ナノカーボンの連続製造装置及びその連続製造方法
【課題】基板を有する回転テーブルを用いて基板法ＣＶＤの連続運転を実現可能にし、基板法の利点を生かした安定性、制御性の良いナノカーボンの連続製造装置を提供する。
【解決手段】チャンバー１内において、一つの円周上に複数の面状ヒーター１１を等分位置に配置し、その上方に、同じ円周上で同じ等分位置にそれぞれ基板２２が配設された回転テーブル２０を回転可能に設置し、この回転テーブルの上方に、上記円周上における面状ヒーター１１の配置の等分位置に対応させて、触媒導入部、触媒前処理部、ナノカーボン生成部、生成物回収部、及び基板クリーニング部を形成する部室３１，３２，３３を設ける。回転テーブル２０の一方向への回転により、該回転テーブル上の基板２２が上記の順で各部室に対面する位置に順次移動し、ナノカーボンが連続的に製造される。
【解決手段】チャンバー１内において、一つの円周上に複数の面状ヒーター１１を等分位置に配置し、その上方に、同じ円周上で同じ等分位置にそれぞれ基板２２が配設された回転テーブル２０を回転可能に設置し、この回転テーブルの上方に、上記円周上における面状ヒーター１１の配置の等分位置に対応させて、触媒導入部、触媒前処理部、ナノカーボン生成部、生成物回収部、及び基板クリーニング部を形成する部室３１，３２，３３を設ける。回転テーブル２０の一方向への回転により、該回転テーブル上の基板２２が上記の順で各部室に対面する位置に順次移動し、ナノカーボンが連続的に製造される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、化学気相法堆積法（ＣＶＤ）によるナノカーボンの連続製造装置及びその連続製造方法に係るものである。
上記ナノカーボンとは、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、カーボンナノコイル（ＣＮＣ）、カーボンナノツイスト（ＣＮＴｗ）、カーボンナノファイバー（ＣＮＦ）などのナノ構造を有するカーボンの総称であり、電界放出ディスプレー、機能性複合材料、マイクロマシン、エネルギー変換などの分野に応用されつつある。
【背景技術】
【０００２】
ナノカーボンの製造方法としては、（１）アーク放電法、（２）レーザー蒸発法、及び（３）ＣＶＤなどが知られている。上記（１）の方法は、炭素電極の間に電圧を印加してアーク放電を発生させることにより、電極表面を高温とし、それによって電極の炭素を蒸発させ、それを冷却して堆積物とする方法である。この方法は、フラーレン（Ｃ60）の製造に用いられたが、生成した堆積物の中にＣＮＴが存在することが飯島氏により発見された。
しかし、この方法は、電極の消耗と堆積物質の成長を伴うため、電極の形状、電極間の距離の無規変化を生じ、放電の安定性を欠き、堆積物に大量の不純物が混在し、電極寿命が短いため、大量生産に適さない方法である。
【０００３】
上記（２）のレーザー蒸発法は、カーボンロッドに強いレーザーを照射し、炭素を蒸発させてナノカーボンを合成する方法である。しかし、レーザーの照射強度、照射面積に制限され、大量生産に不向きと知られる。
【０００４】
一方、上記（３）のＣＶＤは、炭化水素ガスを加熱された触媒により分解させることによりナノカーボンを合成する方法で、豊富な炭素原料から、触媒の配合を代えるだけで、いろいろなナノカーボンを合成できる点で有利な方法である。このＣＶＤは、触媒の供給方式により、基板法と流動法とに分別される。
【０００５】
上記基板法は、触媒を基板上に載せ、反応管に挿入する方法であり、ガス、触媒種を選ばず、ガス流量、温度を制御し易いため、基礎研究に幅広く用いられるが、大量生産には不向きとされている。
また、上記流動法は、有機遷移金属化合物のガスを原料ガスと一緒に反応管に導入し、気相中で金属触媒を生成させて、連続的にナノカーボンを製造する方法である。しかし、触媒の生成速度、ナノカーボンの生成速度のバランスを取り難く、安定操作のできる範囲が非常に狭いという問題がある。更に、反応管に生成物が付着するため、連続運転時間が短く、原料ガスの利用率が低いため、ランニングコストが高いという問題もある。
【０００６】
上記基板法に基づく連続ＣＶＤ装置として、チャンバー内に回転ベルトを備え、該ベルトの上下に対向するガス供給部と加熱部を配置し、ベルトの両端に、触媒を載せた基板を載置するロボットアームと反応後の基板を回収するロボットアームを設置したＣＶＤ装置が、特許文献１として提案されている。
また、無端回転ベルトに固定された基板と、超音波スプレーによる触媒金属粒子の薄膜形成部と、プラズマＣＶＤ部と、生成物の掻き落し部と、基板クリーニング部とを備える装置が、特許文献２として提案されている。
しかし、これらの装置では、回転ベルトを介して基板を加熱するため、基板温度の制御が困難である。また、複雑な機構を高温環境に置くため、耐久性にも問題がある。
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−２３４３４１号公報
【特許文献２】特開２００５−６７９１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の技術的課題は、上記既提案の技術におけるロボットアームや搬送用の無端のベルトを設けたり、複雑な機構を高温環境に置いたりする必要がなく、基板を有する回転テーブルを用いて基板法ＣＶＤの連続運転を実現可能にし、それによって、基板法の利点を生かした安定性、制御性の良いナノカーボンの連続製造装置及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するための本発明のナノカーボンの連続製造装置は、チャンバー内において、一つの円周上に複数の面状ヒーターを等分位置に配置し、その上方に、該面状ヒーターと同じ円周上で同じ等分位置にそれぞれ基板が配設された回転テーブルを回転可能に設置し、この回転テーブルの上方に、上記円周上における面状ヒーターの配置の等分位置に対応させて、触媒導入部、触媒前処理部、ナノカーボン生成部、生成物回収部、基板クリーニング部のいずれかまたはその複数を形成する部室を設けたことを特徴とするものである。
【００１０】
上記構成を有するナノカーボンの連続製造装置は、前記基板法に基づくＣＶＤプロセスでナノカーボンを製造するもので、触媒導入、触媒前処理、ナノカーボン生成、生成物回収、基板クリーニングという一連のナノカーボン製造工程を有することから、これらの部室を円周上に等分配置し、各部の下方に面状ヒーターを設け、ヒーターの直上に基板を嵌め込んだ回転テーブルを設置し、該回転テーブルの回転により一連のナノカーボン製造工程が行われるように上記部室を配設しているので、基板がＣＶＤプロセス順に部室から部室へ移動し、触媒と原料ガスの連続供給、生成したナノカーボンの採出を連続的に行うことができる。
そのため、上記既提案の技術におけるロボットアームや搬送用の無端のベルトを設けたり、複雑な機構を高温環境に置いたりする必要がなく、基板法の利点を生かした安定性、制御性の良いナノカーボンの連続製造を行うことができる。
【００１１】
上記本発明に係るナノカーボンの連続製造装置の好ましい実施の形態においては、上記触媒導入部、触媒前処理部、ナノカーボン生成部、生成物回収部、基板クリーニング部を形成する部室を、回転テーブルの一方向への回転により、該回転テーブル上の基板が上記の順で各部室に対面する位置に順次移動するように配設され、また、上記面状ヒーターは、生成物回収部及び基板クリーニング部を形成する部室の下部以外の上記円周上の等分位置に配設される。但し、必要があれば、上記生成物回収部及び基板クリーニング部を形成する部室の下部にも面状ヒーターを設けることができる。
【００１２】
上記本発明に係るナノカーボンの連続製造装置の他の好ましい実施の形態においては、上記基板の表面を触媒で被覆する手段として、触媒導入部に、基板表面に液体触媒と触媒スラリーを導入するための２流体ノズル、及び／または粉末触媒と触媒インクを導入するためのスクリーン印刷手段が設置される。これにより、あらゆる形状の触媒の導入が可能になる。
また、本発明の他の好ましい実施形態においては、上記触媒前処理部に、水素、酸素、窒素、不活性ガスから少なくとも一種のガス供給装置が設置され、上記ナノカーボン生成部には、原料ガス及び希釈ガスを供給するガスノズルが設置される。更に、上記生成物回収部には、回転ブラシを有する吸引・固体分離装置が設置される。これにより、基板に傷を付けることなく生成物を回収することができる。
【００１３】
一方、前記課題を解決するための本発明に係るナノカーボンの連続製造方法は、上記連続製造装置を用いてナノカーボンを製造する方法であって、それぞれの部室において行う触媒導入、触媒前処理、ナノカーボン生成、生成物回収、及び基板クリーニングの処理のいずれかまたはその複数を、各部室において同じ略一定時間内に行い、その時間が経過した後、定時的に回転テーブルを隣接する面状ヒーターの等分配設位置まで一定角度だけ回転させて、回転テーブルに設けた各基板上にナノカーボン製造のための次段階の処理を行い、これを順次繰り返すことを特徴とするものである。
【００１４】
本発明に係る上記ナノカーボンの連続製造方法の好ましい実施の形態においては、ナノカーボン生成部において供給する原料ガスが、炭化水素の化合物群から選択された一つまたはそれ以上の混合物であり、上記ナノカーボン生成部において供給する希釈ガスが、水素、酸素、窒素、不活性ガスから選択された一つまたはそれらの複数の混合ガスであり、触媒導入部において導入される触媒前駆体が、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎからなる遷移金属の群から少なくとも一種を含む金属、合金、金属化合物、混合物から選択されたもの、または、それらに、Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐ、Ｓの低融点金属、非金属の群から選ばれた少なくとも一種を含む単体、化合物、混合物を添加したものとして、ナノカーボンの連続製造が行われる。
【発明の効果】
【００１５】
以上に詳述した本発明のナノカーボンの連続製造装置によれば、基板の回転機構を設置して、各製造工程の部室をその円周上に配置し、基板上への触媒の導入と生成したナノカーボンの取出し構造を有するため、基板法ＣＶＤの連続運転を実現でき、また、装置の大型化、高価になりかねない触媒蒸着装置や、基板運搬用のロボット、熱管理困難の無端ベルトなどが不要となり、構造簡単、安価で、制御性が良く、工業用、産業用としてそのメリットが非常に大である。また、本発明によれば、あらゆる状態の触媒の導入を可能にして、前処理条件、反応条件の最適化により、多種のナノカーボン、例えば、ＣＮＣ（実施例１参照）、ＣＮＦ（実施例２参照）、ＣＮＴ（実施例３参照）の製造を実現でき、研究開発用にも好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明に係るナノカーボンの連続製造装置における基本的構成を模式的に示している。また、図２にはその実施形態の一例を示している。
なお、図１に示す各要素の形状などは、説明をより明確にするために誇張して描記したものであり、これによって本発明の要素の仕様、形状、寸法等を限定的に解釈されるべきではない。
【００１７】
図１に示すように、このナノカーボンの連続製造装置は、その主要部が収容されるチャンバー１を備えている。このチャンバー１は、大気からプロセスガスを隔離するためのもので、材質、形状、大きさなどはとくに制限しないが、冷却されたステンレス製の円筒形のものが好ましい。
【００１８】
上記チャンバー１の内底における一つの円周上には、複数の面状ヒーター１１を等分配置している。これらの面状ヒーター１１は、図示の例では、一つの円周の３等分位置にそれぞれ配置しているが、円周を複数等分した位置の全てに設ける必要はなく、上記等分位置で面状ヒーターを設けない部分があっても差し支えない。なお、ここでは一つの円周の３等分位置に面状ヒーター１１を配設する場合を示しているが、４等分またはそれ以上に等分した位置に面状ヒーター１１を配設してもよい。
【００１９】
上記面状ヒーター１１は、その上に位置する基板２２の温度を一定に保つためのものであり、その加熱方式は、直流、直流パルス、交流、高周波、マイクロ波モードなど、任意手段を採用することができる。また、上記面状ヒーター１１のそれぞれは制御装置で独立に温度調整可能に形成され、その調整範囲は、基板温度が３００〜１２００℃の範囲内に制御できることが好ましい。
【００２０】
上記面状ヒーター１１の上方には、該面状ヒーター１１の配置円と同じ円周上に同じ等分配置で基板２２を嵌め込んだ回転テーブル２０を、その中心軸線の周りに回転可能に設置している。この回転テーブル２０は、その回転軸に連結した駆動機構により、定時的に基板２２を一定角度だけ回転させ、各基板２２を、隣接する面状ヒーター１１の等分配設位置まで移動させ、正確にその面状ヒーター１１の上に定位させるものであり、それによって、回転テーブル２０上に設けた各基板２２上にナノカーボンの製造のための各段階の処理が行えるようにしている。この回転テーブル２０は、基板２２を支えうる強度を持つものであればよく、中でも、高強度、軽量、耐熱性のＣ／Ｃコンポジェットで形成するのがより好ましい。
【００２１】
上記基板２２は、その上に触媒を載せ、ナノカーボンを成長させる場所であり、平滑または凹凸のある円板状や皿状に形成される。面状ヒーター１１の熱を上表面に早く伝達できることが望ましいので、熱伝導性のよい材質、例えば、金属ではＭｏ、Ｗなど、半導体ではＳｉウェーハー、非金属ではグラファイトカーボン、セラミックスでは窒化アルミニウム、炭化珪素などによって形成するのが好ましい。
【００２２】
上記回転テーブル２０の直上に位置させて、上記チャンバー１の天井部に、上記面状ヒーター１１を配置した円周上における該ヒーター１１の等分配置位置に対応させて、独立した部室３１，３２，３３を設けている。これらの部室３１，３２，３３は、それぞれの内部の空間を独立させ、触媒前駆体の供給または塗布を行う触媒導入部、触媒前処理ガス等を供給して上記触媒前駆体に接触させる触媒前処理部、ナノカーボン製造のための原料ガスが導入されるナノカーボン生成部、生成したナノカーボンの回収を行う生成物回収部、及び基板のクリーニング部のいずれかまたはその複数の役割を分担するための機器・設備等を備えたものである。
【００２３】
上記触媒前駆体は、後述の前処理によりナノカーボン生成のための触媒活性を示すものであり、金属、金属化合物、それらの混合物または合金からなり、中でも、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎなどの遷移金属の群から選ばれた少なくとも一種を含む金属、合金、金属化合物、混合物よりなるものが好ましい。
より低温で、より多種多様なナノカーボンを製造するためには、上記の触媒前駆体に、Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐ、Ｓなどの低融点金属、非金属の群から選ばれた少なくとも一種を含む単体、化合物、混合物を添加するのが好ましい。
前記の触媒前駆体は、固体状、スラリー状、液状またはガス状でもよく、それらの前駆体の導入手段としては、汎用の粉体定量供給装置、定量ポンプ、２流体ノズル等を用いることができる。
【００２４】
触媒前駆体の処理、すなわち触媒の前処理は、減圧下または非酸化雰囲気中で、好ましくは、３００〜８００℃に加熱して行われる。減圧の場合では、真空度は０〜８０Ｐａが好ましく、非酸化雰囲気の場合では、窒素、水素、不活性ガスのうちの一種、またはそれらの複数の混合ガスを、ノズルから供給するように構成される。
【００２５】
ナノカーボン生成部におけるナノカーボンの合成方法としては、好ましくは、面状ヒーター１１により５００〜１２００℃に加熱された触媒の上へ、希釈された原料ガスを吹き付けることにより行われる。原料ガスは、炭化水素の化合物群から選択された一つまたはそれらの混合物であり、希釈ガスは、水素、酸素、窒素、不活性ガスから選択された一つまたはそれらの混合物が用いられる。
原料ガスの導入手段として、一定温度に保たれたガスノズルを備えることで、原料ガスを予備加熱し、一定の角度と適度の勢いで基板に噴射させることで、原料ガスを最適条件で基板表面に到達させ、効率よく生成物を反応させることができる。
【００２６】
生成物回収部において基板２２上に形成されたナノカーボンを剥離して回収する手段としては、ならしで掻き落したりブラシで掃き落すなどの手段を採用することができる。また、基板２２から落とされたナノカーボンの回収手段としては、サイクロン、フィルターまたは二者の併用が好ましい。回転ブラシを有する吸引・固体分離（フィルター）装置を設置することにより、基板２２に傷を付けることなく生成物を回収することができる。
【００２７】
次に、図２を参照して、上記ナノカーボンの連続製造装置の具体的な構成例について説明する。なお、図２の連続製造装置における図１中の各要素との対応部分には、図１の場合と同一の符号を付している。
図２に示すナノカーボンの連続製造装置では、チャンバー１の内底面上における一つの円周上の３等分位置の２個所に、それぞれ面状ヒーター１１を設置している。なお、上記円周上の３等分位置の他の１個所には、面状ヒーターを設けていない。
そして、上記面状ヒーター１１の設置面の上には、３枚の基板２２を面状ヒーター１１と同じ円周上の３等分位置に嵌め込んだ回転テーブル２０を回転自在に支持させ、その回転テーブル２０の上で、上記面状ヒーター１１を設置する円周の３等分位置に対応させて、部室３１，３２，３３を設置している。なお、上記回転テーブル２０は、その回転軸２１が図示しない回転機構に連結されている。
【００２８】
上記面状ヒーター１１とその上に位置する基板２２とは、その平面形状がほぼ同形状、あるいは、面状ヒーター１１で基板２２のみを加熱するのに適した形状であることが望ましく、それにより、面状ヒーター１１により基板２２のみが効率的に加熱され、面状ヒーター１１から他部への放熱が最小限に抑制される。部室３１，３２，３３についても、以下に説明する各処理が適切に行われるように、必要に応じて昇降により基板２２を密閉状態に置くように構成される。
【００２９】
上記部室３１は、触媒前駆体の供給または塗布を行う触媒導入部を構成すると共に、触媒前処理部の機能を有するものとして構成したものであり、そのために、この部室３１には、触媒前駆体である固体状の粉体、担持体の供給ライン３１１、供給された触媒前駆体を均一に基板２２上に塗布するための操作棒３１３に連結された印刷振り子３１２、及び上記触媒の前処理ガスの供給ライン３１４を装備している。上記粉体、担持体の供給ライン３１１に代えて、あるいはそれに加えて、スラリーの供給ラインを設けることもできる。これらは、図示を省略している制御装置によりその動作を制御されるものであるが、手動によることもできる。
【００３０】
上記部室３２は、原料ガスと希釈ガスを供給し、基板２２上で触媒の作用によりナノカーボンを生成させるナノカーボン生成部を形成するものである。そのため、この部室３２には、原料ガスライン３２２、希釈ガスライン３２３を設け、これらのガスを混合させ、且つ一定の角度で基板へ吹き付けるノズル３２１を装備している。
【００３１】
また、上記部室３３は、面状ヒーター１１を設置した円周上で該面状ヒーター１１を設けていない等分位置上に配置され、ナノカーボン生成部で基板２２上に生成されたナノカーボンを回収する生成物回収部、及び基板２２上をクリーニングする基板クリーニング部を形成するものである。そのため、部室３３には、操作部材３３２によって操作される回転ブラシ３３１と吸引ライン３３３を装備している。
【００３２】
上記構成を有するナノカーボンの連続製造装置を用いてナノカーボンを製造するに際しては、それぞれの部室３１〜３３において行う触媒導入、触媒前処理、ナノカーボン生成、生成物回収、及び基板クリーニングの処理のいずれかまたはその複数が、各部室において同じ略一定時間内に行えるように配分し、その時間が経過するごとに定時的に回転テーブル２０を隣接する面状ヒーター１１の等分配設位置まで一定角度だけ回転させて、回転テーブル２０上に設けた各基板２２上にナノカーボン製造のための次段階の処理を行い、これを順次繰り返すように制御される。
【００３３】
次に、上記図２の連続製造装置を用いた本発明の方法の実施例について説明する。
【実施例１】
【００３４】
ナノカーボンの連続製造に際しては、まず、部室３１における供給ライン３１１を通して、面状ヒーター１１で７００℃に加熱された基板２２上に触媒前駆体としての鉄−酸化錫の粉末を導入し、振子３１２を用いて基板２２上に均一に配設した。そして、前処理ガスの供給ライン３１４を通してヘリウムガスを導入しながら、５分間熱処理をした。
【００３５】
上記部室３１で触媒前駆体が熱処理された上記基板２２は、回転テーブル２０により１２０度回転させて、ナノカーボン生成部の部室３２下に移した。そして、原料ガスライン３２２よりアセチレンを導入し、希釈ガスライン３２３よりヘリウムガスを導入して、それらを混合しながらノズル３２１を通して基板２２上に吹き付け、面状ヒーター１１による加熱で、７５０℃で５分間反応させ、触媒の作用によりナノカーボンを生成させた。
【００３６】
次に、上記部室３２での反応によりナノカーボンが生成された基板２２は、１２０度回転させて部室３３に移し、回転ブラシ３３１を用いて生成されたナノカーボンを掃き上げて、吸引ライン３３３より吸引して回収し、これを５分間行った。
上記部室３１〜３３における各工程は、それぞれ５分で行っているが、各部室での処理は同時に進行させるので、全体的に見れば、ナノカーボンを連続的に生産していることになる。
回収されたナノカーボンの形態を、図３の電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真に示す。生成したナノカーボンは、カーボンナノコイル（ＣＮＣ）であることがわかる。
【実施例２】
【００３７】
実施例１と同じ装置を用い、以下に説明する合成条件でナノカーボンの合成を行った。
まず、部室３１における触媒前駆体の供給ライン３１１を通して、面状ヒーター１１で７５０℃に加熱された基板２２上に、鉄を担持した活性炭とアルコールとを混合したスラリーを導入し、振子３１２を用いて均一に基板上に平らに塗布した。そして、前処理ガスの供給ライン３１４より窒素ガスを導入しながら、５分間熱処理した。
【００３８】
上記部室３１で触媒前駆体が熱処理された上記基板２２は、回転テーブル２０により１２０度回転させて、ナノカーボン生成部の部室３２下に移した。そして、原料ガスライン３２２よりアセチレンを導入し、希釈ガスライン３２３より窒素ガスを導入して、それらを混合しながらノズル３２１を通して基板２２上に吹き付け、面状ヒーター１１による加熱で、８００℃で５分間反応させ、触媒の作用によりナノカーボンを生成させた。
【００３９】
次に、上記部室３２での反応によりナノカーボンが生成された基板２２は、１２０度回転させて部室３３に移し、回転ブラシ３３１を用いて生成されたナノカーボンを掃き上げて、吸引ライン３３３より吸引して回収し、これを５分間行った。
回収されたナノカーボンの形態を、図４の電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真に示す。生成したナノカーボンは、カーボンナノファイバー（ＣＮＦ）であることがわかる。
【実施例３】
【００４０】
この実施例３では、図５に示すようなナノカーボンの連続製造装置を使用した。
図５に示す連続製造装置と、先に図２を参照して説明した連続製造装置との主たる違いは、図２の装置において触媒導入部及び触媒前処理部を構成している部室３１に代えて、構成的に若干異なる部室３４を備えている点にあり、その他の構成は実質的に変わるところがない。
この部室３４も、上記部室３１と同様に、触媒導入部及び触媒前処理部を構成するものであるが、液体の供給ライン３４２、ガスの供給ライン３４３、及びそれらのラインから供給される溶液やガスを噴霧する２流体ノズル３４１を装備したものである。
なお、図５の連続製造装置における図２中の各要素との対応部分には、図２の場合と同一の符号を付し、それらの説明を省略する。
【００４１】
図５の連続製造装置によるナノカーボンの合成では、まず、液体の供給ライン３４２より導入されたフェロセンのアルコール溶液と、ガスの供給ライン３４３から導入された窒素ガスを、２流体ノズル３４１を用いて均一に基板上に噴霧し、基板２２上に均一に成膜した。そして、供給ライン３４３より窒素ガスを導入しながら、面状ヒーター１１で４５０℃に加熱された基板２２上で５分間熱処理し、触媒前処理を行った。
【００４２】
上記部室３１で熱処理された上記基板２２は、回転テーブル２０により１２０度回転させて、ナノカーボン生成部の部室３２下に移した。そして、原料ガスライン３２２よりアルコールを導入し、希釈ガスライン３２３より窒素ガスを導入して、それらを混合しながらノズル３２１を通して基板２２上に吹き付け、面状ヒーター１１による加熱で、９５０℃で５分間反応させ、触媒の作用によりナノカーボンを生成させた。
【００４３】
次に、上記部室３２での反応によりナノカーボンが生成された基板２２は、１２０度回転させて部室３３に移し、回転ブラシ３３１を用いて生成されたナノカーボンを掃き上げて、吸引ライン３３３より吸引して回収し、これを５分間行った。
回収されたナノカーボンの形態を図６の電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真に示す。生成したナノカーボンはカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）であることがわかる。
【００４４】
以上においては、本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明はそれらによって限定的に解されるべきではなく、特許請求の範囲に記載した発明の精神を逸脱しない範囲内において多様に変形できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明を説明するためにナノカーボンの連続製造装置の構成を模式的に示す斜視説明図である。
【図２】上記ナノカーボンの連続製造装置の実施の一例を示す透視正面図である。
【図３】実施例１により製造されたカーボンナノコイル（ＣＮＣ）の部分拡大写真を含む図面代用電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【図４】実施例２により製造されたカーボンナノファイバー（ＣＮＦ）の部分拡大写真を含む図面代用電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【図５】実施例３に使用したナノカーボンの連続製造装置の構成を示す透視正面図である。
【図６】実施例３により製造されたカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の部分拡大写真を含む図面代用電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【符号の説明】
【００４６】
１ チャンバー
１１ 面状ヒーター
２０ 回転テーブル
２２ 基板
３１〜３４ 部室
３１１ スラリーの供給ライン
３１２ 印刷振り子
３１３ 操作棒
３１４ 前処理ガスの供給ライン
３２１ ノズル
３２２ 原料ガスライン
３２３ 希釈ガスライン
３３１ 回転ブラシ
３３２ 操作部材
３３３ 吸引ライン
３４１ ２流体ノズル
３４２ 液体の供給ライン
３４３ ガスの供給ライン
【技術分野】
【０００１】
この発明は、化学気相法堆積法（ＣＶＤ）によるナノカーボンの連続製造装置及びその連続製造方法に係るものである。
上記ナノカーボンとは、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、カーボンナノコイル（ＣＮＣ）、カーボンナノツイスト（ＣＮＴｗ）、カーボンナノファイバー（ＣＮＦ）などのナノ構造を有するカーボンの総称であり、電界放出ディスプレー、機能性複合材料、マイクロマシン、エネルギー変換などの分野に応用されつつある。
【背景技術】
【０００２】
ナノカーボンの製造方法としては、（１）アーク放電法、（２）レーザー蒸発法、及び（３）ＣＶＤなどが知られている。上記（１）の方法は、炭素電極の間に電圧を印加してアーク放電を発生させることにより、電極表面を高温とし、それによって電極の炭素を蒸発させ、それを冷却して堆積物とする方法である。この方法は、フラーレン（Ｃ60）の製造に用いられたが、生成した堆積物の中にＣＮＴが存在することが飯島氏により発見された。
しかし、この方法は、電極の消耗と堆積物質の成長を伴うため、電極の形状、電極間の距離の無規変化を生じ、放電の安定性を欠き、堆積物に大量の不純物が混在し、電極寿命が短いため、大量生産に適さない方法である。
【０００３】
上記（２）のレーザー蒸発法は、カーボンロッドに強いレーザーを照射し、炭素を蒸発させてナノカーボンを合成する方法である。しかし、レーザーの照射強度、照射面積に制限され、大量生産に不向きと知られる。
【０００４】
一方、上記（３）のＣＶＤは、炭化水素ガスを加熱された触媒により分解させることによりナノカーボンを合成する方法で、豊富な炭素原料から、触媒の配合を代えるだけで、いろいろなナノカーボンを合成できる点で有利な方法である。このＣＶＤは、触媒の供給方式により、基板法と流動法とに分別される。
【０００５】
上記基板法は、触媒を基板上に載せ、反応管に挿入する方法であり、ガス、触媒種を選ばず、ガス流量、温度を制御し易いため、基礎研究に幅広く用いられるが、大量生産には不向きとされている。
また、上記流動法は、有機遷移金属化合物のガスを原料ガスと一緒に反応管に導入し、気相中で金属触媒を生成させて、連続的にナノカーボンを製造する方法である。しかし、触媒の生成速度、ナノカーボンの生成速度のバランスを取り難く、安定操作のできる範囲が非常に狭いという問題がある。更に、反応管に生成物が付着するため、連続運転時間が短く、原料ガスの利用率が低いため、ランニングコストが高いという問題もある。
【０００６】
上記基板法に基づく連続ＣＶＤ装置として、チャンバー内に回転ベルトを備え、該ベルトの上下に対向するガス供給部と加熱部を配置し、ベルトの両端に、触媒を載せた基板を載置するロボットアームと反応後の基板を回収するロボットアームを設置したＣＶＤ装置が、特許文献１として提案されている。
また、無端回転ベルトに固定された基板と、超音波スプレーによる触媒金属粒子の薄膜形成部と、プラズマＣＶＤ部と、生成物の掻き落し部と、基板クリーニング部とを備える装置が、特許文献２として提案されている。
しかし、これらの装置では、回転ベルトを介して基板を加熱するため、基板温度の制御が困難である。また、複雑な機構を高温環境に置くため、耐久性にも問題がある。
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−２３４３４１号公報
【特許文献２】特開２００５−６７９１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の技術的課題は、上記既提案の技術におけるロボットアームや搬送用の無端のベルトを設けたり、複雑な機構を高温環境に置いたりする必要がなく、基板を有する回転テーブルを用いて基板法ＣＶＤの連続運転を実現可能にし、それによって、基板法の利点を生かした安定性、制御性の良いナノカーボンの連続製造装置及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するための本発明のナノカーボンの連続製造装置は、チャンバー内において、一つの円周上に複数の面状ヒーターを等分位置に配置し、その上方に、該面状ヒーターと同じ円周上で同じ等分位置にそれぞれ基板が配設された回転テーブルを回転可能に設置し、この回転テーブルの上方に、上記円周上における面状ヒーターの配置の等分位置に対応させて、触媒導入部、触媒前処理部、ナノカーボン生成部、生成物回収部、基板クリーニング部のいずれかまたはその複数を形成する部室を設けたことを特徴とするものである。
【００１０】
上記構成を有するナノカーボンの連続製造装置は、前記基板法に基づくＣＶＤプロセスでナノカーボンを製造するもので、触媒導入、触媒前処理、ナノカーボン生成、生成物回収、基板クリーニングという一連のナノカーボン製造工程を有することから、これらの部室を円周上に等分配置し、各部の下方に面状ヒーターを設け、ヒーターの直上に基板を嵌め込んだ回転テーブルを設置し、該回転テーブルの回転により一連のナノカーボン製造工程が行われるように上記部室を配設しているので、基板がＣＶＤプロセス順に部室から部室へ移動し、触媒と原料ガスの連続供給、生成したナノカーボンの採出を連続的に行うことができる。
そのため、上記既提案の技術におけるロボットアームや搬送用の無端のベルトを設けたり、複雑な機構を高温環境に置いたりする必要がなく、基板法の利点を生かした安定性、制御性の良いナノカーボンの連続製造を行うことができる。
【００１１】
上記本発明に係るナノカーボンの連続製造装置の好ましい実施の形態においては、上記触媒導入部、触媒前処理部、ナノカーボン生成部、生成物回収部、基板クリーニング部を形成する部室を、回転テーブルの一方向への回転により、該回転テーブル上の基板が上記の順で各部室に対面する位置に順次移動するように配設され、また、上記面状ヒーターは、生成物回収部及び基板クリーニング部を形成する部室の下部以外の上記円周上の等分位置に配設される。但し、必要があれば、上記生成物回収部及び基板クリーニング部を形成する部室の下部にも面状ヒーターを設けることができる。
【００１２】
上記本発明に係るナノカーボンの連続製造装置の他の好ましい実施の形態においては、上記基板の表面を触媒で被覆する手段として、触媒導入部に、基板表面に液体触媒と触媒スラリーを導入するための２流体ノズル、及び／または粉末触媒と触媒インクを導入するためのスクリーン印刷手段が設置される。これにより、あらゆる形状の触媒の導入が可能になる。
また、本発明の他の好ましい実施形態においては、上記触媒前処理部に、水素、酸素、窒素、不活性ガスから少なくとも一種のガス供給装置が設置され、上記ナノカーボン生成部には、原料ガス及び希釈ガスを供給するガスノズルが設置される。更に、上記生成物回収部には、回転ブラシを有する吸引・固体分離装置が設置される。これにより、基板に傷を付けることなく生成物を回収することができる。
【００１３】
一方、前記課題を解決するための本発明に係るナノカーボンの連続製造方法は、上記連続製造装置を用いてナノカーボンを製造する方法であって、それぞれの部室において行う触媒導入、触媒前処理、ナノカーボン生成、生成物回収、及び基板クリーニングの処理のいずれかまたはその複数を、各部室において同じ略一定時間内に行い、その時間が経過した後、定時的に回転テーブルを隣接する面状ヒーターの等分配設位置まで一定角度だけ回転させて、回転テーブルに設けた各基板上にナノカーボン製造のための次段階の処理を行い、これを順次繰り返すことを特徴とするものである。
【００１４】
本発明に係る上記ナノカーボンの連続製造方法の好ましい実施の形態においては、ナノカーボン生成部において供給する原料ガスが、炭化水素の化合物群から選択された一つまたはそれ以上の混合物であり、上記ナノカーボン生成部において供給する希釈ガスが、水素、酸素、窒素、不活性ガスから選択された一つまたはそれらの複数の混合ガスであり、触媒導入部において導入される触媒前駆体が、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎからなる遷移金属の群から少なくとも一種を含む金属、合金、金属化合物、混合物から選択されたもの、または、それらに、Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐ、Ｓの低融点金属、非金属の群から選ばれた少なくとも一種を含む単体、化合物、混合物を添加したものとして、ナノカーボンの連続製造が行われる。
【発明の効果】
【００１５】
以上に詳述した本発明のナノカーボンの連続製造装置によれば、基板の回転機構を設置して、各製造工程の部室をその円周上に配置し、基板上への触媒の導入と生成したナノカーボンの取出し構造を有するため、基板法ＣＶＤの連続運転を実現でき、また、装置の大型化、高価になりかねない触媒蒸着装置や、基板運搬用のロボット、熱管理困難の無端ベルトなどが不要となり、構造簡単、安価で、制御性が良く、工業用、産業用としてそのメリットが非常に大である。また、本発明によれば、あらゆる状態の触媒の導入を可能にして、前処理条件、反応条件の最適化により、多種のナノカーボン、例えば、ＣＮＣ（実施例１参照）、ＣＮＦ（実施例２参照）、ＣＮＴ（実施例３参照）の製造を実現でき、研究開発用にも好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明に係るナノカーボンの連続製造装置における基本的構成を模式的に示している。また、図２にはその実施形態の一例を示している。
なお、図１に示す各要素の形状などは、説明をより明確にするために誇張して描記したものであり、これによって本発明の要素の仕様、形状、寸法等を限定的に解釈されるべきではない。
【００１７】
図１に示すように、このナノカーボンの連続製造装置は、その主要部が収容されるチャンバー１を備えている。このチャンバー１は、大気からプロセスガスを隔離するためのもので、材質、形状、大きさなどはとくに制限しないが、冷却されたステンレス製の円筒形のものが好ましい。
【００１８】
上記チャンバー１の内底における一つの円周上には、複数の面状ヒーター１１を等分配置している。これらの面状ヒーター１１は、図示の例では、一つの円周の３等分位置にそれぞれ配置しているが、円周を複数等分した位置の全てに設ける必要はなく、上記等分位置で面状ヒーターを設けない部分があっても差し支えない。なお、ここでは一つの円周の３等分位置に面状ヒーター１１を配設する場合を示しているが、４等分またはそれ以上に等分した位置に面状ヒーター１１を配設してもよい。
【００１９】
上記面状ヒーター１１は、その上に位置する基板２２の温度を一定に保つためのものであり、その加熱方式は、直流、直流パルス、交流、高周波、マイクロ波モードなど、任意手段を採用することができる。また、上記面状ヒーター１１のそれぞれは制御装置で独立に温度調整可能に形成され、その調整範囲は、基板温度が３００〜１２００℃の範囲内に制御できることが好ましい。
【００２０】
上記面状ヒーター１１の上方には、該面状ヒーター１１の配置円と同じ円周上に同じ等分配置で基板２２を嵌め込んだ回転テーブル２０を、その中心軸線の周りに回転可能に設置している。この回転テーブル２０は、その回転軸に連結した駆動機構により、定時的に基板２２を一定角度だけ回転させ、各基板２２を、隣接する面状ヒーター１１の等分配設位置まで移動させ、正確にその面状ヒーター１１の上に定位させるものであり、それによって、回転テーブル２０上に設けた各基板２２上にナノカーボンの製造のための各段階の処理が行えるようにしている。この回転テーブル２０は、基板２２を支えうる強度を持つものであればよく、中でも、高強度、軽量、耐熱性のＣ／Ｃコンポジェットで形成するのがより好ましい。
【００２１】
上記基板２２は、その上に触媒を載せ、ナノカーボンを成長させる場所であり、平滑または凹凸のある円板状や皿状に形成される。面状ヒーター１１の熱を上表面に早く伝達できることが望ましいので、熱伝導性のよい材質、例えば、金属ではＭｏ、Ｗなど、半導体ではＳｉウェーハー、非金属ではグラファイトカーボン、セラミックスでは窒化アルミニウム、炭化珪素などによって形成するのが好ましい。
【００２２】
上記回転テーブル２０の直上に位置させて、上記チャンバー１の天井部に、上記面状ヒーター１１を配置した円周上における該ヒーター１１の等分配置位置に対応させて、独立した部室３１，３２，３３を設けている。これらの部室３１，３２，３３は、それぞれの内部の空間を独立させ、触媒前駆体の供給または塗布を行う触媒導入部、触媒前処理ガス等を供給して上記触媒前駆体に接触させる触媒前処理部、ナノカーボン製造のための原料ガスが導入されるナノカーボン生成部、生成したナノカーボンの回収を行う生成物回収部、及び基板のクリーニング部のいずれかまたはその複数の役割を分担するための機器・設備等を備えたものである。
【００２３】
上記触媒前駆体は、後述の前処理によりナノカーボン生成のための触媒活性を示すものであり、金属、金属化合物、それらの混合物または合金からなり、中でも、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎなどの遷移金属の群から選ばれた少なくとも一種を含む金属、合金、金属化合物、混合物よりなるものが好ましい。
より低温で、より多種多様なナノカーボンを製造するためには、上記の触媒前駆体に、Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐ、Ｓなどの低融点金属、非金属の群から選ばれた少なくとも一種を含む単体、化合物、混合物を添加するのが好ましい。
前記の触媒前駆体は、固体状、スラリー状、液状またはガス状でもよく、それらの前駆体の導入手段としては、汎用の粉体定量供給装置、定量ポンプ、２流体ノズル等を用いることができる。
【００２４】
触媒前駆体の処理、すなわち触媒の前処理は、減圧下または非酸化雰囲気中で、好ましくは、３００〜８００℃に加熱して行われる。減圧の場合では、真空度は０〜８０Ｐａが好ましく、非酸化雰囲気の場合では、窒素、水素、不活性ガスのうちの一種、またはそれらの複数の混合ガスを、ノズルから供給するように構成される。
【００２５】
ナノカーボン生成部におけるナノカーボンの合成方法としては、好ましくは、面状ヒーター１１により５００〜１２００℃に加熱された触媒の上へ、希釈された原料ガスを吹き付けることにより行われる。原料ガスは、炭化水素の化合物群から選択された一つまたはそれらの混合物であり、希釈ガスは、水素、酸素、窒素、不活性ガスから選択された一つまたはそれらの混合物が用いられる。
原料ガスの導入手段として、一定温度に保たれたガスノズルを備えることで、原料ガスを予備加熱し、一定の角度と適度の勢いで基板に噴射させることで、原料ガスを最適条件で基板表面に到達させ、効率よく生成物を反応させることができる。
【００２６】
生成物回収部において基板２２上に形成されたナノカーボンを剥離して回収する手段としては、ならしで掻き落したりブラシで掃き落すなどの手段を採用することができる。また、基板２２から落とされたナノカーボンの回収手段としては、サイクロン、フィルターまたは二者の併用が好ましい。回転ブラシを有する吸引・固体分離（フィルター）装置を設置することにより、基板２２に傷を付けることなく生成物を回収することができる。
【００２７】
次に、図２を参照して、上記ナノカーボンの連続製造装置の具体的な構成例について説明する。なお、図２の連続製造装置における図１中の各要素との対応部分には、図１の場合と同一の符号を付している。
図２に示すナノカーボンの連続製造装置では、チャンバー１の内底面上における一つの円周上の３等分位置の２個所に、それぞれ面状ヒーター１１を設置している。なお、上記円周上の３等分位置の他の１個所には、面状ヒーターを設けていない。
そして、上記面状ヒーター１１の設置面の上には、３枚の基板２２を面状ヒーター１１と同じ円周上の３等分位置に嵌め込んだ回転テーブル２０を回転自在に支持させ、その回転テーブル２０の上で、上記面状ヒーター１１を設置する円周の３等分位置に対応させて、部室３１，３２，３３を設置している。なお、上記回転テーブル２０は、その回転軸２１が図示しない回転機構に連結されている。
【００２８】
上記面状ヒーター１１とその上に位置する基板２２とは、その平面形状がほぼ同形状、あるいは、面状ヒーター１１で基板２２のみを加熱するのに適した形状であることが望ましく、それにより、面状ヒーター１１により基板２２のみが効率的に加熱され、面状ヒーター１１から他部への放熱が最小限に抑制される。部室３１，３２，３３についても、以下に説明する各処理が適切に行われるように、必要に応じて昇降により基板２２を密閉状態に置くように構成される。
【００２９】
上記部室３１は、触媒前駆体の供給または塗布を行う触媒導入部を構成すると共に、触媒前処理部の機能を有するものとして構成したものであり、そのために、この部室３１には、触媒前駆体である固体状の粉体、担持体の供給ライン３１１、供給された触媒前駆体を均一に基板２２上に塗布するための操作棒３１３に連結された印刷振り子３１２、及び上記触媒の前処理ガスの供給ライン３１４を装備している。上記粉体、担持体の供給ライン３１１に代えて、あるいはそれに加えて、スラリーの供給ラインを設けることもできる。これらは、図示を省略している制御装置によりその動作を制御されるものであるが、手動によることもできる。
【００３０】
上記部室３２は、原料ガスと希釈ガスを供給し、基板２２上で触媒の作用によりナノカーボンを生成させるナノカーボン生成部を形成するものである。そのため、この部室３２には、原料ガスライン３２２、希釈ガスライン３２３を設け、これらのガスを混合させ、且つ一定の角度で基板へ吹き付けるノズル３２１を装備している。
【００３１】
また、上記部室３３は、面状ヒーター１１を設置した円周上で該面状ヒーター１１を設けていない等分位置上に配置され、ナノカーボン生成部で基板２２上に生成されたナノカーボンを回収する生成物回収部、及び基板２２上をクリーニングする基板クリーニング部を形成するものである。そのため、部室３３には、操作部材３３２によって操作される回転ブラシ３３１と吸引ライン３３３を装備している。
【００３２】
上記構成を有するナノカーボンの連続製造装置を用いてナノカーボンを製造するに際しては、それぞれの部室３１〜３３において行う触媒導入、触媒前処理、ナノカーボン生成、生成物回収、及び基板クリーニングの処理のいずれかまたはその複数が、各部室において同じ略一定時間内に行えるように配分し、その時間が経過するごとに定時的に回転テーブル２０を隣接する面状ヒーター１１の等分配設位置まで一定角度だけ回転させて、回転テーブル２０上に設けた各基板２２上にナノカーボン製造のための次段階の処理を行い、これを順次繰り返すように制御される。
【００３３】
次に、上記図２の連続製造装置を用いた本発明の方法の実施例について説明する。
【実施例１】
【００３４】
ナノカーボンの連続製造に際しては、まず、部室３１における供給ライン３１１を通して、面状ヒーター１１で７００℃に加熱された基板２２上に触媒前駆体としての鉄−酸化錫の粉末を導入し、振子３１２を用いて基板２２上に均一に配設した。そして、前処理ガスの供給ライン３１４を通してヘリウムガスを導入しながら、５分間熱処理をした。
【００３５】
上記部室３１で触媒前駆体が熱処理された上記基板２２は、回転テーブル２０により１２０度回転させて、ナノカーボン生成部の部室３２下に移した。そして、原料ガスライン３２２よりアセチレンを導入し、希釈ガスライン３２３よりヘリウムガスを導入して、それらを混合しながらノズル３２１を通して基板２２上に吹き付け、面状ヒーター１１による加熱で、７５０℃で５分間反応させ、触媒の作用によりナノカーボンを生成させた。
【００３６】
次に、上記部室３２での反応によりナノカーボンが生成された基板２２は、１２０度回転させて部室３３に移し、回転ブラシ３３１を用いて生成されたナノカーボンを掃き上げて、吸引ライン３３３より吸引して回収し、これを５分間行った。
上記部室３１〜３３における各工程は、それぞれ５分で行っているが、各部室での処理は同時に進行させるので、全体的に見れば、ナノカーボンを連続的に生産していることになる。
回収されたナノカーボンの形態を、図３の電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真に示す。生成したナノカーボンは、カーボンナノコイル（ＣＮＣ）であることがわかる。
【実施例２】
【００３７】
実施例１と同じ装置を用い、以下に説明する合成条件でナノカーボンの合成を行った。
まず、部室３１における触媒前駆体の供給ライン３１１を通して、面状ヒーター１１で７５０℃に加熱された基板２２上に、鉄を担持した活性炭とアルコールとを混合したスラリーを導入し、振子３１２を用いて均一に基板上に平らに塗布した。そして、前処理ガスの供給ライン３１４より窒素ガスを導入しながら、５分間熱処理した。
【００３８】
上記部室３１で触媒前駆体が熱処理された上記基板２２は、回転テーブル２０により１２０度回転させて、ナノカーボン生成部の部室３２下に移した。そして、原料ガスライン３２２よりアセチレンを導入し、希釈ガスライン３２３より窒素ガスを導入して、それらを混合しながらノズル３２１を通して基板２２上に吹き付け、面状ヒーター１１による加熱で、８００℃で５分間反応させ、触媒の作用によりナノカーボンを生成させた。
【００３９】
次に、上記部室３２での反応によりナノカーボンが生成された基板２２は、１２０度回転させて部室３３に移し、回転ブラシ３３１を用いて生成されたナノカーボンを掃き上げて、吸引ライン３３３より吸引して回収し、これを５分間行った。
回収されたナノカーボンの形態を、図４の電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真に示す。生成したナノカーボンは、カーボンナノファイバー（ＣＮＦ）であることがわかる。
【実施例３】
【００４０】
この実施例３では、図５に示すようなナノカーボンの連続製造装置を使用した。
図５に示す連続製造装置と、先に図２を参照して説明した連続製造装置との主たる違いは、図２の装置において触媒導入部及び触媒前処理部を構成している部室３１に代えて、構成的に若干異なる部室３４を備えている点にあり、その他の構成は実質的に変わるところがない。
この部室３４も、上記部室３１と同様に、触媒導入部及び触媒前処理部を構成するものであるが、液体の供給ライン３４２、ガスの供給ライン３４３、及びそれらのラインから供給される溶液やガスを噴霧する２流体ノズル３４１を装備したものである。
なお、図５の連続製造装置における図２中の各要素との対応部分には、図２の場合と同一の符号を付し、それらの説明を省略する。
【００４１】
図５の連続製造装置によるナノカーボンの合成では、まず、液体の供給ライン３４２より導入されたフェロセンのアルコール溶液と、ガスの供給ライン３４３から導入された窒素ガスを、２流体ノズル３４１を用いて均一に基板上に噴霧し、基板２２上に均一に成膜した。そして、供給ライン３４３より窒素ガスを導入しながら、面状ヒーター１１で４５０℃に加熱された基板２２上で５分間熱処理し、触媒前処理を行った。
【００４２】
上記部室３１で熱処理された上記基板２２は、回転テーブル２０により１２０度回転させて、ナノカーボン生成部の部室３２下に移した。そして、原料ガスライン３２２よりアルコールを導入し、希釈ガスライン３２３より窒素ガスを導入して、それらを混合しながらノズル３２１を通して基板２２上に吹き付け、面状ヒーター１１による加熱で、９５０℃で５分間反応させ、触媒の作用によりナノカーボンを生成させた。
【００４３】
次に、上記部室３２での反応によりナノカーボンが生成された基板２２は、１２０度回転させて部室３３に移し、回転ブラシ３３１を用いて生成されたナノカーボンを掃き上げて、吸引ライン３３３より吸引して回収し、これを５分間行った。
回収されたナノカーボンの形態を図６の電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真に示す。生成したナノカーボンはカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）であることがわかる。
【００４４】
以上においては、本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明はそれらによって限定的に解されるべきではなく、特許請求の範囲に記載した発明の精神を逸脱しない範囲内において多様に変形できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明を説明するためにナノカーボンの連続製造装置の構成を模式的に示す斜視説明図である。
【図２】上記ナノカーボンの連続製造装置の実施の一例を示す透視正面図である。
【図３】実施例１により製造されたカーボンナノコイル（ＣＮＣ）の部分拡大写真を含む図面代用電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【図４】実施例２により製造されたカーボンナノファイバー（ＣＮＦ）の部分拡大写真を含む図面代用電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【図５】実施例３に使用したナノカーボンの連続製造装置の構成を示す透視正面図である。
【図６】実施例３により製造されたカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の部分拡大写真を含む図面代用電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【符号の説明】
【００４６】
１ チャンバー
１１ 面状ヒーター
２０ 回転テーブル
２２ 基板
３１〜３４ 部室
３１１ スラリーの供給ライン
３１２ 印刷振り子
３１３ 操作棒
３１４ 前処理ガスの供給ライン
３２１ ノズル
３２２ 原料ガスライン
３２３ 希釈ガスライン
３３１ 回転ブラシ
３３２ 操作部材
３３３ 吸引ライン
３４１ ２流体ノズル
３４２ 液体の供給ライン
３４３ ガスの供給ライン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバー内において、一つの円周上に複数の面状ヒーターを等分位置に配置し、
その上方に、該面状ヒーターと同じ円周上で同じ等分位置にそれぞれ基板が配設された回転テーブルを回転可能に設置し、
この回転テーブルの上方に、上記円周上における面状ヒーターの配置の等分位置に対応させて、触媒導入部、触媒前処理部、ナノカーボン生成部、生成物回収部、基板クリーニング部のいずれかまたはその複数を形成する部室を設けた、
ことを特徴とするナノカーボンの連続製造装置。
【請求項２】
上記触媒導入部、触媒前処理部、ナノカーボン生成部、生成物回収部、基板クリーニング部を形成する部室を、回転テーブルの一方向への回転により、該回転テーブル上の基板が上記の順で各部室に対面する位置に順次移動するように配設した、
ことを特徴とする請求項１に記載のナノカーボンの連続製造装置。
【請求項３】
上記面状ヒーターを、生成物回収部及び基板クリーニング部を形成する部室の下部以外の上記円周上の等分位置に配設した、
ことを特徴とする請求項１または２に記載のナノカーボンの連続製造装置。
【請求項４】
触媒導入部に、基板表面に液体触媒と触媒スラリーを導入するための２流体ノズル、または粉末触媒と触媒インクを導入するためのスクリーン印刷手段を備える、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のナノカーボンの連続製造装置。
【請求項５】
触媒前処理部に、水素、酸素、窒素、不活性ガスから少なくとも一種のガス供給装置を備える、
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のナノカーボンの連続製造装置。
【請求項６】
ナノカーボン生成部に、原料ガスの導入手段として、原料ガス及び希釈ガスを供給するガスノズルを備える、
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のナノカーボンの連続製造装置。
【請求項７】
生成物回収部に回転ブラシを有する吸引・固体分離装置を備える、
ことを特徴とする請求項１〜６記載のナノカーボンの連続製造装置。
【請求項８】
請求項１〜５のいずれかに記載のナノカーボンの連続製造装置を用いてナノカーボンを製造する方法であって、
それぞれの部室において行う触媒導入、触媒前処理、ナノカーボン生成、生成物回収、及び基板クリーニングの処理のいずれかまたはその複数を、各部室において同じ略一定時間内に行い、
その時間が経過した後、定時的に回転テーブルを隣接する面状ヒーターの等分配設位置まで一定角度だけ回転させて、回転テーブルに設けた各基板上にナノカーボン製造のための次段階の処理を行い、これを順次繰り返す、
ことを特徴とするナノカーボンの連続製造方法。
【請求項９】
ナノカーボン生成部において供給する原料ガスが、炭化水素の化合物群から選択された一つまたはそれ以上の混合物であり、
上記ナノカーボン生成部において供給する希釈ガスが、水素、酸素、窒素、不活性ガスから選択された一つまたはそれらの複数の混合ガスであり、
触媒導入部において導入される触媒前駆体が、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎからなる遷移金属の群から少なくとも一種を含む金属、合金、金属化合物、混合物から選択されたもの、または、それらに、Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐ、Ｓの低融点金属、非金属の群から選ばれた少なくとも一種を含む単体、化合物、混合物を添加したものからなる、
ことを特徴とする請求項８に記載のナノカーボンの連続製造方法。
【請求項１】
チャンバー内において、一つの円周上に複数の面状ヒーターを等分位置に配置し、
その上方に、該面状ヒーターと同じ円周上で同じ等分位置にそれぞれ基板が配設された回転テーブルを回転可能に設置し、
この回転テーブルの上方に、上記円周上における面状ヒーターの配置の等分位置に対応させて、触媒導入部、触媒前処理部、ナノカーボン生成部、生成物回収部、基板クリーニング部のいずれかまたはその複数を形成する部室を設けた、
ことを特徴とするナノカーボンの連続製造装置。
【請求項２】
上記触媒導入部、触媒前処理部、ナノカーボン生成部、生成物回収部、基板クリーニング部を形成する部室を、回転テーブルの一方向への回転により、該回転テーブル上の基板が上記の順で各部室に対面する位置に順次移動するように配設した、
ことを特徴とする請求項１に記載のナノカーボンの連続製造装置。
【請求項３】
上記面状ヒーターを、生成物回収部及び基板クリーニング部を形成する部室の下部以外の上記円周上の等分位置に配設した、
ことを特徴とする請求項１または２に記載のナノカーボンの連続製造装置。
【請求項４】
触媒導入部に、基板表面に液体触媒と触媒スラリーを導入するための２流体ノズル、または粉末触媒と触媒インクを導入するためのスクリーン印刷手段を備える、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のナノカーボンの連続製造装置。
【請求項５】
触媒前処理部に、水素、酸素、窒素、不活性ガスから少なくとも一種のガス供給装置を備える、
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のナノカーボンの連続製造装置。
【請求項６】
ナノカーボン生成部に、原料ガスの導入手段として、原料ガス及び希釈ガスを供給するガスノズルを備える、
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のナノカーボンの連続製造装置。
【請求項７】
生成物回収部に回転ブラシを有する吸引・固体分離装置を備える、
ことを特徴とする請求項１〜６記載のナノカーボンの連続製造装置。
【請求項８】
請求項１〜５のいずれかに記載のナノカーボンの連続製造装置を用いてナノカーボンを製造する方法であって、
それぞれの部室において行う触媒導入、触媒前処理、ナノカーボン生成、生成物回収、及び基板クリーニングの処理のいずれかまたはその複数を、各部室において同じ略一定時間内に行い、
その時間が経過した後、定時的に回転テーブルを隣接する面状ヒーターの等分配設位置まで一定角度だけ回転させて、回転テーブルに設けた各基板上にナノカーボン製造のための次段階の処理を行い、これを順次繰り返す、
ことを特徴とするナノカーボンの連続製造方法。
【請求項９】
ナノカーボン生成部において供給する原料ガスが、炭化水素の化合物群から選択された一つまたはそれ以上の混合物であり、
上記ナノカーボン生成部において供給する希釈ガスが、水素、酸素、窒素、不活性ガスから選択された一つまたはそれらの複数の混合ガスであり、
触媒導入部において導入される触媒前駆体が、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎからなる遷移金属の群から少なくとも一種を含む金属、合金、金属化合物、混合物から選択されたもの、または、それらに、Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐ、Ｓの低融点金属、非金属の群から選ばれた少なくとも一種を含む単体、化合物、混合物を添加したものからなる、
ことを特徴とする請求項８に記載のナノカーボンの連続製造方法。
【図１】
【図２】
【図５】
【図３】
【図４】
【図６】
【図２】
【図５】
【図３】
【図４】
【図６】
【公開番号】特開２００７−１１２６７７（Ｐ２００７−１１２６７７Ａ）
【公開日】平成１９年５月１０日（２００７．５．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３０７６３８（Ｐ２００５−３０７６３８）
【出願日】平成１７年１０月２１日（２００５．１０．２１）
【出願人】（３０５０６０６３７）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年５月１０日（２００７．５．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１０月２１日（２００５．１０．２１）
【出願人】（３０５０６０６３７）
【Ｆターム（参考）】
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