(57)【要約】ナノカーボンを安定的に大量生産するための製造方法および製造装置を提供する。製造チャンバー（１０７）において、円筒形のグラファイトロッド（１０１）を回転装置（１１５）に固定し、グラファイトロッド（１０１）の長さ方向を軸として回転し、また長さ方向に左右に移動させることを可能とする。グラファイトロッド（１０１）の側面にレーザー光源（１１１）からレーザー光（１０３）を照射し、プルーム（１０９）の発生方向にナノカーボン回収チャンバー（１１９）を設ける。一方、グラファイトロッド（１０１）の側面のうち、レーザー光（１０３）の照射された面を、回転装置（１１５）により速やかに回転し、切削バイト（１０５）によって平滑化する。切削バイト（１０５）によるグラファイトロッド（１０１）の切削屑は、切削グラファイト回収チャンバー（１２１）に回収し、生成したカーボンナノホーン集合体（１１７）と分離する。
2004069743.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
グラファイトターゲットの表面に光を照射するための光源と、
光を照射された前記グラファイトターゲットの表面を平滑化するための表面処理手段と、
光の照射によりグラファイトターゲットから蒸発した炭素蒸気をナノカーボンとして回収するための回収手段と、
を備えることを特徴とするナノカーボンの製造装置。
【請求項２】
円筒状のグラファイトターゲットを保持するとともに該グラファイトターゲットを中心軸周りに回転させるターゲット保持手段と、
前記グラファイトターゲットの表面に光を照射するための光源と、
光を照射された前記グラファイトターゲットの表面を平滑化するための表面処理手段と、
光の照射により前記グラファイトターゲットから蒸発した炭素蒸気をナノカーボンとして回収するための回収手段と、
を備えることを特徴とするナノカーボンの製造装置。
【請求項３】
平板状のグラファイトターゲットを保持するとともに該グラファイトターゲットを表面の法線方向に１８０度回転させるターゲット保持手段と、
前記グラファイトターゲットの表面に光を照射するための光源と、
光を照射された前記グラファイトターゲットの表面を平滑化するための表面処理手段と、
光の照射により前記グラファイトターゲットから蒸発した炭素蒸気をナノカーボンとして回収するための回収手段と、
を備えることを特徴とするナノカーボンの製造装置。
【請求項４】
請求項１乃至３いずれかに記載のナノカーボンの製造装置において、前記光源に対する前記グラファイトターゲットの相対的位置を移動させる移動手段をさらに備えることを特徴とするナノカーボンの製造装置。
【請求項５】
請求項１乃至４いずれかに記載のナノカーボンの製造装置において、前記表面処理手段は、前記光の照射位置と異なる箇所において前記グラファイトターゲットの表面の一部を除去することを特徴とするナノカーボンの製造装置。
【請求項６】
請求項５に記載のナノカーボンの製造装置において、前記表面処理手段にて発生する前記グラファイトターゲットの屑を回収するための屑回収手段をさらに備えることを特徴とするナノカーボンの製造装置。
【請求項７】
請求項１乃至６いずれかに記載のナノカーボンの製造装置において、前記ナノカーボンがカーボンナノホーン集合体であることを特徴とするナノカーボンの製造装置。
【請求項８】
グラファイトターゲットの表面に光照射し、前記グラファイトターゲットから蒸発した炭素蒸気をナノカーボンとして回収するとともに、光が照射された前記グラファイトターゲットの表面を平滑化する工程と、
平滑化された前記表面に、再度、光照射し、前記グラファイトターゲットから蒸発した炭素蒸気をナノカーボンとして回収する工程と、
を含むことを特徴とするナノカーボンの製造方法。
【請求項９】
円筒形のグラファイトターゲットを中心軸周りに回転させながら、前記グラファイトターゲットの表面に光照射し、前記グラファイトターゲットから蒸発した炭素蒸気をナノカーボンとして回収するとともに、光が照射された前記グラファイトターゲットの表面を平滑化する工程と、
前記グラファイトターゲットを中心軸周りに回転させながら、平滑化された前記表面に、再度、光照射し、前記グラファイトターゲットから蒸発した炭素蒸気をナノカーボンとして回収する工程と、
を含むことを特徴とするナノカーボンの製造方法。
【請求項１０】
平板状のグラファイトターゲットの表面に光照射し、前記グラファイトターゲットから蒸発した炭素蒸気をナノカーボンとして回収する工程と、
光が照射された前記グラファイトターゲットを、前記表面の法線方向に１８０度回転させた後、光が照射された前記グラファイトターゲットの前記表面を平滑化する工程と、
平滑化された前記表面に、再度、光照射し、前記グラファイトターゲットから蒸発した炭素蒸気をナノカーボンとして回収する工程と、
を含むことを特徴とするナノカーボンの製造方法。
【請求項１１】
請求の範囲第８項乃至第１０項いずれかに記載のナノカーボンの製造方法において、グラファイトターゲットの表面に光照射する前記工程およびグラファイトターゲット表面に再度光照射する前記工程で、光の照射位置を移動させながら光照射することを特徴とするナノカーボンの製造方法。
【請求項１２】
請求の範囲第８項乃至第１１項いずれかに記載のナノカーボンの製造方法において、光を照射された表面を平滑化する前記工程は、前記グラファイトターゲットの表面の一部を除去する工程を含むことを特徴とするナノカーボンの製造方法。
【請求項１３】
請求の範囲第８項乃至第１２項いずれかに記載のナノカーボンの製造方法において、前記グラファイトターゲットの表面に光照射する前記工程は、レーザー光を照射する工程を含むことを特徴とするナノカーボンの製造方法。
【請求項１４】
請求の範囲第８項乃至第１３項いずれかに記載のナノカーボンの製造方法において、ナノカーボンを回収する前記工程は、カーボンナノホーン集合体を回収する工程を含むことを特徴とするナノカーボンの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、ナノカーボンの製造装置およびナノカーボンの製造方法に関する。
【背景技術】  近年、ナノカーボンの工学的応用が盛んに検討されている。ナノカーボンとは、カーボンナノチューブやカーボンナノホーン等に代表される、ナノスケールの微細構造を有する炭素物質のことをいう。このうち、カーボンナノホーンは、グラファイトのシートが円筒状に丸まったカーボンナノチューブの一端が円錐形状となった管状体の構造を有しており、その特異な性質から、様々な技術分野への応用が期待されている。カーボンナノホーンは、通常、各々の円錐部間に働くファンデルワールス力によって、チューブを中心にし円錐部が角（ホーン）のように表面に突き出る形態で集合している。
カーボンナノホーン集合体は、不活性ガス雰囲気中で原料の炭素物質（以下適宜グラファイトターゲットと呼ぶ）に対してレーザー光を照射するレーザー蒸発法によって製造されることが報告されている（特許文献１）。
特許文献１  特開２００１−６４００４号公報
【発明の開示】
本発明者は、レーザー蒸発法によりナノカーボンを安定的に大量生産する技術について鋭意検討をおこなった。その結果、以下の知見が見出された。
レーザー蒸発法では、一度レーザー光を照射されたグラファイトターゲットの表面は粗面化される。これを、円筒形のグラファイトターゲットの側面にレーザー光が照射される場合を例に説明する。図３は円筒形のグラファイトターゲットを用いた場合について、この様子を例示する図である。図３（ｃ）は１回目にレーザー光１０３が照射される際のグラファイトロッド１０１の長さ方向に垂直な断面図であり、図３（ａ）はレーザー光１０３照射部の拡大図である。
図３（ａ）、図３（ｃ）に示すように、１回目にレーザー光１０３が照射される側面は平滑面であるため、プルーム１０９が一定方向に生じる。一方、図３（ｄ）は図３（ｃ）において１回以上レーザー光１０３が照射された後の側面に再度レーザー光１０３を照射する様子を示す図である。図３（ｂ）はレーザー光１０３照射部の拡大図である。図３（ｂ）、（ｄ）に示すように、一度レーザー光１０３が照射されるとグラファイトロッド１０１の側面は粗面化する。粗面化された部位に再度レーザー光１０３を照射すると、照射位置におけるパワー密度にばらつきが生じ、プルーム１０９の発生方向にも乱れが生じる。
一度レーザー光１０３が照射された面は粗面化されているため、再度レーザー光１０３を照射すると、レーザー光１０３の照射角やグラファイトロッド１０１側面での光照射面積が変化し、グラファイトロッド１０１側面におけるレーザー光１０３のパワー密度が変化してしまうことが見出された。このため、カーボンナノホーン集合体を安定的に大量生産することが困難であった。
このように、従来、カーボンナノホーン集合体を連続的、安定的に製造する方法が見出されておらず、カーボンナノホーン集合体を実用化する上では、大量生産技術の開発が重要な課題である。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、カーボンナノホーン集合体を安定的に大量生産するための製造方法および製造装置を提供することにある。また、本発明の別の目的は、ナノカーボンを安定的に大量生産するための製造方法および製造装置を提供することにある。
本発明によれば、グラファイトターゲットの表面に光照射し、前記グラファイトターゲットから蒸発した炭素蒸気をナノカーボンとして回収するとともに、光が照射された前記グラファイトターゲットの表面を平滑化する工程と、平滑化された前記グラファイトターゲットの表面に、再度、光照射し、前記グラファイトターゲットから蒸発した炭素蒸気をナノカーボンとして回収する工程と、を含むことを特徴とするナノカーボンの製造方法が提供される。
また本発明によれば、グラファイトターゲットの表面に光を照射するための光源と、光を照射された前記グラファイトターゲットの表面を平滑化するための表面処理手段と、光の照射によりグラファイトターゲットから蒸発した炭素蒸気をナノカーボンとして回収するための回収手段と、を備えることを特徴とするナノカーボンの製造装置が提供される。
本発明において、「平滑化」とは、処理前に比べてグラファイトターゲットの表面の凹凸の程度を相対的に小さくする処理をいう。本発明に係るナノカーボンの製造方法によれば、光照射によりグラファイトターゲット表面は粗面化するが、これを平滑化し、再度平滑化された部位に光照射を行う。したがって、光が照射されるグラファイトターゲット表面は常に平滑な状態に維持される。したがって、グラファイトターゲット表面の照射部位におけるパワー密度が一定に保たれるため、ナノカーボンを安定的に大量合成することが可能となる。なお、本明細書において、「パワー密度」とは、グラファイトターゲット表面に実際に照射される光のパワー密度、すなわちグラファイトターゲット表面の光照射部位におけるパワー密度を指すものとする。
本発明によれば、円筒形のグラファイトターゲットを中心軸周りに回転させながら、前記グラファイトターゲットの表面に光照射し、前記グラファイトターゲットから蒸発した炭素蒸気をナノカーボンとして回収するとともに、光が照射された前記グラファイトターゲットの表面を平滑化する工程と、前記グラファイトターゲットを中心軸周りに回転させながら、平滑化された前記表面に、再度、光照射し、前記グラファイトターゲットから蒸発した炭素蒸気をナノカーボンとして回収する工程と、を含むことを特徴とするナノカーボンの製造方法が提供される。
また本発明によれば、円筒状のグラファイトターゲットを保持するとともに該グラファイトターゲットを中心軸周りに回転させるターゲット保持手段と、前記グラファイトターゲットの表面に光を照射するための光源と、光を照射された前記グラファイトターゲットの表面を平滑化するための表面処理手段と、光の照射により前記グラファイトターゲットから蒸発した炭素蒸気をナノカーボンとして回収するための回収手段と、を備えることを特徴とするナノカーボンの製造装置が提供される。
本発明によれば、円筒形のグラファイトターゲットが中心軸周りに回転されるため、たとえば光照射により粗面化された側面が平滑化される。そして、平滑化された側面に再度光照射される。このように、円筒形のグラファイトターゲットを回転させながら光照射と平滑化の工程を行うことにより、ナノカーボンを連続的に効率よく大量生産することが可能となる。
なお、本発明において、「中心軸」とは、円筒形のグラファイトターゲットの長さ方向に垂直な断面中心を通り、長さ方向に水平な軸のことをいう。また、円筒形のグラファイトターゲットとして、たとえばグラファイトロッドが利用可能である。ここで、「グラファイトロッド」とは、ロッド状に成形されたグラファイトターゲットのことをいう。ロッド状であれば、中空、中実の別は問わない。また、光が照射される円筒形のグラファイトターゲットの表面は、上述のように、円筒形のグラファイトターゲットの側面であることが好ましい。ここで、「円筒形のグラファイトターゲットの側面」とは、円筒の長さ方向に平行な曲面（円筒面）のことを指す。
本発明によれば、平板状のグラファイトターゲットを保持するとともに該グラファイトターゲットを表面の法線方向に１８０度回転させるターゲット保持手段と、前記グラファイトターゲットの表面に光を照射するための光源と、光を照射された前記グラファイトターゲットの表面を平滑化するための表面処理手段と、光の照射により前記グラファイトターゲットから蒸発した炭素蒸気をナノカーボンとして回収するための回収手段と、を備えることを特徴とするナノカーボンの製造装置が提供される。
また、本発明によれば、平板状のグラファイトターゲットの表面に光照射し、前記グラファイトターゲットから蒸発した炭素蒸気をナノカーボンとして回収する工程と、光が照射された前記グラファイトターゲットを、前記表面の法線方向に１８０度回転させた後、光が照射された前記グラファイトターゲットの前記表面を平滑化する工程と、平滑化された前記表面に、再度、光照射し、前記グラファイトターゲットから蒸発した炭素蒸気をナノカーボンとして回収する工程と、を含むことを特徴とするナノカーボンの製造方法が提供される。
本発明においては、平板状のグラファイトターゲットの一の面に光照射を行った後、これを反転させて他方の面に光照射を行う。そして、他の面に光照射をしつつ、一の面を平滑化することができる。平滑化された一の面はグラファイトターゲットの再度の反転の後、再度の光照射に供される。再度の光照射の間、他の面が平滑化される。このように、本発明においては、平板状グラファイトターゲットにおける光照射面を反転させながら光照射を行い、一の面に光を照射している間に他の面の平滑化を行うことができるように構成されている。このため、平板状のグラファイトターゲットを用いて所望の性状のナノカーボンを高い純度で効率よく安定的に製造することができる。
本発明のナノカーボンの製造方法において、前記グラファイトターゲットの表面に光照射する工程および該グラファイトターゲット表面に再度光照射する工程で、光の照射位置を移動させながら光照射することができる。
また本発明のナノカーボンの製造装置において、前記光源に対する前記グラファイトターゲットの相対的位置を移動させる移動手段をさらに備えることができる。移動手段として、たとえば、円筒形のグラファイトターゲットを中心軸周りに回転させながら光照射する場合、グラファイトターゲットの長さ方向の照射位置を移動させるようにグラファイトターゲットの位置を移動させる態様を採用することができる。
こうすることにより、光照射、平滑化、再度の光照射の工程をより一層効率よく連続的に行うことができるため、ナノカーボンを効率よく大量生産することができる。
たとえば本発明によれば、グラファイトターゲットをチャンバー内に設置し、前記グラファイトターゲットの表面に対し、照射位置を移動させながら光照射し、前記グラファイトターゲットから蒸発した炭素蒸気をナノカーボンとして回収するとともに光が照射された前記グラファイトターゲットの表面を平滑化する工程と、前記チャンバーから前記グラファイトターゲットを取り出すことなく、平滑化された前記グラファイトターゲットの表面に対し、照射位置を移動させながら再度、光照射し、前記グラファイトターゲットから蒸発した炭素蒸気をナノカーボンとして回収する工程と、を含むことを特徴とするナノカーボンの製造方法が提供される。
本発明のナノカーボンの製造方法において、光を照射された表面を平滑化する前記工程は、前記グラファイトターゲットの表面の一部を除去する工程を含むことができる。
また本発明のナノカーボンの製造装置において、前記表面処理手段は、前記光の照射位置と異なる箇所において前記グラファイトターゲットの表面の一部を除去することができる。
こうすることにより、光照射により粗面化したグラファイトターゲット表面を、効率よく平滑化することができる。グラファイトターゲット表面を平滑化することができれば、その一部を除去する方法に特に制限はないが、たとえば、切削、研削、研磨などが挙げられる。
本発明のナノカーボンの製造装置において、前記表面処理手段にて発生する前記グラファイトターゲットの屑を回収するための屑回収手段をさらに備えることができる。こうすることにより、グラファイトターゲット表面の切削化により生じた切削屑を、生成したナノカーボンと効率よく分離し、回収することが可能となる。
本発明のナノカーボンの製造方法において、光照射する前記工程は、レーザー光を照射する工程を含むことができる。こうすることにより、光の波長および方向を一定とすることができるため、グラファイトターゲット表面への光照射条件を、精度良く制御することができる。したがって、所望のナノカーボンを選択的に製造することが可能となる。
本発明のナノカーボンの製造方法において、ナノカーボンを回収する前記工程は、カーボンナノホーン集合体を回収する工程を含むことができる。
また、本発明のナノカーボンの製造装置において、前記ナノカーボンはカーボンナノホーン集合体とすることができる。
こうすることにより、カーボンナノホーン集合体の大量合成を効率よく行うことができる。本発明において、カーボンナノホーン集合体を構成するカーボンナノホーンは、単層カーボンナノホーンとすることもできるし、多層カーボンナノホーンとすることもできる。
また、ナノカーボンとしてカーボンナノチューブを回収することもできる。
以上説明したように本発明によれば、光が照射されたグラファイトターゲットの表面を平滑化し、平滑化されたグラファイトターゲットの表面に、再度、光照射し、グラファイトターゲットから蒸発した炭素蒸気をナノカーボンとして回収することにより、ナノカーボンを安定的に大量生産することができる。また本発明によれば、カーボンナノホーン集合体を安定的に大量生産することができる。
【図面の簡単な説明】  上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。
図１は、本発明に係るナノカーボンの製造装置の構成の一例を示す図である。
図２は、図１のナノカーボンの製造装置の構成を説明するための図である。
図３は、固体炭素単体物質のレーザー光照射部位について説明するための図である。
図４は、レーザー光の照射回数とカーボンナノホーン集合体の収率との関係を示す図である。
図５は、本発明に係るナノカーボンの製造装置の構成の一例を示す図である。
図６は、本発明に係るナノカーボンの製造装置の構成の一例を示す図である。
図７は、本発明に係るナノカーボンの製造方法の一例を説明する図である。
【発明を実施するための最良の形態】  以下、ナノカーボンがカーボンナノホーン集合体である場合を例に、本発明に係るナノカーボンの製造装置および製造方法の好ましい実施の形態について説明する。
（第一の実施形態）
図１は、ナノカーボンの製造装置の構成の一例を示す図である。図１の製造装置は、製造チャンバー１０７、ナノカーボン回収チャンバー１１９、および切削グラファイト回収チャンバー１２１の三つのチャンバー、および製造チャンバー１０７にレーザー光窓１１３を通じてレーザー光１０３を照射するためのレーザー光源１１１、レーザー光１０３の集光用のレンズ１２３を備える。
レーザー光１０３照射のターゲットとなる固体炭素単体物質として、グラファイトロッド１０１を用いる。グラファイトロッド１０１は回転装置１１５に固定されており、中心軸周りに軸として回転可能である。またグラファイトロッド１０１は位置移動も可能である。グラファイトロッド１０１の側面にレーザー光源１１１からレーザー光１０３が照射される。図１では、グラファイトロッド１０１の側面の頂部よりも少し下がった位置にレーザー光１０３が照射され、プルーム１０９は、照射面の法線方向に発生する。図１の装置では、プルーム１０９の発生方向真上に近い方向にナノカーボン回収チャンバー１１９が設けられているため、生成したカーボンナノホーン集合体１１７はナノカーボン回収チャンバー１１９に回収される。
グラファイトロッド１０１は回転装置１１５により回転しているため、レーザー光１０３が照射された領域は、切削バイト１０５がグラファイトロッド１０１に当接する箇所に導かれ、この箇所で切削され側面が平滑化される。切削バイト１０５によるグラファイトロッド１０１の切削屑は、切削グラファイト回収チャンバー１２１に回収され、生成したカーボンナノホーン集合体１１７と分離される。
図１の装置では、レーザー光源１１１および切削バイト１０５の位置は固定されている。グラファイトロッド１０１がその中心軸周りに回転するため、レーザー光１０３の照射位置が、速やかに切削バイト１０５に当接する位置へと移動し、切削バイト１０５によって平滑化される。このとき、グラファイトロッド１０１がその長軸方向に移動することにより、レーザー光１０３の照射位置が変化する。切削バイト１０５による切削部位も、照射位置の変化に対応して変化する。
この様子を図２に示す。図２は、図１のナノカーボンの製造装置におけるグラファイトロッド１０１とレーザー光１０３、切削バイト１０５の位置関係を示す図である。図２に示すように、レーザー光１０３は、照射位置とグラファイトロッド１０１の長さ方向に垂直な断面中心とを結ぶ線分と、水平面とのなす角、すなわち本実施形態における照射角が一定となるように照射される。レーザー光１０３の照射角を一定に保ちながら、グラファイトロッド１０１をその長さ方向にスライドさせることにより、グラファイトロッド１０１の長さ方向にレーザー光１０３を一定のパワー密度で連続的に照射することができる。
このときの照射角は３０°以上６０°以下とすることが好ましい。なお上述のように、本明細書において、照射角とは、レーザー光１０３の照射位置におけるグラファイトターゲットの表面に対する垂線とレーザー光１０３とのなす角のことである。円筒形のグラファイトターゲットを用いる場合、照射角は、図２、図３（ｃ）および図３（ｄ）に示すように、グラファイトロッド１０１の長さ方向に垂直な断面において、照射位置と円の中心とを結ぶ線分と、水平面とのなす角となる。
この照射角を３０°以上とすることにより、照射するレーザー光１０３が反射して戻り光が発生するのを抑制することができる。また、発生するプルーム１０９がレーザー光窓１１３を通じてレンズ１２３へ直撃することが防止される。このため、レンズ１２３を保護し、またカーボンナノホーン集合体１１７のレーザー光窓１１３への付着防止に有効である。よって、グラファイトロッド１０１に照射される光のパワー密度を安定化し、カーボンナノホーン集合体１１７を高い収率で安定的に製造することができる。
また、レーザー光１０３を６０°以下で照射することにより、アモルファスカーボンの生成を抑制し、生成物中のカーボンナノホーン集合体１１７の割合、すなわちカーボンナノホーン集合体１１７の収率を向上させることができる。また、照射角は４５°とすることが特に好ましい。４５°で照射することにより、生成物中のカーボンナノホーン集合体１１７の割合をより一層向上させることができる。
また、ナノカーボン製造装置３４７では、グラファイトロッド１０１の側面にレーザー光１０３を照射する構成となっているため、レンズ１２３の位置を固定した状態で側面の照射角度を変えることにより容易に変えることができる。このため、パワー密度を可変とし、確実に調節することができる。たとえば、レンズ１２３の位置を固定した場合において、たとえば、照射角を３０°とすれば、パワー密度を高くすることができる。また、たとえば照射角度を６０°とすることにより、パワー密度を低く制御できる。
また、図３を用いて前述したように、一度レーザー光１０３が照射されるとグラファイトロッド１０１の側面は粗面化する。粗面化された部位に再度レーザー光１０３を照射すると、照射位置におけるパワー密度にばらつきが生じ、プルーム１０９の発生方向にも乱れが生じる。このように、一度レーザー光１０３が照射された面に再度レーザー光１０３を照射すると、照射位置におけるパワー密度を一定とすることができないため、カーボンナノホーン集合体１１７の収率が低下する。
そこで、図１の装置においては、図２に示すように、グラファイトロッド１０１の下部に切削バイト１０５が設けられている。レーザー光１０３の照射部位よりも下部に切削バイト１０５を配置すると、レーザー光１０３の照射されたグラファイトロッド１０１側面が順次回転されて切削バイト１０５の位置に移動し、切削されるため、照射位置を連続的に平滑化することができる。このため、レーザー光１０３の照射面は、常に平滑面となる。よって、グラファイトロッド１０１を製造チャンバー１０７から取り出して平滑化の処理を行わなくても、レーザー光１０３照射部位のパワー密度を一定とすることができる。したがって、グラファイトロッド１０１を製造チャンバー１０７に設置したままでレーザー光１０３を連続的に照射することが可能となり、カーボンナノホーン集合体１１７を効率よく大量生産することができる。
また、図２のようにレーザー光１０３を照射すると、プルーム１０９は上方に生じるため、カーボンナノホーン集合体１１７は上方に向かって生成する。したがって、切削バイト１０５をグラファイトロッド１０１の下部に設けておけば、生成したカーボンナノホーン集合体１１７と切削バイト１０５によって切削された原料であるグラファイトロッド１０１の切削屑とを効率よく分離することが可能となる。
なお、図２のように、切削バイト１０５の設置部位は、レーザー光１０３の照射部位から、グラファイトロッド１０１が長軸に平行に移動する方向に対して等しいかまたはやや後方となる位置に設けることが好ましい。こうしておけば、グラファイトロッド１０１の側面がレーザー光１０３の照射前に切削されてしまうという不具合を確実に防止することができる。
以上のように、図１のナノカーボンの製造装置においては、円筒形のグラファイトロッド１０１の側面に照射されるレーザー光１０３の部位が連続的に変化し、かつ照射部位が回転することによって切削バイト１０５によって平滑化されるため、カーボンナノホーン集合体１１７を連続的に製造することが可能である。また、グラファイトターゲットであるグラファイトロッド１０１を繰り返しレーザー光１０３照射に供することができるため、グラファイトロッド１０１を有効利用することが可能である。
次に、図１の製造装置を用いたカーボンナノホーン集合体１１７の製造方法について具体的に説明する。
図１の製造装置において、グラファイトロッド１０１として、高純度グラファイト、たとえば丸棒状焼結炭素や圧縮成形炭素等を用いることができる。
また、レーザー光１０３として、たとえば、高出力ＣＯ２ガスレーザー光などのレーザー光を用いる。なお、レーザー光窓１１３およびレンズ１２３の材料は、使用するレーザー光１０３の種類に応じて適宜選択される。たとえば、ＣＯ２ガスレーザー光を用いる場合、レーザー光窓１１３およびレンズ１２３の材料をＺｎＳｅとすることができる。
レーザー光１０３のグラファイトロッド１０１への照射は、Ａｒ、Ｈｅ等の希ガスをはじめとする反応不活性ガス雰囲気、たとえば１０３Ｐａ以上１０５Ｐａ以下の雰囲気中で行う。また、製造チャンバー１０７内を予めたとえば１０−２Ｐａ以下に減圧排気した後、不活性ガス雰囲気とすることが好ましい。
また、グラファイトロッド１０１の側面におけるレーザー光１０３のパワー密度がほぼ一定、となるようにレーザー光１０３の出力、スポット径、および照射角を調節することが好ましい。
また、グラファイトロッド１０１の側面におけるレーザー光１０３のパワー密度がほぼ一定、たとえば５ｋＷ／ｃｍ２以上３０ｋＷ／ｃｍ２以下、たとえば２０±１０ｋＷ／ｃｍ２となるようにレーザー光１０３の出力、スポット径、および照射角を調節することが好ましい。
レーザー光１０３の出力はたとえば１ｋＷ以上５０ｋＷ以下とする。また、レーザー光１０３のパルス幅はたとえば０．０２秒以上、好ましくは０．５秒以上と、さらに好ましくは０．７５秒以上とする。こうすることにより、グラファイトロッド１０１の表面に照射されるレーザー光１０３の累積エネルギーを充分確保することができる。このため、カーボンナノホーン集合体１１７を効率よく製造することができる。また、レーザー光１０３のパルス幅はたとえば１．５秒以下とし、好ましくは１．２５秒以下とする。こうすることにより、グラファイトロッド１０１の表面が過剰に加熱されることにより表面のエネルギー密度が変動し、カーボンナノホーン集合体の収率が低下するのを抑制することができる。レーザー光１０３のパルス幅は、０．７５秒以上１秒以下とすることがさらに好ましい。こうすれば、カーボンナノホーン集合体１１７の生成率および収率をともに向上させることができる。
また、レーザー光１０３照射における休止幅は、たとえば０．１秒以上とすることができ、０．２５秒以上とすることが好ましい。こうすることにより、グラファイトロッド１０１表面の過加熱をより一層確実に抑制することができる。
また、照射時のレーザー光１０３のグラファイトロッド１０１側面へのスポット径は、たとえば０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下とすることができる。また、好ましい照射角度は、図２を用いて前述した通りである。
レーザー光１０３照射時に、回転装置１１５によってグラファイトロッド１０１を円周方向に一定速度で回転させる。回転数はたとえば１ｒｐｍ以上２０ｒｐｍ以下とする。
また、レーザー光１０３のスポットを、たとえば０．０１ｍｍ／ｓｅｃ以上５５ｍｍ／ｓｅｃ以下の速度（周速度）で移動させることが好ましい。たとえば、直径１００ｍｍのグラファイトターゲットの表面にレーザー光１０３を照射する場合には、回転装置１１５によって直径１００ｍｍのグラファイトロッド１０１を円周方向に一定速度で回転させ、回転数をたとえば０．０１ｒｐｍ以上１０ｒｐｍ以下とすると、上記周速度を実現できる。なお、グラファイトロッド１０１の回転方向に特に制限はないが、レーザー光１０３から遠ざかる方向に回転させることが好ましい。こうすることにより、カーボンナノホーン集合体１１７をより一層確実に回収することができる。
グラファイトロッド１０１の下部に設ける切削バイト１０５は、グラファイトロッド１０１側面を平滑化することができる構成であれば特に制限はなく、種々の形状、材質のものを用いることができる。また、図１の製造装置では切削バイト１０５を用いているが、これに代わり種々の切削部材、またたとえばやすり等の研磨部材やたとえば、研磨紙（サンドペーパー）が上面に設けられたローラーを用いることができる。このとき、たとえば研磨紙の設けられたローラーの上面が面に直交する中心軸周りに回転し、グラファイトロッド１０１の円筒面を平滑化する構成とすることができる。部材などを用いてもよい。また、切削グラファイト回収チャンバー１２１を設ける位置には、切削バイト１０５による切削屑をカーボンナノホーン集合体１１７と分離して回収することができる位置であれば特に制限はない。
図１の装置では、レーザー光１０３の照射によって得られたすす状物質がナノカーボン回収チャンバー１１９に回収される構成となっているが、適当な基板上に堆積して回収することや、ダストバッグによる微粒子回収の方法によって回収することもできる。また、不活性ガスを反応容器内で流通させて、不活性ガスの流れによりすす状物質を回収することもできる。
図１の装置を用いて得られたすす状物質は、カーボンナノホーン集合体１１７を主として含み、たとえば、カーボンナノホーン集合体１１７が９０ｗｔ％以上含まれる物質として回収される。
図５は、本実施形態に係るナノカーボン製造装置の別の構成を示す図である。図５のナノカーボン製造装置３３３の基本的な構成は図１の装置と同じであるが、グラファイトロッド１０１の側面におけるレーザー光１０３の照射位置が異なる。これによりプルーム１０９の発生方向が異なるため、搬送管１４１の延在方向が異なる。さらに、ナノカーボン製造装置３３３は、不活性ガス供給部１２７、流量計１２９、真空ポンプ１４３、および圧力計１４５を備える。
レーザー光１０３を照射すると、プルーム１０９は、レーザー光１０３の照射位置におけるグラファイトロッド１０１の接線に垂直方向に発生する。ナノカーボン製造装置３３３では、レーザー光１０３がグラファイトロッド１０１の側面に照射され、照射角が４５°となっている。そして、鉛直に対して４５°をなす方向に搬送管１４１が設けられている。このため、グラファイトロッド１０１の接線に垂直方向に搬送管１４１が設けられた構成となっている。よって、効率よく炭素蒸気をナノカーボン回収チャンバー１１９に導き、カーボンナノホーン集合体１１７を回収することができる。また、照射角が４５°であるため、上述したように、戻り光の発生が抑制され、カーボンナノホーン集合体１１７を高い収率で安定的に製造することができる。
（第二の実施形態）
第一の実施形態では円筒形のグラファイトターゲットを用いたが、平板状のグラファイトターゲットを用いることもできる。図６は、本実施形態に係るナノカーボン製造装置３４１の構成を模式的に示す断面図である。
ナノカーボン製造装置３４１の基本構成は図１および図５の装置と同様であるが、回転装置３３７およびフライス３３９を有する点が異なる。
回転装置３３７は、グラファイト板３３５を保持する。そして、グラファイト板３３５を面方向に移動させるとともに、照射面を反転させる回転機構を備えている。
フライス３３９は、所定の位置で長軸まわりに回転し、グラファイト板３３５の表面を切削する。フライス３３９をグラファイト板３３５の下部に設けておけば、生成したカーボンナノホーン集合体１１７とフライス３３９によって切削された切削屑とを効率よく分離することができる。
なお、フライス３３９の設置部位は、たとえば、レーザー光１０３の照射部位からグラファイト板３３５が面方向に移動する方向に対して等しいかまたはやや後方となる位置に設けることができる。こうすれば、レーザー光１０３を照射する際に確実にグラファイト板３３５の裏面を平滑化することができる。
グラファイト板３３５は、その両面をレーザー光１０３の照射面として提供できればよく、たとえば平板状またはシート状のグラファイトを用いることができる。グラファイト板３３５は、その表面の幅が厚みよりも大きい形状とすることができる。こうすれば、表面に効率よくレーザー光１０３を照射することができるため、カーボンナノホーン集合体１１７を効率よく生産することができる。
また、グラファイト板３３５を矩形とすることができる。こうすれば、グラファイト板３３５の移動方向の調節を容易に行うことができる。たとえば、グラファイト板３３５を矩形の長辺に平行な方向に直線移動させながらレーザー光１０３を照射して、カーボンナノホーン集合体１１７を効率よく生産することができる。
図７（ａ）〜図７（ｃ）は、ナノカーボン製造装置３４１を用いたカーボンナノホーン集合体１１７の製造の手順を説明する図である。まず、グラファイト板３３５を表面に水平方向に移動させながら、レーザー光１０３を照射する（図７（ａ））。たとえば、グラファイト板３３５を長手方向に移動させながら、第一の面３４３に照射する。このとき、レーザー光１０３は製造チャンバー１０７内の所定の位置に照射されるため、グラファイト板３３５を水平移動させることにより、レーザー光１０３の照射位置を移動させながら第一の面３４３にレーザー光１０３を照射することができる。レーザー光１０３の照射により、第一の面３４３が粗面化される。
次に、回転装置３３７によりグラファイト板３３５を１８０°回転させる（図７（ｂ））。こうすると、レーザー光１０３の照射面が反転し、レーザー光１０３の照射面として平滑な第二の面３４５が提供される。このとき、レーザー光１０３の照射は休止する。
そして、第二の面３４５にレーザー光１０３を照射する。また、同時に、フライス３３９を回転させて、第一の面３４３を平滑化する。フライス３３９は製造チャンバー１０７内の所定の位置で回転するため、第二の面３４５の面方向にグラファイト板３３５を移動させながらレーザー光１０３を照射することにより、フライス３３９による切削位置を移動させながら第一の面３４３を切削することができる。フライス３３９によるグラファイト板３３５の切削屑は、切削グラファイト回収チャンバー１２１に回収され、生成したナノカーボン回収チャンバー１１９に回収されるカーボンナノホーン集合体１１７と分離される。
本実施形態において、レーザー光１０３の照射条件は第一の実施形態と同様とすることができる。また、グラファイト板３３５の表面にレーザー光１０３を照射しながら、グラファイト板３３５を並進移動させるときの移動速度は、たとえば０．４ｍｍ／ｍｉｎ以上４．８ｍｍ／ｍｉｎ以下とする。４．８ｍｍ／ｍｉｎ以下とすることにより、グラファイト板３３５の表面に確実にレーザー光１０３を照射することができる。また、０．４ｍｍ／ｍｉｎ以上とすることにより、効率よくカーボンナノホーン集合体１１７を製造することができる。
ナノカーボン製造装置３４１では、レーザー光１０３の照射面を反転させることが可能であり、グラファイト板３３５の二つの面に交互にレーザー光１０３を照射する。また、レーザー光１０３の照射後、フライス３３９で表面を平滑化した後再度の照射に供する。このため、照射面におけるレーザー光１０３のパワー密度のぶれを抑制することができる。よって、所定の性質のカーボンナノホーン集合体１１７を高い収率で安定的に製造することができる。
以上の実施形態に係るナノカーボン製造装置を用いることにより、レーザー光１０３が照射されたグラファイトロッド１０１側面を平滑化し、再度のレーザー光１０３照射に供することができるため、カーボンナノチューブの製造においてもこれを安定的に大量生産することが可能である。
なお、カーボンナノホーン集合体１１７を構成するカーボンナノホーンの形状、径の大きさ、長さ、先端部の形状、炭素分子やカーボンナノホーン間の間隔等は、レーザー光１０３の照射条件などによって様々に制御することが可能である。
以上、本発明を実施形態に基づき説明した。これらの実施形態は例示であり様々な変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
たとえば、以上の実施形態に記載のナノカーボン製造装置は、レーザー光１０３の照射、グラファイトターゲットの移動もしくは回転、または切削バイトやフライスの駆動を制御する制御部を有していてもよい。
また、以上においてはナノカーボンとしてカーボンナノホーン集合体を製造する場合を例に説明したが、以上の実施形態に係る製造装置を用いて製造されるナノカーボンはカーボンナノホーン集合体には限定されない。
たとえば、図１の製造装置を用いてカーボンナノチューブを製造することもできる。カーボンナノチューブを製造する場合、グラファイトロッド１０１の側面におけるレーザー光１０３のパワー密度がほぼ一定、たとえば５０±１０ｋＷ／ｃｍ２となるようにレーザー光１０３の出力、スポット径、および照射角を調節することが好ましい。
また、グラファイトロッド１０１には、触媒金属をたとえば０．０００１ｗｔ％以上５％以下添加する。金属触媒として、たとえばＮｉ、Ｃｏなどの金属を用いることができる。
【実施例】  本実施例では、図１に示す構成のナノカーボンの製造装置を用いてカーボンナノホーン集合体１１７を作製した。
グラファイトロッド１０１として直径１００ｍｍ、長さ２５０ｍｍの焼結丸棒炭素を用い、これを製造チャンバー１０７内の回転装置１１５に固定した。製造チャンバー１０７内を１０−３Ｐａにまで減圧排気した後、Ａｒガスを１０５Ｐａの雰囲気圧となるように導入した。次いで、室温中にてグラファイトロッド１０１を回転数６ｒｐｍで回転させ、また０．３ｍｍ／ｓｅｃにて水平移動させながら、その側面にレーザー光１０３を照射した。
レーザー光１０３には高出力のＣＯ２レーザー光を用い、その出力は３〜５ｋＷ、波長１０．６μｍ、パルス幅５ｓｅｃの連続発振とした。また、グラファイトロッド１０１の長さ方向に垂直な断面において、照射位置と円の中心とを結ぶ線分と、水平面とのなす角、すなわち照射角を４５°とし、グラファイトロッド１０１側面でのパワー密度は２０ｋＷ／ｃｍ２±１０ｋＷ／ｃｍ２とした。
得られたすす状物質についてＴＥＭ観察を行った。また、ラマン分光法により、１３５０ｃｍ−１と１５９０ｃｍ−１の強度を比較し、カーボンナノホーン集合体１１７の収率を算出した。
次に、切削バイト１０５によって平滑化されたグラファイトロッド１０１側面に２回目のレーザー光１０３照射を行い、上述の方法によりカーボンナノホーン集合体１１７の収率を求めた。さらに、２回目の照射を行った部位にさらに３度目の照射を行い、同様に生成物の評価を行った。
得られたすす状物質を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察したところ、１回目〜３回目のいずれの照射においても、カーボンナノホーン集合体１１７が支配的に生成しており、その粒子径は、８０ｎｍ以上１２０ｎｍ以下の範囲であった。また、１回目〜３回目の照射後に得られた物質全体中のカーボンナノホーン集合体１１７の収率をラマン分光法によって求めたところ、図４に示すように、いずれも９０％以上の高収率となった。
したがって、本実施例では、レーザー光１０３の照射されたグラファイトロッド１０１側面を切削バイト１０５にて切削し、再度レーザー光１０３を照射することにより、高い収率でカーボンナノホーン集合体１１７が得られた。またこの工程は、カーボンナノホーン集合体の大量生産に好適な連続工程であることが明らかになった。
（比較例）
図１の装置において、切削バイト１０５を用いずにカーボンナノホーン集合体１１７の製造を行った。グラファイトロッド１０１の側面を切削バイト１０５で切削しないことの他は、実施例と同様にして行った。
その結果、図４に示すように、同一のグラファイトロッド１０１に対するレーザー光１０３の照射回数が増すにつれ、カーボンナノホーン集合体の収率は顕著に減少した。そこで、レーザー光１０３を１回照射した後の側面を肉眼で観察したところ、レーザー光１０３の照射部位に深さ約３ｍｍの凹部が形成されており、凹部の側面も照射前の側面に比べて粗面化していた。したがって、凹部の形成された側面に再度レーザー光１０３が照射されたため、レーザー光１０３の入射角やパワー密度が変化するため、カーボンナノホーン集合体１１７の収率が減少したと考えられる。
【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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【国際調査報告】
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