JP5147556B2

JP5147556B2 - カーボンナノチューブ製造装置

Info

Publication number: JP5147556B2
Application number: JP2008154322A
Authority: JP
Inventors: 利幸岡田; 研次 ▲吉▼川
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 2008-06-12
Filing date: 2008-06-12
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2028-06-12
Also published as: JP2009298639A

Description

この発明は、基板上に形成された触媒層にCVD法（CVD：chemical vapor deposition）によりカーボンナノチューブを生成させるカーボンナノチューブ製造装置に関する。

この種の製造装置としては、反応容器内に設置された基板上にＦｅからなる触媒層を形成し、反応容器の上流側からヘリウムを導入するとともに、基板温度を６７５〜７５０℃に加熱し、次いで、原料ガス（アセチレン、エチレン）を供給することにより、基板上にほぼ垂直に配向されたカーボンナノチューブを生成するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

前記製造装置では、反応容器内に供給された原料ガスのうち、未反応ガスの一部が反応容器内の上流側に逆流し、反応容器内に汚れ（タールが汚れとして付着する）が発生するという問題がある。特に上流部の汚れは、カーボンナノチューブの成長に大きく影響し、安定したカーボンナノチューブの成長が阻害されるという問題があった。また、反応容器内の下流部においては、未反応ガスが冷却されることにより、同じく汚れ（タール）となり反応容器内に付着するため、洗浄工程に時間がかかり生産性の低下につながるという問題があった。

また、上記の従来装置では、カーボンナノチューブは、バッジ処理によって生成されるようになされている。そのため、カーボンナノチューブの連続生産には向かず、生産性の悪さが課題である。また、装置の加熱、冷却を繰り返すために、熱効率が悪い。
特開２００１−２２０６７４号公報

この発明の目的は、反応容器内の汚れを抑制することにより、安定したカーボンナノチューブの製造が可能であり、反応容器内の洗浄工程を大幅に削減可能であり、しかも、連続生産を可能とするカーボンナノチューブの製造装置を提供することにある。

この発明によるカーボンナノチューブ製造装置は、生成部に一方向のCVDガス流れを生じさせるCVDガス手段を備えており、生成部に保持された基板の表面にカーボンナノチューブが生成されるようになされているカーボンナノチューブ製造装置において、生成部に、基板を載せるための支持体が配置されており、支持体の上方に、下向き基板収容凹所を有する可動容器が上下動しうるように配置されており、上昇時の可動容器の基板収容凹所下方に対し、カーボンナノチューブ生成前の基板が搬入され、カーボンナノチューブ生成後の基板が搬出されるようになされていることを特徴とするものである。

この発明によるカーボンナノチューブ製造装置では、支持体および可動容器によって、カーボンナノチューブを生成するためのCVDガス環境を形成するガス空間が開閉可能なものとして構成され、その空間に対し、基板の搬入・搬出を行うようにしているから、カーボンナノチューブの連続生産を容易に行える。

さらに、生成部の基板搬送方向上流に、予熱部が設けられ、生成部の基板搬送方向下流に、冷却部が設けられていると、カーボンナノチューブを生成するためのCVDガス環境を加熱・冷却を繰り返す必要が無いから、熱効率が良い。

また、CVDガス手段によって、下降時の可動容器の基板収容凹所内にCVDガスの流れが生じさせられるようになされており、基板収容凹所内のCVDガス流れ方向下流に多孔質体が配置されていると、多孔質体によって、生成部を通過するCVDガスの流れを均一化することができる。さらに、生成部を通過したCVDガスの未反応ガスが生成部側へ逆流することを防止できる。したがって、反応容器内の汚れを抑制することができ、安定したカーボンナノチューブを製造することができる。

また、基板収容凹所内のCVDガス流れ方向上流に多孔質体が配置されていることが好ましい。

また、カーボンナノチューブ製造装置に、多孔質体のCVDガス流れ方向下流にCVDガスの未反応ガスを燃焼させるための燃焼ガスを供給する燃焼ガス手段が備わっていると、CVDガスの未反応ガスを、タール化する前に効率良く燃焼させることができる。

また、CVDガス手段が、多孔質体のCVDガス流れ方向下流に設けられたガス出口を有しており、燃焼ガス手段が、ガス出口に対し間隔をおいて相対させられているガス供給口を有していると、燃焼ガスの逆流を防止できる。

この発明によれば、反応容器内の汚れを抑制することにより、安定したカーボンナノチューブの製造が可能であり、反応容器内の洗浄工程を大幅に削減可能であり、しかも、連続生産を可能とするカーボンナノチューブ製造装置が提供される。

この発明の実施の形態を図面を参照しながらつぎに説明する。

図１を参照すると、カーボンナノチューブ製造装置は、水平に配置されかつ内部が窒素等の不活性ガス雰囲気に保持されているガスチャンバ11と、ガスチャンバ11内に収容されかつガスチャンバ11の長さ方向にのびている基板搬送用ベルト・コンベヤ12と、ベルト上側移動経路にそって配置されている水平状支持板13とを備えている。

ベルト上側移動経路にそって、予熱部21、生成部22および冷却部23が一定間隔で順次形成されている。予熱部21、生成部22および冷却部23のうち、予熱部21および生成部22は、一対の平板状ヒータ24によって上下から挟まれているいるが、冷却部23のところにはヒータ24は設置されていない。

ガスチャンバ11の、ベルト移動方向上流側の端壁に基板入口ゲート25が設けられるととも、そのベルト移動方向下流側の端壁に基板出口ゲート26が設けられている。

予熱部21、生成部22および冷却部23には、方形状基板Pがベルトに載せられた状態でそれぞれ位置させられている。さらに、図１においては、予熱部21のベルト移動方向上流および冷却部23の移動方向下流にも基板Pがそれぞれ位置させられている。

基板P表面にはCVD膜生成促進用触媒膜Fが形成されている。触媒膜Fの成膜には鉄等の触媒が用いられる。

予熱部21には予熱用可動容器31が、生成部22には生成用可動容器32が、冷却部23には冷却用可動容器33がそれぞれ配置されている。予熱用可動容器31、生成用可動容器32および冷却用可動容器33は、図示しない手段によって、同時に上下動させられるようになっている。

生成用可動容器32には、窒素等の不活性ガス（ガスチャンバ11の雰囲気ガスもしくは図示しない外部から供給される）とともに、CVDガスが供給されるが、予熱用可動容器31および冷却用可動容器33には、上記雰囲気ガスだけが供給される。

以下、生成用可動容器32の構造についてのみ、図１に加えて、図２および図３を参照しながら、詳しく説明する。予熱用可動容器31および冷却用可動容器33の構造は、生成用可動容器32の構造に準ずるものであって、その詳細説明は省略する。

図１には、生成用可動容器32の垂直横断面が示されており、その垂直縦断面の拡大図が図２に示されている。図３は、図２の水平断面を示すものである。

生成用可動容器32は、開口を下に向けた横断面コ字状カバー本体41と、カバー本体41の一端部に設けられている垂直方形状上流端板42と、カバー本体41の他端部に設けられている垂直方形状下流端板43とよりなる。カバー本体41の両開放端が上流端板42および下流端板43によって閉鎖されている。これらのカバー本体41、上流端板42および下流端板43によって、下向きの基板収容凹所44が区画されている。

カバー本体41の、上流端板42寄りの部分に上流多孔質体45が設けられるとともに、その下流端板43寄りの部分に下流多孔質体46が設けられている。上流多孔質体45および下流多孔質体46によって、支持板13に載せられた基板Pが挟まれるようになっている。

各多孔質体45、46は、CVD温度に耐え、カーボンナノチューブの生成を阻害しない材質によって成形されたもので、例えば、石英やアルミナ、クロムやニッケル、チタン、SUS材料等による。また、各多孔質体31、32の構造としては、繊維状に加工されたものおよびそれらを束ねたり紡績あるいは圧縮して布状、不織布状、フィルタ状にしたもの、粒状材料を焼結したものであればよい。

上流端板42の中央部にはガス入口管51が設けられている。ガス入口管51は、上流多孔質体45の外側面と相対させられたガス入口51aを有している。下流端板43にはガス出口管52および燃焼ガス管53が並んで設けられている。下流端板43の近くには垂直状補強板54が設けられている。この補強板54および下流端板43にまたがるようにガス出口管52および燃焼ガス管53がそれぞれ支持されている。ガス出口管52は、下流多孔質体46の外側面と相対させられたガス出口52aを有している。燃焼ガス管53の、下流多孔質体46および補強板54間に突出させられた部分には、先端に供給口53aを開口させたＵ字管部53bが設けられている。供給口53aは、ガス出口52aに対し間隔をおいて相対させられている。

生成用可動容器32の下縁全週、換言すると、カバー本体41、上流端板42および下流端板43の下縁全長にわたって、ガスケット61が取付られている。

図１に、生成用可動容器32がその上下動ストロークの下限に位置させられた状態が示されている。この状態で、ガス入口管51を通じて、生成用可動容器32内にCVDガスが供給される。CVDガスとしては、冒頭の従来技術の項で説明したように、原料ガスとして、アセチレン、エチレン等が用いられる。一方、燃焼ガス管53には燃焼ガスが供給される。燃焼ガスとしては、空気が一般的であるが、酸素を含む他のガスであってもよい。

可動容器32内に対して、燃焼ガス管53によって燃焼ガスを導入し、ガス出口管52によって燃焼ガスを導出する手段としては、燃焼ガス管53に正圧を作用させる正圧手段および／またはガス出口管52に負圧を作用させる負圧手段が挙げられる。

ガス入口管51によって可動容器32内に導入されたCVDガスは、上流多孔質体45によって速やかに整流され、この後、基板P上を上流から下流に向かって一方向に通過させられる（矢印Ａ）。CVDガスが基板P上を通過する間に、基板P上には安定して速やかにカーボンナノチューブが生成される。

基板P上を通過したCVDガスは、下流多孔質体46を通過させられることにより、基板P上を通過する際のCVDガスの整流がさらに促進される。また、下流多孔質体46を通過したCVDガスの一部は、反応の後に残存させられた未反応ガスを含んでいる。未反応ガスは、下流多孔質体46を通過させられた後に、供給口53aから導入された燃焼ガスと接触させられる。燃焼ガスは、CVDガス流れ方向上流に向かうことなく、その下流側に向かわされるとともに、いわば「霧吹き」の原理によって、ガス出口52a周辺の未反応ガスをガス出口管52内に吸い込み、ガス出口管52内において未反応ガスを燃焼させられる。したがって、未反応ガスは、タールを生成することなく、燃焼の後に、ガス出口管52を通じて、生成用可動容器32外へ導出される。上流多孔質体45は、CVDガスの整流を促進する作用をなすとともに生成部13における未反応ガスが上流に逆流し、タールが生成されることによる生成用可動容器32内の汚れを抑制する作用を同時になすものである。また、下流多孔質体46は、基板P上を通過するCVDガスの整流を促進する作用をなすとともに、基板P上を通過した後の未反応ガスの生成部13への逆流を阻止する作用も同時になすものである。

上記において、上流多孔質体45および下流多孔質体46の双方が用いられている例が示されているが、上流多孔質体45は必ずしも必要ではなく、下流多孔質体46のみを用いてもよい。

基板P上にカーボンナノチューブが生成されると、予熱用可動容器31、生成用可動容器32および冷却用可動容器33を一斉に上昇させる。ついで、コンベヤ12を１ピッチだけ間欠的に駆動する。コンベヤ12の駆動ピッチは、予熱部21、生成部22および冷却部23の相互間の間隔に等しい。予熱部21にあって予熱され、カーボンナノチューブ生成前の基板Pは生成部22に搬入されて次回のサイクルでカーボンナノチューブが生成される。生成部22にあって、カーボンナノチューブ生成後の基板Pは生成部22から搬出されて冷却部23に搬入され、そこで、冷却される。

図４は、生成用可動容器32の変形例を示すものである。この変形例による生成用可動容器32は、上記実施例の生成用可動容器32と同様に、カバー本体41、上流端板42および下流端板43によって構成されている。上記実施例によるカバー本体41の横断面は、コ字状であったが、この変形例によるカバー本体41は、横断面半円形状に形成されている。

図５は、基板Pの変形例を示すものである。上記実施例による基板Pは、方形平板状のものであったが、この変形例による基板Pは、帯状のものである。帯状基板Pは、ワインダ71およびリワインダ72によって、巻取り・巻戻しされ、予熱部21、生成部22および冷却部23を順次通過して、上記したコンベヤ駆動ピッチと同一ピッチで間欠的に搬送されるようになされている。

この発明によるカーボンナノチューブ製造装置の垂直縦断面図である。図１のII−II線にそう拡大垂直断面図である。図２のIII−III線にそう水平断面図である。図１に示す製造装置の変形例を示す部分断面図である。図１に示す製造装置の他の変形例を示す部分断面図である。

符号の説明

13 支持体
22 生成部
32 可動容器
44 基板収容凹所
51 CVDガス入口管
52 CVDガス出口管
P 基板

Claims

生成部に一方向のCVDガス流れを生じさせるCVDガス手段を備えており、生成部に保持された基板の表面にカーボンナノチューブが生成されるようになされているカーボンナノチューブ製造装置において、
生成部に、基板を載せるための支持体が配置されており、支持体の上方に、下向き基板収容凹所を有する可動容器が上下動しうるように配置されており、上昇時の可動容器の基板収容凹所下方に対し、カーボンナノチューブ生成前の基板が搬入され、カーボンナノチューブ生成後の基板が搬出されるようになされており、
生成部の基板搬送方向上流に、予熱部が設けられ、生成部の基板搬送方向下流に、冷却部が設けられている、
ことを特徴とするカーボンナノチューブ製造装置。
CVDガス手段によって、下降時の可動容器の基板収容凹所内にCVDガスの流れが生じさせられるようになされており、基板収容凹所内のCVDガス流れ方向下流に多孔質体が配置されている請求項１に記載のカーボンナノチューブ製造装置。
基板収容凹所内のCVDガス流れ方向上流に多孔質体が配置されている請求項２に記載のカーボンナノチューブ製造装置。
多孔質体のCVDガス流れ方向下流にCVDガスの未反応ガスを燃焼させるための燃焼ガスを供給する燃焼ガス手段を備えている請求項１または２に記載のカーボンナノチューブ製造装置。
CVDガス手段が、多孔質体のCVDガス流れ方向下流に設けられたガス出口を有しており、燃焼ガス手段が、ガス出口に対し間隔をおいて相対させられているガス供給口を有している請求項４に記載のカーボンナノチューブ製造装置。