JP7820838B2 - Electrically conductive members and interlayer thermal conductive materials - Google Patents
Electrically conductive members and interlayer thermal conductive materialsInfo
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Description
特許法第30条第2項適用 令和2年9月10日にフラーレン・ナノチューブ・グラフェン学会が発行した第59回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム講演要旨集の第111頁にて発表 令和2年9月18日にフラーレン・ナノチューブ・グラフェン学会が主催の第59回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウムにて発表Article 30, paragraph 2 of the Patent Act applies. Published on page 111 of the abstracts of the 59th Fullerenes, Nanotubes, and Graphene General Symposium published by the Fullerenes, Nanotubes, and Graphene Society on September 10, 2020. Published at the 59th Fullerenes, Nanotubes, and Graphene General Symposium hosted by the Fullerenes, Nanotubes, and Graphene Society on September 18, 2020.
本発明は、修飾カーボンナノチューブフォレスト(修飾CNTフォレスト)、当該修飾CNTフォレストの紡績体を備えるカーボンナノチューブ連続体(CNT連続体)、当該CNT連続体を備えるガス透過性シート、当該ガス透過性シートを備える燃料電池の触媒電極、上記の修飾CNTフォレストまたはCNT連続体を備える導電性部材および糸状導電性部材、当該導電性部材を備える層間熱伝導材料、および上記の修飾CNTフォレストの製造方法に関する。 The present invention relates to a modified carbon nanotube forest (modified CNT forest), a continuous carbon nanotube body (CNT continuous body) comprising a spun body of the modified CNT forest, a gas-permeable sheet comprising the CNT continuous body, a catalyst electrode for a fuel cell comprising the gas-permeable sheet, a conductive member and a filamentous conductive member comprising the modified CNT forest or the CNT continuous body, an interlayer thermal conductive material comprising the conductive member, and a method for producing the modified CNT forest.
本明細書において、「CNTフォレスト」とは、複数のカーボンナノチューブ(CNT)の合成構造(以下、かかる合成構造を与えるCNTの個々の形状を「一次構造」といい、上記の合成構造を「二次構造」ともいう。)の一種であって、複数のCNTが長軸方向の少なくとも一部について一定の方向(具体的な一例として、基板が備える面の1つの法線にほぼ平行な方向が挙げられる。)に配向するように成長してなるCNTの集合体を意味する。特許文献1および非特許文献1には、塩化鉄を用いてCNTフォレストを製造する方法(気相触媒法)が開示されている。非特許文献2には、基材上に触媒微粒子を設け、その触媒微粒子からCNTを成長させることによりCNTフォレストを得る方法(固相触媒法)が開示されている。 In this specification, "CNT forest" refers to a type of synthetic structure of multiple carbon nanotubes (CNTs) (hereinafter, the individual shape of the CNTs that gives rise to such a synthetic structure is referred to as the "primary structure," and the synthetic structure is also referred to as the "secondary structure"), and refers to an aggregate of CNTs formed by growth in which multiple CNTs are oriented in a specific direction (a specific example is a direction approximately parallel to a normal to one of the surfaces of the substrate) for at least a portion of their longitudinal axes. Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 disclose a method of producing a CNT forest using iron chloride (gas-phase catalytic method). Non-Patent Document 2 discloses a method of obtaining a CNT forest by providing catalyst fine particles on a substrate and growing CNTs from the catalyst fine particles (solid-phase catalytic method).
また、本明細書において、CNTフォレストの一部のCNTをつまみ、そのCNTをCNTフォレストから離間するように引っ張ることによって、CNTフォレストから複数のCNTを連続的に引き出すこと(本明細書において、この作業を従来技術に係る繊維から糸を製造する作業に倣って「紡績」ともいう。)によって形成される、複数のCNTが紡績方向に沿って互いにつながった構造を有する構造体を「CNT連続体」という。特許文献2には、複数のCNTが連続して糸状の全体形状を有する二次構造(本明細書においてこのCNT連続体を「CNTヤーン」という。)について開示がある。CNTヤーンを構成するCNTは、CNTヤーンの延在方向(紡績方向に相当する。)に沿って配向している。また、特許文献2には、複数のCNTが連続してウェブ状の全体形状を有する二次構造(本明細書においてこのCNT連続体を「CNTウェブ」という。)について開示がある。CNTウェブを構成するCNTは、CNTウェブの面内方向の一つ(紡績方向に相当する。)に沿って配向している。図29は、気相触媒法により製造されたCNTフォレストからCNTウェブが紡ぎ出されている状態を示す図である。 In this specification, a "CNT continuum" refers to a structure formed by continuously extracting multiple CNTs from a CNT forest by pinching a portion of the CNTs and pulling them away from the CNT forest (this process is also referred to as "spinning" in the same way as the conventional process of producing yarn from fibers). The structure has multiple CNTs connected to each other along the spinning direction. Patent Document 2 discloses a secondary structure in which multiple CNTs are connected together in a thread-like overall shape (this CNT continuum is referred to as a "CNT yarn" in this specification). The CNTs that make up the CNT yarn are oriented along the extension direction of the CNT yarn (corresponding to the spinning direction). Patent Document 2 also discloses a secondary structure in which multiple CNTs are connected together in a web-like overall shape (this CNT continuum is referred to as a "CNT web" in this specification). The CNTs that make up the CNT web are oriented along one of the in-plane directions of the CNT web (corresponding to the spinning direction). Figure 29 shows the state of a CNT web being spun from a CNT forest produced by the gas-phase catalytic method.
特許文献3には、延在方向に沿って延びる複数の炭素繊維であって、各炭素繊維がカーボンナノチューブを含む前記複数の炭素繊維と、前記複数の炭素繊維に担持された複数の金属粒子であって、前記複数の金属粒子は、前記延在方向において前記炭素繊維の全体に分散し、各炭素繊維を他の炭素繊維に電気的に接続する前記複数の金属粒子と、を備えるカーボンナノチューブ電極が開示されている。 Patent Document 3 discloses a carbon nanotube electrode comprising: a plurality of carbon fibers extending in an extension direction, each containing a carbon nanotube; and a plurality of metal particles supported on the carbon fibers, the metal particles being dispersed throughout the carbon fibers in the extension direction and electrically connecting each carbon fiber to other carbon fibers.
特許文献4には、複数のカーボンナノチューブの端部同士が接合されたカーボンナノチューブ繊維の表面に金属が被着した金属被着ナノチューブ繊維を撚り合わせた金属複合カーボンナノチューブ撚糸であって、前記のカーボンナノチューブ繊維に被着した金属同士の接触部が融着した構造である、金属複合カーボンナノチューブ撚糸が開示されている。 Patent Document 4 discloses a metal-composite carbon nanotube twisted yarn made by twisting together metal-coated nanotube fibers, in which the surfaces of carbon nanotube fibers are coated with metal and the ends of multiple carbon nanotubes are bonded together, and the metal-coated carbon nanotube fibers are fused together at the contact points.
本発明は、CNTフォレストが他の物質によって修飾された修飾CNTフォレスト、当該修飾CNTフォレストの紡績体を備えるCNT連続体、当該CNT連続体を備えるガス透過性シート、当該ガス透過性シートを備える燃料電池の触媒電極、上記の修飾CNTフォレストまたはCNT連続体を備える導電性部材および糸状導電性部材、当該導電性部材を備える層間熱伝導材料、ならびに上記の修飾CNTフォレストの製造方法を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide modified CNT forests in which CNT forests are modified with other substances, CNT continuous bodies comprising a spun body of the modified CNT forest, gas-permeable sheets comprising the CNT continuous bodies, fuel cell catalyst electrodes comprising the gas-permeable sheets, conductive members and filamentous conductive members comprising the modified CNT forests or CNT continuous bodies, interlayer thermal conductive materials comprising the conductive members, and methods for producing the modified CNT forests.
上記課題を解決するために、提供される本発明は次の態様を含む。
[1]所定の方向に配向したカーボンナノチューブを備えるカーボンナノチューブフォレストと、前記カーボンナノチューブに担持された微粒子とを備え、紡績可能であることを特徴とする修飾カーボンナノチューブフォレスト。
In order to solve the above problems, the present invention includes the following aspects.
[1] A modified carbon nanotube forest comprising carbon nanotubes oriented in a predetermined direction and microparticles supported on the carbon nanotubes, characterized in that the modified carbon nanotube forest is spinnable.
[2]前記カーボンナノチューブの隣接間隙D1と前記微粒子の平均粒径D2とを用いて下記式(1)により定義される比Rが3以上である、上記[1]に記載の修飾カーボンナノチューブフォレスト。
R=D1/D2 (1)
ここで、前記隣接間隙D1は、前記修飾カーボンナノチューブフォレストの数密度A(単位:本/m2)および前記カーボンナノチューブの平均直径D3を用いて、下記式(2)により表され、前記平均粒径D2および前記平均直径D3は、それぞれ、前記修飾カーボンナノチューブフォレストを電子顕微鏡により観察して測定された、10カ所以上の前記微粒子の直径の算術平均および10カ所以上の前記カーボンナノチューブの直径の算術平均である。
D1=A-1/2-D3 (2)
[2] A modified carbon nanotube forest described in [1] above, in which the ratio R defined by the following formula (1) using the adjacent gap D1 of the carbon nanotubes and the average particle diameter D2 of the microparticles is 3 or more.
R=D1/D2 (1)
Here, the adjacent gap D1 is expressed by the following formula (2) using the number density A (unit: pieces/ m2 ) of the modified carbon nanotube forest and the average diameter D3 of the carbon nanotubes, and the average particle size D2 and the average diameter D3 are, respectively, the arithmetic mean of the diameters of the microparticles at 10 or more locations and the arithmetic mean of the diameters of the carbon nanotubes at 10 or more locations measured by observing the modified carbon nanotube forest using an electron microscope.
D1=A -1/2 -D3 (2)
[3]前記微粒子は導電性を有する、上記[1]または上記[2]に記載の修飾カーボンナノチューブフォレスト。 [3] The modified carbon nanotube forest described in [1] or [2] above, wherein the microparticles are electrically conductive.
[4]前記微粒子は酸化物を含む、上記[1]から上記[3]のいずれか1項に記載の修飾カーボンナノチューブフォレスト。 [4] A modified carbon nanotube forest described in any one of [1] to [3] above, wherein the microparticles contain an oxide.
[5]上記[1]から上記[4]のいずれか1項に記載の修飾カーボンナノチューブフォレストの紡績体を備える、カーボンナノチューブ連続体。 [5] A continuous carbon nanotube body comprising a spun body of the modified carbon nanotube forest described in any one of [1] to [4] above.
[6]前記カーボンナノチューブ連続体がウェブ形状を有する、上記[5]に記載のカーボンナノチューブ連続体。 [6] The continuous carbon nanotube body described in [5] above, wherein the continuous carbon nanotube body has a web shape.
[7]前記カーボンナノチューブ連続体は糸形状を有する、上記[5]に記載のカーボンナノチューブ連続体。 [7] The continuous carbon nanotube body described in [5] above, wherein the continuous carbon nanotube body has a thread-like shape.
[8]撚りかけられている、上記[7]に記載のカーボンナノチューブ連続体。 [8] The carbon nanotube continuum described in [7] above, which is twisted.
[9]上記[6]に記載されるウェブ形状を有するカーボンナノチューブ連続体を備え、前記カーボンナノチューブ連続体を構成するカーボンナノチューブの少なくとも一部は、その配向方向に交差する方向に隙間を有して隣り合うこと
を特徴とするガス透過性シート。
[9] A gas-permeable sheet comprising the web-shaped continuous carbon nanotube body described in [6] above, wherein at least some of the carbon nanotubes constituting the continuous carbon nanotube body are adjacent to each other with gaps in a direction intersecting their orientation direction.
[10]前記カーボンナノチューブは、PtおよびCoからなる群から選ばれる一種以上の元素を含む微粒子を担持する、上記[9]に記載のガス透過性シート。 [10] The gas-permeable sheet described in [9] above, wherein the carbon nanotubes support fine particles containing one or more elements selected from the group consisting of Pt and Co.
[11]上記[9]または上記[10]に記載のガス透過性シートを備える燃料電池の触媒電極。 [11] A catalyst electrode for a fuel cell comprising the gas permeable sheet described in [9] or [10] above.
[12]上記[1]から上記[3]のいずれか1項に記載の修飾カーボンナノチューブフォレストと、前記修飾カーボンナノチューブフォレストの内部に位置するカーボンナノチューブに堆積しためっき系物質を備えることを特徴とする導電性部材。 [12] A conductive member comprising the modified carbon nanotube forest described in any one of [1] to [3] above, and a plating substance deposited on carbon nanotubes located inside the modified carbon nanotube forest.
[13]上記[12]に記載される導電性部材を備える、層間熱伝導材料。 [13] An interlayer thermally conductive material comprising the conductive member described in [12] above.
[14]上記[5]から上記[8]のいずれかに記載されるカーボンナノチューブ連続体と、前記カーボンナノチューブ連続体の内部に位置するカーボンナノチューブに堆積しためっき物質とを備えることを特徴とする導電性部材。 [14] A conductive member comprising the continuous carbon nanotube structure described in any one of [5] to [8] above, and a plating substance deposited on the carbon nanotubes located inside the continuous carbon nanotube structure.
[15]前記カーボンナノチューブ連続体のカーボンナノチューブは導電性を有する微粒子を担持する、上記[14]に記載の導電性部材。 [15] The conductive member described in [14] above, wherein the carbon nanotubes of the continuous carbon nanotube structure support conductive microparticles.
[16]上記[1]から上記[4]のいずれかに記載の修飾カーボンナノチューブフォレストの製造方法であって、金属元素含有物質を気相状態にしてカーボンナノチューブフォレストに供給し、前記金属元素含有物質を分解して金属基物質を生成し、前記金属基物質から形成された微粒子を、前記カーボンナノチューブフォレストに担持させることを備えることを特徴とする修飾カーボンナノチューブフォレストの製造方法。 [16] A method for producing a modified carbon nanotube forest according to any one of [1] to [4] above, comprising: supplying a gaseous metal element-containing substance to a carbon nanotube forest; decomposing the metal element-containing substance to produce a metal-based substance; and supporting the fine particles formed from the metal-based substance on the carbon nanotube forest.
[17]上記[6]または上記[7]に記載される糸形状を有するカーボンナノチューブ連続体と、前記カーボンナノチューブ連続体を構成するカーボンナノチューブの少なくとも一部に堆積しためっき系物質とを備える糸状導電性部材。 [17] A filamentous conductive member comprising a continuous carbon nanotube body having the filamentous shape described in [6] or [7] above, and a plating material deposited on at least a portion of the carbon nanotubes that make up the continuous carbon nanotube body.
[18]電流容量が105A/cm2以上である、上記[17]に記載の糸状導電性部材。 [18] The filamentous conductive member according to the above [17], having a current capacity of 10 5 A/cm 2 or more.
[19]長手方向の導電率を測定したときに、300Kから450Kの範囲での抵抗温度係数が1.8×10-3K-1以下である、上記[17]または上記[18]に記載の糸状導電性部材。 [19] The filamentous conductive member according to [17] or [18], wherein when the conductivity in the longitudinal direction is measured, the temperature coefficient of resistance in the range of 300 K to 450 K is 1.8×10 −3 K −1 or less.
[20]長手方向で測定された導電率に基づき算出される比導電率が、400K以上で銅線の比導電率よりも高い、上記[17]から上記[19]のいずれかに記載の糸状導電性部材。 [20] A filamentous conductive member according to any one of [17] to [19] above, in which the specific conductivity calculated based on the conductivity measured in the longitudinal direction is higher than the specific conductivity of copper wire at 400 K or higher.
[21]前記糸状導電部材から前記めっき系物質を除いた材料に相当するブランクカーボンナノチューブ連続体を基準として、引張強度が1.0倍以上であり、ヤング率が1.5倍以上である、上記[17]から上記[20]のいずれかに記載の糸状導電性部材。 [21] A filamentous conductive member according to any one of [17] to [20] above, having a tensile strength of 1.0 times or more and a Young's modulus of 1.5 times or more, based on a blank carbon nanotube continuum corresponding to the material obtained by removing the plating substance from the filamentous conductive member.
本発明により、修飾CNTフォレスト、当該修飾CNTフォレストの紡績体を備えるCNT連続体、当該CNT連続体を備えるガス透過性シート、当該ガス透過性シートを備える燃料電池の触媒電極、上記の修飾CNTフォレストまたはCNT連続体を備える導電性部材および糸状導電性部材、当該導電性部材を備える層間熱伝導材料、ならびに上記の修飾CNTフォレストの製造方法が提供される。 The present invention provides a modified CNT forest, a CNT continuous body comprising a spun body of the modified CNT forest, a gas-permeable sheet comprising the CNT continuous body, a fuel cell catalyst electrode comprising the gas-permeable sheet, an electrically conductive member and a filamentous electrically conductive member comprising the modified CNT forest or the CNT continuous body, an interlayer thermal conductive material comprising the electrically conductive member, and a method for producing the modified CNT forest.
以下、本発明の実施形態について説明する。 The following describes an embodiment of the present invention.
本発明の一実施形態に係る修飾CNTフォレスト(修飾カーボンナノチューブフォレスト)は、所定の方向に配向したCNTを備えるCNTフォレストと、CNTに担持された微粒子とを備え、紡績可能である。CNTフォレストは、特許文献1や非特許文献1に開示される製造方法(気相触媒法)、または非特許文献2に開示される製造方法(固相触媒法)により製造することができる。これらの場合において、所定の方向は、CNTフォレストを形成するための基板のCNTフォレスト形成面の法線方向に沿った方向である。 A modified CNT forest (modified carbon nanotube forest) according to one embodiment of the present invention comprises a CNT forest with CNTs aligned in a predetermined direction and microparticles supported on the CNTs, and is spinnable. The CNT forest can be produced by the manufacturing method (gas-phase catalytic method) disclosed in Patent Document 1 or Non-Patent Document 1, or the manufacturing method (solid-phase catalytic method) disclosed in Non-Patent Document 2. In these cases, the predetermined direction is along the normal direction of the CNT forest formation surface of the substrate used to form the CNT forest.
修飾CNTフォレストは、CNTの隣接間隙D1と微粒子の平均粒径D2とを用いて下記式(1)により定義される比Rが3以上である。
R=D1/D2 (1)
The modified CNT forest has a ratio R of 3 or more, defined by the following formula (1) using the gap D1 between adjacent CNTs and the average particle size D2 of the microparticles.
R=D1/D2 (1)
ここで、隣接間隙D1は、修飾CNTフォレストの数密度A(単位:本/m2)およびCNTの平均直径D3により、下記式(2)により表される。平均粒径D2および平均直径D3は、それぞれ、修飾CNTフォレストを側方から電子顕微鏡により観察して測定された、10カ所以上の微粒子の直径の算術平均および10カ所以上のカーボンナノチューブの直径の算術平均である。
D1=A-1/2-D3 (2)
Here, the adjacent gap D1 is expressed by the number density A (unit: pieces/ m2 ) of the modified CNT forest and the average diameter D3 of the CNTs, as shown in formula (2) below. The average particle size D2 and average diameter D3 are the arithmetic mean of the diameters of the microparticles at 10 or more locations and the arithmetic mean of the diameters of the carbon nanotubes at 10 or more locations, respectively, measured by observing the modified CNT forest from the side using an electron microscope.
D1=A -1/2 -D3 (2)
修飾CNTフォレストの隣接間隙D1は、微粒子を担持させる方法を適切に設定すれば、CNTフォレストの隣接間隙D1’に実質的に等しくすること(D1=D1’)ができる。非特許文献1に記載されるように、気相触媒法により製造されたCNTフォレストの隣接間隙D1’は、数密度Aが1013本/m2程度であり、平均直径D3が40nm程度であることから、275nm程度となる。一方、非特許文献2に記載されるように、固相触媒法により製造されたCNTフォレストの隣接間隙D1’は、数密度Aが1.5×1015本/m2程度であり、平均直径D3が7nm程度であることから、20nm程度となる。固相触媒法では、数密度Aが5×1015本/m2程度であり、平均直径D3が4nm程度のCNTフォレストを製造することができるため、隣接間隙D1’を10nm程度とすることも可能である。 By appropriately configuring the method for supporting the microparticles, the adjacent gap D1 in the modified CNT forest can be made substantially equal to the adjacent gap D1' in the CNT forest (D1 = D1'). As described in Non-Patent Document 1, the adjacent gap D1' in a CNT forest produced by a gas-phase catalytic method is approximately 275 nm, since the number density A is approximately 1013 fibers/ m2 and the average diameter D3 is approximately 40 nm. On the other hand, as described in Non-Patent Document 2, the adjacent gap D1' in a CNT forest produced by a solid-phase catalytic method is approximately 20 nm, since the number density A is approximately 1.5 x 1015 fibers/ m2 and the average diameter D3 is approximately 7 nm. With the solid-phase catalytic method, it is possible to produce CNT forests with a number density A of approximately 5 x 1015 fibers/m2 and an average diameter D3 of approximately 4 nm, so the adjacent gap D1' can also be approximately 10 nm.
微粒子の平均粒径D2は、隣接間隙D1よりも十分に小さいことが、修飾CNTフォレストの紡績性を安定的に確保する観点から重要である。具体的には、上記式(1)により定義される比Rが、3以上であることが好ましく、6以上であることがより好ましく、7以上であることがさらに好ましく、8以上であることが特に好ましく、9以上であることが極めて好ましい。平均粒径D2が大きいと、修飾CNTフォレストにおいて配向方向と交差する方向に隣り合うCNTの間で、隣り合うCNTを連結するように微粒子が存在する可能性が高くなる。隣り合って配置されたCNTは紡績される際に離間すべきであるが、上記のように微粒子が隣り合うCNTを連結している場合には、隣り合って配置されたCNTが離間しにくくなることがあり、紡績不良の原因となりうる。 It is important that the average particle size D2 of the microparticles is sufficiently smaller than the adjacent gap D1 in order to ensure stable spinnability of the modified CNT forest. Specifically, the ratio R defined by the above formula (1) is preferably 3 or greater, more preferably 6 or greater, even more preferably 7 or greater, particularly preferably 8 or greater, and extremely preferably 9 or greater. A large average particle size D2 increases the likelihood that microparticles will exist between adjacent CNTs in the direction intersecting the orientation direction in the modified CNT forest, connecting adjacent CNTs. Adjacent CNTs should be separated during spinning, but when microparticles connect adjacent CNTs as described above, it can be difficult to separate adjacent CNTs, which can result in poor spinning.
上記のとおり、非特許文献1に基づくと、気相触媒法により製造されたCNTフォレストの隣接間隙D1’は275nm程度であるから、気相触媒法により製造されたCNTフォレストから形成された修飾CNTフォレストのCNTが担持する微粒子の平均粒径D2は、90nm以下となるときに比Rが3以上となる。また、非特許文献2に基づくと、気相触媒法により製造されたCNTフォレストの隣接間隙D1’は、20nm程度であるから、気相触媒法により製造されたCNTフォレストから形成された修飾CNTフォレストのCNTが担持する微粒子の平均粒径D2は、6.7nm以下となるときに比Rが3以上となる。気相触媒法では隣接間隙D1’が10nm程度のCNTフォレストも製造可能であり、この場合には、微粒子の平均粒径D2は3.3nm以下となるときに比Rが3以上となる。 As mentioned above, according to Non-Patent Document 1, the adjacent gap D1' in CNT forests produced by gas-phase catalytic method is approximately 275 nm, so the ratio R is 3 or greater when the average particle size D2 of the microparticles carried by CNTs in modified CNT forests formed from CNT forests produced by gas-phase catalytic method is 90 nm or less. Furthermore, according to Non-Patent Document 2, the adjacent gap D1' in CNT forests produced by gas-phase catalytic method is approximately 20 nm, so the ratio R is 3 or greater when the average particle size D2 of the microparticles carried by CNTs in modified CNT forests formed from CNT forests produced by gas-phase catalytic method is 6.7 nm or less. Gas-phase catalytic method can also produce CNT forests with an adjacent gap D1' of approximately 10 nm, in which case the ratio R is 3 or greater when the average particle size D2 of the microparticles is 3.3 nm or less.
修飾CNTフォレストのCNTが担持する微粒子は導電性を有していてもよい。導電性を有する微粒子の典型例は金属系材料からなる場合である。微粒子が金属系材料からなる場合において、構成金属元素は特に限定されない。Au,Ag,Cu,Pt,Ni,Co,Fe,Al,Ti,Zn,W,Crなどが例示される。 The microparticles carried by the CNTs in a modified CNT forest may be electrically conductive. A typical example of electrically conductive microparticles is one made of a metallic material. When the microparticles are made of a metallic material, there are no particular restrictions on the constituent metal elements. Examples include Au, Ag, Cu, Pt, Ni, Co, Fe, Al, Ti, Zn, W, and Cr.
修飾CNTフォレストのCNTが担持する微粒子は酸化物を含んでいてもよい。微粒子が含む酸化物の具体例として、アルミニウムの酸化物、チタンの酸化物が例示される。微粒子が含む酸化物を構成する金属元素は複数であってもよい。 The fine particles carried by the CNTs in the modified CNT forest may contain oxides. Specific examples of oxides contained in the fine particles include aluminum oxide and titanium oxide. The oxide contained in the fine particles may contain multiple metal elements.
本発明の一実施形態に係る修飾CNTフォレストは、原料の1つであるCNTフォレストのCNTに所定の大きさの微粒子を担持させることができ、得られた修飾CNTフォレストが紡績性を有して入れば、どのような製造方法により製造されてもよい。次に説明する方法によれば、修飾CNTフォレストを効率的に製造することが可能である。 The modified CNT forest of one embodiment of the present invention can be produced by any manufacturing method as long as it is possible to load microparticles of a specified size onto the CNTs of the CNT forest, which is one of the raw materials, and the resulting modified CNT forest is spinnable. The method described below makes it possible to efficiently produce modified CNT forests.
本発明の一実施形態に係る修飾CNTフォレストの製造方法は、金属元素含有物質を気相状態にしてCNTフォレストに供給し、金属元素含有物質を分解して金属基物質を生成し、金属基物質から形成された微粒子を、CNTフォレストに担持させることを備える。 A method for producing a modified CNT forest according to one embodiment of the present invention comprises supplying a metal element-containing substance in a gaseous state to a CNT forest, decomposing the metal element-containing substance to produce a metal-based substance, and supporting the microparticles formed from the metal-based substance on the CNT forest.
CNTフォレストは、公知の方法により製造することができる。具体例として、特許文献1および非特許文献1に記載される気相触媒法による製造方法、非特許文献2に記載される固相触媒法が挙げられる。これらの製造方法により製造されたCNTフォレストは紡績可能である。 CNT forests can be produced by known methods. Specific examples include the gas-phase catalytic method described in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, and the solid-phase catalytic method described in Non-Patent Document 2. CNT forests produced by these methods can be spun.
金属元素含有物質は、気相状態において分解可能であって、分解生成物である金属基物質から微粒子を形成することが可能な物質である。金属元素含有物質として、銅(II)アセチルアセトナート、白金アセチルアセトナートなどの有機金属錯体、金属ハロゲン化物が例示される。 Metal element-containing substances are substances that can be decomposed in the gas phase and can form fine particles from the decomposition product, a metal-based substance. Examples of metal element-containing substances include organometallic complexes such as copper(II) acetylacetonate and platinum acetylacetonate, and metal halides.
金属元素含有物質は供給段階では気相である必要はなく、取り扱い性を高める観点から固相や液相であることが好ましい場合もある。この場合において、金属元素含有物質を気相状態にするために、金属元素含有物質を加熱したり、金属元素含有物質が配置された空間を減圧にすることが好ましいこともある。金属元素含有物質の分解は、外部からエネルギーを加えることにより生じる。具体的には、金属元素含有物質を加熱してもよいし、金属元素含有物質に対してレーザ照射したり、電子線などの高エネルギー線を照射したりしてもよい。 The metal element-containing substance does not need to be in the gas phase when supplied; in order to improve handleability, it may be preferable for it to be in the solid or liquid phase. In this case, in order to put the metal element-containing substance into the gas phase, it may be preferable to heat the metal element-containing substance or reduce the pressure in the space in which the metal element-containing substance is placed. The decomposition of the metal element-containing substance occurs when energy is applied from the outside. Specifically, the metal element-containing substance may be heated, or may be irradiated with a laser or a high-energy beam such as an electron beam.
金属元素含有物質の分解生成物である金属基物質は、合金、金属間化合物を含む金属系材料から構成されていてもよいし、酸化物から構成されていてもよい。生成した金属基物質が凝集したり、自己触媒として機能したりすることにより、微粒子が形成される。 Metal-based substances, which are the decomposition products of metal-element-containing substances, may be composed of metal-based materials including alloys and intermetallic compounds, or may be composed of oxides. The resulting metal-based substances aggregate or function as autocatalysts, forming fine particles.
図1は、CNTフォレストから修飾CNTフォレストを得る製造装置の一例を概念的に示す図である。製造装置100は、その内部が反応室RCとなるガラス管10およびガラス管10の側面を覆うように設けられるヒータ20を備え、反応室RCには金属元素含有物質RSが配置され、金属元素含有物質RSの周囲にCNTフォレスト30が配置される。 Figure 1 is a conceptual diagram of an example of a manufacturing apparatus for obtaining a modified CNT forest from a CNT forest. The manufacturing apparatus 100 includes a glass tube 10, the interior of which serves as a reaction chamber RC, and a heater 20 that covers the side of the glass tube 10. A metal element-containing material RS is placed in the reaction chamber RC, and a CNT forest 30 is placed around the metal element-containing material RS.
反応室RCを減圧とすると共にヒータ20により加熱して、金属元素含有物質RSを気相状態とする。気相状態となった金属元素含有物質RSは拡散してCNTフォレスト30へと供給され、金属元素含有物質RSが熱分解して金属基物質が生成し、金属基物質に基づく微粒子がCNTフォレスト30のCNTにより担持されて、修飾CNTフォレスト40が得られる。 The reaction chamber RC is depressurized and heated by the heater 20 to convert the metal element-containing material RS into a gaseous state. The gaseous metal element-containing material RS diffuses and is supplied to the CNT forest 30, where it thermally decomposes to produce a metal-based material. The fine particles based on the metal-based material are supported by the CNTs in the CNT forest 30, resulting in a modified CNT forest 40.
微粒子の粒径は、反応室RCに配置する金属元素含有物質RSの量、反応室RCの全圧、反応室RCの温度などにより調整することが可能である。これらのパラメータの具体的な数値範囲は、修飾CNTフォレストの隣接間隙D1により設定される平均粒径D2を実現できるように、金属元素含有物質RSの種類に応じて適宜設定される。なお、これらのパラメータを調整することにより、CNTの微粒子の担持密度を設定することも可能である。 The particle size of the microparticles can be adjusted by the amount of metal element-containing material RS placed in the reaction chamber RC, the total pressure of the reaction chamber RC, the temperature of the reaction chamber RC, etc. The specific numerical ranges of these parameters are set appropriately depending on the type of metal element-containing material RS so as to achieve the average particle size D2 set by the adjacent gap D1 of the modified CNT forest. It is also possible to set the loading density of the CNT microparticles by adjusting these parameters.
本実施形態に係る製造方法では、微粒子の原料となる金属元素含有物質を気相状態にしてカーボンナノチューブフォレストに供給するため、微粒子によるCNTの修飾を、CNTフォレストを構成するCNTに対して均一性高く生じさせることができる。すなわち、本実施形態に係る製造方法によれば、CNTフォレストの内部に位置するCNTについても、微粒子による修飾が安定的に実現され、しかも、得られた修飾CNTフォレストは紡績可能性を有することができる。これに対し、例えば特許文献2では、カーボンナノチューブ電極を製造する際に、AgナノメタルインクをCNTフォレストに滴下する。このため、CNTフォレストを構成するCNTのうち、外側に位置するCNTほど微粒子(特許文献2ではAg)が多く付着し、CNTフォレストの内部に位置するCNTには微粒子が付着しにくい。また、特許文献2に開示される方法では、CNTフォレストを構成するCNTに微粒子を付着させるために、CNTフォレストに液体(インク)を滴下する。この際、CNTフォレストを構成するCNTは液体の凝集力によって互いに接触する。互いに接触したCNTの間には強い相互作用が働くため、もはや分離することは不可能である。すなわち、特許文献2に係る修飾CNTフォレストが紡績可能性を有することはありえない。 In the manufacturing method of this embodiment, the metal element-containing material used as the microparticle raw material is supplied to the carbon nanotube forest in a gaseous state, allowing for highly uniform modification of CNTs with microparticles across the CNTs that make up the CNT forest. In other words, the manufacturing method of this embodiment allows for stable modification of CNTs located inside the CNT forest with microparticles, and the resulting modified CNT forest is spinnable. In contrast, in Patent Document 2, for example, Ag nanometal ink is dripped onto the CNT forest when manufacturing carbon nanotube electrodes. As a result, more microparticles (Ag in Patent Document 2) adhere to the outermost CNTs of the CNT forest, while the microparticles are less likely to adhere to the innermost CNTs. Furthermore, in the method disclosed in Patent Document 2, a liquid (ink) is dripped onto the CNT forest to attach the microparticles to the CNTs that make up the CNT forest. During this process, the CNTs that make up the CNT forest come into contact with each other due to the cohesive force of the liquid. Because of the strong interactions between CNTs that come into contact with each other, they are no longer able to be separated. In other words, the modified CNT forest described in Patent Document 2 cannot be spinnable.
図2は、CNTフォレストの側面の一部の観察結果を示す図である。以下、ことわりのない「観察」は電子顕微鏡による観察または光学顕微鏡による観察を意味する。図2は二次電子像である。このCNTフォレストは気相触媒法により製造されたものであって、その数密度Aは1013本/m2程度であり、CNTの平均直径D3は35nm程度である。したがって、CNTフォレストの隣接間隙D1は280nm程度である。図3は、図2のCNTフォレストと同じ製造方法により製造されたCNTフォレストから形成された修飾CNTフォレストの側面の一部の観察結果を示す図である。図4は図3の部分拡大図である。 Figure 2 shows the results of observing a portion of the side of a CNT forest. Hereinafter, unless otherwise specified, "observation" refers to observation using an electron microscope or an optical microscope. Figure 2 is a secondary electron image. This CNT forest was produced using a gas-phase catalytic method, and its number density A is approximately 10 13 fibers/m 2 , and the average CNT diameter D3 is approximately 35 nm. Therefore, the adjacent gap D1 in the CNT forest is approximately 280 nm. Figure 3 shows the results of observing a portion of the side of a modified CNT forest formed from a CNT forest produced using the same production method as the CNT forest in Figure 2. Figure 4 is a partial enlargement of Figure 3.
図3に示されるように、CNTフォレストのCNTは微粒子を担持しても形態的に変化しない。それゆえ、修飾CNTフォレストの隣接間隙D1はCNTフォレストの隣接間隙D1’に実質的に等しい。図3に示される修飾CNTフォレストは、気相触媒法により製造されたCNTフォレストから形成されたものであるから、その隣接間隙D1は280nm程度である。また、図4に示されるように、CNTに担持される微粒子の直径は100nmよりも十分に小さい。実施例において後述するように、微粒子の平均粒径D2は29.2nmである。したがって、図4に示される修飾CNTフォレストにおいて比Rは9以上であり、修飾CNTフォレストは紡績性を特に安定的に有しているといえる。 As shown in Figure 3, the CNTs in the CNT forest do not change morphologically even when they are loaded with microparticles. Therefore, the adjacent gap D1 in the modified CNT forest is substantially equal to the adjacent gap D1' in the CNT forest. Because the modified CNT forest shown in Figure 3 was formed from a CNT forest produced by gas-phase catalytic processing, the adjacent gap D1 is approximately 280 nm. Furthermore, as shown in Figure 4, the diameter of the microparticles loaded on the CNTs is well below 100 nm. As described later in the Examples, the average particle size D2 of the microparticles is 29.2 nm. Therefore, the ratio R in the modified CNT forest shown in Figure 4 is 9 or greater, and the modified CNT forest can be said to have particularly stable spinnability.
図5は、図3に示される側面について反射電子像により観察した結果を示す図であり、CNTに付着した微粒子(Cu系導電性物質からなる)は輝点として観察されている。図6は、CNTフォレストの一部をCNTの配向方向を含む面で除去して得られた断面の一部(すなわち、CNTフォレストの内部)の観察結果を示す図である。図7は、図6に示される側面について反射電子像により観察した結果を示す図であり、CNTに付着した微粒子は輝点として観察されている。図5と図7とを対比すると、図5の方がやや輝点の密度が高いが、図7においても十分な数の輝点が観察され、修飾CNTフォレストは、その内部に位置するCNTについても微粒子を担持していることが確認される。 Figure 5 shows the results of backscattered electron imaging of the side surface shown in Figure 3, with the fine particles (made of a Cu-based conductive material) attached to the CNTs being observed as bright spots. Figure 6 shows the results of an observation of a portion of the cross section (i.e., the interior of the CNT forest) obtained by removing a portion of the CNT forest along the plane containing the CNT alignment direction. Figure 7 shows the results of backscattered electron imaging of the side surface shown in Figure 6, with the fine particles attached to the CNTs being observed as bright spots. Comparing Figure 5 and Figure 7, the density of bright spots is slightly higher in Figure 5, but a sufficient number of bright spots are also observed in Figure 7, confirming that the modified CNT forest also supports fine particles on the CNTs located within it.
本発明の一実施形態に係るカーボンナノチューブ連続体(CNT連続体)は、上記の修飾CNTフォレストの紡績体を備える。図8は、修飾CNTフォレストが紡績される様子を概念的に示す図である。基板SB上の修飾CNTフォレスト40の側面の一部に位置するCNT50が方向Dに引き出されることにより、方向D(紡績方向)に配向したCNT50が連続的につながり、CNT連続体60が形成される。図8に示されるように、修飾CNTフォレスト40を構成するCNT50に付着した微粒子70は、紡績されても、その状態を維持する。このため、修飾CNTフォレスト40を紡績して得られたCNT連続体60を構成するCNT50も、微粒子70による修飾が均一性高く実現されている。 A continuous carbon nanotube structure (CNT structure) according to one embodiment of the present invention comprises a spun body of the above-described modified CNT forest. Figure 8 is a conceptual diagram illustrating the process of spinning a modified CNT forest. CNTs 50 located on a portion of the side of a modified CNT forest 40 on a substrate SB are pulled out in direction D, resulting in a continuous connection of CNTs 50 aligned in direction D (spinning direction), forming a CNT structure 60. As shown in Figure 8, the microparticles 70 attached to the CNTs 50 that make up the modified CNT forest 40 maintain their state even after spinning. Therefore, the CNTs 50 that make up the CNT structure 60 obtained by spinning the modified CNT forest 40 are also highly uniformly modified with the microparticles 70.
CNT連続体の形状は、紡績プロセスによって決定される。その形状は、ウェブ形状を有していてもよいし、糸形状を有していてもよい。 The shape of the CNT continuum is determined by the spinning process. It may have a web shape or a thread shape.
ウェブ形状を有するCNT連続体(CNTウェブ)は、修飾CNTフォレストの側面の一つを収束させないように引き出すことによって得られる。引き出されたCNTウェブは、例えばドラムに巻き取ることにより、継続的に紡績することが可能である。 A web-shaped CNT continuum (CNT web) can be obtained by pulling out one of the sides of the modified CNT forest so that it does not converge. The pulled CNT web can be continuously spun, for example, by winding it up on a drum.
CNTウェブを構成するCNTは、紡績方向に沿うように配向している。紡績方向(すなわち配向方向)で隣り合うCNTの連結状態は、それぞれの端部において他のCNTとの間に生じるファンデルワールス力によって保持されている。このため、CNTウェブを構成するCNTは、その端部以外の部分において、紡績方向に交差する方向(交差方向)に隣り合うCNTと連結しておらず、交差方向に隣り合うCNTの間には隙間がある。すなわち、CNTウェブは、これを構成するCNTが微粒子より修飾されていながらメッシュのような構造を有する。この隙間の長さは、CNTフォレストの数密度や紡績方法(特に紡ぎ出すときの張力)に依存するが、例えば数nm~数μmの範囲に設定することができる。このため、CNTウェブの隙間を適切に調整することにより、気体は透過するが液体は通さないガス透過性シートを形成することができる。 The CNTs that make up a CNT web are aligned along the spinning direction. The connection between adjacent CNTs in the spinning direction (i.e., the orientation direction) is maintained by van der Waals forces between each CNT at their ends. Therefore, the CNTs that make up a CNT web are not connected to adjacent CNTs in the direction intersecting the spinning direction (the cross direction) except at their ends, and there are gaps between adjacent CNTs in the cross direction. In other words, a CNT web has a mesh-like structure, even though the CNTs that make it up are modified with fine particles. The length of these gaps depends on the number density of the CNT forest and the spinning method (especially the tension during spinning), but can be set in the range of several nanometers to several micrometers, for example. Therefore, by appropriately adjusting the gaps in the CNT web, it is possible to create a gas-permeable sheet that allows gas to pass through but not liquid.
このガス透過性シートは、シートを構成するCNTが微粒子により修飾されているため、シートを透過する気体と微粒子との間に相互作用を生じさせることが可能である。しかも、ガス透過性シートは面内方向に導電性を有する。具体的には、CNTが紡績方向に配向していることに基づき、配向方向に沿った導電率が、配向方向に直交する方向の導電率よりも高い。したがって、CNTを修飾する微粒子として適当な導電性触媒材料(例えば、PtおよびCoを含むPt-Co合金など)を設定すれば、このガス透過性シートを燃料電池の触媒電極の構成要素として用いることが可能となる。 This gas-permeable sheet allows for interaction between the fine particles and the gas passing through the sheet, since the CNTs that make up the sheet are modified with these particles. Furthermore, the gas-permeable sheet is conductive in the in-plane direction. Specifically, because the CNTs are aligned in the spinning direction, the conductivity along the alignment direction is higher than the conductivity in the direction perpendicular to the alignment direction. Therefore, by using an appropriate conductive catalyst material (such as a Pt-Co alloy containing Pt and Co) as the fine particles that modify the CNTs, this gas-permeable sheet can be used as a component of the catalyst electrode in a fuel cell.
糸形状を有するCNT連続体(CNTヤーン)は、修飾CNTフォレストの側面の一つからCNTウェブが形成されるようにCNTを引き出し、このCNTウェブを紡績方向に収束させてCNTをさらに引き出すことによって得られる。このようにして形成されたCNTヤーンを構成するCNTは、CNTヤーンの糸形状の延在方向に沿って配向している。このため、例えば軸長さが短いCNTを含む液状体をダイスから噴出させて作製された糸状の構造体に比べて、本実施形態に係る製造方法により製造されたCNTヤーンは、糸形状の延在方向に沿った導電率が高く、また機械特性に優れる。 A thread-shaped CNT continuum (CNT yarn) is obtained by pulling out CNTs from one side of a modified CNT forest to form a CNT web, then converging this CNT web in the spinning direction to further pull out CNTs. The CNTs that make up the CNT yarn formed in this way are oriented along the extension direction of the CNT yarn's thread shape. For this reason, compared to thread-shaped structures made by, for example, ejecting a liquid containing CNTs with short axial lengths from a die, the CNT yarn produced by the production method of this embodiment has high electrical conductivity along the extension direction of the thread shape and excellent mechanical properties.
前述のように、修飾CNTフォレストは、その内部に位置するCNTについても微粒子により修飾されているため、CNTヤーンは、その中心部に位置するCNTまで微粒子により修飾されている。これに対し、例えば特許文献3に開示される製造方法では、CNTアレイ(CNTフォレストに対応する。)から引き出されたCNT繊維(CNTヤーンに対応する。)に金属粒子を含む分散液を塗布することにより、CNTに金属粒子を付着させる。このため、CNT繊維の外側に位置するCNTほど金属粒子が付着しやすく、CNT繊維の中心部分に位置するCNTには金属粒子が付着しにくい。すなわち、本実施形態に係る製造方法により製造されたCNTヤーンは、特許文献3に開示される製造方法により製造されたCNTヤーンよりも、微粒子の修飾がより均一的に実現されている。 As mentioned above, in a modified CNT forest, even the CNTs located inside are modified with microparticles, and so the CNTs in a CNT yarn are modified with microparticles even down to their center. In contrast, in the manufacturing method disclosed in Patent Document 3, for example, a dispersion containing metal particles is applied to a CNT fiber (corresponding to a CNT yarn) drawn from a CNT array (corresponding to a CNT forest), thereby attaching metal particles to the CNTs. As a result, metal particles are more likely to attach to CNTs located on the outer side of the CNT fiber, and less likely to attach to CNTs located in the center of the CNT fiber. In other words, the CNT yarn manufactured by the manufacturing method according to this embodiment is more uniformly modified with microparticles than the CNT yarn manufactured by the manufacturing method disclosed in Patent Document 3.
紡績して得られたCNTヤーンは、そのままボビンに巻き取ってもよいし、追加工しながら巻き取ってもよい。追加工の一つに、撚りかけが挙げられる。図9(a)は、修飾CNTフォレストを紡績して得られたCNTヤーンに撚りかけして撚糸(CNT撚糸)を作製している様子を示す図である。図9(b)は、修飾CNTフォレストを紡績する装置の構成を概念的に示す図である。図10は、CNT撚糸の観察結果を示す図であり、図11は図10の部分拡大図である。図12(a)は、CNT撚糸の断面の観察図である。図12(b)は、図12(a)の断面の中心部分を部分的に拡大して反射電子により観察した図である。撚りかけすることにより、CNTヤーンの機械的強度が高まり、さらに電気特性(導電率)が向上する場合もある。図11および図12に示されるように、CNT撚糸は、その中心部に位置するCNTまで微粒子により修飾されている。 The CNT yarn obtained by spinning can be wound onto a bobbin as is, or can be wound while undergoing additional processing. One example of this processing is twisting. Figure 9(a) is a diagram showing the process of twisting the CNT yarn obtained by spinning a modified CNT forest to produce a twisted yarn (CNT twisted yarn). Figure 9(b) is a conceptual diagram showing the configuration of an apparatus for spinning a modified CNT forest. Figure 10 is a diagram showing the results of observation of the CNT twisted yarn, and Figure 11 is a partially enlarged view of Figure 10. Figure 12(a) is a cross-sectional view of the CNT twisted yarn. Figure 12(b) is a partially enlarged view of the central portion of the cross section of Figure 12(a) observed using backscattered electrons. Twisting increases the mechanical strength of the CNT yarn and may also improve its electrical properties (conductivity). As shown in Figures 11 and 12, even the CNTs located at the center of the CNT twisted yarn are modified with microparticles.
本発明の一実施形態に係る導電性部材の製造方法は、上記のような導電性を有する微粒子を担持するCNTを有するCNT連続体にめっきして、CNT連続体の内部に位置するCNTにめっき物質を堆積させることを備える。 A method for manufacturing a conductive member according to one embodiment of the present invention comprises plating a CNT continuum having CNTs carrying conductive microparticles as described above, and depositing a plating substance on the CNTs located inside the CNT continuum.
めっき物質を堆積させるためのプロセスは電気めっきであってもよいし無電解めっきであってもよい。めっき物質は必要に応じ適宜設定される。めっきプロセスの限定されない例示として、硫酸銅浴を用いた電気めっきが挙げられる。図13は、硫酸銅浴の電気めっきによりCNT撚糸にめっきする装置の構成を概念的に示した図である。図13に示されるめっき装置100Aにおいて、マイカシート(雲母箔)110によって保持されたCNT撚糸120を硫酸銅浴130に浸漬させ、硫酸銅浴130に浸漬していないCNT撚糸120の一端をクリップ141で挟んで、クリップ141に接続された配線151を電源160の陰極端子161に電気的に接続する。コの字型の銅箔からなる陽極170を硫酸銅浴130に浸漬させ、硫酸銅浴130に浸漬していない陽極170の一部をクリップ142で挟んで、クリップ142に接続された配線152を電源160の陽極端子162に電気的に接続する。電源160から電流を流すことにより、CNT撚糸120に銅めっきが施されて、導電性部材200が得られる。 The plating material may be deposited by electroplating or electroless plating. The plating material is selected as needed. A non-limiting example of a plating process is electroplating using a copper sulfate bath. FIG. 13 is a conceptual diagram illustrating the configuration of an apparatus for plating a CNT twisted yarn by electroplating in a copper sulfate bath. In the plating apparatus 100A shown in FIG. 13, a CNT twisted yarn 120 held by a mica sheet (mica foil) 110 is immersed in a copper sulfate bath 130. One end of the CNT twisted yarn 120 that is not immersed in the copper sulfate bath 130 is clamped with a clip 141, and a wiring 151 connected to the clip 141 is electrically connected to a cathode terminal 161 of a power source 160. An anode 170 made of U-shaped copper foil is immersed in the copper sulfate bath 130. A portion of the anode 170 that is not immersed in the copper sulfate bath 130 is clamped with a clip 142, and a wiring 152 connected to the clip 142 is electrically connected to an anode terminal 162 of the power source 160. By passing a current from the power supply 160, the CNT yarn 120 is copper-plated, resulting in the conductive member 200.
こうして得られた導電性部材はそのままでも十分に高い導電性を有しているが、導電性部材を還元雰囲気で熱処理することによりめっき物質を還元して、導電性部材の導電性をさらに高めることができる。熱処理条件は適宜設定され、限定されない例示をすれば、水素気流(100sccm)下において700℃で1時間である。 The conductive member obtained in this manner has sufficiently high conductivity as is, but the plating material can be reduced by heat-treating the conductive member in a reducing atmosphere, further increasing the conductivity of the conductive member. Heat-treatment conditions are set appropriately; a non-limiting example is 700°C for 1 hour under a hydrogen gas flow (100 sccm).
本発明の他の一実施形態に係る導電性部材は、上記の修飾CNTフォレストと、修飾カーボンナノチューブフォレストの内部に位置するカーボンナノチューブに堆積しためっき物質を備える。前述のように、修飾CNTフォレストを構成するCNTは金属元素含有物質の分解に基づき生成した微粒子を担持しているため、修飾CNTフォレストはその内部に位置するCNTも微粒子により修飾されている。それゆえ、修飾CNTフォレストにめっきすることにより、CNTフォレストの隙間を充填するようにめっき物質が堆積する。CNTに担持される微粒子が導電性を有していれば、めっき物質の堆積はより安定的に実現される。めっき物質として例えば熱伝導率が高い銅を選択すれば、めっきにより得られた導電性部材は、CNTの延在方向に高い熱伝導性を有するため、層間熱伝導材料として好適に用いることができる。 Another embodiment of the conductive member of the present invention comprises the modified CNT forest described above and a plating substance deposited on carbon nanotubes located within the modified carbon nanotube forest. As described above, the CNTs that make up the modified CNT forest support fine particles generated by the decomposition of metal-element-containing substances, and therefore the CNTs located within the modified CNT forest are also modified by the fine particles. Therefore, by plating the modified CNT forest, the plating substance is deposited so as to fill the gaps in the CNT forest. If the fine particles supported on the CNTs are conductive, the deposition of the plating substance can be achieved more stably. If copper, which has high thermal conductivity, is selected as the plating substance, the conductive member obtained by plating will have high thermal conductivity in the extension direction of the CNTs, making it suitable for use as an interlayer thermal conduction material.
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。 The above-described embodiments have been described to facilitate understanding of the present invention, and are not intended to limit the scope of the present invention. Therefore, each element disclosed in the above embodiments is intended to include all design modifications and equivalents that fall within the technical scope of the present invention.
以下、実施例等により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例等に限定されるものではない。
(実施例1)
The present invention will be explained in more detail below with reference to examples, but the scope of the present invention is not limited to these examples.
Example 1
図1に示される製造装置および図13に示されるめっき装置を用いて、導電性部材を製造した。 Conductive components were manufactured using the manufacturing equipment shown in Figure 1 and the plating equipment shown in Figure 13.
特許文献1などに示される製造方法により、下記の条件で成長高さ0.8mm程度のCNTフォレストを基板のCNT形成面上に得た。
・炭素源:アセチレン
・触媒:固体のFeCl2
Using the manufacturing method disclosed in Patent Document 1 and other documents, a CNT forest with a growth height of approximately 0.8 mm was obtained on the CNT-formed surface of the substrate under the following conditions.
Carbon source: acetylene Catalyst: solid FeCl 2
得られたCNTフォレストを構成するCNTは、直径が30nm~40nmであった。CNTフォレストを除去した後の基板におけるCNT形成面を観察したところ、CNTフォレストの数密度は1013本/m2程度であった。CNTフォレストを構成するCNTの結晶性をラマン散乱測定により評価したところ、グラフェン面内振動モードのGピーク強度とそのディスオーダー振動に起因するDピーク強度の比IG/IDは2~3であった。 The CNTs that made up the obtained CNT forest had diameters of 30 to 40 nm. When the CNT-formed surface of the substrate was observed after the CNT forest was removed, the number density of the CNT forest was found to be approximately 1013 / m2 . When the crystallinity of the CNTs that made up the CNT forest was evaluated by Raman scattering measurement, the ratio I G /I D of the G peak intensity of the graphene in-plane vibration mode to the D peak intensity due to its disordered vibration was found to be 2 to 3.
図1に示される製造装置100を用いて、銅(II)アセチルアセトナート(Cu(acac)2)を金属元素含有物質RSとして、CNTフォレスト30を銅の微粒子で修飾して修飾CNTフォレストを得た。具体的には、密閉可能な反応室RC内にCNTフォレスト30を配置し、その近傍に金属元素含有物質RSであるCu(acac)2を配置した。次に、反応室RCをアルゴンガスで封入してその圧力を30Torrに保持した。続いて、ヒータ20を用いて、反応室RC内を400℃の温度で15分間加熱した。200℃でCu(acac)2が分離して生成した銅の微粒子によりCNTフォレスト30のCNTが修飾されて、修飾CNTフォレスト40が得られた。図3から図7に示される画像は、製造された修飾CNTフォレスト40の観察図である。これらの図において観察された微粒子は、Cu系の導電性材料からなるものであった。 Using the manufacturing apparatus 100 shown in Figure 1, a modified CNT forest was obtained by modifying a CNT forest 30 with copper microparticles using copper(II) acetylacetonate (Cu(acac) 2 ) as the metal element-containing substance RS. Specifically, a CNT forest 30 was placed in a sealable reaction chamber RC, and Cu(acac) 2 , the metal element-containing substance RS, was placed nearby. Next, the reaction chamber RC was filled with argon gas and its pressure was maintained at 30 Torr. Next, the heater 20 was used to heat the reaction chamber RC at 400°C for 15 minutes. The CNTs in the CNT forest 30 were modified with copper microparticles generated by the separation of Cu(acac) 2 at 200°C, resulting in a modified CNT forest 40. The images shown in Figures 3 to 7 are observations of the manufactured modified CNT forest 40. The microparticles observed in these figures were made of a Cu-based conductive material.
この方法と同じ方法で製造された修飾CNTフォレストについて走査型透過電子顕微鏡を用いて観察して、CNTの直径および微粒子の粒径を測定した。図14から図17は修飾CNTフォレストの観察結果を示す図であり、図18は微粒子の粒径の測定結果を示すヒストグラムである。図14から図17に示される画像から選ばれた任意の13本のCNTの直径を測定したところ、平均直径(平均直径D3)は36nmであり、標準偏差は8.6nmであった。上記の測定結果から、修飾CNTフォレストの数密度Aは1013本/m2程度であるから、修飾CNTフォレストの隣接間隙D1は280nm(=(1013m-2)-1/2-36nm)であった。また、図14から図17に示される画像から選ばれた任意の62個の微粒子について粒径の測定を行い、粒径の平均値(平均粒径D2)は29.2nmであり、その標準偏差は10.7nmであった。したがって、上記式(1)により定義される比Rは9.7となった。 Modified CNT forests manufactured using the same method were observed using a scanning transmission electron microscope to measure the diameters of the CNTs and the particle sizes of the microparticles. Figures 14 to 17 show the results of the observations of the modified CNT forests, and Figure 18 is a histogram showing the particle size measurements of the microparticles. The diameters of 13 CNTs randomly selected from the images shown in Figures 14 to 17 were measured, and the average diameter (average diameter D3) was 36 nm with a standard deviation of 8.6 nm. Based on these measurement results, the number density A of the modified CNT forest was approximately 10 13 CNTs/m 2 , and therefore the adjacent spacing D1 of the modified CNT forest was 280 nm (= (10 13 m -2 ) -1/2 - 36 nm). Furthermore, the particle sizes of 62 microparticles randomly selected from the images shown in Figures 14 to 17 were measured, and the average particle size (average particle size D2) was 29.2 nm with a standard deviation of 10.7 nm. Therefore, the ratio R defined by the above formula (1) was 9.7.
得られた修飾CNTフォレストを、図9に示されるように紡績して、CNT撚糸を得た。得られたCNT撚糸の直径は30~35μmであった。 The resulting modified CNT forest was spun as shown in Figure 9 to obtain CNT twisted yarn. The diameter of the resulting CNT twisted yarn was 30-35 μm.
図13に示される装置を用いて、得られたCNT撚糸の一部を切断することにより用意された試料に対して銅めっきを行った。具体的な条件は次のとおりである。
・めっき浴:硫酸銅水溶液(田中貴金属社販売「ミクロファブCu300」)
・電流密度:4mA/cm2または5mA/cm2
・めっき時間:1時間
A sample prepared by cutting a portion of the resulting CNT twisted yarn was subjected to copper plating using the apparatus shown in Fig. 13. The specific conditions were as follows:
Plating bath: Copper sulfate aqueous solution ("Microfab Cu300" sold by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.)
Current density: 4 mA/cm 2 or 5 mA/cm 2
・Plating time: 1 hour
CNT撚糸に銅めっきを堆積させてなる導電性部材を、水素気流(100sccm)において、700℃で1時間加熱した。こうして評価対象となる導電性部材を得た。図19は、こうして得られた導電性部材の外観の観察図であり、図20は導電性部材の外観の拡大観察図である。 A conductive member formed by depositing copper plating on twisted CNT yarn was heated in a hydrogen gas flow (100 sccm) at 700°C for 1 hour. This resulted in the conductive member to be evaluated. Figure 19 is an observation image of the external appearance of the conductive member thus obtained, and Figure 20 is an enlarged observation image of the external appearance of the conductive member.
図21は電流密度を5mA/cm2としてめっきすることを含んで作製された導電性部材の断面を示す観察図である。図22は、銅微粒子により修飾されていないCNTフォレストを紡績して得られたCNTヤーンに電流密度5mA/cm2でめっきすることを含んで作製された、比較用導電性部材の断面を示す観察図である。図23は電流密度を4mA/cm2としてめっきすることを含んで作製された導電性部材の断面を示す観察図である。図19は、銅微粒子により修飾されていないCNTフォレストを紡績して得られたCNTヤーンに電流密度4mA/cm2でめっきすることを含んで作製された、比較用導電性部材の断面を示す観察図である。 Fig. 21 is an observational view showing a cross section of a conductive member produced by plating at a current density of 5 mA/cm 2. Fig. 22 is an observational view showing a cross section of a comparative conductive member produced by plating at a current density of 5 mA/cm 2 a CNT yarn obtained by spinning a CNT forest not modified with copper microparticles. Fig. 23 is an observational view showing a cross section of a conductive member produced by plating at a current density of 4 mA/cm 2. Fig. 19 is an observational view showing a cross section of a comparative conductive member produced by plating at a current density of 4 mA/cm 2 a CNT yarn obtained by spinning a CNT forest not modified with copper microparticles.
図21と図22との対比、および図23と図24との対比から明らかなように、修飾CNTフォレストを用いることにより、中心側における銅の存在密度が相対的に高い導電性部材が得られた。 As is clear from a comparison between Figures 21 and 22, and between Figures 23 and 24, the use of modified CNT forests resulted in a conductive component with a relatively high copper density near the center.
めっき条件を調整することにより、銅の体積割合(単位:vol%)が異なる複数の導電性部材を作製した。これらの導電性部材の導電率(単位:S/cm)および比導電率(単位:S・m2・kg-1)ならびに電流容量(単位:A/cm2)および比電流容量(単位:A・cm・kg-1)を測定した。その結果を図25から図28に示す。なお、図23から図28には、銅微粒子により修飾されていないCNTフォレストを紡績して得られたCNTヤーンの測定結果(Cu fractionが0vol%)および一般的な純銅配線の結果(Cu fractionが100vol%)も、対比のために示した。 By adjusting the plating conditions, several conductive members with different copper volume fractions (unit: vol%) were produced. The conductivity (unit: S/cm), specific conductivity (unit: S·m 2 ·kg −1 ), current carrying capacity (unit: A/cm 2 ), and specific current carrying capacity (unit: A·cm·kg −1 ) of these conductive members were measured. The results are shown in Figures 25 to 28. For comparison, Figures 23 to 28 also show the measurement results of a CNT yarn obtained by spinning a CNT forest not modified with copper microparticles (Cu fraction: 0 vol%) and the results of a typical pure copper wiring (Cu fraction: 100 vol%).
図23から図28に示されるように、導電性部材は、CNTのみから形成されたCNTヤーンよりも優れた電気特性を有していることが確認された。具体的には、導電性部材における銅の体積割合が30vol%以上であれば、実質的に銅と大差ない導電率、比導電率が得られ、銅の体積割合が35vol%以上であれば、実質的に銅と大差ない電流容量、比電流容量が得られた。 As shown in Figures 23 to 28, it was confirmed that the conductive member had electrical properties superior to those of CNT yarns formed solely from CNTs. Specifically, when the volume fraction of copper in the conductive member was 30 vol% or higher, electrical conductivity and specific conductivity substantially similar to those of copper were obtained, and when the volume fraction of copper was 35 vol% or higher, current carrying capacity and specific current carrying capacity substantially similar to those of copper were obtained.
(実施例2)
(1)紡績性CNTフォレスト合成
2ステップ浮遊触媒CVD法により基板上に垂直配向CNTを成長させた。紡績性CNTフォレストの合成方法の詳細は過去の報告に記述されている。第1ステップで、CNTの触媒前駆体となるフェロセンをエタノールに含有した溶液を超音波により霧化し、キャリアガスのArによってCVDチャンバー内のSi基板上に搬送する。700℃のSi基板上でフェロセンを熱分解し、in-situでFeナノ粒子を形成した。第2ステップで、炭素源ガスとしてアセチレン、CNT長尺化を目的として塩素ガスを供給した。CNTの成長温度を700℃、成長圧力を18Torrとして直径10nm、フォレスト長が300μm程度のCNTフォレストを合成した。こうして、得られたCNTフォレストは紡績可能であった。
Example 2
(1) Spinnable CNT Forest Synthesis Vertically aligned CNTs were grown on a substrate using a two-step floating catalyst CVD method. Details of the spinnable CNT forest synthesis method have been described in previous reports. In the first step, an ethanol solution containing ferrocene, the CNT catalyst precursor, was ultrasonically atomized and transported to a Si substrate in a CVD chamber using Ar as a carrier gas. Ferrocene was thermally decomposed on the Si substrate at 700°C, forming Fe nanoparticles in situ. In the second step, acetylene was supplied as the carbon source gas, and chlorine gas was supplied to elongate the CNTs. CNT forests with diameters of 10 nm and forest lengths of approximately 300 μm were synthesized at a CNT growth temperature of 700°C and a growth pressure of 18 Torr. The resulting CNT forests were spinnable.
(2)CNTフォレストへのCuナノ粒子担持
CNTフォレストに銅ナノ粒子(以下、「Cu-NPs」ともいう。)を担持させた。Cu-NPsの前駆体であるCu(acac)2と紡績性CNTフォレストをCVDチャンバー内に配置し、30Torrの100%Arの雰囲気で400℃で15分間保持した。このプロセスでは、Cu(acac)2が蒸発、拡散してCNT表面で熱分解する。その後、CNT表面で熱分解し、Cu-NPsが核形成された。Cu(acac)2の蒸気はCNTフォレストの内部まで均質に拡散するため、Cu-NPsもCNTフォレストの内部のCNTに一様に堆積した。Cu-NPsを担持したのち、真空排気し、100Torrのアルゴン:水素=4:1の雰囲気で350℃で1時間還元した。また、Cu(acac)2の量を変化させることで、CNTフォレストへのCu-NPs担持量を制御した。以下、こうして得られた紡績可能なCNTフォレストを「Cu-NPs担持CNTフォレスト」ともいう。
(2) Cu Nanoparticle Supporting on CNT Forests. Copper nanoparticles (hereinafter also referred to as "Cu-NPs") were supported on CNT forests. Cu(acac) 2 , a precursor of Cu-NPs, and spinnable CNT forests were placed in a CVD chamber and maintained at 400°C for 15 minutes in a 100% Ar atmosphere at 30 Torr. During this process, Cu(acac) 2 evaporated, diffused, and thermally decomposed on the CNT surface. Subsequently, Cu-NPs nucleated on the CNT surface through thermal decomposition. Because the Cu(acac) 2 vapor diffused homogeneously throughout the CNT forest, Cu-NPs were also uniformly deposited on the CNTs within the CNT forest. After the Cu-NPs were supported, the chamber was evacuated and reduced at 350°C for 1 hour in a 100 Torr argon:hydrogen (4:1) atmosphere. Furthermore, the amount of Cu-NPs supported on the CNT forest was controlled by changing the amount of Cu(acac) 2. Hereinafter, the spinnable CNT forest obtained in this way will also be referred to as the "Cu-NPs-supported CNT forest."
(3)Cu-NPs担持CNT撚糸の作製
実施例1と同様に、Cu-NPs担持CNTフォレストの一端を引き出すと、CNTバンドル(本明細書において、CNTフォレストの部分構造であって、数本のCNTが近接した部分を有し束状になっているものを意味する。)が連続的に引き出され、一方向に配向したCNTの連結体(CNTウェブ)が形成された。CNTウェブに撚りを加えながらスライダーで引き出すことでCNT撚糸を作製した。スピンドルの回転速度は14000rpm、引き出し速度は50mm/sとした。以下、こうして得られたCNT撚糸を「Cu-NPs担持CNT撚糸」ともいう。なお、対比のために、Cu-NPsを担持していないCNTフォレストからもCNT撚糸を作製した。以下、このCNT撚糸を「未担持CNT撚糸」という。
(3) Preparation of Cu-NPs-loaded CNT twisted yarn As in Example 1, when one end of the Cu-NPs-loaded CNT forest was pulled out, a CNT bundle (herein, a partial structure of a CNT forest in which several CNTs are closely spaced and bundled) was continuously pulled out, forming a unidirectionally aligned CNT linkage (CNT web). A CNT twisted yarn was prepared by pulling out the CNT web with a slider while twisting it. The spindle rotation speed was 14,000 rpm, and the pull-out speed was 50 mm/s. Hereinafter, the CNT twisted yarn obtained in this manner will also be referred to as "Cu-NPs-loaded CNT twisted yarn." For comparison, a CNT twisted yarn was also prepared from a CNT forest that did not load Cu-NPs. Hereinafter, this CNT twisted yarn will be referred to as "unloaded CNT twisted yarn."
(4)銅めっき処理
CNT撚糸に銅を析出させるため、硫酸銅溶液を用いて、Cu-NPs担持CNT撚糸および未担持CNT撚糸に電気めっき処理を施した。銅板をアノード、CNT撚糸をカソードとし、直流電流を供給した。電流密度を0.2A/dm2として2時間供給した。また、存在しうる酸化銅の還元処理およびCNTと銅の付き廻りを滑らかにするため、アルゴンを400sccm、水素を100sccm供給しながら500Torr、700℃で1時間の熱処理を行った。こうして、糸形状を有するCNT連続体(CNT撚糸)と、CNT撚糸を構成するCNTの少なくとも一部に堆積しためっき系物質とを備える糸状導電性部材(以下、「CNT/Cu-wire」ともいう。)を得た。本明細書において「めっき系物質」とは、めっき物質(めっきにより形成された物質)およびめっき物質に基づく物質(本実施例における銅めっきの還元体が相当する。)の総称を意味する。
(4) Copper Plating Treatment To deposit copper on the CNT twisted yarn, the Cu-NPs-supported CNT twisted yarn and the unsupported CNT twisted yarn were electroplated using a copper sulfate solution. A direct current was supplied to the copper plate as the anode and the CNT twisted yarn as the cathode. A current density of 0.2 A/ dm² was supplied for two hours. Furthermore, to reduce any copper oxide that may be present and to smooth the contact between the CNT and copper, a heat treatment was performed at 500 Torr and 700°C for one hour while supplying 400 sccm of argon and 100 sccm of hydrogen. In this way, a filamentous conductive member (hereinafter also referred to as "CNT/Cu-wire") was obtained, comprising a filament-shaped CNT continuum (CNT twisted yarn) and a plating material deposited on at least a portion of the CNTs that make up the CNT twisted yarn. In this specification, the term "plating-based substance" refers collectively to plating substances (substances formed by plating) and substances based on plating substances (corresponding to the reduced form of copper plating in this example).
(5)特性評価
CNTの観察のため、電界放出形走査電子顕微鏡(日立製作所社製「SU-8030」)を用いた。CNT/Cu-wireの断面二次電子像の観察のため、クロスセクションポリッシャ(JEOL社製「IB-09020 CP」)を用いてCNT/Cu-wireの断面を良質に加工した。CNT/Cu-wireの高倍率での断面観察のため、透過型電子顕微鏡(JEOL社製「JEM-2100F」)を用いた。透過電子像の観察のため、FIB(JEOL社製「JIB-4700F」)を用いてCNT/Cu-wireの薄膜を作製した。導電率は大気圧下で四端子法を用いた。電流容量は高真空下で二端子法を用いて測定した。二端子法の測定長が短いと電極へ熱が逃げてしまうため、真の試料の電流容量を測定する目的として測定長を1cmとした。また、糸が破断したときの電流密度を電流容量とした。引張特性は引張試験機(島津製作所社製「EZ-L」)を用い、測定数は5、測定長は1cm、引張速度は0.05mm/minとした。引張ひずみは非接触伸び計(島津製作所社製「TRViewX」)で測定した。
(5) Characterization A field emission scanning electron microscope (Hitachi, Ltd., "SU-8030") was used to observe the CNTs. A cross-section polisher (JEOL, "IB-09020 CP") was used to polish the cross section of the CNT/Cu-wire to a high quality in order to observe cross-sectional secondary electron images of the CNT/Cu-wire. A transmission electron microscope (JEOL, "JEM-2100F") was used to observe the cross section of the CNT/Cu-wire at high magnification. A thin film of the CNT/Cu-wire was prepared using an FIB (JEOL, "JIB-4700F") to observe the transmission electron image. The electrical conductivity was measured using the four-terminal method under atmospheric pressure. The current capacity was measured using the two-terminal method under high vacuum. If the measurement length of the two-terminal method is short, heat will escape to the electrode, so the measurement length was set to 1 cm in order to measure the current capacity of the actual sample. The current density at which the yarn broke was taken as the current capacity. Tensile properties were measured using a tensile tester (Shimadzu Corporation, "EZ-L") with 5 measurements, a measurement length of 1 cm, and a tensile speed of 0.05 mm/min. Tensile strain was measured using a non-contact extensometer (Shimadzu Corporation, "TRViewX").
以下、上記の製造方法で得られたCNT/Cu-wireの測定結果を示す。
(1)Cu-NPs担持CNTフォレストからのdry-spinning(乾式紡績)CNT撚糸
本実施例に係るCu-NPs担持方法によれば、前駆体量や温度などのパラメータでCu-NPsの担持量や粒径を制御可能である。Cu(acac)2は昇華性の有機化合物であり、比較的低温で昇華、熱分解する。そのため、CNTフォレストの内部まで蒸気で拡散させ、CNTフォレスト全体にCNT表面上でCu-NPsを担持させる前駆体として好適であると言える。
The measurement results of the CNT/Cu-wire obtained by the above manufacturing method are shown below.
(1) Dry-spinning CNT twisted yarn from Cu-NPs-loaded CNT forests. The Cu-NPs loading method according to this example makes it possible to control the amount of Cu-NPs loaded and particle size by adjusting parameters such as the amount of precursor and temperature. Cu(acac) 2 is a sublimable organic compound that sublimes and thermally decomposes at relatively low temperatures. Therefore, it can be said to be suitable as a precursor for diffusing it into the interior of a CNT forest by vapor and loading Cu-NPs onto the CNT surface throughout the entire CNT forest.
しかし、CNTフォレストの内部まで均質にCu-NPsを担持させる条件は注意深く制御する必要がある。チャンバー内の圧力や温度によってCu(acac)2の熱分解速度が大きく変化する。温度が高い場合は熱分解速度が速いため、CNTフォレストの側面からCu-NPsの担持が進行し、CNTフォレストの内部へ担持できない結果となった。本実施例では、Cu-NPsの担持条件を丹念に吟味し、CNTフォレストの内部まで均質に担持した紡績性CNTフォレストを得た。 However, the conditions for uniformly supporting Cu-NPs all the way to the interior of the CNT forest must be carefully controlled. The thermal decomposition rate of Cu(acac) 2 varies greatly depending on the pressure and temperature inside the chamber. At high temperatures, the thermal decomposition rate is fast, so the Cu-NPs are supported from the sides of the CNT forest, resulting in failure to support them inside the CNT forest. In this example, the conditions for supporting Cu-NPs were carefully examined, and a spinnable CNT forest was obtained in which the Cu-NPs were uniformly supported all the way to the interior of the CNT forest.
Cu(acac)2の量を10mg、30mg、100mgと変化させたときのCu-NPsを担持したCNTフォレストの二次電子像を図30(A)から図30(C)に示す。図30(A)に示されるように、Cu(acac)2の量が10mgと少ない場合では、CNT表面上に形成されたCu-NPsの担持量は少なく、Cu-NPsが担持していないCNTも存在した。しかし、Cu-NPsを担持していないCNTフォレストと同様に紡績性は高かった。 Figures 30(A) to 30(C) show secondary electron images of CNT forests loaded with Cu-NPs when the amount of Cu(acac) 2 was varied to 10 mg, 30 mg, and 100 mg. As shown in Figure 30(A), when the amount of Cu(acac) 2 was as low as 10 mg, the amount of Cu-NPs loaded on the CNT surface was small, and some CNTs did not support Cu-NPs. However, spinnability was high, similar to that of CNT forests not loaded with Cu-NPs.
図30(C)に示されるように、Cu(acac)2の量が100mgと多い場合では、CNT表面上のCu-NPsの担持量が非常に多かった。この場合、CNT同士がCu-NPsで結合され、CNTフォレスト全体が一つの結合体となっていた。CNTフォレスト端部を引き出すと、引き出されたCNTに隣接したCNTバンドルはCNTフォレストにより強く結合しているため、CNTフォレストから分離不能であった。このため、連続乾式紡績が生じず、Cu(acac)2の量が100mgの場合には、CNT撚糸の作製は不可能であった。 As shown in Figure 30(C), when the amount of Cu(acac) 2 was as high as 100 mg, the amount of Cu-NPs supported on the CNT surface was extremely high. In this case, the CNTs were bonded to each other by Cu-NPs, and the entire CNT forest was formed into a single bonded entity. When the CNT forest end was pulled out, the CNT bundle adjacent to the pulled CNT was strongly bonded to the CNT forest and could not be separated from the CNT forest. Therefore, continuous dry spinning did not occur, and when the amount of Cu(acac) 2 was 100 mg, it was impossible to produce a CNT twisted yarn.
図30(B)に示されるように、Cu(acac)2の量を30mgとすることで、Cu-NPsがCNT表面にまんべんなく担持し、かつ紡績性も高いCNTフォレストが得られた。本実施例では、紡績してCNT撚糸を作製する必要があるため、Cu(acac)2の使用量を30mgとして製造したCNTフォレストを用いてCNT撚糸を作製した。 As shown in Figure 30(B), by using 30 mg of Cu(acac) 2 , Cu-NPs were evenly supported on the CNT surface, and a CNT forest with high spinnability was obtained. In this example, because it was necessary to spin the CNT twisted yarn, the CNT twisted yarn was produced using a CNT forest manufactured with 30 mg of Cu(acac) 2 .
なお、本実施例では銅との複合化が目的であるためCu(acac)2を前駆体として用いたが、他のアセチルアセトナート錯体(Pt(acac)2,Ni(acac)2,Zn(acac)2など)を用いることで、同様にCNTフォレストへ各種金属のナノ粒子を担持できる。そのため、本実施例に係る方法は配線材料のみならず、電池やキャパシタの電極材などへの応用にも活用できる。 In this example, Cu(acac) 2 was used as the precursor because the objective was to form a composite with copper. However, by using other acetylacetonate complexes (Pt(acac) 2 , Ni(acac) 2 , Zn(acac) 2 , etc.), nanoparticles of various metals can be similarly supported on the CNT forest. Therefore, the method according to this example can be used not only for wiring materials, but also for applications such as electrode materials for batteries and capacitors.
本実施例では、CNTフォレストへCu-NPsを全体に担持し、引き出されたCNTウェブにもCu-NPsが均一に担持されているような乾式紡績が実現された。本実施例ではCNTバンドル間距離がCNT撚糸中より広い紡績性CNTフォレストの段階でCu-NPsを担持させているため、CNT撚糸を作製した後にCu-NPsを担持させた場合との対比で、CNT撚糸中へCu-NPsを均一に担持させることができる。本実施例に係る方法ではCNTフォレストにあらかじめナノ粒子を担持させているため、Cu-NPs担持CNTフォレストやCu-NPs担持CNTシート、Cu-NPs担持CNT撚糸など、応用の幅が広い。本実施例で用いた手法はハンドリング性が良く、ユーザーに利便性が良いのも利点である。 In this example, dry spinning was achieved in which Cu-NPs were loaded entirely onto the CNT forest, resulting in a uniform loading of Cu-NPs on the drawn CNT web. In this example, Cu-NPs were loaded at the spinnable CNT forest stage, where the distance between CNT bundles was wider than in the CNT twisted yarn. This enabled Cu-NPs to be loaded more uniformly into the CNT twisted yarn, compared to when Cu-NPs were loaded after the CNT twisted yarn was produced. Because the method of this example loaded nanoparticles onto the CNT forest in advance, it has a wide range of applications, including Cu-NPs-loaded CNT forests, Cu-NPs-loaded CNT sheets, and Cu-NPs-loaded CNT twisted yarns. The method used in this example also offers excellent handling and user convenience.
(2)CNT/Cu-wireの構造分析
本実施例により得られたCNT/Cu-wireの表面は銅の光沢が観察された。図31(A)は、直径10nm程度のCNTを用いて、あらかじめCu-NPsを担持したCNT撚糸(Cu-NPs担持CNT撚糸)に銅を析出させた複合糸(以下、「Mixed CNT/Cu-wire」と記載することもある。)の断面二次電子像を示す図である。図31(B)は、直径10nm程度のCNTを用いる点では共通するが、あらかじめCu-NPsを担持していないCNT撚糸(未担持CNT)に銅を析出した複合糸(以下、「Unmixed CNT/Cu-wire」と記載することもある。)の断面二次電子像を示す図である。なお、本明細書において、Mixed CNT/Cu-wireおよびUnmixed CNT/Cu-wireの総称として「CNT/Cu複合糸」を用いる場合がある。
(2) Structural Analysis of CNT/Cu-wire A copper luster was observed on the surface of the CNT/Cu-wire obtained in this example. Figure 31(A) is a cross-sectional secondary electron image of a composite yarn (hereinafter, sometimes referred to as "Mixed CNT/Cu-wire") in which copper was precipitated on a CNT twisted yarn (Cu-NPs-supported CNT twisted yarn) that was previously loaded with Cu-NPs using CNTs with a diameter of approximately 10 nm. Figure 31(B) is a cross-sectional secondary electron image of a composite yarn (hereinafter, sometimes referred to as "Unmixed CNT/Cu-wire") in which copper was precipitated on a CNT twisted yarn (unloaded CNT) that was not previously loaded with Cu-NPs, although it is common to both in that CNTs with a diameter of approximately 10 nm are used. In this specification, the term "CNT/Cu composite yarn" may be used as a general term for mixed CNT/Cu-wire and unmixed CNT/Cu-wire.
図31(A)に示されるように、Mixed CNT/Cu-wireは、CNT撚糸の外周部から内部まで均質に銅が析出していた。また、高倍像から、銅が緻密に析出していることがわかる。これに対して、Unmixed CNT/Cu-wireは、図31(B)に示されるように、CNT撚糸の外周部に銅が多く析出したコア-クラッド構造(CNT撚糸がコアで、銅がクラッドとなる)を形成していた。また、CNT撚糸の内部に島状に析出した銅も存在していた。図31(A)および図31(B)の対比により、CNT撚糸にCu-NPsをあらかじめ担持させてからめっき処理を施すことで、CNT撚糸の内部まで均質に銅を析出できることが確認された。 As shown in Figure 31(A), in the mixed CNT/Cu-wire, copper was deposited uniformly from the outer periphery to the interior of the CNT twisted yarn. Furthermore, high-magnification images reveal that copper was densely deposited. In contrast, in the unmixed CNT/Cu-wire, as shown in Figure 31(B), a core-clad structure (the CNT twisted yarn is the core, and the copper is the clad) was formed, with a large amount of copper deposited on the outer periphery of the CNT twisted yarn. Furthermore, copper was also deposited in island-like patterns inside the CNT twisted yarn. Comparing Figures 31(A) and 31(B) confirms that copper can be deposited uniformly all the way to the interior of the CNT twisted yarn by first loading Cu-NPs onto the CNT twisted yarn and then plating it.
めっき液中の銅イオンは表面エネルギー的に安定なCu-NPs表面で金属銅として析出しやすい。本実施例ではCNT撚糸全体にCu-NPsが形成されており、めっき時にCNT撚糸内部に拡散されている銅イオンがCu-NPs表面で金属銅として析出する。また、CNT撚糸のCNTバンドル間距離は200nm程度であることから、通電前のめっき液への含侵で十分に銅イオンがCNT撚糸の全体に拡散していると考えられる。さらに、めっき時の電流密度が低いため律速過程がイオン拡散ではなくCNT表面上での銅析出であることから、めっきが開始してもさらにイオンが内部に移動して析出が継続することで、本実施例では均質なCNT/Cu-wireを作製できたと考えられる。 Copper ions in the plating solution tend to precipitate as metallic copper on the surface of Cu-NPs, which have stable surface energy. In this example, Cu-NPs are formed throughout the entire CNT twisted yarn, and copper ions diffused inside the CNT twisted yarn during plating precipitate as metallic copper on the Cu-NPs surface. Furthermore, since the distance between CNT bundles in the CNT twisted yarn is approximately 200 nm, it is believed that copper ions are sufficiently diffused throughout the entire CNT twisted yarn by immersion in the plating solution before applying current. Furthermore, because the current density during plating is low, the rate-determining process is not ion diffusion but copper deposition on the CNT surface. Therefore, even after plating begins, ions continue to migrate inward, continuing deposition, which is thought to be why a homogeneous CNT/Cu-wire was produced in this example.
Mixed CNT/Cu-wireの直交断面(CNTの延在方向に対して直交する面での断面)の透過電子像を図32(A)に示し、その高倍像を図32(B)に示す。これらの図に示されるように、析出した銅の粒径は数百nmである。また、銅がCNTバンドル間に析出しており、CNT表面に密着していることがわかる。銅とCNTの間に空隙はほとんど見られなかったが、CNTバンドル間に数十nm程度のナノボイドが存在していた。また、高倍像(図32(B))から、銅マトリックスに覆われたCNTは少し潰れたような形状であることが観察された。この観察から、CNT表面に担持されたCu-NPsを起点に銅が電解析出を始めても、めっき終了時にはCNTを取り囲むように銅が析出していることが確認された。 Figure 32(A) shows a transmission electron image of an orthogonal cross section (a cross section perpendicular to the CNT extension direction) of the mixed CNT/Cu-wire, and Figure 32(B) shows its corresponding high-magnification image. As shown in these figures, the particle size of the precipitated copper is several hundred nanometers. It can also be seen that copper precipitated between the CNT bundles and adhered closely to the CNT surface. While almost no voids were observed between the copper and the CNT, nanovoids of several tens of nanometers in size were present between the CNT bundles. Furthermore, the high-magnification image (Figure 32(B)) revealed that the CNTs covered by the copper matrix had a slightly crushed shape. This observation confirmed that even though copper begins electrolytic deposition from the Cu-NPs supported on the CNT surface, by the end of plating, copper precipitates to surround the CNT.
Mixed CNT/Cu-wireの平行断面(CNTの延在方向を含む面での断面)の透過電子像を図33(A)に示し、その高倍像を図33(B)に示す。これらの図に示されるように、CNTと銅が長手方向に連続的に密着していた。
(3)CNT/Cu-wireの電気伝導特性
A transmission electron image of a parallel cross section (cross section in the plane including the extension direction of the CNT) of the mixed CNT/Cu-wire is shown in Figure 33(A), and its high-magnification image is shown in Figure 33(B). As shown in these figures, the CNT and copper were continuously adhered to each other in the longitudinal direction.
(3) Electrical conductivity of CNT/Cu-wire
図34(A)にMixed CNT/Cu-wireおよびUnmixed CNT/Cu-wireの室温の導電率を示す。また、比較のためにCNT撚糸と銅線(純度99.99%)のデータも合わせて示す。図34(A)の横軸であるCNT/Cu-wireの銅の体積含有率は、CNT/Cu-wireと銅を析出する前のCNT撚糸の重量の増分からCNT/Cu-wire中に析出した銅の体積を計算し、CNT/Cu-wireの体積で除することで算出した。図34(B)は、図34(A)の縦軸をリニアスケールにしたグラフである。 Figure 34(A) shows the room temperature conductivity of mixed CNT/Cu-wire and unmixed CNT/Cu-wire. For comparison, data for twisted CNT yarn and copper wire (99.99% purity) are also shown. The copper volume content of the CNT/Cu-wire, shown on the horizontal axis of Figure 34(A), was calculated by calculating the volume of copper precipitated in the CNT/Cu-wire from the weight difference between the CNT/Cu-wire and the CNT twisted yarn before copper deposition, and then dividing this by the volume of the CNT/Cu-wire. Figure 34(B) is a graph of Figure 34(A) with the vertical axis on a linear scale.
図34(A)に示されるように、Mixed CNT/Cu-wireの導電率は2.41×105S/cm、Unmixed CNT/Cu-wireの導電率は4.26×104S/cmであった。CNT撚糸の導電率は2.35×102S/cmであり、銅線の導電率(4.5×105S/cm)より3桁小さい。CNT/Cu-wireの導電率は銅の体積比率が高いほど増加した。図34(B)に示されるリニアスケールのプロットでは、Mixed CNT/Cu-wireは銅線とほぼ線形な関係であり、銅マトリクス中を移動する自由電子がキャリアとして支配的である。なお、Unmixed CNT/Cu-wireの導電率は線形関係より低い。図31(B)の断面二次電子像から、CNT/Cu-wireの内部に島状に析出した銅が見られるため、導電性に寄与していない銅が存在している。その結果、銅の含有率に対して導電率が低下したと考えられる。 As shown in Figure 34(A), the conductivity of the mixed CNT/Cu-wire was 2.41 x 105 S/cm, and that of the unmixed CNT/Cu-wire was 4.26 x 104 S/cm. The conductivity of the CNT twisted yarn was 2.35 x 102 S/cm, three orders of magnitude lower than that of copper wire (4.5 x 105 S/cm). The conductivity of the CNT/Cu-wire increased as the volume fraction of copper increased. In the linear scale plot shown in Figure 34(B), the mixed CNT/Cu-wire exhibited a nearly linear relationship with the copper wire, with free electrons moving in the copper matrix being the dominant carriers. Note that the conductivity of the unmixed CNT/Cu-wire was lower than the linear relationship. The cross-sectional secondary electron image in Figure 31(B) shows copper precipitated in islands inside the CNT/Cu-wire, which indicates the presence of copper that does not contribute to conductivity. As a result, it is believed that the conductivity decreased relative to the copper content.
図35に各サンプルを300Kでの値で規格化した電気抵抗率の温度依存性を示す。図35に示されるように、銅線の電気抵抗率(破線)はフォノンの散乱により温度に比例して増加し、抵抗温度係数(TCR)は3.3×10-3K-1であった。Mixed CNT/Cu-wireの電気抵抗率(実線)およびUnmixed CNT/Cu-wireの電気抵抗率(点線)は温度の上昇に伴い増加するが、TCRはそれぞれ1.2×10-3K-1、2.0×10-3K-1であり銅線より小さい。このことより、電子のフォノン散乱がCNTにより抑制されていると考えられる。また、CNTと銅マトリクスの接触面が多いMixed CNT/Cu-wireの方がUnmixed CNT/Cu-wireよりTCRが小さいことから、CNTと銅の界面近傍で自由電子のフォノン散乱が低減されていると予想される。図35に示されるように、長手方向の導電率を測定したときに、300Kから450Kの範囲での抵抗温度係数(TCR)は、1.8×10-3K-1以下であることが好ましく、1.5×10-3K-1以下であることがより好ましく、1.2×10-3K-1以下であることが特に好ましい。 Figure 35 shows the temperature dependence of electrical resistivity for each sample, normalized by the value at 300 K. As shown in Figure 35, the electrical resistivity of copper wire (dashed line) increases in proportion to temperature due to phonon scattering, and the temperature coefficient of resistance (TCR) was 3.3 x 10-3 K -1 . The electrical resistivity of mixed CNT/Cu-wire (solid line) and the electrical resistivity of unmixed CNT/Cu-wire (dotted line) increase with increasing temperature, but the TCRs are 1.2 x 10-3 K -1 and 2.0 x 10-3 K -1 , respectively, which are smaller than that of copper wire. This suggests that phonon scattering of electrons is suppressed by CNT. Furthermore, because Mixed CNT/Cu-wire, which has a larger contact surface area between the CNT and the copper matrix, has a smaller TCR than Unmixed CNT/Cu-wire, it is expected that phonon scattering of free electrons is reduced near the interface between the CNT and copper. As shown in Figure 35, when measuring the electrical conductivity in the longitudinal direction, the temperature coefficient of resistance (TCR) in the range of 300 K to 450 K is preferably 1.8 × 10 -3 K -1 or less, more preferably 1.5 × 10 -3 K -1 or less, and particularly preferably 1.2 × 10 -3 K -1 or less.
図36にMixed CNT/Cu-wireと銅線の比導電率の温度依存性を示す。Mixed CNT/Cu-wireの比伝導率(実線)は、室温(300K)では、電気伝導に寄与しないCNTのため、銅線の比導電率(破線)よりも小さい。しかしながら、Mixed CNT/Cu-wireのTCRは銅のTCRよりも小さいため、Mixed CNT/Cu-wireの比導電率は銅線の比導電率を370Kで逆転した。すなわち、400K以上では、Mixed CNT/Cu-wireの比伝導率が銅線の比導電率よりも高くなることが安定的に実現されることが確認された。 Figure 36 shows the temperature dependence of the specific conductivity of mixed CNT/Cu-wire and copper wire. At room temperature (300K), the specific conductivity of mixed CNT/Cu-wire (solid line) is lower than that of copper wire (dashed line) because CNT does not contribute to electrical conduction. However, because the TCR of mixed CNT/Cu-wire is lower than that of copper, the specific conductivity of mixed CNT/Cu-wire surpasses that of copper wire at 370K. In other words, it was confirmed that the specific conductivity of mixed CNT/Cu-wire is consistently higher than that of copper wire at temperatures above 400K.
一方で、図35に示されるように、CNT撚糸の電気抵抗率(一点鎖線)は温度の上昇に伴い線形的に減少し、そのTCRは-0.6×10-3K-1であった。この負の線形的な電気抵抗の温度依存性はフリーデル振動による影響が考えられる。 On the other hand, as shown in Figure 35, the electrical resistivity of the CNT twisted yarn (dashed line) decreased linearly with increasing temperature, and its TCR was -0.6 × 10 -3 K -1 . This negative linear temperature dependence of the electrical resistance is thought to be due to the influence of Friedel oscillations.
図37に各サンプルの電流容量を示す。Mixed CNT/Cu-wireの電流容量は1.3×105A/cm2、Unmixed CNT/Cu-wireの電流容量は5.32×104A/cm2であった。Mixed CNT/Cu-wireの電流容量は銅の体積含有率が56.7%であるにも関わらず、銅線(5.8×104A/cm2)より2.2倍程高い値を示した。CNT/Cu-wireに供給する電流密度を増加すると、CNT/Cu-wireのジュール熱の発生により電気抵抗が増加する。上述のように、CNT/Cu-wireの導電率は370K以上の高温帯で銅より高くなるため、電流密度に対するジュール加熱が銅線の場合より小さくなる。結果として温度上昇が低減し、電流容量が高くなった。このように、図37により、Mixed CNT/Cu-wireは、電流容量が105A/cm2以上であることが好ましいことが確認された。 Figure 37 shows the current capacity of each sample. The current capacity of the mixed CNT/Cu-wire was 1.3 x 10 5 A/cm 2 , and the current capacity of the unmixed CNT/Cu-wire was 5.32 x 10 4 A/cm 2 . Despite the copper volume content of 56.7%, the current capacity of the mixed CNT/Cu-wire was about 2.2 times higher than that of copper wire (5.8 x 10 4 A/cm 2 ). When the current density supplied to the CNT/Cu-wire is increased, the electrical resistance increases due to the generation of Joule heat in the CNT/Cu-wire. As mentioned above, the conductivity of the CNT/Cu-wire is higher than that of copper in the high temperature range of 370 K or higher, so Joule heating relative to the current density is smaller than that of copper wire. As a result, the temperature rise was reduced and the current capacity was increased. As such, it was confirmed from Figure 37 that the current capacity of the mixed CNT/Cu-wire is preferably 10 5 A/cm 2 or more.
図38に各サンプルの比導電率と比電流容量との関係を示すグラフを示す。Mixed CNT/Cu-wireの比導電率は4.31×104S・cm2/gであり、銅線(4.87×104S・cm2/g)と同程度でCNT撚糸(4.40×102S・cm2/g)より二桁以上高い。比導電率はほとんど銅の含有量に依存する結果となった。このことからも、複合材料中のキャリアは銅の自由電子であることをサポートしている。一方、Mixed CNT/Cu-wireの比電流容量は銅線の6.5×103A・cm/gより3.6倍大きい2.32×104A・cm/gとなった。CNT/Cuにおける高温時の抵抗上昇抑制により、銅線同様に電流は銅マトリクス部を流れているにもかかわらず輸送容量は大きく向上する結果となった。 Figure 38 shows a graph showing the relationship between the specific conductivity and specific current-carrying capacity of each sample. The specific conductivity of the mixed CNT/Cu-wire was 4.31 x 10 4 S·cm 2 /g, which is similar to that of copper wire (4.87 x 10 4 S·cm 2 /g) and more than two orders of magnitude higher than that of CNT twisted yarn (4.40 x 10 2 S·cm 2 /g). The specific conductivity was almost entirely dependent on the copper content. This also supports the idea that the carriers in the composite material are free copper electrons. Meanwhile, the specific current-carrying capacity of the mixed CNT/Cu-wire was 2.32 x 10 4 A·cm/g, 3.6 times larger than that of the copper wire (6.5 x 10 3 A·cm/g). Due to the suppression of resistance increase at high temperatures in the CNT/Cu, the transport capacity was significantly improved, even though the current flowed through the copper matrix, similar to that of a copper wire.
なお、CNT撚糸(2.85×104A・cm/g)が最も大きな値となった。CNT撚糸は昇華温度が銅より極めて高く、また赤外放射率も高いため、銅より高い温度まで電流輸送でき、比導電率は銅より二けた小さいけれども高い比電流容量を示すことが知られている。以上から、Mixed CNT/Cu-wireは、軽量でありながら高導電率であり、銅線を凌駕する電流容量も有しているため、高電力供給が可能な細径配線として応用に期待できる。 The largest value was observed for CNT twisted yarn (2.85 x 10 4 A cm/g). CNT twisted yarn has a sublimation temperature much higher than copper and a high infrared emissivity, so it can transport current up to higher temperatures than copper, and although its specific conductivity is two orders of magnitude smaller than that of copper, it is known to exhibit a high specific current capacity. From the above, mixed CNT/Cu-wire is lightweight yet has high conductivity, and has a current capacity that surpasses that of copper wire, so it is expected to be used as a thin-diameter wiring capable of supplying high power.
(4)CNT/Cu-wireの力学特性
表1にCNT撚糸(CNT yarn)、CNT/Cu複合糸および銅線の特性表を示す。
(4) Mechanical Properties of CNT/Cu Wire Table 1 shows the properties of the CNT yarn, CNT/Cu composite yarn, and copper wire.
図39(A)に直径10nm程度のCNTを用いて製造されたMixed CNT/Cu-wireおよびUnmixed CNT/Cu-wireの応力ひずみ線図を示す。また、比較のために、直径10nm程度のCNTを用いて製造されたCNT撚糸および銅線の応力ひずみ線もそれぞれ合わせて示す。Mixed CNT/Cu-wireの引張強度は699MPa、ヤング率は70.4GPaであった。銅線の引張強度は191MPa、ヤング率は83.5GPaであり、CNT撚糸の引張強度は666MPa、ヤング率は32.2GPaであった。Mixed CNT/Cu-wireの引張強度はCNT撚糸と比較して、銅との均質な複合化によって引張強度とヤング率がともに向上した。Unmixed CNT/Cu-wireの引張強度は182.9MPa、ヤング率は25.8GPaであり、引張強度とヤング率がともに減少した。図39(B)は、図39(A)の応力ひずみ線図から得られた、各種サンプルのヤング率と引張強度との関係を示すグラフである。図39(B)に示されるように、CNT撚糸を基準としたとき、Mixed CNT/Cu-wireはヤング率は顕著に増大し、引張強度も同等またはそれ以上であった。これに対し、Unmixed CNT/Cu-wireは引張強度が著しく減少し、ヤング率も低下した。すなわち、Mixed CNT/Cu-wireとUnmixed CNT/Cu-wireとの対比により、糸状導電部材であるMixed CNT/Cu-wireは、この糸状導電部材からめっき系物質を除いた材料に相当するブランクカーボンナノチューブ連続体、すなわちCNT撚糸を基準として、引張強度が1.0倍以上であり、ヤング率が1.5倍以上であることが好ましいことが示された。Mixed CNT/Cu-wireのヤング率は、CNT撚糸を基準として、2.0倍以上であることがより好ましい。 Figure 39(A) shows stress-strain curves for mixed CNT/Cu-wire and unmixed CNT/Cu-wire manufactured using CNTs with a diameter of approximately 10 nm. For comparison, the stress-strain curves for CNT twisted yarn and copper wire manufactured using CNTs with a diameter of approximately 10 nm are also shown. The tensile strength of the mixed CNT/Cu-wire was 699 MPa and the Young's modulus was 70.4 GPa. The tensile strength of the copper wire was 191 MPa and the Young's modulus was 83.5 GPa, while the tensile strength of the CNT twisted yarn was 666 MPa and the Young's modulus was 32.2 GPa. Compared to the CNT twisted yarn, the tensile strength and Young's modulus of the mixed CNT/Cu-wire were both improved due to the homogeneous composite with copper. The tensile strength of the unmixed CNT/Cu-wire was 182.9 MPa and the Young's modulus was 25.8 GPa, and both the tensile strength and Young's modulus decreased. Figure 39(B) is a graph showing the relationship between the Young's modulus and tensile strength of various samples obtained from the stress-strain diagram of Figure 39(A). As shown in Figure 39(B), when the CNT twisted yarn is used as the reference, the mixed CNT/Cu-wire had a significantly increased Young's modulus and a tensile strength that was equal to or greater than that of the CNT twisted yarn. In contrast, the unmixed CNT/Cu-wire had a significantly decreased tensile strength and a decreased Young's modulus. In other words, a comparison between mixed CNT/Cu-wire and unmixed CNT/Cu-wire showed that the mixed CNT/Cu-wire thread-shaped conductive member preferably has a tensile strength of 1.0 or more and a Young's modulus of 1.5 or more times that of a blank carbon nanotube continuum, which corresponds to the material obtained by removing the plating substance from this thread-shaped conductive member, i.e., a CNT twisted yarn. It is more preferable that the Young's modulus of the mixed CNT/Cu-wire be 2.0 or more times that of the CNT twisted yarn.
Mixed CNT/Cu-wireの引張破断部の二次電子像を図40(A)に示し、Unmixed CNT/Cu-wireの引張破断部の二次電子像を図40(B)に示す。図40(A)に示されるように、Mixed CNT/Cu-wireの破断部は、CNTの引き抜けが短かった。一方、図40(B)に示されるように、Unmixed CNT/Cu-wireは外周部(クラッド)の銅が破断して滑り、CNT撚糸の引き抜けが長かった。Mixed CNT/Cu-wireにおいては銅線に比べてヤング率および引張強度の大幅な向上が見られることから、CNT撚糸中に銅が均質に析出するだけでなくCNTバンドル表面との密着性も良く、銅はマトリックスとしてCNTバンドル間の荷重を良好に伝達していた。すなわち、図40(A)および図40(B)の対比により、Mixed CNT/Cu-wireは、銅を母材とする繊維強化複合材料と見なせることが確認された。 Figure 40(A) shows a secondary electron image of a tensile fractured portion of Mixed CNT/Cu-wire, while Figure 40(B) shows a secondary electron image of a tensile fractured portion of Unmixed CNT/Cu-wire. As shown in Figure 40(A), the fractured portion of Mixed CNT/Cu-wire showed a short CNT pull-out period. On the other hand, as shown in Figure 40(B), the copper in the outer cladding of Unmixed CNT/Cu-wire broke and slipped, resulting in a long CNT twist pull-out period. Compared to copper wire, Mixed CNT/Cu-wire exhibits significantly improved Young's modulus and tensile strength, indicating that not only is copper precipitated homogeneously within the CNT twisted yarn, but it also has good adhesion to the CNT bundle surface, and copper acts as a matrix to effectively transmit load between CNT bundles. In other words, by comparing Figures 40(A) and 40(B), it was confirmed that Mixed CNT/Cu-wire can be considered a fiber-reinforced composite material with copper as the matrix.
図41(A)は、Cu-NPsを担持したCNT撚糸に銅を析出させた複合糸の二次電子像を示す図である。図41(B)は、Cu-NPsを担持していないCNT撚糸に銅を析出させた複合糸の座屈部の二次電子像を示す図である。図41(A)に示されるように、Mixed CNT/Cu-wireは小さい曲率で変形可能である。この複合糸はCNTと銅が均質に混合した均質媒質であるため、柔軟であった。一方、図41(B)に示されるように、Unmixed CNT/Cu-wireは容易に座屈破壊する。これは、Unmixed CNT/Cu-wireでは中心部にCNT撚糸がそのまま存在するが、CNT撚糸部分は曲げによる圧縮荷重を負担できないことから、表面の銅からなる外周部(クラッド)が容易に座屈に至るためと考えられる。 Figure 41(A) shows a secondary electron image of a composite yarn in which copper has been deposited on a CNT twisted yarn loaded with Cu-NPs. Figure 41(B) shows a secondary electron image of the buckling area of a composite yarn in which copper has been deposited on a CNT twisted yarn not loaded with Cu-NPs. As shown in Figure 41(A), the mixed CNT/Cu-wire can be deformed with a small curvature. This composite yarn is flexible because it is a homogeneous medium in which CNT and copper are uniformly mixed. On the other hand, as shown in Figure 41(B), the unmixed CNT/Cu-wire easily buckles and fractures. This is thought to be because, although the CNT twisted yarn remains intact in the center of the unmixed CNT/Cu-wire, the CNT twisted yarn cannot withstand the compressive load caused by bending, and the outer copper cladding on the surface easily buckles.
以上説明したように、実施例2では、CNTを均質に高い割合で含むCNT/Cu複合糸が製造された。CNTと銅の相乗効果により、それは、高い電気伝導率、低いTCR、高い電流容量、高い引張特性、高い柔軟性を有している革新的新材料である。均質CNT/Cu-wireは、ドローンのモーターやイヤホン、小型アクチュエーターの小型コイルやエネルギー密度の高い小型電子デバイスシステムのワイヤリングなど、新たな軽量配線材料として期待できる。また、均質複合材料を得るために本実施例において示された気相ナノ粒子堆積された乾式CNT紡績技術は、CNT応用に新たな側面を追加する新技術である。ナノ粒子を担持したCNTにより長繊維やシート、立体構造など多様な構造体を形成できるので、今後、多様な機能性を有するCNT応用が可能である。 As described above, in Example 2, a CNT/Cu composite yarn containing a homogeneous high proportion of CNTs was produced. Due to the synergistic effect of CNT and copper, it is an innovative new material with high electrical conductivity, low TCR, high current carrying capacity, high tensile properties, and high flexibility. Homogeneous CNT/Cu wire is expected to be a new lightweight wiring material for drone motors, earphones, small coils for small actuators, and wiring for high-energy-density small electronic device systems. Furthermore, the dry CNT spinning technique with vapor-phase nanoparticle deposition demonstrated in this example to obtain a homogeneous composite material is a new technology that adds a new dimension to CNT applications. Nanoparticle-loaded CNTs can be used to form a variety of structures, including long fibers, sheets, and three-dimensional structures, potentially enabling CNT applications with diverse functionality in the future.
10 :ガラス管
20 :ヒータ
30 :CNTフォレスト
40 :修飾CNTフォレスト
50 :CNT
60 :CNT連続体
70 :微粒子
100 :製造装置
100A :めっき装置
110 :マイカシート
120 :CNT撚糸
130 :硫酸銅浴
141、142 :クリップ
151、152 :配線
160 :電源
161 :陰極端子
162 :陽極端子
170 :陽極
200 :導電性部材
D :方向
RC :反応室
RS :金属元素含有物質
SB :基板
10: Glass tube 20: Heater 30: CNT forest 40: Modified CNT forest 50: CNT
60: CNT continuum 70: Microparticles 100: Manufacturing apparatus 100A: Plating apparatus 110: Mica sheet 120: CNT twisted yarn 130: Copper sulfate bath 141, 142: Clips 151, 152: Wiring 160: Power source 161: Cathode terminal 162: Anode terminal 170: Anode 200: Conductive member D: Direction RC: Reaction chamber RS: Metal element-containing material SB: Substrate
Claims (2)
前記修飾カーボンナノチューブフォレストの内部に位置するカーボンナノチューブに堆積しためっき系物質と、
を備えることを特徴とする導電性部材。 a modified carbon nanotube forest that is spun and includes carbon nanotubes oriented in a predetermined direction, and particles supported on the carbon nanotubes, and the modified carbon nanotube forest is spun and includes the carbon nanotubes positioned inside the modified carbon nanotube forest also supporting the particles;
a plating-based material deposited on the carbon nanotubes located inside the modified carbon nanotube forest; and
A conductive member comprising:
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