JP5644537B2 - Carbon nanotube aggregate and method for producing the same - Google Patents

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Description

本発明は、多数のカーボンナノチューブからなる紡績糸やシートであるカーボンナノチューブ集合体、及び、カーボンナノチューブ集合体の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a carbon nanotube aggregate that is a spun yarn or sheet composed of a large number of carbon nanotubes, and a method for producing the carbon nanotube aggregate.

カーボンナノチューブ(以下CNTと記すことがある)は、1991年に発見された新しい炭素材料である。このCNTは、炭素原子がsp2結合した六員環のネットワークを有する黒鉛シートが円筒状に閉じた構造を有する、直径数nm〜数十nmのチューブ状の炭素素材である。   Carbon nanotubes (hereinafter sometimes referred to as CNT) are new carbon materials discovered in 1991. This CNT is a tubular carbon material having a diameter of several nanometers to several tens of nanometers having a structure in which a graphite sheet having a six-membered ring network in which carbon atoms are sp2 bonded is cylindrically closed.

CNTは非常に安定した化学構造を有し、CNTを構成する六方格子の螺旋度によって、良導体にも半導体にもなるなど、様々な特性を有することが確認されている。また、CNTは、電気的特性、熱伝導性、及び機械的強度に優れており、これらの特徴を活かして、現在では、熱機器分野、電気、電子機器分野などへの応用研究が盛んに行われている。   CNT has a very stable chemical structure, and it has been confirmed that it has various characteristics such as being a good conductor and a semiconductor depending on the helical degree of the hexagonal lattice constituting the CNT. In addition, CNTs are excellent in electrical characteristics, thermal conductivity, and mechanical strength. Utilizing these characteristics, CNTs are currently actively researched in the fields of thermal equipment, electricity, and electronic equipment. It has been broken.

CNTは、上記のとおり、微細な構造を有するため、そのままでは、取り扱い性や加工性が悪い。このため、肉眼で確認しながら取り扱うことが可能な大きさのCNTの集合体を製造することが試みられている。このCNTの集合体としては、例えば、複数のCNTから成るCNT紡績糸が挙げられる。さらに、このCNT紡績糸を用いて、CNTの織布やシートを製造することができる。(特許文献1〜5参照)
これらの従来技術としては、例えば図10(a)に示す様に、基板上にCNTを合成するFeやCo等の触媒金属を用意し、化学気相合成法によって基板に垂直に配向したCNTからなる膜、詳しくは立設されたCTNが密集して平面状に広がるCNT垂直配向膜を作製し、その膜から紡績することにより紡績糸を製造する方法が知られている。
Since CNT has a fine structure as described above, handling and workability are poor as it is. For this reason, attempts have been made to produce an aggregate of CNTs that can be handled with the naked eye. An example of the aggregate of CNTs is a CNT spun yarn composed of a plurality of CNTs. Furthermore, using this CNT spun yarn, a CNT woven fabric or sheet can be produced. (See Patent Documents 1 to 5)
As these prior arts, for example, as shown in FIG. 10A, a catalyst metal such as Fe or Co for synthesizing CNTs is prepared on a substrate, and the CNTs are aligned perpendicularly to the substrate by a chemical vapor synthesis method. In particular, there is known a method for producing a spun yarn by producing a CNT vertical alignment film in which the standing CTNs are densely spread and spread in a planar shape, and spinning from the film.

特許第3868914号公報Japanese Patent No. 3868914 特開2007−161570号公報JP 2007-161570 A 特許第4512750号公報Japanese Patent No. 4512750 特表2008−523254号公報Special table 2008-523254 gazette 特表2008−517182号公報Special table 2008-517182

しかしながら、上述した従来技術では、図10(b)に示す様に、CNTは合成初期には方向が乱れた状態で成長を開始し、その後、(基板面には垂直方向しか自由度が無いため)基板の垂直方向に成長するので、下記の様な問題があった。   However, in the above-described prior art, as shown in FIG. 10 (b), CNT starts growing in a disordered direction at the initial stage of synthesis, and thereafter (because the substrate surface has a degree of freedom only in the vertical direction). ) Since it grows in the vertical direction of the substrate, there were the following problems.

即ち、CNTが密集して成長したCNT垂直配向膜の上部(図11(a)参照)は、その中間部(図11(b)参照)に比べて、方向が乱れた結晶欠陥の多いCNTから構成されており、一部にはCNT先端成長により先端部に触媒金属を含んだもの、さらには、成長初期に基板から剥がれた触媒金属も付着している(図11(a)の左下の写真参照)。なお、図11は、倍率3万倍の電子顕微鏡写真であり、このうち、図11(a)の左下の写真は要部を30万倍に拡大した電子顕微鏡写真である。   That is, the upper part of the CNT vertical alignment film (see FIG. 11A) where CNTs are densely grown grows from a CNT with many crystal defects whose directions are disordered compared to the middle part (see FIG. 11B). Some of them contain catalyst metal at the tip due to CNT tip growth, and further, catalyst metal that has been peeled off from the substrate in the early stage of growth is attached (lower left photo in FIG. 11A). reference). FIG. 11 is an electron micrograph at a magnification of 30,000 times. Of these, the lower left photo in FIG. 11 (a) is an electron micrograph in which the main part is magnified 300,000 times.

そのため、この様な構造のCNT垂直配向膜から製造したCNT紡績糸には、触媒金属が混ざるとともに欠陥の多いCNT部位を含んでおり、その結果、このCNT紡績糸で各種の製品(例えばCNT紡績糸で編んだ織布など)を製造した場合には、熱伝導性や電気伝導度が所望の特性とは異なるという問題や、機械的強度が低下するという問題があった。   For this reason, the CNT spun yarn produced from the CNT vertical alignment film having such a structure contains a CNT portion having a lot of defects as well as mixed with a catalytic metal. As a result, various products (for example, CNT spun yarn) When a woven fabric knitted with yarn is manufactured, there are problems that thermal conductivity and electrical conductivity are different from desired characteristics, and mechanical strength is lowered.

本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、触媒金属の含有を抑制し、結晶性の高い部位のCNTから構成されるCNT集合体及びその製造方法を提供することにある。   The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a CNT aggregate composed of CNTs having a high crystallinity and containing a catalytic metal, and a method for producing the same. There is.

(1)請求項1の発明は、化学気相合成法によって、基板表面にCNT垂直配向膜を形成し、そのCNT垂直配向膜からCNT集合体を製造する方法において、前記CNT集合体は、多数のCNTにより形成されたCNT紡績糸又はCNTシートであり、前記CNT垂直配向膜を形成した後に、気相エッチングによって、前記CNT垂直配向膜の上部を除去することを特徴とする。 (1) The invention according to claim 1, by chemical vapor phase synthesis, the CNT vertical alignment film formed on the substrate surface, a method of manufacturing a CNT aggregate from the CNT vertical alignment film, the CNT aggregate, many A CNT spun yarn or a CNT sheet formed of CNT, wherein the upper part of the CNT vertical alignment film is removed by vapor phase etching after the CNT vertical alignment film is formed.

本発明は、基板上に形成したCNT垂直配向膜の上部を気相エッチングによって除去するので、CNT垂直配向膜の上部の結晶欠陥を多く含む部分のCNTや、先端に触媒金属を含む部分のCNT、さらには、CNT垂直配向膜の上部に付着した触媒金属を効果的に除去することができる。   In the present invention, the upper part of the CNT vertical alignment film formed on the substrate is removed by gas phase etching, so that the CNT in the part containing many crystal defects on the upper part of the CNT vertical alignment film and the CNT in the part containing the catalyst metal at the tip. Furthermore, the catalyst metal adhering to the upper part of the CNT vertical alignment film can be effectively removed.

従って、この欠陥の多い上部が除去されたCNT垂直配向膜には、触媒金属が殆ど含まれず、しかもCNTの形状(向きや太さ)が揃ったものとなるので、CNT垂直配向膜から、(多数のCNTが紡績によって形成された)CNT紡績糸や(多数のCNTがシート状に配置された)CNTシートであるCNT集合体を製造すると、所望の熱伝導性や電気伝導度を得ることができるとともに、高い機械的強度も得ることができる。
なお、CNT紡績糸から織布などを製造することができる。
Therefore, the CNT vertical alignment film top is removed lot of this defect, the catalytic metal is not included little, yet since those having a uniform shape of the CNT (orientation and thickness), the CNT vertical alignment film ( When a CNT aggregate, which is a CNT spun yarn (a large number of CNTs are formed by spinning) or a CNT sheet (a large number of CNTs are arranged in a sheet form) , desired thermal conductivity and electrical conductivity can be obtained. In addition, high mechanical strength can be obtained.
In addition, a woven fabric etc. can be manufactured from a CNT spun yarn.

(2)請求項2の発明では、前記気相エッチングの際に、前記基板上の前記CNT垂直配向膜を下方、斜め下方、又は横方向に向けて配置することを特徴とする。
本発明では、CNT垂直配向膜を下方や斜め下方や横方向に向けるので、CNT垂直配向膜の上部を気相エッチングによって除去した際に、除去した部分に付着していた触媒金属を、重力によって効果的に下方に脱落させることができる。
(2) The invention of claim 2 is characterized in that the CNT vertical alignment film on the substrate is disposed downward, obliquely downward, or laterally during the vapor phase etching.
In the present invention, since the CNT vertical alignment film is directed downward, obliquely downward, or laterally, when the upper portion of the CNT vertical alignment film is removed by gas phase etching, the catalyst metal adhering to the removed portion is removed by gravity. It can drop off effectively.

これにより、気相エッチングの際に、触媒金属がCNT垂直配向膜に再付着することを防止できる。
(3)請求項3の発明では、前記CNT垂直配向膜を構成するCNTの先端を開口する程度に、前記気相エッチングを行うことを特徴とする。
Thereby, it is possible to prevent the catalyst metal from reattaching to the CNT vertical alignment film during the vapor phase etching.
(3) The invention of claim 3 is characterized in that the vapor phase etching is performed to such an extent that the tips of the CNTs constituting the CNT vertical alignment film are opened.

CNTは中空の糸状体であるので、基板からCNTを分離する際には、CNTの基板側の端部が開口する。従って、本発明の様に、気相エッチングにより先端側を開口する場合には、基板からCNTを分離する際に、CNTの両側が開口した中空のパイプ状にすることができる。   Since the CNT is a hollow filamentous body, when the CNT is separated from the substrate, the end of the CNT on the substrate side opens. Therefore, when the front end side is opened by vapor-phase etching as in the present invention, when separating the CNT from the substrate, it can be formed into a hollow pipe shape in which both sides of the CNT are opened.

従って、この両端が開口したCNTを用いて(例えばCNT紡績糸の様な)CNT集合体を製造する場合には、CNT集合体の(有効に利用できる)表面積を大きくすることができる。   Therefore, when a CNT aggregate (such as a CNT spun yarn) is produced using CNTs having both ends opened, the surface area (effectively usable) of the CNT aggregate can be increased.

なお、この(有効に利用できる)表面積とは、例えばCNT集合体を吸着剤やキャパシタ電極として利用する場合の様に、CNTの内側や外側に気体や液体を導入して反応を行う場合に、実質的に導入や排出される気体や液体に接触できる表面積である。つまり、一方のみが開口しているCNTの場合には、細径なチューブの内側に気体や液体は殆ど流れ込まないので、実質的には、CNTの外側表面が有効に利用できる表面積となる。   The surface area (which can be used effectively) is, for example, when a reaction is performed by introducing a gas or a liquid inside or outside the CNT, such as when the CNT aggregate is used as an adsorbent or a capacitor electrode. It is the surface area that can substantially contact the gas or liquid introduced or discharged. That is, in the case of a CNT that is open only on one side, almost no gas or liquid flows into the inside of the thin tube, so that the outer surface of the CNT effectively becomes a surface area that can be used effectively.

また、CNTの先端が開口する程度としては、CNT垂直配向膜の表面からCNT直径長さ以上除去すればよく、この程度除去すれば、CNT垂直配向膜における各CNTの上部は、通常、80%以上開口する。なお、開口の程度としては、多いほど良いが、90%以上が好ましい。   Further, the extent to which the tip of the CNT is opened may be removed from the surface of the CNT vertical alignment film by a length equal to or longer than the CNT diameter length. Open above. Note that the degree of opening is preferably as large as possible, but 90% or more is preferable.

(4)請求項4の発明では、前記気相エッチングは、酸素プラズマによるエッチングであることを特徴とする。
本発明は、好ましい気相エッチングを例示したものである。本発明者らの実験によれば、酸素プラズマによるエッチングでCNT垂直配向膜集合体の上部を除去したものから、好適にCNT紡績糸を製造することができた。
(4) The invention of claim 4 is characterized in that the gas phase etching is etching by oxygen plasma.
The present invention illustrates a preferred vapor phase etch. According to the experiments by the present inventors, CNT spun yarns could be suitably produced from those obtained by removing the upper part of the CNT vertical alignment film aggregate by etching with oxygen plasma.

なお、酸素プラズマによるエッチング以外の方法としては、例えば酸素雰囲気下での紫外線照射やレーザー光線による切断が考えられる。
(5)請求項5の発明では、前記CNT垂直配向膜の平面方向における端部から、前記多数のCNTを前記平面方向に沿って引き出すことにより、前記CNT集合体を形成することを特徴とする。
As a method other than etching using oxygen plasma, for example, ultraviolet irradiation in an oxygen atmosphere or cutting with a laser beam can be considered.
(5) The invention of claim 5 is characterized in that the CNT aggregate is formed by pulling out the CNTs along the planar direction from an end in the planar direction of the CNT vertical alignment film. .

この製造方法によって、CNT紡績糸又はCNTシートを製造することができる。
(6)請求項6の発明は、多数のCNTが密集した集合体であるCNT集合体において、前記CNT集合体は、多数のCNTにより形成されたCNT紡績糸又はCNTシートであり、前記カーボンナノチューブは、軸方向の両端が開口した構造を有することを特徴とする。
By this production method, a CNT spun yarn or a CNT sheet can be produced.
(6) The invention of claim 6 is a CNT aggregate that is an aggregate in which a large number of CNTs are densely packed, wherein the CNT aggregate is a CNT spun yarn or a CNT sheet formed by a large number of CNTs, and the carbon nanotubes Has a structure in which both ends in the axial direction are open.

本発明のCNT集合体は、両端が開口したCNTが集合したものであるので、その(有効に利用できる)表面積は、従来の(先端側が閉塞した)CNTからなるCNT集合体より大きい。   Since the CNT aggregate of the present invention is a collection of CNTs that are open at both ends, the surface area (which can be used effectively) is larger than that of conventional CNT aggregates (closed at the tip side).

従って、この様な構造のCNT集合体は、有効な表面積が多いので、気体の吸着や電荷の蓄積が増大する効果がある。
ここで、CNT集合体を構成するCNTは、全てのCNTの両端が開口していることが望ましいが、両端が開口しているCNTの割合は、少なくとも80%以上、更に好ましくは90%以上であればよい。
Accordingly, since the CNT aggregate having such a structure has a large effective surface area, there is an effect of increasing gas adsorption and charge accumulation.
Here, the CNTs constituting the CNT aggregate are desirably open at both ends of all CNTs, but the ratio of CNTs open at both ends is at least 80% or more, more preferably 90% or more. I just need it.

なお、このCNT集合体として、CNTの軸方向が所定方向(特に一定方向)に揃ったものが好ましい。例えばCNT紡績糸においては、各CNTは螺旋方向に撚る方向が揃っており、CNT紡績糸全体としては、軸方向に揃っている。   In addition, as this CNT aggregate, one in which the axial direction of the CNTs is aligned in a predetermined direction (particularly a constant direction) is preferable. For example, in a CNT spun yarn, the CNTs are twisted in the spiral direction, and the entire CNT spun yarn is aligned in the axial direction.

(7)請求項7の発明では、前記CNT集合体は、前記請求項2〜5のいずれか1項に記載の製造方法により製造されたものであることを特徴とする。 (7) In the invention of claim 7, wherein the CNT aggregate, you wherein those produced by the production method according to any one of claims 2-5.

(a)は基板上に形成されたCNT垂直配向膜の状態を模式的に示す説明図、(b)はCNT垂直配向膜の上部をエッチングにより除去した状態を模式的に示す説明図である。(A) is explanatory drawing which shows typically the state of the CNT vertical alignment film formed on the board | substrate, (b) is explanatory drawing which shows typically the state which removed the upper part of the CNT vertical alignment film by the etching. 酸素プラズマエッチング装置によるエッチングを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the etching by an oxygen plasma etching apparatus. エッチング後のCNT垂直配向膜の上部の表面を示す電子顕微鏡写真である。It is an electron micrograph which shows the surface of the upper part of the CNT vertical alignment film after an etching. (a)は形成されたCNTの断面を示す説明図、(b)はエッチング後のCNTの断面を示す説明図、(c)は基板から脱離後のCNTの断面を示す説明図である。(A) is explanatory drawing which shows the cross section of CNT formed, (b) is explanatory drawing which shows the cross section of CNT after an etching, (c) is explanatory drawing which shows the cross section of CNT after desorption from a board | substrate. CNT垂直配向膜からCNT紡績糸を作製する手順を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the procedure which produces CNT spun yarn from a CNT vertical alignment film. CNT垂直配向膜から撚り合わせてCNT紡績糸を作製する状態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the state which twists together from a CNT vertical alignment film and produces a CNT spun yarn. CNT紡績糸を示す電子顕微鏡写真である。It is an electron micrograph which shows CNT spun yarn. (a)はCNT垂直配向膜からCNTシートを作製する状態を示す説明図、(b)はCNTシートからCNT複合シートを作製する方法を示す説明図である。(A) is explanatory drawing which shows the state which produces a CNT sheet | seat from a CNT vertical alignment film, (b) is explanatory drawing which shows the method of producing a CNT composite sheet from a CNT sheet | seat. (a)は酸素プラズマエッチング装置中の基板の他の配置方法を示す説明図、(b)は更に他の配置方法を示す説明図である。(A) is explanatory drawing which shows the other arrangement | positioning method of the board | substrate in an oxygen plasma etching apparatus, (b) is explanatory drawing which shows another other arrangement | positioning method. (a)は従来技術の触媒金属の状態を示す説明図、(b)はCNTの形成初期の状態を示す説明図である。(A) is explanatory drawing which shows the state of the catalyst metal of a prior art, (b) is explanatory drawing which shows the formation initial stage of CNT. (a)は従来技術のCNTの上部を示す電子顕微鏡写真、(b)はCNTの上部を示す電子顕微鏡写真である。(A) is the electron micrograph which shows the upper part of CNT of a prior art, (b) is the electron micrograph which shows the upper part of CNT.

次に、本発明のCNT集合体及びその製造方法ついて、図面に基づいて説明する。   Next, the CNT aggregate of the present invention and the manufacturing method thereof will be described with reference to the drawings.

ここでは、CNTが多数集合したCNT集合体としてCNT紡績糸を例に挙げて説明する。
a)以下に、本実施例のCNT紡績糸の製造方法について説明する。
Here, a CNT spun yarn will be described as an example of a CNT aggregate in which a large number of CNTs are aggregated.
a) Hereinafter, a method for producing the CNT spun yarn of this example will be described.

(1)<CNTを形成するための基板を作製する工程>
まず、直径6インチ、厚さ650μmのP型シリコン基板を熱酸化して、その表面に厚さ100nmの酸化膜を形成した。酸化膜の厚みは、走査型電子顕微鏡を用いて測定した。
(1) <Process for producing a substrate for forming CNT>
First, a P-type silicon substrate having a diameter of 6 inches and a thickness of 650 μm was thermally oxidized to form an oxide film having a thickness of 100 nm on the surface. The thickness of the oxide film was measured using a scanning electron microscope.

次に、スパッタリング装置を用いて、基板の表面(熱酸化膜上)に、Fe−Alからなる触媒金属層を形成した。例えば、組成比Fe/Al=0.58のFe−Al(合金)からなる膜厚が3.0nmの触媒金属層を形成した。   Next, a catalytic metal layer made of Fe—Al was formed on the surface of the substrate (on the thermal oxide film) using a sputtering apparatus. For example, a catalytic metal layer having a film thickness of 3.0 nm made of Fe—Al (alloy) with a composition ratio of Fe / Al = 0.58 was formed.

なお、この触媒金属層の形成の際には、特願2010−164118号に開示されているように、例えばAlのターゲットの上にFeのターゲットを乗せ、それらの面積比を変えることにより、Fe−Al層の組成比を調整した。また、膜厚は、スパッタリングの実施時間により調整した。   In forming the catalyst metal layer, as disclosed in Japanese Patent Application No. 2010-164118, for example, an Fe target is placed on an Al target, and the area ratio thereof is changed, thereby changing Fe area. -The composition ratio of the Al layer was adjusted. The film thickness was adjusted according to the sputtering time.

(2)<触媒金属層を形成した基板上にCNTを形成する工程>
まず、触媒金属層を形成した基板を電気炉(図示せず)に挿入し、電気炉内に、水蒸気、アルゴン、及び水素を流した。アルゴンの流量は300cc/minとし、水素の流量は50cc/minとし、水蒸気の流量は、電気炉から出たArガス中に占める水蒸気濃度が60ppmとなる量とした。
(2) <Step of forming CNTs on a substrate on which a catalytic metal layer is formed>
First, the substrate on which the catalytic metal layer was formed was inserted into an electric furnace (not shown), and water vapor, argon, and hydrogen were allowed to flow through the electric furnace. The flow rate of argon was 300 cc / min, the flow rate of hydrogen was 50 cc / min, and the flow rate of water vapor was such that the water vapor concentration in the Ar gas from the electric furnace was 60 ppm.

その状態で電気炉内を昇温してゆき、CNT合成温度(700℃)に達した後、電気炉内にエチレンガスを10cc/minの流量で流し、基板上にCNTを合成した。合成時間は10分間とした。   In this state, the temperature in the electric furnace was raised, and after reaching the CNT synthesis temperature (700 ° C.), ethylene gas was flowed into the electric furnace at a flow rate of 10 cc / min to synthesize CNTs on the substrate. The synthesis time was 10 minutes.

合成終了後、電子顕微鏡で基板上を観察したところ、基板上にて全面にわたりCNTが合成され、CNT垂直配向膜が形成されていることが確認できた。つまり、合成されたCNTは、その一端が基板に固定されており、基板に対して垂直方向に均一に配向して、全体として膜状となっていた。   After completion of the synthesis, the surface of the substrate was observed with an electron microscope, and it was confirmed that CNT was synthesized over the entire surface of the substrate and a CNT vertical alignment film was formed. That is, one end of the synthesized CNT was fixed to the substrate, and the CNT was uniformly oriented in the vertical direction with respect to the substrate to form a film as a whole.

また、個々のCNTの直径は10〜30nm程度であり、CNTの長さはほぼ揃っており平均で約200μmであった。なお、CNTの長さは、約100〜800μmの範囲で、合成時間等により適宜調節が可能である。   Moreover, the diameter of each CNT was about 10-30 nm, and the length of CNT was substantially uniform and it was about 200 micrometers on average. In addition, the length of CNT can be suitably adjusted with the synthesis time etc. in the range of about 100-800 micrometers.

このCNT垂直配向膜は、前記図11(a)の写真及び図1(a)に模式的に示す様に、その上部のCNTの方向は乱れており、上部の各所に触媒金属が含まれていた。
(3)<CNT垂直配向膜のエッチングの工程>
次に、上述した様にして形成されたCNT垂直配向膜の上部を、酸素プラズマエッチング(気相エッチング:ドライエッチング)により除去した。
As shown schematically in the photograph of FIG. 11 (a) and FIG. 1 (a), this CNT vertical alignment film is disordered in the direction of the CNTs on the top, and contains catalytic metals in various places on the top. It was.
(3) <CNT vertical alignment film etching process>
Next, the upper part of the CNT vertical alignment film formed as described above was removed by oxygen plasma etching (vapor phase etching: dry etching).

具体的には、CNT垂直配向膜が形成された基板を、図2に示す様に、酸素プラズマエッチング装置(日立ハイテクノジーズ製プラズマクリーナM1020)1の反応室3内に入れた。このとき、CNT垂直配向膜が下方に向く様に配置した。   Specifically, the substrate on which the CNT vertical alignment film was formed was placed in a reaction chamber 3 of an oxygen plasma etching apparatus (Plasma Cleaner M1020 manufactured by Hitachi High-Technologies) 1 as shown in FIG. At this time, the CNT vertical alignment film was disposed so as to face downward.

そして、酸素プラズマエッチング装置1の反応室3内を真空状態とした後に、アルゴンで20体積%に希釈した酸素を流し、真空度を10mtorrとした後、13.56MHzの周波数で、300Wのマイクロ波を投入し、4分間エッチングを行った。   Then, after the inside of the reaction chamber 3 of the oxygen plasma etching apparatus 1 is evacuated, oxygen diluted to 20% by volume with argon is flowed, the degree of vacuum is 10 mtorr, and a microwave of 300 W at a frequency of 13.56 MHz. And etching was performed for 4 minutes.

この酸素プラズマエッチングによって、CNTの上部(先端部分)では、CNTを構成するカーボンと酸素とが反応してCOやCO2の気体となって揮散する。
これにより、図1(b)に模式的に示す様に、CNT垂直配向膜の上部が20μm程度除去された。このCNT垂直配向膜の上部を上方から撮影した写真を図3に示すが、CNT垂直配向膜の上部のCNTの乱れた部分(欠陥部分)がきれいに除去されていた。なお、図3は倍率5千倍の電子顕微鏡写真であり、このうち、図3の左下の写真は要部を10万倍に拡大した電子顕微鏡写真である。
By this oxygen plasma etching, carbon and oxygen constituting the CNT react with each other and volatilize as CO or CO 2 gas at the upper portion (tip portion) of the CNT.
Thereby, as schematically shown in FIG. 1B, about 20 μm of the upper portion of the CNT vertical alignment film was removed. A photograph of the upper part of the CNT vertical alignment film taken from above is shown in FIG. 3. The CNT disordered part (defect part) on the upper part of the CNT vertical alignment film was clearly removed. Note that FIG. 3 is an electron micrograph at a magnification of 5,000 times. Among these, the lower left photo in FIG.

そして、このCNTの上部の揮散によって、CNTに保持されていた触媒金属は脱落することになるが、上述した様に、CNT垂直配向膜は下方に向いているので、触媒金属は重力によって下方に落下して、CNT垂直配向膜から好適に取り除かれる。   The catalytic metal held on the CNTs drops off due to the volatilization of the upper part of the CNTs. However, as described above, since the CNT vertical alignment film faces downward, the catalytic metals move downward due to gravity. It falls and is suitably removed from the CNT vertical alignment film.

また、各CNTは、図4(a)に示す様に、先端が閉じた中空の糸状体であるので、その先端が酸素プラズマエッチングによって除去されることにより、図4(b)に示す様に、先端が開口した状態となる。なお、後述する様に、CNTが基板から分離することにより、図4(c)に示す様に、CNTは、先端側と後端側の両側が開口したパイプ状となる。   Further, each CNT is a hollow filamentous body having a closed tip as shown in FIG. 4A, so that the tip is removed by oxygen plasma etching, as shown in FIG. 4B. The tip is open. As will be described later, when the CNTs are separated from the substrate, the CNTs are formed in a pipe shape that is open at both the front end side and the rear end side, as shown in FIG.

(4)<CNT紡績糸の形成工程>
次に、図5及び図6に示すように、基板上のCNT垂直配向膜の端部(基板に沿った帯状の端部)に粘着テープを貼り付けて、CNTを基板表面に沿って引き出すとともに、1方向に回転させることにより、図7に示す様な多数のCNTが撚りあわされたCNT紡績糸を作製した。なお、図5は、倍率1万倍の電子顕微鏡写真である。
(4) <CNT spinning yarn forming process>
Next, as shown in FIGS. 5 and 6, an adhesive tape is applied to the end of the CNT vertical alignment film on the substrate (a strip-shaped end along the substrate), and the CNT is pulled out along the substrate surface. By rotating in one direction, a CNT spun yarn in which many CNTs were twisted as shown in FIG. 7 was produced. FIG. 5 is an electron micrograph at a magnification of 10,000.

この様にして作製されたCNT紡績糸においては、各CNTは同様な方向(捻られながら螺旋状に伸びている方向)に伸びているので、その両端の開口も同様な方向に沿って開口していることになる。   In the CNT spun yarn produced in this way, each CNT extends in the same direction (the direction extending in a spiral while being twisted), so the openings at both ends also open along the same direction. Will be.

その後、特許第4003476号公報に記載の様に、CNT紡績糸の形態を安定化する処理を行った。具体的には、CNT紡績糸に、例えばエタノール等の有機溶媒を加えた後に、自然乾燥させた。   Thereafter, as described in Japanese Patent No. 4003476, a treatment for stabilizing the form of the CNT spun yarn was performed. Specifically, an organic solvent such as ethanol was added to the CNT spun yarn and then naturally dried.

これによって、形態が安定したCNT紡績糸が得られた。
b)この様に、本実施例では、基板上に形成したCNT垂直配向膜の上部を気相エッチングによって除去するので、CNT垂直配向膜の上部の結晶欠陥を多く含むCNT部分や、CNT垂直配向膜の上部に付着した触媒金属を効果的に除去することができる。
As a result, a CNT spun yarn having a stable form was obtained.
b) As described above, in this embodiment, since the upper part of the CNT vertical alignment film formed on the substrate is removed by vapor phase etching, the CNT portion including many crystal defects on the CNT vertical alignment film, and the CNT vertical alignment The catalytic metal adhering to the upper part of the membrane can be effectively removed.

従って、この上部が除去されたCNT垂直配向膜には、触媒金属が殆ど含まれず、しかも結晶性の良いCNTからなるので、CNT垂直配向膜からCNT紡績糸を製造すると、所望の熱伝導性や電気伝導度を得ることができるとともに、高い機械的強度も得ることができる。   Accordingly, the CNT vertical alignment film from which the upper portion is removed contains almost no catalytic metal and is made of CNT having good crystallinity. Therefore, when a CNT spun yarn is manufactured from the CNT vertical alignment film, desired thermal conductivity and Electrical conductivity can be obtained, and high mechanical strength can also be obtained.

また、本実施例では、酸素プラズマエッチングの際に、基板をCNT垂直配向膜を下方に向けて配置するので、CNT垂直配向膜の上部に付着していた触媒金属を効果的に下方に脱落させることができる。これにより、触媒金属がCNT垂直配向膜に再付着することを防止できる。   In this embodiment, the substrate is placed with the CNT vertical alignment film facing downward during the oxygen plasma etching, so that the catalytic metal adhering to the upper part of the CNT vertical alignment film is effectively dropped downward. be able to. This can prevent the catalyst metal from reattaching to the CNT vertical alignment film.

更に、本実施例では、酸素プラズマエッチングによって、CNT垂直配向膜の上部を除去することにより、各CNTの先端を開口するので、CNT垂直配向膜からCNTを分離する際に、CNTの両側が開口したパイプ状にすることができる。   Further, in this embodiment, the top of each CNT is opened by removing the upper part of the CNT vertical alignment film by oxygen plasma etching, so that both sides of the CNT are opened when separating the CNT from the CNT vertical alignment film. It can be made into a pipe shape.

従って、この両端が開口したパイプ状のCNTを用いてCNT紡績糸を製造する場合には、CNT紡績糸の(有効に利用できる)表面積を大きくすることができる。この有効な表面積が大きなCNT紡績糸を用いて例えば織布等の製品を製造すると、ガス吸着量や電荷の蓄積量を増大できる利点がある。   Therefore, when producing CNT spun yarn using the pipe-like CNT having both ends opened, the surface area (effectively usable) of the CNT spun yarn can be increased. When a product such as a woven fabric is manufactured using the CNT spun yarn having a large effective surface area, there is an advantage that the gas adsorption amount and the charge accumulation amount can be increased.

次に、実施例2について説明するが、前記実施例1と同様な内容の説明は省略する。
本実施例は、CNT集合体としてCNTシートを製造する方法に関するものである。
本実施例では、基板上にCNT垂直配向膜を形成するまでは、前記実施例1と同様である。
Next, the second embodiment will be described, but the description of the same contents as the first embodiment will be omitted.
The present embodiment relates to a method for producing a CNT sheet as a CNT aggregate.
This example is the same as Example 1 until the CNT vertical alignment film is formed on the substrate.

その後、図8(a)に示す様に、基板上のCNT垂直配向膜の端部に粘着テープを貼り付けて、CNTを基板表面に沿ってシート状に引き出し、CNTシートを作製した。
更に、図8(b)に示す様に、CNTシートの一方の側に基板フィルムを貼り付けて、CNT積層シートを作製した。
Thereafter, as shown in FIG. 8A, an adhesive tape was attached to the end of the CNT vertical alignment film on the substrate, and the CNTs were drawn out into a sheet shape along the substrate surface to produce a CNT sheet.
Furthermore, as shown in FIG. 8B, a substrate film was attached to one side of the CNT sheet to produce a CNT laminated sheet.

本実施例でも、前記実施例1と同様な効果を奏する。
尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
This embodiment also has the same effect as that of the first embodiment.
Needless to say, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the scope of the present invention.

(1)例えば、前記実施例では、反応室内において、CNT垂直配向膜を下方に向くように配置したが、図9(a)に示す様に、CNT垂直配向膜を横方向(水平方向)に向くように配置してもよい。また、図9(b)に示す様に、CNT垂直配向膜を斜め下方に向くように配置してよい。   (1) For example, in the above-described embodiment, the CNT vertical alignment film is arranged in the reaction chamber so as to face downward. However, as shown in FIG. 9A, the CNT vertical alignment film is arranged in the horizontal direction (horizontal direction). You may arrange so that it may face. Further, as shown in FIG. 9B, the CNT vertical alignment film may be disposed so as to face obliquely downward.

(2)前記実施例では、気相エッチングとして、酸素プラズマエッチングを例に挙げたが、それ以外に、例えば酸素を含む雰囲気下で紫外線による酸化を用いてもよいし、レーザー光線を用いて切断しても良い。   (2) In the above-described embodiment, oxygen plasma etching is used as an example of vapor phase etching. However, for example, oxidation by ultraviolet rays may be used in an atmosphere containing oxygen, or cutting may be performed using a laser beam. May be.

1…酸素プラズマエッチング装置
3…反応室
1 ... oxygen plasma etching equipment 3 ... reaction chamber

Claims (7)

化学気相合成法によって、基板表面にカーボンナノチューブ垂直配向膜を形成し、そのカーボンナノチューブ垂直配向膜からカーボンナノチューブ集合体を製造する方法において、
前記カーボンナノチューブ集合体は、多数のカーボンナノチューブにより形成されたカーボンナノチューブ紡績糸又はカーボンナノチューブシートであり、
前記カーボンナノチューブ垂直配向膜を形成した後に、気相エッチングによって、前記カーボンナノチューブ垂直配向膜の上部を除去することを特徴とするカーボンナノチューブ集合体の製造方法。
In a method of forming a carbon nanotube vertical alignment film on a substrate surface by a chemical vapor synthesis method and producing a carbon nanotube aggregate from the carbon nanotube vertical alignment film,
The carbon nanotube aggregate is a carbon nanotube spun yarn or a carbon nanotube sheet formed of a large number of carbon nanotubes,
After forming the carbon nanotube vertical alignment film, the upper part of the carbon nanotube vertical alignment film is removed by vapor-phase etching, and the carbon nanotube aggregate manufacturing method is characterized by the following.
前記気相エッチングの際に、前記基板上の前記カーボンナノチューブ垂直配向膜を下方、斜め下方、又は横方向に向けて配置する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集合体の製造方法。   2. The method of manufacturing a carbon nanotube aggregate according to claim 1, wherein the carbon nanotube vertical alignment film on the substrate is disposed downward, obliquely downward, or laterally during the vapor phase etching. . 前記カーボンナノチューブ垂直配向膜を構成するカーボンナノチューブの先端を開口する程度に、前記気相エッチングを行う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集合体の製造方法。   The method for producing a carbon nanotube aggregate according to claim 1 or 2, wherein the vapor phase etching is performed to such an extent that a tip of the carbon nanotube constituting the carbon nanotube vertical alignment film is opened. 前記気相エッチングは、酸素プラズマによるエッチングであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のカーボンナノチューブ集合体の製造方法。   The method for producing a carbon nanotube aggregate according to any one of claims 1 to 3, wherein the gas phase etching is etching by oxygen plasma. 前記カーボンナノチューブ垂直配向膜の平面方向における端部から、前記多数のカーボンナノチューブを前記平面方向に沿って引き出すことにより、前記カーボンナノチューブ集合体を形成することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のカーボンナノチューブ集合体の製造方法。 The carbon nanotube aggregate is formed by pulling out the large number of carbon nanotubes along the planar direction from an end portion in the planar direction of the carbon nanotube vertical alignment film. A method for producing an aggregate of carbon nanotubes according to claim 1. 多数のカーボンナノチューブが密集した集合体であるカーボンナノチューブ集合体において、
前記カーボンナノチューブ集合体は、多数のカーボンナノチューブにより形成されたカーボンナノチューブ紡績糸又はカーボンナノチューブシートであり、
前記カーボンナノチューブは、軸方向の両端が開口した構造を有することを特徴とするカーボンナノチューブ集合体。
In an aggregate of carbon nanotubes, which is an aggregate in which a large number of carbon nanotubes are densely packed,
The carbon nanotube aggregate is a carbon nanotube spun yarn or a carbon nanotube sheet formed of a large number of carbon nanotubes,
The carbon nanotube aggregate has a structure in which both ends in the axial direction are open.
前記カーボンナノチューブ集合体は、前記請求項2〜5のいずれか1項に記載の製造方法により製造されたものであることを特徴とする請求項に記載のカーボンナノチューブ集合体。 The carbon nanotube aggregate according to claim 6 , wherein the carbon nanotube aggregate is produced by the production method according to any one of claims 2 to 5 .
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