JP2009012176A - 高密度カーボンナノチューブアレイ及びその成長方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、カーボンナノチューブアレイに関し、特に、高密度カーボンナノチューブアレイ及びその成長方法に関する。
【解決手段】本発明の高密度カーボンナノチューブアレイは、緊密に詰めて配列された複数のカーボンナノチューブを含む。該複数のカーボンナノチューブは共に一次元の準結晶構造に形成されている。前記複数のカーボンナノチューブは、０．１ｇ／ｃｍ^３〜２．２ｇ／ｃｍ^３の密度により詰めて配列されている。本発明は前記高密度カーボンナノチューブアレイの製造方法及び製造設備を提供している。
【選択図】図３

Description

本発明は、カーボンナノチューブアレイに関し、特に、高密度カーボンナノチューブアレイ及びその成長方法に関する。

カーボンナノチューブは九十年代に発見された新しい一次元ナノ材料として知られているものである。カーボンナノチューブは高引張強さと高熱安定性を有し、また、螺旋構造により、金属にも半導体にもなる。カーボンナノチューブは理想的な一次元構造を有し、優れた力学特性、電気特性、熱学特性などの特徴を有するので、材料科学、化学、物理などの科学領域、例えば、フィールドエミッタ（ｆｉｅｌｄ ｅｍｉｔｔｅｒ）を応用した平面ディスプレイ、単一電子デバイス（ｓｉｎｇｌｅ−ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｄｅｖｉｃｅ）、原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ， ＡＦＭ）の先端、熱センサー、光センサー、フィルターなどに広く応用されている。従って、カーボンナノチューブの成長制御の可能化、製造の低コストを実現することは、カーボンナノチューブの応用の推進に強く有利である。

現在、カーボンナノチューブの合成方法は、アーク放電法と、レーザ蒸着法と、気相堆積法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＣＶＤ法）とがある。アーク放電法とレーザ蒸着法によっては、カーボンナノチューブの直径及び長さをコントロールすることができなく、高コスト乃至量産性が低く、カーボンナノチューブを大寸法の基材に成長させることができないので、現在、実験用にだけ使用されており、工業的には実用されていない。

従来のＣＶＤ法は、炭素を含むガスをソースとして、ボーラスシリコン（ｐｏｒｏｕｓ ｓｉｌｉｃｏｎ）又は沸石の基材に多層ナノチューブ又は単層ナノチューブを成長させるものであり、前記のアーク放電法とレーザ蒸着法と比べて、高収率、優れたコントロール性を持ち、現在のＩＣ部品に適合して使用できるという優れた点があるので、工業的な量産を実現できる。しかし、ＣＶＤ法で直接成長させたカーボンナノチューブアレイの密度は、０．０１ｇ／ｃｍ^３以下までに達し、各々のカーボンナノチューブの間の距離が、単一のカーボンナノチューブの直径より数倍大きくなる。さらに、ＣＶＤ法でカーボンナノチューブアレイを直接成長させることにより、カーボンナノチューブアレイの密度を制御し難いであるので、例えば、該カーボンナノチューブアレイを熱伝導複合物に利用する場合、該熱伝導複合物の熱伝導性が低くなるという課題がある。

従って、非特許文献１を参照すると、液体収縮効果を利用してカーボンナノチューブを結び付けることにより、緊密に配列された単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）材料を製造する方法が掲載されている。該緊密に配列された単層カーボンナノチューブ材料は、単一のカーボンナノチューブの固有特性（例えば、比表面積、電気伝導性、柔軟性）を保持することができる。前記緊密に配列された単層カーボンナノチューブ材料の製造工程を制御することにより、異なる形状及び構造を有する前記カーボンナノチューブ材料を製造することができる。該緊密に配列されたカーボンナノチューブ材料は、フレキシブルヒーター及び、小型エネルギー貯臓装置に利用されるコンデンサ電極として利用することができる。しかし、該緊密に配列されたカーボンナノチューブ材料の製造方法は複雑であり、該カーボンナノチューブ材料の配列形状は不規則である。
「Ｓｈａｐｅ−ｅｎｇｉｎｅｅｒａｂｌｅ ａｎｄ Ｈｉｇｈｌｙ Ｄｅｎｓｅｌｙ Ｐａｃｋｅｄ Ｓｉｎｇｌｅ−ｗａｌｌｅｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ ａｎｄ Ｔｈｅｉｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｓ Ｓｕｐｅｒ−ｃａｐａｃｉｔｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ」、「Ｎａｔｕｒｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」、Ｄｏｎ Ｎ． Ｆｕｔａｂａ、２００６年１１月２６日、第５巻、第９８７〜９９４頁

従って、本発明は、カーボンナノチューブを緊密に詰めて配列される高密度カーボンナノチューブアレイ及びその製造方法、該カーボンナノチューブアレイの製造設備を提供する。

本発明の高密度カーボンナノチューブアレイは、緊密に詰めて配列された複数のカーボンナノチューブを含む。該複数のカーボンナノチューブは共に一次元の準結晶構造に形成されている。前記複数のカーボンナノチューブは、０．１ｇ／ｃｍ^３〜２．２ｇ／ｃｍ^３の密度により詰めて配列されている。

前記複数のカーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、二層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。

本発明の高密度カーボンナノチューブアレイの製造方法は、表面にカーボンナノチューブアレイが成長された基板を提供する第一ステップと、前記基板の表面に平行する第一方向に沿って、前記カーボンナノチューブアレイを圧縮する第二ステップと、を含む。

さらに、本発明の高密度カーボンナノチューブアレイの製造方法は、前記基板の表面に平行する第二方向に沿って、前記カーボンナノチューブアレイを圧縮するステップを含む。ここで、前記第二方向は前記第一方向に垂直する。

本発明の高密度カーボンナノチューブアレイの製造設備は、上方板と、下方板と、二枚の第一側板と、二枚の第二側板と、を含む。前記上方板は前記下方板に平行して、所定の距離で分離して前記下方板に組み合わせている。前記上方板及び前記下方板の間に、カーボンナノチューブアレイが形成された基板を設置する。

本発明の高密度カーボンナノチューブアレイは次の優れた点がある。第一では、本発明の高密度カーボンナノチューブにおいて、カーボンナノチューブが緊密に配列されるので、該高密度カーボンナノチューブアレイは一次元の準結晶構造に形成されている。第二では、本発明の高密度カーボンナノチューブアレイの密度は、ＣＶＤ法で直接成長されるカーボンナノチューブアレイより５０倍大きくなるので、該高密度カーボンナノチューブアレイは良好な電気及び熱伝導特性を有する。第三では、本発明の高密度カーボンナノチューブアレイにおいて、各のカーボンナノチューブの間の距離が小さいので、該高密度カーボンナノチューブアレイの全体構成が容易に破裂することができない。第四では、本発明の高密度カーボンナノチューブアレイの製造方法は簡単及び高効率であり、製造工程において該カーボンナノチューブアレイの密度が制御することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

（実施形態１）
本実施形態は、高密度カーボンナノチューブアレイを提供する。該高密度カーボンナノチューブアレイは、緊密に詰めて配列された複数のカーボンナノチューブを含み、該複数のカーボンナノチューブは共に一次元の準結晶構造に形成されている。前記高密度カーボンナノチューブアレイの密度は、０．１ｇ／ｃｍ^３〜２．２ｇ／ｃｍ^３に形成され、１ｇ／ｃｍ^３〜１．５ｇ／ｃｍ^３であることが好ましい。前記複数のカーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、二層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。

（実施形態２）
図１を参照すると、本実施形態に係る高密度カーボンナノチューブの製造方法は、表面にカーボンナノチューブアレイが成長された基板を提供する第一ステップと、前記基板の表面に平行する方向に沿って、前記カーボンナノチューブアレイを圧縮する第二ステップと、を備える。

前記第一ステップにおいて、前記カーボンナノチューブアレイの成長方法は、基板を提供する第一サブステップと、前記基板の表面に触媒層を形成する第二サブステップと、前記触媒層を有する前記基板をアニールする第三サブステップと、前記基板を反応炉に置いて加熱させる第四サブステップと、キャリアーガス及びカーボンを含むガスを前記反応炉に導入させて、前記基板にカーボンナノチューブアレイを成長させる第五サブステップと、を含む。

前記第一サブステップにおいて、前記基板は、Ｐ型のシリコンウェハー又はＮ型のシリコンウェハー、石英又はガラスのウェハーである。本実施形態において、前記基板としては、４インチのＰ型のシリコンウェハーが利用されている。

前記第二サブステップにおいて、前記触媒層は、鉄、コバルト、ニッケル又はそのいずれか一種の合金からなる。本実施形態において、鉄を利用して触媒層として利用する。前記触媒層の厚さは、０．５〜５ｎｍにされ、１ｎｍであることが好ましい。前記触媒層は、火炎堆積法、電子線堆積、蒸着、スパッタなどの方法により形成されている。

前記第三サブステップにおいて、前記触媒層を３００℃で０．２〜１２時間にアニールさせて、酸化触媒粒子を形成させる。

前記第四サブステップにおいて、前記反応炉の内に保護ガスを導入して、６００℃〜１０００℃まで加熱させる。前記保護ガスは、アルゴン、窒素などの不活性ガスである。本実施形態において、アルゴンを保護ガスとして利用している。

前記第五サブステップにおいて、前記カーボンを含むガスは、エチレン、メタン、アセチレン又はそれらの混合物である。本実施形態において、前記キャリアーガスは窒素であり、前記カーボンを含むガスはアセチレンである。前記キャリアーガス及びカーボンを含むガスを０．１〜２時間に加熱された後、前記基板にカーボンナノチューブアレイが成長されている。ここで、前記カーボンナノチューブアレイは、相互に平行し前記基板に垂直な複数のカーボンナノチューブを含む。この場合、前記カーボンナノチューブアレイには、無定形炭素及び残りの触媒粒子などの不純物が残留されている。

前記カーボンナノチューブアレイにおけるカーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、二層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。

図２を参照すると、前記第二ステップにおいて利用される高密度カーボンナノチューブアレイの製造設備１００は、上方板１０と、下方板２０と、二枚の第一側板３０と、二枚の第二側板４０と、を含む。前記上方板１０は前記下方板２０に平行して、所定の距離で分離して前記下方板２０に組み合わせる。前記上方板１０はネジで前記下方板２０に組み合わせている。前記上方板１０及び前記下方板２０の間に、カーボンナノチューブアレイ８０が形成された基板７０を設置している。前記基板７０に平行な第一方向に沿って、対向する二枚の第一側板３０を設置し、前記基板７０に平行な第二方向に沿って、対向する二枚の第二側板４０を設置する。前記第一方向は、前記第二方向に垂直するように設定されている。このように設ければ、前記対向する二枚の第一側板３０を相互に近くなるように移動する場合、前記カーボンナノチューブアレイ８０は前記第一方向に沿って圧縮され、前記対向する二枚の第二側板４０を相互に近くなるように移動する場合、前記カーボンナノチューブアレイ８０は前記第二方向に沿って圧縮されることができる。

次に、前記製造設備１００の組み合わせ方法について説明する。まず、ネジ６０を利用して、前記上方板１０を前記下方板２０に係合させる。次に、前記カーボンナノチューブアレイ８０が形成された前記基板７０を、前記上方板１０及び前記下方板２０の間に設置する。最後に、前記カーボンナノチューブが形成された前記基板７０を囲むように、前記上方板１０及び前記下方板２０の間に、前記第一側板３０及び前記第二側板４０を設置する。このように設置すれば、前記カーボンナノチューブアレイ８０が形成された前記基板７０は、前記上方板１０と、前記下方板２０と、前記第一側板３０と、前記第二側板４０と形成された空間において設置されている。従って、図３を参照すると、前記製造設備１００の第一側板３０及び第二側板４０を利用して、前記カーボンナノチューブアレイ８０を圧縮させて、高密度カーボンナノチューブアレイ９０を製造することができる。

前記第二ステップにおける前記カーボンナノチューブアレイ８０を圧縮させる工程について説明する。まず、前記カーボンナノチューブアレイ８０を前記二枚の第二側板４０で挟む状態で、前記下方板２０に固定させる。次に、前記二枚の第一側板３０を第一方向に沿って前記下方板２０に平行に移動させる。前記二枚の第一側板３０が相互に近くになるほど、前記カーボンナノチューブアレイ８０の密度が大きくなる。

さらに、前記第二ステップの後、前記カーボンナノチューブアレイ８０を第二方向に沿って、前記下方板２０に平行に移動して、高密度カーボンナノチューブアレイ９０を製造することができる。ここで、前記第二方向は、前記第一方向に垂直するように設定されている。次に、この工程についてさらに詳しく説明する。まず、前記カーボンナノチューブアレイ８０を前記二枚の第一側板３０で挟む状態で、前記下方板２０に固定させる。次に、前記二枚の第二側板４０を第二方向に沿って前記下方板２０に平行に移動させる。前記二枚の第二側板４０が相互に近くになるほど、前記カーボンナノチューブアレイ８０の密度が大きくになる。

前記第一側板３０及び第二側板４０を前記第一方向及び前記第二方向に沿って移動させて、前記カーボンナノチューブアレイ８０を加工することにより、所定の密度を有する高密度カーボンナノチューブアレイ９０が得られる。前記第一側板３０及び／又は前記第二側板４０を相互に近くにさせる程度を制御することにより、前記高密度カーボンナノチューブアレイ９０の密度を制御することができる。

本実施形態において、前記高密度カーボンナノチューブアレイ９０の密度は、ＣＶＤ法で直接成長されたカーボンナノチューブアレイより５０倍大きくなる。前記高密度カーボンナノチューブアレイ９０は緊密に配列され、定方位性を有する。前記基板７０に平行な方向に沿って前記カーボンナノチューブアレイ８０にかけた機械力は、前記高密度カーボンナノチューブアレイ９０の形成の要点である。

図４に示されたものは、ＣＶＤ法で直接成長させたカーボンナノチューブアレイ８０である。該カーボンナノチューブアレイ８０においては、各々のカーボンナノチューブの間の距離が大きい。また、該カーボンナノチューブアレイ８０は疎な配列を呈し、無順序に配列されている。

図５に示されたものは、本発明の高密度カーボンナノチューブアレイ９０である。該高密度カーボンナノチューブアレイ９０は、一つの方向に向けて緊密に配列され、一次元の準結晶構造に形成されている。

本発明の高密度カーボンナノチューブアレイは次の優れた点がある。第一に、本発明の高密度カーボンナノチューブにおいて、カーボンナノチューブが緊密に配列されるので、該高密度カーボンナノチューブアレイは一次元の準結晶構造に形成されている。第二に、本発明の高密度カーボンナノチューブアレイの密度は、ＣＶＤ法で直接成長されるカーボンナノチューブアレイより５０倍大きくなるので、該高密度カーボンナノチューブアレイは良好な電気及び熱伝導特性を有する。第三に、本発明の高密度カーボンナノチューブアレイにおいて、各のカーボンナノチューブの間の距離が小さいので、該高密度カーボンナノチューブアレイの全体構成が容易に破裂することができない。第四に、本発明の高密度カーボンナノチューブアレイの製造方法は簡単及び高効率であり、製造工程において該カーボンナノチューブアレイの密度が制御することができる。

本発明の実施形態に係る高密度カーボンナノチューブアレイの製造方法のフローチャートである。 本発明の実施形態に係る高密度カーボンナノチューブアレイの製造設備の斜視図である。 本発明の実施形態に係る製造設備を利用して高密度カーボンナノチューブを製造する工程を示す図である。 圧縮する前のカーボンナノチューブアレイのＳＥＭ写真である。 圧縮した後のカーボンナノチューブアレイのＳＥＭ写真である。

符号の説明

１０ 上方板
２０ 下方板
３０ 第一側板
４０ 第二側板
６０ ネジ
７０ 基板
８０ カーボンナノチューブアレイ
１００ 高密度カーボンナノチューブアレイの製造設備

Claims (5)

1. 緊密に詰めて配列された複数のカーボンナノチューブを含み、
   該複数のカーボンナノチューブは共に一次元の準結晶構造に形成され、
   前記複数のカーボンナノチューブは、０．１ｇ／ｃｍ^３〜２．２ｇ／ｃｍ^３の密度により詰めて配列されていることを特徴とする高密度カーボンナノチューブアレイ。
2. 前記複数のカーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、二層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ことを特徴とする、請求項１に記載の高密度カーボンナノチューブアレイ。
3. 表面にカーボンナノチューブアレイが成長された基板を提供する第一ステップと、
   前記基板の表面に平行する第一方向に沿って、前記カーボンナノチューブアレイを圧縮する第二ステップと、
   を含むことを特徴とする高密度カーボンナノチューブアレイの製造方法。
4. 前記基板の表面に平行する第二方向に沿って、前記カーボンナノチューブアレイを圧縮するステップを含み、
   前記第二方向は前記第一方向に垂直することを特徴とする、請求項３に記載の高密度カーボンナノチューブアレイの製造方法。
5. 上方板と、下方板と、二枚の第一側板と、二枚の第二側板と、を含み、
   前記上方板は前記下方板に平行して、所定の距離で分離して前記下方板に組み合わせられ、
   前記上方板及び前記下方板の間に、カーボンナノチューブアレイが形成された基板を設置することを特徴とする高密度カーボンナノチューブアレイの製造設備。