説明

基板ユニット

【課題】基板上の触媒膜が気中放置されても酸化されない基板ユニットを提供する。
【解決手段】本基板ユニット1は、基板3と、この基板3上に成膜されていて熱アニール温度で微粒子化する触媒膜5と、この触媒膜5の表面を覆って上記触媒膜5を保護するもので熱分解温度が熱アニール温度未満の触媒保護膜7と、を備える。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、基板表面に熱アニール温度で微粒子化し炭素系ガスに反応しカーボンファイバを合成する触媒膜が成膜されている基板ユニットに関するものである。
【背景技術】
【0002】
カーボンナノチューブ等のカーボンファイバは、ナノオーダーで細くかつ高アスペクト比であり、電子エミッタ材料、水素吸蔵体、高容量キャパシタ材料、二次電池または燃料電池の電極材料、電磁波吸収材料、等に汎用されつつある。
【0003】
このようなカーボンファイバの製造方法には、アーク放電法、レーザ蒸発法、熱CVD法、などがある。これら製造方法のうち、熱CVD法では、基板上にカーボンファイバの成長のための金属系の触媒微粒子を基板上に生成し、炭素系の触媒ガスの雰囲気中で基板を加熱することにより、触媒微粒子が触媒ガスに接触作用させることによりカーボンファイバを製造することが行われている。
【0004】
上記触媒微粒子は図4(a)で示すように基板3に成膜された触媒膜5をアニール処理して図4(b)で示すように触媒微粒子11を生成することにより得られる。本明細書では、上記微粒子化のため触媒膜をアニール処理する温度のことを熱アニール温度という。ところで、上記触媒膜5は基板3上に直接成膜されたり、あるいは、下地膜を介して成膜される。下地膜は、触媒膜の加熱処理中に触媒膜を構成する金属が基板中に拡散することを防止するものである(特許文献1参照)。
【0005】
上記触媒膜5は、基板3上に成膜されてから微粒子化されるまでの時間帯において、空気中に一定時間晒されてしまう時間帯(気中放置時間帯)が存在する。触媒膜5は一般に鉄からなり、気中放置時間帯で酸化され易い状態である。
【0006】
特に触媒膜5はμmオーダーの極めて薄い膜であるから、酸化が進行しやすい。触媒膜5が酸化されたのでは、上記アニール処理しても微粒子化されないか、微粒子化されても均質な微粒子化ができない。
【0007】
さらに、触媒膜5の酸化を防止するよう酸化防止膜で単に覆うとしても触媒膜5を微粒子化のためアニールする直前に酸化防止膜を触媒膜5から剥離するのでは、その剥離に多大な労力を要し、作業コストアップをもたらす。
【特許文献1】特開2001−303250号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
本発明により解決すべき課題は、基板上の触媒膜を触媒保護膜で覆って気密封止する一方、触媒膜の熱アニールに際し触媒保護膜の剥離を不要化した基板ユニットを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明に係る基板ユニットは、基板と、上記基板上に成膜され熱アニール処理で微粒子化する金属材からなる触媒膜と、上記触媒膜表面を覆って該表面を気密封止し上記熱アニール温度より低い熱分解温度で分解する触媒保護膜と、を備えることを特徴とするものである。
【0010】
本発明の基板ユニットでは、触媒膜は触媒保護膜で被覆され気密封止され空気中に晒されていないから空気中に放置されても触媒膜が酸化されることがない。一方、触媒膜を熱アニール温度で加熱して微粒子化する際に、触媒保護膜はその熱アニール温度より低い温度である熱分解温度で熱分解されて消失するので、触媒膜の熱アニール時に触媒保護膜を剥離する必要がない。この場合、カーボンファイバの製造工数としては触媒保護膜を触媒膜上に成膜する成膜作業が増加するとしても、コストと時間とがかかる触媒保護膜の剥離作業が不要であるから、カーボンファイバの製造工数全体からはコストはさほど増大することがない。
【0011】
なお、触媒保護膜は、炭素系の樹脂で構成することが好ましい。この樹脂にはアクリル系樹脂、セルロース系樹脂、等を例示することができる。アクリル系樹脂にはポリブチルアクリレート、ポリメタクリレートなどを例示することができ、また、セルロース系樹脂にはニトロセルロースやエチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロースなどを例示することができる。炭素系の樹脂の場合、触媒保護膜が熱分解した際に炭化水素系ガスが生成され、その炭化水素系ガス中の成分がカーボンファイバの成長に必要な原料として再利用することができる。
【0012】
本発明では、触媒膜上への触媒保護膜の成膜形態に何等限定されることがないが、この成膜形態としては例えばスクリーン印刷法、バーコーター法、ロールコーター法、ダイコーター法、ドクターブレード法などを例示することができる。
【0013】
本発明では、触媒膜に特に限定されないが、Fe、Ni、Co、Y、Rh、Pd、Pt、La、Ce、Pr、Nd、Gd、Tb、Dy、Ho、ErおよびLu等を例示することができる。
【0014】
本発明では、基板の素材に特に限定されないが、シリコン、クロム、銅、タングステン、アルミニウム等を例示することができる。なお、この基板上の触媒微粒子により成長するカーボンファイバは、その種類に特に限定されないが、カーボンナノチューブ、グラファイトナノファイバ、カーボンナノホーン、カーボンナノコーン、カーボンナノバンブ等を例示することができる。
【発明の効果】
【0015】
本発明によれば、触媒膜が触媒保護膜で被覆されパッケージ化されているので、基板ユニットが気中放置されても触媒膜が酸化されることがない。そのため、触媒膜を熱アニール温度で加熱して微粒子化した場合、触媒膜が酸化されていない状態から熱アニールするので、生成した触媒微粒子は均質で結晶性も高く、そのため炭素系ガスを作用させてカーボンファイバを成長させた場合には、品質に優れたカーボンファイバに成長させることができる。
【0016】
また、触媒保護膜は熱アニール温度より低い温度で熱分解することができる保護膜であるので、触媒膜をアニール処理により微粒子化する際に触媒保護膜を剥離する必要がないから、カーボンファイバの製造工数としては触媒保護膜を触媒膜上に成膜する成膜作業が必要であるとしても、剥離作業が不要であるから、カーボンファイバの製造工数全体からのコスト増大を低く抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0017】
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係る基板ユニットを詳細に説明する。
【0018】
図1は、実施の形態の基板ユニット1を示す。この基板ユニット1は、基板3と、この基板3上に成膜されていて熱アニール温度で加熱されることにより微粒子化する触媒膜5と、この触媒膜5の表面を気密封止状態に覆って上記触媒膜5を酸化から保護するもので熱分解温度が熱アニール温度未満である触媒保護膜7とを備えて構成されている。上記気密封止状態とは、触媒膜5表面全体が空気中に露出しないようにその全体を気密に封止した状態である。触媒膜5の一部でも空気中に露出しているとその露出部分から酸化が進行するから、触媒保護膜7で完全に触媒膜5を覆うことで触媒膜5の酸化を有効に防止することができるからである。
【0019】
上記熱アニール温度と熱分解温度との関係を満たすうえで、触媒膜5にはFe膜、触媒保護膜7にはアクリル系樹脂とかセルロース系樹脂等を例示することができる。この関係を満たすうえでは必ずしも触媒保護膜7は樹脂系に限定されるものではなく、例えばセルロース系を例示することができる。
【0020】
触媒膜5をアニールするために基板ユニット1を加熱すると、その基板ユニット1が熱アニール温度に到達する前にその熱アニール温度より低い熱分解温度で触媒保護膜7が熱分解する結果、図2で示すように触媒保護膜7を剥離すること無く、基板3上には炭化水素系ガスを分解してカーボンファイバを成長させる成長核としての触媒微粒子11を生成することができる。
【0021】
上記例において、例えば、触媒膜5がFe膜、触媒保護膜7が()膜であれば、熱アニール温度は650℃であり、触媒保護膜7の熱分解温度は450℃を例示することができる。
【0022】
この場合、触媒保護膜7はアクリル系やセルロース系の樹脂であれば、触媒膜5をアニールして触媒微粒子化する前に触媒保護膜7が炭化水素系ガスに熱分解されており、この熱分解で生成されている炭化水素系ガスをカーボンファイバの原料ガスに再利用できるという利点がある。
【0023】
こうして基板3上に触媒微粒子11が生成され、炭化水素系ガスの作用で触媒微粒子11上に図示略のカーボンファイバを製造する熱CVD法は公知であるのでその詳細は略する。
【0024】
なお、触媒膜5を構成する金属はその種類に限定されないが、その金属としては、上記Fe以外に、Ni、Co、Y、Rh、Pd、Pt、La、Ce、Pr、Nd、Gd、Tb、Dy、Ho、ErおよびLu等を例示することができる。
【0025】
基板3はその素材に限定されないが、シリコン、クロム、銅、タングステン、アルミニウム等を例示することができる。
【0026】
カーボンファイバは、その種類に限定されないが、カーボンナノチューブ、グラファイトナノファイバ、カーボンナノホーン、カーボンナノコーン、カーボンナノバンブ等を例示することができる。
【0027】
触媒保護膜7は、触媒膜5上に、スクリーン印刷法、バーコーター法、ロールコーター法、ダイコーター法、ドクターブレード法など、一般的な方法で成膜することができる。
【0028】
図3に他の実施の形態の基板ユニットを示す。図2において図1と対応する部分には同一の符号を付している。この実施の形態の基板ユニット1が図1のそれと相違するのは、基板3と、触媒膜5との間にAl等の下地膜9が介装されていることである。この下地膜9についての説明は略する。
【0029】
以上説明したように本実施の形態の基板ユニット1の構造では、触媒膜5が触媒保護膜7で被覆されパッケージ化されているので、空気中放置されても触媒膜5が酸化されることがない。そのため、触媒膜5を熱アニール温度で加熱して微粒子化した場合、均質で結晶性も高い触媒微粒子1を得ることができるので、この触媒微粒子11に炭素系ガスを作用させてカーボンファイバを成長させた場合に、品質に優れたカーボンファイバに成長させることができる。
【0030】
さらに、触媒保護膜7は熱アニール温度より低い温度で熱分解することができる膜であるので、触媒膜5をアニール処理により微粒子化する際に触媒保護膜7を剥離する必要がないから、カーボンファイバの製造工数としては触媒保護膜7を触媒膜5上に成膜する成膜作業が必要であるとしても、剥離作業が不要であるから、カーボンファイバの製造工数全体からのコスト増大を低く抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0031】
【図1】図1は本発明の実施の形態に係る基板ユニットの側面断面図である。
【図2】図2は基板ユニットを熱分解温度以下から熱アニール温度にまで加熱した場合の基板ユニットの状態を示す側面断面図である。
【図3】図3は本発明の他の実施の形態に係る基板ユニットの断面図である。
【図4】図4(a)は従来の基板ユニットの側面断面図、図4(b)は図4(a)の基板ユニットを熱アニール温度にまで加熱した場合の基板ユニットの状態を示す側面断面図である。
【符号の説明】
【0032】
1 基板ユニット
3 基板
5 触媒膜
7 触媒保護膜
9 下地膜
11 触媒微粒子

【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板と、上記基板上に成膜され熱アニール処理で微粒子化する金属材からなる触媒膜と、上記触媒膜表面を覆って該表面を気密封止し上記熱アニール温度より低い熱分解温度で分解する触媒保護膜と、を備えることを特徴とする基板ユニット。
【請求項2】
基板と触媒膜との間に下地膜が成膜されている、ことを特徴とする請求項1に記載の基板ユニット。

【図1】
image rotate

【図2】
image rotate

【図3】
image rotate

【図4】
image rotate


【公開番号】特開2009−155693(P2009−155693A)
【公開日】平成21年7月16日(2009.7.16)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−336092(P2007−336092)
【出願日】平成19年12月27日(2007.12.27)
【出願人】(505044451)ソナック株式会社 (107)
【Fターム(参考)】