KR20230002482A - 전도성 요소 - Google Patents

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KR20230002482A
KR20230002482A KR1020227036976A KR20227036976A KR20230002482A KR 20230002482 A KR20230002482 A KR 20230002482A KR 1020227036976 A KR1020227036976 A KR 1020227036976A KR 20227036976 A KR20227036976 A KR 20227036976A KR 20230002482 A KR20230002482 A KR 20230002482A
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존 에드워드 프랭크스
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퀀텀 컨덕터스 엘티디
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Abstract

전도성 요소 프리커서, 및 테이프 또는 와이어와 같은 전도성 요소를 생성하기 위한 방법들이 제공된다. 방법들은, 금속성 기판 상에 복수의 탄소 나노튜브들을 성장시키는 단계를 포함하며, 여기서, 기판은 복수의 개구들을 갖는다.

Description

전도성 요소
본 발명은 전도성 요소 프리커서를 생성하기 위한 방법, 및 전도성 요소, 특히 와이어, 및 이를 생성하기 위한 방법에 관한 것이다.
전도성 요소들, 특히 배선은, 일상생활에서 도처에 존재한다. 전도체들은, 단지 몇몇 응용들을 예로 들자면, 항공기들, 자동차들, 우주선들, 그리고 먼 거리에 걸쳐 전기를 전달하기 위한 전력 케이블들에 존재한다. 이러한 응용들 각각에 대해, 전류 전달 용량을 증가시키고, 저항을 감소시키고/거나, 이러한 케이블들의 중량을 감소시키고/거나 요구되는 케이블들의 크기를 감소시키는 것이 유리할 것이다. 항공우주 및 자동차 응용들에 대해, 그러한 중량의 감소는, 연료 소비 및 CO2 생성을 상당히 감소시킬 것이다. 전류 전달 용량의 증가는, 전력 케이블들을 통해 전기를 수송할 때 손실들을 감소시킬 수 있다. 따라서, 요구되는 전도성 요소들을 형성하는 데 활용될 수 있는 개선된 전도성 요소들 및 프리커서들을 생성하는 것에 대한 요구가 존재한다. 특히, 와이어들의 형태의 개선된 전도성 요소들에 대한 요구가 존재한다.
전도성 요소의 전도율 특성들을 맞춤조정하는 것으로부터 이익을 얻을 다양한 응용들이 또한 존재한다. 특히, 가장 높은 전도율이 전도성 요소 내의 특정 방향들 또는 패턴들에서 발생하는 것에서 그러할 수 있다. 따라서, 전도성 요소의 전도율 특성들을 최적화하고 제어하는 능력을 개선하는 것에 대한 요구가 존재한다.
본 발명은, 금속성 기판 ― 금속성 기판은, 상부 표면 및 하부 표면, 및 복수의 개구들을 갖고, 복수의 개구들 각각은, 상부 표면과 하부 표면 사이에서 기판을 통해 연장되는 벽에 의해 정의됨 ―; 및 복수의 탄소 나노튜브들 ― 복수의 탄소 나노튜브들은 복수의 개구들 각각의 벽 상에 형성됨 ― 을 포함하는 전도성 요소 프리커서를 제공한다.
본 발명은 또한, 전도성 요소 프리커서를 생성하는 방법을 제공하며, 방법은, 다음의 단계들: 금속성 기판을 획득하는 단계 ― 금속성 기판은, 상부 표면 및 하부 표면, 및 복수의 개구들을 갖고, 복수의 개구들 각각은, 상부 표면과 하부 표면 사이에서 기판을 통해 연장되는 벽에 의해 정의됨 ―; 및 복수의 개구들 각각의 벽들 상에 복수의 탄소 나노튜브들을 형성하는 단계를 포함한다.
복수의 개구들을 갖는 금속성 기판을 활용하는 것은 탄소 나노튜브들의 배향 및 분포를 제어하는 능력을 개선한다. 탄소 나노튜브들이 개구들의 벽들 상에 형성되므로, 개구들의 구성이 사용되어, 요망되는 방식으로 탄소 나노튜브들을 분포 및/또는 배향시킬 수 있다. 이는, 최종 전도성 요소에서 요망되는 바와 같이 위치되고 배향된 탄소 나노튜브들을 갖기 위한 추가적인 분포 및/또는 재배향 프로세스에 대한 필요성을 감소시킬 수 있다. 본 발명은 특히, 기판의 평면 내에서 탄소 나노튜브들을 배향시키는 데 유용하다.
기판을 통해 연장되는 개구들의 존재는 또한, 탄소 나노튜브들이 형성될 수 있는 부가적인 표면을 제공하여, 최종 전도성 요소 내에 통합될 수 있는 탄소 나노튜브들의 비율을 증가시킬 수 있다.
본 발명은 또한, 본원에 설명된 전도성 요소 프리커서를 포함하는 삽입물(insert)을 제공하며, 여기서, 전도성 요소 프리커서는 롤링-업(roll-up)된 구성이다.
본 발명은 추가로, 삽입물을 생성하는 방법을 제공하며, 방법은, 본원에 설명된 바와 같은 전도성 요소 프리커서를 생성하는 단계를 포함하고, 삽입물을 형성하기 위해 기판을 롤링-업하는 단계를 더 포함한다.
삽입물에서, 탄소 나노튜브들은 기판을 롤링-업함으로써 층상 구성으로 형성될 수 있다. 이는, 유용한 구성으로 본원에 설명된 전도성 요소 프리커서의 이점들을 제공한다. 삽입물이 일반적으로 원통형 형태일 수 있으므로, 삽입물은 인발(drawing) 단계에서의 추가적인 처리에 특히 적합한 전도성 요소 프리커서의 형태이다.
본 발명은 또한 전도성 요소를 제공하며, 전도성 요소는, 매트릭스 ― 매트릭스는 금속성 물질을 포함함 ―; 매트릭스 내의 제1 복수의 탄소 나노튜브들 ― 제1 복수의 탄소 나노튜브들은 서로 실질적으로 정렬됨 ―; 및 매트릭스 내의 제2 복수의 탄소 나노튜브들 ― 제2 복수의 탄소 나노튜브들은 서로 실질적으로 정렬되고, 제1 복수의 탄소 나노튜브들은 제2 복수의 탄소 나노튜브들과 실질적으로 정렬되지 않음 ― 을 포함한다.
적어도 2개의 맞춤조정된 배향들의 탄소 나노튜브들을 갖는 전도성 요소는, 탄소 나노튜브들의 방향 특성들에 기반하여, 요망되는 방향 특성들을 갖는 전도성 요소들의 생성을 허용한다. 그러한 전도성 요소들을 생성하는 능력이 본원에 설명된 접근법들에 의해 가능해졌다.
본 발명은 추가로, 전도성 요소를 생성하는 방법을 제공하며, 방법은, 본원에 설명된 바와 같은 삽입물을 생성하는 단계; 및 전도성 요소를 형성하기 위해 스웨이징(swaging), 롤링, 또는 인발에 의해 삽입물의 길이를 증가시키는 단계를 포함한다. 이는, 와이어들의 형태의 전도성 요소들을 생성하기 위한 특히 효과적인 접근법이다.
본 발명은 또한 전도성 요소를 생성하는 방법을 제공하며, 방법은, 본원에 설명된 바와 같은 전도성 요소 프리커서를 생성하는 단계를 포함하고, 이를테면 전도성 요소를 형성하기 위해 금속성 기판을 압축하는 단계를 더 포함한다. 이는, 전도성 테이프들과 같은 더 평면형의 전도성 요소들을 생성하기 위한 특히 효과적인 접근법이다.
복수의 탄소 나노튜브들 중의 탄소 나노튜브들이 적어도 부분적으로 금속성 물질로 코팅될 수 있다. 이는, 탄소 나노튜브들이 금속성 물질과 밀접하게 접촉됨을 보장하는 것을 도우며, 이는, 전도성 요소로의 탄소 나노튜브들의 통합을 도울 수 있다. 추가로, 탄소 나노튜브들을 코팅하는 것은, 후속 처리 단계들에서 탄소 나노튜브들에 대한 보호를 제공할 수 있다. 이는, 전도성 요소에 존재하는 양호한 품질의 전기 전도성 탄소 나노튜브들을 제공하는 것을 돕고, 그에 따라 고품질의 전도성 요소를 제공하며, 여기서, 탄소 나노튜브들은 금속성 매트릭스에 전기적으로 접합되어 전도에 기여한다.
복수의 개구들을 갖는 기판을 활용하는 것은, 코팅된 탄소 나노튜브들을 제공하는 것을 도울 수 있다. 특히, 개구들의 벽들 상에 형성된 탄소 나노튜브들은, 코팅 프로세스가, 상부 표면 측 및 하부 표면 측으로부터 각각의 개구 내의 복수의 탄소 나노튜브들의 측부에 접근할 수 있게 한다. 코팅 프로세스는 또한, 상부 및/또는 하부 표면들 상의 임의의 탄소 나노튜브들의 측부들에 더 용이하게 접근할 수 있다. 전체적으로, 복수의 개구들을 갖는 기판은, 개구들이 없는 기판 상에 탄소 나노튜브들을 형성하는 것과 비교할 때 탄소 나노튜브들의 더 많은 측부 표면들을 노출시키며, 그에 따라, 탄소 나노튜브들에 대한 코팅 프로세스의 접근이 증가된다.
전도성 요소는, 포일 또는 시트의 형태를 포함하는 임의의 형태를 갖거나 일반적으로 세장형 형태일 수 있다. 그에 따라서, 본 발명은, 와이어 또는 테이프의 형태의 전도성 요소들을 생성하는 데 특히 적합하다. 와이어는 일반적으로 원형 또는 정사각형 단면 영역을 갖는 반면, 테이프는 일반적으로 직사각형 단면 영역을 갖는다. 전도성 요소에 대한 가장 바람직한 형태는 와이어의 형태이다.
금속성 기판은 포일 또는 시트의 형태를 가질 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 시트는, 두께 방향에 수직인 자신의 치수들과 비교하여 상대적으로 작은 두께 치수를 갖는 평면형 형태를 갖는다. 특히, 시트는 바람직하게는, 두께 방향에 수직인 임의의 치수의 1/10 미만인 두께 치수를 갖는다.
전도성 요소, 이를테면 전도성 테이프는, 이를테면 전도성 요소 프리커서의 길이를 증가시키고 전도성 요소를 형성하기 위해 전도성 요소 프리커서를 압축함으로써 생성될 수 있다. 전도성 요소는, 압축 단계에 앞서 기판을 롤링-업하거나 롤링-업함이 없이 압축될 수 있다. 압축 단계는 전도성 요소 프리커서의 단면을 변화시킨다. 전도성 요소 프리커서는 다수의 압축 단계들을 겪을 수 있다. 전도성 요소 프리커서는, 압축 단계들 사이에, 본원에 설명된 바와 같은 어닐링 단계들을 겪을 수 있다. 금속 롤링 프로세스의 일반적인 고려사항들은 문헌(Le 및 Sutcliffe의 International Journal of Mechanical Sciences 43 (2001), p1405-1419)에서 고려된다.
이를테면 전도성 요소 프리커서의 길이를 증가시키고 전도성 테이프를 형성하기 위해 전도성 요소 프리커서를 압축하는 단계는, 금속성 기판 상의 복수의 탄소 나노튜브들에 제1 방향으로 동시에 전단력을 인가하는 데 활용될 수 있다. 대안적으로, 전단력을 인가하는 별개의 단계가 활용될 수 있다. 그러한 전단력의 존재는 탄소 나노튜브들의 요망되는 배향을 강조하거나 생성하는 것을 도울 수 있지만, 이는 본 발명에서 요구되지 않는다.
금속성 물질은 금속을 포함한다. 금속성 물질은 바람직하게는 본질적으로 금속으로 이루어지고, 가장 바람직하게는 금속으로 이루어진다. 금속성 물질은 금속성 합금일 수 있다.
방법은, 금속성 기판 상에, 적어도, 금속성 기판의 개구들 내의 벽들 상에, 복수의 탄소 나노튜브들을 형성하는 단계를 수반한다. 금속성 기판 내의 개구는 금속성 기판의 전체 두께를 통해 존재하는 구멍이다. 다시 말해서, 개구는, 기판의 상부 표면으로부터 기판의 하부 표면까지 기판을 통한 개방 통로를 제공한다. 개구에는 기판 물질이 부재한다. 개구의 범위는 벽에 의해 정의된다. 다시 말해서, 벽은 개구의 경계를 정의한다. 벽은, 상부 표면과 하부 표면 사이에 있는 기판의 내부 표면이다. 그러한 내부 표면 상에 탄소 나노튜브들을 형성함으로써, 탄소 나노튜브들은 금속성 물질의 벌크 내에 용이하게 통합될 수 있다. 탄소 나노튜브들은 또한 금속성 기판의 평면 내에서 용이하게 배향될 수 있다. 이는, 개선된 설계 유연성을 제공한다.
벽은 개구를 정의하는 연속적인 표면인데, 즉, 벽은 개구를 완전히 정의한다. 벽은, 서로 비스듬히 연장되는 분리되고 식별가능한 표면들로 구성될 수 있다. 이는, 예컨대, 벽이 정사각형 단면 형상을 갖는 개구를 정의할 때의 경우일 수 있다. 이러한 예에서, 벽은 직각으로 만나는 4개의 표면으로 구성된다.
벽은, 금속성 기판의 상부 표면 및/또는 하부 표면에 수직으로 연장될 수 있다. 금속성 기판의 상부 표면과 하부 표면은 실질적으로 평행할 수 있다. 이러한 경우에, 벽은, 상부 표면 및 하부 표면 둘 모두에 수직으로 연장될 수 있다. 개구들의 실제 배열은 전도성 요소에 대한 설계 요건들에 기반하여 선택될 수 있다.
복수의 개구들 각각은 기판의 상부 표면 상에 형상을 형성할 수 있다. 다시 말해서, 상부 표면 상에 보이는 바와 같은 개구의 외곽선은 식별가능한 형상을 갖는다. 형상은, 개구의 벽이 상부 표면과 만나는 선에 의해 정의된다. 벽은 매끄러운 방식으로 상부 표면으로 전환될 수 있다. 이러한 경우에, 벽이 상부 표면과 만나는 선은 이러한 전환의 중간 지점을 따라 이어진다. 기판의 하부 표면 상에 형성되는 대응하는 형상이 존재할 수 있다. 유사하게, 이러한 형상은, 개구의 벽이 하부 표면과 만나는 선에 의해 정의된다. 개구가 두 형상들 모두 사이에서 이어지기 때문에, 하부 표면 상의 형상은 상부 표면 상의 형상과 대응한다고 일컬어진다.
기판의 상부 표면 상의 개구의 형상은 기판의 하부 표면 상의 대응하는 형상과 동일할 수 있다. 이러한 경우에, 개구는, 상부 표면으로부터 하부 표면까지 실질적으로 일정한 단면을 가질 수 있다. 개구의 단면은, 상부 표면과 하부 표면 사이에서 개구의 중심을 따라 이어지는 축에 수직인 영역이다. 그러한 비교적 단순한 배열은 개구들의 제조 용이성을 증가시킨다.
개구의 형상은 원형 섹션을 포함할 수 있다. 다시 말해서, 상부 및/또는 하부 표면 상의 개구의 형상을 정의하는 선은 원의 섹션의 형태로 그 선의 일부를 가질 수 있다. 원형 섹션은 바람직하게는 개구의 중심에 대해 오목하다. 원형 섹션들은, 본 발명의 전도성 요소 프리커서들을 형성하기 위한 금속성 기판의 처리를 도울 수 있다. 특히, 원형 섹션들은 본원에 설명된 세라믹 층과 같은 기판 상에 형성된 임의의 층들의 균열을 회피하는 것을 돕는 것으로 밝혀졌다.
본원에 언급된 바와 같이, 복수의 개구들은 각각 기판의 상부 및/또는 하부 표면 상에 형상을 형성할 수 있다. 복수의 개구들의 이러한 형상들 중에서, 이러한 형상들 중 적어도 일부가 세장형 형상일 수 있다. 세장형 형상들은, 타원 또는 직사각형과 같이, 자신의 폭 치수보다 긴 길이 치수를 갖는다. 세장형 형상은 각각 길이방향 축을 가질 것이다. 길이방향 축은 형상의 2개의 측부 사이의 중간 지점에서 형상의 길이를 따라 이어진다. 세장형 형상을 갖는 개구들을 사용함으로써, 상당한 비율의 탄소 나노튜브들이 벽들의 배향에 기반하여 특정 방향으로 배향될 것이므로, 각각의 개구는 탄소 나노튜브들의 배향에 대한 이방성 기여를 제공할 수 있다. 대안적으로, 기판의 상부 및/또는 하부 표면들 상의 원형 형상들로부터의 개구들은 우세한 배향의 존재가 회피되어야 할 때 활용될 수 있다.
세장형 형상은, 0.5 mm 이상, 1 mm 이상, 또는 2 mm 이상, 또는 4 mm 이상의 자신의 길이방향 축을 따라 측정되는 길이를 가질 수 있다. 길이방향 축의 더 긴 길이는 탄소 나노튜브들이 그를 따라 성장할 수 있는 요망되는 배향으로 더 긴 길이의 벽을 제공할 것이다. 세장형 형상은 임의의 적합한 길이일 수 있지만 50 mm 이하일 수 있다.
세장형 형상 및 그의 배향은 전도성 요소의 요망되는 최종 특성들에 기반하여 선택될 수 있다. 세장형 형상은 2개의 평행한 측부, 즉, 서로 평행한 2개의 측부를 포함할 수 있다. 이는, 유사한 방식으로 세장형 형상의 이방성 속성에 기여할 수 있는 2개의 측부를 갖는 이익을 갖는다. 추가로, 이러한 평행한 측부들은 세장형 형상의 길이방향 축과 실질적으로 평행할 수 있다. 이는, 평행한 측부들이 그 형상에 대한 탄소 나노튜브들의 배향에 대해 우세한 기여자라는 것을 의미한다.
본원에 언급된 바와 같이, 형상은 원형 섹션을 포함할 수 있다. 형상이, 가능하게는 평행한 2개의 직선 측부를 포함하는 경우에, 이러한 2개의 측부는 원형 섹션에 의해 적어도 부분적으로 연결될 수 있다. 이는, 평행한 측부들의 존재와 함께 이러한 원형 섹션들의 존재와 연관된 이익을 제공한다.
가능하게는 평행한 2개의 직선 측부를 갖는 세장형 형상은 제1 원형 섹션을 가질 수 있으며, 여기서, 제1 원형 섹션은, 측부들 중 하나의 측부의 제1 단부를 다른 측부의 제1 단부와 연결한다. 추가로, 이러한 세장형 형상은 제2 원형 섹션을 포함할 수 있으며, 여기서, 제2 원형 섹션은, 직선 측부들 중 하나의 직선 측부의 제2 단부를 다른 직선 측부의 제2 단부와 연결한다. 그러한 형상은, 탄소 나노튜브 분포 및 배향에 기반하여 전도성 요소의 요망되는 최종 특성들에 기여하는 것을 돕는 직선 측부들의 존재와 원형 섹션들의 존재의 이익을 결합한다. 추가적인 유리한 형상은 4개의 측부, 즉, 2쌍의 평행한 측부들을 갖는 직사각형 형상이며, 여기서, 각각의 모서리는 날카로운 직각이 아니도록 둥근 모서리이다.
일반적으로, 세장형 형상은 자신의 길이를 따라 이어지는 대칭 평면을 가질 수 있다. 이는, 세장형 형상에 의해 도입되는 이방성의 효과를 강조한다. 세장형 형상이 2개의 평행한 측부를 가질 때, 대칭 평면은 평행한 측부들 사이에 위치되고 평행한 측부들과 평행하게 이어질 수 있다.
평행한 측부들은, 0.5 mm 이상, 1 mm 이상, 또는 2 mm 이상, 또는 4 mm 이상의 길이를 가질 수 있다.
세장형 형상에 걸친 최단 거리, 및 그에 따른 기판의 표면 상의 개구는, 50 ㎛ 이상, 100 ㎛ 이상, 200 ㎛ 이상, 또는 바람직하게는 500 ㎛ 이상일 수 있다. 세장형 형상에 걸친 최단 거리는 1 mm 이하일 수 있다. 세장형 형상이 평행한 측부들을 가질 때, 이는 평행한 측부들 사이의 거리일 수 있다. 이러한 개구들은 상당한 길이의 탄소 나노튜브들이 개구들 내에서 성장할 수 있게 한다.
복수의 개구들 각각은 공통 특징들을 공유할 수 있으며, 이는 본원에 설명된 특징들 중 임의의 것일 수 있다. 예컨대, 복수의 개구들 각각은 기판의 상부 표면 상에 세장형 형상을 형성할 수 있다. 따라서, 형상들은 세장형인 공통 특징을 갖는다. 그러나, 그들은 다른 측면들에서 상이할 수 있는데, 이를테면, 상이한 길이들을 가질 수 있다. 이는, 요망되는 최종 특성들에 기여하는 공통 특징들을 사용하면서, 일부 비-공통 특징들을 가짐으로써 요건들을 추가로 맞춤조정하는 것을 허용한다.
복수의 개구들과 공통 특징들을 공유할 수 있거나 공유하지 않을 수 있는, 복수의 개구들 이외의 추가적인 개구들이 존재할 수 있다. 대안적으로, 탄소 나노튜브들을 포함하는 기판 내의 개구들만이 복수의 개구들일 수 있다.
복수의 개구들의 형상이 복수의 세장형 형상들을 포함할 때, 세장형 형상들 각각의 길이방향 축은 서로 실질적으로 평행할 수 있다. 이는, 세장형 형상들 모두가 유사한 방식으로 탄소 나노튜브들의 배향에 기여한다는 것을 의미한다. 추가로, 길이방향 축들은 기판의 상부 표면의 가장자리와 평행할 수 있다. 이는, 배향이 기판의 전체 형태에 관련된다는 것을 의미하며, 이는, 본원에 설명된 롤링-업 및 인발 단계들과 같은 후속 처리에 유용할 수 있다.
특히, 복수의 개구들의 형상들은 제1 복수의 세장형 형상들 및 제2 복수의 세장형 형상들을 포함할 수 있다는 것이 유의되며, 여기서, 제1 복수의 세장형 형상들 각각의 길이방향 축은 서로 실질적으로 평행하고, 제2 복수의 세장형 형상들 각각의 길이방향 축은 서로 실질적으로 평행하다. 이러한 경우에, 제1 복수의 세장형 형상들의 길이방향 축들은 제2 복수의 세장형 형상들의 길이방향 축들과 실질적으로 평행하지 않다. 게다가, 추가적인 복수의(국제 출원 명세서에서의 plurality 또는 pluralities) 세장형 형상들이 존재할 수 있으며, 여기서, 이러한 세장형 형상들 각각의 형상의 길이방향 축은 그 복수의 세장형 형상들에서 서로 실질적으로 평행하고, 이러한 세장형 형상들 각각의 길이방향 축은 다른 복수의 세장형 형상들 중 임의의 것과 실질적으로 평행하지 않다. 특히, 3개의 그러한 복수의 세장형 형상들, 또는 4개의 그러한 복수의 세장형 형상들이 존재할 수 있다. 이는 유리하게는, 기판의 기계적 특성들의 맞춤조정을 비롯하여, 점점 더 많은 수의 별개의 방향들에서의 전도성 요소의 특성들의 맞춤조정을 허용한다.
복수의 개구들의 형상들은 2개 이상의 상이한 형상을 포함할 수 있다. 이는 추가로, 전도성 요소의 최종 특성들의 유연한 맞춤조정을 가능하게 할 수 있다. 대안적으로, 복수의 개구들 모두는 상부 및/또는 하부 표면들 상에서 동일한 형상들을 가질 수 있다. 형상들은, 그들이 모든 측면들에서 동일할 때 동일하고, 그들이 상이한 크기를 갖는 것과 같이 적어도 하나의 측면에서 상이할 때 상이하다.
복수의 개구들은, 기판의 상부 및/또는 하부 표면 상에 반복 패턴을 형성할 수 있다. 반복 패턴은, 기판 전체에 걸쳐 반복 패턴 단위의 요망되는 효과를 보강한다. 반복 패턴은, 패턴 단위가 기판에 걸쳐 규칙적인 간격들로 반복되는 임의의 패턴이다.
인접한 개구들 사이의 최단 거리는 100 ㎛ 이하, 바람직하게는 50 ㎛ 이하이다. 이는 바람직하게는, 기판에 존재하는 복수의 개구들의 개구들 모두에 대한 인접한 개구들 사이의 최단 거리이다. 이는, 존재하는 기판의 양에 비해 높은 비율의 탄소 나노튜브들이 존재함을 보장한다. 개구들이 상부 및/또는 하부 표면들 상에 세장형 형상을 형성할 때, 최단 거리는 길이방향 축에 수직일 수 있다. 이는, 관심 방향으로의 높은 비율의 탄소 나노튜브들을 보장할 수 있다.
전체적으로, 복수의 개구들은, 개구들이 존재하는 상부 표면의 구역의 면적 중 70 % 이상을 차지할 수 있다. 바람직하게는, 개구들은, 개구들이 존재하는 상부 표면의 구역 중 75 % 이상, 가장 바람직하게는 80 % 이상을 차지한다. 개구들이 존재하는 상부 표면의 구역은 최외측 개구들에 의해 정의되는 영역이다. 개구들의 높은 출현율(prevalence)은 최종 전도성 요소에서 높은 비율의 탄소 나노튜브들을 허용한다.
개구들은, 임의의 적합한 방법에 의해 금속성 기판에 형성될 수 있다. 특히, 개구들은, 기판으로부터 물질을 제거함으로써 형성될 수 있다. 기판을 레이저 절단하는 것이 특히 효과적인 방법인 것으로 밝혀졌다. 효과적인 것으로 밝혀진, 개구들을 형성하기 위한 다른 접근법은, 포토리소그래피이다.
상부 표면 및 하부 표면은 기판의 두께인 거리만큼 분리된다. 인접한 개구들 사이의 최단 거리는 기판의 두께 미만일 수 있다. 이는, 개구들 내의 벽들에 의해 제공되는 표면의 양에 비해 기판의 상부 및 하부 표면들 상의 표면의 양을 감소시킨다. 이는, 상부 또는 하부 표면들에 의해 좌우되는 것들에 비해 개구들의 벽들에 의해 배향이 좌우되는 탄소 나노튜브들의 증가된 비율을 허용한다.
탄소 나노튜브들은 금속성 기판의 제1 표면, 즉, 상부 표면 상에 성장될 수 있다. 탄소 나노튜브들은 또한, 금속성 기판의 제2 표면, 즉, 하부 표면 상에 성장될 수 있다. 이는, 탄소 나노튜브들을 성장시키는 프로세스 동안, 탄소 나노튜브들을 성장시킬 모든 표면들을 노출시킴으로써 달성될 수 있다.
상부 및 하부 표면들은 대향하는 표면들일 수 있다. 금속성 기판이 포일 또는 시트의 형태일 때, 상부 및 하부 표면들은 포일 또는 시트의 2개의 주 표면일 수 있다.
탄소 나노튜브들은, 탄소 나노튜브들이 표면으로부터 멀어지게 성장하도록 금속성 기판의 표면 상에 형성될 수 있다. 탄소 나노튜브들의 길이방향 축은 실질적으로 정렬될 수 있다. 탄소 나노튜브들의 길이방향 축은, 복수의 개구들 각각을 정의하는 벽들을 포함하는, 탄소 나노튜브들이 성장되는 금속성 기판의 표면의 평면에 실질적으로 수직일 수 있다. 상부 표면 상의 임의의 탄소 나노튜브들의 길이방향 축은 금속성 기판의 상부 표면의 평면에 실질적으로 수직일 수 있다. 하부 표면 상의 임의의 탄소 나노튜브들의 길이방향 축은 금속성 기판의 하부 표면의 평면에 실질적으로 수직일 수 있다. 탄소 나노튜브들의 정렬은, 개구의 벽으로부터 상부 또는 하부 표면으로 이동하는 영역에서 비교적 급격하게 전환되는 것으로 밝혀졌다. 본원에 설명된 바와 같이, 이는, 후속 처리를 위해 탄소 나노튜브들의 측부들을 노출시킨다.
탄소 나노튜브들의 성장 동안, 평면형 기판은, 상부 표면 및 하부 표면이 실질적으로 수직으로 배향되도록 배향될 수 있다. 이는, 성장 프로세스를 위한 개구들 내로의 양호한 접근을 허용한다.
본원에서 수직 및 수평을 언급할 때, 수직은 연직선(plumb-line)이 나타내는 바와 같은 중력의 방향으로서 정의된다. 수평 방향은 수직 방향에 수직이다.
본원에서 사용되는 바와 같이, "실질적으로 정렬"이라는 용어는, 대부분의 탄소 나노튜브들이 45° 범위, 바람직하게는 25° 범위, 또는 바람직하게는 20°, 또는 15°, 또는 10°, 또는 가장 바람직하게는 5° 내의 자신의 길이방향 축을 갖도록 탄소 나노튜브들이 배향되는 것을 지칭한다. 탄소 나노튜브들 전부 또는 실질적으로 전부가 이러한 범위들 내에서 자신의 길이방향 축을 가질 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 탄소 나노튜브들에 관하여 "실질적으로 수직" 또는 "실질적으로 평행"이라는 용어는, 대부분의 탄소 나노튜브들이, 자신의 길이방향 축이 각각 수직 방향 또는 평행 방향의 22.5° 내에, 바람직하게는 20°, 또는 15°, 또는 10°, 또는 가장 바람직하게는 5° 내에 있도록 배향된다는 것을 의미한다. 탄소 나노튜브들 전부 또는 실질적으로 전부가 이러한 범위들 내에서 자신의 길이방향 축을 가질 수 있다.
표면들 또는 축들에 관하여 "실질적으로 수직" 또는 "실질적으로 평행"이라는 용어들은, 표면들 또는 축들이, 각각 수직 또는 평행의 5°, 바람직하게는 2°, 가장 바람직하게는 1° 내에 있다는 것을 의미한다.
금속성 기판 상에 탄소 나노튜브들을 형성함으로써, 결과적인 탄소 나노튜브들은 번들링되지 않은 상태로 있는데, 즉, 대부분의 탄소 나노튜브들은 별개의 탄소 나노튜브들로서 존재한다. 이는, 전도성 요소 내에 통합될 때 그들의 전도율 특성들이 유지될 수 있게 한다. 이는, 저하된 전도율 특성들을 갖는, 번들들로 존재하는 탄소 나노튜브들과 대조적이다. 탄소 나노튜브들의 후속 코팅은 나노튜브들을 분리되게 유지하는 것을 도울 수 있다.
본 발명에서, 탄소 나노튜브들은 기판 상에 성장된다. 특히, 탄소 나노튜브들은 복수의 개구들 각각의 벽 상에 성장된다.
본 발명에서, 탄소 나노튜브들은 기판 상에 성장되고, 탄소 나노튜브들은, 전도성 요소 프리커서 및 최종 전도성 요소 제품을 생성하기 위해 후속 프로세스들 전체에 걸쳐 기판 상에 유지된다. 이는, 탄소 나노튜브들의 취급 용이성을 증가시킨다.
금속성 기판 상에 복수의 탄소 나노튜브들을 형성하는 단계는, 금속성 기판 상에 직접 복수의 탄소 나노튜브들을 형성하는 것을 수반할 수 있다. 대안적으로, 바람직하게는, 금속성 기판과 성장하는 탄소 나노튜브들 사이에 개재 물질 층이 존재한다.
금속성 기판 상에 복수의 탄소 나노튜브들을 형성하는 임의의 방법, 특히, 정렬된 탄소 나노튜브들을 생성하는 방법이 사용될 수 있다. 그러한 접근법들은, 페로센 또는 철 프탈로시아닌의 존재 하에서의 아세틸렌, 부탄, 또는 메탄과 같은 탄화수소 가스들의 열분해를 포함한다.
특히 바람직한 접근법은 화학 기상 증착을 수반한다. 활용되는 화학 기상 증착 프로세스는 직접 액체 주입 화학 기상 증착(DLICVD) 접근법일 수 있다. 이러한 접근법에서, 액체 탄화수소 프리커서가 주입되고, 기화되고, 이어서, 탄소 나노튜브들이 기판 상에 증착되어 성장되는 반응 챔버로 운반된다. 다양한 유형들의 액체 탄화수소들, 예컨대, n-펜탄, 이소펜탄, 헥산, 헵탄, 옥탄, 시클로헥산, 벤젠, 톨루엔, 또는 크실렌이 이러한 접근법과 함께 사용될 수 있다.
탄소 나노튜브들의 성장을 초기화하기 위해, 촉매가 존재할 수 있다. 이러한 촉매는 금속성 기판 상에 존재할 수 있다. 금속성 기판 상의 촉매의 분포는 본질적으로 무작위일 수 있다. 그러나, 촉매는 DLICVD 프로세스에서 탄화수소와 함께 액체에 포함되어 탄화수소와 함께 반응 챔버 내로 주입 및 도입되는 것이 특히 바람직하다. 촉매의 사용은, 복수의 탄소 나노튜브들이 번들링되지 않은 상태로 있도록 금속성 기판의 표면 상에 복수의 탄소 나노튜브들을 형성하는 것을 돕는다.
탄소 나노튜브들의 성장을 돕기 위한 잠재적인 촉매는, 철, 코발트, 니켈, 루테늄, 팔라듐, 및 백금을 포함한다. 촉매가 액체 탄화수소와 함께 도입될 경우, 촉매 금속의 프리커서, 예컨대, 금속 염들 및 유기금속성 화합물들이 선택된다. 특히 바람직한 화합물들은, 페로센, 니켈로센, 코발토센, 루테노센, 철 프탈로시아닌, 및 니켈 프탈로시아닌이다.
금속 촉매 프리커서가 액체 탄화수소와 조합될 때, 그것은 0.2 내지 15 중량 %의 농도로 있을 수 있다. 바람직하게는 1 내지 10 중량 %, 또는 1.5 내지 7 중량 %, 가장 바람직하게는 1.5 내지 5 중량 %이다. 특히 바람직한 양은 2.5 중량 %이다.
DLICVD 프로세스에서, 주입된 액체는 바람직하게는 액적들의 형태로 도입된다. 이는, 액체가 증발되어 반응 챔버로 운반될 수 있는 용이성을 증가시킨다.
열분해는, 600 내지 1100 ℃, 바람직하게는 700 내지 1000 ℃, 가장 바람직하게는 700 내지 900 ℃의 온도에서 수행된다.
기판은, 기판 그 자체의 저항성 가열을 통해, 즉, 기판을 통해 전류를 통과시킴으로써 반응 온도까지 가열될 수 있다. 그러나, 본 발명에서, 별개의 가열 소스가 열을 제공하는 것이 바람직하다.
열분해는, 요구되는 양의 탄소 나노튜브들을 형성하기 위해 임의의 적합한 시간량 동안 수행될 수 있다. 예컨대, 열분해는 적어도 5 분 동안 수행될 수 있다. 열분해는 적어도 10 분 또는 적어도 15 분 동안 수행될 수 있다.
액적들의 형태 및 액적들이 주입되는 빈도는 프로세스에 의해 요구되는 바에 따라 달라질 수 있다. 예컨대, 각각의 액적은 2 내지 100 ㎕의 부피를 가질 수 있다. 액적들은 분당 0.9 내지 1200 회 주입 빈도로, 가능하게는 분당 1 내지 60 회 주입률로, 바람직하게는 분당 20 내지 30 회 주입으로 주입될 수 있다. 대안적으로, 액적들은 분당 2000 회 초과의 주입 빈도, 예컨대 분당 3000 회 주입으로 주입될 수 있다. 그러한 높은 주입 빈도가 특히 효과적인 것으로 밝혀졌다.
탄소 나노튜브들을 형성하기 전에, 금속성 기판은 자신 상에 형성된 층을 갖는 것이 바람직하다. 이러한 층은 금속성 층 또는 세라믹 층일 수 있다. 그 후 나노튜브들은 이러한 층 상에서 성장할 수 있다. 층은, 두께가 20 내지 500 nm, 가능하게는 두께가 400 nm일 수 있다. 세라믹 층에 대한 가능한 세라믹들은 SiO2, Al2O3, ZrO2, TiO2, Y2O3, SiC, SiCN, SiON, 및 SiCN을 포함한다. 특히 바람직한 세라믹은 SiO2이다. 이러한 층에 대한 가능한 금속성 물질들은 니켈을 포함한다.
층은, 복수의 탄소 나노튜브들을 형성하기 전에 화학 기상 증착을 통해 증착될 수 있다. 특히, 세라믹 층은 DLICVD에 의해 형성될 수 있다. 임의의 적합한 프리커서가 사용될 수 있다. 프리커서는 액체에 용해되거나 현탁될 수 있다. 가능한 세라믹 프리커서들은, Si(OEt)4, (iPrO)3Al, (BuO)4Zr, (BuO)4Sn, 티타늄 이소프로폭시드, 티타늄 아세틸아세토네이트, 이트륨 테트라메틸헵탄디오네이트, 디부톡시 디아세톡시 실란 또는 HMDS를 포함한다. 디부톡시 디아세톡시 실란의 사용이 특히 효과적인 것으로 밝혀졌다. 열분해는, 프리커서의 분해를 보장하기에 충분한 온도 및 압력에서 수행된다.
층의 화학 기상 증착 및 나노튜브들의 화학 기상 증착은 동일한 반응기에서 발생할 수 있다. 대안적으로, 층의 증착은 나노튜브들의 증착에 대해 별개의 반응기에서 발생할 수 있다. 이는, 제1 반응기가 탄소 나노튜브 성장에 노출되지 않으므로 정기적인 세정을 요구하지 않는다는 이점을 갖는다. 또한, 탄소 나노튜브들의 증착에 사용되는 반응기는 선택적으로 폐쇄되고, 산소를 함유하는 가스를 도입하여 임의의 표유(stray) 및 잠재적으로 유해한 탄소 나노튜브들을 연소시킴으로써 세정될 수 있다. 따라서, 이는, 초-청정(ultra-clean) 및 초-안전(ultra-safe) 프로세스를 용이하게 할 수 있다. 기판이 별개의 반응기들 사이에서 이송될 때 기판의 온도가 유지될 수 있다. 이는, 전체 프로세스의 효율을 증가시킬 수 있다.
일반적으로, DLICVD 프로세스는, 기화되고 후속하여 캐리어 가스에 의해 반응 챔버 내로 운반되는 액체의 주입을 수반한다. 그러한 캐리어 가스들은 일반적으로 불활성 가스이다. 가능한 캐리어 가스들은, 아르곤, 헬륨, 질소, 및 수소 또는 이들의 혼합물들을 포함한다. 캐리어 가스는, 1 내지 5 SLM, 바람직하게는 1 내지 3 SLM의 공급률로 공급될 수 있다. 그러나, 반응기 크기에 적합한 임의의 캐리어 가스 공급률이 활용될 수 있다.
탄소 나노튜브들의 성장은, 문헌(Sato 등의 Carbon 136 (2018), pp 143-149)에서 설명된 바와 같이, 캐리어 가스 스트림 중의 H2O 또는 CO2의 존재를 활용함으로써 도움을 받을 수 있다. H2O 및 CO2의 존재는, 탄소 나노튜브들의 균일한 성장 및 증가된 수율에 특히 유리하다. H2O 또는 CO2는 탄소 나노튜브들의 성장 단계에서 활용되며, 이론에 얽매이는 것을 바라지는 않지만, 이러한 첨가물들은 탄소 부산물들을 제거하고/거나 촉매 입자들의 오스트발트 숙성(Ostwald ripening)을 억제함으로써 촉매 비활성화를 방지하는 것을 돕는 것으로 여겨진다. 사용될 수 있는 다른 유용한 성장 보조제들은 아이오딘 및 염소를 포함한다.
복수의 탄소 나노튜브들을 형성하는 단계에 후속하여, 불활성 가스, 예컨대 아르곤으로 복수의 탄소 나노튜브들을 날려 보냄으로써 임의의 느슨한 탄소 나노튜브들이 제거될 수 있다.
금속성 기판은 임의의 금속을 포함할 수 있다. 금속성 기판을 형성하기 위한 가능한 금속들은, 팔라듐, 백금, 금, 크로뮴, 망가니즈, 알루미늄, 니켈, 및 구리를 포함한다. 금속 합금들, 예컨대 강철이 금속성 기판에 사용될 수 있다. 본 발명에 대한 특히 바람직한 금속성 기판은 구리이다.
본 발명의 방법은 바람직하게는 코팅 단계를 포함한다. 이러한 코팅 단계는, 탄소 나노튜브들이 금속성 물질로 코팅되는 것을 초래한다. 탄소 나노튜브들은 바람직하게는, 탄소 나노튜브들이 개별적으로 금속성 물질로 코팅되도록 코팅된다. 복수의 탄소 나노튜브들의 각각의 탄소 나노튜브가 금속성 물질로 코팅될 수 있다. 코팅 단계는, 탄소 나노튜브들이 금속성 물질에 의해 실질적으로 둘러싸이는 것을 초래한다. 이는, 나노튜브들이 후속 처리 동안 보호되는 것을 보장하고, 또한, 탄소 나노튜브들과 전도성 요소의 결과적인 매트릭스 사이의 양호한 계면을 보장한다. 이는 또한, 탄소 나노튜브들의 후속 처리 동안 탄소 나노튜브들의 번들링을 회피하는 것을 도울 수 있고, 그러므로, 탄소 나노튜브들이 최종 전도성 요소에 존재할 때 그들의 전도율을 유지할 수 있다.
코팅 단계는, 탄소 나노튜브들이 금속성 물질 내에 부분적으로, 실질적으로, 또는 완전히 둘러싸이는 것을 초래하므로, 탄소 나노튜브들은 본원에 설명되는 어닐링의 후속 단계 동안 보호될 것이다.
코팅 단계에 대한 가능한 금속성 물질들은, 금속성 기판에 대한 가능한 금속성 물질들로서 본원에 열거된 물질들로부터 독립적으로 선택될 수 있다. 코팅에 사용되는 금속성 물질은 바람직하게는 금속성 기판과 동일하지만, 상이할 수 있다. 코팅에 사용되는 금속성 물질은 기판의 금속성 물질을 포함할 수 있다. 코팅 단계에 대한 금속성 물질은 바람직하게는 구리이다.
코팅 단계는, 수성 과포화 금속 염 용액 또는 유기 용액으로 복수의 탄소 나노튜브들을 침윤시킴으로써 수행될 수 있다. 수성 과포화 금속 염 용액이 활용되는 경우, 탄소 나노튜브들은 나노튜브를 친수성으로 만들기 위해 침윤 이전에 산소 플라즈마 기능화 단계를 겪을 수 있다. 침윤에 후속하여, 복수의 나노튜브들은 이어서, 금속 프리커서를 증착하기 위해 건조된다. 이어서, 이러한 금속 프리커서는 그를 금속성 물질로 변환하기 위해 환원될 수 있다. 이러한 침윤 및 건조 단계는 탄소 나노튜브들을 요망되는 정도로 코팅하기 위해 여러 번 반복될 수 있다.
탄소 나노튜브들을 코팅하기 위한 특히 유리한 접근법은 화학 기상 증착을 활용한다. 탄소 나노튜브들을 완전히 코팅하기 위해 화학 기상 증착이 사용될 수 있다. 대안적으로, 코팅 단계는 2개 스테이지로 발생할 수 있다. 첫째로, 탄소 나노튜브들은 처음에 금속성 물질로 장식(decorate)될 수 있고, 이어서, 제2 스테이지가 사용되어 추가적인 금속성 물질로 코팅이 완료될 수 있다. 이러한 초기 장식은 바람직하게는 추가적인 코팅과 동일한 물질이다. 그러나, 초기 장식은 추가적인 코팅 단계와 상이한 물질일 수 있다. 예컨대, 니켈 장식 단계가 활용될 수 있고, 이어서, 구리와 같은 상이한 물질이 추가적인 코팅에 사용된다. 대안적으로, 초기 장식 단계는 추가적인 코팅과 동일한 물질이지만, 별개의 장식 단계로서 또는 초기 장식 단계와 동시에 장식 단계에서 증착되는 추가적인 물질이 존재한다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "장식"이라는 용어는, 탄소 나노튜브들의 표면 상의 금속성 물질의 입자들의 증착을 지칭한다.
금속성 물질로 탄소 나노튜브들을 장식하는 제1 스테이지는, 본원에서 상세히 설명된 바와 같이, 수성 과포화 금속 염 용액 또는 유기 용액을 이용한 침윤과 같은 초기 침윤 단계를 통해 발생할 수 있거나, 대안적으로, CVD 접근법을 통해 발생할 수 있다. CVD 접근법을 활용함으로써, 탄소 나노튜브들은, 탄소 나노튜브들을 처리하여 탄소 나노튜브를 친수성으로 만들거나 유기 용매를 활용할 필요 없이 코팅될 수 있다. 임의의 적합한 금속성 프리커서가 이러한 장식 단계에 대해 사용될 수 있다. 초기 장식 스테이지는, 코팅이 수성 구리 도금 프로세스에 의해 후속하여 완료될 수 있도록 탄소 나노튜브들을 프라이밍(prime)한다. 초기 장식 단계는, 금속성 물질의 초기 부위들이 탄소 나노튜브들 전체에 걸쳐 형성되게 한다. 이를 달성하는 데 CVD 접근법이 특히 효과적이다. 증착된 금속성 물질의 이러한 초기 구역들은 탄소 나노튜브들의 후속하는 균일한 코팅을 용이하게 한다. 추가로, 초기 장식 단계를 수행함으로써, 탄소 나노튜브들은, 코팅의 최종 스테이지 이전에, 본원에 설명된 임의적 전단력 인가와 같은 처리 단계를 겪을 때 번들링되지 않은 상태로 유지될 수 있다.
탄소 나노튜브들의 전기적 특성들은, 탄소 나노튜브들이 아이오딘과 같은 할로겐 분자들로 CVD 접근법을 사용하여 장식되는 도핑 단계를 포함시킴으로써 개선될 수 있다. 이러한 단계는, 금속성 물질로 탄소 나노튜브들을 장식하는 단계 이전에, 또는 그 이후에, 또는 그 중간에 또는 그와 동시에 수행될 수 있다. CVD를 통해 아이오딘을 도핑하는 데 사용하기 위한 적합한 용액은, 톨루엔 중의 아이오도에탄(C2H5I)의 용액, 특히, 톨루엔 1 부분에 대해 아이오도에탄 2 부분의 비율의 용액이다. CVD와 함께 사용하기 위한 대안적인 용액은 톨루엔 중의 I2 결정들의 용액이다.
(가능하게는 제1 반응기에서) 세라믹 또는 금속성 층간부(interlayer)를 증착하는 단계, (가능하게는 제2 반응기에서) 탄소 나노튜브들을 증착하는 단계, 및 (가능하게는 제3 반응기에서) 탄소 나노튜브를 장식하는 단계에 대해 CVD를 활용하는 것이 특히 유리하다. 이러한 단계들 각각에 대해 CVD를 활용하는 것은 전체 프로세스의 효율을 증가시킬 것이다. 또한, 각각의 단계에 대해 별개의 반응기들(챔버들)을 활용하는 것은 초-청정 및 초-안전 프로세스를 유지하는 것을 돕고, 여기서, 각각의 반응기는 다른 반응기들로부터 선택적으로 격리될 수 있다.
장식 스테이지에 후속하여, 전기도금 단계를 사용하여 코팅이 완료될 수 있다. 이러한 방식으로, 금속성 물질이 나노튜브들 상에 전기도금된다. 이러한 접근법은 코팅 단계에 의해 탄소 나노튜브들의 양호한 커버리지를 보장한다.
전기도금 단계에서, 자신 상에 탄소 나노튜브들을 갖는 금속성 기판은 전해 전지의 캐소드인 한편, 애노드는 애노드 백 내의 전해 등급 금속성 코팅 물질일 수 있다. 금속성 기판은 전도성 클램프를 통해 전류 공급부에 전기적으로 연결될 수 있다. 다수의 전도성 클램프들이 금속성 기판의 대향하는 극단들에서 연결될 수 있다. 전지는 균일한 코팅을 제공하는 것을 돕기 위해 금속성 기판과 기하학적으로 평행하게 연장되는 애노드 백으로 셋 업될 수 있다. 전기도금 배스(bath)는 CuSO4를 포함할 수 있다. 전기도금 배스는 부가적으로, 황산, 소듐 클로라이드, N-메틸 피롤리돈, 메탄올, 에탄올, 아세토니트릴, 세틸 트리메틸 암모늄 브로민화물, 옥틸페녹시폴리에톡시에탄올, 및/또는 소듐 도데실 술페이트를 포함할 수 있다. 세틸트리메틸암모늄 브로민화물 및 옥틸페녹시폴리에톡시에탄올과 같은 양이온성 및 비-이온 계면활성제의 조합을 포함하는 전기도금 배스가 특히 효과적인 것으로 밝혀졌다.
전기도금 배스는 최대 농도에 대해 10 내지 100 %의 농도를 가질 수 있다. 특히, 농도는 최대 농도에 대해 30 % 내지 60 %, 예컨대 40 %일 수 있다.
전기도금 배스는, 전기도금 프로세스 동안 -20 ℃ 내지 50 ℃의 온도로 유지될 수 있다. 특히, 온도는 -10 ℃ 내지 10 ℃, 예컨대 -5 ℃일 수 있다.
전기도금 배스는 전기도금 프로세스 동안 교반될 수 있다. 적합한 교반 방법들은, 스파징(sparging), (예컨대, 자기 스터러(stirrer)를 사용하는 것에 의한) 스터링(stirring), 및 초음파 교반을 포함한다.
전기도금은, 0.1 Hz 내지 100 kHz, 예컨대 500 Hz의 펄스 도금 주파수를 사용하여 수행될 수 있다.
전기도금은, 탄소 나노튜브들을 완전히 코팅하기 위해 사용될 수 있다. 다시 말해서, 전기도금은 본원에 설명된 초기 장식 단계 없이 사용될 수 있다.
본 발명은 롤링 단계를 포함할 수 있다. 이러한 단계에서, 가능하게는 코팅된 탄소 나노튜브들을 갖는 기판이 자체적으로 권취된다. 다시 말해서, 자신 상에 형성된 탄소 나노튜브들을 갖는 기판이 카펫을 롤링-업하는 것과 유사한 방식으로 롤링-업된다. 따라서, 이러한 단계는, 탄소 나노튜브들을 갖는 기판을 롤링-업하여 삽입물을 형성하는 것을 수반한다고 일컬어질 수 있다. 다시 말해서, 이는, 추가적인 처리 단계들에서 그의 삽입을 돕는 그러한 형태이다.
롤링 단계는 바람직하게는, 금속성 기판의 상부 표면의 적어도 일부가 금속성 기판의 하부 표면과 접촉하도록 수행된다. 탄소 나노튜브들이 기판의 상부 및/또는 하부 표면들 상에 성장되었을 때, 금속성 기판의 하나의 표면 상에 형성된 탄소 나노튜브들 중 적어도 일부는 금속성 기판의 다른 표면 상에 형성된 탄소 나노튜브들과 또는 다른 표면 그 자체와 접촉할 수 있다. 이러한 방식으로, 롤링 단계는, 금속성 기판의 층들 사이에 탄소 나노튜브들 중 적어도 일부가 샌드위치되는 것을 초래한다. 이는, 탄소 나노튜브들을 추가적인 금속성 기판으로 둘러싸는 이익을 가지며, 이는, 후속 단계들에서 탄소 나노튜브들을 최종 전도성 요소 내에 통합하는 것을 돕는다.
롤링 단계를 돕기 위해, 금속성 기판은 바람직하게는 시트의 형태이다. 다시 말해서, 기판은, 상대적으로 큰 폭 및 길이 치수와 비교하여 상대적으로 작은 두께 치수를 갖는다. 시트는 특히 얇을 수 있고, 그에 따라, 포일로 지칭될 수 있다. 그러한 포일은, 1 mm 미만, 또는 0.5 mm 미만, 바람직하게는 0.2 mm 미만, 가장 바람직하게는 0.1 mm 이하의 두께를 가질 수 있다. 개구들 내의 벽들의 영역은 기판의 두께와 관련되므로, 이들이 충분한 영역을 갖는 것이 유용하다. 따라서, 두께는, 10 ㎛ 이상, 25 ㎛ 이상, 50 ㎛ 이상, 75 ㎛ 이상, 100 ㎛ 이상, 가장 바람직하게는 200 ㎛ 이상이다. 50 ㎛ 내지 500 ㎛의 두께를 갖는 금속성 기판이 특히 효과적인 것으로 밝혀졌다.
금속성 기판의 가능한 폭 및 길이 치수들은 특별히 제한되지 않는다. 길이 치수는, 폭 치수의 적어도 2배, 대안적으로는 폭 치수의 적어도 3배 또는 폭 치수의 적어도 4배일 수 있다. 폭 치수는 50 mm 이상, 또는 100 mm 이상일 수 있다. 길이 치수는, 100 mm 이상, 300 mm 이상, 또는 바람직하게는 400 mm 이상일 수 있다.
금속성 기판은, 롤링-업 단계가 기판이 적어도 두 번 자체 둘레에 롤링되도록 치수가 정해질 수 있다. 다시 말해서, 기판은, 기판이 720°에 걸쳐 롤링되도록 롤링-업되고, 바람직하게는, 기판은, 적어도 3 회, 또는 4 회, 또는 5 회, 또는 6 회 롤링된다. 훨씬 더 바람직하게는, 기판은, 기판이 적어도, 10 회, 15 회, 20 회, 25 회, 35 회, 45 회, 또는 50 회 롤링되도록 롤링-업된다. 기판은, 기판이 최대 50 회 롤링되도록 롤링-업될 수 있다. 기판이 자체 주위에 롤링되는 횟수를 증가시킴으로써, 기판 사이에 샌드위치되는 탄소 나노튜브들의 층들의 수가 증가한다. 이는, 최종 제품에서 전도가 발생할 수 있는 더 많은 탄소 나노튜브 물질을 제공한다.
롤링 단계는 바람직하게는, 금속성 보빈(bobbin) 주위에, 코팅된 탄소 나노튜브들을 갖는 기판을 롤링하는 것을 포함한다. 보빈을 활용하는 것은 롤링 단계를 용이하게 한다. 바람직하게는, 금속성 기판은, 금속성 보빈 주위에 기판을 롤링할 때 그 보빈과 접촉한다. 보빈은 바람직하게는 중실형 물질 조각이다. 특히, 보빈은 바람직하게는 기판과 동일한 물질이다. 이러한 방식으로, 금속성 보빈은 기판과 함께 최종 제품의 금속성 매트릭스에 기여한다. 훨씬 더 바람직하게는, 코팅 단계에서 사용되는 금속성 보빈, 금속성 기판, 및 금속성 물질은 모두 동일한 물질이고, 그들은 모두 최종 제품의 금속성 매트릭스에 기여한다. 금속성 기판에 관한 서술들에 따라, 금속성 보빈은 금속성 기판에 대해 강조된 금속들 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 금속성 보빈은 바람직하게는 구리를 포함한다.
금속성 보빈의 치수들은 특별히 제한되지 않는다. 후속 처리에 적합한 임의의 치수들이 사용될 수 있다. 금속성 보빈은, 자신의 가장 큰 지점에서 적어도 직경이 10 mm일 수 있고, 대안적으로는 적어도, 직경이 20 mm, 직경이 50 mm, 직경이 100 mm, 직경이 200 mm, 또는 직경이 300 mm일 수 있다. 직경의 증가는 보빈 상에 롤링될 수 있는 기판의 양을 증가시킨다.
코팅된 탄소 나노튜브들을 갖는 금속성 기판은 롤링 단계 이전에 전도성 보빈에 부착되는 것이 바람직하다. 이는, 롤링 단계를 용이하게 한다.
금속성 기판은, 용접, 납땜, 경납땜, 또는 기계적 수단에 의해 전도성 보빈에 부착될 수 있다.
금속성 기판은, 금속성 기판의 하나의 가장자리를 따라 금속성 보빈에 부착될 수 있다. 이는, 제자리에 유지되는 보빈에 대한 하나의 고정된 가장자리를 제공하는 한편, 대향하는 자유 단부는 금속성 보빈 주위에 기판을 롤링하기 위해 금속성 보빈을 중심으로 롤링된다. 금속성 보빈은, 하나의 가장자리를 따라 금속성 기판을 유지하기 위해 금속성 기판의 단부를 수용하도록 구성되는 슬롯을 포함할 수 있다.
금속성 기판이 자신 주위에 롤링되는 금속성 보빈은 삽입물을 형성하기 위해 금속성 슬리브에 배치될 수 있다. 금속성 보빈은, 금속성 기판이 롤링-업될 함몰부를 포함하도록 형상화될 수 있다. 금속성 기판 및 보빈은, 금속성 기판이 보빈 상에 완전히 롤링될 때 금속성 기판이 보빈의 외측 표면과 동일 평면 상에 있게 함몰부를 채우도록 크기가 정해진다. 이는, 자신 상에 금속성 기판을 갖는 보빈이 슬리브 내로 슬라이딩될 수 있는 것을 보장하고, 슬리브 내의 밀착 끼워맞춤을 허용한다. 대안적으로, 금속성 기판 및 보빈은, 금속성 기판이 보빈 상에 완전히 롤링될 때 금속성 기판이 보빈의 나머지에 대해 약간 돌출하게 놓이게 함몰부를 채우도록 크기가 정해진다. 이는, 보빈의 나머지가 후속 인발 단계 동안 금속성 기판의 초기 압축을 방해하지 않는 것을 보장할 수 있고, 삽입물의 후속 처리 동안 품질 계면의 생성을 촉진한다.
슬리브 및 보빈은, 보빈이 슬리브 내에 수용될 수 있도록 임의의 적합한 길이일 수 있다. 슬리브는 최대 1 미터 길이일 수 있다. 보빈은 최대 400 mm 길이일 수 있다.
금속성 슬리브는, 금속성 기판과 관련하여 본원에 열거된 금속들 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 금속성 슬리브는 금속성 보빈과 동일한 물질인 것이 바람직하다. 특히, 금속성 슬리브는 바람직하게는 구리를 포함한다. 금속성 슬리브는 최종 제품의 매트릭스에 기여한다. 그에 따라, 금속성 슬리브, 금속성 보빈, 금속성 물질, 및 금속성 기판은 모두 구리를 포함하는 동일한 물질인 것이 특히 바람직하다. 금속성 슬리브, 금속성 보빈, 금속성 물질, 및 금속성 기판 모두가 존재하지는 않는 본 발명의 양상들에서, 존재하는 것들은 바람직하게는 모두 동일한 물질이며, 이는 바람직하게는 구리이다.
본 발명의 방법은, 롤링 단계 이전에 금속성 기판 상의 복수의 탄소 나노튜브들에 제1 방향으로 전단력을 인가하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이는, 복수의 탄소 나노튜브들을 제1 방향을 향해 이동시키고 바람직하게는 정렬하는 효과를 갖는다. 이는, 제품의 요망되는 최종 구조에 대해 정렬이 선택될 수 있게 한다. 금속성 기판 상의 복수의 탄소 나노튜브들에 제1 방향으로 전단력을 인가하는 단계는 롤링 단계 이후에 발생할 수 있다. 복수의 탄소 나노튜브들에 전단력을 인가하는 단계는, 인발 단계의 적용 동안 인가되는 전단력을 지칭할 수 있거나 또는 인발 단계와 별개인 전단력을 인가하는 단계일 수 있다.
이러한 전단력을 인가하는 단계는 코팅 단계 이전에 수행될 수 있다. 이러한 방식으로, 탄소 나노튜브들이 코팅된 후에 탄소 나노튜브들을 이동시키는 것과는 대조적으로, 탄소 나노튜브들이 비교적 이동되기 쉬울 때 탄소 나노튜브들이 재배향된다. 전단력을 인가하는 단계는 코팅 단계 동안에 수행될 수 있다. 예컨대, 탄소 나노튜브들은 코팅 프로세스에서 초기 단계로서 본원에 설명된 바와 같이 장식될 수 있고, 이어서, 나중의 코딩 단계가 수행되어 코딩 단계가 완료되기 전에 전단력이 인가될 수 있다. 이는, 전단력을 인가하는 단계 동안 나노튜브들을 번들링되지 않은 상태로 유지하는 것을 도울 수 있다. 전단력을 인가하는 단계는 코팅 단계 이후에 수행될 수 있다.
전단력은, 툴, 예컨대, 평평한 가장자리를 갖는 툴의 사용을 통해 인가될 수 있다. 툴은, 탄소 나노튜브들이 형성되는 금속성 기판의 표면을 따라 이동될 수 있는 한편, 툴은, 탄소 나노튜브와 직접 또는 간접적으로 접촉된 채로 유지된다. 이는, 탄소 나노튜브들에 대한 전단력을 초래한다. 탄소 나노튜브들의 자유 단부들에 인가되는 전단력은, 탄소 나노튜브들이 제1 방향을 향해 이동하는 것을 야기한다. 인가되는 힘의 양은, 탄소 나노튜브들을 재배향시키기 위해 충분한 힘이 인가되는 동안 탄소 나노튜브들이 기판으로부터 박피되지 않는 것을 보장하도록 맞춤조정될 수 있다. 전단력은 또한, 탄소 나노튜브들이 형성되는 금속성 기판의 표면을 따라 롤링되는 원통형 툴(즉, 롤러)로 인가될 수 있다. 특히, 전단력은, 한 쌍의 롤러들 사이에서 탄소 나노튜브들을 갖는 금속성 기판을 이동시킴으로써 인가될 수 있다. 이는, 기판의 2개의 측부 상에 탄소 나노튜브들이 존재할 때 특히 효과적인 접근법이다.
전단력이 인가되는 제1 방향은 탄소 나노튜브들이 형성되는 표면을 따르는 것이 특히 바람직하다. 이는, 탄소 나노튜브들이 기판에 수직인 것이 아니라 기판의 표면과 더 정렬되도록 탄소 나노튜브들을 눕히는(lay down) 효과를 갖는다. 이는, 상부 및/또는 하부 표면 상의 임의의 나노튜브들의 재배향이 개구들 내의 것들과 유사한 배향이 될 수 있게 한다. 제1 방향은 존재하는 개구들의 임의의 세장형 형상들의 길이방향 축에 실질적으로 수직인 것이 특히 바람직하다.
개구들의 임의의 세장형 형상들의 길이방향 축은 금속성 기판이 임의의 롤링 단계에서 롤링-업되는 회전 축에 실질적으로 수직인 것이 특히 바람직하다. 추가로, 임의의 전단력 인가와 연관된 제1 방향은 바람직하게는, 금속성 기판이 롤링 단계에서 롤링-업되는 회전 축과 실질적으로 평행하다. 보빈이 활용될 때, 이는 보빈의 회전 축이다. 이러한 방식으로, 탄소 나노튜브들 모두가 거의 동일한 방향으로 실질적으로 정렬되는 것이 보장될 수 있으며, 그러므로, 탄소 나노튜브들은 모두 대략적으로 회전 축, 예컨대, 보빈의 길이를 따라 향할 것이다.
전도성 테이프를 형성할 때, 개구들의 임의의 세장형 형상들의 길이방향 축은 최종 전도성 테이프의 길이 방향에 실질적으로 수직인 것이 특히 바람직하다. 추가로, 임의의 전단력 인가와 연관된 제1 방향은 바람직하게는 최종 전도성 테이프의 길이 방향과 실질적으로 평행하다.
인발 방향은 인발 단계에서 삽입물이 인발되는 방향이다. 인발 단계의 인발 방향에 대해, 개구들의 임의의 세장형 형상들의 길이방향 축은 실질적으로 수직일 수 있거나, 임의의 전단력 인가와 관련된 제1 방향은 실질적으로 평행할 수 있다. 탄소 나노튜브들은 인발 단계의 인발 방향을 따라 실질적으로 정렬될 수 있다. 이는, 회전 축 및 탄소 나노튜브들이 삽입물의 길이 방향, 즉, 그의 세장형 축을 따라 배향되도록 슬리브 내에 보빈을 삽입함으로써 달성될 수 있다. 그에 따라서, 삽입물은 이어서, 인발 단계 동안 이러한 세장형 축을 따라 인발될 수 있다. 인발 단계 동안, 삽입물의 길이는 증가되고 그의 단면적은 감소된다.
인발 단계 이후의 최종 전도성 요소는, 요구되는 탄소 나노튜브들을 포함하지 않는 임의의 부분을 제거하기 위해 적절하게 스캐닝 및 절단될 수 있다. 이는, 인발 단계 이전의 보빈에 대한 슬리브의 더 긴 길이에 의해 야기될 수 있다.
탄소 나노튜브들이 인발 방향을 따라 실질적으로 정렬되는 것이 바람직한데, 그 이유는, 이것이 최종 제품의 세장형 축을 따르는 배향을 갖는 탄소 나노튜브들이 시작되게 하기 때문이다. 이는, 전도가 발생할 바람직한 배향이다. 이와 무관하게, 인발 단계 그 자체는, 탄소 나노튜브들이, 상대적으로 강성인 탄소 나노튜브들과 비교하여 매트릭스 물질의 유동으로 인해 인발 방향을 따라 어느 정도 스스로 정렬되게 할 수 있다. 이러한 방식으로, 금속성 기판 상의 탄소 나노튜브들에 제1 방향으로 전단력을 인가하는 단계는, 인발 단계와 연관된 전단력이 인발 방향으로 발생하는 인발 단계의 일부로서 발생할 수 있다. 이론에 얽매이는 것을 바라지는 않지만, 인발 접근법은 또한, 다중-벽 탄소 나노튜브의 벽들 사이에서의 상대적인 이동으로 이어질 수 있는 것으로 여겨진다. 이는, 정렬을 개선하는 나노튜브의 텔레스코핑(telescoping)으로 이어질 수 있다. 그에 따라서, 본 방법은, 최종 전도성 요소 내의 탄소 나노튜브들의 밀접한 정렬 또는 우수한 정렬로 이어질 수 있다.
인발 단계에 후속하여 어닐링 단계가 있을 수 있다. 어닐링 단계는, 인발 스테이지 동안 도입되었을 수 있는 경화 또는 내부 응력들을 제거하거나 감소시키기 위해, 인발된 제품을 상승된 온도로 유지한다. 어닐링은 또한, 금속성 성분들의 결정 입도(grain size)를 성장시키는 데 사용될 수 있다. 이는, 결정 입계들의 존재를 감소시키고 전도율 특성들을 개선한다. 어닐링 온도는, 임의의 적합한 온도, 예컨대, 400 ℃ 내지 700 ℃, 또는 550 ℃ 내지 800 ℃의 온도일 수 있다. 어닐링은 대략적으로 700 ℃에서 수행될 수 있다. 어닐링 단계는 바람직하게는 낮은 산소 또는 실질적으로 산소가 없는 환경에서 발생한다. 예컨대, 어닐링은 아르곤 또는 질소 환경에서 발생할 수 있다. 금속성 기판이 구리로 형성될 때, 어닐링 온도는 400 ℃ 내지 700 ℃의 범위 내에 있을 수 있고, 가장 바람직하게는, 어닐링 온도는 550 ℃이다.
인발 및 어닐링 단계들은, 인발된 제품의 직경을 점진적으로 감소시키고 그의 길이를 증가시키기 위해 여러 번 반복될 수 있는 것이 가능한데, 즉, 드로잉에 후속되는 어닐링과 그에 후속되는 추가적인 드로잉 및 그 후 추가적인 어닐링 등이 가능하다. 이는, 와이어와 같은 세장형 전도체를 생성하기 위한 표준 접근법이다. 인발 단계는, 어닐링 단계들 사이에서 와이어의 직경을 5 % 내지 60 %만큼 감소시키도록 수행될 수 있다. 본 발명에서 전도성 요소는 와이어의 형태인 것이 특히 바람직하다. 와이어는, 일반적으로 원통형의 가요성 금속 가닥(strand)인 전도성 요소이다.
인발 단계와 관련하여, 삽입물은 계속 감소하는 다이 크기들의 선택을 통해 인발될 수 있다. 다이를 통해 삽입물을 당김으로써, 그 직경이 감소되고 그 길이가 증가된다. 인발된 제품은, 여러 번의 인발 적용들 후에 또는 각각의 인발 적용 후에 어닐링될 수 있다. 인발 단계는, 계속 감소하는 다이들에 걸쳐 삽입물을 10 회 초과, 또는 15 회 초과, 또는 20 회 초과로 당기는 것을 포함할 수 있다. 다이들은, 고속 강철, 경화 강철 또는 탄화텅스텐으로 만들어질 수 있다.
인발 단계의 초기 스테이지로서, 삽입물을 더 작은 직경으로 변형하기 위해 삽입물이 (예컨대, 로터리 스웨이징 또는 롤링에 의한) 압축 단계를 겪을 수 있다. 이는, 삽입물의 별개의 구역들을 함께 압축하는 것을 도울 수 있다. 이는 차례로, 삽입물의 길이가 증가함에 따라 인발 단계의 나머지 동안에 공극들의 형성을 회피하는 것을 도울 수 있다. 압축 단계는, 슬리브와 보빈 그리고 롤링-업된 포일 사이 및 포일 내의 층들 사이의 임의의 공극들을 제거하거나 실질적으로 감소시킬 수 있다. 이러한 단계는 삽입물의 직경의 감소 및 길이의 증가를 초래하며, 인발 단계의 효율을 개선한다.
본 발명에서 활용되는 복수의 탄소 나노튜브들은 바람직하게는 다중-벽 탄소 나노튜브들을 포함한다. 이러한 탄소 나노튜브들은 서로 내포된(nested) 다수의 탄소 나노튜브들을 구성된다. 이러한 형태의 나노튜브는, 결과적인 제품의 전기 전도율에 기여함에 있어 특히 효과적이다.
본 발명은 또한, 본원에 설명된 방법들에 의해 형성되는 전도성 요소 프리커서, 삽입물, 및 전도성 요소에 관한 것이다.
본원에 설명된 전도성 요소는 절연 슬리브로 절연될 수 있다. 절연 슬리브는 임의의 적합한 절연 물질, 이를테면, 실리콘 고무, 폴리염화비닐, 또는 PTFE일 수 있다.
본 발명은 추가로 전도성 요소 프리커서를 제공하며, 전도성 요소 프리커서는, 매트릭스 ― 매트릭스는 금속성 물질을 포함함 ―; 및 매트릭스 내의 복수의 탄소 나노튜브들 ― 복수의 탄소 나노튜브들은 실질적으로 정렬됨 ― 을 포함한다.
복수의 탄소 나노튜브들은 외측 표면과 평행하게 실질적으로 정렬될 수 있다. 이는, 프리커서가 전도성 요소 내로 처리될 수 있는 용이성을 증가시킨다.
본 발명은 추가로 삽입물을 제공하며, 삽입물은, 매트릭스 ― 매트릭스는 금속성 물질을 포함함 ―; 및 매트릭스 내의 복수의 탄소 나노튜브들 ― 복수의 탄소 나노튜브들은 삽입물의 길이방향 축을 따라 실질적으로 정렬됨 ― 을 포함한다.
본 발명은 또한 세장형 전도성 요소를 제공하며, 세장형 전도성 요소는, 매트릭스 ― 매트릭스는 금속성 물질을 포함함 ―; 및 매트릭스 내의 복수의 탄소 나노튜브들 ― 복수의 탄소 나노튜브들은 세장형 전도성 요소의 길이방향 축을 따라 실질적으로 정렬됨 ― 을 포함한다.
본원에 언급된 바와 같이, 본 발명은 또한 전도성 요소를 제공하며, 전도성 요소는, 매트릭스 ― 매트릭스는 금속성 물질을 포함함 ―; 매트릭스 내의 제1 복수의 탄소 나노튜브들 ― 제1 복수의 탄소 나노튜브들은 서로 실질적으로 정렬됨 ―; 및 매트릭스 내의 제2 복수의 탄소 나노튜브들 ― 제2 복수의 탄소 나노튜브들은 서로 실질적으로 정렬되고, 제1 복수의 탄소 나노튜브들은 제2 복수의 탄소 나노튜브들과 실질적으로 정렬되지 않음 ― 을 포함한다.
제1 및 제2 복수 탄소 나노튜브들에 부가하여, 서로 실질적으로 정렬되고 다른 복수의 탄소 나노튜브 중 임의의 것과 실질적으로 평행하지 않은 추가적인 복수의, 또는 복수들의 탄소 나노튜브들이 존재할 수 있다. 특히, 3개의 그러한 복수의 탄소 나노튜브들, 또는 4개의 그러한 복수의 탄소 나노튜브들이 존재할 수 있다. 이는 유리하게는, 전도성 요소의 특성들이 점점 더 많은 수의 상이한 방향들로 맞춤조정될 수 있게 한다.
제1 복수의 탄소 나노튜브들은 매트릭스 내의 총 탄소 나노튜브들 중 적어도 10 %를 차지할 수 있고, 제2 복수의 탄소 나노튜브들은 매트릭스 내의 총 탄소 나노튜브들 중 적어도 10 %를 차지할 수 있다. 추가로, 임의의 추가적인 복수의 정렬된 탄소 나노튜브들 각각은 매트릭스 내의 총 탄소 나노튜브들 중 적어도 10 %를 차지할 수 있다. 제1, 제2, 및 임의의 추가적인 복수의 정렬된 탄소 나노튜브들 각각은, 매트릭스 내의 총 탄소 나노튜브들 중 적어도 15 %, 20 %, 25 %, 또는 바람직하게는 적어도 30 %를 차지할 수 있다.
전도성 요소 프리커서 및 전도성 요소의 매트릭스는 실질적으로 연속적인 구역을 지칭한다. 매트릭스는 복수의 탄소 나노튜브들을 포함한다.
세장형 전도성 요소의 길이방향 축은 세장형 방향을 따른다. 예컨대, 세장형 요소가 와이어의 형태일 때, 길이방향 축은 와이어의 길이를 따라 이어진다.
전도성 요소 및 삽입물은, 그들이 만들어진 방식으로 인해 매트릭스의 단면을 따라 복수의 별개의 탄소 나노튜브 층들을 가질 수 있다. 예컨대, 롤링 단계는, 길이방향 축에 수직인 매트릭스의 단면을 따라, 탄소 나노튜브들이 없는 구역들에 의해 분리될 수 있는, 탄소 나노튜브들을 포함하는 층들이 존재한다는 것을 의미한다. 이러한 탄소 나노튜브 층들은 매트릭스의 나머지와 별개이고, 현미경 또는 x-선 회절에 의해 식별될 수 있다.
본원에서 임의의 방법과 관련하여 설명된 특징들은 또한, 본원에 설명된 임의의 최종 세장형 전도성 요소에 적용가능하다. 예컨대, 전도성 물질의 매트릭스는 금속성 물질일 수 있고 구리일 수 있다. 추가로, 나노튜브들이 실질적으로 정렬된다고 언급되는 경우, 위에서 주어진 허용 오차는 제품에 동일하게 적용된다.
전반적으로, 본 발명의 특히 바람직한 접근법은, 탄소 나노튜브들이 성장되는 세라믹 층을 가진, 복수의 개구들을 갖는 금속성 기판을 활용한다. 이러한 탄소 나노튜브들은 기판 상에 유지되고, 초기 장식 단계는, 탄소 나노튜브들 전체에 걸쳐 금속성 물질을 증착하기 위해 CVD를 사용하여 수행되고, 임의적으로, 탄소 나노튜브들 전체에 걸쳐 할로겐 입자들을 증착하기 위해 CVD를 사용하여 도핑 단계가 수행된다. 탄소 나노튜브들의 코팅은, 탄소 나노튜브들이 완전히 캡슐화됨을 보장하기 위해 전기도금 접근법을 사용함으로써 완료된다. 이는, 전도성 요소 프리커서를 초래한다.
이제 도면들과 함께 다음의 특정 예와 관련하여 본 발명이 설명될 것이다.
도 1은 복수의 개구들 및 개구들의 세부사항과 함께, 본 발명과 함께 사용하기 위한 기판을 도시한다.
도 2는 본 발명과 함께 사용하기 위한 추가적인 기판의 세부사항이다.
도 3은 본 발명과 함께 사용하기 위한 추가적인 기판의 세부사항이다.
도 4는 구리 포일 상의 증착된 실리카 층의 표면의 SEM 이미지이다.
도 5는 본 발명의 기판의 투시 단면의 개략적인 묘사이며, 그 기판 상에 탄소 나노튜브들이 성장되어 있다.
도 6은 예시의 목적을 위해서 실리카 층의 두께를 나타내기 위해 실리카 층이 균열된, 구리 포일 상의 증착된 실리카 층의 표면의 SEM 이미지이다.
도 7은 포일로 절단된 개구들을 갖는 구리 포일 상에 성장된 탄소 나노튜브들의 SEM 이미지이다.
도 8은 개구들을 갖는 추가적인 구리 포일 상에 성장된 탄소 나노튜브들의 SEM 이미지이다.
도 9는 도 7의 구리 포일의 단면을 도시하는 SEM 이미지이다.
도 10은 증착된 구리 입자들을 갖는 탄소 나노튜브들의 SEM 이미지이다.
도 11은 성장된 탄소 나노튜브들에 전단력을 인가하는 단계를 개략적으로 도시한다.
도 12는 전기도금 프로세스에서 사용되는 장비의 개략적인 묘사이다.
도 13은 전기도금 단계에 적용된 전류 프로파일의 개략적인 묘사이다.
도 14는 전기도금에 후속하여 구리로 코팅된 탄소 나노튜브들의 SEM 이미지이다.
도 15는 본 발명과 함께 사용될 수 있는 보빈을 개략적으로 도시한다.
도 16 및 도 17은 보빈의 함몰부 상에 권취된 금속성 기판을 개략적으로 도시한다.
도 18은 본 발명과 함께 사용될 수 있는 슬리브를 개략적으로 도시한다.
도 19는 보빈을 포함하는 슬리브의 단면을 개략적으로 도시한다.
도 20은 와이어 인발 단계를 개략적으로 도시한다.
도 21은 최종 와이어에 걸친 단면을 개략적으로 도시한다.
기판 준비
사용한 기판은 얇은 구리 포일 리본이다. "리본"이라는 용어는 구리 포일의 폭에 대한 구리 포일의 긴 길이로 인해 사용된다. 50 ㎛, 100 ㎛, 200 ㎛, 및 400 ㎛의 두께들을 갖는 구리 리본을 획득하였고, 레이저 절단 기법을 사용하여 각각에 복수의 개구들을 형성하였다.
결과적인 기판이 도 1에 도시되며, 여기서, 개구들은 기판의 상부 및 하부 표면들 상에서 세장형 형상들의 형태이다. 복수의 개구들의 각각의 개구는 동일한 세장형 형상을 갖는다. 세장형 형상은 대략적으로 0.7 mm 길이인 2개의 평행한 측부를 가지며, 여기서, 세장형 형상은 약 1 mm의 총 길이를 갖는다. 평행한 측부들은 약 300 ㎛만큼 분리된다. 이러한 평행한 측부들은 그들의 제1 및 제2 단부들에서 원형 섹션들에 의해 연결된다. 2개의 평행한 측부 사이에 세장형 형상의 길이방향 축을 따라 대칭 평면이 존재한다(길이방향 축은 도면에 걸쳐 수평으로 이어짐). 개구들의 길이방향 축들 모두는 서로 평행하다. 인접한 개구들 사이의 최단 거리는 40 ㎛이다. 세장형 형상들은 기판의 상부 표면에 걸쳐 반복 패턴으로 존재한다. 패턴은, 탄소 나노튜브들이, 기판의 평면 내에 정렬된 탄소 나노튜브들에 관한 도면 상에서 수직 방향으로 길이방향 축에 대해 수직으로 주로 정렬된다는 것을 의미할 것이다.
개구들의 대안적인 패턴이 또한 절단되어 있다(도 2). 이러한 패턴은 복수의 세장형 형상들을 가지며, 여기서, 세장형 형상들의 하나의 서브세트는 거의 1 mm의 길이를 갖고, 다른 서브세트는 약 2 mm의 길이를 갖는다. 인접한 개구들 사이의 최단 거리는 50 ㎛이고, 개구들은 기판에 걸쳐 반복 패턴으로 배열된다. 더 긴 세장형 형상들의 통합은 기판 상에 성장될 수 있는 탄소 나노튜브들의 비율을 증가시킨다.
개구들의 추가적인 패턴이 또한 절단되어 있다(도 3). 이러한 패턴은 400 ㎛의 세장형 형상의 평행한 측부들 사이의 거리가 더 크며, 개구들은, 각각의 모서리가 둥근 모서리인 직사각형의 형태인 세장형 형상을 갖는다. 세장형 형상들은 2 mm 길이이다.
개구들을 갖는 그러한 기판 상의 탄소 나노튜브들의 성장의 개략적인 묘사가 도 4의 단면도에 도시된다. 여기서, 기판(1)의 두께는 상부 표면 상의 인접한 개구들 사이의 거리보다 훨씬 더 크다. 거의 대부분의 탄소 나노튜브들은 기판(1)의 평면에서 배향되고 개구들의 벽들에 수직인 것을 볼 수 있다. 개구들의 세장형 형상으로 인해, 거의 대부분의 탄소 나노튜브들은 개구들의 길이방향 축들에 수직으로 배향된다.
실리카 증착:
리본을 구리 또는 황동 샘플 홀더에 클램핑한다. 샘플 홀더를 측부 도어를 통해 제1 반응기 챔버에 도입하며, 여기서, 샘플 홀더는 다음 챔버로의 그의 병진을 보장할 레일들 상에 놓인다. 산소 및 수분 대부분을 제거하기 위해 증착 챔버를 폐쇄 및 진공배기(evacuate)하고 아르곤으로 여러 번 재충전(backfilled)한다. 이어서, 1 SLM의 일정한 아르곤 유동으로 약 5 mbar의 값으로 압력을 설정한다.
반응기 챔버를 가열하며, 온도가 650 ℃에 도달할 때, 프리커서 주입을 발생시킬 수 있다. 주입 주파수는 50 Hz이고, 개방 시간은 0.7 ms이다. 무수 톨루엔 중 0.1 M TEOS의 용액을 190 ℃로 가열된 증발 용기에 주입한다. 2 SLM Ar 캐리어 가스 유동을 증발기에 통과시킨다. 15 분의 주입 후에, 프리커서의 유동을 중단하고, 챔버를 여러 번 진공배기하여 남아 있는 미량의 프리커서 용액을 제거한다.
도 5의 SEM 현미경 사진이 나타내는 바와 같이, 획득된 실리카 층들은 평균적으로 400 nm 두께이고, 매우 평활하며, 이는, 개구들이 없는 기판 상에서 수행되었다. 도 6은 예시 목적들을 위해 실리카 층이 의도적으로 균열되어 아래에 놓인 구리 포일을 노출시킨 섹션을 나타낸다. 실제로, 균열을 회피하기 위해, 실리카 층의 증착과 다음 탄소 나노튜브 포레스트(forest) 성장 단계 사이에 금속성 기판의 상승된 온도가 유지될 수 있다.
탄소 나노튜브 포레스트 성장:
일단 세정이 완료되면, 챔버 내의 압력은 아르곤 가스로 충전됨으로써 상승되고, 일단 대기압에 도달하면, 샘플 홀더는 게이트 밸브를 통해 다음 챔버로 이송된다. 일단 샘플이 제2 챔버 내에 있고 게이트 밸브가 잠금되면, 탄소 나노튜브 주입 프로세스가 시작될 수 있다. 톨루엔 중 페로센의 3 %wt 용액의 프리커서를 실리카 프리커서와 동일한 프로세스를 따라 주입한다. 주입 파라미터들은 0.7 ms 개방 시간, 25 Hz 주파수, 및 3 SLM Ar 캐리어 가스 유동이다. 증발기와 증착 챔버 사이에 있는 사전-가열 노를 725 ℃로 가열한다. 이 프로세스를 10 분 동안 지속시킨다. 일단 프로세스가 완료되면, 구리 리본은 냉각되고, 챔버는 남아 있는 미량의 프리커서를 제거하기 위해 진공배기되고 아르곤으로 다시 충전된다.
100 ㎛ 기판 두께를 갖는 도 1의 기판 상에 성장된 탄소 나노튜브 포레스트가 도 7에 도시된다. 기판의 평면에서의 탄소 나노튜브들의 정렬뿐만 아니라 상부 표면으로부터 상향으로 성장된 탄소 나노튜브들을 볼 수 있다.
배열을 조사하기 위해, 탄소 나노튜브들을 도 3의 기판 상에 성장시켰고, 탄소 나노튜브들이 도 8의 개구의 전체 폭에 걸쳐 성장하기 이전에 성장을 중단시켰다. 다시, 기판의 평면 내에서의 강한 우선적 정렬을 예시하는 세장형 형상에 걸친 탄소 나노튜브들의 성장을 볼 수 있다. 개구의 벽들로부터 성장하는 나노튜브들의 세부사항들이 또한 보인다(도 9).
느슨한 탄소 나노튜브 세정:
일단 탄소 나노튜브 포레스트 성장 프로세스가 완료되면, 샘플 홀더는 다른 게이트 밸브를 통해 중간 세정 챔버로 이송된다. 중간 세정 챔버에서, 임의의 느슨한 CNT를 날려 보내기 위해 그것을 높은 아르곤 유동에 노출시킨다. 이러한 단계가 완료되면, 그것은 제3 증착 챔버로 이송된다.
금속성 시딩:
샘플이 제3 챔버 내의 위치에 있을 때, 압력을 다시 160 mbar로 낮추고, 실리카 증착에 대한 것과 동일한 프로세스를 따라 프리커서의 스트림을 챔버 내에 주입한다. 주입된 프리커서 용액은, 펄스 길이가 0.7 ms이고 주파수가 25 Hz인, 톨루엔 중 Cu(acac)2의 0.25 M 용액이다. 이어서, 도 10에 도시된 바와 같이, 구리 나노입자들에 의해 탄소 나노튜브 포레스트가 장식된다. 이러한 단계는, 다음 단계 동안 카펫의 두께 내로의 구리의 더 양호한 증착을 허용한다.
이어서, 제3 증착 챔버를 진공배기하고, 아르곤으로 플러싱하고, 대기압으로 증가시킨다. 이어서, 샘플 홀더를 측부 도어를 통해 추출한다.
임의적 할로겐 도핑
아이오딘이 도핑 할로겐으로서 사용되고, 톨루엔 1 부분에 대해 아이오도에탄 2 부분의 비율의 톨루엔 중 아이오도에탄(C2H5I)의 용액을 사용하여 주입한다. 주입은 구리 시딩 단계 동안 발생한다. 먼저, 구리 프리커서를 20 분 동안 주입하고, 이어서, 15 ml의 용액이 주입될 때까지 동일한 파라미터들을 사용하여 아이오딘 함유 용액을 주입하고, 이어서, 구리 주입을 재개한다.
임의적 탄소 나노튜브 재배향:
코팅된 포일 리본들을 샘플 홀더로부터 제거하고, 양 측부들의 탄소 나노튜브 포레스트는, 도 11에 예시된 바와 같이, 코팅된 리본(2)을 리본들의 폭 치수를 따라 2개의 회전하는 매끄러운 석영 실린더(4, 5) 사이로 통과시킴으로써 눕혀진다. 이는, 탄소 나노튜브들이 후속 인발 프로세스에 동축으로 배향될 수 있게 한다.
구리 침윤:
이어서, 도 12에 도시된 바와 같이, 배향된 탄소 나노튜브 포레스트를 갖는 리본(2)은 랙에 설치하여 전기도금 배스(7)에 침지시킨다. 이러한 배스는 0.67 mol/l 황산, 0.0027 mol/l 소듐 클로라이드와 0.56 mol/l CuSO4 수용액의 용액으로 구성된다. 배스 내의 이러한 용액의 부피는, N-메틸 피롤리돈(NMP) 5 ml, 메탄올 5 ml, 및 소듐 도데실 술페이트(SDS) 0.1 g을 첨가한 250 ml이다. 탄소 나노튜브 포레스트를 구리로 전기도금하기 위해, 코팅된 구리 리본과 순수 구리 애노드 사이에 전류를 설정한다. 구리 전기도금에 대해 일반적으로 행해지는 바와 같이, 그리고 문헌(Schneider, Weiser,
Figure pct00001
등의 (2012), Surface Engineering, vol. 28, issue 6, 페이지 435 내지 페이지 441)에 설명되어 있는 바와 같이, 전류를 부과하고 전위를 조정한다. 포레스트 내부의 구리 증착을 개선하기 위해, 전류는, (Ying Sun에 의한 박사 학위 논문 "Mechanical Properties of Carbon Nanotubes/Metal Composites", 센트럴 플로리다 대학(University of Central Florida), 2010에서 설명된 바와 같은) 펄스 역 패턴(pulse-reversed pattern)을 따르지만, 비-증착 시간 동안 구리 이온들에 인가되는 전자 이동력(electromigration force)을 유지하기 위한 약간의 오프셋이 있다. 도 13은 사용되는 전형적인 패턴을 도시하며, 여기서, IC는 도금 전류이고, IS는 박리(stripping) 전류이며, 오프셋은 도금 없이 구리 이온들의 전자 이동을 허용한다. 완전히 도금된 탄소 나노튜브들이 도 14에 예시된다.
와이어 인발:
삽입물은 임의적으로 먼저, 삽입물 내의 모든 공극들이 실질적으로 제거될 때까지 (예컨대, 회전 스웨이징 기계 또는 열간 또는 냉간 롤링 기계를 사용함으로써) 압축된다.
와이어 인발 프로세스는 300 mm의 길이 및 100 mm의 폭을 갖는 구리 기판을 사용하여 수행된다. 이러한 기판은, 기판의 2개의 주 대향 표면 상에 구리 나노튜브들을 형성하기 위해 위의 단계들을 겪었다. 권취된 기판을 수용하기 위한 함몰된 구역(10)을 갖는 보빈(8)이 도 15에 도시된 바와 같이 제공된다. 이어서, 기판(6)은 직경이 18 mm인 보빈을 형성하도록 보빈(8) 상에 권취된다. 이는 도 16 및 도 17에 도시된다. 이러한 보빈(8)은, 그 보빈을 슬리브의 단부들 중 하나에 있는 캐비티 내로 슬라이딩함으로써 슬리브(12) 내로 슬라이딩된다. 슬리브는 22 mm의 외경 및 500 mm의 길이를 갖고, 도 18에 도시된다. 내부에 보빈(8)을 갖는 슬리브(13)가 도 19에 도시된다. 탄소 나노튜브들은 삽입물의 길이를 따라 실질적으로 정렬되도록 눕혀진다.
이어서, 도 20에 도시된 바와 같이, 삽입물의 직경의 10 % 감소를 달성하도록 드로벤치(drawbench) 상에서 삽입물을 인발한다. 이어서, 인발된 빌릿(billet)을 550 ℃의 온도의 아르곤 분위기에서 어닐링한다.
삽입물의 직경이 8 mm로 감소되고 길이가 3.75 m로 증가될 때까지 인발 및 어닐링 단계들을 반복한다.
이어서, (인발 이전의 기판과 비교하여 빌릿의 길이가 더 길기 때문에) 순수 구리인 섹션들을 식별하여 잘라내기 위해 삽입물의 단부들에 대해 X-선 분석을 수행한다. 이어서, 이러한 삽입물을 로드 브레이크다운(rod breakdown) 기계에 통과시켜 직경을 2 mm로 감소시킨다. 이어서, 와이어 인발 기계를 사용하여 이를 1 mm에 이르도록 인발하고, 이어서, 와이어를 스풀링한다. 이러한 예에서 와이어의 최종 길이는 대략적으로 50 m이다.
도 21은 탄소 나노튜브들을 포함하지 않는 층들에 의해 분리된 탄소 나노튜브들의 층들이 존재하는 구리 매트릭스(14)가 존재하는 최종 와이어의 묘사를 도시한다. 탄소 나노튜브 층들의 패턴이 롤링-업 프로세스에서 도입되었다.
청구항들에 언급된 특징들의 조합에 부가하여, 본원에 설명된 다양한 특징들은 임의의 상용가능한 방식으로 조합될 수 있다.
다음의 실시예들의 목록은 본 발명과 함께 활용될 수 있다. 특히, 다음의 실시예들의 목록은, 상용가능한 방식으로, 청구항들을 포함하여 본원에 설명된 임의의 다른 특징들과 함께 활용될 수 있다.
1. 전도성 요소 프리커서를 생성하기 위한 방법으로서, 방법은 다음의 단계들을 포함한다:
금속성 기판 상에 복수의 탄소 나노튜브들을 형성하는 단계;
금속성 기판 상의 복수의 탄소 나노튜브들에 제1 방향으로 전단력을 인가하는 단계; 및
복수의 탄소 나노튜브들 중의 탄소 나노튜브들을 금속성 물질로 코팅하는 단계.
2. 전도성 테이프를 생성하기 위한 방법으로서, 방법은 다음의 단계들을 포함한다:
실시예 1에 따른 전도성 요소 프리커서를 형성하는 단계;
이를테면 전도성 요소 프리커서의 길이를 증가시키고 전도성 테이프를 형성하기 위해 전도성 요소 프리커서를 압축하는 단계.
3. 전도성 테이프를 생성하기 위한 방법으로서, 방법은 다음의 단계들을 포함한다:
금속성 기판 상에 복수의 탄소 나노튜브들을 형성하는 단계;
금속성 기판 상의 복수의 탄소 나노튜브들에 제1 방향으로 전단력을 인가하는 단계; 및
복수의 탄소 나노튜브들을 갖는 금속성 기판을, 이를테면 그의 길이를 증가시키고 전도성 테이프를 형성하기 위해 압축하는 단계.
4. 삽입물을 생성하기 위한 방법으로서, 방법은 다음의 단계들을 포함한다:
실시예 1에 따른 전도성 요소 프리커서를 형성하는 단계; 및
삽입물을 형성하기 위해, 코팅된 탄소 나노튜브들을 갖는 기판을 롤링-업하는 단계.
5. 전도성 요소를 생성하기 위한 방법으로서, 방법은 다음의 단계들을 포함한다:
실시예 4의 삽입물을 형성하는 단계;
삽입물의 길이를 증가시키고 전도성 요소를 형성하기 위해 삽입물을 인발하는 단계.
6. 전도성 요소를 생성하기 위한 방법으로서, 방법은 다음의 단계들을 포함한다:
금속성 기판 상에 복수의 탄소 나노튜브들을 형성하는 단계;
삽입물을 형성하기 위해, 복수의 탄소 나노튜브들을 갖는 기판을 롤링-업하는 단계; 및
삽입물의 길이를 증가시키고 전도성 요소를 형성하기 위해 삽입물을 인발하는 단계.
7. 실시예 6의 방법은, 복수의 탄소 나노튜브들 중의 탄소 나노튜브들을 금속성 물질로 코팅하는 단계를 더 포함하며; 기판을 롤링-업하는 단계는, 삽입물을 형성하기 위해, 코팅된 탄소 나노튜브들을 갖는 기판을 롤링-업하는 단계이다.
8. 실시예 6 또는 실시예 7의 방법은, 롤링 단계 이전에 금속성 기판 상의 복수의 탄소 나노튜브들에 제1 방향으로 전단력을 인가하는 단계를 더 포함한다.
9. 실시예 4 내지 실시예 8 중 어느 하나의 실시예의 방법에서, 롤링 단계는 금속성 보빈 주위에 기판을 롤링하는 단계를 포함한다.
10. 실시예 9의 방법으로서, 기판은 롤링 단계 이전에 금속성 보빈에 부착된다.
11. 실시예 9 또는 실시예 10의 방법에서, 롤링된 기판이 위에 있는 금속성 보빈은 삽입물을 형성하기 위해 금속성 슬리브에 배치된다.
12. 실시예 11의 방법에서, 금속성 보빈 및 금속성 슬리브는 구리를 포함한다.
13. 실시예 1 내지 실시예 5, 실시예 8 중 어느 하나의 실시예, 또는 실시예 4 또는 실시예 8에 직접 또는 간접적으로 종속할 때 실시예 9 내지 12 중 어느 하나의 실시예의 방법에서, 탄소 나노튜브들은 금속성 기판의 제1 표면 상에 형성되고, 제1 방향은 제1 표면을 실질적으로 따른다.
14. 실시예 9에 직접 또는 간접적으로 종속할 때 실시예 13의 방법에서, 코팅된 탄소 나노튜브들을 갖는 기판은, 제1 방향이 보빈의 회전 축과 실질적으로 평행하도록 보빈 주위로 롤링된다.
15. 실시예 5 또는 실시예 6에 직접 또는 간접적으로 종속할 때 실시예 14의 방법에서, 제1 방향은, 인발 단계의 인발 방향과 실질적으로 평행하다.
16. 임의의 선행하는 실시예의 방법에서, 복수의 탄소 나노튜브들을 형성하는 단계는 화학 기상 증착을 포함한다.
17. 실시예 1, 실시예 2, 실시예 4, 실시예 5, 실시예 7 중 어느 하나의 실시예, 또는 실시예 4, 실시예 5 또는 실시예 7에 직접 또는 간접적으로 종속할 때 실시예 8 내지 실시예 16 중 어느 하나의 실시예의 방법에서, 탄소 나노튜브들을 코팅하는 단계는 화학 기상 증착을 포함한다.
18. 실시예 17의 방법에서, 탄소 나노튜브들을 코팅하는 단계는, 화학 기상 증착을 통해 금속성 물질로 탄소 나노튜브들을 장식하는 단계, 및 그에 이어서 후속하여, 금속성 물질로 탄소 나노튜브들을 전기도금하는 단계를 포함한다.
19. 실시예 1, 실시예 2, 실시예 4, 실시예 5, 또는 실시예 8 내지 실시예 16 중 어느 하나의 실시예에 종속할 때 실시예 18의 방법에서, 전단력을 인가하는 단계는, 장식하는 단계와 전기도금하는 단계 사이에서 발생한다.
20. 실시예 1, 실시예 2, 실시예 4, 실시예 5, 실시예 7 중 어느 하나의 실시예, 또는 실시예 7에 직접 또는 간접적으로 종속할 때 실시예 8 내지 실시예 17 중 어느 하나의 실시예의 방법에서, 탄소 나노튜브들을 코팅하는 단계는 전기도금을 포함한다.
21. 실시예 5 내지 실시예 8 중 어느 하나의 실시예, 또는 실시예 5 또는 실시예 6에 직접 또는 간접적으로 종속할 때 실시예 9 내지 20 중 어느 하나의 실시예의 방법은, 인발 단계에 후속하는 어닐링 단계를 더 포함한다.
22. 실시예 21의 방법은, 전도성 요소를 형성하기 위해 부가적인 인발 단계들 및 부가적인 어닐링 단계들을 더 포함한다.
23. 실시예 5 내지 8 중 어느 하나의 실시예, 또는 실시예 5 또는 실시예 6에 직접 또는 간접적으로 종속할 때 실시예 9 내지 실시예 22 중 어느 하나의 실시예의 방법에서, 전도성 요소는 와이어의 형태이다.
24. 임의의 선행하는 실시예의 방법에서, 금속성 기판은 포일의 형태이다.
25. 임의의 선행하는 실시예의 방법에서, 복수의 탄소 나노튜브들은 다중-벽 탄소 나노튜브들을 포함한다.
26. 실시예 1, 실시예 2, 실시예 4, 실시예 5, 실시예 7, 실시예 8 중 어느 하나의 실시예, 또는 실시예 1, 실시예 2, 실시예 4, 실시예 5, 또는 실시예 6 중 어느 하나의 실시예에 직접 또는 간접적으로 종속할 때 실시예 9 내지 실시예 25 중 어느 하나의 실시예의 방법에서, 금속성 기판 및 금속성 물질은 구리를 포함한다.
27. 실시예 1, 또는 실시예 1에 직접 또는 간접적으로 종속할 때 실시예 13, 실시예 16, 실시예 17, 실시예 18, 실시예 19, 실시예 20, 실시예 24, 실시예 25, 또는 실시예 26 중 어느 하나의 실시예의 방법에 의해 형성되는 전도성 요소 프리커서.
28. 실시예 2 또는 실시예 3, 또는 실시예 2 또는 실시예 3에 직접 또는 간접적으로 종속할 때 실시예 13, 실시예 16, 실시예 17, 실시예 18, 실시예 19, 실시예 20, 실시예 24, 실시예 25, 또는 실시예 26 중 어느 하나의 실시예의 방법에 의해 형성되는 전도성 테이프.
29. 실시예 4, 또는 실시예 4에 직접 또는 간접적으로 종속할 때 실시예 9, 실시예 10, 실시예 11, 실시예 12, 실시예 13, 실시예 14, 실시예 16, 실시예 17, 실시예 18, 실시예 19, 실시예 20, 실시예 24, 실시예 25, 또는 실시예 26 중 어느 하나의 실시예의 방법에 의해 형성되는 삽입물.
30. 실시예 5 내지 8 중 어느 하나의 실시예, 또는 실시예 5 또는 실시예 6에 직접 또는 간접적으로 종속할 때 실시예 9 내지 실시예 26 중 어느 하나의 실시예의 방법에 의해 형성되는 전도성 요소.
31. 전도성 요소 프리커서는 다음을 포함한다:
매트릭스 ― 매트릭스는 금속성 물질을 포함함 ―; 및
매트릭스 내의 복수의 탄소 나노튜브들 ― 복수의 탄소 나노튜브들은 실질적으로 정렬됨 ―.
32. 실시예 31에 따른 전도성 요소 프리커서에서, 전도성 요소 프리커서는 외측 표면을 갖고, 복수의 탄소 나노튜브들은 외측 표면과 평행하게 실질적으로 정렬된다.
33. 삽입물은 다음을 포함한다:
매트릭스 ― 매트릭스는 금속성 물질을 포함함 ―; 및
매트릭스 내의 복수의 탄소 나노튜브들 ― 복수의 탄소 나노튜브들은 삽입물의 길이방향 축을 따라 실질적으로 정렬됨 ―.
34. 세장형 전도성 요소는 다음을 포함한다:
매트릭스 ― 매트릭스는 금속성 물질을 포함함 ―; 및
매트릭스 내의 복수의 탄소 나노튜브들 ― 복수의 탄소 나노튜브들은 세장형 전도성 요소의 길이방향 축을 따라 실질적으로 정렬됨 ―.
35. 실시예 33의 삽입물 또는 실시예 33의 세장형 전도성 요소는, 매트릭스의 단면을 따라 배열되는 복수의 별개의 탄소 나노튜브 층들을 포함한다.
36. 실시예 34 또는 실시예 35의 세장형 전도성 요소에서, 세장형 전도성 요소는 와이어의 형태이다.

Claims (58)

  1. 전도성 요소 프리커서로서,
    금속성 기판 ― 상기 금속성 기판은, 상부 표면 및 하부 표면, 및 복수의 개구들을 갖고, 상기 복수의 개구들 각각은, 상기 상부 표면과 상기 하부 표면 사이에서 상기 기판을 통해 연장되는 벽에 의해 정의됨 ―; 및
    복수의 탄소 나노튜브들 ― 상기 복수의 탄소 나노튜브들은 상기 복수의 개구들 각각의 벽 상에 형성됨 ―
    을 포함하는, 전도성 요소 프리커서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 개구들 각각은 상기 기판의 상기 상부 표면 상에 형상을 형성하는, 전도성 요소 프리커서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 개구들 각각은 상기 기판의 상기 상부 표면 상에 형상을 형성하고, 상기 기판의 상기 하부 표면 상에 대응하는 형상을 형성하는, 전도성 요소 프리커서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 개구들 각각은, 상기 상부 표면으로부터 상기 하부 표면까지 실질적으로 일정한 단면을 갖는, 전도성 요소 프리커서.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 개구들의 형상들은, 원형 섹션을 포함하는 형상을 포함하는, 전도성 요소 프리커서.
  6. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 개구들의 형상은 세장형 형상을 포함하며, 상기 세장형 형상은 길이방향 축을 갖는, 전도성 요소 프리커서.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 세장형 형상은 2개의 평행한 측부들을 포함하는, 전도성 요소 프리커서.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 세장형 형상의 상기 2개의 평행한 측부들은, 상기 세장형 형상의 상기 길이방향 축과 실질적으로 평행한, 전도성 요소 프리커서.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 2개의 평행한 측부들을 갖는 상기 세장형 형상은 제1 원형 섹션을 더 포함하며, 상기 제1 원형 섹션은, 상기 평행한 측부들 중 하나의 평행한 측부의 제1 단부를 다른 평행한 측부의 제1 단부와 연결하는, 전도성 요소 프리커서.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 2개의 평행한 측부들을 갖는 상기 세장형 형상은 제2 원형 섹션을 더 포함하며, 상기 제2 원형 섹션은, 상기 평행한 측부들 중 하나의 평행한 측부의 제2 단부를 다른 평행한 측부의 제2 단부와 연결하는, 전도성 요소 프리커서.
  11. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 세장형 형상은 직사각형의 형태이며, 각각의 모서리는 둥근 모서리인, 전도성 요소 프리커서.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 세장형 형상은, 상기 평행한 측부들 사이에 위치되고 상기 평행한 측부들과 평행하게 이어지는 대칭 평면을 갖는, 전도성 요소 프리커서.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 평행한 측부들은 각각 0.5 mm보다 긴 길이를 갖는, 전도성 요소 프리커서.
  14. 제7항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세장형 형상의 상기 평행한 측부들 사이의 거리는 50 ㎛ 내지 500 ㎛인, 전도성 요소 프리커서.
  15. 제6항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 개구들의 형상들은 복수의 세장형 형상들을 포함하며, 상기 세장형 형상들 각각의 길이방향 축은 서로 실질적으로 평행한, 전도성 요소 프리커서.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 세장형 형상들 각각의 길이방향 축은 상기 상부 표면의 가장자리와 실질적으로 평행한, 전도성 요소 프리커서.
  17. 제6항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 개구들의 형상들은 제1 복수의 세장형 형상들 및 제2 복수의 세장형 형상들을 포함하며, 상기 제1 복수의 세장형 형상들 각각의 길이방향 축은 서로 실질적으로 평행하고, 상기 제2 복수의 세장형 형상들 각각의 길이방향 축은 서로 실질적으로 평행하고, 상기 제1 복수의 세장형 형상들의 길이방향 축들은 상기 제2 복수의 세장형 형상들의 길이방향 축들과 실질적으로 평행하지 않은, 전도성 요소 프리커서.
  18. 제2항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 개구들의 형상들은 2개 이상의 상이한 형상을 포함하는, 전도성 요소 프리커서.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 개구들은 상기 기판의 상기 상부 표면 상에 반복 패턴을 형성하는, 전도성 요소 프리커서.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    인접한 개구들 사이의 최단 거리는 100 ㎛ 이하인, 전도성 요소 프리커서.
  21. 제20항에 있어서,
    제6항에 직접 또는 간접적으로 종속할 때, 상기 인접한 개구들 사이의 최단 거리는 세장형 형상의 길이방향 축에 수직인, 전도성 요소 프리커서.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 개구들은, 상기 개구들이 존재하는 상기 상부 표면의 구역의 면적 중 70 % 이상을 차지하는, 전도성 요소 프리커서.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상부 표면 및 상기 하부 표면은 상기 기판의 두께인 거리만큼 분리되며, 상기 두께는 0.5 mm 이하인, 전도성 요소 프리커서.
  24. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은, 상기 상부 표면을 따라 연장되는 길이 및 상기 상부 표면을 따라 연장되는 폭을 가지며, 상기 길이는 상기 폭에 수직이고, 상기 길이 대 상기 폭 비는 2:1 이상인, 전도성 요소 프리커서.
  25. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상부 표면 및 상기 하부 표면은 상기 기판의 두께인 거리만큼 분리되고, 인접한 개구들 사이의 최단 거리는 상기 기판의 두께 미만인, 전도성 요소 프리커서.
  26. 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상부 표면 및 상기 하부 표면 상에 부가적인 탄소 나노튜브들이 형성되는, 전도성 요소 프리커서.
  27. 제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 탄소 나노튜브들 중의 탄소 나노튜브들은 금속성 물질로 적어도 부분적으로 코팅되는, 전도성 요소 프리커서.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 금속성 물질은 구리를 포함하는, 전도성 요소 프리커서.
  29. 제1항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속성 기판은 구리를 포함하는, 전도성 요소 프리커서.
  30. 제1항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속성 기판은, 상기 전도성 요소 프리커서가 롤링-업(roll up)될 수 있도록 구성되는, 전도성 요소 프리커서.
  31. 삽입물로서,
    제30항의 전도성 요소 프리커서를 포함하며, 상기 전도성 요소 프리커서는 롤링-업된 구성인, 삽입물.
  32. 제31항에 있어서,
    제6항에 직접 또는 간접적으로 종속할 때, 상기 전도성 요소 프리커서는, 회전 축이 세장형 형상의 길이방향 축에 수직이도록 회전 축 주위에 롤링되는, 삽입물.
  33. 전도성 요소로서,
    매트릭스 ― 상기 매트릭스는 금속성 물질을 포함함 ―; 및
    상기 매트릭스 내의 제1 복수의 탄소 나노튜브들 ― 상기 제1 복수의 탄소 나노튜브들은 서로 실질적으로 정렬됨 ―; 및
    상기 매트릭스 내의 제2 복수의 탄소 나노튜브들 ― 상기 제2 복수의 탄소 나노튜브들은 서로 실질적으로 정렬되고, 상기 제1 복수의 탄소 나노튜브들은 상기 제2 복수의 탄소 나노튜브들과 실질적으로 정렬되지 않음 ―
    을 포함하는, 전도성 요소.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 제1 복수의 탄소 나노튜브들은 상기 매트릭스 내의 총 탄소 나노튜브들 중 적어도 10 %를 차지하고, 상기 제2 복수의 탄소 나노튜브들은 상기 매트릭스 내의 총 탄소 나노튜브들 중 적어도 10 %를 차지하는, 전도성 요소.
  35. 제33항 또는 제34항에 있어서,
    상기 전도성 요소는 시트의 형태인, 전도성 요소.
  36. 전도성 요소 프리커서를 생성하는 방법으로서,
    금속성 기판을 획득하는 단계 ― 상기 금속성 기판은, 상부 표면 및 하부 표면, 및 복수의 개구들을 갖고, 상기 복수의 개구들 각각은, 상기 상부 표면과 상기 하부 표면 사이에서 상기 기판을 통해 연장되는 벽에 의해 정의됨 ―; 및
    상기 복수의 개구들 각각의 벽들 상에 복수의 탄소 나노튜브들을 형성하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  37. 제36항에 있어서,
    상기 복수의 탄소 나노튜브들을 형성하는 단계는 화학 기상 증착을 활용하는, 방법.
  38. 제36항 또는 제37항에 있어서,
    금속성 물질로 상기 복수의 탄소 나노튜브들 중의 탄소 나노튜브들을 코팅하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  39. 제38항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브들을 코팅하는 단계는 전기도금을 포함하는, 방법.
  40. 제39항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브들을 코팅하는 단계는, 화학 기상 증착을 통해 상기 금속성 물질로 상기 탄소 나노튜브들을 장식하는 단계, 및 상기 장식하는 단계에 이어서 후속하여, 상기 금속성 물질로 상기 탄소 나노튜브들을 전기도금하는 단계를 포함하는, 방법.
  41. 제36항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속성 기판을 획득하는 단계는,
    상기 금속성 기판을 제공하는 단계; 및
    복수의 개구들을 형성하기 위해 상기 금속성 기판으로부터 물질을 제거하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  42. 제41항에 있어서,
    상기 물질을 제거하는 단계는 레이저 절단을 활용하는, 방법.
  43. 제36항 내지 제42항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법은 제1항 내지 제30항 중 어느 한 항의 전도성 요소 프리커서를 형성하는, 방법.
  44. 삽입물을 생성하는 방법으로서,
    제36항 내지 제43항 중 어느 한 항에 따른 전도성 요소 프리커서를 생성하는 단계를 포함하고, 상기 삽입물을 형성하기 위해 상기 기판을 롤링-업하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  45. 제44항에 있어서,
    상기 롤링 단계는 금속성 보빈 주위에 상기 기판을 롤링하는 단계를 포함하는, 방법.
  46. 제45항에 있어서,
    상기 기판은 상기 롤링 단계 이전에 상기 금속성 보빈에 부착되는, 방법.
  47. 제45항 또는 제46항에 있어서,
    롤링된 기판이 위에 있는 상기 금속성 보빈은 상기 삽입물을 형성하기 위해 금속성 슬리브에 배치되는, 방법.
  48. 제47항에 있어서,
    상기 금속성 보빈 및 상기 금속성 슬리브는 구리를 포함하는, 방법.
  49. 전도성 요소를 생성하는 방법으로서,
    제44항 내지 제48항 중 어느 한 항에 따른 상기 삽입물을 생성하는 단계; 및 상기 삽입물의 길이를 증가시키고 상기 전도성 요소를 형성하기 위해 상기 삽입물을 인발(draw)하는 단계를 포함하는, 방법.
  50. 제49항에 있어서,
    제6항에 직접 또는 간접적으로 종속할 때, 상기 세장형 형상의 길이방향 축은 상기 인발하는 단계의 인발 방향에 수직인, 방법.
  51. 제49항 또는 제50항에 있어서,
    상기 인발하는 단계에 후속하는 어닐링 단계를 더 포함하는, 방법.
  52. 제51항에 있어서,
    상기 전도성 요소를 형성하기 위해 부가적인 인발 단계들 및 부가적인 어닐링 단계들을 더 포함하는, 방법.
  53. 제49항 내지 제52항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전도성 요소는 와이어의 형태인, 방법.
  54. 전도성 요소를 생성하는 방법으로서,
    제36항 내지 제43항 중 어느 한 항에 따른 전도성 요소 프리커서를 생성하는 단계를 포함하고, 이를테면 상기 전도성 요소를 형성하기 위해 상기 금속성 기판을 압축하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  55. 전도성 요소 프리커서로서,
    제36항 내지 제43항 중 어느 한 항의 방법에 의해 획득가능한, 전도성 요소 프리커서.
  56. 삽입물로서,
    제44항 내지 제48항 중 어느 한 항의 방법에 의해 획득가능한, 삽입물.
  57. 전도성 요소로서,
    제49항 내지 제54항 중 어느 한 항의 방법에 의해 획득가능한, 전도성 요소.
  58. 제1항 내지 제30항 및 제55항 중 어느 한 항, 제31항, 제32항 및 제56항 중 어느 한 항, 또는 제33항 내지 제35항 및 제57항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 탄소 나노튜브들은 다중-벽 탄소 나노튜브들을 포함하는, 전도성 요소 프리커서, 삽입물 또는 전도성 요소.
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