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横浜国立大学 大学院工学研究院

准教授 大矢 剛嗣

2017.6.22JST東京本部別館1Fホール

（東京・市ケ谷）

カーボンナノチューブ

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ナノカーボン系材料の変遷

黒鉛（グラファイト）（グラフェン）

ダイアモンド

カーボンナノチューブ（CNT）1991年発見

フラーレン（C60）1985年発見

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多機能なCNT

• 細くて強い– 同じ重さの鉄の数百倍の引張強度

• 電気をよく通す– 電子移動度が高い（バリスティック伝導）

• 構造により半導体的になる– 次世代半導体として期待される

• ガスなど分子を吸着する– ガス分子の貯蔵やフィルタに

• 熱をよく伝える– 放熱材などへの応用が期待

各所へ応用…?

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身の周りに溢れていないCNT(応用物品)

多機能だが、それほど応用・実用例は出てきていない

→ その扱いにくさと価格が問題販売物は粉状や分散液が多い（そして高価）

粉状 分散液

何らかの工夫が必要↓

候補：複合材料

＠YNU

「身近な材料」と「CNT」を組み合わせた複合材料を開発（糸や紙）

様々な応用へと展開

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CNTの熱電発電性能→ 近年、良いゼーベック係数を示すことが明らかに（CNT: S ～170μV/K， cf. BiTe系材料： 約200μV/K）

一般的にCNTは「高電気伝導性」＆「高熱伝導性」

熱電発電材：

「高電気伝導性」＆「低熱伝導性」が望ましい

CNT複合糸はこの両立が可能（応用先として熱電発電は相性が良い）

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CNT複合糸

・ 作製手法：染色技術等の応用（比較的簡便）

・ CNTと糸の各特徴を併せ持つ材料（特に）CNTの「高導電性」＆「高熱伝導性」

＋ 糸の「低導電性（絶縁性）」＆「低熱伝導性（断熱性）」CNT複合糸＝ 「高導電性」＆ 「低熱伝導性」（布形状によるパフォーマンス向上にも期待）

※ 最適条件の導出には至っていない

本件に関して…未公開特許：「熱電発電デバイス」，特願2017-086031

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半導体的カーボンナノチューブ　　　　　　　　　複合糸

p型 n型

加熱領域

端子

通常の糸

半導体的カーボンナノチューブ　　　　　　　　　複合糸

p型

n型

熱

冷

キャリアの抜けた後

キャリア

熱電発電糸／布の創生構築例

「熱電発電糸」

「熱電発電布」 熱電発電の概念図

（編み方の一例） 本提案のターゲット温度：～150℃ 程度

CNTシート(不織布)として熱電発電する研究例も存在(https://www.sekisui.co.jp/news/2016/

1282221_26478.html)

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簡単に作製可能（染色技術の応用など）

CNT複合糸

絞り染め ・刷り込み染色・くびり技法

（イメージ）

作製手法（例）

等の従来技法も応用可能

通常の糸

半導体的カーボンナノチューブ　　　　　　　　　複合糸

p型

n型

「〇〇紬」等の技術で作製可能か

作製のし易さ 応用展開の速度・広い適用範囲

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身近な材料である

繊維産業はすそ野が広い

大部分の製品へと導入が可能

（用途・適用先によって機能を選択）

（「高機能繊維」は日本の得意領域）

（経済産業省 平成25年1月 資料より）

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例えば…

衣類等

カーシート，内装等

家具，寝具，インテリア等

・センサー・発電応用・ウェアラブル応用

etc.

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糸トランジスタ

金属的CNT複合糸

半導体CNT複合糸

絶縁膜

（イメージ図）

（サンプル写真）

サンプル実測

（Vg）

ゲート電圧によるドレイン電流の制御を確認→ トランジスタ性能

⇒ 熱電発電以外の応用

（一例）

安定的なCNT複合糸作製手法の開発・ 染色法（長寿命（CNTが脱落しない），良再現性）の開発・ 選択的な染色法（刷り込み染色等の応用）の開発

CNT複合糸からの「CNT複合布」の開発・ どのような織り方をするか等

CNT複合糸の物性解析

その他、応用展開・ LED紙・ アンテナ紙

実装検討・ 内装，家具等への熱電発電機能およびトランジスタ機能の実装と応用・ 衣類等への感熱センサ―機能（＋糸LSI）実装による

新しいウェアラブルデバイスの開発

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身近な材料への適用＜紙編＞

CNT複合紙（色合いの違いは含有CNT量による）

CNTと紙の各特徴を併せ持つ材料CNT・高電気伝導性 ・高熱伝導性・表面積が大きい（吸着能力）・光応答性・構造により金属的もしくは

半導体的な性質を示す etc.…

紙（和紙）・軽量 ・安価・作製しやすい ・扱いやすい・環境にやさしい etc.…

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(1). 紙原料の用意(2). パルプ分散液（水分散液）の用意(3). CNT分散液（水分散液）の用意

CNT （と分散剤）を水に投入し数十分超音波を照射(4). (2)と(3)の各水分散液を混合(5). (4)の分散液に対して“紙漉き”を行う(6). 乾燥・プレス等により最終成形を行う

(1)

(3)

(5)

(4)

紙原料（パルプ）

(2)

(6)

和紙作りからヒントを得た作製法

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CNT複合紙熱電発電デモンストレーション

熱電発電する紙

n型半導体CNT複合紙とp型半導体CNT複合紙を用意

組み合わせることにより熱電発電する紙を実現

（関連論文発表）K. Kawata and T. Oya, "Development and evaluation of "thermoelectric power generating paper" using carbon nanotube-composite paper," Japanese Journal of Applied Physics, (2017), in press.

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合紙

ソース，ドレイン電極(金属的CNT複合紙)

ゲート電極(金属的CNT複合紙)

絶縁体層(普通紙)

チャネル(半導体的CNT複合紙)

電流を制御する紙

構造イメージ図（断面図）

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

-20 -15 -10 -5 0I d

[mA]

Vd [V]

Vg=-20 VVg=-10 VVg=0 VVg=10 VVg=20 V

実サンプル測定結果

情報処理する紙へ(スイッチ，メモリ，センサー等）

（関連発表）松井, 大矢, 2016年 第77回応用物理学会秋季学術講演会, 13p-P5-11，2016年9月. 他

実サンプル

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光（太陽光等）で発電する紙

構造イメージ図

半導体電極 増感色素

太陽光

電解液

一般的な色素増感太陽電池の概念図

色素増感太陽電池紙発電デモンストレーション（※ 電解液滴下時点でも発電が起きるが

光照射で上乗せされている）

紙で太陽光発電も

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CNT複合紙の導電性を生かした軽量シールド

CNT複合紙導電性デモンストレーション

202530354045

0 1 2 3シールド効果

[dB]

周波数[GHz]

実サンプル測定結果(一例，同軸管法)

実用に必要と言われる30dB以上の抑制効果を1MHz～18GHzにおいて確認

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CNTが持つ光応答性（ﾗﾏﾝ散乱，ﾌｫﾄﾙﾐﾈｯｾﾝｽ）を利用

複合紙内のCNT配置・・・ナノスケールで作製毎に変化（唯一無二，複製不可能）

CNTの光応答性・・・1本ごとに個性，（各CNTの構造により応答が変化）1か所から複数取得可能

人工物メトリクス認証（指紋認証等の人工物版）のカギとして相性が非常に良い

取得画像例 (現時点で)認証精度10-15を獲得

⇒ 向上途上（cf.指紋認証 10-7前後とのこと）

（関連論文発表）M. Akiba, et al., e-J. Surf. Sci. & Nanotech. 12, 368, 2014. 他

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身近な材料・物質である（特に日本人には）

(http://www.karakamiya.co.jp)

障子・ふすま や照明

壁紙・天井

(http://www.awagami.or.jp/)

紙幣

パスポート

印紙・証紙・切手・・・

証明書

その他：家具、IDカード etc.(障子・壁紙以外の画像は国立印刷局HPより)

MEMO:ペーパーレス社会？

現在もそれほど紙の消費量は減らず

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(http://www.karakamiya.co.jp)

(http://www.awagami.or.jp/)

設置するだけで・ センサー（IoT）・ 情報処理・ 発電・ 電磁波抑制 etc…

そのものが・ ICタグ化（伝票，トレース…）・ 電子決済機能付・ 発電・ 電磁波抑制(中身保護)

etc…

そのものが・ ICタグ化（個人情報…）・ フレキシブルさ復活（パスポート）

・ 偽造耐性（偽造不可能）etc…

（一例）

ペーパートランジスタとそれを用いたペーパーLSI，ペーパーセンサの開発・ 高パフォーマンスｐ型／ｎ型ペーパートランジスタの開発と論理回路化・ 「漉き合わせ」技術に学ぶ紙内への層構造実現（作製プロセス技術確立）・ 接触検知センサ、温度センサ等の「紙センサ」類の開発

電源紙の開発・ 高効率色素増感太陽電池紙／熱電発電紙の開発

CNT複合紙の物性解析・シミュレーション・ ナノスケール3次元構造体のシミュレーション、理論構築

その他、応用展開・ LED紙・ アンテナ紙

実装検討・ 襖紙、壁紙等への電池機能およびトランジスタ機能の実装と応用展開・ 段ボールや梱包材へのICタグ機能実装

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CNT複合糸もしくはCNT複合紙の応用に関する共同研究（応用そのものの他に、加工法や用途開発も含む）

CNT複合糸もしくはCNT複合紙のナノスケールにおける構造評価，物性評価（シミュレーション含む）（ナノスケールで見た時に、未解明な部分が多数残っている）

今回紹介した応用に限らず、CNT複合糸もしくはCNT複合紙に関するニーズの提供

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<未公開特許＞・名称：熱電発電デバイス （熱電発電糸／布に関する内容）・出願番号： 特願2017-086031・出願人： 国立大学法人 横浜国立大学・発明者： 大矢剛嗣

＜特許査定済＞1. 「カーボンナノチューブ含有体を用いた認証システムおよび認証方

法」，特許第5993158号（2016/8/26）（CNT複合紙のセキュリティ応用）

2. 「カーボンナノチューブ含有体」，特許第5908291号（2016/4/1）（CNT複合糸のトランジスタ応用（糸トランジスタ））

3. 「カーボンナノチューブを含む物品」，特許第5646879号（2014/11/14）（CNT複合紙の色素増感太陽電池，トランジスタ，熱交換シート応用）

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山本 亮一横浜国立大学

産学官連携推進部門 産学官連携支援室客員教授、産官学連携コーディネタ－

TEL：045-339-4382E-mail: yamamoto-ryoichi-hm@ynu.ac.jp

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