(57)【要約】本発明は、カーボンナノチューブの製造に関し、より具体的には、本発明は、高品質の多層カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ）を製造するためのアーク放電法における改善に関し、この改善は、カソードに面したアノードの下部部分に冷却手段を提供することにより、アノードの温度が次第に高くなることが防止されている点、およびこのアノードの先端が、アーク放電の開始の際のより良好な制御を達成するために、狭い端部セクションを備える点にある。
2007536189.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アーク放電法において多層カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ）を製造するための方法であって、該方法は、１００〜１０００Ｔｏｒｒの純粋ヘリウムで満たされた閉じた耐圧容器中に配置された一対の炭素棒電極を備え、ここで各炭素棒電極の一端は、０．１〜１２ｍｍのオーダーの隙間をおいて互いに面して配置され、そしてアノードの断面積１ｃｍ２あたり５０〜３００Ａの電流が該電極を通り、該方法は、該アノードの温度がプラズマゾーンの近くの該アノードの少なくとも１セクションで能動的冷却を提供することにより制御されることを特徴とする、方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、前記冷却が、輪形状の水冷式銅ブロックの中心の穴を通して該アノードを、該アノードの先端が該銅ブロックの対向する側からわずかに突き出るように、挿入することにより提供されることを特徴とする、方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の方法であって、前記アノードの先端が、狭まった部分を備え、そして前記アーク放電が、前記電極を通って流れる電流を生成するために該電極間の電位がオンにされる前に、該アノードの該狭まった部分をカソードの端部表面と物理的に接触させることにより開始されることを特徴とする、方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法であって、前記アノードの初期の位置決めが、前記アークの開始後で、前記隙間がその最適の運転位置へと増加される前に、１〜２分間維持されることを特徴とする、方法。
【請求項５】
炭素アーク放電反応器中で多層カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ）を製造するための炭素アノードであって、該アノードの主要本体は、元素状炭素から作製されるシリンダーからなり、該アノードの端部セクションまたは先端が、該アノードの主要本体の直径の約１／４の直径および約１ｍｍの長さを有する、元素状炭素の端部シリンダーを備えることを特徴とする、炭素アノード。
【請求項６】
炭素アーク放電法により多層カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ）を製造するための反応器であって、該反応器は、耐圧性であって、以下：
棒形状の炭素アノードおよび炭素カソードであって、これらの電極が、該炭素アノードおよび炭素カソードとの間に特定の距離または隙間をおいて、同じ軸に沿って向かい合って位置決めされている、炭素アノードおよび炭素カソード；
水冷式の回転可能な電極基部；
アーク放電を生成するために、アノードの断面積１ｃｍ２あたり５０〜３００Ａの範囲の注意深く制御された電流を、該電極を通して、そして該炭素アノードおよび炭素カソードとの間の該隙間にわたって通過させるための手段；
製造の間、該電極間の正しい隙間を調節しかつ維持するための手段；
該電極を互いに対して回転させるための手段；
該反応器中に、１００〜５００Ｔｏｒｒの範囲の制御された圧力で、希ガス雰囲気を提供するための手段；ならびに
すべての上記の設備を取り囲む耐圧容器、
を取り囲むに十分大きく、該反応器がまた、該アノードの主要本体または端部セクション（先端）の少なくとも１セクションの能動的冷却のための手段を備えることを特徴とする、反応器。
【請求項７】
請求項６に記載の反応器であって、前記アノードの主要本体および端部セクション（先端）の能動的冷却のための手段が、該アノードの下部セクションの周りに輪形状の水冷式銅ブロックを備えることを特徴とする、反応器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カーボンナノチューブの製造に関し、より具体的には、本発明は、高品質の多層カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ）を製造するためのアーク放電法における改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
（背景）
カーボンナノチューブは、非常に長く、そして閉じた管状構造体である。この構造体は、自身の上に折り畳まれ、両端がフラーレン様の半球で終わる縫い目のない円柱を形成する、グラファイトのシートであるとみなされ得る。カーボンナノチューブは、概念的には、その狭小なサイズおよび非常の巨大なアスペクト比に起因して、一次元量子ワイアとみなされ得る独特のナノ構造である。
【０００３】
ナノチューブの最も単純な形態は、単層ナノチューブ（ＳＷＮＴ）である。この単層ナノチューブは、壁厚が原子１個であり、代表的には周径の周りが原子数１０個である。多層構造もまた知られている。この多層構造においては、２つ以上の積み重ねられたグラファイトのシートがそれら自身の上に折り畳まれ、マトリョーシカ（Ｒｕｓｓｉａｎ  ｄｏｌｌ）構造に類似した２つ以上の同心性ナノチューブを形成する。この多層構造は、しばしば、多層カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ）と表される。
【０００４】
１９９１年のカーボンナノチューブ発見以降、カーボンナノチューブは、その幾何学および寸法に非常に敏感な独特の力学的特性および電気的特性を示す、完全に黒鉛化された閉じた縫い目のないシェルから形成された、究極の炭素繊維であるとみなされ得ることが認められていた（非特許文献１）。１０年後、広範な研究活動により、カーボンナノチューブはほぼ確実に、これまで製造され得る最も強く、最も堅く、そして最も頑丈な分子であり、最もありうる熱および電気両方の分子導体であることが証明されている。ある意味においては、このカーボンナノチューブは、ナイロン、ポリプロピレンおよびＫａｖｌｅｒに続く新規な人工ポリマーである。別の意味においては、カーボンナノチューブは新規の「グラファイト」繊維であるが、現在では究極の可能な強度を備えている。なお別の意味においては、カーボンナノチューブは、有機化学における（そして潜在的には分子生物学においても同様に）新種であり、ほとんど異質といってもいい導電性および超スチール強度の特性を有する炭素分子である（非特許文献２）。
【０００５】
従って、材料科学、化学および物理学、ならびにいくつかの産業分野におけるカーボンナノチューブの可能性は、明らかに広大である。それゆえ、種々の分野（例えば、複合材、セラミクス、および金属のための強化材料、複合材の導電性成分、バッテリー電極、エネルギー貯蔵媒体）、半導体用途（例えば、陰極線照明素子、フラットパネルディスプレイ、電気通信用のガス放電チューブ、ナノプローブおよびセンサー）などにおいて、カーボンナノチューブに関する新規材料、用途および製品を開発するために、現在世界中で莫大な期待と研究活動が存在する。
【０００６】
しかしながら、カーボンナノチューブが広範に使用される産業材料になり得る前に解決されなければならない、特に１つの障害が存在する；それは、現在まで、消費者市場が消費し得るコストレベルまでそのようなカーボンナノチューブの製造コストを下げるのに必要とされる大量生産レベルに首尾よくスケールアップされている公知の製造方法が存在しないことである。従ってこれまでのところは、カーボンナノチューブは、機能性について最適化されている高度に技術的なニッチの製品および価格がほとんど問題点とならない他の適用においてのみ、用途が見出されてきた。カーボンナノチューブの非常に有望な特性の可能性が、代表的な消費者製品（例えば、衣服、電子デバイス、バッテリーなど）において現実化されるべきであるとすれば、その製造コストは現在のレベルからかなり削減されなければならない。このことは、本願が関連するＭＷＮＴの品質には特にあてはまる。
【０００７】
（先行技術）
カーボンウィスカーの製造のために使用されるアーク放電法が、高品質のＭＷＮＴを製造するために改変され得ることが、１９９２年に発見された。この方法は、非特許文献１の第１４０頁〜第１４８頁に詳細に記載されており、その全体が本願に参考として援用される。この方法および装置は、本願において従来のアーク放電法を意味する。
【０００８】
この従来のアーク放電法は、プラズマを用いてアノードの炭素原子をエバポレートさせ、この炭素原子を続いてカソード上に凝縮させて、ＭＷＮＴおよび他のカーボン構造を形成する。このプラズマは、ヘリウム大気中で、対向する（炭素棒の形態の）アノードおよびカソードを通って高いＤＣ電流が流れる際にヘリウムガス中で形成される。この様式において、その炭素アノードは次第に消費され、それに従って堆積物がそのカソード上に成長する。この堆積物は、そのアノードと同じ形状を得る。例えば長軸方向の孔がそのアノードの中心に開けられる場合は、その堆積物もまたそのような孔を有する。
【０００９】
炭素をエバポレートするのに必要とされる高温に起因して、プロセスは不活性大気中で実施されなければならず、そして代表的に、約５００Ｔｏｒｒのヘリウム大気が用いられ、代表的な電流密度はアノードの断面積１ｃｍ２当たり１５０Ａであり、印加電圧は約２０Ｖであり、上記アノードとカソードとの間の距離は約１ｍｍであり、そのアノードの直径は５ｍｍ〜１０ｍｍのオーダーであり、そして堆積物の円柱状成長速度は、１ｍｍ／分〜２ｍｍ／分のオーダーである。プラズマゾーンにおける温度は、代表的に、３０００℃〜４０００℃のオーダーである。
【００１０】
実験からは、プロセスの間の電流の慎重な制御が必要とされるようである。多すぎる電流は物質を不要な固体に融合させる一方で、少なすぎる電流は遅い堆積速度をもたらす。従って、チャレンジは、媒体の電流を可能な限り定常に維持することである。実験はまた、カソードは、カーボンナノチューブの凝縮のための最良な条件を得るために、効率的に冷却されるべきであることを示している。代表的に、このカソード上の堆積物は、融合した不要な物質（ナノチューブとナノ粒子とが一緒に融合している）の外側の硬質のシェル、および約２／３のナノチューブと１／３のナノ粒子を含有する黒色の繊維性コア（多角体のグラファイト粒子、カーボンオニオン（ｃａｒｂｏｎ  ｏｎｉｏｎ）としても公知）を有する円柱状の棒である。
【００１１】
このアーク放電技術の長く続いている問題は、１ｍｍ／分〜２ｍｍ／分の比較的遅い堆積速度および数ｍｍの炭素アノードの比較的狭小な直径である。したがって、消費者市場のためのカーボンナノチューブの大量生産のためにこの方法を実行可能にするには、製造速度があまりに小さい。たとえ総アウトプットが１分当たり多くのキログラムとなるような大きな一連のプラズマ反応器を想定したとしても、投資および維持費用が、消費者製品（例えば、プラスチック、複合材、電子デバイスなど）における伝統的な炭素繊維をナノチューブと置き換えさせるレベルまで製造費用をもっていくにはあまりに大きい。従って、カーボンナノチューブがより安価な炭素繊維に置換される場合には、各プラズマ反応器の製造能力は、現在のレベルからかなり強化されなければならない。そしてナノチューブの形成プロセスの温度依存性が、この問題を満足するように堆積速度を十分に上昇させることを（不可能でないとしても）困難にしており、唯一の選択肢は上記炭素カソードの直径を増やすことである。
【００１２】
しかしながら、アノードのスケールアップは、主な問題により複雑になっている：この問題とは、電極の直径が増える場合、その電極を通って流れる電流密度が減少し、このことが堆積速度の実質的な低下および形成される堆積物の特性の悪化をもたらすことである。
【００１３】
より広い電極を使用した場合に遭遇する別の問題は、プラズマが不規則になる傾向があり、その結果電極間の間隙の制御がおそらくこのプロセスの最も重要な点になることである。放電の間、電極の先端は、滑らかかつ平らなままではないことが観察されている。ナノチューブの堆積が進むにつれて、その先端の表面は異常な様式に連続的に変化する。ナノチューブの堆積がカソードのいくつかの部分で優先的に起こり、一方カソードの面している部分が過剰に消費される。それゆえ、電極の先端を可能な限り均一に維持する方法を見つけることが重要である。本発明者らは、互いに対して電極を回転させることは、この問題に対して部分的な解決のみしか与えないことを観察している。なぜなら、その回転は、アノード表面を比較的平坦に維持するためにのみ機能するからである。他方、カソード堆積の不規則性は、増幅されるようである。この問題は、直径が増えるのに伴って強化され、そして解決されるべきである。
【非特許文献１】Ｅｂｂｅｓｅｎ，Ｔ．Ｗ．（編）、「Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ」、ＣＲＣ  Ｐｒｅｓｓ  Ｉｎｃ．、１９９７年、序文
【非特許文献２】Ｄｒｅｓｓｅｌｈａｕｓ  Ｍ．Ｓ．ら（編）、「Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ，ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ａｎｄ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ  Ｖｅｒｌａｇ，Ｔｏｐｉｃｓ  ｉｎ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ  ８０，Ｒｉｃｈａｒｄ  Ｅ．Ｓｍａｌｌｅｙによる序文
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
（本発明の目的）
それゆえに、本発明の主な目的は、従来のアーク放電技術に基づいた、高品質のＭＷＮＴの製造のための大直径を有する電極の使用を可能にする方法および装置を提供することである。
【００１５】
大きい電極の直径および低下した電流密度の使用を可能にするために、従来のアーク放電技術に基づいた、電極中の温度勾配についての改良された制御を提示する方法を提供することも本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
（発明の要旨）
本発明の目的は、添付の特許請求の範囲および以下の発明の詳細な説明に規定されるような特徴により、達成される。
【００１７】
本発明は、炭素の導電率が、蒸発点（ｖａｐｏｒｉｚａｔｉｏｎ  ｐｏｉｎｔ）に近づくにつれて減少し、そしてこのことが、蒸発ゾーンからそしてアノードのバルク材料中へ伝導された熱に起因して、アノードの先端近くの下部セクションで抵抗の増加を引き起こすという発見に基づく。この問題は、電極の直径がより大きくなるにつれてより重大になると予想される。それは、より大きい表面積を有する先端は、アノードとカソードとの間の隙間の内部のプラズマにより発生される熱のより大きい割合を吸収するので、恐らくは、その隙間の蒸発ゾーンに由来する熱エネルギーのより少ない割合しか、熱放射により逃げ得ないからである。また、電流の流れにより電極内で発生される熱は、主に輻射により散逸される。従って、直径の増加とともに表面／容積比が減少することに起因して、この散逸は、より大きい直径に対してはそれほど効率的ではないことが予想されるべきである。
【００１８】
従って、本発明によれば、アノードの電気抵抗の増加に関する問題は、カソードに面したアノードの下部部分で、アノードの温度を制御／低下させる冷却手段を提供することにより解決され得るか、または少なくとも実質的に低減され得る。下部部分により、本発明者らは、基部に連結されていないアノード棒の端部セクション、すなわちカソードに面している先端または下部セクションを意味する。このアノード冷却は、電極の基部が水冷式デバイスを装備している電極の従来の冷却と混同されるべきではない。基部の冷却は、当然、アノードの先端と基部にある冷却デバイスとの不十分な熱接触に起因して、アノード棒の対向する端部での満足すべき温度制御を提供しない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の好ましい実施形態では、アノードの下部セクションの水冷は、輪形状の水冷式銅ブロックをアノードの下部セクションの周りに配置することにより提供される（図２を参照のこと）。下部セクションにより、本発明者らは、この基部の対向する端部、つまり、アノードの先端を含む端部セクションを意味する。この銅ブロックは、アノードの外径よりもわずかに大きい内径を有する中央貫通穴を有し、上記アノード棒は、この中央貫通穴の上から同軸状に挿入され、先端ががこの銅ブロックの底面より下にわずかに突き出るまで、下げられる。この位置は、当然、製造の間、炭素アノードが消費されている速度に従って、アノード電極を下げることにより維持されねばならない。アノードのこのセクションにおける温度に関してよりよい制御を得るために、アノードの先端の冷却を提供するという本発明の思想は、当然、水冷式の銅ブロックの使用に限定されず、当業者に公知のあらゆる他の考えられ得る冷却デバイスに対して実施され得る。
【００２０】
水冷式の銅ブロックの使用は、２５ｍｍの直径を有する電極に対して試験された。非常に高い温度が、アノードにおける電気伝導性抵抗を高めるという仮定に従って、アノードの下部セクションの能動的冷却を適用することにより、はるかに少ない電流の低下を伴い電流の流れに対する改良された制御が得られた。このことは、電極の直径を大きくすることにより、各反応器における製造速度を高めることが可能であることを示す。このプロセスの間のチャンバ中の温度は、冷却ブロックがあればはるかにより低く、従って、これに伴い反応器構成要素上の熱的磨耗は低減されることもまた見出される。
【００２１】
本発明を適用した場合に、いくつかの予想外の有利な結果が見出されている。例えば、アノードの先端の温度が能動的冷却により下げられた場合に、たとえ電極が互いに対して回転されなくても、プロセスの間、アノードは比較的平坦なままであることが観察されている。この観察は、アノードが冷却された場合は、アノード中の電流分布が恐らくはより均一であるという事実により説明され得る。なぜなら、温度勾配が低減されるからである。アノードの先端を冷却することは、その表面を平坦に維持するための代替の解決法のようである。本発明の冷却の別の予想外の利点は、すすの生成が、冷却なしの先行技術と比較して１／２に低減されることである。このことは、特に有利な結果である。なぜなら、それは、電極の直径の純粋な増加から予想されるよりもより大きく収率を高めることに寄与するからである。
【００２２】
本発明は、約１０〜２５ｍｍの直径を有する電極に制限されると考えられるべきではなく、本発明は、当然、大きさが数ｍの直径までのあらゆる考えられ得る直径の電極に対して適用し得る。
【００２３】
より大きい直径の電極を採用することに伴う別の問題は、アークの開始、および均一燃焼速度、従ってアノードの先端の形状の維持である、本発明者らは、アノードの先端に狭まった部分を提供することにより、この問題が解決され得るか、または実質的に低減され得ることを見出した。このようにして、初期の接触の間の２つの電極間の接触表面は、有意に減少され、電流は、その電極を通る電流の流れがかなり減少するように、非常に限定された領域を通過することを強いられる。接触点で、高電流密度（すなわち、電流／断面比）は、局所的に温度の重大な上昇を誘起し、指された端部は、急速に蒸発する。このそれゆえに、方法を使用して、比較的平坦な電極で開始することが可能である。
【００２４】
指された端部のサイズは、電極の直径に従って適合されるべきである。その一点の直径があまりに小さいと、接触の間、電極を通る電流の流れは、電極の温度を十分に上昇させるには十分ではなく、その一点が消費されるとすぐに、アークは消える。１２ｍｍの直径の電極の場合の、好ましい適合の例は、長さ１ｍｍ、直径２．５ｍｍを有する先端である。一般に、この指定された端部の直径は、アノードの直径の１／２〜１／８の範囲内であるべきである。
【００２５】
より大きい直径で作業した場合のさらなる問題は、隙間の制御がより重要になるということである。実験により、ナノチューブ材料の製造のための最良の条件は、１〜３ｍｍといいう電極間の平均隙間に合致するが、何らかの注意がなされれば（以下を参照のこと）、１２ｍｍまでの隙間が使用され得ることが実証されている。（ナノチューブを含んでいない）硬質の外側シェルの厚みは、このような大きい隙間を使用する場合、有意に減少することが観察されている。このことは、電極間の隙間が増加する場合、カソード堆積の温度はより低いことを示唆する。しかし、この方法の主な欠点は、ナノチューブ生成速度もかなり低下することである。
【００２６】
それゆえに、１２ｍｍまでの直径の電極を用いて作業する場合には、大きい隙間を維持することは、適切ではないが、より大きい電極については、特に、プラズマからの熱の散逸が主な問題であることが明らかである場合は、必要であり得る。大きい隙間を使用することの別の利点は、電極の動きの制御のための繊細なシステムが必要ではないということである。隙間は、電流を監視し、それを一定に維持することにより、簡単に調整され得る。しかし、この隙間は、非常にゆっくりと増やされねばならない。それは、電極間の距離が約３〜４ｍｍを超えると、電流が急激に低下するからである。電流の低下とバランスを取るために、それゆえに、隙間が増やされるにつれて、電圧は、徐々に増やされねばならない。
【００２７】
注意として、放電が開始された後、隙間が増やされるまでに１〜２分待つほうがよい。隙間の未成熟な増加は、恐らくはアークがまだ安定化していないために、しばしば、アークの消灯を導く。
【００２８】
アノードの先端の下部セクションの能動的冷却を適用することおよびその先端の狭まった部分を提供することという本発明の特徴は、温度および電流の流れのより良好な制御を維持するためにアノードの先端を冷却するためのデバイスを備えた、カーボンナノチューブを製造するためのすべての公知の従来のアーク放電反応器について実施され得る。従来のアーク放電反応器により、出願人らは、不活性雰囲気下で、２つの炭素電極が、それらの間に狭い隙間を有して互いに対向している上記の先行技術の小節に記載されたような反応器を意味する。このような反応器の１つの例は、［１］の１４３頁に提示されており、１つの他の例は［４］の図２に提示されている。通常は、各電極は、電極を互いに対して回転させることが可能であるように、回転可能な水冷式基部に取り付けられる。対向する電極の先端間の隙間のサイズは、隙間をわたる最適の電圧の低下を維持するために、従ってこの電極を通る電流密度を制御するために厳密に制御されかつ調整され得る。適切なＤＣ電位がこれらの基部に印加される場合、ＤＣ電流は、電極を通ってそれらの間の隙間をまたいで流れ、プラズマを形成する。このプラズマは、炭素原子を蒸発させ水冷されたカソードへ移動させてそこで堆積させる程度まで、アノードの先端を加熱する。このような反応器は、当業者には周知であり、ここでさらに説明する必要はない。電極のより大きい直径により、本発明者らは、直径約１０ｍｍから、実際的に考えられ得る１０ｍｍを超えるあらゆるサイズを意味する。
【実施例】
【００２９】
（発明の検証）
本発明は、ここで、本発明の好ましい実施形態で実施された検証実験により、より詳細に説明される。
【００３０】
第１の系列の検証試験は、炭素の導電率が高温で低下し、従って、アノードの先端の温度が電極を通る電流についての限定要因であるという仮定を試験するために、実施された。
【００３１】
（第１系列の実験）
アノードを、その断熱性を高めるために、グラファイトホイル中に包んだ。このグラファイトホイルを、互いの上に重ねられたグラファイトフェルトのいくつかのリングにより、アノードに接触させて維持した（図３を参照のこと）。これも、アノードの絶縁を改善するのに役立った。故意に、アノードの先端は、絶縁しないままにした。
【００３２】
絶縁されていない１２ｍｍの直径のアノードについての電流は、通常は、１８０〜２００Ａの範囲である。今の場合では、非常に類似した電流が最初は測定された。しかし、電極の先端から絶縁部分までの距離が約１．５ｃｍよりも小さくなるとすぐに、有意な電流の低下が、観察された。アノードの先端が見えなくなったとき、この実験を停止した。このとき、電流は、１２０Ａまで低下していた（図４）。最も尤もらしい説明は、この電流の低下が、この先端と絶縁部分との間の距離がより小さくなるにつれて、アノードの先端の温度が上昇したことに関連するということである。
【００３３】
（第２系列の実験）
高温で導電率が低下するとの仮定を確認するために、アノードの先端の温度を低下させるように設計された異なる構成を使用して、補完的な一組の実験を実施した。この実験は、非常に短いアノードを使用して実施した。（この電極は、水冷式の銅ホルダーには取り付る。アノードの長さを減少させることにより、先端の冷却を改善することが可能であり、それゆえ先端の温度を低下させることが可能であった。）３つの実験を、段々と減少する長さ（それぞれ、２．５ｃｍ、１．５ｃｍおよび１ｃｍ）を有する２６ｍｍの直径の電極で実施した。予想の通り、アノードの長さが減少すると、電流が増加するのが観察された（図５を参照のこと）。この結果は、炭素アノードの先端での温度の上昇が、それを通って流れる電流の減少を導くことを示す。
【００３４】
（参考文献）
１．  Ｅｂｂｅｓｅｎ，Ｔ．Ｗ．（編）、「Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ」、ＣＲＣ  Ｐｒｅｓｓ  Ｉｎｃ．、１９９７年、序文
２．  Ｄｒｅｓｓｅｌｈａｕｓ  Ｍ．Ｓ．ら（編）、「Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ，ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ａｎｄ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ  Ｖｅｒｌａｇ，Ｔｏｐｉｃｓ  ｉｎ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ  ８０，Ｒｉｃｈａｒｄ  Ｅ．Ｓｍａｌｌｅｙによる序文
３．  Ｅｂｂｅｓｅｎ，Ｔ．Ｗ．およびＡｊａｙａｎ，Ｐ．Ｍ．，Ｎａｔｕｒｅ  ３５８，１９９２，２２０−２２２
４．  Ｃｏｌｂｅｒｔ，Ｄ．Ｔ．ら、「Ｇｒｏｗｔｈ  ａｎｄ  Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ  ｏｆ  Ｆｕｌｌｅｒｅｎｅ  Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ」、Ｓｃｉｅｎｃｅ，ｖｏｌ．２６６，１９９４
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】図１は、［４］に従う先行技術のアーク放電反応器の概略図を示す。
【図２】図２は、本発明の好ましい実施形態に従う、水冷式の銅ブロックを備えるアノードの側面からの断面図を示す。
【図３】図３は、本発明に従うアノードの側面からの断面図およびアークの開始を示す。
【図４】図４は、アノードの冷却がない場合の、アノードを通る電流を時間の関数として提示する図である。
【図５】図５は、本発明に従う能動的冷却がある場合の、アノードを通る電流を時間の関数として提示する図である。
【図１】
2007536189.tif 000003
【図２】
2007536189.tif 000004
【図３】
2007536189.tif 000005
【図４】
2007536189.tif 000006
【図５】
2007536189.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成17年11月25日(2005.11.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アーク放電法において多層カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ）を製造するための方法であって、ここで、１００〜１０００Ｔｏｒｒの純粋ヘリウムで満たされた閉じた耐圧容器中に配置された一対の炭素棒電極を備え、ここで各炭素棒電極の一端は、０．１〜１２ｍｍのオーダーの隙間をおいて互いに面して配置され、そして炭素を該アノードの先端で蒸発させ、次いで該炭素原子を該カソードの先端の表面で凝縮させるために、アノードの断面積１ｃｍ２あたり５０〜３００Ａの電流が該電極を通り、該方法は、該アノードの温度がプラズマゾーンの近くの該アノードの主要本体および／または端部セクション（先端）の少なくとも１セクションで能動的冷却を提供することにより制御されることを特徴とする、方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、前記冷却が、輪形状の水冷式銅ブロックの中心の穴を通して該アノードを、該アノードの先端が該銅ブロックの対向する側からわずかに突き出るように、挿入することにより提供されることを特徴とする、方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の方法であって、前記アノードの先端が、狭まった部分を備え、そして前記アーク放電が、前記電極を通って流れる電流を生成するために該電極間の電位がオンにされる前に、該アノードの該狭まった部分をカソードの端部表面と物理的に接触させることにより開始されることを特徴とする、方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法であって、前記アノードの初期の位置決めが、前記アークの開始後で、前記隙間がその最適の運転位置へと増加される前に、１〜２分間維持されることを特徴とする、方法。
【請求項５】
炭素アーク放電反応器中で多層カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ）を製造するための炭素アノードであって、該アノードの主要本体は、元素状炭素から作製されるシリンダーからなり、該アノードの端部セクションまたは先端が、該アノードの主要本体の直径の約１／４の直径および約１ｍｍの長さを有する、元素状炭素の端部シリンダーを備えることを特徴とする、炭素アノード。
【請求項６】
炭素アーク放電法により多層カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ）を製造するための反応器であって、該反応器は、耐圧性であって、以下：
棒形状の炭素アノードおよび炭素カソードであって、これらの電極が、該炭素アノードおよび炭素カソードとの間に特定の距離または隙間をおいて、同じ軸に沿って向かい合って位置決めされている、炭素アノードおよび炭素カソード；
水冷式の回転可能な電極基部；
アーク放電を生成するために、アノードの断面積１ｃｍ２あたり５０〜３００Ａの範囲の注意深く制御された電流を、該電極を通して、そして該炭素アノードおよび炭素カソードとの間の該隙間にわたって通過させるための手段；
製造の間、該電極間の正しい隙間を調節しかつ維持するための手段；
該電極を互いに対して回転させるための手段；
該反応器中に、１００〜５００Ｔｏｒｒの範囲の制御された圧力で、希ガス雰囲気を提供するための手段；ならびに
すべての上記の設備を取り囲む耐圧容器、
を取り囲むに十分大きく、該反応器がまた、該アノードの主要本体または端部セクション（先端）の少なくとも１セクションの能動的冷却のための手段を備えることを特徴とする、反応器。
【請求項７】
請求項６に記載の反応器であって、前記アノードの主要本体および端部セクション（先端）の能動的冷却のための手段が、該アノードの下部セクションの周りに輪形状の水冷式銅ブロックを備えることを特徴とする、反応器。
【国際調査報告】
2007536189.tif 000008
2007536189.tif 000009