KR20170107023A - 탄소나노튜브 섬유의 제조방법, 탄소나노튜브 섬유의 제조장치 및 탄소나노튜브 섬유 - Google Patents

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Abstract

탄소나노튜브 섬유(1)의 제조방법은, 소정방향으로 연장되는 심재(2)를 준비하는 공정과, 기판(8) 상에 배치되며, 기판(8)에 대하여 수직으로 배향되는 복수의 탄소나노튜브(12)를 구비하는 탄소나노튜브 집합체(13)를 준비하는 공정과, 탄소나노튜브 집합체(13)로부터, 복수의 탄소나노튜브(12)가 연속적으로 이어지는 탄소나노튜브 무연사(3)를 인출하여 조제하는 공정과, 탄소나노튜브 무연사(3)를 심재(2)에 감는 공정을 포함한다.

Description

탄소나노튜브 섬유의 제조방법, 탄소나노튜브 섬유의 제조장치 및 탄소나노튜브 섬유{METHOD FOR MANUFACTURING CARBON NANOTUBE FIBER, DEVICE FOR MANUFACTURING CARBON NANOTUBE FIBER, AND CARBON NANOTUBE FIBER}
본 발명은, 탄소나노튜브 섬유의 제조방법, 탄소나노튜브 섬유의 제조장치 및 탄소나노튜브 섬유에 관한 것이다.
복수의 탄소나노튜브가 연속하는 탄소나노튜브 실(carbon nanotube 絲)을 직물이나 도전선재(導電線材) 등으로 하여, 각종 산업제품에 이용하는 것이 검토되고 있다.
이와 같은 탄소나노튜브 실의 제조방법으로서, 예를 들면 기판 상에 성장시킨 탄소나노튜브의 집합체로부터, 탄소나노튜브가 일방향(一方向)으로 배열하여 연속적으로 이어지는 시트 상태의 탄소나노튜브 시트(carbon nanotube sheet)를 복수 인출(引出)하고, 그 복수의 탄소나노튜브 시트를 포갠 후에 꼬기 및 연신(延伸)을 하여, 탄소나노튜브 연사(carbon nanotube 撚絲)를 형성하는 탄소나노튜브 연사의 제조방법이 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌1을 참조).
또한 이와 같은 탄소나노튜브 실에는, 용도에 따른 기계특성이나 전기특성 등이 요구된다.
그러나 탄소나노튜브 실 단독으로는, 요구되는 기계특성이나 전기특성 등을 충분하게 확보할 수 없는 경우가 있다. 그래서 필요한 특성을 부여하기 위하여, 탄소나노튜브 실에 다른 재료를 복합시키는 것이 검토되고 있다.
예를 들면 중심부에 실 모양의 부재를 삽입하여 통과시키는 탄소나노튜브 섬유가 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌2를 참조).
특허문헌1 : 일본국 공개특허공보 특개2011-208296호 공보 특허문헌2 : 일본국 공개특허공보 특개2014-169521호 공보
그러나 특허문헌1에 기재되어 있는 탄소나노튜브 연사의 제조방법에서는, 다수의 탄소나노튜브가 일괄하여 꼬기 및 연신이 되기 때문에, 탄소나노튜브 연사의 밀도의 향상을 도모하기 위해서는 한계가 있다. 그 때문에 이와 같은 탄소나노튜브 연사에서는, 용도에 따른 기계특성을 충분하게 확보할 수 없는 경우가 있다.
또한 특허문헌2에 기재되어 있는 탄소나노튜브 섬유에서는, 중심부에 실 모양의 부재를 삽입하여 통과시키고 있을 뿐이어서, 기계적 특성의 향상을 충분하게 확보할 수 없다.
또한 특허문헌2에 기재되어 있는 탄소나노튜브 섬유는, 세공(細孔)을 갖는 다이스(dies)를 복수 준비하고, 탄소나노튜브 및 실 모양의 부재를 동시에, 복수 다이스의 세공에 순차적으로 통과시킴으로써 조제(調製)되지만, 탄소나노튜브 및 실 모양의 부재를 동시에 다이스의 세공에 통과시키는 것은 매우 번잡하다.
또한 이와 같은 방법으로는, 탄소나노튜브 섬유에 대하여 실 모양의 부재를 높은 정밀도로 중심부에 배치하는 것이 곤란하여, 실 모양의 부재와 탄소나노튜브가 균형을 잘 이루고 있다고 하는 특성을 얻을 수 없다.
그래서 본 발명의 목적은, 간이한 방법에 의하면서도, 기계특성의 향상을 도모할 수 있는 탄소나노튜브 섬유, 탄소나노튜브 섬유의 제조방법 및 탄소나노튜브 섬유의 제조장치를 제공하는 것에 있다.
또한 본 발명의 목적은, 간이한 방법에 의하면서도, 기계특성의 향상을 도모할 수 있고, 또한 심재(芯材) 및 탄소나노튜브 실이 균형을 잘 이루고 있다고 하는 특성을 얻을 수 있는 탄소나노튜브 복합섬유, 탄소나노튜브 복합섬유의 제조방법 및 탄소나노튜브 복합섬유의 제조장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명[1]은, 소정방향(所定方向)으로 연장되는 심재(芯材)를 준비하는 공정과, 기판 상에 배치되며, 상기 기판에 대하여 수직으로 배향(配向)되는 복수의 탄소나노튜브를 구비하는 탄소나노튜브 집합체(carbon nanotube 集合體)를 준비하는 공정과, 상기 탄소나노튜브 집합체로부터, 상기 복수의 탄소나노튜브가 연속적으로 이어지는 탄소나노튜브 무연사(carbon nanotube 無撚絲)를 인출(引出)하여 조제(調製)하는 공정과, 상기 탄소나노튜브 무연사를 상기 심재에 감는 공정을 포함하는 탄소나노튜브 섬유의 제조방법을 포함하고 있다.
이와 같은 방법에 의하면, 심재에 탄소나노튜브 무연사가 감기기 때문에, 간이한 방법에 의하면서도, 탄소나노튜브 섬유의 기계특성의 향상을 도모할 수 있다.
또한 탄소나노튜브 섬유에 있어서, 심재는 확실하게 중심부에 배치되고, 탄소나노튜브 무연사는 심재의 주위에 배치된다. 그 때문에 탄소나노튜브 섬유에 있어서, 심재 및 탄소나노튜브 무연사를 균형 있게 배치할 수 있다.
그 결과, 탄소나노튜브 섬유의 기계특성의 향상을 한층 더 도모할 수 있으면서도, 탄소나노튜브 섬유에 있어서, 심재 및 탄소나노튜브 무연사가 균형을 잘 이루고 있다고 하는 특성을 얻을 수 있다.
본 발명[2]는, 기판 상에 배치되며, 상기 기판에 대하여 수직으로 배향되는 복수의 탄소나노튜브를 구비하는 탄소나노튜브 집합체를 복수 준비하는 공정과, 복수의 상기 탄소나노튜브 집합체 중의 적어도 1개의 탄소나노튜브 집합체로부터, 상기 복수의 탄소나노튜브가 연속적으로 이어지는 탄소나노튜브 무연사를 복수 인출한 후에, 복수의 상기 탄소나노튜브 무연사를 묶어 탄소나노튜브 중심사(carbon nanotube 中心絲)를 조제하는 공정과, 복수의 상기 탄소나노튜브 집합체 중의 적어도 1개의 탄소나노튜브 집합체로부터, 상기 복수의 탄소나노튜브가 연속적으로 이어지는 탄소나노튜브 무연사를 인출한 후에, 상기 탄소나노튜브 무연사를 상기 탄소나노튜브 중심사에 감는 공정을 포함하는 탄소나노튜브 섬유의 제조방법을 포함하고 있다.
이와 같은 방법에 의하면, 복수의 탄소나노튜브 무연사를 묶어 탄소나노튜브 중심사를 조제한 후에, 그 탄소나노튜브 중심사에 탄소나노튜브 무연사가 감긴다. 그 때문에 간이한 방법에 의하면서도, 탄소나노튜브 섬유의 밀도의 향상을 용이하게 도모할 수 있다.
또한 탄소나노튜브 섬유에 있어서, 탄소나노튜브 중심사는 확실하게 중심부에 배치되고, 탄소나노튜브 무연사는 탄소나노튜브 중심사의 주위에 배치된다. 그 때문에 탄소나노튜브 섬유에 있어서, 탄소나노튜브 중심사 및 탄소나노튜브 무연사를 균형 있게 배치할 수 있다.
즉 탄소나노튜브 섬유의 밀도의 향상을 도모할 수 있으면서도, 탄소나노튜브 중심사 및 탄소나노튜브 무연사를 균형 있게 배치할 수 있기 때문에, 탄소나노튜브 섬유의 기계특성의 향상을 확실하게 도모할 수 있다.
또한 탄소나노튜브 무연사는, 기판에 대하여 수직으로 배향되는 복수의 탄소나노튜브로부터 인출되기 때문에, 탄소나노튜브 무연사에 있어서, 복수의 탄소나노튜브 각각이, 탄소나노튜브 무연사의 연장방향을 따르도록 배향된다.
그 때문에 복수의 탄소나노튜브 무연사가 묶인 탄소나노튜브 중심사, 및 탄소나노튜브 중심사에 감긴 탄소나노튜브 무연사 각각에 있어서, 탄소나노튜브의 배향성을 확실하게 확보할 수 있고, 탄소나노튜브 섬유에 있어서, 탄소나노튜브의 배향성을 확실하게 확보할 수 있다.
본 발명[3]은, 상기 탄소나노튜브 중심사를 조제하는 공정에 있어서, 복수의 상기 탄소나노튜브 무연사를 꼬아, 상기 탄소나노튜브 중심사를 연사(撚絲)로서 조제하는 상기 [2]에 기재되어 있는 탄소나노튜브 섬유의 제조방법을 포함하고 있다.
이와 같은 방법에 의하면, 탄소나노튜브 중심사가 연사로서 조제되기 때문에, 탄소나노튜브 중심사의 밀도의 향상을 확실하게 도모할 수 있고, 더 나아가서는 탄소나노튜브 섬유의 밀도의 향상을 확실하게 도모할 수 있다.
본 발명[4]는, 상기 탄소나노튜브 무연사를 상기 탄소나노튜브 중심사에 감는 공정에 있어서, 상기 탄소나노튜브 무연사를, 상기 탄소나노튜브 중심사의 꼬임방향을 따르도록 상기 탄소나노튜브 중심사에 감는 상기 [3]에 기재되어 있는 탄소나노튜브 섬유의 제조방법을 포함하고 있다.
이와 같은 방법에 의하면, 탄소나노튜브 무연사가 탄소나노튜브 중심사의 꼬임방향을 따르도록 탄소나노튜브 중심사에 감기기 때문에, 탄소나노튜브 중심사를 구성하는 탄소나노튜브 무연사의 꼬임방향과, 탄소나노튜브 중심사에 감기는 탄소나노튜브 무연사의 권취방향을 일치시킬 수 있다.
그 때문에, 탄소나노튜브 중심사의 탄소나노튜브의 배향방향과, 탄소나노튜브 무연사의 탄소나노튜브의 배향방향을 일치시킬 수 있어, 탄소나노튜브 섬유에 있어서, 탄소나노튜브의 배향성을 더 확실하게 확보할 수 있다.
본 발명[5]는, 상기 탄소나노튜브 집합체를 복수 준비하는 공정은, 상기 기판 상에 촉매층(觸媒層)을 배치하는 공정과, 상기 기판에 원료가스를 공급함으로써, 상기 촉매층을 기점으로 하여 상기 복수의 탄소나노튜브를 성장(成長)시키는 공정을 포함하고 있는 상기 [2]∼[4] 중의 어느 하나의 항에 기재되어 있는 탄소나노튜브 섬유의 제조방법을 포함하고 있다.
이와 같은 방법에 의하면, 기판 상에 배치되는 촉매층을 기점으로 하여 복수의 탄소나노튜브가 성장하기 때문에, 복수의 탄소나노튜브를 확실하게 기판에 대하여 수직으로 배향할 수 있어, 탄소나노튜브 집합체를 확실하게 준비할 수 있다.
본 발명[6]은, 상기 탄소나노튜브 무연사를 상기 탄소나노튜브 중심사에 감는 공정에 있어서, 상기 탄소나노튜브 집합체로부터 복수의 상기 탄소나노튜브 무연사를 인출하고, 복수의 상기 탄소나노튜브 무연사 중의 적어도 2개의 상기 탄소나노튜브 무연사를, 감기는 방향이 서로 다르게 되도록 상기 탄소나노튜브 중심사에 나선 모양으로 감는 상기 [2]∼[5] 중의 어느 하나의 항에 기재되어 있는 탄소나노튜브 섬유의 제조방법을 포함하고 있다.
이와 같은 방법에 의하면, 복수의 탄소나노튜브 무연사 중의 적어도 2개의 탄소나노튜브 무연사가, 감기는 방향이 서로 다르게 되도록 탄소나노튜브 중심사에 나선 모양으로 감긴다. 그 때문에, 탄소나노튜브 섬유에 있어서, 탄소나노튜브 무연사의 탄소나노튜브를 적어도 2개의 방향으로 배향시킬 수 있다. 그 결과, 탄소나노튜브 섬유의 전기특성을 적절하게 조정할 수 있다.
본 발명[7]은, 상기 탄소나노튜브 중심사를 조제하는 공정에 있어서, 상기 탄소나노튜브 중심사에 휘발성 유기용매를 부착시키는 상기 [2]∼[6] 중의 어느 하나의 항에 기재되어 있는 탄소나노튜브 섬유의 제조방법을 포함하고 있다.
이와 같은 방법에 의하면, 탄소나노튜브 중심사에 탄소나노튜브 무연사가 감기기 전에, 휘발성 유기용매가 부착된다. 그리고 휘발성 유기용매가 부착된 탄소나노튜브 중심사에, 탄소나노튜브 무연사가 감긴다.
그 후에 휘발성 유기용매가 기화함으로써, 탄소나노튜브 중심사의 복수의 탄소나노튜브 무연사, 및 탄소나노튜브 중심사에 감기는 탄소나노튜브 무연사 각각이 서로 응집한다.
그 때문에, 탄소나노튜브 섬유의 밀도의 향상을 보다 더 도모할 수 있고, 탄소나노튜브 섬유의 기계특성의 향상을 한층 더 확실하게 도모할 수 있다.
본 발명[8]은, 상기 탄소나노튜브 무연사를 상기 탄소나노튜브 중심사에 감는 공정에 있어서, 상기 탄소나노튜브 무연사를 상기 탄소나노튜브 중심사에 감기 전에, 상기 탄소나노튜브 중심사 및 상기 탄소나노튜브 무연사 각각을, 금속을 함유하는 금속 함유액에 침지시킨 후에 건조시키거나, 또는 상기 탄소나노튜브 중심사 및 상기 탄소나노튜브 무연사 각각에, 금속을 증착시키는 상기 [2]∼[7] 중의 어느 하나의 항에 기재되어 있는 탄소나노튜브 섬유의 제조방법을 포함하고 있다.
이와 같은 방법에 의하면, 탄소나노튜브 무연사를 탄소나노튜브 중심사에 감기 전에, 탄소나노튜브 중심사 및 탄소나노튜브 무연사 각각이 금속 함유액에 침지되어 금속을 담지(擔持)하거나, 또는 탄소나노튜브 중심사 및 탄소나노튜브 무연사 각각에 금속이 증착되어 금속막이 형성된다.
그 때문에, 탄소나노튜브 섬유에 금속의 특성을 부여할 수 있음과 아울러, 탄소나노튜브 무연사를 탄소나노튜브 중심사에 감았을 때에, 탄소나노튜브 중심사와 탄소나노튜브 무연사를 확실하게 밀착시킬 수 있다.
본 발명[9]는, 상기 탄소나노튜브 무연사를 상기 탄소나노튜브 중심사에 감는 공정에 있어서, 상기 탄소나노튜브 무연사를 상기 탄소나노튜브 중심사에 감기 전에, 상기 탄소나노튜브 중심사 및 상기 탄소나노튜브 무연사 각각을, 고분자재료로 이루어지는 필름에 포개거나, 또는 고분자재료를 함유하는 고분자 함유액에 침지시킨 후에 건조시키거나, 또는 상기 탄소나노튜브 중심사 및 상기 탄소나노튜브 무연사 각각에, 고분자재료가 용해된 고분자용액을 일렉트로 스피닝(electro spinning)하는 상기 [2]∼[7] 중의 어느 하나의 항에 기재되어 있는 탄소나노튜브 섬유의 제조방법을 포함하고 있다.
이와 같은 방법에 의하면, 탄소나노튜브 무연사가 탄소나노튜브 중심사에 감기기 전에, 탄소나노튜브 중심사 및 탄소나노튜브 무연사 각각에, 고분자재료로 이루어지는 필름이 포개지거나, 고분자용액이 일렉트로 스피닝되거나, 또는 탄소나노튜브 중심사 및 탄소나노튜브 무연사 각각이, 고분자 함유액에 침지되어 고분자재료를 담지한다.
그 때문에, 탄소나노튜브 섬유에 고분자재료의 특성을 부여할 수 있음과 아울러, 탄소나노튜브 무연사를 탄소나노튜브 중심사에 감았을 때에, 탄소나노튜브 중심사와 탄소나노튜브 무연사를 확실하게 밀착시킬 수 있다.
본 발명[10]은, 상기 탄소나노튜브 무연사가 감긴 상기 탄소나노튜브 중심사를 가열처리하는 공정을 더 포함하는 상기 [8] 또는 [9]에 기재되어 있는 탄소나노튜브 섬유의 제조방법을 포함하고 있다.
이와 같은 방법에 의하면, 탄소나노튜브 무연사가 감긴 탄소나노튜브 중심사를 가열처리할 때에, 탄소나노튜브 중심사 및 탄소나노튜브 무연사 각각이 갖는 금속 또는 고분자재료가 서로 용융하기 때문에, 탄소나노튜브 중심사 및 탄소나노튜브 무연사 각각의 탄소나노튜브와, 금속 또는 고분자재료를 확실하게 복합화할 수 있다.
본 발명[11]은, 상기 탄소나노튜브 무연사를 상기 탄소나노튜브 중심사에 감는 공정에 있어서, 상기 탄소나노튜브 무연사를 상기 탄소나노튜브 중심사에 감기 전에, 상기 탄소나노튜브 중심사 및 상기 탄소나노튜브 무연사 각각을, UV 처리 또는 플라스마 처리에 의하여 표면처리하는 상기 [2]∼[10] 중의 어느 하나의 항에 기재되어 있는 탄소나노튜브 섬유의 제조방법을 포함하고 있다.
이와 같은 방법에 의하면, 탄소나노튜브 무연사를 탄소나노튜브 중심사에 감기 전에, 탄소나노튜브 중심사 및 탄소나노튜브 무연사 각각이, UV 처리 또는 플라스마 처리에 의하여 표면처리되기 때문에, 탄소나노튜브 무연사를 탄소나노튜브 중심사에 감았을 때에, 탄소나노튜브 중심사와 탄소나노튜브 무연사를 확실하게 밀착시킬 수 있다.
본 발명[12]는, 복수의 탄소나노튜브 무연사를 묶어, 소정방향으로 연장되는 탄소나노튜브 중심사를 공급하는 제1공급부와, 상기 제1공급부에 대하여 상기 소정방향으로 간격을 두고 배치되며, 상기 제1공급부로부터 공급되는 상기 탄소나노튜브 중심사를 회수하도록 구성되는 회수부(回收部)와, 상기 제1공급부와 상기 회수부의 사이에 배치되는 상기 탄소나노튜브 중심사에, 탄소나노튜브 무연사를 공급하는 제2공급부를 구비하고, 상기 제1공급부 및 상기 회수부 중의 어느 일방(一方)은, 상기 소정방향을 따르는 축선(軸線)을 회전중심으로 하여 회전 가능한 탄소나노튜브 섬유의 제조장치를 포함하고 있다.
이와 같은 구성에 의하면, 제1공급부가 복수의 탄소나노튜브 무연사를 묶어, 탄소나노튜브 중심사를 공급할 수 있고, 제2공급부가 탄소나노튜브 무연사를 탄소나노튜브 중심사에 공급할 수 있다. 그리고 제1공급부 및 회수부 중의 어느 일방이 회전함으로써, 탄소나노튜브 중심사에 탄소나노튜브 무연사를 감을 수 있다.
그 때문에, 탄소나노튜브 중심사에 탄소나노튜브 무연사가 감기는 탄소나노튜브 섬유를 효율적으로 제조할 수 있다.
본 발명[13]은, 복수의 탄소나노튜브가 연속적으로 이어지는 탄소나노튜브 무연사가 복수 묶이는 탄소나노튜브 중심사와, 상기 탄소나노튜브 중심사에 감기는 상기 탄소나노튜브 무연사를 구비하는 탄소나노튜브 섬유를 포함하고 있다.
이와 같은 구성에 의하면, 복수의 탄소나노튜브 무연사가 묶이는 탄소나노튜브 중심사에, 탄소나노튜브 무연사가 감겨 있기 때문에, 탄소나노튜브 섬유의 밀도의 향상을 용이하게 도모할 수 있으면서도, 탄소나노튜브 중심사를 중심부에 배치할 수 있고, 탄소나노튜브 무연사를 탄소나노튜브 중심사의 주위에 배치할 수 있다.
즉 탄소나노튜브 섬유의 밀도의 향상을 도모할 수 있으면서도, 탄소나노튜브 중심사 및 탄소나노튜브 무연사를 균형 있게 배치할 수 있기 때문에, 기계특성의 향상을 확실하게 도모할 수 있다.
본 발명[14]는, 소정방향으로 연장되는 심재를 준비하는 공정과, 기판 상에 배치되며, 상기 기판에 대하여 수직으로 배향되는 복수의 탄소나노튜브를 준비하는 공정과, 상기 기판 상의 상기 복수의 탄소나노튜브로부터, 상기 복수의 탄소나노튜브가 연속적으로 이어지는 탄소나노튜브 무연사를 인출하여 조제하는 공정과, 상기 탄소나노튜브 무연사를 상기 심재에 감아 복합섬유 전구체(複合纖維 前驅體)를 조제하는 공정과, 상기 복합섬유 전구체를 가열처리하는 공정을 포함하는 탄소나노튜브 복합섬유의 제조방법을 포함하고 있다.
이와 같은 방법에 의하면, 심재에 탄소나노튜브 무연사가 감긴 복합섬유 전구체를 가열처리하기 때문에, 심재와 탄소나노튜브 무연사를 복합화시킬 수 있다. 그 때문에, 탄소나노튜브 복합섬유의 기계특성의 향상을 확실하게 도모할 수 있다.
또한 복합섬유 전구체는, 탄소나노튜브 무연사를 심재에 감는 간이한 방법으로 조제할 수 있다. 그리고 복합섬유 전구체에 있어서, 심재는 확실하게 중심부에 배치되고, 탄소나노튜브 무연사는 심재의 주위에 배치된다. 그 때문에 탄소나노튜브 복합섬유에 있어서, 심재를 확실하게 중심부에 배치할 수 있고, 또한 탄소나노튜브 무연사를 심재의 주위에 배치할 수 있다. 그 결과, 탄소나노튜브 복합섬유의 기계특성의 향상을 보다 더 도모할 수 있으면서도, 탄소나노튜브 복합섬유에 있어서, 심재 및 탄소나노튜브 무연사가 균형을 잘 이루고 있다고 하는 특성을 얻을 수 있다.
또한 탄소나노튜브 무연사는, 기판에 대하여 수직으로 배향되는 복수의 탄소나노튜브로부터 인출되기 때문에, 탄소나노튜브 무연사에 있어서, 복수의 탄소나노튜브 각각이, 탄소나노튜브 무연사의 연장방향을 따르도록 배향된다.
그 때문에 탄소나노튜브 무연사가 심재에 감긴 상태에 있어서도, 탄소나노튜브의 배향성을 확실하게 확보할 수 있고, 탄소나노튜브 복합섬유에 있어서, 탄소나노튜브 무연사에 의거한 특성을 확실하게 발현시킬 수 있다.
본 발명[15]는, 상기 복수의 탄소나노튜브를 준비하는 공정은, 기판 상에 촉매층을 배치하는 공정과, 상기 기판에 원료가스를 공급함으로써, 상기 촉매층을 기점으로 하여 복수의 탄소나노튜브를 성장시키는 공정을 포함하고 있는 상기 [14]에 기재되어 있는 탄소나노튜브 복합섬유의 제조방법을 포함하고 있다.
이와 같은 방법에 의하면, 기판 상에 배치되는 촉매층을 기점으로 하여 복수의 탄소나노튜브가 성장하기 때문에, 기판에 대하여 수직으로 배향되는 복수의 탄소나노튜브를 확실하게 준비할 수 있다.
본 발명[16]은, 상기 심재는 금속으로 이루어지고, 상기 탄소나노튜브 무연사를 조제하는 공정에 있어서, 상기 탄소나노튜브 무연사를 금속을 함유하는 금속 함유액에 침지시킨 후에 건조시키거나, 또는 상기 탄소나노튜브 무연사에 금속을 증착시키는 상기 [14] 또는 [15]에 기재되어 있는 탄소나노튜브 복합섬유의 제조방법을 포함하고 있다.
이와 같은 방법에 의하면, 탄소나노튜브 무연사가 심재에 감기기 전에, 탄소나노튜브 무연사가 금속 함유액에 침지되어 금속을 담지하거나, 탄소나노튜브 무연사에 금속이 증착되어 금속막이 형성된다.
그 때문에, 금속으로 이루어지는 심재에, 그와 같은 탄소나노튜브 무연사를 감았을 때에, 심재와 탄소나노튜브 무연사를 확실하게 밀착시킬 수 있다. 또한 복합섬유 전구체를 가열처리할 때에, 심재와, 탄소나노튜브가 갖는 금속(금속막)이 서로 용융하기 때문에, 심재와 탄소나노튜브를 확실하게 복합화할 수 있다.
본 발명[17]은, 상기 심재는 고분자재료로 이루어지고, 상기 탄소나노튜브 무연사를 조제하는 공정에 있어서, 상기 탄소나노튜브 무연사를 고분자재료로 이루어지는 필름에 포개거나, 또는 상기 탄소나노튜브 무연사를 고분자재료를 함유하는 고분자 함유액에 침지시킨 후에 건조시키거나, 또는 상기 탄소나노튜브 무연사에 고분자재료가 용해된 고분자용액을 일렉트로 스피닝하는 상기 [14] 또는 [15]에 기재되어 있는 탄소나노튜브 복합섬유의 제조방법을 포함하고 있다. 이와 같은 방법에 의하면, 탄소나노튜브 무연사가 심재에 감기기 전에, 탄소나노튜브 무연사에 고분자재료로 이루어지는 필름이 포개지거나, 탄소나노튜브 무연사가 고분자 함유액에 침지되어 고분자재료를 담지하거나, 또는 탄소나노튜브 무연사에 고분자용액이 일렉트로 스피닝된다.
그 때문에 고분자재료로 이루어지는 심재에, 그와 같은 탄소나노튜브 무연사가 감겼을 때에, 심재와 탄소나노튜브 무연사를 확실하게 밀착시킬 수 있다. 또한 복합섬유 전구체를 가열처리할 때에, 심재와, 탄소나노튜브가 갖는 고분자재료가 서로 용융하기 때문에, 심재와 탄소나노튜브를 확실하게 복합화할 수 있다.
본 발명[18]은, 심재를 소정방향을 향하여 송출하도록 구성되며, 상기 소정방향을 따르는 축선을 회전중심으로 하여 회전 가능한 송출부(送出部)와, 상기 송출부에 대하여 상기 소정방향으로 간격을 두고 배치되고, 상기 송출부로부터 송출되는 상기 심재를 회수하도록 구성되며, 상기 소정방향을 따르는 축선을 회전중심으로 하여 회전 가능한 회수부와, 상기 송출부와 상기 회수부의 사이에 배치되는 상기 심재에, 탄소나노튜브 무연사를 공급하는 공급부와, 상기 송출부 및 상기 회수부 각각이 회전함으로써 상기 탄소나노튜브 무연사가 감긴 상기 심재를 가열하도록 구성되는 가열부를 구비하고 있는 탄소나노튜브 복합섬유의 제조장치를 포함하고 있다.
이와 같은 구성에 의하면, 간이한 구성에 의하면서도, 송출부 및 회수부 각각이 회전함으로써, 심재에 탄소나노튜브 무연사를 감을 수 있고, 그 후에 가열부에 의하여, 탄소나노튜브 무연사가 감긴 심재를 가열할 수 있다.
그 때문에 심재에 탄소나노튜브 무연사가 감기고, 또한 심재와 탄소나노튜브 무연사가 복합화한 탄소나노튜브 복합섬유를 효율적으로 제조할 수 있다.
본 발명[19]는, 소정방향으로 연장되는 심재와, 상기 복수의 탄소나노튜브가 연속적으로 이어지는 탄소나노튜브 무연사로서, 상기 심재에 감기는 탄소나노튜브 무연사를 구비하고 있는 탄소나노튜브 복합섬유를 포함하고 있다.
이와 같은 구성에 의하면, 탄소나노튜브 무연사가 심재에 감겨 있기 때문에, 탄소나노튜브 복합섬유에 있어서, 심재를 확실하게 중심부에 배치할 수 있고, 탄소나노튜브 무연사를 심재의 주위에 배치할 수 있다. 그 때문에, 기계특성의 향상을 도모할 수 있으면서도, 심재 및 탄소나노튜브 무연사가 균형을 잘 이루고 있다고 하는 특성을 얻을 수 있다.
본 발명의 탄소나노튜브 섬유의 제조방법은, 간이한 방법에 의하면서도, 기계특성의 향상을 도모할 수 있는 탄소나노튜브 섬유를 제조할 수 있다.
또한 본 발명의 탄소나노튜브 복합섬유의 제조방법은, 간이한 방법에 의하면서도, 기계특성의 향상을 도모할 수 있고, 또한 심재 및 탄소나노튜브 무연사가 균형을 잘 이루고 있다고 하는 특성을 얻을 수 있는 탄소나노튜브 섬유를 제조할 수 있다.
또한 본 발명의 탄소나노튜브 섬유의 제조장치는, 탄소나노튜브 중심사에 탄소나노튜브 무연사가 감기는 탄소나노튜브 섬유를 효율적으로 제조할 수 있다.
또한 본 발명의 탄소나노튜브 복합섬유의 제조장치는, 심재에 탄소나노튜브 무연사가 감기고, 또한 심재와 탄소나노튜브 무연사가 복합화한 탄소나노튜브 섬유를 효율적으로 제조할 수 있다.
또한 본 발명의 탄소나노튜브 섬유는, 기계특성의 향상을 확실하게 도모할 수 있다.
또한 본 발명의 탄소나노튜브 복합섬유는, 기계특성의 향상을 도모할 수 있고, 또한 심재 및 탄소나노튜브 무연사가 균형을 잘 이루고 있다고 하는 특성을 얻을 수 있다.
도1a는, 본 발명에 관한 탄소나노튜브 무연사의 조제공정의 하나의 실시형태를 설명하기 위한 설명도로서, 기판 상에 촉매층을 형성하는 공정을 나타낸다. 도1b는, 도1a에 계속되는 것으로서, 기판을 가열하여 촉매층을 복수의 입상체로 응집시키는 공정을 나타낸다. 도1c는, 도1b에 계속되는 것으로서, 복수의 입상체에 원료가스를 공급하여 복수의 탄소나노튜브를 성장시키는 공정을 나타낸다. 도1d는, 도1c에 계속되는 것으로서, 복수의 탄소나노튜브를 인출하여 탄소나노튜브 무연사를 조제하는 공정을 나타낸다.
도2는, 본 발명인 탄소나노튜브 섬유의 제조장치의 제1실시형태로서의 섬유제조장치의 사시도이다.
도3a는, 도2에 나타내는 섬유제조장치의 개략적인 구성도이다. 도3b는, 도3a에 나타내는 탄소나노튜브 섬유의 단면도이다.
도4는, 본 발명인 탄소나노튜브 섬유의 제조장치의 제2실시형태에 관한 평면도이다.
도5는, 본 발명인 탄소나노튜브 섬유의 제조장치의 제3실시형태에 관한 개략적인 구성도이다.
도6은, 본 발명인 탄소나노튜브 섬유의 제조장치의 제4실시형태 및 제8실시형태에 관한 개략적인 구성도이다.
도7은, 본 발명인 탄소나노튜브 섬유의 제조장치의 제5실시형태에 관한 개략적인 구성도이다.
도8은, 본 발명인 탄소나노튜브 섬유의 제조장치의 제6실시형태에 관한 개략적인 구성도이다.
도9는, 본 발명인 탄소나노튜브 섬유의 제조장치의 제7실시형태에 관한 개략적인 구성도이다.
도10은, 본 발명인 탄소나노튜브 섬유의 제조장치의 제9실시형태에 관한 사시도이다.
도11은, 도10에 나타내는 탄소나노튜브 섬유의 제조장치의 개략적인 구성도이다.
도12는, 도11에 나타내는 탄소나노튜브 복합섬유의 단면도이다.
도13은, 본 발명인 탄소나노튜브 섬유의 제조장치의 다른 실시형태(침지부를 더 구비하는 구성)에 관한 개략적인 구성도이다.
도14는, 본 발명인 탄소나노튜브 섬유의 제조장치의 다른 실시형태(증착부를 더 구비하는 구성)에 관한 개략적인 구성도이다.
1. 제1실시형태
본 발명의 탄소나노튜브 섬유(carbon nanotube 纖維)의 제조방법은, 예를 들면 도2 및 도3a에 나타내는 바와 같이, 심재(芯材)를 준비하는 공정과, 탄소나노튜브 집합체(carbon nanotube 集合體)(13)를 갖는 탄소나노튜브 지지체(carbon nanotube 支持體)(5)를 준비하는 공정과, 탄소나노튜브 집합체(13)로부터 탄소나노튜브 무연사(carbon nanotube 無撚絲)(3)를 인출하여 조제(調製)하는 공정과, 탄소나노튜브 무연사(3)를 심재에 감는 공정을 포함하고 있다.
또한 제1실시형태에서는, 심재가 복수의 탄소나노튜브 무연사(3)가 묶여 조제되는 탄소나노튜브 중심사(carbon nanotube 中心絲)(2)인 경우에 대하여 상세하게 설명한다.
제1실시형태에서는, 예를 들면 탄소나노튜브 집합체(13)를 갖는 탄소나노튜브 지지체(5)를 복수 준비하는 공정과, 탄소나노튜브 집합체(13)로부터 복수의 탄소나노튜브 무연사(3)를 인출하고 묶어 탄소나노튜브 중심사(2)를 조제하는 공정과, 탄소나노튜브 집합체(13)로부터 탄소나노튜브 무연사(3)를 인출하고 탄소나노튜브 중심사(2)에 감는 공정을 포함하고 있다.
이와 같은 제조방법에서는, 먼저 탄소나노튜브 지지체(5)를 복수 준비한다.
탄소나노튜브 지지체(5)는, 기판(基板)(8)과, 기판(8) 상에 배치되는 탄소나노튜브 집합체(13)를 구비하고 있다.
기판(8)은, 평면에서 볼 때에 대략 직사각형 형상의 판(板) 모양을 하고 있고, 구체적으로는 소정의 두께를 갖고, 두께방향과 직교하는 소정방향으로 연장되고, 평탄한 표면 및 평탄한 이면을 갖는다.
탄소나노튜브 집합체(13)는, 기판(8)에 대하여 직교하도록 배향(수직으로 배향)되는 복수의 탄소나노튜브(12)를 구비하고 있다.
이와 같은 탄소나노튜브 지지체(5)를 조제(준비)하기 위해서는, 예를 들면 화학기상성장법(CVD법)에 의하여, 기판(8) 상에 복수의 탄소나노튜브(12)를 성장시킨다.
이 방법에서는, 먼저 도1a에 나타내는 바와 같이 기판(8)을 준비한다.
기판(8)은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 CVD법에 사용되는 공지의 기판을 들 수 있고, 시판품을 사용할 수 있다.
기판(8)으로서, 구체적으로는 실리콘 기판이나, 이산화규소막(10)이 적층되는 스테인레스 기판(9) 등을 들 수 있고, 바람직하게는 이산화규소막(10)이 적층되는 스테인레스 기판(9)을 들 수 있다. 또한 도1a∼도1d 및 도2에서는, 기판(8)이 이산화규소막(10)이 적층되는 스테인레스 기판(9)인 경우를 나타낸다.
그리고 도1a에 나타내는 바와 같이, 기판(8) 상에, 바람직하게는 이산화규소막(10) 상에 촉매층(11)을 형성한다.
기판(8) 상에 촉매층(11)을 형성하기 위해서는, 공지의 성막방법에 의하여 기판(8)(바람직하게는, 이산화규소막(10)) 상에 금속촉매를 성막한다.
금속촉매로서는, 예를 들면 철, 코발트, 니켈 등을 들 수 있고, 바람직하게는 철을 들 수 있다. 이와 같은 금속촉매는, 단독으로 사용하거나 2종류 이상을 병용할 수 있다.
성막방법으로서는, 예를 들면 진공증착 및 스퍼터링을 들 수 있고, 바람직하게는 진공증착을 들 수 있다.
이에 따라 기판(8) 상에 촉매층(11)이 배치된다.
또한 기판(8)이 이산화규소막(10)이 적층되는 스테인레스 기판(9)인 경우에 이산화규소막(10) 및 촉매층(11)은, 예를 들면 일본국 공개특허공보 특개2014-94856호 공보에 기재되어 있는 바와 같이, 이산화규소 전구체용액과 금속촉매 전구체용액이 혼합된 혼합용액을 스테인레스 기판(9)에 도포한 후에 그 혼합액을 상분리시키고, 다음에 건조시킴으로써, 동시에 형성할 수도 있다.
다음에 촉매층(11)이 배치되는 기판(8)을, 도1b에 나타내는 바와 같이, 예를 들면 700℃ 이상 900℃ 이하에서 가열한다. 이에 따라, 촉매층(11)이 응집하여 복수의 입상체(粒狀體)(11A)가 된다.
그리고 가열된 기판(8)에, 도1c에 나타내는 바와 같이, 원료가스를 공급한다.
원료가스는, 탄소수 1∼4의 탄화수소가스(저급 탄화수소가스)를 포함하고 있다.
탄소수 1∼4의 탄화수소가스로서는, 예를 들면 메탄가스, 에탄가스, 프로판가스, 부탄가스, 에틸렌가스, 아세틸렌가스 등을 들 수 있고, 바람직하게는 아세틸렌가스를 들 수 있다.
또한 원료가스는, 필요에 따라 수소가스나 불활성가스(예를 들면 헬륨, 아르곤 등), 수증기 등을 포함할 수도 있다.
원료가스가 수소가스나 불활성가스를 포함하는 경우에, 원료가스에 있어서의 탄화수소가스의 농도는, 예를 들면 1부피％ 이상, 바람직하게는 30부피％ 이상, 예를 들면 90부피％ 이하, 바람직하게는 50부피％ 이하이다.
원료가스의 공급시간으로서는, 예를 들면 1분 이상, 바람직하게는 5분 이상, 예를 들면 60분 이하, 바람직하게는 30분 이하이다.
이에 따라, 복수의 입상체(11A) 각각을 기점으로 하여 복수의 탄소나노튜브(12)가 성장한다. 또한 도1c에서는, 편의상 1개의 입상체(11A)로부터 1개의 탄소나노튜브(12)가 성장하는 것처럼 기재되어 있지만, 이에 한정되지 않고, 1개의 입상체(11A)로부터 복수의 탄소나노튜브(12)가 성장하더라도 좋다.
이와 같은 복수의 탄소나노튜브(12) 각각은, 기판(8) 상에 있어서 서로 대략 평행이 되도록 기판(8)의 두께방향으로 연장되어 있다. 즉 복수의 탄소나노튜브(12)는, 기판(8)에 대하여 직교하도록 배향(수직으로 배향)되어 있다.
복수의 탄소나노튜브(12) 각각은, 단층 탄소나노튜브, 이층 탄소나노튜브 및 다층 탄소나노튜브 중의 어느 것이더라도 좋고, 바람직하게는 다층 탄소나노튜브이다. 이들 탄소나노튜브(12)는, 단독으로 사용하거나 2종류 이상을 병용할 수 있다.
복수의 탄소나노튜브(12) 각각의 평균외경은, 예를 들면 1㎚ 이상, 바람직하게는 5㎚ 이상, 예를 들면 100㎚ 이하, 바람직하게는 50㎚ 이하, 더욱 바람직하게는 20㎚ 이하이다.
또한 복수의 탄소나노튜브(12) 각각의 평균길이(평균 축선방향 치수)는, 예를 들면 1㎛ 이상, 바람직하게는 100㎛ 이상, 더욱 바람직하게는 200㎛ 이상, 예를 들면 1000㎛ 이하, 바람직하게는 500㎛ 이하, 더욱 바람직하게는 400㎛ 이하이다. 또한 탄소나노튜브(12)의 평균외경 및 평균길이는, 예를 들면 라만 분광분석(Raman 分光分析)이나 전자현미경 관찰 등의 공지의 방법에 의하여 측정된다.
이에 따라, 복수의 탄소나노튜브(12)를 구비하는 탄소나노튜브 집합체(13)가 기판(8) 상에 형성된다.
이와 같은 탄소나노튜브 집합체(13)는, 도2에 나타내는 바와 같이, 복수의 탄소나노튜브(12)가 직선적으로 나란하게 되도록 배치되는 열(13A)을, 열(13A)이 연장되는 방향과 직교하는 방향으로 복수 구비하고 있다. 이에 따라, 탄소나노튜브 집합체(13)는 대략 시트 형상으로 형성되어 있다.
탄소나노튜브 집합체(13)에 있어서, 복수의 탄소나노튜브(12)의 부피밀도(bulk density)는, 예를 들면 10㎎/㎤ 이상, 바람직하게는 20㎎/㎤ 이상, 예를 들면 60㎎/㎤ 이하, 바람직하게는 50㎎/㎤ 이하이다. 또한 탄소나노튜브(12)의 부피밀도는, 예를 들면 단위면적당 질량(평량(basis weight) : 단위 ㎎/㎠)과, 탄소나노튜브의 길이(SEM(니혼덴시 가부시키가이샤(JEOL Ltd.) 제품) 또는 비접촉 막두께측정기(가부시키가이샤 키엔스(KEYENCE CORPORATION) 제품)에 의하여 측정)로부터 산출된다.
그리고 이와 같은 기판(8) 및 탄소나노튜브 집합체(13)를 구비하는 탄소나노튜브 지지체(5)를 복수 준비한다. 즉 탄소나노튜브 집합체(13)를 복수 준비한다.
더 구체적으로는 복수의 탄소나노튜브 지지체(5)는, 제1탄소나노튜브 지지체(6)와 제2탄소나노튜브 지지체(7)를 구비하고 있다.
제1탄소나노튜브 지지체(6)는, 탄소나노튜브 중심사(2)를 조제하기 위한 복수의 탄소나노튜브 무연사(3)를 인출하는 것이다. 제1탄소나노튜브 지지체(6)는, 1개이어도 좋고 복수이어도 좋지만, 바람직하게는 1개이다.
제2탄소나노튜브 지지체(7)는, 탄소나노튜브 중심사(2)에 감기 위한 탄소나노튜브 무연사(3)를 인출하는 것이다. 제2탄소나노튜브 지지체(7)는, 1개이어도 좋고 복수이어도 좋지만, 바람직하게는 복수이다.
또한 도2에서는, 제1탄소나노튜브 지지체(6)가 1개이고, 제2탄소나노튜브 지지체(7)가 2개인 태양을 나타내고 있다.
다음에 도1d에 나타내는 바와 같이, 제1탄소나노튜브 지지체(6)의 탄소나노튜브 집합체(13)로부터 복수의 탄소나노튜브 무연사(3)를 인출한다.
탄소나노튜브 집합체(13)로부터 탄소나노튜브 무연사(3)를 인출하기 위해서는, 예를 들면 탄소나노튜브 집합체(13) 중의 일부의 탄소나노튜브(12)를, 도면에 나타내지 않은 인출도구에 의하여 기판(8)의 두께방향과 교차하는 방향, 바람직하게는 열(13A)이 연장되는 방향으로 잡아당긴다.
그러면 당겨진 탄소나노튜브(12)는, 대응하는 입상체(11A)로부터 뽑히게 된다. 이때에, 뽑히는 탄소나노튜브(12)에 인접하는 탄소나노튜브(12)는, 뽑히는 탄소나노튜브(12)와의 마찰력 및 반데르발스의 힘 등에 의하여, 그 탄소나노튜브(12)의 일단(一端)(상단 또는 하단)이 상기 뽑히는 탄소나노튜브(12)의 일단(상단 또는 하단)에 부착되어, 대응하는 입상체(11A)로부터 뽑히게 된다.
이에 따라, 복수의 탄소나노튜브(12)가 순차적으로 연속하여 탄소나노튜브 집합체(13)로부터 인출되어, 복수의 탄소나노튜브(12)가 연속적으로 이어지는 탄소나노튜브 무연사(3)를 형성한다.
더 상세하게는, 탄소나노튜브 무연사(3)에 있어서 연속하는 탄소나노튜브(12)는, 그들 탄소나노튜브(12)의 하단끼리 또는 상단끼리 부착되어 있다.
또한 탄소나노튜브 집합체(13)는, 도2에 나타내는 바와 같이, 복수의 탄소나노튜브(12)로 이루어지는 열(13A)을 복수 구비하고 있기 때문에, 제1탄소나노튜브 지지체(6)의 탄소나노튜브 집합체(13)로부터 복수의 탄소나노튜브 무연사(3)를 일괄하여 인출할 수 있다. 이 경우에는, 복수의 열(13A)의 탄소나노튜브(12)를 동시에 인출한다(도2의 확대도 참조). 이에 따라, 복수의 탄소나노튜브 무연사(3)가 제1탄소나노튜브 지지체(6)의 탄소나노튜브 집합체(13)로부터 일괄하여 인출된다.
탄소나노튜브 무연사(3)의 인출속도로서는, 예를 들면 10㎜/분 이상, 바람직하게는 30㎜/분 이상, 예를 들면 100㎜/분 이하, 바람직하게는 70㎜/분 이하이다.
상기한 바에 따라, 제1탄소나노튜브 지지체(6)의 탄소나노튜브 집합체(13)로부터 복수의 탄소나노튜브 무연사(3)가 인출된다.
복수의 탄소나노튜브 무연사(3) 각각은, 꼬임이 없는 무연사로서, 실 형상(선 형상)을 하고 있다. 즉, 탄소나노튜브 무연사(3)의 꼬임각도는 대략 0°이다. 그리고 복수의 탄소나노튜브(12) 각각은, 탄소나노튜브 무연사(3)에 있어서 직선모양으로 연속하고 있고, 탄소나노튜브 무연사(3)의 연장방향을 따르도록 배향되어 있다.
복수의 탄소나노튜브 무연사(3) 각각의 지름(복수의 탄소나노튜브 무연사(3)로 이루어지는 탄소나노튜브 시트의 두께)은, 예를 들면 30㎚ 이상, 바람직하게는 60㎚ 이상, 예를 들면 100㎚ 이하, 바람직하게는 80㎚ 이하이다.
다음에 복수의 탄소나노튜브 무연사(3)를 묶어 탄소나노튜브 중심사(2)를 조제한다.
복수의 탄소나노튜브 무연사(3)를 묶는 방법으로서는 특별히 제한되지 않고, 예를 들면 복수의 탄소나노튜브 무연사(3)를 구멍부를 갖는 받침대에 통과시키는 방법(예를 들면, 일본국 공개특허공보 특개2014-169521호 공보에 기재되어 있는 방법 등), 복수의 탄소나노튜브 무연사(3)를 복수의 롤러 사이에 끼우는 방법(예를 들면, 일본국 공개특허공보 특개2011-208296호 공보에 기재되어 있는 방법 등), 복수의 탄소나노튜브 무연사(3)를 약간의 간격을 두고 배치되는 한 쌍의 축부 사이로 통과시키는 방법 등을 들 수 있다.
이와 같은 방법 중에서는, 바람직하게는 복수의 탄소나노튜브 무연사(3)를 약간의 간격을 두고 배치되는 한 쌍의 축부(29) 사이로 통과시키는 방법을 들 수 있다.
한 쌍의 축부(29) 각각은, 상세한 것은 후술하겠지만, 탄소나노튜브 무연사(3)의 연장방향과 직교하는 방향으로 연장되어 있고, 축선을 중심으로 하여 회전 가능하도록 구성되어 있다.
그리고 복수의 탄소나노튜브 무연사(3)를 묶음으로써, 소정방향으로 연장되는 탄소나노튜브 중심사(2)(심재)가 조제(준비)된다.
즉 심재를 준비하는 공정은, 기판(8) 상에 배치되는 탄소나노튜브 집합체(13)(제1탄소나노튜브 지지체(6))를 준비하는 공정과, 탄소나노튜브 집합체(13)로부터 탄소나노튜브 무연사(3)를 복수 인출한 후에, 복수의 탄소나노튜브 무연사(3)를 묶어 탄소나노튜브 중심사(2)를 조제하는 공정을 포함하고 있다.
탄소나노튜브 중심사(2)는, 복수의 탄소나노튜브 무연사(3)가 꼬여 있지 않은 무연사이어도 좋지만, 바람직하게는 복수의 탄소나노튜브 무연사(3)가 꼬여 있는 연사이다.
탄소나노튜브 중심사(2)가 연사인 경우에, 탄소나노튜브 중심사(2)의 꼬임각도(θ1)는, 도3a에 나타내는 바와 같이, 예를 들면 40° 이상 85° 이하, 바람직하게는 50° 이상 75° 이하이다.
탄소나노튜브 중심사(2)의 지름은, 예를 들면 5㎛ 이상, 바람직하게는 10㎛ 이상, 예를 들면 50㎛ 이하, 바람직하게는 45㎛ 이하, 더욱 바람직하게는 30㎛ 이하이다.
탄소나노튜브 중심사(2)의 지름이, 상기 하한 이상이면 탄소나노튜브 중심사(2)의 기계강도를 확실하게 확보할 수 있고, 상기 상한 이하이면 탄소나노튜브 중심사(2)의 밀도의 향상(즉, 탄소나노튜브 중심사(2)의 공극률 저하)을 확실하게 도모할 수 있다.
더 구체적으로는 탄소나노튜브 중심사(2)의 부피밀도는, 예를 들면 0.6g/㎤ 이상, 바람직하게는 0.8g/㎤ 이상, 예를 들면 2.0g/㎤ 이하이다. 또한 탄소나노튜브 중심사(2)가 연사인 경우에 탄소나노튜브 중심사(2)의 부피밀도는, 예를 들면 0.6g/㎤를 초과한다.
다음에 제2탄소나노튜브 지지체(7)의 탄소나노튜브 집합체(13)로부터, 상기한 바와 마찬가지로 하여 탄소나노튜브 무연사(3)를 인출한다.
또한 바람직하게는, 제2탄소나노튜브 지지체(7)의 탄소나노튜브 집합체(13)로부터 복수의 탄소나노튜브 무연사(3)를 일괄하여 인출한다. 이 경우에, 복수의 열(13A)의 탄소나노튜브(12)를 동시에 또한 평행하게 인출한다(도2의 확대도 참조). 이에 따라 복수의 탄소나노튜브 무연사(3)는, 탄소나노튜브 무연사(3)의 연장방향과 교차하는 방향으로 병렬배치된다. 이와 같이 병렬배치되는 복수의 탄소나노튜브 무연사(3)는, 대략 시트 형상을 하고 있고, 탄소나노튜브 시트(14)로서 구성된다.
또한 제1실시형태에서는, 복수의 제2탄소나노튜브 지지체(7) 각각의 탄소나노튜브 집합체(13)로부터 복수의 탄소나노튜브 무연사(3)(탄소나노튜브 시트(14))가 인출되고 있다.
또한 이하에 있어서, 제2탄소나노튜브 지지체(7)로부터 인출되는 탄소나노튜브 무연사(3)를 탄소나노튜브 권취사(carbon nanotube 卷取絲)(4)라고 한다.
다음에 탄소나노튜브 권취사(4)(탄소나노튜브 시트(14))를 탄소나노튜브 중심사(2)(심재)의 둘레면(peripheral surface)에 감는다.
탄소나노튜브 권취사(4)를 탄소나노튜브 중심사(2)에 감기 위해서는, 예를 들면 탄소나노튜브 권취사(4)의 일단부(一端部)를 탄소나노튜브 중심사(2)(또는 탄소나노튜브 중심사(2)의 둘레에 감긴 탄소나노튜브 무연사(3))에 고정시킨 후에, 탄소나노튜브 중심사(2)를 탄소나노튜브 중심사(2)의 축선을 중심으로 하여 회전시킨다.
또한 탄소나노튜브 중심사(2)가 일방(一方)으로 연장되는 방향과, 탄소나노튜브 권취사(4)가 일방으로 연장되는 방향이 이루는 각(θ2)은, 도3a에 나타내는 바와 같이 예각이며, 그 각의 각도는, 예를 들면 5° 이상 50° 이하, 바람직하게는 15° 이상 40° 이하이다.
또한 탄소나노튜브 권취사(4)는, 바람직하게는 탄소나노튜브 중심사(2)에 대하여 나선 모양으로 감긴다. 이와 같은 경우에, 탄소나노튜브 권취사(4)의 일단부(탄소나노튜브(12)의 일단)를 탄소나노튜브 중심사(2)에 고정시킨 후에, 탄소나노튜브 중심사(2)를 탄소나노튜브 중심사(2)의 축선을 중심으로 하여 회전시킴과 아울러, 소정방향의 일방을 향하여 이동시킨다.
또한 탄소나노튜브 중심사(2)가 연사인 경우에 탄소나노튜브 권취사(4)는, 바람직하게는 탄소나노튜브 중심사(2)의 꼬임방향을 따르도록, 탄소나노튜브 중심사(2)에 대하여 나선 모양으로 감긴다.
이 경우에 탄소나노튜브 권취사(4)의 일단부는, 권취각(θ3)(각(θ2)의 여각)의 각도가 탄소나노튜브 중심사(2)의 꼬임각도(θ1)와 대략 동일하게 되도록 탄소나노튜브 중심사(2)에 고정된다. 더 구체적으로는 탄소나노튜브 권취사(4)의 권취각(θ3)은, 탄소나노튜브 중심사(2)의 꼬임각도(θ1)에 대하여, 예를 들면 ±5° 이내, 바람직하게는 ±3° 이내이다.
이에 따라 탄소나노튜브 권취사(4)는, 적어도 1회, 바람직하게는 복수 회 탄소나노튜브 중심사(2)의 둘레면에 감긴다.
탄소나노튜브 권취사(4)가 탄소나노튜브 중심사(2)의 둘레면에 복수 회 감기는 경우에, 탄소나노튜브 중심사(2)의 둘레에는, 도3b에 나타내는 바와 같이, 탄소나노튜브 권취사(4)가 탄소나노튜브 중심사(2)의 전체 둘레에 걸쳐 복수 적층된다.
탄소나노튜브 권취사(4)의 적층횟수로서는, 예를 들면 20층 이상, 바람직하게는 50층 이상, 더욱 바람직하게는 80층 이상, 예를 들면 200층 이하, 바람직하게는 150층 이하, 더 바람직하게는 120층 이하이다.
상기한 바에 따라, 복수의 탄소나노튜브 무연사(3)가 묶인 탄소나노튜브 중심사(2)와, 탄소나노튜브 중심사(2)에 감기는 탄소나노튜브 권취사(4)를 구비하는 탄소나노튜브 섬유(1)가 조제된다.
탄소나노튜브 섬유(1)에 있어서, 탄소나노튜브 중심사(2)는 탄소나노튜브 섬유(1)의 대략 중앙에 배치되어 있고, 탄소나노튜브 권취사(4)는 탄소나노튜브 중심사(2)의 전체 둘레에 걸쳐, 탄소나노튜브 중심사(2)의 둘레면에 대략 일정한 두께(지름방향의 치수)로 적층되어 있다.
이와 같은 탄소나노튜브 섬유(1)의 지름은, 예를 들면 2㎛ 이상, 바람직하게는 5㎛ 이상, 더욱 바람직하게는 10㎛ 이상, 예를 들면 70㎛ 이하, 바람직하게는 60㎛ 이하, 더욱 바람직하게는 40㎛ 이하, 특히 바람직하게는 20㎛ 이하이다.
탄소나노튜브 섬유(1)의 지름이, 상기의 하한 이상이면 탄소나노튜브 섬유(1)의 기계강도를 확실하게 확보할 수 있고, 상기의 상한 이하이면 탄소나노튜브 섬유(1)의 밀도의 향상을 확실하게 도모할 수 있다.
더 구체적으로는 탄소나노튜브 섬유(1)의 부피밀도는, 예를 들면 0.6g/㎤ 이상, 바람직하게는 0.8g/㎤ 이상, 예를 들면 2.0g/㎤ 이하이다. 또한 탄소나노튜브 중심사(2)가 연사인 경우에 탄소나노튜브 섬유(1)의 부피밀도는, 예를 들면 0.6g/㎤을 초과한다.
이와 같은 탄소나노튜브 섬유(1)의 파단강도는, 예를 들면 200mN 이상, 바람직하게는 300mN 이상, 예를 들면 800mN 이하, 바람직하게는 700mN 이하이다.
또한 탄소나노튜브 섬유(1)의 파단강도는, 일축 인장강도 시험기(一軸 引張强度 試驗機)에 의하여 측정된다.
이와 같은 탄소나노튜브 섬유(1)는, 예를 들면 탄소섬유가 사용되는 직물(시트), 전기기기(예를 들면 모터, 트랜스, 센서 등)의 도전선재 등 각종 산업제품에 이용된다.
이와 같은 탄소나노튜브 섬유의 제조방법은, 도2에 나타내는 바와 같이, 예를 들면 탄소나노튜브 섬유의 제조장치의 일례로서의 섬유제조장치(20)에 의하여 연속적으로 실시된다.
섬유제조장치(20)는, 제1공급부의 일례로서의 중심사 공급부(21)와, 회수부(回收部)(22)와, 제2공급부의 일례로서의 권취사 공급부(23)를 구비하고 있다.
중심사 공급부(21)는, 탄소나노튜브 중심사(2)를 소정방향의 일방을 향하여 송출하도록 구성되어 있고, 제1탄소나노튜브 지지체(6)와, 도면에 나타내지 않은 인출도구와, 수속부(收束部)(27)를 구비하고 있다.
제1탄소나노튜브 지지체(6)는, 상기한 바와 같이, 기판(8)과 탄소나노튜브 집합체(13)를 구비하고 있다.
그리고 제1탄소나노튜브 지지체(6)는, 탄소나노튜브 집합체(13)의 열(13A)의 연장방향이 소정방향을 따르도록 배치되어 있다.
또한 제1탄소나노튜브 지지체(6)의 탄소나노튜브 집합체(13)는, 평면에서 볼 때에 있어서 대략 직사각형 형상을 하고 있다. 그리고 복수의 열(13A) 각각에 있어서, 소정방향의 일방의 가장 끝에 위치하는 탄소나노튜브(12)는, 소정방향과 직교하는 폭방향으로 직선적으로 배열되어 있고, 탄소나노튜브 집합체(13)의 소정방향 일단부(所定方向 一端部)(13X)를 구성하고 있다.
수속부(27)는, 제1탄소나노튜브 지지체(6)에 대하여 소정방향의 일방에 간격을 두고 배치되어 있다. 수속부(27)는, 지지판(28)과, 한 쌍의 축부(29)를 구비하고 있다.
지지판(28)은, 폭방향으로 연장되며 평면에서 볼 때에 대략 직사각형 형상의 판 모양을 하고 있다.
한 쌍의 축부(29)는, 지지판(28)의 상면(上面)의 대략 중앙부분에 있어서, 서로 약간의 간격을 두고 배치되어 있다. 한 쌍의 축부(29) 각각은, 수직방향으로 연장되는 대략 원기둥 형상을 하고 있고, 축심(軸芯) 둘레로 상대회전이 가능하도록 지지판(28)에 지지되어 있다.
회수부(22)는, 중심사 공급부(21)로부터 송출된 탄소나노튜브 중심사(2)를 회수하도록 구성되어 있고, 중심사 공급부(21)에 대하여 소정방향의 일방에 간격을 두고 배치되어 있다. 회수부(22)는, 회전부(33)와, 회수축(32)과, 축구동부(35)와, 회전구동부(34)를 구비하고 있다.
회전부(33)는, 소정방향의 타방(他方)을 향하여 개방되며 평면에서 볼 때에 대략 ‘ㄷ’자 모양을 하고 있고, 한 쌍의 축지지부(33A)와, 연결부(33B)를 일체(一體)로 구비하고 있다.
한 쌍의 축지지부(33A)는, 폭방향으로 서로 간격을 두고 배치되어 있다. 한 쌍의 축지지부(33A) 각각은, 소정방향으로 연장되며 대략 판 형상을 하고 있다.
연결부(33B)는, 한 쌍의 축지지부(33A)에 있어서 소정방향의 일단부 사이에 가설(架設)되어 있다. 연결부(33B)는, 폭방향으로 연장되며 대략 판 형상을 하고 있다.
회수축(32)은, 한 쌍의 축지지부(33A)에 있어서 소정방향의 타단부(他端部) 사이에 배치되어 있다. 회수축(32)은, 폭방향으로 연장되며 대략 원기둥 형상을 하고 있고, 그 양(兩) 단부의 각각이, 대응하는 축지지부(33A)에 회전 가능하도록 지지되어 있다.
축구동부(35)는, 외부로부터 전력이 공급됨으로써 회수축(32)에 구동력을 공급하도록 구성되어 있다. 축구동부(35)는, 폭방향에 있어서 한 쌍의 축지지부(33A) 사이에 배치되고, 소정방향에 있어서 회수축(32)과 연결부(33B) 사이에 배치되어 있다.
축구동부(35)는, 모터축(35A)과, 구동전달벨트(35B)를 구비하고 있다.
모터축(35A)은, 한 쌍의 축지지부(33A) 중 일방의 축지지부(33A)에 회전 가능하도록 지지되어 있고, 도면에 나타내지 않은 모터 본체로부터 구동력이 입력됨으로써 회전한다.
구동전달벨트(35B)는, 공지의 무한벨트로서, 모터축(35A)의 폭방향 일단부와 회수축(32)의 폭방향 일단부를 가로질러 설치되어 있다.
회전구동부(34)는, 외부로부터 전력이 공급됨으로써 회전부(33)에 구동력을 공급하도록 구성되어 있다. 회전구동부(34)는, 회전부(33)에 대하여 소정방향의 일방에 배치되어 있다.
회전구동부(34)는, 예를 들면 공지의 모터로 이루어지고, 모터 본체(34A)와, 모터 본체(34A)에 회전 가능하도록 지지되는 모터축(34B)을 구비하고 있다. 그리고 모터축(34B)의 소정방향 타단부는, 회전부(33)에 있어서 연결부(33B)의 폭방향의 중앙에 고정되어 있다. 이에 따라 회전부(33)는, 모터축(34B), 즉 소정방향을 따르는 축선을 회전중심으로 하여 회전 가능하다.
권취사 공급부(23)는, 상세한 것은 후술하겠지만, 중심사 공급부(21)와 회수부(22)의 사이에 배치되는 탄소나노튜브 중심사(2)에 대하여, 탄소나노튜브 무연사(3)(탄소나노튜브 권취사(4))를 공급하도록 구성되어 있다.
권취사 공급부(23)는, 제2탄소나노튜브 지지체(7)와, 도면에 나타내지 않은 인출도구를 구비하고 있다.
제2탄소나노튜브 지지체(7)는, 수속부(27)와 회수부(22)의 사이에 복수 배치되어 있고, 구체적으로는 2개의 제2탄소나노튜브 지지체(7)이다.
복수의 제2탄소나노튜브 지지체(7) 각각은, 상기한 바와 같이, 기판(8)과 탄소나노튜브 집합체(13)를 구비하고 있다.
그리고 복수의 제2탄소나노튜브 지지체(7) 각각은, 탄소나노튜브 집합체(13)의 열(13A)의 연장방향이 소정방향 및 폭방향의 양 방향과 교차하도록 배치되어 있다. 또한 복수의 제2탄소나노튜브 지지체(7)는, 탄소나노튜브 집합체(13)의 열(13A)의 연장방향이 서로 대략 평행하게 되도록 소정방향으로 간격을 두고 배치되어 있다.
또한 제2탄소나노튜브 지지체(7)의 탄소나노튜브 집합체(13)는, 평면에서 볼 때에 있어서 대략 직사각형 형상을 하고 있다. 그리고 복수의 열(13A) 각각에 있어서, 가장 탄소나노튜브 중심사(2) 측에 위치하는 탄소나노튜브(12)는, 열(13A)의 연장방향과 직교하는 방향으로 직선적으로 배열되어 있고, 탄소나노튜브 집합체(13)의 인출방향 하류단부(引出方向 下流端部)(13Y)를 구성하고 있다.
이와 같은 섬유제조장치(20)에서는, 제1탄소나노튜브 지지체(6)의 탄소나노튜브 집합체(13)로부터, 도면에 나타내지 않은 인출도구에 의하여 복수의 탄소나노튜브 무연사(3)를 인출한다.
더 상세하게는, 탄소나노튜브 집합체(13)의 소정방향 일단부(13X)를, 도면에 나타내지 않은 인출도구에 의하여 일괄하여 홀딩하고, 소정방향의 일방을 향하여 잡아당긴다.
그러면 복수의 열(13A) 각각에 있어서, 복수의 탄소나노튜브(12)가 연속하도록 인출되어, 복수의 탄소나노튜브 무연사(3)가 형성된다.
그리고 복수의 탄소나노튜브 무연사(3)를 한 쌍의 축부(29) 사이로 통과시킨다. 이때에 한 쌍의 축부(29) 각각은, 복수의 탄소나노튜브 무연사(3)와 미끄러져 접촉함으로써 종동회전한다.
이에 따라 복수의 탄소나노튜브 무연사(3)가 묶여, 1개의 탄소나노튜브 중심사(2)가 조제된다.
그리고 탄소나노튜브 중심사(2)를, 권취사 공급부(23)에 대하여 폭방향의 일방을 통과하도록 소정방향의 일방을 향하여 더 인출하고, 탄소나노튜브 중심사(2)의 소정방향 일단부를 회수부(22)의 회수축(32)에 고정시킨다. 이에 따라 탄소나노튜브 중심사(2)가 중심사 공급부(21)로부터 회수부(22)에 걸쳐 놓인다.
또한 이 상태에 있어서 탄소나노튜브 중심사(2)는, 복수의 탄소나노튜브 무연사(3)가 꼬여 있지 않은 무연사이다.
다음에 복수의 제2탄소나노튜브 지지체(7) 각각의 탄소나노튜브 집합체(13)로부터, 도면에 나타내지 않은 인출도구에 의하여 복수의 탄소나노튜브 권취사(4)(복수의 탄소나노튜브 무연사(3))를 인출한다.
더 상세하게는, 탄소나노튜브 집합체(13)의 인출방향 하류단부(13Y)를, 도면에 나타내지 않은 인출도구에 의하여 일괄하여 홀딩하고, 탄소나노튜브 중심사(2)를 향하여 잡아당긴다.
그러면 복수의 열(13A)의 각각에 있어서, 복수의 탄소나노튜브(12)가 연속하도록 인출되어, 복수의 탄소나노튜브 권취사(4)가 형성된다. 이때에 복수의 탄소나노튜브 권취사(4)는, 인출방향과 직교하는 방향으로 병렬배치되어 대략 시트 형상이 되고, 탄소나노튜브 시트(14)를 구성한다.
그리고 복수의 탄소나노튜브 권취사(4) 각각의 일단부(탄소나노튜브 시트(14)의 일단부)를, 수속부(27)와 회수부(22)의 사이에 배치되는 탄소나노튜브 중심사(2)에 고정시킨다.
다음에 회수부(22)의 회전구동부(34)에 전력을 공급함과 아울러, 축구동부(35)에 전력을 공급한다.
그러면 회전구동부(34)의 모터축(34B)이 소정방향의 일방에서 보아 시계방향으로 회전하고, 그에 따라 회전부(33)가 소정방향의 일방에서 보아 시계방향으로 회전한다. 또한 축구동부(35)의 모터축(35A)이 폭방향의 타방에서 보아 시계방향으로 회전하고, 그에 따라 회수축(32)이 폭방향의 타방에서 보아 시계방향으로 회전한다.
이에 따라 탄소나노튜브 중심사(2)가, 소정방향의 일방에서 보아 시계방향으로 회전하여 꼬임과 아울러, 회수축(32)에 권취(卷取)된다.
더 상세하게는 탄소나노튜브 중심사(2)는, 복수의 탄소나노튜브 무연사(3)가 제1탄소나노튜브 지지체(6)의 탄소나노튜브 집합체(13)로부터 연속적으로 인출되고, 수속부(27)에서 묶임으로써, 중심사 공급부(21)로부터 송출되고, 회전하면서 소정방향의 일방을 향하여 이동한 후에, 회수축(32)에 권취된다. 즉 탄소나노튜브 중심사(2)는, 회전하면서 중심사 공급부(21)로부터 회수부(22)를 향하여 연속적으로 이동한다.
이때에 탄소나노튜브 중심사(2)의 회전속도(원주속도)는, 예를 들면 0.1m/min 이상, 바람직하게는 0.5m/min 이상, 예를 들면 10m/min 이하, 바람직하게는 6.0m/min 이하, 더욱 바람직하게는 3.0m/min 이하이다.
또한 탄소나노튜브 중심사(2)의 이동속도는, 예를 들면 0.1m/min 이상, 바람직하게는 0.5m/min 이상, 예를 들면 10m/min 이하, 바람직하게는 6.0m/min 이하, 더욱 바람직하게는 3.0m/min 이하이다.
그리고 탄소나노튜브 중심사(2)에 일단부가 고정된 탄소나노튜브 권취사(4)는, 탄소나노튜브 중심사(2)의 회전 및 이동에 따라, 탄소나노튜브 중심사(2)의 꼬임방향을 따르도록 탄소나노튜브 중심사(2)의 둘레에 나선 모양으로 감긴다. 이에 따라 복수의 탄소나노튜브 권취사(4)는, 제2탄소나노튜브 지지체(7)의 탄소나노튜브 집합체(13)로부터 더 인출되고, 탄소나노튜브 중심사(2)에 연속적으로 공급되어, 순차적으로 감긴다. 이때에 복수의 탄소나노튜브 권취사(4)는, 감기는 방향이 서로 동일하다.
이에 따라, 탄소나노튜브 중심사(2)의 둘레에 탄소나노튜브 권취사(4)가 복수 적층되는 탄소나노튜브 섬유(1)가 조제된다.
그 후에 탄소나노튜브 섬유(1)는, 회수축(32)의 회전에 의하여 회수축(32)에 감긴다.
상기한 바에 따라, 섬유제조장치(20)에 의한 탄소나노튜브 섬유(1)의 제조가 완료된다.
이와 같은 제1실시형태에서는, 도2에 나타내는 바와 같이, 복수의 탄소나노튜브 무연사(3)를 묶어 탄소나노튜브 중심사(2)를 조제한 후에, 그 탄소나노튜브 중심사(2)에 탄소나노튜브 권취사(4)(탄소나노튜브 무연사(3))가 감긴다. 그 때문에 간이한 방법에 의하면서도, 탄소나노튜브 섬유(1)의 밀도의 향상을 용이하게 도모할 수 있다.
또한 도3b에 나타내는 바와 같이, 탄소나노튜브 섬유(1)에 있어서, 탄소나노튜브 중심사(2)는 확실하게 중심부에 배치되고, 탄소나노튜브 권취사(4)는 탄소나노튜브 중심사(2)의 주위에 배치된다. 그 때문에 탄소나노튜브 섬유(1)에 있어서, 탄소나노튜브 중심사(2) 및 탄소나노튜브 권취사(4)를 균형 있게 배치할 수 있다.
즉 탄소나노튜브 섬유(1)의 밀도의 향상을 도모하면서, 탄소나노튜브 중심사(2) 및 탄소나노튜브 권취사(4)를 균형 있게 배치할 수 있기 때문에, 탄소나노튜브 섬유(1)의 기계특성의 향상을 확실하게 도모할 수 있다.
또한 탄소나노튜브 중심사(2)는, 도3a에 나타내는 바와 같이, 연사로서 조제된다. 그 때문에 탄소나노튜브 중심사(2)의 밀도의 향상을 확실하게 도모할 수 있고, 더 나아가서는 탄소나노튜브 섬유(1)의 밀도의 향상을 확실하게 도모할 수 있다.
또한 탄소나노튜브 권취사(4)는, 도3a에 나타내는 바와 같이, 탄소나노튜브 중심사(2)의 꼬임방향을 따르도록 탄소나노튜브 중심사(2)에 감긴다. 그 때문에 탄소나노튜브 중심사(2)를 구성하는 탄소나노튜브 무연사(3)의 꼬임방향과, 탄소나노튜브 권취사(4)의 권취방향을 일치시킬 수 있다.
그 때문에 탄소나노튜브 섬유(1)에 있어서, 탄소나노튜브(12)의 배향성을 더 확실하게 확보할 수 있다.
또한 탄소나노튜브 무연사(3)는, 도1d에 나타내는 바와 같이, 기판(8)에 대하여 수직으로 배향되는 복수의 탄소나노튜브(12)로부터 인출되기 때문에, 탄소나노튜브 무연사(3)에 있어서, 복수의 탄소나노튜브(12) 각각이 탄소나노튜브 무연사(3)의 연장방향을 따르도록 배향된다.
그 때문에 도3b에 나타내는 바와 같이, 복수의 탄소나노튜브 무연사(3)가 묶인 탄소나노튜브 중심사(2), 및 탄소나노튜브 권취사(4)의 각각에 있어서 탄소나노튜브(12)의 배향성을 확실하게 확보할 수 있고, 탄소나노튜브 섬유(1)에 있어서 탄소나노튜브(12)의 배향성을 확실하게 확보할 수 있다.
또한 도1c에 나타내는 바와 같이, 탄소나노튜브 집합체(13)를 복수 준비하는 공정은, 촉매층(11)이 배치되는 기판(8)에 원료가스를 공급함으로써, 촉매층(11)을 기점으로 하여 복수의 탄소나노튜브(12)가 성장한다.
그 때문에, 복수의 탄소나노튜브(12)를 확실하게 기판(8)에 대하여 수직으로 배향할 수 있어, 탄소나노튜브 집합체(13)를 확실하게 준비할 수 있다.
또한 섬유제조장치(20)에서는, 도2에 나타내는 바와 같이, 중심사 공급부(21)가 복수의 탄소나노튜브 무연사(3)를 묶어 탄소나노튜브 중심사(2)를 공급할 수 있고, 권취사 공급부(23)가 탄소나노튜브 권취사(4)를 탄소나노튜브 중심사(2)에 공급할 수 있다. 그리고 회수부(22)가 회전함으로써, 탄소나노튜브 중심사(2)에 탄소나노튜브 권취사(4)를 감을 수 있다.
그 때문에, 탄소나노튜브 중심사(2)에 탄소나노튜브 권취사(4)가 감긴 탄소나노튜브 섬유(1)를 효율적으로 제조할 수 있다.
또한 탄소나노튜브 중심사(2)에 탄소나노튜브 권취사(4)를 감는 공정에 있어서, 권취사 공급부(23)의 회수축(32)이 폭방향을 따르는 축선을 중심으로 하여 회전함과 아울러, 회전부(33)가 소정방향을 따르는 축선을 중심으로 하여 회전한다.
이에 따라 탄소나노튜브 중심사(2)가 꼬임과 아울러, 탄소나노튜브 권취사(4)가 탄소나노튜브 중심사(2)에 나선 모양으로 감긴다.
즉 탄소나노튜브 중심사(2)의 꼬임과, 탄소나노튜브 권취사(4)의 감기를 동시에 실시할 수 있다. 그 때문에 탄소나노튜브 섬유(1)의 생산효율의 향상을 도모할 수 있다.
또한 제1실시형태의 섬유제조장치(20)에서는, 권취사 공급부(23)의 회전부(33)가 소정방향을 따르는 축선을 중심으로 하여 회전하지만, 이에 한정되지 않고, 중심사 공급부(21)의 제1탄소나노튜브 지지체(6)가 소정방향을 따르는 축선을 중심으로 하여 회전하도록 구성할 수도 있다.
이에 따르더라도 제1실시형태와 동일한 작용효과를 발휘할 수 있다.
2. 제2실시형태
다음에 도4를 참조하여, 본 발명의 탄소나노튜브 섬유의 제조방법의 제2실시형태에 대하여 설명한다. 또한 제2실시형태에서는, 상기한 제1실시형태와 동일한 부재에는 동일한 부호를 붙이고, 그 설명을 생략한다.
제1실시형태에서는, 도2에 나타내는 바와 같이, 복수의 탄소나노튜브 권취사(4)가, 탄소나노튜브 중심사(2)에 대하여 서로 감기는 방향이 동일하게 되도록 나선 모양으로 감겨 있지만, 이에 한정되지 않는다.
제2실시형태에서는, 도4에 나타내는 바와 같이, 복수의 탄소나노튜브 권취사(4) 중에서 적어도 2개의 탄소나노튜브 권취사(4)가, 탄소나노튜브 중심사(2)에 대하여 감기는 방향이 서로 다르게 되도록 나선 모양으로 감겨 있다.
이와 같은 경우에, 예를 들면 섬유제조장치(20)의 권취사 공급부(23)에 있어서 복수(2개)의 제2탄소나노튜브 지지체(7)는, 탄소나노튜브 집합체(13)의 열(13A)의 연장방향이 서로 교차하도록, 소정방향으로 간격을 두고 배치되어 있다.
더 구체적으로는, 2개의 제2탄소나노튜브 지지체(7) 중에서 소정방향의 타방의 제2탄소나노튜브 지지체(7)는, 열(13A)의 연장방향이 폭방향의 타방으로부터 일방을 향함에 따라, 소정방향의 타방으로부터 일방으로 경사지도록 배치된다. 또한 소정방향의 일방의 제2탄소나노튜브 지지체(7)는, 열(13A)의 연장방향이 폭방향의 타방으로부터 일방을 향함에 따라, 소정방향의 일방으로부터 타방으로 경사지도록 배치된다.
그리고 탄소나노튜브 권취사(4)를 탄소나노튜브 중심사(2)에 감는 공정에 있어서, 소정방향의 타방의 제2탄소나노튜브 지지체(7)의 탄소나노튜브 집합체(13)로부터 인출되는 제1의 탄소나노튜브 권취사(4A)는, 탄소나노튜브 중심사(2)에 대하여 왼꼬임(S 꼬임)이 되도록 나선 모양으로 감긴다.
또한 탄소나노튜브 중심사(2)가 일방으로 연장되는 방향과, 제1의 탄소나노튜브 권취사(4A)가 일방으로 연장되는 방향이 이루는 각(θ2)은 예각이며, 각(θ2)의 각도는, 예를 들면 20° 이상 80° 이하이다.
또한 소정방향의 일방의 제2탄소나노튜브 지지체(7)의 탄소나노튜브 집합체(13)로부터 인출되는 제2의 탄소나노튜브 권취사(4B)는, 제1의 탄소나노튜브 권취사(4A)가 감긴 탄소나노튜브 중심사(2)에 대하여 오른꼬임(Z 꼬임)이 되도록 나선 모양으로 감긴다.
또한 탄소나노튜브 중심사(2)가 일방으로 연장되는 방향과, 제2의 탄소나노튜브 권취사(4B)가 일방으로 연장되는 방향이 이루는 각(θ4)은 둔각이며, 각(θ4)의 각도는, 예를 들면 110° 이상 170° 이하이다.
이와 같은 제2실시형태에서는, 제1의 탄소나노튜브 권취사(4A) 및 제2의 탄소나노튜브 권취사(4B)가, 감기는 방향이 서로 다르게 되도록 탄소나노튜브 중심사(2)에 감긴다.
그 때문에 탄소나노튜브 섬유(1)에 있어서, 제1의 탄소나노튜브 권취사(4A)의 탄소나노튜브(12)와, 제2의 탄소나노튜브 권취사(4B)의 탄소나노튜브(12)를 서로 다른 방향으로 배향시킬 수 있다. 그 결과, 탄소나노튜브 섬유(1)의 전기특성을 적절하게 조정할 수 있다.
이와 같은 제2실시형태에 의해서도, 제1실시형태와 동일한 작용효과를 발휘할 수 있다.
3. 제3실시형태
다음에 도5를 참조하여, 본 발명의 탄소나노튜브 섬유의 제조방법의 제3실시형태에 대하여 설명한다. 또한 제3실시형태에서는, 상기한 제1실시형태 및 제2실시형태와 동일한 부재에는 동일한 부호를 붙이고, 그 설명을 생략한다.
제3실시형태에서는, 복수의 탄소나노튜브 무연사(3)를 응집시키기 위하여, 탄소나노튜브 중심사(2)에 탄소나노튜브 권취사(4)가 감기기 전에 휘발성 유기용매를 부착시킨다.
휘발성 유기용매는, 비등점(at 1atm)이 100℃ 미만인 유기용매로서, 예를 들면 알코올류(예를 들면, 메탄올(비등점 : 64.7℃), 에탄올(비등점 : 78.4℃), 프로판올(비등점 : 98℃) 등), 케톤류(예를 들면, 아세톤(비등점 : 56.5℃) 등), 에테르류(예를 들면, 디에틸에테르(비등점 : 35℃), 테트라하이드로퓨란(비등점 : 66℃) 등), 알킬에스테르류(예를 들면, 아세트산에틸(비등점 : 77.1℃) 등), 할로겐화 지방족 탄화수소류(예를 들면, 클로로포름(비등점 : 61.2℃), 디클로로메탄(비등점 : 40℃) 등) 등을 들 수 있다.
이와 같은 휘발성 유기용매 중에서는, 바람직하게는 비등점(at 1atm)이 80℃ 이하인 유기용매, 더욱 바람직하게는 알코올류, 특히 바람직하게는 에탄올을 들 수 있다.
이와 같은 휘발성 유기용매는, 단독으로 사용하거나 2종류 이상을 병용할 수 있다.
그리고 탄소나노튜브 중심사(2)에 휘발성 유기용매를 부착시키기 위해서는, 예를 들면 휘발성 유기용매를 탄소나노튜브 중심사(2)를 향하여 스프레이 상태로 분사한다.
이와 같은 경우에, 섬유제조장치(20)의 중심사 공급부(21)는 분무부(噴霧部)(37)를 구비하고 있다.
분무부(37)는, 수속부(27)와 권취사 공급부(23)의 사이에 있어서, 탄소나노튜브 중심사(2)에 대하여 간격을 두고 배치되어 있다.
분무부(37)는, 내부에 휘발성 유기용매가 저장되어 있고, 휘발성 유기용매를 탄소나노튜브 중심사(2)를 향하여 분무할 수 있도록 구성되어 있다.
이에 따라, 중심사 공급부(21)로부터 공급되는 탄소나노튜브 중심사(2)는, 탄소나노튜브 권취사(4)가 감기기 전에 분무부(37)에 의하여 휘발성 유기용매가 부착된다.
또한 섬유제조장치(20)는, 필요에 따라 건조부(36)를 구비하고 있다.
건조부(36)는, 권취사 공급부(23)와 회수부(22)의 사이에 배치되어 있다. 건조부(36)는 공지의 건조장치로서, 탄소나노튜브 권취사(4)가 감긴 탄소나노튜브 중심사(2)(탄소나노튜브 섬유(1))가 그 내부를 통과하도록 구성되어 있다.
그 때문에 탄소나노튜브 중심사(2)는, 휘발성 유기용매가 부착되고, 이어서 탄소나노튜브 권취사(4)가 감긴 후에, 건조부(36)를 통과하여 건조된다.
이에 따라 휘발성 유기용매가 기화하여, 탄소나노튜브 중심사(2)의 복수의 탄소나노튜브 무연사(3), 및 탄소나노튜브 중심사(2)에 감기는 탄소나노튜브 권취사(4)(탄소나노튜브 무연사(3))의 각각이 서로 응집한다.
그 때문에 탄소나노튜브 섬유(1)의 밀도의 향상을 한층 더 도모할 수 있다. 더 구체적으로는 탄소나노튜브 섬유(1)의 부피밀도는, 예를 들면 0.6g/㎤ 이상, 바람직하게는 0.8g/㎤ 이상, 예를 들면 2.0g/㎤ 이하이다.
그 결과, 탄소나노튜브 섬유(1)의 기계특성의 향상을 보다 더 확실하게 도모할 수 있다.
이와 같은 제3실시형태에 의해서도, 제1실시형태와 동일한 작용효과를 발휘할 수 있다.
4. 제4실시형태
다음에 도6을 참조하여, 본 발명의 탄소나노튜브 섬유의 제조방법의 제4실시형태에 대하여 설명한다. 또한 제4실시형태에서는, 상기한 제1실시형태∼제3실시형태와 동일한 부재에는 동일한 부호를 붙이고, 그 설명을 생략한다.
제4실시형태에서는 탄소나노튜브 권취사(4)가, 탄소나노튜브 중심사(2)에 감기기 전에 상기의 휘발성 유기용매에 침지된다.
이와 같은 경우에 섬유제조장치(20)의 권취사 공급부(23)는, 침지부(浸漬部)(38)를 구비하고 있다.
침지부(38)는, 복수의 제2탄소나노튜브 지지체(7) 각각에 1개씩 대응하고 있고, 제2탄소나노튜브 지지체(7)와 탄소나노튜브 중심사(2)의 사이에 배치되어 있다.
침지부(38) 각각은, 침지조(浸漬槽)(40)와 복수의 롤러(39)를 구비하고 있다.
침지조(40)는, 상방을 향하여 개방되며 대략 박스 형상을 하고 있고, 그 내부에 휘발성 유기용매가 저장되어 있다.
복수의 롤러(39) 각각은, 탄소나노튜브 권취사(4)가 침지조(40) 내의 휘발성 유기용매에 침지되도록 소정의 위치에 적절하게 배치되어 있다.
이에 따라, 제2탄소나노튜브 지지체(7)의 탄소나노튜브 집합체(13)로부터 인출된 탄소나노튜브 권취사(4)는, 침지조(40) 내의 휘발성 유기용매에 침지된 후에, 탄소나노튜브 중심사(2)에 감긴다.
그 후에 탄소나노튜브 권취사(4)가 감긴 탄소나노튜브 중심사(2)는, 필요에 따라 건조부(36)를 통과할 때에 건조된다.
그 때문에, 탄소나노튜브 섬유(1)의 밀도의 향상을 한층 더 도모할 수 있고, 탄소나노튜브 섬유(1)의 기계특성의 향상을 보다 더 확실하게 도모할 수 있다.
이와 같은 제4실시형태에 의해서도, 제1실시형태와 동일한 작용효과를 발휘할 수 있다.
5. 제5실시형태
다음에 도7을 참조하여, 본 발명의 탄소나노튜브 섬유의 제조방법의 제5실시형태에 대하여 설명한다. 또한 제5실시형태에서는, 상기한 제1실시형태∼제4실시형태와 동일한 부재에는 동일한 부호를 붙이고, 그 설명을 생략한다.
제5실시형태에서는, 탄소나노튜브 중심사(2) 및 탄소나노튜브 권취사(4)의 각각을, 탄소나노튜브 권취사(4)를 탄소나노튜브 중심사(2)에 감기 전에 표면처리한다.
표면처리로서는, UV 처리 또는 플라스마 처리를 들 수 있다. 또한 표면처리는, 바람직하게는 진공상태 또는 불활성가스의 분위기하에서 실시된다.
예를 들면 표면처리가 UV 처리에 의하여 실시되는 경우에, 섬유제조장치(20)의 중심사 공급부(21) 및 권취사 공급부(23)의 각각은, UV 장치(43)를 구비하고 있다.
중심사 공급부(21)의 UV 장치(43)는, 수속부(27)와 권취사 공급부(23)의 사이에 배치되어 있고, 탄소나노튜브 중심사(2)가 그 내부를 통과하도록 구성되어 있다.
UV 장치(43)로서는 특별히 제한되지 않고, 표면처리에 사용되는 공지의 UV 조사장치를 들 수 있다.
권취사 공급부(23)의 UV 장치(43)는, 복수의 제2탄소나노튜브 지지체(7) 각각에 1개씩 대응하고 있고, 제2탄소나노튜브 지지체(7)와 탄소나노튜브 중심사(2)의 사이에 배치되어 있다. 또한 권취사 공급부(23)의 UV 장치(43)는, 탄소나노튜브 권취사(4)가 그 내부를 통과하도록 구성되어 있다.
그리고 탄소나노튜브 중심사(2) 및 탄소나노튜브 권취사(4) 각각은, 탄소나노튜브 권취사(4)를 탄소나노튜브 중심사(2)에 감기 전에, UV 장치(43)에 의하여 표면처리된다.
그 때문에 탄소나노튜브 중심사(2) 및 탄소나노튜브 권취사(4) 각각의 표면이 개질되어, 그들의 밀착성이 향상된다.
또한 표면처리가 플라스마 처리에 의하여 실시되는 경우에, 섬유제조장치(20)의 중심사 공급부(21) 및 권취사 공급부(23) 각각은, UV 장치(43) 대신에 플라스마 장치(44)를 구비한다.
플라스마 장치(44)로서는 특별히 제한되지 않고, 표면처리에 사용되는 공지의 플라스마 발생장치를 들 수 있다.
이와 같은 제5실시형태에 의해서도, 제1실시형태와 동일한 작용효과를 발휘할 수 있다.
6. 제6실시형태
다음에 도8을 참조하여, 본 발명의 탄소나노튜브 섬유의 제조방법의 제6실시형태에 대하여 설명한다. 또한 제6실시형태에서는, 상기한 제1실시형태∼제5실시형태와 동일한 부재에는 동일한 부호를 붙이고, 그 설명을 생략한다.
제6실시형태에서는, 탄소나노튜브 권취사(4)를 탄소나노튜브 중심사(2)에 감아 탄소나노튜브 섬유(1)를 조제한 후에, 탄소나노튜브 섬유(1)를 프레스한다.
이와 같은 경우에 섬유제조장치(20)는, 한 쌍의 가압 롤러(46)를 구비하고 있다.
한 쌍의 가압 롤러(46)는, 소정방향에 있어서 권취사 공급부(23)와 회수부(22)의 사이에 배치되어 있다. 한 쌍의 가압 롤러(46) 각각은, 폭방향으로 연장되어 있다. 그리고 한 쌍의 가압 롤러(46)는, 탄소나노튜브 섬유(1)가 그 사이에 끼워지도록, 소정방향 및 폭방향의 양 방향과 교차하는 방향으로 서로 마주 보고 있다.
이에 따라, 탄소나노튜브 중심사(2)에 탄소나노튜브 권취사(4)가 감긴 탄소나노튜브 섬유(1)는, 한 쌍의 가압 롤러(46) 사이를 통과할 때에 프레스된다.
그 때문에, 탄소나노튜브 중심사(2)와 탄소나노튜브 권취사(4)가 보다 더 밀착됨과 아울러, 탄소나노튜브 중심사(2)에 있어서의 탄소나노튜브 무연사(3) 및 탄소나노튜브 권취사(4) 각각에 있어서, 복수의 탄소나노튜브(12)가 서로 응집한다.
그 결과, 탄소나노튜브 섬유(1)의 기계특성의 향상을 한층 더 확실하게 도모할 수 있다.
또한 이와 같은 제6실시형태에 의해서도, 제1실시형태와 동일한 작용효과를 발휘할 수 있다.
7. 제7실시형태
다음에 도6 및 도9를 참조하여, 본 발명의 탄소나노튜브 섬유의 제조방법의 제7실시형태에 대하여 설명한다. 또한 제7실시형태에서는, 상기한 제1실시형태∼제6실시형태와 동일한 부재에는 동일한 부호를 붙이고, 그 설명을 생략한다.
제7실시형태에서는, 탄소나노튜브 권취사(4)를 탄소나노튜브 중심사(2)에 감기 전에, 탄소나노튜브 중심사(2) 및 탄소나노튜브 권취사(4) 각각을, 금속을 함유하는 금속 함유액에 침지시킨 후에 건조시킨다.
금속으로서는 특별히 제한되지 않고, 예를 들면 알루미늄, 티탄, 크롬, 철, 코발트, 니켈, 구리, 아연, 은, 주석, 백금, 금, 및 그들을 포함하는 합금 등을 들 수 있다. 이와 같은 금속 중에서는, 바람직하게는 알루미늄, 티탄, 구리, 은, 금, 및 그들을 포함하는 합금을 들 수 있고, 더욱 바람직하게는 구리를 들 수 있다.
또한 금속 함유액으로서는, 예를 들면 금속입자가 분산되는 금속 분산액이나 금속 알콕시드가 용해되는 금속 알콕시드 용액 등을 들 수 있다.
이와 같은 경우에, 섬유제조장치(20)의 중심사 공급부(21) 및 권취사 공급부(23) 각각은, 도6에 나타내는 바와 같이 침지부(38)를 구비하고 있다.
또한 중심사 공급부(21)의 침지부(38)는, 도6에 있어서 가상선(假想線)으로 나타내고 있고, 수속부(27)와 권취사 공급부(23)의 사이에 배치되어 있다.
또한 복수의 침지부(38)의 침지조(40) 각각은, 그 내부에 금속 함유액이 저장되어 있다.
그리고 탄소나노튜브 중심사(2) 및 탄소나노튜브 권취사(4) 각각은, 롤러(39)에 의하여 대응하는 침지조(40) 내의 금속 함유액에 침지된다.
이에 따라 탄소나노튜브 중심사(2) 및 탄소나노튜브 권취사(4) 각각은, 탄소나노튜브 권취사(4)가 탄소나노튜브 중심사(2)에 감기기 전에, 대응하는 침지조(40) 내의 금속 함유액에 침지된 후에 건조되어, 금속을 담지(擔持)한다.
그 후에, 금속을 담지하는 탄소나노튜브 권취사(4)가, 금속을 담지하는 탄소나노튜브 중심사(2)에 감긴다.
또한 탄소나노튜브 권취사(4)를 탄소나노튜브 중심사(2)에 감기 전에, 탄소나노튜브 중심사(2) 및 탄소나노튜브 권취사(4) 각각에 금속을 증착시킬 수도 있다.
이와 같은 경우에, 섬유제조장치(20)의 중심사 공급부(21) 및 권취사 공급부(23) 각각은, 도9에 나타내는 바와 같이 증착부(47)를 구비하고 있다.
중심사 공급부(21)의 증착부(47)는, 수속부(27)와 권취사 공급부(23)의 사이에 배치되어 있고, 권취사 공급부(23)의 증착부(47)는, 제2탄소나노튜브 지지체(7)와 탄소나노튜브 중심사(2)의 사이에 1개씩 배치되어 있다.
증착부(47)는 금속 증착에 사용되는 공지의 장치로서, 특별히 제한되지 않는다.
이에 따라 탄소나노튜브 중심사(2) 및 탄소나노튜브 권취사(4) 각각은, 탄소나노튜브 권취사(4)가 탄소나노튜브 중심사(2)에 감기기 전에, 대응하는 증착부(47)에 의하여 금속이 증착되어, 탄소나노튜브 중심사(2) 및 탄소나노튜브 권취사(4)의 각각에 금속막이 형성된다.
그 후에, 금속막이 형성된 탄소나노튜브 권취사(4)가, 금속막이 형성된 탄소나노튜브 중심사(2)에 감긴다.
그 때문에, 탄소나노튜브 섬유(1)에 금속의 특성을 부여할 수 있음과 아울러, 탄소나노튜브 권취사(4)를 탄소나노튜브 중심사(2)에 감았을 때에, 탄소나노튜브 중심사(2)와 탄소나노튜브 권취사(4)를 확실하게 밀착시킬 수 있다.
또한 도6 및 도9에 나타내는 바와 같이, 제7실시형태에서는, 바람직하게는 탄소나노튜브 권취사(4)를 탄소나노튜브 중심사(2)에 감은 후에, 그들을 가열처리한다.
탄소나노튜브 권취사(4)가 감긴 탄소나노튜브 중심사(2)를 가열처리하기 위해서는, 예를 들면 그들 전체를 가열하여도 좋고, 그들 중에서 탄소나노튜브 권취사(4)만을 국소적으로 가열하여도 좋다.
탄소나노튜브 권취사(4)가 감긴 탄소나노튜브 중심사(2) 전체를 가열하는 경우에는, 예를 들면 그들을 공지의 가열로에 의하여 가열한다. 또한 탄소나노튜브 권취사(4)가 감긴 탄소나노튜브 중심사(2) 중에서 탄소나노튜브 권취사(4)만을 국소적으로 가열하는 경우에는, 예를 들면 고주파 유도가열에 의하여 탄소나노튜브 권취사(4)를 가열한다.
가열온도로서는, 예를 들면 800℃ 이상, 바람직하게는 1000℃ 이상, 예를 들면 1500℃ 이하, 바람직하게는 1300℃ 이하이다.
또한 가열처리는, 바람직하게는 진공상태 또는 불활성가스 분위기하에서 실시된다.
이와 같은 경우에 섬유제조장치(20)는, 가열부(48)를 더 구비하고 있다.
가열부(24)는, 권취사 공급부(23)와 회수부(22)의 사이에 배치되어 있다. 가열부(24)는 공지의 가열로로서, 탄소나노튜브 권취사(4)가 감긴 탄소나노튜브 중심사(2)가 그 내부를 통과하도록 구성되어 있다.
그리고 탄소나노튜브 권취사(4)가 감긴 탄소나노튜브 중심사(2)가 가열처리되면, 탄소나노튜브 중심사(2) 및 탄소나노튜브 권취사(4) 각각이 갖고 있는 금속이 서로 용융된다.
그 때문에, 탄소나노튜브 중심사(2) 및 탄소나노튜브 권취사(4) 각각의 탄소나노튜브(12)와, 금속을 확실하게 복합화할 수 있다.
또한 이와 같은 제7실시형태에 의해서도, 제1실시형태와 동일한 작용효과를 발휘할 수 있다.
8. 제8실시형태
다음에 도6을 참조하여, 본 발명의 탄소나노튜브 섬유의 제조방법의 제8실시형태에 대하여 설명한다. 또한 제8실시형태에서는, 상기한 제1실시형태∼제7실시형태와 동일한 부재에는 동일한 부호를 붙이고, 그 설명을 생략한다.
제8실시형태에서는, 탄소나노튜브 권취사(4)를 탄소나노튜브 중심사(2)에 감기 전에, 탄소나노튜브 중심사(2) 및 탄소나노튜브 권취사(4) 각각을 고분자재료를 함유하는 고분자 함유액에 침지시킨 후에 건조시킨다.
고분자재료로서는 특별히 제한되지 않고, 예를 들면 열가소성 수지, 열경화성 수지 등을 들 수 있고, 바람직하게는 열가소성 수지를 들 수 있다.
열가소성 수지로서는, 예를 들면 폴리에스테르(예를 들면, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)), 폴리아미드, 폴리올레핀(예를 들면, 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP)), 폴리스티렌, 폴리염화비닐, 폴리비닐알코올, 폴리염화비닐리덴, 폴리아크릴로니트릴, 폴리우레탄 등을 들 수 있다. 이와 같은 열가소성 수지 중에서는, 바람직하게는 폴리에스테르를 들 수 있다.
또한 고분자재료로서, 폴리아닐린이나 폴리피롤 등의 도전성 고분자를 사용할 수도 있다.
고분자 함유액으로서는, 예를 들면 고분자재료가 용해되는 고분자재료 용액 등을 들 수 있다.
이와 같은 경우에 섬유제조장치(20)의 중심사 공급부(21) 및 권취사 공급부(23) 각각은, 도6에 나타내는 바와 같이 침지부(38)를 구비하고 있고, 침지부(38)의 침지조(40)에는 고분자 함유액이 저장되어 있다.
그리고 탄소나노튜브 중심사(2) 및 탄소나노튜브 권취사(4) 각각은, 롤러(39)에 의하여 대응하는 침지조(40) 내의 고분자 함유액에 침지된다.
이에 따라 탄소나노튜브 중심사(2) 및 탄소나노튜브 권취사(4) 각각은, 탄소나노튜브 권취사(4)가 탄소나노튜브 중심사(2)에 감기기 전에, 대응하는 침지조(40) 내의 고분자 함유액에 침지된 후에 건조되어, 고분자재료를 담지한다.
그 후에, 고분자재료를 담지하는 탄소나노튜브 권취사(4)가, 고분자재료를 담지하는 탄소나노튜브 중심사(2)에 감긴다.
그 때문에, 탄소나노튜브 섬유(1)에 고분자재료의 특성을 부여할 수 있음과 아울러, 탄소나노튜브 권취사(4)를 탄소나노튜브 중심사(2)에 감았을 때에 탄소나노튜브 중심사(2)와 탄소나노튜브 권취사(4)를 확실하게 밀착시킬 수 있다.
또한 탄소나노튜브 권취사(4)를 탄소나노튜브 중심사(2)에 감기 전에, 탄소나노튜브 중심사(2) 및 탄소나노튜브 권취사(4)의 각각을 고분자재료로 이루어지는 필름에 포개거나, 또는 탄소나노튜브 중심사(2) 및 탄소나노튜브 권취사(4)의 각각에 고분자재료가 용해된 고분자용액을 일렉트로 스피닝(electro spinning)하는 것도 가능하다.
또한 제8실시형태에서는, 바람직하게는 탄소나노튜브 권취사(4)를 탄소나노튜브 중심사(2)에 감은 후에, 그들을 가열처리한다.
탄소나노튜브 권취사(4)가 감긴 탄소나노튜브 중심사(2)를 가열처리하기 위해서는, 예를 들면 상기한 방법을 들 수 있다.
가열온도로서는, 예를 들면 200℃ 이상, 바람직하게는 250℃ 이상, 예를 들면 600℃ 이하, 바람직하게는 400℃ 이하이다.
이와 같은 경우에 섬유제조장치(20)는, 가열부(48)를 더 구비하고 있다.
그리고 탄소나노튜브 권취사(4)가 감긴 탄소나노튜브 중심사(2)가 가열처리되면, 탄소나노튜브 중심사(2) 및 탄소나노튜브 권취사(4) 각각이 갖고 있는 고분자재료가 서로 용융된다.
그 때문에, 탄소나노튜브 중심사(2) 및 탄소나노튜브 권취사(4) 각각의 탄소나노튜브(12)와, 고분자재료를 확실하게 복합화할 수 있다.
또한 이와 같은 제8실시형태에 의해서도, 제1실시형태와 동일한 작용효과를 발휘할 수 있다.
이들 제1실시형태∼제8실시형태는 적절하게 조합할 수 있다.
9. 제9실시형태
다음에 도10∼도12를 참조하여, 본 발명의 탄소나노튜브 섬유의 제조방법의 제9실시형태에 대하여 설명한다. 또한 제9실시형태에서는, 상기한 제1실시형태∼제8실시형태와 동일한 부재에는 동일한 부호를 붙이고, 그 설명을 생략한다.
제1실시형태∼제8실시형태에서는, 심재가 탄소나노튜브 중심사(2)인 경우에 대하여 상세하게 설명하지만, 심재는 이에 한정되지 않는다.
제9실시형태에서는, 예를 들면 도10 및 도11에 나타내는 바와 같이, 심재(102)를 준비하는 공정과, 기판(8) 상에 배치되는 탄소나노튜브 집합체(13)(복수의 탄소나노튜브(12))를 준비하는 공정과, 기판(8) 상의 탄소나노튜브 집합체(13)(복수의 탄소나노튜브(12))로부터 탄소나노튜브 무연사(3)를 인출하는 공정과, 심재(102)에 탄소나노튜브 무연사(3)를 감아 복합섬유 전구체(104)를 조제하는 공정과, 복합섬유 전구체(104)를 가열처리하여 탄소나노튜브 섬유의 일례로서의 탄소나노튜브 복합섬유(101)를 조제하는 공정을 포함하고 있다.
이와 같은 제조방법에서는, 먼저 심재(102) 및 탄소나노튜브 무연사(3) 각각을 준비한다.
심재(102)는, 소정방향으로 연장되는 선(線) 형상을 하고 있다. 심재(102)의 단면 형상(심재(102)를 소정방향과 직교하는 방향으로 절단하였을 때의 단면 형상)은 특별히 제한되지 않고, 예를 들면 원형 모양, 다각형 모양(예를 들면 사각형 모양, 육각형 모양, 팔각형 모양 등) 등을 들 수 있고, 중공(中空, hollow)이어도 좋고, 중실(中實, solid)이어도 좋다. 이와 같은 심재(102)의 단면 형상 중에서는, 도12에 나타내는 바와 같이, 바람직하게는 원형 형상, 더욱 바람직하게는 중실의 원형 형상을 들 수 있다.
심재(102)의 재료는, 탄소나노튜브 복합섬유(101)의 용도에 따라 적절하게 선택되지만, 예를 들면 유리섬유, 탄소섬유, 금속, 고분자재료 등을 들 수 있고, 바람직하게는 금속 및 고분자재료를 들 수 있다.
금속으로서는 특별히 제한되지 않고, 예를 들면 알루미늄, 티탄, 크롬, 철, 코발트, 니켈, 구리, 아연, 은, 주석, 백금, 금, 및 그들을 포함하는 합금 등을 들 수 있다. 이와 같은 금속 중에서는, 바람직하게는 알루미늄, 티탄, 구리, 은, 금, 및 그들을 포함하는 합금을 들 수 있고, 더욱 바람직하게는 구리를 들 수 있다.
고분자재료로서는 특별히 제한되지 않고, 예를 들면 열가소성 수지, 열경화성 수지 등을 들 수 있고, 바람직하게는 열가소성 수지를 들 수 있다.
열가소성 수지로서는, 예를 들면 폴리에스테르(예를 들면, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)), 폴리아미드, 폴리올레핀(예를 들면, 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP)), 폴리스티렌, 폴리염화비닐, 폴리비닐알코올, 폴리염화비닐리덴, 폴리아크릴로니트릴, 폴리우레탄 등을 들 수 있다. 이와 같은 열가소성 수지 중에서는, 바람직하게는 폴리에스테르를 들 수 있다.
심재(102)의 단면 형상이 원형 모양인 경우에, 심재(102)의 외경(外徑)은, 예를 들면 10㎛ 이상, 바람직하게는 30㎛ 이상, 예를 들면 2000㎛ 이하, 바람직하게는 1500㎛ 이하이다.
더 구체적으로는, 심재(102)의 단면 형상이 원형 모양이고, 또한 심재(102)의 재료가 금속인 경우에, 심재(102)의 외경은, 예를 들면 10㎛ 이상, 바람직하게는 30㎛ 이상, 예를 들면 300㎛ 이하, 바람직하게는 100㎛ 이하이다.
심재(102)의 단면 형상이 원형 모양이고, 또한 심재(102)의 재료가 고분자재료인 경우에, 심재(102)의 외경은, 예를 들면 100㎛ 이상, 바람직하게는 500㎛ 이상, 예를 들면 2000㎛ 이하, 바람직하게는 1500㎛ 이하이다.
탄소나노튜브 무연사(3)는, 도1a∼도1d에 나타내는 바와 같이 제1실시형태와 동일한 무연사로서, 제1실시형태와 동일한 방법에 의하여 조제(준비)된다.
더 구체적으로는, 제1실시형태와 마찬가지로 하여, 기판(8) 상에 배치되고, 기판(8)에 대하여 수직으로 배향되는 복수의 탄소나노튜브(12)를 구비하는 탄소나노튜브 집합체(13)를 준비한다.
그리고 도1d에 나타내는 바와 같이, 제1실시형태와 마찬가지로 하여, 기판(8) 상의 탄소나노튜브 집합체(13)로부터 복수의 탄소나노튜브(12)가 연속적으로 이어지도록 인출하여, 탄소나노튜브 무연사(3)를 형성한다.
이에 따라 탄소나노튜브 무연사(3)는, 복수의 탄소나노튜브(12)가 직선 모양으로 연속함으로써 형성되고 있다. 그리고 복수의 탄소나노튜브(12) 각각은, 탄소나노튜브 무연사(3)에 있어서, 탄소나노튜브 무연사(3)의 연장방향을 따르도록 배향된다.
다음에 필요에 따라 심재(102) 및 탄소나노튜브 무연사(3)를, 서로 밀착시키기 위하여 전처리한다.
전처리로서는, 예를 들면 심재(102) 및 탄소나노튜브 무연사(3) 각각의 표면처리를 들 수 있고, 구체적으로는 플라스마 처리, UV 처리 등을 들 수 있다. 또한 표면처리는, 바람직하게는 진공상태 또는 불활성가스 분위기하에서 실시된다. 이에 따라, 심재(102) 및 탄소나노튜브 무연사(3) 각각의 표면이 개질되어, 그들의 밀착성이 향상된다.
다음에 도10 및 도12에 나타내는 바와 같이, 탄소나노튜브 무연사(3)를 심재(102)의 둘레면에 감아, 복합섬유 전구체(104)를 조제한다.
탄소나노튜브 무연사(3)를 심재(102)에 감기 위해서는, 도10에 나타내는 바와 같이, 예를 들면 탄소나노튜브 무연사(3)의 일단부를 심재(102)(또는 심재(102)의 둘레에 감긴 탄소나노튜브 무연사(3))에 고정시킨 후에, 심재(102)의 축선을 중심으로 하여 심재(102)를 회전시킨다.
또한 탄소나노튜브 무연사(3)는, 바람직하게는 심재(102)에 대하여 나선 모양으로 감긴다. 이와 같은 경우에, 탄소나노튜브 무연사(3)의 일단부(탄소나노튜브(12)의 일단)를 심재(102)에 고정시킨 후에, 심재(102)를 심재(102)의 축선을 중심으로 하여 회전시킴과 아울러, 소정방향의 일방을 향하여 이동시킨다.
이에 따라 탄소나노튜브 무연사(3)는, 적어도 1회, 바람직하게는 복수 회 심재(102)의 둘레면에 감긴다.
탄소나노튜브 무연사(3)가 심재(102)의 둘레면에 복수 회 감기는 경우에 심재(102)의 둘레에는, 도12에 나타내는 바와 같이, 탄소나노튜브 무연사(3)가 심재(102)의 전체 둘레에 걸쳐 복수 적층된다.
탄소나노튜브 무연사(3)의 적층횟수로서는, 예를 들면 2층 이상, 바람직하게는 5층 이상, 예를 들면 50층 이하, 바람직하게는 20층 이하이다.
탄소나노튜브 무연사(3)의 적층횟수가 상기의 하한 이상이면, 후술하는 탄소나노튜브 복합섬유(101)에 원하는 물성을 확실하게 부여할 수 있고, 상기의 상한 이하이면, 심재(102)에 대한 탄소나노튜브 무연사(3)를 감는 작업의 원활화를 도모할 수 있다.
더 구체적으로는 탄소나노튜브 집합체(13)는, 도10에 나타내는 바와 같이, 탄소나노튜브 무연사(3)의 인출방향을 따라 나란하게 되도록 배치되는 복수의 탄소나노튜브(12)로 이루어지는 열(13A)을 인출방향과 직교하는 방향으로 복수 구비하고 있다. 이에 따라 탄소나노튜브 집합체(13)는, 대략 시트 형상으로 형성되어 있다.
그 때문에, 탄소나노튜브 집합체(13)로부터 복수의 탄소나노튜브 무연사(3)를 일괄하여 인출할 수 있다. 이 경우에는, 복수의 열(13A)의 탄소나노튜브(12)를 동시에 또한 평행하게 인출한다(도10의 확대도 참조). 이에 따라 복수의 탄소나노튜브 무연사(3)는, 탄소나노튜브 무연사(3)의 연장방향과 교차하는 방향으로 병렬배치된다. 이와 같이 병렬배치되는 복수의 탄소나노튜브 무연사(3)는, 대략 시트 형상을 하고 있고, 탄소나노튜브 시트(14)로서 구성된다.
그리고 복수의 탄소나노튜브 무연사(3)를 동시에 심재(102)에 감기 위해서는, 예를 들면 복수의 탄소나노튜브 무연사(3) 각각의 일단부(탄소나노튜브 시트(14)의 일단)를 심재(102)(또는 심재(102)의 둘레에 감긴 탄소나노튜브 무연사(3))에 고정시키고, 심재(102)를 회전시킨다.
또한 복수의 탄소나노튜브 무연사(3)(탄소나노튜브 시트(14))는, 1개의 기판(8)을 준비하여 그에 대응하는 1개의 탄소나노튜브 집합체(13)로부터 인출할 수도 있지만, 복수의 기판(8)을 준비하여 그들에 대응하는 복수의 탄소나노튜브 집합체(13)로부터 인출할 수도 있다. 또한 도10에서는, 2개의 기판(8)을 준비하고, 2개의 탄소나노튜브 집합체(13)로부터 복수의 탄소나노튜브 무연사(3)(2개의 탄소나노튜브 시트(14))를 인출하는 태양을 나타내고 있다.
이에 따라 도12에 나타내는 바와 같이, 심재(102)와, 심재(102)의 둘레에 감기는 탄소나노튜브 무연사(3)를 구비하는 복합섬유 전구체(104)가 조제된다. 즉 복합섬유 전구체(104)는, 탄소나노튜브 무연사(3)가 감긴 심재(102)이다.
복합섬유 전구체(104)에 있어서, 심재(102)는 복합섬유 전구체(104)의 대략 중앙에 배치되어 있고, 탄소나노튜브 무연사(3)는 심재(102)의 전체 둘레에 걸쳐 심재(102)의 둘레면에 거의 일정한 두께(지름방향의 치수)로 적층되어 있다.
다음에 도11에 나타내는 바와 같이, 복합섬유 전구체(104)를 가열처리한다.
복합섬유 전구체(104)를 가열처리하기 위해서는, 예를 들면 복합섬유 전구체(104) 전체를 가열하여도 좋고, 복합섬유 전구체(104) 중에서 탄소나노튜브 무연사(3)만을 국소적으로 가열하여도 좋다.
복합섬유 전구체(104) 전체를 가열하는 경우에는, 예를 들면 복합섬유 전구체(104)를 공지의 가열로에 의하여 가열한다. 또한 복합섬유 전구체(104) 중에서 탄소나노튜브 무연사(3)만을 국소적으로 가열하는 경우에는, 예를 들면 고주파 유도가열에 의하여 탄소나노튜브 무연사(3)를 가열한다.
복합섬유 전구체(104)(탄소나노튜브 무연사(3))의 가열온도로서는, 예를 들면 200℃ 이상, 바람직하게는 250℃ 이상, 예를 들면 1500℃ 이하, 바람직하게는 1300℃ 이하이다.
더 상세하게는, 심재(102)가 금속인 경우에, 복합섬유 전구체(104)(탄소나노튜브 무연사(3))의 가열온도는, 예를 들면 800℃ 이상, 바람직하게는 1000℃ 이상, 예를 들면 1500℃ 이하, 바람직하게는 1300℃ 이하이다.
또한 심재(102)가 고분자재료인 경우에, 복합섬유 전구체(104)(탄소나노튜브 무연사(3))의 가열온도는, 예를 들면 200℃ 이상, 바람직하게는 250℃ 이상, 예를 들면 600℃ 이하, 바람직하게는 400℃ 이하이다.
또한 가열처리는, 바람직하게는 진공상태 또는 불활성가스 분위기하에서 실시된다.
그러면 도12에 나타내는 바와 같이, 심재(102)와 탄소나노튜브 무연사(3)가 복합화, 즉 심재(102) 및/또는 탄소나노튜브 무연사(3)가 열용융되어 서로 견고하게 접착된다.
상기한 바에 따라, 탄소나노튜브 복합섬유(101)가 조제된다.
탄소나노튜브 복합섬유(101)는, 심재(102)와, 심재(102)에 감기는 탄소나노튜브 무연사(3)를 구비하고 있다.
이와 같은 탄소나노튜브 복합섬유(101)에 있어서, 심재(102)의 부피비율([심재(102)/탄소나노튜브 복합섬유(101)]×100)은, 예를 들면 95.0부피％ 이상, 바람직하게는 98.0부피％ 이상, 예를 들면 99.99부피％ 이하, 바람직하게는 99.98부피％ 이하이다.
또한 탄소나노튜브 복합섬유(101)에 있어서, 탄소나노튜브 무연사(3)의 부피비율([탄소나노튜브 무연사(3)/탄소나노튜브 복합섬유(101)]×100)은, 예를 들면 0.01부피％ 이상, 바람직하게는 0.02부피％ 이상, 예를 들면 5.0부피％ 이하, 바람직하게는 2.0부피％ 이하이다.
더 상세하게는 심재(102)가 금속인 경우에, 탄소나노튜브 복합섬유(101)에 대한 심재(102)의 부피비율은, 예를 들면 95.0부피％ 이상, 바람직하게는 98.0부피％ 이상, 예를 들면 99.9부피％ 이하, 바람직하게는 99.5부피％ 이하이고, 탄소나노튜브 복합섬유(101)에 대한 탄소나노튜브 무연사(3)의 부피비율은, 예를 들면 0.01부피％ 이상, 바람직하게는 0.05부피％ 이상, 예를 들면 5.0부피％ 이하, 바람직하게는 2.0부피％ 이하이다.
또한 심재(102)가 고분자재료인 경우에, 탄소나노튜브 복합섬유(101)에 대한 심재(102)의 부피비율은, 예를 들면 99.00부피％ 이상, 바람직하게는 99.50부피％ 이상, 예를 들면 99.99부피％ 이하, 바람직하게는 99.98부피％ 이하이고, 탄소나노튜브 복합섬유(101)에 대한 탄소나노튜브 무연사(3)의 부피비율은, 예를 들면 0.01부피％ 이상, 바람직하게는 0.02부피％ 이상, 예를 들면 1.00부피％ 이하, 바람직하게는 0.05부피％ 이하이다.
이와 같은 탄소나노튜브 복합섬유(101)는, 예를 들면 탄소섬유가 사용되는 직물(시트), 전기기기(예를 들면 모터, 트랜스, 센서 등)의 도전선재, 스포츠용품(예를 들면 골프 샤프트, 테니스 라켓, 낚싯대의 샤프트 등)의 재료 등 각종 산업제품에 이용된다.
이와 같은 탄소나노튜브 복합섬유의 제조방법은, 도10 및 도11에 나타내는 바와 같이, 예를 들면 탄소나노튜브 섬유의 제조장치의 일례로서의 복합섬유제조장치(120)에 의하여 연속적으로 실시된다.
복합섬유제조장치(120)는, 탄소나노튜브 복합섬유의 제조장치로서, 송출부(送出部)(121)와, 회수부(122)와, 공급부(123)와, 가열부(124)를 구비하고 있다.
송출부(121)는, 도10에 나타내는 바와 같이, 심재(102)를 소정방향의 일방을 향하여 송출하도록 구성되어 있고, 송출회전부(128)와, 송출축(127)과, 축구동부(130)와, 회전구동부(129)를 구비하고 있다.
송출회전부(128)는, 소정방향의 일방을 향하여 개방되며 평면에서 볼 때에 대략 ‘ㄷ’자 모양을 하고 있고, 한 쌍의 축지지부(128A)와, 연결부(128B)를 일체로 구비하고 있다.
한 쌍의 축지지부(128A)는, 소정방향과 직교하는 폭방향으로 서로 간격을 두고 배치되어 있다. 한 쌍의 축지지부(128A) 각각은, 소정방향으로 연장되며 대략 판 형상을 하고 있다.
연결부(128B)는, 한 쌍의 축지지부(128A)의 소정방향의 타단부 사이에 가설되어 있다. 연결부(128B)는, 폭방향으로 연장되는 대략 판 형상을 하고 있다.
송출축(127)은, 한 쌍의 축지지부(128A)에 있어서 소정방향의 일단부 사이에 배치되어 있다. 송출축(127)은, 폭방향으로 연장되며 대략 원기둥 형상을 하고 있고, 그 양 단부의 각각이, 대응하는 축지지부(128A)에 회전 가능하도록 지지되어 있다. 또한 송출축(127)에는, 심재(102)가 복수 회 감겨 있다.
축구동부(130)는, 외부로부터 전력이 공급됨으로써 송출축(127)에 구동력을 공급하도록 구성되어 있다. 축구동부(130)는, 폭방향에 있어서 한 쌍의 축지지부(128A) 사이에 배치되고, 소정방향에 있어서 송출축(127)과 연결부(128B)의 사이에 배치되어 있다.
축구동부(130)는, 모터축(130A)과, 구동전달벨트(130B)를 구비하고 있다.
모터축(130A)은, 한 쌍의 축지지부(128A) 중 일방의 축지지부(128A)에 회전 가능하도록 지지되어 있고, 도면에 나타내지 않은 모터 본체로부터 구동력이 입력됨으로써 회전한다.
구동전달벨트(130B)는, 공지의 무한벨트로서, 모터축(130A)의 폭방향 일단부와 송출축(127)의 폭방향 일단부를 가로질러 설치되어 있다.
회전구동부(129)는, 외부로부터 전력이 공급됨으로써 송출회전부(128)에 구동력을 공급하도록 구성되어 있다. 회전구동부(129)는, 송출회전부(128)에 대하여 소정방향의 타방에 배치되어 있다.
회전구동부(129)는, 예를 들면 공지의 모터로 이루어지고, 모터 본체(129A)와, 모터 본체(129A)에 회전 가능하도록 지지되는 모터축(129B)을 구비하고 있다. 그리고 모터축(129B)의 소정방향 일단부는, 송출회전부(128)에 있어서 연결부(128B)의 폭방향의 중앙부에 고정되어 있다. 이에 따라 송출회전부(128)는, 모터축(129B), 즉 소정방향을 따르는 축선을 회전중심으로 하여 회전 가능하다.
회수부(122)는, 송출부(121)로부터 송출된 심재(102)를 회수하도록 구성되어 있고, 송출부(121)에 대하여 소정방향의 일방에 간격을 두고 배치되어 있다. 회수부(122)는, 회수회전부(133)와, 회수축(132)과, 축구동부(135)와, 회전구동부(134)를 구비하고 있다.
회수회전부(133)는, 소정방향의 타방을 향하여 개방되며 평면에서 볼 때에 대략 ‘ㄷ’자 모양을 하고 있고, 한 쌍의 축지지부(133A)와 연결부(133B)를 일체로 구비하고 있다.
한 쌍의 축지지부(133A)는, 폭방향으로 서로 간격을 두고 배치되어 있다. 한 쌍의 축지지부(133A) 각각은, 소정방향으로 연장되며 대략 판 형상을 하고 있다.
연결부(133B)는, 한 쌍의 축지지부(133A)에 있어서 소정방향의 일단부 사이에 가설되어 있다. 연결부(133B)는, 폭방향으로 연장되며 대략 판 형상을 하고 있다.
회수축(132)은, 한 쌍의 축지지부(133A)에 있어서 소정방향의 타단부 사이에 배치되어 있다. 회수축(132)은, 폭방향으로 연장되며 대략 원기둥 형상을 하고 있고, 그 양 단부의 각각이, 대응하는 축지지부(133A)에 회전 가능하도록 지지되어 있다.
축구동부(135)는, 외부로부터 전력이 공급됨으로써 회수축(132)에 구동력을 공급하도록 구성되어 있다. 축구동부(135)는, 폭방향에 있어서 한 쌍의 축지지부(133A) 사이에 배치되고, 소정방향에 있어서 회수축(132)과 연결부(133B)의 사이에 배치되어 있다.
축구동부(135)는, 모터축(135A)과, 구동전달벨트(135B)를 구비하고 있다.
모터축(135A)은, 한 쌍의 축지지부(133A) 중 일방의 축지지부(133A)에 회전 가능하도록 지지되어 있고, 도면에 나타내지 않은 모터 본체로부터 구동력이 입력됨으로써 회전한다.
구동전달벨트(135B)는, 공지의 무한벨트로서, 모터축(135A)의 폭방향 일단부와 회수축(132)의 폭방향 일단부를 가로질러 설치되어 있다.
회전구동부(134)는, 외부로부터 전력이 공급됨으로써 회수회전부(133)에 구동력을 공급하도록 구성되어 있다. 회전구동부(134)는, 회수회전부(133)에 대하여 소정방향의 일방에 배치되어 있다.
회전구동부(134)는, 예를 들면 공지의 모터로 이루어지고, 모터 본체(134A)와, 모터 본체(134A)에 회전 가능하도록 지지되는 모터축(134B)을 구비하고 있다. 그리고 모터축(134B)의 소정방향 타단부는, 회수회전부(133)에 있어서 연결부(133B)의 폭방향의 중앙에 고정되어 있다. 이에 따라 회수회전부(133)는, 모터축(134B), 즉 소정방향을 따르는 축선을 회전중심으로 하여 회전 가능하다. 또한 회수회전부(133)의 회전축선과 송출회전부(128)의 회전축선은, 서로 일치하고 있다.
공급부(123)는, 상세한 것은 후술하겠지만, 송출부(121)와 회수부(122)의 사이에 배치되는 심재(102)에 대하여, 탄소나노튜브 무연사(3)를 공급하도록 구성되어 있다.
공급부(123)는, 기판(8)과, 도면에 나타내지 않은 인출도구를 구비하고 있다.
기판(8)은, 송출부(121)와 회수부(122)의 사이에 복수 배치되어 있고, 구체적으로는 2개의 기판(8)이다. 복수의 기판(8)은, 소정방향으로 서로 간격을 두고 배치되어 있다. 복수의 기판(8) 각각은, 상기한 바와 같이 탄소나노튜브 집합체(13)를 지지하고 있다.
탄소나노튜브 집합체(13)는, 평면에서 볼 때에 있어서 대략 직사각형 형상을 하고 있다. 탄소나노튜브 집합체(13)는, 복수의 탄소나노튜브(12)로 이루어지고, 인출방향으로 연장되는 열(13A)은, 인출방향과 직교하는 방향으로 복수 배치되어 있다.
그리고 복수의 열(13A) 각각에 있어서, 인출방향의 가장 하류(심재(102) 측)에 위치하는 탄소나노튜브(12)는, 인출방향과 직교하는 방향으로 직선적으로 배열되어 있고, 탄소나노튜브 집합체(13)의 인출방향 하류단부(13Y)를 구성하고 있다.
가열부(124)는, 도11에 나타내는 바와 같이, 소정방향에 있어서 공급부(123)와 회수부(122)의 사이에 배치되어 있다. 가열부(124)는 공지의 가열로로서, 내부에 심재(102)가 통과하도록 구성되어 있다.
이와 같은 복합섬유제조장치(120)에서는, 도10 및 도11에 나타내는 바와 같이, 먼저 송출축(127)에 감긴 심재(102)를, 송출축(127)으로부터 소정방향의 일방을 향하여 인출한다. 그리고 심재(102)의 소정방향 일단부를, 가열부(124)를 통과시킨 후에 회수축(132)에 고정시킨다. 이에 따라, 심재(102)가 송출부(121)로부터 회수부(122)에 걸쳐 놓인다.
다음에 도10에 나타내는 바와 같이, 복수의 기판(8) 각각의 탄소나노튜브 집합체(13)로부터, 도면에 나타내지 않은 인출도구에 의하여 복수의 탄소나노튜브 무연사(3)(탄소나노튜브 시트(14))를 인출한다.
더 상세하게는, 탄소나노튜브 집합체(13)의 인출방향 하류단부(13Y)를, 도면에 나타내지 않은 인출도구에 의하여 일괄하여 홀딩하고, 심재(102)를 향하여 잡아당긴다.
그러면 복수의 열(13A) 각각에 있어서, 복수의 탄소나노튜브(12)가 연속하도록 인출되어, 복수의 탄소나노튜브 무연사(3)(탄소나노튜브 시트(14))가 형성된다. 이때에 복수의 탄소나노튜브 무연사(3)는, 인출방향과 직교하는 방향으로 병렬배치되어 대략 시트 형상이 된다.
그리고 복수의 탄소나노튜브 무연사(3) 각각의 일단부(탄소나노튜브 시트(14)의 일단부)를, 송출부(121)와 가열부(124)의 사이에 배치되는 심재(102)에 고정시킨다.
다음에 송출부(121)의 회전구동부(129)에 전력을 공급함과 아울러, 회수부(122)의 회전구동부(134)에 전력을 공급한다.
그러면 회전구동부(129)의 모터축(129B), 및 회전구동부(134)의 모터축(134B) 각각이 소정방향의 일방에서 보아 시계방향으로 회전하고, 그에 따라 송출회전부(128) 및 회수회전부(133) 각각이 소정방향의 일방에서 보아 시계방향으로 회전한다. 또한 송출회전부(128) 및 회수회전부(133)의 회전속도는, 서로 동일하다.
이에 따라, 심재(102)가 소정방향의 일방에서 보아 시계방향으로 회전한다. 이때에 심재(102)의 회전속도(원주속도)는, 예를 들면 0.1m/min 이상, 바람직하게는 0.5m/min 이상, 예를 들면 10m/min 이하, 바람직하게는 6.0m/min 이하, 더욱 바람직하게는 3.0m/min 이하이다.
이에 따라, 심재(102)에 일단부가 고정된 탄소나노튜브 무연사(3)(탄소나노튜브 시트(14))는, 심재(102)의 회전에 따라 심재(102)의 둘레에 감긴다. 그러면 탄소나노튜브 무연사(3)는, 탄소나노튜브 집합체(13)로부터 더 인출되어, 심재(102)에 연속적으로 공급된다.
그리고 송출부(121)의 축구동부(130) 및 회수부(122)의 축구동부(135)에 전력을 공급한다. 그러면 축구동부(130)의 모터축(130A) 및 축구동부(135)의 모터축(135A) 각각이, 폭방향의 타방에서 보아 시계방향으로 회전하고, 그에 따라 송출축(127) 및 회수축(132)의 각각이 폭방향의 타방에서 보아 시계방향으로 회전한다.
이에 따라 심재(102)는, 송출축(127)으로부터 송출되어, 장력이 걸린 상태로 소정방향의 일방으로 이동한 후에, 회수축(132)에 감긴다. 그 때문에 심재(102)는, 회전하면서 송출부(121)로부터 회수부(122)를 향하여 연속적으로 이동된다.
이때에 심재(102)의 이동속도는, 예를 들면 0.1m/min 이상, 바람직하게는 0.5m/min 이상, 예를 들면 10m/min 이하, 바람직하게는 6.0m/min 이하, 더욱 바람직하게는 3.0m/min 이하이다.
그러면 복수의 탄소나노튜브 무연사(3)는, 심재(102)에 대하여 나선 모양으로 감긴다.
이에 따라, 심재(102)의 둘레에 탄소나노튜브 무연사(3)가 복수 적층되는 복합섬유 전구체(104)가 조제된다.
그 후에 복합섬유 전구체(104)는, 도11에 나타내는 바와 같이, 심재(102)의 이동에 따라 가열부(124) 내에 도달한다. 그리고 복합섬유 전구체(104)는, 회전하면서 가열부(124) 내를 통과하고, 가열부(124)에 의하여 상기의 온도로 가열된다.
이에 따라, 심재(102) 및 탄소나노튜브 무연사(3)는 복합화되어, 탄소나노튜브 복합섬유(101)가 조제된다. 그 후에 탄소나노튜브 복합섬유(101)는, 송출축(127) 및 회수축(132)의 회전에 의하여, 회수축(132)에 감긴다.
상기한 바에 따라, 복합섬유제조장치(120)에 의한 탄소나노튜브 복합섬유(101)의 제조가 완료된다.
이와 같은 제9실시형태에서는, 도11 및 도12에 나타내는 바와 같이, 심재(102)에 탄소나노튜브 무연사(3)가 감긴 복합섬유 전구체(104)가 가열처리된다. 그 때문에, 심재(102)와 탄소나노튜브 무연사(3)를 복합화시킬 수 있어, 탄소나노튜브 복합섬유(101)의 기계특성의 향상을 확실하게 도모할 수 있다.
또한 복합섬유 전구체(104)는, 탄소나노튜브 무연사(3)를 심재(102)에 감는 간이한 방법으로 조제할 수 있다. 그리고 복합섬유 전구체(104)에 있어서, 심재(102)는 확실하게 중심부에 배치되고, 탄소나노튜브 무연사(3)는 심재(102)의 주위에 배치된다. 그 때문에, 탄소나노튜브 복합섬유(101)에 있어서, 심재(102)를 확실하게 중심부에 배치할 수 있고, 또한 탄소나노튜브 무연사(3)를 심재(102)의 주위에 배치할 수 있다. 그 결과, 기계특성의 향상을 한층 더 도모할 수 있으면서, 탄소나노튜브 복합섬유(101)에 있어서, 심재(102) 및 탄소나노튜브 무연사(3)가 균형을 잘 이룬다고 하는 특성을 얻을 수 있다.
또한 탄소나노튜브 무연사(3)는, 도1d에 나타내는 바와 같이, 기판(8)에 대하여 직교하도록 배향(수직배향)되는 복수의 탄소나노튜브(12)로부터 인출됨으로써 조제된다. 그 때문에, 탄소나노튜브 무연사(3)에 있어서, 복수의 탄소나노튜브 각각이 탄소나노튜브 무연사(3)의 연장방향을 따르도록 배향된다.
그 결과, 도12에 나타내는 바와 같이, 탄소나노튜브 무연사(3)가 심재(102)에 감긴 상태에 있어서도 탄소나노튜브(12)의 배향성을 확실하게 확보할 수 있고, 탄소나노튜브 복합섬유(101)에 있어서, 탄소나노튜브 무연사(3)에 의거한 특성을 확실하게 부여할 수 있다.
또한 도1c에 나타내는 바와 같이, 복수의 탄소나노튜브(12)는, 기판(8)의 위에 배치되는 촉매층(11)을 기점으로 하여 성장한다. 그 때문에, 기판(8)에 대하여 수직으로 배향되는 복수의 탄소나노튜브(12)를 확실하게 준비할 수 있다.
복합섬유제조장치(120)에서는, 도10 및 도11에 나타내는 바와 같이, 간이한 구성에 의하면서도, 송출부(121) 및 회수부(122)의 각각이 회전함으로써 심재(102)에 탄소나노튜브 무연사(3)를 감을 수 있고, 그 후에 가열부(124)에 의하여 탄소나노튜브 무연사(3)가 감긴 심재(102)를 가열할 수 있다.
그 때문에, 심재(102)에 탄소나노튜브 무연사(3)가 감기고, 또한 심재(102)와 탄소나노튜브 무연사(3)가 복합화한 탄소나노튜브 복합섬유(101)를 효율적으로 제조할 수 있다.
10. 다른 실시형태
다음에 도13 및 도14를 참조하여, 본 발명의 탄소나노튜브 섬유의 제조방법의 다른 실시형태에 대하여 설명한다.
상기의 제9실시형태에서는, 탄소나노튜브 무연사(3)를 심재(102)에 감는 전처리로서, 예를 들면 심재(102) 및 탄소나노튜브 무연사(3) 각각의 표면처리를 들고 있지만, 전처리는 이에 한정되지 않는다.
예를 들면 심재(102)가 금속으로 이루어지는 경우에, 탄소나노튜브 무연사(3)를 심재(102)에 감기 전에, 금속을 함유하는 금속 함유액에 탄소나노튜브 무연사(3)를 침지시킨 후, 건조시킬 수도 있다.
금속으로서는, 예를 들면 상기한 금속과 마찬가지의 금속을 들 수 있다. 이와 같은 금속은, 심재(102)를 형성하는 금속과 동일한 금속인 것이 바람직하다.
또한 금속 함유액으로서는, 예를 들면 금속입자가 분산되는 금속 분산액이나, 금속 알콕시드가 용해되는 금속 알콕시드 용액 등을 들 수 있다.
이와 같은 경우에 복합섬유제조장치(120)의 공급부(123)는, 도13에 나타내는 바와 같이, 복수의 침지부(138)를 구비하고 있다.
복수의 침지부(138)는, 복수의 기판(8) 각각에 1개씩 대응하고 있고, 기판(8)과 심재(102)의 사이에 배치되어 있다.
복수의 침지부(138) 각각은, 침지조(140)와, 복수의 롤러(139)를 구비하고 있다.
침지조(140)는, 상방을 향하여 개방되며 대략 박스 형상을 하고 있고, 그 내부에 금속 함유액이 저장되어 있다.
복수의 롤러(139) 각각은, 탄소나노튜브 무연사(3)가 침지조(140) 내의 금속 함유액에 침지되도록, 소정의 위치에 적절하게 배치되어 있다.
이에 따라, 탄소나노튜브 집합체(13)로부터 인출된 탄소나노튜브 무연사(3)는, 침지조(140) 내의 금속 함유액에 침지된 후에 건조되어, 탄소나노튜브 무연사(3)에 금속이 담지된다.
그 후에 금속이 담지된 탄소나노튜브 무연사(3)가, 금속으로 이루어지는 심재(102)에 감긴다.
또한 심재(102)가 금속으로 이루어지는 경우에, 도14에 나타내는 바와 같이, 탄소나노튜브 무연사(3)를 심재(102)에 감기 전에, 탄소나노튜브 무연사(3)에 금속을 증착시킬 수도 있다.
이와 같은 경우에 복합섬유제조장치(120)의 공급부(123)는, 복수의 증착부(142)를 구비하고 있다.
복수의 증착부(142)는, 복수의 기판(8) 각각에 1개씩 대응하고 있고, 기판(8)과 심재(102)의 사이에 배치되어 있다.
복수의 증착부(142) 각각은, 증착기(蒸着器)(143)와 롤러(139)를 구비하고 있다.
증착기(143)는 금속증착에 사용되는 공지의 장치로서, 특별히 제한되지 않는다.
롤러(139)는, 금속이 증착된 탄소나노튜브 무연사(3)가 심재(102)를 향하도록, 소정의 위치에 적절하게 배치되어 있다.
이에 따라, 탄소나노튜브 집합체(13)로부터 인출된 탄소나노튜브 무연사(3)는 증착기(143)에 의하여 금속이 증착되어, 탄소나노튜브 무연사(3)에 금속막이 형성된다.
그 후에 금속막이 형성된 탄소나노튜브 무연사(3)가, 금속으로 이루어지는 심재(102)에 감긴다.
이와 같이 다른 실시형태에서는, 금속으로 이루어지는 심재에 금속(금속막)을 갖는 탄소나노튜브가 감기기 때문에, 심재(102)와 탄소나노튜브 무연사(3)를 확실하게 밀착시킬 수 있다. 또한 복합섬유 전구체(104)를 가열처리할 때에, 심재(102)와, 탄소나노튜브 무연사(3)가 갖는 금속(금속막)이 서로 용융되어, 그 금속이 복수의 탄소나노튜브(12) 사이에 삽입되기 때문에, 심재(102)와 탄소나노튜브 무연사(3)를 견고하게 복합화할 수 있다.
또한 심재(102)가 고분자재료로 이루어지는 경우에, 도13에 나타내는 바와 같이, 탄소나노튜브 무연사(3)를 심재(102)에 감기 전에, 고분자재료를 함유하는 고분자 함유액에 탄소나노튜브 무연사(3)를 침지시킨 후에 건조시킬 수도 있다.
고분자재료로서는, 예를 들면 상기한 고분자재료와 마찬가지의 재료를 들 수 있다. 이와 같은 고분자재료는, 심재(102)를 형성하는 고분자재료와 동일한 재료인 것이 바람직하다.
또한 고분자 함유액으로서는, 예를 들면 고분자재료가 용해된 고분자재료 용액 등을 들 수 있다.
이와 같은 경우에 침지부(138)의 침지조(140)에는, 금속 함유액 대신에 고분자 함유액이 저장되어 있다.
그리고 탄소나노튜브 집합체(13)로부터 인출된 탄소나노튜브 무연사(3)는, 침지조(140) 내의 고분자 함유액에 침지된 후에 건조되어, 탄소나노튜브 무연사(3)에 고분자재료가 담지된다.
그 후에 고분자재료가 담지된 탄소나노튜브 무연사(3)가, 고분자재료로 이루어지는 심재(102)에 감긴다.
또한 심재(102)가 고분자재료로 이루어지는 경우에, 탄소나노튜브 무연사(3)를 심재(102)에 감는 전처리로서, 탄소나노튜브 무연사(3)를 고분자재료로 이루어지는 필름에 포개거나, 탄소나노튜브 무연사(3)에 고분자재료가 용해된 고분자용액을 일렉트로 스피닝하는 것도 가능하다.
이와 같이 다른 실시형태에서는, 고분자재료로 이루어지는 심재(102)에 고분자재료를 갖는 탄소나노튜브가 감기기 때문에, 심재(102)와 탄소나노튜브 무연사(3)를 확실하게 밀착시킬 수 있다. 또한 복합섬유 전구체(104)를 가열처리할 때에, 심재(102)와, 탄소나노튜브 무연사(3)가 갖는 고분자재료가 서로 용융되어, 고분자수지가 복수의 탄소나노튜브(12) 사이에 삽입되기 때문에, 심재(102)와 탄소나노튜브 무연사(3)를 견고하게 복합화할 수 있다.
이와 같이 다른 실시형태에 의해서도, 상기의 실시형태와 동일한 작용효과를 발휘할 수 있다.
11. 변형예
또한 도11에 나타내는 바와 같이, 심재(102)에 탄소나노튜브 무연사(3)를 감아 복합섬유 전구체(104)를 조제한 후, 가열처리를 하기 전에 복합섬유 전구체(104)를 프레스할 수도 있다.
이와 같은 경우에 복합섬유제조장치(120)는, 도11에 가상선으로 나타내는 바와 같이, 한 쌍의 가압 롤러(146)를 구비하고 있다.
한 쌍의 가압 롤러(146)는, 소정방향에 있어서 공급부(123)와 가열부(124)의 사이에 배치되어 있다. 한 쌍의 가압 롤러(146) 각각은, 폭방향으로 연장되어 있다. 그리고 한 쌍의 가압 롤러(146)는, 복합섬유 전구체(104)가 그 사이에 끼워지도록, 소정방향 및 폭방향의 양 방향과 교차하는 방향으로 서로 마주 보고 있다.
이에 따라, 심재(102)에 탄소나노튜브 무연사(3)가 감긴 복합섬유 전구체(104)는, 한 쌍의 가압 롤러(146) 사이를 통과할 때에 프레스된다.
그 때문에, 심재(102)와 탄소나노튜브 무연사(3)가 보다 더 밀착됨과 아울러, 탄소나노튜브 무연사(3)에 있어서의 복수의 탄소나노튜브(12)가 서로 응집한다.
그 후에 복합섬유 전구체(104)가 가열부(124)에 의하여 가열처리되어, 탄소나노튜브 복합섬유(101)가 조제된다.
그 결과, 탄소나노튜브 복합섬유(101)의 기계특성의 향상을 한층 더 확실하게 도모할 수 있다.
또한 이와 같은 변형예에 의해서도, 상기 제9실시형태와 동일한 작용효과를 발휘할 수 있다. 또한 이들 제9실시형태, 다른 실시형태 및 변형예는, 적절하게 조합시킬 수 있다.
(실시예)
이하에 실시예를 나타내어, 본 발명을 더 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 그들에 한정되지 않는다. 이하의 기재에 있어서 사용되는 배합비율(함유비율), 물성값, 파라미터 등의 구체적인 수치는, 상기의 「발명을 실시하기 위한 구체적인 내용」에 기재되어 있으며, 그들에 대응하는 배합비율(함유비율), 물성값, 파라미터 등 해당 기재의 상한값(「이하」, 「미만」으로 정의되어 있는 수치) 또는 하한값(「이상」, 「초과」로 정의되어 있는 수치)으로 대체할 수 있다.
실시예1
스테인레스제의 기판에 이산화규소막을 적층한 후에, 이산화규소막 상에 촉매층으로서 철을 증착하였다.
다음에 기판을 소정의 온도로 가열하여, 촉매층에 원료가스(아세틸렌가스)를 공급하였다. 이에 따라 기판 상에 있어서, 평면에서 볼 때에 대략 직사각형 형상의 탄소나노튜브 집합체가 형성되었다. 탄소나노튜브 집합체에 있어서 복수의 탄소나노튜브는, 서로 대략 평행하게 되도록 연장되고, 기판에 대하여 직교하도록 배향(수직배향)되어 있었다. 탄소나노튜브의 평균외경은 약 12㎚, 탄소나노튜브의 평균길이는 약 300㎛, 탄소나노튜브 집합체에 있어서의 복수의 탄소나노튜브의 부피밀도는 약 30mg/㎤이었다.
이에 따라, 기판과 탄소나노튜브 집합체를 구비하는 제1탄소나노튜브 지지체가 조제되었다.
제1탄소나노튜브 지지체의 탄소나노튜브 집합체는, 길이방향(소정방향)의 치수가 200㎜이고, 폭방향의 치수가 15㎜이었다.
또한 제1탄소나노튜브 지지체의 조제와 마찬가지로 하여, 제2탄소나노튜브 지지체를 조제하였다.
제2탄소나노튜브 지지체의 탄소나노튜브 집합체는, 길이방향의 치수가 200㎜이고, 폭방향의 치수가 15㎜이었다.
그리고 제1탄소나노튜브 지지체의 탄소나노튜브 집합체에 있어서, 소정방향의 일단에 배치되는 복수의 탄소나노튜브를, 인출도구에 의하여 전체 폭에 걸쳐서 일괄하여 홀딩하고, 소정방향으로 잡아당겼다. 이에 따라 제1탄소나노튜브 지지체의 탄소나노튜브 집합체로부터, 복수의 탄소나노튜브 무연사를 인출하였다. 복수의 탄소나노튜브 무연사 각각의 지름(탄소나노튜브 시트의 두께)은, 약 60㎚∼80㎚이었다.
다음에 복수의 탄소나노튜브 무연사를, 도2에 나타내는 바와 같이, 수속부(27)의 한 쌍의 축부(29) 사이를 통과시킴으로써 묶어, 탄소나노튜브 중심사를 조제하였다.
다음에 탄소나노튜브 중심사의 소정방향 일단부를 회수부(22)의 회수축(32)에 고정시키고, 탄소나노튜브 중심사를 제1탄소나노튜브 지지체로부터 회수부(22)에 걸쳐 놓았다.
또한 제2탄소나노튜브 지지체의 탄소나노튜브 집합체에 있어서, 길이방향의 일단에 배치되는 복수의 탄소나노튜브를, 인출도구에 의하여 전체 폭에 걸쳐서 일괄하여 홀딩하고, 길이방향으로 잡아당겼다. 이에 따라 제2탄소나노튜브 지지체의 탄소나노튜브 집합체로부터, 복수의 탄소나노튜브 무연사(이하, 탄소나노튜브 권취사라고 한다)를 인출하였다. 복수의 탄소나노튜브 권취사는, 탄소나노튜브 권취사의 연장방향과 직교하는 방향으로 병렬배치되어 있고, 대략 시트 형상을 형성하고 있었다. 복수의 탄소나노튜브 권취사 각각의 지름(탄소나노튜브 시트의 두께)은, 약 60㎚∼80㎚이었다.
다음에 복수의 탄소나노튜브 권취사 각각의 일단부를, 수속부(27)와 회수부(22)의 사이에 배치되는 탄소나노튜브 중심사에 고정시켰다.
그리고 회전부(33)를 회전시킴과 아울러 회수축(32)을 회전시켰다. 이에 따라 탄소나노튜브 중심사가 회전하여 꼬임과 아울러, 소정방향의 일방으로 이동하여, 회수축에 권취되었다.
꼬인 탄소나노튜브 중심사의 지름은 약 24㎛∼27㎛이었다. 탄소나노튜브 중심사의 밀도는 약 0.8g/㎤이었다.
이때에 복수의 탄소나노튜브 권취사는, 탄소나노튜브 중심사의 회전 및 이동에 따라 탄소나노튜브 중심사의 둘레에 나선 모양으로 감겼다.
상기한 바에 따라, 탄소나노튜브 중심사의 둘레에 탄소나노튜브 권취사가 약 100층 적층되는 탄소나노튜브 섬유를 얻었다. 탄소나노튜브 섬유의 지름은 약 30㎛∼35㎛이었다. 탄소나노튜브 섬유의 밀도는 0.9g/㎤이었다.
실시예2
실시예1과 마찬가지로 하여, 길이방향(소정방향)의 치수가 200㎜이고, 폭방향의 치수가 40㎜인 탄소나노튜브 집합체를 구비하는 제1탄소나노튜브 지지체와, 길이방향(소정방향)의 치수가 200㎜이고, 폭방향의 치수가 15㎜인 탄소나노튜브 집합체를 구비하는 제2탄소나노튜브 지지체를 준비하였다.
다음에 제1탄소나노튜브 지지체의 탄소나노튜브 집합체로부터 복수의 탄소나노튜브 무연사를 인출한 후에, 그들을 묶어 꼬아서 탄소나노튜브 중심사를 조제하였다.
꼬인 탄소나노튜브 중심사의 지름은 약 40㎛∼45㎛이었다. 탄소나노튜브 중심사의 밀도는 약 0.7g/㎤이었다.
또한 제2탄소나노튜브 지지체의 탄소나노튜브 집합체로부터 복수의 탄소나노튜브 권취사를 인출하고, 탄소나노튜브 중심사의 둘레에 나선 모양으로 감았다.
상기한 바에 따라, 탄소나노튜브 중심사의 둘레에 탄소나노튜브 권취사가 약 100층 적층되는 탄소나노튜브 섬유를 얻었다. 탄소나노튜브 섬유의 지름은 약 50㎛∼55㎛이었다. 탄소나노튜브 섬유의 밀도는 약 0.8g/㎤이었다.
비교예1
실시예1과 마찬가지로 하여, 길이방향(소정방향)의 치수가 200㎜이고, 폭방향의 치수가 30㎜인 탄소나노튜브 집합체를 구비하는 탄소나노튜브 지지체를 준비하였다.
그리고 탄소나노튜브 지지체의 탄소나노튜브 집합체로부터 복수의 탄소나노튜브 무연사를 인출한 후에, 그들을 묶어 꼬아서 탄소나노튜브 섬유를 얻었다. 꼬인 탄소나노튜브 섬유의 지름은 약 30㎛∼33㎛이었다. 탄소나노튜브 섬유의 밀도는 약 0.6g/㎤이었다.
비교예2
실시예1과 마찬가지로 하여, 길이방향(소정방향)의 치수가 200㎜이고, 폭방향의 치수가 60㎜인 탄소나노튜브 집합체를 구비하는 탄소나노튜브 지지체를 준비하였다.
그리고 탄소나노튜브 지지체의 탄소나노튜브 집합체로부터 복수의 탄소나노튜브 무연사를 인출한 후에, 그들을 묶어 탄소나노튜브 섬유를 얻었다. 탄소나노튜브 섬유의 지름은 약 50㎛∼53㎛이었다. 탄소나노튜브 섬유의 밀도는 약 0.6g/㎤이었다.
평가:
실시예1에서 얻은 탄소나노튜브 섬유는 파단강도가 350mN∼400mN으로서, 비교예1에서 얻은 탄소나노튜브 섬유(파단강도가 240mN∼320mN)에 대하여 20％ 정도 강도의 향상이 확인되었다.
실시예2에서 얻은 탄소나노튜브 섬유는 파단강도가 600mN∼700mN으로서, 비교예2에서 얻은 탄소나노튜브 섬유(파단강도가 490mN∼600mN)에 대하여 20％ 정도 강도의 향상이 확인되었다.
또한 탄소나노튜브 섬유의 파단강도는, 일축 인장강도 시험기에 의하여 측정하였다.
그 결과를 표1에 나타낸다.
Figure pct00001
실시예3
스테인레스제의 기판에 이산화규소막을 적층한 후에, 이산화규소막 상에 촉매층으로서 철을 증착하였다.
다음에 기판을 소정의 온도로 가열하여, 촉매층에 원료가스(아세틸렌가스)를 공급하였다. 이에 따라 기판 상에 있어서, 탄소나노튜브 집합체가 형성되었다. 탄소나노튜브 집합체에 있어서 복수의 탄소나노튜브는, 서로 대략 평행하게 되도록 연장되고, 기판에 대하여 직교하도록 배향(수직배향)되어 있었다. 탄소나노튜브의 평균외경은 약 12㎚, 탄소나노튜브의 평균길이는 약 300㎛, 탄소나노튜브 집합체에 있어서의 복수의 탄소나노튜브의 부피밀도는 약 30mg/㎤이었다.
다음에 외경이 50㎛인 동선(銅線)(심재)을 준비하였다.
또한 탄소나노튜브 집합체로부터 복수의 탄소나노튜브 무연사를 일괄하여 인출하였다. 복수의 탄소나노튜브 무연사는, 탄소나노튜브 무연사의 연장방향과 직교하는 방향으로 병렬배치되어 있고, 대략 시트 형상을 형성하고 있었다.
다음에 복수의 탄소나노튜브 무연사를, 동선(심재)의 둘레에 10층 적층되도록 동선(심재)에 감아, 복합섬유 전구체를 조제하였다.
다음에 아르곤 분위기하에서, 복합섬유 전구체를 가열로 내에서 1200℃로 가열처리하였다.
이에 따라, 동선(심재)과 탄소나노튜브 무연사가 복합화된 탄소나노튜브 복합섬유를 얻었다.
실시예4
실시예3과 마찬가지로 하여 조제한 복수의 탄소나노튜브 무연사를, 외경이 1㎜인 폴리에스테르 선재(심재)의 둘레에 10층 적층되도록, 폴리에스테르 선재(심재)에 감아 복합섬유 전구체를 조제하였다.
다음에 아르곤 분위기하에서, 복합섬유 전구체를 가열로 내에서 300℃로 가열처리하였다.
이에 따라, 폴리에스테르 선재(심재)와 탄소나노튜브 무연사가 복합화된 탄소나노튜브 복합섬유를 얻었다.
실시예5
실시예3과 마찬가지로 하여 조제한 복수의 탄소나노튜브 무연사에, 구리(금속)를 증착시켜 전처리하였다. 다음에 전처리한 복수의 탄소나노튜브 무연사를, 외경이 50㎛인 동선(심재)의 둘레에 10층 적층되도록, 동선(심재)에 감아 복합섬유 전구체를 조제하였다.
다음에 아르곤 분위기하에서, 복합섬유 전구체를 가열로 내에서 1200℃로 가열처리하였다.
이에 따라, 동선(심재)과 탄소나노튜브 무연사가 복합화된 탄소나노튜브 복합섬유를 얻었다.
평가:
실시예3 및 실시예4에서 얻은 탄소나노튜브 복합섬유 각각은, 외경이 50㎛인 동선에 대하여 30％의 강도의 향상이 확인되었다.
또한 실시예5에서 얻은 탄소나노튜브 복합섬유는, 외경이 50㎛인 동선에 대하여 50％의 강도의 향상이 확인되었다.
탄소나노튜브 복합섬유의 강도는, 일축 인장강도 시험기에 의하여 측정하였다.
또한 상기의 발명은 본 발명의 실시형태로서 제공한 것이지만, 이는 단순한 예시에 지나지 않고, 한정적으로 해석하여서는 안 된다. 당해 기술분야의 당업자에게 명백한 본 발명의 변형예는, 후술하는 청구의 범위에 포함된다.
(산업상이용가능성)
본 발명의 탄소나노튜브 섬유의 제조방법은, 각종 산업제품에 사용되는 탄소나노튜브 섬유의 제조에 적합하게 사용할 수 있다.
1 : 탄소나노튜브 섬유
2 : 탄소나노튜브 중심사
3 : 탄소나노튜브 무연사
8 : 기판
11 : 촉매층
12 : 탄소나노튜브
13 : 탄소나노튜브 집합체
20 : 섬유제조장치
21 : 중심사 공급부
22 : 회수부
23 : 권취사 공급부
101 : 탄소나노튜브 복합섬유
102 : 심재
120 : 복합섬유제조장치
121 : 송출부
122 : 회수부
123 : 공급부
124 : 가열부

Claims (19)

  1. 소정방향(所定方向)으로 연장되는 심재(芯材)를 준비하는 공정과,
    기판 상에 배치되며, 상기 기판에 대하여 수직으로 배향(配向)되는 복수의 탄소나노튜브를 구비하는 탄소나노튜브 집합체(carbon nanotube 集合體)를 준비하는 공정과,
    상기 탄소나노튜브 집합체로부터, 상기 복수의 탄소나노튜브가 연속적으로 이어지는 탄소나노튜브 무연사(carbon nanotube 無撚絲)를 인출(引出)하여 조제(調製)하는 공정과,
    상기 탄소나노튜브 무연사를 상기 심재에 감는 공정을
    포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 심재를 준비하는 공정은,
    기판 상에 배치되며, 상기 기판에 대하여 수직으로 배향되는 복수의 탄소나노튜브를 구비하는 탄소나노튜브 집합체를 준비하는 공정과,
    상기 탄소나노튜브 집합체로부터, 상기 복수의 탄소나노튜브가 연속적으로 이어지는 탄소나노튜브 무연사를 복수 인출한 후에, 복수의 상기 탄소나노튜브 무연사를 묶어, 상기 심재를 탄소나노튜브 중심사(carbon nanotube 中心絲)로서 조제하는 공정을
    포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 중심사를 조제하는 공정에 있어서, 복수의 상기 탄소나노튜브 무연사를 꼬아, 상기 탄소나노튜브 중심사를 연사(撚絲)로서 조제하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 무연사를 상기 탄소나노튜브 중심사에 감는 공정에 있어서, 상기 탄소나노튜브 무연사를, 상기 탄소나노튜브 중심사의 꼬임방향을 따르도록 상기 탄소나노튜브 중심사에 감는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유의 제조방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 집합체를 준비하는 공정은,
    상기 기판 상에 촉매층(觸媒層)을 배치하는 공정과,
    상기 기판에 원료가스를 공급함으로써, 상기 촉매층을 기점으로 하여 상기 복수의 탄소나노튜브를 성장(成長)시키는 공정을
    포함하고 있는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유의 제조방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 무연사를 상기 탄소나노튜브 중심사에 감는 공정에 있어서, 상기 탄소나노튜브 집합체로부터 복수의 상기 탄소나노튜브 무연사를 인출하고, 복수의 상기 탄소나노튜브 무연사 중의 적어도 2개의 상기 탄소나노튜브 무연사를, 감기는 방향이 서로 다르게 되도록 상기 탄소나노튜브 중심사에 나선 모양으로 감는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유의 제조방법.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 중심사를 조제하는 공정에 있어서, 상기 탄소나노튜브 중심사에 휘발성 유기용매를 부착시키는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유의 제조방법.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 무연사를 상기 탄소나노튜브 중심사에 감는 공정에 있어서, 상기 탄소나노튜브 무연사를 상기 탄소나노튜브 중심사에 감기 전에,
    상기 탄소나노튜브 중심사 및 상기 탄소나노튜브 무연사 각각을, 금속을 함유하는 금속 함유액에 침지시킨 후에 건조시키거나, 또는
    상기 탄소나노튜브 중심사 및 상기 탄소나노튜브 무연사 각각에, 금속을 증착시키는
    것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유의 제조방법.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 무연사를 상기 탄소나노튜브 중심사에 감는 공정에 있어서, 상기 탄소나노튜브 무연사를 상기 탄소나노튜브 중심사에 감기 전에,
    상기 탄소나노튜브 중심사 및 상기 탄소나노튜브 무연사 각각을, 고분자재료로 이루어지는 필름에 포개거나, 또는 고분자재료를 함유하는 고분자 함유액에 침지시킨 후에 건조시키거나, 또는
    상기 탄소나노튜브 중심사 및 상기 탄소나노튜브 무연사 각각에, 고분자재료가 용해된 고분자용액을 일렉트로 스피닝(electro spinning)하는
    것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유의 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 무연사가 감긴 상기 탄소나노튜브 중심사를 가열처리하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유의 제조방법.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 무연사를 상기 탄소나노튜브 중심사에 감는 공정에 있어서, 상기 탄소나노튜브 무연사를 상기 탄소나노튜브 중심사에 감기 전에,
    상기 탄소나노튜브 중심사 및 상기 탄소나노튜브 무연사 각각을, UV 처리 또는 플라스마 처리에 의하여 표면처리하는
    것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유의 제조방법.
  12. 복수의 탄소나노튜브 무연사를 묶어, 소정방향으로 연장되는 탄소나노튜브 중심사를 공급하는 제1공급부와,
    상기 제1공급부에 대하여 상기 소정방향으로 간격을 두고 배치되며, 상기 제1공급부로부터 공급되는 상기 탄소나노튜브 중심사를 회수하도록 구성되는 회수부(回收部)와,
    상기 제1공급부와 상기 회수부의 사이에 배치되는 상기 탄소나노튜브 중심사에, 탄소나노튜브 무연사를 공급하는 제2공급부를
    구비하고,
    상기 제1공급부 및 상기 회수부 중의 어느 일방(一方)은, 상기 소정방향을 따르는 축선(軸線)을 회전중심으로 하여 회전 가능한 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유의 제조장치.
  13. 복수의 탄소나노튜브가 연속적으로 이어지는 탄소나노튜브 무연사가 복수 묶이는 탄소나노튜브 중심사와,
    상기 탄소나노튜브 중심사에 감기는 상기 탄소나노튜브 무연사를
    구비하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 무연사가 감긴 상기 심재를 가열처리하여, 상기 탄소나노튜브 섬유를 탄소나노튜브 복합섬유로서 조제하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유의 제조방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 집합체를 준비하는 공정은,
    상기 기판 상에 촉매층을 배치하는 공정과,
    상기 기판에 원료가스를 공급함으로써, 상기 촉매층을 기점으로 하여 상기 복수의 탄소나노튜브를 성장시키는 공정을
    포함하고 있는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유의 제조방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 심재는 금속으로 이루어지고,
    상기 탄소나노튜브 무연사를 조제하는 공정에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 무연사를 금속을 함유하는 금속 함유액에 침지시킨 후에 건조시키거나, 또는
    상기 탄소나노튜브 무연사에 금속을 증착시키는
    것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유의 제조방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 심재는 고분자재료로 이루어지고,
    상기 탄소나노튜브 무연사를 조제하는 공정에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 무연사를 고분자재료로 이루어지는 필름에 포개거나, 또는
    상기 탄소나노튜브 무연사를 고분자재료를 함유하는 고분자 함유액에 침지시킨 후에 건조시키거나, 또는
    상기 탄소나노튜브 무연사에 고분자재료가 용해된 고분자용액을 일렉트로 스피닝하는
    것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유의 제조방법.
  18. 심재를 소정방향을 향하여 송출하도록 구성되며, 상기 소정방향을 따르는 축선을 회전중심으로 하여 회전 가능한 송출부(送出部)와,
    상기 송출부에 대하여 상기 소정방향으로 간격을 두고 배치되고, 상기 송출부로부터 송출되는 상기 심재를 회수하도록 구성되며, 상기 소정방향을 따르는 축선을 회전중심으로 하여 회전 가능한 회수부와,
    상기 송출부와 상기 회수부의 사이에 배치되는 상기 심재에, 탄소나노튜브 무연사를 공급하는 공급부와,
    상기 송출부 및 상기 회수부 각각이 회전함으로써 상기 탄소나노튜브 무연사가 감긴 상기 심재를 가열하도록 구성되는 가열부를
    구비하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유의 제조장치.
  19. 소정방향으로 연장되는 심재와,
    복수의 탄소나노튜브가 연속적으로 이어지는 탄소나노튜브 무연사로서, 상기 심재에 감기는 탄소나노튜브 무연사를
    구비하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유.
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