及び遷移金属が、高温レーザーによって同時に蒸発されることが記載されている。Ｓｍａｌｌｅｙ（Ｔｈｅｓｓ，Ａ．，Ｌｅｅ，Ｒ．，Ｎｉｋｏｌａｅｖ，Ｐ．，Ｄａｉ，Ｈ．，Ｐｅｔｉｔ，Ｐ．，Ｒｏｂｅｒｔ，Ｊ．，Ｘｕ，Ｃ．，Ｌｅｅ，Ｙ．Ｈ．，Ｋｉｍ，Ｓ．Ｇ．，Ｒｉｎｚｌｅｒ，ＡＧ．，Ｃｏｌｂｅｒｔ，Ｄ．Ｔ．，Ｓｃｕｓｅｒｉａ，Ｇ．Ｅ．，Ｔｏｎａｒｅｋ，Ｄ．，Ｆｉｓｃｈｅｒ，Ｊ．Ｅ．，ａｎｄ Ｓｍａｌｌｅｙ，Ｒ．Ｅ．，Ｓｃｉｎｅｃｅ，２７３：４８３〜４８７（１９９６年））らはまた、この文献において、単層カーボンナノチューブの製造プロセスについて記載しており、この中で、少量の遷移金属を含む黒鉛ロッドが、約１２００℃でオーブン中でレーザー蒸発されることが記載されている。単層ナノチューブは、７０％以上の収率で生成されることが報告されている。米国特許第６２２１３３０号には、ガス状の炭素原料及び担持されていない触媒を用いる、単層カーボンナノチューブの製造方法について記載されている。

カーボンナノチューブは、多くの公知の用途（Ｉｍｐｅｒｉａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ Ｐｒｅｓｓ、Ｌｏｎｄｏｎ Ｕ．Ｋ．の１９９８年のＲ．Ｓａｉｔｏ、Ｇ．Ｄｒｅｓｓｅｌｈａｕｓ氏、Ｍ．Ｓ．Ｄｒｅｓｓｅｌｈａｕｓ氏の“Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ（カーボンナノチューブの物理特性）”、または１９９６年のＡｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、８、ｐ４４３のＡ．Ｚｅｔｔｌ氏の“Ｎｏｎ−Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ（非カーボンナノチューブ）”を参照。）を有している。カーボンナノチューブは、半導体的挙動や金属的挙動を示すことができる（Ｄａｉ，Ｌ．；Ａｍｕ， Ａ．Ｗ．Ｍ．Ａｄｖ．Ｍａｔｔｅｒ．２００１年，１３８９９）。また、カーボンナノチューブは、高い表面積（ナノチューブ「ペーパー」で４００ｍ^２／ｇ）（Ｎｉｕ，Ｃ．；Ｓｉｃｈｅｌ．Ｅ．Ｋ．；Ｈｏｃｈ，Ｒ．；Ｍｏｙ，Ｄ．；Ｔｅｎｎｅｎｔ，Ｈ．“Ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃａｒｂｏｎ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ（カーボンナノチューブ電極に基づく高電力電気化学コンデンサー）”、Ａｐｐｌｙ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．１９９７，７０，１４８０〜１４８２）、高い電気伝導度（５０００Ｓ／ｃｍ）（Ｄｒｅｓｓｅｌｈａｕｓ，Ｍ．Ｐｈｙｓ．Ｗｏｒｌｄ １９９６年９月１８日）、高い熱伝導率（６０００Ｗ／ｍｋ）及び安定性（真空で２８００℃まで安定）（Ｃｏｌｌｉｎｓ，Ｐ．Ｇ．；Ａｖｏｕｒｉｓ．Ｐ．“Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ ｆｏｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ（エレクトロニクス用ナノチューブ）”，Ｓｃｉ．Ａｍ．２０００年１２月、６２〜６９）、及び良好な機械的特性（引っ張り強さ４５０億パスカル）を有する。

カーボンナノチューブからなる膜は、１０^２Ω／□程度の低い表面抵抗を有することが知られている。“Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｄｉｓｅｎｔａｎｇｌｉｎｇ Ｈｏｌｌｏｗ Ｃａｒｂｏｎ Ｍｉｃｒｏｆｉｂｅｒｓ，Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ Ｃａｒｂｏｎ Ｍｉｃｒｏｆｉｂｅｒｓ Ａｇｇｒｅｇａｔｉｏｎ Ｆｉｌｍ ａｎｄ Ｃｏａｔｉｎｇ ｆｏｒ Ｆｏｒｍｉｎｇ Ｓｕｃｈ Ｆｉｌｍ（中空炭素マイクロファイバーをほぐす方法、電気導電性の透明炭素マイクロファイバー凝集膜、およびそのような膜の形成のための被覆”と題する米国特許第５８５３８７７号には、導電性カーボンナノチューブ膜の形成について記載されている。“Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｆｏｒ Ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ Ｓｉｎｇｌｅ Ｗａｌｌ Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ Ｕｓｉｎｇ Ｕｎｓｕｐｐｏｒｔｅｄ Ｍｅｔａｌ Ｃａｔａｌｙｓｔ（担持されていない金属触媒を使用する単層ナノチューブを生成するための処理）”と題する米国特許第６２２１３３０号は、一般に、導電性膜を形成するためのカーボンナノチューブの生産について記載されている。しかし、カーボンナノチューブを含む膜をパターニングする方法に関しては、前記技術には報告がない。

カーボンナノチューブ含有膜等の、カーボンナノチューブからなる被覆物は、既に公知となっている（米国特許出願第１０／１０５６２３号参照）。このような膜は、１０^２Ω／□程度の低さの表面抵抗及び９５％程度の高さの全光透過率を有する。これらの膜中におけるカーボンナノチューブの含有量は、５０％程度の高さである。カーボンナノチューブは、また、透明導電性被覆物を形成するために、透明プラスチック膜上に堆積されてもよい。

表面上に、薄い被覆物または膜として堆積されたカーボンナノチューブは、導電体（電気的コンダクタ）又は電極、触媒部位、又は化学薬品、エネルギー、運動もしくは接触を検出するセンサー（タッチ・スクリーンでのように）として機能することができ、また、この新しい形態を有する炭素材料のユニークな特性を活用して、他の機能も得られている。しかし、ナノチューブの薄い被覆物を最大限の適用範囲で（ほとんどの用途での）利用するためには、ナノチューブの被覆物は、パターンまたは回路として形成されて、ナノチューブの活性領域を定義し、１つまたは複数の不活性領域からその領域を分離するものとされることが必要である。

抵抗型タッチ・スクリーンの電極としての機能する、ナノチューブ被覆物の形成のためには、電極は、絶縁基板上に、電気的にパターン化されなければならない。例えば、ポリエチレン・テレフタレートＰＥＴのようなポリマー膜は、電気導電性回路およびスイッチを形成するナノチューブ被覆物の一部として定義することができる。被覆物は、第２の電極に押しつけられると、次いで、操作者の接触に応答する。

商業的に最も多く生成される透明電極は、例えば真空蒸着、化学蒸着、化学浴析出、スパッタリング、蒸発、パルス蒸気蒸着、ゾル・ゲル法、電気めっきまたはスプレイ熱分解によって、光学的透明基板に、金属または金属酸化物被覆物を被覆塗布して製造される。必要に応じ、これらの被覆物は、高価な写真平板述（ｐｈｏｔｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｉｃ）技術によってパターン化することができる。このプロセスは、困難で高価である。電極の大きな領域を覆うために、上記被覆物の生成を拡大すると、大抵、値段がひどく高くなる。さらに、被覆物は、柔軟性のない金属酸化膜に基づくので、他の方法であれば可能であるような、プラスチックディスプレイ、プラスチック太陽電気、および着用可能な電気回路等の基板に対して適用する、柔軟性を生かした適用を行うことは不可能である。

水又は他の一般的な溶媒中のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）分散液は、熱力学的に不安定であり、これは、これらがロープ構造に自己集合する高い傾向を有することを意味する。時間の経過とともに、これらのロープは、直径が増加し、または凝集して、最終的に、不安定な分散液をもたらすが、これは、表面上にＣＮＴの薄膜を、均一な厚みで被覆形成することに対して、望ましくないものである。導電性被覆物を形成するためには、表面上に膜が形成され、溶媒が取り除かれるまでは、分散液中で、ＣＮＴ粒子は、径の小さいロープ（約３０ｎｍ未満）としての構造を維持することが望ましい。一旦、表面上に液状膜が形成されたら、その後は、ロープの自己集合を促進し、これにより、他のすべての材料を取り除いて、表面にロープの導電性ネットワークを形成することが望ましい。しかし、被覆溶液中で、即ち、膜を形成する前に、ロープが、その大きさが大きくなったり、又は凝集して集合したりすることによって、成長した場合、膜における更なる集合は、低い程度に抑えられ、その結果、乾燥して得られる被覆物は、単位面積当たりの所定の集合堆積と比較して、より低い表面抵抗率を示すこととなる。更に、小さな粒子およびＣＮＴの分散液は、一般的に、溶媒と、界面活性剤、又は高分子化合物のような他の添加物のような、分散助剤とから形成される。しかし、添加物は、溶媒を蒸発させるときに被覆物中に堆積され、導電性ネットワークの形成を阻害する。これは、得られる薄膜の電子性能に対し、最適の状態から落ちた性能をもたらす。

溶媒キャリアーは別として、界面活性剤又は他の添加物を使用しないと、ＣＮＴ分散液は、非常に低濃度（約１００ｍｇ／Ｌ未満）の場合にも、高濃度（約３０００ｍｇ／Ｌより大きい）の場合にも、動力学的に「安定である」ことが分かっている。低濃度範囲は、大部分が、水やアルコールのような溶媒である液相（一般的に約１ｃＰ）の粘度を有する。高濃度範囲は、「ペースト」または「ゲル」の粘度を有する。濃度領域の両端では、ＣＮＴ分散液は、界面活性剤や粘度調整剤などの添加物を必要とすることなく、有用な保存期間（約８時間より長い）を有する。

低濃度範囲は、広範囲のシート抵抗（一般的に、１０〜１０^９Ω／□）にわたって、透明（及び不透明）導電性膜の噴霧被覆を行うのに適している。また、低濃度範囲は、様々な連続ウェブ被覆技術（例えば、グラビア、マイヤー棒、リバースロールなど）に適しているが、シート抵抗範囲は、より高いシート抵抗値（約１０^４Ω／□より大きい）に制限される。後者についての制限は、低粘度被覆形成における液状被覆物の厚みの実際的な限界（一般的に、約５０μｍ未満）によるものであり、非常に低濃度であれば、表面上に一回または多数回塗布を行って十分な量の材料を堆積させるためには、比較的厚い液状被覆が必要となるためである。

高濃度範囲は、様々な連続ウェブ被覆技術（例えば、グラビア、マイヤー棒、リバースロールなど）に適しているが、この濃度は高すぎるので、より高いシート抵抗値（約１０^２Ω／□より大きい）を許容することができず、その結果、低濃度範囲の溶液から、単位面積当たり同量のＣＮＴを堆積させて作製された被覆物と比較して、電気的特性及び光学的特性において劣る被覆物をもたらす。

したがって、有用な安定性を有する十分な濃度範囲（１０〜３０００ｍｇ／Ｌ程度）にわたってＣＮＴの分散液の調製を可能にして、従来の被覆形成（コーティング）工程による堆積を可能とする被覆形成能が必要である。

本発明は、広範囲の濃度にわたって優れた電気的性能を有する層や膜を形成することが可能なカーボンナノチューブの組成物を広義に対象とし、特に、それらの製造方法を対象とする。

本発明の一実施形態は、溶媒中に均一に分散されたカーボンナノチューブから成る安定分散液を対象とし、この分散液内のカーボンナノチューブは、１２時間を越える時間凝集しない。分散液中のカーボンナノチューブの濃度は、１０ｍｇ／Ｌ〜３０００ｍｇ／Ｌであることが好ましく、分散液の粘度を増加または減少させる一時的粘度調整剤を含むことが好ましい。

好ましい一時的粘度調整剤としては、水可溶ゴム、キサンタン、ポリアクリル酸、ポリエチレンオキシド、シリカ、メチルセルロース、感光性アクリル樹脂、ポリウレタン添加物、ポリビニルアルコール、ゼラチン、およびそれらの組み合わせが挙げられるが、それらに限定されない。また、一時的粘度調整剤は、分散液の粘度を増加させ、また、カーボンナノチューブの分子構造に悪影響を及ぼさない温度で、完全に又はほとんど完全に取り除かれ得るものであることが好ましい。

本発明の他の実施形態は、カーボンナノチューブを含む溶媒と、一時的粘度調整剤とを含む溶液を、表面に塗布するステップと、溶媒を取り除き、カーボンナノチューブの導電性ネットワークを形成するステップとを有する、カーボンナノチューブの導電性ネットワークを形成する方法を対象とする。溶媒を取り除くステップは、一時的粘度調整剤もまた取り除くことが好ましい。溶媒を取り除く好ましい方法は、熱分解、蒸発、昇華、分解、アブレーション（ａｂｌａｔｉｏｎ）又は、同じ又は他の溶媒を用いた洗い流しが挙げられるが、それらに限定されない。また、溶媒及び一時的粘度調整剤の除去は、カーボンナノチューブの分子構造に影響を与えないことが好ましい。また、一時的粘度調整剤は、基板への堆積（ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）および乾燥中における溶媒中へのカーボンナノチューブの分散に役立つことが好ましい。

本発明の他の実施形態および利点は、後の明細書に具体的に記載され、この記載から具体的に明らかとなり、または本発明を実行して分かるであろう。

濃度範囲が中間程度である従来のＣＮＴ分散液は、その安定性が劣るので、これに対する重要な挑戦及び機会が示される。また、低濃度ＣＮＴ分散液からＣＮＴ被覆物を生成させるためには、基板上に、分散液の非常に厚い層を堆積させることが要求される。低粘度では、乾燥中、及びその他後の堆積工程の間において、そのような層をコントロールすることは困難である。組成物中に、一時的粘度調整剤を含ませることによって、分散液中におけるＣＮＴ濃度が広範囲のものに関して、被覆処理されて膜を形成するものとすることができる。

本発明は、分散液を処理し、液状被覆物としての分散液を堆積させ、更に液状被覆物を乾燥させるのに十分な期間、ＣＮＴ粒子の流動性を抑制することによって、例えば分散液といったＣＮＴ組成物を安定化させることを含む。これは、被覆物の形成の粘度を著しく増加させることによって行うことができ、これは、乾燥中、又はその後の洗浄又は分解工程において被覆層から取り除くことができる添加物を用いて行うことが好ましい。ＣＮＴロープは、約３０００ｍｇ／Ｌを越えると、直接互いにからみ合うことによって「ゲル」構造を形成するので、分散液中のＣＮＴロープの流動性は、この濃度を越えても生じさせることができることに留意する。ゲル構造は、ＣＮＴ粒子サイズの成長、即ち、より大きな直径のロープへ成長する成長速度を抑制し、これにより、最終膜の光電子的（ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ）特性が向上する。しかし、中間濃度範囲（１００〜３０００ｍｇ／Ｌ）、または低濃度範囲（＜１００ｍｇ／Ｌ）において、同様の安定性を達成するために、液相の粘度を著しく増加させることができる（１０^１〜１０^５ｃＰの範囲で）。一時的粘度調整剤は、ＣＮＴ分散液を安定性させるだけでなく、乾燥工程中において、厚い液状層の堆積が安定状態を維持することを可能とすることによって、連続ウェブ被覆工程を、より強固なもの（多くの被覆技術では、より高粘度を好む。）とするという働きを併せ持つ。

本発明の一実施形態は、安定性を有したＣＮＴ分散液を対象とする。安定性を有したＣＮＴ分散液は、時間が経過しても変化しない（例えば、集合しないことが困難または集合できない可能性のある小さな塊に凝集、集合する）溶液に均一に分散された、カーボンナノチューブ含有溶液から構成される。溶液が安定性を維持したままの状態とする好ましい時間としては、１２時間、１８時間、２４時間、３６時間、４８時間、６０時間、３日、５日、一週間、またはさらに長い期間が挙げられる。更に、安定したＣＮＴ分散液においては、液体（例えば、液状）被覆物を流出させることなく、この分散液内に存在する溶媒及び又は粘度調整剤の一部又は大部分が取り除かれ得る。溶媒および／または粘度調整剤は、蒸発または分解するので、前記分散液は、ＣＮＴロープが固まってロープのネットワークを形成する直前に、不安定になるだけである。上記安定性を有したＣＮＴ分散液は、１つ又はそれ以上の一時的粘度調整剤を含んでいてもよい。一時的粘度調整剤は、多様な溶媒中で、また、広範囲のＣＮＴ濃度で機能することが好ましい。ＣＮＴ濃度は、１ｍｇ／Ｌ未満から、５０００ｍｇ／Ｌを越える分散範囲に及ぶ。一時的粘度調整剤が作用する好ましい範囲は、１ｍｇ／Ｌ〜１００ｍｇ／Ｌ、５０ｍｇ／Ｌ〜２０００ｍｇ／Ｌ、１００ｍｇ／Ｌ〜１０００ｍｇ／Ｌ、１０ｍｇ／Ｌ〜３０００ｍｇ／Ｌ、１００ｍｇ／Ｌ〜３０００ｍｇ／Ｌ、１０００ｍｇ／Ｌ〜３０００ ｍｇＬ、２０００ｍｇ／Ｌ〜５０００ｍｇ／Ｌ、２０００ｍｇ／Ｌ〜４０００ｍｇ／Ｌである。

一時的粘度調整剤は、溶媒に添加され、溶液に対する粘度（所望の粘度から決定される）を増加または低減させ（例えば、粘度原材料、粘度調整剤、粘度低減剤）、好ましくは、溶液に対して分散安定性を与え、これによって、溶媒を取り除いた後、またはその取り除く間に除去されることが可能な材料（有機または無機）である。調整剤及び／又は溶媒の除去は、熱分解、蒸発、昇華、分解、アブレーション、１つまたは複数の溶媒での膜からの洗浄、または他の従来の工程、またはそれらの任意の組み合わせによって、取り除くことが好ましい。特定のＣＮＴ溶液を作成するための調整剤の量は、広く変化するが、当業者であれば、例えば調整剤の分子量（例 特に、高分子化合物に関して）、調整剤の機能性（例えば、存在する官能基の数）、窒素含有量、及び／又はｐＨ等から、この調整剤の量を容易に決定することができる。多くの特定の一般的なタイプの一時的粘度調整剤を、表１、２に示し、また、一時的粘度調整剤としては、粘土、増粘剤、タンパク質、ゲル化剤、硬化剤、界面活性剤、懸濁化剤、フィラー、糊、可溶化剤、潤滑剤、賦形剤、キレート剤およびこれらの任意の組み合わせ（例えば、ＭｉｃｈａｅｌおよびＩｒｅｎｅ Ａｓｈ作成のＨａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ａｄｄｉｔｉｖｅｓ、第二版、Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ Ｉｎｃ．刊行、２０００年、（ＩＳＢＮ １−８９０５９５−０６−３）参照。これは、引用することによって、その開示内容全体を含めるものとする）が挙げられる。

本発明の他の実施例は、非一時的粘度調整剤を含む本発明の組成物を対象とする。膜または被覆物を形成するときに調整剤を取り除くことが必要でない場合、そのような調整剤を利用してもよい。

（形成）
（添加物または主要な溶媒として、ＩＰＡ／水より高い粘度を有する溶媒）
溶媒を使用することの少なくとも１つの利点は、乾燥の間に蒸発し、カーボンナノチューブの膜構造に存在しなくなるということである。有用な溶媒としては、１，３ブタンジオール（１３０ｃＰ）、グリセリン（１５０ｃＰ）、エチレングリコール、ポリエチレングリコール、セロソルブ（商標）およびそれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。本発明において有用な他の溶媒は、当業者に公知であり、市販されている。粘度は温度に依存するので、溶媒系を十分に冷却することによって、ほとんどの溶媒の粘度が増加される。

（水のような低粘度溶媒を含む増粘剤）
分散液中において、乾燥の間にＣＮＴが固まるときに、 カーボンナノチューブ上の官能基は、緩く結合、またはからんで、カーボンナノチューブロープ（図４参照）を形成する。高分子材料を使用して、著しく粘度を増加させてもよいが、その濃度は、ＣＮＴネットワーク形成またはカーボンナノチューブ膜のＲ／Ｔ特性に影響しない程度の濃度とすることが必要である。好ましい材料としては、表１、２に記載されたものが挙げられるが、それらに限定されない。

最も一般的な光学膜（例えば、ＰＥＴおよびポリカーボネート）と互換性をもたせるためには、上記のより粘度の高い溶媒または増粘剤を、比較的低温（約１５０℃）で飛び去らせるものとするかまたは、これを適切な溶媒（ＣＮＴ膜を残して）によって洗浄することが好ましい。理想的な添加物は、粘度を増加させると共に、被覆後、低温でこれが完全に又はほとんど完全に（すなわち、塗布する目的のために必要な程度に）除去され、これにより被覆表面上にはカーボンナノチューブが残されて、ロープのネットワークを形成させることができるものである。
ＣＮＴ含有溶液の粘度を増加させる化合物は、被覆基板の温度より低い温度でガスに分解するものであることが好ましい。これにより、ネットワーク形成を妨げることなく、ＣＮＴ導電性ネットワークの形成を可能とすることができる。空気中において、ＣＮＴが高い熱的安定性を有することにより、多くの高分子化合物および有機化合物は、ＣＮＴ層がダメージを受ける前に分解する。ＣＮＴ分散液の粘度を増加させるために、種々様々の化合物が使用可能であり、また、これらは、その後ＣＮＴ層から完全に取り除くことができる。あるいは、１つまたは複数の増粘剤を、最終膜の特性に過度に影響を及ぼさない程度の低濃度で添加してもよい。

被覆工程を施し、更に乾燥して溶媒および粘度調整剤を取り除いた後、ＣＮＴ膜は、ディッピング法又はミスティング（ｍｉｓｔｉｎｇ）によって適正量の溶媒（例えば、水）に膜をさらすことによって、「さらに集合させる」ことができる。このさらなる集合は、ＣＮＴネットワークの濡れに起因して、ＣＮＴ流動性が一時的に向上することによって付与される。ＣＮＴ膜は、２度目に乾燥するときに、ファンデルワールス力（分子間力）によって再び十分に集合され（または、固められ）得る。最初の乾燥速度が非常に速い場合は常に、または最初の乾燥または分解工程の間に行われる粘度調整剤の除去後において、この第２の濡らし工程及び乾燥工程は有利である。次いで、この構造を固定化し、また、ＣＮＴ層を更に周辺環境から保護するために、高分子保護膜を設けてもよい。

図１で示される工程は、複雑であるが、噴霧被覆で行う場合より、より広い範囲の製品を、より良好な工程経済で製造することが可能となる。

以下の実施例は、本発明の実施例を示すが、本発明の範囲を限定するものとして見るべきではない。

（基礎条件）
ペースト濃度＝１９００〜３５００ｐｐｍ
インク濃度＝１０〜５０ｐｐｍ
目標濃度＝６００〜１０００ｐｐｍ
粘度＝１００ｃＰ
シート抵抗（Ｒｓ）＝１５００〜１００００Ω／□、基準透明性（９０％）を有する
Ｒ／Ｔ性能を下げることなく粘度を増加

（溶液）
（ＩＰＡ（／水）より粘度の高い溶媒の使用）
１，３ブタンジオール（１３０ｃＰ）
グリセリン（１５００ｃＰ）
セロソルブ（メチル、ブチル）

（表３に記載された粘度増加剤の１つまたは複数の利用）
実施例： キサンタンガムを使用するＣＮＴ分散液の粘度増加
アークを適用する２つの実験試験によって、ガラス基板に単層カーボンナノチューブ（ＳＷＣｎＴ）スータ（ｓｏｏｔ）被覆物が生成し、公知の増粘剤によって粘度を増加させることにより、ＣＮＴ分散液の安定性が提供され、また電気シート抵抗及び光透過率（Ｒ／Ｔ）性能（ｌｉｇｈｔ ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）を著しく下げることなく、これを取り除くことができることが示された。購入されたＳＷＮＴは、酸還流、水洗浄、遠心分離および精密ろ過を含む工程段階によって浄化する。次いで、浄化したＳＷＮＴを、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）および水の３：１溶液に混合して、カーボンナノチューブ塗布液を形成する（スータは、およそ５０〜６０％のカーボンナノチューブを含み、１４５±１５℃で、１８時間、３Ｍの硝酸溶液中で還流することにより浄化し、次いで、洗浄、遠心分離、ろ過した。）。浄化した混合物は、９９％を越える単層カーボンナノチューブを、０．０５９ｇ／Ｌの濃度で含むインク溶液を生成する（インク溶液「Ａ」）。

行った試験において、塗布による被覆形成では、＃１６マイヤーロッドを利用した。 塗布及びその後の処理工程の後、ＣＮＴ被覆物のシート抵抗（Ｒ）は、Ｌｏｒｅｓｔａ ＥＳＰ４点プローブを使用して測定し、光透過率（Ｔ）は、５５０ｎｎの波長で分光測光器を使用して測定した。

第１試験（図４）
０．５％キサンタンガム原液 ２ｍｌ
インク溶液「Ａ」０．０５９ｇ／Ｌ ４ｍｌ
ガラス基板１５０ｍｍ×２００ｍｍ
＃１６マイヤー棒

約０．１５ｗｔ％のキサンタンガム溶液は、インク溶液「Ａ」４ｍｌ中に、０．５％キサンタンガム原液２ｍｌを分散させることにより生成した。キサンタンガム溶液は、ガラス基板と＃１６マイヤー棒との塗布界面に沿って分散させた。マイヤー棒は、ガラス基板（２００ｍｍ）の長さに設定された。被覆物は、７５℃のホットプレート上に塗布し、１分間空気乾燥し、次いで加熱したエアドライヤ（１３０℃）を使用して加熱した。シート抵抗および透過率割合（Ｒ／Ｔ性能）は、以下それぞれの工程後に測定した。
（１） ７５℃のホットプレート上で＃１６マイヤー棒を使用して塗布
（２） １分間、Ｄ．Ｉ．水中で洗浄
（３） ３００℃で３０分間焼成
（４） １分間、Ｄ．Ｉ．水中で洗浄

図４のグラフは、各工程でのシート抵抗および光透過率に対する影響を示す。グラフ上の点線は、ガラス基板上のＣＮＴ被覆物の理論性能（経験データに基づく）を表わす。
（結論）
３００℃で３０分間加熱した後のコントロール（ｃｏｎｔｒｏｌ）に対するＲ／Ｔ性能への重大な影響はない。Ｒ／Ｔ曲線上にとどまることによって、塗布の間、ＣＮＴ分散液は、その状態を維持される。抵抗は、基準（ｃｏｎｔｒｏｌ）より低く、これは、洗浄によってＣＮＴの損失があったことを示す。第２の洗浄後は、著しい向上はみられなかった。これは、最初の乾燥段階の後に、良好なネットワーク構造が得られていたことを示す。

第２試験
３００℃で３０分間の焼成後、洗浄を一回だけ行うこととしたこと以外は、上記と同じ実験である（図５参照）。次の工程では、各工程後に、Ｒ／Ｔ性能を測定した。
（１） ７５℃のホットプレート上で＃１６マイヤー棒を使用して塗布
（２） ３００℃で３０分間焼成
（３） Ｄ．Ｉ．水中で１分間洗浄

（結論）
３００℃、３０分間加熱後のコントロール（ｃｏｎｔｒｏｌ）に対するＲ／Ｔ性能への重大な影響はない。
抵抗は、コントロールより低い。これは、ＣＮＴの損失があることを示すが、この損失は前工程ほどではない。
第２の洗浄後においては、著しい向上はない。

本発明の他の実施形態および用途は、本明細書に開示した本発明の詳細および実施を検討して、当業者に明らかとなる。本明細書に引用された引例は、すべて、全ての出版物、米国および外国特許および特許出願を含み、引用することによって、特に完全にその開示内容全体を本明細書に含めることとする。明細書および実施例は、単に例示であると考えることを意図する。

本発明の一実施形態の工程のフローチャートである。 噴霧被覆工程と対比させた図１の工程である。 概念理論の概略説明図である。 Ｒ／Ｔ特性に対するキサンタンガムの影響である（第１試験）。 Ｒ／Ｔ特性に対するキサンタンガムの影響である（第２試験）。

Claims (21)

1. カーボンナノチューブが溶媒に均一に分散された安定分散液であって、
   カーボンナノチューブは、１２時間を越える時間内には凝集しない安定分散液。
2. カーボンナノチューブの濃度は、１０ｍｇ／Ｌ〜３０００ｍｇ／Ｌである請求項１に記載の分散液。
3. 分散液の粘度を増加または減少させる一時的粘度調整剤を含有する請求項１又は２に記載の分散液。
4. 増加または減少した粘度は、１０^０〜１０^５ｃＰである請求項３に記載の分散液。
5. 一時的粘度調整剤は、水溶性ゴム、キサンタン、ポリアクリル酸、ポリエチレンオキシド、シリカ、メチルセルロース、感光性アクリル樹脂、ポリウレタン添加物、ポリビニルアルコール、ゼラチン及びそれらの組み合わせからなる群から選択される請求項３に記載の分散液。
6. 前記分散液内のカーボンナノチューブは、２４時間以内には凝集しないものである請求項１から５のいずれか１項に記載の分散液。
7. 前記一時的粘度調整剤は、分散液の粘度を増加させ、カーボンナノチューブの分子構造に悪影響を与えない温度で、完全に、またはほとんど完全に取り除かれるものである請求項３に記載の分散液。
8. 前記カーボンナノチューブの分子構造は、溶媒を取り除いた場合、導電性ネットワークを構成する請求項７に記載の分散液。
9. 前記温度は、１５０℃未満である請求項７に記載の分散液。
10. 前記カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、二重壁カーボンナノチューブ、又は多層カーボンナノチューブである請求項１から９のいずれか１項に記載の分散液。
11. 溶媒は、水、アルコール、１，３ブタノール、グリセリン、エチレングリコール、ポリエチレングリコール、グリコール、ゼラチンおよびそれらの組み合わせからなる群から選択される１３請求項１から１０のいずれか１項に記載の分散液。
12. カーボンナノチューブを含む溶媒と、一時的粘度調整剤とを含む溶液を表面に塗布するステップと、
    溶媒を取り除き、カーボンナノチューブの導電性ネットワークを形成するステップとを有するカーボンナノチューブの導電性ネットワークを形成する方法。
13. 前記溶液は、１０ｍｇ／Ｌ〜３０００ｍｇ／Ｌのカーボンナノチューブの分散液である請求項１２に記載の方法。
14. 前記溶媒を取り除くステップでは、さらに、一時的粘度調整剤を取り除く請求項１２又は１３に記載の方法。
15. 前記溶媒を、熱分解、蒸発、昇華、分解、切除、または同一または異なる溶媒を用いた洗い流しによって取り除く請求項１２から１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 水洗浄又はｐＨバランス洗浄によって溶媒を取り除く請求項１２から１５のいずれか１項に記載の方法。
17. 前記溶媒および一時的粘度調整剤を、カーボンナノチューブの分子構造に影響を与えずに取り除く請求項１２から１６のいずれか１項に記載の方法。
18. 前記溶媒中におけるカーボンナノチューブの濃度は、３０００ｍｇ／Ｌより大きいか、又は１０ｍｇ／Ｌ未満である請求項１２から１７のいずれか１項に記載の方法。
19. 前記溶媒は、水、アルコール、１，３ブタノール、グリセリン、エチレングリコール、ポリエチレングリコール、グリコール、ゼラチン及びそれらの組み合わせからなる群から選択される請求項１２から１８のいずれか１項に記載の方法。
20. 前記一時的粘度調整剤は、基板への堆積及び乾燥中における溶媒中でのカーボンナノチューブの分散を助ける請求項１２から１９のいずれか１項に記載の方法。
21. 前記方法は、更に、高分子保護膜を塗布するステップを含む請求項１２から２０のいずれか１項に記載の方法。