JP5043911B2 - カーボンナノチューブアレイを利用した複合体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、複合材料の製造方法に関し、特にカーボンナノチューブアレイを含む複合体の製造方法に関するものである。

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、大きなアスペクト比を有し、例えば、抗張強度が１．０×１０^５ＭＰａであり、ヤング率（Ｙｏｕｎｇ’ｓ ｍｏｄｕｌｕｓ）が１．８×１０^５ＭＰａであることなどの独特の力学性能を有し、強酸、強アルカリに耐性を有し、６００℃以下の温度で酸化されない。また、カーボンナノチューブが優れた導熱の性能を有する。従って、該カーボンナノチューブを添加物として他の材料に複合することがカーボンナノチューブ応用の重要な方向になる。

Ｓ．Ｉｉｊｉｍａ、"Ｈｅｌｉｃａｌ Ｍｉｃｒｏｔｕｂｕｌｅｓ ｏｆ Ｇｒａｐｈｉｔｉｃ Ｃａｒｂｏｎ"、Ｎａｔｕｒｅ、１９９１年、第３５４巻、ｐ．５６ Ｋａｉｌｉ Ｊｉａｎｇ、Ｑｕｎｑｉｎｇ Ｌｉ、Ｓｈｏｕｓｈａｎ Ｆａｎ、"Ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｙａｒｎｓ"、Ｎａｔｕｒｅ、２００２年、第４１９巻、ｐ．８０１

カーボンナノチューブアレイにおいて、カーボンナノチューブが配向して配列されているので、カーボンナノチューブアレイは、良好な機械強度及び電気伝導性を有する。従って、しかし、カーボンナノチューブアレイを利用した複合体の製造工程において、カーボンナノチューブアレイが損傷する可能性があるので、このカーボンナノチューブアレイを利用した複合体の性能が低くなるという課題がある。

本発明のカーボンナノチューブアレイを利用した複合体の製造方法は、第一端部及び該第一端部と反対側に位置する第二端部を有するカーボンナノチューブアレイを提供する第一ステップと、第一基板及び第二基板を提供して、前記第一端部を前記第一基板に、前記第二端部を前記第二基板に固定するように、前記カーボンナノチューブアレイを前記第一基板及び第二基板の間に組み合わせる第二ステップと、前記第一基板及び第二基板を封止して、入口を有する装置を形成する第三ステップと、前記装置の入口から、液体ポリマー前駆体を注入して、液体ポリマー前駆体で前記カーボンナノチューブアレイを完全に浸漬させる第四ステップと、前記液体ポリマー前駆体を硬化させて、カーボンナノチューブアレイを利用した複合体を得る第五ステップと、を含む。

前記第二ステップは、前記第一基板に第一接着層を塗布して、前記第二基板に第二接着層を塗布する第一サブステップと、前記カーボンナノチューブアレイの第一端部を前記第一接着層に接触させ、前記カーボンナノチューブアレイの第二端部を前記第二接着層に接触させる第二サブステップと、第一接着層及び第二接着層を乾燥させる第三サブステップと、を含む。

前記第三ステップにおいて、底基板を提供する。前記底基板と、前記第一基板と、第二基板と、を利用して、入口を有する装置を形成する。前記第一基板及び第二基板は、前記装置の対向する二つの側壁であり、前記カーボンナノチューブアレイは前記装置の内部に設置されている。

前記第四ステップにおいて、前記カーボンナノチューブアレイにおけるカーボンナノチューブの長手方向に垂直する方向に沿って、前記液体ポリマー前駆体を前記装置の中に注入する。

前記第五ステップは、前記液体ポリマー前駆体で浸漬された前記カーボンナノチューブアレイを容器に設置する第一サブステップと、前記液体ポリマー前駆体及び前記カーボンナノチューブアレイを８０℃〜１００℃の温度で、１時間〜３０時間加熱させる第二サブステップと、前記液体ポリマー前駆体及び前記カーボンナノチューブアレイを１２０℃〜３００℃の温度で、３時間〜２０時間加熱させて、カーボンナノチューブアレイを利用した複合体を得る第三サブステップと、を含む。

本発明のカーボンナノチューブアレイを利用した複合体の製造方法は、従来技術と比べて次の優れた点がある。第一は、本発明の製造方法では、カーボンナノチューブを表面修飾する必要はなく、カーボンナノチューブの構造を破壊することなく、カーボンナノチューブアレイを利用した複合体の性能を高める。第二は、本発明の製造方法が簡単で、コストが低くなる。

本発明の実施形態に係るカーボンナノチューブアレイを利用した複合体の製造方法のフローチャートである。 本発明の実施形態に係るカーボンナノチューブアレイを利用した複合体の製造工程を示す図である。 本発明の実施形態に係るカーボンナノチューブアレイを利用した複合体の断面のＳＥＭ写真である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

図１及び図２を参照すると、本実施形態のカーボンナノチューブアレイを利用した複合体の製造方法は、第一端部１２２及び該第一端部１２２と反対側に位置する第二端部１２４を有するカーボンナノチューブアレイ１２を提供する第一ステップと、第一基板１６及び第二基板２０を提供して、前記第一端部１２２を前記第一基板１６に、前記第二端部１２４を前記第二基板２０に固定するように、前記カーボンナノチューブアレイ１２を前記第一基板１６及び第二基板２０の間に組み合わせる第二ステップと、前記第一基板１６及び第二基板２０を封止して、入口２８２を有する装置２８を形成する第三ステップと、前記装置２８の入口２８２から、液体ポリマー前駆体２６を注入して、液体ポリマー前駆体２６で前記カーボンナノチューブアレイ１２を完全に浸漬させる第四ステップと、前記液体ポリマー前駆体２６を硬化させる第五ステップと、を含む。

前記第一ステップにおいて提供された前記のカーボンナノチューブアレイは、カーボンナノチューブアレイが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）であることが好ましい。

前記超配列カーボンナノチューブアレイの製造方法として、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１４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１４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１４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、前記基材１４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。

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。

本実施例により提供される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。

前記第二ステップの、前記カーボンナノチューブアレイ１２を前記第一基板１６及び第二基板２０の間に固定する方法は、前記第一基板１６に第一接着層１８を塗布して、前記第二基板２０に第二接着層２２を塗布する第一サブステップと、前記カーボンナノチューブアレイ１２の第一端部１２２を前記第一接着層１８に接触させ、前記カーボンナノチューブアレイ１２の第二端部１２４を前記第二接着層２２に接触させる第二サブステップと、第一接着層１８及び第二接着層２２を乾燥させる第三サブステップと、を含む。

前記第一基板１６及び第二基板２０の形状は、方形、円形、三角形のいずれか一種である。前記第一基板１６及び第二基板２０は、ガラス、金属、酸化シリコンのいずれか一種又はそれらの組み合わせからなる。

前記第二サブステップにおいて、前記第一接着層１８及び第二接着層２２は、ゴム、ポリウレタン、シリコンのいずれか一種からなる。前記第一接着層１８及び第二接着層２２の厚さは、それぞれ０，１μｍ〜１０μｍである。

さらに、前記第二サブステップにおいて、前記カーボンナノチューブアレイ１２を前記第二基板２０に固定する前に、前記カーボンナノチューブアレイ１２を成長させる基材１４を除去することができる。機械研磨又は化学エッチング方法により、前記基材１４を除去することができる。本実施例において、前記カーボンナノチューブアレイ１２を成長させる基材１４を除去する方法において、まず、前記基材１４を固定させる。次に、金属シート（図示せず）を利用して、前記基材１４と前記カーボンナノチューブアレイ１２の第二端部１２４とが接触する界面に差し込んで、前記カーボンナノチューブアレイ１２と前記基材１４とを分離する。前記金属シートの厚さは、５μｍ〜１５μｍである。前記基材１４を除去した後、前記カーボンナノチューブアレイ１２の第二端部１２４を直接前記第二接着層２２に接着させることができる。勿論、前記基材１４を除去せず、前記基材１４を直接前記第二接着層２２に接着させることもできる。

前記第三サブステップにおいて、前記第一接着層１８及び第二接着層２２を乾燥する温度は、前記第一接着層１８及び第二接着層２２の材料に応じて、２０℃〜１５０℃の範囲で調整することができる。本実施例において、前記第一接着層１８及び第二接着層２２はシリコンからなり、乾燥温度は１００℃である。

前記第三ステップにおいて、さらに底基板２８４を提供することができる。本実施例において、前記底基板２８４と、前記第一基板１６と、第二基板２０と、第三基板（図示せず）と、第４基板（図示せず）とを利用して、入口２８２を有する直方体の装置２８を形成する。ここで、前記第一基板１６及び第二基板２０は、前記装置２８の対向する二つの側壁である。第三基板と第四基板は、対向する二つの側壁で、各々第一基板１６と第二基板２０との間に配置されて直方体を構成する。この直方体の底部には、前記底基板２８４が設けられている。前記カーボンナノチューブアレイ１２は前記装置２８の内部に設置されている。さらに、前記底基板２８４と、前記第一基板１６と、第二基板２０と、を、シリカゲルで組み合わせることができる。

前記第四ステップにおいて、前記液体ポリマー前駆体２６は、粘性が低い（１Ｐａ・ｓより低い）。前記液体ポリマー前駆体２６は、熱硬化性材料又は熱可塑性材料からなる。前記熱硬化性材料は、エポキシ樹脂、ビスマレイミド樹脂、シアン酸エステル樹脂、シリコーンゴムのいずれか一種である。前記熱可塑性材料は、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリビニル・アルコールのいずれか一種である。本実施例において、前記液体ポリマー前駆体２６は、エポキシ樹脂を酢酸エチルに分散して形成するものである。

前記第四ステップにおいて、前記液体ポリマー前駆体２６を前記装置２８の中に注入して、前記カーボンナノチューブアレイ１２を浸漬させる。本実施例において、前記カーボンナノチューブアレイ１２にカーボンナノチューブの長手方向に垂直する方向に沿って、前記液体ポリマー前駆体２６を前記装置２８の中に注入する。これにより、前記液体ポリマー前駆体２６を注入する過程において、前記カーボンナノチューブアレイ１２が損傷しない。さらに、前記ポリマー前駆体２６を液体状態に保持するために、前記ポリマー前駆体２６を注入する時、作業環境の温度を２０℃〜８０℃に設定する必要がある。

前記第五ステップにおいて、前記液体ポリマー前駆体２６を硬化させる工程は、前記液体ポリマー前駆体２６で浸漬された前記カーボンナノチューブアレイ１２を容器に設置する第一サブステップと、前記液体ポリマー前駆体２６及び前記カーボンナノチューブアレイ１２を８０℃〜１００℃の温度で、１時間〜３０時間加熱させる第二サブステップと、前記液体ポリマー前駆体２６及び前記カーボンナノチューブアレイ１２を１２０℃〜３００℃の温度で、３時間〜２０時間加熱させて、カーボンナノチューブアレイを利用した複合体を得る第三サブステップと、を含む。前記液体ポリマー前駆体２６を硬化させる工程は、真空度が１０^−４Ｐａ〜１０^−６Ｐａの真空容器において行われることが好ましい。

前記第五ステップの前に、前記装置２８を真空化させることが好ましい。本実施例において、前記装置２８を密封空間に置いて、前記密封空間の真空度が１０^−４Ｐａ〜１０^−６Ｐａに達してから、１０分間真空化させる。これにより、前記液体ポリマー前駆体２６で浸漬された前記カーボンナノチューブアレイ１２の中にある空気を除去することができる。

さらに、前記カーボンナノチューブアレイを利用した複合体を薄く切断することができる。前記複合体の前記カーボンナノチューブアレイにカーボンナノチューブの長手方向に垂直する方向に沿って、前記複合体を切断することができる。図３は、前記複合体を切断した後の、前記複合体の断面のＳＥＭ写真である。図３を見ると、本発明のカーボンナノチューブアレイを利用した複合体において、カーボンナノチューブアレイは良好な配列形態を保持することができることが分かる。

１２ カーボンナノチューブアレイ
１２２ 第一端部
１２４ 第二端部
１４ 基材
１６ 第一基板
１８ 第一接着層
２０ 第二基板
２２ 第二接着層
２６ 液体ポリマー前駆体
２８ 装置
２８２ 入口
２８４ 底基板

Claims (5)

1. 第一端部及び該第一端部と反対側に位置する第二端部を有するカーボンナノチューブアレイを提供する第一ステップと、
   第一基板及び第二基板を提供して、前記第一端部を前記第一基板に、前記第二端部を前記第二基板に固定するように、前記カーボンナノチューブアレイを前記第一基板及び第二基板の間に組み合わせる第二ステップと、
   前記第一基板及び第二基板を第三基板、第四基板により封止して、入口を有する装置を形成する第三ステップと、
   前記装置の入口から、液体ポリマー前駆体を注入して、液体ポリマー前駆体で前記カーボンナノチューブアレイを完全に浸漬させる第四ステップと、
   前記液体ポリマー前駆体を硬化させて、カーボンナノチューブアレイを利用した複合体を得る第五ステップと、
   を含むことを特徴とするカーボンナノチューブアレイを利用した複合体の製造方法。
2. 前記第二ステップは、
   前記第一基板に第一接着層を塗布して、前記第二基板に第二接着層を塗布する第一サブステップと、
   前記カーボンナノチューブアレイの第一端部を前記第一接着層に接触させ、前記カーボンナノチューブアレイの第二端部を前記第二接着層に接触させる第二サブステップと、
   第一接着層及び第二接着層を乾燥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１に記載のカーボンナノチューブアレイを利用した複合体の製造方法。
3. 前記第三ステップにおいて、底基板を提供し、
   前記底基板と、前記第一基板と、前記第二基板と、を利用して、入口を有する装置を形成し、
   前記第一基板及び第二基板は、前記装置の対向する二つの側壁であり、
   前記カーボンナノチューブアレイは前記装置の内部に設置されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のカーボンナノチューブアレイを利用した複合体の製造方法。
4. 前記第四ステップにおいて、前記カーボンナノチューブアレイにおけるカーボンナノチューブの長手方向に垂直する方向に沿って、前記液体ポリマー前駆体を前記装置の中に注入することを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のカーボンナノチューブアレイを利用した複合体の製造方法。
5. 前記第五ステップは、
   前記液体ポリマー前駆体で浸漬された前記カーボンナノチューブアレイを真空容器に設置する第一サブステップと、
   前記液体ポリマー前駆体及び前記カーボンナノチューブアレイを８０℃〜１００℃の温度で、１時間〜３０時間加熱させる第二サブステップと、
   前記液体ポリマー前駆体及び前記カーボンナノチューブアレイを１２０℃〜３００℃の温度で、３時間〜２０時間加熱させて、カーボンナノチューブアレイを利用した複合体を得る第三サブステップと、
   を含むことを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のカーボンナノチューブアレイを利用した複合体の製造方法。