(57)【要約】【課題】新しい構造を有する炭素物質及びその製造方法を提供する。また、新しい構造を有する炭素物質を電子放出材料として使用した電子放出素子を提供する。【解決手段】Ｎｉ又はＮｉの酸化物とＩｎ又はＩｎの酸化物を含んだ触媒による触媒ＣＶＤ法を使用して、原料ガスを触媒の近傍で５５０℃〜７５０℃の範囲で熱分解させて炭素物質を成長させる。これにより、炭素と金属又は金属酸化物を含む直径１〜１００μｍの構造体と、炭素を主成分とするとともに前記構造体の表面から放射状に複数成長しており直径２００ｎｍ以下の線状体を有する炭素物質を製造する。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素と金属又は金属酸化物を含む直径１〜１００μｍの構造体と、
炭素を主成分とするとともに前記構造体の表面から放射状に複数成長した直径２００ｎｍ以下の線状体を含む炭素物質。
【請求項２】
炭素と金属又は金属酸化物を含む直径１〜１００μｍの複数の構造体と、
炭素を主成分とするとともに前記構造体の表面から前記構造体の間を結んで成長した少なくとも金属又は金属酸化物を含む粒子を有する直径５０ｎｍ〜１μｍの線状体を含む炭素物質。
【請求項３】
炭素を含む原料ガスを触媒の近傍で熱分解させて炭素物質を成長させる炭素物質の製造方法において、
前記触媒は、Ｎｉ又はＮｉの酸化物とＩｎ又はＩｎの酸化物を含んでおり、
前記熱分解は、６７５℃乃至７５０℃の範囲で行い、
前記炭素物質は、炭素と金属又は金属酸化物を含む直径１〜１００μｍの構造体と、炭素を主成分とするとともに該構造体の表面から放射状に複数成長した直径２００ｎｍ以下の線状体を含むことを特徴とする炭素物質の製造方法。
【請求項４】
炭素を含む原料ガスを触媒の近傍で熱分解させて炭素物質を成長させる炭素物質の製造方法において、
前記触媒は、Ｎｉ又はＮｉの酸化物とＩｎ又はＩｎの酸化物を含んでおり、
前記熱分解は、５５０℃乃至７００℃の範囲で行い、
前記炭素物質は、炭素と金属又は金属酸化物を含む直径１〜１００μｍの複数の構造体と、炭素を主成分とするとともに該構造体の表面から該構造体の間を結んで成長した少なくとも金属又は金属酸化物を含む粒子を有する直径５０ｎｍ〜１μｍの線状体を含むことを特徴とする炭素物質の製造方法。
【請求項５】
第１電極上に配設した電子放出材料と、
前記電子放出材料と対向して配設した第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との電位差により前記電子放出材料から電子を放出する電子放出素子において、
前記電子放出材料は、炭素と金属又は金属酸化物を含む直径１〜１００μｍの構造体と、炭素を主成分とするとともに該構造体の表面から放射状に複数成長した直径２００ｎｍ以下の線状体を含む炭素物質を含むことを特徴とする電子放出素子。
【請求項６】
第１電極上に配設した電子放出材料と、
前記電子放出材料と対向して配設した第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との電位差により前記電子放出材料から電子を放出する電子放出素子において、
前記電子放出材料は、炭素と金属又は金属酸化物を含む直径１〜１００μｍの構造体と、炭素を主成分とするとともに該構造体の表面から放射状に複数成長した直径５０ｎｍ〜１μｍの線状体を含む炭素物質を含むことを特徴とする電子放出素子。
【請求項７】
母体中に、炭素と金属又は金属酸化物を含む直径１〜１００μｍの構造体と、炭素を主成分とするとともに該構造体の表面から放射状に複数成長した直径２００ｎｍ以下の線状体を含む炭素物質を含むことを特徴とする複合材料。
【請求項８】
母体中に、炭素と金属又は金属酸化物を含む直径１〜１００μｍの複数の構造体と、炭素を主成分とするとともに該構造体の表面から該構造体の間を結んで成長した少なくとも金属又は金属酸化物を含む粒子を有する直径５０ｎｍ〜１μｍの線状体を含む炭素物質を含むことを特徴とする複合材料。
【請求項９】
炭素と金属又は金属酸化物を含む直径１〜１００μｍの構造体と、
炭素を主成分とするとともに前記構造体の表面から成長して前記構造体の表面に戻るループ構造を備えた少なくとも金属又は金属酸化物を含む粒子を有する直径５０ｎｍ〜１μｍの線状体を含む炭素物質。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭素物質、炭素物質の製造方法及び炭素物質を電子源として利用した電子放出素子、炭素物質を母体中に含む複合材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
冷陰極である電界電子放出素子は、加熱を必要とした熱電子放出素子に比較して、省エネルギーで長寿命である。この電界電子放出素子では、低電圧駆動で電子放出を可能にすると共に電子放出効率を向上させるために、電子放出材料の先端の曲率を小さくする必要がある。
【０００３】
この観点から、近年、カーボンマイクロファイバーなどのカーボン繊維、この中でも、ナノスケールサイズのカーボンナノチューブやカーボンナノファイバーなどのカーボンナノ繊維が電界電子放出素子の電子放出材料として注目されている。カーボンナノ繊維は、その外径が１〜数１００ｎｍ、長さが数μｍと形状的には低電圧で電界電子放出を行わせるのに十分な形態を有している。更に、その構成材料である炭素は化学的に安定で機械的にも強靱であるという特徴を持つため、電子放出素子としては、理想的な材料である。
【０００４】
従来のカーボン繊維は、レーザーアブレーション法，真空中または不活性ガス中の黒鉛電極間のアーク放電法，炭化水素ガスを原料としたＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などを使用して製造されていた。この内、ＣＶＤ法は、より規則性の高いカーボン繊維を得られる等の特徴を持つため、近年注目されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
カーボン繊維、例えば、カーボンナノチューブを電子放出材料として使用する場合、電界の集中という点から、カーボンナノチューブは電界に沿った向き（通常は、カーボンナノチューブを配設した基板に対して垂直な方向）に配向していることが望ましい。しかしながら、カーボンナノチューブは、その形態が糸状であるため、単にカーボンナノチューブを基板に被着した場合、殆どのカーボンナノチューブはその先端が基板に対して垂直方向に揃って配向せず、低電圧駆動では不均一性が生じる等の問題があった。
【０００６】
本発明は、種々の用途に利用可能であり、新規な炭素物質とその製造方法を提供することを課題としている。特に電子放出素子に適した炭素物質及びその製造方法を提供することを課題としている。また、本発明は、電子放出特性に優れた電子放出素子を提供することを課題としている。さらに、本発明は、例えば合成樹脂等の母体（マトリックス）中に分散して利用される、各種母体との密着性に優れた炭素物質及びその製造方法を提供することを課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載された炭素物質は、炭素と金属又は金属酸化物を含む直径１〜１００μｍの構造体と、炭素を主成分とするとともに前記構造体の表面から放射状に複数成長した直径２００ｎｍ以下の線状体を含むことを特徴としている。
【０００８】
請求項２に記載された炭素物質は、炭素と金属又は金属酸化物を含む直径１〜１００μｍの複数の構造体と、炭素を主成分とするとともに前記構造体の表面から前記構造体の間を結んで成長した少なくとも金属又は金属酸化物を含む粒子を有する直径５０ｎｍ〜１μｍの線状体を含むことを特徴としている。
【０００９】
請求項３に記載された炭素物質の製造方法は、炭素を含む原料ガスを触媒の近傍で熱分解させて炭素物質を成長させる炭素物質の製造方法において、
前記触媒は、Ｎｉ又はＮｉの酸化物とＩｎ又はＩｎの酸化物を含んでおり、
前記熱分解は、６７５℃乃至７５０℃の範囲で行い、
前記炭素物質は、炭素と金属又は金属酸化物を含む直径１〜１００μｍの構造体と、炭素を主成分とするとともに該構造体の表面から放射状に複数成長した直径２００ｎｍ以下の線状体を含むことを特徴としている。
【００１０】
請求項４に記載された炭素物質の製造方法は、炭素を含む原料ガスを触媒の近傍で熱分解させて炭素物質を成長させる炭素物質の製造方法において、
前記触媒は、Ｎｉ又はＮｉの酸化物とＩｎ又はＩｎの酸化物を含んでおり、
前記熱分解は、５５０℃乃至７００℃の範囲で行い、
前記炭素物質は、炭素と金属又は金属酸化物を含む直径１〜１００μｍの複数の構造体と、炭素を主成分とするとともに該構造体の表面から該構造体の間を結んで成長した金属又は金属酸化物を含む粒子を有する直径５０ｎｍ〜１μｍの線状体を含むことを特徴としている。
【００１１】
請求項５に記載された電子放出素子は、第１電極上に配設した電子放出材料と、前記電子放出材料と対向して配設した第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との電位差により前記電子放出材料から電子を放出する電子放出素子において、
前記電子放出材料は、炭素と金属又は金属酸化物を含む直径１〜１００μｍの構造体と、炭素を主成分とするとともに該構造体の表面から放射状に複数成長した直径２００ｎｍ以下の線状体を含む炭素物質を含むことを特徴としている。
【００１２】
請求項６に記載された電子放出素子は、第１電極上に配設した電子放出材料と、前記電子放出材料と対向して配設した第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との電位差により前記電子放出材料から電子を放出する電子放出素子において、
前記電子放出材料は、炭素と金属又は金属酸化物を含む直径１〜１００μｍの構造体と、炭素を主成分とするとともに該構造体の表面から放射状に複数成長した金属粒子を有する直径５０ｎｍ〜１μｍの線状体を含む炭素物質を含むことを特徴としている。
【００１３】
請求項７に記載された複合材料は、母体中に、炭素と金属又は金属酸化物を含む直径１〜１００μｍの構造体と、炭素を主成分とするとともに該構造体の表面から放射状に複数成長した直径２００ｎｍ以下の線状体を含む炭素物質を含むことを特徴としている。
【００１４】
請求項８に記載された複合材料は、母体中に、炭素と金属又は金属酸化物を含む直径１〜１００μｍの複数の構造体と、炭素を主成分とするとともに該構造体の表面から該構造体の間を結んで成長した少なくとも金属又は金属酸化物を含む粒子を有する直径５０ｎｍ〜１μｍの線状体を含む炭素物質を含むことを特徴としている。
【００１５】
請求項９に記載された炭素物質は、炭素と金属又は金属酸化物を含む直径１〜１００μｍの構造体と、炭素を主成分とするとともに前記構造体の表面から成長して前記構造体の表面に戻るループ構造を備えた少なくとも金属又は金属酸化物を含む粒子を有する直径５０ｎｍ〜１μｍの線状体を含むことを特徴としている。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の炭素物質（カーボン微粒子）は、図３乃至図２３から明らかなように、新規な構造を持つものである。
すなわち、本発明の第１の炭素物質は、炭素と金属又は金属酸化物を含む直径１〜１００μｍの構造体と、炭素を主成分とするとともにその構造体の表面（外周表面）に成長した直径２００ｎｍ以下の２本以上の線状体を含んでいる。また、本発明の第２の炭素物質は、炭素と金属又は金属酸化物を含む直径１〜１００μｍの２以上の構造体と、炭素を主成分とするとともにその構造体の表面から２以上の構造体の間を結んで成長した直径が５０ｎｍ〜１μｍの金属又は金属酸化物を含む粒子（触媒又は触媒酸化物を含む微粒子）を有する線状体を含んでいる。さらに、本発明の第３の炭素物質は、炭素と金属又は金属酸化物を含む直径１〜１００μｍの構造体と、炭素を主成分とするとともに前記構造体の表面から成長して前記構造体の表面に戻るループ構造を備えた直径５０ｎｍ〜１μｍの金属又は金属酸化物を含む粒子を有する線状体を含んでいる。
【００１７】
ここで、ベースとなる構造体は、球状・半球状・楕円形状・半楕円形などの曲線状の形状を有する。この構造体は、単体からなる場合、もしくは同じ形状（大きさは同じでも異なってもよい）を有する２以上の構造体の接合体からなる場合、もしくは異なる形状（大きさは同じ程度でも異なってもよい）を有する２以上の構造体の接合体からなる場合がある。そして、Ｎｉ（もしくはその酸化物）及びＩｎ（もしくはその酸化物）もしくはそれらの合金又は合金酸化物もしくはそれらの混合体を含む。多くの場合、これらの金属，合金あるいはそれらの酸化物（金属酸化物，合金酸化物）が、炭素を主成分とする物質（炭素材料）に覆われた構造を持つ。これらの金属等からなる構造体のみの場合はほとんどない。
【００１８】
また、線状体は、ナノサイズもしくはマイクロサイズのファイバー（内部に中空部分を有しない構造のファイバー）もしくはチューブ（内部に中空部分を有する構造のファイバー）である。どちらかというと、チューブの方が多く存在する傾向にある。このファイバーとチューブの結晶性は、両者ともアモルファス構造である。一般に認識されているナノチューブほど結晶化が進んでいない。
【００１９】
第１の炭素物質における線状体は、さらに、先端部にＮｉ（もしくはその酸化物）及びＩｎ（もしくはその酸化物）もしくはそれらの合金又は合金酸化物もしくはそれらの混合体からなる金属又は金属酸化物を含む粒子（触媒金属粒子又は触媒金属酸化物粒子を含む粒子）を有している。
【００２０】
第２の炭素物質は、さらに、ベースとなる構造体の表面から成長した複数の構造体の間を結んでいない先端部分に金属又は金属酸化物を含む粒子（触媒金属又は触媒金属酸化物を含む粒子）を有する直径２００ｎｍ以下の１本以上の線状体を含んでいる。これは、第１の炭素物質における線状体とほぼ同じである。
同様に、第２の炭素物質は、さらに、構造体の表面から成長しており、再び同じ構造体の表面に戻るようなループ構造を有する１本以上の直径５０ｎｍ〜１μｍで金属又は金属酸化物を含む粒子（触媒又は触媒酸化物を含む粒子）を有する線状体を含んでいる。この粒子（触媒粒子）は、複数の構造体間のほぼ中央に位置している。なお、複数の構造体が接合した場合、最も大きなもので５ｍｍ程度のものを確認している。
これらの粒子（触媒粒子）は、Ｎｉ（もしくはその酸化物）及びＩｎ（もしくはその酸化物）もしくはそれらの合金又は合金酸化物もしくはそれらの混合体を含む。
【００２１】
第２の炭素物質における触媒粒子は、Ｎｉ（もしくはその酸化物）及びＩｎ（もしくはその酸化物）もしくはそれらの合金又は合金酸化物もしくはそれらの混合体を含む。
また、第２の炭素物質における触媒粒子は、複数の構造体間のほぼ中央に位置している。
【００２２】
第３の炭素物質における線状体は、構造体の表面から成長しており、再び同じ構造体の表面に戻るようなループ構造を有する１本以上の直径５０ｎｍ〜１μｍで金属又は金属酸化物を含む粒子を有している。第３の炭素物質における粒子は、ループ構造のほぼ中央に位置している。
この粒子は、Ｎｉ（もしくはその酸化物）及びＩｎ（もしくはその酸化物）もしくはそれらの合金又は合金酸化物もしくはそれらの混合体を含む。
このループ構造を備えた線状体は、構造体の表面のほぼ同一点にループの終端を有する場合と、異なる２点にループの終端を有する場合がある。
第３の炭素物質は、さらに、構造体の表面から成長した複数の構造体の間を結んでいない先端部分に金属又は金属酸化物を含む粒子を有する直径２００ｎｍ以下の１本以上の線状体を含んでいる。これは、第１の炭素物質における線状体とほぼ同じである。
【００２３】
以上の通り、本発明の炭素物質は新規な構造を有するため、従来のナノカーボン（カーボン繊維）と比較して、以下の特長を備えている。
（１）電子源として利用した場合
例えば、銀ペースト等の導電性ペーストの表面に散布する（バラバラに撒く）もしくはその表面に押し付けて埋め込む場合において、ベースとなる構造体がどのような向きに配置されても、基板に対して上向き方向（たとえば、引き出し電極の配設された方向）の突起が多く存在し、それらの線状体に電界を印加し易い（電界を集中し易い）。また、鋭角で、適度に分散し、かつアスペクト比が高い。このため、比較的低い電界で電界放出ができ、放出電子密度が高くとれ、電子放出素子及びそれを使用した電子放出装置に適している。
【００２４】
（２）コンポジットのフィラーとして利用した場合（複合材料の場合）
例えば、セメント，合成樹脂，ゴム，紙，ウレタン・エラストマー・セラミック・コンクリートなど他の母体（マトリックス）材料と混合した場合、線状体の部分がアンカーとなり、抜け落ち難い。また、ファイバ（線状体）の機械的強度・弾力・回復力，導電性，表面平滑性から、これらの材料の機械的強度が向上し、耐衝撃性（緩衝性）が向上するとともに、電気・熱伝導性や塗装性が向上する。
また、導電性を有するナノ材料であるため、電磁波を渦電流の形で消費することにより吸収できる。特に、本発明の第２の炭素物質であるジョイントファイバウェブは、ループファイバを有したり、サイト間でループを形成しているため、電磁波の吸収が効率的である。同様にして、本発明の第３の炭素物質は、ループファイバを有するため、電磁波の吸収が効率的である。
【００２５】
（３）その他の場合
一次電池の電極（電極をポーラス化し，電池反応を促進する），二次電池の電極あるいは電極への混合材料（高い機械的強度・弾力・回復力が見込まれる），燃料電池の触媒担持体（電池反応効率を改善する），ガス貯蔵装置のガスを蓄える材料，ガス・液体浄化装置のフィルタ，潤滑材（表面が潤滑であるため），金属やセラミックス，ガラスなどの研磨剤（硬質アモルファルカーボンのナノメートルサイズの材料であるため）として利用できる。
【００２６】
以上の通り、本発明の炭素物質は新規な構造を有し、従来知られている製造条件によっては製造できない。従って、本発明の炭素物質の製造方法は新規なものである。
【００２７】
本発明の炭素物質の製造方法は、化学気相成長法を使用する。化学気相成長法（ＣＶＤ法）としては、触媒ＣＶＤ法や気相熱分解法、熱ＣＶＤ法や熱フィラメント支援ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法（プラズマ支援ＣＶＤ法）などが利用できる。そして、炭素物質の製造プロセスに、特定の触媒（Ｎｉ又はＮｉの酸化物とＩｎ又はＩｎの酸化物）を含ませて、特定の温度（第１の炭素物質では６７５℃〜７５０℃、第２の炭素物質では５５０℃〜７００℃）の範囲で熱分解を行い、新規な炭素物質を製造するのが特徴である。
【００２８】
この製造方法について、以下さらに説明を行う。
図１は、本発明の一実施形態である炭素物質の製造に使用する装置の概略モデルを示す図である。この製造装置は、基板法に分類される最も基本的な形の熱ＣＶＤ装置である。
【００２９】
図１に示すように、本発明の装置は、反応容器とする反応炉１と、反応炉１に原料ガスを供給するガスボンベ２と、反応炉１に特定ガス（希釈ガス）を供給するガスボンベ３と、原料ガス及び特定ガスを一定流量で配給するガス流量制御器４と、触媒５を担持した基材とする基板６と、反応炉１の少なくとも触媒５近傍部分を加熱する加熱装置７と、反応炉１の内部を排気する排気装置８から構成される。
【００３０】
反応炉１は、加熱装置７の内部に配設されている。この加熱装置７により、反応炉１は所定温度に保持される。同様にして、基板６は、反応炉１の内部に配設されている。この加熱装置７により、基板６は反応炉１とともに所定温度に保持される。
【００３１】
上記装置を使用して、以下のプロセスで炭素物質の製造を行う。
▲１▼  反応炉１の内部に、触媒５を配設した基板６を配置する。
▲２▼  反応炉１の内部に、特定ガスを供給しつつ、反応炉１を加熱装置７で加熱して所定温度にする（加熱プロセス）。
▲３▼  所定温度に達して安定した後、所定温度を維持したまま、反応炉１の内部に、原料ガス（炭素含有ガス）を一定時間（所定の反応時間）供給する。この状態で原料ガスが分解され、触媒５の表面に炭素物質が成長する（反応プロセス）。
▲４▼  所定時間が経過した後、原料ガスの供給を停止する。同時に、加熱装置７による加熱を停止する。そして、反応炉１の内部に、特定ガスを供給しつつ、冷却する（冷却プロセス）。
▲５▼  反応炉１が十分に冷却された後、炭素物質が成長した基板６を反応炉１から取り出す。
【００３２】
上記プロセスは、触媒ＣＶＤ法の内、基板法に分類されるものについて説明した。この基板法以外にも、流動床法や浮遊法などを使用することが可能である。ここで、流動床法とは、触媒基板を順次送り込み、移動させつつ、連続的に炭素物質を合成する方法である。また、浮遊法とは、触媒を反応容器の一方から投入し、他方から炭素物質を取り出す方法である。そして、通常は、反応容器を縦に配置して、反応容器の上から触媒粒子等を落とし、反応容器の下から成長した炭素物質を回収する。
【００３３】
更に説明を加えると、流動床法又は浮遊法では、以下のプロセスで炭素物質の製造を行う。
▲１▼  反応容器に特定ガス（希釈ガス）を流し、所定温度まで加熱する。
▲２▼  所定温度を維持したまま、反応容器の内部に原料ガスを流す。
▲３▼  所定温度を維持したまま、反応容器の内部にパウダー又は液体の触媒を投入する。その結果、反応容器の出口から炭素物質が出てくる。
【００３４】
ＣＶＤ法としては、先に述べたように、各種のＣＶＤ法を使用することが可能である。特に、熱フィラメントＣＶＤ法はガスを容易に分解できるため、加熱装置７の温度が低温でも炭素物質を生成することが可能であり、より好ましい。また、反応炉１内でプラズマを発生させる等しても良い。
【００３５】
反応炉１には、通常、石英ガラスを用いるが、セラミックスを用いても良い。一般的には、石英ガラスの方が入手は容易である。また、大口径になると、安価になる。
反応炉１の温度は、第１の炭素物質では、６７５℃〜７５０℃が好ましい。最も好適なのは、６７５℃から７２５℃である。同様に、第２の炭素物質では、５５０℃〜７００℃が好ましい。最も好適なのは、６００℃から６５０℃である。
【００３６】
反応炉１内の圧力は特に規定されないが、１×１０−２Ｐａから２００ｋＰａの圧力範囲とするのが容易である。最も容易なのは１００ｋＰａ（大気圧）程度である。
【００３７】
ガスボンベ２に収容された原料ガスには、ＣＨ２，Ｃ２Ｈ２，Ｃ２Ｈ４，Ｃ６Ｈ６、ＣＨ４，ＣＨ３（ＯＨ），Ｃ２Ｈ５（ＯＨ）などの炭化水素系ガス若しくはＣＯ，ＣＯ２などのガスを利用できる。また、トルエン，キシレンなどのＣを含む有機溶媒を気化させて反応炉に導入してもよい。更に、アルコールの蒸気でも良い。中でも効率的なのは、分解温度が低いＣ２Ｈ２，ＣＯ及びトルエン，キシレンなどの有機溶媒である。また、これらと比較して熱分解しにくいＣ２Ｈ４を使う場合には、熱フィラメントＣＶＤ法（日本公開特許公報２００１−２４０４０３参照）を用いると良い。
【００３８】
ガスボンベ３に収容された特定ガスには、Ｈｅ，Ｎｅ，Ａｒなどの希ガス（不活性ガス）若しくはＨ２，Ｎ２ガスなどが利用できる。フッ化ガス若しくは塩化ガスを用いても良い。中でも、反応性が低いため、効率的に炭素物質を合成できるのは、ＨｅおよびＡｒガスである。特に、熱容量の関係から、Ａｒガスの方がより好適である。尚、フッ化ガス若しくは塩化ガスは、微量を混入させて、炭素物質の化学修飾を行うのに適している。
【００３９】
ガス流量制御器４には、市販のガス流量計若しくはマスフローコントローラが利用できる。
【００４０】
触媒５には、Ｎｉ又はこれらの酸化物（ＮｉＯ等）から選択された１つの材料と、Ｉｎ又はこれらの酸化物（Ｉｎ２Ｏ３等）から選ばれた１つの材料を少なくとも含む触媒を、パウダー（混合粉末）状態で基板６上に載置する。または、パウダーを液体に溶かした状態で基板６上に塗布する。もしくは、１層の混合膜又は２層の積層膜（積層順序は特に規定されない）の状態で、電子ビーム蒸着や真空アーク蒸着などの薄膜形成法で基板上に被着して使用する。
【００４１】
加熱装置７には、通常電気炉を用いるが、高温蒸気加熱器を用いても良いし、赤外線加熱器を用いてもよい。この中で、電気炉を使うのが最も安価である。ボイラーの廃熱が利用できる場合には、高温蒸気加熱が経済的である。また、赤外線加熱器は瞬間的に温度を上昇させられるという利点がある。
【００４２】
触媒５を担持する基板６には、１０００℃に耐えるシリコン，耐熱ガラス，セラミックス，黒鉛，金属などが利用できる。
【００４３】
排気装置８は、単純なバブラーでよい。排気ガスをバブラーに通すことで大気の反応炉１への逆流を防止できる。また、排気ポンプを利用してよい。排気ポンプ若しくは真空ポンプを用いれば、確実な排気が可能である他、反応炉１内の圧力を調整できるという利点がある。
【００４４】
図２（ａ）は、本発明の実施の形態に係る電子放出素子を有する電子放出装置の断面図である。この電子放出素子は、本発明の製造方法によって得られた炭素物質を電子放出材料として使用している。
【００４５】
図２（ａ）において、ガラス基板２０１（基板）と、ガラス基板２０２（封止部材）と、ガラス基板２０１及び２０２の周囲を封着するガラスの側面板２０３（封止部材）から、真空容器２００が構成される。
【００４６】
ガラス基板２０１の上には、第１電極としてのカソード電極２０４が、アルミニウム等の金属の蒸着等により形成されている。カソード電極２０４の上には、炭素物質を含むペーストを塗布して電子放出材料２０５の層が形成されている。また、ガラス基板２０１に対向するガラス基板２０２の上には、電子放出材料２０５に対向して、第２電極としてのアノード電極２０６が、アルミニウム等の金属の蒸着等により形成されている。アノード電極２０６の上には、ＺｎＯ：Ｚｎ等の蛍光体層２０７が、スクリーン印刷法等により形成されている。
【００４７】
上記２極管構造の電子放出装置において、カソード電極２０４とアノード電極２０６の間に電圧を印加すると、カソード電極２０４に接続された炭素物質から電子が放出される。放出された電子はアノード電極２０６に引き寄せられ、蛍光体層２０７に射突して光が放出される。このとき、炭素物質の表面には線状体（炭素繊維）が存在するため、低電圧駆動によっても、より効率的に電子放出が行われる。
【００４８】
図２（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る電子放出素子を有する他の電子放出装置の断面図である。尚、図２（ａ）と同一構成については、同一番号を付して説明を省略する。図２（ａ）と異なるのは、ガラス基板２０１の上に、電子放出材料２０５に対向して、第２電極としての金属メッシュからなるグリッド電極２０８が形成されている点である。
【００４９】
上記３極管構造の電子放出装置において、カソード電極２０４とゲート電極２０８の間に電圧を印加すると、カソード電極２０４に接続された炭素物質から電子が放出される。同時に、アノード電極２０６に所定の電圧を印加すると、放出された電子はアノード電極２０６に引き寄せられて、蛍光体層２０７に射突して光が放出される。このとき、炭素物質の表面には線状体（炭素繊維）が存在するため、低電圧駆動によっても、より効率的に電子放出が行われる。
【００５０】
以下、本発明を、更に詳細に説明する。もちろん、本発明は、以下の実施例に限定されるわけではなく、様々な設計変更が可能である。
【００５１】
【実施例】
本発明の第１実施例は、図１の装置を用い、反応炉１としては、直径４５ｍｍで長さ５００ｍｍの石英管を使用した。加熱装置７としては、長さ３００ｍｍの電気炉（有効加熱長さ２００ｍｍ）を使用した。排気装置８にはバブラーを使用した。触媒基板６には、（反応炉１の長手方向の）長さ７２ｍｍで幅２６ｍｍの耐熱ガラス基板を用いた。
【００５２】
触媒５には、市販されているＮｉＯパウダーとＩｎ２Ｏ３パウダーを混合した触媒微粒子を用いた。ＮｉＯパウダーの粒径は１μｍ、Ｉｎ２Ｏ３パウダーの粒径は１μｍ、両者の混合比は１対１（５０％：５０％）とした。
【００５３】
触媒５は、薬瓶内に原料約２ｇを入れ、少なくとも目視状態で全く偏りが見られないように薬匙を用いて５分ほど人力でかき混ぜた。その後、ミル装置（瓶を寝かせて同軸で回転）で１０分間混合した。その後、ガラス基板上に、１０ｍｇの触媒５を、なるべく粒子が重ならないように（触媒５の厚さは厚いところで約１ｍｍ程度）２０ｍｍ×５０ｍｍ程度に広げた。
【００５４】
基板６は、電気炉の中央部分に配置した。
電気炉で所定温度に保持した時の温度は、電気炉の中央部分における石英管外に設置した温度センサーとする制御用熱電対の指示温度である。例えば、７００℃設定では、内部温度は７００℃〜７３０℃（Ｈｅだけを流した場合）である。
【００５５】
第１実施例の製造条件は、以下通りである。
▲１▼  石英管の内部に、触媒微粒子を載置した耐熱ガラス基板を配置する。
▲２▼  昇温プロセスでは、特定ガスに４２０ｍｌ／ｍｉｎの流量でＨｅを用いた。石英管内の圧力は大気圧（１００ｋＰａ程度）とした。電気炉の所定温度を７００℃に設定した。室温から７００℃までの昇温プロセス時間を６０分とした。なお、赤外線加熱炉等を使用すれば、昇温プロセス時間を短くできる。
▲３▼  反応プロセスでは、特定ガス（希釈ガス）に４２０ｍｌ／ｍｉｎの流量でＨｅガスを用いた。原料ガスに１８０ｍｌ／ｍｉｎの流量でＣ２Ｈ２ガスを用いた。石英管内の圧力は大気圧とした。電気炉で７００℃の所定温度（反応温度）に保持した。反応時間は、原料ガスを導入して３ｍｉｎとし、原料ガスの熱分解を行った。
▲４▼  冷却プロセスでは、特定ガスに４２０ｍｌ／ｍｉｎの流量でＨｅガスを流し、電気炉を止めた。この状態を６０分保持し、電気炉の降温を行い、冷却した。
▲５▼  電気炉が８０℃以下に冷却された後、炭素物質が成長した耐熱ガラス基板を石英管から取り出した。
【００５６】
第１実施例の炭素物質を、図３乃至図７を用いて説明する。
図３乃至図５は、第１実施例に係る炭素物質の製造方法によって製造した炭素物質（本発明に係る第１の炭素物質）を示す図である。これらの図は、基板上に形成した炭素物質を撮影した写真である。図３が最も低倍率で撮影したＳＥＭ（高分解能走査型電子顕微鏡）写真であり、図４は、倍率を上げて撮影したより高倍率のＳＥＭ写真である。図５は、図４の丸印で囲んだ部分の近傍を撮影したＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）写真である。ここで、図３の炭素物質の構造を概略的に示すと図６のようになる。なお、図５の写真については、分かり易いように引き出し線と数字を追加してある。図４の丸印も同様である。
【００５７】
図３乃至図６に示すように、直径１〜１００μｍのベースとなる構造体１０と、その構造体１０の表面から放射状に複数成長した直径２００ｎｍ以下（多くは２０ｎｍ〜１５０ｎｍ）の線状体２０を有する炭素物質（以下、ナノチューブイガ状粒子と呼ぶ。）が形成されている。また、線状体２０は、０．５〜３０μｍ程度の長さのものが多い。そして、線状体２０の先端部分には、触媒粒子３０が存在している。さらに、触媒粒子３０の形状は、円錐状もしくは多角錘状であることがわかる。
【００５８】
図７は、図３乃至図６に示す炭素物質の全体とその先端触媒部分の２箇所について、ＥＤＸ分析（Ｅｎｅｒｇｙ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｘ−ｒａｙ  ａｎａｌｙｓｉｓ：エネルギー分散型エックス線分析）を行った結果をあらわす。図７に示すように、ベースとなる構造体１０を含む炭素物質の全体は、炭素を主成分としていることがわかる。ベースとなる構造体１０は、ＮｉとＩｎの合金もしくは混合体もしくはそれらの酸化物を含んでいる。また、炭素を含んでいる。
また、構造体１０の表面に成長した線状体２０も、炭素を主成分としていることがわかる。図５のＴＥＭ写真からみて、線状体２０は、アモルファス性炭素のチューブ（ファイバー）である。
【００５９】
第１実施例における第１の炭素物質の収率は、以下のようになっている。
（ａ）製造物質中の特定物質の収率は、ＳＥＭ観察結果から、全生成物中で最大４０％程度（残りは成長不良粒子：ナノチューブが伸びていない）である。
（ｂ）原料ガスに対する特定物質の収率は、全供給炭素量（原料ガス中炭素量）に対し、最大で０．９ｗｔ％である。
（ｃ）原料ガスに対する炭素物質の収率（全供給炭素量に対する炭素収率）は、２．２５ｗｔ％である。
【００６０】
次に、本発明の第２実施例について説明する。
第２実施例は、図１の装置を用い、電気炉で６００℃の所定温度に保持して原料ガスの熱分解を行った例を示す。この加熱温度以外については、第１実施例と同じ製造装置・製造条件を用いた。第２実施例では、原料ガスの流量は２５０ｍｌ／ｍｉｎ以下が好ましい。
【００６１】
第２実施例の炭素物質を、図８乃至図１２を用いて説明する。
図８乃至図１０は、第２実施例に係る炭素物質を示す図である。これらの図は、基板上に形成した炭素物質を撮影した写真である。図８が最も低倍率で撮影したＳＥＭ写真である。図９は、ベースとなる構造体部分を、倍率を上げて撮影したより高倍率のＳＥＭ写真である。図１０は、図９の四角で囲んだ部分の近傍を撮影したＴＥＭ写真である。ここで、図８の炭素物質の構造を概略的に示すと図１１のようになる。
【００６２】
図８乃至図１１に示すように、直径１〜１００μｍの複数のベースとなる構造体１０と、この構造体１０の表面から各構造体１０の間を結んで成長した触媒粒子３１を含む直径５０ｎｍ〜１μｍの線状体２１を含んだ炭素物質（以下、ジョイントファイバウェブと呼ぶ。）が形成されていることがわかる。ここで、第２の炭素物質の構造体１０の方が、第１の炭素物質の構造体１０よりも小さい傾向にある。
【００６３】
線状体２１の発生地である構造体１０となるサイトコア間距離は、５〜２０μｍである。サイトコアは比較的太い線状部材２１とするジョイントファイバで接続されている。ジョイントファイバの太さは５０ｎｍ〜１μｍ、多いのは２００〜３００ｎｍのものである。ジョイントファイバは中空（内径５〜５０ｎｍ）のものが多い。ツイストしている場合もある。ただし、接続されていない場合もあるが、そのケースは少ない。ジョイントファイバとは、触媒３１の節を持つ線状体である。節触媒は１箇所に存在している。節触媒の位置は、サイトコア間のほぼ中央である。つまり、節触媒から２つのサイトコアまで略等間隔である。ジョイントファイバには、サイト間を接続するものと、同じサイトに戻るもの（５〜２０％）がある。
【００６４】
線状体２２として示す同じサイトに戻るジョイントファイバ（以下、ループファイバと呼ぶ。）は、構造体１０の表面から成長しており、再び同じ構造体１０の表面に戻るようなループ構造を持つ直径５０ｎｍ〜１μｍで触媒粒子３２を内含する線状体である。サイト間が接続されていない場合には、すべてのジョイントファイバが同じサイトに戻る。
【００６５】
線状体としては、ジョイントファイバやループファイバ以外にも、線状体２０として示すジョイントレスファイバ（サイトコアから出発しているが、サイト間を結ばず、元のサイトにも戻らない）がある。ジョイントレスファイバは、構造体１０の表面から１本以上成長しており、他の線状体２１，２２よりも細い（直径２００ｎｍ以下、多くは２０ｎｍ〜１５０ｎｍ）の線状体である。この線状体２０は、第１実施例の線状体２０と同じものである。ジョイントレスファイバは、中空（内径２〜２０ｎｍ）のものが多い。先端成長しているもの（触媒３０は先端のみ一箇所）と、複数の触媒節を持つもの（先端にも触媒３０が存在）とがある。複数節触媒３０を持つファイバの場合、ツイストしている。
【００６６】
ジョイントファイバは、５〜３０μｍ程度の長さのものが多い。ジョイントレスファイバは、０．５〜３０μｍ程度の長さのものが多い。これらの線状体２０，２１，２２は、いずれも炭素繊維であり、アモルファス性である。
なお、第２の炭素物資は、全体としては片状粒子として得られる。
【００６７】
触媒は、ジョイントファイバの中央部（節部）、ジョイントレスファイバの先端および節部だけでなく、サイトコア部にも存在している。この中で、ジョイントファイバの触媒は、円錐もしくは多角錘を２つくっ付けた形になっている。二次元的には、菱形に見える。大きさはおよそ５０ｎｍ〜１μｍ（ファイバ径と同じ）である。また、ジョイントレスファイバの触媒は、先端触媒は円錐状もしくは多角錘状である。触媒３０，３１，３２は、Ｎｉ（もしくはその酸化物）及びＩｎ（もしくはその酸化物）もしくはそれらの合金又は合金酸化物もしくはそれらの混合体の状態と考えられる。
【００６８】
特に、図１０のＴＥＭ写真において、触媒が四角に写っているため、ジョイントファイバのジョイント触媒３１の形状は双対円錐（あるいは双対多角錘）であると判断できる。また、ジョイントレスファイバとイガ状ナノファイバの先端触媒３０は、円錐状もしくは多角錘状の形状である。
【００６９】
図１２は、図８乃至図１１に示す炭素物質の全体と構造体１０（図９の丸印で示す部分）と線状体３１の触媒部（図９の四角印で示す部分）の３つの部分について、ＥＤＸ分析を行った結果をあらわす。図１２に示すように、ベースとなる構造体１０は、炭素と金属又は金属酸化物を含むことがわかる。同様に、Ｎｉ及びＩｎを含んでいると考える。また、それら（ＮｉおよびＩｎ）が酸化していると考えられる。更にまた、構造体１０の表面に成長した線状体３１も、炭素を主成分としていることがわかる。これは、線状体３０，３２についても同様である。
【００７０】
第２実施例における第２の炭素物質の収率は、以下のようになっている。
（ａ）製造物質中の特定物質の収率は、ＳＥＭ観察結果から、全生成物中で９０％以上である。
（ｂ）原料ガスに対する特定物質の収率は、全供給炭素量（原料ガス中炭素量）に対し、最大で３０ｗｔ％である。
（ｃ）原料ガスに対する炭素物質の収率（全供給炭素量に対する炭素収率）は、３３ｗｔ％である。
【００７１】
なお、第２実施例における第２の炭素物質を、酸素が存在しない雰囲気中で加熱すると、アモルファス成分がグラファイト結晶化するため、カーボンナノチューブやカーボンナノファイバーの製造に使用できる。
【００７２】
次に、本発明の第３実施例について説明する。
第３実施例は、図１の装置を用い、触媒５として、ＮｉとＩｎの混合パウダーを使用した例を示す。この触媒以外については、第１実施例と同じ製造装置・製造条件を用いた。
【００７３】
図１３は、第３実施例に係る炭素物質を示す図である。この図は、基板上に形成した炭素物質を撮影したＳＥＭ写真である。図１３から、第１実施例とほぼ同じような炭素物質が生成していることがわかる。ただし、第１実施例の炭素物質と比較して、構造体の表面に成長する線状体が短くなっている。
【００７４】
次に、本発明の第４実施例について説明する。
第４実施例は、図１の装置を用い、触媒５にＦｅ２Ｏ３を追加して、その混合比を１：１：１としたものを使用した例を示す。この触媒以外については、第２実施例と同じ製造装置・製造条件を用いた。
【００７５】
図１４は、第４実施例に係る炭素物質を示す図である。この図は、基板上に形成した炭素物質を撮影したＳＥＭ写真である。図１４から、第２実施例の炭素物質とほぼ同じ炭素物質が生成していることがわかる。
【００７６】
次に、実施例５乃至実施例９を用いて、第１の炭素物質と第２の炭素物質を合成する製造条件を特定するために行った実験結果について説明する。以下の各実施例では、触媒としてＮｉＯとＩｎ２Ｏ３を使用した例に基づいて説明するが、他の触媒の組み合わせについてもほぼ同様の結果である。
【００７７】
（１）触媒比率依存性について
本発明の第５実施例は、図１の装置を用い、触媒５の混合比率（ｗｔ％）を変更したものを使用した例を示す。この触媒の混合比率以外については、第１実施例と同じ製造装置・製造条件を用いた。
図１５（ａ）はＮｉＯとＩｎ２Ｏ３の混合比を２対８とした場合に基板上に形成された炭素物質のＳＥＭ写真である。同様にして、図１５（ｂ）は４対６とした場合、図１５（ｃ）は６対４とした場合、図１５（ｄ）は８対２とした場合のＳＥＭ写真である。
【００７８】
図１５（ａ）から、混合比２対８の場合、炭素物質は珊瑚状に成長している。図１５（ｂ）から、混合比４対６の場合、炭素物質は第１の炭素物質であるナノチューブイガ状粒子に成長している。図１５（ｃ）から、混合比６対４の場合、炭素物質はナノチューブイガ状粒子に成長している（ただし、図１５（ｂ）と比較して線状体の長さが短い傾向にある）。図１５（ｄ）から、混合比８対２の場合、触媒が微粒子を形成しているが、炭素の堆積は少ないことがわかる。
図１５（ａ）乃至図１５（ｄ）から、同一の製造条件のもとでは、触媒比率が４対６〜６対４において、ナノチューブイガ状粒子が成長することがわかる。
【００７９】
（２）反応温度依存性について
次に、本発明の第６実施例は、図１の装置を用い、反応温度を３００℃〜８００℃の範囲に変更（拡大）した例を示す。この反応温度以外については、第１実施例と同じ製造装置・製造条件を用いた。
【００８０】
図１６は、反応温度と、炭素固定速度及び成長した炭素物質の種類の関係を示す図である。ここで、炭素固定速度（ｍｉｎ−１）とは、（回収量−触媒量）÷（触媒量×反応時間）で求められる、単位時間（１ｍｉｎ）当たりに投入触媒量の何倍の炭素物質が得られるかをあらわす数値である。
【００８１】
図１７は、図１６の温度範囲で成長した炭素物質を示すＳＥＭ写真である。図１７（ａ）は、不定形カーボンに成長した炭素物質を示す。図１７（ｂ）は、第２の炭素物質であるジョイントファイバウェブ（ＪＦＷ）に成長した炭素物質を示す。図１７（ｃ）は、第１の炭素物質であるナノチューブイガ状粒子に成長した炭素物質を示す。図１７（ｄ）は、ナノチューブイガ状粒子に成長した炭素物質を示す（ただし、図１７（ｃ）と比較して線状体の太さが細い傾向にある）。
図１６及び図１７から、同一の製造条件のもとでは、５５０℃〜７００℃の範囲でジョイントファイバウェブが成長する。同様に、６７５℃〜７５０℃の範囲でナノチューブイガ状粒子が成長することがわかる。
【００８２】
（３）触媒基板位置依存性について
次に、本発明の第７実施例は、図１の装置を用い、触媒基板の位置を電気炉の中央から変更して、熱分解を行った。また、触媒比率を４対６にした。さらに、触媒量を３０ｍｇにした例を示す。これ以外については、第１実施例と同じ製造装置・製造条件を用いた。
【００８３】
図１８は、基板位置と、炭素固定速度と電気炉内実温度と成長した炭素物質の種類の関係を示す図である。ここで、図中の丸印の点を結んだ線は、基板位置に対する電気炉内実温度を示し、図中の四角印の点を結んだ線は、基板位置に対する炭素固定速度を示している。
【００８４】
ここで、基板位置については、電気炉の中心をゼロとした場合に、原料ガス及び特定ガス（希釈ガス）が流入する上流側にズレた位置をマイナスの数値で示している。同様に、原料ガス及び特定ガス（希釈ガス）が流出する下流側にズレた位置をプラスの数値で示している。
なお、実験は、触媒５を被着した基板６を反応炉内の３カ所に同時に配設してプロセスを行った。
【００８５】
図１９は、図１８の基板位置で成長した炭素物質を示すＳＥＭ写真である。
図１９（ａ）に示すように、基板位置が−８０乃至−３０の範囲では、ジョイントファイバウェブ（ＪＦＷ）が成長している。また、図１９（ｂ）に示すように、基板位置が−３０乃至＋３０の範囲では、ナノチューブイガ状粒子が成長している。さらに、図１９（ｃ）及び図１９（ｄ）に示すように、基板位置が＋３０乃至＋８０の範囲では、ナノチューブイガ状粒子（ただし、図１９（ｂ）と比較して線状体の太さが細い針状のナノチューブ針状粒子やイガ状粒子のつぼみになっている）が成長していることがわかる。
【００８６】
ここで、通常のイガ状粒子と特殊なイガ状粒子（針状イガ粒子）の違いは、以下の通りである。
通常のイガ粒子は、ファイバ先端に触媒又は触媒酸化物を含む粒子を持つ。成長メカニズムは先端成長である。成長方向が放射状になっている。ファイバ径は２００ｎｍ程度、長さが１００ｎｍ〜１００μｍである。
針状イガ粒子は、ファイバ先端に触媒粒子を持たない。成長メカニズムは根元成長である。成長方向は全体的に見れば放射状であるが、ローカルには並行に成長している。ファイバ径は１０ｎｍ〜８０ｎｍ（要するに通常イガ粒子より細い）、長さが１００ｎｍ〜５μｍである。
【００８７】
（４）ガス流量依存性について
次に、本発明の第８実施例は、図１の装置を用い、原料ガスと特定ガスの流量を変更した例を示す。これ以外については、第１実施例と同じ製造装置・製造条件を用いた。
【００８８】
図２０は、総ガス量と、原料ガス含有率と成長した炭素物質の種類の関係を示す図である。図２０に示すように、同一の製造条件のもとでは、総ガス流量（原料ガスの流量と特定ガスの流量を足したもの）が多い方が、ジョイントファイバウェブが成長し易いことがわかる。同様に、総ガス流量の内、原料ガスの流量が多い方が、ジョイントファイバウェブが成長し易いことがわかる。
ここで、図２０の▲１▼で示す領域では、イガ状粒子が選択的に成長し、▲２▼で示す領域では、イガ状粒子とジョイントファイバウェブの両方が成長し、▲３▼で示す領域では、ジョイントファイバウェブが選択的に成長する。
【００８９】
（５）反応時間依存性について
次に、本発明の第９実施例は、図１の装置を用い、反応時間を１ｍｉｎ〜１２ｍｉｎの範囲に変更した。また、触媒比率を４対６にし、触媒量を３０ｍｇにした例を示す。これ以外については、第１実施例と同じ製造装置・製造条件を用いた。
【００９０】
図２１は、反応時間と、炭素固定速度と電気炉内実温度と成長した炭素物質の種類の関係を示す図である。ここで、図中の丸印の点を結んだ線は、反応時間に対する総生成量を示し、図中の四角印の点を結んだ線は、反応時間に対する炭素固定速度を示している。図２１に示すように、同一の製造条件のもとでは、反応時間が６分未満でナノチューブイガ状粒子が成長する。同様に、反応時間が６分以上で全体の８０％以上がジョイントファイバウェブに成長することがわかる。また、図２１の楕円形の印で示すように、反応時間が６分で総生成量が飽和することがわかる。
【００９１】
上記実施例５乃至実施例９から、以下のような知見を得た。
▲１▼  触媒についてみると、Ｎｉ又はＮｉの酸化物とＩｎ又はＩｎの酸化物を含んだ触媒を用いることにより、ナノチューブイガ状粒子（第１の炭素物質）と、ジョイントファイバウェブ（第２の炭素物質）が合成可能であることがわかった。
▲２▼  触媒の混合比率についてみると、３対７〜７対３の範囲が利用可能であり、好ましくは４対６〜６対４の範囲が好適であることがわかった。
▲３▼  反応熱量についてみると、ナノチューブイガ状粒子の方が高い反応熱量を必要とし、ジョイントファイバウェブは、ナノチューブイガ状粒子よりも低い反応熱量で生成可能であることがわかった。
▲４▼  触媒基板位置についてみると、電気炉中心からの位置は、ナノチューブイガ状粒子は−２５ｍｍ〜＋２５ｍｍ、ジョイントファイバウェブは−８０ｍｍ〜０ｍｍが好ましいことがわかった。
【００９２】
▲５▼  反応温度についてみると、ナノチューブイガ状粒子は６７５℃〜７５０℃、ジョイントファイバウェブは５５０℃〜７００℃が好ましい。特に好適なのは、ナノチューブイガ状粒子は６７５℃〜７２５℃、ジョイントファイバウェブは６００℃〜６５０℃であることがわかった。
▲６▼  原料ガス含有量についてみると、ナノチューブイガ状粒子は１０％〜４０％、ジョイントファイバウェブは２０％〜５０％の範囲が好ましいことがわかった。
▲７▼  総ガス流量についてみると、ナノチューブイガ状粒子は１８０〜６００ｍｌ／ｍｉｎ、ジョイントファイバウェブは３００〜７２０ｍｌ／ｍｉｎの範囲が好ましいことがわかった。
▲８▼  収量についてみると、ジョイントファイバウェブは、ナノチューブイガ状粒子のおよそ５倍の収量であることがわかった。
【００９３】
次に、本発明の第１０実施例について説明する。
第１０実施例は、第２実施例と同じ製造装置・製造条件を用いた。
図２２は、第１０実施例に係る第３の炭素物質を示す図である。この図は、基板上に形成した炭素物質を撮影したＳＥＭ写真である。ここで、図２２の炭素物質の構造を概略的に示すと図２３のようになる。
【００９４】
図２２及び図２３に示すように、第３の炭素物質は、直径１〜１００μｍのベースとなる構造体１０と、構造体１０の表面から成長しており、再び同じ構造体１０の表面に戻るようなループ構造を持つ直径５０ｎｍ〜１μｍで触媒粒子３２を内含する線状体２２を有する。これは、第２実施例の炭素物質のループファイバと同じものである。ループファイバ２２は、触媒３２の節を持つ線状体である。節触媒は１箇所に存在している。節触媒の位置は、ループファイバのほぼ中央である。つまり、節触媒からサイトコアまで略等間隔である。
【００９５】
線状体としては、ループファイバ以外にも、線状体２０として示すジョイントレスファイバがある。これは、第１実施例の炭素物質のファイバと同じものである。
なお、この第３の炭素物質は、第２の炭素物質と一緒に生成することが多い。また、第３の炭素物質のＥＤＸ分析を行った結果は、図１２に示す第２の炭素物質と同様である。
【００９６】
上記の各実施例では、触媒５としてＮｉＯとＩｎ２Ｏ３を組み合わせたものとＮｉとＩｎを組み合わせたものなどを使用したが、ＮｉとＩｎ２Ｏ３を組み合わせた触媒、ＮｉＯとＩｎを組み合わせた触媒などでも、同様の炭素物質を製造できる。
【００９７】
なお、触媒粒子として、高純度化学製のＮｉ（型番：ＮＩＥ０２ＰＢ、粒子サイズ：２〜３μｍ），ＮｉＯ（型番：ＮＩＯ０２ＰＢ、粒子サイズ：７μｍ、純度：９９．９％）、Ｉｎ（型番：ＩＮＥ０１ＰＢ、粒子サイズ：４５μｍ、純度：９９．９％）、Ｉｎ２Ｏ３（型番：ＩＮＯ０．ＰＢ、粒子サイズ：１μｍ、純度：９９．９９％）を使用した。
【００９８】
上記の各実施例では、触媒５としてパウダー状のもの基板６に載置して使用したが、混合膜や２層膜などの状態で使用してもよい。
ここで、触媒基板法（基板上に触媒を成膜する）は、触媒の膜厚を制御することで生成物の制御が容易で、基板全域で均一合成が可能という特長を有する。これに対して、触媒パウダー法は、成膜プロセスが不要で、市販のパウダー（微粒子）で生成可能であり、大量合成（基板法の約１０倍）が可能という特長を有する。
【００９９】
この金属微粒子触媒５の内、ＮｉやＮｉＯなどは、炭素の吸収，繊維状炭素物質の排出・析出に寄与しており、ＩｎやＩｎ２Ｏ３などは、Ｎｉ等の作用を増幅していると判断される。
【０１００】
特定ガスを流す目的は、反応炉１内に全流量の内一定流量以上を流さないと、何処を流れるか不明なためである。例えば、不活性ガスを流さず、原料ガスのみを低流量で導入しても、原料が触媒を遭遇する確立が少ない。また、希釈中とそうでない場合とで、原料ガスの分解の仕方が変わる可能性が有る。
【０１０１】
特定ガスの希釈率（＝原料ガス／（原料ガス＋希釈ガス））は、実験結果から見て、５〜４０％が適当である。また、特定ガスの流量は、（反応炉管径４５ｍｍ、有効加熱長さ２００ｍｍに対し）８００ｍｌ／ｍｉｎ以下が好ましい。
炭素含有ガス（原料ガス）の流量は、（反応炉管径４５ｍｍ、有効加熱長さ２００ｍｍに対し）２５０ｍｌ／ｍｉｎ程度かそれ以下が好ましい。
【０１０２】
反応プロセスにおける反応時間は、原料ガスを導入して３ｍｉｎとしたが、これに限定されない。例えば、石英管径４５ｍｍ（有効加熱長さ２００ｍｍ）に対し、１０ｍｇの触媒を使用した場合には１０分以下となる。特に、原料ガス流量１８０ｍｌ／ｍｉｎ，触媒量３０ｍｇの場合には、７ｍｉｎで飽和し、最大収量は約１１０ｍｇ（元の触媒量を含む）となる。また、原料ガスは、Ｃ２Ｈ２ガス以外の炭素含有ガスを用いてもよい。
【０１０３】
また、単純熱ＣＶＤ法（今回の方法）では、原料ガス流量およびその熱分解速度の観点から、最低１ｍｉｎ程度の時間が必要と判断する。しかし、熱フィラメントやプラズマで支援した場合、より短時間（１秒）程度で反応する可能性も有る。さらに、原料ガス流量を少なくすれば、長時間の製造時間が必要になる。また、触媒量を増やせば、長時間の製造が可能となる。
【０１０４】
第１の炭素物質と第２の炭素物質は、反応温度により作り分けることが可能である。すなわち、ナノチューブイガ粒子では６７５℃〜７５０℃、ジョイントファイバウェブでは５５０℃〜７００℃である。より適切なのは、ナノチューブイガ粒子では６７５℃〜７２５℃、ジョイントファイバウェブでは６００℃〜６５０℃である。ここで、重複する温度範囲（６７５℃〜７００℃）では、どちらか一方が生成する場合と、両方が生成する場合がある。
【０１０５】
冷却プロセスのポイントは、合成物質（炭素物質）が十分に冷えるまで（４００℃以下、通常は２００℃以下）は、酸素と遭遇させないことである。これは、炭素物質を高温で酸素に触れさせると、生成物が酸化（燃焼）するためである。
【０１０６】
次に、第１実施例の第１の炭素物質と第２実施例の第２の炭素物質の生成メカニズムについて説明する。これについては不明な点が多いが、発明者は次のような生成メカニズムによって形成されると考える。
【０１０７】
図２４は、第１の炭素物質の生成モデルを示す図である。ここで、図２４（ｂ）および図２４（ｃ）は、図２４（ａ）の四角部分の拡大図である。
図２４（ａ）に示すように、まず、Ｎｉ（もしくはその酸化物）及びＩｎ（もしくはその酸化物）もしくはそれらの合金又は合金酸化物もしくはそれらの混合体がコア微粒子（構造体１０）を形成する。ここで、図２２（ｂ）は、コア微粒子の表面の拡大図である。
【０１０８】
次に、図２４（ｂ）及び図２４（ｃ）に示すように、コア粒子の表面においてシード粒子（構造体表面の触媒１１）が形成される。コア粒子の表面から、シード触媒（触媒１１の全部又は一部が脱離した触媒３０）が脱離しつつ、チューブ状ナノファイバ（線状体２０）を形成する。シード触媒の形状は、円錐状もしくは多角錘状である。従って、ナノチューブの成長形態は先端成長である。触媒表面に炭素が溶け込み、過飽和状態になって、炭素を繊維状に析出する。錘状触媒の先端には炭素が侵入しにくいので、析出する炭素繊維はチューブ状となる。
【０１０９】
図２５は、第２の炭素物質の生成モデルを示す図である。ここで、図２５（ｂ）および図２５（ｃ）は、図２５（ａ）の四角部分の拡大図である。
図２５（ａ）及び図２５（ｂ）に示すように、Ｎｉ（もしくはその酸化物及びＩｎ（もしくはその酸化物）もしくはそれらの合金又は合金酸化物もしくはそれらの混合体がサイトコア粒子（構造体１０）の前駆体を形成する。それらの表面および境界においてシード粒子（構造体表面の触媒１１，１２，１３：それぞれの全部又は一部が脱離したものが触媒３０，３１，３２であると考える）が形成される。このシード粒子は、双対円錐（両円錐）状もしくは双対多角錘状である。
【０１１０】
次に、図２５（ｃ）に示すように、このシード粒子（触媒１１）の両側に炭素繊維（線状体２１）が析出する。従って、サイトコア前駆体の境界領域のシード粒子に析出する繊維がサイトコアを引き離す。一方、サイトコア前駆体の表面のシード粒子（触媒１２）に析出する繊維（線状体２２）は、同一のサイトコアに接続するようにループ状にジョイントナノファイバを形成する。また、サイトコア前駆体の表面のシード粒子（触媒１３）に析出する繊維（線状体２０）は、サイトコアに接続しないジョイントファイバより細いチューブ状ナノファイバであるジョイントレスファイバを形成する。
【０１１１】
このようにして、第２の炭素物質（ジョイントウェブファイバ）は、サイトコア粒子（金属または酸化物）、サイトコア粒子間を結ぶジョイントファイバ、同一のサイトコア粒子に接続しているジョイントファイバ、およびサイトコア粒子から発生したジョイントファイバより細いチューブ状ナノファイバ（ジョイントレスファイバ）で構成される。このうち、最後のジョイントレスファイバは、ナノチューブイガ粒子のそれと同様である。
【０１１２】
なお、第３の炭素物質については、サイトコア粒子（構造体１０）がはじめに分離して形成されており、ジョイントファイバが形成されないということ以外は、第２の炭素物質の生成モデルと同様であると考えられる。
【０１１３】
図２６は、電子放出素子の電子放出特性を測定するための装置を示している。この測定装置は、本発明の炭素物質を電子放出材料として使用した電子放出素子（電子放出源）の電子放出特性を測定するためのものである。
【０１１４】
図２６において、真空チャンバ１００中に、ガラスからなる基板（カソード基板）１０１とガラスからなる基板（アノード基板）１０２を対向配置する。基板１０１の上には、ＩＴＯからなるカソード電極１０３と、本発明の第１の炭素物質１０４を含む層（エミッタ層）を形成する。基板１０２の上には、アルミニウムからなるアノード電極（兼引き出し電極）１０５を形成する。基板１０１と基板１０２間の距離は、２５μｍに設定する。また、カソード電極１０３とアノード電極１０５との間には、直流電源１０６及び電流計１０７を直列接続した。
【０１１５】
図２７及び図２８は、図２６の測定装置を用いて、第１の炭素物質を電子放出材料として使用した電子放出素子の電子放出特性を示すデータである。
図２７は、電圧（Ｖ）−電流（Ｉ）特性の評価結果を示す。また、図２８は、そのＦｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍ（Ｆ−Ｎ）プロットを示す。図２７及び図２８に示すように、電界電子放出が行われていることがわかる。
【０１１６】
ここで、第１の炭素物質１０４を含む層については、生成された第１の炭素物質を粉砕処理してペーストにし、カソード電極１０３上に所定のパターンで印刷形成した後、５００℃で１０分間大気焼成を行うことにより形成した。
【０１１７】
上記測定では、基板１０１と基板１０２間の距離を２５μｍに設定した。しかし、炭素物質は、基板１０１上から盛り上がった状態で被着されている。このため、炭素物質とアノード電極１０５との間の実際の距離は、２５μｍよりも短くなっている。
【０１１８】
本発明の第２の炭素物質を電子放出材料として使用した電子放出素子の電子放出特性についても、同様である。
ここで、第２の炭素物質（ジョイントウェブファイバ）を電子放出材料に使用する場合には、ジョイントレスファイバは電子放出に寄与する。しかし、ジョイントファイバはほとんど電子放出に寄与しないと考えられる。このため、第２の炭素物質全体に超音波分散処理及び／又は機械的な分散処理を施して、触媒部分でジョイントファイバを分離させた状態で使用するのが好適である。これは、第３の炭素物質についても同様である。
【０１１９】
【発明の効果】
本発明によれば、新規な炭素物質とその製造方法を提供することができる。特に電子放出素子に適した炭素物質及びその製造方法を提供することができる。また、本発明によれば、電子放出特性に優れた電子放出素子を提供することができる。さらに、本発明によれば、各種母体との密着性等に優れた複合材料を提供することができる。特に、電磁波の吸収に優れた電磁波吸収剤を提供することができる。
【０１２０】
それから、一次電池の電極，二次電池の電極あるいは二次電池の電極への混合材料，燃料電池の触媒担持体，ガス貯蔵装置のガスを蓄える材料，ガス・液体浄化装置のフィルタ，潤滑材，金属やセラミックス，ガラスなどの研磨剤に適した炭素物質及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る炭素物質の製造方法に使用する製造装置の概略図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る電子放出素子を使用した電子放出装置の断面図である。
【図３】本発明の第１実施例に係る炭素物質の製造方法によって製造した第１の炭素物質を示すＳＥＭ写真である。
【図４】本発明の第１実施例に係る炭素物質の製造方法によって製造した第１の炭素物質を示すＳＥＭ写真である。
【図５】本発明の第１実施例に係る炭素物質の製造方法によって製造した第１の炭素物質を示すＴＥＭ写真である。
【図６】本発明の第１実施例に係る第１の炭素物質の構造を概略的に示した図である。
【図７】本発明の第１実施例に係る第１の炭素物質の構成成分を分析した結果を示す図である。
【図８】本発明の第２実施例に係る炭素物質の製造方法によって製造した第２の炭素物質を示すＳＥＭ写真である。
【図９】本発明の第２実施例に係る炭素物質の製造方法によって製造した第２の炭素物質を示すＳＥＭ写真である。
【図１０】本発明の第２実施例に係る炭素物質の製造方法によって製造した第２の炭素物質を示すＴＥＭ写真である。
【図１１】本発明の第２実施例に係る第２の炭素物質の構造を概略的に示した図である。
【図１２】本発明の第２実施例に係る第２の炭素物質の構成成分を分析した結果を示す図である。
【図１３】本発明の第３実施例に係る炭素物質の製造方法によって製造した炭素物質を示すＳＥＭ写真である。
【図１４】本発明の第４実施例に係る炭素物質の製造方法によって製造した炭素物質を示すＳＥＭ写真である。
【図１５】本発明の第５実施例に係る炭素物質の製造方法によって製造した炭素物質を示すＳＥＭ写真である。
【図１６】本発明の第６実施例に係る反応温度と炭素固定速度・成長した炭素物質の種類の関係を示す図である。
【図１７】本発明の第６実施例に係る炭素物質の製造方法によって製造した炭素物質を示すＳＥＭ写真である。
【図１８】本発明の第７実施例に係る基板位置と炭素固定速度・電気炉内実温度・成長した炭素物質の種類の関係を示す図である。
【図１９】本発明の第７実施例に係る炭素物質の製造方法によって製造した炭素物質を示すＳＥＭ写真である。
【図２０】本発明の第８実施例に係るガスの流量と成長した炭素物質の関係を示す図である。
【図２１】本発明の第９実施例に係る反応時間と炭素固定速度・電気炉内実温度・成長した炭素物質の種類の関係を示す図である。
【図２２】本発明の第１０実施例に係る炭素物質の製造方法によって製造した第３の炭素物質を示すＳＥＭ写真である。
【図２３】本発明の第１０実施例に係る第３の炭素物質の構造を概略的に示した図である。
【図２４】本発明の第１の炭素物質の生成メカニズムを説明するための図である。
【図２５】本発明の第２の炭素物質の生成メカニズムを説明するための図である。
【図２６】本発明の実施例に係る電子放出素子の電子放出特性を測定する装置の概略図である。
【図２７】本発明の実施例に係る第１の炭素物質を使用した電子放出素子の電子放出特性（Ｖ−Ｉ特性曲線）を示す図である。
【図２８】本発明の実施例に係る第１の炭素物質を使用した電子放出素子の電子放出特性（Ｆ−Ｎプロット）を示す図である。
【符号の説明】
１…反応炉（反応容器）、
２…原料ガスを供給するガスボンベ、
３…特定ガス（希釈ガス）を供給するガスボンベ、
４…ガス流量制御器、
５…触媒（触媒パウダー，触媒膜など）、
６…基板、
７…加熱装置、
８…排気装置、
１０…構造体（ベースとなる触媒を有する構造体）、
１１，１２…構造体表面の触媒、
１３…構造体表面の触媒（複数の構造体の間に存在する触媒）、
２０…線状体（ジョイントレスファイバ）、
２１…線状体（ジョイントファイバ）、
２２…線状体（ループファイバ）、
３０，３１，３２…触媒粒子、
１００…真空チャンバ、
１０１…基板（カソード基板）、
１０２…アノード基板、
１０３…カソード電極（第１電極）、
１０４…炭素物質の層（電子放出材料）、
１０５…アノード電極（第２電極）、
１０６…直流電源、
１０７…電流計、
２００…真空容器、
２０１…カソード基板（基板）、
２０２…アノード基板（封止部材）、
２０３…側面板（封止部材）、
２０４…カソード電極（第１電極）、
２０５…炭素物質を含む電子放出材料、
２０６…アノード電極（図２（ａ）における第２電極）、
２０７…蛍光体層、
２０８…グリッド電極（図２（ｂ）における第２電極）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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