JP4523713B2

JP4523713B2 - カーボンナノチューブの製造方法

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Publication number: JP4523713B2
Application number: JP2000346358A
Authority: JP
Inventors: 親夫木村; 隆長手
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2000-11-14
Filing date: 2000-11-14
Publication date: 2010-08-11
Anticipated expiration: 2020-11-14
Also published as: JP2002146534A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電界放出電源材料等に用いられるカーボンナノチューブの製造方法に係り、特に、配列性や制御性等の向上を図ったカーボンナノチューブの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
真空中に配設されて電子を放出する部材としての電界放出電源材料としては種々なものがあるが、近年、遷移金属炭化物やカーボンナノチューブ等の炭素系材料がその特性等の観点から注目されている。
カーボンナノチューブは、グラファイト状炭素原子面を丸め、それが円周方向に１個又は数個入れ子状に配列されたチューブ状の構造を有しており、直径はナノメートルオーダーで、結晶構造は炭素６員環が螺旋状に配列され、先端は６個の炭素５員環構造が配されて閉じた構造になっているものである。
【０００３】
このような構造を有するカーボンナノチューブは、高い電気伝導度や大きな磁気抵抗を有すると共に、トランジスタ動作やアクチュエータ動作を発揮し、さらには、電界放射型電子源としての機能を果たし、また、ガス吸蔵を行うなどの特異な特性を有することが実証されている。
多層構造に形成されてなるカーボンナノチューブを電界放射型電子源として使用した電子表示管への応用では、わずかな電界を印加すると電子を放出することができ、加熱の必要がなくいわゆる省エネルギーで、放出電子のエネルギー幅が狭く、しかも、高電流密度と高輝度の集束電子発生の条件を備えた電子表示管を実現できるので、例えば、フラットパネルディスプレイへの応用が期待できる。
【０００４】
また、カーボンナノチューブとグラファイトを、エチレン（Ｃ_２Ｈ_４）雰囲気中（例えば１×１０^-4Ｐａ程度）において６００〜６５０℃程度で加熱し、針状のＮｉ（面方向１１１）の先端にスポット状のカーボンナノチップを形成する技術も提案されている。このようなＮｉ粒子先端に成長させたカーボンナノチューブは、電界中においてＮｉ粒子と一体的に電子を放射する電界放射電子源としての利用が期待されている。
ところで、このようなカーボンナノチューブの構造的特徴を生かし、電界電子放出をより効率良くするためには、カーボンナノチューブを一方向に、かつ平面的に均一にしかも高密度で配した素子の形成が有効であると考えられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、カーボンナノチューブは掴んだり、揃えたりすることが難しいため、その製造に関しては、カーボンナノチューブを平面的に均一に高密度で配向性よく制御でき、しかも再現性の良い製造方法が皆無であるという実状にある。
カーボンナノチューブを生成する際には、種とも言うべき金属の超微粒子を生成する方法としては、金属塩溶液の加水分解による方法、金属アルコキシドをアルコール溶液中で加水分解する方法、金属塩溶液の酸化還元による方法、金属化合物の分解反応を利用する方法などの反応相を液相として合成する方法や、エアロゾル法などの反応相を気相として合成する方法が知られているが、これらの方法で生成したばらばらの状態の金属の超微粒子を２次元的に平面配列する手段として、現実的な適当な方法がない。
このように、カーボンナノチューブを掴んだり、落としたり、揃えたりする制御技術が確立されていないという問題があった。これまでに、固体化学反応を利用して、異物質材料にカーボンナノチューブを接合することに成功した例もあるが、この例においても先のような制御技術が充分には確立されたものではない。
【０００６】
本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、カーボンナノチューブを平面的に均一に高密度で配することのできるカーボンナノチューブの製造方法を提供するものである。
本発明の他の目的は、カーボンナノチューブの成長の際の種となる超微粒子のサイズやその配列状態を容易に制御することができるカーボンナノチューブの製造方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、カーボンナノチューブを利用したフラットパネルディスプレイの製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記本発明の目的を達成するために、本発明に係るカーボンナノチューブの製造方法は、
絶縁基板上に鉄族金属の金属超薄層を形成し、
前記絶縁基板及び前記金属超薄層に静電気を帯電させ、
前記金属超薄層を加熱溶融して、前記絶縁基板上に前記金属超薄層を構成する金属の超微粒子を互いに離間した状態に形成し、
前記金属の超微粒子及び前記絶縁基板の温度を下げて前記超微粒子を凝結させることで前記絶縁基板に固着させ、
前記絶縁基板及び前記超微粒子の除電を行い、
前記絶縁基板及び前記超微粒子に気相成長法により炭素を供給して前記金属超微粒子を先端部に有するカーボンナノチューブを形成するよう構成されてなるものである。
【０００８】
かかる構成においては、カーボンナノチューブを生成する際の種となるべき金属の微粒子を同じ極の電荷に帯電させた状態で溶融状態とすることで、同極電荷同士の反発力に伴い微粒子が均一に配列され、その後の冷却により微粒子が均一に配列された状態で固体化されるので、この状態で炭素を加熱供給することで、従来と異なり、平面的に均一に高密度で配されたカーボンナノチューブを容易に得ることができるものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図１乃至図３を参照しつつ説明する。
なお、以下に説明する部材、配置等は本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。
最初に、本発明の実施の形態におけるカーボンナノチューブの製造方法を実施するに適した製造装置の構成例について、図１を参照しつつ説明する。
この製造装置Ｓは、前処理部１０１と後処理部１０２とに大別されて構成されて、後述するようにしてカーボンナノチューブを形成するに適したものとなっているものである。
前処理部１０１は、絶縁基板供給部１と、金属蒸着部２と、コロナ放電機構部３と、加熱溶融部４と、基板冷却・帯電除去部５と、中間基板排出部６とを具備して構成されたものとなっている。
一方、後処理部１０２は、中間基板供給部７と、炭素供給加熱部８と、成長基板排出部９とを有してなるものとなっている。
本発明の実施の形態におけるこの製造装置Ｓを、前処理部１０１と後処理部１０２とから構成されるようにし、特に、前処理部１０１から一旦、後述するように中間処理状態における耐熱性絶縁基板１０を取り出し、後処理部１０２の中間基板供給部７へ供給し、炭素の加熱供給によるカーボンナノチューブの成長を行わしめるようにしたのは、この後処理部１０２における処理工程では耐熱性絶縁基板１０の取り扱いが、前処理部１０１に比してさらに重要となることを考慮したためである。この製造装置Ｓの各部の動作、機能等については、次述するカーボンナノチューブの製造手順において明らかにすることとする。
【００１０】
以下、図１乃至図３を参照しつつ上述した構成を有してなる製造装置Ｓを用いたカーボンナノチューブの製造手順について説明することとする。
まず、Ｙ_２Ｏ_３やＢＮなどの耐熱性セラミックスを用いて平板状に形成された平滑な耐熱性絶縁基板１０（図２参照）を用意する。この耐熱性絶縁基板１０は、その一方の平面（カーボンナノチューブを生成する側の面）に、炭素の薄層１１を化学蒸着法等により予め極薄く（例えば０.１μｍ程度）形成したものとするのが好適であるが、この炭素の薄層１１がない状態であってもよい。
次いで、この耐熱性絶縁基板１０を絶縁基板供給部１から装置Ｓ内へ供給する。耐熱性絶縁基板１０は、金属蒸着部２に位置せしめられて、ここで例えば、Ｎｉのような鉄族金属を蒸着により（又はスパッタやメッキ法により）炭素の薄層１１上に（又は耐熱性絶縁基板１０の地肌に直接に）数１０ｎｍ程度の膜厚で形成する（以下、このＮｉ蒸着膜をＮｉ超薄層と言う）。
【００１１】
上述のようなＮｉ超薄層の形成終了後、耐熱性絶縁基板１０をコロナ放電機構部３へ移し、コロナ放電により正又は負の電荷を帯電させる。このコロナ放電機構部３におけるコロナ放電によるコロナ帯電の方法としては、帯電させるべき対象物（この発明の実施の形態においては耐熱性絶縁基板１０）の表面に、所定の間隔を隔ててステンレス細線やタングス細線などを対向配置し、これに所要の極性で４〜８ｋＶ程度の直流高電圧を印加してコロナ放電を行わしめ、対象物の表面に帯電電荷密度１０^-4〜１０^-3Ｃ／ｍ^２程度の電荷を帯電させるようにするのが好適である。なお、コロナ放電に代えて、高電圧を加圧する方法でもよい。
次に、上述のように電荷が帯電された状態の耐熱性絶縁基板１０を、加熱・溶融部４において、不活性ガス中で加熱して先に蒸着されたＮｉを溶解させる。これによりＮｉは、耐熱性絶縁基板１０の表面が滑り易いために凝集し難くなり、さらに、ほぼ均一な大きさの微少なＮｉ超微粒子１４として（図３参照）電荷を有した状態で表面張力によって凝集しようとするが、各々の溶けたＮｉ超微粒子１４が正又は負のいずれか一方の電荷を有しているため互いに反発し合い、一定の間隔で耐熱性絶縁基板１０上に配置された状態となる。
【００１２】
次に、上述のような状態の耐熱性絶縁基板１０を基板冷却・帯電除去部５へ移し、耐熱性絶縁基板１０全体を冷却してその温度を低下させると共に、帯電電荷の除去（除電）を行う。これにより、耐熱性絶縁基板１０上には、Ｎｉ超微粒子が配置された状態となり、耐熱性絶縁基板１０は、一旦、中間基板排出部６から排出されることとなる。
次いで、中間基板排出部６から排出された耐熱性絶縁基板１０を、中間基板供給部７へ供給すると、耐熱性絶縁基板１０は、炭素供給加熱部８へ位置せしめられる。
そして、耐熱性絶縁基板１０は、炭素供給加熱部８において、炭素が気相状態から供給加熱され、それにより、Ｎｉ超微粒子１３を先端部とし、しかも、平面的に一定の間隔で配置された状態のカーボンナノチューブ１２が得られることとなり（図２参照）、成長基板排出部９よりカーボンナノチューブ１２が形成された耐熱性絶縁基板１０を取り出すことができる。
なお、ここで、炭素の供給方法については、公知の針状結晶等を成長させる技術である炭化水素の熱分解による気相成長法（化学蒸着法ＣＶＤ）や炭化水素をプラズマ放電で励起し反応を促進させるプラズマＣＶＤが好適であり、これにより、カーボンナノチューブ形成に必要な炭素を供給することにより、Ｎｉ超微粒子を種にしてカーボンナノチューブを成長させることが可能となる。
これは、Ｎｉ超微粒子と炭素は、所定の温度で決まる平衡状態の組成を維持しようとするため、Ｎｉ超微粒子の部分から、供給された炭素が余分としてはきだされて、カーボンナノチューブが成長されてゆくものである。
【００１３】
なお、上述した発明の実施の形態においては、耐熱性絶縁基板１０を用い、これにカーボンナノチューブを形成するようにしたが、耐熱性絶縁基板１０に限定される必要はなく、例えば、耐熱性絶縁基板１０に代えて導電性を有する導電性ガラス基板を用いてもよく、上述したと同様な工程処理によりＮｉ超微粒子を先端に形成したカーボンナノチューブを得ることができる。
ここで、導電性を有する導電性ガラス基板は、耐熱性絶縁ガラス板上に、例えばＩＴＯ(Indium Tin Oxide)等の導電性物質をスプレー法やゾルゲル法等で塗布後、焼成することにより得ることができるものである。
このような導電性ガラス基板を用いることにより、各々のカーボンナノチューブに対して電圧を供給するための配線を基板上に個別に別途形成する必要がないフラットパネルディスプレイを形成することが可能となる。
【００１４】
また、本発明の実施の形態で説明したように耐熱性絶縁基板１０の表面に予め、炭素の薄膜１１を形成した場合には、これをフラットパネルディスプレイとして用いる場合には、上述の導電性ガラス基板と同様に、各々のカーボンナノチューブに対して電圧を供給するための配線を基板上に個別に別途形成する必要がないものとなる。
また、上述した一連の工程を繰り返すことにより、カーボンナノチューブを電界放射源としたフラットパネルディスプレイを、連続的に得ることができることとなる。
さらに、金属蒸着部２における金属蒸着層の厚さと、コロナ放電機構部３におけるコロナ放電による静電気帯電量を適宜変えることにより、超微粒子（本発明の実施の形態においてはＮｉ超微粒子）のサイズ及び絶縁基板上の超微粒子の配列状態を制御することが可能である。
また、Ｎｉの代わりにＦｅ、Ｃｏなどの鉄族金属であっても良い。
【００１５】
【発明の効果】
以上、述べたように、本発明によれば、絶縁基板に形成された金属蒸着層に電荷を与えて溶融状態とし、その後、冷却して固体化するため、溶融状態において金属微粒子が帯電電荷による反発力による均一な配列状態とされた後に固体化されることとなり、その後の炭素の加熱供給により、従来と異なり、平面的に均一に高密度で配されたカーボンナノチューブを容易に得ることができるという効果を奏するものである。
また、絶縁基板に形成する金属蒸着層の厚さと帯電電荷量を制御することで、金属超微粒子のサイズとその配列状態を容易に制御でき、従来と異なり、高品質のカーボンナノチューブを提供することができるという効果を奏するものである。
さらに、本発明に係るカーボンナノチューブの製造方法によりカーボンナノチューブを電界放射源としたフラットディスプレイ表示部を容易に形成することができるという効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るカーボンナノチューブの製造方法の実施に適した製造装置の構成例を示す構成図である。
【図２】本発明に係るカーボンナノチューブの製造方法により形成されたカーボンナノチューブの例を示す模式図である。
【図３】本発明に係るカーボンナノチューブの製造方法におけるＮｉ超微粒子の溶融状態を示す模式図である。
【符号の説明】
１…絶縁基板供給部
２…金属蒸着部
３…コロナ放電機構部
４…加熱溶融部
５…基板冷却・帯電除去部
６…中間基板排出部
７…中間基板供給部
８…炭素供給加熱部
９…成長基板排出部
１０…耐熱性絶縁基板
１１…炭素の薄層
１２…カーボンナノチューブ
１３…Ｎｉ超微粒子
１４…溶融状態のＮｉ超微粒子

Claims

絶縁基板上に鉄族金属の金属超薄層を形成し、
前記絶縁基板及び前記金属超薄層に静電気を帯電させ、
前記金属超薄層を加熱溶融して、前記絶縁基板上に前記金属超薄層を構成する金属の超微粒子を互いに離間した状態に形成し、
前記金属の超微粒子及び前記絶縁基板の温度を下げて前記超微粒子を凝結させることで前記絶縁基板に固着させ、
前記絶縁基板及び前記超微粒子の除電を行い、
前記絶縁基板及び前記超微粒子に気相成長法により炭素を供給して前記金属超微粒子を先端部に有するカーボンナノチューブを形成することを特徴とするカーボンナノチューブの製造方法。
前記鉄族金属は、Ｎｉであることを特徴とする請求項１記載のカーボンナノチューブの製造方法。
前記絶縁基板は、一方の平面側に導電性を有する導電性ガラスが形成されてなることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のカーボンナノチューブの製造方法。
前記絶縁基板は、その一方の平面側に炭素の薄層が予め形成されてなることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のカーボンナノチューブの製造方法。