JP2005053709A - Method and apparatus for manufacturing carbon nanotube - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カーボンナノチューブの製造方法およびその装置に関する。カーボンナノチューブは、カーボン原子が網目状に結合してできた極微細な単層または多層の筒（チューブ）状の物質である。カーボンナノチューブを用いた電子放出素子は、フィールドエミッション型フラットパネルディスプレイ（ＦＥＤ）や、Ｘ線源、電子線リソグラフィー、表示・照明器具、ガス分解装置、殺菌・消毒装置などに応用される。
【０００２】
本明細書（特許請求の範囲も含む）および図面において、上流および下流とは搬送装置の移動方向を基準にし、図１の左側を上流、右側を下流とする。
【０００３】
【従来の技術】
カーボンナノチューブは、シリコンやモリブデンで作られたスピント型エミッターやダイヤモンド薄膜などの従来の電子放出素材に比べて、電流密度、駆動電圧、頑健さ、寿命などの特性において総合的に優れており、ＦＥＤ用電子源として現在最も有望視されている。これは、カーボンナノチューブが大きなアスペクト比（長さと直径の比）と鋭い先端とを持ち、化学的に安定で機械的にも強靱であり、しかも、高温での安定性に優れているなど、電界放出素子の材料として有利な物理化学的性質を備えているからである。
【０００４】
カーボンナノチューブの作製方法として、２本の炭素電極間のギャップを１ｍｍ程度に保った状態で、ヘリウム中で安定な直流アーク放電を持続させることにより、陽極の炭素電極の直径とほぼ同じ径をもつ円柱状の堆積物を陰極先端に形成する方法がある。この円柱状の堆積物を構成する内側の芯は、堆積物柱の長さ方向にのびた繊維状の組織である柱状グラファイトを持ち、柱状グラファイトはカーボンナノチューブの集合体である。この柱状グラファイトを含むペーストをスクリーン印刷により基板面に所定のパターンに形成すれば、電子放出部が形成できる（特許文献１参照）。こうして形成したＦＥＤパネルでは、一本一本のカーボンナノチューブの向きおよび高さがバラバラであるため、電界を掛けた際に一本一本のカーボンナノチューブにかかる電界が不均一となり、結果として電界放出が不均一となり、表示画面が粗くかつ輝度が不十分であるという問題があった。
【０００５】
スクリーン印刷法に代えて、シリコンやガラスの基板に触媒金属の薄膜をパターニングしておき、それを種結晶として熱ＣＶＤ法によりブラシ状にカーボンナノチューブを成長させ、これを電子放出素子に適用しようとする試みも行われている。
【０００６】
カーボンナノチューブを熱ＣＶＤ法で直接成長させる場合は、触媒配置およびＣＶＤ条件を適正に制御することで均一な電子放出が可能であるが、ＣＶＤ反応容器内全体を６５０〜８００℃程度の高温にする必要があり、長い昇温時間が必要となると共に重装備が必要となり、製造コストが高くつく。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１１−１６２３８３号公報。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記のような実状に鑑み、均一な電子放出に適したカーボンナノチューブ直接成長を低コストで実現することができ、かつ、低い電圧での駆動および長寿命化を達成することができるカーボンナノチューブの製造方法およびその装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、
導電性基板をロードロック室に搬入し、同室を密閉して真空にする工程と、
ロードロック室に隣接した触媒蒸着室を真空にし、同室にロードロック室から基板を搬入する工程と、
触媒蒸着室において基板に触媒金属を蒸着させる工程と、
触媒蒸着室に隣接したカーボンナノチューブ成長室を真空にし、同室に触媒蒸着室から触媒付き基板を搬入する工程と、
カーボンナノチューブ成長室において原料ガスの存在下に触媒付き導電性基板を通電により加熱し、熱ＣＶＤ法により基板にカーボンナノチューブを生成させる工程と、
カーボンナノチューブの成長後、カーボンナノチューブ成長室を真空にし、不活性ガスを導入する工程と、
カーボンナノチューブ成長室からカーボンナノチューブ付き基板を搬出する工程とからなる、カーボンナノチューブの製造方法である。
【００１０】
請求項２の発明は、
上流側壁（１） に入口（２） を有するロードロック室（３） と、
ロードロック室（３） に、入口（４） を有する上流仕切壁（５） を介して隣接し、かつ金属蒸着ポート（６） およびその電源（２５）を備えた触媒蒸着室（７） と、
触媒蒸着室（７） に、入口（８） を有する下流仕切壁（９） を介して隣接し、かつ下流側壁（１０）に出口（１１）を有するカーボンナノチューブ成長室（１２）と、
ロードロック室（３） の入口（２） 、触媒蒸着室（７） の入口（４） 、カーボンナノチューブ成長室（１２）の入口（８） および出口（１１）をそれぞれ気密に閉じる遮断扉（１３）（１４）（１５）（１６）と、
ロードロック室（３） の入口（２） 、触媒蒸着室（７） の入口（４） 、カーボンナノチューブ成長室（１２）の入口（８） および出口（１１）を経てこれらの室（３） （７） （１２）を
貫通して配され、かつ導電性基板（Ａ）を運ぶ搬送装置（１７）と、
カーボンナノチューブ成長室（１２）において搬送装置（１７）により搬入された導電性基板（Ａ）の両端部にそれぞれ接触する給電電極（１８）（１９）、およびその電源（２０）と、
カーボンナノチューブ成長室（１２）に配された原料ガス供給管（２１）と、
ロードロック室（３） 、触媒蒸着室（７） およびカーボンナノチューブ成長室（１２）にそれぞれ接続された真空ポンプ（２２）（２３）（２４）とを具備する、請求項１記載の方法を実施するための、カーボンナノチューブの製造装置である。
【００１１】
請求項３の発明は、
反応器内において、原料ガスの存在下に触媒付き導電性基板を通電により加熱し、熱ＣＶＤ法により基板にカーボンナノチューブを生成させる、カーボンナノチューブの製造方法である。
【００１２】
請求項４の発明は、
原料ガス供給管（３１）とガス排出管（３２）を有する反応器（３３）と、反応器（３３）内に配置された触媒（Ｃ）付き導電性基板（Ａ）と、同基板（Ａ）の両端にそれぞれ取付けられた給電電極（３５）（３６）、およびその電源（３７）とを具備する、請求項３記載の方法を実施するための、カーボンナノチューブの製造装置である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態について説明をする。
【００１４】
請求項１の発明において、基板への触媒金属の蒸着工程は公知の方法によるものであってよい。基板は、金属基板、カーボン繊維、金属繊維等の導電性材料からなる基板、ガラスやセラミック等の絶縁板を導電性皮膜で覆ったもの等であってよい。カーボン繊維は、ポリアクリロニトリル、ピッチ等を原料とした繊維を不活性雰囲気中で１０００〜１５００℃で焼成、炭化することにより得られる。
カーボン繊維からなるシートはこのような繊維を材料として成形したシートであり、市販品を用いることができる。金属繊維は、鋼、ステンレス鋼、チタン、アルミニウム、タングステン、モリブデン等からなる。金属繊維からなるシートはこのような繊維を材料として成形したシートであり、市販品を用いることができる。
【００１５】
触媒金属は、鉄、コバルト、ニッケルなどであり、例えば鉄カルボニル錯体（ペンタカルボニル鉄等）のような錯体の形態、金属アルコキシド（Ｆｅ（ＯＥｔ）３等）の形態等をとることができる。金属錯体や金属アルコキシドは溶液で供給されてもよい。溶媒はアセトン、アルコール等であってよい。溶液中の金属錯体や金属アルコキシドの濃度は例えば１〜５重量％であってよい。カーボン繊維または金属繊維に触媒金属粒子からなる薄膜が形成される。薄膜の厚みは、厚過ぎると加熱による金属粒子化が困難になるので、好ましくは１〜１００ｎｍである。次いでこの薄膜を好ましくは減圧下または非酸化雰囲気中で好ましくは６５０〜８００℃に加熱すると、直径１〜５０ｎｍ程度の金属触媒粒子が形成される。
【００１６】
カーボンナノチューブの生成工程では、カーボンナノチューブ成長室への原料ガスの供給と、触媒付き基板の通電の操作順番は任意であり、いずれを先に行ってもよい。原料ガスは通常はアセチレン（Ｃ２Ｈ２）ガスであるが、メタンガス、エタンガスのような他の脂肪族炭化水素ガスであってもよい。アセチレンの場合、多層構造で太さ１２〜３８ｎｍのカーボンナノチューブが基板面にブラシ毛状に形成される。原料ガスはヘリウムやアルゴン、キセノンのような不活性ガスで希釈された状態で原料ガス供給管を経て反応ゾーンに供給してもよい。ガス供給は連続的に行っても断続的に行ってもよい。化学蒸着法の操作条件は、好ましくは、大気圧下で、温度６５０〜８００℃、好ましくは７００〜７５０℃、時間１〜１０分である。
【００１７】
カーボンナノチューブの成長後、カーボンナノチューブ成長室に導入する不活性ガスは、ヘリウムやアルゴン、キセノンなどであってよい。
【００１８】
カーボンナノチューブの長さは好ましくは１〜１０μｍ、直径は好ましくは２０〜３０ｎｍ、カーボンナノチューブ相互間の間隔は好ましくは１００〜１５０ｎｍである。
【００１９】
触媒付き基板の両端部に給電電極を接触させて基板に電流を流すと、基板が熱を発生し、表面温度が好ましくは７００〜７５０℃に上がる。この結果、触媒粒子を種結晶として熱ＣＶＤ法によりカーボンナノチューブが生成し、ブラシ状に成長する。
【００２０】
請求項２の発明において、搬送装置は好ましくはローラコンベヤである。金属蒸着ポートは、触媒蒸着室内に搬送装置上の基板を上方から臨むように配置されるのが好ましい。電源は交流でも直流でもよい。
【００２１】
カーボンナノチューブ成長室に設けられた一対の給電電極は、それぞれ複数のローラ電極で構成されている。複数のローラ電極からなる一端側給電電極と搬送装置とで基板の一端部を挟み、複数のローラ電極からなる他端側給電電極と搬送装置で基板の他端部を挟むと、電源により両電極間に印加された電圧により導電性基板に電流が流れ、これにより基板が熱を発生し、表面温度が上がり、上述のように、触媒粒子を種結晶として熱ＣＶＤ法によりカーボンナノチューブが生成し、ブラシ状に成長する。
【００２２】
請求項３の発明において、反応器への原料ガスの供給と、触媒付き基板の通電の操作順番は任意であり、いずれを先に行ってもよい。触媒付き導電性基板は公知の方法で調製したものであってよい。基板、触媒などは、請求項１の発明における基板への触媒金属の蒸着工程において説明したものと同じであってよい。
【００２３】
請求項４の発明において、導電性基板には温度センサが取付けられ、電源には出力コントローラが取付けられ、温度センサが基板の温度を検出し、その信号を出力コントローラが受けて電源の出力を制御し、基板の温度を所定の範囲に保つことが好ましい。電源は交流でも直流でもよい。電源により両電極間に印加された電圧により導電性基板に電流が流れ、これにより基板が熱を発生し、表面温度が上がり、触媒粒子を種結晶として熱ＣＶＤ法によりカーボンナノチューブが生成し、ブラシ状に成長する。
【００２４】
つぎに、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
【００２５】
実施例１
図１、図２において、カーボンナノチューブの製造装置は、
上流側壁（１） に入口（２） を有するロードロック室（３） と、
ロードロック室（３） に、入口（４） を有する上流仕切壁（５） を介して隣接し、かつ金属蒸着ポート（６） およびその電源（２５）を備えた触媒蒸着室（７） と、
触媒蒸着室（７） に、入口（８） を有する下流仕切壁（９） を介して隣接し、かつ下流側壁（１０）に出口（１１）を有するたカーボンナノチューブ成長室（１２）と、
ロードロック室（３） の上流側壁（１） の入口（２） 、触媒蒸着室（７） の上流仕切壁（５） の入口（４） 、カーボンナノチューブ成長室（１２）の下流仕切壁（９） の入口（８） 、カーボンナノチューブ成長室（１２）の下流側壁（１０）の出口（１１）をそれぞれ気密に閉じる遮断扉（１３）（１４）（１５）（１６）と、
ロードロック室（３） の上流側壁（１） の入口（２） 、触媒蒸着室（７） の上流仕切壁（５） の入口（４） 、カーボンナノチューブ成長室（１２）の下流仕切壁（９） の入口（８） 、カーボンナノチューブ成長室（１２）の下流側壁（１０）の出口（１１）を経てこれらの室（３） （７） （１２）を貫通して配され、かつ導電性基板（Ａ）を運ぶローラコンベヤ（１７）と、
カーボンナノチューブ成長室（１２）においてローラコンベヤ（１７）により搬入された導電性基板（Ａ）の両端部にそれぞれ接触する給電電極（１８）（１９）、およびその電源（２０）と、
カーボンナノチューブ成長室（１２）に配された原料ガス供給管（２１）と、
ロードロック室（３） 、触媒蒸着室（７） およびカーボンナノチューブ成長室（１２）にそれぞれ接続された真空ポンプ（２２）（２３）（２４）とを具備するものである。
【００２６】
導電性基板（Ａ） はカーボン繊維シートで構成された基板（２００ｍｍ×２００ｍｍ×０．４ｍｍ）である。
【００２７】
金属蒸着ポート（６） は、触媒蒸着室（７） 内にローラコンベヤ（１７）上の基板（Ａ） を上方から臨むように配置されている。
【００２８】
遮断扉（１３）（１４）（１５）（１６）は、上流側壁（１） 、上流仕切壁（５） 、下流仕切壁（９） 、下流側壁（１０）にそれぞれ昇降自在に設けられ、対応する入口および出口を開閉する。
【００２９】
カーボンナノチューブ成長室（１２）に設けられた一対の給電電極（１８）（１９）は、それぞれ複数個（例えば３個）のローラ電極で構成されている。これらのローラ電極からなる一端側給電電極（１８）とローラコンベヤ（１７）で基板（Ａ） の一端部を挟み、複数個のローラ電極からなる他端側給電電極とローラコンベヤ（１７）で基板（Ａ） の他端部を挟むと、電源により両電極間に印加された電圧により導電性基板（Ａ） に電流が流れ、これにより基板（Ａ） が熱を発生し、表面温度が上がり、触媒粒子を種結晶として熱ＣＶＤ法によりカーボンナノチューブが生成し、ブラシ状に成長する。
【００３０】
上記構成のカーボンナノチューブ製造装置において、まず、導電性基板（Ａ） をローラコンベヤ（１７）によりロードロック室（３） に搬入し、同室（３） の入口（２） および触媒蒸着室（７） の入口（４） の遮断扉（１３）（１４）を閉じてロードロック室（３） を密閉して、ポンプ（２２）で同室（３） を真空にする。
【００３１】
次いで、ロードロック室（３） に隣接した触媒蒸着室（７） をポンプ（２３）で真空にし、同室（７） にロードロック室（３） から基板（Ａ） をローラコンベヤ（１７）により搬入する。そして、触媒蒸着室（７） において金属蒸着ポート（６） から基板（Ａ） に触媒金属（Ｆｅ）を１分間蒸着させる。
【００３２】
次いで、触媒蒸着室（７） に隣接したカーボンナノチューブ成長室（１２）をポンプ（２４）で真空にし、同室（１２）に触媒蒸着室（７） から触媒付き基板（Ａ） をローラコンベヤ（１７）により搬入する。そして、原料ガス供給管（２１）からバルブ（２６）を経てカーボンナノチューブ成長室（１２）に原料ガスとしてアセチレンガスをヘリウムガスで希釈した状態で（アセチレンガス：ヘリウムガス＝１：９）供給する。触媒付き基板（Ａ） の両端部に給電電極（１８）（１９）を接触させて電源（２０）から基板（Ａ） に電圧２０Ｖで電流５０Ａを１０分間流す。その結果、ジュールの法則、すなわち
発熱量（ｃａｌ）＝０．２４×電流（Ａ）×電圧（Ｖ）×時間（ｓｅｃ．）
により基板（Ａ） が熱を発生し、基板表面温度が約７００℃に上がり、基板表面部においてアセチレンガスが分解し、触媒粒子を種結晶として熱ＣＶＤ法によりカーボンナノチューブが生成し、ブラシ状に成長する。
【００３３】
カーボンナノチューブの成長後、カーボンナノチューブ成長室（１２）をポンプ（２４）で真空にし、原料ガス供給管（２１）からヘリウムガスを導入する。最後に、カーボンナノチューブ成長室（１２）からカーボンナノチューブ付き基板（Ａ） をローラコンベヤ（１７）により搬出する。
【００３４】
カーボンナノチューブは基板（Ａ） の表面全体に成長し、その長さは約１０μｍ、直径は約２０ｎｍであった。
【００３５】
上記のようにして得られたカーボンナノチューブを有する導電性基板を電子放出素子とするＦＥＤの構造を図３に模式的に示す。
【００３６】
同図において、カーボンナノチューブを有する導電性基板の裏面には銅の蒸着膜が形成され、この基板がカソード電極として使用され、基板上のカーボンナノチューブがエミッターとして使用されている。（４１）（４２）は上下一対のガラス板であり、下側のガラス板（４２）の上面にカソード電極（４３）が設けられ、カソード電極（４３）の上面にエミッターとなる多数のカーボンナノチューブからなる放電素子（４４）が形成されている。カソード電極（４３）の上方には絶縁体層（４７）を介して厚さ０．１ｍｍのメッシュ状金属からなるゲート電極（４８）が放電素子（４４）を囲うように設けられている。また、上側のガラス板（４１）の下面には、透明膜からなるアノード電極（４５）が貼り付けられ、アノード電極（４５）の下面には蛍光材層（４６）が設けられている。この構成全体が密閉容器内に配置され容器は１０−６Ｔｏｒｒオーダーの真空度に吸引されて封止されている。カソード電極（４３）とゲート電極（４８）の間にゲート電圧が印加され、カソード電極（４３）とアノード電極（４５）の間にはアノード電圧が印加される。その結果、多数のカーボンナノチューブからなる放電素子（４４）の先端から電子が放出され、ゲート電極（４８）の間を通過して上行し、蛍光材層（４６）を経てアノード電極（４５）に受けられる。こうして構成されたＦＥＤにおいて、５ｗの電力で５００ｃｄ／ｍ２の輝度が得られた。
【００３７】
実施例２
図４において、カーボンナノチューブの製造装置は、
原料ガス供給管（３１）とガス排出管（３２）を有する反応器（３３）と、反応器（３３）内に配置された触媒（Ｃ）付き導電性基板（Ａ）と、同基板（Ａ）の両端にそれぞれ取付けられた給電電極（３５）（３６）、およびその電源（３７）とを具備するものである。
【００３８】
導電性基板（Ａ） は、カーボン繊維シートで構成された基板（２００ｍｍ×２００ｍｍ×０．４ｍｍ）である。触媒（Ｃ） 付き導電性基板（Ａ）は、Ｆｅ（ＯＥｔ）３のアセトン溶液中に基板を浸漬し次いで乾燥させて得たものである。
【００３９】
原料ガス供給管（３１）は、トラップ（３８）を介してアセチレン発生器（３９）に接続され、トラップ（３８）にはヘリウムタンク（３４）が接続されている。原料ガスであるアセチレンガスはトラップ（３８）において水中をバブリングした後セリウムガスで希釈されて反応器（３３）へ供給される。
【００４０】
電源（３７）により両電極（３５）（３６）間に印加された電圧により導電性基板（Ａ） に電流が流れ、これにより基板（Ａ） が熱を発生し、表面温度が上がり、触媒粒子を種結晶として熱ＣＶＤ法によりカーボンナノチューブが生成し、ブラシ状に成長する。
【００４１】
導電性基板（Ａ）には温度センサ（４０）が取付けられ、電源には出力コントローラ（５１）が取付けられ、温度センサ（４０）が基板（Ａ）の温度を検出し、その信号を出力コントローラ（５１）が受けて電源の出力を制御し、基板（Ａ）の温度を所定の範囲に保つ。
【００４２】
上記構成のカーボンナノチューブ製造装置において、触媒（Ｃ）付き基板（Ａ） の両端部に給電電極（３５）（３６）を経て電源（３７）から基板（Ａ） に電圧１５Ｖで電流２０Ａを１０分間流す。その結果、ジュールの法則、すなわち
発熱量（ｃａｌ）＝０．２４×電流（Ａ）×電圧（Ｖ）×時間（ｓｅｃ．）
により基板（Ａ） が熱を発生し、基板表面温度が約７００℃に上がる。この状態で、原料ガス供給管（３１）から反応器（３３）に原料ガスとしてアセチレンガスをヘリウムガスで希釈した状態で（アセチレンガス：ヘリウムガス＝１：９）供給すると、高温の基板表面部においてアセチレンガスが分解し、触媒粒子を種結晶として熱ＣＶＤ法によりカーボンナノチューブが生成し、ブラシ状に成長する。
【００４３】
カーボンナノチューブは基板（Ａ） の表面全体に成長し、長さは約１０μｍ、直径は約２０ｎｍであった。
【００４４】
上記のようにして得られたカーボンナノチューブを有する導電性基板を電子放出素子とするＦＥＤを、実施例１と同様に構成した。このＦＥＤにおいて、５ｗの電力で５００ｃｄ／ｍ２の輝度が得られた。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によると、均一な電子放出、低い電圧での駆動および長寿命化を達成することができる。また、触媒付き導電性基板に通電することによりこれに熱を発生させ、熱ＣＶＤ法によりカーボンナノチューブを成長させるので、反応ゾーンの雰囲気全体を昇温する方法に比べ、エネルギーコストを大幅に削減することができ、製品のコストダウンを達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１のカーボンナノチューブ製造装置を概略的に示す垂直断面図である。
【図２】図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。
【図３】カーボンナノチューブを電子放出素子とするＦＥＤの構造を模式的に示す垂直断面図である。
【図４】実施例２のカーボンナノチューブ製造装置を概略的に示す垂直断面図である。
【符号の説明】
（１）：上流側壁
（２）：入口
（３）：ロードロック室
（４）：入口
（５）：上流仕切壁
（６）：金属蒸着ポート
（７）：触媒蒸着室
（８） ：入口
（９） ：下流仕切壁
（１０）：下流側壁
（１１）：出口
（１２）：カーボンナノチューブ成長室
（１３）（１４）（１５）（１６）：遮断扉
（１７）：搬送装置
（１８）（１９）：給電電極
（２０）：電源
（２１）：原料ガス供給管
（２２）（２３）（２４）：真空ポンプ
（２５）：電源
（３１）：原料ガス供給管
（３２）：ガス排出管
（３３）：反応器
（３５）：（３６）給電電極
（３７）：電源
（Ｃ）：触媒
（Ａ）：導電性基板[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a carbon nanotube production method and apparatus. A carbon nanotube is a very fine single-layer or multi-layered tube (tube) substance formed by bonding carbon atoms in a network. An electron-emitting device using carbon nanotubes is applied to a field emission flat panel display (FED), an X-ray source, electron beam lithography, a display / lighting device, a gas decomposition apparatus, a sterilization / disinfection apparatus, and the like.
[0002]
In this specification (including claims) and drawings, upstream and downstream are based on the moving direction of the transport device, and the left side of FIG. 1 is the upstream side and the right side is the downstream side.
[0003]
[Prior art]
Compared with conventional electron emission materials such as Spindt-type emitters and diamond thin films made of silicon or molybdenum, carbon nanotubes are comprehensively superior in characteristics such as current density, drive voltage, robustness, and lifetime. It is currently the most promising electron source. This is because carbon nanotubes have a large aspect ratio (length-to-diameter ratio) and sharp tip, are chemically stable and mechanically tough, and have excellent stability at high temperatures. This is because it has advantageous physicochemical properties as a material for the emitting element.
[0004]
As a method for producing carbon nanotubes, by maintaining a stable DC arc discharge in helium with the gap between the two carbon electrodes kept at about 1 mm, the diameter of the carbon electrode is approximately the same as that of the anode carbon electrode. There is a method of forming a cylindrical deposit on the cathode tip. The inner core constituting the columnar deposit has columnar graphite which is a fibrous structure extending in the length direction of the deposit column, and the columnar graphite is an aggregate of carbon nanotubes. If this paste containing columnar graphite is formed in a predetermined pattern on the substrate surface by screen printing, an electron emission portion can be formed (see Patent Document 1). In the FED panel formed in this way, the direction and height of each carbon nanotube varies, so that the electric field applied to each carbon nanotube becomes non-uniform when an electric field is applied, resulting in field emission. Becomes non-uniform, and the display screen is rough and the luminance is insufficient.
[0005]
Instead of screen printing, a catalytic metal thin film is patterned on a silicon or glass substrate, and carbon nanotubes are grown in a brush shape by thermal CVD using this as a seed crystal, and this is applied to an electron-emitting device. Attempts have also been made.
[0006]
When carbon nanotubes are directly grown by thermal CVD, uniform electron emission is possible by appropriately controlling the catalyst arrangement and the CVD conditions, but the entire CVD reaction vessel is heated to a high temperature of about 650 to 800 ° C. This requires a long heating time and requires heavy equipment, resulting in high manufacturing costs.
[0007]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-162383.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to realize a direct growth of carbon nanotubes suitable for uniform electron emission at a low cost in view of the above situation, and to achieve a low voltage drive and long life. It is an object of the present invention to provide a carbon nanotube manufacturing method and apparatus capable of performing the same.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The invention of claim 1
Carrying the conductive substrate into the load lock chamber, sealing the chamber and evacuating it,
Vacuuming the catalyst deposition chamber adjacent to the load lock chamber, and loading the substrate into the chamber from the load lock chamber;
Depositing catalyst metal on the substrate in the catalyst deposition chamber;
Vacuuming the carbon nanotube growth chamber adjacent to the catalyst deposition chamber, and carrying the substrate with the catalyst from the catalyst deposition chamber into the chamber;
Heating a conductive substrate with a catalyst in the presence of a source gas in a carbon nanotube growth chamber by energization, and generating carbon nanotubes on the substrate by a thermal CVD method;
After the growth of the carbon nanotubes, a step of evacuating the carbon nanotube growth chamber and introducing an inert gas;
A method for producing carbon nanotubes, comprising a step of carrying out a substrate with carbon nanotubes from a carbon nanotube growth chamber.
[0010]
The invention of claim 2
A load lock chamber (3) having an inlet (2) in the upstream side wall (1);
A catalyst vapor deposition chamber (7) adjacent to the load lock chamber (3) via an upstream partition wall (5) having an inlet (4) and having a metal vapor deposition port (6) and its power source (25);
A carbon nanotube growth chamber (12) adjacent to the catalyst vapor deposition chamber (7) via a downstream partition wall (9) having an inlet (8) and having an outlet (11) on the downstream side wall (10);
A shut-off door (13) for hermetically closing the inlet (2) of the load lock chamber (3), the inlet (4) of the catalyst deposition chamber (7), the inlet (8) and the outlet (11) of the carbon nanotube growth chamber (12). ) (14) (15) (16)
These chambers (3) through the inlet (2) of the load lock chamber (3), the inlet (4) of the catalyst deposition chamber (7), the inlet (8) and the outlet (11) of the carbon nanotube growth chamber (12) 7) A transfer device (17) arranged through (12) and carrying the conductive substrate (A);
A feeding electrode (18) (19) that is in contact with both ends of the conductive substrate (A) carried by the transfer device (17) in the carbon nanotube growth chamber (12), and its power source (20);
A source gas supply pipe (21) disposed in the carbon nanotube growth chamber (12);
The method according to claim 1, comprising a vacuum pump (22) (23) (24) connected to the load lock chamber (3), the catalyst deposition chamber (7) and the carbon nanotube growth chamber (12), respectively. This is an apparatus for producing carbon nanotubes.
[0011]
The invention of claim 3
In the reactor, the conductive substrate with catalyst is heated by energization in the presence of a raw material gas, and the carbon nanotube is produced on the substrate by a thermal CVD method.
[0012]
The invention of claim 4
A reactor (33) having a source gas supply pipe (31) and a gas discharge pipe (32), a conductive substrate (A) with a catalyst (C) disposed in the reactor (33), and the substrate (A The carbon nanotube production apparatus for carrying out the method according to claim 3, comprising power supply electrodes (35) and (36) respectively attached to both ends of the above) and a power source (37).
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
[0014]
In the invention of claim 1, the step of depositing the catalytic metal on the substrate may be performed by a known method. The substrate may be a metal substrate, a substrate made of a conductive material such as carbon fiber or metal fiber, or an insulating plate such as glass or ceramic covered with a conductive film. The carbon fiber is obtained by firing and carbonizing a fiber made of polyacrylonitrile, pitch or the like at 1000 to 1500 ° C. in an inert atmosphere.
The sheet | seat which consists of carbon fiber is a sheet | seat which shape | molded such a fiber as a material, and can use a commercial item. The metal fiber is made of steel, stainless steel, titanium, aluminum, tungsten, molybdenum or the like. The sheet | seat which consists of metal fibers is a sheet | seat which shape | molded such a fiber as a material, and can use a commercial item.
[0015]
The catalyst metal is iron, cobalt, nickel, and the like, and can take the form of a complex such as an iron carbonyl complex (pentacarbonyliron or the like), a metal alkoxide (Fe (OEt) 3 or the like), or the like. The metal complex or metal alkoxide may be supplied in a solution. The solvent may be acetone, alcohol or the like. The concentration of the metal complex or metal alkoxide in the solution may be, for example, 1 to 5% by weight. A thin film made of catalytic metal particles is formed on carbon fibers or metal fibers. The thickness of the thin film is preferably 1 to 100 nm because it is difficult to form metal particles by heating if it is too thick. Next, when this thin film is heated preferably at 650 to 800 ° C., preferably under reduced pressure or in a non-oxidizing atmosphere, metal catalyst particles having a diameter of about 1 to 50 nm are formed.
[0016]
In the carbon nanotube production step, the operation order of supplying the source gas to the carbon nanotube growth chamber and energizing the substrate with the catalyst is arbitrary, and either may be performed first. The source gas is usually acetylene (C 2 H 2 ) gas, but may be other aliphatic hydrocarbon gas such as methane gas or ethane gas. In the case of acetylene, carbon nanotubes having a multilayer structure and a thickness of 12 to 38 nm are formed in the shape of brush hairs on the substrate surface. The source gas may be supplied to the reaction zone through a source gas supply pipe in a state diluted with an inert gas such as helium, argon or xenon. The gas supply may be performed continuously or intermittently. The operating conditions of the chemical vapor deposition method are preferably a temperature of 650 to 800 ° C., preferably 700 to 750 ° C., and a time of 1 to 10 minutes under atmospheric pressure.
[0017]
The inert gas introduced into the carbon nanotube growth chamber after the growth of the carbon nanotubes may be helium, argon, xenon, or the like.
[0018]
The length of the carbon nanotube is preferably 1 to 10 μm, the diameter is preferably 20 to 30 nm, and the distance between the carbon nanotubes is preferably 100 to 150 nm.
[0019]
When a feeding electrode is brought into contact with both ends of the substrate with catalyst and current is passed through the substrate, the substrate generates heat, and the surface temperature preferably rises to 700 to 750 ° C. As a result, carbon nanotubes are generated by thermal CVD using the catalyst particles as seed crystals, and grow in a brush shape.
[0020]
In the invention of claim 2, the conveying device is preferably a roller conveyor. The metal vapor deposition port is preferably arranged in the catalyst vapor deposition chamber so that the substrate on the transfer device faces from above. The power source may be alternating current or direct current.
[0021]
Each of the pair of feeding electrodes provided in the carbon nanotube growth chamber is composed of a plurality of roller electrodes. When one end of the substrate is sandwiched between the one end side feeding electrode composed of a plurality of roller electrodes and the conveying device, and the other end portion of the substrate is sandwiched between the other end side feeding electrode composed of a plurality of roller electrodes and the conveying device, A current flows through the conductive substrate due to the voltage applied in between, thereby generating heat, the surface temperature rises, and as described above, carbon nanotubes are generated by the thermal CVD method using the catalyst particles as seed crystals, It grows like a brush.
[0022]
In the invention of claim 3, the operation order of supplying the source gas to the reactor and energizing the substrate with the catalyst is arbitrary, and either may be performed first. The conductive substrate with catalyst may be prepared by a known method. The substrate, the catalyst, and the like may be the same as those described in the step of depositing the catalytic metal on the substrate in the first aspect of the invention.
[0023]
In the invention of claim 4, a temperature sensor is attached to the conductive substrate, an output controller is attached to the power source, the temperature sensor detects the temperature of the substrate, and the output controller receives the signal to control the output of the power source. However, it is preferable to keep the temperature of the substrate within a predetermined range. The power source may be alternating current or direct current. A current applied to the conductive substrate by the voltage applied between the two electrodes by the power supply causes the substrate to generate heat, the surface temperature rises, and carbon nanotubes are generated by thermal CVD using the catalyst particles as seed crystals. Grows into a shape.
[0024]
Next, the present invention will be specifically described based on examples.
[0025]
Example 1
1 and 2, the carbon nanotube production apparatus is
A load lock chamber (3) having an inlet (2) in the upstream side wall (1);
A catalyst vapor deposition chamber (7) adjacent to the load lock chamber (3) via an upstream partition wall (5) having an inlet (4) and having a metal vapor deposition port (6) and its power source (25);
A carbon nanotube growth chamber (12) adjacent to the catalyst vapor deposition chamber (7) via a downstream partition wall (9) having an inlet (8) and having an outlet (11) on the downstream side wall (10);
The inlet (2) of the upstream side wall (1) of the load lock chamber (3), the inlet (4) of the upstream partition wall (5) of the catalyst deposition chamber (7), the downstream partition wall (9) of the carbon nanotube growth chamber (12) ), The shut-off doors (13), (14), (15), and (16) that hermetically close the outlet (11) of the downstream side wall (10) of the carbon nanotube growth chamber (12),
The inlet (2) of the upstream side wall (1) of the load lock chamber (3), the inlet (4) of the upstream partition wall (5) of the catalyst deposition chamber (7), the downstream partition wall (9) of the carbon nanotube growth chamber (12) ) Through the chamber (3) (7) (12) through the outlet (11) of the downstream side wall (10) of the carbon nanotube growth chamber (12) and the conductive substrate. A roller conveyor (17) carrying (A);
A feeding electrode (18) (19) that contacts each end of the conductive substrate (A) carried by the roller conveyor (17) in the carbon nanotube growth chamber (12), and its power source (20);
A source gas supply pipe (21) disposed in the carbon nanotube growth chamber (12);
A vacuum pump (22) (23) (24) connected to the load lock chamber (3), the catalyst vapor deposition chamber (7), and the carbon nanotube growth chamber (12), respectively.
[0026]
The conductive substrate (A) is a substrate (200 mm × 200 mm × 0.4 mm) made of a carbon fiber sheet.
[0027]
The metal vapor deposition port (6) is arranged in the catalyst vapor deposition chamber (7) so as to face the substrate (A) on the roller conveyor (17) from above.
[0028]
The blocking doors (13), (14), (15), and (16) are provided on the upstream side wall (1), the upstream partition wall (5), the downstream partition wall (9), and the downstream side wall (10), respectively, so that they can be raised and lowered. Open and close the inlet and outlet.
[0029]
Each of the pair of feeding electrodes (18) and (19) provided in the carbon nanotube growth chamber (12) is composed of a plurality of (for example, three) roller electrodes. One end of the substrate (A) is sandwiched between the one end side feeding electrode (18) composed of these roller electrodes and the roller conveyor (17), and the other end side feeding electrode composed of a plurality of roller electrodes and the substrate on the roller conveyor (17). When the other end of (A) is sandwiched, current flows through the conductive substrate (A) due to the voltage applied between the two electrodes by the power source, thereby generating heat and increasing the surface temperature, Carbon nanotubes are generated by the thermal CVD method using the catalyst particles as seed crystals, and grow in a brush shape.
[0030]
In the carbon nanotube production apparatus configured as described above, first, the conductive substrate (A) is carried into the load lock chamber (3) by the roller conveyor (17), and the inlet (2) of the chamber (3) and the catalyst vapor deposition chamber (7). The shut-off doors (13) and (14) at the inlet (4) of the engine are closed to seal the load lock chamber (3), and the chamber (3) is evacuated by the pump (22).
[0031]
Next, the catalyst deposition chamber (7) adjacent to the load lock chamber (3) is evacuated by the pump (23), and the substrate (A) is carried into the chamber (7) from the load lock chamber (3) by the roller conveyor (17). To do. Then, catalytic metal (Fe) is deposited on the substrate (A) from the metal vapor deposition port (6) for 1 minute in the catalyst vapor deposition chamber (7).
[0032]
Next, the carbon nanotube growth chamber (12) adjacent to the catalyst vapor deposition chamber (7) is evacuated by a pump (24), and the catalyst-carrying substrate (A) is transferred from the catalyst vapor deposition chamber (7) to the roller conveyor (17). ). Then, the raw material gas is supplied from the raw material gas supply pipe (21) through the valve (26) to the carbon nanotube growth chamber (12) in a state in which acetylene gas is diluted with helium gas (acetylene gas: helium gas = 1: 9). . The feeding electrodes (18) and (19) are brought into contact with both ends of the substrate with catalyst (A), and a current of 50A is passed from the power source (20) to the substrate (A) at a voltage of 20V for 10 minutes. As a result, Joule's law, that is, calorific value (cal) = 0.24 × current (A) × voltage (V) × time (sec.)
As a result, the substrate (A) generates heat, the substrate surface temperature rises to about 700 ° C., the acetylene gas decomposes at the substrate surface, and carbon nanotubes are generated by the thermal CVD method using the catalyst particles as seed crystals. grow up.
[0033]
After the growth of the carbon nanotubes, the carbon nanotube growth chamber (12) is evacuated by the pump (24), and helium gas is introduced from the source gas supply pipe (21). Finally, the substrate (A) with carbon nanotubes is carried out from the carbon nanotube growth chamber (12) by the roller conveyor (17).
[0034]
The carbon nanotubes grew on the entire surface of the substrate (A) and had a length of about 10 μm and a diameter of about 20 nm.
[0035]
FIG. 3 schematically shows the structure of an FED using the conductive substrate having carbon nanotubes obtained as described above as an electron-emitting device.
[0036]
In the figure, a copper deposited film is formed on the back surface of a conductive substrate having carbon nanotubes, this substrate is used as a cathode electrode, and the carbon nanotubes on the substrate are used as emitters. (41) and (42) are a pair of upper and lower glass plates, a cathode electrode (43) is provided on the upper surface of the lower glass plate (42), and a number of carbon nanotubes serving as emitters on the upper surface of the cathode electrode (43) The discharge element (44) which consists of is formed. Above the cathode electrode (43), a gate electrode (48) made of mesh metal having a thickness of 0.1 mm is provided so as to surround the discharge element (44) with an insulator layer (47) interposed therebetween. An anode electrode (45) made of a transparent film is attached to the lower surface of the upper glass plate (41), and a fluorescent material layer (46) is provided on the lower surface of the anode electrode (45). The entire structure is disposed in a sealed container, and the container is sucked and sealed to a degree of vacuum of the order of 10 −6 Torr. A gate voltage is applied between the cathode electrode (43) and the gate electrode (48), and an anode voltage is applied between the cathode electrode (43) and the anode electrode (45). As a result, electrons are emitted from the tip of the discharge element (44) composed of a large number of carbon nanotubes, pass through between the gate electrodes (48), and go up to the anode electrode (45) through the fluorescent material layer (46). I can receive it. In the FED configured as described above, a luminance of 500 cd / m 2 was obtained with a power of 5 w.
[0037]
Example 2
In FIG. 4, the carbon nanotube production apparatus is
A reactor (33) having a source gas supply pipe (31) and a gas discharge pipe (32), a conductive substrate (A) with a catalyst (C) disposed in the reactor (33), and the substrate (A ) And feed electrodes (35) and (36) respectively attached to both ends thereof, and a power source (37) thereof.
[0038]
The conductive substrate (A) is a substrate (200 mm × 200 mm × 0.4 mm) made of a carbon fiber sheet. The conductive substrate (A) with the catalyst (C) is obtained by immersing the substrate in an acetone solution of Fe (OEt) 3 and then drying it.
[0039]
The source gas supply pipe (31) is connected to an acetylene generator (39) via a trap (38), and a helium tank (34) is connected to the trap (38). Acetylene gas, which is a raw material gas, is bubbled through water in a trap (38), diluted with cerium gas, and supplied to the reactor (33).
[0040]
A current applied to the conductive substrate (A) due to the voltage applied between the electrodes (35) and (36) by the power source (37) causes the substrate (A) to generate heat, resulting in an increase in surface temperature and catalyst particles. As a seed crystal, carbon nanotubes are produced by a thermal CVD method and grow in a brush shape.
[0041]
A temperature sensor (40) is attached to the conductive substrate (A), an output controller (51) is attached to the power source, and the temperature sensor (40) detects the temperature of the substrate (A) and outputs the signal to the output controller. (51) receives and controls the output of the power source to keep the temperature of the substrate (A) within a predetermined range.
[0042]
In the carbon nanotube manufacturing apparatus having the above-described configuration, a current 20A is applied to the substrate (A) from the power source (37) to the substrate (A) at a voltage of 15 V for 10 minutes through the feeding electrodes (35) and (36) at both ends of the substrate (A) with the catalyst (C). Shed. As a result, Joule's law, that is, calorific value (cal) = 0.24 × current (A) × voltage (V) × time (sec.)
As a result, the substrate (A) generates heat, and the substrate surface temperature rises to about 700 ° C. In this state, when acetylene gas is diluted with helium gas (acetylene gas: helium gas = 1: 9) as a source gas from the source gas supply pipe (31) to the reactor (33), the surface portion of the high temperature substrate is supplied. In this case, the acetylene gas is decomposed, carbon nanotubes are produced by the thermal CVD method using the catalyst particles as seed crystals, and grow in a brush shape.
[0043]
The carbon nanotubes grew on the entire surface of the substrate (A) and had a length of about 10 μm and a diameter of about 20 nm.
[0044]
An FED using the conductive substrate having carbon nanotubes obtained as described above as an electron-emitting device was constructed in the same manner as in Example 1. In this FED, a luminance of 500 cd / m 2 was obtained with a power of 5 w.
[0045]
【The invention's effect】
According to the present invention, uniform electron emission, low voltage driving, and long life can be achieved. In addition, by energizing a conductive substrate with a catalyst, heat is generated in this and carbon nanotubes are grown by thermal CVD, so that energy costs are greatly reduced compared to methods that raise the temperature of the entire reaction zone atmosphere. The cost of the product can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a vertical sectional view schematically showing a carbon nanotube production apparatus of Example 1. FIG.
2 is a cross-sectional view taken along line II-II in FIG.
FIG. 3 is a vertical sectional view schematically showing the structure of an FED using carbon nanotubes as electron-emitting devices.
4 is a vertical sectional view schematically showing a carbon nanotube production apparatus of Example 2. FIG.
[Explanation of symbols]
(1): upstream side wall (2): inlet (3): load lock chamber (4): inlet (5): upstream partition wall (6): metal deposition port (7): catalyst deposition chamber (8): inlet ( 9): Downstream partition wall (10): Downstream side wall (11): Outlet (12): Carbon nanotube growth chamber (13) (14) (15) (16): Shut-off door (17): Transfer device (18) ( 19): Feed electrode (20): Power source (21): Source gas supply pipe (22) (23) (24): Vacuum pump (25): Power source (31): Source gas supply pipe (32): Gas discharge pipe (33): Reactor (35): (36) Feed electrode (37): Power source (C): Catalyst (A): Conductive substrate
Claims (4)
ロードロック室に隣接した触媒蒸着室を真空にし、同室にロードロック室から基板を搬入する工程と、
触媒蒸着室において基板に触媒金属を蒸着させる工程と、
触媒蒸着室に隣接したカーボンナノチューブ成長室を真空にし、同室に触媒蒸着室から触媒付き基板を搬入する工程と、
カーボンナノチューブ成長室において原料ガスの存在下に触媒付き導電性基板を通電により加熱し、熱ＣＶＤ法により基板にカーボンナノチューブを生成させる工程と、
カーボンナノチューブの成長後、カーボンナノチューブ成長室を真空にし、不活性ガスを導入する工程と、
カーボンナノチューブ成長室からカーボンナノチューブ付き基板を搬出する工程とからなる、カーボンナノチューブの製造方法。Carrying the conductive substrate into the load lock chamber, sealing the chamber and evacuating it,
Vacuuming the catalyst deposition chamber adjacent to the load lock chamber, and loading the substrate into the chamber from the load lock chamber;
Depositing catalyst metal on the substrate in the catalyst deposition chamber;
Vacuuming the carbon nanotube growth chamber adjacent to the catalyst deposition chamber, and carrying the substrate with the catalyst from the catalyst deposition chamber into the same chamber;
A step of heating a conductive substrate with a catalyst in the presence of a source gas in a carbon nanotube growth chamber by energization, and generating carbon nanotubes on the substrate by a thermal CVD method;
After the growth of the carbon nanotubes, a step of evacuating the carbon nanotube growth chamber and introducing an inert gas;
A method for producing carbon nanotubes, comprising a step of carrying out a substrate with carbon nanotubes from a carbon nanotube growth chamber.
ロードロック室（３） に、入口（４） を有する上流仕切壁（５） を介して隣接し、かつ金属蒸着ポート（６） およびその電源（２５）を備えた触媒蒸着室（７） と、
触媒蒸着室（７） に、入口（８） を有する下流仕切壁（９） を介して隣接し、かつ下流側壁（１０）に出口（１１）を有するカーボンナノチューブ成長室（１２）と、
ロードロック室（３） の入口（２） 、触媒蒸着室（７） の入口（４） 、カーボンナノチューブ成長室（１２）の入口（８） および出口（１１）をそれぞれ気密に閉じる遮断扉（１３）（１４）（１５）（１６）と、
ロードロック室（３） の入口（２） 、触媒蒸着室（７） の入口（４） 、カーボンナノチューブ成長室（１２）の入口（８） および出口（１１）を経てこれらの室（３） （７） （１２）を貫通して配され、かつ導電性基板（Ａ）を運ぶ搬送装置（１７）と、
カーボンナノチューブ成長室（１２）において搬送装置（１７）により搬入された導電性基板（Ａ）の両端部にそれぞれ接触する給電電極（１８）（１９）、およびその電源（２０）と、
カーボンナノチューブ成長室（１２）に配された原料ガス供給管（２１）と、
ロードロック室（３） 、触媒蒸着室（７） およびカーボンナノチューブ成長室（１２）にそれぞれ接続された真空ポンプ（２２）（２３）（２４）とを具備する、請求項１記載の方法を実施するための、カーボンナノチューブの製造装置。A load lock chamber (3) having an inlet (2) in the upstream side wall (1);
A catalyst vapor deposition chamber (7) adjacent to the load lock chamber (3) via an upstream partition wall (5) having an inlet (4) and having a metal vapor deposition port (6) and its power source (25);
A carbon nanotube growth chamber (12) adjacent to the catalyst vapor deposition chamber (7) via a downstream partition wall (9) having an inlet (8) and having an outlet (11) on the downstream side wall (10);
A shut-off door (13) for hermetically closing the inlet (2) of the load lock chamber (3), the inlet (4) of the catalyst deposition chamber (7), the inlet (8) and the outlet (11) of the carbon nanotube growth chamber (12). ) (14) (15) (16)
These chambers (3) through the inlet (2) of the load lock chamber (3), the inlet (4) of the catalyst deposition chamber (7), the inlet (8) and the outlet (11) of the carbon nanotube growth chamber (12) 7) A transfer device (17) arranged through (12) and carrying the conductive substrate (A);
A feeding electrode (18) (19) that is in contact with both ends of the conductive substrate (A) carried by the transfer device (17) in the carbon nanotube growth chamber (12), and its power source (20);
A source gas supply pipe (21) disposed in the carbon nanotube growth chamber (12);
The method according to claim 1, comprising a vacuum pump (22) (23) (24) connected to the load lock chamber (3), the catalyst deposition chamber (7) and the carbon nanotube growth chamber (12), respectively. For producing carbon nanotubes.
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