JP4701431B2 - 異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体ならびにその製造方法および用途 - Google Patents
異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体ならびにその製造方法および用途 Download PDFInfo
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Description
Kenji Hata et al, Water-Assisted Highly Efficient Synthesis of Impurity-Free Single-Walled Carbon Nanotubes, SCIENCE, 2004.11.19, vol.306, p.1362-1364
〔1〕 複数のカーボンナノチューブが所定の方向に配向し、密度が0.3〜1.5g/cm3である高密度部分と0.001〜0.2g/cm3である低密度部分を有することを特徴とする異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体。
〔2〕 高密度部分と低密度部分の中間の密度部分を1又は複数有することを特徴とする上記〔1〕に記載の異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体。〔3〕 高密度部分と低密度部分が規則的に配置されていることを特徴とする上記〔1〕に記載の異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体。
〔4〕 高密度部分と低密度部分とその中間の密度部分が規則的に配置されていることを特徴とする請求項1記載の異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体。
〔5〕 複数のカーボンナノチューブが所定の方向に配向し、密度が0.3〜1.5g/cm3である最高密度部分と0.001〜0.2g/cm3である最低密度部分との間で連続的又は段階的に変化していることを特徴とする異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体。
〔6〕 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ことを特徴とする上記〔1〕から〔5〕のいずれかに記載の異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体。
〔7〕 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ことを特徴とする上記〔1〕から〔5〕のいずれかに記載の異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体。
〔8〕 カーボンナノチューブが単層カーボンナノチューブと二層および三層以上のカーボンナノチューブが混在したものであることを特徴とする上記〔1〕から〔5〕のいずれかに記載の異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体。
〔9〕 蛍光X線で測定した純度が98%以上であることを特徴とする上記〔1〕から〔8〕のいずれかに記載の異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体。
〔10〕 高密度部分の比表面積が600〜2600m2/gであることを特徴とする上記〔1〕から〔9〕のいずれかに記載の異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体。
〔11〕 高密度部分が未開口であり、比表面積が600〜1300m2/gであることを特徴とする上記〔1〕から〔9〕のいずれかに記載の異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体。
〔12〕 高密度部分が開口しており、比表面積が1300〜2600m2/gであることを特徴とする上記〔1〕から〔9〕のいずれかに記載の異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体。
〔13〕 高密度部分のメソポア径が1.0〜5.0nmであることを特徴とする上記〔1〕から〔12〕のいずれかに記載の異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体。
〔14〕 高密度部分のビッカース硬さが5〜100HVであることを特徴とする上記〔1〕から〔13〕のいずれかに記載の異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体。
〔15〕 高密度部分が基板上に垂直配向もしくは水平配向していることを特徴とする上記〔1〕から〔14〕のいずれかに記載の異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体。
〔16〕 高密度部分が基板上に基板面に対して斜め方向に配向していることを特徴とする上記〔1〕から〔14〕のいずれかに記載の異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体。
〔17〕 高密度部分の配向方向とそれに垂直な方向で光学的特性、電気的特性、機械的特性および熱的特性の少なくともいずれかにおいて異方性を有することを特徴とする上記〔1〕から〔16〕のいずれかに記載の異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体。
〔18〕 高密度部分のX線回折測定したときの配向方向とそれに垂直な方向の(100)、(110)、(002)ピークの強度比が、1:2〜1:100であることを特徴とする上記〔1〕から〔17〕のいずれかに記載の異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体。
〔19〕 高密度部分の形状が、薄膜であることを特徴とする上記〔1〕から〔18〕のいずれかに記載の異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体。
〔20〕 高密度部分の形状が、断面が円形、楕円形、n角形(nは3以上の整数)の柱状であることを特徴とする上記〔1〕から〔18〕のいずれかに記載の異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体。
〔21〕 高密度部分の形状が、ブロック状であることを特徴とする上記〔1〕から〔18〕のいずれかに記載の異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体。
〔22〕 高密度部分の形状が、針状であることを特徴とする上記〔1〕から〔18〕のいずれかに記載の異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体。
〔23〕上記〔1〕から〔22〕のいずれかの異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体を製造する方法であって、金属触媒の存在下にカーボンナノチューブを化学気相成長(CVD)させる方法において、複数のカーボンナノチューブを配向成長させ、得られた複数のカーボンナノチューブの一部を水にさらして収縮を起こさせた後、乾燥させることにより、密度が0.3〜1.5g/cm3である高密度部分と0.001〜0.2g/cm3である低密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体を製造することを特徴とする異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体の製造方法。
〔24〕 収縮を起こさせる開始位置を異ならせることにより形状の相違した配向カーボンナノチューブ・バルク構造体を得ることを特徴とする上記〔23〕に記載の異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体の製造方法。
〔25〕 複数のカーボンナノチューブを収縮を起こさせた後、乾燥させる際に、異なる方向から異なる大きさの圧力を加えることを特徴とする上記〔23〕または〔24〕に記載の異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体の製造方法。
〔26〕 成形型を用いて配向カーボンナノチューブ・バルク構造体の形状を制御することを特徴とする上記〔23〕から〔25〕のいずれかに記載の異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体の製造方法。
〔27〕 複数のカーボンナノチューブが所定の方向に配向し、密度が0.3〜1.5g/cm3である高密度部分と0.001〜0.2g/cm3である低密度部分を有する、異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体より構成されていること特徴とする機能性製品。
〔28〕 高密度部分が軸状に形成され、その一端部から低密度部分が複数の毛状に広がっている清掃用刷毛であることを特徴とする上記〔27〕に記載の機能性製品。
〔29〕 モーターのブラシであることを特徴とする上記〔27〕に記載の機能性製品。〔30〕 モーターの整流子であることを特徴とする上記〔27〕に記載の機能性製品。〔31〕 モーターの電気接点であることを特徴とする上記〔27〕に記載の機能性製品。
〔32〕 擦動部材を構成することを特徴とする上記〔27〕に記載の機能性製品。
〔33〕 光学部材であることを特徴とする上記〔27〕に記載の機能性製品。
(2)上記した金属、合金、酸化物の薄膜、シート、板、パウダーおよび多孔質材料
(3)シリコン、石英、ガラス、マイカ、グラファイト、ダイアモンド)などの非金属、セラミックス;これらのウェハ、薄膜
触媒のパターニング法としては、直接的または間接的に触媒金属をパターニングできる手法であれば適宜の手法を使用することができ、ウェットプロセスでもよくドライプロセスでもよく、たとえば、マスクを用いたパターニング、ナノインプリンティングを用いたパターニング、ソフトリソグラフィーを用いたパターニング、印刷を用いたパターニング、メッキを用いたパターニング、スクリーン印刷を用いたパターニング、リソグラフィーを用いたパターニングの他、上記のいずれかの手法を用いて、基板上に触媒が選択的に吸着する他の材料をパターニングさせ、他の材料に触媒を選択吸着させ、パターンを作成する方法でもよい。好適な手法は、リソグラフィーを用いたパターニング、マスクを用いた金属蒸着フォトリソグラフィー、電子ビームリソグラフィー、マスクを用いた電子ビーム蒸着法による触媒金属パターニング、マスクを用いたスパッタ法による触媒金属パターニングである。
<2>整流子の接点
<3>整流子の軸
この出願の発明に係る配向カーボンナノチューブ・バルク構造体の高密度部分は従来の配向カーボンナノチューブ・バルク集合体ないし構造体に比べて密度が著しく大きく且つ硬度も大きい。高密度部分と低密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体は、高密度部分と低密度部分がそれぞれ超高純度、超熱伝導性、高比表面積、優れた電子・電気的特性、光学特性、超機械的強度、超高密度などの様々な物性・特性を有することから、上記以外にも種々の技術分野に応用することができる。
以下の条件において、CVD法により配向カーボンナノチューブ集合体を成長させた。
雰囲気(ガス)(Pa):ヘリウム、水素混合ガス;供給速度1000sccm
圧力1大気圧
水蒸気添加量(ppm):150ppm
反応温度(℃):750℃
反応時間(分):10分
金属触媒(存在量):鉄薄膜;厚さ1nm
基板:シリコンウェハー
なお、基板上への触媒の配置はスパッタ蒸着装置を用い、厚さ1nmの鉄金属を蒸着することにより行った。
また、実施例1の配向カーボンナノチューブ・バルク集合体の純度は99.98%であった。
実施例1において、成長直後の配向カーボンナノチューブ・バルク集合体を配向方向が長手方向になるように短冊状の形状にカットし、その中央部付近を水にさらした後、乾燥させ、図15に示すような形状の整流子を形成した。この整流子は4つの扇型状の部分からなり、各扇型状部分のうち中心側は高密度部分、周辺側は低密度部分になっており、図16のような構成でテストを行ったところ、銅整流子と低摩擦の良好な接触を行う電気接点の役割を行うことが確認された。ちなみに高密度部分の密度は0.5g/cm3、低密度部分の密度は0.03g/cm3であった。また、CNTモーター用電気接点は軸の役割も行うことができる。
Claims (33)
- 複数のカーボンナノチューブが所定の方向に配向し、密度が0.3〜1.5g/cm3である高密度部分と0.001〜0.2g/cm3である低密度部分を有することを特徴とする異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体。
- 高密度部分と低密度部分の中間の密度部分を1又は複数有することを特徴とする請求項1に記載の異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体。
- 高密度部分と低密度部分が規則的に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体。
- 高密度部分と低密度部分とその中間の密度部分が規則的に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体。
- 複数のカーボンナノチューブが所定の方向に配向し、密度が0.3〜1.5g/cm3である最高密度部分と0.001〜0.2g/cm3である最低密度部分との間で連続的又は段階的に変化していることを特徴とする異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体。
- 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ことを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体。
- 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ことを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体。
- カーボンナノチューブが単層カーボンナノチューブと二層および三層以上のカーボンナノチューブが混在したものであることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体。
- 蛍光X線で測定した純度が98%以上であることを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体。
- 高密度部分の比表面積が600〜2600m2/gであることを特徴とする請求項1から9のいずれかに記載の異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体。
- 高密度部分が未開口であり、比表面積が600〜1300m2/gであることを特徴とする請求項1から9のいずれかに記載の異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体。
- 高密度部分が開口しており、比表面積が1300〜2600m2/gであることを特徴とする請求項1から9のいずれかに記載の異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体。
- 高密度部分のメソポア径が1.0〜5.0nmであることを特徴とする請求項1から12のいずれかに記載の異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体。
- 高密度部分のビッカース硬さが5〜100HVであることを特徴とする請求項1から13のいずれかに記載の異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体。
- 高密度部分が基板上に垂直配向もしくは水平配向していることを特徴とする請求項1から14のいずれかに記載の異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体。
- 高密度部分が基板上に基板面に対して斜め方向に配向していることを特徴とする請求項1から14のいずれかに記載の異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体。
- 高密度部分の配向方向とそれに垂直な方向で光学的特性、電気的特性、機械的特性および熱的特性の少なくともいずれかにおいて異方性を有することを特徴とする請求項1から16のいずれかに記載の異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体。
- 高密度部分のX線回折測定したときの配向方向とそれに垂直な方向の(100)、(110)、(002)ピークの強度比が、1:2〜1:100であることを特徴とする請求項1から17のいずれかに記載の異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体。
- 高密度部分の形状が、薄膜であることを特徴とする請求項1から18のいずれかに記載の異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体。
- 高密度部分の形状が、断面が円形、楕円形、n角形(nは3以上の整数)の柱状であることを特徴とする請求項1から18のいずれかに記載の異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体。
- 高密度部分の形状が、ブロック状であることを特徴とする請求項1から18のいずれかに記載の異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体。
- 高密度部分の形状が、針状であることを特徴とする請求項1から18のいずれかに記載の異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体。
- 請求項1から請求項22のいずれかの異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体を製造する方法であって、金属触媒の存在下にカーボンナノチューブを化学気相成長(CVD)させる方法において、複数のカーボンナノチューブを配向成長させ、得られた複数のカーボンナノチューブの一部を水にさらして収縮を起こさせた後、乾燥させることにより、密度が0.3〜1.5g/cm3である高密度部分と0.001〜0.2g/cm3である低密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体を製造することを特徴とする異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体の製造方法。
- 収縮を起こさせる開始位置を異ならせることにより形状の相違した配向カーボンナノチューブ・バルク構造体を得ることを特徴とする請求項23に記載の異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体の製造方法。
- 複数のカーボンナノチューブを収縮を起こさせた後、乾燥させる際に、異なる方向から異なる大きさの圧力を加えることを特徴とする請求項23または24に記載の異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体の製造方法。
- 成形型を用いて配向カーボンナノチューブ・バルク構造体の形状を制御することを特徴とする請求項23から25のいずれかに記載の異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体の製造方法。
- 複数のカーボンナノチューブが所定の方向に配向し、密度が0.3〜1.5g/cm3である高密度部分と0.001〜0.2g/cm3である低密度部分を有する、異なる密度部分を有する配向カーボンナノチューブ・バルク構造体より構成されていること特徴とする機能性製品。
- 高密度部分が軸状に形成され、その一端部から低密度部分が複数の毛状に広がっている清掃用刷毛であることを特徴とする請求項27に記載の機能性製品。
- モーターのブラシであることを特徴とする請求項27に記載の機能性製品。
- モーターの整流子であることを特徴とする請求項27に記載の機能性製品。
- モーターの電気接点であることを特徴とする請求項27に記載の機能性製品。
- 擦動部材を構成することを特徴とする請求項27に記載の機能性製品。
- 光学部材であることを特徴とする請求項27に記載の機能性製品。
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