自動車やバイクなどの工業製品から日用品まで、幅広く活用されているカーボン。
なぜカーボンは重宝されるのでしょうか。また持続可能な社会の構築のために欠かせない「カーボンオフセット」や「カーボンニュートラル」と、素材としてのカーボンにどのような関係があるのでしょうか。

本記事ではカーボンの特徴やメリット、便利な使い道、カーボンオフセットとの関係を解説します。最後に次世代のカーボン素材「CNT」についても詳しく説明しますので、ぜひ参考になさってください。

カーボンとは何か

まずはカーボンの意味や素材の概要を解説します。素材としてのカーボンの概要や特徴、使用されている製品例はこちらでご確認ください。

カーボンは炭素のこと

カーボンは炭素のことを指します。
炭素は元素記号Cで表現される物質です。純粋な炭素の塊であるダイヤモンドやグラファイトをカーボンと呼ぶこともあれば、炭素が他の物質と結合した二酸化炭素や石油、石炭をカーボンと呼ぶこともあります。

さまざまな有機物として存在

カーボンは他の元素と結合するための「手」が最大４本存在するため、様々な有機化合物に形を変えて存在します。たとえば砂糖やプラスチック、石油や都市ガスの成分であるメタンも炭素が含まれた有機化合物です。

一方で先ほど挙げたダイヤモンドやグラファイトは、カーボンが他の物質とは結合せず、純粋にカーボンだけで成立している無機物です。二酸化炭素はカーボンと酸素が結合した物質ですが、無機化合物に分類されています。

カーボンの特徴

続いてカーボンの特徴を確認しておきましょう。ここでいうカーボンとは炭素単体のグラファイトやダイヤモンドや、カーボンを主な成分とするカーボンファイバーやコークスのことを指します。

鉄と比較して比重は4分の1

カーボンは鉄と比較すると比重が4分の1と、非常に軽い素材です。カーボンが軽い理由は、炭素原子がどの金属よりも軽い原子だからです。炭素は元素周期表の中で６番目に軽い原子となります。

鉄の10倍もの強度がある

カーボンは鉄よりも4分の1も軽いのですが、強度は10倍ほどもあります。
カーボンが強い理由は結晶の構造に起因します。ダイヤモンドやグラファイトといった炭素のみで構成される物質は、炭素分子が規則正しく並んでいるため高い強度を誇るのです。カーボンファイバーは炭素が金網のような構造であり、相互に絡み合っているためさらにその強度が増しています。

伝導性に優れている

カーボンには耐熱性や熱伝導性があり、温度の上下にも耐えられる性能を持ちます。
温度変化によるサイズの変化が少なく工業製品や温熱素材にも向く性質です。また電気を通す導電性も有することから、電流を流してヒーターとしても活躍します。

カーボンからできている素材・製品とは

続いて炭素単体で構成される素材や、炭素を主な素材としている素材や製品を解説します。

カーボンファイバー

カーボンファイバーは、石油系やアクリル系の繊維を1,000度程度の温度で焼き、炭化させたものです。カーボンファイバーは金属や樹脂といった原材料に混ぜて使用されることが多い素材です。
カーボンファイバーには、アクリル系繊維から作られる「PAN系炭素繊維」と、石油系の素材から作られる「ピッチ計炭素繊維」に分類されます。 カーボンファイバーは、人工衛星の部品や競技用自転車、ゴルフのシャフト、テニスラケット、電子機器の部品や土木建築の素材など、幅広く使用されています。

グラファイト

グラファイトは黒鉛とも呼ばれる素材で、炭素原子のみで構成されています。
身近なモノでは鉛筆の芯として活用されています。グラファイトは自然の状態で採掘されることもありますし、石炭や石油から生成することもあります。
グラファイトは耐熱性、熱伝導性に優れ、導電性も有しています。また耐薬品性があるため酸やアルカリで溶けることもありません。グラファイトは鉛筆の芯以外にも、ヒーターやトースター、カメラなどに使用されています。

CFRP（炭素繊維複合材料）

CFRPとは炭素繊維複合素材のことをいいます。
CFRPはカーボンファイバーに熱硬化性樹脂を組み合わせた素材です。熱硬化性樹脂とは、熱を加えることで硬くなる樹脂のことをいいます。自動車やバイク、スキー板、ロボットアームなど様々な機器に使用されています。

CNT

CNTはカーボンナノチューブと呼ばれる、炭素で構成されるチューブ状の素材です。
直径がナノメートルサイズであることから、ナノチューブと呼ばれています。 CNTの直径はインフルエンザウイルスの半分ほどです。カーボンナノチューブは、アルミニウムの半分程度の軽さですが、強度は鋼の20倍です。さらに銅の1000倍の電流密度耐性を誇ります。 現時点で、CNTは携帯電話の基地局やコンピュータの内部配線などに使用されています。

カーボンと「カーボンオフセット」の関係

カーボンと聞くと、最近頻繁に耳にする「カーボンオフセット」を思い浮かべる方も多いのではないでしょうか。ここではカーボンオフセットとカーボンの関係について解説します。

カーボンオフセットとは

カーボンオフセットは、人間が生活する際に排出される温室効果ガスを削減した上で、森作りや再生可能エネルギーの利用などによって温室効果ガスの削減や吸収活動を行い埋め合わせることをいいます。

カーボンオフセットを行う方法は、主に2通りです。1つは排出量に応じた「クレジット」を購入すること、もう一つは森作りや再生可能エネルギーの利用などです。後者は一般企業や個人が取り組むことが難しいため、クレジットが使用されるケースが多い傾向にあります。クレジットを購入する際に支払った資金は森作り等に活用されます。

カーボンを使用してもCO²排出量に直接関係しない

カーボンオフセットという言葉から、「カーボン=悪者」というイメージがつきがちです。しかし、カーボンオフセットのカーボンは二酸化炭素などの温室効果ガスのことを指しますので、カーボンファイバーやグラファイト、CNTといった素材を使用することで温室効果ガスの排出量が増えることはありません。ただしこういった素材を使って製品を作る際に温室効果ガスを排出する可能性はあります。

カーボンナノチューブ（CNT）をさらに深掘り

CNTは数あるカーボン素材の中でも、比較的新しく発見されたもので、さらなる活用が期待されています。ここでは優れた素材CNTの歴史や活用先、私たちの暮らしをより快適にしてくれるCNTフィルムユニットについて解説します。

CNTの歴史

CNTが発見されたのは1991年のこと。飯島澄男氏が発見してNature誌に論文を発表しました。この発表により世界にその存在が知られ、日本では1998年度からCNTの活用に向けて研究が続けられてきました。

CNTは産学官が一体となり研究開発が進められ、2015年には単層CNTの量産化工場の稼働にこぎ着けます。単層CNTは複層のCNTよりも熱や電気の伝導性が高く、その量産が実用化の鍵だったのです。これによりCNTの用途が広がりました。

現在はCNTに様々な素材を組み合わせた複合材料の開発が進んでいます。さきほど登場したCFRPもCNTと組み合わせられる材料のひとつです。

CNTの活用先

CNTは宇宙エレベーターや、次世代データセンター、身近なところではパソコン用のバッテリーやワイヤレスイヤフォンなどに活用されています。最近では単層CNTと半導体ポリマーの複合体により、フィルム状に半導体回路を形成する技術が確立されたことが話題になりました。

JERNANO（ジェイナノ）が開発したCNTフィルムユニット

日本ではCNTの実用化のために長い年月をかけて研究開発を続けてきました。
CNTは日本のみならず世界中の民間企業が活路を見出そうと開発に取り組んでいます。JERNANO（ジェイナノ）もCNTの研究開発に取り組み、実用化に成功した企業の1つです。ここではJERNANO（ジェイナノ）が開発したCNTフィルムユニットについて解説します。

CNTフィルムユニットとは

CNTフィルムユニットは、JERNANOが開発した、超軽量、超薄型のフィルム状の素材です。JERNANO（ジェイナノ）は量産化と実用化が難しいCNTをフィルムユニット化し、様々な衣服等への応用を実現しました。

CNTフィルムユニットの魅力

CNTフィルムユニットには、これまでの発熱素材にはない魅力が備わっています。

電熱性に優れ、最短1秒で面状発熱する

CNTフィルムユニットは、CNTの優れた熱の伝導性を活かし、最短1秒の面状発熱を実現しています。フィルムの一端から電流を流すことで、最短1秒で全体が温かくなります。

柔らかさと強度を兼ね備えている

CNTフィルムユニットは薄く、折り曲げに強い性質を持っていることから布のように柔らかく、衣服として身につけても違和感や不快感がありません。下着やインナーとしても十分に活躍します。

折り曲げに強く洗濯機洗いにも耐える

CNTフィルムユニットは折り曲げに強く、耐水性があることから洗濯機での水洗いが可能です。さまざまな発熱する布製品が販売されていますが、その多くは水洗い不可、もしくは手洗いが推奨されています。しかしCNTフィルムユニットを活用した製品であれば、着用するごとに洗濯して清潔な状態を保てます。

非常に軽量

CNTフィルムユニットは、非常に軽い炭素を主な材料として製作されていることから非常に軽量です。従来の電気毛布や電熱ジャケットのような重量感はありません。

CNTフィルムユニットを活用した製品紹介

CNTフィルムユニットは、現在さまざまな製品に活用されていますので、その一例をご紹介します。CNTフィルムユニットの購入を検討されている方は、ぜひ参考になさってください。

Makuakeの事例を紹介

CNTフィルムユニットを活用した製品が、大きな注目を集めたのがMakuakeに出品された「次世代スマートヒーター毛布」です。この製品はCNTフィルミュニットを活用した電気毛布で、従来の電気毛布にはない薄さと柔らかさ、そして低温ヤケド防止機能などを備え多くの支持を集めました。目標金額30万円のところ1,000万円を超える応援資金が集まったのです。

まとめ

炭素や炭素を中心とした素材で作られたカーボンファイバーやグラファイト、CNTといったカーボン素材は、次世代の素材として幅広い分野で活用されています。

JERNANO（ジェイナノ）が開発したCNTフィルムユニットは、カーボンの特徴を活かした薄さと軽さ、そして熱伝導性の高さを実現しました。カーボン素材やCNTの性能をさらに知りたい方は、JERNANO（ジェイナノ）の製品を手に取ってみるとよいでしょう。