JP5091278B2 - カーボンナノチューブ線状構造体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、カーボンナノチューブ構造体の製造方法に関し、特にカーボンナノチューブ線状構造体の製造方法に関するものである。

カーボンナノチューブ（Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ，ＣＮＴ）は、新型のカーボン材料であり、日本の研究員の飯島澄男よって１９９１年に発見された（非特許文献１を参照）。カーボンナノチューブは良好な電磁性能、良好な化学的安定性、光学性能、力学性能などを有するため、電子放出装置、センサー及び新型の光学材料などの領域に応用される。しかし、現在カーボンナノチューブはナノレベルに形成され、微視的レベルで応用されるため、取り扱いが困難であるので、肉眼レベルで応用するための開発が進んでいる。

カーボンナノチューブ線状構造体は、カーボンナノチューブの巨視的サイズを有する構造の一種である。前記カーボンナノチューブ線状構造体は、複数のカーボンナノチューブからなり、炭素繊維、グラファイト繊維及びガラス繊維に取って代わることができる新型の材料であり、ケーブル、プリント基板、防護服などの領域に広く応用される。

特許文献１には、ナノ繊維ワイヤの製造方法が開示されている。該ナノ繊維ワイヤの製造方法は、下記のステップを含む。まず、ナノ繊維を処理し、平行に配列されたナノ繊維アレイを提供する。次に、前記ナノ繊維アレイから、ナノ繊維を引き出し、ナノ繊維フィルムが形成される。その後、前記ナノ繊維フィルムをねじり、ナノ繊維ワイヤが形成される。

国際公開第２００７／０１５７１０号

Ｓ．Ｉｉｊｉｍａ、"Ｈｅｌｉｃａｌ Ｍｉｃｒｏｔｕｂｕｌｅｓ ｏｆ Ｇｒａｐｈｉｔｉｃ Ｃａｒｂｏｎ"、Ｎａｔｕｒｅ、１９９１年、第３５４巻、ｐ．５６ Ｋａｉｌｉ Ｊｉａｎｇ、Ｑｕｎｑｉｎｇ Ｌｉ、Ｓｈｏｕｓｈａｎ Ｆａｎ、"Ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｙａｒｎｓ"、Ｎａｔｕｒｅ、２００２年、第４１９巻、ｐ．８０１

しかし、前記ナノ繊維アレイが生長された基材がシリコン基材であり、大寸法のシリコン基材を製造することが難しく、且つナノ繊維アレイの生長面積が、該ナノ繊維アレイが生長されたシリコン基材のサイズに関係するので、大寸法の面積を有するナノ繊維アレイを成長することが困難である。前記ナノ繊維ワイヤの製造方法において、ナノ繊維ワイヤの直径がナノ繊維アレイのサイズに制限されるので、該ナノ繊維ワイヤは、その直径が小さく、その機械強度及び靭性が優れず、その応用が制限されるという欠点がある。

従って、本発明は、直径が大きく、その機械強度及び靭性が優れたカーボンナノチューブ線状構造体の製造方法を提供することを課題とする。

カーボンナノチューブ線状構造体の製造方法は、同じ平面に設置された複数のカーボンナノチューブアレイを提供するステップと、前記複数のカーボンナノチューブアレイからカーボンナノチューブを引き出し、複数のカーボンナノチューブフィルムを形成するステップと、前記複数のカーボンナノチューブフィルムを基準点に集めるステップと、集められた前記複数のカーボンナノチューブフィルムを併せて処理し、カーボンナノチューブ線状構造体を形成するステップと、を含む。

前記複数のカーボンナノチューブフィルムを併せて処理する方法は、前記基準点に集められた複数のカーボンナノチューブフィルムを機械外力で絞り、カーボンナノチューブ線状構造体を形成することである。

前記複数のカーボンナノチューブフィルムを併せて処理する方法は、集められた複数のカーボンナノチューブフィルムを併せてカーボンナノチューブ構造体前駆体に形成し、有機溶剤で前記カーボンナノチューブ構造体前駆体を処理し、カーボンナノチューブ線状構造体を形成することである。

本発明のカーボンナノチューブ線状構造体には、下記の優れた点がある。前記複数のカーボンナノチューブアレイから複数のカーボンナノチューブフィルムを引き出し、該複数のカーボンナノチューブフィルムをカーボンナノチューブ線状構造体に併せて処理するので、該カーボンナノチューブ線状構造体の直径が単一のカーボンナノチューブアレイのサイズに制限されない。従って、簡単に便利に所定の直径を有するカーボンナノチューブ線状構造体が形成することができる。

前記製造方法を利用して、直径が制限されない複合カーボンナノチューブ線状構造体を形成することができる。前記カーボンナノチューブ線状構造体は、優れた導電性、熱伝導性、機械強度、強靭性を有する。

本発明の実施例１に係るカーボンナノチューブ線状構造体の製造方法のフローチャートである。 本発明の実施例１に係るカーボンナノチューブアレイが生長された基材の構造を示す図である。 本発明の実施例１に係るカーボンナノチューブ線状構造体の製造方法を示す図である。 本発明の実施例２に係るカーボンナノチューブ線状構造体の製造方法を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

（実施例１）
図１を参照すると、本発明の実施例１は、カーボンナノチューブ線状構造体の製造方法を提供する。該カーボンナノチューブ線状構造体の製造方法は、下記のステップを含む。

ステップＳ１０１では、同じ平面に設置された複数のカーボンナノチューブアレイ１０を提供する。

図２を参照すると、前記複数のカーボンナノチューブアレイ１０は、それぞれ、複数の基材１２に形成される。各々の前記基材１２は、第一表面１２２及び該第一表面１２２と対向する第二表面１２４を含む。前記基材１２の第一表面１２２には、カーボンナノチューブアレイ１０が生長される。前記複数の基材１２は、それぞれの第二表面１２４が全て同じ平面にあるように設置される。前記複数の基材１２は、同じ平面に線形、アーチ形、鋸歯形及び他の形状に並べることができ、その数量が制限されない。本実施例において、三つのカーボンナノチューブアレイ１０が生長された基材１２を直線形に並列させている。

各々の前記カーボンナノチューブアレイ１０は、複数のカーボンナノチューブからなる。前記カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブの一種又は多種である。本実施例において、前記カーボンナノチューブは、多層カーボンナノチューブであり、該複数のカーボンナノチューブが互いに平行する。

前記カーボンナノチューブアレイ１０は、超配列カーボンナノチューブアレイ（Ｓｕｐｅｒａｌｉｇｎｅｄ ａｒｒａｙ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，非特許文献２を参照）であり、該超配列カーボンナノチューブアレイの製造方法は、化学気相堆積法を採用する。該製造方法は、次のステップを含む。ステップ（ａ）では、平らな基材を提供し、該基材はＰ型のシリコン基材、Ｎ型のシリコン基材及び酸化層が形成されたシリコン基材のいずれか一種である。本実施例において、４インチのシリコン基材を選択することが好ましい。ステップ（ｂ）では、前記基材の表面に、均一的に触媒層を形成する。該触媒層の材料は鉄、コバルト、ニッケル及びその２種以上の合金のいずれか一種である。ステップ（ｃ）では、前記触媒層が形成された基材を７００℃〜９００℃の空気で３０分〜９０分間アニーリングする。ステップ（ｄ）では、アニーリングされた基材を反応炉に置き、保護ガスで５００℃〜７４０℃の温度で加熱した後で、カーボンを含むガスを導入して、５分〜３０分間反応を行って、超配列カーボンナノチューブアレイ（Ｓｕｐｅｒａｌｉｇｎｅｄ ａｒｒａｙ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，非特許文献２）を成長させることができる。該カーボンナノチューブアレイの高さは１００マイクロメートル以上である。該カーボンナノチューブアレイは、互いに平行し、基材に垂直に生長する複数のカーボンナノチューブからなる。該カーボンナノチューブは、長さが長いため、部分的にカーボンナノチューブが互いに絡み合っている。生長の条件を制御することによって、前記カーボンナノチューブアレイは、例えば、アモルファスカーボン及び残存する触媒である金属粒子などの不純物を含まなくなる。

本実施例において、前記カーボンを含むガスとしては、例えば、アセチレン、エチレン、メタンなどの活性な炭化水素が選択され、エチレンを選択することが好ましい。保護ガスは窒素ガスまたは不活性ガスであり、アルゴンガスが好ましい。

本実施例により提供されたカーボンナノチューブアレイは、前記の製造方法により製造されることに制限されず、アーク放電法またはレーザー蒸発法で製造してもよい。

ステップＳ１０２では、各々の前記カーボンナノチューブアレイ１０から複数のカーボンナノチューブを引き出し、複数のカーボンナノチューブフィルム２０を形成する。

図３を参照すると、前記カーボンナノチューブアレイ１０から、カーボンナノチューブフィルム２０を引き伸ばす方法は、下記のステップを含む。まず、ピンセットなどの工具を利用して前記カーボンナノチューブアレイ１０における複数のカーボンナノチューブの端部を持つ。次に、所定の速度で前記カーボンナノチューブアレイ１０が生長された基材１２の第一表面１２２と所定の角度を成す方向に沿って、前記複数のカーボンナノチューブを引き出し、前記複数のカーボンナノチューブがそれぞれ前記基材１２から脱離すると、分子間力で前記カーボンナノチューブ束が端と端で接合され、連続のカーボンナノチューブフィルム２０が形成される。該カーボンナノチューブフィルム２０におけるカーボンナノチューブの軸向は、基本的に該カーボンナノチューブフィルム２０が引き出された方向に平行する。前記複数のカーボンナノチューブを引き出す工程において、前記所定の角度は、０°〜３０°であり、０°〜５°であることが好ましい。本実施例において、前記工具は、一定の幅を有するテープであることが好ましく、前記所定の角度は、５°であることが好ましい。

ステップＳ１０３では、前記複数のカーボンナノチューブフィルム２０を一つの基準点２２に集める。

前記複数のカーボンナノチューブアレイ１０が同じ平面に設置されている。前記基準点２２に面する方向に沿って、該複数のカーボンナノチューブアレイ１０からカーボンナノチューブフィルム２０を引き出す。前記複数のカーボンナノチューブを引き出す工程において、前記複数のカーボンナノチューブフィルム２０を前記基準点２２に接近させて、該基準点２２に集める。カーボンナノチューブの比表面積が大きく、カーボンナノチューブからなる前記カーボンナノチューブフィルム２０が強い接着性を有するので、前記複数のカーボンナノチューブフィルム２０は、前記基準点２２において互いに接着できる。

ステップＳ１０４では、前記複数のカーボンナノチューブフィルム２０を併せて処理し、カーボンナノチューブ線状構造体２４を形成する。

前記複数のカーボンナノチューブフィルム２０を併せて処理する方法は、機械外力で処理する方法又は有機溶剤で処理する方法である。

前記機械外力で処理する方法は、前記基準点２２に集められた複数のカーボンナノチューブフィルム２０を機械外力で絞り、カーボンナノチューブ線状構造体２４を形成することである。

前記機械外力で処理する方法は、次の工程を含む。まず、前記基準点２２に集められた複数のカーボンナノチューブフィルム２０を、回転可能なスプールに固定する。次に、前記スプールを回転させるのと同時に、前記カーボンナノチューブアレイ１０から離れる方向に沿って移動させる。前記カーボンナノチューブフィルム２０の引き出し方向を中心軸として、前記スプールを時計回り又は逆時計回りにして回転させる。本実施例において、前記スプールを逆時計回りにして回転させる。前記スプールを移動させる過程において、前記複数のカーボンナノチューブアレイ１０から引き出した複数のカーボンナノチューブフィルム２０は、前記スプールによって加えた機械外力で、カーボンナノチューブ線状構造体２４に形成される。各々の前記カーボンナノチューブフィルム２０が強い接着性を有するので、前記複数のカーボンナノチューブフィルム２０が絞られた後、緊密に接着され、各々の前記カーボンナノチューブフィルム２０の間に明らかな界面が存在しない。従って、前記カーボンナノチューブ線状構造体２４の断面から見ると、カーボンナノチューブフィルム２０の間に分界が形成されない。前記カーボンナノチューブ線状構造体２４は、分子間力で端と端とが接続された複数のカーボンナノチューブからなり、該複数のカーボンナノチューブは前記カーボンナノチューブ線状構造体２４の軸方向に螺旋状に配列されている。前記カーボンナノチューブ線状構造体２４の長さは制限されない。

前記カーボンナノチューブ線状構造体２４を、有機溶剤で処理することもできる。具体的には、有機溶剤３２を前記カーボンナノチューブ線状構造体２４の表面に滴下し、該有機溶剤３２を前記カーボンナノチューブ線状構造体２４に浸漬させる。本実施例において、一側に開口３４を有する滴瓶３０を、前記カーボンナノチューブ線状構造体２４の一側に配置し、該有機溶剤３２を前記開口３４から前記カーボンナノチューブ線状構造体２４の表面に滴下させる。前記有機溶剤３２は、例えば、エタノール、メタノール、アセトン、ジクロロエタン、クロロホルムなどの揮発性有機溶剤である。本実施例において、前記有機溶剤３２は、エタノールである。これにより、前記有機溶剤３２の表面張力によって、前記カーボンナノチューブ線状構造体２４における複数のカーボンナノチューブを縮ませて、該カーボンナノチューブ線状構造体２４がさらに緊密になる。

有機溶剤で前記複数のカーボンナノチューブフィルム２０を処理し、カーボンナノチューブ線状構造体２４を形成する方法は、下記のステップを含む。まず、基準点２２に、前記複数のカーボンナノチューブフィルム２０を併せてカーボンナノチューブ構造体前駆体に形成する。前記カーボンナノチューブ構造体前駆体は、前記複数のカーボンナノチューブフィルム２０が積層して形成されるものである。各々の前記カーボンナノチューブフィルム２０が大きな比表面積を有するので、前記複数のカーボンナノチューブフィルム２０を併せた後、該複数のカーボンナノチューブフィルム２０が互いに接着し、各々のカーボンナノチューブフィルム２０の間に明らかな界面が存在しない。次に、有機溶剤で前記カーボンナノチューブ構造体前駆体を処理し、カーボンナノチューブ線状構造体２４を形成する。従って、前記カーボンナノチューブ線状構造体２４の断面から見ると、カーボンナノチューブの間に分界が形成されない。

前記有機溶剤で前記カーボンナノチューブ構造体前駆体を処理する方法は、前記有機溶剤で前記カーボンナノチューブ線状構造体２４を処理する方法と基本的に同じである。試験管又は滴瓶を利用して、前記有機溶剤を前記カーボンナノチューブ構造体前駆体の表面に滴下し、該カーボンナノチューブ構造体前駆体に浸漬させる。前記有機溶剤の表面張力の作用で、前記カーボンナノチューブ構造体前駆体は、カーボンナノチューブ線状構造体２４に縮む。

前記有機溶剤で前記複数のカーボンナノチューブフィルム２０を処理し、カーボンナノチューブ線状構造体２４を形成する過程において、前記カーボンナノチューブ構造体前駆体を絞らないこともできる。前記カーボンナノチューブ線状構造体２４は、分子間力で端と端とが接続された複数のカーボンナノチューブを含み、該複数のカーボンナノチューブが前記カーボンナノチューブ線状構造体２４の軸方向に、平行に配列されている。

本実施例において、機械外力で処理する方法を利用して、前記カーボンナノチューブ線状構造体２４を形成した後、有機溶剤で該カーボンナノチューブ線状構造体２４を処理する。

さらに、有機溶剤で処理されたカーボンナノチューブ線状構造体２４を乾燥することができる。具体的には、前記カーボンナノチューブ線状構造体２４を、内部の温度が８０℃〜１００℃であるドライヤー３６に置き、前記有機溶剤を速く揮発させ、前記カーボンナノチューブ線状構造体２４におけるカーボンナノチューブを緊密に接着させる。

前記有機溶剤に処理されたカーボンナノチューブ線状構造体２４の接着性が弱くなるので、収集しやすい。本実施例において、モーター３８で前記有機溶剤に処理されたカーボンナノチューブ線状構造体２４を前記モーター３８のスプール２８に巻く。

前記カーボンナノチューブ線状構造体２４の直径は、前記カーボンナノチューブアレイの大きさ及び数量と関係する。該カーボンナノチューブ線状構造体２４の直径は、１マイクロメートル以上である。本実施例において、該カーボンナノチューブ線状構造体２４の直径は、１３０マイクロメートルである。

前記カーボンナノチューブ線状構造体２４を製造する方法は、連続して行うことができる。

（実施例２）
図４を参照すると、本実施例のカーボンナノチューブ線状構造体の製造方法は、下記のステップを含む。

ステップＳ２０１では、同じ平面に設置された複数のカーボンナノチューブアレイ４０を提供する。

ステップＳ２０２では、前記複数のカーボンナノチューブアレイ４０からカーボンナノチューブを引き出し、複数のカーボンナノチューブフィルム５０を形成する。

ステップＳ２０３では、前記複数のカーボンナノチューブフィルム５０の表面にそれぞれ、金属層を堆積させ、複数の複合カーボンナノチューブフィルム５２を形成する。

前記金属層の材料は、金、銀、プラチナ、銅又は合金である。該金属層の厚さが１ナノメートル〜２０ナノメートルである。前記複数のカーボンナノチューブフィルム５０の表面にそれぞれ、金属層を形成する方法は、真空蒸着法、イオンスパッタリング法などの物理方法、又は電気めっき、化学めっきなどの化学方法を採用する。本実施例において、真空蒸着装置６０で前記複数のカーボンナノチューブフィルム５０の表面に銅を蒸着して銅層を形成した後、該銅層にプラチナを蒸着し、複数の複合カーボンナノチューブフィルム５２を形成する。

ステップ２０４では、前記複数のカーボンナノチューブフィルム２０を一つの基準点５４に集める。

前記ステップ２０４の方法は、前記実施例１におけるステップ１０３の方法と同じである。

ステップＳ２０５では、集まれた複数の複合カーボンナノチューブフィルム５２を併せて処理し、複合カーボンナノチューブ線状構造体５６を形成する。

本実施例において、有機溶剤で処理する方法を利用して、複数の複合カーボンナノチューブフィルム５２を併せて処理する。まず、基準点５４に、前記複数の複合カーボンナノチューブフィルム５２を併せて複合カーボンナノチューブ構造体前駆体に形成する。前記複合カーボンナノチューブ構造体前駆体は、前記複数の複合カーボンナノチューブフィルム５２が積層して、形成されるものである。次に、有機溶剤で前記複合カーボンナノチューブ構造体前駆体を処理し、複合カーボンナノチューブ線状構造体５６を形成する。その後、前記複合カーボンナノチューブ線状構造体５６を、ドライヤー３６で乾燥した後、モーター３８のスプール２８に巻く。前記有機溶剤で前記複合カーボンナノチューブ構造体前駆体を処理する際、まず、一側に開口３４を有する滴瓶３０を、前記複合カーボンナノチューブ構造体前駆体の一側に配置し、該有機溶剤３２が前記開口３４から前記複合カーボンナノチューブ構造体前駆体の表面に滴下する。

前記複合カーボンナノチューブ線状構造体５６の断面から見ると、該複合カーボンナノチューブ線状構造体５６における各々の複合カーボンナノチューブフィルム５２の間に明らかな界面が存在しない。前記複合カーボンナノチューブ線状構造体５６は、分子間力で端と端が接続された複数のカーボンナノチューブを含む。該複数のカーボンナノチューブは基本的に同じ方向に沿って、配列されている。各々のカーボンナノチューブの表面に少なくとも一層の金属層が形成される。本実施例において、前記複合カーボンナノチューブ線状構造体５６におけるカーボンナノチューブの表面に銅層及びプラチナ層が形成され、該銅層が前記カーボンナノチューブと前記プラチナ層との間に設置される。前記複合カーボンナノチューブ線状構造体５６の直径が１マイクロメートル以上である。本実施例において、前記複合カーボンナノチューブ線状構造体５６の直径が２００マイクロメートルである。

前記カーボンナノチューブ線状構造体の製造方法において、前記複数のカーボンナノチューブアレイから複数のカーボンナノチューブフィルムを引き出し、該複数のカーボンナノチューブフィルムをカーボンナノチューブ線状構造体に併せて処理するので、該カーボンナノチューブ線状構造体の直径は、カーボンナノチューブアレイを成長させる基板の寸法に制限されない。従って、本実施例の製造方法を利用して、簡単に所定の直径を有するカーボンナノチューブ線状構造体が形成することができる。前記カーボンナノチューブ線状構造体は、優れた導電性、熱伝導性、機械強度、強靭性を有する。

１０、４０ カーボンナノチューブアレイ
１２ 基材
２０、５０ カーボンナノチューブフィルム
２２、５４ 基準点
２４、５６ カーボンナノチューブ線状構造体
２８ スプール
３０ 滴瓶
３２ 有機溶剤
３４ 開口
３６ ドライヤー
３８ モーター
５２ 複合カーボンナノチューブフィルム
６０ 真空蒸着装置
１２２ 第一表面
１２４ 第二表面

Claims (3)

1. 同じ平面に設置された複数のカーボンナノチューブアレイを提供するステップと、
   前記複数のカーボンナノチューブアレイからカーボンナノチューブを引き出し、複数のカーボンナノチューブフィルムを形成するステップと、
   前記複数のカーボンナノチューブフィルムを基準点に集めて積層させるステップと、
   積層された前記複数のカーボンナノチューブフィルムを処理し、カーボンナノチューブ線状構造体を形成するステップと、
   を含むことを特徴とするカーボンナノチューブ線状構造体の製造方法。
2. 前記複数のカーボンナノチューブフィルムを処理することが、前記積層された複数のカーボンナノチューブフィルムを機械外力で絞り、カーボンナノチューブ線状構造体を形成することであることを特徴とする、請求項１に記載のカーボンナノチューブ線状構造体の製造方法。
3. 前記複数のカーボンナノチューブフィルムを処理することが、前記積層された複数のカーボンナノチューブフィルムを有機溶剤で処理し、カーボンナノチューブ線状構造体を形成することであることを特徴とする、請求項１に記載のカーボンナノチューブ線状構造体の製造方法。

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