(57)【要約】【課題】ウィスカを用いてカーボンファイバの製造やその他の工業的用途等に用いることができる新規な構造を備えた触媒粒子を提供すること。【解決手段】本触媒粒子１は、一軸方向両方向に細長い針状に延びたウィスカからなり、その軸方向両先端部分にカーボンファイバの成長起点を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一軸方向両方向に細長い針状に延びたウィスカからなり、その軸方向両先端部分にカーボンファイバの成長起点を備える触媒粒子。
【請求項２】
上記ウィスカが磁性体である、請求項１に記載の触媒粒子。
【請求項３】
核部とこの核部のほぼ全周から多軸方向に延びる針状部とを備えるウィスカからなり、その針状部の先端部分にカーボンファイバの成長起点を備える触媒粒子。
【請求項４】
核部とこの核部から多軸方向に互いに間隔をあけて延びる複数の針状部とを備えるウィスカからなり、その針状部の先端部分にカーボンファイバの成長起点を備える触媒粒子。
【請求項５】
請求項１または２に記載の触媒粒子を内包したカーボンファイバ。
【請求項６】
請求項３に記載の触媒粒子により生成されてブロック状となっているカーボンファイバ。
【請求項７】
請求項４に記載の触媒粒子上に生成されて電子放出用とされるカーボンファイバ。
【請求項８】
一軸方向両方向に細長い針状に延びた磁性体ウィスカからなる触媒粒子と、その触媒粒子の表面に成膜されたカーボン膜とを備え、全長が可視光の波長より長く延び、直径が可視光の波長より短い光学異方性材。                                                                           
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素ガスに作用（触媒作用）してカーボンファイバの成長を促進させる触媒粒子、およびこの触媒粒子を用いて製造されるカーボンファイバおよび、この触媒粒子を用いた光学異方性材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
カーボンナノチューブ等のカーボンファイバは、ナノオーダーで細くかつ高アスペクト比であり、電子エミッタ材料、水素吸蔵体、高容量キャパシタ材料、二次電池または燃料電池の電極材料、電磁波吸収材料、その他多くの材料に汎用されつつある。このようなカーボンファイバの製造には、炭化水素ガスに接触し、成長核となってカーボンファイバを成長させる触媒粒子が用いられる（特許文献１参照）。従来の触媒粒子には通常一般にその形状が球状等の粒状のもの（微粉体）が用いられている。しかしながら、このような形状の触媒粒子の市場での供給能力には限界があり、そこで、本出願人はこの触媒粒子として細長い針状の単結晶であるウィスカに着目した。ウィスカは構造欠陥がほとんどない理想的に完全に近い結晶で、機械的強度においても非常に優れており、その製造方法は各種提供されている。例えば、電解溶液中にウィスカの材料を入れ、電圧を制御することにより、種々の針形状を備えたウィスカを析出して製造する技術も提供されている。本出願人は、ウィスカの形状に特異性を持たせ、従来の触媒粒子では応用できなかった工業的用途にも展開することができる触媒粒子を開発することができるに至った。なお、ウィスカの製造方法は例えば特許文献２、特許文献３等を参照することができる。また、特許文献４等にはナノサイズのウィスカを電解析出する方法が開示されている。なお、特許文献５には、ナノ炭素繊維からなる担体と、この担体に担持されたｎｍオーダーのサイズの触媒金属粒子とからなる触媒が提案されている。
【特許文献１】特開２００５−１４５７４３号公報
【特許文献２】特開平０８−２３９３００号公報
【特許文献３】特開平０９−１７５８２０号公報
【特許文献４】特開２００４−１４９８７１号公報
【特許文献５】特開２００５−２７９５９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
したがって、本発明により解決すべき課題は、ウィスカを用いてカーボンファイバの製造やその他の工業的用途等に用いることができる新規な構造を備えた触媒粒子、およびこの触媒粒子を用いて製造されるカーボンファイバおよび、この触媒粒子を用いた光学異方性材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明に係る第１の触媒粒子は、一軸方向両方向に細長い針状に延びたウィスカからなり、その軸方向両先端部分にカーボンファイバの成長起点を備えることを特徴とするものである。好ましくはこのウィスカは磁性体から構成されている。
【０００５】
工業的用途によっては、上記両先端部分はカーボンファイバの成長起点として用いられても用いられなくてもよい。針状には円柱、円錐、円錐で先端が平坦なものや先端が尖っているもの等全て含まれる。更に、三角錐、四角錐、六角錐、それ以外の多角錐状やその多角錐の先端が平坦なもの、三角柱、四角柱、六角柱、それ以外の多角柱状、あるいは先端が尖った三角柱、四角柱、六角柱、それ以外の多角柱状やその先端が平坦なもの等も含まれ、さらに、これらの折れ線状構造も含まれる。
【０００６】
針状とは、そのアスペクト比が３以上であることの意である。アスペクト比とはその横断面が円形または円形に近い状態の形状の場合は直径に対する長さの比率をいい、横断面が六角形等の角形の場合は切断面の重心を通る最小長さに対する長さの比率をいうものとする。
【０００７】
本発明においては、その外観が表現の一例として「針」形状であり、成長起点が１つである粒状の触媒粒子とは異なって、成長起点を両端に２つ備えたことにより、その工業的用途がさらに提供することができる第１の触媒粒子を提供することができる。
【０００８】
本発明に係る第２の触媒粒子は、核部とこの核部のほぼ全周から多軸方向に延びる針状部とを備えるウィスカからなり、その針状部の先端部分にカーボンファイバの成長起点を備えることを特徴とするものである。
【０００９】
第２の触媒粒子は、その外観が表現の一例としていわゆる「ウニ」形状であるから、多方向にカーボンファイバを成長させることができるので、カーボンファイバが互いに毛玉状に絡み合ったブロック（塊）状に製造することができる。カーボンファイバを１つのブロック状に集合させて扱うような工業的用途においては、単体では比重が小さくて軽くて扱い難くブロック状に集合させにくかったが、第２の触媒粒子を用いて製造したカーボンファイバの場合、製造後の工程でブロック状に集合させる必要がなく工業的な取り扱いが容易となる。
【００１０】
本発明に係る第３の触媒粒子は、核部とこの核部から多軸方向に互いに間隔をあけて延びる複数の針状部とを備えるウィスカからなり、その針状部の先端部分にカーボンファイバの成長起点を備えることを特徴とするものである。
【００１１】
第３の触媒粒子においては、その外観が表現の一例として「椰子の葉」形状ないしは「ヘリボーン」形状であるから、一つの触媒からカーボンファイバを多数成長させることができるから、シート状に加工した際等に適度な空間を内包できることから、高性能吸着材等として有用である。
【００１２】
本発明に係る第１のカーボンファイバは、上記第１の触媒粒子を内包したカーボンファイバである。この第１のカーボンファイバは、第１の触媒粒子をその中間に内包することができたものである。この場合、第１の触媒粒子が磁性金属である場合、外部磁界により当該第１の触媒粒子の向きを制御することができるから、第１の触媒粒子を含むカーボンファイバを基板上に磁界の従う向きに整列するよう制御することが可能となる。
【００１３】
本発明に係る第２のカーボンファイバは、上記第２の触媒粒子により生成されてブロック状となっている。第２のカーボンファイバはカーボンファイバをブロック状に集合させて扱うような工業的用途に適したものである。このカーボンファイバの場合は、第２の触媒粒子が多数の針状突起を備えたいわゆる「ウニ」形状であり、各針状突起からカーボンファイバを生成することができるので、カーボンファイバの集合状態が安定したものとなる。
【００１４】
本発明に係る第３のカーボンファイバは、上記第３の触媒粒子上に生成されて電子放出用とされたカーボンファイバである。第３のカーボンファイバは、電子放出源として有用である。
【００１５】
本発明に係る光学異方性材は、一軸方向両方向に細長い針状に延びた磁性体ウィスカからなる触媒粒子と、その触媒粒子の表面に成膜されたカーボン膜とを備え、全長が可視光の波長より長く延び、直径が可視光の波長より短い光学異方性材である。この光学異方性材は、外部磁気の印加制御により触媒粒子の向きを変えることにより一方からの光を透過または遮断するという光学異方性を有することができる。この個性は例えば電子的に文字や図等を作成することができる電子ペーパー、電子黒板、表示装置、その他に有効利用することができる。
【００１６】
なお、カーボンファイバは、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノコーン、カーボンナノバンブ、グラファイトナノファイバを含むことができる。
【００１７】
触媒粒子の材料は、カーボンファイバの成膜を促進する物質であれば特に限定されない。触媒粒子は、例えば、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等を例示することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の触媒粒子は、カーボンファイバの製造等、各種工業的用途に用いることが可能な新規な触媒粒子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係る触媒粒子を説明する。
【００２０】
（実施の形態１）
図１は実施の形態１の触媒粒子を示す。図１およびこれ以降の図は理解のために誇張して示されており、本発明を限定するものではない。図１（ａ）は実施の形態１の第１の触媒粒子の斜視図、図１（ｂ）は同第１の触媒粒子の断面図である。第１の触媒粒子１は、中心にあるウィスカを生成する核となる核部が一軸方向両方向に細長く針状に延びてなるウィスカからなり、その軸方向両先端部分２が第１のカーボンファイバ３の成長起点となるものである。このウィスカは、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の炭化水素ガスに作用して第１のカーボンファイバ３を製造することができる金属により構成されている。実施の形態１では第１の触媒粒子１の形状に特徴があるから、ウィスカの製造方法および第１のカーボンファイバ３の製造方法の詳細は略するが、ウィスカは例えば電気分解法により、第１のカーボンファイバ３は例えば、熱ＣＶＤ法により製造することができる。
【００２１】
（実施の形態２）
図２は実施の形態２の第２の触媒粒子を示す。図２（ａ）は同第２の触媒粒子の斜視図、図２（ｂ）は同第２の触媒粒子の断面図、図２（ｃ）は同第２の触媒粒子により製造したカーボンファイバの斜視図である。第２の触媒粒子４は、ウィスカを生成する核となる核部５とこの核部５のほぼ全周から多軸方向に延びる針状部６とを備えるウィスカからなり、その針状部６の先端部分に第２のカーボンファイバ７の成長起点を備えて構成されている。
【００２２】
第２の触媒粒子４においては、核部５のほぼ全周から多軸方向に延びる針状部６それぞれの先端部分から第２のカーボンファイバ７を成長させることができる。この場合、第２のカーボンファイバ７を互いに毛玉状に絡み合ったブロック（塊）状に製造することができる。したがって、第２のカーボンファイバ７を１つのブロック状に集合させて扱うような工業的用途においては、単体では比重が小さくて軽くて扱い難くブロック状に集合させにくかったが、第２のカーボンファイバ７では、製造後の工程でカーボンファイバ７をブロック状に集合させる必要がなく工業的な取り扱いが容易となる。
【００２３】
（実施の形態３）
図３は実施の形態３の第３の触媒粒子を示す。図３（ａ）は同第３の触媒粒子の斜視図、図３（ｂ）は同第３の触媒粒子の断面図、図３（ｃ）は同第３の触媒粒子と該第３の触媒粒子に成長した第３のカーボンファイバとの斜視図である。第３の触媒粒子８は、ウィスカを生成する核となる核部９と、この核部９から多軸方向に互いに間隔をあけて延びる複数の針状部１０とを備えるウィスカからなり、その針状部１０の先端部分に第３のカーボンファイバ１１の成長起点を備えて構成されている。
【００２４】
第３の触媒粒子８においては第３のカーボンファイバ１１を略同方向平行に成長させることができるから、その針状部１０の先端から電界放射により電子放出させる場合、それぞれの成長起点の相互間隔が一定に保たれるので安定した電子放出を行うことが可能となり、電子放出源として有用である。
【００２５】
（その他の実施の形態）
（１）実施の形態１ないし実施の形態３それぞれの触媒粒子１，４，８は磁性体で構成すること  ができる。
【００２６】
（２）図４は第１の触媒粒子１と同様の触媒粒子１１を磁性体で構成し、かつ、その表面にカーボン膜１２で被覆し、かつ、全長Ｌを可視光の波長より長く設定し、直径Ｄを可視光の波長より短く構成した光学異方性材１４としたものである。この構成を備えた触媒粒子１の応用例を図５を参照して説明する。
【００２７】
まず、図５（ａ）で示すように、多数の光学異方性材１４を磁界Ｈｘ方向に直列に整列配置する。この状態では光学異方性１４材に対する入射光Ａは当該光学異方性材１４で遮光される。これに対して図５（ｂ）で示すように磁界Ｈｘとは方向が９０度異なる磁界Ｈｙを印加すると、光学異方性材１４はそれに応じて９０度回転する結果、光学異方性材１４間に光透過口１５が形成され、入射光Ａは透過光Ｂとして光通過口１５を透過することができる。したがって、この光学異方性材１４を用いて、例えば、電子的に文字や図等を作成することができる電子ペーパー、電子黒板、表示装置、その他に有効利用することができる。
【００２８】
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内で、種々な変更ないしは変形を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１（ａ）は実施の形態１の触媒粒子の斜視図、図１（ｂ）は同触媒粒子の断面図である。
【図２】図２（ａ）は実施の形態２の触媒粒子の斜視図、図２（ｂ）は同触媒粒子の断面図、図２（ｃ）はその触媒粒子により製造したカーボンファイバの斜視図である。
【図３】図３（ａ）は実施の形態３の触媒粒子の斜視図、図３（ｂ）は同触媒粒子の断面図、図３（ｃ）はその触媒粒子と該触媒粒子に成長したカーボンファイバとの斜視図である。
【図４】図４は光学異方性材の断面図である。
【図５】図５（ａ）は図４の光学異方性材を用いた電子ペーパーの構成を示し光が遮光されている状態を示す図、図５（ｂ）は図５（ａ）に対応し磁界の印加方向を変えて光が透過している状態を示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  第１の触媒粒子
２  先端部分
３  第１のカーボンファイバ
４  第２の触媒粒子
５  核部
６  針状部
７  第２のカーボンファイバ
８  第３の触媒粒子
９  核部
１０  針状部
１１  第３のカーボンファイバ
１２  触媒粒子
１３  カーボン膜
１４  光学異方性材                                                                                
【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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