(57)【要約】【課題】反応チャンバー内に原料ガスを封じ込めることにより原料ガスの使用量を減らし、もって製品のコストダウンを達成する。【解決手段】断熱材層４  で覆われた密閉状の反応チャンバー１  と、同チャンバー１  内に配置され、かつ伝熱材で構成された内筒２  と、内筒２  内に設けられたヒータ線３  と、内筒２  に被着される保持部材５  に外装されたカーボンナノチューブ成長用の金属基材６  と、反応チャンバー１  内に設けられたガス撹拌ファン７  と、反応チャンバー１  に接続された希釈原料ガス供給管８  およびガス吸引管９  とを具備した、カーボンナノチューブの製造装置である。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
断熱材層（４）  で覆われた密閉状の反応チャンバー（１）  と、同チャンバー（１）  内に配置され、かつ伝熱材で構成された内筒（２）  と、内筒（２）  内に設けられたヒータ線（３）  と、内筒（２）  に被着される保持部材（５）  に外装されたカーボンナノチューブ成長用の金属基材（６）  と、反応チャンバー（１）  内に設けられたガス撹拌ファン（７）  と、反応チャンバー（１）  に接続された希釈原料ガス供給管（８）  およびガス吸引管（９）  とを具備した、カーボンナノチューブの製造装置。
【請求項２】
金属基材（６）  が、保持部材（５）  に巻き付けられた金属細線または金属テープである、請求項１に記載のカーボンナノチューブの製造装置。
【請求項３】
金属基材（６）  が、保持部材（５）  に形成された金属薄膜である、請求項１に記載のカーボンナノチューブの製造装置。
【請求項４】
ガス撹拌ファン（７）  が、反応チャンバー（１）  の外部に設けられた駆動モータ（１０）でマグネチックカップリングを介して動力伝達されるものである、請求項１〜３のいずれかに記載のカーボンナノチューブの製造装置。
【請求項５】
請求項１に記載のカーボンナノチューブの製造装置を用いて、まず反応チャンバー（１）  内の気体を吸引して内部を減圧または真空状態とし、希釈原料ガスを反応チャンバー（１）  に供給してチャンバー内に封じ込め、希釈原料ガスを撹拌下に加熱し化学蒸着法により金属基材（６）  にカーボンナノチューブを成長させる、カーボンナノチューブの製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載の方法で製造されたカーボンナノチューブ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カーボンナノチューブの製造装置に関する。カーボンナノチューブは、カーボン原子が網目状に結合してできた極微細な単層または多層の筒（チューブ）状の物質である。カーボンナノチューブを用いた電子放出素子は、フィールドエミッション型フラットパネルディスプレー（ＦＥＤ）や、Ｘ線源、電子線リソグラフィー、表示・照明器具、ガス分解装置、殺菌・消毒装置などに応用される。
【０００２】
【従来の技術】
従来のカーボンナノチューブ製造装置は、反応チャンバー内に原料ガスを連続的に供給し化学蒸着法によりカーボンナノチューブを成長させるものであった（特許文献１参照）。しかし、このような装置では原料ガスの使用量が多く、製品のコスト高を招いた。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２４０４０３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のような実状に鑑み、反応チャンバー内に原料ガスを封じ込めることにより原料ガスの使用量を減らし、もって製品のコストダウンを達成することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明により、断熱材層（４）  で覆われた密閉状の反応チャンバー（１）  と、同チャンバー（１）  内に配置され、かつ伝熱材で構成された内筒（２）  と、内筒（２）  内に設けられたヒータ線（３）  と、内筒（２）  に被着される保持部材（５）  に外装されたカーボンナノチューブ成長用の金属基材（６）  と、反応チャンバー（１）  内に設けられたガス撹拌ファン（７）  と、反応チャンバー（１）  に接続された希釈原料ガス供給管（８）  およびガス吸引管（９）  とを具備した、カーボンナノチューブの製造装置が提供される。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態について説明をする。
【０００７】
反応チャンバー（１）  は例えば金属製またはガラス製であり、これを覆う断熱材層（４）  は例えば耐火レンガ製またはセラミック材製である。
【０００８】
内筒（２）  は、ヒータ線（３）  からの熱を外部へ効率よく伝えるように伝熱性の材料、例えばガラスで構成されている。
【０００９】
ヒータ線（３）  は螺旋状のものであってよく、内筒（２）  の内面に沿って配され、反応チャンバー（１）  外に設けられた電源（１２）に接続されている。
【００１０】
保持部材（５）  は鋼、銅、ステンレス鋼等の金属製であって、内筒（２）  の外面に密接状に被着させることができるように構成されている。
【００１１】
好ましい金属基材（６）  は、保持部材（５）  に巻き付けられた金属細線または金属テープ、または、保持部材（５）  に形成された金属薄膜である。
【００１２】
予め、保持部材（５）  に金属細線または金属テープ  を巻き付けておき、または、保持部材（５）  に金属薄膜を形成しておき、この保持部材（５）  を内筒（２）  に被着するのが好ましい。
【００１３】
金属細線または金属テープは、好ましくは鉄、コバルト、ニッケルまたはステンレス鋼等の鋼材からなる。金属細線の直径は、好ましくは０．１〜１ｍｍである。金属テープの幅は、好ましくは０．２〜１ｍｍであり、厚みは０．０５〜０．３ｍｍである。金属細線または金属テープは、通常は、保持部材（５）  にコイル状に巻き付けられる。化学蒸着法により金属細線または金属テープの、主に  コイル外側部分にカーボンナノチューブが成長する。
【００１４】
金属細線または金属テープは、金属細線基材または金属テープ基材の表面に鉄、コバルト、ニッケルもしくはステンレス鋼等の鋼材の薄膜を形成してなるものであってもよい。例えば、鉄、コバルト、ニッケルの化合物を含む溶液や、鉄カルボニル錯体（ペンタカルボニル鉄等）のような錯体の形態、金属アルコキシド（Ｆｅ（ＯＥｔ）３等）の形態等をとる鉄、コバルト、ニッケルまたはステンレス鋼等の鋼材の溶液に、金属細線基材または金属テープ基材を浸漬し、または同溶液を同基材に塗布し、乾燥を行うことにより、上記薄膜が形成される。溶媒はアセトン、アルコール等であってよい。溶液中の金属錯体や金属アルコキシドの濃度は例えば１〜５重量％であってよい。薄膜の厚みは、厚過ぎると加熱による金属粒子化が困難になるので、好ましくは１〜１００ｎｍである。金属細線基材または金属テープ基材の材質は限定されないが、通常は鉄、コバルト、ニッケルもしく
は鋼材以外の金属である。
【００１５】
保持部材（５）  に触媒金属からなる薄膜が形成されていてもよい。触媒金属は、鉄、コバルト、ニッケルなどであり、その前駆体は例えば鉄カルボニル錯体（ペンタカルボニル鉄等）のような錯体の形態、金属アルコキシド（Ｆｅ（ＯＥｔ）３等）の形態等をとることができる。金属錯体や金属アルコキシドは溶液で供給されてもよい。溶媒はアセトン、アルコール等であってよい。溶液中の金属錯体や金属アルコキシドの濃度は例えば１〜５重量％であってよい。薄膜の厚みは、厚過ぎると加熱による金属粒子化が困難になるので、好ましくは１〜１００ｎｍである。次いでこの薄膜を好ましくは減圧下または非酸化雰囲気中で好ましくは６５０〜８００℃に加熱すると、直径１〜５０ｎｍ程度の金属触媒粒子が形成される。
【００１６】
ガス撹拌ファン（７）  は、例えば反応チャンバー（１）  の頂壁内面に設けられ、反応チャンバー（１）  の頂壁外面に設けられた駆動モータ（１０）でマグネチックカップリング（図示省略）を介して動力伝達されるものであることが、反応チャンバー（１）  の気密性を保つ上で好ましい。
【００１７】
本発明によるカーボンナノチューブの製造装置を用いてカーボンナノチューブを製造するには、まず反応チャンバー（１）  内の気体を真空ポンプ（１１）で吸引して内部を減圧または真空状態とし、ついで希釈原料ガスをガス混合機（１５）から反応チャンバー（１）  に供給してチャンバー内に封じ込める。ついで希釈原料ガスを撹拌下に加熱し化学蒸着法により金属基材（６）  にカーボンナノチューブを成長させる。
【００１８】
原料ガスは通常はアセチレン（Ｃ２Ｈ２）ガスであるが、メタンガス、エタンガスのような他の脂肪族炭化水素ガスであってもよい。アセチレンの場合、多層構造で太さ１２〜３８ｎｍのカーボンナノチューブが基板面にブラシ毛状に形成される。原料ガスはヘリウムやアルゴン、キセノンのような不活性ガスで希釈された状態で原料ガス供給管を経て反応ゾーンに供給してもよい。化学蒸着法の操作条件は、好ましくは、大気圧下で、温度６５０〜８００℃、好ましくは７００〜７５０℃、時間１〜２０分である。操作時間によりカーボンナノチューブの成長長さを制御することができる
カーボンナノチューブの長さは好ましくは１〜５０μｍ、直径は好ましくは２０〜３０ｎｍ、カーボンナノチューブ相互間の間隔は好ましくは１００〜１５０ｎｍである。
【００１９】
金属基材（６）  として金属細線または金属テープを用い、本発明による装置を用いて、カーボンナノチューブ付き金属細線または金属テープを得ることができる。このカーボンナノチューブ付き金属細線または金属テープを用いて表示装置を構成することができる。すなわち、表示装置は、カソード側の基板と、該基板から所定間隔で対向状に設けられたアノード側の基板と、カソード側の基板の内面上に設けられた電子放出素子と、アノード側の基板の内面に設けらた蛍光材層と、蛍光材層の内面側に設けられたアノード電極とを具備した表示装置において、電子放出素子が、上記カーボンナノチューブ付き金属細線または金属テープをカソード側の基板の内面上に所要パターンで配置したものであり、蛍光材層およびその内面側のアノード電極は電子放出素子のパターンと交差する線状またはテープ状にパターン化され、蛍光材層およびアノード電極の複数の線またはテープの間に内方突条のリブが設けられているものである。
【００２０】
この表示装置において、蛍光材層およびアノード電極の線状またはテープ状パターンは、電子放出素子のパターンと直交するように形成するのが好ましい。リブはガラス製、シリコーン製のものであってよい。
【００２１】
電子放出素子は、上記カーボンナノチューブ付き金属細線または金属テープを、カソード側の基板の上面上に形成した溶融状態のガラスフリットの厚膜（厚み１５０〜２５０μｍ程度）中に埋込み、固化後にカーボンナノチューブの厚膜表面突出部を除去したものであることが好ましい。カーボンナノチューブ突出部の除去は研摩装置またはレーザ照射によって行われてよい。
【００２２】
つぎに、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
【００２３】
実施例１
図１において、本発明によるカーボンナノチューブの製造装置は、断熱材層（４）  で覆われた密閉状の反応チャンバー（１）  と、同チャンバー（１）  内に配置され、かつ伝熱材で構成された内筒（２）  と、内筒（２）  内に設けられたヒータ線（３）  と、内筒（２）  に被着される保持部材（５）  にコイル状に巻き付けられたカーボンナノチューブ成長用の鉄細線（６）  と、反応チャンバー（１）  内に設けられたガス撹拌ファン（７）  と、反応チャンバー（１）  に接続された希釈原料ガス供給管（８）  およびガス吸引管（９）  とを具備したものである。
【００２４】
反応チャンバー（１）  は垂直の有底円筒状であって、円筒部（１ａ）は金属製またはガラス製であり、上壁（１ｂ）および下壁（１ｃ）はステンレス鋼製である。円筒部（１ａ）の外周面を覆う断熱材層（４）  は耐火レンガ製またはセラミック材製である。内筒（２）  は上壁を有する円筒体で構成され、反応チャンバー（１）  の内部に同心状に配置され、下端部が反応チャンバー（１）  の下壁（１ｃ）内部に食い込んでいる。したがって、内筒（２）  は反応チャンバー（１）  に対し気密状になされている。内筒（２）  の内面に沿って螺旋状のヒータ線（３）  が配され、反応チャンバー（１）  外に設けられた電源（１２）に接続されている。保持部材（５）  は内筒（２）  の外面に密接状に被着させることができる直径を有する金属製の円筒体で構成されている。
【００２５】
保持部材（５）  は、これに金属細線または金属テープ  を巻き付けた後、内筒（２）
に被着したものである。
【００２６】
鉄細線（６）  は直径０．１ｍｍのものである。
【００２７】
ガス撹拌ファン（７）  は、反応チャンバー（１）  の頂壁内面に設けられ、反応チャンバー（１）  の頂壁外面に設けられた駆動モータ（１０）でマグネチックカップリングを介して動力伝達される。
【００２８】
上記構成のカーボンナノチューブの製造装置を用いてカーボンナノチューブを製造するには、まずバルブ（１３）を開いて反応チャンバー（１）  内の気体を真空ポンプ（１１）で吸引して内部を数１０Ｔｏｒｒ程度まで減圧または真空状態にしながらヒータ線（３）  で反応チャンバー（１）  内部を６００℃程度に加熱する。ついでバルブ（１３）を閉じバルブ（１４）を開いて希釈原料ガスをガス混合機（１５）から反応チャンバー（１）  に１気圧まで供給した後、バルブ（１４）を閉じて同ガスをチャンバー（１）  内に封じ込める。ついで希釈原料ガスを撹拌ファン（７）  で撹拌しながらヒータ線（３）  で加熱し、化学蒸着法により鉄細線（６）  の表面にカーボンナノチューブを成長させる。
【００２９】
原料ガスはアセチレンガスで、これをヘリウムガスで希釈した状態で（アセチレンガス：ヘリウムガス＝３：２０）用いた。
【００３０】
化学蒸着法の操作条件は、大気圧下で、温度７３０〜７５０℃、時間１０分とした。
【００３１】
この操作により、保持部材（５）  にコイル状に巻き付けられた鉄細線（６）  の表面の主にコイル外側部分にブラシ状カーボンナノチューブが生成し、徐々に成長した。成長したカーボンナノチューブは、太さ約２０ｎｍの多層構造であり、長さは約３０μｍであった。
【００３２】
参考例１
カーボンナノチューブを用いた表示装置を図２に示す。図２において、表示装置（２６）は、カソード側の基板（２０）と、該基板（２０）から所定間隔で対向状に設けられたアノード側の基板（２１）と、カソード側の基板（２０）の内面上に設けられた電子放出素子（３０）と、アノード側の基板（２１）の内面に設けらた蛍光材層（２３）と、蛍光材層（２３）の内面側に設けられたアノード電極（２４）とを具備したものである。電子放出素子（３０）は、実施例１で得られたカーボンナノチューブ（２２）付き鉄細線（６）  の多数の切断片であり、カーボンナノチューブ（２２）の付け根部分をコーティング膜により強固に固定した後、長方形ガラス板からなるカソード側の基板（２０）に幅方向に直線状に配置したものである。鉄細線（６）  の多数の切断片はカーボンナノチューブ（２２）がアノード側の基板（２１）を向くように、かつ相互間隔が２００μｍで一定になるようにカソード側の基板（２０）上に配置されている。層状の蛍光材層（２３）およびアノード電極（２４）は、電子放出素子（２０）のパターンと直交する線状にパターン化され、線状の蛍光材層（２３）およびアノード電極（２４）の間にそれぞれ内方突条のガラス製のリブ（２５）が設けられている。カソード側の基板（２０）とアノード側の基板（２１）の間の空間を真空にすることにより、表示装置（２６）が構成されている。
【００３３】
【発明の効果】
本発明のカーボンナノチューブ製造装置によれば、反応チャンバー内に原料ガスを封じ込めるので、原料ガスの使用量を減らし、もって製品のコストダウンを達成することができる。
【００３４】
また、本発明装置では、ヒータ線（３）  は反応チャンバー（１）  内の内筒（２）  内に設けられ、カーボンナノチューブ成長用の金属基材（６）  は内筒（２）  に被着される保持部材（５）  に外装されているので、金属基材（６）  は全体に亘ってヒータ線（３）  で均一に加熱される上に、ヒータ線（３）  を反応チャンバー（１）  の外部に設けたものに比べ伝熱効率が良く省電力で必要温度まで加熱が可能で、この点でも製品のコストダウンが達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は実施例１のカーボンナノチューブ製造装置を概略的に示す垂直断面図である。
【図２】図２はカーボンナノチューブ付き鉄細線を用いて構成した表示装置の構造を模式的に示す斜視図である。
【符号の説明】
（１）：反応チャンバー
（２）：内筒
（３）：ヒータ線
（４）：断熱材層
（５）：保持部材
（６）：鉄細線
（７）：ガス撹拌ファン
（８）：希釈原料ガス供給管
（９）：ガス吸引管
【図１】
2005060131.tif 000003
【図２】
2005060131.tif 000004