単層カーボンナノチューブ量産始まる。【NEDO/産総研/日本ゼオン】キャパシタ等幅広い応用範囲

[画像・上:単層カーボンナノチューブ(CNT)の幾何学構造図 提供:新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)]

次世代素材である単層カーボンナノチューブ(CNT)の量産が開始される。CNTの開発は世界中で繰り広げられているが、単層CNTの量産は世界初となる。高性能キャパシタ、高性能ゴム材料、高熱伝導材料等、その応用幅はひじょうに広く、今後需要が大きく拡大することが予想されている。

炭素繊維の中で次世代素材と見られているのがCNT。炭素原子の六角格子構造グラフェンシートがチューブ状になった構造体を持つ。ナノメートルスケールの口径を持ち(1nmは100万分の1mm)、これが「ナノチューブ」たる所以だ。

CNTは強度にして鋼鉄の20倍、熱伝導性にして銅の10倍、密度にしてアルミの2分の1、電子移動度にしてシリコンの10倍などの優れた特性を多く持つ。これらの特性を活かし、熱伝導ゴムやトランジスタ、高電導電線などの素材への応用が期待されている。またその表面積の大きさ、導電性の大きさは、各種キャパシタ用としてはうってつけと言える。
CNTには、グラフェンのチューブが積層している多層CNTと、1層のみの単層CNTの2種類が存在する。素材としての性質は、純度の高さ、比表面積の大きさ、適合サイズの大きさなど、単層のほうが種々の面で圧倒的に優れている。

単層CNT(一番上)、二重層CNT(真ん中)、三重層CNT(一番下)の構造画像。多層CNTは同心円状に炭素原子の六角格子構造グラフェンシートチューブが積層される。たとえば電気を扱う機器にCNTを使う場合、電子の貯蔵容積、出し入れの容易さの面で単層のほうが性能的に優位に立つ 提供:新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)

単層CNT(一番上)、二重層CNT(真ん中)、三重層CNT(一番下)の構造画像。多層CNTは同心円状に炭素原子の六角格子構造グラフェンシートチューブが積層される。たとえば電気を扱う機器にCNTを使う場合、電子の貯蔵容積、出し入れの容易さの面で単層のほうが性能的に優位に立つ 提供:新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)

1991年、CNTの基本原理を世界で初めて確立したのは産業技術総合研究所(産総研)の飯島澄男氏だ。その後産総研のナノチューブ実用化研究センター(旧・ナノチューブ応用研究センター)で1998年から実用化に向け基礎研究を開始。単層CNTは2002年から開発を開始し、現在その研究進度において世界をリードしている。

CNTは新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)との関連も深い。1998年から2001年の「フロンティアカーボンプロジェクト」以来現在に至るまで、NEDOは継続的にCNT開発・実用化事業を展開している。

そして2004年、NEDO「ナノカーボン応用製品創製」プロジェクトにおいて産総研の畠賢治氏が単層CNTの新たな合成法を開発した。それがスーパーグロース合成法(SG法)だ。

スーパーグロース法で製造された単層カーボンナノチューブ(SGCNT)の実物サンプル(右側の素材)

スーパーグロース法で製造された単層カーボンナノチューブ(SGCNT)の実物サンプル(右側の素材)

この合成法は、加熱炉の中に微量の水分を添加することにより、単層CNTの生成の効率を従来の数百から1,000倍ほどに引き上げる。炭素純度も99%と高い。単層CNTの生産性を大幅に向上させ、産業ベースの実用化へ大きく近づいた。

SGCNT合成法イメージ。加熱炉内には触媒活性用として水素も混入されるため、運転には高い技術力が要求される 提供:新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)

SGCNT合成法イメージ。加熱炉内には触媒活性用として水素も混入されるため、運転には高い技術力が要求される 提供:新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)

単層CNTの実用化に手を挙げた企業が日本ゼオン(東京都千代田区)だ。SG法のポイントとなる、安価な触媒成膜技術、大面合成技術等をNEDO事業の中で産総研と共に構築してきた。
SG法を採用した日本ゼオンの単相CNT生産プラントは11月、山口県周南市内にある同社・徳山工場内に完成。同月11日には竣工式が挙行された。工場稼働後、順次CNTの出荷が始まる。今後は、「自動車分野で採用されて採算が取れる」目安として、kgあたり2万円を目標に、低コストプロセス技術の構築を進める。

SG法を採用した日本ゼオンの単相CNT生産プラント 提供:新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)

SG法を採用した日本ゼオンの単相CNT生産プラント 提供:新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)

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