JP2019167266A - Manufacturing method and manufacturing apparatus of carbon structure - Google Patents

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Abstract

To provide a manufacturing method of a carbon structure capable of suppressing sufficiently generation of a carbon-based by-product, when manufacturing a carbon structure by a chemical vapor deposition (CVD) method.SOLUTION: A manufacturing method of a carbon structure includes a step (A) for supplying raw material gas containing a carbon compound to a catalyst, and growing a carbon structure by a chemical vapor deposition method, and a step (B) for supplying reactive gas containing a compound having a carbon number of 1 or more and 5 or less having a hydroxy group and/or an aldehyde group, to reaction exhaust gas generated in the step (A).SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、炭素構造体の製造方法および炭素構造体の製造装置に関し、特には、化学気相成長法を用いて炭素構造体を製造する方法および化学気相成長法を用いて炭素構造体を製造する装置に関するものである。   The present invention relates to a carbon structure manufacturing method and a carbon structure manufacturing apparatus, and in particular, a method of manufacturing a carbon structure using a chemical vapor deposition method and a carbon structure using a chemical vapor deposition method. The present invention relates to an apparatus to be manufactured.

従来、カーボンナノチューブ(以下、「CNT」と称することがある。)やグラフェンなどの炭素構造体を製造する方法として、化学気相成長(CVD)法が知られている。   Conventionally, a chemical vapor deposition (CVD) method is known as a method for producing a carbon structure such as a carbon nanotube (hereinafter sometimes referred to as “CNT”) or graphene.

ここで、CVD法を用いた炭素構造体の製造においては、炭素を含む原料ガスを触媒と接触させて炭素構造体を形成する際に、副反応によって揮発性有機化合物(VOC)や多環芳香族炭化水素(PAHs)などの炭素系副生成物が生成する。そして、生成した炭素系副生成物は、炭素構造体に付着して製品品質の低下を招いたり、製造装置の排気管を閉塞させて製造効率を低下させたりすることがある。   Here, in the production of a carbon structure using the CVD method, when a carbon structure is formed by bringing a raw material gas containing carbon into contact with a catalyst, a volatile organic compound (VOC) or polycyclic aromatic is formed by a side reaction. Carbon-based by-products such as group hydrocarbons (PAHs) are produced. And the produced | generated carbon-type by-product may adhere to a carbon structure and cause the fall of product quality, or may obstruct | occlude the exhaust pipe of a manufacturing apparatus, and may reduce manufacturing efficiency.

そこで、例えば特許文献1では、表面に触媒を担持した基材上に原料ガスを供給してCNTを製造する際に、CNTの成長に使われた後の原料ガスと、水素、アンモニア、酸素、オゾン、水蒸気などの反応ガスとを混合して反応させることにより、炭素系副生成物として炭素固形物が生成するのを防止している。   Therefore, in Patent Document 1, for example, when a raw material gas is supplied onto a substrate carrying a catalyst on the surface to produce CNT, the raw material gas used for the growth of CNT, hydrogen, ammonia, oxygen, By mixing and reacting with a reaction gas such as ozone or water vapor, carbon solids are prevented from being produced as carbon-based byproducts.

特開2011−219316号公報JP2011-219316A

しかし、上記従来の技術には、CVD法により炭素構造体を製造する際の炭素系副生成物の生成を更に抑制するという点において改善の余地があった。   However, the above conventional technique has room for improvement in terms of further suppressing the generation of carbon-based byproducts when the carbon structure is manufactured by the CVD method.

そこで、本発明は、CVD法により炭素構造体を製造する際に炭素系副生成物の生成を十分に抑制することができる炭素構造体の製造方法および製造装置を提供することを目的とする。   Then, an object of this invention is to provide the manufacturing method and manufacturing apparatus of a carbon structure which can fully suppress the production | generation of a carbon-type by-product when manufacturing a carbon structure by CVD method.

本発明者は、上記課題を解決することを目的として鋭意検討を行った。そして、本発明者は、ヒドロキシ基および/またはアルデヒド基を有する炭素数1以上5以下の化合物を含む反応性ガスを使用すれば、CVD法による炭素構造体の製造において炭素系副生成物の生成を十分に抑制可能であることを見出し、本発明を完成させた。   The present inventor has intensively studied for the purpose of solving the above problems. And if this inventor uses the reactive gas containing a C1-C5 compound which has a hydroxyl group and / or an aldehyde group, it will produce | generate a carbon-type by-product in manufacture of the carbon structure by CVD method. Has been found to be sufficiently suppressed, and the present invention has been completed.

即ち、この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明の炭素構造体の製造方法は、炭素化合物を含む原料ガスを触媒に供給し、化学気相成長法によって炭素構造体を成長させる工程(A)と、前記工程(A)で生じる反応排ガスに、ヒドロキシ基および/またはアルデヒド基を有する炭素数1以上5以下の化合物を含む反応性ガスを供給する工程(B)とを含むことを特徴とする。このように、工程(A)で生じた反応排ガスに対してヒドロキシ基および/またはアルデヒド基を有する炭素数1以上5以下の化合物を含む反応性ガスを供給すれば、炭素系副生成物の生成を十分に抑制することができる。   That is, the present invention aims to advantageously solve the above-mentioned problems, and a method for producing a carbon structure according to the present invention supplies a raw material gas containing a carbon compound to a catalyst, and a chemical vapor deposition method. A step (A) of growing a carbon structure by the step, and a step of supplying a reactive gas containing a compound having 1 to 5 carbon atoms having a hydroxy group and / or an aldehyde group to the reaction exhaust gas generated in the step (A) (B). Thus, if a reactive gas containing a compound having 1 to 5 carbon atoms having a hydroxy group and / or an aldehyde group is supplied to the reaction exhaust gas generated in the step (A), the production of a carbon-based byproduct is generated. Can be sufficiently suppressed.

また、この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明の炭素構造体の製造装置は、炭素化合物を含む原料ガスを触媒に供給し、化学気相成長法によって炭素構造体を成長させる成長炉と、前記成長炉で生じる反応排ガスに、ヒドロキシ基および/またはアルデヒド基を有する炭素数1以上5以下の化合物を含む反応性ガスを供給する反応性ガス供給部とを備えることを特徴とする。このように、反応性ガス供給部を設け、成長炉で生じる反応排ガスに対してヒドロキシ基および/またはアルデヒド基を有する炭素数1以上5以下の化合物を含む反応性ガスを供給すれば、炭素系副生成物の生成を十分に抑制することができる。   Another object of the present invention is to advantageously solve the above-described problems. The carbon structure manufacturing apparatus of the present invention supplies a raw material gas containing a carbon compound to a catalyst, and a chemical vapor deposition method is provided. And a reactive gas supply unit for supplying a reactive gas containing a compound having a hydroxy group and / or an aldehyde group and having a carbon number of 1 to 5 to a reaction exhaust gas generated in the growth furnace It is characterized by providing. Thus, if a reactive gas supply unit is provided and a reactive gas containing a compound having 1 to 5 carbon atoms having a hydroxy group and / or an aldehyde group is supplied to a reaction exhaust gas generated in a growth furnace, Generation of by-products can be sufficiently suppressed.

なお、本発明において、前記化合物は、ヒドロキシ基および/またはアルデヒド基を有する炭素数1の化合物であることが好ましい。炭素数が1の化合物を使用すれば、炭素系副生成物の生成を更に抑制することができるからである。   In the present invention, the compound is preferably a C 1 compound having a hydroxy group and / or an aldehyde group. This is because if a compound having 1 carbon is used, the production of carbon-based byproducts can be further suppressed.

また、本発明において、前記化合物は、メタノール、ホルムアルデヒドおよびギ酸からなる群から選択される少なくとも1種であることが好ましい。メタノール、ホルムアルデヒドおよびギ酸は、炭素系副生成物の生成抑制効果に優れているからである。   In the present invention, the compound is preferably at least one selected from the group consisting of methanol, formaldehyde, and formic acid. This is because methanol, formaldehyde, and formic acid are excellent in suppressing the production of carbon by-products.

そして、本発明において、前記炭素構造体は、カーボンナノチューブおよび/またはグラフェンであることが好ましい。カーボンナノチューブおよびグラフェンは、導電性、熱伝導性および機械的特性などの各種特性に優れる材料として有用だからである。   In the present invention, the carbon structure is preferably a carbon nanotube and / or graphene. This is because carbon nanotubes and graphene are useful as materials excellent in various properties such as conductivity, thermal conductivity, and mechanical properties.

本発明によれば、CVD法により炭素構造体を製造する際に炭素系副生成物の生成を十分に抑制することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, when manufacturing a carbon structure by CVD method, the production | generation of a carbon-type by-product can fully be suppressed.

本発明に従う炭素構造体の製造装置の一例の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of an example of the manufacturing apparatus of the carbon structure according to this invention. 図1に示す製造装置の成長炉の構造を拡大して示す図である。It is a figure which expands and shows the structure of the growth furnace of the manufacturing apparatus shown in FIG. 本発明に従う炭素構造体の製造装置の他の例の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the other example of the manufacturing apparatus of the carbon structure according to this invention.

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
ここで、本発明の炭素構造体の製造方法は、化学気相成長(CVD)法を用いて炭素構造体を製造する方法である。また、本発明の炭素構造体の製造装置は、CVD法を用いて炭素構造体を製造する装置であり、例えば本発明の炭素構造体の製造方法を用いて炭素構造体を製造する際に用いることができる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
Here, the method for producing a carbon structure of the present invention is a method for producing a carbon structure using a chemical vapor deposition (CVD) method. The carbon structure production apparatus of the present invention is an apparatus for producing a carbon structure using a CVD method, and is used, for example, when producing a carbon structure using the carbon structure production method of the present invention. be able to.

(炭素構造体の製造方法)
本発明の炭素構造体の製造方法は、炭素化合物を含む原料ガスを触媒に供給し、化学気相成長法によって炭素構造体を成長させる工程(A)と、工程(A)で生じる反応排ガスに、ヒドロキシ基および/またはアルデヒド基を有する炭素数1以上5以下の化合物を含む反応性ガスを供給する工程(B)とを含む。
(Method for producing carbon structure)
In the method for producing a carbon structure of the present invention, a raw material gas containing a carbon compound is supplied to a catalyst, and the carbon structure is grown by chemical vapor deposition, and the reaction exhaust gas generated in the step (A) is used. And (B) supplying a reactive gas containing a compound having 1 to 5 carbon atoms and having a hydroxy group and / or an aldehyde group.

そして、本発明の炭素構造体の製造方法では、工程(B)においてヒドロキシ基および/またはアルデヒド基を有する炭素数1以上5以下の化合物を含む反応性ガスを供給しているので、多環芳香族炭化水素などの炭素系副生成物の生成を十分に抑制することができる。従って、形成された炭素構造体や製造装置内部に炭素系副生成物が付着するのを十分に抑制して、製品品質の低下および排気管の閉塞等を防止することができる。
なお、炭素系副生成物の生成が抑制される理由は、明らかではないが、ヒドロキシ基および/またはアルデヒド基を有する炭素数1以上5以下の化合物自体、或いは、当該化合物が分解して形成された化合物が、炭素系副生成物を生成し得る反応排ガス中の成分と反応し、炭素系副生成物の生成を抑制するためであると推察される。
And in the manufacturing method of the carbon structure of this invention, since the reactive gas containing the C1-C5 compound which has a hydroxyl group and / or an aldehyde group in process (B) is supplied, polycyclic aromatic The generation of carbon-based byproducts such as group hydrocarbons can be sufficiently suppressed. Accordingly, it is possible to sufficiently suppress the carbon-based by-product from adhering to the formed carbon structure and the manufacturing apparatus, and to prevent the product quality from being lowered and the exhaust pipe from being blocked.
The reason why the production of carbon-based byproducts is suppressed is not clear, but it is formed by the compound itself having a hydroxy group and / or an aldehyde group having 1 to 5 carbon atoms, or the compound is decomposed. It is inferred that this is because the compound reacts with components in the reaction exhaust gas that can generate a carbon-based by-product, and suppresses the generation of the carbon-based by-product.

<工程(A)>
工程(A)では、原料ガスと、触媒とを用いて、CVD法により炭素構造体を成長させる。
なお、本発明の炭素構造体の製造方法では、任意に、触媒の周囲環境(例えば、触媒からの距離が5cm以下の範囲)を還元ガス環境とすると共に、触媒及び/又は還元ガスを加熱するフォーメーション工程を工程(A)の前に実施してもよい。フォーメーション工程の実施により、触媒の還元、触媒の微粒子化(炭素構造体の成長に適合した状態化)の促進、及び、触媒の活性向上のうち少なくとも一つの効果が得られる。また、本発明の炭素構造体の製造方法では、任意に、成長した炭素構造体および触媒を不活性ガス下において冷却する冷却工程を工程(A)の後に実施してもよい。冷却工程の実施により、炭素構造体や触媒が酸化するのを防止することができる。そして、フォーメーション工程および冷却工程は、例えば国際公開第2014/208097号や特開2011−219316号公報の記載等に従って行うことができる。
<Process (A)>
In the step (A), a carbon structure is grown by a CVD method using a source gas and a catalyst.
In the carbon structure production method of the present invention, the environment surrounding the catalyst (for example, the distance from the catalyst is in a range of 5 cm or less) is arbitrarily set as the reducing gas environment, and the catalyst and / or the reducing gas is heated. The formation step may be performed before step (A). By performing the formation step, at least one of the following effects can be obtained: reduction of the catalyst, promotion of the fine particle formation of the catalyst (conditioning suitable for the growth of the carbon structure), and improvement of the catalyst activity. Moreover, in the manufacturing method of the carbon structure of this invention, you may optionally implement the cooling process which cools the grown carbon structure and a catalyst under inert gas after a process (A). By performing the cooling step, the carbon structure and the catalyst can be prevented from being oxidized. And a formation process and a cooling process can be performed according to description of international publication 2014/208097, Unexamined-Japanese-Patent No. 2011-219316, etc., for example.

[炭素構造体]
ここで、本発明の製造方法で製造する炭素構造体としては、CVD法により製造し得る任意の炭素構造体が挙げられる。中でも、炭素構造体としては、炭素ナノ構造体が好ましく、カーボンナノチューブおよび/またはグラフェンがより好ましく、カーボンナノチューブが更に好ましい。炭素ナノ構造体、特にカーボンナノチューブおよびグラフェンは、導電性、熱伝導性および機械的特性などの各種特性に優れる材料として有用だからである。
[Carbon structure]
Here, as a carbon structure manufactured with the manufacturing method of this invention, the arbitrary carbon structures which can be manufactured by CVD method are mentioned. Especially, as a carbon structure, a carbon nanostructure is preferable, a carbon nanotube and / or graphene are more preferable, and a carbon nanotube is still more preferable. This is because carbon nanostructures, particularly carbon nanotubes and graphene, are useful as materials excellent in various properties such as conductivity, thermal conductivity, and mechanical properties.

[原料ガス]
炭素構造体の生成に用いる原料ガスとしては、例えば、成長温度において原料炭素源を有するガスなどの、炭素構造体の製造に実績のあるものを適宜用いることができる。中でも、原料ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、プロピレン、アセチレン、または、これらの混合物などの炭素化合物を含むガスを用いることが好ましい。なお、原料ガスは、炭素化合物に加え、ヘリウムガス、アルゴンガス、窒素ガスなどの不活性ガスを含んでいてもよい。また、原料ガス中の炭素化合物には、アセトン、一酸化炭素などの酸素含有炭素化合物が含まれていてもよいが、炭素化合物は酸素含有炭素化合物を含まないことが好ましい。
[Raw material gas]
As the source gas used for generating the carbon structure, for example, a gas having a proven record in the manufacture of the carbon structure such as a gas having a source carbon source at the growth temperature can be appropriately used. Among these, as the source gas, it is preferable to use a gas containing a carbon compound such as methane, ethane, ethylene, propane, butane, pentane, hexane, heptane, propylene, acetylene, or a mixture thereof. The source gas may contain an inert gas such as helium gas, argon gas, or nitrogen gas in addition to the carbon compound. The carbon compound in the raw material gas may contain an oxygen-containing carbon compound such as acetone or carbon monoxide, but the carbon compound preferably does not contain an oxygen-containing carbon compound.

[触媒]
触媒としては、炭素構造体の製造に実績のあるものを適宜用いることができる。具体的には、触媒としては、特に限定されることなく、例えば、鉄、ニッケル、コバルト、モリブデン、並びに、これらの塩化物及び合金、或いは、これらが、さらにアルミニウム、アルミナ、チタニア、窒化チタン、酸化シリコンなどと複合化し、又は層状になったものが挙げられる。具体的には、触媒としては、例えば、鉄−モリブデン薄膜、アルミナ−鉄薄膜、アルミナ−コバルト薄膜、アルミナ−鉄−モリブデン薄膜、アルミニウム−鉄薄膜およびアルミニウム−鉄−モリブデン薄膜などを例示することができる。
[catalyst]
As the catalyst, those having a proven record in the production of carbon structures can be used as appropriate. Specifically, the catalyst is not particularly limited. For example, iron, nickel, cobalt, molybdenum, and chlorides and alloys thereof, or these may be aluminum, alumina, titania, titanium nitride, A compounded or layered material such as silicon oxide can be given. Specifically, examples of the catalyst include an iron-molybdenum thin film, an alumina-iron thin film, an alumina-cobalt thin film, an alumina-iron-molybdenum thin film, an aluminum-iron thin film, and an aluminum-iron-molybdenum thin film. it can.

なお、触媒は、任意の基材に担持されていてもよい。ここで、基材を構成する部材は、その表面に炭素構造体成長反応用の触媒を担持することのできるものであればよく、400℃以上の高温でも形状を維持できることが好ましい。その材質としては、例えば、鉄、ニッケル、クロム、モリブデン、タングステン、チタン、アルミニウム、マンガン、コバルト、銅、銀、金、白金、ニオブ、タンタル、鉛、亜鉛、ガリウム、インジウム、ゲルマニウムおよびアンチモンなどの金属、並びに、これらの金属を含む合金及び酸化物;シリコン、石英、ガラス、マイカ、グラファイトおよびダイヤモンドなどの非金属;並びに、セラミックなどを例示できる。金属は、非金属およびセラミックと比較して低コストであるから好ましく、特に、Fe−Cr(鉄−クロム)合金、Fe−Ni(鉄−ニッケル)合金、Fe−Cr−Ni(鉄−クロム−ニッケル)合金等は好適である。   The catalyst may be supported on an arbitrary base material. Here, the member which comprises a base material should just be the thing which can carry | support the catalyst for carbon structure growth reaction on the surface, and it is preferable that a shape can be maintained also at the high temperature of 400 degreeC or more. Examples of the material include iron, nickel, chromium, molybdenum, tungsten, titanium, aluminum, manganese, cobalt, copper, silver, gold, platinum, niobium, tantalum, lead, zinc, gallium, indium, germanium, and antimony. Examples include metals and alloys and oxides containing these metals; nonmetals such as silicon, quartz, glass, mica, graphite and diamond; and ceramics. Metals are preferable because they are low in cost compared to non-metals and ceramics, and in particular, Fe—Cr (iron-chromium) alloys, Fe—Ni (iron-nickel) alloys, Fe—Cr—Ni (iron-chromium—). Nickel) alloys and the like are preferred.

基材の形状は、平板状、薄膜状、ブロック状、粒子状、あるいは粉末状などが挙げられ、特に体積の割に表面積を大きくとれる平板状、粒子状または粉末状が炭素構造体を大量に製造する場合において有利である。
なお、粒子状の基材としては、Al、Si、Zr、O、N、及びCの内の何れか一種以上の元素を含む支持体を含む粒子、好ましくはこれらの内の何れか一種以上の元素を含むセラミック粒子が挙げられる。具体的には、粒子状のアルミナであるアルミナビーズ、粒子状のシリカであるシリカビーズ、粒子状のジルコニアであるジルコニアビーズ、および各種複合酸化物のビーズ等が挙げられる。そして、粒子状の基材の体積平均粒子径は、0.1mm以上が好ましく、0.15mm以上がより好ましく、2.0mm以下がより好ましい。
Examples of the shape of the substrate include a flat plate shape, a thin film shape, a block shape, a particle shape, and a powder shape. In particular, a flat plate shape, a particle shape, or a powder shape that can take a large surface area for its volume is a large amount of carbon structures. This is advantageous when manufacturing.
In addition, as the particulate base material, particles including a support containing any one or more elements of Al, Si, Zr, O, N, and C, preferably any one or more of these. Examples include ceramic particles containing elements. Specific examples include alumina beads that are particulate alumina, silica beads that are particulate silica, zirconia beads that are particulate zirconia, and beads of various composite oxides. The volume average particle diameter of the particulate substrate is preferably 0.1 mm or more, more preferably 0.15 mm or more, and more preferably 2.0 mm or less.

なお、基材として用いる平板状基板の表面及び裏面のうち少なくともいずれか一方には、浸炭防止層が形成されていてもよい。表面および裏面の両面に浸炭防止層が形成されていることが望ましい。この浸炭防止層は、工程(A)中に基板が浸炭されて変形することを防止するための保護層である。   In addition, the carburization prevention layer may be formed in at least any one of the surface of the flat substrate used as a base material, and a back surface. It is desirable that carburization prevention layers are formed on both the front and back surfaces. This carburizing prevention layer is a protective layer for preventing the substrate from being carburized and deformed during the step (A).

ここで、浸炭防止層は、金属またはセラミック材料によって構成されることが好ましく、特に浸炭防止効果の高いセラミック材料によって構成されることが好ましい。金属としては、銅およびアルミニウム等が挙げられる。セラミック材料としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、酸化チタン、シリカアルミナ、酸化クロム、酸化ホウ素、酸化カルシウム、酸化亜鉛などの酸化物、窒化アルミニウム、窒化ケイ素などの窒化物が挙げられ、なかでも浸炭防止効果が高いことから、酸化アルミニウム、酸化ケイ素が好ましい。   Here, the carburization prevention layer is preferably made of a metal or a ceramic material, and particularly preferably made of a ceramic material having a high carburization prevention effect. Examples of the metal include copper and aluminum. Examples of the ceramic material include aluminum oxide, silicon oxide, zirconium oxide, magnesium oxide, titanium oxide, silica alumina, chromium oxide, boron oxide, calcium oxide, zinc oxide and other oxides, and nitrides such as aluminum nitride and silicon nitride. Among them, aluminum oxide and silicon oxide are preferable because they have a high effect of preventing carburization.

基材表面への触媒の担持には、ウェットプロセスおよびドライプロセスのいずれを適用してもよい。具体的には、特に限定されることなく、例えば、スパッタリング蒸着法や、金属微粒子または金属化合物を適宜な溶媒に分散または溶解させてなる液体の塗布・焼成による方法などを適用することができる。   Either a wet process or a dry process may be applied to support the catalyst on the substrate surface. Specifically, without limitation, for example, a sputtering vapor deposition method, a method of applying and baking a liquid in which metal fine particles or a metal compound are dispersed or dissolved in an appropriate solvent, and the like can be applied.

[化学気相成長]
工程(A)における炭素構造体の化学気相成長は、例えば成長炉内において、任意に基材に担持された触媒に対し、原料ガスと、任意に触媒賦活物質とを供給し、且つ、触媒および原料ガスのうち少なくとも一方を加熱することにより、行う。そして、工程(A)では、任意に基材に担持された触媒上に炭素構造体を成長させる。なお、工程(A)では触媒賦活物質を使用しなくてもよいが、炭素構造体の成長反応が行なわれる雰囲気中に触媒賦活物質を存在させることによって、炭素構造体の生産効率や純度をより一層改善することができる。また、工程(A)において成長させた炭素構造体は、任意に冷却工程を実施した後に、既知の手段を用いて回収することができる。
[Chemical vapor deposition]
In the chemical vapor deposition of the carbon structure in the step (A), for example, a raw material gas and an optional catalyst activation material are supplied to a catalyst arbitrarily supported on a substrate in a growth furnace, and the catalyst And heating at least one of the source gases. And in a process (A), a carbon structure is grown on the catalyst arbitrarily carry | supported by the base material. In the step (A), it is not necessary to use a catalyst activator, but the presence of the catalyst activator in the atmosphere in which the growth reaction of the carbon structure is performed further increases the production efficiency and purity of the carbon structure. It can be further improved. In addition, the carbon structure grown in the step (A) can be recovered using a known means after arbitrarily performing a cooling step.

なお、触媒および原料ガスのうち少なくとも一方を加熱するにあたって、その両方を加熱することがより好ましい。炭素構造体を成長させる反応温度は、触媒と原料ガスの種類及び濃度、並びに反応圧力等を考慮して適宜定められるが、触媒失活の原因となる副次生成物を排除するための触媒賦活物質の効果が十分に発現する温度範囲に設定することが望ましい。つまり、最も望ましい温度範囲としては、アモルファスカーボン、グラファイト等の副次生成物を触媒賦活物質が除去し得る温度を下限値とし、主生成物である炭素構造体が触媒賦活物質によって酸化されない温度を上限値とすることである。したがって、触媒および原料ガスのうち少なくとも一方を加熱する温度は、炭素構造体の成長が可能な温度であればよいが、好ましくは400℃以上1100℃以下であり、より好ましくは600℃以上900℃以下である。上記温度範囲であれば、触媒賦活物質の効果を良好に発現させることができ、かつ触媒賦活物質が炭素構造体と反応することを抑制できる。   In addition, when heating at least one of the catalyst and the raw material gas, it is more preferable to heat both of them. The reaction temperature for growing the carbon structure is appropriately determined in consideration of the type and concentration of the catalyst and the raw material gas, the reaction pressure, etc., but the catalyst activation for eliminating the by-product causing the catalyst deactivation. It is desirable to set the temperature range in which the effect of the substance is sufficiently developed. In other words, the most desirable temperature range is a temperature at which the catalyst activator can remove by-products such as amorphous carbon and graphite, and a temperature at which the carbon structure as the main product is not oxidized by the catalyst activator. The upper limit is set. Therefore, the temperature for heating at least one of the catalyst and the raw material gas may be any temperature at which the carbon structure can be grown, but is preferably 400 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower, more preferably 600 ° C. or higher and 900 ° C. or lower. It is as follows. If it is the said temperature range, the effect of a catalyst activation material can be expressed favorably, and it can suppress that a catalyst activation material reacts with a carbon structure.

また、炭素構造体を成長させる際の圧力は、10Pa以上、10Pa(100大気圧)以下が好ましく、10Pa以上、3×10Pa(3大気圧)以下がさらに好ましい。 Further, the pressure at which the carbon structure is grown is preferably 10 2 Pa or more and 10 7 Pa (100 atmospheric pressure) or less, more preferably 10 4 Pa or more and 3 × 10 5 Pa (3 atmospheric pressure) or less.

工程(A)において任意に使用し得る触媒賦活物質としては、酸素を含む物質がより好ましく、炭素構造体の成長温度で炭素構造体に多大なダメージを与えない物質であることがさらに好ましい。例えば、水、酸素、オゾン、酸性ガス、酸化窒素;一酸化炭素及び二酸化炭素などの低炭素数の含酸素化合物;エタノール、メタノールなどのアルコール類;テトラヒドロフランなどのエーテル類;アセトンなどのケトン類;アルデヒド類;エステル類;並びにこれらの混合物が有効である。この中でも、触媒賦活物質としては、水、酸素、二酸化炭素、一酸化炭素、エーテル類が好ましく、特に水および二酸化炭素が好適である。
なお、ヒドロキシ基を有するアルコール類、アルデヒド基を有するアルデヒド類を工程(A)において触媒賦活物質として使用する場合、それら濃度は、工程(B)で反応性ガスとして使用する場合の濃度の1/1000以上1/10以下とすることが好ましい。工程(A)でのアルコール類およびアルデヒド類の過度な添加は、CNT合成反応の過度な抑制、触媒微粒子の失活(酸化など)の原因となる。
また、例えばアルコール類や一酸化炭素などのような炭素と酸素とを含有する化合物は、原料ガスとしても触媒賦活物質としても作用し得る。例えば、これらの化合物をエチレンなどの、分解して炭素源となりやすい原料ガスと併用する場合は、これらの炭素と酸素とを含有する化合物は、触媒賦活物質として作用する。また、炭素と酸素とを含有する化合物を、水などの活性が高い触媒賦活物質と併用する場合は、炭素と酸素とを含有する化合物は原料ガスとして作用するものと推測される。さらに、一酸化炭素などは、分解して生じる炭素原子が、炭素構造体の成長反応の炭素源となる一方で、酸素原子がアモルファスカーボンおよびグラファイトなどを酸化してガス化する触媒賦活物質としても作用するものと推測される。
As the catalyst activator that can be optionally used in the step (A), a substance containing oxygen is more preferable, and a substance that does not cause much damage to the carbon structure at the growth temperature of the carbon structure is more preferable. For example, water, oxygen, ozone, acid gas, nitric oxide; oxygen-containing compounds having a low carbon number such as carbon monoxide and carbon dioxide; alcohols such as ethanol and methanol; ethers such as tetrahydrofuran; ketones such as acetone; Aldehydes; esters; as well as mixtures thereof are useful. Among these, water, oxygen, carbon dioxide, carbon monoxide, and ethers are preferable as the catalyst activator, and water and carbon dioxide are particularly preferable.
In addition, when alcohols having a hydroxy group and aldehydes having an aldehyde group are used as the catalyst activator in the step (A), the concentration thereof is 1 / of the concentration when used as the reactive gas in the step (B). It is preferable to set it to 1000 or more and 1/10 or less. Excessive addition of alcohols and aldehydes in the step (A) causes excessive suppression of the CNT synthesis reaction and deactivation (oxidation, etc.) of the catalyst fine particles.
Further, for example, a compound containing carbon and oxygen such as alcohols or carbon monoxide can act as a raw material gas or a catalyst activator. For example, when these compounds are used in combination with a raw material gas such as ethylene, which is likely to decompose and become a carbon source, these compounds containing carbon and oxygen act as catalyst activators. In addition, when a compound containing carbon and oxygen is used in combination with a catalyst activation material having high activity such as water, it is presumed that the compound containing carbon and oxygen acts as a raw material gas. Furthermore, carbon monoxide, etc., can be used as a catalyst activator, in which carbon atoms generated by decomposition become a carbon source for the growth reaction of the carbon structure, while oxygen atoms oxidize amorphous carbon and graphite to gasify them. Presumed to work.

触媒賦活物質の添加量に格別な制限はないが、触媒賦活物質が水の場合には、触媒の周囲環境中の体積濃度で、好ましくは10ppm以上10000ppm以下、より好ましくは50ppm以上1000ppm以下、さらに好ましくは100ppm以上700ppm以下の範囲とするとよい。また触媒賦活物質が二酸化炭素の場合には、触媒の周囲環境中の二酸化炭素の濃度は、好ましくは0.2〜70体積%、より好ましくは0.3〜50体積%、さらに好ましくは0.7〜20体積%とするとよい。   Although there is no particular limitation on the amount of the catalyst activator added, when the catalyst activator is water, the volume concentration in the ambient environment of the catalyst is preferably 10 ppm or more and 10,000 ppm or less, more preferably 50 ppm or more and 1000 ppm or less, Preferably it is good to set it as the range of 100 ppm or more and 700 ppm or less. When the catalyst activation material is carbon dioxide, the concentration of carbon dioxide in the ambient environment of the catalyst is preferably 0.2 to 70% by volume, more preferably 0.3 to 50% by volume, and still more preferably 0.00. It is good to set it as 7-20 volume%.

なお、触媒賦活物質が所期の機能を発揮するメカニズムは、現時点では以下のように推測される。炭素構造体の成長過程において、副次的に発生したアモルファスカーボンおよびグラファイトなどが触媒に付着すると触媒は失活してしまい炭素構造体の成長が阻害される。しかし、触媒賦活物質が存在すると、アモルファスカーボンおよびグラファイトなどが一酸化炭素および二酸化炭素などへと酸化されてガス化するため、触媒が清浄化され、触媒の活性を高め且つ活性寿命を延長させる作用(触媒賦活作用)が発現すると考えられる。   Note that the mechanism by which the catalyst activator exhibits the desired function is presumed as follows at present. During the growth process of the carbon structure, if amorphous carbon, graphite, or the like generated as a secondary material adheres to the catalyst, the catalyst is deactivated and the growth of the carbon structure is inhibited. However, in the presence of a catalyst activator, amorphous carbon and graphite are oxidized to carbon monoxide and carbon dioxide and gasified, so that the catalyst is cleaned, increasing the activity of the catalyst and extending the active life. It is considered that (catalyst activation action) is developed.

そして、工程(A)における炭素構造体の化学気相成長は、高炭素濃度環境で行うことが好ましい。高炭素濃度環境とは、触媒の周囲環境中の原料ガスの体積割合が2〜20%程度の成長雰囲気のことをいう。特に、触媒賦活物質存在下においては、触媒活性が著しく向上するため、高炭素濃度環境下においても、触媒は活性を失わず、長時間の炭素構造体の成長が可能となると共に、炭素構造体の成長速度が著しく向上する。ここで、高炭素濃度環境では、低炭素濃度環境に比べ、炭素系副生成物が生成し易い。しかし、本発明に係る製造方法によれば、炭素系副生成物の生成を十分に抑制することができるため、効率よく高品質な炭素構造体を製造することができる。   And it is preferable to perform the chemical vapor deposition of the carbon structure in the step (A) in a high carbon concentration environment. The high carbon concentration environment means a growth atmosphere in which the volume ratio of the source gas in the environment surrounding the catalyst is about 2 to 20%. In particular, in the presence of a catalyst activator, the catalytic activity is remarkably improved. Therefore, even in a high carbon concentration environment, the catalyst does not lose its activity, and the carbon structure can be grown for a long time. The growth rate is significantly improved. Here, in a high carbon concentration environment, a carbon-based by-product is easily generated compared to a low carbon concentration environment. However, since the production method according to the present invention can sufficiently suppress the production of carbon-based byproducts, a high-quality carbon structure can be produced efficiently.

<工程(B)>
工程(B)では、工程(A)で生じる反応排ガスに対してヒドロキシ基および/またはアルデヒド基を有する炭素数1以上5以下の化合物を含む反応性ガスを供給する。そして、工程(B)では、反応性ガスの供給により、反応排ガスからの炭素系副生成物(例えば、ナフタレン、ビフェニレン、フルオレン、フェナントレン、アントラセン、ピレン等の多環芳香族炭化水素など)の生成が十分に抑制される。
<Process (B)>
In the step (B), a reactive gas containing a compound having 1 to 5 carbon atoms and having a hydroxy group and / or an aldehyde group is supplied to the reaction exhaust gas generated in the step (A). In the step (B), the generation of carbon-based byproducts (for example, polycyclic aromatic hydrocarbons such as naphthalene, biphenylene, fluorene, phenanthrene, anthracene, and pyrene) from the reaction exhaust gas by supplying the reactive gas. Is sufficiently suppressed.

[反応排ガス]
工程(A)で生じる反応排ガスには、通常、触媒と接触して炭素構造体の成長に使われた後のガスが含まれ、任意に炭素構造体の成長に使われていない(即ち、触媒と接触していない)未反応ガスも含まれ得る。
そして、反応排ガスは、工程(A)において炭素構造体を成長させた際の温度と略等しい温度を有しており、また、炭素系副生成物を生成し得る成分を含んでいる。
[Reaction exhaust gas]
The reaction exhaust gas generated in the step (A) usually contains a gas after contact with the catalyst and used for the growth of the carbon structure, and is not arbitrarily used for the growth of the carbon structure (ie, the catalyst). Unreacted gas (not in contact with) may also be included.
The reaction exhaust gas has a temperature substantially equal to the temperature when the carbon structure is grown in the step (A), and includes a component that can generate a carbon-based byproduct.

[反応性ガス]
反応性ガスは、ヒドロキシ基および/またはアルデヒド基を有する炭素数1以上5以下の化合物を含み、任意に、ヘリウムガス、アルゴンガス、窒素ガスなどの不活性ガスを更に含む。
[Reactive gas]
The reactive gas includes a compound having 1 to 5 carbon atoms and having a hydroxy group and / or an aldehyde group, and optionally further includes an inert gas such as helium gas, argon gas, or nitrogen gas.

ここで、ヒドロキシ基(−OH)を有する炭素数1以上5以下の化合物としては、特に限定されることなく、例えば、メタノール、エタノール、n−プロパノール、2−プロパノール、n−ブタノールなどの炭素数1以上5以下のアルコールが挙げられる。
また、アルデヒド基(−CHO)を有する炭素数1以上5以下の化合物としては、特に限定されることなく、例えば、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒドなどのアルデヒド、並びに、ギ酸が挙げられる。
更に、ヒドロキシ基およびアルデヒド基を有する炭素数1以上5以下の化合物としては、特に限定されることなく、例えば、2−ヒドロキシアセトアルデヒドなどが挙げられる。
なお、これらの化合物は、1種単独で、或いは、2種以上を混合して用いることができる。
Here, the compound having 1 to 5 carbon atoms having a hydroxy group (—OH) is not particularly limited, and examples thereof include methanol, ethanol, n-propanol, 2-propanol, n-butanol and the like. Examples of the alcohol include 1 or more and 5 or less.
In addition, the compound having 1 to 5 carbon atoms and having an aldehyde group (—CHO) is not particularly limited, and examples thereof include aldehydes such as formaldehyde and acetaldehyde, and formic acid.
Furthermore, the compound having 1 to 5 carbon atoms having a hydroxy group and an aldehyde group is not particularly limited, and examples thereof include 2-hydroxyacetaldehyde.
In addition, these compounds can be used individually by 1 type or in mixture of 2 or more types.

上述した中でも、ヒドロキシ基および/またはアルデヒド基を有する炭素数1以上5以下の化合物としては、ヒドロキシ基および/またはアルデヒド基を有する炭素数1以上3以下の化合物が好ましく、ヒドロキシ基および/またはアルデヒド基を有する炭素数1の化合物がより好ましく、メタノール、ホルムアルデヒドおよびギ酸からなる群から選択される少なくとも1種が更に好ましく、メタノールおよび/またはホルムアルデヒドが特に好ましい。これらの化合物は、炭素系副生成物の生成抑制効果に優れているからである。   Among the compounds described above, the compound having 1 to 5 carbon atoms having a hydroxy group and / or an aldehyde group is preferably a compound having 1 to 3 carbon atoms having a hydroxy group and / or an aldehyde group. The compound having 1 group having 1 group is more preferable, at least one selected from the group consisting of methanol, formaldehyde and formic acid is more preferable, and methanol and / or formaldehyde is particularly preferable. This is because these compounds are excellent in the effect of suppressing the formation of carbon-based byproducts.

なお、炭素系副生成物の生成を効果的に抑制する観点からは、ヒドロキシ基および/またはアルデヒド基を有する炭素数1以上5以下の化合物の反応性ガスと反応排ガスとの混合ガス中における濃度は、2体積%以上であることが好ましく、4体積%以上であることがより好ましく、通常、100体積%以下であり、50体積%以下であることが好ましい。   From the viewpoint of effectively suppressing the formation of carbon-based byproducts, the concentration of the compound having 1 to 5 carbon atoms having a hydroxy group and / or an aldehyde group in the mixed gas of the reactive gas and the reaction exhaust gas Is preferably 2% by volume or more, more preferably 4% by volume or more, usually 100% by volume or less, and preferably 50% by volume or less.

そして、反応排ガスに対する反応性ガスの供給は、通常、反応性ガスが触媒に接触しないように行う。具体的には、反応性ガスの供給は、例えば、原料ガスおよび反応排ガスの流れ方向で見て、触媒と原料ガスとが接触する位置よりも下流側において行うことができる。また、触媒を担持した基材を載置する保持具や、触媒を担持した基材の端縁等の基材の一部を把持する保持具などの保持具を使用して触媒を担持した基材を保持する場合、反応性ガスは、触媒を担持した基材(例えば、端縁の少なくとも一部を保持具で把持された基材など)の裏面側、或いは、触媒を担持した基材を保持する保持具(例えば、基材を載置して保持する保持具など)の裏面側から供給することもできる。   And supply of the reactive gas with respect to reaction exhaust gas is normally performed so that reactive gas may not contact a catalyst. Specifically, the supply of the reactive gas can be performed, for example, on the downstream side of the position where the catalyst and the raw material gas are in contact with each other when viewed in the flow direction of the raw material gas and the reactive exhaust gas. In addition, a base on which the catalyst is supported by using a holder such as a holder for mounting the base material supporting the catalyst or a holder for gripping a part of the base material such as an edge of the base material supporting the catalyst. In the case of holding the material, the reactive gas is applied to the back side of the base material supporting the catalyst (for example, the base material in which at least a part of the edge is held by the holder) or the base material supporting the catalyst. It can also supply from the back surface side of the holding tool (for example, holding tool etc. which mount and hold | maintain a base material).

なお、炭素系副生成物の生成を効果的に抑制する観点からは、反応排ガスに対する反応性ガスの供給量は、1/20以上とすることが好ましく、1/10以上とすることがより好ましく、等量以下とすることが好ましく、1/2以下とすることがより好ましい。   From the viewpoint of effectively suppressing the generation of carbon-based byproducts, the supply amount of the reactive gas to the reaction exhaust gas is preferably 1/20 or more, and more preferably 1/10 or more. , Equivalent amount or less, and more preferably ½ or less.

そして、反応排ガスと反応性ガスとは、例えば200℃以上900℃以下の温度で混合することが好ましい。なお、混合は、拡散、対流または撹拌などの任意の手段を用いて行うことができる。また、炭素系副生成物の生成をより効果的に抑制する観点からは、反応排ガスと反応性ガスとを混合する際の温度は、400℃以上であることが好ましく、600℃以上であることがより好ましく、880℃以下であることが好ましく、860℃以下であることがより好ましい。   And it is preferable to mix reaction exhaust gas and reactive gas at the temperature of 200 to 900 degreeC, for example. The mixing can be performed using any means such as diffusion, convection or stirring. Moreover, from the viewpoint of more effectively suppressing the generation of carbon-based byproducts, the temperature when mixing the reaction exhaust gas and the reactive gas is preferably 400 ° C. or higher, and preferably 600 ° C. or higher. Is more preferable, it is preferable that it is 880 degrees C or less, and it is more preferable that it is 860 degrees C or less.

(炭素構造体の製造装置)
本発明の炭素構造体の製造装置は、炭素化合物を含む原料ガスを触媒に供給し、化学気相成長法によって炭素構造体を成長させる成長炉と、成長炉で生じる反応排ガスに、ヒドロキシ基および/またはアルデヒド基を有する炭素数1以上5以下の化合物を含む反応性ガスを供給する反応性ガス供給部とを備える。なお、反応性ガス供給部は、反応排ガスに反応性ガスを供給可能であれば、成長炉内に設けられていてもよいし、成長炉の外側(例えば、排気管内など)に設けられていてもよい。
(Carbon structure manufacturing equipment)
The apparatus for producing a carbon structure of the present invention supplies a raw material gas containing a carbon compound to a catalyst, grows the carbon structure by chemical vapor deposition, and reaction gas generated in the growth furnace with hydroxy groups and And / or a reactive gas supply unit that supplies a reactive gas containing an aldehyde group-containing compound having 1 to 5 carbon atoms. The reactive gas supply unit may be provided in the growth furnace or provided outside the growth furnace (for example, in the exhaust pipe) as long as the reactive gas can be supplied to the reaction exhaust gas. Also good.

そして、本発明の炭素構造体の製造装置では、反応性ガス供給部を設け、ヒドロキシ基および/またはアルデヒド基を有する炭素数1以上5以下の化合物を含む反応性ガスを供給しているので、多環芳香族炭化水素などの炭素系副生成物の生成を十分に抑制することができる。従って、形成された炭素構造体や製造装置内部に炭素系副生成物が付着するのを十分に抑制して、製品品質の低下および排気管の閉塞等を防止することができる。   And in the carbon structure manufacturing apparatus of the present invention, a reactive gas supply unit is provided, and a reactive gas containing a compound having 1 to 5 carbon atoms having a hydroxy group and / or an aldehyde group is supplied. Generation of carbon-based byproducts such as polycyclic aromatic hydrocarbons can be sufficiently suppressed. Accordingly, it is possible to sufficiently suppress the carbon-based by-product from adhering to the formed carbon structure and the manufacturing apparatus, and to prevent the product quality from being lowered and the exhaust pipe from being blocked.

以下、本発明の炭素構造体の製造装置の一例および他の例について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、炭素構造体、原料ガス、触媒および反応性ガス、並びに、任意の触媒賦活物質などとしては、上述した本発明の炭素構造体の製造方法と同様のものを用いることができるので、以下では説明を省略する。   Hereinafter, an example of the carbon structure manufacturing apparatus of the present invention and other examples will be described in detail with reference to the drawings. As the carbon structure, the raw material gas, the catalyst and the reactive gas, and the optional catalyst activator, the same carbon structure manufacturing method as that described above can be used. Description is omitted.

<炭素構造体の製造装置の一例>
図1に、本発明の炭素構造体の製造装置の一例を示す。図1に示す製造装置100は、炭素構造体を連続的に製造する連続式製造装置であり、入口パージ部1、フォーメーションユニット2、ガス混入防止手段101〜103、成長ユニット3、冷却ユニット4、出口パージ部5、搬送ユニット6、及び、接続部7〜9を備えている。
<Example of carbon structure manufacturing apparatus>
In FIG. 1, an example of the manufacturing apparatus of the carbon structure of this invention is shown. A manufacturing apparatus 100 shown in FIG. 1 is a continuous manufacturing apparatus that continuously manufactures a carbon structure, and includes an inlet purge unit 1, a formation unit 2, gas mixing prevention means 101 to 103, a growth unit 3, a cooling unit 4, An outlet purge unit 5, a transport unit 6, and connection units 7 to 9 are provided.

フォーメーションユニット2はフォーメーション炉2aを備えており、成長ユニット3は成長炉3aを備えており、冷却ユニット4は冷却炉4aを備えている。フォーメーション炉2a、成長炉3a、及び、冷却炉4aの各炉内空間は、接続部7〜9によって空間的に連結された状態になっている。   The formation unit 2 includes a formation furnace 2a, the growth unit 3 includes a growth furnace 3a, and the cooling unit 4 includes a cooling furnace 4a. The internal spaces of the formation furnace 2a, the growth furnace 3a, and the cooling furnace 4a are in a state of being spatially connected by the connecting portions 7-9.

[入口パージ部]
製造装置100の入口には入口パージ部1が設けられている。入口パージ部1とは、触媒を担持した基材20の入口から装置炉内へ外部空気が混入することを防止するための装置一式のことである。入口パージ部1は、装置内に搬送された基材20の周囲環境をパージガスで置換する機能を有する。
[Inlet purge section]
An inlet purge unit 1 is provided at the inlet of the manufacturing apparatus 100. The inlet purge unit 1 is a set of apparatuses for preventing external air from being mixed into the apparatus furnace from the inlet of the base material 20 carrying the catalyst. The inlet purge unit 1 has a function of replacing the surrounding environment of the base material 20 conveyed into the apparatus with a purge gas.

入口パージ部1は、パージガスを上下からシャワー状に噴射するガスカーテン構造となっている。これにより、入口から製造装置100内に外部の空気が混入することを防止している。入口パージ部1は、例えば、パージガスを保持するための炉又はチャンバ、及び、パージガスを噴射するための噴射部等により構成されてもよい。   The inlet purge unit 1 has a gas curtain structure for injecting purge gas from above and below in a shower shape. This prevents external air from entering the manufacturing apparatus 100 from the entrance. The inlet purge unit 1 may be configured by, for example, a furnace or chamber for holding purge gas, an injection unit for injecting purge gas, and the like.

パージガスとしては不活性ガスが好ましく、特に安全性、コスト、及び、パージ性等の点から、パージガスは窒素であることが好ましい。   The purge gas is preferably an inert gas. In particular, the purge gas is preferably nitrogen from the viewpoints of safety, cost, purgeability, and the like.

[フォーメーションユニット]
フォーメーションユニット2とは、フォーメーション工程を実現するための装置一式のことである。フォーメーションユニット2は、基材20の表面に形成された触媒の周囲環境を還元ガス環境にすると共に、触媒及び還元ガスのうち少なくとも一方を加熱する機能を有する。
[Formation unit]
The formation unit 2 is a set of devices for realizing the formation process. The formation unit 2 has a function of heating the environment around the catalyst formed on the surface of the substrate 20 to a reducing gas environment and heating at least one of the catalyst and the reducing gas.

フォーメーションユニット2は、還元ガスを保持するためのフォーメーション炉2aと、還元ガスをフォーメーション炉2a内に噴射するための還元ガス噴射部2bと、触媒及び還元ガスの少なくとも一方を加熱するためのヒーター2cと、フォーメーション炉2a内のガスを排気するための排気フード2dとにより構成される。   The formation unit 2 includes a formation furnace 2a for holding a reducing gas, a reducing gas injection unit 2b for injecting the reducing gas into the formation furnace 2a, and a heater 2c for heating at least one of the catalyst and the reducing gas. And an exhaust hood 2d for exhausting the gas in the formation furnace 2a.

還元ガス噴射部2bには、複数の噴射口を備えるシャワーヘッドを用いてもよい。かかる還元ガス噴射部2bは、基材20の触媒担持面を臨む位置に設けられている。臨む位置とは、各噴射口における噴射軸線と基材20の法線との成す角が0°以上90°未満となる位置である。つまり還元ガス噴射部2bにおける噴射口から噴出するガス流の方向が、基材20に概ね直交するようにされている。   A shower head provided with a plurality of injection ports may be used for the reducing gas injection unit 2b. The reducing gas injection unit 2 b is provided at a position facing the catalyst carrying surface of the base material 20. The facing position is a position where the angle formed between the injection axis of each injection port and the normal line of the base material 20 is 0 ° or more and less than 90 °. That is, the direction of the gas flow ejected from the ejection port in the reducing gas ejection unit 2 b is set to be substantially orthogonal to the base material 20.

還元ガス噴射部2bにこのようなシャワーヘッドを用いれば、還元ガスを基材20上に均一に散布することができ、効率良く触媒を還元することができる。その結果、基材20上に成長する炭素構造体の均一性を高めることができ、かつ還元ガスの消費量を削減することもできる。   If such a shower head is used for the reducing gas injection unit 2b, the reducing gas can be uniformly sprayed on the substrate 20, and the catalyst can be efficiently reduced. As a result, the uniformity of the carbon structure grown on the substrate 20 can be improved, and the consumption of reducing gas can be reduced.

ヒーター2cとしては、触媒及び還元ガスのうち少なくとも一方を加熱することができるものであれば限定されず、例えば、抵抗加熱ヒーター、赤外線加熱ヒーター、電磁誘導式ヒーターなどが挙げられる。   The heater 2c is not limited as long as at least one of the catalyst and the reducing gas can be heated, and examples thereof include a resistance heater, an infrared heater, and an electromagnetic induction heater.

[成長ユニット]
成長ユニット3は、触媒の周囲環境を原料ガス環境とすると共に触媒及び原料ガスの少なくとも一方を加熱することにより炭素構造体を成長させる成長工程(工程(A))を実現するための装置一式である。そして、成長ユニット3は、基材20の周囲の環境を原料ガス環境に保持する炉である成長炉3aと、原料ガスを基材20上に噴射するための原料ガス噴射部3bと、触媒と原料ガスの少なくとも一方を加熱するためのヒーター3cと、成長炉3a内のガスを排気するための排気フード3dとを含んでいる。更に、図2に成長炉3aを拡大して示すように、成長ユニット3は、成長炉3aで生じる反応排ガスに反応性ガスを供給する反応性ガス供給部16、17を更に備えている。また、成長ユニット3は、触媒賦活物質を供給するための触媒賦活物質噴射部(図示せず)を有していてもよい。なお、原料ガス噴射部3bは、触媒賦活物質噴射部を兼ねていてもよい。また、反応性ガス供給部16および反応性ガス供給部17は、何れか一方のみが設けられていてもよい。
[Growth unit]
The growth unit 3 is a set of devices for realizing a growth step (step (A)) in which the surrounding environment of the catalyst is set as a raw material gas environment and at least one of the catalyst and the raw material gas is heated to grow a carbon structure. is there. The growth unit 3 includes a growth furnace 3a that is a furnace for maintaining the environment around the base material 20 in the raw material gas environment, a raw material gas injection unit 3b for injecting the raw material gas onto the base material 20, a catalyst, A heater 3c for heating at least one of the source gases and an exhaust hood 3d for exhausting the gas in the growth furnace 3a are included. Further, as shown in an enlarged view of the growth furnace 3a in FIG. 2, the growth unit 3 further includes reactive gas supply units 16 and 17 for supplying a reactive gas to the reaction exhaust gas generated in the growth furnace 3a. The growth unit 3 may have a catalyst activation material injection unit (not shown) for supplying the catalyst activation material. The source gas injection unit 3b may also serve as a catalyst activation material injection unit. Further, only one of the reactive gas supply unit 16 and the reactive gas supply unit 17 may be provided.

成長炉3aとは、成長工程を行うための炉のことであり、基材20上の触媒の周囲環境を原料ガス環境とすると共に、触媒及び原料ガスの少なくとも一方を加熱することで、基材20上に炭素構造体を成長させてなる炭素構造体付き基材10を得るための炉である。   The growth furnace 3a is a furnace for performing a growth process. The surrounding environment of the catalyst on the base material 20 is set as a raw material gas environment, and at least one of the catalyst and the raw material gas is heated. 20 is a furnace for obtaining a substrate 10 with a carbon structure obtained by growing a carbon structure on 20.

成長工程では、成長炉3a内を移動する基材20に対し、原料ガス噴射部3bから原料ガスを噴射することが好ましい。   In the growth step, it is preferable to inject the source gas from the source gas injection unit 3b onto the base material 20 moving in the growth furnace 3a.

原料ガス噴射部3b及び排気フード3dはそれぞれ少なくとも1つ以上備えられており、全ての原料ガス噴射部3bから噴射される全ガス流量と、全ての排気フード3dから排気される全ガス流量は、ほぼ同量又は同量であることが好ましい。このようにすることで、原料ガスが成長炉3a外へ流出すること、及び、成長炉3a外のガスが成長炉3a内に流入することを防止できる。   At least one source gas injection unit 3b and exhaust hood 3d are provided, and the total gas flow rate injected from all source gas injection units 3b and the total gas flow rate exhausted from all exhaust hoods 3d are as follows: It is preferable that they are approximately the same amount or the same amount. By doing in this way, it can prevent that source gas flows out of growth furnace 3a, and gas outside growth furnace 3a flows into growth furnace 3a.

ヒーター3cとしては、例えば、抵抗加熱ヒーター、赤外線加熱ヒーター、電磁誘導式ヒーター等が挙げられる。   Examples of the heater 3c include a resistance heater, an infrared heater, and an electromagnetic induction heater.

反応性ガス供給部16および反応性ガス供給部17は、反応性ガスが触媒および炭素構造体の成長に使われる前の原料ガスと接触せず、且つ、炭素構造体の成長に使われた後の反応排ガスとはよく混合される位置に配置されている。具体的には、反応性ガス供給部16は、図2に示すように、成長炉3a内で基材20上に炭素構造体を成長させてなる炭素構造体付き基材10の下方に設置されている。より具体的には、図2に示す反応性ガス供給部16は、成長炉3a内を通る搬送ユニット6のメッシュベルト6aの下側に配置されて炉長方向に伸び、且つ、側方(図2では左右方向)に反応性ガスを噴射するための孔が設けられている配管よりなる。また、反応性ガス供給部17は、排気フード3dに設置されている。より具体的には、図2に示す反応性ガス供給部17は、成長炉3aから排気管23へと排気される反応排ガスを集約する排気フード3d内に反応性ガスを直接噴射する配管よりなる。
なお、反応性ガス供給部16、17から供給した反応性ガスにより炭素系副生成物の生成を更に効果的に抑制する観点からは、排気管23には、排気管23内を加熱するヒーター(図示せず)または排気管23を保温するための断熱材(図示せず)が設けられていることが好ましい。
The reactive gas supply unit 16 and the reactive gas supply unit 17 are not in contact with the raw material gas before the reactive gas is used for the growth of the catalyst and the carbon structure, and after the reactive gas is used for the growth of the carbon structure. The reaction exhaust gas is arranged at a position where it is well mixed. Specifically, as shown in FIG. 2, the reactive gas supply unit 16 is installed below the substrate 10 with a carbon structure formed by growing a carbon structure on the substrate 20 in the growth furnace 3a. ing. More specifically, the reactive gas supply unit 16 shown in FIG. 2 is disposed below the mesh belt 6a of the transport unit 6 passing through the growth furnace 3a, extends in the furnace length direction, and is lateral (see FIG. 2 comprises a pipe provided with holes for injecting reactive gas in the left-right direction). The reactive gas supply unit 17 is installed in the exhaust hood 3d. More specifically, the reactive gas supply unit 17 shown in FIG. 2 includes a pipe that directly injects the reactive gas into the exhaust hood 3d that collects the reactive exhaust gas exhausted from the growth furnace 3a to the exhaust pipe 23. .
In addition, from the viewpoint of further effectively suppressing the generation of carbon-based by-products by the reactive gas supplied from the reactive gas supply units 16 and 17, the exhaust pipe 23 includes a heater that heats the inside of the exhaust pipe 23 ( It is preferable that a heat insulating material (not shown) for keeping the exhaust pipe 23 warm is provided.

[冷却ユニット]
冷却ユニット4とは、冷却工程を実現するため、すなわち炭素構造体が成長した炭素構造体付き基材10を冷却するための装置一式のことである。冷却ユニット4は、成長工程後の炭素構造体、触媒、及び基材を冷却する機能を有する。
[Cooling unit]
The cooling unit 4 is a set of devices for realizing the cooling process, that is, for cooling the substrate 10 with the carbon structure on which the carbon structure is grown. The cooling unit 4 has a function of cooling the carbon structure, the catalyst, and the substrate after the growth process.

冷却ユニット4は、水冷方式と空冷方式とを組み合わせた構成であり、不活性ガスを保持するための冷却炉4a、冷却炉4a内の空間に不活性ガスを噴射する冷却ガス噴射部4b、及び、冷却炉4a内空間を囲むように配置した水冷冷却管4cにより構成される。なお、冷却ユニット4は、水冷方式のみの構成又は空冷方式のみの構成であってもよい。   The cooling unit 4 has a configuration combining a water cooling method and an air cooling method, a cooling furnace 4a for holding an inert gas, a cooling gas injection unit 4b for injecting an inert gas into a space in the cooling furnace 4a, and The water-cooled cooling pipe 4c is disposed so as to surround the space inside the cooling furnace 4a. Note that the cooling unit 4 may have a configuration of only a water cooling system or a configuration of only an air cooling system.

冷却ユニット4にて冷却することにより、成長工程後の炭素構造体、触媒、及び基材の酸化を防止することができる。   By cooling with the cooling unit 4, oxidation of the carbon structure, the catalyst, and the base material after the growth step can be prevented.

[出口パージ部]
製造装置100の出口には、入口パージ部1とほぼ同様の構造をした出口パージ部5が設けられている。出口パージ部5とは、製造装置100の出口から内部に外部の空気が混入することを防止するための装置一式のことである。出口パージ部5は、炭素構造体付き基材10の周囲環境をパージガス環境にする機能を有する。
[Outlet purge section]
At the outlet of the manufacturing apparatus 100, an outlet purge unit 5 having a structure substantially similar to that of the inlet purge unit 1 is provided. The outlet purge unit 5 is a set of apparatuses for preventing external air from being mixed into the inside from the outlet of the manufacturing apparatus 100. The outlet purge unit 5 has a function of making the ambient environment of the carbon structure-attached substrate 10 a purge gas environment.

出口パージ部5は、パージガスを上下からシャワー状に噴射することで、出口から冷却炉4a内に外部の空気が混入することを防止している。なお、出口パージ部5は、パージガス環境を保持するための炉又はチャンバ、及び、パージガスを噴射するための噴射部等により構成されてもよい。   The outlet purge unit 5 prevents the outside air from being mixed into the cooling furnace 4a from the outlet by injecting the purge gas from above and below in a shower shape. The outlet purge unit 5 may be configured by a furnace or chamber for maintaining a purge gas environment, an injection unit for injecting purge gas, and the like.

パージガスとしては、不活性ガスが好ましく、特に安全性、コスト、及び、パージ性等の点からパージガスは窒素であることが好ましい。   The purge gas is preferably an inert gas, and in particular, the purge gas is preferably nitrogen from the viewpoints of safety, cost, purgeability, and the like.

[接続部]
接続部7〜9とは、各ユニットの炉内空間を空間的に接続し、基材がユニットからユニットへ搬送されるときに、基材が外気に曝されることを防ぐための装置一式のことである。接続部7〜9としては、例えば、基材周囲環境と外気とを遮断し、基材をユニットからユニットへ通過させることができる炉又はチャンバなどが挙げられる。
[Connection]
The connection portions 7 to 9 are a set of apparatuses for spatially connecting the space in the furnace of each unit and preventing the base material from being exposed to the outside air when the base material is transported from the unit to the unit. That is. Examples of the connection portions 7 to 9 include a furnace or a chamber that can block the environment around the base material and the outside air and allow the base material to pass from unit to unit.

入口パージ部1とフォーメーションユニット2とは、接続部7によって空間的に接続されている。接続部7には、ガス混入防止手段101が配置されており、入口パージ部1において噴射されたパージガスと還元ガス噴射部2bから噴射された還元ガスとの混合ガスが排気される。これによって、フォーメーション炉2a内空間へのパージガスの混入、及び、入口パージ部1側への還元ガスの混入が防止される。   The inlet purge unit 1 and the formation unit 2 are spatially connected by a connection unit 7. A gas mixing prevention means 101 is disposed in the connection portion 7, and a mixed gas of the purge gas injected from the inlet purge unit 1 and the reducing gas injected from the reducing gas injection unit 2 b is exhausted. This prevents the purge gas from being mixed into the internal space of the formation furnace 2a and the reducing gas from being mixed into the inlet purge unit 1 side.

フォーメーションユニット2と成長ユニット3とは、接続部8によって空間的に接続されている。接続部8には、ガス混入防止手段102が配置されており、フォーメーション炉2a内空間の還元ガスと成長炉3a内空間の原料ガス及び触媒賦活物質を排気している。これにより、フォーメーション炉2a内空間への原料ガス又は触媒賦活物質の混入、及び、成長炉3a内空間への還元ガスの混入が防止される。   The formation unit 2 and the growth unit 3 are spatially connected by a connection portion 8. A gas mixing prevention means 102 is disposed in the connection portion 8 to exhaust the reducing gas in the formation furnace 2a space, the source gas and the catalyst activation material in the growth furnace 3a space. Thereby, mixing of the raw material gas or the catalyst activator into the formation furnace 2a and the mixing of the reducing gas into the growth furnace 3a are prevented.

成長ユニット3と冷却ユニット4とは、接続部9によって空間的に接続されている。接続部9には、ガス混入防止手段103が配置されており、成長炉3a内空間の原料ガス及び触媒賦活物質と冷却炉4a内空間の不活性ガスとの混合ガスを排気している。これにより、冷却炉4a内空間への原料ガス又は触媒賦活物質の混入、及び、成長炉3a内空間への不活性ガスの混入が防止される。   The growth unit 3 and the cooling unit 4 are spatially connected by a connection portion 9. A gas mixing prevention means 103 is disposed in the connection portion 9 to exhaust a mixed gas of the raw material gas and the catalyst activation material in the growth furnace 3a space and the inert gas in the cooling furnace 4a space. Thereby, mixing of the raw material gas or the catalyst activation material into the cooling furnace 4a space and mixing of the inert gas into the growth furnace 3a space are prevented.

なお、炭素構造体製造装置100は、成長ユニット3と冷却ユニット4との間の接続部9を加熱する加熱手段をさらに備えていてもよい。成長炉3aの出口付近の温度が低下すると、原料ガスの分解物がアモルファスカーボンとなって炭素構造体に堆積する可能性があるからである。   The carbon structure manufacturing apparatus 100 may further include a heating unit that heats the connection portion 9 between the growth unit 3 and the cooling unit 4. This is because if the temperature in the vicinity of the outlet of the growth furnace 3a is lowered, the decomposition product of the source gas may become amorphous carbon and be deposited on the carbon structure.

接続部9を加熱する加熱手段の具体的な形態としては、例えば、成長ユニット3と冷却ユニット4との間のガス混入防止手段103において噴出されるシールガスを加熱するものであってもよい。シールガスを加熱することによって成長炉3aの出口及びその付近を加熱することができる。   As a specific form of the heating means for heating the connection portion 9, for example, a seal gas ejected in the gas mixing prevention means 103 between the growth unit 3 and the cooling unit 4 may be heated. By heating the sealing gas, the outlet of the growth furnace 3a and the vicinity thereof can be heated.

[ガス混入防止手段]
ガス混入防止手段101〜103は、各ユニットの炉内空間に存在するガスが、相互に混入することを防ぐ機能を実現するための装置一式のことである。ガス混入防止手段101〜103は、各ユニットの炉内空間を互いに空間的に接続する接続部7〜9に設置される。ガス混入防止手段101〜103は、各炉における基材の入口及び出口の開口面に沿ってシールガスを噴出するシールガス噴射部101b〜103bと、主に噴射されたシールガス(及びその他近傍のガス)を各炉内に入らないように吸引して装置外に排気する排気部101a〜103aとを、それぞれ少なくとも1つ以上備えている。
[Gas mixing prevention means]
The gas mixing prevention means 101 to 103 are a set of apparatuses for realizing a function of preventing gases existing in the furnace space of each unit from mixing with each other. The gas mixing prevention means 101 to 103 are installed in the connection portions 7 to 9 that spatially connect the in-furnace spaces of the respective units. The gas mixing prevention means 101 to 103 include seal gas injection units 101b to 103b for injecting seal gas along the opening surfaces of the inlet and outlet of the base material in each furnace, and the mainly injected seal gas (and other nearby gas). At least one exhaust part 101a to 103a that sucks the gas (gas) so as not to enter each furnace and exhausts the gas outside the apparatus is provided.

シールガスが炉の開口面に沿って噴射されることで、シールガスが炉の出入り口を塞ぎ、炉外のガスが炉内に混入することを防ぐことができる。また、シールガスを装置外に排気することにより、シールガスが炉内に混入することを防ぐことができる。   Since the seal gas is injected along the opening surface of the furnace, the seal gas can block the entrance / exit of the furnace and prevent the gas outside the furnace from being mixed into the furnace. Further, by exhausting the seal gas out of the apparatus, it is possible to prevent the seal gas from being mixed into the furnace.

シールガスは不活性ガスであることが好ましく、特に安全性、コストなどの点から窒素であることが好ましい。1つのシールガス噴射部101b〜103b及び1つの排気部101a〜103aの配置としては、1つのシールガス噴射部に隣接して1つの排気部を配置してもよいし、搬送ユニット6のメッシュベルト6aを挟んでシールガス噴射部に対面するように排気部を配置してもよい。なお、ガス混入防止手段101〜103の全体の構成が、炉長方向に対称な構造となるようにシールガス噴射部101b〜103b及び排気部101a〜103aを配置することが好ましい。   The seal gas is preferably an inert gas, and nitrogen is particularly preferable from the viewpoints of safety and cost. As for the arrangement of one seal gas injection unit 101b to 103b and one exhaust unit 101a to 103a, one exhaust unit may be arranged adjacent to one seal gas injection unit, or the mesh belt of the transport unit 6 The exhaust part may be arranged so as to face the seal gas injection part across 6a. In addition, it is preferable to arrange | position the seal gas injection parts 101b-103b and the exhaust parts 101a-103a so that the whole structure of the gas mixing prevention means 101-103 may become a symmetrical structure in the furnace length direction.

例えば、1つの排気部の両端にシールガス噴射部を2つ配置し、排気部を中心にして炉長方向に対称な構造とするとよい。また、シールガス噴射部101b〜103bから噴射される全ガス流量と排気部101a〜103aから排気される全ガス流量とはほぼ同量であることが好ましい。これによって、ガス混入防止手段101〜103を挟んだ両側の空間からのガスが相互に混入することを防止するとともに、シールガスが両側の空間に流出することも防止することが可能になる。このようなガス混入防止手段101〜103を成長炉3aの両端に設置することで、シールガスの流れと成長炉3a内のガスの流れとが相互に干渉することを防止できる。また、シールガスの成長炉3a内への流入によるガス流れの乱れも防止することができる。よって、炭素構造体の連続製造に好適な装置を実現できる。   For example, two seal gas injection parts may be arranged at both ends of one exhaust part, and the structure may be symmetrical in the furnace length direction with the exhaust part as the center. Moreover, it is preferable that the total gas flow rate injected from the seal gas injection units 101b to 103b and the total gas flow rate discharged from the exhaust units 101a to 103a are substantially the same amount. As a result, it is possible to prevent the gas from the spaces on both sides of the gas mixture preventing means 101 to 103 from being mixed with each other and to prevent the sealing gas from flowing into the spaces on both sides. By installing such gas mixing preventing means 101 to 103 at both ends of the growth furnace 3a, it is possible to prevent the seal gas flow and the gas flow in the growth furnace 3a from interfering with each other. Further, it is possible to prevent the gas flow from being disturbed by the inflow of the seal gas into the growth furnace 3a. Therefore, an apparatus suitable for continuous production of carbon structures can be realized.

なお、ガス混入防止手段101〜103としては、本実施形態における構成に限らず、例えば、基材がユニットからユニットに移動する時間以外の時間に、各ユニットの空間的な接続を機械的に遮断するゲートバルブ装置であってもよい。また、各ユニットの空間的な接続を不活性ガス噴射によって遮断するガスカーテン装置であってもよい。   The gas mixing prevention means 101 to 103 are not limited to the configuration in the present embodiment, and for example, the spatial connection of each unit is mechanically cut off at a time other than the time when the base material moves from the unit to the unit. It may be a gate valve device. Moreover, the gas curtain apparatus which interrupts | blocks the spatial connection of each unit by inert gas injection may be sufficient.

[搬送ユニット]
搬送ユニット6とは、複数の基材20を炭素構造体製造装置100内に連続的に搬入するために必要な装置一式のことである。搬送ユニット6は、メッシュベルト6aとベルト駆動部6bとを備えている。基材20は、搬送ユニット6によって各炉内空間を、フォーメーションユニット2、成長ユニット3、及び、冷却ユニット4の順に搬送されるようになっている。
[Transport unit]
The conveyance unit 6 is a set of apparatuses necessary for continuously carrying a plurality of base materials 20 into the carbon structure manufacturing apparatus 100. The transport unit 6 includes a mesh belt 6a and a belt driving unit 6b. The base material 20 is transported in the order of the formation unit 2, the growth unit 3, and the cooling unit 4 in each furnace space by the transport unit 6.

搬送ユニット6は、ベルトコンベア式のものであり、フォーメーション炉2a内空間から成長炉3a内空間を経て冷却炉4a内空間へと、表面に触媒が担持された基材20を搬送する。搬送ユニット6は、例えば減速機付き電動モータなどを用いたベルト駆動部6bで駆動されるメッシュベルト6aによって基材20を搬送する。そして、炭素構造体製造装置100では、フォーメーション炉2a内空間と成長炉3a内空間との間、及び、成長炉3a内空間と冷却炉4a内空間との間は、接続部8及び9によって空間的に接続されている。これにより、基材20を載置したメッシュベルト6aは、各炉間を通過することができる。   The transport unit 6 is of a belt conveyor type, and transports the base material 20 on the surface of which the catalyst is supported from the formation furnace 2a space through the growth furnace 3a space to the cooling furnace 4a space. The conveyance unit 6 conveys the base material 20 by a mesh belt 6a driven by a belt driving unit 6b using, for example, an electric motor with a reduction gear. In the carbon structure manufacturing apparatus 100, the space between the formation furnace 2a and the growth furnace 3a, and the space between the growth furnace 3a and the cooling furnace 4a are separated by the connecting portions 8 and 9. Connected. Thereby, the mesh belt 6a which mounted the base material 20 can pass between each furnace.

なお、炭素構造体製造装置100が、連続式で炭素構造体を製造するものである場合であって、搬送ユニットを備える場合、その具体的な構成としては、上述した構成に限らず、例えば、搬送ユニットは、マルチチャンバ方式におけるロボットアーム、ロボットアーム駆動装置等などであってもよい。   In addition, when the carbon structure manufacturing apparatus 100 is a device that manufactures a carbon structure in a continuous manner and includes a transport unit, the specific configuration is not limited to the above-described configuration, for example, The transfer unit may be a robot arm in a multi-chamber system, a robot arm driving device, or the like.

そして、製造装置100では、表面に触媒を有する基材20を搬送ユニット6によって連続的に搬送しつつ、入口パージ部1、フォーメーションユニット2、成長ユニット3、冷却ユニット4、及び、出口パージ部5を順次通過させる。その間に、フォーメーションユニット2における還元ガス環境下で触媒が還元され、成長ユニット3における原料ガス環境下で基材の表面に炭素構造体が成長し、冷却ユニット4において冷却される。また、成長炉3aでは、反応性ガス供給部16、17からの反応性ガスの供給により、炭素系副生成物の生成が抑制される。   In the manufacturing apparatus 100, the inlet purge unit 1, the formation unit 2, the growth unit 3, the cooling unit 4, and the outlet purge unit 5 are continuously transported by the transport unit 6 with the substrate 20 having a catalyst on the surface. Are passed sequentially. In the meantime, the catalyst is reduced under the reducing gas environment in the formation unit 2, and the carbon structure grows on the surface of the base material in the raw material gas environment in the growth unit 3, and is cooled in the cooling unit 4. In the growth furnace 3a, the generation of carbon-based byproducts is suppressed by the supply of the reactive gas from the reactive gas supply units 16 and 17.

<炭素構造体の製造装置の他の例>
また、図3に、本発明の炭素構造体の製造装置の他の例を示す。図3に示す製造装置200は、一つの炉(成長炉210)でフォーメーション工程及び成長工程を行う製造装置である。
<Other examples of carbon structure manufacturing apparatus>
FIG. 3 shows another example of the carbon structure manufacturing apparatus of the present invention. A manufacturing apparatus 200 shown in FIG. 3 is a manufacturing apparatus that performs a formation process and a growth process in one furnace (growth furnace 210).

図3に示す製造装置200は、成長炉210、ガス導入口220、ガス排出口230、加熱器(ヒーター)240、及び、反応性ガス供給部としての反応性ガス供給管250を備えている。そして、成長炉210内には、触媒を担持した基材を載置するための保持具211と、ガスの逆流を防止するための任意の多孔板212とが設けられている。また、反応性ガス供給管250は、多孔板212とガス排出口230との間で成長炉210内に反応性ガスを供給するように構成されている。   The manufacturing apparatus 200 shown in FIG. 3 includes a growth furnace 210, a gas inlet 220, a gas outlet 230, a heater (heater) 240, and a reactive gas supply pipe 250 as a reactive gas supply unit. In the growth furnace 210, a holder 211 for placing a substrate carrying a catalyst and an arbitrary porous plate 212 for preventing a backflow of gas are provided. The reactive gas supply pipe 250 is configured to supply a reactive gas into the growth furnace 210 between the perforated plate 212 and the gas discharge port 230.

そして、製造装置200では、触媒を担持した基材を保持具211上に設置した状態で、任意にガス導入口220から還元ガスを供給してフォーメーション工程を実施する。また、ガス導入口220から原料ガスと任意の触媒賦活物質とを供給すると共に、反応性ガス供給管250から反応性ガスを供給して、成長工程を実施する。これにより、炭素系副生成物の生成を抑制しつつ、炭素構造体を得ることができる。   And in the manufacturing apparatus 200, in the state which installed the base material which carry | supported the catalyst on the holder 211, reducing gas is supplied arbitrarily from the gas inlet 220, and a formation process is implemented. In addition, a raw material gas and an arbitrary catalyst activation material are supplied from the gas inlet 220, and a reactive gas is supplied from the reactive gas supply pipe 250 to carry out the growth process. Thereby, a carbon structure can be obtained while suppressing the generation of carbon-based byproducts.

以下、本発明について実施例を用いて更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further in detail using an Example, this invention is not limited to these Examples.

(触媒を担持させた基材の準備)
基材として、縦500mm×横500mm、厚さ0.6mmのFe−Cr合金(JFEスチール株式会社製、SUS430、Cr:18質量%)の平板を用意した。なお、レーザ顕微鏡を用いて複数個所の表面粗さを測定したところ、算術平均粗さRaは0.063μmであった。
また、アルミニウムトリ−sec−ブトキシド1.9gを2−プロパノール100ml(78g)に溶解させ、更に安定剤としてトリイソプロパノールアミン0.9gを加えて溶解させて、アルミナ膜形成用コーティング剤を作製した。
そして、室温25℃、相対湿度50%の環境下で、ディップコーティングにより基材上に上述のアルミナ膜形成用コーティング剤を塗布した。具体的には、アルミナ膜形成用コーティング剤に基材を浸漬後、20秒間保持して、10mm/秒の引き上げ速度で基材を引き上げた後、5分間風乾した。次に、300℃の空気環境下で30分間加熱した後、室温まで冷却した。これにより、基材上に膜厚40nmのアルミナ膜を形成した。
続いて、酢酸鉄174mgを2−プロパノール100mlに溶解させ、更に安定剤としてトリイソプロパノールアミン190mgを加えて溶解させて、鉄膜コーティング剤を作製した。
そして、室温25℃、相対湿度50%の環境下で、ディップコーティングにより、前述のアルミナ膜が成膜された基材上に鉄膜コーティング剤を塗布した。具体的には、鉄膜コーティング剤に基材を浸漬後、20秒間保持して、3mm/秒の引き上げ速度で基材を引き上げた。その後、5分間風乾した。次に、100℃の空気環境下で30分加熱した後、室温まで冷却した。これにより、膜厚3nmの触媒膜を有する基材(触媒を担持させた基材)を作製した。
(Preparation of base material carrying catalyst)
A flat plate made of Fe-Cr alloy (manufactured by JFE Steel Corporation, SUS430, Cr: 18% by mass) having a length of 500 mm × width of 500 mm and a thickness of 0.6 mm was prepared as a base material. In addition, when the surface roughness of several places was measured using the laser microscope, arithmetic mean roughness Ra was 0.063 micrometer.
Further, 1.9 g of aluminum tri-sec-butoxide was dissolved in 100 ml (78 g) of 2-propanol, and 0.9 g of triisopropanolamine was further added and dissolved as a stabilizer to prepare an alumina film forming coating agent.
And the above-mentioned coating agent for alumina film formation was apply | coated on the base material by dip coating in the environment of room temperature 25 degreeC, and relative humidity 50%. Specifically, the substrate was immersed in the coating agent for forming an alumina film, held for 20 seconds, pulled up at a lifting speed of 10 mm / second, and then air-dried for 5 minutes. Next, after heating for 30 minutes in 300 degreeC air environment, it cooled to room temperature. Thereby, an alumina film having a film thickness of 40 nm was formed on the substrate.
Subsequently, 174 mg of iron acetate was dissolved in 100 ml of 2-propanol, and 190 mg of triisopropanolamine was further added and dissolved as a stabilizer to prepare an iron film coating agent.
And the iron film coating agent was apply | coated by the dip coating on the base material in which the above-mentioned alumina film was formed by the dip coating in the environment of room temperature 25 degreeC and 50% of relative humidity. Specifically, the substrate was dipped in the iron film coating agent and then held for 20 seconds, and the substrate was pulled up at a lifting speed of 3 mm / sec. Thereafter, it was air-dried for 5 minutes. Next, after heating for 30 minutes in an air environment at 100 ° C., the mixture was cooled to room temperature. This produced the base material (base material which carried the catalyst) which has a catalyst film with a film thickness of 3 nm.

(実施例1)
触媒を担持させた基材を縦40mm×横40mmの大きさに切り出したものを図3に示す製造装置200内に設置し、フォーメーション工程と成長工程とを順次行うことでカーボンナノチューブ(CNT)の製造を行った。
具体的には、保持具211上に基材を設置した後、温度750℃、還元ガスとしての水素ガスの流量3000sccmの条件でフォーメーション工程を23分間実施し、更に、温度800℃において表1に示す組成の原料ガス(炭素化合物:エチレン、触媒賦活物質:水)および反応性ガスを表1に示す流量で10分間供給して、基材上にCNTを成長させる操作を30回繰り返した。
なお、反応炉210としては、石英製の炉を用いた。また、反応炉210内の図3に二点鎖線で示す領域S(ガス排出口230のすぐ上流側)には、金属製の副生成物捕集管を設置した。更に、図示していないが、ガスの流量を制御するため、流量制御弁及び圧力制御弁などを含む制御装置を適所に付設した。
そして、副生成物捕集管の内側に付着した副生成物の重量を測定することで、副生成物捕集管の単位面積当たりの副生成物付着速度を計算した。結果を表1に示す。
Example 1
A substrate carrying a catalyst cut into a size of 40 mm in length and 40 mm in width is placed in the manufacturing apparatus 200 shown in FIG. 3, and a formation process and a growth process are sequentially performed to form carbon nanotubes (CNT). Manufactured.
Specifically, after the base material is set on the holder 211, the formation process is performed for 23 minutes under the conditions of a temperature of 750 ° C. and a flow rate of hydrogen gas as a reducing gas of 3000 sccm. Source gas (carbon compound: ethylene, catalyst activation material: water) having the composition shown and a reactive gas were supplied at a flow rate shown in Table 1 for 10 minutes, and the operation of growing CNTs on the substrate was repeated 30 times.
As the reaction furnace 210, a quartz furnace was used. In addition, a metal by-product collection tube was installed in a region S indicated by a two-dot chain line in FIG. 3 in the reaction furnace 210 (immediately upstream of the gas discharge port 230). Further, although not shown, a control device including a flow rate control valve and a pressure control valve is attached at an appropriate position in order to control the gas flow rate.
And the by-product adhesion rate per unit area of a by-product collection tube was calculated by measuring the weight of the by-product adhering to the inner side of the by-product collection tube. The results are shown in Table 1.

(比較例1)
反応性ガスを使用せず、原料ガスのみを供給した以外は実施例1と同様にして基材上にCNTを成長させる操作を30回繰り返し、実施例1と同様にして副生成物付着速度を求めた。結果を表1に示す。
(Comparative Example 1)
The operation of growing CNTs on the substrate was repeated 30 times in the same manner as in Example 1 except that only the raw material gas was supplied without using the reactive gas. Asked. The results are shown in Table 1.

(比較例2〜3)
反応性ガスの組成および流量を表1に示すように変更した以外は実施例1と同様にして基材上にCNTを成長させる操作を30回繰り返し、実施例1と同様にして副生成物付着速度を求めた。結果を表1に示す。
(Comparative Examples 2-3)
The operation of growing CNTs on the substrate was repeated 30 times in the same manner as in Example 1 except that the composition and flow rate of the reactive gas were changed as shown in Table 1, and the by-product was attached in the same manner as in Example 1. The speed was determined. The results are shown in Table 1.

Figure 2019167266
Figure 2019167266

表1より、メタノール(気体)を使用した実施例1では、反応性ガスを使用しなかった比較例1、全量に対して20体積%となるように水素を添加したガスを反応性ガスとして用いた比較例2、および、全量に対して酸素が5体積%となるように空気を添加したガスを反応性ガスとして用いた比較例3と比較し、副生成物付着速度が1/12以下まで低減されていることが分かる。
なお、実施例1および比較例1〜3において繰返し製造されたCNTの特性の平均値は、何れも、収量:2.0mg/cm、G/D比:6.3および比表面積:1100m/gであった。これより、同等の特性を有するCNTが製造できていることが確認された。
From Table 1, in Example 1 using methanol (gas), Comparative Example 1 in which no reactive gas was used, a gas in which hydrogen was added so as to be 20% by volume with respect to the total amount was used as the reactive gas. Compared with Comparative Example 2 and Comparative Example 3 in which a gas added with air so that oxygen is 5% by volume with respect to the total amount is used as a reactive gas, the by-product deposition rate is up to 1/12 or less. It can be seen that it has been reduced.
The average values of the characteristics of the CNTs repeatedly produced in Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 are all yield: 2.0 mg / cm 2 , G / D ratio: 6.3, and specific surface area: 1100 m 2. / G. From this, it was confirmed that CNTs having equivalent characteristics could be produced.

(実験例)
基材を設置していない製造装置200内に、実施例1および比較例1〜3において基材上にCNTを成長させた際と同じ条件で原料ガスおよび反応性ガスを流した。そして、副生成物捕集管付近のガス成分を採取し、ガスクロマトグラフ質量分析計(GCMS)を用いて組成を測定した。結果を表2に示す。
(Experimental example)
In the manufacturing apparatus 200 in which the base material was not installed, the raw material gas and the reactive gas were flowed under the same conditions as in the case of growing CNTs on the base material in Example 1 and Comparative Examples 1 to 3. And the gas component of the by-product collection pipe | tube vicinity was extract | collected, and the composition was measured using the gas chromatograph mass spectrometer (GCMS). The results are shown in Table 2.

Figure 2019167266
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表2より、メタノールが熱分解することでホルムアルデヒド(CHO)が生成していることが示され、ヒドロキシ基および/またはアルデヒド基をもつ化合物がPAHsの抑制に寄与している可能性が示された。 Table 2 shows that formaldehyde (CH 2 O) is generated by the thermal decomposition of methanol, and it is possible that compounds having a hydroxy group and / or an aldehyde group contribute to the suppression of PAHs. It was done.

本発明によれば、CVD法により炭素構造体を製造する際に炭素系副生成物の生成を十分に抑制することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, when manufacturing a carbon structure by CVD method, the production | generation of a carbon-type by-product can fully be suppressed.

1 入口パージ部
2 フォーメーションユニット
2a フォーメーション炉
2b 還元ガス噴射部
2c ヒーター
2d 排気フード
3 成長ユニット
3a 成長炉
3b 原料ガス噴射部
3c ヒーター
3d 排気フード
4 冷却ユニット
4a 冷却炉
4b 冷却ガス噴射部
4c 水冷冷却管
5 出口パージ部
6 搬送ユニット
6a メッシュベルト
6b ベルト駆動部
7〜9 接続部
10,20 基材
16,17 反応性ガス供給部
23 排気管
101〜103 ガス混入防止手段
101a〜103a 排気部
101b〜103b シールガス噴射部
100,200 製造装置
210 成長炉
211 保持具
212 多孔板
220 ガス導入口
230 ガス排出口
240 加熱器
250 反応性ガス供給管
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Inlet purge part 2 Formation unit 2a Formation furnace 2b Reducing gas injection part 2c Heater 2d Exhaust hood 3 Growth unit 3a Growth furnace 3b Raw material gas injection part 3c Heater 3d Exhaust hood 4 Cooling unit 4a Cooling furnace 4b Cooling gas injection part 4c Water cooling Pipe 5 Outlet purge section 6 Conveying unit 6a Mesh belt 6b Belt drive section 7-9 Connection section 10, 20 Base material 16, 17 Reactive gas supply section 23 Exhaust pipe 101-103 Gas mixing prevention means 101a-103a Exhaust section 101b- 103b Seal gas injection unit 100, 200 Manufacturing apparatus 210 Growth furnace 211 Holder 212 Perforated plate 220 Gas inlet 230 Gas outlet 240 Heater 250 Reactive gas supply pipe

Claims (8)

炭素化合物を含む原料ガスを触媒に供給し、化学気相成長法によって炭素構造体を成長させる工程(A)と、
前記工程(A)で生じる反応排ガスに、ヒドロキシ基および/またはアルデヒド基を有する炭素数1以上5以下の化合物を含む反応性ガスを供給する工程(B)と、
を含む、炭素構造体の製造方法。
Supplying a source gas containing a carbon compound to the catalyst and growing a carbon structure by chemical vapor deposition (A);
Supplying a reactive gas containing a compound having 1 to 5 carbon atoms having a hydroxy group and / or an aldehyde group to the reaction exhaust gas generated in the step (A);
The manufacturing method of the carbon structure containing this.
前記化合物が、ヒドロキシ基および/またはアルデヒド基を有する炭素数1の化合物である、請求項1に記載の炭素構造体の製造方法。   The manufacturing method of the carbon structure of Claim 1 whose said compound is a C1-C1 compound which has a hydroxyl group and / or an aldehyde group. 前記化合物が、メタノール、ホルムアルデヒドおよびギ酸からなる群から選択される少なくとも1種である、請求項1または2に記載の炭素構造体の製造方法。   The method for producing a carbon structure according to claim 1 or 2, wherein the compound is at least one selected from the group consisting of methanol, formaldehyde, and formic acid. 前記炭素構造体が、カーボンナノチューブおよび/またはグラフェンである、請求項1〜3の何れかに記載の炭素構造体の製造方法。   The method for producing a carbon structure according to claim 1, wherein the carbon structure is a carbon nanotube and / or graphene. 炭素化合物を含む原料ガスを触媒に供給し、化学気相成長法によって炭素構造体を成長させる成長炉と、
前記成長炉で生じる反応排ガスに、ヒドロキシ基および/またはアルデヒド基を有する炭素数1以上5以下の化合物を含む反応性ガスを供給する反応性ガス供給部と、
を備える、炭素構造体の製造装置。
A growth furnace for supplying a raw material gas containing a carbon compound to the catalyst and growing a carbon structure by chemical vapor deposition;
A reactive gas supply unit that supplies a reactive gas containing a compound having 1 to 5 carbon atoms having a hydroxy group and / or an aldehyde group to the reaction exhaust gas generated in the growth furnace;
An apparatus for producing a carbon structure, comprising:
前記化合物が、ヒドロキシ基および/またはアルデヒド基を有する炭素数1の化合物である、請求項5に記載の炭素構造体の製造装置。   The apparatus for producing a carbon structure according to claim 5, wherein the compound is a C 1 compound having a hydroxy group and / or an aldehyde group. 前記化合物が、メタノール、ホルムアルデヒドおよびギ酸からなる群から選択される少なくとも1種である、請求項5または6に記載の炭素構造体の製造装置。   The apparatus for producing a carbon structure according to claim 5 or 6, wherein the compound is at least one selected from the group consisting of methanol, formaldehyde, and formic acid. 前記炭素構造体が、カーボンナノチューブおよび/またはグラフェンである、請求項5〜7の何れかに記載の炭素構造体の製造装置。   The carbon structure manufacturing apparatus according to claim 5, wherein the carbon structure is a carbon nanotube and / or graphene.
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