(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属あるいはプラスチックからなる基板上に形成された金属層上に設けられるＣＮＴ薄膜であって、当該ＣＮＴ薄膜は、複数の長尺ＣＮＴからなると共にこれら複数の長尺ＣＮＴは１本ずつが単離されて、かさ密度２．５×１０3ｇ／ｍ3以下で相互に絡み合った状態で設けられている、ことを特徴とするＣＮＴ薄膜。
【請求項２】
上記長尺ＣＮＴが、長さが５μｍ以上である、請求項１に記載のＣＮＴ薄膜。
【請求項３】
上記長尺ＣＮＴが、平均直径１０〜３０ｎｍの多層ＣＮＴである、請求項１又は２に記載のＣＮＴ薄膜。
【請求項４】
金属あるいはプラスチックからなる基板と、
上記基板上に形成された、ＣＮＴとは密着性が高い第１金属層と、
上記第１金属層上に形成された、ＣＮＴに対して密着性が低いが上記第１金属層とは密着性が高い第２金属層と、
上記第２金属層上に形成された、上記請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載のＣＮＴ薄膜と、
を備えるとともに、
上記ＣＮＴ薄膜を構成する各長尺ＣＮＴのうち、一部は、上記基板上の上記第２金属層を介して上記第１金属層内に部分的に入り込むことで固定されている、ことを特徴とする電極。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カーボンナノチューブ（以下、ＣＮＴという）を用いたＣＮＴ薄膜、およびこれを備えた電極に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１では、ＣＮＴを電着法で電極基板に電着させてＣＮＴ薄膜とし、そのＣＮＴ薄膜を電極とする技術が開示されている。ＣＮＴがこのように電極として利用されるのは、導電性が高く、アスペクト比が高いために、樹脂中に導電性ネットワーク構造を形成し易く、また、非常に微細でかさ密度が低いことによる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２２２１７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１を含め従来の電極構造にあっては、かさ密度が低いとしても、電極を構成するＣＮＴが長さ３μｍ程度の短尺ＣＮＴにより構成されているので、ＣＮＴが密に重なり合って充填されている結果、基板上に屈曲して絡み合った単離構造を有していない。
【０００５】
この構造を図３（ａ）（ｂ）にモデル的に示す。図３（ａ）は従来のＣＮＴ薄膜のモデル的な断面構成を示す図、図３（ｂ）は図３（ａ）の四角で囲む部分Ａを拡大して示す図である。これらの図において、１００は基板、２００は基板表面のＣＮＴ薄膜である。特許文献１で示すＣＮＴ薄膜２００は長さが短く、例えば長さが３μｍ未満の複数短尺ＣＮＴの束状集合物３００で構成されている。そして、このＣＮＴ薄膜２００は、各短尺ＣＮＴは単離していなくて束状に集合した状態であり、そのため、ＣＮＴ薄膜２００としてはＣＮＴを用いた割にはかさ密度が極めて高く、イオン４００を立体的に吸着保持しにくい構造となっている。
【０００６】
因みに本発明者が特許文献１記載のＣＮＴ薄膜データに基づいて図３でモデル的に示すＣＮＴ薄膜２００に対して計算上で得たかさ密度はおおよそ３×１０5ｇ／ｍ3であった。このようなかさ密度の場合、図３でも示すように、基板１００に対してＣＮＴ薄膜２００内の短尺ＣＮＴはほぼ平行かつ密に形成されているので、大きい吸着物例えばイオン４００を立体保持する能力が低く、したがって、イオン４００の保持数も少なく、こうしたＣＮＴ薄膜２００においては例えば電気二重層キャパシタ用電極あるいは他の電極の用途の拡大に伴い、さらに、かさ密度をより低くして吸着物を立体保持する能力を向上させる要求が高くなっている。
【０００７】
本発明では、かさ密度を上記値よりもさらに低くしたＣＮＴ薄膜を提供することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）本発明によるＣＮＴ薄膜は、複数の長尺ＣＮＴそれぞれが１本ずつ単離した状態を保って相互に絡み合うことでかさ密度が低くなり、かつ、電気的および物理的に接続したネットワーク構造を主体とした、ことを特徴とする。
【０００９】
上記主体とは薄膜全体が長尺ＣＮＴで構成されていることに限定しないことであり、他の形態のＣＮＴ、例えば塊状や束状の集合物形態、短尺ＣＮＴ、その他の形態のＣＮＴが含まれたとしても、上記ネットワーク構造が長尺ＣＮＴを主体としていればよい。つまり、長尺ＣＮＴによるネットワーク構造が主体として薄膜であれば、薄膜中の長尺ＣＮＴと他の形態のＣＮＴとの本数の割合や重量比等には限定されず、本発明に含む。
【００１０】
上記かさ密度は、好ましくは、２．５×１０3ｇ／ｍ3以下である。
【００１１】
上記長尺ＣＮＴは、好ましくは、長さが５μｍ以上であり、好ましくは、１０μｍ以上、より好ましくは、２０μｍ以上である。
【００１２】
上記ＣＮＴ薄膜は、好ましくは、基板上に付着した薄膜である。
【００１３】
上記ＣＮＴは、好ましくは、多層ＣＮＴである。
【００１４】
上記ＣＮＴは、好ましくは、平均直径１０〜３０ｎｍである。
【００１５】
（２）本発明による電極は、金属あるいはプラスチックからなる基板の表面に上記（１）に記載のＣＮＴ薄膜が形成されてなることを特徴とする。
【００１６】
好ましくは、上記基板表面にＣＮＴ薄膜と密着性が高い第１金属層が形成され、請求項１ないし４のいずれかに記載のＣＮＴ薄膜の一部が第１金属層内に入り込む形態で付着することで当該ＣＮＴ薄膜が上記基板表面に形成されている。
【００１７】
好ましくは、上記第１金属層表面に上記ＣＮＴ薄膜に対して密着性が低い一方、当該第１金属層に密着性が高い第２金属層が当該ＣＮＴ薄膜の第１金属層に対する密着状態を補強するために形成されている。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のＣＮＴ薄膜によれば、複数の長尺ＣＮＴそれぞれが１本ずつ単離した状態を保って相互に絡み合った構造であるので、従来のそれよりも数値的に２桁低いかさ密度であり、かつ、各長尺ＣＮＴ同士が電気的および物理的に接続したネットワーク構造になっているので、イオン等を従来よりもより多く保持することができるようになり、例えば電気二重層コンデンサの電極として用いた場合、その電荷蓄積性能が格段に向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１（ａ）は本発明の実施形態に係るＣＮＴ薄膜のモデル的な断面構成を示す図、図１（ｂ）は図１（ａ）の四角で囲む部分Ｂを拡大して示す図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｈ）は上記ＣＮＴ薄膜の製造過程の説明に用いる各図である。
【図３】図３（ａ）は従来のＣＮＴ薄膜のモデル的な断面構成を示す図、図３（ｂ）は図３（ａ）の四角で囲む部分Ａを拡大して示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態に係るＣＮＴ薄膜を説明する。図１（ａ）に本発明の実施形態に係るＣＮＴ薄膜のモデル的な断面構成を示し、図１（ｂ）に図１（ａ）の四角で囲む部分Ｂを拡大して示す。これらの図において、１は基板、２は第１金属層（密着金属層）、３は第２金属層（補強金属層）、４はＣＮＴ薄膜である。基板１は、金属、プラスチック（ＰＥＴ等）、等から構成されている。第１金属層２は、ＣＮＴとは密着性が高い金属、例えばニッケル、鉄、等の金属で構成されている。第２金属層３は、ＣＮＴに対して密着性が低いが第１金属層２とは密着性が高い金属、例えばアルミニウム等の金属で構成されている。
【００２１】
ＣＮＴ薄膜４は、直径１０〜３０ｎｍの多層ＣＮＴからなる長尺ＣＮＴ５の複数それぞれが１本ずつ単離した状態を保って絡み合って構成され、実施形態ではその厚みが数ｍｍ、例えば２〜３ｍｍ程度の膜厚を有した構成になっている。
【００２２】
これらＣＮＴ薄膜４を構成する各長尺ＣＮＴ５は、好ましくは、長さが５μｍ以上であり、好ましくは、１０μｍ以上、より好ましくは、２０μｍ以上である。
【００２３】
各長尺ＣＮＴ５が、長さ５μｍ以上が好ましいのは、長さが５μｍ未満であると密に重なり合って充填され、かさ密度が大きくなり、長さが５μｍ以上であれば屈曲して絡み合った構造となり、かさ密度が小さくなるという理由による。
【００２４】
また、この長尺ＣＮＴ５の平均直径は、好ましくは、１０〜３０ｎｍである。平均直径が１０ｎｍ未満または３０ｎｍ超であれば、かさ密度が極度に大きくなる。
【００２５】
ＣＮＴ薄膜４のかさ密度は、従来のそれよりも数値的に２桁低い２．５×１０3ｇ／ｍ3以下であり、それを構成する各長尺ＣＮＴ５は互いに単離し、点接触状態で絡み合うことで電気的、物理的に接続したネットワークを有する薄膜構造になっている。もちろん、ＣＮＴ薄膜４を構成する各長尺ＣＮＴ５のうち、一部は、基板１上の第１金属層２内に部分的に入り込むことで固定され、また、一部は、上記固定はされず、互いの長尺ＣＮＴ５に重なり絡み合って固定される。
【００２６】
なお、ＣＮＴ薄膜４のかさ密度は、２．５×１０3ｇ／ｍ3以下であるのは、吸着物の立体保持する能力を従来よりも格段に向上させることの理由によるからである。
【００２７】
以上の構成を備えた実施形態のＣＮＴ薄膜４は、複数の長尺ＣＮＴ５それぞれが１本ずつ単離した状態を保って絡み合って構成されたネットワーク構造となり、そのかさ密度は、２．５×１０3ｇ／ｍ3以下であるので、内部にサイズが大きい物に限らず、サイズが小さくてもより多数の物を内部に取り込んで保持できる能力が向上し、吸着対象が例えばイオンであればより多くのイオン６ａあるいはサイズが大きいイオン６ｂを効果的に内部に取り込んだ状態で保持できる能力が格段に向上し、例えば電気二重層コンデンサの電極に利用した場合、その電荷蓄積性能を大幅に向上させることができるようになる。
【００２８】
次に図２を参照して実施形態のＣＮＴ薄膜４を製造する方法を説明する。
【００２９】
（長尺ＣＮＴ準備工程）
まず、図２（ａ）で示すように基板１０上に垂直配向して成長させた長さ２００μｍの長尺ＣＮＴ１１を１２ｍｇ分、基板１０から図２（ｂ）で示すように剥離することで、長尺ＣＮＴ１１を用意して揃える。
【００３０】
（第１分散工程）
次に、上記剥離した長尺ＣＮＴ１１を、図２（ｃ）で示すように混酸溶液１２（硫酸：硝酸＝３：１）に投入する。この混酸溶液１２内で長尺ＣＮＴ１１はファンデルワールス力により互いに束状に集合した集合物１３となっている。そして、この混酸溶液１２内で長尺ＣＮＴ集合物１３に対して周波数４０ｋＨｚの超音波で1時間分散する。これにより、混酸溶液１２内の長尺ＣＮＴ集合物１３は図２（ｄ）で示すように複数の長尺ＣＮＴ１１に単離される。この結果、混酸溶液１２は、長尺ＣＮＴ集合物１３が分散している分散溶液から、複数の長尺ＣＮＴ１１が単離した分散溶液となる。
【００３１】
（フィルタリングおよび洗浄工程）
次いで、複数の長尺ＣＮＴ１１が単離している分散溶液を、図２（ｅ）で示すように、０．２μｍ孔を多数有するＰＴＦＥ製フィルタによりフィルタリングする。このとき０．１Ｎアンモニア水溶液を用いて中和処理をおこなっても良い。さらに、純水で十分に洗浄する。このフィルタリングにより長尺ＣＮＴ１１はそのフィルタに付着する。
【００３２】
（乾燥工程）
次いで、図２（ｆ）で示すように上記フィルタに付着した長尺ＣＮＴ１１を乾燥する。この乾燥には自然乾燥、熱風乾燥等がある。
【００３３】
（第２分散工程）
次いで、フィルタに付着し乾燥した長尺ＣＮＴ１１を純水投入し超音波分散を１０分間行う。そして長尺ＣＮＴ１１をフィルタから取り除くと共に、取り除いて得た長尺ＣＮＴ１１を、図２（ｇ）で示すように純水１４中に分散させる。この分散状態でさらに周波数４０ｋＨｚの超音波分散を１０分間行ってより分散状態を進める。これにより長尺ＣＮＴ１１が分散したＣＮＴ分散液１５を得ることができる。
【００３４】
（電極板表面にＣＮＴ薄膜形成工程）
次いで、図２（ｈ）で示すように上記分散工程で作成したＣＮＴ分散液１５内に電気泳動用の電極としてのプラス側電極板１６ａとマイナス側電極板１６ｂとを対向配置する。両電極板１６ａ，１６ｂの対向サイズは１ｃｍ×１ｃｍ平方、両電極板１６ａ，１６ｂの対向距離は１ｃｍである。この両電極板１６ａ，１６ｂのうち少なくともプラス側電極板１６ａ（図１の基板１に相当）表面にはニッケル、鉄等のＣＮＴとの密着性が高い金属層（図１の第１金属層２に相当）が形成されている。また、分散液１５にごく少量の水酸化カリウムを加えると、上記プラス側電極板１６ａ表面の第１電極層は水酸化物化することで柔軟化し、長尺ＣＮＴ１１が入り込み易い状況となる。
【００３５】
そして両電極板１６ａ，１６ｂ間に５０Ｖの直流電界を印加すると、プラス側電極板１６ａ表面に上記長尺ＣＮＴ１１のネットワーク全体が電気泳動により移動し、当該プラス側電極板１６ａ表面に付着し、ＣＮＴ薄膜（図１のＣＮＴ薄膜４に相当）が形成される。
【００３６】
こうしてこのプラス側電極板１６ａを、ＣＮＴ分散液１５から取り出し、図示を略するが、プラス側電極板１６ａ表面をアルミニウムでメッキすることで図１の第２金属層３に相当する金属層を形成する。
【００３７】
このようにして作製した電極に、溶解させた２０ｗｔ％ゼラチン水溶液を静かに注ぎ、冷却すれば、より安定にＣＮＴの構造を保持することができる。
【００３８】
以上のようにして作成したプラス側電極板１６ａを、図示を略するが電解液中に浸漬する。一旦は収縮した状態の薄膜であっても、この浸漬により、ＣＮＴ薄膜は２ｍｍの厚さにまで膨張する。この状態のＣＮＴ薄膜はかさ密度が上記した２．５×１０3ｇ／ｍ3以下である。このかさ密度は従来のそれと比較して数値的に２桁小さいことが判る。
【００３９】
このかさ密度は、直径２０ｎｍ、長さ２００μｍの長尺ＣＮＴを０．５ｍｇ用いてＣＮＴ薄膜を作製し、この作製したＣＮＴ薄膜を１０ｍｍ×１０ｍｍ×２ｍｍの形状にして計算した密度である。
【００４０】
こうして作成したＣＮＴ薄膜はその内部にサイズが大きい物に限らず、より多数の物を保持できる能力が向上し、吸着対象が例えばイオンであればより多くのイオンを保持できる能力が格段に向上し、例えば電気二重層コンデンサの電極に利用した場合、その電荷蓄積性能を大幅に向上させることができるようになる。
【符号の説明】
【００４１】
１  基板
２  第１金属層（密着金属）
３  第２金属層（補強金属）
４  ＣＮＴ薄膜
５、１１  長尺ＣＮＴ
【図１】
0005631083.tif 000002
【図２】
0005631083.tif 000003
【図３】
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