中空熱源
【課題】電気エネルギーを熱エネルギーに転換する効率が高く、寿命が長い中空熱源を提供する。
【解決手段】中空熱源は、加熱素子１０４と、前記加熱素子１０４と電気的に接続された少なくとも二つの電極と、を含む三次元構造の中空熱源である。前記加熱素子１０４は、層状のカーボンナノチューブ構造体を含み、中空の三次元構造をなしている。前記カーボンナノチューブ構造体は、自立構造であり、且つ複数のカーボンナノチューブを含む。
【解決手段】中空熱源は、加熱素子１０４と、前記加熱素子１０４と電気的に接続された少なくとも二つの電極と、を含む三次元構造の中空熱源である。前記加熱素子１０４は、層状のカーボンナノチューブ構造体を含み、中空の三次元構造をなしている。前記カーボンナノチューブ構造体は、自立構造であり、且つ複数のカーボンナノチューブを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中空熱源に関し、特にカーボンナノチューブを利用した中空熱源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱源は、人々の生活及び科学の研究などの分野において重要な役割を果たす。例えば、電気加熱器、電気ストーブ及び赤外線治療器などに応用される。立体的な熱源は、熱源の一種であり、加熱対象の各々の部分を同時に加熱することができ、加熱する面積が大きく、加熱の均一性がよく、効率が高い。
【０００３】
従来技術として、立体的な熱源は、加熱素子及び少なくとも、二つの電極を含む。該少なくとも、二つの電極は、前記加熱素子の表面に設置され、該加熱素子に電気的に接続される。前記少なくとも二つの電極によって前記加熱素子に電流を流す場合、熱が該加熱素子から放出される。従来の立体的な熱源は、金属のフィラメントを加熱素子として、電気エネルギーを熱エネルギーに転換するものである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】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】
【０００５】
しかし、前記金属のフィラメントは、強度が低く、折れやすい。特に前記金属のフィラメントを所定の角度に曲げる場合には、該金属のフィラメントがより折れやすく、寿命が短いという欠点がある。また、前記金属のフィラメントから放出された熱は、標準的な波長で外部に放射されるので、電気エネルギーを熱エネルギーに転換する効率が低く、エネルギーが浪費されるという欠点がある。該金属のフィラメントは、密度及び重量が大きいので、その利用が不便である。
【０００６】
従って、本発明は、電気エネルギーを熱エネルギーに転換する効率が高く、寿命が長い中空熱源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】
【０００７】
本発明の中空熱源は、加熱素子と、前記加熱素子と電気的に接続された少なくとも二つの電極と、を含む三次元構造である。前記加熱素子は、層状のカーボンナノチューブ構造体を含み、中空の三次元構造をなしており、前記カーボンナノチューブ構造体は、自立構造であり、且つ複数のカーボンナノチューブを含む。
【０００８】
中空の三次元支持体をさらに含み、前記加熱素子が前記中空の三次元支持体の表面に設置されている。
【０００９】
前記カーボンナノチューブ構造体は、一本のカーボンナノチューブ線状構造であり、該カーボンナノチューブ線状構造が前記中空の三次元支持体の表面に巻き付けられている。
【００１０】
前記カーボンナノチューブ構造体は、複数のカーボンナノチューブ線状構造からなり、該複数のカーボンナノチューブ線状構造が平行し、又は交差して、前記中空の三次元支持体の表面に設置されている
【００１１】
前記カーボンナノチューブ線状構造が、少なくとも一本のカーボンナノチューブワイヤを含み、単一の前記カーボンナノチューブワイヤが複数のカーボンナノチューブを含む。
【００１２】
前記カーボンナノチューブ線状構造が、二本以上のカーボンナノチューブワイヤを含み、非ねじれ状のカーボンナノチューブ線状構造又はねじれ状のカーボンナノチューブ線状構造である。
【００１３】
反射層をさらに含み、前記加熱素子が前記中空の三次元支持体の外表面に設置され、前記反射層が、前記加熱素子の、前記中空の三次元支持体と対向する面とは反対の表面に設置されている。
【００１４】
反射層をさらに含み、前記加熱素子が前記中空の三次元支持体の内表面に設置され、前記反射層が、前記加熱素子と前記中空の三次元支持体との間に設置されているか、又は、前記中空の三次元支持体の、前記加熱素子と対向する面とは反対の表面に設置されている。
【発明の効果】
【００１５】
従来の中空熱源と比べると、本発明の中空熱源において、加熱素子が少なくとも一本のカーボンナノチューブ線状構造を含む中空の三次元構造であり、該カーボンナノチューブ線状構造が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が均一的に配列され、該加熱素子が均一な厚さ及び抵抗を有するので、該加熱素子は、均一的に熱を放出することができ、電気エネルギーを熱エネルギーに転換する効率が高く、前記カーボンナノチューブ構造体の単位面積の熱容量は、２×１０−４Ｊ／ｍ２Ｋ以下である。従って、前記中空熱源は、昇温速度が速く、熱応答速度が速く、熱交換速度が速い。
【００１６】
前記加熱素子おけるカーボンナノチューブは、優れた力学性能、優れた靭性及び優れた機械強度を有するので、前記中空熱源は、優れた力学性能、優れた靭性と機械強度を有し、使用寿命が長くなる。更に、前記加熱素子を利用して、柔軟性の中空熱源を製造することができる。前記加熱素子おけるカーボンナノチューブの直径が小さいので、該加熱素子は、厚さが小さい。従って、極めて小型の中空熱源を製造することができ、該小型の中空熱源を利用して、小型の加熱対象となる素子を加熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施例１に係る中空熱源の構造を示す図である。
【図２】本発明の実施例１に係る中空熱源を図１に示すＩＩ−ＩＩ線に沿って切る断面図である。
【図３】本発明の実施例に係る中空熱源における、端と端が接続されたカーボンナノチューブからなるカーボンナノチューブフィルムのＳＥＭ写真である。
【図４】カーボンナノチューブセグメントの構造を示す図である。
【図５】本発明の実施例に係る中空熱源における、カーボンナノチューブが、長さが基本的に同じで、平行に配列されたカーボンナノチューブフィルムのＳＥＭ写真である。
【図６】本発明の実施例に係る中空熱源における、カーボンナノチューブが等方的に配列されたカーボンナノチューブフィルムのＳＥＭ写真である。
【図７】本発明の実施例に係る中空熱源における、カーボンナノチューブが同じ方向に沿って配列されたカーボンナノチューブフィルムのＳＥＭ写真である。
【図８】本発明の実施例に係る中空熱源における、綿毛構造のカーボンナノチューブフィルムの写真である。
【図９】本発明の実施例に係る中空熱源における、綿毛構造のカーボンナノチューブフィルムのＳＥＭ写真である。
【図１０】ろ過された綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体の写真である。
【図１１】本発明の実施例１に係る複数の電極を含む中空熱源の構造を示す図である。
【図１２】本発明の実施例に係る中空熱源における、非ねじれ状のカーボンナノチューブ線状構造のＳＥＭ写真である。
【図１３】本発明の実施例に係る中空熱源における、ねじれ状のカーボンナノチューブ線状構造のＳＥＭ写真である。
【図１４】本発明の実施例に係る非ねじれ状ワイヤ構造のカーボンナノチューブのＳＥＭ写真である。
【図１５】本発明の実施例に係るねじれ状ワイヤ構造のカーボンナノチューブのＳＥＭ写真である。
【図１６】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を含む中空熱源の構造を示す図である。
【図１７】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を含む中空熱源の構造を示す図である。
【図１８】本発明の実施例２に係る中空熱源の構造を示す図である。
【図１９】本発明の実施例２に係る中空熱源を図１８に示すＸＩＸ−ＸＩＸ線に沿って切る断面図である。
【図２０】本発明の実施例２に係る中空熱源を図１８に示すＸＸ−ＸＸ線に沿って切る断面図である。
【図２１】本発明の実施例３に係る中空熱源の構造を示す図である。
【図２２】本発明の実施例３に係る中空熱源を図２１に示すＸＸＩＩ−ＸＸＩＩ線に沿って切る断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
【００１９】
（実施例１）
図１と図２を参照すると、本発明の実施例１は、中空熱源１００を提供する。該中空熱源１００は、中空の三次元支持体１０２、加熱素子１０４、第一電極１１０、第二電極１１２及び反射層１０８を含む。前記加熱素子１０４は、前記中空の三次元支持体１０２の外表面に設置される。前記第一電極１１０及び前記第二電極１１２は、それぞれ、前記加熱素子１０４に電気的に接続され、該加熱素子１０４を電源に電気的に接続させることに用いられる。前記反射層１０８は、前記加熱素子１０４の、前記中空の三次元支持体１０２と対向する面とは反対の表面に設置される。
【００２０】
前記中空の三次元支持体１０２は、前記加熱素子１０４を支持し、該加熱素子１０４を中空の立体構造体に形成することに用いられる。前記中空の三次元支持体１０２の材料は、例えば、セラミックス、ガラス、樹脂、石英などの硬性材料であってもよく、プラスチック及び柔らかい繊維などの柔軟性の材料であってもよい。前記中空の三次元支持体１０２は、柔軟性の材料を採用する場合、実際の応用に応じて、任意の形状に湾曲させることができる。
【００２１】
本実施例において、前記中空の三次元支持体１０２は、硬性材料からなる。該中空の三次元支持体１０２は、中空の構造を有する。該中空の構造は、加熱対象の形状によって、変えることができる。前記中空の三次元支持体１０２の形状は、管形状、球形状又は直方体形状などである。本実施例において、前記中空の三次元支持体１０２は、断面の形状が環状である中空のセラミックス管である。
【００２２】
前記加熱素子１０４は、前記中空の三次元支持体１０２の内表面又は外表面に設置される。前記中空の三次元支持体１０２の内表面とは、該中空の三次元支持体１０２の、その中空の構造に面した表面である。前記中空の三次元支持体１０２の外表面とは、該中空の三次元支持体１０２の、その中空の構造に面した表面と対向する反対の表面である。本実施例において、該加熱素子１０４は、前記中空の三次元支持体１０２の外表面に設置される。前記加熱素子１０４は、カーボンナノチューブ構造体を含み、該カーボンナノチューブ構造体自体が接着性を有するので、それ自体の接着性を利用して、前記中空の三次元支持体１０２の外表面に接着することができる。前記カーボンナノチューブ構造体は、接着剤を利用し、前記中空の三次元支持体１０２の表面に接着することもできる。前記カーボンナノチューブ構造体は、長さ、幅及び厚さが制限されない。前記加熱素子１０４が自立構造である場合、前記中空の三次元支持体１０２がなくてもよい。
【００２３】
前記カーボンナノチューブ構造体は、自立構造であってもよい。自立構造とは、支持体を利用せず、前記カーボンナノチューブ構造体を独立的に利用するというものである。前記自立構造のカーボンナノチューブ構造体は、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分子間力で接続される。前記カーボンナノチューブ構造体に、前記複数のカーボンナノチューブが配向し又は配向せずに配置されている。前記複数のカーボンナノチューブの配列方式により、前記カーボンナノチューブ構造体は非配向型のカーボンナノチューブ構造体及び配向型のカーボンナノチューブ構造体の二種に分類される。
【００２４】
本実施例における非配向型のカーボンナノチューブ構造体では、カーボンナノチューブが異なる方向に沿って配置され、又は絡み合っている。配向型のカーボンナノチューブ構造体では、前記複数のカーボンナノチューブが同じ方向に沿って配列している。又は、配向型のカーボンナノチューブ構造体において、配向型のカーボンナノチューブ構造体が二つ以上の領域に分割される場合、各々の領域における複数のカーボンナノチューブが同じ方向に沿って配列されている。この場合、異なる領域におけるカーボンナノチューブの配列方向は異なる。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及び多層カーボンナノチューブの中の一種又はこれらの組み合わせである。前記カーボンナノチューブが単層カーボンナノチューブである場合、直径は０．５ｎｍ〜５０ｎｍに設定され、前記カーボンナノチューブが二層カーボンナノチューブである場合、直径は１ｎｍ〜５０ｎｍに設定され、前記カーボンナノチューブが多層カーボンナノチューブである場合、直径は１．５ｎｍ〜５０ｎｍに設定される。
【００２５】
前記カーボンナノチューブ構造体の熱応答速度は、該カーボンナノチューブ構造体の厚さと関係がある。前記カーボンナノチューブ構造体は、同じ表面積を有する場合、その厚さが厚ければ、熱応答速度が遅くなり、その厚さが薄ければ、熱応答速度が速くなる。前記カーボンナノチューブ構造体の純度が高く、該カーボンナノチューブ構造体は大きな比表面積（例えば、１００ｍ２／ｇ以上）を有する。該カーボンナノチューブ構造体の単位面積当たりの熱容量は、０（０は含まず）〜２×１０−４Ｊ／ｃｍ２・Ｋであるが、好ましくは、０（０は含まず）〜１．７×１０−６Ｊ／ｃｍ２・Ｋであり、本実施例では、１．７×１０−６Ｊ／ｃｍ２・Ｋである。前記カーボンナノチューブ構造体の熱容量が非常に低い場合、前記加熱素子１０４を速やかに加熱させることができる。前記カーボンナノチューブ構造体の密度が低く、１．３５ｇ／ｃｍ３程度に達するので、前記カーボンナノチューブ構造体の光透過性が高い。
【００２６】
本発明のカーボンナノチューブ構造体としては、以下の（一）〜（五）のものが挙げられる。
（一）ドローン構造カーボンナノチューブフィルム
前記カーボンナノチューブ構造体は、図３に示す、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルム１４３ａを含む。このカーボンナノチューブフィルムはドローン構造カーボンナノチューブフィルム（ｄｒａｗｎ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｆｉｌｍ）である。前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａ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１を参照）から引き出して得られたものである。単一の前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａにおいて、複数のカーボンナノチューブが同じ方向に沿って、端と端が接続されている。即ち、単一の前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａは、分子間力で長さ方向端部同士が接続された複数のカーボンナノチューブを含む。図４を参照すると、単一の前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａは、複数のカーボンナノチューブセグメント１４３ｂを含む。前記複数のカーボンナノチューブセグメント１４３ｂは、長さ方向に沿って分子間力で端と端が接続されている。それぞれのカーボンナノチューブセグメント１４３ｂは、相互に平行に、分子間力で結合された複数のカーボンナノチューブ１４５を含む。単一の前記カーボンナノチューブセグメント１４３ｂにおいて、前記複数のカーボンナノチューブ１４５の長さが同じである。前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａを有機溶剤に浸漬させることにより、前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａの強靭性及び機械強度を高めることができる。前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａの幅は１００μｍ〜１０ｃｍに設けられ、厚さは０．５ｎｍ〜１００μｍに設けられる。前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａの厚さが１０μｍ以下である場合、該カーボンナノチューブフィルム１４３ａの透光率が９０％以上程度に達するため、透明熱源に用いられることも可能である。
【００２７】
前記カーボンナノチューブ構造体は、積層された複数の前記カーボンナノチューブフィルムを含むことができる。この場合、隣接する前記カーボンナノチューブフィルムは、分子間力で結合されている。隣接する前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは、それぞれ０°〜９０°の角度で交差している。隣接する前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが０°以上の角度で交差する場合、前記カーボンナノチューブ構造体に複数の微孔が形成される。又は、前記複数のカーボンナノチューブフィルムは、隙間なく同一面に並列されることもできる。
【００２８】
前記カーボンナノチューブフィルムの製造方法は次のステップを含む。
【００２９】
第一ステップでは、カーボンナノチューブアレイを提供する。該カーボンナノチューブアレイは、超配列カーボンナノチューブアレイであり、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１）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、基材に垂直するよう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。
【００３０】
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。
【００３１】
前記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されてもよい。
【００３２】
第二ステップでは、前記カーボンナノチューブアレイから、少なくとも、一枚のカーボンナノチューブフィルムを引き伸ばす。まず、ピンセットなどの工具を利用して複数のカーボンナノチューブの端部を持つ。例えば、一定の幅を有するテープを利用して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セグメントからなる連続のカーボンナノチューブフィルムを形成する。
【００３３】
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がそれぞれ前記基材から脱離すると、分子間力で前記カーボンナノチューブセグメントが端と端で接合され、連続するカーボンナノチューブフィルムが形成される。
【００３４】
（二）超長構造カーボンナノチューブフィルム
前記カーボンナノチューブ構造体は、図５に示す、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを含む。このカーボンナノチューブフィルムは超長構造カーボンナノチューブフィルム（ｕｌｔｒａ−ｌｏｎｇ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｆｉｌｍ）である。単一の前記カーボンナノチューブフィルムは、ほぼ同じ長さを有する複数のカーボンナノチューブを含む。単一の前記カーボンナノチューブフィルムにおいて、前記複数のカーボンナノチューブは、同じ方向に沿って、均一に並列されている。単一の前記カーボンナノチューブフィルムの厚さは、１０ｎｍ〜１００μｍである。前記複数のカーボンナノチューブは、それぞれ前記複数のカーボンナノチューブフィルムの表面に平行に配列されている。隣接する前記カーボンナノチューブは所定の距離で分離して設置される。前記距離は０μｍ〜５μｍである。前記距離が０μｍである場合、隣接する前記カーボンナノチューブは分子間力で接続されている。前記カーボンナノチューブフィルムにおける各々の前記カーボンナノチューブの長さは、前記カーボンナノチューブフィルムの長さと同じである。単一の前記カーボンナノチューブの長さは、１ｃｍ以上であり、１ｃｍ〜３０ｃｍであることが好ましい。即ち、カーボンナノチューブの長さが超長である。さらに、各々の前記カーボンナノチューブ１４５に結節がない。本実施形態において、前記カーボンナノチューブフィルムの厚さは１０μｍである。単一の前記カーボンナノチューブ１４５の長さは１０ｃｍである。
【００３５】
前記カーボンナノチューブ構造体が、一枚の前記カーボンナノチューブフィルムのみを含む場合、該カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブの両端は、それぞれ、前記第一電極及び前記第二電極に電気的に接続される。前記カーボンナノチューブ構造体が、少なくとも二枚の積層された複数のカーボンナノチューブフィルムを含む場合、隣接するカーボンナノチューブフィルム間におけるカーボンナノチューブ同士の成す角度αは、０°〜９０°である。少なくとも一枚の前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブの両端は、それぞれ、前記第一電極及び前記第二電極に電気的に接続される。
【００３６】
（三）プレッシド構造カーボンナノチューブフィルム
前記カーボンナノチューブ構造体は、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを含む。このカーボンナノチューブフィルムは、プレッシド構造カーボンナノチューブフィルム（ｐｒｅｓｓｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｆｉｌｍ）である。前記カーボンナノチューブフィルムは、図６又は図７に示される。単一の前記カーボンナノチューブフィルムにおける複数のカーボンナノチューブは、等方的に配列されているか、所定の方向に沿って配列されているか、または、異なる複数の方向に沿って配列されている。前記カーボンナノチューブフィルムは、押し器具を利用することにより、所定の圧力をかけて前記カーボンナノチューブアレイを押し、該カーボンナノチューブアレイを圧力で倒すことにより形成された、シート状の自立構造を有するものである。前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブの配列方向は、前記押し器具の形状及び前記カーボンナノチューブアレイを押す方向により決められている。
【００３７】
図６を参照すると、単一の前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが配向せずに配置される。該カーボンナノチューブフィルムは、等方的に配列されている複数のカーボンナノチューブを含む。隣接するカーボンナノチューブが分子間力で相互に引き合い、接続する。該カーボンナノチューブ構造体が平面等方性を有する。該カーボンナノチューブフィルムは、平面を有する押し器具を利用して、カーボンナノチューブアレイが成長された基板に垂直な方向に沿って前記カーボンナノチューブアレイを押すことにより形成される。
【００３８】
図７を参照すると、単一の前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが配向して配列される。該カーボンナノチューブフィルムは、同じ方向に沿って配列された複数のカーボンナノチューブを含む。ローラー形状を有する押し器具を利用して、同じ方向に沿って前記カーボンナノチューブアレイを同時に押す場合、基本的に同じ方向に配列されるカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブフィルムが形成される。また、ローラー形状を有する押し器具を利用して、異なる方向に沿って、前記カーボンナノチューブアレイを同時に押す場合、前記異なる方向に沿って、選択的な方向に配列されるカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブフィルムが形成される。
【００３９】
前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブの傾斜の程度は、前記カーボンナノチューブアレイにかけた圧力に関係する。前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブと該カーボンナノチューブフィルムの表面とは、角度αを成し、該角度αは０°以上１５°以下である。好ましくは、前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが該カーボンナノチューブフィルムの表面に平行する。前記圧力が大きくなるほど、前記傾斜の程度が大きくなる。前記カーボンナノチューブフィルムの厚さは、前記カーボンナノチューブアレイの高さ及び該カーボンナノチューブアレイにかけた圧力に関係する。即ち、前記カーボンナノチューブアレイの高さが大きくなるほど、また、該カーボンナノチューブアレイにかけた圧力が小さくなるほど、前記カーボンナノチューブフィルムの厚さが大きくなる。これとは逆に、カーボンナノチューブアレイの高さが小さくなるほど、また、該カーボンナノチューブアレイにかけた圧力が大きくなるほど、前記カーボンナノチューブフィルムの厚さが小さくなる。該カーボンナノチューブフィルムの厚さが１マイクロメートル〜１ミリメートルであることが好ましい。
【００４０】
（四）綿毛構造カーボンナノチューブフィルム
前記カーボンナノチューブ構造体は、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを含む。このカーボンナノチューブフィルムは綿毛構造カーボンナノチューブフィルム（ｆｌｏｃｃｕｌａｔｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｆｉｌｍ）である。図８及び図９を参照すると、単一の前記カーボンナノチューブフィルムにおいて、複数のカーボンナノチューブは、絡み合い、等方的に配列されている。前記カーボンナノチューブ構造体においては、前記複数のカーボンナノチューブが均一に分布されている。複数のカーボンナノチューブは配向せずに配置されている。単一の前記カーボンナノチューブの長さは、１００ｎｍ以上であり、１００ｎｍ〜１０ｃｍであると好ましい。前記カーボンナノチューブ構造体は、自立構造の薄膜の形状に形成されている。ここで、自立構造は、支持体材を利用せず、前記カーボンナノチューブ構造体を独立して利用することができるという形態である。前記複数のカーボンナノチューブは、分子間力で接近して、相互に絡み合って、カーボンナノチューブネット状に形成されている。前記複数のカーボンナノチューブは配向せずに配置されて、多くの微小な穴が形成されている。ここで、単一の前記微小な穴の直径が１０μｍ以下になる。前記カーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブは、相互に絡み合って配置されるので、該カーボンナノチューブ構造体は柔軟性に優れ、任意の形状に湾曲して形成させることができる。用途に応じて、前記カーボンナノチューブ構造体の長さ及び幅を調整することができる。前記カーボンナノチューブ構造体の厚さは、０．５ｎｍ〜１ｍｍである。
【００４１】
前記カーボンナノチューブフィルムの製造方法は、下記のステップを含む。
【００４２】
第一ステップでは、カーボンナノチューブ原料（綿毛構造カーボンナノチューブフィルムの素になるカーボンナノチューブ）を提供する。
【００４３】
ナイフのような工具で前記カーボンナノチューブを前記基材から剥離し、カーボンナノチューブ原料が形成される。前記カーボンナノチューブは、ある程度互いに絡み合っている。前記カーボンナノチューブ原料においては、該カーボンナノチューブの長さは、１０マイクロメートル以上であり、２００マイクロメートル〜９００マイクロメートルであることが好ましい。
【００４４】
第二ステップでは、前記カーボンナノチューブ原料を溶剤に浸漬し、該カーボンナノチューブ原料を処理して、綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体を形成する。
【００４５】
前記カーボンナノチューブ原料を前記溶剤に浸漬した後、超音波式分散、又は高強度攪拌又は振動などの方法により、前記カーボンナノチューブを綿毛構造に形成させる。前記溶剤は水または揮発性有機溶剤である。超音波式分散方法により、カーボンナノチューブを含む溶剤に対して１０〜３０分間処理する。カーボンナノチューブは大きな比表面積を有し、カーボンナノチューブの間に大きな分子間力が生じるので、前記カーボンナノチューブはそれぞれもつれて、綿毛構造に形成されている。
【００４６】
第三ステップでは、前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体を含む溶液をろ過して、最終的な綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体を取り出す。
【００４７】
まず、濾紙が置かれたファネルを提供する。前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体を含む溶剤を濾紙が置かれたファネルにつぎ、しばらく放置して、乾燥させると、綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体が分離される。図１０を参照すると、前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブが互いに絡み合って、不規則的な綿毛構造となる。
【００４８】
分離された前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体を容器に置き、前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体を所定の形状に展開し、展開された前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体に所定の圧力を加え、前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体に残留した溶剤を加熱し、或いは、該溶剤が自然に蒸発すると、図８と図９に示す綿毛構造のカーボンナノチューブフィルムが形成される。
【００４９】
前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体が展開される面積によって、綿毛構造のカーボンナノチューブフィルムの厚さと面密度を制御できる。即ち、一定の体積を有する前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体は、展開される面積が大きくなるほど、綿毛構造のカーボンナノチューブフィルムの厚さと面密度が小さくなる。
【００５０】
また、微多孔膜とエアーポンプファネル（Ａｉｒ−ｐｕｍｐｉｎｇ Ｆｕｎｎｅｌ）を利用して綿毛構造のカーボンナノチューブフィルムが形成される。具体的には、微多孔膜とエアーポンプファネルを提供し、前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体を含む溶剤を、前記微多孔膜を通して前記エアーポンプファネルにつぎ、該エアーポンプファネルに抽気し、乾燥させると、綿毛構造のカーボンナノチューブフィルムが形成される。前記微多孔膜は、平滑な表面を有する。該微多孔膜において、単一の微小孔の直径は、０．２２マイクロメートルにされている。前記微多孔膜は平滑な表面を有するので、前記カーボンナノチューブフィルムは容易に前記微多孔膜から剥落することができる。さらに、前記エアーポンプを利用することにより、前記綿毛構造のカーボンナノチューブフィルムに空気圧をかけるので、均一な綿毛構造のカーボンナノチューブフィルムを形成させることができる。
【００５１】
（五）カーボンナノチューブフィルムセグメント
前記カーボンナノチューブ構造体は、少なくとも一つのカーボンナノチューブフィルムセグメントを含む。前記カーボンナノチューブフィルムセグメントにおける全てのカーボンナノチューブは、相互に平行し、所定の方向に沿って並列されている。前記カーボンナノチューブフィルムセグメントにおいて、少なくとも一本のカーボンナノチューブの長さは、前記カーボンナノチューブフィルムセグメントの全長と同じである。従って、前記カーボンナノチューブフィルムセグメントの一つの寸法は、前記カーボンナノチューブの長さによって制限されている。前記カーボンナノチューブ構造体は、積層された複数の前記カーボンナノチューブフィルムセグメントを含むことができる。この場合、隣接する前記カーボンナノチューブフィルムセグメントは、分子間力で結合されている。前記カーボンナノチューブフィルムセグメントの厚さは、０．５ｎｍ〜１００μｍである。
【００５２】
本実施例において、前記加熱素子１０４は、積層された百枚のカーボンナノチューブフィルムである。隣接するカーボンナノチューブフィルムは分子間力で緊密に接続される。図３と図４を参照すると、各々のカーボンナノチューブフィルム１４３ａは、端と端で接続され、同じ方向に沿って配列されたカーボンナノチューブ１４５を含む。前記加熱素子１０４において、隣接するカーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブの配列された方向が垂直する。前記カーボンナノチューブ構造体自体が接着性を有するので、それ自体の接着性を利用して、前記中空の三次元支持体１０２の外表面を被覆することができる。
【００５３】
前記第一電極１１０及び前記第二電極１１２は、導電材料からなり、前記第一電極１１０及び前記第二電極の形状は制限されず、導電フィルム、導電シート又はリード線であってもよい。前記第一電極１１０及び前記第二電極１１２は、構造と材料が制限されず、電流を前記加熱素子１０４に流すための機能を確保してもよい。極めて小型の立体的な熱源に応用される場合には、前記第一電極１１０及び前記第二電極１１２が導電フィルムであることが好ましく、該導電フィルムの厚さが０．５ナノメートル〜１００マイクロメートルである。該導電フィルムの材料は、金属、合金、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）フィルム、酸化アンチモンスズ（ＡＴＯ）、銀ペースト、導電重合体又はカーボンナノチューブ構造体などである。前記金属は、アルミニウム、銅、タングステン、モリブデン、金、チタン、ネオジム、パラジウム又はセシウムなどである。前記合金は、前記金属の合金である。前記カーボンナノチューブ構造体は、上述の少なくとも一枚の図３又は図５に示すカーボンナノチューブフィルムである。
【００５４】
前記第一電極１１０及び前記第二電極１１２は、間隔を置いて前記加熱素子１０４の同一表面又は異なる表面に設置され、該加熱素子１０４に電気的に接続される。前記第一電極１１０及び前記第二電極１１２は、導電接着剤で前記加熱素子１０４の表面に接着してもよく、前記第一電極１１０及び前記第二電極１１２を前記加熱素子１０４に電気的に接続させると同時に、該加熱素子１０４の表面によく固定させる。前記導電接着剤は、銀ペーストである。
【００５５】
本実施例において、前記第一電極１１０及び前記第二電極１１２は、積層された複数の図３を示すようなカーボンナノチューブフィルムであり、隣接するカーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが同じ方向に沿って、配列されている。前記加熱素子１０４における前記カーボンナノチューブ構造体が接着性を有し、前記第一電極１１０及び前記第二電極１１２におけるカーボンナノチューブフィルムも接着性を有するので、前記第一電極１１０及び前記第二電極１１２は、直接前記加熱素子１０４の外表面に接着されることができる。前記加熱素子１０４のカーボンナノチューブ構造体における少なくとも一部のカーボンナノチューブを、前記第一電極１１０から前記第二電極１１２に向かう方向に沿って配列させ、その端部をそれぞれ、前記第一電極１１０及び前記第二電極１１２に電気的に接続させる。
【００５６】
前記反射層１０８は、前記加熱素子１０４から放出された熱を反射し、該熱を前記中空の三次元支持体１０２の中空の構造に放出させ、加熱効率を高めることに用いられる。前記加熱素子１０４が前記中空の三次元支持体１０２の内表面に設置される場合、前記反射層１０８は、前記中空の三次元支持体１０２と前記加熱素子１０４の間に設置してもよく、前記中空の三次元支持体１０２の外表面に設置してもよい。前記加熱素子１０４が前記中空の三次元支持体１０２の外表面に設置される場合、前記反射層１０８は、前記加熱素子１０４の、前記中空の三次元支持体１０２と対向する面とは反対の表面に設置される。前記反射層１０８は、材料が、例えば、金属酸化物、金属塩及びセラミックスなどの絶縁材料である。
【００５７】
本実施例において、前記加熱素子１０４が前記中空の三次元支持体１０２の外表面に設置されるので、前記反射層１０８は、前記加熱素子１０４の前記中空の三次元支持体１０２と対向する面とは反対の表面に設置される。即ち、前記加熱素子１０４は、前記中空の三次元支持体１０２と前記反射層１０８との間に設置される。前記反射層１０８は、酸化アルミニウム膜であり、その厚さは、１００マイクロメートル〜０．５ミリメートルである。勿論、前記反射層１０８を設置しなくてもよい。これによって、前記中空熱源１００の加熱方向が制限されず、前記中空熱源１００の内表面又は外表面から熱を放出することができる。
【００５８】
図１１を参照すると、前記中空熱源１００は、複数の第一電極１１０及び複数の第二電極１１２を含んでもよい。該複数の第一電極１１０及び複数の第二電極１１２は、間隔を置いて前記加熱素子１０４の、前記中空の三次元支持体１０２と対向する面とは反対の表面に設置され、それぞれ、該加熱素子１０４に電気的に接続される。前記複数の第一電極１１０及び複数の第二電極１１２は、交互に間隔を置いて、設置される。即ち、隣接する二つの前記第一電極１１０の間に前記第二電極１１２が設置され、隣接する二つの前記第二電極１１２の間に前記第一電極１１０が設置される。前記複数の第一電極１１０は、リード線（図に示せず）により電気的に接続され、前記複数の第二電極１１２は、リード線（図に示せず）により電気的に接続され、隣接する二つの前記電極の間の距離が同じで、平行に設置される。
【００５９】
前記加熱素子１０４とするカーボンナノチューブ構造体は、カーボンナノチューブフィルムに制限されず、少なくとも一本のカーボンナノチューブ線状構造を含んでもよい。
【００６０】
前記カーボンナノチューブ線状構造は、少なくとも一本のカーボンナノチューブワイヤを含む。一本の前記カーボンナノチューブワイヤの熱容量は、２×１０−４Ｊ／ｃｍ２・Ｋ以下であり、０（０は含まず）〜５×１０−５Ｊ／ｃｍ２・Ｋであることが好ましい。一本の前記カーボンナノチューブワイヤの直径は４．５ｎｍ〜１ｃｍであり、１μｍ〜１ｃｍであることが好ましい。該カーボンナノチューブ線状構造が二本以上のカーボンナノチューブワイヤを含む場合、各々のカーボンナノチューブワイヤが平行に配列され、非ねじれ状のカーボンナノチューブ線状構造を形成する（図１２を参照）又は各々のカーボンナノチューブワイヤが、螺旋状に配列され、ねじれ状のカーボンナノチューブ線状構造を形成する（図１３を参照）。即ち、図１２を参照すると、前記非ねじれ状のカーボンナノチューブ線状構造１６０におけるカーボンナノチューブワイヤ１６１は、前記カーボンナノチューブ線状構造１６０の長手方向に沿って、配列される。図１３を参照すると、前記ねじれ状のカーボンナノチューブ線状構造１７０におけるカーボンナノチューブワイヤ１７１は、前記線状構造１７０の軸に沿って、螺旋状に配列される。
【００６１】
前記非ねじれ状のカーボンナノチューブ線状構造１６０におけるカーボンナノチューブワイヤ１６１及び、前記ねじれ状のカーボンナノチューブ線状構造１７０におけるカーボンナノチューブワイヤ１７１は、それぞれ非ねじれ状のカーボンナノチューブワイヤ（図１４を参照）又はねじれ状のカーボンナノチューブワイヤ（図１５を参照）である。
【００６２】
前記カーボンナノチューブ線状構造の直径は、２０マイクロメートル〜２ミリメートルであり、該直径の大きさが前記カーボンナノチューブワイヤの数量及びその直径に関係がある。前記カーボンナノチューブワイヤの直径が大きいほど、数量が多いほど、前記カーボンナノチューブ線状構造の直径が大きくなる。これとは逆に、前記カーボンナノチューブワイヤの直径が小さいほど、数量が少ないほど、前記カーボンナノチューブ線状構造の直径が小さくなる。
【００６３】
図１４を参照すると、前記非ねじれ状のカーボンナノチューブワイヤは、カーボンナノチューブアレイから引き出されたカーボンナノチューブフィルムを有機溶剤で処理して、得られたものである。該非ねじれ状のカーボンナノチューブワイヤは、その長手方向に沿って、配列し、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。この場合、一本のカーボンナノチューブワイヤ（非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤ）は、端と端とが接続された複数のカーボンナノチューブセグメント（図示せず）を含む。前記カーボンナノチューブセグメントは、同じ長さ及び幅を有する。さらに、各々の前記カーボンナノチューブセグメントに、同じ長さの複数のカーボンナノチューブが平行に配列されている。前記複数のカーボンナノチューブはカーボンナノチューブワイヤの中心軸に平行に配列されている。この場合、一本の前記非ねじれ状のカーボンナノチューブワイヤの直径は、０．５ｎｍ〜１００μｍである。図１５を参照すると、前記非ねじれ状のカーボンナノチューブワイヤをねじり、ねじれ状カーボンナノチューブワイヤを形成することができる。ここで、前記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ワイヤの中心軸を軸に、螺旋状に配列されている。この場合、一本の前記カーボンナノチューブワイヤの直径は、０．５ｎｍ〜１００μｍである。
【００６４】
前記カーボンナノチューブワイヤにおけるカーボンナノチューブが配向して配列されるので、該カーボンナノチューブワイヤからなるカーボンナノチューブ線状構造におけるカーボンナノチューブが配向して配列される。
【００６５】
また、前記ねじれ状のカーボンナノチューブワイヤを揮発性有機溶剤で処理してもよい。前記揮発性有機溶剤の表面力の作用で前記ねじれ状のカーボンナノチューブワイヤにおける隣接するカーボンナノチューブが分子間力で緊密に接続されるので、該ねじれ状のカーボンナノチューブワイヤは、直径及び比表面積が小さくなり、大きな密度、優れた機械強度及び優れた強靭性を有する。
【００６６】
前記カーボンナノチューブ構造体が、一つの前記カーボンナノチューブ線状構造を含む場合、該カーボンナノチューブ線状構造におけるカーボンナノチューブの両端は、それぞれ、前記第一電極１１０及び前記第二電極１１２に電気的に接続される。前記カーボンナノチューブ構造体が、複数のカーボンナノチューブ線状構造を含む場合、該複数のカーボンナノチューブ線状構造が平行に配列され、又は交差して配列される。前記平行に配列された隣接するカーボンナノチューブ線状構造の間の距離は、０マイクロメートル〜３０マイクロメートルである。前記交差して配列されたカーボンナノチューブ線状構造の交差する角度は、制限されない。前記各々のカーボンナノチューブ線状構造の設置する方式が制限されず、均一な加熱素子１０４を形成することができることを確保してもよい。
【００６７】
図１６を参照すると、前記加熱素子１０４が一本のカーボンナノチューブ線状構造を含み、該カーボンナノチューブ線状構造が前記中空の三次元支持体１０２の外表面に巻き付けられ、該カーボンナノチューブ線状構造の両端がそれぞれ、前記第一電極１１０及び前記第二電極１１２に電気的に接続される。前記カーボンナノチューブ線状構造は、非ねじれ状のカーボンナノチューブ線状構造（図１２を参照）であり、又はねじれ状のカーボンナノチューブ線状構造（図１３を参照）である。また、前記カーボンナノチューブ線状構造は、一本のカーボンナノチューブワイヤだけを含んでもよい。
【００６８】
図１７を参照すると、前記加熱素子１０４が複数のカーボンナノチューブ線状構造を含み、該複数のカーボンナノチューブ線状構造は交差して配列されている。例えば、一部の前記複数のカーボンナノチューブ線状構造は平行に配列され、前記第一電極１１０及び前記第二電極１１２に電気的に接続され、他の一部の前記複数のカーボンナノチューブ線状構造は、前記第一電極１１０及び前記第二電極１１２に電気的に接続された前記カーボンナノチューブ線状構造に、垂直に配列される。前記カーボンナノチューブ線状構造は、非ねじれ状のカーボンナノチューブ線状構造（図１２を参照）であり、又はねじれ状のカーボンナノチューブ線状構造（図１３を参照）である。
【００６９】
前記カーボンナノチューブ構造体が、カーボンナノチューブフィルムとカーボンナノチューブ線状構造との複合構造であってもよい。前記カーボンナノチューブ線状構造が前記カーボンナノチューブフィルムに設置され、加熱素子１０４を形成する。
【００７０】
また、前記第一電極１１０及び第二電極１１２は、前記カーボンナノチューブ線状構造であってもよい。
【００７１】
本実施例は、前記中空熱源１００を利用し、加熱対象を加熱する方法を提供する。
【００７２】
まず、加熱対象を提供する。
【００７３】
次に、前記加熱対象を前記中空熱源１００の中空の構造の内部に置く。
【００７４】
前記中空熱源１００の第一電極１１０及び第二電極１１２を電圧が１０ボルト〜２０ボルトである電源（図示せず）に電気的に接続すると、該中空熱源１００は、波長が長い電磁波を放出することができる。温度測量器具で測ると、前記中空熱源１００における加熱素子１４０の表面温度が５０℃〜５００℃に上昇し、前記加熱対象を加熱することが分かる。これによって、前記カーボンナノチューブ構造体は、電気エネルギーを熱エネルギーに転換する効率が高いことが分かる。前記加熱素子１０４の表面の熱が熱輻射で前記加熱対象に伝わるので、該加熱対象を均一的に加熱することができる。
【００７５】
前記加熱対象が、前記中空熱源１００に直接接触し、又は、前記中空熱源１００と所定の距離を置いて設置されてもよい。前記カーボンナノチューブ構造体から放出された電磁波を利用して、前記加熱対象を加熱する。前記加熱素子１０４の寸法及び該加熱素子１０４に印加された電圧を制御することにより、前記加熱素子１０４から放出された熱を制御することができる。前記電圧が一定である場合、前記加熱素子１０４の厚さを変換させることにより、前記加熱素子１０４から放出した電磁波の波長を調整することができる。即ち、前記加熱素子１０４が厚くなるほど、前記加熱素子１０４から放出した電磁波の波長は短くなる。前記加熱素子１０４の厚さが一定である場合、前記加熱素子１０４に印加された電圧が大きくなるほど、記加熱素子１０４から放出した電磁波の波長は短くなる。従って、前記中空熱源１０を簡単に制御することができる。
【００７６】
（実施例２）
図１８、図１９及び図２０を参照すると、本実施例は、中空熱源２００を提供する。本実施例の中空熱源２００は、加熱素子２０４、反射層２０８、二つの第一電極２１０及び二つの第二電極２１２を含む。前記加熱素子２０４は、中空の直方体に形成されるカーボンナノチューブ構造体であり、該カーボンナノチューブ構造体が上述のカーボンナノチューブ構造体のいずれかの一種である。前記二つの第一電極２１０及び前記二つの第二電極２１２は、それぞれ、前記中空の直方体の中空の構造の各々の側面が接合する位置に設置され、前記加熱素子２０４に電気的に接続される。前記第一電極２１０及び前記第二電極２１２は、前記加熱素子２０４を支持する役割を果たす。前記反射層２０８は、前記加熱素子２０４の、前記第一電極２１０及び前記第二電極２１２と対向する面とは反対の表面に設置される。
【００７７】
前記中空熱源２００において、前記第一電極２１０及び前記第二電極２１２の数量は制限されず、該第一電極２１０及び該第二電極２１２を所定の形状に並べて、上述のカーボンナノチューブ構造体を前記所定の形状に並べられた前記第一電極２１０及び前記第二電極２１２に巻き付け、中空の加熱素子２０４を形成しさえすればよい。前記第一電極２１０及び前記第二電極２１２は、電流を前記カーボンナノチューブ構造体に流すと同時に、該カーボンナノチューブ構造体を支持するために用いられる。
【００７８】
（実施例３）
図２１と図２２を参照すると、本実施例は、中空熱源３００を提供する。本実施例の中空熱源３００は、中空の三次元支持体３０２、加熱素子３０４、第一電極３１０、第二電極３１２、反射層３０８及び保護層３０９を含む。前記反射層３０８は、前記中空の三次元支持体３０２の内表面に設置される。前記加熱素子３０４は、前記反射層３０８の、前記中空の三次元支持体３０２と対向する面とは反対の表面に設置される。前記保護層３０９は、前記加熱素子３０４の、前記反射層３０８と対向する面とは反対の表面に設置される。前記第一電極３１０及び前記第二電極３１２は、それぞれ、前記加熱素子３０４と前記反射層３０８との間に設置され、該加熱素子３０４に電気的に接続され、該加熱素子３０４を電源に電気的に接続させる。
【００７９】
本実施例において、前記中空の三次元支持体３０２は、中空の半楕円球体であり、該中空の半楕円球体が中空の構造を有する。前記反射層３０８は、前記中空の半楕円球体の、その中空の構造に面した表面に設置される。前記加熱素子３０４は、上述のカーボンナノチューブ構造体のいずれかの一種であり、前記反射層３０８の、前記中空の半楕円球体と対向する面とは反対の表面を覆う。前記第一電極３１０は、前記加熱素子３０４の底部の、前記反射層３０８と接触する表面に設置され、該加熱素子３０４に電気的に接続される。前記第二電極３１２は、環状であり、前記加熱素子３０４の開口部の、前記反射層３０８と接触する表面に設置され、該加熱素子３０４に電気的に接続される。前記保護層３０９は、塗布又はスパッタリンク法を利用し、前記加熱素子３０４の、前記反射層３０８と対向する面とは反対の表面に形成される。前記保護層の材料は、例えば、プラスチック、ゴム及び樹脂などの絶縁材料である。前記保護層の厚さが制限されず、実際の応用に応じて選択することができ、該保護層の厚さが０．５ミリメートル〜２ミリメートルであることが好ましい。前記保護層は、前記中空熱源３００を絶縁状態で使用させ、ほこりが前記加熱素子３０４に付着することを防止し、該加熱素子３０４を保護することに用いられる。前記中空の三次元支持体３０２は、加熱対象を収容する空間を有し、該加熱対象を加熱することが可能であればいずれの形状でもよい。
【００８０】
前記中空熱源において、加熱素子が少なくとも、一本のカーボンナノチューブ線状構造を含む中空の三次元構造であり、該カーボンナノチューブ線状構造が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が均一的に配列され、該加熱素子が均一な厚さ及び抵抗を有するので、該加熱素子は、均一的に熱を放出することができ、電気エネルギーを熱エネルギーに転換する効率が高く、前記カーボンナノチューブ構造体の単位面積の熱容量は、２×１０−４Ｊ／ｍ２Ｋ以下である。従って、前記中空熱源は、昇温速度が速く、熱応答速度が速く、熱交換速度が速い。
【００８１】
前記加熱素子おけるカーボンナノチューブは、優れた力学性能、優れた靭性及び優れた機械強度を有するので、該中空熱源は、優れた力学性能、優れた靭性と機械強度を有し、使用寿命が長くなる。更に、前記加熱素子を利用して、柔軟性の中空熱源を製造することができる。
【００８２】
前記加熱素子おけるカーボンナノチューブの直径が小さいので、該加熱素子は、厚さが小さい。従って、極めて小型の中空熱源を製造することができ、該小型の中空熱源を利用して、小型の加熱対象となる素子を加熱することができる。
【００８３】
本発明の実施例は、前記中空熱源の製造方法を提供する。具体的には、下記のステップを含む。
【００８４】
第一ステップでは、中空の三次元支持体を提供し、該中空の三次元支持体が中空の構造を有する。
【００８５】
前記中空の三次元支持体の形状が制限されず、前記中空の三次元支持体は、中空の構造を有し、即ち、加熱対象を収容する空間を有し、該加熱対象を加熱することが可能であればいずれの形状でもよい。
【００８６】
第二ステップでは、カーボンナノチューブ構造体を提供し、該カーボンナノチューブ構造体を前記中空の三次元支持体の表面に設置し、加熱素子とする。
【００８７】
カーボンナノチューブ構造体の構造及びその製造方法は、上述のカーボンナノチューブ構造体の構造及びその製造方法と同様である。該カーボンナノチューブ構造体は、前記中空の三次元支持体の内表面又は外表面に設置してもよい。
【００８８】
第三ステップでは、第一電極及び第二電極を提供し、該第一電極及び第二電極を、前記加熱素子に電気的に接続させ、中空熱源を形成する。
【００８９】
前記第一電極及び前記第二電極は、前記加熱素子に電気的に接続する方法は、制限されず、リード線により前記加熱素子に電気的に接続してもよく、又は、前記加熱素子の表面に直接設置してもよい。前記第一電極及び前記第二電極は、前記加熱素子の同一表面又は異なる表面に設置してもよい。前記第一電極及び前記第二電極は、所定の距離を置いて設置され、該第一電極と該第二電極と間に所定の抵抗を生じ、該第一電極及び該第二電極のショートを防止することができる。前記加熱素子自体が優れた接着性を有するので、該接着性を利用して、前記第一電極及び前記第二電極を前記加熱素子の表面に接着することができる。また、例えば銀ペーストなどの導電接着剤を利用して、前記第一電極及び前記第二電極を前記加熱素子の表面に接着してもよい。前記第一電極及び前記第二電極は、上述の少なくとも、一枚のカーボンナノチューブフィルム又は、少なくとも、一つのカーボンナノチューブ線状構造であってもよい。
【００９０】
また、前記加熱素子が空気雰囲気下に置かれる場合、該加熱素子を覆うように保護層を形成する。該保護層の材料は、例えば、プラスチック、ゴム及び樹脂などの絶縁材料である。前記保護層の厚さが制限されず、実際の応用に応じて選択することができる。前記保護層は、前記中空熱源を絶縁状態で使用させ、ほこりが前記加熱素子に付着することを防止でき、該加熱素子を保護することに用いられる。
【符号の説明】
【００９１】
１００、２００、３００ 中空熱源
１１０、２１０、３１０ 第一電極
１１２、２１２、３１２ 第二電極
１０４、２０４、３０４ 加熱素子
１０８、２０８、３０８ 反射層
１０２、２０２、３０２ 中空の三次元支持体
３０９ 保護層
１４３ａ カーボンナノチューブフィルム
１４３ｂ カーボンナノチューブセグメント
１４５ カーボンナノチューブ
１６０ 非ねじれ状のカーボンナノチューブ線状構造
１７０ ねじれ状のカーボンナノチューブ線状構造
１６１、１７１ カーボンナノチューブワイヤ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中空熱源に関し、特にカーボンナノチューブを利用した中空熱源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱源は、人々の生活及び科学の研究などの分野において重要な役割を果たす。例えば、電気加熱器、電気ストーブ及び赤外線治療器などに応用される。立体的な熱源は、熱源の一種であり、加熱対象の各々の部分を同時に加熱することができ、加熱する面積が大きく、加熱の均一性がよく、効率が高い。
【０００３】
従来技術として、立体的な熱源は、加熱素子及び少なくとも、二つの電極を含む。該少なくとも、二つの電極は、前記加熱素子の表面に設置され、該加熱素子に電気的に接続される。前記少なくとも二つの電極によって前記加熱素子に電流を流す場合、熱が該加熱素子から放出される。従来の立体的な熱源は、金属のフィラメントを加熱素子として、電気エネルギーを熱エネルギーに転換するものである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】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】
【０００５】
しかし、前記金属のフィラメントは、強度が低く、折れやすい。特に前記金属のフィラメントを所定の角度に曲げる場合には、該金属のフィラメントがより折れやすく、寿命が短いという欠点がある。また、前記金属のフィラメントから放出された熱は、標準的な波長で外部に放射されるので、電気エネルギーを熱エネルギーに転換する効率が低く、エネルギーが浪費されるという欠点がある。該金属のフィラメントは、密度及び重量が大きいので、その利用が不便である。
【０００６】
従って、本発明は、電気エネルギーを熱エネルギーに転換する効率が高く、寿命が長い中空熱源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】
【０００７】
本発明の中空熱源は、加熱素子と、前記加熱素子と電気的に接続された少なくとも二つの電極と、を含む三次元構造である。前記加熱素子は、層状のカーボンナノチューブ構造体を含み、中空の三次元構造をなしており、前記カーボンナノチューブ構造体は、自立構造であり、且つ複数のカーボンナノチューブを含む。
【０００８】
中空の三次元支持体をさらに含み、前記加熱素子が前記中空の三次元支持体の表面に設置されている。
【０００９】
前記カーボンナノチューブ構造体は、一本のカーボンナノチューブ線状構造であり、該カーボンナノチューブ線状構造が前記中空の三次元支持体の表面に巻き付けられている。
【００１０】
前記カーボンナノチューブ構造体は、複数のカーボンナノチューブ線状構造からなり、該複数のカーボンナノチューブ線状構造が平行し、又は交差して、前記中空の三次元支持体の表面に設置されている
【００１１】
前記カーボンナノチューブ線状構造が、少なくとも一本のカーボンナノチューブワイヤを含み、単一の前記カーボンナノチューブワイヤが複数のカーボンナノチューブを含む。
【００１２】
前記カーボンナノチューブ線状構造が、二本以上のカーボンナノチューブワイヤを含み、非ねじれ状のカーボンナノチューブ線状構造又はねじれ状のカーボンナノチューブ線状構造である。
【００１３】
反射層をさらに含み、前記加熱素子が前記中空の三次元支持体の外表面に設置され、前記反射層が、前記加熱素子の、前記中空の三次元支持体と対向する面とは反対の表面に設置されている。
【００１４】
反射層をさらに含み、前記加熱素子が前記中空の三次元支持体の内表面に設置され、前記反射層が、前記加熱素子と前記中空の三次元支持体との間に設置されているか、又は、前記中空の三次元支持体の、前記加熱素子と対向する面とは反対の表面に設置されている。
【発明の効果】
【００１５】
従来の中空熱源と比べると、本発明の中空熱源において、加熱素子が少なくとも一本のカーボンナノチューブ線状構造を含む中空の三次元構造であり、該カーボンナノチューブ線状構造が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が均一的に配列され、該加熱素子が均一な厚さ及び抵抗を有するので、該加熱素子は、均一的に熱を放出することができ、電気エネルギーを熱エネルギーに転換する効率が高く、前記カーボンナノチューブ構造体の単位面積の熱容量は、２×１０−４Ｊ／ｍ２Ｋ以下である。従って、前記中空熱源は、昇温速度が速く、熱応答速度が速く、熱交換速度が速い。
【００１６】
前記加熱素子おけるカーボンナノチューブは、優れた力学性能、優れた靭性及び優れた機械強度を有するので、前記中空熱源は、優れた力学性能、優れた靭性と機械強度を有し、使用寿命が長くなる。更に、前記加熱素子を利用して、柔軟性の中空熱源を製造することができる。前記加熱素子おけるカーボンナノチューブの直径が小さいので、該加熱素子は、厚さが小さい。従って、極めて小型の中空熱源を製造することができ、該小型の中空熱源を利用して、小型の加熱対象となる素子を加熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施例１に係る中空熱源の構造を示す図である。
【図２】本発明の実施例１に係る中空熱源を図１に示すＩＩ−ＩＩ線に沿って切る断面図である。
【図３】本発明の実施例に係る中空熱源における、端と端が接続されたカーボンナノチューブからなるカーボンナノチューブフィルムのＳＥＭ写真である。
【図４】カーボンナノチューブセグメントの構造を示す図である。
【図５】本発明の実施例に係る中空熱源における、カーボンナノチューブが、長さが基本的に同じで、平行に配列されたカーボンナノチューブフィルムのＳＥＭ写真である。
【図６】本発明の実施例に係る中空熱源における、カーボンナノチューブが等方的に配列されたカーボンナノチューブフィルムのＳＥＭ写真である。
【図７】本発明の実施例に係る中空熱源における、カーボンナノチューブが同じ方向に沿って配列されたカーボンナノチューブフィルムのＳＥＭ写真である。
【図８】本発明の実施例に係る中空熱源における、綿毛構造のカーボンナノチューブフィルムの写真である。
【図９】本発明の実施例に係る中空熱源における、綿毛構造のカーボンナノチューブフィルムのＳＥＭ写真である。
【図１０】ろ過された綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体の写真である。
【図１１】本発明の実施例１に係る複数の電極を含む中空熱源の構造を示す図である。
【図１２】本発明の実施例に係る中空熱源における、非ねじれ状のカーボンナノチューブ線状構造のＳＥＭ写真である。
【図１３】本発明の実施例に係る中空熱源における、ねじれ状のカーボンナノチューブ線状構造のＳＥＭ写真である。
【図１４】本発明の実施例に係る非ねじれ状ワイヤ構造のカーボンナノチューブのＳＥＭ写真である。
【図１５】本発明の実施例に係るねじれ状ワイヤ構造のカーボンナノチューブのＳＥＭ写真である。
【図１６】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を含む中空熱源の構造を示す図である。
【図１７】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を含む中空熱源の構造を示す図である。
【図１８】本発明の実施例２に係る中空熱源の構造を示す図である。
【図１９】本発明の実施例２に係る中空熱源を図１８に示すＸＩＸ−ＸＩＸ線に沿って切る断面図である。
【図２０】本発明の実施例２に係る中空熱源を図１８に示すＸＸ−ＸＸ線に沿って切る断面図である。
【図２１】本発明の実施例３に係る中空熱源の構造を示す図である。
【図２２】本発明の実施例３に係る中空熱源を図２１に示すＸＸＩＩ−ＸＸＩＩ線に沿って切る断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
【００１９】
（実施例１）
図１と図２を参照すると、本発明の実施例１は、中空熱源１００を提供する。該中空熱源１００は、中空の三次元支持体１０２、加熱素子１０４、第一電極１１０、第二電極１１２及び反射層１０８を含む。前記加熱素子１０４は、前記中空の三次元支持体１０２の外表面に設置される。前記第一電極１１０及び前記第二電極１１２は、それぞれ、前記加熱素子１０４に電気的に接続され、該加熱素子１０４を電源に電気的に接続させることに用いられる。前記反射層１０８は、前記加熱素子１０４の、前記中空の三次元支持体１０２と対向する面とは反対の表面に設置される。
【００２０】
前記中空の三次元支持体１０２は、前記加熱素子１０４を支持し、該加熱素子１０４を中空の立体構造体に形成することに用いられる。前記中空の三次元支持体１０２の材料は、例えば、セラミックス、ガラス、樹脂、石英などの硬性材料であってもよく、プラスチック及び柔らかい繊維などの柔軟性の材料であってもよい。前記中空の三次元支持体１０２は、柔軟性の材料を採用する場合、実際の応用に応じて、任意の形状に湾曲させることができる。
【００２１】
本実施例において、前記中空の三次元支持体１０２は、硬性材料からなる。該中空の三次元支持体１０２は、中空の構造を有する。該中空の構造は、加熱対象の形状によって、変えることができる。前記中空の三次元支持体１０２の形状は、管形状、球形状又は直方体形状などである。本実施例において、前記中空の三次元支持体１０２は、断面の形状が環状である中空のセラミックス管である。
【００２２】
前記加熱素子１０４は、前記中空の三次元支持体１０２の内表面又は外表面に設置される。前記中空の三次元支持体１０２の内表面とは、該中空の三次元支持体１０２の、その中空の構造に面した表面である。前記中空の三次元支持体１０２の外表面とは、該中空の三次元支持体１０２の、その中空の構造に面した表面と対向する反対の表面である。本実施例において、該加熱素子１０４は、前記中空の三次元支持体１０２の外表面に設置される。前記加熱素子１０４は、カーボンナノチューブ構造体を含み、該カーボンナノチューブ構造体自体が接着性を有するので、それ自体の接着性を利用して、前記中空の三次元支持体１０２の外表面に接着することができる。前記カーボンナノチューブ構造体は、接着剤を利用し、前記中空の三次元支持体１０２の表面に接着することもできる。前記カーボンナノチューブ構造体は、長さ、幅及び厚さが制限されない。前記加熱素子１０４が自立構造である場合、前記中空の三次元支持体１０２がなくてもよい。
【００２３】
前記カーボンナノチューブ構造体は、自立構造であってもよい。自立構造とは、支持体を利用せず、前記カーボンナノチューブ構造体を独立的に利用するというものである。前記自立構造のカーボンナノチューブ構造体は、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分子間力で接続される。前記カーボンナノチューブ構造体に、前記複数のカーボンナノチューブが配向し又は配向せずに配置されている。前記複数のカーボンナノチューブの配列方式により、前記カーボンナノチューブ構造体は非配向型のカーボンナノチューブ構造体及び配向型のカーボンナノチューブ構造体の二種に分類される。
【００２４】
本実施例における非配向型のカーボンナノチューブ構造体では、カーボンナノチューブが異なる方向に沿って配置され、又は絡み合っている。配向型のカーボンナノチューブ構造体では、前記複数のカーボンナノチューブが同じ方向に沿って配列している。又は、配向型のカーボンナノチューブ構造体において、配向型のカーボンナノチューブ構造体が二つ以上の領域に分割される場合、各々の領域における複数のカーボンナノチューブが同じ方向に沿って配列されている。この場合、異なる領域におけるカーボンナノチューブの配列方向は異なる。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及び多層カーボンナノチューブの中の一種又はこれらの組み合わせである。前記カーボンナノチューブが単層カーボンナノチューブである場合、直径は０．５ｎｍ〜５０ｎｍに設定され、前記カーボンナノチューブが二層カーボンナノチューブである場合、直径は１ｎｍ〜５０ｎｍに設定され、前記カーボンナノチューブが多層カーボンナノチューブである場合、直径は１．５ｎｍ〜５０ｎｍに設定される。
【００２５】
前記カーボンナノチューブ構造体の熱応答速度は、該カーボンナノチューブ構造体の厚さと関係がある。前記カーボンナノチューブ構造体は、同じ表面積を有する場合、その厚さが厚ければ、熱応答速度が遅くなり、その厚さが薄ければ、熱応答速度が速くなる。前記カーボンナノチューブ構造体の純度が高く、該カーボンナノチューブ構造体は大きな比表面積（例えば、１００ｍ２／ｇ以上）を有する。該カーボンナノチューブ構造体の単位面積当たりの熱容量は、０（０は含まず）〜２×１０−４Ｊ／ｃｍ２・Ｋであるが、好ましくは、０（０は含まず）〜１．７×１０−６Ｊ／ｃｍ２・Ｋであり、本実施例では、１．７×１０−６Ｊ／ｃｍ２・Ｋである。前記カーボンナノチューブ構造体の熱容量が非常に低い場合、前記加熱素子１０４を速やかに加熱させることができる。前記カーボンナノチューブ構造体の密度が低く、１．３５ｇ／ｃｍ３程度に達するので、前記カーボンナノチューブ構造体の光透過性が高い。
【００２６】
本発明のカーボンナノチューブ構造体としては、以下の（一）〜（五）のものが挙げられる。
（一）ドローン構造カーボンナノチューブフィルム
前記カーボンナノチューブ構造体は、図３に示す、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルム１４３ａを含む。このカーボンナノチューブフィルムはドローン構造カーボンナノチューブフィルム（ｄｒａｗｎ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｆｉｌｍ）である。前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａ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１を参照）から引き出して得られたものである。単一の前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａにおいて、複数のカーボンナノチューブが同じ方向に沿って、端と端が接続されている。即ち、単一の前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａは、分子間力で長さ方向端部同士が接続された複数のカーボンナノチューブを含む。図４を参照すると、単一の前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａは、複数のカーボンナノチューブセグメント１４３ｂを含む。前記複数のカーボンナノチューブセグメント１４３ｂは、長さ方向に沿って分子間力で端と端が接続されている。それぞれのカーボンナノチューブセグメント１４３ｂは、相互に平行に、分子間力で結合された複数のカーボンナノチューブ１４５を含む。単一の前記カーボンナノチューブセグメント１４３ｂにおいて、前記複数のカーボンナノチューブ１４５の長さが同じである。前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａを有機溶剤に浸漬させることにより、前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａの強靭性及び機械強度を高めることができる。前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａの幅は１００μｍ〜１０ｃｍに設けられ、厚さは０．５ｎｍ〜１００μｍに設けられる。前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａの厚さが１０μｍ以下である場合、該カーボンナノチューブフィルム１４３ａの透光率が９０％以上程度に達するため、透明熱源に用いられることも可能である。
【００２７】
前記カーボンナノチューブ構造体は、積層された複数の前記カーボンナノチューブフィルムを含むことができる。この場合、隣接する前記カーボンナノチューブフィルムは、分子間力で結合されている。隣接する前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは、それぞれ０°〜９０°の角度で交差している。隣接する前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが０°以上の角度で交差する場合、前記カーボンナノチューブ構造体に複数の微孔が形成される。又は、前記複数のカーボンナノチューブフィルムは、隙間なく同一面に並列されることもできる。
【００２８】
前記カーボンナノチューブフィルムの製造方法は次のステップを含む。
【００２９】
第一ステップでは、カーボンナノチューブアレイを提供する。該カーボンナノチューブアレイは、超配列カーボンナノチューブアレイであり、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１）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、基材に垂直するよう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。
【００３０】
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。
【００３１】
前記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されてもよい。
【００３２】
第二ステップでは、前記カーボンナノチューブアレイから、少なくとも、一枚のカーボンナノチューブフィルムを引き伸ばす。まず、ピンセットなどの工具を利用して複数のカーボンナノチューブの端部を持つ。例えば、一定の幅を有するテープを利用して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セグメントからなる連続のカーボンナノチューブフィルムを形成する。
【００３３】
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がそれぞれ前記基材から脱離すると、分子間力で前記カーボンナノチューブセグメントが端と端で接合され、連続するカーボンナノチューブフィルムが形成される。
【００３４】
（二）超長構造カーボンナノチューブフィルム
前記カーボンナノチューブ構造体は、図５に示す、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを含む。このカーボンナノチューブフィルムは超長構造カーボンナノチューブフィルム（ｕｌｔｒａ−ｌｏｎｇ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｆｉｌｍ）である。単一の前記カーボンナノチューブフィルムは、ほぼ同じ長さを有する複数のカーボンナノチューブを含む。単一の前記カーボンナノチューブフィルムにおいて、前記複数のカーボンナノチューブは、同じ方向に沿って、均一に並列されている。単一の前記カーボンナノチューブフィルムの厚さは、１０ｎｍ〜１００μｍである。前記複数のカーボンナノチューブは、それぞれ前記複数のカーボンナノチューブフィルムの表面に平行に配列されている。隣接する前記カーボンナノチューブは所定の距離で分離して設置される。前記距離は０μｍ〜５μｍである。前記距離が０μｍである場合、隣接する前記カーボンナノチューブは分子間力で接続されている。前記カーボンナノチューブフィルムにおける各々の前記カーボンナノチューブの長さは、前記カーボンナノチューブフィルムの長さと同じである。単一の前記カーボンナノチューブの長さは、１ｃｍ以上であり、１ｃｍ〜３０ｃｍであることが好ましい。即ち、カーボンナノチューブの長さが超長である。さらに、各々の前記カーボンナノチューブ１４５に結節がない。本実施形態において、前記カーボンナノチューブフィルムの厚さは１０μｍである。単一の前記カーボンナノチューブ１４５の長さは１０ｃｍである。
【００３５】
前記カーボンナノチューブ構造体が、一枚の前記カーボンナノチューブフィルムのみを含む場合、該カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブの両端は、それぞれ、前記第一電極及び前記第二電極に電気的に接続される。前記カーボンナノチューブ構造体が、少なくとも二枚の積層された複数のカーボンナノチューブフィルムを含む場合、隣接するカーボンナノチューブフィルム間におけるカーボンナノチューブ同士の成す角度αは、０°〜９０°である。少なくとも一枚の前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブの両端は、それぞれ、前記第一電極及び前記第二電極に電気的に接続される。
【００３６】
（三）プレッシド構造カーボンナノチューブフィルム
前記カーボンナノチューブ構造体は、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを含む。このカーボンナノチューブフィルムは、プレッシド構造カーボンナノチューブフィルム（ｐｒｅｓｓｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｆｉｌｍ）である。前記カーボンナノチューブフィルムは、図６又は図７に示される。単一の前記カーボンナノチューブフィルムにおける複数のカーボンナノチューブは、等方的に配列されているか、所定の方向に沿って配列されているか、または、異なる複数の方向に沿って配列されている。前記カーボンナノチューブフィルムは、押し器具を利用することにより、所定の圧力をかけて前記カーボンナノチューブアレイを押し、該カーボンナノチューブアレイを圧力で倒すことにより形成された、シート状の自立構造を有するものである。前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブの配列方向は、前記押し器具の形状及び前記カーボンナノチューブアレイを押す方向により決められている。
【００３７】
図６を参照すると、単一の前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが配向せずに配置される。該カーボンナノチューブフィルムは、等方的に配列されている複数のカーボンナノチューブを含む。隣接するカーボンナノチューブが分子間力で相互に引き合い、接続する。該カーボンナノチューブ構造体が平面等方性を有する。該カーボンナノチューブフィルムは、平面を有する押し器具を利用して、カーボンナノチューブアレイが成長された基板に垂直な方向に沿って前記カーボンナノチューブアレイを押すことにより形成される。
【００３８】
図７を参照すると、単一の前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが配向して配列される。該カーボンナノチューブフィルムは、同じ方向に沿って配列された複数のカーボンナノチューブを含む。ローラー形状を有する押し器具を利用して、同じ方向に沿って前記カーボンナノチューブアレイを同時に押す場合、基本的に同じ方向に配列されるカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブフィルムが形成される。また、ローラー形状を有する押し器具を利用して、異なる方向に沿って、前記カーボンナノチューブアレイを同時に押す場合、前記異なる方向に沿って、選択的な方向に配列されるカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブフィルムが形成される。
【００３９】
前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブの傾斜の程度は、前記カーボンナノチューブアレイにかけた圧力に関係する。前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブと該カーボンナノチューブフィルムの表面とは、角度αを成し、該角度αは０°以上１５°以下である。好ましくは、前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが該カーボンナノチューブフィルムの表面に平行する。前記圧力が大きくなるほど、前記傾斜の程度が大きくなる。前記カーボンナノチューブフィルムの厚さは、前記カーボンナノチューブアレイの高さ及び該カーボンナノチューブアレイにかけた圧力に関係する。即ち、前記カーボンナノチューブアレイの高さが大きくなるほど、また、該カーボンナノチューブアレイにかけた圧力が小さくなるほど、前記カーボンナノチューブフィルムの厚さが大きくなる。これとは逆に、カーボンナノチューブアレイの高さが小さくなるほど、また、該カーボンナノチューブアレイにかけた圧力が大きくなるほど、前記カーボンナノチューブフィルムの厚さが小さくなる。該カーボンナノチューブフィルムの厚さが１マイクロメートル〜１ミリメートルであることが好ましい。
【００４０】
（四）綿毛構造カーボンナノチューブフィルム
前記カーボンナノチューブ構造体は、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを含む。このカーボンナノチューブフィルムは綿毛構造カーボンナノチューブフィルム（ｆｌｏｃｃｕｌａｔｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｆｉｌｍ）である。図８及び図９を参照すると、単一の前記カーボンナノチューブフィルムにおいて、複数のカーボンナノチューブは、絡み合い、等方的に配列されている。前記カーボンナノチューブ構造体においては、前記複数のカーボンナノチューブが均一に分布されている。複数のカーボンナノチューブは配向せずに配置されている。単一の前記カーボンナノチューブの長さは、１００ｎｍ以上であり、１００ｎｍ〜１０ｃｍであると好ましい。前記カーボンナノチューブ構造体は、自立構造の薄膜の形状に形成されている。ここで、自立構造は、支持体材を利用せず、前記カーボンナノチューブ構造体を独立して利用することができるという形態である。前記複数のカーボンナノチューブは、分子間力で接近して、相互に絡み合って、カーボンナノチューブネット状に形成されている。前記複数のカーボンナノチューブは配向せずに配置されて、多くの微小な穴が形成されている。ここで、単一の前記微小な穴の直径が１０μｍ以下になる。前記カーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブは、相互に絡み合って配置されるので、該カーボンナノチューブ構造体は柔軟性に優れ、任意の形状に湾曲して形成させることができる。用途に応じて、前記カーボンナノチューブ構造体の長さ及び幅を調整することができる。前記カーボンナノチューブ構造体の厚さは、０．５ｎｍ〜１ｍｍである。
【００４１】
前記カーボンナノチューブフィルムの製造方法は、下記のステップを含む。
【００４２】
第一ステップでは、カーボンナノチューブ原料（綿毛構造カーボンナノチューブフィルムの素になるカーボンナノチューブ）を提供する。
【００４３】
ナイフのような工具で前記カーボンナノチューブを前記基材から剥離し、カーボンナノチューブ原料が形成される。前記カーボンナノチューブは、ある程度互いに絡み合っている。前記カーボンナノチューブ原料においては、該カーボンナノチューブの長さは、１０マイクロメートル以上であり、２００マイクロメートル〜９００マイクロメートルであることが好ましい。
【００４４】
第二ステップでは、前記カーボンナノチューブ原料を溶剤に浸漬し、該カーボンナノチューブ原料を処理して、綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体を形成する。
【００４５】
前記カーボンナノチューブ原料を前記溶剤に浸漬した後、超音波式分散、又は高強度攪拌又は振動などの方法により、前記カーボンナノチューブを綿毛構造に形成させる。前記溶剤は水または揮発性有機溶剤である。超音波式分散方法により、カーボンナノチューブを含む溶剤に対して１０〜３０分間処理する。カーボンナノチューブは大きな比表面積を有し、カーボンナノチューブの間に大きな分子間力が生じるので、前記カーボンナノチューブはそれぞれもつれて、綿毛構造に形成されている。
【００４６】
第三ステップでは、前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体を含む溶液をろ過して、最終的な綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体を取り出す。
【００４７】
まず、濾紙が置かれたファネルを提供する。前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体を含む溶剤を濾紙が置かれたファネルにつぎ、しばらく放置して、乾燥させると、綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体が分離される。図１０を参照すると、前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブが互いに絡み合って、不規則的な綿毛構造となる。
【００４８】
分離された前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体を容器に置き、前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体を所定の形状に展開し、展開された前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体に所定の圧力を加え、前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体に残留した溶剤を加熱し、或いは、該溶剤が自然に蒸発すると、図８と図９に示す綿毛構造のカーボンナノチューブフィルムが形成される。
【００４９】
前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体が展開される面積によって、綿毛構造のカーボンナノチューブフィルムの厚さと面密度を制御できる。即ち、一定の体積を有する前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体は、展開される面積が大きくなるほど、綿毛構造のカーボンナノチューブフィルムの厚さと面密度が小さくなる。
【００５０】
また、微多孔膜とエアーポンプファネル（Ａｉｒ−ｐｕｍｐｉｎｇ Ｆｕｎｎｅｌ）を利用して綿毛構造のカーボンナノチューブフィルムが形成される。具体的には、微多孔膜とエアーポンプファネルを提供し、前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体を含む溶剤を、前記微多孔膜を通して前記エアーポンプファネルにつぎ、該エアーポンプファネルに抽気し、乾燥させると、綿毛構造のカーボンナノチューブフィルムが形成される。前記微多孔膜は、平滑な表面を有する。該微多孔膜において、単一の微小孔の直径は、０．２２マイクロメートルにされている。前記微多孔膜は平滑な表面を有するので、前記カーボンナノチューブフィルムは容易に前記微多孔膜から剥落することができる。さらに、前記エアーポンプを利用することにより、前記綿毛構造のカーボンナノチューブフィルムに空気圧をかけるので、均一な綿毛構造のカーボンナノチューブフィルムを形成させることができる。
【００５１】
（五）カーボンナノチューブフィルムセグメント
前記カーボンナノチューブ構造体は、少なくとも一つのカーボンナノチューブフィルムセグメントを含む。前記カーボンナノチューブフィルムセグメントにおける全てのカーボンナノチューブは、相互に平行し、所定の方向に沿って並列されている。前記カーボンナノチューブフィルムセグメントにおいて、少なくとも一本のカーボンナノチューブの長さは、前記カーボンナノチューブフィルムセグメントの全長と同じである。従って、前記カーボンナノチューブフィルムセグメントの一つの寸法は、前記カーボンナノチューブの長さによって制限されている。前記カーボンナノチューブ構造体は、積層された複数の前記カーボンナノチューブフィルムセグメントを含むことができる。この場合、隣接する前記カーボンナノチューブフィルムセグメントは、分子間力で結合されている。前記カーボンナノチューブフィルムセグメントの厚さは、０．５ｎｍ〜１００μｍである。
【００５２】
本実施例において、前記加熱素子１０４は、積層された百枚のカーボンナノチューブフィルムである。隣接するカーボンナノチューブフィルムは分子間力で緊密に接続される。図３と図４を参照すると、各々のカーボンナノチューブフィルム１４３ａは、端と端で接続され、同じ方向に沿って配列されたカーボンナノチューブ１４５を含む。前記加熱素子１０４において、隣接するカーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブの配列された方向が垂直する。前記カーボンナノチューブ構造体自体が接着性を有するので、それ自体の接着性を利用して、前記中空の三次元支持体１０２の外表面を被覆することができる。
【００５３】
前記第一電極１１０及び前記第二電極１１２は、導電材料からなり、前記第一電極１１０及び前記第二電極の形状は制限されず、導電フィルム、導電シート又はリード線であってもよい。前記第一電極１１０及び前記第二電極１１２は、構造と材料が制限されず、電流を前記加熱素子１０４に流すための機能を確保してもよい。極めて小型の立体的な熱源に応用される場合には、前記第一電極１１０及び前記第二電極１１２が導電フィルムであることが好ましく、該導電フィルムの厚さが０．５ナノメートル〜１００マイクロメートルである。該導電フィルムの材料は、金属、合金、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）フィルム、酸化アンチモンスズ（ＡＴＯ）、銀ペースト、導電重合体又はカーボンナノチューブ構造体などである。前記金属は、アルミニウム、銅、タングステン、モリブデン、金、チタン、ネオジム、パラジウム又はセシウムなどである。前記合金は、前記金属の合金である。前記カーボンナノチューブ構造体は、上述の少なくとも一枚の図３又は図５に示すカーボンナノチューブフィルムである。
【００５４】
前記第一電極１１０及び前記第二電極１１２は、間隔を置いて前記加熱素子１０４の同一表面又は異なる表面に設置され、該加熱素子１０４に電気的に接続される。前記第一電極１１０及び前記第二電極１１２は、導電接着剤で前記加熱素子１０４の表面に接着してもよく、前記第一電極１１０及び前記第二電極１１２を前記加熱素子１０４に電気的に接続させると同時に、該加熱素子１０４の表面によく固定させる。前記導電接着剤は、銀ペーストである。
【００５５】
本実施例において、前記第一電極１１０及び前記第二電極１１２は、積層された複数の図３を示すようなカーボンナノチューブフィルムであり、隣接するカーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが同じ方向に沿って、配列されている。前記加熱素子１０４における前記カーボンナノチューブ構造体が接着性を有し、前記第一電極１１０及び前記第二電極１１２におけるカーボンナノチューブフィルムも接着性を有するので、前記第一電極１１０及び前記第二電極１１２は、直接前記加熱素子１０４の外表面に接着されることができる。前記加熱素子１０４のカーボンナノチューブ構造体における少なくとも一部のカーボンナノチューブを、前記第一電極１１０から前記第二電極１１２に向かう方向に沿って配列させ、その端部をそれぞれ、前記第一電極１１０及び前記第二電極１１２に電気的に接続させる。
【００５６】
前記反射層１０８は、前記加熱素子１０４から放出された熱を反射し、該熱を前記中空の三次元支持体１０２の中空の構造に放出させ、加熱効率を高めることに用いられる。前記加熱素子１０４が前記中空の三次元支持体１０２の内表面に設置される場合、前記反射層１０８は、前記中空の三次元支持体１０２と前記加熱素子１０４の間に設置してもよく、前記中空の三次元支持体１０２の外表面に設置してもよい。前記加熱素子１０４が前記中空の三次元支持体１０２の外表面に設置される場合、前記反射層１０８は、前記加熱素子１０４の、前記中空の三次元支持体１０２と対向する面とは反対の表面に設置される。前記反射層１０８は、材料が、例えば、金属酸化物、金属塩及びセラミックスなどの絶縁材料である。
【００５７】
本実施例において、前記加熱素子１０４が前記中空の三次元支持体１０２の外表面に設置されるので、前記反射層１０８は、前記加熱素子１０４の前記中空の三次元支持体１０２と対向する面とは反対の表面に設置される。即ち、前記加熱素子１０４は、前記中空の三次元支持体１０２と前記反射層１０８との間に設置される。前記反射層１０８は、酸化アルミニウム膜であり、その厚さは、１００マイクロメートル〜０．５ミリメートルである。勿論、前記反射層１０８を設置しなくてもよい。これによって、前記中空熱源１００の加熱方向が制限されず、前記中空熱源１００の内表面又は外表面から熱を放出することができる。
【００５８】
図１１を参照すると、前記中空熱源１００は、複数の第一電極１１０及び複数の第二電極１１２を含んでもよい。該複数の第一電極１１０及び複数の第二電極１１２は、間隔を置いて前記加熱素子１０４の、前記中空の三次元支持体１０２と対向する面とは反対の表面に設置され、それぞれ、該加熱素子１０４に電気的に接続される。前記複数の第一電極１１０及び複数の第二電極１１２は、交互に間隔を置いて、設置される。即ち、隣接する二つの前記第一電極１１０の間に前記第二電極１１２が設置され、隣接する二つの前記第二電極１１２の間に前記第一電極１１０が設置される。前記複数の第一電極１１０は、リード線（図に示せず）により電気的に接続され、前記複数の第二電極１１２は、リード線（図に示せず）により電気的に接続され、隣接する二つの前記電極の間の距離が同じで、平行に設置される。
【００５９】
前記加熱素子１０４とするカーボンナノチューブ構造体は、カーボンナノチューブフィルムに制限されず、少なくとも一本のカーボンナノチューブ線状構造を含んでもよい。
【００６０】
前記カーボンナノチューブ線状構造は、少なくとも一本のカーボンナノチューブワイヤを含む。一本の前記カーボンナノチューブワイヤの熱容量は、２×１０−４Ｊ／ｃｍ２・Ｋ以下であり、０（０は含まず）〜５×１０−５Ｊ／ｃｍ２・Ｋであることが好ましい。一本の前記カーボンナノチューブワイヤの直径は４．５ｎｍ〜１ｃｍであり、１μｍ〜１ｃｍであることが好ましい。該カーボンナノチューブ線状構造が二本以上のカーボンナノチューブワイヤを含む場合、各々のカーボンナノチューブワイヤが平行に配列され、非ねじれ状のカーボンナノチューブ線状構造を形成する（図１２を参照）又は各々のカーボンナノチューブワイヤが、螺旋状に配列され、ねじれ状のカーボンナノチューブ線状構造を形成する（図１３を参照）。即ち、図１２を参照すると、前記非ねじれ状のカーボンナノチューブ線状構造１６０におけるカーボンナノチューブワイヤ１６１は、前記カーボンナノチューブ線状構造１６０の長手方向に沿って、配列される。図１３を参照すると、前記ねじれ状のカーボンナノチューブ線状構造１７０におけるカーボンナノチューブワイヤ１７１は、前記線状構造１７０の軸に沿って、螺旋状に配列される。
【００６１】
前記非ねじれ状のカーボンナノチューブ線状構造１６０におけるカーボンナノチューブワイヤ１６１及び、前記ねじれ状のカーボンナノチューブ線状構造１７０におけるカーボンナノチューブワイヤ１７１は、それぞれ非ねじれ状のカーボンナノチューブワイヤ（図１４を参照）又はねじれ状のカーボンナノチューブワイヤ（図１５を参照）である。
【００６２】
前記カーボンナノチューブ線状構造の直径は、２０マイクロメートル〜２ミリメートルであり、該直径の大きさが前記カーボンナノチューブワイヤの数量及びその直径に関係がある。前記カーボンナノチューブワイヤの直径が大きいほど、数量が多いほど、前記カーボンナノチューブ線状構造の直径が大きくなる。これとは逆に、前記カーボンナノチューブワイヤの直径が小さいほど、数量が少ないほど、前記カーボンナノチューブ線状構造の直径が小さくなる。
【００６３】
図１４を参照すると、前記非ねじれ状のカーボンナノチューブワイヤは、カーボンナノチューブアレイから引き出されたカーボンナノチューブフィルムを有機溶剤で処理して、得られたものである。該非ねじれ状のカーボンナノチューブワイヤは、その長手方向に沿って、配列し、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。この場合、一本のカーボンナノチューブワイヤ（非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤ）は、端と端とが接続された複数のカーボンナノチューブセグメント（図示せず）を含む。前記カーボンナノチューブセグメントは、同じ長さ及び幅を有する。さらに、各々の前記カーボンナノチューブセグメントに、同じ長さの複数のカーボンナノチューブが平行に配列されている。前記複数のカーボンナノチューブはカーボンナノチューブワイヤの中心軸に平行に配列されている。この場合、一本の前記非ねじれ状のカーボンナノチューブワイヤの直径は、０．５ｎｍ〜１００μｍである。図１５を参照すると、前記非ねじれ状のカーボンナノチューブワイヤをねじり、ねじれ状カーボンナノチューブワイヤを形成することができる。ここで、前記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ワイヤの中心軸を軸に、螺旋状に配列されている。この場合、一本の前記カーボンナノチューブワイヤの直径は、０．５ｎｍ〜１００μｍである。
【００６４】
前記カーボンナノチューブワイヤにおけるカーボンナノチューブが配向して配列されるので、該カーボンナノチューブワイヤからなるカーボンナノチューブ線状構造におけるカーボンナノチューブが配向して配列される。
【００６５】
また、前記ねじれ状のカーボンナノチューブワイヤを揮発性有機溶剤で処理してもよい。前記揮発性有機溶剤の表面力の作用で前記ねじれ状のカーボンナノチューブワイヤにおける隣接するカーボンナノチューブが分子間力で緊密に接続されるので、該ねじれ状のカーボンナノチューブワイヤは、直径及び比表面積が小さくなり、大きな密度、優れた機械強度及び優れた強靭性を有する。
【００６６】
前記カーボンナノチューブ構造体が、一つの前記カーボンナノチューブ線状構造を含む場合、該カーボンナノチューブ線状構造におけるカーボンナノチューブの両端は、それぞれ、前記第一電極１１０及び前記第二電極１１２に電気的に接続される。前記カーボンナノチューブ構造体が、複数のカーボンナノチューブ線状構造を含む場合、該複数のカーボンナノチューブ線状構造が平行に配列され、又は交差して配列される。前記平行に配列された隣接するカーボンナノチューブ線状構造の間の距離は、０マイクロメートル〜３０マイクロメートルである。前記交差して配列されたカーボンナノチューブ線状構造の交差する角度は、制限されない。前記各々のカーボンナノチューブ線状構造の設置する方式が制限されず、均一な加熱素子１０４を形成することができることを確保してもよい。
【００６７】
図１６を参照すると、前記加熱素子１０４が一本のカーボンナノチューブ線状構造を含み、該カーボンナノチューブ線状構造が前記中空の三次元支持体１０２の外表面に巻き付けられ、該カーボンナノチューブ線状構造の両端がそれぞれ、前記第一電極１１０及び前記第二電極１１２に電気的に接続される。前記カーボンナノチューブ線状構造は、非ねじれ状のカーボンナノチューブ線状構造（図１２を参照）であり、又はねじれ状のカーボンナノチューブ線状構造（図１３を参照）である。また、前記カーボンナノチューブ線状構造は、一本のカーボンナノチューブワイヤだけを含んでもよい。
【００６８】
図１７を参照すると、前記加熱素子１０４が複数のカーボンナノチューブ線状構造を含み、該複数のカーボンナノチューブ線状構造は交差して配列されている。例えば、一部の前記複数のカーボンナノチューブ線状構造は平行に配列され、前記第一電極１１０及び前記第二電極１１２に電気的に接続され、他の一部の前記複数のカーボンナノチューブ線状構造は、前記第一電極１１０及び前記第二電極１１２に電気的に接続された前記カーボンナノチューブ線状構造に、垂直に配列される。前記カーボンナノチューブ線状構造は、非ねじれ状のカーボンナノチューブ線状構造（図１２を参照）であり、又はねじれ状のカーボンナノチューブ線状構造（図１３を参照）である。
【００６９】
前記カーボンナノチューブ構造体が、カーボンナノチューブフィルムとカーボンナノチューブ線状構造との複合構造であってもよい。前記カーボンナノチューブ線状構造が前記カーボンナノチューブフィルムに設置され、加熱素子１０４を形成する。
【００７０】
また、前記第一電極１１０及び第二電極１１２は、前記カーボンナノチューブ線状構造であってもよい。
【００７１】
本実施例は、前記中空熱源１００を利用し、加熱対象を加熱する方法を提供する。
【００７２】
まず、加熱対象を提供する。
【００７３】
次に、前記加熱対象を前記中空熱源１００の中空の構造の内部に置く。
【００７４】
前記中空熱源１００の第一電極１１０及び第二電極１１２を電圧が１０ボルト〜２０ボルトである電源（図示せず）に電気的に接続すると、該中空熱源１００は、波長が長い電磁波を放出することができる。温度測量器具で測ると、前記中空熱源１００における加熱素子１４０の表面温度が５０℃〜５００℃に上昇し、前記加熱対象を加熱することが分かる。これによって、前記カーボンナノチューブ構造体は、電気エネルギーを熱エネルギーに転換する効率が高いことが分かる。前記加熱素子１０４の表面の熱が熱輻射で前記加熱対象に伝わるので、該加熱対象を均一的に加熱することができる。
【００７５】
前記加熱対象が、前記中空熱源１００に直接接触し、又は、前記中空熱源１００と所定の距離を置いて設置されてもよい。前記カーボンナノチューブ構造体から放出された電磁波を利用して、前記加熱対象を加熱する。前記加熱素子１０４の寸法及び該加熱素子１０４に印加された電圧を制御することにより、前記加熱素子１０４から放出された熱を制御することができる。前記電圧が一定である場合、前記加熱素子１０４の厚さを変換させることにより、前記加熱素子１０４から放出した電磁波の波長を調整することができる。即ち、前記加熱素子１０４が厚くなるほど、前記加熱素子１０４から放出した電磁波の波長は短くなる。前記加熱素子１０４の厚さが一定である場合、前記加熱素子１０４に印加された電圧が大きくなるほど、記加熱素子１０４から放出した電磁波の波長は短くなる。従って、前記中空熱源１０を簡単に制御することができる。
【００７６】
（実施例２）
図１８、図１９及び図２０を参照すると、本実施例は、中空熱源２００を提供する。本実施例の中空熱源２００は、加熱素子２０４、反射層２０８、二つの第一電極２１０及び二つの第二電極２１２を含む。前記加熱素子２０４は、中空の直方体に形成されるカーボンナノチューブ構造体であり、該カーボンナノチューブ構造体が上述のカーボンナノチューブ構造体のいずれかの一種である。前記二つの第一電極２１０及び前記二つの第二電極２１２は、それぞれ、前記中空の直方体の中空の構造の各々の側面が接合する位置に設置され、前記加熱素子２０４に電気的に接続される。前記第一電極２１０及び前記第二電極２１２は、前記加熱素子２０４を支持する役割を果たす。前記反射層２０８は、前記加熱素子２０４の、前記第一電極２１０及び前記第二電極２１２と対向する面とは反対の表面に設置される。
【００７７】
前記中空熱源２００において、前記第一電極２１０及び前記第二電極２１２の数量は制限されず、該第一電極２１０及び該第二電極２１２を所定の形状に並べて、上述のカーボンナノチューブ構造体を前記所定の形状に並べられた前記第一電極２１０及び前記第二電極２１２に巻き付け、中空の加熱素子２０４を形成しさえすればよい。前記第一電極２１０及び前記第二電極２１２は、電流を前記カーボンナノチューブ構造体に流すと同時に、該カーボンナノチューブ構造体を支持するために用いられる。
【００７８】
（実施例３）
図２１と図２２を参照すると、本実施例は、中空熱源３００を提供する。本実施例の中空熱源３００は、中空の三次元支持体３０２、加熱素子３０４、第一電極３１０、第二電極３１２、反射層３０８及び保護層３０９を含む。前記反射層３０８は、前記中空の三次元支持体３０２の内表面に設置される。前記加熱素子３０４は、前記反射層３０８の、前記中空の三次元支持体３０２と対向する面とは反対の表面に設置される。前記保護層３０９は、前記加熱素子３０４の、前記反射層３０８と対向する面とは反対の表面に設置される。前記第一電極３１０及び前記第二電極３１２は、それぞれ、前記加熱素子３０４と前記反射層３０８との間に設置され、該加熱素子３０４に電気的に接続され、該加熱素子３０４を電源に電気的に接続させる。
【００７９】
本実施例において、前記中空の三次元支持体３０２は、中空の半楕円球体であり、該中空の半楕円球体が中空の構造を有する。前記反射層３０８は、前記中空の半楕円球体の、その中空の構造に面した表面に設置される。前記加熱素子３０４は、上述のカーボンナノチューブ構造体のいずれかの一種であり、前記反射層３０８の、前記中空の半楕円球体と対向する面とは反対の表面を覆う。前記第一電極３１０は、前記加熱素子３０４の底部の、前記反射層３０８と接触する表面に設置され、該加熱素子３０４に電気的に接続される。前記第二電極３１２は、環状であり、前記加熱素子３０４の開口部の、前記反射層３０８と接触する表面に設置され、該加熱素子３０４に電気的に接続される。前記保護層３０９は、塗布又はスパッタリンク法を利用し、前記加熱素子３０４の、前記反射層３０８と対向する面とは反対の表面に形成される。前記保護層の材料は、例えば、プラスチック、ゴム及び樹脂などの絶縁材料である。前記保護層の厚さが制限されず、実際の応用に応じて選択することができ、該保護層の厚さが０．５ミリメートル〜２ミリメートルであることが好ましい。前記保護層は、前記中空熱源３００を絶縁状態で使用させ、ほこりが前記加熱素子３０４に付着することを防止し、該加熱素子３０４を保護することに用いられる。前記中空の三次元支持体３０２は、加熱対象を収容する空間を有し、該加熱対象を加熱することが可能であればいずれの形状でもよい。
【００８０】
前記中空熱源において、加熱素子が少なくとも、一本のカーボンナノチューブ線状構造を含む中空の三次元構造であり、該カーボンナノチューブ線状構造が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が均一的に配列され、該加熱素子が均一な厚さ及び抵抗を有するので、該加熱素子は、均一的に熱を放出することができ、電気エネルギーを熱エネルギーに転換する効率が高く、前記カーボンナノチューブ構造体の単位面積の熱容量は、２×１０−４Ｊ／ｍ２Ｋ以下である。従って、前記中空熱源は、昇温速度が速く、熱応答速度が速く、熱交換速度が速い。
【００８１】
前記加熱素子おけるカーボンナノチューブは、優れた力学性能、優れた靭性及び優れた機械強度を有するので、該中空熱源は、優れた力学性能、優れた靭性と機械強度を有し、使用寿命が長くなる。更に、前記加熱素子を利用して、柔軟性の中空熱源を製造することができる。
【００８２】
前記加熱素子おけるカーボンナノチューブの直径が小さいので、該加熱素子は、厚さが小さい。従って、極めて小型の中空熱源を製造することができ、該小型の中空熱源を利用して、小型の加熱対象となる素子を加熱することができる。
【００８３】
本発明の実施例は、前記中空熱源の製造方法を提供する。具体的には、下記のステップを含む。
【００８４】
第一ステップでは、中空の三次元支持体を提供し、該中空の三次元支持体が中空の構造を有する。
【００８５】
前記中空の三次元支持体の形状が制限されず、前記中空の三次元支持体は、中空の構造を有し、即ち、加熱対象を収容する空間を有し、該加熱対象を加熱することが可能であればいずれの形状でもよい。
【００８６】
第二ステップでは、カーボンナノチューブ構造体を提供し、該カーボンナノチューブ構造体を前記中空の三次元支持体の表面に設置し、加熱素子とする。
【００８７】
カーボンナノチューブ構造体の構造及びその製造方法は、上述のカーボンナノチューブ構造体の構造及びその製造方法と同様である。該カーボンナノチューブ構造体は、前記中空の三次元支持体の内表面又は外表面に設置してもよい。
【００８８】
第三ステップでは、第一電極及び第二電極を提供し、該第一電極及び第二電極を、前記加熱素子に電気的に接続させ、中空熱源を形成する。
【００８９】
前記第一電極及び前記第二電極は、前記加熱素子に電気的に接続する方法は、制限されず、リード線により前記加熱素子に電気的に接続してもよく、又は、前記加熱素子の表面に直接設置してもよい。前記第一電極及び前記第二電極は、前記加熱素子の同一表面又は異なる表面に設置してもよい。前記第一電極及び前記第二電極は、所定の距離を置いて設置され、該第一電極と該第二電極と間に所定の抵抗を生じ、該第一電極及び該第二電極のショートを防止することができる。前記加熱素子自体が優れた接着性を有するので、該接着性を利用して、前記第一電極及び前記第二電極を前記加熱素子の表面に接着することができる。また、例えば銀ペーストなどの導電接着剤を利用して、前記第一電極及び前記第二電極を前記加熱素子の表面に接着してもよい。前記第一電極及び前記第二電極は、上述の少なくとも、一枚のカーボンナノチューブフィルム又は、少なくとも、一つのカーボンナノチューブ線状構造であってもよい。
【００９０】
また、前記加熱素子が空気雰囲気下に置かれる場合、該加熱素子を覆うように保護層を形成する。該保護層の材料は、例えば、プラスチック、ゴム及び樹脂などの絶縁材料である。前記保護層の厚さが制限されず、実際の応用に応じて選択することができる。前記保護層は、前記中空熱源を絶縁状態で使用させ、ほこりが前記加熱素子に付着することを防止でき、該加熱素子を保護することに用いられる。
【符号の説明】
【００９１】
１００、２００、３００ 中空熱源
１１０、２１０、３１０ 第一電極
１１２、２１２、３１２ 第二電極
１０４、２０４、３０４ 加熱素子
１０８、２０８、３０８ 反射層
１０２、２０２、３０２ 中空の三次元支持体
３０９ 保護層
１４３ａ カーボンナノチューブフィルム
１４３ｂ カーボンナノチューブセグメント
１４５ カーボンナノチューブ
１６０ 非ねじれ状のカーボンナノチューブ線状構造
１７０ ねじれ状のカーボンナノチューブ線状構造
１６１、１７１ カーボンナノチューブワイヤ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱素子と、前記加熱素子と電気的に接続された少なくとも二つの電極と、を含む三次元構造の中空熱源であって、
前記加熱素子は、層状のカーボンナノチューブ構造体を含み、中空の三次元構造をなしており、
前記カーボンナノチューブ構造体は、自立構造であり、且つ複数のカーボンナノチューブを含むことを特徴とする中空熱源。
【請求項２】
中空の三次元支持体をさらに含み、前記加熱素子が前記中空の三次元支持体の表面に設置されていることを特徴とする、請求項１に記載の中空熱源。
【請求項３】
前記カーボンナノチューブ構造体は、一本のカーボンナノチューブ線状構造であり、
該カーボンナノチューブ線状構造が前記中空の三次元支持体の表面に巻き付けられていることを特徴とする、請求項２に記載の中空熱源。
【請求項４】
前記カーボンナノチューブ構造体は、複数のカーボンナノチューブ線状構造からなり、
該複数のカーボンナノチューブ線状構造が平行し、又は交差して、前記中空の三次元支持体の表面に設置されていることを特徴とする、請求項２に記載の中空熱源。
【請求項１】
加熱素子と、前記加熱素子と電気的に接続された少なくとも二つの電極と、を含む三次元構造の中空熱源であって、
前記加熱素子は、層状のカーボンナノチューブ構造体を含み、中空の三次元構造をなしており、
前記カーボンナノチューブ構造体は、自立構造であり、且つ複数のカーボンナノチューブを含むことを特徴とする中空熱源。
【請求項２】
中空の三次元支持体をさらに含み、前記加熱素子が前記中空の三次元支持体の表面に設置されていることを特徴とする、請求項１に記載の中空熱源。
【請求項３】
前記カーボンナノチューブ構造体は、一本のカーボンナノチューブ線状構造であり、
該カーボンナノチューブ線状構造が前記中空の三次元支持体の表面に巻き付けられていることを特徴とする、請求項２に記載の中空熱源。
【請求項４】
前記カーボンナノチューブ構造体は、複数のカーボンナノチューブ線状構造からなり、
該複数のカーボンナノチューブ線状構造が平行し、又は交差して、前記中空の三次元支持体の表面に設置されていることを特徴とする、請求項２に記載の中空熱源。
【図１】
【図２】
【図４】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図４】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１３−４８１１０（Ｐ２０１３−４８１１０Ａ）
【公開日】平成２５年３月７日（２０１３．３．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２３８８６１（Ｐ２０１２−２３８８６１）
【出願日】平成２４年１０月３０日（２０１２．１０．３０）
【分割の表示】特願２００９−１７４７８５（Ｐ２００９−１７４７８５）の分割
【原出願日】平成２１年７月２７日（２００９．７．２７）
【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）】
【公開日】平成２５年３月７日（２０１３．３．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１０月３０日（２０１２．１０．３０）
【分割の表示】特願２００９−１７４７８５（Ｐ２００９−１７４７８５）の分割
【原出願日】平成２１年７月２７日（２００９．７．２７）
【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）】
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