JP6917642B2 - Carbon nanotube composite membrane - Google Patents

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本発明は、カーボンナノチューブをエラストマー中に分散させたカーボンナノチューブ複合膜に関する。特に膜厚が100μm以下のカーボンナノチューブ複合薄膜に関する。 The present invention relates to a carbon nanotube composite membrane in which carbon nanotubes are dispersed in an elastomer. In particular, the present invention relates to a carbon nanotube composite thin film having a film thickness of 100 μm or less.

炭素原子のみで構成されるカーボンナノチューブは、電気的特性や熱伝導性、機械的性質の優れた材料である。カーボンナノチューブは、非常に軽量、且つ、極めて強靱であり、また、優れた弾性・復元性を有する材料である。このように優れた性質を有するカーボンナノチューブは、工業材料として、極めて魅力的、且つ重要な物質である。 Carbon nanotubes composed of only carbon atoms are materials with excellent electrical properties, thermal conductivity, and mechanical properties. Carbon nanotubes are extremely lightweight, extremely tough, and have excellent elasticity and resilience. Carbon nanotubes having such excellent properties are extremely attractive and important substances as industrial materials.

ポリマーフォームおよびエラストマーに導電性フィラーを配合したカーボンナノチューブ複合材料や導電材料は、各種の用途、たとえば、電子商品、コンピュータ、医用機器などにおいて、電磁遮蔽および/または静電気放散をさせるためのガスケットやシールとして広く用いられている。過去においては、通常、金属やカーボンブラックなどの微粒子を用いることにより電気導電性を与えていた。電子部品の小型化と、プラスチック部品の利用が進むにつれて、特に民生用電子機器では、より高導電性を有するカーボンナノチューブ複合材料や導電材料が必要とされてきている。そこで、導電性に優れたカーボンナノチューブは、導電性フィラーとして注目されている。 Carbon nanotube composites and conductive materials, which are polymer foams and elastomers with conductive fillers, are used in a variety of applications, such as electronic products, computers, medical equipment, etc., to provide gaskets and seals for electromagnetic shielding and / or static electricity dissipation. Widely used as. In the past, electrical conductivity was usually given by using fine particles such as metal and carbon black. As the miniaturization of electronic components and the use of plastic components progress, carbon nanotube composite materials and conductive materials having higher conductivity have been required, especially in consumer electronic devices. Therefore, carbon nanotubes having excellent conductivity are attracting attention as conductive fillers.

例えば、中心部位から炭素繊維が三次元的(放射状)に延びているカーボンナノチューブをエラストマー中に配合すると、上記特定のカーボンナノチューブが、その三次元的な形状に由来し、エラストマー中で均一に分散する結果、エラストマー全体に連続的な導電路(導電パス)が形成され、導電性に優れる柔軟電極が実現されている(特許文献1)。 For example, when carbon nanotubes in which carbon fibers extend three-dimensionally (radially) from the central portion are blended in the elastomer, the specific carbon nanotubes are derived from the three-dimensional shape and uniformly dispersed in the elastomer. As a result, a continuous conductive path (conductive path) is formed in the entire elastomer, and a flexible electrode having excellent conductivity is realized (Patent Document 1).

また、カーボンナノチューブ、イオン性液体、及びイオン性液体と混和性を有するゴムからなるカーボンナノチューブゴム組成物を含むカーボンナノチューブ複合材料や導電材料は、電子回路の構成材料として用いるのに十分な1S/cm以上の導電率と10%以上の伸長率を有し、フレキシブルエレクトロニクスの実現が可能となる伸長可能なエレクトロニクスデバイスに配線として用いられた(特許文献2)。 Further, a carbon nanotube composite material or a conductive material containing a carbon nanotube rubber composition composed of carbon nanotubes, an ionic liquid, and rubber having miscibility with the ionic liquid is 1S / S sufficient to be used as a constituent material of an electronic circuit. It has a conductivity of cm or more and an elongation rate of 10% or more, and has been used as wiring in an expandable electronic device capable of realizing flexible electronics (Patent Document 2).

フレキシブルエレクトロニクスに応用するためには、基板上にカーボンナノチューブ複合材料の薄膜を形成し、フォトリソグラフィを用いてパターニングする必要がある。また、フレキシブルエレクトロニクスに応用可能なカーボンナノチューブ複合材料で薄膜を形成する場合、高い導電性を得るために、長いカーボンナノチューブを分散させる必要がある。しかし、長いカーボンナノチューブは薄膜を嵩高にし、主表面に凹凸ができてしまう。従来技術によるカーボンナノチューブ複合材料や導電材料では、100μm以下の薄膜を形成すると、その表面に凹凸が生じてしまい、レジストの塗布が困難であった。また、カーボンナノチューブ複合材料で導電層を形成しても、このような凹凸があることにより、導電性が不均一となり、エレクトロニクスデバイスの形成に要求される電気特性を満足することは困難であった。 In order to apply it to flexible electronics, it is necessary to form a thin film of carbon nanotube composite material on a substrate and pattern it using photolithography. Further, when a thin film is formed of a carbon nanotube composite material applicable to flexible electronics, it is necessary to disperse long carbon nanotubes in order to obtain high conductivity. However, long carbon nanotubes make the thin film bulky and cause irregularities on the main surface. With carbon nanotube composite materials and conductive materials according to the prior art, when a thin film of 100 μm or less is formed, unevenness is generated on the surface, and it is difficult to apply a resist. Further, even if the conductive layer is formed of the carbon nanotube composite material, the conductivity becomes non-uniform due to such unevenness, and it is difficult to satisfy the electrical characteristics required for the formation of the electronic device. ..

特開2008−198425号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2008-198425 国際公開WO2009/102077International release WO2009 / 102077

本発明は、上記の如き従来技術の問題点を解決し、主表面の平坦性が高い、1mm以下のカーボンナノチューブ複合膜を提供することを課題とする。 An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art and to provide a carbon nanotube composite film having a high flatness of a main surface of 1 mm or less.

本発明の一実施形態によると、カーボンナノチューブと、エラストマーとを含み、0.01μm以上1mm以下の膜厚を備え、主表面の算術平均粗さが膜厚の50%以下、及び/又は5μm以下であり、前記カーボンナノチューブの配合量が0.001重量%以上40重量%以下であることを特徴とするカーボンナノチューブ複合膜が提供される。 According to one embodiment of the present invention, it contains carbon nanotubes and an elastomer, has a film thickness of 0.01 μm or more and 1 mm or less, and has an arithmetic mean roughness of the main surface of 50% or less of the film thickness and / or 5 μm or less. The carbon nanotube composite film is provided, wherein the compounding amount of the carbon nanotubes is 0.001% by weight or more and 40% by weight or less.

前記カーボンナノチューブ複合膜は、残留水分量が5%以下である。 The carbon nanotube composite film has a residual water content of 5% or less.

前記カーボンナノチューブ複合膜が1S/cm以上の導電性を有するカーボンナノチューブを含み、かつ前記カーボンナノチューブ複合膜の導電性が0.01S/cm以上である。 The carbon nanotube composite film contains carbon nanotubes having a conductivity of 1 S / cm or more, and the carbon nanotube composite film has a conductivity of 0.01 S / cm or more.

前記カーボンナノチューブ複合膜において、前記カーボンナノチューブの長さは、0.1μm以上である。 In the carbon nanotube composite film, the length of the carbon nanotube is 0.1 μm or more.

前記カーボンナノチューブ複合膜において、前記カーボンナノチューブの平均直径は、1nm以上30nm以下である。 In the carbon nanotube composite film, the average diameter of the carbon nanotubes is 1 nm or more and 30 nm or less.

前記カーボンナノチューブ複合膜において、前記カーボンナノチューブの蛍光X線を用いた分析による炭素純度が90重量%以上である。 In the carbon nanotube composite film, the carbon purity of the carbon nanotubes by analysis using fluorescent X-rays is 90% by weight or more.

前記カーボンナノチューブ複合膜において、前記エラストマーは、ニトリルゴム、クロロプレンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、ウレタンゴム、アクリルゴム、エピクロルヒドリンゴム、フッ素ゴム、スチレン−ブタジエンゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、ブチルゴム、シリコーンゴム、エチレン−プロピレン共重合体、エチレン−プロピレン−ジエン三元共重合体から選ばれる一種以上を含有する。 In the carbon nanotube composite film, the elastomer includes nitrile rubber, chloroprene rubber, chlorosulfonated polyethylene, urethane rubber, acrylic rubber, epichlorohydrin rubber, fluororubber, styrene-butadiene rubber, isoprene rubber, butadiene rubber, butyl rubber, silicone rubber, and the like. It contains one or more selected from ethylene-propylene copolymer and ethylene-propylene-diene ternary copolymer.

本発明に係るカーボンナノチューブ複合膜は、長い繊維状のカーボンナノチューブをエラストマーに分散させ、高い導電性を確保しつつ、0.01μm以上1mm以下の膜厚の薄膜とした場合にも、主表面の平坦性に優れた薄膜とすることができる。このような平坦性に優れた本発明に係るカーボンナノチューブ複合膜は、フレキシブルエレクトロニクスに適用可能な導電膜に用いることができる。 The carbon nanotube composite film according to the present invention is a thin film having a film thickness of 0.01 μm or more and 1 mm or less while ensuring high conductivity by dispersing long fibrous carbon nanotubes in an elastomer. It can be a thin film having excellent flatness. The carbon nanotube composite film according to the present invention having excellent flatness can be used as a conductive film applicable to flexible electronics.

本発明の一実施形態に係るカーボンナノチューブ複合膜100の模式図である。It is a schematic diagram of the carbon nanotube composite film 100 which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係るカーボンナノチューブ複合膜の製造過程を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the manufacturing process of the carbon nanotube composite film which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係るカーボンナノチューブ複合膜の製造過程を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the manufacturing process of the carbon nanotube composite film which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係るカーボンナノチューブ複合膜の製造過程を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the manufacturing process of the carbon nanotube composite film which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係るカーボンナノチューブ複合膜のプレスを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the press of the carbon nanotube composite film which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施例に係るカーボンナノチューブ複合膜の主表面の走査型電子顕微鏡(SEM)像であり、(a)は実施例を示し、(b)は比較例1を示す。It is a scanning electron microscope (SEM) image of the main surface of the carbon nanotube composite film which concerns on one Example of this invention, (a) shows Example, (b) shows Comparative Example 1. 本発明の一実施例に係るカーボンナノチューブ複合膜の主表面のレーザー顕微鏡像であり、(a)は比較例2を示し、(b)は実施例を示す。It is a laser microscope image of the main surface of the carbon nanotube composite film which concerns on one Example of this invention, (a) shows Comparative Example 2, and (b) shows Example.

本発明に係るカーボンナノチューブ複合膜は、カーボンナノチューブをエラストマー中に分散して形成した薄膜である。従来技術においては、高い導電性を得るために、長いカーボンナノチューブを分散させると、嵩高で表面に凹凸を有するような薄膜となり、エレクトロニクスデバイスの形成には適さない。本発明のカーボンナノチューブ複合膜は、後述するように優れた平坦性を備え、エレクトロニクスデバイスの導電層として用いることができるものである。図1は、本発明の一実施形態に係るカーボンナノチューブ複合膜100の模式図であり、図1(a)は基板1上に配設したカーボンナノチューブ複合膜100の模式図であり、図1(b)はカーボンナノチューブ複合膜100の一部を切り取り、内部を露出させた図である。カーボンナノチューブ複合膜100において、カーボンナノチューブ10はエラストマー30に分散している。図1においては、一例として、基板1上にカーボンナノチューブ複合膜100を配設したものを示す。 The carbon nanotube composite film according to the present invention is a thin film formed by dispersing carbon nanotubes in an elastomer. In the prior art, when long carbon nanotubes are dispersed in order to obtain high conductivity, a thin film having a bulky surface and an uneven surface is formed, which is not suitable for forming an electronic device. The carbon nanotube composite film of the present invention has excellent flatness as described later, and can be used as a conductive layer of an electronic device. FIG. 1 is a schematic view of the carbon nanotube composite film 100 according to the embodiment of the present invention, and FIG. 1 (a) is a schematic view of the carbon nanotube composite film 100 arranged on the substrate 1. FIG. b) is a diagram in which a part of the carbon nanotube composite film 100 is cut out to expose the inside. In the carbon nanotube composite film 100, the carbon nanotubes 10 are dispersed in the elastomer 30. In FIG. 1, as an example, a carbon nanotube composite film 100 having a carbon nanotube composite film 100 arranged on a substrate 1 is shown.

なお、カーボンナノチューブ複合膜100の成膜に用いる基板1は、主表面の算術平均粗さが500nmよりも小さな平坦性が高い基板であれば特に限定されるものではなく、例えば、シリコン、サファイア、ポリイミド、ジメチルポリシロキサン(PDMS)等のエレクトロニクスデバイスに一般に用いられるものでよい。 The substrate 1 used for forming the carbon nanotube composite film 100 is not particularly limited as long as it has a high flatness with an arithmetic mean roughness of the main surface of less than 500 nm, and is not particularly limited. For example, silicon, sapphire, and the like. Those generally used for electronic devices such as polyimide and dimethylpolysiloxane (PDMS) may be used.

本発明に係るカーボンナノチューブ複合膜は、0.01μm以上1mm以下の膜厚を備え、主表面の算術平均粗さが膜厚の50%以下、及び/又は5μm以下である。本発明に係るカーボンナノチューブ複合膜は、膜厚の下限が好ましくは0.1μm以上、より好ましくは1μm以上、更に好ましくは3μm以上、更に好ましくは5μm以上であり、上限が1mm以下、好ましくは500μm以下、より好ましくは300μm以下、更に好ましくは100μm以下、更に好ましくは70μm以下、更に好ましくは40μm以下、更に好ましくは20μm以下、更に好ましくは15μm以下である。膜厚の下限は、CNTのバンドルサイズ以下では、平坦性と均一性を確保することが困難となる。 The carbon nanotube composite film according to the present invention has a film thickness of 0.01 μm or more and 1 mm or less, and the arithmetic mean roughness of the main surface is 50% or less of the film thickness and / or 5 μm or less. The carbon nanotube composite film according to the present invention has a lower limit of the film thickness of preferably 0.1 μm or more, more preferably 1 μm or more, further preferably 3 μm or more, still more preferably 5 μm or more, and an upper limit of 1 mm or less, preferably 500 μm. Below, it is more preferably 300 μm or less, still more preferably 100 μm or less, still more preferably 70 μm or less, still more preferably 40 μm or less, still more preferably 20 μm or less, still more preferably 15 μm or less. If the lower limit of the film thickness is less than the bundle size of CNT, it becomes difficult to ensure flatness and uniformity.

本発明に係るカーボンナノチューブ複合膜は、膜表面の算術粗さが、好ましくは膜厚の20%以下もしくは2μm以下、更に好ましくは10%以下もしくは1μm以下、更に好ましくは5%以下もしくは0.5μm以下、更に好ましくは2%以下もしくは0.2μm以下、更に好ましくは1%以下もしくは0.1μm以下、更に好ましくは0.1%以下もしくは0.01μm以下である。膜の表面粗さにとくに下限はないが、膜表面の凹凸をCNTのバンドルサイズ、および、膜厚以下にすることは困難である。 In the carbon nanotube composite film according to the present invention, the arithmetic roughness of the film surface is preferably 20% or less or 2 μm or less, more preferably 10% or less or 1 μm or less, still more preferably 5% or less or 0.5 μm of the film thickness. Below, it is more preferably 2% or less or 0.2 μm or less, further preferably 1% or less or 0.1 μm or less, still more preferably 0.1% or less or 0.01 μm or less. There is no particular lower limit to the surface roughness of the film, but it is difficult to make the unevenness of the film surface less than the CNT bundle size and the film thickness.

本発明に係るカーボンナノチューブ複合膜は、エレクトロニクスデバイスの導電層として実用的な範囲にある0.01μm以上1mm以下の膜厚に対して、主表面の算術平均粗さが膜厚の50%以下、且つ5μm以下の優れた平坦性を実現することができる。主表面の算術平均粗さが膜厚の50%または5μmを超えると、レジストの塗布が困難となり、導電層を形成しても導電性が不均一となるため、エレクトロニクスデバイスに要求される信頼性を確保するのは困難である。 The carbon nanotube composite film according to the present invention has an arithmetic average roughness of 50% or less of the film thickness of the main surface with respect to a film thickness of 0.01 μm or more and 1 mm or less, which is within a practical range as a conductive layer of an electronic device. Moreover, excellent flatness of 5 μm or less can be realized. If the arithmetic mean roughness of the main surface exceeds 50% or 5 μm of the film thickness, it becomes difficult to apply a resist, and even if a conductive layer is formed, the conductivity becomes non-uniform, so that the reliability required for electronic devices is required. Is difficult to secure.

ここで、本発明に係るカーボンナノチューブ複合膜の主表面の算術平均粗さ(Ra)は、原子間力顕微鏡(AFM)の実測値からJIS B 0601-2001に基づいて、計算により求めることができる。算術平均粗さは、粗さ曲線からその平均線の方向に基準長さlだけ抜き取り、この抜き取り部分の平均線から測定曲線までの偏差の絶対値を合計し、平均した値で表される。 Here, the arithmetic mean roughness (Ra) of the main surface of the carbon nanotube composite film according to the present invention can be obtained by calculation based on JIS B 0601-2001 from the measured value of the atomic force microscope (AFM). .. The arithmetic mean roughness is expressed by extracting the reference length l from the roughness curve in the direction of the average line, summing the absolute values of the deviations from the average line of the extracted portion to the measurement curve, and averaging the values.

本発明に係るカーボンナノチューブ複合膜において、カーボンナノチューブの長さは、0.5mm以上であり、より好ましくは1μm以上である。このようなカーボンナノチューブは、エラストマーに分散させると、カーボンナノチューブのネットワークを形成して、カーボンナノチューブ複合膜に優れた導電性を付与することができる。 In the carbon nanotube composite membrane according to the present invention, the length of the carbon nanotube is 0.5 mm or more, more preferably 1 μm or more. When such carbon nanotubes are dispersed in an elastomer, they can form a network of carbon nanotubes and impart excellent conductivity to the carbon nanotube composite film.

また、カーボンナノチューブの配合量は、カーボンナノチューブ複合材料全体の重量を100重量%とした場合、0.001重量%以上40重量%以下である。下限は好ましくは0.01重量%以上、より好ましくは0.1重量%以上、更に好ましくは1重量%以上、更に好ましくは2重量%以上であり、上限は、好ましくは40重量%以下、より好ましくは15重量%以下、更に好ましくは8重量%以下、更に好ましくは5重量%以下である。カーボンナノチューブの配合量が70重量%を超えると、フレキシブルエレクトロニクスにおいて好ましい永久伸び及び弾性率が得られなくなる。カーボンナノチューブの配合量が0.001重量%未満ではエレクトロニクス用途において好ましい導電率が得られなくなる。このようなカーボンナノチューブ配向量は、平坦性の高いカーボンナノチューブ複合膜を得るために好ましい。 Further, the blending amount of the carbon nanotubes is 0.001% by weight or more and 40% by weight or less when the total weight of the carbon nanotube composite material is 100% by weight. The lower limit is preferably 0.01% by weight or more, more preferably 0.1% by weight or more, further preferably 1% by weight or more, still more preferably 2% by weight or more, and the upper limit is preferably 40% by weight or less. It is preferably 15% by weight or less, more preferably 8% by weight or less, still more preferably 5% by weight or less. If the blending amount of the carbon nanotubes exceeds 70% by weight, favorable permanent elongation and elastic modulus cannot be obtained in flexible electronics. If the blending amount of the carbon nanotubes is less than 0.001% by weight, favorable conductivity cannot be obtained in electronics applications. Such a carbon nanotube orientation amount is preferable for obtaining a carbon nanotube composite film having high flatness.

また、本発明に係るカーボンナノチューブ複合膜には、後述するように高純度で欠陥が殆ど無いカーボンナノチューブを好適に用いることができる。このような高品質のカーボンナノチューブを上述した配合量で用いて、上述した膜厚で形成する場合、本発明に係るカーボンナノチューブ複合膜は、残留水分量が5%以下であり、好ましくは1%以下であり、更に好ましくは0.5%以下であり、更に好ましくは0.2%以下であり、更に好ましくは0.1%以下であり、更に好ましくは0.01%以下である。本発明に係るカーボンナノチューブ複合膜を形成するには、後述するように、基材にカーボンナノチューブ複合材料を塗布して、乾燥工程により溶媒を除去する必要がある。残留水分量が5%を超える場合、カーボンナノチューブ同士を凝集させるため平坦化の妨げとなる。更に、エラストマーが固化するときに、カーボンナノチューブ複合材料に含まれる水分が水疱となり、乾燥工程において水分が蒸発すると、カーボンナノチューブ複合膜の主表面に凹凸ができてしまう。本発明に係るカーボンナノチューブ複合膜は、残留水分量が5%以下となるように、製造工程において、水分を制御することにより、主表面の算術平均粗さが膜厚の50%、且つ5μm以下の優れた平坦性を実現することができる。 Further, as the carbon nanotube composite film according to the present invention, carbon nanotubes having high purity and almost no defects can be preferably used as described later. When such high-quality carbon nanotubes are used in the above-mentioned blending amount and formed with the above-mentioned film thickness, the carbon nanotube composite film according to the present invention has a residual water content of 5% or less, preferably 1%. It is less than or equal to, more preferably 0.5% or less, further preferably 0.2% or less, still more preferably 0.1% or less, still more preferably 0.01% or less. In order to form the carbon nanotube composite film according to the present invention, it is necessary to apply the carbon nanotube composite material to the base material and remove the solvent by a drying step, as will be described later. When the residual water content exceeds 5%, the carbon nanotubes agglomerate with each other, which hinders flattening. Further, when the elastomer solidifies, the water contained in the carbon nanotube composite material becomes blisters, and when the water evaporates in the drying step, unevenness is formed on the main surface of the carbon nanotube composite film. In the carbon nanotube composite film according to the present invention, the arithmetic mean roughness of the main surface is 50% of the film thickness and 5 μm or less by controlling the water content in the manufacturing process so that the residual water content is 5% or less. Excellent flatness can be realized.

カーボンナノチューブが長いほど、サイズの大きいバンドルを形成し易く、平坦化が困難であり、カーボンナノチューブを膜中に均一に分布させることも困難である。また、カーボンナノチューブの含有量が大きいほど、平坦化は困難である。本発明においては、カーボンナノチューブの隙間をエラストマーで埋める形で平坦性を確保している。また、カーボンナノチューブ複合膜の膜厚が厚いほど、成膜直後の膜の粗さは大きくなる。したがって、カーボンナノチューブ複合膜の主表面の平坦性は、膜厚がカーボンナノチューブのバンドルサイズに近づくほど難しくなる。本発明に係るカーボンナノチューブ複合膜を製造するには、これらの課題を克服する必要があり、以下のような解決手段によって、高い平坦性を実現することができる。 The longer the carbon nanotubes, the easier it is to form large bundles, the more difficult it is to flatten, and the more difficult it is to evenly distribute the carbon nanotubes in the membrane. Further, the larger the content of carbon nanotubes, the more difficult it is to flatten. In the present invention, the flatness is ensured by filling the gaps between the carbon nanotubes with an elastomer. Further, the thicker the thickness of the carbon nanotube composite film, the greater the roughness of the film immediately after the film formation. Therefore, the flatness of the main surface of the carbon nanotube composite film becomes more difficult as the film thickness approaches the bundle size of the carbon nanotubes. In order to produce the carbon nanotube composite film according to the present invention, it is necessary to overcome these problems, and high flatness can be realized by the following solutions.

〔カーボンナノチューブゴムペースト作製工程〕
カーボンナノチューブゴムペースト中の水分量を5%以下とするためには、真空加熱乾燥などの方法により、カーボンナノチューブに吸着した水分を除去することが好ましい。また、カーボンナノチューブの分散及びエラストマーの分散に用いる溶媒への水分の吸着並びに吸収を防ぐことが好ましい。カーボンナノチューブ及び溶媒への水分の吸着や吸収を防ぐためには、水分量の少ない不活性ガス雰囲気下でプレ分散工程を実施することが好ましい。
[Carbon nanotube rubber paste manufacturing process]
In order to reduce the amount of water in the carbon nanotube rubber paste to 5% or less, it is preferable to remove the water adsorbed on the carbon nanotubes by a method such as vacuum heating and drying. Further, it is preferable to prevent the adsorption and absorption of water in the solvent used for the dispersion of carbon nanotubes and the dispersion of the elastomer. In order to prevent the adsorption and absorption of water on the carbon nanotubes and the solvent, it is preferable to carry out the pre-dispersion step in an inert gas atmosphere with a small amount of water.

〔カーボンナノチューブ複合膜の成膜〕
カーボンナノチューブ複合膜の成膜においては、膜中にカーボンナノチューブが均一に分布していること、並びに、膜厚を制御できることが重要である。カーボンナノチューブを膜中に均一に分布させるためには、カーボンナノチューブを溶媒中に均一に分散させることが必要であるが、カーボンナノチューブに吸着した水分量は分散性を低下させるため、水分量の抑制はカーボンナノチューブの分散にも重要である。成膜後の膜の残留水分量が5%以下であるとき、カーボンナノチューブの溶媒中への分散は、平坦な膜の形成に十分であると考えられる。また、膜中にカーボンナノチューブを均一に分布させるためには、成膜中の溶媒乾燥において、カーボンナノチューブの凝集を防ぐことも必要である。
[Formation of carbon nanotube composite film]
In the film formation of the carbon nanotube composite film, it is important that the carbon nanotubes are uniformly distributed in the film and that the film thickness can be controlled. In order to uniformly distribute the carbon nanotubes in the film, it is necessary to uniformly disperse the carbon nanotubes in the solvent. However, the amount of water adsorbed on the carbon nanotubes reduces the dispersibility, so that the amount of water is suppressed. Is also important for the dispersion of carbon nanotubes. When the residual water content of the film after film formation is 5% or less, it is considered that the dispersion of carbon nanotubes in the solvent is sufficient for forming a flat film. Further, in order to uniformly distribute the carbon nanotubes in the film, it is also necessary to prevent the carbon nanotubes from agglomerating during solvent drying during the film formation.

カーボンナノチューブがエラストマーに分散した溶液をスプレーコート法で塗布する場合には、スプレー塗布量が多すぎると溶媒が乾く前にカーボンナノチューブの凝集が起こる。凝集防止に効果があるのは、スプレー量の最適化でスプレー液滴を基板に均一に塗布することと、基板を加熱することで溶媒の蒸発を促進することである。例えば、カーボンナノチューブ濃度が2重量%、5重量%、8重量%、12重量%の場合、100℃に加熱したシリコン基板にスプレー量が50μL〜200μLで塗布することで、カーボンナノチューブが均一に分散したカーボンナノチューブ複合膜を作製することができる。 When a solution in which carbon nanotubes are dispersed in an elastomer is applied by a spray coating method, if the spray coating amount is too large, the carbon nanotubes agglomerate before the solvent dries. What is effective in preventing agglomeration is that the spray droplets are uniformly applied to the substrate by optimizing the spray amount, and that the substrate is heated to promote the evaporation of the solvent. For example, when the carbon nanotube concentration is 2% by weight, 5% by weight, 8% by weight, or 12% by weight, the carbon nanotubes are uniformly dispersed by applying the spray amount to a silicon substrate heated to 100 ° C. with a spray amount of 50 μL to 200 μL. The carbon nanotube composite film can be produced.

スプレーコート法では任意の基板上にカーボンナノチューブ複合膜を成膜することが可能であり、スプレー圧やスプレー量の調整により基板と溶媒との濡れ性の影響を最小限に抑制が可能である。本発明において、例えば、シリコン、サファイア、ポリイミド、ジメチルポリシロキサン(PDMS)等の基板上にカーボンナノチューブ濃度が2重量%、8重量%、12重量%のカーボンナノチューブ複合膜を得ることができる。 In the spray coating method, a carbon nanotube composite film can be formed on an arbitrary substrate, and the influence of wettability between the substrate and the solvent can be minimized by adjusting the spray pressure and the amount of spray. In the present invention, for example, a carbon nanotube composite film having carbon nanotube concentrations of 2% by weight, 8% by weight, and 12% by weight can be obtained on a substrate such as silicon, sapphire, polyimide, or dimethylpolysiloxane (PDMS).

スプレーコート法はスプレー回数で膜厚制御できるため、50μm以下の薄膜の膜厚制御に適している。また膜厚制御の精度は、スプレーコートでの塗布量とカーボンナノチューブのエラストマーペーストの溶媒濃度に依存する。スピンコート法で塗布する場合、カーボンナノチューブとエラストマーの質量の違いによりかかる遠心力に差があるため、カーボンナノチューブとエラストマーは分離がおこり易く、カーボンナノチューブを膜中に均一に分散させることが難しい。また、スピンコート法では基板と溶媒との濡れ性の影響を抑制するのが困難である。 Since the spray coating method can control the film thickness by the number of sprays, it is suitable for controlling the film thickness of a thin film of 50 μm or less. The accuracy of film thickness control depends on the amount applied by spray coating and the solvent concentration of the elastomer paste of carbon nanotubes. When applied by the spin coating method, the centrifugal force applied differs depending on the mass of the carbon nanotube and the elastomer, so that the carbon nanotube and the elastomer are easily separated and it is difficult to uniformly disperse the carbon nanotube in the film. Further, it is difficult to suppress the influence of the wettability between the substrate and the solvent by the spin coating method.

キャスト法で塗布する場合、ビーカーやシャーレ等の容器内で溶媒を乾燥させるが、容器を旋回させることでカーボンナノチューブの分布を均一にさせること、及び膜厚分布を均一にすることができる。キャスト法による成膜では膜厚は溶媒量で制御される。原理的には50μm以下の膜の成膜も可能であり、且つ数ミクロンの精度で膜厚の制御も可能であるが、実際には溶媒の乾燥量の見積もりが困難である。このため従来技術で作製された膜の厚さは50μm以上であった。キャスト法により成膜した膜の平坦性は膜厚が50〜100μmのときに算術粗さで5〜20μmとなり、本発明に係るカーボンナノチューブ複合膜に比して粗くなっていた。 When applied by the casting method, the solvent is dried in a container such as a beaker or a petri dish, but the distribution of carbon nanotubes can be made uniform and the film thickness distribution can be made uniform by swirling the container. In film formation by the casting method, the film thickness is controlled by the amount of solvent. In principle, it is possible to form a film of 50 μm or less, and it is possible to control the film thickness with an accuracy of several microns, but it is actually difficult to estimate the dry amount of the solvent. Therefore, the thickness of the film produced by the prior art was 50 μm or more. The flatness of the film formed by the casting method was 5 to 20 μm in arithmetic roughness when the film thickness was 50 to 100 μm, which was coarser than that of the carbon nanotube composite film according to the present invention.

〔カーボンナノチューブ複合膜の平坦化〕
成膜後のカーボンナノチューブ複合膜の表面の算術平均粗さは、膜厚にかかわらず膜厚の10〜50%であるが、エラストマーが軟化する温度で平坦なプレートで膜表面をプレスすることで、膜の算術平均粗さを膜厚の50%以下且つ5μm以下まで改善することができる。平坦化工程での膜の剥離防止には、カーボンナノチューブ複合膜と基板の密着性が、カーボンナノチューブ複合膜とプレス用のプレートとの密着性よりも十分に高いことが必要である。基板がシリコンもしくはポリイミドシートの場合、プレス用プレートへのPDMSコーティングが膜の剥離防止に効果がある。平坦化工程ではプレス用プレートの平坦性が重要である。剥離防止用PDMSコーティングによるプレス用プレートの平坦性の低下を防ぐには、PDMSをトルエンで希釈し薄膜化すること、もしくは粘性が低く硬度の高いPDMSを用いることが有効である。
[Flatration of carbon nanotube composite film]
The arithmetic mean roughness of the surface of the carbon nanotube composite film after film formation is 10 to 50% of the film thickness regardless of the film thickness, but by pressing the film surface with a flat plate at a temperature at which the elastomer softens. , The arithmetic mean roughness of the film can be improved to 50% or less of the film thickness and 5 μm or less. In order to prevent the film from peeling off in the flattening step, it is necessary that the adhesion between the carbon nanotube composite film and the substrate is sufficiently higher than the adhesion between the carbon nanotube composite film and the plate for pressing. When the substrate is a silicon or polyimide sheet, the PDMS coating on the press plate is effective in preventing the film from peeling off. The flatness of the press plate is important in the flattening process. In order to prevent the flatness of the press plate from being lowered by the PDMS coating for preventing peeling, it is effective to dilute PDMS with toluene to make it thin, or to use PDMS having low viscosity and high hardness.

カーボンナノチューブの含有量が多いほど導電率が高くなり、エレクトロニクス配線材として使用する場合は有利だが、平坦化は困難になる。成膜直後の表面粗さは膜厚が厚いほど大きくなるが、カーボンナノチューブの凝集サイズと膜厚が近い条件では平坦化が困難であり、平坦化の難易度は薄い膜ほど高い。 The higher the content of carbon nanotubes, the higher the conductivity, which is advantageous when used as an electronic wiring material, but flattening becomes difficult. The surface roughness immediately after film formation increases as the film thickness increases, but it is difficult to flatten the carbon nanotubes under conditions where the aggregate size and film thickness are close to each other, and the difficulty of flattening is higher for thinner films.

水分量が5%以下に調整されたカーボンナノチューブ複合膜については、例えば、カーボンナノチューブ濃度が2重量%、5重量%、8重量%のとき、膜厚が5μm〜25μmの範囲で、算術平均粗さ膜厚の50%以下且つ5μm以下の平坦性を実現できることを確認している。またカーボンナノチューブ濃度が10重量%以上の場合、表面に膜厚が1μm以上のエラストマーもしくはカーボンナノチューブ濃度が2重量%以下の低カーボンナノチューブ濃度のカーボンナノチューブ複合膜を塗布することで、25μm以下の膜において膜厚の50%以下且つ5μm以下の算術平均粗さの実現が可能である。 For the carbon nanotube composite film whose water content is adjusted to 5% or less, for example, when the carbon nanotube concentration is 2% by weight, 5% by weight, or 8% by weight, the film thickness is in the range of 5 μm to 25 μm, and the arithmetic mean coarseness is coarse. It has been confirmed that flatness of 50% or less of the thickness and 5 μm or less can be realized. When the carbon nanotube concentration is 10% by weight or more, a film having a thickness of 1 μm or more or a carbon nanotube composite film having a carbon nanotube concentration of 2% by weight or less is applied to the surface to form a film having a thickness of 25 μm or less. It is possible to realize an arithmetic average roughness of 50% or less of the film thickness and 5 μm or less.

[水分量の測定]
本発明に係るカーボンナノチューブ複合膜の残留水分量は、カール・フィッシャー反応法により求めることができる。カーボンナノチューブ集合体はカール・フィッシャー反応法(三菱化学アナリテック製電量滴定方式微量水分測定装置CA−200型)で測定した。カーボンナノチューブ集合体を所定の条件(真空下、200℃に1時間保持)で乾燥後、乾燥窒素ガス気流中のグローブボックス内で、真空を解除してカーボンナノチューブ集合体を約30mg取り出し、水分計のガラスボート移す。ガラスボートは、気化装置に移動し、そこで150℃×2分間加熱され、その間に気化した水分は窒素ガスで運ばれて隣のカール・フィッシャー反応によりヨウ素と反応する。その時消費されたヨウ素と等しい量のヨウ素を発生させるために要した電気量により、水分量を検知する。後述する実施例においては、この方法により、乾燥前のカーボンナノチューブ集合体は、0.8重量%の水分を含有していた。乾燥後のカーボンナノチューブ集合体は、0.1重量%の水分に減少した。
[Measurement of water content]
The residual water content of the carbon nanotube composite film according to the present invention can be determined by the Karl Fischer reaction method. The carbon nanotube aggregate was measured by the Karl Fischer reaction method (Mitsubishi Chemical Analytech Co., Ltd., coulometric titration type trace moisture measuring device CA-200). After drying the carbon nanotube aggregate under predetermined conditions (holding at 200 ° C. for 1 hour under vacuum), the vacuum is released in a glove box in a dry nitrogen gas stream, and about 30 mg of the carbon nanotube aggregate is taken out and a moisture meter is used. Transfer the glass boat. The glass boat moves to a vaporizer, where it is heated at 150 ° C. for 2 minutes, during which the vaporized water is carried by nitrogen gas and reacts with iodine by the adjacent Karl Fischer reaction. The amount of water is detected by the amount of electricity required to generate an amount of iodine equal to the amount of iodine consumed at that time. In the examples described later, by this method, the carbon nanotube aggregate before drying contained 0.8% by weight of water. After drying, the carbon nanotube aggregate was reduced to 0.1% by weight of water.

本発明に係るカーボンナノチューブ複合膜は、以下に述べる特性を有するカーボンナノチューブをエラストマーに分散したものであり、カーボンナノチューブ複合膜からカーボンナノチューブのみを抽出し、バッキペーパーにして評価することができる。 The carbon nanotube composite membrane according to the present invention is obtained by dispersing carbon nanotubes having the following characteristics in an elastomer, and only carbon nanotubes can be extracted from the carbon nanotube composite membrane and evaluated as buckypaper.

[ラマンスペクトル]
波長633nmのラマン分光分析で、110±10cm-1、190±10cm-1、かつ200cm-1以上の領域のそれぞれにピークが観測されるカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブ複合材料は、本発明の効果を得るのに好適である。カーボンナノチューブの構造は、ラマン分光分析法により評価が可能である。ラマン分光分析法で使用するレーザー波長は種々あるが、ここでは532nmおよび633nmの波長を利用する。ラマンスペクトルの350cm-1以下の領域はラジアルブリージングモード(以下、RBMという)と呼ばれ、この領域に観測されるピークは、カーボンナノチューブの直径と相関がある。
[Raman spectrum]
A carbon nanotube composite material containing carbon nanotubes in which peaks are observed in the regions of 110 ± 10 cm -1 , 190 ± 10 cm -1 , and 200 cm -1 or more by Raman spectroscopy at a wavelength of 633 nm has the effect of the present invention. Suitable for obtaining. The structure of carbon nanotubes can be evaluated by Raman spectroscopy. There are various laser wavelengths used in Raman spectroscopy, but here, wavelengths of 532 nm and 633 nm are used. The region of 350 cm -1 or less in the Raman spectrum is called radial breathing mode (hereinafter referred to as RBM), and the peak observed in this region correlates with the diameter of carbon nanotubes.

本発明に係わるカーボンナノチューブ、及びカーボンナノチューブ複合膜は、波長633nmのラマン分光分析で、110±10cm-1、190±10cm-1、及び200cm-1以上の領域のそれぞれにピークが観測され、幅広い波長範囲に渡ってピークを有する。上記以外にも、さらに好ましくは、135±10cm-1、250±10cm-1、280±10cm-1、にピークを有することが好ましい。すなわち、このようなラマンピークを有するカーボンナノチューブは、大きく異なる直径を有するカーボンナノチューブから構成されるため、大きく異なる直径を有するカーボンナノチューブはカーボンナノチューブ間を最密にパッキングすることができず、カーボンナノチューブ間の相互作用が比較的弱く、極めて良好な分散性を示す。そのため、超音波などで、カーボンナノチューブを切断せずとも、カーボンナノチューブをエラストマーに容易に分散させることができるので、カーボンナノチューブが本来持っている特性を十分にエラストマーに付与することができる。すなわち、係るカーボンナノチューブをエラストマーに分散させると、カーボンナノチューブに与える損傷を最小限に抑えることができるため、少ないカーボンナノチューブの配合量で、高い導電性を有するカーボンナノチューブ複合膜を得ることができる。 The carbon nanotubes and carbon nanotube composite films according to the present invention have a wide range of peaks observed in the regions of 110 ± 10 cm -1 , 190 ± 10 cm -1 , and 200 cm -1 or more by Raman spectroscopic analysis at a wavelength of 633 nm. It has a peak over the wavelength range. In addition to the above, it is more preferable to have peaks at 135 ± 10 cm -1 , 250 ± 10 cm -1 , and 280 ± 10 cm -1. That is, since carbon nanotubes having such Raman peaks are composed of carbon nanotubes having greatly different diameters, carbon nanotubes having greatly different diameters cannot be packed closely between the carbon nanotubes, and the carbon nanotubes cannot be packed closely. The interaction between them is relatively weak and shows extremely good dispersibility. Therefore, since the carbon nanotubes can be easily dispersed in the elastomer without cutting the carbon nanotubes by ultrasonic waves or the like, the characteristics originally possessed by the carbon nanotubes can be sufficiently imparted to the elastomer. That is, when the carbon nanotubes are dispersed in the elastomer, damage to the carbon nanotubes can be minimized, so that a carbon nanotube composite film having high conductivity can be obtained with a small amount of the carbon nanotubes blended.

ラマン分光分析の波数は測定条件によって変動することがあるため、ここで規定する波数は波数±10cm-1の範囲で規定するものとする。上記で例えば200cm-1ちょうどにピークがある場合、190±10cm-1および200cm-1以上のいずれの範囲にも入る。このような場合は、190±10cm-1および200cm-1以上の両方の範囲にピークが存在すると考える。なお、後続の考えに従ってラマンスペクトルのピークとカーボンナノチューブの直径との相関によりピークの帰属を考える場合は、他のピークとの関係で、いずれか一方の範囲のみに帰属すると解釈できる場合もある。例えば既に190±10cm-1にピークが存在し、さらに200cm-1にピークが存在し、200cm-1以上に200cm-1以外にピークが存在しない場合は200cm-1のピークは200cm-1以上のピークと解釈することができる。 Since the wave number of Raman spectroscopic analysis may fluctuate depending on the measurement conditions, the wave number specified here shall be specified in the range of wave number ± 10 cm -1. In the above, for example, if there is a peak at exactly 200 cm -1 , it falls within the range of 190 ± 10 cm -1 and 200 cm -1 or more. In such a case, it is considered that the peak exists in both the range of 190 ± 10 cm -1 and 200 cm -1 or more. When considering the attribution of the peak by the correlation between the peak of the Raman spectrum and the diameter of the carbon nanotube according to the following idea, it may be interpreted that it belongs to only one of the ranges in relation to the other peaks. For example there is a peak already 190 ± 10 cm -1, further peak exists in 200 cm -1, if there is no peak other than 200 cm -1 to 200 cm -1 or more peaks of 200 cm -1 is 200 cm -1 or more It can be interpreted as a peak.

[カーボンナノチューブ複合膜の導電性]
本発明のカーボンナノチューブ複合材料は、好ましくは0.01S/cm以上、より好ましくは0.1S/cm以上、さらいに好ましくは1S/cm以上の導電性を有することが好ましい。導電性の上限はとくにないが、炭素材料の導電性104S/cmを凌駕することはできない。
[Conductivity of carbon nanotube composite film]
The carbon nanotube composite material of the present invention preferably has a conductivity of 0.01 S / cm or more, more preferably 0.1 S / cm or more, and more preferably 1 S / cm or more. The upper limit of the electrical conductivity not particularly but not able to surpass the conductive 10 4 S / cm of the carbon material.

[カーボンナノチューブの導電性]
本発明のカーボンナノチューブ複合膜に用いるカーボンナノチューブの導電率は1S/cm以上、より好ましくは10S/cm以上、さらに好ましくは50S/cm以上である。このような導電率を有するカーボンナノチューブことは、高導電性のカーボンナノチューブ複合膜を得るために好ましい。
[Conductivity of carbon nanotubes]
The conductivity of the carbon nanotubes used in the carbon nanotube composite film of the present invention is 1 S / cm or more, more preferably 10 S / cm or more, still more preferably 50 S / cm or more. Carbon nanotubes having such conductivity are preferable in order to obtain a highly conductive carbon nanotube composite film.

[カーボンナノチューブの特性]
本発明のカーボンナノチューブ複合膜に用いるカーボンナノチューブの特性は、カーボンナノチューブ複合膜からカーボンナノチューブのみを抽出し、例えばバッキペーパーにして評価することができる。抽出は、溶媒を用いてエラストマーを溶解するなどの公知の手段を適宜用いることができる。
[Characteristics of carbon nanotubes]
The characteristics of the carbon nanotubes used in the carbon nanotube composite membrane of the present invention can be evaluated by extracting only the carbon nanotubes from the carbon nanotube composite membrane and using, for example, buckypaper. For extraction, known means such as dissolving the elastomer with a solvent can be appropriately used.

本発明のカーボンナノチューブ複合膜に用いるカーボンナノチューブの平均直径は、1nm以上30nm以下の範囲であり、好ましくは1nm以上10nm以下の範囲である。平均直径が小さすぎると、凝集性が強すぎて分散しない。逆に平均直径が大きすぎると、カーボンナノチューブが硬くなるため、エラストマー中で嵩高な網目構造を形成するため好ましくない。なお、本発明のカーボンナノチューブ複合膜に用いるカーボンナノチューブの平均直径は、エラストマーに分散させる前のカーボンナノチューブ配向集合体の透過電子顕微鏡(以下、TEMという)画像から一本一本のカーボンナノチューブの外径、すなわち直径を計測してヒストグラムを作成し、このヒストグラムから求める。 The average diameter of the carbon nanotubes used in the carbon nanotube composite film of the present invention is in the range of 1 nm or more and 30 nm or less, preferably 1 nm or more and 10 nm or less. If the average diameter is too small, it will be too cohesive and will not disperse. On the other hand, if the average diameter is too large, the carbon nanotubes become hard and form a bulky network structure in the elastomer, which is not preferable. The average diameter of the carbon nanotubes used in the carbon nanotube composite film of the present invention is outside the individual carbon nanotubes from the transmission electron microscope (hereinafter referred to as TEM) image of the carbon nanotube oriented aggregate before being dispersed in the elastomer. A histogram is created by measuring the diameter, that is, the diameter, and is obtained from this histogram.

本発明のカーボンナノチューブ複合膜に用いるカーボンナノチューブの蛍光X線を用いた分析による炭素純度が90重量%以上であることが好ましく、より好ましくは95重量%以上であり、更に好ましくは98重量%以上である。このような高純度のカーボンナノチューブは優れた導電性を有し、エレクトロニクスデバイスの導電層として好適である。なお、炭素純度とは、カーボンナノチューブの重量の何パーセントが炭素で構成されているかを示し、本発明のカーボンナノチューブ複合膜に用いるカーボンナノチューブの炭素純度は、蛍光X線による元素分析から求める。 The carbon purity of the carbon nanotubes used in the carbon nanotube composite membrane of the present invention by analysis using fluorescent X-rays is preferably 90% by weight or more, more preferably 95% by weight or more, still more preferably 98% by weight or more. Is. Such high-purity carbon nanotubes have excellent conductivity and are suitable as a conductive layer for electronic devices. The carbon purity indicates what percentage of the weight of the carbon nanotubes is composed of carbon, and the carbon purity of the carbon nanotubes used in the carbon nanotube composite film of the present invention is obtained from element analysis by fluorescent X-rays.

本発明のカーボンナノチューブ複合膜に用いるカーボンナノチューブは、共鳴ラマン散乱測定法の測定により得られるスペクトルで1560cm-1以上1600cm-1以下の範囲内での最大のピーク強度をG、1310cm-1以上1350cm-1以下の範囲内での最大のピーク強度をDとしたときに、G/D比が3以上あることが好ましい。本発明のカーボンナノチューブ複合膜に用いるカーボンナノチューブは、グラフェンシートの欠陥が少ないほど品質がよく、導電性が向上するため、好ましい。このグラフェンシートの欠陥は、ラマン分光分析法により評価が可能である。ラマン分光分析法で使用するレーザー波長は種々あるが、ここでは532nmおよび633nmの波長を利用する。ラマンスペクトルにおいて、1590cm-1付近に見られるラマンシフトはグラファイト由来のGバンドと呼ばれ、1350cm-1付近に見られるラマンシフトはアモルファスカーボンやグラファイトの欠陥に由来するDバンドと呼ばれる。カーボンナノチューブの品質を測定するために、ラマン分光分析によるGバンドとDバンドの高さ比(G/D比)が用いられる。このG/D比が高いカーボンナノチューブほど、グラファイト化度が高く、高品質である。ここでラマンG/D比を評価するときは、波長532nmを用いる。G/D比は高いほど良いが、3以上であればカーボンナノチューブ複合膜に含まれるカーボンナノチューブは十分に導電性が高く、高電気導電性のカーボンナノチューブ複合膜を得るのに好ましい。G/D比は、好ましくは4以上200以下であり、さらに好ましくは5以上150以下である。またカーボンナノチューブのような固体のラマン分光分析法は、サンプリングによってばらつくことがある。そこで少なくとも3カ所、別の場所をラマン分光分析し、その相加平均をとるものとする。 Carbon nanotubes used in the carbon nanotube composite film of the present invention, the maximum peak intensity in the range 1560 cm -1 or 1600 cm -1 The following spectrum obtained by measurement of the resonance Raman scattering measurement method G, 1310cm -1 or 1350cm When the maximum peak intensity in the range of -1 or less is D, the G / D ratio is preferably 3 or more. The carbon nanotubes used in the carbon nanotube composite film of the present invention are preferable because the fewer defects in the graphene sheet, the better the quality and the higher the conductivity. Defects in this graphene sheet can be evaluated by Raman spectroscopy. There are various laser wavelengths used in Raman spectroscopy, but here, wavelengths of 532 nm and 633 nm are used. In the Raman spectrum, the Raman shift seen near 1590 cm -1 is called the G band derived from graphite, and the Raman shift seen near 1350 cm -1 is called the D band derived from defects in amorphous carbon or graphite. In order to measure the quality of carbon nanotubes, the height ratio (G / D ratio) of G band and D band by Raman spectroscopy is used. The higher the G / D ratio, the higher the degree of graphitization and the higher the quality. Here, when evaluating the Raman G / D ratio, a wavelength of 532 nm is used. The higher the G / D ratio, the better, but if it is 3 or more, the carbon nanotubes contained in the carbon nanotube composite film have sufficiently high conductivity, which is preferable for obtaining a carbon nanotube composite film having high electrical conductivity. The G / D ratio is preferably 4 or more and 200 or less, and more preferably 5 or more and 150 or less. Raman spectroscopy of solids such as carbon nanotubes may also vary by sampling. Therefore, it is assumed that at least three places and other places are subjected to Raman spectroscopic analysis and their arithmetic mean is taken.

本発明のカーボンナノチューブ複合膜に用いるカーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブが好ましい。単層カーボンナノチューブは優れた変形能を有し、カーボンナノチューブ複合膜の主表面の高い平坦性を得ることができる。 The carbon nanotubes used in the carbon nanotube composite film of the present invention are preferably single-walled carbon nanotubes. The single-walled carbon nanotubes have excellent deformability, and high flatness of the main surface of the carbon nanotube composite film can be obtained.

[エラストマー]
本発明のカーボンナノチューブ複合膜に用いるエラストマーは、エラストマーが好ましい。エラストマーは、優れた変形能を有するため好ましい。本発明のカーボンナノチューブ複合膜に適用可能なエラストマーとしては、柔軟性、導電性、耐久性の点で、例えば、ニトリルゴム(NBR)、クロロプレンゴム(CR)、クロロスルホン化ポリエチレン、ウレタンゴム、アクリルゴム、エピクロルヒドリンゴム、フッ素ゴム、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、イソプレンゴム(IR)、ブタジエンゴム(BR)、ブチルゴム、シリコーンゴム、エチレン−プロピレン共重合体、エチレン−プロピレン−ジエン三元共重合体(EPDM)から選ばれる一種以上が挙げられる。本発明のカーボンナノチューブ複合膜に用いるエラストマーは、上記の群より選ばれる一種以上を架橋しても良い。
[Elastomer]
The elastomer used for the carbon nanotube composite film of the present invention is preferably an elastomer. Elastomers are preferred because they have excellent deformability. Examples of the elastomer applicable to the carbon nanotube composite film of the present invention include nitrile rubber (NBR), chloroprene rubber (CR), chlorosulfonated polyethylene, urethane rubber, and acrylic in terms of flexibility, conductivity, and durability. Rubber, epichlorohydrin rubber, fluororubber, styrene-butadiene rubber (SBR), isoprene rubber (IR), butadiene rubber (BR), butyl rubber, silicone rubber, ethylene-propylene copolymer, ethylene-propylene-diene ternary copolymer One or more selected from (EPDM) can be mentioned. The elastomer used for the carbon nanotube composite membrane of the present invention may be crosslinked with one or more selected from the above group.

本発明のカーボンナノチューブ複合膜に用いるエラストマーはとしては、特にフッ素ゴムが好ましい。フッ素ゴムは、カーボンナノチューブとの分散性が高く、カーボンナノチューブ複合膜の高い導電性と、平坦性の両方を同時に実現することが可能となり、特に好ましい。 As the elastomer used for the carbon nanotube composite film of the present invention, fluororubber is particularly preferable. Fluororubber is particularly preferable because it has high dispersibility with carbon nanotubes and can realize both high conductivity and flatness of the carbon nanotube composite film at the same time.

架橋剤としては、上記のエラストマーの種類に応じて異なるが、例えば、イソシアネート基含有架橋剤(イソシアネート、ブロックイソシアネート等)、硫黄含有架橋剤(硫黄等)、過酸化物架橋剤(パーオキサイド等)、ヒドロシリル基含有架橋剤(ヒドロシリル硬化剤)、メラミン等の尿素樹脂、エポキシ硬化剤、ポリアミン硬化剤や、紫外線や電子線等のエネルギーによってラジカルを発生する光架橋剤等が挙げられる。これらは単独または二種以上で用いてもよい。 The cross-linking agent varies depending on the type of the above-mentioned elastomer, but for example, an isocyanate group-containing cross-linking agent (isocyanate, blocked isocyanate, etc.), a sulfur-containing cross-linking agent (sulfur, etc.), a peroxide cross-linking agent (peroxide, etc.). , Hydrosilyl group-containing cross-linking agent (hydrosilyl curing agent), urea resin such as melamine, epoxy curing agent, polyamine curing agent, photo-crosslinking agent that generates radicals by energy such as ultraviolet rays and electron beams, and the like. These may be used alone or in combination of two or more.

本発明のカーボンナノチューブ複合膜において、エラストマーへのカーボンナノチューブの分散性を向上させるために、イオン液体を用いることもできる。本発明のカーボンナノチューブ複合膜には、公知のイオン液体を利用可能であるが、例えば、本発明者らが特開2010−097794号公報において開示した下記の一般式(I)〜(IV)で表わされるカチオン(好ましくは、イミダゾリウムイオン、第4級アンモニウムイオン)と、アニオン(X-)より成るものが挙げられる。

Figure 0006917642
In the carbon nanotube composite membrane of the present invention, an ionic liquid can also be used in order to improve the dispersibility of the carbon nanotubes in the elastomer. Known ionic liquids can be used for the carbon nanotube composite film of the present invention. For example, the following general formulas (I) to (IV) disclosed by the present inventors in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-0977794 can be used. (preferably, an imidazolium ion, a quaternary ammonium ion) cation represented as, anion - are those composed of (X).
Figure 0006917642

上記の式(I)〜(IV)において、R1は炭素数1〜12の直鎖又は分枝を有するアルキル基またはエーテル結合を含み炭素と酸素の合計数が3〜12の直鎖又は分枝を有するアルキル基を示し、式(I)においてR2は炭素数1〜4の直鎖又は分枝を有するアルキル基または水素原子を示す。式(I)において、R1とR2は同一ではないことが好ましい。式(III)および(IV)において、xはそれぞれ1〜4の整数である。 In the above formulas (I) to (IV), R 1 contains an alkyl group or an ether bond having a linear or branched carbon number of 1 to 12, and the total number of carbon and oxygen is 3 to 12 linear or fractionated. It represents an alkyl group having a branch, and in the formula (I), R 2 represents a linear or branched alkyl group or a hydrogen atom having 1 to 4 carbon atoms. In formula (I), it is preferable that R 1 and R 2 are not the same. In formulas (III) and (IV), x is an integer of 1 to 4, respectively.

なお、本発明のカーボンナノチューブ複合膜には、上述の成分以外に、例えば、イオン導電剤(界面活性剤、アンモニウム塩、無機塩)、可塑剤、オイル、架橋剤、架橋促進剤、老化防止剤、難燃剤、着色剤等を適宜用いてもよい。 In addition to the above-mentioned components, the carbon nanotube composite membrane of the present invention may contain, for example, an ionic conductive agent (surfactant, ammonium salt, inorganic salt), plasticizer, oil, cross-linking agent, cross-linking accelerator, anti-aging agent. , Flame retardant, colorant and the like may be used as appropriate.

[カーボンナノチューブ複合材料の用途]
本発明のカーボンナノチューブ複合膜は高導電性を備え、主表面の高い平坦性を有するためエレクトロニクスデバイスの導電層として用いることができ、例えば、アクチュエータ、センサー、トランスデューサ等の電子機器や、太陽電池、有機EL等に用いることができる。
[Use of carbon nanotube composite material]
Since the carbon nanotube composite film of the present invention has high conductivity and high flatness of the main surface, it can be used as a conductive layer of an electronic device. It can be used for organic EL and the like.

[製造方法]
以下に、本発明のカーボンナノチューブ複合膜の製造方法について説明する。本発明のカーボンナノチューブ複合膜は、上述の特性を有するカーボンナノチューブをエラストマー中に分散させ、基板に塗布して溶媒を除去することにより得ることができる。本発明のカーボンナノチューブ複合膜に用いるカーボンナノチューブは、上述した特性を備えるものであればよく、公知の製造方法により得ることができる。本発明者らは、例えば、特願2011−191502にその製造方法を開示している。
[Production method]
The method for producing the carbon nanotube composite film of the present invention will be described below. The carbon nanotube composite film of the present invention can be obtained by dispersing carbon nanotubes having the above-mentioned characteristics in an elastomer and applying the carbon nanotubes to a substrate to remove the solvent. The carbon nanotubes used in the carbon nanotube composite film of the present invention may have the above-mentioned characteristics and can be obtained by a known production method. The present inventors disclose, for example, a method for producing the same in Japanese Patent Application No. 2011-191502.

〔カーボンナノチューブの分散〕
図2は、本発明の一実施形態に係るカーボンナノチューブ複合膜の製造過程を示すフローチャートである。剥離したカーボンナノチューブ集合体に乾燥工程を実施する(S101)。本発明のカーボンナノチューブ複合膜に用いるカーボンナノチューブ集合体を構成するカーボンナノチューブは大きく異なる複数の直径を有するカーボンナノチューブから構成されるため、大気中に保存、搬送時に、カーボンナノチューブの間に容易に大気中の水分を吸着する。本発明に係るカーボンナノチューブ複合膜は、主表面の算術平均粗さを50%以下、且つ5μm以下とするために、残留水分量を5%以下にすることが好ましい。このため、カーボンナノチューブ集合体の乾燥工程は、本発明に係るカーボンナノチューブ複合膜に製造工程においては必須の工程である。また、このように水分が吸着した状態では、水の表面張力により、カーボンナノチューブ同士がくっついているため、カーボンナノチューブが非常にほどけにくくなり、エラストマー中での良好な分散性が得られない。そこで、分散工程の前にカーボンナノチューブの乾燥工程を実施することで、カーボンナノチューブに含まれる水分を除去し、分散媒への分散性を高めることが好ましい。乾燥工程には、例えば、加熱乾燥や真空乾燥を用いることができ、加熱真空乾燥は好適である。
[Dispersion of carbon nanotubes]
FIG. 2 is a flowchart showing a manufacturing process of a carbon nanotube composite film according to an embodiment of the present invention. A drying step is performed on the exfoliated carbon nanotube aggregate (S101). Since the carbon nanotubes constituting the carbon nanotube aggregate used in the carbon nanotube composite film of the present invention are composed of carbon nanotubes having a plurality of diameters that differ greatly, they can be easily stored in the atmosphere and transported between the carbon nanotubes in the atmosphere. Adsorbs the water inside. The carbon nanotube composite film according to the present invention preferably has a residual water content of 5% or less in order to have an arithmetic mean roughness of the main surface of 50% or less and 5 μm or less. Therefore, the step of drying the carbon nanotube aggregate is an indispensable step in the manufacturing step of the carbon nanotube composite film according to the present invention. Further, in such a state where water is adsorbed, the carbon nanotubes are attached to each other due to the surface tension of water, so that the carbon nanotubes are very difficult to unravel, and good dispersibility in the elastomer cannot be obtained. Therefore, it is preferable to carry out a drying step of the carbon nanotubes before the dispersion step to remove the water contained in the carbon nanotubes and improve the dispersibility in the dispersion medium. For the drying step, for example, heat drying or vacuum drying can be used, and heat vacuum drying is suitable.

分級したカーボンナノチューブ集合体は、水分量の少ない不活性ガス雰囲気下で有機溶媒と混合する(S103)。このとき、カーボンナノチューブの分散性を向上させるためにイオン液体を添加してもよい。ここで、水分量の少ない不活性ガス雰囲気下とは、0.1ppm以下の水分を含む不活性ガスで満たした環境であり、不活性ガスとしては窒素やアルゴン等を用いることができる。 The classified carbon nanotube aggregate is mixed with an organic solvent in an atmosphere of an inert gas having a low water content (S103). At this time, an ionic liquid may be added in order to improve the dispersibility of the carbon nanotubes. Here, the atmosphere of an inert gas having a small amount of water is an environment filled with an inert gas containing water of 0.1 ppm or less, and nitrogen, argon, or the like can be used as the inert gas.

次の分散工程の前に、水分量の少ない不活性ガス雰囲気下でプレ分散工程を実施することが好ましい(S105)。プレ分散工程とは、溶媒中にカーボンナノチューブ集合体を攪拌して分散させる工程である。本発明のカーボンナノチューブ複合材料に用いるカーボンナノチューブは、後述するように、ジェットミルを用いた分散方法が好ましいが、プレ分散工程を実施することにより、ジェットミルにカーボンナノチューブが詰まるのを防止するとともに、カーボンナノチューブの分散性を高めることができる。プレ分散工程には、撹拌子を用いることが好ましい。 Prior to the next dispersion step, it is preferable to carry out the pre-dispersion step in an atmosphere of an inert gas having a small amount of water (S105). The pre-dispersion step is a step of stirring and dispersing the carbon nanotube aggregate in a solvent. As described later, the carbon nanotubes used in the carbon nanotube composite material of the present invention preferably have a dispersion method using a jet mill, but by carrying out a pre-dispersion step, the jet mill can be prevented from being clogged with carbon nanotubes. , The dispersibility of carbon nanotubes can be improved. It is preferable to use a stirrer in the pre-dispersion step.

プレ分散工程を施したカーボンナノチューブ集合体の分散液に分散工程を施す(S107)。カーボンナノチューブ集合体の分散液への分散工程には、剪断応力によりカーボンナノチューブを分散させる方法が好ましく、ジェットミルを用いるのが好ましい。特に、湿式ジェットミルを好適に用いることができる。湿式ジェットミルは、溶媒中の混合物を高速流として、耐圧容器内に密閉状態で配置されたノズルから圧送するものである。耐圧容器内で対向流同士の衝突、容器壁との衝突、高速流によって生じる乱流、剪断流などによりカーボンナノチューブを分散させる。湿式ジェットミルとして、例えば、株式会社常光のナノジェットパル(JN10、JN100、JN1000)を用いた場合、分散工程における処理圧力は、10MPa以上150MPa以下の範囲内の値が好ましい。分散工程は、水分量の少ない不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましいが、装置の規模から、湿度を低く制御した大気中で行なってもよい。 A dispersion step is performed on the dispersion liquid of the carbon nanotube aggregate that has been subjected to the pre-dispersion step (S107). In the step of dispersing the carbon nanotube aggregate in the dispersion liquid, a method of dispersing the carbon nanotubes by shear stress is preferable, and a jet mill is preferable. In particular, a wet jet mill can be preferably used. In a wet jet mill, a mixture in a solvent is pumped as a high-speed flow from a nozzle arranged in a pressure-resistant container in a closed state. Carbon nanotubes are dispersed in a pressure-resistant container by collisions between countercurrents, collisions with container walls, turbulence caused by high-speed flow, shear flow, and the like. When, for example, Nanojet Pal Co., Ltd. (JN10, JN100, JN1000) is used as the wet jet mill, the processing pressure in the dispersion step is preferably in the range of 10 MPa or more and 150 MPa or less. The dispersion step is preferably carried out in an inert gas atmosphere having a small amount of water, but may be carried out in an atmosphere in which the humidity is controlled to be low due to the scale of the apparatus.

このように分散させたカーボンナノチューブ分散液は、カーボンナノチューブの優れた電気的特性や熱伝導性、機械的性質を維持しつつ、分散性が高く、安定した分散液を提供することができる。 The carbon nanotube dispersion liquid dispersed in this way can provide a highly dispersible and stable dispersion liquid while maintaining the excellent electrical characteristics, thermal conductivity, and mechanical properties of the carbon nanotubes.

次に、水分量の少ない不活性ガス雰囲気下でエラストマーを溶媒と混合し(S111)、水分量の少ない不活性ガス雰囲気下でエラストマーを溶媒に溶解させる(S113)。このように水分量の少ない環境下で準備したエラストマー溶液をカーボンナノチューブ分散液に添加して、十分に攪拌し、エラストマー中にカーボンナノチューブを分散させる(S121)。上述したように、本発明のカーボンナノチューブ複合膜においては、カーボンナノチューブ複合膜全体の質量を100重量%とした場合、0.001重量%以上40重量%以下である。好ましくは0.01重量%以上、より好ましくは0.1重量%以上、更に好ましくは1重量%以上、更に好ましくは2重量%以上であり、好ましくは40重量%以下、より好ましくは15重量%以下、更に好ましくは8重量%以下、更に好ましくは5重量%以下となるように、カーボンナノチューブ分散液とエラストマー溶液とを混合することが好ましい。 Next, the elastomer is mixed with the solvent in an inert gas atmosphere with a low water content (S111), and the elastomer is dissolved in the solvent in an inert gas atmosphere with a low water content (S113). The elastomer solution prepared in such an environment with a small amount of water is added to the carbon nanotube dispersion liquid and sufficiently stirred to disperse the carbon nanotubes in the elastomer (S121). As described above, in the carbon nanotube composite membrane of the present invention, when the mass of the entire carbon nanotube composite membrane is 100% by weight, it is 0.001% by weight or more and 40% by weight or less. It is preferably 0.01% by weight or more, more preferably 0.1% by weight or more, still more preferably 1% by weight or more, still more preferably 2% by weight or more, preferably 40% by weight or less, and more preferably 15% by weight. Below, it is preferable to mix the carbon nanotube dispersion liquid and the elastomer solution so as to be more preferably 8% by weight or less, still more preferably 5% by weight or less.

十分に混合した溶液を、水分量の少ない不活性ガス雰囲気下で、所定の濃度に濃縮または溶媒で希釈して調製する(S123)。調製したカーボンナノチューブ複合材料は、すぐに成膜工程に用いることが好ましいが、保管する場合は水分量の少ない不活性ガス雰囲気下とする。本発明に係るカーボンナノチューブの分散工程は、水分の不活性条件で行うことにより、カーボンナノチューブ複合材料への水分の混入を抑制して、平坦性の高いカーボンナノチューブ複合膜を形成することができる。 A well-mixed solution is prepared by concentrating or diluting with a solvent to a predetermined concentration under an atmosphere of an inert gas having a low water content (S123). The prepared carbon nanotube composite material is preferably used immediately in the film forming process, but when stored, it should be stored in an inert gas atmosphere with a small amount of water. By performing the carbon nanotube dispersion step according to the present invention under the condition of inactivity of water, it is possible to suppress the mixing of water into the carbon nanotube composite material and form a carbon nanotube composite film having high flatness.

[カーボンナノチューブ複合膜の成膜]
調製したカーボンナノチューブ複合材料は、公知の成膜方法により成膜することができる。例えば、印刷法、スプレーコート法、スピンコート法等を用いることができる。中でも、0.01μm以上1mm以下の膜厚を備えた本発明に係るカーボンナノチューブ複合膜を成膜する場合、比較的大きな面積に薄く、且つ均一に成膜可能なスプレーコートを好適に用いることができる。
[Formation of carbon nanotube composite film]
The prepared carbon nanotube composite material can be formed into a film by a known film forming method. For example, a printing method, a spray coating method, a spin coating method, or the like can be used. Above all, when forming a carbon nanotube composite film according to the present invention having a film thickness of 0.01 μm or more and 1 mm or less, it is preferable to use a spray coat that is thin and can be uniformly formed over a relatively large area. can.

スプレーコートにより成膜する場合は、例えば、以下の工程により成膜することができる。図3は、スプレーコート法によるカーボンナノチューブ複合膜の成膜工程を示すフロー図である。スプレーコートする基板を溶媒が揮発する温度に加熱する(S201)。加熱した基板面に調製したカーボンナノチューブ複合材料をスプレー塗布する(S203)。加熱乾燥によりカーボンナノチューブ複合材料中の溶媒を除去して、成膜する(S205)。所望の厚さになるまで、スプレー塗布及び加熱乾燥の工程を繰り返す。これらの成膜工程は、水分量の少ない不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましいが、装置の規模から、湿度を低く制御した大気中で行なってもよい。大気中で成膜した場合には、カーボンナノチューブ複合膜は、さらに加熱乾燥することが好ましい(S207)。成膜工程において、十分に水分を除去し、混入させないことが重要である。なお、成膜に用いる基板は、主表面の算術平均粗さが500nmよりも小さな平坦性が高い基板であれば特に限定されるものではなく、例えば、シリコン、サファイア、ポリイミド、ジメチルポリシロキサン(PDMS)等のエレクトロニクスデバイスに一般に用いられるものでよい。 When the film is formed by spray coating, for example, the film can be formed by the following steps. FIG. 3 is a flow chart showing a film forming process of the carbon nanotube composite film by the spray coating method. The spray-coated substrate is heated to a temperature at which the solvent volatilizes (S201). The prepared carbon nanotube composite material is spray-coated on the heated substrate surface (S203). The solvent in the carbon nanotube composite material is removed by heat drying to form a film (S205). The steps of spray coating and heat drying are repeated until the desired thickness is reached. These film forming steps are preferably performed in an inert gas atmosphere with a small amount of water, but may be performed in an atmosphere in which the humidity is controlled to be low due to the scale of the apparatus. When the film is formed in the air, the carbon nanotube composite film is preferably further heated and dried (S207). In the film forming process, it is important to sufficiently remove water and prevent it from being mixed. The substrate used for film formation is not particularly limited as long as it has a high flatness with an arithmetic mean roughness of the main surface smaller than 500 nm. For example, silicon, sapphire, polyimide, or dimethylpolysiloxane (PDMS). ), Etc., which are generally used for electronic devices.

[カーボンナノチューブ複合膜の平坦化]
長いカーボンナノチューブを分散させたカーボンナノチューブ複合材料を用いるため、成膜したカーボンナノチューブ複合膜は、嵩高で、主表面の平坦性が十分ではない。本発明に係るカーボンナノチューブ複合膜の製造においては、さらに平坦化工程を実施する。図4は、本発明に係るカーボンナノチューブ複合膜の平坦化工程を示すフロー図である。
[Flatration of carbon nanotube composite film]
Since a carbon nanotube composite material in which long carbon nanotubes are dispersed is used, the formed carbon nanotube composite film is bulky and the main surface is not sufficiently flat. In the production of the carbon nanotube composite film according to the present invention, a flattening step is further carried out. FIG. 4 is a flow chart showing a flattening step of the carbon nanotube composite film according to the present invention.

カーボンナノチューブ複合膜を、加熱機構を備えたプレス機を用いてプレスする(S301)。図5は、カーボンナノチューブ複合膜100のプレスを示す模式図である。基板1上に形成膜されたカーボンナノチューブ複合膜100の主表面を、別の基板7でプレスする。基板7は、主表面の算術平均粗さが500nmよりも小さな平坦性が高い基板であれば特に限定されるものではなく、例えば、シリコン、サファイア等のエレクトロニクスデバイスに一般に用いられるものでよい。また、基板7がカーボンナノチューブ複合膜100を高温・高圧条件でプレスするため、基板7のカーボンナノチューブ複合膜100と接触する面には、カーボンナノチューブ複合膜100の付着を防止するための付着防止層9を形成しておくことが好ましい。付着防止層9には、カーボンナノチューブ複合膜100に用いるエラストマーとの親和性が低い材料を用いることが好ましく、例えば、ジメチルポリシロキサン(PDMS)を好適に用いることができる The carbon nanotube composite film is pressed using a press machine equipped with a heating mechanism (S301). FIG. 5 is a schematic view showing a press of the carbon nanotube composite film 100. The main surface of the carbon nanotube composite film 100 formed on the substrate 1 is pressed by another substrate 7. The substrate 7 is not particularly limited as long as it has a high flatness with an arithmetic mean roughness of the main surface smaller than 500 nm, and may be generally used for electronic devices such as silicon and sapphire, for example. Further, since the substrate 7 presses the carbon nanotube composite film 100 under high temperature and high pressure conditions, an adhesion prevention layer for preventing the carbon nanotube composite film 100 from adhering to the surface of the substrate 7 in contact with the carbon nanotube composite film 100 It is preferable to form 9. For the adhesion prevention layer 9, it is preferable to use a material having a low affinity with the elastomer used for the carbon nanotube composite film 100, and for example, dimethylpolysiloxane (PDMS) can be preferably used.

プレスしたカーボンナノチューブ複合膜100を、加熱機構によりエラストマーの軟化点以上の温度に加熱する(S303)。これにより、カーボンナノチューブ複合膜100のマトリクスであるエラストマーが軟化し、嵩高なカーボンナノチューブごと圧縮される。プレスした状態で、室温まで高温し、エラストマーを固化させる(S305)。この平坦化工程により、カーボンナノチューブ複合膜100の主表面も算術平均粗さが膜厚の50%以下、且つ5μm以下に平坦化することができる。 The pressed carbon nanotube composite film 100 is heated to a temperature equal to or higher than the softening point of the elastomer by a heating mechanism (S303). As a result, the elastomer, which is the matrix of the carbon nanotube composite film 100, is softened and compressed together with the bulky carbon nanotubes. In the pressed state, the temperature is raised to room temperature to solidify the elastomer (S305). By this flattening step, the main surface of the carbon nanotube composite film 100 can also be flattened so that the arithmetic average roughness is 50% or less of the film thickness and 5 μm or less.

[溶媒]
本発明のカーボンナノチューブ複合膜に用いるカーボンナノチューブの分散媒及びエラストマーの溶解に用いる溶媒としては、エラストマーを溶解可能な有機溶媒であればよく、用いるエラストマーにより適宜選択することができる。例えば、トルエン、キシレン、アセトン、四塩化炭素等を用いることができる。特に、本発明のカーボンナノチューブ複合膜に用いる溶媒として、フッ素ゴム及びシリコーンゴムを含む多くのゴムが可溶であり、カーボンナノチューブの良溶媒であるメチルイソブチルケトン(以下、MIBKという)が好ましい。
[solvent]
The dispersion medium of the carbon nanotubes used in the carbon nanotube composite membrane of the present invention and the solvent used for dissolving the elastomer may be any organic solvent capable of dissolving the elastomer, and can be appropriately selected depending on the elastomer used. For example, toluene, xylene, acetone, carbon tetrachloride and the like can be used. In particular, as the solvent used for the carbon nanotube composite film of the present invention, methyl isobutyl ketone (hereinafter referred to as MIBK), which is soluble in many rubbers including fluororubber and silicone rubber and is a good solvent for carbon nanotubes, is preferable.

分散剤をカーボンナノチューブ分散液に添加してもよい。分散剤は、カーボンナノチューブの分散能や分散安定化能等を向上させるのに役立つ。 The dispersant may be added to the carbon nanotube dispersion. The dispersant is useful for improving the dispersibility and dispersion stabilizing ability of carbon nanotubes.

このようにして、高導電性を備え、平坦性に優れた本発明のカーボンナノチューブ複合膜を製造することができる。製造された本発明のカーボンナノチューブ複合膜は、エレクトロニクスデバイスの導電層として利用することができ、例えば、アクチュエータ、センサー、トランスデューサ等の電子機器や、太陽電池、有機EL等に用いる場合は、それぞれの用途に適した加工を更に施すことができる。用途ごとの加工方法については、公知の技術により適宜選択可能であるため、詳細な説明は省略する。 In this way, the carbon nanotube composite film of the present invention having high conductivity and excellent flatness can be produced. The manufactured carbon nanotube composite film of the present invention can be used as a conductive layer of an electronic device. For example, when used for electronic devices such as actuators, sensors and transducers, solar cells, organic EL and the like, each of them. Further processing suitable for the application can be performed. Since the processing method for each application can be appropriately selected by a known technique, detailed description thereof will be omitted.

〔実施例で製造されるカーボンナノチューブの特性〕
カーボンナノチューブ集合体の特性は、製造条件の詳細に依存するが、実施例1の製造条件では、典型値として、長さが100μm、平均直径が3.0nmである。
[Characteristics of carbon nanotubes produced in Examples]
The characteristics of the carbon nanotube aggregate depend on the details of the production conditions, but in the production conditions of Example 1, the length is 100 μm and the average diameter is 3.0 nm as a typical value.

[カーボンナノチューブ集合体の純度]
カーボンナノチューブ集合体の炭素純度は、蛍光X線を用いた元素分析結果より求めた。基板から剥離したカーボンナノチューブ集合体を蛍光X線によって元素分析したところ、炭素の重量パーセントは99.98%、鉄の重量パーセントは0.013%であり、その他の元素は計測されなかった。この結果から、炭素純度は99.98%と計測された。
[Purity of carbon nanotube aggregate]
The carbon purity of the carbon nanotube aggregate was determined from the results of elemental analysis using fluorescent X-rays. Elemental analysis of the carbon nanotube aggregates exfoliated from the substrate by fluorescent X-ray revealed that the weight percent of carbon was 99.98% and the weight percentage of iron was 0.013%, and other elements were not measured. From this result, the carbon purity was measured to be 99.98%.

[カーボンナノチューブ集合体のラマンスペクトル評価]
実施例1により得られたカーボンナノチューブ集合体のラマンスペクトルを計測した。鋭いGバンドピークが1590cm-1近傍で観察され、これより本発明のカーボンナノチューブ集合体を構成するカーボンナノチューブにグラファイト結晶構造が存在することが分かる。
[Raman spectrum evaluation of carbon nanotube aggregates]
The Raman spectrum of the carbon nanotube aggregate obtained in Example 1 was measured. A sharp G-band peak is observed in the vicinity of 1590 cm -1 , which indicates that the carbon nanotubes constituting the carbon nanotube aggregate of the present invention have a graphite crystal structure.

また欠陥構造などに由来するDバンドピークが1340cm-1近傍で観察されているため、カーボンナノチューブに有意な欠陥が含まれていることを示している。複数の単層カーボンナノチューブに起因するRBMモードが低波長側(100〜300cm-1)に観察されたことから、このグラファイト層が単層カーボンナノチューブであることが分かる。G/D比は8.6であった。 In addition, the D-band peak derived from the defect structure and the like is observed in the vicinity of 1340 cm -1 , indicating that the carbon nanotubes contain significant defects. Since the RBM mode caused by the plurality of single-walled carbon nanotubes was observed on the low wavelength side (100 to 300 cm -1 ), it can be seen that this graphite layer is a single-walled carbon nanotube. The G / D ratio was 8.6.

[カーボンナノチューブの分散]
得られたカーボンナノチューブ集合体は、真空ポンプを用いて配向したカーボンナノチューブ集合体を吸引し基材501から剥離して、フィルターに付着したカーボンナノチューブ集合体を回収した。その際、配向したカーボンナノチューブ集合体は分散して、塊状のカーボンナノチューブ集合体を得た。
[Dispersion of carbon nanotubes]
For the obtained carbon nanotube aggregate, the oriented carbon nanotube aggregate was sucked by using a vacuum pump and peeled off from the base material 501, and the carbon nanotube aggregate adhering to the filter was recovered. At that time, the oriented carbon nanotube aggregates were dispersed to obtain a massive carbon nanotube aggregate.

分級したカーボンナノチューブ集合体を100mg正確に計量し、100mlフラスコ(3つ口:真空用、温度調節用)に投入して、真空下で200℃に達してから24時間保持し、乾燥させた。乾燥が終了後、加熱・真空処理状態のまま、分散媒MIBK(メチルイソブチルケトン)(シグマアルドリッチジャパン社製)20mlを注入しカーボンナノチューブ集合体が大気に触れることを防いだ(乾燥工程)。 The classified carbon nanotube aggregate was accurately weighed in 100 mg, placed in a 100 ml flask (three mouths: for vacuum, for temperature control), held under vacuum at 200 ° C. for 24 hours, and dried. After the drying was completed, 20 ml of the dispersion medium MIBK (methyl isobutyl ketone) (manufactured by Sigma-Aldrich Japan Co., Ltd.) was injected in the state of heating and vacuum treatment to prevent the carbon nanotube aggregates from coming into contact with the atmosphere (drying step).

さらに、水分量0.1ppm以下、アルゴン雰囲気下で、MIBK(シグマアルドリッチジャパン社製)と、イオン液体を追加して300mlとする。そのビーカーに撹拌子を入れて、ビーカーをアルミ箔で封印し、MIBKが揮発しないようにして、600RPMで、24時間スターラーで常温撹拌した。 Further, in an argon atmosphere with a water content of 0.1 ppm or less, MIBK (manufactured by Sigma-Aldrich Japan Co., Ltd.) and an ionic liquid are added to make 300 ml. A stirrer was placed in the beaker, the beaker was sealed with aluminum foil to prevent the MIBK from volatilizing, and the beaker was stirred at 600 RPM for 24 hours at room temperature with a stirrer.

分散工程には、湿式ジェットミル(常光社製ナノジェットパル(登録商標)JN10)を用い、200μmの流路を60MPaの圧力で通過させてカーボンナノチューブ集合体をMIBKに分散させ、重量濃度0.033wt%のカーボンナノチューブ分散液を得た。分散工程は大気中で行った。 In the dispersion step, a wet jet mill (Nanojet Pal (registered trademark) JN10 manufactured by Jokko Co., Ltd.) was used to pass a 200 μm flow path at a pressure of 60 MPa to disperse the carbon nanotube aggregates in MIBK, and the weight concentration was 0. A 033 wt% carbon nanotube dispersion was obtained. The dispersion step was carried out in the air.

[カーボンナノチューブゴムペースト作製工程]
本実施例においては、エラストマーとしてフッ素ゴム(ダイキン工業社製、Daiel-G912)を用いた。フッ素ゴムは、アルゴン雰囲気下で、MIBK(シグマアルドリッチジャパン社製)と混合し、2日間で溶解させた。カーボンナノチューブ複合材料全体の質量を100重量%とした場合、カーボンナノチューブ含量が8%となるように、カーボンナノチューブ分散液150mlをフッ素ゴム溶液50mlに添加し、スターラーを用い、約300rpm条件下で、室温で16時間攪拌し全量が50ml程度になるまで濃縮した。得られたカーボンナノチューブ複合材料には、単相カーボンナノチューブ100mg、MIBK100cc、フッ素ゴム1150mgが含まれる。
[Carbon nanotube rubber paste manufacturing process]
In this example, fluororubber (Daiel-G912, manufactured by Daikin Industries, Ltd.) was used as the elastomer. The fluororubber was mixed with MIBK (manufactured by Sigma-Aldrich Japan) under an argon atmosphere and dissolved in 2 days. When the total mass of the carbon nanotube composite material is 100% by weight, 150 ml of the carbon nanotube dispersion is added to 50 ml of the fluororubber solution so that the carbon nanotube content is 8%, and the stirrer is used under the condition of about 300 rpm. The mixture was stirred at room temperature for 16 hours and concentrated until the total volume reached about 50 ml. The obtained carbon nanotube composite material contains 100 mg of single-phase carbon nanotubes, 100 cc of MIBK, and 1150 mg of fluororubber.

他の実施例として、カーボンナノチューブ含量が2、8、12重量%であるカーボンナノチューブ複合膜を作製した。 As another example, a carbon nanotube composite film having a carbon nanotube content of 2, 8 or 12% by weight was prepared.

[カーボンナノチューブ複合膜成膜工程]
十分に混合した溶液を100℃に加熱したシリコン基板に50〜200μlずつスプレー塗布した。加熱乾燥によりカーボンナノチューブ複合材料中の溶媒を除去して、成膜した。スプレーコート及び加熱乾燥を40回繰り返して膜厚が15μmのカーボンナノチューブ複合膜を得た。その後さらに150℃で5時間乾燥させた。
[Carbon nanotube composite film forming process]
A well-mixed solution was spray-coated on a silicon substrate heated to 100 ° C. in an amount of 50 to 200 μl each. The solvent in the carbon nanotube composite material was removed by heat drying to form a film. Spray coating and heat drying were repeated 40 times to obtain a carbon nanotube composite film having a film thickness of 15 μm. Then, it was further dried at 150 ° C. for 5 hours.

[平坦化工程]
カーボンナノチューブ複合膜を、PDMSをコートしたシリコン基板でプレスし、150℃に加熱した。プレスしたまま室温まで降温させて、平坦化し、実施例のカーボンナノチューブ複合膜を得た。得られた本実施例のカーボンナノチューブ複合膜の水分量を上述したカール・フィッシャー反応法により測定した。本実施例のカーボンナノチューブ複合膜の水分量は、0.065%であった。
[Flatification process]
The carbon nanotube composite film was pressed on a silicon substrate coated with PDMS and heated to 150 ° C. The temperature was lowered to room temperature while being pressed and flattened to obtain the carbon nanotube composite film of the example. The water content of the obtained carbon nanotube composite film of this example was measured by the above-mentioned Karl Fischer reaction method. The water content of the carbon nanotube composite film of this example was 0.065%.

(比較例1)
比較例1として、実施例のような水分制御下ではなく、大気中で調製したカーボンナノチューブを用いて、大気中で分散、成膜したカーボンナノチューブ複合膜を作製した。比較例1のカーボンナノチューブ複合膜の水分量は、0.300%であった。
(Comparative Example 1)
As Comparative Example 1, a carbon nanotube composite film dispersed and formed in the air was produced using carbon nanotubes prepared in the air, not under moisture control as in the examples. The water content of the carbon nanotube composite film of Comparative Example 1 was 0.300%.

図6は、本実施例に係るカーボンナノチューブ複合膜の主表面の走査型電子顕微鏡(SEM)像である。図6(a)は実施例1を示し、図6(b)は比較例1を示す。比較例1においては、カーボンナノチューブ複合膜に含まれた水分が蒸発した水泡状の凹凸が観察される。一方、実施例1のカーボンナノチューブ複合膜では、そのような凹凸は観察されず、平坦性が確保されていることがわかる。なお、図示しないが、他の実施例においても同様の結果が得られた。 FIG. 6 is a scanning electron microscope (SEM) image of the main surface of the carbon nanotube composite film according to the present embodiment. FIG. 6A shows Example 1, and FIG. 6B shows Comparative Example 1. In Comparative Example 1, blistering irregularities in which the water contained in the carbon nanotube composite film has evaporated are observed. On the other hand, in the carbon nanotube composite film of Example 1, such unevenness is not observed, and it can be seen that the flatness is ensured. Although not shown, similar results were obtained in other examples.

(比較例2)
比較例2として、成膜後、平坦化工程を実施していないカーボンナノチューブ複合膜を準備した。図7は、本実施例に係るカーボンナノチューブ複合膜の主表面のレーザー顕微鏡像である。図7(a)は比較例2を示し、図8(b)は実施例1を示す。平坦化していない比較例2では主表面の凹凸が大きいことがわかる。一方、実施例1のカーボンナノチューブ複合膜では、主表面の凹凸は有意に抑制されている。また、AFMを用いて表面を測定し、主表面の算術平均粗さを求めた。比較例2では主表面の算術平均粗さが1.5μmであったのに対して、実施例1のカーボンナノチューブ複合膜では、主表面の算術平均粗さは0.17μmと平坦性が高いことが明らかとなった。なお、図示しないが、他の実施例においても同様の結果が得られた。
(Comparative Example 2)
As Comparative Example 2, a carbon nanotube composite film which had not been subjected to a flattening step after film formation was prepared. FIG. 7 is a laser microscope image of the main surface of the carbon nanotube composite film according to this embodiment. FIG. 7 (a) shows Comparative Example 2, and FIG. 8 (b) shows Example 1. It can be seen that in Comparative Example 2 which is not flattened, the unevenness of the main surface is large. On the other hand, in the carbon nanotube composite film of Example 1, the unevenness of the main surface is significantly suppressed. In addition, the surface was measured using AFM, and the arithmetic mean roughness of the main surface was determined. In Comparative Example 2, the arithmetic mean roughness of the main surface was 1.5 μm, whereas in the carbon nanotube composite film of Example 1, the arithmetic mean roughness of the main surface was 0.17 μm, which was high flatness. Became clear. Although not shown, similar results were obtained in other examples.

以上の実施例から、本発明に係るカーボンナノチューブ複合膜は主表面の平坦性が従来に比して有意に高いことが明らかとなった。 From the above examples, it was clarified that the flatness of the main surface of the carbon nanotube composite film according to the present invention was significantly higher than that of the conventional one.

1 基板、7 基板、9 付着防止層、10 カーボンナノチューブ、30 エラストマー、100 カーボンナノチューブ複合膜 1 substrate, 7 substrate, 9 adhesion prevention layer, 10 carbon nanotubes, 30 elastomer, 100 carbon nanotube composite film

Claims (3)

カーボンナノチューブとエラストマーからなる複合膜であって、
1μm以上15μm以下の膜厚を備え、
前記カーボンナノチューブの配合量が0.1重量パーセント以上15重量パーセント以下であり、
前記複合膜の残留水分量が0.1重量%以下であり、
主表面の算術平均粗さが膜厚の10%以下あるカーボンナノチューブ複合膜。
It is a composite film composed of carbon nanotubes and elastomer.
With a film thickness of 1 μm or more and 15 μm or less,
The blending amount of the carbon nanotubes is 0.1% by weight or more and 15% by weight or less.
The residual water content of the composite film is 0.1% by weight or less.
A carbon nanotube composite film having an arithmetic mean roughness of the main surface of 10% or less of the film thickness.
前記カーボンナノチューブは、長さが1μm以上であり、平均直径が1nm以上30nm以下であり、共鳴ラマン散乱測定法の測定により得られるスペクトルで1560cm−1以上1600cm−1以下の範囲内での最大のピーク強度をG、1310cm−1以上1350cm−1以下の範囲内での最大のピーク強度をDとしたときに、G/D比が3以上、且つ導電率が1S/cm以上を備え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複合膜。 The carbon nanotubes, is not less 1μm or more in length, the average diameter is at 1nm or 30nm or less, a maximum in the range 1560 cm -1 or 1600 cm -1 The following spectrum obtained by measurement of the resonance Raman scattering measurement method When the peak intensity is G and the maximum peak intensity in the range of 1310 cm -1 or more and 1350 cm -1 or less is D, the G / D ratio is 3 or more and the conductivity is 1 S / cm or more. The carbon nanotube composite film according to claim 1. 請求項1又は2に記載のカーボンナノチューブ複合膜を製造する方法であって、
カーボンナノチューブを真空及び/あるいは加熱下にて乾燥処理した後、
アルゴン雰囲気下でカーボンナノチューブを含むペーストを調製し、前記ペーストで基板上に成膜し、さらに平坦化処理を行うことによってカーボンナノチューブ複合膜を製造し、
前記ペーストは、エラストマーをさらに備え、
前記カーボンナノチューブは、前記ペーストに対する配合量が0.001重量%以上15重量%以下を備えることを特徴とする請求項1又は2記載のカーボンナノチューブ複合膜の製造方法。
The method for producing a carbon nanotube composite film according to claim 1 or 2.
After drying the carbon nanotubes under vacuum and / or heating
A paste containing carbon nanotubes is prepared under an argon atmosphere, a film is formed on the substrate with the paste, and a flattening treatment is further performed to produce a carbon nanotube composite film.
The paste further comprises an elastomer and
The method for producing a carbon nanotube composite film according to claim 1 or 2, wherein the carbon nanotube has a blending amount of 0.001% by weight or more and 15% by weight or less with respect to the paste.
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