JP2015145317A

JP2015145317A - カーボンナノチューブの製造装置

Info

Publication number: JP2015145317A
Application number: JP2014018042A
Authority: JP
Inventors: 榊原　慎吾; Shingo Sakakibara; 慎吾榊原; 鈴木　克典; Katsunori Suzuki; 克典鈴木; 保郎奥宮; Yasuo Okumiya; 谷高　幸司; Koji Tanitaka; 幸司谷高; 正浩杉浦; Masahiro Sugiura; 翼井上; Tasuku Inoue
Original assignee: Shizuoka University NUC; Yamaha Corp
Current assignee: Shizuoka University NUC; Yamaha Corp
Priority date: 2014-01-31
Filing date: 2014-01-31
Publication date: 2015-08-13

Abstract

【課題】生成するカーボンナノチューブの長さの基板間均一性及び基板内均一性を格段に向上でき、ひいては大量生産性を飛躍的に高めることができるカーボンナノチューブの製造装置を提供する。
【解決手段】表面に触媒を担持した複数の基板Ｘ上に炭素源を含む原料ガスを供給し、化学気相成長法により前記基板Ｘ上にカーボンナノチューブを成長させるカーボンナノチューブの製造装置１であって、一端側から前記原料ガスを供給し、他端側から化学気相成長法による反応後ガスを排出する筒状の反応炉２と、前記反応炉２内に軸方向に沿って装填され、前記基板Ｘの一半側外縁部と係合可能な機構を有し、前記複数の基板Ｘを軸方向に沿って並列するよう保持する基板ホルダー５とを備え、前記基板ホルダー５の係合機構が、複数の基板Ｘを反応炉２内の原料ガスの流れ方向と垂直面に対して傾斜させるよう構成されるカーボンナノチューブの製造装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、カーボンナノチューブの製造装置に関する。

カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）は、炭素によって作られる六員環のネットワークが一層又は多層の管状に形成された物質であり、近年、特異な電子挙動を示すことや、軽量でありながら鋼鉄の数十倍もの強度を有すること等が注目され、電子デバイス材料、光学素子材料、導電性材料、及び生体関連材料などへの応用が期待され、その用途、品質、量産性などに対する検討が精力的に進められている。

このＣＮＴの製造方法としては、アーク放電法、レーザー蒸発法、化学気相成長法（ＣＶＤ法）が提案されており、中でもＣＶＤ法が量産性に好適とされている。このＣＶＤ法によるＣＮＴの製造方法としては、例えば特開２００９−１７４０９３号公報に記載のものが挙げられ、その模式図を図７に示す。この従来のＣＮＴ製造方法は、加熱手段を有する筒状の反応炉、この反応炉の一端に配設され、反応炉内に原料ガスを供給するガス導入制御装置、反応炉の他端に配設され、反応炉内のガス排気を制御するガス排気制御装置等を備える製造装置を用い、反応炉内に触媒を担持した複数の基板を軸方向に沿って平行に立設するよう支持し、反応炉内を所定温度に制御しつつ、ガス排気制御装置で原料ガスを反応炉内に導入し、ガス排気制御装置で反応後ガスを排気することで、化学気相成長法（ＣＶＤ法）によりＣＮＴを製造するものである。

しかし、前記従来のＣＮＴ製造方法では、前記基板が原料ガスの流れに対して略垂直に配設されることから、反応炉内の上流側の基板により原料ガスの流れが阻害され、原料ガスが反応炉の軸方向の一端側から他端側へスムーズに流れない。そのため、前記従来のＣＮＴ製造方法では、軸方向に並列した各基板間で供給される原料ガスが不均一となり、各基板間で生成されるＣＮＴの長さにムラが生じる。加えて、前記従来のＣＮＴ製造方法では、基板と基板との間には原料ガスが入りづらくなる。そのため、単一の基板内でも供給される原料ガスが不均一となり、各基板の面内でも生成されるＣＮＴの長さにムラが生じる。その結果、前記従来のＣＮＴ製造方法では、生成されるＣＮＴのムラを低減するためには、反応炉内に装填する基板の枚数を減らす必要があり、１回のプロセスで得られるＣＮＴの量が減少するという不都合が生じている。

さらに、前記従来のＣＮＴ製造方法で用いる筒状反応炉は、ヒーターを備える反応炉の壁面に近いほど高温となり、中心軸に行くほど低温になるのは構造上不可避である。そのため、前記従来のＣＮＴ製造方法は、反応炉内に基板を軸方向と垂直に立設する関係上、同一基板内でも反応炉の壁面に近い外縁部と反応炉の中心軸に近い中央部とで温度差が生じる。その結果、基板内における反応速度が異なり、この点でも同一基板におけるＣＮＴの長さが不揃いになるという不都合もある。

特開２００９−１７４０９３号公報

本発明は以上のような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、生成するＣＮＴの長さの各基板間均一性及び基板内均一性を格段に向上でき、ひいては大量生産性を飛躍的に高めることができるＣＮＴ製造装置を提供することである。

前記課題を解決するためになされた本発明は、表面に触媒を担持した複数の基板上に炭素源を含む原料ガスを供給し、化学気相成長法により前記基板上にカーボンナノチューブを成長させるカーボンナノチューブの製造装置であって、一端側から前記原料ガスを供給し、他端側から化学気相成長法による反応後のガスを排出する筒状の反応炉と、前記反応炉内に軸方向に沿って装填され、前記基板の一半側外縁部と係合可能な機構を有し、前記複数の基板を軸方向に沿って並列するよう保持する基板ホルダーとを備え、前記基板ホルダーの係合機構が、複数の基板を反応炉内の原料ガスの流れ方向と垂直面に対して傾斜させるよう構成されていることを特徴とする。

当該カーボンナノチューブの製造装置は、複数の基板が反応炉内の原料ガスの流れ方向と垂直面に対して傾斜していることから、反応炉内での原料ガスの一端側から他端側へのスムーズな流れが向上し、下流側の基板への原料ガスの供給が促進される。そのため、当該カーボンナノチューブの製造装置は、反応炉内の軸方向に並列する複数の基板への原料ガスの供給量の均一化が図られ、生成するＣＮＴの長さの各基板間の均一性を向上することができる。また、当該カーボンナノチューブの製造装置は、複数の基板が傾斜していることから、基板が基板ホルダーに保持された状態における基板の起立高さ（基板の最上部と最下部との鉛直方向の距離）が減少する。これにより、上述の反応炉内における壁面近くと中心軸との温度差に起因する同一基板内の外縁部と中心部との温度差を低減でき、その結果、同一基板内におけるＣＮＴの長さの均一性も向上することができる。従って、当該カーボンナノチューブの製造装置は、１回のプロセスで所定長さのＣＮＴを生成可能な基板の枚数を増やすことができ、ＣＮＴの量産性が飛躍的に高められる。

前記基板ホルダーが、係合機構周辺に原料ガスの流れを阻害する機構を有するとよい。このような原料ガスの流れを阻害する機構を係合機構周辺に有することで、基板ホルダーの係合機構周辺における原料ガスの流れがより遅くなる。このため、前記基板の一半側の原料ガスの流速と他半側の原料ガスの流速との差がより大きくなり、ひいては両側の圧力差による上述の基板間への原料ガスの流入をさらに高めることができる。

前記基板ホルダーが、係合機構周辺に原料ガスの流れを前記複数の基板間に向けるよう基板と同様に傾斜した複数のフィンを有するとよい。このように、係合機構周辺に原料ガスの流れを前記複数の基板間に向けるよう基板と同様に傾斜した複数のフィンを有することでも、基板間に流入する原料ガスを多くでき、加えて、このフィンで他半側へ原料ガスを導入することからも、上述の基板の一半側と他半側の原料ガスの流量差が大きくなり、ひいては上述の基板間への原料ガス導入量の増大効果とが促進される。

前記基板ホルダーの係合機構が、前記複数の基板の間隔を原料ガスの流れ方向上流側から下流側に向かって漸次大きくするよう構成されるとよい。これにより、原料ガス中の炭素源の濃度が低下する反応炉内の下流側の基板により多くの原料ガスを供給することができるため、上記ＣＮＴの長さの各基板間均一性をさらに向上することができる。

以上説明したように、本発明のカーボンナノチューブの製造装置は、生成するＣＮＴの長さの基板間均一性及び基板内均一性を格段に向上でき、ひいては大量生産性を飛躍的に高めることができる。

本発明の第一実施形態に係るＣＮＴ製造装置を示す模式的中央縦断面図（ａ）、及び模式的横断面図（ｂ）である。図１（ａ）の模式的部分中央縦断面図である。本発明の第二実施形態に係るＣＮＴ製造装置を示す模式的部分中央縦断面図（ａ）、及び模式的部分横断面図（ｂ）である。本発明の第三実施形態に係るＣＮＴ製造装置を示す模式的部分中央縦断面図である。本発明の第四実施形態に係るＣＮＴ製造装置を示す模式的部分中央縦断面図である。本発明の第五実施形態に係るＣＮＴの製造装置を示す模式的中央縦断面図である。従来のＣＮＴ製造装置を示す模式的中央縦断面図である。

以下、当該ＣＮＴの製造装置の実施の形態を、適宜図面を参照しつつ詳説する。

＜第一実施形態＞
図１のＣＮＴ製造装置１は、表面に触媒を担持した１又は複数の基板Ｘ上に原料ガスを供給することで、ＣＶＤ法により前記基板Ｘ上にカーボンナノチューブを生成するものである。図１のＣＮＴの製造装置１は、具体的には反応炉２、原料ガス供給手段３、排気手段４及び基板ホルダー５を主に備えている。

（基板）
前記基板Ｘは、平板形状を有し、表面に触媒を担持している。この触媒に原料ガスが接触することで、基板Ｘの表面に垂直に配向したＣＮＴが成長する。

基板Ｘの材質としては、特に限定されないが、例えば石英ガラス、酸化膜付きシリコン等を用いることができる。基板Ｘの形状としては、特に限定されないが、例えば円形のものを用いることができる。基板Ｘの大きさとしては、特に限定されない。円形の基板を用いる場合、基板Ｘの直径としては、例えば３インチ以上５インチ以下のものを用いることができる。

前記触媒としては、例えば鉄、ニッケル、コバルト、チタン、白金等が挙げられる。前記触媒は、蒸着、スパッタリング、ディッピング等により基板Ｘ上に担持できる。触媒は基板Ｘ上に層状に形成してもよい。触媒は、基板Ｘの片面に担持してもよいし、両面に同種または面毎に異なる触媒を担持してもよい。

（反応炉）
反応炉２は、その内部に複数の基板を装填し、ＣＶＤ法によりＣＮＴを成長させる容器であり、チャンバー２ａ及びヒーター２ｂを備える。

チャンバー２ａは、基板Ｘを内部に収容することができ、原料ガスを内部に導入できる。チャンバー２ａの材質としては、使用する原料ガスに対する耐食性やチャンバー２ａの加熱温度に耐えるものであれば特に限定されないが、例えば石英ガラスやセラミック、ＳｉＣ等を用いることができる。チャンバー２ａの形状としては、複数の基板Ｘを収容できる筒状であれば特に限定されないが、円筒状のものを好適に用いることができる。チャンバー２ａは、チャンバー２ａ内に導入されたガスが外に拡散しないように密閉されていることが好ましい。

ヒーター２ｂは、チャンバー２ａを加熱し、ＣＮＴが成長可能な温度を維持する。ヒーター２ｂとしては、例えば軸を通る平面で円筒を２分割した形状を有し、チャンバー２ａの外側を上下から覆うように配設されているものを用いることができる。ヒーター２ｂの種類は特に制限されないが、例えば抵抗加熱式ヒーターが挙げられる。

チャンバー２ａ内の加熱温度の上限としては、１３００℃が好ましく、１０００℃がより好ましく、９００℃がさらに好ましい。一方、チャンバー２ａ内の加熱温度の下限としては、５００℃が好ましく、７００℃がより好ましく、８００℃がさらに好ましい。チャンバー２ａ内の加熱温度が前記上限を超えると、反応速度が速くなり、得られるＣＮＴの密度が小さくなるおそれがある。逆に、チャンバー２ａ内の加熱温度が前記下限未満であると、ＣＮＴの成長速度が遅くなり生産性が劣るおそれがある。チャンバー２ａ内の加熱温度が前記範囲であることにより、ＣＮＴをより効率よく成長させることができる。

（原料ガス供給手段）
原料ガス供給手段３は、ＣＮＴの成長に必要な原料ガスを反応炉２に供給する。前記原料ガスとしては、例えば炭素源を含む化合物が挙げられる。前記炭素源を含む化合物としては、例えばアセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）、メタン（Ｃ_２Ｈ_４）等の有機化合物が挙げられ、アセチレンが好ましい。アセチレンを用いることで、酸素等の支燃性ガスを用いなくても熱分解反応が自発的に継続することができる。

また、原料ガス供給手段３は、通常、炭素源となる原料ガス以外に反応速度を制御するため窒素（Ｎ_２）、水素（Ｈ_２）等のキャリアガスを混合して供給する。このキャリアガスの供給量を調整することで原料ガスの分解速度を制御できる。また、キャリアガスを混合せず、原料ガスのみを供給することも可能である。この場合、原料ガスが分解し生成されるカーボンが過剰となり、基板ＸにＣＮＴの成長を阻害するアモルファスカーボンが堆積しないように原料ガスの流量、ＣＮＴの成長時間等を調整する必要がある。

原料ガスの供給量は反応炉２の大きさによるが、例えば４インチの基板を２５枚装填できる反応炉２において、原料ガス供給量の下限としては、１０００ｓｃｃｍ（Ｓｔａｎｄａｒｄｃｃｐｅｒｍｉｎ、標準状態（２５℃、１気圧）における体積流量）が好ましく、１６００ｓｃｃｍがより好ましい。原料ガス供給量が前記下限未満である場合、炭素の供給量が不足し、ＣＮＴの成長速度が不十分となるおそれがある。一方、原料ガス供給量の上限としては、２５００ｓｃｃｍが好ましく、２０００ｓｃｃｍがより好ましい。原料ガス供給量が前記上限を超える場合、炭素の供給量が過剰となり、アモルファスカーボンが基板Ｘに堆積し易くなるおそれがある。

原料ガスとキャリアガスとを加えた総供給量の上限としては１００００ｓｃｃｍが好ましく、５０００ｓｃｃｍがより好ましく、３０００ｓｃｃｍがさらに好ましい。一方、前記総供給量の下限としては２０００ｓｃｃｍが好ましく、２２５０ｓｃｃｍがより好ましく、２５００ｓｃｃｍがさらに好ましい。前記総供給量が前記上限を超えると、原料ガスが反応炉２内に滞留しにくくなりＣＮＴの成長が遅くなるおそれがある。逆に、前記総供給量が前記下限未満であると原料ガスが少ないためにＣＮＴの成長が遅くなるおそれがある。前記総供給量を前記範囲内とすることで、ＣＮＴの生産効率を高めることができる。

また原料ガス供給量に対するキャリアガス供給量の下限としては、２００体積％が好ましく、３００体積％がより好ましい。キャリアガス供給量が前記下限未満である場合、原料ガスの分解速度が速くなりすぎ、原料ガス供給の上流側の基板と下流側の基板とで均質なＣＮＴを得られないおそれがある。一方、キャリアガス供給量の上限としては、９００体積％が好ましく、８００体積％がより好ましい。キャリアガス供給量が前記上限を超える場合、原料ガスの分解速度が遅くなりすぎ、ＣＮＴの成長速度が不十分となるおそれがある。

原料ガス供給手段３は、原料ガス導入管６によってチャンバー２ａの軸方向の一端側に接続されている。これにより原料ガス供給手段３は、反応炉２に原料ガスを供給することができる。

原料ガス導入管６の材質としては、原料ガス等に対する耐食性や反応炉２の温度に耐える耐熱性を有する材料であれば特に限定されないが、例えば石英ガラス、ＳｉＣ等が挙げられる。

（排気手段）
排気手段４は、排気管７を介してチャンバー２ａの他端側に接続され、反応炉２内のガスの排気を行うことができる。排気手段４は、例えばロータリーポンプ等の真空ポンプを有してもよい。排気手段４により反応炉２からの排気量を調整することで、反応炉２内の圧力を制御することができる。

（基板ホルダー）
基板ホルダー５は、反応炉２のチャンバー２ａ内に軸方向に沿って配設され、複数の基板Ｘを軸方向に沿って並列するよう保持するものである。基板ホルダー５は、具体的には支持枠体９と、この支持枠体９に形成される係合機構８を有する。

基板ホルダー５を構成する支持枠体９は、反応炉２のチャンバー２ａ内の底部に軸方向に沿って平行に配設される２本の棒状体からなる。この支持枠体９の材料としては、耐熱性を有すれば特に限定されず、例えば石英、ＳｉＣ、セラミックス等が挙げられる。

係合機構８は、支持枠体９に付設され、基板Ｘの一半側（下側）外縁部と係合できるよう構成されている。係合機構８は、具体的には、複数の基板Ｘを反応炉２の軸方向に沿って所定間隔で並列するよう保持でき、かつ基板Ｘを所定の姿勢で係止できるよう基板Ｘの下方の外縁部が挿入可能な複数の溝部からなる。この溝部は、図２に示すように、支持枠体９の軸方向と垂直面ｍを基準としてその側壁面が所定角度で傾斜するよう穿設されており、挿入した基板Ｘが反応炉２の中心軸方向と垂直面ｍに対して原料ガスの流れ方向側に傾斜するように構成されている。この基板Ｘの傾斜姿勢は、図１（ｂ）に示すように、詳細には表面における係合機構８の支持個所の中央Ｙを通る接線Ｚを回転中心とし、他半側（上側）外縁部のうち中央Ｙと対向する位置（基板Ｘの表面の中心を基準とする点対称位置）Ｐを原料ガスの流れ方向（反応炉２の中心軸方向のうちの他端向き方向）側に傾斜している。

反応炉２の中心軸と垂直面ｍに対する基板Ｘの表面の平均傾斜角度αの下限としては、１０°が好ましく、２０°がより好ましい。一方、前記平均傾斜角度αの上限としては、４５°が好ましく、４０°がより好ましい。基板Ｘの平均傾斜角度αが前記下限未満であると、反応炉２内の上流側の基板Ｘにより原料ガスの流れＧが阻害され、下流側の基板Ｘに十分な量の原料ガスが供給されないおそれがある。逆に、前記平均傾斜角度αが前記上限を超えると、基板Ｘの設置枚数が減少し、量産性が低下するおそれがある。

反応炉２の中心軸と平行線を基準とする複数の基板Ｘの平均間隔ｄの上限としては、３ｃｍが好ましく、２ｃｍがより好ましく、１．７ｃｍがさらに好ましい。一方、複数の基板Ｘの前記平均間隔ｄの下限としては、０．５ｃｍが好ましく、１ｃｍがより好ましく、１．３ｃｍがさらに好ましい。基板Ｘの平均間隔ｄが前記下限未満であると、原料ガスを複数の基板Ｘ間に十分供給できにくくなる。逆に、基板Ｘの平均間隔ｄが前記上限を超えると、反応炉２内に配設できる基板Ｘの枚数が少なくなる。基板Ｘの平均間隔ｄを前記範囲とすることで、より多くの基板ＸでＣＮＴを均一に成長させることができる。

反応炉２内に装填する基板Ｘの枚数の下限としては、１５枚が好ましく、２５枚がより好ましい。一方、装填する基板Ｘの枚数の上限としては、５０枚が好ましく、４０枚がより好ましい。装填する枚数が前記下限未満であると、一回のプロセスで得られるＣＮＴの量が少なく、生産効率が向上しないおそれがある。逆に、装填する枚数が前記上限を超えると、全ての基板Ｘに原料ガスを均等に供給することが困難になるか、又は反応炉２の巨大化を招来するおそれがある。

（利点）
当該カーボンナノチューブの製造装置１は、反応炉２の中心軸と垂直面ｍを基準とし、複数の基板Ｘの他半側外縁部（上方）が原料ガスの流れ方向側に傾斜していることから、反応炉２内での原料ガスの一端側から他端側へのスムーズな流れが向上し、下流側の基板Ｘへの原料ガスの供給が促進される。そのため、当該カーボンナノチューブの製造装置１は、反応炉２内の軸方向に並列する複数の基板Ｘへの原料ガスの供給量の均一化が促進され、生成するＣＮＴの長さの各基板間の均一性を向上することができる。また、当該カーボンナノチューブの製造装置１は、基板Ｘの他半側外縁部を反応炉２内の原料ガスの流れ方向側に傾斜させることで、基板Ｘの一半側外縁部に比べて他半側外縁部周辺における原料ガスの流速がより速くなり、このような基板Ｘの一半側の原料ガスの流速と他半側の原料ガスの流速との差に起因して圧力差が生じ、この一半側と他半側の圧力差により基板間に原料ガスが流れ込みやすくなる。従って、当該カーボンナノチューブの製造装置１は、ＣＮＴの長さの基板間均一性及び基板内均一性をさらに向上することができる。さらに、当該カーボンナノチューブの製造装置１は、複数の基板Ｘが上述のように傾斜していることから、基板Ｘが基板ホルダー５に保持された状態における基板Ｘの起立高さ（基板の最上部と最下部との鉛直方向の距離）が減少する。これにより、反応炉２内における壁面近くと中心軸との温度差に起因する同一基板内の外縁部と中心部との温度差を低減でき、その結果、同一基板内におけるＣＮＴの長さの均一性も向上することができる。従って、当該カーボンナノチューブの製造装置１は、１回のプロセスで所定長さのＣＮＴを生成可能な基板の枚数を増やすことができ、ＣＮＴの量産性が飛躍的に高められる。

＜第二実施形態＞
図３のＣＮＴの製造装置１１は、反応炉２、原料ガス供給手段３、排気手段４及び基板ホルダー１２を主に備えている。基板ホルダー１２は、支持枠体９、係合機構８及び阻害機構１３を備えている。この反応炉２、原料ガス供給手段３、排気手段４、基板ホルダー１２の支持枠体９及び係合機構８は、前記第一実施形態のＣＮＴの製造装置１と同様であるので同一番号を付して説明を省略する。

阻害機構１３は、板状体からなり、係合機構８の周辺、詳細には基板ホルダー５の支持枠体９の一半側（下方）に垂設される。かかる阻害機構１３は、基板ホルダー５の係合機構８周辺における原料ガスの流れＧをより遅くし、上述の基板Ｘの一半側の原料ガスの流速と他半側の原料ガスの流速との差をより大きくし、ひいては基板Ｘ間への原料ガスの流入をさらに高めることができる。

阻害機構１３の材質については、特に限定されず、前記支持枠体９及び前記係合機構８と同様のものを用いることができる。阻害機構１３の形状としては、係合機構８の周辺の原料ガスの流れＧを阻害し、原料ガスの流速を低下させるものであれば特に限定されないが、長方形、扇形等の平面形状を有する板状体や、これらに孔を設けた形状、厚みを増しブロック状とした板状体、球体、楕円球体、半球体、多面体等の立体的な形状などが採用される。さらに、支持枠体９の表面に凹凸を形成することで阻害機構１３を形成することもできる。上記凹凸の表面に沿って流れる流体は抵抗を受けるため、上記凹凸により原料ガスの流れＧを遅くすることができる。上記凹凸は支持枠体９全体に形成されてもよく、一部のみに形成されてもよい。

阻害機構１３が長方形板状体で基板Ｘが円形板状体である場合、基板Ｘに対する阻害機構１３の面積比の上限としては、４０％が好ましく、３０％がより好ましい。一方、前記面積比の下限としては、５％が好ましく、１０％が好ましい。阻害機構１３の基板Ｘに対する面積比が前記上限を超えると、阻害機構１３の専有面積が増大し、反応炉２の巨大化を招来する。逆に、阻害機構１３の基板Ｘに対する面積比が前記下限未満であると、阻害機構１３による係合機構８周辺の原料ガスの流れを阻害する働きが不十分となるおそれがある。なお、複数の阻害機構１３を配設する場合、それぞれの阻害機構１３が同一形状である必要は無く、互いに形状、大きさ等が異なっていてもよい。

阻害機構１３の配設位置及び配設される数については、係合機構８の近傍で、基板Ｘの下側を流れる原料ガスを阻害し、流速を低下させるものであれば、特に限定されない。例えば、図３に示すように２本の支持枠体９の下側に架け渡すよう垂下する手段、２本の支持枠体９のそれぞれに板状の阻害機構１３を１つずつ配設する手段、支持枠体９の下側に突起等を形成する手段等が採用される。

阻害機構１３の連結手段については、ＣＮＴ成長中に阻害機構１３が基板ホルダー１２から脱落しないものであれば特に限定されず、例えば基板ホルダー１２と阻害機構１３とを一体成形する手段、基板ホルダー１２と阻害機構１３とを別体として形成した後に接着、クリップ、接続部品等の保持具を別途用いて阻害機構１３を基板ホルダー１２に固定する手段等が採用される。

＜第三実施形態＞
図４のＣＮＴの製造装置２１は、反応炉２、原料ガス供給手段３、排気手段４及び基板ホルダー２２を主に備えている。基板ホルダー２２は、支持枠体９、係合機構８及びフィン２３を備えている。この反応炉２、原料ガス供給手段３、排気手段４、基板ホルダー２２の支持枠体９及び係合機構８は、前記第一実施形態のＣＮＴの製造装置１と同様であるので同一番号を付して説明を省略する。

フィン２３は、板状体からなり、係合機構８の周辺、詳細には基板ホルダー５の支持枠体９の一半側（下方）に基板Ｘと同様に傾斜させて垂設される。このように、係合機構８周辺に原料ガスの流れＧを複数の基板Ｘ間に向けるよう基板Ｘと同様に傾斜した複数のフィンを有することでも、基板Ｘ間に流入する原料ガスを多くすることができ、加えて、このフィン２３で他半側へ原料ガスを導入することからも、上述の基板Ｘの一半側と他半側との原料ガスの流量差が大きくなり、ひいては上述の基板Ｘ間への原料ガス導入量の増大効果が促進される。

フィン２３の材質については、特に限定されず、前記支持枠体９と同様のものを用いることができる。フィン２３の形状としては、原料ガスを基板Ｘの間に導入できるものであれば特に限定されないが、長方形、扇形等の平面形状が挙げられる。

フィン２３が長方形板状体で基板Ｘが円形板状体である場合、基板Ｘに対するフィン２３の面積比の上限としては、５０％が好ましく、４０％がより好ましい。一方、前記面積比の下限としては、１０％が好ましく、１５％がより好ましい。フィン２３の基板Ｘに対する面積比が前記上限を超えると、フィン２３の専有面積が増大し、反応炉２の巨大化を招来する。逆に、フィン２３の基板Ｘに対する面積比が前記下限未満であると、フィン２３の基板Ｘ間への原料ガス導入作用が不十分となるおそれがある。なお、複数のフィン２３を配設する場合、それぞれのフィン２３が同一形状である必要は無く、互いに形状、大きさ等が異なっていてもよい。

反応炉２の中心軸と垂直面ｍに対するフィン２３の表面の平均傾斜角度βの下限としては、４５°が好ましく、５０°がより好ましい。一方、前記平均傾斜角度βの上限としては、８０°が好ましく、７０°がより好ましい。フィン２３の平均傾斜角度βが前記下限未満であると、反応ガスが基板Ｘの間に十分に導入されないおそれがある。逆に、前記平均傾斜角度βが前記上限を超えると、反応炉２内の原料ガスの他半側（下方）の流れが大きく阻害され、下流側の基板Ｘ間に導入される原料ガスの量が低下するおそれがある。また、フィン２３の傾斜角度βと、基板Ｘの傾斜角度αが一致している必要はない。

また、フィン２３の配設位置及び配設される数については、基板Ｘの下側を流れる原料ガスを基板Ｘの間に導入するものであれば特に限定されないが、基板Ｘの枚数とフィン２３の枚数をほぼ同数とすることで、全ての基板Ｘの間に効率よく原料ガスを導入できる。また、複数の基板Ｘ間のうち原料ガスの流れの後方、つまり反応炉２の他端側の基板Ｘ間への原料ガスの流入が低下することから、フィン２３は列設された複数の基板Ｘの原料ガスの流れ方向後方に設置することも好ましい。

フィン２３の連結手段については、ＣＮＴ成長中にフィン２３が基板ホルダー２２から脱落しないものであれば特に限定されず、例えば基板ホルダー２２とフィン２３とを一体成形する手段、基板ホルダー２２とフィン２３とを別体として形成した後に接着等で基板ホルダー２２に固定する手段、クリップ、接続金具等の保持具を別途用いてフィン２３を基板ホルダー２２に固定する手段等が採用される。

＜第四実施形態＞
図５のＣＮＴの製造装置３１は、反応炉２、原料ガス供給手段３、排気手段４及び基板ホルダー５を主に備えている。基板ホルダー５は、支持枠体９及び係合機構８を備えている。この反応炉２、原料ガス供給手段３、排気手段４及び基板ホルダー５は、前記第一実施形態のＣＮＴの製造装置１と同様であるので同一番号を付して説明を省略する。

当該ＣＮＴの製造装置３１では、図５に示すように基板Ｘの間隔が原料ガスの流れ方向上流側ではより小さく、下流側に向かって漸次大きくなるよう構成されている。これにより、原料ガス中の炭素源の濃度が低下する反応炉２内の下流側の基板Ｘにより多くの原料ガスを供給することができ、その結果ＣＮＴの長さの基板間均一性をさらに向上することができる。

＜第五実施形態＞
図６のＣＮＴの製造装置４１は、反応炉２、原料ガス供給手段３、排気手段４及び基板ホルダー５を主に備えている。基板ホルダー５は、支持枠体９及び係合機構８を備えている。この反応炉２、原料ガス供給手段３、排気手段４及び基板ホルダー５は、前記第一実施形態のＣＮＴの製造装置１と同様であるので同一番号を付して説明を省略する。

当該ＣＮＴの製造装置４１は、基板Ｘごとに傾斜角度αが原料ガスの流れ方向上流側から原料ガス下流側に向かって漸次大きくなるよう構成されている。このように、基板Ｘの傾斜角度αを原料ガス下流側に向かって漸増することで、原料ガスの下流側の流れＧをよりスムーズにし、下流側の基板Ｘ間により原料ガスを流すことができる。従って、基板Ｘに供給される原料ガスの量をより適切なものとでき、ＣＮＴの基板Ｘ間均一性及び基板Ｘの面内均一性をさらに向上させることができる。

なお、基板Ｘの傾斜角度αの増加率の下限としては、０．５％が好ましく、０．７％がより好ましい。一方、前記傾斜角度αの増加率の上限としては、１．１％が好ましく、０．９％がより好ましい。傾斜角度αの増加率を前記範囲内とすることで、全ての基板Ｘの傾斜角度αを適切なものとしつつ、原料ガスをよりスムーズに流すことができる。

＜その他の実施形態＞
当該カーボンナノチューブの製造装置は、上記実施形態に限定されるものではない。つまり、上記実施形態では基板ホルダーが反応炉の下部に装填され、基板の下側の外縁部を保持するものについて説明したが、基板ホルダーが反応炉の上部等に装填され、基板の上側等の外縁部を保持するものでもよい。この場合、基板の下側等（つまり、保持箇所の対向位置）を原料ガスの流れ方向側に傾斜させるとよい。この場合、阻害機構又はフィンは基板ホルダーの上側等に配設される。加えて、基板ホルダーは、基板の一半側外縁部を保持するものを説明したが、同時に他半側外縁部も保持してもよい。この場合でも、他半側外縁部の保持はサポート的なもののため、傾斜方向は一半側外縁部を保持する場合と変わらない。

複数の基盤の傾斜方向は、一様であるものに限定されず、種々の方向に傾斜してもよい。この場合も、原料ガスの流れをスムーズにし、下流側の基盤Ｘ間に原料ガスの供給が促進される。

基板ホルダーの支持枠体の形状も、上記実施形態に限定されず、例えば３本以上の枠体や、板状のものもなども使用できる。

以上説明したように、本発明のカーボンナノチューブの製造装置は、複数の基板間均一性や単一の基板内均一性に優れ、高い生産効率を有する。従って、本発明のＣＮＴの製造装置は、今後ますます歪みセンサ、ヒーター、複合材、電極等に幅広く実用化が予想されるＣＮＴにおける製造プロセス等に好適に用いることができる。

１カーボンナノチューブの製造装置
２反応炉
２ａチャンバー
２ｂヒーター
３原料ガス供給手段
４排気手段
５基板ホルダー
６原料ガス導入管
７排気管
８係合機構
９支持枠体
１１カーボンナノチューブの製造装置
１２基板ホルダー
１３阻害機構
２１カーボンナノチューブの製造装置
２２基板ホルダー
２３フィン
３１カーボンナノチューブの製造装置
４１カーボンナノチューブの製造装置

Claims

表面に触媒を担持した複数の基板上に炭素源を含む原料ガスを供給し、化学気相成長法により前記基板上にカーボンナノチューブを成長させるカーボンナノチューブの製造装置であって、
一端側から前記原料ガスを供給し、他端側から化学気相成長法による反応後のガスを排出する筒状の反応炉と、
前記反応炉内に軸方向に沿って装填され、前記基板の一半側外縁部と係合可能な機構を有し、前記複数の基板を軸方向に沿って並列するよう保持する基板ホルダーとを備え、
前記基板ホルダーの係合機構が、複数の基板を反応炉内の原料ガスの流れ方向と垂直面に対して傾斜させるよう構成されていることを特徴とするカーボンナノチューブの製造装置。
前記基板ホルダーが、係合機構周辺に原料ガスの流れを阻害する機構を有している請求項１に記載のカーボンナノチューブの製造装置。
前記基板ホルダーが、係合機構周辺に原料ガスの流れを前記複数の基板間に向けるよう基板と同様に傾斜した複数のフィンを有している請求項１に記載のカーボンナノチューブの製造装置。
前記基板ホルダーの係合機構が、前記複数の基板の間隔を原料ガスの流れ方向上流側から下流側に向かって漸次大きくするよう構成されている請求項１、請求項２又は請求項３に記載のカーボンナノチューブの製造装置。