JP7169868B2 - ナノ物質含有樹脂複合体の製造方法、ナノ物質含有樹脂複合体の製造装置および透明導電性膜を有する装置の製造方法 - Google Patents

ナノ物質含有樹脂複合体の製造方法、ナノ物質含有樹脂複合体の製造装置および透明導電性膜を有する装置の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、ナノ物質含有樹脂複合体の製造方法、ナノ物質含有樹脂複合体の製造装置および透明導電性膜を有する装置の製造方法に好適に利用できるものである。
近年、ナノ物質を用いた複合化材料(機能性材料)の研究開発が盛んにおこなわれている。例えば、カーボンナノチューブなどのナノ物質は、その機械的特性、光学的特性、電気的特性などの物理特性が優れており複合化材料(機能性材料)として種々の検討がなされている。
例えば、特許文献1には、以下の工程(I)~(III)を含む転写体の製造方法が開示されている。工程(I)は、基板の表面に対して略垂直に形成されているCNT(カーボンナノチューブ)群の、基板に接していない側の先端部を、熱可塑性樹脂フィルムにより被覆し、加熱することによって、先端部をフィルム中に埋没またはフィルムに貫通させる工程である。工程(II)は、フィルムを冷却することによって、先端部とフィルムとを接着させ、基板とCNT群とフィルムとが一体となった構成物を得る工程である。工程(III)は、構成物から基板のみを剥離することによって、CNT群とフィルムとが一体となった転写体を得る工程である。
また、特許文献2には、基板から垂直に成長した配向CNT集合体を倒伏させる工程と、倒伏した配向CNT集合体に樹脂を含浸させる工程と、樹脂が含浸した配向CNT集合体をシート状に成型する工程とにより、CNTの含有率が高く且つ高配向性であり、CNTが本来有する異方性を十分に活かした任意な形状のCNT含有樹脂複合体の製造方法が開示されている。
また、特許文献3には、配線パターンの形成方法が開示されているカーボンナノチューブを基板上で成長させる工程と、基板から基材へカーボンナノチューブを転写し、カーボンナノチューブの一部が基材に埋設された状態でカーボンナノチューブを基材に固定する工程と、導電性インクを用い、基材上に転写されたカーボンナノチューブ上に印刷する工程と、導電性インクに含まれる溶剤を乾燥させる工程と、導電性インクを焼結させる工程と、を含む配線パターンの形成方法が開示されている。
特開2010-240871号公報 特許第5590598号公報 特開2017-028210号公報
本発明者は、ナノ物質を用いた複合化材料(機能性材料)の製造方法やそれを製造するための製造装置についての研究開発に従事しており、特性の良好なナノ物質を用いた複合化材料を製造する技術について鋭意検討している。その結果、製造工程の簡素化が図れ、その特性の向上が図れるナノ物質を用いた複合化材料の製造技術を見出すに至った。
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
本願において開示されるナノ物質含有樹脂複合体の製造方法は、(a)ナノ物質を表面に有する第1部材を準備する工程、(b)前記第1部材上の前記ナノ物質上に溶融樹脂を吐出し、前記ナノ物質に前記溶融樹脂を含浸させる工程、(c)前記溶融樹脂を固化させることにより、樹脂複合体を形成する工程、(d)前記樹脂複合体を前記第1部材から剥離する工程、を有する。そして、前記樹脂複合体は、前記第1部材の剥離面側を機能面とし、前記樹脂複合体は、前記機能面側の前記ナノ物質の密度が、前記機能面と逆側の面の前記ナノ物質の密度より高い。
本願において開示されるナノ物質含有樹脂複合体の製造方法は、(a)ナノ物質を第1部材上に搭載する工程、(b)前記第1部材上の前記ナノ物質上に溶融樹脂を吐出し、前記ナノ物質に前記溶融樹脂を含浸させる工程、(c)前記溶融樹脂を固化させることにより、樹脂複合体を形成する工程、(d)前記樹脂複合体を前記第1部材から剥離する工程、を有する。そして、前記樹脂複合体は、前記第1部材の剥離面側を機能面とし、前記樹脂複合体は、前記機能面側の前記ナノ物質の密度が、前記機能面と逆側の面の前記ナノ物質の密度より高い。
本願において開示されるナノ物質含有樹脂複合体の製造装置は、第1部材と、第2部材と、前記第1部材と前記第2部材とに接続された加熱冷却部と、前記第1部材上に、吐出可能に設けられた第1吐出装置と、前記第1部材上に、吐出可能に設けられた第2吐出装置と、を有するナノ物質含有樹脂複合体の製造装置である。そして、前記第1吐出装置は、ナノ物質を分散させた溶剤を、前記第1部材上に吐出する。前記加熱冷却部は、前記溶剤を気化させる。前記第2吐出装置は、前記溶剤を気化させたナノ物質上に溶融樹脂を吐出する。さらに、ナノ物質含有樹脂複合体の製造装置は、加圧部を有していてもよい。前記加圧部は、前記第1部材と前記第2部材とを前記ナノ物質上の前記溶融樹脂を介して加圧する。
本願において開示されるナノ物質含有樹脂複合体の製造方法によれば、製造工程の簡素化が図れ、特性の良好なナノ物質含有樹脂複合体を製造することができる。本願において開示されるナノ物質含有樹脂複合体の製造装置によれば、効率よく、特性の良好なナノ物質含有樹脂複合体を製造することができる。
実施の形態1の第1例のナノ物質含有樹脂複合体の製造工程を示すフロー図である。 実施の形態の第1例のナノ物質含有樹脂複合体の製造工程を示す断面図である。 実施の形態の第1例のナノ物質含有樹脂複合体の製造工程を示す断面図である。 溶融樹脂の含浸の様子を示す図である。 実施の形態1の第2例のナノ物質含有樹脂複合体の製造工程を示すフロー図である。 実施の形態1の第2例のナノ物質含有樹脂複合体の製造工程を示す断面図である。 実施の形態1の第2例のナノ物質含有樹脂複合体の製造工程を示す断面図である。 実施の形態1の第3例のナノ物質含有樹脂複合体の製造工程を示すフロー図である。 実施の形態1の第3例のナノ物質含有樹脂複合体の製造工程を示す断面図である。 実施の形態1の第3例のナノ物質含有樹脂複合体の製造工程を示す断面図である。 実施の形態1の第4例のナノ物質含有樹脂複合体の製造工程を示すフロー図である。 実施の形態1の第4例のナノ物質含有樹脂複合体の製造工程を示す断面図である。 実施の形態1の第4例のナノ物質含有樹脂複合体の製造工程を示す断面図である。 実施の形態2の第1例のナノ物質含有樹脂複合体の製造工程を示すフロー図である。 実施の形態2の第1例のナノ物質含有樹脂複合体の製造工程を示す断面図である。 実施の形態2の第1例のナノ物質含有樹脂複合体の製造工程を示す断面図である。 実施の形態2の第2例のナノ物質含有樹脂複合体の製造工程を示すフロー図である。 実施の形態2の第2例の基板上へのナノ物質の敷設方法を示す断面図である。 表面抵抗と帯電性を示す図である。 実施例1のナノ物質含有樹脂複合体の製造工程を示す断面図である。 実施例1のナノ物質含有樹脂複合体の製造工程を示す断面図である。 成形されたCNT含有樹脂複合体のSEM写真である。 成形されたCNT含有樹脂複合体のSEM写真である。 成形されたCNT含有樹脂複合体の機能面の表面抵抗の測定結果を示す図である。 実施例2のナノ物質含有樹脂複合体の製造工程を示す断面図である。 実施例2のナノ物質含有樹脂複合体の製造工程を示す断面図である。 実施例2の条件を示す図である。 実施例Aのナノ物質含有樹脂複合体の製造工程を示す断面図である。 実施例Aのナノ物質含有樹脂複合体の製造工程を示す断面図である。 成形されたCNT含有樹脂複合体の表面抵抗の測定位置例を示す図である。 スクリュ式射出可塑化装置の構成例を示す断面図である。 実施の形態6の液晶表示装置の構成を示す断面図である。 実施の形態7のナノ物質含有樹脂複合体の製造工程を示す断面図である。 表面抵抗値(kΩ/sq.)と、全光線透過率(%)との関係を示すグラフである。
以下、実施の形態を実施例や図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
(実施の形態1)
本明細書において、ナノ物質とは、少なくとも一次元が100nmより小さい物質を言う。一次元が100nmより小さく残る二次元への広がりを有するものは薄膜、二次元が100nmより小さく残る一次元への広がりを有する場合は棒状、三次元とも100nmより小さい場合は粒状の形状をとることとなる。
このようなナノ物質は、バルク材料に比べて、表面積の増加や量子効果が発現し、材料強度や電気的性質などの物性を変化あるいは増大させ、例えば、樹脂中に均一分散させることにより、樹脂単体よりも飛躍的な特性向上が期待される。このような、ナノ物質含有樹脂複合体は、“ポリマー系ナノコンポジット(PNC)”とも呼ばれる。
(第1例)
図1は、本実施の形態の第1例のナノ物質含有樹脂複合体の製造工程を示すフロー図であり、図2、図3は、本実施の形態の第1例のナノ物質含有樹脂複合体の製造工程を示す断面図である。
まず、図2(A)に示すように、基板S1を加熱する(図1のSt1)。加熱温度としては、例えば、後述する溶媒SLの沸点または分散剤の熱分解温度のうち、より高い温度以上の温度とする。
次いで、図2(B)に示すように、基板S1上に、ナノ物質NMの分散液DLを塗布(吐出)する(図1のSt2)。分散液DLは、溶媒(溶剤、分散媒)SLと分散剤DAとナノ物質NMとの混合液である。この分散液DL内において、ナノ物質NMは均一に分散されている。加熱温度としては、例えば、後述する溶媒SLの沸点または分散剤の熱分解温度のうち、より高い温度以上の温度とする。
次いで、加熱により、分散液DLの溶媒SLを気化(蒸発、揮発)させ、かつ、分散剤DAを熱分解することで除去し、図2(C)に示すように、ナノ物質NMのみを基板S1上に残存させる(図1のSt3)。加熱温度としては、溶媒SLの沸点または分散剤の熱分解温度のうち、より高い温度以上とする。
この際、基板S1上のナノ物質NMは、乾燥した状態であり、絡み合い相互に結合または接触しつつ、微細な隙間を有する、ナノ物質NMの集合体となる。この集合体は、ナノ物質NMのネットワーク層とも呼ばれる。但し、このナノ物質NMの集合体(ナノ物質NMのネットワーク層)は、ナノ物質間や基板S1との間に接着層が設けられているわけではない。外圧により簡単に崩れ、基板から簡単に剥離できるものである。但し、分子間力により微弱な力で結合している。即ち、外力を加えないで静置しておけば、ナノ物質と基板との距離およびナノ物質間の距離を保つ程度の結合力で結合している。よって、通常のナノ物質含有樹脂複合体の製造工程において、風や振動、傾きなどで吹き飛んでしまうことはない。
次いで、図3(A)に示すように、ナノ物質NMの集合体(ナノ物質NMのネットワーク層)上に、溶融樹脂MRを塗布する(図1のSt4)。溶融樹脂MRの温度は、例えば、樹脂材料の流動停止温度を超える温度である。流動停止温度とは、金型内で射出後の樹脂が金型キャビティ内部での流動を停止するときの温度である。実施例で用いたポリカーボネート樹脂は、ガラス転移温度136℃に対し、流動停止温度170℃、固化温度144℃である。基板S1上に塗布された溶融樹脂MRは、ナノ物質NMの集合体(ナノ物質NMのネットワーク層)の中に浸みこむ(含浸する)(図1のSt5)。これは、溶融樹脂MRの濡れ性、ナノ物質NMの集合体(ナノ物質NMのネットワーク層)の毛管力、溶融樹脂MRの熱運動などが、寄与する。ここで、含浸させる時間(含浸時間)は、一定の温度に加熱した基板に溶融樹脂MRを塗布した後、そのまま基板温度を保持する時間としてコントロールすることができる。この含浸時間により、含浸度合いが影響を受ける。十分な含浸を得られる最短時間に設定するのが効率的である。
次いで、図3(B)に示すように、基板S1上のナノ物質NMに含浸させた溶融樹脂MRを冷却し、溶融樹脂MRを固化させる。そして、図3(C)に示すように、ナノ物質含有樹脂複合体PNCを基板S1から剥離する(図1のSt6)。この冷却により、溶融樹脂MRは、固化し、樹脂複合体PNCとなる。この樹脂複合体PNC中に、ナノ物質NMが固定される。特に、図3(C)および図3(D)に示すように、ナノ物質含有樹脂複合体PNCにおいて、基板S1の表面と接していた側(剥離面側)が、表面(図3(D)においては上面)SUR1となり、この側が、機能面となる。即ち、ナノ物資の特性(例えば、機械的特性、熱特性、光学的特性、電気的特性など)が顕著に表れる面となる。なお、ナノ物質含有樹脂複合体PNCの剥離後の基板S1は、図1のSt1の基板として再利用できる。
このように、本実施の形態の第1例によれば、簡易な工程で、ナノ物質が樹脂表面に含浸したナノ物質含有樹脂複合体PNCを形成することができる。また、図3(D)および上面図である図3(E)に示すように、ナノ物質NMは、上記機能面(樹脂表層)に、高密度に取り込まれており、さらに、その表面に露出または極薄い樹脂層を介して配置されている。このような構成により、ナノ物質NMの特性が上記機能面(樹脂表層)において、大きくあらわれ、機能性材料として性能の高いナノ物質含有樹脂複合体PNCとなる。
図4は、溶融樹脂の含浸の様子を示す図である。図4(A)~図4(C)に示すように、ナノ物質NMの集合体(ナノ物質NMのネットワーク層)の上部から徐々に溶融樹脂MRが浸み込み、含浸時間の経過に伴って基板S1の表面まで到達する。そして、溶融樹脂MRの冷却、基板S1からのナノ物質含有樹脂複合体PNCの剥離により、図4(D)に示すように、機能面(樹脂表層)において、ナノ物質NMが高密度、かつ、高い均一性を有するように配置されたナノ物質含有樹脂複合体PNCを得ることができる。このナノ物質含有樹脂複合体PNCは、機能面側のナノ物質NMの密度が、機能面と逆側の面のナノ物質NMの密度より高い。
(第2例)
図5は、本実施の形態の第2例のナノ物質含有樹脂複合体の製造工程を示すフロー図であり、図6、図7は、本実施の形態の第2例のナノ物質含有樹脂複合体の製造工程を示す断面図である。
図6(A)~図6(C)および図7(A)に示す、図5のSt1~St4に対応する工程は、第1例の場合と同じである。
次いで、図7(A)に示す、ナノ物質NMの集合体(ナノ物質NMのネットワーク層)上に、溶融樹脂MRを塗布する工程(図5のSt4)の後、加圧用の板状部材PL1を溶融樹脂MR上に押し付け、加熱しながら加圧し、その後、加圧しながら冷却する(図5のSt41、図7(C))。即ち、基板S1と板状部材PL1との間を狭める方向に力を加えながら冷却する。これにより、溶融樹脂MRを固化させる。次いで、図7(D)に示すように、ナノ物質含有樹脂複合体PNCを基板S1から剥離する(図5のSt6)。別の言い方をすれば、板状部材PL1でナノ物質含有樹脂複合体PNCを転写し、粘着させて板状部材PL1を開くことにより、PNCを基板表面から剥離する。次いで、板状部材PL1を冷却し、ナノ物質含有樹脂複合体PNCを板状部材PL1から剥離する。
このように、本第2例においても、図7(E)に示すように、機能面(樹脂表層)において、ナノ物質NMが高密度、かつ、高い均一性を有するように配置されたナノ物質含有樹脂複合体PNCを得ることができる。また、本第2例によれば、機能面(樹脂表層)と逆側の面が第1例の場合より平坦となる。
(第3例)
図8は、本実施の形態の第3例のナノ物質含有樹脂複合体の製造工程を示すフロー図であり、図9、図10は、本実施の形態の第3例のナノ物質含有樹脂複合体の製造工程を示す断面図である。
図9(A)、図9(B)に示す、図8のSt1、St2に対応する工程は、第1例の場合と同じである。即ち、加熱状態の基板S1上に、分散液DL(溶媒SLと分散剤DAとナノ物質NMとの混合液)を塗布する(図8のSt1、St2)。ここで、本実施の形態においては、溶媒SLの沸点より分散剤DAの分解温度が高く、加熱温度を溶媒SLの沸点以上分散剤DAの分解温度未満の温度とする。これにより、分散液DLの溶媒SLを気化するものの、ナノ物質NMの周囲に分散剤DAが残存した状態となる(St3、図9(C)
)。
次いで、図10(A)に示すように、分散剤DAが残存したナノ物質NMの集合体(ナノ物質NMのネットワーク層)上に、溶融樹脂MRを塗布する(図8のSt4)。溶融樹脂MRの温度は、樹脂材料の流動停止温度を超え分解温度を超えない温度であり、この温度は、分散剤DAの分解温度以上の温度である。このように、溶融樹脂MRの温度は、分散剤DAの分解温度以上に設定できる。よって、ナノ物質NMの周囲に付着した分散剤DAは溶融樹脂MRの熱で分解され、気化させることができる。別の言い方をすれば、溶融樹脂MRのエンタルピーにより、分散剤DAを熱分解し、分解物を気化させる(図8のSt4)。さらに、前述したように、基板S1上に塗布された溶融樹脂MRは、ナノ物質NMの集合体(ナノ物質NMのネットワーク層)の中に浸みこむ(含浸する)(図8のSt5)。
以降は、第1例の場合と同様に、基板S1を冷却することにより溶融樹脂MRを固化させ(図10(B))、次いで、図10(C)に示すように、ナノ物質含有樹脂複合体PNCを基板S1から剥離する(図8のSt6)。
このように、本第3例においても、図10(D)に示すように、機能面(樹脂表層)において、ナノ物質NMが高密度、かつ、高い均一性を有するように配置されたナノ物質含有樹脂複合体PNCを得ることができる。
(第4例)
図11は、本実施の形態の第4例のナノ物質含有樹脂複合体の製造工程を示すフロー図であり、図12、図13は、本実施の形態の第4例のナノ物質含有樹脂複合体の製造工程を示す断面図である。
図12(A)~図12(C)および図13(A)に示す、図11のSt1~St4に対応する工程は、第3例の場合と同じである。
次いで、図13(A)に示す、ナノ物質NMの集合体(ナノ物質NMのネットワーク層)上に、溶融樹脂MRを塗布する工程(図11のSt4)の後、所定の含浸時間の間、一定の温度に保持する。次に、加圧用の板状部材PL1を溶融樹脂MR上に加熱しながら押し付け、その後、加圧しながら冷却する(図11のSt41、図13(B)、(C))。これにより、溶融樹脂MRを固化させ、次いで、図13(D)に示すように、ナノ物質含有樹脂複合体PNCを基板S1から剥離する(図11のSt6)。別の言い方をすれば、板状部材PL1でナノ物質含有樹脂複合体PNCを転写し、粘着させて板状部材PL1を開くことにより、板状部材PNCを基板S1から剥離する。次いで、板状部材PL1を冷却することにより、ナノ物質含有樹脂複合体PNCを板状部材PL1から剥離する。
このように、本第4例においても、図13(E)に示すように、機能面(樹脂表層)において、ナノ物質NMを高密度に含有し、かつ、ナノ物質NMの分散性が高く、均一なナノ物質含有樹脂複合体PNCを得ることができる。
(実施の形態2)
実施の形態1においては、基板S1上にナノ物質NMを含有する分散液を塗布し、加熱することにより、基板S1上に、乾燥したナノ物質NMの集合体(ナノ物質NMのネットワーク層)を形成したが、ナノ物質NMよりなるシートなどを用い、当初より乾燥した状態で基板S1上に搭載してもよい。
(第1例)
図14は、本実施の形態の第1例のナノ物質含有樹脂複合体の製造工程を示すフロー図であり、図15、図16は、本実施の形態の第1例のナノ物質含有樹脂複合体の製造工程を示す断面図である。
まず、図15(A)に示すように、基板S1を加熱する(図14のSt1)。加熱温度としては、例えば、後述する溶融樹脂MRの材料樹脂の流動停止温度以上の温度とする。
次いで、図15(B)および図15(C)に示すように、基板S1上に、ナノ物質NMを含有するシート(薄膜)NMSを乾燥状態で、搭載(供給)する(図14のSt23)。このシート(薄膜)NMSは、ナノ物質NMを含有し、ナノ物質間には、微細な隙間が存在する。
次いで、図16(A)に示すように、ナノ物質NMを含有するシート(薄膜)NMS上に、溶融樹脂MRを塗布する(図14のSt4)。溶融樹脂MRの温度は、樹脂材料の流動停止温度を超える温度である。基板S1上に塗布された溶融樹脂MRは、シートNMSを構成するナノ物質NMの集合体(ナノ物質NMのネットワーク層)の中に浸みこむ(含浸する)(図14のSt5)。これは、溶融樹脂MRの濡れ性、ナノ物質NMの集合体(ナノ物質NMのネットワーク層)の毛管力、溶融樹脂MRの熱運動などが、寄与する。
次いで、図16(B)に示すように、基板S1上のナノ物質NMに含浸させた溶融樹脂MRを冷却し、溶融樹脂MRを固化させる。そして、図16(C)に示すように、ナノ物質含有樹脂複合体PNCを基板S1から剥離する(図1のSt6)。この冷却により、溶融樹脂MRは、固化し、樹脂Rとなる。この樹脂R中に、ナノ物質NMが固定される。特に、図16(D)に示すように、ナノ物質含有樹脂複合体PNCにおいて、基板S1の表面と接していた側が、表面(図16(D)においては上面)となり、この側が、機能面となる。即ち、ナノ物資の特性(例えば、機械的特性、光学的特性、熱特性、電気的特性など)が顕著に表れる面となる。
このように、本実施の形態の第1例によれば、簡易な工程で、ナノ物質含有樹脂複合体PNCを形成することができる。また、図16(D)に示すように、ナノ物質NMは、上記機能面(樹脂表層)に、高密度に取り込まれており、さらに、その表面に露出または極薄い樹脂層を介して配置されている。このような構成により、ナノ物質NMの特性が上記機能面(樹脂表層)において、大きくあらわれ、機能性材料として性能の高いナノ物質含有樹脂複合体PNCとなる。
なお、本第1例において、加圧用の板状部材を溶融樹脂上に押し付け、加圧しながら冷却してもよい(図14のSt41)。
(第2例)
上記第1例においては、ナノ物質NMを含有するシート(薄膜)NMSを基板S1上に搭載したが、基板S1上に、ナノ物質NMを敷設してもよい。例えば、基板S1上に、ナノ物質NMを成長させてもよい。
図17は、本実施の形態の第2例のナノ物質含有樹脂複合体の製造工程を示すフロー図である。
まず、図17に示すように、ナノ物質を敷設した基板を装置に固定し(図17のSt11)、加熱する(図17のSt12)。加熱温度としては、例えば、後述する溶融樹脂の材料樹脂の流動停止温度以上の温度とする。
次いで、基板のナノ物質上に、溶融樹脂を塗布する(図17のSt13)。溶融樹脂の温度は、流動停止温度を超える温度である。基板上に塗布された溶融樹脂MRは、基板に敷設されたナノ物質の集合体(ナノ物質NMのネットワーク層)の中に浸みこむ(含浸する)(図17のSt14)。これは、溶融樹脂MRの濡れ性、ナノ物質NMの集合体(ナノ物質NMのネットワーク層)の毛管力、溶融樹脂MRの熱運動などが、寄与する。
次いで、基板上のナノ物質に含浸させた溶融樹脂を冷却し、溶融樹脂を固化させる。そして、ナノ物質含有樹脂複合体を基板から剥離する(図17のSt15)。この冷却により、溶融樹脂は、固化し、樹脂となる。この樹脂中に、ナノ物質が固定される。特に、ナノ物質含有樹脂複合体において、基板の表面と接していた側が、表面となり、この側が、機能面となる。即ち、ナノ物資の特性(例えば、機械的特性、光学的特性、電気的特性など)が顕著に表れる面となる。
このように、本実施の形態の第2例によれば、簡易な工程で、ナノ物質含有樹脂複合体を形成することができる。また、ナノ物質NMは、上記機能面(樹脂表層)に、分散し、かつ高密度に取り込まれており、さらに、ナノ物質NMは、その表面に露出または極薄い樹脂層を介して配置される。このような構成により、ナノ物質NMの特性が上記機能面(樹脂表層)において、大きくあらわれ、機能性材料として性能の高いナノ物質含有樹脂複合体PNCとなる。
なお、本第2例において、加圧用の板状部材を溶融樹脂上に押し付け、加圧しながら冷却してもよい(図17のSt131)。
ここで、基板上へのナノ物質の敷設方法としては、基板上へナノ物質を成長させる方法がある。図18は、本実施の形態の第2例の基板上へのナノ物質の敷設方法を示す断面図である。図18(A)に示すように、基板S1上に、ナノ物質の成長核(図示せず)を形成し、基板S1上に、ナノ物質NMの原料を供給することにより、上記核からナノ物質NMを成長させることができる(図18(B))。係る方法であれば、ナノ物質の成長方向を制御することができ、ナノ物質NMに配向性を持たせることができる。これにより、機能性材料としての性能をさらに高めることができる。
(実施の形態3)
本実施の形態においては、ナノ物質として、カーボンナノチューブ(以下、CNTと示す場合がある)を用いた樹脂複合体について、具体的な実施例に基づき説明する。特に、実施の形態1に対応する実施例1~4について説明する。CNT含有樹脂複合体は、光透過性の膜として用いることができる。膜の特性として、その表面(機能面)の抵抗(表面固有抵抗、シート抵抗(Ω/sq.))が、例えば、1013~1022の範囲であれば、帯電するがゆっくり減衰し、ほこり付着防止膜として用いることができる。また、1010~1012の範囲であれば、帯電するがすぐに減衰し、誤動作防止膜として用いることができる。また、108~109の範囲であれば、帯電しないため、回路保護膜として用いることができる。図19は、表面抵抗と帯電性を示す図である。また、CNT含有樹脂複合体は、前述したように光透過性を有するため、液晶表示装置などの表示装置の透明電極(光透過性の導電性膜)として用いることができる。
(実施例1)
以下に、CNTを含有する樹脂よりなる光透過性の膜を例として、実施例を説明する。図20、図21は、実施例1のナノ物質含有樹脂複合体の製造工程を示す断面図である。
まず、図20(A)に示すように、基板S1を、下金型LMに固定し、下金型LMおよび基板S1を加熱した。加熱は、下金型LMと後述する上金型UMとを加熱・冷却可能に設置された加熱・冷却手段により行う。
次いで、図20(B)に示すように、基板S1上に、CNTの分散液DLを塗布した。CNTは、単層のものを用い、CNT1本の長さ(粒子の平均長径)は、約1μm~100μm、直径(粒子の平均短径)は、3~5nmである。但し、CNTの集合体粒子(バンドル)としての長さは100μm~1mm、より好ましくは100μm~600μm程度である。分散液DLとしては、溶媒SLと分散剤DAとCNTとの混合液を用いた。溶媒SLとしては、水を用い、分散剤DAとしては、界面活性剤を用いた。分散液中のCNT濃度は、0.2wt%とした。この分散液DLをエアブラシABまたはハケを用いて1cc塗布した。
次いで、図20(C)に示すように、加熱により、分散液DLの溶媒SLを気化させた。次いで、下金型LMおよび基板S1を昇温した。このように昇温することにより、界面活性剤(分散剤DA)が熱分解される。なお、界面活性剤(分散剤DA)が残存していたとしても、後述する、溶融樹脂MRの塗布の際、その温度により、界面活性剤(分散剤DA)が熱分解する。これにより、乾燥状態であり、CNTが絡み合い相互に結合または接触しつつ、隙間を有するCNTの集合体(CNTネットワーク層)となる。ここでは、CNTの集合体(CNTネットワーク層)を“CNT(DRY)”と示してある。
次いで、図21(A)および図21(B)に示すように、CNTの集合体(CNTネットワーク層)上に、溶融樹脂MRとしてポリカーボネート(PC)の溶融樹脂を塗布する。ポリカーボネートとしては、ユーロピンHL-4000(MFR63g/10min)、三菱エンジニアリングプラスチック製を用いた。
ポリカーボネート(PC)の溶融樹脂の温度は、300℃である。塗布装置としては、溶融樹脂塗布成形装置(MTMII130-30H、スクリュ径φ20mm、加圧プレス力130kN、理論射出容量25cc、塗布樹脂幅104mm)を用いた。この装置であれば、高温の溶融樹脂を迅速かつ高い濡れ性をもち均一な温度でCNTの集合体上に塗布(吐出)することができる。吐出量やダイ吐出口DPの位置は、冷却後の樹脂複合体の膜厚が一定となるように調整した。ポリカーボネートは、熱可塑性樹脂であり、モノマー単位同士の接合部が、カーボネート基(-O-(C=O)-O-)で構成される。流動停止温度は、170℃である。また、光透過率は、90%±1%、熱伝導率は、0.25~0.26W/m・K程度である。溶融樹脂塗布成形装置を用いることで、溶融樹脂MRの温度調整が容易となり、また、ノズルの先端の吐出口DPを、CNTの集合体(CNTネットワーク層)に近接して配置し、溶融樹脂MRを吐出することができる。このため溶融樹脂MRの温度低下を抑制し、高い濡れ性と低粘性でかつ低弾性を維持した状態で、溶融樹脂MRをCNTの集合体(CNTネットワーク層)上に吐出することができる。その結果、溶融樹脂MRが、CNTの集合体(CNTネットワーク層)の中に浸み込み易くなる。
また、図21(B)に示すように、CNTの集合体(CNTネットワーク層)の縦の長さ(Y方向の長さL1)より長い吐出口DPを有するTダイを備えた溶融樹脂塗布成形装置を用い、CNTの集合体(CNTネットワーク層)の外側からCNTの集合体(CNTネットワーク層)上を覆うように溶融樹脂MRを横方向(X方向)に吐出した。即ち、CNTの集合体(CNTネットワーク層)の平面領域を含み、かつ、この平面領域より広い領域に対し、溶融樹脂を塗布する際、平面領域以外の領域部から平面領域を覆うように、溶融樹脂を塗布する。これにより、CNTの集合体(CNTネットワーク層)の剥がれや、浮き、破壊を抑制し、CNTの集合体の形状をほぼ維持しつつ、溶融樹脂MRの下側(CNT含有樹脂複合体の機能面(表層))まで溶融樹脂MRが到達する。よって、樹脂の表層部から樹脂内部まで高密度にCNTを取り込むことができる。同時に、塗布した溶融樹脂の外周部が基板と密着することにより、CNTの集合体を周囲の空気や酸素から遮断することができる。この結果、CNTの集合体や分散剤の酸化劣化を防止でき、分散剤の熱分解のみとすることで、清浄で劣化の少ないCNT含有樹脂複合体を形成できる。なお、走査型電子顕微鏡観察により、分散剤(界面活性剤)の熱分解による減少を確認している。
次いで、図21(C)に示すように、基板S1上のCNTの集合体(CNTネットワーク層)を含浸させた溶融樹脂MRに、上金型UMに固定された板状部材PL1を押し付け、3分間、保持した。上金型UMおよび下金型LMは、加温状態である。その後、冷却した。これにより、溶融樹脂MRを固化させ、CNT含有樹脂複合体(PNC)を形成した。次いで、CNT含有樹脂複合体PNCを基板S1から剥離した(図21(D))。別の言い方をすれば、板状部材PL1でナノ物質含有樹脂複合体PNCを板状部材PL1の形状に転写し、粘着させて板状部材PL1を開くことにより、ナノ物質含有樹脂複合体PNCを基板S1表面から剥離する。次いで、板状部材PL1を冷却することにより、ナノ物質含有樹脂複合体PNCを板状部材PL1から剥離する。CNT含有樹脂複合体PNCは、冷却による収縮により、基板S1から容易に剥がすことができた。次いで、図21(E)に示すように、板状部材PL1からCNT含有樹脂複合体PNCを取り外した。この際、CNT含有樹脂複合体PNCの剥離面(基板S1と接していた面、板状部材PL1と接していない面)が、機能面となる。即ち、導電性部となる。
この後、CNT含有樹脂複合体PNCを板状部材PL1から剥離し、光透過性の膜であるCNT含有樹脂複合体PNCを得た。
図22および図23は、成形されたCNT含有樹脂複合体(PNC)のSEM写真である。図22および図23に示すように、CNTの集合体(CNTネットワーク層)は、CNT含有樹脂複合体(PNC)の一方の側(図中、表層)に位置し、表面から200nm~400nmまでの位置に取り込まれている。そして、CNTの集合体(CNTネットワーク層)上には、ごく薄い20nm程度の樹脂層しか存在していないことが分かる。
このように、CNTが、上記機能面表層に、高密度に取り込まれており、さらに、その表面には極薄い樹脂層しか介在していないCNT含有樹脂複合体(PNC)を形成することができた。このようにCNT含有樹脂複合体(PNC)の表面には、ごく薄い樹脂膜(絶縁膜)しか存在していない。このCNT含有樹脂複合体(PNC)は、機能面側のCNTの密度が、機能面と逆側の面のCNTの密度より高い。より具体的には、CNT含有樹脂複合体(PNC)の厚さの略半分にCNTの90%以上を分布させることができる。
また、CNT含有樹脂複合体(PNC)の表面からの厚さ約1μm以内に、CNTの90%以上を分布させることができる。また、溶融樹脂が、10nm程度の隙間に浸入できる深さは、本発明者らの検討により890nmまで確認できている。よって、CNT含有樹脂複合体(PNC)の表面からの厚さ約1μm以内を機能層とすることは十分に現実的である。
さらに、このようなCNT含有樹脂複合体(PNC)によれば、樹脂全体にCNTを分散させる場合と比較し、CNTの使用量を少なくでき、低コストでCNT含有樹脂複合体(PNC)を形成することができる。
また、CNTを混ぜても分散し難い樹脂との組み合わせであっても、CNTが分散しやすい溶媒・分散剤を選定し、均一に分散した状態で乾燥させ、CNTの集合体(CNTネットワーク層)を形成した後、当該樹脂を溶融状態で含浸させることにより、CNT含有樹脂複合体(PNC)を形成することができる。このように、溶融樹脂を用い、バルク状態でCNTを混ぜて均一分散させることが困難な場合でも、CNTの集合体に樹脂を含浸させることができる。この場合、CNTの集合体中のCNTが樹脂中で大きく運動することは無いので、溶融樹脂が接触する、初期に均一分散したCNTをその形態のままで樹脂表層に固定することができる。
図24は、成形されたCNT含有樹脂複合体(PNC)の機能面の表面抵抗の測定結果を示す図である。抵抗測定装置は、HIOKI製の微小抵抗計RM3544-01装置を用いた。絶縁抵抗には、絶縁抵抗計(HIOKI製)を使用した。例えば、図24(B)に示す測定位置において所定の電極間を置いて表面抵抗値(Ω/sq.)を求めた。図24(B)の測定位置は一例であり、電極間距離を一定とし、複数個所の表面抵抗値(Ω/sq.)を求めた。各表面抵抗値の最大値(MAX)は、48.7kΩ/sq.であり、最小値(MIN)は、8.8kΩ/sq.であった(図24(A))。
(実施例2)
以下に、CNTを含有する樹脂よりなる光透過性の膜を例として、実施例を説明する。図25、図26は、実施例2のナノ物質含有樹脂複合体の製造工程を示す断面図である。図27は、本実施例の条件を示す図である。図27には、温度と加圧力の時間変化が示され、実線が温度を、破線が圧力の変化を示す。図25および図26に示すように、板状部材PL1を溶融樹脂MR上に押し付け、加圧しながら加熱し、その後、加圧しながら冷却する(図26(B)(C))以外の工程は、実施の形態1の場合と同様である。
本実施例の場合においても、成形されたCNTの集合体(CNTネットワーク層)は、CNT含有樹脂複合体(PNC)の一方の側(図中、表層)に位置し、表面から200nm~400nmまでの位置に取り込まれていた。そして、CNTの集合体(CNTネットワーク層)上には、ごく薄い20nm以下の樹脂層しか存在していなかった。
また、CNT含有樹脂複合体(PNC)の機能面の表面抵抗(Ω/sq.)を実施例1の場合と同様に測定した。即ち、電極間距離を一定とし、複数個所の表面抵抗値(Ω/sq.)を求めた(図24(B)参照)。各表面抵抗値の最大値(MAX)は、23.1kΩ/sq.であり、最小値(MIN)は、9.9kΩ/sq.であった。
(実施例3)
表面を親水処理した基板S1を用いる他は、実施例2の場合と同様にして、ナノ物質含有樹脂複合体を製造した。この場合、CNT含有樹脂複合体(PNC)の機能面の表面抵抗(Ω/sq.)の最大値(MAX)は、3200Ω/sq.であり、最小値(MIN)は、13Ω/sq.であった。
(実施例4)
有機溶媒(分散媒)SLのみを用い、分散剤DAを添加していない分散液DLを用いて、濃度0.35wt%のCNTの分散液DLを用いた点以外は、実施例2の場合と同様にして、ナノ物質含有樹脂複合体を製造した。この場合、CNT含有樹脂複合体(PNC)の機能面の表面抵抗(Ω/sq.)の最小値(MIN)は、1.3kΩ/sq.であった。なお、有機溶媒を用いた場合、ハケよりエアブラシの方が、基板への塗布性が良かった。
(考察)
以上のとおり、上記実施例においては、CNT含有樹脂複合体(PNC)の表面抵抗(Ω/sq.)の低下を確認することができた。いずれの実施例も、50kΩ/sq.以下の表面抵抗を得ることができた。
上記実施の形態において、ポリカーボネートの溶融樹脂の粘度は1~102Pa・s(剪断速度102~103-1の際の溶融粘度測定結果)、弾性は(PC樹脂の剪断弾性率G’測定値)10-4MPa(300℃)程度である。また、CNTの集合体(CNTネットワーク層)の隙間の大きさ(間隔)は、走査型電子顕微鏡での観察結果から、0.1nm~100nm程度と推測される。
このような関係から、溶融樹脂は、CNTの集合体(CNTネットワーク層)の隙間に溶融樹脂の濡れ性、毛管力、熱運動により浸み込む。このため、CNTの集合体の形状をほぼ維持しつつ、その隙間に溶融樹脂MRを充填することができる。別の言い方をすれば、CNTの集合体の形状(良好に分散した状態)をほぼ維持しつつ、溶融樹脂MRの下側(CNT含有樹脂複合体の機能面(表層))に溶融樹脂MRを取り込む(浸入させる)ことができる。
上記のように毛管力を利用し、溶融樹脂の含浸を良好にするための条件として、溶融樹脂の粘度は、104Pa・s以下の範囲とすることが好ましい。また、溶融樹脂の弾性は、10-3MPa以下の範囲とすることが望ましい。また、CNTの集合体(CNTネットワーク層)の隙間の大きさは、10nm~CNTの長さ(一例として、100μm程度)とすることが望ましい。
また、溶融樹脂の上記物性を保持するためには、溶融樹脂の温度をPC樹脂では300℃以上、PMMA樹脂では250℃以上とすることが好ましく、また、金型の温度をPC樹脂では180℃以上、PMMA樹脂では170℃以上の範囲とすることが好ましい。
また、上記実施例においては、樹脂として熱可塑性樹脂を用いたが、熱硬化性樹脂を用いてもよい。但し、添加物が少ない熱可塑性樹脂を用いることで、不純物が残存し難く、形成されるナノ物質含有樹脂複合体の特性が良好となる。
また、上記実施例においては、CNTとして単層のものを用いたが、多層のものを用いてもよい。
CNTの他、他の炭素物質(グラフェン、フラーレン)をナノ粒子として用いてもよい(実施の形態4参照)。また、炭素物質以外のナノ物質を用いてもよい。例えば、SiO2、Ag、Al23、セルロース、ZrO2、ZnO、TiO2、Al23、CaO、BN、クレィなどからなるナノ物質を用いてもよい。
SiO2やクレィからなるナノ物質を含有する樹脂複合体は、例えば、高強度、高耐熱性の膜として用いることができる。また、高耐圧の膜として用いることができる。また、ZrO2、TiO2を含有する樹脂複合体は、例えば、高屈折率膜として用いることができる。また、セルロースからなるナノ物質(セルロースナノファイバー(CeNF)など)を含有する樹脂複合体は、例えば、高強度の膜として用いることができる。
(実施の形態4)
本実施の形態においては、ナノ物質として、カーボンナノチューブ(以下、CNTと示す場合がある)を用いた樹脂複合体について、具体的な実施例に基づき説明する。特に、実施の形態2に対応する実施例Aについて説明する。前述した通り、CNT含有樹脂複合体は、光透過性の膜として用いることができる。膜の特性として、その表面(機能面)の抵抗(表面固有抵抗(Ω/sq.))が、例えば、1013~1022の範囲であれば、帯電するがゆっくり減衰し、ほこり付着防止膜として用いることができる。また、1010~1012の範囲であれば、帯電するがすぐに減衰し、誤動作防止膜として用いることができる。また、108~109の範囲であれば、帯電しないため、回路保護膜として用いることができる(図19参照)。また、CNT含有樹脂複合体は、前述したように光透過性を有するため、液晶表示装置などの表示装置の透明電極(光透過性の導電性膜)として用いることができる。例えば、導電性膜としては、表面抵抗106Ω(1MΩ)以下が好ましい。
(実施例A)
以下に、CNTを含有する樹脂よりなる光透過性の膜(光透過性の導電性膜)を例として、実施例を説明する。図28、図29は、実施例Aのナノ物質含有樹脂複合体の製造工程を示す断面図である。
まず、図28(A)に示すように、基板S1を、下金型LMに固定し、下金型LMおよび基板S1を加熱する。加熱は、下金型LMと後述する上金型UMとを加熱・冷却可能に設置された加熱・冷却手段により行う。
次いで、図28(B)および図28(C)に示すように、基板S1上に、ナノ物質NMよりなるシートとして、グラファイトシートGFSを搭載する。グラファイトシートGFSは、グラフェンを積層した構成のシートである。グラフェンを積層した構成のシートとしては、その作製方法に応じて、例えば、次のものが挙げられる。(1)CVD原子層グラフェン膜、(2)高分子焼成多層グラフェン膜、(3)剥離グラフェン集積膜である。この中で、本実施例においては、(2)の高分子焼成多層グラフェン膜を用いた。このグラフェン膜は、ポリイミドなどの高分子を高温で焼成して得られる。ここでは、カネカ(株)製、超高熱伝導グラファイトシート”グラフィニティ”を使用した。このグラファイトシートGFSと樹脂とは面として接合する。なお、グラファイトシートGFSを搭載してから下金型LMを加熱してもよい。
次いで、図29(A)に示すように、グラファイトシートGFS上に、溶融樹脂MRとしてポリカーボネート(PC)の溶融樹脂を塗布した。ポリカーボネート(PC)の溶融樹脂の温度は、300℃とした。塗布装置としては、図29(A)に示す装置を用いた。この装置であれば、高温の溶融樹脂を迅速かつ高い濡れ性をもち均一な温度でグラファイトシートGFS上に塗布(吐出)することができる。吐出量やノズルの吐出口DPの位置は、冷却後の樹脂複合体の膜厚が一定となるように調整した。ポリカーボネートは、熱可塑性樹脂であり、モノマー単位同士の接合部が、カーボネート基(-O-(C=O)-O-)で構成される。流動停止温度は、170℃である。また、光透過率は、90%±1%、熱伝導率は、0.25~0.26W/m・K程度である。図29(A)に示す装置を用いることで、溶融樹脂MRの温度調整が容易となり、また、ノズルの先端の吐出口DPを、グラファイトシートGFSに近接して配置し、溶融樹脂MRを吐出することができる。このため溶融樹脂MRの温度低下を抑制し、高い濡れ性と低粘性でかつ低弾性を維持した状態で、溶融樹脂MRをグラファイトシートGFS上に吐出することができる。その結果、溶融樹脂MRが、グラファイトシートGFSの表層に接合し易くなり、グラフェンと樹脂が一体的に接着する。
また、図29(B)に示すように、グラファイトシートGFSの縦の長さ(Y方向の長さLA)より長い吐出口DPを有するスクリュ式射出可塑化装置を用い、グラファイトシートGFSの外側からグラファイトシートGFS上を覆うように溶融樹脂MRを横方向(X方向)に吐出する。即ち、グラファイトシートGFSの平面領域を含み、かつ、この平面領域より広い領域に対し、溶融樹脂を塗布する際、平面領域以外の領域部から平面領域を覆うように、溶融樹脂を塗布する。これにより、グラファイトシートGFSの剥がれや、浮き、破壊を抑制し、溶融樹脂MRの下側(グラフェン含有樹脂複合体の機能面(表層))に組み込むことができる。また、高密度にグラフェンを有するグラファイトシートGFSを組み込むことができる。
次いで、図29(C)に示すように、基板S1上のグラファイトシートGFSを含浸させた溶融樹脂MRに、上金型UMに固定された板状部材PL1を押し付け、所定の時間、保持する。上金型UMおよび下金型LMは加温状態である。その後、冷却する図29(D)。これにより所定時間で溶融樹脂MRを固化させ、グラフェン含有樹脂複合体(PNC)を形成する。次いで、グラフェン含有樹脂複合体PNCを基板S1から剥離する(図29(E))。グラフェン含有樹脂複合体PNCは、基板S1から容易に剥がすことができる。別の言い方をすれば、グラフェン含有樹脂複合体PNCを板状部材PL1に転写する。グラフェン含有樹脂複合体PNCの剥離面(基板S1と接していた面、板状部材PL1と接していない面)が、機能面となる。即ち、導電性部となる。
この後、グラフェン含有樹脂複合体PNCを板状部材PL1から剥離し、グラフェン含有樹脂複合体(膜)PNCを得た(図29(F)。
成形されたグラフェン含有樹脂複合体(PNC)の表面抵抗の測定位置例を図30に示す。例えば、図30に示す測定位置において所定の電極間を置いて表面抵抗値(Ω/sq.)を求めた。図30の測定位置は一例であり、電極間距離を一定とし、複数個所の表面抵抗値(Ω/sq.)を求めた。各表面抵抗値の最大値(MAX)は、0.1260Ω/sq.であり、最小値(MIN)は、0.0974Ω/sq.であった。また、図30に示す測定位置において、端子間距離を変えて表面抵抗値を測定した。端子間距離が大きくなるにしたがって、表面抵抗値の上昇が確認できた。
上記実施例においては、グラファイトシートを用いたが、他のナノ物質NMよりなるシートを用いてもよい。このようなナノ物質NMを有するシートとして、例えば、カーボンナノチューブを用いたシート(CNTクロス、CNTシート)を用いてもよい。
(実施の形態5)
本実施の形態においては、ナノ物質含有樹脂複合体の製造装置について説明する。上記実施の形態のナノ物質含有樹脂複合体の製造装置に制限はないが、例えば、次のような装置を用いることができる。この装置は、第1部材と第2部材とに接続された加熱冷却部と、第1部材上に、吐出可能に設けられた第1吐出装置と、第1部材上に、吐出可能に設けられた第2吐出装置と、を有する。
図25等を参照しながら説明したとおり、第1部材は、例えば、下金型や基板である。第2部剤は、例えば、上金型や加圧用の板状部材である。
第1吐出装置は、例えば、エアブラシ(スプレーコート装置)である。エアブラシの他、ディップコート装置、LB装置(Langmuir-Blodgett装置)、電気泳動装置、ろ過装置、スピンコート装置、バーコード塗布装置(ロッドコーティング装置)を用いてもよい。
即ち、第1部材上へのナノ物質NMの分散液DLの塗布に、スプレーコーティング法の他、ディップコーティング法、LB(Langmuir-Blodgett)法、電気泳動法、ろ過法、スピンコーティング法、バーコード塗布法(ロッドコーティング法)により塗布してもよい。別の言い方をすれば、基板S1上へのナノ物質NMの分散液DLの塗布の方法としては、スプレーコーティング法の他、ディップコーティング法、LB(Langmuir-Blodgett)法、電気泳動法、ろ過法、スプレーコーティング法、バーコード塗布法などを用いてもよい。
第2吐出装置は、例えば、スクリュ式射出可塑化装置である。
図31は、スクリュ式射出可塑化装置20の構成例を示す断面図である。バレル22の内側に収納されるスクリュ21と、バレル22と連結され、ノズルを有するTダイTDとを有する。バレル22の内側に投入された樹脂材料は、スクリュ21の回転とバレルに巻かれたヒータからの伝熱により加熱、溶融、混練されながらスクリュ21によりノズルの先端部である吐出口DPから押し出される。なお、23は、逆止弁である。
第1部材と第2部材とは、プレス機(加圧部)に連結されており、第1部材と第2部材との間の樹脂に圧力を与える。
(実施の形態6)
上記実施の形態において説明したナノ物質含有樹脂複合体は、液晶表示装置に適用することができる。図32は、本実施の形態の液晶表示装置の構成を示す断面図である。液晶表示装置は、液晶層10の一方の側に設けられた電極EL1と、他方の側に設けられた電極EL2と、を有する。例えば、共通電極である、電極EL1にCNT含有樹脂複合体を適用することができる。
図32に示すように、電極EL2上の液晶層10上に、CNT含有樹脂複合体を搭載し、液晶表示装置を形成する。この際、CNT(ナノ物質)が高密度に取り込まれた機能面(樹脂表層)を液晶層10側に配置する。
なお、図32においては、偏光板や配向膜、電極EL2側に設けられるアレイ基板などの表示は省略されている。
このように、上記実施の形態において説明したナノ物質含有樹脂複合体は、液晶表示装置の透明電極(光透過性の導電成膜)として用いることができる。もちろん、液晶表示装置の他、有機EL表示装置などの他の表示装置にも適用可能である。
(実施の形態7)
実施の形態3、4では、基板S1を、下金型LMに固定し、その上に、CNTの分散液DLを塗布したが、スタンパST上にCNTの分散液DLを塗布してもよい。
即ち、図33に示すように、表面に凹凸を有するスタンパSTを、下金型LMに固定し、その上に、CNTの分散液DLを塗布し、乾燥させた後、溶融樹脂を塗布する。図33は、本実施の形態のナノ物質含有樹脂複合体の製造工程を示す断面図である。
この場合、CNTなどのナノ物質NMが高密度に取り込まれた機能面(樹脂表層)に、スタンパSTの凹凸形状に対応した形状を設けることができる。
(実施の形態8)
以下に、CNTを含有する樹脂よりなる光透過性の膜を例として、実施例を説明する。
(実施例B)
本実施例のナノ物質含有樹脂複合体の製造工程は、図20、図21を参照しながら説明した実施例1の場合と類似しているため、図20、図21を参照しながら説明する。
まず、図20(A)に示すように、基板S1を、下金型LMに固定し、下金型LMおよび基板S1を加熱した。加熱は、下金型LMと後述する上金型UMとを加熱・冷却可能に設置された加熱・冷却手段により行う。
次いで、図20(B)に示すように、基板S1上に、CNTの分散液DLを塗布した。CNTは、単層のものを用い、CNT1本の長さ(粒子の平均長径)は、約1μm~100μm、直径(粒子の平均短径)は、3~5nmである。但し、CNTの集合体粒子(バンドル)としての長さは100μm~1mm、より好ましくは100μm~600μm程度である。分散液DLとしては、溶媒SLとCNTとの混合液を用いた。なお、必要に応じて分散剤DAを添加した。溶媒SLとしては、2種のもの(DS1、DS2)を用いた、いずれも、極性溶媒である。分散液中のCNT濃度は、1wt%以下とした。この分散液DLをスプレーコート法により塗布した。85℃で2分間乾燥した後、常温(25℃)で乾燥することにより、CNTの集合体(CNTネットワーク層)を形成した。なお、この段階においては、分散剤DAが乾燥状態で、CNTの集合体中に残存していてもよい(図20(C))。
後日、図21(A)および図21(B)に示すように、CNTの集合体(CNTネットワーク層)上に、溶融樹脂MRとしてポリカーボネート(PC)の溶融樹脂を塗布した。ポリカーボネートとしては、ユーロピンHL-4000(MFR63g/10min)、三菱エンジニアリングプラスチック製を用いた。
ポリカーボネート(PC)の溶融樹脂の温度は、300℃である。塗布装置としては、溶融樹脂塗布成形装置(MTMII130-30H、スクリュ径φ20mm、加圧プレス力130kN、理論射出容量25cc、塗布樹脂幅104mm)を用いた。この装置であれば、高温の溶融樹脂を迅速かつ高い濡れ性をもち均一な温度でCNTの集合体上に塗布(吐出)することができる。
次いで、図21(C)に示すように、基板S1上のCNTの集合体(CNTネットワーク層)を含浸させた溶融樹脂MRに、上金型UMに固定された板状部材PL1を押し付け、保持した。第1圧力で第1時間(数十秒)、加圧保持した後、第2圧力まで降圧し、第2圧力で第2時間(数十秒)、加圧保持した後、0MPaまで降圧した。上金型UMおよび下金型LMは、加温状態であり、この後、冷却した(図21(D))。これにより、溶融樹脂MRを固化させ、CNT含有樹脂複合体(PNC)を形成した。次いで、CNT含有樹脂複合体PNCを基板S1から剥離した(図21(E))。別の言い方をすれば、板状部材PL1でナノ物質含有樹脂複合体PNCを板状部材PL1の形状に転写し、粘着させて板状部材PL1を開くことにより、ナノ物質含有樹脂複合体PNCを基板S1表面から剥離する。次いで、板状部材PL1を冷却することにより、ナノ物質含有樹脂複合体PNCを板状部材PL1から剥離する。CNT含有樹脂複合体PNCは、冷却による収縮により、基板S1から容易に剥がすことができた。次いで、図21(F)に示すように、板状部材PL1からCNT含有樹脂複合体PNCを取り外した。この際、CNT含有樹脂複合体PNCの剥離面(基板S1と接していた面、板状部材PL1と接していない面)が、機能面となる。即ち、導電性部となる。
本実施例においても、CNTが、上記機能面表層に、高密度に取り込まれており、さらに、その表面には極薄い樹脂層しか介在していないCNT含有樹脂複合体(PNC)を形成することができた。
成形されたCNT含有樹脂複合体(PNC)の機能面の表面抵抗および全光線透過率を測定した。抵抗測定装置は、HIOKI製の微小抵抗計RM3544-01装置を用いた。絶縁抵抗には、絶縁抵抗計(HIOKI製)を使用した。また、全光線透過率の測定には、HAZE METER NDH4000(日本電色工業(株)製)を用いた。
分散液DLとして、DS1とCNTとの混合液を用いた場合、表面抵抗値は、1.6kΩ/sq.~57.2kΩ/sq.であり、全光線透過率は、10%~65%であった。
また、分散液DLとして、DS2とCNTとの混合液を用いた場合、表面抵抗値は、2.32kΩ/sq.~230.00kΩ/sq.であり、全光線透過率は、17.43%~80.01%であった。なお、PCのみを塗布した膜の全光線透過率は90%であった。
図34は、表面抵抗値(kΩ/sq.)と、全光線透過率(%)との関係を示すグラフである。横軸は、表面抵抗値(kΩ/sq.)、縦軸は、全光線透過率(%)を示す。
本実施例により、CNTの添加量が高くなるに従って、表面抵抗率が低下することが判明した。CNTの添加量は、スプレーコーターのコーティング速度により変化させた。
また、本実施例においては、良好な全光線透過率および導電性(表面抵抗値)が得られた。さらに、図34によれば、上限の90%に達し、かつ、表面抵抗値が500kΩとなるCNT含有樹脂複合体を得ることが推測される。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態および実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態または実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
例えば、上記実施の形態または実施例で説明した光透過性の膜(透明導電性膜)は、表示装置の電極や保護膜、タッチセンサの電極や保護膜または光電変換装置(太陽電池)の電極などとして利用することができる。
10 液晶層
20 スクリュ式射出可塑化装置
21 スクリュ
22 バレル
23 逆止弁
AB エアブラシ
CNT カーボンナノチューブ
DA 分散剤
DL 分散液
DP 吐出口
EL1 電極
EL2 電極
GFS グラファイトシート
LM 下金型
MR 溶融樹脂
NM ナノ物質
NMS ナノ物質を含有するシート
PL1 板状部材
PNC ナノ物質含有樹脂複合体
R 樹脂
S1 基板
SL 溶媒
ST スタンパ
TD Tダイ
UM 上金型

Claims (23)

  1. (a)ナノ物質を表面に有する第1部材を準備する工程、
    (b)前記第1部材上の前記ナノ物質上に溶融樹脂を吐出し、前記ナノ物質に前記溶融樹脂を含浸させる工程、
    (c)前記溶融樹脂を固化させることにより、樹脂複合体を形成する工程、
    (d)前記樹脂複合体を前記第1部材から剥離する工程、
    を有し、
    前記樹脂複合体は、前記第1部材の剥離面側を機能面とし、
    前記樹脂複合体は、前記機能面側の前記ナノ物質の密度が、前記機能面と逆側の面の前記ナノ物質の密度より高く、かつ、前記樹脂複合体の前記機能面側の厚さの半分に、前記ナノ物質が90%以上分布している、ナノ物質含有樹脂複合体の製造方法。
  2. 請求項1に記載のナノ物質含有樹脂複合体の製造方法において、
    前記(b)工程において、前記第1部材は、前記溶融樹脂の流動停止温度以上の温度である、ナノ物質含有樹脂複合体の製造方法。
  3. 請求項1に記載のナノ物質含有樹脂複合体の製造方法において、
    前記(b)工程の後、第2部材を、前記溶融樹脂の上面と接触させる工程、を有し、
    前記(c)工程において、前記第2部材は、前記溶融樹脂の前記流動停止温度以上の温度であり、
    前記(c)工程において、前記第1部材と前記第2部材との間の前記溶融樹脂を加圧する、ナノ物質含有樹脂複合体の製造方法。
  4. 請求項1または2に記載のナノ物質含有樹脂複合体の製造方法において、
    前記ナノ物質は、カーボンナノチューブ、グラフェン、フラーレンである、ナノ物質含有樹脂複合体の製造方法。
  5. 請求項4に記載のナノ物質含有樹脂複合体の製造方法において、
    前記ナノ物質は、前記カーボンナノチューブであり、
    前記樹脂複合体の前記第1部材からの剥離面の表面抵抗は、50kΩ/sq.以下である、ナノ物質含有樹脂複合体の製造方法。
  6. 請求項1に記載のナノ物質含有樹脂複合体の製造方法において、
    前記ナノ物質は、SiO2、Ag、Al23、セルロースナノファイバー、ZrO2、ZnO、TiO2、Al23、CaO、BN、ナノクレィである、ナノ物質含有樹脂複合体の製造方法。
  7. 請求項4に記載のナノ物質含有樹脂複合体の製造方法において、
    前記(b)工程において、前記溶融樹脂は、スクリュ式射出装置により可塑化溶融されて吐出される、ナノ物質含有樹脂複合体の製造方法。
  8. 請求項4に記載のナノ物質含有樹脂複合体の製造方法において、
    前記第1部材は、下金型および前記下金型に固定された基板よりなり、
    前記ナノ物質は、前記基板の表面に配置されている、ナノ物質含有樹脂複合体の製造方法。
  9. 請求項4に記載のナノ物質含有樹脂複合体の製造方法において、
    前記第1部材は、下金型および前記下金型に固定されたスタンパよりなり、
    前記ナノ物質は、前記スタンパの表面に配置されている、ナノ物質含有樹脂複合体の製造方法。
  10. 請求項4に記載のナノ物質含有樹脂複合体の製造方法において、
    前記(a)工程は、
    (a1)前記ナノ物質を分散させた溶剤を、前記第1部材上に吐出する工程、
    (a2)加熱により前記溶剤を除去する工程、
    により、前記ナノ物質を前記第1部材上に配置する、ナノ物質含有樹脂複合体の製造方法。
  11. 請求項4に記載のナノ物質含有樹脂複合体の製造方法において、
    前記(a1)工程の吐出は、ディップコーティング法、LB(Langmuir-Blodgett)法、電気泳動法、ろ過法、スピンコーティング法、スプレーコーティング法、バーコード塗布法により行われる、ナノ物質含有樹脂複合体の製造方法。
  12. 請求項4に記載のナノ物質含有樹脂複合体の製造方法において、
    前記(a)工程は、前記基板上に、ナノ物質を成長させる工程である、ナノ物質含有樹脂複合体の製造方法。
  13. 請求項10に記載のナノ物質含有樹脂複合体の製造方法において、
    前記(a2)工程の加熱は、前記溶剤に含まれる分散剤の分解温度以上の温度で行われる、ナノ物質含有樹脂複合体の製造方法。
  14. (a)ナノ物質を第1部材上に搭載する工程、
    (b)前記第1部材上の前記ナノ物質上に溶融樹脂を吐出し、前記ナノ物質に前記溶融樹脂を含浸させる工程、
    (c)前記溶融樹脂を固化させることにより、樹脂複合体を形成する工程、
    (d)前記樹脂複合体を前記第1部材から剥離する工程、
    を有し、
    前記樹脂複合体は、前記第1部材の剥離面側を機能面とし、
    前記樹脂複合体は、前記機能面側の前記ナノ物質の密度が、前記機能面と逆側の面の前記ナノ物質の密度より高く、かつ、前記樹脂複合体の前記機能面側の厚さの半分に、前記ナノ物質が90%以上分布している、ナノ物質含有樹脂複合体の製造方法。
  15. 請求項14に記載のナノ物質含有樹脂複合体の製造方法において、
    前記(a)工程のナノ物質は、膜状のナノ物質である、ナノ物質含有樹脂複合体の製造方法。
  16. 請求項15に記載のナノ物質含有樹脂複合体の製造方法において、
    前記膜状のナノ物質は、グラファイトシートまたはカーボンナノチューブシートである、ナノ物質含有樹脂複合体の製造方法。
  17. 請求項15に記載のナノ物質含有樹脂複合体の製造方法において、
    前記(b)工程は、前記膜状のナノ物質の平面領域を含み、かつ、前記平面領域より広い第1領域に対し、溶融樹脂を吐出する工程であって、前記平面領域以外の領域部から前記平面領域を覆うように、前記溶融樹脂が吐出される、ナノ物質含有樹脂複合体の製造方法。
  18. 請求項17に記載のナノ物質含有樹脂複合体の製造方法において、
    前記(b)工程において、前記第1部材は、前記溶融樹脂の流動停止温度以上の温度である、ナノ物質含有樹脂複合体の製造方法。
  19. 請求項17に記載のナノ物質含有樹脂複合体の製造方法において、
    前記(b)工程の後、第2部材を、前記溶融樹脂の上面と接触させる工程、を有し、
    前記(c)工程において、前記第2部材は、前記溶融樹脂の前記流動停止温度以上の温度であり、
    前記(c)工程において、前記第1部材と前記第2部材との間の前記溶融樹脂を加圧する、ナノ物質含有樹脂複合体の製造方法。
  20. 第1部材と、第2部材と、
    前記第1部材と前記第2部材とに接続された加熱冷却部と、
    前記第1部材上に設けられた第1吐出装置と、
    前記第1部材上に設けられた第2吐出装置と、
    を有するナノ物質含有樹脂複合体の製造装置であって、
    前記第1吐出装置は、ナノ物質を分散させた溶剤を、前記第1部材上に吐出し、
    前記加熱冷却部は、前記溶剤を気化させ、
    前記第2吐出装置は、前記溶剤を気化させたナノ物質上に溶融樹脂を吐出し、その厚さの半分に、前記ナノ物質が90%以上分布するナノ物質含有樹脂複合体とする、ナノ物質含有樹脂複合体の製造装置。
  21. 請求項20に記載のナノ物質含有樹脂複合体の製造装置において、
    前記第1部材と前記第2部材とに設けられた加圧部を有し、
    前記加圧部は、前記第1部材と前記第2部材とを前記ナノ物質上の前記溶融樹脂を介して加圧する、ナノ物質含有樹脂複合体の製造装置。
  22. 透明導電性膜を有する装置の製造工程において、
    前記透明導電性膜は、ナノ物質含有樹脂複合体よりなる膜であり、
    前記透明導電性膜の製造工程は、
    (a)ナノ物質を表面に有する第1部材を準備する工程、
    (b)前記第1部材上の前記ナノ物質上に溶融樹脂を吐出し、前記ナノ物質に前記溶融樹脂を含浸させる工程、
    (c)前記溶融樹脂を固化させることにより、樹脂複合体を形成する工程、
    (d)前記樹脂複合体を前記第1部材から剥離する工程、
    を有し、
    前記樹脂複合体は、前記第1部材の剥離面側を機能面とし、
    前記樹脂複合体は、前記機能面側の前記ナノ物質の密度が、前記機能面と逆側の面の前記ナノ物質の密度より高く、かつ、前記樹脂複合体の前記機能面側の厚さの半分に、前記ナノ物質が90%以上分布している、透明導電性膜を有する装置の製造方法。
  23. 請求項22に記載の透明導電性膜を有する装置の製造方法において、
    前記透明導電性膜を有する装置は、表示装置、センサまたは光電変換装置である、透明導電性膜を有する装置の製造方法。
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