JP2005239504A

JP2005239504A - 加熱体からの伝熱による繊維状炭素の製造方法および製造装置

Info

Publication number: JP2005239504A
Application number: JP2004053918A
Authority: JP
Inventors: Hisahiro Ando; 寿浩安藤; Kiyoharu Nakagawa; 清晴中川; Mika Gamo; 美香蒲生; Yoichi Sato; 洋一佐藤; Yoshinori Chiku; 義則知久; Yosuke Takazawa; 要介高澤
Original assignee: National Institute for Materials Science; Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: National Institute for Materials Science; Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2004-02-27
Filing date: 2004-02-27
Publication date: 2005-09-08

Abstract

【課題】石英のような絶縁体基板であっても、この基板上にカーボンナノチューブのような繊維状炭素を生成させることができる繊維状炭素の製造方法およびその製造装置を提供する。
【解決手段】触媒(Ｆｅ)12を付着した基板(石英製基板)11と加熱体(ｎ型Ｓｉ基板)13とを液体有機化合物(メタノール)15中に配置し、そして、電源装置20から金属電極14に直流電流を流して加熱体13を加熱し、この加熱体13からの伝熱で基板11を一定温度に保つことで、基板11の表面に繊維状炭素(カーボンナノチューブ)を生成させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、カーボンナノチューブのような繊維状炭素の製造方法およびその製造装置に関し、特に、加熱体からの伝熱による上記繊維状炭素の製造方法およびその製造装置に関する。

基板に直接、カーボンナノチューブのような繊維状炭素を製造することは、ＦＥＤを始めとする電子デバイス分野において極めて有用である。その手法にひとつに、特許文献１(特開2003−12312号公報)に見られるように、有機液体中で触媒微粒子を堆積した基板(Ｓｉ基板)に電流を流して直接的に加熱する方法が提案されている。
すなわち、上記特許文献１には、「触媒微粒子を堆積した基板(Ｓｉ基板)を有機液体中で一定温度に加熱（具体的には、基板(Ｓｉ基板)に電流を流して加熱する）して合成する、有機液体による高配向整列カーボンナノチューブの合成方法。」が開示されている。

特開２００３−１２３１２号公報（請求項１，２，６参照）

前記特許文献１に開示されている方法では、Ｓｉ基板のような半導体を想定しているため、例えば石英のような絶縁体基板では電流を直接流すことができず、適用することができない。
そこで、本発明は、石英のような絶縁体基板であっても、この基板上にカーボンナノチューブのような繊維状炭素を生成させることができる繊維状炭素の製造方法およびその製造装置を提供することを課題(目的)とする。

本発明は、加熱体からの伝熱による繊維状炭素の製造方法および製造装置である。すなわち、本発明に係る繊維状炭素の製造方法は、「触媒金属を表面に付着した基板と加熱体とを液体有機化合物中に配置し、加熱体からの伝熱で基板を一定温度に保つことで、基板表面に繊維状炭素を生成させる」ことを特徴としている。
また、本発明に係る繊維状炭素の製造装置は、「触媒金属を付着した基板と加熱体を有し、前記加熱体を加熱する手段と、前記基板および加熱体を液体有機化合物中に収容する反応容器とを備えてなり、前記加熱手段により高温となった加熱体から基板への伝熱によって、前記触媒付着基板面に繊維状炭素を生成生成させる」ことを特徴としている。

このように、触媒金属を表面に付着した基板と加熱体とを液体有機化合物中に配置し、その後、加熱手段によって外部から加熱体を高温にし、熱伝導によって基板を一定温度に保つことにより、石英のような絶縁体基板であっても、この基板上にカーボンナノチューブのような繊維状炭素を生成させることができ、前記課題(目的)を達成することができる。

本発明は、加熱体からの伝熱による繊維状炭素の製造方法および製造装置であり、前記したように、触媒金属を表面に付着した基板と加熱体とを用いるものであるが、このうち、基板としては、特に、石英，ガラス，ジルコニア，アルミナ（サファイアを含む），ダイヤモンド，窒化ケイ素などの絶縁体を用いることが好ましい。このような絶縁体基板面にカーボンナノチューブのような繊維状炭素を生成させたものは、例えば、ＦＥＤのカソード基板（ガラス基板，カソード電極層，抵抗層などから構成されているカソード基板）等に好適に使用することができる。このような用途に使用する場合、予めカーボンナノチューブを生成したい部分にだけ触媒金属を付着させておけば、ガラス基板に（実際には抵抗層の上に）直接カーボンナノチューブを選択的に生成させることができる。
なお、基板表面に付着させる触媒金属としては、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉの中の１元素、あるいは、これらの合金の使用が好ましく、このような触媒金属を基板上に薄膜または島状に堆積させるのが好ましい。

本発明で用いる加熱体としては、金属（例えば、ＳＵＳ，タングステン，モリブデン，白金，レニウムなどの金属）もしくは半導体（Ｓｉ），液体透過性を有する基材、具体的にはカーボンペーパーもしくはカーボンクロスが好ましい。
このような加熱体を加熱する手段としては、加熱体として金属もしくは半導体を使用する場合、該加熱体に電流を直接流して抵抗加熱で加熱することが好ましい実施の形態である。また、カーボンペーパーもしくはカーボンクロスを使用する場合も、該加熱体に電流を直接流して抵抗加熱で加熱することが好ましい。さらに、加熱体として特に金属を使用する場合、誘導加熱によって加熱することも好ましい実施の形態である。

本発明において、液体有機化合物としては、脂肪族炭化水素，芳香族炭化水素または含酸素液体有機化合物が好ましく、具体的には、メタノールやエタノールのようなアルコール、ベンゼンのような芳香族炭化水素を用いることが好ましい。

次に、本発明で用いる基板と加熱体との配置および基板上の触媒位置について、その好ましい実施の形態を説明する。
本発明において、基板と加熱体とを平行状態で面的に密着させ、該加熱体と接合する反対面の基板表面に触媒金属が付着させることが好ましい。

また、加熱体として、液体透過性を有する基材を用いる場合、この加熱体と基板とを平行状態で面的に接合させ、そして、この加熱体と接合する基板表面に触媒金属を付着させる。この場合の好ましい実施の形態としては、液体透過性を有する基材として、表面の凹凸が多いカーボンペーパーを用い、このカーボンペーパーと基板とを平行状態で面的に接合させ、この接合面である基板表面に触媒金属を付着させる。なお、繊維状炭素(カーボンナノチューブ)は、触媒金属付着基板面に生成するが、表面の凹凸が多いカーボンペーパーを用いることから、これとの接合面である触媒金属付着基板面には、上記繊維状炭素の生成スペースが十分に存在する。

さらに、基板の一方の面に加熱体を直接形成し、その反対面に触媒金属を付着させること、例えば、基板の片面に、加熱体に相当する“加熱用の金属膜”を形成し、その反対面に触媒を付着させて、１枚で両者の機能を兼ねさせることも、本発明の好ましい実施の形態である。

なお、基板と加熱体との配置について、この両者を密着させる例および一体成形する例を挙げたが、本発明は該例に限定されるものではなく、加熱体からの伝熱で基板が加熱することができるものであれば、例えば、基板のごく近傍に加熱体を配置することもでき、これも本発明に包含される。

次に、本発明に係る繊維状炭素の製造装置の好ましい実施の形態について、図１に基づき説明する。
本発明に係る繊維状炭素の製造装置の好ましい実施の形態は、図１に示すように、触媒１２を付着させた基板１１および加熱体１３を液体有機化合物１５中に収容する反応容器１０と、この反応容器１０の外部に電源装置２０を配設した装置からなる。そして、電源装置２０から金属電極１４，１４に直流電流を流して加熱体１３を加熱し、この加熱体１３から基板１１への伝熱によって、基板１１の表面に繊維状炭素(図示せず)を生成させるものである。

次に、本発明の実施例（カーボンナノチューブを製造する例）を、前掲の図１を参照して説明するが、本発明は、以下の実施例により限定されるものではない。

本実施例において、加熱体１３としては、抵抗率が２×１０^−４(Ω・ｍ)のｎ型Ｓｉを用い、１０×２５ｍｍにカットした。また、カーボンナノチューブを製造する基板１１として厚さ０．３ｍｍの石英を選び、その片側にＡｒガス中でのマグネトロンスパッタ法により、平均厚さ５ｎｍのＦｅを触媒（カーボンナノチューブ生成用触媒）１２として堆積した。なお、基板１１の端部でもきちんと加熱体１３からの熱が伝わるように、基板１１のサイズを８×２５ｍｍとし、加熱体１３よりも若干小さいものとした。

そして、触媒１２が付着していない基板(石英製基板)１１の面と、加熱体１３であるｎ型Ｓｉ基板とを密着した上で、両端をそれぞれ金属電極１４，１４で挟み、カーボンナノチューブの原料となる液体有機化合物１５を入れたガラス製の反応容器１０内に沈めた。なお、本実施例では、液体有機化合物として、高純度メタノール(純度９９．７％)を用いた。

続いて、電源装置２０から両金属電極１４，１４に直流電流を除々に流し、加熱体１３であるｎ型Ｓｉ基板自体の抵抗を利用して、約１０００℃に加熱した。この際の温度は、放射温度計を用いて、ｎ型Ｓｉ基板の表面に焦点を合わせて測定した。温度を上げることで、加熱体１３であるｎ型Ｓｉ基板だけでなく、基板(石英製基板)１１の表面からも大量の気泡が発生しており、伝熱によって加熱されていることが確認できた。こうして加熱用電流を一定に保持したまま、５分間加熱した。

図２は、走査電子顕微鏡像である。１０〜２０ｎｍの繊維径を持つカーボンナノチューブが生成していることが確認できる。

なお、本実施例では、加熱体１３としてｎ型Ｓｉ基板を用いたが、ＳＵＳのような金属板でも同様である。このような金属板を用いた場合は、抵抗加熱だけでなく高周波電力を供給することで、誘導加熱によっても高温とすることができる。この場合、金属板と石英製基板１１とを密着させるのみで、金属電極１４，１４で挟み込む必要はない。さらに、抵抗加熱で高温とする場合においても、ｎ型Ｓｉのような半導体を用いた場合は、温度上昇と共に抵抗率が減少するため、部分的に電流が集中した場合は局所的に高温となってしまうが、金属板では比較的均一に加熱される。

また、本実施例において、加熱体１３と製造用の２種類の基板を用いた例を示しているが、製造用の基板の片面に加熱用の金属膜を形成し、その反対面に触媒を付着させて、１枚で両者の機能を兼ねても良い。

本発明は、以上詳記したように、加熱体からの伝熱による繊維状炭素の製造方法および製造装置であり、石英のような絶縁体基板であっても、この基板上にカーボンナノチューブのような繊維状炭素を生成させることができので、産業上の利用性が極めて顕著である。

本発明に係る「繊維状炭素の製造装置」の１例を示す図である。本発明の実施例で得られたカーボンナノチューブの走査電子顕微鏡像を示す図である。

符号の説明

１０・・・・反応容器、１１・・・・基板（石英製基板）、１２・・・・触媒（Ｆｅ）、１３・・・・加熱体（ｎ型Ｓｉ基板）、１４・・・・金属電極、１５・・・・液体有機化合物（メタノール）、２０・・・・電源装置

Claims

触媒金属を表面に付着した基板と加熱体とを液体有機化合物中に配置し、加熱体からの伝熱で基板を一定温度に保つことで、基板表面に繊維状炭素を生成させることを特徴とする繊維状炭素の製造方法。
前記基板と前記加熱体は、平行状態で面的に密着しており、該加熱体と接合する反対面の基板表面に触媒金属が付着していることを特徴とする請求項１に記載の繊維状炭素の製造方法。
前記加熱体が液体透過性を有する基材からなり、該加熱体と前記基板は、平行状態で面的に接合しており、該加熱体と接合する基板表面に触媒金属が付着していることを特徴とする請求項１に記載の繊維状炭素の製造方法。
前記基板の一方の面に前記加熱体が直接形成され、その反対面に触媒金属が付着していることを特徴とする請求項１に記載の繊維状炭素の製造方法。
前記加熱体は、金属もしくは半導体であり、該加熱体に電流を直接流して抵抗加熱で加熱することを特徴とする請求項１、請求項２および請求項４のいずれか一項に記載の繊維状炭素の製造方法。
前記加熱体は、カーボンペーパーもしくはカーボンクロスであり、該加熱体に電流を直接流して抵抗加熱で加熱することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の繊維状炭素の製造方法。
前記加熱体は、金属であり、誘導加熱によって加熱することを特徴とする請求項１、請求項２および請求項４のいずれか一項に記載の繊維状炭素の製造方法。
前記基板は、絶縁体であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の繊維状炭素の製造方法。
触媒金属を付着した基板と加熱体を有し、前記加熱体を加熱する手段と、前記基板および加熱体を液体有機化合物中に収容する反応容器とを備えてなり、前記加熱手段により高温となった加熱体から基板への伝熱によって、前記触媒付着基板面に繊維状炭素を生成させることを特徴とする繊維状炭素の製造装置。