説明

カーボンナノチューブ線状構造体の製造方法

【課題】本発明は、カーボンナノチューブ線状構造体の製造方法に関する。
【解決手段】本発明のカーボンナノチューブ線状構造体の製造方法は、同じ平面に設置された複数のカーボンナノチューブアレイを提供するステップと、前記複数のカーボンナノチューブアレイからカーボンナノチューブを引き出し、複数のカーボンナノチューブフィルムを形成するステップと、前記複数のカーボンナノチューブフィルムを基準点に集めるステップと、集められた前記複数のカーボンナノチューブフィルムを併せて処理し、カーボンナノチューブ線状構造体を形成するステップと、を含む。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、カーボンナノチューブ構造体の製造方法に関し、特にカーボンナノチューブ線状構造体の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
カーボンナノチューブ(Carbon Nanotube,CNT)は、新型のカーボン材料であり、日本の研究員の飯島澄男よって1991年に発見された(非特許文献1を参照)。カーボンナノチューブは良好な電磁性能、良好な化学的安定性、光学性能、力学性能などを有するため、電子放出装置、センサー及び新型の光学材料などの領域に応用される。しかし、現在カーボンナノチューブはナノレベルに形成され、微視的レベルで応用されるため、取り扱いが困難であるので、肉眼レベルで応用するための開発が進んでいる。
【0003】
カーボンナノチューブ線状構造体は、カーボンナノチューブの巨視的サイズを有する構造の一種である。前記カーボンナノチューブ線状構造体は、複数のカーボンナノチューブからなり、炭素繊維、グラファイト繊維及びガラス繊維に取って代わることができる新型の材料であり、ケーブル、プリント基板、防護服などの領域に広く応用される。
【0004】
特許文献1には、ナノ繊維ワイヤの製造方法が開示されている。該ナノ繊維ワイヤの製造方法は、下記のステップを含む。まず、ナノ繊維を処理し、平行に配列されたナノ繊維アレイを提供する。次に、前記ナノ繊維アレイから、ナノ繊維を引き出し、ナノ繊維フィルムが形成される。その後、前記ナノ繊維フィルムをねじり、ナノ繊維ワイヤが形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】国際公開第2007/015710号
【非特許文献】
【0006】
【非特許文献1】S.Iijima、“Helical Microtubules of Graphitic Carbon”、Nature、1991年、第354巻、p.56
【非特許文献2】Kaili Jiang、Qunqing Li、Shoushan Fan、“Spinning continuous carbon nanotube yarns”、Nature、2002年、第419巻、p.801
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかし、前記ナノ繊維アレイが生長された基材がシリコン基材であり、大寸法のシリコン基材を製造することが難しく、且つナノ繊維アレイの生長面積が、該ナノ繊維アレイが生長されたシリコン基材のサイズに関係するので、大寸法の面積を有するナノ繊維アレイを成長することが困難である。前記ナノ繊維ワイヤの製造方法において、ナノ繊維ワイヤの直径がナノ繊維アレイのサイズに制限されるので、該ナノ繊維ワイヤは、その直径が小さく、その機械強度及び靭性が優れず、その応用が制限されるという欠点がある。
【0008】
従って、本発明は、直径が大きく、その機械強度及び靭性が優れたカーボンナノチューブ線状構造体の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
カーボンナノチューブ線状構造体の製造方法は、同じ平面に設置された複数のカーボンナノチューブアレイを提供するステップと、前記複数のカーボンナノチューブアレイからカーボンナノチューブを引き出し、複数のカーボンナノチューブフィルムを形成するステップと、前記複数のカーボンナノチューブフィルムを基準点に集めるステップと、集められた前記複数のカーボンナノチューブフィルムを併せて処理し、カーボンナノチューブ線状構造体を形成するステップと、を含む。
【0010】
前記複数のカーボンナノチューブフィルムを併せて処理する方法は、前記基準点に集められた複数のカーボンナノチューブフィルムを機械外力で絞り、カーボンナノチューブ線状構造体を形成することである。
【0011】
前記複数のカーボンナノチューブフィルムを併せて処理する方法は、集められた複数のカーボンナノチューブフィルムを併せてカーボンナノチューブ構造体前駆体に形成し、有機溶剤で前記カーボンナノチューブ構造体前駆体を処理し、カーボンナノチューブ線状構造体を形成することである。
【発明の効果】
【0012】
本発明のカーボンナノチューブ線状構造体には、下記の優れた点がある。前記複数のカーボンナノチューブアレイから複数のカーボンナノチューブフィルムを引き出し、該複数のカーボンナノチューブフィルムをカーボンナノチューブ線状構造体に併せて処理するので、該カーボンナノチューブ線状構造体の直径が単一のカーボンナノチューブアレイのサイズに制限されない。従って、簡単に便利に所定の直径を有するカーボンナノチューブ線状構造体が形成することができる。
【0013】
前記製造方法を利用して、直径が制限されない複合カーボンナノチューブ線状構造体を形成することができる。前記カーボンナノチューブ線状構造体は、優れた導電性、熱伝導性、機械強度、強靭性を有する。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】本発明の実施例1に係るカーボンナノチューブ線状構造体の製造方法のフローチャートである。
【図2】本発明の実施例1に係るカーボンナノチューブアレイが生長された基材の構造を示す図である。
【図3】本発明の実施例1に係るカーボンナノチューブ線状構造体の製造方法を示す図である。
【図4】本発明の実施例2に係るカーボンナノチューブ線状構造体の製造方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
【0016】
(実施例1)
図1を参照すると、本発明の実施例1は、カーボンナノチューブ線状構造体の製造方法を提供する。該カーボンナノチューブ線状構造体の製造方法は、下記のステップを含む。
【0017】
ステップS101では、同じ平面に設置された複数のカーボンナノチューブアレイ10を提供する。
【0018】
図2を参照すると、前記複数のカーボンナノチューブアレイ10は、それぞれ、複数の基材12に形成される。各々の前記基材12は、第一表面122及び該第一表面122と対向する第二表面124を含む。前記基材12の第一表面122には、カーボンナノチューブアレイ10が生長される。前記複数の基材12は、それぞれの第二表面124が全て同じ平面にあるように設置される。前記複数の基材12は、同じ平面に線形、アーチ形、鋸歯形及び他の形状に並べることができ、その数量が制限されない。本実施例において、三つのカーボンナノチューブアレイ10が生長された基材12を直線形に並列させている。
【0019】
各々の前記カーボンナノチューブアレイ10は、複数のカーボンナノチューブからなる。前記カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブの一種又は多種である。本実施例において、前記カーボンナノチューブは、多層カーボンナノチューブであり、該複数のカーボンナノチューブが互いに平行する。
【0020】
前記カーボンナノチューブアレイ10は、超配列カーボンナノチューブアレイ(Superaligned array of carbon nanotubes,非特許文献2を参照)であり、該超配列カーボンナノチューブアレイの製造方法は、化学気相堆積法を採用する。該製造方法は、次のステップを含む。ステップ(a)では、平らな基材を提供し、該基材はP型のシリコン基材、N型のシリコン基材及び酸化層が形成されたシリコン基材のいずれか一種である。本実施例において、4インチのシリコン基材を選択することが好ましい。ステップ(b)では、前記基材の表面に、均一的に触媒層を形成する。該触媒層の材料は鉄、コバルト、ニッケル及びその2種以上の合金のいずれか一種である。ステップ(c)では、前記触媒層が形成された基材を700℃〜900℃の空気で30分〜90分間アニーリングする。ステップ(d)では、アニーリングされた基材を反応炉に置き、保護ガスで500℃〜740℃の温度で加熱した後で、カーボンを含むガスを導入して、5分〜30分間反応を行って、超配列カーボンナノチューブアレイ(Superaligned array of carbon nanotubes,非特許文献2)を成長させることができる。該カーボンナノチューブアレイの高さは100マイクロメートル以上である。該カーボンナノチューブアレイは、互いに平行し、基材に垂直に生長する複数のカーボンナノチューブからなる。該カーボンナノチューブは、長さが長いため、部分的にカーボンナノチューブが互いに絡み合っている。生長の条件を制御することによって、前記カーボンナノチューブアレイは、例えば、アモルファスカーボン及び残存する触媒である金属粒子などの不純物を含まなくなる。
【0021】
本実施例において、前記カーボンを含むガスとしては、例えば、アセチレン、エチレン、メタンなどの活性な炭化水素が選択され、エチレンを選択することが好ましい。保護ガスは窒素ガスまたは不活性ガスであり、アルゴンガスが好ましい。
【0022】
本実施例により提供されたカーボンナノチューブアレイは、前記の製造方法により製造されることに制限されず、アーク放電法またはレーザー蒸発法で製造してもよい。
【0023】
ステップS102では、各々の前記カーボンナノチューブアレイ10から複数のカーボンナノチューブを引き出し、複数のカーボンナノチューブフィルム20を形成する。
【0024】
図3を参照すると、前記カーボンナノチューブアレイ10から、カーボンナノチューブフィルム20を引き伸ばす方法は、下記のステップを含む。まず、ピンセットなどの工具を利用して前記カーボンナノチューブアレイ10における複数のカーボンナノチューブの端部を持つ。次に、所定の速度で前記カーボンナノチューブアレイ10が生長された基材12の第一表面122と所定の角度を成す方向に沿って、前記複数のカーボンナノチューブを引き出し、前記複数のカーボンナノチューブがそれぞれ前記基材12から脱離すると、分子間力で前記カーボンナノチューブ束が端と端で接合され、連続のカーボンナノチューブフィルム20が形成される。該カーボンナノチューブフィルム20におけるカーボンナノチューブの軸向は、基本的に該カーボンナノチューブフィルム20が引き出された方向に平行する。前記複数のカーボンナノチューブを引き出す工程において、前記所定の角度は、0°〜30°であり、0°〜5°であることが好ましい。本実施例において、前記工具は、一定の幅を有するテープであることが好ましく、前記所定の角度は、5°であることが好ましい。
【0025】
ステップS103では、前記複数のカーボンナノチューブフィルム20を一つの基準点22に集める。
【0026】
前記複数のカーボンナノチューブアレイ10が同じ平面に設置されている。前記基準点22に面する方向に沿って、該複数のカーボンナノチューブアレイ10からカーボンナノチューブフィルム20を引き出す。前記複数のカーボンナノチューブを引き出す工程において、前記複数のカーボンナノチューブフィルム20を前記基準点22に接近させて、該基準点22に集める。カーボンナノチューブの比表面積が大きく、カーボンナノチューブからなる前記カーボンナノチューブフィルム20が強い接着性を有するので、前記複数のカーボンナノチューブフィルム20は、前記基準点22において互いに接着できる。
【0027】
ステップS104では、前記複数のカーボンナノチューブフィルム20を併せて処理し、カーボンナノチューブ線状構造体24を形成する。
【0028】
前記複数のカーボンナノチューブフィルム20を併せて処理する方法は、機械外力で処理する方法又は有機溶剤で処理する方法である。
【0029】
前記機械外力で処理する方法は、前記基準点22に集められた複数のカーボンナノチューブフィルム20を機械外力で絞り、カーボンナノチューブ線状構造体24を形成することである。
【0030】
前記機械外力で処理する方法は、次の工程を含む。まず、前記基準点22に集められた複数のカーボンナノチューブフィルム20を、回転可能なスプールに固定する。次に、前記スプールを回転させるのと同時に、前記カーボンナノチューブアレイ10から離れる方向に沿って移動させる。前記カーボンナノチューブフィルム20の引き出し方向を中心軸として、前記スプールを時計回り又は逆時計回りにして回転させる。本実施例において、前記スプールを逆時計回りにして回転させる。前記スプールを移動させる過程において、前記複数のカーボンナノチューブアレイ10から引き出した複数のカーボンナノチューブフィルム20は、前記スプールによって加えた機械外力で、カーボンナノチューブ線状構造体24に形成される。各々の前記カーボンナノチューブフィルム20が強い接着性を有するので、前記複数のカーボンナノチューブフィルム20が絞られた後、緊密に接着され、各々の前記カーボンナノチューブフィルム20の間に明らかな界面が存在しない。従って、前記カーボンナノチューブ線状構造体24の断面から見ると、カーボンナノチューブフィルム20の間に分界が形成されない。前記カーボンナノチューブ線状構造体24は、分子間力で端と端とが接続された複数のカーボンナノチューブからなり、該複数のカーボンナノチューブは前記カーボンナノチューブ線状構造体24の軸方向に螺旋状に配列されている。前記カーボンナノチューブ線状構造体24の長さは制限されない。
【0031】
前記カーボンナノチューブ線状構造体24を、有機溶剤で処理することもできる。具体的には、有機溶剤32を前記カーボンナノチューブ線状構造体24の表面に滴下し、該有機溶剤32を前記カーボンナノチューブ線状構造体24に浸漬させる。本実施例において、一側に開口34を有する滴瓶30を、前記カーボンナノチューブ線状構造体24の一側に配置し、該有機溶剤32を前記開口34から前記カーボンナノチューブ線状構造体24の表面に滴下させる。前記有機溶剤32は、例えば、エタノール、メタノール、アセトン、ジクロロエタン、クロロホルムなどの揮発性有機溶剤である。本実施例において、前記有機溶剤32は、エタノールである。これにより、前記有機溶剤32の表面張力によって、前記カーボンナノチューブ線状構造体24における複数のカーボンナノチューブを縮ませて、該カーボンナノチューブ線状構造体24がさらに緊密になる。
【0032】
有機溶剤で前記複数のカーボンナノチューブフィルム20を処理し、カーボンナノチューブ線状構造体24を形成する方法は、下記のステップを含む。まず、基準点22に、前記複数のカーボンナノチューブフィルム20を併せてカーボンナノチューブ構造体前駆体に形成する。前記カーボンナノチューブ構造体前駆体は、前記複数のカーボンナノチューブフィルム20が積層して形成されるものである。各々の前記カーボンナノチューブフィルム20が大きな比表面積を有するので、前記複数のカーボンナノチューブフィルム20を併せた後、該複数のカーボンナノチューブフィルム20が互いに接着し、各々のカーボンナノチューブフィルム20の間に明らかな界面が存在しない。次に、有機溶剤で前記カーボンナノチューブ構造体前駆体を処理し、カーボンナノチューブ線状構造体24を形成する。従って、前記カーボンナノチューブ線状構造体24の断面から見ると、カーボンナノチューブの間に分界が形成されない。
【0033】
前記有機溶剤で前記カーボンナノチューブ構造体前駆体を処理する方法は、前記有機溶剤で前記カーボンナノチューブ線状構造体24を処理する方法と基本的に同じである。試験管又は滴瓶を利用して、前記有機溶剤を前記カーボンナノチューブ構造体前駆体の表面に滴下し、該カーボンナノチューブ構造体前駆体に浸漬させる。前記有機溶剤の表面張力の作用で、前記カーボンナノチューブ構造体前駆体は、カーボンナノチューブ線状構造体24に縮む。
【0034】
前記有機溶剤で前記複数のカーボンナノチューブフィルム20を処理し、カーボンナノチューブ線状構造体24を形成する過程において、前記カーボンナノチューブ構造体前駆体を絞らないこともできる。前記カーボンナノチューブ線状構造体24は、分子間力で端と端とが接続された複数のカーボンナノチューブを含み、該複数のカーボンナノチューブが前記カーボンナノチューブ線状構造体24の軸方向に、平行に配列されている。
【0035】
本実施例において、機械外力で処理する方法を利用して、前記カーボンナノチューブ線状構造体24を形成した後、有機溶剤で該カーボンナノチューブ線状構造体24を処理する。
【0036】
さらに、有機溶剤で処理されたカーボンナノチューブ線状構造体24を乾燥することができる。具体的には、前記カーボンナノチューブ線状構造体24を、内部の温度が80℃〜100℃であるドライヤー36に置き、前記有機溶剤を速く揮発させ、前記カーボンナノチューブ線状構造体24におけるカーボンナノチューブを緊密に接着させる。
【0037】
前記有機溶剤に処理されたカーボンナノチューブ線状構造体24の接着性が弱くなるので、収集しやすい。本実施例において、モーター38で前記有機溶剤に処理されたカーボンナノチューブ線状構造体24を前記モーター38のスプール28に巻く。
【0038】
前記カーボンナノチューブ線状構造体24の直径は、前記カーボンナノチューブアレイの大きさ及び数量と関係する。該カーボンナノチューブ線状構造体24の直径は、1マイクロメートル以上である。本実施例において、該カーボンナノチューブ線状構造体24の直径は、130マイクロメートルである。
【0039】
前記カーボンナノチューブ線状構造体24を製造する方法は、連続して行うことができる。
【0040】
(実施例2)
図4を参照すると、本実施例のカーボンナノチューブ線状構造体の製造方法は、下記のステップを含む。
【0041】
ステップS201では、同じ平面に設置された複数のカーボンナノチューブアレイ40を提供する。
【0042】
ステップS202では、前記複数のカーボンナノチューブアレイ40からカーボンナノチューブを引き出し、複数のカーボンナノチューブフィルム50を形成する。
【0043】
ステップS203では、前記複数のカーボンナノチューブフィルム50の表面にそれぞれ、金属層を堆積させ、複数の複合カーボンナノチューブフィルム52を形成する。
【0044】
前記金属層の材料は、金、銀、プラチナ、銅又は合金である。該金属層の厚さが1ナノメートル〜20ナノメートルである。前記複数のカーボンナノチューブフィルム50の表面にそれぞれ、金属層を形成する方法は、真空蒸着法、イオンスパッタリング法などの物理方法、又は電気めっき、化学めっきなどの化学方法を採用する。本実施例において、真空蒸着装置60で前記複数のカーボンナノチューブフィルム50の表面に銅を蒸着して銅層を形成した後、該銅層にプラチナを蒸着し、複数の複合カーボンナノチューブフィルム52を形成する。
【0045】
ステップ204では、前記複数のカーボンナノチューブフィルム20を一つの基準点54に集める。
【0046】
前記ステップ204の方法は、前記実施例1におけるステップ103の方法と同じである。
【0047】
ステップS205では、集まれた複数の複合カーボンナノチューブフィルム52を併せて処理し、複合カーボンナノチューブ線状構造体56を形成する。
【0048】
本実施例において、有機溶剤で処理する方法を利用して、複数の複合カーボンナノチューブフィルム52を併せて処理する。まず、基準点54に、前記複数の複合カーボンナノチューブフィルム52を併せて複合カーボンナノチューブ構造体前駆体に形成する。前記複合カーボンナノチューブ構造体前駆体は、前記複数の複合カーボンナノチューブフィルム52が積層して、形成されるものである。次に、有機溶剤で前記複合カーボンナノチューブ構造体前駆体を処理し、複合カーボンナノチューブ線状構造体56を形成する。その後、前記複合カーボンナノチューブ線状構造体56を、ドライヤー36で乾燥した後、モーター38のスプール28に巻く。前記有機溶剤で前記複合カーボンナノチューブ構造体前駆体を処理する際、まず、一側に開口34を有する滴瓶30を、前記複合カーボンナノチューブ構造体前駆体の一側に配置し、該有機溶剤32が前記開口34から前記複合カーボンナノチューブ構造体前駆体の表面に滴下する。
【0049】
前記複合カーボンナノチューブ線状構造体56の断面から見ると、該複合カーボンナノチューブ線状構造体56における各々の複合カーボンナノチューブフィルム52の間に明らかな界面が存在しない。前記複合カーボンナノチューブ線状構造体56は、分子間力で端と端が接続された複数のカーボンナノチューブを含む。該複数のカーボンナノチューブは基本的に同じ方向に沿って、配列されている。各々のカーボンナノチューブの表面に少なくとも一層の金属層が形成される。本実施例において、前記複合カーボンナノチューブ線状構造体56におけるカーボンナノチューブの表面に銅層及びプラチナ層が形成され、該銅層が前記カーボンナノチューブと前記プラチナ層との間に設置される。前記複合カーボンナノチューブ線状構造体56の直径が1マイクロメートル以上である。本実施例において、前記複合カーボンナノチューブ線状構造体56の直径が200マイクロメートルである。
【0050】
前記カーボンナノチューブ線状構造体の製造方法において、前記複数のカーボンナノチューブアレイから複数のカーボンナノチューブフィルムを引き出し、該複数のカーボンナノチューブフィルムをカーボンナノチューブ線状構造体に併せて処理するので、該カーボンナノチューブ線状構造体の直径は、カーボンナノチューブアレイを成長させる基板の寸法に制限されない。従って、本実施例の製造方法を利用して、簡単に所定の直径を有するカーボンナノチューブ線状構造体が形成することができる。前記カーボンナノチューブ線状構造体は、優れた導電性、熱伝導性、機械強度、強靭性を有する。
【符号の説明】
【0051】
10、40 カーボンナノチューブアレイ
12 基材
20、50 カーボンナノチューブフィルム
22、54 基準点
24、56 カーボンナノチューブ線状構造体
28 スプール
30 滴瓶
32 有機溶剤
34 開口
36 ドライヤー
38 モーター
52 複合カーボンナノチューブフィルム
60 真空蒸着装置
122 第一表面
124 第二表面

【特許請求の範囲】
【請求項1】
同じ平面に設置された複数のカーボンナノチューブアレイを提供するステップと、
前記複数のカーボンナノチューブアレイからカーボンナノチューブを引き出し、複数のカーボンナノチューブフィルムを形成するステップと、
前記複数のカーボンナノチューブフィルムを基準点に集めるステップと、
集められた前記複数のカーボンナノチューブフィルムを併せて処理し、カーボンナノチューブ線状構造体を形成するステップと、
を含むことを特徴とするカーボンナノチューブ線状構造体の製造方法。
【請求項2】
前記複数のカーボンナノチューブフィルムを併せて処理することが、前記基準点に集められた複数のカーボンナノチューブフィルムを機械外力で絞り、カーボンナノチューブ線状構造体を形成することであることを特徴とする、請求項1に記載のカーボンナノチューブ線状構造体の製造方法。
【請求項3】
前記複数のカーボンナノチューブフィルムを併せて処理することが、集められた複数のカーボンナノチューブフィルムを併せてカーボンナノチューブ構造体前駆体に形成し、有機溶剤で前記カーボンナノチューブ構造体前駆体を処理し、カーボンナノチューブ線状構造体を形成することであることを特徴とする、請求項1に記載のカーボンナノチューブ線状構造体の製造方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公開番号】特開2010−281025(P2010−281025A)
【公開日】平成22年12月16日(2010.12.16)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−129035(P2010−129035)
【出願日】平成22年6月4日(2010.6.4)
【出願人】(598098331)ツィンファ ユニバーシティ (534)
【出願人】(500080546)鴻海精密工業股▲ふん▼有限公司 (1,018)
【Fターム(参考)】