説明

CNT複合材料の製造技術

【課題】カーボンナノチューブ(以下CNT)の複合材料の製造の改良に関する方法および新規の材料の開発手法に関する方法を提供する。CNTは、微小な材料ゆえその扱いが困難で均一に配合するができず、品質の安定に難があったり不純物の排除が困難であった。またCNTを用いた新たな材料を少ないリスクで開発したい要求がある。
【解決手段】薄膜24にフェムト秒レーザーを照射して、CNT22のサイズより大きな穴23を形成し、穴中にCNTを落とし込み再加工し複合材料25内のCNTの分布の均一化をはかる。

【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(以下CNTとする。)による複合材料の製造に関するものである。
【背景技術】
【0002】
CNTの応用製品は多数生産されて著しい効果を発揮しているがCNTそのもの製造技術はもとよりその応用製品(材料)の特性を説明する定説が出揃っていないのが現状である。
その将来性は、多くを期待され用途開発、製造技術、特性研究の充実が待たれている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
請求項1、2についての課題
現状のCNT複合材料の優れた特性を損なうことなく、コスト低下、品質を安定することへの要求がある。
【0004】
CNTは、そのサイズゆえ加工コントロールすることが難解である。
混合する基礎材料との重量比があまりにも大きすぎるため地上(重力の影響下)で均一に混合することが不可能である。
CNT同士が集まり、かたまりをつくる性質がある。(分子間力)これを除去する有効な方法がない。
サイズがあまりにも極小である。(参考寸法:直径(3ナノメーター)* 長さ(10マイクロメーター))
【0005】
請求項3についての課題
新素材の開発には、多大な費用を必要とするため、開発計画が立案しにくい。
投資の有効性を十分期待するに足る開発モデル、枠組み、手順の提案が必要とされる。
【0006】
請求項4についての課題
電子デバイスの開発に必要な新たな材料の提供。
【課題を解決するための手段】
【0007】
フェムト秒レーザーを適用する。近年、直径1μm以下の加工が可能である。なお、フェムト秒レーザーは、そのエネルギーを調整することで貫通、不貫通を調整する。
加工装置は、コンヒ゜ューター制御技術を適用する。
薄膜の製造、加工技術を適用する。
【0008】
CNT複合材料がもっている優れた特性の維持の担保について。
理論的には、以下の理由により担保される。そもそもCNT複合材料は、その組成をアモルファス合金に近似できる。材料力学(転位)が説明するようにアモルファスには結晶構造が存在しない状態であるが(参考図1)、CNT複合材料もCNTと基礎材料が接続して全体としてネットワークを構成し互いにリレーショナルに動作して(図9、10)、結晶と呼べない組成外観(図10)である。
本発明では、CNTを十分均一に配置してもその穴はCNTのサイズより十分に深いため散乱する。よって均一(穴の配置)の中の不均一(穴のサイズがCNTに比べて100倍大きい)が存在して全体として不均一として振舞う。結果その基礎材料に比して、十分な耐熱性、機械的強さを獲得する。よって現状の特性を維持する。
本発明では、均一に配置した後、再加熱、練り上げ等の再加工の選択肢も説明している。
1μm以下の薄膜にフェムト秒レーザーを規則正しく照射することで作られた穴(またはくぼみ)にCNTを落とし込み再加工することで複合材料内のCNTの分布を均一にして結果、余分なCNTの使用を排除する。あわせてCNTの塊(ダマ)は、穴(またはくぼみ)より大きいことで落ちることができず排除される。
図5では、CNTの充填方式として量産に適した染色工芸的方式を説明している。
【0009】
マイクロバブルを利用した製造方法を実施する。レーザーにより貫通加工した薄膜にCNTを落とし込まない薄膜(穴の中は気体のみ)をサンドイッチ状に挟みこむことによる。様々な気体(空気、酸素、窒素、アルゴン等)の雰囲気の中で加工すれば結果、マイクロバブルに任意の気体を含んだ薄膜が生成される。図4で説明する。
【0010】
上記の製造手順を応用して電子デバイス材料を製造する。図8で説明する。
【発明の効果】
【0011】
請求項1,2について
製品コストが低減して、品質が安定する。材料全般に特性が均一化する。
CNTが平均的に管理されて分散されるため、その使用量が適切であるため低コストとなる。
また管理された分散、不要なCNTの塊(ダマ:不純物)の排除が品質を安定する。
前記の“課題解決のための手段”にあるように優れた特性の維持は担保されている。
【0012】
請求項3について
新素材の開発を容易にする製造手法である。
マイクロバブルの配置・分散を容易にコントロールできる。
バブルのサイズ、数量を容易にコントロールできる。
バブルに充填する気体を容易にコントロールできる。
材料の重量を低減できる。
CNTの使用量を低減できる。
不純物の混合を自動的に排除できる。
【0013】
請求項4について
電子デバイスとして、極小のコイルを容易に製造できる。電解液を用いないコンデンサの製造が期待できる。
【発明を実施するための形態】
【0014】
本発明に係わる実施の形態について、図面に基づき以下に具体的に説明する。
【実施例1】
【0015】
図1は、薄膜製造工程1
・ 基本材料を薄膜化する。適当な形状にカットする。
・ 碁盤の目のように規則正しく小径の穴あけ加工をする。
・ 上記の薄膜に対して等間隔にずれた同様な加工をする。
図2は、薄膜製造工程2
・ 互いにずれた薄膜を重ねる。
・ 密閉した容器の中に重ねた薄膜を設置する。
・ 任意のガス雰囲気の中にCNTを供給してCNTが沈着するのを待つ。
図3は、複合材料製品化工程1
・圧延と再混合による製品化を説明している。
図4は、複合材料製品化工程2
・ 圧延と再混合による製品化を説明している。
・ 主としてマイクロバブルを特徴とした製品化を説明している。
【実施例2】
【0016】
図5は、CNTの充填と不純物を除去した薄膜の量産手法を説明している。
【実施例3】
【0017】
図6は、CNTの充填と不純物の除去を逐次実行する手法を説明している。
図7は、図6の詳細図である。
【実施例4】
【0018】
図8に電子デバイス材料の基本製造の手段を説明している。
【産業上の利用可能性】
【0019】
請求項1,2については、現在のCNT複合材料に置き換わる。量産効果がでるようになれば、その薄さを生かしたシールド材、タッチパネルの皮膜などへの新たな市場をも開拓する。
CNTそのものは、極小のため可視できず、透明な薄膜として利用価値が多大である。例えば表示器(パソコンのモニター他)などへの応用は必定である。
請求項3については、リスクの少ない開発投資として採用される。
同等な複合材料が存在しないので新たな市場を開拓するはずである。強さと、優れた弾性を獲得した素材として、例えば競技用のシューズの靴底として利用される筈である。例えば金属との複合材料としてより大幅な機械的強度を獲得した電子部品材料として、その薄膜化に貢献して結果、製品の小型化、低価格化を実現する。電子デバイスの基本材料として、極小のコイルを容易に製造できる。電解液を用いないコンデンサの製造が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】タイプA、B 加工仕様
【図2】タイプC 加工仕様
【図3】複合材料加工概念図1
【図4】複合材料加工概念図2
【図5】染織工芸的CNT充填方式
【図6】逐次CNT充填方式
【図7】逐次CNT充填方式詳細
【図8】複合材料加工を応用した極少部品の製造手順
【図9】材料の結晶モデルの比較
【図10】材料の結晶モデルの比較
【図11】CNT複合材料の力学的な基本構造
【符号の説明】
【0021】
図1
・ フェムト秒レーザー照射角度(材料により調節する。)
・ レーザー照射台
・ 基本材料
・ レーザー照射
・ レーザー照射後の加工穴
・ レーザー照射後の上面図
・ レーザー加工後の詳細図
・ 2種類のレーザー加工後に2つを重ねた図
・ 2種類の位置関係の説明図
図2
・ レーザー照射台
・ 基本材料
・ レーザー貫通照射(利点として、重ねることで一度に複数枚加工できる。)
・ レーザー貫通加工断面図
・ レーザー加工詳細図
・ 2種類のレーザー加工後に2つを重ねた図
・ 2種類の位置関係の説明図
図3
・ 装置の密閉外枠(CNTは非常に微笑で軽く大気中に浮遊して視認できないため)
・ CNTを加工用に供給するルート。または、充填気体を供給するルート。
・ 加工完了後に供給成分(CNT、気体)を吸出し次の加工プロセスに備える。
・ 充填内容の説明。
・ 不純物(CNTが製造過程で互いに引き合うなどして固まる:ダマ)
・ 浮遊するCNT。
・ CNTが穴につかまった状態。
・ レーザー加工済みの薄膜。
・ 積層加工した新しい材料。
・ 加工プロセスの選択肢。
・ 加工プロセスの選択肢。
・ 加工プロセスの選択肢。
・ 捏ね上げ再加工製品。
・ 圧延加工による詳細図。
・ 圧延加工前の積層状態。
・ 加工なしの薄膜。
・ 圧延ローラー。
図4
・ CNTを加工用に供給するルート。または、充填気体を供給するルート。
35、 装置の密閉外枠(CNTは非常に微笑で軽く大気中に浮遊して視認できないため。)
36、 充填内容の説明。
37、 加工完了後に供給成分(CNT、気体)を吸出し次の加工プロセスに備える。
38、 レーザー加工済み、充填加工済みの薄膜。
39、 貫通レーザー加工済みの薄膜。
40、 未加工の薄膜。
41、 加工済みの製品2種。
42、 再加工のプロセス選択肢。
43、 成型加工のプロセスの選択肢。
44、 マイクロバブルの詳細図。
45、 CNTの充填済みの薄膜。
46、 練り上げ加工のプロセス。
47、 マイクロバブルの気体充填済みの薄膜。
48、 圧延ローラー。
49、 練り上げ加工済みの製品材料。
図5
50、 CNTだまりへの漬けと引き上げ。
51、 薄膜の固定台。
52、 CNTだまりの浴槽。
53、 レーザー加工済みの薄膜。
54、 充填用のCNTだまり。
55、 CNT除去用のバルブ。
56、 CNT除去口。
57、 CNTの除去通路。
58、 CNTの除去、供給装置。
59、 加工済みの薄膜の加工断面図。
60、 CNTの供給バルブ。
61、 CNTだまりの攪拌ファン。
62、 CNTの供給ルート。
図6
63、 逐次順店処理の最初のステップ。
64、 第2ステップ。
65、 第3ステップ。
66、 第4ステップ。
67、 第5ステップ。
68、 第6ステップ。
69、 逐次充填用のローラー。
70、 風向とCNTのローラー移動方向。この動作でCNTを穴に落としていく。
71、 レーザー加工の済んだ薄膜。
72、 CNT充填処理が終了したローラーの位置。
73、 ローラーの移動中の図。
74、 順店が終わったローラーは、薄膜分ローラーを上方に上げて次のステップの準備をする。
75、 次に重ねる薄膜のスペース。
76、 追加薄膜。
77、 次のCNT充填のためのローラーの位置合わせ。
78、 充填用のローラーの戻りの図。
図7
79、 薄膜の固定、取り付け具。
80、 浮遊するCNT。
81、 CNTの塊。
82、 風向。
83、 循環する風向。
84、 CNTの落ち込んだ図。
85、 CNTの循環装置。
86、 装置のベース。
87、 風向。
88、 CNTの吐き出しようのローラー。
89、 浮遊するCNT。
90、 CNTの供給、回収タンク。
91、 CNT回収ルート。
92、 CNT供給ルート。
93、 レーザー加工済みの薄膜の上面図。
94、 取り付け穴。
95、 レーザー加工済みのくぼみ。
96、 CNT受け止め用の溝
97、 電極金属
98、 充填したCNTを固定する。
99、充填済みのCNT
100、充填済みのCNTを固定する工程。
101、 溝を複数はり、量産効率を上げる。
102、 接続(ショート)するかオープンにするかのオプション。平行した数本のCNT配列とするか、一本のCNT配列かを選択できる。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
複合材料製造過程において、高価なCNTを均等分散することによりその含有量を低減しかつその特性を損なうことのない製造技術。
【請求項2】
CNT製造過程において避けられないCNTどうしの塊(食品料理の家庭でのいわゆる“だま“に相当。)を効率よく排除して複合材料の品質の安定を向上させる技術。
【請求項3】
CNTとマイクロバブルを混在させて未知の材料特性を得る技術。
【請求項4】
CNT複合材料を用いた極少電子デバイス材料の製造手順と応用。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【図10】
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【図11】
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【公開番号】特開2010−285632(P2010−285632A)
【公開日】平成22年12月24日(2010.12.24)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−137813(P2009−137813)
【出願日】平成21年6月9日(2009.6.9)
【出願人】(306034273)
【Fターム(参考)】