炭素系微細構造物群、炭素系微細構造物の集合体、その利用およびその製造方法
強い相互作用にて互いに引き合った状態の複数の炭素系微細構造物が集合した集合体であって、その取り扱い性や加工性を向上させることができる程度の長さの集合体を提供する。本発明の炭素系微細構造物の集合体は、複数の炭素系微細構造物が集合したものであり、各炭素系微細構造物が同一方向に配向している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素系微細構造物群、炭素系微細構造物の集合体、その利用およびその製造方法に関するものである。より詳しくは、例えば、カーボンナノチューブ等の炭素系微細構造物が群をなす炭素系微細構造物群と、炭素系微細構造物がファンデルワールス力等による強い相互作用で互いに結合した集合体と、それを用いた種々の用途と、製造する方法とに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭素系微細構造物の１つであるカーボンナノチューブ（以下、ＣＮＴと称する）は、直径が約０．５ｎｍから１０ｎｍ程度、長さが約１μｍ程度のパイプ状のカーボン素材であり、１９９１年にＮＥＣの飯島氏によって発見された新しい炭素材料である。また、ＣＮＴには、１層構造のシングルウォールナノチューブ、多層構造のマルチウォールチューブの存在が確認されている。
【０００３】
しかしながら、ＣＮＴは微細な構造を有するため、その取り扱い性や加工性が悪い。このため、肉眼で確認しながら取り扱うことが可能な大きさのＣＮＴを製造することが試みられている（例えば、非特許文献１・２参照）。
【０００４】
非特許文献１および２には、長さが従来の１μｍ程度よりも長いＣＮＴが報告されている。非特許文献１で得られたＣＮＴの長さは、１０ｃｍ〜２０ｃｍ程度であり、非特許文献２で得られたＣＮＴの長さは、２５ｃｍ〜３０ｃｍ程度となっている。このため、いずれのＣＮＴも肉眼で確認できている。
【０００５】
また、ＣＮＴは、組成の違いにより、金属の性質を示すものや、半導体の性質を示すもの等が存在するため、応用製品の開発や製造方法の開発などが盛んに行われている。また、その水素吸蔵素材としての性能も注目されており、燃料電池への応用も検討されている。
【０００６】
ＣＮＴを素材として利用した例として、ＣＮＴを用いた織布やシートが開示されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、ＣＮＴを繊維あるいは糸の一部またはそのものとして、その一部あるいは全部に用いた織布やシートが記載されている。
【０００７】
【特許文献１】特開平７−１３８８３８号公報（平成７年（１９９５）５月３０日公開）
【非特許文献１】Ｈ．Ｗ．Ｚｈｕ、外５名、「Ｄｉｒｅｃｔ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ Ｌｏｎｇ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｗａｌｌｅｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ Ｓｔｒａｎｄｓ」、Ｓｃｉｅｎｃｅ、２００２年５月３日、Ｖｏｌ ２９６、ｐ．８８４−８８６
【非特許文献２】Ｋａｉｌｉ Ｊｉａｎｇ、外２名、「Ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｙａｒｎｓ」、Ｎａｔｕｒｅ、２００２年１０月２４日、Ｖｏｌ ４１９、ｐ．８０１
【０００８】
しかしながら、上記非特許文献１に記載のＣＮＴは、１０ｃｍ〜２０ｃｍ程度の長さを有するものの、連続的な形成が困難である。
【０００９】
また、上記非特許文献２に記載のＣＮＴは、いわゆるブラシ状に形成したＣＮＴを用いて製造している。具体的には、まず、基板上に、基板に対して垂直方向に配向するＣＮＴを複数形成させる。そして、これら複数のＣＮＴからなる束を基板から剥離させ、引っ張ることによって製造している。
【００１０】
このように、長いＣＮＴの集合体は、ブラシ状のＣＮＴを引っ張ることによって隣接するＣＮＴが絡み合った状態となっている。従って、ブラシ状のＣＮＴは、基板上に形成するＣＮＴの長さがある程度長いものであるとともに、ＣＮＴが高密度で形成されている必要がある。
【００１１】
ところが、従来のブラシ状ＣＮＴを製造する方法では、基板上にＣＮＴを成長させる速度が遅く、長いＣＮＴを配向させたブラシ状ＣＮＴを得ることができていない。また、ＣＮＴの成長速度が遅いため、生産性という観点からも不利である。
【００１２】
さらに、従来の方法では、高密度にＣＮＴを形成させることができない。このため、隣接するＣＮＴが互いに絡み合うことができる程度の相互作用を有するブラシ状ＣＮＴを得ることはできていない。その結果、ロープ状ＣＮＴを得ることは困難である。
【００１３】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、複数の炭素系微細構造物が群をなす炭素系微細構造物群と、複数の炭素系微細構造物が強い相互作用にて互いに引き合った状態の炭素系微細構造物の集合体であって、その取り扱い性や加工性を向上させることができる程度の長さを有する炭素系微細構造物の集合体と、それを用いた種々の用途と、製造する方法とを提供することにある。
【発明の開示】
【００１４】
本発明者は、上記課題に鑑み鋭意検討した結果、高密度かつ長いＣＮＴが林立したブラシ状ＣＮＴを形成することにより、強い相互作用にて互いに引き合うＣＮＴが得られることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００１５】
すなわち、本発明に係る炭素系微細構造物の集合体は、炭素系微細構造物が複数集合した炭素系微細構造物の集合体であって、上記複数の炭素系微細構造物は、同一方向に配向しているとともに、該配向方向に沿って集合していることを特徴としている。
【００１６】
上記の構成によれば、炭素系微細構造物の集合体は、炭素系微細構造物が複数集合したものであるため、高い強度を有している。また、炭素系微細構造物が同一方向に配向しているため、その集合体は高配向性を有することとなる。ここで、「同一方向に配向する」とは、全ての炭素系微細構造物が、各長手方向が同一の方向となるように集合していることを意味している。なお、炭素系微細構造物は、必ずしも直線的な構造を有しているのではなく、多少湾曲した状態となっていることが多いが、長手方向とはその両端部を結んだ方向であればよく、炭素系微細構造物の実質的な方向を意味する。
【００１７】
さらに、炭素系微細構造物が配向方向に沿って集合しているため、その長さを長くすることが可能となる。これにより、目に見える程度の大きさの集合体とすることができ、その取り扱い性や加工性が向上する。
【００１８】
本発明に係る炭素系微細構造物の集合体は、以上のように、複数の炭素系微細構造物が同一方向に配向しているとともに、該配向方向に沿って集合している構成である。それゆえ、高配向性かつ高強度の集合体とすることができるという効果を奏する。
【００１９】
また、本発明に係る炭素系微細構造物群は、基板上に、該基板に対して略垂直方向に配向するように複数の炭素系微細構造物が設けられた炭素系微細構造物群であって、上記基板１ｃｍ２当たりに存在する炭素系微細構造物が１×１０１１本以上であることを特徴としている。
【００２０】
炭素系微細構造物群は、基板上に設けられた複数の炭素系微細構造物が群をなしているものであり、これら複数の炭素系微細構造物は、基板に対して略垂直方向に配向している。このため、各炭素系微細構造物が密集して群をなすことが可能になる。
【００２１】
上記炭素系微細構造物群では、基板１ｃｍ２当たりに存在する炭素系微細構造物が１×１０１１本以上である。すなわち、炭素系微細構造物が非常に高密度に設けられた炭素系微細構造物群とすることができる。なお、略垂直方向とは、ほぼ垂直方向のことであり、完全な垂直方向の他に、単に基板から離れていく方向をも含む。
【００２２】
また、上記炭素系微細構造物の集合体を製造するために、本発明に係る炭素系微細構造物の集合体の製造方法は、基板上に、基板に対して垂直方向に配向した複数の炭素系微細構造物を形成する形成工程と、上記炭素系微細構造物の少なくとも１つを引っ張る引張工程とを有することを特徴としている。
【００２３】
上記の構成によれば、基板に対して垂直方向に配向した複数の炭素系微細構造物を形成し、その少なくとも１つを引っ張る構成である。すなわち、同一方向に配向した炭素系微細構造物を引っ張っているため、一方向に配向させることができる。また、引っ張る際に、隣接する炭素系微細構造物が束状になって集合している。従って、高配向性かつ高束性の集合体とすることができる。その結果、高い強度を有するとともに、長さの長い集合体を得ることができる。
【００２４】
本発明に係る炭素系微細構造物の集合体の製造方法は、以上のように、複数の炭素系微細構造物を形成し、その少なくとも１つを引っ張る構成である。それゆえ、高配向性、高束性かつ高強度を有するとともに、長さの長い集合体を製造することができるという効果を奏する。
【００２５】
本発明のさらに他の目的、特徴、および優れた点は、以下に示す記載によって十分わかるであろう。また、本発明の利益は、添付図面を参照した次の説明で明白になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１（ａ）】本発明の実施の一形態を示すものであり、ＣＮＴロープを示す写真（画像）である。
【図１（ｂ）】本発明の実施の一形態を示すものであり、ＣＮＴロープを示す写真（画像）である。
【図２】本発明の実施の一形態を示すものであり、ブラシ状ＣＮＴを作製する装置の概略構成を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の一形態を示すものであり、ブラシ状ＣＮＴを作製する工程を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施の一形態を示すものであり、キャリアガスと原料ガスとの流量の関係を示す図である。
【図５】本発明の実施の一形態を示すものであり、原料ガス濃度と成長速度との相関を示すグラフである。
【図６（ａ）】本発明の実施の一形態を示すものであり、ブラシ状ＣＮＴの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を示す写真（画像）である。
【図６（ｂ）】本発明の実施の一形態を示すものであり、ブラシ状ＣＮＴの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を示す写真（画像）である。
【図７（ａ）】本発明の実施の一形態を示すものであり、ＣＮＴロープを示す写真（画像）である。
【図７（ｂ）】本発明の実施の一形態を示すものであり、ＣＮＴロープを示す写真（画像）である。
【図８】本発明の実施の一形態を示すものであり、（ａ）〜（ｄ）はＣＮＴロープの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を示す写真（画像）である。
【図９】本発明の実施の一形態を示すものであり、ＣＮＴシートを示す写真（画像）である。
【図１０（ａ）】本発明の実施の一形態を示すものであり、ブラシ状ＣＮＴの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を示す写真（画像）である。
【図１０（ｂ）】本発明の実施の一形態を示すものであり、ブラシ状ＣＮＴの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を示す写真（画像）である。
【図１０（ｃ）】本発明の実施の一形態を示すものであり、ＣＮＴロープの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を示す写真（画像）である。
【図１０（ｄ）】本発明の実施の一形態を示すものであり、ＣＮＴロープの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を示す写真（画像）である。
【図１１（ａ）】本発明の実施の一形態を示すものであり、ＣＮＴロープを持ち上げている写真（画像）である。
【図１１（ｂ）】本発明の実施の一形態を示すものであり、ＣＮＴロープを持ち上げている写真（画像）である。
【図１２】本発明の実施の一形態を示すものであり、電気的特性を測定するための試料を示す写真（画像）である。
【図１３（ａ）】本発明の実施の一形態を示すものであり、プリプレグおよび積層体を作製する工程を示す図である。
【図１３（ｂ）】本発明の実施の一形態を示すものであり、プリプレグおよび積層体を作製する工程を示す図である。
【図１３（ｃ）】本発明の実施の一形態を示すものであり、プリプレグおよび積層体を作製する工程を示す図である。
【図１４】本発明の実施の一形態を示すものであり、ＣＮＴロープを巻きつけたコイル状構造物を示す写真（画像）である。
【図１５（ａ）】本発明の実施の一形態を示すものであり、ブラシ状ＣＮＴの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を示す写真（画像）である。
【図１５（ｂ）】従来のブラシ状ＣＮＴの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を示す写真（画像）である。
【図１６（ａ）】本発明の実施の一形態を示すものであり、ブラシ状ＣＮＴの透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）像を示す写真（画像）である。
【図１６（ｂ）】本発明の実施の一形態を示すものであり、ブラシ状ＣＮＴの透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）像を示す写真（画像）である。
【図１７（ａ）】本発明の実施の一形態を示すものであり、ＣＮＴロープの強度を測定している状態を示す写真（画像）である。
【図１７（ｂ）】本発明の実施の一形態を示すものであり、ＣＮＴロープの強度を測定している状態を示す写真（画像）である。
【図１７（ｃ）】従来のＣＮＴロープの強度を測定している状態を示す写真（画像）である。
【図１７（ｄ）】従来のＣＮＴロープの強度を測定している状態を示す写真（画像）である。
【図１８】本発明の実施の一形態を示すものであり、ブラシ状ＣＮＴのＣＮＴ密度とＣＮＴロープの長さとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明の実施の一形態について説明すると以下の通りである。なお、本発明はこれに限定されるものではない。
【００２８】
本発明は、炭素系微細構造物が複数集合した炭素系微細構造物の集合体（以下、単に「集合体」と称する）であり、この複数の炭素系微細構造物が同一方向に配向しているとともに、配向方向に沿って集合しているものである。また、本発明の集合体は、炭素系微細構造物が、配向方向に対して直角方向にも集合しているものも含む。これら集合体は、基板上に、この基板に対して略垂直方向に配向するように複数の炭素系微細構造物を形成し、炭素系微細構造物の少なくとも１つを引っ張ることにより製造される。以下、具体的に説明する。
【００２９】
〔炭素系微細構造物〕
炭素系微細構造物とは、炭素原子から構成されるナノサイズの物質であり、炭素原子同士の結合により生じた網目構造を基本骨格とするナノスケール構造物である。より詳しくは、炭素系微細構造物は、グラファイト型結合からなる骨格が３次元構造を有しているものである。３次元構造とは、好ましくは筒状である。
【００３０】
炭素系微細構造物は、具体的には、例えば、カーボンナノチューブ（以下、単に「ＣＮＴ」と称する）である。また、ＣＮＴにビーズが形成されたビーズ付きＣＮＴ、ＣＮＴが捩れを有したカーボンナノツイスト、コイル状のカーボンナノコイル、球殻状のフラーレン等も炭素系微細構造物に含まれる。なお、上記炭素系微細構造物であるＣＮＴが多数林立した、いわゆるブラシ状ＣＮＴを炭素系微細構造物群と称する場合もある。
【００３１】
本発明の集合体は、後述するようにブラシ状ＣＮＴを用いて製造される。このため、以下では、炭素系微細構造物としてＣＮＴを、炭素系微細構造物群としてブラシ状ＣＮＴを例に挙げて説明する。
【００３２】
〔炭素系微細構造物群〕
ブラシ状ＣＮＴは、基板上に、基板に対して略垂直方向に配向した複数のＣＮＴを林立させたものである。基板としては、Ｓｉウエハ上に、触媒としてＦｅ薄膜を形成したものを用いることができる。また、略垂直方向とは、ほぼ垂直方向であること意味し、完全に垂直方向であることが好ましいが、基板面から離れていく方向をも含む。
【００３３】
本発明のブラシ状ＣＮＴとしては、基板上に形成されたＣＮＴの長さ（基板からの高さ）がある程度の長さ（高さ）を有しており、かつ、複数のＣＮＴが高密度に形成されたものが好ましく用いられる。基板上に形成されたＣＮＴがある程度の長さを有することにより、集合体を作製する際により長い集合体を得ることができる。具体的には、ブラシ状ＣＮＴとして形成されたＣＮＴの長さは、数μｍ以上であることが好ましい。
【００３４】
また、複数のＣＮＴを高密度に形成することにより、隣接するＣＮＴ間でファンデルワールス力等の強い相互作用が生じるため、集合体の作製が容易となる。このようなブラシ状ＣＮＴとしては、例えば、基板の１μｍ四方に１０本以上のＣＮＴが形成されているものであることが好ましい。すなわち、ＣＮＴの密度が１０本／１μｍ２以上（１×１０９本／ｃｍ２以上）であることが好ましい。
【００３５】
また、上述のように、本発明の集合体はブラシ状ＣＮＴを用いて形成される。詳細は後述するものの、ブラシ状ＣＮＴにおけるＣＮＴの密度がより高いほど長い集合体を形成することができる。従って、ブラシ状ＣＮＴにおけるＣＮＴの密度は１×１０１０本／ｃｍ２以上であることがより好ましく、１×１０１１本／ｃｍ２以上であることが特に好ましい。
【００３６】
また、ブラシ状ＣＮＴにおけるＣＮＴは、より高い結晶性を有するＣＮＴであることが好ましい。結晶性が高いほどＣＮＴは直線的になり、ＣＮＴが直線的であるほど集合体の作成が容易になる。すなわち、理想的なＣＮＴは直線状のＣＮＴであり、ＣＮＴの結晶構造に欠陥があると屈曲したＣＮＴとなるため好ましくない。
【００３７】
ここで、欠陥とは、ＣＮＴを構成する規則的な結晶配列において、不規則な結晶配列が存在する場合におけるその不規則な結晶配列部分を指す。ＣＮＴは、炭素原子の六員環が連なった（六角板状結晶の）グラフェンシートからなっており、六員環以外の例えば五員環や七員環が存在場合にはこの部分が欠陥部分となる。
【００３８】
ＣＮＴは、六員環が規則的に連なっている場合には直線的になる。一方で、ＣＮＴは、一部分に五員環や七員環が含まれている場合、その部分（欠陥部分）では結晶性が低下して屈曲することとなる。このため、ＣＮＴの直線性を高めるためには欠陥部分の少ないＣＮＴとすることが好ましい。なお、欠陥部分の少ないＣＮＴとは、例えば、長さ１μｍの部分に存在する欠陥部分が１０個以下のＣＮＴである。
【００３９】
また、ＣＮＴの結晶中にアモルファス炭素が含まれていたり、またはＣＮＴの周囲にアモルファス炭素の層が形成されている場合にもＣＮＴの結晶性は悪くなる。従って、アモルファス炭素の少ないＣＮＴであるほど結晶性は高くなる。
【００４０】
ここで、図１５（ａ）は、本発明のＣＮＴのＳＥＭ像を示す写真であり、図１５（ｂ）は、従来のＣＮＴのＳＥＭ像を示す写真である。図１５（ａ）および図１５（ｂ）に示すように、本発明のＣＮＴでは、ＣＮＴの周囲に存在するアモルファス炭素が非常に少なく、従来のＣＮＴでは、ＣＮＴの周囲に存在するアモルファス炭素が非常に多くなっている。このため、従来のＣＮＴでは、グラフェンシートが不規則に湾曲した直線性の低いＣＮＴとなっているのに対して、本発明のＣＮＴでは、グラフェンシートがきれいな層状構造となっており、非常に直線性の高いＣＮＴとなっている。
【００４１】
なお、ＣＮＴの周囲に形成されたアモルファス炭素層の厚さは、ＣＮＴの直径に対して１０％以下であることが好ましい。この場合、より直線性の高いＣＮＴとすることができる。
【００４２】
このように結晶性の高いＣＮＴは直線性の高いＣＮＴとなる。ＣＮＴの直線性が高くなるとＣＮＴ間の相互作用が強くなる。このため、このような結晶性の高いＣＮＴを含むブラシ状ＣＮＴを用いることにより、強度の高い集合体を容易に作成することが可能になる。なお、結晶性の高い直線的なＣＮＴは、後述する本発明に係る製造方法を用いることによって製造することができる。
【００４３】
また、上記ＣＮＴは、グラフェンシートの層数が２層以上２０層以下であることが好ましい。グラフェンシートの層数が多くなると、後に生成する集合体の強度を高くすることができる。一方、グラフェンシートの層数が２０層を超えると、逆に集合体に柔軟性がなくなり、一定の力が負荷されたときに折れてしまう可能性がある。
【００４４】
〔炭素系微細構造物群の製造方法〕
本発明のブラシ状ＣＮＴは、触媒化学気相成長法（ＣＣＶＤ法；Ｃａｔａｌｙｓｔ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により作製することができる。ＣＣＶＤ法は、反応室内に触媒体を配置し、反応室内にキャリアガスおよび原料ガスを供給して、この触媒体の表面にＣＮＴを成長させる方法である。以下、ＣＣＶＤ法によりＣＮＴを成長させ、ブラシ状ＣＮＴを作製する方法について説明する。
【００４５】
図２は、ブラシ状ＣＮＴを作製する装置１の概略構成を示す図である。図２に示すように、反応室２内には触媒体３が配置されている。触媒体３は触媒を表面に形成した基体であり、その基体の形状は基板、多層基板、筒体、多面体、ペレット、粉体など種々の形態がある。また、使用される触媒としては、例えば鉄、コバルト、ニッケル、鉄合金、コバルト合金、ニッケル合金、鉄酸化物、コバルト酸化物、ニッケル酸化物、またはこれらの組み合わせなど各種の公知の触媒を使用することができる。
【００４６】
そして、反応室２内にキャリアガスおよび原料ガスを供給する。図３は、キャリアガスおよび原料ガスを反応室２へ供給する工程を示す図である。キャリアガスは、第１容器４および第２容器５に格納されている。第１容器４内のキャリアガスは、マスフローコントローラからなる第１流量制御器６により基本流量に調節され反応室２に供給される。また、第２容器５内のキャリアガスは、マスフローコントローラからなる第２流量制御器７により所定流量に調節され、電磁式三方バルブ８を介して反応室２に供給される。
【００４７】
キャリアガスとしては、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｎ２、Ｈ２などのガスを使用することができる。キャリアガスは原料ガスを搬送するガスであり、原料ガスが反応により消耗されるのに対して、キャリアガスは全く無反応で消耗しないガスである。
【００４８】
原料ガスは、第３容器９に格納されている。第３容器９内の原料ガスは、マスフローコントローラからなる第３流量制御器１０により所定流量に調節され、電磁式三方バルブ１１を介して反応室に供給される。
【００４９】
原料ガスとしては、炭化水素、硫黄含有有機ガス、リン含有有機ガスなどの有機ガスを使用することができる。原料ガスは、生成するＣＮＴの構造に合わせて適宜選択すればよい。これら有機ガスの中でも余分な物質を生成しない利点から炭化水素が好適に用いられる。
【００５０】
上記炭化水素としては、メタン、エタンなどのアルカン化合物、エチレン、ブタジエンなどのアルケン化合物、アセチレンなどのアルキン化合物、ベンゼン、トルエン、スチレンなどのアリール炭化水素化合物、インデン、ナフタリン、フェナントレンなどの縮合環を有する芳香族炭化水素、シクロプロパン、シクロヘキサンなどのシクロパラフィン化合物、シクロペンテンなどのシクロオレフィン化合物、ステロイドなどの縮合環を有する脂環式炭化水素化合物などを使用することができる。また、以上の炭化水素化合物を２種以上混合した混合炭化水素ガスを使用することも可能である。上記炭化水素化合物の中でも、特に、アセチレン、アリレン、エチレン、ベンゼン、トルエンが好適に用いられる。
【００５１】
上記電磁式三方バルブ８・１１は、自動バルブ制御器の作用により遮断状態と供給状態との２方向に制御される。すなわち、キャリアガスや原料ガスは、遮断状態では補助排気管を介して排気され、供給状態では反応室に供給されるようになっている。電磁式三方バルブ８が供給状態である場合には、電磁式三方バルブ１１が遮断状態となっている。一方、電磁式三方バルブ８が遮断状態である場合には、電磁式三方バルブ１１が供給状態となっている。
【００５２】
また、これら電磁式三方バルブ８・１１は、０．１ｓ以下の応答時間を有している。さらに、第１容器から反応室２に供給されるキャリアガスの流量は、常に基本流量となるように制御されていると共に、第２容器５から反応室２に供給されるキャリアガスの流量および第３容器９から反応室２に供給される原料ガスの流量は、常に同じ流量となるように制御されている。従って、遮断状態と供給状態の切換えは瞬時に行われ、常に一定流量のガスが反応室２へ供給されることとなる。
【００５３】
例えば、第１容器４から供給されるキャリアガスの基本流量をＸ（ｃｍ３／ｓ（ｎｏｒｍａｌ））とし、第２容器５から供給されるキャリアガスの流量、および第３容器９から供給される原料ガスの流量をＹ（ｃｍ３／ｓ（ｎｏｒｍａｌ））とする。
【００５４】
図４に示すように、反応室２には、第１容器４から供給されたキャリアガスが常にＸ（ｃｍ３／ｓ（ｎｏｒｍａｌ））供給されている。また、ブラシ状ＣＮＴを製造しない間は、電磁式三方バルブ８が供給状態になっており、電磁式三方バルブ１１が遮断状態になっている。従って、第２容器５から流量Ｙ（ｃｍ３／ｓ（ｎｏｒｍａｌ））でキャリアガスが供給されている。この場合、反応室２内には、流量Ｘ＋Ｙ（ｃｍ３／ｓ（ｎｏｒｍａｌ））のガスが供給されていることとなる。
【００５５】
一方、ブラシ状ＣＮＴを製造する間は、電磁式三方バルブ８が遮断状態になっており、電磁式三方バルブ１１が供給状態になっている。従って、第３容器９から流量Ｙ（ｃｍ３／ｓ（ｎｏｒｍａｌ））で原料ガスが供給されている。この場合においても、反応室２内には、流量Ｘ＋Ｙ（ｃｍ３／ｓ（ｎｏｒｍａｌ））のガスが供給されていることなる。すなわち、反応室２には常に一定流量のガスが供給されている。
【００５６】
なお、反応室２は、ＣＮＴを最も成長しやすい温度領域に加熱されており、原料ガスは触媒体３の近傍で熱分解する。そして、分解物が触媒体３の表面からＣＮＴとして成長する。
【００５７】
次に、上記装置１を用いてブラシ状ＣＮＴを作製する方法について具体的に説明する。触媒体（基板）３として、表面に４ｎｍの鉄触媒膜が形成されたＳｉ基板用いる。キャリアガスとしてＨｅガスを用い、原料ガスとしてＣ２Ｈ２ガスを用いる。第１容器４のＨｅガスの基本流量を０．９３ｃｍ３／ｓ（ｎｏｒｍａｌ）とし、第２容器５のＨｅガスおよび第３容器９のＣ２Ｈ２ガスの所定流量を３．１１ｃｍ３／ｓ（ｎｏｒｍａｌ）とする。
【００５８】
まず、上記基板３を反応室２の中央へ配置する。そして、反応室２を７００℃まで加熱する。この際、電磁式三方バルブ８が供給状態となっており、反応室２内には４．０４ｃｍ３／ｓ（ｎｏｒｍａｌ）のＨｅガスが供給されている。その後、電磁式三方バルブ８を遮断状態にし、同時に電磁式三方バルブ１１を供給状態とする。これにより、反応室２内には３．１１ｃｍ３／ｓ（ｎｏｒｍａｌ）のＣ２Ｈ２ガスと０．９３ｃｍ３／ｓ（ｎｏｒｍａｌ）のＨｅガスとが供給される。すなわち、この場合のＣ２Ｈ２ガスの濃度は７６．９％である。また、Ｃ２Ｈ２ガスの供給時間は０．８秒とする。Ｃ２Ｈ２ガス供給後、ガスが反応室２を通過する５分後に降温する。これにより、Ｃ２Ｈ２中の炭素原子が基板３上で成長し、ブラシ状ＣＮＴが作製される。
【００５９】
ここで、ブラシ状ＣＮＴを作製する際におけるＣＮＴの成長速度と原料ガスの濃度との関係について図５に基づいて説明する。図５に示すように、原料ガスの濃度を上昇させるほどＣＮＴの成長速度は増加する。これは、原料ガスが基板へ到達した際の、原料ガスの濃度変化がより急峻になっているためであると考えられる。ＣＮＴの成長速度が速いことにより、作製時間を短縮できるとともに、長いＣＮＴを形成することができる。
【００６０】
一方、ＣＮＴの密度は、原料ガスの濃度を２３％から７６．９％まで上昇させると、２×１０１０本／ｃｍ２〜７×１０１１本／ｃｍ２まで変化する。従って、原料ガスの濃度が高いほど高密度のＣＮＴを形成できることがわかる。
【００６１】
これらのことから、ブラシ状ＣＮＴを作製する際の原料ガスの濃度は、数十％以上であることが好ましい。具体的には、２３％以上望ましくは７０％以上であることが好ましい。この場合、ＣＮＴを長く成長させることができると共に高密度に形成することができる。
【００６２】
また、原料ガスの供給時間を長くした場合には、ＣＮＴの成長時間を長くすることができる。このため、原料ガスの供給時間を制御することによって、より長いＣＮＴを形成することが可能となる。ただし、この場合、ＣＮＴの径も太くなる。従って、原料ガスの供給時間は、原料ガスの濃度や、ＣＮＴの長さおよび太さを考慮して適宜設定すればよいが、０．００１秒〜６０秒の範囲内であることが好ましい。
【００６３】
作製したブラシ状ＣＮＴの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を示す写真（画像）を図６（ａ）および図６（ｂ）に示す。図６（ｂ）は、図６（ａ）を拡大した像である。図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、ブラシ状ＣＮＴの各ＣＮＴは、極めて直線性が高く、長さが１７０μｍ程度にまで成長していることがわかる。また、ＣＮＴの密度は、少なくとも１×１０１０本／ｃｍ２以上であると見積もられる。
【００６４】
本実施の形態において、上記ＣＮＴの密度の測定は、ＳＥＭ像およびＴＥＭ像を観察することによって、以下のようにして行われる。
【００６５】
まず、図６（ａ）または図６（ｂ）に示すような、ブラシ状ＣＮＴのＳＥＭ像の中から同一コントラスト部分のＣＮＴに着目する。ここで、同一コントラスト部分とは、ＳＥＭ像中に示されるＣＮＴの濃さがほぼ一定の部分を指す。この部分は、ＣＮＴの密度がほぼ一定であると推測される部分である。
【００６６】
そして、上記同一コントラスト部分のＣＮＴの幅を測定する。これにより、同一コントラスト部分のＣＮＴの直径を見積もることができる。さらに、この部分に存在するＣＮＴの本数を測定する。これにより、同一コントラスト部分におけるＣＮＴの密度を見積もることができる。なお、ＳＥＭ像で観察されるＣＮＴは、複数のＣＮＴがバンドルした（束になった）状態のものである（バンドル状ＣＮＴ）。このため、ＳＥＭ像で見積もられた密度は、単位面積当たりに存在するバンドル状ＣＮＴの本数を示している。
【００６７】
次に、上記直径および密度を見積もった部分のＣＮＴをＴＥＭ像にて観察する。図１６（ａ）および図１６（ｂ）は、上記ＣＮＴのＴＥＭ像を示す写真である。このＴＥＭ像では、上記ＳＥＭ像で観察されたバンドル状ＣＮＴにおける、バンドルしている各ＣＮＴを観察することができる。このため、ＴＥＭ像を観察することにより、上記ＳＥＭ像にて１本として観察されたバンドル状ＣＮＴに、何本のＣＮＴが含まれているかを測定する。
【００６８】
上記ＳＥＭ像の観察において、同一コントラスト部分のＣＮＴの直径と、この部分に存在するバンドル状ＣＮＴの本数とが測定されているため、ＴＥＭ像の観察にてバンドル状ＣＮＴに含まれるＣＮＴの本数を測定することにより、単位面積当たりに存在するＣＮＴの本数を測定することができる。すなわち、ＣＮＴの密度を測定することができる。
【００６９】
また、本発明に係る製造方法を用いることにより、上述した高い結晶性を有するＣＮＴを作成することが可能となると共に、高い結晶性のＣＮＴからなるブラシ状ＣＮＴを作成することができる。
【００７０】
〔炭素系微細構造物の集合体〕
次に、本発明に係る炭素系微細構造物の集合体について説明する。本発明の集合体は、複数のＣＮＴが同一方向に配向しているとともに、該配向方向に沿って集合したものである。ここで、「同一方向に配向する」とは、全ての炭素系微細構造物が、各長手方向が同一の方向となるように集合していることを意味している。なお、炭素系微細構造物は、必ずしも直線的な構造を有しているのではなく、多少湾曲した状態となっていることが多いが、長手方向とはその両端部を結んだ方向であればよく、炭素系微細構造物の実質的な方向を意味する。
【００７１】
また、本発明の集合体は、複数のＣＮＴが互いに絡み合って束状になっている。従って、本発明の集合体は、同一方向に配向した複数のＣＮＴが束状になって長手方向に伸びた構成を有している。以下では、説明の便宜上、この構成を有する集合体を「ＣＮＴロープ」と称する。
【００７２】
さらに、本発明の集合体は、上記配向方向に対して直角方向にも集合した集合体も含む。配向方向に対して直角方向とは、いわゆるＣＮＴロープの長手方向に対して直角方向（短手方向）である。従って、この場合、長手方向に配向したＣＮＴロープがさらに短手方向に集合した構成を有しており、平面的な広がりを有する集合体となる。この構成は、ＣＮＴロープがさらに辺方向にも集合した構成とも表現できる。以下では、説明の便宜上、この構成を有する集合体を「ＣＮＴシート」と称する。
【００７３】
図１（ａ）・図１（ｂ）および図７（ａ）・図７（ｂ）に本発明のＣＮＴロープを示す。図１（ａ）・図１（ｂ）は約２０ｃｍ程度の長さのＣＮＴロープであり、図７（ａ）・図７（ｂ）は約３０ｃｍ程度の長さのＣＮＴロープである。これらの図に示すように、本発明のＣＮＴロープは、肉眼でも十分確認できる糸状の物質である。
【００７４】
このＣＮＴロープの詳細な構成について説明する。図８は、図１（ａ）・図１（ｂ）に示すＣＮＴロープのＳＥＭ像である。図８の（ｂ）および（ｃ）は、図８の（ａ）に示すＣＮＴロープの一部分を拡大したＳＥＭ像であり、図８の（ｄ）は、図８の（ｃ）に示すＣＮＴロープの一部分を拡大したＳＥＭ像である。
【００７５】
図８に示すように、ＣＮＴロープは、複数のＣＮＴが束になっている。すなわち、個々のＣＮＴがバンドルする（束になる）ことによって構成されている。このＣＮＴロープの平均直径は約５０μｍ程度である。また、ＣＮＴロープを構成する１本の繊維状の構造物の直径は約５０ｎｍである。これに対して、これまで透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察されたブラシ状ＣＮＴにおける各ＣＮＴの直径は、１０ｎｍ〜２０ｎｍ程度である。従って、ＣＮＴロープは、個々のＣＮＴがバンドルすることによって形成されていることがわかる。
【００７６】
また、ブラシ状ＣＮＴにおける個々のＣＮＴの平均長さは、数十μｍ程度であるのに対して、本発明のＣＮＴロープは２０ｃｍまたは３０ｃｍの長さとすることができ、ブラシ状ＣＮＴにおけるＣＮＴの密度を制御することにより５０ｃｍ以上の長さのＣＮＴロープとすることもできる。これは、個々のＣＮＴが同一方向に配向しながら長手方向に連続的にバンドルしているからである。すなわち、本発明のＣＮＴロープは、個々のＣＮＴがバンドルしているとともに、同一方向に配向した構成を有している。
【００７７】
バンドルしているＣＮＴは、互いにファンデルワールス力により結合している部分もある。これにより、ＣＮＴは強い相互作用によって結合する。このため、ＣＮＴロープは高い強度を有することとなる。さらにバンドルしているＣＮＴを物理的または化学的に結合させれば、より一層高い強度を有するＣＮＴロープとすることができる。
【００７８】
また、ＣＮＴシートは、上記ＣＮＴロープが平面的に集合したものであり、いわゆるＣＮＴロープがシート状になったものである。従って、ＣＮＴシートは、個々のＣＮＴのバンドルによって構成されている。ただし、ＣＮＴシートは、個々のＣＮＴが同一方向に配向しながら長手方向に連続的にバンドルすることに加えて、短手方向にもバンドルしている。図９にＣＮＴシートを示す。図９に示すＣＮＴシートは、幅が４ｍｍとなっており、シート状に形成されていることがわかる。
【００７９】
本発明のＣＮＴロープは、結晶性の高いＣＮＴを含むブラシ状ＣＮＴを用いて作製されるため、結晶性の高いＣＮＴロープとなる。すなわち、直線性の高いＣＮＴロープとすることができる。さらに、上記ブラシ状ＣＮＴは、ＣＮＴが高密度に形成されているため、長いＣＮＴロープを作製することができると共に、強度の高いＣＮＴロープを作製することが可能になる。
【００８０】
ここで、本発明のＣＮＴロープの強度について説明する。図１７（ａ）および図１７（ｂ）は、本発明のＣＮＴロープの強度を測定している状態を示す写真（画像）であり、図１７（ｃ）および図１７（ｄ）は、従来のＣＮＴロープの強度を測定している状態を示す写真（画像）である。なお、図１７（ａ）・図１７（ｂ）および図１７（ｃ）・図１７（ｄ）ともに、ＣＮＴロープの強度（機械的特性）を共振法で測定した状態を示している。
【００８１】
図１７（ａ）は静止した状態の本発明のＣＮＴロープを示し、図１７（ｂ）はこのＣＮＴロープを共振させた状態を示している。一方、図１７（ｃ）は静止した状態の従来のＣＮＴロープを示し、図１７（ｄ）はこのＣＮＴロープを共振させた状態を示している。図１７（ｂ）および図１７（ｄ）に示すように、本発明のＣＮＴロープは、従来のＣＮＴロープと比較して共振する幅が小さく強度が高いことがわかる。また、共振法を用いた場合のヤング率は以下の式（１）で表される。
【００８２】
Ｙ＝（６４π２ρ／１．８７５４）×（ｆ０２Ｌ４／ｄ０２）……（１）
ただし、ｆ０：共振周波数、ρ：密度、Ｌ：長さ、ｄ０：外直径（ただし、＞＞内直径の二乗値）である。
【００８３】
上記式（１）を用いてヤング率を算出すると、従来のＣＮＴロープでは、Ｙ＝０．１（ＴＰａ）であるのに対して、本発明のＣＮＴロープでは、Ｙ＝０．８（ＴＰａ）である。すなわち、従来のＣＮＴロープ（欠陥が多く、屈曲の大きいＣＮＴロープ）は、ヤング率が小さく強度が小さいことが機械的特性の検査からもわかる。
【００８４】
〔炭素系微細構造物の集合体の製造方法〕
次に、本発明のＣＮＴロープの製造方法について説明する。ＣＮＴロープは、ブラシ状ＣＮＴから作製することができる。
【００８５】
ブラシ状ＣＮＴは、上述のようにして基板上に作製される。ＣＮＴロープを製造する際には、まずこの基板を劈開する。これにより、劈開された部分の基板に形成されたＣＮＴが露出する。そして、この露出したＣＮＴの少なくとも１本をピンセット等で摘み、引っ張る。これにより、隣接するＣＮＴが連続的に絡み合いながら引き出される。引っ張る方向は、ＣＮＴを基板から引き抜く方向であればよい。
【００８６】
隣接する１本または数本のＣＮＴはファンデルワールス力により結合している。このうちの少なくとも１本を引っ張ることにより、隣接するＣＮＴがバンドルしながら引っ張られ、これが連続的に起こる。そして、引っ張り続けることにより、複数のＣＮＴが束になったＣＮＴロープとなる。
【００８７】
このように、同一方向に成長したブラシ状ＣＮＴを引っ張り、連続的にＣＮＴを引き抜くだけで、各ＣＮＴが同一方向に配向したＣＮＴロープを得ることができる。このため、ＣＮＴの配向制御が容易である。
【００８８】
ＣＮＴロープの製造に伴って、ブラシ状ＣＮＴは、セーターの毛糸を解くように基板の端から順に剥がれていく。図１０（ａ）に、ＣＮＴロープを製造した後のブラシ状ＣＮＴのＳＥＭ像を示す。図１０（ａ）に示すように、ＣＮＴが解けて下面のＳｉ基板が剥き出しになっている。
【００８９】
また、基板表面に近いブラシ状ＣＮＴは、図１０（ｂ）に示すように、ＣＮＴが基板に対して水平方向に配向し、シート状になっている。ＣＮＴロープを製造する際には、これらがバンドルして１本のロープ状になる。この場合のＣＮＴロープのＳＥＭ像を図１０（ｃ）・図１０（ｄ）に示す。
【００９０】
なお、ＣＮＴシートを製造する場合には、ブラシ状ＣＮＴからＣＮＴを引っ張る際に、引っ張るＣＮＴの本数を多くすればよい。上述したように、ブラシ状ＣＮＴの基板表面に近い部分では、ＣＮＴがシート状になっている。このシート状のＣＮＴを、シート状のまま引っ張ることでＣＮＴシートを製造することができる。従って、引っ張る際に摘むＣＮＴの本数を変えることによって、シートの大きさを適宜変えることができる。
【００９１】
また、ＣＮＴシートは、基板を劈開した際に、劈開により分裂した基板同士を引っ張ることにより製造することもできる。この場合、基板同士の引っ張りにより各基板に形成されたＣＮＴが引き合う。これにより、ＣＮＴが連続的に解けていき、ＣＮＴが一方向に並んだＣＮＴシートを製造することができる。
【００９２】
なお、ブラシ状ＣＮＴにおけるＣＮＴの密度に応じてＣＮＴロープやＣＮＴシートのバンドルの状態を変えることができる。従って、ＣＮＴロープやＣＮＴシートの用途等に応じてブラシ状ＣＮＴの密度を制御すれば、所望のバンドル状態となったＣＮＴロープやＣＮＴシートを得ることができる。
【００９３】
本発明では、ＣＮＴが高密度に形成されたブラシ状ＣＮＴを用いているため、ＣＮＴロープやＣＮＴシートの長さを長くすることができる。ここで、ブラシ状ＣＮＴのＣＮＴ密度とＣＮＴロープの長さとの関係について説明する。図１８は、ブラシ状ＣＮＴのＣＮＴ密度と、ブラシ状ＣＮＴから引き出すことができるＣＮＴロープの長さとの関係を示すグラフである。
【００９４】
図１８に示すように、ブラシ状ＣＮＴのＣＮＴ密度が１×１０９本／ｃｍ２程度になると、ＣＮＴを引き出すことができるようになる。すなわち、ＣＮＴロープを作製することができるようになる。ＣＮＴ密度が高くなるにつれて作製できるＣＮＴロープの長さも長くなる。ＣＮＴ密度が１×１０１０本／ｃｍ２を超える程度の密度になると、１０ｃｍ〜４０ｃｍ程度の長さのＣＮＴロープを作製することができるようになる。
【００９５】
ただし、本発明では上記製造方法を用いることにより、１×１０１１本／ｃｍ２以上のＣＮＴ密度を有するブラシ状ＣＮＴを作製することが可能であり、図１８に示すように、ＣＮＴ密度が１×１０１１本／ｃｍ２以上になると、５０ｃｍ以上の長さのＣＮＴロープを作製することができるようになる。
【００９６】
すなわち、本発明の製造方法を用いることにより、高密度かつ高結晶性のブラシ状ＣＮＴを作製することが可能になり、高密度かつ高結晶性のブラシ状ＣＮＴを用いることにより、長くて強いＣＮＴロープを作製することが可能になる。
【００９７】
また、ＣＮＴロープやＣＮＴシートを製造する際には、複数のＣＮＴを種々の方法にてより強固に結合させてもよい。種々の方法とは、例えば、複数のＣＮＴを物理的または化学的に結合させる方法を挙げることができる。上述のように、隣接するＣＮＴはファンデルワールス力により結合しているものの、より強固に結合させることによって、より一層強度の高いＣＮＴロープやＣＮＴシートを得ることができる。
【００９８】
複数のＣＮＴを物理的または化学的に結合させる方法としては、例えば、撚糸処理や、高温アニール処理、化学処理等を挙げることができる。撚糸処理とは、ＣＮＴを強く撚りあげる処理方法のことである。また、高温アニール処理とは、ＣＮＴを各種ガス中にて高温で加熱する処理方法のことである。化学処理とは、ＣＮＴ間をフラーレンや官能基の導入により物理的結合や化学的結合をさせる処理方法のことである。
【００９９】
〔炭素系微細構造物の集合体の利用〕
本発明に係る炭素系微細構造物の集合体は、上記の構成や物性を有するため種々の用途に用いることができる。例えば、集合体を積層マトリクス状構造体物質、金属担持体、表面修飾物質、撚糸状構造物、布状構造物、コイル状構造物として用いることや、集合体を補強材、電線、導線、センサ、透明導電体、刃物、モータ、透明電磁波吸収材、建材、振動板、摺動材、人工筋肉、衣服、釣り糸、光吸収材、反射板、不織布、人工誘電体用媒体、インク、塗料、耐熱材、または耐磨耗材として用いることができる。以下、具体的に説明する。
【０１００】
（積層マトリクス状構造体物質）
本発明のＣＮＴロープやＣＮＴシートは方向性（異方性）を有している。このため、本発明のＣＮＴロープやＣＮＴシートに樹脂等を含浸または混合させることによって、配向したマトリクスを有するシート状成形品（プリプレグ）を製造することができる。
【０１０１】
プリプレグは、以下の方法により製造することができる。まず、図１３（ａ）に示すように、ＣＮＴロープやＣＮＴシートをフィルム状またはシート状にする。そして、図１３（ｂ）に示すように、これに液状の樹脂や、溶媒に溶解した樹脂を含浸させ、硬化あるいは溶媒を蒸発させる。これにより、プリプレグが得られる。また、ＣＮＴロープやＣＮＴシートに樹脂を含浸させた場合には、成形品として樹脂シートを得ることができる。
【０１０２】
プリプレグは、カーボンファイバーやグラスファイバーからなる強化樹脂シートへ応用することができる。例えば、軽量かつ高性能が要求される航空宇宙用途や、自動車材料用途、小型船舶用途、スポーツ用途等に用いることができる。
【０１０３】
また、図１３（ｃ）に示すように、得られたプリプレグを積層させることにより、積層体としての積層マトリクス状構造体物質を得ることができる。プリプレグの積層は、各シートにおけるＣＮＴの配向方向が、任意の角度で適宜変更して行うことができる。この配向方向を適宜変更して積層することにより、高強度の積層体や、異方導電性の積層体、高熱伝導性の積層体等種々の用途に応じた積層体を製造することが可能となる。
【０１０４】
ＣＮＴロープやＣＮＴシートを用いた積層体は、従来のガラスファイバーやカーボンファイバーを用いたプリプレグと比較して、著しく薄くすることが可能である。このため、極薄フィルムの強度、電気伝導、熱伝導等の機能が付与できることで、単に高強度材料用途だけではなく、電子デバイス（例えば、ＩＣやＣＰＵ等）の積層基板の一部に応用されることが期待できる。近年の電子デバイスは、高集積化と大容量化とが進んでいるため放熱の課題を抱えているが、上記積層体を用いて高熱伝導性を活かした異方性高熱伝導フィルムとすれば、積層基板の放熱性の改善が期待できる。
【０１０５】
（金属担持体）
また、集合体に金属を担持させることにより、表面積の大きい金属担持体とすることができる。ＣＮＴロープやＣＮＴシートは、非常に多数でかつ極細のＣＮＴが同方向に配向して束状になったものである。このため、比表面積（ｍ２／ｇ）が大きく、多量の金属を担持させることができる。これにより、高性能、高効率、高活性な材料を創製することができる。また、ＣＮＴロープのチューブ形状（径や長さ）が均一であるため、担持金属の分散性がよいという利点もある。
【０１０６】
例えば、ＣＮＴロープにＰｔ、Ｐｄ、Ｎｉ等の金属触媒（微粒子形状）を担持させることにより、高性能・高効率・高活性な触媒材料や、ガスフィルタ等のガス反応材料として利用できる。ガスフィルタとして用いた場合には、圧力損失（ガス抵抗）を小さくすることができる。また、例えば、ＣＮＴロープにＰｔ等の微粒子金属を担持させることにより、ダイレクトメタノール型の燃料電池の電極材料として利用できる。この場合、エネルギー密度の高い燃料電池とすることができる。
【０１０７】
ここで、ＣＮＴロープにＰｔを担持させる方法の一例について説明する。白金酸水溶液（Ｈ２ＰｔＣｌ６）にＨ２Ｏ２、ＮａＨＳＯ３を加えてＰｔコロイドを作成する。作成したＰｔコロイド中にＣＮＴロープを１本づつ浸漬させた後に、温度３００℃、時間５〜７時間加熱してＣ１を取り除く。これにより、ＣＮＴロープのＰｔ担持物が得られる。
【０１０８】
ＣＮＴロープやＣＮＴシートの金属担持体は、ガスフィルタの他にも、分子フィルタ、液体フィルタ、遮音用フィルタ、偏光フィルタ等に利用することもできる。また、ガス吸着剤等の種々の吸着剤にも利用することができる。
【０１０９】
さらに、ＣＮＴロープやＣＮＴシートの金属担持体は、電極としても利用できる。この電極は、燃料電池、二次電池、スーパキャパシタ等に用いることができる。表面積の大きいＣＮＴロープ各１本に金属を担持させることで、金属担持量の制御ができる。また、電極材料を作成するに当たって、ＣＮＴロープの間隔を制御することで、電極材料中の金属密度の向上や密度の均一化が可能となる。さらに、ＣＮＴロープの組み合わせを変更し、ロープの直径を制御することにより、電極材料の設計制御ができるため、担持させる金属量の削減が可能となる。これは、エネルギー密度の高いキャパシタ設計を可能にする。
【０１１０】
なお、電極は、例えば、金属を担持したＣＮＴロープをＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）膜上に整列させることにより得ることができる。
【０１１１】
（表面修飾物質）
また、集合体の表面に修飾を施すことにより、表面修飾を施した糸状物質やシート状物質とすることできる。表面修飾とは、ＣＮＴロープやＣＮＴシートの表面に有機官能基を結合させたり、何らかの機能性薄膜を付着（塗布）させることである。これにより、ＣＮＴロープやＣＮＴシートに対して、ＣＮＴロープやＣＮＴシートのみでは発揮できない何らかの機能を持たせることができる。
【０１１２】
具体的には、ＣＮＴロープやＣＮＴシート間に官能基、フラーレン、ＣＮＴ等を介し、これらを化学的に結合させることにより、強度、電気伝導、熱伝導等の機能をより高めた糸状物質やシート状物質を製造することが可能になる。
【０１１３】
官能基としては、例えば、ニトロ基（−ＮＯ２）、スルホン基（−ＳＯ３Ｈ）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、カルボニル基（＞Ｃ＝Ｏ）、エーテル基（Ｃ−Ｏ−Ｃ）、フェノール性水酸基（−ＯＨ）等を挙げることができる。これらいずれかの官能基を導入したＣＮＴロープやＣＮＴシートを適宜組み合わせることにより、イオン交換膜等に利用することが可能となる。
【０１１４】
また、例えば、フラーレンはプラズマ、光、電子線、Ｘ線、熱により重合することが知られている。本発明のＣＮＴロープやＣＮＴシートのＣＮＴ間にフラーレンを介在させ、上記手法により重合させることで、ＣＮＴロープやＣＮＴシートの機能を向上させることができる。
【０１１５】
また、これら糸状物質やシート状物質を含む（または撚り合わせた）ひも状、あるいはシート状構造体を製造することもできる。特に、化学結合を用いて糸状物質を撚り合わせれば、太くすることができるとともに強度を向上させることができる。
【０１１６】
（撚糸状構造物・布状構造物・コイル状構造物）
本発明のＣＮＴロープやＣＮＴシートの複数を互いに撚り合せることにより撚糸状構造物を作製することができる。撚糸状構造物は、複数のＣＮＴロープやＣＮＴシートを回転させながら互いに撚り合せることにより作製できる。これにより、高強度かつ軽量の撚糸状構造物となる。また、上述のように、表面修飾されたＣＮＴロープやＣＮＴシートを用いることにより、さらに高強度の撚糸状構造物とすることができる。撚糸状構造物としては、例えば、ひもやロープ等を挙げることができる。
【０１１７】
また、撚糸状構造物をさらに撚ることにより布状構造物を作製することもできる。また、布状構造物は、本発明のＣＮＴロープやＣＮＴシートに、液状の樹脂や溶媒に溶解した樹脂を浸させ、これを撚ることによっても作製できる。このように、布状構造物は、ＣＮＴロープやＣＮＴシートからなるひもやロープ、または、樹脂を含浸したＣＮＴロープやＣＮＴシートを編み上げることにより作製される布状または皮状の構造物のことである。
【０１１８】
また、ＣＮＴロープまたはＣＮＴシートを巻き取ることにより、コイル状構造物を作製することができる。コイル状構造物は、図１４に示すように、ＣＮＴロープまたはＣＮＴシートを、例えばボビン（登録商標）に巻きつけることにより作製できる。
【０１１９】
（補強材）
本発明のＣＮＴロープやＣＮＴシートは、例えば、シート状やロープ状の補強材、カーボン、ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）、ＦＲＭ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｍｅｔａｌｓ）、ＦＲＣ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃｓ）、Ｃ／Ｃ（Ｃａｒｂｏｎ／Ｃａｒｂｏｎ）コンポジット、光ファイバ、タイヤ等の補強材として利用できる。また、セラミックや金属の補強材および複合材等へも利用できる。
【０１２０】
（電線・導線）
現在、一般に使用されている電線は、銅の糸状線を撚り、太い銅線としたものを用いて作成されている。今まで、長いＣＮＴや、ＣＮＴ自身を撚った長いＣＮＴを作成することが困難であったが、本発明のＣＮＴロープを撚ることで、ＣＮＴロープの長さと太さを制御することが可能となる。このため、本発明のＣＮＴロープやＣＮＴシートは、電線や導線としても利用することができる。
【０１２１】
ＣＮＴの抵抗は、銅の抵抗よりも低い。このため、ＣＮＴロープやＣＮＴシートは、高耐電流用の電線や導線として好ましく用いられる。また、ＣＮＴロープやＣＮＴシートは、銅と比べて電流密度（単位面積当たりの電流密度）が高い。なかでも多層構造のＣＮＴは、銅の１０００倍以上の最大電流密度を有するので、本発明のＣＮＴロープをＬＳＩ中の配線へ応用することもできる。さらに、ＣＮＴロープで構成された長い導線を作成することにより、高トルク・高出力小型モータなど、細い導線で大きな電流が必要な場合に有用である。また、ＣＮＴロープは従来の金属線よりも軽量であるため、従来のモータにおける銅線をＣＮＴロープに置き換えることにより、軽量化が可能である。
【０１２２】
ＣＮＴを電子デバイスの配線として使用する場合、サイズが小さく取り扱いが困難であるものの、本発明のように、ＣＮＴを一方向に束ねた集合体とすれば、配線としての使用が容易になるとともに、例えば、ボビンに巻きつけた状態で供給することも可能になる。
【０１２３】
また、現在用いられている細線は、一般に１０μのＬ／Ｓが限界であると考えられている。しかしながら、方向性を持つＣＮＴロープやＣＮＴシートを使用することで、制御範囲が向上しナノオーダーの細線を生成することが可能になる。
【０１２４】
（センサ）
本発明のＣＮＴロープやＣＮＴシートは、センサとして用いることができる。センサとしては、流量センサ、圧力センサ、ガスセンサ等を挙げることができる。流量センサは、センサ部の熱量を気体が奪うことで流量を検出している。センサ部にＣＮＴロープやＣＮＴシートを使うことにより、流量センサを小型化することが可能となる。これにより、消費電力を低下できるとともに、微小流量を検出する流量センサも作製できる。
【０１２５】
また、圧力センサとして用いられるピラニー真空計は、金属線に気体分子が入射し、分子が運び去る熱エネルギーによるフィラメントの温度変化を抵抗変化として検出している。金属線の代わりにＣＮＴロープやＣＮＴシートを使用することで、小型軽量化が可能となる。また、消費電力も低下できる。ＣＮＴロープやＣＮＴシートを用いれば、フィラメントの直径を小さくすることができるため、計測圧力領域を広げることができる。このため、広帯域の真空計が作製できる。
【０１２６】
ガスセンサのセンサ部に単層のＣＮＴからなるものを使用するのが理想的であるものの、層数の少ないＣＮＴからなるＣＮＴロープやＣＮＴシートをセンサ部に利用できる。ＣＮＴは、その側面がπ電子で覆われているため、極性のガス分子がＣＮＴに吸着すると、π電子を引きつける。これにより、ＣＮＴロープやＣＮＴシートの電気抵抗が変化する。この電気抵抗変化は、ガス分子の極性が異なると異なった電抵抗値を示すことから分子種を検出することができる。また、ＣＮＴの表面に特定の化学分子を修飾すれば、検出する分子種を選択できる可能性があり、今後、プローブ（検出器）としての利用が期待できる。
【０１２７】
（透明導電体）
本発明のＣＮＴロープやＣＮＴシートは、従来のＣＮＴに比べて高い配向性と高い分散性を有しているため、透明な材料として用いることができる。例えば、ＣＮＴの密度を制御したＣＮＴロープやＣＮＴシートを、構造体内に保持することにより透明導電体を作製することができる。ＣＮＴの密度により構造体の透過率を制御できるとともに、導電率も制御可能となる。また、ＣＮＴロープやＣＮＴシートの保持方向を変えて積層することによりデバイス作製も可能となる。なお、構造体としては、ゴム状のものや樹脂状のもの等どの様な材料でも使用可能である。
【０１２８】
（刃物）
本発明のＣＮＴロープやＣＮＴシートは、その高い強度とナノオーダーの鋭さとを利用した刃物として用いることもできる。
【０１２９】
（小型モータ・小型電磁石）
上記のように、本発明のＣＮＴロープやＣＮＴシートを用いれば導線を作製することができる。この導線を用いてコイルを作製すれば、モータや電磁石を作製することができる。モータや電磁石における磁界の強さ（モータのトルクの強さに関係）は、コイルの巻き数とコイル中の電流とに比例する。このため、銅線を用いて磁界の強い電磁石を作製すると、銅線の太さおよび重さのために電磁石は大きくまた重くなってしまう。これに対して、細く大電流を流すことができ、軽量なＣＮＴロープやＣＮＴシートを用いれば、モータや電磁石を飛躍的に小型化かつ軽量化することができる。
【０１３０】
（フィルム・透明電磁波吸収材・建材・振動板・摺動材・人工筋肉・衣服）
本発明のＣＮＴロープやＣＮＴシートを薄く加工することによりフィルムを作製することができる。このフィルムは、透明な電磁波吸収材として使用できる。また、本発明のＣＮＴロープやＣＮＴシートは、高い強度を有するとともに、鉄よりも１０倍程度比重が小さい。このため、建材として好ましく用いることができる。強度をさらに高めたものとすれば、スペースエレベータ等の材料になる。
【０１３１】
また、本発明のＣＮＴロープやＣＮＴシートは、振動板として用いることができる。例えば、ＣＮＴ自身を振動させることによりスピーカ等に利用できる。また、高い配向性と、高束性を有するため、摺動材として、新幹線（登録商標）のパンタグラフ（登録商標）等に使用することもできる。
【０１３２】
また、ＣＮＴの粉末を両面テープに付けて、両面を電極に取り付け、この状態で食塩水中に入れて、電圧を印加すると両面テープが曲がる。この性質を利用して、２本のＣＮＴロープ、その間に例えば樹脂などで絶縁層を設けて接合すれば、ナノオーダーの径を有する人工筋肉として用いることができる。また、上記性質を利用すれば、圧電素子としても利用できる。
【０１３３】
さらに、ＣＮＴロープやＣＮＴシートは、衣服の材料として利用することもできる。材料として衣服に用いた場合には、例えば、電磁波防止や静電気防止用の効果が得られる。
【０１３４】
（釣り糸・光吸収材・反射板・不織布・人工誘電体用媒体・インク・塗料・耐熱材・耐磨耗材）
本発明のＣＮＴロープやＣＮＴシートは、上記用途の他にも、釣り糸、光吸収材、反射板、不織布、人工誘電体用媒体、インク、塗料、耐熱材、または耐磨耗材に用いることができる。ＣＮＴロープやＣＮＴシートは、高い配向性と高い分散性を有しているため、偏光材料として利用できる。このため、上記偏光フィルタの他にも光吸収材等に用いることができる。
【０１３５】
また、不織布に用いた場合には、従来の布に比べて薄くできる。インクに用いた場合には、導電性を有するインクとすることができる。塗料に用いた場合には、塗料自体が高い強度を有するという効果を得ることができる。
【０１３６】
なお、上記のように、本発明に係る炭素系微細構造物の集合体は、炭素系微細構造物が複数集合した炭素系微細構造物の集合体であって、上記複数の炭素系微細構造物は、同一方向に配向しているとともに、該配向方向に沿って集合している構成である。
【０１３７】
上記炭素系微細構造物の集合体においては、上記複数の炭素系微細構造物は、配向方向に対して直角方向にも集合していることが好ましい。炭素系微細構造物を配向方向に対して直角方向にもさらに集合させているため、平面的にも広がりを有する集合体とすることができる。この場合、取り扱い性や加工性はさらに向上する。
【０１３８】
上記炭素系微細構造物の集合体においては、上記複数の炭素系微細構造物は、ファンデルワールス力により結合していることが好ましい。また、上記複数の炭素系微細構造物は、物理的または化学的に結合していることが好ましい。これにより、炭素系微細構造物を容易に集合させることができるとともに、得られた集合体はさらに高い強度を有する。
【０１３９】
また、上記炭素系微細構造物は、上記配向方向の長さ１μｍ当たりに存在する屈曲部が１０個以下であることが好ましい。これにより、炭素系微細構造物の結晶性を高くすることができるので、集合体を長くすることができると共に、集合体の強度を高くすることができる。なお、屈曲部とは、炭素系微細構造物の配向方向に対して屈曲している部分である。例えば、不規則な結晶構造（いわゆる欠陥）である部分が屈曲する部分となる。
【０１４０】
また、上記炭素系微細構造物は、カーボンナノチューブであることが好ましい。さらに、上記炭素系微細構造物の集合体においては、金属を担持していることが好ましく、表面修飾が施されていることが好ましい。これにより、炭素系微細構造物の集合体に種々の機能を付与することが可能となり、様々な用途に用いることができる。
【０１４１】
例えば、上記炭素系微細構造物の集合体は、補強材、フィルタ、吸着剤、電極、電線、導線、センサ、透明導電体、刃物、モータ、建材、振動板、摺動材、人工筋肉、衣服、釣り糸、光吸収材、反射板、不織布、人工誘電体用媒体、インク、塗料、耐熱材、または耐磨耗材として用いることができる。
【０１４２】
また、上記炭素系微細構造物の集合体の他の用途としては、炭素系微細構造物の集合体を複数撚ってなる撚糸状構造物や、樹脂を含浸した炭素系微細構造物の集合体を複数撚ってなる布状構造物、炭素系微細構造物の集合体を巻き取ってなるコイル状構造物を挙げることができる。
【０１４３】
また、上記炭素系微細構造物の集合体のさらに他の用途としては、炭素系微細構造物の集合体を含んでなる樹脂シートを挙げることができる。この樹脂シートを少なくとも１層以上含み積層することで積層体が得られる。この樹脂シートや積層体は、高熱伝導シートとして用いることができる。また、上記集合体の用途として、炭素系微細構造物の集合体からなるフィルムを挙げることができる。このフィルムは、透明電磁波吸収材として用いることができる。
【０１４４】
また、上記のように、本発明の炭素系微細構造物群は、基板上に、該基板に対して略垂直方向に配向するように複数の炭素系微細構造物が設けられた炭素系微細構造物群であって、上記基板１ｃｍ２当たりに存在する炭素系微細構造物が１×１０１１本以上である構成を有している。
【０１４５】
さらに、上記炭素系微細構造物は、上記配向方向の長さ１μｍ当たりに存在する屈曲部が１０個以下であることが好ましい。これにより、炭素系微細構造物群を構成する各炭素系微細構造物の結晶性を高くすることができる。
【０１４６】
なお、上記炭素系微細構造物の集合体を製造するために、本発明に係る炭素系微細構造物の集合体の製造方法は、基板上に、基板に対して垂直方向に配向した複数の炭素系微細構造物を形成する形成工程と、上記炭素系微細構造物の少なくとも１つを引っ張る引張工程とを有する構成である。
【０１４７】
また、上記の製造方法においては、上記引張工程の前に、基板を劈開する劈開工程を有することが好ましい。これにより、容易に集合体を製造することが可能となる。また、上記形成工程は、基板に対して、炭素系微細構造物を形成するための原料気体と、該原料気体を搬送するための搬送気体とを供給することによって行われ、全気体の濃度に対する原料気体の濃度の割合が２３％以上であることが好ましい。これにより、基板上に形成する炭素系微細構造物の密度を高くすることができる。その結果、高束性をより高めることができるとともに、高強度の集合体とすることができる。
【０１４８】
さらに、上記の製造方法においては、上記複数の炭素系微細構造物を物理的または化学的に結合させる結合工程を有することが好ましい。これにより、複数の炭素系微細構造物が強固に結合するため、集合体の強度をより一層高めることができる。
【０１４９】
尚、発明を実施するための最良の形態の項においてなした具体的な実施態様または実施例は、あくまでも、本発明の技術内容を明らかにするものであって、そのような具体例にのみ限定して狭義に解釈されるべきものではなく、本発明の精神と次に記載する特許請求の範囲内で、いろいろと変更して実施することができるものである。すなわち、特許請求の範囲内で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１５０】
以上のように、本発明に係る炭素系微細構造物の集合体は、高強度、高電流密度等種々の特性を有しているとともに、目に見えるため取り扱い性や加工性が高いものである。それゆえ、本発明に係る炭素系微細構造物の集合体は、小型化、軽量化された電子機器やその配線、あるいは各種材料等として特に好適に用いることができる。従って、本発明は、単に、炭素系微細構造物の集合体を製造する産業分野のみならず、化学産業、素材加工産業、樹脂産業、電子・電気機器やその部品を製造する産業分野等の各種産業分野において好適に用いることができる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素系微細構造物群、炭素系微細構造物の集合体、その利用およびその製造方法に関するものである。より詳しくは、例えば、カーボンナノチューブ等の炭素系微細構造物が群をなす炭素系微細構造物群と、炭素系微細構造物がファンデルワールス力等による強い相互作用で互いに結合した集合体と、それを用いた種々の用途と、製造する方法とに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭素系微細構造物の１つであるカーボンナノチューブ（以下、ＣＮＴと称する）は、直径が約０．５ｎｍから１０ｎｍ程度、長さが約１μｍ程度のパイプ状のカーボン素材であり、１９９１年にＮＥＣの飯島氏によって発見された新しい炭素材料である。また、ＣＮＴには、１層構造のシングルウォールナノチューブ、多層構造のマルチウォールチューブの存在が確認されている。
【０００３】
しかしながら、ＣＮＴは微細な構造を有するため、その取り扱い性や加工性が悪い。このため、肉眼で確認しながら取り扱うことが可能な大きさのＣＮＴを製造することが試みられている（例えば、非特許文献１・２参照）。
【０００４】
非特許文献１および２には、長さが従来の１μｍ程度よりも長いＣＮＴが報告されている。非特許文献１で得られたＣＮＴの長さは、１０ｃｍ〜２０ｃｍ程度であり、非特許文献２で得られたＣＮＴの長さは、２５ｃｍ〜３０ｃｍ程度となっている。このため、いずれのＣＮＴも肉眼で確認できている。
【０００５】
また、ＣＮＴは、組成の違いにより、金属の性質を示すものや、半導体の性質を示すもの等が存在するため、応用製品の開発や製造方法の開発などが盛んに行われている。また、その水素吸蔵素材としての性能も注目されており、燃料電池への応用も検討されている。
【０００６】
ＣＮＴを素材として利用した例として、ＣＮＴを用いた織布やシートが開示されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、ＣＮＴを繊維あるいは糸の一部またはそのものとして、その一部あるいは全部に用いた織布やシートが記載されている。
【０００７】
【特許文献１】特開平７−１３８８３８号公報（平成７年（１９９５）５月３０日公開）
【非特許文献１】Ｈ．Ｗ．Ｚｈｕ、外５名、「Ｄｉｒｅｃｔ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ Ｌｏｎｇ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｗａｌｌｅｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ Ｓｔｒａｎｄｓ」、Ｓｃｉｅｎｃｅ、２００２年５月３日、Ｖｏｌ ２９６、ｐ．８８４−８８６
【非特許文献２】Ｋａｉｌｉ Ｊｉａｎｇ、外２名、「Ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｙａｒｎｓ」、Ｎａｔｕｒｅ、２００２年１０月２４日、Ｖｏｌ ４１９、ｐ．８０１
【０００８】
しかしながら、上記非特許文献１に記載のＣＮＴは、１０ｃｍ〜２０ｃｍ程度の長さを有するものの、連続的な形成が困難である。
【０００９】
また、上記非特許文献２に記載のＣＮＴは、いわゆるブラシ状に形成したＣＮＴを用いて製造している。具体的には、まず、基板上に、基板に対して垂直方向に配向するＣＮＴを複数形成させる。そして、これら複数のＣＮＴからなる束を基板から剥離させ、引っ張ることによって製造している。
【００１０】
このように、長いＣＮＴの集合体は、ブラシ状のＣＮＴを引っ張ることによって隣接するＣＮＴが絡み合った状態となっている。従って、ブラシ状のＣＮＴは、基板上に形成するＣＮＴの長さがある程度長いものであるとともに、ＣＮＴが高密度で形成されている必要がある。
【００１１】
ところが、従来のブラシ状ＣＮＴを製造する方法では、基板上にＣＮＴを成長させる速度が遅く、長いＣＮＴを配向させたブラシ状ＣＮＴを得ることができていない。また、ＣＮＴの成長速度が遅いため、生産性という観点からも不利である。
【００１２】
さらに、従来の方法では、高密度にＣＮＴを形成させることができない。このため、隣接するＣＮＴが互いに絡み合うことができる程度の相互作用を有するブラシ状ＣＮＴを得ることはできていない。その結果、ロープ状ＣＮＴを得ることは困難である。
【００１３】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、複数の炭素系微細構造物が群をなす炭素系微細構造物群と、複数の炭素系微細構造物が強い相互作用にて互いに引き合った状態の炭素系微細構造物の集合体であって、その取り扱い性や加工性を向上させることができる程度の長さを有する炭素系微細構造物の集合体と、それを用いた種々の用途と、製造する方法とを提供することにある。
【発明の開示】
【００１４】
本発明者は、上記課題に鑑み鋭意検討した結果、高密度かつ長いＣＮＴが林立したブラシ状ＣＮＴを形成することにより、強い相互作用にて互いに引き合うＣＮＴが得られることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００１５】
すなわち、本発明に係る炭素系微細構造物の集合体は、炭素系微細構造物が複数集合した炭素系微細構造物の集合体であって、上記複数の炭素系微細構造物は、同一方向に配向しているとともに、該配向方向に沿って集合していることを特徴としている。
【００１６】
上記の構成によれば、炭素系微細構造物の集合体は、炭素系微細構造物が複数集合したものであるため、高い強度を有している。また、炭素系微細構造物が同一方向に配向しているため、その集合体は高配向性を有することとなる。ここで、「同一方向に配向する」とは、全ての炭素系微細構造物が、各長手方向が同一の方向となるように集合していることを意味している。なお、炭素系微細構造物は、必ずしも直線的な構造を有しているのではなく、多少湾曲した状態となっていることが多いが、長手方向とはその両端部を結んだ方向であればよく、炭素系微細構造物の実質的な方向を意味する。
【００１７】
さらに、炭素系微細構造物が配向方向に沿って集合しているため、その長さを長くすることが可能となる。これにより、目に見える程度の大きさの集合体とすることができ、その取り扱い性や加工性が向上する。
【００１８】
本発明に係る炭素系微細構造物の集合体は、以上のように、複数の炭素系微細構造物が同一方向に配向しているとともに、該配向方向に沿って集合している構成である。それゆえ、高配向性かつ高強度の集合体とすることができるという効果を奏する。
【００１９】
また、本発明に係る炭素系微細構造物群は、基板上に、該基板に対して略垂直方向に配向するように複数の炭素系微細構造物が設けられた炭素系微細構造物群であって、上記基板１ｃｍ２当たりに存在する炭素系微細構造物が１×１０１１本以上であることを特徴としている。
【００２０】
炭素系微細構造物群は、基板上に設けられた複数の炭素系微細構造物が群をなしているものであり、これら複数の炭素系微細構造物は、基板に対して略垂直方向に配向している。このため、各炭素系微細構造物が密集して群をなすことが可能になる。
【００２１】
上記炭素系微細構造物群では、基板１ｃｍ２当たりに存在する炭素系微細構造物が１×１０１１本以上である。すなわち、炭素系微細構造物が非常に高密度に設けられた炭素系微細構造物群とすることができる。なお、略垂直方向とは、ほぼ垂直方向のことであり、完全な垂直方向の他に、単に基板から離れていく方向をも含む。
【００２２】
また、上記炭素系微細構造物の集合体を製造するために、本発明に係る炭素系微細構造物の集合体の製造方法は、基板上に、基板に対して垂直方向に配向した複数の炭素系微細構造物を形成する形成工程と、上記炭素系微細構造物の少なくとも１つを引っ張る引張工程とを有することを特徴としている。
【００２３】
上記の構成によれば、基板に対して垂直方向に配向した複数の炭素系微細構造物を形成し、その少なくとも１つを引っ張る構成である。すなわち、同一方向に配向した炭素系微細構造物を引っ張っているため、一方向に配向させることができる。また、引っ張る際に、隣接する炭素系微細構造物が束状になって集合している。従って、高配向性かつ高束性の集合体とすることができる。その結果、高い強度を有するとともに、長さの長い集合体を得ることができる。
【００２４】
本発明に係る炭素系微細構造物の集合体の製造方法は、以上のように、複数の炭素系微細構造物を形成し、その少なくとも１つを引っ張る構成である。それゆえ、高配向性、高束性かつ高強度を有するとともに、長さの長い集合体を製造することができるという効果を奏する。
【００２５】
本発明のさらに他の目的、特徴、および優れた点は、以下に示す記載によって十分わかるであろう。また、本発明の利益は、添付図面を参照した次の説明で明白になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１（ａ）】本発明の実施の一形態を示すものであり、ＣＮＴロープを示す写真（画像）である。
【図１（ｂ）】本発明の実施の一形態を示すものであり、ＣＮＴロープを示す写真（画像）である。
【図２】本発明の実施の一形態を示すものであり、ブラシ状ＣＮＴを作製する装置の概略構成を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の一形態を示すものであり、ブラシ状ＣＮＴを作製する工程を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施の一形態を示すものであり、キャリアガスと原料ガスとの流量の関係を示す図である。
【図５】本発明の実施の一形態を示すものであり、原料ガス濃度と成長速度との相関を示すグラフである。
【図６（ａ）】本発明の実施の一形態を示すものであり、ブラシ状ＣＮＴの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を示す写真（画像）である。
【図６（ｂ）】本発明の実施の一形態を示すものであり、ブラシ状ＣＮＴの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を示す写真（画像）である。
【図７（ａ）】本発明の実施の一形態を示すものであり、ＣＮＴロープを示す写真（画像）である。
【図７（ｂ）】本発明の実施の一形態を示すものであり、ＣＮＴロープを示す写真（画像）である。
【図８】本発明の実施の一形態を示すものであり、（ａ）〜（ｄ）はＣＮＴロープの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を示す写真（画像）である。
【図９】本発明の実施の一形態を示すものであり、ＣＮＴシートを示す写真（画像）である。
【図１０（ａ）】本発明の実施の一形態を示すものであり、ブラシ状ＣＮＴの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を示す写真（画像）である。
【図１０（ｂ）】本発明の実施の一形態を示すものであり、ブラシ状ＣＮＴの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を示す写真（画像）である。
【図１０（ｃ）】本発明の実施の一形態を示すものであり、ＣＮＴロープの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を示す写真（画像）である。
【図１０（ｄ）】本発明の実施の一形態を示すものであり、ＣＮＴロープの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を示す写真（画像）である。
【図１１（ａ）】本発明の実施の一形態を示すものであり、ＣＮＴロープを持ち上げている写真（画像）である。
【図１１（ｂ）】本発明の実施の一形態を示すものであり、ＣＮＴロープを持ち上げている写真（画像）である。
【図１２】本発明の実施の一形態を示すものであり、電気的特性を測定するための試料を示す写真（画像）である。
【図１３（ａ）】本発明の実施の一形態を示すものであり、プリプレグおよび積層体を作製する工程を示す図である。
【図１３（ｂ）】本発明の実施の一形態を示すものであり、プリプレグおよび積層体を作製する工程を示す図である。
【図１３（ｃ）】本発明の実施の一形態を示すものであり、プリプレグおよび積層体を作製する工程を示す図である。
【図１４】本発明の実施の一形態を示すものであり、ＣＮＴロープを巻きつけたコイル状構造物を示す写真（画像）である。
【図１５（ａ）】本発明の実施の一形態を示すものであり、ブラシ状ＣＮＴの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を示す写真（画像）である。
【図１５（ｂ）】従来のブラシ状ＣＮＴの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を示す写真（画像）である。
【図１６（ａ）】本発明の実施の一形態を示すものであり、ブラシ状ＣＮＴの透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）像を示す写真（画像）である。
【図１６（ｂ）】本発明の実施の一形態を示すものであり、ブラシ状ＣＮＴの透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）像を示す写真（画像）である。
【図１７（ａ）】本発明の実施の一形態を示すものであり、ＣＮＴロープの強度を測定している状態を示す写真（画像）である。
【図１７（ｂ）】本発明の実施の一形態を示すものであり、ＣＮＴロープの強度を測定している状態を示す写真（画像）である。
【図１７（ｃ）】従来のＣＮＴロープの強度を測定している状態を示す写真（画像）である。
【図１７（ｄ）】従来のＣＮＴロープの強度を測定している状態を示す写真（画像）である。
【図１８】本発明の実施の一形態を示すものであり、ブラシ状ＣＮＴのＣＮＴ密度とＣＮＴロープの長さとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明の実施の一形態について説明すると以下の通りである。なお、本発明はこれに限定されるものではない。
【００２８】
本発明は、炭素系微細構造物が複数集合した炭素系微細構造物の集合体（以下、単に「集合体」と称する）であり、この複数の炭素系微細構造物が同一方向に配向しているとともに、配向方向に沿って集合しているものである。また、本発明の集合体は、炭素系微細構造物が、配向方向に対して直角方向にも集合しているものも含む。これら集合体は、基板上に、この基板に対して略垂直方向に配向するように複数の炭素系微細構造物を形成し、炭素系微細構造物の少なくとも１つを引っ張ることにより製造される。以下、具体的に説明する。
【００２９】
〔炭素系微細構造物〕
炭素系微細構造物とは、炭素原子から構成されるナノサイズの物質であり、炭素原子同士の結合により生じた網目構造を基本骨格とするナノスケール構造物である。より詳しくは、炭素系微細構造物は、グラファイト型結合からなる骨格が３次元構造を有しているものである。３次元構造とは、好ましくは筒状である。
【００３０】
炭素系微細構造物は、具体的には、例えば、カーボンナノチューブ（以下、単に「ＣＮＴ」と称する）である。また、ＣＮＴにビーズが形成されたビーズ付きＣＮＴ、ＣＮＴが捩れを有したカーボンナノツイスト、コイル状のカーボンナノコイル、球殻状のフラーレン等も炭素系微細構造物に含まれる。なお、上記炭素系微細構造物であるＣＮＴが多数林立した、いわゆるブラシ状ＣＮＴを炭素系微細構造物群と称する場合もある。
【００３１】
本発明の集合体は、後述するようにブラシ状ＣＮＴを用いて製造される。このため、以下では、炭素系微細構造物としてＣＮＴを、炭素系微細構造物群としてブラシ状ＣＮＴを例に挙げて説明する。
【００３２】
〔炭素系微細構造物群〕
ブラシ状ＣＮＴは、基板上に、基板に対して略垂直方向に配向した複数のＣＮＴを林立させたものである。基板としては、Ｓｉウエハ上に、触媒としてＦｅ薄膜を形成したものを用いることができる。また、略垂直方向とは、ほぼ垂直方向であること意味し、完全に垂直方向であることが好ましいが、基板面から離れていく方向をも含む。
【００３３】
本発明のブラシ状ＣＮＴとしては、基板上に形成されたＣＮＴの長さ（基板からの高さ）がある程度の長さ（高さ）を有しており、かつ、複数のＣＮＴが高密度に形成されたものが好ましく用いられる。基板上に形成されたＣＮＴがある程度の長さを有することにより、集合体を作製する際により長い集合体を得ることができる。具体的には、ブラシ状ＣＮＴとして形成されたＣＮＴの長さは、数μｍ以上であることが好ましい。
【００３４】
また、複数のＣＮＴを高密度に形成することにより、隣接するＣＮＴ間でファンデルワールス力等の強い相互作用が生じるため、集合体の作製が容易となる。このようなブラシ状ＣＮＴとしては、例えば、基板の１μｍ四方に１０本以上のＣＮＴが形成されているものであることが好ましい。すなわち、ＣＮＴの密度が１０本／１μｍ２以上（１×１０９本／ｃｍ２以上）であることが好ましい。
【００３５】
また、上述のように、本発明の集合体はブラシ状ＣＮＴを用いて形成される。詳細は後述するものの、ブラシ状ＣＮＴにおけるＣＮＴの密度がより高いほど長い集合体を形成することができる。従って、ブラシ状ＣＮＴにおけるＣＮＴの密度は１×１０１０本／ｃｍ２以上であることがより好ましく、１×１０１１本／ｃｍ２以上であることが特に好ましい。
【００３６】
また、ブラシ状ＣＮＴにおけるＣＮＴは、より高い結晶性を有するＣＮＴであることが好ましい。結晶性が高いほどＣＮＴは直線的になり、ＣＮＴが直線的であるほど集合体の作成が容易になる。すなわち、理想的なＣＮＴは直線状のＣＮＴであり、ＣＮＴの結晶構造に欠陥があると屈曲したＣＮＴとなるため好ましくない。
【００３７】
ここで、欠陥とは、ＣＮＴを構成する規則的な結晶配列において、不規則な結晶配列が存在する場合におけるその不規則な結晶配列部分を指す。ＣＮＴは、炭素原子の六員環が連なった（六角板状結晶の）グラフェンシートからなっており、六員環以外の例えば五員環や七員環が存在場合にはこの部分が欠陥部分となる。
【００３８】
ＣＮＴは、六員環が規則的に連なっている場合には直線的になる。一方で、ＣＮＴは、一部分に五員環や七員環が含まれている場合、その部分（欠陥部分）では結晶性が低下して屈曲することとなる。このため、ＣＮＴの直線性を高めるためには欠陥部分の少ないＣＮＴとすることが好ましい。なお、欠陥部分の少ないＣＮＴとは、例えば、長さ１μｍの部分に存在する欠陥部分が１０個以下のＣＮＴである。
【００３９】
また、ＣＮＴの結晶中にアモルファス炭素が含まれていたり、またはＣＮＴの周囲にアモルファス炭素の層が形成されている場合にもＣＮＴの結晶性は悪くなる。従って、アモルファス炭素の少ないＣＮＴであるほど結晶性は高くなる。
【００４０】
ここで、図１５（ａ）は、本発明のＣＮＴのＳＥＭ像を示す写真であり、図１５（ｂ）は、従来のＣＮＴのＳＥＭ像を示す写真である。図１５（ａ）および図１５（ｂ）に示すように、本発明のＣＮＴでは、ＣＮＴの周囲に存在するアモルファス炭素が非常に少なく、従来のＣＮＴでは、ＣＮＴの周囲に存在するアモルファス炭素が非常に多くなっている。このため、従来のＣＮＴでは、グラフェンシートが不規則に湾曲した直線性の低いＣＮＴとなっているのに対して、本発明のＣＮＴでは、グラフェンシートがきれいな層状構造となっており、非常に直線性の高いＣＮＴとなっている。
【００４１】
なお、ＣＮＴの周囲に形成されたアモルファス炭素層の厚さは、ＣＮＴの直径に対して１０％以下であることが好ましい。この場合、より直線性の高いＣＮＴとすることができる。
【００４２】
このように結晶性の高いＣＮＴは直線性の高いＣＮＴとなる。ＣＮＴの直線性が高くなるとＣＮＴ間の相互作用が強くなる。このため、このような結晶性の高いＣＮＴを含むブラシ状ＣＮＴを用いることにより、強度の高い集合体を容易に作成することが可能になる。なお、結晶性の高い直線的なＣＮＴは、後述する本発明に係る製造方法を用いることによって製造することができる。
【００４３】
また、上記ＣＮＴは、グラフェンシートの層数が２層以上２０層以下であることが好ましい。グラフェンシートの層数が多くなると、後に生成する集合体の強度を高くすることができる。一方、グラフェンシートの層数が２０層を超えると、逆に集合体に柔軟性がなくなり、一定の力が負荷されたときに折れてしまう可能性がある。
【００４４】
〔炭素系微細構造物群の製造方法〕
本発明のブラシ状ＣＮＴは、触媒化学気相成長法（ＣＣＶＤ法；Ｃａｔａｌｙｓｔ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により作製することができる。ＣＣＶＤ法は、反応室内に触媒体を配置し、反応室内にキャリアガスおよび原料ガスを供給して、この触媒体の表面にＣＮＴを成長させる方法である。以下、ＣＣＶＤ法によりＣＮＴを成長させ、ブラシ状ＣＮＴを作製する方法について説明する。
【００４５】
図２は、ブラシ状ＣＮＴを作製する装置１の概略構成を示す図である。図２に示すように、反応室２内には触媒体３が配置されている。触媒体３は触媒を表面に形成した基体であり、その基体の形状は基板、多層基板、筒体、多面体、ペレット、粉体など種々の形態がある。また、使用される触媒としては、例えば鉄、コバルト、ニッケル、鉄合金、コバルト合金、ニッケル合金、鉄酸化物、コバルト酸化物、ニッケル酸化物、またはこれらの組み合わせなど各種の公知の触媒を使用することができる。
【００４６】
そして、反応室２内にキャリアガスおよび原料ガスを供給する。図３は、キャリアガスおよび原料ガスを反応室２へ供給する工程を示す図である。キャリアガスは、第１容器４および第２容器５に格納されている。第１容器４内のキャリアガスは、マスフローコントローラからなる第１流量制御器６により基本流量に調節され反応室２に供給される。また、第２容器５内のキャリアガスは、マスフローコントローラからなる第２流量制御器７により所定流量に調節され、電磁式三方バルブ８を介して反応室２に供給される。
【００４７】
キャリアガスとしては、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｎ２、Ｈ２などのガスを使用することができる。キャリアガスは原料ガスを搬送するガスであり、原料ガスが反応により消耗されるのに対して、キャリアガスは全く無反応で消耗しないガスである。
【００４８】
原料ガスは、第３容器９に格納されている。第３容器９内の原料ガスは、マスフローコントローラからなる第３流量制御器１０により所定流量に調節され、電磁式三方バルブ１１を介して反応室に供給される。
【００４９】
原料ガスとしては、炭化水素、硫黄含有有機ガス、リン含有有機ガスなどの有機ガスを使用することができる。原料ガスは、生成するＣＮＴの構造に合わせて適宜選択すればよい。これら有機ガスの中でも余分な物質を生成しない利点から炭化水素が好適に用いられる。
【００５０】
上記炭化水素としては、メタン、エタンなどのアルカン化合物、エチレン、ブタジエンなどのアルケン化合物、アセチレンなどのアルキン化合物、ベンゼン、トルエン、スチレンなどのアリール炭化水素化合物、インデン、ナフタリン、フェナントレンなどの縮合環を有する芳香族炭化水素、シクロプロパン、シクロヘキサンなどのシクロパラフィン化合物、シクロペンテンなどのシクロオレフィン化合物、ステロイドなどの縮合環を有する脂環式炭化水素化合物などを使用することができる。また、以上の炭化水素化合物を２種以上混合した混合炭化水素ガスを使用することも可能である。上記炭化水素化合物の中でも、特に、アセチレン、アリレン、エチレン、ベンゼン、トルエンが好適に用いられる。
【００５１】
上記電磁式三方バルブ８・１１は、自動バルブ制御器の作用により遮断状態と供給状態との２方向に制御される。すなわち、キャリアガスや原料ガスは、遮断状態では補助排気管を介して排気され、供給状態では反応室に供給されるようになっている。電磁式三方バルブ８が供給状態である場合には、電磁式三方バルブ１１が遮断状態となっている。一方、電磁式三方バルブ８が遮断状態である場合には、電磁式三方バルブ１１が供給状態となっている。
【００５２】
また、これら電磁式三方バルブ８・１１は、０．１ｓ以下の応答時間を有している。さらに、第１容器から反応室２に供給されるキャリアガスの流量は、常に基本流量となるように制御されていると共に、第２容器５から反応室２に供給されるキャリアガスの流量および第３容器９から反応室２に供給される原料ガスの流量は、常に同じ流量となるように制御されている。従って、遮断状態と供給状態の切換えは瞬時に行われ、常に一定流量のガスが反応室２へ供給されることとなる。
【００５３】
例えば、第１容器４から供給されるキャリアガスの基本流量をＸ（ｃｍ３／ｓ（ｎｏｒｍａｌ））とし、第２容器５から供給されるキャリアガスの流量、および第３容器９から供給される原料ガスの流量をＹ（ｃｍ３／ｓ（ｎｏｒｍａｌ））とする。
【００５４】
図４に示すように、反応室２には、第１容器４から供給されたキャリアガスが常にＸ（ｃｍ３／ｓ（ｎｏｒｍａｌ））供給されている。また、ブラシ状ＣＮＴを製造しない間は、電磁式三方バルブ８が供給状態になっており、電磁式三方バルブ１１が遮断状態になっている。従って、第２容器５から流量Ｙ（ｃｍ３／ｓ（ｎｏｒｍａｌ））でキャリアガスが供給されている。この場合、反応室２内には、流量Ｘ＋Ｙ（ｃｍ３／ｓ（ｎｏｒｍａｌ））のガスが供給されていることとなる。
【００５５】
一方、ブラシ状ＣＮＴを製造する間は、電磁式三方バルブ８が遮断状態になっており、電磁式三方バルブ１１が供給状態になっている。従って、第３容器９から流量Ｙ（ｃｍ３／ｓ（ｎｏｒｍａｌ））で原料ガスが供給されている。この場合においても、反応室２内には、流量Ｘ＋Ｙ（ｃｍ３／ｓ（ｎｏｒｍａｌ））のガスが供給されていることなる。すなわち、反応室２には常に一定流量のガスが供給されている。
【００５６】
なお、反応室２は、ＣＮＴを最も成長しやすい温度領域に加熱されており、原料ガスは触媒体３の近傍で熱分解する。そして、分解物が触媒体３の表面からＣＮＴとして成長する。
【００５７】
次に、上記装置１を用いてブラシ状ＣＮＴを作製する方法について具体的に説明する。触媒体（基板）３として、表面に４ｎｍの鉄触媒膜が形成されたＳｉ基板用いる。キャリアガスとしてＨｅガスを用い、原料ガスとしてＣ２Ｈ２ガスを用いる。第１容器４のＨｅガスの基本流量を０．９３ｃｍ３／ｓ（ｎｏｒｍａｌ）とし、第２容器５のＨｅガスおよび第３容器９のＣ２Ｈ２ガスの所定流量を３．１１ｃｍ３／ｓ（ｎｏｒｍａｌ）とする。
【００５８】
まず、上記基板３を反応室２の中央へ配置する。そして、反応室２を７００℃まで加熱する。この際、電磁式三方バルブ８が供給状態となっており、反応室２内には４．０４ｃｍ３／ｓ（ｎｏｒｍａｌ）のＨｅガスが供給されている。その後、電磁式三方バルブ８を遮断状態にし、同時に電磁式三方バルブ１１を供給状態とする。これにより、反応室２内には３．１１ｃｍ３／ｓ（ｎｏｒｍａｌ）のＣ２Ｈ２ガスと０．９３ｃｍ３／ｓ（ｎｏｒｍａｌ）のＨｅガスとが供給される。すなわち、この場合のＣ２Ｈ２ガスの濃度は７６．９％である。また、Ｃ２Ｈ２ガスの供給時間は０．８秒とする。Ｃ２Ｈ２ガス供給後、ガスが反応室２を通過する５分後に降温する。これにより、Ｃ２Ｈ２中の炭素原子が基板３上で成長し、ブラシ状ＣＮＴが作製される。
【００５９】
ここで、ブラシ状ＣＮＴを作製する際におけるＣＮＴの成長速度と原料ガスの濃度との関係について図５に基づいて説明する。図５に示すように、原料ガスの濃度を上昇させるほどＣＮＴの成長速度は増加する。これは、原料ガスが基板へ到達した際の、原料ガスの濃度変化がより急峻になっているためであると考えられる。ＣＮＴの成長速度が速いことにより、作製時間を短縮できるとともに、長いＣＮＴを形成することができる。
【００６０】
一方、ＣＮＴの密度は、原料ガスの濃度を２３％から７６．９％まで上昇させると、２×１０１０本／ｃｍ２〜７×１０１１本／ｃｍ２まで変化する。従って、原料ガスの濃度が高いほど高密度のＣＮＴを形成できることがわかる。
【００６１】
これらのことから、ブラシ状ＣＮＴを作製する際の原料ガスの濃度は、数十％以上であることが好ましい。具体的には、２３％以上望ましくは７０％以上であることが好ましい。この場合、ＣＮＴを長く成長させることができると共に高密度に形成することができる。
【００６２】
また、原料ガスの供給時間を長くした場合には、ＣＮＴの成長時間を長くすることができる。このため、原料ガスの供給時間を制御することによって、より長いＣＮＴを形成することが可能となる。ただし、この場合、ＣＮＴの径も太くなる。従って、原料ガスの供給時間は、原料ガスの濃度や、ＣＮＴの長さおよび太さを考慮して適宜設定すればよいが、０．００１秒〜６０秒の範囲内であることが好ましい。
【００６３】
作製したブラシ状ＣＮＴの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を示す写真（画像）を図６（ａ）および図６（ｂ）に示す。図６（ｂ）は、図６（ａ）を拡大した像である。図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、ブラシ状ＣＮＴの各ＣＮＴは、極めて直線性が高く、長さが１７０μｍ程度にまで成長していることがわかる。また、ＣＮＴの密度は、少なくとも１×１０１０本／ｃｍ２以上であると見積もられる。
【００６４】
本実施の形態において、上記ＣＮＴの密度の測定は、ＳＥＭ像およびＴＥＭ像を観察することによって、以下のようにして行われる。
【００６５】
まず、図６（ａ）または図６（ｂ）に示すような、ブラシ状ＣＮＴのＳＥＭ像の中から同一コントラスト部分のＣＮＴに着目する。ここで、同一コントラスト部分とは、ＳＥＭ像中に示されるＣＮＴの濃さがほぼ一定の部分を指す。この部分は、ＣＮＴの密度がほぼ一定であると推測される部分である。
【００６６】
そして、上記同一コントラスト部分のＣＮＴの幅を測定する。これにより、同一コントラスト部分のＣＮＴの直径を見積もることができる。さらに、この部分に存在するＣＮＴの本数を測定する。これにより、同一コントラスト部分におけるＣＮＴの密度を見積もることができる。なお、ＳＥＭ像で観察されるＣＮＴは、複数のＣＮＴがバンドルした（束になった）状態のものである（バンドル状ＣＮＴ）。このため、ＳＥＭ像で見積もられた密度は、単位面積当たりに存在するバンドル状ＣＮＴの本数を示している。
【００６７】
次に、上記直径および密度を見積もった部分のＣＮＴをＴＥＭ像にて観察する。図１６（ａ）および図１６（ｂ）は、上記ＣＮＴのＴＥＭ像を示す写真である。このＴＥＭ像では、上記ＳＥＭ像で観察されたバンドル状ＣＮＴにおける、バンドルしている各ＣＮＴを観察することができる。このため、ＴＥＭ像を観察することにより、上記ＳＥＭ像にて１本として観察されたバンドル状ＣＮＴに、何本のＣＮＴが含まれているかを測定する。
【００６８】
上記ＳＥＭ像の観察において、同一コントラスト部分のＣＮＴの直径と、この部分に存在するバンドル状ＣＮＴの本数とが測定されているため、ＴＥＭ像の観察にてバンドル状ＣＮＴに含まれるＣＮＴの本数を測定することにより、単位面積当たりに存在するＣＮＴの本数を測定することができる。すなわち、ＣＮＴの密度を測定することができる。
【００６９】
また、本発明に係る製造方法を用いることにより、上述した高い結晶性を有するＣＮＴを作成することが可能となると共に、高い結晶性のＣＮＴからなるブラシ状ＣＮＴを作成することができる。
【００７０】
〔炭素系微細構造物の集合体〕
次に、本発明に係る炭素系微細構造物の集合体について説明する。本発明の集合体は、複数のＣＮＴが同一方向に配向しているとともに、該配向方向に沿って集合したものである。ここで、「同一方向に配向する」とは、全ての炭素系微細構造物が、各長手方向が同一の方向となるように集合していることを意味している。なお、炭素系微細構造物は、必ずしも直線的な構造を有しているのではなく、多少湾曲した状態となっていることが多いが、長手方向とはその両端部を結んだ方向であればよく、炭素系微細構造物の実質的な方向を意味する。
【００７１】
また、本発明の集合体は、複数のＣＮＴが互いに絡み合って束状になっている。従って、本発明の集合体は、同一方向に配向した複数のＣＮＴが束状になって長手方向に伸びた構成を有している。以下では、説明の便宜上、この構成を有する集合体を「ＣＮＴロープ」と称する。
【００７２】
さらに、本発明の集合体は、上記配向方向に対して直角方向にも集合した集合体も含む。配向方向に対して直角方向とは、いわゆるＣＮＴロープの長手方向に対して直角方向（短手方向）である。従って、この場合、長手方向に配向したＣＮＴロープがさらに短手方向に集合した構成を有しており、平面的な広がりを有する集合体となる。この構成は、ＣＮＴロープがさらに辺方向にも集合した構成とも表現できる。以下では、説明の便宜上、この構成を有する集合体を「ＣＮＴシート」と称する。
【００７３】
図１（ａ）・図１（ｂ）および図７（ａ）・図７（ｂ）に本発明のＣＮＴロープを示す。図１（ａ）・図１（ｂ）は約２０ｃｍ程度の長さのＣＮＴロープであり、図７（ａ）・図７（ｂ）は約３０ｃｍ程度の長さのＣＮＴロープである。これらの図に示すように、本発明のＣＮＴロープは、肉眼でも十分確認できる糸状の物質である。
【００７４】
このＣＮＴロープの詳細な構成について説明する。図８は、図１（ａ）・図１（ｂ）に示すＣＮＴロープのＳＥＭ像である。図８の（ｂ）および（ｃ）は、図８の（ａ）に示すＣＮＴロープの一部分を拡大したＳＥＭ像であり、図８の（ｄ）は、図８の（ｃ）に示すＣＮＴロープの一部分を拡大したＳＥＭ像である。
【００７５】
図８に示すように、ＣＮＴロープは、複数のＣＮＴが束になっている。すなわち、個々のＣＮＴがバンドルする（束になる）ことによって構成されている。このＣＮＴロープの平均直径は約５０μｍ程度である。また、ＣＮＴロープを構成する１本の繊維状の構造物の直径は約５０ｎｍである。これに対して、これまで透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察されたブラシ状ＣＮＴにおける各ＣＮＴの直径は、１０ｎｍ〜２０ｎｍ程度である。従って、ＣＮＴロープは、個々のＣＮＴがバンドルすることによって形成されていることがわかる。
【００７６】
また、ブラシ状ＣＮＴにおける個々のＣＮＴの平均長さは、数十μｍ程度であるのに対して、本発明のＣＮＴロープは２０ｃｍまたは３０ｃｍの長さとすることができ、ブラシ状ＣＮＴにおけるＣＮＴの密度を制御することにより５０ｃｍ以上の長さのＣＮＴロープとすることもできる。これは、個々のＣＮＴが同一方向に配向しながら長手方向に連続的にバンドルしているからである。すなわち、本発明のＣＮＴロープは、個々のＣＮＴがバンドルしているとともに、同一方向に配向した構成を有している。
【００７７】
バンドルしているＣＮＴは、互いにファンデルワールス力により結合している部分もある。これにより、ＣＮＴは強い相互作用によって結合する。このため、ＣＮＴロープは高い強度を有することとなる。さらにバンドルしているＣＮＴを物理的または化学的に結合させれば、より一層高い強度を有するＣＮＴロープとすることができる。
【００７８】
また、ＣＮＴシートは、上記ＣＮＴロープが平面的に集合したものであり、いわゆるＣＮＴロープがシート状になったものである。従って、ＣＮＴシートは、個々のＣＮＴのバンドルによって構成されている。ただし、ＣＮＴシートは、個々のＣＮＴが同一方向に配向しながら長手方向に連続的にバンドルすることに加えて、短手方向にもバンドルしている。図９にＣＮＴシートを示す。図９に示すＣＮＴシートは、幅が４ｍｍとなっており、シート状に形成されていることがわかる。
【００７９】
本発明のＣＮＴロープは、結晶性の高いＣＮＴを含むブラシ状ＣＮＴを用いて作製されるため、結晶性の高いＣＮＴロープとなる。すなわち、直線性の高いＣＮＴロープとすることができる。さらに、上記ブラシ状ＣＮＴは、ＣＮＴが高密度に形成されているため、長いＣＮＴロープを作製することができると共に、強度の高いＣＮＴロープを作製することが可能になる。
【００８０】
ここで、本発明のＣＮＴロープの強度について説明する。図１７（ａ）および図１７（ｂ）は、本発明のＣＮＴロープの強度を測定している状態を示す写真（画像）であり、図１７（ｃ）および図１７（ｄ）は、従来のＣＮＴロープの強度を測定している状態を示す写真（画像）である。なお、図１７（ａ）・図１７（ｂ）および図１７（ｃ）・図１７（ｄ）ともに、ＣＮＴロープの強度（機械的特性）を共振法で測定した状態を示している。
【００８１】
図１７（ａ）は静止した状態の本発明のＣＮＴロープを示し、図１７（ｂ）はこのＣＮＴロープを共振させた状態を示している。一方、図１７（ｃ）は静止した状態の従来のＣＮＴロープを示し、図１７（ｄ）はこのＣＮＴロープを共振させた状態を示している。図１７（ｂ）および図１７（ｄ）に示すように、本発明のＣＮＴロープは、従来のＣＮＴロープと比較して共振する幅が小さく強度が高いことがわかる。また、共振法を用いた場合のヤング率は以下の式（１）で表される。
【００８２】
Ｙ＝（６４π２ρ／１．８７５４）×（ｆ０２Ｌ４／ｄ０２）……（１）
ただし、ｆ０：共振周波数、ρ：密度、Ｌ：長さ、ｄ０：外直径（ただし、＞＞内直径の二乗値）である。
【００８３】
上記式（１）を用いてヤング率を算出すると、従来のＣＮＴロープでは、Ｙ＝０．１（ＴＰａ）であるのに対して、本発明のＣＮＴロープでは、Ｙ＝０．８（ＴＰａ）である。すなわち、従来のＣＮＴロープ（欠陥が多く、屈曲の大きいＣＮＴロープ）は、ヤング率が小さく強度が小さいことが機械的特性の検査からもわかる。
【００８４】
〔炭素系微細構造物の集合体の製造方法〕
次に、本発明のＣＮＴロープの製造方法について説明する。ＣＮＴロープは、ブラシ状ＣＮＴから作製することができる。
【００８５】
ブラシ状ＣＮＴは、上述のようにして基板上に作製される。ＣＮＴロープを製造する際には、まずこの基板を劈開する。これにより、劈開された部分の基板に形成されたＣＮＴが露出する。そして、この露出したＣＮＴの少なくとも１本をピンセット等で摘み、引っ張る。これにより、隣接するＣＮＴが連続的に絡み合いながら引き出される。引っ張る方向は、ＣＮＴを基板から引き抜く方向であればよい。
【００８６】
隣接する１本または数本のＣＮＴはファンデルワールス力により結合している。このうちの少なくとも１本を引っ張ることにより、隣接するＣＮＴがバンドルしながら引っ張られ、これが連続的に起こる。そして、引っ張り続けることにより、複数のＣＮＴが束になったＣＮＴロープとなる。
【００８７】
このように、同一方向に成長したブラシ状ＣＮＴを引っ張り、連続的にＣＮＴを引き抜くだけで、各ＣＮＴが同一方向に配向したＣＮＴロープを得ることができる。このため、ＣＮＴの配向制御が容易である。
【００８８】
ＣＮＴロープの製造に伴って、ブラシ状ＣＮＴは、セーターの毛糸を解くように基板の端から順に剥がれていく。図１０（ａ）に、ＣＮＴロープを製造した後のブラシ状ＣＮＴのＳＥＭ像を示す。図１０（ａ）に示すように、ＣＮＴが解けて下面のＳｉ基板が剥き出しになっている。
【００８９】
また、基板表面に近いブラシ状ＣＮＴは、図１０（ｂ）に示すように、ＣＮＴが基板に対して水平方向に配向し、シート状になっている。ＣＮＴロープを製造する際には、これらがバンドルして１本のロープ状になる。この場合のＣＮＴロープのＳＥＭ像を図１０（ｃ）・図１０（ｄ）に示す。
【００９０】
なお、ＣＮＴシートを製造する場合には、ブラシ状ＣＮＴからＣＮＴを引っ張る際に、引っ張るＣＮＴの本数を多くすればよい。上述したように、ブラシ状ＣＮＴの基板表面に近い部分では、ＣＮＴがシート状になっている。このシート状のＣＮＴを、シート状のまま引っ張ることでＣＮＴシートを製造することができる。従って、引っ張る際に摘むＣＮＴの本数を変えることによって、シートの大きさを適宜変えることができる。
【００９１】
また、ＣＮＴシートは、基板を劈開した際に、劈開により分裂した基板同士を引っ張ることにより製造することもできる。この場合、基板同士の引っ張りにより各基板に形成されたＣＮＴが引き合う。これにより、ＣＮＴが連続的に解けていき、ＣＮＴが一方向に並んだＣＮＴシートを製造することができる。
【００９２】
なお、ブラシ状ＣＮＴにおけるＣＮＴの密度に応じてＣＮＴロープやＣＮＴシートのバンドルの状態を変えることができる。従って、ＣＮＴロープやＣＮＴシートの用途等に応じてブラシ状ＣＮＴの密度を制御すれば、所望のバンドル状態となったＣＮＴロープやＣＮＴシートを得ることができる。
【００９３】
本発明では、ＣＮＴが高密度に形成されたブラシ状ＣＮＴを用いているため、ＣＮＴロープやＣＮＴシートの長さを長くすることができる。ここで、ブラシ状ＣＮＴのＣＮＴ密度とＣＮＴロープの長さとの関係について説明する。図１８は、ブラシ状ＣＮＴのＣＮＴ密度と、ブラシ状ＣＮＴから引き出すことができるＣＮＴロープの長さとの関係を示すグラフである。
【００９４】
図１８に示すように、ブラシ状ＣＮＴのＣＮＴ密度が１×１０９本／ｃｍ２程度になると、ＣＮＴを引き出すことができるようになる。すなわち、ＣＮＴロープを作製することができるようになる。ＣＮＴ密度が高くなるにつれて作製できるＣＮＴロープの長さも長くなる。ＣＮＴ密度が１×１０１０本／ｃｍ２を超える程度の密度になると、１０ｃｍ〜４０ｃｍ程度の長さのＣＮＴロープを作製することができるようになる。
【００９５】
ただし、本発明では上記製造方法を用いることにより、１×１０１１本／ｃｍ２以上のＣＮＴ密度を有するブラシ状ＣＮＴを作製することが可能であり、図１８に示すように、ＣＮＴ密度が１×１０１１本／ｃｍ２以上になると、５０ｃｍ以上の長さのＣＮＴロープを作製することができるようになる。
【００９６】
すなわち、本発明の製造方法を用いることにより、高密度かつ高結晶性のブラシ状ＣＮＴを作製することが可能になり、高密度かつ高結晶性のブラシ状ＣＮＴを用いることにより、長くて強いＣＮＴロープを作製することが可能になる。
【００９７】
また、ＣＮＴロープやＣＮＴシートを製造する際には、複数のＣＮＴを種々の方法にてより強固に結合させてもよい。種々の方法とは、例えば、複数のＣＮＴを物理的または化学的に結合させる方法を挙げることができる。上述のように、隣接するＣＮＴはファンデルワールス力により結合しているものの、より強固に結合させることによって、より一層強度の高いＣＮＴロープやＣＮＴシートを得ることができる。
【００９８】
複数のＣＮＴを物理的または化学的に結合させる方法としては、例えば、撚糸処理や、高温アニール処理、化学処理等を挙げることができる。撚糸処理とは、ＣＮＴを強く撚りあげる処理方法のことである。また、高温アニール処理とは、ＣＮＴを各種ガス中にて高温で加熱する処理方法のことである。化学処理とは、ＣＮＴ間をフラーレンや官能基の導入により物理的結合や化学的結合をさせる処理方法のことである。
【００９９】
〔炭素系微細構造物の集合体の利用〕
本発明に係る炭素系微細構造物の集合体は、上記の構成や物性を有するため種々の用途に用いることができる。例えば、集合体を積層マトリクス状構造体物質、金属担持体、表面修飾物質、撚糸状構造物、布状構造物、コイル状構造物として用いることや、集合体を補強材、電線、導線、センサ、透明導電体、刃物、モータ、透明電磁波吸収材、建材、振動板、摺動材、人工筋肉、衣服、釣り糸、光吸収材、反射板、不織布、人工誘電体用媒体、インク、塗料、耐熱材、または耐磨耗材として用いることができる。以下、具体的に説明する。
【０１００】
（積層マトリクス状構造体物質）
本発明のＣＮＴロープやＣＮＴシートは方向性（異方性）を有している。このため、本発明のＣＮＴロープやＣＮＴシートに樹脂等を含浸または混合させることによって、配向したマトリクスを有するシート状成形品（プリプレグ）を製造することができる。
【０１０１】
プリプレグは、以下の方法により製造することができる。まず、図１３（ａ）に示すように、ＣＮＴロープやＣＮＴシートをフィルム状またはシート状にする。そして、図１３（ｂ）に示すように、これに液状の樹脂や、溶媒に溶解した樹脂を含浸させ、硬化あるいは溶媒を蒸発させる。これにより、プリプレグが得られる。また、ＣＮＴロープやＣＮＴシートに樹脂を含浸させた場合には、成形品として樹脂シートを得ることができる。
【０１０２】
プリプレグは、カーボンファイバーやグラスファイバーからなる強化樹脂シートへ応用することができる。例えば、軽量かつ高性能が要求される航空宇宙用途や、自動車材料用途、小型船舶用途、スポーツ用途等に用いることができる。
【０１０３】
また、図１３（ｃ）に示すように、得られたプリプレグを積層させることにより、積層体としての積層マトリクス状構造体物質を得ることができる。プリプレグの積層は、各シートにおけるＣＮＴの配向方向が、任意の角度で適宜変更して行うことができる。この配向方向を適宜変更して積層することにより、高強度の積層体や、異方導電性の積層体、高熱伝導性の積層体等種々の用途に応じた積層体を製造することが可能となる。
【０１０４】
ＣＮＴロープやＣＮＴシートを用いた積層体は、従来のガラスファイバーやカーボンファイバーを用いたプリプレグと比較して、著しく薄くすることが可能である。このため、極薄フィルムの強度、電気伝導、熱伝導等の機能が付与できることで、単に高強度材料用途だけではなく、電子デバイス（例えば、ＩＣやＣＰＵ等）の積層基板の一部に応用されることが期待できる。近年の電子デバイスは、高集積化と大容量化とが進んでいるため放熱の課題を抱えているが、上記積層体を用いて高熱伝導性を活かした異方性高熱伝導フィルムとすれば、積層基板の放熱性の改善が期待できる。
【０１０５】
（金属担持体）
また、集合体に金属を担持させることにより、表面積の大きい金属担持体とすることができる。ＣＮＴロープやＣＮＴシートは、非常に多数でかつ極細のＣＮＴが同方向に配向して束状になったものである。このため、比表面積（ｍ２／ｇ）が大きく、多量の金属を担持させることができる。これにより、高性能、高効率、高活性な材料を創製することができる。また、ＣＮＴロープのチューブ形状（径や長さ）が均一であるため、担持金属の分散性がよいという利点もある。
【０１０６】
例えば、ＣＮＴロープにＰｔ、Ｐｄ、Ｎｉ等の金属触媒（微粒子形状）を担持させることにより、高性能・高効率・高活性な触媒材料や、ガスフィルタ等のガス反応材料として利用できる。ガスフィルタとして用いた場合には、圧力損失（ガス抵抗）を小さくすることができる。また、例えば、ＣＮＴロープにＰｔ等の微粒子金属を担持させることにより、ダイレクトメタノール型の燃料電池の電極材料として利用できる。この場合、エネルギー密度の高い燃料電池とすることができる。
【０１０７】
ここで、ＣＮＴロープにＰｔを担持させる方法の一例について説明する。白金酸水溶液（Ｈ２ＰｔＣｌ６）にＨ２Ｏ２、ＮａＨＳＯ３を加えてＰｔコロイドを作成する。作成したＰｔコロイド中にＣＮＴロープを１本づつ浸漬させた後に、温度３００℃、時間５〜７時間加熱してＣ１を取り除く。これにより、ＣＮＴロープのＰｔ担持物が得られる。
【０１０８】
ＣＮＴロープやＣＮＴシートの金属担持体は、ガスフィルタの他にも、分子フィルタ、液体フィルタ、遮音用フィルタ、偏光フィルタ等に利用することもできる。また、ガス吸着剤等の種々の吸着剤にも利用することができる。
【０１０９】
さらに、ＣＮＴロープやＣＮＴシートの金属担持体は、電極としても利用できる。この電極は、燃料電池、二次電池、スーパキャパシタ等に用いることができる。表面積の大きいＣＮＴロープ各１本に金属を担持させることで、金属担持量の制御ができる。また、電極材料を作成するに当たって、ＣＮＴロープの間隔を制御することで、電極材料中の金属密度の向上や密度の均一化が可能となる。さらに、ＣＮＴロープの組み合わせを変更し、ロープの直径を制御することにより、電極材料の設計制御ができるため、担持させる金属量の削減が可能となる。これは、エネルギー密度の高いキャパシタ設計を可能にする。
【０１１０】
なお、電極は、例えば、金属を担持したＣＮＴロープをＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）膜上に整列させることにより得ることができる。
【０１１１】
（表面修飾物質）
また、集合体の表面に修飾を施すことにより、表面修飾を施した糸状物質やシート状物質とすることできる。表面修飾とは、ＣＮＴロープやＣＮＴシートの表面に有機官能基を結合させたり、何らかの機能性薄膜を付着（塗布）させることである。これにより、ＣＮＴロープやＣＮＴシートに対して、ＣＮＴロープやＣＮＴシートのみでは発揮できない何らかの機能を持たせることができる。
【０１１２】
具体的には、ＣＮＴロープやＣＮＴシート間に官能基、フラーレン、ＣＮＴ等を介し、これらを化学的に結合させることにより、強度、電気伝導、熱伝導等の機能をより高めた糸状物質やシート状物質を製造することが可能になる。
【０１１３】
官能基としては、例えば、ニトロ基（−ＮＯ２）、スルホン基（−ＳＯ３Ｈ）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、カルボニル基（＞Ｃ＝Ｏ）、エーテル基（Ｃ−Ｏ−Ｃ）、フェノール性水酸基（−ＯＨ）等を挙げることができる。これらいずれかの官能基を導入したＣＮＴロープやＣＮＴシートを適宜組み合わせることにより、イオン交換膜等に利用することが可能となる。
【０１１４】
また、例えば、フラーレンはプラズマ、光、電子線、Ｘ線、熱により重合することが知られている。本発明のＣＮＴロープやＣＮＴシートのＣＮＴ間にフラーレンを介在させ、上記手法により重合させることで、ＣＮＴロープやＣＮＴシートの機能を向上させることができる。
【０１１５】
また、これら糸状物質やシート状物質を含む（または撚り合わせた）ひも状、あるいはシート状構造体を製造することもできる。特に、化学結合を用いて糸状物質を撚り合わせれば、太くすることができるとともに強度を向上させることができる。
【０１１６】
（撚糸状構造物・布状構造物・コイル状構造物）
本発明のＣＮＴロープやＣＮＴシートの複数を互いに撚り合せることにより撚糸状構造物を作製することができる。撚糸状構造物は、複数のＣＮＴロープやＣＮＴシートを回転させながら互いに撚り合せることにより作製できる。これにより、高強度かつ軽量の撚糸状構造物となる。また、上述のように、表面修飾されたＣＮＴロープやＣＮＴシートを用いることにより、さらに高強度の撚糸状構造物とすることができる。撚糸状構造物としては、例えば、ひもやロープ等を挙げることができる。
【０１１７】
また、撚糸状構造物をさらに撚ることにより布状構造物を作製することもできる。また、布状構造物は、本発明のＣＮＴロープやＣＮＴシートに、液状の樹脂や溶媒に溶解した樹脂を浸させ、これを撚ることによっても作製できる。このように、布状構造物は、ＣＮＴロープやＣＮＴシートからなるひもやロープ、または、樹脂を含浸したＣＮＴロープやＣＮＴシートを編み上げることにより作製される布状または皮状の構造物のことである。
【０１１８】
また、ＣＮＴロープまたはＣＮＴシートを巻き取ることにより、コイル状構造物を作製することができる。コイル状構造物は、図１４に示すように、ＣＮＴロープまたはＣＮＴシートを、例えばボビン（登録商標）に巻きつけることにより作製できる。
【０１１９】
（補強材）
本発明のＣＮＴロープやＣＮＴシートは、例えば、シート状やロープ状の補強材、カーボン、ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）、ＦＲＭ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｍｅｔａｌｓ）、ＦＲＣ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃｓ）、Ｃ／Ｃ（Ｃａｒｂｏｎ／Ｃａｒｂｏｎ）コンポジット、光ファイバ、タイヤ等の補強材として利用できる。また、セラミックや金属の補強材および複合材等へも利用できる。
【０１２０】
（電線・導線）
現在、一般に使用されている電線は、銅の糸状線を撚り、太い銅線としたものを用いて作成されている。今まで、長いＣＮＴや、ＣＮＴ自身を撚った長いＣＮＴを作成することが困難であったが、本発明のＣＮＴロープを撚ることで、ＣＮＴロープの長さと太さを制御することが可能となる。このため、本発明のＣＮＴロープやＣＮＴシートは、電線や導線としても利用することができる。
【０１２１】
ＣＮＴの抵抗は、銅の抵抗よりも低い。このため、ＣＮＴロープやＣＮＴシートは、高耐電流用の電線や導線として好ましく用いられる。また、ＣＮＴロープやＣＮＴシートは、銅と比べて電流密度（単位面積当たりの電流密度）が高い。なかでも多層構造のＣＮＴは、銅の１０００倍以上の最大電流密度を有するので、本発明のＣＮＴロープをＬＳＩ中の配線へ応用することもできる。さらに、ＣＮＴロープで構成された長い導線を作成することにより、高トルク・高出力小型モータなど、細い導線で大きな電流が必要な場合に有用である。また、ＣＮＴロープは従来の金属線よりも軽量であるため、従来のモータにおける銅線をＣＮＴロープに置き換えることにより、軽量化が可能である。
【０１２２】
ＣＮＴを電子デバイスの配線として使用する場合、サイズが小さく取り扱いが困難であるものの、本発明のように、ＣＮＴを一方向に束ねた集合体とすれば、配線としての使用が容易になるとともに、例えば、ボビンに巻きつけた状態で供給することも可能になる。
【０１２３】
また、現在用いられている細線は、一般に１０μのＬ／Ｓが限界であると考えられている。しかしながら、方向性を持つＣＮＴロープやＣＮＴシートを使用することで、制御範囲が向上しナノオーダーの細線を生成することが可能になる。
【０１２４】
（センサ）
本発明のＣＮＴロープやＣＮＴシートは、センサとして用いることができる。センサとしては、流量センサ、圧力センサ、ガスセンサ等を挙げることができる。流量センサは、センサ部の熱量を気体が奪うことで流量を検出している。センサ部にＣＮＴロープやＣＮＴシートを使うことにより、流量センサを小型化することが可能となる。これにより、消費電力を低下できるとともに、微小流量を検出する流量センサも作製できる。
【０１２５】
また、圧力センサとして用いられるピラニー真空計は、金属線に気体分子が入射し、分子が運び去る熱エネルギーによるフィラメントの温度変化を抵抗変化として検出している。金属線の代わりにＣＮＴロープやＣＮＴシートを使用することで、小型軽量化が可能となる。また、消費電力も低下できる。ＣＮＴロープやＣＮＴシートを用いれば、フィラメントの直径を小さくすることができるため、計測圧力領域を広げることができる。このため、広帯域の真空計が作製できる。
【０１２６】
ガスセンサのセンサ部に単層のＣＮＴからなるものを使用するのが理想的であるものの、層数の少ないＣＮＴからなるＣＮＴロープやＣＮＴシートをセンサ部に利用できる。ＣＮＴは、その側面がπ電子で覆われているため、極性のガス分子がＣＮＴに吸着すると、π電子を引きつける。これにより、ＣＮＴロープやＣＮＴシートの電気抵抗が変化する。この電気抵抗変化は、ガス分子の極性が異なると異なった電抵抗値を示すことから分子種を検出することができる。また、ＣＮＴの表面に特定の化学分子を修飾すれば、検出する分子種を選択できる可能性があり、今後、プローブ（検出器）としての利用が期待できる。
【０１２７】
（透明導電体）
本発明のＣＮＴロープやＣＮＴシートは、従来のＣＮＴに比べて高い配向性と高い分散性を有しているため、透明な材料として用いることができる。例えば、ＣＮＴの密度を制御したＣＮＴロープやＣＮＴシートを、構造体内に保持することにより透明導電体を作製することができる。ＣＮＴの密度により構造体の透過率を制御できるとともに、導電率も制御可能となる。また、ＣＮＴロープやＣＮＴシートの保持方向を変えて積層することによりデバイス作製も可能となる。なお、構造体としては、ゴム状のものや樹脂状のもの等どの様な材料でも使用可能である。
【０１２８】
（刃物）
本発明のＣＮＴロープやＣＮＴシートは、その高い強度とナノオーダーの鋭さとを利用した刃物として用いることもできる。
【０１２９】
（小型モータ・小型電磁石）
上記のように、本発明のＣＮＴロープやＣＮＴシートを用いれば導線を作製することができる。この導線を用いてコイルを作製すれば、モータや電磁石を作製することができる。モータや電磁石における磁界の強さ（モータのトルクの強さに関係）は、コイルの巻き数とコイル中の電流とに比例する。このため、銅線を用いて磁界の強い電磁石を作製すると、銅線の太さおよび重さのために電磁石は大きくまた重くなってしまう。これに対して、細く大電流を流すことができ、軽量なＣＮＴロープやＣＮＴシートを用いれば、モータや電磁石を飛躍的に小型化かつ軽量化することができる。
【０１３０】
（フィルム・透明電磁波吸収材・建材・振動板・摺動材・人工筋肉・衣服）
本発明のＣＮＴロープやＣＮＴシートを薄く加工することによりフィルムを作製することができる。このフィルムは、透明な電磁波吸収材として使用できる。また、本発明のＣＮＴロープやＣＮＴシートは、高い強度を有するとともに、鉄よりも１０倍程度比重が小さい。このため、建材として好ましく用いることができる。強度をさらに高めたものとすれば、スペースエレベータ等の材料になる。
【０１３１】
また、本発明のＣＮＴロープやＣＮＴシートは、振動板として用いることができる。例えば、ＣＮＴ自身を振動させることによりスピーカ等に利用できる。また、高い配向性と、高束性を有するため、摺動材として、新幹線（登録商標）のパンタグラフ（登録商標）等に使用することもできる。
【０１３２】
また、ＣＮＴの粉末を両面テープに付けて、両面を電極に取り付け、この状態で食塩水中に入れて、電圧を印加すると両面テープが曲がる。この性質を利用して、２本のＣＮＴロープ、その間に例えば樹脂などで絶縁層を設けて接合すれば、ナノオーダーの径を有する人工筋肉として用いることができる。また、上記性質を利用すれば、圧電素子としても利用できる。
【０１３３】
さらに、ＣＮＴロープやＣＮＴシートは、衣服の材料として利用することもできる。材料として衣服に用いた場合には、例えば、電磁波防止や静電気防止用の効果が得られる。
【０１３４】
（釣り糸・光吸収材・反射板・不織布・人工誘電体用媒体・インク・塗料・耐熱材・耐磨耗材）
本発明のＣＮＴロープやＣＮＴシートは、上記用途の他にも、釣り糸、光吸収材、反射板、不織布、人工誘電体用媒体、インク、塗料、耐熱材、または耐磨耗材に用いることができる。ＣＮＴロープやＣＮＴシートは、高い配向性と高い分散性を有しているため、偏光材料として利用できる。このため、上記偏光フィルタの他にも光吸収材等に用いることができる。
【０１３５】
また、不織布に用いた場合には、従来の布に比べて薄くできる。インクに用いた場合には、導電性を有するインクとすることができる。塗料に用いた場合には、塗料自体が高い強度を有するという効果を得ることができる。
【０１３６】
なお、上記のように、本発明に係る炭素系微細構造物の集合体は、炭素系微細構造物が複数集合した炭素系微細構造物の集合体であって、上記複数の炭素系微細構造物は、同一方向に配向しているとともに、該配向方向に沿って集合している構成である。
【０１３７】
上記炭素系微細構造物の集合体においては、上記複数の炭素系微細構造物は、配向方向に対して直角方向にも集合していることが好ましい。炭素系微細構造物を配向方向に対して直角方向にもさらに集合させているため、平面的にも広がりを有する集合体とすることができる。この場合、取り扱い性や加工性はさらに向上する。
【０１３８】
上記炭素系微細構造物の集合体においては、上記複数の炭素系微細構造物は、ファンデルワールス力により結合していることが好ましい。また、上記複数の炭素系微細構造物は、物理的または化学的に結合していることが好ましい。これにより、炭素系微細構造物を容易に集合させることができるとともに、得られた集合体はさらに高い強度を有する。
【０１３９】
また、上記炭素系微細構造物は、上記配向方向の長さ１μｍ当たりに存在する屈曲部が１０個以下であることが好ましい。これにより、炭素系微細構造物の結晶性を高くすることができるので、集合体を長くすることができると共に、集合体の強度を高くすることができる。なお、屈曲部とは、炭素系微細構造物の配向方向に対して屈曲している部分である。例えば、不規則な結晶構造（いわゆる欠陥）である部分が屈曲する部分となる。
【０１４０】
また、上記炭素系微細構造物は、カーボンナノチューブであることが好ましい。さらに、上記炭素系微細構造物の集合体においては、金属を担持していることが好ましく、表面修飾が施されていることが好ましい。これにより、炭素系微細構造物の集合体に種々の機能を付与することが可能となり、様々な用途に用いることができる。
【０１４１】
例えば、上記炭素系微細構造物の集合体は、補強材、フィルタ、吸着剤、電極、電線、導線、センサ、透明導電体、刃物、モータ、建材、振動板、摺動材、人工筋肉、衣服、釣り糸、光吸収材、反射板、不織布、人工誘電体用媒体、インク、塗料、耐熱材、または耐磨耗材として用いることができる。
【０１４２】
また、上記炭素系微細構造物の集合体の他の用途としては、炭素系微細構造物の集合体を複数撚ってなる撚糸状構造物や、樹脂を含浸した炭素系微細構造物の集合体を複数撚ってなる布状構造物、炭素系微細構造物の集合体を巻き取ってなるコイル状構造物を挙げることができる。
【０１４３】
また、上記炭素系微細構造物の集合体のさらに他の用途としては、炭素系微細構造物の集合体を含んでなる樹脂シートを挙げることができる。この樹脂シートを少なくとも１層以上含み積層することで積層体が得られる。この樹脂シートや積層体は、高熱伝導シートとして用いることができる。また、上記集合体の用途として、炭素系微細構造物の集合体からなるフィルムを挙げることができる。このフィルムは、透明電磁波吸収材として用いることができる。
【０１４４】
また、上記のように、本発明の炭素系微細構造物群は、基板上に、該基板に対して略垂直方向に配向するように複数の炭素系微細構造物が設けられた炭素系微細構造物群であって、上記基板１ｃｍ２当たりに存在する炭素系微細構造物が１×１０１１本以上である構成を有している。
【０１４５】
さらに、上記炭素系微細構造物は、上記配向方向の長さ１μｍ当たりに存在する屈曲部が１０個以下であることが好ましい。これにより、炭素系微細構造物群を構成する各炭素系微細構造物の結晶性を高くすることができる。
【０１４６】
なお、上記炭素系微細構造物の集合体を製造するために、本発明に係る炭素系微細構造物の集合体の製造方法は、基板上に、基板に対して垂直方向に配向した複数の炭素系微細構造物を形成する形成工程と、上記炭素系微細構造物の少なくとも１つを引っ張る引張工程とを有する構成である。
【０１４７】
また、上記の製造方法においては、上記引張工程の前に、基板を劈開する劈開工程を有することが好ましい。これにより、容易に集合体を製造することが可能となる。また、上記形成工程は、基板に対して、炭素系微細構造物を形成するための原料気体と、該原料気体を搬送するための搬送気体とを供給することによって行われ、全気体の濃度に対する原料気体の濃度の割合が２３％以上であることが好ましい。これにより、基板上に形成する炭素系微細構造物の密度を高くすることができる。その結果、高束性をより高めることができるとともに、高強度の集合体とすることができる。
【０１４８】
さらに、上記の製造方法においては、上記複数の炭素系微細構造物を物理的または化学的に結合させる結合工程を有することが好ましい。これにより、複数の炭素系微細構造物が強固に結合するため、集合体の強度をより一層高めることができる。
【０１４９】
尚、発明を実施するための最良の形態の項においてなした具体的な実施態様または実施例は、あくまでも、本発明の技術内容を明らかにするものであって、そのような具体例にのみ限定して狭義に解釈されるべきものではなく、本発明の精神と次に記載する特許請求の範囲内で、いろいろと変更して実施することができるものである。すなわち、特許請求の範囲内で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１５０】
以上のように、本発明に係る炭素系微細構造物の集合体は、高強度、高電流密度等種々の特性を有しているとともに、目に見えるため取り扱い性や加工性が高いものである。それゆえ、本発明に係る炭素系微細構造物の集合体は、小型化、軽量化された電子機器やその配線、あるいは各種材料等として特に好適に用いることができる。従って、本発明は、単に、炭素系微細構造物の集合体を製造する産業分野のみならず、化学産業、素材加工産業、樹脂産業、電子・電気機器やその部品を製造する産業分野等の各種産業分野において好適に用いることができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素系微細構造物が複数集合した炭素系微細構造物の集合体であって、
上記複数の炭素系微細構造物は、同一方向に配向しているとともに、該配向方向に沿って集合していることを特徴とする炭素系微細構造物の集合体。
【請求項２】
上記複数の炭素系微細構造物は、配向方向に対して直角方向にも集合していることを特徴とする請求項１に記載の炭素系微細構造物の集合体。
【請求項３】
上記複数の炭素系微細構造物は、ファンデルワールス力により結合していることを特徴とする請求項１または２に記載の炭素系微細構造物の集合体。
【請求項４】
上記複数の炭素系微細構造物は、物理的または化学的に結合していることを特徴とする請求項１または２に記載の炭素系微細構造物の集合体。
【請求項５】
上記炭素系微細構造物は、上記配向方向の長さ１μｍ当たりに存在する屈曲部が１０個以下であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の炭素系微細構造物の集合体。
【請求項６】
上記炭素系微細構造物は、カーボンナノチューブであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の炭素系微細構造物の集合体。
【請求項７】
金属を担持していることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の炭素系微細構造物の集合体。
【請求項８】
表面修飾が施されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の炭素系微細構造物の集合体。
【請求項９】
補強材、電線、導線、センサ、透明導電体、刃物、モータ、建材、振動板、摺動材、人工筋肉、衣服、釣り糸、光吸収材、反射板、不織布、人工誘電体用媒体、インク、塗料、耐熱材、または耐磨耗材として用いられることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の炭素系微細構造物の集合体。
【請求項１０】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載の炭素系微細構造物の集合体を複数撚ってなる撚糸状構造物。
【請求項１１】
樹脂を含浸した上記請求項１ないし６のいずれか１項に記載の炭素系微細構造物の集合体を複数撚ってなる布状構造物。
【請求項１２】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の炭素系微細構造物の集合体を巻き取ってなるコイル状構造物。
【請求項１３】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の炭素系微細構造物の集合体を含んでなる樹脂シート。
【請求項１４】
請求項１３に記載の樹脂シートを少なくとも１層以上含み積層してなる積層体。
【請求項１５】
請求項１３に記載の樹脂シートまたは請求項１４に記載の積層体を用いてなる高熱伝導シート。
【請求項１６】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の炭素系微細構造物の集合体からなるフィルム。
【請求項１７】
透明電磁波吸収材として用いられることを特徴とする請求項１６に記載のフィルム。
【請求項１８】
基板上に、該基板に対して略垂直方向に配向するように複数の炭素系微細構造物が設けられた炭素系微細構造物群であって、
上記基板１ｃｍ２当たりに存在する炭素系微細構造物が１×１０１１本以上であることを特徴とする炭素系微細構造物群。
【請求項１９】
上記炭素系微細構造物は、上記配向方向の長さ１μｍ当たりに存在する屈曲部が１０個以下であることを特徴とする請求項１８に記載の炭素系微細構造物群。
【請求項２０】
請求項１８または１９に記載の炭素系微細構造物群に含まれる炭素系微細構造物の少なくとも１つを引っ張ることによって得られたことを特徴とする炭素系微細構造物の集合体。
【請求項２１】
基板上に、基板に対して垂直方向に配向した複数の炭素系微細構造物を形成する形成工程と、
上記炭素系微細構造物の少なくとも１つを引っ張る引張工程とを有することを特徴とする炭素系微細構造物の集合体の製造方法。
【請求項２２】
上記引張工程の前に、基板を劈開する劈開工程を有することを特徴とする請求項２１に記載の炭素系微細構造物の集合体の製造方法。
【請求項２３】
上記形成工程は、基板に対して、炭素系微細構造物を形成するための原料気体と、該原料気体を搬送するための搬送気体とを供給することによって行われ、全気体の濃度に対する原料気体の濃度の割合が２３％以上であることを特徴とする請求項２１または２２に記載の炭素系微細構造物の集合体の製造方法。
【請求項２４】
上記複数の炭素系微細構造物を物理的または化学的に結合させる結合工程をさらに有することを特徴とする請求項２１ないし２３のいずれか１項に記載の炭素系微細構造物の集合体の製造方法。
【請求項１】
炭素系微細構造物が複数集合した炭素系微細構造物の集合体であって、
上記複数の炭素系微細構造物は、同一方向に配向しているとともに、該配向方向に沿って集合していることを特徴とする炭素系微細構造物の集合体。
【請求項２】
上記複数の炭素系微細構造物は、配向方向に対して直角方向にも集合していることを特徴とする請求項１に記載の炭素系微細構造物の集合体。
【請求項３】
上記複数の炭素系微細構造物は、ファンデルワールス力により結合していることを特徴とする請求項１または２に記載の炭素系微細構造物の集合体。
【請求項４】
上記複数の炭素系微細構造物は、物理的または化学的に結合していることを特徴とする請求項１または２に記載の炭素系微細構造物の集合体。
【請求項５】
上記炭素系微細構造物は、上記配向方向の長さ１μｍ当たりに存在する屈曲部が１０個以下であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の炭素系微細構造物の集合体。
【請求項６】
上記炭素系微細構造物は、カーボンナノチューブであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の炭素系微細構造物の集合体。
【請求項７】
金属を担持していることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の炭素系微細構造物の集合体。
【請求項８】
表面修飾が施されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の炭素系微細構造物の集合体。
【請求項９】
補強材、電線、導線、センサ、透明導電体、刃物、モータ、建材、振動板、摺動材、人工筋肉、衣服、釣り糸、光吸収材、反射板、不織布、人工誘電体用媒体、インク、塗料、耐熱材、または耐磨耗材として用いられることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の炭素系微細構造物の集合体。
【請求項１０】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載の炭素系微細構造物の集合体を複数撚ってなる撚糸状構造物。
【請求項１１】
樹脂を含浸した上記請求項１ないし６のいずれか１項に記載の炭素系微細構造物の集合体を複数撚ってなる布状構造物。
【請求項１２】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の炭素系微細構造物の集合体を巻き取ってなるコイル状構造物。
【請求項１３】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の炭素系微細構造物の集合体を含んでなる樹脂シート。
【請求項１４】
請求項１３に記載の樹脂シートを少なくとも１層以上含み積層してなる積層体。
【請求項１５】
請求項１３に記載の樹脂シートまたは請求項１４に記載の積層体を用いてなる高熱伝導シート。
【請求項１６】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の炭素系微細構造物の集合体からなるフィルム。
【請求項１７】
透明電磁波吸収材として用いられることを特徴とする請求項１６に記載のフィルム。
【請求項１８】
基板上に、該基板に対して略垂直方向に配向するように複数の炭素系微細構造物が設けられた炭素系微細構造物群であって、
上記基板１ｃｍ２当たりに存在する炭素系微細構造物が１×１０１１本以上であることを特徴とする炭素系微細構造物群。
【請求項１９】
上記炭素系微細構造物は、上記配向方向の長さ１μｍ当たりに存在する屈曲部が１０個以下であることを特徴とする請求項１８に記載の炭素系微細構造物群。
【請求項２０】
請求項１８または１９に記載の炭素系微細構造物群に含まれる炭素系微細構造物の少なくとも１つを引っ張ることによって得られたことを特徴とする炭素系微細構造物の集合体。
【請求項２１】
基板上に、基板に対して垂直方向に配向した複数の炭素系微細構造物を形成する形成工程と、
上記炭素系微細構造物の少なくとも１つを引っ張る引張工程とを有することを特徴とする炭素系微細構造物の集合体の製造方法。
【請求項２２】
上記引張工程の前に、基板を劈開する劈開工程を有することを特徴とする請求項２１に記載の炭素系微細構造物の集合体の製造方法。
【請求項２３】
上記形成工程は、基板に対して、炭素系微細構造物を形成するための原料気体と、該原料気体を搬送するための搬送気体とを供給することによって行われ、全気体の濃度に対する原料気体の濃度の割合が２３％以上であることを特徴とする請求項２１または２２に記載の炭素系微細構造物の集合体の製造方法。
【請求項２４】
上記複数の炭素系微細構造物を物理的または化学的に結合させる結合工程をさらに有することを特徴とする請求項２１ないし２３のいずれか１項に記載の炭素系微細構造物の集合体の製造方法。
【図１（ａ）】
【図１（ｂ）】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６（ａ）】
【図６（ｂ）】
【図７（ａ）】
【図７（ｂ）】
【図８】
【図９】
【図１０（ａ）】
【図１０（ｂ）】
【図１０（ｃ）】
【図１０（ｄ）】
【図１１（ａ）】
【図１１（ｂ）】
【図１２】
【図１３（ａ）】
【図１３（ｂ）】
【図１３（ｃ）】
【図１４】
【図１５（ａ）】
【図１５（ｂ）】
【図１６（ａ）】
【図１６（ｂ）】
【図１７（ａ）】
【図１７（ｂ）】
【図１７（ｃ）】
【図１７（ｄ）】
【図１８】
【図１（ｂ）】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６（ａ）】
【図６（ｂ）】
【図７（ａ）】
【図７（ｂ）】
【図８】
【図９】
【図１０（ａ）】
【図１０（ｂ）】
【図１０（ｃ）】
【図１０（ｄ）】
【図１１（ａ）】
【図１１（ｂ）】
【図１２】
【図１３（ａ）】
【図１３（ｂ）】
【図１３（ｃ）】
【図１４】
【図１５（ａ）】
【図１５（ｂ）】
【図１６（ａ）】
【図１６（ｂ）】
【図１７（ａ）】
【図１７（ｂ）】
【図１７（ｃ）】
【図１７（ｄ）】
【図１８】
【国際公開番号】ＷＯ２００５／１０２９２４
【国際公開日】平成１７年１１月３日（２００５．１１．３）
【発行日】平成１９年８月３０日（２００７．８．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５１２５５２（Ｐ２００６−５１２５５２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００５／００７４８０
【国際出願日】平成１７年４月１９日（２００５．４．１９）
【出願人】（５０３３６０１１５）独立行政法人科学技術振興機構 (1,734)
【出願人】（０００２０５６２７）大阪府 (238)
【出願人】（５０５１２７７２１）公立大学法人大阪府立大学 (688)
【出願人】（３０２０６０３０６）大塚化学株式会社 (88)
【出願人】（０００２３１２３５）大陽日酸株式会社 (642)
【出願人】（０００００３９４２）日新電機株式会社 (328)
【出願人】（５９１０４０２９２）大研化学工業株式会社 (59)
【Ｆターム（参考）】
【国際公開日】平成１７年１１月３日（２００５．１１．３）
【発行日】平成１９年８月３０日（２００７．８．３０）
【国際特許分類】
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００５／００７４８０
【国際出願日】平成１７年４月１９日（２００５．４．１９）
【出願人】（５０３３６０１１５）独立行政法人科学技術振興機構 (1,734)
【出願人】（０００２０５６２７）大阪府 (238)
【出願人】（５０５１２７７２１）公立大学法人大阪府立大学 (688)
【出願人】（３０２０６０３０６）大塚化学株式会社 (88)
【出願人】（０００２３１２３５）大陽日酸株式会社 (642)
【出願人】（０００００３９４２）日新電機株式会社 (328)
【出願人】（５９１０４０２９２）大研化学工業株式会社 (59)
【Ｆターム（参考）】
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