JP2015189619A - カーボンナノチューブの製造装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】カーボンナノチューブの長さ及びアモルファス層の厚みを正確に制御し得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】基板２の移動方向に、基板２表面を第１ＣＶＤ温度に加熱してカーボンナノチューブ３を所定長さに成長させる第１ＣＶＤ温度領域Ａ４と、さらに基板２表面を第１ＣＶＤ温度よりも高い第２ＣＶＤ温度に加熱してカーボンナノチューブ３表面にカーボンを付着させる第２ＣＶＤ領域Ａ５とが設けられた減圧の反応容器５を有するカーボンナノチューブ３の製造装置１において、第１ＣＶＤ温度領域Ａ４と第２ＣＶＤ温度領域Ａ５とには、基板２の表面を覆うことで反応空間Ｐ１，Ｐ２を制限する第１空間仕切体２２Ａと第２空間仕切体２２Ｂとがそれぞれ配置され、第１空間仕切体２２Ａと第２空間仕切体２２Ｂとの間に熱遮蔽部材２７が設けられている。
【選択図】図４
【解決手段】基板２の移動方向に、基板２表面を第１ＣＶＤ温度に加熱してカーボンナノチューブ３を所定長さに成長させる第１ＣＶＤ温度領域Ａ４と、さらに基板２表面を第１ＣＶＤ温度よりも高い第２ＣＶＤ温度に加熱してカーボンナノチューブ３表面にカーボンを付着させる第２ＣＶＤ領域Ａ５とが設けられた減圧の反応容器５を有するカーボンナノチューブ３の製造装置１において、第１ＣＶＤ温度領域Ａ４と第２ＣＶＤ温度領域Ａ５とには、基板２の表面を覆うことで反応空間Ｐ１，Ｐ２を制限する第１空間仕切体２２Ａと第２空間仕切体２２Ｂとがそれぞれ配置され、第１空間仕切体２２Ａと第２空間仕切体２２Ｂとの間に熱遮蔽部材２７が設けられている。
【選択図】図４
Description
本発明は、カーボンナノチューブの製造装置に関する。
従来より知られている高性能の電池としては、電極において、電解質膜上のカーボンナノチューブの外表面にアモルファス層を成長させたものを採用することにより、より多くの電池触媒を担持させ得るとともに電池触媒がカーボンナノチューブの表面で凝集するのを抑制し、より発電効率を向上させた燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。
従来技術において、カーボンナノチューブの長さ及びアモルファス層の厚みは、供給される原料ガスの濃度により制御されているが、十分高い濃度の原料ガスを供給しても、得られるアモルファス層の厚みによっては、カーボンナノチューブの表面における電池触媒の凝集が抑制されない場合があった。
この問題を解決するためには、例えば、結晶性の高いカーボンナノチューブの成長（いわゆる長さの成長）に適した温度と、カーボンナノチューブの外表面に形成される非晶質のカーボンの成長（いわゆるアモルファス層の成長）に適した温度との２段階でカーボンナノチューブを成長させることで、長さとアモルファス層の厚みとを個別に制御できると思われる。しかし、このようなカーボンナノチューブを連続的に生成する製造装置においては、１つの反応容器内に設けられた、１段階目の成長を行う領域と２段階目の成長を行う領域との間に、長さの成長に適した温度からアモルファス層の成長に適した温度へ遷移させる区間を必要とするが、この区間に誤って原料ガスが流入することによりカーボンナノチューブの長さが余分に伸びてしまい、正確にカーボンナノチューブの長さを制御し得ない場合があると考えられる。
そこで、本発明は、カーボンナノチューブの長さ及びアモルファス層の厚みを正確に制御し得るカーボンナノチューブの製造装置を提供することを目的とする。
本発明に係るカーボンナノチューブの製造装置は、表面に触媒が担持されかつ所定方向に移動される基板を導き入れるとともに、前記基板の移動方向に沿って、前記基板表面を第１ＣＶＤ温度に加熱してカーボンナノチューブを所定の長さに成長させる第１ＣＶＤ温度領域と、さらに前記基板表面を前記第１ＣＶＤ温度よりも高い第２ＣＶＤ温度に加熱してカーボンナノチューブの表面にカーボンを付着させる第２ＣＶＤ領域とが設けられた、化学気相成長法を用いてカーボンナノチューブを連続的に生成する減圧の反応容器を有するカーボンナノチューブの製造装置であって、
前記反応容器において、前記第１ＣＶＤ温度領域と前記第２ＣＶＤ温度領域とには、前記基板に前記原料ガスを供給する前記原料ガス供給管に接続されて、前記基板の表面を所定範囲に亘って覆うことで反応空間を制限する第１空間仕切体と第２空間仕切体とがそれぞれ配置され、
前記第１空間仕切体と前記第２空間仕切体との間に熱遮蔽部材が設けられていることを特徴とする。
前記反応容器において、前記第１ＣＶＤ温度領域と前記第２ＣＶＤ温度領域とには、前記基板に前記原料ガスを供給する前記原料ガス供給管に接続されて、前記基板の表面を所定範囲に亘って覆うことで反応空間を制限する第１空間仕切体と第２空間仕切体とがそれぞれ配置され、
前記第１空間仕切体と前記第２空間仕切体との間に熱遮蔽部材が設けられていることを特徴とする。
また、熱遮蔽部材には、セラミックス又は炭化ケイ素が被覆された鋼が用いられることが好ましい。
また、第２ＣＶＤ温度は第１ＣＶＤ温度よりも５０度〜２００度高く設定するとよい。
また、第２ＣＶＤ温度は第１ＣＶＤ温度よりも５０度〜２００度高く設定するとよい。
また、反応容器において、第１空間仕切体よりも基板の移動方向の後方側及び第２空間仕切体よりも前記基板の移動方向の前方側にさらに熱遮蔽部材がそれぞれ設けられることが好ましい。
また、熱遮蔽部材は複数の板材により構成されるとともに、反応容器の壁部に、前記板材間から排出される原料ガスを外部へ排気するガス排気管が接続されていることがより好ましい。
本発明のカーボンナノチューブの製造装置によれば、長さの成長に適した温度に加熱された第１ＣＶＤ温度領域と、アモルファス層の成長に適した温度に加熱された第２ＣＶＤ温度領域との間に、熱遮蔽部材を設けることにより、第１ＣＶＤ温度領域と第２ＣＶＤ温度領域との間の熱移動を防ぐとともに、原料ガスの流入を防ぎ、カーボンナノチューブの長さ及びアモルファス層の厚みが正確に制御されたカーボンナノチューブを製造することができる。
［実施例１］
本発明の実施例１に係るカーボンナノチューブの製造装置について、図１〜図６を用いて説明する。
本発明の実施例１に係るカーボンナノチューブの製造装置について、図１〜図６を用いて説明する。
図２及び図３に示すように、処理用空間部４は、基板２の移動方向に沿って、基板２の温度を所定温度まで上昇させる前処理部１０と、前処理部１０にて所定温度まで上昇した基板２に原料ガスＧ２を供給しながら化学気相成長法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ：ＣＶＤ法）によりカーボンナノチューブ３を形成する形成部２０と、形成部２０にて形成されたカーボンナノチューブ３を有する基板２を導いて基板２の温度を下げる後処理部（冷却部ともいえる。）３０とを備える。処理用空間部４は、基板２の表面温度によって、図３に仮想線にて示すように、前処理部１０に対応する昇温領域Ｘ、形成部２０に対応するＣＶＤ温度領域Ｙ及び後処理部３０に対応する降温領域Ｚに分けられる。減圧チャンバー５の内壁面には断熱材９が設けられている。
まず、前処理部１０は、繰出部６側の減圧チャンバー５内に設けられて、基板２の温度を下手側の形成部２０での加熱温度（ＣＶＤ温度）と同等の温度まで上昇させるための加熱装置を少なくとも１つ具備する。本実施例においては、昇温領域Ｘでは３段階で基板２を昇温させるため、図３に仮想線にて示すように、上流側から下流側に向かって、第１温度領域Ａ１、第２温度領域Ａ２及び第３温度領域Ａ３が設けられている。前処理部１０は、第１温度領域Ａ１に設けられた第１加熱装置１１、第２温度領域Ａ２に設けられた第２加熱装置１２及び第３温度領域Ａ３に設けられた第３加熱装置１３の３つの加熱装置を具備する。第１加熱装置１１、第２加熱装置１２及び第３加熱装置１３の加熱温度は、基板２表面が４５０℃〜６００℃の範囲となるような温度にそれぞれ設定されている。ここで、本実施例においては、基板２表面の温度の計測は、減圧チャンバー５の基板２表面近くに熱電対などの温度計を挿入し、測定された温度から基板２表面の温度を算出することで、加熱装置による加熱温度を維持又は制御している。
そして、前処理部１０は、繰出部６から送出された所定幅の基板２の周囲を覆うとともに基板２を案内するダクト１４を具備する。本実施例においては、図２及び図３に示すように、ダクト１４は断面矩形状で中空のものが用いられており、前処理部１０（昇温領域Ｘ）の前端から後端すなわち第１温度領域Ａ１から第３温度領域Ａ３に亘って延設されている。一般的には、ダクト１４は、図４に示すように、少なくとも基板２が挿入され得る大きさであればよい。なお、本実施例のようにロール・ツー・ロール式の製造装置１においては、基板２の厚みは例えば０．０３ｍｍ〜０．１００ｍｍである。また、図３に示すように、本実施例においては、前処理部１０のダクト１４の上流側の端部は、繰出部６と減圧チャンバー５とを接続する接続部材８内へ突出しており、チャンバー５にはダクト１４が挿入されるための挿入口１５が形成されている。この挿入口１５とダクト１４との間に、前処理部１０内のガス等の接続部材８内への流入を防ぐシール部材として例えばＯ‐リング（オーリング）１６が設けられている。
前処理部１０のダクト１４には、繰出部６側から接続部材８を介して前処理用ガスＧ１が供給される。前処理用ガスＧ１としては、例えば、窒素（Ｎ２）やアルゴン（Ａｒ）などの不活性ガスと、基板２表面の触媒を微粒化する水素（Ｈ２）などの微粒化ガスが用いられる。なお、不活性ガスと併せて微粒化ガスを供給しても構わない。
本実施例においては、図３及び図４に示すように、前処理部１０と形成部２０との境界近傍に、前処理部１０のダクト１４の下流側の端部が位置している。前処理部１０のダクト１４の下流側の端部には、前処理部１０に供給された前処理用ガスＧ１と形成部２０に供給された原料ガスＧ２（正確には化学反応により発生した原料ガスＧ２の分解成分を含む。以下、原料ガスＧ２及びこの分解成分とを併せて原料ガス等Ｇ４ということがある。）とが混合した混合ガスＧ３を排気するための排気用開口部４０が設けられている。本実施例において、排気用開口部４０は、前処理部１０のダクト１４の上流側の開口端部である。
また、前処理部１０と形成部２０との境界近傍には、原料ガスＧ２をより確実に前処理部１０のダクト１４に流入させないようにするため、排気用開口部４０から排気される混合ガスＧ３を減圧チャンバー５の外へ流出する混合ガス排気管４１と混合ガス排気管４１を接続するための混合ガス排気口４１ａとが設けられている。本実施例においては、図４に示すように、混合ガス排気管４１及び混合ガス排気口４１ａは、減圧チャンバー５の基板２の下方に配置される。
このように、前処理部１０に設けられたダクト１４に前処理用ガスＧ１を供給することによって、ダクト１４内に形成部２０から原料ガスＧ２が流入することを防ぐことができる。ゆえに、基板２表面の触媒に原料ガスＧ２が接触することを防ぎ、表面に担持された触媒の活性力が損なわれることなく、基板２が形成部２０へ送られるので、カーボンナノチューブ３の生成率が向上する。
前処理部１０が排気用開口部４０を備えることによって、原料ガスＧ２が前処理部１０のダクト１４に流入されることをより確実に防ぎ、カーボンナノチューブ３の生成率を向上させることができる。
次に、本発明の要旨となる前処理部１０の下流側に設けられた形成部２０すなわちＣＶＤ温度領域Ｙは、図３及び図４に示すように、基板２の表面が結晶性の高いカーボンナノチューブの成長（いわゆる長さ方向での成長）に適した第１ＣＶＤ温度となるように加熱する第１ＣＶＤ温度領域（第４温度領域）Ａ４と、基板２の表面がカーボンナノチューブの外表面に形成される非晶質のカーボンの成長（いわゆるアモルファス層の成長）に適した第２ＣＶＤ温度となるように加熱する第２ＣＶＤ温度領域（第５温度領域）Ａ５とを備える。具体的には、第１ＣＶＤ温度は６００℃〜７００℃の範囲であることが好ましく、第２ＣＶＤ温度は第１ＣＶＤ温度よりも５０℃〜２００℃高い温度である６５０℃〜９００℃の範囲であることが好ましい。
上流側の第１ＣＶＤ温度領域Ａ４には、基板２の下方に設けられた第４加熱装置２５が、下流側の第２ＣＶＤ温度領域Ａ５には、基板２の下方に設けられた第５加熱装置２６がそれぞれ配置されている。第４加熱装置２５及び第５加熱装置２６は、主として基板２を、また減圧チャンバー５内の第１ＣＶＤ温度領域Ａ４と第２ＣＶＤ温度領域Ａ５とを併せて加熱する。
形成部２０すなわち第１ＣＶＤ温度領域Ａ４及び第２ＣＶＤ温度領域Ａ５には、図３及び図４に示すように、減圧チャンバー５内にメタン（ＣＨ４）やアセチレン（Ｃ２Ｈ２）などの炭化水素系の原料ガスＧ２を供給するための原料ガス供給管２１と、原料ガス供給管２１を接続するための原料ガス供給口２１ａと、この原料ガス供給管２１に接続されて、基板２の表面を所定範囲に亘って覆うことで、供給された原料ガスＧ２を基板２上で化学反応させカーボンナノチューブ３を生成する反応空間を制限する第１空間仕切体２２Ａ及び第２空間仕切体２２Ｂがそれぞれ備えられる。第１空間仕切体２２Ａにおいては、主としてカーボンナノチューブの長さを制御し、第２空間仕切体２２Ｂにおいては、主としてアモルファス層の厚み（より具体的にはカーボンナノチューブの太さ）を制御する。
空間仕切体２２Ａ，２２Ｂは、図３及び図４に示すように、中空の直方体形状の反応本体部２３と、その下端部に設けられて基板２の移動方向に沿って延びて基板２の周囲を覆い基板２を案内する基板案内用突出部２４とから成る。具体的には、図３及び図４に示すように、基板案内用突出部２４の断面はダクト１４と同一形状にされており、言い換えれば、反応本体部２３にダクト１４が接続された形状をしている。以下、この基板案内用突出部をダクト部２４という。反応本体部２３は、熱伝導性及び熱膨張性の小さい石英ガラス製の５枚の板を各接合部に設けられた段部を係合させて溶接することにより形成されている。また、反応本体部２３は原料ガス供給管２１を接続するための供給管接続口２１ｂを有する。すなわち、原料ガス供給管２１は減圧チャンバー５の原料ガス供給口２１ａに挿通されて供給管接続口２１ｂまで設けられる。なお、本実施例においては、図４に示すように、前処理部１０のダクト１４の開口端部の高さＨ１と、形成部２０のダクト部２４の前処理部１０側（上流側）の開口端部の高さＨ２とは、同一（Ｈ１＝Ｈ２）にされている。
このとき、第１ＣＶＤ温度領域Ａ４と第２ＣＶＤ温度領域Ａ５との間で、熱伝導、熱伝達及び輻射などの熱移動が起こると、カーボンナノチューブの長さと太さとを正確に制御することが出来なくなり、生成効率が低下する。そのため、形成部２０は、図４に示すように、第１空間仕切体２２Ａと第２空間仕切体２２Ｂとの間に、熱遮蔽部材２７が設けられている。ここで、製造装置１の構成の簡略化のため、ダクト部２４は第１空間仕切体２２Ａ及び第２空間仕切体２２Ｂとの間においては設けられていない。
熱遮蔽部材２７には、第１ＣＶＤ温度及び第２ＣＶＤ温度のような高温に耐え得る材料が用いられ、例えばセラミックスや炭化ケイ素が被膜された鋼などが挙げられる。また、熱遮蔽部材２７の形状は、例えばブロック状、板状、フィルム状などが挙げられるが、具体的には、図４に示すように板状であることが好ましい。以下、この熱遮蔽部材を熱遮蔽板２７という。また、熱遮蔽板２７には、図５に示すように基板２を挿通し得るスリット２７ａが形成されている。このスリット２７ａの幅や高さはダクト部２４の高さや幅と同一にされるのが好ましい。
熱遮蔽板２７は、側方端部及び上方端部をそれぞれ断熱材９に支持されて減圧チャンバー５内に固定されている。具体的には、図４及び図５に示すように、断熱材９に熱遮蔽板２７の数と同じ数だけ溝部を設け、溝部に熱遮蔽板２７が差込まれて固定される。ただし、熱遮蔽板２７の下方端部は開放されている。したがって、熱遮蔽板２７間にはガスが通過し得る隙間が生じている。
熱遮蔽板２７の厚さや用いる枚数については、第１ＣＶＤ温度及び第２ＣＶＤ温度の値や、第１空間仕切体２２Ａと第２空間仕切体２２Ｂとの間の間隔の大きさによって適宜決めればよい。特に減圧下では、輻射による熱移動が大きいため、第２ＣＶＤ温度が第１ＣＶＤ温度に影響しないようにするのに十分な枚数の熱遮蔽板２７を設ける必要がある。そのため、例えば、所定区間（例えば２０ｍｍの区間）に所定厚み（例えば５０μｍの厚さ）の熱遮蔽板２７を所定間隔（１ｍｍの間隔）で複数枚並べるような構成にすればよい。具体的には、実施例１においては、１枚につき５０℃の輻射による熱移動の抑制が可能である。
また、原料ガス供給口２１ａは反応本体部２３の基板２の上方側に設けられるとともに、第１空間仕切体２２Ａ及び第２空間仕切体２２Ｂ内に供給された原料ガス等Ｇ４を減圧チャンバー５の外部に排気するガス排気管２８を接続するためのガス排気口２８ａは減圧チャンバー５の基板２の下方側に設けられる。具体的には、原料ガス等Ｇ４を排出するガス排気口２８ａは、各空間仕切体２２Ａ，２２Ｂに対応して配置されることが好ましいが、本実施例では、製造装置１の構成の簡略化のために、図４に示すように、第１空間仕切体２２Ａに対して配置されるガス排気口２８ａについては混合ガス排気口４１ａが兼用され、ガス排気管２８ａとして、混合ガス排気口４１ａに接続された混合ガス排気管４１が兼用される。また、第２空間仕切体２２Ｂに対しては、減圧チャンバー５において、形成部２０と後処理部３０との境界（ＣＶＤ温度領域Ｙと降温領域Ｚとの境界）であるダクト部２４の下流側端部の真下の位置にガス排気口２８ａが設けられ、ガス排気管２８が接続される。さらに、ガス排気管２８は、第１空間仕切体２２Ａと第２空間仕切体２２Ｂとの間に対応する位置、すなわち熱遮蔽板２７の真下にも設けられることがより好ましい。
また、形成部２０には、図４に示すように、各空間仕切体２２Ａ，２２Ｂにおけるダクト部２４の内面の基板２表面の上側位置、すなわちダクト部２４の天井の内面に、反応本体部２３から流入する原料ガスＧ２を基板２表面側へ向けるガス偏向部２９が設けられている。具体的にはガス偏向部２９は、図４に示すように、基板２の移動方向に交差する方向（具体的には基板２の幅方向）に延びる複数の突条部材２９であり、これらが基板２の移動方向において所定間隔でもって配置されている。
ここまで説明したように、形成部２０において、第１ＣＶＤ温度領域Ａ４と第２ＣＶＤ温度領域Ａ５との間に熱遮蔽板２７が設けられることによって、第１ＣＶＤ温度領域Ａ４と第２ＣＶＤ温度領域Ａ５との間の熱移動を防止することができる。
また、形成部２０において、原料ガス供給口２１ａが基板２の上方側に設けられるとともに、ガス排気口２８ａが基板２の下方側に設けられることによって、原料ガス等Ｇ４は、基板２の下方側から排気されるため、第１空間仕切体２２Ａ及び第２空間仕切体２２Ｂ内における原料ガスＧ２の流れが基板２の上方側から下方側へ向かう方向になる。したがって、原料ガスＧ２が基板２表面の触媒に接触しやすくなり、カーボンナノチューブ３の生成率が向上する。特に、熱遮蔽板２７の真下にガス排気管２８が設けられることによって、例えば第１空間仕切体２２Ａと第２空間仕切体２２Ｂとに供給される原料ガスＧ２の濃度が異なる場合、それぞれの空間仕切体２２Ａ，２２Ｂに供給された原料ガスＧ２が互いに他の空間仕切体へ混入することを抑制することができ、カーボンナノチューブ３の長さや太さをより精密に制御することができる。
ダクト部２４の天井の内面にガス偏向部２９が設けられていることによって、ダクト部２４内に流入した原料ガスＧ２をガス偏向部（突条部材）２９に衝突させて、基板２側に向かう原料ガスＧ２の流れを作ることができ、基板２表面の触媒に原料ガスＧ２をより確実に接触させることができるため、カーボンナノチューブ３の生成率が向上する。
最後に、形成部２０の下流側に設けられた冷却部３０すなわち降温領域Ｚには、図３に示すように、基板２及び生成されたカーボンナノチューブ３（以下、基板２等ということがある。）を形成部２０での第２ＣＶＤ温度から常温へと低下させるための加熱装置を少なくとも１つ具備する。本実施例においては、降温領域Ｚでは、３段階で基板２等を降温させるため、図３に仮想線にて示すように、上流側から下流側に向かって第６温度領域Ａ６、第７温度領域Ａ７及び第８温度領域Ａ８を有する。後処理部３０は、第６温度領域Ａ６に設けられた第６加熱装置３１、第７温度領域Ａ７に設けられた第７加熱装置３２及び第８温度領域Ａ８に設けられた第８加熱装置３３の３つの加熱装置を具備する。第６加熱装置３１、第７加熱装置３２及び第８加熱装置３３の加熱温度は、形成部２０での加熱温度から冷却するにあたって、基板２の熱変形を防ぐため、基板２表面の温度が５００℃〜６００℃を経た後、常温まで徐々に低下するようそれぞれ設定されている。
また、本実施例においては、加熱装置としては、前処理部１０、形成部２０及び後処理部３０のいずれにも、発熱体（例えばフィラメント）を石英製の円筒に入れて炭化ケイ素を充填したものを複数本、基板２の移動方向に並べて配置し、それらを電源装置に接続したいわゆる石英管ヒーターが採用されている。
さらに、減圧チャンバー５に外側から冷風を当てたり、減圧チャンバー５の外周に冷却水管を設けたりすることにより、減圧チャンバー５の温度を一定に保つようにしてもよい。このような冷却によって、例えば、Ｏ‐リング１６の温度が一定に維持されるため、シール性能が維持される。その結果、減圧チャンバー５内の圧力を一定に維持することができる。
以下、本発明の実施例１に係るカーボンナノチューブ３の製造装置１を用いた製造方法について、図１〜図３を用いて説明する。
図１及び図２に示すように、基板２は繰出部６から減圧チャンバー５内の処理用空間部４に導き入れられて巻取部７へと移動される。図３に示すように、処理用空間部４の前処理部１０において、予め基板２表面に触媒が塗布された基板２は、前処理用ガスＧ１が供給されたダクト１４に導き入れられて第１加熱装置１１〜第３加熱装置１３により加熱されることによって、昇温領域Ｘにて昇温されるとともに、基板２表面の触媒が微粒化される。次に、基板２は前処理部１０から形成部２０へ導き入れられて、第１空間仕切体２２Ａの第１反応空間Ｐ１にて第４加熱装置２５により第１ＣＶＤ温度に、また第２空間仕切体２２Ｂの第２反応空間Ｐ２にて第５加熱装置２６により第２ＣＶＤ温度にそれぞれ加熱されながら原料ガスＧ２を基板２上で反応させる。このことにより、第１反応空間Ｐ１では基板２上でカーボンナノチューブ３の長さを成長させ、第２反応空間Ｐ２では基板２上でカーボンナノチューブ３の太さを成長させる。そして、基板２は形成部２０から後処理部３０へ導き入れられて第６加熱装置３１〜第８加熱装置３３により加熱されることによって、基板２及び基板２上に生成されたカーボンナノチューブ３が降温される。このとき、形成部２０において、形成部２０から排出された原料ガス等Ｇ４は、基板２の下方側、特に熱遮蔽板２７の真下に設けられたガス排気管２８を介して減圧チャンバー５の外へ排気されている。
図１及び図２に示すように、基板２は繰出部６から減圧チャンバー５内の処理用空間部４に導き入れられて巻取部７へと移動される。図３に示すように、処理用空間部４の前処理部１０において、予め基板２表面に触媒が塗布された基板２は、前処理用ガスＧ１が供給されたダクト１４に導き入れられて第１加熱装置１１〜第３加熱装置１３により加熱されることによって、昇温領域Ｘにて昇温されるとともに、基板２表面の触媒が微粒化される。次に、基板２は前処理部１０から形成部２０へ導き入れられて、第１空間仕切体２２Ａの第１反応空間Ｐ１にて第４加熱装置２５により第１ＣＶＤ温度に、また第２空間仕切体２２Ｂの第２反応空間Ｐ２にて第５加熱装置２６により第２ＣＶＤ温度にそれぞれ加熱されながら原料ガスＧ２を基板２上で反応させる。このことにより、第１反応空間Ｐ１では基板２上でカーボンナノチューブ３の長さを成長させ、第２反応空間Ｐ２では基板２上でカーボンナノチューブ３の太さを成長させる。そして、基板２は形成部２０から後処理部３０へ導き入れられて第６加熱装置３１〜第８加熱装置３３により加熱されることによって、基板２及び基板２上に生成されたカーボンナノチューブ３が降温される。このとき、形成部２０において、形成部２０から排出された原料ガス等Ｇ４は、基板２の下方側、特に熱遮蔽板２７の真下に設けられたガス排気管２８を介して減圧チャンバー５の外へ排気されている。
このように、本発明のカーボンナノチューブの製造装置１によれば、カーボンナノチューブ３の長さの成長に適した温度に加熱された第１ＣＶＤ温度領域Ａ４と、カーボンナノチューブ３のアモルファス層の成長に適した温度に加熱された第２ＣＶＤ温度領域Ａ５との間に、熱遮蔽板２７を設けることにより、第１ＣＶＤ温度領域Ａ４と第２ＣＶＤ温度領域Ａ５との間の熱移動を防ぐとともに、互いの温度領域への原料ガスＧ２の混入を防ぎ、カーボンナノチューブの長さ及びアモルファス層の厚みが精密に制御されたカーボンナノチューブを製造することができる。
［実施例２］
実施例２について図６を用いて説明する。実施例１と同一の構成には同一の名称及び符号を付し、説明を省略する。実施例１においては、形成部２０の第１空間仕切体２２Ａと第２空間仕切体２２Ｂとの間に熱遮蔽板２７を設けたが、実施例２においては、さらに第１空間仕切体２２Ａの上流側、より具体的には前処理部１０と形成部２０との境界と、第２空間仕切体２２Ｂよりも下流側、より具体的には形成部２０と後処理部３０との境界とに熱遮蔽板２７をそれぞれ設けた。
［実施例２］
実施例２について図６を用いて説明する。実施例１と同一の構成には同一の名称及び符号を付し、説明を省略する。実施例１においては、形成部２０の第１空間仕切体２２Ａと第２空間仕切体２２Ｂとの間に熱遮蔽板２７を設けたが、実施例２においては、さらに第１空間仕切体２２Ａの上流側、より具体的には前処理部１０と形成部２０との境界と、第２空間仕切体２２Ｂよりも下流側、より具体的には形成部２０と後処理部３０との境界とに熱遮蔽板２７をそれぞれ設けた。
また、図６に示すように、前処理部１０と形成部２０との境界に設けられた熱遮蔽板２７付近にダクト１４の排気用開口部４０を設けるとともに、この熱遮蔽板２７の真下に、混合ガス排気口４１ａ及び混合ガス排気管４１を設けた。そして、形成部２０と後処理部３０との境界に設けられた熱遮蔽板２７の真下に、ガス排気口２８ａ及びガス供給管２８を設けた。なお、製造装置１の構成の簡略化のため、各空間仕切体２２Ａ，２２Ｂにはそれぞれダクト部２４が設けられていない。
第１ＣＶＤ温度領域Ａ４と第２ＣＶＤ温度領域Ａ５との間に加えて、前処理部１０と形成部２０との境界と、形成部２０と後処理部３０との境界とにおいても、熱遮蔽板２７を設けたことによって、前処理部１０で加熱された基板２と第１ＣＶＤ温度に加熱された基板２との間、及び第２ＣＶＤ温度に加熱された基板２と後処理部３０で降温された基板２との間においても、それぞれ熱移動が抑制される。
また、ダクト１４に排気用開口部４０を設けるとともに、前処理部１０と形成部２０との境界に設けられた熱遮蔽板２７の真下に、混合ガス排気口４１ａ及び混合ガス排気管４１を設けることにより、混合ガスＧ３を熱遮蔽板２７間に通してより確実に減圧チャンバー５の外へ排気させることができる。
そして、形成部２０と後処理部３０との境界に設けられた熱遮蔽板２７の真下に、ガス排気口２８ａ及びガス供給管２８を設けることにより、原料ガス等Ｇ４を熱遮蔽板２７間に通してより確実に減圧チャンバー５の外へ排気させることができる。
１ カーボンナノチューブの製造装置
２ 基板
３ カーボンナノチューブ
４ 処理用空間部
５ 減圧チャンバー（反応容器）
６ 繰出部
７ 巻取部
１０ 前処理部
１１ 第１加熱装置
１２ 第２加熱装置
１３ 第３加熱装置
１４ ダクト
Ｘ 昇温領域
Ａ１ 第１温度領域
Ａ２ 第２温度領域
Ａ３ 第３温度領域
２０ 形成部
２１ 原料ガス供給管
２２Ａ 第１空間仕切体
２２Ｂ 第２空間仕切体
Ｐ１ 第１反応空間
Ｐ２ 第２反応空間
２３ 反応本体部
２４ 基板案内用突出部（ダクト部）
２５ 第４加熱装置
２６ 第５加熱装置
２７ 熱遮蔽板（熱遮蔽部材）
２８ ガス排気管
２９ ガス偏向部（突条部）
Ｙ ＣＶＤ温度領域
Ａ４ 第１ＣＶＤ温度領域（第４温度領域）
Ａ５ 第２ＣＶＤ温度領域（第５温度領域）
３０ 後処理部
３１ 第６加熱装置
３２ 第７加熱装置
３３ 第８加熱装置
４０ 排気用開口部
４１ 混合ガス排気管
Ｚ 降温領域
Ａ６ 第６温度領域
Ａ７ 第７温度領域
Ａ８ 第８温度領域
Ｇ１ 不活性ガス
Ｇ２ 原料ガス
Ｇ３ 混合ガス
Ｇ４ 原料ガス等
２ 基板
３ カーボンナノチューブ
４ 処理用空間部
５ 減圧チャンバー（反応容器）
６ 繰出部
７ 巻取部
１０ 前処理部
１１ 第１加熱装置
１２ 第２加熱装置
１３ 第３加熱装置
１４ ダクト
Ｘ 昇温領域
Ａ１ 第１温度領域
Ａ２ 第２温度領域
Ａ３ 第３温度領域
２０ 形成部
２１ 原料ガス供給管
２２Ａ 第１空間仕切体
２２Ｂ 第２空間仕切体
Ｐ１ 第１反応空間
Ｐ２ 第２反応空間
２３ 反応本体部
２４ 基板案内用突出部（ダクト部）
２５ 第４加熱装置
２６ 第５加熱装置
２７ 熱遮蔽板（熱遮蔽部材）
２８ ガス排気管
２９ ガス偏向部（突条部）
Ｙ ＣＶＤ温度領域
Ａ４ 第１ＣＶＤ温度領域（第４温度領域）
Ａ５ 第２ＣＶＤ温度領域（第５温度領域）
３０ 後処理部
３１ 第６加熱装置
３２ 第７加熱装置
３３ 第８加熱装置
４０ 排気用開口部
４１ 混合ガス排気管
Ｚ 降温領域
Ａ６ 第６温度領域
Ａ７ 第７温度領域
Ａ８ 第８温度領域
Ｇ１ 不活性ガス
Ｇ２ 原料ガス
Ｇ３ 混合ガス
Ｇ４ 原料ガス等
Claims (5)
- 表面に触媒が担持されかつ所定方向に移動される基板を導き入れるとともに、前記基板の移動方向に沿って、前記基板表面を第１ＣＶＤ温度に加熱してカーボンナノチューブを所定の長さに成長させる第１ＣＶＤ温度領域と、さらに前記基板表面を前記第１ＣＶＤ温度よりも高い第２ＣＶＤ温度に加熱してカーボンナノチューブの表面にカーボンを付着させる第２ＣＶＤ領域とが設けられた、化学気相成長法を用いてカーボンナノチューブを連続的に生成する減圧の反応容器を有するカーボンナノチューブの製造装置であって、
前記反応容器において、前記第１ＣＶＤ温度領域と前記第２ＣＶＤ温度領域とには、前記基板に前記原料ガスを供給する前記原料ガス供給管に接続されて、前記基板の表面を所定範囲に亘って覆うことで反応空間を制限する第１空間仕切体と第２空間仕切体とがそれぞれ配置され、
前記第１空間仕切体と前記第２空間仕切体との間に熱遮蔽部材が設けら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。 - 熱遮蔽部材には、セラミックス又は炭化ケイ素が被覆された鋼が用いられ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の製造装置。
- 第２ＣＶＤ温度は第１ＣＶＤ温度よりも５０度〜２００度高く設定されたことを特徴とする請求項１又は２に記載のカーボンナノチューブの製造装置。
- 反応容器において、第１空間仕切体よりも基板の移動方向の後方側及び第２空間仕切体よりも前記基板の移動方向の前方側にさらに熱遮蔽部材がそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のカーボンナノチューブの製造装置。
- 熱遮蔽部材は複数の板材により構成されるとともに、反応容器の壁部に、前記板材間から排出される原料ガスを外部へ排気するガス排気管が接続されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のカーボンナノチューブの製造装置。
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