JP5968136B2

JP5968136B2 - Ｄｌｃ粉末作製装置および方法

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Publication number: JP5968136B2
Application number: JP2012159658A
Authority: JP
Inventors: 暢之寺山
Original assignee: Shinko Seiki Co Ltd
Current assignee: Shinko Seiki Co Ltd
Priority date: 2012-07-18
Filing date: 2012-07-18
Publication date: 2016-08-10
Anticipated expiration: 2032-07-18
Also published as: JP2014019609A

Description

本発明は、ＤＬＣ（Diamond like Carbon）粉末の作製装置および方法に関し、特に、オニオンライクカーボン（Onion
Like Carbon；以下「ＯＬＣ」と言う。）の原料に適したＤＬＣ粉末の作成装置および方法に関する。

ＯＬＣは、直径が数ｎｍ〜数十ｎｍの球状粒子であり、大気中および真空中のいずれにおいても極めて低い摩擦係数を示し、また、耐面圧性にも優れていることから、とりわけ固体潤滑剤としての応用が期待されている。このようなＯＬＣの作製方法として、従来、例えば特許文献１に開示されたものがある。この従来技術によれば、衝撃合成法（爆発法）によって直径４ｎｍ〜６ｎｍのダイヤモンド微粉末（Diamond Nano Powder；以下「ＤＮＰ」と言う。）が作製される。そして、このＤＮＰが１６００℃〜１８００℃の不活性ガス雰囲気中で加熱処理されることによってＯＬＣが作製される。

特開平１１−１５７８１８号公報

しかし、上述の従来技術では、ＯＬＣの原料であるＤＮＰが１ｇ当たり約５，０００円（２０１２年６月現在）と比較的に高価であるため、最終目的物である当該ＯＬＣもまた高価になる、という問題がある。

そこで、本発明は、ＯＬＣの安価化を実現するべく、当該ＯＬＣの原料に適したＤＬＣ粉末を極めて低コストで作製できる装置および方法を提供することを、目的とする。

この目的を達成するために、本発明は、ＤＬＣ粉末の作製装置に係る第１発明と、当該ＤＬＣ粉末の作製方法に係る第２発明と、を含む。

このうちの第１発明は、基準電位に接続された真空槽と、この真空槽の内部に設置された開口形状の容器と、当該真空槽の内部に原料ガスとしての炭化水素系ガスを導入するガス導入手段と、を具備する。併せて、真空槽と容器とを一対の電極としてこれら両者に炭化水素系ガスを放電させるための交流の放電用電力を供給する放電用電力供給手段を、具備する。さらに、放電用電力の値が第１電力値となる第１期間と当該放電用電力の値が第１電力値よりも小さい第２電力値となる第２期間とが交互に形成されるように当該放電用電力の態様を制御する電力態様制御手段を、具備する。

このように構成された本第１発明によれば、基準電位に接続された真空槽の内部に、開口形状の容器が設置される。そして、この真空槽の内部に、原料ガスとしての炭化水素系ガスがガス導入手段によって導入される。この状態で、真空槽と容器とを一対の電極として、これら両者に、炭化水素系ガスを放電させるための交流の放電用電力が放電用電力供給手段によって供給される。すると、炭化水素系ガスが放電して、真空槽の内部にプラズマが発生する。そして、このプラズマ中の炭素イオンが一対の電極のうち基準電位に接続されていない側の電極である容器の表面、特に当該容器の内壁、に入射される。これにより、当該容器の内壁に、硬質炭素微粉末であるＤＬＣ粉末が堆積する。即ち、炭化水素系ガスという比較的に安価な物質を出発原料としてＤＬＣ粉末が作製される。このことは、ＤＬＣ粉末の作製コストの低減に大きく貢献する。

その一方で、このような炭化水素系ガスを出発原料とするＤＬＣ粉末の作製要領によれば、プラズマ中の炭素ラジカルが重合反応して、一対の電極のうち基準電位に接続されている側の電極である真空槽の内壁に、微粉末状の重合体、言わば重合粉末、が必然的に付着する。この一種の副産物である重合粉末は、真空槽の内壁を汚染すると共に、本来の作製対象であるＤＬＣ粉末にとって不純物となる恐れがある等、種々の支障を来す。従って、適当な時期に、例えば１バッチが終了するごとに、この重合粉末を除去する必要がある。ところが、そうなると当然に、その除去作業のための余分な時間や手間が掛かり、結果的に、ＤＬＣ粉末の作製コストが高騰する。これでは、安価な炭化水素系ガスを出発原料としてＤＬＣ粉末を作製することによる効果、つまり当該ＤＬＣ粉末の作製コストの低減効果、が大きく薄れてしまう。

そこで、本第１発明ではさらに、一対の電極としての真空槽と容器とに供給される放電用電力の態様が電力態様制御手段によって制御される。具体的には、放電用電力の値が第１電力値となる第１期間と、当該放電用電力の値が第１電力値よりも小さい第２電力値となる第２期間と、が交互に形成されるように制御される。この制御によれば、第１期間においては、プラズマのエネルギが比較的に大きい状態となり、第２期間においては、当該第１期間よりもプラズマのエネルギが小さい状態となり、これら２つの状態が、交互に繰り返される。このような制御が成されることで、例えば放電用電力の値が一定とされる場合に比べて、つまりプラズマのエネルギが一定とされる場合に比べて、重合粉末の生成量が大幅に抑制されることが、このたびに、実験によって確認された。そして、このように重合粉末の生成量が大幅に抑制されることで、当該重合粉末の除去作業に掛かる時間や手間が大幅に削減され、ひいては安価な炭化水素系ガスを出発原料とすることによるＤＬＣ粉末の作製コストの低減効果が十分に発揮される。

なお、本第１発明によって作製されたＤＬＣ粉末は、ＯＬＣの原料として好適である。具体的には、ＤＬＣ粉末は、真空中または不活性ガス雰囲気中で加熱されることによってＯＬＣに変換される。即ち、炭化水素系ガスを出発原料としてＯＬＣが作製されることになる。

本第１発明において、電力態様制御手段は、第１期間と第２期間と第１電力値と第２電力値とのそれぞれを任意に制御できるものであるのが好ましい。

特に、第１期間は、１０ｍｓ〜１０ｓの範囲で任意に制御できるのが好ましい。上述したように、第１期間においては、プラズマのエネルギが比較的に大きい状態にあるので、当該プラズマによるＤＬＣ粉末の作製作用も大きい。従って例えば、この第１期間が長いほど、ＤＬＣ粉末の作製速度（レート）が高くなる。このことは、ＤＬＣ粉末を効率よく作製するという観点では、好都合である。ただし、第１期間においては、プラズマ中の炭素ラジカルの重合反応も活発であるため、上述の重合粉末もまた生成され易い。ゆえに、第１期間が長いと、重合粉末の作製速度も相応に高くなり、この点では、不都合である。これとは反対に、第１期間が短いほど、重合粉末の生成速度が低くなるので、この点では、好都合である。しかし、第１期間が短いほど、ＤＬＣ粉末の作製速度もまた低くなり、当該第１期間が過度に短いと、ＤＬＣ粉末が作製されなくなり、極めて不都合である。これらの兼ね合いから、第１期間は、１０ｍｓ〜１０ｓの範囲が適当であり、より好ましくは２００ｍｓ〜１ｓの範囲が適当であることが、このたび、実験によって確認された。

第２期間もまた、１０ｍｓ〜１０ｓの範囲で任意に制御できるのが好ましい。上述したように、第２期間においては、第１期間よりもプラズマのエネルギが小さい状態にあるので、当該プラズマによるＤＬＣ粉末の作製作用が小さい。従って例えば、この第２期間が長いほど、ＤＬＣ粉末の作製速度が低くなり、不都合である。ただし、第２期間においては、プラズマ中の炭素ラジカルの重合反応も低調であるため、当該第２期間が長いほど、重合粉末の生成速度が低くなり、この点では、好都合である。これとは反対に、第２期間が短いと、特に過度に短いと、当該第２期間がないのと同様の状態となり、言い換えればプラズマのエネルギが大きい第１期間が連続するのと同様の状態となる。この状態では、ＤＬＣ粉末の作製速度は高いが、重合粉末の生成速度もまた高く、やはり不都合である。これらの兼ね合いから、第２期間は、１０ｍｓ〜１０ｓの範囲が適当であり、より好ましくは２００ｍｓ〜１ｓの範囲が適当であることが、このたび、実験によって確認された。

さらに、第２電力値は、第１電力値の２０％以下であるのが好ましい。即ち、第１電力値（の好適値）は、特に容器の大きさによって変わるが、第２電力値は、当該第１電力値の２０％以下とされるのが適当であり、より好ましくは０（ゼロ）とされるのが適当であることが、このたび、実験によって確認された。要するに、第１電力値および第２電力値がこのような関係とされると共に、第１期間および第２期間のそれぞれが上述の如く１０ｍｓ〜１０ｓの範囲とされることによって、ＤＬＣ粉末を効率よく作製しつつ、重合粉末の生成量を大幅に抑制し得ることが、当該実験によって確認された。

加えて、ガス導入手段は、真空槽と絶縁された状態にあるガス導入管を含むものであってもよい。この場合、炭化水素系ガスは、ガス導入管を介して真空槽の内部に導入される。そして、ガス導入管は、その真空槽の内部における炭化水素系ガスの噴出口を容器の開口部の近傍に位置させるように設けられる。さらに、ガス導入管に対して基準電位を基準とする正電位の直流電力を供給する直流電力供給手段が設けられるのが、好ましい。この構成によれば、ガス導入管が、言わば陽極として機能する。そして、この陽極としてのガス導入管に、プラズマ中の電子が引き込まれる。この結果、ガス導入管の周囲、特にその炭化水素系ガスの噴出口の周囲に、高濃度の放電、いわゆるホローアノード放電が発生する。このホローアノード放電が発生することによって、つまり容器の開口部の近傍に当該ホローアノード放電という高密度な放電が発生することによって、その高密度な放電領域での炭化水素系ガスの分解効率が向上し、ひいては当該容器の内壁に作製されるＤＬＣ粉末の作製効率が向上する。

また、本第１発明においては、上述のプラズマを容器内に閉じ込めるための磁場を形成する磁場形成手段がさらに設けられてもよい。このような磁場形成手段が設けられることによって、容器内におけるプラズマの密度が向上し、ひいては当該容器の内壁へのＤＬＣ粉末の作製効率が一段と向上する。

本発明のうちの第２発明は、第１発明に対応する方法発明であり、基準電位に接続されると共に内部に開口形状の容器が設置された真空槽の当該内部に原料ガスとしての炭化水素系ガスを導入するガス導入過程を、具備する。そして、真空槽と容器とを一対の電極としてこれら両者に炭化水素系ガスを放電させるための交流の放電用電力を供給する放電用電力供給過程を、具備する。さらに、放電用電力の値が第１電力値となる第１期間と当該放電用電力の値が第１電力値よりも小さい第２電力値となる第２期間とが交互に形成されるように当該放電用電力の態様を制御する電力態様制御過程を、具備する。

上述したように、本発明によれば、安価な炭化水素系ガスを出発原料としてＤＬＣ粉末が作製されるので、当該ＤＬＣ粉末の作製コストを大幅に低減することができる。また、この炭化水素系ガスを出発原料とするＤＬＣ粉末の作製要領においては、重合粉末という言わば不要な副産物が生成されるが、この重合粉末の生成量を大幅に抑制することができる。従って、この重合粉末を除去するための余分な時間や手間が大幅に削減され、ひいては安価な炭化水素系ガスを出発原料とすることによるＤＬＣ粉末の作製コストの低減効果が十分に発揮される。そして、このようにして作製されたＤＬＣ粉末は、ＯＬＣの原料として好適である。即ち、本発明によれば、ＯＬＣの原料として好適なＤＬＣ粉末を極めて低コストで作製することができる。

本発明の一実施形態に係るＤＬＣ粉末作製装置の概略構成を示す図である。同実施形態におけるパルス電源装置から真空槽およびルツボへの放電用電力の供給態様を示す図解図である。同実施形態における実験結果を示す図である。同実験結果を示す別の図である。

本発明の一実施形態について、以下に詳しく説明する。

図１に示すように、本実施形態に係るＤＬＣ粉末作製装置１０は、両端に当たる部分が閉鎖された概略円筒形の真空槽１２を備えている。この真空槽１２は、当該円筒形の一方端に当たる部分（図１における上方部分）を上壁とし、他方端に当たる部分（図１における下方部分）を底壁として、設置されている。なお、この真空槽１２の内部空間の直径は、約１１００ｍｍであり、高さ寸法は、約１０００ｍｍである。この真空槽１２の形状や寸法は、一例であり、状況に応じて適宜に定められてもよい。また、真空槽１２は、高耐食性および高耐熱性の金属、例えばＳＵＳ３０４等のステンレス鋼、によって形成されており、その壁部は、基準電位としての接地電位に接続されている。

さらに、真空槽１２の壁部の適宜位置、例えば底壁の中央よりも僅かに外方寄り（図１における左寄り）の位置には、排気口１４が設けられている。そして、この排気口１４には、図示しない排気管を介して、真空槽１２の外部に設けられている図示しない排気手段としての真空ポンプが結合されている。なお、真空ポンプは、真空槽１２内の圧力Ｐを制御する圧力制御手段としても機能する。また、排気管の途中には、図示しない自動圧力制御器が設けられており、この自動圧力制御器もまた、当該圧力制御手段として機能する。

そして、真空槽１２内の略中央位置には、容器としてのルツボ１６が配置されている。このルツボ１６は、一方端に当たる部分が開口されると共に、他方端に当たる部分が閉鎖された概略円筒形のものであり、当該開口部を上方に向けた状態で配置されている。このルツボ１６の外径は、約３００ｍｍであり、高さ寸法は、約３００ｍｍであり、厚さ寸法（肉厚）は、側壁部および底壁部共に約１ｍｍ（数ｍｍ）である。このルツボ１６の形状や寸法も、一例であり、状況に応じて適宜に定められ、特に形状については、概略円筒形に限らず、枡形や皿形等の開口形状であればよい。また、このルツボ１６は、導電性および非磁性を有し、かつ、後述するＤＬＣ粉末１００との密着性の低い高融点材料、例えばＳＵＳ３０４等のステンレス鋼、によって形成されている。勿論、これ以外の高融点金属、例えばモリブデン（Ｍｏ）やタンタル（Ｔａ），タングステン（Ｗ），グラファイト（Ｃ）等によって、当該ルツボ１６が形成されてもよい。

ルツボ１６には、真空槽１２の外部に設けられている放電用電力供給手段としてのパルス電源装置１８から放電用電力としての非対称矩形波交流パルス電力Ｅｐが供給される。厳密に言えば、真空槽１２を陽極とし、ルツボ１６を陰極として、これら両者に、当該パルス電力Ｅｐが供給される。なお、パルス電源装置１８は、パルス電力Ｅｐの電力値を制御する電力制御モードと、電流値を制御する電流制御モードと、電圧値を制御する電圧制御モードと、の３つの制御モードを有している。本実施形態においては、パルス電源装置１８は、電力制御モードで使用される。この電力制御モードを含むいずれの制御モードにおいても、パルス電源装置１８は、パルス電力Ｅｐの周波数を例えば１０ｋＨｚ〜２５０ｋＨｚの範囲で任意に制御することができ、また、デューティ比を例えば５％〜５０％の範囲で任意に制御することができる。

さらに、パルス電源装置１８には、電力態様制御手段としての電力制御装置２０が接続されている。この電力制御装置２０は、パルス電源装置１８からルツボ１６に供給されるパルス電力Ｅｐの態様を図２に示すような態様に制御する。即ち、電力制御装置２０は、パルス電力Ｅｐの電力値がＥ１という比較的に大きい値となる高電力期間Ｔ１と、この高電力期間Ｔ１における電力値Ｅ１よりも小さいＥ２（＜Ｅ１）という電力値となる低電力期間Ｔ２と、が交互に形成されるように、言わば矩形波状に、パルス電源装置１８からルツボ１６への当該パルス電力Ｅｐの供給態様を制御する。なお、電力制御装置２０は、高電力期間Ｔ１，低電力期間Ｔ２，高電力値Ｅ１および低電力値Ｅ２のそれぞれを任意に制御することができる。具体的には、高電力期間Ｔ１および低電力期間Ｔ２のそれぞれは、例えば１０ｍｓ〜１０ｓの範囲で任意に制御可能とされている。そして、高電力値Ｅ１は、ルツボ１６の大きさ（径）等によって変わるが、例えば最大１０ｋＷまで任意に制御可能とされている。低電力値Ｅ２もまた、任意に制御可能であるが、当該低電力値Ｅ２は、高電力値Ｅ１の２０％以下（Ｅ２≦０．２・Ｅ１）とされる。

図１に戻って、ルツボ１６の周囲（側壁および底壁）を取り巻くように、当該ルツボ１６よりも一回り大きめの概略円筒形のヒータ２２がさらに設けられている。このヒータ２２は、真空槽１２の外部に設けられている図示しないヒータ加熱用電源からヒータ加熱用電力が供給されることによって加熱される。そして、このヒータ２２が加熱されることで、ルツボ１６の温度、詳しくは当該ルツボ１６の内壁の温度が、例えば１００℃〜３００℃の範囲で任意に制御可能とされている。

さらに、真空槽１２の壁部の適宜位置、例えば上壁、を貫通するように、ガス導入管２４が設けられている。このガス導入管２４は、モリブデンやタンタル等の高融点金属製であり、絶縁碍子２６によって真空槽１２（の壁部）と電気的に絶縁されている。そして、このガス導入管２４の先端部分、詳しくは真空槽１２内における端部は、ルツボ１６の開口部の略中央に位置している。さらに、このガス導入管２４の先端部分は、概略円錐状に広がるように形成されている。一方、ガス導入管２４の基端部分、つまり真空槽１２の外部における端部は、当該真空槽１２の外部に設けられている図示しない放電用ガス供給源としてのアルゴン（Ａｒ）ガス供給源と、図示しない原料ガス供給源としてのアセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）ガス供給源と、に結合されている。また、真空槽１２の外部におけるガス導入管２４の途中には、当該ガス導入管２４内を流れるアルゴンガスおよびアセチレンガスの流量を個別に制御するための図示しない流量制御手段、例えばマスフローコントローラと、当該アルゴンガスおよびアセチレンガスの流通を個別に開閉するための図示しない開閉手段、例えば開閉バルブと、が設けられている。

併せて、ガス導入管２４には、真空槽１２の外部に設けられている直流電力供給手段としてのノズル用電源装置２８から接地電位を基準とする正電位の直流電力Ｅａが供給される。この直流電力Ｅａの電圧値は、当該ノズル用電源装置２８によって例えば＋１０Ｖ〜＋１００Ｖの範囲で任意に制御可能とされている。

また、真空槽１２の外部には、当該真空槽１２の上壁および底壁のそれぞれの周縁に沿うように、磁場形成手段としての一対の電磁コイル３０および３２が設けられている。これらの電磁コイル３０および３２は、真空槽１２の外部に設けられている図示しない磁場形成用電源装置から直流の磁場形成用電力が供給されることによって、真空槽１２内の中央に後述するプラズマ２００が閉じ込められるように、好ましくはルツボ１６内に当該プラズマ２００が閉じ込められるように、真空槽１２内にいわゆるミラー磁場を形成する。このミラー磁場の強さは、ルツボ１６内において１ｍＴ〜１０ｍＴの範囲で任意に制御可能とされている。

このように構成されたＤＬＣ粉末作製装置１０によれば、アセチレンガスを出発原料としてＤＬＣ粉末１００を作製することができ、特にＯＬＣの原料として好適な当該ＤＬＣ粉末１００を作製することができる。

そのためにまず、前処理としての真空引きが行われる。具体的には、真空槽１２内の圧力Ｐが２×１０^−３Ｐａ以下となるまで、好ましくは５×１０^−４Ｐａ以下となるまで、当該真空槽１２内が上述の真空ポンプによって排気される。

この真空引き後、ガス導入管２４を介して真空槽１２内にアルゴンガスが導入される。この状態で、パルス電源装置１８からルツボ１６にパルス電力Ｅｐが供給される。すると、真空槽１２内のアルゴンガスが放電して、当該真空槽１２内にプラズマ２００が発生する。その上で、ガス導入管２４を介して真空槽１２内にアセチレンガスが導入される。すると、このアセチレンガスがプラズマ２００によって分解されて、当該アセチレンガスの分解粒子である炭素イオンが生成される。そして、この炭素イオンは、陰極であるルツボ１６の表面、特に内壁、に入射される。これにより、ルツボ１６の内壁に、ＤＬＣ粉末１００が作製される。

なお、ＤＬＣ粉末１００は、次の２つのプロセスが同時に進行することによって作製されるものと、推測される。１つめは、ルツボ１６の内壁にＤＬＣの被膜が形成されるものの、このＤＬＣ被膜が自身の内部応力によってルツボ１６の内壁から剥離し、これがＤＬＣ粉末１００となる。そして、２つめは、プラズマ２００中の炭素イオンが当該プラズマ２００中（気相中）で再結合して、これがＤＬＣ粉末１００としてルツボ１６の内壁に堆積する。これらの２つのプロセスが同時進行することによって、ＤＬＣ粉末１００が作製されるものと、推測される。

ここで、ガス導入管２４の先端部分がルツボ１６の開口部の略中央に位置していることにより、当該ガス導入管２４の先端部分から噴出されるアセチレンガスがルツボ１６内に直接的に導入される。これにより、ルツボ１６の内壁へのＤＬＣ粉末１００の作製効率の向上が図られ、特に当該ＤＬＣ粉末１００の作製速度の向上が図られる。

加えて、各電磁コイル３０および３２に磁場形成用電源装置から磁場形成用電力が供給される。これにより、真空槽１２内に上述のミラー磁場が形成され、真空槽１２内の中央にプラズマ２００が閉じ込められ、特にルツボ１６内に当該プラズマ２００が閉じ込められる。この結果、ルツボ１６内におけるプラズマ２００の密度が向上し、当該ルツボ１６の内壁へのＤＬＣ粉末１００の作製速度がより一層向上する。

さらに、ガス導入管２４にノズル用電源装置２８から直流電力Ｅａが供給される。すると、ガス導入管２４が言わば第２の陽極として機能するようになり、この第２の電極としてのガス導入管２４にプラズマ２００中の電子が引き込まれる。この結果、ガス導入管２４の周囲、特にその先端部分の周囲に、高密度の放電、いわゆるホローアノード放電３００が発生する。そして、このホローアノード放電３００が発生することによって、つまりルツボ１６の開口部の近傍に当該ホローアノード放電３００という高密度な放電が発生することによって、当該ルツボ１６の内壁へのＤＬＣ粉末１００の作製速度が一段と向上する。また、このホローアノード放電３００の大きさをルツボ１６（の開口部）の大きさに合わせるために、上述の如くガス導入管２４の先端部分が概略円錐状に広がるように形成されており、つまり当該ガス導入管２４の先端部分の表面積が適宜に調整されている。

さらに、ヒータ２２にヒータ加熱用電源からヒータ加熱用電力が供給されることによって、当該ヒータ２２が加熱され、ひいてはルツボ１６の内壁の温度、言わばＤＬＣ粉末１００の作製温度が、制御される。ただし、このＤＬＣ粉末１００の作製温度が高すぎると、プラズマ２００によるアセチレンガスの分解粒子である水素ラジカルや水素イオンがＤＬＣ粉末１００と反応して、当該ＤＬＣ粉末１００がガス化される。そして、このＤＬＣ粉末１００のガス化によって、当該ＤＬＣ粉末１００の作製速度が低下する恐れがある。そのため、ＤＬＣ粉末１００の作製温度は３００℃以下とされ、好ましくは１００℃〜３００℃の範囲内とされる。

このような要領で所定量のＤＬＣ粉末１００が作製されると、この作製処理を終了するべく、後処理が行われる。具体的には、ヒータ２２へのヒータ加熱用電力の供給が停止される。併せて、ガス導入管２４への直流電力Ｅａの供給が停止されると共に、ルツボ１６へのパルス電力Ｅｐの供給が停止される。さらに、ガス導入管２４を介しての真空槽１２内へのアルゴンガスおよびアセチレンガスの導入が停止される。そして、真空槽１２内の圧力Ｐが徐々に大気圧と同程度に戻され、その後、１０分間〜３０分間程度の適当な冷却期間が置かれる。その上で、真空槽１２内が大気に開放されて、当該真空槽１２内からＤＬＣ粉末１００がルツボ１６ごと取り出される。これをもって、後処理を含むＤＬＣ粉末１００の作製処理が終了する。

なお、ルツボ１６ごと取り出されたＤＬＣ粉末１００は、ブラシ等の適用な回収手段によって回収される。そして、このＤＬＣ粉末１００を原料として、ＯＬＣが作製される。具体的には、当該ＤＬＣ粉末１００は、真空中または不活性ガス雰囲気中で７００℃〜２０００℃に加熱され、好ましくは１６００℃〜２０００℃に加熱される。これによって、当該ＤＬＣ粉末１００は、ＯＬＣに変換される。要するに、アセチレンガスという比較的に安価な物質を出発原料としてＤＬＣ粉末１００が作製され、ひいてはＯＬＣが作製される。これは、ＤＬＣ粉末１００の作製コストの低減、つまりＯＬＣの作製コストの低減に、大きく貢献する。

ところで、このアセチレンガスという炭化水素系ガスを出発原料とするＤＬＣ粉末１００の作成要領によれば、プラズマ２００中の炭素ラジカルが重合反応することで、陽極としての真空槽１２の内壁に、微粉末状の重合体、言わば重合粉末、が必然的に付着する。この一種の副産物である重合粉末は、真空槽の内壁を汚染すると共に、本来の作製対象であるＤＬＣ粉末１００にとって不純物となる恐れがある等、種々の支障を来す。従って、適当な時期に、例えば１バッチが終了するごとに、この重合粉末を除去する必要がある。ところが、そうなると当然に、その除去作業のための余分な時間や手間が掛かり、結果的に、ＤＬＣ粉末１００の作製コストが高騰する。これでは、安価なアセチレンガスを出発原料としてＤＬＣ粉末１００を作製することによる効果、つまり当該ＤＬＣ粉末１００の作製コストの低減効果、が大きく薄れてしまう。

そこで、上述の電力制御装置２０が設けられている。即ち、この電力制御装置２０は、上述の如くパルス電源装置１８からルツボ１６に供給されるパルス電力Ｅｐの態様を図２に示したような矩形波状の態様に制御するものであるが、このような制御が成されることで、例えば当該パルス電力Ｅｐの供給態様が一定とされる場合に比べて、つまり電力制御装置２０が設けられない場合に比べて、重合粉末の生成量が大幅に抑制されることが、このたび、実験によって確認された。

具体的には、上述した真空引き後のＤＬＣ粉末１００の作製処理において、真空槽１２内にアルゴンガスが５０ｍＬ／ｍｉｎという流量で導入されると共に、アセチレンガスが５００ｍＬ／ｍｉｎという流量で導入される。そして、真空槽１２内の圧力Ｐが０．１Ｐａ〜１０Ｐａとされる。この状態で、ルツボ１６に供給されるパルス電力Ｅｐの周波数が１００ｋＨｚとされ、デューティ比が３０％とされる。併せて、ガス導入管２４に供給される直流電力Ｅａの電圧値が＋３０Ｖとされる。そして、各電磁コイル３０および３２に供給される磁場形成用電力の電流値が２０Ａとされることによって、ルツボ１６内の磁束密度が１ｍＴ〜１０ｍＴとされる。さらに、ヒータ２２によるルツボ１６の内壁の加熱温度が１００℃とされる。その上で、電力制御装置２０によってパルス電力Ｅｐの高電力期間Ｔ１が５００ｍｓとされ、この高電力期間Ｔ１における電力値Ｅ１が５ｋＷとされる。そして、当該パルス電力Ｅｐの低電力期間Ｔ２もまた５００ｍｓとされ、この低電力期間Ｔ２における電力値Ｅ２が０ｋＷとされる。つまり、当該パルス電力Ｅｐがルツボ１６に間欠的に供給され、言わば時間変調される。このような条件によって、ＤＬＣ粉末１００の作製処理を５時間にわたって実施してみた。また、比較対照用として、電力制御装置２０を無効化（電源オフ）することで、ルツボ１６へのパルス電力Ｅｐの供給態様を一定とし、詳しくは当該パルス電力Ｅｐの電力値を２．５ｋＷという一定値とし、この条件（他の条件は同じ）によっても、ＤＬＣ粉末１００の作製処理を５時間にわたって実施してみた。なお、いずれの条件においても、ルツボ１６に供給されるパルス電力Ｅｐの５時間分の積算電力量は１２．５ｋＷｈである。

この結果、パルス電力Ｅｐが時間変調（間欠供給）された場合でも、当該パルス電力Ｅｐが一定と（連続供給）された場合でも、５時間にわたるＤＬＣ粉末１００の作製処理によって約６０ｇの当該ＤＬＣ粉末１００が作製されることが確認された。即ち、いずれの場合でも、ＤＬＣ粉末１００の作製速度は約１２ｇ／ｈであり、同程度であった。

ただし、重合粉末の生成量に注目すると、両者に明らかな差異が見られた。即ち、パルス電力Ｅｐが一定とされた場合には、図３（ａ）に示すように、多量の重合粉末が生成されることが確認された。なお、この図３（ａ）は、真空槽１２の内壁の汚染を防止するために当該真空槽１２の内壁に貼着されたステンレス鋼製の防着板をデジタルカメラで撮影した画像であり、この図３（ａ）において、当該防着板に付着している氷柱状または綿状に見えるものが重合粉末である。これに対して、パルス電力Ｅｐが時間変調された場合には、図３（ｂ）に示すように、多少の重合粉末は見られるものの、その生成量は少なく、特に図３（ａ）のものに比べて遥かに少ない。

この実験結果を総合すると、パルス電力Ｅｐが時間変調される本実施形態によれば、当該パルス電力Ｅｐが一定とされる場合と比較して、ルツボ１６に供給されるパルス電力Ｅｐの電力量（消費電力量）が同じであるならば、ＤＬＣ粉末１００の作製速度が同程度である一方、重合粉末の生成量を大幅に抑制できることが、確認された。

また、さらなる実験として、先の実験と基本的に同じ条件下で、パルス電力Ｅｐのみを変化させ、このパルス電力ＥｐとＤＬＣ粉末１００の作成速度との関係を調べてみた。具体的には、パルス電力Ｅｐが時間変調される場合に、当該パルス電力Ｅｐの高電力値Ｅ１のみを変化させ、それぞれの高電力値Ｅ１に対するＤＬＣ粉末１００の作成速度を調べてみた。そして、パルス電力Ｅｐが一定とされる場合に、その電力値を変化させ、それぞれの電力値Ｅｐに対するＤＬＣ粉末１００の作成速度を調べてみた。この実験によって、図４に示すような結果が得られた。

即ち、パルス電力Ｅｐが一定とされた場合には、図４に太破線（□印付き）の曲線Ａで示されるように、当該パルス電力Ｅｐの電力値が２ｋＷ以上であれば、ＤＬＣ粉末１００の作成速度が約１２ｇ／ｈとなり、概ね飽和する。これに対して、パルス電力Ｅｐが時間変調された場合には、図４に太実線（○印付き）の曲線Ｂで示されるように、当該パルス電力Ｅｐの高電力値Ｅ１が４ｋＷ以上であれば、ＤＬＣ粉末１００の作成速度が同程度の約１２ｇ／ｈとなり、概ね飽和する。このことから、パルス電力Ｅｐが時間変調された場合でも、当該パルス電力Ｅｐが一定とされた場合でも、当該パルス電力Ｅｐの１時間当たりの電力量が２ｋＷｈ以上であれば、ＤＬＣ粉末１００の作製速度は約１２ｇ／ｈという同程度となることが、確認された。

ただし、この実験においても、先の実験と同様、重合粉末の生成量に注目すると、パルス電力Ｅｐが一定とされた場合と、当該パルス電力Ｅｐが時間変調された場合とで、大きな差異が見られた。即ち、パルス電力Ｅｐが一定とされた場合には、多量の重合粉末が生成されるのに対して、当該パルス電力Ｅｐが時間変調された場合には、重合粉末の生成量が大幅に抑制されることが、確認された。

なお、詳しい図示は省略するが、パルス電力Ｅｐが時間変調される場合、当該パルス電力Ｅｐの高電力期間Ｔ１と低電力期間Ｔ２とが等価（Ｔ１：Ｔ２＝１：１）であれば、これら各期間Ｔ１およびＴ２のそれぞれが１０ｍｓ〜１０ｓの範囲内にあるときに、確実的には２００ｍｓ〜１ｓの範囲内にあるときに、上述と同様の実験結果が得られることが、つまりＤＬＣ粉末１００を一定以上の速度で作製しつつ、重合粉末の生成量を大幅に抑制し得ることが、確認された。

ここで例えば、高電力期間Ｔ１に注目すると、この高電力期間Ｔ１においては、プラズマ２００のエネルギが比較的に大きい状態にある。つまり、当該プラズマ２００によるＤＬＣ粉末１００の作成作用が大きい状態にある。従って、この高電力期間Ｔ１が長いほど、ＤＬＣ粉末１００の作製速度が高くなる。ところが、高電力期間Ｔ１においては、プラズマ２００中の炭素ラジカルの重合反応も活発であるため、重合粉末もまた生成され易い。ゆえに、高電力期間Ｔ１が長いほど、重合粉末の作製速度も相応に高くなり、この点で、不都合である。これとは反対に、高電力期間Ｔ１が短いほど、重合粉末の生成速度が低くなるので、この点で、好都合である。しかし、高電力期間Ｔ１が短いほど、ＤＬＣ粉末１００の作製速度もまた低くなり、当該高電力期間Ｔ１が過度に短いと、ＤＬＣ粉末１００が作製されなくなり、極めて不都合である。これらの兼ね合いから、高電力期間Ｔ１は、上述の如く１０ｍｓ〜１０ｓの範囲内とされ、より好ましくは２００ｍｓ〜１ｓの範囲内とされる。

一方、低電力期間Ｔ２に注目すると、この低電力期間Ｔ２においては、当該低電力期間Ｔ２における電力値Ｅ２が０であることから、プラズマ２００が消滅する。このとき、上述したホローアノード放電３００も一緒に消滅する。従って、この低電力期間Ｔ２においては、基本的に（高電力期間Ｔ１から低電力期間Ｔ２に切り替わる瞬間を除いて）ＤＬＣ粉末１００は作製されない。ゆえに例えば、この低電力期間Ｔ２が長いほど、ＤＬＣ粉末１００の作製速度が低くなり、不都合である。ただし、低電力期間Ｔ２においては、プラズマ２００中の炭素ラジカルの重合反応も低調であるため、当該低電力期間Ｔ２が長いほど、重合粉末の生成速度が低くなり、この点で、好都合である。これとは反対に、低電力期間Ｔ２が短いと、特に過度に短いと、当該低電力期間Ｔ２がないのと同様の状態となり、言い換えればプラズマ２００のエネルギが大きい高電力期間Ｔ１が連続するのと同様の状態となる。この状態では、ＤＬＣ粉末１００の作製速度は高いが、重合粉末の生成速度もまた高く、やはり不都合である。これらの兼ね合いから、低電力期間Ｔ２は、１０ｍｓ〜１０ｓの範囲内とされ、より好ましくは２００ｍｓ〜１ｓの範囲内とされる。

さらに、高電力期間Ｔ１における電力値Ｅ１に注目すると、この高電力値Ｅ１は、上述の如くルツボ１６の大きさ等によって変わり、つまり当該ルツボ１６の大きさ等に応じて適宜に設定される。一方、低電力期間Ｔ２における電力値Ｅ２は、０に限らず、高電力値Ｅ１の２０％以下であればよい。即ち、詳しい図示は省略するが、低電力値Ｅ２が高電力値Ｅ１の２０％以下であれば、当該低電力値Ｅ２が０であるときと、つまりパルス電力Ｅｐが時間変調されたときと、同様の結果が得られることが、実験によって確認された。

なお、低電力値Ｅ２が０でないときは、低電力期間Ｔ２においては、ホローアノード放電３００を含むプラズマ２００は消滅せず、言わば弱めに発生した状態にある。言い換えれば、低電力値Ｅ２が０であるときには、ホローアノード放電３００を含むプラズマ２００は点滅し、低電力値Ｅ２が０でないときには、ホローアノード放電３００を含むプラズマ２００は点滅するのではなく強弱を繰り返す。

また、上述の各実験では、真空槽１２内へのアルゴンガスの流量が５０ｍＬ／ｍｉｎとされ、アセチレンガスの流量が５００ｍＬ／ｍｉｎとされたが、これらは、真空槽１２の大きさ等の状況に応じて適宜に設定される。これと同様に、パルス電力Ｅｐの周波数およびデューティ比、ガス導入管２４に供給される直流電力Ｅａの電圧値、各電磁コイル３０および３２に供給される磁場形成用電力の電流値（ルツボ１６内の磁束密度）、および、ヒータ２２によるルツボ１６の内壁の加熱温度についても、その時々の状況に応じて適宜に設定される。

以上のように、本実施形態によれば、安価なアセチレンガスを出発原料としてＤＬＣ粉末１００が作製されるので、当該ＤＬＣ粉末１００の作製コストを大幅に低減することができる。また、このアセチレンガスという炭化水素系ガスを出発原料とするＤＬＣ粉末の作製要領においては、重合粉末という不要な副産物が生成されるが、この重合粉末の生成量を大幅に抑制することができる。従って、この重合粉末を除去するための余分な時間や手間が大幅に削減され、ひいては安価なアセチレンガスを出発原料とすることによるＤＬＣ粉末１００の作製コストの低減効果が十分に発揮される。そして、このＤＬＣ粉末１００は、ＯＬＣの原料として好適である。即ち、本実施形態によれば、ＯＬＣの原料として好適なＤＬＣ粉末１００を極めて低コストで作製することができる。

なお、本実施形態で説明した内容は、飽くまでも本発明を実現するための１つの具体例であり、本発明の範囲を限定するものではない。

そして、出発原料としてアセチレンガスが採用されたが、これに限らない。メタン（ＣＨ_４）ガスやエチレン（Ｃ_２Ｈ_４）ガス、ベンゼン（Ｃ_６Ｈ_６）ガス等の他の炭化水素系ガスが採用されてもよい。ただし、メタンガスについては、アセチレンガスよりもＤＬＣ粉末１００の作製速度が遅いこと、詳しくは当該アセチレンガスが採用された場合の１／５程度の作製速度しか得られないことが、実験により確認された。このことは、エチレンガスについても、同様である。そして、ベンゼンガスについては、当該ベンゼンが元々液体であるため、これを気化する必要があり、その分、気化設備を含めコストが掛かる。加えて、ベンゼンガスが採用された場合は、これが真空ポンプ中で再液化する恐れがあり、そうなると、当該真空ポンプによる排気効率が低下する。その上、ベンゼンガスは、毒性および発がん性を有するので、その弊害が大きい。これらを総合すると、ＤＬＣ粉末１００の作製速度、コスト、取り扱い易さ、調達容易性、安全性等の観点から、出発原料としてはアセチレンガスが最も好適である。

さらに、電力制御装置２０は、パルス電源装置１８と一体化されたものでもよく、例えば当該パルス電源装置１８に内蔵されてもよい。

また上述したように、本実施形態で作製されたＤＬＣ粉末１００は、真空中または不活性ガス雰囲気中で７００℃〜２０００℃に加熱されることによって、ＯＬＣに変換されるが、そのための装置として、本実施形態のＤＬＣ粉末作製装置１０が利用されてもよい。この場合、ヒータ２２およびヒータ加熱用電源として、ルツボ１６の内壁を当該７００℃〜２０００℃という温度にまで加熱し得る能力を持つものが採用されればよい。勿論、このようなヒータ加熱法に限らず、赤外線加熱法や高周波誘導加熱法、電子ビーム照射加熱法、プラズマ加熱法等の他の加熱法が採用されてもよい。また、本実施形態のＤＬＣ粉末作製装置１０とは別の、つまりＯＬＣ作製（ＤＬＣ粉末−ＯＬＣ変換）専用の、真空装置が用いられてもよい。

１０ＤＬＣ粉末作製装置
１２真空槽
１６ルツボ
１８パルス電源装置
２０電力制御装置

Claims

基準電位に接続された真空槽と、
上記真空槽の内部に設置された開口形状の容器と、
上記真空槽の内部に原料ガスとしての炭化水素系ガスを導入するガス導入手段と、
上記真空槽と上記容器とを一対の電極として該真空槽と該容器とに上記炭化水素系ガスを放電させるための交流の放電用電力を供給する放電用電力供給手段と、
上記放電用電力の値が第１電力値となる第１期間と該放電用電力の値が該第１電力値よりも小さい第２電力値となる第２期間とが交互に形成されるように該放電用電力の態様を制御する電力態様制御手段と、
を具備し、
上記放電用電力は周波数が１０ｋＨｚ〜２５０ｋＨｚの矩形波パルス電力であり、
上記第１期間と上記第２期間とのそれぞれは１０ｍｓ〜１０ｓであり、
上記第２電力値は上記第１電力値の２０％以下である、
ＤＬＣ粉末作製装置。
上記ガス導入手段は上記真空槽と絶縁された状態にあるガス導入管を含み、
上記炭化水素系ガスは上記ガス導入管を介して上記真空槽の内部に導入され、
上記真空槽の内部における上記ガス導入管の上記炭化水素系ガスの噴出口が上記容器の開口部の近傍に位置し、
上記ガス導入管に上記基準電位を基準とする正電位の直流電力を供給する直流電力供給手段をさらに備える、
請求項１に記載のＤＬＣ粉末作製装置。
上記炭化水素系ガスが放電することによって上記真空槽の内部に発生したプラズマを上記容器の内部に閉じ込めるための磁場を形成する磁場形成手段をさらに備える、
請求項１または２に記載のＤＬＣ粉末装置。
基準電位に接続されると共に内部に開口形状の容器が設置された真空槽の該内部に原料ガスとしての炭化水素系ガスを導入するガス導入過程と、
上記真空槽と上記容器とを一対の電極として該真空槽と該容器とに上記炭化水素系ガスを放電させるための交流の放電用電力を供給する放電用電力供給過程と、
上記放電用電力の値が第１電力値となる第１期間と該放電用電力の値が該第１電力値よりも小さい第２電力値となる第２期間とが交互に形成されるように該放電用電力の態様を制御する電力態様制御過程と、
を具備し、
上記放電用電力は周波数が１０ｋＨｚ〜２５０ｋＨｚの矩形波パルス電力であり、
上記第１期間と上記第２期間とのそれぞれは１０ｍｓ〜１０ｓであり、
上記第２電力値は上記第１電力値の２０％以下である、
ＤＬＣ粉末作製方法。