極めて長いカーボンナノチューブを化学蒸着させるための増強された反応器
【課題】化学蒸着（ＣＶＤ）プロセス反応器炉を使用して、任意の長さのカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を生成する装置を提供すること。
【解決手段】ＣＮＴを炉の全長の一部分に沿って軸方向に成長させる。この装置は、スピンドルと、スピンドルを回転させる機構とを含む。このスピンドルは、炉の温度が一定の領域に配置されており、ＣＮＴが炉内で成長しているときに、回転しているスピンドルに巻き付けてＣＮＴを集めるように動作可能である。
【解決手段】ＣＮＴを炉の全長の一部分に沿って軸方向に成長させる。この装置は、スピンドルと、スピンドルを回転させる機構とを含む。このスピンドルは、炉の温度が一定の領域に配置されており、ＣＮＴが炉内で成長しているときに、回転しているスピンドルに巻き付けてＣＮＴを集めるように動作可能である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の分野は一般にナノチューブの成長に関し、より具体的には、極めて長いカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を化学蒸着（ＣＶＤ）させるための増強された反応器に関する。
【背景技術】
【０００２】
カーボンナノチューブは、管の形態のある組成の黒鉛シートを本質的に有する管形の小さな構造体である。カーボンナノチューブは、１００ナノメートル未満の直径、および長さが直径よりもはるかに大きい大きなアスペクト比を特徴とする。例えば、ＣＮＴの長さが直径の１０００倍を超えることがある。ＣＮＴは、そのキラリティに応じて半導性または高導電性である。このような特徴を持つカーボンナノチューブは、多くの電子工学用途に対して理想的である。
【０００３】
カーボンナノチューブは一般に単壁型と多壁型に分類される。単壁型のカーボンナノチューブ構造は円筒形の黒鉛層を１層だけ有する。多壁型のカーボンナノチューブ構造は、入れ子にされた２層以上の円筒形の黒鉛層を有する。
【０００４】
既存の直線化学蒸着（ＣＶＤ）反応器は、フィードガス流に対して垂直に、またはフィードガス流の方向に沿って一直線に、カーボンナノチューブを成長させることができる。垂直成長は、その高さが、ＣＮＴを成長させる炉によって画定される通常は１、２または４インチである管のサイズまでに限定される。フィードガス流の方向に沿った一直線の成長は、その長さが、炉内の温度が一定に維持された領域のサイズまでに限定される。
【０００５】
直線ＣＶＤ反応器用の現在使用されている管状炉の長さは約４フィートである。反応器管の両端は炉から突き出しており、そのため炉の両端付近の温度は一定ではない。炉の中央部分は、温度が一定の領域を含む。ＣＶＤによるＣＮＴ成長では、フィードガスがある温度まで加熱され、この加熱にはある時間がかかり、フィードガスは流れているため、この加熱にはある距離が必要である。この距離は、ＣＶＤ反応器管の先頭部分のより温度の低い領域よりも長い。ナノチューブを成長させる目的に使用できるのは、ガスが十分に加熱された位置から、管状炉内の温度が一定の領域の終端までの領域だけである。
【０００６】
現在までのところ、このような管状炉内で成長させた最も長いナノチューブの長さは約１８．５ｃｍである。成長がこの長さで止まったのは、成長担体を過ぎて約１８．５ｃｍのところで室の温度が低下したためである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
より長いナノチューブを生成する１つの解決策は、より長い炉内で、より長いまっすぐな（直線）ＣＶＤ反応器を使用することであろう。しかしながら、生成されるナノチューブの長さは依然として、炉の長さおよび使用可能なＣＶＤ反応器管によって制限され、したがって、任意の長さのナノチューブを製作することはできない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一態様では、化学蒸着（ＣＶＤ）プロセス反応器炉を使用して、任意の長さのカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を生成する装置が提供される。ＣＮＴを炉の全長の一部分に沿って軸方向に成長させる。この装置は、スピンドルと、スピンドルを回転させる機構とを含む。このスピンドルは、炉の温度が一定の領域に配置されており、ＣＮＴが炉内で成長しているときに、回転しているスピンドルに巻き付けてＣＮＴを集めるように動作可能である。
【０００９】
他の態様では、標準化学蒸着（ＣＶＤ）炉内で、任意の長さのカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を成長させる方法が提供される。この方法は、炉のＣＮＴ成長領域内でスピンドルを回転させるステップと、ＣＮＴが成長しているときに、成長しているＣＮＴがスピンドルに付着し、スピンドル上に回転式に集まるような態様で、ＣＮＴを、回転しているスピンドルの方向へ導くステップと、スピンドルの前記領域内の温度を、ＣＮＴの成長温度に近い温度に維持するステップとを含む。
【００１０】
他の態様では、化学蒸着（ＣＶＤ）プロセス炉が提供される。この炉は、その中の触媒およびその中を流れるガス流からカーボンナノチューブを成長させるように構成された反応室と、反応室内に配置された回転可能なスピンドルとを含む。この回転可能なスピンドルは、ガス流に関して触媒の下流にあり、この回転可能なスピンドルは、ガス流によってＣＮＴが回転可能なスピンドルの方向へ吹き流されたときに、回転可能なスピンドルに巻き付けてＣＮＴを集めるように動作可能である。
【００１１】
以上に論じた特徴、機能および利点は、さまざまな実施形態において独立に達成することができ、または以上に論じた特徴、機能および利点を、他の実施形態において組み合わせることができる。これらの実施形態の追加の詳細は、以下の説明および図面を参照することによって知ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】直線化学蒸着反応器の概略側面図である。
【図２】図１のＣＶＤ反応器の一部分の切欠図である。
【図３】増強された反応器の一実施形態の切欠図である。
【図４】図３の増強された反応器の炉の温度が一定の部分内のスピンドルおよび触媒の側面図である。
【図５】図４のスピンドルおよびスピンドルに関連したアセンブリ構成要素の端面図である。
【図６】スピンドルを回転させるために利用される駆動アセンブリの端面図である。
【図７】図６の駆動アセンブリの側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以上の段落を参照すると、ナノチューブの成長を持続させるためには、温度が一定の領域が必要であるため、現行の炉内において任意の長さのカーボンナノチューブを生成するためには、ＣＶＤ反応器内に、ナノチューブの非直線成長経路が必要である。この必要を満たすため、記載された実施形態は、化学蒸着によってカーボンナノチューブを成長させる目的に使用される伝統的な管状炉であって、取外し可能な回転するスピンドルによって増強された管状炉に関する。回転するスピンドルを追加することによって、伝統的な管状炉に固有の熱的および幾何学的な限界を克服することにより、任意の長さのナノチューブを成長させることができる。
【００１４】
具体的には、ナノチューブが成長すると、ナノチューブは、炉内の回転スピンドルにぶつかる。成長するにつれて、ナノチューブはスピンドルに巻き取られ、これにより、温度を一定に維持することができる比較的に小さな領域内で、任意の長さの管を成長させることができる。
【００１５】
図１は、カーボンナノチューブを製造するのに有用な直線化学蒸着反応器１０の概略側面図である。反応器１０は、反応炉２０およびガス導入管２２を含み、このガス導入管２２を通して、不活性ガス２４およびフィードガス２６が、流量制御ノズル２８を経由して熱交換器３０へ導入される。示されているように、反応炉２０は実質的に管状の容器であり、後にさらに説明するとおり、安定した化学特性を有する高温に耐える材料（例えば石英、アルミナまたは高温に耐える他のセラミック）を含む。反応器１０は、排出ガスが通るエンドキャップ３２を含む。エンドキャップ３２からは排出管３４が延出している。反応器１０の熱交換器３０とエンドキャップ３２の間の部分は炉２０を含み、この部分は時に主ダクト４０と呼ばれる。主ダクト４０からは、熱交換器３０の近くからエンドキャップ３２の近くまで、炉２０を迂回するバイパスダクト４２が延びている。主ダクト４０およびバイパスダクト４２はそれぞれ遮断弁５０および５２を含む。熱交換器３０を出たガスは、炉２０のナノチューブを成長させる部分の温度を、ナノチューブを成長させる温度まで高め、その温度を維持することができるような態様で、炉２０またはバイパスダクト４２を通して導かれる。主ダクト４０の一部分６０の直径が拡大されて示されている。このような描写は、反応器１０の一実施形態を表している。主ダクト４０が全長にわたって単一の直径を有する実施形態も知られている。
【００１６】
図２は、図１の反応器１０の一部分の切欠図である。この図では、表面に触媒７２が配置された変更された担体７０が、反応室７４内に示されている。反応室７４は、ナノチューブを成長させるために温度を一定に維持することができる反応炉２０の部分と定義される。主ダクト４０内を流れるガス流は、触媒７２に向かって導かれ、触媒７２からカーボンナノチューブを成長させるフィードガス２６を輸送する。反応室７４内のガス流中には炭素源ガスが存在するため、カーボンナノチューブは例えば、触媒７２から垂直に成長する。前述のとおり、反応室７４の一部分だけを、ナノチューブの成長に必要な一定の温度に合理的に維持することができる。
【００１７】
炉２０を備える反応器１０は、フィードガス流に対して垂直に、またはフィードガス流の方向に沿って一直線にナノチューブを成長させることができる。垂直に成長させたナノチューブの長さは、炉２０の直径によって制限される。フィードガス流の方向に一直線に成長させたカーボンナノチューブの長さは、温度が一定に維持された反応室７４のサイズまでに限定される。炉２０の両端から流量制御ノズル２８およびエンドキャップ３２が突き出しており、したがって炉２０の両端付近の温度は一定ではない。炉２０の反応室部分７４は、触媒７２を有する変更された担体７０が配置された部分であり、反応室部分７４は、温度が一定の領域にある。
【００１８】
要約すると、化学蒸着を使用してカーボンナノチューブを成長させるためには、フィードガス２４がある温度まで加熱され、この加熱にはある時間がかかり、フィードガス２４は流れているため、この加熱にはある距離が必要である。ナノチューブを成長させる目的に使用できるのは、フィードガス２４が十分に加熱された位置から、管状炉２０内の温度が一定の領域の終端までの領域だけである。
【００１９】
次に図３を参照すると、増強された反応器１００の切欠図が示されている。反応器１０内の構成要素と同じ反応器１００内の構成要素は同じ参照符号で示されている。ガスは、熱交換器３０を通過して反応温度まで加熱されてから、炉２０に到達する。このアセンブリは全体が断熱されている。この実施形態では、熱交換器３０が適切な温度までガスを加熱するまで、ガスが、バイパスダクト４２を通って移動する。ガスの温度が適切な温度に達すると、遮断弁５０および５２が切り換えられ、ガスは、主ダクト４０を通って流れる。この図では、ナノチューブ成長面の下流で主ダクト４０の直径が太くなっているが、このような直径の拡大は必須ではなく、本明細書に記載の実施形態は、直径が一定の炉でも使用可能である。
【００２０】
反応器１００は、管状炉２０の温度が一定の部分にスピンドル１１０を含む。スピンドル１１０は、炉２０を通過するガス流によってナノチューブが軸方向へ導かれ、ある水平距離だけ成長した後に、ナノチューブが、スピンドル１１０の頂部１１２にぶつかるように配置される。一実施形態では、スピンドル１１０の表面１１４が、カーボンナノチューブが付着する傾向がある材料から構築され、またはそのような材料でコーティングされる。本明細書においてさらに説明するように、スピンドル１１０の頂部１１２の直線速度が、触媒７２からのカーボンナノチューブの成長速度と実質的に一致するような回転速度で、スピンドル１１０を回転させる。したがって、ナノチューブは、スピンドル１１０と接触する位置まで成長し、スピンドル１１０に付着し、スピンドル１１０が回転するにつれてスピンドル１１０に巻き取られる。スピンドル１１０を使用すると、ＣＮＴが引き伸ばされたり、またはこぶになったりすることなしに、ＣＮＴを集めることができる。スピンドル１１０は、炉２０の反応室７４（時に成長領域とも呼ばれる）内に含まれ、ＣＮＴ成長温度に維持されるため、スピンドル１１０上に集めることによって、任意の長さのナノチューブを、炉の温度が一定の領域内に保持することができる。後にさらに説明するが、スピンドル１１０は、炉２０内のブラケット１２０に装着される。ベルト１２２によってベルト車１２１が駆動され、ベルト１２２は、炉２０の外へ延び、やはりブラケット１２６に装着されたモータ１２４によって駆動され、それによってスピンドル１１０が回転する。
【００２１】
図４は、反応器１００の炉２０の成長領域内のスピンドル１１０および触媒７２の側面図である。スピンドル１１０および触媒は炉２０の成長領域内にあるため、これらをＣＮＴ成長温度に維持することができる。この誇張された図では、炉２０を通過するガス流によって、触媒７２からカーボンナノチューブ１４０が成長している。前述のとおり、スピンドル１１０はベルト車１２１に機械的に接続されており、ベルト車１２１はベルト１２２によって駆動されるため、スピンドル１１０は回転する。
【００２２】
一実施態様では、図５の断面図に示されているように、スピンドル１１０および関連アセンブリが、管状炉２０内に十分に収まる大きさを有する。スピンドル１１０は、ブラケット１２０の２枚のプレート１５２と１５４の間の車軸１５０上で回転する。スピンドルの車軸１５０の片側はベルト車１２１を含み、ベルト車１２１には歯車を取り付けることができ、チェーンまたはベルト１２２によってベルト車１２１を回転させることができる。２枚のプレート１５２、１５４を互いから分離された状態に維持するため、プレート１５２、１５４の上部および／または下部に、１本または数本のロッド１５６がある。プレート１５２、１５４はそれぞれベースユニット１７０に接続される。
【００２３】
他の実施形態では、歯車の付いたベース車軸を利用することができる。この歯車の付いたベース車軸はチェーンを動かし、チェーンはスピンドル１１０を回転させる。この歯車の付いたベース車軸は、一方のプレートを過ぎて延び、穴を通して炉２０の管の外へ出る。最も都合のよい実施態様が、ベースユニットおよび車軸が出る穴を含む取外し可能なセクションを、エンドキャップなどの管の端に有することであることがある。この車軸が出る穴を出たところで、ステッパモータが、この歯車の付いたベース車軸を回転させる。他の実施形態では、ベルトまたはチェーンが利用されず、車軸１５０が炉２０の外へ延び、ステッパモータに直接に取り付けられる。
【００２４】
他の実施形態では、ナノチューブ１４０が成長し、スピンドル１１０が回転するときに、ナノチューブ１４０がスピンドル１１０上に螺旋形に集められるように、車軸１５０の軸方向の軸に沿ってスピンドル１１０が前後に平行移動することができるような態様で、スピンドル１１０の内径１６２から延びる突起デバイス１６０が提供される。突起１６０は、車軸１５０に形成された対合スロット１６４にはまる。スピンドルをこのように平行移動させると、スピンドルの幅がナノチューブ成長担体の幅よりも広い場合に、１つのスピンドルで集めることができるナノチューブの長さがより長くなる。どの実施形態でも、所望の長さのナノチューブ１４０を成長させた後、カーボンナノチューブ１４０を取り外すことを可能にするために、スピンドル１１０は炉２０から取り出される。
【００２５】
図示された実施形態を再び参照すると、図６は、駆動アセンブリ２００の端面図であり、駆動アセンブリ２００はベルト１２２を駆動し、ベルト１２２は最終的にスピンドル１１０を回転させる。駆動アセンブリ２００は、２台のモータ２０２、２０４を含み、特定の実施形態ではこれらのモータがステッパモータである。単純に、モータ２０２は、駆動スピンドル（および最終的にスピンドル１１０）を第１の方向に回転させ、モータ２０４は、駆動スピンドル（および最終的にスピンドル１１０）を反対方向に回転させる。駆動アセンブリは、モータ２０２と２０４の間に延びる駆動スピンドル２１０を含む。駆動スピンドル２１０上には、駆動スプロケット２１２が装着されている。駆動スプロケット２１２とベルト車１２１の間には、前述のとおりスピンドル１１０に機械的に結合されたベルト車１２１を回転させるベルトまたはチェーン（ベルト１２２）が延びる。図５のブラケットアセンブリと同様に、駆動アセンブリ２００のベースユニットを安定させるために、ブラケット２２０、２２２、スペーサ２２４、２２６、ベース２２８および支柱２３０、２３２のうちの１つまたは複数を使用することができる。図７は、駆動アセンブリ２００の側面図である。
【００２６】
駆動アセンブリ２００が動作し、スピンドル１１０が回転しているときには、炉２０の状態に基づいて、ナノチューブ１４０が成長し、スピンドル１００が何回も回転する。ついには、スピンドルの表面の材料と接触するのではなく、スピンドル１１０上に既にあるナノチューブ１４０の部分とだけ接触するような態様で、追加の長さのナノチューブ１４０が、ナノチューブ１４０がスピンドル１１０の表面１１４全体を覆う。他のナノチューブ部分とだけ接触したナノチューブの部分は、スピンドル１１０から取外し可能であり、スピンドル１１０の表面１１４と接触したナノチューブ１４０の部分は、スピンドル１１０に不可逆的に付着することがある。
【００２７】
前述の実施態様において、ナノチューブを取り外す代替の方法は、ナノチューブ１４０を集める際にスピンドルを回転させた方向と反対の方向にスピンドル１１０を回転させ、同時に、管状炉の前面から成長担体（触媒７２）を取り出す方法である。具体的には、ナノチューブの成長担体の端を出たばかりのところに別のスピンドルに付着させ、両方のスピンドルを回転させて、炉の外にナノチューブを移すことができる。この方法は、前述の第２のステッパモータ２０４を利用する。完成したナノチューブを移す先の車軸を駆動するのに、第３のステッパモータを利用してもよい。
【００２８】
他の実施態様では、加熱されてからでないと、ガスは、化学蒸着反応器１０内へ入ることが許されない。このようなアセンブリは、反応器１０の炉２０内にアセンブリが含まれなければならないという要件を排除するために断熱される。この実施態様では、触媒を載せた担体およびスピンドルを配置し、これらを取り出すためにアセンブリを開くことができる。具体的には、アセンブリ壁および断熱材の穴を通して、スピンドルの軸がアセンブリの外へ延び、車軸の外端が、ステッパモータに直接に取り付けられる。この実施態様では、スピンドルのサイズが、２インチまたは４インチである一般的な管状炉の直径によって制限されない。したがって、成長担体を過ぎて、このアセンブリは、スピンドルを含む室内へ開く。最初はガス流が成長方向を決定するが、ナノチューブがスピンドルと接触した後は、スピンドルが成長方向を決定する。ナノチューブを任意の長さまで成長させる能力に関して、室内に流入し、室内を流れるガス流の詳細は重要ではない。
【００２９】
記載されたどの実施形態についても、スピンドルの表面は、ナノチューブが付着する材料を使用して製作される。具体的には、ナノチューブは、ナノチューブ自体の直径よりも大きな粗さフィーチャ（ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ｆｅａｔｕｒｅ）を有する表面によく付着する。ナノチューブの直径は１ナノメートルから数ナノメートル程度であり、そのため、ほぼ全ての表面が、必要な規模の有意な粗さを有する。したがって、スピンドルの表面の材料の要件は、その材料が、８００℃にもなることがあるナノチューブの成長温度において安定であることである。スピンドルは、銅もしくは鋼、または他の材料から製作することができる。ナノチューブを傷つけない弱い酸浴などのプロセスによって後に溶解することができる材料で、スピンドルの表面をコーティングすることができる。記載された実施形態は、スピンドルの表面またはコーティングとじかに接触した、何回も巻かれたナノチューブを集めることを可能にする。
【００３０】
本明細書に記載されたどの実施形態においても、アセンブリおよびアセンブリの構成要素は、形成されたナノチューブへ温度を伝えない材料から製作される。このような状況が起こった場合、ナノチューブの成長は止まる。例えば、スピンドルは、ナノチューブが成長する温度に維持されなければならないため、本明細書に記載されたベルト１２２がスピンドルを冷やしてはならない。また、スピンドル１１０は、ナノチューブを触媒７２から引っ張ってはならず、または、あまりにゆっくりと回転することによってナノチューブをこぶにしてはならない。ステッパモータを、必要な任意の歯車装置と一緒に使用すると、ナノチューブが成長する速度でスピンドルが回転することを保証するのに必要な制御が提供される。さらに、この機械的なアセンブリは、スピンドルが触媒７２に近づく（または触媒７２から遠ざかる）ことができないことも保証する。
【００３１】
さまざまな実施形態をその最良の形態を含めて開示するため、ならびに任意のデバイスまたはシステムを製作し、使用すること、および組み込まれた任意の方法を実行することを含め、当業者がそれらの実施形態を実施することを可能にするために、本明細書はいくつかの例を使用する。特許を受けられる範囲は下記の特許請求の範囲によって定義され、この範囲が、当業者が思いつくその他の例を含むことがある。このようなその他の例は、それらが特許請求の範囲の文字表現と異ならない構造要素を有する場合、またはそれらが特許請求の範囲の文字表現との差異が実質的にない等価の構造要素を含む場合に、特許請求の範囲に含まれることが意図されている。
【００３２】
以下に、他の実施形態のいくつかの例を示す。
【００３３】
前記機構が、炉のＣＮＴ成長領域内の温度を一定に維持することを可能にする材料を含む装置。
【００３４】
前記機構が駆動システムを備える装置。
【００３５】
前記駆動システムが、前記スピンドルが装着された車軸と、前記車軸上に装着されたベルト車と、駆動歯車を備えるモータと、前記駆動歯車を前記ベルト車に接続するチェーンとベルトのうちの少なくとも一方とを備える装置。
【００３６】
前記駆動システムが、前記スピンドルが装着された車軸であり、炉の壁を通して延びる前記車軸と、前記車軸の前記炉の外側の部分に取り付けられたモータとを備える装置。
【００３７】
前記スピンドルが表面を含み、炉を通過するガス流によってＣＮＴが軸方向へ導かれた後に、ＣＮＴが前記表面にぶつかる装置。
【００３８】
前記機構が２台のモータを備え、前記モータのうちの第１のモータが、前記スピンドルを第１の方向に回転させて前記スピンドル上にＣＮＴを集めるように、前記スピンドルに機械的に結合され、前記モータのうちの第２のモータが、前記スピンドルを第１の方向とは反対の第２の方向に回転させて完成したＣＮＴを前記スピンドルから回収するように、前記スピンドルに機械的に結合された装置。
【００３９】
ＣＮＴが前記スピンドル上に螺旋形に集められるように、前記スピンドルの軸方向の軸に沿って前記スピンドルを前後に平行移動させるデバイスを、前記機構が備える装置。
【００４０】
炉のＣＮＴ成長領域内でスピンドルを回転させるステップが、駆動システムを使用してスピンドルを回転させるステップを含む前記方法。
【００４１】
駆動システムを使用してスピンドルを回転させるステップが、炉の壁を通して延びる車軸にスピンドルを装着するステップと、車軸を駆動モータに機械的に結合するステップであり、前記駆動モータが、車軸の炉の外側の部分に取り付けられるステップと、モータを動かすステップとを含む前記方法。
【符号の説明】
【００４２】
１０ 直線化学蒸着反応器
２０ 反応炉
２２ ガス導入管
２４ 不活性ガス
２６ フィードガス
２８ 流量制御ノズル
３０ 熱交換器
３２ エンドキャップ
３４ 排出管
４０ 主ダクト
４２ バイパスダクト
５０ 遮断弁
５２ 遮断弁
６０ 主ダクトの直径が拡大された部分
７０ 担体
７２ 触媒
７４ 反応室
１００ 増強された反応器
１１０ スピンドル
１１２ スピンドルの頂部
１１４ スピンドルの表面
１２０ ブラケット
１２１ ベルト車
１２２ ベルト
１２４ モータ
１２６ ブラケット
１４０ カーボンナノチューブ
１５０ 車軸
１５２ ブラケットのプレート
１５４ ブラケットのプレート
１５６ ロッド
１６０ 突起デバイス
１６２ スピンドルの内径
１６４ 対合スロット
１７０ ベースユニット
２００ 駆動アセンブリ
２０２ モータ
２０４ モータ
２１０ 駆動スピンドル
２１２ 駆動スプロケット
２２０ ブラケット
２２２ ブラケット
２２４ スペーサ
２２６ スペーサ
２２８ ベース
２３０ 支柱
２３２ 支柱
【技術分野】
【０００１】
本開示の分野は一般にナノチューブの成長に関し、より具体的には、極めて長いカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を化学蒸着（ＣＶＤ）させるための増強された反応器に関する。
【背景技術】
【０００２】
カーボンナノチューブは、管の形態のある組成の黒鉛シートを本質的に有する管形の小さな構造体である。カーボンナノチューブは、１００ナノメートル未満の直径、および長さが直径よりもはるかに大きい大きなアスペクト比を特徴とする。例えば、ＣＮＴの長さが直径の１０００倍を超えることがある。ＣＮＴは、そのキラリティに応じて半導性または高導電性である。このような特徴を持つカーボンナノチューブは、多くの電子工学用途に対して理想的である。
【０００３】
カーボンナノチューブは一般に単壁型と多壁型に分類される。単壁型のカーボンナノチューブ構造は円筒形の黒鉛層を１層だけ有する。多壁型のカーボンナノチューブ構造は、入れ子にされた２層以上の円筒形の黒鉛層を有する。
【０００４】
既存の直線化学蒸着（ＣＶＤ）反応器は、フィードガス流に対して垂直に、またはフィードガス流の方向に沿って一直線に、カーボンナノチューブを成長させることができる。垂直成長は、その高さが、ＣＮＴを成長させる炉によって画定される通常は１、２または４インチである管のサイズまでに限定される。フィードガス流の方向に沿った一直線の成長は、その長さが、炉内の温度が一定に維持された領域のサイズまでに限定される。
【０００５】
直線ＣＶＤ反応器用の現在使用されている管状炉の長さは約４フィートである。反応器管の両端は炉から突き出しており、そのため炉の両端付近の温度は一定ではない。炉の中央部分は、温度が一定の領域を含む。ＣＶＤによるＣＮＴ成長では、フィードガスがある温度まで加熱され、この加熱にはある時間がかかり、フィードガスは流れているため、この加熱にはある距離が必要である。この距離は、ＣＶＤ反応器管の先頭部分のより温度の低い領域よりも長い。ナノチューブを成長させる目的に使用できるのは、ガスが十分に加熱された位置から、管状炉内の温度が一定の領域の終端までの領域だけである。
【０００６】
現在までのところ、このような管状炉内で成長させた最も長いナノチューブの長さは約１８．５ｃｍである。成長がこの長さで止まったのは、成長担体を過ぎて約１８．５ｃｍのところで室の温度が低下したためである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
より長いナノチューブを生成する１つの解決策は、より長い炉内で、より長いまっすぐな（直線）ＣＶＤ反応器を使用することであろう。しかしながら、生成されるナノチューブの長さは依然として、炉の長さおよび使用可能なＣＶＤ反応器管によって制限され、したがって、任意の長さのナノチューブを製作することはできない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一態様では、化学蒸着（ＣＶＤ）プロセス反応器炉を使用して、任意の長さのカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を生成する装置が提供される。ＣＮＴを炉の全長の一部分に沿って軸方向に成長させる。この装置は、スピンドルと、スピンドルを回転させる機構とを含む。このスピンドルは、炉の温度が一定の領域に配置されており、ＣＮＴが炉内で成長しているときに、回転しているスピンドルに巻き付けてＣＮＴを集めるように動作可能である。
【０００９】
他の態様では、標準化学蒸着（ＣＶＤ）炉内で、任意の長さのカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を成長させる方法が提供される。この方法は、炉のＣＮＴ成長領域内でスピンドルを回転させるステップと、ＣＮＴが成長しているときに、成長しているＣＮＴがスピンドルに付着し、スピンドル上に回転式に集まるような態様で、ＣＮＴを、回転しているスピンドルの方向へ導くステップと、スピンドルの前記領域内の温度を、ＣＮＴの成長温度に近い温度に維持するステップとを含む。
【００１０】
他の態様では、化学蒸着（ＣＶＤ）プロセス炉が提供される。この炉は、その中の触媒およびその中を流れるガス流からカーボンナノチューブを成長させるように構成された反応室と、反応室内に配置された回転可能なスピンドルとを含む。この回転可能なスピンドルは、ガス流に関して触媒の下流にあり、この回転可能なスピンドルは、ガス流によってＣＮＴが回転可能なスピンドルの方向へ吹き流されたときに、回転可能なスピンドルに巻き付けてＣＮＴを集めるように動作可能である。
【００１１】
以上に論じた特徴、機能および利点は、さまざまな実施形態において独立に達成することができ、または以上に論じた特徴、機能および利点を、他の実施形態において組み合わせることができる。これらの実施形態の追加の詳細は、以下の説明および図面を参照することによって知ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】直線化学蒸着反応器の概略側面図である。
【図２】図１のＣＶＤ反応器の一部分の切欠図である。
【図３】増強された反応器の一実施形態の切欠図である。
【図４】図３の増強された反応器の炉の温度が一定の部分内のスピンドルおよび触媒の側面図である。
【図５】図４のスピンドルおよびスピンドルに関連したアセンブリ構成要素の端面図である。
【図６】スピンドルを回転させるために利用される駆動アセンブリの端面図である。
【図７】図６の駆動アセンブリの側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以上の段落を参照すると、ナノチューブの成長を持続させるためには、温度が一定の領域が必要であるため、現行の炉内において任意の長さのカーボンナノチューブを生成するためには、ＣＶＤ反応器内に、ナノチューブの非直線成長経路が必要である。この必要を満たすため、記載された実施形態は、化学蒸着によってカーボンナノチューブを成長させる目的に使用される伝統的な管状炉であって、取外し可能な回転するスピンドルによって増強された管状炉に関する。回転するスピンドルを追加することによって、伝統的な管状炉に固有の熱的および幾何学的な限界を克服することにより、任意の長さのナノチューブを成長させることができる。
【００１４】
具体的には、ナノチューブが成長すると、ナノチューブは、炉内の回転スピンドルにぶつかる。成長するにつれて、ナノチューブはスピンドルに巻き取られ、これにより、温度を一定に維持することができる比較的に小さな領域内で、任意の長さの管を成長させることができる。
【００１５】
図１は、カーボンナノチューブを製造するのに有用な直線化学蒸着反応器１０の概略側面図である。反応器１０は、反応炉２０およびガス導入管２２を含み、このガス導入管２２を通して、不活性ガス２４およびフィードガス２６が、流量制御ノズル２８を経由して熱交換器３０へ導入される。示されているように、反応炉２０は実質的に管状の容器であり、後にさらに説明するとおり、安定した化学特性を有する高温に耐える材料（例えば石英、アルミナまたは高温に耐える他のセラミック）を含む。反応器１０は、排出ガスが通るエンドキャップ３２を含む。エンドキャップ３２からは排出管３４が延出している。反応器１０の熱交換器３０とエンドキャップ３２の間の部分は炉２０を含み、この部分は時に主ダクト４０と呼ばれる。主ダクト４０からは、熱交換器３０の近くからエンドキャップ３２の近くまで、炉２０を迂回するバイパスダクト４２が延びている。主ダクト４０およびバイパスダクト４２はそれぞれ遮断弁５０および５２を含む。熱交換器３０を出たガスは、炉２０のナノチューブを成長させる部分の温度を、ナノチューブを成長させる温度まで高め、その温度を維持することができるような態様で、炉２０またはバイパスダクト４２を通して導かれる。主ダクト４０の一部分６０の直径が拡大されて示されている。このような描写は、反応器１０の一実施形態を表している。主ダクト４０が全長にわたって単一の直径を有する実施形態も知られている。
【００１６】
図２は、図１の反応器１０の一部分の切欠図である。この図では、表面に触媒７２が配置された変更された担体７０が、反応室７４内に示されている。反応室７４は、ナノチューブを成長させるために温度を一定に維持することができる反応炉２０の部分と定義される。主ダクト４０内を流れるガス流は、触媒７２に向かって導かれ、触媒７２からカーボンナノチューブを成長させるフィードガス２６を輸送する。反応室７４内のガス流中には炭素源ガスが存在するため、カーボンナノチューブは例えば、触媒７２から垂直に成長する。前述のとおり、反応室７４の一部分だけを、ナノチューブの成長に必要な一定の温度に合理的に維持することができる。
【００１７】
炉２０を備える反応器１０は、フィードガス流に対して垂直に、またはフィードガス流の方向に沿って一直線にナノチューブを成長させることができる。垂直に成長させたナノチューブの長さは、炉２０の直径によって制限される。フィードガス流の方向に一直線に成長させたカーボンナノチューブの長さは、温度が一定に維持された反応室７４のサイズまでに限定される。炉２０の両端から流量制御ノズル２８およびエンドキャップ３２が突き出しており、したがって炉２０の両端付近の温度は一定ではない。炉２０の反応室部分７４は、触媒７２を有する変更された担体７０が配置された部分であり、反応室部分７４は、温度が一定の領域にある。
【００１８】
要約すると、化学蒸着を使用してカーボンナノチューブを成長させるためには、フィードガス２４がある温度まで加熱され、この加熱にはある時間がかかり、フィードガス２４は流れているため、この加熱にはある距離が必要である。ナノチューブを成長させる目的に使用できるのは、フィードガス２４が十分に加熱された位置から、管状炉２０内の温度が一定の領域の終端までの領域だけである。
【００１９】
次に図３を参照すると、増強された反応器１００の切欠図が示されている。反応器１０内の構成要素と同じ反応器１００内の構成要素は同じ参照符号で示されている。ガスは、熱交換器３０を通過して反応温度まで加熱されてから、炉２０に到達する。このアセンブリは全体が断熱されている。この実施形態では、熱交換器３０が適切な温度までガスを加熱するまで、ガスが、バイパスダクト４２を通って移動する。ガスの温度が適切な温度に達すると、遮断弁５０および５２が切り換えられ、ガスは、主ダクト４０を通って流れる。この図では、ナノチューブ成長面の下流で主ダクト４０の直径が太くなっているが、このような直径の拡大は必須ではなく、本明細書に記載の実施形態は、直径が一定の炉でも使用可能である。
【００２０】
反応器１００は、管状炉２０の温度が一定の部分にスピンドル１１０を含む。スピンドル１１０は、炉２０を通過するガス流によってナノチューブが軸方向へ導かれ、ある水平距離だけ成長した後に、ナノチューブが、スピンドル１１０の頂部１１２にぶつかるように配置される。一実施形態では、スピンドル１１０の表面１１４が、カーボンナノチューブが付着する傾向がある材料から構築され、またはそのような材料でコーティングされる。本明細書においてさらに説明するように、スピンドル１１０の頂部１１２の直線速度が、触媒７２からのカーボンナノチューブの成長速度と実質的に一致するような回転速度で、スピンドル１１０を回転させる。したがって、ナノチューブは、スピンドル１１０と接触する位置まで成長し、スピンドル１１０に付着し、スピンドル１１０が回転するにつれてスピンドル１１０に巻き取られる。スピンドル１１０を使用すると、ＣＮＴが引き伸ばされたり、またはこぶになったりすることなしに、ＣＮＴを集めることができる。スピンドル１１０は、炉２０の反応室７４（時に成長領域とも呼ばれる）内に含まれ、ＣＮＴ成長温度に維持されるため、スピンドル１１０上に集めることによって、任意の長さのナノチューブを、炉の温度が一定の領域内に保持することができる。後にさらに説明するが、スピンドル１１０は、炉２０内のブラケット１２０に装着される。ベルト１２２によってベルト車１２１が駆動され、ベルト１２２は、炉２０の外へ延び、やはりブラケット１２６に装着されたモータ１２４によって駆動され、それによってスピンドル１１０が回転する。
【００２１】
図４は、反応器１００の炉２０の成長領域内のスピンドル１１０および触媒７２の側面図である。スピンドル１１０および触媒は炉２０の成長領域内にあるため、これらをＣＮＴ成長温度に維持することができる。この誇張された図では、炉２０を通過するガス流によって、触媒７２からカーボンナノチューブ１４０が成長している。前述のとおり、スピンドル１１０はベルト車１２１に機械的に接続されており、ベルト車１２１はベルト１２２によって駆動されるため、スピンドル１１０は回転する。
【００２２】
一実施態様では、図５の断面図に示されているように、スピンドル１１０および関連アセンブリが、管状炉２０内に十分に収まる大きさを有する。スピンドル１１０は、ブラケット１２０の２枚のプレート１５２と１５４の間の車軸１５０上で回転する。スピンドルの車軸１５０の片側はベルト車１２１を含み、ベルト車１２１には歯車を取り付けることができ、チェーンまたはベルト１２２によってベルト車１２１を回転させることができる。２枚のプレート１５２、１５４を互いから分離された状態に維持するため、プレート１５２、１５４の上部および／または下部に、１本または数本のロッド１５６がある。プレート１５２、１５４はそれぞれベースユニット１７０に接続される。
【００２３】
他の実施形態では、歯車の付いたベース車軸を利用することができる。この歯車の付いたベース車軸はチェーンを動かし、チェーンはスピンドル１１０を回転させる。この歯車の付いたベース車軸は、一方のプレートを過ぎて延び、穴を通して炉２０の管の外へ出る。最も都合のよい実施態様が、ベースユニットおよび車軸が出る穴を含む取外し可能なセクションを、エンドキャップなどの管の端に有することであることがある。この車軸が出る穴を出たところで、ステッパモータが、この歯車の付いたベース車軸を回転させる。他の実施形態では、ベルトまたはチェーンが利用されず、車軸１５０が炉２０の外へ延び、ステッパモータに直接に取り付けられる。
【００２４】
他の実施形態では、ナノチューブ１４０が成長し、スピンドル１１０が回転するときに、ナノチューブ１４０がスピンドル１１０上に螺旋形に集められるように、車軸１５０の軸方向の軸に沿ってスピンドル１１０が前後に平行移動することができるような態様で、スピンドル１１０の内径１６２から延びる突起デバイス１６０が提供される。突起１６０は、車軸１５０に形成された対合スロット１６４にはまる。スピンドルをこのように平行移動させると、スピンドルの幅がナノチューブ成長担体の幅よりも広い場合に、１つのスピンドルで集めることができるナノチューブの長さがより長くなる。どの実施形態でも、所望の長さのナノチューブ１４０を成長させた後、カーボンナノチューブ１４０を取り外すことを可能にするために、スピンドル１１０は炉２０から取り出される。
【００２５】
図示された実施形態を再び参照すると、図６は、駆動アセンブリ２００の端面図であり、駆動アセンブリ２００はベルト１２２を駆動し、ベルト１２２は最終的にスピンドル１１０を回転させる。駆動アセンブリ２００は、２台のモータ２０２、２０４を含み、特定の実施形態ではこれらのモータがステッパモータである。単純に、モータ２０２は、駆動スピンドル（および最終的にスピンドル１１０）を第１の方向に回転させ、モータ２０４は、駆動スピンドル（および最終的にスピンドル１１０）を反対方向に回転させる。駆動アセンブリは、モータ２０２と２０４の間に延びる駆動スピンドル２１０を含む。駆動スピンドル２１０上には、駆動スプロケット２１２が装着されている。駆動スプロケット２１２とベルト車１２１の間には、前述のとおりスピンドル１１０に機械的に結合されたベルト車１２１を回転させるベルトまたはチェーン（ベルト１２２）が延びる。図５のブラケットアセンブリと同様に、駆動アセンブリ２００のベースユニットを安定させるために、ブラケット２２０、２２２、スペーサ２２４、２２６、ベース２２８および支柱２３０、２３２のうちの１つまたは複数を使用することができる。図７は、駆動アセンブリ２００の側面図である。
【００２６】
駆動アセンブリ２００が動作し、スピンドル１１０が回転しているときには、炉２０の状態に基づいて、ナノチューブ１４０が成長し、スピンドル１００が何回も回転する。ついには、スピンドルの表面の材料と接触するのではなく、スピンドル１１０上に既にあるナノチューブ１４０の部分とだけ接触するような態様で、追加の長さのナノチューブ１４０が、ナノチューブ１４０がスピンドル１１０の表面１１４全体を覆う。他のナノチューブ部分とだけ接触したナノチューブの部分は、スピンドル１１０から取外し可能であり、スピンドル１１０の表面１１４と接触したナノチューブ１４０の部分は、スピンドル１１０に不可逆的に付着することがある。
【００２７】
前述の実施態様において、ナノチューブを取り外す代替の方法は、ナノチューブ１４０を集める際にスピンドルを回転させた方向と反対の方向にスピンドル１１０を回転させ、同時に、管状炉の前面から成長担体（触媒７２）を取り出す方法である。具体的には、ナノチューブの成長担体の端を出たばかりのところに別のスピンドルに付着させ、両方のスピンドルを回転させて、炉の外にナノチューブを移すことができる。この方法は、前述の第２のステッパモータ２０４を利用する。完成したナノチューブを移す先の車軸を駆動するのに、第３のステッパモータを利用してもよい。
【００２８】
他の実施態様では、加熱されてからでないと、ガスは、化学蒸着反応器１０内へ入ることが許されない。このようなアセンブリは、反応器１０の炉２０内にアセンブリが含まれなければならないという要件を排除するために断熱される。この実施態様では、触媒を載せた担体およびスピンドルを配置し、これらを取り出すためにアセンブリを開くことができる。具体的には、アセンブリ壁および断熱材の穴を通して、スピンドルの軸がアセンブリの外へ延び、車軸の外端が、ステッパモータに直接に取り付けられる。この実施態様では、スピンドルのサイズが、２インチまたは４インチである一般的な管状炉の直径によって制限されない。したがって、成長担体を過ぎて、このアセンブリは、スピンドルを含む室内へ開く。最初はガス流が成長方向を決定するが、ナノチューブがスピンドルと接触した後は、スピンドルが成長方向を決定する。ナノチューブを任意の長さまで成長させる能力に関して、室内に流入し、室内を流れるガス流の詳細は重要ではない。
【００２９】
記載されたどの実施形態についても、スピンドルの表面は、ナノチューブが付着する材料を使用して製作される。具体的には、ナノチューブは、ナノチューブ自体の直径よりも大きな粗さフィーチャ（ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ｆｅａｔｕｒｅ）を有する表面によく付着する。ナノチューブの直径は１ナノメートルから数ナノメートル程度であり、そのため、ほぼ全ての表面が、必要な規模の有意な粗さを有する。したがって、スピンドルの表面の材料の要件は、その材料が、８００℃にもなることがあるナノチューブの成長温度において安定であることである。スピンドルは、銅もしくは鋼、または他の材料から製作することができる。ナノチューブを傷つけない弱い酸浴などのプロセスによって後に溶解することができる材料で、スピンドルの表面をコーティングすることができる。記載された実施形態は、スピンドルの表面またはコーティングとじかに接触した、何回も巻かれたナノチューブを集めることを可能にする。
【００３０】
本明細書に記載されたどの実施形態においても、アセンブリおよびアセンブリの構成要素は、形成されたナノチューブへ温度を伝えない材料から製作される。このような状況が起こった場合、ナノチューブの成長は止まる。例えば、スピンドルは、ナノチューブが成長する温度に維持されなければならないため、本明細書に記載されたベルト１２２がスピンドルを冷やしてはならない。また、スピンドル１１０は、ナノチューブを触媒７２から引っ張ってはならず、または、あまりにゆっくりと回転することによってナノチューブをこぶにしてはならない。ステッパモータを、必要な任意の歯車装置と一緒に使用すると、ナノチューブが成長する速度でスピンドルが回転することを保証するのに必要な制御が提供される。さらに、この機械的なアセンブリは、スピンドルが触媒７２に近づく（または触媒７２から遠ざかる）ことができないことも保証する。
【００３１】
さまざまな実施形態をその最良の形態を含めて開示するため、ならびに任意のデバイスまたはシステムを製作し、使用すること、および組み込まれた任意の方法を実行することを含め、当業者がそれらの実施形態を実施することを可能にするために、本明細書はいくつかの例を使用する。特許を受けられる範囲は下記の特許請求の範囲によって定義され、この範囲が、当業者が思いつくその他の例を含むことがある。このようなその他の例は、それらが特許請求の範囲の文字表現と異ならない構造要素を有する場合、またはそれらが特許請求の範囲の文字表現との差異が実質的にない等価の構造要素を含む場合に、特許請求の範囲に含まれることが意図されている。
【００３２】
以下に、他の実施形態のいくつかの例を示す。
【００３３】
前記機構が、炉のＣＮＴ成長領域内の温度を一定に維持することを可能にする材料を含む装置。
【００３４】
前記機構が駆動システムを備える装置。
【００３５】
前記駆動システムが、前記スピンドルが装着された車軸と、前記車軸上に装着されたベルト車と、駆動歯車を備えるモータと、前記駆動歯車を前記ベルト車に接続するチェーンとベルトのうちの少なくとも一方とを備える装置。
【００３６】
前記駆動システムが、前記スピンドルが装着された車軸であり、炉の壁を通して延びる前記車軸と、前記車軸の前記炉の外側の部分に取り付けられたモータとを備える装置。
【００３７】
前記スピンドルが表面を含み、炉を通過するガス流によってＣＮＴが軸方向へ導かれた後に、ＣＮＴが前記表面にぶつかる装置。
【００３８】
前記機構が２台のモータを備え、前記モータのうちの第１のモータが、前記スピンドルを第１の方向に回転させて前記スピンドル上にＣＮＴを集めるように、前記スピンドルに機械的に結合され、前記モータのうちの第２のモータが、前記スピンドルを第１の方向とは反対の第２の方向に回転させて完成したＣＮＴを前記スピンドルから回収するように、前記スピンドルに機械的に結合された装置。
【００３９】
ＣＮＴが前記スピンドル上に螺旋形に集められるように、前記スピンドルの軸方向の軸に沿って前記スピンドルを前後に平行移動させるデバイスを、前記機構が備える装置。
【００４０】
炉のＣＮＴ成長領域内でスピンドルを回転させるステップが、駆動システムを使用してスピンドルを回転させるステップを含む前記方法。
【００４１】
駆動システムを使用してスピンドルを回転させるステップが、炉の壁を通して延びる車軸にスピンドルを装着するステップと、車軸を駆動モータに機械的に結合するステップであり、前記駆動モータが、車軸の炉の外側の部分に取り付けられるステップと、モータを動かすステップとを含む前記方法。
【符号の説明】
【００４２】
１０ 直線化学蒸着反応器
２０ 反応炉
２２ ガス導入管
２４ 不活性ガス
２６ フィードガス
２８ 流量制御ノズル
３０ 熱交換器
３２ エンドキャップ
３４ 排出管
４０ 主ダクト
４２ バイパスダクト
５０ 遮断弁
５２ 遮断弁
６０ 主ダクトの直径が拡大された部分
７０ 担体
７２ 触媒
７４ 反応室
１００ 増強された反応器
１１０ スピンドル
１１２ スピンドルの頂部
１１４ スピンドルの表面
１２０ ブラケット
１２１ ベルト車
１２２ ベルト
１２４ モータ
１２６ ブラケット
１４０ カーボンナノチューブ
１５０ 車軸
１５２ ブラケットのプレート
１５４ ブラケットのプレート
１５６ ロッド
１６０ 突起デバイス
１６２ スピンドルの内径
１６４ 対合スロット
１７０ ベースユニット
２００ 駆動アセンブリ
２０２ モータ
２０４ モータ
２１０ 駆動スピンドル
２１２ 駆動スプロケット
２２０ ブラケット
２２２ ブラケット
２２４ スペーサ
２２６ スペーサ
２２８ ベース
２３０ 支柱
２３２ 支柱
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学蒸着（ＣＶＤ）プロセス反応器炉を使用して、任意の長さのカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を生成する装置であって、前記ＣＮＴが、前記炉の全長の一部分に沿って軸方向に成長し、前記装置が、
スピンドルと、
前記スピンドルを回転させる機構とを備え、前記スピンドルが、前記炉の温度が一定の領域に配置されており、前記ＣＮＴが前記炉内で成長しているときに、回転している前記スピンドルに巻き付けて前記ＣＮＴを集めるように動作可能である装置。
【請求項２】
前記スピンドルが、前記炉内のＣＮＴ成長領域の下流に、前記ＣＮＴ成長領域に隣接して配置され、前記スピンドルが、ＣＮＴの成長が起こるような局所的な炉温を維持するために断熱された、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記スピンドルと接触したＣＮＴが、接着することなしに、前記スピンドルの表面に付着するようなＣＮＴの付着に適合した材料を、前記スピンドルが含む、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記機構が、生成中のＣＮＴに関連した成長速度と実質的に一致した速度で前記スピンドルを回転させる駆動システムを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
標準化学蒸着（ＣＶＤ）炉内で、任意の長さのカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を成長させる方法であって、
前記炉のＣＮＴ成長領域内でスピンドルを回転させるステップと、
前記ＣＮＴが成長しているときに、成長している前記ＣＮＴが前記スピンドルに付着し、前記スピンドル上に回転式に集まるような態様で、前記ＣＮＴを、回転している前記スピンドルの方向へ導くステップと、
前記スピンドルの前記領域内の温度を、ＣＮＴの成長温度に近い温度に維持するステップとを含む方法。
【請求項６】
材料を、前記ＣＮＴが付着する前記スピンドルの表面に配置するステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記炉のＣＮＴ成長領域内でスピンドルを回転させるステップが、駆動システムを使用して、生成中の前記ＣＮＴに関連した成長速度と実質的に一致した速度で前記スピンドルを回転させるステップを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記炉のＣＮＴ成長領域内でスピンドルを回転させるステップが、前記ＣＮＴが前記スピンドル上に螺旋形に集められるように、前記スピンドルの軸方向の軸に沿って前記スピンドルを前後に平行移動させるステップを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項９】
その中の触媒およびその中を流れるガス流からカーボンナノチューブを成長させるように構成された反応室と、
前記反応室内に配置された回転可能なスピンドルとを備え、前記回転可能なスピンドルが、前記ガス流に関して前記触媒の下流にあり、前記回転可能なスピンドルが、前記ガス流によって前記ＣＮＴが前記回転可能なスピンドルの方向へ吹き流されたときに、前記回転可能なスピンドルに巻き付けてＣＮＴを集めるように動作可能である化学蒸着（ＣＶＤ）プロセス炉。
【請求項１０】
前記回転可能なスピンドルに機械的に結合された駆動機構をさらに備え、前記駆動機構が、前記炉がＣＮＴを生成する速度に実質的に等しい速度で、前記回転可能なスピンドルを回転させるように構成された、請求項９に記載のＣＶＤプロセス炉。
【請求項１】
化学蒸着（ＣＶＤ）プロセス反応器炉を使用して、任意の長さのカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を生成する装置であって、前記ＣＮＴが、前記炉の全長の一部分に沿って軸方向に成長し、前記装置が、
スピンドルと、
前記スピンドルを回転させる機構とを備え、前記スピンドルが、前記炉の温度が一定の領域に配置されており、前記ＣＮＴが前記炉内で成長しているときに、回転している前記スピンドルに巻き付けて前記ＣＮＴを集めるように動作可能である装置。
【請求項２】
前記スピンドルが、前記炉内のＣＮＴ成長領域の下流に、前記ＣＮＴ成長領域に隣接して配置され、前記スピンドルが、ＣＮＴの成長が起こるような局所的な炉温を維持するために断熱された、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記スピンドルと接触したＣＮＴが、接着することなしに、前記スピンドルの表面に付着するようなＣＮＴの付着に適合した材料を、前記スピンドルが含む、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記機構が、生成中のＣＮＴに関連した成長速度と実質的に一致した速度で前記スピンドルを回転させる駆動システムを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
標準化学蒸着（ＣＶＤ）炉内で、任意の長さのカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を成長させる方法であって、
前記炉のＣＮＴ成長領域内でスピンドルを回転させるステップと、
前記ＣＮＴが成長しているときに、成長している前記ＣＮＴが前記スピンドルに付着し、前記スピンドル上に回転式に集まるような態様で、前記ＣＮＴを、回転している前記スピンドルの方向へ導くステップと、
前記スピンドルの前記領域内の温度を、ＣＮＴの成長温度に近い温度に維持するステップとを含む方法。
【請求項６】
材料を、前記ＣＮＴが付着する前記スピンドルの表面に配置するステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記炉のＣＮＴ成長領域内でスピンドルを回転させるステップが、駆動システムを使用して、生成中の前記ＣＮＴに関連した成長速度と実質的に一致した速度で前記スピンドルを回転させるステップを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記炉のＣＮＴ成長領域内でスピンドルを回転させるステップが、前記ＣＮＴが前記スピンドル上に螺旋形に集められるように、前記スピンドルの軸方向の軸に沿って前記スピンドルを前後に平行移動させるステップを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項９】
その中の触媒およびその中を流れるガス流からカーボンナノチューブを成長させるように構成された反応室と、
前記反応室内に配置された回転可能なスピンドルとを備え、前記回転可能なスピンドルが、前記ガス流に関して前記触媒の下流にあり、前記回転可能なスピンドルが、前記ガス流によって前記ＣＮＴが前記回転可能なスピンドルの方向へ吹き流されたときに、前記回転可能なスピンドルに巻き付けてＣＮＴを集めるように動作可能である化学蒸着（ＣＶＤ）プロセス炉。
【請求項１０】
前記回転可能なスピンドルに機械的に結合された駆動機構をさらに備え、前記駆動機構が、前記炉がＣＮＴを生成する速度に実質的に等しい速度で、前記回転可能なスピンドルを回転させるように構成された、請求項９に記載のＣＶＤプロセス炉。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１２６６３７（Ｐ２０１２−１２６６３７Ａ）
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１１−２６８６９６（Ｐ２０１１−２６８６９６）
【出願日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【出願人】（５００５２０７４３）ザ・ボーイング・カンパニー (773)
【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｂｏｅｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２６８６９６（Ｐ２０１１−２６８６９６）
【出願日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【出願人】（５００５２０７４３）ザ・ボーイング・カンパニー (773)
【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｂｏｅｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]