JP2012249274A

JP2012249274A - 熱音響装置の製造方法

Info

Publication number: JP2012249274A
Application number: JP2011190457A
Authority: JP
Inventors: Kaili Jiang; 開利姜; Hyo-Yeang Im; 曉陽林; Lin Xiao; 林肖; 守善 ▲ハン▼; Feng-Yan Fan
Original assignee: Tsinghua University; Hon Hai Precision Industry Co Ltd
Current assignee: Tsinghua University; Hon Hai Precision Industry Co Ltd
Priority date: 2011-05-27
Filing date: 2011-09-01
Publication date: 2012-12-13
Anticipated expiration: 2031-09-01
Also published as: CN102802109A; TW201249222A; CN102802109B; JP5134120B2; US20120298623A1; TWI465123B; US8758635B2

Abstract

【課題】本発明は、熱音響装置の製造方法に関するものである。
【解決手段】本発明の熱音響装置の製造方法は、第一表面及び該第一表面に対向する第二表面を有する金属基材を提供するステップＳ１１と、前記金属基材にグラフェン構造体を成長させるステップＳ１２と、第一表面及び該第一表面に対向する第二表面を有する非金属基材を提供するステップＳ１３と、前記グラフェン構造体の、前記金属基材に隣接する表面とは反対の表面を前記非金属基材の第一表面に隣接させるステップＳ１４と、前記金属基材の少なくとも一部を除去するステップＳ１５と、前記非金属基材をエッチングして少なくとも一つのスルーホールを形成し、前記グラフェン構造体の一部を該スルーホールに対して暴露させるステップＳ１６と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱音響装置の製造方法に関し、特に、グラフェン構造体を利用した熱音響装置の製造方法に関するものである。

一般的に、音響装置は、信号装置及び音波発生器を含む。前記信号装置は、信号を前記音波発生器に伝送する。熱音響装置は、熱音響現象を利用した音響装置の一種である。非特許文献１及び非特許文献２には、導電体に交流電流を流すと熱により音が発生する熱音響装置が掲載されている。前記導電体に交流電流を流すと、熱音響装置に熱が生じ、周辺の媒体へ伝播される。伝播された熱によって生じた熱膨張及び圧力波が原因で、音波を発生させることができる。

米国特許第２００８２４８２３５号明細書中国特許出願公開第１０１２８４６６２号明細書特開２００８−２９７１９５号公報

"ＴｈｅＴｈｅｒｍｏｐｈｏｎｅ"，ＥＤＷＡＲＤＣ．ＷＥＭＴＥ，Ｖｏｌ．ＸＴＸ，Ｎｏ．４，ｐ．３３３−３４５ "ＯｎＳｏｍｅＴｈｅｒｍａｌＥｆｆｅｃｔｓｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃＣｕｒｒｅｎｔｓ"，ＷｉｌｌｉａｍＨｅｎｒｙＰｒｅｅｃｅ，ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＲｏａｌＳｏｃｉｅｔｙｏｆＬｏｎｄｏｎ，Ｖｏｌ．３０，ｐ．４０８−４１１（１８７９−１８８１）Ｈ．Ｄ．Ａｒｎｏｌｄ、Ｉ．Ｂ．Ｃｒａｎｄａｌｌ， "Ｔｈｅｔｈｅｒｍｏｐｈｏｎｅａｓａｐｒｅｃｉｓｉｏｎｓｏｕｒｃｅｏｆｓｏｕｎｄ"，Ｐｈｙｓ．１９１７年、第１０巻，第２２−３８頁、

非特許文献３に、熱音響現象によって製造されたサーモホン（ｔｈｅｒｍｏｐｈｏｎｅ）が掲載されている。熱音響現象とは、音と熱が関わり合う現象であり、エネルギー変換とエネルギー輸送という２つの側面がある。熱音響装置に信号を転送すると、熱音響装置に熱が生じ、周辺の媒体へ伝播される。伝播された熱によって生じた熱膨張及び圧力波により音波を発生させることができる。ここで、厚さが７×１０^−５ｃｍの白金片が熱音響部品として利用されている。しかし、厚さが７×１０^−５ｃｍの白金片に対して、単位面積当たりの熱容量は２×１０^−４Ｊ／ｃｍ^２・Ｋである。白金片の単位面積当たりの熱容量が非常に高いので、白金片を利用したサーモホンを室外で利用する場合、熱音響周波数及び熱音響効果が低いという課題がある。

従って、本発明は、前記課題を解決するための熱音響装置の製造方法を提供する。前記熱音響装置の製造方法で製造した電子装置は、熱音響周波数及び熱音響効果が高くなる。

本発明の熱音響装置の製造方法は、第一表面及び該第一表面に対向する第二表面を有する金属基材を提供する第一ステップと、前記金属基材の第一表面にグラフェン構造体を成長させる第二ステップと、第一表面及び該第一表面に対向する第二表面を有する非金属基材を提供する第三ステップと、前記グラフェン構造体の、前記金属基材に隣接する表面とは反対の表面を前記非金属基材の第一表面に隣接させ、前記グラフェン構造体を前記金属基材及び前記非金属基材の間に設置する第四ステップと、前記金属基材の少なくとも一部を除去する第五ステップと、前記非金属基材をエッチングして少なくとも一つのスルーホールを形成し、前記グラフェン構造体の一部を該スルーホールに対して暴露させる第六ステップと、を含む。

本発明の熱音響装置の製造方法は、第一表面及び該第一表面に対向する第二表面を有する非金属基材を提供する第一ステップと、少なくとも一つのグラフェンシートからなるグラフェン構造体を提供し、該グラフェン構造体を前記非金属基材の第一表面に形成する第二ステップと、前記非金属基材をエッチングして少なくとも一つのスルーホールを形成し、前記グラフェン構造体の一部を該スルーホールに対して暴露させる第三ステップと、を含む。

従来の技術と比べて、本発明の熱音響装置の製造工程において、該熱音響装置の非金属基材をエッチングして少なくとも一つのスルーホールを形成し、前記グラフェン構造体の一部を該スルーホールに対して暴露させるため、前記熱音響装置におけるグラフェン構造体と周辺の空気との接触面積を大きくなり、前記熱音響装置の熱音響効果が高くなる。

本発明の実施例１に係るグラフェン構造体の製造工程のフローチャートである。実施例１に係るグラフェン構造体を示す図である。実施例１に係るグラフェン−カーボンナノチューブ複合構造体の製造工程における熱圧工程を示す図である。実施例１に係る一つの熱音響装置の構造を示す図である。実施例１に係るもう一つの熱音響装置の構造を示す図である。実施例１に係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６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。実施例１に係る綿毛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。カーボンナノチューブが配向せずに配置されるプレシッド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。カーボンナノチューブが配向して配置されるプレシッド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。実施例１に係るもう一つの熱音響装置の構造を示す図である。本発明の実施例２に係るグラフェン構造体の製造工程のフローチャートである。本発明の実施例２に係る帯状電極の製造工程のフローチャートである。実施例２に係る熱音響装置の構造を示す図である。実施例３に係る熱音響装置の製造工程のフローチャートである。

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、本実施例の熱音響装置の製造方法は、第一表面１０２及び該第一表面に対向する第二表面１０４を有する金属基材１００を提供するステップＳ１１と、前記金属基材１００の、第一表面１０２にグラフェン構造体１０６を成長させるステップＳ１２と、第一表面１２２及び該第一表面に対向する第二表面１２４を有する非金属基材１２０を提供するステップＳ１３と、前記グラフェン構造体１０６の、前記金属基材１００に隣接する表面とは反対の表面を、前記非金属基材１２０の第一表面１２２に隣接させ、前記グラフェン構造体１０６を前記金属基材１００及び前記非金属基材１２０の間に設置するステップＳ１４と、前記金属基材１００を除去するステップＳ１５と、前記非金属基材１２０の第二表面１２４から該非金属基材１２０をエッチングして少なくとも一つのスルーホール１２６を形成し、前記グラフェン構造体１０６の一部を前記少なくとも一つのスルーホール１２６に対して暴露させるステップＳ１６と、を含む。

前記ステップＳ１１において、前記金属基材１００は、一定の厚さを有する。前記金属基材１００は、銅、ニッケルなどのような金属薄膜からなる。前記金属基材１００の厚さは、１００ｎｍ〜１００μｍであり、その寸法は制限せずに、実際の応用に応じて選択することができる。例えば、反応炉の寸法によって、前記金属基材１００の寸法を選択する。または、前記金属基材１００を巻き、反応炉内に置いて、前記反応炉のスペースの利用率を向上させ、グラフェン構造体１０６の寸法を増加させる。本実施例において、前記金属基材１００は、銅箔からなり、その厚さが、２５μｍである。

前記ステップＳ１２において、化学気相成長法で前記金属基材１００の第一表面１０２にグラフェン構造体１０６を成長させる。その製造方法は、前記金属基材１００を反応室に置いて、前記金属基材１００の第一表面１０２を高温処理するステップａと、前記反応室に炭素源ガスを導入し、前記金属基材１００の第一表面１０２に前記グラフェン構造体１０６を成長させるステップｂと、前記金属基材１００を室温まで冷却した後、前記グラフェン構造体１０６が成長された前記金属基材１００を前記反応室から取り出すステップｃと、を含む。

前記ステップａにおいて、前記反応室は、吸気口及び排気口を有する密封チャンバーである。前記吸気口から水素ガス及びメタンを導入することができる。前記排気口は、空気抽出装置と連通する。前記排気口を介して、前記空気抽出装置は、前記反応室の真空度及び気圧を制御することができる。更に、前記反応室における前記金属基材１００の温度を制御するために、前記反応室は、水冷装置を備えることもできる。本実施例において、前記反応室は、石英管である。

前記金属基材１００の第一表面１０２を平らにするために、それを高温処理する。これにより、前記グラフェン構造体１０６の成長に役立つことができる。前記高温処理方法は、前記金属基材１００を真空反応室に置くと同時に、前記吸気口から該反応室に流量が２ｓｃｃｍ〜３５ｓｃｃｍの水素ガスを導入するステップａ１と、前記反応室の温度を高めて、前記金属基材１００の第一表面１０２を１時間高温処理するステップａ２と、を含む。

前記ステップａ１において、前記水素ガスの流量は２ｓｃｃｍである。

前記ステップａ２において、前記反応室の温度は、８００℃〜１５００℃であり、その気圧は、１０^−１〜１０^２Ｐａである。本実施例において、前記反応室の気圧が１３．３Ｐａであり、その温度が１０００℃であり、その昇温時間が４０分であり、その恒温時間が、２０分である。

前記ステップｂにおいて、前記反応室に流量が２ｓｃｃｍの水素ガスを継続的に導入するとともに、高温環境下で炭素源ガスを導入することによって、前記金属基材１００の第一表面１０２に炭素原子が堆積して前記グラフェン構造体１０６が形成される。前記炭素源ガスは、メタン、エタン、エチレンまたはアセチレンである。前記反応室の温度は、８００℃〜１５００℃であり、その気圧は、１０^−１〜１０^２Ｐａである。その温度は、１０００℃であり、恒温時間は、１０〜６０分である。本実施例において、前記炭素源ガスは、流量が２ｓｃｃｍのメタンである。前記反応室の気圧が６６．５Ｐａであり、その温度が、１０００℃であり、その恒温時間が、３０分である。

前記ステップｃにおいて、前記炭素源ガス及び水素ガスの流量が変わらないように、前記反応室に継続的に導入するとともに、前記金属基材１００を室温まで冷却する。本実施例において、前記金属基材１００の冷却工程において、前記反応室に流量が２５ｓｃｃｍのメタン及び流量が２ｓｃｃｍの水素ガスを導入する。前記反応室の気圧は６６．５Ｐａで前記金属基材１００を１時間冷却した後、前記反応室から取り出し、前記金属基材１００の第一表面１０２に前記グラフェン構造体１０６が形成される。

本実施例において、前記グラフェン構造体１０６は、一定の面積を有する二次元の一体構造体である。ここで、一体構造体とは、前記グラフェン構造体１０６は、平面上で連続性を有するものである。前記グラフェン構造体１０６は、１〜５層のグラフェンシートからなるが、１層のグラフェンシートからなることが好ましい。前記グラフェン構造体１０６の厚さは、０．３４ｎｍ〜１０ｎｍである。前記グラフェン構造体１０６は、複数のグラフェンシートからなる場合、前記複数のグラフェンシートは、並列して接続して、大きな面積のグラフェン構造体１０６を形成し、または、重ね合わせて、積層されたグラフェン構造体１０６を形成する。図２を参照すると、前記グラフェン構造体１０６におけるグラフェンシートは、１原子の厚さのｓｐ^２結合炭素原子のシートであり、炭素原子とその結合からできた蜂の巣のような六角形格子構造をとっている。

単層のグラフェンの透光率は、９７．７％に達するので、該単層グラフェンからなるグラフェン構造体１０６は、良好な透光性を有する。前記グラフェン構造体１０６は、非常に薄いので、その熱容量が小さい。例えば、単層グラフェンの熱容量は、５．５７×１０^−４Ｊ／Ｋ・ｍｏｌである。前記グラフェン構造体１０６は、自立構造を有するものである。ここで、自立構造とは、支持体材を利用せず、前記グラフェン構造体１０６を独立して利用することができる形態のことである。すなわち、前記グラフェン構造体１０６を対向する両側から支持して、前記グラフェン構造体１０６の構造を変化させずに、前記グラフェン構造体１０６を懸架させることができることを意味する。前記グラフェン構造体１０６の寸法は、１ｃｍ以上である。ここで、前記グラフェン構造体１０６の寸法は、前記グラフェン構造体１０６の一点から他点までの距離が最大となる時の距離である。前記グラフェン構造体１０６の正投影の面積は、１ｃｍ^２以上である。前記グラフェン構造体１０６の寸法は、実際の応用に応じて選択する。本実施例において、前記グラフェン構造体１０６は、単層のグラフェンからなり、その形状は、辺長が４ｃｍの正方形である。

前記ステップＳ１３において、前記非金属基材１２０の形状、寸法及び厚さは制限されない。その第一表面１２２と第二表面１２４とは、対向して設置されている。前記第一表面１２２及び第二表面１２４は、平面状又は湾曲面状であることができる。前記非金属基材１２０の材料は、一定の強度を有する硬質材料又は柔軟性材料である。詳しくは、その材料は、ガラス、セラミックス、石英、ダイヤモンド、プラスチック、樹脂及び木材である。本実施例において、前記非金属基材１２０が、長方体のシリコン片であり、その厚さが１２．５μｍ〜５０μｍであるが、２５μｍであることが好ましい。本実施例において、前記非金属基材１２０の前記第一表面１２２及び第二表面１２４は、辺長が４ｃｍの正方形である。

前記グラフェン構造体１０６の、前記金属基材１００に隣接する表面とは反対の表面を前記非金属基材１２０の第一表面１２２に隣接させて、それらに機械力を加える、又は、前記金属基材１００の第一表面１０２に形成されたグラフェン構造体１０６及び前記非金属基材１２０の第一表面１２２の間に高分子材料層が設置され、前記グラフェン構造体１０６と、前記非金属基材１２０と、を緊密に結合させることができる。

前記金属基材１００の第一表面１０２に形成されたグラフェン構造体１０６及び非金属基材１２０の間に高分子材料層が設置され、該グラフェン構造体１０６と、前記非金属基材１２０と、を緊密に結合させる。その方法は、前記非金属基材１２０の第一表面１２２に高分子材料層（図示せず）を被覆するステップａ１１と、前記金属基材１００の第一表面１０２に形成されたグラフェン構造体１０６を、前記高分子材料層の、前記非金属基材１２０の第一表面１２２に隣接する表面とは反対の表面に設置し、前記金属基材１００の第二表面１０４に圧力を印加し、前記金属基材１００の一つの表面１０２に設置されたグラフェン構造体１０６と、前記非金属基材１２０の第一表面１２２と、を緊密に結合させるステップａ１２と、を含む。

前記ステップａ１２において、前記高分子材料層が固化しない形態で、前記金属基材１００の第一表面１０２に形成されたグラフェン構造体１０６を、前記高分子材料層の、前記非金属基材１２０の第一表面１２２に隣接する表面とは反対の表面に設置する。これにより、前記非金属基材１２０と、前記グラフェン構造体１０６との接着性を高めることができる。

前記高分子材料層は、溶融状態の高分子材料又は高分子材料溶液からなる。前記高分子材料溶液は、高分子材料を揮発性有機溶液に溶解して形成される。前記溶融状態の高分子材料又は高分子材料溶液は一定の接着性を有し、好ましくは、その接着性が１Ｐａ・ｓ以上である。常温で前記高分子材料は一定の透明度を有する固体である。前記揮発性有機溶液は、アルコール、メタノール、アセトン、ジクロロエタン、クロロホルムの一種又は多種である。前記高分子材料は、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、テレフタレート、スチレン−シクロブテン又は環状オレフィンポリマーなどの材料である。本実施例において、前記高分子材料は、ポリメチルメタクリレートである。

熱圧法又は冷圧法の方法によって、機械力を加えることにより、前記金属基材１００の第一表面１０２に形成されたグラフェン構造体１０６と、前記非金属基材１２０の第一表面１２２と、を緊密に結合させることができる。本実施例において、熱圧法を採用する。図３を参照すると、該熱圧法は、前記非金属基材１２０の第一表面１２２を前記金属基材１００の第一表面１０２に形成されたグラフェン構造体１０６に被覆して、金属基材−グラフェン構造体−非金属基材複合構造体１３０を形成し、金属基材−グラフェン−非金属基材複合構造体１３０を、ローラー４２を有する熱圧装置４０の中に置くステップｂ１と、前記ローラー４２を加熱するステップｂ２と、金属基材−グラフェン−非金属基材複合構造体１３０を、均一な速度で前記加熱されたローラー４２から通過させると同時に、該ローラー４２に所定の圧力を印加して、該金属基材１００の第一表面１０２に形成されたグラフェン構造体１０６及び前記非金属基材１２０の第一表面１２２を緊密に結合させるステップｂ３と、を含む。

前記ステップｂ１において、前記グラフェン構造体１０６と、前記金属基材１００の第一表面１０２と、を同時に接触させる。前記熱圧装置４０は、加圧装置（図示せず）と、加熱装置（図示せず）と、を含む。本実施例において、前記熱圧装置４０は、熱圧機またはシールプレス機であり、前記ローラー４２は、金属からなる。

前記ステップｂ２において、前記熱圧装置４０の加熱装置で前記金属ローラー４２を加熱する。前記ローラー４２の温度及び圧力は、実際の応用に応じて選択することができる。本実施例において、前記熱圧装置４０によって、前記ローラー４２の加熱温度が１１０℃〜１２０℃であり、その圧力が４９Ｐａ〜１９６Ｐａである。

本実施例において、前記ステップｂ３において、前記金属基材−グラフェン−非金属基材複合構造体１３０を１ミリメートル／分〜１０メートル／分の速度で前記加熱されたローラー４２から通過させると同時に、該ローラー４２に一定の圧力を印加して、前記金属基材１００の第一表面１０２に形成されたグラフェン構造体１０６及び前記非金属基材１２０の第一表面１２２と、を緊密に結合させる。

本実施例において、金属基材−グラフェン−非金属基材複合構造体１３０を前記加熱されたローラー４２に通過させる場合に、前記グラフェン構造体１０６は、前記金属基材１００及び前記非金属基材１２０の間に設置されるので、前記ローラー４２に直接接触せず、該グラフェン構造体１０６が損傷されない。

さらに、前記金属基材１００の第一表面１０２に形成されたグラフェン構造体１０６及び前記非金属基材１２０を有機溶液で処理することによって、前記グラフェン構造体１０６と前記非金属基材１２０とを結合させる方法は、前記非金属基材１２０の第一表面１２２を前記金属基材１００の第一表面１０２に形成されたグラフェン構造体１０６に被覆して、複合構造体を形成させるステップｃ１と、有機溶剤で前記複合構造体を浸漬するステップｃ２と、前記有機溶剤を除去するステップｃ３と、を含む。

前記ステップｃ２において、ドロッパーで有機溶剤を前記複合構造体の表面に滴下し、該有機溶剤で複合構造体を浸漬させる。又は、全て前記複合構造体を有機溶剤の中に入れて浸漬させる。これにより、前記グラフェン構造体１０６と、前記非金属基材１２０の第一表面１２２と、を緊密に結合させる。

前記ステップｃ２において、前記有機溶液は、アルコール、メタノール、アセトン、ジクロロエタン、クロロホルムの一種又は多種の揮発性有機溶液である。本実施例において、前記揮発性有機溶液は、アルコールである。

前記ステップＳ１５において、ドライエッチングまたはウェットエッチングなどのエッチング方法で前記金属基材１００を除去する。本実施例において、ウェットエッチングを採用する。該方法は、酸素プラズマで前記金属基材１００の第二表面を処理して、前記金属基材１００を酸化するステップｄ１と、前記酸化された金属基材１００、前記非金属基材１２０及びそれらの間に設置された前記グラフェン構造体１０６を、硝酸鉄溶液に一定時間浸漬するステップｄ２と、前記非金属基材１２０の第一表面１２２に被覆された前記グラフェン構造体１０６を前記硝酸鉄溶液から取り出すステップｄ３と、を含む。

前記ステップｄ１において、本実施例の前記金属基材１００は、銅箔であり、酸化した後、前記金属基材１００が酸化銅となる。

前記ステップｄ２において、金属基材−グラフェン−非金属基材複合構造体１３０を、硝酸鉄溶液に浸漬する時間は、前記金属基材１００の寸法及び前記硝酸鉄溶液の濃度に関係する。前記硝酸鉄溶液は、０．０６ｍｏｌ／Ｌである場合、前記浸漬時間は４分〜１５分である。

前記ステップｄ３で得られた前記非金属基材１２０の第一表面１２２に被覆された前記グラフェン構造体１０６を脱イオン水で一定時間浸漬して洗浄する。前記洗浄する時間は、該グラフェン構造体１０６の寸法及び前記脱イオン水の量に関係する。本実施例において、３００ｍｌの脱イオン水で前記グラフェン構造体１０６を１５分浸漬洗浄する。前記グラフェン構造体１０６を数回繰り返して洗浄することができる。

前記ステップＳ１６において、エッチング法で前記非金属基材１２０の第二表面１２４から、該非金属基材１２０をエッチングして少なくとも一つのスルーホール１２６を形成する。前記スルーホール１２６の深さは、前記非金属基材１２０の厚さと同じである。前記スルーホール１２６の断面形状は制限せずに、円形、正方形、長方形、三角形、多辺形、工字形または他の不規則な形状であることができる。前記非金属基材１２０が、複数のスルーホール１２６を含む場合、隣接する二つのスルーホール１２６の距離は、制限されないが、１００μｍ〜３ｍｍであることが好ましい。本実施例において、前記複数のスルーホール１２６は、円柱形であり、前記非金属基材１２０中に均一に分散する。

更に、前記グラフェン構造体１０６の、前記非金属基材１２０の第一表面１２２に隣接する表面とは反対の表面に、互いに間隔を有するように配置された少なくとも二つの電極が設置される。前記二つの電極は、それぞれ前記グラフェン構造体１０６に電気的に接続されている。前記電極は、金属、カーボンナノチューブフィルム、導電性銀ペースト層または他の導電性材料からなる。本実施例において、前記二つの電極は、導電性銀ペースト層であり、スクリーン印刷、パッド印刷またはスプレーなどの方法で形成される。本実施例において、前記導電性銀ペーストを前記グラフェン構造体１０６の、前記非金属基材１２０の第一表面１２２に隣接する表面とは反対の表面に被覆した後、オーブン内に置いて１０分〜６０分ベークして、該導電性銀ペーストを固化させる。前記ベーク温度は１００℃〜１２０℃である。

更に、該グラフェン構造体１０６と、少なくとも一つのカーボンナノチューブ構造体１１０とを結合することができる。その結合方法は、次の（１）〜（３）の種類が挙げられる。

（１）図４を参照すると、前記グラフェン構造体１０６と、少なくとも一つのカーボンナノチューブ構造体１１０とを結合した後、前記非金属基材１２０の第一表面１２２に被覆し、前記グラフェン構造体１０６を、前記非金属基材１２０の第一表面１２２及び前記カーボンナノチューブ構造体１１０に隣接させるステップｅ１と、前記非金属基材１２０の第二表面１２４から、該非金属基材１２０をエッチングするステップｅ２と、を含む。

（２）図５を参照すると、前記グラフェン構造体１０６と、少なくとも一つのカーボンナノチューブ構造体１１０とを結合した後、前記非金属基材１２０の第一表面１２２に被覆し、前記カーボンナノチューブ構造体１１０を、前記非金属基材１２０の第一表面１２２及び前記グラフェン構造体１０６に隣接させるステップｆ１と、前記非金属基材１２０の第二表面１２４から、該非金属基材１２０をエッチングするステップｆ２と、を含む。

（３）前記非金属基材１２０の第二表面１２４から、該非金属基材１２０をエッチングするステップｇ１と、前記グラフェン構造体１０６と、少なくとも一つのカーボンナノチューブ構造体１１０とを結合した後、前記非金属基材１２０の第一表面１２２に被覆し、前記グラフェン構造体１０６を、前記非金属基材１２０の第一表面１２２及び前記カーボンナノチューブ構造体１１０に隣接させるまたは前記カーボンナノチューブ構造体１１０を、前記非金属基材１２０の第一表面１２２及び前記グラフェン構造体１０６に隣接させるステップｇ２と、を含む。

前記カーボンナノチューブ構造体１１０は、複数のカーボンナノチューブからなり、該複数のカーボンナノチューブが均一に分散されている。各々の前記カーボンナノチューブは分子間力で接続されている。前記カーボンナノチューブ構造体に、前記複数のカーボンナノチューブが配向し又は配向せずに配置されている。前記複数のカーボンナノチューブの配列方式により、前記カーボンナノチューブ構造体は非配向型のカーボンナノチューブ構造体及び配向型のカーボンナノチューブ構造体の二種に分類される。本実施例における非配向型のカーボンナノチューブ構造体では、前記複数のカーボンナノチューブが異なる方向に沿って配置され、又は絡み合っている。配向型のカーボンナノチューブ構造体では、前記複数のカーボンナノチューブが同じ方向に沿って配列されている。又は、配向型のカーボンナノチューブ構造体において、カーボンナノチューブ構造体が二つ以上の領域に分割される場合、各々の領域における複数のカーボンナノチューブが同じ方向に沿って配列されている。この場合、異なる領域におけるカーボンナノチューブの配列方向は異なる。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。前記カーボンナノチューブが単層カーボンナノチューブである場合、直径は０．５ｎｍ〜５０ｎｍに設定され、前記カーボンナノチューブが二層カーボンナノチューブである場合、直径は１ｎｍ〜５０ｎｍに設定され、前記カーボンナノチューブが多層カーボンナノチューブである場合、直径は１．５ｎｍ〜５０ｎｍに設定される。前記カーボンナノチューブ構造体の厚さは０．５ｎｍ〜１００μｍに設けられる。前記カーボンナノチューブ構造体に、隣接するカーボンナノチューブは、隙間を有するように並列され、前記複数の微孔が形成される。前記複数の微孔の直径は５０μｍ以下に設定される。

前記カーボンナノチューブ構造体は、自立構造の薄膜の形状に形成されている。ここで、自立構造とは、支持体材を利用せず、前記カーボンナノチューブ構造体を独立して利用することができる形態のことである。すなわち、前記カーボンナノチューブ構造体を対向する両側から支持して、前記カーボンナノチューブ構造体の構造を変化させずに、前記カーボンナノチューブ構造体を懸架させることができることを意味する。

本発明のカーボンナノチューブ構造体としては、以下の（一）〜（三）のものが挙げられる。

（一）ドローン構造カーボンナノチューブフィルム
前記カーボンナノチューブ構造体は、図６に示すように、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルム１４３ａを含む。このカーボンナノチューブフィルムはドローン構造カーボンナノチューブフィルム（ｄｒａｗｎｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅｆｉｌｍ）である。前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａは、超配列カーボンナノチューブアレイから引き出して得られたものである。単一の前記カーボンナノチューブフィルムにおいて、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６及び図７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。有機溶剤に浸漬された前記カーボンナノチューブフィルムの単位面積当たりの熱容量が低くなる。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。

前記ドローン構造カーボンナノチューブフィルムの製造方法は、前記超配列カーボンナノチューブアレイを提供するステップＳ１１と、ピンセットなどの工具を利用して前記カーボンナノチューブアレイから、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伸ばすステップＳ１２と、を含む。詳しい説明は特許文献１に掲載されている。

前記カーボンナノチューブ構造体は、積層された複数の前記カーボンナノチューブフィルムを含むことができる。この場合、隣接する前記カーボンナノチューブフィルムは、分子間力で結合されている。隣接する前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは、それぞれ０°〜９０°の角度で交差している。隣接する前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが０°以上の角度で交差する場合、前記カーボンナノチューブ構造体に複数の微孔が形成される。又は、前記複数のカーボンナノチューブフィルムは、隙間なく並列されることもできる。

（二）綿毛構造カーボンナノチューブフィルム
前記カーボンナノチューブ構造体は、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを含む。このカーボンナノチューブフィルムは綿毛構造カーボンナノチューブフィルム（ｆｌｏｃｃｕｌａｔｅｄｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅｆｉｌｍ）である。図８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において、複数のカーボンナノチューブは、絡み合い、等方的に配列されている。前記カーボンナノチューブ構造体においては、前記複数のカーボンナノチューブが均一に分布されている。複数のカーボンナノチューブは配向せずに配置されている。単一の前記カーボンナノチューブの長さは、１００ｎｍ以上であり、１００ｎｍ〜１０ｃｍであることが好ましい。前記カーボンナノチューブ構造体は、自立構造の薄膜の形状に形成されている。前記複数のカーボンナノチューブは、分子間力で接近して、相互に絡み合って、カーボンナノチューブネット状に形成されている。前記複数のカーボンナノチューブは配向せずに配置されて、多くの微小な穴が形成されている。ここで、単一の前記微小な穴の直径が１０μｍ以下になる。前記カーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブは、相互に絡み合って配置されるので、該カーボンナノチューブ構造体は柔軟性に優れ、任意の形状に湾曲して形成させることができる。用途に応じて、前記カーボンナノチューブ構造体の長さ及び幅を調整することができる。前記カーボンナノチューブ構造体の厚さは、１μｍ〜１ｍｍである。

前記綿毛構造カーボンナノチューブフィルムの製造方法は、カーボンナノチューブ原料（綿毛構造カーボンナノチューブフィルムの素になるカーボンナノチューブ）を提供するステップＳ１１と、前記カーボンナノチューブ原料を溶剤に浸漬し、該カーボンナノチューブ原料を処理して、綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体を形成するステップＳ１２と、前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体を含む溶液をろ過して、最終的な綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体を取り出すステップＳ１３と、を含む。詳しい説明は、特許文献２に掲載されている。

（三）プレシッド構造カーボンナノチューブフィルム
前記カーボンナノチューブ構造体は、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを含む。このカーボンナノチューブフィルムは、プレシッド構造カーボンナノチューブフィルム（ｐｒｅｓｓｅｄｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅｆｉｌｍ）である。単一の前記カーボンナノチューブフィルムにおける複数のカーボンナノチューブは、等方的に配列されているか、所定の方向に沿って配列されているか、または、異なる複数の方向に沿って配列されている。前記カーボンナノチューブフィルムは、押し器具を利用することにより、所定の圧力をかけて前記カーボンナノチューブアレイを押し、該カーボンナノチューブアレイを圧力で倒すことにより形成された、シート状の自立構造を有するものである。前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブの配列方向は、前記押し器具の形状及び前記カーボンナノチューブアレイを押す方向により決められている。

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におけるカーボンナノチューブが配向せずに配置される。該カーボンナノチューブフィルムは、等方的に配列されている複数のカーボンナノチューブを含む。隣接するカーボンナノチューブが分子間力で相互に引き合い、接続する。該カーボンナノチューブ構造体が平面等方性を有する。該カーボンナノチューブフィルムは、平面を有する押し器具を利用して、カーボンナノチューブアレイが成長された基板に垂直な方向に沿って前記カーボンナノチューブアレイを押すことにより形成される。

図１０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におけるカーボンナノチューブが配向して配列される。該カーボンナノチューブフィルムは、同じ方向に沿って配列された複数のカーボンナノチューブを含む。ローラー形状を有する押し器具を利用して、同じ方向に沿って前記カーボンナノチューブアレイを同時に押す場合、基本的に同じ方向に配列されるカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブフィルムが形成される。また、ローラー形状を有する押し器具を利用して、異なる方向に沿って、前記カーボンナノチューブアレイを同時に押す場合、前記異なる方向に沿って、選択的な方向に配列されるカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブフィルムが形成される。

前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブの傾斜の程度は、前記カーボンナノチューブアレイにかけた圧力に関係する。前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブと該カーボンナノチューブフィルムの表面とは、角度αを成し、該角度αは０°以上１５°以下である。好ましくは、前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが該カーボンナノチューブフィルムの表面に平行する。前記圧力が大きくなるほど、前記傾斜の程度が大きくなる。前記カーボンナノチューブフィルムの厚さは、前記カーボンナノチューブアレイの高さ及び該カーボンナノチューブアレイにかけた圧力に関係する。即ち、前記カーボンナノチューブアレイの高さが大きくなるほど、また、該カーボンナノチューブアレイにかけた圧力が小さくなるほど、前記カーボンナノチューブフィルムの厚さが大きくなる。これとは逆に、カーボンナノチューブアレイの高さが小さくなるほど、また、該カーボンナノチューブアレイにかけた圧力が大きくなるほど、前記カーボンナノチューブフィルムの厚さが小さくなる。前記プレシッド構造カーボンナノチューブフィルムの製造方法は、特許文献３に掲載されている。

図１１を参照すると、本実施例の熱音響装置の製造方法を利用して製造された熱音響装置１０は、非金属基材１２０及びグラフェン構造体１０６からなる。前記グラフェン構造体１０６は、前記非金属基材１２０の一つの表面に被覆する。前記非金属基材１２０が、複数の円柱形のスルーホール１２６を有するので、前記グラフェン構造体１０６と周辺の空気との接触面積が大きくなり、前記熱音響装置１０の熱音響効果が高くなる。且つ前記グラフェン構造体１０６は、単位面積当たりの熱容量が小さく、比表面積が大きく、熱交換の速度が速いので、音を良好に発生することができる。

（実施例２）
図１２を参照すると、本実施例の熱音響装置の製造方法は、第一表面２０２及び該第一表面２０２に対向する第二表面２０４を有する金属基材２００を提供するステップＳ２１と、化学気相成長法で前記金属基材２００の第一表面２０２にグラフェン構造体２０６を成長させるステップＳ２２と、第一表面２２２及び該第一表面２２２に対向する第二表面２２４を有する非金属基材２２０を提供するステップＳ２３と、前記グラフェン構造体２０６の、前記金属基材２００の第一表面２０２に隣接する表面とは反対の表面を前記非金属基材２２０の第一表面２２２に近接させ、前記グラフェン構造体２０６を前記金属基材２００及び前記非金属基材２２０の間に設置するステップＳ２４と、前記金属基材２００の少なくとも一部を除去するステップＳ２５と、前記非金属基材２２０の第二表面２２４から、該非金属基材２２０をエッチングして複数のスルーホール２２６を形成し、前記グラフェン構造体２０６の一部を前記複数のスルーホール２２６に対して暴露させるステップＳ２６と、を含む。実施例１と比べると、本実施例のステップＳ２５において、前記金属基材２００の少なくとも一部を除去する点が異なる。前記金属基材２００及び前記非金属基材２２０の材料、形状及び寸法は、実施例１の金属基材１００及び非金属基材１２０と同じである。

前記ステップＳ２５において、ドライエッチング方法で前記金属基材２００の少なくとも一部を除去することができる。図１３を参照すると、ドライエッチング方法で前記金属基材２００が複数の帯状電極２０８になる。前記ドライエッチング方法は、前記金属基材２００の第二表面２０４に複数の帯状の溝２３０を有する犠牲層２２８を形成するステップｈ１と、複数の帯状の溝２３０に対応する前記金属基材２００の部分をエッチングし、前記グラフェン構造体２０６の一部を暴露させるステップｈ２と、前記複数の帯状の溝２３０を含む犠牲層２２８を、除去するステップｈ３と、を含む。

前記ステップｈ１において、前記金属基材２００の第二表面２０４に犠牲層２２８を形成した後、エッチング方法で前記犠牲層２２８の一部をエッチングして、複数の帯状の溝２３０を有する犠牲層２２８を形成することができる。前記犠牲層２２８は、ポリマーからなる。前記ポリマーは、ポリメタクリル酸メチル、エポキシ、不飽和ポリエステル、シリコンエーテル樹脂などの熱硬化性樹脂である。

前記ステップｈ２において、エッチング方法によって、前記金属基材２００から複数の帯状電極２０８が形成される。前記複数の帯状電極２０８は、前記グラフェン構造体２０６に電気的に接続される。

前記エッチング方法は、ドライエッチングまたはウェットエッチングである。本実施例において、ドライエッチングを採用する。詳しくは、前記犠牲層２２８が被覆された金属基材２００を誘導結合プラズマシステムに置いて、酸素ガス及び塩素ガスをエッチングガスとして、前記複数の帯状の溝２３０に対応する前記金属基材２００の一部をエッチングすることにより、前記グラフェン構造体２０６の一部を暴露させる。本実施例において、前記誘導結合プラズマシステムの効率は５０ワットである。流量が２４ｓｃｃｍの酸素ガス及び流量が２４ｓｃｃｍの塩素ガスを前記誘導結合プラズマシステムに導入する。前記誘導結合プラズマシステムの気圧は、２Ｐａ〜１０Ｐａである。前記金属基材２００の第二表面２０４を４０秒〜５５秒間エッチングする。

前記金属基材２００が、銅箔である場合、ウェットエッチングで該銅箔をエッチングする。詳しくは、前記金属基材２００を一定量の濃度が０．０６ｍｏｌ／Ｌ〜０．２５ｍｏｌ／Ｌの塩化第三鉄溶液中に４分〜１５分間浸漬した後、前記複数の帯状の溝２３０に対応する前記金属基材２００の部分は前記犠牲層２２８で保護されないので、前記塩化第三鉄溶液で除去され、前記グラフェン構造体２０６の一部を暴露させる。

前記ステップｈ３において、有機溶液で前記犠牲層２２８を除去する。本実施例において、有機溶液は、アセトンである。

図１４を参照すると、熱音響装置２０は、複数のスルーホール２２６を有する非金属基材２２０と、グラフェン構造体２０６と、複数の帯状電極２０８と、を含む。前記グラフェン構造体２０６は、前記非金属基材２２０の一つの表面に被覆する。前記複数の帯状電極２０８は、相互に平行して配列されて、前記グラフェン構造体２０６の、前記非金属基材２２０に隣接する表面とは反対の表面に設置される。前記複数の帯状電極２０８は、前記グラフェン構造体２０６に電気的に接続されている。前記複数の帯状電極２０８は、前記グラフェン構造体２０６を保護することができる。

（実施例３）
図１５を参照すると、本実施例の熱音響装置の製造方法は、第一表面３２２及び該第一表面に対向する第二表面３２４を有する非金属基材３２０を提供するステップＳ３１と、少なくとも一つのグラフェン構造体３０６を前記非金属基材３２０の、第一表面３２２に成形するステップＳ３２と、前記非金属基材３２０の、第二表面３２４から該非金属基材３２０をエッチングして複数のスルーホール３２６が形成され、該複数のスルーホール３２６によって、前記グラフェン構造体３０６の一部を暴露させるステップＳ３３と、を含む。前記非金属基材３２０の材料、形状及び寸法は、実施例１の非金属基材１２０と同じである。

本実施例と実施例１との異なる点は、本実施例のステップＳ３２において、前記グラフェン構造体３０６は、ＬＢ法、溶液法、機械加工法または機械的剥離法などの方法で製造することができることである。

本実施例において、機械加工法で前記グラフェン構造体３０６を製造する。前記機械加工法は、酸素プラズマで前記非金属基材３２０の第一表面３２２を処理して、該第一表面３２２に酸化層を形成させるステップｉ１と、高配向性熱分解グラファイトを提供し、該高配向性熱分解グラファイトに対して浄化処理を行った後、前記酸化層の、前記第一表面３２２に隣接する表面とは反対の表面に、前記高配向性熱分解グラファイトを設置するステップｉ２と、機械加工法によって、前記グラフェン構造体３０６が形成されるステップｉ３と、を含む。

前記ステップｉ３において、挾持具で前記グラフェン構造体３０６及び非金属基材３２０を加圧装置に置いて、９８Ｐａ〜１９６Ｐａの圧力５〜１０分間を印加した後、圧力の印加を止め、前記高配向性熱分解グラファイトを除去し、前記非金属基材３２０を取り出して、前記第一表面３２２に形成された酸化層の、前記非金属基材３２０に隣接する表面の反対の表面に前記グラフェン構造体３０６が形成される。

１０、２０熱音響装置
１００、２００金属基材
１０２、２０２第一表面
１０４、２０４第二表面
１０６、２０６、３０６グラフェン構造体
２０８帯状電極
１１０、２１０カーボンナノチューブ構造体
１２０、２２０、３２０非金属基材
１２２、２２２、３２２第一表面
１２６、２２６、３２６スルーホール
１３０金属基材−グラフェン−非金属基材複合構造体
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
２００測定試料
２２８犠牲層
２３０溝
４０熱圧装置
４２金属ローラー

Claims

第一表面及び該第一表面に対向する第二表面を有する金属基材を提供するステップ（Ｓ１１）と、
前記金属基材第一表面にグラフェン構造体を成長させるステップ（Ｓ１２）と、
第一表面及び該第一表面に対向する第二表面を有する非金属基材を提供するステップ（Ｓ１３）と、
前記グラフェン構造体の、前記金属基材に隣接する表面とは反対の表面を前記非金属基材の第一表面に隣接させ、前記グラフェン構造体を前記金属基材及び前記非金属基材の間に設置するステップ（Ｓ１４）と、
前記金属基材の少なくとも一部を除去するステップ（Ｓ１５）と、
前記非金属基材をエッチングして少なくとも一つのスルーホールを形成し、前記グラフェン構造体の一部を該スルーホールに対して暴露させるステップ（Ｓ１６）と、
を含むことを特徴とする熱音響装置の製造方法。
第一表面及び該第一表面に対向する第二表面を有する非金属基材を提供するステップ（Ｓ１１）と、
少なくとも一つのグラフェン構造体を提供し、該グラフェン構造体を前記非金属基材の第一表面に形成するステップ（Ｓ１２）と、
前記非金属基材をエッチングして複数のスルーホールを形成し、前記グラフェン構造体の一部を前記複数のスルーホールに対して暴露させるステップ（Ｓ１３）と、
を含むことを特徴とする熱音響装置の製造方法。