JP2009298638A

JP2009298638A - カーボンナノチューブ製造装置

Info

Publication number: JP2009298638A
Application number: JP2008154316A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Okada; 利幸岡田; 研次 ▲吉▼川; Kenji Yoshikawa
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 2008-06-12
Filing date: 2008-06-12
Publication date: 2009-12-24

Abstract

【課題】反応容器内の汚れを抑制することにより、カーボンナノチューブを安定して製造し、反応容器内の洗浄工程を大幅に削減する。
【解決手段】カーボンナノチューブ製造装置は、生成部13に載置された基板Pの表面にカーボンナノチューブが生成されるように、生成部13に一方向のCVDガス流れを生じさせるCVDガス手段と、生成部13のCVDガス流れ方向下流に配置されている多孔質体32とを備えている。
【選択図】図１

Description

この発明は、基板上に形成された触媒層にCVD法（CVD：chemical vapor deposition）によりカーボンナノチューブを生成させるカーボンナノチューブ製造装置に関する。

この種の製造装置としては、反応容器内に設置された基板上にＦｅからなる触媒層を形成し、反応容器の上流側からヘリウムを導入するとともに、基板温度を６７５〜７５０℃に加熱し、次いで、原料ガス（アセチレン、エチレン）を供給することにより、基板上にほぼ垂直に配向されたカーボンナノチューブを生成するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

前記製造装置では、反応容器内に供給された原料ガスのうち、未反応ガスの一部が反応容器内の上流側に逆流し、反応容器内に汚れ（タールが汚れとして付着する）が発生するという問題がある。特に上流部の汚れは、カーボンナノチューブの成長に大きく影響し、安定したカーボンナノチューブの成長が阻害されるという問題があった。また、反応容器内の下流部においては、未反応ガスが冷却されることにより、同じく汚れ（タール）となり反応容器内に付着するため、洗浄工程に時間がかかり生産性の低下につながるという問題があった。
特開２００１−２２０６７４号公報

この発明の目的は、反応容器内の汚れを抑制することにより、安定したカーボンナノチューブの製造が可能であり、反応容器内の洗浄工程を大幅に削減可能なカーボンナノチューブの製造装置を提供することにある。

この発明によるカーボンナノチューブ製造装置は、生成部に一方向のCVDガス流れを生じさせるCVDガス手段を備えており、生成部に載置された基板の表面にカーボンナノチューブが生成されるようになされているカーボンナノチューブ製造装置において、生成部のCVDガス流れ方向下流に多孔質体が配置されていることを特徴とするものである。

この発明によるカーボンナノチューブ製造装置では、多孔質体によって、生成部を通過するCVDガスの流れを均一化することができる。さらに、生成部を通過したCVDガスの未反応ガスが生成部側へ逆流することを防止できる。したがって、反応容器内の汚れを抑制することができ、安定したカーボンナノチューブを製造することができる。

さらに、生成部のCVDガス流れ方向上流に多孔質体が配置されていることが好ましい。

さらに、カーボンナノチューブ製造装置に、多孔質体のCVDガス流れ方向下流にCVDガスの未反応ガスを燃焼させるための燃焼ガスを供給する燃焼ガス手段が備わっていると、CVDガスの未反応ガスを、タール化する前に効率良く燃焼させることができる。

また、CVDガス手段が、多孔質体のCVDガス流れ方向下流に設けられたガス出口を有しており、燃焼ガス手段が、ガス出口に対し間隔をおいて相対させられているガス供給口を有していると、燃焼ガスを逆流することを防止できる。

この発明によれば、反応容器内の汚れを抑制することにより、安定したカーボンナノチューブの製造が可能であり、反応容器内の洗浄工程を大幅に削減可能なカーボンナノチューブ製造装置が提供される。

この発明の実施の形態を図面を参照しながらつぎに説明する。

図１を参照すると、カーボンナノチューブ製造装置は、左右方向にのびた水平円管状反応容器11を備えている。反応容器11の左右両端間の中央部には円筒状ヒータ12が反応容器11外面に対し間隔をおいて被覆させられている。反応容器11内の、ヒータ12によって囲まれている部分が生成部13を形成している。

生成部13には水平状支持板21が配置されている。支持板21上には基板Pが載せられている。基板P表面にはCVD膜生成促進用触媒膜Fが形成されている。触媒膜Fの成膜には鉄等の触媒が用いられる。

生成部13の、支持板21を挟んでその左側に垂直円板状上流多孔質体31が、その右側に垂直円板状下流多孔質体32がともに反応容器11内を横断状に閉鎖するようにそれぞれ配置されている。

各多孔質体31、32は、CVD温度に耐え、カーボンナノチューブの生成を阻害しない材質によって成形されたもので、例えば、石英やアルミナ、クロムやニッケル、チタン、SUS材料等による。また、各多孔質体31、32の構造としては、繊維状に加工されたものおよびそれらを束ねたり紡績あるいは圧縮して布状、不織布状、フィルタ状にしたもの、粒状材料を焼結したものであればよい。

反応容器11の左端部には垂直円板状上流端板41が設けられるとともに、その右端部には垂直円板状下流端板42が設けられている。上流端板41の中心部にはガス入口管43が設けられている。ガス入口管43は、上流端板41内側面に近接して開口させられかつ上流多孔質体31外側面と相対させられたガス入口43aを有している。下流端板42の中心部を挟んでその両側にはガス出口管45および燃焼ガス管44およびが互いに平行にのびるように設けられている。ガス出口管45は、ガス出口45aを有している。燃焼ガス管44は、供給口44aを有している。ガス出口45aおよび供給口44aは、ともに、下流端板42内面から隔てられたところに開口させられかつ下流多孔質体32外側面と相対させられている。

ガス入口管43にはCVDガスが供給される。CVDガスとしては、冒頭の従来技術の項で説明したように、原料ガスとして、アセチレン、エチレン等が用いられる。一方、燃焼ガス管44には燃焼ガスが供給される。燃焼ガスとしては、空気が一般的であるが、酸素を含む他のガスであってもよい。

反応容器11内に対して、燃焼ガス管44によって燃焼ガスを導入し、ガス出口管45によって燃焼ガスを導出する手段としては、燃焼ガス管44に正圧を作用させる正圧手段および／またはガス出口管45に負圧を作用させる負圧手段が挙げられる。

ガス入口管43によって反応容器11内に導入されたCVDガスは、上流多孔質体31によって速やかに整流され、この後、生成部13を上流から下流に向かって一方向に通過させられる（矢印Ａ）。CVDガスが生成部13を通過する間に、基板P上には安定して速やかにカーボンナノチューブが生成される。これにより、生成部13の長さを短くすることが可能となり、装置全体を、コンパクトに構成することが可能となる。

生成部13を通過したCVDガスは、下流多孔質体32を通過させられることにより、生成部13を通過する際のCVDガスの整流がさらに促進される。また、下流多孔質体32を通過したCVDガスの一部は、反応の後に残存させられた未反応ガスを含んでいる。未反応ガスは、下流多孔質体32を通過させられた後に、供給口44aから導入された燃焼ガスと接触させられて、燃焼させられる。したがって、未反応ガスは、タールを生成することなく、燃焼の後に、ガス出口45aを通じて、反応容器11外へ導出される。上流多孔質体31は、CVDガスの整流を促進する作用をなすとともに生成部13における未反応ガスが上流に逆流し、タールが生成されることによる反応容器内の汚れを抑制する作用を同時になすものである。また、下流多孔質体32は、生成部13を通過するCVDガスの整流を促進する作用をなすとともに、生成部13を通過した後の未反応ガスの生成部13への逆流を阻止する作用も同時になすものである。

上記において、上流多孔質体31および下流多孔質体32の双方が用いられている例が示されているが、上流多孔質体31は必ずしも必要ではなく、下流多孔質体32のみを用いてもよい。

以下に、下流多孔質体32を通過させられた未反応ガスを処理する手段を様々に説明する。以下の説明において、図１と対応する部分には、便宜上、同一の符号を付すものとする。

図２では、下流多孔質体32の、CVDガス流れ方向Ａ下流に、付加的多孔質体51が配置されている。供給口44aは、下流端板42および付加的多孔質体51間に開口させられている。ガス出口45aは、下流多孔質体32および付加的多孔質体51間に開口させられている。

供給口44aを通じて、下流端板42および付加的多孔質体51間に燃焼ガスが導入される。導入された燃焼ガスは、付加的多孔質体51を、CVDガス流れ方向下流から上流に向かって通過して（矢印Ｂ）、下流多孔質体32および付加的多孔質体51間に流入し、そこで、下流多孔質体32を通過した未反応ガスを燃焼させる。燃焼させられた未反応ガスは、排気ガスとして、ガス出口45aを通じて、反応容器11外へ導出される。

図３では、図２に示す構成から、下流端板42および燃焼ガス管44が省略されている。燃焼ガスは、反応容器11外から直接的にそのまま付加的多孔質体51を通過し（矢印Ｂ）、下流多孔質体32を通過した未反応ガスを燃焼させる。燃焼させられた未反応ガスは、排気ガスとして、ガス出口45aを通じて、反応容器11外へ導出される。

図４では、図２および図３に示された付加的多孔質体51に代わって、垂直円板状仕切板61が採用されている。供給口44aおよびガス出口45aは、ともに、下流多孔質体32および仕切板61間に開口させられている。

供給口44aを通じて、下流多孔質体32および仕切板61間に導入された燃焼ガスは、そこで、未反応ガスを燃焼させ、ガス出口45aを通じて反応容器11外へ導出される。

図５では、図４に示す供給口44aに、略Ｕ字状燃焼ガス反転管71の一端が接続されている。燃焼ガス反転管71の他端は、CVDガス流れ方向下流に向けられ（矢印Ａ）かつガス出口45aに対し間隔を置いて相対させられた第２の供給口71aとして開口されている。

燃焼ガス反転管71を採用することにより、燃焼ガス管44を通じて下流多孔質体32および仕切板61間に導入された燃焼ガスは、CVDガス流れ方向上流に向かうことなく、その下流側に向かわされるとともに、いわば「霧吹き」の原理によって、ガス出口45a周辺の未反応ガスをガス出口管45内に吸い込み、ガス出口管45内において未反応ガスを燃焼させ、排気ガスをそのまま反応容器11外へ導出させる。

図６では、図２の付加的多孔質体51に代わって、垂直円板状じゃま板81が採用されている。反応容器11内面およびじゃま板81外面間には燃焼ガス通過間隙82が形成されている。

供給口44aを通じて、下流端板42およびじゃま板81間に燃焼ガスが導入される。導入された燃焼ガスは、燃焼ガス通過間隙82を通じて、下流多孔質体32およびじゃま板81間に導入され、そこで、未反応ガスを燃焼させる。

図７では、図６に示す構成から、下流端板42および燃焼ガス管44が省略されている。この態様は、図２および図３に示す態様に相当する。

この発明によるカーボンナノチューブ製造装置の縦断面図である。図１に示す製造装置の変形例を示す一部拡大断面図である。図１に示す製造装置の他の変形例を示す一部拡大断面図である。図１に示す製造装置のさらなる他の変形例を示す一部拡大断面図である。図１に示す製造装置のさらなる他の変形例を示す一部拡大断面図である。図１に示す製造装置のさらなる他の変形例を示す一部拡大断面図である。図１に示す製造装置のさらなる他の変形例を示す一部拡大断面図である。

符号の説明

11 反応容器
13 生成部
32 多孔質体
43 CVDガス入口管
44 CVDガス出口管
Ａ CVDガス流れ方向
Ｐ基板

Claims

反応容器内の生成部に一方向のCVDガス流れを生じさせるCVDガス手段を備えており、生成部に載置された基板の表面にカーボンナノチューブが生成されるようになされているカーボンナノチューブ製造装置において、
生成部のCVDガス流れ方向下流に多孔質体が配置されていることを特徴とするカーボンナノチューブ製造装置。
生成部のCVDガス流れ方向上流に多孔質体が配置されていることを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブ製造装置。
多孔質体のCVDガス流れ方向下流にCVDガスの未反応ガスを燃焼させるための燃焼ガスを供給する燃焼ガス手段を備えている請求項１または２に記載のカーボンナノチューブ製造装置。
CVDガス手段が、多孔質体のCVDガス流れ方向下流に設けられたガス出口を有しており、燃焼ガス手段が、ガス出口に対し間隔をおいて相対させられているガス供給口を有している請求項３に記載のカーボンナノチューブ製造装置。