JP6342345B2 - 金属製ナノコイルの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属製のナノコイルの製造方法に関する。

ナノワイヤ、ナノチューブ、ナノコイルなど、２次元のサイズがナノオーダー（１〜数百ｎｍ程度）のナノ構造体は、様々な用途への応用が期待されている。例えば金属製のナノワイヤやナノコイルは、導電性炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）やプライマーなどに用いられる導電性フィラーとして有望な材料である。

マイクロ波誘導加熱を用いて熱可塑性樹脂を接着する方法では、高性能のマイクロ波発熱体を接着剤に混合することが求められる。マイクロ波発熱体としては磁性粉が一般的であるが、単位重量当たりの発熱量が小さく、熱可塑性樹脂の接着に適用することができない。そこで、高性能のマイクロ波発熱体として金属製のナノコイルを用いることが検討されている。

特許文献１は、中空のナノチューブの製造方法として、基板上にナノワイヤを成長させ、ナノワイヤの表面に外部被覆層を形成した後、ナノワイヤ全体を除去する方法を開示する。

特許文献２は、酸化物コア部材の表面に炭素被覆層及びシェル層を順次形成したコア−シェル構造体を作製し、コアシェル構造体を熱処理して酸化物コア部材を還元的熱分解させることによって、中空ナノ構造体を製造する方法を開示する。

特開２０１１−３６９９５号公報 特開２０１３−１８８８０８号公報

特許文献１の製造方法では、ナノワイヤ（結晶）を気相成長させる必要があるので、大量生産することができず、製造コストが高い。
特許文献２の製造方法では、コア部材の表面に少なくとも２つの層を形成する必要があり、更に熱処理によって酸化物コア部材と炭素被覆層とを反応させている。このため、ナノ構造体の作製に長時間を要するとともに、製造コストが高いことが問題となっていた。

本発明は、量産性に優れ、製造コストを削減できる金属製のナノコイルの製造方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、高分子のナノファイバからなるコア部に張力が付加された状態で、前記コア部の表面に金属薄膜が形成されて、金属被覆ナノファイバが作製される工程と、前記金属被覆ナノファイバの張力が緩和される工程と、張力が緩和された状態で前記金属被覆ナノファイバが前記高分子の沸点または熱分解温度以上かつ前記金属薄膜の融点以下の温度に加熱されて、前記コア部が気化するとともに前記金属薄膜がコイル状に収縮して、金属製ナノコイルが生成する工程と、を含む金属製ナノコイルの製造方法である。

上記方法で作製される金属製ナノコイルは比重が軽く、断面積が小さいという特徴を有する。
上記方法では高分子のナノファイバをコア部に用いるために、気相成長法によりコア部を形成する特許文献１と比較して工程が簡易であり、金属製ナノコイルを一度に大量に生産することが可能である。本発明の方法は従来技術と比較して容易にコイル状に収縮しやすいと言う利点を有している。また、本発明の方法に依れば、右巻きコイルと左巻きコイルとが、ほぼ同数の巻き数で生成する。このため、マイクロ波誘導加熱を行う際にマイクロ波の偏波方向が変化した場合でも均等に加熱することが可能である。

上記態様において、２つの金属製の可動板が離間されて配置される工程と、エレクトロスピニング法を用いて、前記可動板の間に前記コア部が形成される工程と、を更に含むことが好ましい。

エレクトロスピニング法はナノファイバを容易かつ大量に作製できる方法であり、生産コストを低減させる点で有利である。

上記態様において、前記可動板の距離を小さくすることにより前記金属被覆ナノファイバの張力が緩和され、前記可動板に前記金属被覆ナノファイバが固定された状態で前記金属被覆ナノファイバが加熱されることが好ましい。

エレクトロスピニング法でナノファイバを形成した基板（可動板）を利用して金属被覆ナノファイバの張力緩和や加熱を行うので、工程が簡易である。

本発明に依れば、気相成長よりも簡易な工程で金属製のナノコイルを一度に大量に製造することができる。このため、製造コストを大幅に削減することが可能である。
また、本発明に依れば結晶成長法で作製されるナノコイルよりも比重が軽いナノコイルを製造することができる。

エレクトロスピニング法を用いたコア部の製造装置の概略図である。 コア部の製造装置における基板である。 コア部の製造装置における基板の別の例である。 実施例１で作製したポリビニルアルコール製のコア部のＳＥＭ画像である。 実施例１で作製したＰｔ被覆ナノ構造体のＳＥＭ画像である。 実施例１で作製したＰｔナノコイルのＳＥＭ画像である。 実施例１で作製したＰｔナノコイルのＳＥＭ画像である。 実施例２で作製したＰｔ被覆ナノコイルのＳＥＭ画像である。 実施例２で作製したＰｔナノコイルのＳＥＭ画像である。 実施例３で作製したＣｕ製ナノコイルのＳＥＭ画像である。 実施例４で作製したＮｉ製ナノコイルのＳＥＭ画像である。

本発明の一実施形態に係る金属製ナノコイルの製造方法を、図面を参照して説明する。
＜コア部の準備＞
コア部として高分子からなるナノファイバを準備する。ナノファイバとは、２つの次元（長さ方向に直交する次元）がナノスケール（１〜数百ｎｍ）であり、残る１つの次元（長さ方向の次元）が上記２つの次元よりも著しく大きいサイズを有している繊維状のナノ物質である。

上記高分子として、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリアクリルニトリル（ＰＡＮ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリフェニレンビニレン（ＰＰＶ）、ナイロン６などが使用できる。高分子は１種類でも良く、複数種類の高分子を混合したものを用いても良い。

ナノファイバは、エレクトロスピニング法、メルトブロー法、延伸法などにより作製される。以下ではエレクトロスピニング法を用いたナノファイバ製造方法を詳細に説明する。

＜エレクトロスピニング法を用いたコア部の作製＞
エレクトロスピニング法は、容易にナノファイバを作製できる方法である。
図１はエレクトロスピニング法によるコア部の製造装置の概略図である。製造装置１０は、シリンジ１１と、高電圧電源１３と、基板２０とを備える。

シリンジ１１は不図示のスタンドによって、基板２０の上方に基板２０から所定距離だけ離間されて固定されている。シリンジ１１の先端には金属製のノズル１２が取り付けられる。

シリンジ１１内に上記高分子を含む高分子溶液が充填される。高分子溶液の溶媒は、上記高分子が溶解可能であれば特に限定されない。例えば、溶媒として水、トリクロロ酢酸、ジメチルホルミアミド、クロロホルム、メタノール、ギ酸などが用いられる。高分子溶液中の高分子濃度は、粘度、高分子の溶解性、作製されるコア部のサイズ等を考慮して適切に設定される。

図２は図１の基板２０を詳細に説明するための概略図である。基板２０は、支持板２１上にポリテトラフルオロエチレン製の板（ＰＴＦＥ板）２２と金属製の可動板支持部材２３が配置される。ＰＴＦＥ板２２及び可動板支持部材２３上に、２つの金属製の可動板２４が互いに離間して配置されて構成される。

図３は、本実施形態の製造装置１０に適用できる基板の別の例の概略図である。図３の製造装置１０は特に可動板（符号３４）の間の面積（ナノファイバ作製領域の面積）が大きい場合に用いられる。
基板３０は、Ｌ字型の支持板３１上に２つの金属製の可動板３４と、可動板３４の間にＰＴＦＥ板３２とが配置されて構成される。可動板３４の間に可撓部材３５を固定する。可撓部材３５は、融点が３００℃以上であり、可撓性を有する部材であれば特に限定されない。例えば可撓部材３５は銅線である。

可動板２４，３４の間の距離は、作製されるコア部の大きさ（長さ）に応じて設定される。図３の基板３０では、ＰＴＦＥ板３２の幅によって可動板３４間の距離が決定される。

可動板２４，３４の厚さは、可動板２４、３４の距離に応じて、後述するようにファイバの張力を緩和し撓ませた時に支持板２１と接触しない厚さに設定される。但し、可動板３４が厚くなると（支持板３１と可動板３４の上面との距離が大きくなると）、基板３０が不安定になる。図３の基板３０は、図２の基板２０に比べて可動板が厚くなっても可動板の安定性が確保される。つまり、図３の基板３０は可動板３４間の大きくしても、コア部を撓ませた時にコア部が支持板３１に接触することを防止できる。

シリンジ１１のノズル１２は高電圧電源１３の正極に接続され、支持板２１（または支持板３１）は高電圧電源１３の負極に接続される。支持板２１（または支持板３１）は接地される。

以下では、図２の基板２０を用いて金属ナノコイルを製造する方法を説明する。
高電圧電源１３は、ノズル１２と支持板２１との間に所定電圧（５ｋＶ以上８０ｋＶ以下）を印可する。ノズル１２先端から一定の速度で高分子溶液が基板２０に向かって押し出される。ノズル−アース間の電気引力によって高分子溶液が基板２０の可動板２４及びＰＴＦＥ板２２上に向けて噴霧される。噴霧される際に高分子溶液中の溶媒が徐々に揮発し、基板２０に到達するときにはナノファイバとなる。ナノファイバはＰＴＦＥ板２２を跨いで２つの可動板２４間に形成される。

上記エレクトロスピニング法によって形成されるナノファイバは、断面の直径が３０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の繊維である。

ナノファイバを載置した基板２０が真空デシケータ内に収納され、ナノファイバが減圧乾燥される。乾燥温度は室温が好ましいが、３０℃以上、かつ、ナノファイバを構成する高分子の融点温度以下または熱分解温度以下の範囲の温度とすることもできる。圧力は１０Ｐａ以上１００Ｐａ以下である。
ナノファイバが乾燥することにより、可動板２４間でナノファイバに張力が付加される。

＜金属薄膜の形成＞
基板２０のＰＴＦＥ板２２が外される。その後、ナノファイバをコア部として、コア部表面に金属薄膜が形成され、金属被覆ナノファイバが作製される。金属の種類は限定されない。例えば、Ｐｔ，Ａｕなどの貴金属や、Ｃｕ，Ｎｉが好適である。金属薄膜の形成方法には、スパッタリング法、蒸着法、ＣＶＤ法などが用いられる。金属薄膜の膜厚は５ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。
上記の金属薄膜形成方法を用いると、成膜時に金属原子が飛来する側と反対側の面は影となる。このため、金属薄膜の膜厚は周方向に不均一となり、影になる部分が最も薄くなる。

＜金属被覆ナノファイバの張力緩和＞
２つの可動板２４が内側に向かって移動される。こうすることにより、金属被覆ナノファイバの張力が緩和され、金属被覆ナノファイバが撓む。この場合の可動板２４間の距離は、後述する加熱による金属皮膜の収縮率などを考慮して設定される。

図３の基板３０の場合は、可動板３４間の距離を小さくするように可動板３４を移動させると、可動板３４の長手方向に（図３によると、Ｌ字型の支持板３１の垂直部分に向かって）可撓部材３５が撓む。こうすることにより、金属被覆ナノファイバの張力が２方向に緩和される。
可動板３４間の距離が大きい（ナノファイバ作製領域面積が大きい）場合には、大気の揺らぎにより金属被覆ナノファイバが切断する恐れがある。可撓部材３５を設けることにより、金属被覆ナノファイバの切断の問題を防止することができる。

この工程では、撓ませた時に金属被覆ナノファイバと支持板２１，３１とが接触しないように、可動板２４，３４の移動距離が設定される。

＜金属被覆ナノファイバの加熱＞
金属被覆ナノファイバの張力が緩和された状態で、金属被覆ナノファイバが熱処理される。熱処理温度条件は、コア部を構成する高分子の沸点または熱分解温度以上、かつ、金属被覆の融点以下の温度である。
熱処理は、金属被覆の種類によって適切な熱処理雰囲気で行われる。Ｐｔ，Ａｕ等のように酸化されにくい金属の場合、大気中などの酸素が存在する雰囲気下、または、Ｎ_２，Ａｒなどの不活性ガス雰囲気下で熱処理が行われる。一方、酸化される金属（上述の例ではＣｕ，Ｎｉ）の場合は不活性ガス雰囲気下で加熱される。

上記温度に金属被覆ナノファイバが加熱されると、コア部の高分子が気化する。上述したように金属薄膜は周方向に膜厚が不均一である。高分子が気化することにより金属薄膜内側の圧が高まり、金属薄膜の膜厚最少部分が破れ、破裂部分から気化した高分子がファイバ外部に排出される。

一方、金属被覆は基板２０に固定された状態で残留する。金属被覆は極めて薄いため、加熱により金属被覆がコイル状に収縮し、金属製ナノコイルが生成する。作製された金属製ナノコイルの断面は中空状あるいはＵ字状となり、中実の場合よりも断面積が小さくなる。断面積が小さいために、本実施形態の金属製ナノコイルを用いてマイクロ波誘導加熱を行った場合は、加熱効率を向上させることが可能であると考えられる。

金属製ナノコイルの断面の大きさは、コア部の直径、金属薄膜の不整合歪み、金属薄膜の膜厚によって調整される。金属薄膜の不整合歪みは、成膜方法や金属の種類に応じて調整することが可能である。コイルのピッチは、熱処理前の金属被覆ナノファイバの張力緩和の程度（可動板間の距離）により調整される。
具体的に、本実施形態の方法により、断面の最大長さが４０ｎｍ〜１０００ｎｍ、螺旋径１００ｎｍ〜２０００ｎｍ、ピッチ１００ｎｍ〜１００００ｎｍの金属製ナノコイルが製造可能である。

本実施形態の方法では、右巻きコイルと左巻きコイルとがほぼ同数の巻き数で形成される。マイクロ波誘導加熱を行う場合、マイクロ波の偏波方向が変化した場合でも均等に加熱される。

使用用途に応じて作製後の金属ナノコイルが所定の長さに切断される。

＜実施例１＞
コア部にＰＶＡを用い、Ｐｔ製の金属ナノコイルを作製した。
まず、エレクトロスピニング法を用いてＰＶＡのコア部を作製した。９ｗｔ％ＰＶＡ水溶液を作製した。純水にＰＶＡ粉末（ケン化度８６〜９０ｍｏｌ％、平均重合度１５００）を添加し、温度５０℃で５時間撹拌した。

図２に示す基板２０（可動板２４間の距離：１０ｍｍ）をシリンジ１１の下方に設置した。
図１に示す製造装置１０のシリンジ１１に上記ＰＶＡ水溶液を充填した。ノズル１２先端から基板２０までの距離（ノズル１２先端からＰＴＦＥ基板２０までの最短距離）を２５ｃｍに設定した。ノズル１２及び基板２０の間に２０ｋＶの電圧を印可した。一定速度でノズル１２先端からＰＶＡ溶液を基板２０に向かって押し出した。これにより、基板２０の可動板２４及びＰＴＦＥ板２２上にＰＶＡ製のナノファイバ（直径２００ｎｍ〜１０００ｎｍ、平均径３００ｎｍ）が形成された。ナノファイバが形成された領域は、可動板２４の長手方向：１０ｍｍの範囲内であった。

ナノファイバが載置された基板２０が真空デシケータ内に収容され、室温で１２時間減圧乾燥（約１００Ｐａ）を行った。この工程により、基板２０上に固定されたコア部が得られた。

ＰＴＦＥ板２２を取り外した基板２０をスパッタリング装置内に収容される。ターゲット：Ｐｔ、圧力１．５Ｐａ、電圧０．６ｋＶ、基板−電極間距離２．５ｃｍの条件でスパッタリングを実施した。スパッタリングにより、コア部の表面に厚さ３０ｎｍのＰｔ薄膜を形成し、Ｐｔ被覆ナノファイバを得た。

Ｐｔ薄膜形成後、Ｐｔ被覆ナノファイバを鉛直方向に撓ませるために、可動板２４間の距離を１０ｍｍから７ｍｍに変更した。この時、Ｐｔ被覆ナノファイバと支持板２１とが接触していないことを確認した。

その後、基板２０を加熱炉の石英管（内径２５ｍｍ）内に収容し、Ａｒ雰囲気（流量１０ｓｃｃｍ、圧力約１７０Ｐａ）中にて３００℃、３０分熱処理した。
熱処理後、基板２０を石英管から取り出し、Ｐｔ製のナノコイルを得た。

図４は、実施例１のエレクトロスピニング法で作製されたＰＶＡナノファイバのＳＥＭ画像である。得られたナノファイバに長さ方向の収縮（例えばコイル状の収縮）は認められなかった。

図５は、実施例１の方法によりＰｔ薄膜が形成された金属被覆ナノファイバのＳＥＭ画像である。ナノファイバの表面にＰｔ薄膜が形成されてもナノファイバの収縮は観察されなかった。

図６及び図７は、図５の金属被覆ナノファイバを熱処理した後のＳＥＭ画像である。図面に示されているように、熱処理によりＰｔ薄膜がコイル状に収縮していることがわかる。得られたナノコイルは、断面の最大長さ約２００〜１０００ｎｍ、螺旋径０．２〜２μｍ、ピッチ１〜１０μｍであった。

＜実施例２＞
図３に示す基板を用いてエレクトロスピニング法によりナノファイバを作製した。基板３０の可動板３４間の距離を３６ｍｍとした。基板３０を図１の製造装置のシリンジ１１の下方に設置した。シリンジ１１内に実施例１と同じ高分子溶液を充填した。ノズル１２先端から基板３０までの距離（ノズル１２先端からＰＴＦＥ基板３０までの最短距離）を３６ｃｍに設定した。

実施例１と同条件で高分子溶液が基板３０に向かって押し出され、可動板３４及びＰＴＦＥ板３２上にＰＶＡ製のナノファイバ（直径２００ｎｍ〜１０００ｎｍ、平均径３００ｎｍ）を形成した。ナノファイバ形成後、実施例１と同じ条件で乾燥処理が実施され、コア部が形成された。ナノファイバが形成された領域は、可動板３４の長手方向：２５ｍｍの範囲内であった。

次いで、基板３０のＰＴＦＥ板３２を取り外し、基板３０をスパッタリング装置内に収容する。ターゲット：Ｐｔ、圧力１．５Ｐａ、電圧０．６ｋＶ、基板−電極間距離２．５ｃｍの条件でスパッタリングを実施した。スパッタリングにより、コア部の表面に厚さ３０ｎｍのＰｔ薄膜を形成した。

Ｃｕ薄膜形成後、可動板３４をＬ字型の支持板３１及び可撓部材３５に沿って移動させ、可動板３４間の距離を３６ｍｍから２５ｍｍに変更した。

その後、基板３０を加熱炉の石英管（内径２５ｍｍ）内に収容し、大気中にて３００℃、１５分熱処理した。
熱処理後、基板３０を石英管から取り出し、Ｐｔ製のナノコイルを得た。

図８及び図９は、実施例２で作製されたＰｔ製ナノコイルのＳＥＭ画像である。図面に示されているように、図８，９に示すように、実施例２の工程でもＰｔ製ナノコイルが得られた。得られたナノコイルは、断面の最大長さ約２００〜１０００ｎｍ、螺旋径０．２〜２μｍ、ピッチ１〜１０μｍであった。

＜実施例３＞
実施例２と同じ基板３０を用い、同条件でコア部を形成した。基板３０のＰＴＦＥ板３２を取り外したのち、基板３０をスパッタリング装置内に収容する。ターゲット：Ｃｕ、圧力１．５Ｐａ、電圧０．６ｋＶ、基板−電極間距離２．５ｃｍの条件でスパッタリングを実施した。スパッタリングにより、コア部（ＰＶＡファイバ）の表面に厚さ３０ｎｍのＣｕ薄膜を形成した。

Ｃｕ薄膜形成後、可動板３４をＬ字型の支持板３１及び可撓部材３５に沿って移動させ、可動板３４間の距離を３６ｍｍから２５ｍｍに変更した。

その後、実施例１と同じ条件で金属被覆ナノファイバを熱処理した。熱処理後、基板３０を石英管から取り出し、Ｃｕ製のナノコイルを得た。

＜実施例４＞
実施例２と同じ基板３０を用い、同条件でコア部を形成した。基板３０のＰＴＦＥ板３２を取り外したのち、基板３０をスパッタリング装置内に収容する。ターゲット：Ｎｉ、圧力１．５Ｐａ、電圧０．６ｋＶ、基板−電極間距離２．５ｃｍの条件でスパッタリングを実施した。スパッタリングにより、コア部（ＰＶＡファイバ）の表面に厚さ３０ｎｍのＮｉ薄膜を形成した。

Ｎｉ薄膜形成後、可動板３４をＬ字型の支持板３１及び可撓部材３５に沿って移動させ、可動板３４間の距離を３６ｍｍから２５ｍｍに変更した。

その後、実施例１と同じ条件で金属被覆ナノファイバを熱処理した。熱処理後、基板３０を石英管から取り出し、Ｎｉ製のナノコイルを得た。

図１０は、実施例３で作製したＣｕ製ナノコイルのＳＥＭ画像である。図１１は、実施例４で作製したＮｉ製ナノコイルのＳＥＭ画像である。このように、ＣｕやＮｉを金属薄膜層に形成した場合でも、金属ナノコイルを形成することができた。得られたナノコイルは、断面の最大長さ約２００〜１０００ｎｍ以下、螺旋径０．２〜２μｍ、ピッチ１〜１０μｍであった。

１０ 製造装置
１１ シリンジ
１２ ノズル
１３ 高電圧電源
２０，３０ 基板
２１，３１ 支持板
２２，３２ ＰＴＦＥ板
２３ 可動板支持部材
２４，３４ 可動板
３５ 可撓部材

Claims (3)

1. 高分子のナノファイバからなるコア部に張力が付加された状態で、前記コア部の表面に金属薄膜が形成されて、金属被覆ナノファイバが作製される工程と、
   前記金属被覆ナノファイバの張力が緩和される工程と、
   張力が緩和された状態で前記金属被覆ナノファイバが前記高分子の沸点または熱分解温度以上かつ前記金属薄膜の融点以下の温度に加熱されて、前記コア部が気化するとともに前記金属薄膜がコイル状に収縮して、金属製ナノコイルが生成する工程と、
   を含む金属製ナノコイルの製造方法。
2. ２つの金属製の可動板が離間されて配置される工程と、
   エレクトロスピニング法を用いて、前記可動板の間に前記コア部が形成される工程と、
   を更に含む請求項１に記載の金属製ナノコイルの製造方法。
3. 前記可動板の距離を小さくすることにより前記金属被覆ナノファイバの張力が緩和され、
   前記可動板に前記金属被覆ナノファイバが固定された状態で前記金属被覆ナノファイバが加熱される請求項２に記載の金属製ナノコイルの製造方法。