JP6960386B2 - カーボンナノチューブ成形体の製造方法およびカーボンナノチューブ成形体製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、カーボンナノチューブ成形体を製造する技術に関する。

近年、複数のカーボンナノチューブを様々な形状に成形し、電極またはセンサ等の様々な製品に利用することが提案されている。例えば、特許文献１では、基板上に立設したカーボンナノチューブの集合であるカーボンナノチューブアレイから、シート状のカーボンナノチューブウェブを引き出す技術が提案されている。特許文献１の図２では、カーボンナノチューブアレイ１から所望の幅のカーボンナノチューブウェブ１０を引き出すために、カーボンナノチューブウェブ１０を引き出す予定の領域Ｄの幅方向両側に、基板３とは反対側からカーボンナノチューブアレイ１に当接する粘着テープ２０Ａを設けることが開示されている。

また、特許文献２では、回転する円筒状または円柱状の基体表面に形成されたカーボンナノファイバ集合体から、ボビン等の引出装置によりカーボンナノファイバを回転させつつ（すなわち、撚りつつ）引き出して導電線を製造する技術が提案されている。特許文献２の図３では、カーボンナノファイバ集合体Ｂをガイド部２０２により円筒状の基体１０から剥離させた後、剥離された状態のカーボンナノファイバ集合体Ｂの先端部から導電線を引き出す技術が開示されている。図３では、カーボンナノファイバ集合体Ｂが引出装置８１により過剰に引っ張られてカーボンナノファイバ集合体Ｂ全体が緊張状態となり、基体１０上にて形成途上のカーボンナノファイバ集合体Ｂと触媒層Ａとの間に剥離が生じることを抑制するために、基体１０から剥離されて移動するカーボンナノファイバ集合体Ｂは、ガイド部２０２と規制部２０３とによって上下から挟まれ、上方への移動が規制されている。

国際公開第２０１７／２０００４５号 特開２０１４−２３７５６３号公報

ところで、特許文献２の製造装置では、基体１０から剥離されて移動するカーボンナノファイバ集合体Ｂ（カーボンナノチューブアレイとも言う。）の先端部が、ガイド部２０２との摩擦や引出装置８１から加えられる引張力等により、ガイド部２０２と規制部２０３と間で幅方向（すなわち、引出方向に垂直かつ規制部２０３の下面に沿う方向）に振動し、安定的に引き出すことが困難となるおそれがある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、引き出し時におけるカーボンナノチューブアレイの幅方向の振動を抑制することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、カーボンナノチューブ成形体の製造方法であって、ａ）基板上に立設したカーボンナノチューブの集合であるカーボンナノチューブアレイを準備する工程と、ｂ）前記カーボンナノチューブアレイを前記基板上から剥離させる工程と、ｃ）前記基板から剥離された前記カーボンナノチューブアレイを吸着部により静電吸着する工程と、ｄ）前記吸着部に静電吸着された状態の前記カーボンナノチューブアレイを引き出すことにより、カーボンナノチューブシートを形成する工程とを備える。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のカーボンナノチューブ成形体の製造方法であって、前記ｂ）工程において、前記カーボンナノチューブアレイと前記基板との接合部に剥離部材を当接させた状態で、前記剥離部材を前記基板に対して相対的に移動することにより、前記カーボンナノチューブアレイのうち前記基板上から剥離した部位である剥離アレイ部が形成され、前記剥離部材に対して所定の剥離部移動方向に相対的に移動し、前記ｃ）工程において、前記剥離アレイ部の相対移動経路に沿って配置された前記吸着部により、相対移動中の前記剥離アレイ部が静電吸着され、前記ｄ）工程において、前記吸着部により静電吸着された状態で相対移動中の前記剥離アレイ部から前記カーボンナノチューブシートが引き出される。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のカーボンナノチューブ成形体の製造方法であって、前記カーボンナノチューブシートが引き出される方向である引出方向は、前記剥離部移動方向に対して傾斜する方向である。

請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれか１つに記載のカーボンナノチューブ成形体の製造方法であって、ｅ）前記ｄ）工程よりも後に、前記カーボンナノチューブシートを幅方向において集めることにより、線状のカーボンナノチューブワイヤを形成する工程をさらに備える。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のカーボンナノチューブ成形体の製造方法であって、前記ｅ）工程において、前記カーボンナノチューブシートが撚られることにより前記カーボンナノチューブワイヤが形成される。

請求項６に記載の発明は、カーボンナノチューブ成形体製造装置であって、カーボンナノチューブの集合であるカーボンナノチューブアレイが立設した基板を保持する基板保持部と、前記カーボンナノチューブアレイを前記基板上から剥離させる剥離機構と、前記基板から剥離された前記カーボンナノチューブアレイを静電吸着する吸着部と、前記吸着部に静電吸着された状態の前記カーボンナノチューブアレイを引き出すことにより、カーボンナノチューブシートを形成する引出機構とを備える。

請求項７に記載の発明は、請求項６に記載のカーボンナノチューブ成形体製造装置であって、前記剥離機構は、前記カーボンナノチューブアレイと前記基板との接合部に当接する剥離部材と、前記剥離部材を前記基板に対して相対的に移動することにより、前記カーボンナノチューブアレイのうち前記基板上から剥離した部位である剥離アレイ部を形成し、前記剥離アレイ部を、前記剥離部材に対して所定の剥離部移動方向に相対的に移動させる移動機構とを備え、前記吸着部は、前記剥離アレイ部の相対移動経路に沿って配置され、相対移動中の前記剥離アレイ部を静電吸着し、前記引出機構は、前記吸着部により静電吸着された状態で相対移動中の前記剥離アレイ部から前記カーボンナノチューブシートを引き出す。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載のカーボンナノチューブ成形体製造装置であって、前記カーボンナノチューブシートが引き出される方向である引出方向は、前記剥離部移動方向に対して傾斜する方向である。

請求項９に記載の発明は、請求項７または８に記載のカーボンナノチューブ成形体製造装置であって、前記剥離アレイ部の前記相対移動経路に沿って配置され、前記相対移動経路に垂直な回転軸を中心として回転しつつ前記剥離アレイ部を導くガイド部をさらに備え、前記吸着部は、前記剥離アレイ部を挟んで前記ガイド部と対向する位置に配置される。

請求項１０に記載の発明は、請求項７または８に記載のカーボンナノチューブ成形体製造装置であって、前記吸着部は、前記相対移動経路に垂直な回転軸を中心として回転しつつ前記剥離アレイ部を導くガイド部である。

請求項１１に記載の発明は、請求項６ないし１０のいずれか１つに記載のカーボンナノチューブ成形体製造装置であって、前記カーボンナノチューブシートを幅方向において集めることにより、線状のカーボンナノチューブワイヤを形成するワイヤ形成部をさらに備える。

請求項１２に記載の発明は、請求項１１に記載のカーボンナノチューブ成形体製造装置であって、前記ワイヤ形成部は、前記カーボンナノチューブシートを撚ることにより前記カーボンナノチューブワイヤを形成する。

本発明では、引き出し時におけるカーボンナノチューブアレイの幅方向の振動を抑制することができる。

第１の実施の形態に係る成形体製造装置の側面図である。 成形体製造装置の平面図である。 カーボンナノチューブアレイの嵩密度と厚さとの関係を示す図である。 ガイド部および吸着部の正面図である。 カーボンナノチューブ成形体の製造の流れを示す図である。 第２の実施の形態に係る成形体製造装置の側面図である。 ガイド部の正面図である。 第３の実施の形態に係る成形体製造装置の側面図である。 カーボンナノチューブ成形体の製造の他の例を示す図である。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係るカーボンナノチューブ成形体製造装置１（以下、単に「成形体製造装置１」とも呼ぶ。）を示す側面図である。図２は、成形体製造装置１を示す平面図である。図１および図２に示す例では、成形体製造装置１は、複数のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）により形成されるシート状（いわゆる、ウェブ状）のカーボンナノチューブシート、および、線状（いわゆる、糸状）のカーボンナノチューブワイヤを、カーボンナノチューブ成形体として製造する。以下の説明では、図１中における上側および下側を、単に「上側」および「下側」と呼ぶ。図１中の上下方向は、必ずしも重力方向と一致しなくてもよい。

成形体製造装置１は、基板保持部２１と、剥離部材２２と、移動機構２３と、ガイド部２４と、ワイヤ形成部２５と、引出機構２６と、吸着部６１とを備える。図２では、図の理解を容易にするために、吸着部６１については、その輪郭のみを二点鎖線にて図示している。移動機構２３は、基板巻き取りロール２３１と、回転機構２３２とを備える。引出機構２６は、成形体巻き取りロール２６１と、回転機構２６２とを備える。回転機構２３２，２６２はそれぞれ、例えば電動モータである。

基板保持部２１は、多数のカーボンナノチューブの集合であるカーボンナノチューブアレイ９１が立設した基板９２を保持する。基板９２は、例えば、可撓性を有する長尺の薄板状部材である。基板９２は、例えば、シリコン基板、または、表面に二酸化ケイ素膜等が設けられたステンレス鋼製の基板である。カーボンナノチューブアレイ９１は、例えば、化学気相成長法（すなわち、ＣＶＤ法）により、基板９２の表面９２１に対して略垂直に配向する多数のカーボンナノチューブを基板９２上に成長させることにより形成される。カーボンナノチューブアレイ９１の形成は、他の様々な方法により行われてもよい。

カーボンナノチューブアレイ９１の厚さ（すなわち、カーボンナノチューブアレイ９１に含まれるカーボンナノチューブの上下方向における長さ）は、例えば、５０μｍ〜１０００μｍである。本実施の形態では、カーボンナノチューブアレイ９１の厚さは、５０μｍ〜５００μｍである。カーボンナノチューブアレイ９１の厚さは、例えば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）（日本電子株式会社製）または非接触膜厚計（株式会社キーエンス製）により測定される。

カーボンナノチューブアレイ９１では、例えば、１ｃｍ^２当たりに１０^９本〜１０^１１本のカーボンナノチューブが存在する。隣接するカーボンナノチューブ間の距離は、例えば、１００ｎｍ〜２００ｎｍである。各カーボンナノチューブの外径は、例えば、１０ｎｍ〜３０ｎｍである。各カーボンナノチューブは、例えば、５層〜１０層の多層カーボンナノチューブである。各カーボンナノチューブは、４層以下または１１層以上の多層カーボンナノチューブであってもよく、単層カーボンナノチューブであってもよい。

カーボンナノチューブアレイ９１の嵩密度は、例えば、１０ｍｇ／ｃｍ^３〜６０ｍｇ／ｃｍ^３である。好ましくは、カーボンナノチューブアレイ９１の嵩密度は、２０ｍｇ／ｃｍ^３〜５０ｍｇ／ｃｍ^３である。カーボンナノチューブアレイ９１の嵩密度は、単位面積当たりのカーボンナノチューブアレイ９１の質量（すなわち、目付量）を、カーボンナノチューブアレイ９１の厚さで除算することにより求められる。

図３は、カーボンナノチューブアレイ９１の嵩密度と、カーボンナノチューブアレイ９１の厚さとの関係を示す図である。図３中の丸印は、後述するステップＳ１５において、カーボンナノチューブワイヤが特に好適に形成可能であったカーボンナノチューブアレイ９１の条件である。カーボンナノチューブアレイ９１の嵩密度をＤ（ｍｇ／ｃｍ^３）とし、カーボンナノチューブアレイ９１の厚さをＬ（μｍ）とすると、Ｄ≧３００×Ｌ^−０．５であることが好ましい。図３中の曲線は、Ｄ＝３００×Ｌ^−０．５を示す。

図１に示す例では、基板保持部２１は、紙面に垂直な方向に延びる回転軸Ｊ１を中心とする略円柱状または略円筒状である。回転軸Ｊ１は、成形体製造装置１の図示省略のフレーム等に固定されている。基板保持部２１は、基板９２の裏面９２２に下方から当接することにより、基板９２を保持する。基板９２の裏面９２２は、例えば、基板保持部２１の上端部から右端部に亘って、基板保持部２１の外側面に当接している。基板９２の先端部は、基板保持部２１の下方に配置された略円柱状または略円筒状の基板巻き取りロール２３１に巻回されている。

基板巻き取りロール２３１は、回転機構２３２により、図１において紙面に垂直な方向に延びる回転軸Ｊ２を中心として図１中の時計回りに回転される。回転軸Ｊ２は、上述のフレーム等に固定されている。また、基板保持部２１は、基板巻き取りロール２３１の回転に伴って（例えば、同期して）、図１中の時計回りに回転する。これにより、基板９２が基板巻き取りロール２３１に巻き取られ、基板保持部２１の上端部近傍において、基板９２が図１中の左側から右側に向かう方向に移動する。なお、成形体製造装置１では、基板巻き取りロール２３１が省略され、回転機構２３２により回転される基板保持部２１により基板９２が巻き取られてもよい。

以下の説明では、基板保持部２１の上端部近傍における基板９２の移動方向を「基板移動方向」と呼び、図１において符号Ａ１を付す矢印にて示す。基板移動方向Ａ１は、上下方向に略垂直である。また、以下の説明では、上下方向および基板移動方向Ａ１の双方に垂直な方向（すなわち、図１中の紙面に垂直な方向であり、図２中の上下方向）を「幅方向」と呼ぶ。当該幅方向は、カーボンナノチューブアレイ９１の幅方向でもあり、後述する剥離アレイ部９３の幅方向でもある。

剥離部材２２は、基板保持部２１の上端部近傍に配置される。剥離部材２２は、上述のフレーム等に固定されている。剥離部材２２の側面視における形状は、例えば、略くさび状または略平板状である。図１に示す例では、剥離部材２２は、左側の端部の厚さが、右側の端部の厚さよりも小さい略くさび状の部材である。剥離部材２２の上面は、例えば、図１中の右側に向かうに従って上方へと向かう傾斜面である。

剥離部材２２の左側の端部（すなわち、エッジ部）は、基板保持部２１の上端の上方において、カーボンナノチューブアレイ９１と基板９２との接合部（すなわち、基板９２上に立設しているカーボンナノチューブアレイ９１の下端部）に当接する。剥離部材２２の幅方向の幅は、カーボンナノチューブアレイ９１の幅方向の幅よりも大きい。剥離部材２２は、カーボンナノチューブアレイ９１の全幅に亘って、カーボンナノチューブアレイ９１と基板９２との接合部に当接する。なお、剥離部材２２は、カーボンナノチューブアレイ９１の幅方向の一部においてのみ、カーボンナノチューブアレイ９１と基板９２との接合部に当接してもよい。

基板保持部２１の上端部近傍では、移動機構２３により基板９２が基板移動方向Ａ１に移動することにより、カーボンナノチューブアレイ９１のうち剥離部材２２のエッジ部に当接した部位が、基板９２の表面９２１から剥離される。すなわち、剥離部材２２および移動機構２３は、カーボンナノチューブアレイ９１を基板９２上から剥離させる剥離機構２０に含まれる。カーボンナノチューブアレイ９１のうち、基板９２上から剥離した部位を、「剥離アレイ部９３」と呼ぶ。図２では、カーボンナノチューブアレイ９１および剥離アレイ部９３に平行斜線を付す。なお、カーボンナノチューブアレイ９１の剥離の際には、必ずしも基板９２が移動する必要はなく、後述するように、固定されている基板９２の表面９２１に沿って剥離部材２２が移動してもよい。換言すれば、剥離部材２２が基板９２に対して相対的に移動することにより、カーボンナノチューブアレイ９１が基板９２から剥離される。

基板９２から剥離された剥離アレイ部９３は、移動機構２３による基板９２の移動に伴って、剥離部材２２の上面に沿って図１中の右側（すなわち、基板保持部２１の上端部から離れる方向）へと移動し、剥離部材２２に隣接して配置されるガイド部２４へと至る。ガイド部２４は、図１中における基板保持部２１の右斜め上に位置している。ガイド部２４は、剥離アレイ部９３の移動経路に沿う位置において剥離アレイ部９３の下側に配置され、剥離アレイ部９３の下面に接触する。ガイド部２４の上方には、吸着部６１が僅かな隙間を空けて隣接して配置されている。吸着部６１は、ガイド部２４上に位置する剥離アレイ部９３の上面に接触し、剥離アレイ部９３を静電吸着する。換言すれば、吸着部６１は、剥離アレイ部９３の移動経路に沿う位置において、剥離アレイ部９３を挟んでガイド部２４と上下方向に対向して配置され、移動中の剥離アレイ部９３を静電吸着する。

以下の説明では、剥離部材２２上からガイド部２４へと至る剥離アレイ部９３の移動方向を、「剥離部移動方向Ａ２」と呼ぶ。剥離部移動方向Ａ２は、側面視において、基板移動方向Ａ１から上側（すなわち、剥離アレイ部９３の上面側）に向かって傾斜している。剥離部移動方向Ａ２と基板移動方向Ａ１との成す角度は、例えば、５度〜１０度である。剥離部移動方向Ａ２は、上下方向に対しても傾斜している。また、剥離部移動方向Ａ２は、幅方向に対して垂直である。基板９２から剥離された直後の剥離アレイ部９３の移動方向を「剥離方向」と呼ぶと、図１に示す例では、剥離方向は剥離部移動方向Ａ２と同じである。

図４は、ガイド部２４および吸着部６１を図１中の右側から見た正面図である。図４では、ガイド部２４と吸着部６１との上下方向の間に位置する剥離アレイ部９３も併せて図示する。ガイド部２４は、幅方向に延びる回転軸Ｊ３を中心とする略円柱状または略円筒状の部材である。ガイド部２４は、図示省略のモータ等の駆動源により、回転軸Ｊ３を中心として図１中の時計回りに回転する。回転軸Ｊ３は、上述のフレーム等に固定されている。ガイド部２４の外側面は、剥離アレイ部９３の下面に接して剥離アレイ部９３をガイドするガイド面２４１である。図４に示す例では、ガイド部２４は略鼓状の部材である。換言すれば、ガイド部２４の直径は、幅方向の両端部から中央部に向かうに従って漸次減少する。ガイド面２４１は、幅方向に延びる曲面である。具体的には、ガイド面２４１は、幅方向の中央部において幅方向の両端部よりも凹む凹面である。

吸着部６１は、幅方向に延びる回転軸Ｊ６を中心とする略円柱状または略円筒状の部材である。吸着部６１は、図示省略のモータ等の駆動源により、回転軸Ｊ６を中心として図１中の反時計回りに回転する。回転軸Ｊ６は、上述のフレーム等に固定されている。吸着部６１は、絶縁体により形成された略円柱状または略円筒状の吸着部本体６１２と、当該吸着部本体６１２の内部において略円筒状に配置された電極６１３とを備える静電吸着ロールである。

吸着部６１の外側面（すなわち、吸着部本体６１２の外側面）は、剥離アレイ部９３の上面に接して剥離アレイ部９３をガイドするとともに静電吸着する吸着面６１１である。図４に示す例では、吸着部６１は略樽状の部材である。換言すれば、吸着部６１の直径は、幅方向の両端部から中央部に向かうに従って漸次増大する。吸着面６１１は、幅方向に延びる曲面である。具体的には、吸着面６１１は、幅方向の中央部において幅方向の両端部よりも凸となる凸面である。吸着面６１１は、ガイド部２４と上下方向に対向する位置において、ガイド面２４１と略平行である。換言すれば、吸着部６１とガイド部２４とが上下方向に対向する位置において、吸着面６１１とガイド面２４１との間の間隙は、幅方向の全長において略同じである。なお、吸着面６１１およびガイド面２４１は、必ずしも凸面および凹面である必要はなく、例えば、回転軸Ｊ６，Ｊ３を中心とする略円筒面であってもよい。

吸着部６１では、上述の吸着部本体６１２内の電極６１３に電圧が印加されることにより、当該電極６１３と、吸着対象物である剥離アレイ部９３との間にクーロン力が発生する。そして、当該クーロン力により、剥離アレイ部９３のうち吸着部６１とガイド部２４との間に位置する部位（すなわち、剥離アレイ部９３の先端部）が、吸着部６１の吸着面６１１に静電吸着される。剥離アレイ部９３は、吸着部６１により静電吸着された状態で、剥離部移動方向Ａ２から引出方向Ａ３へと導かれる。

吸着部６１による剥離アレイ部９３の吸着力は、後述する剥離アレイ部９３からのカーボンナノチューブシート９４の引き出しを阻害しない範囲で適宜設定される。当該吸着力（すなわち、把持力）は、例えば、０．１ｍｇ／ｃｍ^２〜１０ｍｇ／ｃｍ^２であり、好ましくは、０．５ｍｇ／ｃｍ^２〜５ｍｇ／ｃｍ^２である。

吸着部６１では、電極６１３は、吸着部本体６１２の内部において、吸着部本体６１２から独立して設けられてもよい。この場合、電極６１３は、例えば幅方向に延びる棒状であり、吸着部本体６１２の回転・停止に関わらず、吸着部本体６１２の下端部近傍に配置される。そして、電極６１３に電圧が印加されることにより、吸着部本体６１２の下端部と接触する剥離アレイ部９３の上面が、吸着部６１に静電吸着される。

ガイド部２４の上端部に到達して吸着部６１により静電吸着された剥離アレイ部９３は、引出機構２６により所定の引出方向Ａ３へと引き出される。これにより、剥離アレイ部９３の引出方向Ａ３に延びるカーボンナノチューブシート９４が形成される。カーボンナノチューブシート９４は、剥離アレイ部９３の幅方向に広がっている。図２に示す例では、カーボンナノチューブシート９４は、略矩形状の部位の引出方向Ａ３前側に略三角形状の部位が連続した形状である。カーボンナノチューブシート９４の形状は様々に変更されてよく、例えば、ガイド部２４から引出方向Ａ３に離れるに従って幅方向の幅が漸次減少する略三角形状であってもよい。カーボンナノチューブシート９４は、幅方向の幅に比べて引出方向Ａ３の長さが非常に小さい扁平な略三角形状であってもよい。

カーボンナノチューブシート９４は、複数のカーボンナノチューブにより形成されたシート状のカーボンナノチューブ成形体である。詳細には、カーボンナノチューブシート９４は、剥離アレイ部９３から引出方向Ａ３に引き出された複数のカーボンナノチューブ単糸が、幅方向に配列されるとともに互いに連結されてシート状成形体（網目状成形体とも捉えられる。）となったものである。カーボンナノチューブ単糸とは、ファンデンワールス力等により、複数のカーボンナノチューブが長手方向に連続して接続された線状のカーボンナノチューブ成形体である。

上述の引出方向Ａ３は、側面視において、剥離部移動方向Ａ２から下側（すなわち、剥離アレイ部９３の下面側）に向かって傾斜している。換言すれば、引出方向Ａ３は、剥離アレイ部９３の上面を含む仮想面（すなわち、剥離部移動方向Ａ２および幅方向に平行な仮想面）から下側に向かって傾斜している。成形体製造装置１では、ガイド部２４は、剥離アレイ部９３の移動方向を制限して、剥離アレイ部９３を剥離部移動方向Ａ２に対して傾斜する引出方向Ａ３へと導く構造である。引出方向Ａ３と剥離部移動方向Ａ２との成す角度αの絶対値は、例えば、０度よりも大きく、かつ、４５度以下である。角度αの絶対値は、好ましくは３０度以下であり、より好ましくは２０度以下である。図１に示す例では、引出方向Ａ３は、幅方向に対して垂直である。また、図１に示す例では、引出方向Ａ３は、基板移動方向Ａ１に略平行である。

成形体製造装置１では、カーボンナノチューブアレイ９１を基板９２から剥離させた後にカーボンナノチューブシート９４を引き出すことにより、基板９２上のカーボンナノチューブアレイ９１にピンホールが存在している場合、あるいは、基板９２上のカーボンナノチューブアレイ９１に異物が含まれている場合等であっても、カーボンナノチューブシート９４における部分欠損を抑制することができる。詳細には、剥離アレイ部９３に含まれるカーボンナノチューブは、基板９２により移動が制限されていないため、剥離アレイ部９３に上述のピンホールまたは異物等に起因する空隙が存在する場合、空隙の周囲のカーボンナノチューブが当該空隙を埋めるように移動する。さらに、空隙の剥離部移動方向Ａ２の後側に位置するカーボンナノチューブが、引き出される力に抗して基板９２上に残ることが防止される。これにより、剥離アレイ部９３から引き出されるカーボンナノチューブシート９４において、当該空隙に起因する部分欠損が発生することが抑制される。

剥離アレイ部９３から引き出されたカーボンナノチューブシート９４は、ワイヤ形成部２５を通過する。ワイヤ形成部２５では、カーボンナノチューブシート９４が幅方向において集められることにより、カーボンナノチューブワイヤ９５が形成される。カーボンナノチューブワイヤ９５は、複数のカーボンナノチューブにより形成された線状のカーボンナノチューブ成形体である。ワイヤ形成部２５では、カーボンナノチューブシート９４が幅方向の中央部に向かって集められ、多数のカーボンナノチューブが幅方向において密着する。

図１に示す例では、ワイヤ形成部２５は、幅方向に集められたカーボンナノチューブシート９４の複数のカーボンナノチューブ単糸を撚ることによりカーボンナノチューブワイヤ９５を形成する撚り機である。すなわち、ワイヤ形成部２５通過前の略線状に集められたカーボンナノチューブ成形体が、ワイヤ形成部２５によって撚られることにより、カーボンナノチューブ撚糸であるカーボンナノチューブワイヤ９５が形成される。換言すれば、カーボンナノチューブシート９４は、カーボンナノチューブワイヤ９５の前駆体である。

ワイヤ形成部２５を通過後のカーボンナノチューブワイヤ９５は、引出機構２６において、回転機構２６２により回転される成形体巻き取りロール２６１に巻き取られる。成形体巻き取りロール２６１は、ワイヤ形成部２５の右側に配置される略円柱状または略円筒状の部材である。成形体巻き取りロール２６１は、幅方向に延びる回転軸Ｊ４を中心として図１中の時計回りに回転される。回転軸Ｊ４は、上述のフレーム等に固定されている。

図５は、成形体製造装置１によるカーボンナノチューブ成形体の製造の流れを示す図である。カーボンナノチューブ成形体の製造では、まず、基板９２上に立設したカーボンナノチューブの集合であるカーボンナノチューブアレイ９１が準備される（ステップＳ１１）。続いて、カーボンナノチューブアレイ９１を基板９２上から剥離させる（ステップＳ１２）。次に、基板９２から剥離されたカーボンナノチューブアレイ９１（すなわち、剥離アレイ部９３）を吸着部６１により静電吸着する（ステップＳ１３）。その後、吸着部６１に静電吸着された状態のカーボンナノチューブアレイ９１を引き出すことにより、カーボンナノチューブシート９４が形成される（ステップＳ１４）。

上述のステップＳ１１〜Ｓ１４が行われることにより、引き出し時におけるカーボンナノチューブアレイ９１の幅方向の振動を抑制することができる。詳細には、基板９２から剥離されたカーボンナノチューブアレイ９１の先端部（すなわち、剥離アレイ部９３の先端部）が、吸着部６１によって静電吸着されることにより、当該先端部の幅方向への移動が制限される。これにより、剥離アレイ部９３の先端部からカーボンナノチューブが引き出される際に、剥離アレイ部９３の先端部の幅方向の位置が変動する（すなわち、剥離アレイ部９３が幅方向に振動する）ことを抑制することができる。したがって、カーボンナノチューブアレイ９１からカーボンナノチューブシート９４を安定的に引き出すことができる。その結果、カーボンナノチューブシート９４において、全幅に亘って密度の均一性を向上することができる。

上記ステップＳ１１〜Ｓ１４を行うために、図１に例示する成形体製造装置１は、基板保持部２１と、剥離機構２０と、吸着部６１と、引出機構２６とを備える。基板保持部２１は、カーボンナノチューブアレイ９１が立設した基板９２を保持する。剥離機構２０は、カーボンナノチューブアレイ９１を基板９２上から剥離させる。吸着部６１は、基板９２から剥離されたカーボンナノチューブアレイ９１を静電吸着する。引出機構２６は、吸着部６１に静電吸着された状態のカーボンナノチューブアレイ９１を引き出すことにより、カーボンナノチューブシート９４を形成する。これにより、上述のように、引き出し時におけるカーボンナノチューブアレイ９１の幅方向の振動を抑制することができる。

上述のカーボンナノチューブ成形体の製造方法では、ステップＳ１３よりも後に、カーボンナノチューブシート９４が幅方向において集められることにより、線状のカーボンナノチューブワイヤ９５が形成される（ステップＳ１５）。当該製造方法では、上述のように、引き出し時におけるカーボンナノチューブアレイ９１の幅方向の振動を抑制することができるため、カーボンナノチューブワイヤ９５を安定的に形成することができる。これにより、カーボンナノチューブワイヤ９５において、長手方向における密度の均一性を向上することができる。その結果、製造途上におけるカーボンナノチューブワイヤ９５の破損および切断を防止することができる。

好ましくは、ステップＳ１５において、カーボンナノチューブシート９４が撚られることにより、カーボンナノチューブワイヤ９５が形成される。これにより、高密度なカーボンナノチューブワイヤ９５を製造することができる。その結果、カーボンナノチューブワイヤ９５の引張強度を向上することができる。

上述のカーボンナノチューブ成形体の製造方法では、好ましくは、ステップＳ１２において、カーボンナノチューブアレイ９１と基板９２との接合部に剥離部材２２を当接させた状態で、剥離部材２２を基板９２に対して相対的に移動させる。これにより、カーボンナノチューブアレイ９１のうち基板９２上から剥離した部位である剥離アレイ部９３が形成され、当該剥離アレイ部９３が、剥離部材２２に対して所定の剥離部移動方向Ａ２に相対的に移動する。また、ステップＳ１３において、剥離アレイ部９３の相対移動経路に沿って配置された吸着部６１により、相対移動中の剥離アレイ部９３が静電吸着される。さらに、ステップＳ１４において、吸着部６１により静電吸着された状態で相対移動中の剥離アレイ部９３から、カーボンナノチューブシート９４が引き出される。これにより、剥離アレイ部９３の幅方向の振動を抑制しつつ、カーボンナノチューブシート９４を連続的に形成することができる。

さらに好ましくは、カーボンナノチューブシート９４が引き出される方向である引出方向Ａ３は、剥離部移動方向Ａ２に対して傾斜する方向である。これにより、成形体製造装置１が剥離部移動方向Ａ２に大型化することを抑制しつつ、カーボンナノチューブシート９４を好適に製造することができる。

上述のように、引出方向Ａ３と剥離部移動方向Ａ２との成す角度の絶対値は４５度以下であることが好ましい。これにより、剥離アレイ部９３から引出方向Ａ３に引き出されるカーボンナノチューブ単糸の引張強度（すなわち、カーボンナノチューブ単糸におけるカーボンナノチューブ同士の接続強度）が、過剰に小さくなることを防止することができる。その結果、製造途上におけるカーボンナノチューブシート９４の破損および切断、並びに、カーボンナノチューブワイヤ９５の破損および切断を、さらに好適に防止することができる。

また、引出方向Ａ３は、剥離部移動方向Ａ２から剥離アレイ部９３の下面側に向かって傾斜することが好ましい。この場合、剥離部材２２の上面に沿って剥離部移動方向Ａ２に移動する剥離アレイ部９３が、剥離部材２２により支持されている側へと引き出される。これにより、剥離アレイ部９３を支持する部材を剥離部材２２とは別に設けることなく、カーボンナノチューブシート９４を引出方向Ａ３へと容易に引き出すことができる。また、成形体製造装置１が上下方向に大型化することを抑制することができる。

上述のように、カーボンナノチューブシート９４およびカーボンナノチューブワイヤ９５の製造では、カーボンナノチューブアレイ９１の嵩密度Ｄ（ｍｇ／ｃｍ^３）と、カーボンナノチューブアレイ９１の厚さＬ（μｍ）との関係が、Ｄ≧３００×Ｌ^−０．５であることが好ましい。これにより、カーボンナノチューブシート９４およびカーボンナノチューブワイヤ９５の製造途上における破損および切断を防止しつつ、カーボンナノチューブシート９４およびカーボンナノチューブワイヤ９５を好適に製造することができる。なお、カーボンナノチューブアレイ９１の嵩密度Ｄ（ｍｇ／ｃｍ^３）と厚さＬ（μｍ）との関係は、Ｄ＜３００×Ｌ^−０．５であってもよい。

上述のように、成形体製造装置１は、剥離アレイ部９３の相対移動経路に沿って配置されるガイド部２４をさらに備えることが好ましい。ガイド部２４は、当該相対移動経路に垂直な回転軸Ｊ３を中心として回転しつつ剥離アレイ部９３を導く。また、吸着部６１は、剥離アレイ部９３を挟んでガイド部２４と対向する位置に配置されることが好ましい。このように、剥離アレイ部９３の先端部を、ガイド部２４と吸着部６１とで上下から挟むことにより、引き出し時におけるカーボンナノチューブアレイ９１の幅方向の振動をさらに抑制することができる。

上述のように、ガイド部２４は、幅方向に延びるとともに剥離アレイ部９３に接するガイド面２４１を備える。ガイド面２４１は、幅方向の中央部において、幅方向の両端部よりも凹む凹面であることが好ましい。これにより、ガイド部２４上に位置するカーボンナノチューブが幅方向の外側へと移動することを抑制することができる。その結果、引き出し時におけるカーボンナノチューブアレイ９１の幅方向の振動を、より一層抑制することができる。

図６は、本発明の第２の実施の形態に係る成形体製造装置１ａを示す側面図である。成形体製造装置１ａは、上述のガイド部２４および吸着部６１に代えて吸着部６１ａを備える点を除き、図１に示す成形体製造装置１と略同様の構造を有する。以下の説明では、成形体製造装置１ａの構成のうち、成形体製造装置１の構成と対応するものに同符号を付す。成形体製造装置１ａによるカーボンナノチューブ成形体の製造の流れは、図５に示すものと略同様である。

図７は、吸着部６１ａを図６中の右側から見た正面図である。図７では、吸着部６１ａ上に位置する剥離アレイ部９３も併せて図示する。吸着部６１ａは、図１中のガイド部２４と略同じ位置に配置される。吸着部６１ａは、幅方向に延びる回転軸Ｊ６を中心とする略円柱状または略円筒状の部材である。吸着部６１ａは、図示省略のモータ等の駆動源により、回転軸Ｊ６を中心として図１中の時計回りに回転する。回転軸Ｊ６は、上述のフレーム等に固定されている。吸着部６１ａは、絶縁体により形成された略円柱状または略円筒状の吸着部本体６１２ａと、当該吸着部本体６１２ａの内部において略円筒状に配置された電極６１３ａとを備える静電吸着ロールである。

吸着部６１ａの外側面である吸着面６１１ａは、剥離アレイ部９３の下面に接して剥離アレイ部９３をガイドするガイド面でもある。図７に示す例では、吸着部６１ａは、上述の略鼓状のガイド部２４と略同様の形状を有する。吸着部６１ａの直径は、幅方向の両端部から中央部に向かうに従って漸次減少する。吸着面６１１ａは、幅方向に延びる曲面である。具体的には、吸着面６１１ａは、幅方向の中央部において幅方向の両端部よりも凹む凹面である。

吸着部６１ａでは、吸着部本体６１２ａ内の電極６１３ａに電圧が印加されることにより、当該電極６１３ａと、吸着対象物である剥離アレイ部９３との間にクーロン力が発生する。そして、当該クーロン力により、剥離アレイ部９３のうち吸着部６１ａ上に位置する部位（すなわち、剥離アレイ部９３の先端部）が、吸着部６１ａの吸着面６１１ａに静電吸着される。剥離アレイ部９３は、吸着部６１ａにより静電吸着された状態で、上述の剥離部移動方向Ａ２から引出方向Ａ３へと導かれる。吸着部６１ａによる剥離アレイ部９３の吸着力は、上述の吸着部６１の吸着力と略同様である。

成形体製造装置１ａでは、吸着部６１ａにより剥離アレイ部９３が静電吸着されることにより、上記と同様に、引き出し時におけるカーボンナノチューブアレイ９１の幅方向の振動を抑制することができる。また、吸着部６１ａは、剥離アレイ部９３の上記相対移動経路に垂直な回転軸Ｊ６を中心として回転しつつ剥離アレイ部９３を導くガイド部であることが好ましい。このように、剥離アレイ部９３を導くガイド部の役割を吸着部６１ａに兼用させることにより、成形体製造装置１ａの構造を簡素化することができる。

上述のように、吸着部６１ａは、幅方向に延びるとともに剥離アレイ部９３に接する吸着面６１１ａを備える。吸着面６１１ａは、幅方向の中央部において、幅方向の両端部よりも凹む凹面であることが好ましい。これにより、吸着部６１ａ上に位置するカーボンナノチューブが幅方向の外側へと移動することを抑制することができる。その結果、引き出し時におけるカーボンナノチューブアレイ９１の幅方向の振動を、より一層抑制することができる。

吸着部６１ａでは、電極６１３ａは、吸着部本体６１２ａの内部において、吸着部本体６１２ａから独立して設けられてもよい。この場合、電極６１３ａは、例えば幅方向に延びる棒状であり、吸着部本体６１２ａの回転・停止に関わらず、吸着部本体６１２ａの上端部近傍に配置される。そして、電極６１３ａに電圧が印加されることにより、吸着部本体６１２ａの上端部と接触する剥離アレイ部９３の下面が、吸着部６１ａに静電吸着される。

図８は、本発明の第３の実施の形態にかかる成形体製造装置１ｂの側面図である。成形体製造装置１ｂでは、基板９２を移動する移動機構２３（図１参照）に代えて、剥離部材２２を移動する移動機構２３ｂが設けられる。成形体製造装置１ｂでは、剥離部材２２が、基台１０上に保持されて移動しない基板９２の表面９２１に沿って、図中の右側から左側へと移動する。このように、剥離部材２２が基板９２に対して相対的に移動することにより、カーボンナノチューブアレイ９１が基板９２から剥離される。

図８に示す例では、移動機構２３ｂは、剥離部材２２の上方に固定されたガイドレール２３３と、図示省略のボールネジおよびモータとを含むリニアガイド機構である。移動機構２３ｂの構造は様々に変更されてよい。また、図８に示す例では、剥離部材２２は、支持部材２３４を介してガイド部２４、ワイヤ形成部２５、引出機構２６および吸着部６１ｂと連結されている。ガイド部２４は、上記と同様に、剥離アレイ部９３の相対移動経路に沿って配置され、剥離アレイ部９３を導く。吸着部６１ｂは、上述の吸着部６１と略同様の構造を有し、剥離アレイ部９３を挟んでガイド部２４と対向する位置に配置される。吸着部６１ｂは、剥離アレイ部９３を静電吸着する。これにより、上記と同様に、引き出し時におけるカーボンナノチューブアレイ９１の幅方向の振動を抑制することができる。

成形体製造装置１ｂでは、剥離部材２２、ガイド部２４、ワイヤ形成部２５、引出機構２６および吸着部６１ｂは、移動機構２３ｂにより一体的に移動する。したがって、剥離部材２２、ガイド部２４、ワイヤ形成部２５、引出機構２６および吸着部６１ｂの相対位置が固定されるため、引出機構２６による引き出し速度等の制御を簡素化することができる。その結果、カーボンナノチューブ成形体（すなわち、カーボンナノチューブシート９４およびカーボンナノチューブワイヤ９５）の形成を好適に行うことができる。

上述の成形体製造装置１，１ａ，１ｂおよびカーボンナノチューブ成形体の製造方法では、様々な変更が可能である。

例えば、吸着部６１は、必ずしも略円柱状または略円筒状である必要はなく、回転する必要もない。吸着部６１は、例えば、平らな吸着面６１１を有する平板状の部材であってもよい。吸着部６１ａ，６１ｂについても同様である。

ガイド部２４も、必ずしも略円柱状または略円筒状である必要はなく、回転する必要もない。また、ガイド部２４は、剥離部材２２と一繋がりの部材であってもよい。あるいは、ガイド部２４は省略されてもよい。

剥離部材２２では、カーボンナノチューブアレイ９１に接触するエッジ部に超音波振動が付与されてもよい。これにより、カーボンナノチューブアレイ９１の基板９２からの剥離を容易とすることができる。

上述のカーボンナノチューブ成形体の製造では、引出方向Ａ３は、側面視において、剥離部移動方向Ａ２から上側（すなわち、剥離アレイ部９３の上面側）に向かって傾斜していてもよい。換言すれば、引出方向Ａ３は、剥離アレイ部９３の下面を含む仮想面（すなわち、剥離部移動方向Ａ２および幅方向に平行な仮想面）から上側に向かって傾斜していてもよい。また、引出方向Ａ３と剥離部移動方向Ａ２との成す角度の絶対値は、４５度よりも大きくてもよい。あるいは、引出方向Ａ３は、剥離部移動方向Ａ２と平行であってもよい。なお、引出方向Ａ３は、必ずしも幅方向に垂直である必要はなく、幅方向の一方側に傾斜していてもよい。

上述のカーボンナノチューブ成形体の製造では、必ずしも、剥離部材２２に対して相対移動中の剥離アレイ部９３からカーボンナノチューブシート９４が引き出される必要はなく、静止状態の剥離アレイ部９３からカーボンナノチューブシート９４が引き出されてもよい。例えば、図９に示すように、他の装置（図示省略）により基板から剥離されたカーボンナノチューブアレイ９１が、略平板状の吸着部６１ｃに静電吸着された状態で静止しており、当該カーボンナノチューブアレイ９１からカーボンナノチューブシート９４が引き出され、ワイヤ形成部２５によりカーボンナノチューブワイヤ９５が形成されてもよい。

図１の成形体製造装置１では、ワイヤ形成部２５と引出機構２６とが個別に設けられる例を示しているが、ワイヤ形成部２５と引出機構２６とが１つの機構に含まれていてもよい。当該１つの機構は、例えば、カーボンナノチューブシート９４を線状に撚り合わせつつ巻き取る機構である。成形体製造装置１ａ，１ｂにおいても同様である。

成形体製造装置１により形成されるカーボンナノチューブワイヤ９５は、必ずしもカーボンナノチューブ撚糸である必要はなく、撚られていないカーボンナノチューブ無撚糸であってもよい。この場合、ワイヤ形成部２５は、例えば、カーボンナノチューブシート９４に含まれる複数のカーボンナノチューブ単糸に圧縮空気を吹き付けて結束させる加工（いわゆる、タスラン加工）を施す機構であってもよい。あるいは、ワイヤ形成部２５は、複数のカーボンナノチューブ単糸を通過させてカーボンナノチューブワイヤ９５を形成する細孔が設けられたダイスであってもよい。成形体製造装置１ａ，１ｂにおいても同様である。

成形体製造装置１では、ワイヤ形成部２５が省略され、略矩形状のカーボンナノチューブシート９４が、カーボンナノチューブ成形体として製造されてもよい。成形体製造装置１ａ，１ｂにおいても同様である。

上記実施の形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。

１，１ａ，１ｂ カーボンナノチューブ成形体製造装置
２０ 剥離機構
２１ 基板保持部
２２ 剥離部材
２３，２３ｂ 移動機構
２４ ガイド部
２５ ワイヤ形成部
２６ 引出機構
６１，６１ａ〜６１ｃ 吸着部
９１ カーボンナノチューブアレイ
９２ 基板
９３ 剥離アレイ部
９４ カーボンナノチューブシート
９５ カーボンナノチューブワイヤ
Ａ２ 剥離部移動方向
Ａ３ 引出方向
Ｊ３，Ｊ６ 回転軸
Ｓ１１〜Ｓ１５ ステップ

Claims (12)

1. カーボンナノチューブ成形体の製造方法であって、
   ａ）基板上に立設したカーボンナノチューブの集合であるカーボンナノチューブアレイを準備する工程と、
   ｂ）前記カーボンナノチューブアレイを前記基板上から剥離させる工程と、
   ｃ）前記基板から剥離された前記カーボンナノチューブアレイを吸着部により静電吸着する工程と、
   ｄ）前記吸着部に静電吸着された状態の前記カーボンナノチューブアレイを引き出すことにより、カーボンナノチューブシートを形成する工程と、
   を備えることを特徴とするカーボンナノチューブ成形体の製造方法。
2. 請求項１に記載のカーボンナノチューブ成形体の製造方法であって、
   前記ｂ）工程において、前記カーボンナノチューブアレイと前記基板との接合部に剥離部材を当接させた状態で、前記剥離部材を前記基板に対して相対的に移動することにより、前記カーボンナノチューブアレイのうち前記基板上から剥離した部位である剥離アレイ部が形成され、前記剥離部材に対して所定の剥離部移動方向に相対的に移動し、
   前記ｃ）工程において、前記剥離アレイ部の相対移動経路に沿って配置された前記吸着部により、相対移動中の前記剥離アレイ部が静電吸着され、
   前記ｄ）工程において、前記吸着部により静電吸着された状態で相対移動中の前記剥離アレイ部から前記カーボンナノチューブシートが引き出されることを特徴とするカーボンナノチューブ成形体の製造方法。
3. 請求項２に記載のカーボンナノチューブ成形体の製造方法であって、
   前記カーボンナノチューブシートが引き出される方向である引出方向は、前記剥離部移動方向に対して傾斜する方向であることを特徴とするカーボンナノチューブ成形体の製造方法。
4. 請求項１ないし３のいずれか１つに記載のカーボンナノチューブ成形体の製造方法であって、
   ｅ）前記ｄ）工程よりも後に、前記カーボンナノチューブシートを幅方向において集めることにより、線状のカーボンナノチューブワイヤを形成する工程をさらに備えることを特徴とするカーボンナノチューブ成形体の製造方法。
5. 請求項４に記載のカーボンナノチューブ成形体の製造方法であって、
   前記ｅ）工程において、前記カーボンナノチューブシートが撚られることにより前記カーボンナノチューブワイヤが形成されることを特徴とするカーボンナノチューブ成形体の製造方法。
6. カーボンナノチューブ成形体製造装置であって、
   カーボンナノチューブの集合であるカーボンナノチューブアレイが立設した基板を保持する基板保持部と、
   前記カーボンナノチューブアレイを前記基板上から剥離させる剥離機構と、
   前記基板から剥離された前記カーボンナノチューブアレイを静電吸着する吸着部と、
   前記吸着部に静電吸着された状態の前記カーボンナノチューブアレイを引き出すことにより、カーボンナノチューブシートを形成する引出機構と、
   を備えることを特徴とするカーボンナノチューブ成形体製造装置。
7. 請求項６に記載のカーボンナノチューブ成形体製造装置であって、
   前記剥離機構は、
   前記カーボンナノチューブアレイと前記基板との接合部に当接する剥離部材と、
   前記剥離部材を前記基板に対して相対的に移動することにより、前記カーボンナノチューブアレイのうち前記基板上から剥離した部位である剥離アレイ部を形成し、前記剥離アレイ部を、前記剥離部材に対して所定の剥離部移動方向に相対的に移動させる移動機構と、
   を備え、
   前記吸着部は、前記剥離アレイ部の相対移動経路に沿って配置され、相対移動中の前記剥離アレイ部を静電吸着し、
   前記引出機構は、前記吸着部により静電吸着された状態で相対移動中の前記剥離アレイ部から前記カーボンナノチューブシートを引き出すことを特徴とするカーボンナノチューブ成形体製造装置。
8. 請求項７に記載のカーボンナノチューブ成形体製造装置であって、
   前記カーボンナノチューブシートが引き出される方向である引出方向は、前記剥離部移動方向に対して傾斜する方向であることを特徴とするカーボンナノチューブ成形体製造装置。
9. 請求項７または８に記載のカーボンナノチューブ成形体製造装置であって、
   前記剥離アレイ部の前記相対移動経路に沿って配置され、前記相対移動経路に垂直な回転軸を中心として回転しつつ前記剥離アレイ部を導くガイド部をさらに備え、
   前記吸着部は、前記剥離アレイ部を挟んで前記ガイド部と対向する位置に配置されることを特徴とするカーボンナノチューブ成形体製造装置。
10. 請求項７または８に記載のカーボンナノチューブ成形体製造装置であって、
    前記吸着部は、前記相対移動経路に垂直な回転軸を中心として回転しつつ前記剥離アレイ部を導くガイド部であることを特徴とするカーボンナノチューブ成形体製造装置。
11. 請求項６ないし１０のいずれか１つに記載のカーボンナノチューブ成形体製造装置であって、
    前記カーボンナノチューブシートを幅方向において集めることにより、線状のカーボンナノチューブワイヤを形成するワイヤ形成部をさらに備えることを特徴とするカーボンナノチューブ成形体製造装置。
12. 請求項１１に記載のカーボンナノチューブ成形体製造装置であって、
    前記ワイヤ形成部は、前記カーボンナノチューブシートを撚ることにより前記カーボンナノチューブワイヤを形成することを特徴とするカーボンナノチューブ成形体製造装置。

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