JP2010248069A - カーボンナノチューブフィルムの製造方法及び引き出す装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、カーボンナノチューブフィルムの製造方法及び引き出す装置に関する。
【解決手段】本発明のカーボンナノチューブフィルムの製造方法は、基板及び、該基板に垂直に配列された複数のカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブアレイを提供する第一ステップと、接着性を有する表面を含む引き出す装置を提供する第二ステップと、前記接着性を有する表面を前記カーボンナノチューブアレイに近づけて、前記カーボンナノチューブアレイの複数のカーボンナノチューブを、前記基板に対して０°〜９０°角度で傾倒させるように、前記カーボンナノチューブを前記接着性を有する表面に接着させるする第三ステップと、前記引き出す装置を前記カーボンナノチューブアレイから離れる方向に移動させて、カーボンナノチューブフィルムを引き出して得る第四ステップと、を含む。
【選択図】図４

Description

本発明は、カーボンナノチューブフィルムの製造方法及び引き出す装置に関するものである。

カーボンナノチューブ（Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ，カーボンナノチューブ）は１９９１年に飯島によって発見され、２１世紀において重要な新素材の１つであると期待されている。カーボンナノチューブは機械・電気・熱特性に優れていることから、エレクトロニクス、バイオ、エネルギー、複合材料等、広範な分野での応用が期待されている。非特許文献１に掲載されて以来、カーボンナノチューブをフィラーとした高分子基複合材料（カーボンナノチューブ／Ｐｏｌｙｍｅｒ複合材料）の機械、熱、電気特性の向上を目的とした研究が盛んに行われている。カーボンナノチューブ／ポリマー複合材料には、電磁波遮蔽・吸収や帯電防止などの特徴がある。

カーボンナノチューブフィルムは、電子放出源、光電子センサー、バイオセンサー、透明な導電体、バッテリ電極、吸収材料、浄水材料、発光材料などの基礎材料として利用可能であるので、カーボンナノチューブフィルムの製造方法は益々注目されてきている。現在、カーボンナノチューブフィルムは、一般的に直接成長法により製造されている。この他、カーボンナノチューブ粉末を利用して、溶剤乾燥法やＬ―Ｂ（Ｌａｎｇｍｕｉｒ−Ｂｌｏｄｇｅｔｔ）製膜法、印刷法、電気泳動法、膜ろ過法などの方法により、カーボンナノチューブフィルムを製造することができる。

Ｓｕｍｉｏ Ｉｉｊｉｍａ、"Ｈｅｌｉｃａｌ Ｍｉｃｒｏｔｕｂｕｌｅｓ ｏｆ Ｇｒａｐｈｉｔｉｃ Ｃａｒｂｏｎ"、Ｎａｔｕｒｅ、１９９１年１１月７日、第３５４巻、ｐ．５６‐５８

しかし、上述の製膜方法は、工程が複雑であり、効率が低いという課題がある。また、上述の製膜方法によるカーボンナノチューブフィルムは、抗張力及び機械強度が低く、カーボンナノチューブフィルムの応用が困難であるという課題もある。

従って、前記課題を解決するために、本発明は製造工程が簡単であり、効率が高いカーボンナノチューブフィルムの製造方法及び引き出す装置を提供する。

本発明のカーボンナノチューブフィルムの製造方法は、基板及び、該基板に垂直に配列された複数のカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブアレイを提供する第一ステップと、接着性を有する表面を含む引き出す装置を提供する第二ステップと、前記引き出す装置の接着性を有する表面を前記カーボンナノチューブアレイに近づけて、前記カーボンナノチューブアレイの複数のカーボンナノチューブを、前記基板に０°〜９０°（０°及び９０°は含まず）の角度で傾倒させるように、前記カーボンナノチューブを前記引き出す装置の接着性を有する表面に接着させる第三ステップと、前記引き出す装置を前記カーボンナノチューブアレイから離れる方向に移動させて、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを引き出して得る第四ステップと、を含む。

本発明の引き出す装置は、一つの基板に垂直に配列された複数のカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブアレイからカーボンナノチューブフィルムを引き出すために用いられ、基体及び接着性を有する表面を備える。前記基体は、立体形状を有し、前記接着性を有する表面は、前記基体の一つ表面に設置されている。前記接着性を有する表面が平面又は曲面であり、前記接着性を有する表面が平面である場合、該接着性を有する表面は、前記カーボンナノチューブアレイの一部のカーボンナノチューブに対して０°〜９０°（０°及び９０°は含まず）角度で傾斜する。

従来の技術と比べて、本発明のカーボンナノチューブフィルムの製造方法は、傾斜された接着表面を有する引き出す装置を採用し、且つ前記接着表面が前記カーボンナノチューブに対して傾斜されているので、前記接着表面の近くの複数のカーボンナノチューブが前記接着表面に付着される。従って、前記引き出す装置とカーボンナノチューブアレイの間の接触面積が増大するので、有利に、カーボンナノチューブフィルムを引き出すことが出来る。

本発明実施例１の引き出す装置の１つの構造を示す図である。 本発明実施例１の引き出す装置の他の１つの構造を示す図である 図１に示す引き出す装置の製造工程の１つの段階を示す図である。 図１に示す引き出す装置の製造工程の他の１つの段階を示す図である。 本発明実施例２の引き出す装置の構造を示す図である。 図５に示す引き出す装置の製造工程の１つの段階を示す図である。 図５に示す引き出す装置の基体を示す図である。 ドローン構造カーボンナノチューブフィルムの走査型電子顕微鏡写真である。 図８中のカーボンナノチューブフィルムのカーボンナノチューブセグメントの構造を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

（実施例１）
図１を参照すると、本発明の実施例１は、カーボンナノチューブフィルムの引き出す装置を提供する。前記引き出す装置１００は、基体１１０及び粘着層１２０を備える。前記粘着層１２０は、前記基体１１０の外表面の一部に設置されている。

前記基体１１０は、例えば金属、プラスチック、樹脂、石英又はガラスからなり、且つ所定の形状を有している。本実施例において、前記基体１１０は、第一側面１１１と、第二側面（図示せず）と、第三側面１１４と、第四側面（図示せず）と、頂面１１３と、底面１１２と、を備える六面体である。前記頂面１１３及び底面１１２は、互いに対向している。前記底面１１２及び第一側面１１１は交叉して、それらの交叉した境界に第一接線１１５が形成されている。前記頂面１１３及び第一側面１１１は交叉して、それらの交叉した境界に第二接線１１６が形成されている。前記第三側面１１４は、それぞれ前記頂面１１３及び底面１１２と交叉し、且つ前記第一側面１１１に対向している。前記第二側面及び第四側面は、互いに対向し、且つ前記第一側面１１１及び第三側面１１４と交叉している。

前記頂面１１３の形状は、例えば曲面又は平面である。前記底面１１２は、平面である。前記第一側面１１１の形状は、例えば曲面又は平面である。ここで、曲面は規則的な曲面であることが好ましい。前記第一接線１１５及び第二接線１１６は、それぞれ直線である。１つの例として、平面である前記第一側面１１１及び底面１１２が交叉して形成された角度αは、９０°〜１８０°（９０°及び１８０°は含まず）であるが、１２０°〜１５０°であることが好ましい。もう１つの例として、前記第一側面１１１は、その長軸が前記第一接線１１５又は第二接線１１６に平行する円弧面である。本実施例において、第一側面１１１、第二側面、第三側面、第四側面１１４、頂面１１３及び底面１１２は、それぞれ平面である。且つ、前記頂面１１３及び底面１１２は、互いに平行する。

前記粘着層１２０は、接着剤又はバインダーからなる。前記粘着層１２０は、前記第一接線１１５に隣接して、前記第一側面１１１の少なくとも一部に付着されている。前記粘着層１２０は、前記第一側面１１１から離れた１つの接着表面１３０を含んでいる。

図２を参照すると、他の１つの例として、前記基体１１０の前記第一側面１１１及び第三側面１１４に、それぞれ接着テープからなる粘着層１２０が形成された装置があげられる。この場合、平面である前記第三側面１１４及び底面１１２が交叉して形成された角度αは、９０°〜１８０°（９０°及び１８０°は含まず）であるが、１２０°〜１５０°であることが好ましい。且つ、前記第三側面１１４の形状は、曲面又は平面である。この場合、前記引き出す装置１００は、異なるカーボンナノチューブフィルムを引き出す工程に繰り返して利用することができる。

図３を参照すると、前記引き出す装置１００を利用してカーボンナノチューブフィルムを製造する前に、カーボンナノチューブアレイ２００を準備する。該カーボンナノチューブアレイ２００は、相互に平行し、且つ基板２１０に垂直な複数のカーボンナノチューブ２２０を含む。前記引き出す装置１００を利用してカーボンナノチューブを引き出す方法は次のように行われる。まず、前記引き出す装置１００を、前記カーボンナノチューブアレイ２００の、前記基板２１０と接触する端部と反対の端部に近接して設置させる。ここで、前記基体１１０の底面１１２は、前記基板２１０に平行して配置され、且つ、前記基体１１０の底面１１２と前記カーボンナノチューブアレイ２００の前記引き出す装置１００に近接する端部とは、所定の距離で離れている。この場合、直線である前記第一接線１１５は、前記基板２１０に平行することができる。前記第二接線１１６から前記底面１１２までの最短距離は、前記カーボンナノチューブ２２０高さより大きいことが好ましい。次に、図４を参照すると、前記基板２１０に垂直な方向に沿って、前記引き出す装置１００を前記カーボンナノチューブアレイ２００に近接させるように移動させる。この場合、前記底面１１２と基板２１０の間の平行状態を保持すると同時に、前記粘着層１２０の接着表面１３０を、前記カーボンナノチューブアレイ２００のカーボンナノチューブ２２０の成長方向に対して傾斜させることにより、前記接着表面１３０と前記カーボンナノチューブアレイ２００のカーボンナノチューブ２２０とを最大面積で十分に接触させる。前記粘着層１２０の接着表面１３０に接触されたカーボンナノチューブ２２０は、前記引き出す装置１００に十分に付着されることができる。

その後、前記引き出す装置１００を前記カーボンナノチューブアレイ２００から離すように前記引き出す装置１００を移動することにより、前記カーボンナノチューブアレイ２００からカーボンナノチューブフィルムを引き出すことができる。前記引き出す装置１００は、前記基板２１０に平行な方向、又は前記基板２１０の表面に対して９０°以下の角度を有する方向に沿って移動される。

図４に示すように、前記引き出す装置１００を、カーボンナノチューブアレイ２００の方向へ移動させて、前記カーボンナノチューブ２２０に接触させる場合、前記底面１１２に対向したカーボンナノチューブ２２０は、前記基体１１０により前記基板２１０の上に押し倒される。しかし、前記第一側面１１１は、前記基板２１０と、０°〜９０°（０°及び９０°は含まず）の角度を形成しているので、前記第一側面１１１に相対し、且つ前記基体１１０に押すことにより前記粘着層１２０の接着表面１３０に付着されたカーボンナノチューブ２２０は、傾斜するが、完全には押し倒されない。従って、前記粘着層１２０の接着表面１３０と前記カーボンナノチューブアレイ２００カーボンナノチューブ２２０との間の接触面積を増加させることができる。更に、前記粘着層１２０は、所定の形状を有する基体１１０に支持されているので、前記粘着層１２０によって、カーボンナノチューブ２２０に強い力を加えると、前記カーボンナノチューブ２２０は、前記粘着層１２０に強く付着することができる。従って、カーボンナノチューブフィルムを引き出す工程において、カーボンナノチューブ２２０は、前記引き出す装置１００から脱離しにくい。また、前記第一接線１１５が直線である場合、カーボンナノチューブフィルムを引き出す工程において、カーボンナノチューブアレイ２００の複数のカーボンナノチューブ２２０が、全て均一の力を受けて、均一のカーボンナノチューブフィルムを引き出すことができる。即ち、前記カーボンナノチューブアレイ２００の引き出された境界線は、直線として維持される。前記カーボンナノチューブアレイ２００の幅が、前記前記第一接線１１５の長さと等しいことが好ましい。従って、より均一のカーボンナノチューブフィルムを引き出すことができる。

（実施例２）
図５を参照すると、本発明の実施例２は、カーボンナノチューブフィルムの引き出す装置３００を提供する。前記引き出す装置３００は、基体３１０及び粘着層３２０を備える。前記粘着層３２０は、前記基体３１０の外表面の一部に設置されている。

本実施例に係る引き出す装置３００の構造は、実施例１に係る引き出す装置１００と比べて、次の異なる点がある。図６を参照すると、本実施例において、前記基体３１０は、円柱体である。前記基体１１０の側表面（図示せず）は、１つの第一界線３１２及び１つの第二界線３１３から定義された第一区域３１１を含む。前記第一界線３１２と第二界線３１３は、互いに平行する直線である。前記円柱体である基体３１０の軸線（図示せず）及び前記第一界線３１２を含む平面と、該軸線及び前記第二界線３１３を含む平面とが前記軸線上で交叉して形成された角度αは、９０°〜１８０°（９０°及び１８０°は含まず）であるが、１２０°〜１５０°であることが好ましい。

前記粘着層３２０は、前記第一界線３１２に隣接して、前記第一区域３１１の少なくとも一部に付着されている。前記粘着層３２０は、前記第一区域３１１から離れた１つの接着表面３３０を含んでいる。

図７を参照すると、前記引き出す装置３００を利用してカーボンナノチューブフィルムを製造する前に、カーボンナノチューブアレイ４００を提供する。該カーボンナノチューブアレイ４００は、相互に平行し、且つ基板４１０に垂直な複数のカーボンナノチューブ４２０を含む。前記第一界線３１２と第二界線３１３の最短距離は、前記カーボンナノチューブ４２０高さより大きいことが好ましい。前記引き出す装置３００を、該カーボンナノチューブアレイ４００に接近して、前記粘着層３２０の接着表面３３０を、カーボンナノチューブに接触させる場合、前記第一界線３１２は、前記基板４１０に平行する状態を始終にわたって維持すると同時に、前記第一界線３１２を前記基板４１０に限りなく接近させる。且つ、前記第一区域３１１の接線が、前記基板４１０と、０°〜９０°（０°及び９０°は含まず）の角度を形成しているように配置させる。

（実施例３）
本実施例に係る引き出す装置の構造は、実施例１、２に係る引き出す装置と比べて、次の異なる点がある。本実施例において、前記引き出す装置の基体に粘着層が付着されない。前記基体は、例えば金属又はプラスチックのようなカーボンナノチューブに非常に大きな引力を有する材料からなる。この場合、前記引き出す装置の基体自身の表面が、接着性を有する表面とするように用いられて、カーボンナノチューブアレイのカーボンナノチューブを接着させることができる。本実施例に係る装置の具体的な応用方法は、実施例１、２に係る引き出す装置と同じである。

本発明は、また前記引き出す装置によってカーボンナノチューブフィルムを製造する方法を提供する。該カーボンナノチューブフィルムの製造方法は、相互に平行し、且つ基板に垂直な複数のカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブアレイを提供する第一ステップと、接着性を有する表面を含む引き出す装置を提供する第二ステップと、前記接着表面を前記カーボンナノチューブに対して傾斜させるように前記引き出す装置を、カーボンナノチューブアレイの基板に近付かせて、前記カーボンナノチューブアレイの複数のカーボンナノチューブを前記接着表面に接着させる第三ステップと、前記引き出す装置を前記カーボンナノチューブアレイから離れる方向に移動させ、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを引き出して得る第四ステップと、を含む。

前記第一ステップでは、前記カーボンナノチューブアレイは以下のステップによって形成する。まず、基板を準備する。次に、該基板に触媒層を堆積させる。該触媒層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ又はその合金のいずれか一種からなる。次に、前記触媒層が堆積された前記基板を空気雰囲気において７００〜９００℃で３０〜９０分間アニーリングする。次に、前記基板を反応装置に置いて、該反応装置の中に保護ガスを導入して、該反応装置を５００〜７４０℃に加熱させる。前記保護ガスは窒素ガスなどの不活性ガスであり、特に、アルゴンガスが好ましい。次に、前記反応装置の内にカーボンを含むガスを導入して、５〜３０分間加熱してカーボンナノチューブアレイを成長させる。前記カーボンを含むガスは、エチン又はエテンであり、エチンが好ましい。

前記第二ステップで、接着性を有する表面を含む引き出す装置は、本発明の実施例１、２又は３において提供する引き出す装置である。ここで、前記引き出す装置の接着性を有する表面は、前記実施例１、２における粘着層の接着表面であり、前記実施例３における基体自身の表面の一部を表す。

前記第三ステップで、前記引き出す装置は、前記カーボンナノチューブアレイの基板に対し、所定の距離で維持されるので、前記基板の不純物が前記接着表面に付着することを防止することができる。前記接着表面に相対し、前記引き出す装置に押されることにより傾斜されたカーボンナノチューブは、完全で押し倒されず、それの傾斜角度が、０°〜９０°（０°及び９０°は含まず）である。このとき、前記複数のカーボンナノチューブが前記接着表面に十分に接着されることができる。

前記第四ステップにおける、前記引き出す装置を前記カーボンナノチューブアレイから離れる方向は、前記カーボンナノチューブアレイの基板と形成された角度が５０°より小さく、０°より大きい。前記引き出す装置を前記カーボンナノチューブアレイから離れる方向に移動させる速度は、０．００１ｍ／ｓ〜０．１ｍ／ｓである。前記カーボンナノチューブアレイからカーボンナノチューブフィルムを引き出す力度が１ニュートンより小さい。

図８を参照すると、本発明の製造方法によって形成されたカーボンナノチューブフィルム１４３ａは、一様に分配された多くのカーボンナノチューブを含む。このカーボンナノチューブフィルム１４３ａはドローン構造カーボンナノチューブフィルム（ｄｒａｗｎ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｆｉｌｍ）である。ここで、複数のカーボンナノチューブが同じ方向に沿って、端と端が接続されている。即ち、単一の前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａは、分子間力で長さ方向端部同士が接続された複数のカーボンナノチューブを含む。図８及び図９を参照すると、単一の前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａは、複数のカーボンナノチューブセグメント１４３ｂを含む。前記複数のカーボンナノチューブセグメント１４３ｂは、長さ方向に沿って分子間力で端と端が接続されている。それぞれのカーボンナノチューブセグメント１４３ｂは、相互に平行に、分子間力で結合された複数のカーボンナノチューブ１４５を含む。単一の前記カーボンナノチューブセグメント１４３ｂにおいて、前記複数のカーボンナノチューブ１４５の長さが同じである。前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａを有機溶剤に浸漬させることにより、前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａの靭性及び機械強度を高めることができる。前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａの幅は１００μｍ〜１０ｃｍに設けられ、厚さは０．５ｎｍ〜１００μｍに設けられる。単一の前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａの比表面積は、１００ｍ^２／ｇである。

１４３ａ カーボンナノチューブフィルム
１４３ｂ カーボンナノチューブセグメント
１４５ カーボンナノチューブ
１００、３００ 引き出す装置
１１１ 第一側面
１１２ 底面
１１３ 頂面
１１４ 第四側面
１１５ 第一接線
１１６ 第二接線
１２０、３２０ 粘着層
１３０、３３０ 接着表面
２００、４００ カーボンナノチューブアレイ
２２０、４２０ カーボンナノチューブ
２１０、４１０ 基板
１１０、３１０ 基体
３１２ 第一界線
３１３ 第二界線
３１１ 第一区域

Claims (2)

1. 基板及び、該基板に垂直に配列された複数のカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブアレイを提供する第一ステップと、
   接着性を有する表面を含む引き出す装置を提供する第二ステップと、
   前記引き出す装置の接着性を有する表面を前記カーボンナノチューブアレイに近づけて、前記カーボンナノチューブアレイの複数のカーボンナノチューブを、前記基板に０°〜９０°（０°及び９０°は含まず）の角度で傾倒させるように、前記カーボンナノチューブを前記引き出す装置の接着性を有する表面に接着させる第三ステップと、
   前記引き出す装置を前記カーボンナノチューブアレイから離れる方向に移動させて、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを引き出して得る第四ステップと、
   を含むことを特徴とするカーボンナノチューブフィルムの製造方法。
2. 一つの基板に垂直に配列された複数のカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブアレイからカーボンナノチューブフィルムを引き出すために用いられ、基体及び接着性を有する表面を備えた引き出す装置であって、
   前記基体は、立体形状を有し、
   前記接着性を有する表面は、前記基体の一つ表面に設置されており、
   前記接着性を有する表面が平面又は曲面であり、
   前記接着性を有する表面が平面である場合、該接着性を有する表面は、前記カーボンナノチューブアレイの一部のカーボンナノチューブに対して０°〜９０°（０°及び９０°は含まず）角度で傾斜することを特徴とする引き出す装置。