TW201540659A - 奈米碳管膜的製備方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種奈米碳管膜的製備方法，包括以下步驟提供一轉移至彈性代替基底表面的奈米碳管陣列，該奈米碳管陣列的形態能夠使得一奈米碳管膜可以從該奈米碳管陣列中連續地拉出，該奈米碳管膜包括複數首尾相連的奈米碳管；在該奈米碳管陣列的第一表面形成至少一刻蝕槽，該刻蝕槽的長度方向為第二方向；沿垂直於該第二方向的第一方向拉伸該彈性代替基底，從而增大該彈性代替基底上奈米碳管陣列在該第一方向上的長度；以及沿該第二方向從該彈性代替基底上的奈米碳管陣列拉取該奈米碳管膜。

Description

奈米碳管膜的製備方法
本發明涉及一種奈米碳管膜的製備方法，尤其涉及一種從奈米碳管陣列中拉取獲得的奈米碳管膜的製備方法。
奈米碳管是一種由石墨烯片卷成的中空管狀物，其具有優異的力學、熱學及電學性質，因此具有廣闊的應用領域。由於單根奈米碳管的尺寸為奈米級，難於加以利用，人們嘗試將複數奈米碳管作為原材料，製成具有較大尺寸的宏觀奈米碳管膜。例如由複數奈米碳管形成的宏觀膜狀結構，如奈米碳管膜。公開號為200927690的台灣發明專利申請中揭露了一種從奈米碳管陣列中直接拉取獲得的奈米碳管膜，這種奈米碳管膜具有較好的透明度，且具有宏觀尺度並能夠自支撐，其包括複數在凡得瓦力作用下首尾相連的奈米碳管。由於這種直接從陣列中拉取獲得的奈米碳管膜中奈米碳管基本沿同一方向延伸，因此能夠較好的發揮奈米碳管軸向具有的導電及導熱等各種優異性質，具有極為廣泛的產業前景，例如可以應用於觸摸屏、液晶顯示器、揚聲器、加熱裝置、薄膜電晶體及導電線纜等多種領域。
然而，該奈米碳管膜從一奈米碳管陣列中拉出，膜的寬度受到該奈米碳管陣列尺寸的限制。先前技術中的能夠用於拉取奈米碳管膜的奈米碳管陣列是採用化學氣相沈積法在生長基底表面生長獲得。生長基底的尺寸不但受到製造工藝的限制，還受化學氣相沈積反應爐尺寸的限制。目前用於生長奈米碳管陣列的生長基底最大直徑約為8英寸，難以滿足更寬尺寸奈米碳管膜的生產需要。
台灣專利I395708公開了一種奈米碳管膜的拉伸方法，其將從奈米碳管陣列中拉出的奈米碳管膜進一步橫向拉伸，從而使奈米碳管膜的寬度擴大，得到寬度較寬的奈米碳管膜。然而，從奈米碳管陣列中拉取得到的奈米碳管膜是一種僅由奈米碳管之間通過凡得瓦力相互吸引而搭接形成的超薄膜，對奈米碳管膜進行拉伸時，稍有不慎即會造成奈米碳管膜的破裂，因此這種方法難於大規模實際應用。
有鑒於此，提供一種能夠解決上述問題的奈米碳管膜的製備方法實為必要。
一種奈米碳管膜的製備方法，包括以下步驟提供一轉移至彈性代替基底表面的奈米碳管陣列，該奈米碳管陣列靠近該彈性代替基底的表面為第二表面，遠離該彈性代替基底的表面為第一表面，該奈米碳管陣列的形態能夠使得一奈米碳管膜可以從該奈米碳管陣列中連續地拉出，該奈米碳管膜包括複數首尾相連的奈米碳管；在該奈米碳管陣列的第一表面形成至少一刻蝕槽，該刻蝕槽的長度方向為第二方向；沿垂直於該第二方向的第一方向拉伸該彈性代替基底，從而增大該彈性代替基底上奈米碳管陣列在該第一方向上的長度；以及沿該第二方向從該彈性代替基底上的奈米碳管陣列拉取該奈米碳管膜。
相較於先前技術，本發明通過將奈米碳管陣列轉移至彈性代替基底，並保持該奈米碳管陣列仍具有拉膜性能，當需要寬度較寬的奈米碳管膜時，可以通過拉伸該彈性代替基底先使奈米碳管陣列展寬，從而從中方便的獲得寬度較寬的奈米碳管膜，而避免了對厚度較小的奈米碳管膜進行直接操作引起的破壞。
圖1為本發明施例提供的奈米碳管膜的製備方法的俯視示意圖。
圖2為本發明實施例從奈米碳管陣列中拉取獲得的奈米碳管膜的掃描電鏡照片。
圖3為本發明一實施例提供的奈米碳管陣列的轉移方法的側視示意圖。
圖4為本發明另一實施例提供的奈米碳管陣列的轉移方法的側視示意圖。
圖5為本發明另一實施例提供的奈米碳管陣列的轉移方法的側視示意圖。
圖6為本發明另一實施例提供的奈米碳管陣列的轉移方法的側視示意圖。
圖7為本發明另一實施例提供的奈米碳管陣列的轉移方法的側視示意圖。
圖8為本發明實施例在該彈性代替基底表面的奈米碳管陣列上形成刻蝕槽的過程示意圖。
圖9為本發明實施例拉伸代替基底時奈米碳管陣列的變化示意圖。
圖10為本發明實施例從拉伸後的代替基底上的奈米碳管陣列拉取奈米碳管膜的側視示意圖。
以下將結合附圖對本發明的奈米碳管膜的製備方法作進一步的詳細說明。
請參閱圖1，本發明提供一種奈米碳管膜的製備方法，包括以下步驟
S1，提供一轉移至彈性代替基底30表面的奈米碳管陣列10，該奈米碳管陣列靠近該彈性代替基底的表面為第二表面，遠離該彈性代替基底的表面為第一表面，該奈米碳管陣列10的形態能夠使得一奈米碳管膜40可以從該奈米碳管陣列10中連續地拉出，該奈米碳管膜40包括複數首尾相連的奈米碳管；
S2，在該奈米碳管陣列10的第一表面形成至少一刻蝕槽12，該刻蝕槽12的長度方向為第二方向；
S3，沿垂直於該第二方向的第一方向拉伸該彈性代替基底30，從而增大該彈性代替基底30上奈米碳管陣列10在該第一方向(x)上的長度；以及
S4，沿該第二方向(y)從該彈性代替基底30上的奈米碳管陣列10拉取該奈米碳管膜40。
該奈米碳管膜40包括首尾相連的奈米碳管，是由複數奈米碳管通過凡得瓦力相互結合並首尾相連形成的宏觀結構。
在該步驟S1中，該奈米碳管陣列10通過如下步驟轉移至該彈性代替基底30
S11，提供一彈性代替基底30及一生長基底20，該生長基底20表面具有奈米碳管陣列10，該奈米碳管陣列10的形態能夠使得一奈米碳管膜40可以從該奈米碳管陣列10中連續地拉出；
S12，將該奈米碳管陣列10從該生長基底20轉移至該彈性代替基底30，並保持該奈米碳管陣列10的形態仍能夠使該奈米碳管膜40從該奈米碳管陣列10中連續地拉出。
首先對生長於該生長基底20且能夠從中拉取奈米碳管膜40的奈米碳管陣列10進行介紹。
該奈米碳管陣列10為通過化學氣相沈積的方法生長在該生長基底20的表面。該奈米碳管陣列10中的奈米碳管基本彼此平行且垂直於生長基底20表面，相鄰的奈米碳管之間相互接觸並通過凡得瓦力相結合。通過控制生長條件，該奈米碳管陣列10中基本不含有雜質，如無定型碳或殘留的催化劑金屬顆粒等。由於基本不含雜質且奈米碳管相互間緊密接觸，相鄰的奈米碳管之間具有較大的凡得瓦力，足以使在拉取一些奈米碳管（奈米碳管片段）時，能夠使相鄰的奈米碳管通過凡得瓦力的作用被首尾相連，連續不斷的拉出，由此形成連續的自支撐的宏觀膜狀結構，即奈米碳管膜40。這種能夠使奈米碳管首尾相連的從其中拉出的奈米碳管陣列10也稱為超順排奈米碳管陣列10。該生長基底20的材料可以為P型矽、N型矽或氧化矽等適合生長超順排奈米碳管陣列10的基底。
從奈米碳管陣列10中連續地拉出的該奈米碳管膜40包括複數首尾相連的奈米碳管。更為具體的，該奈米碳管膜40為可以實現自支撐的奈米碳管膜40，該奈米碳管膜40包括複數基本沿相同方向排列的奈米碳管。請參閱圖2，在該奈米碳管膜40中奈米碳管為沿同一方向擇優取向排列。所述擇優取向是指在奈米碳管膜40中大複數奈米碳管的整體延伸方向基本朝同一方向。而且，所述大複數奈米碳管的整體延伸方向基本平行於該奈米碳管膜40的表面。進一步地，所述奈米碳管膜40中複數奈米碳管是通過凡得瓦力首尾相連。具體地，所述奈米碳管膜40中基本朝同一方向延伸的大複數奈米碳管中每一奈米碳管與在延伸方向上相鄰的奈米碳管通過凡得瓦力首尾相連，從而使該奈米碳管膜40能夠實現自支撐。當然，所述奈米碳管膜40中存在少數隨機排列的奈米碳管，這些奈米碳管不會對奈米碳管膜40中大複數奈米碳管的整體取向排列構成明顯影響。進一步地，所述奈米碳管膜40可包括複數連續且定向排列的奈米碳管片段。該複數奈米碳管片段通過凡得瓦力首尾相連。每一奈米碳管片段包括複數相互平行的奈米碳管，該複數相互平行的奈米碳管通過凡得瓦力緊密結合。另外，所述奈米碳管膜40中基本朝同一方向延伸的複數奈米碳管並非絕對的直線狀，可以適當的彎曲；或者並非完全按照延伸方向上排列，可以適當的偏離延伸方向。因此，不能排除奈米碳管膜40的基本朝同一方向延伸的複數奈米碳管中並列的奈米碳管之間可能存在部分接觸而部分分離的情況。實際上，該奈米碳管膜40具有較多間隙，即相鄰的奈米碳管之間具有間隙，使該奈米碳管膜40可以具有較好的透明度。然而，相鄰奈米碳管之間接觸的部分以及首尾相連的奈米碳管之間連接的部分的凡得瓦力已經足夠維持該奈米碳管膜40整體的自支援性。該奈米碳管膜40的厚度約為0.5奈米至100微米，優選為0.5奈米至10微米。
所述自支撐是該奈米碳管膜40不需要大面積的載體支撐，而只要一邊或相對兩邊提供支撐力即能整體上懸空而保持自身膜狀，即將該奈米碳管膜40置於（或固定於）間隔一定距離設置的兩個支撐體上時，位於兩個支撐體之間的奈米碳管膜40能夠懸空保持自身膜狀。所述自支撐主要通過奈米碳管膜40中存在連續的通過凡得瓦力首尾相連延伸排列的奈米碳管而實現。
所述能夠從中拉取奈米碳管膜40的奈米碳管陣列10的製備方法已為眾多前案公開，例如可參閱馮辰等人在2007年2月12日申請的台灣專利I327177。
請參閱圖3，該彈性代替基底30為固態，能夠隨拉力的作用產生彈性形變。該彈性代替基底30具有一表面302，作為設置該奈米碳管陣列10的表面。將該奈米碳管陣列10從該生長基底20轉移至該彈性代替基底30的表面302這一過程中，該奈米碳管陣列10的形態應基本得到保持，得以在轉移至該彈性代替基底30後，仍能夠使該奈米碳管膜40從中連續地拉出為準，也就是仍保持為一超順排奈米碳管陣列。
在保持該奈米碳管陣列10的形態的前提下，當該奈米碳管陣列10轉移至該彈性代替基底30後，該奈米碳管陣列10倒立設置於該彈性代替基底30表面302。也就是該奈米碳管陣列10包括一第一表面102及與該第一表面102相對的第二表面104。奈米碳管從生長基底20的表面202長出，形成奈米碳管陣列10，奈米碳管靠近該生長基底20的一端為底端，遠離生長基底20的一端為頂端。在該生長基底20上，該第一表面102由該奈米碳管陣列10中所有奈米碳管的底端共同形成，該第二表面104由該奈米碳管陣列10中所有奈米碳管的頂端共同形成，該奈米碳管陣列10的第一表面102靠近或設置在該生長基底20的表面202，為奈米碳管陣列10的生長底端，該第二表面104為遠離該生長基底20的表面，為奈米碳管陣列10的生長頂端。當該奈米碳管陣列10轉移至該彈性代替基底30後，該奈米碳管陣列10的第二表面104靠近或設置在該彈性代替基底30的表面302，該第一表面102為遠離該彈性代替基底30的表面302。
在一實施例中，所述步驟S12，將該奈米碳管陣列10從該生長基底轉移至該彈性代替基底30的步驟可以包括以下步驟
A121，將該彈性代替基底30的表面302接觸該奈米碳管陣列10遠離該生長基底20的表面；以及
A122，通過移動該彈性代替基底30與該生長基底20中的至少一方，使該彈性代替基底30與該生長基底20相遠離，從而使該奈米碳管陣列10與該生長基底20分離，並轉移至該彈性代替基底30。
所述步驟A121及A122可以在常溫下進行。在該步驟A121及A122中，應保持該奈米碳管陣列10的形態仍能夠使該奈米碳管膜40可以從該奈米碳管陣列10中連續地拉出。為了使奈米碳管陣列10在轉移至該彈性代替基底30後，仍然能夠拉取奈米碳管膜40，該彈性代替基底30的表面302與該奈米碳管陣列10的第二表面104之間可以僅通過凡得瓦力結合，並且使該彈性代替基底30與該奈米碳管陣列10之間的結合力(FBC )小於該奈米碳管陣列10中奈米碳管間的凡得瓦力(FCC )。然而，該彈性代替基底30的表面302與該奈米碳管陣列10之間的結合力(FBC )應大於該生長基底20的表面202與該奈米碳管陣列10之間的結合力(FAC )，才能使該奈米碳管陣列10可以從該生長基底20分離，轉移至該彈性代替基底30，即FAC <FBC <FCC 。在該轉移過程中，該彈性代替基底30的表面302僅通過與奈米碳管陣列10的第二表面104之間僅通過接觸產生的結合力，如凡得瓦力，使奈米碳管陣列10與生長基底20分離。為了使FAC <FBC <FCC ，該彈性代替基底30的表面可以具有合適的表面能，並且該彈性代替基底30的表面與該奈米碳管陣列10之間可以具有合適的介面能，從而可以使彈性代替基底30能夠僅通過接觸即與該奈米碳管陣列10之間產生足夠的結合力，如凡得瓦力，使奈米碳管陣列10能夠從生長基底20上拉離。因此，通過選擇合適的材料製造該彈性代替基底30，至少是作為該彈性代替基底30的表面302，可以使該彈性代替基底30僅通過與奈米碳管陣列10的第二表面104之間的接觸產生的結合力，如凡得瓦力，使奈米碳管陣列10與生長基底20分離。該彈性代替基底30的表面可以為一平整表面。在一實施例中，該彈性代替基底30的材料為聚二甲基矽氧烷(PDMS)。
如圖4所示，在一實施例中，為了提高該彈性代替基底30的表面302與該奈米碳管陣列10之間的結合力(FBC )，使FAC <FBC <FCC ，可以在該彈性代替基底30的表面302設置複數微結構304，從而增大該表面302的表面積，從而在彈性代替基底30材料不變的條件下提高該結合力(FBC )。該代替基底30具有微結構304的表面302充分的與該奈米碳管陣列10接觸。該微結構304可以為在該彈性代替基底30表面302的凸起或凹陷，該微結構304的形狀可以是半球形、矩形、錐形、齒形、臺階形，或其他形狀。該微結構304可以是點狀或線狀，另外也可以是片狀。在一實施例中，該微結構304為相互平行並間隔設置的槽體結構。在另一實施例中，該微結構304為相互間隔並均勻分佈的半球形凸起。優選地，大量的微結構304均勻分佈在該彈性代替基底30的表面302上。更為優選地，該微結構304的數量使該彈性代替基底30的表面302的表面積比平滑表面增加30%~120%。通過該微結構304的設置，可以使該表面304具有較大的吸附力，以提高FBC 。因此，該彈性代替基底30並不限於PDMS，也可以是常規的彈性基底，如塑膠或橡膠。本實施例中，該彈性代替基底30為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚對苯二甲酸乙二酯(PET)。
該凸出的微結構304的高度或該凹陷的微結構304的深度優選為奈米碳管陣列10高度的0.5%~10%，更優選為5微米~100微米，也就是該表面302仍需要具有一定的平整度，以避免該奈米碳管陣列10設置在該彈性代替基底30的表面302時難以與該表面302充分接觸。該微結構304可以通過光刻、鐳射刻蝕或化學刻蝕等方法獲得。
通過在該彈性代替基底30表面設置該微結構304，通過增大表面積的方式提高彈性代替基底30與奈米碳管陣列10之間的結合力，拓寬了彈性代替基底30的材料的選擇範圍。
可以理解，該彈性代替基底30並非通過黏結劑黏附該奈米碳管陣列10，通過普通的黏結劑雖然能夠使FAC <FBC ，而使奈米碳管陣列10能夠脫離該生長基底20，但由於奈米碳管陣列10中奈米碳管間的凡得瓦力極小，因此幾乎任何傳統意義上的黏結劑均會造成FBC >FCC ，使後續的拉取奈米碳管膜40的步驟無法進行。可以理解，在該步驟A121~A122中，該彈性代替基底30始終保持固態。
在該步驟A121中，為了使該彈性代替基底30的表面302與該奈米碳管陣列10中的所有奈米碳管的頂端得到充分的接觸，可以通過該彈性代替基底30輕微的對該奈米碳管陣列10施加壓力。然而該彈性代替基底30並非是將該奈米碳管陣列10中的奈米碳管壓倒，否則將改變奈米碳管陣列10的形態，使其無法再進行拉膜或拉線。
可以理解，由於該彈性代替基底30的微結構304在該表面302所產生的高度差，當該表面302的凹陷處與該奈米碳管陣列10的第二表面104接觸時，在該表面302的凸出處可能會對與之接觸的奈米碳管產生壓力，使該奈米碳管陣列10中原本直立的奈米碳管產生微小的彎曲，然而由於該微結構304具有較小的高度，該奈米碳管的彎曲程度較小，當將該彈性代替基底30與該生長基底20分離的過程中，該奈米碳管陣列10仍能彈性回復原有的高度，並保持能夠拉取奈米碳管膜40的形態。
請參閱圖5，在一實施例中，可以在該彈性代替基底30與該生長基底20之間設置一間隔裝置22，通過該間隔裝置22保持該彈性代替基底30的表面302與該生長基底20的表面202之間的間隔距離不致過小，避免使奈米碳管陣列10被壓倒。該間隔裝置22在該彈性代替基底與該生長基底之間的高度小於或等於該奈米碳管陣列10的高度，使該間隔裝置22與該奈米碳管陣列10之間具有一高度差(z)，並且，該間隔裝置22的高度大於使奈米碳管陣列10壓倒至無法保持能夠拉取奈米碳管結構40的形態的該極限距離。在該步驟A121中，該間隔裝置22與該奈米碳管陣列10均設置在該彈性代替基底30與該生長基底20之間。
該間隔裝置22為固態，優選為剛性元件，在該彈性代替基底30的表面與該生長基底20之間提供一支撐，通過控制該間隔裝置22的高度即可方便的保持該彈性代替基底30與該生長基底20之間的精確距離。該間隔裝置22的高度(m)可以為該奈米碳管陣列10的高度(n)的0.9~1，即m為0.9n~1n。
可以理解，當該間隔裝置22的高度小於該奈米碳管陣列10的高度時，該彈性代替基底30可能會使該奈米碳管陣列10中原本直立的奈米碳管產生微小的彎曲，然而由於具有該間隔裝置22，該彎曲程度較小，當將該彈性代替基底30與該生長基底20分離的過程中，該奈米碳管陣列10仍能彈性回復原有的高度，並保持能夠拉取奈米碳管結構40的形態。
該間隔裝置22可以設置在該生長基底20上。在另一實施例中，該間隔裝置22也可以設置在該彈性代替基底30上。另外，該間隔裝置22也可以是代替基底30的一部分，即從該彈性代替基底30表面上凸出的結構。該間隔裝置22的形狀不限，可以是塊狀、片狀、柱狀或球形，只要具有一合適的高度即可。該間隔裝置22的數量可以為複數，均勻分佈在該奈米碳管陣列10的週邊，從而為該生長基底20與該彈性代替基底30之間提供穩定的間隔。在一實施例中，該間隔裝置22為一圓環形墊圈，設置在該奈米碳管陣列10之外。在另一實施例中，該間隔裝置22為複數圓柱形墊片，均勻分佈在該奈米碳管陣列10的週邊。
可以理解，該間隔裝置22既適用於彈性代替基底30的表面302沒有微結構304的實施例中，也可以適用於彈性代替基底30的表面302有微結構304的實施例中。本發明的實施例之間可相互任意組合。
在該步驟A122中，在使該奈米碳管陣列10與該生長基底20分離的過程中，該奈米碳管陣列10中的所有奈米碳管優選為同時脫離該生長基底20，也就是該彈性代替基底30與該生長基底20中的至少一方的移動方向為垂直於該生長基底20的奈米碳管生長表面，使該奈米碳管陣列10中的奈米碳管沿該奈米碳管的生長方向脫離該生長基底20。當該彈性代替基底30與該生長基底20均發生移動時，兩者的移動方向均垂直於該生長基底20的奈米碳管生長表面。
在該步驟A121~A122中，該奈米碳管陣列10先受到朝向該生長基底20方向的壓力，再受到朝向該彈性代替基底30的拉力。
請參閱圖6，在另一實施例中，所述步驟S12，將該奈米碳管陣列10從該生長基底轉移至該彈性代替基底30的步驟可以包括以下步驟
B121，將該彈性代替基底30設置在該奈米碳管陣列10的第二表面104，並使該彈性代替基底30與該奈米碳管陣列10的第二表面104之間具有液態介質60；
B122，使位於該彈性代替基底30與該奈米碳管陣列10的第二表面104之間的液態介質60固化變為固態介質60’；
B123，通過移動該彈性代替基底30與該生長基底20中的至少一方，使該彈性代替基底30與該生長基底20相遠離，從而使該奈米碳管陣列10與該生長基底20分離，並轉移至該彈性代替基底30；以及
B124，通過升溫去除位於該彈性代替基底30與該奈米碳管陣列10之間的固態介質60’。
在該步驟B124中，去除固態介質60’後該奈米碳管陣列10維持該形態使該奈米碳管結構40仍能夠從該奈米碳管陣列10中連續地拉出。
在該步驟B121中，該液態介質60可以以細微的液滴或液膜的形態設置在該奈米碳管陣列10的第二表面104上。該液態介質60可以為水或低分子量有機溶劑，如乙醇、丙酮或甲醇，該液態介質60的量應較小，避免滲入奈米碳管陣列10的內部對奈米碳管陣列的形態造成影響。優選地，該液態介質60選擇為不與奈米碳管潤濕的液體，如水。該奈米碳管陣列10的第二表面104的液態介質60的液滴的直徑以及液膜的厚度可以分別為10奈米~300微米。該彈性代替基底30與該奈米碳管陣列10的第二表面104分別與中間的液態介質60接觸。可以理解，在該步驟B121中仍然保持該奈米碳管陣列10的形態為能夠使奈米碳管結構40從中連續地拉出，該彈性代替基底30儘量不對該奈米碳管陣列10施加壓力，即使施加壓力，該壓力也應較小，控制在不時奈米碳管陣列10的形態發生改變而無法連續地拉出奈米碳管結構40為準，例如不使奈米碳管陣列10中的奈米碳管發生傾倒。
在一實施例中，該步驟B121可以包括以下步驟在該奈米碳管陣列10的第二表面104形成一層液態介質60；以及將該彈性代替基底30的表面接觸該具有液態介質60的第二表面104。具體可以將液態介質60形成液滴或霧化，噴灑在該奈米碳管陣列10的該第二表面104，也就是在該生長基底20的奈米碳管陣列10的頂面。
在另一實施例中，該步驟B121可以包括以下步驟在該彈性代替基底30的表面形成一層液態介質60；以及將該彈性代替基底30具有液態介質60的表面接觸該奈米碳管陣列10的第二表面104。具體地，可以將液態介質60形成液滴或霧化，噴灑在該彈性代替基底30的表面。
在該步驟B122中，位於該彈性代替基底30與奈米碳管陣列10之間的液態介質60固化變成固態介質60’，具體可以使通過降溫至該固態介質60的凝固點以下，由於該彈性代替基底30與奈米碳管陣列10均與液態介質60接觸，液態介質60固化後將該彈性代替基底30與奈米碳管陣列10較為牢固的結合在一起。為使結合更為牢固，該彈性代替基底30的材料優選為與該液態介質60潤濕。
具體地，在一實施例中，可以將該彈性代替基底30、液態介質60、奈米碳管陣列10及生長基底20的層疊結構放入低溫箱70中降溫至凝固點以下。該低溫箱70可以為冰箱的冷凍室。
請參閱圖7，在另一實施例中，當該步驟B121中將液態介質60設置在該奈米碳管陣列10的第二表面104時，在該步驟B122中可以先將代替基底30的溫度降至凝固點以下，再將具有凝固點以下溫度的代替基底30接觸該奈米碳管陣列10具有液態介質60的第二表面104。例如可以先將該彈性代替基底30在低溫箱70中凝固點以下放置一段時間再取出。該彈性代替基底30的溫度可以直接使該第二表面104的液態介質60變為固態介質60’，而無需將該層疊結構再放入低溫箱70。
在該步驟B123中，該奈米碳管陣列10通過與該彈性代替基底30的結合與該生長基底20分離。優選地，該奈米碳管陣列10中的所有奈米碳管同時脫離該生長基底20，也就是該彈性代替基底30與該生長基底20中的至少一方的移動方向為垂直於該生長基底20的奈米碳管生長表面，使該奈米碳管陣列10中的奈米碳管沿該奈米碳管的生長方向脫離該生長基底20。當該彈性代替基底30與該生長基底20均發生移動時，兩者的移動方向均垂直於該生長基底20的奈米碳管生長表面。
在該步驟B124中，該升溫步驟可以使固態介質60’融化成液態介質60並乾燥或直接將該固態介質60’昇華，從而得到去除。該去除過程不影響該奈米碳管陣列10的形態。由於固態介質60’的厚度較小，去除後奈米碳管陣列10直接與該彈性代替基底30的表面接觸並通過凡得瓦力結合。
可以理解，在上述步驟B121~B124的整個過程中，該奈米碳管陣列10的形態應基本得到保持，以使在去除固態介質60’後該奈米碳管結構40仍能從該奈米碳管陣列10中連續地拉出為準。
本實施例在轉移的過程中通過固態介質60’增強奈米碳管陣列10與代替基底30之間的結合力，使奈米碳管陣列10可以與該生長基底20分離，並在拉取奈米碳管結構40前將固態介質60’去除，使奈米碳管陣列10與代替基底30之間的結合力減小到可以使奈米碳管結構40從中連續地拉出。因此該彈性代替基底60的材料不限，可以為常見的彈性基底，如塑膠或樹脂，例如聚甲基丙烯酸甲酯及聚對苯二甲酸乙二酯。
通過將所述奈米碳管陣列10轉移至代替基底，可以使在生長階段與拉膜階段奈米碳管陣列10設置於不同基底，作為拉膜階段的基底可以選擇廉價材料製造。因此，奈米碳管陣列的生產者可以將陣列轉移至彈性代替基底上，將彈性代替基底連同陣列提供給客戶，而較為昂貴的生長基底可迅速回收，從而優化了生產流程。
請一併參閱圖1及圖8，將該奈米碳管陣列10轉移至該彈性代替基底30後，在該步驟S2中，可通過鐳射刻蝕的方法在該奈米碳管陣列10的第一表面102形成一個或複數刻蝕槽12。該刻蝕槽12的長度方向平行於該第二方向(y)。該刻蝕槽12的深度小於該奈米碳管陣列10的高度，也就是小於該奈米碳管陣列10中奈米碳管的長度。該刻蝕槽12的長度可以沿該第二方向貫通或不貫通該奈米碳管陣列10，優選為貫通該奈米碳管陣列10。
該步驟S2具體可以為提供一鐳射裝置80，從該鐳射裝置80發射雷射光束82至該奈米碳管陣列10的第一表面102，在該第一表面102形成至少一刻蝕槽12。
該鐳射裝置80可發射一脈衝雷射光束82，該雷射光束82的功率不限，可為1瓦至100瓦。該雷射光束82具有較好的定向性，因此在奈米碳管陣列10的第一表面102可形成一光斑。該雷射光束170在奈米碳管陣列10的第一表面102具有的功率密度可大於0.053×1012 瓦特/平方米。本實施例中，該鐳射裝置80為一個二氧化碳雷射器，該雷射器的功率為12瓦特。可以理解，該鐳射裝置80也可以選擇為能夠發射連續鐳射的雷射器。由於奈米碳管吸收能量後溫度升高並與氧氣反應，只需確保使足夠能量的鐳射在較短的時間內照射至奈米碳管表面，即可刻蝕該奈米碳管陣列10，形成該刻蝕槽12。因此，可通過採用不同功率、波長或脈衝頻率的鐳射裝置80，並相應調整雷射光束82與奈米碳管陣列10的相對運動速度以及光斑的大小達到刻蝕的目的。可以理解，該鐳射裝置80也不限於脈衝雷射器，只要能夠發射鐳射使奈米碳管陣列10形成刻蝕槽12即可。該奈米碳管陣列10放置於一具氧氣的環境中，如一空氣中，從而使被雷射光束82照射的奈米碳管中的碳與氧氣反應生成二氧化碳。
由於該奈米碳管陣列10中奈米碳管通過凡得瓦力相互吸引，當後續在拉伸該彈性代替基底30時，可能造成奈米碳管陣列10並非均勻的隨該彈性代替基底30伸長的情況。拉伸時該奈米碳管陣列10中奈米碳管相互之間結合力較弱的位置上可能出現裂紋或裂縫，這些裂紋或裂縫隨機的出現，使拉伸後的奈米碳管陣列10的均勻性變差，從而使拉出的奈米碳管膜40的均勻性變差。通過在該奈米碳管陣列10沿第二方向形成刻蝕槽12，即人為的製造一些結合力差的位置，且該結合力差的位置沿該第二方向的分佈，可以降低該奈米碳管陣列10出現隨機的裂紋或裂縫的幾率。由於該刻蝕槽12並非將位於槽內的奈米碳管全部去除，僅是減低奈米碳管的長度，因此相鄰的奈米碳管之間仍然通過凡得瓦力相互結合，從而使拉出的碳奈米膜40仍然是一個整體結構，而非幾個相互分離的條狀結構。通過控制該刻蝕槽12的深度及寬度可對奈米碳管陣列10拉伸後的均勻性及奈米碳管膜40的均勻性進一步優化。具體地，該刻蝕槽12的深度優選為該奈米碳管陣列10高度的30%~60%，該刻蝕槽12的寬度優選為10微米~100微米。本實施例中，該刻蝕槽12的深度為該奈米碳管陣列10高度的一半，該刻蝕槽12的寬度為20微米。另外，當形成複數刻蝕槽12時，優選地，該複數刻蝕槽12在該奈米碳管陣列10的第一表面102均勻分佈。
在該步驟S3中，可沿第一方向(x)拉伸該彈性代替基底30。該第一方向平行於該彈性代替基底30的表面302。該彈性代替基底30受到沿該第一方向的拉力，從而在該第一方向發生形變，使該彈性代替基底30在該第一方向上的長度增大。由於該奈米碳管陣列10設置在該彈性代替基底30的表面302，該奈米碳管陣列10會隨該彈性代替基底30的在該第一方向發生形變，增大該奈米碳管陣列10在該第一方向上的長度。
請參閱圖9，具體地，該奈米碳管陣列10包括複數通過凡得瓦力結合的奈米碳管，通過拉伸該彈性代替基底30，奈米碳管與彈性代替基底30相連的底端之間的距離將增大，然而，由於奈米碳管實際上並非呈完全的直線狀，並且具有一定柔性，因此相鄰的奈米碳管之間仍然可以存在相互接觸的部分（如圖9中拉伸後的奈米碳管陣列中箭頭所指），該彈性代替基底30的拉伸程度使得該接觸的部分仍然可以提供足夠的凡得瓦力使相鄰的奈米碳管可以首尾相連的被拉出。也就是說，在奈米碳管陣列10隨彈性代替基底30發生尺寸變化的過程中，相鄰奈米碳管之間的接觸面積有一定程度的減小，然而該減小的程度仍能夠使奈米碳管膜從該拉伸後的奈米碳管陣列10中拉出。該奈米碳管陣列10在該第一方向的長度增加越大，相鄰奈米碳管之間的接觸面積越小，拉伸後的奈米碳管陣列10的密度越小，反之亦然。定義長度變化率=(拉伸後的長度-拉伸前的長度)/拉伸前的長度×100%。為使該奈米碳管陣列10在拉伸後仍能拉出奈米碳管膜40，該奈米碳管陣列10在該第一方向上的長度變化率大於0並且小於或等於100%。在一實施例中，該奈米碳管陣列10的該長度變化率為50%。
請一併參閱圖1及圖10，該步驟S4與傳統的奈米碳管拉膜步驟的區別是，該奈米碳管膜是從轉移至該彈性代替基底30並且該彈性代替基底30處於一拉伸狀態的表面302的奈米碳管陣列10中拉取，而非從直接在生長基底20表面的奈米碳管陣列10中進行拉取。在優選的實施例中，該奈米碳管膜40是從倒立的設置在該彈性代替基底30表面的奈米碳管陣列10中進行拉取，也就是從奈米碳管陣列10的原來的生長底部進行拉取，並且該奈米碳管陣列10在該第一方向上的長度大於最初在生長基底20表面時該奈米碳管陣列10在該第一方向上的長度，相對於從未拉伸的奈米碳管陣列中拉取獲得的奈米碳管膜，從拉伸後的奈米碳管陣列10中拉出的奈米碳管膜40具有更大的寬度。
所述步驟S4具體包括以下步驟S41，從該處於拉伸狀態的彈性代替基底30表面的奈米碳管陣列10中通過拉取工具50選定一奈米碳管片段；S42，通過移動該拉取工具50，沿該第二方向拉取該選定的奈米碳管片段，從而首尾相連的拉出複數奈米碳管片段，進而形成一連續的奈米碳管膜40。
在該步驟S41中，採用具有一定寬度的膠帶或黏性基條接觸該奈米碳管陣列10以選定具有一定寬度的一奈米碳管片段，該奈米碳管片段的寬度方向為該第一方向，由於該奈米碳管陣列40在該第一方向上長度增大，因此可選擇的奈米碳管片段的寬度也得到增大。在該步驟S42中，該選定的奈米碳管片段的拉取方向與該奈米碳管陣列10中奈米碳管的生長方向呈一不為0的角度a，優選為30度~90度，並且該拉取方向垂直於該第一方向。
上述步驟A122及B123有別於步驟S4，步驟A122及B123的目的是使奈米碳管陣列10整體脫離該生長基底20，脫離後仍保持陣列10的形態。而在步驟S4的目的是從奈米碳管陣列10中拉取奈米碳管膜40，因此並非使奈米碳管陣列10整體脫離彈性代替基底30，而是先使一小部分奈米碳管，如奈米碳管片段，脫離彈性代替基底30，再由該拉出的奈米碳管片段帶動相鄰的奈米碳管片段被首尾相連的拉出，即陸續脫離彈性代替基底30。
從所述拉伸後的奈米碳管陣列10中拉出的奈米碳管膜40的透光度（光透過比率）比從未拉伸的奈米碳管陣列10中拉出的奈米碳管膜的透光度更大。所述奈米碳管陣列10被拉伸的程度越大，所述奈米碳管膜40的透光度越大。
本技術方案通過將奈米碳管陣列10轉移至彈性代替基底30，並保持該奈米碳管陣列10仍具有拉膜性能，當需要寬度較寬的奈米碳管膜40時，可以通過拉伸該彈性代替基底30先使奈米碳管陣列10展寬，從而從中方便的獲得寬度較寬的奈米碳管膜40，而避免了對厚度較小的奈米碳管膜40進行直接操作引起的破壞。另外，通過在該奈米碳管陣列10的第一表面102形成複數刻蝕槽12，可以避免在拉伸該彈性代替基底30時隨機的在該奈米碳管陣列10上出現裂紋或裂縫，提高了拉出的奈米碳管膜40的均勻性。另外，本技術方案提供的奈米碳管膜的製備方法避免了採用繁雜的工序和昂貴的設備如雷射器對奈米碳管膜10進行後續處理來提高奈米碳管膜10透光度的步驟，其可廣泛應用於對透光度具有較高要求的裝置中，如觸摸屏等。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
10‧‧‧奈米碳管陣列
102‧‧‧第一表面
104‧‧‧第二表面
12‧‧‧刻蝕槽
20‧‧‧生長基底
22‧‧‧間隔裝置
202‧‧‧生長基底的表面
30‧‧‧彈性代替基底
302‧‧‧彈性代替基底的表面
304‧‧‧微結構
40‧‧‧奈米碳管膜
50‧‧‧拉取工具
60‧‧‧液態介質
60’‧‧‧固態介質
70‧‧‧低溫箱
80‧‧‧鐳射裝置
82‧‧‧雷射光束
無
10‧‧‧奈米碳管陣列
12‧‧‧刻蝕槽
30‧‧‧彈性代替基底
40‧‧‧奈米碳管膜

Claims (20)

  1. 一種奈米碳管膜的製備方法，包括以下步驟
    提供一轉移至彈性代替基底表面的奈米碳管陣列，該奈米碳管陣列靠近該彈性代替基底的表面為第二表面，遠離該彈性代替基底的表面為第一表面，該奈米碳管陣列的形態能夠使得一奈米碳管膜可以從該奈米碳管陣列中連續地拉出，該奈米碳管膜包括複數首尾相連的奈米碳管；
    在該奈米碳管陣列的第一表面形成至少一刻蝕槽，該刻蝕槽的長度方向為第二方向；
    沿垂直於該第二方向的第一方向拉伸該彈性代替基底，從而增大該彈性代替基底上奈米碳管陣列在該第一方向上的長度；以及
    沿該第二方向從該彈性代替基底上的奈米碳管陣列拉取該奈米碳管膜。
  2. 如請求項第1項所述的奈米碳管膜的製備方法，其中，該奈米碳管陣列通過如下步驟轉移至該彈性代替基底的表面
    提供一彈性代替基底及一生長基底，該生長基底表面具有奈米碳管陣列，該奈米碳管陣列的形態能夠使得一奈米碳管膜得以從該奈米碳管陣列中連續地拉出；
    將該彈性代替基底的表面接觸該奈米碳管陣列遠離該生長基底的表面；以及
    通過移動該彈性代替基底與該生長基底中的至少一方，使該彈性代替基底與該生長基底相遠離，從而使該奈米碳管陣列與該生長基底分離，並轉移至該彈性代替基底，並保持該奈米碳管陣列的形態仍能夠使該奈米碳管膜得以從該奈米碳管陣列中連續地拉出。
  3. 如請求項第2項所述的奈米碳管膜的製備方法，其中，在該彈性代替基底的表面具有微結構。
  4. 如請求項第3項所述的奈米碳管膜的製備方法，其中，該彈性代替基底的具有該微結構的表面的表面積比平滑表面增加30%~120%。
  5. 如請求項第2項所述的奈米碳管膜的製備方法，其中，該彈性代替基底與該生長基底之間設置有間隔裝置，該間隔裝置在該彈性代替基底與該生長基底之間的高度小於或等於該奈米碳管陣列的高度。
  6. 如請求項第1項所述的奈米碳管膜的製備方法，其中，該奈米碳管陣列靠近該生長基底的表面為該第一表面，遠離該生長基底的表面為該第二表面，該奈米碳管陣列通過如下步驟轉移至該彈性代替基底的表面
    提供一彈性代替基底及一生長基底，該生長基底表面具有奈米碳管陣列，該奈米碳管陣列的形態能夠使得一奈米碳管膜得以從該奈米碳管陣列中連續地拉出；
    將該彈性代替基底設置在該奈米碳管陣列的第二表面，並使該彈性代替基底與該奈米碳管陣列的第二表面之間具有液態介質；
    使位於該彈性代替基底與該奈米碳管陣列的第二表面之間的液態介質固化變為固態介質；
    通過移動該彈性代替基底與該生長基底中的至少一方，使該彈性代替基底與該生長基底相遠離，從而使該奈米碳管陣列與該生長基底分離，並轉移至該彈性代替基底；以及
    通過升溫去除位於該彈性代替基底與該奈米碳管陣列之間的固態介質，並保持該奈米碳管陣列的形態仍能夠使該奈米碳管膜得以從該奈米碳管陣列中連續地拉出。
  7. 如請求項第6項所述的奈米碳管膜的製備方法，其中，該使該彈性代替基底與該奈米碳管陣列的第二表面之間具有液態介質的步驟包括
    在該奈米碳管陣列的第二表面形成一層液態介質；以及
    將該彈性代替基底的表面接觸該具有液態介質的第二表面。
  8. 如請求項第7項所述的奈米碳管膜的製備方法，其中，該液態介質在該第二表面為液滴或液膜。
  9. 如請求項第7項所述的奈米碳管膜的製備方法，其中，使位於該彈性代替基底與該奈米碳管陣列的第二表面之間的液態介質變為固態介質的步驟包括以具有凝固點以下溫度的代替基底接觸該具有液態介質的第二表面。
  10. 如請求項第6項所述的奈米碳管膜的製備方法，其中，該使該彈性代替基底與該奈米碳管陣列的第二表面之間具有液態介質的步驟包括
    在該彈性代替基底的表面形成一層液態介質；以及
    將該彈性代替基底具有液態介質的表面接觸該奈米碳管陣列的第二表面。
  11. 如請求項第10項所述的奈米碳管膜的製備方法，其中，該液態介質在該彈性代替基底表面為液滴或液膜。
  12. 如請求項第6項所述的奈米碳管膜的製備方法，其中，該液態介質為液滴或液膜，該液滴的直徑以及液膜的厚度分別為10奈米~300微米。
  13. 如請求項第6項所述的奈米碳管膜的製備方法，其中，使位於該彈性代替基底與該奈米碳管陣列的第二表面之間的液態介質變為固態介質的步驟包括將該彈性代替基底、液態介質、奈米碳管陣列及生長基底的層疊結構放入低溫箱中降溫至凝固點以下。
  14. 如請求項第6項所述的奈米碳管膜的製備方法，其中，該液態介質為水，該固態介質為冰。
  15. 如請求項第2或6項所述的奈米碳管膜的製備方法，其中，該彈性代替基底與該生長基底中的至少一方的移動方向為垂直於該生長基底的奈米碳管生長表面。
  16. 如請求項第1項所述的奈米碳管膜的製備方法，其中，所述在該奈米碳管陣列的第一表面形成至少一刻蝕槽的步驟包括提供一鐳射裝置，從該鐳射裝置發射雷射光束至該奈米碳管陣列的第一表面，在該第一表面形成至少一刻蝕槽。
  17. 如請求項第1項所述的奈米碳管膜的製備方法，其中，該刻蝕槽的深度小於該奈米碳管陣列的高度。
  18. 如請求項第1項所述的奈米碳管膜的製備方法，其中，該刻蝕槽的深度為該奈米碳管陣列高度的30%~60%。
  19. 如請求項第1項所述的奈米碳管膜的製備方法，其中，該刻蝕槽的寬度為10微米~100微米。
  20. 如請求項第1項所述的奈米碳管膜的製備方法，其中，該奈米碳管陣列在該第一方向上的長度變化率大於0並且小於或等於100%。
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