JP6657939B2 - 繊維状炭素ナノ構造体分散液および炭素ナノ構造体膜の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、繊維状炭素ナノ構造体分散液および前記繊維状炭素ナノ構造体分散液を用いた炭素ナノ構造体膜の製造方法に関する。

近年、導電性、熱伝導性及び機械的特性に優れる材料として、繊維状炭素材料、特にはカーボンナノチューブ（以下、「ＣＮＴ」と称することがある。）等の繊維状炭素ナノ構造体が注目されている。

しかし、ＣＮＴ等の繊維状炭素ナノ構造体は直径がナノメートルサイズの微細な構造体であるため、単体では取り扱い性や加工性が悪い。そこで、例えば、ＣＮＴを分散させた分散液を調製し、この分散液を基材等に塗布することで、複数本のＣＮＴを膜状に集合させて、炭素ナノ構造体膜の一種であるカーボンナノチューブ膜（以下、「ＣＮＴ膜」と称することがある。）を形成し、当該ＣＮＴ膜を導電膜等として用いることが提案されている。ＣＮＴを分散させた分散液としては、例えば、ＣＮＴ、分子添加剤、および溶媒を含む分散液が知られている（特許文献１）。

米国特許出願公開第２０１３／０２２４９３４号明細書

しかしながら、特許文献１に記載の分散液では、密着性に優れたＣＮＴ膜を形成するために、多量の分子添加剤を使用する必要があった。そのため、特許文献１に記載の分散液を用いて形成したＣＮＴ膜では、ＣＮＴ膜中に混入した分子添加剤に起因して導電性、熱伝導性及び機械的特性などの性能を十分に向上させることができなかった。

そこで、本発明は、より少量の分子添加剤で、密着性に優れた炭素ナノ構造体膜を得ることのできる繊維状炭素ナノ構造体分散液、および前記繊維状炭素ナノ構造体分散液を用いた炭素ナノ構造体膜の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者は、上記目的を達成するために鋭意検討を行った。そして、本発明者は、特定の繊維状炭素ナノ構造体を用いることにより、より少量の分子添加剤で、密着性に優れた炭素ナノ構造体膜を形成できる繊維状炭素ナノ構造体分散液が得られることを見出し、本発明を完成させた。

即ち、この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明の繊維状炭素ナノ構造体分散液（以下、単に「分散液」という場合がある）は、吸着等温線から得られるｔ−プロットが上に凸な形状を示す繊維状炭素ナノ構造体と、分子添加剤と、溶媒とを含むことを特徴とする。吸着等温線から得られるｔ−プロットが上に凸な形状を示す繊維状炭素ナノ構造体を用いることにより、少量の分子添加剤でも密着性に優れた炭素ナノ構造体膜を形成することができる。

ここで、本発明の繊維状炭素ナノ構造体分散液では、上記ｔ−プロットの屈曲点の位置が０．２≦ｔ（ｎｍ）≦１．５であることが好ましい。ｔ−プロットの屈曲点の位置が０．２≦ｔ（ｎｍ）≦１．５である繊維状炭素ナノ構造体を用いれば、さらに少量の分子添加剤で密着性に優れた炭素ナノ構造体膜を形成することができる。

また、本発明の繊維状炭素ナノ構造体分散液では、上記ｔ−プロットから得られる全比表面積Ｓ１及び内部比表面積Ｓ２が、０．０５≦Ｓ２／Ｓ１≦０．３０を満たすことが好ましい。ｔ−プロットから得られる全比表面積Ｓ１及び内部比表面積Ｓ２が、０．０５≦Ｓ２／Ｓ１≦０．３０を満たす繊維状炭素ナノ構造体を用いれば、さらに少量の分子添加剤で密着性に優れた炭素ナノ構造体膜を形成することができる。

さらに、本発明の繊維状炭素ナノ構造体分散液では、前記繊維状炭素ナノ構造体がカーボンナノチューブを含むことが好ましい。繊維状炭素ナノ構造体としてカーボンナノチューブを含有する分散液を用いれば、さらに、導電性や強度に優れる炭素ナノ構造体膜を形成することができる。

また、本発明の繊維状炭素ナノ構造体分散液では、前記分子添加剤が、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、およびＰｂからなる群より選択される少なくとも一つの第１４族元素を含み、
前記第１４族元素の４つの結合手のうち少なくとも３つが、Ｏ、Ｎ、Ｐ、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、およびＨからなる群より選択される少なくとも１つの原子と直接結合していることが好ましい。このような分子添加剤を用いれば、さらに少量の分子添加剤で密着性に優れた炭素ナノ構造体膜を形成することができる。

また、本発明の繊維状炭素ナノ構造体分散液では、前記繊維状炭素ナノ構造体分散液中における前記第１４族元素の濃度が、０．５〜６０質量ｐｐｍであることが好ましい。

さらに、本発明の繊維状炭素ナノ構造体分散液では、前記溶媒が、水、非水溶媒、またはそれらの混合物であることが好ましい。

また、本発明の繊維状炭素ナノ構造体分散液では、前記繊維状炭素ナノ構造体が官能基化されていることが好ましい。

また、この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明の炭素ナノ構造体膜の製造方法は、上述した繊維状炭素ナノ構造体分散液を用いて、基材上に繊維状炭素ナノ構造体の層を形成することを含むことを特徴とする。上述した繊維状炭素ナノ構造体分散液を用いることにより、少量の分子添加剤で密着性に優れた炭素ナノ構造体膜を形成することができる。

そして、本発明の炭素ナノ構造体膜の製造方法では、さらに、繊維状炭素ナノ構造体の層が形成された基材を、１００〜３００℃の範囲で、空気中において焼成することが好ましい。繊維状炭素ナノ構造体分散液が塗布された基材を、１００〜３００℃の範囲で、空気中において焼成すれば、さらに導電性や強度に優れる炭素ナノ構造体膜を形成することができる。

本発明によれば、分子添加剤の含有量が少量であっても密着性に優れた炭素ナノ構造体膜を形成することが可能な繊維状炭素ナノ構造体分散液を提供することができる。

図１は、表面に細孔を有する試料のｔ−プロットの一例を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。

（繊維状炭素ナノ構造体分散液）
本発明の繊維状炭素ナノ構造体分散液は、吸着等温線から得られるｔ−プロットが上に凸な形状を示す繊維状炭素ナノ構造体と、分子添加剤と、溶媒とを含む。

特許文献１に記載されている従来の分散液では、密着性に優れたＣＮＴ膜を形成するために、多量の分子添加剤を使用する必要があった。しかし、本発明の繊維状炭素ナノ構造体分散液では、吸着等温線から得られるｔ−プロットが上に凸な形状を示す繊維状炭素ナノ構造体を用いているため、より少量の分子添加剤で、密着性に優れた炭素ナノ構造体膜を得ることができる。

＜繊維状炭素ナノ構造体＞
ここで、繊維状炭素ナノ構造体分散液に用いる繊維状炭素ナノ構造体としては、吸着等温線から得られるｔ−プロットが上に凸な形状を示すものであれば、特に限定されることなく、例えば、カーボンナノチューブ、気相成長炭素繊維等を用いることができる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。
中でも、ｔ−プロットが上に凸な形状を示す繊維状炭素ナノ構造体としては、カーボンナノチューブを含む繊維状炭素ナノ構造体を用いることが好ましい。カーボンナノチューブを含む繊維状炭素ナノ構造体を使用すれば、さらに、導電性や強度に優れる炭素ナノ構造体膜を形成することができる分散液が得られる。
なお、本明細書において、「炭素ナノ構造体膜」とは、カーボンナノチューブ等の繊維状炭素ナノ構造体の集合体よりなる膜をいう。

そして、カーボンナノチューブを含む繊維状炭素ナノ構造体としては、特に限定されることなく、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）のみからなるものを用いてもよいし、ＣＮＴと、ＣＮＴ以外の繊維状炭素ナノ構造体との混合物を用いてもよい。
なお、カーボンナノチューブを含む繊維状炭素ナノ構造体は、ＣＮＴの開口処理が施されておらず、ｔ−プロットが上に凸な形状を示すことがより好ましい。

ここで、一般に、吸着とは、ガス分子が気相から固体表面に取り去られる現象であり、その原因から、物理吸着と化学吸着に分類される。そして、ｔ−プロットの取得に用いられる窒素ガス吸着法では、物理吸着を利用する。なお、通常、吸着温度が一定であれば、繊維状炭素ナノ構造体に吸着する窒素ガス分子の数は、圧力が大きいほど多くなる。また、横軸に相対圧（吸着平衡状態の圧力Ｐと飽和蒸気圧Ｐ０の比）、縦軸に窒素ガス吸着量をプロットしたものを「等温線」といい、圧力を増加させながら窒素ガス吸着量を測定した場合を「吸着等温線」、圧力を減少させながら窒素ガス吸着量を測定した場合を「脱着等温線」という。
そして、ｔ−プロットは、窒素ガス吸着法により測定された吸着等温線において、相対圧を窒素ガス吸着層の平均厚みｔ（ｎｍ）に変換することにより得られる。即ち、窒素ガス吸着層の平均厚みｔを相対圧Ｐ／Ｐ０に対してプロットした、既知の標準等温線から、相対圧に対応する窒素ガス吸着層の平均厚みｔを求めて上記変換を行うことにより、繊維状炭素ナノ構造体のｔ−プロットが得られる（de Boerらによるｔ−プロット法）。

ここで、表面に細孔を有する試料の典型的なｔ−プロットを図１に示す。表面に細孔を有する試料では、窒素ガス吸着層の成長は、次の（１）〜（３）の過程に分類される。そして、下記の（１）〜（３）の過程によって、図１に示すようにｔ−プロットの傾きに変化が生じる。
（１）全表面への窒素分子の単分子吸着層形成過程
（２）多分子吸着層形成とそれに伴う細孔内での毛管凝縮充填過程
（３）細孔が窒素によって満たされた見かけ上の非多孔性表面への多分子吸着層形成過程

そして、本発明で用いる繊維状炭素ナノ構造体のｔ−プロットは、図１に示すように、窒素ガス吸着層の平均厚みｔが小さい領域では、原点を通る直線上にプロットが位置するのに対し、ｔが大きくなると、プロットが当該直線から下にずれた位置となり、上に凸な形状を示す。かかるｔ−プロットの形状は、繊維状炭素ナノ構造体の全比表面積に対する内部比表面積の割合が大きく、繊維状炭素ナノ構造体を構成する炭素ナノ構造体に多数の開口が形成されていることを示している。

なお、繊維状炭素ナノ構造体のｔ−プロットの屈曲点の位置は、０．２≦ｔ（ｎｍ）≦１．５を満たす範囲にあることが好ましく、０．４５≦ｔ（ｎｍ）≦１．５を満たす範囲にあることがより好ましく、０．５５≦ｔ（ｎｍ）≦１．０を満たす範囲にあることが更に好ましい。ｔ−プロットの屈曲点の位置が上記範囲であると、さらに少量の分子添加剤で密着性に優れた炭素ナノ構造体膜を形成することができる。
ここで、「屈曲点の位置」とは、前述した（１）の過程の近似直線Ａと、前述した（３）の過程の近似直線Ｂとの交点である。

更に、繊維状炭素ナノ構造体は、ｔ−プロットから得られる全比表面積Ｓ１に対する内部比表面積Ｓ２の比（Ｓ２／Ｓ１）が０．０５以上０．３０以下であるのが好ましい。Ｓ２／Ｓ１が０．０５以上０．３０以下であれば、さらに少量の分子添加剤で密着性に優れた炭素ナノ構造体膜を形成することができる。
また、繊維状炭素ナノ構造体の全比表面積Ｓ１及び内部比表面積Ｓ２は、特に限定されないが、個別には、Ｓ１は、６００ｍ²／ｇ以上１４００ｍ²／ｇ以下であることが好ましく、８００ｍ²／ｇ以上１２００ｍ²／ｇ以下であることが更に好ましい。一方、Ｓ２は、３０ｍ²／ｇ以上５４０ｍ²／ｇ以下であることが好ましい。
ここで、繊維状炭素ナノ構造体の全比表面積Ｓ１及び内部比表面積Ｓ２は、そのｔ−プロットから求めることができる。具体的には、図１に示すｔ−プロットにより説明すると、まず、（１）の過程の近似直線の傾きから全比表面積Ｓ１を、（３）の過程の近似直線の傾きから外部比表面積Ｓ３を、それぞれ求めることができる。そして、全比表面積Ｓ１から外部比表面積Ｓ３を差し引くことにより、内部比表面積Ｓ２を算出することができる。

因みに、繊維状炭素ナノ構造体の吸着等温線の測定、ｔ−プロットの作成、及び、ｔ−プロットの解析に基づく全比表面積Ｓ１と内部比表面積Ｓ２との算出は、例えば、市販の測定装置である「ＢＥＬＳＯＲＰ（登録商標）−ｍｉｎｉ」（日本ベル（株）製）を用いて行うことができる。

また、ＣＮＴを含む繊維状炭素ナノ構造体を使用する場合、繊維状炭素ナノ構造体中のＣＮＴとしては、特に限定されることなく、単層カーボンナノチューブ及び／又は多層カーボンナノチューブを用いることができるが、ＣＮＴは、単層から５層までのカーボンナノチューブであることが好ましく、単層カーボンナノチューブであることがより好ましい。

また、繊維状炭素ナノ構造体としては、平均直径（Ａｖ）に対する、直径の標準偏差（σ）に３を乗じた値（３σ）の比（３σ／Ａｖ）が０．２０超０．６０未満の繊維状炭素ナノ構造体を用いることが好ましく、３σ／Ａｖが０．２５超の繊維状炭素ナノ構造体を用いることがより好ましく、３σ／Ａｖが０．４０超の繊維状炭素ナノ構造体を用いることが更に好ましい。３σ／Ａｖが０．２０超０．６０未満の繊維状炭素ナノ構造体を使用すれば、繊維状炭素ナノ構造体の密着性に一層優れる炭素ナノ構造体膜を得ることができる。
なお、「繊維状炭素ナノ構造体の平均直径（Ａｖ）」及び「繊維状炭素ナノ構造体の直径の標準偏差（σ：標本標準偏差）」は、それぞれ、透過型電子顕微鏡を用いて無作為に選択した繊維状炭素ナノ構造体１００本の直径（外径）を測定して求めることができる。そして、繊維状炭素ナノ構造体の平均直径（Ａｖ）及び標準偏差（σ）は、繊維状炭素ナノ構造体の製造方法や製造条件を変更することにより調整してもよいし、異なる製法で得られた繊維状炭素ナノ構造体を複数種類組み合わせることにより調整してもよい。

そして、繊維状炭素ナノ構造体としては、前述のようにして測定した直径を横軸に、その頻度を縦軸に取ってプロットし、ガウシアンで近似した際に、正規分布を取るものが通常使用される。

更に、繊維状炭素ナノ構造体は、ラマン分光法を用いて評価した際に、Ｒａｄｉａｌ Ｂｒｅａｔｈｉｎｇ Ｍｏｄｅ（ＲＢＭ）のピークを有することが好ましい。なお、三層以上の多層カーボンナノチューブのみからなる繊維状炭素ナノ構造体のラマンスペクトルには、ＲＢＭが存在しない。

また、繊維状炭素ナノ構造体は、ラマンスペクトルにおけるＤバンドピーク強度に対するＧバンドピーク強度の比（Ｇ／Ｄ比）が１以上２０以下であることが好ましい。Ｇ／Ｄ比が１以上２０以下であれば、繊維状炭素ナノ構造体の密着性に一層優れる炭素ナノ構造体膜を得ることができる。

更に、繊維状炭素ナノ構造体の平均直径（Ａｖ）は、０．５ｎｍ以上であることが好ましく、１ｎｍ以上であることが更に好ましく、１５ｎｍ以下であることが好ましく、１０ｎｍ以下であることが更に好ましい。繊維状炭素ナノ構造体の平均直径（Ａｖ）が０．５ｎｍ以上１５ｎｍ以下であれば、繊維状炭素ナノ構造体の密着性に一層優れる炭素ナノ構造体膜を得ることができる。

また、繊維状炭素ナノ構造体は、合成時における構造体の平均長さが１００μｍ以上であることが好ましい。なお、合成時の構造体の長さが長いほど、分散時に繊維状炭素ナノ構造体に破断や切断等の損傷が発生し易いので、合成時の構造体の平均長さは５０００μｍ以下であることが好ましい。
そして、繊維状炭素ナノ構造体のアスペクト比（長さ／直径）は、１０を超えることが好ましい。なお、繊維状炭素ナノ構造体のアスペクト比は、透過型電子顕微鏡を用いて無作為に選択した繊維状炭素ナノ構造体１００本の直径及び長さを測定し、直径と長さとの比（長さ／直径）の平均値を算出することにより求めることができる。

更に、繊維状炭素ナノ構造体のＢＥＴ比表面積は、４００ｍ²／ｇ以上であることが好ましく、８００ｍ²／ｇ以上であることがより好ましく、２５００ｍ²／ｇ以下であることが好ましく、１２００ｍ²／ｇ以下であることがより好ましい。繊維状炭素ナノ構造体のＢＥＴ比表面積が４００ｍ²／ｇ以上であれば、得られる分散液を用いて形成した炭素ナノ構造体膜の強度及び自立性を更に高めることができる。また、繊維状炭素ナノ構造体のＢＥＴ比表面積が２５００ｍ²／ｇ以下であれば、得られる炭素ナノ構造体膜の密着性を一層高めることができる。
なお、本発明において、「ＢＥＴ比表面積」とは、ＢＥＴ法を用いて測定した窒素吸着比表面積を指す。

ここで、上述した繊維状炭素ナノ構造体は、後述のスーパーグロース法によれば、カーボンナノチューブ成長用の触媒層を表面に有する基材上に、基材に略垂直な方向に配向した集合体（配向集合体）として得られるが、当該集合体としての、繊維状炭素ナノ構造体の質量密度は、０．００２ｇ／ｃｍ³以上０．２ｇ／ｃｍ³以下であることが好ましい。質量密度が０．２ｇ／ｃｍ³以下であれば、液中での繊維状炭素ナノ構造体同士の結びつきが弱くなるので、繊維状炭素ナノ構造体分散液中で繊維状炭素ナノ構造体を均質に分散させることができる。また、質量密度が０．００２ｇ／ｃｍ³以上であれば、繊維状炭素ナノ構造体の一体性を向上させ、バラけることを抑制できるため取り扱いが容易になる。

更に、繊維状炭素ナノ構造体は、複数の微小孔を有することが好ましい。繊維状炭素ナノ構造体は、中でも、孔径が２ｎｍよりも小さいマイクロ孔を有するのが好ましく、その存在量は、下記の方法で求めたマイクロ孔容積で、好ましくは０．４０ｍＬ／ｇ以上、より好ましくは０．４３ｍＬ／ｇ以上、更に好ましくは０．４５ｍＬ／ｇ以上であり、上限としては、通常、０．６５ｍＬ／ｇ程度である。繊維状炭素ナノ構造体が上記のようなマイクロ孔を有することで、分散液中において繊維状炭素ナノ構造体が凝集しにくくなる。なお、マイクロ孔容積は、例えば、繊維状炭素ナノ構造体の調製方法及び調製条件を適宜変更することで調整することができる。
ここで、「マイクロ孔容積（Ｖｐ）」は、繊維状炭素ナノ構造体の液体窒素温度（７７Ｋ）での窒素吸脱着等温線を測定し、相対圧Ｐ／Ｐ０＝０．１９における窒素吸着量をＶとして、式（Ｉ）：Ｖｐ＝（Ｖ／２２４１４）×（Ｍ／ρ）より、算出することができる。なお、Ｐは吸着平衡時の測定圧力、Ｐ０は測定時の液体窒素の飽和蒸気圧であり、式（Ｉ）中、Ｍは吸着質（窒素）の分子量２８．０１０、ρは吸着質（窒素）の７７Ｋにおける密度０．８０８ｇ／ｃｍ³である。マイクロ孔容積は、例えば、「ＢＥＬＳＯＲＰ（登録商標）−ｍｉｎｉ」（日本ベル（株）製）を使用して求めることができる。

上記繊維状炭素ナノ構造体は、例えば、カーボンナノチューブ製造用の触媒層を表面に有する基材上に、原料化合物及びキャリアガスを供給して、化学的気相成長法（ＣＶＤ法）によりＣＮＴを合成する際に、系内に微量の酸化剤（触媒賦活物質）を存在させることで、触媒層の触媒活性を飛躍的に向上させるという方法（スーパーグロース法；国際公開第２００６／０１１６５５号参照）において、基材表面への触媒層の形成をウェットプロセスにより行うことで、効率的に製造することができる。なお、以下では、スーパーグロース法により得られるカーボンナノチューブを「ＳＧＣＮＴ」と称することがある。

なお、スーパーグロース法により製造した繊維状炭素ナノ構造体は、ＳＧＣＮＴのみから構成されていてもよいし、ＳＧＣＮＴと、導電性を有する非円筒形状の炭素ナノ構造体とから構成されていてもよい。具体的には、繊維状炭素ナノ構造体には、内壁同士が近接又は接着したテープ状部分を全長に亘って有する単層又は多層の扁平筒状の炭素ナノ構造体（以下、「グラフェンナノテープ（ＧＮＴ）」と称することがある。）が含まれていてもよい。

ここで、ＧＮＴは、その合成時から内壁同士が近接又は接着したテープ状部分が全長に亘って形成されており、炭素の六員環ネットワークが扁平筒状に形成された物質であると推定される。そして、ＧＮＴの形状が扁平筒状であり、かつ、ＧＮＴ中に内壁同士が近接又は接着したテープ状部分が存在していることは、例えば、ＧＮＴとフラーレン（Ｃ６０）とを石英管に密封し、減圧下で加熱処理（フラーレン挿入処理）して得られるフラーレン挿入ＧＮＴを透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察すると、ＧＮＴ中にフラーレンが挿入されない部分（テープ状部分）が存在していることから確認することができる。

そして、ＧＮＴの形状は、幅方向中央部にテープ状部分を有する形状であることが好ましく、延在方向（軸線方向）に直交する断面の形状が、断面長手方向の両端部近傍における、断面長手方向に直交する方向の最大寸法が、いずれも、断面長手方向の中央部近傍における、断面長手方向に直交する方向の最大寸法よりも大きい形状であることがより好ましく、ダンベル状であることが特に好ましい。
ここで、ＧＮＴの断面形状において、「断面長手方向の中央部近傍」とは、断面の長手中心線（断面の長手方向中心を通り、長手方向線に直交する直線）から、断面の長手方向幅の３０％以内の領域をいい、「断面長手方向の端部近傍」とは、「断面長手方向の中央部近傍」の長手方向外側の領域をいう。

なお、非円筒形状の炭素ナノ構造体としてＧＮＴを含む繊維状炭素ナノ構造体は、触媒層を表面に有する基材を用いてスーパーグロース法によりＣＮＴを合成する際に、触媒層を表面に有する基材（以下、「触媒基材」と称することがある。）を所定の方法で形成することにより、得ることができる。具体的には、ＧＮＴを含む繊維状炭素ナノ構造体は、アルミニウム化合物を含む塗工液Ａを基材上に塗布し、塗布した塗工液Ａを乾燥して基材上にアルミニウム薄膜（触媒担持層）を形成した後、アルミニウム薄膜の上に、鉄化合物を含む塗工液Ｂを塗布し、塗布した塗工液Ｂを温度５０℃以下で乾燥してアルミニウム薄膜上に鉄薄膜（触媒層）を形成することで得た触媒基材を用いてスーパーグロース法によりＣＮＴを合成することで得ることができる。

上記繊維状炭素ナノ構造体は、繊維状炭素ナノ構造体分散液中の不純物が少なくなり、特性の安定した長寿命の電子部品を作製できる観点から、繊維状炭素ナノ構造体に含まれる金属不純物の濃度が、５０００ｐｐｍ未満であることが好ましく、１０００ｐｐｍ未満であることがより好ましい。
本明細書において、繊維状炭素ナノ構造体に含まれる金属不純物の濃度は、例えば、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＡＸ）、気相分解装置及びＩＣＰ質量分析（ＶＰＤ、ＩＣＰ／ＭＳ）等により測定することができる。
ここで、金属不純物とは、繊維状炭素ナノ構造体を製造する際に用いた金属触媒等が挙げられ、例えば、アルカリ金属、アルカリ土類金属、第３〜１３族、ランタノイド族の各族に属する金属元素、Ｓｉ、Ｓｂ、Ａｓ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｂｉ等の金属元素、及びこれらを含む金属化合物等が挙げられる。より具体的には、Ａｌ、Ｓｂ、Ａｓ、Ｂａ、Ｂｅ、Ｂｉ、Ｂ、Ｃｄ、Ｃａ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｆｅ、Ｐｂ、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｋ、Ｎａ、Ｓｒ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｗ、Ｖ、Ｚｎ、Ｚｒ等の金属元素及びこれらを含む金属化合物が挙げられる。

上記繊維状炭素ナノ構造体は、繊維状炭素ナノ構造体分散液中の繊維状炭素ナノ構造体の分散性が一層向上する観点から、粒径が５００ｎｍ超の粒子状不純物が実質的に含まれないことが好ましく、粒径が３００ｎｍ超の粒子状不純物が実質的に含まれないことがより好ましく、粒径が１００ｎｍ超の粒子状不純物が実質的に含まれないことがさらに好ましく、粒径が４５ｎｍ超の粒子状不純物が実質的に含まれないことが特に好ましい。
なお、本明細書において、粒子状不純物の濃度は、基材上に繊維状炭素ナノ構造体分散液を塗布し、表面を商品名「ｓｕｒｆｓｃａｎ」ＫＬＡ Ｔｅｎｃｏｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製等を用いて測定することができる。また、本明細書において、「粒子状不純物が実質的に含まれない」とは、不可避的に混入する粒子状物質および分子状添加剤から生じる粒子状物質を除いて、粒子状物質を能動的に配合しないことをいう。

上記繊維状炭素ナノ構造体は、官能基化されていないものであってもよく、官能基化されたものであってもよいが、該繊維状炭素ナノ構造体の溶媒中への分散性の観点からは、官能基化されたものであることが好ましい。繊維状炭素ナノ構造体を官能基化する方法は特に限定されず、任意の方法を用いることができる。例えば、硝酸などの酸化性の酸によって繊維状炭素ナノ構造体を酸化し、水酸基、アルデヒド基、カルボニル基、およびカルボキシル基からなる群より選択される少なくとも１つの官能基を該繊維状炭素ナノ構造体に形成することができる。

＜分子添加剤＞
上記分散液には、分子添加剤が添加される。分子添加剤を使用することにより、該分散液を用いて基材上に炭素ナノ構造体膜を形成した際に、該炭素ナノ構造体膜と基材との密着性を向上させることができる。前記分子添加剤としては、特に限定されることなく、任意の添加剤を使用することができるが、前記分散液に含まれる溶媒に溶解するものであることが好ましい。例えば、前記溶媒として水を用いる場合には、前記分子添加剤として水溶性の物を用いることが好ましい。

また、上記分子添加剤は、金属イオンを含有しないものであることが好ましい。後述するように、分散液に金属不純物が含まれていると、該分散液を使用して形成される炭素ナノ構造体膜の電気的特性が低下する場合がある。そのため、分子添加剤は、金属イオンや、金属イオン源となり得る金属酸化物および金属錯体を含有しないことが好ましい。

さらに、上記分子添加剤は、上記分散液の安定性を低下させないものであることが好ましい。言い換えれば、前記分子添加剤は、コロイド分散系としての前記分散液の安定性を低下させず、貯蔵寿命を縮めないものであることが好ましい。分散液の貯蔵寿命は、３〜５ｎｍ以上の大きさを有し、ＳＥＭや光学顕微鏡で観察可能なシリケート等の粒子の生成や、しばしばシリカ等のコロイド状酸化物を核として形成される、１０ｎｍ以上のナノチューブの凝集塊の生成によって判断することができる。

さらに、上記分子添加剤は、上記分散液を使用して形成される炭素ナノ構造体膜の品質や、炭素ナノ構造体膜を不揮発性メモリなどの半導体素子に利用する際の電気的特性に悪影響を及ぼさないものであることが好ましい。

上記分子添加剤としては、上記分散液中で酸化物を生成し得る化合物および酸化物自体の少なくとも一方を用いることが好ましい。また、（１）第１４族元素と酸素原子とを分子内に含有し、前記分散液に溶解可能な化合物、（２）前記分散液中で第１４族元素の酸化物を生成し得る第１４族元素含有化合物、および（３）第１４族元素の酸化物自体、からなる群より選択される少なくとも１つを前記分子添加剤として用いることがより好ましい。前記第１４族元素としては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、およびＰｂからなる群より選択される少なくとも１つを用いることがさらに好ましい。具体的には、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、およびＰｂからなる群より選択される少なくとも一つの第１４族元素を含み、前記第１４族元素の４つの結合手のうち少なくとも３つが、Ｏ、Ｎ、Ｐ、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、およびＨからなる群より選択される少なくとも１つの原子と直接結合している分子を用いることがさらに好ましい。このような分子添加剤を、繊維状炭素ナノ構造体とともに用いることにより、より密着性に優れた炭素ナノ構造体膜を形成することのできる分散液を得ることができる。

前記分子添加剤としては、例えば、ＳｉＯ₂等のケイ素酸化物；ＳｉＣｌ₄等のケイ素ハロゲン化物；シリコンテトラエトキシド等のシリコンアルコキシド；ジクロロシラン等を使用することができる。また、例えば、Ｏ原子と、少なくとも８個のＳｉ原子とを分子内に含有する、かご型化合物を前記分子添加剤として用いることもできる。前記かご型化合物としては、例えば、シルセスキオキサンを用いることができる。なお、シルセスキオキサンは、立方体、六角柱、八角柱など、様々な立体形状をとり得るが、本明細書において分子が「かご型」であるとは、該分子を構成する原子が共有結合して、対称性を有する多面体を形成している場合を意味するものとする。

前記シルセスキオキサンは、Ｓｉ原子に結合した１つまたは２つ以上の置換基を有するものであってよく、前記置換基は、例えば、水素、アルキル基、アルケニル基、アリール基、アリレン基、−Ｏ^-、−ＣＨ₂ＣＨ₂（ＯＣＨ₂ＣＨ₂）_mＯＣＨ₃（ｍ〜１３．３）、−ＣＨ₂ＣＨ₂ＣＨ₂Ｎ⁺Ｈ₃Ｃｌ^-、−ＣＨ₂ＣＨ₂ＣＨ₂−ＮＨ−Ｃ（＝ＣＨ₂）−ＣＨＣＨＣＯＯＨなどであってよい。炭素ナノ構造体膜の密着性向上の観点からは、前記シルセスキオキサンとして、オクタキス（テトラメチルアンモニウム）−Ｔ８−シルセスキオキサン（ＰＳＳ水和物−オクタキス（テトラメチルアンモニウム置換体とも称される）を用いることが好ましい。

前記オクタキス（テトラメチルアンモニウム）−Ｔ８−シルセスキオキサンとしては、例えば、ハイブリッドプラスチックス社製のＯｃｔａＴＭＡ ＰＯＳＳ（登録商標）が、商業的に利用可能である。前記ＯｃｔａＴＭＡ ＰＯＳＳは、Ｓｉ原子に結合した置換基として負電荷を帯びた酸素原子（Ｏ^-）を備えており、対イオンとして、テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡ）イオンを備えている。オクタキス（テトラメチルアンモニウム）−Ｔ８−シルセスキオキサンは、水性の炭素ナノ構造体分散液に溶解してＳｉＯ₂等のケイ素酸化物を形成し、該分散液を用いて形成される炭素ナノ構造体膜の密着性を向上させると考えられる。また、前記ＯｃｔａＴＭＡ ＰＯＳＳのように、対イオンとしてＴＭＡイオンを用いることにより、炭素ナノ構造体膜の特性を低下させるおそれのある金属イオンを用いずに分子添加剤の電気的中性を達成することができる。

同様に、Ｏ原子と、少なくとも８個のＧｅ原子とを分子内に含有する、かご型化合物を前記分子添加剤として用いることができる。前記かご型化合物としては、例えば、ゲルミルセスキオキサンを用いることができる。また、前記分子添加剤としては、ＧｅＯ₂、ＧｅＯ₂水和物等のゲルマニウム酸化物；ＧｅＣｌ₄等のゲルマニウムハロゲン化物；ゲルマニウム水素化物；アルコキシド、アミド、カルボキシレート等のヘテロ原子配位子を含有するゲルマニウム化合物を用いることもできる。前記ヘテロ原子配位子を含有するゲルマニウム化合物としては、例えば、ゲルマニウムテトラメトキシド、ゲルマニウムテトラエトキシド、ゲルマニウムテトライソプロポキシド等のゲルマニウムアルコキシド；ビス（２−カルボキシエチルゲルマニウム）セスキオキサイド等のゲルマニウムカルボキシレートを用いることができる。これらのゲルマニウム化合物は、加水分解して、粒径が０．５〜３ｎｍ程度である酸化ゲルマニウムのナノ粒子を生じる。また、適切な条件下においては、加水分解により８個のＧｅ原子を有する酸化ゲルマニウムクラスターのナノ粒子を生成することが報告されている。

また、酸化スズ、酸化鉛等も前記分子添加剤として用いることができる。

上記分散液中における上記分子添加剤の濃度は、特に限定されず、任意の濃度とすることができる。一実施形態においては、分散液中における分子添加剤の濃度を、飽和濃度以下とすることが好ましい。例えば、Ｓｉ等の第１４族元素を含有する分子添加剤を使用する場合、前記第１４族元素の濃度を飽和濃度とすることによって、ＳｉＯ₂等の酸化物が、該分散液を用いて形成される炭素ナノ構造体膜中に、一般的な分子のサイズである０．５〜３ｎｍを超えた大きさを有するコロイド状の粒子として析出することを防止できる。具体的には、分散液中における前記第１４族元素の濃度を、０．５〜６０質量ｐｐｍとすることが好ましい。

＜溶媒＞
上記溶媒としては、特に限定されることなく、例えば、水、非水溶媒、またはそれらの混合物などを用いることができる。前記水としては、例えば、蒸留水や脱イオン水を用いることができる。また、前記非水溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、イソプロパノール、ｎ−ブタノール、イソブタノール、ｔ−ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノール、ノナノール、デカノール、アミルアルコール、メトキシプロパノール、プロピレングリコール、エチレングリコール等のアルコール類；アセトン、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン類；酢酸エチル、酢酸ブチル、乳酸エチル、α−ヒドロキシカルボン酸のエステル、ベンジルベンゾエート（安息香酸ベンジル）等のエステル類；ジエチルエーテル、ジオキサン、テトラヒドロフラン、モノメチルエーテル等のエーテル類；Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ−メチルピロリドン等のアミド系極性有機溶媒；トルエン、キシレン、クロロベンゼン、オルトジクロロベンゼン、パラジクロロベンゼン、等の芳香族炭化水素類；サリチルアルデヒド、ジメチルスルホキシド、４−メチル−２−ペンタノン、Ｎ−メチルピロリドン、γ−ブチロラクトン、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド等が挙げられる。中でも、分散性に特に優れる観点から、水、乳酸エチル、イソプロパノール、メチルエチルケトンが好ましい。これらは１種類のみを単独で用いてもよいし、２種類以上を混合して用いてもよい。

本実施形態の繊維状炭素ナノ構造体分散液中の繊維状炭素ナノ構造体の濃度は、０．００５質量％以上であることが好ましく、０．０１質量％以上であることがより好ましく、５質量％以下であることが好ましく、０．５質量％以下であることがより好ましい。繊維状炭素ナノ構造体の濃度が０．００５質量％以上であれば、導電性や強度に優れる炭素ナノ構造体膜を形成することができる。また、繊維状炭素ナノ構造体の濃度が５質量％以下であれば、繊維状炭素ナノ構造体の凝集を抑制して、繊維状炭素ナノ構造体の分散性に一層優れる分散液を得ることができる。

本実施形態の繊維状炭素ナノ構造体分散液は、分散剤を実質的に含まないことが好ましい。本明細書において、「実質的に含まない」とは、不可避的に混入する場合を除いて能動的に配合はしないことをいい、具体的には、繊維状炭素ナノ構造体分散液中の含有量が、０．０５質量％未満であることが好ましく、０．０１質量％未満であることがより好ましく、０．００１質量％未満であることが更に好ましい。
なお、上記分散剤としては、界面活性剤、合成高分子、天然高分子等が挙げられる。
また、界面活性剤としては、ドデシルスルホン酸ナトリウム、デオキシコール酸ナトリウム、コール酸ナトリウム、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム等が挙げられる。
また、合成高分子としては、例えば、ポリエーテルジオール、ポリエステルジオール、ポリカーボネートジオール、ポリビニルアルコール、部分けん化ポリビニルアルコール、アセトアセチル基変性ポリビニルアルコール、アセタール基変性ポリビニルアルコール、ブチラール基変性ポリビニルアルコール、シラノール基変性ポリビニルアルコール、エチレン−ビニルアルコール共重合体、エチレン−ビニルアルコール−酢酸ビニル共重合樹脂、ジメチルアミノエチルアクリレート、ジメチルアミノエチルメタクリレート、アクリル系樹脂、エポキシ樹脂、変性エポキシ系樹脂、フェノキシ樹脂、変性フェノキシ系樹脂、フェノキシエーテル樹脂、フェノキシエステル樹脂、フッ素系樹脂、メラミン樹脂、アルキッド樹脂、フェノール樹脂、ポリアクリルアミド、ポリアクリル酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリエチレングリコール、ポリビニルピロリドン等が挙げられる。
また、天然高分子としては、例えば、多糖類であるデンプン、プルラン、デキストラン、デキストリン、グアーガム、キサンタンガム、アミロース、アミロペクチン、アルギン酸、アラビアガム、カラギーナン、コンドロイチン硫酸、ヒアルロン酸、カードラン、キチン、キトサン、セルロース、並びに、その塩又は誘導体等が挙げられる。

本実施形態の繊維状炭素ナノ構造体分散液は、繊維状炭素ナノ構造体の分散性が一層向上する観点から、個数基準モード径が５００ｎｍより大きい繊維状炭素ナノ構造体が実質的に含まれないことが好ましい。特に、個数基準モード径が３００ｎｍより大きい繊維状炭素ナノ構造体が実質的に含まれないことが好ましい。
本明細書において、個数基準モード径とは、以下の方法で求めることができる。
レーザー回折／散乱式粒子径分布測定装置（堀場製作所製、型式「ＬＡ−９６０」等）を用いて、繊維状炭素ナノ構造体分散液中に含まれる繊維状炭素ナノ構造体の粒子径を測定する。そして、横軸を粒子径、縦軸を繊維状炭素ナノ構造体の個数とした粒子径分布曲線を得て、その極大値における粒子径を、繊維状炭素ナノ構造体の個数基準のモード径として求める。
なお、繊維状炭素ナノ構造体分散液中に含有されている繊維状炭素ナノ構造体のモード径は、繊維状炭素ナノ構造体や繊維状炭素ナノ構造体分散液の製造条件を調節することによって、任意に変更することができる。

本実施形態の繊維状炭素ナノ構造体分散液は、繊維状炭素ナノ構造体の分散性が一層向上する観点から、繊維状炭素ナノ構造体分散液中の金属不純物の濃度が、１×１０¹⁸原子／ｃｍ³未満であることが好ましく、１５×１０¹⁰原子／ｃｍ³未満であることがより好ましい。

本実施形態の繊維状炭素ナノ構造体分散液は、繊維状炭素ナノ構造体の分散性が一層向上する観点から、繊維状炭素ナノ構造体分散液中の重金属不純物の濃度が、１×１０¹⁸ 原子／ｃｍ³未満であることが好ましく、１×１０¹¹原子／ｃｍ³未満であることがより好ましい。
本明細書において、重金属とは、比重５ｇ／ｃｍ³以上の金属をいう。

本実施形態の繊維状炭素ナノ構造体分散液は、繊維状炭素ナノ構造体の分散性が一層向上する観点から、繊維状炭素ナノ構造体分散液中の第１族元素及び第２族元素の不純物の濃度が、１×１０¹⁸原子／ｃｍ³未満であることが好ましく、１×１０¹¹原子／ｃｍ³未満であることがより好ましい。

本実施形態の繊維状炭素ナノ構造体分散液は、繊維状炭素ナノ構造体の分散性が一層向上する観点から、繊維状炭素ナノ構造体分散液中の遷移金属元素の不純物の濃度が、１×１０¹⁸原子／ｃｍ³未満であることが好ましく、１×１０¹¹原子／ｃｍ³未満であることがより好ましい。

本実施形態の繊維状炭素ナノ構造体分散液は、繊維状炭素ナノ構造体の分散性が一層向上し、また、均一な炭素膜を形成できる観点から、繊維状炭素ナノ構造体の沈殿物及び凝集物が実質的に含まれないことが好ましい。
なお、本明細書において、沈殿物、凝集物とは、１００００Ｇで２０分間遠心して沈殿する繊維状ナノ構造体をいう。

本実施形態の繊維状炭素ナノ構造体分散液は、繊維状炭素ナノ構造体の分散性が一層向上する観点から、粒径が３００ｎｍ超の粒子状不純物が実質的に含まれないことが好ましく、粒径が１００ｎｍ超の粒子状不純物が実質的に含まれないことがより好ましく、粒径が４５ｎｍ超の粒子状不純物が実質的に含まれないことがさらに好ましい。
なお、本明細書において、粒子状不純物の粒径及び濃度は、基材上に繊維状炭素ナノ構造体分散液を塗布し、表面を商品名「ｓｕｒｆｓｃａｎ」ＫＬＡ Ｔｅｎｃｏｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製等を用いて測定することができる。

＜物性＞
本実施形態の繊維状炭素ナノ構造体分散液の粘度は、０．５ｍＰａ・ｓ以上であることが好ましく、１ｍＰａ・ｓ以上であることがより好ましく、１０００ｍＰａ・ｓ以下であることが好ましく、１００ｍＰａ・ｓ以下であることがより好ましい。繊維状炭素ナノ構造体分散液の粘度が０．５ｍＰａ・ｓ以上１０００ｍＰａ・ｓ以下であれば、繊維状炭素ナノ構造体の分散性に優れる。
なお、本発明において、「繊維状炭素ナノ構造体分散液の粘度」は、ＪＩＳ Ｚ８８０３に準拠して、温度２５℃で測定することができる。

本実施形態の繊維状炭素ナノ構造体分散液の、分光光度計を用いて測定した吸光度は、分散性の観点から、光路長：１ｍｍ、波長：１０００ｎｍにおいて、０．１以上であることが好ましく、０．２以上であることがより好ましく、５．０以下であることが好ましく、３．０以下であることがより好ましい。繊維状炭素ナノ構造体分散液の吸光度が０．１以上であれば、繊維状炭素ナノ構造体分散液中の繊維状炭素ナノ構造体の量を十分に確保することができる。また、繊維状炭素ナノ構造体分散液の吸光度が５．０以下であれば、繊維状炭素ナノ構造体分散液中に含まれている分散性の高い繊維状炭素ナノ構造体の割合を高め、また、導電性及び強度に優れる炭素ナノ構造体膜を形成することができる。

本実施形態の繊維状炭素ナノ構造体分散液の吸光度比は、凝集物が少なく高純度となり、また、繊維状炭素ナノ構造体の分散性に優れる観点から、０．５以上であることが好ましく、０．７〜１．０であることがより好ましい。
なお、本発明において「吸光度比」は、以下の方法によって求めることができる。
まず、後述の実施例に記載した精製処理を施す前と施した後の繊維状ナノ構造体それぞれを、乳酸エチルに添加して分散液を調製する。次いで、各分散液について、分光光度計（日本分光社製、商品名「Ｖ６７０」）等を用いて、光路長１０ｍｍ、波長５５０ｎｍでの吸光度を測定する。精製処理を施す前と施した後のサンプルの吸光度を、それぞれ「未精製分散液の吸光度」および「精製後分散液の吸光度」としたとき、吸光度比は、（精製後分散液の吸光度）／（未精製分散液の吸光度）として求められる。

＜用途＞
本実施形態の繊維状炭素ナノ構造体分散液は、ロジック回路等の電子回路、ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ、ＮＲＡＭ等のメモリ、半導体装置、インターコネクト、相補型ＭＯＳ、バイポラートランジスタ等の電子部品；微量ガス等の検出器等の化学センサー；ＤＮＡ、タンパク質等の測定器等のバイオセンサー；太陽電池、タッチパネル等の導電膜；等の電子工学品を製造する際に用いることができ、例えば、電子工学品を製造する際の塗工液や構成材料として用いることができる。中でも、導電性や強度に優れる製品が得られるという観点から、半導体装置の構成材料として好適である。

（繊維状炭素ナノ構造体分散液の製造方法）
本実施形態の繊維状炭素ナノ構造体分散液の製造方法は、例えば、複数本の繊維状炭素ナノ構造体と、溶媒とを含む分散混合液を遠心分離し、複数本の繊維状炭素ナノ構造体の一部を沈殿させる工程（遠心分離工程）と、遠心分離工程で遠心分離した分散混合液から上澄み液を分取する工程（分取工程）と、分子添加剤を前記上澄み液に添加する工程（分子添加剤添加工程）を含む方法等が挙げられる。また、上記遠心分離工程前に、溶媒中に、複数本の繊維状炭素ナノ構造体を添加してなる粗分散液を分散処理に供して分散混合液を得る工程（分散混合液調製工程）を設けてもよい。
前記分散混合液調製工程を設ける場合には、例えば、多量の繊維状炭素ナノ構造体を溶媒中に添加して粗分散液を形成し、該粗分散液を超音波等により撹拌して分散させて分散混合液を得てもよい。
また、遠心分離後の沈殿物に、再度溶媒を添加して混合し、超音波処理で分散させた後に、遠心分離をして、繊維状炭素ナノ構造体を含む上澄み液を回収してもよい。前記沈殿物からの繊維状炭素ナノ構造体を含む上澄み液の回収は、複数回繰り返してもよい。

上記繊維状炭素ナノ構造体分散液の製造方法によれば、凝集した繊維状炭素ナノ構造体や不純物が少ない、繊維状炭素ナノ構造体の分散性に優れる分散液が得られる。

＜分散混合液調製工程＞
上記分散混合液調製工程では、溶媒中に複数本の繊維状炭素ナノ構造体を添加してなる粗分散液を分散処理に供して、複数本の繊維状炭素ナノ構造体と、溶媒とを含む分散混合液を得ることができる。
なお、上記製造方法では、分散混合液調製工程を実施することなく、複数本の繊維状炭素ナノ構造体を溶媒に分散させてなる市販の繊維状炭素ナノ構造体の分散混合液を用いて後述する遠心分離工程を実施してもよいが、所望の分散性を有する繊維状炭素ナノ構造体分散液を容易に得る観点からは、分散混合液調製工程を実施して調製した分散混合液を用いることが好ましい。

溶媒に添加する繊維状炭素ナノ構造体は、添加する前に、金属や非晶性炭素等の粒子状不純物を分離し、アルカリ金属イオン、ハロゲンイオン、オリゴマー、ポリマーを減らすために、前処理を行ってもよい。
金属を分離する精製処理としては、例えば、硝酸、塩酸等の酸溶液中に繊維状炭素ナノ構造体を分散させて金属不純物を溶解させる精製処理、磁力精製処理等が挙げられる。中でも、酸溶液中に繊維状炭素ナノ構造体を分散させて金属不純物を溶解させる精製処理が好ましい。
また、粒子状不純物を分離する前処理としては、例えば、超高速遠心機等を用いた高速遠心処理；重力ろ過、クロスフローろ過、真空ろ過等を用いたフィルターろ過処理；非フラーレン炭素材料の選択的酸化；これらの組み合わせ；等の精製処理が挙げられる。

［粗分散液］
上記粗分散液は、特に限定されることなく、上述した繊維状炭素ナノ構造体と、上述した溶媒とを既知の方法で混合することにより得ることができる。なお、繊維状炭素ナノ構造体と、溶媒とは任意の順序で混合することができる。また、粗分散液には、上述した成分以外に、繊維状炭素ナノ構造体分散液の製造に一般に用いられる添加剤を更に添加してもよい。
前記粗分散液には、界面活性剤や樹脂などの高分子を添加しないことが好ましい。

［分散処理］
上記粗分散液を分散処理に供して分散混合液を調製する際の分散処理方法としては、特に限定されることなく、繊維状炭素ナノ構造体を含む液の分散に使用されている既知の分散処理方法を用いることができる。中でも、粗分散液に施す分散処理としては、キャビテーション効果又は解砕効果が得られる分散処理が好ましい。キャビテーション効果又は解砕効果が得られる分散処理を使用すれば、繊維状炭素ナノ構造体を良好に分散させることができるので、得られる繊維状炭素ナノ構造体分散液の分散性を更に高めることができる。

［［キャビテーション効果が得られる分散処理］］
ここで、キャビテーション効果が得られる分散処理は、液体に高エネルギーを付与した際、水に生じた真空の気泡が破裂することにより生じる衝撃波を利用した分散方法である。この分散方法を用いることにより、繊維状炭素ナノ構造体を良好に分散させることができる。

そして、キャビテーション効果が得られる分散処理の具体例としては、超音波による分散処理、ジェットミルによる分散処理及び高剪断撹拌による分散処理等が挙げられる。これらの分散処理は一つのみを行なってもよく、複数の分散処理を組み合わせて行なってもよい。より具体的には、例えば、超音波ホモジナイザー、ジェットミル及び高剪断撹拌装置が好適に用いられる。これらの装置は従来公知のものなど、任意のものを使用すればよい。

繊維状炭素ナノ構造体の分散に超音波ホモジナイザーを用いる場合には、粗分散液に対し、超音波ホモジナイザーにより超音波を照射すればよい。照射する時間は、繊維状炭素ナノ構造体の量等により適宜設定すればよく、例えば、３分以上が好ましく、３０分以上がより好ましく、また、５時間以下が好ましく、２時間以下がより好ましい。また、例えば、出力は２０Ｗ以上５００Ｗ以下が好ましく、１００Ｗ以上５００Ｗ以下がより好ましく、温度は１５℃以上５０℃以下が好ましい。

また、ジェットミルを用いる場合、処理回数は、繊維状炭素ナノ構造体の量等により適宜設定すればよく、例えば、２回以上が好ましく、１００回以下が好ましく、５０回以下がより好ましい。また、例えば、圧力は２０ＭＰａ以上２５０ＭＰａ以下が好ましく、温度は１５℃以上５０℃以下が好ましい。

さらに、高剪断撹拌装置を用いる場合には、粗分散液に対し、高剪断撹拌装置により撹拌及び剪断を加えればよい。旋回速度は速ければ速いほどよい。例えば、運転時間（機械が回転動作をしている時間）は３分以上４時間以下が好ましく、周速は５ｍ／秒以上５０ｍ／秒以下が好ましく、温度は１５℃以上５０℃以下が好ましい。

なお、上記したキャビテーション効果が得られる分散処理は、５０℃以下の温度で行なうことがより好ましい。溶媒の揮発による濃度変化が抑制されるからである。

［［解砕効果が得られる分散処理］］
また、解砕効果が得られる分散処理は、繊維状炭素ナノ構造体を溶媒中に均一に分散できることは勿論、上記したキャビテーション効果が得られる分散処理に比べ、気泡が消滅する際の衝撃波による繊維状炭素ナノ構造体の損傷を抑制することができる点で有利である。

この解砕効果が得られる分散処理では、粗分散液にせん断力を与えて繊維状炭素ナノ構造体の凝集体を解砕・分散させ、さらに粗分散液に背圧を負荷し、また必要に応じ、粗分散液を冷却することで、気泡の発生を抑制しつつ、繊維状炭素ナノ構造体を溶媒中に均一に分散させることができる。
なお、粗分散液に背圧を負荷する場合、粗分散液に負荷した背圧は、大気圧まで一気に降圧させてもよいが、多段階で降圧することが好ましい。

ここに、粗分散液にせん断力を与えて繊維状炭素ナノ構造体をさらに分散させるには、例えば、以下のような構造の分散器を有する分散システムを用いればよい。
すなわち、分散器は、粗分散液の流入側から流出側に向かって、内径がｄ１の分散器オリフィスと、内径がｄ２の分散空間と、内径がｄ３の終端部と（但し、ｄ２＞ｄ３＞ｄ１である。）、を順次備える。
そして、この分散器では、流入する高圧（例えば１０〜４００ＭＰａ、好ましくは５０〜２５０ＭＰａ）の粗分散液が、分散器オリフィスを通過することで、圧力の低下を伴いつつ、高流速の流体となって分散空間に流入する。その後、分散空間に流入した高流速の粗分散液は、分散空間内を高速で流動し、その際にせん断力を受ける。その結果、粗分散液の流速が低下すると共に、繊維状炭素ナノ構造体が良好に分散する。そして、終端部から、流入した粗分散液の圧力よりも低い圧力（背圧）の流体が、繊維状炭素ナノ構造体が分散した液として流出することになる。

なお、粗分散液の背圧は、粗分散液の流れに負荷をかけることで粗分散液に負荷することができ、例えば、多段降圧器を分散器の下流側に配設することにより、粗分散液に所望の背圧を負荷することができる。
そして、粗分散液の背圧を多段降圧器により多段階で降圧することで、最終的に分散混合液を大気圧に開放した際に、分散混合液中に気泡が発生するのを抑制できる。

また、この分散器は、粗分散液を冷却するための熱交換器や冷却液供給機構を備えていてもよい。というのは、分散器でせん断力を与えられて高温になった粗分散液を冷却することにより、粗分散液中で気泡が発生するのをさらに抑制できるからである。
なお、熱交換器等の配設に替えて、粗分散液を予め冷却しておくことでも、繊維状炭素ナノ構造体を含む液中で気泡が発生することを抑制できる。

上記したように、この解砕効果が得られる分散処理では、キャビテーションの発生を抑制できるので、時として懸念されるキャビテーションに起因した繊維状炭素ナノ構造体の損傷、特に、気泡が消滅する際の衝撃波に起因した繊維状炭素ナノ構造体の損傷を抑制することができる。加えて、繊維状炭素ナノ構造体への気泡の付着や、気泡の発生によるエネルギーロスを抑制して、繊維状炭素ナノ構造体を均一かつ効率的に分散させることができる。

以上のような構成を有する分散システムとしては、例えば、製品名「ＢＥＲＹＵ ＳＹＳＴＥＭ ＰＲＯ」（株式会社美粒製）等がある。そして、解砕効果が得られる分散処理は、このような分散システムを用い、分散条件を適切に制御することで、実施することができる。

＜遠心分離工程＞
遠心分離工程では、複数本の繊維状炭素ナノ構造体と、溶媒とを含む分散混合液を遠心分離し、複数本の繊維状炭素ナノ構造体の一部を沈殿させることができる。そして、遠心分離工程では、凝集性の高い繊維状炭素ナノ構造体が沈殿し、分散性に優れる繊維状炭素ナノ構造体は上澄み液中に残存する。

分散混合液の遠心分離は、特に限定されることなく、既知の遠心分離機を用いて行うことができる。
中でも、得られる上澄み液中に分散性に優れる繊維状炭素ナノ構造体を適度に残存させ、分散性に優れる繊維状炭素ナノ構造体分散液を得る観点からは、分散混合液を遠心分離する際の遠心加速度は、２０００Ｇ以上であることが好ましく、５０００Ｇ以上であることがより好ましく、２００００Ｇ以下であることが好ましく、１５０００Ｇ以下であることがより好ましい。
また、得られる上澄み液中に分散性に優れる繊維状炭素ナノ構造体を適度に残存させ、分散性に優れる繊維状炭素ナノ構造体分散液を得る観点からは、分散混合液を遠心分離する際の遠心分離時間は、２０分間以上であることが好ましく、３０分間以上であることがより好ましく、１２０分間以下であることが好ましく、９０分間以下であることがより好ましい。

＜分取工程＞
分取工程では、遠心分離工程で遠心分離した分散混合液から上澄み液を分取することができる。そして、上澄み液の分取は、例えば、デカンテーションやピペッティング等により、沈殿層を残して上澄み液を回収することにより行うことができる。具体的には、例えば、遠心分離後の分散混合液の液面から５／６の深さまでの部分に存在する上澄み液を回収すればよい。

［上澄み液］
ここで、遠心分離後の分散混合液から分取した上澄み液には、遠心分離により沈殿しなかった繊維状炭素ナノ構造体が含まれている。そして、当該上澄み液を本実施形態の繊維状炭素ナノ構造体分散液の調製に用いることができる。

＜分子添加剤添加工程＞
分子添加剤の添加は、特に限定されることなく任意のタイミングで行うことができる。例えば、上述の工程を経て得られた上記上澄み液に、分子添加剤を添加することができる。
分散液に添加される分子添加剤は、任意の形態であってよいが、一実施形態においては、水等の適当な溶媒に分子添加剤を溶解させた溶液を、前記分散液に添加することができる。その場合、前記分子添加剤を溶解させた溶液を分散液に添加する前に、ろ過を行って粒子状不純物を除去しておくことが好ましい。前記ろ過には、例えば、孔径０．１μｍのフィルターを用いることができる。さらに、前記ろ過に先立って、前記分子添加剤を溶解させた溶液に対してイオン交換処理を施して、不純物として含まれる遊離の金属イオンを除去しておくことが好ましい。

（炭素ナノ構造体膜の製造方法）
上記のようにして得られた繊維状炭素ナノ構造体分散液を基材上に塗布することによって炭素ナノ構造体膜を製造する。炭素ナノ構造体膜の製造方法は特に限定されず、任意の方法を用いることができる。例えば、前記分散液を基材上に塗布する工程（塗布工程）を行った後、塗布された前記分散液から溶媒を除去する工程（溶媒除去工程）を行うことによって炭素ナノ構造体膜を形成することができる。

［基材］
ここで、上記基材としては、特に限定されることなく、製造する炭素ナノ構造体膜の用途に応じて既知の基材を用いることができる。
具体的には、樹脂基材、ガラス基材などを用いることができる。前記樹脂基材としては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリイミド、ポリフェニレンスルフィド、アラミド、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリ乳酸、ポリ塩化ビニル、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、脂環式アクリル樹脂、シクロオレフィン樹脂、トリアセチルセルロースなどからなる基材を挙げることができる。また、前記ガラス基材としては、通常のソーダガラスよりなる基材を挙げることができる。
また、後述するように、塗布された分散液からの溶媒の除去のためにろ過を利用する場合には、上記基材として、ろ紙や、セルロース、ニトロセルロース、アルミナ等からなる多孔質シートなど、多孔質基材を用いることができる。

［塗布工程］
上記分散液を基材上に塗布する方法としては、任意の塗布方法を採用できる。具体的には、前記塗布方法として、ディッピング法、ロールコート法、グラビアコート法、ナイフコート法、エアナイフコート法、ロールナイフコート法、ダイコート法、スクリーン印刷法、スプレーコート法、グラビアオフセット法などを用いることができる。

［溶媒除去工程］
次に、基材上へ塗布された前記分散液から溶媒を除去する。前記溶媒の除去方法は特に限定されず、任意の方法で行うことができる。一実施形態においては、乾燥、ろ過、焼成等の方法を、単独または組み合わせて用いることで溶媒の除去を行うことができる。

［［乾燥］］
乾燥によって溶媒を除去する方法は特に限定されず、任意の乾燥方法を採用できる。乾燥方法としては、例えば、風乾法、熱風乾燥法、真空乾燥法、熱ロール乾燥法、赤外線照射法等を用いることができる。乾燥温度は、特に限定されないが、例えば、室温〜２００℃とすることができる。また、乾燥時間は、特に限定されないが、０．１〜１５０分とすることができる。

［［ろ過］］
ろ過によって溶媒を除去する場合には、上述したように基材として多孔質基材状を使用し、溶媒のみを選択的に該多孔質基材を透過させることによって、該多孔質基材状に炭素ナノ構造体膜を形成することができる。ろ過によって溶媒を除去すれば、容易かつ迅速に溶媒を除去することができる。ろ過方法としては、自然ろ過、減圧ろ過、加圧ろ過、遠心ろ過など、任意の方法を用いることができるが、中でも減圧ろ過を用いることが好ましい。減圧ろ過を用いれば、より容易かつ迅速に溶媒を除去することができる。

［［焼成］］
焼成を行って溶媒を除去する場合には、特に限定されることなく、任意の方法で焼成を行うことができる。前記焼成は、１００〜３００℃の条件下で行うことが好ましく、また、空気中において行うことが好ましい。なお、溶媒の除去は、焼成のみによって行うこともできるが、乾燥やろ過を行った後にさらに焼成を行うこともできる。

なお、炭素ナノ構造体膜の製造においては、分散液中の溶媒を完全に除去する必要はなく、溶媒の除去後に残った繊維状炭素ナノ構造体が膜状の集合体（炭素ナノ構造体膜）としてハンドリング可能な状態であれば、多少の溶媒が残留していても問題はない。

そして、分散液から溶媒を除去して得た炭素ナノ構造体膜は、特に限定されることなく、イソプロピルアルコール等のアルコールや、水などを用いて洗浄することができる。
また、基材上に形成された炭素ナノ構造体膜は、特に限定されることなく、エタノール等のアルコール中で該基材から剥離することができる。
更に、減圧ろ過を用いて溶媒を除去した場合には、減圧ろ過の終了後、任意に得られた炭素ナノ構造体膜を洗浄した後で、炭素ナノ構造体膜に空気を１５分間以上通気させることが好ましい。炭素ナノ構造体膜に空気を通気すれば、炭素ナノ構造体膜を強化することができる。

（炭素ナノ構造体膜）
そして、上述した炭素ナノ構造体膜の製造方法を用いて製造される本発明の炭素ナノ構造体膜は、複数本の繊維状炭素ナノ構造体が膜状に集合したものであり、優れた密着性を有している。そして、本発明の炭素ナノ構造体膜は、特に限定されることなく、太陽電池やタッチパネルなどの導電膜として好適に用いることができる。

以下、本発明について実施例に基づき具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。なお、以下の説明において、量を表す「％」、は、特に断らない限り、質量基準である。

（実施例１）
＜繊維状炭素ナノ構造体の調製＞
特許第４６２１８９６号公報に記載のスーパーグロース法に従い、以下の条件において、繊維状炭素ナノ構造体としてのＳＧＣＮＴを合成した。
・原料炭素化合物：エチレン；供給速度５０ｓｃｃｍ
・雰囲気：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：３００ｐｐｍ
・反応温度：７５０℃
・反応時間：１０分
・金属触媒：鉄薄膜（厚さ１ｎｍ）
・基材：シリコンウェハー。

（硝酸処理工程）
得られた単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）１ｇを、１５Ｍ 硝酸１２５ｍＬと超純水１２５ｍＬの混合液に混合した。得られた混合液を８時間撹拌した後、１２５℃で１２時間還流させ、２５０ｍＬの混合液を７倍の超純水１．７５Ｌで希釈した。
前記混合液に３５％アンモニア水を滴下することにより、ｐＨを１．５±０．１に調整した。

（超音波処理工程）
超音波洗浄装置（本田電子製、製品名「ＷＴＣ−１２００−４０」）を用いて、４〜５℃に冷却した超音波水槽中で６０分間、超音波処理した。
超音波照射後、専用の０．５ミクロンのセラミック膜を用いてクロスフロー濾過を行った。ｐＨ４．０になるまで、セラミック膜を通した。セラミック膜を通過した液体を透過液として廃棄し、フィルターの孔を通過しない液体を保持液として回収した。前記保持液に０．１％アンモニア水を添加することによって、保持液のｐＨを７．１に再調整した。その後、４〜５℃の超音波水槽中で２時間、再び超音波処理し、さらに２時間浸漬させた。

（超遠心分離工程）
液中の大きな粒子を除去するために超遠心分離を行った。超遠心分離機（日立工機製、製品名「ＣＰ−８０ＮＸ」）を用いて最初に、２５，０００ｒｐｍで２時間、遠心分離を行った。上方の上澄み液を別のバイアルに移し、下方の沈殿物を廃棄した。次に、得られた上澄み液を２５，０００ｒｐｍで７５分間、遠心分離を行い、さらに上澄み液を得た。

（分子添加剤添加工程）
得られた上澄み液に、分子添加剤としてのオクタキス（テトラメチルアンモニウム）−Ｔ８−シルセスキオキサン（アルドリッチ社製）を添加し、分散液中の分子添加剤濃度が異なる５つの繊維状炭素ナノ構造体分散液を調製した。

（塗布、焼成工程）
得られた炭素ナノ構造体膜分散液を、基板上に塗布し、焼成して炭素ナノ構造体膜を形成した。前記基板としては、シリコンウェハーを使用した。また、塗布は、スピンコーティングによって行い、焼成は、温度２５０℃の空気中において、１０分間行った。前記スピンコーティングは、以下の手順で行った。
得られた塗布液を直径１００ｍｍの二酸化ケイ素基板上に４〜６ｍＬ、展開することにより、基板上にスピンコートした。前記スピンコートにおいては、最初に、１秒間５００ｒｐｍで、次に、１８０秒間６０ｒｐｍで、次に、乾燥させるために２０秒間２，０００ｒｐｍで、最後に２０秒間６０ｒｐｍで基板を回転させた。

［評価］
（１）ｔ−プロットの形状
以下の方法で、繊維状炭素ナノ構造体のｔ−プロットの形状を確認した。まず、分子添加剤を添加する前の繊維状炭素ナノ構造体分散液（上澄み液）３０ｍＬを、温度１２０℃で１０分間乾燥させて、水を揮発させた。そして、乾燥させた繊維状炭素ナノ構造体２０ｍｇを、１１０℃、５ｈｒ以上の熱処理で十分乾燥させ、全自動比表面積測定装置（（株）マウンテック製、製品名「Ｍａｃｓｏｒｂ（登録商標）ＨＭ ｍｏｄｅｌ−１２１０」）専用のセル内に入れた。その後、セルを測定装置の所定の位置に備え付け、自動操作によりＢＥＴ比表面積を測定した。なお、この装置の測定原理は、液体窒素の７７Ｋでの吸着等温線を作成し、この吸着等温曲線から、ＢＥＴ（Ｂｒｕｎａｕｅｒ−Ｅｍｍｅｔｔ−Ｔｅｌｌｅｒ）法にて比表面積を測定する方法に従うものである。
上述のＢＥＴ比表面積の測定で得られた吸着等温線において、相対圧を窒素ガス吸着層の平均厚みｔ（ｎｍ）に変換することにより、ｔ−プロットを作成した。作成したｔ−プロットから、ｔ−プロットの形状を観察し、ｔ−プロットの屈曲点の位置、全比表面積（ｍ²／ｇ）、内部比表面積（ｍ²／ｇ）を算出した。その結果、ｔ＝０．６ｎｍ、Ｓ２／Ｓ１＝０．２４（Ｓ１＝１０５０ｍ²／ｇ、Ｓ＝２５０ｍ²／ｇ）であった。
なお、ｔ−プロットの測定原理は、de Boerらによるｔ−プロット法に従うものである。

（２）炭素ナノ構造体膜の密着性
基板上に形成された炭素ナノ構造体膜の表面にシルバーテープを貼り付け、該シルバーテープを剥離した際に炭素ナノ構造体膜がはがれるかどうかによって密着性を評価した。評価基準は以下の通りとした。
○：炭素ナノ構造体膜が剥がれなかった
△：炭素ナノ構造体膜の一部が剥がれた
×：炭素ナノ構造体膜が剥がれた

第１４族元素含有濃度（Ｓｉ）と、炭素ナノ構造体膜の密着性の評価結果を表１に示す。

表１に示したように、ｔ−プロットが上に凸な形状を示す繊維状炭素ナノ構造体を含む繊維状炭素ナノ構造体分散液を用いることによって、５ｐｐｍ以下という低い第１４族元素含有濃度（Ｓｉ）であっても、優れた密着性を有する炭素ナノ構造体膜を形成することができた。

本発明によれば、より少量の分子添加剤で、密着性に優れた炭素ナノ構造体膜を得ることのできる繊維状炭素ナノ構造体分散液、および前記繊維状炭素ナノ構造体分散液を用いた炭素ナノ構造体膜の製造方法を提供することができる。

Claims (9)

1. 吸着等温線から得られるｔ−プロットが上に凸な形状を示す繊維状炭素ナノ構造体と、分子添加剤と、溶媒とを含み、
   前記分子添加剤が、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、およびＰｂからなる群より選択される少なくとも一つの第１４族元素を含み、
   前記第１４族元素の４つの結合手のうち少なくとも３つが、Ｏ、Ｎ、Ｐ、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、およびＨからなる群より選択される少なくとも１つの原子と直接結合しており、
   前記第１４族元素の濃度が、０．５〜５質量ｐｐｍ（ただし、シリコンおよび／またはゲルマニウムの濃度が５質量ｐｐｍの場合を除く）である、繊維状炭素ナノ構造体分散液。
2. 前記ｔ−プロットの屈曲点の位置が０．２≦ｔ（ｎｍ）≦１．５である、請求項１記載の繊維状炭素ナノ構造体分散液。
3. 前記ｔ−プロットから得られる全比表面積Ｓ１及び内部比表面積Ｓ２が、０．０５≦Ｓ２／Ｓ１≦０．３０を満たす、請求項１又は２記載の繊維状炭素ナノ構造体分散液。
4. 前記繊維状炭素ナノ構造体がカーボンナノチューブを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の繊維状炭素ナノ構造体分散液。
5. 前記繊維状炭素ナノ構造体が単層カーボンナノチューブを含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の繊維状炭素ナノ構造体分散液。
6. 前記溶媒が、水、非水溶媒、またはそれらの混合物である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の繊維状炭素ナノ構造体分散液。
7. 前記繊維状炭素ナノ構造体が官能基化されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の繊維状炭素ナノ構造体分散液。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の繊維状炭素ナノ構造体分散液を用いて、基材上に繊維状炭素ナノ構造体の層を形成することを含む、炭素ナノ構造体膜の製造方法。
9. 前記繊維状炭素ナノ構造体の層が形成された基材を、１００〜３００℃の範囲で、空気中において焼成することを含む、請求項８に記載の炭素ナノ構造体膜の製造方法。

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