(57)【要約】【目的】  カーボンナノチューブを所望の領域に生成させ、回収を容易にする。【構成】  カーボンを主成分とする材料から形成されたアノード電極（５）と、アノード電極に対向して配置され、耐熱性導電材料から形成されたカソード電極（６）と、これらアノード電極およびカソード電極に定電圧で電力を供給する直流アーク主電源（１０）およびこの直流アーク主電源に重畳させる重畳直流高電圧電源（９）と、アノード電極とカソード電極の間の間隔を調節する送り出し機構（７）と、キャリアガスをアーク放電域に集中させて供給するキャリアガス供給手段と、アーク放電によって生成した生成物を回収する回収基板（１３）とを備えている。【選択図】          図１
2005281105.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボンを主成分とする材料から形成されたアノード電極と、アノード電極に対向して配置され、耐熱性導電材料から形成されたカソード電極と、これらアノード電極およびカソード電極に定電圧で電力を供給する直流アーク主電源およびこの直流アーク主電源に重畳させる重畳直流高電圧電源と、アノード電極とカソード電極の間の間隔を調節する送り出し機構と、キャリアガスをアーク放電域に集中させて供給するキャリアガス供給手段と、アーク放電によって生成した生成物を回収する回収基板とを備えていることを特徴とするカーボンナノチューブ育成製造装置。
【請求項２】
直流アーク主電源および重畳直流高電圧電源は、アーク放電によって蒸発するアノード電極の減員量が一定量に達すると、これに追随して自動的に放電停止に至る請求項１記載のカーボンナノチューブ育成製造装置。
【請求項３】
アノード電極とカソード電極の対向角度を調節する角度調節手段が設けられている請求項１または２記載のカーボンナノチューブ育成製造装置。
【請求項４】
請求項１ないし３いずれか１項に記載のカーボンナノチューブ育成製造装置を用い、常温常圧環境において、アノード電極とカソード電極の対向角度を所望の角度に設定し、キャリアガス供給手段からキャリアガスをアーク発生部位に集中させて供給しながら、直流アーク主電源および重畳直流高圧電源から定電圧電力を供給し、アノード電極とカソード電極の間にパルス状としたアーク放電を発生させ、アーク放電で生じたアークプルームおよびアーク生成物を回収基板の所望の部位で捕集し、回収することを特徴とするカーボンナノチューブ育成製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願の発明は、カーボンナノチューブ育成製造装置とカーボンナノチューブ育成製造方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、カーボンナノチューブを所望の領域に生成させ、回収を容易にすることのできるカーボンナノチューブ育成製造装置とカーボンナノチューブ育成製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
カーボンナノチューブは、フラーレンに次ぐ新規なナノカーボンであり、その形状および物性に注目が集まっている。このようなカーボンナノチューブの育成製造にはアーク放電法が用いられている（たとえば、特許文献１、２参照）。
【特許文献１】特許第２５２６４０８号公報
【特許文献２】特開２００３−３２７４２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記特許文献１、２に記載されたカーボンナノチューブの育成製造については、カーボンナノチューブを所望の領域に集中させて生成させ、直接回収することはできないという問題がある。カーボンナノチューブを工業的に製造するためには、カーボンナノチューブを所望の部位に生成させ、回収を容易にすることが望まれる。
【０００４】
この出願の発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、カーボンナノチューブを所望の領域に生成させ、回収を容易にすることのできるカーボンナノチューブ育成製造装置とカーボンナノチューブ育成製造方法を提供することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、カーボンを主成分とする材料から形成されたアノード電極と、アノード電極に対向して配置され、耐熱性導電材料から形成されたカソード電極と、これらアノード電極およびカソード電極に定電圧で電力を供給する直流アーク主電源およびこの直流アーク主電源に重畳させる重畳直流高電圧電源と、アノード電極とカソード電極の間の間隔を調節する送り出し機構と、キャリアガスをアーク放電域に集中させて供給するキャリアガス供給手段と、アーク放電によって生成した生成物を回収する回収基板とを備えていることを特徴とするカーボンナノチューブ育成製造装置を提供する。
【０００６】
この出願の発明は、第２には、上記第１のカーボンナノチューブ育成製造装置において、直流アーク主電源および重畳直流高電圧電源は、アーク放電によって蒸発するアノード電極の減員量が一定量に達すると、これに追随して自動的に放電停止に至るカーボンナノチューブ育成製造装置を提供する。
【０００７】
この出願の発明は、第３には、上記第１または第２のカーボンナノチューブ育成製造装置において、アノード電極とカソード電極の対向角度を調節する角度調節手段が設けられているカーボンナノチューブ育成製造装置を提供する。
【０００８】
この出願の発明は、第３には、上記第１ないし第３いずれか一つのカーボンナノチューブ育成製造装置を用い、常温常圧環境において、アノード電極とカソード電極の対向角度を所望の角度に設定し、キャリアガス供給手段からキャリアガスをアーク発生部位に集中
させて供給しながら、直流アーク主電源および重畳直流高圧電源から定電圧電力を供給し、アノード電極とカソード電極の間にパルス状としたアーク放電を発生させ、アーク放電で生じたアークプルームおよびアーク生成物を回収基板の所望の部位で捕集し、回収することを特徴とするカーボンナノチューブ育成製造方法を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
この出願の発明よれば、カーボンナノチューブの所望の領域に生成させ、回収を容易にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面に沿ってこの出願の発明のカーボンナノチューブ育成製造装置とカーボンナノチューブ育成製造方法についてさらに詳しく説明する。
【００１１】
図１は、この出願の発明のカーボンナノチューブ育成製造装置の基本構成を示した概略図である。
【００１２】
図１に示したように、この出願の発明のカーボンナノチューブ育成製造装置は、カーボンを主成分とする材料から形成されたアノード電極（５）と、アノード電極（５）に対向して配置され、耐熱性導電材料から形成されたカソード電極（６）と、これらアノード電極（５）およびカソード電極（６）に定電圧で電力を供給する直流アーク主電源（１０）およびこの直流アーク主電源（１０）に重畳させる重畳直流高電圧電源（９）とを備えている。アノード電極（５）を形成する材料としては、カーボングラファイト、カーボングラファイトと炭化水素物の混合物、カーボングラファイトと遷移金属の混合物、カーボングラファイトと遷移金属系硫化物の混合物、カーボングラファイトとイットリウムの混合物などが例示される。一方、カソード電極（６）を形成する材料としては、カーボングラファイト、タングステンカーバイト、チタンカーバイト、タングステン、ロミウム、オスミウム、モリブデンなどが例示される。
【００１３】
また、この出願の発明のカーボンナノチューブ育成製造装置は、アノード電極（５）とカソード電極（６）の間隔を調節する送り出し機構（７）と、キャリアガスをアーク放電域に集中させて供給するキャリアガス供給手段と、アーク放電によって生成した生成物を回収する回収基板（１３）とを備えている。キャリアガスとしては、不活性ガス、不活性ガスに酸素を混合させたガス、不活性ガスに水素を４％以下で混合させたガスなどが例示される。
【００１４】
この出願の発明のカーボンナノチューブ育成製造装置は、これまでのアーク放電法によるカーボンナノチューブの育成製造に広く用いられていたアノード電極（５）とカソード電極（６）を接触させて通電を開始し、その後電極を引き離す間にアーク放電を発生させるというコンタクトアーク法ではなく、アノード電極（５）とカソード電極（６）を接触させない非コンタクトアーク法を採用している。つまり、アノード電極（５）とカソード電極（６）の間にギャップを設けている。このように電極間にギャップを設けても常温常圧環境において確実にアーク放電を導くために、この出願の発明のカーボンナノチューブ育成製造装置は、重畳直流高電圧電源（９）を装備し、直流アーク主電源（１０）に重畳させることができるようにしている。
【００１５】
また、直流アーク主電源（１０）と重畳直流高電圧電源（９）は定電圧電源としている。図２は、電源の出力特性の相違を示した概略図である。これまでのアーク放電法に用いられている出力が定電流仕様のアーク溶接用電源では、図２ａ）に示したように、放電時間の経過にともなって電極が溶損していくことによる電極間隔の広がり、すなわち溶損したことによる電極間隔の拡大分に相当する電気抵抗の増加分を、出力電圧を増加させるこ
とで放電状態を維持している。その後電極間に流れる電流電流を一定としている。この場合、電極間隔の広がりにともない供給する電力を増加させなければならない。この電力の増加はアーク温度の上昇を誘発し、カーボンナノチューブの生成条件の変動に直接的に起因する。これに対し、この出願の発明のカーボンナノチューブ育成製造装置では、定電圧電源を用いているため、図２ｂ）に示したように、電極間隔が広がると、電極間に流れる電流は減少し、やがて放電停止に至る。つまり、アーク放電によって蒸発するアノード電極（５）の減員量が一定量に達すると、これに追随してアーク放電が自動的に停止するのである。ヘリウムや窒素などの絶縁破壊電圧が高いキャリアガスでは、放電可能な距離と放電停止に至る距離との間隔差が小さく、このため、この出願の発明のカーボンナノチューブ育成製造装置では、アーク放電時の電力変化はかなり小さいと考えられる。このことは、カーボンナノチューブの育成製造に有効となる。
【００１６】
この出願の発明のカーボンナノチューブ育成製造装置では、図３に示したように、アノード電極（５）とカソード電極（６）を所望の対向角度に設定し、電極間のギャップを設定した後、図１に示した直流アーク主電源（１０）および重畳直流高電圧電源（９）を同時に印加すると、アーク放電が開始する。図３に示したように、アーク放電によりアノード電極（５）の先端部が蒸発により減員し、重畳直流高電圧電源（９）による放電可能な電界距離を超えると、放電停止に至る。この電源の出力特性によりアークプルームの発生はショット状であり、このため、カーボン蒸気の発生量が制御され、不純物となるアモルファスカーボンなどのすすの発生を抑制することができる。また、アノード電極（５）の過加熱を抑制することもできる。その後、図１に示した送り出し機構（７）を作動させ、アノード電極（５）を繰り出し、減員分を回復させ、そして電極間に重畳直流高電圧電源（９）と直流アーク主電源（１０）を同時に印加すると、アーク放電が再開する。以上のプロセスを繰り返すことにより、カーボンナノチューブの断続的な育成製造が可能となる。放電停止距離の設定は、キャリアガス種、電極の形状、電極間に印加される重畳高電圧電界の電界強度、電極間の対向角度などにより決められる。
【００１７】
また、この出願の発明のカーボンナノチューブ育成装置では、キャリアガス供給手段は、たとえば、カソード電極（６）と同軸で、カソード電極（６）の周りに設けることのできるキャリアガスガイドノズル（４）と、キャリアガスガイドノズル（４）内へのキャリアガスの流量を制御するキャリアガス流量調節器（２）と、ボンベなどのキャリアガス供給器（１）とから構成することができる。キャリアガスガイドノズル（４）は、図４に示したように、キャリアガス導入路（３）を形成し、プラズマプルーム（１５）の吹き出し方向をガイドする。生成するカーボンナノチューブは、キャリアガスの噴射方向に誘導され、集中化して回収基板（１３）上に堆積する。キャリアガスガイドノズル（４）の形状は、平行状のものでもよいが、先端の吹き出し口が窄まった形状とするのが好ましい。吹き出し口が窄まった形状のキャリアガイドノズル（４）は、カーボンナノチューブの集中化に有効である。
【００１８】
なお、この出願の発明のカーボンナノチューブ育成製造装置では、図１に示したように、アノード電極（５）とカソード電極（６）の対向角度を調節する角度調節手段（８）を設け、アノード電極（５）とカソード電極（６）を保持させることができる。対向角度の調節範囲は、一般に２０°〜９０°の範囲とすることができる。
【００１９】
また、この出願の発明のカーボンナノチューブ育成製造装置には、直流アーク主電源（１０）および重畳直流高電圧電源（９）の出力を同時にアノード電極（５）とカソード電極（６）の間に印加するための開閉器（１１）を設けたり、電極間隔の回復作動時に送り出し機構（７）によるアノード電極（５）の送り出し量を監視するための接触モニター（１２）を設けたり、これら開閉器（１１）や接触モニター（１２）、さらに送り出し機構（７）の動作を制御するコントローラー（１４）を設けたりすることができる。
【００２０】
以上、この出願の発明のカーボンナノチューブ育成製造装置を用いてカーボンナノチューブを育成製造するには、常温常圧環境において、アノード電極（５）とカソード電極（６）の対向角度を所望の角度に設定し、キャリアガス供給手段からキャリアガスをアーク発生部位に集中させて供給しながら、直流アーク主電源（１０）および重畳直流高圧電源（９）から定電圧電力を供給し、アノード電極（５）とカソード電極（６）の間にパルス状としたアーク放電を発生させる。そして、アーク放電で生じたアークプルーム（１５）およびアーク生成物をキャリアガスの流れにガイドさせて回収基板（１３）の所望の部位で捕集し、回収する。アーク発生部位にキャリアガスを集中させて供給することにより、アークプルーム（１５）およびアーク生成物を回収基板（１３）の指定した領域に誘導することができ、指向性がもたらされる。また、アーク発生部位にカーボンナノチューブが残置されなくなり、アーク熱によりカーボンナノチューブが焼結などして変質するのを抑制することができる。カーボンナノチューブの捕集および回収が回収基板（１３）に限定されることで回収作業が容易であり、したがって、これまでに必要とされていた電極を格納している容器内の全域からカーボンナノチューブを含むすすを回収するという工程を省き、また、カーボンナノチューブ育成工程後の精製・分離工程を大幅に短縮もしくは省くことができ、工業上有意となる。
【実施例】
【００２１】
図１に基本構成を示したこの出願の発明のカーボンナノチューブ育成製造装置を用いてカーボンナノチューブの育成製造を次のようにして行った。
【００２２】
カソード電極（６）には、純度99.999%、外径５mmの高純度カーボングラファイトロッ
ドを用い、アノード電極（５）には、カソード電極（６）に用いた高純度カーボングラファイトと同等の純度および外径を有し、図５に示したように、短辺側で直径0.5mmとした
円錐台形状に加工したものを用いた。これらのカソード電極（６）およびアノード電極（５）間の対向角度を角度調整手段（８）によって３０°の狭先斜対向に配置した。アノード電極（５）とカソード電極（６）の放電間距離は狭先側側で0.5mm程度とした。
【００２３】
放電に先立ち、キャリアガス流量調節器（２）を用い、毎分0.5リットルに調節した圧
縮空気をキャリアガスガイドノズル（４）内に導入した。そして、電極間に重畳電流高電圧電源（９）から600V、１mAと、アーク主電源（１０）の定格出力３５V、３Aを重畳させて給電した。開閉器（１１）を閉じて電極間に電力を供給すると、アーク放電が生じ、アノード電極（５）であるカーボングラファイトロッドが蒸発し、カーボン蒸気が発生した。このカーボン蒸気を含むアークプルームは、キャリアガスにより冷却され、回収基板（１３）上の所定の部位に黒色の付着物として堆積した。アーク放電によってアノード電極（５）の先端部は蒸発し、電極間距離が増大する。重畳直流高電圧電源（９）で設定した電圧では放電が維持できなくなると、アーク放電が停止する。このワンショット放電後のアノード電極（５）の放電部を光学顕微鏡で観察した象を図５にあわせて示した。
【００２４】
アーク放電停止後、開閉器（１１）を開け、回収基板（１３）を取り出した。回収基板（１３）上の堆積物の表面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察した結果が図６及び図７の写真である。大きさおよび形状から高濃度、高品質のカーボンナノチューブであると推定される。実際、透過型電子顕微鏡で観察したところ、カーボンナノチューブであると同定された。
【００２５】
もちろん、この出願の発明は、以上の実施形態および実施例によって限定されるものではない。細部については様々な態様が可能であることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、これまで実施されてきたアーク放電を用いたカーボンナノチューブの育成製造ではなし得なかった、カーボンナノチューブを所望の領域に生成させ、回収を容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】この出願の発明のカーボンナノチューブ育成製造装置の基本構成を示した概略図である。
【図２】電源の出力特性を示した概略図である。
【図３】カーボンナノチューブの育成製造プロセスを示した要部拡大図である。
【図４】アーク放電時の電極先端部を概略的に示した拡大図である。
【図５】アノード電極の変化を示した先端部の断面図と走査型電子顕微鏡写真である。
【図６】カーボンナノチューブから形成された微小塊の走査型電子顕微鏡写真である。
【図７】カーボンナノチューブの走査型電子顕微鏡写真である。
【符号の説明】
【００２８】
１    キャリアガス供給器
２    キャリアガス流量調節器
３    キャリアガス導入路
４    キャリアガスガイドノズル
５    アノード電極
６    カソード電極
７    送り出し機構
８    角度調節手段
９    重畳直流高電圧電源
１０    直流アーク主電源
１１    開閉器
１２    接触モニター
１３    回収基板
１４    コントローラー
１５    アークプルーム
【図１】
2005281105.tif 000003
【図２】
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【図３】
2005281105.tif 000005
【図４】
2005281105.tif 000006
【図５】
2005281105.tif 000007
【図６】
2005281105.tif 000008
【図７】
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