JP2014129221A - 反応器 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、反応器に関し、特にカーボンナノチューブを成長させる反応器を提供する。
【解決手段】本発明の反応器は、反応室と、成長基板と、を含む反応器であって、反応室は入口及び出口を含み、成長基板は、支持体によって反応室の内に設置され、且つ入口及び出口の間に設置され、且つ入口及び前記出口と間隔をあけて設置され、成長基板は、側壁と、底面と、底面と相対する開口を含み、側壁は相対する両端を有し、一端は底面と接合し、他端には開口が形成され、側壁はカーボンナノチューブ構造体及び触媒粒を含み、且つ複数の空隙を有し、開口は入口と面して設置され、入口から導入される混合気体は、開口を通じって、成長基板に流れ、側壁の空隙を貫通して、出口から流出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、反応器に関するものである。

カーボンナノチューブは１９９１年に発見された新しい一次元ナノ材料である。カーボンナノチューブは、高引張強さ、高熱安定性、理想的な一次元構造、優れた力学特性、電気特性、熱学特性などの特徴を有するので、カーボンナノチューブの応用についての研究が進められており、カーボンナノチューブは、材料科学、化学、物理などの科学領域に広く応用されている。近年、反応器に関して、カーボンナノチューブ自体を基板として用いて、カーボンナノチューブを成長させる研究が進められている。

しかし、例えば、サイズが小さい等のカーボンナノチューブ固有の条件に制限されるため、カーボンナノチューブ自体を基板として用いて、カーボンナノチューブを成長させることが課題となっていて、この課題が研究されている。

中国特許出願公開第１０１２３９７１２号明細書 特開２００４−１０７１９６号公報 特開２００６−１６１５６３号公報

従って、前記課題を解決するために、本発明はカーボンナノチューブを成長させる反応器を提供する。

本発明の反応器は、反応室と、成長基板と、を含む反応器であって、前記反応室は入口及び出口を含み、前記成長基板は、前記支持体によって反応室の内に設置され、且つ前記入口及び前記出口の間に設置され、且つ前記入口及び前記出口と間隔をあけて設置され、前記成長基板は、側壁と、底面と、底面と相対する開口を含み、前記側壁は相対する両端を有し、一端は前記底面と接合し、他端には前記開口が形成され、前記側壁はカーボンナノチューブ構造体及び触媒粒を含み、且つ複数の空隙を有し、前記開口は入口と面して設置され、前記入口から導入される混合気体は、前記開口を通じって、前記成長基板に流れ、側壁の空隙を貫通して、出口から流出する。

従来の技術と比べて、本発明の反応器には、以下の優れた点がある。第一に、側壁がカーボンナノチューブ構造体を含み、カーボンナノチューブ構造体のカーボンナノチューブが均一に分布され、且つ非常に大きい比表面面積を有するので、側壁が優れた吸着力を有する。これにより、接着剤を利用せずに、触媒粒が側壁の表面に固定される。第二に、カーボンナノチューブ構造体が複数の空隙を含むので、触媒粒が空隙の内に嵌められて、固く固定され、触媒粒の凝集を効果的に防止し、触媒粒の活性化を保持する。第三に、カーボンナノチューブが優れた電気‐熱変換特性を有するので、カーボンナノチューブ構造体に電流を流すことによって、側壁を加熱できる。これにより、加熱装置を更に設置する必要がなく、反応器の構造が簡単になり、コストが低くなる。

本発明の実施例１における反応器の構造図である。 図１の反応器における成長基板の構造図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った、側壁の断面図である。 本発明の実施例１の反応器におけるカーボンナノチューブフィルムの走査型電子顕微鏡写真である。 図４のカーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブカーボンナノチューブセグメントの構造図である。 本発明の実施例１の反応器における積層された多層のカーボンナノチューブフィルムの構造図である。 本発明の実施例１の反応器における非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤの走査型電子顕微鏡写真である。 本発明の実施例１の反応器におけるねじれ状カーボンナノチューブワイヤの走査型電子顕微鏡写真である。 本発明の実施例１の反応器の応用を示す図である。 本発明の実施例１の反応器を応用する際の成長基板の構造図である。 本発明の実施例１の反応器における側壁の断面図である。 本発明の実施例２における反応器の構造図である。 図１２の反応器における成長基板の構造図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。また、以下の各実施例において、同じ部材は同じ符号で標示する。

（実施例１）
図１を参照すると、本実施例の反応器１０は、反応室１３と、成長基板１４と、支持体１６と、を含む。支持体１６によって、成長基板１４は反応室１３の内に固定される。

反応室１３は、入口１１及び出口１２を有する。入口１１及び出口１２は間隔をあけて設置される。好ましくは、入口１１及び出口１２は反応室１３の長手方向の相対する両端に設置される。反応室１３は耐高温性で且つ化学的に安定な材料からなり、反応室１３の材料は石英、セラミック、ステンレススチールの何れか一種である。反応室１３は管状構造体であり、管状構造体の長手方向と垂直な方向における該管状構造体の横断面の形状は、円形、楕円形、三角形、矩形、或いは他の規則的図形及び不規則な図形である。反応室１３の横断面の幅の最大の長さは１ｃｍ〜５０ｃｍであり、好ましくは、２.５ｃｍ〜２０ｃｍである。反応室１３の長さは２ｃｍ〜５０ｃｍである。本実施例において、反応室１３は、横断面が円形である管状構造体であり、入口１１及び出口１２は反応室１３の長手方向の相対する両端に設置され、反応室１３の直径は２.５ｃｍであり、反応室１３の長さは２０ｃｍである。

図２を併せて参照すると、成長基板１４は反応室１３の内に設置され、入口１１及び出口１２の間に設置され、且つ入口１１及び出口１２とそれぞれ間隔をあけて設置される。成長基板１４の形状及び面積は、反応室１３の横断面に伴って変更できる。これにより、成長基板１４は反応室１３の内のスペースを十分に利用できる。成長基板１４はバケツ状構造体であり、側壁１４０と、底面１４４と、底面１４４と相対する開口１４６と、を含む。開口１４６は入口１１と面して設置される。好ましくは、入口１１は開口１４６と対応して設置される。これにより、入口１１に流れるガスは、開口１４６によって、直接に成長基板１４の内に到達する。側壁１４０は管状である。側壁１４０は長手方向の相対する両端を有し、側壁１４０の一端は、底面１４４と接合し、底面１４４と相対する側壁１４０の他の一端は、開口され、開口１４６が形成される。成長基板１４の、底面１４４を通過する成長基板１４の中心軸と垂直な方向上に切断した横断面の形状は、円形、楕円形、三角形、矩形、或いは他の規則図形及び不規則図形である。好ましくは、成長基板１４は直バケツ状構造体であり、即ち、成長基板１４の、底面１４４を通過する成長基板１４の中心軸と垂直な方向上に切断された各横断面の形状及び寸法は同じであり、且つ底面１４４の形状及び寸法と同じである。成長基板１４の中心軸は反応室１３の長手方向に沿って延伸し、即ち、反応室１３の長手方向での中心軸は、成長基板１４の中心軸と一致する。成長基板１４は反応室１３の内に設置できるため、成長基板１４の最大の外径は反応室１３の内径より小さい。成長基板１４の最大の外径は０．９ｃｍ〜４５ｃｍであり、好ましくは、１ｃｍ〜１５ｃｍである。本実施例において、成長基板１４の最大の外径は２ｃｍである。

成長基板１４は反応室１３の内に懸架して設置される。ここで、成長基板１４は反応室１３の内に懸架して設置されることは、反応室１３の内において、成長基板１４の側壁１４０の少なくとも一部が反応室１３と間隔をあけて設置され、反応室１３の内壁と接触されないことを指す。例えば、成長基板１４は支持体１６によって反応室１３の内に懸架して設置されることができる。成長基板１４が固定され、且つ成長基板１４の一部が懸架して設置されることができれば、支持体１６の形状は制限されない。支持体１６の材料は特定の幾何形状を形成でき、且つ加熱工程に、自体形状を保持できる金属材料或いは絶縁材料である。金属材料は、例えば、金、銀、アルミニウムなどの一種である。絶縁材料は、例えば、セラミックなどである。本実施例において、支持体１６は反応室１３に固定されるsemi-ring半環状構造体であり、その材料はセラミックであり、成長基板１４の側壁１４０は支持体１６に掛けて設置される。更に、支持体１６が設置されなくてもいい、成長基板１４は他の方式によって、例えば、貼付によって、成長基板１４の側壁１４０の一部が反応室１３の内壁に直接に固定され、他の側壁１４０は反応室１３の内に懸架して設置される。

底面１４４の形状は円形、楕円形、三角形、矩形、或いは他の規則的図形及び不規則な図形であり、側壁１４０が囲んでいる構造体の横断面の形状によって選択できる。底面１４４の面積は側壁１４０が囲んでいる構造体の横断面の面積以上である。これにより、底面１４４は側壁１４０と併せて半閉鎖（ｓｅｍｉ−ｃｌｏｓｅｄ）スペースを形成する。底面１４４の面積は０．９ｃｍ^２〜４５ｃｍ^２である。本実施において、底面１４４の形状は円形であり、その直径は２ｃｍである。底面１４４の材料は幾何形状を形成できる高温の金属、半導体或いは非金属材料などであり、例えば、金、ステンレススチール、石英、セラミックなどの一種である。本実施例において、底面１４４の材料はセラミックである。底面１４４は、支持体１６によって、反応室１３の内壁に直接に固定され、側壁１４０の一端は底面１４４に固定され、側壁１４０の全ては反応室１３の内に懸架して設置される。

側壁１４０はカーボンナノチューブ構造体及び触媒粒１５を含む。好ましくは、側壁１４０はカーボンナノチューブ構造体及び触媒粒１５からなる。触媒粒１５はカーボンナノチューブ構造体の表面に均一に分散される。該カーボンナノチューブ構造体は均一に分布された複数のカーボンナノチューブを含み、該複数のカーボンナノチューブはカーボンナノチューブ構造体の表面に基本的に平行な方向に沿って延伸する。更に、カーボンナノチューブ構造体は複数のカーボンナノチューブのみからなることができる。側壁１４０の厚さは、１０ｎｍ〜１００μｍであり、例えば、１５ｎｍ、２００ｎｍ、１μｍである。本実施例において、側壁１４０の厚さは１００ｎｍである。側壁１４０におけるカーボンナノチューブは単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブの一種または多種であり、その長さ及び直径は必要に応じて選択できる。

図３を参照すると、側壁１４０はパターン化構造を有する。パターン化構造とは、側壁１４０において複数の空隙１４２が形成される構造のことである。該複数の空隙１４２は側壁１４０の厚さ方向に、側壁１４０を貫通する。空隙１４２は触媒粒で被覆された複数のカーボンナノチューブが囲んで形成する微孔であり、或いは触媒粒が被覆されたカーボンナノチューブの軸方向に沿って延伸する隣接カーボンナノチューブ間のスリップ状の間隙である。空隙１４２が微孔状である場合、空隙１４２の平均孔径は、５ｎｍ〜１００μｍであり、例えば、１０ｎｍ、１μｍ、１０μｍ、５０μｍ、或いは９０μｍなどである。空隙１４２がストリップ状である場合、空隙１４２の平均幅は、５ｎｍ〜１００μｍである。“空隙１４２のサイズ”とは、孔径の直径又はストリップ状の幅を指す。好ましくは、空隙１４２のサイズは、５ｎｍ〜１０μｍである。側壁１４０において、微孔及びストリップ状の間隙が共に存在でき、且つ両者の寸法は異なってもよい。更に、側壁１４０のデューティファクタ（ｄｕｔｙｆａｃｔｏｒ）は、１：１００〜１００：１、１：１０〜１０：１、１：４〜４：１或いは１：２〜２：１である。好ましくは、側壁１４０のデューティファクタは、１：４〜４：１である。ここで“デューティファクタ”とは、側壁１４０における、触媒粒で被覆されたカーボンナノチューブにより遮られた領域と、側壁１４０の空隙１４２から露出された領域との面積比を示す。好ましくは、空隙１４２は側壁１４０に均一に分布する。

側壁１４０はパターン化構造を有し、底面１４４はパターン化構造を有しない。底面１４４がパターン化構造を有しないとは、底面１４４は側壁１４０における空隙を有しないことである。これにより、混合気体は反応室１３の内に導入された後、底面１４４に阻止され、混合気体は側壁１４０と垂直な方向に沿って、側壁１４０の空隙１４２を通じて、成長基板１４の外に流れ、側壁１４０にカーボンナノチューブを成長させることができる。

電子ビーム蒸着法、熱ＣＶＤ法、或いはスパッタリング法によって、カーボンナノチューブ構造体の表面に触媒粒１５を形成できる。触媒粒１５は鉄、コバルト、ニッケル或いはそれらの合金からなる。触媒粒１５のサイズは５ｎｍ〜１０ｎｍである。側壁１４０はカーボンナノチューブ構造体を含むので、触媒粒１５はカーボンナノチューブの吸着作用によって、カーボンナノチューブの表面に吸着されて固定される。これにより触媒粒１５はカーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブの表面に均一に分散される。図３を参照すると、触媒粒１５はカーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブの表面に被覆され、或いはカーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブの表面と接触せずに設置される。カーボンナノチューブの表面に被覆されない触媒粒１５が有るにしても、大部分の触媒粒１５はカーボンナノチューブ構造体の表面に均一に分散される。巨視的には、触媒粒１５がカーボンナノチューブ構造体の表面に均一に分散されることが保証される。具体的には、触媒粒１５のサイズが大きい場合、形成された空隙１４２のサイズは小さい。触媒粒のサイズが小さい場合、形成された空隙１４２のサイズは大きい。空隙１４２を形成できることを保証すれば、触媒粒のサーズは必要に応じて選択できる。本実施例において、触媒粒１５は鉄ナノ粒からなり、その厚さは５ｎｍである。触媒粒のサイズは８ｎｍである。

側壁１４０は均一に分布された前記パターンを有することを保証すれば、カーボンナノチューブ構造体における複数のカーボンナノチューブは、配向し又は配向せずに配置されていてもよい。複数のカーボンナノチューブの配列方式により、カーボンナノチューブ構造体は非配向型のカーボンナノチューブ構造体及び配向型のカーボンナノチューブ構造体の二種に分類される。非配向型のカーボンナノチューブ構造体では、カーボンナノチューブが異なる方向に沿って配置され、又は絡み合っている。配向型のカーボンナノチューブ構造体では、複数のカーボンナノチューブが同じ方向に沿って配列している。又は、配向型のカーボンナノチューブ構造体において、配向型のカーボンナノチューブ構造体が二つ以上の領域に分割される場合、各々の領域における複数のカーボンナノチューブが同じ方向に沿って配列されている。この場合、異なる領域におけるカーボンナノチューブの配列方向は異なる。本実施例において、好ましくは、複数のカーボンナノチューブは同じ方向に沿って、カーボンナノチューブ構造体の表面と平行に配列される。

カーボンナノチューブ構造体は自立構造体であり、その表面に形成される触媒粒１５を支持できる。カーボンナノチューブ構造体がカーボンナノチューブフィルムを含む場合、自立構造体とは、支持体材を利用せず、カーボンナノチューブフィルムを独立して利用することができる形態のことである。すなわち、カーボンナノチューブフィルムを対向する両側から支持して、カーボンナノチューブフィルムの構造を変化させずに、カーボンナノチューブフィルムを懸架させることができることを意味する。カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは、分子間力で接続されているので、自立構造体を実現する。カーボンナノチューブ構造体が一本のカーボンナノチューブワイヤである場合、自立構造体とは、支持体材を利用せず、カーボンナノチューブワイヤを独立して利用することができる形態のことである。すなわち、カーボンナノチューブワイヤを対向する両側から支持して、カーボンナノチューブワイヤの構造を変化させずに、カーボンナノチューブワイヤを懸架させることができることを意味する。以上のように、カーボンナノチューブ構造体は自立構造体であるので、支持体１６に直接に設置できる。カーボンナノチューブ構造体が複数のカーボンナノチューブワイヤを含む場合、カーボンナノチューブ構造体は、複数のカーボンナノチューブワイヤが平行に配列される単層構造体である。この際、複数のカーボンナノチューブワイヤが平行に配列される方向と垂直な方向に、支持力を提供して、該単層構造体は、懸架されることができる。更に、単層構造体におけるカーボンナノチューブが延伸する方向に沿って、分子間力で端と端で接続される。隣接するカーボンナノチューブが分子間力で接続される場合、単層構造体は容易に懸架される。

カーボンナノチューブ構造体は複数のカーボンナノチューブからなる純カーボンナノチューブ構造体でもよいし、或いは複数のカーボンナノチューブを含む複合構造体でもよい。カーボンナノチューブ構造体が複数のカーボンナノチューブからなる純カーボンナノチューブ構造体である場合、カーボンナノチューブ構造体を形成する過程において、カーボンナノチューブを化学修飾及び酸化処理しない。カーボンナノチューブ構造体が複数のカーボンナノチューブを含む複合構造体である場合、複合構造体は複数のカーボンナノチューブ及び添加材料を含む。複合構造体において、複数のカーボンナノチューブが主な成分であり、且つフレームとして用いられる。添加材料は石墨、グラファイト、炭化ケイ素、窒化ホウ素、窒化ケイ素、シリカ、無定形炭素の何れかの一種或いは多種である。化学気相蒸着法（ＣＶＤ）或いは物理気相成長法（ＰＶＤ）によって、添加材料はカーボンナノチューブ構造体における複数のカーボンナノチューブの少なくとも一部の表面に被覆され、或いは空隙１４２の内に設置される。好ましくは、添加材料はカーボンナノチューブ構造体における複数のカーボンナノチューブの表面に被覆される。これにより、カーボンナノチューブの直径が大きくなり、カーボンナノチューブ構造体に触媒粒が分散された後の空隙１４２が小さくなる。

カーボンナノチューブ構造体は少なくとも一つのカーボンナノチューブフィルム、複数のカーボンナノチューブワイヤ、或いは少なくとも一つのカーボンナノチューブフィルムとカーボンナノチューブワイヤとの組み合わせである。カーボンナノチューブ構造体は単層カーボンナノチューブフィルム或いは積層された多層カーボンナノチューブフィルムでもよい。カーボンナノチューブ構造体が積層された多層カーボンナノチューブフィルムである場合、カーボンナノチューブフィルムの層数は２〜１００である。カーボンナノチューブ構造体が複数のカーボンナノチューブワイヤからなる場合、複数のカーボンナノチューブワイヤは相互に間隔をあけて平行に設置され、或いは複数のカーボンナノチューブワイヤは交差され、ネット構造体が形成される。カーボンナノチューブ構造体は平行に設置された複数のカーボンナノチューブワイヤからなる場合、隣接する二つのカーボンナノチューブワイヤの距離は１０ｎｍ〜１００μｍであり、好ましくは、１０ｎｍ〜１０μｍである。隣接する二つのカーボンナノチューブワイヤの間隙は空隙１４２であり、該間隙の長さはカーボンナノチューブワイヤの長さと同じである。カーボンナノチューブフィルムの層数及び隣接する二つのカーボンナノチューブワイヤの距離を制御することによって、カーボンナノチューブ構造体の空隙１４２のサイズを制御できる。

前記カーボンナノチューブフィルムは、複数のカーボンナノチューブからなる自立構造体であり、複数のカーボンナノチューブが同じ方向に沿って配列されている。複数のカーボンナノチューブの延伸する方向はカーボンナノチューブフィルムの表面と基本的に平行である。また、複数のカーボンナノチューブは分子間力で接続されている。具体的には、複数のカーボンナノチューブにおける各カーボンナノチューブは、延伸する方向における隣接するカーボンナノチューブと、分子間力で端と端とが接続されている。また、カーボンナノチューブフィルムは、少数のランダムなカーボンナノチューブを含む。しかし、大部分のカーボンナノチューブは同じ方向に沿って配列されているので、このランダムなカーボンナノチューブの延伸方向は、大部分のカーボンナノチューブの延伸方向には影響しない。具体的に、カーボンナノチューブフィルムにおける多数のカーボンナノチューブは、絶対的に直線状ではなくやや湾曲している。または、延伸する方向に完全に配列せず、少しずれている場合もある。従って、同じ方向に沿って配列されている多数のカーボンナノチューブの中において、隣同士のカーボンナノチューブが部分的に接触する可能性がある。

図４及び図５を参照すると、カーボンナノチューブ構造体は少なくとも一つのカーボンナノチューブフィルムを含み、前記カーボンナノチューブフィルムは基本的に同じ方向に沿って配列される複数のカーボンナノチューブを含む。該複数のカーボンナノチューブは開口１４６から底面１４４までの方向に沿って延伸する。具体的に、カーボンナノチューブフィルムは、複数のカーボンナノチューブセグメント１４３を含む。複数のカーボンナノチューブセグメント１４３は、長さ方向に沿って分子間力で端と端が接続されている。それぞれのカーボンナノチューブセグメント１４３は、相互に平行に、分子間力で結合された複数のカーボンナノチューブ１４５を含む。カーボンナノチューブセグメント１４３の長さ、厚さ、形状及び均一性は制限されない。カーボンナノチューブフィルムはカーボンナノチューブアレイの選択された一部を引出すことによって、形成される。形成されたカーボンナノチューブフィルムの厚さは１ｎｍ〜１００μｍであり、形成されたカーボンナノチューブフィルムの幅は選択されたカーボンナノチューブアレイの幅に関し、形成されたカーボンナノチューブフィルムの長さは制限されない。好ましくは、カーボンナノチューブフィルムの厚さは１００ｎｍ〜１０μｍである。カーボンナノチューブフィルムにおいて、隣接するカーボンナノチューブは間隙或いは微孔を有し、空隙１４２が形成される。カーボンナノチューブフィルムにおける複数のカーボンナノチューブ１４５は、同じ方向に沿って配列される。カーボンナノチューブフィルムの構造及び製造方法は、特許文献１に掲載されている。

図６を参照すると、カーボンナノチューブ構造体が積層された複数のカーボンナノチューブフィルムを含む場合、隣接するカーボンナノチューブフィルムは、分子間力で結合されている。隣接するカーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブはそれぞれ０°〜９０°の角度で交差している。積層された複数のカーボンナノチューブフィルムはカーボンナノチューブ構造体の自立性を向上させ、カーボンナノチューブ構造体を使用する過程に、変形することを防止し、更に、カーボンナノチューブの凝集を防止する。本実施例において、カーボンナノチューブ構造体は積層された二つのカーボンナノチューブフィルムからなり、二つのカーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは９０°の角度で交差している。

カーボンナノチューブ構造体は複数のカーボンナノチューブワイヤを含む場合、カーボンナノチューブワイヤの両端に支持体１６が設置されることによって、カーボンナノチューブワイヤは反応室１３に固定され、支持体１６が設置されないカーボンナノチューブワイヤは懸架される。カーボンナノチューブワイヤは、非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤ又はねじれ状カーボンナノチューブワイヤであることができる。非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤもねじれ状カーボンナノチューブワイヤも自立構造である。図７を参照すると、カーボンナノチューブワイヤが、非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤである場合、分子間力で端と端とが接続された複数のカーボンナノチューブセグメント（図示せず）を含む。さらに、各カーボンナノチューブセグメントに、同じ長さの複数のカーボンナノチューブが平行に配列されている。複数のカーボンナノチューブは、カーボンナノチューブワイヤの中心軸に平行に配列されている。カーボンナノチューブセグメントの長さ、厚さ、均一性及び形状は制限されない。一本の非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤの長さは制限されず、その直径は、０．５ｎｍ〜１００μｍである。有機溶剤によって、カーボンナノチューブフィルムを処理して、非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤを得る。具体的には、有機溶剤によって、カーボンナノチューブフィルムの全ての表面を浸す。揮発性の有機溶剤が揮発すると、表面張力の作用によって、カーボンナノチューブフィルムにおける相互に平行な複数のカーボンナノチューブが分子間力によって互いに緊密に結合して、カーボンナノチューブフィルムが収縮して非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤを得る。前記有機溶剤はエタノール、メタノール、アセトン、塩化エチレン或いはクロロホルムである。本実施例において、有機溶剤はエタノールである。この有機溶剤によって処理されないカーボンナノチューブフィルムと比較して、有機溶剤によって処理された非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤの比表面積は減少し、且つ接着性も弱い。また、カーボンナノチューブワイヤの機械強度及び強靭さを増強させ、外力によってカーボンナノチューブワイヤが破壊される可能性を低くする。

図８を参照すると、カーボンナノチューブフィルムの長手方向に沿う対向する両端に相反する力を印加することにより、ねじれ状カーボンナノチューブワイヤを形成することができる。好ましくは、ねじれ状カーボンナノチューブワイヤは、分子間力で端と端とが接続された複数のカーボンナノチューブセグメント（図示せず）を含む。さらに、各カーボンナノチューブセグメントには、同じ長さの複数のカーボンナノチューブが平行に配列されている。カーボンナノチューブセグメントの長さ、厚さ、均一性及び形状は制限されない。一本のねじれ状カーボンナノチューブワイヤの長さは制限されず、その直径は、０．５ｎｍ〜１００μｍである。更に、有機溶剤によって、ねじれ状カーボンナノチューブワイヤを処理する。有機溶剤によって処理されたねじれ状カーボンナノチューブワイヤは表面張力の作用によって、ねじれ状カーボンナノチューブワイヤにおける相互に平行な複数のカーボンナノチューブが分子間力によって互いに緊密に結合して、ねじれ状カーボンナノチューブワイヤの比表面積が減少し、接着性が小さい一方、カーボンナノチューブワイヤの機械強度及び強靭が増強する。カーボンナノチューブワイヤの製造方法は、特許文献２及び特許文献３に掲載されている。

更に、本発明は、カーボンナノチューブの成長装置としての反応器１０の応用を提供する。図９を参照すると、反応器１０の応用は、反応器１０を提供するステップ（Ｓ１１）と、反応室１３に炭素源ガスとキャリアガスからなる混合気体を導入するステップ（Ｓ１２）と、側壁１４０を加熱し、カーボンナノチューブを成長させるステップ（Ｓ１３）と、を含む。

ステップ（Ｓ１２）において、混合気体を反応室１３の入口１１から反応室１３の内に導入する。混合気体は反応室１３の内に導入された後、底面１４４に阻止される。これにより、混合気体は側壁１４０と垂直な方向に沿って、側壁１４０の空隙１４２を通じて、成長基板１４の外に流れる。混合気体は特定の速度で入口１１から反応室１３の内に導入し、同時に、前記反応室１３の内に導入する速度で、出口１２から流出する。これにより、反応室１３内における炭素源ガスが流れる状態を保持し、反応室１３内の炭素源ガスを更新し続けることができ、その濃度が基本的に変化しない。且つ炭素源ガスは触媒粒１５及び側壁１４０を貫通して流れるので、炭素源ガスは触媒粒１５と十分に接触でき、高品質のカーボンナノチューブを成長させることができる。また、触媒粒１５は側壁１４０の表面に固定されるので、反応室１３内に混合気体を導入する工程に、混合気体の流れは触媒粒の分布に影響しなく、触媒粒の凝集を有効に防止し、触媒粒の活性化を保持する。カーボンナノチューブの成長速度は、触媒粒１５と反応室１３との温度差に正比例する。炭素源ガスの流れる速度及び側壁１４０の温度を調整することによって、触媒粒１５の温度を制御できる。従って、気圧で側壁１４０が破壊されないことを保証すれば、カーボンナノチューブの成長速度によって、反応室１３内の気圧及び混合気体の流れる速度を制御できる。

混合気体は炭素源ガス及びキャリアガスからなる。キャリアガスはアルゴン、窒素或いは炭素源ガスと反応しないガスの何れか一種である。炭素源ガスは、エチレン、メタン、エタン、アセチレン或いは他の気体の炭化水素の何れか一種である。本実施例において、炭素源ガスは、エチレンである。且つ１０００ｓｃｃｍの流速で、エチレンを反応室１３に導入する。

ステップ（Ｓ１３）において、反応室１３の温度がカーボンナノチューブの成長温度に達すると、加熱装置（図示せず）によって、反応室１３を加熱できる。本実施例において、側壁１４０に電流を流すことによって、反応室１３を加熱する。具体的に、反応器１０は第一電極１７２及び第二電極１７４を含み、該第一電極１７２及び第二電極１７４は間隔をあけて、側壁１４０の表面に設置され、且つ側壁１４０と電気的に接続される。第一電極１７２及び第二電極１７４は電源１７に接続されることによって、側壁１４０に電流を流す。本実施例において、第一電極１７２及び第二電極１７４は環状電極であり、第一電極１７２は開口１４６に近く設置され、第二電極１７４は底面１４４に近く設置される。

第一電極１７２と第二電極１７４の間に電圧を印加することによって、側壁１４０に電流を流し、側壁１４０を加熱し、側壁１４０の温度をカーボンナノチューブの成長温度に到達させる。第一電極１７２と第二電極１７４の間に印加する電圧は、第一電極１７２と第二電極１７４の距離、及び側壁１４０におけるカーボンナノチューブの直径に関係している。本実施例において、第一電極１７２と第二電極１７４の間に印加する電圧は４０ボルトであり、側壁１４０におけるカーボンナノチューブの直径は５μｍである。側壁１４０の表面にカーボンナノチューブを成長させる工程において、熱によって、側壁１４０の温度は５００〜９００℃に達し、反応時間は３０〜６０分間である。その際、反応室１３内に、側壁１４０以外の温度は４０℃〜５０℃である。これにより、触媒層１５と反応室１３の温度差を大きくして、カーボンナノチューブの成長速度を高める。

更に、側壁１４０に電流を流して加熱するのと同時に、加熱装置（図示せず）によって、反応室１３を加熱できる。これにより、カーボンナノチューブの成長速度を高める。側壁１４０に電流を流して、特定の時間が経った後、側壁１４０を加熱することを停止し、気体を導入することを停止する。

反応器１０には以下の優れた点がある。第一に、成長基板１４はバケツ状構造体であるので、反応室１３のスペースを十分に利用できる。第二に、側壁１４０におけるカーボンナノチューブの性質が安定していて、触媒と反応しない。第三に、側壁１４０がカーボンナノチューブ構造体を含み、カーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブが均一に分布し、且つ非常に大きい比表面面積を有するので、側壁１４０が優れた吸着力を有する。これにより、接着剤を利用しなくても、触媒粒が側壁１４０の表面に固定される。第四に、カーボンナノチューブ構造体が複数の空隙１４２を含むので、触媒粒は空隙１４２の内に嵌められて、固く固定され、触媒粒の凝集を効果的に防止し、触媒粒の活性化を保持する。第五に、カーボンナノチューブが優れた電気‐熱変換特性を有するので、カーボンナノチューブ構造体に電流を流すことによって、側壁１４０を加熱できる。これにより、加熱装置を別途設置する必要がなく、反応器の構造が簡単になり、コストが低くなる。

（実施例２）
図１２を参照すると、本実施例の反応器２０は、反応室１３と、成長基板１４と、支持体１６と、を含む。支持体１６によって、成長基板１４は反応室１３の内に固定される。反応室１３は、入口１１及び出口１２を有する。入口１１及び出口１２は反応室１３の長手方向の相対する両端に設置される。成長基板１４はバケツ状構造体であり、間隔をあける多層の側壁１４０と、底面１４４と、底面１４４と相対する開口１４６と、を含む。開口１４６は入口１１と面して設置される。間隔をあける多層の側壁１４０と底面１４４とは、半閉鎖構造体を形成する。

本実施例の反応器２０の構造は、実施例１における反応器１０の構造と基本的に同じであるが、以下の点が異なる。反応器２０において、成長基板１４は間隔のあいた多層の側壁１４０を含む。

図１３を参照すると、反応器２０において、成長基板１４は多層の側壁１４０を含み、該多層の側壁１４０はそれぞれ間隔をあけて設置される。多層の側壁１４０において、隣接する二つの側壁１４０のうちの外側の側壁１４０は内側の側壁１４０を囲む。隣接する側壁１４０の間隔は同じでも良いし、同じでなくても良い。底面１４４及び開口１４６が規則な幾何形状である場合、多層の側壁１４０は開口１４６の中心軸に沿って、同軸に設置される。本実施例において、成長基板１４は二層の側壁１４０を含み、該二層の側壁１４０は同軸に設置される。二層の側壁１４０の中心軸と垂直な方向における二層側壁１４０の横断面は円形である。該二層の側壁１４０間の間隔は０．５ｃｍ〜２ｃｍである。

反応器２０において、カーボンナノチューブを成長させる工程では、触媒粒を各層の側壁１４０の表面に設置できる。混合気体は入口１１から反応室１３に導入され、開口１４６を通じて成長基板１４内に入り、多層の側壁１４０を一層ずつ貫通した後、出口１２で反応室１３から流出する。成長基板１４は間隔のあいた多層の側壁１４０を含むので、炭素源ガスを十分に利用できる。例えば、隣接する二つの側壁１４０のうち内側の側壁１４０の表面に設置される触媒粒と反応しない炭素源ガスは、隣接する二つの側壁１４０のうち外側の側壁１４０の表面に設置される触媒粒と反応できる。これにより、炭素源ガスを十分に利用でき、生産率を高め、コストも低くなる。

１０、２０ 反応器
１１ 入口
１２ 出口
１３ 反応室
１４ 成長基板
１５ 触媒粒
１６ 支持体
１７ 電源
１４０ 側壁
１４２ 空隙
１４３ カーボンナノチューブセグメント
１４４ 底面
１４５ カーボンナノチューブ
１４６ 開口
１７２ 第一電極
１７４ 第二電極

Claims (1)

1. カーボンナノチューブを成長させる反応器であって、
   反応室と、成長基板と、を含み、
   前記反応室は入口及び出口を含み、
   前記成長基板は、前記反応室の内に設置され、且つ前記入口及び前記出口の間に設置され、且つ前記入口及び前記出口と間隔をあけて設置され、
   前記成長基板は、側壁と、底面と、前記底面に相対する開口と、を含み、
   前記側壁は相対する両端を有し、一端は前記底面と接合し、他端には前記開口が形成され、
   前記側壁は、カーボンナノチューブ構造体及び触媒粒を含み、且つ複数の空隙を有し、
   前記開口は、前記入口と面して設置され、
   前記入口から導入される混合気体は、前記開口を通じて、前記成長基板に流れ、前記側壁の空隙を貫通して、出口から流出することを特徴とする反応器。