JP2002212837A

JP2002212837A - ナノグラファイバの製造方法、ナノグラファイバ、ナノグラファイバを使用した構造物

Info

Publication number: JP2002212837A
Application number: JP2001044333A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Tsuboi; 利行坪井
Original assignee: Futaba Corp
Current assignee: Futaba Corp
Priority date: 2001-01-16
Filing date: 2001-01-16
Publication date: 2002-07-31

Abstract

(57)【要約】【課題】ナノグラファイバを多量に製造することが可
能なナノグラファイバの製造方法を提供すること。【解決手段】チャンバ１３内を５〜５０Ｔｏｒｒのガ
ス雰囲気にして、１対の位置制御装置１１、１１によっ
て１対の炭素電極１、１を所定間隔に維持しながら、放
電用電源装置４から直流電流を供給することによってア
ーク放電を発生させ、これにより、陰極堆積物中にナノ
グラファイバを生成させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ナノグラファイバ
の製造方法、ナノグラファイバ、ナノグラファイバを使
用した機械部品や電子部品等の構造物に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、微少な線状の炭素物質として
カーボンナノチューブやナノグラファイバが知られてお
り、電子放出源等への応用が研究されている。カーボン
ナノチューブには、単層カーボンナノチューブと多層カ
ーボンナノチューブがあることが知られている。単層カ
ーボンナノチューブは、断面が円形の単層の炭素素材で
構成されており、柔らかく曲がりやすいという性質を有
している。一方、多層カーボンナノチューブは、図１３
（ａ）に示すように断面が同心円状に配設された多層構
造の炭素素材によって形成されているものが知られてい
る。

【０００３】図１４及び図１５は、ヘリウムガス雰囲気
下でアーク放電法によって製造した多層カーボンナノチ
ューブの透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真である。図１３
（ａ）に示したように多層カーボンナノチューブは同心
円状の複数の炭素素材層を有しているため硬く、針状結
晶と呼ばれており、曲がる場合には、図１５に示すよう
に折れて曲がるという性質を有している。

【０００４】一方、従来のナノグラファイバは内径が小
さく（２μｍ以下）、図１３（ｂ）に示すように、断面
同心円状の炭素素材を主体として線状に構成されてお
り、多層状になっている。

【０００５】従来の多層カーボンナノチューブでは同心
円状の断面構造を有しており、隣接する層間の相互作用
が強くて層間スライドが起こり難いため硬くて折れて曲
がる。また、多層カーボンナノチューブは同心円構造で
あるため面内導電性に乏しく電子が流れるのは主に最外
層のみである。

【０００６】従来の多層カーボンナノチューブ及びナノ
グラファイバは前述したような特徴を有しており、電界
放出源に利用した場合、多層状に構成されているため単
層カーボンナノチューブに比べて寿命が長くなるという
利点があり、多層カーボンナノチューブ及びナノグラフ
ァイバを多量に製造する方法が研究されている。従来、
ナノグラファイバの製造方法としては、アーク放電法を
用いて、水素５０〜１００Ｔｏｒｒの雰囲気下で製造す
る方法が知られている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、水素５
０〜１００Ｔｏｒｒの雰囲気下で、アーク放電法を用い
てナノグラファイバを製造する方法では、良質のものは
放電初期にしか得られないため、長時間の放電には向か
ず、多量のナノグラファイバを製造することは困難とい
う問題があった。

【０００８】本発明は、ナノグラファイバを多量に製造
することが可能なナノグラファイバの製造方法を提供す
ることを課題としている。また、本発明は、新規なナノ
グラファイバを提供することを課題としている。さらに
本発明は、新規なナノグラファイバを使用した各種構造
物を提供することを課題としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、チャン
バ内に配設した１対の炭素電極間にアーク放電を生じさ
せることによりナノグラファイバを製造するナノグラフ
ァイバの製造方法において、５〜５０Ｔｏｒｒのガス雰
囲気下でアーク放電を生じさせることによりナノグラフ
ァイバを製造するナノグラファイバの製造方法が提供さ
れる。５〜５０Ｔｏｒｒのガス雰囲気下でアーク放電を
生じさせることにより多量のナノグラファイバが製造さ
れる。

【００１０】ここで、３０〜４０Ｔｏｒｒのガス雰囲気
下でアーク放電を生じさせるようにすることがより好ま
しい。また、アーク放電の放電電流を直流１５０Ａ／ｃ
ｍ^２以下、好ましくは１００Ａ／ｃｍ^２〜１１０Ａ／ｃ
ｍ^２の範囲にすることが好ましい。また、前記ガスとし
て、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素又は窒素を用いるこ
とが好ましい。また、前記１対の炭素電極近傍に配設し
たノズルから前記ガスを前記１対の炭素電極に直接吹き
付けながら排気することにより陰極側炭素電極を冷却す
るようにしてもよい。

【００１１】また、本発明によれば、断面が渦巻き状の
炭素素材によって多層構造に形成された線状のナノグラ
ファイバが提供される。また、本発明によれば、断面が
渦巻き状の炭素素材によって中心部に形成された線状の
第１の炭素素材部と、前記第１の炭素素材部の少なくと
も一部を覆う断面が同心円形状でチューブ状の第２の炭
素素材部とから成るナノグラファイバが提供される。こ
こで、前記第１の炭素素材部の端部が前記第２の炭素素
材部から露出していてもよい。

【００１２】また、本発明によれば、断面が渦巻き状の
炭素素材によって形成された線状の第１の炭素素材部
と、断面がチューブ状の炭素素材によって形成され前記
第１の炭素素材部を覆うチューブ状の第２の炭素素材部
とによって構成され、前記第１の炭素素材部の端部の一
方が前記第２の炭素素材部から露出して成ることを特徴
とするスクリューが提供される。第２の炭素素材部を回
転駆動することにより第１の炭素素材部回転し、これに
よりスクリューとして機能する。

【００１３】また、本発明によれば、断面が渦巻き状の
炭素素材によって形成された線状の第１の炭素素材部と
断面が同心円形の炭素素材によって形成され前記第１の
炭素素材部を覆うチューブ状の第２の炭素素材部とによ
って構成され、前記第１の炭素素材部の端部の一方が前
記第２の炭素素材部から露出して成るナノグラファイバ
と、前記第１の炭素素材部の露出部の外周囲にその円周
方向に沿って所定間隔で複数の突起を一体形成すること
により構成される第１の歯車と、前記第２の炭素素材部
の外周囲にその円周方向に沿って所定間隔で複数の突起
を一体形成することにより構成される第２の歯車とを備
えて成ることを特徴とする複歯車が提供される。第１の
歯車と第２の歯車の一方に回転力を加え、他方の歯車で
回転力を伝達することにより、回転速度を変換すること
ができる。また、本発明によれば、前記ナノグラファイ
バを使用した可変抵抗素子が提供される。ナノグラファ
イバを曲げることによって抵抗値を変化させる。

【００１４】

【発明の実施の形熊】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。図１は、本発明の実施の形態に係るナノグ
ラファイバの製造方法に使用するナノグラファイバ製造
装置の概略図で、アーク放電法によってナノグラファイ
バを製造する装置の例を示している。図１において、１
は炭素電極、２は冷却管、３は煤回収用フィルタ、４は
直流電力及び交流電力のいずれも出力可能な放電用電源
装置、５は放電用電源装置４の出力波形を観察するため
のデジタルオシロスコープ、６はロータリーポンプ、７
は真空バルブ、８はのぞき窓、９はガス導入口、１０は
気密用オーリング、１１は位置制御装置、１２は電磁
弁、１３はチャンバである。

【００１５】チャンバ１３内には、１対の炭素電極１、
１が対向して配設されており、各炭素電極１、１は、一
方が陽極、他方が陰極として機能し、１対の位置制御装
置１１、１１によって、所定の一定距離に保たれるよう
に移動制御される。チャンバ１３内は所定のガスで一定
圧力に維持される。チャンバ１３内をガスで所定の一定
圧力にする方法として、チャンバ１３内を所定圧力のガ
スで満たした状態で前記ガスの供給を停止し、チャンバ
１３を閉じた状態にして前記状態を維持するクローズド
システムと、チャンバ１３内に常時ガスを供給すると共
に排気を行うことによってチャンバ１３内を所定のガス
圧に維持するオープンシステムがある。

【００１６】クローズドシステムの場合には、先ずロー
タリーポンプ６でチャンバ１３内を真空にし、破線矢印
で示すようにガス導入口９からチャンバ１３内にガスを
供給して一定の圧力にした後、真空バルブ７を閉じてチ
ャンバ１３内をガスで所定の圧力に維持する。また、オ
ープンシステムの場合には、先ずロータリーポンプ６で
チャンバ１３内を真空にし、破線矢印で示すようにガス
導入口９からチャンバ１３内にガスを供給すると共に、
ロータリーポンプ６でガスを排気することによって、チ
ャンバ１３内をガスで所定の圧力に維持する。

【００１７】次に、以上のように構成されたナノグラフ
ァイバ製造装置を用いてナノグラファイバを製造する方
法を説明する。ナノグラファイバを製造する場合、先
ず、クローズドシステム又はオープンシステムにより、
ガス導入口９から供給する所定のガスによってチャンバ
１３内を所定の圧力に維持する。ガスとしてはあらゆる
種類のガスが使用可能であるが、特に、酸素、一酸化炭
素、二酸化炭素、窒素が好ましい。また、ガスの圧力
は、５〜５０Ｔｏｒｒ、好ましくは３０〜４０Ｔｏｒｒ
が適している。

【００１８】この状態で、１対の位置制御装置１１、１
１によって１対の炭素電極１、１を所定の一定距離に維
持しながら、放電用電源装置４から直流電流を流すこと
によってアーク放電を生じさせる。放電電流としては、
直流１００Ａ／ｃｍ^２〜１１０Ａ／ｃｍ^２の範囲の電流
が適している。尚、アーク放電を生じさせる方式とし
て、交流アーク放電方式、パルスを供給するパルスアー
ク放電方式等も使用できる。前記アーク放電により、前
記陽極を加熱させて、前記陽極を構成する炭素材料を蒸
発させる。陰極に生成する陰極堆積物には、生成した多
量のナノグラファイバが含まれている。尚、アーク放電
によって生成した煤は、フィルタ３で回収する。

【００１９】ガスの供給方法としては、クローズドシス
テムとオープンシステムのいずれの方法も使用すること
ができるが、前記ガスとして酸素を用いたオープンシス
テムの場合、炭素電極１、１が燃焼し、炭素電極１、１
の径が縮小して電流密度が大きくなるため、製造条件の
適正な制御が困難になる場合がある。したがって、炭素
電極１、１近傍にガス導入用のノズル（図示せず）を設
け、前記ノズルから酸素を直接炭素電極１、１に吹き付
けると共に、ロータリポンプ６で酸素を排気することに
より、チャンバ１３内を酸素で所定の圧力に維持するよ
うにする。これにより、炭素電極１、１の燃焼が抑制さ
れ、適正な条件で容易にナノグラファイバを製造するこ
とが可能になる。

【００２０】以上述べたように本発明の実施の形態に係
るナノグラファイバの製造方法は、チャンバ１３内に配
設した１対の炭素電極１、１間にアーク放電を生じさせ
ることによりナノグラファイバを製造するナノグラファ
イバの製造方法において、５〜５０Ｔｏｒｒのガス雰囲
気下、好ましくは３０〜４０Ｔｏｒｒのガス雰囲気下で
アーク放電を生じさせることによりナノグラファイバを
製造するようにしている。したがって、多量のナノグラ
ファイバを容易に製造することが可能になる。

【００２１】ここで、放電電流としては、直流１５０Ａ
／ｃｍ^２以下、好ましくは直流１００Ａ／ｃｍ^２〜１１
０Ａ／ｃｍ^２がより適している。また、前記ガスは、あ
らゆる種類のガスが使用できるが、酸素、一酸化炭素、
二酸化炭素又は窒素が適していることを確認している。
また、前記ガスとして酸素を使用した場合、前記１対の
炭素電極近傍にノズルを配設し、前記酸素を前記ノズル
から前記１対の炭素電極に直接を吹き付けながら排気し
て一定ガス圧に維持するようにすれば、電界放出特性に
優れたナノグラファイバを製造することができる。

【００２２】ところで、前記方法によって製造した陰極
堆積物中には、断面が渦巻き状の炭素素材によって形成
された線状の第１の炭素素材部と、断面が円形状の炭素
素材によって形成され、前記第１の炭素素材部の少なく
とも一部を覆うチューブ状の第２の炭素素材部とから成
る新規な構造のナノグラファイバが含まれている。図２
は前記ナノグラファイバの構造を示す図で、図２（ａ）
は前記ナノグラファイバの側面図、同図（ｂ）は同図
（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

【００２３】図２において、第１の炭素素材部２１は、
平面状の炭素素材が断面渦巻き状に形成され、全体が線
状に形成されている。第２の炭素素材部２２は、炭素素
材が断面同心円形状に形成されて全体がチューブ状に形
成され、前記第１の炭素素材部２１の一部を覆ってい
る。第１の炭素素材部２１と第２の炭素素材部２２は、
相互に連結している。また、図２の例では、第２の炭素
素材部２２は同心円状で多層構造となっている。

【００２４】前記ナノグラファイバは、先ず第１の炭素
素材部２１が生成され、その後、第１の炭素素材部２１
を被覆するように第２の炭素素材部２２が成長する過程
で、第２の炭素素材部２２の成長が停止したものと考え
られる。第１の炭素素材部２１は渦巻き状に形成されて
いるため第２の炭素素材部２２から露出した部分は柔ら
かくて曲がりやすく、曲がる場合にも折れずに曲がると
いう性質を有している。また、第２の炭素素材部２２は
同心円構造になっているため硬いという性質を有してい
る。

【００２５】前記ナノグラファイバは、以上のような性
質を有しているため、ナノサイズの機械部品や電子部品
等の構造物として応用することが可能である。例えば、
第１の炭素素材部２１の長さが長い鞭状の前記ナノグラ
ファイバを用いて、硬くて太い第２の炭素素材部２２を
力点、柔らかくて細い第１の炭素素材部２１を作用点と
すれば、切断器具やスクリューとして利用できる。

【００２６】また、第１の炭素素材部２１の長さが短い
前記ナノグラファイバを用いて、第１の炭素素材部２１
と第２の炭素素材部２２を化学修飾して突起を形成する
ことにより、仕事率変換等を行う複歯車として利用でき
る。また、渦巻き構造は温度等の外的刺激により層間距
離が変化することを利用してセンサとして利用できる。
また、前記ナノグラファイバは、曲がることによって抵
抗値が変化するため、可変抵抗素子として利用できる。
また、被覆導線、同軸ケーブルに応用することができ
る。

【００２７】尚、炭素物質である前記ナノグラファイバ
には、図２に示した構造のものだけでなく、渦巻き構造
と同心円構造とが、半径方向に複数交互に積層された構
造のものもある。また、断面が渦巻き状の炭素素材によ
って多層構造に形成された線状のものもある。また、第
２の炭素素材部２２が、第１の炭素素材部２１の端部も
含めて、第１の炭素素材部２１全体を覆う構造のものも
ある。また、第２の炭素素材部２２が第１の炭素素材部
２１を覆うと共に、第１の炭素素材部２１の端部以外の
部分が第２の炭素素材部２２の間から露出している構造
のものもある。

【００２８】また、第２の炭素素材部２２が第１の炭素
素材部２１を覆うと共に、第１の炭素素材部２１の端部
が露出し、且つ、第１の炭素素材部２１の端部以外の一
部分が第２の炭素素材部２２の間から露出している構造
のものもある。また、第２の炭素素材部２２から露出し
ている第１の炭素素材部２１の部分が、完全な渦巻き構
造ではなく、第１の炭素素材部２１の外側部分の一部に
同心円構造をもつものもある。

【００２９】また、第２の炭素素材部２２から露出して
いる第１の炭素素材部２１の外側部分に構造の乱れが生
じ、渦巻き構造と同心円構造が入り乱れているものもあ
る。前記ナノグラファイバの全体の外径は数ナノメート
ル〜数百ナノメートルで、長さは数十ナノメートル以上
である。第１の炭素素材部２１の外径は、前記ナノグラ
ファイバの全外径の５〜９５％である。前述したような
第１の炭素素材部２１の一部が第２の炭素素材部２２か
ら露出した構造のナノグラファイバは、第２の炭素素材
部２２が第１の炭素素材部２１全体を覆う構造のナノグ
ラファイバを、機械的あるいは熱的に処理することによ
って、一部あるいは全部の外層同心円部を除去して形成
することもできる。

【００３０】図３は、鞭状の前記ナノグラファイバをス
クリューに応用した例を示す図で、図２と同一部分には
同一符号を付している。図３において、モータ３１によ
って第２の炭素素材部２２を回転させ、これにより、第
１の炭素素材部２１の第２の炭素素材部２２から露出し
ている部分を回転させる。第１の炭素素材部２１は柔ら
かいため、微生物の鞭毛のように回転してスクリューと
して機能することになる。

【００３１】図４は、第１の炭素素材部２１と第２の炭
素素材部２２の径が異なることに着目して、前記ナノグ
ラファイバを用いて構成した複歯車を示す図で、図２と
同一部分には同一符号を付している。図４において、第
１の炭素素材部２１の露出部の外周囲にその円周方向に
沿って所定間隔で複数の突起４１を化学修飾によって一
体形成することにより第１の歯車を形成する。また、第
２の炭素素材部２２の外周囲にその円周方向に沿って所
定間隔で複数の突起４２を化学修飾によって一体形成す
ることにより第２の歯車を形成する。これにより、仕事
率変換等を行う複歯車が形成される。また、前記ナノグ
ラファイバは、曲げることによって抵抗値が変化するた
め、可変抵抗素子として使用することが可能である。

【００３２】

【実施例】次に、本発明のナノグラファイバの製造方法
に係る実施例について説明する。（１）第１の実施例第１の実施例は、ガスとして酸素を使用したクローズド
システムの例である。電極としてφ１３×７５ｍｍの純
粋炭素電極を使用した。製造条件：酸素２０Ｔｏｒｒ、放電電流直流１８０Ａ
（単位面積当たりの放電電流直流１０６．５Ａ／ｃ
ｍ^２）、放電時間５分この条件下では、中空の陰極堆積物が成長して陰極堆積
物０．９９ｇ得られ、ナノグラファイバが存在する中心
の黒い部分が０．１２ｇ得られた。また、ナノグラファ
イバが多量に生成するような高品質の陰極堆積物の場合
にできる針状の塊は見られなかった。

【００３３】製造条件：酸素３０Ｔｏｒｒ、放電電流
直流１０６．５Ａ／ｃｍ^２、放電時間２５分、直流放電
電圧１９〜２１Ｖこの条件下では、陽極蒸発量が９．８５ｇ、陽極蒸発速
度が０．３９ｇ／ｍｉｎ、中身の詰まった陰極堆積物量
が６．９３ｇ（陽極蒸発量の７０．３％）、生成した粗
ナノグラファイバ量が１．６４ｇ（陽極蒸発量の１６．
７％）、煤回収量が２．６０ｇ（陽極蒸発量の２６．４
％）で、針状（長さ数ミリ）の塊が多数存在した。ＴＥ
Ｍ観察の結果、生成した粗ナノグラファイバ中の大部分
が中空部分の小さい柔らかいナノグラファイバであるこ
とが確認できた。

【００３４】製造条件：酸素４０Ｔｏｒｒ、放電電流
直流１０６．５Ａ／ｃｍ^２、放電時間２５分、直流放電
電圧２０〜２１Ｖこの条件下では、陽極蒸発量が５．５７ｇ、陽極蒸発速
度が０．３７ｇ／ｍｉｎ、中身の詰まった陰極堆積物量
が４．０６ｇ（陽極蒸発量の７２．８％）、生成した粗
ナノグラファイバ量が１．２６ｇ（陽極蒸発量の２２．
６％）、煤回収量が０．９６ｇ（陽極蒸発量の１７．３
％）で、針状の塊が多数存在した。ＴＥＭ観察の結果、
生成した粗ナノグラファイバ中の大部分が中空部分の小
さい柔らかいナノグラファイバであることが確認でき
た。

【００３５】製造条件：酸素５０Ｔｏｒｒ、放電電流
１０６．５Ａ／ｃｍ^２、放電時間５分、放電電圧２０〜
２１Ｖこの条件下では、陽極蒸発量が４．３４ｇ、陽極蒸発速
度が０．８７ｇ／ｍｉｎ、中空芯を含む陰極堆積物量が
３．０３ｇ（陽極蒸発量の６９．８％）、生成した粗ナ
ノグラファイバ量が０．７０ｇ（陽極蒸発量の１６．１
％）、煤回収量が０．７６ｇ（陽極蒸発量の１７．５
％）で、針状の塊が存在した。また、陰極堆積物には、
放電の後半から、中空の芯ができ、集率を低下させてい
た。

【００３６】酸素６０Ｔｏｒｒ以上では、放電が途中
で止まりやすく、陰極堆積物が成長しても大きな芯がで
き、針状の塊は見られないため、ナノグラファイバはあ
まり生成していないと思われる。図７は、ナノグラファ
イバの生成量に与える圧力の影響を調べるために、前述
の如くして生成したナノグラファイバを用いて電界電子
放出源を構成し、その電界放出特性（Ｉ−Ｖ特性）を測
定したグラフである。ガスとして、前述したように酸素
を用いて製造したものと、ヘリウムを用いた従来の方法
によって製造したものの例を示している。前記電界放出
特性の測定は、真空雰囲気中に、１００ミクロン厚のス
ペーサを挟んで、陽極電極と前記の如くして製造したナ
ノグラファイバを被着形成した陰極電極とを配設し、両
電極間に印加する電圧Ｖと流れる電流Ｉを測定すること
により行った。電界放出特性の結果から、酸素雰囲気下
では高純度、即ち多量にナノグラファイバを製造可能な
酸素圧力は、５〜５０Ｔｏｒｒの範囲が実用的であり、
好ましくは、３０〜４０Ｔｏｒｒが適している。

【００３７】（２）第２の実施例第２の実施例は、ガスとして二酸化炭素を使用したクロ
ーズドシステムの例である。尚、ガスとして一酸化炭素
を使用したクローズドシステムの場合も同様である。電
極は前記第１の実施例と同じφ１３ｍｍの純粋炭素電極
を使用した。製造条件：二酸化炭素２５Ｔｏｒｒ、放電電流直流１
０６．５Ａ／ｃｍ^２、放電時間５分、直流放電電圧１７
〜１８Ｖこの条件下では、陽極蒸発量が１．６１ｇ、陽極蒸発速
度が０．３２ｇ／ｍｉｎ、中空の陰極堆積物量が１．１
１ｇ（陽極蒸発量の６８．９％）、生成した粗ナノグラ
ファイバ量が０．２８ｇ（陽極蒸発量の１７．４％）、
煤回収量が０．３１ｇ（陽極蒸発量の１９．４％）で、
陰極堆積物中に針状（長さ数ミリ）の塊が存在した。ま
た、長時間放電すると陰極堆積物の中央が窪んでくると
いう現象が見られた。

【００３８】製造条件：二酸化炭素３０Ｔｏｒｒ、放
電電流直流１０６．５Ａ／ｃｍ^２、放電時間５分、直流
放電電圧１８〜２０Ｖこの条件下では、陽極蒸発量が２．１７ｇ、陽極蒸発速
度が０．４３ｇ／ｍｉｎ、中身の詰まった陰極堆積物量
が１．５０ｇ（陽極蒸発量の６９．１％）、生成した粗
ナノグラファイバ量が０．３９ｇ（陽極蒸発量の１８．
０％）、煤回収量が０．４２ｇ（陽極蒸発量の１９．４
％）で、針状の塊が多数存在した。ＴＥＭ観察の結果、
生成した粗ナノグラファイバ中の大部分が中空部分の小
さい柔らかいナノグラファイバであることが確認でき
た。

【００３９】製造条件：二酸化炭素４０Ｔｏｒｒ、放
電電流１０６．５Ａ／ｃｍ^２、放電時間１５分、放電電
圧１８〜２１Ｖこの条件下では、陽極蒸発量が７．２４ｇ、陽極蒸発速
度が０．４８ｇ／ｍｉｎ、中身の詰まった陰極堆積物量
が５．１３ｇ（陽極蒸発量の７０．９％）、生成した粗
ナノグラファイバ量が１．４５ｇ（陽極蒸発量の２０．
０％）、煤回収量が１．５０ｇ（陽極蒸発量の２０．７
％）で、針状の塊が多数存在した。ＴＥＭ観察の結果、
生成した粗ナノグラファイバ中の大部分が中空部分の小
さい柔らかいナノグラファイバであることが確認でき
た。

【００４０】製造条件：二酸化炭素１００Ｔｏｒｒ、
放電電流１０６．５Ａ／ｃｍ^２、放電時間７分、放電電
圧２０〜２２Ｖこの条件下では、陽極蒸発量が７．１６ｇ、陽極蒸発速
度が１．０２ｇ／ｍｉｎ、陰極堆積物量が５．７４ｇ
（陽極蒸発量の８０．１％）、生成した粗ナノグラファ
イバ量が１．２１ｇ（陽極蒸発量の１６．９％）、煤回
収量が０．８６ｇ（陽極蒸発量の１２．０％）で、針状
の塊が存在した。陰極堆積物中には、放電の途中から大
きな芯（１．３０ｇ）が生成しており、長時間放電には
好ましくない。ＴＥＭ観察の結果、生成したナノグラフ
ァイバは中空部分が大きくて折れ曲がりやすく、ナノグ
ラファイバよりも多層カーボンナノチューブの方が多い
ことが確認できた。以上のようにして製造した粗ナノグ
ラファイバを用いて、実施例１と同様に電界放出特性
（Ｉ−Ｖ特性）を測定した結果、二酸化炭素の場合に
は、５〜５０Ｔｏｒｒの範囲で多量のナノグラファイバ
を製造することが可能であり、好ましくは、３０〜４０
Ｔｏｒｒの範囲が適していることが確認できた。

【００４１】（３）第３の実施例第３の実施例は、ガスとして窒素を使用したクローズド
システムの例である。電極は前記第１の実施例と同じで
ある。製造条件：窒素３０Ｔｏｒｒ、放電電流直流１０６．
５Ａ／ｃｍ^２、放電時間１５分、直流放電電圧１６〜１
８Ｖこの条件下では、陽極蒸発量が５．３９ｇ、陽極蒸発速
度が０．３６ｇ／ｍｉｎ、中身の詰まった陰極堆積物量
が３．７４ｇ（陽極蒸発量の６９．４％）、生成した粗
ナノグラファイバ量が０．９７ｇ（陽極蒸発量の１８．
０％）、煤回収量が１．３１ｇ（陽極蒸発量の２４．２
％）で、陰極堆積物中に長い（十数ミリの）針状の塊が
存在した。

【００４２】製造条件：窒素４０Ｔｏｒｒ、放電電流
直流１０６．５Ａ／ｃｍ^２、放電時間１５分、直流放電
電圧１７〜１９Ｖこの条件下では、陽極蒸発量が５．０５ｇ、陽極蒸発速
度が０．３４ｇ／ｍｉｎ、中身の詰まった陰極堆積物量
が３．８１ｇ（陽極蒸発量の７５．４％）、生成した粗
ナノグラファイバ量が０．９７ｇ（陽極蒸発量の１９．
２％）、煤回収量が１．１４ｇ（陽極蒸発量の２２．５
％）で、長い（十数ミリの）針状の塊が多数存在した。
ＴＥＭ観察の結果、生成した粗ナノグラファイバ中に
は、中空部分が細いものと太いもの、折れ曲がるものと
撓るものが混在しており、ナノグラファイバと多層カー
ボンナノチューブが同時に生成する条件であることが確
認できた。

【００４３】製造条件：窒素１００Ｔｏｒｒ、放電電
流１０６．５Ａ／ｃｍ^２、放電時間１３分、放電電圧２
２〜２４Ｖこの条件下では、陽極蒸発量が１２．３５ｇ、陽極蒸発
速度が０．９５ｇ／ｍｉｎ、陰極堆積物量が１０．０４
ｇ（陽極蒸発量の８１．３％）、生成した粗ナノグラフ
ァイバ量が１．８３ｇ（陽極蒸発量の１４．８％）、煤
回収量が１．６３ｇ（陽極蒸発量の１３．２％）であっ
た。陰極堆積物の表面には、疣のような突起が多くみら
れた。以上のようにして製造した粗ナノグラファイバを
用いて、実施例１と同様に電界放出特性（Ｉ−Ｖ特性）
を測定した結果、窒素の場合には、５〜５０Ｔｏｒｒの
範囲で多量のナノグラファイバを製造することが可能で
あり、好ましくは、３０〜４０Ｔｏｒｒの範囲が適して
いることが確認できた。

【００４４】（４）第４の実施例第４の実施例は、ガスとして酸素を使用したオープンシ
ステムの例である。電極は前記第１の実施例と同じであ
る。この場合、炭素電極１、１近傍にガス導入用のノズ
ルを設け、前記ノズルから酸素を直接炭素電極１、１に
吹き付けることにより陰極を冷却するようにする。酸素の圧力が５０Ｔｏｒｒで酸素流量が２００ｃｃ／
ｍの場合、及び、酸素の圧力が４０Ｔｏｒｒで酸素流
量が１０ｃｃ／ｍの場合、前述した実施例１の場合より
もＩ−Ｖ特性が向上することが確認できた。本第４の実
施例の場合も、酸素５〜５０Ｔｏｒｒの範囲で多量のナ
ノグラファイバを製造することが可能であり、好ましく
は、３０〜４０Ｔｏｒｒの範囲が適していることが確認
できた。

【００４５】（５）第５の実施例第５の実施例は、ガスとして二酸化炭素を使用したオー
プンシステムの例である。尚、一酸化炭素を使用したオ
ープンシステムの場合も同様である。電極は前記第１の
実施例と同じである。二酸化炭素を使用したオープンシ
ステムの場合には、炭素電極１、１が燃焼する恐れがな
いため、図１のガス導入口９から二酸化炭素を供給す
る。本第５の実施例の場合にも、二酸化炭素５〜５０Ｔ
ｏｒｒの範囲で多量のナノグラファイバを製造すること
が可能であり、好ましくは、３０〜４０Ｔｏｒｒの範囲
が適していることが確認できた。尚、二酸化炭素４０Ｔ
ｏｒｒの雰囲気下において、１０ｌ／ｍｉｎの流量を流
して作成したナノグラファイバを電界電子放出源に応用
すると、前記第２の実施例で生成したナノグラファイバ
に比べて、Ｉ−Ｖ特性は劣化するものの、寿命が数倍延
びることを確認できた。

【００４６】（６）第６の実施例第６の実施例は、ガスとして窒素を使用したオープンシ
ステムの例である。電極は前記第１の実施例と同じであ
る。窒素を使用したオープンシステムの場合にも二酸化
炭素の場合と同様に、炭素電極１、１が燃焼する恐れが
ないため、図１のガス導入口９から窒素を供給する。本
第６の実施例の場合にも、窒素５〜５０Ｔｏｒｒの範囲
で多量のナノグラファイバを製造することが可能であ
り、好ましくは、３０〜４０Ｔｏｒｒの範囲が適してい
ることが確認できた。

【００４７】ところで、前記方法によって製造した陰極
堆積物中に、断面が渦巻き状の炭素素材によって形成さ
れた線状の第１の炭素素材部と、断面が円形状の炭素素
材によって形成され、前記第１の炭素素材部の少なくと
も一部を覆うチューブ状の第２の炭素素材部とから成る
新規な構造の前記ナノグラファイバが含まれている。図
５及び図６は、前記第１の実施例の製造方法で製造した
前記ナノグラファイバのＴＥＭ写真である。図５に示す
ように、短い第１の炭素素材部の先端部が第２の炭素素
材部から露出した構造の前記ナノグラファイバが確認で
きる。また、図６に示すように、前記ナノグラファイバ
が折れることなく曲がっている様子が確認できる。

【００４８】図８〜図１０は、前記第２の実施例の製造
方法で製造した前記ナノグラファイバのＴＥＭ写真であ
る。図８には、長い第１の炭素素材部が第２の炭素素材
部から露出している構造の前記ナノグラファイバが確認
できる。また、図８〜図１０に示すように、第１の炭素
素材部は鞭状に長く、折れることなく、しなるように曲
がっていることがわかる。また、図１０に示すように、
前記ナノグラファイバはしなるように曲がりやすく、束
になることがわかる。

【００４９】図１１は、前記第１の実施例の製造方法で
製造した前記ナノグラファイバのＴＥＭ写真である。線
状の第１の炭素素材部の先端部が露出することなく、第
２の炭素素材部に覆われていることがわかる。図１２も
同様にして得られたナノグラファイバのＴＥＭ写真であ
り、最外層の渦巻き構造が先端からはみ出している。

【００５０】

【発明の効果】本発明のナノグラファイバの製造方法に
よれば、多量のナノグラファイバを製造することが可能
になる。また、本発明によれば、新規なナノグラファイ
バが提供される。また、新規なナノグラファイバを使用
して、スクリューなどの各種構造物を提供することが可
能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係るナノグラファイバ
の製造方法に使用する製造装置の概略図である。

【図２】本発明の実施の形態に係るナノグラファイバ
を示す図である。

【図３】本発明の実施の形態に係るスクリューを示す
図である。

【図４】本発明の実施の形態に係る複歯車を示す図で
ある。

【図５】本発明の実施例に係るナノグラファイバの透
過電子顕微鏡写真である。

【図６】本発明の実施例に係るナノグラファイバの透
過電子顕微鏡写真である。

【図７】本発明の実施の形態に係るナノグラファイバ
の製造方法の効果を説明するためのＩ−Ｖ特性を示す図
である。

【図８】本発明の実施例に係るナノグラファイバの透
過電子顕微鏡写真である。

【図９】本発明の実施例に係るナノグラファイバの透
過電子顕微鏡写真である。

【図１０】本発明の実施例に係るナノグラファイバの
透過電子顕微鏡写真である。

【図１１】本発明の実施例に係るナノグラファイバの
透過電子顕微鏡写真である。

【図１２】本発明の実施例に係るナノグラファイバの
透過電子顕微鏡写真である。

【図１３】多層カーボンナノチューブ及びナノグラフ
ァイバを示す図である。

【図１４】多層カーボンナノチューブの透過電子顕微
鏡写真である。

【図１５】多層カーボンナノチューブの透過電子顕微
鏡写真である。

【符号の説明】

１・・・炭素電極２・・・冷却管３・・・煤回収用フィルタ４・・・放電用電源５・・・デジタルオシロスコープ６・・・ロータリーポンプ７・・・真空バルブ８・・・のぞき窓９・・・ガス導入口１０・・・気密用オーリング１１・・・位置制御装置１２・・・電磁弁１３・・・チャンバ２１・・・第１の炭素素材部２２・・・第２の炭素素材部３１・・・モータ４１・・・突起

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】チャンバ内に配設した１対の炭素電極間
にアーク放電を生じさせることによりナノグラファイバ
を製造するナノグラファイバの製造方法において、５〜５０Ｔｏｒｒのガス雰囲気下でアーク放電を生じさ
せることによりナノグラファイバを製造するナノグラフ
ァイバの製造方法。
【請求項２】３０〜４０Ｔｏｒｒのガス雰囲気下でア
ーク放電を生じさせることを特徴とする請求項１記載の
ナノグラファイバの製造方法。
【請求項３】放電電流が直流１００Ａ／ｃｍ^２〜１５
０Ａ／ｃｍ^２であることを特徴とする請求項１又は２記
載のナノグラファイバの製造方法。
【請求項４】前記ガスは、酸素、一酸化炭素、二酸化
炭素又は窒素であることを特徴とする請求項１乃至３の
いずれか一に記載のナノグラファイバの製造方法。
【請求項５】前記１対の炭素電極近傍に配設したノズ
ルから前記ガスを前記１対の炭素電極に直接吹き付けな
がら排気することにより陰極側炭素電極を冷却すること
を特徴とする請求項１乃至４のいずれか一に記載のナノ
グラファイバの製造方法。
【請求項６】断面が渦巻き状の炭素素材によって多層
構造に形成された線状のナノグラファイバ。
【請求項７】断面が渦巻き状の炭素素材によって中心
部に形成された線状の第１の炭素素材部と、前記第１の
炭素素材部の少なくとも一部を覆う断面が同心円形状で
チューブ状の第２の炭素素材部とから成るナノグラファ
イバ。
【請求項８】前記第１の炭素素材部の端部が前記第２
の炭素素材部から露出していることを特徴とする請求項
７記載のナノグラファイバ。
【請求項９】断面が渦巻き状の炭素素材によって形成
された線状の第１の炭素素材部と、断面がチューブ状の
炭素素材によって形成され前記第１の炭素素材部を覆う
チューブ状の第２の炭素素材部とによって構成され、前
記第１の炭素素材部の端部の一方が前記第２の炭素素材
部から露出して成ることを特徴とするスクリュー。
【請求項１０】断面が渦巻き状の炭素素材によって形
成された線状の第１の炭素素材部と断面が同心円形の炭
素素材によって形成され前記第１の炭素素材部を覆うチ
ューブ状の第２の炭素素材部とによって構成され、前記
第１の炭素素材部の端部の一方が前記第２の炭素素材部
から露出して成るナノグラファイバと、前記第１の炭素
素材部の露出部の外周囲にその円周方向に沿って所定間
隔で複数の突起を一体形成することにより構成される第
１の歯車と、前記第２の炭素素材部の外周囲にその円周
方向に沿って所定間隔で複数の突起を一体形成すること
により構成される第２の歯車とを備えて成ることを特徴
とする複歯車。
【請求項１１】請求項６、７又は８記載のナノグラフ
ァイバを使用した可変抵抗素子。