JPWO2004113225A1 - Nanocarbon production equipment - Google Patents
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Abstract
ナノカーボン製造装置(173)において、製造チャンバー(107)内に平面鏡(169)および放物面鏡(171)を設ける。ZnSeウインドウ(133)を透過したレーザー光源(111)からの出射光を、平面鏡(169)および放物面鏡(171)において反射させ、さらに放物面鏡(171)において集光した後、グラファイトロッド(101)の表面に照射する。In the nanocarbon production apparatus (173), a plane mirror (169) and a parabolic mirror (171) are provided in the production chamber (107). The light emitted from the laser light source (111) that has passed through the ZnSe window (133) is reflected by the plane mirror (169) and the parabolic mirror (171), and further condensed by the parabolic mirror (171). Irradiate the surface of the rod (101).
Description
本発明は、ナノカーボンの製造装置に関する。 The present invention relates to an apparatus for producing nanocarbon.
近年、ナノカーボンの工学的応用が盛んに検討されている。ナノカーボンとは、カーボンナノチューブやカーボンナノホーン等に代表される、ナノスケールの微細構造を有する炭素物質のことをいう。このうち、カーボンナノホーンは、グラファイトのシートが円筒状に丸まったカーボンナノチューブの一端が円錐形状となった管状体の構造を有している。カーボンナノホーンは、通常、各々の円錐部間に働くファンデルワールス力によって、チューブを中心にし円錐部が角(ホーン)のように表面に突き出る形態で集合し、カーボンナノホーン集合体を形成する。カーボンナノホーン集合体は、その特異な性質から、様々な技術分野への応用が期待される。 In recent years, the engineering application of nanocarbon has been actively studied. Nanocarbon refers to a carbon substance having a nanoscale microstructure represented by carbon nanotubes, carbon nanohorns, and the like. Among these, the carbon nanohorn has a tubular structure in which one end of a carbon nanotube in which a graphite sheet is rounded into a cylindrical shape has a conical shape. Carbon nanohorns usually gather together in a form in which the conical portions protrude from the surface like horns (horns) around the tube by van der Waals forces acting between the conical portions to form a carbon nanohorn aggregate. Carbon nanohorn aggregates are expected to be applied to various technical fields because of their unique properties.
カーボンナノホーン集合体は、不活性ガス雰囲気中で原料の炭素物質(以下「グラファイトターゲット」とも呼ぶ。)に対してレーザー光を照射するレーザー蒸発法によって製造されることが報告されている(特許文献1)。特許文献1には、レーザー光としてCO2ガスレーザーが例示されている。It has been reported that a carbon nanohorn aggregate is produced by a laser evaporation method in which a raw material carbon substance (hereinafter also referred to as “graphite target”) is irradiated with laser light in an inert gas atmosphere (Patent Literature). 1). Patent Document 1 exemplifies a CO 2 gas laser as the laser light.
ところで、CO2ガスレーザーの波長は10.6μm程度であり、CO2ガスレーザーを透過する材料としてZnSe等が好適に用いられる(特許文献2)。このため、CO2ガスレーザーを用いてカーボンナノホーン集合体を製造する際に、ZnSeレンズを用いることにより、レーザー光をグラファイトターゲット表面に集光可能であると考えられる。By the way, the wavelength of the CO 2 gas laser is about 10.6 μm, and ZnSe or the like is suitably used as a material that transmits the CO 2 gas laser (Patent Document 2). For this reason, when manufacturing a carbon nanohorn aggregate using a CO 2 gas laser, it is considered that laser light can be condensed on the surface of the graphite target by using a ZnSe lens.
そこで、ZnSe製の窓(以下「レーザー光窓」とも呼ぶ。)を製造用チャンバーに設けてカーボンナノホーン集合体を製造する方法について本発明が検討した。すると、レーザー光窓の使用時間が長くなるにつれて、回収されるすす状物質中のカーボンナノホーン集合体の重量比(以下「収率」と呼ぶ。)が低下することがわかった。また、レーザー光窓の寿命が比較的短く、場合によっては破損することがあった。その結果、装置の維持に費用がかかったり、装置自体の寿命が短くなったりすることがわかった。また、チャンバ外に設けたZnSeレンズについても寿命が比較的短かった。 Therefore, the present invention examined a method for producing a carbon nanohorn aggregate by providing a ZnSe window (hereinafter also referred to as “laser beam window”) in a production chamber. As a result, it was found that the weight ratio (hereinafter referred to as “yield”) of the carbon nanohorn aggregates in the collected soot-like material decreases as the use time of the laser beam window becomes longer. In addition, the life of the laser beam window is relatively short and may be damaged in some cases. As a result, it has been found that the maintenance of the apparatus is expensive and the life of the apparatus itself is shortened. Also, the life of the ZnSe lens provided outside the chamber was relatively short.
そこで、カーボンナノホーン集合体の収率が低下する原因やレーザー光窓またはレンズの寿命が短い原因について検討を行った。その結果、グラファイトターゲットにレーザー光を照射すると、グラファイトターゲットから発生した炭素蒸気から生じるすす状物質が、レーザー光窓の表面に付着することがこれらの要因である可能性があることが見出された。また、レーザー光窓またはレンズの表面にすす状物質が付着すると、付着した部分で光の吸収が生じることにより、レーザー光窓やレンズが加熱されることも明らかになった。 Therefore, the cause of the decrease in the yield of the carbon nanohorn aggregate and the cause of the short life of the laser light window or the lens were investigated. As a result, it was found that when a graphite target is irradiated with laser light, soot-like substances generated from carbon vapor generated from the graphite target may adhere to the surface of the laser light window. It was. It has also been clarified that when soot-like substances adhere to the surface of the laser light window or the lens, the laser light window or the lens is heated by absorbing light at the adhered portion.
このような場合、熱レンズ効果により光路がずれる可能性がある。光路のずれは、CO2ガスレーザーがグラファイトターゲットの表面に照射される位置がずれたり、表面に照射される光のパワー密度が変化の要因となりうる。このことが、装置の使用時間の増加に伴う収率低下の原因であると推察された。また、レーザー光窓やレンズの加熱は、破損等の要因になると推察された。このため、カーボンナノホーン集合体の収率を低下させずに製造する技術が必要とされていた。また、装置寿命を長期化するためには、従来とは異なる技術が必要とされる。In such a case, the optical path may be shifted due to the thermal lens effect. The deviation of the optical path can cause the position where the surface of the graphite target is irradiated with the CO 2 gas laser, or the power density of the light applied to the surface can be a factor of change. It was speculated that this was the cause of the yield reduction accompanying the increase in the usage time of the apparatus. In addition, it was speculated that heating of the laser beam window and the lens would cause damage. For this reason, the technique of manufacturing, without reducing the yield of a carbon nanohorn aggregate | assembly was required. Further, in order to extend the life of the apparatus, a technique different from the conventional technique is required.
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ナノカーボンを高い効率で安定的に得る技術を提供することにある。また、本発明の別の目的は、ナノカーボンの製造装置の寿命を長期化する技術を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a technique for stably obtaining nanocarbon with high efficiency. Another object of the present invention is to provide a technique for extending the life of a nanocarbon production apparatus.
本発明者は、ナノカーボンを高い効率で得るための手法について鋭意検討した。その結果、光源からの出射光を光学部材を用いてグラファイトターゲット表面に照射する際に、光学部材をすす状物質の付着から遮蔽することが重要であることを見出し、本発明に到達した。また、光源からの出射光を直接グラファイトターゲット表面に照射せず、反射させて光路を変更した後グラファイトターゲットに照射することにより、光学部材がすす状物質の付着から保護されることを見出し、本発明に到達した。 The present inventors diligently studied a method for obtaining nanocarbon with high efficiency. As a result, when the light emitted from the light source is irradiated onto the surface of the graphite target using the optical member, it has been found that it is important to shield the optical member from adhesion of soot-like substances, and the present invention has been achieved. Also, the light emitted from the light source is not directly irradiated onto the surface of the graphite target, but is reflected to change the optical path, and then irradiated onto the graphite target, so that the optical member is protected from adhesion of soot-like substances. The invention has been reached.
本発明によれば、グラファイトターゲットと、前記グラファイトターゲットを収容する室と、前記室の一部に設けられた窓部と、前記窓部を介して前記グラファイトターゲットの表面に光を照射する光源と、前記光の照射により前記グラファイトターゲットから蒸発した炭素蒸気より発生するナノカーボンを回収する回収部と、前記窓部と前記グラファイトターゲットとの間に介在する遮蔽部材と、を備えることを特徴とするナノカーボンの製造装置が提供される。 According to the present invention, a graphite target, a chamber containing the graphite target, a window provided in a part of the chamber, and a light source for irradiating light on the surface of the graphite target through the window And a recovery part for recovering nanocarbon generated from carbon vapor evaporated from the graphite target by the light irradiation, and a shielding member interposed between the window part and the graphite target. An apparatus for producing nanocarbon is provided.
本発明においては、窓部とグラファイトターゲットとの間に遮蔽部材が設けられている。前述のように、光源から出射した光が、窓部を透過後、直接グラファイトターゲットの表面に照射される構成とした場合、グラファイトターゲット表面より発生した炭素蒸気から得られるすす状物質が、窓部側に戻る方向にも飛散するため、窓部の表面にすす状物質が付着しやすかった。このため、ZnSe製の光学部材を用いた場合、光学部材が加熱されやすかった。 In the present invention, a shielding member is provided between the window portion and the graphite target. As described above, when the light emitted from the light source is configured to be directly irradiated onto the surface of the graphite target after passing through the window, the soot-like substance obtained from the carbon vapor generated from the surface of the graphite target is The soot-like substance easily adheres to the surface of the window because it also scatters in the direction returning to the side. For this reason, when the optical member made from ZnSe was used, the optical member was easy to be heated.
これに対し、本発明の構成においては、窓部がグラファイトターゲットの表面から遮蔽された構成となっている。このような構成とすれば、グラファイトターゲット表面から発生したすす状物質が窓部側に飛散した場合にも、遮蔽部材によって遮蔽されるため、すす状物質が窓部に向かって移動し、その表面に付着することが抑制される。このため、グラファイトターゲットに照射される光のパワー密度を安定化し、所望の性状のナノカーボンを高い収率で安定的に製造することができる。 On the other hand, in the configuration of the present invention, the window is shielded from the surface of the graphite target. With this configuration, even when soot-like substances generated from the surface of the graphite target are scattered to the window side, the soot-like substance moves toward the window part because it is shielded by the shielding member, and the surface Adhering to is suppressed. For this reason, the power density of the light irradiated to the graphite target can be stabilized, and nanocarbon having a desired property can be stably produced at a high yield.
なお、本発明において、遮蔽部材は、グラファイトターゲットから蒸発した炭素蒸気から窓部を覆うように配置されている。遮蔽部材は、光源からの出射光がグラファイトターゲット表面に到達するようにしつつ、グラファイトターゲットの表面より発生した炭素蒸気から得られるすす状物質の付着を妨げるように窓部を覆う構成とすることができる。 In the present invention, the shielding member is disposed so as to cover the window portion from the carbon vapor evaporated from the graphite target. The shielding member may be configured to cover the window portion so as to prevent adhesion of soot-like material obtained from carbon vapor generated from the surface of the graphite target while allowing light emitted from the light source to reach the surface of the graphite target. it can.
また、本発明において、室は、グラファイトターゲットを収容する。ただし、グラファイトターゲットの全体を収容しなくてもよい。グラファイトターゲットの一部を収容していてもよい。 In the present invention, the chamber accommodates the graphite target. However, the entire graphite target need not be accommodated. A part of the graphite target may be accommodated.
また、本発明において、窓部は、光源からの出射光を透過させる光学部材であり、たとえばレーザー光窓またはレンズ等とすることができる。また、窓部は、その一部を室内に露出して配置されている。窓部は、光源の一部としてその出射端面等に配置されていてもよいし、光源とは独立した部材としてグラファイトターゲットが収容される室の壁面等に配置されていてもよい。 In the present invention, the window portion is an optical member that transmits light emitted from the light source, and can be, for example, a laser light window or a lens. Moreover, the window part is arrange | positioned so that the part may be exposed indoors. The window part may be arranged on the emission end face or the like as a part of the light source, or may be arranged on the wall surface of the chamber in which the graphite target is accommodated as a member independent of the light source.
また、本明細書において、「パワー密度」とは、グラファイトターゲット表面に実際に照射される光のパワー密度、すなわちグラファイトターゲット表面の光照射部位におけるパワー密度を指すものとする。 Further, in this specification, the “power density” refers to the power density of light actually irradiated on the surface of the graphite target, that is, the power density at the light irradiation site on the surface of the graphite target.
本発明の製造装置において、前記窓部と前記遮蔽部材との間に、前記光を前記グラファイトターゲットの前記表面に導くための光学部材を備えてもよい。こうすることにより、光をグラファイトターゲットの表面に確実に照射することができる。よって、ナノカーボンを安定的に製造することができる。また、本発明においては、光学部材とグラファイトターゲットの間に遮蔽部材が設けられているため、すす状物質が、回収部に回収されずに窓部方向に飛散し、光学部材の表面に付着するのを抑制することができる。このため、熱レンズ効果によるグラファイトターゲット表面におけるレーザー照射位置のずれや、表面における光のパワー密度のぶれを抑制することができる。よって、所望の性状のナノカーボンを安定的に製造し続けることができる。従って、ナノカーボンの収率を向上することができる。また、光学部材の加熱が抑制されるため、光学部材の破損を抑制し、光学部材を長寿命化することができる。また、光学部材の交換による装置の維持費の増加を抑制することができる。よって、耐久性および生産性にすぐれた装置構成を容易に実現することができる。 The manufacturing apparatus of this invention WHEREIN: You may provide the optical member for guide | inducing the said light to the said surface of the said graphite target between the said window part and the said shielding member. By doing so, light can be reliably irradiated onto the surface of the graphite target. Therefore, nanocarbon can be manufactured stably. Further, in the present invention, since the shielding member is provided between the optical member and the graphite target, the soot-like substance is scattered in the direction of the window portion without being collected by the collecting portion and adheres to the surface of the optical member. Can be suppressed. For this reason, the shift | offset | difference of the laser irradiation position in the graphite target surface by the thermal lens effect and the fluctuation | variation of the power density of the light in the surface can be suppressed. Therefore, it is possible to continuously produce nanocarbon having a desired property. Therefore, the yield of nanocarbon can be improved. In addition, since heating of the optical member is suppressed, damage to the optical member can be suppressed and the life of the optical member can be extended. Moreover, the increase in the maintenance cost of the apparatus by replacement | exchange of an optical member can be suppressed. Therefore, an apparatus configuration excellent in durability and productivity can be easily realized.
本発明によれば、グラファイトターゲットと、前記グラファイトターゲットを収容する室と、前記室の一部に設けられた窓部と、前記窓部を介して前記グラファイトターゲットの表面に光を照射する光源と、前記光の照射により前記グラファイトターゲットから蒸発した炭素蒸気より発生するナノカーボンを回収する回収部と、前記窓を透過した透過光を反射させ、前記グラファイトターゲットの表面に導くための反射部材と、を備えることを特徴とするナノカーボンの製造装置が提供される。 According to the present invention, a graphite target, a chamber containing the graphite target, a window provided in a part of the chamber, and a light source for irradiating light on the surface of the graphite target through the window A collection unit for collecting nanocarbon generated from carbon vapor evaporated from the graphite target by the irradiation of light, a reflecting member for reflecting the transmitted light transmitted through the window, and guiding it to the surface of the graphite target; An apparatus for producing nanocarbon is provided.
また、本発明のナノカーボンの製造装置において、前記光学部材が反射部材を含んでもよい。 In the nanocarbon manufacturing apparatus of the present invention, the optical member may include a reflecting member.
こうすることにより、窓部を透過した光の光路を変えた後、グラファイトターゲットの表面に照射することができる。よって、窓部へのすす状物質の付着を確実に抑制することができる。 By doing so, the surface of the graphite target can be irradiated after changing the optical path of the light transmitted through the window. Therefore, it is possible to reliably suppress the soot-like substance from adhering to the window portion.
本発明において、反射部材は、たとえばその表面を金属とすることができる。こうすることにより、表面の放熱性が好適に確保される。よって、表面にすす状物質等が付着しても過度の温度上昇を抑制することができる。本発明において、反射部材を冷却するための冷却機構をさらに備えてもよい。こうすれば、より一層確実に反射部材を冷却することができる。このため、反射部材の過加熱を抑制し、その寿命を向上させることができる。また、ナノカーボンを安定的に製造することができる。また、本発明において、反射部材に付着したすす状物質を除去するための掃塵機構をさらに設けてもよい。こうすれば、所定のタイミングですす状物質を除去しながらナノカーボンを製造することができる。このため、ナノカーボンの収率をさらに向上させることができる。 In the present invention, the reflecting member can be made of metal, for example. By carrying out like this, the heat dissipation of the surface is ensured suitably. Therefore, even if soot-like substances adhere to the surface, an excessive temperature rise can be suppressed. In the present invention, a cooling mechanism for cooling the reflecting member may be further provided. If it carries out like this, a reflective member can be cooled more reliably. For this reason, the overheating of the reflecting member can be suppressed and its life can be improved. Moreover, nanocarbon can be manufactured stably. In the present invention, a dust scavenging mechanism for removing the soot-like substance attached to the reflecting member may be further provided. In this way, nanocarbon can be produced while removing the soot-like substance at a predetermined timing. For this reason, the yield of nanocarbon can further be improved.
本発明のナノカーボンの製造装置において、前記反射部材と前記グラファイトターゲットとの間に介在する遮蔽部材をさらに備えてもよい。 The nanocarbon manufacturing apparatus of the present invention may further include a shielding member interposed between the reflecting member and the graphite target.
こうすることにより、窓部または光学部材をすす状物質の付着からより一層確実に保護することができる。このため、ナノカーボンの収率の低下を抑制することができる。また、光学部材の寿命を長期化することができる。 By doing so, the window portion or the optical member can be more reliably protected from the adhesion of soot-like substances. For this reason, the fall of the yield of nanocarbon can be suppressed. Moreover, the lifetime of the optical member can be prolonged.
本発明のナノカーボンの製造装置において、前記反射部材が集光作用を有してもよい。こうすることにより、グラファイトターゲットの所定の位置に、光を確実に集光することができる。このため、ナノカーボンを安定的に製造することができる。また、集光するための光学部材を設けることなくグラファイトターゲットの表面に光を集光することができるため、簡易な構成で効率よくナノカーボンを製造することができる。なお、集光作用を有する反射部材は、単一の部材から構成されていてもよいし、複数の部材の組み合わせにより構成されていてもよい。 In the nanocarbon manufacturing apparatus of the present invention, the reflecting member may have a light collecting action. By doing so, light can be reliably collected at a predetermined position of the graphite target. For this reason, nanocarbon can be manufactured stably. Moreover, since light can be condensed on the surface of the graphite target without providing an optical member for condensing, nanocarbon can be efficiently produced with a simple configuration. In addition, the reflective member which has a condensing effect | action may be comprised from the single member, and may be comprised by the combination of the several member.
たとえば、反射部材は凹面鏡とすることができる。また、本発明のナノカーボンの製造装置において、前記反射部材が放物面鏡であってもよい。こうすれば、凹面鏡に光を反射させた反射光をその焦点に確実に集光することができる。よって、グラファイトターゲットの表面にさらに確実に反射光を集光させることができる。したがって、さらに安定にナノカーボンを製造することができる。 For example, the reflecting member can be a concave mirror. In the nanocarbon manufacturing apparatus of the present invention, the reflecting member may be a parabolic mirror. In this way, the reflected light obtained by reflecting the light to the concave mirror can be reliably collected at the focal point. Therefore, the reflected light can be more reliably condensed on the surface of the graphite target. Therefore, nanocarbon can be manufactured more stably.
本発明のナノカーボンの製造装置において、円筒状の前記グラファイトターゲットを保持するとともに該グラファイトターゲットを中心軸周りに回転させるターゲット保持手段を備えることができる。こうすることにより、ナノカーボンを連続的に製造することができる。よって、ナノカーボンの収率を向上させることができる。 The nanocarbon production apparatus of the present invention may include target holding means for holding the cylindrical graphite target and rotating the graphite target around a central axis. By carrying out like this, nanocarbon can be manufactured continuously. Therefore, the yield of nanocarbon can be improved.
本発明のナノカーボンの製造装置において、前記ナノカーボンがカーボンナノホーン集合体であってもよい。 In the nanocarbon production apparatus of the present invention, the nanocarbon may be a carbon nanohorn aggregate.
こうすることにより、カーボンナノホーン集合体を高い収率で安定的に製造することができる。 By carrying out like this, a carbon nanohorn aggregate | assembly can be stably manufactured with a high yield.
本発明のナノカーボンの製造装置において、前記光の進行方向に沿った気流を前記光源側から前記グラファイトターゲット側に向かって生じさせる吸気部をさらに有していてもよい。こうすることにより、すす状物質がグラファイトターゲット側から光源側に向かって移動し、窓部または光学部材に付着してしまうのをより一層確実に抑制することができる。このため、装置の寿命をより一層確実に長期化することができる。また、ナノカーボンをより一層安定的に生産することができる。 The nanocarbon manufacturing apparatus of the present invention may further include an air intake section that generates an airflow along the light traveling direction from the light source side toward the graphite target side. By so doing, it is possible to more reliably suppress the soot-like substance from moving from the graphite target side toward the light source side and adhering to the window part or the optical member. For this reason, the lifetime of the apparatus can be prolonged even more reliably. In addition, nanocarbon can be produced more stably.
以上、本発明の構成について説明したが、これらの構成を任意に組み合わせたものも本発明の態様として有効である。また、本発明の表現を他のカテゴリーに変換したものもまた本発明の態様として有効である。
以上説明したように本発明によれば、窓部とグラファイトターゲットとの間に遮蔽部材を設けることにより、ナノカーボンを高収率で製造することができる。また、本発明によれば、ナノカーボンの製造装置の寿命を長期化することができる。As mentioned above, although the structure of this invention was demonstrated, what combined these structures arbitrarily is effective as an aspect of this invention. Moreover, what converted the expression of this invention into the other category is also effective as an aspect of this invention.
As described above, according to the present invention, by providing a shielding member between the window portion and the graphite target, nanocarbon can be produced with high yield. Moreover, according to the present invention, the lifetime of the nanocarbon production apparatus can be extended.
上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。 The above-described object and other objects, features, and advantages will become more apparent from the preferred embodiments described below and the accompanying drawings.
[図1]実施の形態に係るナノカーボン製造装置の構成を示す図である。
[図2]実施の形態に係るナノカーボン製造装置の構成を示す図である。
[図3]実施の形態に係るナノカーボン製造装置の構成を示す図である。
[図4]実施の形態に係るナノカーボン製造装置の構成を示す図である。
[図5]実施の形態に係るナノカーボン製造装置の構成を示す図である。
[図6]実施の形態に係るナノカーボン製造装置の構成を示す図である。
[図7]実施の形態に係るナノカーボン製造装置の構成を示す図である。
[図8]実施例に係るナノカーボン製造装置の構成を示す図である。
[図9]実施例に係るナノカーボン製造装置の構成を示す図である。
[図10]実施例に係るナノカーボン製造装置の構成を示す図である。
[図11]実施例の各装置におけるZnSeウインドウの破損時間を示す図である。
[図12]実施例における製造時間とカーボンナノホーン集合体の収率との関係を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a nanocarbon production apparatus according to an embodiment.
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a nanocarbon production apparatus according to an embodiment.
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a nanocarbon manufacturing apparatus according to an embodiment.
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a nanocarbon manufacturing apparatus according to an embodiment.
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a nanocarbon manufacturing apparatus according to an embodiment.
FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a nanocarbon manufacturing apparatus according to an embodiment.
FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a nanocarbon manufacturing apparatus according to an embodiment.
FIG. 8 is a diagram showing a configuration of a nanocarbon production apparatus according to an example.
FIG. 9 is a diagram showing a configuration of a nanocarbon production apparatus according to an example.
FIG. 10 is a diagram showing a configuration of a nanocarbon manufacturing apparatus according to an example.
FIG. 11 is a diagram showing the damage time of the ZnSe window in each apparatus of the example.
FIG. 12 is a diagram showing the relationship between production time and yield of carbon nanohorn aggregates in Examples.
以下、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(第一の実施形態)
本実施形態は、グラファイトターゲットの表面に照射する光の光路周辺をカバーで覆ったナノカーボン製造装置に関する。図1は、本実施形態に係るナノカーボンの製造装置の構成の一例を示す断面図である。なお、本明細書において、図1および他の製造装置の説明に用いる図は概略図であり、各構成部材の大きさは実際の寸法比に必ずしも対応していない。(First embodiment)
The present embodiment relates to a nanocarbon manufacturing apparatus in which the periphery of an optical path of light irradiated on the surface of a graphite target is covered with a cover. FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of the nanocarbon manufacturing apparatus according to the present embodiment. In the present specification, FIG. 1 and the drawings used for explaining other manufacturing apparatuses are schematic views, and the size of each component does not necessarily correspond to the actual dimensional ratio.
図1のナノカーボン製造装置125は、製造チャンバー107、ナノカーボン回収チャンバー119、およびこれらを接続する搬送管141を備える。また、図1の製造装置は、レーザー光103を出射するレーザー光源111、ZnSe平凸レンズ131、ZnSeウインドウ133、カバー167、およびグラファイトロッド101を保持し、その中心軸周りに回転させる回転装置115を備える。さらに、ナノカーボン製造装置125は、不活性ガス供給部127、流量計129、真空ポンプ143、および圧力計145を備える。 The
ナノカーボン製造装置125において、レーザー光源111からの出射光は、ZnSe平凸レンズ131にて集光され、製造チャンバー107の壁面に設けられたZnSeウインドウ133を通じて製造チャンバー107内のグラファイトロッド101に照射される。このとき、レーザー光103は、その光路に沿って設けられたカバー167内を通過する。 In the
グラファイトロッド101は、レーザー光103照射のターゲットとなる固体炭素単体物質として用いられる。グラファイトロッド101は回転装置115に固定されており、中心軸周りに回転可能である。たとえば、グラファイトロッド101の表面においてレーザー光103が照射された箇所が、レーザー光103の照射方向から遠ざかるようにグラファイトロッド101を回転させることができる。具体的には、図1において、グラファイトロッド101を中心軸に対して右回りに回転させることができる。こうすれば、戻り光の発生をより一層確実に抑制することができる。 The
そして、レーザー光103の照射に供する新たな照射面を安定的に提供しつつ、カーボンナノホーン集合体117を確実に回収することができる。グラファイトロッド101を回転装置115に固定することにより、中心軸周りに回転させることが可能である。またグラファイトロッド101はたとえば中心軸に沿った方向に位置移動可能な構成とすることができる。 And the carbon nanohorn aggregate |
搬送管141は、製造チャンバー107およびナノカーボン回収チャンバー119に連通し、これらを接続する。グラファイトロッド101の側面にレーザー光源111からレーザー光103が照射され、その際のプルーム109の発生方向に搬送管141を介してナノカーボン回収チャンバー119が設けられており、生成したカーボンナノホーン集合体117はナノカーボン回収チャンバー119に回収される。 The
プルーム109は、レーザー光103の照射位置におけるグラファイトロッド101の接線に垂直な方向、すなわち法線方向に発生するため、この方向に搬送管141を設ければ、効率よく炭素蒸気をナノカーボン回収チャンバー119に導き、カーボンナノホーン集合体117の粉体を回収することができる。たとえば、照射角が45°の場合、鉛直に対して45°をなす方向に搬送管141を設けることができる。 The
ナノカーボン製造装置125では、製造チャンバー107内に、ZnSeウインドウ133近傍からグラファイトロッド101の表面近傍までのレーザー光103の通過経路に沿って、光路を覆う筒状のカバー167が設けられている。カバー167は、グラファイトロッド101の近傍まで設けられており、その端部が開口しており、レーザー光103は、このカバー167内を通過してグラファイトロッド101の表面に照射される。 In the
カバー167を設けることにより、グラファイトロッド101への光の照射経路を確保しつつ、グラファイトロッド101の表面にレーザー光103が照射されて生じた炭素蒸気から得られるすす状物質が付着しないように、ZnSeウインドウ133を遮蔽することができる。ZnSeウインドウ133表面へのすす状物質の付着が抑制されるため、ZnSeウインドウ133表面におけるレーザー光103の吸収が抑制される。よって、グラファイトロッド101の表面に照射されるレーザー光103のパワー密度のぶれを抑制することができる。また、ZnSeウインドウ133の過度の温度上昇を抑制することができる。よって、グラファイトロッド101表面へのレーザー光103の照射位置の熱レンズ効果によるずれを抑制することができる。また、過加熱によるZnSeウインドウ133の劣化や、それに伴う破損または燃焼を抑制することができる。 By providing the
したがって、ナノカーボン製造装置125は、カーボンナノホーン集合体117を高い収率で安定的に生産することができる。また、耐久性に優れた装置構成を容易に実現することができる。 Therefore, the
また、ナノカーボン製造装置125には、プルーム109の発生方向に沿ってプルーム109を覆うように搬送管141が設けられている。搬送管141は、製造チャンバー107の側方に備えられたナノカーボン回収チャンバー119に連通している。グラファイトロッド101の表面にレーザー光103が照射されるとプルーム109が生じ、プルーム109から放出されて炭素蒸気はすす状物質となる。ナノカーボン製造装置125では、プルーム109の発生方向に搬送管141が形成されているため、搬送管141を通って確実にナノカーボン回収チャンバー119へと導かれる。このため、カーボンナノホーン集合体117の回収効率を向上させることができる。なお、プルーム109は、グラファイトロッド101の表面におけるレーザー光103の照射位置の接線に対して垂直な方向に発生する。 The
また、ナノカーボン製造装置125では、グラファイトロッド101を円周方向に回転させながらその側面にレーザー光103を照射する構成となっている。レーザー光103の方向とプルーム109の発生方向が一致していない位置関係にてレーザー光103照射がなされる。こうすれば、レーザー光103の照射経路をさえぎらない位置でカーボンナノホーン集合体117を効率よく回収することができる。 The
また、ナノカーボン製造装置125では、グラファイトロッド101の側面にて発生するプルーム109の角度を予め予測することができる。このため、搬送管141の位置や角度を精密に制御可能である。よって、後述する条件で効率よくカーボンナノホーン集合体117を製造し、また、確実に回収することができる。 In the
次に、図1のナノカーボン製造装置125を用いたカーボンナノホーン集合体117の製造方法について具体的に説明する。 Next, the manufacturing method of the
ナノカーボン製造装置125において、グラファイトロッド101として、高純度グラファイト、たとえば丸棒状焼結炭素や圧縮成形炭素等を用いることができる。 In the
また、レーザー光103として、たとえば、高出力CO2ガスレーザーを用いることができる。レーザー光103のグラファイトロッド101への照射は、Ar、He等の希ガスをはじめとする反応不活性ガス雰囲気、たとえば103Pa以上105Pa以下の雰囲気中で行う。また、製造チャンバー107内を予めたとえば10−2Pa以下に減圧排気した後、不活性ガス雰囲気とすることが好ましい。As the
また、グラファイトロッド101の側面におけるレーザー光103のパワー密度がほぼ一定、たとえば5kW/cm2以上25kW/cm2以下となるようにレーザー光103の出力、スポット径、および照射角を調節することが好ましい。Further, the output, the spot diameter, and the irradiation angle of the
レーザー光103の出力はたとえば1kW以上50kW以下とする。また、レーザー光103のパルス幅はたとえば0.5秒以上とし、好ましくは0.75秒以上とする。こうすることにより、グラファイトロッド101の表面に照射されるレーザー光103の累積エネルギーを充分確保することができる。このため、カーボンナノホーン集合体117を効率よく製造することができる。また、レーザー光103のパルス幅はたとえば1.5秒以下とし、好ましくは1.25秒以下とする。こうすることにより、グラファイトロッド101の表面が過剰に加熱されることにより表面のエネルギー密度が変動し、カーボンナノホーン集合体の収率が低下するのを抑制することができる。レーザー光103のパルス幅は、0.75秒以上1秒以下とすることがさらに好ましい。こうすれば、カーボンナノホーン集合体117の生成率および収率をともに向上させることができる。 The output of the
また、レーザー光103照射における休止幅は、たとえば0.1秒以上とすることができ、0.25秒以上とすることが好ましい。こうすることにより、グラファイトロッド101表面の過加熱をより一層確実に抑制することができる。 Further, the pause width in the irradiation with the
レーザー光103は、照射角が一定となるように照射される。レーザー光103の照射角を一定に保ちながら、グラファイトロッド101をその中心軸に対して所定の速度で回転させることにより、グラファイトロッド101の側面の円周方向にレーザー光103を一定のパワー密度で連続的に照射することができる。また、グラファイトロッド101をその長さ方向にスライドさせることにより、グラファイトロッド101の長さ方向にレーザー光103を一定のパワー密度で連続的に照射することができる。 The
このときの照射角は30°以上60°以下とすることが好ましい。照射角とは、レーザー光103の照射位置におけるグラファイトターゲットの表面に対する垂線とレーザー光103とのなす角のことである。円筒形のグラファイトターゲットであるグラファイトロッド101を用いる場合、グラファイトロッド101の長さ方向に垂直な断面において、照射位置と円の中心とを結ぶ線分と、水平面とのなす角と定義する。 The irradiation angle at this time is preferably 30 ° or more and 60 ° or less. The irradiation angle is an angle formed between the perpendicular to the surface of the graphite target at the irradiation position of the
この照射角を30°以上とすることにより、照射するレーザー光103の反射、すなわち戻り光の発生を防止することができる。また、発生するプルーム109がZnSeウインドウ133を通じてZnSe平凸レンズ131へ直撃することが防止される。このため、ZnSe平凸レンズ131を保護し、またカーボンナノホーン集合体117のZnSeウインドウ133への付着防止に有効である。よって、グラファイトロッド101に照射されるレーザー光103のパワー密度を安定化し、カーボンナノホーン集合体117を高い収率で安定的に製造することができる。 By setting the irradiation angle to 30 ° or more, reflection of the
また、レーザー光103を60°以下で照射することにより、アモルファスカーボンの生成を抑制し、生成物中のカーボンナノホーン集合体117の割合、すなわちカーボンナノホーン集合体117の収率を向上させることができる。また、照射角は45°±5°とすることが特に好ましい。約45°で照射することにより、生成物中のカーボンナノホーン集合体117の割合をより一層向上させることができる。 Moreover, by irradiating the
また、ナノカーボン製造装置125では、グラファイトロッド101の側面にレーザー光103を照射する構成となっている。このため、ZnSe平凸レンズ131の位置を固定した状態で、グラファイトロッド101の高さを調節することにより、側面への照射角度を変えることができる。レーザー光103の照射角度を変えることにより、グラファイトロッド101の表面におけるレーザー光103の照射面積を変え、パワー密度を可変とし、確実に調節することができる。 The
具体的には、たとえば、ZnSe平凸レンズ131の位置を固定した場合において、照射角を30°とすれば、パワー密度を高くすることができる。また、たとえば照射角度を60°とすることにより、パワー密度を低く制御できる。 Specifically, for example, when the position of the ZnSe plano-
また、照射時のレーザー光103のグラファイトロッド101側面へのスポット径は、たとえば0.5mm以上5mm以下とすることができる。 Further, the spot diameter of the
また、レーザー光103のスポットを、たとえば0.01mm/sec以上55mm/sec以下の線速度(周速度)で移動させることが好ましい。線速度が大きいと、一回のパルス照射においてグラファイトロッド101表面にレーザー光103が照射される長さが長い一方、グラファイトロッド101の表面から炭素の蒸発が生じるのは、表面からの深度が小さい領域に限られる。これに対して、線速度が小さいと、一回のパルス照射においてグラファイトロッド101表面にレーザー光103が照射される長さは短いが、グラファイトロッド101の表面からの深度が大きい領域まで蒸発が生じる。 Moreover, it is preferable to move the spot of the
単位時間あたりのすす状物質の生成量すなわちすす状物質の生成率および生成したすす状物質中のカーボンナノホーン集合体117の収率は、一回のパルス光照射における照射位置の移動距離および炭素が蒸発する深度に依存するものと推察される。炭素が蒸発する深度が深すぎると、カーボンナノホーン集合体117以外のものが生成し、収率が低下する。また、深度が浅すぎると、カーボンナノホーン集合体117が充分に生成されてない。線速度を上述の条件とすることにより、カーボンナノホーン集合体117を高い収率で効率よく製造することができる。 The amount of soot-like substance produced per unit time, that is, the soot-like substance production rate, and the yield of the
たとえば、直径100mmのグラファイトターゲットの表面にレーザー光103を照射する場合には、回転装置115によって直径100mmのグラファイトロッド101を円周方向に一定速度で回転させ、回転数をたとえば0.01rpm以上10rpm以下とすると、上述の線速度を実現できる。なお、グラファイトロッド101の回転方向に特に制限はないが、照射位置がレーザー光103から遠ざかる方向、すなわち図1においては図中に矢印で示したようにレーザー光103から搬送管141に向かう方向、に回転させることが好ましい。こうすることにより、カーボンナノホーン集合体117をより一層確実に回収することができる。 For example, when irradiating the surface of a graphite target with a diameter of 100 mm with the
ナノカーボン回収チャンバー119に回収されたすす状物質は、カーボンナノホーン集合体117を主として含み、たとえば、カーボンナノホーン集合体117が90wt%以上含まれる物質として回収される。 The soot-like substance recovered in the
ナノカーボン製造装置125を用いたナノカーボンの製造において、ZnSeウインドウ133からグラファイトロッド101表面に至るレーザー光103の出射方向に沿って、またはグラファイトロッド101の表面から搬送管141を経由してナノカーボン回収チャンバー119に至る方向に沿って気流を形成してもよい。たとえば、レーザー光103の進行方向に沿った気流をレーザー光源111の側からグラファイトロッド101の側に向かって生じさせる吸気部をさらに設けてもよい。このようにすれば、すす状物質がグラファイトロッド101の表面からZnSeウインドウ133方向に付着することをさらに確実に抑制することができる。また、生成したカーボンナノホーン集合体117を搬送管141からナノカーボン回収チャンバー119へとより一層確実に導くことができるため、カーボンナノホーン集合体117の回収率を向上させることができる。 In the production of nanocarbon using the
また、ナノカーボン製造装置125においては、ZnSe平凸レンズ131およびZnSeウインドウ133を用いたが、ZnSeウインドウ133としてZnSe平凸レンズを設けてもよい。すなわち、この場合には製造チャンバー107外にZnSe平凸レンズ131を設けずに、製造チャンバー107を封止するウインドウとしてレンズを用いる構成となる。こうすることにより、簡便で生産効率にすぐれた装置構成が実現される。 In the
なお、図1の装置および以降の実施形態で説明する装置では、レーザー光源111を製造チャンバー107の上方に設けている。そして、レーザー光103照射により生成したカーボンナノホーン集合体117を、搬送管141を経由して製造チャンバー107の側方に設けられたナノカーボン回収チャンバー119において回収する構成としている。本実施形態および以降の実施形態において、レーザー光源111の配置は必ずしも製造チャンバー107の上方に設ける態様に限定されない。 In the apparatus of FIG. 1 and the apparatus described in the following embodiments, the
たとえば、図2は、カバー167を有するナノカーボン製造装置の別の構成を示す図である。図2の装置では、レーザー光源111が製造チャンバー107の側方に設けられ、製造チャンバー107の側面からグラファイトロッド101に向かってレーザー光103が照射される。また、このとき、プルーム109はグラファイトロッド101の照射位置の接線に垂直な方向に発生する。図2の位置関係では、プルーム109が製造チャンバー107において鉛直上方に対して45°をなす方向に向かって発生することになる。図2の装置でも、図1の装置と同様に、グラファイトロッド101の表面近傍からプルームの発生方向に平行に搬送管141を設け、プルーム109から生成したすす状物質が製造チャンバー107の上部に設けられたナノカーボン回収チャンバー119に回収されるような構成となっている。 For example, FIG. 2 is a diagram illustrating another configuration of a nanocarbon manufacturing apparatus having a
なお、図2の装置において、回転装置115は、グラファイトロッド101を保持し、その中心軸に沿って回転させる回転機構を有している。また、図2の装置の場合も、図1の装置と同様、グラファイトロッド101はその中心軸方向に移動することもできるように構成されている。 2, the
また、図1の装置においては、ZnSeウインドウ133を保護するための遮蔽部材として、レーザー光源111から出射したレーザー光103の光路に沿ってその光路を覆うカバー167を設けたが、遮蔽部材の態様はこれに限定されない。 In the apparatus of FIG. 1, a
たとえば、図3は、図1のナノカーボン製造装置125のカバー167にかえて隔壁179を設けた構成の装置である。その他の構成は、ナノカーボン製造装置125と同様である。図3の装置では、製造チャンバー107内に隔壁179が設けられている。隔壁179は、ZnSeウインドウ133が設けられている室と、グラファイトロッド101が設けられている室の二室に製造チャンバー107を区画する。隔壁179には、レーザー光103を通過させてグラファイトロッド101に到達させるための孔が設けられている。このため、グラファイトロッド101へのレーザー光照射が可能である。隔壁179を設けることにより、グラファイトロッド101側から生じたすす状物質がZnSeウインドウ133側に移動するのを遮蔽することができる。このため、すす状物質がZnSeウインドウ133表面に付着するのを抑制することができる。 For example, FIG. 3 shows an apparatus having a configuration in which a
また、図1〜図3の装置では、窓として、製造チャンバー107の壁面にZnSeウインドウ133が設けられていたが、窓は製造チャンバー107中に一部を露出させた態様であればこの構成に限定されない。たとえば、出射端面にウインドウを有するレーザー光源111が製造チャンバー107中に配置されていてもよい。この場合、レーザー光源111とグラファイトロッド101との間をカバー167または隔壁179等の遮蔽部材によって遮蔽することにより、レーザー光源111のウインドウへのすす状物質の付着が抑制される。また、ZnSe平凸レンズ131が製造チャンバー107内に設けられていてもよい。この場合、ZnSe平凸レンズ131とグラファイトロッド101との間を、たとえばカバー167または隔壁179によって遮蔽することにより、ZnSe平凸レンズ131の表面へのすす状物質の付着を抑制することができる。 In the apparatus shown in FIGS. 1 to 3, a
(第二の実施形態)
本実施形態は、光源111からの出射光をグラファイトロッド101の表面に直接照射せずに、反射させて光路を変えた後、グラファイトロッド101の表面に照射する構成のナノカーボン製造装置に関する。(Second embodiment)
The present embodiment relates to a nanocarbon manufacturing apparatus configured to irradiate the surface of the
図4は、本実施形態に係るナノカーボン製造装置173を側方から見た様子を示す断面図である。本実施形態において、第一の実施形態に記載のナノカーボン製造装置125と同様の構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。 FIG. 4 is a cross-sectional view showing the
ナノカーボン製造装置125(図1)では、レーザー光源111から出射したレーザー光103をグラファイトロッド101表面におけるスポット径が所定の大きさになるようZnSe平凸レンズ131で集光した後、ZnSeウインドウ133から製造チャンバー107内に照射される構成であったのに対し、図4のナノカーボン製造装置173では、レーザー光源111から出射したレーザー光103は集光されずにZnSeウインドウ133から製造チャンバー107内に照射される。ナノカーボン製造装置173はレーザー光103の光路を変えるための平面鏡169および放物面鏡171を有しているため、レーザー光103は製造チャンバー107内において、平面鏡169で反射され、さらに放物面鏡171において反射される。放物面鏡171で反射した光は放物面鏡171の焦点付近に設置されたグラファイトロッド101の表面に集光される。 In the nanocarbon manufacturing apparatus 125 (FIG. 1), the
このように、ナノカーボン製造装置173においては、ZnSeウインドウ133を通って製造チャンバー107中に入射したレーザー光103が、直接グラファイトロッド101表面に照射されるのではなく、平面鏡169および放物面鏡171によって二回反射されて光路を変えた後、グラファイトロッド101の表面に照射される。また、平面鏡169および放物面鏡171を経由するため、ナノカーボン製造装置173では、ナノカーボン製造装置125に比べ、ZnSeウインドウ133からグラファイトロッド101に至る光路の長さを増加させることができる。 As described above, in the
このため、グラファイトロッド101の表面から発生したプルーム109およびプルーム109から得られるすす状物質のZnSeウインドウ133への付着が抑制される装置構成となっている。よって、ナノカーボン製造装置173を長期間使用しても、グラファイトロッド101の表面に照射されるレーザー光103のパワー密度の変化を抑制することができる。このため、カーボンナノホーン集合体117の収率の低下を抑制し、カーボンナノホーン集合体117を安定的に連続生産することができる。また、ナノカーボン製造装置173の装置寿命を長期化することができる。 Therefore, the
ナノカーボン製造装置173において、平面鏡169または放物面鏡171の材料として、たとえばCuを用いることができる。Cuは熱伝導率が高いため、表面にすす状物質が付着しても効率よく放熱される。また、平面鏡169および放物面鏡171は、表面にたとえばAuまたはMoによるコーティングが施されていてもよい。このような材料を用いることにより、平面鏡169または放物面鏡171の破損を抑制することができる。 In the
なお、ナノカーボン製造装置173では、レーザー光源111からの出射光が2回反射された後、グラファイトロッド101の表面に照射される構成としたが、レーザー光源111からの出射光が光路を変えた後グラファイトロッド101の表面に到達する構成であれば反射の回数に特に制限はなく、1回反射させる構成とすることもできるし、または3回以上反射させてグラファイトロッド101に照射する構成としてもよい。 In the
また、ナノカーボン製造装置173では、レーザー光103を放物面鏡171で反射することにより、グラファイトロッド101の表面に集光する構成としたが、グラファイトロッド101の表面に集光できる構成であれば、反射鏡の形状は放物面鏡171には限定されず、たとえば他の形状の凹面鏡を用いることも可能である。また、複数の反射鏡を組み合わせてグラファイトロッド101の表面に集光してもよい。 In the
(第三の実施形態)
本実施形態は、ナノカーボン製造装置の別の構成に関する。本実施形態においても、第一または第二の実施形態に記載のナノカーボン製造装置125(図1)またはナノカーボン製造装置173(図4)と同様の構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。(Third embodiment)
The present embodiment relates to another configuration of the nanocarbon manufacturing apparatus. Also in this embodiment, the same components as those of the nanocarbon production apparatus 125 (FIG. 1) or the nanocarbon production apparatus 173 (FIG. 4) described in the first or second embodiment are denoted by the same reference numerals, The description will be omitted as appropriate.
図5は、本実施形態に係るナノカーボン製造装置175を側方から見た様子を示す断面図である。ナノカーボン製造装置175の基本的な装置構成はナノカーボン製造装置173(図4)と同様であるが、ナノカーボン製造装置175では、レーザー光103の通過経路を保護するためのカバー167が設けられている点がナノカーボン製造装置173と異なる。 FIG. 5 is a cross-sectional view showing the
カバー167を設けることにより、第一の実施形態において説明したように、プルーム109から発生したすす状物質が直接ZnSeウインドウ133に付着するのをさらに確実に抑制することができる。また、平面鏡169または放物面鏡171の表面にすす状物質が付着することもより一層確実に防止することができる。このため、グラファイトロッド101の表面におけるレーザー光103の照射位置またはパワー密度のぶれを抑制し、カーボンナノホーン集合体117の収率の低下が抑制される。また、装置寿命もより一層長期化することができる。 By providing the
なお、図5のナノカーボン製造装置175では、製造チャンバー107の壁面に接してカバー167が設けられているため、製造チャンバー107の内部にZnSeウインドウ133が設けられた構成としたが、不活性ガスを製造チャンバー107内に封止できる構成であればZnSeウインドウ133の位置は製造チャンバー107内部に限定されず、たとえば製造チャンバー107の壁面に設けてもよい。たとえば、図6は、ZnSeウインドウ133が製造チャンバー107の壁面に設けられているナノカーボン製造装置176を示す図である。 5 has a structure in which a
(第四の実施形態)
以上の実施形態においては、グラファイトロッドを用いた場合を例に説明をしたが、これらのいずれの実施形態においてもグラファイトターゲットの形状は円筒形には限定されず、たとえばシート状、棒状等としてもよい。(Fourth embodiment)
In the above embodiment, the case where a graphite rod is used has been described as an example. However, in any of these embodiments, the shape of the graphite target is not limited to a cylindrical shape, and may be, for example, a sheet shape, a rod shape, or the like. Good.
たとえば、図7は、第3の実施形態に記載のナノカーボン製造装置175(図5)において、シート状のグラファイトターゲットを用いる場合の装置構成を示す図である。 For example, FIG. 7 is a diagram showing an apparatus configuration when a sheet-like graphite target is used in the nanocarbon production apparatus 175 (FIG. 5) described in the third embodiment.
図7のナノカーボン製造装置177において、グラファイトターゲット139は、レーザー光103の照射のターゲットとなる固体炭素単体物質である。グラファイトターゲット139はターゲット供給プレート135上のターゲット保持部153に保持されている。プレート保持部137は、ターゲット供給プレート135を水平方向に並進移動させる。このため、ターゲット供給プレート135が移動すると、その上に設置されたグラファイトターゲット139が移動し、レーザー光103の照射位置とグラファイトターゲット139の表面との相対的な位置が移動する構成となっている。 In the
たとえば、ターゲット供給プレート135の底面およびプレート保持部137の表面にネジ山(不図示)を形成し、ラックピニオン方式でターゲット供給プレート135が図7の左上から右下に向かって移動できるように構成することができる。また、ターゲット供給プレート135の表面に溝部(不図示)等を形成しておき、ターゲット保持部153の底部に溝部をスライドできるように凸部(不図示)を形成し、溝部にこの凸部を掛合することにより、ターゲット保持部153およびターゲット保持部153に保持されたグラファイトターゲット139が図7の紙面に垂直な方向に移動可能な構成とすることができる。 For example, threads (not shown) are formed on the bottom surface of the target supply plate 135 and the surface of the
このような構成とすることにより、グラファイトターゲット139をレーザー光源111から出射するレーザー光103の照射位置に供給することができる。 With such a configuration, the
さらに、グラファイトターゲットの形状をシート状あるいは棒状とした際に、その厚さを、レーザー光103が1回乃至数回照射されるとすべて蒸発し、使いきる程度の大きさとすることにより、カーボンナノホーン集合体117の収率をより一層向上させることができる。これは、レーザー光103が一度照射されると、グラファイトロッド101の表面が粗面化するため、再度レーザー光103が照射された際にパワー密度のぶれが生じるため、グラファイトロッド101の表面へのレーザー光103の照射回数は少ないほどカーボンナノホーン集合体117を安定的に生産することができるためである。 Further, when the graphite target is formed into a sheet shape or a rod shape, the thickness of the graphite target is vaporized when irradiated with the
以上、本発明を実施形態に基づき説明した。これらの実施形態は例示であり様々な変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。 The present invention has been described based on the embodiments. It should be understood by those skilled in the art that these embodiments are illustrative and that various modifications are possible, and that such modifications are within the scope of the present invention.
また、以上の実施形態に係る装置では、レーザー光103の照射によって得られたすす状物質がナノカーボン回収チャンバー119に回収される構成となっているが、適当な基板上に堆積して回収することや、ダストバッグによる微粒子回収の方法によって回収することもできる。また、不活性ガスを反応容器内で流通させて、不活性ガスの流れによりすす状物質を回収することもできる。 In the apparatus according to the above embodiment, the soot-like substance obtained by the irradiation with the
以上の実施形態において、カーボンナノホーン集合体117を製造する際の、グラファイトターゲット表面における照射光のパワー密度、パルス幅、休止幅、またはグラファイトターゲットの移動速度等の条件は、グラファイトターゲットの形状や目的とするカーボンナノホーン集合体117の形状に応じて適宜選択することができる。また、カーボンナノホーン集合体117を構成するカーボンナノホーンの形状、径の大きさ、長さ、先端部の形状、炭素分子やカーボンナノホーン間の間隔等は、レーザー光103の照射条件などによって様々に制御することが可能である。 In the above embodiment, conditions such as the power density of the irradiation light on the surface of the graphite target, the pulse width, the resting width, or the moving speed of the graphite target when the
また、第二〜第四の実施形態に示した装置(図4〜図7)では、窓として、製造チャンバー107の壁面にZnSeウインドウ133が設けられていたが、窓は製造チャンバー107中に一部を露出させた態様であればこの構成に限定されない。たとえば、出射端面にウインドウを有するレーザー光源111が製造チャンバー107中に配置されていてもよい。この場合、レーザー光源111からの出射光を、たとえば平面鏡169または放物面鏡171等の反射鏡によって反射させた後、グラファイトロッド101の表面に到達させることにより、レーザー光源111のウインドウへのすす状物質の付着が抑制される。また、ZnSe平凸レンズ131が製造チャンバー107内に設けられていてもよい。この場合、ZnSe平凸レンズ131を透過した光を、たとえば平面鏡169または放物面鏡171等の反射鏡によって反射させた後、グラファイトロッド101の表面に到達させることにより、ZnSe平凸レンズ131の表面へのすす状物質の付着を抑制することができる。 In the apparatus shown in the second to fourth embodiments (FIGS. 4 to 7), the
また、第二〜第四の実施形態に示した装置(図4〜図7)において、放物面鏡171を冷却するための冷却機構をさらに備えていてもよい。放物面鏡171を冷却することにより、放物面鏡171の表面にすす状物質が付着した際にも過度の加熱が抑制されるため、さらに装置の寿命を長期化することができる。また、放物面鏡171の表面に付着したすす状物質を除去するための掃塵機構を備えていてもよい。このような構成とすれば、放物面鏡171の表面にすす状物質が付着した場合にも、適当なタイミングでこれを除去することができるため、グラファイトロッド101表面に照射される光のパワー密度が一定の値となるようにさらに確実に制御することができる。このため、カーボンナノホーン集合体の収率をより一層向上させることができる。また、装置の寿命をさらに長期化することができる。なお、ここでは放物面鏡171の場合を例に冷却機構および掃塵機構について説明をしたが、必要に応じてこれらの機構を平面鏡169に対しても設けることができる。 Moreover, in the apparatus (FIGS. 4 to 7) shown in the second to fourth embodiments, a cooling mechanism for cooling the
以下、本発明を実施例によりさらに説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further, this invention is not limited to these.
本実施例では、図2に示したナノカーボン製造装置126および図8、図9、図10に示したナノカーボン製造装置を用いてレーザーアブレーション法によるカーボンナノホーン集合体117の製造を行った。ただし、図8および図9は、それぞれ図4のナノカーボン製造装置173および図5のナノカーボン製造装置175において、ナノカーボン製造装置126と同様にレーザー光103を製造チャンバー107の側面から入射する構成とした装置である。また、図10の装置は、図2のナノカーボン製造装置126と同様の構成であってカバー167を有しない点がナノカーボン製造装置126と異なる構成のナノカーボン製造装置である。 In this example, the
固体状炭素物質として直径100mmの焼結丸棒炭素を真空容器内に設置し、容器内を10−2Paにまで減圧排気した後、Arガスを1.01325×105Paの雰囲気圧となるように導入した。次いで、高出力のCO2レーザー光を前記固体状炭素物質に室温にて照射した。レーザーの出力を100Wとし、固体状炭素物質表面におけるパワー密度を22kW/cm2とした。パルス幅を1sec、休止幅は250msecとし、固体状炭素物質を6rpmで回転させながら、照射角が45°となるようレーザー光を照射した。レーザー光照射はZnSeウインドウが破損するまで行い、各装置においてZnSeウインドウが破損するまでの時間を測定した。Sintered round bar carbon having a diameter of 100 mm as a solid carbon material is placed in a vacuum vessel, and after the inside of the vessel is evacuated to 10 −2 Pa, Ar gas has an atmospheric pressure of 1.01325 × 10 5 Pa. Introduced as follows. Subsequently, the solid carbon material was irradiated with high-power CO 2 laser light at room temperature. The laser output was 100 W, and the power density on the surface of the solid carbon material was 22 kW / cm 2 . The pulse width was 1 sec, the rest width was 250 msec, and the solid carbon material was rotated at 6 rpm, and the laser beam was irradiated so that the irradiation angle was 45 °. Laser irradiation was performed until the ZnSe window was broken, and the time until the ZnSe window was broken was measured in each apparatus.
さらに、図10の装置および図8のナノカーボン製造装置173を用いた場合については、製造時間とカーボンナノホーン集合体117の収率の関係を調べた。 Further, in the case of using the apparatus of FIG. 10 and the
図11は、各装置におけるZnSeウインドウの破損時間を示す図である。図11において、「ZnSe」は、図10の装置についての実験結果である。また、「ZnSe−ナノカーボン付着防止コーン」、「放物面鏡」、および「放物面鏡−ナノカーボン付着防止コーン」は、それぞれ、図2、図8、および図9に示したナノカーボン製造装置についての実験結果である。 FIG. 11 is a diagram showing the damage time of the ZnSe window in each apparatus. In FIG. 11, “ZnSe” is the experimental result for the apparatus of FIG. In addition, the “ZnSe—nanocarbon adhesion prevention cone”, “parabolic mirror”, and “parabolic mirror—nanocarbon adhesion prevention cone” are the nanocarbons shown in FIG. 2, FIG. 8, and FIG. 9, respectively. It is an experimental result about a manufacturing apparatus.
図11より、ZnSe平凸レンズ131を用いて集光する装置構成において、カバー167を設けることにより、ZnSeウインドウ133の耐久時間が増すことが明らかになった。また、放物面鏡171を用いて集光する構成とすることにより、ZnSeウインドウ133の耐久時間は顕著に増加し、さらにこれにカバー167を設けることにより増加することが明らかになった。 From FIG. 11, it was found that the durability of the
この結果より、放物面鏡171を用いてレーザー光103を反射および集光した後グラファイトロッド101の表面に照射する構成とすることにより、装置寿命を長期化できることが確かめられた。 From this result, it was confirmed that the life of the apparatus can be extended by adopting a configuration in which the surface of the
また、図12は、図11における「ZnSe」と「放物面鏡」の装置すなわち図10および図8の装置について、製造時間とカーボンナノホーン集合体117の収率との関係を示す図である。図12より、図10の装置では、製造時間の経過に従ってカーボンナノホーン集合体117の収率が低下している。これに対し、図8のナノカーボン製造装置173を用いた場合、製造時間が長期化しても、カーボンナノホーン集合体117の収率は低下せず、ほぼ一定の収率となることがわかる。このため、平面鏡169および放物面鏡171によってレーザー光103を反射させ、また放物面鏡171によってグラファイトロッド101の表面にレーザー光103を集光することにより、カーボンナノホーン集合体を安定的に高い収率で製造することが可能であることが明らかになった。 FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the manufacturing time and the yield of the
Claims (9)
前記グラファイトターゲットを収容する室と、
前記室の一部に設けられた窓部と、
前記窓部を介して前記グラファイトターゲットの表面に光を照射する光源と、
前記光の照射により前記グラファイトターゲットから蒸発した炭素蒸気より発生するナノカーボンを回収する回収部と、
前記窓部と前記グラファイトターゲットとの間に介在する遮蔽部材と、
を備えることを特徴とするナノカーボンの製造装置。A graphite target,
A chamber containing the graphite target;
A window provided in a part of the chamber;
A light source that irradiates light onto the surface of the graphite target through the window;
A recovery unit for recovering nanocarbon generated from carbon vapor evaporated from the graphite target by the light irradiation;
A shielding member interposed between the window portion and the graphite target;
An apparatus for producing nanocarbon, comprising:
前記窓部と前記遮蔽部材との間に、前記光を前記グラファイトターゲットの前記表面に導くための光学部材を備えることを特徴とするナノカーボンの製造装置。In the nanocarbon manufacturing apparatus according to claim 1,
An apparatus for producing nanocarbon, comprising: an optical member for guiding the light to the surface of the graphite target between the window portion and the shielding member.
前記グラファイトターゲットを収容する室と、
前記室の一部に設けられた窓部と、
前記窓部を介して前記グラファイトターゲットの表面に光を照射する光源と、
前記光の照射により前記グラファイトターゲットから蒸発した炭素蒸気より発生するナノカーボンを回収する回収部と、
前記窓を透過した透過光を反射させ、前記グラファイトターゲットの表面に導くための反射部材と、
を備えることを特徴とするナノカーボンの製造装置。A graphite target,
A chamber containing the graphite target;
A window provided in a part of the chamber;
A light source that irradiates light onto the surface of the graphite target through the window;
A recovery unit for recovering nanocarbon generated from carbon vapor evaporated from the graphite target by the light irradiation;
A reflecting member for reflecting the transmitted light transmitted through the window and guiding it to the surface of the graphite target;
An apparatus for producing nanocarbon, comprising:
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