(57)【要約】【課題】炭素ナノチューブを効率的に生成するシステムと方法を提供する。【解決手段】合成基板の上に炭素ナノチューブを生成する工程が行われる反応チャンバと、反応チャンバの一方に位置するステーション部と、ステーション部の内部に設置された、反応チャンバに／から合成基板をロード／アンロードする第１移送装置及び反応チャンバにロードされる前の合成基板が格納され、かつ反応チャンバからアンロードされた後の合成基板が待機する基板保管部と、基板保管部から合成基板を引き出して合成基板に生成された炭素ナノチューブを回収する回収部と、回収部で炭素ナノチューブを回収した合成基板の表面に触媒を塗布する触媒塗布部と、回収部と基板保管部の間、及び触媒塗布部と基板保管部の間における合成基板の移送を担当する第２移送装置と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素ナノチューブを生成するシステムであって、
合成基板の上に炭素ナノチューブを生成する工程が行われる反応チャンバと、
前記反応チャンバの一方に位置し、前記反応チャンバに合成基板をロードし、前記反応チャンバから合成基板をアンロードする第１移送装置が設置されたステーション部と、
前記反応チャンバにロードされる前の合成基板が格納され、前記反応チャンバからアンロードされた後の合成基板が待機する基板保管部と、を備えることを特徴とする炭素ナノチューブの生成システム。
【請求項２】
前記ステーション部は、前記反応チャンバからアンロードされる合成基板が酸素と接触しないように外部と隔離されたチャンバを備えることを特徴とする請求項１に記載の炭素ナノチューブの生成システム。
【請求項３】
前記ステーション部は、前記チャンバの内部空間に不活性ガスを供給するガス供給部材をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の炭素ナノチューブの生成システム。
【請求項４】
前記基板保管部は、
前記反応チャンバにロードされる合成基板が格納される第１支持部と、前記反応チャンバからアンロードされた合成基板が格納される第２支持部と、を有するカセットを備えることを特徴とする請求項１に記載の炭素ナノチューブの生成システム。
【請求項５】
前記第１支持部と前記第２支持部とは、上下に積層されるように配置され、
前記第２支持部の間隔は、前記第１支持部の間隔より広いことを特徴とする請求項４に記載の炭素ナノチューブの生成システム。
【請求項６】
前記カセットは、高低の調節が可能であることを特徴とする請求項４に記載の炭素ナノチューブの生成システム。
【請求項７】
前記システムは、合成基板が前記ステーション部の基板保管部に格納される前に合成基板の表面に触媒を塗布する触媒塗布部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の炭素ナノチューブの生成システム。
【請求項８】
前記触媒塗布部は、
合成基板の上面に一定量の触媒を供給する吐出口を有する触媒格納タンクと、
合成基板の上面に供給された触媒を合成基板の全面に均一な厚さに塗布するためのブラシユニットと、を備えることを特徴とする請求項７に記載の炭素ナノチューブの生成システム。
【請求項９】
前記触媒格納タンクは、
合成基板の上面に既設定された量の触媒を供給する定量供給部を備えることを特徴とする請求項８に記載の炭素ナノチューブの生成システム。
【請求項１０】
前記定量供給部は、
前記触媒格納タンクの吐出口の上部に既設定された量の触媒を収容できる定量空間を提供し、各々移動可能な上部遮断板と下部遮断板とを有し、前記下部遮断板が開放されると、前記定量空間に収容された触媒が吐出口を介して合成基板の上面に供給されることを特徴とする請求項９に記載の炭素ナノチューブの生成システム。
【請求項１１】
前記ブラシユニットは、
合成基板の長さ方向に設置されるガイドレールと、
前記ガイドレールに沿って移動可能に設置される移動体と、
触媒を合成基板の全面に均一な厚さに塗布するために前記ステージの上部に配置され、前記移動体によりスライド移動する塗布用ブラシと、を備え、
前記塗布用ブラシは、前記移動体で高低の調節が可能であることを特徴とする請求項９に記載の炭素ナノチューブの生成システム。
【請求項１２】
前記システムは、前記基板保管部で工程を終えて待機中である合成基板の提供を受けて、合成基板に合成された炭素ナノチューブを回収する回収部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の炭素ナノチューブの生成システム。
【請求項１３】
前記回収部は、
合成基板から回収される炭素ナノチューブが格納される回収筒と、
合成基板の上面から炭素ナノチューブを前記回収筒に掃き落とす回収ユニットと、を備えることを特徴とする請求項１２に記載の炭素ナノチューブの生成システム。
【請求項１４】
前記回収ユニットは、合成基板の上面の一方から他方にスライド移動しつつ合成基板の上面の炭素ナノチューブを掃き落とす回収用ブラシを備えることを特徴とする請求項１３に記載の炭素ナノチューブの生成システム。
【請求項１５】
前記システムは、
前記ステーション部と前記反応チャンバとを連結する第１ゲートバルブと、
前記反応チャンバの内部の熱が前記第１ゲートバルブに伝達されることを防止するために、前記第１ゲートバルブと前記反応チャンバとの間に設置される熱遮断部材と、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の炭素ナノチューブの生成システム。
【請求項１６】
前記反応チャンバは、
前段及び後段に各々フランジが結合され、合成基板が収容される空間を提供する反応炉と、
前記フランジと前記反応炉との間に提供されるシーリング部材と、
前記反応炉を工程温度に加熱する加熱部と、
前記シーリング部材を冷却する冷却部材と、を備え、
前記ヒータ部材は、
前記反応炉の中央領域を加熱する中央ヒータと、
前記反応炉の前段及び後段と隣接した前記反応炉のエッジ領域を加熱するエッジヒータと、
前記中央ヒータ及び前記エッジヒータを独立的に制御するヒータ制御機と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の炭素ナノチューブの生成システム。
【請求項１７】
前記エッジヒータは、
前記反応炉の前段に結合されたフランジと隣接した前記反応炉のエッジ領域を加熱する第１ヒータと、
前記反応炉の後段に結合されたフランジと隣接した前記反応炉のエッジ領域を加熱する第２ヒータと、を備え、
前記ヒータ制御機は、前記第１ヒータと前記第２ヒータとを独立的に制御することを特徴とする請求項１６に記載の炭素ナノチューブの生成システム。
【請求項１８】
前記第１移送装置は、
前記合成基板を支持するブレードと、
前記ブレードに固定結合され、駆動器により直線移動可能なアームと、を備え、
前記ブレードは、
プレートと、
前記プレートから上部に突出して基板と接触される複数の突起と、を有することを特徴とする請求項１に記載の炭素ナノチューブの生成システム。
【請求項１９】
前記第１移送装置は、
前記合成基板を支持するブレードと、
前記ブレードに固定結合され、駆動器により直線移動可能なアームと、
前記アームが前記反応チャンバ内に流入するときに熱的に変形されることを減らすために、前記アームを冷却する冷却部材と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の炭素ナノチューブの生成システム。
【請求項２０】
前記反応チャンバは、
前段及び後段に各々フランジが結合され、合成基板が収容される空間を提供する反応炉と、
前記反応炉を工程温度に加熱する加熱部と、
前記反応炉内に提供され、前記合成基板を支持する支持フレームと、を備え、
前記支持フレームは、前記反応炉の内壁から前記反応炉の内側に突出するように提供され、複数の合成基板を支持するように上下に離隔して提供される複数のフレームを備えることを特徴とする請求項１に記載の炭素ナノチューブの生成システム。
【請求項２１】
前記反応チャンバは、
炭素ナノチューブの生成が行われる反応炉と、
前記反応炉を加熱する加熱部と、
前記反応炉内にソースガスを供給するガス供給管と、
ソースガスが前記反応炉内に供給される前に、ソースガスを加熱する加熱部材と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の炭素ナノチューブの生成システム。
【請求項２２】
炭素ナノチューブを生成するシステムであって、
合成基板の上に炭素ナノチューブを生成する工程が行われる反応チャンバと、
前記反応チャンバと連結され、前記反応チャンバからアンロードされる合成基板が外部空気と接触しないように、外部と隔離された内部空間を提供するステーション部と、
前記ステーション部の内部に設置され、前記反応チャンバに合成基板をロードし、前記反応チャンバから合成基板をアンロードする第１移送装置と、
前記ステーション部の内部に設置され、前記反応チャンバにロードされる前の合成基板が格納され、かつ前記反応チャンバからアンロードされた後の合成基板が待機する基板保管部と、
前記基板保管部から合成基板を引き出して、合成基板に生成された炭素ナノチューブを回収する回収部と、
前記回収部で炭素ナノチューブを回収した合成基板の表面に触媒を塗布する触媒塗布部と、
前記回収部、前記触媒塗布部、及び前記基板保管部の間における合成基板の移送を担当する第２移送装置と、を備えることを特徴とする炭素ナノチューブの生成システム。
【請求項２３】
前記基板保管部は、
前記反応チャンバにロードされる合成基板が格納される第１支持部と、前記反応チャンバからアンロードされた合成基板が格納される第２支持部と、を有するカセットを備えることを特徴とする請求項２２に記載の炭素ナノチューブの生成システム。
【請求項２４】
前記第２支持部の間隔は、前記第１支持部の間隔より広いことを特徴とする請求項２３に記載の炭素ナノチューブの生成システム。
【請求項２５】
前記ステーション部は、
前記反応チャンバからアンロードされる合成基板が酸素と接触しないように外部と隔離されたチャンバと、
前記チャンバの内部に不活性ガスを供給するガス供給部材と、を備えることを特徴とする請求項２２に記載の炭素ナノチューブの生成システム。
【請求項２６】
前記ステーション部と前記反応チャンバとは、第１ゲートバルブにより連結され、前記反応チャンバの内部の熱が前記第１ゲートバルブに伝達されないようにする前記第１ゲートバルブと前記反応チャンバとの間に設置される熱遮断部材をさらに備えることを特徴とする請求項２２に記載の炭素ナノチューブの生成システム。
【請求項２７】
前記ステーション部は、
前記反応チャンバと隣接するように位置し、前記基板保管部が配置される第１領域と、
前記第１領域を基準に前記反応チャンバと反対の位置に前記反応チャンバと一直線上に位置し、前記第１移送装置が配置される第２領域を有し、
前記第１領域は、
前記反応チャンバ及び前記基板保管部と一直線上に位置する上部領域と、
前記上部領域から前記一直線と垂直な方向に延びる下部領域と、を有し、
前記基板保管部は、合成基板を保管し、前記上部領域と前記下部領域との間に移動可能なカセットを備えることを特徴とする請求項２２に記載の炭素ナノチューブの生成システム。
【請求項２８】
前記塗布部、前記第２移送装置、及び前記回収部は、前記ステーションの外側に配置され、
前記第２移送装置は、前記第１領域の上部領域を基準に前記下部領域と反対方向に位置し、
前記第２移送装置は、前記塗布部と前記回収部との間に配置されることを特徴とする請求項２７に記載の炭素ナノチューブの生成システム。
【請求項２９】
炭素ナノチューブを生成する方法であって、
合成基板の表面に触媒を塗布するステップと、
触媒が塗布された前記合成基板を反応チャンバにロードするステップと、
前記反応チャンバにソースガスを供給して、前記合成基板に炭素ナノチューブを合成するステップと、
前記反応チャンバから工程を終えた前記合成基板をアンロードするステップと、
前記反応チャンバからアンロードされた合成基板を一定温度以下に冷却するステップと、
前記冷却された合成基板から炭素ナノチューブを回収するステップと、を含むことを特徴とする炭素ナノチューブの生成方法。
【請求項３０】
前記冷却ステップは、前記反応チャンバからアンロードされる合成基板が酸素と接触しないように不活性ガス雰囲気下で冷却されることを特徴とする請求項２９に記載の炭素ナノチューブの生成方法。
【請求項３１】
前記反応チャンバから工程を終えた合成基板がアンロードされると、触媒が塗布された合成基板が前記反応チャンバにロードされることによって、前記反応チャンバで直ちに炭素ナノチューブ合成工程が行われることを特徴とする請求項２９に記載の炭素ナノチューブの生成方法。
【請求項３２】
前記反応チャンバからアンロードされた合成基板は、不活性ガス雰囲気の空間に配置されたカセットに保管され、
前記反応チャンバで炭素ナノチューブの合成工程が行われる間に触媒が塗布された合成基板は、前記カセットで待機することを特徴とする請求項２９に記載の炭素ナノチューブの生成方法。
【請求項３３】
前記触媒塗布ステップは、
合成基板の上面に一定量の触媒を供給するステップと、合成基板の上面に供給された触媒を合成基板の全面に均一な厚さに塗布するステップと、を含むことを特徴とする請求項２９に記載の炭素ナノチューブの生成方法。
【請求項３４】
前記回収ステップは、
合成基板の上面から炭素ナノチューブを掃き落として回収筒に格納するステップを含むことを特徴とする請求項２９に記載の炭素ナノチューブの生成方法。
【請求項３５】
前記反応チャンバでは、複数の合成基板に対して同時に工程を行い、前記反応チャンバへの前記合成基板のロード、及び前記反応チャンバからの前記合成基板のアンロードは、一つの合成基板ごとに順次に行われることを特徴とする請求項２９に記載の炭素ナノチューブの生成方法。
【請求項３６】
前記合成基板の冷却は、自然冷却方式により行われることを特徴とする請求項２９に記載の炭素ナノチューブの生成方法。
【請求項３７】
前記反応チャンバに供給されるソースガスは、前記反応チャンバの外部から予熱された状態で供給されることを特徴とする請求項２９に記載の炭素ナノチューブの生成方法。
【請求項３８】
前記反応チャンバから合成基板をアンロードするとき、前記反応チャンバ内に進入する移送装置のアームは冷却されることを特徴とする請求項２９に記載の炭素ナノチューブの生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素ナノチューブの生成システム及びその生成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素ナノチューブ（ｃａｒｂｏｎ  ｎａｎｏｔｕｂｅｓ、ＣＮＴ）は、炭素原子からなる中空の円筒であり、黒鉛膜を巻いてチューブ状にした外観をしており、その壁面は、一つの炭素原子に隣接する三個の炭素原子が結合された六角環が蜂の巣状に繰り返されて形成される。
【０００３】
炭素ナノチューブは、その構造によって金属的な導電性又は半導体的な導電性を表すことができる性質の材料であって、様々な技術分野に幅広く応用できるから、未来の新素材のトップ候補として脚光を浴びている。例えば、炭素ナノチューブは、二次電池、燃料電池又はスーパーキャパシタのような電気化学的蓄電装置の電極、電磁波遮蔽、電界放出ディスプレイ、又はガスセンサなどに適用できる。
【０００４】
このような炭素ナノチューブの生産は、大部分手作業に依存しているので少量である。特に、合成基板に触媒を塗布する作業、合成基板を反応管にロード／アンロードする作業、炭素ナノチューブが合成された合成基板を反応管からアンロードして、合成基板から炭素ナノチューブを回収する工程などが手作業により行われるので、連続処理及び大量生産が困難である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、炭素ナノチューブを自動的に生成できる、炭素ナノチューブの生成システム及び方法を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、炭素ナノチューブを大量に生成できる、炭素ナノチューブの生成システム及び方法を提供することにある。
また、本発明のさらに他の目的は、炭素ナノチューブを連続的に逐次合成し、設備稼動率を向上できる、効率的な炭素ナノチューブの生成システム及び方法を提供することにある。
また、本発明のさらに他の目的は正確かつ信頼性のある自動的な触媒供給により工程信頼性を確保できる、炭素ナノチューブの生成システム及び方法を提供することにある。
また、本発明のさらに他の目的は、炭素ナノチューブの自動回収により正確な生産量算出が可能である、炭素ナノチューブの生成システム及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、炭素ナノチューブを生成するシステムを提供する。前記システムは、反応チャンバ、ステーション部、基板保管部を有する。前記反応チャンバでは、合成基板の上に炭素ナノチューブを生成する工程が行われる。前記ステーション部は、前記反応チャンバの一方に位置する。前記ステーション部には、前記反応チャンバに合成基板をロードし、前記反応チャンバから合成基板をアンロードする第１移送装置が設置される。前記基板保管部には、前記反応チャンバにロードされる前の合成基板が格納され、前記反応チャンバからアンロードされた後の合成基板が待機する。  
【０００７】
本発明の一特徴によると、前記ステーション部は、前記反応チャンバからアンロードされる合成基板が酸素と接触しないように、外部と隔離されたチャンバを備える。
前記ステーション部には、前記チャンバの内部空間に不活性ガスを供給するガス供給部材が提供されうる。
【０００８】
一例によると、前記基板保管部は、カセットを有する。前記カセットは、前記反応チャンバにロードされる合成基板が格納される第１支持部と、前記反応チャンバからアンロードされた合成基板が格納される第２支持部を有する。
一特徴によると、前記第１支持部と前記第２支持部とは、上下に積層されるように配置され、前記第２支持部の間隔は、前記第１支持部の間隔より広い。
前記カセットは、高低の調節が可能である。
【０００９】
前記システムは、合成基板が前記ステーション部の基板保管部に格納される前に合成基板の表面に触媒を塗布する触媒塗布部をさらに備え得る。
一例によると、前記触媒塗布部は、合成基板の上面に一定量の触媒を供給する吐出口を有する触媒格納タンクと、合成基板の上面に供給された触媒を合成基板の全面に均一な厚さに塗布するためのブラシユニットと、を有する。
【００１０】
前記触媒格納タンクは、合成基板の上面に既設定された量の触媒を供給する定量供給部を備え得る。
前記定量供給部は、前記触媒格納タンクの吐出口の上部に既設定された量の触媒を収容できる定量空間を提供し、それぞれ移動可能な上部遮断板と下部遮断板とを有し、前記下部遮断板が開放されると、前記定量空間に収容された触媒が吐出口を介して合成基板の上面に供給される。
【００１１】
前記ブラシユニットは、合成基板の長さ方向に設置されるガイドレールと、前記ガイドレールに沿って移動可能に設置される移動体と、触媒を合成基板の全面に均一な厚さに塗布するために前記ステージ上部に配置され、前記移動体によりスライド移動する塗布用ブラシと、を備え、前記塗布用ブラシは、前記移動体で高低の調節が可能である。
【００１２】
前記システムは、前記基板保管部で工程を終えて待機中である合成基板の提供を受けて合成基板に合成された炭素ナノチューブを回収する回収部を備え得る。
前記回収部は、合成基板から回収される炭素ナノチューブが格納される回収筒と、合成基板の上面から炭素ナノチューブを前記回収筒に掃き落とす回収ユニットと、を備える。
【００１３】
一例によると、前記回収ユニットは、合成基板の上面の一方から他方にスライド移動しつつ合成基板の上面の炭素ナノチューブを掃き落とす回収用ブラシを備える。
【００１４】
本発明の一特徴によると、前記システムは、前記ステーション部と前記反応チャンバとを連結する第１ゲートバルブと、前記反応チャンバの内部の熱が前記第１ゲートバルブに伝達されることを防止するために、前記第１ゲートバルブと前記反応チャンバとの間に設置される熱遮断部材を有する。
【００１５】
一例によると、前記反応チャンバは、前段及び後段にそれぞれフランジが結合され、合成基板が収容される空間を提供する反応炉と、前記フランジと前記反応炉との間に提供されるシーリング部材と、前記反応炉を工程温度に加熱する加熱部と、前記シーリング部材を冷却する冷却部材と、を有する。前記ヒータ部材は、前記反応炉の中央領域を加熱する中央ヒータと、前記反応炉の前段及び後段と隣接した前記反応炉のエッジ領域を加熱するエッジヒータと、前記中央ヒータ及び前記エッジヒータを独立的に制御するヒータ制御機と、を有し得る。
前記エッジヒータは、前記反応炉の前段に結合されたフランジと隣接した前記反応炉のエッジ領域を加熱する第１ヒータと、前記反応炉の後段に結合されたフランジと隣接した前記反応炉のエッジ領域を加熱する第２ヒータと、を備え、前記ヒータ制御機は、前記第１ヒータと前記第２ヒータとを独立的に制御できる。
【００１６】
一例によると、前記第１移送装置は、前記合成基板を支持するブレードと、前記ブレードに固定結合され駆動器により直線移動可能なアームと、を備える。前記ブレードは、プレートと、前記プレートから上部に突出して基板と接触される複数の突起と、を備え得る。
前記第１移送装置は、前記合成基板を支持するブレードと、前記ブレードに固定結合され、駆動器により直線移動可能なアームと、前記アームが前記反応チャンバ内に流入するときに熱的に変形されることを減らすために、前記アームを冷却する冷却部材を備え得る。
【００１７】
一例によると、前記反応チャンバは、前段及び後段に各々フランジが結合され、合成基板が収容される空間を提供する反応炉と、前記反応炉を工程温度に加熱する加熱部と、前記反応炉内に提供され、前記合成基板を支持する支持フレームと、を備え、前記反応炉内には、前記合成基板を支持する支持フレームが提供される。前記支持フレームは、前記反応炉の内壁から前記反応炉の内側に突出するように提供され、複数の合成基板を支持するように上下に離隔して提供される複数のフレームを備える。
【００１８】
一例によると、前記反応チャンバは、炭素ナノチューブの生成が行われる反応炉と、前記反応炉を加熱する加熱部と、前記反応チャンバには、前記反応炉内にソースガスを供給するガス供給管と、ソースガスが前記反応炉内に供給される前にソースガスを加熱する加熱部材と、をさらに備え得る。
【００１９】
また、本発明の炭素ナノチューブを生成するシステムは、合成基板の上に炭素ナノチューブを生成する工程が行われる反応チャンバ、前記反応チャンバと連結され、前記反応チャンバからアンロードされる合成基板が外部空気と接触しないように外部と隔離された内部空間を提供するステーション部と、前記ステーション部の内部に設置され、前記反応チャンバに合成基板をロードし、前記反応チャンバから合成基板をアンロードする第１移送装置と、前記ステーション部の内部に設置され、前記反応チャンバにロードされる前の合成基板が格納され、かつ前記反応チャンバからアンロードされた後の合成基板が待機する基板保管部と、前記基板保管部から合成基板を引き出して合成基板に生成された炭素ナノチューブを回収する回収部と、前記回収部で炭素ナノチューブを回収した合成基板の表面に触媒を塗布する触媒塗布部と、前記回収部、前記触媒塗布部、及び前記基板保管部の間における合成基板の移送を担当する第２移送装置と、を備える。
【００２０】
一例によると、前記ステーション部は、前記反応チャンバと隣接するように位置し、前記基板保管部が配置される第１領域と、前記第１領域を基準に前記反応チャンバと反対の位置に前記反応チャンバと一直線上に位置し、前記第１移送装置が配置される第２領域と、を有する。前記第１領域は、前記反応チャンバ及び前記基板保管部と一直線上に位置する上部領域と、前記上部領域から前記一直線と垂直な方向に延びる下部領域と、を有する。前記基板保管部は、合成基板を保管し、前記上部領域と前記下部領域との間に移動可能なカセットを有する。
【００２１】
一例によると、前記塗布部、前記第２移送装置、そして前記回収部は、前記ステーションの外側に配置され、前記第２移送装置は、前記第１領域の上部領域を基準に前記下部領域と反対の方向に位置し、前記第２移送装置は、前記塗布部と前記回収部との間に配置される。
【００２２】
また、本発明は、炭素ナノチューブを生成する方法を提供する。本発明の方法は、合成基板の表面に触媒を塗布するステップと、触媒が塗布された前記合成基板を反応チャンバにロードするステップと、前記反応チャンバにソースガスを供給して前記合成基板に炭素ナノチューブを合成するステップと、前記反応チャンバから工程を終えた前記合成基板をアンロードするステップと、前記反応チャンバからアンロードされた合成基板を一定温度以下に冷却するステップと、前記冷却された合成基板から炭素ナノチューブを回収するステップと、を含む。
前記冷却ステップは、前記反応チャンバからアンロードされる合成基板が酸素と接触しないように、不活性ガス雰囲気下で冷却されることが好ましい。
【００２３】
前記反応チャンバから工程を終えた合成基板がアンロードされると、触媒が塗布された合成基板が前記反応チャンバにロードされることによって、前記反応チャンバで直ちに炭素ナノチューブ合成工程が実行できる。
前記反応チャンバからアンロードされた合成基板は、不活性ガス雰囲気の空間に配置されたカセットに保管され、前記反応チャンバで炭素ナノチューブの合成工程が行われる間に触媒が塗布された合成基板は、前記カセットで待機できる。
前記触媒塗布ステップは、合成基板の上面に一定量の触媒を供給するステップと、合成基板の上面に供給された触媒を合成基板の全面に均一な厚さに塗布するステップと、を含有できる。
前記回収ステップは、合成基板の上面から炭素ナノチューブを掃き落として回収筒に格納するステップを含有できる。
前記反応チャンバでは、複数の合成基板に対して同時に工程を実行し、前記反応チャンバへの前記合成基板のロード、及び前記反応チャンバからの前記合成基板のアンロードは、一つの合成基板ごとに順次に実行できる。
前記合成基板の冷却は、自然冷却方式により実行できる。
前記反応チャンバに供給されるソースガスは、前記反応チャンバの外部から予熱された状態で供給できる。
前記反応チャンバから合成基板をアンロードするとき、前記反応チャンバ内に進入する移送装置のアームは冷却され得る。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によると、炭素ナノチューブの生産工程を自動化できる。
【００２５】
また、本発明によると、炭素ナノチューブを大量に生産できる。
【００２６】
また、本発明によると、反応チャンバ内の工程は連続的に維持されるので、合成基板の炭素ナノチューブは連続的に逐次合成され、設備稼動率を向上できる。
【００２７】
また、本発明によると、正確かつ信頼性のある自動的な触媒供給により、工程信頼性を確保できる。
また、本発明によると、炭素ナノチューブの自動回収により、正確な生産量算出が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、添付した図１〜図２３を参照して、本発明の実施の形態に係る炭素ナノチューブの生成システムと生成方法を詳細に説明する。本発明の実施の形態は、様々な形態に変形でき、本発明の範囲が以下に記述する実施の形態によって限定されるものではない。本実施の形態は、当業界で平均的な知識を有した者に本発明をさらに徹底的かつ完全に説明するために提供されたものである。図面において領域や層の厚さは、明確さのために誇張してある。
【００２９】
図１は、炭素ナノチューブ生産システムの一例を概略的に示す構成図である。図１に示すように、システム１は、合成基板１０、反応チャンバ１００、及び前後処理室を有する。
【００３０】
合成基板１０は、炭素ナノチューブの合成が行われる基底板として使用される。炭素ナノチューブが合成される合成基板１０としては、シリコンウエハ、ＩＴＯ基板、ＩＴＯでコーティングされたガラス、ソーダライムガラス、コーニングガラス、アルミナなどが使用されうる。しかしながら、その上に炭素ナノチューブを合成（成長、生成）させるのに十分な能力を有するならば、合成基板としては、上述した種類の基板の他に多様な種類の材質が使用されうる。
【００３１】
反応チャンバ１００は、合成基板１０上に炭素ナノチューブを生成する工程を行い、前後処理室は、反応チャンバ１００にロードされ、又は反応チャンバ１００からアンロードされる合成基板１０に対して各々前処理工程及び後処理工程を行う。前処理工程及び後処理工程は、基板に触媒２０を塗布する工程と合成基板上に生成された炭素ナノチューブ３０を回収する工程を含む。前後処理室は、ステーション部２００、第１移送装置３００、基板保管部４００、触媒塗布部５００、回収部６００、及び第２移送装置７００を有する。
【００３２】
ステーション部２００は、反応チャンバ１００からアンロードされる合成基板１０が大気中に露出するのを防止する。第１移送装置３００は、反応チャンバ１００に合成基板をロードし、また反応チャンバから合成基板をアンロードする。基板保管部４００は、反応チャンバ１００にロードされる前か、又は反応チャンバからアンロードされた後の合成基板を保管する。触媒塗布部５００は、合成基板１０が反応チャンバ１００にロードされる前に、合成基板１０上に触媒２０を塗布する工程を行う。回収部６００は、反応チャンバ１００からアンロードされた合成基板１０上に生成された炭素ナノチューブ３０を合成基板１０から回収する工程を行う。第２移送装置７００は、基板保管部４００、触媒塗布部５００、及び回収部６００の間に合成基板１０を移送する。
【００３３】
一例によると、ステーション部２００は、反応チャンバ１００の一側に反応チャンバ１００と近接して配置される。ステーション部２００は、第１領域２４０と第２領域２６０とを有する。第１領域２４０は、反応チャンバ１００と隣接するように配置され、第１領域２４０には、基板保管部４００が位置する。第２領域２６０は、第１領域２４０を基準として反応チャンバ１００と反対側に配置され、第１移送装置３００が位置する。反応チャンバ１００と第２領域２６０とは、第１方向４２に同一線上に位置するように配置される。第１領域２４０は、上部領域２４２と下部領域２４４とを有する。上部領域２４２は、反応チャンバ１００及び第２領域２６０と同一線上に位置する領域であり、下部領域２４４は、上部領域２４２から第１方向４２と垂直な第２方向４４に延びる領域である。第１領域２４０と第２領域２６０は、それぞれ概して長方形の形状を有する。上述した構造によって、ステーション部２００は、全体としてほぼ‘「’（鍵型）形状を有する。触媒塗布部５００、回収部６００、及び第２移送装置７００は、ステーション部２００と隣接するように位置し、第１領域２４０の上部領域２４２を基準として下部領域２４４と反対側に第１方向４２と平行に近接して配置される。第２移送装置７００は、ステーション部２００の第１領域２４０と対向する位置に配置される。また、第２移送装置７００は、触媒塗布部５００と回収部６００との間に位置する。ステーション部２００の形状及びステーション部２００、第１移送装置３００、第２移送装置７００、触媒塗布部５００、及び回収部６００の配置は、以上とは異なり、多様に変更できる。
【００３４】
次には、本発明のシステムの各々の構成要素について詳細に説明する。
【００３５】
図１に示すように、反応チャンバ１００は、反応炉１２０、第１及び第２フランジ（ｆｌａｎｇｅ）１３２、１３４、加熱部１４０、冷却部材１５０、及びボート（ｂｏａｔ）１６０を有する。反応炉１２０は、石英（ｑｕａｒｔｚ）又はグラファイト（ｇｒａｐｈｉｔｅ）などのように熱に強い材質からなる。反応炉１２０は、概して円筒形状である。工程を行う途中に反応炉１２０は、加熱部１４０により略、摂氏５００〜１１００度（℃）に維持される。
【００３６】
反応炉１２０の前段には、円板形状の第１フランジ１３２が結合され、反応炉１２０の後段には、第２フランジ１３４が結合される。第１フランジ１３２は、概して円板形状を有する。第１フランジ１３２には、反応炉１２０内にソースガスを供給するガス供給部材１８０が連結される。ガス供給部材１８０は、ガス供給源１８２、ガス供給管１８４、及び加熱部材１８６を有する。ガス供給管１８４は、第１フランジ１３２に結合されて、ガス供給源１８２から反応炉１２０内にソースガスを供給する。ここで、ソースガスには、アセチレン、エチレン、メタン、ベンゼン、キシレン、一酸化炭素及び二酸化炭素からなるグループから選択された少なくとも一つが使用されうる。ガス供給管１８４には、その内部通路を開閉するか、又はその内部を流れるソースガスの流量を調節するバルブ１８４ａが設置される。加熱部材１８６は、ガス供給管１８４に設置される。加熱部材１８６は、ソースガスが反応炉１２０内に供給される前に、ソースガスを設定温度に加熱する。これは、反応炉１２０内でソースガスが活性化されるまで必要な時間を短縮して、工程に必要な全体時間を減らす。ソースガスは、熱分解により活性化され、これらが合成基板１０上に塗布された触媒と反応して、炭素ナノチューブが生成される。第２フランジ１３４は、環状（リング状）を有し、第２フランジには、反応後に反応炉１２０の内部の残留ガスを排出する排気ライン１８９が結合される。
【００３７】
第１フランジ１３２と反応炉１２０との接触面及び第２フランジ１３４と反応炉１２０との接触面には、反応炉１２０の内部を外部からシーリングするためのシーリング部材１３２ａ、１３４ａが設置される。シーリング部材１３２ａ、１３４ａには、Ｏ（字型）リングが使用されうる。シーリング部材は、冷却部材により冷却される。図２を参照すると、冷却部材は、冷却ライン１５２、冷却水供給管１５６、センサ１５８を有する。冷却ライン１５２は、第１フランジ１３２の内部及び第２フランジ１３４の内部それぞれに形成され、冷却流体が流れる。冷却流体には、冷却水が使用される。選択的に、冷却流体には、不活性ガスが使用されうる。冷却ライン１５２を流れる冷却水は、シーリング部材１３２ａ、１３４ａが反応炉内の熱により損傷するのを防止するために、シーリング部材１３２ａ、１３４ａを冷却する。
【００３８】
図２に示すように、冷却ライン１５２には、冷却水供給管１５６と冷却水回収管（図示せず）とが結合される。冷却水供給管１５６には、その内部通路を開閉するか、又は内部を流れる冷却水の流量を調節するバルブ１５６ａが設置される。また、冷却水供給管１５６には、その内部を流れる冷却水の流量又は温度を測定するセンサ１５８が設置され、センサ１５８により測定された信号は、設備全体を制御する制御機１５９に送信される。制御機１５９は、センサ１５８から送信された信号を分析して、冷却水の流量又は温度がある設定時間にわたって、ある設定範囲から外れると、システムを停止させるか、又は作業者にディスプレイ又は警告音により知らせる。こうすると、冷却水供給管１５６を介して冷却水が一時的に設定された流量又は設定された温度で流れなくても、一定時間だけは、継続的に工程を実行できる。上述した設定時間は、冷却水の供給が続いて円滑に行われない場合に、シーリング部材１３２ａ、１３４ａが影響を受けるのに要する時間を考慮して決定される。
【００３９】
加熱部１４０は、反応炉１２０の内部を工程温度に加熱する。加熱部１４０は、反応炉１２０の外壁を取り囲むように設置されることが好ましい。反応炉１２０を加熱する方式としては、発熱コイルによる方式又は発熱ランプによる方式などが使用されうる。
【００４０】
図３は、本発明の加熱部１４０の一例が示された反応チャンバ１００を示す図である。説明を容易にするために、反応炉１２０内で第１フランジ１３２及び第２フランジ１３４と隣接した領域をエッジ部領域１２２ａ、１２２ｂとし、エッジ部領域１２２ａ、１２２ｂの間に位置する領域を中央部領域１２４とする。反応炉１２０の全体領域が一つのヒータにより加熱される場合に、エッジ部領域１２２ａ、１２２ｂは、中央部領域１２４に比べて温度が低い。これは、反応炉１２０のエッジ部領域１２２ａ、１２２ｂがフランジ１３２、１３４に設置された冷却ライン１５２により影響を受けるためである。したがって、同じ温度状態で合成基板１０に対して工程を行うために、合成基板は、反応炉の中央部領域１２４にのみ提供されなければならないので、反応炉１２０の長さは長くなる。
【００４１】
上述した問題を解決するために、図３を参照すると、加熱部１４０は、エッジヒータ１４２、中央ヒータ１４４、及びヒータ制御機１４６を有する。エッジヒータ１４２は、反応炉１２０のエッジ部領域１２２ａ、１２２ｂを加熱し、中央ヒータ１４４は、反応炉１２０の中央部領域１２４を加熱する。ヒータ制御機１４６は、中央ヒータ１４４とエッジヒータ１４２とをそれぞれ独立的に制御する。反応炉１２０内で全体的に工程温度が均一に提供されるように、エッジヒータ１４２は、中央ヒータ１４４に比べてより高い温度で反応炉１２０を加熱する。エッジヒータ１４２は、第１フランジ１３２と隣接した反応炉１２０のエッジ部領域１２２ａを加熱する第１ヒータ１４２ａ、及び第２フランジ１３４と隣接した反応炉１２０のエッジ部領域１２２ｂを加熱する第２ヒータ１４２ｂを有する。これは、反応炉１２０のエッジ部領域１２２ａ、１２２ｂの間の温度が互いに異なる場合に有用である。この場合に、ヒータ制御機１４６は、第１ヒータ１４２ａと第２ヒータ１４２ｂを独立的に制御する。
【００４２】
ボート１６０は、反応炉１２０内に一つのみ提供されるか、又は複数個提供される。ボート１６０のサイズは十分に大きく、一つのボート１６０に反応炉１２０の長手（上述した第１方向４２）に沿って複数の合成基板１０を置き得る。選択的に、ボート１６０は長手方向及びクロックワイズ（ｃｌｏｃｋｗｉｓｅ）にそれぞれ複数の合成基板１０を支持できる大きさ及び構造を有し得る。一例によると、ボート１６０は、長さ方向に２個ずつ、そしてクロックワイズに２個ずつ、合成基板１０を支持できる大きさ及び構造を有する。ボート１６０は、反応炉１２０内に固設されるか、又はロード・アンロードできる。
【００４３】
また、ボート１６０のサイズは、一つの合成基板１０を支持できる大きさでもよい。この場合に、ボート１６０は、一つ又は複数個が提供される。ボート１６０が複数個提供される場合に、ボート１６０は、反応炉１２０の長手（上述した第１方向４２）に沿って複数個配置されるか、又は選択的に第１方向４２と垂直な方向に積層されうる。
【００４４】
選択的にボート１６０の代わりに、反応炉１２０内には、合成基板１０が置かれる支持フレーム１６０’を設置してもよい。図４と図５は、それぞれ内部に支持フレーム１６０’が設置された反応炉１２０の断面図である。図４に示すように、支持フレーム１６０’は、反応炉１２０の長さ方向に沿って反応炉１２０の内壁から反応炉１２０の内側に突出する２個のフレーム１６２、１６４からなる。第１フレーム１６２と第２フレーム１６４とは、互いに対向するように配置されて、それぞれ合成基板１０のエッジを支持する。合成基板１０を安定に支持するために、第１フレーム１６２及び第２フレーム１６４の先端には、上部に突出した案内突起１６２ａ、１６４ａが設けられ、合成基板１０のエッジ領域には、案内突起１６２ａ、１６４ａにかかるように下方向に突出した係止顎１０ａを設けてもよい。
【００４５】
一つの支持フレーム１６０’に反応炉１２０の長手に沿って複数の合成基板１０を置けるように、第１フレーム１６２と第２フレーム１６４とは、十分に長くとるとよい。支持フレーム１６０’は、上下に一定距離離隔して複数個を設けてもよい。反応炉１２０が円形断面の場合に、支持フレーム１６０’は、上下に２個設置できる。選択的に中央へ行くほど、支持フレーム１６０’の幅を広くとると、支持フレームは３個以上に提供できる。又は、図５のように、反応炉１２０が長方形の断面１２０ａの場合、支持フレーム１６０’は、複数個を上下に積層できる。
【００４６】
本実施の形態では、炭化水素を熱分解して炭素ナノチューブ３０を生産する熱分解法（ｐｙｒｏｌｙｓｉｓ  ｏｆ  ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ）が適用された構造を有した反応チャンバ１００を例に挙げて説明したが、これは、一つの例に過ぎず、この他に、レーザ蒸着法、プラズマ化学気相蒸着法、熱化学気相蒸着法、フレーム（ｆｌａｍｅ、ｆｒａｍｅ）合成方法、及び電弧（アーク）放電法などの多様な生成方式を適用した反応チャンバが使用されうる。
【００４７】
また、図１に戻って、ステーション部２００は、外部と隔離されたチャンバ２００ａを含む。ステーション部２００と反応チャンバ１００との間には、これらの間を合成基板１０が移動する通路を開閉する第１ゲートバルブ２２２が設置され、ステーション部２００と第２移送装置７００との間には、これらの間を合成基板１０が移動する通路を開閉する第２ゲートバルブ２２４が設置される。
【００４８】
ステーション部２００には、その内部に窒素、アルゴンなどのような不活性ガスを供給するガス供給部材２８０が設置される。不活性ガスは、ステーション部２００の内部の空気（特に、酸素）を除去し、ステーション部２００の内部を不活性ガス雰囲気に維持する。これは、ステーション部２００内に反応チャンバ１００から合成基板１０がアンロードされるとき、合成基板１０上に生成された高温の炭素ナノチューブ３０が酸素と接触されるのを防止する。ガス供給部材２８０は、基板保管部４００が設置された第１領域２４０に提供されることが好ましい。
【００４９】
第１ゲートバルブ２２２が反応チャンバ１００と隣接して配置された場合に、反応チャンバ１００内の輻射熱により第１ゲートバルブ２２２が損傷され得る。これを防止するために、反応チャンバ１００の長さを十分に長くするならば、加熱部１４０と第１ゲートバルブ２２２との温度差を十分に維持できる。しかしながら、この場合には、反応チャンバ１００の長さが増加し、システム１が大型化してしまう。
【００５０】
本実施の形態によると、システム１の大型化を防止し、かつ、第１ゲートバルブ２２２が輻射熱により損傷されるのを防止するために、第１ゲートバルブ２２２と反応チャンバ１００との間に熱遮断部材１９０が設置される。熱遮断部材１９０は、反応チャンバ１００から第１ゲートバルブ２２２に伝達される輻射熱を遮断する。熱遮断部材１９０は、アルミナのように熱伝導率の低い材質の遮断板１９２と、これを駆動する駆動器１９４とを有する。選択的に、遮断板１９２は、一般金属材質で製造できる。この場合に、遮断板１９２が反応炉１２０内の熱により損傷されるのを防止し、遮断効率を上げるために、遮断板１９２を冷却する冷却部材（図示せず）を設置できる。
【００５１】
遮断板１９２は、第１ゲートバルブ２２２が閉められている間は、第１ゲートバルブ２２２の前方に位置して第１ゲートバルブ２２２が熱により損傷するのを防止し、第１ゲートバルブ２２２が開放されたときには、合成基板１０の移動経路を閉塞しない位置に移動する。
【００５２】
合成基板１０が反応チャンバ１００にロードされる前に、触媒２０（金属膜）が触媒塗布部５００で合成基板１０の上面に塗布される。図６は、図１に示された触媒塗布部５００の構成図であり、図７は、図６のＡ−Ａ’線に沿って切断した後に上部から見た触媒塗布部５００の平面図である。
【００５３】
図６と図７に示すように、触媒塗布部５００は、触媒格納タンク（ホッパー）５２０、定量供給部５６０、ブラシユニット５８０、及びステージ５９０を有する。工程を行う際に、合成基板１０は、ステージ５９０上に置かれる。触媒格納タンク５２０は、ステージ５９０の上部に配置され、合成基板１０の上面に一定量の触媒２０を供給する吐出口５２６ａを有する。ブラシユニット５８０は、合成基板１０の上面に供給された触媒２０を合成基板１０の上面に均一な厚さに塗布する。
【００５４】
ステージ５９０は、合成基板１０を位置決めするように一定間隔離隔して互いに対向するように配置された側板５９２と、それぞれの側板５９２から内側に突出するように設置されて、合成基板１０のエッジ領域を支持する複数の支持突起５９４を有する。それぞれの側板５９２には複数個の支持突起５９４を設けてもよい。
【００５５】
ブラシユニット５８０は、ガイドレール５８４、塗布用ブラシ５８７、及び移動体５８８を備える。ガイドレール５８４は、合成基板１０が置かれるステージ５９０の両側に長手方向に設置される。移動体５８８は、ガイドレール５８４に移動可能に設置され、移動体５８８は、リニアモータ駆動方式、シリンダー駆動方式、モータ駆動方式のような公知の直線移動駆動部５８６により直線移動する。塗布用ブラシ５８７は、ステージ５９０の上部に位置し、触媒２０を合成基板１０の全面に均一な厚さに塗布する。塗布用ブラシ５８７は、その両端が移動体５８８に連結されて移動体５８８と共にスライド方式により移動する。塗布用ブラシ５８７は、進行方向に対して特定の傾斜面を有する金属又は非金属材質のプレートからなる。
【００５６】
移動体５８８上において塗布用ブラシ５８７は、高低の調節が可能なように垂直移動器５８９により上下に移動する。これにより、合成基板１０の上面に塗布される触媒２０の塗布厚を調節できる。垂直移動器５８９は、移動体５８８の上段に固定結合される上部板５８９ａ、これと対向するように移動体５８８の下段に固定結合される下部板５８９ｂ、及び上部板５８９ａと下部板５８９ｂとを連結するように垂直に配置されたガイド軸５８９ｃを有する。ガイド軸５８９ｃには、駆動器（図示せず）によりガイド軸５８９ｃに沿って上下方向に直線移動し、塗布用ブラシ５８７が固定装着されるブラケット５８９ｄが設置される。
【００５７】
触媒格納タンク５２０は、内部に格納された触媒２０を合成基板１０上に供給する。触媒格納タンク５２０は、上部面５２２、側面５２４、及び吐出口５２６ａが形成された下部面５２６を有する。側面５２４は、ほぼ垂直な上側部５２４ａ、これから下へ延びて下へ行くほど内側に傾斜した中間側部５２４ｂ、及びこれから下へほぼ垂直に延びた下側部５２４ｃを有する。上述した構造によって、上側部５２４ａにより提供された空間には、下側部５２４ｃにより提供された空間に比べて同一高さに該当する領域に多量の触媒２０が格納される。上述した中間側部５２４ｂの形状により、上側部５２４ａにより提供された空間内の触媒２０は、円滑に下側部５２４ｃにより提供された空間に供給される。
【００５８】
触媒格納タンク５２０には、合成基板１０の上面に設定された量だけ触媒２０が供給されるようにする定量供給部５６０が設置される。定量供給部５６０は、設定された量の触媒２０を収容できる定量空間５６８を提供できる上部遮断板５６４と下部遮断板５６２とを有する。上部遮断板５６４と下部遮断板５６２とは、下側部５２４ｃに提供される。定量空間５６８は、触媒格納タンク５２０の吐出口５２６ａの上部に位置し、上部遮断板５６４は、定量空間５６８の上段に提供され、下部遮断板５６２は、定量空間５６８の下段に提供される。上部遮断板５６４と下部遮断板５６２とは、シリンダー５６６のような駆動手段により作動される。下部遮断板５６２が閉められた状態で上部遮断板５６４が閉められると、下部遮断板５６２と上部遮断板５６４との間に設定された量の触媒２０が含まれた定量空間５６８が再度提供される。
【００５９】
下部遮断板５６２が開放されると、定量空間５６８に収容された触媒２０が吐出口５２６ａを介して合成基板１０の上面に供給される。一方、触媒格納タンク５２０の中間側部５２４ｂには、触媒２０を攪拌させる攪拌器５４０が設置される。攪拌器５４０の攪拌翼５４２は、触媒２０が定量空間に供給される前に回転して、触媒格納タンク５２０の内部の空いた空間を除去し、かつ触媒２０が定量空間５６８に自然に供給されるように誘導する機能を有する。
【００６０】
図８〜図１０は、触媒塗布部５００での触媒塗布過程を段階的に説明するための図である。図８〜図１０に示すように、合成基板１０が第２移送装置７００によりステージ５９０に置かれると、下部遮断板５６２がシリンダー５６６により作動して側方向に移動しつつ定量空間５６８の下部を開放し、定量空間５６８を占有していた所定量の触媒２０が合成基板１０の上面に落下する（図８）。合成基板１０の上面に堆積した触媒２０は、ブラシユニット５８０により合成基板１０の全面に均一な厚さに塗布される（図９、図１０）。すなわち、塗布用ブラシ５８７は、移動体５８８と共に合成基板１０の一方から他方までスライド移動しつつ、触媒２０を合成基板１０の全面に均一に塗布する。このとき、触媒２０の均一な塗布のために塗布用ブラシ５８７又は合成基板１０に微細な振動を加えることのできる振動器（図示せず）をさらに設置してもよい。
【００６１】
ここで、触媒２０は、例えば、鉄、白金、コバルト、ニッケル、イットリウムなどの遷移金属又はこれらの合金を、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化シリコン（ＳｉＯ２）などの多孔性物質と混合して得られる粉末である。又はこのような素材が含まれた液状の触媒２０でもよい。触媒２０が液状の場合には、触媒格納タンクと、供給ライン、供給ライン上に設置される定量供給用ポンプ、そして液状の触媒２０を合成基板の上面に供給する供給ノズルを備えるとよい。
【００６２】
上述した例では、塗布用ブラシ５８７が移動しつつ合成基板１０上に触媒２０を均一に塗布した。これとは異なり、塗布用ブラシ５８７を固定し、ステージ５９０を移動してもよい。しかしながら、触媒塗布部５００の占有する空間を減らすためには、上述した例のように、塗布用ブラシ５８７を移動する方が好ましい。
【００６３】
また、上述した例では、触媒２０は、触媒塗布部５００で別途に合成基板１０上に塗布され、反応チャンバ１００内では、触媒２０が塗布された合成基板１０上に炭素ナノチューブ３０が生成される。しかしながら、これとは異なり、触媒塗布部を除去し、反応チャンバ内で触媒ガス及びソースガスを供給して合成基板上に触媒を塗布し、炭素ナノチューブを生成できる。
【００６４】
図１１は、基板保管部４００と第１移送装置３００の平面図であり、図１２は、基板保管部４００の側面図である。図１１と図１２に示すように、基板保管部４００は、合成基板１０を保管するカセット４２０、垂直レール４４２、水平レール４４４、及び移動フレーム４４６を有する。垂直レール４４２は、第１領域２４０の隅部分にそれぞれ配置される。各々の垂直レール４４２は、上下方向に長いロッド状を有し、移動フレーム４４６の上下移動を案内する。各々の垂直レール４４２には、垂直レール４４２に沿って垂直駆動部（図示せず）により上下に移動するブラケット４４８が結合される。それぞれの移動フレーム４４６は、第１方向４２を長手とし、互いに対向するように配置される。それぞれの移動フレーム４４６は、その両端でそれぞれ第１方向４２に互いに対向するブラケット４４８に固設され、ブラケット４４８と共に上下に移動する。移動フレーム４４６上には、水平レール４４４が固定設置される。各々の水平レール４４４は、第２方向４４を長手とし、互いに対向するように配置される。水平レール４４４は、第１領域２４０の全体にわたって提供され、水平レール４４４上には、水平レール４４４に沿って第２方向４４へ移動可能なようにカセット４２０が装着される。
【００６５】
図１１に示すように、カセット４２０は、点線で表示された待機位置Ｘ１と実線で表示されたロード／アンロード位置Ｘ２（反応チャンバ１００と連結される第１ゲートバルブ２２２の面前）の間で水平移動する。待機位置Ｘ１は、第１領域２４０の下部領域２４４内にあり、ロード／アンロード位置Ｘ２は、第１領域２４０の上部領域２４２内にある。カセット４２０は、反応チャンバ１００に／から合成基板１０をロード／アンロードするときと、第２移送装置７００により合成基板１０を移送するときにロード／アンロード位置Ｘ２に移動し、合成基板１０の温度を下げるために待機するときには、待機位置Ｘ１に移動する。
【００６６】
図１３は、カセット４２０の斜視図である。反応チャンバ１００にロードされる合成基板１０及び反応チャンバ１００からアンロードされた合成基板１０は、カセット４２０に保管される。図１１に示すように、カセット４２０は、支持部４２２、上板４２４及び下板４２６、及び垂直軸４２８を有する。上板４２４と下板４２６は、ほぼ長方形で提供され、上下に互いに対向するように配置される。垂直軸４２８は、上板４２４と下板４２６の互いに対向する隅領域を連結し、従って４個ある。垂直軸４２８には、合成基板１０をカセット４２０に積層して保管できるように、合成基板１０を支持する支持部４２２が設置される。それぞれの支持部４２２は、合成基板１０のエッジ部分を支持する４個の支持ブロック４２３を有する。支持部４２２は、２個のグループにグループ化される。第１グループに属する支持部４２２ａ（以下、第１支持部とする）は、反応チャンバ１００にロードされる合成基板１０を支持し、第２グループに属する支持部４２２ｂ（以下、第２支持部とする）は、反応チャンバ１００からアンロードされた合成基板１０を支持する。一例によると、第１支持部４２２ａ及び第２支持部４２２ｂは、それぞれ４個ずつ提供され、第１支持部４２２ａは、第２支持部４２２ｂの上部に位置するように提供される。
【００６７】
第２支持部４２２ｂ間の上下間隔は、第１支持部４２２ａ間の上下間隔より広く提供される。上述した構造によって、カセット４２０全体の高さを減らし、かつ反応チャンバ１００からアンロードされた合成基板１０の上面に生成された炭素ナノチューブ３０が隣接した合成基板１０と接触しないようにする空間を十分に提供できる。
【００６８】
カセット４２０の第１支持部４２２ａに保管中である合成基板１０は、第１移送装置３００により反応チャンバ１００の内部にロードされる。反応チャンバ１００のボート１６０には、４枚の合成基板１０が置かれる。第１移送装置３００は、合成基板を一つずつ反応チャンバ１００に／から順次ロードしアンロードする。
【００６９】
合成基板１０のロードが完了すると、反応チャンバ１００で炭素ナノチューブ３０を生成するための工程が行われる。反応チャンバ１００で工程が行われる間に、さらに他の４枚の合成基板１０は、触媒塗布部５００で触媒塗布後にカセット４２０の第１支持部４２２ａで待機する。
【００７０】
反応チャンバ１００で炭素ナノチューブ３０の生成工程が完了すると、高温状態の合成基板１０は、第１移送装置３００により反応チャンバ１００からアンロードされて、カセット４２０の第２支持部４２２ｂに格納され、高温の合成基板１０は、第２支持部４２２ｂで一定時間の間に冷却過程を経る。冷却は、自然冷却方式により行われる。選択的に、冷却水などのような冷却手段を使用して強制冷却できる。
【００７１】
炭素ナノチューブ３０の生成が完了した合成基板１０が迅速に（一定温度以下に低下するのを待たずに）反応チャンバ１００から引き出されると、ただちにカセット４２０の第１支持部４２２ａで待機中である４枚の合成基板（炭素ナノチューブ３０を生成するために待機中である合成基板）１０が反応チャンバ１００にロードされる。このように、反応チャンバ１００では、反応炉１２０の温度が工程温度を維持した状態で迅速に合成基板１０がロードされるので、反応炉１２０の温度を工程温度に上げるための昇温過程を省略できる。
【００７２】
炭素ナノチューブ３０が生成された合成基板１０は、一定温度以下に低下するまでカセット４２０の第２支持部４２２ｂで待機する。合成基板１０が待機するカセット４２０は、ステーション部２００の内部に位置する。ステーション部２００の内部は不活性ガスで満たされているので、カセット４２０で待機中である合成基板１０は外部の空気（特に酸素）と接触しない。
反応チャンバ１００で工程を終えた合成基板１０が一定温度以下に低下した状態では問題ないが、合成基板１０が高温状態で常温の大気中に露出すると、合成基板１０の表面に生成された炭素ナノチューブ３０が大気中の酸素と反応して変形を起こす。このような問題を予防するために、反応チャンバ１００でアンロードされた合成基板１０が酸素と接触しないように、上述したようにステーション部２００は不活性ガスで満たされる。
【００７３】
一方、カセット４２０の第２支持部４２２ｂで一定時間待機した合成基板１０は、第２ゲートバルブ２２４を介して第２移送装置７００により回収部６００に移送される。そして、回収部６００で炭素ナノチューブ３０の回収を終えた合成基板１０は、触媒塗布部５００で触媒２０を塗布した後、再度カセット４２０の第１支持部４２２ａに格納される。
【００７４】
このように、本発明のシステムでは、総計８枚の合成基板が２つのグループに分けられて交互に反応チャンバで炭素ナノチューブ３０の合成工程を連続して行うので処理量の向上が期待でき、それにより大量生産が可能であるという利点がある。
【００７５】
図１４は、第１移送装置の斜視図である。図１４に示すように、第１移送装置３００は、アーム３２０、ブレード３４０、駆動器３６０を有する。駆動器３６０は、垂直レール３６２、水平レール３６４、移動フレーム３６６、及び移動ブロック３６８を有する。垂直レール３６２は、第２領域２６０の隅部分にそれぞれ配置される。垂直レール３６２は、上下方向を長手とするロッド状を有し、移動フレーム３６６の上下移動を案内する。それぞれの垂直レール３６２には、垂直レール３６２に沿って垂直駆動部（図示せず）により上下に移動するブラケット３６５が結合される。それぞれの移動フレーム３６６は、第２方向４４を長手とし互いに対向するように配置される。移動フレーム３６６は、ブラケット３６５に固定結合されてブラケット３６５と共に垂直レール３６２に沿って上下に直線移動する。それぞれの移動フレーム３６６の両端は、それぞれ第２方向４４に互いに対向するブラケット３６５に固設され、移動フレーム３６６は、ブラケット３６５と共に上下に移動する。移動フレーム３６６上には、水平レール３６４が固設される。それぞれの水平レール３６４は、第１方向４２を長手として、第２領域２６０の全体領域にわたって提供され、水平レール３６４上には、水平レール３６４に沿って第２方向４４へ移動可能なように移動ブロック３６８が装着される。移動ブロック３６８には、第１方向４２を長手とするアーム３２０が固設され、アーム３２０の先端には、合成基板１０を支持するブレード３４０が装着される。
【００７６】
また、第１移送装置３００には、アーム３２０を冷却する冷却部材３３０が提供される。反応炉１２０の長さが長い場合に、合成基板１０のロード／アンロードのために長い長さのアーム３２０が使用される。しかしながら、反応炉１２０の内部は極めて高温に維持されているので、アーム３２０が反応炉１２０内に進入する際に、冷却しない場合アーム３２０は熱により伸張し、これによってブレード３４０上の設定された位置から外れた位置に合成基板１０がロードされる。即ち、ブレード３４０により合成基板１０が移動する途中に合成基板１０がブレード３４０から離脱するか、又は合成基板１０が定位置から外れてカセット４２０に置かれてしまう。
【００７７】
冷却部材３３０は、アーム３２０が反応炉１２０内に進入する際に、熱によりアーム３２０が損傷するのを防止する。図１５は、冷却部材３３０が提供された第１移送装置３００を示す。図１５に示すように、冷却部材３３０は、冷却ライン３３２、冷却水供給管３３４、及び冷却水回収管３３６を有する。冷却ライン３３２は、アーム３２０の長手に沿ってアーム３２０内に提供される。冷却ライン３３２の一方には、冷却ライン３３２に冷却水を供給する冷却水供給管３３４が連結され、他方には、冷却ライン３３２から冷却水を回収する冷却水回収管３３６が連結される。冷却水供給管３３４には、その内部通路を開閉するか、又は冷却水の流量を調節するバルブ３３４ａが設置される。
【００７８】
工程が完了した合成基板１０は、高温に加熱されている。ステーション部２００で待機していたブレード３４０が高温の合成基板１０を反応炉１２０からアンロードさせるために接触する際に、合成基板１０が急激な温度変化により破損しうる。したがって、ブレード３４０と合成基板１０との接触面積は、最小にすることが好ましい。
【００７９】
図１６は、図１５のブレード３４０の斜視図である。図１６に示すように、ブレード３４０は、上部面が平らなプレート３４２とこれから上部に突出して合成基板１０と接触する突起３４４とを有する。プレート３４２は、工程中に合成基板１０のロード／アンロードのために反応炉１２０の内部に進入するので、耐熱性に優れた材質で製作される。突起は、ブレードと合成基板との間の接触面積を減らすためのものであって、プレートの隅領域に又は全体領域に均一に提供される。
【００８０】
突起３４４は、図１７及び図１８に示すように、半球３４４ａ、多角錐３４４ｂなどの形状に形成されて合成基板１０と点接触するか、又は図１９に示すように、円錐台又は多角柱形状３４４ｃに形成されて合成基板１０と面接触する。
【００８１】
突起３４４の形状は、多様に変形及び変更が可能であり、上述した実施の形態によって限定されるものではない。突起３４４は、合成基板１０が突然の温度変化により破損されるのを防止するためのものであり、突起３４４の形状、個数、そして配置などは、多様に変更可能である。
【００８２】
カセット４２０の第２支持部４２２で一定時間の間に冷却過程を終えた合成基板１０は、第２ゲートバルブ２２４を介して第２移送装置７００により回収部６００に移送される。
【００８３】
図２０及び図２１は、それぞれ回収部の斜視図及び平面図であり、図２２は、回収部での炭素ナノチューブ３０の回収過程を説明するための図である。
【００８４】
図２０〜図２２に示すように、回収部６００は、合成基板１０が置かれるステージ６２０を有する。ステージ６２０の下段には、合成基板１０から回収される炭素ナノチューブ３０が格納される回収筒６６０が位置する。そして、ステージ６２０には、合成基板１０の上面から炭素ナノチューブ３０を回収筒６６０に掃き落とす回収ユニット６４０が配置される。回収ユニット６４０には、ガイドレール６４６が合成基板１０の長手方向に設置される。ガイドレール６４６には、移動体６４４が設置され、移動体６４４には、回収用ブラシ６４２が設置される。回収用ブラシ６４２は、合成基板１０の一側から長手方向にスライド移動しつつ合成基板１０の上面の炭素ナノチューブ３０を回収筒６６０に掃き落とす。回収用ブラシ６４２は、移動体６４４で高低の調節が可能であり得る。
【００８５】
上述した例では、回収用ブラシ６４２が移動しつつ合成基板１０上の炭素ナノチューブ３０を掃き落とした。これとは異なり、回収用ブラシ６４２を固定し、ステージ６２０を移動してもよい。しかしながら、回収部６００の占有する空間を減らすためには、回収用ブラシ６４２を移動する方が好ましい。
【００８６】
回収筒６６０に蓄積された炭素ナノチューブ３０の量は、回収筒６６０の下方に設けた測定部６９０により計測でき、測定部６９０により計測された炭素ナノチューブ３０の量は測定部６９０に接続された表示部６９２に表示される。
【００８７】
炭素ナノチューブ３０が回収された合成基板１０は、第２移送装置７００により触媒塗布部５００に移送されて、上述した触媒塗布過程を経た後、カセット４２０の第１支持部４２２ａに格納される。
【００８８】
図２３に示すように、このような構成を有する炭素ナノチューブ３０の大量生産のためのシステムでの工程進行は、触媒塗布ステップ（Ｓ１１０）、炭素ナノチューブ３０の生成ステップ（Ｓ１２０）、冷却（待機）ステップ（Ｓ１３０）、回収ステップ（Ｓ１４０）を有する。触媒塗布ステップ（Ｓ１１０）は、触媒格納タンク５２０から１回塗布量に該当する触媒２０が合成基板１０の上面に供給されると、ブラシユニット５８０の塗布用ブラシ５８７が移動しつつ合成基板１０の上面に触媒２０を均一に分布させる。このように触媒２０の塗布が完了した合成基板１０は、第２移送装置７００によりステーション部２００に設置された基板保管部４００のカセット４２０に格納される。カセット４２０の第１支持部４２２ａに格納された合成基板１０は、炭素ナノチューブ３０の生成ステップ（Ｓ１２０）を終えた別の組の合成基板１０が反応チャンバ１００からアンロードされた直後に、第１移送装置３００により反応チャンバ１００のボート１６０にロードされる。合成基板１０のロードが完了すると、反応チャンバ１００で炭素ナノチューブ３０の生成のための工程が行われる（Ｓ１２０）。一方、反応チャンバ１００からアンロードされた合成基板１０は、カセット４２０の第２支持部４２２ｂに格納された後、一定時間の間に冷却過程を経る（Ｓ１３０）。一定時間が過ぎると、合成基板１０は、ステーション部４００の外に引き出されて、回収部６００に移動する（Ｓ１４０）。回収部６００で炭素ナノチューブ３０の回収を終えた合成基板１０は、再度触媒塗布部５００に移動して、触媒塗布後にカセット４２０の第１支持部４２２ａに格納される。反応チャンバ１００で工程を終えた合成基板１０は、カセット４２０の第２支持部４２２ｂに格納された後、上述のステップを繰り返して行う。
【００８９】
本発明によると、炭素ナノチューブの生産工程を自動化できる。
また、炭素ナノチューブを大量に生産できる。
また、反応チャンバ内の工程は連続的に維持されるので、合成基板の炭素ナノチューブは連続的に逐次合成され、設備稼動率を向上できる。
また、正確かつ信頼性のある自動的な触媒供給により、工程信頼性を確保できる。
また、炭素ナノチューブの自動回収により、正確な生産量算出が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明の反応チャンバが適用された炭素ナノチューブの生産システムを概略的に示す図である。
【図２】反応チャンバに設置されたＯリングを冷却する冷却ラインを示す図である。
【図３】反応炉を加熱する加熱部材を示す図である。
【図４】支持フレームが設置された反応チャンバの一例を示す断面図である。
【図５】支持フレームが設置された反応チャンバの他の例を示す断面図である。
【図６】図１の触媒塗布部の構成図である。
【図７】図６のＡ−Ａ’線に沿って切断された状態で上から見た平面図である。
【図８】触媒塗布部での触媒塗布過程を説明する図である。
【図９】触媒塗布部での触媒塗布過程を説明する図である。
【図１０】触媒塗布部での触媒塗布過程を説明する図である。
【図１１】図１の基板保管部と第１移送装置とを示す平面図である。
【図１２】基板保管部の側面図である。
【図１３】基板保管部のカセットを示す斜視図である。
【図１４】第１移送装置の斜視図である。
【図１５】図１４のアームを冷却する冷却部材を示す図である。
【図１６】図１５のブレードの斜視図である。
【図１７】ブレードに形成された突起の多様な例を示す図である。
【図１８】ブレードに形成された突起の多様な例を示す図である。
【図１９】ブレードに形成された突起の多様な例を示す図である。
【図２０】図１の回収部の斜視図である。
【図２１】図２０の回収部の平面図である。
【図２２】回収部での炭素ナノチューブの回収過程を説明するための図である。
【図２３】炭素ナノチューブを生成するためのシステムでの工程フローチャートである。
【符号の説明】
【００９１】
１      （炭素ナノチューブ生成）システム
１０      合成基板
１０ａ    係止顎
２０      触媒
３０      炭素ナノチュ−ブ（ＣＮＴ）
４２      第１方向
４４      第２方向
１００      反応チャンバ
１２０      反応炉
１２２ａ、１２２ｂ      エッジ部領域
１２４      中央部領域
１３２      第１フランジ
１３２ａ、１３４ａ      シーリング部材
１３４      第２フランジ
１４０      加熱部
１４２      エッジヒータ
１４２ａ、１４２ｂ      第１、第２ヒータ
１４４      中央ヒータ
１４６      ヒータ制御機
１５２      冷却ライン
１５６      冷却水供給管
１５６ａ    バルブ
１５８      センサ
１５９      制御機
１６０      ボート
１６０’    支持フレーム
１６２、１６４      第１、第２フレーム
１６２ａ、１６４ａ      案内突起
１８０      ガス供給部材
１８２      ガス供給源
１８４      ガス供給管
１８４ａ    バルブ
１８６      加熱部材
１８９      排気ライン
１９０      熱遮断部材
１９２      遮断板
１９４      駆動器
２００      ステーション部
２２２、２２４      第１、第２ゲートバルブ
２４２      上部領域
２４４      下部領域
２４０      第１領域
２６０      第２領域
２８０      （不活性ガス）供給部材
３００      第１移送装置
３２０      アーム
３３０      冷却部材
３３２      冷却ライン
３３４      冷却水供給管
３３４ａ    バルブ
３３６      冷却水回収管
３４０      ブレード
３４２      プレート
３４４      突起
３６０      駆動器
３６２      垂直レール
３６４      水平レール
３６５      ブラケット
３６６      移動フレーム
３６８      移動ブロック
４００      基板保管部
４２０      カセット
４２２      支持部
４２２ａ、４２２ｂ      第１、第２支持部
４２３      支持ブロック
４２４      上板
４２６      下板
４２８      垂直軸
４４２      垂直レ−ル
４４４      水平レール
４４６      移動フレーム
４４８      ブラケット
５００      触媒塗布部
５２０      触媒格納タンク（ホッパー）
５２２      上部面
５２４      側面
５２４ａ    上側部
５２４ｂ    中間側部
５２４ｃ    下側部
５２６      下部面
５２６ａ    吐出口
５４０      攪拌器
５４２      攪拌翼
５６０      定量供給部
５６２      下部遮断板
５６４      上部遮断板
５６６      シリンダー（駆動手段）
５６８      定量空間
５８０      ブラシユニット
５８４      ガイドレール
５８６      直線移動駆動部
５８７      塗布用ブラシ
５８８      移動体
５８９      垂直移動器
５８９ａ    上部板
５８９ｂ    下部板
５８９ｃ    ガイド軸
５８９ｄ    ブラケット
５９０      ステージ
５９２      側板
５９４      支持突起
６００      回収部
６２０      ステージ
６４０      回収ユニット
６４２      回収用ブラシ
６４４      移動体
６４６      ガイドレール
６６０      回収筒
７００      第２移送装置
【図１】
2009517325.tif 000003
【図２】
2009517325.tif 000004
【図３】
2009517325.tif 000005
【図４】
2009517325.tif 000006
【図５】
2009517325.tif 000007
【図６】
2009517325.tif 000008
【図７】
2009517325.tif 000009
【図８】
2009517325.tif 000010
【図９】
2009517325.tif 000011
【図１０】
2009517325.tif 000012
【図１１】
2009517325.tif 000013
【図１２】
2009517325.tif 000014
【図１３】
2009517325.tif 000015
【図１４】
2009517325.tif 000016
【図１５】
2009517325.tif 000017
【図１６】
2009517325.tif 000018
【図１７】
2009517325.tif 000019
【図１８】
2009517325.tif 000020
【図１９】
2009517325.tif 000021
【図２０】
2009517325.tif 000022
【図２１】
2009517325.tif 000023
【図２２】
2009517325.tif 000024
【図２３】
2009517325.tif 000025
【国際調査報告】
2009517325.tif 000026
2009517325.tif 000027