WO2004069744A1 - ナノカーボンの製造装置およびナノカーボンの製造方法 - Google Patents

ナノカーボンの製造装置およびナノカーボンの製造方法 Download PDF

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WO2004069744A1
WO2004069744A1 PCT/JP2004/001384 JP2004001384W WO2004069744A1 WO 2004069744 A1 WO2004069744 A1 WO 2004069744A1 JP 2004001384 W JP2004001384 W JP 2004001384W WO 2004069744 A1 WO2004069744 A1 WO 2004069744A1
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light
nanocarbon
graphite
irradiation
laser beam
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PCT/JP2004/001384
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Takeshi Azami
Takashi Manako
Tsutomu Yoshitake
Yoshimi Kubo
Sumio Iijima
Masako Yudasaka
Daisuke Kasuya
Original Assignee
Nec Corporation
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    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J19/12—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electromagnetic waves
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J2219/0873—Materials to be treated
    • B01J2219/0879—Solid

Definitions

  • the present invention relates to a nanocarbon production apparatus and a nanocarbon production method.
  • Nanocarbon refers to a carbon material having a nanoscale microstructure, such as carbon nanotubes and carbon nanohorns.
  • a carbon nanotube in which a graphite sheet is rolled into a cylindrical shape is formed by a laser evaporation method (laser ablation method) in which a carbon material (hereinafter, appropriately referred to as a graphite target) is irradiated with a laser beam in an inert gas atmosphere.
  • a laser evaporation method laser ablation method
  • a carbon material hereinafter, appropriately referred to as a graphite target
  • Patent Document 1 a surface of a carbon pellet containing a catalyst is irradiated with a laser beam as a graphite target.
  • the carbon nanohorn has a tubular structure in which one end of a carbon nanotube has a conical shape, and its unique properties are expected to be applied to various technical fields.
  • the carbon nanohorns are assembled by the van der Waals force acting between the conical portions, with the conical portions protruding from the surface like a corner (horn) centering on the tube, forming a carbon nanohorn aggregate. Has formed.
  • Patent Document 2 It has been reported that a carbon nanohorn aggregate is also produced by a laser-evaporation method (Patent Document 2).
  • Patent Document 2 the surface of a cylindrical graphite target is irradiated with one laser beam to produce a carbon nanohorn aggregate. Has been manufactured.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-2001
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-6404 Disclosure of the Invention
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a manufacturing method and a manufacturing apparatus for stably mass-producing a force-ponnanohorn aggregate. Another object of the present invention is to provide a manufacturing method and a manufacturing apparatus for stably mass-producing nanocarbon.
  • a recovery device for recovering carbon vapor as nanocarbon is provided.
  • the cylindrical surface of the graphite target is irradiated with light while moving the irradiation position of the light, and the graph shows that the carbon vapor evaporated from the target is collected as nanocarbon.
  • FIG. 3 is a diagram exemplifying this state in the case where a cylindrical graphite is used.
  • Fig. 3 (c) is a cross-sectional view perpendicular to the length direction of the graph rod 101 when the first laser beam 103 is irradiated.
  • Fig. 3 (a) is a laser beam 103. It is an enlarged view of an irradiation part.
  • FIG. 3 (d) is a view showing a state where the laser beam 103 is again irradiated on the side surface after the laser beam 103 is irradiated at least once in FIG. 3 (c).
  • FIG. 3 (b) is an enlarged view of a laser beam 103 irradiation part. As shown in FIGS. 3 (b) and 3 (d), once the laser beam 103 is irradiated, the side surface of the graphite rod 101 becomes rough.
  • the side surface that is a cylindrical surface usually has a larger surface area than the flat end surface, so that light irradiation is performed while moving the irradiation position on the cylindrical surface to create a new smooth surface. It can be reliably supplied as an irradiation surface. For this reason, nanocarbon can be stably mass-produced.
  • power density refers to the power density of the light actually illuminated on the surface of the graphite target, ie, the target of the graphite target. It refers to the power density at the light irradiation site on the surface.
  • a sunset holding means for holding a cylindrical graphite target and rotating the graphite target about a central axis; and a light source for irradiating light to a cylindrical surface of the graphite target.
  • a recovery unit for recovering carbon vapor evaporated from the graphite target by the irradiation of the light as nanocarbon.
  • the cylindrical surface of the graphite target is irradiated with light, and the carbon vapor evaporated from the graphite target is recovered as nanocarbon.
  • a method for producing nanocarbon is provided.
  • the cylindrical surface is irradiated with light while rotating the graphite target around the central axis. For this reason, the part to be irradiated with light can be continuously changed with a simple configuration. Therefore, a new irradiation site can be efficiently supplied, and nanocarbon can be stably mass-produced.
  • By rotating the target around the center axis and irradiating the cylindrical surface with light it is possible to easily supply a new irradiation part with a simpler configuration than when irradiating the end surface of the Daraite target. Can be.
  • the “central axis” refers to an axis that passes through the center of the cross section perpendicular to the length direction of the cylindrical graphite target and is horizontal in the length direction.
  • a graphite rod can be used as a cylindrical graphite target.
  • the “graphite rod” refers to a rod-shaped graphite target. If it is rod-shaped, it does not matter whether it is hollow or solid.
  • the surface of the cylindrical graphite target to which light is irradiated is preferably the side surface of the cylindrical graphite target.
  • the “side surface of a cylindrical graphite target” refers to a curved surface parallel to the length direction of a cylinder, and this surface is also called a cylindrical surface.
  • the nanocarbon manufacturing apparatus according to the present invention may further include a moving unit that moves a relative position of the graphite with respect to the light source.
  • light irradiation can be performed while moving the light irradiation position.
  • nanocarbon having desired properties can be obtained more stably.
  • the moving unit may be configured to move the light irradiation position while making the irradiation angle of the light at the light irradiation position on the graphite target substantially constant.
  • the method of using nanocarbon of the present invention may include a step of irradiating the light so that an irradiation angle of the light on the cylindrical surface is substantially constant. By doing so, it is possible to more reliably suppress the fluctuation of the power density of light at the irradiation position. For this reason, nanocarbon of desired properties can be stably produced at a high yield.
  • the ratio of carbon nanohorn contained in the soot-like substance is also referred to as “purity of carbon nanohorn” or “yield of carbon nanohorn”.
  • the light irradiation may be irradiation with one laser beam. This makes it possible to more reliably irradiate the surface of the graphite target with light having a predetermined power density. Therefore, the nanocarbon can be produced more stably.
  • the recovery unit may have a recovery chamber for recovering the nanocarbon powder generated by the light irradiation.
  • a guiding portion extending from the irradiation position of the light by the light irradiation in a direction in which a plume is generated, communicating with the collection chamber, and guiding the nanocarbon to the collection chamber is provided. Configuration. By doing so, the nano-carbons generated by the cooling of the carbon vapor jumping out of the plume can be more reliably guided to the recovery means and recovered.
  • the step of recovering nanocarbon may include a step of recovering carbon nanohorns.
  • the nanocarbon may be a carbon nanohorn.
  • the carbon nanohorn may constitute a carbon nanohorn aggregate.
  • the carbon nanohorn constituting the carbon nanohorn aggregate may be a single-layer carbon nanohorn or a multilayer carbon nanohorn.
  • carbon nanotubes can be collected as nanocarbon.
  • any combination of these respective configurations and those obtained by converting the expression of the present invention among methods, devices, and the like are also effective as embodiments of the present invention.
  • the surface of the graphite target once irradiated with the laser light is roughened.
  • the position is roughened and the position is again irradiated with the laser beam 103, the power density of the laser beam 103 changes.
  • the graphite target Recovering the carbon vapor evaporated from the carbon nanotubes as nanocarbon, and smoothing the surface of the graphite target irradiated with light, and again applying the light to the smoothed surface of the graphite target. Irradiating and recovering carbon vapor evaporated from the graphite target as nanocarbon.
  • the nanocarbon production apparatus of the present invention it is possible to provide a surface treatment means for smoothing the surface of the graphite that has been irradiated with light.
  • “smoothing” refers to a process for making the degree of irregularities on the surface of a graphite target relatively smaller than before the process.
  • the surface of the graphite target is roughened by light irradiation, but the surface is smoothed, and light is irradiated again on the smoothed portion. Therefore, the surface of the graphic target to be irradiated with light is always kept smooth. Therefore, since the power density at the irradiation site on the graphite target surface is kept constant, it is possible to stably synthesize a large amount of nanocarbon.
  • the surface of the graphite target is irradiated with light while rotating the cylindrical graphite target about the central axis, and carbon vapor evaporated from the graphite target is recovered as nanocarbon.
  • a method for producing nano-strength carbon is provided.
  • a sunset holding means ′ for holding a cylindrical graphite target and rotating the graphite target about a central axis; and a light source for irradiating light to the surface of the graphite target.
  • Surface treatment for smoothing the surface of the graphite target irradiated with light.
  • the cylindrical graphite target is rotated around the central axis, the side surface roughened by light irradiation is smoothed. Then, the light is irradiated again on the smoothed side surface.
  • the light irradiation and smoothing steps while rotating the cylindrical graphite object, it becomes possible to continuously and efficiently mass-produce the nanocarbon.
  • the light irradiation in the step of irradiating the surface of the graphite target with light and the step of irradiating the surface of the graphite target again with light, the light irradiation may be performed while moving the light irradiation position. it can.
  • the apparatus for producing nanocarbon of the present invention may further include a moving unit for moving a relative position of the graphite target with respect to the light source.
  • a moving means for example, when irradiating light while rotating a cylindrical graphite target about a central axis, a mode in which the position of the graphite target is moved so as to move the irradiation position in the length direction of the graphite target. Can be adopted.
  • the steps of light irradiation, smoothing, and re-light irradiation can be performed more efficiently and continuously, so that nano-powered carbon can be efficiently mass-produced.
  • a graphite target is installed in one chamber, light is irradiated on the surface of the graphite target while moving an irradiation position, and carbon vapor evaporated from the graphite target is removed.
  • the present invention provides a method for producing nanocarbon.
  • the step of smoothing the surface irradiated with light may include a step of removing a part of the surface of the graphite target.
  • the surface treatment means can remove a part of the surface of the graphite target at a position different from the light irradiation position.
  • the graphite target surface roughened by light irradiation can be efficiently smoothed.
  • the surface of the graphite target there is no particular limitation on the method of removing a part thereof, and examples thereof include cutting, grinding, and polishing.
  • the nanocarbon production apparatus of the present invention it is possible to further include a waste collecting means for collecting the waste of the graphite target generated by the surface treatment means. By doing so, it becomes possible to efficiently separate and collect the cutting chips generated by cutting the surface of the graphite target from the generated nano-force.
  • the step of irradiating light may include a step of irradiating laser light.
  • the wavelength and the direction of the light can be kept constant, so that the conditions of light irradiation on the surface of the graph target can be accurately controlled. Therefore, it is possible to selectively produce desired nanocarbon.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of a nanocarbon production apparatus according to the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the configuration of the nanocarbon production apparatus of FIG.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining a laser beam irradiation site of the solid carbon simple substance.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of the configuration of the nanocarbon production apparatus according to the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of the configuration of a nanocarbon production apparatus according to the present invention.
  • FIG. 6 is a view for explaining irradiation of a laser beam to a graphite target in the nanocarbon production apparatus of FIG. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a nanocarbon production apparatus 183 according to the present embodiment.
  • FIG. 5 and the drawings used for describing other manufacturing apparatuses are schematic views, and the size of each component does not necessarily correspond to the actual dimensional ratio.
  • the nanocarbon production equipment 3 4 7 in Fig. 5 has a production champ 107, a nanocarbon recovery champ 1 119, a transport tube 141, a laser light source 111, a lens 123, and a laser light window 111. 3, and rotating device 1 15 are provided. Furthermore, nano The carbon production apparatus 347 includes an inert gas supply section 127, a flow meter 129, a vacuum pump 144, and a pressure gauge 145.
  • the laser light 103 emitted from the laser light source 111 is condensed by the lens 123, and is applied to the graphite rod 101 in the manufacturing chamber 107 through the laser light source 111.
  • the graphite rod 101 is used as a solid carbon substance serving as a target for irradiation with a laser beam 103.
  • the laser beam 103 is applied to the cylindrical surface of the graphite rod 101 so that the irradiation angle is constant.
  • FIG. 6 illustrates a case where the cylindrical surface of the graphite rod 101 is irradiated with one laser beam 103 at an irradiation angle of 45 °.
  • the laser beam 103 enters the cylindrical surface in a direction perpendicular to the long axis of the graphite rod 101.
  • the irradiation angle at the irradiation position is 45 °.
  • the graphite rod 101 By rotating the graphite rod 101 at a predetermined speed with respect to its central axis while keeping the irradiation angle of the laser beam 103 constant, the graphite rod 101 can rotate in the circumferential direction on the side surface.
  • Laser light 103 can be continuously applied at a constant power density. Further, by sliding the graphite rod 101 in its length direction, it is possible to continuously irradiate the laser beam 103 with a constant power density in the length direction of the graphite rod 101.
  • a plume 109 is generated in the normal direction of the surface of the graphite rod 101 at the irradiation position.
  • the carbon vapor jumping out of the plume 109 is cooled to become nanocarbon. If the angle between the normal of the irradiated surface at the irradiation position of the laser beam 103 and the laser beam 103 is small, the generated plume 109 returns to the laser beam 103 side, the so-called laser beam. Reflection of light 103 occurs.
  • the generated carbon nanohorn aggregates 117 are emitted from the irradiated face by the laser beam.
  • a state of floating near the optical path of light 103 occurs. Therefore, when the laser beam 103 is irradiated, the generated force The laser beam 103 may pass through the one-bon nanohorn assembly 1 17. Then, the structure of the carbon nanohorn aggregate 117 may be destroyed. Also, when the carbon nanophone aggregate 117 absorbs the laser beam 103, the laser beam 103 is attenuated. Then, the power density of the irradiation surface is reduced. Therefore, the generation of return light causes a decrease in the yield of the carbon nanohorn aggregate 117. Further, when the laser beam returns to the laser beam 103, the recovery efficiency of the plume 109 decreases.
  • the irradiation is performed while rotating the graphite rod 101 around its central axis.
  • the angle is not less than 30 ° and not more than 60 °.
  • the irradiation angle is an angle between a perpendicular to the surface of the graphite at the irradiation position of the laser beam 103 and the laser beam 103.
  • the illuminating angle should be a cross-section perpendicular to the longitudinal direction of the graphite rod 101 as shown in Fig. 2, Fig. 3 (c) and Fig. 3 (d). , The angle between the line connecting the irradiation position and the center of the circle and the horizontal plane.
  • This irradiation angle is 30. With the above, it is possible to suppress the generation of return light due to reflection of the irradiated laser light 103. Further, the generated plume 109 is prevented from directly hitting the lens 123 through the laser light window 113. This is effective for protecting the lens 123 and preventing the carbon nanohorn assembly 117 from adhering to the laser light window 113. Therefore, the power density of the light illuminating the graphit rod 101 is stabilized, The horn aggregate 1 17 can be stably produced at a high yield.
  • the ratio of the carbon nanohorn aggregates 117 in the product that is, the carbon nanohorn aggregates 117
  • the yield can be improved.
  • the irradiation angle is particularly preferably 45 °. By irradiating at 45 °, the ratio of the carbon nanophone aggregate 117 in the product can be further improved.
  • the side of the graphite rod 101 is irradiated with the laser beam 103, so that the position of the lens 123 is fixed and the side of the side is fixed. It can be easily changed by changing the irradiation angle. For this reason, the power density can be made variable and can be reliably adjusted. For example, when the position of the lens 123 is fixed, for example, if the irradiation angle is set to 30 °, the power density can be increased. Also, for example, by setting the irradiation angle to 60 °, the power density can be controlled to be low.
  • the rotating device 115 holds the graphite rod 101 and rotates it around its central axis.
  • the graphite rod 101 can be rotated in a direction away from the laser beam 103 and the plume 109. This makes it possible to more reliably suppress the generation of return light. Then, it is possible to reliably recover the carbon nanohorn aggregate 117 while stably providing a new irradiation surface to be irradiated with the laser beam 103.
  • the graphite rod 101 By fixing the graphite rod 101 to the rotating device 115, it can rotate around the central axis.
  • the graphite rod 101 can be configured to be movable in a direction along the central axis, for example.
  • the nanocarbon production apparatus 347 it is possible to continuously supply a smooth surface with a simple apparatus configuration in which the graphite rod 101 is rotated around the central axis and moved in the axial direction. For this reason, the nanocarbon production apparatus 347 can perform continuous production of nanocarbon and can be suitably used for mass production. In addition, carbon nanohorn aggregates 117 can be obtained with high purity.
  • the side surface of the graphite rod 101 has a larger non-surface area in the usual concept than the end surface. Therefore, a new surface suitable for irradiation can be easily prepared only by rotating the graphite rod 101 and horizontally moving it in the long direction. Therefore, while simplifying the device configuration, the carbon nanohorn aggregate 1 1
  • the graphite rod 101 can be rotated around the central axis and moved in the long axis direction, the conditions of rotation and movement are adjusted, and the laser beam 103 is shifted while the irradiation position is shifted. Can be irradiated. For this reason, the conditions under which the laser beam 103 is irradiated can be easily adjusted.
  • the transfer chamber is composed of a manufacturing chamber and a nanopower collection chamber.
  • the side of the graph rod 101 is irradiated with laser light 103 from the laser light source 1 1 1, and the nano force is passed through the transfer pipe 1 4 1 in the direction in which the plume 109 is generated.
  • a recovery chamber 1-19 is provided, and the generated carbon nanophone aggregate 117 is recovered in the nanocarbon recovery chamber 119.
  • the transfer pipe 141 Since the plume 109 is generated in the direction perpendicular to the tangent to the graphite rod 101 at the irradiation position of the laser beam 103, if the transfer pipe 141 is provided in this direction, carbon can be efficiently produced.
  • the vapor is led to the nanocarbon recovery chamber 1-119, and the powder of the carbon nanohorn aggregate 1117 can be recovered.
  • the transfer pipe 141 can be provided in a direction making 45 ° with respect to the vertical.
  • the nanocarbon production apparatus 347 is configured to irradiate the side surface of the graphite rod 101 with the laser beam 103 while rotating in the circumferential direction.
  • Irradiation of the laser beam 103 is performed in a positional relationship where the direction of the laser beam 103 and the generation direction of the plume 109 do not match. In this way, it is possible to predict in advance the angle of the plume 109 generated on the side surface of the graphit 101. Therefore, the position and angle of the transfer pipe 141 can be precisely controlled. Thus, the carbon nanohorn aggregate 117 can be efficiently produced and can be reliably recovered.
  • high-purity graphite for example, round rod-shaped sintered carbon, compression molded carbon, or the like can be used.
  • the laser first light 103 for example, a record one
  • the first light such as high output C0 2 gas laser beam.
  • the materials of the laser light window 113 and the lens 123 are appropriately selected according to the type of the laser light 103 used. For example, when using a C_ ⁇ 2 Gasure one The first light, the material of the laser beam window 1 13 and lens 123 can be Z n S e.
  • Irradiation of the graphite rod 101 of the laser beam 103 performs Ar, including noble gas reaction an inert gas atmosphere such as He, for example, 10 3 P a least 1 0 5 P a in the following atmosphere. Further, after evacuating the inside of manufacturing chamber one 107 advance Tato example, if 10_ below 2 P a, arbitrariness preferred that an inert gas atmosphere.
  • the laser beam 103 on the side of the graphite rod 101 has a laser beam 103 so that the laser beam 103 has a substantially constant power density, for example, 5 kW / cm 2 or more and 30 kWZcm 2 or less, for example, 20 ⁇ 10 kWZcm 2 . It is preferable to adjust the power, spot diameter, and irradiation angle.
  • the output of the laser beam 103 is, for example, 1 kW or more and 50 kW or less.
  • the pulse width of the laser beam 103 is, for example, 0.02 seconds or more, preferably 0.5 seconds or more, and more preferably 0.75 seconds or more. By doing so, the accumulated energy of the laser beam 103 applied to the surface of the graphite rod 101 can be sufficiently ensured. Therefore, the carbon nanohorn assembly 117 can be manufactured efficiently.
  • the pulse width of the laser beam 103 is, for example, 1.5 seconds or less, and preferably 1.25 seconds or less. By doing so, it is possible to prevent the energy density of the surface from fluctuating due to excessive heating of the surface of the graphite rod 101 and to reduce the yield of the carbon nanohorn aggregate.
  • the pulse width of the laser beam 103 is more preferably 0.75 seconds or more and 1 second or less. By doing so, both the production rate and the yield of the carbon nanohorn aggregate 117 can be improved. Further, the pause width in the irradiation of the laser beam 103 can be, for example, 0.1 seconds or more, and preferably 0.25 seconds or more. By doing so, overheating of the surface of the graphite rod 101 can be suppressed more reliably.
  • the spot diameter of the laser beam 103 on the side of the graphite rod 101 during the irradiation can be, for example, 0.5 mm or more and 5 mm or less.
  • the rotating rod 115 rotates the graphite rod 101 in the circumferential direction at a constant speed.
  • the rotation speed is, for example, not less than 1 rpm and not more than 20 rpm.
  • the spot of the laser beam 103 at a speed (peripheral speed) of, for example, not less than 0.0 ImmZs ec and not more than 5 SmmZs ec.
  • a speed for example, not less than 0.0 ImmZs ec and not more than 5 SmmZs ec.
  • the rotating rod 115 rotates the graphite rod 101 with a diameter of 100 mm in the circumferential direction at a constant speed, and the number of rotations is increased.
  • the speed is set to 0.01 rpm or more and 10 rpm or less, the above peripheral speed can be realized.
  • the direction of rotation of the graphite rod 101 is not particularly limited, but is preferably rotated in a direction away from the laser beam 103. By doing so, the power The powder of the one-bon nanohorn assembly 1 17 can be more reliably guided to the nano-carbon recovery chamber 1 19 and collected.
  • the soot-like substance recovered in the nanocarbon recovery chamber 119 mainly contains the carbon nanohorn aggregates 117, for example, recovered as a substance containing 90 wt% or more of the carbon nanohorn aggregates 117. .
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a configuration of a nanocarbon manufacturing apparatus according to the present embodiment.
  • the basic configuration of the nanocarbon production apparatus 3 33 shown in FIG. 4 is the same as that of the nanocarbon production apparatus 347 (FIG. 5) according to the first embodiment, except that the cutting tool 105 and the cutting graphite collection chamber are used. The difference is that one 1 2 1 is provided.
  • the graphite rod 101 is fixed to the rotating device 115, and is rotatable about a central axis as an axis. In addition, the position of the graphite door 101 can be moved.
  • the area irradiated with the laser beam 103 is located at a position where the cutting pipe 105 contacts the graphite rod 101. It is guided and cut at this point to smooth the side surface.
  • the cutting waste of the graphite rod 101 by the cutting tool 105 is collected in the cutting graphite collection chamber 112, and separated from the generated carbon nanohorn aggregates 117.
  • the positions of the laser light source 111 and the cutting tool 105 are fixed. Since the graphite rod 101 rotates around its central axis, the irradiation position of the laser beam 103 quickly moves to a position where it abuts the cutting tool 105, and is smoothed by the cutting tool 105. Be converted to At this time, the irradiation position of the laser beam 103 changes as the graphite rod 101 moves in the major axis direction. The part to be cut by the cutting tool 105 also changes according to the change in the irradiation position. This is shown in Figure 2. FIG.
  • the laser beam 103 is formed by an angle between a line segment connecting the irradiation position and the cross-sectional center perpendicular to the longitudinal direction of the graphite rod 101 and a horizontal plane, that is, in this embodiment, Irradiation is performed so that the irradiation angle is constant.
  • the graphite rod 101 is slid in its length direction, so that the laser beam 10 3 can be continuously illuminated at a constant power density.
  • the side surface of the graphite rod 101 becomes rough.
  • the power density at the irradiation position varies, and the direction in which the plume 109 is generated is disturbed.
  • the power density at the irradiation position cannot be kept constant. The yield of 17 decreases.
  • a cutting tool 105 is provided below the graphite rod 101.
  • the graphite rod 101 irradiated by the laser beam 103 is rotated sequentially and the cutting tool 100 Since it moves to the position 5 and is cut, the irradiation position can be smoothed continuously. Therefore, the irradiation surface of the laser beam 103 is always a smooth surface. Therefore, even if the graphit rod 101 is not taken out of the manufacturing chamber 107 and subjected to a smoothing process, the power density of the laser beam 103 irradiated portion can be kept constant.
  • the installation site of the cutting tool 105 is located at a position that is equal to or slightly behind the movement direction of the graphite rod 101 from the irradiation site of the laser beam 103. It is preferable to provide them. By doing so, it is possible to reliably prevent the side surface of the graph eye rod 101 from being cut before the irradiation with the laser beam 103.
  • the portion of the laser beam 103 applied to the side surface of the cylindrical graph rod 101 changes continuously, and the irradiated portion rotates.
  • the carbon nanohorn aggregate 117 can be manufactured continuously because the cutting tool 105 smoothes the carbon nanohorn.
  • the graphite rod 101 serving as a graphite target can be repeatedly irradiated with the laser beam 103, the graphite rod 101 can be effectively used.
  • the cutting pile 105 provided under the graphite rod 101 is not particularly limited as long as it can smooth the side surface of the graphite rod 101, and various shapes and materials can be used. Can be.
  • various cutting members for example, a polishing member such as a file and a grinding member may be used instead.
  • a roller provided with an abrasive paper (sandpaper) on the upper surface can be used.
  • sandpaper abrasive paper
  • the cutting waste from the cutting tool 105 is applied to the bon nanohorn assembly 1 17 There is no particular limitation as long as it can be separated and collected.
  • the nanocarbon production apparatus 333 has a configuration in which soot-like substances obtained by the irradiation of the laser beam 103 are recovered in the nanocarbon recovery chamber 119. It can be collected and deposited on a clean substrate, or can be collected by a method of collecting fine particles using a dust bag. In addition, an inert gas can be circulated in the reaction vessel, and soot-like substances can be collected by the flow of the inert gas.
  • the soot-like substance obtained by using the nanocarbon production apparatus 333 mainly includes the carbon nanohorn aggregate 117, for example, the carbon nanohorn aggregate 117 contains 9 O wt% or more. Recovered as a substance.
  • the surface is smoothed with a cutting tool 105 and re-irradiated. Even when irradiation is performed, the carbon nanohorn aggregate 117 can be produced with a high yield.
  • FIG. 1 is a diagram showing another configuration of the nanocarbon producing apparatus according to the present embodiment.
  • the basic configuration of the nanocarbon production system shown in Fig. 1 is the same as the system shown in Fig. 4, except for the graphite rod 101 and the laser beam 103.
  • the positional relationship and the installation direction of the transport pipes 14 1 are different.
  • the laser beam 103 is applied to a position slightly lower than the top of the side surface of the graphite rod 101, and the plume 109 is generated in the normal direction of the irradiated surface.
  • the nanocarbon recovery chamber 119 is provided in the direction close to the direction in which the plume 109 is generated. Collected in collection chamber 1 19.
  • this apparatus can also include an inert gas supply section 127, a flow meter 129, a vacuum pump 144, and a pressure gauge 145.
  • the side of the graphite rod 101 is irradiated with the laser beam 103 while rotating the graphite rod 101.
  • the laser beam 103 is applied to a position slightly lower than the top of the side of the graphite rod 101, and The room 109 occurs in the normal direction of the irradiation surface. For this reason, carbon nanohorn aggregates 117 can be efficiently produced.
  • the carbon nanohorn aggregate 117 can be stably produced with a high yield.
  • the side of the graphite rod 101 irradiated with the laser beam 103 is smoothed, and the laser beam 103 is irradiated again with the laser beam 103. Therefore, carbon nanotubes can be stably mass-produced in the production of carbon nanotubes.
  • the shape, diameter, length, and tip shape of the carbon nanohorns constituting the carbon nanohorn assembly 117 are determined by the laser beam 103 It can be controlled in various ways depending on the irradiation conditions.
  • carbon nanohorn aggregate is manufactured as nanocarbon
  • the nanocarbon manufactured using the manufacturing apparatus according to the above embodiment is not limited to the carbon nanohorn aggregate.
  • carbon nanotubes can be produced using the production apparatus shown in FIG.
  • graph the power density of the laser beam 1 0 3 in Ait rod 1 0 1 side substantially constant, for example 5 0 ⁇ 1 0 k WZ cm 2 become such that the output of the laser beam 1 0 3, It is preferable to adjust the spot diameter and the irradiation angle.
  • a catalyst metal is added to the graphite rod 101, for example, in an amount of 0.001 wt% or more and 5 wt% or less.
  • the metal catalyst for example, metals such as Ni and Co can be used.
  • the carbon nanohorn assembly 117 was manufactured using the apparatus shown in FIG.
  • As the graphite rod 101 a sintered round carbon rod having a diameter of 10 Omm and a length of 25 Omm was used, and this was fixed to a rotating device 115 in a production champer 107. After evacuating the inside of manufacturing chamber one 107 down to 1 0- 3 P a, was introduced A r gas so that the atmosphere pressure of 10 5 P a. Next, while the graphite rod 101 was rotated at a rotation speed of 6 rpm at room temperature and horizontally moved at a speed of 3 mm / sec, the side face thereof was irradiated with a laser beam 103.
  • the Les one The first light 1 03 using a C0 2 laser light of high output, and its output. 3 to 5 kW, a wavelength 1 0. 6 m, a continuous oscillation of the pulse width 5 sec.
  • the angle between the line connecting the irradiation position and the center of the circle and the horizontal plane, that is, the irradiation angle, that is, 45 °, is assumed.
  • the power density on the 101 side was set to 20 kW / cm 2 soil 10 kW / cm 2 .
  • the carbon nanohorn aggregate 1117 was predominantly formed, and the particle size was 80 nm or more and 120 nm or less. Range.
  • the yield of carbon nanohorn aggregate 117 in the entire soot-like substance obtained was determined by Raman spectroscopy. As a result, a high yield of 90% or more was obtained.
  • the carbon nanohorn aggregate 1 1 1 is obtained with a high yield by irradiating the side again with the laser beam 103 while rotating the graphite rod 101 irradiated with the laser beam 103 around the central axis. 7 obtained.
  • this process is a continuous process suitable for mass production of carbon nanohorn aggregates.

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Abstract

ナノカーボンを安定的に大量生産する。製造チャンバー（１０７）において、円筒形のグラファイトロッド（１０１）を回転装置（１１５）に固定し、グラファイトロッド（１０１）の長さ方向を軸として回転し、また長さ方向に左右に移動させることを可能とする。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）を照射する。プルーム１０９の発生方向にナノカーボン回収チャンバー（１１９）を設け、生成したカーボンナノホーン集合体１１７を回収する。

Description

明 細 書 ナノカーボンの製造装置およびナノカーボンの製造方法 技術分野 本発明は、 ナノカーボンの製造装置およびナノカーボンの製造方法に関す る。 背景技術
近年、 ナノ力一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。
グラフアイ卜のシートが円筒状に丸まったカーボンナノチューブは、 不活 性ガス雰囲気中で原料の炭素物質 （以下適宜グラフアイトターゲットと呼 ぶ） に対してレーザー光を照射するレーザー蒸発法 （レーザーアブレーショ ン法） 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では、 グラフアイトタ一ゲットとして触媒入りのカーボンペレツトを用い てその表面にレーザー光を照射している。
また、 カーボンナノホーンは、 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おり、 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、 力一ボンナノホーン集合体を形 成している。
カーボンナノホーン集合体についても、 レ一ザ一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 2 ) 。 特許文献 2では、 円筒形のグラフ アイトターゲットの表面にレーザ一光を照射し、 カーボンナノホーン集合体 を製造している。
特許文献 1 特開 2 0 0 0— 3 1 3 6 0 8号公報
特許文献 2 特開 2 0 0 1— 6 4 0 0 4号公報 発明の開示
ここで、 カーボンナノホーン集合体を実用化する上では、 大量生産技術の 開発が重要な課題である。 ところが、 上記従来技術に記載の方法は、 カーボ ンナノホーン集合体の連続的、 安定的な生産という観点で改良の余地があつ た。
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、 力一ポンナ ノホーン集合体を安定的に大量生産するための製造方法および製造装置を提 供することにある。 また、 本発明の別の目的は、 ナノカーボンを安定的に大 量生産するための製造方法および製造装置を提供することにある。
本発明者は、 ナノカーボンを効率よく大量生産する手法について鋭意検討 した。 本発明は、 以上に述べた新たな知見に基づき完成されたものである。 本発明によれば、 円筒状のグラフアイトターゲットを保持する夕一ゲット 保持手段と、 前記グラフアイト夕一ゲットの円筒面に光を照射するための光 源と、 前記ターゲット保持手段に保持された前記グラフアイトターゲットと 前記光源のうち一方を他方に対して相対的に移動させ、 前記円筒面における 前記光の照射位置を移動させる移動手段と、 前記光の照射により前記グラフ アイト夕ーゲットから蒸発した炭素蒸気をナノカーボンとして回収するため の回収手段と、 を備えることを特徴とするナノ力一ボンの製造装置が提供さ れる。
また、 本発明によれば、 円筒形のグラフアイトターゲットの円筒面に、 光 の照射位置を移動させながら光照射し、 前記グラフ.アイトターゲットから蒸 発した炭素蒸気をナノカーボンとして回収することを特徴とするナノカーボ ンの製造方法が提供される。
本発明においては、 円筒形のグラフアイトターゲットの円筒面に光照射が 行われる。 ここで、 レーザ一蒸発法では、 一度レーザー光を照射されたダラ ファイトターゲットの表面は粗面化される。 これを、 円筒形のグラフアイト ターゲットの表面にレーザー光が照射される場合で説明する。 図 3は円筒形 のグラフアイト夕一ゲットを用いた場合について、 この様子を例示する図で ある。 図 3 ( c ) は 1回目にレーザ一光 1 0 3が照射される際のグラフアイ トロッド 1 0 1の長さ方向に垂直な断面図であり、 図 3 ( a ) はレーザー光 1 0 3照射部の拡大図である。
図 3 ( a ) 、 （c ) に示すように、 1回目にレーザー光 1 0 3が照射され る側面は平滑面であるため、 プルーム 1 0 9が一定方向に生じる。 一方、 図 3 ( d ) は図 3 ( c ) において 1回以上レーザ一光 1 0 3が照射された後の 側面に再度レーザ一光 1 0 3を照射する様子を示す図である。 図 3 ( b ) は レーザー光 1 0 3照射部の拡大図である。 図 3 ( b ) 、 ( d ) に示すように、 一度レーザ一光 1 0 3が照射されるとグラフアイトロッド 1 0 1の側面は粗 面化する。 粗面化された部位に再度レーザー光 1 0 3を照射すると、 レーザ —光 1 0 3の照射角やグラフアイトロッド 1 0 1側面での光照射面積が変化 し、 照射位置におけるパワー密度にばらつきが生じ、 プルーム 1 0 9の発生 方向にも乱れが生じる。
本発明においては、 円筒面における照射位置を移動させながら光照射する。 'このため、 一定の照射位置にレーザ一光を照射し続ける場合に比べて、 照射 位置におけるパワー密度の大きさを安定化することができる。 このため、 所 望の性質のナノカーボンを効率よく安定的に製造することができる。
また、 円筒形のグラフアイトターゲットにおいては、 通常平坦な端面より も円筒面である側面の方が表面積が大きいため、 円筒面における照射位置を 移動させながら光照射することにより、 平滑面を新たな照射面として確実に 供給することができる。 このため、 ナノカーボンを安定的に大量生産するこ とができる。
なお、 本明細書において、 「パワー密度」 とは、 グラフアイトターゲット 表面に実際に照射される光のパヮ一密度、 すなわちグラフアイトタ一ゲット 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。
本発明によれば、 円筒状のグラフアイトターゲットを保持するとともに該 グラフアイトターゲットを中心軸周りに回転させる夕ーゲット保持手段と、 前記グラフアイト夕ーゲットの円筒面に光を照射するための光源と、 前記光 の照射により前記グラフアイト夕ーゲットから蒸発した炭素蒸気をナノカー ボンとして回収するための回収手段と、 を備えることを特徴とするナノ力一 ボンの製造装置が提供される。
また、 本発明によれば、 円筒形のグラフアイトターゲットを中心軸周りに 回転させながら、 前記グラフアイトターゲットの円筒面に光照射し、 前記グ ラファイトタ一ゲットから蒸発した炭素蒸気をナノカーボンとして回収する ことを特徴とするナノカーボンの製造方法が提供される。
本発明では、 グラフアイトターゲットを中心軸周りに回転させながらその 円筒面に光が照射される。 このため、 簡素な構成で光照射される部位を連続 的に変化させることができる。 よって、 新たな照射部位を効率よく供給し、 ナノカーボンを安定的に大量生産することができる。 円筒形のグラフアイト 夕ーゲットを中心軸周りに回転させて円筒面に光照射することにより、 ダラ フアイトターゲットの端面に光照射する場合よりも簡素な構成で容易に新た な照射部位を供給することができる。
なお、 本発明において、 「中心軸」 とは、 円筒形のグラフアイトターゲッ トの長さ方向に垂直な断面中心を通り、 長さ方向に水平な軸のことをいう。 また、 円筒形のグラフアイトターゲットとして、 たとえばグラフアイトロッ ドが利用可能である。 ここで、 「グラフアイトロッド」 とは、 ロッド状に成 形されたグラフアイトターゲットのことをいう。 ロッド状であれば、 中空、 中実の別は問わない。 また、 光が照射される円筒形のグラフアイトターゲッ トの表面は、 上述のように、 円筒形のグラフアイトターゲットの側面である ことが好ましい。 本明細書において、 「円筒形のグラフアイトターゲットの 側面」 は円筒の長さ方向に平行な曲面のことを指し、 この面を円筒面ともよ ぶ。 本発明のナノカーボンの製造装置において、 前記光源に対する前記グラフ アイト夕一ゲットの相対的位置を移動させる移動手段をさらに備える構成と することができる。
また、 本発明のナノ力一ボンの製造方法において、 光の照射位置を移動さ せながら光照射することができる。
こうすることにより、 所望の性質のナノカーボンをより一層安定的に得る ことができる。
本発明のナノカーボンの製造装置において、 前記移動手段は、 前記グラフ アイトターゲットにおける前記光の照射位置における前記光の照射角度を略 一定にしながら前記光の照射位置を移動させるように構成されてもよい。 また、 本発明のナノカーボンの使用方法において、 前記円筒面への前記光 の照射角度が略一定となるように前記光を照射する工程を含んでもよい。 こうすることにより、 照射位置における光のパワー密度のぶれをさらに確 実に抑制することができる。 このため、 所望の性質のナノカーボンを高い収 率で安定的に生産することができる。
なお、 本明細書において、 すす状物質中に含まれる力一ボンナノホーンの 割合を、 「力一ボンナノホ一ンの純度」 または 「力一ボンナノホーンの収 率」 とも呼ぶ。
本発明のナノカーボンの製造方法において、 前記光照射がレーザ一光の照 射であってもよい。 こうすることにより、 所定のパワー密度の光をグラファ イトターゲットの表面にさらに確実に照射することができる。 このため、 ナ ノカーボンをさらに安定的に製造することができる。
本発明のナノカーボンの製造装置において、 前記回収手段が前記光照射に より発生した前記ナノカーボンの粉体を回収する回収室を有する構成とする ことができる。
こうすることにより、 回収室の大きさをナノカーボンの生成量に適した大 きさに容易に設計することが可能となる。 このため、 生成したナノカーボン の粉体をより一層確実に回収することができる。 また、 生成したナノ力一ポ ンの粉体を回収室に分離することにより、 ナノカーボンがグラフアイトタ一 ゲットに照射された光を照射することによるパワー密度の変動を抑制するこ とができる。
本発明のナノカーボンの製造装置において、 前記光の照射により前記光の 照射位置からプルームが発生する方向に延在し、 前記回収室に連通し、 前記 回収室に前記ナノカーボンを導く誘導部を有する構成とすることができる。 こうすることにより、 プルームから飛び出した炭素蒸気が冷却されて生じる ナノ力一ボンをさらに確実に回収手段に導き、 回収することができる。
本発明のナノカーボンの製造方法において、 ナノカーボンを回収する前記 工程は、 カーボンナノホーンを回収する工程を含むことができる。
また、 本発明のナノカーボンの製造装置において、 前記ナノカーボンは力 一ボンナノホーンとすることができる。
また、 本発明において、 前記カーボンナノホーンがカーボンナノホーン集 合体を構成していてもよい。
こうすることにより、 カーボンナノホーン集合体の大量合成を効率よく行 うことができる。 本発明において、 カーボンナノホーン集合体を構成する力 —ボンナノホ一ンは、 単層カーボンナノホーンとすることもできるし、 多層 力一ボンナノホーンとすることもできる。
また、 ナノ力一ボンとして力一ボンナノチューブを回収することもできる。 なお、 これらの各構成の任意の組み合わせや、 本発明の表現を方法、 装置 などの間で変換したものもまた本発明の態様として有効である。
図 3を用いて前述したように、 一度レーザー光を照射されたグラフアイト ターゲッ卜の表面は粗面化される。 粗面化された状態でその位置に再度レー ザ一光 1 0 3を照射すると、 レ一ザ一光 1 0 3のパワー密度が変化する。 こ のため、 グラフアイトターゲットの円筒面のうち、 平滑な部分がレーザー光 1 0 3として供給されることが好ましい。 そこで、 平滑面の安定的な供給の 観点で本発明者はさらに検討を行い、 以下の発明に至った。
本発明のナノカーボンの製造方法おいて、 前記グラフアイトターゲットか ら蒸発した炭素蒸気をナノカーボンとして回収するとともに、 光が照射され た前記グラフアイ卜夕ーゲッ卜の表面を平滑化する工程と、 平滑化された前 記グラフアイトターゲットの表面に、 再度、 光照射し、 前記グラフアイト夕 ーゲットから蒸発した炭素蒸気をナノカーボンとして回収する工程と、 を含 んでもよい。
また本発明のナノカーボン製造装置において、 光を照射された前記グラフ アイト夕一ゲットの表面を平滑化するための表面処理手段を備えることがで さる。
本発明において、 「平滑化」 とは、 処理前に比べてグラフアイトターゲッ トの表面の凹凸の程度を相対的に小さくする処理をいう。 本発明に係るナノ カーボンの製造方法によれば、 光照射によりグラフアイトターゲット表面は 粗面化するが、 これを平滑化し、 再度平滑化された部位に光照射を行う。 し たがって、 光が照射されるグラフアイトタ一ゲット表面は常に平滑な状態に 維持される。 したがって、 グラフアイトターゲット表面の照射部位における パワー密度が一定に保たれるため、 ナノカーボンを安定的に大量合成するこ とが可能となる。
本発明によれば、 円筒形のグラフアイ卜ターゲットを中心軸周りに回転さ せながら、 前記グラフアイトターゲットの表面に光照射し、 前記グラフアイ ト夕ーゲットから蒸発した炭素蒸気をナノカーボンとして回収するとともに、 光が照射された前記グラフアイトターゲットの表面を平滑化する工程と、 前' 記グラフアイトターゲットを中心軸周りに回転させながら、 平滑化された前 記表面に、 再度、 光照射し、 前記グラフアイ卜ターゲットから蒸発した炭素 蒸気をナノ力一ボンとして回収する工程と、 を含むことを特徴とするナノ力 一ボンの製造方法が提供される。
また本発明によれば、 円筒状のグラフアイトターゲットを保持するととも に該グラフアイトターゲットを中心軸周りに回転させる夕ーゲット保持手段 ' と、 前記グラフアイトターゲットの表面に光を照射するための光源と、 光を 照射された前記グラフアイ卜ターゲッ卜の表面を平滑化するための表面処理 手段と、 光の照射により前記グラフアイト夕ーゲットから蒸発した炭素蒸気 をナノカーボンとして回収するための回収手段と、 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。
本発明によれば、 円筒形のグラフアイトターゲットが中心軸周りに回転さ れるため、 光照射により粗面化された側面が平滑化される。 そして、 平滑化 された側面に再度光照射される。 このように、 円筒形のグラフアイト夕ーゲ ッ卜を回転させながら光照射と平滑化の工程を行うことにより、 ナノカーボ ンを連続的に効率よく大量生産することが可能となる。
本発明のナノ力一ボンの製造方法において、 前記グラフアイトターゲット の表面に光照射する工程および該グラファイトターゲッ卜表面に再度光照射 する工程で、 光の照射位置を移動させながら光照射することができる。
また本発明のナノカーボンの製造装置において、 前記光源に対する前記グ ラファイトターゲットの相対的位置を移動させる移動手段をさらに備えるこ とができる。 移動手段として、 たとえば、 円筒形のグラフアイトターゲット を中心軸周りに回転させながら光照射する場合、 グラフアイトターゲットの 長さ方向の照射位置を移動させるようにグラフアイトターゲットの位置を移 動させる態様を採用することができる。
こうすることにより、 光照射、 平滑化、 再度の光照射の工程をより一層効 率よく連続的に行うことができるため、 ナノ力一ボンを効率よく大量生産す ることができる。
たとえば本発明によれば、 グラフアイト夕ーゲットをチャンバ一内に設置 し、 前記グラフアイトターゲットの表面に対し、 照射位置を移動させながら 光照射し、 前記グラフアイト夕ーゲッ卜から蒸発した炭素蒸気をナノカーボ ンとして回収するとともに光が照射された前記グラフアイト夕一ゲットの表 面を平滑化する工程と、 前記チャンバ一から前記グラフアイト夕一ゲットを 取り出すことなく、 平滑化された前記グラフアイトターゲットの表面に対し、 照射位置を移動させながら再度、 光照射し、 前記グラフアイトターゲットか ら蒸発した炭素蒸気をナノ力一ボンとして回収する工程と、 を含むことを特 徴とするナノカーボンの製造方法が提供される。
本発明のナノカーボンの製造方法において、 光を照射された表面を平滑化 する前記工程は、 前記グラフアイトターゲットの表面の一部を除去する工程 を含むことができる。
また本発明のナノカーボンの製造装置において、 前記表面処理手段は、 前 記光の照射位置と異なる箇所において前記グラフアイトターゲットの表面の 一部を除去することができる。
こうすることにより、 光照射により粗面化したグラフアイトターゲット表 面を、 効率よく平滑化することができる。 グラフアイトターゲット表面を平 滑化することができれば、 その一部を除去する方法に特に制限はないが、 た とえば、 切削、 研削、 研磨などが挙げられる。
本発明のナノカーボンの製造装置において、 前記表面処理手段にて発生す る前記グラフアイトタ一ゲットの屑を回収するための屑回収手段をさらに備 えることができる。 こうすることにより、 グラフアイトターゲット表面の切 削化により生じた切削屑を、 生成したナノ力一ボンと効率よく分離し、 回収 することが可能となる。
本発明のナノ力一ボンの製造方法において、 光照射する前記工程は、 レ一 ザ一光を照射する工程を含むことができる。 こうすることにより、 光の波長 および方向を一定とすることができるため、 グラフアイトタ一ゲット表面へ の光照射条件を、 精度良く制御することができる。 したがって、 所望のナノ カーボンを選択的に製造することが可能となる。
以上説明したように本発明によれば、 円筒形のグラフアイト夕ーゲットと 光源のうち一方を他方に対して相対的に移動させながらグラフアイトターゲ ットの円筒面に光照射することにより、 ナノ力一ボンを安定的に大量生産す ることができる。 また本発明によれば、 カーボンナノホーン集合体を安定的 に大量生産することができる。 図面の簡単な説明 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。
図 1は、 本発明に係るナノカーボンの製造装置の構成の一例を示す図で ある。
図 2は、 図 1のナノカーボンの製造装置の構成を説明するための図であ る。
図 3は、 固体炭素単体物質のレーザー光照射部位について説明するため の図である。
図 4は、 本発明に係るナノカーボンの製造装置の構成の一例を示す図で ある。
図 5は、 本発明に係るナノカーボンの製造装置の構成の一例を示す図で ある。
図 6は、 図 5のナノカーボンの製造装置におけるグラフアイトターゲッ トへのレーザ一光照射について説明する図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 ナノカーボンが力一ボンナノホーン集合体である場合を例に、 本発 明に係るナノ力一ボンの製造装置および製造方法の好ましい実施の形態につ いて説明する。
(第一の実施形態）
図 5は、 本実施形態に係るナノカーボンの製造装置 1 8 3の構成を示す図 である。 なお、 本明細書において、 図 5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。
図 5のナノカーボン製造装置 3 4 7は、 製造チャンパ一 1 0 7、 ナノカー ボン回収チャンパ一 1 1 9、 搬送管 1 4 1、 レーザー光源 1 1 1、 レンズ 1 2 3、 レーザー光窓 1 1 3、 および回転装置 1 1 5を備える。 さらに、 ナノ カーボン製造装置 3 4 7は、 不活性ガス供給部 1 2 7、 流量計 1 2 9、 真空 ポンプ 1 4 3、 および圧力計 1 4 5を備える。
レーザ一光源 1 1 1から出射するレーザー光 1 0 3は、 レンズ 1 2 3にて 集光され、 レーザー光源 1 1 1を通じて製造チャンバ一 1 0 7内のグラファ イトロッド 1 0 1に照射される。 グラフアイトロッド 1 0 1は、 レーザ一光 1 0 3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。
レーザ一光 1 0 3は、 照射角が一定となるようにグラフアイトロッド 1 0 1の円筒面に照射される。 この様子を図 6を用いて説明する。 図 6には、 照 射角 4 5 ° でグラフアイトロッド 1 0 1の円筒面にレーザ一光 1 0 3を照射 した場合が例示されている。 図 6に示したように、 レ一ザ一光 1 0 3は、 グ ラフアイトロッド 1 0 1の長軸に対して垂直方向に円筒面に入射する。 そし て、 照射位置における照射角は 4 5 ° となっている。
レーザ一光 1 0 3の照射角を一定に保ちながら、 グラフアイトロッド 1 0 1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、 グラフアイト ロッド 1 0 1の側面の円周方向にレーザー光 1 0 3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、 グラフアイトロッド 1 0 1をその長さ 方向にスライドさせることにより、 グラフアイトロッド 1 0 1の長さ方向に レーザー光 1 0 3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、 グラフアイトターゲットの表面にレ一ザ一光 1 0 3を照射すると、 照射位置におけるグラフアイトロッド 1 0 1の表面の法線方向にプルーム 1 0 9が発生する。 そして、 プルーム 1 0 9から飛び出した炭素蒸気が冷却さ れて、 ナノカーボンとなる。 レーザー光 1 0 3の照射位置における照射面の 法線とレーザ一光 1 0 3のなす角が小さいと、 発生したプルーム 1 0 9がレ —ザ一光 1 0 3側に戻る、 いわゆるレーザ一光 1 0 3の反射が起きる。
このとき、 たとえばグラフアイトロッド 1 0 1の端面にレーザ一光 1 0 3 を照射した場合、 端面にてプルーム 1 0 9が発生すると、 生成したカーボン ナノホーン集合体 1 1 7が照射面からレーザ一光 1 0 3の光路の近傍に浮遊 する状態が生じる。 このため、 レーザー光 1 0 3を照射すると、 生成した力 一ボンナノホーン集合体 1 1 7の中をレーザー光 1 0 3が通ることがある。 すると、 カーボンナノホーン集合体 1 1 7の構造を破壊することがある。 また、 カーボンナノホ一ン集合体 1 1 7がレーザー光 1 0 3を吸収すると、 レーザー光 1 0 3が減衰する。 すると、 照射面のパワー密度が低減すること になる。 よって、 戻り光の発生はカーボンナノホーン集合体 1 1 7の収率の 低下の原因となる。 また、 レ一ザ一光 1 0 3の側に戻ってしまうと、 プル一 ム 1 0 9の回収効率が低下する。
また、 戻り光が発生すると、 レーザー光窓 1 1 3や、 レンズ 1 2 3といつ た光学部材側に戻ることになる。 こうした構成では、 光学部材にすす状物質 が付着しやすくなる。 光学部材にすす状物質が付着すると、 レーザー光 1 0 3を吸収するため、 グラフアイトターゲットに照射されるエネルギー密度に 変動を与える。 また、 すす状物質を除去するメンテナンスに要する時間が増 える。 このため、 生産効率およびその収率の安定性を低下させる原因となる。 本実施形態では、 戻り光の発生を抑制し、 カーボンナノホーン集合体 1 1 7を高純度で安定的に製造するために、 グラフアイトロッド 1 0 1をその中 心軸周りに回転させつつ、 照射角を 3 0 ° 以上 6 0 ° 以下とすることが好ま しい。 なお、 本明細書において、 照射角とは、 レーザー光 1 0 3の照射位置 におけるグラフアイト夕一ゲットの表面に対する垂線とレーザー光 1 0 3と のなす角のことである。 円筒形のグラフアイトターゲットを用いる場合、 照 射角は、 図 2、 図 3 ( c ) および図 3 ( d ) に示すように、 グラフアイト口 ッド 1 0 1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なる。
この照射角を 3 0。 以上とすることにより、 照射するレーザ一光 1 0 3が 反射して戻り光が発生するのを抑制することができる。 また、 発生するプル —ム 1 0 9がレーザ一光窓 1 1 3を通じてレンズ 1 2 3へ直撃することが防 止される。 このため、 レンズ 1 2 3を保護し、 またカーボンナノホーン集合 体 1 1 7のレーザー光窓 1 1 3への付着防止に有効である。 よって、 グラフ アイトロッド 1 0 1に照射される光のパワー密度を安定化し、 カーボンナノ ホーン集合体 1 1 7を高い収率で安定的に製造することができる。
また、 レーザー光 1 0 3を 6 0 ° 以下で照射することにより、 ァモルファ 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 1 1 7の 割合、 すなわちカーボンナノホーン集合体 1 1 7の収率を向上させることが できる。 また、 照射角は 4 5 ° とすることが特に好ましい。 4 5 ° で照射す ることにより、 生成物中のカーボンナノホ一ン集合体 1 1 7の割合をより一 層向上させることができる。
また、 ナノカーボン製造装置 3 4 7では、 グラフアイトロッド 1 0 1の側 面にレーザー光 1 0 3を照射する構成となっているため、 レンズ 1 2 3の位 置を固定した状態で側面の照射角度を変えることにより容易に変えることが できる。 このため、 パワー密度を可変とし、 確実に調節することができる。 たとえば、 レンズ 1 2 3の位置を固定した場合において、 たとえば、 照射角 を 3 0 ° 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 6 0 ° とすることにより、 パワー密度を低く制御できる。
回転装置 1 1 5は、 グラフアイトロッド 1 0 1を保持し、 その中心軸周り に回転させる。 たとえば、 レーザー光 1 0 3およびプルーム 1 0 9から遠ざ かる方向にグラフアイトロッド 1 0 1を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。 そして、 レーザ 一光 1 0 3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 1 1 7を確実に回収することができる。 グラフアイトロッド 1 0 1は回転装置 1 1 5に固定することにより、 中心軸周りに回転可能であ る。 またグラフアイトロッド 1 0 1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。
また、 図 3を用いて前述したように、 レーザ一光 1 0 3が照射されると、 グラフアイトロッド 1 0 1の表面が粗面化される。 上述の特許文献 1では、 カーボンペレットの表面にレ一ザ一照射される。 ところが、 カーボンペレツ 卜とレーザー光との照射位置を相対的に移動させる機構を有しないため、 一 定の位置にレーザ一照射し続けることになる。 このため、 照射につれてペレ ットの表面が粗面化され、 パワー密度が変動してしまう。
一方、 ナノカーボン製造装置 3 4 7では、 グラフアイトロッド 1 0 1を中 心軸周りに回転させ、 また軸方向に移動させるという簡素な装置構成で平滑 面を供給し続けることが可能である。 このため、 ナノカーボン製造装置 3 4 7は、 ナノカーボン連続生産が可能であり、 大量生産に好適に用いることが できる。 また、 カーボンナノホーン集合体 1 1 7を高純度で得ることができ る。
また、 グラフアイトロッド 1 0 1の側面は、 端面よりも通常概念において 非表面積が大きい。 このため、 グラフアイトロッド 1 0 1を回転し、 また長 手方向に水平移動させるのみで、 照射に適した、 新しい面を容易に準備でき る。 したがって、 装置構成を簡素化しつつ、 カーボンナノホーン集合体 1 1
7を優れた生成性で製造することができる。
また、 グラフアイトロッド 1 0 1を中心軸周りに回転させるとともに、 長 軸方向に移動させることができるため、 回転および移動の条件を調節し、 照 射位置をずらしながらレーザ一光 1 0 3を照射することができる。 このため、 レーザ一光 1 0 3が照射される条件を容易に調節することができる。
製造チャンバ一 1 0 Ίとナノ力一ボン回収チャンバ一 1 1 9とは、 搬送管
1 4 1によって接続されている。 グラフアイトロッド 1 0 1の側面にレーザ 一光源 1 1 1からレーザー光 1 0 3が照射され、 その際のプル一ム 1 0 9の 発生方向に搬送管 1 4 1を介してナノ力一ボン回収チャンバ一 1 1 9が設け られており、 生成したカーボンナノホ一ン集合体 1 1 7はナノカーボン回収 チャンバ一 1 1 9に回収される。
プルーム 1 0 9は、 レーザ一光 1 0 3の照射位置におけるグラフアイト口 ッド 1 0 1の接線に垂直方向に発生するため、 この方向に搬送管 1 4 1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一 1 1 9に導き、 力 一ボンナノホーン集合体 1 1 7の粉体を回収することができる。 たとえば、 照射角が 4 5 ° の場合、 鉛直に対して 4 5 ° をなす方向に搬送管 1 4 1を設 けることができる。 ナノカーボン製造装置 347では、 グラフアイトロッド 101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の方向とプル一ム 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、 グラフアイトロッ 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。 よつ て、 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。
次に、 図 5のナノカーボン製造装置 347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。
ナノカーボン製造装置 347において、 グラフアイトロッド 101として、 高純度グラフアイト、 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。
また、 レーザ一光 103として、 たとえば、 高出力 C02ガスレーザー光 などのレ一ザ一光を用いる。 なお、 レーザー光窓 1 13およびレンズ 123 の材料は、 使用するレーザー光 103の種類に応じて適宜選択される。 たと えば、 C〇2ガスレ一ザ一光を用いる場合、 レーザー光窓 1 13およびレン ズ 123の材料を Z n S eとすることができる。
レーザー光 103のグラフアイトロッド 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 103P a以上 1 05P a以下の雰囲気中で行う。 また、 製造チャンバ一 107内を予めたと えば 10_2P a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。
また、 グラフアイトロッド 101の側面におけるレ一ザ一光 103のパヮ —密度がほぼ一定、 たとえば 5 kW/cm2以上 30 kWZcm2以下、 たと えば 20 ± 10 kWZcm2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。
レーザ一光 103の出力はたとえば 1 kW以上 50 kW以下とする。 また、 レ一ザ一光 103のパルス幅はたとえば 0. 02秒以上、 好ましくは 0. 5 秒以上と、 さらに好ましくは 0. 75秒以上とする。 こうすることにより、 グラフアイトロッド 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、 力一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、 レーザ一光 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、 グラフアイトロッド 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。 レーザ一光 103のパルス幅は、 0. 7 5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。 また、 レーザ一光 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、 グラフアイトロッド 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。
また、 照射時のレーザ一光 103のグラフアイトロッド 101側面へのス ポット径は、 たとえば 0. 5 mm以上 5 mm以下とすることができる。 レーザー光 103照射時に、 回転装置 115によってグラフアイトロッド 101を円周方向に一定速度で回転させる。 回転数はたとえば 1 r pm以上 20 r pm以下とする。
また、 レーザー光 103のスポットを、 たとえば 0. 0 ImmZs e c以 上 5 SmmZs e c以下の速度 （周速度） で移動させることが好ましい。 た とえば、 直径 100mmのグラフアイト夕ーゲットの表面にレーザー光 10 3を照射する場合には、 回転装置 1 15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. 01 r pm以上 10 r pm以下とすると、 上記周速度を実現できる。 なお、 グラフアイトロッド 101の回転方向に特に制限はないが、 レーザー光 10 3から遠ざかる方向に回転させることが好ましい。 こうすることにより、 力 一ボンナノホーン集合体 1 1 7の粉体をより一層確実にナノカーボン回収チ ヤンバー 1 1 9に誘導し、 回収することができる。
ナノカーボン回収チャンバ一 1 1 9に回収されたすす状物質は、 カーボン ナノホーン集合体 1 1 7を主として含み、 たとえば、 カーボンナノホーン集 合体 1 1 7が 9 0 w t %以上含まれる物質として回収される。
(第二の実施形態）
第一の実施形態において、 グラフアイトロッド 1 0 1の円筒面を平滑化し ながら光照射を行ってもよい。 図 4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図である。 図 4のナノカーボン製造装置 3 3 3の 基本構成は、 第一の実施形態に係るナノカーボン製造装置 3 4 7 (図 5 ) と 同様であるが、 切削バイト 1 0 5および切削グラフアイト回収チャンバ一 1 2 1が設けられた点が異なる。
本実施形態においても、 グラフアイトロッド 1 0 1は回転装置 1 1 5に固 定されており、 中心軸周りに軸として回転可能である。 またグラフアイト口 ッド 1 0 1は位置移動も可能である。
ここで、 グラフアイトロッド 1 0 1は回転装置 1 1 5により回転している ため、 レーザー光 1 0 3が照射された領域は、 切削パイト 1 0 5がグラファ イトロッド 1 0 1に当接する箇所に導かれ、 この箇所で切削され側面が平滑 化される。 切削バイト 1 0 5によるグラフアイトロッド 1 0 1の切削屑は、 切削グラフアイト回収チャンバ一 1 2 1に回収され、 生成したカーボンナノ ホーン集合体 1 1 7と分離される。
ナノカーボン製造装置 3 3 3では、 レーザー光源 1 1 1および切削バイト 1 0 5の位置は固定されている。 グラフアイトロッド 1 0 1がその中心軸周 りに回転するため、 レーザー光 1 0 3の照射位置が、 速やかに切削バイト 1 0 5に当接する位置へと移動し、 切削バイト 1 0 5によって平滑化される。 このとき、 グラフアイトロッド 1 0 1がその長軸方向に移動することにより、 レーザ一光 1 0 3の照射位置が変化する。 切削バイト 1 0 5による切削部位 も、 照射位置の変化に対応して変化する。 この様子を図 2に示す。 図 2は、 図 4のナノカーボン製造装置 3 3 3にお けるグラフアイトロッド 1 0 1とレーザー光 1 0 3、 切削パイト 1 0 5の位 置関係を示す図である。 図 2に示すように、 レーザー光 1 0 3は、 照射位置 とグラフアイトロッド 1 0 1の長さ方向に垂直な断面中心とを結ぶ線分と、 水平面とのなす角、 すなわち本実施形態における照射角が一定となるように 照射される。 レーザ一光 1 0 3の照射角を一定に保ちながら、 グラフアイト ロッド 1 0 1をその長さ方向にスライドさせることにより、 グラフアイト口 ッド 1 0 1の長さ方向にレーザ一光 1 0 3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、 図 3を用いて前述したように、 一度レーザー光 1 0 3が照射される とグラフアイトロッド 1 0 1の側面は粗面化する。 粗面化された部位に再度 レーザー光 1 0 3を照射すると、 照射位置におけるパワー密度にばらつきが 生じ、 プルーム 1 0 9の発生方向にも乱れが生じる。 このように、 一度レー ザ一光 1 0 3が照射された面に再度レーザー光 1 0 3を照射すると、 照射位 置におけるパワー密度を一定とすることができないため、 カーボンナノホー ン集合体 1 1 7の収率が低下する。
そこで、 ナノカーボン製造装置 3 3 3においては、 図 2に示すように、 グ ラフアイトロッド 1 0 1の下部に切削バイト 1 0 5が設けられている。 レー ザ一光 1 0 3の照射部位よりも下部に切削バイト 1 0 5を配置すると、 レー ザ一光 1 0 3の照射されたグラフアイトロッド 1 0 1側面が順次回転されて 切削バイト 1 0 5の位置に移動し、 切削されるため、 照射位置を連続的に平 滑化することができる。 このため、 レーザー光 1 0 3の照射面は、 常に平滑 面となる。 よって、 グラフアイトロッド 1 0 1を製造チャンバ一 1 0 7から 取り出して平滑化の処理を行わなくても、 レーザー光 1 0 3照射部位のパヮ —密度を一定とすることができる。 したがって、 グラフアイトロッド 1 0 1 を製造チャンバ一 1 0 7に設置したままでレーザー光 1 0 3を連続的に照射 することが可能となり、 カーボンナノホーン集合体 1 1 7を効率よく大量生 産することができる。 また、 図 2のようにレーザ一光 1 0 3を照射すると、 プルーム 1 0 9は上 方に生じるため、 カーボンナノホーン集合体 1 1 7は上方に向かって生成す る。 したがって、 切削バイト 1 0 5をグラフアイトロッド 1 0 1の下部に設 けておけば、 生成したカーボンナノホーン集合体 1 1 7と切削バイト 1 0 5 によって切削された原料であるグラフアイトロッド 1 0 1の切削屑とを効率 よく分離することが可能となる。
なお、 図 2のように、 切削バイト 1 0 5の設置部位は、 レーザー光 1 0 3 の照射部位から、 グラフアイトロッド 1 0 1の移動方向に対して等しいかま たはやや後方となる位置に設けることが好ましい。 こうしておけば、 グラフ アイトロッド 1 0 1の側面がレーザ一光 1 0 3の照射前に切削されてしまう という不具合を確実に防止することができる。
以上のように、 ナノ力一ボン製造装置 3 3 3においては、 円筒形のグラフ アイトロッド 1 0 1の側面に照射されるレーザー光 1 0 3の部位が連続的に 変化し、 かつ照射部位が回転することによって切削バイト 1 0 5によって平 滑化されるため、 カーボンナノホーン集合体 1 1 7を連続的に製造すること が可能である。 また、 グラフアイトターゲットであるグラフアイトロッド 1 0 1を繰り返しレーザー光 1 0 3の照射に供することができるため、 グラフ アイトロッド 1 0 1を有効利用することが可能である。
グラフアイトロッド 1 0 1の下部に設ける切削パイト 1 0 5は、 グラファ イトロッド 1 0 1側面を平滑化することができる構成であれば特に制限はな く、 種々の形状、 材質のものを用いることができる。 また、 図 1の製造装置 では切削バイト 1 0 5を用いているが、 これに代わり種々の切削部材、 また たとえばやすり等の研磨部材ゃ研削部材などを用いてもよい。 たとえば、 研 磨紙 （サンドべ一パ一） が上面に設けられたローラ一を用いることができる。 このとき、 たとえば研磨紙の設けられたローラ一の上面が面に直交する中心 軸周りに回転し、 グラフアイトロッド 1 0 1の円筒面を平滑化する構成とす ることができる。 また、 切削グラフアイト回収チャンバ一 1 2 1を設ける位 置には、 切削バイト 1 0 5による切削屑を力一ボンナノホーン集合体 1 1 7 と分離して回収することができる位置であれば特に制限はない。
ナノカーボン製造装置 3 3 3の装置では、 レーザー光 1 0 3の照射によつ て得られたすす状物質がナノカーボン回収チャンバ一 1 1 9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。
ナノカーボン製造装置 3 3 3の装置を用いて得られたすす状物質は、 カー ボンナノホーン集合体 1 1 7を主として含み、 たとえば、 カーボンナノホー ン集合体 1 1 7が 9 O w t %以上含まれる物質として回収される。 また、 一 度レーザー光 1 0 3が照射された後、 切削バイト 1 0 5で表面を平滑化し、 再度の照射がなされるため、 グラフアイトロッド 1 0 1の側面の所定の位置 に複数回の照射を行った際にも、 高い収率でカーボンナノホーン集合体 1 1 7を製造することができる。
図 1は、 本実施形態に係るナノカーボン製造装置の別の構成を示す図であ る。 図 1のナノカーボン製造装置の基本的な構成は図 4の装置と同じである が、 グラフアイトロッド 1 0 1とレーザー光 1 0 3と？)位置関係および搬送 管 1 4 1の設置方向が異なる。 図 1では、 グラフアイトロッド 1 0 1の側面 の頂部よりも少し下がった位置にレーザー光 1 0 3が照射され、 プルーム 1 0 9は、 照射面の法線方向に発生する。 図 1の装置では、 プルーム 1 0 9の 発生方向真上に近い方向にナノカーボン回収チャンバ一 1 1 9が設けられて いるため、 生成した力一ボンナノホーン集合体 1 1 7はナノ力一ボン回収チ ヤンバー 1 1 9に回収される。 なお、 図 1では図示していないが、 この装置 についても、 不活性ガス供給部 1 2 7、 流量計 1 2 9、 真空ポンプ 1 4 3、 および圧力計 1 4 5を備えることができる。
図 1の装置においても、 グラフアイトロッド 1 0 1を回転させながらその 側面にレーザー光 1 0 3が照射される。 図 1では、 グラフアイトロッド 1 0 1の側面の頂部よりも少し下がった位置にレーザー光 1 0 3が照射され、 プ ルーム 1 0 9は、 照射面の法線方向に発生する。 このため、 カーボンナノホ ーン集合体 1 1 7を効率よく生産することができる。
そして、 一度レーザー光 1 0 3が照射された後、 切削バイト 1 0 5で表面 を平滑化し、 再度の照射がなされる。 このため、 グラフアイトロッド 1 0 1 の側面の所定の位置に複数回の照射を行った際にも、 高い収率でカーボンナ ノホーン集合体 1 1 7を安定的に製造することができる。
以上の実施形態に係るナノカーボン製造装置を用いることにより、 レーザ —光 1 0 3が照射されたグラフアイトロッド 1 0 1側面を平滑化し、 再度の レ一ザ一光 1 0 3照射に供することができるため、 カーボンナノチューブの 製造においてもこれを安定的に大量生産することが可能である。
なお、 カーボンナノホーン集合体 1 1 7を構成する力一ボンナノホーンの 形状、 径の大きさ、 長さ、 先端部の形状、 炭素分子や力一ボンナノホーン間 の間隔等は、 レーザー光 1 0 3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。
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。
たとえば、 以上においてはナノカーボンとしてカーボンナノホーン集合体 を製造する場合を例に説明したが、 以上の実施形態に係る製造装置を用いて 製造されるナノカーボンはカーボンナノホーン集合体には限定されない。 たとえば、 図 1の製造装置を用いてカーボンナノチューブを製造すること もできる。 カーボンナノチューブを製造する場合、 グラフアイトロッド 1 0 1の側面におけるレーザー光 1 0 3のパワー密度がほぼ一定、 たとえば 5 0 ± 1 0 k WZ c m2となるようにレーザー光 1 0 3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。
また、 グラフアイトロッド 1 0 1には、 触媒金属をたとえば 0 . 0 0 0 1 w t %以上 5 w t %以下添加する。 金属触媒として、 たとえば N i、 C oな どの金属を用いることができる。 (実施例)
本実施例では、 図 5に示した装置を用いてカーボンナノホーン集合体 1 1 7の製造を行った。 グラフアイトロッド 1 0 1として直径 1 0 Omm、 長さ 25 Ommの焼結丸棒炭素を用い、 これを製造チャンパ一 1 07内の回転装 置 1 1 5に固定した。 製造チャンバ一 107内を 1 0— 3P aにまで減圧排気 した後、 A rガスを 105P aの雰囲気圧となるように導入した。 次いで、 室温中にてグラフアイトロッド 1 0 1を回転数 6 r pmで回転させ、 また 3mm/ s e cにて水平移動させながら、 その側面にレーザー光 103を照 射した。
レ一ザ一光 1 03には高出力の C02レーザー光を用い、 その出力は 3〜 5 kW、 波長 1 0. 6 m、 パルス幅 5 s e cの連続発振とした。 また、 グ ラフアイトロッド 1 0 1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、 すなわち照射角を 45° とし、 グ ラフアイトロッド 1 0 1側面でのパワー密度は 20 kW/cm2土 1 0 kW / c m2とした。
得られたすす状物質について TEM観察を行った。 また、 ラマン分光法に より、 1350 cm— 1と 1 590 cnr1の強度を比較し、 力一ボンナノホ一 ン集合体 1 1 7の収率を算出した。
得られたすす状物質を透過型電子顕微鏡 （TEM) により観察したところ、 力一ボンナノホーン集合体 1 1 7が支配的に生成しており、 その粒子径は、 80 nm以上 1 20 nm以下の範囲であった。 また、 得られたすす状物質全 体中のカーボンナノホーン集合体 1 17の収率をラマン分光法によって求め たところ、 90 %以上の高収率となった。
本実施例では、 レーザー光 1 03の照射されたグラフアイトロッド 1 0 1 を中心軸周りに回転させながら側面に再度レーザー光 1 03を照射すること により、 高い収率でカーボンナノホーン集合体 1 1 7得られた。 またこのェ 程は、 カーボンナノホーン集合体の大量生産に好適な連続工程であることが 明らかになった。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 円筒状のグラフアイトターゲットを保持する夕ーゲット保持手段と、 前記グラフアイトターゲットの円筒面に光を照射するための光源と、 前記ターゲット保持手段に保持された前記グラフアイトターゲットと前記 光源のうち一方を他方に対して相対的に移動させ、 前記円筒面における前記 光の照射位置を移動させる移動手段と、
前記光の照射により前記グラフアイト夕一ゲッ卜から蒸発した炭素蒸気を ナノ力一ボンとして回収するための回収手段と、
を備えることを特徴とするナノカーボンの製造装置。
2 . 円筒状のグラフアイト夕一ゲットを保持するとともに該グラフアイト 夕一ゲットを中心軸周りに回転させるターゲッ卜保持手段と、
前記グラフアイト夕ーゲットの円筒面に光を照射するための光源と、 前記光の照射により前記グラフアイトターゲッ卜から蒸発した炭素蒸気を ナノカーボンとして回収するための回収手段と、
を備えることを特徴とするナノ力一ボンの製造装置。
3 . 請求の範囲第 2項に記載のナノ力一ボンの製造装置において、 前記光 源に対する前記グラフアイトタ一ゲットの相対的位置を移動させる移動手段 をさらに備えることを特徴とするナノカーボンの製造装置。
4 . 請求の範囲第 1項乃至第 3項いずれかに記載のナノカーボンの製造装 置において、 前記移動手段は、 前記グラフアイトターゲットにおける前記光 の照射位置における前記光の照射角度を略一定にしながら前記光の照射位置 を移動させるように構成されたことを特徴とするナノカーボンの製造装置。
5 . 請求の範囲第 1項乃至第 4項いずれかに記載のナノカーボンの製造装 置において、 前記回収手段が前記光照射により発生した前記ナノカーボンの 粉体を回収する回収室を含むことを特徴とするナノ力一ボンの製造装置。
6 . 請求の範囲第 5項に記載のナノカーボンの製造装置において、 前記光 の照射により前記光の照射位置からプルームが発生する方向に延在し、 前記 回収室に連通し、 前記回収室に前記ナノカーボンを導く誘導部を有すること を特徴とするナノカーボンの製造装置。
7 . 請求の範囲第 1項乃至第 6項いずれかに記載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ることを特 徴とするナノカーボンの製造装置。
8 . 円筒形のグラフアイトターゲットの円筒面に、 光の照射位置を移動さ せながら光照射し、 前記グラフアイト夕ーゲットから蒸発した炭素蒸気をナ ノカーボンとして回収することを特徴とするナノ力一ボンの製造方法。
9 . 円筒形のグラフアイトターゲットを中心軸周りに回転させながら、 前 記グラフアイトターゲッ卜の円筒面に光照射し、 前記グラフアイトターゲッ トから蒸発した炭素蒸気をナノカーボンとして回収することを特徴とするナ ノカーボンの製造方法。
1 0 . 請求の範囲第 9項に記載のナノカーボンの製造方法において、 光の 照射位置を移動させながら光照射することを特徴とするナノ力一ボンの製造 方法。
1 1 . 請求の範囲第 8項乃至第 1 0項いずれかに記載のナノカーボンの使 用方法において、 前記円筒面への前記光の照射角度が略一定となるように前 記光を照射する工程を含むことを特徴とするナノカーボンの製造方法。
1 2 . 請求の範囲第 8項乃至第 1 1項いずれかに記載のナノカーボンの製 造方法において、 前記光照射がレーザ一光の照射であることを特徴とするナ ノカーボンの製造方法。
1 3 . 請求の範囲第 8項乃至第 1 2項いずれかに記載のナノカーボンの製 造方法において、 前記ナノ力一ボンとしてカーボンナノホーン集合体を回収 することを特徴とするナノ力一ボンの製造方法。
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