JP2008296338A

JP2008296338A - 被覆構造体

Info

Publication number: JP2008296338A
Application number: JP2007146255A
Authority: JP
Inventors: Tasuku Inoue; 翼井上
Original assignee: Shizuoka University NUC
Current assignee: Shizuoka University NUC
Priority date: 2007-05-31
Filing date: 2007-05-31
Publication date: 2008-12-11

Abstract

【課題】様々な分野への応用が可能な被覆構造体を得る。
【解決手段】ＣＶＤ装置１０は、電気炉１２を備えている。電気炉１２内には、石英管１４が通されており、この石英管１４の周囲にはヒータ１６、熱電対１８が設けられている。ヒータ１６及び熱電対１８は図示しない制御部に接続されており、この制御部は、石英管１４の内部がカーボンナノチューブの成長に適した所定温度となるように、熱電対１８により検出された温度に基づいてヒータ１６を制御する。石英管１４内部にセットされた石英ボード２０上に触媒としてＦｅＣｌ_３またはＦｅＣｌ_３が塗布された細線状部材を載せてセットする。そして、石英管１４内が例えば５００〜８００°Ｃとなるようにヒータ１６を制御し、石英管１４の入口から、図中矢印Ａ方向にガスを入れ、触媒と化学反応させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、被覆構造体に係り、特に、細線状の部材がカーボンナノチューブにより被覆された被覆構造体に関する。

カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）は、機械的強度が高い、軽い、電気伝導特性が良い、熱特性が良い、電界電子放出特性が良い等の特性を有することから、走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の探針、電界放出ディスプレイ（ＦＥＤ）、の冷陰極、導電性樹脂、高強度樹脂、耐腐食性樹脂、耐摩耗性樹脂、高度潤滑性樹脂、二次電池や燃料電池の電極、ＬＳＩの層間配線材料、バイオセンサーなどへの応用が注目されている。

カーボンナノチューブの製造方法としては、例えばアーク放電法やレーザー蒸発法、化学気相成長法（ＣＶＤ法）等があり、特許文献１には、ＣＶＤ法によりカーボンナノチューブを製造する技術が開示されている。

ＣＶＤ法では、基本的には触媒金属と炭素源の炭化水素を共存させ、例えば６５０°Ｃ〜１３００°Ｃ程度のプロセス温度でカーボンナノチューブを合成させる。触媒粒子のサイズが小さいときには単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）が得られる。触媒の種類、その支持の仕方（基板上や浮遊など）に多くのバリエーションがあり、例えばＣＶＤ法では触媒の選択によりコイル状のカーボンナノチューブや数珠状のカーボンナノチューブを得ることが可能であることがわかっている。また、ＣＶＤ法は大量合成の他、配向成長、成長位置の選択が可能である。
特開２００６−２６５００６号公報

ところで、石英細線（ファイバー）をカーボンナノチューブで包み込んだ被覆構造体は、電磁シールドを備えた光ファイバー、大電流密度が可能な導体等、様々な分野への応用が期待されている。

しかしながら、従来技術は、基板等の平板状のものに対してカーボンナノチューブを鉛直方向へ成長させる技術であり、例えば細線状の部材の長手方向にカーボンナノチューブを成長させることはできず、上記のような電磁シールドを備えた光ファイバー等への様々な分野へ応用することが困難であった。

本発明は上記事実を考慮して成されたものであり、様々な分野への応用が可能な被覆構造体を得ることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、細線状部材がカーボンナノチューブにより被覆されたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、前記細線状部材の長手方向に前記カーボンナノチューブが配向していることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、前記細線状部材の鉛直方向に前記カーボンナノチューブが配向していることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、前記細線状部材が、石英、セラミックス、及び導電性材料の何れかの材料から成ることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、前記細線状部材が、ウール状に形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、細線状部材をカーボンナノチューブにより被覆することで様々な分野への応用が可能になる、という効果を有する。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１には、ＣＶＤ法により細線状部材にカーボンナノチューブを成長させるＣＶＤ装置１０の概略構成図を示した。

同図に示すように、ＣＶＤ装置１０は、電気炉１２を備えている。電気炉１２内には、石英管１４が通されており、この石英管１４の周囲にはヒータ１６、熱電対１８が設けられている。

ヒータ１６及び熱電対１８は図示しない制御部に接続されており、この制御部は、石英管１４の内部がカーボンナノチューブの成長に適した所定温度となるように、熱電対１８により検出された温度に基づいてヒータ１６を制御する。

次に、細線状部材にカーボンナノチューブを成長させた被覆構造体を得る方法について説明する。

まず、石英管１４内部にセットされた石英ボード２０上に触媒が塗布された細線状部材を載せてセットする。

なお、細線状部材としては、例えば石英やセラミックス、銅やアルミ合金等の材料から成る細線状の部材を用いることができる。また、細線状部材をウール状としてもよい。

触媒としては、ＦｅＣｌ_２（塩化第二鉄）やＦｅＣｌ_３（塩化第三鉄）を用いることができる。細線状部材に触媒を塗布する方法としては、例えば触媒をエタノールに溶解し、これをスピンコートにより塗布する方法等があるが、これに限られるものではない。

そして、石英管１４内が例えば５００〜８００°Ｃとなるようにヒータ１６を制御し、石英管１４の入口から、図中矢印Ａ方向にガスを入れ、触媒と化学反応させる。ガスとしては、例えばＣ_２Ｈ_２（アセチレン）、ＮＨ_３（アンモニア）等のガスを用いることができるが、これに限られるものではない。

また、ガスの圧力は、例えば０．１〜１０（ｔｏｒｒ）とすることができ、カーボンナノチューブを成長させる時間、すなわち触媒と化学反応させる時間としては１〜６０分とすることができるが、これに限られるものではない。

例えば成長時間を６０分、圧力を０．１（ｔｏｒｒ）とした場合には、カーボンナノチューブの成長率を２００（μｍ／ｈ）とすることができ、圧力を１０（ｔｏｒｒ）とした場合には、カーボンナノチューブの成長率を２（ｍｍ／ｈ）とすることができる。このように、圧力を変化させることで、カーボンナノチューブの成長率を制御することができる。

なお、成長したカーボンナノチューブは、図２に示すように直径が約２０ｎｍの中空構造の多層構造のカーボンナノチューブとなる。

上記の方法により、細線状部材上にカーボンナノチューブが成長させることができ、細線状部材をカーボンナノチューブで被覆した被覆構造体が得られる。

なお、触媒をＦｅＣｌ_３とした場合には、細線状部材の鉛直方向にカーボンナノチューブを成長(配向)させることができ、触媒をＦｅＣｌ_２とした場合には、細線状部材の長手方向にカーボンナノチューブを成長(配向)させることができる。

このように、触媒によってカーボンナノチューブの成長方向が異なるのは、触媒が化学反応して細線状部材に結晶化した際の結晶構造の違いによるものと考えられる。

図３（Ａ）には、細線状部材の鉛直方向にカーボンナノチューブが成長した被覆構造体を、同図（Ｂ）には、細線状部材の長手方向にカーボンナノチューブが成長した被覆構造体を示した。同図（Ａ）に示すように、細線状部材の鉛直方向にカーボンナノチューブが成長しているので、カーボンナノチューブが毛羽立つようになっており、同図（Ｂ）に示すように、細線状部材の長手方向にカーボンナノチューブが成長しているので、カーボンナノチューブが綺麗に細線状部材を被覆するようになっている。

また、図４（Ａ）には、従来技術により基板上にカーボンナノチューブを成長させた時のカーボンナノチューブの配向状態を示し、同図（Ｂ）には、本発明の手法によりカーボンナノチューブを成長させた時のカーボンナノチューブの配向状態を示した。同図（Ａ）に示すように、従来の場合はカーボンナノチューブが無配向で絡み合っているのに対し、高密度に一定方向に配向されているのがわかる。

また、図５には、従来技術により基板上にカーボンナノチューブを成長させた時のカーボンナノチューブについてラマン測定した時のラマンスペクトルの結果を示し、図６には、本発明の手法によりカーボンナノチューブを成長させた時のカーボンナノチューブについてラマン測定した時のラマンスペクトルの結果を示した。

カーボンナノチューブの欠陥はラマン測定により評価することができる。具体的には、１３５０ｃｍ^−１付近に現れるピークをＤ−ｂａｎｄ、１６００ｃｍ^−１付近に現れるピークをＧ−ｂａｎｄといい、Ｄ−ｂａｎｄとＧ−ｂａｎｄとのピーク強度比（Ｇ／Ｄ比）を用いて欠陥を評価することができる。Ｇ／Ｄ比の高いものが欠陥が少なく、品質が高いといえる。

図５に示すように、従来の場合はＧ／Ｄ比が１程度であるのに対し、図６に示すように、本発明の場合は、Ｇ／Ｄ比が２．３程度となり、従来の場合と比較して品質が高いことがわかる。

また、図７（Ａ）に示すように、細線状部材を耐熱温度が１０００°Ｃ程度の石英ウールとすることもできる。この石英ウールは、同図（Ｂ）に示すように、その直径が数ミクロンである。

図８（Ａ）には、図７（Ａ）に示した石英ウールにカーボンナノチューブを成長させたものを示した。図８（Ｂ）には図８（Ａ）の一部拡大図を示した。同図（Ｂ）に示す点線部分が石英の細線を表わしており、その周りにカーボンナノチューブが成長しており、石英ウールの内部にまでカーボンナノチューブが成長しているのがわかる。

なお、細線状部材をウール状とした場合、配向性はないものの、３０μｍ程度の厚さでもカーボンナノチューブで一様に石英ウールをコーティングすることができ、石英ウールの内部までカーボンナノチューブを良く浸透させることができる。例えば光ファイバーに応用した場合、直径が０．５〜１００μｍ程度の光ファイバーを得ることが可能となる。

このように細線状部材をカーボンナノチューブで被覆した被覆構造体の応用例としては、光ファイバーの静電シールド、熱吸収あるいは熱拡散する光ファイバーとして、ウール状の場合には加熱部材や放熱部材として用いることができる。また、材料表面に電気伝導性を付与したい場合や、フィルターにカーボンナノチューブをコーティングして網目を微細化したい場合等にも用いることができる。

なお、本実施形態では、細線状の部材にカーボンナノチューブを成長させる場合について説明したが、これに限らず、様々な形状の部材にカーボンナノチューブを成長させる場合にも本発明を適用可能である。

ＣＶＤ装置の概略構成図である。カーボンナノチューブの拡大図である。（Ａ）は細線状部材の鉛直方向に成長したカーボンナノチューブを示す図、（Ｂ）は細線状部材の長手方向に成長したカーボンナノチューブを示す図である。（Ａ）は従来手法により成長させたカーボンナノチューブの配向状態を示す図、（Ｂ）は本発明の手法により成長させたカーボンナノチューブの配向状態を示す図である。従来手法により成長させたカーボンナノチューブのラマン測定の結果を示す図である。本発明の手法により成長させたカーボンナノチューブのラマン測定の結果を示す図である。（Ａ）は石英ウールを示す図、（Ｂ）は（Ａ）の一部拡大図である。（Ａ）は石英ウールにカーボンナノチューブを成長させたものを示す図、（Ｂ）は（Ａ）の一部拡大図である。

符号の説明

１０ＣＶＤ装置
１２電気炉
１４石英管
１６ヒータ
１８熱電対
２０石英ボード

Claims

細線状部材がカーボンナノチューブにより被覆された被覆構造体。
前記細線状部材の長手方向に前記カーボンナノチューブが配向していることを特徴とする請求項１記載の被覆構造体。
前記細線状部材の鉛直方向に前記カーボンナノチューブが配向していることを特徴とする請求項１記載の被覆構造体。
前記細線状部材が、石英、セラミックス、及び導電性材料の何れかの材料から成ることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の被覆構造体。
前記細線状部材が、ウール状に形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の被覆構造体。