カーボンナノチューブ形成用ＣＶＤ装置
【課題】基板表面にカーボンナノチューブを効率的に形成し得るカーボンナノチューブ形成用ＣＶＤ装置を提供する。
【解決手段】炉本体２内の一端側にカーボンナノチューブが形成される基板Ｋである薄いステンレス鋼板が巻き付けられた巻出しロール16を配置すると共に、他端側にこの鋼板を巻き取る巻取りロール17を配置し、これら両ロール同士の間に、基板を挿通し得る開口部3aを有する区画壁３により加熱室13を形成すると共に、この加熱室内の基板の上方位置に加熱装置21を配置し、上記加熱室の下部にカーボンを含む原料ガスＧを供給し得るガス供給口５を設けると共に、上部に原料ガスを排出し得るガス排出口６を設け、さらに上記加熱室内を所定の減圧下にする排気装置を具備したものである。
【解決手段】炉本体２内の一端側にカーボンナノチューブが形成される基板Ｋである薄いステンレス鋼板が巻き付けられた巻出しロール16を配置すると共に、他端側にこの鋼板を巻き取る巻取りロール17を配置し、これら両ロール同士の間に、基板を挿通し得る開口部3aを有する区画壁３により加熱室13を形成すると共に、この加熱室内の基板の上方位置に加熱装置21を配置し、上記加熱室の下部にカーボンを含む原料ガスＧを供給し得るガス供給口５を設けると共に、上部に原料ガスを排出し得るガス排出口６を設け、さらに上記加熱室内を所定の減圧下にする排気装置を具備したものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カーボンナノチューブ形成用ＣＶＤ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、カーボンナノチューブを形成する装置としては、炭化水素を分解してカーボンナノチューブを生成する化学的気相成長装置、所謂、熱ＣＶＤ装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この熱ＣＶＤ装置においては、基板が設置されている反応管の内部に、メタンやアセチレンなどの原料ガスを導入し、そして加熱された基板上で原料ガスを分解させて、垂直に配向したカーボンナノチューブを基板上で成長させていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−６２９２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記従来の熱ＣＶＤ装置によると、基板表面にカーボンナノチューブを形成する場合、そのつど、加熱室内に基板を搬入した後、加熱するとともに所定の減圧下にした後、基板を加熱室内に搬入することにより、熱ＣＶＤ法が行われていた。
【０００６】
すなわち、基板を交換する毎に加熱室内の温度を下げたり上げたりしていたので、熱的に効率が悪いという問題があるとともに、基板の形成効率も低いという問題があった。
そこで、本発明は、基板表面にカーボンナノチューブを効率的に形成し得るカーボンナノチューブ形成用ＣＶＤ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の請求項１に係るカーボンナノチューブ形成用ＣＶＤ装置は、
炉本体内に設けられた加熱室にカーボンを含む反応ガスを導くとともに反応ガスを加熱して当該加熱室に導かれた基板の表面にカーボンナノチューブを形成し得る加熱炉を具備するＣＶＤ装置であって、
炉本体内の一端側に基板を構成する薄板材が巻き付けられた巻出しロールを配置するとともに、他端側にこの基板を巻き取る巻取りロールを配置し、
これら両ロール同士の間に、上記基板を挿通し得る開口部を有する区画壁により上記加熱室を形成するとともに、この加熱室内の基板の上方位置に加熱装置を配置し、
上記加熱室の下部にカーボンを含む原料ガスを供給し得るガス供給口を設けるとともに、上部に原料ガスを排出し得るガス排出口を設け、
さらに上記加熱室内を所定の減圧下にする排気装置を具備したものである。
【０００８】
また、請求項２に係るカーボンナノチューブ形成用ＣＶＤ装置は、請求項１に記載のＣＶＤ装置において、
加熱室内にガス供給口から導かれた反応ガスを、巻出しロールから引き出されて巻取りロールに巻き取られる基板の下面に導くためのガス案内用ダクト体を設け、
このガス案内用ダクト体と基板との間に反応ガスを分散させる邪魔板を設けたものである。
【０００９】
また、請求項３に係るＣＶＤ装置は、請求項１または２に記載のＣＶＤ装置において、
邪魔板を、その中心がガス供給口の中心に一致するように配置したものである。
【００１０】
また、請求項４に係るＣＶＤ装置は、請求項１乃至３のいずれかに記載のＣＶＤ装置において、
基板と邪魔板との間で且つ当該基板の下面寄り位置に、反応ガスの整流を行う整流板を配置したものである。
【００１１】
さらに、請求項５に係るＣＶＤ装置は、請求項１乃至４のいずれかに記載のＣＶＤ装置において、
カーボンナノチューブの形成を１０００Ｐａ以下の減圧下で行うようにしたものである。
【発明の効果】
【００１２】
上記ＣＶＤ装置の構成によると、薄板材である基板を加熱室内に導くとともに反応ガスを導入してその表面にカーボンナノチューブを形成する際に、巻出しロールに巻き付けられた基板を巻取りロールに巻き取るようにするとともに、その途中の基板の表面にカーボンナノチューブを形成するようにしたので、連続的に、基板にカーボンナノチューブを形成することができ、したがって効率良くカーボンナノチューブを形成することができる。
【００１３】
また、基板を下向きに保持した状態で、加熱室内に原料ガスを供給するとともに、加熱室内に設けられたガス案内用ダクト体により、当該原料ガスを基板表面に導くようになし、さらにガス案内用ダクト体内に邪魔板を配置したので、原料ガスを分散させて基板表面に均一に導くことができる。すなわち、カーボンナノチューブを効率よく形成し得るとともに生産コストも低下し得る。
【００１４】
また、発熱体を基板のカーボンナノチューブの形成面とは反対の上面側に配置したので、原料ガスによる反応がスムーズに行われる。
さらに、邪魔板に加えて、基板の下面寄り位置に反応ガスの整流を行う整流板を配置したので、原料ガスを基板表面に、より、均一に導くことができる。
【００１５】
また、加熱室内を減圧したので、原料ガスの拡散性が向上する（優れる）ため、基板の表面全体に均一に原料ガスを供給することができ、言い換えれば、ガスの流れの影響を受けにくくなるため、製品品質の向上に繋がるとともに、複雑な形状、複雑な自由面例えば曲面に対しても、基板に触媒粒子が付着している限り、カーボンナノチューブの形成が可能となる。
【００１６】
さらに、加熱室内を減圧することにより、放射熱により基板が加熱されるため、基板の温度管理が容易になるとともに、加熱室内の煤は微少でタールが発生しないため、加熱室内の洗浄工程が不要となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態におけるカーボンナノチューブ形成用ＣＶＤ装置の概略構成を示す模式的斜視図である。
【図２】同ＣＶＤ装置の概略構成を示す要部断面図である。
【図３】同ＣＶＤ装置における加熱装置の概略構成を示す要部斜視図である。
【図４】同加熱装置による基板での温度分布を示すグラフである。
【図５】同ＣＶＤ装置におけるガス案内用ダクト体と邪魔板との形状寸法を説明する水平断面図である。
【図６】同ＣＶＤ装置におけるガス案内用ダクト体と邪魔板との形状寸法を説明する水平断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態に係るカーボンナノチューブ形成用ＣＶＤ装置について、具体的に示した実施例に基づき説明する。
本実施例においては、カーボンナノチューブ形成用ＣＶＤ装置として、熱ＣＶＤ装置を用いたものについて説明する。
【００１９】
本実施例においては、カーボンナノチューブを形成する基板として、ステンレス製の薄鋼板、すなわちステンレス鋼板（薄板材の一例であり、例えば箔材の場合は２０〜３００μｍ程度の厚さのものが用いられ、ステンレス箔ということもできる。また、板材である場合には、３００μｍ〜数ｍｍ程度の厚さのものが用いられる。）を用いるようにしたもので、しかも、このステンレス鋼板としては、所定幅で長いもの、つまり帯状のものが用いられる。したがって、このステンレス鋼板はロールに巻き付けられており、カーボンナノチューブの形成に際しては、このロールから引き出されて連続的にカーボンナノチューブが形成されるとともに、このカーボンナノチューブが形成されたステンレス鋼板は、やはり、ロールに巻き取るようにされている。すなわち、一方の巻出しロールからステンレス鋼板を引き出し、この引き出されたステンレス鋼板の表面にカーボンナノチューブを形成（生成）した後、このカーボンナノチューブが形成されたステンレス鋼板を他方の巻取りロールに巻き取るようにされている。
【００２０】
以下、上述した帯状のステンレス鋼板（以下、主として、基板と称す）の表面に、カーボンナノチューブを形成するための熱ＣＶＤ装置について説明する。
この熱ＣＶＤ装置には、図１に示すように、炉本体２内にカーボンナノチューブを形成するための細長い処理用空間部が設けられて成る加熱炉１が具備されており、この炉本体２内に設けられた処理用空間部は、所定間隔おきに配置された区画壁３により、複数の、例えば５つの部屋に区画されて（仕切られて）いる。
【００２１】
すなわち、この炉本体２内には、ステンレス鋼板つまり基板Ｋが巻き取られた巻出しロール１６が配置される基板供給室１１と、この巻出しロール１６から引き出された基板Ｋを導きその表面に前処理を施すための前処理室１２と、この前処理室１２で前処理が施された基板Ｋを導きその表面にカーボンナノチューブを形成するための加熱室（反応室ともいえる）１３と、この加熱室１３でカーボンナノチューブが形成された基板Ｋを導き後処理を施すための後処理室１４と、この後処理室１４で後処理が施された基板Ｋを巻き取るための巻取りロール１７が配置された基板回収室（製品回収室ということもできる）１５とが具備されている。なお、上記各ロール１６，１７の回転軸心は水平方向にされており、したがって加熱室１３内に引き込まれる（案内される）基板Ｋは水平面内を移動するとともに、基板Ｋの表面にカーボンナノチューブを形成するようにされている。
【００２２】
上記前処理室１２では、基板Ｋの表面、特にカーボンナノチューブを形成する表面（カーボンナノチューブの生成面であり、後述するが、ここでは下面である）の洗浄、不動態膜の塗布、カーボンナノチューブ生成用の触媒微粒子、具体的には、鉄の微粒子（金属微粒子）の塗布が行われる。洗浄については、アルカリ洗浄、ＵＶオゾン洗浄が用いられる。また、不動態膜の塗布方法としては、ロールコータ、ＬＰＤが用いられる。触媒微粒子の塗布方法としては、スパッタ、真空蒸着、ロールコータなどが用いられる。
【００２３】
また、後処理室１４では、基板Ｋの冷却と、基板Ｋの表面、すなわち下面に形成されたカーボンナノチューブの検査とが行われる。
そして、基板回収室１５では、基板Ｋの上面（裏面）に保護フィルムが貼り付けられ、この保護フィルムが貼り付けられたステンレス鋼板である基板Ｋが巻取りロール１７に巻き取られる。なお、基板Ｋの上面に保護フィルムを貼り付けるようにしているのは、基板Ｋを巻き取った際に、その外側に巻き取られる基板Ｋに形成されたカーボンナノチューブを保護するためである。
【００２４】
上述したように、容器本体２内には、区画壁３により５つの部屋が形成されており、当然ながら、各区画壁３には、基板Ｋを通過させ得る連通用開口部（スリットともいう）３ａがそれぞれ形成されている。
【００２５】
ところで、上記加熱室１３においては、熱ＣＶＤ法により、カーボンナノチューブが形成（生成）されるが、当然に、内部は所定の真空度（負圧状態）に維持されるとともに、カーボンナノチューブの生成用ガスつまり原料ガスＧが供給されており、またこの原料ガスＧが隣接する部屋に漏れないように考慮されている。例えば、加熱室１３においては、窒素ガスなどの不活性ガスＮと一緒に原料ガスＧが下方から供給されるとともに上方から排出されて（引き抜かれて）いる。なお、この加熱室１３以外の部屋、すなわち基板供給室１１、前処理室１２、後処理室１４および製品回収室１５についても、窒素ガスなどの不活性ガスＮが下方から供給されるとともに上方から排出されて（引き抜かれて）、大気が入り込まないようにされている。
【００２６】
ここで、加熱室１３について詳しく説明する。
すなわち、図２および図３に示すように、この加熱室１３の底壁部２ａの中心位置には、カーボンを含む原料ガス（例えば、アセチレンガスが用いられる）Ｇを供給するガス供給口５が形成されるとともに、加熱室１３の上方部には、ガスを排出するガス排出口（例えば、排出管である）６が長手方向において所定間隔おきで複数個形成されている。なお、この加熱室１３を形成する内壁面には所定厚さの断熱材４が貼り付けられている。また、上壁部２ｂと断熱材４との間には、各ガス排出口６からのガスを導き一つのガス抜出口７から排出するためのガス集合室８が形成されている。なお、このガス抜出口７は炉本体２の上壁部２ｂに設けられている。したがって、上壁部２ｂを、または上壁部２ｂおよび上部断熱材４を、加熱室１３の上部ということができるとともに、底壁部２ａを、または底壁部２ａおよび下部断熱材４を、加熱室１３の下部ということができる。
【００２７】
さらに、図示しないが、加熱室１３には、当該加熱室１３内の空気を排気して所定の減圧下にするための排気装置（真空装置でもある）が接続されている。
そして、加熱室１３内の中間部分の上方位置（チューブ形成室内での基板の上方位置）には当該加熱室１３内を加熱するための複数本の円柱形状（または棒状）の発熱体２２よりなる加熱装置２１が設けられている。また、発熱体２２としては非金属の抵抗発熱体が用いられ、具体的には、炭化ケイ素、ケイ化モリブデン、ランタンクロマイト、ジルコニア、黒鉛などが用いられる。特に、炭化ケイ素およびケイ化モリブデンは、窒素ガス、水素ガス雰囲気下で用いられ、ランタンクロマイトは大気下でのみ用いられ、黒鉛は不活性ガス雰囲気（還元雰囲気）下で用いられる。
【００２８】
また、加熱室１３の底壁部２ａと基板Ｋとの間（正確には、下部断熱材４と基板Ｋとの間）には、原料ガス（例えば、アセチレン、メタン、ブタンなどの低級炭化水素ガスである）Ｇを基板Ｋに導くための側面視がホッパー形状（逆台形状）のガス案内用ダクト体２３が設けられるとともに、このガス案内用ダクト体２３の高さ方向中間位置、より具体的には、基板Ｋ表面とガス供給口５との間（正確には、基板Ｋと下部断熱材４との間）の中間位置に、ガスを分散させるための邪魔板（ガス分散板ともいう）２４が複数本の支柱部材２５により水平に支持（配置）されている。なお、支柱部材２５は、図２にだけ示す。
【００２９】
さらに、基板Ｋの直ぐ下面には、圧力制御が可能な小さい穴が多数形成された整流板２６が配置されており、この整流板２６としては、例えば直径が５〜２０ｍｍ程度の穴が多数形成された石英ガラス、セラミックスが用いられている。
【００３０】
また、有機ガスの影響を無くすために、加熱室１３における基板Ｋ以外の構成材料、例えば断熱材４などは、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、二酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）などの無機材料で構成されている。
【００３１】
ここで、前処理室１２での工程について説明する。
この前処理室１２内では、基板Ｋが洗浄された後、シリカ、アルミナなどの不動態膜が塗布され、さらにこの不動態膜の上面に、金属例えば鉄（Ｆｅ）の触媒微粒子が塗布される。勿論、図示しないが、この前処理室１２内には、基板Ｋの洗浄手段、不動態膜の塗布手段、および金属例えば鉄（Ｆｅ）の触媒微粒子の塗布手段が設けられている。
【００３２】
ところで、基板Ｋとして、厚さが２０〜３００μｍ以下に圧延加工されてコイル状に巻き取られた薄いステンレス鋼板（ステンレス箔でもある）が用いられており、このような基板Ｋには、コイルの巻き方向に引張りの残留応力が存在するため、触媒の微粒化および熱ＣＶＤ時に、残留応力の開放により、基板Ｋに反りが発生する。このような反りの発生を防止するために、コイル巻き方向で張力を付加する機構、具体的には、巻出しロールと巻取りロールとの間で張力を発生させて（例えば、両ロールの回転速度を異ならせることにより張力を発生させる。具体的には、一方のモータで引っ張り、他方のモータにブレーキ機能を発揮させればよい。）基板Ｋを引っ張るようにしてもよい。また、巻取りロール側に錘を設けて引っ張るようにしてもよい。
【００３３】
次に、加熱装置２１について説明する。
この加熱装置２１は、シート状の基板Ｋの上面（裏面）側に配置されるもので、やはり、上述したように、円柱形状の発熱体２２が複数本基板Ｋの幅方向（短手方向）と平行（並行）に且つ長手方向にて所定間隔おきで配置されている。なお、これら発熱体２２を含む平面は、当然ながら、基板Ｋと平行となるようにされている。
【００３４】
上記発熱体２２は円柱形状のものが用いられるとともに所定間隔おきに複数本並置されたものであるため、これら発熱体２２による基板Ｋへの加熱の均一化すなわち均熱化を図るとともに均熱面積の最大化が望まれる。すなわち、発熱体２２の配置および当該発熱体２２の中心から基板Ｋまでの距離については適切に配置されること（つまり、設計）が要求される。
【００３５】
ここで、基板Ｋを加熱する際に放射（輻射）が支配的になる減圧下において、発熱体２２と基板Ｋとの適正な位置関係について、実験した結果について説明しておく。
なお、二次元断面だけの放射を考えた場合、発熱体２２は点光源から放射線状に熱が放出され、この放射熱は距離の４乗に反比例する。すなわち、距離に大きく依存することになる。
【００３６】
当然ながら、発熱体２２と基板Ｋの配置モデルとして、図４に示すように、発熱体２２の点光源を水平直線状に配置するとともに、各発熱体２２と基板Ｋとを平行に配置する。なお、発熱体２２の直径をｄとすると、発熱体２２，２２同士の間隔ｓを２ｄとし、また発熱体２２の中心と基板Ｋまでの距離をｈとする。
【００３７】
そして、発熱体２２，２２同士の間隔ｓ（＝２ｄ）を一定とし、基板Ｋまでの距離ｈを変化させた場合の基板Ｋの温度分布を調べた結果は以下の通りである。なお、各発熱体２２による発熱量は同一とする。
【００３８】
調べた結果、発熱体２２と基板Ｋとの距離ｈが短い場合には、図５（ｂ）の曲線Ａで示すように、基板Ｋに与えられる熱量の変動が激しく、また距離ｈが長過ぎる場合には、図５（ｃ）の曲線Ａで示すように、熱量が均一になる範囲が狭いが、距離ｈが適正である場合には、図５（ａ）の曲線Ａで示すように、熱量が均一である曲線が得られる。なお、図５（ａ）〜図５（ｃ）における下方の曲線Ｂは、各発熱体２２の発熱量を示している。また、上記距離ｈの適正値は、（２ｄ）１．２４〜（２ｄ）１．３５の範囲内にされている。
【００３９】
次に、邪魔板２４の形状および配置について説明する。
この邪魔板２４のガス案内用ダクト体２３内での取付位置（設置位置）、つまり、加熱室１３の底面からの設置高さＨ２は、ガス案内用ダクト体２３の高さＨ１に対する比（Ｈ２／Ｈ１）が、０．３〜０．７（好ましくは、０．５近傍である）の範囲内となるようにされる。
【００４０】
また、邪魔板２４の形状すなわちサイズについては、邪魔板２４が設置される位置でのダクト体２３の断面をガス流路とし、等価水力直径の考えを用いて決定する。
等価水力直径とは、流路が非円形断面の場合、流路の大きさを表わす量として与えられるもので、流路の断面と等価な円管の直径Ｄを言い、下記の（１）式で表わされる。
【００４１】
Ｄ＝４×（流路断面積）／（断面長） ・・・（１）
ここで、ダクト体２３と邪魔板２４との適正な具体的寸法を求めると図６に示すような値となる。
【００４２】
ダクト体２３の等価水力直径Ｄ１を求めると、下記（２）式のようになる。
Ｄ１＝４Ａ×Ｂ／｛（Ａ＋Ｂ）×２｝＝１４６．２ｍｍ
一方、邪魔板２４の等価水力直径Ｄ２を求めると、下記（３）式のようになる。
【００４３】
Ｄ２＝４ａ×ｂ／｛（ａ＋ｂ）×２｝＝６０ｍｍ
ここで、両等価水力直径の比（Ｄ２／Ｄ１）を求めると、下記（４）式のようになる。
Ｄ２／Ｄ１＝０．４１ ・・・（４）
したがって、邪魔板２４が設けられる高さ位置でのダクト体２３断面の寸法をＤ１で代表させるとともに、邪魔板２４の表面に相当する寸法をＤ２で代表させると、Ｄ２／Ｄ１＝０．４１となるようにすればよい。すなわち、この値の前後いくらかを考慮して、Ｄ２／Ｄ１＝０．２５〜０．５の範囲となるように、ダクト体２３および邪魔板２４の寸法を決定すればよい。具体的には、両者の平面視形状を相似形状にするとともに、これら両等価水力直径の比が上記範囲内となるような寸法を採用すればよい。
【００４４】
なお、Ｈ２／Ｈ１およびＤ２／Ｄ１の値を上述した範囲内としたのは、基板近傍における原料ガス（例えば、アセチレン）の濃度のばらつき係数（標準偏差／平均値）が２０を越えないようにしたものである。ここで言う２０とは、ダクト体２３を設置しかつ邪魔板２４が無い場合のばらつき値である。ダクト体２３が設置されている場合でも、邪魔板２４の設置位置が不適切であると（上記数値範囲外の場合）、ダクト体２３だけの場合よりも、ばらつき値が悪化し、逆効果となる。
【００４５】
ところで、上記加熱炉１にて熱ＣＶＤ法が行われる際には、加熱室１３内が所定圧力に減圧される。
この減圧値としては、数Ｐａ〜１０００Ｐａの範囲に維持される。例えば、数十Ｐａ〜数百Ｐａに維持される。なお、減圧範囲の下限である数Ｐａは、カーボンナノチューブの形成レート（成膜レートである）を保つための限界値であり、上限である１０００Ｐａは煤、タールの抑制という面での限界値である。また、形成用容器１内の構成部材としては、煤、タールなどの生成が促進しないように、非金属の材料が用いられている。
【００４６】
ところで、加熱室１３以外の他の処理室、すなわち基板供給室１１、前処理室１２、後処理室１４および製品回収室１５については詳しくは説明しなかったが、これら各室１１，１２，１４，１５についても減圧状態にされるとともに、加熱室１３に空気などのカーボンナノチューブの形成に悪影響を及ぼすガスが流入するのを防止するために、図１に示すように、それぞれの底壁部２ａには窒素ガスなどの不活性ガスを供給するためのガス供給口５′が設けられるとともに、上壁部２ｂには、ガス放出口（ガス排出口でもある）７′が設けられている。
【００４７】
なお、図１は熱ＣＶＤ装置の概略構成を示し、その内部が分かるように、手前側の側壁部および断熱材４については省略している。
次に、上記熱ＣＶＤ装置により、カーボンナノチューブの形成方法について説明する。
【００４８】
まず、巻出しロール１６から基板Ｋを引き出し、前処理室１２、加熱室１３および後処理室１４における各区画壁３の連通用開口部３ａを挿通させ、その先端を巻取りロール１７に巻き取らせる。このとき、基板Ｋには張力が付与されて真っ直ぐな水平面となるようにされている。
【００４９】
そして、前処理室１２内では基板Ｋの洗浄が行われた後、不動態膜が下面全体に亘って塗布され、この不動態膜の表面に鉄の微粒子が塗布（付着）される。なお、この触媒微粒子の塗布範囲については、少なくとも、カーボンナノチューブの形成面（生成面）であればよい。
【００５０】
この前処理が済むと、基板Ｋは所定長さ分だけ、つまりカーボンナノチューブが形成される長さ分だけ、巻取りロール１７により巻き取られる。したがって、前処理室１２で前処理が行われた部分が、順次、加熱室１３内の整流板２６上に移動される。
【００５１】
この加熱室１３では、排気装置（図示せず）により、所定の減圧下に、例えば数Ｐａ〜１０００Ｐａの範囲に、具体的には、上述したように数十Ｐａ〜数百Ｐａに維持される。
そして、加熱装置２１、すなわち発熱体２２により、基板Ｋの温度を所定温度例えば７００〜８００℃に加熱するとともに、加熱室１３の外壁温度が８０℃またはそれ以下（好ましくは、５０℃以下）となるようにする。
【００５２】
上記温度になると、ガス供給口５より原料ガスとしてアセチレンガス（Ｃ２Ｈ２）を供給して所定の反応を行わせることにより、基板Ｋ下面に、カーボンナノチューブを生成（成長）させる。
【００５３】
そして、所定時間が経過して所定高さのカーボンナノチューブが得られると、同じく、所定長さだけ移動されて、このカーボンナノチューブが形成された基板Ｋが後処理室１４内に移動される。
【００５４】
この後処理室１４内では、基板Ｋの冷却と検査とが行われる。
この後処理が済むと、基板Ｋは製品回収室１５内に移動されて、その上面に保護フィルムが貼り付けられるとともに、巻取りロール１７に巻き取られる。すなわち、カーボンナノチューブが形成された基板Ｋが製品として回収されることになる。なお、カーボンナノチューブが形成された基板Ｋが全て巻取りロール１７に巻き取られると、外部に取り出されることになる。
【００５５】
上記熱ＣＶＤ装置の構成によると、基板を加熱室内に導くとともに反応ガスを導入してその表面にカーボンナノチューブを形成する際に、巻出しロールに巻き取られた基板を巻取りロールに巻き取るようにするとともに、その途中の基板の表面にカーボンナノチューブを形成するようにしたので、所定長さ毎ではあるが連続的に、基板にカーボンナノチューブを形成することができ、したがって完全なバッチ式にカーボンナノチューブを形成する場合に比べて、効率良くカーボンナノチューブを形成することができる。
【００５６】
また、基板を、カーボンナノチューブを形成する面を下向きにした状態で、加熱室内に原料ガスを供給するとともに、加熱室内に設けられたガス案内用ダクト体により、当該原料ガスを基板の下面（表面）に導くようになし、さらにガス案内用ダクト体内に邪魔板を配置したので、原料ガスを分散させて基板表面に均一に導くことができる。すなわち、従来の熱ＣＶＤ装置では、基板全面の均一な加熱および基板全面に原料ガスを均一に行き渡るようにすることが困難であり、従来炉で達成しようとすると、生成したい基板面積に対して炉の投影面積をかなり大きくする必要が生じ、このため、効率が悪く、生成する基板当たりコストも高価になってしまう。
【００５７】
また、発熱体を基板のカーボンナノチューブの形成面とは反対の上面側に配置したので、原料ガスによる反応がスムーズに行われる。この理由は、発熱体が直接基板を温めるとともにガスが発熱体と反対の面から供給されるため、ガスは基板に真っ先に供給されてその極近傍でガス分解が生じるからである。なお、ガスが発熱体を通過した場合には、その近傍でガス分解されて温度が高温から低温に変化する箇所で煤が生成し易くなると同時に、基板に供給される炭素が少なくなってしまう。
【００５８】
さらに、邪魔板に加えて、基板の下面寄り位置に原料ガスの整流を行う整流板を配置したので、原料ガスを基板表面に、より、均一に導くことができる。
また、加熱室内を減圧したので、原料ガスの拡散性が向上する（優れる）ため、基板の表面全体に均一に原料ガスを供給することができ、言い換えれば、ガスの流れの影響を受けにくくなるため、製品品質の向上に繋がるとともに、複雑な形状、複雑な自由面例えば曲面に対しても、基板に触媒粒子が付着している限り、カーボンナノチューブの形成が可能となる。
【００５９】
ところで、上記実施の形態においては、両ロールを水平方向に配置したが、例えば鉛直方向に配置することもできる。このようにすることにより、水平方向に配置している場合に生じる基板の自重による撓みがなくなり、またロール同士間および基板の僅かな幅方向の厚さによる波しわ等が発生しなくなる。さらに、基板の自重により鉛直方向に真っ直ぐに設置できるため、加熱後の基板の波しわによる塑性変形も生じないという利点も得られる。
【符号の説明】
【００６０】
Ｋ 基板
１ 加熱炉
２ 炉本体
２ａ 底壁部
２ｂ 上壁部
３ 区画壁
４ 断熱材
５ ガス供給口
６ ガス排出口
７ ガス抜出口
１１ 基板供給室
１２ 前処理室
１３ 加熱室
１４ 後処理室
１５ 基板回収室
１６ 巻出しロール
１７ 巻取りロール
２１ 加熱装置
２２ 発熱体
２３ ガス案内用ダクト体
２４ 邪魔板
２６ 整流板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カーボンナノチューブ形成用ＣＶＤ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、カーボンナノチューブを形成する装置としては、炭化水素を分解してカーボンナノチューブを生成する化学的気相成長装置、所謂、熱ＣＶＤ装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この熱ＣＶＤ装置においては、基板が設置されている反応管の内部に、メタンやアセチレンなどの原料ガスを導入し、そして加熱された基板上で原料ガスを分解させて、垂直に配向したカーボンナノチューブを基板上で成長させていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−６２９２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記従来の熱ＣＶＤ装置によると、基板表面にカーボンナノチューブを形成する場合、そのつど、加熱室内に基板を搬入した後、加熱するとともに所定の減圧下にした後、基板を加熱室内に搬入することにより、熱ＣＶＤ法が行われていた。
【０００６】
すなわち、基板を交換する毎に加熱室内の温度を下げたり上げたりしていたので、熱的に効率が悪いという問題があるとともに、基板の形成効率も低いという問題があった。
そこで、本発明は、基板表面にカーボンナノチューブを効率的に形成し得るカーボンナノチューブ形成用ＣＶＤ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の請求項１に係るカーボンナノチューブ形成用ＣＶＤ装置は、
炉本体内に設けられた加熱室にカーボンを含む反応ガスを導くとともに反応ガスを加熱して当該加熱室に導かれた基板の表面にカーボンナノチューブを形成し得る加熱炉を具備するＣＶＤ装置であって、
炉本体内の一端側に基板を構成する薄板材が巻き付けられた巻出しロールを配置するとともに、他端側にこの基板を巻き取る巻取りロールを配置し、
これら両ロール同士の間に、上記基板を挿通し得る開口部を有する区画壁により上記加熱室を形成するとともに、この加熱室内の基板の上方位置に加熱装置を配置し、
上記加熱室の下部にカーボンを含む原料ガスを供給し得るガス供給口を設けるとともに、上部に原料ガスを排出し得るガス排出口を設け、
さらに上記加熱室内を所定の減圧下にする排気装置を具備したものである。
【０００８】
また、請求項２に係るカーボンナノチューブ形成用ＣＶＤ装置は、請求項１に記載のＣＶＤ装置において、
加熱室内にガス供給口から導かれた反応ガスを、巻出しロールから引き出されて巻取りロールに巻き取られる基板の下面に導くためのガス案内用ダクト体を設け、
このガス案内用ダクト体と基板との間に反応ガスを分散させる邪魔板を設けたものである。
【０００９】
また、請求項３に係るＣＶＤ装置は、請求項１または２に記載のＣＶＤ装置において、
邪魔板を、その中心がガス供給口の中心に一致するように配置したものである。
【００１０】
また、請求項４に係るＣＶＤ装置は、請求項１乃至３のいずれかに記載のＣＶＤ装置において、
基板と邪魔板との間で且つ当該基板の下面寄り位置に、反応ガスの整流を行う整流板を配置したものである。
【００１１】
さらに、請求項５に係るＣＶＤ装置は、請求項１乃至４のいずれかに記載のＣＶＤ装置において、
カーボンナノチューブの形成を１０００Ｐａ以下の減圧下で行うようにしたものである。
【発明の効果】
【００１２】
上記ＣＶＤ装置の構成によると、薄板材である基板を加熱室内に導くとともに反応ガスを導入してその表面にカーボンナノチューブを形成する際に、巻出しロールに巻き付けられた基板を巻取りロールに巻き取るようにするとともに、その途中の基板の表面にカーボンナノチューブを形成するようにしたので、連続的に、基板にカーボンナノチューブを形成することができ、したがって効率良くカーボンナノチューブを形成することができる。
【００１３】
また、基板を下向きに保持した状態で、加熱室内に原料ガスを供給するとともに、加熱室内に設けられたガス案内用ダクト体により、当該原料ガスを基板表面に導くようになし、さらにガス案内用ダクト体内に邪魔板を配置したので、原料ガスを分散させて基板表面に均一に導くことができる。すなわち、カーボンナノチューブを効率よく形成し得るとともに生産コストも低下し得る。
【００１４】
また、発熱体を基板のカーボンナノチューブの形成面とは反対の上面側に配置したので、原料ガスによる反応がスムーズに行われる。
さらに、邪魔板に加えて、基板の下面寄り位置に反応ガスの整流を行う整流板を配置したので、原料ガスを基板表面に、より、均一に導くことができる。
【００１５】
また、加熱室内を減圧したので、原料ガスの拡散性が向上する（優れる）ため、基板の表面全体に均一に原料ガスを供給することができ、言い換えれば、ガスの流れの影響を受けにくくなるため、製品品質の向上に繋がるとともに、複雑な形状、複雑な自由面例えば曲面に対しても、基板に触媒粒子が付着している限り、カーボンナノチューブの形成が可能となる。
【００１６】
さらに、加熱室内を減圧することにより、放射熱により基板が加熱されるため、基板の温度管理が容易になるとともに、加熱室内の煤は微少でタールが発生しないため、加熱室内の洗浄工程が不要となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態におけるカーボンナノチューブ形成用ＣＶＤ装置の概略構成を示す模式的斜視図である。
【図２】同ＣＶＤ装置の概略構成を示す要部断面図である。
【図３】同ＣＶＤ装置における加熱装置の概略構成を示す要部斜視図である。
【図４】同加熱装置による基板での温度分布を示すグラフである。
【図５】同ＣＶＤ装置におけるガス案内用ダクト体と邪魔板との形状寸法を説明する水平断面図である。
【図６】同ＣＶＤ装置におけるガス案内用ダクト体と邪魔板との形状寸法を説明する水平断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態に係るカーボンナノチューブ形成用ＣＶＤ装置について、具体的に示した実施例に基づき説明する。
本実施例においては、カーボンナノチューブ形成用ＣＶＤ装置として、熱ＣＶＤ装置を用いたものについて説明する。
【００１９】
本実施例においては、カーボンナノチューブを形成する基板として、ステンレス製の薄鋼板、すなわちステンレス鋼板（薄板材の一例であり、例えば箔材の場合は２０〜３００μｍ程度の厚さのものが用いられ、ステンレス箔ということもできる。また、板材である場合には、３００μｍ〜数ｍｍ程度の厚さのものが用いられる。）を用いるようにしたもので、しかも、このステンレス鋼板としては、所定幅で長いもの、つまり帯状のものが用いられる。したがって、このステンレス鋼板はロールに巻き付けられており、カーボンナノチューブの形成に際しては、このロールから引き出されて連続的にカーボンナノチューブが形成されるとともに、このカーボンナノチューブが形成されたステンレス鋼板は、やはり、ロールに巻き取るようにされている。すなわち、一方の巻出しロールからステンレス鋼板を引き出し、この引き出されたステンレス鋼板の表面にカーボンナノチューブを形成（生成）した後、このカーボンナノチューブが形成されたステンレス鋼板を他方の巻取りロールに巻き取るようにされている。
【００２０】
以下、上述した帯状のステンレス鋼板（以下、主として、基板と称す）の表面に、カーボンナノチューブを形成するための熱ＣＶＤ装置について説明する。
この熱ＣＶＤ装置には、図１に示すように、炉本体２内にカーボンナノチューブを形成するための細長い処理用空間部が設けられて成る加熱炉１が具備されており、この炉本体２内に設けられた処理用空間部は、所定間隔おきに配置された区画壁３により、複数の、例えば５つの部屋に区画されて（仕切られて）いる。
【００２１】
すなわち、この炉本体２内には、ステンレス鋼板つまり基板Ｋが巻き取られた巻出しロール１６が配置される基板供給室１１と、この巻出しロール１６から引き出された基板Ｋを導きその表面に前処理を施すための前処理室１２と、この前処理室１２で前処理が施された基板Ｋを導きその表面にカーボンナノチューブを形成するための加熱室（反応室ともいえる）１３と、この加熱室１３でカーボンナノチューブが形成された基板Ｋを導き後処理を施すための後処理室１４と、この後処理室１４で後処理が施された基板Ｋを巻き取るための巻取りロール１７が配置された基板回収室（製品回収室ということもできる）１５とが具備されている。なお、上記各ロール１６，１７の回転軸心は水平方向にされており、したがって加熱室１３内に引き込まれる（案内される）基板Ｋは水平面内を移動するとともに、基板Ｋの表面にカーボンナノチューブを形成するようにされている。
【００２２】
上記前処理室１２では、基板Ｋの表面、特にカーボンナノチューブを形成する表面（カーボンナノチューブの生成面であり、後述するが、ここでは下面である）の洗浄、不動態膜の塗布、カーボンナノチューブ生成用の触媒微粒子、具体的には、鉄の微粒子（金属微粒子）の塗布が行われる。洗浄については、アルカリ洗浄、ＵＶオゾン洗浄が用いられる。また、不動態膜の塗布方法としては、ロールコータ、ＬＰＤが用いられる。触媒微粒子の塗布方法としては、スパッタ、真空蒸着、ロールコータなどが用いられる。
【００２３】
また、後処理室１４では、基板Ｋの冷却と、基板Ｋの表面、すなわち下面に形成されたカーボンナノチューブの検査とが行われる。
そして、基板回収室１５では、基板Ｋの上面（裏面）に保護フィルムが貼り付けられ、この保護フィルムが貼り付けられたステンレス鋼板である基板Ｋが巻取りロール１７に巻き取られる。なお、基板Ｋの上面に保護フィルムを貼り付けるようにしているのは、基板Ｋを巻き取った際に、その外側に巻き取られる基板Ｋに形成されたカーボンナノチューブを保護するためである。
【００２４】
上述したように、容器本体２内には、区画壁３により５つの部屋が形成されており、当然ながら、各区画壁３には、基板Ｋを通過させ得る連通用開口部（スリットともいう）３ａがそれぞれ形成されている。
【００２５】
ところで、上記加熱室１３においては、熱ＣＶＤ法により、カーボンナノチューブが形成（生成）されるが、当然に、内部は所定の真空度（負圧状態）に維持されるとともに、カーボンナノチューブの生成用ガスつまり原料ガスＧが供給されており、またこの原料ガスＧが隣接する部屋に漏れないように考慮されている。例えば、加熱室１３においては、窒素ガスなどの不活性ガスＮと一緒に原料ガスＧが下方から供給されるとともに上方から排出されて（引き抜かれて）いる。なお、この加熱室１３以外の部屋、すなわち基板供給室１１、前処理室１２、後処理室１４および製品回収室１５についても、窒素ガスなどの不活性ガスＮが下方から供給されるとともに上方から排出されて（引き抜かれて）、大気が入り込まないようにされている。
【００２６】
ここで、加熱室１３について詳しく説明する。
すなわち、図２および図３に示すように、この加熱室１３の底壁部２ａの中心位置には、カーボンを含む原料ガス（例えば、アセチレンガスが用いられる）Ｇを供給するガス供給口５が形成されるとともに、加熱室１３の上方部には、ガスを排出するガス排出口（例えば、排出管である）６が長手方向において所定間隔おきで複数個形成されている。なお、この加熱室１３を形成する内壁面には所定厚さの断熱材４が貼り付けられている。また、上壁部２ｂと断熱材４との間には、各ガス排出口６からのガスを導き一つのガス抜出口７から排出するためのガス集合室８が形成されている。なお、このガス抜出口７は炉本体２の上壁部２ｂに設けられている。したがって、上壁部２ｂを、または上壁部２ｂおよび上部断熱材４を、加熱室１３の上部ということができるとともに、底壁部２ａを、または底壁部２ａおよび下部断熱材４を、加熱室１３の下部ということができる。
【００２７】
さらに、図示しないが、加熱室１３には、当該加熱室１３内の空気を排気して所定の減圧下にするための排気装置（真空装置でもある）が接続されている。
そして、加熱室１３内の中間部分の上方位置（チューブ形成室内での基板の上方位置）には当該加熱室１３内を加熱するための複数本の円柱形状（または棒状）の発熱体２２よりなる加熱装置２１が設けられている。また、発熱体２２としては非金属の抵抗発熱体が用いられ、具体的には、炭化ケイ素、ケイ化モリブデン、ランタンクロマイト、ジルコニア、黒鉛などが用いられる。特に、炭化ケイ素およびケイ化モリブデンは、窒素ガス、水素ガス雰囲気下で用いられ、ランタンクロマイトは大気下でのみ用いられ、黒鉛は不活性ガス雰囲気（還元雰囲気）下で用いられる。
【００２８】
また、加熱室１３の底壁部２ａと基板Ｋとの間（正確には、下部断熱材４と基板Ｋとの間）には、原料ガス（例えば、アセチレン、メタン、ブタンなどの低級炭化水素ガスである）Ｇを基板Ｋに導くための側面視がホッパー形状（逆台形状）のガス案内用ダクト体２３が設けられるとともに、このガス案内用ダクト体２３の高さ方向中間位置、より具体的には、基板Ｋ表面とガス供給口５との間（正確には、基板Ｋと下部断熱材４との間）の中間位置に、ガスを分散させるための邪魔板（ガス分散板ともいう）２４が複数本の支柱部材２５により水平に支持（配置）されている。なお、支柱部材２５は、図２にだけ示す。
【００２９】
さらに、基板Ｋの直ぐ下面には、圧力制御が可能な小さい穴が多数形成された整流板２６が配置されており、この整流板２６としては、例えば直径が５〜２０ｍｍ程度の穴が多数形成された石英ガラス、セラミックスが用いられている。
【００３０】
また、有機ガスの影響を無くすために、加熱室１３における基板Ｋ以外の構成材料、例えば断熱材４などは、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、二酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）などの無機材料で構成されている。
【００３１】
ここで、前処理室１２での工程について説明する。
この前処理室１２内では、基板Ｋが洗浄された後、シリカ、アルミナなどの不動態膜が塗布され、さらにこの不動態膜の上面に、金属例えば鉄（Ｆｅ）の触媒微粒子が塗布される。勿論、図示しないが、この前処理室１２内には、基板Ｋの洗浄手段、不動態膜の塗布手段、および金属例えば鉄（Ｆｅ）の触媒微粒子の塗布手段が設けられている。
【００３２】
ところで、基板Ｋとして、厚さが２０〜３００μｍ以下に圧延加工されてコイル状に巻き取られた薄いステンレス鋼板（ステンレス箔でもある）が用いられており、このような基板Ｋには、コイルの巻き方向に引張りの残留応力が存在するため、触媒の微粒化および熱ＣＶＤ時に、残留応力の開放により、基板Ｋに反りが発生する。このような反りの発生を防止するために、コイル巻き方向で張力を付加する機構、具体的には、巻出しロールと巻取りロールとの間で張力を発生させて（例えば、両ロールの回転速度を異ならせることにより張力を発生させる。具体的には、一方のモータで引っ張り、他方のモータにブレーキ機能を発揮させればよい。）基板Ｋを引っ張るようにしてもよい。また、巻取りロール側に錘を設けて引っ張るようにしてもよい。
【００３３】
次に、加熱装置２１について説明する。
この加熱装置２１は、シート状の基板Ｋの上面（裏面）側に配置されるもので、やはり、上述したように、円柱形状の発熱体２２が複数本基板Ｋの幅方向（短手方向）と平行（並行）に且つ長手方向にて所定間隔おきで配置されている。なお、これら発熱体２２を含む平面は、当然ながら、基板Ｋと平行となるようにされている。
【００３４】
上記発熱体２２は円柱形状のものが用いられるとともに所定間隔おきに複数本並置されたものであるため、これら発熱体２２による基板Ｋへの加熱の均一化すなわち均熱化を図るとともに均熱面積の最大化が望まれる。すなわち、発熱体２２の配置および当該発熱体２２の中心から基板Ｋまでの距離については適切に配置されること（つまり、設計）が要求される。
【００３５】
ここで、基板Ｋを加熱する際に放射（輻射）が支配的になる減圧下において、発熱体２２と基板Ｋとの適正な位置関係について、実験した結果について説明しておく。
なお、二次元断面だけの放射を考えた場合、発熱体２２は点光源から放射線状に熱が放出され、この放射熱は距離の４乗に反比例する。すなわち、距離に大きく依存することになる。
【００３６】
当然ながら、発熱体２２と基板Ｋの配置モデルとして、図４に示すように、発熱体２２の点光源を水平直線状に配置するとともに、各発熱体２２と基板Ｋとを平行に配置する。なお、発熱体２２の直径をｄとすると、発熱体２２，２２同士の間隔ｓを２ｄとし、また発熱体２２の中心と基板Ｋまでの距離をｈとする。
【００３７】
そして、発熱体２２，２２同士の間隔ｓ（＝２ｄ）を一定とし、基板Ｋまでの距離ｈを変化させた場合の基板Ｋの温度分布を調べた結果は以下の通りである。なお、各発熱体２２による発熱量は同一とする。
【００３８】
調べた結果、発熱体２２と基板Ｋとの距離ｈが短い場合には、図５（ｂ）の曲線Ａで示すように、基板Ｋに与えられる熱量の変動が激しく、また距離ｈが長過ぎる場合には、図５（ｃ）の曲線Ａで示すように、熱量が均一になる範囲が狭いが、距離ｈが適正である場合には、図５（ａ）の曲線Ａで示すように、熱量が均一である曲線が得られる。なお、図５（ａ）〜図５（ｃ）における下方の曲線Ｂは、各発熱体２２の発熱量を示している。また、上記距離ｈの適正値は、（２ｄ）１．２４〜（２ｄ）１．３５の範囲内にされている。
【００３９】
次に、邪魔板２４の形状および配置について説明する。
この邪魔板２４のガス案内用ダクト体２３内での取付位置（設置位置）、つまり、加熱室１３の底面からの設置高さＨ２は、ガス案内用ダクト体２３の高さＨ１に対する比（Ｈ２／Ｈ１）が、０．３〜０．７（好ましくは、０．５近傍である）の範囲内となるようにされる。
【００４０】
また、邪魔板２４の形状すなわちサイズについては、邪魔板２４が設置される位置でのダクト体２３の断面をガス流路とし、等価水力直径の考えを用いて決定する。
等価水力直径とは、流路が非円形断面の場合、流路の大きさを表わす量として与えられるもので、流路の断面と等価な円管の直径Ｄを言い、下記の（１）式で表わされる。
【００４１】
Ｄ＝４×（流路断面積）／（断面長） ・・・（１）
ここで、ダクト体２３と邪魔板２４との適正な具体的寸法を求めると図６に示すような値となる。
【００４２】
ダクト体２３の等価水力直径Ｄ１を求めると、下記（２）式のようになる。
Ｄ１＝４Ａ×Ｂ／｛（Ａ＋Ｂ）×２｝＝１４６．２ｍｍ
一方、邪魔板２４の等価水力直径Ｄ２を求めると、下記（３）式のようになる。
【００４３】
Ｄ２＝４ａ×ｂ／｛（ａ＋ｂ）×２｝＝６０ｍｍ
ここで、両等価水力直径の比（Ｄ２／Ｄ１）を求めると、下記（４）式のようになる。
Ｄ２／Ｄ１＝０．４１ ・・・（４）
したがって、邪魔板２４が設けられる高さ位置でのダクト体２３断面の寸法をＤ１で代表させるとともに、邪魔板２４の表面に相当する寸法をＤ２で代表させると、Ｄ２／Ｄ１＝０．４１となるようにすればよい。すなわち、この値の前後いくらかを考慮して、Ｄ２／Ｄ１＝０．２５〜０．５の範囲となるように、ダクト体２３および邪魔板２４の寸法を決定すればよい。具体的には、両者の平面視形状を相似形状にするとともに、これら両等価水力直径の比が上記範囲内となるような寸法を採用すればよい。
【００４４】
なお、Ｈ２／Ｈ１およびＤ２／Ｄ１の値を上述した範囲内としたのは、基板近傍における原料ガス（例えば、アセチレン）の濃度のばらつき係数（標準偏差／平均値）が２０を越えないようにしたものである。ここで言う２０とは、ダクト体２３を設置しかつ邪魔板２４が無い場合のばらつき値である。ダクト体２３が設置されている場合でも、邪魔板２４の設置位置が不適切であると（上記数値範囲外の場合）、ダクト体２３だけの場合よりも、ばらつき値が悪化し、逆効果となる。
【００４５】
ところで、上記加熱炉１にて熱ＣＶＤ法が行われる際には、加熱室１３内が所定圧力に減圧される。
この減圧値としては、数Ｐａ〜１０００Ｐａの範囲に維持される。例えば、数十Ｐａ〜数百Ｐａに維持される。なお、減圧範囲の下限である数Ｐａは、カーボンナノチューブの形成レート（成膜レートである）を保つための限界値であり、上限である１０００Ｐａは煤、タールの抑制という面での限界値である。また、形成用容器１内の構成部材としては、煤、タールなどの生成が促進しないように、非金属の材料が用いられている。
【００４６】
ところで、加熱室１３以外の他の処理室、すなわち基板供給室１１、前処理室１２、後処理室１４および製品回収室１５については詳しくは説明しなかったが、これら各室１１，１２，１４，１５についても減圧状態にされるとともに、加熱室１３に空気などのカーボンナノチューブの形成に悪影響を及ぼすガスが流入するのを防止するために、図１に示すように、それぞれの底壁部２ａには窒素ガスなどの不活性ガスを供給するためのガス供給口５′が設けられるとともに、上壁部２ｂには、ガス放出口（ガス排出口でもある）７′が設けられている。
【００４７】
なお、図１は熱ＣＶＤ装置の概略構成を示し、その内部が分かるように、手前側の側壁部および断熱材４については省略している。
次に、上記熱ＣＶＤ装置により、カーボンナノチューブの形成方法について説明する。
【００４８】
まず、巻出しロール１６から基板Ｋを引き出し、前処理室１２、加熱室１３および後処理室１４における各区画壁３の連通用開口部３ａを挿通させ、その先端を巻取りロール１７に巻き取らせる。このとき、基板Ｋには張力が付与されて真っ直ぐな水平面となるようにされている。
【００４９】
そして、前処理室１２内では基板Ｋの洗浄が行われた後、不動態膜が下面全体に亘って塗布され、この不動態膜の表面に鉄の微粒子が塗布（付着）される。なお、この触媒微粒子の塗布範囲については、少なくとも、カーボンナノチューブの形成面（生成面）であればよい。
【００５０】
この前処理が済むと、基板Ｋは所定長さ分だけ、つまりカーボンナノチューブが形成される長さ分だけ、巻取りロール１７により巻き取られる。したがって、前処理室１２で前処理が行われた部分が、順次、加熱室１３内の整流板２６上に移動される。
【００５１】
この加熱室１３では、排気装置（図示せず）により、所定の減圧下に、例えば数Ｐａ〜１０００Ｐａの範囲に、具体的には、上述したように数十Ｐａ〜数百Ｐａに維持される。
そして、加熱装置２１、すなわち発熱体２２により、基板Ｋの温度を所定温度例えば７００〜８００℃に加熱するとともに、加熱室１３の外壁温度が８０℃またはそれ以下（好ましくは、５０℃以下）となるようにする。
【００５２】
上記温度になると、ガス供給口５より原料ガスとしてアセチレンガス（Ｃ２Ｈ２）を供給して所定の反応を行わせることにより、基板Ｋ下面に、カーボンナノチューブを生成（成長）させる。
【００５３】
そして、所定時間が経過して所定高さのカーボンナノチューブが得られると、同じく、所定長さだけ移動されて、このカーボンナノチューブが形成された基板Ｋが後処理室１４内に移動される。
【００５４】
この後処理室１４内では、基板Ｋの冷却と検査とが行われる。
この後処理が済むと、基板Ｋは製品回収室１５内に移動されて、その上面に保護フィルムが貼り付けられるとともに、巻取りロール１７に巻き取られる。すなわち、カーボンナノチューブが形成された基板Ｋが製品として回収されることになる。なお、カーボンナノチューブが形成された基板Ｋが全て巻取りロール１７に巻き取られると、外部に取り出されることになる。
【００５５】
上記熱ＣＶＤ装置の構成によると、基板を加熱室内に導くとともに反応ガスを導入してその表面にカーボンナノチューブを形成する際に、巻出しロールに巻き取られた基板を巻取りロールに巻き取るようにするとともに、その途中の基板の表面にカーボンナノチューブを形成するようにしたので、所定長さ毎ではあるが連続的に、基板にカーボンナノチューブを形成することができ、したがって完全なバッチ式にカーボンナノチューブを形成する場合に比べて、効率良くカーボンナノチューブを形成することができる。
【００５６】
また、基板を、カーボンナノチューブを形成する面を下向きにした状態で、加熱室内に原料ガスを供給するとともに、加熱室内に設けられたガス案内用ダクト体により、当該原料ガスを基板の下面（表面）に導くようになし、さらにガス案内用ダクト体内に邪魔板を配置したので、原料ガスを分散させて基板表面に均一に導くことができる。すなわち、従来の熱ＣＶＤ装置では、基板全面の均一な加熱および基板全面に原料ガスを均一に行き渡るようにすることが困難であり、従来炉で達成しようとすると、生成したい基板面積に対して炉の投影面積をかなり大きくする必要が生じ、このため、効率が悪く、生成する基板当たりコストも高価になってしまう。
【００５７】
また、発熱体を基板のカーボンナノチューブの形成面とは反対の上面側に配置したので、原料ガスによる反応がスムーズに行われる。この理由は、発熱体が直接基板を温めるとともにガスが発熱体と反対の面から供給されるため、ガスは基板に真っ先に供給されてその極近傍でガス分解が生じるからである。なお、ガスが発熱体を通過した場合には、その近傍でガス分解されて温度が高温から低温に変化する箇所で煤が生成し易くなると同時に、基板に供給される炭素が少なくなってしまう。
【００５８】
さらに、邪魔板に加えて、基板の下面寄り位置に原料ガスの整流を行う整流板を配置したので、原料ガスを基板表面に、より、均一に導くことができる。
また、加熱室内を減圧したので、原料ガスの拡散性が向上する（優れる）ため、基板の表面全体に均一に原料ガスを供給することができ、言い換えれば、ガスの流れの影響を受けにくくなるため、製品品質の向上に繋がるとともに、複雑な形状、複雑な自由面例えば曲面に対しても、基板に触媒粒子が付着している限り、カーボンナノチューブの形成が可能となる。
【００５９】
ところで、上記実施の形態においては、両ロールを水平方向に配置したが、例えば鉛直方向に配置することもできる。このようにすることにより、水平方向に配置している場合に生じる基板の自重による撓みがなくなり、またロール同士間および基板の僅かな幅方向の厚さによる波しわ等が発生しなくなる。さらに、基板の自重により鉛直方向に真っ直ぐに設置できるため、加熱後の基板の波しわによる塑性変形も生じないという利点も得られる。
【符号の説明】
【００６０】
Ｋ 基板
１ 加熱炉
２ 炉本体
２ａ 底壁部
２ｂ 上壁部
３ 区画壁
４ 断熱材
５ ガス供給口
６ ガス排出口
７ ガス抜出口
１１ 基板供給室
１２ 前処理室
１３ 加熱室
１４ 後処理室
１５ 基板回収室
１６ 巻出しロール
１７ 巻取りロール
２１ 加熱装置
２２ 発熱体
２３ ガス案内用ダクト体
２４ 邪魔板
２６ 整流板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉本体内に設けられた加熱室にカーボンを含む反応ガスを導くとともに反応ガスを加熱して当該加熱室に導かれた基板の表面にカーボンナノチューブを形成し得る加熱炉を具備するＣＶＤ装置であって、
炉本体内の一端側に基板を構成する薄板材が巻き付けられた巻出しロールを配置するとともに、他端側にこの基板を巻き取る巻取りロールを配置し、
これら両ロール同士の間に、上記基板を挿通し得る開口部を有する区画壁により上記加熱室を形成するとともに、この加熱室内の基板の上方位置に加熱装置を配置し、
上記加熱室の下部にカーボンを含む原料ガスを供給し得るガス供給口を設けるとともに、上部に原料ガスを排出し得るガス排出口を設け、
さらに上記加熱室内を所定の減圧下にする排気装置を具備したことを特徴とするカーボンナノチューブ形成用ＣＶＤ装置。
【請求項２】
加熱室内にガス供給口から導かれた反応ガスを、巻出しロールから引き出されて巻取りロールに巻き取られる基板の下面に導くためのガス案内用ダクト体を設け、
このガス案内用ダクト体と基板との間に反応ガスを分散させる邪魔板を設けたことを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブ形成用ＣＶＤ装置。
【請求項３】
邪魔板を、その中心がガス供給口の中心に一致するように配置したことを特徴とする請求項１または２に記載のカーボンナノチューブ形成用ＣＶＤ装置。
【請求項４】
基板と邪魔板との間で且つ当該基板の下面寄り位置に、反応ガスの整流を行う整流板を配置したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のカーボンナノチューブ形成用ＣＶＤ装置。
【請求項５】
カーボンナノチューブの形成を１０００Ｐａ以下の減圧下で行うようにしたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のカーボンナノチューブ形成用ＣＶＤ装置。
【請求項１】
炉本体内に設けられた加熱室にカーボンを含む反応ガスを導くとともに反応ガスを加熱して当該加熱室に導かれた基板の表面にカーボンナノチューブを形成し得る加熱炉を具備するＣＶＤ装置であって、
炉本体内の一端側に基板を構成する薄板材が巻き付けられた巻出しロールを配置するとともに、他端側にこの基板を巻き取る巻取りロールを配置し、
これら両ロール同士の間に、上記基板を挿通し得る開口部を有する区画壁により上記加熱室を形成するとともに、この加熱室内の基板の上方位置に加熱装置を配置し、
上記加熱室の下部にカーボンを含む原料ガスを供給し得るガス供給口を設けるとともに、上部に原料ガスを排出し得るガス排出口を設け、
さらに上記加熱室内を所定の減圧下にする排気装置を具備したことを特徴とするカーボンナノチューブ形成用ＣＶＤ装置。
【請求項２】
加熱室内にガス供給口から導かれた反応ガスを、巻出しロールから引き出されて巻取りロールに巻き取られる基板の下面に導くためのガス案内用ダクト体を設け、
このガス案内用ダクト体と基板との間に反応ガスを分散させる邪魔板を設けたことを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブ形成用ＣＶＤ装置。
【請求項３】
邪魔板を、その中心がガス供給口の中心に一致するように配置したことを特徴とする請求項１または２に記載のカーボンナノチューブ形成用ＣＶＤ装置。
【請求項４】
基板と邪魔板との間で且つ当該基板の下面寄り位置に、反応ガスの整流を行う整流板を配置したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のカーボンナノチューブ形成用ＣＶＤ装置。
【請求項５】
カーボンナノチューブの形成を１０００Ｐａ以下の減圧下で行うようにしたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のカーボンナノチューブ形成用ＣＶＤ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−１４８６５９（Ｐ２０１１−１４８６５９Ａ）
【公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１５１３（Ｐ２０１０−１１５１３）
【出願日】平成２２年１月２２日（２０１０．１．２２）
【出願人】（０００００５１１９）日立造船株式会社 (764)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月２２日（２０１０．１．２２）
【出願人】（０００００５１１９）日立造船株式会社 (764)
【Ｆターム（参考）】
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