JP2009023881A - Carbon nanotube and carbon nanotube structure - Google Patents

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Hironori Kumagai
裕典 熊谷
Yasuhiro Hashimoto
泰宏 橋本
Shigeo Hayashi
茂生 林
Takuma Asari
琢磨 浅利
Toshiya Yokogawa
俊哉 横川
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a structurally stable carbon nanotube bundle and a carbon nanotube structure capable of increasing the surface area without carrying out an opening treatment. <P>SOLUTION: In the carbon nanotube bundle obtained by bundling a plurality number of the carbon nanotubes, the structure of the bundle and the number of the carbon nanotubes forming the bundle are fixed so that a circle A satisfying relational expressions (1) S1<S2 ...(1) and L1>2×L2 ...(2) is present. In the expression, S1 expresses the area of the cut section when the bundle is cut with a plane vertical to the axial direction of the bundle, L1 expresses the outer peripheral length of the cut section, S2 expresses the area of the circle A and L2 expresses the circumferential length of the circle A. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、表面積が大きく、構造上安定なカーボンナノチューブ・バンドル、およびそれを用いた構造体に関わるものである。   The present invention relates to a carbon nanotube bundle having a large surface area and structurally stable, and a structure using the same.

カーボンナノチューブ(Carbon NanoTube:以下、CNTと略すことがある)は、炭素原子が六角網目状に配列したグラフェンシートを筒状に丸めた構造を持つ中空物質であり、高い表面積、極めて強靭な機械的特性、優れた電子物性などから様々な分野における応用が期待されている。   Carbon Nanotube (hereinafter sometimes abbreviated as CNT) is a hollow material having a structure in which graphene sheets in which carbon atoms are arranged in a hexagonal network are rolled into a cylindrical shape, and has a high surface area and extremely strong mechanical properties. Applications in various fields are expected due to its properties and excellent electronic properties.

CNTは前述の通り、中空物質であるため、ガスやイオンなどを吸着させる場合、その内部も吸着サイトとして利用することが理論上可能である。例えば単層CNTにおいては、内外表面積を合わせて、2600〜3000m/gと大きな比表面積(片面であればその半分)を得ることができる(比表面積は、C−C間結合距離によって若干異なる)。この大きな比表面積を利用して、水素などのガスや電解質イオンなどを吸着させる研究・開発が行われている(例えば特許文献1〜3参照)。特に従来においては、中空であるという性質を利用してCNT内部を吸着サイトとして利用する研究・開発が盛んに行われてきた。 As described above, since CNT is a hollow substance, when gas or ions are adsorbed, it is theoretically possible to use the inside as an adsorption site. For example, in a single-walled CNT, the internal and external surface areas can be combined to obtain a large specific surface area of 2600 to 3000 m 2 / g (half the surface if it is a single surface) (the specific surface area is slightly different depending on the C—C bond distance). ). Research and development for adsorbing gases such as hydrogen, electrolyte ions, and the like using this large specific surface area are being conducted (see, for example, Patent Documents 1 to 3). In particular, in the past, research and development that use the inside of CNTs as an adsorption site by utilizing the property of being hollow have been actively conducted.

また、基板上に垂直配向したブラシ状CNTの研究・開発も盛んに行われている。基板に垂直配向したブラシ状CNTは、基板単位面積におけるCNTの表面積を大きくすることが可能であるため、ガスやイオンなどを吸着させる効率を高くすることが可能である。ブラシ状CNTの合成方法としては、基板上にCNTを直接合成することが可能である化学気相堆積(CVD)法を用いることが多い。   In addition, research and development of brush-like CNTs that are vertically aligned on a substrate have been actively conducted. Since brush-like CNTs aligned perpendicularly to the substrate can increase the surface area of the CNT in the substrate unit area, the efficiency of adsorbing gas, ions, and the like can be increased. As a method for synthesizing brush-like CNTs, a chemical vapor deposition (CVD) method that can directly synthesize CNTs on a substrate is often used.

比表面積が大きなCNTを被吸着物質として用いる場合、CNT直径およびCNT間隔と、ガスやイオンなどの吸着物の大きさ(直径)との関係が重要となる(例えば特許文献2、3参照)。   When CNT having a large specific surface area is used as a substance to be adsorbed, the relationship between the CNT diameter and CNT interval and the size (diameter) of an adsorbate such as a gas or ion is important (see, for example, Patent Documents 2 and 3).

中空物質であるCNTの内部および外部を有効に利用するためには、(1)ガスやイオンなどの吸着物が十分に吸着できるだけの空間がCNT内部に必要、であると同時に、(2)ガスやイオンなどの吸着物が十分に吸着できるだけの空間がCNT外部に必要、となる。   In order to effectively use the inside and outside of the CNT, which is a hollow material, (1) a space is required inside the CNT to sufficiently adsorb an adsorbate such as gas and ions, and at the same time, (2) gas A space that can sufficiently adsorb adsorbed substances such as ions and ions is required outside the CNT.

CNTの直径は理論的には0.4nm以上であるが、実際にはおおよそ0.7nm以上であることが知られている。水素ガスなどのように、吸着物の直径がCNTの直径と比較して非常に小さい場合は、できるだけ小さな直径のCNTをできるだけ密な間隔で配置することが基板単位面積におけるCNT表面積を最大化する手段の1つとなる。またその手段の1つとして、特許文献2に示すようなバンドル構造が有効であることも示されている。特許文献2には、CNTの直径を制御した上で、CNTをバンドル化させることにより、水素などの直径の小さなガスに対しての吸着サイトを増加させることができる旨記載されている。直径の小さな吸着物に対しては、バンドル化した状態でもバンドル間の空間を利用することが可能であるため、CNTをバンドル化させることが有効手段の1つであることによるものである。   Although the diameter of CNT is theoretically 0.4 nm or more, it is known that in practice it is approximately 0.7 nm or more. If the diameter of the adsorbate is very small compared to the CNT diameter, such as hydrogen gas, CNTs with the smallest possible diameter should be arranged as closely as possible to maximize the CNT surface area in the substrate unit area. One of the means. As one of the means, a bundle structure as shown in Patent Document 2 is also effective. Patent Document 2 describes that the number of adsorption sites for a gas having a small diameter such as hydrogen can be increased by bundling CNTs while controlling the diameter of CNTs. For adsorbates having a small diameter, it is possible to use the space between the bundles even in a bundled state. Therefore, bundling CNTs is one effective means.

しかしながら、例えば吸着物が溶媒和したイオンであり、直径が1〜2nmほどのものに対しては、吸着物に対して十分大きな直径を有するCNTを用いないとCNT内部を利用することが困難となる。また、CNTをバンドル化させたとしても、バンドル間の空間に吸着物が入り込むことができないため、CNT外部を有効に利用することができない。このため、直径の大きな吸着物に対しては、CNTをバンドル化させることは有効な手段とは考えてこられなかった。以上より、特に吸着物の直径がCNT径程度に大きなものに対しては、バンドル化せずに、CNT径、及びCNT間隔を所定の値に制御する必要があると考えられてきた。   However, for example, if the adsorbate is a solvated ion and has a diameter of about 1 to 2 nm, it is difficult to use the inside of the CNT without using a CNT having a sufficiently large diameter with respect to the adsorbate. Become. Moreover, even if the CNTs are bundled, the adsorbate cannot enter the space between the bundles, so that the outside of the CNTs cannot be used effectively. For this reason, bundling CNTs for adsorbents with a large diameter has not been considered an effective means. From the above, it has been considered that it is necessary to control the CNT diameter and the CNT interval to predetermined values without bundling, particularly for the adsorbate having a diameter as large as the CNT diameter.

図5に、吸着物と被吸着物の相対関係を示す。吸着物の直径をD1とした場合、CNT外部に限れば、図5に示すように、CNT間の間隔が2×D1程度となる場合にCNT表面積利用効率が高くなると考えられる。ここでCNT間の間隔は、図5(a)に示すように、CNT最外部の間隔と定義している。   FIG. 5 shows the relative relationship between the adsorbate and the adsorbate. When the diameter of the adsorbate is D1, if it is limited to the outside of the CNT, it is considered that the CNT surface area utilization efficiency is increased when the interval between the CNTs is about 2 × D1, as shown in FIG. Here, the interval between the CNTs is defined as the outermost interval between the CNTs as shown in FIG.

また、図6にCNT間隔を一定に保った場合における、CNT直径と、CNT表面積/基板単位面積の比との関係を表すグラフを示す。表面積導出に際しては、垂直配向したブラシ状CNTを基板上に三方最密に配置すると仮定し、CNT直径をパラメータとした。   FIG. 6 is a graph showing the relationship between the CNT diameter and the ratio of the CNT surface area / substrate unit area when the CNT interval is kept constant. In deriving the surface area, it was assumed that vertically aligned brush-like CNTs were arranged on the substrate in the three-way closest manner, and the CNT diameter was used as a parameter.

図6より、CNT直径がCNT間隔と同一の場合に、CNT表面積/基板単位面積の比が最大となることがわかる。例えば、前記のようにCNT間隔が2×D1程度となる場合は、CNT直径も2×D1程度となる場合に表面積が最大になるといえる。しかしながら、CNT内部はCNT外部と比べて曲率が大きく、吸着物の直径を考えると、そのままではすべての表面積を有効に利用することができないと考えられる。このため、図7に示すようにCNT直径は3×D1程度以上となることが望ましいと考えられてきた。
特開2004−96173号公報 特開2004−142365号公報 特開2005−185950号公報
FIG. 6 shows that the ratio of CNT surface area / substrate unit area is maximized when the CNT diameter is the same as the CNT interval. For example, when the CNT interval is about 2 × D1 as described above, it can be said that the surface area is maximized when the CNT diameter is also about 2 × D1. However, the inside of the CNT has a larger curvature than the outside of the CNT, and considering the diameter of the adsorbate, it is considered that the entire surface area cannot be used effectively as it is. For this reason, it has been considered that the CNT diameter is desirably about 3 × D1 or more as shown in FIG.
JP 2004-96173 A JP 2004-142365 A JP 2005-185950 A

前述のように、吸着物の直径に適したCNT直径、CNT間隔で単一のCNTを配置することで、表面積の向上を実現することが可能である。   As described above, the surface area can be improved by arranging single CNTs at a CNT diameter and CNT interval suitable for the adsorbate diameter.

ところで、前述の記載ではCNT内部を利用することを前提としていたが、合成直後のCNTは一般的にキャップ構造で閉じているため、CNT内部を利用するためには、CNTの一部を開口する必要がある。開口方法としては、熱処理を行う方法、酸を用いる方法など既知の方法を用いることができるが、いずれにせよ、CNTの合成後に余分な工程を行なう必要があった。このため、コスト増を招く課題が存在した。   By the way, in the above description, it was assumed that the inside of the CNT was used. However, since the CNT immediately after synthesis is generally closed with a cap structure, in order to use the inside of the CNT, a part of the CNT is opened. There is a need. As the opening method, a known method such as a heat treatment method or a method using an acid can be used, but in any case, an extra step has to be performed after the synthesis of CNTs. For this reason, the subject which raises a cost existed.

また、CNTの開口処理は、合成されたCNTの品質などによって大きく異なり、CNTの合成条件ごとに開口条件を定めなければならず煩雑であるといった課題が存在した。熱処理による開口処理に限って言えば、ある閾値以上の温度で急速にCNTの開口がはじまるため、一定温度以上の負荷を与えてしまうと、CNTが燃えてなくなってしまうということも頻繁におきていた。   In addition, the opening process of CNTs varies greatly depending on the quality of the synthesized CNTs and the like, and there is a problem that opening conditions have to be determined for each CNT synthesis condition. As far as opening processing by heat treatment is concerned, since the opening of CNTs starts rapidly at a temperature above a certain threshold, if a load above a certain temperature is applied, the CNTs will often not burn. It was.

さらに単一のCNT、特に単層CNTは、合成後電解液に浸した際などにその形状が変形しまうことが多いと言われている。この場合、図8(b)に示すように、吸着物の直径より一部が小さくなるようにCNTが変形してしまった場合に、仮に開口したとしてもCNT内部に吸着物を導入することが困難となるため、その表面積を大きくすることができないといった課題、および形状が変形する際に応力がかかり、CNTが基板から外れてしまうといった課題が存在した。   Furthermore, it is said that the shape of a single CNT, particularly a single-walled CNT, is often deformed when immersed in an electrolytic solution after synthesis. In this case, as shown in FIG. 8 (b), when the CNT is deformed so that a part thereof is smaller than the diameter of the adsorbate, the adsorbate can be introduced into the CNT even if it is opened. There are problems that the surface area cannot be increased because of difficulty, and that stress is applied when the shape is deformed, and the CNT is detached from the substrate.

以上の理由から、開口処理を行なうことなく、すなわちCNTの内表面を利用することなく、表面積を向上させることのできる構造、および外部の影響に対して安定な構造が必要とされていた。   For these reasons, there has been a need for a structure that can improve the surface area without performing an opening process, that is, without using the inner surface of the CNT, and a structure that is stable against external influences.

そこで本発明は、開口処理を行なうことなく表面積を大きくすることができ、かつ、構造上安定であるカーボンナノチューブ・バンドルおよびカーボンナノチューブ構造体を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a carbon nanotube bundle and a carbon nanotube structure which can increase the surface area without performing an opening treatment and are structurally stable.

本発明は前記従来の課題を解決するためになされたものであり、複数本のカーボンナノチューブをバンドル化してなるカーボンナノチューブ・バンドルであって、下記関係式(1)及び(2)を満足する円Aが存在するように、前記バンドルの構造及び前記バンドルを形成するカーボンナノチューブの本数が構成されていることを特徴とするカーボンナノチューブ・バンドルである。
S1<S2 (1)
L1>2×L2 (2)
式中、S1は、前記バンドルの軸方向に対して垂直な平面で当該バンドルを切断した際に、その切断面の面積を表し、L1は、前記切断面の外周長さを表し、S2は、前記円Aの面積を表し、L2は、前記円Aの円周長さを表す。
The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and is a carbon nanotube bundle formed by bundling a plurality of carbon nanotubes, and satisfies the following relational expressions (1) and (2): The carbon nanotube bundle is characterized in that the structure of the bundle and the number of carbon nanotubes forming the bundle are configured so that A exists.
S1 <S2 (1)
L1> 2 × L2 (2)
In the formula, S1 represents the area of the cut surface when the bundle is cut in a plane perpendicular to the axial direction of the bundle, L1 represents the outer peripheral length of the cut surface, and S2 is The area of the circle A is represented, and L2 represents the circumferential length of the circle A.

ここで、円Aとは、比較対象となる孤立CNTの断面を表すものである。すなわち、前記式(1)及び(2)の意義は、比較対象である孤立CNTの断面積S2よりも本発明のCNTバンドルの断面積S1のほうが小さいにも関わらず、前記孤立CNTの断面の円周長さL2の2倍(すなわち孤立CNTの内表面積及び外表面積の合計)よりも、本発明のCNTバンドルの断面の外周長さL1(すなわちCNTバンドルの外表面積)のほうが大きいという点にある。   Here, the circle A represents a cross section of an isolated CNT to be compared. That is, the significance of the equations (1) and (2) is that the cross-sectional area S1 of the CNT bundle of the present invention is smaller than the cross-sectional area S2 of the isolated CNT to be compared, but the cross-sectional area of the isolated CNT is The outer peripheral length L1 (that is, the outer surface area of the CNT bundle) of the cross section of the CNT bundle of the present invention is larger than twice the circumferential length L2 (that is, the sum of the inner surface area and outer surface area of the isolated CNT). is there.

このような条件を満足する円Aが存在する場合において、円Aに相当する断面を持ち、かつ開口処理が施されている孤立CNTの代わりに、本発明のCNTバンドルを使用することによって、当該バンドルに開口処理を施さずとも、CNT表面積の向上を達成することができる。ただし、本発明のCNTバンドルと孤立CNTの長さが同一であることを前提にする。   In the case where there is a circle A that satisfies such a condition, by using the CNT bundle of the present invention instead of the isolated CNT having a cross section corresponding to the circle A and subjected to opening treatment, An increase in CNT surface area can be achieved without subjecting the bundle to an opening treatment. However, it is assumed that the lengths of the CNT bundle of the present invention and the isolated CNT are the same.

より具体的に述べると、式(1)のS1<S2を満たすことで、単位体積あたりに含まれるバンドル数(比較対象の孤立CNTに関してはCNT数)を増加させることができるので、単位面積あたりのCNT表面積を向上させることができる。さらに、式(2)のL1>2×L2を満たすことによって、開口処理をしていないCNTバンドル1つの外表面積のほうが、比較対象である開口処理を施した孤立CNT1本の内表面積及び外表面積の合計よりも大きくなるので、開口処理をしなくても表面積の大きなCNTを提供することが可能となる。   More specifically, by satisfying S1 <S2 in equation (1), the number of bundles contained per unit volume (the number of CNTs for the isolated CNT to be compared) can be increased. CNT surface area can be improved. Furthermore, by satisfying L1> 2 × L2 in the formula (2), the outer surface area of one CNT bundle that has not been subjected to opening treatment is the inner surface area and outer surface area of one isolated CNT subjected to opening treatment as a comparison target. Therefore, it is possible to provide a CNT having a large surface area without performing an opening process.

また、バンドル化することによって、孤立CNTの場合と比較して外部の影響を受けにくく、構造上安定なCNTを提供することができる。   In addition, by forming a bundle, it is possible to provide a structurally stable CNT that is less susceptible to external influences than an isolated CNT.

なお、開口処理をせず構造上安定であるメリットを考えれば、L1>2×L2を完全に満たさなくても本発明の効果を得ることができる。少なくともL1>L2を満たせば、従来の孤立CNTの外表面積以上の面積を得ることが可能である。この場合は、孤立CNTの内表面積と外表面積の合計よりも、CNTバンドルの外表面積が大きくなるという効果を得ることはできないが、構造上安定である効果を得ることができる。   Note that the advantages of the present invention can be obtained even if L1> 2 × L2 is not completely satisfied, considering the merit of being structurally stable without performing the opening process. If at least L1> L2 is satisfied, an area larger than the outer surface area of the conventional isolated CNT can be obtained. In this case, the effect that the outer surface area of the CNT bundle becomes larger than the sum of the inner surface area and the outer surface area of the isolated CNT cannot be obtained, but an effect that is structurally stable can be obtained.

また、CNTバンドル全体が上記条件を満たす必要はなく、CNTバンドルの一部において上記条件を満たすバンドルが含まれていれば表面積向上を実現することが可能である。   Further, it is not necessary for the entire CNT bundle to satisfy the above condition, and it is possible to realize an improvement in surface area if a bundle satisfying the above condition is included in a part of the CNT bundle.

CNTバンドルの構造としては、三方最密構造、正方最密構造などが挙げられるが、これらに限られるものではない。表面積向上の効果が特に著しいので、三方最密構造が最も好ましい。ここで三方最密構造とは、図1(a)のように隣接する3つの円の中心が正三角形を形成する構造をいい、正方最密構造とは、図11のように隣接する4つの円の中心が正方形を形成する構造をいう。   Examples of the structure of the CNT bundle include a three-way close-packed structure and a square close-packed structure, but are not limited thereto. Since the effect of improving the surface area is particularly remarkable, a three-way close-packed structure is most preferable. Here, the three-way close-packed structure means a structure in which the centers of three adjacent circles form an equilateral triangle as shown in FIG. 1A, and the square close-packed structure means four adjacent ones as shown in FIG. A structure in which the center of a circle forms a square.

また、すべて同じ直径のCNTがバンドルする必要はなく、異なる直径のCNTがバンドルしていても問題はない。また、CNTの層数は問わないが、単層のCNTであってよい。   Moreover, it is not necessary to bundle CNTs having the same diameter, and there is no problem even if CNTs having different diameters are bundled. Further, the number of CNT layers is not limited, but single-walled CNTs may be used.

前記バンドルを形成するCNTの本数については、CNTバンドルの構造に応じて簡単に算出することができる。後述のように、三方最密構造においては13本以上、正方最密構造において14本以上である。   The number of CNTs forming the bundle can be easily calculated according to the structure of the CNT bundle. As will be described later, there are 13 or more in the three-way close-packed structure and 14 or more in the square close-packed structure.

本発明においては、前記円Aは、さらに下記関係式(3)をも満足することが好ましい。
Y1≦0.25Y2 (3)
式中、Y1は、前記バンドルを形成するカーボンナノチューブの平均直径を表し、Y2は前記円Aの直径を表す。
In the present invention, it is preferable that the circle A further satisfies the following relational expression (3).
Y1 ≦ 0.25Y2 (3)
In the formula, Y1 represents the average diameter of the carbon nanotubes forming the bundle, and Y2 represents the diameter of the circle A.

このようにバンドルを形成する個々のCNTの平均直径が前記円Aの直径(比較対象である孤立CNTの直径)よりもかなり低いものである場合において、表面積の向上という本発明の効果をより効率的に達成することができる。   Thus, when the average diameter of the individual CNTs forming the bundle is considerably lower than the diameter of the circle A (the diameter of the isolated CNT to be compared), the effect of the present invention of increasing the surface area is more efficient. Can be achieved.

なお、前記式(3)における数値0.25は、三方最密構造及び正方最密構造に関して理論的に算出された値である。この点については後述する。   In addition, numerical value 0.25 in said Formula (3) is a value calculated theoretically regarding a three-way close-packed structure and a square close-packed structure. This point will be described later.

CNTの直径はおおよそ0.7nm以上、100nm以下であるから、前記式(3)を満たす範囲では、0.7≦Y1≦100×0.25であり、かつ2.8≦Y2≦100である。   Since the diameter of the CNT is approximately 0.7 nm or more and 100 nm or less, 0.7 ≦ Y1 ≦ 100 × 0.25 and 2.8 ≦ Y2 ≦ 100 in the range satisfying the formula (3). .

本発明の具体的な態様として、複数本のカーボンナノチューブをバンドル化してなるカーボンナノチューブ・バンドルであって、前記バンドルの構造が三方最密構造であり、かつバンドルを形成するカーボンナノチューブの本数が13本以上であることを特徴とするカーボンナノチューブ・バンドルが挙げられる。   A specific embodiment of the present invention is a carbon nanotube bundle formed by bundling a plurality of carbon nanotubes, wherein the bundle has a three-way close-packed structure, and the number of carbon nanotubes forming the bundle is 13 The carbon nanotube bundle characterized by being more than this is mentioned.

この構成によって、上述した本発明の効果を、三方最密構造という安定なバンドル構造において効率よく達成することが可能となる。カーボンナノチューブの本数の上限については、特に限定されないが、おおよそ100本程度以下と考えられる。   With this configuration, the above-described effects of the present invention can be efficiently achieved in a stable bundle structure called a three-way close-packed structure. The upper limit of the number of carbon nanotubes is not particularly limited, but is considered to be about 100 or less.

本発明の別の具体的な態様として、複数本のカーボンナノチューブをバンドル化してなるカーボンナノチューブ・バンドルであって、前記バンドルの構造が正方最密構造であり、かつバンドルを形成するカーボンナノチューブの本数が14本以上であることを特徴とするカーボンナノチューブ・バンドルが挙げられる。   Another specific aspect of the present invention is a carbon nanotube bundle formed by bundling a plurality of carbon nanotubes, wherein the bundle has a square close-packed structure and the number of carbon nanotubes forming the bundle Is a carbon nanotube bundle characterized by having 14 or more.

この構成によって、上述した本発明の効果を、正方最密構造という安定なバンドル構造において効率よく達成することが可能となる。カーボンナノチューブの本数の上限については、特に限定されないが、おおよそ100本程度以下と考えられる。   With this configuration, the above-described effects of the present invention can be efficiently achieved in a stable bundle structure called a square close-packed structure. The upper limit of the number of carbon nanotubes is not particularly limited, but is considered to be about 100 or less.

また、本発明において、前記カーボンナノチューブは金属性カーボンナノチューブであることが好ましい。   In the present invention, the carbon nanotube is preferably a metallic carbon nanotube.

これによって、電子伝導性を高めることができ、CNTを電極などに用いることが可能となる。なお、すべてのCNTが金属性である必要はない。一般的にCNTは、カイラリティの違いにより半導体性、金属性の両特性を示し、半導体性と金属性を示す割合は、確率的に2:1であることが知られている。この比率(1/3)以上の金属性CNTで構成されることで、通常の場合と比較してより上記効果を得ることができる。   As a result, electron conductivity can be increased, and CNTs can be used for electrodes and the like. Note that not all CNTs need to be metallic. In general, CNTs are known to exhibit both semiconducting and metallic properties due to differences in chirality, and the ratio of semiconducting and metallic properties is known to be 2: 1 stochastically. By comprising metallic CNTs with this ratio (1/3) or more, the above effect can be obtained more than in the normal case.

また、本発明において、前記複数本のカーボンナノチューブの少なくとも1部が、互いに、電気的に導通していることが好ましい。   In the present invention, it is preferable that at least a part of the plurality of carbon nanotubes are electrically connected to each other.

これによって、例えば基板から一部のCNTが剥れているなど、CNTの導電性が一部失われている状態でも、他のCNTを介して電子伝導を保つことが可能となり、すべてのCNT表面積を有効に利用することができる。   This makes it possible to maintain electronic conduction through other CNTs even when the CNT conductivity is partially lost, such as when some CNTs are peeled off from the substrate. Can be used effectively.

更なる本発明は、基板と、前記カーボンナノチューブ・バンドルとからなる構造体であって、前記バンドルは、その軸方向が前記基板に対して垂直な方向に配向しており、かつ前記バンドルは、前記基板上に、所定間隔で複数配置されている、ことを特徴とする構造体である。   Further, the present invention is a structure comprising a substrate and the carbon nanotube bundle, wherein the bundle has an axial direction oriented in a direction perpendicular to the substrate, and the bundle includes: A plurality of structures are arranged on the substrate at predetermined intervals.

前述したCNTバンドルが基板上に垂直配向することによって、基板単位面積あたりのCNT表面積を効率よく向上させることができる。また、当該バンドルを所定の間隔で配置することによって、バンドル外面の表面積を有効に利用することができる。   When the CNT bundle described above is vertically aligned on the substrate, the CNT surface area per unit area of the substrate can be efficiently improved. Moreover, the surface area of a bundle outer surface can be utilized effectively by arrange | positioning the said bundle at a predetermined space | interval.

なお、CNTバンドルの垂直配向とは基板に対して厳密に垂直であることを意味するものではなく、CNTバンドルの一端が基板に対して直接的又は間接的に固定されており、他端が基板から遊離していればよい。しかし、垂直に近い状態で配置されるほうが、表面積をより向上させることが可能になる。   The vertical alignment of the CNT bundle does not mean that the CNT bundle is strictly perpendicular to the substrate. One end of the CNT bundle is fixed directly or indirectly to the substrate, and the other end is the substrate. It only has to be free from. However, it is possible to further improve the surface area when arranged in a state close to vertical.

また、CNTバンドル間の所定の間隔とは、当該構造体が対象とする吸着物が当該バンドルに容易に接近できるような間隔であればよく、先述のように、吸着物の直径の2倍程度もしくはそれ以上であることが好ましい。一方、所定の間隔が広すぎると、基板単位面積あたりのCNT表面積が低下するので、この観点も考慮しつつ適切な間隔を決定すればよい。具体的には、2〜10nm程度の間隔を例示できる。   Further, the predetermined interval between the CNT bundles may be an interval that allows the adsorbate targeted by the structure to easily approach the bundle, and as described above, about twice the diameter of the adsorbate. Or more than that is preferable. On the other hand, if the predetermined interval is too wide, the CNT surface area per unit unit area of the substrate is reduced. Therefore, an appropriate interval may be determined in consideration of this viewpoint. Specifically, an interval of about 2 to 10 nm can be exemplified.

当該発明の具体的態様を図10において図示している。本発明は、例えば特許文献3のように孤立カーボンナノチューブを所定の間隔を空けて林立させている構造体において、孤立カーボンナノチューブの代わりに、前記カーボンナノチューブ・バンドルを使用することによって、表面積の向上、及び構造上の安定を図ったものである。   A specific embodiment of the invention is illustrated in FIG. The present invention improves the surface area by using the carbon nanotube bundle in place of the isolated carbon nanotubes in a structure in which isolated carbon nanotubes are erected at a predetermined interval as in Patent Document 3, for example. And structural stability.

本発明では、バンドルを構成する各カーボンナノチューブは、その遊離端において、開口処理が施されていないものであることが好ましい。これによって、上述した、開口処理時の条件を検討する際の煩雑さや、外力によるCNT形状の変形の問題、基板からのCNTの剥落の問題などを回避することができる。また、開口処理が施されていなくとも、当該バンドルの特性によって向上した表面積を達成することができる。   In the present invention, it is preferable that each carbon nanotube constituting the bundle is not subjected to opening treatment at the free end thereof. As a result, it is possible to avoid the above-described complexity when examining the conditions during the opening process, the problem of deformation of the CNT shape due to external force, and the problem of CNT peeling off from the substrate. Further, even if no opening treatment is performed, an improved surface area can be achieved due to the properties of the bundle.

また、本発明において、前記基板は、導電性を有することが好ましい。   Moreover, in this invention, it is preferable that the said board | substrate has electroconductivity.

これによって、基板をそのまま電極に用いることができ、デバイス応用が可能となる。導電性を有する材料としてはアルミニウム、銅、ステンレス、導電性シリコンなどを挙げることができるが、これらの材料に限られるものではない。   Thereby, the substrate can be used as an electrode as it is, and device application becomes possible. Examples of the conductive material include aluminum, copper, stainless steel, and conductive silicon, but are not limited to these materials.

また、本発明において、前記カーボンナノチューブ・バンドルは、前記基板と電気的に導通していることが好ましい。   In the present invention, it is preferable that the carbon nanotube bundle is electrically connected to the substrate.

これによって、CNTバンドルと基板を一体化して電極に用いることが可能である。   Thus, the CNT bundle and the substrate can be integrated and used for the electrode.

また、本発明において、前記基板は、厚みが100μm以下であることが好ましい。   In the present invention, the substrate preferably has a thickness of 100 μm or less.

これによって、基板を湾曲させやすくすることが可能となり、捲回型デバイスなどへの応用が容易となる。   As a result, the substrate can be easily bent and applied to a wound device or the like.

さらには、前記基板は、厚みが50μm以下であることが好ましい。   Furthermore, the substrate preferably has a thickness of 50 μm or less.

これによって、さらに基板を湾曲させやすくすることが可能である。   As a result, the substrate can be further easily bent.

本発明では、開口処理をすることがなくても、その表面積を増大させ、構造上安定であるカーボンナノチューブ・バンドルおよびカーボンナノチューブ構造体を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a carbon nanotube bundle and a carbon nanotube structure that are increased in surface area and structurally stable without performing an opening treatment.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。まず、同一の直径を有する円筒状のCNTが三方最密構造にバンドルしている場合について説明する。なお、本発明においては、異なる直径のCNTがバンドル化していても問題はない。また、完全に三方最密構造となっていなくても、条件を満たすようにバンドル化していれば問題ない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. First, a case where cylindrical CNTs having the same diameter are bundled in a three-way close-packed structure will be described. In the present invention, there is no problem even if CNTs having different diameters are bundled. Even if the three-way close-packed structure is not perfect, there is no problem as long as it is bundled to satisfy the conditions.

図1に本発明の1つである三方最密構造にバンドル化したCNT(図1(a))の断面と、従来における孤立CNT(図1(b))の断面とを比較した図を示す。本発明では図1(a)に示すようなバンドル化したCNTを用いて表面積の向上および構造安定化を図る。構造安定化については、複数のCNTが互いに支え合うことによって応力などに強い構造を提供できる。以下、表面積向上について説明する。   FIG. 1 shows a comparison of the cross section of a CNT bundled in a three-way close-packed structure (FIG. 1 (a)), which is one of the present invention, and the cross section of a conventional isolated CNT (FIG. 1 (b)). . In the present invention, the surface area is increased and the structure is stabilized by using bundled CNTs as shown in FIG. Regarding structural stabilization, a structure resistant to stress and the like can be provided by supporting a plurality of CNTs with each other. Hereinafter, the surface area improvement will be described.

図2にカーボンナノチューブのバンドル(図2(a)(b))および孤立した1本のカーボンナノチューブ(図2(c)(d))の斜視図、及び軸方向に対して垂直な平面における断面図を示す。なお、本発明では、孤立した一本のカーボンナノチューブの断面を、円Aに置き換えている。   FIG. 2 is a perspective view of a bundle of carbon nanotubes (FIGS. 2A and 2B) and an isolated carbon nanotube (FIGS. 2C and 2D), and a cross section in a plane perpendicular to the axial direction. The figure is shown. In the present invention, the cross section of one isolated carbon nanotube is replaced with a circle A.

図3(a)〜(f)にカーボンナノチューブの直径Y、外周長L、及び面積Sを説明する図を示す。それぞれ外周長Lは図3中太線で示した。また面積Sは、網線で示した。   3A to 3F are views for explaining the diameter Y, the outer peripheral length L, and the area S of the carbon nanotube. The outer peripheral length L is indicated by a thick line in FIG. The area S is indicated by a mesh line.

本発明の1つである三方最密構造にバンドル化したCNTの1本の直径をY1、バンドル数をkとしたとき、L1、S1は以下の式で表すことができる。
L1=(1+k/2)πY1
S1=πkY1/4+(√3−π/2)(k−2)Y1/4
次に、比較対象である孤立した1本のCNTの断面(すなわち円A)の直径をY2としたとき、L2、S2は以下の式で表すことができる。
L2=πY2
S2=πY2/4
ここでは、本発明に関する前記関係式(1)及び(2)を満たすような円Aが存在し得ることを示す。なお、簡単のためCNTの長さはすべて同じと仮定した。
When the diameter of one CNT bundled into a three-way close-packed structure, which is one of the present invention, is Y1, and the number of bundles is k, L1 and S1 can be expressed by the following equations.
L1 = (1 + k / 2) πY1
S1 = πkY1 2/4 + ( √3-π / 2) (k-2) Y1 2/4
Next, when the diameter of the cross section (that is, the circle A) of one isolated CNT to be compared is Y2, L2 and S2 can be expressed by the following equations.
L2 = πY2
S2 = πY2 2/4
Here, it is shown that there may exist a circle A that satisfies the relational expressions (1) and (2) related to the present invention. For simplicity, it is assumed that the lengths of the CNTs are all the same.

図4に、前記関係式(1)及び(2)を満たす場合の、バンドル数kとY1/Y2との関係を示す(k≦40で図示)。図4中、▲で示したラインはS1=S2を表し、このラインより下の領域では関係式(1):S1<S2が満たされる。また、×で示したラインはL1=2×L2を表し、このラインより上の領域で関係式(2):L1>2×L2が満たされる。以上より、斜線で示した領域が前記関係式(1)及び(2)双方を満たす範囲である。すなわち図4より、バンドル数を13本以上に設定すると、前記関係式(1)及び(2)双方を満足する円Aが存在することになる。同じく図4より、円Aが存在する場合にはY1/Y2の比は0.25以下となるが、CNTの直径Y1がおおよそ0.7nm以上であることを考慮すると、円Aの直径であるY2は2.8nm以上となる。   FIG. 4 shows the relationship between the number of bundles k and Y1 / Y2 when the relational expressions (1) and (2) are satisfied (illustrated as k ≦ 40). In FIG. 4, the line indicated by ▲ represents S1 = S2, and the region below this line satisfies the relational expression (1): S1 <S2. The line indicated by x represents L1 = 2 × L2, and the relational expression (2): L1> 2 × L2 is satisfied in the region above this line. As mentioned above, the area | region shown with the oblique line is the range which satisfy | fills both the said relational expressions (1) and (2). That is, as shown in FIG. 4, when the number of bundles is set to 13 or more, there exists a circle A that satisfies both the relational expressions (1) and (2). Similarly, from FIG. 4, when the circle A exists, the ratio of Y1 / Y2 is 0.25 or less, but considering that the diameter Y1 of the CNT is approximately 0.7 nm or more, it is the diameter of the circle A. Y2 is 2.8 nm or more.

次の表1〜表3では、それぞれY2の値を2nm、3nm、又は4nmと仮定した場合の、Y1の範囲、表面積比の範囲、及び条件の成立不成立について記載する。表1〜表3の導出にあたっては、CNTの直径がおおよそ0.7nm以上であることから、Y1>0.7nmの条件を付加した。表中、表面積比の記載は、バンドル化したCNTの外表面積/比較対象である孤立した1本のCNTの内表面積と外表面積の合計、である。   In the following Tables 1 to 3, the Y1 range, the surface area ratio range, and the establishment / absence of the condition when the value of Y2 is assumed to be 2 nm, 3 nm, or 4 nm are described. In derivation of Tables 1 to 3, the condition of Y1> 0.7 nm was added since the diameter of CNT was approximately 0.7 nm or more. In the table, the description of the surface area ratio is the outer surface area of the bundled CNTs / the total of the inner surface area and the outer surface area of one isolated CNT to be compared.

Figure 2009023881
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Figure 2009023881
Figure 2009023881

Figure 2009023881
表1より、比較用単一カーボンナノチューブの直径(円Aの直径Y2)が2nmの場合は、すべてのバンドル数において条件を満たさないことがわかる。
Figure 2009023881
From Table 1, it can be seen that when the diameter of the single carbon nanotube for comparison (diameter Y2 of the circle A) is 2 nm, the condition is not satisfied in all the bundle numbers.

表2より、比較用単一カーボンナノチューブの直径が3nmの場合は、バンドル数k=13からk=17の範囲で条件を満足することがわかる。Y1=0.7nmの場合、バンドル数k=17において表面積比が13%向上することが確認できる。   From Table 2, it can be seen that when the diameter of the comparative single carbon nanotube is 3 nm, the condition is satisfied in the range of the bundle number k = 13 to k = 17. In the case of Y1 = 0.7 nm, it can be confirmed that the surface area ratio is improved by 13% at the bundle number k = 17.

表3より、比較用単一カーボンナノチューブの直径が4nmの場合は、バンドル数k=13からk=31の範囲で条件を満足することがわかる。Y1=0.7nmの場合、バンドル数k=31において表面積比が45%向上することが確認できる。   From Table 3, it can be seen that when the diameter of the comparative single carbon nanotube is 4 nm, the condition is satisfied in the range of the bundle number k = 13 to k = 31. In the case of Y1 = 0.7 nm, it can be confirmed that the surface area ratio is improved by 45% at the bundle number k = 31.

次に、同一の直径を有する円筒状のCNTが正方最密構造にバンドル化している場合について説明する。なお、本発明においては、異なる直径のCNTがバンドル化していても問題はない。また、完全に正方最密構造となっていなくても、条件を満たすようにバンドル化していれば問題ない。   Next, a case where cylindrical CNTs having the same diameter are bundled in a square close-packed structure will be described. In the present invention, there is no problem even if CNTs having different diameters are bundled. Moreover, even if it is not a square close-packed structure, there is no problem as long as it is bundled so as to satisfy the conditions.

図11では、本発明における正方最密構造にバンドル化したCNTの断面図を示す。   FIG. 11 shows a cross-sectional view of CNTs bundled in a square close-packed structure in the present invention.

正方最密構造にバンドル化したCNTの1本の直径をY1、バンドル数をkとしたとき、L1、S1は以下の式で表すことができる。
L1=(1+k/2)πY1
S1=πkY1/4+(4−π)(k−2)Y1/8
比較対象である孤立した1本のCNTの断面(すなわち円A)の直径をY2としたとき、L2、S2は上述した式で表すことができる。
When the diameter of one CNT bundled in a square close-packed structure is Y1 and the number of bundles is k, L1 and S1 can be expressed by the following equations.
L1 = (1 + k / 2) πY1
S1 = πkY1 2/4 + ( 4-π) (k-2) Y1 2/8
When the diameter of the cross section (that is, the circle A) of one isolated CNT to be compared is Y2, L2 and S2 can be expressed by the above-described equations.

次に、本発明に関する前記関係式(1)及び(2)を満たすような円Aが存在し得ることを示す。なお、簡単のためCNTの長さはすべて同じと仮定した。   Next, it is shown that there can exist a circle A that satisfies the relational expressions (1) and (2) related to the present invention. For simplicity, it is assumed that the lengths of the CNTs are all the same.

図12に、前記関係式(1)及び(2)を満たす場合の、バンドル数kとY1/Y2との関係を示す(k≦40で図示)。図12中、▲で示したラインはS1=S2を表し、×で示したラインはL1=2×L2を表し、斜線で示した領域が前記関係式(1)及び(2)双方を満たす範囲である。すなわち図12より、バンドル数を14本以上に設定すると、前記関係式(1)及び(2)双方を満足する円Aが存在することになる。同じく図12より、円Aが存在する場合にはY1/Y2の比は0.25以下となるが、CNTの直径はおおよそ0.7nm以上であることを考慮すると、円Aの直径であるY2は2.8nm以上となる。   FIG. 12 shows the relationship between the number of bundles k and Y1 / Y2 when the relational expressions (1) and (2) are satisfied (illustrated as k ≦ 40). In FIG. 12, the line indicated by ▲ represents S1 = S2, the line indicated by × represents L1 = 2 × L2, and the area indicated by the oblique lines satisfies both the relational expressions (1) and (2). It is. That is, from FIG. 12, when the number of bundles is set to 14 or more, there exists a circle A that satisfies both the relational expressions (1) and (2). Similarly, from FIG. 12, when the circle A exists, the ratio of Y1 / Y2 is 0.25 or less, but considering that the diameter of the CNT is approximately 0.7 nm or more, Y2 which is the diameter of the circle A Becomes 2.8 nm or more.

次の表4〜表6では、それぞれY2の値を2nm、3nm、又は4nmと仮定した場合の、Y1の範囲、表面積比の範囲、及び条件の成立不成立について記載する。上記と同様、Y1>0.7nmの条件を付加した。表中、表面積比の記載は、バンドル化したCNTの外表面積/比較対象である孤立した1本のCNTの内表面積と外表面積の合計、である。   In the following Tables 4 to 6, the Y1 range, the surface area ratio range, and the establishment / absence of the condition when the value of Y2 is assumed to be 2 nm, 3 nm, or 4 nm are described. As above, the condition of Y1> 0.7 nm was added. In the table, the description of the surface area ratio is the outer surface area of the bundled CNTs / the total of the inner surface area and the outer surface area of one isolated CNT to be compared.

Figure 2009023881
Figure 2009023881

Figure 2009023881
Figure 2009023881

Figure 2009023881
表4より、比較用単一カーボンナノチューブの直径(円Aの直径Y2)が2nmの場合は、すべてのバンドル数において条件を満たさないことがわかる。
Figure 2009023881
From Table 4, it can be seen that when the diameter of the single carbon nanotube for comparison (diameter Y2 of the circle A) is 2 nm, the condition is not satisfied in all the bundle numbers.

表5より、Y2が3nmの場合は、バンドル数k=14からk=16の範囲で条件を満足することがわかる。Y1=0.7nmの場合、バンドル数k=16において表面積比が6%向上することが確認できる。   From Table 5, it can be seen that when Y2 is 3 nm, the condition is satisfied in the range of the bundle number k = 14 to k = 16. In the case of Y1 = 0.7 nm, it can be confirmed that the surface area ratio is improved by 6% at the bundle number k = 16.

表6より、Y2が4nmの場合は、バンドル数k=14からk=28の範囲で条件を満足することがわかる。Y1=0.7nmの場合、バンドル数k=28において表面積比が34%向上することが確認できる。   From Table 6, it can be seen that when Y2 is 4 nm, the condition is satisfied in the range of the bundle number k = 14 to k = 28. In the case of Y1 = 0.7 nm, it can be confirmed that the surface area ratio is improved by 34% at the bundle number k = 28.

以上より、本発明は特に吸着物の直径が大きい場合、すなわち従来であればCNT内部の表面積をも有効利用するためにCNT断面の直径を大きくしていた領域(2.8nm以上)において表面積向上の効果が達成されることがわかった。図7に示したように、従来であれば吸着物の直径と比較して3倍程度の直径を有するCNTを合成していたことを考えれば、吸着物の直径が1nm以上の領域において大きな効果を得ることができるといえる。 また、本発明は前述の通り、開口処理を行っていない分、プロセス的に安定であるといった効果を有しており、さらには、複数のCNTがバンドル化しているため、構造的に安定であるという効果を有する。   As described above, the present invention improves the surface area particularly in the case where the diameter of the adsorbate is large, that is, in the region where the diameter of the CNT cross section has been increased in order to effectively use the surface area inside the CNT (2.8 nm or more). It was found that the effect of was achieved. As shown in FIG. 7, considering that CNTs having a diameter approximately three times that of the adsorbate were synthesized in the past, a large effect was obtained in the region where the adsorbate diameter was 1 nm or more. It can be said that can be obtained. In addition, as described above, the present invention has an effect that the process is stable because the opening process is not performed. Furthermore, since a plurality of CNTs are bundled, the structure is stable. It has the effect.

なお、CNTの直径や、CNTバンドルの外周長、及び面積はTEMなどの手段を用いて評価することができる。例えば、TEM撮影写真から直径、外周長、及び面積を導出し、本発明の効果を確認することが可能である。
(実施の形態)
本実施の形態では、本発明のカーボンナノチューブ構造体の基本的な形態を示す。以下、製造プロセスに沿って、詳細な実施の形態を示す。図9に本実施の形態のフロー図を示す。
In addition, the diameter of CNT, the outer peripheral length of a CNT bundle, and an area can be evaluated using means, such as TEM. For example, the diameter, outer peripheral length, and area can be derived from a TEM photograph to confirm the effect of the present invention.
(Embodiment)
In this embodiment, a basic form of the carbon nanotube structure of the present invention is shown. Hereinafter, detailed embodiments will be described along the manufacturing process. FIG. 9 shows a flowchart of the present embodiment.

901は基板準備工程である。基板には何を用いてもよいが、導電性を有するものが好ましい。また、基板の厚みは100μm以下、さらには50μm以下であることが好ましい。代表的な基板として、Si、SiO、石英、アルミニウム、銅、SUSなどを用いることができるが、これらに限られるものではない。基板準備工程においては、基板のへき開、洗浄などを行なう。基板のへき開、洗浄ともに任意であるが、洗浄は行なったほうが好ましい。基板洗浄として、有機洗浄、酸洗浄など、状況に応じた洗浄を行なうことができる。 Reference numeral 901 denotes a substrate preparation process. Any material may be used for the substrate, but a conductive material is preferable. The thickness of the substrate is preferably 100 μm or less, more preferably 50 μm or less. As a typical substrate, Si, SiO 2 , quartz, aluminum, copper, SUS, or the like can be used, but is not limited thereto. In the substrate preparation process, the substrate is cleaved, cleaned, and the like. Although cleavage and cleaning of the substrate are optional, it is preferable to perform cleaning. As substrate cleaning, organic cleaning, acid cleaning, or the like can be performed according to the situation.

CNTを合成するためには基板上に触媒を配置することが必要である。本発明においては触媒形成の手段は問わない。あらかじめ触媒が形成された基板を基板準備工程で準備してもよいし、902のように基板準備後に触媒を形成してもよい。また、SUSのように触媒成分を含む基板を用いてもよい。   In order to synthesize CNT, it is necessary to dispose a catalyst on the substrate. In the present invention, the catalyst forming means is not limited. A substrate on which a catalyst has been formed in advance may be prepared in the substrate preparation step, or the catalyst may be formed after substrate preparation as in 902. Moreover, you may use the board | substrate containing a catalyst component like SUS.

代表的な触媒材料としては、Fe、Ni、Co、Cu、Mo、Mn、Zn、Pd、Pt、Vのいずれか、およびこれらの複合物を挙げることができるが、CNT合成について触媒作用を示せばこれらに限られるものではない。触媒の形成方法としては、真空スパッタリング法、化学蒸着法、物理蒸着法、スクリーンプリント法、電気めっき、ゾルゲル法、アークプラズマガンなどを用いることができるが、これらに制限されるものではない。   Typical catalyst materials can include any of Fe, Ni, Co, Cu, Mo, Mn, Zn, Pd, Pt, V, and composites thereof. However, it is not limited to these. As a method for forming the catalyst, a vacuum sputtering method, a chemical vapor deposition method, a physical vapor deposition method, a screen printing method, an electroplating method, a sol-gel method, an arc plasma gun, or the like can be used, but is not limited thereto.

CNTバンドルを形成するためには、CNT合成前に触媒を、目的のバンドル構造に合わせてパターニングしておくことが好ましい。パターニングの方法としてはホトリソグラフィー法や電子線描画など様々な方法が可能であるが、目的を果たせばいずれの方法でもかまわない。なお、CNT合成後にバンドル化することも可能であるため、触媒のパターニングが必須なわけではない。   In order to form a CNT bundle, it is preferable to pattern the catalyst in accordance with the target bundle structure before synthesizing the CNT. As a patterning method, various methods such as a photolithography method and electron beam drawing are possible, and any method may be used as long as the purpose is achieved. In addition, since it is also possible to bundle it after CNT synthesis | combination, patterning of a catalyst is not necessarily essential.

また、基板として触媒担持材料を用いることも可能である。この場合、CNT径の分布を揃えやすいといった利点を有する。代表的な触媒担持材料としては、陽極酸化膜、ゼオライト、メゾポーラスシリカ、酸化マグネシウム、酸化アルミニウムなどを挙げることができるが、これらに制限されるものではない。   It is also possible to use a catalyst support material as the substrate. In this case, there is an advantage that the distribution of the CNT diameter can be easily aligned. Representative catalyst support materials include, but are not limited to, anodic oxide films, zeolites, mesoporous silica, magnesium oxide, aluminum oxide, and the like.

903はカーボンナノチューブ合成工程である。本工程においては、基板上にCNTを合成する。合成方法は、アーク放電法、レーザーアブレーション法、熱CVD法、プラズマCVD法などを用いることができるが、基板上に直接CNTを合成する場合にはCVD法を用いることが好ましい。炭素源としては、メタン、エチレン、アセチレンなどの炭化水素系ガス、メタノール、エタノールなどのアルコール、一酸化炭素などを用いることができる。合成には、炭素源のみを用いず、アルゴンなどの不活性ガスをキャリアガスとして用いることが一般的である。   Reference numeral 903 denotes a carbon nanotube synthesis step. In this step, CNTs are synthesized on the substrate. As the synthesis method, an arc discharge method, a laser ablation method, a thermal CVD method, a plasma CVD method, or the like can be used. However, when the CNT is directly synthesized on the substrate, the CVD method is preferably used. As the carbon source, hydrocarbon gases such as methane, ethylene and acetylene, alcohols such as methanol and ethanol, carbon monoxide and the like can be used. In the synthesis, it is general to use an inert gas such as argon as a carrier gas without using only a carbon source.

あらかじめ触媒がパターニングされた基板上にCNTを合成すれば、バンドル化されたCNTを容易に形成することができる。   If CNTs are synthesized on a substrate on which a catalyst has been patterned in advance, bundled CNTs can be easily formed.

以下に実施例を掲げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
基板には基板厚30μmのアルミニウム箔を用いる。基板をアセトンで5分間超音波洗浄後、触媒金属であるFeをパターニングして形成する。触媒のパターニングは電子線描画を用いて行う。パターニングは、直径0.7nmの円形の触媒を30個、互いに外接した状態で三方最密構造に配し、これを1単位とし、隣接する単位間の間隔は3nmとして三方最密構造の頂点および中心に配する。その後、カーボンナノチューブの合成を行う。合成は熱CVD法を用いて行い、炭素源にはエチレンガスを、キャリアガスにはアルゴンガスを用いる。合成圧力は大気圧で行い、30分合成を行う。合成温度は650℃で行う。
(実施例2)
基板には実施例1と同様に基板厚30μmのアルミニウム箔を用い、基板をアセトンで5分間超音波洗浄後、触媒金属であるFeをパターニングして形成する。触媒のパターニングは電子線描画を用いて行う。パターニングは、直径1nmの円形の触媒を15個、互いに外接した状態で三方最密構造に配し、これを1単位とし、隣接する単位間の間隔は3nmとして三方最密構造の頂点および中心に配する。その後、カーボンナノチューブの合成を行う。合成は熱CVD法を用いて行い、炭素源にはエチレンガスを、キャリアガスにはアルゴンガスを用いる。合成圧力は大気圧で行い、30分合成を行う。合成温度は650℃で行う。
(比較例1)
基板には実施例1と同様に基板厚30μmのアルミニウム箔を用いる。基板をアセトンで5分間超音波洗浄後、触媒金属であるFeをパターニングして形成する。触媒のパターニングは電子線描画を用いて行う。パターニングは、直径4nmの円形の触媒を間隔は3nmとして三方最密構造の頂点および中心に配する。その後、カーボンナノチューブの合成を行う。合成は熱CVD法を用いて行い、炭素源にはエチレンガスを、キャリアガスにはアルゴンガスを用いる。合成圧力は大気圧で行い、30分合成を行う。合成温度は650℃で行う。
The present invention will be described in more detail with reference to the following examples, but the present invention is not limited to these examples.
Example 1
An aluminum foil having a substrate thickness of 30 μm is used for the substrate. After the substrate is ultrasonically cleaned with acetone for 5 minutes, the catalyst metal Fe is patterned and formed. The patterning of the catalyst is performed using electron beam drawing. In the patterning, 30 circular catalysts having a diameter of 0.7 nm are arranged in a three-way close-packed structure in a state of circumscribing each other, and this is set as one unit, and the interval between adjacent units is set to 3 nm, and the apex of the three-way close-packed structure and Place in the center. Thereafter, carbon nanotubes are synthesized. The synthesis is performed using a thermal CVD method, ethylene gas is used as the carbon source, and argon gas is used as the carrier gas. The synthesis pressure is atmospheric pressure and the synthesis is performed for 30 minutes. The synthesis temperature is 650 ° C.
(Example 2)
As in Example 1, an aluminum foil having a thickness of 30 μm was used for the substrate, and the substrate was ultrasonically cleaned with acetone for 5 minutes, and then Fe as a catalyst metal was patterned. The patterning of the catalyst is performed using electron beam drawing. In the patterning, 15 circular catalysts having a diameter of 1 nm are arranged in a three-way close-packed structure in a state of circumscribing each other, and this is set as one unit, and the interval between adjacent units is set to 3 nm at the apex and center of the three-way close-packed structure. Arrange. Thereafter, carbon nanotubes are synthesized. The synthesis is performed using a thermal CVD method, ethylene gas is used as the carbon source, and argon gas is used as the carrier gas. The synthesis pressure is atmospheric pressure and the synthesis is performed for 30 minutes. The synthesis temperature is 650 ° C.
(Comparative Example 1)
As in Example 1, an aluminum foil having a substrate thickness of 30 μm is used for the substrate. After the substrate is ultrasonically cleaned with acetone for 5 minutes, the catalyst metal Fe is patterned and formed. The patterning of the catalyst is performed using electron beam drawing. In the patterning, a circular catalyst having a diameter of 4 nm is arranged at the apex and center of the three-way close-packed structure with an interval of 3 nm. Thereafter, carbon nanotubes are synthesized. The synthesis is performed using a thermal CVD method, ethylene gas is used as the carbon source, and argon gas is used as the carrier gas. The synthesis pressure is atmospheric pressure and the synthesis is performed for 30 minutes. The synthesis temperature is 650 ° C.

合成後、開口処理を行うため、酸素雰囲気下で550℃30分の熱処理を行う。
(比較例2)
基板には実施例1と同様に基板厚30μmのアルミニウム箔を用いる。基板をアセトンで5分間超音波洗浄後、触媒金属であるFeをパターニングして形成する。触媒のパターニングは電子線描画を用いて行う。パターニングは、直径4nmの円形の触媒を間隔は3nmとして三方最密構造の頂点および中心に配する。その後、カーボンナノチューブの合成を行う。合成は熱CVD法を用いて行い、炭素源にはエチレンガスを、キャリアガスにはアルゴンガスを用いる。合成圧力は大気圧で行い、30分合成を行う。合成温度は650℃で行う。
After the synthesis, heat treatment is performed at 550 ° C. for 30 minutes in an oxygen atmosphere in order to perform opening treatment.
(Comparative Example 2)
As in Example 1, an aluminum foil having a substrate thickness of 30 μm is used for the substrate. After the substrate is ultrasonically cleaned with acetone for 5 minutes, the catalyst metal Fe is patterned and formed. The patterning of the catalyst is performed using electron beam drawing. In the patterning, a circular catalyst having a diameter of 4 nm is arranged at the apex and center of the three-way close-packed structure with an interval of 3 nm. Thereafter, carbon nanotubes are synthesized. The synthesis is performed using a thermal CVD method, ethylene gas is used as the carbon source, and argon gas is used as the carrier gas. The synthesis pressure is atmospheric pressure and the synthesis is performed for 30 minutes. The synthesis temperature is 650 ° C.

合成後、開口処理を行うため、酸素雰囲気下で600℃30分の熱処理を行う。
(結果)
上記実施例1で形成されるカーボンナノチューブの一部を基板ごと抜き取り、TEMで評価すると、直径0.7nmのCNTが30本三方最密構造でバンドルし、当該バンドルが3nm間隔で配置していることを確認することができる。
After the synthesis, heat treatment is performed at 600 ° C. for 30 minutes in an oxygen atmosphere in order to perform opening treatment.
(result)
When a part of the carbon nanotubes formed in Example 1 are extracted together with the substrate and evaluated by TEM, 30 CNTs having a diameter of 0.7 nm are bundled in a three-way close-packed structure, and the bundles are arranged at intervals of 3 nm. I can confirm that.

上記実施例2で形成されるカーボンナノチューブの一部を抜き取り、TEMで評価すると、直径1nmのCNTが15本三方最密構造でバンドルし、当該バンドルが3nm間隔で配置していることを確認することができる。   When a part of the carbon nanotubes formed in Example 2 are extracted and evaluated by TEM, it is confirmed that 15 CNTs having a diameter of 1 nm are bundled in a three-way close-packed structure, and the bundles are arranged at intervals of 3 nm. be able to.

上記比較例1で形成されるカーボンナノチューブの一部を抜き取り、TEMで評価すると、直径4nmのCNTが3nm間隔で配置していることを確認することができる。   When a part of the carbon nanotubes formed in Comparative Example 1 is extracted and evaluated by TEM, it can be confirmed that CNTs having a diameter of 4 nm are arranged at intervals of 3 nm.

上記比較例2では、開口熱処理温度が高すぎるため、ほとんどのカーボンナノチューブが燃えて消失すると考えられる。   In Comparative Example 2, it is considered that most of the carbon nanotubes burn and disappear because the opening heat treatment temperature is too high.

上記実施例1、2および比較例1で作製されるカーボンナノチューブのBET評価を行うと、比較例1と比較して、実施例1では約40%の、実施例2では約7%の表面積向上が確認される。   When the BET evaluation of the carbon nanotubes produced in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 was performed, the surface area was improved by about 40% in Example 1 and by about 7% in Example 2 compared to Comparative Example 1. Is confirmed.

また、上記実施例1、2および比較例1で作製されるカーボンナノチューブ構造体を電極として電気二重層キャパシタを作製すると、比較例1では電解液含浸後にカーボンナノチューブがおよそ半分ほどは剥落すると予想される。キャパシタの容量に関して特性評価を行うと、比較例1と比較して、実施例1では3倍程度の、実施例2では2倍程度の特性向上が確認される。   Further, when an electric double layer capacitor is produced using the carbon nanotube structures produced in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 as electrodes, it is expected that in Comparative Example 1, the carbon nanotubes will be peeled off by about half after the electrolyte is impregnated. The When the characteristics are evaluated with respect to the capacitance of the capacitor, it is confirmed that the characteristic improvement is about 3 times in Example 1 and about 2 times in Example 2 as compared with Comparative Example 1.

本発明を用いれば、単位面積あたりのCNTの表面積を向上することができ、構造上安定なCNTを提供することができるため、たとえば、水素吸蔵材料、Li電池の電極材料、電気二重層キャパシタ材料などに利用することができる。   By using the present invention, the surface area of CNT per unit area can be improved and structurally stable CNTs can be provided. For example, hydrogen storage materials, Li battery electrode materials, electric double layer capacitor materials It can be used for

(a)は本発明の1つである三方最密構造にバンドル化したCNTの断面を示した図、(b)は従来の単一CNTの断面を示した図である。(A) is the figure which showed the cross section of CNT bundled in the three-way close-packed structure which is one of this invention, (b) is the figure which showed the cross section of the conventional single CNT. (a)は本発明の1つであるカーボンナノチューブ・バンドルの斜視図、(b)はその断面図、(c)は孤立した1本のカーボンナノチューブの斜視図、(d)はその断面図である。(A) is a perspective view of a carbon nanotube bundle which is one of the present invention, (b) is a sectional view thereof, (c) is a perspective view of an isolated carbon nanotube, and (d) is a sectional view thereof. is there. 本発明および従来のカーボンナノチューブにおける直径Y、外周長L、及び面積Sを説明する図であり、(a)、(c)及び(e)は本発明のカーボンナノチューブ・バンドルの説明図、(b)、(d)及び(f)は従来の単一カーボンナノチューブの説明図である。It is a figure explaining the diameter Y, the outer periphery length L, and the area S in this invention and the conventional carbon nanotube, (a), (c) and (e) are explanatory drawings of the carbon nanotube bundle of this invention, (b) ), (D), and (f) are explanatory views of a conventional single carbon nanotube. 本発明の1つである三方最密構造のバンドルにおける、関係式(1)及び(2)を満たす場合の、バンドル数kとY1/Y2との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between bundle number k and Y1 / Y2 in the case of satisfy | filling relational expressions (1) and (2) in the bundle of the three-way close-packed structure which is one of this invention. 従来例の説明において、(a)〜(d)は吸着物と被吸着物の相対関係を示す図である。In description of a prior art example, (a)-(d) is a figure which shows the relative relationship of an adsorbate and a to-be-adsorbed object. 従来例の説明において、CNT間隔を一定に保った場合における、CNT直径と、CNT表面積/基板単位面積の比との関係を表すグラフである。In description of a prior art example, it is a graph showing the relationship between CNT diameter and the ratio of CNT surface area / substrate unit area when the CNT interval is kept constant. (a)(b)は、従来例の説明において、CNT内部におけるCNT直径と吸着物直径の関係を示す図である。(A) (b) is a figure which shows the relationship between the CNT diameter in a CNT, and an adsorbate diameter in description of a prior art example. (a)(b)は、従来例の説明において、形状が変化した場合におけるCNTと吸着物の関係を示す図である。(A) (b) is a figure which shows the relationship between CNT and adsorbate when a shape changes in description of a prior art example. 本発明における構造体を製造するプロセスを示すフロー図である。It is a flowchart which shows the process which manufactures the structure in this invention. 本発明における基板上に所定の間隔で形成されたカーボンナノチューブ・バンドルを示す図である。It is a figure which shows the carbon nanotube bundle formed in the predetermined space | interval on the board | substrate in this invention. 本発明の1つである正方最密構造にバンドル化したCNTの断面を示した図である。It is the figure which showed the cross section of CNT bundled in the square close-packed structure which is one of this invention. 本発明の1つである正方最密構造のバンドルにおける、関係式(1)及び(2)を満たす場合の、バンドル数kとY1/Y2との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the bundle number k and Y1 / Y2 in the case of satisfy | filling relational expressions (1) and (2) in the square close-packed structure bundle which is one of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

101 バンドル化したカーボンナノチューブ
102 孤立した1本のカーボンナノチューブ
501 カーボンナノチューブ
502 吸着物
801 変形したカーボンナノチューブ
901 基板準備工程
902 触媒形成工程
903 カーボンナノチューブ合成工程
1001 基板
1002 バンドル化したカーボンナノチューブ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 Bundled carbon nanotube 102 Isolated single carbon nanotube 501 Carbon nanotube 502 Adsorbed material 801 Deformed carbon nanotube 901 Substrate preparation step 902 Catalyst formation step 903 Carbon nanotube synthesis step 1001 Substrate 1002 Bundled carbon nanotube

Claims (11)

複数本のカーボンナノチューブをバンドル化してなるカーボンナノチューブ・バンドルであって、
下記関係式(1)及び(2)を満足する円Aが存在するように、前記バンドルの構造及び前記バンドルを形成するカーボンナノチューブの本数が構成されていることを特徴とするカーボンナノチューブ・バンドル。
S1<S2 (1)
L1>2×L2 (2)
式中、S1は、前記バンドルの軸方向に対して垂直な平面で当該バンドルを切断した際に、その切断面の面積を表し、L1は、前記切断面の外周長さを表し、S2は、前記円Aの面積を表し、L2は、前記円Aの円周長さを表す。
A carbon nanotube bundle formed by bundling a plurality of carbon nanotubes,
A carbon nanotube bundle characterized in that the structure of the bundle and the number of carbon nanotubes forming the bundle are configured so that a circle A satisfying the following relational expressions (1) and (2) exists.
S1 <S2 (1)
L1> 2 × L2 (2)
In the formula, S1 represents the area of the cut surface when the bundle is cut in a plane perpendicular to the axial direction of the bundle, L1 represents the outer peripheral length of the cut surface, and S2 is The area of the circle A is represented, and L2 represents the circumferential length of the circle A.
前記円Aは、さらに下記関係式(3)をも満足する、請求項1記載のカーボンナノチューブ・バンドル。
Y1≦0.25Y2 (3)
式中、Y1は、前記バンドルを形成するカーボンナノチューブの平均直径を表し、Y2は前記円Aの直径を表す。
The carbon nanotube bundle according to claim 1, wherein the circle A further satisfies the following relational expression (3).
Y1 ≦ 0.25Y2 (3)
In the formula, Y1 represents the average diameter of the carbon nanotubes forming the bundle, and Y2 represents the diameter of the circle A.
複数本のカーボンナノチューブをバンドル化してなるカーボンナノチューブ・バンドルであって、
前記バンドルの構造が三方最密構造であり、かつ1つのバンドルを形成するカーボンナノチューブの本数が13本以上であることを特徴とするカーボンナノチューブ・バンドル。
A carbon nanotube bundle formed by bundling a plurality of carbon nanotubes,
A carbon nanotube bundle, wherein the bundle has a three-way close-packed structure, and the number of carbon nanotubes forming one bundle is 13 or more.
複数本のカーボンナノチューブをバンドル化してなるカーボンナノチューブ・バンドルであって、
前記バンドルの構造が正方最密構造であり、かつ1つのバンドルを形成するカーボンナノチューブの本数が14本以上であることを特徴とするカーボンナノチューブ・バンドル。
A carbon nanotube bundle formed by bundling a plurality of carbon nanotubes,
A carbon nanotube bundle, wherein the bundle has a square close-packed structure and the number of carbon nanotubes forming one bundle is 14 or more.
前記カーボンナノチューブは、金属性カーボンナノチューブであることを特徴とした請求項1〜4のいずれかに記載のカーボンナノチューブ。   The carbon nanotube according to claim 1, wherein the carbon nanotube is a metallic carbon nanotube. 前記複数本のカーボンナノチューブの少なくとも1部が、互いに、電気的に導通していることを特徴とした請求項1〜5のいずれかに記載のカーボンナノチューブ。   The carbon nanotube according to claim 1, wherein at least a part of the plurality of carbon nanotubes are electrically connected to each other. 基板と、
請求項1〜6のいずれかに記載のカーボンナノチューブ・バンドルとからなる構造体であって、
前記バンドルは、その軸方向が前記基板に対して垂直な方向に配向しており、かつ
前記バンドルは、前記基板上に、所定の間隔で複数配置されていることを特徴とした構造体。
A substrate,
A structure comprising the carbon nanotube bundle according to any one of claims 1 to 6,
The bundle is characterized in that an axial direction of the bundle is oriented in a direction perpendicular to the substrate, and a plurality of the bundles are arranged on the substrate at a predetermined interval.
前記基板は、導電性を有することを特徴とした請求項7に記載の構造体。   The structure according to claim 7, wherein the substrate has conductivity. 前記カーボンナノチューブ・バンドルは、前記基板と電気的に導通していることを特徴とした請求項7又は8に記載の構造体。   The structure according to claim 7 or 8, wherein the carbon nanotube bundle is electrically connected to the substrate. 前記基板は、厚みが100μm以下であることを特徴とした請求項7〜9のいずれかに記載の構造体。   The structure according to claim 7, wherein the substrate has a thickness of 100 μm or less. 前記基板は、厚みが50μm以下であることを特徴とした請求項7〜9のいずれかに記載の構造体。   The structure according to claim 7, wherein the substrate has a thickness of 50 μm or less.
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