NEC、産総研、名城ナノカーボン、世界初、印刷エレクトロニクスに最適な半導体型CNTの高純度製造技術を開発

NEC、国立研究開発法人産業技術総合研究所(以下、産総研)ナノ材料研究部門、株式会社 名城ナノカーボン(以下、名城ナノカーボン)は、非イオン性分散剤(注1)を使い99%以上の高純度で、半導体型単層カーボンナノチューブ(CNT(注2))を分離できる製造技術の確立に世界で初めて成功しました(図１)。本成果は、国立研究開発法人新エネルギー･産業技術総合開発機構(以下、NEDO)プロジェクト(注3)による成果の一部です。2018年度から名城ナノカーボンがサンプル販売を開始します。

この半導体型CNTを印刷エレクトロニクス(注4)によるデバイス製造の材料として用いることで、大面積、超薄型・フレキシブル、安価かつ高速動作が可能で高性能なトランジスタを製造することができます。今後、コンビニ、スーパーなどのマーケティング用途や医療用途など、IoT活用に必要なセンサーデバイスへの応用が期待できます。

今回開発した単層CNT分離技術「電界誘起層形成法(ELF法)」は、非イオン性の界面活性剤でCNTを分散させ、CNT分散液に密度勾配をつけて電気泳動することで、CNTを高純度に半導体型と金属型に分離できます。製造した半導体型CNT分散液は、イオン性界面活性剤を含まないため、デバイス動作に悪影響を与えない高機能性インクの作製が可能となり、印刷エレクトロニクスにおいて、高性能なトランジスタの安定的な作製を実現します。

今後、国内外の企業、大学、研究機関などに販売するとともに、共同で用途開拓を進めることで、今後３年間で100の企業･団体への提供を目指します。

単層CNTは、直径約1 nm、長さ数μmの炭素による円筒構造体です(注2)。炭素の並び (巻き方)の違い により半導体型･金属型といった異なる物性を示すことが知られています。特に半導体型CNTは印刷技術を利用して電子回路などのエレクトロニクス製品を生産する印刷エレクトロニクスの材料(高機能性インク)として注目されています。印刷エレクトロニクスは、高い電子移動度(注５)と化学的安定性を持つ半導体型CNTをトランジスタのチャネル(注６)材料として利用することで、大面積、超薄型・フレキシブル、安価かつ高速動作可能で高性能なIoT利活用に不可欠なセンサーデバイスを製造することができます。

しかし、単層CNTは半導体型と金属型が混在して生成されるので、高性能なトランジスタのための高機能性インク材料として用いるには、半導体型CNTだけを高純度かつ効率的に分離する技術が不可欠となります。従来、密度勾配超遠心分離法(注７)やゲルカラムクロマトグラフィー法(注８)などのさまざまな分離技術が提案されてきましたが、いずれもイオン性界面活性剤などを使用するため、エレクトロニクス用途の場合、デバイスの動作を不安定にしてしまうなどの課題がありました。

そこで、NEC、産総研は、イオン性界面活性剤を用いない単層CNT分離技術「電界誘起層形成法(ELF法)」を開発し、NEDOプロジェクトにおいて99％以上の高純度で半導体型CNTを分離することに成功しました(図1)。そして、NEC、産総研、名城ナノカーボンの三者は、世界で初めてELF法による半導体型CNTの製造技術を確立しました。これにより、デバイス動作に悪影響を与える分散剤を使わずに、高機能性インク材料の製造が可能となり、印刷エレクトロニクスによる高性能なトランジスタの実現が期待できます。

図1. ELF法により99％以上の高純度で分離した半導体型・金属型CNTの分散液 (半導体型CNTは青色、金属型CNTは赤色)

今回開発したELF法は、単層CNTを非イオン性界面活性剤により分散し、その分散液を分離装置に入れ、上下に配置された電極に電圧を印加して分離する技術です(図２(a))。本技術は、単層CNTの半導体型・金属型で異なる表面電位の差を利用し、無担体電気泳動(注9)により陰極・陽極にそれぞれ移動させ、分離槽内の分散液に密度の勾配を形成することで、半導体型と金属型の単層CNTの安定的な分離を実現します(図２(b))。

本技術による半導体型CNTの高機能性インクを使って作製した電界効果トランジスタ(FET)を評価したところ、on状態とoff状態(注10)が完全に分かれた良好な均一性を持つデバイス性能が得られました(図3)。

ELF法を用いることで、99％以上の高純度な半導体型CNTを製造できるほか、塗布･印刷特性に優れ、高性能で安定的に動作するデバイスが作製可能です。また、製造設備は安価･簡便、大型化も容易であり大量製造にも適しています。

図2. (a)ELF法による単層CNT分離装置　(b)光吸収スペクトル

図3. 半導体型CNTの高機能性インクで作製したFETのデバイス特性 (16×16個のFETを並べたフレキシブル基板上で確認)

なお、NEC、NEDOと名城ナノカーボンは、本技術を第17回国際ナノテクノロジー総合展･技術会議「nano tech 2018」(2018年２月14日から16日、東京ビッグサイトで開催、URL:http://www.nanotechexpo.jp/)に出展します。

以上

（注１）非イオン性分散剤：界面活性剤。洗剤に主成分として含まれる化合物であり、分子内に親水基と疎水基を持つ。界面活性剤を単層CNTに吸着させることで、水溶液中で単層CNTを分散させることができる。界面活性剤のうちスルホン酸などのイオン性官能基を含むものをイオン性界面活性剤、含まないものを非イオン性界面活性剤という。[参照元へ戻る]

（注２）単層カーボンナノチューブ(単層CNT)：NECの飯島澄男特別主席研究員によって発見された炭素材料。黒鉛と同じく六角形の炭素ネットワークによってできている直径約１ナノメートル(10億分の1メートル)の円筒状の構造体。六角形の並び方の違いで、半導体的性質を示したり、金属的性質を示したりする。生成時には、半導体型と金属型が2:1で含まれる。[参照元へ戻る]

（注３）NEDOプロジェクト：低炭素社会を実現するナノ炭素材料実用化プロジェクト[参照元へ戻る]

（注４）印刷エレクトロニクス：印刷技術を利用して電子回路などのエレクトロニクス製品を生産する製造技術。印刷技術の特性を活かして、回路の基板としてさまざまな素材が利用できること、従来の生産方式よりもプロセスが簡便なことから、次世代の技術として期待されている。プリンテッドエレクトロニクスともいう。[参照元へ戻る]

（注５）電子移動度：キャリア(電子及び正孔)の移動のし易さ。[参照元へ戻る]

（注６）トランジスタのチャネル：電界効果トランジスタのドレイン電極とソース電極の間に流れる電流が通過する半導体の領域。[参照元へ戻る]

（注７）密度勾配超遠心分離法：イオン性の界面活性剤を使用する。分散したCNTの吸着量の違いにより、密度差を形成し、それを利用して分離する手法。[参照元へ戻る]

（注８）ゲルカラムクロマトグラフィー法：イオン性の界面活性剤を使用する。分散したCNTの吸着量の違いにより、ゲルとの吸着率が変化することを利用した手法。[参照元へ戻る]

（注９）無担体電気泳動：電気泳動とは、電荷をもつ物質を電界中におくと反対の符号を持つ電極の方へ移動する現象。その際、ゲルなどの担体を用いず水溶液のみで行うものをいう。[参照元へ戻る]

（注10）on状態とoff状態：電流が流れている状態と電流が流れていない状態。ゲート電極と呼ばれる電極に電圧を加えることで２つの状態を切り替える。[参照元へ戻る]