JP2002255523A

JP2002255523A - 炭素質材料の製造装置

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Publication number: JP2002255523A
Application number: JP2001056329A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Kajiura; 尚志梶浦; Terubumi Miyakoshi; 光史宮腰; Eiko Tsutsui; 栄光筒井; Hidetaka Hirano; 英孝平野
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2001-03-01
Filing date: 2001-03-01
Publication date: 2002-09-11

Abstract

(57)【要約】【課題】アーク放電部で生成した炭素質材料を捕獲器
で効率よく捕獲でき、安定した炭素質材料の生成を行う
炭素質材料の製造装置の提供。【解決手段】炭素質材料の製造装置は、反応管１１、
ガス供給部を有しており、反応管１１内には、アーク放
電部を規定するアノード１３、カソード１４が設けられ
ている。ガス供給部は、反応管１１内にガスを供給可能
に構成されている。反応管１１の一部であってアーク放
電部の位置は縮径部１１Ｅとなっており、他の部分より
も径が小さい。ガス供給部から供給された有機ガスと触
媒ガスとの混合ガスは、反応管１１内で縮径部１１Ｅに
よりアーク放電部に収束されるので、アーク放電部に原
料ガスたる有機ガスを安定して供給することができ、ア
ーク放電部で安定して炭素質材料が生成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は炭素質材料の製造方法及
び製造装置に関し、特にアーク放電を利用して単層カー
ボンナノチューブ等を製造する炭素質材料の製造方法及
び製造装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】カーボンナノチューブは、１９９１年
に、Ｓ．Ｉｉｊｉｍａ，Ｎａｔｕｒｅ，Ｖｏｌ．３５４
（１９９１）５６で飯島により初めて報告された新しい
材料である。特に、単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮ
Ｔ）は、螺旋の巻き方、いわゆるカイラリティ（ｃｈｉ
ｒａｌｉｔｙ）により、電子物性が金属的性質から半導
体的性質まで変化することが理論的に分かっており、次
世代の電子材料として有望視され、ナノエレクトロニク
ス材、電界電子放出エミッタ、高指向性放射源、軟Ｘ線
源、一次元伝導材、高熱伝導材、水素貯蔵材等への応用
が考えられている。又、表面の官能基化、金属被覆、異
物質内包により、カーボンナノチューブの応用範囲は更
に広がると思われる。

【０００３】単層カーボンナノチューブをはじめとする
炭素質材料を製造する方法としては、炭素棒を電極とし
アーク放電を利用した、いわゆるアーク放電法により大
量合成する方法が従来より提案されている。この方法で
は、対向配置されたアノードとカソードとからなるアー
ク放電部においてアーク放電を発生させることによって
炭素質材料が生成される。

【０００４】アーク放電法を行う炭素質材料の製造装置
の一例を図６に示す。製造装置１０１には筒状の反応管
１１１が設けられており、反応管１１１の内部には、ア
ノード１１３とカソード１１４とが僅かな隙間を隔てて
対向配置されている。アノード１１３は正極側の電流導
入端子１４２に電気的に接続されており、カソード１１
４は負極側の電流導入端子１４１に電気的に接続されて
いる。これら２つの電流導入端子１４１、１４２は、反
応管１１１の外部に設けられた電流供給部１１２に電気
的に接続されており、アノード１１３、カソード１１４
に電圧を印加可能に構成されている。アノード１１３と
カソード１１４とが互いに対向する先端間でアーク放電
部が規定される。アーク放電部は、反応管１１１の軸方
向の略中央に位置しており、アーク放電部に対応する位
置であって反応管１１１の外側には、アーク放電部を加
熱するための電気炉１２４が設けられている。

【０００５】アノード１１３は、鉄、コバルト、ニッケ
ル、ランタン等の触媒をなす金属を添加したカーボンか
らなる炭素電極である。触媒は、アーク放電によって単
層カーボンナノチューブ等の炭素質材料を製造する際に
用いられる。カソード１１４は、触媒を含まない純粋炭
素電極である。

【０００６】反応管１１１の両端には、反応管１１１の
端部を覆う蓋体１１１Ｃ、１１１Ｄがそれぞれ設けられ
ており、反応管１１１内を大気から遮断可能に構成され
ている。蓋体１１１Ｃには、反応管１１１の軸方向に貫
通し反応管１１１内部と外部とを連通する貫通孔１１１
ａが形成されており、この貫通孔１１１ａには、不活性
ガス注入器１４３がホース１１７を介して接続されてい
る。不活性ガス注入器１４３は、ＨｅやＡｒ等の不活性
ガスを反応管１１１内部に供給可能に構成されている。
また、ホース１１７の一部には、フローメータ１１８が
設けられており、反応管１１１内部に注入される不活性
ガスの流速を可変としている。

【０００７】蓋体１１１Ｄの周面には、蓋体１１１Ｄの
周面から半径方向に貫通し反応管１１１内部と外部とを
連通する貫通孔１１１ｂが形成されている。貫通孔１１
１ｂには、ポンプ１２１がホース１１９を介して接続さ
れている。ポンプ１２１は、反応管１１１内部に存在す
る気体を負圧にて反応管１１１外部に排出可能に構成さ
れている。又、ホース１１９の一部には、フローメータ
１２０が設けられており、反応管１１１内部から排出さ
れる不活性ガス等の流速を可変としている。

【０００８】又、蓋体１１１Ｄには、反応管１１１の軸
方向に貫通する貫通孔１１１ｃが形成されており、貫通
孔１１１ｃには二重管１２２が貫通した状態で設けられ
ている。従って、二重管１２２の一部は、反応管１１１
内部に位置している。二重管１２２の一端であって二重
管１２２内に位置している側の端部には、アーク放電部
で生成された炭素質材料を捕獲するための捕獲器１２３
が設けられている。捕獲器１２３の内部は、二重管１２
２の外管の内周と内管の外周とで画成される空間に連通
する空間と、二重管１２２の内管の内周により画成され
る空間に連通する空間とが形成されている。これら２の
空間は互いに連通している。この構成により、二重管１
２２の端部であって捕獲器１２３が設けられていない側
から、内管の内周により画成させる空間に冷却水が注入
されると、冷却水は、内管の内周により画成される空間
を通過して捕獲器１２３内に到達し、捕獲器１２３を冷
却し、二重管１２２の外管の内周と内管の外周とで画成
される空間へ流込み、二重管１２２の他端から排出され
るように構成される。

【０００９】次に、単層カーボンナノチューブ等の炭素
質材料を製造する方法について説明する。アノード１１
３は、カーボンを粉状に粉砕し、粉状のカーボンに鉄、
ニッケル、コバルト、ランタン等の触媒の粉体を混ぜた
ものを、アノード１１３の形状に成形し、更に、焼成、
加工することによって製造される。カソード１１４は、
カーボンがそのままカソード１１４の形状に成形される
ことにより製造される。次に、アノード１１３とカソー
ド１１４とを、炭素質材料の製造装置１０１にセット
し、一旦、反応管１１１内部を真空にする。その後、不
活性ガス注入器１４３によって不活性ガスを反応管１１
１内部に供給しポンプ１２１によって反応管１１１の内
の不活性ガスを排出している状態下、即ち、アーク放電
部にガス流が流れている状態下でアーク放電を行い、ア
ーク放電部においてアノード１１３を構成するカーボン
を材料として触媒の触媒作用により単層カーボンナノチ
ューブ等の炭素質材料が生成される。より詳細には、ア
ーク放電部では、アノード１１３から金属と炭素とが同
時に蒸発し、蒸発した炭素は煤として出現する。得られ
た煤には、単層カーボンナノチューブの他、黒鉛、アモ
ルファスカーボン、触媒金属、触媒金属の酸化物などが
混在している。アーク反応部で生成された単層カーボン
ナノチューブ等の炭素質材料を含む煤は、供給された不
活性ガスの流れにより、下流側に設けられた捕獲器１２
３へと搬送される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の炭素質
材料の製造方法及び製造装置では、アーク放電部で生成
された炭素質材料の一部は、捕獲器１２３で捕獲される
のであるが、それ以外、即ち、生成した炭素質材料の大
半は、反応管１１１の内周面であってアーク放電部より
も下流の位置に付着してしまい、捕獲器１２３で炭素質
材料を効率よく捕獲することができなかった。

【００１１】又、本願出願人は、炭素質材料の原料とし
て有機ガスを用い、不活性ガスに代えて有機ガスを供給
することを検討している。ここでアーク放電により生成
された炭素質材料は飛散しやすく、このことによりアー
ク放電部周囲の原料ガスが希薄となってしまい、原料ガ
スが安定してアーク放電部に供給されなくなり、十分な
炭素質材料が得られず、不均一な放電を誘発し、安定し
た放電を確保できなくなる恐れがある。この結果、安定
した炭素質材料の生成を確保できなくなり、効率的な炭
素質材料の生成を行えない等の問題が生じる。

【００１２】そこで本発明は、アーク放電部で生成した
炭素質材料を捕獲器で効率よく捕獲することができ、効
率的な炭素質材料の生成を行うことができる炭素質材料
の製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、炭素質材料生成室を画成する管状の反応
管と、該反応管内に配置された炭素系材料で構成された
アノードと、該反応管内に該アノードと対向して設けら
れ、該アノードとの間でアーク放電部を規定する炭素系
材料で構成されたカソードと、該アノード及びカソード
間にアーク放電を発生させるための、該アノード及び該
カソードに接続された電流供給部とを備え、該反応管に
は該アーク放電部にガス流を導入するためのガス導入手
段が設けられた炭素質材料の製造装置において、該反応
管のアーク放電部周囲の内周面断面積が、他の部位の内
周断面積よりも小さい縮径部にて構成されている炭素質
材料の製造装置を提供している。

【００１４】ここで、該反応管の内部であって該ガス流
の流れ方向において該アーク放電部の下流側には、アー
ク放電部で生成された炭素質材料を捕獲するための捕獲
器が設けられ、該縮径部は該捕獲器の直前まで延び、該
捕獲器の直前にて該反応管が拡径して構成されているこ
とが好ましい。

【００１５】又、該ガス導入手段によって導入される該
ガスは、触媒ガスであることが好ましい。

【００１６】又、該アノードは、触媒を含有しない炭素
系材料で構成されていることが好ましい。

【００１７】又、該ガス導入手段によって導入される該
ガスは、有機ガスと触媒ガスとの混合ガスであることが
好ましい。

【００１８】又、該アノードは、触媒を含有しない炭素
系材料で構成されていることが好ましい。

【００１９】又、該ガス導入手段によって導入される該
ガスは、有機ガスであることが好ましい。

【００２０】又、該アーク放電部で生成される炭素質材
料を捕獲するために反応管内に捕獲器が配置され、該反
応管は断面が略円形であり、該ガス導入手段は、該アー
ク放電部でのアーク放電により生成された炭素質素材を
該捕獲器方向に搬送するために、該反応管に接続されて
該アーク放電部の上流側から該アーク放電部に向ってガ
スを供給するガス供給管を有し、該ガス供給管は、該反
応管の略接線方向に延びて設けられ、該反応管内で螺旋
流を生成することが好ましい。

【００２１】又、該ガス供給管は、該反応管の略接線方
向に連通接続され第１のガスを該反応管内に供給する第
１管と、該第１管とは別の位置に該反応管の略接線方向
に連通接続され第２のガスを該反応管内に供給する第２
管との少なくとも２本で構成されることが好ましい。

【００２２】又、該第１のガスを該第１管内において第
１の速度で流すための第１フローメータが該第１管に接
続され、該第２のガスを第２の管内において第１の速度
とは異なる第２の速度で流すための第２のフローメータ
が該第２管に接続されていることが好ましい。

【００２３】又、該第１のガスは、有機ガスであること
が好ましい。

【００２４】又、該第２のガスは、触媒ガスであること
が好ましい。

【００２５】又、該ガス供給管は、該アーク放電部から
該捕獲器へと向かう方向に対して鋭角に延びて該反応管
に接続されていることが好ましい。

【００２６】又、該反応管内に、該反応管よりも径の小
さい内管が該反応管と同軸的に配置され、該内管は、少
なくとも該ガス供給管が接続されている位置に設けられ
ていることが好ましい。

【００２７】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態による炭素質
材料の製造方法及び製造装置について図１乃至図３に基
づき説明する。

【００２８】炭素質材料の製造装置１は、主として単層
カーボンナノチューブを製造する。図１に示されるよう
に、炭素質材料の製造装置１は、略筒状の反応管１１及
び電流供給部１２を有し、反応管１１は、略筒状をした
左側反応管１１Ａと右側反応管１１Ｂとの２つの部分か
ら構成されている。従って、反応管１１は、左側反応管
１１Ａと右側反応管１１Ｂとに分離可能に構成されてお
り、後述の捕獲器２３から単層カーボンナノチューブを
取出しやすい構造となっている。反応管１１は石英から
なり、耐熱性に優れ、化学的に安定な性質を持つ。

【００２９】左側反応管１１Ａの内部には、棒状のアノ
ード１３とカソード１４とが設けられている。アノード
１３及びカソード１４は、純粋なカーボンにより構成さ
れている。アノード１３、カソード１４の直径は、それ
ぞれ１０ｍｍ、１５ｍｍである。アノード１３とカソー
ド１４とは同一線上に配置されており、アノード１３の
一端１３Ａとカソード１４の一端１４Ａとは、僅かな隙
間を隔てて対向配置されている。アノード１３の他端１
３Ｂは、電流供給部１２の正極に電気的に接続されてお
り、カソード１４の他端１４Ｂは、電流供給部１２の負
極に電気的に接続されており、アノード１３、カソード
１４に電流を供給することによって、アノード１３の一
端１３Ａとカソード１４の一端１４Ａとの間にアーク放
電を発生可能に構成されている。図示せぬ切換スイッチ
により、電極の極性を逆にすることもできるように構成
されており、アノード１３の位置とカソード１４の位置
とを逆にしてアーク放電を発生させることもできるよう
に構成されている。アノード１３とカソード１４とが互
いに対向する先端間でアーク放電部が規定される。アー
ク放電部は、左側反応管１１Ａの軸方向の略中央に位置
している。

【００３０】アノード１３は、単層カーボンナノチュー
ブ等の炭素質材料の製造する際に炭素質材料の原料とし
て用いられるため消耗する。この消耗により、アノード
１３とカソード１４との間の隙間が広がることによりア
ーク放電が生じなくなってしまうことを防止するため、
アノード１３とカソード１４との間の隙間は、常に一定
に保たれるように構成されている。即ち、アノード１３
の他端１３Ｂは、直線運動導入機構１６によって支持さ
れており、アノード１３をアノード１３の長手方向に移
動可能としている。カソード１４の他端１４Ｂは、カソ
ード１４を移動不能に支持する支持部材１５によって支
持されている。

【００３１】反応管１１の両端は、反応管１１の端部を
覆う蓋体１１Ｃ、１１Ｄがそれぞれ設けられており、反
応管１１内を大気から遮断する。反応管１１の両端は円
形をしているため、反応管１１の両端を覆う蓋体１１
Ｃ、１１Ｄの形状も円形をしている。反応管１１の一部
であって、蓋体１１Ｃからアーク放電部の方へ少し寄っ
た位置には、ガスを反応管内に供給するための供給管１
７が設けられており、供給管１７の内部は反応管１１の
内部に連通している。

【００３２】供給管１７は、図２に示されるように、左
側反応管１１Ａの周面の接線方向に延出して設けられて
いる。従って、左側反応管１１Ａ内に供給されるガス
も、反応管１１の接線方向から供給される。このため、
供給されたガスは、図２に矢印で示されるように、反応
管１１内で螺旋流となり、螺旋流のままアーク放電部に
供給されるように構成されている。

【００３３】供給管１７の一部には、流量制御手段たる
供給管フローメータ１８（図１）が設けられており、反
応管１１と接続されている供給管１７の一端に対する他
端には、図示せぬガス供給部が設けられている。図示せ
ぬガス供給部は、不活性ガス、又は触媒ガスと有機ガス
との混合ガスを選択的に供給可能に構成されている。触
媒ガスとしては、具体的には昇華した状態のフェロセン
が使用される。不活性ガスとしては、ヘリウムガスが使
用される。有機ガスは、アノードをなすカーボンと共
に、生成される単層カーボンナノチューブ等の炭素質材
料の原料をなし、メタンガス単体が使用される。供給管
フローメータ１８は、供給管１７内を流れ反応管１１内
に供給される混合ガスの流速を調節可能に構成されてい
る。反応管１１内のガスの最大流量は５Ｌ／ｍｉｎであ
る。

【００３４】左側反応管１１Ａ内のアーク放電部に、生
成される炭素質材料の原料たる有機ガスが供給されるた
め、アノードが炭素質材料の原料として用いられる比率
が低くなり、アノードの消耗を大幅に減じることができ
る。又、反応管１１内のアーク放電部に触媒ガスが供給
されるため、触媒とカーボンと混合してアノードを構成
する必要がなくなり、アノード製造の手間とコストとを
低減することができ、単層カーボンナノチューブ等の炭
素質材料を安価で容易に製造することができる。

【００３５】又、螺旋流のままアーク放電部にガスが供
給されるため、アーク放電部において触媒ガスや有機ガ
スが均一に供給され、均一な放電を得ることができ、安
定した質の炭素質材料の生成を確保することができる。

【００３６】右側反応管１１Ｂの一部であって蓋体１１
Ｄからアーク放電部の方へ少し寄った位置には、反応管
内からガスを排出するための排出管１９が設けられてお
り、排出管１９の内部は反応管１１の内部に連通してい
る。排出管１９の一部には、排出管フローメータ２０が
設けられており、反応管１１と接続されている排出管１
９の一端に対する他端には、ポンプ２１が設けられてい
る。ポンプ２１は、負圧によって反応管１１内部のガス
を吸引することによって、反応管１１内部のガスを反応
管１１内部から排出可能に構成されている。排出管フロ
ーメータ２０は、ポンプ２１による吸引力を調節可能に
構成されている。

【００３７】円形をした蓋体１１Ｄの中央には、反応管
１１の軸方向、即ち、アーク放電部に向かって延出する
棒状の捕獲器支持部材２２が設けられている。蓋体１１
Ｄと接続されている捕獲器支持部材２２の一端に対する
他端には、アーク放電部で生成された単層カーボンナノ
チューブ等を含む炭素質材料を捕獲するための捕獲器２
３が設けられている。捕獲器２３は、黒鉛ロッドからな
り、円柱形状をし、その長手方向の一端が捕獲器支持部
材２２に接続されている。捕獲器２３は、右側反応管１
１Ｂ内部であって右側反応管１１Ｂの軸方向の略中央か
らアーク放電部寄りの所定の位置までの部分に位置して
いる。この位置は、供給管１７から供給されるガスの流
れに着目すれば、アーク放電部よりも下流側であり、こ
れに対して供給管１７の設けられている位置は、アーク
放電部よりも上流側である。アーク放電部で生成される
炭素質材料には、Ｗｅｂ状サンプル、アモルファス状カ
ーボン、黒鉛、触媒が含まれるが、この順に密度が大き
くなる。この密度の違いに着目し、ガスの流量を適当な
値とすることにより、下流側に設けられた捕獲器２３で
Ｗｅｂ状サンプルのみを選択的に得ることができるよう
に構成されている。捕獲器２３に捕獲された単層カーボ
ンナノチューブを取出す際には、左側反応管１１Ａと右
側反応管１１Ｂとを分割して取り出すことができるよう
に構成されている。

【００３８】右側反応管１１Ｂ内部の捕獲器２３に捕獲
された炭素質材料を加熱するために、捕獲器２３が設け
られている位置に対して、右側反応管１１Ｂの外周を巻
回するようにＲＦヒーター２４が設けられている。捕獲
された炭素質材料を、捕獲器２３に捕獲されたままの状
態で、ＲＦヒーター２４により加熱することができるた
め、得られた炭素質材料を大気に曝すことなく精製処理
することができる。このため、触媒に含まれるＦｅ等の
不純物を酸化することなく除去することことができ、且
つ、結晶性の悪い単層カーボンナノチューブを再配列し
結晶性の良い単層カーボンナノチューブとすることがで
き、炭素質材料中の単層カーボンナノチューブの比率
を、効率よく高めることができる。

【００３９】反応管１１の径は、図１及び図３に示され
るように、全ての部分において均一となってはおらず、
部分的に径の小さい縮径部１１Ｅを有している。即ち、
反応管１１の左端部からアーク放電部に向かって供給管
１７の設けられている位置を過ぎた辺りまでは、径の大
きい大径部１１Ｆが同一径で続いているが、この位置か
ら、径の小さな縮径部１１Ｅとなりアーク放電部に至
り、ガスの流れ方向下流側の捕獲器２３が設けられてい
る直前まで縮径部１１Ｅは続く。縮径部１１Ｅとなって
いる部分はその区間内で同一径である。捕獲器２３の直
前から再び反応管１１の左端部と同一の大径部１１Ｇと
なり、排出管１９の設けられている位置を過ぎて反応管
１１の右端部へと至る。この大径部１１Ｇも区間内では
同一径である。縮径部１１Ｅの径は、３０ｍｍであり、
大径部１１Ｆ、１１Ｇの径は５０ｍｍである。このよう
に、大径部１１Ｆ、１１Ｇ、縮径部１１Ｅは、反応管内
の雰囲気ガスの対流を防止できる程度に小さく構成され
ている。

【００４０】又、アーク放電部の位置において反応管１
１の径が細い縮径部１１Ｅとなっており、縮径部１１Ｅ
の断面積が、供給管１７の設けられている大径部１１Ｆ
の断面積よりも小さいため、原料ガスたる有機ガスを図
３の矢印に示されるように、効率的にアーク放電部に収
束させることができ、安定した原料ガスの供給を行うこ
とができる。このため、アーク放電部で有機ガスが希薄
になることを防ぐことができ、安定した放電が可能とな
り、安定して炭素質材料を生成することができる。

【００４１】又、アーク放電部を過ぎて捕獲器２３の直
前まで縮径部１１Ｅとなっているため、反応管１１内を
流れるガス流速を高めることができ、アーク放電部と捕
獲器２３との間の反応管１１の内周面部分に、生成した
炭素質材料が付着してしまうのを極力防ぐことができ、
効率よく捕獲器２３にて炭素質材料を捕獲することがで
きる。

【００４２】又、捕獲器２３の直前の位置において大径
部１１Ｇとなっており、捕獲器２３の周囲を流れるガス
の流速を低下させることができるため、生成した炭素質
材料が捕獲器２３に捕獲されずに通過してしまうのを極
力防ぐことができる。

【００４３】次に、単層カーボンナノチューブ等の炭素
質材料の製造方法について説明する。炭素質材料の製造
に先立ち、先ず、アノード１３が製造される。即ち、カ
ーボン塊を棒状に削り、アノード１３、カソード１４の
それぞれの形状とする。

【００４４】次に、アノード１３、カソード１４を直線
運動導入機構１６、支持部材１５にそれぞれセットし、
一旦、反応管１１内を１０^−１Ｐａ以下に真空引きす
る。そして、反応管１１内部に、図示せぬガス供給部か
ら供給管を介して不活性ガスを供給し、反応管１１内を
約６６．７ｋＰａ（５００Ｔｏｒｒ）にする。その後、
不活性ガスの供給を止め、アーク放電部においてアーク
放電を発生させ、図示せぬガス供給部から触媒ガスと有
機ガスとの混合ガスを供給し、これと同時に、ポンプ２
１を動作させて反応管１１内のガスを排出し、反応管１
１内にガスの流れを生じさせる。混合ガス中の触媒ガス
の比率は、触媒ガスが５０ｗｔ％である。この間、反応
管１１内の気圧は約６６．７ｋＰａに保たれ、アーク放
電を行う時間は３０分間である。このときガスは、供給
管１７から左側反応管１１Ａの内周面接線方向に供給さ
れるため、反応管１１内部、特にアーク放電部において
螺旋流となっている。又、アーク放電部の位置において
は反応管１１の径が小さい縮径部１１Ｅとなっているた
め、原料ガスたる有機ガスと触媒ガスとの混合ガスを効
率的にアーク放電部に収束させている。この状態で、単
層カーボンナノチューブ等を含む炭素質材料がアーク放
電部において生成され、有機ガスと触媒ガスとの混合ガ
スの流れによって捕獲器２３へと搬送される。

【００４５】アーク放電が終了した後に、反応管１１内
を１０^−１Ｐａ以下に真空引きし、この状態で、捕獲器
２３によって捕獲された炭素質材料を、ＲＦヒーター２
４によって加熱する。加熱温度、時間は、１１００℃で
３０分間である。以上の製造工程によって、純度の高い
単層カーボンナノチューブが、高効率で製造される。

【００４６】本実施の形態による炭素質材料の製造装置
１により製造された炭素質材料の量と、比較例により製
造された炭素質材料の量とを比較する実験を行った。比
較例では、本実施の形態による炭素質材料の製造装置１
の反応管１１の縮径部１１Ｅに該当する部分が設けられ
ておらず、反応管は径の均一な大径部のみによって構成
されている。この点を除けば、比較例は本実施の形態に
よる炭素質材料の製造装置１と同一である。実験の条
件、即ち、アーク放電を発生する時間、アノード及びカ
ソードの径、アノード及びカソードに印加する電圧、電
流、反応管内の気圧等の条件は、本実施の形態による炭
素質材料の製造装置及び製造方法の条件と同一である。

【００４７】比較例で実験を行った場合には１．９ｇの
炭素質材料を得たが、本実施の形態による炭素質材料の
製造装置１で実験を行った場合には、２．９ｇの炭素質
材料を得ることができた。本実施の形態による炭素質材
料の製造装置１では、縮径部１１Ｅの径と大径部１１
Ｆ、１１Ｇの径との差を２０ｍｍとしたが、この程度の
差を設けることによって炭素質材料を１．５倍も多く製
造することができ、本発明による炭素質材料の製造装置
で効率的に炭素質材料を製造できることが分かる。

【００４８】本発明による炭素質材料の製造方法及び製
造装置は上述した実施の形態に限定されず、特許請求の
範囲に記載した範囲で種々の変形や改良が可能である。
例えば、本実施の形態では、触媒ガスと有機ガスとの混
合ガスとしたが、Ｈｅ、Ａｒ等の不活性ガスと触媒ガス
との混合ガスとしてもよく、触媒ガスと有機ガスと不活
性ガスとの混合ガスとしてもよい。

【００４９】又、触媒ガスとして、フェロセンを昇華さ
せたものを用いたが、フェロセンに代えてフェロセン以
外の他のメタロセン、即ち、フェロセン中のＦｅに代え
てＮｉを有するニッケロセンや、Ｆｅに代えてＣｏを有
するコバルトセン（Ｂｉｓ（ｃｙｃｌｏｐｅｎｔａｄｉ
ｅｎｙｌ）ｃｏｂａｌｔ）等を用いてもよく、又、これ
らを混合したもの、例えば、フェロセンとニッケロセン
とを混合したもの等を用いてもよい。

【００５０】又、アノード１３、カソード１４は純粋な
カーボンにより構成されたが、予めＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ等
の触媒を含有しているような材料を用いてアノードを製
造する場合には、これらの触媒をカーボンロッドからわ
ざわざ除去する必要はなく、そのまま使用してよい。

【００５１】又、反応管内に供給される有機ガスとして
は、メタンガス単体を用いたが、メタン、エタン、ブタ
ン等のアルカン類のガスの単体または混合物でもよい。
これらが特に好ましいが、これらに代えて、アルケン
類、アルキン類、芳香族等の有機ガスの単体又は混合物
を用いることができる。

【００５２】又、不活性ガスとしては、ヘリウムガスに
代えてアルゴンガス、ネオンガス等を用いてもよい。

【００５３】又、混合ガスの比率は、触媒ガスを５０ｗ
ｔ％としたが、４〜５０％の範囲内であればよい。

【００５４】又、反応管１１は石英により構成された
が、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６、タンタル、モリブデ
ン等により構成されてもよい。即ち、溶接可能であり、
耐熱性が高く、化学的に安定であり、高周波の影響を受
けない物質であればよい。又、反応管１１の一部であっ
てアーク放電部周辺の位置のみをこれらの物質で構成す
るようにしてもよい。

【００５５】又、ＲＦヒーター２４に代えて電気炉又は
赤外炉を設けて、捕獲器２３に捕獲された単層カーボン
ナノチューブを含む炭素質材料の加熱を行ってもよい。

【００５６】又、ＲＦヒーター２４による加熱をアーク
放電が終了してから行ったが、アーク放電を行うのと同
時に加熱してもよい。このようにすることによって、単
層カーボンナノチューブ等の炭素質材料を短時間で製造
することができる。

【００５７】又、アーク放電が行われているときの反応
管１１内の気圧を６６．７ｋＰａ（５００Ｔｏｒｒ）と
したが、約１３．３〜３３３．３ｋＰａ（１００〜２５
００Ｔｏｒｒ）の範囲内であればよい。

【００５８】又、ガスを供給する供給管１７を反応管１
１に１つだけ設けたが、図５に示されるように、複数接
線方向に設けてもよい。この場合でも、供給管を、アー
ク放電部よりもガスの流れ方向上流側の位置に設ける。
さらに、複数の種類の異なるガスを、それぞれ別個に独
立して各供給管から反応管内に供給するようにして、反
応管内で複数のガスを混合するようにしてもよい。又、
各供給管にはそれぞれフローメータを設けて、各供給管
から供給されるガスの流速をそれぞれ速度ｖ１、速度ｖ
２として異なるようにすれば、反応管内で発生する混合
ガスの螺旋流を強力にすることができ、第１の管で第１
のガスを、第２管で第２のガスを流すといったことが可
能となるので、両者の配合の制御が容易となるばかり
か、反応管にガスを導入する前に第１のガスと第２のガ
スとを混合させておくという手間を省略できる。更に、
第１のガスと第２のガスとが混ざり易くなり、混合ガス
の均質性を高めることができる。

【００５９】又、ガスを供給する供給管１７は、反応管
１７の周面の接線方向に延出して設けられていたが、こ
のことに加えて、アーク放電部から捕獲器へと向かう方
向に対して鋭角に延びて反応管に接続されるようにして
もよい。このようにすれば、反応管内で発生する混合ガ
スの螺旋流の、下流方向への流速を速くすることができ
る。

【００６０】又、上述した混合ガスの螺旋流をより良好
に形成するために、反応管よりも径の小さい内管が、反
応管内に反応管と同軸的に配置されていてもよい。この
内管は、少なくとも供給管が設けられている位置に設け
られる。

【００６１】又、反応管１１の縮径部１１Ｅを、アーク
放電部の位置から捕獲器２３の直前までの位置とした
が、アーク放電部の位置のみを縮径部としてもよい。

【００６２】又、反応管１１の一部であって捕獲器２３
の周辺を大径部１１Ｇとしたが、この部分も縮径部とし
て、縮径部１１Ｅを右側反応管１１Ｂ全体に延長するよ
うな形状にしてもよい。

【００６３】又、捕獲器２３に捕獲された炭素質材料の
加熱を真空下で行ったが、減圧下で行ってもよく、又、
真空下、減圧下以外の状態で行ってもよい。

【００６４】又、反応管１１のアーク放電部近傍には、
アーク放電の状態を監視するための窓を設けてもよい。

【００６５】又、ガスを供給する供給管１７は、反応管
１７の周面の接線方向に延出して設けられていたが、ど
の様な方向に延出するようにしてもよい。

【００６６】又、本実施の形態による炭素質材料の製造
装置は、ＲＦヒーター２４を有していたが、ＲＦヒータ
ー２４を設けずに、捕獲器及び捕獲器支持部材に冷却機
構を設けてもよい。冷却機構を設けることにより、捕獲
器に捕獲された炭素質材料を短時間で冷却することがで
きるため、炭素質材料の生成後、直ぐに炭素質材料を反
応管内から取出すことができる。

【００６７】具体的には、図４に示されるように、反応
管１１の他端に設けられた蓋体１１Ｄ′には、反応管１
１の軸方向に貫通する貫通孔が形成されており、貫通孔
には、二重管をなす捕獲器支持部材２５が貫通した状態
で設けられている。従って、捕獲器支持部材２５の一部
は、反応管１１内部に位置している。捕獲器支持部材２
５の一端であって反応管１１内に位置している側の端部
には、捕獲器２６が設けられている。捕獲器２６の内部
は、捕獲器支持部材２５の外管の内周と内管の外周とで
画成される空間に連通する空間と、捕獲器支持部材２５
の内管の内周により画成される空間に連通する空間とが
形成されている。これら２の空間は互いに連通してい
る。この構成により、捕獲器支持部材２５の端部であっ
て捕獲器２６が設けられていない側から、内管の内周に
より画成させる空間に冷却水が注入されると、冷却水
は、内管の内周により画成される空間を通過して捕獲器
２６内に到達し、捕獲器を冷却し、捕獲器支持部材２５
の外管の内周と内管の外周とで画成される空間へ流込
み、捕獲器支持部材２５の他端から排出されるように構
成される。

【００６８】又、アーク放電部に触媒ガスと有機ガスと
の混合ガスを供給するようにしたが、この混合ガスに代
えて、不活性ガスのみを供給するようにしてもよい。但
し、この場合には、アノードを、従来の炭素質材料の製
造装置のアノード１１３と同様に、触媒を混入させた炭
素電極とする必要がある。

【００６９】

【発明の効果】請求項１記載の炭素質材料の製造装置に
よれば、反応管のアーク放電部周囲の内周面断面積が、
他の部位の内周断面積よりも小さい縮径部にて構成され
ているので、反応管内に導入されたガス流が、効率的に
アーク放電部に収束でき、炭素質材料の生成を効率的に
行うことが可能となる。また生成された炭素質材料が反
応管内で任意方向に飛散することなく、所定方向に移動
し、その回収を容易にすることができる。

【００７０】請求項２記載の炭素質材料の製造装置によ
れば、反応管の縮径部は捕獲器の直前まで延びているの
で、アーク放電部で生成された炭素質材料は、捕獲器に
至る途中でその運動性を失って反応管の内周面に付着す
る可能性を低減できる。また反応管は捕獲器直前で拡径
されているので、生成された炭素質材料は、捕獲器の直
前でその移動速度が低下し、捕獲器にて効率的に回収す
ることができる。

【００７１】請求項３記載の炭素質材料の製造装置によ
れば、ガスは触媒ガスであるため、アノードを触媒を含
有させずに製造することができる。よって、従来のよう
に粉砕カーボンと粉体状の触媒とを混合、成形、焼成、
加工してアノードを製造するという手間が大幅に縮減さ
れ、これらの製造が簡単となる。

【００７２】請求項４、６記載の炭素質材料の製造装置
によれば、アノードは触媒を含有しない炭素系材料で構
成されているので、アノードを触媒を含有しない炭素質
材料のみ、例えばグラファイト棒等で製造することがで
きる。

【００７３】請求項５記載の炭素質材料の製造装置によ
れば、ガスは有機ガスと触媒ガスとの混合ガスであるた
め、アーク放電による炭素の消費が有機ガスによって補
われるので、アノードの消費量が減り、長期に亘っての
アーク放電が可能となり、且つ、アノードを触媒を含有
させずに製造することができる。

【００７４】請求項７記載の炭素質材料の製造装置によ
れば、ガスは有機ガスであるため、アーク放電による炭
素の消費が有機ガスによって補われるので、アノードの
消費量が減り、長期に亘ってのアーク放電が可能とな
る。

【００７５】請求項８記載の炭素質材料の製造装置によ
れば、反応管は断面が略円形であり、ガス供給管は、反
応管の略接線方向に延びて設けられ、反応管内で螺旋流
を生成するため、アーク放電部に均一にガスを供給する
ことができ、又、アーク放電部で生成された炭素質材料
を効率よく捕獲器に搬送することができる。

【００７６】請求項９記載の炭素質材料の製造装置によ
れば、ガス供給管は、少なくとも第１管と第２管とによ
り複数設けられているので、反応管内で発生する混合ガ
スの螺旋流が強力となる。また、第１管で第１のガス
を、第２管で第２のガスを流すので、両者の配合の制御
が容易となるばかりか、反応管にガスを導入する前に第
１のガスと第２のガスとを混合させておくという手間を
省略できる。

【００７７】請求項１０記載の炭素質材料の製造装置に
よれば、反応管内に導入された第１のガスの流速と第２
のガスの流速とを異なるようにすることができるので、
反応管内で発生した螺旋流において、第１のガスと第２
のガスとが混ざり易くなり、混合ガスの均質性を高める
ことができる。

【００７８】請求項１１記載の炭素質材料の製造装置に
よれば、第１のガスは有機ガスであるため、有機ガスと
他のガスとの混合を容易にすることができる。

【００７９】請求項１２記載の炭素質材料の製造装置に
よれば、第２のガスは触媒ガスであるため、触媒ガスと
他のガスとの混合を容易にすることができる。

【００８０】請求項１３記載の炭素質材料の製造装置に
よれば、ガス供給管がアーク放電部から捕獲器へと向か
う方向に対して鋭角に延びて反応管に接続されているた
め、反応管内で発生する混合ガスの螺旋流の、下流方向
への流速が速くなる。

【００８１】請求項１４記載の炭素質材料の製造装置に
よれば、反応管内に、反応管よりも径の小さい内管が反
応管と同軸的に配置され、内管は、少なくともガス供給
管が接続されている位置に設けられているため、径の略
均一な螺旋流とすることができ、螺旋流を強力にするこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態による炭素質材料の製造装
置を示す概略図。

【図２】本発明の実施の形態による炭素質材料の製造装
置の反応管の、供給管が設けられた部分を示す概略図。

【図３】本発明の実施の形態による炭素質材料の製造装
置の反応管の、縮径部を示す概略図。

【図４】本発明の実施の形態の変形例を示す概略図。

【図５】本発明の実施の形態の変形例の反応管の、供給
管が設けられた部分を示す概略図。

【図６】従来の炭素質材料の製造装置を示す概略図。

【符号の説明】

１炭素質材料の製造装置１１反応管１２電流供給部１３アノード１４カソード１７供給管１８供給管フローメータ２３捕獲器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者筒井栄光東京都品川区北品川６丁目７番35号ソニー株式会社内 (72)発明者平野英孝東京都品川区北品川６丁目７番35号ソニー株式会社内Ｆターム(参考） 4G046 CA01 CA02 CB01 CC08 CC09 CC10 4G069 AA06 BA27B BC66B BC67B BC68B CD10 DA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭素質材料生成室を画成する管状の反応
管と、該反応管内に配置された炭素系材料で構成されたアノー
ドと、該反応管内に該アノードと対向して設けられ、該アノー
ドとの間でアーク放電部を規定する炭素系材料で構成さ
れたカソードと、該アノード及びカソード間にアーク放電を発生させるた
めの、該アノード及び該カソードに接続された電流供給
部とを備え、該反応管には該アーク放電部にガス流を導入するための
ガス導入手段が設けられた炭素質材料の製造装置におい
て、該反応管のアーク放電部周囲の内周面断面積が、他の部
位の内周断面積よりも小さい縮径部にて構成されている
ことを特徴とする炭素質材料の製造装置。
【請求項２】該反応管の内部であって該ガス流の流れ
方向において該アーク放電部の下流側には、アーク放電
部で生成された炭素質材料を捕獲するための捕獲器が設
けられ、該縮径部は該捕獲器の直前まで延び、該捕獲器
の直前にて該反応管が拡径して構成されていることを特
徴とする請求項１記載の炭素質材料の製造装置。
【請求項３】該ガス導入手段によって導入される該ガ
スは、触媒ガスであることを特徴とする請求項１記載の
炭素質材料の製造装置。
【請求項４】該アノードは、触媒を含有しない炭素系
材料で構成されていることを特徴とする請求項３記載の
炭素質材料の製造装置。
【請求項５】該ガス導入手段によって導入される該ガ
スは、有機ガスと触媒ガスとの混合ガスであることを特
徴とする請求項１記載の炭素質材料の製造装置。
【請求項６】該アノードは、触媒を含有しない炭素系
材料で構成されていることを特徴とする請求項５記載の
炭素質材料の製造装置。
【請求項７】該ガス導入手段によって導入される該ガ
スは、有機ガスであることを特徴とする請求項１記載の
炭素質材料の製造装置。
【請求項８】該アーク放電部で生成される炭素質材料
を捕獲するために反応管内に捕獲器が配置され、該反応管は断面が略円形であり、該ガス導入手段は、該アーク放電部でのアーク放電によ
り生成された炭素質素材を該捕獲器方向に搬送するため
に、該反応管に接続されて該アーク放電部の上流側から
該アーク放電部に向ってガスを供給するガス供給管を有
し、該ガス供給管は、該反応管の略接線方向に延びて設けら
れ、該反応管内で螺旋流を生成することを特徴とする請
求項１記載の炭素質材料の製造装置。
【請求項９】該ガス供給管は、該反応管の略接線方向
に連通接続され第１のガスを該反応管内に供給する第１
管と、該第１管とは別の位置に該反応管の略接線方向に
連通接続され第２のガスを該反応管内に供給する第２管
との少なくとも２本で構成されることを特徴とする請求
項８記載の炭素質材料の製造装置。
【請求項１０】該第１のガスを該第１管内において第
１の速度で流すための第１フローメータが該第１管に接
続され、該第２のガスを第２の管内において第１の速度
とは異なる第２の速度で流すための第２のフローメータ
が該第２管に接続されていることを特徴とする請求項９
記載の炭素質材料の製造装置。
【請求項１１】該第１のガスは、有機ガスであること
を特徴とする請求項９記載の炭素質材料の製造装置。
【請求項１２】該第２のガスは、触媒ガスであること
を特徴とする請求項９記載の炭素質材料の製造装置。
【請求項１３】該ガス供給管は、該アーク放電部から
該捕獲器へと向かう方向に対して鋭角に延びて該反応管
に接続されていることを特徴とする請求項８に記載の炭
素質材料の製造装置。
【請求項１４】該反応管内に、該反応管よりも径の小
さい内管が該反応管と同軸的に配置され、該内管は、少
なくとも該ガス供給管が接続されている位置に設けられ
ていることを特徴とする請求項８記載の炭素質材料の製
造装置。