JP2009094074A - 発熱光源及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、発熱光源及びその製造方法に関し、特にカーボンナノチューブを利用した発熱光源及びその製造方法に関する。
【解決手段】本発明の面発熱光源は、複数のカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブ構造体と、所定の距離で分離し、それぞれ該カーボンナノチューブ構造体に設置された少なくとも二つの電極と、を備える。ここで、前記複数のカーボンナノチューブは相互に絡み合っている。本発明は面発熱光源の製造方法も提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発熱光源及びその製造方法に関し、特にカーボンナノチューブを利用した発熱光源及びその製造方法に関する。

カーボンナノチューブは九十年代に発見された新しい一次元ナノ材料となるものである。カーボンナノチューブは高引張強さ及び高熱安定性を有し、また、異なる螺旋構造により、金属にも半導体にもなる。カーボンナノチューブは、理想的な一次元構造を有し、優れた力学機能、電気機能及び熱学機能などを有するので、材料科学、化学、物理などの科学領域、例えば、フィールドエミッタ（ｆｉｅｌｄ ｅｍｉｔｔｅｒ）を応用した平面ディスプレイ、単一電子デバイス、（ｓｉｎｇｌｅ−ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｄｅｖｉｃｅ）、原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ， ＡＦＭ）のプローブ、熱センサー、光センサー、フィルターなどに広くに応用されている。
Ｋａｉｌｉ Ｊｉａｎｇ、Ｑｕｎｑｉｎｇ Ｌｉ、Ｓｈｏｕｓｈａｎ Ｆａｎ、"Ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｙａｒｎｓ"、Ｎａｔｕｒｅ、２００２年、第４１９巻、ｐ．８０１

従来技術のカーボンナノチューブを利用した光源では、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線を引き出して、該カーボンナノチューブ線の両端をそれぞれ二つの電極に電気的に接続させる。該二つの電極に電圧を印加すると、前記カーボンナノチューブ線が発光することができる。従来の金属線と比べると、カーボンナノチューブ線を光源として利用する場合、電力消費が低く、高温での安定性が向上するという優れた点がある。しかし、カーボンナノチューブ線は線光源だけとして利用され、面光源としての利用が困難であるという課題がある。

従来の面光源は、石英ガラス筺体と、少なくとも二本のタングステンフィラメント又は少なくとも一枚のタングステンシートと、支持リングと、密封部と、基板と、を備える。前記タングステンフィラメント／シートの両端はそれぞれ前記支持リングに接続されている。平面の光を放出させるために、少なくとも二本のタングステンフィラメントを利用する場合、前記タングステンフィラメントをそれぞれ平行に並列させる。前記支持リングは前記密封部に接続される。前記支持リング及び前記密封部を前記基板に設置し、密封のチャンバーを形成する。前記タングステンフィラメント／シートの酸化反応を防止するために、前記密封のチャンバーに不活性ガスを注入する。しかし、従来の面光源は次の課題がある。第一には、タングステンフィラメント／シートは灰色放射体であるので、自身温度の上昇が遅く、熱放出の効率が低い。第二に、熱放出又は光放出は不均一である。第三に、タングステンフィラメント／シートの加工工程は複雑であり、困難である。さらに、タングステンフィラメント／シートは不活性なガスの保護なしでは作動しない。

前記課題を解決するために、本発明は均一な熱放出及び光放出を実現できる面光源を提供する。さらに、本発明により、簡単に大寸法の面光源を製造することができる。

本発明の面発熱光源は、複数のカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブ構造体と、所定の距離で分離し、それぞれ該カーボンナノチューブ構造体に設置された少なくとも二つの電極と、を備える。ここで、前記複数のカーボンナノチューブは相互に絡み合っている。

前記カーボンナノチューブ構造体の厚さは１μｍ〜２ｍｍにされる。前記カーボンナノチューブ構造体の長さは１００μｍ以上にされる。

前記複数のカーボンナノチューブは分子間力で絡み合って、綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体に形成されている。

前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体は複数の微孔を有する。単一の微孔の直径は５０μｍにされていることが好ましい。

前記少なくとも二つの電極は、前記カーボンナノチューブ構造体の同じ表面又は対向する表面に設置されている。

前記面発熱光源が、真空装置又は不活性ガスを充填した装置を含む場合、前記カーボンナノチューブ構造体は前記装置の中に設置されている。

本発明の面発熱光源の製造方法は、カーボンナノチューブ原料を提供する第一ステップと、前記カーボンナノチューブ原料を溶媒に浸漬して綿毛構造を形成させる第二ステップと、該綿毛構造のカーボンナノチューブをろ過して、カーボンナノチューブ構造体を形成させる第三ステップと、前記カーボンナノチューブ構造体の同じ表面又は対向する表面に、それぞれ第一電極及び第二電極を設置して、面発熱光源を形成する第四ステップと、を含む。

前記第三ステップは、微多孔膜又はエアーポンプファネルを提供する第一サブステップと、前記微多孔膜又はエアーポンプファネルを利用して、前記綿毛構造のカーボンナノチューブを含む溶剤をろ過して、溶剤を除去させる第二サブステップと、前記微多孔膜に残った前記綿毛構造のカーボンナノチューブを乾燥させて、カーボンナノチューブ構造体を形成させる第三サブステップと、を含む。

従来技術と比べて、本発明の面発熱光源は次の優れた点がある。第一には、カーボンナノチューブは良好な導電性、熱安定性及び熱放射性を有するので、本発明の面発熱光源はカーボンナノチューブを利用することにより、熱放射を広い範囲に及ぼすことができる。第二には、本発明ではカーボンナノチューブが均一に分布されたカーボンナノチューブ構造体を利用するので、均一な熱放射及び光放射を形成することができる。第三に、カーボンナノチューブを利用する面発熱光源は、温度上昇及び熱交換が速いという特徴がある。また、本発明の面発熱光源の製造方法は簡単であり、実用に応じて異なるカーボンナノチューブ構造体を製造することができる。

図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

（実施形態１）
図１及び図２を参照すると、本実施形態の面発熱光源１０は、第一電極１２と、第二電極１４と、カーボンナノチューブ構造体１６と、基板１８と、を備える。前記第一電極１２及び第二電極１４は、所定の距離で分離され、それぞれ前記カーボンナノチューブ構造体１６と電気的に接続されるように前記カーボンナノチューブ構造体１６の表面に設置されている。

前記カーボンナノチューブ構造体１６は少なくとも一つのカーボンナノチューブ層を含み、単一のカーボンナノチューブ層は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、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に形成されている。前記複数のカーボンナノチューブは、等方的に、均一に前記カーボンナノチューブ層に分布されている。前記複数のカーボンナノチューブは配向せずに配列されて、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は５０μｍ以下である。前記複数のカーボンナノチューブにおいて、隣接するカーボンナノチューブが分子間力で結合されるので、前記カーボンナノチューブ構造体１６はシート状の自立構造を有する。前記カーボンナノチューブ構造体１６は良好な引張力を有し、任意な形状に形成されることができる。従って、前記カーボンナノチューブ構造体１６は、平板型又は曲面に形成されることができる。本実施形態において、前記カーボンナノチューブ構造体１６は平板型に形成されている。

前記カーボンナノチューブ構造体１６の寸法に制限がなく、実際の応用に応じてカーボンナノチューブ構造体１６の寸法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１６の厚さは１μｍ〜１０ｍｍにされることが好ましい。本実施形態において、前記カーボンナノチューブ構造体１６は、長さが３０ｃｍ、幅が３０ｃｍ、厚さが５０μｍであるように設けられている。

前記第一電極１２及び前記第二電極１４は前記カーボンナノチューブ構造体１６の同じ表面に設置され、又はそれぞれ前記カーボンナノチューブ構造体１６の対向する二つ表面に設置されることが好ましい。短絡を防止するために、前記第一電極１２及び前記第二電極１４は所定の距離で分離して設けられている。

本実施形態において、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、前記第一電極１２及び前記第二電極１４を直接前記カーボンナノチューブ構造体１６に接着させ、前記カーボンナノチューブ構造体１６と電気的な接続を形成することができる。さらに、前記第一電極及び第二電極１４を、それぞれ導電性接着剤で前記カーボンナノチューブ構造体１６に接着させることができる。前記導電性接着剤は銀ペーストであることが好ましい。勿論、前記第一電極１２及び第二電極１４と前記カーボンナノチューブ構造体１６とを電気的に接続できる方法である限り、いずれの方法も利用することができる。

前記基板１８は、セラミック、ガラス、樹脂、石英のいずれか一種である。本実施形態において、前記基板はセラミックからなり、その形状は実際の応用に応じて設けることができる。前記基板１８は前記カーボンナノチューブ構造体１６を支持するために設置されている。しかし、本実施形態のカーボンナノチューブ構造体１６は自立構造を有するので、前記基板１８を設置しないこともできる。

前記面発熱光源１０を利用する場合、前記第一電極１２及び第二電極１４の間に電圧を印加すると、前記面発熱光源１０のカーボンナノチューブ構造体１６は所定の波長を有する電磁波を放出することができる。前記カーボンナノチューブ構造体１６が一定の表面積（長さ×幅）を有する場合、前記カーボンナノチューブ構造体１６の厚さ及び前記電圧を変更することにより、前記面発熱光源１０から、異なる波長を有する電磁波を放出させることができる。前記電圧が変化しない場合、前記カーボンナノチューブ構造体１６から放出された電磁波は、前記カーボンナノチューブ構造体１６の厚さに反比例している。即ち、前記カーボンナノチューブ構造体１６が変化しない場合、前記第一電極１２及び第二電極１４の間に印加された電圧が強くなるほど、前記面発熱光源１０から放出される電磁波が短くなる。従って、容易に、前記面発熱光源１０から可視光、熱放射及び赤外線放射を放出させることができる。

カーボンナノチューブは良好な導電性、熱安定性及び高熱放射効率を有するので、前記面発熱光源１０を安全に酸化ガス又は空気の雰囲気において利用することができる。前記第一電極１２及び第二電極１４の間に１０〜３０Ｖの電圧を印加すると、前記面発熱光源１０は電磁波を放射すると同時に、前記面発熱光源１０自体の温度が５０℃〜５００℃程度に上昇することができる。

本実施形態において、前記カーボンナノチューブ構造体１６の面積は９００ｃｍ^２である。前記カーボンナノチューブ構造体１６の長さ及び幅はそれぞれ３０ｃｍであることが好ましい。前記カーボンナノチューブ構造体１６における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に形成されている。

なお、前記面発熱光源１０を、真空装置又は不活性ガスが充填された装置に設置する場合、前記第一電極１２及び第二電極１４の間に８０〜１５０Ｖの電圧を印加した後、前記面発熱光源１０は、可視光（例えば、赤い光又は黄色い光）、熱放射又は紫外線を放出する。

前記面発熱光源１０はヒーター、紫外線治療装置、電気ラジエータなどとして利用されることができる。さらに、前記面発熱光源１０は、光源、ディスプレイなどの光学装置として利用されることができる。

（実施形態２）
図３を参照すると、前記面発熱光源１０の製造方法は、カーボンナノチューブ原料を提供する第一ステップと、前記カーボンナノチューブ原料を溶媒に浸漬して綿毛構造を形成させる第二ステップと、該綿毛構造のカーボンナノチューブをろ過して、カーボンナノチューブ構造体を形成させる第三ステップと、前記カーボンナノチューブ構造体の同じ表面又は対向する表面に、それぞれ第一電極及び第二電極を設置して、面発熱光源を形成する第四ステップと、を含む。

第一ステップでは、前記カーボンナノチューブ原料は、次のようにして得られる。まず、シリコン基板にカーボンナノチューブアレイを成長させる。次に、ブレードなどの工具を利用して、前記カーボンナノチューブを前記シリコンから削剥して、カーボンナノチューブ原料が得られる。ここで、前記カーボンナノチューブ原料において、単一のカーボンナノチューブの長さは、１０μｍ以上である。

本実施形態において、前記カーボンナノチューブアレイは化学気相堆積法（ＣＶＤ法）により成長される。次に、前記カーボンナノチューブアレイの成長工程について詳しく説明する。まず、基材を提供する。該基材は、Ｐ型又はＮ型のシリコン基材、又は表面に酸化物が形成されたシリコン基材が利用される。本実施形態において、厚さが４インチのシリコン基材を提供する。次に、前記基材の表面に触媒層を堆積させる。該触媒層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ又はそれらの合金である。次に、前記触媒層が堆積された前記基材を、７００〜９００℃、空気の雰囲気において３０〜９０分間アニーリングする。最後に、前記基材を反応装置内に置いて、保護ガスを導入すると同時に前記基材を５００〜７００℃に加熱して、５〜３０分間カーボンを含むガスを導入する。これにより、高さが２００〜４００μｍの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）が成長される。前記超配列カーボンナノチューブアレイは、相互に平行に基材に垂直に成長する複数のカーボンナノチューブからなる。前記の方法により、前記超配列カーボンナノチューブアレイにアモルファス炭素又は触媒剤である金属粒子などの不純物が残らず、純粋なカーボンナノチューブアレイが得られる。

本実施形態において、前記カーボンを含むガスはアセチレンなどの炭化水素であり、保護ガスは窒素やアンモニアなどの不活性ガスである。勿論、前記カーボンナノチューブアレイは、アーク放電法又はレーザー蒸発法によっても得られることができる。

ブレードなどの工具を利用して、前記カーボンナノチューブを前記シリコンから削剥した後、一部のカーボンナノチューブは相互に絡み合っている。単一の前記カーボンナノチューブの長さは１０μｍである。

前記第二ステップにおいて、前記溶媒は、水又は揮発性有機溶剤である。さらに、前記カーボンナノチューブ原料を前記溶媒に浸漬した後、超音波式分散又は高強度撹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工程が提供されている。本実施形態において、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い比表面積を持ち、カーボンナノチューブの間に大きい分子間力があるので、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。

前記第三ステップにおいて、まず、微多孔膜又はエアーポンプファネル（Ａｉｒ−ｐｕｍｐｉｎｇ Ｆｕｎｎｅｌ）を提供する。次に、前記微多孔膜又はエアーポンプファネルを利用して、前記綿毛構造のカーボンナノチューブを含む溶剤をろ過して、溶剤を除去させる。最後、前記微多孔膜に残った前記綿毛構造のカーボンナノチューブを乾燥させて、カーボンナノチューブ構造体を形成させる。

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、０．２２μｍ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構造体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に空気圧をかけるので、均一なカーボンナノチューブ構造体を形成させることができる。

前記綿毛構造のカーボンナノチューブを乾燥させる時間は、実際の要求に応じて決められている。図４を参照すると、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がそれぞれ絡み合って、不規則なカーボンナノチューブ構造体が形成されている。さらに、実際の要求に応じて、前記カーボンナノチューブ構造体を成型して加工することができる。

本実施形態において、前記カーボンナノチューブ構造体の伸展面積を制御することにより、前記カーボンナノチューブ構造体の厚さ及び表面密度を制御することができる。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、伸展面積が大きくなるほど、厚さ及び密度が低減する。

図５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は相互に絡み合っているので、前記カーボンナノチューブ構造体の強靱性が強くなる。前記カーボンナノチューブ構造体は柔軟性を有するので、該カーボンナノチューブ構造体は任意の形状に形成されることができる。本実施形態において、前記カーボンナノチューブ構造体の厚さは、１μｍ〜１０ｍｍにされている。

実際の応用に応じて、前記カーボンナノチューブ構造体１６は基板１８に設置されることができる。前記基板１８はセラミック、ガラス、樹脂、石英のいずれか一種である。本実施形態において、前記基板はセラミックからなり、その形状は実際の応用に応じて設けることができる。前記基板１８は前記カーボンナノチューブ構造体１６を支持するために設置されている。しかし、本実施形態のカーボンナノチューブ構造体１６は自立構造を有するので、前記基板１８を設置せずに、前記面発熱光源１０に利用されることができる。

第四ステップでは、第一電極１２及び第二電極１４を提供して、前記第一電極１２及び前記第二電極１４を所定の距離で分離して、前記カーボンナノチューブ構造体１６に電気的に接続させるように前記カーボンナノチューブ構造体１６の表面に設置する。

前記第一電極１２及び第二電極１４は、銅、モリブデン又は黒鉛からなる。本実施形態において、前記第一電極１２及び第二電極１４は銅からなる。

（実施形態３）
図６及び図７を参照して、本実施形態の面発熱光源２０を利用して、サンプル３０を加熱する方法について詳しく説明する。本実施形態の面発熱光源２０は第一電極２２と、第二電極２４と、カーボンナノチューブ構造体２６と、を含む。さらに、前記第一電極２２及び第二電極２４は所定の距離で分離して、カーボンナノチューブ構造体２６に電気接続されるように前記カーボンナノチューブ構造２６体の表面に設置されている。

前記カーボンナノチューブ構造体２６の面積は９００ｃｍ^２である。前記カーボンナノチューブ構造体２６の長さ及び幅はそれぞれ３０ｃｍである。前記カーボンナノチューブ構造体２６は複数のカーボンナノチューブを有する。前記複数のカーボンナノチューブは相互に絡み合っている。前記第一電極２２及び前記第二電極２４の間に１５Ｖの電圧を印加する場合、前記面発熱光源１０自体の温度は３００℃に達することができる。

前記カーボンナノチューブ構造体２６は自立構造を有するので、前記面発熱光源２０に基板を設置することが必要でない。前記カーボンナノチューブ構造体２６は良好な引張力を有し、環状に形成されることができる。従って、サンプル３０を加熱させる工程において、前記サンプル３０の全身又は一部をカーボンナノチューブ構造体２６に接続させることができる。

前記面発熱光源２０で前記サンプル３０を加熱させる方法は、サンプル３０を提供する第一ステップと、前記面発熱光源２０のカーボンナノチューブ構造体２６を前記サンプル３０の表面に近接し又は貼るように設置する第二ステップと、第一電極２２及び第二電極２４の間に電圧を印加して前記サンプル３０を加熱させる第三ステップと、を含む。

実施形態１の面発熱光源の模式図である。 図１の線ＩＩ−ＩＩ’に沿って見た実施形態１の面発熱光源の断面図である。 実施形態２の面発熱光源の製造方法のフローチャートである。 実施形態２の面発熱光源の製造方法で製造されたカーボンナノチューブ構造体のＳＥＭ写真である。 実施形態２の面発熱光源の製造方法で製造された所定の形状を有するカーボンナノチューブ構造体の写真である。 実施形態３の面発熱光源を利用してサンプルを加熱する方法を示す図である。 図６の線ＶＩＩ−ＶＩＩ’に沿って見た本発明の実施形態の面発熱光源を利用する状態の断面図である。

符号の説明

１０ 面発熱光源
１２ 第一電極
１４ 第二電極
１６ カーボンナノチューブ構造体
１８ 基板
２０ 面発熱光源
２２ 第一電極
２４ 第二電極
２６ カーボンナノチューブ構造体
３０ サンプル

Claims (8)

1. 複数のカーボンナノチューブを含み、前記複数のカーボンナノチューブが相互に絡み合っているカーボンナノチューブ構造体と、
   所定の距離で分離し、それぞれ該カーボンナノチューブ構造体に設置された少なくとも二つの電極と、
   を備えることを特徴とする面発熱光源。
2. 前記カーボンナノチューブ構造体の厚さが１μｍ〜２ｍｍであり、
   前記カーボンナノチューブ構造体の長さが１００μｍ以上であることを特徴とする、請求項１に記載の面発熱光源。
3. 前記複数のカーボンナノチューブが分子間力で絡み合って、綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の面発熱光源。
4. 前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体が複数の微孔を有し、
   単一の微孔の直径が５０μｍであることを特徴とする、請求項３に記載の面発熱光源。
5. 前記少なくとも二つの電極が、前記カーボンナノチューブ構造体の同じ表面又は対向する表面に設置されていることを特徴とする、請求項１に記載の面発熱光源。
6. 前記面発熱光源が、真空装置又は不活性ガスを充填した装置を含み、
   前記カーボンナノチューブ構造体が前記装置の中に設置されていることを特徴とする、請求項１に記載の面発熱光源。
7. カーボンナノチューブ原料を提供する第一ステップと、
   前記カーボンナノチューブ原料を溶媒に浸漬して綿毛構造を形成させる第二ステップと、
   該綿毛構造のカーボンナノチューブをろ過して、カーボンナノチューブ構造体を形成させる第三ステップと、
   前記カーボンナノチューブ構造体の同じ表面又は対向する表面に、それぞれ第一電極及び第二電極を設置して、面発熱光源を形成する第四ステップと、
   を含むことを特徴とする面発熱光源の製造方法。
8. 前記第三ステップは、
   微多孔膜又はエアーポンプファネルを提供する第一サブステップと、
   前記微多孔膜又はエアーポンプファネルを利用して、前記綿毛構造のカーボンナノチューブを含む溶剤をろ過して、溶剤を除去させる第二サブステップと、
   前記微多孔膜に残った前記綿毛構造のカーボンナノチューブを乾燥させて、カーボンナノチューブ構造体を形成させる第三サブステップと、
   を含むことを特徴とする、請求項７に記載の面発熱光源の製造方法。