JP6924944B2

JP6924944B2 - 微粒子製造装置及び微粒子製造方法

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Publication number: JP6924944B2
Application number: JP2017075399A
Authority: JP
Inventors: 永井　久雄; 久雄永井; 剛小岩崎; 正明田邉; 大熊　崇文; 崇文大熊
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Priority date: 2017-04-05
Filing date: 2017-04-05
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Description

本発明は、例えば、リチウムイオン電池の電極材、食品包装のフィルム材などへのコーティング材、又は電子機器配線などに使用されるインク原料などに利用される、微粒子製造装置及び微粒子製造方法に関するものである。

近年、ナノメートルオーダーの微粒子は、様々なデバイスに応用が検討されている。例えばニッケルの金属微粒子は、現在、セラミックコンデンサーに使用されており、次世代のセラミックコンデンサーには、粒径２００ナノメートル以下で分散性の良い微粒子の使用が検討されている。

さらに、二酸化シリコンよりも酸素が含有率の低い一酸化シリコン（ＳｉＯ_ｘ：ｘ＝１〜１．６）の微粒子は、光学レンズの反射防止膜又は食品包装用のガスバリアフィルムの蒸着材料として活用されている。最近では、リチウムイオン二次電池の負極材料などへの応用が期待されている。

これらナノメートルオーダーの微粒子の一般的な製造方法としては、原料となるバルク材をセラミック又はジルコニア等のビーズと一緒に導入し、機械的粉砕によって材料を微粒子化する方法、又は、材料を溶融及び蒸発させて空気又は水に噴射して微粒子を得る方法、又は、電解若しくは還元など化学的に微粒子を得る方法などがある。中でも、高周波放電、直流、又は交流アーク放電などの熱プラズマ（約１００００℃）を利用し、気相中で微粒子を作製する方法は、不純物（コンタミネーション）が少なく、生産された微粒子の分散性が優れる、及び、複数の種類の材料からなる複合微粒子の合成が容易である、などの観点から非常に有用である。

図４に、従来例１の熱プラズマを利用した、微粒子の製造装置の概略断面図を示す。

反応室１０１には、材料供給装置１１０と、アーク放電を生成する複数本の電極１０４と、生成した微粒子１１８を回収する微粒子回収部１０３、反応室１０１にガスを供給するガス供給管（図示せず）と圧力を調整するバルブ及びガスを排気するポンプ１１３とを備えた構成をしている。ガス供給管からアルゴンガスを反応室１０１に導入し圧力を調整した後、複数の交流電源１０５から交流電力を複数本の電極１０４に印加することで熱プラズマであるアーク放電１１６を生成する。生成したアーク放電１１６に鉛直下方向から材料供給装置１１０内の材料粒子１１７をキャリアガスと一緒に導入する。導入した材料粒子１１７は、アーク放電１１６によって蒸発及び気化し、反応室１０１の上部で急冷及び凝固して微粒子１１８を生成する。生成された微粒子１１８は、反応室１０１内のガス流れに乗って、微粒子回収部１０３に導入され、微粒子回収部１０３内のフィルタによって回収される。

特開２００４-２６３２５７号公報

図５に従来例１で使用した多相交流アークプラズマをハイスピードカメラで観測したある瞬間の放電の様子を模式化した図を示す。図５に示した黒い三角印「▲」は従来例１の図４で示した電極１０４の先端部１２０を表し、電極１０４は６０°間隔に放射状に６本配置している。電極１０４、すなわち、電極Ｅ１から電極Ｅ６までに、交流電力をその位相を６０°ずつずらしてそれぞれ印加することで、アーク放電１１６を平面方向に生成することができる。図５で示す、ある瞬間のアーク放電領域１２１は、分光分析によるガス温度計測の結果、５０００度以上の高温領域を示している。図５の（ａ）に示すように、ある瞬間、電極Ｅ１の先端部１２０から放電Ｄ１が発生し、電極Ｅ４の先端部１２０から放電Ｄ４が発生し、次の瞬間（図５の（ｂ）参照）、電極Ｅ２から放電Ｄ２が発生し、電極Ｅ５から放電Ｄ５が順次発生する。このように電極Ｅ１から時計回りに電極Ｅ６までアーク放電Ｄ１〜Ｄ６が順次発生し、また電極Ｅ１へと繰り返し放電が発生する。その際、アーク放電Ｄ１自体も電極１０４に対し左側から右側にスイングしながら、他の電極１０４からの放電と重なって放電領域１２１が大きくなり、次の瞬間には消えていく。この電極Ｅ１から電極Ｅ６までの放電を交流電力である６０Ｈｚで駆動しており、１周期は１６．７ｍｓで繰り返しアーク放電が発生する。

しかしながら、電極Ｅ１から電極Ｅ６までの放電だけでは、全く処理されない（未処理）材料又は蒸発まで温度が足りず溶融で処理が終わってしまう材料が生成されてしまい、処理効率が低いといった課題があった。

本発明は、上述された従来の課題を考慮し、微粒子の処理効率を向上させ、生産量を増加させることができる微粒子製造装置及び微粒子製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の１つの態様にかかる微粒子製造装置は、
真空チャンバーと、
前記真空チャンバーの一端側に接続されて、材料の粒子を前記真空チャンバー内に材料供給口から供給する材料供給装置と、
前記真空チャンバーの中間部に配置して、位相が互いに異なる交流電力がそれぞれ印加されて前記真空チャンバー内にプラズマを発生させる複数の電極と、
前記真空チャンバーの他端に接続されて微粒子を回収する回収装置とを有して、前記真空チャンバー内でプラズマを発生させ、前記材料の粒子から前記微粒子を製造する装置であって、
前記材料供給口の近傍から前記回収装置までの間で前記材料が流れる方向に対してそれぞれ交差する、材料供給口側の第１電極配置領域と、前記第１電極配置領域から回収装置側に離れた第２電極配置領域とを前記真空チャンバーの中間部に有し、前記第１電極配置領域と前記第２電極配置領域とのそれぞれに前記電極を複数本配置して多段に構成し、
前記真空チャンバー内に設置した断熱部材の形状が、前記材料供給口の近傍の電極設置場所の内側の直径より前記回収装置側の電極設置場所の内側の直径が小さくなっている。

前記目的を達成するために、本発明の別の態様にかかる微粒子製造方法は、
真空チャンバーの放電ガス内において、材料供給口の近傍から微粒子回収装置までの間で材料粒子が流れる方向に対してそれぞれ交差する、材料供給口側の第１電極配置領域と、前記第１電極配置領域から回収装置側に離れた第２電極配置領域とを前記真空チャンバーの中間部に有し、前記第１電極配置領域と前記第２電極配置領域とのそれぞれに複数本配置して多段に構成された電極に、位相が互いに異なる交流電力をそれぞれ印加することにより熱プラズマを生成し、
材料供給装置の材料供給口から前記熱プラズマの領域内に前記材料粒子を供給し、
前記真空チャンバー内に前記材料供給口の近傍の電極設置場所の内側の直径より前記回収装置側の電極設置場所の内側の直径が小さい形状の断熱部材を配置することにより、前記第２電極配置領域と前記第１電極配置領域との間で中央部の前記熱プラズマの領域に向かうガスの流れを発生させ、
前記材料粒子が、前記熱プラズマの前記領域中を通過するときに、蒸発又は気化して材料ガスとなり、さらに、前記材料ガスが前記熱プラズマの前記領域から抜けた瞬間、前記材料ガスが急激に冷やされて微粒子を生成する。

本発明の前記態様によって、電極を複数本配置して多段に構成してアーク放電の多段化により、供給された材料粒子がアーク放電の領域を通過する確率が増加し、未処理材料を少なくすることができる。この結果、材料の蒸発効率が高くなり、材料を大量に処理することができるため、微粒子の生成量を上げ、低コストで生産することができる微粒子製造装置及び微粒子製造方法を提供することができる。

本発明における第１実施形態の微粒子製造装置の概略断面図本発明における第１実施形態の微粒子製造装置の上部電極近傍の第２電極配置領域での概略一部断面平面図本発明における第１実施形態の微粒子製造装置の下部電極近傍の第１電極配置領域での概略一部断面平面図本発明における第１実施形態の微粒子製造装置の電極近傍の拡大図従来例１の微粒子製造装置の概略断面図多相交流アークプラズマの、ある瞬間の放電の様子の模式図

以下、図面を参照しながら、本発明における実施の形態について詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係わる微粒子製造装置の概略断面図を示す。図２Ａは、第１実施形態に係わる微粒子製造装置において電極部分で横方向に切断した状態での上部電極近傍の概略平面図を示す。図２Ｂは図２Ａの状態での下部電極近傍の概略平面図を示す。図３は、第１実施形態に係わる微粒子製造装置の電極近傍の拡大図を示す。図１〜図３を用いて、一例として、シリコンのナノメートルオーダーの微粒子を製造する例を説明する。

第１実施形態に関わる微粒子製造装置は、少なくとも、真空チャンバーの一例としての反応室１と、材料供給装置１０と、アーク放電１６を生成する複数本の上部電極４ａ及び下部電極４ｂと、生成した微粒子１８を回収する回収装置の一例としての微粒子回収部３とを備えて、反応室１内でアーク放電１６を発生させ、材料粒子１７から微粒子１８を製造するようにしている。

さらに、第１実施形態の微粒子製造装置では、前記構成に加えて、材料供給管１１と、材料粒子１７及び材料が気化した原料ガスの流れを制御する放電ガス供給管１４と、気化した原料ガスを冷却する冷却ガス供給管１５とが設置されている。また、微粒子回収部３の後段には、圧力調整バルブ６と、排気ポンプ７とを設けて、反応室１内の圧力を調整できる構成になっている。

以下、構成について、詳細に説明する。

材料供給装置１０は、反応室１の底部下方に配置されて、材料供給管１１の上端の材料供給口１２からキャリアガスによって材料粒子１７を反応室１内に上向きに供給している。

反応室１の側壁には、図示しない水冷機構を有している。さらに、反応室１の側壁の内面は、アーク放電１６の熱を保持するため、炭素材料からなる円筒状の断熱部材２で覆われた構造になっている。図３に示すように断熱部材２の構造は、下部電極近傍の内壁の直径（材料供給口１２の近傍の電極設置場所の内側の直径）（Ａ）より上部電極近傍の内壁の直径（回収部側の電極設置場所の内側の直径）（Ｂ）の方が小さい構造（鉛直上向き直径が小さくなるような縦断面形状が逆テーパ構造）になっている。すなわち、円筒状の断熱部材２の内部に、上に向かうに従って先すぼまり形状（言い換えれば円錐台形状）の貫通穴を有している。断熱部材２の具体的な１つの実施例としては、断熱部材２の材料として炭素系材料を使用することができるが、作製する微粒子の種類又は使用するデバイスの種類によって、不純物が入りにくい材料（たとえば、セラミック系材料など）を使用しても良い。ここで、直径の比率Ａ／Ｂが、１以上２．５以下であることが好ましい。Ａ／Ｂが１より小さい場合は、ガスの流れが拡散し、本効果が得ることができない。また、Ａ／Ｂが２．５より大きい場合、下部電極近傍の断熱部材２が薄くなり、断熱効果がなくなるため処理効率が低くなる。

放電ガス供給管１４は、反応室１の下側の複数の放電ガス供給管であって、断熱部材２の下側に、反応室１の中央向きに放電ガス供給可能に反応室１の中心軸周りに所定間隔毎に放射状に配置されている。具体的には、各放電ガス供給管１４は、材料供給口１２よりも反応室１の下部側に開口が配置され、ガス供給装置３０からガス流量調整器３１を介して、放電ガスを供給している。例えば、放電ガス供給管１４は、図３に示すように、水平面から鉛直上向きに３０°かつ図２Ｂに示すように水平面から法線方向４５°の方向に噴出させることで、ガスを旋回流として供給できる構造になっている。このように放電ガス供給管１４は、鉛直上向き３０°でかつ水平面から法線方向４５°でガスを供給しているが、これに限られるものではなく、上部電極４ａと下部電極４ｂとの間の領域で中心部に向かうガス流れが放電ガス供給管１４で生成されれば良い。

冷却ガス供給管１５は、反応室１の上側の複数の冷却ガス供給管であって、断熱部材２の上側に、反応室１の中央向きに冷却ガス供給可能に反応室１の中心軸周りに所定間隔毎に放射状に配置されている。具体的には、冷却ガス供給管１５は、上部電極４ａよりも反応室１の上部側に開口が配置され、ガス供給装置３０からガス流量調整器３１を介して、冷却ガスを供給している。例えば、冷却ガス供給管１５は、図３に示すように、水平面から鉛直上向き３０°でかつ図２Ａに示すように水平面から法線方向に冷却ガスを噴出させることで、アーク放電１６により蒸発及び気化したガスを効率良く冷却し、作製する微粒子１８の粒子径を制御する。

上部電極４ａと下部電極４ｂとは、所定間隔をあけて上下二段に配置されるように、断熱部材２の上部と下部とにそれぞれ配置されている。具体的には、下部電極４ｂと上部電極４ａとは、材料供給口１２の近傍から微粒子回収部３までの間で材料粒子１７が流れる方向（例えば下から上向きの方向）に対してそれぞれ交差する（例えば直交する）、材料供給口側の第１電極配置領域（下部電極配置領域）８１と、第１電極配置領域８１から微粒子回収部側に離れた第２電極配置領域（上部電極配置領域）８２とを有している。各領域８１，８２は、例えば１つの平面で構成され、平面内に所定角度間隔をあけて複数本の電極４ｂ，４ａがそれぞれ、面沿いに又は面に対して所定角度傾斜して、配置されている。

一例として、アーク放電１６を生成させる金属製の上部電極４ａ及び下部電極４ｂは、図１〜図３に示すように、反応室１内に先端が横方向に（例えば、上部電極４ａは水平方向に対して鉛直上向き５°だけ傾斜しつつ、下部電極４ｂは水平方向に対して鉛直上向き３０°だけ傾斜しつつ）突出した状態で、反応室１の円周壁に６０°間隔で、それぞれ、第２電極配置領域８２に上部電極４ａを６本、第１電極配置領域８１に下部電極４ｂを６本、の計１２本の電極を放射状に上下に並列に２段に配置することができる。

上部電極４ａ及び下部電極４ｂは金属電極でそれぞれ構成され、作製する微粒子１８の不純物として金属材料が混ざらないようにするため、水冷及び冷却ガスを内部に流して、金属電極の蒸発を低減させている。また、上部及び下部電極４ａ、４ｂの材料の一例として、高融点金属であるタングステン電極を使用することができるが、これに代えて、タンタルなどの他の高融点金属又は炭素材料で構成される電極を使用しても良い。

一例として実施例では、６本の上部電極４ａと６本の下部電極４ｂを２段の放射状に配置しているが、電極数は６の倍数であれば、電極本数を増やしたり、又は、１２本の電極を同一平面に配置したり、６本の下部電極と１２本の上部電極による２段構造、３段以上の更なる多段化した電極配置にしても良い。このような構成の電極により発生させるプラズマの例としての多相交流アークプラズマは、他の熱プラズマを発生させる方法に比べて電極配置の自由度が高いため、材料粒子１７を蒸発させるアーク放電（熱プラズマ）１６の大きさ又は形状を自由に設計することができる。そのため、多相交流アークプラズマとしては、縦長放電にしたり、平面的に面積の大きな放電にしたり、処理に合わせた任意の放電形状にすることができ、処理効率の向上又は処理量の増大させることが可能である。

上部及び下部電極４ａ、４ｂには、其々ｎ個（ｎは２以上の整数。例えば各電極が６本の場合にはｎ＝６である。）の上側及び下側の交流電源５ａ，５ｂ、具体的には、上側の第１交流電源５ａ−１、上側の第２交流電源５ａ−２、上側の第３交流電源５ａ−３，・・・、上側の第ｎ交流電源５ａ−ｎと、下側の第１交流電源５ｂ−１、下側の第２交流電源５ｂ−２、下側の第３交流電源５ｂ−３，・・・、下側の第ｎ交流電源５ｂ−ｎとが接続されて、複数の上部電極４ａと、複数の下部電極４ｂとにそれぞれ位相をずらした交流電力を交流電源５ａ，５ｂからそれぞれ印加し、熱プラズマであるアーク放電１６を生成する。

上部及び下部電極４ａ、４ｂは、それぞれ独立して、モータなどで構成される電極駆動装置８により、反応室１の中心に対して放射線方向に前後移動する可動式に構成している。電極駆動装置８としては、一例として、モータによりボールネジを正逆回転させて、ボールネジに螺合したナット部材に連結された電極４ａ，４ｂを軸方向に進退させるものである。

また、下部電極４ｂの先端同士で形成される円の直径（Ｃ）は、断熱部材２の下部電極近傍の内壁の直径（Ａ）よりもかなり狭く、上部電極４ａの先端同士で形成される円の直径（Ｄ）は、断熱部材２の上部電極近傍の内壁の直径（Ｂ）とほぼ同等の位置構成にしている。これにより、放電ガス供給管１４のガスの流れに邪魔されず、下部電極４ｂで発生させたアーク放電１６に材料が導入されやすく、放電ガス供給管１４のガスの流れ又は断熱部材２の形状による外側から中央に向かった流れにより、材料粒子１７は、上部電極４ａで発生したアーク放電にも導入されやすく、処理効率が向上する。

微粒子回収部３は、反応室１の上端に接続されて配置され、配管８０を通じてポンプ７により排気され、反応室１で生成された微粒子１８を回収している。複数本の電極４ａ，４ｂは、反応室１の中間部の側部に、内部に先端が突出するように所定間隔をあけて上下二段に配置され、反応室１内で熱プラズマ（すなわち、アーク放電）１６を発生させ、発生させた熱プラズマ１６により、材料供給装置１０から供給された材料粒子１７から微粒子１８を製造している。

なお、制御装置１００は、材料供給装置１０と、微粒子回収部３と、圧力調整バルブ６と、排気ポンプ７と、ガス供給装置３０と、各ガス流量調整器３１と、交流電源５ａ，５ｂと、各電極駆動装置８とにそれぞれ接続されて、それぞれの動作を制御可能としている。

前記構成にかかる微粒子製造装置を使用する微粒子製造方法は、
熱プラズマ１６を生成し、
材料粒子１７を熱プラズマ１６に供給し、
微粒子１８を生成する、
といった３つのステップで少なくとも構成されている。これらの動作は、制御装置１００で動作制御されることにより自動的に実施可能である。

まず、熱プラズマ１６を生成するとき、反応室１内で、材料粒子１７が流れる方向に２段以上になるように並列に配置した上部及び下部電極４ａ，４ｂに互いに位相が異なる交流電力をそれぞれに印加して、材料粒子１７が流れる方向（すなわち、下から上）に向かって縦長の熱プラズマ１６を生成する。

次いで、材料粒子１７を熱プラズマ１６に供給するとき、材料供給装置１０の材料供給口１２から熱プラズマ１６の領域内に材料粒子１７を供給する。

次いで、微粒子１８を生成するとき、材料粒子１７が、熱プラズマ１６の領域中を通過するときに、蒸発又は気化して材料ガスとなり、さらに、材料ガスが熱プラズマ１６の領域から抜けた瞬間、材料ガスが急激に冷やされて微粒子１８を生成する。

以下、この微粒子製造方法について、実際に行う手順に沿って詳しく説明する。

始めに、反応室１と微粒子回収部３と材料供給装置１０とを排気ポンプ７によって数１０Ｐａまで排気することで、大気の酸素の影響を低減させる。

次に、ガス供給装置３０からガス流量調整器３１を介して、材料供給装置１０と放電ガス供給管１４と冷却ガス供給管１５とにそれぞれガスを供給し、排気ポンプ７の前段に取付けた圧力調整バルブ６で反応室１内の圧力を調整する。反応室１の下側の放電ガス供給管１４からは、複数個の供給口からガスを供給して、図３に示すように水平面から鉛直上向きに３０°かつ図２Ｂに示すように水平面から法線方向４５°の方向に噴出させることで、ガスを旋回流として供給する。

反応室１の上側の冷却ガス供給管１５は、複数個の供給口からガスを反応室１内に供給して、図３に示すように、水平面から鉛直上向き３０°かつ図２Ａに示すように水平面から法線方向に冷却ガスを噴出させることで、アーク放電１６により蒸発及び気化したガスを効率良く冷却し、作製する微粒子１８の粒子径を制御する。

一例として、この第１実施形態の１つの実施例では、シリコンの微粒子を製造させるため、反応室１内には、ガス供給装置３０から放電ガス供給管１４と冷却ガス供給管１５とを介してアルゴンをそれぞれ供給して、反応室１内を、アルゴンの不活性ガス雰囲気の０．３気圧以上１．２気圧以下の所望の圧力に維持して以下の微粒子製造工程を行った。ここでは、放電ガス及び冷却ガスとして不活性ガスを使用するが、例えば両ガスともアルゴンを使用している。材料の還元を促進させるため、反応室１内に、ガス供給装置３０から放電ガス供給管１４と冷却ガス供給管１５とを介して、微量の水素ガス及び微量の炭化系ガスを混合して導入しても良い。また、同様に材料を酸化、窒化、又は炭化させたり、炭素膜コーティングするために、微量の酸素ガス、窒素ガス、又は炭化系ガスを混合させても良い。

次に、アーク放電１６（言い換えれば、熱プラズマ）を生成させる。一例として、アーク放電１６を生成させる金属製の上部電極４ａ及び下部電極４ｂは、図１〜図３に示すように、反応室１内に先端が横方向（例えば、上部電極４ａは水平方向に対して鉛直上向き５°、下部電極４ｂは水平方向に対して鉛直上向き３０°）に突出した状態で、反応室１の円周壁に６０°間隔で上部電極４ａを６本、下部電極４ｂを６本の計１２本の電極を放射状に上下に並列に２段に配置している。

これらの上部及び下部電極４ａ、４ｂには、上側及び下側の交流電源５ａ，５ｂから位相をずらした交流電力を印加する。一例としては、上部電極４ａの６本、下部電極４ｂの６本にそれぞれ位相を６０°ずつずらした６０Ｈｚの交流電力を６個ずつの交流電源５ａ，５ｂから印加し、約１００００℃の熱プラズマである縦長のアーク放電１６を生成した。一例として、上部電極４ａが６本、及び、下部電極４ｂが６本の場合には、それぞれ、位相を６０°ずつずらした交流電力を印加することができるが、上部電極４ａ及び下部電極４ｂを合わせた１２本に、位相を３０°ずつずらした６０Ｈｚの交流電力を印加しても良い。これにより、上下のアーク放電１６が繋がりやすく、より縦長のアーク放電１６を形成し、面内分布も改善される。

前記交流電力印加後に、アーク放電１６を着火させるときには、任意の２本ずつもしくは３本ずつの上部及び下部電極４ａ，４ｂを電極駆動装置８により反応室１の中心側に移動させる。アーク放電１６が着火後、其々上部及び下部電極４ａ、４ｂにかかる電流が一定になるように調整し、其々上部及び下部電極４ａ、４ｂを放射線方向（放射状に配置した其々上部及び下部電極４ａ、４ｂの先端同士で形成される円の中心位置から外側に向かう方向）に電極駆動装置８により移動させ、上部及び下部電極４ａ、４ｂをそれぞれ所望の位置にする。一例として、下部電極４ｂの先端同士で形成される円の直径（Ｃ）は、上部電極４ａの先端同士で形成される円の直径（Ｄ）より小さい電極配置にしている。これは、下部電極４ｂは、材料供給口１２に非常に近い位置にあるため、材料供給口１２から導入される材料粒子１７が、下部電極４ｂで発生したアーク放電（高温領域）１６に導入される確率が高い。また、放電面積が小さい方が、電力密度が高く高温になるため、下部電極４ｂの先端同士で形成される円の直径（Ｃ）は狭いほうが良い。逆に、上部電極４ａは、材料供給口１２から距離が遠く、下部電極４ｂによるアーク放電１６で処理された材料又は材料供給口１２から流れてきた未処理材料は、複雑なガスの流れにより、材料粒子１７の分布が非常に大きくなるため、上部電極４ａの先端同士で形成される円の直径（Ｄ）は広いほうが、処理される効率が高くなる。

ここで、円の直径の比率Ｃ／Ｄが、０．５以上１以下であることが好ましい。Ｃ／Ｄが０．５より小さい場合は、上部電極４ａでの放電が広くなり過ぎ、放電していない領域が増加してしまう。また、Ｃ／Ｄが１より大きい場合、下部電極４ｂにより発生したアーク放電（高温領域）１６に上部電極４ａが入ってしまい、上部電極４ａの損傷が大きく電極消耗も大きい。そのため、不純物（コンタミ）が多くなる可能性が高い。

次に、処理する材料の供給を開始する。一例として、微粒子１８の原料となる材料粒子１７は、約１６ミクロンメートルのシリコン粉末を用い、材料供給装置１０内に設置する。第１実施例では、１６ミクロンメートルの粒子を使用したが、プラズマの条件にも依存するが１００ミクロン以下の粒子径であれば、熱プラズマ１６にて蒸発し、ナノメートルオーダーの微粒子１８を製造することは可能である。１００ミクロンメートルより大きい粒子径の材料を使用すると、材料を完全に蒸発させることができず、生成される微粒子がミクロンメートルオーダーに大きくなってしまうことがある。

材料供給装置１０は、一例として、局部流動式粉末供給装置を用いた。この局部流動式粉末供給装置では、キャリアガスの流量と材料を導入した器の回転数とによって材料の供給量を制御して、粉末材料を一定の割合で材料供給管１１に送ることができる。材料供給装置１０の他の例としては、レーザーなどを用いて、粉末材料の表面とノズルの距離とを制御する表面倣い式粉末供給器、又は、ホッパーなどから溝に定量の粉末材料を供給して吸引する定量式粉末供給器などがある。どの方式の粉末材料供給装置を使用しても良いが、供給する粉末材料の量又は粉末材料の種類又は粒子径によって、粉末材料供給装置の方式を使い分ける。

図１及び図３に示すように、材料粒子１７は、材料供給装置１０から材料供給管１１に送られ、材料供給口１２から反応室１内に導入される。反応室１内に導入された材料粒子１７は、アーク放電１６の中を通過するときに、蒸発及び気化して材料粒子１７はガス化する。

前記第１実施形態によれば、アーク放電１６の鉛直下側から放電ガス供給管１４からガスを旋回流として外側から中央に向かう流れで供給することで、上部電極４ａと下部電極４ｂの間で中央部のアーク放電１６に向かうガスの流れを促進することができ、アーク放電１６によって発生した中央部の強力な上昇気流に材料粒子１７を近づけることで中央部の上昇気流に吸い寄せられ、上部電極４ａで発生させたアーク放電１６に導入されやすくし、材料の処理効率を向上させることができる。

また、蒸発した材料ガスは、アーク放電１６の熱による上昇気流又は放電ガス供給管１４からのガス流れによって、反応室１内を上昇し、アーク放電１６の領域から抜けた瞬間、材料ガスは冷却ガス供給管１５によって急激に冷やされ、球状の微粒子１８が生成される。

一般に、材料が供給された場所のアーク放電（熱プラズマ）は、材料粒子１７の蒸発にプラズマの熱が奪われてしまうため、材料を蒸発させた場所のプラズマの温度が下がってしまう。従来、一般的な誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）トーチなどの連続的放電に連続的に材料を投入する場合では、材料の蒸発によってプラズマの温度が下がってしまい、材料を完全に蒸発させることができず、比較的大きな微粒子が生成されてしまい、粒径分布が悪化してしまう。また、所望の粒子径の微粒子を製造したり、製造した微粒子の粒径分布を良化させるためには、材料の投入量を制限するしかなく、処理量が低下してしまう。

これに対して、第１実施例で用いた上部及び下部電極４ａ、４ｂで生成するアーク放電（多相交流アークプラズマ）１６は、位相が互いに異なる交流電力を印加しているため放電がパルス状になっており、常に高温の熱プラズマを生成することができる。

アーク放電１６又はＩＣＰトーチなどの熱プラズマは、粘性気体であるため、ある速度を有した材料粒子１７でないと、アーク放電１６の中に導入されず処理されない。このため、上部電極４ａ又は下部電極４ｂをガス又は材料粒子１７が流れる方向に傾斜させておくと、ガス又は放電の流れによって材料粒子１７がアーク放電１６に導入しやすくなり、処理効率を上げることができる。

材料供給装置１０及び材料供給口１２がアーク放電１６の鉛直方向の下側に設置され、アーク放電１６の鉛直方向の下側から材料粒子１７を供給する本装置では、アーク放電１６にはじかれた未処理の材料粒子は、重力によって鉛直方向の下側に落ち、アーク放電１６の上方に位置しかつ処理された微粒子１８とは、分離することができる。これらの未処理の材料粒子は、反応室１の底部でかつ材料供給口１２の下側にカバー１３で仕切られた未処理材料貯蔵部８６に溜まる。この未処理材料貯蔵部８６に溜まった材料は、材料供給装置１０に戻し、再利用することも可能で、材料利用効率を上げることができる。

最後に、図１に示すように、アーク放電１６により生成された微粒子１８は、放電ガス供給管１４からのガスの流れ、アーク放電１６による上昇気流又はガスの排気による流れにより微粒子回収部３に運ばれる。図示していないが、微粒子回収部３には、任意の微粒子径以上を分級できるサイクロンと、所望の微粒を回収できるバグフィルタとが取付けられている。また、回収した微粒子を大気に取出す際は、発火の恐れがあるため、大気（酸素を含んだ気体）を１％程度含んだ雰囲気下で数時間放置し、徐酸化処理を行い、大気中に取り出す。これにより、シリコン微粒子の表面は、１以上３ナノメートル以下酸化し、安全に取出すことが可能になる。これらの上記のプロセスにより、バグフィルタからは１０以上３００ナノメートル以下のシリコン微粒子を回収することができる。

第１実施例では、シリコン（Ｓｉ）のナノメートルオーダーの微粒子を製造する方法について説明したが、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、フラーレン又はナノチューブをはじめとする炭素物質、若しくは銅（Ｃｕ）などの金属、又は、ガラス（ＳｉＯ_２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、若しくは窒化ボロン（ＢＮ）などの無機系の材料を微粒子生成用材料として微粒子を生成しても良い。また、反応室１に導入するガスと反応させることで、例えば、シリコン材料を用いて、一酸化シリコン（ＳｉＯ_ｘ：ｘ＝１〜１．６）、窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ：ｘ＝０．１〜１．３）又は炭化シリコン（ＳｉＣ_ｘ：ｘ＝０．１〜１）の微粒子を生成しても良い。さらには、内側にシリコンの核を有し、外側には非晶質酸化シリコン、アルミナ、又は炭化シリコンなどで覆われているような複数の材料から構成される複合材料の生成に利用することもできる。

前記第１実施形態によれば、材料供給口１２の近傍から回収部３までの間で材料粒子１７が流れる方向に対してそれぞれ交差する、材料供給口側の下部電極配置領域８１と、下部電極配置領域か８１から回収部側に離れた上部電極配置領域８２とを反応室１の中間部に有し、下部電極配置領域８１と上部電極配置領域８２とのそれぞれに電極４ｂ，４ａを複数本配置して多段に構成している。このようにアーク放電１６の多段化により、供給された材料粒子１７がアーク放電１６の領域を通過する確率が増加し、未処理材料を少なくすることができる。また、すべての材料粒子１７に与えることのできる総熱量が増加するため、処理効率及び処理速度も大幅に向上すると期待できる。

本第１実施形態で用いる多相交流アークプラズマも、図５に示した従来例１の多相交流アークプラズマと同じであり、複雑な放電形態をしており、時間的及び平面的に、放電している領域１２１と放電していない領域１２２とが混在する放電形態になっている。図５では、理解しやすくするため、放電している領域１２１はハッチング領域として示し、放電していない領域１２２はハッチング無しの領域として示している。このような放電形態のため、材料供給口１２から下部電極４ｂによるアーク放電１６に導入された材料粒子１７は、アーク放電領域１２１の有無又は複雑な上昇気流によって断熱部材２の壁側に弾かれるものが多く存在する。すなわち、多相交流アークプラズマの放電は複雑であるため、アーク放電１１６による上昇気流などによるアーク放電領域１２１の近傍のガス流れも複雑であり、材料粒子１７が通過する方向にアーク放電１６を単に多段にするだけでは、想定したように処理効率及び処理速度を大幅に向上させることは困難な場合がある。そこで、処理効率及び処理速度をより確実に向上させるため、本第１実施形態では、断熱部材２の形状が下部電極近傍の内壁の直径（Ａ）より上部電極近傍の内壁の直径（Ｂ）の方が小さい構造（鉛直上向き直径が小さくなる逆テーパ構造）としている。

このように構成することで、上部電極４ａと下部電極４ｂとの間で中央部のアーク放電１６の領域に向かうガスの流れが発生する。これにより、断熱部材２の壁側に弾かれた材料粒子１７又は材料粒子１７が蒸発したガスが、再度、中央部のアーク放電１６の領域に近づけて上昇気流に吸い込ませることができる。この結果、材料粒子１７が、上部電極４ａで発生したアーク放電１６に導入される確率が増加し、材料の蒸発効率が高くすることができる。

なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。また、実施形態同士の組み合わせ又は実施例同士の組み合わせ又は実施形態と実施例との組み合わせが可能であると共に、異なる実施形態又は実施例の中の特徴同士の組み合わせも可能である。

本発明の前記態様における微粒子製造装置及び微粒子製造方法は、材料の処理効率を高めかつ大量に処理することができ、微粒子を低コストで生産することができる。そのため、本発明の前記態様は、リチウムイオン二次電池又はセラミックコンデンサーなど大量生産が要望されるデバイスに使用される微粒子製造装置及び微粒子製造方法として有用である。

１，１０１反応室
２断熱部材
３，１０３微粒子回収部
４ａ，４ｂ上部及び下部電極
５ａ，５ｂ，１０５交流電源
６圧力調整バルブ
７，１１３排気ポンプ
８電極駆動装置
１０，１１０材料供給装置
１１材料供給管
１２材料供給口
１３カバー
１４放電ガス供給管
１５冷却ガス供給管
１６，１１６アーク放電
１７，１１７材料粒子
１８，１１８微粒子
８０配管
８１下部電極配置領域
８２上部電極配置領域
８６未処理材料貯蔵部
１００制御装置
１０４電極
１２０電極先端
１２１アーク放電の領域（高温領域）
１２２アーク放電していない領域

Claims

真空チャンバーと、
前記真空チャンバーの一端側に接続されて、材料の粒子を前記真空チャンバー内に材料供給口から供給する材料供給装置と、
前記真空チャンバーの中間部に配置して、位相が互いに異なる交流電力がそれぞれ印加されて前記真空チャンバー内にプラズマを発生させる複数の電極と、
前記真空チャンバーの他端に接続されて微粒子を回収する回収装置とを有して、前記真空チャンバー内でプラズマを発生させ、前記材料の粒子から前記微粒子を製造する装置であって、
前記材料供給口の近傍から前記回収装置までの間で前記材料が流れる方向に対してそれぞれ交差する、材料供給口側の第１電極配置領域と、前記第１電極配置領域から回収装置側に離れた第２電極配置領域とを前記真空チャンバーの中間部に有し、前記第１電極配置領域と前記第２電極配置領域とのそれぞれに前記電極を複数本配置して多段に構成し、
前記真空チャンバー内に設置した断熱部材の形状が、前記材料供給口の近傍の電極設置場所の内側の直径より前記回収装置側の電極設置場所の内側の直径が小さくなっている、微粒子製造装置。
前記材料供給口よりも前記真空チャンバーの下部側から放電ガスを供給して前記電極近傍に旋回流を供給可能な放電ガス供給管を有する、請求項１に記載の微粒子製造装置。
前記複数本の電極には、其々交流電源が接続されて、前記交流電源から前記複数本の電極に、位相が互いに異なる交流電力をそれぞれ印加してアーク放電を前記プラズマとして前記真空チャンバー内に生成する、請求項１又は２に記載の微粒子製造装置。
真空チャンバーの放電ガス内において、材料供給口の近傍から微粒子回収装置までの間で材料粒子が流れる方向に対してそれぞれ交差する、材料供給口側の第１電極配置領域と、前記第１電極配置領域から回収装置側に離れた第２電極配置領域とを前記真空チャンバーの中間部に有し、前記第１電極配置領域と前記第２電極配置領域とのそれぞれに複数本配置して多段に構成された電極に、位相が互いに異なる交流電力をそれぞれ印加することにより熱プラズマを生成し、
材料供給装置の材料供給口から前記熱プラズマの領域内に前記材料粒子を供給し、
前記真空チャンバー内に前記材料供給口の近傍の電極設置場所の内側の直径より前記回収装置側の電極設置場所の内側の直径が小さい形状の断熱部材を配置することにより、前記第２電極配置領域と前記第１電極配置領域との間で中央部の前記熱プラズマの領域に向かうガスの流れを発生させ、
前記材料粒子が、前記熱プラズマの前記領域中を通過するときに、蒸発又は気化して材料ガスとなり、さらに、前記材料ガスが前記熱プラズマの前記領域から抜けた瞬間、前記材料ガスが急激に冷やされて微粒子を生成する、微粒子製造方法。
前記熱プラズマは、位相が互いに異なる電力を交流電源から前記複数本の電極に其々供給して、パルス的に放電させるアーク放電である、請求項４に記載の微粒子製造方法。
前記熱プラズマは、材料が流れる方向に２段以上になるように並列に配置した電極によって生成されたアーク放電であり、前記材料が流れる方向に向かって縦長な放電あるいは高温領域が縦長である、請求項４又は５に記載の微粒子製造方法。
前記材料供給口よりも前記真空チャンバーの下部側から放電ガスを供給して前記電極近傍に旋回流を形成する、請求項４〜６のいずれか１つに記載の微粒子製造方法。