碳奈米管
一、研發現況
1. 經產省新計畫
日本已正式進入利用碳奈米管（單層CNT）的高機能複合材料商業化開發階段。經產省從2010年度成立新計畫「為實現低碳社會的超輕量/高強度融合材料計畫」，CNT與既有的材料如碳纖維、金屬、橡膠等融合的話，可望創造出超輕量或高強度的融合材料，且進一步實用化。第一年度研究預算15億日圓，前三年為融合基盤技術開發，2013~2014年則同時進行開發與改良，也就是進入應用研究開發階段。
新計畫以產總研為核心，以便持續改良過去開發的高性能CNT量產法—「Super Growth」合成法。Super Growth合成法可獲得多數垂直方向成長的CNT，長晶速度為傳統合成法的1500倍左右。這是在基板表面配置鐵超微粒子當作觸媒，一旦長出垂直CNT叢(Forest)，即可從基板部切下來使用。
日本Zeon與產總研共同致力Super Growth合成法量產化開發，目前目標為年產10噸規格的商用爐，以便開始銷售CNT。目前合成的CNT是金屬型與半導體型混存的，如何有效分離是一大課題，雖然已開發Gel Chromatography，但必須進一步改良。此外，單層CNT均一分散之複合技術也是實用面不可或缺的技術。
至於應用研究開發階段，則以高性能熱導材料等為中心。例如，在鋁合金中若能將單層CNT均一分散一定量以上的話，則熱導性優、輕且高強度金屬融合材料於焉誕生。熱導性優的話，即具備高性能熱交換機能，其應用範圍將會很廣。現在碳纖維預浸片狀的複合材料應用在飛機上，若在此碳纖維的片狀間用單層CNT進行層間補強，則可靠度高的碳纖維化複合材料(CFRP)就可誕生。可應用為飛機、汽車零件材，可望大幅省能。
總之，將CNT均一分散在金屬或橡膠等零件或材料之製造技術。殷切期盼的是安全性的確立，在此次的計畫中，針對CNT自主安全管理技術的構建也是必要的。利用CNT的材料必須開發簡便、迅速評估其有害性的技術開發；此外，還須開發CNT Forst的熱性、力學性以及電特性等的評估技術、製造現場用的評估技術、分散性評估技術都是不可或缺的。
2. 高性能薄膜TFT
另一個方向是將單層CNT應用於薄膜電晶體(TFT)，可望實現低耗電的電路。做法係將混有單層CNT的墨水用噴墨技術製作薄膜TFT；或將單層CNT均一分散在高分子中以實現高性能零組件。
名古屋大學篠原久典教授成功開發出可分離特性與尺寸不同奈米管的方法，將奈米管放入從鮭魚精子取出DNA的水溶液中，用超音波解開，再以高速液體色層分離法技術成功分出特性與尺寸不同奈米管。據篠原教授的研究，可應用為高性能TFT的是直徑1.2 nm、長度200 nm的奈米管，必須用上述方法挑選出來。
日本東北大學金屬材料研究所利用單層CNT試作薄膜TFT，得到載子移動度8.2 cm2/Vs，on/off比104~105（高）。一般CNT是載子移動度與on/off比呈現Trade off的關係而無法兼顧。此次成果乃因CNT中含半導體成分與金屬成分雙方性質的緣故。此次的TFT採用噴墨法，並對CNT膜密度進行精密控制。
3. 以CNT與LTO複合材為鋰離子電容器的負極
東京農工大學大學院發表開發出以單層碳奈米管(CNT)與鈦酸鋰(Li4Ti5O12；LTO)的複合材料為負極的鋰離子電容器，電極的每單位體積能量密度45 Wh/ℓ、輸出密度1萬7000 W/ ℓ，為傳統使用活性炭電雙層電容器的約4.5倍、3.8倍。
負極過去採用的是CNF(Carbon Nano Fiber)，此次採用2004年NEDO計畫「Nano Carbon應用產品創製計畫」中所開發的「Super Growth法」量產的單層碳奈米管(SGCNT)。由於比表面積非常大，將此材料與LTO採用新開發的「超離心處理技術」製作成粒徑1~10 nm，非常小的LTO，而且以SGCNT的外壁與內壁雙方強力支撐。同時也成功製作出不需導電助劑、黏結劑的片狀電極。
4. 用超離心處理技術使CNT內包活性物質作為正、負極材
東京農工大學大學院於今年五月發表開發用超離心處理技術(超離心處理技術是由東京農工大的先端企業K & Double開發之機械化學處理的一種，利用遠心力的Sol-Gel法製作材料)使CNT內包活性物質，作為鋰離子二次電池用電池材料，結果性能大幅提升。
正極材料的磷酸鐵鋰(LiFePO4)與負極材料氧化錫(SnO2)，分別內包在CNT中。具體而言---本文節錄自「材料最前線」專欄，完整資料請見下方附檔。
圖十、SnO2長壽命化
作者：材網編輯室/工研院材化所
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