(57)【要約】【課題】基板上の触媒膜が気中放置されても酸化されない基板ユニットを提供する。【解決手段】本基板ユニット１は、基板３と、この基板３上に成膜されていて熱アニール温度で微粒子化する触媒膜５と、この触媒膜５の表面を覆って上記触媒膜５を保護するもので熱分解温度が熱アニール温度未満の触媒保護膜７と、を備える。【選択図】図１
2009155693.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、上記基板上に成膜され熱アニール処理で微粒子化する金属材からなる触媒膜と、上記触媒膜表面を覆って該表面を気密封止し上記熱アニール温度より低い熱分解温度で分解する触媒保護膜と、を備えることを特徴とする基板ユニット。
【請求項２】
基板と触媒膜との間に下地膜が成膜されている、ことを特徴とする請求項１に記載の基板ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板表面に熱アニール温度で微粒子化し炭素系ガスに反応しカーボンファイバを合成する触媒膜が成膜されている基板ユニット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、等に汎用されつつある。
【０００３】
このようなカーボンファイバの製造方法には、アーク放電法、レーザ蒸発法、熱ＣＶＤ法、などがある。これら製造方法のうち、熱ＣＶＤ法では、基板上にカーボンファイバの成長のための金属系の触媒微粒子を基板上に生成し、炭素系の触媒ガスの雰囲気中で基板を加熱することにより、触媒微粒子が触媒ガスに接触作用させることによりカーボンファイバを製造することが行われている。
【０００４】
上記触媒微粒子は図４（ａ）で示すように基板３に成膜された触媒膜５をアニール処理して図４（ｂ）で示すように触媒微粒子１１を生成することにより得られる。本明細書では、上記微粒子化のため触媒膜をアニール処理する温度のことを熱アニール温度という。ところで、上記触媒膜５は基板３上に直接成膜されたり、あるいは、下地膜を介して成膜される。下地膜は、触媒膜の加熱処理中に触媒膜を構成する金属が基板中に拡散することを防止するものである（特許文献１参照）。
【０００５】
上記触媒膜５は、基板３上に成膜されてから微粒子化されるまでの時間帯において、空気中に一定時間晒されてしまう時間帯（気中放置時間帯）が存在する。触媒膜５は一般に鉄からなり、気中放置時間帯で酸化され易い状態である。
【０００６】
特に触媒膜５はμｍオーダーの極めて薄い膜であるから、酸化が進行しやすい。触媒膜５が酸化されたのでは、上記アニール処理しても微粒子化されないか、微粒子化されても均質な微粒子化ができない。
【０００７】
さらに、触媒膜５の酸化を防止するよう酸化防止膜で単に覆うとしても触媒膜５を微粒子化のためアニールする直前に酸化防止膜を触媒膜５から剥離するのでは、その剥離に多大な労力を要し、作業コストアップをもたらす。
【特許文献１】特開２００１−３０３２５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明により解決すべき課題は、基板上の触媒膜を触媒保護膜で覆って気密封止する一方、触媒膜の熱アニールに際し触媒保護膜の剥離を不要化した基板ユニットを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る基板ユニットは、基板と、上記基板上に成膜され熱アニール処理で微粒子化する金属材からなる触媒膜と、上記触媒膜表面を覆って該表面を気密封止し上記熱アニール温度より低い熱分解温度で分解する触媒保護膜と、を備えることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明の基板ユニットでは、触媒膜は触媒保護膜で被覆され気密封止され空気中に晒されていないから空気中に放置されても触媒膜が酸化されることがない。一方、触媒膜を熱アニール温度で加熱して微粒子化する際に、触媒保護膜はその熱アニール温度より低い温度である熱分解温度で熱分解されて消失するので、触媒膜の熱アニール時に触媒保護膜を剥離する必要がない。この場合、カーボンファイバの製造工数としては触媒保護膜を触媒膜上に成膜する成膜作業が増加するとしても、コストと時間とがかかる触媒保護膜の剥離作業が不要であるから、カーボンファイバの製造工数全体からはコストはさほど増大することがない。
【００１１】
なお、触媒保護膜は、炭素系の樹脂で構成することが好ましい。この樹脂にはアクリル系樹脂、セルロース系樹脂、等を例示することができる。アクリル系樹脂にはポリブチルアクリレート、ポリメタクリレートなどを例示することができ、また、セルロース系樹脂にはニトロセルロースやエチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロースなどを例示することができる。炭素系の樹脂の場合、触媒保護膜が熱分解した際に炭化水素系ガスが生成され、その炭化水素系ガス中の成分がカーボンファイバの成長に必要な原料として再利用することができる。
【００１２】
本発明では、触媒膜上への触媒保護膜の成膜形態に何等限定されることがないが、この成膜形態としては例えばスクリーン印刷法、バーコーター法、ロールコーター法、ダイコーター法、ドクターブレード法などを例示することができる。
【００１３】
本発明では、触媒膜に特に限定されないが、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｙ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、ＥｒおよびＬｕ等を例示することができる。
【００１４】
本発明では、基板の素材に特に限定されないが、シリコン、クロム、銅、タングステン、アルミニウム等を例示することができる。なお、この基板上の触媒微粒子により成長するカーボンファイバは、その種類に特に限定されないが、カーボンナノチューブ、グラファイトナノファイバ、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等を例示することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、触媒膜が触媒保護膜で被覆されパッケージ化されているので、基板ユニットが気中放置されても触媒膜が酸化されることがない。そのため、触媒膜を熱アニール温度で加熱して微粒子化した場合、触媒膜が酸化されていない状態から熱アニールするので、生成した触媒微粒子は均質で結晶性も高く、そのため炭素系ガスを作用させてカーボンファイバを成長させた場合には、品質に優れたカーボンファイバに成長させることができる。
【００１６】
また、触媒保護膜は熱アニール温度より低い温度で熱分解することができる保護膜であるので、触媒膜をアニール処理により微粒子化する際に触媒保護膜を剥離する必要がないから、カーボンファイバの製造工数としては触媒保護膜を触媒膜上に成膜する成膜作業が必要であるとしても、剥離作業が不要であるから、カーボンファイバの製造工数全体からのコスト増大を低く抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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基板ユニットを詳細に説明する。
【００１８】
図１は、実施の形態の基板ユニット１を示す。この基板ユニット１は、基板３と、この基板３上に成膜されていて熱アニール温度で加熱されることにより微粒子化する触媒膜５と、この触媒膜５の表面を気密封止状態に覆って上記触媒膜５を酸化から保護するもので熱分解温度が熱アニール温度未満である触媒保護膜７とを備えて構成されている。上記気密封止状態とは、触媒膜５表面全体が空気中に露出しないようにその全体を気密に封止した状態である。触媒膜５の一部でも空気中に露出しているとその露出部分から酸化が進行するから、触媒保護膜７で完全に触媒膜５を覆うことで触媒膜５の酸化を有効に防止することができるからである。
【００１９】
上記熱アニール温度と熱分解温度との関係を満たすうえで、触媒膜５にはＦｅ膜、触媒保護膜７にはアクリル系樹脂とかセルロース系樹脂等を例示することができる。この関係を満たすうえでは必ずしも触媒保護膜７は樹脂系に限定されるものではなく、例えばセルロース系を例示することができる。
【００２０】
触媒膜５をアニールするために基板ユニット１を加熱すると、その基板ユニット１が熱アニール温度に到達する前にその熱アニール温度より低い熱分解温度で触媒保護膜７が熱分解する結果、図２で示すように触媒保護膜７を剥離すること無く、基板３上には炭化水素系ガスを分解してカーボンファイバを成長させる成長核としての触媒微粒子１１を生成することができる。
【００２１】
上記例において、例えば、触媒膜５がＦｅ膜、触媒保護膜７が（）膜であれば、熱アニール温度は６５０℃であり、触媒保護膜７の熱分解温度は４５０℃を例示することができる。
【００２２】
この場合、触媒保護膜７はアクリル系やセルロース系の樹脂であれば、触媒膜５をアニールして触媒微粒子化する前に触媒保護膜７が炭化水素系ガスに熱分解されており、この熱分解で生成されている炭化水素系ガスをカーボンファイバの原料ガスに再利用できるという利点がある。
【００２３】
こうして基板３上に触媒微粒子１１が生成され、炭化水素系ガスの作用で触媒微粒子１１上に図示略のカーボンファイバを製造する熱ＣＶＤ法は公知であるのでその詳細は略する。
【００２４】
なお、触媒膜５を構成する金属はその種類に限定されないが、その金属としては、上記Ｆｅ以外に、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｙ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、ＥｒおよびＬｕ等を例示することができる。
【００２５】
基板３はその素材に限定されないが、シリコン、クロム、銅、タングステン、アルミニウム等を例示することができる。
【００２６】
カーボンファイバは、その種類に限定されないが、カーボンナノチューブ、グラファイトナノファイバ、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等を例示することができる。
【００２７】
触媒保護膜７は、触媒膜５上に、スクリーン印刷法、バーコーター法、ロールコーター法、ダイコーター法、ドクターブレード法など、一般的な方法で成膜することができる。
【００２８】
図３に他の実施の形態の基板ユニットを示す。図２において図１と対応する部分には同一の符号を付している。この実施の形態の基板ユニット１が図１のそれと相違するのは、基板３と、触媒膜５との間にＡｌ等の下地膜９が介装されていることである。この下地膜９についての説明は略する。
【００２９】
以上説明したように本実施の形態の基板ユニット１の構造では、触媒膜５が触媒保護膜７で被覆されパッケージ化されているので、空気中放置されても触媒膜５が酸化されることがない。そのため、触媒膜５を熱アニール温度で加熱して微粒子化した場合、均質で結晶性も高い触媒微粒子１を得ることができるので、この触媒微粒子１１に炭素系ガスを作用させてカーボンファイバを成長させた場合に、品質に優れたカーボンファイバに成長させることができる。
【００３０】
さらに、触媒保護膜７は熱アニール温度より低い温度で熱分解することができる膜であるので、触媒膜５をアニール処理により微粒子化する際に触媒保護膜７を剥離する必要がないから、カーボンファイバの製造工数としては触媒保護膜７を触媒膜５上に成膜する成膜作業が必要であるとしても、剥離作業が不要であるから、カーボンファイバの製造工数全体からのコスト増大を低く抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１は本発明の実施の形態に係る基板ユニットの側面断面図である。
【図２】図２は基板ユニットを熱分解温度以下から熱アニール温度にまで加熱した場合の基板ユニットの状態を示す側面断面図である。
【図３】図３は本発明の他の実施の形態に係る基板ユニットの断面図である。
【図４】図４（ａ）は従来の基板ユニットの側面断面図、図４（ｂ）は図４（ａ）の基板ユニットを熱アニール温度にまで加熱した場合の基板ユニットの状態を示す側面断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  基板ユニット
３  基板
５  触媒膜
７  触媒保護膜
９  下地膜
１１  触媒微粒子
【図１】
2009155693.tif 000003
【図２】
2009155693.tif 000004
【図３】
2009155693.tif 000005
【図４】
2009155693.tif 000006