JP2010189196A - Production apparatus and production method for carbon nanotube oriented aggregate - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、カーボンナノチューブ配向集合体の生産装置及び生産方法に係り、特にカーボンナノチューブ配向集合体生成中における平板状基材の姿勢や搬送形態を改良することにより、カーボンナノチューブ配向集合体の生産効率を向上させることのできるカーボンナノチューブ配向集合体の生産装置等に関する。 The present invention relates to a production apparatus and production method for an aligned carbon nanotube assembly, and in particular, by improving the orientation and transport mode of a flat substrate during the production of an aligned carbon nanotube assembly, the production efficiency of the aligned carbon nanotube assembly The present invention relates to an apparatus for producing an aligned carbon nanotube assembly capable of improving the quality.
カーボンナノチューブは、炭素原子が平面的に六角形状に配置されて構成された炭素シートが円筒状に閉じた構造を有する炭素構造体であって、マクロ的には針状の素材であるが、ミクロ的には中空円筒形状を呈する炭素多面体である。カーボンナノチューブには、多層のものや単層のものがあるが、いずれもその力学的強度、光学特性、電気特性、熱特性、分子吸着機能等の面から電子デバイス材料、光学素子材料、導電性材料等の機能性材料としての展開が期待されている。 A carbon nanotube is a carbon structure having a structure in which a carbon sheet composed of carbon atoms arranged in a hexagonal shape in a plane is closed in a cylindrical shape, and is a needle-like material macroscopically. Specifically, it is a carbon polyhedron having a hollow cylindrical shape. Carbon nanotubes include multi-walled and single-walled carbon nanotubes, all of which are electronic device materials, optical element materials, and electrical conductivity in terms of mechanical strength, optical properties, electrical properties, thermal properties, molecular adsorption functions, etc. Development as functional materials such as materials is expected.
このカーボンナノチューブの生産方法として、例えば化学気相合成法（以下、ＣＶＤ法ともいう。）を適用することができる。このＣＶＤ法は、表面に触媒を塗布したシリコンウエハ等の基材を、例えば、８００℃程度のメタン（ＣＨ４）やアセチレン（Ｃ２Ｈ２）等の炭素原料ガス環境としたＣＶＤ炉内に置くことにより、触媒上にカーボンナノチューブを成長させる方法である。この方法によれば、基材表面の全体に亘って、垂直方向に配向したカーボンナノチューブのフォレストを得ることができる。 As a method for producing the carbon nanotube, for example, a chemical vapor synthesis method (hereinafter also referred to as a CVD method) can be applied. In this CVD method, a base material such as a silicon wafer having a catalyst coated on the surface thereof is placed in a CVD furnace having a carbon source gas environment such as methane (CH4) or acetylene (C2H2) at about 800 ° C., for example. In this method, carbon nanotubes are grown on a catalyst. According to this method, a forest of carbon nanotubes oriented in the vertical direction can be obtained over the entire surface of the substrate.
このＣＶＤ法によるカーボンナノチューブの生産効率を向上させるために、従来、様々な提案が為されてきた。例えば、ベルトコンベアやターンテーブル等の移送手段を用いて、基材を順次連続的にＣＶＤ炉内へと移送する手法が提案されている（例えば、特許文献１〜３を参照。）
Various proposals have heretofore been made in order to improve the production efficiency of carbon nanotubes by this CVD method. For example, there has been proposed a method of sequentially transferring the base material into the CVD furnace using a transfer means such as a belt conveyor or a turntable (for example, see
これら特許文献１〜３に開示のものは、いずれも実質的に水平面に平行とされたテーブルやベルト上に載置した状態で基材を搬送している。すなわち、平板状の基材の平板面が水平面と平行な状態のまま搬送され、ＣＶＤ炉内へと移送されている。基材を水平状態で搬送しているので、特段の保持装置も必要なく、重力と両者相互の摩擦力を利用して基材をテーブル等の上に保持することができる。また、テーブル面やベルト面を利用して、平板面を全体的に下方から支持することもできる。
In all of those disclosed in
しかしながら、基材をテーブル面やベルト面上に載置した状態で搬送するので、テーブル面やベルト面上において基材が占める面積が大きくなってしまう。つまり、平板面全体の面積がテーブル面やベルト面において消費されることとなってしまい、基材同士を近接させて連続的にテーブル面やベルト面上に並べることが難しいという問題がある。 However, since the substrate is transported while being placed on the table surface or belt surface, the area occupied by the substrate on the table surface or belt surface increases. That is, the area of the entire flat plate surface is consumed on the table surface and the belt surface, and there is a problem that it is difficult to place the base materials close to each other on the table surface and the belt surface continuously.
一方、ＣＶＤによって基材表面にカーボンナノチューブを生成（成長）するには一定の時間が必要となるため、ＣＶＤ炉の小型化を維持しつつ搬送速度を高速化することも困難である。その結果、時間当たりの基材の処理量、すなわち時間当たりのカーボンナノチューブの生成量に限界を生じてしまい、カーボンナノチューブの生産効率向上が困難であるという問題があった。 On the other hand, since it takes a certain time to generate (grow) the carbon nanotubes on the surface of the substrate by CVD, it is difficult to increase the transport speed while maintaining the downsizing of the CVD furnace. As a result, there is a problem in that it is difficult to improve the production efficiency of carbon nanotubes because a limit is imposed on the throughput of the base material per hour, that is, the amount of carbon nanotubes produced per hour.
本発明は上記の事情に鑑みて為されたもので、表面にカーボンナノチューブ配向集合体を生成するための基材の搬送形態やその搬送中の姿勢を改善することにより、カーボンナノチューブ配向集合体の生産効率の向上を図り、短時間で多くのカーボンナノチューブ配向集合体を得ることのできるカーボンナノチューブ配向集合体の生産装置及び生産方法を提供することを例示的課題とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and by improving the transport mode of the base material for generating the aligned carbon nanotube aggregate on the surface and the posture during the transport, the aligned carbon nanotube aggregate An object of the present invention is to provide a production apparatus and a production method for an aligned carbon nanotube aggregate that can improve the production efficiency and can obtain many aligned carbon nanotube aggregates in a short time.
上記の課題を解決するために、本発明の例示的側面としてのカーボンナノチューブ配向集合体の生産装置は、平板面に触媒層を有する平板状基材の平板面にカーボンナノチューブ配向集合体を生成させるカーボンナノチューブ配向集合体の生産装置であって、平板状基材の周囲環境を原料ガス環境として化学気相合成によりカーボンナノチューブ配向集合体を平板面に生成する成長工程を実現する成長ユニットと、成長工程の後に平板状基材を冷却する冷却工程を実現する冷却ユニットと、平板状基材を、成長ユニット及び冷却ユニットの順に各ユニット内部を通過させる搬送ユニットと、搬送中において、搬送ユニットによる搬送方向と平板面とが直交するように平板状基材を保持する保持手段とを有することを特徴とする。 In order to solve the above problems, an apparatus for producing an aligned carbon nanotube aggregate as an exemplary aspect of the present invention generates an aligned carbon nanotube aggregate on a flat plate surface of a flat substrate having a catalyst layer on the flat plate surface. An apparatus for producing aligned carbon nanotube aggregates, a growth unit that realizes a growth process for generating aligned carbon nanotube aggregates on a flat plate surface by chemical vapor synthesis using a surrounding environment of a flat substrate as a raw material gas environment, and growth A cooling unit that realizes a cooling process for cooling the flat substrate after the process, a conveyance unit that passes the flat substrate in the order of the growth unit and the cooling unit, and conveyance by the conveyance unit during conveyance It has the holding means which hold | maintains a flat base material so that a direction and a flat plate surface may orthogonally cross.
平板面と搬送方向とが直交するように、すなわち、平板面が搬送方向に対して正面を向くように保持手段が平板状基材を保持するので、平板状基材の厚さ方向と搬送方向とを一致させて搬送することができる。平板状基材の厚さ方向寸法は、その縦横寸法よりも一般に充分小さいので、多数の平板状基材を搬送方向に沿って近接配置することができる。搬送方向における一定距離以内に数多くの平板状基材を並べてカーボンナノチューブ配向集合体の生成を行うことができるので、結果的に、単位時間当たりに搬送することのできる平板状基材の数を増大させることができる。その結果、カーボンナノチューブ配向集合体の生産効率を向上させることができる。 Since the holding means holds the flat substrate so that the flat plate surface and the conveyance direction are orthogonal, that is, the flat plate surface faces the front with respect to the conveyance direction, the thickness direction of the flat substrate and the conveyance direction And can be conveyed. Since the thickness direction dimension of a flat base material is generally sufficiently smaller than the vertical and horizontal dimensions, a large number of flat base materials can be arranged close to each other along the transport direction. A large number of flat base materials can be arranged within a certain distance in the transport direction to generate aligned carbon nanotube assemblies, resulting in an increase in the number of flat base materials that can be transported per unit time. Can be made. As a result, the production efficiency of the aligned carbon nanotube assembly can be improved.
例えば、平板状基材の各寸法が縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ×厚さ２ｍｍ、搬送速度を５００ｍｍ／ｍｉｎ．の場合において、平板状基材を搬送ユニット（例えばベルトコンベア。）上に水平に寝かせて搬送すると、連続する基材同士の間隔を１０ｍｍとした場合に５００／（１００＋１０）＝約４．５枚／ｍｉｎ．しかカーボンナノチューブ配向集合体の生成処理を行うことができない。しかし、本発明によれば、同搬送速度、同基材同士間隔の条件でも、５００／（２＋１０）＝約４１．６枚／ｍｉｎ．の生成処理を行うことができ、約９倍の生産効率向上を実現することができる。 For example, each dimension of the flat substrate is 100 mm long × 100 mm wide × 2 mm thick, and the conveyance speed is 500 mm / min. In this case, when the flat base material is horizontally transported on a transport unit (for example, a belt conveyor), 500 / (100 + 10) = about 4.5 sheets when the interval between the continuous base materials is 10 mm. / Min. However, the production process of the aligned carbon nanotube assembly can be performed. However, according to the present invention, 500 / (2 + 10) = about 41.6 sheets / min. Generation processing can be performed, and the production efficiency can be improved by about 9 times.
ここにおいて、平板状基材は、表面に触媒層を形成することのできる、例えば、シリコン基板、セラミック基板、ガラス基板、金属基板等の部材である。その厚さに特に制限はなく、例えば数μｍ程度の薄膜から数ｃｍ程度までを概念することができる。また、触媒としては、例えば金属触媒が用いられ、鉄、塩化鉄、コバルト、鉄−コバルト、鉄−モリブデン、アルミナ−鉄、アルミナ−コバルト、モリブデン−コバルト、アルミナ−鉄−モリブデン、鉄−モリブデン−コバルト等を適用することができる。 Here, the flat substrate is a member such as a silicon substrate, a ceramic substrate, a glass substrate, or a metal substrate that can form a catalyst layer on the surface. The thickness is not particularly limited, and for example, it can be conceptualized from a thin film of about several μm to about several cm. As the catalyst, for example, a metal catalyst is used, and iron, iron chloride, cobalt, iron-cobalt, iron-molybdenum, alumina-iron, alumina-cobalt, molybdenum-cobalt, alumina-iron-molybdenum, iron-molybdenum- Cobalt or the like can be applied.
平板状基材表面への触媒層の形成は、一般に触媒の塗布により行われる。その触媒塗布工程は、塗布工程の速度とカーボンナノチューブ配向集合体の生産速度との速度差に応じて、インライン（カーボンナノチューブ配向集合体の生産ライン中の工程。）であってもアウトライン（カーボンナノチューブ配向集合体の生産ライン外の別工程。）であってもよい。 Formation of the catalyst layer on the surface of the flat substrate is generally performed by applying a catalyst. Even if the catalyst coating process is in-line (the process in the production line of the aligned carbon nanotube assembly) according to the speed difference between the coating process speed and the production speed of the aligned carbon nanotube assembly, It may be a separate process outside the production line of the aligned assembly.
もちろん、このカーボンナノチューブ配向集合体の生産装置が、成長ユニットの更に上流側に平板状基材の周囲環境を還元ガス環境とするフォーメーション工程を実現するためのフォーメーションユニットを更に有していてもよい。還元ガスは、触媒層に対して還元作用を生じる気体であって、典型的には例えば水素ガスを適用することができる。また、水素ガスを窒素ガスやヘリウムガス等の不活性ガスと混合した混合ガスであってももちろんよい。原料ガスは、カーボンナノチューブ配向集合体の生成のために原料炭素源を有するガスであり、例えばメタンガス、エタンガス、プロパンガス、エチレンガス、プロピレンガス、アセチレンガス等の炭化水素ガスを適用することができる。もちろん、これらの炭化水素ガスと不活性ガスとの混合ガスであってもよい。 Of course, this carbon nanotube aligned assembly production apparatus may further include a formation unit for realizing a formation process in which the surrounding environment of the flat substrate is set as the reducing gas environment further upstream of the growth unit. . The reducing gas is a gas that causes a reducing action on the catalyst layer, and typically, for example, hydrogen gas can be applied. Of course, it may be a mixed gas in which hydrogen gas is mixed with an inert gas such as nitrogen gas or helium gas. The source gas is a gas having a source carbon source for generating an aligned aggregate of carbon nanotubes, and for example, a hydrocarbon gas such as methane gas, ethane gas, propane gas, ethylene gas, propylene gas, and acetylene gas can be applied. . Of course, it may be a mixed gas of these hydrocarbon gas and inert gas.
本発明の他の例示的側面としてのカーボンナノチューブ配向集合体の生産装置は、平板面に触媒層を有する平板状基材の平板面にカーボンナノチューブ配向集合体を生成させるカーボンナノチューブ配向集合体の生産装置であって、平板状基材の周囲環境を原料ガス環境として化学気相合成によりカーボンナノチューブ配向集合体を平板面に生成する成長工程を実現する成長ユニットと、成長工程の後に平板状基材を冷却する冷却工程を実現する冷却ユニットと、平板状基材を、成長ユニット及び冷却ユニットの順に各ユニット内部を実質的に水平面内で通過させる搬送ユニットと、搬送中において、平板面が実質的に鉛直面となるように平板状基材を保持する保持手段とを有することを特徴とする。 According to another exemplary aspect of the present invention, an apparatus for producing an aligned aggregate of carbon nanotubes is an apparatus for producing an aligned aggregate of carbon nanotubes that generates an aligned aggregate of carbon nanotubes on a flat plate surface of a flat substrate having a catalyst layer on the flat plate surface. A growth unit for realizing a growth process for generating an aligned aggregate of carbon nanotubes on a flat plate surface by chemical vapor synthesis using a surrounding environment of the flat plate substrate as a source gas environment, and a flat plate substrate after the growth step A cooling unit that realizes a cooling process, a transport unit that passes the flat substrate through the growth unit and the cooling unit in a substantially horizontal plane in the order of the growth unit and the cooling unit, and a flat plate surface substantially during the transport. And holding means for holding the flat substrate so as to be a vertical plane.
搬送中において、平板面が実質的に鉛直面となるように保持手段が平板状基材を保持するので、搬送速度を上げることなく単位時間当たりに搬送することのできる平板状基材の数を増大させることができる。すなわち、平板状基材を立設した状態で搬送することができるので、例えばベルトコンベア等の搬送装置上に寝かせた状態で平板状基材を搬送する場合に比較して、カーボンナノチューブ配向集合体の生産効率を向上させることができる。 During transport, the holding means holds the flat substrate so that the flat plate surface is substantially vertical, so the number of flat substrates that can be transported per unit time without increasing the transport speed is Can be increased. That is, since the flat substrate can be conveyed in an upright state, for example, the aligned carbon nanotube assembly is compared with the case where the flat substrate is conveyed while being laid on a conveying device such as a belt conveyor. The production efficiency can be improved.
なお、平板面が実質的に鉛直面となる状態は、平板面の法線が搬送方向に平行な場合と平板面の法線が搬送方向に直交する場合とを含む。平板面の法線が搬送方向に平行な場合には、搬送方向に沿って短い間隔で多数の平板状基材を配列することができる。また、平板面の法線が搬送方向に直交する場合には、搬送方向に直交する方向（例えば、ベルトコンベアにおけるベルトの幅方向。）に沿って短い間隔で多数の平板状基材を配列することができる。 The state in which the flat plate surface is substantially a vertical surface includes a case where the normal line of the flat plate surface is parallel to the transport direction and a case where the normal line of the flat plate surface is orthogonal to the transport direction. When the normal line of the flat plate surface is parallel to the transport direction, a large number of flat base materials can be arranged at short intervals along the transport direction. Further, when the normal line of the flat plate surface is orthogonal to the transport direction, a large number of flat base materials are arranged at short intervals along the direction orthogonal to the transport direction (for example, the width direction of the belt in the belt conveyor). be able to.
本発明の更に他の例示的側面としてのカーボンナノチューブ配向集合体の生産装置は、平板面に触媒層を有する平板状基材の平板面にカーボンナノチューブ配向集合体を生成させるカーボンナノチューブ配向集合体の生産装置であって、平板状基材の周囲環境を原料ガス環境として化学気相合成によりカーボンナノチューブ配向集合体を平板面に生成する成長工程を実現する成長ユニットと、成長工程の後に平板状基材を冷却する冷却工程を実現する冷却ユニットと、平板状基材を、成長ユニット及び冷却ユニットの順に各ユニット内部を通過させる搬送ユニットと、搬送中において、平板状基材を懸架保持する懸架手段とを有することを特徴とする。 According to still another exemplary aspect of the present invention, there is provided an apparatus for producing an aligned carbon nanotube assembly, wherein the aligned carbon nanotube assembly generates a carbon nanotube aligned aggregate on a flat plate surface of a flat substrate having a catalyst layer on the flat plate surface. A production apparatus, a growth unit for realizing a growth process for generating an aligned aggregate of carbon nanotubes on a flat plate surface by chemical vapor synthesis using a surrounding environment of a flat substrate as a source gas environment, and a flat substrate after the growth step A cooling unit that realizes a cooling process for cooling the material, a transport unit that allows the flat substrate to pass through the inside of each unit in the order of the growth unit and the cooling unit, and a suspension unit that suspends and holds the flat substrate during transport It is characterized by having.
懸架手段が平板状基材を懸架保持しつつ搬送するので、平板面を実質的に鉛直面とした状態で平板状基材を搬送することができる。したがって、実質的に水平方向に搬送する場合において単位時間当たりに多数の平板状基材を搬送することができ、高い生産効率でカーボンナノチューブ配向集合体を生成させることができる。更に、カーボンナノチューブの生産の際に副生されるアモルファスカーボン等の不純物等が、平板面が鉛直方向であるため、基板上から落ちやすく、水平方向に搬送した場合に比べて汚染が少なくなるという利点もある。 Since the suspension means conveys while holding the flat substrate in a suspended state, the flat substrate can be conveyed in a state where the flat plate surface is substantially vertical. Therefore, when transporting in a substantially horizontal direction, a large number of plate-like substrates can be transported per unit time, and an aligned carbon nanotube aggregate can be generated with high production efficiency. Furthermore, impurities such as amorphous carbon, which are by-produced during the production of carbon nanotubes, are easy to fall off the substrate because the flat plate surface is in the vertical direction, and less contaminated than when transported in the horizontal direction. There are also advantages.
懸架手段により懸架保持しつつ搬送する方式は、特に、平板状基材の厚さが比較的薄く自立困難な程度の強度しか有さない場合に適している。なお、懸架方式としては、平板状基材の上部近傍に形成された係止孔にフックを引っ掛ける方式、平板状基材をクリップ等の挟持手段により挟持する方式等、種々の公知の方式を採用することができる。 The method of conveying while being suspended by the suspension means is particularly suitable when the thickness of the flat base material is relatively thin and has a strength that is difficult to stand on its own. As the suspension method, various known methods such as a method of hooking a hook into a locking hole formed in the vicinity of the upper portion of the flat substrate, a method of holding the flat substrate by a clamping means such as a clip, etc. are adopted. can do.
本発明の更に他の例示的側面としてのカーボンナノチューブ配向集合体の生産装置は、平板面に触媒層を有する平板状基材の平板面にカーボンナノチューブ配向集合体を生成させるカーボンナノチューブ配向集合体の生産装置であって、平板状基材の周囲環境を原料ガス環境として化学気相合成によりカーボンナノチューブ配向集合体を平板面に生成する成長工程を実現する成長ユニットと、成長工程の後に平板状基材を冷却する冷却工程を実現する冷却ユニットと、平板状基材を、成長ユニット及び冷却ユニットの順に各ユニット内部を通過させる搬送ユニットと、搬送中において、平板状基材を立設保持する立設手段とを有することを特徴とする。 According to still another exemplary aspect of the present invention, there is provided an apparatus for producing an aligned carbon nanotube assembly, wherein the aligned carbon nanotube assembly generates a carbon nanotube aligned aggregate on a flat plate surface of a flat substrate having a catalyst layer on the flat plate surface. A production apparatus, a growth unit for realizing a growth process for generating an aligned aggregate of carbon nanotubes on a flat plate surface by chemical vapor synthesis using a surrounding environment of a flat substrate as a source gas environment, and a flat substrate after the growth step A cooling unit that realizes a cooling process for cooling the material, a transport unit that allows the flat substrate to pass through the inside of each unit in the order of the growth unit and the cooling unit, and a stand that holds the flat substrate upright during the transport. Providing means.
立設手段が平板状基材を立設保持しつつ搬送するので、平板面を実質的に鉛直面とした状態で平板状基材を搬送することができる。したがって、実質的に水平方向に搬送する場合において単位時間当たりに多数の平板状基材を搬送することができ、高い生産効率でカーボンナノチューブ配向集合体を生成させることができる。 Since the standing means conveys the flat substrate while standing and holding it, the flat substrate can be conveyed in a state where the flat plate surface is substantially vertical. Therefore, when transporting in a substantially horizontal direction, a large number of plate-like substrates can be transported per unit time, and an aligned carbon nanotube aggregate can be generated with high production efficiency.
立設手段により立設保持しつつ搬送する方式は、特に、平板状基材の厚さが比較的厚く自立可能な程度の強度を有する場合に適している。平板状基材の下部近傍を、例えば挟持等により立設保持すれば、平板状基材の姿勢を安定させることができ、揺れや振動を防止することができる。その結果、加減速や搬送速度の変動に影響されにくい搬送形態とすることができる。なお、立設方式としては、平板状基材の下部近傍を挟持する方式、ネジ等の締結手段により締結する方式等、種々の公知の方式を採用することができる。 The method of conveying while standing and holding by the standing means is particularly suitable when the thickness of the flat base material is relatively thick and has a strength that allows it to stand by itself. If the vicinity of the lower portion of the flat substrate is held upright, for example, by clamping, the posture of the flat substrate can be stabilized, and shaking and vibration can be prevented. As a result, it is possible to achieve a transport mode that is not easily affected by acceleration / deceleration and transport speed fluctuations. In addition, as a standing system, various well-known systems, such as a system that clamps the vicinity of the lower part of the flat substrate and a system that is fastened by a fastening means such as a screw, can be employed.
平板状基材が表裏両面の平板面に触媒層を有しており、成長ユニットが原料ガスを放出する原料ガス放出ノズルを複数有しており、かつ、原料ガス放出ノズルが表裏両面の平板面に向けて原料ガスを放出するように配置されていてもよい。 The flat substrate has catalyst layers on both front and back flat surfaces, the growth unit has a plurality of raw material gas discharge nozzles for discharging the raw material gas, and the raw material gas discharge nozzles are flat surfaces on both the front and back surfaces. It may be arranged to release the source gas toward
例えば、ベルトコンベア等の搬送ユニットにおいてベルト上に平板状基材を寝かせた状態で搬送する場合、その上面側（開放側）の平板面にカーボンナノチューブ配向集合体を生成することができるが、その下面側（密着側）の平板面にカーボンナノチューブ配向集合体を生成することが難しい。しかしながら、本発明のごとくに平板状基材の表裏両面が触媒層を有し、平板状基材を立てた状態（すなわち、平板面を鉛直面とした状態。）でその両側の平板面に原料ガスを放出すれば、両面共にカーボンナノチューブ配向集合体を生成させることができる。その結果、カーボンナノチューブ配向集合体の生産効率を向上させることができる。 For example, when transporting a flat substrate on a belt in a transport unit such as a belt conveyor, an aligned carbon nanotube aggregate can be generated on the flat surface on the upper surface side (open side). It is difficult to generate an aligned aggregate of carbon nanotubes on a flat plate surface on the lower surface side (contact side). However, as in the present invention, both the front and back surfaces of the flat substrate have catalyst layers, and the raw material is formed on the flat surfaces on both sides of the flat substrate in a standing state (that is, the flat plate surface is a vertical surface). If the gas is released, an aligned aggregate of carbon nanotubes can be generated on both sides. As a result, the production efficiency of the aligned carbon nanotube assembly can be improved.
本発明の更に他の例示的側面としてのカーボンナノチューブ配向集合体の生産方法は、平板面に触媒層を有する平板状基材の平板面にカーボンナノチューブ配向集合体を生成させるカーボンナノチューブ配向集合体の生産方法であって、平板面が実質的に鉛直面となるように平板状基材を保持した状態でその周囲環境を原料ガス環境として化学気相合成によりカーボンナノチューブ配向集合体を平板面に生成する成長工程と、成長工程の後に平板状基材を冷却する冷却工程とを有することを特徴とする。 According to another aspect of the present invention, there is provided a method for producing an aligned carbon nanotube assembly comprising: an aligned carbon nanotube assembly that generates an aligned carbon nanotube assembly on a flat plate surface of a flat substrate having a catalyst layer on the flat plate surface. A production method, in which a flat substrate is held so that the flat plate surface becomes a substantially vertical surface, and an aligned aggregate of carbon nanotubes is generated on the flat plate surface by chemical vapor synthesis using the surrounding environment as a raw material gas environment. And a cooling step for cooling the flat substrate after the growth step.
搬送中において、平板面が実質的に鉛直面となるように保持手段が平板状基材を保持するので、搬送速度を上げることなく単位時間当たりに搬送することのできる平板状基材の数を増大させることができる。すなわち、平板状基材を立設した状態で搬送することができるので、例えばベルトコンベア等の搬送装置上に寝かせた状態で平板状基材を搬送する場合に比較して、カーボンナノチューブ配向集合体の生産効率を向上させることができる。 During transport, the holding means holds the flat substrate so that the flat plate surface is substantially vertical, so the number of flat substrates that can be transported per unit time without increasing the transport speed is Can be increased. That is, since the flat substrate can be conveyed in an upright state, for example, the aligned carbon nanotube assembly is compared with the case where the flat substrate is conveyed while being laid on a conveying device such as a belt conveyor. The production efficiency can be improved.
なお、平板面が実質的に鉛直面となる状態は、平板面の法線が搬送方向に平行な場合と平板面の法線が搬送方向に直交する場合とを含む。平板面の法線が搬送方向に平行な場合には、搬送方向に沿って短い間隔で多数の平板状基材を配列することができる。また、平板面の法線が搬送方向に直交する場合には、搬送方向に直交する方向（例えば、ベルトコンベアにおけるベルトの幅方向。）に沿って短い間隔で多数の平板状基材を配列することができる。 The state in which the flat plate surface is substantially a vertical surface includes a case where the normal line of the flat plate surface is parallel to the transport direction and a case where the normal line of the flat plate surface is orthogonal to the transport direction. When the normal line of the flat plate surface is parallel to the transport direction, a large number of flat base materials can be arranged at short intervals along the transport direction. Further, when the normal line of the flat plate surface is orthogonal to the transport direction, a large number of flat base materials are arranged at short intervals along the direction orthogonal to the transport direction (for example, the width direction of the belt in the belt conveyor). be able to.
本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下添付図面を参照して説明される好ましい実施の形態によって明らかにされるであろう。 Further objects and other features of the present invention will become apparent from the preferred embodiments described below with reference to the accompanying drawings.
本発明によれば、平板状基材を立てた状態で搬送することにより、平板状基材同士の配列間隔を短縮することができ、単位時間当たりに搬送可能な平板状基材の数を増大させることができ、その結果、カーボンナノチューブ配向集合体の生産効率を向上させることができる。加えて、平板状基材の両面にカーボンナノチューブ配向集合体を生成させることができるので、一層の生産効率向上を図ることができる。 According to the present invention, by conveying the flat base materials in an upright state, the arrangement interval between the flat base materials can be shortened, and the number of flat base materials that can be transported per unit time is increased. As a result, the production efficiency of the aligned carbon nanotube aggregate can be improved. In addition, since the aligned carbon nanotube aggregates can be generated on both surfaces of the flat substrate, the production efficiency can be further improved.
（カーボンナノチューブの配向集合体）
本発明において生産されるのは、カーボンナノチューブの配向集合体である。本発明において生産されるＣＮＴ配向集合体とは、基材から成長した多数のＣＮＴが特定の方向に配向した構造体をいう。特定方向に配向したカーボンナノチューブは無配向のものと比較して、ナノ電子デバイスやナノ光学素子への応用がしやすいという特徴を有する。
(Oriented assembly of carbon nanotubes)
What is produced in the present invention is an aligned aggregate of carbon nanotubes. The aligned CNT aggregate produced in the present invention refers to a structure in which a large number of CNTs grown from a substrate are aligned in a specific direction. Carbon nanotubes oriented in a specific direction have a feature that they can be easily applied to nanoelectronic devices and nanooptical elements as compared to non-oriented carbon nanotubes.
（カーボンナノチューブ配向集合体生産用基材）
ここにおいて、基材（カーボンナノチューブ配向集合体生産用基材）は、基板表面に浸炭防止層、触媒層が形成されて構成された例えば平板状の部材であり、４００℃以上の高温でも形状を保持できる材質であることが望ましい。具体的には、基板としてシリコン基板、セラミック基板、ガラス基板、金属基板等を用いることができる。ただし、本発明においては、基板は金属材料であることが望ましい。シリコンやセラミックを材料とする場合に比較して、低コストとすることができるからである。また、特に、Ｆｅ−Ｃｒ（鉄−クロム）合金、Ｆｅ−Ｎｉ（鉄−ニッケル）合金、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ（鉄−クロム−ニッケル）合金等のＦｅ基合金であることが望ましい。
(Base material for producing aligned carbon nanotube assemblies)
Here, the base material (the base material for producing an aligned aggregate of carbon nanotubes) is, for example, a flat plate member formed by forming a carburization prevention layer and a catalyst layer on the substrate surface, and can be shaped even at a high temperature of 400 ° C. or higher. A material that can be held is desirable. Specifically, a silicon substrate, a ceramic substrate, a glass substrate, a metal substrate, or the like can be used as the substrate. However, in the present invention, the substrate is preferably a metal material. This is because the cost can be reduced as compared with the case of using silicon or ceramic as a material. In particular, an Fe-based alloy such as an Fe-Cr (iron-chromium) alloy, an Fe-Ni (iron-nickel) alloy, or an Fe-Cr-Ni (iron-chromium-nickel) alloy is desirable.
基材の厚さに特に制限はなく、例えば数μｍ程度の薄膜から数ｃｍ程度までを概念することができる。ただし、基材の厚さ（より正確には、後述する浸炭防止層及び触媒層の層厚さ（数ｎｍ〜１μｍ程度）を含む基材全体としての厚さ。）は、０．０５ｍｍ以上３ｍｍ以下であることが望ましい。 There is no restriction | limiting in particular in the thickness of a base material, For example, from thin film about several micrometers to about several cm can be considered. However, the thickness of the base material (more precisely, the thickness of the whole base material including the thickness of the carburization preventing layer and the catalyst layer described later (several nm to about 1 μm)) is 0.05 mm or more and 3 mm. The following is desirable.
（浸炭防止層、触媒層）
基板の表面又は裏面（いずれも、平板面）の少なくともいずれか一方には、浸炭防止層が形成されていてもよい。もちろん、表面及び裏面の両面に浸炭防止層が形成されていることが望ましい。この浸炭防止層は、カーボンナノチューブ配向集合体の成長工程において、基板が浸炭されて変形してしまうのを防止するための保護層である。
(Carburization prevention layer, catalyst layer)
A carburization preventing layer may be formed on at least one of the front surface and the back surface (both flat surfaces) of the substrate. Of course, it is desirable that a carburizing prevention layer is formed on both the front and back surfaces. This carburizing prevention layer is a protective layer for preventing the substrate from being carburized and deformed in the growth process of the aligned carbon nanotube aggregate.
浸炭防止層は、単独で触媒活性を示さない金属元素又はその化合物によって構成されることが望ましい。その材料としては、例えばアルミナ（Ａｉ２Ｏ３）、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等の金属酸化物、銅やアルミニウム等の金属を適用することができる。 The carburizing prevention layer is desirably composed of a metal element or a compound thereof that does not exhibit catalytic activity by itself. As the material, for example, metal oxides such as alumina (Ai 2 O 3 ), silicon oxide (SiO 2 ), zirconia (ZrO 2 ), magnesium oxide (MgO), and metals such as copper and aluminum can be applied. .
浸炭防止層の厚さは、０．０１μｍ〜１．０μｍ程度が望ましい。層厚さが薄すぎると浸炭防止効果を充分に得ることができない可能性がある。層形成（コーティング）の方法としては、例えば、蒸着、スパッタリング等の物理的方法、ＣＶＤ、塗布法等の化学的方法を適用することができる。 The thickness of the carburizing prevention layer is desirably about 0.01 μm to 1.0 μm. If the layer thickness is too thin, the carburization prevention effect may not be sufficiently obtained. As a layer forming (coating) method, for example, a physical method such as vapor deposition or sputtering, or a chemical method such as CVD or coating method can be applied.
浸炭防止層が基板の表面及び裏面の両面に形成されることが、基板の浸炭防止、変形防止の観点からはより望ましいが、もちろん生産コストや生産工程上の都合等に応じて表面又は裏面の一方にのみ形成されていてもよい。 It is more desirable that a carburizing prevention layer is formed on both the front and back surfaces of the substrate from the viewpoint of preventing carburization and deformation of the substrate. It may be formed only on one side.
浸炭防止層上には、触媒層が形成されている。この触媒としては、例えば金属触媒が用いられることが望ましく、鉄、塩化鉄、コバルト、鉄−コバルト、鉄−モリブデン、アルミナ−鉄、アルミナ−コバルト、モリブデン−コバルト、アルミナ−鉄−モリブデン、鉄−モリブデン−コバルト等を適用することができる。 A catalyst layer is formed on the carburizing prevention layer. As the catalyst, for example, a metal catalyst is preferably used, and iron, iron chloride, cobalt, iron-cobalt, iron-molybdenum, alumina-iron, alumina-cobalt, molybdenum-cobalt, alumina-iron-molybdenum, iron- Molybdenum-cobalt or the like can be applied.
基材表面への触媒層（触媒金属層）の形成は、一般に触媒の塗布により行われる。その触媒塗布工程は、塗布工程の速度とカーボンナノチューブ配向集合体の生産速度との速度差に応じて、後述するように、インライン（カーボンナノチューブ配向集合体の生産ライン中の工程。）であってもアウトライン（カーボンナノチューブ配向集合体の生産ライン外の別工程。）であってもよい。 Formation of the catalyst layer (catalyst metal layer) on the substrate surface is generally performed by applying a catalyst. The catalyst coating step is inline (a step in the production line of the aligned carbon nanotube assembly) as will be described later, depending on the speed difference between the coating step speed and the production rate of the aligned carbon nanotube assembly. May also be an outline (a separate process outside the production line of the aligned carbon nanotube assembly).
なお、基材の表面及び裏面の両面に触媒層が形成されていれば、カーボンナノチューブ配向集合体を基材の両面において成長させることができるので、生産効率の点からより望ましい。したがって、基板の表裏面に浸炭防止層が形成され、その表裏面において浸炭防止層上に触媒層が形成されていることが、変形防止、生産効率の観点からは最も望ましい。もちろん、生産コストや生産工程上の都合等に応じて、浸炭防止層を片面としたり、触媒層を片面としたりすることは可能である。 If the catalyst layers are formed on both the front and back surfaces of the substrate, the aligned carbon nanotube aggregate can be grown on both surfaces of the substrate, which is more desirable from the viewpoint of production efficiency. Therefore, it is most desirable from the viewpoints of deformation prevention and production efficiency that a carburization preventing layer is formed on the front and back surfaces of the substrate, and a catalyst layer is formed on the carburizing prevention layer on the front and back surfaces. Of course, it is possible to make the carburization prevention layer one side or the catalyst layer one side according to the production cost, convenience in the production process, and the like.
なお、基板及び基材表面の浸炭防止層、触媒層をも含めた基材においては、その表面の算術平均粗さＲａが３μｍ以下であることが望ましい。これにより、基材表面への炭素汚れの付着が防止又は低減され、高品質のカーボンナノチューブ配向集合体を高効率で生産することが可能となる。算術平均粗さＲａは、「ＪＩＳ Ｂ ０６０１−２００１」に記載の通り、粗さ曲線からその平均線の方向に基準長さＬだけ抜き取って、この抜取り部分の平均線方向にＸ軸、直交する縦倍率の方向にＹ軸をとったときの表面プロファイルをｙ＝ｆ（ｘ）で表したときに、次式によって求められる。 In addition, in the base material including the carburization preventing layer and the catalyst layer on the surface of the substrate and the base material, the arithmetic average roughness Ra of the surface is desirably 3 μm or less. Thereby, adhesion of carbon dirt to the substrate surface is prevented or reduced, and a high-quality aligned carbon nanotube aggregate can be produced with high efficiency. As described in “JIS B 0601-2001”, the arithmetic average roughness Ra is extracted from the roughness curve by the reference length L in the direction of the average line, and the X-axis is orthogonal to the average line direction of the extracted portion. When the surface profile when the Y axis is taken in the direction of the vertical magnification is expressed by y = f (x), it is obtained by the following equation.
（フォーメーション工程）
フォーメーション工程とは、基材に担持された触媒の周囲環境を還元ガス環境とすると共に、触媒又は還元ガスの少なくとも一方を加熱する工程をいう。この工程により、触媒の還元、触媒のＣＮＴの成長に適合した状態の微粒子化促進、触媒の活性向上の少なくとも一つの効果が現れる。例えば、触媒がアルミナ−鉄薄膜である場合、鉄触媒層は還元されて微粒子化し、アルミナ層上にナノメートルサイズの鉄微粒子が多数形成される。これにより触媒はＣＮＴ配向集合体の生産に好適な触媒に調製される。
(Formation process)
The formation process refers to a process in which the ambient environment of the catalyst supported on the substrate is set as a reducing gas environment and at least one of the catalyst and the reducing gas is heated. By this step, at least one of the effects of reducing the catalyst, promoting atomization in a state suitable for the growth of the catalyst CNT, and improving the activity of the catalyst appears. For example, when the catalyst is an alumina-iron thin film, the iron catalyst layer is reduced into fine particles, and a large number of nanometer-sized iron fine particles are formed on the alumina layer. As a result, the catalyst is prepared as a catalyst suitable for production of aligned CNT aggregates.
（還元ガス）
還元ガスは、触媒層に対して還元作用を生じる気体であって、典型的には例えば水素ガスを適用することができる。また、水素ガスをヘリウムガス、アルゴンガス、窒素ガス等の不活性ガスと混合した混合ガスであってももちろんよい。還元ガスと触媒層との接触の際、加熱することが望ましい。その場合、還元ガス及び基材を同時に加熱してもよく、一方のみ加熱してもよい。その場合、加熱温度は５００〜１０００℃であることが望ましく、更に望ましくは７００〜９００℃である。
(Reducing gas)
The reducing gas is a gas that causes a reducing action on the catalyst layer, and typically, for example, hydrogen gas can be applied. Of course, it may be a mixed gas in which hydrogen gas is mixed with an inert gas such as helium gas, argon gas, or nitrogen gas. It is desirable to heat at the time of contact between the reducing gas and the catalyst layer. In that case, the reducing gas and the substrate may be heated simultaneously, or only one of them may be heated. In that case, the heating temperature is desirably 500 to 1000 ° C, and more desirably 700 to 900 ° C.
還元ガスと触媒層の接触により、触媒層の触媒が還元され、微粒子化されるために、カーボンナノチューブ配向集合体の生産に好適な触媒にすることができる。特に、電子デバイスへの適用で望ましい単層カーボンナノチューブの生産においては触媒の粒子径が４ｎｍ以下であることが望ましく、更に望ましくは３ｎｍ以下が望ましい。 Since the catalyst in the catalyst layer is reduced and made into fine particles by the contact between the reducing gas and the catalyst layer, the catalyst can be made suitable for the production of the aligned carbon nanotube aggregate. In particular, in the production of single-walled carbon nanotubes desirable for application to electronic devices, the catalyst particle size is desirably 4 nm or less, and more desirably 3 nm or less.
（原料ガス）
原料ガスは、カーボンナノチューブ配向集合体の生成のために原料炭素源を有するガスであり、例えばメタンガス、エタンガス、プロパンガス、エチレンガス、プロピレンガス、アセチレンガス等の炭化水素ガスを適用することができる。もちろん、これらの炭化水素ガスと不活性ガスとの混合ガスであってもよい。ＣＶＤ法によってカーボンナノチューブ配向集合体の生産するため、原料ガス及び／又は基材を加熱する必要がある。その場合、基材及び原料ガスを加熱してもよいし、基材のみ又は加熱ガスのみを過熱してカーボンナノチューブ配向集合体を生産することも可能である。カーボンナノチューブ配向集合体の生産において、加熱温度は５００〜１０００℃、より好ましくは７００〜９００℃である。
(Raw material gas)
The source gas is a gas having a source carbon source for the production of an aligned aggregate of carbon nanotubes. For example, a hydrocarbon gas such as methane gas, ethane gas, propane gas, ethylene gas, propylene gas, and acetylene gas can be applied. . Of course, it may be a mixed gas of these hydrocarbon gas and inert gas. In order to produce an aligned aggregate of carbon nanotubes by a CVD method, it is necessary to heat the source gas and / or the substrate. In that case, the base material and the raw material gas may be heated, or the aligned carbon nanotube aggregates can be produced by heating only the base material or only the heating gas. In the production of the aligned carbon nanotube aggregate, the heating temperature is 500 to 1000 ° C, more preferably 700 to 900 ° C.
（触媒賦活物質）
カーボンナノチューブ配向集合体の生成において、基材の周囲環境に触媒賦活物質を添加する触媒賦活物質添加をしてもよい。触媒賦活物質の添加によって、カーボンナノチューブ配向集合体の生産効率や純度をより一層改善することができる。ここで、触媒賦活物質としては、例えば酸素ガスや水分（水蒸気）、オゾン、硫化水素、酸性ガス、メタノール、エタノールなどの低級アルコール、アセトンなどのケトン類、ホルムアルデヒドなどのアルデヒド類、一酸化炭素、二酸化炭素、テトラヒドロフランなどのエーテル類、カルボン酸類やこれらの組合せを適用することができる。この触媒賦活物質の混合により、基材表面の触媒の活性時間や活性度を増大させることができる。
(Catalyst activation material)
In the production of the aligned carbon nanotube assembly, a catalyst activation material may be added to add a catalyst activation material to the environment around the substrate. By adding the catalyst activator, the production efficiency and purity of the aligned carbon nanotube aggregate can be further improved. Here, examples of the catalyst activator include oxygen gas, moisture (water vapor), ozone, hydrogen sulfide, acidic gas, lower alcohols such as methanol and ethanol, ketones such as acetone, aldehydes such as formaldehyde, carbon monoxide, Ethers such as carbon dioxide and tetrahydrofuran, carboxylic acids, and combinations thereof can be applied. By mixing this catalyst activator, the activity time and activity of the catalyst on the substrate surface can be increased.
（不活性ガス）
本発明においては、カーボンナノチューブ配向集合体生産後の基材を不活性ガス下に冷却する工程が必要である。カーボンナノチューブ配向集合体の生産にあたって上記のように加熱状態にあるため、酸素存在下にさらされると燃焼してしまうおそれがあり、この工程を設けた方がよい。不活性ガスとしては、生産したカーボンナノチューブ配向集合体と反応しなければ特に制限はないが、ヘリウムガスやアルゴンガスなどの希ガス類、窒素ガスなどを使用することができる。
(Inert gas)
In this invention, the process of cooling the base material after carbon nanotube aligned aggregate production under an inert gas is required. Since the carbon nanotube aligned aggregate is in the heated state as described above, it may be burned if exposed to the presence of oxygen, and it is better to provide this step. The inert gas is not particularly limited as long as it does not react with the produced aligned carbon nanotube aggregate, but rare gases such as helium gas and argon gas, nitrogen gas, and the like can be used.
（生産装置）
本発明の例示的側面としてのカーボンナノチューブ配向集合体の生産装置は、表面（平板面）に触媒層を有する平板状基材の表面にカーボンナノチューブ配向集合体を生成させるカーボンナノチューブ配向集合体の生産装置であって、平板状基材の周囲環境を原料ガス環境として化学気相合成によりカーボンナノチューブ配向集合体を平板面に生成する成長工程を実現する成長ユニットと、成長工程の後に平板状基材を冷却する冷却工程を実現する冷却ユニットと、平板状基材を、成長ユニット及び冷却ユニットの順に各ユニット内部を通過させる搬送ユニットと、搬送中において、搬送ユニットによる搬送方向と平板面とが直交するように平板状基材を保持する保持手段と、を有することを特徴としている。
(Production equipment)
An apparatus for producing an aligned aggregate of carbon nanotubes as an exemplary aspect of the present invention is the production of an aligned aggregate of carbon nanotubes that generates an aligned aggregate of carbon nanotubes on the surface of a flat substrate having a catalyst layer on the surface (flat surface). A growth unit for realizing a growth process for generating an aligned aggregate of carbon nanotubes on a flat plate surface by chemical vapor synthesis using a surrounding environment of the flat plate substrate as a source gas environment, and a flat plate substrate after the growth step The cooling unit that realizes the cooling process, the transport unit that passes the inside of each unit in the order of the growth unit and the cooling unit, and the transport direction by the transport unit and the flat plate surface are orthogonal during transport And holding means for holding the flat substrate.
搬送ユニットによる搬送方向と基材の平板面とが直交するように構成されているので、搬送方向における基材の占める長さを短縮することができる。すなわち、搬送方向において、従来は基材の平板面の縦寸法又は横寸法のいずれかが占有していた長さを、基材の厚さ寸法が占有する長さにまで短縮することができる。したがって、搬送方向における単位長さ当たりの基材数を増大させることができるので、結果的にカーボンナノチューブ配向集合体の生産効率を向上させることができる。 Since it is comprised so that the conveyance direction by a conveyance unit and the flat surface of a base material may orthogonally cross, the length which the base material in a conveyance direction occupies can be shortened. That is, in the transport direction, the length that is conventionally occupied by either the vertical dimension or the horizontal dimension of the flat plate surface of the substrate can be reduced to the length that the thickness dimension of the substrate occupies. Therefore, the number of base materials per unit length in the transport direction can be increased, and as a result, the production efficiency of the aligned carbon nanotube aggregate can be improved.
本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下添付図面を参照して説明される好ましい実施の形態によって明らかにされるであろう。 Further objects and other features of the present invention will become apparent from the preferred embodiments described below with reference to the accompanying drawings.
［実施の形態］
本発明の実施の形態に係る製造装置（カーボンナノチューブの生産装置）Ｓ１について、図面を用いて説明する。図１は、この製造装置Ｓ１の概略構成を示すブロック構成図である。この製造装置Ｓ１は、フォーメーションユニット２、成長ユニット４、冷却ユニット５、搬送ユニット７を有して大略構成されている。フォーメーションユニット２、成長ユニット４、冷却ユニット５は各々フォーメーション炉内空間２ａ、生成炉内空間４ａ、冷却炉内空間５ａを有しており、搬送ユニット７によって各炉内空間２ａ，４ａ，５ａ内に基材８を通過させることができるようになっている。
[Embodiment]
A manufacturing apparatus (carbon nanotube production apparatus) S1 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block configuration diagram showing a schematic configuration of the manufacturing apparatus S1. The manufacturing apparatus S1 has a
フォーメーションユニット２は、フォーメーション炉内空間２ａ内にある基材８の周囲環境を還元ガス環境として基材８表面の触媒層（後述）を還元すると共に、触媒又は還元ガスの少なくとも一方を加熱する工程を実現する機能を有している。この工程により、触媒の還元、触媒のＣＮＴの成長に適合した状態の微粒子化促進、触媒の活性向上の少なくとも一つの効果が現れる。例えば、触媒がアルミナ−鉄薄膜である場合、鉄触媒層は還元されて微粒子化し、アルミナ層上にナノメートルサイズの鉄微粒子が多数形成される。これにより触媒はＣＮＴ配向集合体の生産に好適な触媒に調製される。基材８は、例えば金属、シリコン、ガラス、セラミックス等を材料とする厚さ数μｍ〜数ｃｍの基板部材である。もちろん、基材８の態様としては、基板以外に薄膜、ブロック、粉末等を概念することができ、特に体積比において表面積の大きな態様がカーボンナノチューブの生産において有利である。
The
基材８の表面には、触媒層が形成されている。この触媒は、例えば上述したような金属触媒であってその厚さは０．１ｎｍ〜１００ｎｍ程度とされている。本実施の形態においては、基材８表面への触媒層の形成は、製造装置Ｓ１とは別の塗布装置を利用した触媒材料の塗布により行われる。もちろん、製造装置Ｓ１がフォーメーションユニット２の上流側に塗布ユニットを有し、搬送ユニット７によって基材８がフォーメーションユニットに先立って塗布ユニットを通過するように構成されていてもよい。
A catalyst layer is formed on the surface of the
具体的には、触媒材料の塗布は、ウェットプロセス、ドライプロセスのいずれでも構わない。例えば、マスク、ナノインプリンティング、ソフトリソグラフィー、印刷、メッキ、スクリーン印刷、リソグラフィーのいずれかを用いたパターニング等を適用することができる。より好ましくは、金属蒸着フォトリソグラフィー、電子ビームリソグラフィー、マスクを用いた電子ビーム蒸着法によるパターニング、マスクを用いたスパッタ法によるパターニング等を適用することができる。 Specifically, the catalyst material may be applied by either a wet process or a dry process. For example, masking, nanoimprinting, soft lithography, printing, plating, screen printing, patterning using lithography, or the like can be applied. More preferably, metal vapor deposition photolithography, electron beam lithography, patterning by an electron beam vapor deposition method using a mask, patterning by a sputtering method using a mask, or the like can be applied.
なお、基材８の表面には触媒の塗布に先立って、すなわち触媒層の下層に浸炭防止層が形成されていてもよい。浸炭防止層は、上述したようにアルミナ等の金属酸化物、銅やアルミニウム等の金属を材料とする０．０１μｍ〜１．０μｍ程度の薄層である。この浸炭防止層及び触媒層により、基材８の変形防止、カーボンナノチューブ配向集合体の生産効率の向上を図ることができる。
Note that a carburization preventing layer may be formed on the surface of the
本実施の形態においては、基材８の表裏面に浸炭防止層及び触媒層が形成されている。それにより、基材８の表裏両面においてカーボンナノチューブ配向集合体を成長させることができ、かつ両面からの浸炭が防止されるようになっている。
In the present embodiment, a carburization preventing layer and a catalyst layer are formed on the front and back surfaces of the
表面に触媒層が形成された基材８は、搬送ユニット７によってフォーメーション炉内空間２ａ内部へと送られるようになっている。この搬送ユニット７は、ベルトコンベアのように循環回転式となっており、メッシュベルト７ａに対して一定間隔でクリップ（懸架手段、保持手段）７ｃが取り付けられている。
The
図２は、この搬送ユニット７におけるクリップ７ｃ近傍を拡大して示す図である。クリップ７ｃは、基材８を懸架するためのもので、基材８の左右両端部を挟持して吊り下げることができるようになっている。その懸架状態において、基材８は、表裏面が鉛直方向（図１中の矢印Ｂ方向）に沿う方向とされ、表裏面の法線（すなわち、基材８の厚さ方向）が進行方向（図１中の矢印Ａ方向）を向くように保持される。
FIG. 2 is an enlarged view showing the vicinity of the
一連のクリップ７ｃ同士の配置間隔は、搬送速度、カーボンナノチューブ配向集合体の時間当たりの必要生産量、基材８のサイズや懸架保持信頼性（搬送時の揺れや振動に対する影響の受け難さ）等の各種ファクターに応じて適宜設定される。懸架により基材８は立位状態で搬送されるので、表裏面の法線を矢印Ｂ方向に向けて基材８をベルト上に寝かせた状態で搬送する場合に比較して、隣接する基材８同士の間隔（距離）を充分に狭めることができる。その結果、搬送速度が同程度の速度の場合であっても、基材８をベルトに寝かせて搬送する場合に比べ、この懸架方式では単位時間当たりの基材８の通過数を大幅に増大させることができる。
The arrangement interval between the series of
したがって、基材８の表裏面に生成されるカーボンナノチューブの配向集合体の単位時間当たりの生産量を増加させることができ、カーボンナノチューブ配向集合体の生産効率向上を図ることができる。
Therefore, the production amount per unit time of the aligned aggregate of carbon nanotubes generated on the front and back surfaces of the
更に、本実施の形態によれば、基材８の表面（片面）のみでなく、表裏面（両面）に浸炭防止層及び触媒層が形成されているので、カーボンナノチューブ配向集合体を基材８の表裏面に生成させることができる。基材８はベルト上に寝かされておらず、立位状態で懸架されているので、基材８の表裏面が両面とも他の部材等に殆ど接触していない。そのため、表裏面両面においてカーボンナノチューブ配向集合体の生成が可能であり、また、生成したカーボンナノチューブ配向集合体が他の部材等との接触により損傷を受けてしまったりすることがない。
Furthermore, according to the present embodiment, since the carburizing prevention layer and the catalyst layer are formed not only on the surface (one side) of the
そのため、基材８の片面においてカーボンナノチューブ配向集合体を生成する場合に比較して、約２倍の生成量とすることができ、その点においても、本実施の形態に係る製造装置Ｓ１によってカーボンナノチューブ配向集合体の生産効率を向上させることができる。
Therefore, compared with the case where an aligned aggregate of carbon nanotubes is generated on one side of the
フォーメーション炉内空間２ａの上流側には、入口パージ部１が設定されている。この入口パージ部１はフォーメーション炉内空間２ａ内部に外部空気が混入するのを防止するためのものである。
An
入口パージ部１の作用により、フォーメーション炉内空間２ａ直前における基材８の周囲環境が空気からパージガスへと置換され、フォーメーション炉内空間２ａへの空気の混入が防止される。パージガスは不活性ガスが使用される。ガスシール部３ａは、入口パージ部１とフォーメーション炉内空間２ａとの境界近傍に配置され、入口パージ部１から噴射されたパージガスと噴射部２ｂから噴射される還元ガス（後述）との混合ガスを排気する。
The action of the
フォーメーションユニット２は、フォーメーション炉内空間２ａに還元ガスを噴射するための噴射部２ｂを有している。還元ガスは、基材８表面の触媒層を還元して活性化させるための還元性を有したガス（例えば、本実施の形態においては水素ガス。）であって、不活性ガス（例えば、ヘリウムガス）が混合されていてもよい。噴射部２ｂは、フォーメーション炉内空間２ａに向けて還元ガスを噴射するように設定され、フォーメーション炉内空間２ａを還元ガス環境とする。そして、ガスシール部３ｂがフォーメーション炉内空間２ａと生成炉内空間４ａとの境界近傍に配置され、負圧で還元／原料ガスの混合ガスを排気している。
The
搬送ユニット７がメッシュベルト７ａ及びクリップ７ｃによりフォーメーション炉内空間２ａ内部から生成炉内空間４ａ内部へと基材８を搬送するように構成されており、フォーメーション炉内空間２ａと生成炉内空間４ａとの境界は部分的に連通しており完全に遮断されていない。しかしながら、このガスシール部３ｂがフォーメーション炉内空間２ａと生成炉内空間４ａとの境界近傍において還元／原料ガスの混合ガスを排気するので、生成炉内空間４ａ側への還元ガスが混入することが防止される。
The
フォーメーションユニット２はフォーメーション炉内空間２ａ及び／又は基材８を加熱するためのヒーター２ｃを有している。このヒーター２ｃは、フォーメーション炉内空間２ａの還元ガス及び／又はフォーメーション炉内空間２ａに搬送された基材８を加熱することができれば何でもよく、抵抗加熱ヒーター、赤外線加熱ヒーター、電磁誘導式ヒーターなどが挙げられる。
The
成長ユニット４は、フォーメーションの後に基材８の周囲環境を原料ガス環境とし、化学気相合成（ＣＶＤ）によりカーボンナノチューブを基材８の表面に生成する成長工程を実現する機能を有している。成長ユニット４は、生成炉内空間４ａに原料ガスを噴射するための噴射部４ｂを有している。原料ガスは、基材８表面にカーボンナノチューブを生成させるための炭素源ガス（本実施の形態においてはエチレンガス。）であり、不活性ガス（例えばヘリウムガス）が混合されていてもよい。噴射部４ｂは、生成炉内空間４ａに向けて原料ガスを噴射するように設定され、生成炉内空間４ａを原料ガス環境とする。そして、フォーメーション炉内空間２ａと生成炉内空間４ａとの境界近傍に配置されたガスシール部３ｂが、還元ガスと原料ガスの混合ガスを排気している。
The growth unit 4 has a function of realizing a growth process in which the surrounding environment of the
このガスシール部３ｂがフォーメーション炉内空間２ａと生成炉内空間４ａとの境界近傍において還元／原料ガスの混合ガスを排気するので、フォーメーション炉内空間２ａ側への原料ガスの混入が防止される。また、生成炉内空間４ａと冷却炉内空間５ａとの境界近傍にもガスシール部３ｃが配置され、生成炉内空間４ａの原料ガスと冷却炉内空間５ａの不活性ガスの混合ガスを排気している。したがって、冷却炉内空間５ａ側への原料ガスの混入、及び生成炉内空間４ａ側への不活性ガスの混入が防止される。
Since this
成長ユニット４は生成炉内空間４ａ及び／又は基材８を加熱するためのヒーター４ｃを有している。このヒーター４ｃは、生成炉内空間４ａの生成ガス及び／又は生成炉内空間４ａに搬送された基材８を加熱することができれば何でもよく、抵抗加熱ヒーター、赤外線加熱ヒーター、電磁誘導式ヒーターなどが挙げられる。
The growth unit 4 has a heater 4c for heating the production furnace
成長ユニット４は、更に水分添加部（触媒賦活物質添加部）を有していてもよい（非図示）。この水分添加部は、原料ガス中に触媒賦活物質としての水分を添加させて、生成炉内空間４ａにある基材８の周囲環境に水分を添加するものである。この水分の添加により、基材８表面の触媒層の活性がより向上し、カーボンナノチューブの生成効率を大きく向上させることができる。その上、生成されたカーボンナノチューブの純度も大幅に向上させることができる。
The growth unit 4 may further have a moisture addition part (catalyst activation material addition part) (not shown). This moisture addition part adds moisture as a catalyst activator to the raw material gas and adds moisture to the surrounding environment of the
冷却ユニット５は、成長工程の後に基材８を冷却する冷却工程を実現する機能を有している。冷却ユニット５は、水冷方式、空冷方式又は輻射方式等を利用して冷却炉内空間５ａ内の基材８を冷却するためのものであり、例えば冷却炉内空間５ａを囲むように配置された水冷冷却管５ｂを有している。もちろん、冷却ファン等により冷却炉内空間５ａ内の基材８に送風するものであってもよい。
The
そして、冷却炉内空間５ａの下流側には、出口パージ部６が設定されている。この出口パージ部６は冷却炉内空間５ａ内部に外部空気が混入するのを防止するためのものである。出口パージ部６の作用により、冷却炉内空間５ａ内部への空気の混入が防止される。
And the
以上のように、表面に触媒層を有する基材８が搬送ユニット７によって連続的に搬送されつつ、入口パージ部１、フォーメーションユニット２、成長ユニット４、冷却ユニット５を順次通過していく。その間、フォーメーションユニット２において還元ガス環境下で触媒が還元されると共に予熱が与えられ、成長ユニット４において原料ガス環境下で基材８表面にカーボンナノチューブが生成され、冷却ユニット５において冷却される。搬送ユニット７のメッシュベルト７ａが各ユニットに跨るように配置され、基材８が連続的に搬送されるので、各ユニットの炉内空間の境界部分において物理的な遮断が行われず、各ユニットの炉内空間は工程中においても部分的に連通状態となっている。しかしながら、ガスシールユニット３による排気によって気流分離が行われているので、各ユニットの炉内空間内のガス環境が相互に混合してしまうのが効果的に防止されている。
As described above, the
また、搬送ユニット７のクリップ７ｃにより基材８が立位状態で懸架保持されており、隣接する基材８間の距離が短く設定された状態において、カーボンナノチューブ配向集合体の生成が行われるので、単位時間当たりの基材８の処理枚数を増加させることができて、結果的にカーボンナノチューブ配向集合体の生産量を向上させることができる。しかも、基材８の両面においてカーボンナノチューブ配向集合体の生成を行えば、更に生産量向上に寄与することができる。
In addition, since the
以上、本発明の好ましい実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、その要旨の範囲内で様々な変形や変更が可能である。 As mentioned above, although preferable embodiment of this invention was described, this invention is not limited to these, A various deformation | transformation and change are possible within the range of the summary.
例えば、ガス原料、加熱温度等の製造条件を変更することにより、この製造装置Ｓ１で生産されるカーボンナノチューブを単層のものや多層のものに変更することも可能であるし、両者を混在生産させることも可能である。また、本実施の形態においては、搬送ユニット７をベルトコンベア方式とし、フォーメーションユニット２、成長ユニット４、冷却ユニット５が直線状に配置される場合について説明したが、もちろん、搬送ユニット７がターンテーブル方式であり、各ユニットが環状に配置されて、ターンテーブル上の基材８が回転しながら各ユニット内を通過するように構成してもよい。また、各ユニットが鉛直方向に向けて順次配置されるようにして、フォーメーションユニット２の上方に成長ユニット４を配置し、その成長ユニット４の上方に冷却ユニット５を配置してももちろんよい。
For example, by changing manufacturing conditions such as gas raw material and heating temperature, it is possible to change the carbon nanotubes produced in this production apparatus S1 to single-walled or multi-walled, or to produce both together It is also possible to make it. In the present embodiment, the
また、本実施の形態においては、搬送ユニット７を懸架方式としたが、搬送方向における単位時間当たりの基材８の通過数を増大させるための他の種々のバリエーションを本発明の要旨に含めることができる。例えば、図３に示すように、基材８の下面を保持する保持部材１１を搬送ユニット７のベルト７ａ上に一定間隔で配置し、基材８を保持部材１１によって立設保持して搬送するものとしてもよい。これらの方式は、搬送ユニット７による搬送方向と基材８の表裏面とが直交するように配置される（すなわち、搬送方向と表裏面の法線方向とが平行である。）方式であり、それによる単位時間当たりの基材８の通過数増大が図られている。
Moreover, in this Embodiment, although the
図３に示す方式においては、搬送方向が水平方向である場合において、基材８の表裏面が鉛直面となるように配置されている。もちろん、搬送方向が水平でなく、水平面に対して傾斜（上り傾斜又は下り傾斜）している場合は、基材８の表裏面は鉛直面とならないが、その場合においても、搬送方向と基材８の表裏面とは直交関係にある。
In the method shown in FIG. 3, when the conveyance direction is a horizontal direction, it arrange | positions so that the front and back of the
また、図４に示すように、基材８の表裏面と搬送方向とが平行となるように基材８を立設保持して搬送する方式も考えられる。この図４に示す方式においても、搬送方向が水平方向である場合において、基材８の表裏面が鉛直面となるように配置されている。
In addition, as shown in FIG. 4, a method is also conceivable in which the
更に、図５に示すように、基材８の下面をベルト７ａ上に載置した状態で、基材８を立て掛けることのできる壁部材（保持部材）１２をベルト上に一定間隔で配置し、基材８を壁部材１２に立て掛けて搬送してもよい。もちろんこの壁部材１２による場合は、基材８の面の一部が壁部材１２に接触するので、その接触部分以外の面においてカーボンナノチューブ配向集合体の生成を行うこととなる。
Furthermore, as shown in FIG. 5, with the lower surface of the
なお、上記実施の形態においては、基材８は、表裏面の法線が進行方向を向いている。換言すれば、基材８の表裏面が搬送方向における前後方向を向くようにしてクリップ７ｃによって吊り下げられ、搬送されている。しかしながら、図６に示すように、クリップ７ｃによって、基材８の表裏面が搬送方向に対して側方を向くように、換言すれば、基材８の表裏面が搬送方向と平行になるように吊り下げられて搬送されるようになっていてもよい。
In the above embodiment, the
このように、基材８の表裏面が搬送方向と平行になるように吊り下げて搬送することにより、基材８の姿勢安定性が一層良好となる。搬送開始時や停止時、搬送速度ばらつきが多少ある場合でも、基材８の揺れは最小限に抑えることができ、隣接する基材８同士が干渉する虞を低ゲインすることができる。しかも、隣接する基材８同士の対面が大面積の表裏面でなく小面積の側面となっているので、万一基材８同士が衝突したとしても、その場合の被害を最小限とすることができる。
Thus, the posture stability of the
Ｓ１：製造装置（カーボンナノチューブの生産装置）
Ａ，Ｂ：矢印
１：入口パージ部
２：フォーメーションユニット
２ａ：フォーメーション炉内空間
２ｂ：噴射部
２ｃ：ヒーター
３：ガスシールユニット
３ａ：ガスシール部
３ｂ：ガスシール部
３ｃ：ガスシール部
４：成長ユニット
４ａ：生成炉内空間
４ｂ：噴射部
４ｃ：ヒーター
５：冷却ユニット
５ａ：冷却炉内空間
５ｂ：水冷冷却管
６：出口パージ部
７：搬送ユニット
７ａ：メッシュベルト
７ｂ：ベルト駆動部
７ｃ：クリップ（懸架手段、保持手段）
８：基材
１１：保持部材
１２：壁部材（保持部材）
S1: Manufacturing equipment (carbon nanotube production equipment)
A, B: Arrow 1: Inlet purge unit 2:
8: Base material 11: Holding member 12: Wall member (holding member)
Claims (6)
前記平板状基材の周囲環境を原料ガス環境として化学気相合成により前記カーボンナノチューブ配向集合体を前記平板面に生成する成長工程を実現する成長ユニットと、
該成長工程の後に前記平板状基材を冷却する冷却工程を実現する冷却ユニットと、
前記平板状基材を、前記成長ユニット及び前記冷却ユニットの順に各ユニット内部を通過させる搬送ユニットと、
該搬送中において、前記搬送ユニットによる搬送方向と前記平板面とが直交するように前記平板状基材を保持する保持手段と、を有するカーボンナノチューブ配向集合体の生産装置。 An apparatus for producing an aligned aggregate of carbon nanotubes that generates carbon nanotubes on a flat plate surface of a flat substrate having a catalyst layer on a flat plate surface,
A growth unit that realizes a growth process for generating the aligned carbon nanotube aggregates on the flat plate surface by chemical vapor synthesis using the surrounding environment of the flat substrate as a source gas environment;
A cooling unit for realizing a cooling step of cooling the flat substrate after the growth step;
A transport unit for passing the flat substrate through each unit in the order of the growth unit and the cooling unit;
An apparatus for producing an aligned carbon nanotube assembly, comprising: a holding unit that holds the flat substrate so that a conveyance direction by the conveyance unit and the flat plate surface are orthogonal to each other during the conveyance.
前記平板状基材の周囲環境を原料ガス環境として化学気相合成により前記カーボンナノチューブ配向集合体を前記平板面に生成する成長工程を実現する成長ユニットと、
該成長工程の後に前記平板状基材を冷却する冷却工程を実現する冷却ユニットと、
前記平板状基材を、前記成長ユニット及び前記冷却ユニットの順に各ユニット内部を実質的に水平面内で通過させる搬送ユニットと、
該搬送中において、前記平板面が実質的に鉛直面となるように前記平板状基材を保持する保持手段と、を有するカーボンナノチューブ配向集合体の生産装置。 An apparatus for producing an aligned aggregate of carbon nanotubes that generates an aligned aggregate of carbon nanotubes on a flat plate surface of a flat substrate having a catalyst layer on a flat plate surface,
A growth unit that realizes a growth process for generating the aligned carbon nanotube aggregates on the flat plate surface by chemical vapor synthesis using the surrounding environment of the flat substrate as a source gas environment;
A cooling unit for realizing a cooling step of cooling the flat substrate after the growth step;
A transport unit that allows the flat substrate to pass through each unit in a substantially horizontal plane in the order of the growth unit and the cooling unit;
An apparatus for producing an aligned carbon nanotube assembly, comprising: holding means for holding the flat substrate so that the flat plate surface becomes a substantially vertical surface during the conveyance.
前記平板状基材の周囲環境を原料ガス環境として化学気相合成により前記カーボンナノチューブ配向集合体を前記平板面に生成する成長工程を実現する成長ユニットと、
該成長工程の後に前記平板状基材を冷却する冷却工程を実現する冷却ユニットと、
前記平板状基材を、前記成長ユニット及び前記冷却ユニットの順に各ユニット内部を通過させる搬送ユニットと、
該搬送中において、前記平板状基材を懸架保持する懸架手段と、を有するカーボンナノチューブ配向集合体の生産装置。 An apparatus for producing an aligned carbon nanotube assembly that generates an aligned carbon nanotube aggregate on a flat plate surface of a flat substrate having a catalyst layer on a flat plate surface,
A growth unit that realizes a growth process for generating the aligned carbon nanotube aggregates on the flat plate surface by chemical vapor synthesis using the surrounding environment of the flat substrate as a source gas environment;
A cooling unit for realizing a cooling step of cooling the flat substrate after the growth step;
A transport unit for passing the flat substrate through each unit in the order of the growth unit and the cooling unit;
An apparatus for producing an aligned aggregate of carbon nanotubes, comprising suspension means for suspending and holding the plate-like substrate during the conveyance.
前記平板状基材の周囲環境を原料ガス環境として化学気相合成により前記カーボンナノチューブ配向集合体を前記平板面に生成する成長工程を実現する成長ユニットと、
該成長工程の後に前記平板状基材を冷却する冷却工程を実現する冷却ユニットと、
前記平板状基材を、前記成長ユニット及び前記冷却ユニットの順に各ユニット内部を通過させる搬送ユニットと、
該搬送中において、前記平板状基材を立設保持する立設手段と、を有するカーボンナノチューブ配向集合体の生産装置。 An apparatus for producing an aligned carbon nanotube assembly that generates an aligned carbon nanotube aggregate on a flat plate surface of a flat substrate having a catalyst layer on a flat plate surface,
A growth unit that realizes a growth process for generating the aligned carbon nanotube aggregates on the flat plate surface by chemical vapor synthesis using the surrounding environment of the flat substrate as a source gas environment;
A cooling unit for realizing a cooling step of cooling the flat substrate after the growth step;
A transport unit for passing the flat substrate through each unit in the order of the growth unit and the cooling unit;
An apparatus for producing an aligned aggregate of carbon nanotubes, comprising standing means for standingly holding the plate-like substrate during the conveyance.
前記成長ユニットが前記原料ガスを放出する原料ガス放出ノズルを複数有しており、かつ、
該原料ガス放出ノズルが前記表裏両面の前記平板面に向けて前記原料ガスを放出するように配置されている請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載のカーボンナノチューブ配向集合体の生産装置。 The flat substrate has the catalyst layer on the flat surfaces of both front and back surfaces,
The growth unit has a plurality of source gas discharge nozzles for discharging the source gas, and
5. The aligned carbon nanotube assembly according to claim 1, wherein the source gas discharge nozzle is disposed so as to discharge the source gas toward the flat plate surfaces on both the front and back surfaces. Production equipment.
前記平板面が実質的に鉛直面となるように前記平板状基材を保持した状態でその周囲環境を原料ガス環境として化学気相合成により前記カーボンナノチューブ配向集合体を前記平板面に生成する成長工程と、
該成長工程の後に前記平板状基材を冷却する冷却工程と、を有するカーボンナノチューブ配向集合体の生産方法。 A method for producing an aligned carbon nanotube assembly that generates an aligned carbon nanotube aggregate on a flat plate surface of a flat substrate having a catalyst layer on a flat plate surface,
Growth in which the aligned aggregates of carbon nanotubes are generated on the flat plate surface by chemical vapor synthesis using the surrounding environment as a raw material gas environment while holding the flat substrate so that the flat plate surface becomes a substantially vertical surface. Process,
And a cooling step of cooling the flat substrate after the growth step.
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| JP2012091082A (en) * | 2010-10-25 | 2012-05-17 | Nitta Corp | STRUCTURE FOR RETAINING Fe FINE PARTICLE, AND CATALYST AND METHOD FOR CNT PRODUCTION |
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