JP2017106129A - 導電体、歪みセンサー、及び導電体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
図1の当該導電体は、複数のカーボンナノチューブ3が併設されるカーボンナノチューブ束1を備える糸状の導電体である。当該導電体のカーボンナノチューブ束1は、図2に示すように、径方向におけるカーボンナノチューブ3の密度が高い高密度部THと、前記密度が前記高密度部THよりも低い低密度部TLとが軸方向に交互に存在する。また、当該導電体は、カーボンナノチューブ束1の表層を被覆する保護層2をさらに備える。
カーボンナノチューブ束1は、一方向に引き揃えられる複数のカーボンナノチューブ3を含む。ここで、「一方向に引き揃えられる」とは、その配向方向を完全に一致させることまでは要求されず、いわゆる撚りのない状態を含み、また配向方向のランダムなばらつきや撚りのような規則的な偏向を有する状態とされることを含む。
高密度部TH及び低密度部TLについて以下に説明する。図3のカーボンナノチューブ束1の径方向の断面において、破線で示す円は、カーボンナノチューブ束1の平均径Rを有する円である。ここで、「平均径R」は、カーボンナノチューブ束1の体積を長さで除することにより算出される平均断面積と等面積を有する円の直径である。密度規定範囲Sは、高密度部TH及び低密度部TLを判断するための特定の面積を有する範囲であり、一辺の長さがカーボンナノチューブ束1の平均径Rの1/3の正方形で囲まれる範囲である。カーボンナノチューブ束1の径方向の断面において、カーボンナノチューブの密度が平均密度の2倍以上となる密度規定範囲Sが存在する部分が「高密度部TH」に含まれる。また、カーボンナノチューブ束1のうち、「高密度部TH」以外の部分が「低密度部TL」である。
カーボンナノチューブ束1に併設されるカーボンナノチューブ3としては、単層のシングルウォールナノチューブ(SWNT)や、多層のマルチウォールナノチューブ(MWNT)のいずれも用いることができる。中でも、導電性及び熱容量等の点から、MWNTが好ましく、直径1.5nm以上100nm以下のMWNTがさらに好ましい。
保護層2は、合成樹脂を主成分とし、絶縁性及び伸縮性を有する。保護層2は、カーボンナノチューブ束1の表層を被覆することによって、カーボンナノチューブ束1が周囲の物体に接触して損傷することや、カーボンナノチューブ束1に異物が混入してカーボンナノチューブ3間の電気的接触を阻害することを防止する。また、保護層2は、カーボンナノチューブ束1の収縮をアシストする。
当該導電体は、カーボンナノチューブ3の高密度部THと低密度部TLとが軸方向に交互に存在するので、複数の低密度部TL内の複数の箇所でカーボンナノチューブ3が開裂し易くなるため、軸方向のある1つの特定の位置で全てのカーボンナノチューブ3が切断してカーボンナノチューブ束1が断線することが無い。また、当該導電体は、開裂し易い低密度部TLが軸方向に断続的に存在することにより、カーボンナノチューブ束1の伸縮に対応して複数個所でカーボンナノチューブ3が開裂していき抵抗値が変化するため、リニアリティの高い歪みの検出ができる。また、当該導電体は、伸縮し易い低密度部TLが軸方向に複数存在することにより、比較的大きな伸縮歪みを検出できる。
図5の当該歪みセンサーは、上述した導電体と、この導電体の両端に配設される一対の電極4a、4bとを備える。
当該歪みセンサーは、前記導電体を備えるので、軸方向のある1つの位置での全てのカーボンナノチューブ3の切断が生じ難いため、リニアリティの高い歪みの検出ができる。
次に、当該導電体の製造方法について説明する。
束形成工程では、例えば成長用基材上に触媒層を形成し、CVD法により一定の方向に配向した複数のカーボンナノチューブを成長させ、引き出すことにより、複数のカーボンナノチューブが略一方向に併設したカーボンナノチューブ束を得る。
高密度部及び低密度部形成工程では、束形成工程で形成したカーボンナノチューブ束の軸方向に、高密度部及び低密度部を交互に形成する。例えば、カーボンナノチューブ束の軸方向に、断続的に複数の高密度部を形成させる。これにより、軸方向に高密度部及び低密度部が交互に存在するカーボンナノチューブ束を形成できる。
当該導電体の第1製造方法は、前記高密度部及び低密度部形成工程が、カーボンナノチューブ束に撚りをかける工程(撚り形成工程)と、撚り形成工程でかけたカーボンナノチューブ束の撚りを戻す工程(撚り戻し工程)とを有する。
撚り形成工程では、図6(a)に示すように、束形成工程で形成したカーボンナノチューブ束1に撚りをかける。具体的には、例えばカーボンナノチューブ束1の両端を支持し、その支持した一端を軸方向を中心として回転することで撚りをかける。なお、カーボンナノチューブ束1に撚りをかけた後、カーボンナノチューブ束1にエタノールやイソプロピルアルコール(IPA)を噴射してもよい。カーボンナノチューブ束1にエタノール等のアルコールを噴射することで、カーボンナノチューブを縮ませると共にカーボンナノチューブ同士を付着させることができ、カーボンナノチューブ束1の強度を向上させることができる。
撚り戻し工程では、図6(b)に示すように、撚り形成工程でかけたカーボンナノチューブ束1の撚りを戻す。具体的には、例えば撚り形成工程で支持したカーボンナノチューブ束1の両端を撚り形成工程と反対向きに回転させてもよいし、撚り形成工程で支持したカーボンナノチューブ束1の両端のうち一方の端部の支持を解除するだけでもよい。また、撚り戻し工程後のカーボンナノチューブ束1は、撚りが無い状態でもよいし、撚りがかかった状態でもよい。
次に、第1製造方法とは異なる当該導電体の第2製造方法について説明する。
第2製造方法では、カーボンナノチューブ束として平面視略帯状の比較的幅の小さいカーボンナノチューブシート10を用いる。束形成工程では、例えば成長用基材上に触媒層を形成し、CVD法により一定の方向に配向した複数のカーボンナノチューブを成長させ、撚糸せずにそのまま引き出し、他の板材又は筒材等に巻き付けた後に、必要な分のカーボンナノチューブを取り出すことにより、幅の狭いカーボンナノチューブシート10を得る。次に、図7に示すように、このようにして形成したカーボンナノチューブシート10を上面が平坦な台11の上に載置する。台11は、例えば金属等の変形し難い硬質のものを用いる。なお、図7は、カーボンナノチューブシート10の長手方向が、図面上で左右方向となるように記載した図である。
高密度部及び低密度部形成工程では、束形成工程で載置したカーボンナノチューブシート10の一方の面を上型12により押圧する。図7に示すように、上型12のカーボンナノチューブシート10に当接させる側の面には、複数の突起が形成されている。この複数の突起がカーボンナノチューブシート10の長手方向の複数の箇所に当接し、カーボンナノチューブシート10の厚さ方向に押圧される。
次に、当該導電体の第3製造方法について説明する。
第3製造方法では、カーボンナノチューブ束として平面視略帯状の比較的幅の小さいカーボンナノチューブシート10を用いる。束形成工程では、例えばCVD法を用いる第2製造方法の束形成工程と同様の方法によりカーボンナノチューブシート10を得る。
圧縮工程では、カーボンナノチューブシート10の長手方向の複数箇所を圧縮糸で圧縮する。具体的には、図8に示すように、カーボンナノチューブシート10の長手方向の複数箇所を圧縮糸13で縛る。
圧縮糸除去工程では、圧縮工程でカーボンナノチューブの密集状態が維持されるよう圧力を付加した後、圧縮糸13をカーボンナノチューブシート10から除去する。これにより、カーボンナノチューブの密集状態となった部分が高密度部となる。これにより、カーボンナノチューブシート10の長手方向に高密度部と低密度部とが交互に形成される。これにより、高密度部と低密度部とを有する無撚のカーボンナノチューブ糸を得ることができる。
次に、当該導電体の第4製造方法について説明する。
第4製造方法では、カーボンナノチューブ束として平面視略帯状の比較的幅の小さいカーボンナノチューブシート10を用いる。束形成工程では、第2製造方法の束形成工程と同様の方法により形成したカーボンナノチューブシート10を台11の上に載置する。
高密度部及び低密度部形成工程では、まず、カーボンナノチューブシート10の長手方向に沿って複数箇所に貫通孔が形成されたマスク板14をカーボンナノチューブシート10の一方の面に載置する。次に、マスク板14の貫通孔を介してエタノール16をカーボンナノチューブシート10の一方の面に滴下する。エタノール16が滴下された部分は、カーボンナノチューブが縮むと共にカーボンナノチューブ同士が付着するため、高密度部となる。一方、カーボンナノチューブシート10のエタノール16と接触しない部分は、カーボンナノチューブ同士が付着せず、低密度部となる。このように、カーボンナノチューブシート10の長手方向の複数箇所にエタノール16を滴下することにより、高密度部と低密度部とがカーボンナノチューブシート10の長手方向に交互に形成される。これにより高密度部と低密度部とを有する無撚のカーボンナノチューブ糸を得ることができる。
前記実施形態は、本発明の構成を限定するものではない。従って、前記実施形態は、本明細書の記載及び技術常識に基づいて前記実施形態各部の構成要素の省略、置換又は追加が可能であり、それらは全て本発明の範囲に属するものと解釈されるべきである。
2 保護層
3 カーボンナノチューブ
4a、4b 電極
10 カーボンナノチューブシート
11 台
12 上型
13 圧縮糸
14 マスク板
15 吸収材
16 エタノール
22 伸縮規制部材
R カーボンナノチューブ束の平均径
S 密度規定範囲
TL 低密度部
TH 高密度部
Claims (5)
- 複数のカーボンナノチューブが併設されるカーボンナノチューブ束を備える糸状の導電体であって、
カーボンナノチューブ束の径方向におけるカーボンナノチューブの密度が高い高密度部と、前記密度が前記高密度部よりも低い低密度部とが、カーボンナノチューブ束の軸方向に交互に存在することを特徴とする導電体。 - 前記カーボンナノチューブ束の表層を被覆する保護層をさらに備え、
前記保護層が、合成樹脂を主成分とし、伸縮性を有する請求項1に記載の導電体。 - 前記保護層が、カーボンナノチューブ束の少なくとも表層に含浸しており、
軸方向の位置に応じて、この保護層の含浸度合が変化する請求項2に記載の導電体。 - 請求項1、請求項2又は請求項3に記載の導電体と、
前記導電体の両端に配設される一対の電極と
を備える歪みセンサー。 - 複数のカーボンナノチューブが併設されるカーボンナノチューブ束を備える糸状の導電体の製造方法であって、
複数のカーボンナノチューブ束に撚りをかける工程と、
前記複数のカーボンナノチューブ束の撚りを戻す工程と
を備えることを特徴とする導電体の製造方法。
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