JP2009173493A - カーボンファイバ製造方法およびカーボンファイバ - Google Patents

Abstract

【課題】基板上に構造欠陥が少ないカーボンナノチューブ等のカーボンファイバを成長させる製造方法ならびにそのカーボンファイバを提供する。
【解決手段】本カーボンファイバ製造方法は、真空処理室内におけるアセチレンガスの分圧を２０００Ｐａ以下に制御することで気中でのカーボン系不純物の生成を抑制して、このカーボン系不純物に起因した構造欠陥が少ない品質に優れたカーボンナノチューブを基板上で製造する。
【選択図】図３

Description

本発明は、真空処理室内で基板上の触媒粒子にアセチレンガスを作用させて触媒粒子を成長核として基板上にカーボンファイバを成長させるカーボンファイバ製造方法およびカーボンファイバに関するものである。

カーボンファイバ、例えばカーボンナノチューブは、直径が微細でかつ高アスペクト比であり、電子エミッタ材料に汎用されつつある。このようなカーボンナノチューブは、触媒粒子にアセチレンガスを作用させてカーボンナノチューブを合成するようにしている（特許文献１参照）。

このようなカーボンナノチューブを製造する製造装置としては、真空処理室内を加熱しつつ真空処理室に配置した基板上の触媒粒子を活性化し、この活性化した触媒粒子に真空処理室に導入したアセチレンガスを作用させることによりアセチレンガスを分解して基板上にカーボンナノチューブを製造する、いわゆる熱ＣＶＤ法による製造装置がある。

しかしながら、このような従来の製造方法では電子放出特性に優れた電子エミッタ材料であるカーボンナノチューブが基板上に生成されても、このカーボンナノチューブ以外にも電子放出性能に劣るアモルファスカーボン等のカーボン系不純物が多く生成され、そのカーボン系不純物がカーボンナノチューブ外周壁や基板上等に堆積されてしまうという課題があった。

このようにカーボンナノチューブ外周壁や基板上等にカーボン系不純物が堆積された場合、生成されたカーボンナノチューブは構造欠陥が多いものとなり、高品質な電子エミッタ材料を得ることができない。
特開２００５−１４５７４３号公報

したがって、本発明により解決すべき課題は、基板上におけるカーボン系不純物の堆積を抑制すると同時にカーボンナノチューブ等のカーボンファイバをカーボン系不純物に起因した構造欠陥が少ない優れた品質のカーボンファイバを製造する方法ならびにそのカーボンファイバを提供することである。

本発明に係るカーボンファイバ製造方法は、真空処理室内にアセチレンガスを導入するとともに、このアセチレンガスを、基板上に配置され加熱により活性化された触媒粒子に作用させることにより基板上にカーボンファイバを成長させるカーボンファイバ製造方法において、上記真空処理室内におけるアセチレンガスの分圧を２０００Ｐａ以下とすることにより気中でのカーボン系不純物の生成を抑制してカーボンファイバを基板上に成長させることを特徴とするものである。

真空処理室に導入する希釈ガスには水素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス等を例示することができる。

上記カーボンファイバにはカーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノコーン、カーボンナノバンブ、グラファイトナノファイバを含むことができる。

触媒粒子は、その構成要素に炭素を含有する化合物ガスに作用する材料であれば特に限定されず、例えば、鉄、コバルト、ニッケル等およびこれらの酸化物を例示することができる。

本発明によるカーボンファイバは、アモルファスカーボン等の不純物を含まないカーボンファイバであることを特徴とするものである。

上記カーボンファイバは、基板上で加熱活性化した触媒粒子に対してアセチレンガスをその分圧値を制御して作用させることで当該触媒粒子上にアモルファスカーボン等の不純物を含まないで成長したカーボンファイバであることが好ましい。

本発明では、真空処理室内におけるアセチレンガスの分圧を２０００Ｐａ以下としたから、カーボンナノチューブ等のカーボンファイバの外周壁や基板上等でのアモルファスカーボン等のカーボン系不純物の堆積を抑制することができ、結果として、構造欠陥が少ない品質に優れたカーボンファイバを成長させことができる。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係るカーボンファイバ製造方法およびそのカーボンファイバを説明する。このカーボンファイバ製造装置ではカーボンファイバの一例であるカーボンナノチューブを製造する。実施の形態のカーボンファイバ製造方法はカーボンナノチューブ以外の他のカーボンファイバを製造することにも同様に適用することができる。図１は実施の形態に係る製造方法の実施に用いるカーボンファイバ製造装置の概略構成を示す。図２（ａ１）（ａ２）は同カーボンファイバ製造装置を用いてアセチレンガス分圧２０００Ｐａ以上の場合の基板上へのカーボンナノチューブの成長を説明するための図を示し、図２（ｂ１）（ｂ２）はアセチレンガス分圧２０００Ｐａ以下の場合の基板上へのカーボンナノチューブの成長を説明するための図を示す。

図１を参照して上記カーボンファイバ製造装置１０は真空処理室１２を備える。この真空処理室１２にはアセチレンガスであるアセチレンガスが導入され、図外の加熱装置で真空処理室１２内部が加熱される。そして、真空処理室１２内部には基板搭載台１４に複数の基板１６が等間隔に配列されている。この真空処理室１２は図外の真空排気装置により矢印１８で示すように真空に排気されると共に、図外のガス導入装置によりガスが矢印２０で示すように導入することができるようになっている。

図２（ａ１）（ａ２）を参照して真空処理室１２内に導入されるアセチレンガスであるアセチレンガスの分圧が２０００Ｐａ以上の場合、例えば図２（ａ１）で示すように図中楕円内に「Ｃ₂Ｈ₂」の文字で示すアセチレン分子２２同士の気中衝突が支配的であり、図中楕円内に「Ｃ」の文字で示すアモルファスカーボン２４が生成されやすい。また、カーボンナノチューブの外周壁や基板１６上等にアモルファスカーボン２４が堆積されてくる。３０はそのアモルファスカーボン堆積層を示す。その結果、図２（ａ２）で示すように基板１６上には構造欠陥が多く品質が低下したカーボンナノチューブ２８が生成されてくる結果となる。このような基板１６上のカーボンナノチューブ２８では優れた電子放出用材料として用いることができない。

次に、アセチレンガス分圧２０００Ｐａ以下の場合、図２（ｂ１）で示すように気中でのアセチレン分子２２同士の衝突が減り、アモルファスカーボン２４は生成されにくくなる。その結果、図２（ｂ２）で示すように、カーボンナノチューブ２４の外周壁や基板１６上等にはアモルファスカーボン２４が堆積しなくなり、基板１６上にアモルファスカーボン２４を含まず構造欠陥が少ない品質に優れたカーボンナノチューブ２６が均等に成長してくるようになる。

図３は横軸にアセチレンガス分圧（Ｐａ）をとり、縦軸にアモルファスカーボン量をとる。アモルファスカーボン量とはカーボンナノチューブ２８の外周面や基板１６上等に付着堆積するアモルファスカーボンの量のことである。

同図３からアセチレンガス分圧（Ｐａ）２０００Ｐａ以下ではアモルファスカーボン量は少なく、２０００Ｐａ以上ではアモルファスカーボン量は急激に増加する。また、アセチレンガス分圧（Ｐａ）５００Ｐａ以下ではアモルファスカーボン量はほとんどゼロ近傍になる。

実施の形態の触媒構造により成長したカーボンナノチューブ２８は図４のＴＧ（ＴｈｅｒｍｏＧｒａｖｉｍｅｔｒｙ）曲線で示すように高結晶性のカーボンナノチューブである。

図４に関して、熱分析測定に用いた装置はエスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製のＥＸＳＴＡＲ６０００ ＴＧ／ＤＴＡであり、熱分析測定条件は空気１００ｍｌ／分雰囲気下、１０℃／分にて９００℃まで昇温後１０分間保持する。

一般にカーボンは結晶性が低いと加熱に弱く、結晶性が高いと加熱に強くなる。図４において横軸は温度（Ｔ：℃）、縦軸は熱重量変化（ＴＧ：％）である。これは温度を上昇させつつ空気雰囲気下でカーボンナノチューブ２８の重量変化を測定している。図４でＡは従来のカーボンナノチューブのＴＧ曲線であり、Ｂは本発明のカーボンナノチューブのＴＧ曲線である。従来のカーボンナノチューブは結晶性が低いため、ＴＧ曲線Ａで示すように温度が４５０℃付近から分解開始し、６３０℃付近で分解終了した。さらに従来のカーボンナノチューブでは残渣Ｃ（６２９．１℃でＴＧ＝６．７％）残った。これは従来のカーボンナノチューブが純度が低い低品質なカーボンナノチューブであることを示している。

これに対して本発明のカーボンナノチューブ２８は、ＴＧ曲線Ｂで示すように温度が６００℃付近から分解開始し、７６０〜７８０℃付近で分解終了して残渣（７６８．３℃でＴＧ＝−０．２％）が残らなかった。これは本発明のカーボンナノチューブ２８が加熱に強く高結晶性であることを示している。また、分解終了して残渣が残らなかったことから純度が高い高品質なカーボンナノチューブであることを示している。

以上説明したように本実施の形態では、真空処理室１２内におけるアセチレンガスの分圧を２０００Ｐａ以下としたから、カーボンナノチューブ２８や基板１６上等にアモルファスカーボン等のカーボン系不純物が堆積することを抑制することができ、結果として、構造欠陥が少ない高品質なカーボンナノチューブ２８を成長させることができるようになり、電子放出特性に優れた電子エミッタ材料としてのカーボンナノチューブ２８を提供することができる。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内で、種々な変更ないしは変形を含むものである。

図１は実施の形態の製造方法の実施に用いるカーボンファイバ製造装置の概略構成を示す図である。 図２（ａ１）はアセチレンガス分圧２０００Ｐａ以上の場合の気中でのアセチレン分子同士の衝突によるアモルファスカーボン生成が支配的であることを示す図、図２（ａ２）は図２（ａ１）の結果、基板上でのアモルファスカーボンの堆積とカーボンナノチューブの成長の様子を示す図、図２（ｂ１）はアセチレンガス分圧２０００Ｐａ以下の場合の基板上の触媒粒子とアセチレン分子との衝突によるカーボンナノチューブ成長が支配的であることを示す図、図２（ｂ２）は図２（ｂ１）の結果、基板上でのカーボンナノチューブの成長の様子を示す図である。 図３はアセチレンガス分圧とアモルファスカーボン量との関係を示す図である。 図４は従来のカーボンナノチューブと実施の形態のカーボンナノチューブそれぞれのＴＧ曲線を示す図である。

符号の説明

１０ カーボンファイバ製造装置
１２ 真空処理室
１４ 基板搭載台
１６ 基板
２２ アセチレン分子
２４ アモルファスカーボン
２６ 触媒粒子
２８ カーボンナノチューブ
３０ アモルファスカーボン堆積層

Claims (3)

1. 真空処理室内にアセチレンガスを導入するとともに、このアセチレンガスを、基板上に配置され加熱により活性化された触媒粒子に作用させることにより基板上にカーボンファイバを成長させるカーボンファイバ製造方法において、上記真空処理室内におけるアセチレンガスの分圧を２０００Ｐａ以下とすることにより、気中でのカーボン系不純物の生成を抑制してカーボンファイバを基板上に成長させる、ことを特徴とするカーボンファイバ製造方法。
2. アモルファスカーボン等の不純物を含まないカーボンファイバ。
3. 基板上で加熱活性化した触媒粒子に対してアセチレンガスをその分圧値を制御して作用させることで当該触媒粒子上にアモルファスカーボン等の不純物を含まないで成長させられてなる、請求項２に記載のカーボンファイバ。

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