JP2024052746A - Modified carbon nanotube forests, carbon nanotube continua and interlayer thermal conductive materials - Google Patents

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Abstract

【課題】カーボンナノチューブフォレストが微粒子を担持した構造を有する修飾カーボンナノチューブフォレストを提供する。【解決手段】修飾カーボンナノチューブフォレスト40は、所定の方向に配向したカーボンナノチューブ50と、カーボンナノチューブ50に担持された微粒子70とを備え、紡績可能であり、好ましくは、カーボンナノチューブ50の隣接間隙D1と微粒子70の平均粒径D2とを用いて下記式(1)により定義される比Rが3以上である。微粒子70は導電性を有していることが好ましい。R=D1/D2 (1)隣接間隙D1は、修飾カーボンナノチューブフォレスト40の数密度A(単位:本/m2)およびカーボンナノチューブ50の平均直径D3を用いて、下記式(2)により表される。D1=A-1/2-D3 (2)【選択図】図3[Problem] To provide a modified carbon nanotube forest having a structure in which a carbon nanotube forest supports fine particles. [Solution] The modified carbon nanotube forest 40 comprises carbon nanotubes 50 oriented in a predetermined direction and fine particles 70 supported on the carbon nanotubes 50, is spinnable, and preferably has a ratio R defined by the following formula (1) using the adjacent gap D1 of the carbon nanotubes 50 and the average diameter D2 of the fine particles 70, which is 3 or more. It is preferable that the fine particles 70 are conductive. R=D1/D2 (1) The adjacent gap D1 is expressed by the following formula (2) using the number density A (unit: tubes/m2) of the modified carbon nanotube forest 40 and the average diameter D3 of the carbon nanotubes 50. D1=A-1/2-D3 (2) [Selected Figure] FIG. 3

Description

特許法第30条第2項適用申請有り 令和2年9月10日にフラーレン・ナノチューブ・グラフェン学会が発行した第59回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム講演要旨集の第111頁にて発表 令和2年9月18日にフラーレン・ナノチューブ・グラフェン学会が主催の第59回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウムにて発表Application for application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act has been filed. Published on page 111 of the Abstracts of the 59th Fullerene, Nanotube, and Graphene General Symposium published by the Fullerene, Nanotube, and Graphene Society on September 10, 2020. Published at the 59th Fullerene, Nanotube, and Graphene General Symposium hosted by the Fullerene, Nanotube, and Graphene Society on September 18, 2020.

本発明は、修飾カーボンナノチューブフォレスト(修飾CNTフォレスト)、当該修飾CNTフォレストの紡績体を備えるカーボンナノチューブ連続体(CNT連続体)、当該CNT連続体を備えるガス透過性シート、当該ガス透過性シートを備える燃料電池の触媒電極、上記の修飾CNTフォレストまたはCNT連続体を備える導電性部材および糸状導電性部材、当該導電性部材を備える層間熱伝導材料、および上記の修飾CNTフォレストの製造方法に関する。 The present invention relates to a modified carbon nanotube forest (modified CNT forest), a carbon nanotube continuous body (CNT continuous body) comprising a spun body of the modified CNT forest, a gas-permeable sheet comprising the CNT continuous body, a catalyst electrode of a fuel cell comprising the gas-permeable sheet, a conductive member and a filamentary conductive member comprising the modified CNT forest or CNT continuous body, an interlayer thermal conductive material comprising the conductive member, and a method for producing the modified CNT forest.

本明細書において、「CNTフォレスト」とは、複数のカーボンナノチューブ(CNT)の合成構造(以下、かかる合成構造を与えるCNTの個々の形状を「一次構造」といい、上記の合成構造を「二次構造」ともいう。)の一種であって、複数のCNTが長軸方向の少なくとも一部について一定の方向(具体的な一例として、基板が備える面の1つの法線にほぼ平行な方向が挙げられる。)に配向するように成長してなるCNTの集合体を意味する。特許文献1および非特許文献1には、塩化鉄を用いてCNTフォレストを製造する方法(気相触媒法)が開示されている。非特許文献2には、基材上に触媒微粒子を設け、その触媒微粒子からCNTを成長させることによりCNTフォレストを得る方法(固相触媒法)が開示されている。 In this specification, "CNT forest" refers to a type of composite structure of multiple carbon nanotubes (CNTs) (hereinafter, the individual shape of the CNTs that gives such a composite structure is referred to as the "primary structure", and the above composite structure is also referred to as the "secondary structure"), and refers to an aggregate of CNTs that have grown so that multiple CNTs are oriented in a certain direction (a specific example is a direction approximately parallel to a normal line of one of the surfaces of the substrate) for at least a part of their longitudinal direction. Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 disclose a method of producing a CNT forest using iron chloride (gas-phase catalytic method). Non-Patent Document 2 discloses a method of obtaining a CNT forest by providing catalytic fine particles on a substrate and growing CNTs from the catalytic fine particles (solid-phase catalytic method).

また、本明細書において、CNTフォレストの一部のCNTをつまみ、そのCNTをCNTフォレストから離間するように引っ張ることによって、CNTフォレストから複数のCNTを連続的に引き出すこと(本明細書において、この作業を従来技術に係る繊維から糸を製造する作業に倣って「紡績」ともいう。)によって形成される、複数のCNTが紡績方向に沿って互いにつながった構造を有する構造体を「CNT連続体」という。特許文献2には、複数のCNTが連続して糸状の全体形状を有する二次構造(本明細書においてこのCNT連続体を「CNTヤーン」という。)について開示がある。CNTヤーンを構成するCNTは、CNTヤーンの延在方向(紡績方向に相当する。)に沿って配向している。また、特許文献2には、複数のCNTが連続してウェブ状の全体形状を有する二次構造(本明細書においてこのCNT連続体を「CNTウェブ」という。)について開示がある。CNTウェブを構成するCNTは、CNTウェブの面内方向の一つ(紡績方向に相当する。)に沿って配向している。図29は、気相触媒法により製造されたCNTフォレストからCNTウェブが紡ぎ出されている状態を示す図である。 In addition, in this specification, a structure in which multiple CNTs are connected to each other along the spinning direction, formed by continuously extracting multiple CNTs from a CNT forest by pinching a part of the CNTs in the CNT forest and pulling the CNTs away from the CNT forest (in this specification, this operation is also referred to as "spinning" following the operation of producing yarn from fibers in the prior art), is referred to as a "CNT continuum." Patent Document 2 discloses a secondary structure in which multiple CNTs are connected to each other along the spinning direction (in this specification, this CNT continuum is referred to as a "CNT yarn"). The CNTs that make up the CNT yarn are oriented along the extension direction of the CNT yarn (corresponding to the spinning direction). Patent Document 2 also discloses a secondary structure in which multiple CNTs are connected to each other along the spinning direction (in this specification, this CNT continuum is referred to as a "CNT web"). The CNTs that make up the CNT web are oriented along one of the in-plane directions of the CNT web (corresponding to the spinning direction). Figure 29 shows the state in which a CNT web is being spun from a CNT forest produced by the gas-phase catalytic method.

特許文献3には、延在方向に沿って延びる複数の炭素繊維であって、各炭素繊維がカーボンナノチューブを含む前記複数の炭素繊維と、前記複数の炭素繊維に担持された複数の金属粒子であって、前記複数の金属粒子は、前記延在方向において前記炭素繊維の全体に分散し、各炭素繊維を他の炭素繊維に電気的に接続する前記複数の金属粒子と、を備えるカーボンナノチューブ電極が開示されている。 Patent document 3 discloses a carbon nanotube electrode comprising: a plurality of carbon fibers extending along an extension direction, each of the carbon fibers including a carbon nanotube; and a plurality of metal particles supported on the plurality of carbon fibers, the plurality of metal particles being dispersed throughout the carbon fibers in the extension direction, and electrically connecting each carbon fiber to other carbon fibers.

特許文献4には、複数のカーボンナノチューブの端部同士が接合されたカーボンナノチューブ繊維の表面に金属が被着した金属被着ナノチューブ繊維を撚り合わせた金属複合カーボンナノチューブ撚糸であって、前記のカーボンナノチューブ繊維に被着した金属同士の接触部が融着した構造である、金属複合カーボンナノチューブ撚糸が開示されている。 Patent document 4 discloses a metal composite carbon nanotube twisted yarn in which metal-coated nanotube fibers, in which the surfaces of carbon nanotube fibers in which the ends of multiple carbon nanotubes are joined together are coated with metal, are twisted together, and the contact portions of the metal coated carbon nanotube fibers are fused together.

特開2009-196873号公報JP 2009-196873 A 特許第5664832号公報Patent No. 5664832 特開2020-102352号公報JP 2020-102352 A 特開2018-53408号公報JP 2018-53408 A

Adrian Ghemes, Yoshitaka Minami, Junichi Muramatsu, Morihiro Okada, Hidenori Mimura, Yoku Inoue. Fabrication and mechanical properties of carbon nanotube yarns spun from ultra-long multi-walled carbon nanotube arrays. Carbon 2012;50:4579-4587.Adrian Ghemes, Yoshitaka Minami, Junichi Muramatsu, Morihiro Okada, Hidenori Mimura, Yoku Inoue. Fabrication and mechanical properties of carbon nanotube yarns spun from ultra-long multi-walled carbon nanotube arrays. Carbon 2012;50:4579-4587. Toshiya Kinoshita, Motoyuki Karita, Takayuki Nakano, Yoku Inoue. Two step floating catalyst chemical vapor deposition including in situ fabrication of catalyst nanoparticles and carbon nanotube forest growth with low impurity level. Carbon 2019;144:152-160.Toshiya Kinoshita, Motoyuki Karita, Takayuki Nakano, Yoku Inoue. Two step floating catalyst chemical vapor deposition including in situ fabrication of catalyst nanoparticles and carbon nanotube forest growth with low impurity level. Carbon 2019;144:152-160.

本発明は、CNTフォレストが他の物質によって修飾された修飾CNTフォレスト、当該修飾CNTフォレストの紡績体を備えるCNT連続体、当該CNT連続体を備えるガス透過性シート、当該ガス透過性シートを備える燃料電池の触媒電極、上記の修飾CNTフォレストまたはCNT連続体を備える導電性部材および糸状導電性部材、当該導電性部材を備える層間熱伝導材料、ならびに上記の修飾CNTフォレストの製造方法を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a modified CNT forest in which a CNT forest is modified with another substance, a CNT continuous body comprising a spun body of the modified CNT forest, a gas-permeable sheet comprising the CNT continuous body, a catalyst electrode of a fuel cell comprising the gas-permeable sheet, a conductive member and a filamentary conductive member comprising the modified CNT forest or the CNT continuous body, an interlayer thermal conductive material comprising the conductive member, and a method for producing the modified CNT forest.

上記課題を解決するために、提供される本発明は次の態様を含む。
[1]所定の方向に配向したカーボンナノチューブを備えるカーボンナノチューブフォレストと、前記カーボンナノチューブに担持された微粒子とを備え、紡績可能であることを特徴とする修飾カーボンナノチューブフォレスト。
In order to solve the above problems, the present invention includes the following aspects.
[1] A modified carbon nanotube forest, comprising carbon nanotubes oriented in a predetermined direction and microparticles supported on the carbon nanotubes, and characterized in that it is spinnable.

[2]前記カーボンナノチューブの隣接間隙D1と前記微粒子の平均粒径D2とを用いて下記式(1)により定義される比Rが3以上である、上記[1]に記載の修飾カーボンナノチューブフォレスト。
R=D1/D2 (1)
ここで、前記隣接間隙D1は、前記修飾カーボンナノチューブフォレストの数密度A(単位:本/m2)および前記カーボンナノチューブの平均直径D3を用いて、下記式(2)により表され、前記平均粒径D2および前記平均直径D3は、それぞれ、前記修飾カーボンナノチューブフォレストを電子顕微鏡により観察して測定された、10カ所以上の前記微粒子の直径の算術平均および10カ所以上の前記カーボンナノチューブの直径の算術平均である。
D1=A-1/2-D3 (2)
[2] The modified carbon nanotube forest described in [1] above, in which the ratio R defined by the following formula (1) using the adjacent gap D1 of the carbon nanotubes and the average particle diameter D2 of the microparticles is 3 or more.
R = D1/D2 (1)
Here, the adjacent gap D1 is expressed by the following formula (2) using the number density A (unit: tubes/ m2 ) of the modified carbon nanotube forest and the average diameter D3 of the carbon nanotubes, and the average particle size D2 and the average diameter D3 are, respectively, the arithmetic average of the diameters of the microparticles at 10 or more locations and the arithmetic average of the diameters of the carbon nanotubes at 10 or more locations measured by observing the modified carbon nanotube forest using an electron microscope.
D1 = A -1/2 - D3 (2)

[3]前記微粒子は導電性を有する、上記[1]または上記[2]に記載の修飾カーボンナノチューブフォレスト。 [3] The modified carbon nanotube forest described in [1] or [2] above, wherein the microparticles are conductive.

[4]前記微粒子は酸化物を含む、上記[1]から上記[3]のいずれか1項に記載の修飾カーボンナノチューブフォレスト。 [4] The modified carbon nanotube forest described in any one of [1] to [3] above, wherein the fine particles include an oxide.

[5]上記[1]から上記[4]のいずれか1項に記載の修飾カーボンナノチューブフォレストの紡績体を備える、カーボンナノチューブ連続体。 [5] A carbon nanotube continuum comprising a spun body of a modified carbon nanotube forest described in any one of [1] to [4] above.

[6]前記カーボンナノチューブ連続体がウェブ形状を有する、上記[5]に記載のカーボンナノチューブ連続体。 [6] The carbon nanotube continuous body described in [5] above, wherein the carbon nanotube continuous body has a web shape.

[7]前記カーボンナノチューブ連続体は糸形状を有する、上記[5]に記載のカーボンナノチューブ連続体。 [7] The carbon nanotube continuous body described in [5] above, wherein the carbon nanotube continuous body has a thread shape.

[8]撚りかけられている、上記[7]に記載のカーボンナノチューブ連続体。 [8] A carbon nanotube continuum according to [7] above, which is twisted.

[9]上記[6]に記載されるウェブ形状を有するカーボンナノチューブ連続体を備え、前記カーボンナノチューブ連続体を構成するカーボンナノチューブの少なくとも一部は、その配向方向に交差する方向に隙間を有して隣り合うこと
を特徴とするガス透過性シート。
[9] A gas-permeable sheet comprising the web-shaped carbon nanotube continuous body described in [6] above, wherein at least some of the carbon nanotubes constituting the carbon nanotube continuous body are adjacent to each other with gaps in a direction intersecting their orientation direction.

[10]前記カーボンナノチューブは、PtおよびCoからなる群から選ばれる一種以上の元素を含む微粒子を担持する、上記[9]に記載のガス透過性シート。 [10] The gas permeable sheet described in [9] above, in which the carbon nanotubes support fine particles containing one or more elements selected from the group consisting of Pt and Co.

[11]上記[9]または上記[10]に記載のガス透過性シートを備える燃料電池の触媒電極。 [11] A catalyst electrode for a fuel cell comprising the gas permeable sheet described in [9] or [10] above.

[12]上記[1]から上記[3]のいずれか1項に記載の修飾カーボンナノチューブフォレストと、前記修飾カーボンナノチューブフォレストの内部に位置するカーボンナノチューブに堆積しためっき系物質を備えることを特徴とする導電性部材。 [12] A conductive member comprising a modified carbon nanotube forest according to any one of [1] to [3] above, and a plating material deposited on the carbon nanotubes located inside the modified carbon nanotube forest.

[13]上記[12]に記載される導電性部材を備える、層間熱伝導材料。 [13] An interlayer thermally conductive material comprising the conductive member described in [12] above.

[14]上記[5]から上記[8]のいずれかに記載されるカーボンナノチューブ連続体と、前記カーボンナノチューブ連続体の内部に位置するカーボンナノチューブに堆積しためっき物質とを備えることを特徴とする導電性部材。 [14] A conductive member comprising a carbon nanotube continuous body as described in any one of [5] to [8] above, and a plating substance deposited on the carbon nanotubes located inside the carbon nanotube continuous body.

[15]前記カーボンナノチューブ連続体のカーボンナノチューブは導電性を有する微粒子を担持する、上記[14]に記載の導電性部材。 [15] The conductive member according to [14] above, in which the carbon nanotubes of the carbon nanotube continuum support conductive particles.

[16]上記[1]から上記[4]のいずれかに記載の修飾カーボンナノチューブフォレストの製造方法であって、金属元素含有物質を気相状態にしてカーボンナノチューブフォレストに供給し、前記金属元素含有物質を分解して金属基物質を生成し、前記金属基物質から形成された微粒子を、前記カーボンナノチューブフォレストに担持させることを備えることを特徴とする修飾カーボンナノチューブフォレストの製造方法。 [16] A method for producing a modified carbon nanotube forest according to any one of [1] to [4] above, comprising: supplying a metal element-containing substance in a gaseous state to a carbon nanotube forest; decomposing the metal element-containing substance to generate a metal-based substance; and supporting the fine particles formed from the metal-based substance on the carbon nanotube forest.

[17]上記[6]または上記[7]に記載される糸形状を有するカーボンナノチューブ連続体と、前記カーボンナノチューブ連続体を構成するカーボンナノチューブの少なくとも一部に堆積しためっき系物質とを備える糸状導電性部材。 [17] A filamentary conductive member comprising a continuous carbon nanotube body having the filamentary shape described in [6] or [7] above, and a plating material deposited on at least a portion of the carbon nanotubes that make up the continuous carbon nanotube body.

[18]電流容量が105A/cm2以上である、上記[17]に記載の糸状導電性部材。 [18] The filamentous conductive member according to the above [17], having a current capacity of 10 5 A/cm 2 or more.

[19]長手方向の導電率を測定したときに、300Kから450Kの範囲での抵抗温度係数が1.8×10-3-1以下である、上記[17]または上記[18]に記載の糸状導電性部材。 [19] The filamentous conductive member according to [17] or [18], having a temperature coefficient of resistance of 1.8×10 −3 K −1 or less in the range of 300 K to 450 K when the electrical conductivity is measured in the longitudinal direction.

[20]長手方向で測定された導電率に基づき算出される比導電率が、400K以上で銅線の比導電率よりも高い、上記[17]から上記[19]のいずれかに記載の糸状導電性部材。 [20] A filamentous conductive member according to any one of [17] to [19] above, in which the specific conductivity calculated based on the conductivity measured in the longitudinal direction is higher than the specific conductivity of a copper wire at 400 K or higher.

[21]前記糸状導電部材から前記めっき系物質を除いた材料に相当するブランクカーボンナノチューブ連続体を基準として、引張強度が1.0倍以上であり、ヤング率が1.5倍以上である、上記[17]から上記[20]のいずれかに記載の糸状導電性部材。 [21] A filamentary conductive member according to any one of [17] to [20] above, which has a tensile strength of 1.0 times or more and a Young's modulus of 1.5 times or more based on a blank carbon nanotube continuum corresponding to the material obtained by removing the plating substance from the filamentary conductive member.

本発明により、修飾CNTフォレスト、当該修飾CNTフォレストの紡績体を備えるCNT連続体、当該CNT連続体を備えるガス透過性シート、当該ガス透過性シートを備える燃料電池の触媒電極、上記の修飾CNTフォレストまたはCNT連続体を備える導電性部材および糸状導電性部材、当該導電性部材を備える層間熱伝導材料、ならびに上記の修飾CNTフォレストの製造方法が提供される。 The present invention provides a modified CNT forest, a CNT continuous body comprising a spun body of the modified CNT forest, a gas-permeable sheet comprising the CNT continuous body, a catalyst electrode of a fuel cell comprising the gas-permeable sheet, a conductive member and a filamentary conductive member comprising the modified CNT forest or the CNT continuous body, an interlayer thermal conductive material comprising the conductive member, and a method for producing the modified CNT forest.

CNTフォレストから修飾CNTフォレストを得る製造装置の一例を概念的に示す図である。A conceptual diagram of an example of a manufacturing apparatus for obtaining a modified CNT forest from a CNT forest. CNTフォレストの側面の一部の観察結果を示す図である。A diagram showing observations of a portion of the side of a CNT forest. 修飾CNTフォレストの側面の一部の観察結果を示す図である。A diagram showing a partial observation of the side of a modified CNT forest. 図3の部分拡大図である。FIG. 4 is a partially enlarged view of FIG. 3 . 図4に示される側面について反射電子像により観察した結果を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a result of observing the side surface shown in FIG. 4 by a reflected electron image. CNTフォレストの一部を除去して得られた断面の一部の観察結果を示す図である。This figure shows the results of observing a portion of a cross section obtained by removing a portion of a CNT forest. 図6に示される側面について反射電子像により観察した結果を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing a result of observing the side surface shown in FIG. 6 by a backscattered electron image. 修飾CNTフォレストが紡績される様子を概念的に示す図である。FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating how a modified CNT forest is spun. (a)修飾CNTフォレストを紡績して得られたCNTヤーンに撚りかけしてCNT撚糸を作製している様子を示す図、(b)修飾CNTフォレストを紡績する装置の構成を概念的に示す図である。(a) A diagram showing the process of twisting the CNT yarn obtained by spinning the modified CNT forest to produce a CNT twisted yarn, and (b) a conceptual diagram showing the configuration of the device for spinning the modified CNT forest. CNT撚糸の観察結果を示す図である。FIG. 1 shows the observation results of a CNT twisted yarn. 図10の部分拡大図である。FIG. 11 is a partially enlarged view of FIG. (a)CNT撚糸の断面の観察図、(b)図12(a)の断面の中心部分を部分的に拡大して反射電子により観察した図である。12(a) is an observation image of a cross section of a CNT twisted yarn, and (b) is an enlarged view of the central part of the cross section of FIG. 12(a) observed by reflected electrons. 硫酸銅浴の電気めっきによりCNT撚糸にめっきする装置の構成を概念的に示した図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of an apparatus for plating a CNT yarn by electroplating in a copper sulfate bath. 修飾CNTフォレストの観察結果を示す図である。FIG. 1 shows the observation results of a modified CNT forest. 修飾CNTフォレストの観察結果を示す図である。FIG. 1 shows the observation results of a modified CNT forest. 修飾CNTフォレストの観察結果を示す図である。FIG. 1 shows the observation results of a modified CNT forest. 修飾CNTフォレストの観察結果を示す図である。FIG. 1 shows the observation results of a modified CNT forest. 微粒子の粒径の測定結果を示すヒストグラムである。1 is a histogram showing the measurement results of particle diameters of fine particles. 導電性部材の外観の観察図である。FIG. 2 is an observation view of the external appearance of a conductive member. 図19の導電性部材の拡大観察図である。FIG. 20 is an enlarged view of the conductive member of FIG. 19 . 電流密度を5mA/cm2としてめっきすることを含んで作製された導電性部材の断面を示す観察図である。FIG. 2 is an observational view of a cross section of a conductive member produced by plating at a current density of 5 mA/cm 2 . 銅微粒子による修飾なしに作製された比較用導電性部材の断面を示す観察図である。FIG. 2 is an observation view showing a cross section of a comparative conductive member produced without modification with copper fine particles. (a)電流密度を4mA/cm2としてめっきすることを含んで作製された導電性部材の断面を示す観察図、(b)図23(a)の断面の中心部分を部分的に拡大して観察した図である。23(a) is an observational view showing a cross section of a conductive member produced by plating at a current density of 4 mA/ cm2 ; (b) is a partially enlarged view of the central portion of the cross section of FIG. 23(a). 銅微粒子による修飾なしに比較用導電性部材の断面を示す観察図である。FIG. 2 is an observational view showing a cross section of a comparative conductive member without modification with copper fine particles. 導電性部材の導電率(単位:S/cm)の測定結果を示すグラフである。1 is a graph showing the measurement results of the electrical conductivity (unit: S/cm) of a conductive member. 導電性部材の比導電率(単位:S・m2・kg-1)の測定結果を示すグラフである。1 is a graph showing the measurement results of the specific conductivity (unit: S·m 2 ·kg −1 ) of a conductive member. 導電性部材の電流容量(単位:A/cm2)の測定結果を示すグラフである。1 is a graph showing the measurement results of the current capacity (unit: A/cm 2 ) of a conductive member. 導電性部材の比電流容量(単位:A・cm・kg-1)の測定結果を示すグラフである。1 is a graph showing the measurement results of the specific current capacity (unit: A·cm·kg −1 ) of a conductive member. 気相触媒法により製造されたCNTフォレストからCNTウェブが紡ぎ出された状態を示す図である。FIG. 1 shows a CNT web being spun from a CNT forest produced by gas phase catalytic method. Cu(acac)2の使用量を10mgとして製造された、銅ナノ粒子を担持したCNTフォレストの二次電子像を示す図である。FIG. 2 shows a secondary electron image of a CNT forest carrying copper nanoparticles produced using 10 mg of Cu(acac) 2 . Cu(acac)2の使用量を30mgとして製造された、銅ナノ粒子を担持したCNTフォレストの二次電子像を示す図である。FIG. 2 shows a secondary electron image of a CNT forest carrying copper nanoparticles produced using 30 mg of Cu(acac) 2 . Cu(acac)2の使用量を100mgとして製造された、銅ナノ粒子を担持したCNTフォレストの二次電子像を示す図である。FIG. 2 shows a secondary electron image of a CNT forest carrying copper nanoparticles produced using 100 mg of Cu(acac) 2 . Cu-NPsを担持したCNT撚糸に銅を析出させた複合糸の断面二次電子像を示す図である。FIG. 13 is a cross-sectional secondary electron image of a composite yarn in which copper is precipitated on a CNT twisted yarn carrying Cu-NPs. Cu-NPsを担持していないCNT撚糸に銅を析出させた複合糸の断面二次電子像を示す図である。FIG. 13 is a cross-sectional secondary electron image of a composite yarn in which copper is precipitated on a CNT twisted yarn not carrying Cu-NPs. Cu-NPsを担持したCNT撚糸に銅を析出させた複合糸の直交断面の透過電子像を示す図である。FIG. 13 is a transmission electron image of an orthogonal cross section of a composite yarn in which copper is precipitated on a CNT twisted yarn carrying Cu-NPs. 図32(A)の高倍像を示す図である。FIG. 33 is a diagram showing a high magnification image of FIG. 32(A). Cu-NPsを担持したCNT撚糸に銅を析出させた複合糸の平行断面の透過電子像を示す図である。FIG. 13 is a transmission electron image of a parallel cross section of a composite yarn in which copper is precipitated on a CNT twisted yarn carrying Cu-NPs. 図33(A)の高倍像を示す図である。FIG. 34 shows a high magnification image of FIG. 33(A). Cu-NPsを担持したCNT撚糸に銅を析出させた複合糸およびCu-NPsを担持していないCNT撚糸に銅を析出させた複合糸の導電率を示すグラフである。1 is a graph showing the electrical conductivity of a composite yarn in which copper is deposited on a twisted CNT yarn carrying Cu-NPs, and a composite yarn in which copper is deposited on a twisted CNT yarn not carrying Cu-NPs. 図34(A)の縦軸をリニアスケールにしたグラフである。The vertical axis of FIG. 34(A) is a graph in which the vertical axis is in a linear scale. 各サンプルの電気抵抗率を300Kでの値で規格化した電気抵抗率の温度依存性を示すグラフである。1 is a graph showing the temperature dependence of electrical resistivity of each sample normalized with the value at 300K. Cu-NPsを担持したCNT撚糸に銅を析出させた複合糸および銅線の比導電率の温度依存性を示すグラフである。1 is a graph showing the temperature dependence of the specific conductivity of a composite yarn and a copper wire in which copper is precipitated on a CNT twisted yarn carrying Cu-NPs. 各サンプルの電流容量を示すグラフである。1 is a graph showing the current capacity of each sample. 各サンプルの比導電率と比電流容量との関係を示すグラフである。1 is a graph showing the relationship between the specific conductivity and the specific current capacity of each sample. 各サンプルの応力ひずみ線図である。FIG. 4 is a stress-strain diagram of each sample. 各種サンプルのヤング率と引張強度との関係を示すグラフである。1 is a graph showing the relationship between Young's modulus and tensile strength of various samples. Cu-NPsを担持したCNT撚糸に銅を析出させた複合糸の引張破断部の二次電子像を示す図である。FIG. 13 is a secondary electron image of a tensile fracture portion of a composite yarn in which copper is precipitated on a CNT twisted yarn carrying Cu-NPs. Cu-NPsを担持していないCNT撚糸に銅を析出させた複合糸の引張破断部の二次電子像を示す図である。FIG. 13 is a secondary electron image of a tensile fracture portion of a composite yarn in which copper was precipitated on a CNT twisted yarn not carrying Cu-NPs. Cu-NPsを担持したCNT撚糸に銅を析出させた複合糸の二次電子像を示す図である。FIG. 13 is a secondary electron image of a composite yarn in which copper is precipitated on a CNT twisted yarn carrying Cu-NPs. Cu-NPsを担持していないCNT撚糸に銅を析出させた複合糸の座屈部の二次電子像を示す図である。FIG. 13 is a secondary electron image of a buckling portion of a composite yarn in which copper is precipitated on a CNT twisted yarn not carrying Cu-NPs.

以下、本発明の実施形態について説明する。 The following describes an embodiment of the present invention.

本発明の一実施形態に係る修飾CNTフォレスト(修飾カーボンナノチューブフォレスト)は、所定の方向に配向したCNTを備えるCNTフォレストと、CNTに担持された微粒子とを備え、紡績可能である。CNTフォレストは、特許文献1や非特許文献1に開示される製造方法(気相触媒法)、または非特許文献2に開示される製造方法(固相触媒法)により製造することができる。これらの場合において、所定の方向は、CNTフォレストを形成するための基板のCNTフォレスト形成面の法線方向に沿った方向である。 The modified CNT forest (modified carbon nanotube forest) according to one embodiment of the present invention comprises a CNT forest with CNTs oriented in a predetermined direction and microparticles supported on the CNTs, and can be spun. The CNT forest can be produced by the manufacturing method (gas phase catalyst method) disclosed in Patent Document 1 or Non-Patent Document 1, or the manufacturing method (solid phase catalyst method) disclosed in Non-Patent Document 2. In these cases, the predetermined direction is along the normal direction of the CNT forest formation surface of the substrate for forming the CNT forest.

修飾CNTフォレストは、CNTの隣接間隙D1と微粒子の平均粒径D2とを用いて下記式(1)により定義される比Rが3以上である。
R=D1/D2 (1)
The modified CNT forest has a ratio R, defined by the following formula (1) using the gap D1 between adjacent CNTs and the average particle size D2 of the microparticles, of 3 or more.
R = D1/D2 (1)

ここで、隣接間隙D1は、修飾CNTフォレストの数密度A(単位:本/m2)およびCNTの平均直径D3により、下記式(2)により表される。平均粒径D2および平均直径D3は、それぞれ、修飾CNTフォレストを側方から電子顕微鏡により観察して測定された、10カ所以上の微粒子の直径の算術平均および10カ所以上のカーボンナノチューブの直径の算術平均である。
D1=A-1/2-D3 (2)
Here, the adjacent gap D1 is expressed by the number density A (unit: pieces/ m2 ) of the modified CNT forest and the average diameter D3 of the CNTs, as shown in the following formula (2): The average particle size D2 and the average diameter D3 are the arithmetic mean of the diameters of fine particles at 10 or more locations and the arithmetic mean of the diameters of carbon nanotubes at 10 or more locations, respectively, measured by observing the modified CNT forest from the side using an electron microscope.
D1 = A -1/2 - D3 (2)

修飾CNTフォレストの隣接間隙D1は、微粒子を担持させる方法を適切に設定すれば、CNTフォレストの隣接間隙D1’に実質的に等しくすること(D1=D1’)ができる。非特許文献1に記載されるように、気相触媒法により製造されたCNTフォレストの隣接間隙D1’は、数密度Aが1013本/m2程度であり、平均直径D3が40nm程度であることから、275nm程度となる。一方、非特許文献2に記載されるように、固相触媒法により製造されたCNTフォレストの隣接間隙D1’は、数密度Aが1.5×1015本/m2程度であり、平均直径D3が7nm程度であることから、20nm程度となる。固相触媒法では、数密度Aが5×1015本/m2程度であり、平均直径D3が4nm程度のCNTフォレストを製造することができるため、隣接間隙D1’を10nm程度とすることも可能である。 The adjacent gap D1 of the modified CNT forest can be made substantially equal to the adjacent gap D1' of the CNT forest (D1 = D1') by appropriately setting the method of supporting the fine particles. As described in Non-Patent Document 1, the adjacent gap D1' of the CNT forest produced by the gas phase catalytic method is about 275 nm because the number density A is about 1013 / m2 and the average diameter D3 is about 40 nm. On the other hand, as described in Non-Patent Document 2, the adjacent gap D1' of the CNT forest produced by the solid phase catalytic method is about 20 nm because the number density A is about 1.5 x 1015 /m2 and the average diameter D3 is about 7 nm. With the solid phase catalytic method, it is possible to produce a CNT forest with a number density A of about 5 x 1015 / m2 and an average diameter D3 of about 4 nm, so it is also possible to make the adjacent gap D1' about 10 nm.

微粒子の平均粒径D2は、隣接間隙D1よりも十分に小さいことが、修飾CNTフォレストの紡績性を安定的に確保する観点から重要である。具体的には、上記式(1)により定義される比Rが、3以上であることが好ましく、6以上であることがより好ましく、7以上であることがさらに好ましく、8以上であることが特に好ましく、9以上であることが極めて好ましい。平均粒径D2が大きいと、修飾CNTフォレストにおいて配向方向と交差する方向に隣り合うCNTの間で、隣り合うCNTを連結するように微粒子が存在する可能性が高くなる。隣り合って配置されたCNTは紡績される際に離間すべきであるが、上記のように微粒子が隣り合うCNTを連結している場合には、隣り合って配置されたCNTが離間しにくくなることがあり、紡績不良の原因となりうる。 It is important that the average particle diameter D2 of the microparticles is sufficiently smaller than the adjacent gap D1 in order to ensure stable spinnability of the modified CNT forest. Specifically, the ratio R defined by the above formula (1) is preferably 3 or more, more preferably 6 or more, even more preferably 7 or more, particularly preferably 8 or more, and extremely preferably 9 or more. If the average particle diameter D2 is large, there is a high possibility that microparticles are present between adjacent CNTs in the direction intersecting the orientation direction in the modified CNT forest so as to connect adjacent CNTs. Adjacent CNTs should be separated when spun, but when the microparticles connect adjacent CNTs as described above, it may be difficult to separate the adjacent CNTs, which may cause poor spinning.

上記のとおり、非特許文献1に基づくと、気相触媒法により製造されたCNTフォレストの隣接間隙D1’は275nm程度であるから、気相触媒法により製造されたCNTフォレストから形成された修飾CNTフォレストのCNTが担持する微粒子の平均粒径D2は、90nm以下となるときに比Rが3以上となる。また、非特許文献2に基づくと、気相触媒法により製造されたCNTフォレストの隣接間隙D1’は、20nm程度であるから、気相触媒法により製造されたCNTフォレストから形成された修飾CNTフォレストのCNTが担持する微粒子の平均粒径D2は、6.7nm以下となるときに比Rが3以上となる。気相触媒法では隣接間隙D1’が10nm程度のCNTフォレストも製造可能であり、この場合には、微粒子の平均粒径D2は3.3nm以下となるときに比Rが3以上となる。 As described above, according to Non-Patent Document 1, the adjacent gap D1' in a CNT forest produced by gas-phase catalytic method is about 275 nm, so the ratio R is 3 or more when the average particle size D2 of the microparticles carried by the CNTs in the modified CNT forest formed from the CNT forest produced by the gas-phase catalytic method is 90 nm or less. Also, according to Non-Patent Document 2, the adjacent gap D1' in a CNT forest produced by gas-phase catalytic method is about 20 nm, so the ratio R is 3 or more when the average particle size D2 of the microparticles carried by the CNTs in the modified CNT forest formed from the CNT forest produced by the gas-phase catalytic method is 6.7 nm or less. With the gas-phase catalytic method, it is also possible to produce CNT forests with adjacent gaps D1' of about 10 nm, in which case the ratio R is 3 or more when the average particle size D2 of the microparticles is 3.3 nm or less.

修飾CNTフォレストのCNTが担持する微粒子は導電性を有していてもよい。導電性を有する微粒子の典型例は金属系材料からなる場合である。微粒子が金属系材料からなる場合において、構成金属元素は特に限定されない。Au,Ag,Cu,Pt,Ni,Co,Fe,Al,Ti,Zn,W,Crなどが例示される。 The fine particles carried by the CNTs in the modified CNT forest may be conductive. A typical example of a fine particle with conductivity is one made of a metallic material. When the fine particle is made of a metallic material, the constituent metal elements are not particularly limited. Examples include Au, Ag, Cu, Pt, Ni, Co, Fe, Al, Ti, Zn, W, and Cr.

修飾CNTフォレストのCNTが担持する微粒子は酸化物を含んでいてもよい。微粒子が含む酸化物の具体例として、アルミニウムの酸化物、チタンの酸化物が例示される。微粒子が含む酸化物を構成する金属元素は複数であってもよい。 The fine particles carried by the CNTs in the modified CNT forest may contain oxides. Specific examples of oxides contained in the fine particles include oxides of aluminum and titanium. The fine particles may contain multiple metal elements that constitute the oxide.

本発明の一実施形態に係る修飾CNTフォレストは、原料の1つであるCNTフォレストのCNTに所定の大きさの微粒子を担持させることができ、得られた修飾CNTフォレストが紡績性を有して入れば、どのような製造方法により製造されてもよい。次に説明する方法によれば、修飾CNTフォレストを効率的に製造することが可能である。 The modified CNT forest according to one embodiment of the present invention can be produced by any production method as long as the CNTs of the CNT forest, which is one of the raw materials, can carry microparticles of a predetermined size, and the resulting modified CNT forest has spinnability. The method described below makes it possible to efficiently produce the modified CNT forest.

本発明の一実施形態に係る修飾CNTフォレストの製造方法は、金属元素含有物質を気相状態にしてCNTフォレストに供給し、金属元素含有物質を分解して金属基物質を生成し、金属基物質から形成された微粒子を、CNTフォレストに担持させることを備える。 A method for producing a modified CNT forest according to one embodiment of the present invention includes supplying a metal element-containing substance in a gaseous state to a CNT forest, decomposing the metal element-containing substance to produce a metal-based substance, and supporting the microparticles formed from the metal-based substance on the CNT forest.

CNTフォレストは、公知の方法により製造することができる。具体例として、特許文献1および非特許文献1に記載される気相触媒法による製造方法、非特許文献2に記載される固相触媒法が挙げられる。これらの製造方法により製造されたCNTフォレストは紡績可能である。 CNT forests can be produced by known methods. Specific examples include the gas-phase catalytic method described in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, and the solid-phase catalytic method described in Non-Patent Document 2. CNT forests produced by these methods can be spun.

金属元素含有物質は、気相状態において分解可能であって、分解生成物である金属基物質から微粒子を形成することが可能な物質である。金属元素含有物質として、銅(II)アセチルアセトナート、白金アセチルアセトナートなどの有機金属錯体、金属ハロゲン化物が例示される。 Metal element-containing substances are substances that can be decomposed in a gas phase and can form fine particles from the decomposition product, a metal-based substance. Examples of metal element-containing substances include organometallic complexes such as copper (II) acetylacetonate and platinum acetylacetonate, and metal halides.

金属元素含有物質は供給段階では気相である必要はなく、取り扱い性を高める観点から固相や液相であることが好ましい場合もある。この場合において、金属元素含有物質を気相状態にするために、金属元素含有物質を加熱したり、金属元素含有物質が配置された空間を減圧にすることが好ましいこともある。金属元素含有物質の分解は、外部からエネルギーを加えることにより生じる。具体的には、金属元素含有物質を加熱してもよいし、金属元素含有物質に対してレーザ照射したり、電子線などの高エネルギー線を照射したりしてもよい。 The metal element-containing substance does not need to be in the gas phase at the supply stage, and in order to improve handleability, it may be preferable for it to be in the solid or liquid phase. In this case, in order to put the metal element-containing substance into a gaseous state, it may be preferable to heat the metal element-containing substance or reduce the pressure in the space in which the metal element-containing substance is placed. The decomposition of the metal element-containing substance occurs by applying energy from the outside. Specifically, the metal element-containing substance may be heated, or may be irradiated with a laser or a high-energy beam such as an electron beam.

金属元素含有物質の分解生成物である金属基物質は、合金、金属間化合物を含む金属系材料から構成されていてもよいし、酸化物から構成されていてもよい。生成した金属基物質が凝集したり、自己触媒として機能したりすることにより、微粒子が形成される。 The metal-based substance, which is the decomposition product of the metal-element-containing substance, may be composed of a metal-based material including an alloy or an intermetallic compound, or may be composed of an oxide. The resulting metal-based substance aggregates or acts as an autocatalyst to form fine particles.

図1は、CNTフォレストから修飾CNTフォレストを得る製造装置の一例を概念的に示す図である。製造装置100は、その内部が反応室RCとなるガラス管10およびガラス管10の側面を覆うように設けられるヒータ20を備え、反応室RCには金属元素含有物質RSが配置され、金属元素含有物質RSの周囲にCNTフォレスト30が配置される。 Figure 1 is a conceptual diagram of an example of a manufacturing apparatus for obtaining a modified CNT forest from a CNT forest. The manufacturing apparatus 100 includes a glass tube 10, the interior of which is a reaction chamber RC, and a heater 20 that is arranged to cover the side of the glass tube 10. A metal element-containing material RS is placed in the reaction chamber RC, and a CNT forest 30 is placed around the metal element-containing material RS.

反応室RCを減圧とすると共にヒータ20により加熱して、金属元素含有物質RSを気相状態とする。気相状態となった金属元素含有物質RSは拡散してCNTフォレスト30へと供給され、金属元素含有物質RSが熱分解して金属基物質が生成し、金属基物質に基づく微粒子がCNTフォレスト30のCNTにより担持されて、修飾CNTフォレスト40が得られる。 The reaction chamber RC is depressurized and heated by the heater 20 to put the metal element-containing material RS into a gaseous state. The metal element-containing material RS in the gaseous state diffuses and is supplied to the CNT forest 30, where the metal element-containing material RS is thermally decomposed to produce a metal-based material, and the fine particles based on the metal-based material are supported by the CNTs of the CNT forest 30, resulting in the modified CNT forest 40.

微粒子の粒径は、反応室RCに配置する金属元素含有物質RSの量、反応室RCの全圧、反応室RCの温度などにより調整することが可能である。これらのパラメータの具体的な数値範囲は、修飾CNTフォレストの隣接間隙D1により設定される平均粒径D2を実現できるように、金属元素含有物質RSの種類に応じて適宜設定される。なお、これらのパラメータを調整することにより、CNTの微粒子の担持密度を設定することも可能である。 The particle size of the microparticles can be adjusted by the amount of metal element-containing material RS placed in the reaction chamber RC, the total pressure of the reaction chamber RC, the temperature of the reaction chamber RC, etc. The specific numerical ranges of these parameters are set appropriately according to the type of metal element-containing material RS so as to achieve the average particle size D2 set by the adjacent gap D1 of the modified CNT forest. It is also possible to set the loading density of the CNT microparticles by adjusting these parameters.

本実施形態に係る製造方法では、微粒子の原料となる金属元素含有物質を気相状態にしてカーボンナノチューブフォレストに供給するため、微粒子によるCNTの修飾を、CNTフォレストを構成するCNTに対して均一性高く生じさせることができる。すなわち、本実施形態に係る製造方法によれば、CNTフォレストの内部に位置するCNTについても、微粒子による修飾が安定的に実現され、しかも、得られた修飾CNTフォレストは紡績可能性を有することができる。これに対し、例えば特許文献2では、カーボンナノチューブ電極を製造する際に、AgナノメタルインクをCNTフォレストに滴下する。このため、CNTフォレストを構成するCNTのうち、外側に位置するCNTほど微粒子(特許文献2ではAg)が多く付着し、CNTフォレストの内部に位置するCNTには微粒子が付着しにくい。また、特許文献2に開示される方法では、CNTフォレストを構成するCNTに微粒子を付着させるために、CNTフォレストに液体(インク)を滴下する。この際、CNTフォレストを構成するCNTは液体の凝集力によって互いに接触する。互いに接触したCNTの間には強い相互作用が働くため、もはや分離することは不可能である。すなわち、特許文献2に係る修飾CNTフォレストが紡績可能性を有することはありえない。 In the manufacturing method according to the present embodiment, the metal element-containing material, which is the raw material for the microparticles, is supplied to the carbon nanotube forest in a gaseous state, so that the modification of the CNTs by the microparticles can be generated with high uniformity for the CNTs constituting the CNT forest. That is, according to the manufacturing method according to the present embodiment, the modification of the CNTs located inside the CNT forest by the microparticles can be stably realized, and the obtained modified CNT forest can be spun. In contrast, for example, in Patent Document 2, Ag nanometal ink is dripped onto the CNT forest when manufacturing a carbon nanotube electrode. Therefore, the more the CNTs located on the outside of the CNTs constituting the CNT forest, the more the microparticles (Ag in Patent Document 2) adhere to them, and the more difficult it is for the microparticles to adhere to the CNTs located inside the CNT forest. In addition, in the method disclosed in Patent Document 2, a liquid (ink) is dripped onto the CNT forest in order to adhere the microparticles to the CNTs constituting the CNT forest. At this time, the CNTs constituting the CNT forest come into contact with each other due to the cohesive force of the liquid. Because of the strong interactions between CNTs that come into contact with each other, they can no longer be separated. In other words, the modified CNT forest described in Patent Document 2 cannot be spinnable.

図2は、CNTフォレストの側面の一部の観察結果を示す図である。以下、ことわりのない「観察」は電子顕微鏡による観察または光学顕微鏡による観察を意味する。図2は二次電子像である。このCNTフォレストは気相触媒法により製造されたものであって、その数密度Aは1013本/m2程度であり、CNTの平均直径D3は35nm程度である。したがって、CNTフォレストの隣接間隙D1は280nm程度である。図3は、図2のCNTフォレストと同じ製造方法により製造されたCNTフォレストから形成された修飾CNTフォレストの側面の一部の観察結果を示す図である。図4は図3の部分拡大図である。 FIG. 2 is a diagram showing the results of observing a portion of the side of a CNT forest. Hereinafter, unless otherwise specified, "observation" means observation by an electron microscope or observation by an optical microscope. FIG. 2 is a secondary electron image. This CNT forest was produced by a gas-phase catalytic method, and its number density A is about 10 13 pieces/m 2 , and the average diameter D3 of the CNTs is about 35 nm. Therefore, the adjacent gap D1 of the CNT forest is about 280 nm. FIG. 3 is a diagram showing the results of observing a portion of the side of a modified CNT forest formed from a CNT forest produced by the same production method as the CNT forest of FIG. 2. FIG. 4 is a partial enlarged view of FIG. 3.

図3に示されるように、CNTフォレストのCNTは微粒子を担持しても形態的に変化しない。それゆえ、修飾CNTフォレストの隣接間隙D1はCNTフォレストの隣接間隙D1’に実質的に等しい。図3に示される修飾CNTフォレストは、気相触媒法により製造されたCNTフォレストから形成されたものであるから、その隣接間隙D1は280nm程度である。また、図4に示されるように、CNTに担持される微粒子の直径は100nmよりも十分に小さい。実施例において後述するように、微粒子の平均粒径D2は29.2nmである。したがって、図4に示される修飾CNTフォレストにおいて比Rは9以上であり、修飾CNTフォレストは紡績性を特に安定的に有しているといえる。 As shown in FIG. 3, the CNTs in the CNT forest do not change morphologically even when they support fine particles. Therefore, the adjacent gap D1 of the modified CNT forest is substantially equal to the adjacent gap D1' of the CNT forest. The modified CNT forest shown in FIG. 3 is formed from a CNT forest produced by a gas-phase catalytic method, so the adjacent gap D1 is about 280 nm. Also, as shown in FIG. 4, the diameter of the fine particles supported on the CNTs is sufficiently smaller than 100 nm. As will be described later in the examples, the average particle diameter D2 of the fine particles is 29.2 nm. Therefore, in the modified CNT forest shown in FIG. 4, the ratio R is 9 or more, and it can be said that the modified CNT forest has particularly stable spinnability.

図5は、図3に示される側面について反射電子像により観察した結果を示す図であり、CNTに付着した微粒子(Cu系導電性物質からなる)は輝点として観察されている。図6は、CNTフォレストの一部をCNTの配向方向を含む面で除去して得られた断面の一部(すなわち、CNTフォレストの内部)の観察結果を示す図である。図7は、図6に示される側面について反射電子像により観察した結果を示す図であり、CNTに付着した微粒子は輝点として観察されている。図5と図7とを対比すると、図5の方がやや輝点の密度が高いが、図7においても十分な数の輝点が観察され、修飾CNTフォレストは、その内部に位置するCNTについても微粒子を担持していることが確認される。 Figure 5 shows the results of observation of the side shown in Figure 3 using a backscattered electron image, where the fine particles (made of Cu-based conductive material) attached to the CNTs are observed as bright spots. Figure 6 shows the results of observation of a portion of the cross section (i.e., the inside of the CNT forest) obtained by removing a portion of the CNT forest at a plane including the CNT orientation direction. Figure 7 shows the results of observation of the side shown in Figure 6 using a backscattered electron image, where the fine particles attached to the CNTs are observed as bright spots. Comparing Figure 5 and Figure 7, the density of bright spots is slightly higher in Figure 5, but a sufficient number of bright spots are also observed in Figure 7, and it is confirmed that the modified CNT forest also supports fine particles on the CNTs located inside it.

本発明の一実施形態に係るカーボンナノチューブ連続体(CNT連続体)は、上記の修飾CNTフォレストの紡績体を備える。図8は、修飾CNTフォレストが紡績される様子を概念的に示す図である。基板SB上の修飾CNTフォレスト40の側面の一部に位置するCNT50が方向Dに引き出されることにより、方向D(紡績方向)に配向したCNT50が連続的につながり、CNT連続体60が形成される。図8に示されるように、修飾CNTフォレスト40を構成するCNT50に付着した微粒子70は、紡績されても、その状態を維持する。このため、修飾CNTフォレスト40を紡績して得られたCNT連続体60を構成するCNT50も、微粒子70による修飾が均一性高く実現されている。 The carbon nanotube continuum (CNT continuum) according to one embodiment of the present invention comprises a spun body of the modified CNT forest described above. FIG. 8 is a conceptual diagram showing how the modified CNT forest is spun. CNTs 50 located on a part of the side of the modified CNT forest 40 on the substrate SB are pulled out in the direction D, so that the CNTs 50 aligned in the direction D (spinning direction) are continuously connected to form the CNT continuum 60. As shown in FIG. 8, the microparticles 70 attached to the CNTs 50 constituting the modified CNT forest 40 maintain their state even after spinning. Therefore, the CNTs 50 constituting the CNT continuum 60 obtained by spinning the modified CNT forest 40 are also highly uniformly modified with the microparticles 70.

CNT連続体の形状は、紡績プロセスによって決定される。その形状は、ウェブ形状を有していてもよいし、糸形状を有していてもよい。 The shape of the CNT continuum is determined by the spinning process. It may have a web shape or a thread shape.

ウェブ形状を有するCNT連続体(CNTウェブ)は、修飾CNTフォレストの側面の一つを収束させないように引き出すことによって得られる。引き出されたCNTウェブは、例えばドラムに巻き取ることにより、継続的に紡績することが可能である。 A web-shaped CNT continuum (CNT web) is obtained by drawing one of the sides of the modified CNT forest so that it does not converge. The drawn CNT web can be spun continuously, for example by winding it up on a drum.

CNTウェブを構成するCNTは、紡績方向に沿うように配向している。紡績方向(すなわち配向方向)で隣り合うCNTの連結状態は、それぞれの端部において他のCNTとの間に生じるファンデルワールス力によって保持されている。このため、CNTウェブを構成するCNTは、その端部以外の部分において、紡績方向に交差する方向(交差方向)に隣り合うCNTと連結しておらず、交差方向に隣り合うCNTの間には隙間がある。すなわち、CNTウェブは、これを構成するCNTが微粒子より修飾されていながらメッシュのような構造を有する。この隙間の長さは、CNTフォレストの数密度や紡績方法(特に紡ぎ出すときの張力)に依存するが、例えば数nm~数μmの範囲に設定することができる。このため、CNTウェブの隙間を適切に調整することにより、気体は透過するが液体は通さないガス透過性シートを形成することができる。 The CNTs that make up the CNT web are aligned along the spinning direction. The connection state of adjacent CNTs in the spinning direction (i.e., the orientation direction) is maintained by the van der Waals forces that occur between each end of the CNTs and other CNTs. Therefore, the CNTs that make up the CNT web are not connected to adjacent CNTs in the direction that intersects the spinning direction (crossing direction) at parts other than their ends, and there are gaps between adjacent CNTs in the crossing direction. In other words, the CNTs that make up the CNT web have a mesh-like structure, even though they are modified with fine particles. The length of this gap depends on the number density of the CNT forest and the spinning method (especially the tension when spinning), but can be set in the range of several nm to several μm, for example. Therefore, by appropriately adjusting the gaps in the CNT web, a gas-permeable sheet that allows gas to pass through but not liquid can be formed.

このガス透過性シートは、シートを構成するCNTが微粒子により修飾されているため、シートを透過する気体と微粒子との間に相互作用を生じさせることが可能である。しかも、ガス透過性シートは面内方向に導電性を有する。具体的には、CNTが紡績方向に配向していることに基づき、配向方向に沿った導電率が、配向方向に直交する方向の導電率よりも高い。したがって、CNTを修飾する微粒子として適当な導電性触媒材料(例えば、PtおよびCoを含むPt-Co合金など)を設定すれば、このガス透過性シートを燃料電池の触媒電極の構成要素として用いることが可能となる。 This gas-permeable sheet is capable of generating an interaction between the gas passing through the sheet and the fine particles because the CNTs that make up the sheet are modified with fine particles. Moreover, the gas-permeable sheet is conductive in the in-plane direction. Specifically, because the CNTs are oriented in the spinning direction, the conductivity along the orientation direction is higher than the conductivity in the direction perpendicular to the orientation direction. Therefore, if an appropriate conductive catalyst material (e.g., a Pt-Co alloy containing Pt and Co) is selected as the fine particles that modify the CNTs, this gas-permeable sheet can be used as a component of the catalyst electrode of a fuel cell.

糸形状を有するCNT連続体(CNTヤーン)は、修飾CNTフォレストの側面の一つからCNTウェブが形成されるようにCNTを引き出し、このCNTウェブを紡績方向に収束させてCNTをさらに引き出すことによって得られる。このようにして形成されたCNTヤーンを構成するCNTは、CNTヤーンの糸形状の延在方向に沿って配向している。このため、例えば軸長さが短いCNTを含む液状体をダイスから噴出させて作製された糸状の構造体に比べて、本実施形態に係る製造方法により製造されたCNTヤーンは、糸形状の延在方向に沿った導電率が高く、また機械特性に優れる。 A thread-shaped CNT continuum (CNT yarn) is obtained by pulling out CNTs from one side of the modified CNT forest so that a CNT web is formed, and then converging this CNT web in the spinning direction to pull out more CNTs. The CNTs that make up the CNT yarn thus formed are oriented along the extension direction of the thread shape of the CNT yarn. For this reason, compared to a thread-shaped structure produced by, for example, ejecting a liquid containing CNTs with a short axial length from a die, the CNT yarn produced by the production method according to this embodiment has high electrical conductivity along the extension direction of the thread shape and excellent mechanical properties.

前述のように、修飾CNTフォレストは、その内部に位置するCNTについても微粒子により修飾されているため、CNTヤーンは、その中心部に位置するCNTまで微粒子により修飾されている。これに対し、例えば特許文献3に開示される製造方法では、CNTアレイ(CNTフォレストに対応する。)から引き出されたCNT繊維(CNTヤーンに対応する。)に金属粒子を含む分散液を塗布することにより、CNTに金属粒子を付着させる。このため、CNT繊維の外側に位置するCNTほど金属粒子が付着しやすく、CNT繊維の中心部分に位置するCNTには金属粒子が付着しにくい。すなわち、本実施形態に係る製造方法により製造されたCNTヤーンは、特許文献3に開示される製造方法により製造されたCNTヤーンよりも、微粒子の修飾がより均一的に実現されている。 As described above, in the modified CNT forest, the CNTs located inside are also modified with fine particles, so that even the CNTs located at the center of the CNT yarn are modified with fine particles. In contrast, in the manufacturing method disclosed in Patent Document 3, for example, a dispersion liquid containing metal particles is applied to a CNT fiber (corresponding to a CNT yarn) drawn from a CNT array (corresponding to a CNT forest), thereby attaching metal particles to the CNTs. For this reason, metal particles are more likely to attach to CNTs located on the outer side of the CNT fiber, and metal particles are less likely to attach to CNTs located in the center of the CNT fiber. In other words, the CNT yarn manufactured by the manufacturing method according to this embodiment is more uniformly modified with fine particles than the CNT yarn manufactured by the manufacturing method disclosed in Patent Document 3.

紡績して得られたCNTヤーンは、そのままボビンに巻き取ってもよいし、追加工しながら巻き取ってもよい。追加工の一つに、撚りかけが挙げられる。図9(a)は、修飾CNTフォレストを紡績して得られたCNTヤーンに撚りかけして撚糸(CNT撚糸)を作製している様子を示す図である。図9(b)は、修飾CNTフォレストを紡績する装置の構成を概念的に示す図である。図10は、CNT撚糸の観察結果を示す図であり、図11は図10の部分拡大図である。図12(a)は、CNT撚糸の断面の観察図である。図12(b)は、図12(a)の断面の中心部分を部分的に拡大して反射電子により観察した図である。撚りかけすることにより、CNTヤーンの機械的強度が高まり、さらに電気特性(導電率)が向上する場合もある。図11および図12に示されるように、CNT撚糸は、その中心部に位置するCNTまで微粒子により修飾されている。 The CNT yarn obtained by spinning may be wound on a bobbin as it is, or may be wound while additional processing is performed. One of the additional processing is twisting. Figure 9 (a) is a diagram showing the state in which the CNT yarn obtained by spinning the modified CNT forest is twisted to produce a twisted yarn (CNT twisted yarn). Figure 9 (b) is a diagram conceptually showing the configuration of a device for spinning the modified CNT forest. Figure 10 is a diagram showing the observation result of the CNT twisted yarn, and Figure 11 is a partially enlarged view of Figure 10. Figure 12 (a) is an observation view of the cross section of the CNT twisted yarn. Figure 12 (b) is a partially enlarged view of the central part of the cross section of Figure 12 (a) observed by reflected electrons. By twisting, the mechanical strength of the CNT yarn is increased, and in some cases the electrical properties (conductivity) are improved. As shown in Figures 11 and 12, even the CNTs located at the center of the CNT twisted yarn are modified with fine particles.

本発明の一実施形態に係る導電性部材の製造方法は、上記のような導電性を有する微粒子を担持するCNTを有するCNT連続体にめっきして、CNT連続体の内部に位置するCNTにめっき物質を堆積させることを備える。 A method for manufacturing a conductive member according to one embodiment of the present invention includes plating a CNT continuum having CNTs carrying conductive particles as described above, and depositing a plating material on the CNTs located inside the CNT continuum.

めっき物質を堆積させるためのプロセスは電気めっきであってもよいし無電解めっきであってもよい。めっき物質は必要に応じ適宜設定される。めっきプロセスの限定されない例示として、硫酸銅浴を用いた電気めっきが挙げられる。図13は、硫酸銅浴の電気めっきによりCNT撚糸にめっきする装置の構成を概念的に示した図である。図13に示されるめっき装置100Aにおいて、マイカシート(雲母箔)110によって保持されたCNT撚糸120を硫酸銅浴130に浸漬させ、硫酸銅浴130に浸漬していないCNT撚糸120の一端をクリップ141で挟んで、クリップ141に接続された配線151を電源160の陰極端子161に電気的に接続する。コの字型の銅箔からなる陽極170を硫酸銅浴130に浸漬させ、硫酸銅浴130に浸漬していない陽極170の一部をクリップ142で挟んで、クリップ142に接続された配線152を電源160の陽極端子162に電気的に接続する。電源160から電流を流すことにより、CNT撚糸120に銅めっきが施されて、導電性部材200が得られる。 The process for depositing the plating material may be electroplating or electroless plating. The plating material is appropriately set as needed. An example of a non-limiting plating process is electroplating using a copper sulfate bath. FIG. 13 is a conceptual diagram of an apparatus for plating CNT twisted yarn by electroplating in a copper sulfate bath. In the plating apparatus 100A shown in FIG. 13, the CNT twisted yarn 120 held by a mica sheet (mica foil) 110 is immersed in a copper sulfate bath 130, one end of the CNT twisted yarn 120 that is not immersed in the copper sulfate bath 130 is clamped with a clip 141, and the wiring 151 connected to the clip 141 is electrically connected to the cathode terminal 161 of the power source 160. An anode 170 made of a U-shaped copper foil is immersed in the copper sulfate bath 130, a part of the anode 170 that is not immersed in the copper sulfate bath 130 is clamped with a clip 142, and the wiring 152 connected to the clip 142 is electrically connected to the anode terminal 162 of the power source 160. By passing a current from the power source 160, the CNT yarn 120 is copper plated to obtain the conductive member 200.

こうして得られた導電性部材はそのままでも十分に高い導電性を有しているが、導電性部材を還元雰囲気で熱処理することによりめっき物質を還元して、導電性部材の導電性をさらに高めることができる。熱処理条件は適宜設定され、限定されない例示をすれば、水素気流(100sccm)下において700℃で1時間である。 The conductive member thus obtained has a sufficiently high conductivity as it is, but the plating material can be reduced by heat treating the conductive member in a reducing atmosphere, thereby further increasing the conductivity of the conductive member. The heat treatment conditions are set appropriately, and a non-limiting example is 700°C for 1 hour under a hydrogen gas flow (100 sccm).

本発明の他の一実施形態に係る導電性部材は、上記の修飾CNTフォレストと、修飾カーボンナノチューブフォレストの内部に位置するカーボンナノチューブに堆積しためっき物質を備える。前述のように、修飾CNTフォレストを構成するCNTは金属元素含有物質の分解に基づき生成した微粒子を担持しているため、修飾CNTフォレストはその内部に位置するCNTも微粒子により修飾されている。それゆえ、修飾CNTフォレストにめっきすることにより、CNTフォレストの隙間を充填するようにめっき物質が堆積する。CNTに担持される微粒子が導電性を有していれば、めっき物質の堆積はより安定的に実現される。めっき物質として例えば熱伝導率が高い銅を選択すれば、めっきにより得られた導電性部材は、CNTの延在方向に高い熱伝導性を有するため、層間熱伝導材料として好適に用いることができる。 Another embodiment of the conductive member of the present invention includes the above-mentioned modified CNT forest and a plating material deposited on the carbon nanotubes located inside the modified carbon nanotube forest. As described above, the CNTs that make up the modified CNT forest carry fine particles generated by the decomposition of the metal element-containing substance, so that the CNTs located inside the modified CNT forest are also modified by the fine particles. Therefore, by plating the modified CNT forest, the plating material is deposited so as to fill the gaps in the CNT forest. If the fine particles carried by the CNTs are conductive, the plating material is deposited more stably. If copper, which has a high thermal conductivity, is selected as the plating material, the conductive member obtained by plating has high thermal conductivity in the extension direction of the CNTs, and can be suitably used as an interlayer thermal conductive material.

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。 The above-described embodiments are described to facilitate understanding of the present invention, and are not described to limit the present invention. Therefore, each element disclosed in the above embodiments is intended to include all design modifications and equivalents that fall within the technical scope of the present invention.

以下、実施例等により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例等に限定されるものではない。
(実施例1)
The present invention will be described in more detail below with reference to examples, but the scope of the present invention is not limited to these examples.
Example 1

図1に示される製造装置および図13に示されるめっき装置を用いて、導電性部材を製造した。 The conductive member was manufactured using the manufacturing apparatus shown in Figure 1 and the plating apparatus shown in Figure 13.

特許文献1などに示される製造方法により、下記の条件で成長高さ0.8mm程度のCNTフォレストを基板のCNT形成面上に得た。
・炭素源:アセチレン
・触媒:固体のFeCl2
Using the manufacturing method disclosed in Patent Document 1 and other documents, a CNT forest with a growth height of approximately 0.8 mm was obtained on the CNT-formed surface of the substrate under the following conditions.
Carbon source: acetylene Catalyst: solid FeCl2

得られたCNTフォレストを構成するCNTは、直径が30nm~40nmであった。CNTフォレストを除去した後の基板におけるCNT形成面を観察したところ、CNTフォレストの数密度は1013本/m2程度であった。CNTフォレストを構成するCNTの結晶性をラマン散乱測定により評価したところ、グラフェン面内振動モードのGピーク強度とそのディスオーダー振動に起因するDピーク強度の比IG/IDは2~3であった。 The CNTs constituting the obtained CNT forest had diameters of 30 nm to 40 nm. When the CNT-formed surface of the substrate after removing the CNT forest was observed, the number density of the CNT forest was approximately 1013 / m2 . When the crystallinity of the CNTs constituting the CNT forest was evaluated by Raman scattering measurement, the ratio I G /I D of the G peak intensity of the graphene in-plane vibration mode to the D peak intensity due to its disordered vibration was 2-3.

図1に示される製造装置100を用いて、銅(II)アセチルアセトナート(Cu(acac)2)を金属元素含有物質RSとして、CNTフォレスト30を銅の微粒子で修飾して修飾CNTフォレストを得た。具体的には、密閉可能な反応室RC内にCNTフォレスト30を配置し、その近傍に金属元素含有物質RSであるCu(acac)2を配置した。次に、反応室RCをアルゴンガスで封入してその圧力を30Torrに保持した。続いて、ヒータ20を用いて、反応室RC内を400℃の温度で15分間加熱した。200℃でCu(acac)2が分離して生成した銅の微粒子によりCNTフォレスト30のCNTが修飾されて、修飾CNTフォレスト40が得られた。図3から図7に示される画像は、製造された修飾CNTフォレスト40の観察図である。これらの図において観察された微粒子は、Cu系の導電性材料からなるものであった。 Using the manufacturing apparatus 100 shown in FIG. 1, the CNT forest 30 was modified with copper fine particles using copper (II) acetylacetonate (Cu(acac) 2 ) as the metal element-containing material RS to obtain a modified CNT forest. Specifically, the CNT forest 30 was placed in a sealable reaction chamber RC, and the metal element-containing material RS, Cu(acac) 2 , was placed nearby. Next, the reaction chamber RC was filled with argon gas and the pressure was kept at 30 Torr. Next, the inside of the reaction chamber RC was heated at a temperature of 400° C. for 15 minutes using the heater 20. The CNTs of the CNT forest 30 were modified with copper fine particles generated by the separation of Cu(acac) 2 at 200° C., and the modified CNT forest 40 was obtained. The images shown in FIG. 3 to FIG. 7 are observational views of the manufactured modified CNT forest 40. The fine particles observed in these figures were made of a Cu-based conductive material.

この方法と同じ方法で製造された修飾CNTフォレストについて走査型透過電子顕微鏡を用いて観察して、CNTの直径および微粒子の粒径を測定した。図14から図17は修飾CNTフォレストの観察結果を示す図であり、図18は微粒子の粒径の測定結果を示すヒストグラムである。図14から図17に示される画像から選ばれた任意の13本のCNTの直径を測定したところ、平均直径(平均直径D3)は36nmであり、標準偏差は8.6nmであった。上記の測定結果から、修飾CNTフォレストの数密度Aは1013本/m2程度であるから、修飾CNTフォレストの隣接間隙D1は280nm(=(1013-2-1/2-36nm)であった。また、図14から図17に示される画像から選ばれた任意の62個の微粒子について粒径の測定を行い、粒径の平均値(平均粒径D2)は29.2nmであり、その標準偏差は10.7nmであった。したがって、上記式(1)により定義される比Rは9.7となった。 A modified CNT forest produced by the same method was observed using a scanning transmission electron microscope to measure the diameter of the CNTs and the particle size of the particles. Figures 14 to 17 are diagrams showing the observation results of the modified CNT forest, and Figure 18 is a histogram showing the measurement results of the particle size of the particles. When the diameters of 13 CNTs selected from the images shown in Figures 14 to 17 were measured, the average diameter (average diameter D3) was 36 nm and the standard deviation was 8.6 nm. From the above measurement results, the number density A of the modified CNT forest was about 10 13 /m 2 , so the adjacent gap D1 of the modified CNT forest was 280 nm (= (10 13 m -2 ) -1/2 - 36 nm). In addition, the particle size of 62 particles selected from the images shown in Figures 14 to 17 was measured, and the average particle size (average particle size D2) was 29.2 nm and the standard deviation was 10.7 nm. Therefore, the ratio R defined by the above formula (1) was 9.7.

得られた修飾CNTフォレストを、図9に示されるように紡績して、CNT撚糸を得た。得られたCNT撚糸の直径は30~35μmであった。 The resulting modified CNT forest was spun as shown in Figure 9 to obtain CNT twisted yarn. The diameter of the resulting CNT twisted yarn was 30-35 μm.

図13に示される装置を用いて、得られたCNT撚糸の一部を切断することにより用意された試料に対して銅めっきを行った。具体的な条件は次のとおりである。
・めっき浴:硫酸銅水溶液(田中貴金属社販売「ミクロファブCu300」)
・電流密度:4mA/cm2または5mA/cm2
・めっき時間:1時間
A sample prepared by cutting a part of the obtained CNT twisted yarn was subjected to copper plating using the apparatus shown in Fig. 13. The specific conditions were as follows.
Plating bath: Copper sulfate aqueous solution ("Microfab Cu300" sold by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.)
Current density: 4mA/ cm2 or 5mA/ cm2
・Plating time: 1 hour

CNT撚糸に銅めっきを堆積させてなる導電性部材を、水素気流(100sccm)において、700℃で1時間加熱した。こうして評価対象となる導電性部材を得た。図19は、こうして得られた導電性部材の外観の観察図であり、図20は導電性部材の外観の拡大観察図である。 The conductive member formed by depositing copper plating on the twisted CNT yarn was heated in a hydrogen gas flow (100 sccm) at 700°C for 1 hour. In this way, the conductive member to be evaluated was obtained. Figure 19 is an observational view of the appearance of the conductive member thus obtained, and Figure 20 is an enlarged observational view of the conductive member's appearance.

図21は電流密度を5mA/cm2としてめっきすることを含んで作製された導電性部材の断面を示す観察図である。図22は、銅微粒子により修飾されていないCNTフォレストを紡績して得られたCNTヤーンに電流密度5mA/cm2でめっきすることを含んで作製された、比較用導電性部材の断面を示す観察図である。図23は電流密度を4mA/cm2としてめっきすることを含んで作製された導電性部材の断面を示す観察図である。図19は、銅微粒子により修飾されていないCNTフォレストを紡績して得られたCNTヤーンに電流密度4mA/cm2でめっきすることを含んで作製された、比較用導電性部材の断面を示す観察図である。 FIG. 21 is an observational view showing a cross section of a conductive member produced by plating at a current density of 5 mA/cm 2. FIG. 22 is an observational view showing a cross section of a comparative conductive member produced by plating at a current density of 5 mA/cm 2 a CNT yarn obtained by spinning a CNT forest not modified with copper microparticles. FIG. 23 is an observational view showing a cross section of a conductive member produced by plating at a current density of 4 mA/cm 2. FIG. 19 is an observational view showing a cross section of a comparative conductive member produced by plating at a current density of 4 mA/cm 2 a CNT yarn obtained by spinning a CNT forest not modified with copper microparticles.

図21と図22との対比、および図23と図24との対比から明らかなように、修飾CNTフォレストを用いることにより、中心側における銅の存在密度が相対的に高い導電性部材が得られた。 As is clear from a comparison between Figures 21 and 22, and between Figures 23 and 24, the use of modified CNT forests resulted in a conductive component with a relatively high copper density near the center.

めっき条件を調整することにより、銅の体積割合(単位:vol%)が異なる複数の導電性部材を作製した。これらの導電性部材の導電率(単位:S/cm)および比導電率(単位:S・m2・kg-1)ならびに電流容量(単位:A/cm2)および比電流容量(単位:A・cm・kg-1)を測定した。その結果を図25から図28に示す。なお、図23から図28には、銅微粒子により修飾されていないCNTフォレストを紡績して得られたCNTヤーンの測定結果(Cu fractionが0vol%)および一般的な純銅配線の結果(Cu fractionが100vol%)も、対比のために示した。 By adjusting the plating conditions, a number of conductive members with different copper volume fractions (unit: vol%) were produced. The electrical conductivity (unit: S/cm) and specific electrical conductivity (unit: S·m 2 ·kg −1 ), as well as the current carrying capacity (unit: A/cm 2 ) and specific current carrying capacity (unit: A·cm·kg −1 ) of these conductive members were measured. The results are shown in Figs. 25 to 28. For comparison, Figs. 23 to 28 also show the measurement results of a CNT yarn obtained by spinning a CNT forest not modified with copper fine particles (Cu fraction of 0 vol%) and the results of a general pure copper wiring (Cu fraction of 100 vol%).

図23から図28に示されるように、導電性部材は、CNTのみから形成されたCNTヤーンよりも優れた電気特性を有していることが確認された。具体的には、導電性部材における銅の体積割合が30vol%以上であれば、実質的に銅と大差ない導電率、比導電率が得られ、銅の体積割合が35vol%以上であれば、実質的に銅と大差ない電流容量、比電流容量が得られた。 As shown in Figures 23 to 28, it was confirmed that the conductive member has better electrical properties than CNT yarns formed only from CNTs. Specifically, when the volume fraction of copper in the conductive member is 30 vol% or more, the electrical conductivity and specific electrical conductivity are substantially similar to those of copper, and when the volume fraction of copper is 35 vol% or more, the current capacity and specific current capacity are substantially similar to those of copper.

(実施例2)
(1)紡績性CNTフォレスト合成
2ステップ浮遊触媒CVD法により基板上に垂直配向CNTを成長させた。紡績性CNTフォレストの合成方法の詳細は過去の報告に記述されている。第1ステップで、CNTの触媒前駆体となるフェロセンをエタノールに含有した溶液を超音波により霧化し、キャリアガスのArによってCVDチャンバー内のSi基板上に搬送する。700℃のSi基板上でフェロセンを熱分解し、in-situでFeナノ粒子を形成した。第2ステップで、炭素源ガスとしてアセチレン、CNT長尺化を目的として塩素ガスを供給した。CNTの成長温度を700℃、成長圧力を18Torrとして直径10nm、フォレスト長が300μm程度のCNTフォレストを合成した。こうして、得られたCNTフォレストは紡績可能であった。
Example 2
(1) Synthesis of spinnable CNT forest Vertically aligned CNTs were grown on a substrate by a two-step floating catalyst CVD method. The details of the synthesis method of spinnable CNT forest are described in a past report. In the first step, a solution containing ferrocene, which is a catalyst precursor of CNT, in ethanol is ultrasonically atomized and transported to a Si substrate in a CVD chamber by Ar carrier gas. Ferrocene was pyrolyzed on a Si substrate at 700°C to form Fe nanoparticles in-situ. In the second step, acetylene was supplied as a carbon source gas and chlorine gas was supplied for the purpose of lengthening CNTs. A CNT forest with a diameter of 10 nm and a forest length of about 300 μm was synthesized with a CNT growth temperature of 700°C and a growth pressure of 18 Torr. The CNT forest obtained in this way was spinnable.

(2)CNTフォレストへのCuナノ粒子担持
CNTフォレストに銅ナノ粒子(以下、「Cu-NPs」ともいう。)を担持させた。Cu-NPsの前駆体であるCu(acac)2と紡績性CNTフォレストをCVDチャンバー内に配置し、30Torrの100%Arの雰囲気で400℃で15分間保持した。このプロセスでは、Cu(acac)2が蒸発、拡散してCNT表面で熱分解する。その後、CNT表面で熱分解し、Cu-NPsが核形成された。Cu(acac)2の蒸気はCNTフォレストの内部まで均質に拡散するため、Cu-NPsもCNTフォレストの内部のCNTに一様に堆積した。Cu-NPsを担持したのち、真空排気し、100Torrのアルゴン:水素=4:1の雰囲気で350℃で1時間還元した。また、Cu(acac)2の量を変化させることで、CNTフォレストへのCu-NPs担持量を制御した。以下、こうして得られた紡績可能なCNTフォレストを「Cu-NPs担持CNTフォレスト」ともいう。
(2) Cu nanoparticle loading on CNT forest Copper nanoparticles (hereinafter also referred to as "Cu-NPs") were loaded on the CNT forest. Cu(acac) 2 , a precursor of Cu-NPs, and spinnable CNT forest were placed in a CVD chamber and held at 400 °C for 15 minutes in a 100% Ar atmosphere of 30 Torr. In this process, Cu(acac) 2 evaporated and diffused to be thermally decomposed on the CNT surface. Then, it was thermally decomposed on the CNT surface, and Cu-NPs were nucleated. Since the vapor of Cu(acac) 2 diffused homogeneously to the inside of the CNT forest, Cu-NPs were also uniformly deposited on the CNTs inside the CNT forest. After loading Cu-NPs, the chamber was evacuated and reduced at 350 °C for 1 hour in a 100 Torr argon:hydrogen = 4:1 atmosphere. In addition, the amount of Cu-NPs supported on the CNT forest was controlled by changing the amount of Cu(acac) 2 . Hereinafter, the spinnable CNT forest obtained in this manner is also referred to as the "Cu-NPs-supported CNT forest."

(3)Cu-NPs担持CNT撚糸の作製
実施例1と同様に、Cu-NPs担持CNTフォレストの一端を引き出すと、CNTバンドル(本明細書において、CNTフォレストの部分構造であって、数本のCNTが近接した部分を有し束状になっているものを意味する。)が連続的に引き出され、一方向に配向したCNTの連結体(CNTウェブ)が形成された。CNTウェブに撚りを加えながらスライダーで引き出すことでCNT撚糸を作製した。スピンドルの回転速度は14000rpm、引き出し速度は50mm/sとした。以下、こうして得られたCNT撚糸を「Cu-NPs担持CNT撚糸」ともいう。なお、対比のために、Cu-NPsを担持していないCNTフォレストからもCNT撚糸を作製した。以下、このCNT撚糸を「未担持CNT撚糸」という。
(3) Preparation of Cu-NPs-supported CNT twisted yarn As in Example 1, when one end of the Cu-NPs-supported CNT forest was pulled out, a CNT bundle (in this specification, a partial structure of the CNT forest in which several CNTs are in close proximity and in a bundle) was continuously pulled out, and a connected body of CNTs oriented in one direction (CNT web) was formed. A CNT twisted yarn was prepared by pulling out the CNT web with a slider while twisting it. The spindle rotation speed was 14,000 rpm, and the pull-out speed was 50 mm/s. Hereinafter, the CNT twisted yarn thus obtained is also referred to as "Cu-NPs-supported CNT twisted yarn". For comparison, a CNT twisted yarn was also prepared from a CNT forest that did not support Cu-NPs. Hereinafter, this CNT twisted yarn is referred to as "unsupported CNT twisted yarn".

(4)銅めっき処理
CNT撚糸に銅を析出させるため、硫酸銅溶液を用いて、Cu-NPs担持CNT撚糸および未担持CNT撚糸に電気めっき処理を施した。銅板をアノード、CNT撚糸をカソードとし、直流電流を供給した。電流密度を0.2A/dm2として2時間供給した。また、存在しうる酸化銅の還元処理およびCNTと銅の付き廻りを滑らかにするため、アルゴンを400sccm、水素を100sccm供給しながら500Torr、700℃で1時間の熱処理を行った。こうして、糸形状を有するCNT連続体(CNT撚糸)と、CNT撚糸を構成するCNTの少なくとも一部に堆積しためっき系物質とを備える糸状導電性部材(以下、「CNT/Cu-wire」ともいう。)を得た。本明細書において「めっき系物質」とは、めっき物質(めっきにより形成された物質)およびめっき物質に基づく物質(本実施例における銅めっきの還元体が相当する。)の総称を意味する。
(4) Copper plating treatment In order to deposit copper on the CNT twisted yarn, the Cu-NPs-supported CNT twisted yarn and the unsupported CNT twisted yarn were electroplated using a copper sulfate solution. A direct current was supplied to the twisted CNT yarn with a copper plate as the anode and the twisted CNT yarn as the cathode. A current density of 0.2 A/ dm2 was supplied for 2 hours. In addition, in order to reduce copper oxide that may be present and to smooth the attachment of CNT and copper, a heat treatment was performed at 500 Torr and 700°C for 1 hour while supplying 400 sccm of argon and 100 sccm of hydrogen. In this way, a filamentous conductive member (hereinafter also referred to as "CNT/Cu-wire") was obtained, which includes a CNT continuum (CNT twisted yarn) having a thread shape and a plating-based substance deposited on at least a part of the CNTs constituting the twisted CNT yarn. In this specification, the term "plating-based substance" refers collectively to plating substances (substances formed by plating) and substances based on plating substances (corresponding to the reduced form of copper plating in this embodiment).

(5)特性評価
CNTの観察のため、電界放出形走査電子顕微鏡(日立製作所社製「SU-8030」)を用いた。CNT/Cu-wireの断面二次電子像の観察のため、クロスセクションポリッシャ(JEOL社製「IB-09020 CP」)を用いてCNT/Cu-wireの断面を良質に加工した。CNT/Cu-wireの高倍率での断面観察のため、透過型電子顕微鏡(JEOL社製「JEM-2100F」)を用いた。透過電子像の観察のため、FIB(JEOL社製「JIB-4700F」)を用いてCNT/Cu-wireの薄膜を作製した。導電率は大気圧下で四端子法を用いた。電流容量は高真空下で二端子法を用いて測定した。二端子法の測定長が短いと電極へ熱が逃げてしまうため、真の試料の電流容量を測定する目的として測定長を1cmとした。また、糸が破断したときの電流密度を電流容量とした。引張特性は引張試験機(島津製作所社製「EZ-L」)を用い、測定数は5、測定長は1cm、引張速度は0.05mm/minとした。引張ひずみは非接触伸び計(島津製作所社製「TRViewX」)で測定した。
(5) Characteristic Evaluation A field emission scanning electron microscope (Hitachi, Ltd., "SU-8030") was used to observe the CNTs. A cross-section polisher (JEOL, Ltd., "IB-09020 CP") was used to process the cross section of the CNTs/Cu-wire to a high quality in order to observe the cross-sectional secondary electron image of the CNTs/Cu-wire. A transmission electron microscope (JEOL, Ltd., "JEM-2100F") was used to observe the cross section of the CNTs/Cu-wire at high magnification. A thin film of the CNTs/Cu-wire was prepared using an FIB (JEOL, Ltd., "JIB-4700F") to observe the transmission electron image. The electrical conductivity was measured using a four-terminal method under atmospheric pressure. The current capacity was measured using a two-terminal method under high vacuum. If the measurement length of the two-terminal method is short, heat will escape to the electrodes, so the measurement length was set to 1 cm for the purpose of measuring the current capacity of the true sample. The current density at which the yarn broke was taken as the current capacity. Tensile properties were measured using a tensile tester (Shimadzu Corporation, "EZ-L") with 5 measurements, a measurement length of 1 cm, and a tensile speed of 0.05 mm/min. Tensile strain was measured using a non-contact extensometer (Shimadzu Corporation, "TRViewX").

以下、上記の製造方法で得られたCNT/Cu-wireの測定結果を示す。
(1)Cu-NPs担持CNTフォレストからのdry-spinning(乾式紡績)CNT撚糸
本実施例に係るCu-NPs担持方法によれば、前駆体量や温度などのパラメータでCu-NPsの担持量や粒径を制御可能である。Cu(acac)2は昇華性の有機化合物であり、比較的低温で昇華、熱分解する。そのため、CNTフォレストの内部まで蒸気で拡散させ、CNTフォレスト全体にCNT表面上でCu-NPsを担持させる前駆体として好適であると言える。
The measurement results of the CNT/Cu-wire obtained by the above manufacturing method are shown below.
(1) Dry-spinning CNT twisted yarn from Cu-NPs-supported CNT forest According to the Cu-NPs-supporting method of this embodiment, the amount of Cu-NPs supported and the particle size can be controlled by parameters such as the amount of precursor and temperature. Cu(acac) 2 is a sublimable organic compound that sublimes and pyrolyzes at a relatively low temperature. Therefore, it can be said that it is suitable as a precursor that diffuses into the inside of the CNT forest with steam and supports Cu-NPs on the CNT surface throughout the CNT forest.

しかし、CNTフォレストの内部まで均質にCu-NPsを担持させる条件は注意深く制御する必要がある。チャンバー内の圧力や温度によってCu(acac)2の熱分解速度が大きく変化する。温度が高い場合は熱分解速度が速いため、CNTフォレストの側面からCu-NPsの担持が進行し、CNTフォレストの内部へ担持できない結果となった。本実施例では、Cu-NPsの担持条件を丹念に吟味し、CNTフォレストの内部まで均質に担持した紡績性CNTフォレストを得た。 However, the conditions for uniformly supporting Cu-NPs to the inside of the CNT forest must be carefully controlled. The thermal decomposition rate of Cu(acac) 2 varies greatly depending on the pressure and temperature in the chamber. When the temperature is high, the thermal decomposition rate is fast, so the support of Cu-NPs proceeds from the side of the CNT forest, and it is not possible to support Cu-NPs to the inside of the CNT forest. In this example, the support conditions for Cu-NPs were carefully examined, and a spinnable CNT forest was obtained in which Cu-NPs was uniformly supported to the inside of the CNT forest.

Cu(acac)2の量を10mg、30mg、100mgと変化させたときのCu-NPsを担持したCNTフォレストの二次電子像を図30(A)から図30(C)に示す。図30(A)に示されるように、Cu(acac)2の量が10mgと少ない場合では、CNT表面上に形成されたCu-NPsの担持量は少なく、Cu-NPsが担持していないCNTも存在した。しかし、Cu-NPsを担持していないCNTフォレストと同様に紡績性は高かった。 Secondary electron images of CNT forests carrying Cu-NPs when the amount of Cu(acac) 2 was changed to 10 mg, 30 mg, and 100 mg are shown in Figures 30(A) to 30(C). As shown in Figure 30(A), when the amount of Cu(acac) 2 was as small as 10 mg, the amount of Cu-NPs carried on the CNT surface was small, and there were CNTs that did not carry Cu-NPs. However, the spinnability was high, just like the CNT forests that did not carry Cu-NPs.

図30(C)に示されるように、Cu(acac)2の量が100mgと多い場合では、CNT表面上のCu-NPsの担持量が非常に多かった。この場合、CNT同士がCu-NPsで結合され、CNTフォレスト全体が一つの結合体となっていた。CNTフォレスト端部を引き出すと、引き出されたCNTに隣接したCNTバンドルはCNTフォレストにより強く結合しているため、CNTフォレストから分離不能であった。このため、連続乾式紡績が生じず、Cu(acac)2の量が100mgの場合には、CNT撚糸の作製は不可能であった。 As shown in FIG. 30(C), when the amount of Cu(acac) 2 was as large as 100 mg, the amount of Cu-NPs supported on the CNT surface was very large. In this case, the CNTs were bonded to each other by Cu-NPs, and the entire CNT forest was one bonded body. When the end of the CNT forest was pulled out, the CNT bundle adjacent to the pulled out CNT was strongly bonded to the CNT forest and could not be separated from the CNT forest. For this reason, continuous dry spinning did not occur, and when the amount of Cu(acac) 2 was 100 mg, it was impossible to produce a CNT twisted yarn.

図30(B)に示されるように、Cu(acac)2の量を30mgとすることで、Cu-NPsがCNT表面にまんべんなく担持し、かつ紡績性も高いCNTフォレストが得られた。本実施例では、紡績してCNT撚糸を作製する必要があるため、Cu(acac)2の使用量を30mgとして製造したCNTフォレストを用いてCNT撚糸を作製した。 As shown in Fig. 30(B), by using 30 mg of Cu(acac) 2 , Cu-NPs were evenly supported on the CNT surface, and a CNT forest with high spinnability was obtained. In this example, since it was necessary to spin the CNT twisted yarn, the CNT twisted yarn was produced using the CNT forest produced with 30 mg of Cu(acac) 2 .

なお、本実施例では銅との複合化が目的であるためCu(acac)2を前駆体として用いたが、他のアセチルアセトナート錯体(Pt(acac)2,Ni(acac)2,Zn(acac)2など)を用いることで、同様にCNTフォレストへ各種金属のナノ粒子を担持できる。そのため、本実施例に係る方法は配線材料のみならず、電池やキャパシタの電極材などへの応用にも活用できる。 In this example, Cu(acac) 2 was used as the precursor because the purpose was to form a composite with copper, but other acetylacetonate complexes (Pt(acac) 2 , Ni(acac) 2 , Zn(acac) 2 , etc.) can be used to similarly support nanoparticles of various metals on the CNT forest. Therefore, the method according to this example can be used not only for wiring materials, but also for applications such as electrode materials for batteries and capacitors.

本実施例では、CNTフォレストへCu-NPsを全体に担持し、引き出されたCNTウェブにもCu-NPsが均一に担持されているような乾式紡績が実現された。本実施例ではCNTバンドル間距離がCNT撚糸中より広い紡績性CNTフォレストの段階でCu-NPsを担持させているため、CNT撚糸を作製した後にCu-NPsを担持させた場合との対比で、CNT撚糸中へCu-NPsを均一に担持させることができる。本実施例に係る方法ではCNTフォレストにあらかじめナノ粒子を担持させているため、Cu-NPs担持CNTフォレストやCu-NPs担持CNTシート、Cu-NPs担持CNT撚糸など、応用の幅が広い。本実施例で用いた手法はハンドリング性が良く、ユーザーに利便性が良いのも利点である。 In this embodiment, dry spinning was achieved in which Cu-NPs was supported throughout the CNT forest and the drawn CNT web was also uniformly supported with Cu-NPs. In this embodiment, Cu-NPs was supported at the spinnable CNT forest stage, where the distance between CNT bundles is wider than in the CNT twisted yarn, so Cu-NPs can be supported uniformly in the CNT twisted yarn, in contrast to the case where Cu-NPs is supported after the CNT twisted yarn is produced. In the method according to this embodiment, nanoparticles are supported in advance in the CNT forest, so there is a wide range of applications, such as Cu-NPs-supported CNT forests, Cu-NPs-supported CNT sheets, and Cu-NPs-supported CNT twisted yarns. The method used in this embodiment has the advantage of being easy to handle and convenient for users.

(2)CNT/Cu-wireの構造分析
本実施例により得られたCNT/Cu-wireの表面は銅の光沢が観察された。図31(A)は、直径10nm程度のCNTを用いて、あらかじめCu-NPsを担持したCNT撚糸(Cu-NPs担持CNT撚糸)に銅を析出させた複合糸(以下、「Mixed CNT/Cu-wire」と記載することもある。)の断面二次電子像を示す図である。図31(B)は、直径10nm程度のCNTを用いる点では共通するが、あらかじめCu-NPsを担持していないCNT撚糸(未担持CNT)に銅を析出した複合糸(以下、「Unmixed CNT/Cu-wire」と記載することもある。)の断面二次電子像を示す図である。なお、本明細書において、Mixed CNT/Cu-wireおよびUnmixed CNT/Cu-wireの総称として「CNT/Cu複合糸」を用いる場合がある。
(2) Structural analysis of CNT/Cu-wire A copper luster was observed on the surface of the CNT/Cu-wire obtained in this example. FIG. 31(A) is a cross-sectional secondary electron image of a composite yarn (hereinafter, also referred to as "Mixed CNT/Cu-wire") in which copper was precipitated on a CNT twisted yarn (Cu-NPs-supported CNT twisted yarn) that had Cu-NPs preliminarily supported by using CNTs with a diameter of about 10 nm. FIG. 31(B) is a cross-sectional secondary electron image of a composite yarn (hereinafter, also referred to as "Unmixed CNT/Cu-wire") in which copper was precipitated on a CNT twisted yarn (unsupported CNT) that had not previously supported Cu-NPs, although it is common in that CNTs with a diameter of about 10 nm were used. In this specification, the term "CNT/Cu composite yarn" may be used as a general term for Mixed CNT/Cu-wire and Unmixed CNT/Cu-wire.

図31(A)に示されるように、Mixed CNT/Cu-wireは、CNT撚糸の外周部から内部まで均質に銅が析出していた。また、高倍像から、銅が緻密に析出していることがわかる。これに対して、Unmixed CNT/Cu-wireは、図31(B)に示されるように、CNT撚糸の外周部に銅が多く析出したコア-クラッド構造(CNT撚糸がコアで、銅がクラッドとなる)を形成していた。また、CNT撚糸の内部に島状に析出した銅も存在していた。図31(A)および図31(B)の対比により、CNT撚糸にCu-NPsをあらかじめ担持させてからめっき処理を施すことで、CNT撚糸の内部まで均質に銅を析出できることが確認された。 As shown in FIG. 31(A), in the mixed CNT/Cu-wire, copper was precipitated uniformly from the outer periphery to the inside of the CNT twisted yarn. Also, from the high magnification image, it can be seen that copper was precipitated densely. In contrast, in the unmixed CNT/Cu-wire, as shown in FIG. 31(B), a core-clad structure (the CNT twisted yarn is the core and the copper is the clad) was formed with a large amount of copper precipitated on the outer periphery of the CNT twisted yarn. Copper was also precipitated in islands inside the CNT twisted yarn. By comparing FIG. 31(A) and FIG. 31(B), it was confirmed that copper can be precipitated uniformly all the way to the inside of the CNT twisted yarn by first supporting Cu-NPs on the CNT twisted yarn and then plating it.

めっき液中の銅イオンは表面エネルギー的に安定なCu-NPs表面で金属銅として析出しやすい。本実施例ではCNT撚糸全体にCu-NPsが形成されており、めっき時にCNT撚糸内部に拡散されている銅イオンがCu-NPs表面で金属銅として析出する。また、CNT撚糸のCNTバンドル間距離は200nm程度であることから、通電前のめっき液への含侵で十分に銅イオンがCNT撚糸の全体に拡散していると考えられる。さらに、めっき時の電流密度が低いため律速過程がイオン拡散ではなくCNT表面上での銅析出であることから、めっきが開始してもさらにイオンが内部に移動して析出が継続することで、本実施例では均質なCNT/Cu-wireを作製できたと考えられる。 Copper ions in the plating solution are likely to precipitate as metallic copper on the surface of Cu-NPs, which is stable in terms of surface energy. In this example, Cu-NPs are formed throughout the entire CNT twisted yarn, and copper ions diffused inside the CNT twisted yarn during plating precipitate as metallic copper on the Cu-NPs surface. In addition, since the distance between CNT bundles in the CNT twisted yarn is approximately 200 nm, it is believed that copper ions are sufficiently diffused throughout the entire CNT twisted yarn by immersion in the plating solution before passing current. Furthermore, since the current density during plating is low, the rate-determining process is not ion diffusion but copper precipitation on the CNT surface. Therefore, even after plating begins, ions continue to move inside and precipitation continues, which is thought to be why a homogeneous CNT/Cu-wire was produced in this example.

Mixed CNT/Cu-wireの直交断面(CNTの延在方向に対して直交する面での断面)の透過電子像を図32(A)に示し、その高倍像を図32(B)に示す。これらの図に示されるように、析出した銅の粒径は数百nmである。また、銅がCNTバンドル間に析出しており、CNT表面に密着していることがわかる。銅とCNTの間に空隙はほとんど見られなかったが、CNTバンドル間に数十nm程度のナノボイドが存在していた。また、高倍像(図32(B))から、銅マトリックスに覆われたCNTは少し潰れたような形状であることが観察された。この観察から、CNT表面に担持されたCu-NPsを起点に銅が電解析出を始めても、めっき終了時にはCNTを取り囲むように銅が析出していることが確認された。 A transmission electron image of an orthogonal cross section (cross section perpendicular to the extension direction of the CNT) of the mixed CNT/Cu-wire is shown in FIG. 32(A), and its high-magnification image is shown in FIG. 32(B). As shown in these figures, the grain size of the precipitated copper is several hundred nm. It can also be seen that copper precipitates between the CNT bundles and adheres closely to the CNT surface. There were almost no gaps between the copper and the CNT, but nanovoids of about several tens of nm existed between the CNT bundles. In addition, from the high-magnification image (FIG. 32(B)), it was observed that the CNTs covered with the copper matrix had a slightly crushed shape. From this observation, it was confirmed that even if copper begins to be electrolytically deposited from the Cu-NPs supported on the CNT surface, copper precipitates so as to surround the CNTs by the end of plating.

Mixed CNT/Cu-wireの平行断面(CNTの延在方向を含む面での断面)の透過電子像を図33(A)に示し、その高倍像を図33(B)に示す。これらの図に示されるように、CNTと銅が長手方向に連続的に密着していた。
(3)CNT/Cu-wireの電気伝導特性
A transmission electron image of a parallel cross section (cross section in the plane including the extension direction of the CNT) of the mixed CNT/Cu-wire is shown in Fig. 33(A), and its high-magnification image is shown in Fig. 33(B). As shown in these figures, the CNT and copper were continuously adhered to each other in the longitudinal direction.
(3) Electrical conductivity properties of CNT/Cu-wire

図34(A)にMixed CNT/Cu-wireおよびUnmixed CNT/Cu-wireの室温の導電率を示す。また、比較のためにCNT撚糸と銅線(純度99.99%)のデータも合わせて示す。図34(A)の横軸であるCNT/Cu-wireの銅の体積含有率は、CNT/Cu-wireと銅を析出する前のCNT撚糸の重量の増分からCNT/Cu-wire中に析出した銅の体積を計算し、CNT/Cu-wireの体積で除することで算出した。図34(B)は、図34(A)の縦軸をリニアスケールにしたグラフである。 Figure 34(A) shows the electrical conductivity of mixed CNT/Cu-wire and unmixed CNT/Cu-wire at room temperature. For comparison, data for CNT twisted yarn and copper wire (purity 99.99%) are also shown. The volumetric copper content of CNT/Cu-wire, which is the horizontal axis of Figure 34(A), was calculated by calculating the volume of copper precipitated in the CNT/Cu-wire from the weight increase between the CNT/Cu-wire and the CNT twisted yarn before copper was precipitated, and dividing this by the volume of the CNT/Cu-wire. Figure 34(B) is a graph in which the vertical axis of Figure 34(A) is made into a linear scale.

図34(A)に示されるように、Mixed CNT/Cu-wireの導電率は2.41×105S/cm、Unmixed CNT/Cu-wireの導電率は4.26×104S/cmであった。CNT撚糸の導電率は2.35×102S/cmであり、銅線の導電率(4.5×105S/cm)より3桁小さい。CNT/Cu-wireの導電率は銅の体積比率が高いほど増加した。図34(B)に示されるリニアスケールのプロットでは、Mixed CNT/Cu-wireは銅線とほぼ線形な関係であり、銅マトリクス中を移動する自由電子がキャリアとして支配的である。なお、Unmixed CNT/Cu-wireの導電率は線形関係より低い。図31(B)の断面二次電子像から、CNT/Cu-wireの内部に島状に析出した銅が見られるため、導電性に寄与していない銅が存在している。その結果、銅の含有率に対して導電率が低下したと考えられる。 As shown in FIG. 34(A), the conductivity of Mixed CNT/Cu-wire was 2.41×10 5 S/cm, and that of Unmixed CNT/Cu-wire was 4.26×10 4 S/cm. The conductivity of CNT twisted yarn was 2.35×10 2 S/cm, which is three orders of magnitude smaller than the conductivity of copper wire (4.5×10 5 S/cm). The conductivity of CNT/Cu-wire increased as the volume ratio of copper increased. In the linear scale plot shown in FIG. 34(B), Mixed CNT/Cu-wire has an almost linear relationship with copper wire, and free electrons moving in the copper matrix are dominant as carriers. Note that the conductivity of Unmixed CNT/Cu-wire is lower than the linear relationship. In the cross-sectional secondary electron image of Fig. 31(B), copper precipitated in islands inside the CNT/Cu-wire is seen, which indicates that copper is present that does not contribute to electrical conductivity. As a result, it is believed that the electrical conductivity is reduced relative to the copper content.

図35に各サンプルを300Kでの値で規格化した電気抵抗率の温度依存性を示す。図35に示されるように、銅線の電気抵抗率(破線)はフォノンの散乱により温度に比例して増加し、抵抗温度係数(TCR)は3.3×10-3-1であった。Mixed CNT/Cu-wireの電気抵抗率(実線)およびUnmixed CNT/Cu-wireの電気抵抗率(点線)は温度の上昇に伴い増加するが、TCRはそれぞれ1.2×10-3-1、2.0×10-3-1であり銅線より小さい。このことより、電子のフォノン散乱がCNTにより抑制されていると考えられる。また、CNTと銅マトリクスの接触面が多いMixed CNT/Cu-wireの方がUnmixed CNT/Cu-wireよりTCRが小さいことから、CNTと銅の界面近傍で自由電子のフォノン散乱が低減されていると予想される。図35に示されるように、長手方向の導電率を測定したときに、300Kから450Kの範囲での抵抗温度係数(TCR)は、1.8×10-3-1以下であることが好ましく、1.5×10-3-1以下であることがより好ましく、1.2×10-3-1以下であることが特に好ましい。 Figure 35 shows the temperature dependence of electrical resistivity of each sample normalized by the value at 300K. As shown in Figure 35, the electrical resistivity of the copper wire (dashed line) increases in proportion to the temperature due to phonon scattering, and the temperature coefficient of resistance (TCR) was 3.3 x 10-3 K -1 . The electrical resistivity of the Mixed CNT/Cu-wire (solid line) and the electrical resistivity of the Unmixed CNT/Cu-wire (dotted line) increase with increasing temperature, but the TCR is 1.2 x 10-3 K -1 and 2.0 x 10-3 K -1 , respectively, which is smaller than that of the copper wire. From this, it is considered that the phonon scattering of electrons is suppressed by the CNT. In addition, because Mixed CNT/Cu-wire, which has a larger contact surface area between the CNT and the copper matrix, has a smaller TCR than Unmixed CNT/Cu-wire, it is expected that phonon scattering of free electrons is reduced near the interface between the CNT and copper. As shown in Fig. 35, when the electrical conductivity in the longitudinal direction is measured, the temperature coefficient of resistance (TCR) in the range of 300K to 450K is preferably 1.8 x 10-3 K -1 or less, more preferably 1.5 x 10-3 K -1 or less, and particularly preferably 1.2 x 10-3 K -1 or less.

図36にMixed CNT/Cu-wireと銅線の比導電率の温度依存性を示す。Mixed CNT/Cu-wireの比伝導率(実線)は、室温(300K)では、電気伝導に寄与しないCNTのため、銅線の比導電率(破線)よりも小さい。しかしながら、Mixed CNT/Cu-wireのTCRは銅のTCRよりも小さいため、Mixed CNT/Cu-wireの比導電率は銅線の比導電率を370Kで逆転した。すなわち、400K以上では、Mixed CNT/Cu-wireの比伝導率が銅線の比導電率よりも高くなることが安定的に実現されることが確認された。 Figure 36 shows the temperature dependence of the specific conductivity of Mixed CNT/Cu-wire and copper wire. At room temperature (300K), the specific conductivity of Mixed CNT/Cu-wire (solid line) is smaller than that of copper wire (dashed line) because CNT does not contribute to electrical conduction. However, because the TCR of Mixed CNT/Cu-wire is smaller than that of copper, the specific conductivity of Mixed CNT/Cu-wire reversed that of copper wire at 370K. In other words, it was confirmed that the specific conductivity of Mixed CNT/Cu-wire is stably higher than that of copper wire at temperatures above 400K.

一方で、図35に示されるように、CNT撚糸の電気抵抗率(一点鎖線)は温度の上昇に伴い線形的に減少し、そのTCRは-0.6×10-3-1であった。この負の線形的な電気抵抗の温度依存性はフリーデル振動による影響が考えられる。 35, the electrical resistivity of the CNT twisted yarn (dashed line) decreased linearly with increasing temperature, and its TCR was −0.6×10 −3 K −1 . This negative linear temperature dependence of electrical resistance is thought to be due to the influence of Friedel oscillations.

図37に各サンプルの電流容量を示す。Mixed CNT/Cu-wireの電流容量は1.3×105A/cm2、Unmixed CNT/Cu-wireの電流容量は5.32×104A/cm2であった。Mixed CNT/Cu-wireの電流容量は銅の体積含有率が56.7%であるにも関わらず、銅線(5.8×104A/cm2)より2.2倍程高い値を示した。CNT/Cu-wireに供給する電流密度を増加すると、CNT/Cu-wireのジュール熱の発生により電気抵抗が増加する。上述のように、CNT/Cu-wireの導電率は370K以上の高温帯で銅より高くなるため、電流密度に対するジュール加熱が銅線の場合より小さくなる。結果として温度上昇が低減し、電流容量が高くなった。このように、図37により、Mixed CNT/Cu-wireは、電流容量が105A/cm2以上であることが好ましいことが確認された。 FIG. 37 shows the current capacity of each sample. The current capacity of the mixed CNT/Cu-wire was 1.3×10 5 A/cm 2 , and the current capacity of the unmixed CNT/Cu-wire was 5.32×10 4 A/cm 2 . The current capacity of the mixed CNT/Cu-wire was about 2.2 times higher than that of the copper wire (5.8×10 4 A/cm 2 ) even though the volume content of copper was 56.7%. When the current density supplied to the CNT/Cu-wire is increased, the electric resistance increases due to the generation of Joule heat in the CNT/Cu-wire. As described above, the conductivity of the CNT/Cu-wire is higher than that of copper in the high temperature zone of 370K or more, so that the Joule heating relative to the current density is smaller than that of the copper wire. As a result, the temperature rise is reduced and the current capacity is increased. In this way, it was confirmed from FIG. 37 that the mixed CNT/Cu-wire preferably has a current capacity of 10 5 A/cm 2 or more.

図38に各サンプルの比導電率と比電流容量との関係を示すグラフを示す。Mixed CNT/Cu-wireの比導電率は4.31×104S・cm2/gであり、銅線(4.87×104S・cm2/g)と同程度でCNT撚糸(4.40×102S・cm2/g)より二桁以上高い。比導電率はほとんど銅の含有量に依存する結果となった。このことからも、複合材料中のキャリアは銅の自由電子であることをサポートしている。一方、Mixed CNT/Cu-wireの比電流容量は銅線の6.5×103A・cm/gより3.6倍大きい2.32×104A・cm/gとなった。CNT/Cuにおける高温時の抵抗上昇抑制により、銅線同様に電流は銅マトリクス部を流れているにもかかわらず輸送容量は大きく向上する結果となった。 FIG. 38 shows a graph showing the relationship between the specific conductivity and the specific current capacity of each sample. The specific conductivity of Mixed CNT/Cu-wire is 4.31×10 4 S·cm 2 /g, which is similar to that of copper wire (4.87×10 4 S·cm 2 /g) and is more than two orders of magnitude higher than that of CNT twisted yarn (4.40×10 2 S·cm 2 /g). The specific conductivity is almost entirely dependent on the copper content. This also supports the idea that the carrier in the composite material is the free electron of copper. On the other hand, the specific current capacity of Mixed CNT/Cu-wire is 2.32×10 4 A·cm/g, which is 3.6 times larger than that of copper wire (6.5×10 3 A·cm/g). Due to the suppression of the increase in resistance at high temperatures in CNT/Cu, the transport capacity is greatly improved, even though the current flows through the copper matrix like that of copper wire.

なお、CNT撚糸(2.85×104A・cm/g)が最も大きな値となった。CNT撚糸は昇華温度が銅より極めて高く、また赤外放射率も高いため、銅より高い温度まで電流輸送でき、比導電率は銅より二けた小さいけれども高い比電流容量を示すことが知られている。以上から、Mixed CNT/Cu-wireは、軽量でありながら高導電率であり、銅線を凌駕する電流容量も有しているため、高電力供給が可能な細径配線として応用に期待できる。 The largest value was achieved for CNT twisted yarn (2.85 x 10 4 A cm/g). CNT twisted yarn has a sublimation temperature much higher than copper, and also has a high infrared emissivity, so it can transport electric current up to higher temperatures than copper, and although its specific conductivity is two orders of magnitude smaller than that of copper, it is known to exhibit a high specific current capacity. From the above, mixed CNT/Cu-wire is lightweight yet has high conductivity, and has a current capacity that surpasses that of copper wire, so it is expected to be used as a thin-diameter wiring capable of supplying high power.

(4)CNT/Cu-wireの力学特性
表1にCNT撚糸(CNT yarn)、CNT/Cu複合糸および銅線の特性表を示す。
(4) Mechanical Properties of CNT/Cu Wire Table 1 shows the properties of the CNT yarn, CNT/Cu composite yarn, and copper wire.

図39(A)に直径10nm程度のCNTを用いて製造されたMixed CNT/Cu-wireおよびUnmixed CNT/Cu-wireの応力ひずみ線図を示す。また、比較のために、直径10nm程度のCNTを用いて製造されたCNT撚糸および銅線の応力ひずみ線もそれぞれ合わせて示す。Mixed CNT/Cu-wireの引張強度は699MPa、ヤング率は70.4GPaであった。銅線の引張強度は191MPa、ヤング率は83.5GPaであり、CNT撚糸の引張強度は666MPa、ヤング率は32.2GPaであった。Mixed CNT/Cu-wireの引張強度はCNT撚糸と比較して、銅との均質な複合化によって引張強度とヤング率がともに向上した。Unmixed CNT/Cu-wireの引張強度は182.9MPa、ヤング率は25.8GPaであり、引張強度とヤング率がともに減少した。図39(B)は、図39(A)の応力ひずみ線図から得られた、各種サンプルのヤング率と引張強度との関係を示すグラフである。図39(B)に示されるように、CNT撚糸を基準としたとき、Mixed CNT/Cu-wireはヤング率は顕著に増大し、引張強度も同等またはそれ以上であった。これに対し、Unmixed CNT/Cu-wireは引張強度が著しく減少し、ヤング率も低下した。すなわち、Mixed CNT/Cu-wireとUnmixed CNT/Cu-wireとの対比により、糸状導電部材であるMixed CNT/Cu-wireは、この糸状導電部材からめっき系物質を除いた材料に相当するブランクカーボンナノチューブ連続体、すなわちCNT撚糸を基準として、引張強度が1.0倍以上であり、ヤング率が1.5倍以上であることが好ましいことが示された。Mixed CNT/Cu-wireのヤング率は、CNT撚糸を基準として、2.0倍以上であることがより好ましい。 Figure 39 (A) shows the stress-strain curves of Mixed CNT/Cu-wire and Unmixed CNT/Cu-wire manufactured using CNTs with a diameter of about 10 nm. For comparison, the stress-strain curves of CNT twisted yarn and copper wire manufactured using CNTs with a diameter of about 10 nm are also shown. The tensile strength of Mixed CNT/Cu-wire was 699 MPa and Young's modulus was 70.4 GPa. The tensile strength of copper wire was 191 MPa and Young's modulus was 83.5 GPa, while the tensile strength of CNT twisted yarn was 666 MPa and Young's modulus was 32.2 GPa. Compared to CNT twisted yarn, the tensile strength and Young's modulus of Mixed CNT/Cu-wire were both improved by homogeneous compounding with copper. The tensile strength of the unmixed CNT/Cu-wire was 182.9 MPa, and the Young's modulus was 25.8 GPa, and both the tensile strength and the Young's modulus decreased. FIG. 39(B) is a graph showing the relationship between the Young's modulus and the tensile strength of various samples obtained from the stress-strain diagram of FIG. 39(A). As shown in FIG. 39(B), when the CNT twisted yarn is used as a reference, the Mixed CNT/Cu-wire had a significantly increased Young's modulus and the same or higher tensile strength. In contrast, the tensile strength of the unmixed CNT/Cu-wire decreased significantly, and the Young's modulus also decreased. That is, by comparing Mixed CNT/Cu-wire with Unmixed CNT/Cu-wire, it was shown that the thread-shaped conductive member Mixed CNT/Cu-wire preferably has a tensile strength of 1.0 times or more and a Young's modulus of 1.5 times or more based on the blank carbon nanotube continuum, which corresponds to the material obtained by removing the plating substance from this thread-shaped conductive member, i.e., CNT twisted yarn. It is more preferable that the Young's modulus of Mixed CNT/Cu-wire is 2.0 times or more based on the CNT twisted yarn.

Mixed CNT/Cu-wireの引張破断部の二次電子像を図40(A)に示し、Unmixed CNT/Cu-wireの引張破断部の二次電子像を図40(B)に示す。図40(A)に示されるように、Mixed CNT/Cu-wireの破断部は、CNTの引き抜けが短かった。一方、図40(B)に示されるように、Unmixed CNT/Cu-wireは外周部(クラッド)の銅が破断して滑り、CNT撚糸の引き抜けが長かった。Mixed CNT/Cu-wireにおいては銅線に比べてヤング率および引張強度の大幅な向上が見られることから、CNT撚糸中に銅が均質に析出するだけでなくCNTバンドル表面との密着性も良く、銅はマトリックスとしてCNTバンドル間の荷重を良好に伝達していた。すなわち、図40(A)および図40(B)の対比により、Mixed CNT/Cu-wireは、銅を母材とする繊維強化複合材料と見なせることが確認された。 A secondary electron image of the tensile fracture of Mixed CNT/Cu-wire is shown in Figure 40(A), and a secondary electron image of the tensile fracture of Unmixed CNT/Cu-wire is shown in Figure 40(B). As shown in Figure 40(A), the fracture of Mixed CNT/Cu-wire was short in CNT pull-out. On the other hand, as shown in Figure 40(B), the copper of the outer periphery (clad) of Unmixed CNT/Cu-wire broke and slipped, and the CNT twisted yarn was pulled out for a long time. Since Mixed CNT/Cu-wire shows a significant improvement in Young's modulus and tensile strength compared to copper wire, not only is copper precipitated homogeneously in the CNT twisted yarn, but it also has good adhesion to the CNT bundle surface, and copper transmits the load between the CNT bundles well as a matrix. In other words, by comparing Figures 40(A) and 40(B), it was confirmed that Mixed CNT/Cu-wire can be considered a fiber-reinforced composite material with copper as the matrix.

図41(A)は、Cu-NPsを担持したCNT撚糸に銅を析出させた複合糸の二次電子像を示す図である。図41(B)は、Cu-NPsを担持していないCNT撚糸に銅を析出させた複合糸の座屈部の二次電子像を示す図である。図41(A)に示されるように、Mixed CNT/Cu-wireは小さい曲率で変形可能である。この複合糸はCNTと銅が均質に混合した均質媒質であるため、柔軟であった。一方、図41(B)に示されるように、Unmixed CNT/Cu-wireは容易に座屈破壊する。これは、Unmixed CNT/Cu-wireでは中心部にCNT撚糸がそのまま存在するが、CNT撚糸部分は曲げによる圧縮荷重を負担できないことから、表面の銅からなる外周部(クラッド)が容易に座屈に至るためと考えられる。 Figure 41 (A) shows a secondary electron image of a composite yarn in which copper is precipitated on a CNT twisted yarn carrying Cu-NPs. Figure 41 (B) shows a secondary electron image of a buckling part of a composite yarn in which copper is precipitated on a CNT twisted yarn not carrying Cu-NPs. As shown in Figure 41 (A), the Mixed CNT/Cu-wire can be deformed with a small curvature. This composite yarn is flexible because it is a homogeneous medium in which CNT and copper are homogeneously mixed. On the other hand, as shown in Figure 41 (B), the Unmixed CNT/Cu-wire easily buckles and breaks. This is thought to be because, although the CNT twisted yarn remains intact in the center of the Unmixed CNT/Cu-wire, the CNT twisted yarn portion cannot bear the compressive load caused by bending, and the outer peripheral part (cladding) made of copper on the surface easily buckles.

以上説明したように、実施例2では、CNTを均質に高い割合で含むCNT/Cu複合糸が製造された。CNTと銅の相乗効果により、それは、高い電気伝導率、低いTCR、高い電流容量、高い引張特性、高い柔軟性を有している革新的新材料である。均質CNT/Cu-wireは、ドローンのモーターやイヤホン、小型アクチュエーターの小型コイルやエネルギー密度の高い小型電子デバイスシステムのワイヤリングなど、新たな軽量配線材料として期待できる。また、均質複合材料を得るために本実施例において示された気相ナノ粒子堆積された乾式CNT紡績技術は、CNT応用に新たな側面を追加する新技術である。ナノ粒子を担持したCNTにより長繊維やシート、立体構造など多様な構造体を形成できるので、今後、多様な機能性を有するCNT応用が可能である。 As explained above, in Example 2, a CNT/Cu composite yarn containing a homogeneous high proportion of CNT was produced. Due to the synergistic effect of CNT and copper, it is an innovative new material that has high electrical conductivity, low TCR, high current capacity, high tensile properties, and high flexibility. Homogeneous CNT/Cu-wire is expected to be a new lightweight wiring material for drone motors, earphones, small coils for small actuators, and wiring for small electronic device systems with high energy density. In addition, the dry CNT spinning technology with vapor-phase nanoparticle deposition shown in this example to obtain a homogeneous composite material is a new technology that adds a new aspect to CNT applications. Nanoparticle-loaded CNTs can form a variety of structures such as long fibers, sheets, and three-dimensional structures, so in the future, CNT applications with various functions will be possible.

10 :ガラス管
20 :ヒータ
30 :CNTフォレスト
40 :修飾CNTフォレスト
50 :CNT
60 :CNT連続体
70 :微粒子
100 :製造装置
100A :めっき装置
110 :マイカシート
120 :CNT撚糸
130 :硫酸銅浴
141、142 :クリップ
151、152 :配線
160 :電源
161 :陰極端子
162 :陽極端子
170 :陽極
200 :導電性部材
D :方向
RC :反応室
RS :金属元素含有物質
SB :基板
10: Glass tube 20: Heater 30: CNT forest 40: Modified CNT forest 50: CNT
60: CNT continuum 70: Microparticles 100: Manufacturing apparatus 100A: Plating apparatus 110: Mica sheet 120: CNT twisted yarn 130: Copper sulfate bath 141, 142: Clips 151, 152: Wiring 160: Power source 161: Cathode terminal 162: Anode terminal 170: Anode 200: Conductive member D: Direction RC: Reaction chamber RS: Metal element-containing material SB: Substrate

Claims (10)

所定の方向に配向したカーボンナノチューブを備え紡績可能であるカーボンナノチューブフォレストと、
前記カーボンナノチューブに担持された微粒子とを備え、
紡績可能であること
を特徴とする修飾カーボンナノチューブフォレスト。
a carbon nanotube forest having carbon nanotubes oriented in a predetermined direction and capable of being spun;
and a particle supported on the carbon nanotube.
A modified carbon nanotube forest characterized by being spinnable.
前記カーボンナノチューブの隣接間隙D1と前記微粒子の平均粒径D2とを用いて下記式(1)により定義される比Rが3以上である、請求項1に記載の修飾カーボンナノチューブフォレスト。
R=D1/D2 (1)
ここで、前記隣接間隙D1は、前記修飾カーボンナノチューブフォレストの数密度A(単位:本/m2)および前記カーボンナノチューブの平均直径D3を用いて、下記式(2)により表され、前記平均粒径D2および前記平均直径D3は、それぞれ、前記修飾カーボンナノチューブフォレストを電子顕微鏡により観察して測定された、10カ所以上の前記微粒子の直径の算術平均および10カ所以上の前記カーボンナノチューブの直径の算術平均である。
D1=A-1/2-D3 (2)
The modified carbon nanotube forest of claim 1 , wherein the ratio R defined by the following formula (1) using the adjacent gap D1 of the carbon nanotubes and the average particle diameter D2 of the microparticles is 3 or more.
R = D1/D2 (1)
Here, the adjacent gap D1 is expressed by the following formula (2) using the number density A (unit: tubes/ m2 ) of the modified carbon nanotube forest and the average diameter D3 of the carbon nanotubes, and the average particle size D2 and the average diameter D3 are, respectively, the arithmetic mean of the diameters of the microparticles at 10 or more locations and the arithmetic mean of the diameters of the carbon nanotubes at 10 or more locations measured by observing the modified carbon nanotube forest using an electron microscope.
D1 = A -1/2 - D3 (2)
前記微粒子は導電性を有する、請求項1または請求項2に記載の修飾カーボンナノチューブフォレスト。 The modified carbon nanotube forest according to claim 1 or 2, wherein the microparticles are conductive. 前記微粒子は酸化物を含む、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の修飾カーボンナノチューブフォレスト。 The modified carbon nanotube forest according to any one of claims 1 to 3, wherein the microparticles include an oxide. 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の修飾カーボンナノチューブフォレストの紡績体を備える、カーボンナノチューブ連続体。 A carbon nanotube continuous body comprising a spun body of a modified carbon nanotube forest according to any one of claims 1 to 4. 前記カーボンナノチューブ連続体がウェブ形状を有する、請求項5に記載のカーボンナノチューブ連続体。 The carbon nanotube continuous body according to claim 5, wherein the carbon nanotube continuous body has a web shape. 前記カーボンナノチューブ連続体は糸形状を有する、請求項5に記載のカーボンナノチューブ連続体。 The carbon nanotube continuous body according to claim 5, wherein the carbon nanotube continuous body has a thread shape. 撚りかけられている、請求項7に記載のカーボンナノチューブ連続体。 The carbon nanotube continuum according to claim 7, which is twisted. 請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の修飾カーボンナノチューブフォレストと、前記修飾カーボンナノチューブフォレストの内部に位置するカーボンナノチューブに堆積しためっき系物質を備えることを特徴とする導電性部材。 A conductive member comprising a modified carbon nanotube forest according to any one of claims 1 to 3 and a plating material deposited on the carbon nanotubes located inside the modified carbon nanotube forest. 請求項9に記載される導電性部材を備える、層間熱伝導材料。 An interlayer thermally conductive material comprising the conductive member described in claim 9.
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