Separation method and production method of minute conductive material

本発明は、例えばナノマテリアル等の微小導電性物質をその電気抵抗やインダクタンスの大きさに応じて分散させる微小導電性物質の分離方法および微小導電性物質の製造方法に関する。

微小導電性物質は、少なくとも一次元の大きさが１００ｎｍよりも小さな材料を総称する。 例えばカーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノコイル、フラーレン等に代表されるナノカーボンや、金属又は非金属からなるナノ粒子、ナノファイバー等を含む。
微小導電性物質は、既に様々な分野で応用されており、その応用分野を広げる研究が盛んである。 例えばその物理的な大きさを利用した例として、カーボンナノチューブを先端に有するカンチレバーが製品化されている。 微小導電性物質を集めると、限られた空間内で大きな表面積が得られるので、例えば金属ナノ粒子を触媒として利用する製品がある。

導電性を有する微小導電性物質については、その物理的な大きさと電荷を移動できるという２つの特徴を有することから、より高度な利用方法が研究されている。 例えば、電子デバイスやマイクロ・エレクトロ・メカニカル・システムズ（ＭＥＭＳ）用の電気回路素子として、１個又は少量のカーボンナノチューブをチャネルや配線として利用する研究や、カーボンナノコイルをコイルとして利用する研究がされている。

また、大量のカーボンブラックやカーボンナノチューブを高分子材料に添加することで、高分子材料が有する加工の容易さを維持したまま、導電性を有する材料が開発されている。 ここで言う導電性は、半導体性、制電性を含む。 最近では、携帯電話内部の部品やパーソナルコンピュータ等のように外部の電磁波から保護することが望ましい電子機器や、ディスプレイやオーディオ機器等のように外部への電磁波漏洩を防止することが望ましい電子機器の用途としてカーボンナノチューブやカーボンナノコイルを高分子材料に添加した電磁波シールド材、電磁波吸収材の研究が盛んである。

このように微小導電性物質を電気回路素子や電磁波シールド材等の製品に利用する場合においては、使用する微小導電性物質の電気抵抗やインダクタンスが、製品の性能に大きく影響する。 例えば、１個又は少量の微小導電性物質を利用する電気回路素子では、使用する微小導電性物質の電気抵抗やインダクタンスのばらつきが直接的に電気回路素子の特性のばらつきに影響する。 大量の微小導電性物質を利用する電磁波シールド材等においても、電気抵抗の大きい微小導電性物質が混在すると、平均の電気抵抗が大きくなるので、電磁波シールド材等での電磁波吸収量が低下することになる。 電気回路素子や電磁波シールド材等に含まれる個々の微小導電性物質のインダクタンスのばらつきが特定の周波数帯に対する吸収効率を低下させる要因になる。

しかしながら、同じ名称の微小導電性物質であっても、一般的に個々に微小導電性物質の電気抵抗やインダクタンスが著しく異なるので、微小導電性物質の物理的な大きさのみを利用する場合に比ベて、その実用化が大きく遅れている。

ここで、例えばカーボンナノチューブ、カーボンナノコイル等に代表される繊維状の微小導電性物質は、その等価回路を電気抵抗素子とインダクタンス素子（コイル）との直列回路により表すことができる。 このとき、微小導電性物質のインピーダンスＺ［Ω］と、微笑導電性物質に流れる電流Ｉ［Ａ］は、印加した電圧Ｖ［Ｖ］、電気抵抗Ｒ［Ω］とインダクタンスＬ［Ｈ］を用いて次式（１），（２）により表される。
Ｚ ^２ ＝Ｒ ^２ ＋ω ^２ Ｌ ^２ …（１）
Ｉ＝Ｖ／Ｚ …（２）
ω［ラジアン／ｓ］は角周波数であり、周波数ｆ［Ｈｚ］を用いてω＝２πｆにより表される。

一般的に、電気抵抗Ｒは、カイラリティの違いや欠陥の量によって変化し、インダクタンスＬは、繊維長やコイル形状を規定する各種寸法の違いによって変化すると考えられる。 従って、微小導電性物質は、上記式（１），（２）に示す関係によって電機特性に影響を与える。

例えば、作製されたカーボンナノチューブは、例えば、一般的に金属型のものと半導体型のものとが含まれるので、それぞれ電気抵抗Ｒにばらつきがある。 また、長さにばらつきがあれば、インダクタンスのばらつきとなる。 微小導電性物質は、大きさが微小であるがゆえに、僅かな寸法の違いや原子レベルの欠陥が存在が、電気抵抗やインダクタンスの大きな違いとして現れるため、ある装置で同時に作製された微小導電性物質であっても、個々の微小導電性物質が有する電気抵抗やインダクタンスはばらついている。

従来、特許文献１のような金属型カーボンナノチューブを分離する方法が開示されているが、微小導電性物質をその電気抵抗やインダクタンスによって詳細に分離するための有効な方法がなかった。

上記したような微小導電性物質を分離する従来の方法では、電気抵抗やインダクタンスの値に基づく分離ができないという問題があった。

そこで、本発明は上記実情に基づきなられたもので、その目的とするところは、電気抵抗やインダクタンスの大きさに応じて、微小導電性物質を分離する方法を提供することにある。

実施形態の微小導電性物質の分離方法は、複数の微小導電性物質から成る集合体を添加した第１溶媒に対し、互いに同一または奇数倍の関係の周波数を有する電界と磁界とを同期して加えて、前記溶媒内で前記微小導電性物質を分散させ、分散後の位置に応じて前記第１溶媒を回収して第２溶媒とする第１分離工程と、複数の微小導電性物質から成る集合体を添加した第１溶媒に対し、互いに同一または奇数倍の関係の周波数を有する電界と磁界とを同期して加えて、前記溶媒内で前記微小導電性物質を分散させ、分散後の位置に応じて前記溶媒を回収する分離工程と、前の工程で回収した溶媒に対し、周波数を毎回異なる値にして電界と磁界とを同期して加えて、前記微小導電性物質を分散させ、分散後の位置に応じて溶媒を回収する分離工程を２回以上繰り返し行う多段分離工程と、を有することを特徴とする。

本発明に係る微小導電性物質の分離装置の一実施の形態を示す正面構成図。

同装置を示す側面構成図。

同装置における高周波回路を示すブロック構成図。

同装置の等価回路を示す図。

同装置における水槽内の有機媒体に加わる高周波電界と高周波磁界と微小導電性物質に加わる電磁力とを示す摸式図。

同装置における微小導電性物質に働く電磁力の発生原理を説明するための図。

同装置における微小導電性物質のインピーダンス値に応じた移動速度による分散の状態を示す図。

以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は微小導電性物質の分離装置の正面構成図を示し、図２は同装置の側面構成図を示す。 ＸＹ平面は水平面方向に一致し、Ｚ軸は高さ方向である。 水槽１は、長方体の形状に形成され、開口部２を上方に向けて設置されている。 水槽１の開口部２には、蓋が設けられ、開口部２を閉じるようになっている。 この水槽１は、例えば長手方向をＹ方向に一致させて設置されている。 水槽１内には、例えば水、エタノール等の有機媒体３が収容されている。 この有機媒体３中には、微小導電性物質として例えばコイル状に形成された微小なカーボン、具体的には複数の微小導電性物質４の粉末状の集合体５を有機媒体３に分散させたサンプル液６が滴下される。 このサンプル液６は、水槽１内における同水槽１の長手方向の中央部に滴下される。 サンプル液６を滴下する位置は、水槽１の長手方向の一端側又は他端側でもよい。

水槽１の両側面１ａ、１ｂの各外側には、図１に示すようにそれぞれ一対の高周波電極１０ａ、１０ｂが設けられている。 これら高周波電極１０ａ、１０ｂは、高周波電界を発生し、この高周波電界を水槽１内の有機媒体３に加えるためのものである。 これら高周波電極１０ａ、１０ｂは、水槽１を挟んで水平方向（Ｘ方向）に対向配置されている。 これら高周波電極１０ａ、１０ｂは、それぞれ長方形状の平板状に形成され、その大きさは、水槽１の各側面１ａ、１ｂよりも大きく形成されている。 一方の高周波電極１０ａは、高周波回路１１に接続されている。 他方の高周波電極１０ｂは、接地されている。

水槽１の開口部２の上方と底面１ｃの下方とには、図２に示すようにそれぞれ一対の電磁石１２ａ、１２ｂが設けられている。 これら電磁石１２ａ、１２ｂは、水槽１を挟んで上下方向（Ｚ方向）に対向配置されている。 これら電磁石１２ａ、１２ｂは、高周波磁界を発生し、この高周波磁界を水槽１内の有機媒体３に加えるためのものである。 これら電磁石１２ａ、１２ｂは、ヨークと、このヨークの外周に設けられたコイルとから成る。 これら電磁石１２ａ、１２ｂの大きさは、それぞれ水槽１の開口部２及び底面の大きさよりも大きく形成されている。 これら電磁石１２ａ、１２ｂの一端は、高周波回路１１に接続され、他端は共通接続されて接地されている。

高周波回路１１は、一対の高周波電極１０ａ、１０ｂと一対の電磁石１２ａ、１２ｂとに高周波電力を供給する。 この高周波電力の周波数は、例えば１ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの範囲で可変可能である。 この高周波電力の周波数は、例えば１３．５６ＭＨｚに代表されるＲＦ周波数に設定される。 図３は高周波回路１１のブロック構成図を示す。 この高周波回路１１は、高周波電源１１−１と整合回路１１−２とから成る。 高周波電源１１−１は、整合回路１１−２を介して一対の高周波電極１０ａ、１０ｂと一対の電磁石１２ａ、１２ｂとに接続されている。 整合回路１１−２は、高周波電源１１−１と一対の高周波電極１０ａ、１０ｂ及び一対の電磁石１２ａ、１２ｂとの間のインピーダンスの整合を取る。 高周波電源１１−１は、例えば１ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの周波数範囲内で可変可能な高周波電力を発生する。

制御部１３が高周波回路１１に接続されている。 この制御部１３は、高周波電源１１−１から発生する高周波電力の周波数を例えば１ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの範囲で可変する。 この制御部１３は、例えば微小導電性物質４の種類に応じて高周波電源１１−１から発生する高周波電力の周波数を可変する機能を有する。 微小導電性物質４の種類に応じた高周波電力の周波数は、例えば操作部を介してオペレータの操作指示を受けて可変設定される。 この制御部１３は、一対の高周波電極１０ａ、１０ｂによる高周波電界の発生と一対の電磁石１２ａ、１２ｂによる高周波磁界の発生とを同期させる。 この制御部１３は、一対の高周波電極１０ａ、１０ｂにより発生する高周波電界と一対の電磁石１２ａ、１２ｂにより発生する高周波磁界とを互いに同一の周波数に制御する、又は互いに奇数倍の関係の周波数に制御する。
図４は同装置の等価回路を示す。 同装置は、高周波回路１１に各電磁石１２ａ、１２ｂの各インダクタンス１２ａ−Ｌ、１２ｂ−Ｌと、各高周波電極１０ａ、１０ｂから成るキャパシタンス１０Ｃとが並列接続されている。

次に、上記の如く構成された装置による微小導電性物質４の分離作用について説明する。
複数の微小導電性物質４の粉末状の集合体５を有機媒体３に分散させたサンプル液６が作製される。 このサンプル液６は、水槽１内に収容されている例えば水、エタノール等の有機媒体３内に滴下される。 サンプル液６の滴下の位置は、例えば水槽１内における長手方向の中央部である。

高周波回路１１は、一対の高周波電極１０ａ、１０ｂと一対の電磁石１２ａ、１２ｂとに共に、例えば高周波数１０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの範囲内の１つの高周波数を有する電力を供給する。 これにより、一対の高周波電極１０ａ、１０ｂ間には、図５に示すように高周波電界Ｅが発生する。 この高周波電界Ｅは、水槽１の長手方向に対して垂直な水平方向（Ｘ方向）に発生し、水槽１内の有機媒体３に加わる。 この高周波電界Ｅの発生に同期して一対の電磁石１２ａ、１２ｂ間には、図５に示すように高周波磁界Ｂが発生する。 この高周波磁界Ｂは、水槽１に対して上下方向（Ｚ方向）に発生し、水槽１内の有機媒体３に加わる。

水槽１内の有機媒体３に高周波電界Ｅが加わると、有機媒体３内に存在する各微小導電性物質４にそれぞれ交流電流が流れる。 この交流電流は、当該各微小導電性物質４の各電気抵抗やインダクタンスに対応した交流電流である。 このとき、水槽１内の有機媒体３には、高周波電界Ｅに同期して高周波磁界Ｂが加わるので、各微小導電性物質４に流れる各電流量と高周波磁界Ｂとによって各微小導電性物質４には、それぞれ図６に示すような電磁力Ｆが働く。 各微小導電性物質４は、それぞれ電磁力Ｆを受けて、当該電磁力Ｆに応じた移動速度で水槽１内を移動する。

磁束密度Ｂ［Ｔ］の磁界とθの角度をなす長さＬ［ｍ］の導電体に、Ｉ［Ａ］の電流が流れる場合、この導電体は磁界と電流の両方に直角な方向にＦ［Ｎ／ｍ］の電磁力を受ける。 このとき、Ｆと導電体の移動距離Ｄ［ｍ］は次式（３），（４）で表せる。

Ｆ＝Ｉ・Ｂａ・Ｌsinθ［Ｎ／ｍ］ …（３）
Ｄ∝Ｆ∝１／Ｚ＝（Ｒ ^２ ＋ω ^２ Ｌ ^２ ） ^−１／２ …（４）
により表される。 この電磁力Ｆは、高周波磁界Ｂの発生方向と微小導電性物質４に流れる電流Ｉの方向との両方に直角な方向に働く。

高周波電界Ｅと高周波磁界Ｂとは交流であるので、半周期毎に高周波電界Ｅの発生方向と高周波磁界Ｂの発生方向とが変化するが、高周波電界Ｅと高周波磁界Ｂとは同期しているので、高周波電界Ｅの発生方向と高周波磁界Ｂの発生方向とも同期して変化する。 従って、各微小導電性物質４に働く電磁力Ｆの方向は、常に一定の方向である。 電磁力Ｆは、微小導電性物質４に流れる電流Ｉの大きさに比例するので、電磁力Ｆの大きさは、微小導電性物質４のインピーダンス値に応じて変わる。 各微小導電性物質４の水槽１中での移動速度は、各微小導電性物質４のインピーダンス値に依存する。

水槽１内の有機媒体３に高周波電界Ｅと高周波磁界Ｂとが加わった状態で所定時間経過すると、各微小導電性物質４は、それぞれ移動速度に応じた各位置まで移動する。 例えば図７（ａ）に示すように水槽１内における長手方向の中央部に存在した各微小導電性物質４は、それぞれの移動速度に応じた距離だけ移動し、略同一のインピーダンス値を有する各微小導電性物質４毎に分散して略同一位置に集まる。 なお、図７（ｂ）は各インピーダンス値別の各微小導電性物質４の集まりが分かりやすいように例えば５箇所の各位置４−１〜４−５に各微小導電性物質４が集まったことを示す。

従って、上記所定時間経過後、高周波電源１１−１を遮断（ＯＦＦ）すると、各微小導電性物質４の移動が停止するので、各微小導電性物質４は、それぞれ各インピーダンス値別の各位置４−１〜４−５に集った状態になる。
この後、水槽１は、本分離装置から取り出される。 水槽１内から各位置４−１〜４−５別に各微小導電性物質４を含む有機媒体３が取り出され、回収される。

このサンプル液の滴下から回収までの一連の工程を、１回の分離工程とする。 ここで、上記は５個の位置に応じた回収について述べたが、以降ではｎ個の位置に応じた回収として説明する。 このｎ個の回収物中には、それぞれほぼ同じインピーダンスを有する微小導電性物質が含まれる。 式（４）からわかるように、回収した位置が、サンプル液を滴下した初期位置から遠いほど、回収物中に含まれる微小導電性物質のインピーダンスは小さい。

次に、初回の分離工程によって、インピーダンスの大きさに応じてｎ個に分離された微小導電性物質を、さらに電気抵抗とインダクタンスによって分離する。

各位置で回収されたｎ個の回収物に対し、それぞれ同様の分離工程をｍ回繰り返す。 その際、電界と磁界を形成するための電源の周波数は、毎回異ならせる。 このとき、回収物を回収する位置の数は各分離工程で異なってもかまわないが、ここでは説明を簡単にするために毎回ｎ個の位置からサンプル液を含む有機溶媒を回収することにする。 このとき、最終的に回収された有機溶媒の数はｎ ^ｍ＋１個になる。 その中の１個に着目すると、その有機溶媒に含まれる電気導電性物質は、周波数が異なるｍ＋１回の分離工程を経ている。 横軸を周波数、縦軸を水槽内で移動した距離としてグラフ化すると、ｍ＋１個のプロットを得られる。 このグラフを外挿して周波数が０のときの移動距離を求めると、その値は１／Ｒに比例した値となるので、予め電気抵抗がわかっている同じ種類の微小導電性物質で検量した値と比較することで、電気抵抗Ｒの値を決定できる。 電気抵抗Ｒを決定できれば式（４）を使ってグラフをフィッティングすることで、インダクタンスＬを決定できる。

同様に、全ての回収物について電気抵抗とインダクタンスを決定できる。

必要に応じて、回収物を乾燥することで、電気抵抗とインダクタンスが判明した微小導電性物質４の各集合体を得ることができる。

このように上記一実施の形態によれば、複数の微小導電性物質４から成る集合体を添加した有機媒体３中に、互いに同一の高周波周波数を有する高周波電界Ｈと高周波磁界Ｂとを加えて各微小導電性物質４を各インピーダンス値に対応した各位置に分散させる分離工程を、周波数を変えて複数回行うことで、電気抵抗とインダクタンスに応じた微小導電性物質４の各集合体を得ることができる。

さらに、横軸を周波数、縦軸を水槽内で移動した距離としたグラフおよび式（４）を用いることで、微小導電性物質４の各集合体の電気抵抗とインダクタンスを求めることができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。 また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。 例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。 さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
上記一実施の形態では、一対の高周波電極１０ａ、１０ｂと一対の電磁石１２ａ、１２ｂとを同一の高周波電源１１−１に接続しているが、これに限らず、一対の高周波電極１０ａ、１０ｂと一対の電磁石１２ａ、１２ｂとをそれぞれ別々の各高周波電源に接続してもよい。 この場合、別々の各高周波電源は、それぞれの高周波電力の位相差を制御し、各高周波電源間の位相が同一位相となるようにする。

また、上記一実施の形態では、電界と磁界を同じ周波数としたが、電極と電磁石に接続する電源を別にして、一方が他方の奇数倍の周波数にしても良い。 その場合は、分離方向に働く電磁力と、その整数分の１の大きさの逆向きの力が交互に作用する。 そのため、微小導電性物質が移動する速度は遅くなるが、振動の効果が得られるので分離精度が向上する。

上記一実施の形態は、微小導電性物質４の分離について説明したが、これに限らず、微小導電性物質として金属材料でも電気抵抗とインダクタンス別に分離可能である。 この場合、制御部１３は、例えば微小導電性物質４の種類に限らず、微小導電性物質として金属材料やカーボン等に応じて高周波電源１１−１から発生する高周波電力の周波数を可変する。

１：水槽、１ａ，１ｂ：水槽の両側面、１ｃ：水槽の底面、２：開口部、３：有機媒体、４：微小導電性物質、４−１〜４−５：各位置、５：集合体、６：サンプル液、１０ａ，１０ｂ：一対の高周波電極、１０Ｃ：各高周波電極から成るキャパシタンス、１１：高周波回路、１１−１：高周波電源、１１−２：整合回路、１２ａ，１２ｂ：一対の電磁石、１２ａ−Ｌ，１２ｂ−Ｌ：電磁石のインダクタンス、１３：制御部