JP2022531091A - 配向堆積のための装置及び方法 - Google Patents

Abstract

高アスペクト比の分子構造体、ＨＡＲＭ構造体、の気相堆積のための装置及び方法が提示される。第１の態様は、フィルタ上でのＨＡＲＭ構造体の配向性のある気相堆積のために構成された装置に関する。第２の態様は、基材上でのＨＡＲＭ構造体の配向性のある気相堆積のために構成された装置に関する。また、複数の第２の態様に係る装置を含むシステムも提示される。これらの装置の要素は、ＨＡＲＭ構造体を含むガスの層流を堆積領域に形成し、この流れを少なくとも部分的に堆積領域と平行に向けるように配置されている。本発明の別の態様は、フィルタ上及び基材上の両方に堆積するのに適した、ＨＡＲＭ構造体の配向堆積の方法である。【選択図】なし

Description

本発明は、気相堆積に関する。特に、本発明は、高アスペクト比の分子構造体を配向堆積するための手段を含む堆積方法及び装置に関する。

カーボンナノチューブ、カーボンナノバッド、又は高アスペクト比の他のナノスケール構造体等の高アスペクト比の分子構造体（ＨＡＲＭ構造体）は、ユニークな電気的、光学的、熱的、及び機械的特性を有しており、このため、ＨＡＲＭ構造体は、多くの用途に有望な材料となっている。

ＨＡＲＭ構造体を堆積（成膜）するには、通常、ＨＡＲＭ構造体を含むエアロゾルやガスに、抗力（流体抵抗）、静電気力、慣性力、光泳動力、熱泳動力、又は音響力等の力が加えられる。この力は、１つ以上の物理的特性に基づいてＨＡＲＭ構造体の一部を、その加えられた力によってＨＡＲＭ構造体をパターンとして堆積させるための所定の場所に向かって移動させることができる。ＨＡＲＭ構造体の特性は、異方性を有することができる。それゆえ、ＨＡＲＭ構造体を配向して堆積させるための装置及び方法が望まれうる。

本発明に係る装置は、独立請求項１及び独立請求項１７に示されていることを特徴とする。

本発明に係る方法は、独立請求項２４に提示されていることを特徴とする。

本発明の第１の態様によれば、装置が提示される。この装置は、高アスペクト比分子（ＨＡＲＭ）構造体の堆積（製膜）のための装置であってもよいし、ＨＡＲＭ構造体の配向性のある堆積のための装置であってもよい。この装置は、堆積チャンバ（成膜室）と、フィルタと、入口と、出口と、制御システムとを含む。堆積チャンバは、水平方向に細長く、トップカバーを備えた上部分とボトムカバーを備えた下部分とを含む。フィルタは、堆積チャンバ内に水平に配置され、上記上部分と下部分とを隔てており、フィルタは堆積領域を含む。堆積領域は、フィルタ上の、ある条件で堆積が行われる可能性のある領域を指す。フィルタは、１つ以上の堆積領域を有していてもよい。

上記入口は、堆積チャンバの上部分に配置されており、ＨＡＲＭ構造体を含むガスを堆積チャンバに供給するように構成されている。上記出口は、堆積チャンバの下部分に配置され、堆積チャンバからガスを回収するように構成されている。堆積チャンバから回収されたガスは、ＨＡＲＭ構造体の堆積後又は堆積中のＨＡＲＭ構造体を含むガスであってもよい。上記制御システムは、入口及び出口におけるガス流（ガスの流れ）を制御するように構成されている。

本明細書では、用語「上部」、「下部」、「水平」、及び幾何学的位置を示す任意の他の用語は、装置を特定の幾何学的構成に限定するものと解釈してはならない。これらの用語は、請求項に係る発明の全体的な幾何学的構成を理解しやすくするために、明確にするためだけに使用され、デバイスの要素の相互関係を説明するものである。「水平」は、正確に水平又は地面に対して平行でなくてもよく、「上部」及び「下部」は交換可能であってもよく、単に構造体の任意の２つの対向する部分を指してもよい。

さらに第１の態様によれば、上記入口、出口、及びフィルタは、上記上部分の入口から上記下部分の出口に向かって、上記フィルタを通過するＨＡＲＭ構造体を含むガスのためのガス流路を形成するように配置されている。フィルタの堆積領域に近接する、（上記経路に従って流れるときの）ＨＡＲＭ構造体を含むガスの流れの方向は、少なくとも部分的に上記フィルタと平行である。これは、入口及び出口がフィルタを挟んで反対側（フィルタの両側）に配置されている等、構成要素が互いに適切に配置されていることによって達成され、そして以下のいくつかの実施形態に係る堆積チャンバの寸法及び堆積チャンバ内の追加要素によって支援されてもよい。

加えて、制御システムと、入口、出口、トップカバー、ボトムカバー及びフィルタの相対的な位置とは、フィルタの堆積領域に近接するＨＡＲＭ構造体を含むガスの層流状態のガス流を維持するように配置される。制御システムは、ＨＡＲＭ構造体を含むガスの層流状態のガス流を維持するために必要な範囲で、入口及び出口におけるガス流を維持するように配置されてもよい。

フィルタの堆積領域は、ＨＡＲＭ構造体を含むガスからのＨＡＲＭ構造体が堆積されるフィルタの領域である。

第１の態様では、当該装置は、ＨＡＲＭ構造体を含むガスの層流をフィルタの堆積領域に近接して形成するように配置されており、このガスは、フィルタを通過する前に、少なくとも部分的にフィルタと平行な経路に沿って流れる。これは、ＨＡＲＭ構造体をフィルタ上に均一かつ配向性を持って堆積させるという効果に寄与する。ＨＡＲＭ構造体は、一般的に、ガス流の方向と同じ方向に配向していてもよい。堆積チャンバの寸法は、層流状態のガス流をさらに最適化するために予め選択されていてもよい。

上記出口は、排気として機能するように構成されており、堆積のためにフィルタを通過した後のＨＡＲＭ構造体を含むガス等、堆積チャンバからの任意のガスを回収することができる。

上記制御システムは、流量を所定の範囲内に保つように構成された、コントローラと、複数のポンプ及び／又はコントローラとを含んでいてもよい。また、制御システムは、ガスを入口に供給するための圧縮ガス容器と、チャンバを通る最適なガス流のための様々な形状のガスチャネルとを含んでいてもよい。

ＨＡＲＭ構造体を含むガスは、キャリアガスを含むことができ、このキャリアガスは、窒素、アルゴン又は二酸化炭素等の任意の不活性ガスであってもよい。

一実施形態によれば、制御システムと、入口、出口、トップカバー、ボトムカバー及びフィルタの相対的な位置とは、フィルタの堆積領域に近接するＨＡＲＭ構造体を含むガスの層流状態のガス流のレイノルズ数を１０～３５００に維持するように配置される。レイノルズ数が１０～３５００のガス流は、ＨＡＲＭ構造体をフィルタの堆積領域に均一に配向して堆積させるという追加の効果を有する。上記ガス流は、この範囲のレイノルズ数でも層流のままである。

一実施形態では、上記入口及び出口は、水平面における（水平面視で）堆積チャンバの対向する側（反対側）に配置されている。この実施形態では、ガス流路は堆積チャンバにわたって水平に延びている。これにより、フィルタのより広い範囲で堆積が行われ、堆積領域が広がることが可能になる場合がある。

一実施形態によれば、上記フィルタは、水平方向に延び、堆積チャンバのトップカバー及びボトムカバーから所定の距離をおいて、上部分と下部分との間で堆積チャンバに埋め込まれている（組み込まれている）。水平方向に延びる埋め込まれたフィルタは、堆積チャンバの領域全体にわたって１つ以上の堆積領域を有していてもよい。上記ガスは、選択されたパラメータ、制御システムの追加要素構成、及び堆積チャンバの物理的寸法に応じて、フィルタのどこを通過してもよい。この構成は、より広い堆積領域が必要な実施形態、又は様々な追加の構造的特徴部が堆積チャンバ内のガス経路を決定するような実施形態では望ましいことがある。

別の実施形態では、当該装置は、フィルタを包囲し、水平方向に延び、上記上部分と上記下部分との間で堆積チャンバに埋め込まれた支持体を含む。この支持体は、ガスを通さず、それにより、支持体が取り囲むフィルタを通過するガス経路を制限する任意の材料の層であってもよい。その場合、支持体は、フィルタの外側の領域をシールしてもよい。このシールは、ガス経路に沿ってフィルタの前に沈降ゾーンを形成することができる。一実施形態では、ＨＡＲＭ構造体を含むガスの流れの方向は、沈降ゾーンを通過する際に平行になる。これにより、沈降ゾーンを通過した後、フィルタ上にＨＡＲＭ構造体が配向して堆積する。支持体は、フィルタと一体化していてもよく、単一部品としての製造が容易であってもよい。

本明細書における沈降ゾーンは、例えば堆積領域の前に位置し、ガス流が安定し、層流になり、堆積面と実質的に平行になるゾーンを指す。

一実施形態によれば、当該装置は、少なくとも１つの突出部を備える第１のバッフルを含み、この第１のバッフルは、水平方向に延び、上記フィルタに隣接して配置され、そのため、入口から出口に向かうガス流路が、第１のバッフルの少なくとも１つの突出部に隣接するフィルタの部分を通過するようになっている。第１のバッフルは、少なくとも１つの突出部に隣接するフィルタの部分の前に、沈降ゾーンを形成してもよい。

さらなる実施形態によれば、当該装置は、少なくとも１つの突出部を備える第２のバッフルを含み、この第２のバッフルは、水平方向に延び、第１のバッフルの下方に所定の距離をおいて配置され、第１のバッフルと第２のバッフルとの間、及び堆積チャンバの上部分と下部分との間に空間を形成する。第１のバッフルと第２のバッフルの突出部は、水平面における堆積チャンバの対向する側に配置されている。これにより、ＨＡＲＭ構造体を含むガスが移動する経路の長さが延長され、フィルタの所定の部分に配向して堆積する（配向堆積する）ための好条件が形成される。経路が長くなることで、より小さい堆積チャンバを使用することが可能になる可能性がある。

当該装置が１つ以上のバッフルを含む実施形態では、バッフルが移動され、変更され、又は完全に取り外されてもよいため、堆積チャンバ内の再構成が可能になるという効果が得られる。

一実施形態では、堆積チャンバのトップカバーからフィルタまでの距離は０．１～１０ミリメートルであり、堆積チャンバのボトムカバーからフィルタまでの距離は５～２０ミリメートルである。これらの寸法は、所望の位置で層流状態のガス流を形成するために最適であってもよい。トップカバーからの距離は、トップカバーの形状が平坦でない場合、トップカバー上の所定の点からの距離を指す場合がある。

一実施形態では、上記フィルタはメンブレンフィルタである。このメンブレンフィルタは、ＨＡＲＭ構造体からガスを分離することにおいて、他のフィルタタイプよりも有利であることができる。

一実施形態によれば、上記制御システムは、反応チャンバ内の温度及び圧力を制御するようにさらに構成される。チャンバ内の温度及び圧力を制御することで、フィルタ上へのＨＡＲＭ構造体の堆積に有利な条件を作り出すことを支援することができる。

一実施形態では、上記入口は、断面が円形の形状を有し、５～１００ミリメートルの直径を有する。円形の入口形状は、入口での広範囲のガス流速に適していることができる。

代替の実施形態では、入口はスリットの形状をしており、０．５～１８ミリメートルの幅を有する。入口のスリット形状は、ＨＡＲＭ構造体を含むガスの分布、ひいてはフィルタ上のＨＡＲＭ構造体の分布に対する制御性を向上させる効果をもたらすことができる。

一実施形態によれば、堆積チャンバは水平面において（水平面視で）矩形の形状をしており、入口及び出口は、水平面における堆積チャンバの対向する隅部に配置されている。この形状は、製造が容易であり、標準的な要件に適合する可能性がある。矩形にわたる入口及び出口の位置は、ガス及び潜在的な堆積領域をチャンバ内のほとんどの空間に水平方向に分布させる。しかしながら、本発明の上記実施形態によれば、任意の他の形状の堆積チャンバも使用することができる。

一実施形態では、当該装置は、水平方向に延び、堆積チャンバ内でフィルタの下方に配置される所定の細孔径を有する多孔質プレートを含む。この多孔質プレートは、堆積前又は堆積中に細孔の一部を塞いだり開けたりすることで形状を変化させることができる、調整可能な形状の追加のバッフルとして機能してもよい。

本明細書の目的のために、ＨＡＲＭ構造体は、１次元の高アスペクト比を有する任意のマイクロスケール又はナノスケールの構造体を指し、例えば、カーボンナノチューブ分子、カーボンナノバッド分子、グラフェンリボン、炭素繊維フィラメント又はグラファイト繊維フィラメント、及び銀ナノワイヤの群から選択される。

一実施形態では、堆積チャンバの寸法は、高さが１００～２００ｍｍ、幅が３９０～１０４０ｍｍ、長さが５１５～１２４０ｍｍである。これらの寸法は、様々なスケールのＨＡＲＭ構造体の堆積において好ましいと思われる堆積チャンバの範囲をカバーしている。

第２の態様によれば、装置が提示される。この装置は、ＨＡＲＭ構造体を堆積する装置、ＨＡＲＭ構造体を配向堆積する装置、又は、ＨＡＲＭ構造体を基材（基板）上に配向堆積する装置であってもよい。

この装置は、堆積チャンバと、基材（基板）と、入口と、少なくとも１つの出口と、制御システムとを含む。この堆積チャンバは、水平方向に細長く、水平方向に伸びるトッププレートを備える上部分と水平方向に伸びるボトムプレートを備える下部分とを含む。これらのプレートは、様々な構造を有してもよく、様々な材料を含んでもよく、必ずしも中実である必要はなく、一体的に作られていてもよい。

上記基材は、堆積チャンバ内にトッププレートとボトムプレートの間に水平に配置される。この基材は、実施形態によっては、ボトムプレートの上に配置されてもよいし、所定の距離をおいて配置されてもよい。

上記入口は、堆積チャンバの上部分に配置されており、高アスペクト比の分子構造体、ＨＡＲＭ構造体を含むガスを堆積チャンバに供給するように構成されている。上記少なくとも１つの出口も堆積チャンバの上部分に配置され、堆積チャンバから任意のガス、例えば堆積後のＨＡＲＭ構造体を含むガスを回収するように構成されている。

上記制御システムは、入口及び少なくとも１つの出口でのガス流を制御し、加えてトッププレート及びボトムプレートの温度と電位を制御するように構成されている。

上記トッププレート及び基材は、入口から少なくとも１つの出口に向かうＨＡＲＭ構造体を含むガスの流れが基材に対して実質的に平行になるように、トッププレートと基材の間にギャップを形成するように配置される。上記制御システムは、トッププレート及びボトムプレートの温度レベルを、基材に近接して温度勾配を形成するのに十分異なって維持するように構成されている。

上記制御システムは、トッププレート及びボトムプレートの電位を、基材に近接して均一な電界を形成するのに十分な値に維持するようにも構成されていてよい。

第２の態様に係る装置は、基材に近接して、かつ少なくとも部分的に基材と平行なＨＡＲＭ構造体を含むガスの流れを形成するように配置される。これは、ＨＡＲＭ構造体を基材上に均一かつ配向性を持って堆積させるという効果に寄与する。ＨＡＲＭ構造体は、一般的に、ガス流の方向と同じ方向に配向していてもよい。トッププレート及びボトムプレートの異なる温度レベルによって作り出される温度勾配は、ＨＡＲＭ構造体に抗力（流体抵抗）を与えることができ、これは堆積に貢献する。トッププレート及びボトムプレートの異なる電位値によって作り出される均一な電界は、ＨＡＲＭ構造体の堆積につながる電気泳動をもたらすことができる。堆積チャンバの寸法は、層流状態のガス流を最適化するために予め選択されていてもよい。

第１の態様に関連して説明したように、用語「上部」、「下部」、「水平」及び幾何学的位置を示す任意の他の用語は、装置を特定の幾何学的構成に限定するものと解釈してはならない。これらの用語は、請求項に係る発明の全体的な幾何学的構成を理解しやすくするために、明確にするためだけに使用され、デバイスの要素の相互関係を説明するものである。

第２の態様に係る装置は、実質的に平坦なトッププレート及びボトムプレートを有する堆積チャンバにおける平坦な基材への堆積に適していてもよい。しかしながら、第２の態様に係る装置は、様々な形状のチャンバ内で、湾曲した基材への堆積にも適していてもよい。例えば、当該装置は、ドラム状又は凹状の堆積チャンバにおけるＨＡＲＭ構造体の配向堆積に使用されてもよい。いくつかの実施形態では、基材とトッププレートの間のギャップは、堆積チャンバに沿って一定の高さである。

第２の態様の一実施形態では、制御システムと、入口、出口、トッププレート、ボトムプレート、及び基材の相対的な位置とは、基材に近接するＨＡＲＭ構造体を含むガスのガス流を、レイノルズ数が１０～３５００の層流に維持するように配置される。レイノルズ数が１０～３５００のガス流は層流のままであり、ＨＡＲＭ構造体を基材上に均一に配向堆積することに追加の効果を有する。

本態様の一実施形態によれば、当該装置は、ＨＡＲＭ構造体を含むガスが堆積チャンバ内でさらに広がるのを防ぐためにバリアガスを堆積チャンバ内に供給するように構成された、上記少なくとも１つの出口に近接して配置された少なくとも１つのバリアガス入口をさらに含む。バリアガスを備えた入口は、ガスが外側の境界線を通って逃げること、又は基材からさらに広がることを防ぐべきである実施形態において有効である可能性がある。

一実施形態では、上記入口は、堆積チャンバの上記上部分の中央領域に配置され、上記少なくとも１つの出口は、堆積チャンバの周辺領域に配置される。１つ以上のバリアガス入口を含む実施形態では、ＨＡＲＭ構造体を含むガスが周辺領域に配置された出口よりもさらに広がるのを防ぐために、１つ以上のバリアガス入口が堆積チャンバの周囲にも配置されてよい。入口を中央部に、出口を周囲に配置する構造は、基材のロールツーロール（ｒｏｌｌ ｔｏ ｒｏｌｌ）方式を採用した装置では、基材の幅にわたって均一な堆積が可能になり、望ましい可能性がある。また、この構造の装置は、必要に応じて、任意の構成で互いに隣接して配置されてもよい。

一実施形態によれば、トッププレートから基材までの距離は０．５～５ミリメートルであり、ボトムプレートから基材までの距離は０～５ミリメートルである。

一実施形態では、制御システムは、トッププレートの温度レベルを高く維持し、下側プレートの温度レベルを低く維持するように配置され、それにより、加熱されたプレートと冷却されたプレートとの間に温度勾配が形成される。

一実施形態では、基材はプラスチックフィルムである。プラスチックフィルムは、ＨＡＲＭ構造体の配向堆積に適したアクセス可能な基材であってもよい。任意の他の基材の選択肢も、第２の態様の範囲内である。

本発明の第３の態様では、システムが提供される。当該システムは、互いに隣接して配置された、第２の態様の実施形態のいずれか１つの２つ以上の装置を含む。このシステムは、ＨＡＲＭ構造体をより大規模に堆積するためのシステムであってもよい。

第４の態様によれば、ＨＡＲＭ構造体の配向堆積の方法が提示される。当該方法は、入口を介して、ＨＡＲＭ構造体を含むガスを堆積チャンバに所定のガス流量で供給する工程を含む。この所定のガス流量は、制御システムによって制御されてもよい。当該方法は、基材又はフィルタの堆積領域に近接して、ＨＡＲＭ構造体を含むガスの層流を１０～３５００のレイノルズ数で維持する工程であって、このＨＡＲＭ構造体を含むガスの層流は、少なくとも部分的に基材又はフィルタと平行である工程も含む。当該方法は、ＨＡＲＭ構造体を含むガスから、上記基材又はフィルタの堆積領域にＨＡＲＭ構造体を堆積させる工程、及び出口を介して、堆積チャンバから残りのガスを所定のガス流量で回収する工程をさらに含む。

当該方法は、ＨＡＲＭ構造体を堆積するための任意の適切な装置、例えば、第１及び第２の態様に係る装置のいずれかによって実行されてもよい。当該方法は、基材又はフィルタと平行な層流状態のガス流が堆積の結果に与える驚くべき効果により、ＨＡＲＭ構造体の配向性のある堆積の有利な均一性と効率性を提供する。

本発明に係る装置及び方法は、製造のための様々なデバイスに容易に組み込むことができる。

本明細書にこれまで記載された本発明の実施形態は、互いに任意の組み合わせで使用されてもよい。また、実施形態のいくつかが一緒に組み合わされて、本発明のさらなる実施形態が形成されてもよい。本発明が関連する生成物（製品）、方法、又は使用は、本明細書にこれまで記載された本発明の実施形態の少なくとも１つを含んでいてもよい。

本明細書は、添付の図面に照らして読まれる以下の詳細な説明から、よりよく理解されるであろう。

図１は、一態様に係るフィルタを含む装置の模式図である。 図２は、一実施形態に係るフィルタとバッフルとを含む装置の模式図である。 図３は、一実施形態に係るフィルタと２つのバッフルとを含む装置の模式図である。 図４は、一実施形態に係る入口及び出口の代替位置を有する装置の模式図である。 図５ａは、水平面における相対的な入口及び出口の位置の模式図である。 図５ｂは、代替的な入口形状の模式図である。 図６は、一態様に係る基材を含む装置の模式図である。 図７は、一実施態様に係るフィルタへの堆積のための装置の例を示す。 図８は、一実施態様に係る、基材への堆積のための装置の例を示す。 図９は、一態様に係る方法を示すフローチャートである。

添付の図面では、同様の部品を指定するために同様の参照数字が使用されている。

以下では、添付の図を参照して、例示的な実施態様とともに本発明をより詳細に説明する。

本発明の実施形態は、ＨＡＲＭ構造体を含むガスの層流が、平らなフィルタを通過する前に、その平らなフィルタ上をその表面と平行に移動する際に生じる効果を利用している。この効果は、フィルタ上のＨＡＲＭ構造体の配向した堆積に現れ、その配向は通常、ガス流の方向と一致する。同様の効果は、基材上に直接堆積する場合にも生じ、この場合、ＨＡＲＭ構造体を含むガスの層流が平坦な基材上をその表面と平行に通過することにより、基材上にＨＡＲＭ構造体が配向して堆積されることが可能である。基材上への堆積のために、温度勾配又は電界も使用して、堆積チャンバ内でＨＡＲＭ構造体の配向堆積のための条件を作り出すことができる。

以下の例は、本発明のより良い理解のために提供されるものであり、限定的なものとして解釈されるべきではない。

図１～図３は、ＨＡＲＭ構造体を堆積するための装置１００を模式的に示す。図１の装置１００は、水平方向に細長く、他の要素を包囲し、トップカバー（上部カバー）１１１を備えた上部分と、ボトムカバー（下部カバー）１１２を備えた下部分とを含む堆積チャンバ１１０を含む。トップカバー１１１は、上記上部分に配置され、ＨＡＲＭ構造体を含むガスを堆積チャンバ１１０に供給するように構成された入口１０１を含み、ボトムカバー１１２は、上記下部分に配置され、堆積チャンバ１１０からガスを回収するように構成された出口１０２を含む。

装置１００は、水平方向に延び、上部分と下部分とを隔てるフィルタ１０３をさらに含む。フィルタ１０３は、メンブレンフィルタ又は任意の他の適切なタイプのものであってもよい。フィルタ１０３は、楕円形で模式的にのみ図示されており、フィルタ１０３上に予め決められた位置を有していなくてもよい堆積領域１１３を含む。この堆積領域は、ＨＡＲＭ構造体の配向した堆積が行われる領域であり、チャンバ１１０の寸法、ガス流速及び他の条件等の様々な要因に依存する可能性がある。入口１０１から出口１０２までのおおよそのガス流路は、図１～図３に矢印で示されている。

図１の装置１００は、図２～図３の装置と同様に、入口及び出口におけるガス流を制御するように構成された制御システム（図には示されていない）をさらに含む。この制御システムは、ポンプと、入口及び出口での流量を制御するためのコンピュータベースのコントローラ等のコントローラと、いくつかの例では、所定の形状のガスチャネル及び圧縮ガス容器とを含んでいてもよい。この制御システムは、チャンバにガスを供給する前にこれらの特性を規定し、及び／又は、堆積中にガスの流量、温度、又は任意の他の特性を調整するように構成されてもよい。

堆積領域１１３は、ガスがフィルタ１０３を通過するフィルタ１０３の領域と一致してもよい。ＨＡＲＭ構造体を含むガスのガス流路は、入口１０１、出口１０２、及びフィルタ１０３の配置によって形成され、矢印でおおよそ示されている。フィルタの堆積領域１１３に近接したＨＡＲＭ構造体を含むガス流の流れの方向は、少なくとも部分的にフィルタ１０３と平行である。制御システムと、入口１０１、出口１０２、トップカバー１１１、ボトムカバー１１２及びフィルタ１０３の相対的な位置とは、フィルタの堆積領域に近接するＨＡＲＭ構造体を含むガスの層流状態のガス流を維持するように配置されている。堆積領域１１３に近接してフィルタ１０３に少なくとも部分的に平行な方向を有する層流状態のガス流は、フィルタ１０３上にＨＡＲＭ構造体の配向した堆積をもたらす。特に、１０～３５００の範囲のレイノルズ数を有するＨＡＲＭ構造体を含むガスの層流状態のガス流は、効率的な配向堆積を提供することが示されている。

図１～図３の装置１００、２００、３００は、フィルタとトップカバー１１１との間にギャップ１０６も設けて図示されており、その寸法は、ガス流量等のパラメータと組み合わせて、フィルタ１０３上の層流状態のガス流にさらに寄与する可能性がある。入口１０１及び出口１０２は、これらの例では、堆積チャンバ１１０の対向する（反対の）側に水平に配置されている。これにより、ガス流の方向の制御が容易になる。あるいは、入口１０１及び出口１０２は、水平面において互いに接近して配置されてもよく、少なくとも部分的にフィルタと平行であるガス流路は、本明細書に記載された他の手段によって形成されてもよい。

図１～図３のフィルタ１０３は、水平方向に延びており、所定の位置で上部分と下部分との間で堆積チャンバ１１０に埋め込まれている。他の例では、フィルタ１０３が支持要素に包囲されていてもよいし、又はフィルタ１０３は、フィルタ１０３の水平方向の端部（縁部）とチャンバ１１０の側壁との間に距離をおいて、堆積チャンバ１１０内に配置されていてもよい。フィルタ１０３が堆積チャンバ１１０に埋め込まれていない配置は、堆積チャンバ１１０の側壁に追加の排気が設けられている場合、製造コストが安く、及び／又は有益である可能性がある。追加の排気又は出口は、ガス流の方向にも影響を与えてよい。

フィルタ１０３の一部は、支持体（図示せず）によって包囲されていてもよく、そのため、ＨＡＲＭ構造体を含むガスは、支持体によって包囲されていない部分のみを物理的に通過してもよい。支持体は、水平方向に延びて、堆積チャンバ１１０に埋め込まれていてもよく、その場合、フィルタは、例えば、支持体における突出部となる。ガスを通さない支持体は、ガス流路がフィルタ１０３を通過する前に、沈降ゾーンを形成してもよい。

図２は、装置２００が、少なくとも１つの突出部を備えるバッフル２０４を含む例を示す。バッフル２０４は、水平方向に延び、フィルタ１０３に隣接して配置されており、入口１０１から出口１０２に向かうガス流路が、バッフル２０４の少なくとも１つの突出部に隣接するフィルタ１０３の部分を通過するようになっている。また、バッフル２０４は、楕円形でおおよそ示された堆積領域１１３の前に、沈降ゾーンを形成する。この沈降ゾーンでは、ガスの流れが安定し、層流になり、フィルタ１０３と平行になってもよく、その結果、ガスが沈降ゾーンを通過して堆積領域１１３に入るときに、ＨＡＲＭ構造体の配向した堆積のための条件を提供してもよい。

図２の装置２００は、加えて、多孔質プレート２０５を含む。多孔質プレート２０５は、所定の細孔径（細孔サイズ）を有し、水平方向に延び、堆積チャンバ１１０内でフィルタ１０３の下方に配置されてもよい。多孔質プレート２０５は、一部の細孔が塞がれたり開いたりするときに形状が変化する調整可能な形状の追加のバッフルとして機能してもよい。多孔質プレート２０５は、例示の目的のためだけに図２に示されており、他の例に示された装置のいずれに使用されてもよい。

図３は、２つのバッフル２０４、３０４を含む装置３００の実施態様を模式的に示す。第１のバッフル２０４は、前の例のバッフル２０４と同様に配置されてもよい。第２のバッフル３０４も、少なくとも１つの突出部を含み、水平方向に延びている。第２のバッフル３０４は、第１のバッフル２０４の下方に所定の距離をおいて配置され、両者の間、及び堆積チャンバの上部分と下部分の間に空間を形成する。第１のバッフル及び第２のバッフルの突出部は、水平面において堆積チャンバ１１０の対向する側（反対側）に配置されている。これにより、矢印で描かれているように、ＨＡＲＭ構造体を含むガスが移動する経路の長さが延長される。経路の長さが長くなることで、より小さい堆積チャンバ１１０を使用することが可能になる可能性がある。

一実施態様では、堆積チャンバ１１０に配置される要素の寸法は以下の通りである。堆積チャンバ１１０のトップカバー１１１からフィルタ１０３までの距離は０．１～１０ｍｍであり、堆積チャンバ１１０のボトムカバー１１２からフィルタ１０３までの距離は５～２０ｍｍである。

図４は、入口４０１及び出口４０２の長さが延長されて堆積チャンバ４１０の壁に沿って配置された装置４００の実施態様を示す。図４は、フィルタ（図示せず）を備えた装置の模式的な上面図である。出口４０２は、垂直面内でフィルタの反対側に配置されている（図４の上面図では見えない）。この例では、ＨＡＲＭ構造体を含むガスは、堆積チャンバ４１０の内部で水平面内に広がり、堆積チャンバ４１０は、ガス流の経路に沿って様々なゾーンに概略的に分割されることができる。沈降ゾーン４２０は、ＨＡＲＭ構造体を含むガスのガス流が、堆積領域４１３に入る前に、層流となり堆積面と平行になるゾーンである。犠牲ゾーンとも呼ばれる側（脇部）４２１では、配向堆積が行われにくくなるため、それらは堆積領域４１３から除外されてもよい。

入口及び出口の代替的な位置を有する実施態様が、図５ａ～図５ｂに示されている。図５ａの入口５０１及び出口５０２は、堆積チャンバの対向する隅部に配置されている。入口５０１は円形の形状であり、５～２５ミリメートルの直径を有する。円形の形状は、入口５０１での幅広いガス流速に適したものであることができる。

図５ｂに描かれている入口５１１は、スリットの形状をしており、０．５～１８ミリメートルの幅を有する。入口５１１のスリット形状は、ＨＡＲＭ構造体を含むガスの分布、ひいてはフィルタ上のＨＡＲＭ構造体の分布に対する制御性を向上させる効果を有することができる。図４に描かれた例では、入口４０１もスリット状であってもよい。

本発明の範囲内で、入口、出口及び堆積チャンバの他の形状も使用可能であり、入口及び出口の位置が異なっていてもよい。

別の態様に係る装置が図６に示されている。この装置６００は、図１～図３に示したようなフィルタとは対照的に、基材（基板）上にＨＡＲＭ構造体を配向堆積するために設計されたものである。装置６００は、水平方向に延びるトッププレート６１１を備える上部分と、水平方向に延びるボトムプレート６１２を備える下部分とを含む、水平に細長い堆積チャンバ６１０を含む。図６に示された装置６００は、堆積チャンバ６１０内にトッププレート６１１とボトムプレート６１２との間に水平に配置された基材６０３を含む。基材６０３は、プラスチックフィルムであってもよいし、任意の他の適切な基材であってもよい。堆積チャンバ６１０の上部分に配置され、トッププレート６１１を貫通する入口６０１は、ＨＡＲＭ構造体を含むガスを堆積チャンバ６１０内に供給するように構成されている。出口６０２も、堆積チャンバ６１０の上部分に配置され、トッププレート６１１を貫通する。当該装置は、１つ以上の出口６０２を有していてもよく、図６の実施態様では２つを含んでいる。出口６０２は、堆積チャンバからガスを回収するように構成されている。

装置６００は、入口６０１及び出口６０２でのガス流、並びに、トッププレート６１１及びボトムプレート６１２の温度及び電位を制御するように構成された制御システム（図示せず）も含む。この制御システムは、ポンプと、入口６０１及び出口６０２における流量を制御するためのコントローラとを含んでいてもよく、いくつかの例では、所定の形状のガスチャネル及び圧縮ガス容器を含んでいてもよい。この制御システムは、コンピュータベースのコントローラを含んでもよい。制御システムは、チャンバにガスを供給する前に特性を規定し、及び／又は、堆積中にガスの流量、温度、プレート６１１、６１２の電位、若しくは任意の他の特性を調整するように構成されている。

トッププレート６１１及び基材６０３は、トッププレート６１１と基材６０３との間にギャップが形成されるように配置され、入口６０１から出口６０２に向かうＨＡＲＭ構造体を含むガスの流れが、堆積領域６１３（楕円形でおおよそ図示されているにすぎない）において基材６０３に対して実質的に平行になるようになっている。制御システムは、トッププレート６１１及びボトムプレート６１２の異なる温度レベルを維持して、基材６０３に近接して温度勾配を形成するように構成されている。トッププレート６１１及びボトムプレート６１２の異なる温度レベルによって作り出される温度勾配は、ＨＡＲＭ構造体に抗力を与えることができ、これにより配向した堆積のための条件を作り出す。制御システムは、温度レベルの維持に加えて、又はその代わりに、トッププレート６１１及びボトムプレート６１２の電位を、基材６０３に近接して均一な電界を形成するのに十分な値に維持するようにも構成することができる。均一な電界は、基材６０３へのＨＡＲＭ構造体の堆積につながる電気泳動のための条件を作り出す。

様々な条件でガス流を層流に維持し、それによって堆積領域６１３におけるＨＡＲＭ構造体の配向堆積の効果を強化するために、上記制御システムと、入口６０１、出口６０２、トッププレート６１１、ボトムプレート６１２及び基材６０３の相対的な位置とは、基材６０３に近接するＨＡＲＭ構造体を含むガスのガス流を、レイノルズ数が１０～３５００の層流に維持するように配置することができる。

図６に示す装置６００は、出口６０２に近接して配置された任意のバリアガス入口６２０も含む。バリアガス入口６２０は、ＨＡＲＭ構造体を含むガスが堆積チャンバ６１０内でさらに広がるのを防ぐために、バリアガスを堆積チャンバ６１０内に供給するように構成されている。図６に示す実施態様では、入口６０１は、堆積チャンバ６１０の上部分の中央領域に配置され、出口６０２、及びバリアガス入口６２０は、堆積チャンバ６１０の周辺領域に配置されている。バリアガスは、窒素、アルゴン、一酸化炭素、ＣＯ２、又は不活性ガス若しくは濾過可能なガス組成物のいずれかであってもよい。

例示の実施態様では、トッププレート６１１から基材６０３までの距離は、０．５～５ミリメートルであり、ボトムプレート６１２から基材６０３までの距離は、０～５ミリメートルである。トッププレート６１１は加熱されてもよく、ボトムプレート６１２が冷却されて、温度勾配が形成されてもよい。

図６に示す２つ以上の装置６００を互いに隣接して配置して、システムを作成してもよい。このシステムは、互いに隣接して配置された複数の装置６００を通過する基材を有していてもよい。

装置６００は、実質的に平坦なトッププレート及びボトムプレート６１１、６１２並びに基材６０３を有するように図６に示されている。しかしながら、この態様に係る装置６００は、湾曲した基材上の様々な形状のチャンバ内での堆積にも適していてもよい。例えば、装置６００は、ドラム状又は凹状の堆積チャンバにおけるＨＡＲＭ構造体の配向堆積に使用されてもよい。

図７は、第１の態様の一実施態様に係る装置７００の一例を示す。装置７００は、堆積チャンバ７１０に接続された入口７０１及び出口７０１を含む。入口７０１は、チャンバ７１０の上部分に配置され、出口７０２は下部分に配置されている。入口７０１及び出口７０２は、この例では円錐形である。装置７００は、上部分から０～１０ｍｍの位置に配置されたフィルタ７０３、及び有孔の多孔質プレート７１３をさらに含む。多孔質プレート７１３は、チャンバ７１０内のガス拡散を制御するために、突出部の大きさを調整可能なバッフルとして使用されてもよい。堆積チャンバ７１０は、ガス流路を、図７に示すチャンバ７１０の左側の入口７０１から多孔質プレート７１３に到達させる１つ以上のバッフルも含んでよい。この図の寸法はおおよそのものであり、装置７００の要素の実際の相対的な大きさを反映していない可能性がある。

図８は、第２の態様の一実施態様に係る装置８００の一例を示す。装置８００は、加熱されたトッププレート８１１と、冷却されたボトムプレート８１２と、それらの間の堆積チャンバ（図示されていない、トッププレート８１１とボトムプレート８１２との間の薄いギャップ）とを含む。装置８００は、ボトムプレート８１２上に配置された基材８０３も含む。さらには、当該装置は、中央入口８０１と、堆積チャンバの周辺位置に接続された２つの出口８０２とを含む。装置８００は、ガスが出口８０２を通過するのを防ぐために、さらに周辺位置に接続されたバリアガス入口８２０も含む。図８の寸法はおおよそのものであり、装置７００の要素の実際の相対的な大きさを反映していない可能性がある。

図９は、一態様に係る、ＨＡＲＭ構造体の配向堆積の方法のフローチャートである。当該方法は、入口を介して、ＨＡＲＭ構造体を含むガスを堆積チャンバに所定のガス流量で供給する工程９０１を含む。このガス流量は、制御ユニットによって決定されてもよい。当該方法は、基材又はフィルタの堆積領域に近接して、ＨＡＲＭ構造体を含むガスの層流を１０～３５００のレイノルズ数で維持する工程９０２をさらに含む。工程９０２におけるＨＡＲＭ構造体を含むガスの層流は、少なくとも部分的に基材又はフィルタと平行である。層流状態のガス流は、堆積チャンバ内の入口、出口及びその他の要素の相対的な位置と組み合わせて、制御システムによって維持されてもよい。層流状態のガス流が９０２において適切な条件で維持されると、当該方法は、ＨＡＲＭ構造体を含むガスから、基材又はフィルタの堆積領域にＨＡＲＭ構造体を堆積（成膜）する工程９０３をさらに含む。堆積９０３は、層流状態で実質的に平行なガス流が、フィルタ又は基材の堆積領域に到達したときに発生する。当該方法はその後、出口を介して、堆積チャンバから残りのガスを所定のガス流量で回収する工程９０４を含む。この所定の流量及び層流状態のガス流により、ＨＡＲＭ構造体の配向堆積が可能になる。

当該方法は、ＨＡＲＭ構造体を堆積させるための任意の適切な装置、例えば、第１及び第２の態様に係る装置のいずれかによって実施されてもよい。また、当該方法は、コンピュータを含む制御システムによって実行されてもよい。当該方法は、基材又はフィルタと平行な層流状態のガス流が堆積の結果に与える驚くべき効果により、ＨＡＲＭ構造体の配向堆積の有利な均一性及び効率性を提供する。

上述の第１の態様の一例である、フィルタ上でＨＡＲＭ構造体を配向堆積するための装置は、１６０×３９０×５１５ｍｍ（高さ×幅×長さ）の堆積チャンバを備える。ガスの流量は２０～５０リットル／分に維持され、チャンバ内の温度は２０～８０℃である。入口から供給されるガスは、カーボンナノバッドを含むキャリアガスの窒素である。メンブレンフィルタが、上部分と下部分の間で、上部分から０．５～２ｍｍの距離で堆積チャンバに埋め込まれている。このメンブレンフィルタは、カーボンナノバッドを約１５０×４２０ｍｍの堆積領域に集める。上記の条件で堆積されたカーボンナノバッドの配向性は、配向指数（最大抵抗値と最小抵抗値の比）が１．３～２．２の範囲であることで推定できる。当該装置は、フィルタの下に配置された突出部を備えるバッフルをさらに含み、このバッフルは沈降ゾーンを形成し、その大きさは約１５０×４２０ｍｍである。

当業者には明らかなように、本発明は上述の例に限定されるものではなく、実施形態は特許請求の範囲内で自由に変わることができる。

Claims (24)

1. 装置であって、
   トップカバーを備えた上部分及びボトムカバーを備えた下部分を含む、水平方向に細長い堆積チャンバと、
   前記上部分と前記下部分とを隔てるように前記堆積チャンバ内に水平に配置されたフィルタであって、堆積領域を含むフィルタと、
   前記堆積チャンバの前記上部分に配置され、高アスペクト比の分子構造体、ＨＡＲＭ構造体を含むガスを前記堆積チャンバに供給するように構成されている入口と、
   前記堆積チャンバの前記下部分に配置され、前記堆積チャンバからガスを回収するように構成されている出口と、
   前記入口及び前記出口におけるガス流を制御するように構成されている制御システムと
   を含み、
   前記入口、前記出口及び前記フィルタは、前記上部分の前記入口から前記下部分の前記出口に向かって、前記フィルタを通過するＨＡＲＭ構造体を含む前記ガスのためのガス流路を形成するように配置されており、前記フィルタの前記堆積領域に近接するＨＡＲＭ構造体を含む前記ガスの流れの方向は、少なくとも部分的に前記フィルタと平行であり、
   前記制御システムと、前記入口、前記出口、前記トップカバー、前記ボトムカバー及び前記フィルタの相対的な位置とが、前記フィルタの前記堆積領域に近接するＨＡＲＭ構造体を含む前記ガスの層流状態のガス流を維持するように配置されている装置。
2. 前記制御システムと、前記入口、前記出口、前記トップカバー、前記ボトムカバー及び前記フィルタの相対的な位置とが、前記フィルタの前記堆積領域に近接するＨＡＲＭ構造体を含む前記ガスの層流状態のガス流のレイノルズ数を１０～３５００に維持するように配置されている請求項１に記載の装置。
3. 前記入口及び前記出口が、水平面における前記堆積チャンバの対向する側に配置されている請求項１又は請求項２に記載の装置。
4. 前記フィルタが水平方向に延び、前記堆積チャンバの前記トップカバー及び前記ボトムカバーから所定の距離をおいて、前記上部分と前記下部分との間で前記堆積チャンバに埋め込まれている請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記フィルタを包囲し、水平方向に延び、前記上部分と前記下部分との間で前記堆積チャンバに埋め込まれている支持体を含む請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の装置。
6. 少なくとも１つの突出部を備える第１のバッフルを含み、前記第１のバッフルが、水平方向に延び、前記フィルタに隣接して配置され、前記入口から前記出口に向かう前記ガス流路が、前記第１のバッフルの少なくとも１つの突出部に隣接した前記フィルタの部分を通過するようになっている請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の装置。
7. 少なくとも１つの突出部を備える第２のバッフルを含み、
   前記第２のバッフルが、水平方向に延び、前記第１のバッフルの下方に所定の距離をおいて配置され、前記第１のバッフルと前記第２のバッフルの間、及び前記堆積チャンバの上部分と下部分との間に空間を形成し、
   前記第１のバッフル及び前記第２のバッフルの前記突出部が、前記堆積チャンバの水平面における前記堆積チャンバの対向する側に配置されている請求項６に記載の装置。
8. 前記堆積チャンバの前記トップカバーから前記フィルタまでの距離が０．１～１０ミリメートルであり、前記堆積チャンバの前記ボトムカバーから前記フィルタまでの距離が５～２０ミリメートルである請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の装置。
9. 前記フィルタがメンブレンフィルタである請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の装置。
10. 前記制御システムが、前記反応チャンバ内の温度及び圧力を制御するようにさらに構成されている請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の装置。
11. 前記入口が、断面が円形であり、５～１００ミリメートルの直径を有する請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の装置。
12. 前記入口がスリットの形状をしており、０．５～１８ミリメートルの幅を有する請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の装置。
13. 前記堆積チャンバが水平面において矩形の形状をしており、前記入口及び前記出口が水平面における前記堆積チャンバの対向する隅部に配置されている請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の装置。
14. 水平方向に延び、前記堆積チャンバ内で前記フィルタの下方に配置される所定の細孔径を有する多孔質プレートを含む請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の装置。
15. 前記ＨＡＲＭ構造体が、カーボンナノチューブ分子、カーボンナノバッド分子、グラフェンリボン、炭素繊維フィラメント又はグラファイト繊維フィラメント、及び銀ナノワイヤからなる群から選択される請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載の装置。
16. 前記堆積チャンバの寸法が、高さが１００～２００ｍｍ、幅が３９０～１０４０ｍｍ、長さが５１５～１２４０ｍｍである請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載の装置。
17. 装置であって、
    水平方向に細長く、水平方向に伸びるトッププレートを備える上部分と水平方向に伸びるボトムプレートとを備える下部分を含む堆積チャンバと、
    前記堆積チャンバ内にトッププレートと前記ボトムプレートの間に水平に配置された基材と、
    前記堆積チャンバの前記上部分に配置され、高アスペクト比の分子構造体、ＨＡＲＭ構造体を含むガスを前記堆積チャンバに供給するように構成されている入口と、
    前記堆積チャンバの前記上部分に配置され、前記堆積チャンバからガスを回収するように構成されている少なくとも１つの出口と
    前記入口及び前記少なくとも１つの出口でのガス流、並びに前記トッププレート及び前記ボトムプレートの温度並びに電位を制御するように構成されている制御システムと
    を含み、
    前記トッププレート及び前記基材は、前記入口から前記少なくとも１つの出口に向かうＨＡＲＭ構造体を含む前記ガスの流れが前記基材に対して実質的に平行になるように、前記トッププレートと前記基材との間にギャップを形成するように配置されており、
    前記制御システムは、
    前記トッププレート及び前記ボトムプレートの温度を、前記基材に近接して温度勾配を形成するのに十分異なるレベルに維持すること、並びに／又は
    前記トッププレート及び前記ボトムプレートの前記電位を、前記基材に近接して均一な電界を形成するのに十分な値に維持すること
    を行うように構成されている装置。
18. 前記制御システムと、前記入口、前記出口、前記トッププレート、前記ボトムプレート及び前記基材の相対的な位置とが、前記基材に近接するＨＡＲＭ構造体を含む前記ガスのガス流を、レイノルズ数が１０～３５００の層流に維持するように配置されている請求項１７に記載の装置。
19. ＨＡＲＭ構造体を含む前記ガスが前記堆積チャンバ内でさらに広がるのを防ぐためにバリアガスを前記堆積チャンバ内に供給するするように構成された、前記少なくとも１つの出口に近接して配置された少なくとも１つのバリアガス入口をさらに含む請求項１７又は請求項１８に記載の装置。
20. 前記入口が、前記堆積チャンバの前記上部分の中央領域に配置され、前記少なくとも１つの出口が、前記堆積チャンバの周辺領域に配置されている請求項１７から請求項１９のいずれか１項に記載の装置。
21. 前記トッププレートから前記基材までの距離が０．５～５ミリメートルであり、前記ボトムプレートから前記基材までの距離が０～５ミリメートルである請求項１７から請求項２０のいずれか１項に記載の装置。
22. 前記基材がプラスチックフィルムである請求項１７から請求項２１のいずれか１項に記載の装置。
23. 互いに隣接して配置された２つ以上の請求項１７から請求項２２のいずれか１項に記載の装置を含むシステム。
24. ＨＡＲＭ構造体の配向堆積の方法であって
    入口を介して、ＨＡＲＭ構造体を含むガスを堆積チャンバに所定のガス流量で供給する工程と、
    基材又はフィルタの堆積領域に近接して、ＨＡＲＭ構造体を含む前記ガスの層流を１０～３５００のレイノルズ数で維持する工程であって、ＨＡＲＭ構造体を含む前記ガスの前記層流は、少なくとも部分的に前記基材又は前記フィルタと平行である工程と、
    ＨＡＲＭ構造体を含む前記ガスから、前記基材又は前記フィルタの前記堆積領域にＨＡＲＭ構造体を堆積させる工程と、
    出口を介して、前記堆積チャンバから残りのガスを所定のガス流量で回収する工程と
    を含む方法。

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