(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ発生領域と前記プラズマ発生領域に連絡する冷却領域とを有する反応室と、前記プラズマ発生領域にプラズマ炎を発生させるプラズマ発生要素と、前記プラズマ発生領域に粒子源を供給する粒子源供給要素と、前記冷却領域から前記プラズマ発生領域に向けてガス状のコート源を供給するコート源供給要素と、を有し、
前記コート源供給要素は、前記冷却領域から前記プラズマ発生領域に向けて延び前記プラズマ発生領域に向けて開口する供給管を有する、コート粒子製造装置。
【請求項２】
前記供給管の開口は、前記プラズマ発生要素が発生させる前記プラズマ炎の尾炎部よりも前記冷却領域側にある、請求項１に記載のコート粒子製造装置。
【請求項３】
前記コート源は、炭化水素ガスおよび／またはその誘導体ガスである、請求項１又は請求項２に記載のコート粒子製造装置。
【請求項４】
外界から前記反応室への大気の流入を妨げる遮断要素を備える、請求項１〜請求項３の何れか一項に記載のコート粒子製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子と、当該粒子をコートするコート層とを有するコート粒子を製造するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ炎を用いて粒子を製造する技術が知られている。例えば、プラズマ発生要素により発生したプラズマ炎に、粒子の原料つまり粒子源を曝すことで、種々の粒子を得ることができるとされている。このような技術の一例として、特許文献１に紹介されているように、粒子状の粒子源をプラズマ炎により溶融させて球状の粒子を得る技術を挙げることができる。或いは、特許文献２に紹介されているように、粒子源を２種以上の材料で構成して化合物および／または複合材料からなる粒子を形成する技術を挙げることができる。
【０００３】
このように、プラズマ炎を用いて粒子を製造する技術としては従来から様々なものが知られているが、近年では、多様な粒子製造技術の開発が求められており、プラズマ炎を用いた粒子製造技術についても更なる発展が期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−２４６２０３号公報
【特許文献２】特開２０１１−１６８４１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上記した事情に鑑みてなされたものであり、プラズマを用い粒子を製造するための新規な製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の発明者等は、鋭意研究の結果、特別な製造装置を用いて、上記した粒子源をプラズマ炎に供給するとともに、プラズマ炎を通過した粒子源にガス状のコート源を供給して、粒子源を原料とする粒子にコート源を原料とするコート層が形成された粒子を得るに至った。
【０００７】
より詳しくは、上記課題を解決する本発明のコート粒子製造装置は、
プラズマ発生領域と前記プラズマ発生領域に連絡する冷却領域とを有する反応室と、前記プラズマ発生領域にプラズマ炎を発生させるプラズマ発生要素と、前記プラズマ発生領域に粒子源を供給する粒子源供給要素と、前記冷却領域から前記プラズマ発生領域に向けてガス状のコート源を供給するコート源供給要素と、を有する装置である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のコート粒子製造装置によると、粒子の表面の少なくとも一部がコート層で覆われたコート粒子を得ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例のコート粒子製造装置を模式的に表す説明図である。
【図２】実施例のコート粒子製造装置で製造したコート粒子のＥＤＸ分析結果である。
【図３】実施例のコート粒子製造装置で製造したコート粒子のＥＤＸ分析結果である。
【図４】実施例のコート粒子製造装置で製造したコート粒子のＥＤＸ分析結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、必要に応じて、本発明のコート粒子製造装置を単に「本発明の装置」と略する場合がある。また、本発明のコート粒子製造装置で得られたコート粒子を、単に「本発明のコート粒子」と略する場合がある。さらに、後述する実施例のコート粒子製造装置を単に「実施例の装置」と略する場合がある。
【００１１】
本発明の装置によると、上記したように、粒子源を原料とする粒子と、コート源を原料とし当該粒子の少なくとも一部を覆うコート層と、を有するコート粒子を製造し得る。
本発明の装置においては、粒子源供給要素が供給する粒子源をプラズマ炎に通過させることで、少なくとも一部がプラズマ処理されてなる粒子を得ることができる。そして、粒子源供給要素とは別に設けたコート源供給要素が供給するコート源を当該粒子に接触させることで、粒子の表面の少なくとも一部にコート層を形成することができる。コート層は粒子上に形成されれば良く、コート層と粒子とが完全に異なる組成であっても良いが、コート層の一部と粒子の一部とが同じ組成であっても良い。つまり、コート層の一部と粒子の一部とが界面で反応していても良い。
【００１２】
以下、具体例を挙げつつ本発明のコート粒子製造装置を説明する。なお、特に断らない限り、本明細書に記載された数値範囲「ｘ〜ｙ」は、下限ｘおよび上限ｙをその範囲に含む。そして、これらの上限値および下限値、ならびに実施形態中に列記した数値も含めてそれらを任意に組み合わせることで数値範囲を構成し得る。さらに数値範囲内から任意に選択した数値を上限、下限の数値とすることができる。
【００１３】
（実施例）
実施例のコート粒子製造装置を模式的に表す説明図を図１に示す。
図１に示すように、実施例のコート粒子製造装置は、プラズマ発生要素１と、粒子源供給要素３と、チャンバ５と、コート源供給要素７と、遮断壁８と、を有する。
【００１４】
プラズマ発生要素１は、プラズマ炎を発生させるための装置であり、実施例においては高周波誘導熱プラズマ装置を用いた。高周波誘導熱プラズマ装置は、プラズマ発生部１０と制御部２０とを有する。実施例の製造装置におけるプラズマ発生部１０は、高周波電源１１、誘導コイル１２、冷却要素１３、および、ガス供給要素１４を有する。制御部２０については後述する。高周波電源１１は誘導コイル１２に電気的に接続され、誘導コイル１２は略筒状をなすプラズマトーチ５０の外周部に巻回されている。プラズマトーチ５０は、後述する反応室５２の一部を構成する。
【００１５】
実施例におけるガス供給要素１４は第１供給経路１５、第２供給経路１６および第３供給経路１７からなる３つの経路でプラズマトーチ５０にガスを供給する。ガス供給要素１４がプラズマトーチ５０に供給するガスは、上記したプラズマ発生要素１によってプラズマ化され易いガスである。以下、必要に応じて、当該「プラズマ化され易いガス」を「プラズマガス」と呼ぶ。実施例においてはプラズマガスとしてＡｒおよびＨｅを用いた。
【００１６】
プラズマ発生要素１は、プラズマ炎を発生させ得るものであれば良く、当該プラズマ発生要素１が生じるプラズマ炎は、所謂熱プラズマであっても良いし、低温プラズマであっても良い。本発明の装置で製造しようとする粒子が粒子径の小さいものである場合、特に平均粒子径５００ｎｍ以下のナノ粒子を製造する場合には、プラズマ発生要素１として熱プラズマを生じ得るものを用いるのが好ましい。熱プラズマを発生させる方法としては、実施例で用いた高周波誘導加熱に限らず、直流アーク放電やマイクロ波等を用いても良い。
【００１７】
第１供給経路１５にはＡｒガスが流通する。第１供給経路１５は第１経路１５ａおよび第１経路１５ｂとを有する。第１経路１５ａは、Ａｒガス用のガス容器４０と、制御部２０と、に連絡する。第１経路１５ｂは、制御部２０と、プラズマトーチ５０と、に連絡する。制御部２０は、第１経路１５ａと第１経路１５ｂとの間に介在する図略の電磁弁と、当該電磁弁を開閉制御可能な図略の演算要素と、を有する。したがって制御部２０は、第１供給経路１５を通じてプラズマトーチ５０にＡｒガスを供給するとともに、当該Ａｒガスの流量を自在に調整可能である。第１供給経路１５はプラズマトーチ５０における径方向の略中心部分にＡｒガスを供給する。
【００１８】
第２供給経路１６にはＡｒガスとＨｅガスとの混合ガスが流通する。Ｈｅガスはプラズマガスとして機能する。ＡｒガスとＨｅガスとの混合ガスをプラズマガスとして用いることで、Ａｒガスのみをプラズマガスとして用いる場合に比べてプラズマ炎の温度を高めることができる。ＨｅガスとＡｒガスとの比率にもよるが、実施例の装置を用いる場合には、Ａｒガスのみをプラズマガスとして用いる場合のプラズマ炎の温度は１００００℃程度であり、ＡｒガスとＨｅガスとの混合ガスをプラズマガスとして用いる場合のプラズマ炎の温度は１５０００℃程度である。Ａｒに混合するプラズマガスとしては、混合ガスの総熱量を高め得るものを使用でき、例えばＨｅ以外にもＨ２やＮ２を例示できる。
さらに、Ｈｅ等の熱伝導率の高いプラズマガスを用いることで、装置の冷却効率を向上させることができ、その結果プラズマの出力を大きくでき、ひいてはプラズマ炎の温度を高め得る利点もある。さらには、熱伝導率の高いプラズマガスを用いれば、粒子源の加熱効率を向上させ得る利点もある。
【００１９】
第２供給経路１６は第２経路１６ａ、第２経路１６ｂ、および、第２経路１６ｃで構成されている。
第２経路１６ａはＡｒガス用のガス容器４０と制御部２０とに連絡する。第２経路１６ａは、第１供給経路１５の第１経路１５ａと共通である。第２経路１６ｂは、Ｈｅガス用のガス容器４１と、制御部２０と、に連絡する。第２経路１６ｃは、制御部２０とプラズマトーチ５０とに連絡する。
【００２０】
制御部２０は、第２供給経路１６を通じてプラズマトーチ５０にＡｒガスとＨｅガスとの混合ガスを供給するとともに、図略の電磁弁および演算要素により当該混合ガスの流量を自在に調整可能である。第２供給経路１６は第１供給経路１５よりも径方向外側の位置においてプラズマトーチ５０に混合ガスを供給する。
【００２１】
第３供給経路１７にはＡｒガスが流通する。第３供給経路１７は粒子源供給要素３に接続され、粒子源供給要素３はプラズマトーチ５０に接続されている。粒子供給要素３は、収容槽３０と、収容槽３０とプラズマトーチ５０とに連絡する粒子源供給経路３０ａとを有する。実施例において、粒子源としては平均粒子径３〜５μｍ程度のＳｉ粉末を用いた。このＳｉ粉末は粒子源供給要素３の収容槽３０に収容される。
【００２２】
第３供給経路１７に流通するガスはＡｒであり、第３供給経路１７は、第３経路１７ａ、第３経路１７ｂ、および、上記の粒子供給要素３の一部からなる粒子源供給経路３０ａを有する。第３経路１７ａは、Ａｒガス用のガス容器４０と制御部２０とに連絡する。第３経路１７ａは、第２経路１６ａおよび第１経路１５ａと共通である。第３経路１７ｂは、制御部２０と収容槽３０とに連絡する。収容槽３０に供給されたＡｒガスは、粒子源つまりＳｉ粉末とともに、粒子源供給経路３０ａを通ってプラズマトーチ５０に供給される。つまり粒子源はＡｒガスによって搬送され、プラズマトーチ５０に供給される。制御部２０は第３供給経路１７を通じて収容槽３０の内部にＡｒガスを供給するとともに、図略の電磁弁および演算要素によって当該Ａｒガスの流量、および、当該Ａｒガスによって運搬されプラズマトーチ５０に供給される粒子源の量を調整可能である。
【００２３】
実施例においては粒子源としてＳｉ粉末つまり粉末状をなす単一または略単一の物質を用いたが、粒子源はこれに限らず種々のものを使用可能である。例えば、粒子源はガス状であっても良いし、液体状であっても良い。或いは、粒子源を２種以上の物質で構成しても良い。この場合、異なる２種の粒子源はプラズマ炎を通過することで反応し化合物となっても良いし、プラズマ炎を通過する前に反応して化合物となっても良いし、互いに反応せずに単一物質の混合物のままであっても良い。つまり、粒子源は、プラズマ炎により何らか処理がなされ得るものであれば良い。
【００２４】
粒子源として固体のものを用いる場合には、プラズマ炎に略均一に曝されるように、粉末状にするのが好ましい。粉末状の粒子源としては、具体的には、平均粒子径１０ｍｍ以下のものが好ましく、１ｍｍ以下のものがより好ましく、１００μｍ以下のものが更に好ましい。取り扱い性を考慮すると、粉末状の粒子源は、平均粒子径１００ｎｍ以上のものが好ましく、５００ｎｍ以上のものがより好ましく、１μｍ以上のものが更に好ましい。なお、ここでいう平均粒子径とは、一般的なレーザー回折式粒度分布測定装置で測定した場合のＤ５０を指す。
【００２５】
何れの場合にも、粒子源はプラズマ炎を通過した後に粒子を形成すれば良く、更に言えば、粒子源はプラズマ炎を通過した後に、後述するコート層によってコートされる核のようなものを構成するのが良い。実施例では粒子源をプラズマガスであるＡｒガスによって搬送したが、粒子源を搬送するガスは他の供給経路に流通するプラズマガスとは異なるプラズマガスであっても良く、例えば、上記したＡｒガスやＨｅガスよりもプラズマ化し難いものを用いても良い。
【００２６】
粒子源がガス状である場合、プラズマガスつまりＡｒガスやＨｅガスと同様に、粒子源ガスの供給量を制御部２０で直接制御しても良い。この場合、粒子源供給要素３に収容槽３０を設けなくても良い。そしてこの場合には、粒子源供給経路３０ａは粒子源ガス用のガス容器（図略）と制御部２０とに連絡するとともに、制御部２０とプラズマトーチ５０とに連絡すれば良い。なお、この場合にも、必要に応じて粒子源ガスとプラズマガスとの混合ガスをプラズマトーチ５０に供給しても良い。粒子源ガスと混合するガスは、上記と同様に、他の供給経路に流通するプラズマガスと同じものであっても良いし、異なっても良い。
【００２７】
冷却要素１３はプラズマ発生要素１を冷却する。冷却要素１３は、第１供給経路１５〜第３供給経路１７とプラズマトーチ５０との接続部分付近を冷却する第１冷却経路１３ａと、プラズマトーチ５０を冷却する第２冷却経路１３ｂと、を有する。第１冷却経路１３ａおよび第２冷却経路１３ｂにはクーラントが流通する。実施例の装置においてはクーラントとして水を用いている。クーラントの流通方向は、図１中白抜き矢印で示す方向である。
【００２８】
チャンバ５は、上記したプラズマトーチ５０と主室５１とを有する。主室５１はプラズマトーチ５０よりも大型の有底筒状をなし、プラズマトーチ５０は主室５１の上方に配置され、プラズマトーチ５０の内部と主室５１の内部とは連通している。
【００２９】
主室５１の内部には、さらに、筒状をなす遮断壁８が配設されている。遮断壁８の内部には、供給管７０が収容されている。遮断壁８は主室５１の中心部に配置され、上下方向に延び、主室５１の内部を径方向に二つに区画している。主室５１のなかで遮断壁８の内側に位置する領域を内部領域５５と呼び、遮断壁８の外側に位置する領域を外部領域５６と呼ぶ。
プラズマトーチ５０の内部５４、および、これに連続する内部領域５５の上部分は、プラズマ炎６が発生するプラズマ発生領域Ｘを構成する。内部領域５５の下部分はプラズマ発生領域Ｘに連絡する冷却領域Ｙを構成する。したがって、実施例の装置においては、プラズマトーチ５０および遮断壁８によって、プラズマ発生領域Ｘおよび冷却領域Ｙを有する反応室５２が区画形成されている。
【００３０】
反応室５２はコート源供給要素７に連絡している。コート源供給要素７は筒状をなす供給管７０と、供給管７０に連絡するコート源供給部７１とを有する。コート源供給部７１は、第４経路７１ａと第４経路７１ｂとを有する。第４経路７１ａは、ガス状のコート源を収容するガス容器４２と、制御部２０と、に連絡する。第４経路７１ｂは、制御部２０と供給管７０とに連絡する。
【００３１】
反応室５２における冷却領域Ｙを区画する底壁５２ｗには、反応室５２の内外を連通する開口５２ｏが設けられている。供給管７０はこの開口５２ｏに挿通され、冷却領域Ｙからプラズマ発生領域Ｘに向けて延びるとともに、プラズマ発生領域Ｘに向けて開口する。より具体的には、供給管７０の開口７０ｏはプラズマトーチ５０の開口５０ｏに対面し、プラズマトーチ５０の開口５０ｏよりも冷却領域Ｙ側にある。実施例の装置において、供給管７０の開口７０ｏとプラズマトーチ５０の開口５０ｏとの距離は２００ｍｍであった。実施例におけるコート源ガスは、ＣＨ４ガスとＡｒガスとの混合ガスであり、このコート源ガスは第４経路７１ｂおよび供給管７０に流通する。具体的にはＣＨ４ガスの流量は１Ｌ／分であり、Ａｒガスの流量は９Ｌ／分であった。
【００３２】
遮断壁８には連通口８０ａが設けられ、主室５１の周壁にはこの連通口８０ａに対向する位置に連通口８０ｂが設けられている。連通口８０ａには筒状の排気管８１の一端部が固着されている。つまり、排気管８１の一端部は連通口８０ａを通じて反応室５２に開口している。排気管８１の他端部は、連通口８０ｂに挿通されて外界に延びている。排気管８１の他端部には排気フィルタ８２が取り付けられている。したがって、反応室５２と外界とは、排気管８１および排気フィルタ８２を通じて連絡する。なお、排気フィルタ８２のさらに先側には図略の吸引ポンプが取り付けられ、吸引ポンプは反応室５２内のガスを外界に向けて吸引している。供給管７０と主室５１との継ぎ目７３ａ、遮断壁８と主室５１との継ぎ目７３ｂ、遮断壁８における連通口８０ａの周縁部と排気管８１との継ぎ目７３ｄ、および、主室５１における連通口８０ｂの周縁部と排気管８１との継ぎ目７３ｆは、気密に封止されている。したがって、遮断壁８の内側つまり反応室５２から外界への大気の流出は許可されているものの、外界から反応室５２への大気の流入は抑止されている。言い換えると、外界から反応室５２への大気の流入は、遮断壁８によって妨げられている。つまり、遮断壁８は本発明の装置における遮断要素に相当する。
【００３３】
遮断壁８には反応室冷却経路７８が一体化されている。反応室冷却経路７８は、内部に流通するクーラントによって遮断壁８および反応室５２を冷却する。上記した冷却要素１３と同様に、反応室冷却経路７８に流通するクーラントは水である。
【００３４】
以下、実施例の装置の動作を説明する。
誘導コイル１２が高周波電源１１からの給電を受けると、誘導コイル１２の近傍にある導電体が誘導加熱される。実施例においては、誘導コイル１２はプラズマトーチ５０に巻回されているため、導電体であるプラズマトーチ５０が発熱し、プラズマトーチ５０の内部５４もまた加熱される。プラズマトーチ５０の内部５４には第１供給経路１５〜第３供給経路１７によりプラズマガスが供給されているため、プラズマトーチ５０の内部５４においては、プラズマガスがプラズマ化されて、プラズマ炎６が生じる。
【００３５】
プラズマトーチ５０の内部５４には、粒子源供給経路３０ａを介して粒子源が供給される。この粒子源は、第３供給経路１７に流通するプラズマガスとともにプラズマトーチ５０に供給され、プラズマ炎６に曝される。プラズマ炎６の温度は１５０００℃程度であり、Ｓｉの沸点よりも高温であるため、プラズマ炎６に曝された粒子源の少なくとも一部は溶融および／または気化して、液状および／またはガス状になると推測される。実施例においては平均粒子径３〜５μｍ程度の比較的小径のＳｉ粉末を用いているため、粒子源の大部分はガス状になると推測される。
【００３６】
なお、実施例においては、高周波電源１１の出力は電力３３ｋＷ、周波数４ＭＨｚであった。第１供給経路１５には、Ａｒガスを流量５Ｌ／分で流通させた。第２供給経路１６には、ＡｒガスとＨｅガスとの混合ガスを、Ａｒガスの流量５５Ｌ／分、かつ、Ｈｅガスの流量５Ｌ／分で流通させた。第３供給経路１７には、Ａｒガスを流量３Ｌ／分で流通させた。これらのプラズマガスは、上記の各流量でプラズマトーチ５０に供給された。実施例の装置において、反応室５２内の圧力は１０１．３ｋＰａであった。さらに、粒子源つまりＳｉ粉末のプラズマトーチ５０への供給量は６００ｍｇ／分であった。
【００３７】
ところで、上述したように遮断壁８は水冷されているため、反応室５２の内部の温度は、プラズマトーチ５０の内部５４から遮断壁８の内部つまり内部領域５５に向けて急変する。換言すると、反応室５２の内部の温度は、プラズマ発生領域Ｘから冷却領域Ｙに向けて急変する。さらに換言すると、反応室５２の内部においては、プラズマ発生領域Ｘから冷却領域Ｙに向けて非常に大きな温度勾配が生じる。このため、液状およびガス状の粒子源は急冷されて相変化し、同時に多数の微粒子が生成すると考えられる。ここで、温度勾配が小さいと、生成した粒子に他の粒子が結着することで、粒子が大きく成長すると考えられる。したがって、この温度勾配が大きければ大きい程、小径の粒子を得ることができるといえる。
【００３８】
反応室５２の内部には、冷却領域Ｙからプラズマ発生領域Ｘに向けて、供給管７０が延設され、この供給管７０からプラズマ発生領域Ｘに向けて、ガス状のコート源が供給される。実施例の装置ではコート源としてＣＨ４を用いているため、このとき、プラズマ処理で得られた粒子の表面にＣＨ４ガスが接触する。プラズマ発生領域Ｘ或いはその近傍の温度や、粒子表面の温度は比較的高いため、供給管７０から供給されたＣＨ４ガスは粒子表面で分解され、粒子表面には炭素のコート層が形成されると考えられる。コート源ガスの流量は適宜設定すれば良く、実施例のようにプラズマガスとして使用したガスと同じガスに混合して用いても良いし、コート源ガスを単独で用いても良い。コート層を形成することだけを考慮すると、０．１〜５Ｌ／分程度のコート源ガスを供給すれば良く、上記したプラズマ発生領域Ｘから冷却領域Ｙに向けて温度勾配を大きくすることを考慮すると、１０〜２０Ｌ／分程度のコート源ガスを供給するのが好ましい。なお、実施例のように、上記の範囲の流量のコート源ガスにさらにＡｒガス等のガスを加えた混合ガスを用いることで、必要以上に多量のコート源ガスを用いることなく、大きな温度勾配を形成するのに充分な量のガスを反応室５２に供給できる。
【００３９】
炭素のコート層が形成された粒子、つまり、コート粒子は、自重で反応室５２の下部に降下する。主室５１の周壁には開閉可能な第１の窓部（図略）が設けられ、遮断壁８には、第１の窓部に対面する位置に第２の窓部（図略）が設けられている。第１の窓部および第２の窓部は開閉可能であり、第１の窓部および第２の窓部を開くことでコート粒子を回収可能である。なお、窓部を閉じると、主室５１の周壁における第１の窓部以外の部分と第１の窓部とは気密にシールされ、また、遮断壁８における第２の窓部以外の部分と第２の窓部とは気密にシールされる。窓部の位置は特に問わず、例えば主室５１の底壁５２ｗであっても良い。或いは、フィルター８２からコート粒子を回収しても良い。
【００４０】
実施例の装置で得られたコート粒子は、平均粒子径１０〜１００ｎｍ程度であった。なお、コート粒子の平均粒子径は、粉末を走査型電子顕微鏡や透過型電子顕微鏡などの電子顕微鏡で観察した場合における、粒子の最長径の算術平均値を意味する。
【００４１】
実施例の製造装置で得られたコート粒子をＭｏ製のメッシュ上に分散させて、コート粒子をこのメッシュごとＴＥＭによって透過した。得られたコート粒子のＴＥＭ像における、（Ｉ）中心部、（ＩＩ）周縁部、および、（ＩＩＩ）中心部と周縁部との境界部分、の３箇所を、ＥＤＸを用いて組成分析した。結果を図２〜図４に示す。
なお、図２はコート粒子における（Ｉ）中心部の組成分析結果であり、図３はコート粒子における（ＩＩ）周縁部の組成分析結果であり、図４はコート粒子における（ＩＩＩ）中心部と周縁部との境界部分の組成分析結果である。
【００４２】
図２に示すように、コート粒子の中心部においてはＳｉに由来するピークの強度が高く、その他のピークは殆どなかった。このため、コート粒子の中心部分はＳｉを主成分とする粒子で構成されているといえる。また、図３に示すように、コート粒子の周縁部においてはＣに由来するピークの強度が高く、Ｓｉに由来するピークの強度は非常に低い。このため、コート粒子の周縁部は、Ｃを主成分とするコート層で構成されているといえる。さらに、図４に示すように、コート粒子の中心部と周縁部との境界部分においては、Ｃに由来するピークの強度とＳｉに由来するピークの強度とが同程度であった。このため、コート粒子における中心部と周縁部との境界部分は、ＳｉとＣとが混在しているといえ、当該境界部分はＳｉＣつまりコート源と粒子源との反応生成物で構成されていると推測される。
【００４３】
また、図４と図３とを照らし合わせると、コート粒子の境界部分においてはＣに対するＳｉの比が比較的高いのに対して、コート粒子の周縁部においてはＣに対するＳｉの比が非常に低いといえる。このため、コート粒子の周縁部つまりコート層は、ＳｉＣつまりコート源と粒子源との反応生成物ではなく、主としてコート源に由来するＣで構成されていることがわかる。つまりこの結果から、実施例の装置によると、粒子源を原料とする粒子がコート源を原料とするコート層で覆われた２層構造のコート粒子を得られるといえる。
なお、図２に示すように、コート粒子の中心部（Ｉ）においてもＣに由来するピークが検出される。これは、主としてコート粒子表面に存在したＣが透過したものと考えられる。
【００４４】
ところで、例えば、コート源を粒子源とともにプラズマ発生領域Ｘに供給する場合には、コート源もまたプラズマ炎６に曝され、粒子源の大部分とコート源の大部分とが反応してしまう場合がある。このような場合には、粒子源を原料とする粒子がコート源を原料とするコート層で覆われた２層構造のコート粒子を得るのが困難になる場合がある。つまり、粒子源とコート源とをともにプラズマ炎６に曝す場合には、コート源と粒子源との反応生成物が得られるために、上記した２層構造のコート粒子が得られない場合がある。
【００４５】
本発明の装置によると、コート源を粒子源とは異なる経路で反応室５２に供給することで、上記した２層構造のコート粒子を得ることが可能である。特に、実施例の装置のように供給管７０によってコート源を適正な位置にまで案内することで、コート源と粒子源との不都合な反応の頻度を低下させることができ、コート粒子を製造し易い利点がある。さらに、本発明の装置は、粒子形成とコート層形成とを同一の反応場でおこなうことができるため、大気や水分に反応して不安定な成分を含む粒子についても、当該反応を回避または抑制しつつ好適に炭素コートされたコート粒子を提供できる利点がある。
【００４６】
実施例の装置は供給管７０を持つが、本発明の装置においては供給管７０は必須ではない。例えば、冷却領域Ｙに開口を設け、この開口からプラズマ発生領域Ｘに向けてガス状のコート源を吐出しても良い。この場合、コート源を吐出する開口は、冷却領域Ｙにおいてプラズマトーチ５０の開口５０ｏに対面する位置に設けるのが好ましい。そして、ガス状のコート源を、プラズマトーチ５０の開口５０ｏから流出するプラズマガスに対向する方向に、かつ、プラズマガスの流体圧に対抗してガス状のコート源が粒子に届くような流量で、吐出できれば良い。この場合にも、プラズマ発生領域Ｘの逆側つまり冷却領域Ｙ側からプラズマ発生領域Ｘに向けてガス状のコート源を供給することで、コート源がプラズマ炎６に曝され難くなり、コート源のプラズマ化や燃焼等を抑制するとともに、コート源と粒子源との不都合な反応を抑制できる。したがって、この場合においても本発明の装置は、コート源と粒子源との反応生成物の生成を抑制しつつコート粒子を製造するのに有利である。
【００４７】
他方、反応室５２の内部においてコート源が粒子に接触する位置が、プラズマ尾炎部６０から大きく離間していると、コート源がプラズマ炎６によって充分に加熱されず、コート源によるコート層を粒子上に充分な厚さに形成し難くなる場合もある。このため、反応室５２の内部へのコート源の供給位置は、適正にコントロールするのが好ましいと考えられる。
【００４８】
反応室５２の内部へのコート源の好ましい供給位置は、プラズマ炎６のプラズマ尾炎部６０よりもやや冷却領域Ｙ側であると考えられる。コート源をこのような位置に供給するためには、コート源を供給管７０によってプラズマ尾炎部６０の近傍にまで搬送し、かつ、供給管７０の開口７０ｏとプラズマ炎６との位置関係をコントロールするのが良いと考えられる。なお、本発明で言うプラズマ尾炎部６０とは、プラズマ炎６の先端部を指す。
【００４９】
プラズマ炎６はプラズマトーチ５０内で生じるため、通常は、プラズマ尾炎部６０はプラズマトーチ５０の内部５４にあるか、プラズマトーチ５０の開口５０ｏ付近にある。このため、供給管７０の開口７０ｏが、プラズマ尾炎部６０つまりプラズマ炎６の先端部よりも更に冷却領域Ｙ側にあれば、コート源の全量がプラズマ炎６に直接曝されることはなく、コート源の全量が粒子源と不都合に反応してしまうこともない。
【００５０】
実施例の装置においては、供給管７０の開口７０ｏとプラズマトーチ５０の開口５０ｏとの位置関係を所定の関係にすることで、コート源の供給位置を適正な位置にすることができる。プラズマトーチ５０の開口５０ｏと供給管７０の開口７０ｏとの距離は１５０ｍｍ以上であるのが好ましく、１７５ｍｍ以上であるのがより好ましく、２００ｍｍ以上であるのがさらに好ましい。コート源と粒子源との不都合な反応を抑制するという観点からは、プラズマトーチ５０の開口５０ｏと供給管７０の開口７０ｏとの距離に上限はないが、厚膜のコート層を形成すると言う観点からは、プラズマトーチ５０の開口５０ｏと供給管７０の開口７０ｏとはある程度近接しているのが好ましく、プラズマトーチ５０の開口５０ｏと供給管７０の開口７０ｏとの距離は、５００ｍｍ以下であるのが好ましく、４００ｍｍ以上であるのがより好ましく、３００ｍｍ以上であるのがさらに好ましい。
【００５１】
実施例の装置は粒子源としてＳｉ粉末を用いたが、既述したように本発明の装置はこれに限らず種々の粒子源を使用可能である。またコート源に関しても、ガス状であれば良く、実施例で用いたＣＨ４に限定されない。例えば、本発明の装置で炭素のコート層を形成する場合には、炭化水素ガスおよび／またはその誘導体ガスを用いるのが好ましい。
【００５２】
コート源として使用可能な炭化水素ガスおよび／またはその誘導体ガスとしては、具体的には、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン等のアルカン類、アセチレン、メチルアセチレン、ブチン、ペンチン、へキチン、ヘプチン、オクチン等のアルキン類、エチレン、プロピレン、ブテン、ペンテン、ヘキテン、ヘプテン、オクテン等のアルケン類、フルオロカーボン、クロロフルオロカーボン、ハイドロフルオロカーボン等のフロン類、ジメチルエーテル、エチルメチルエーテル、ジエチルエーテル、エチルプロピルエーテル、ジプロピルエーテル、プロピルブチルエーテル、ジブチルエーテル、テトラヒドロフラン等のエーテル類、エチレングリコール、プロピレングリコール、グリセリン等のグリコール類、ギ酸メチル、ギ酸エチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酪酸メチル、酪酸エチル等のエステル類、ベンゼン、トルエン、キシレン、ピリジン、フラン等の芳香族類が挙げられる。これらは単独で用いても良いし、複数種を併用しても良い。なお、コート源は、少なくとも一部がガス状であれば良く、全体がガス状でなくても良い。
【００５３】
実施例の装置においては、遮断要素によって外界から反応室５２へのガスの流入を妨げている。このため反応室５２内に可燃性ガスであるＣＨ４を供給しかつプラズマ炎６を発生させているにも拘らず、実施例の装置は安全性に優れる。
【００５４】
実施例の装置においては筒状の遮断壁８を遮断要素としたが、本発明の装置における遮断要素はこれに限定されない。例えば、遮断壁８を設けず、排気管８１と主室５１との継ぎ目７３ｆをシール材でシールして、このシール材を遮断要素としても良い。何れの場合にも、遮断要素は外界から反応室５２への大気の流入経路を遮断できれば良い。更には、フロン等の不燃性のガスをコート源に用いる場合等には、本発明の装置は遮断要素を持たなくても良い。
【００５５】
実施例の装置においては、プラズマトーチ５０が上下に延び、プラズマ炎６が上方から下方に向けて発生するため、チャンバ５の上部領域がプラズマ発生領域Ｘを構成し、チャンバ５の下部領域が冷却領域Ｙを構成しているが、本発明の装置はこれに限定されない。例えばプラズマトーチ５０を水平方向に向け、プラズマ発生領域Ｘと冷却領域Ｙとを水平方向に並設しても良い。
この場合、コート粒子はプラズマガス等により水平方向に搬送されて冷却領域Ｙに到達する。つまり、反応室５２において、プラズマ発生領域Ｘはプラズマ発生要素１の近傍に形成され、冷却領域Ｙはプラズマ発生領域Ｘに対してプラズマガスの流れ方向の先側に形成されると言い換えることもできる。
【００５６】
実施例の装置においては、反応室冷却経路７８により反応室５２、より詳しくは反応室５２における冷却領域Ｙを冷却した。これは、プラズマ発生領域Ｘから冷却領域Ｙに至る粒子の通過経路の温度勾配を大きくすることで、小径の粒子を得るためである。上記したように、実施例の装置においては、平均粒子径１μｍ未満の微細なコート粒子が得られる。なお、ガス状のコート源は冷却領域Ｙを経てプラズマ発生領域Ｘに向けて供給されるため、プラズマ炎６を通過した粒子に比べると低温である。したがって、コート源をプラズマ発生領域Ｘに近い位置において粒子に接触させることで、プラズマ発生領域Ｘから冷却領域Ｙに至る粒子の通過経路の温度勾配をより大きくし、粒子を急冷することでより微細な粒子を得ることが可能である。
【００５７】
また、少なくとも、反応冷却経路７８よりもプラズマ発生領域Ｘに近い位置でコート源を粒子に接触させれば、プラズマ発生領域Ｘ近傍における反応室５２の温度勾配を充分に大きくして粒子を急冷でき、微細なコート粒子を製造可能である。つまり、微細なコート粒子を製造するためには、供給管７０の開口７０ｏを反応冷却経路７８よりもプラズマ発生領域Ｘに近い位置に設けるのが良い。
【００５８】
なお、本発明の装置は、このように小径の粒子を製造するのに有利であるが、例えば、これよりも大径の粒子を製造する場合には、反応室冷却経路７８を設けなくても良い。
【００５９】
更には、排気管８１に通じる連通口８０ａは外界と連絡しているため、比較的低温となる。したがって、微細なコート粒子を製造するためには、供給管７０の開口７０ｏを連通口８０ａよりもプラズマ発生領域Ｘに近い位置に設けるのが良い。
【００６０】
実施例の装置において、供給管７０および遮断壁８については、公知の熱プラズマ装置、例えば、高周波誘導熱プラズマ装置におけるプラズマトーチ５０や主室５１と同様の材料で構成すれば良く、例えば、ステンレススチール等の金属や、セラミックス、熱耐性プラスチック等を材料とすれば良い。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明の装置で製造されるコート粒子の用途は特に限定しないが、例えば、実施例のように平均粒子径１μｍ未満の微細なコート粒子であれば、リチウムイオン二次電池の負極活物質として好適に使用可能である。つまり、本発明の装置は、例えば、リチウムイオン二次電池の負極活物質を製造するための装置として具現化できる。勿論、コート源として正極活物質の材料を選択すれば、同様に、本発明の装置を正極活物質を製造するための装置として具現化することもできる。
【００６２】
本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。
【００６３】
本発明の装置は、以下のように表現できる。
〔１〕プラズマ発生領域Ｘと前記プラズマ発生領域Ｘに連絡する冷却領域Ｙとを有する反応室５２と、前記プラズマ発生領域Ｘにプラズマ炎６を発生させるプラズマ発生要素１と、前記プラズマ発生領域Ｘに粒子源を供給する粒子源供給要素３と、前記冷却領域Ｙから前記プラズマ発生領域Ｘに向けてガス状のコート源を供給するコート源供給要素７と、を有する、コート粒子製造装置。
〔２〕前記コート源供給要素７は、前記冷却領域Ｙから前記プラズマ発生領域Ｘに向けて延び前記プラズマ発生領域Ｘに向けて開口する供給管７０を有する、〔１〕に記載のコート粒子製造装置。
〔３〕前記供給管７０の開口７０ｏは、前記プラズマ発生要素１が発生させる前記プラズマ炎６の尾炎部６０よりも前記冷却領域Ｙ側にある、〔２〕に記載のコート粒子製造装置。
〔４〕前記コート源は、炭化水素ガスおよび／またはその誘導体ガスである、〔１〕〜〔３〕の何れか一項に記載のコート粒子製造装置。
〔５〕外界から前記反応室５２への大気の流入を妨げる遮断要素８を備える、〔１〕〜〔４〕の何れか一項に記載のコート粒子製造装置。
【符号の説明】
【００６４】
１：プラズマ発生要素        ３：粒子源供給要素          ６：プラズマ炎
７：コート源供給要素        ８：遮断要素
Ｘ：プラズマ発生領域        Ｙ：冷却領域
５２：反応室                ６０：プラズマ炎の尾炎部
７０：供給管                ７０ｏ：供給管の開口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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