JP2001048513A - カーボンナノチューブの製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 陰極堆積物を安定して製造することができ、
また、陰極堆積物生成毎に電極を交換する必要がない。 【解決手段】 炭素電極からなる陽極と、該炭素電極に
対向配置された耐熱性導電材料からなる陰極との間にア
ーク放電させる工程と、陰極面に生成された堆積物を該
陰極面から採取する工程とを備えたカーボンナノチュー
ブの製造方法において、上記アーク放電させる工程が、
所定の放電電流を流してアーク放電を継続させる前に、
上記所定の放電電流を越えた初期電流を流す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はカーボンナノチュー
ブの製造方法および製造装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】カーボンナノチューブは、グラファイト
を円筒形に巻いた形状を有するチューブであり、特異な
物性を有していることから、材料科学からエレクトロニ
クスまでの広範囲の分野への適用が期待されている注目
すべき新素材である。このカーボンナノチューブは、へ
リウムガス中で２本の炭素電極を 1〜2mm 程度離した状
態で直流アーク放電を起こしたときに、陽極側の炭素が
蒸発して陰極側の炭素電極先端に凝集した堆積物中に形
成される。カーボンナノチューブの製造装置を図３によ
り説明する。図３は従来の製造装置の構成図である。図
３に示すように、密閉容器１中にともに炭素電極からな
る陽極２と陰極３とを配置する。なお、陽極２は電流導
入端子２ａに接続し、陰極３は電流導入端子３ａに接続
している。また、陽極２は、直線運動を可能とする微動
機構４により、図３の紙面左右方向に移動可能となって
いる。そして、密閉容器１内には、低圧の不活性ガスＡ
が導入され、排ガスＢが排気される。また給電設備５に
より電流導入端子２ａ、３ａにアーク放電に必要な電流
が供給される。７は圧力計である。

【０００３】以上の構成において、電流導入端子２ａに
（＋）、電流導入端子３ａに（−）を接続し、陽極２と
陰極３との間隔を 1〜2mm 程度とし、直流電流を流しア
ーク放電を起こす。すると、陽極２の炭素が蒸発し、こ
の蒸発した炭素が再結晶化することにより、陰極３先端
に堆積物が形成される。そして、陰極堆積物と陽極２と
の間を常に 1〜2mm 程度と一定に保つように、陰極堆積
物の成長とともに微動機構４により陽極２を移動させて
いくことにより、陰極３の先端面に陰極堆積物が成長し
ていき、この陰極堆積物内にカーボンナノチューブが生
成する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
製造方法においては、陰極堆積物が均一に生成しないと
いう問題がある。また、陰極堆積物が均一に生成しない
とともに、陽極側の炭素電極先端の変形が大きくなるた
めカーボンナノチューブを一度生成する毎に電極を交換
しなければならないという問題がある。このため、製造
工程の自動化が困難であるという問題がある。

【０００５】本発明は、このような問題に対処するため
になされたもので、陰極堆積物を安定して製造すること
ができ、また、陰極堆積物生成毎に電極を交換する必要
がないため容易に製造工程を自動化することができるカ
ーボンナノチューブの製造方法およびその製造装置を提
供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、炭素電極から
なる陽極と、該炭素電極に対向配置された耐熱性導電材
料からなる陰極との間にアーク放電させる工程と、陰極
面に生成された堆積物を該陰極面から採取する工程とを
備えたカーボンナノチューブの製造方法において、上記
アーク放電させる工程が、所定の放電電流を流してアー
ク放電を継続させる前に、上記所定の放電電流を越えた
初期電流を流すことを特徴とする。

【０００７】また、上記初期電流の値が放電開始後に所
定の放電電流値の 1.5〜3.0倍であることを特徴とす
る。また、上記初期電流を流す期間が放電開始時より 1
0 秒以内であることを特徴とする。

【０００８】本発明のカーボンナノチューブの製造装置
は、容器内に炭素電極からなる陽極と、耐熱性導電材料
からなる陰極とを所定の間隔で対向して配置する手段
と、陰極および陽極間にアーク放電を起こさせる手段と
を備えたカーボンナノチューブの製造装置において、上
記アーク放電を起こさせる手段が、放電開始時の初期電
流値を、放電開始後の放電電流値を越えて設定できる手
段を備えてなることを特徴とする。

【０００９】陰極堆積物が均一に生成しない原因を追及
したところ、陰極堆積物の断面形状が放電開始時の放電
状態に依存することが分かった。その状態を図４に示
す。図４は従来の製造方法における陰極堆積物の生成状
態を示す図である。放電開始時（図４（ａ））に、陽極
２および陰極３の対向面２ｂ、３ｂに凹凸や傾きなどが
あると、放電の偏り９が生じる。放電がいったん偏り９
の部分で発生すると放電電流がその部分に集中して流れ
るため、アーク放電が陽極面２ｂ全面で発生しなくな
る。その結果、偏り９部分にのみ堆積物が生成するの
で、放電終了後（図４（ｂ））は、歪んだ形状の陰極堆
積物８ａとなることが分かった。また、放電電流が集中
して流れる結果、電流密度が上がり、いったん生成した
カーボンナノチューブも焼結してしまうため、陰極堆積
物８ａ内でのカーボンナノチューブの収率が少なくな
る。さらに、図４に示すように、陽極２の断面部分２ｃ
が不均一となる結果、陰極堆積物生成毎に電極を交換し
なければならない。

【００１０】本発明は、このような知見に基づきなされ
たもので、アーク放電させる工程において、定常状態と
なる所定の放電電流を流してアーク放電を継続させる前
に、定常状態の放電電流を越えた初期電流を流すことに
より、放電開始の初期段階に陽極面全体に均一な放電を
起こさせるものである。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態におけるカー
ボンナノチューブの製造装置に関して図１により説明す
る。図１はカーボンナノチューブの製造装置の構成図で
ある。図１に示すように、密閉容器１を備え、その中に
炭素電極からなる陽極２と耐熱性導電材料からなる陰極
３とが配置されている。耐熱性導電材料としては、炭
素、黒鉛、銅などを挙げることができる。好ましい陽極
と陰極の組み合わせは、ともに炭素電極である。陽極２
は直径 5〜20mmであり、陰極３は陽極２の直径より大き
な直径を有している。なお、陽極２は電流導入端子２ａ
に接続し、陰極３は電流導入端子３ａに接続している。
また、陽極２は直線運動を可能とする徴動機構（電極移
動手段）４を備え、陽極２と陰極３の配置方向に移動可
能とされている。この移動方向は、図１の紙面左右方向
である。なお、陽極２を固定して陰極３が移動できるよ
うに構成してもよい。さらに、陰極３の直径を大きくし
て回転できるようにしてもよい。アーク放電により陰極
３の表面に堆積した陰極堆積物を採取するために、図示
を省略した陰極堆積物採取器を陰極３の表面に配置する
ことができる。

【００１２】本装置には、陽極２と陰極３との間にアー
ク放電を生じさせるための電力を供給するための給電設
備５、放電電流値を調節するための電流調整設備６、密
閉容器１内の雰囲気を調節するガス導入設備や排ガス排
気設備等が備えられている。７は圧力計である。電流調
整装置６は、アーク放電時の電流値を任意に制御調節で
きる装置であれば使用することができる。具体的には、
放電開始時の初期電流値を、放電開始後の放電電流値を
越えて設定できればよい。好ましくは初期電流値が、放
電が定常状態となる所定の放電電流の値の 1.5〜3.0倍
に、また初期電流を流す期間が放電開始時より 10 秒以
内となるように設定できる電流調整装置であればよい。
例えばプログラム制御された定電流発生装置などを挙げ
ることができる。また、電流調整装置６が給電設備５と
一体となったものでもよい。

【００１３】次に、上述の製造装置を用いたカーボンナ
ノチューブの製造方法について説明する。まず、密閉容
器１内を 10^-3〜10^-4Pa 程度の真空度とする。ついで、
ガス導入管よりヘリウムガスなどのガスＡを導入し、密
閉容器１内の真空度が 10⁴Pa 程度となるようにする。
なお、ガスはへリウムガスに限るものではなく、アルゴ
ンガスなどであってもよい。また、水素ガス、窒素ガス
と酸素ガスとの混合ガス、窒素ガスと水素ガスとの混合
ガス、窒素ガスまたは二酸化炭素ガスを用いるようにし
てもよい。

【００１４】次に、陽極２が（＋）で陰極３が（−）に
接続された状態で給電設備５および電流調整装置６より
直流電圧を印加し、陽極２と陰極３との間にアーク放電
を生じさせる。まず、定常状態となる所定の放電電流を
越えた初期電流を流すことによりアーク放電を開始す
る。その状態を図２に示す。図２は本発明における陰極
堆積物の生成状態を示す図である。放電開始時に大きな
初期電流を流すことにより陽極の全面２ｂでの放電が容
易に起こりやすくなる（図２（ａ））。その結果、陰極
堆積物８は陽極２とほぼ同じ径で丸く大きなものが生成
する（図２（ｂ））。陽極の全面２ｂでの放電をさせる
ための初期電流値は、所定の放電電流の 1.5〜3.0倍、
好ましくは 1.5〜2.0倍である。初期電流値が 1.5倍未
満であると陽極の全面２ｂで均一な放電が生じない場合
があり、3.0倍を越えると、陰極堆積物が焼結などを起
こしカーボンナノチューブの収率が悪くなる。なお、所
定の放電電流とは、放電が定常状態となる放電電流をい
い、放電を継続させて陰極堆積物８を成長させることの
できる電流値をいう。この電流値は、陽極の形状、種
類、陰極との間隔、雰囲気等によっても異なるが、50〜
400A/cm²、好ましくは 120〜255A/cm²である。

【００１５】初期電流を流す期間は、陽極の全面２ｂで
均一な放電が生じればよく、具体的には放電開始時より
10 秒以内である。なお、均一な放電が生じさえすれ
ば、より短い時間であってもよい。 10 秒を越えて流す
と、陰極堆積物が焼結などを起こしカーボンナノチュー
ブの収率が悪くなる。

【００１６】アーク放電が定常状態となった後、陰極堆
積物８と陽極２との間を常に一定の距離、例えば 1mm程
度の距離を保つように、陰極堆積物８の成長とともに微
動機構４により陽極２を移動させていく。この結果、陰
極３先端に陰極堆積物８が柱状に成長していく。このと
き、柱状に成長する陰極堆積物８の直径は、陽極２の直
径にほぼ等しくなる。そのとき、陰極堆積物８の成長と
ともに、グラファイトからなる外側の固い殻の内側にカ
ーボンナノチューブが形成されていく。この後、所望の
大きさにまで陰極堆積物８を成長させた後、放電を停止
し、密閉容器１内の真空度を低下させて大気圧に開放
し、陰極３先端に成長した陰極堆積物８を採取して、そ
の中央部分のカーボンナノチューブを取り出せば、多量
のカーボンナノチューブを得ることができる。

【００１７】

【実施例】実施例１ 図１に示す装置を用いてカーボンナノチューブを製造し
た。陰極３は直径φ 30mm の黒鉛電極を用い、陽極２は
直径φ10 mm 、長さ 30cmの黒鉛電極を用い、電極間隔
は 1mmに設定した。密閉容器１内に水素ガスを満たし、
その真空度を 10⁴Pa 程度とした。放電電流は、初期値
を 200A×3 秒間、その後の定常値を 100A （電流密度
127/cm²）になるように電流調整装置６および給電設備
５を設定してアーク放電を開始した。アーク放電は陽極
２全面に起った。微動機構４により陽極２を移動させる
ことにより陰極３先端に陰極堆積物が生成した。陰極堆
積物を採取した後、陽極２を交換することなく上記と同
様に放電電流を設定してアーク放電を開始したところ、
陽極２全面に放電が起った。この操作を 10 回繰り返し
たが全て陽極２全面にアーク放電がみられた。

【００１８】比較例１ 放電電流の初期値および定常値をともに 100A に設定す
る以外は、実施例１と同一の方法で陰極堆積物を生成さ
せる操作を 10 回繰り返した。陽極２全面にアーク放電
がみられたのは初回だけであった。陽極２を交換するこ
となくアーク放電を行なうと、全面放電がみられなかっ
た。そのため、陰極堆積物を生成する毎に陽極２を交換
しなければならなかった。

【００１９】本発明は、陰極堆積物を生成する毎に陽極
２を交換することなく、確実に陽極２全面にアーク放電
をさせることができるので、自動化によるカーボンナノ
チューブの連続製造が可能とする。また、確実に陰極堆
積物を生成させることができるので、カーボンナノチュ
ーブの収率を上げることができる。さらに、陽極２を有
効に使用することができるので、製造コストを低下させ
ることができる。

【００２０】

【発明の効果】本発明は、アーク放電によるカーボンナ
ノチューブの製造方法において、定常状態となる所定の
放電電流を流してアーク放電を継続させる前に、その放
電電流を越えた初期電流を流すので、陽極全面にアーク
放電をさせることができる。その結果、再現性よく安定
して大きな陰極堆積物を生成させることができ、収率よ
くカーボンナノチューブを製造することができる。ま
た、陰極堆積物生成毎の電極交換が不要となるので、自
動化による連続生産が安定してでき、材料コストと生産
コストを下げることができる。

【００２１】本発明のカーボンナノチューブの製造装置
は、容器内に炭素電極からなる陽極と、耐熱性導電材料
からなる陰極とを所定の間隔で対向して配置する手段
と、陰極および陽極間にアーク放電を起こさせる手段と
を備えたカーボンナノチューブの製造装置において、上
記アーク放電を起こさせる手段が放電開始時の初期電流
値を、放電開始後の放電電流値を越えて設定できる手段
を備えてなるので、カーボンナノチューブを収率よく連
続生産することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】カーボンナノチューブの製造装置の構成図であ
る。

【図２】陰極堆積物の生成状態を示す図である。

【図３】従来の製造装置の構成図である。

【図４】従来の製造方法における陰極堆積物の生成状態
を示す図である。

【符号の説明】

１ 密閉容器 ２ 陽極 ３ 陰極 ４ 徴動機構 ５ 給電設備 ６ 電流調整装置 ７ 圧力計 ８ 陰極堆積物 ９ 放電の偏り

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 上村 佐四郎 三重県伊勢市上野町字和田700番地 伊勢 電子工業株式会社内 (72)発明者 余谷 純子 三重県伊勢市上野町字和田700番地 伊勢 電子工業株式会社内 Ｆターム(参考） 4G046 CC00 4G075 AA23 AA27 CA17 CA63 DA02 EA02 EA05 EB01 EC21 FB03

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炭素電極からなる陽極と、該炭素電極に
   対向配置された耐熱性導電材料からなる陰極との間にア
   ーク放電させる工程と、前記陰極面に生成された堆積物
   を該陰極面から採取する工程とを備えたカーボンナノチ
   ューブの製造方法において、 前記アーク放電させる工程は、所定の放電電流を流して
   アーク放電を継続させる前に、前記所定の放電電流を越
   えた初期電流を流すことを特徴とするカーボンナノチュ
   ーブの製造方法。
2. 【請求項２】 前記初期電流の値が前記所定の放電電流
   の値の 1.5〜3.0倍であることを特徴とする請求項１記
   載のカーボンナノチューブの製造方法。
3. 【請求項３】 前記初期電流を流す期間が放電開始時よ
   り 10 秒以内であることを特徴とする請求項１または請
   求項２記載のカーボンナノチューブの製造方法。
4. 【請求項４】 容器内に炭素電極からなる陽極と、耐熱
   性導電材料からなる陰極とを所定の間隔で対向して配置
   する手段と、前記陰極および陽極間にアーク放電を起こ
   させる手段とを備えたカーボンナノチューブの製造装置
   において、 前記アーク放電を起こさせる手段は、放電開始時の初期
   電流値を、放電開始後の放電電流値を越えて設定できる
   手段を備えてなることを特徴とするカーボンナノチュー
   ブの製造装置。