JP5908291B2

JP5908291B2 - カーボンナノチューブ含有体

Info

Publication number: JP5908291B2
Application number: JP2012014916A
Authority: JP
Inventors: 剛嗣大矢
Original assignee: Yokohama National University NUC
Current assignee: Yokohama National University NUC
Priority date: 2012-01-27
Filing date: 2012-01-27
Publication date: 2016-04-26
Anticipated expiration: 2032-01-27
Also published as: JP2013155058A

Description

本発明は、カーボンナノチューブ含有体に関し、さらに詳しく言えば、糸状や布状に形成されるカーボンナノチューブ含有体に関するものである。

カーボンナノチューブ（以下、ＣＮＴ）は、１９９１年に飯島澄男氏により発見された物質であり、炭素原子が六角形の各頂点に存在する蜂の巣構造のシートを丸めた円筒状を呈している。

その特徴として、強靱な機械的強度（引っ張り強度；〜１５０ＧＰａ，ヤング率；〜１０００ＧＰａ）、高い熱伝導性（数百〜数千Ｗ／ｍ・Ｋ）、高い電子移動度（金属的の場合；１０万ｃｍ^２／Ｖｓ）、それに金属的・半導体的性質を持つ、アスペクト比が高い（直径方向；数ｎｍ，軸方向；数μｍ）等多くの機能・特徴を有している（非特許文献１）。

現在、各研究機関等でカーボンナノチューブの応用について研究がなされているところであるが、特許文献１には、カーボンナノチューブの応用素材の一つとしてカーボンナノチューブを糸状に形成したカーボンナノチューブ糸を提案している。

特許文献１によれば、カーボンナノチューブを合成樹脂内に配合して、それを糸状に吐出することにより形成されている。しかしながら、この作製方法は、手間がかかるし、コストも高い。

特開２０１０−１６８６７９号公報

Ｔ．Ｔａｎａｋａ，ｅｔａｌ．，ＮａｎｏＬｅｔｔ．，９（４），ｐｐ．１４９７−１５００，２００９

したがって、本発明の課題は、糸状および布状に形成されるカーボンナノチューブ含有体を提供することにある。

上述した課題を解決するため、本発明は、糸状に形成された基材の一部または全部に半導体的性質を有するカーボンナノチューブを含む半導体カーボンナノチューブ複合糸に、絶縁被覆膜を有する導電糸を巻き付けて、上記半導体的カーボンナノチューブ複合糸の両端がソース，ドレイン電極で、上記導電糸がゲート電極である糸トランジスタとしたことを特徴としている。

本発明によれば、糸状に形成された基材の一部または全部に、半導体的性質または金属的性質を有するカーボンナノチューブを含む分散液を含浸または塗布して、乾燥させることにより、非常にフレキシブルな電子デバイスを取得でき、糸状のトランジスタや太陽電池、発光ダイオードのほか、各種センサ類を糸や布の一部に組み込むことができる。

本発明で用いられるカーボンナノチューブ複合糸の作製方法。上記カーボンナノチューブ複合糸の表面をコーティングした状態の模式図。上記カーボンナノチューブ複合糸を用いた電界効果型の糸型トランジスタの模式図。上記糸型トランジスタのゲート電圧−ソース・ドレイン間電流特性を表すグラフ。上記カーボンナノチューブ複合糸を用いた電界効果型のシート型トランジスタの模式図。

次に、図１ないし図５により、本発明のいくつかの実施形態について説明するが、本発明は、これに限定されるものではない。

まず、図１の模式図を参照して、カーボンナノチューブ複合糸（以下、ＣＮＴ複合糸）の製造工程について説明する。ＣＮＴ複合糸を作製するのに必要なベースとなる糸（基材）は、一般的に使用されている自然由来の綿糸，麻糸，羊毛，絹など、化学合成由来のポリエステル，ナイロンなどである。

糸の太さは、特に限定されないが、好ましくはタコ糸の太さより細いものが望ましい。手縫い糸用途，ミシン糸用途，刺繍糸用途の区別は特にする必要はない。長さは特に問わない。ただしＣＮＴの複合化は一般的な染色のような要領で行うため手作業・機械作業で染色可能な長さ（重さ）以下であることが望ましい。

ＣＮＴ分散液については、市販品もしくは自分で調製したものを用いればよい。市販品については例えば、ＮａｎｏＩｎｔｅｇｒｉｓ社製ＩｓｏＮａｎｏｔｕｂｅｓ−Ｓ（半導体的ＣＮＴの水分散液。ＣＮＴ含有量１ｍｇ／１００ｍｌ）やＮａｎｏＩｎｔｅｇｒｉｓ社製ＩｓｏＮａｎｏｔｕｂｅｓ−Ｍ（金属的ＣＮＴの水分散液。ＣＮＴ含有量１ｍｇ/１００ｍｌ）がよい。

ＣＮＴ分散液を自分で調整する場合には、粉状のＣＮＴ（例えば、粉状のＩｓｏＮａｎｏｔｕｂｅｓ−ＳやＩｓｏＮａｎｏｔｕｂｅｓ−Ｍ）を用意し、ＣＮＴを水中で分散させるために一般的に用いられる界面活性剤・分散剤（例えば、ドデシル硫酸ナトリウム）も合わせて用意する。これらを水に加え、超音波撹拌機（超音波ホモジナイザー）もしくはジェットミル型分散器などで水分散液を調製する。この時の濃度は任意ではあるが、複合化する糸の重量に対してＣＮＴ量が最低０．１５ｗｔ％となるようにする。

糸への複合化については図１に示すように、基本的には手工染色等の手法と同様である。ただし、糸をカーボンナノチューブ分散液に浸したまま、分散液を沸騰しない程度に加熱（６０℃前後）し、水分を飛ばすことで濃縮されたＣＮＴが糸をコーティングするような手法を取ることもできる。より多くのＣＮＴが糸へと複合化されることが見込まれるため、図１のような含浸法がより望ましい。

また、化学繊維のように染料が染みこまないタイプの糸については、その表面にＣＮＴ分散液を塗布して、乾燥させることにより、同様のＣＮＴ複合糸が得られる（塗工法）。このような態様も本発明に含まれる。

作製された複合糸はＣＮＴが露出する形になるため保護膜が糸上で必要になるが、後述の絶縁層が保護膜の役目も担うため特にこの段階で操作をする必要はない。

ＣＮＴトランジスタはｐ型の性質を示す傾向があるが、情報処理を行う場合にはｐ型の他にｎ型のトランジスタが必要である。これについては絶縁膜（保護膜）で覆う前に不純物（例えばポリエチレンイミン）で複合糸を被覆し、その上から絶縁膜で覆えばよい。

すなわち、図２に断面イメージ図を示すように、作製するＣＮＴ複合糸に対して、糸の保護，表面絶縁性の付与，カーボンナノチューブの剥離防止などのために絶縁性の樹脂（例えばポリエチレン）もしくは合成繊維材料（例えばナイロン）により糸の表面をコーティングする。絶縁層の厚みは０．１ｍｍ以下とすることが望ましい。

綿製の一般的な縫い糸（太さ０．４ｍｍ程度）を１０ｃｍの長さで用意し、図１に示した手法で糸を投入した分散液を加熱し糸にＣＮＴを定着させ、実際に半導体的ＣＮＴ複合糸を作製した。

このＣＮＴ複合糸に対して、図３で金属的カーボンナノチューブ複合糸と表示したものの代わりにポリウレタン線（エナメル線同等。絶縁被覆膜：約０．１ｍｍ程度）を図３のように半導体的ＣＮＴ複合糸に一巻し、電気測定を行った。

なお、トランジスタの電気測定をするにあたり、半導体的ＣＮＴ複合糸の両端をソース，ドレイン電極とし、巻きつけたポリウレタン線をゲート電極とし、半導体パラメータアナライザにて測定を行った。

図４に実際に作製した糸トランジスタのゲート電圧−ソース・ドレイン電流特性を示す。半導体的複合糸中に少量の金属的カーボンナノチューブが混入したことに起因してオフ電流がゼロとはなっていないが，良好な電流制御特性を示している。ここで使用したカーボンナノチューブはＩｓｏＮａｎｏｔｕｂｅｓ−Ｓ（水溶液形）であり純度は９０％（残り１０％は金属的カーボンナノチューブ）であった。糸に対するカーボンナノチューブの量は０．１５重量％であった。

なお、半導体的ＣＮＴ複合糸と導電性を有する糸（導電糸、例えば金属製ＣＮＴ複合糸）とを縦糸・横糸として適宜織り込んでいくことによって半導体的ＣＮＴ複合布，金属的ＣＮＴ複合布および布トランジスタを実現することが可能となる。導電糸とは、導電性を有する糸状体であり、金属線や糸状基材に導電特性を有する材質を含浸または塗布したものであってもよい。織り方は平織り，綾織り，朱子織り（参考情報：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔｗｅｎｔｙ−ｏｎｅ．ｎｅｔ／ｋｏｚｏ．ｈｔｍｌ）のどのタイプでも問題ないが、平織り型（図５）が最も適していると考える。

糸トランジスタについては、「手縫い糸」「ミシン糸」「刺繍糸」として使用可能である。例えば刺繍糸として使用した場合には、適当な布や革の適当な部分に対して刺繍を施した箇所が簡単にトランジスタ化するということである。布や革の一部がトランジスタ化するということは、その部分で情報処理が可能になることを意味する。これを例えばＩＣタグのように使用すれば、布製品や革製品の一部の縫合部分や刺繍部分が情報を持つことになり、商品管理や偽造防止（真偽判定）などができるようになる。

また、布として半導体的ＣＮＴ複合布・金属的ＣＮＴ複合布・布トランジスタを作製した場合には、非常にフレキシブルな導電シートや半導体シート等として使用が出来るようになる。

半導体的ＣＮＴ複合布についてｐ型半導体的ＣＮＴ複合糸、ｎ型半導体的ＣＮＴ複合糸をそれぞれ縦糸・横糸として用いれば「布太陽電池」が実現できる可能性がある。この布太陽電池は椅子やテーブルクロス、カーペット等に適用することができ、発電の一端を担える他、発電量の増減を監視することでそこに人等の移動する物体があるかどうかを判断することも可能となる。

一方で同様な構造の複合布に対して外部から電流を流しこめば発光ダイオードとなることが期待される。この実現は椅子・カーペット・カーテン等の布製品が発光することを可能とし、家・車・飛行機・鉄道などのインテリアとして新しい商品になりうる（例：天井の布が全面的に発光する乗用車の車内）。

半導体的複合布もしくは金属的複合布は抵抗体ともなりえるので外部電源に接続すればジュール熱による発熱が見込める。電池などに接続することで発熱する服や、電気毛布等に変わるものが実現できる可能性がある。

Claims

糸状に形成された基材の一部または全部に半導体的性質を有するカーボンナノチューブを含む半導体カーボンナノチューブ複合糸に、絶縁被覆膜を有する導電糸を巻き付けて、上記半導体的カーボンナノチューブ複合糸の両端がソース，ドレイン電極で、上記導電糸がゲート電極である糸トランジスタとしたことを特徴とするカーボンナノチューブ含有体。