JP2009084148A - 炭素ナノチューブの製造装置及びこれを利用した炭素ナノチューブの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、炭素ナノチューブの製造装置及びこれを利用した炭素ナノチューブの製造方法を提供する。
【解決手段】複数の炭素ナノチューブ合成ユニットを直列に配置して、炭素ナノチューブ合成工程を連続的に進行することを特徴とする。このような特徴によれば、均一な品質の炭素ナノチューブを合成することができる炭素ナノチューブの製造装置及びこれを利用した炭素ナノチューブの製造方法を提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭素ナノチューブの製造装置及びこれを利用した炭素ナノチューブの製造方法に関し、さらに詳細には、流動層方式の炭素ナノチューブの製造装置及びこれを利用した炭素ナノチューブの製造方法に関する。

炭素ナノチューブは、一つの炭素原子に隣接する三個の炭素原子がＳＰ^２結合により連結されて六角環状をなし、このような六角環状が蜂の巣形態で繰り返された黒鉛面（Ｇｒａｐｈｉｔｅ Ｓｈｅｅｔ）が巻かれて、シリンダー形状をなす。このようなシリンダー形状の構造は、その直径が一般に数ｎｍ〜数百ｎｍであり、長さは、直径の数十倍〜数千倍以上に長いという特性がある。

炭素ナノチューブは、黒鉛面が巻かれた形態に応じて、単一壁ナノチューブ（Ｓｉｎｇｌｅ−Ｗａｌｌ Ｎａｎｏｔｕｂｅ）、多重壁ナノチューブ（Ｍｕｌｔｉ−Ｗａｌｌ Ｎａｎｏｔｕｂｅ）及びロープ型ナノチューブ（Ｒｏｐｅ Ｎａｎｏｔｕｂｅ）などに区分されうる。また、黒鉛面が巻かれる角度及び構造に応じて、炭素ナノチューブは、多様な電気的特性を有することができる。例えば、炭素ナノチューブは、安楽椅子構造を有する場合、金属のような電気的導電性を有し、ジグザグ（Ｚｉｇ−Ｚａｇ）構造を有する場合には、半導体的特性を有する。

このような炭素ナノチューブは、電気的特性に優れており、機械的強度が大きく、化学的に安定な物質であって、多様な技術分野に幅広く応用できるから、未来の新素材として脚光を浴びている。例えば、炭素ナノチューブは、二次電池、燃料電池又はスーパーキャパシタのような電気化学的貯蔵装置の電極、電磁波遮蔽、電界放出ディスプレイ、又はガスセンサなどに適用できる。

現在、炭素ナノチューブを合成する方法には、電気放電式、レーザー蒸着式、熱分解気相蒸着式及びプラズマ化学気相蒸着式などが使用されており、この中で熱分解気相蒸着式が主に使用される。熱分解気相蒸着式は、高温の反応炉中に炭素成分のガスを流しつつ炭素ナノチューブを金属触媒に成長させる方法であって、反応炉内に流動ガスを供給して金属触媒の流動層を形成させた状態で炭素ナノチューブを合成することもできる。

そこで本発明は炭素ナノチューブの製造装置及びこれを利用した炭素ナノチューブの製造方法における問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、炭素ナノチューブ合成工程を一連の連続工程を介して行うことができる炭素ナノチューブの製造装置及びこれを利用した炭素ナノチューブの製造方法を提供することにある。

また、本発明の目的は、連続工程を介して均一な品質の炭素ナノチューブを合成することができる炭素ナノチューブの製造装置及びこれを利用した炭素ナノチューブの製造方法を提供することにある。

本発明の目的は、これに制限されず、言及されないさらに他の目的があることは、以下の記載から当業者に明確に理解されるであろう。

上記の目的を達成するためになされた本発明による炭素ナノチューブの製造装置は、炭素ナノチューブ合成工程を実行するために直列に配置された複数の合成ユニットと、前記合成ユニットの間に各々配置され、前端に配置された合成ユニットで合成された炭素ナノチューブが後端に配置された合成ユニットに移送する移送ユニットと、を備えることを特徴とする。

前記炭素ナノチューブの製造装置は、前記複数の合成ユニットのうち、最も前端に配置された合成ユニットに触媒を供給する触媒供給ユニットと、前記複数の合成ユニットのうち、最も後端に配置された合成ユニットから合成完了した炭素ナノチューブを捕集する第１捕集ユニットとをさらに備えることが好ましい。

前記合成ユニットの各々は、炭素ナノチューブ合成工程を実行する反応炉と、前記反応炉内に触媒流動層が形成されるように、流動ガスを供給する流動ガス供給器と、前記反応炉内の前記触媒流動層に炭素ソースガスを供給するソースガス供給器と、を備えることが好ましい。

また、上記の目的を達成するためになされた本発明による炭素ナノチューブの製造方法は、炭素ナノチューブを製造する方法であって、 複数の合成ユニットが、直列に配置され、当該合成ユニットのうち、最も前端に配置された合成ユニットに触媒を供給し、当該合成ユニットのうち、隣接した合成ユニットとの間に合成進行中である炭素ナノチューブを移送し、当該合成ユニットのうち、最も後端に配置された合成ユニットから合成完了した炭素ナノチューブを捕集することによって、炭素ナノチューブの合成工程を各々実行することを特徴とする。

前記炭素ナノチューブの製造方法は、前記合成ユニットが、流動ガスを利用して触媒流動層を形成するステップと、前記触媒流動層に炭素ソースガスを供給して炭素ナノチューブを合成するステップを含むことが好ましい。

本発明に係る炭素ナノチューブの製造装置及びこれを利用した炭素ナノチューブの製造方法によれば、炭素ナノチューブ合成工程を一連の連続工程を介して行うことができる。
また、連続工程を介して均一な品質の炭素ナノチューブを合成することができる。

次に本発明に係る炭素ナノチューブの製造装置及びこれを利用した炭素ナノチューブの製造方法を実施するための最良の形態の具体例を図面を参照しながら説明する。まず、各図面の構成要素に参照符号を付するに当たって、同じ構成要素に対しては、たとえ他の図面上に表示されても可能なかぎり同じ符号を付していることに留意すべきである。また、本発明を説明するにおいて、本発明と関連した公知構成又は機能に対する具体的な説明が本発明の要旨を不明にすると判断される場合には、その詳細な説明を省略すべきである。
（実施の形態）

図１は、本発明による炭素ナノチューブの製造装置の一例を示した概略的構成図である。
図１に示すように、炭素ナノチューブの製造装置１０は、触媒還元ユニット１００、触媒供給ユニット２００、第１炭素ナノチューブ合成ユニット３００、第２炭素ナノチューブ合成ユニット３００’、炭素ナノチューブ移送ユニット４００及び第１捕集ユニット５００’を備える。

第１及び第２炭素ナノチューブ合成ユニット３００、３００’は、直列に順次配置され、第１及び第２炭素ナノチューブ合成ユニット３００、３００’の間には、炭素ナノチューブ移送ユニット４００が配置される。前端に配置された第１炭素ナノチューブ合成ユニット３００には、触媒供給ユニット２００が連結され、後端に配置された第２炭素ナノチューブ合成ユニット３００’には、第１捕集ユニット５００’が連結される。そして、触媒供給ユニット２００の前端には、触媒還元ユニット１００が配置される。

触媒還元ユニット１００は、酸化された金属触媒を還元処理し、触媒供給ユニット２００は、還元処理された金属触媒を第１炭素ナノチューブ合成ユニット３００に提供する。第１炭素ナノチューブ合成ユニット３００は、還元処理された金属触媒と炭素ソースガスを反応させて、気相状態で炭素ナノチューブを合成し、炭素ナノチューブ移送ユニット４００は、第１炭素ナノチューブ合成ユニット３００で合成進行中である炭素ナノチューブを後端に配置された第２炭素ナノチューブ合成ユニット３００’に移送する。第２炭素ナノチューブ合成ユニット３００’は、第１炭素ナノチューブ合成ユニット３００から移送された合成途中の炭素ナノチューブと炭素ソースガスとを反応させて、炭素ナノチューブの合成を完了する。第１捕集ユニット５００’は、合成が完了した炭素ナノチューブを捕集する。

本実施の形態では、２個の炭素ナノチューブ合成ユニット３００、３００’が直列に配置された場合を例に挙げて説明するが、炭素ナノチューブ合成ユニットは、２個以上の複数個が直列に配置されうる。そして、炭素ナノチューブ移送ユニットは、直列に配置された複数の炭素ナノチューブ合成ユニット間に各々配置される。

炭素ナノチューブの合成工程に使用される金属触媒には、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）などのような磁性体を有する有機金属化合物が使用される。金属触媒は、製造時に乾燥過程と焼成過程とを経ることにより酸化されうるので、炭素ナノチューブの合成のためには、金属触媒を取り囲んでいる酸化膜を除去するための還元処理工程を行わなければならない。このために、本発明には、酸化された金属触媒を還元処理するための触媒還元ユニット１００が備えられる。

触媒還元ユニット１００は、還元炉１１０と、第１ガス供給部１２０、及び第１触媒供給ライン１３０を備える。還元炉１１０は、概して垂直な円筒形状で提供され、石英（Ｑｕａｒｔｚ）又は黒鉛（Ｇｒａｐｈｉｔｅ）などのように耐熱性を有する材質からなる。還元炉１１０の周りには、還元炉１１０を工程温度に加熱する加熱装置１１２が設置される。加熱装置１１２は、還元炉１１０の外壁を取り囲むようにコイル形状を有する熱線からなる。工程進行中に還元炉１１０は、略５００〜６００℃範囲の温度に維持され、還元炉１１０の内部には、酸化された金属触媒と、還元ガス及び流動ガスが供給される。

第１ガス供給部１２０は、還元ガス供給器１２２と流動ガス供給器１２４とを備える。還元ガス供給器１２２は、還元炉１１０の下端に連結され、酸化された金属触媒を還元させるための還元ガスを還元炉１１０内に供給する。還元ガスには、水素ガスが使用される。そして、流動ガス供給器１２４は、還元炉１１０の下端に連結され、金属触媒の流動層を形成するための流動ガスを還元炉１１０内に供給する。流動ガスには、ヘリウム、窒素、アルゴンなどのような不活性ガスが使用され、必要によってメタン、アセチレン、一酸化炭素若しくは二酸化炭素のようなガス又はこのようなガスとアルゴンガスとの混合ガスを流動ガスとして使用することができる。ここで、流動ガスは、還元炉１１０の内部に流動層を形成させて、還元ガスと金属触媒の反応を活性化させ、還元された金属触媒を、第１触媒供給ライン１３０を介して触媒供給ユニット２００に移送するのに利用される。

第１触媒供給ライン１３０の一端は、還元炉１１０の上端に連結され、他端は、触媒供給ユニット２００に連結される。第１触媒供給ライン１３０は、還元炉１１０で還元された金属触媒を触媒供給ユニット２００に供給する。

触媒供給ユニット２００は、触媒還元ユニット１００から供給される還元処理された金属触媒を第１炭素ナノチューブ合成ユニット３００に供給する。触媒供給ユニット２００は、還元処理された金属触媒を貯蔵するための貯蔵タンク２１０を有し、貯蔵タンク２１０は、第１触媒供給ライン１３０により還元炉１１０と連結される。そして、貯蔵タンク２１０には、ガス圧力を利用して第１炭素ナノチューブ合成ユニット３００に金属触媒を定量投入するための運搬ガス供給器２２０、及び第２触媒供給ライン２３０が連結される。第２触媒供給ライン２３０の他端は、第１炭素ナノチューブ合成ユニット３００に連結される。運搬ガスとしては、窒素ガスのような不活性ガスが使用されうる。運搬ガス供給器２２０から貯蔵タンク２１０に供給される窒素ガスの圧力により貯蔵タンク２１０に貯蔵された金属触媒が第２触媒供給ライン２３０を介して第１炭素ナノチューブ合成ユニット３００に供給される。

第１炭素ナノチューブ合成ユニット３００は、金属触媒と炭素ソースガスとを共に加熱した反応炉３１０に供給し、炭素ソースガスを熱分解させて気相状態で炭素ナノチューブを合成する。第１炭素ナノチューブ合成ユニット３００は、反応炉３１０と、第２ガス供給部３２０、及び排気ライン３３０を備える。

反応炉３１０は、石英又は黒鉛などのように耐熱性を有する材質からなる。反応炉３１０は、概して垂直な円筒形状で提供される。反応炉３１０の外側には、反応炉３１０を工程温度に加熱する加熱装置３１２が設置される。加熱装置３１２は、反応炉３１０の外壁を取り囲むように、コイル形状を有した熱線からなることができる。工程進行中に反応炉３１０は、高温に維持され、反応炉３１０の内部には、触媒供給ユニット２００の第２触媒供給ライン２３０を介して金属触媒が供給され、また第２ガス供給部３２０を介して炭素ソースガスと流動ガスとが供給される。

第２ガス供給部３２０は、ソースガス供給器３２２と流動ガス供給器３２４とを備える。ソースガス供給器３２２は、反応炉３１０の下端に連結され、反応炉３１０内に炭素ソースガスを供給する。炭素ソースガスとしては、主にアセチレン、エチレン、メタン、ベンゼン、キシレン、シクロヘキサン、一酸化炭素及び二酸化炭素からなるグループから選択された少なくとも一つが使用されうる。流動ガス供給器３２４は、反応炉３１０の下端に連結され、反応炉３１０内に流動ガスを供給する。流動ガスとしては、ヘリウム、窒素、アルゴンなどのような不活性ガスが使用され、必要に応じて、メタン、アセチレン、一酸化炭素若しくは二酸化炭素のようなガス又はこのようなガスとアルゴンガスとの混合ガスを流動ガスとして使用することができる。

ここで、流動ガスは、炭素ソースガスと金属触媒間の反応により合成された炭素ナノチューブの成長によってその重さが増加して、重力方向に落ちるのを阻止する機能を果たす。さらに、流動ガスは、反応炉３１０の内部に流動層を形成させて、炭素ソースガスと金属触媒との反応をアクティブにし、金属触媒に成長された炭素ナノチューブを、排気ライン３３０を介して第２捕集ユニット５００に運搬するのに利用される。

反応炉３１０の上端には、反応炉３１０で合成された炭素ナノチューブを含む排気ガスが排出される排気ライン３３０が連結され、排気ガスは、排気ライン３３０を通じて第２捕集ユニット５００に提供される。排気ライン３３０には、排気ガスを強制排気させるための真空ポンプ又は排気ファンのような排気装置（図示せず）が設置される。

炭素ナノチューブ移送ユニット４００は、第１及び第２炭素ナノチューブ合成ユニット３００、３００’の間に配置され、第１炭素ナノチューブ合成ユニット３００内の合成途中の炭素ナノチューブを吸込んだ後に、放出して、第２炭素ナノチューブ合成ユニット３００’に移送する。炭素ナノチューブ移送ユニット４００は、炭素ナノチューブを一時貯蔵するための貯蔵タンク４１０を有する。貯蔵タンク４１０は、第１供給ライン４１２により第１炭素ナノチューブ合成ユニット３００と連結され、第２供給ライン４１３により第２炭素ナノチューブ合成ユニット３００’に連結される。そして、貯蔵タンク４１０には、吸込み部４２０と運搬ガス供給部４３０とが連結される。吸込み部４２０は、第１炭素ナノチューブ合成ユニット３００内で合成進行中である炭素ナノチューブが、第１供給ライン４１２を介して貯蔵タンク４１０に吸込み（Ｓｕｃｔｉｏｎ）吹出しできるように貯蔵タンク４１０に負圧を作用させる。運搬ガス供給部４３０は、貯蔵タンク４１０に運搬ガスを供給し、運搬ガスの圧力を利用して貯蔵タンク４１０に貯蔵された炭素ナノチューブを、第２供給ライン４１３を介して第２炭素ナノチューブ合成ユニット３００’に定量投入する。運搬ガスとしては、窒素ガスのような不活性ガスが使用されうる。一方、第１炭素ナノチューブ合成ユニット３００から第２捕集ユニット５００に捕集された炭素ナノチューブは、排気ガスが除去された状態で炭素ナノチューブ移送ユニット４００に供給されうる。

第２炭素ナノチューブ合成ユニット３００’は、炭素ナノチューブ移送ユニット４００を介して第１炭素ナノチューブ合成ユニット３００から合成進行中である炭素ナノチューブを移送され、炭素ソースガスと十分に反応させて炭素ナノチューブの合成を完了する。第２炭素ナノチューブ合成ユニット３００’は、第１炭素ナノチューブ合成ユニット３００と同じ構成を有し、これについての詳細な説明は省略する。ここで、説明されない符号３１０’は反応炉、３１２’は加熱装置、３２２’はソースガス供給器、３２４’は流動ガス供給器、３３０’は排気ライン、５００’は第１捕集ユニットである。

前記のような構成を有する炭素ナノチューブの製造装置を利用して、炭素ナノチューブを合成する工程を説明すれば、以下のとおりである。
まず、触媒還元ユニット１００で還元処理された金属触媒が触媒供給ユニット２００に供給される。触媒供給ユニット２００は、一定量の金属触媒を連続的に第１炭素ナノチューブ合成ユニット３００に供給する。第１炭素ナノチューブ合成ユニット３００は、流動層方式を利用して、炭素ナノチューブの合成工程を行う。金属触媒が一定量ずつ第１炭素ナノチューブ合成ユニット３００に連続供給されることから、第１炭素ナノチューブ合成ユニット３００には、合成程度の異なる炭素ナノチューブが混在しているようになる。このように第１炭素ナノチューブ合成ユニット３００で合成工程が行われる間に、一定時間間隔を周期として第１炭素ナノチューブ合成ユニット３００内の合成進行中である炭素ナノチューブを第２炭素ナノチューブ合成ユニット３００’に移送する。第２炭素ナノチューブ合成ユニット３００’は、第１炭素ナノチューブ合成ユニット３００から移送された合成進行中である炭素ナノチューブの合成工程を行う。第２炭素ナノチューブ合成ユニット３００’では、炭素ナノチューブの合成が飽和（Ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ）される程に充分な時間の間に合成工程を行う。第２炭素ナノチューブ合成ユニット３００’で合成が完了した炭素ナノチューブは、第１捕集ユニット５００’に捕集される。

以上説明したとおり、本発明による炭素ナノチューブの製造装置は、複数の炭素ナノチューブ合成ユニットを直列に配置して炭素ナノチューブ合成工程を連続的に行うことによって、均一な品質の炭素ナノチューブを合成することができるようになる。

尚、本発明は、上述の実施形態に限られるものではない。本発明の技術的範囲から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。

本発明による炭素ナノチューブの製造装置の一例を示した概略的構成図である。

符号の説明

１０ 炭素ナノチューブの製造装置
１００ 触媒還元ユニット
１１０ 還元炉
１１２ 加熱装置
１２０ 第１ガス供給部
１２２ 還元ガス供給器
１２４ 流動ガス供給器
１３０ 第１触媒供給ライン
２００ 触媒供給ユニット
２１０ 貯蔵タンク
２２０ 運搬ガス供給器
２３０ 第２触媒供給ライン
３００ 第１炭素ナノチューブ合成ユニット
３００’ 第２炭素ナノチューブ合成ユニット
３１０、 ３１０’ 反応炉
３１２、 ３１２’ 加熱装置
３２０、 ３２０’ 第２ガス供給部
３２２、 ３２２’ ソースガス供給器
３２４、 ３２４’ 流動ガス供給器
３３０、 ３３０’ 排気ライン
４００ 炭素ナノチューブ移送ユニット
４１０ 貯蔵タンク
４１２ 第１供給ライン
４１３ 第２供給ライン
４２０ 吸込み部
４３０ 運搬ガス供給部
５００ 第２捕集ユニット
５００’ 第１捕集ユニット

Claims (7)

1. 炭素ナノチューブ合成工程を実行するために直列に配置された複数の合成ユニットと、
   前記合成ユニットの間に各々配置され、前端に配置された合成ユニットで合成された炭素ナノチューブが後端に配置された合成ユニットに移送する移送ユニットと、
   を備えることを特徴とする炭素ナノチューブの製造装置。
2. 前記複数の合成ユニットのうち、最も前端に配置された合成ユニットに触媒を供給する触媒供給ユニットと、
   前記複数の合成ユニットのうち、最も後端に配置された合成ユニットから合成完了した炭素ナノチューブを捕集する第１捕集ユニットと
   をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の炭素ナノチューブの製造装置。
3. 前記合成ユニットの各々は、
   炭素ナノチューブ合成工程を実行する反応炉と、
   前記反応炉内に触媒流動層が形成されるように、流動ガスを供給する流動ガス供給器と、
   前記反応炉内の前記触媒流動層に炭素ソースガスを供給するソースガス供給器と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の炭素ナノチューブの製造装置。
4. 前記移送ユニットは、
   前端に配置された前記合成ユニットと後端に配置された前記合成ユニットとに連結され、炭素ナノチューブを貯蔵する貯蔵タンクと、
   前端に配置された前記合成ユニットで合成された炭素ナノチューブが前記貯蔵タンクに移送されるように、前記貯蔵タンクに負圧を作用させる吸込み部と、
   前記貯蔵タンクに貯蔵された炭素ナノチューブが後端に配置された前記合成ユニットに移送されるように、前記貯蔵タンクに運搬ガスを供給する運搬ガス供給部とを備えることを特徴とする請求項１に記載の炭素ナノチューブの製造装置。
5. 前端に配置された前記合成ユニットから排出される排気ガスに含まれた炭素ナノチューブを捕集して前記貯蔵タンクに供給する第２捕集ユニットをさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の炭素ナノチューブの製造装置。
6. 炭素ナノチューブを製造する方法であって、
   複数の合成ユニットが、直列に配置され、
   当該合成ユニットのうち、最も前端に配置された合成ユニットに触媒を供給し、
   当該合成ユニットのうち、隣接した合成ユニットとの間に合成進行中である炭素ナノチューブを移送し、
   当該合成ユニットのうち、最も後端に配置された合成ユニットから合成完了した炭素ナノチューブを捕集することによって、
   炭素ナノチューブの合成工程を各々実行することを特徴とする炭素ナノチューブの製造方法。
7. 前記合成ユニットが、流動ガスを利用して触媒流動層を形成するステップと、前記触媒流動層に炭素ソースガスを供給して炭素ナノチューブを合成するステップを含むことを特徴とする請求項６に記載の炭素ナノチューブの製造方法。

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