JP3602092B2

JP3602092B2 - Nanocarbon production method, nanocarbon production apparatus, nanocarbon patterning method

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Publication number: JP3602092B2
Application number: JP2001353793A
Authority: JP
Inventors: 浩史滝川; 美彦日比; 茂生伊藤
Original assignee: Futaba Corp
Current assignee: Futaba Corp
Priority date: 2000-11-21
Filing date: 2001-11-19
Publication date: 2004-12-15
Anticipated expiration: 2021-11-19
Also published as: JP2002220215A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ナノカーボンの製造方法、ナノカーボンの製造装置、ナノカーボンのパターン化方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電界電子放出源は、加熱を必要とした熱電子放出源と比べて、省エネルギーで長寿命である。
現在、電界電子放出源の材料には、シリコン等の半導体，Ｍｏ，Ｗのような金属の他、ナノチューブがある。中でも、ナノチューブは、それ自体が電界を集中させるのに十分なサイズと鋭利さを持ち、化学的に安定で、機械的強度も優れているという特徴を呈するため、電界電子放出源として有望である。
【０００３】
従来のナノチューブの製造方法には、レーザアブレーション法，不活性ガス中の黒鉛電極間のアーク放電法，炭化水素ガスを用いたＣＶＤ法（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などがある。中でも、アーク放電法で製造したナノチューブは、原子配列の欠陥が少なく、電界電子放出源には好適である。
【０００４】
従来のアーク放電法のプロセスは以下のとおりである。
二つの黒鉛電極を容器内に対向して配置した後、容器を一旦排気し、その後不活性ガスを導入し、アークを発生させる。アークの陽極は激しく蒸発し、すすを発生させ、また陰極表面に堆積する。数分以上アークを持続させ、その後装置を大気解放して、陰極堆積物を取り出す、若しくは陰極堆積物を回収する。
【０００５】
陰極堆積物は、ナノチューブを含むソフトコアとナノチューブを含まないハードシェルとで構成されている。
なお、陽極に触媒金属を含有した黒鉛を用いた場合、すす中にナノチューブが存在する。
ソフトコア若しくはすすからナノチューブを取り出し、そのナノチューブを基板に坦持して電子放出源とする。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来のアーク放電法におけるナノチューブ等のナノカーボンの製造及び該ナノカーボンからなる電子放出源製造の課題点は以下のとおりである。
【０００７】
真空容器，真空排気装置，不活性ガス導入装置が必要であり、装置コストが比較的高い。
排気，大気解放を繰り返さなければならず、工程が長い。
プロセス終了後、陰極堆積物の回収若しくはすすの回収、及び装置の清掃をしなければならないため、連続大量生産には不向きである。
また、この方法で生成したナノカーボンを用いた電子放出素子を作成するためには、ソフトコアとハードシェルとの分離、すすからの単離，精製，基板への坦持など更に多くの工程が必要であるという問題もある。
【０００８】
本発明は、プロセス容器等を必ずしも必要とせず、溶接用アークトーチ若しくは類似した構造を持つ装置を用いたアーク放電によって、黒鉛を主成分とした被アーク材の表面を瞬時にしてナノカーボン（ナノチューブも含む）に変形させ、電子放出源を作成するための方法を提供し、その製造装置を提供するものである。
更に、被アーク材表面の一部若しくは部分的にナノカーボンに変形させ、パターンニングされた電子放出源を製造する方法を提供し、その製造装置を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載されたナノカーボンの製造方法は、第１電極と、炭素材料を主成分とする第２電極を、大気中で対向配置する工程と、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加してアーク放電を発生させる工程と、前記第２電極の所定領域の炭素材料を同一の該所定領域に対して３秒程度若しくはそれ以下の放電時間を有する前記アーク放電により前記第２電極の表面でナノカーボンに変える工程を備えたことを特徴としている。
【００１１】
請求項２に記載されたナノカーボンの製造方法は、請求項１記載のナノカーボンの製造方法において、
前記第１電極が、アークトーチに設けられたトーチ電極であり、該トーチ電極と前記第２電極を相対移動させながら、前記第２電極の所定領域の炭素材料を前記アーク放電によりナノカーボンに変える工程を備えたことを特徴としている。
【００１２】
請求項３に記載されたナノカーボンの製造方法は、アークトーチに設けられたトーチ電極である第１電極と、炭素材料を主成分とする第２電極を、大気中で対向配置する工程と、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加してアーク放電を発生させる工程と、前記第２電極の異なる個所をトレースするように前記トーチ電極と前記第２電極を相対移動させながら、前記第２電極の所定領域の炭素材料を前記アーク放電により前記第２電極の表面でナノカーボンに変える工程を備えたことを特徴としている。
【００１３】
請求項４に記載されたナノカーボンの製造方法は、請求項１又は３記載のナノカーボンの製造方法において、
前記第２電極が、基材表面に設けられており、該基材を冷却部材により保持して、前記基材を該冷却部材により冷却しながら、前記第２電極の所定領域の炭素材料を前記アーク放電によりナノカーボンに変えることを特徴としている。
【００１４】
請求項５に記載されたナノカーボンの製造方法は、請求項１又は３記載のナノカーボンの製造方法において、
少なくとも、前記第１電極と前記第２電極と両電極間で発生したアーク放電領域を被包部材で覆いながら、前記第２電極の所定領域の炭素材料を前記アーク放電によりナノカーボンに変えることを特徴としている。
【００１５】
請求項６に記載されたナノカーボンの製造方法は、請求項１又は３記載のナノカーボンの製造方法において、
前記第２電極の炭素材料が、黒鉛，活性炭，アモルファスカーボンの何れかであることを特徴としている。
【００１６】
請求項７に記載されたナノカーボンの製造方法は、請求項１又は３記載のナノカーボンの製造方法において、
前記第２電極が、触媒金属を含有している炭素材料，若しくは触媒金属が表面に形成されている炭素材料の何れかであることを特徴としている。
【００１７】
請求項８に記載されたナノカーボンの製造方法は、請求項７記載のナノカーボンの製造方法において、
前記触媒金属が、Ｌｉ，Ｂ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｐ，Ｓ，Ｋ，Ｃａ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｇｅ，Ａｓ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｌａ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｏｓ，Ｐｔ、若しくはこれらの酸化物，窒化物，炭化物，硫化物，塩化物、硫酸化合物，硝酸化合物、或いはそれらの混合物であることを特徴としている。
【００１８】
請求項９に記載されたナノカーボンの製造方法は、請求項１又は３記載のナノカーボンの製造方法において、
前記アーク放電の発生領域に特定ガスを供給しながら、前記アーク放電を行うことを特徴としている。
【００１９】
請求項１０に記載されたナノカーボンの製造方法は、請求項９記載のナノカーボンの製造方法において、
前記特定ガスが、Ａｒ，Ｈｅなどの希ガス，空気，窒素ガス，炭酸ガス，酸素ガス，水素ガス若しくはこれらの混合ガスであることを特徴としている。
【００２０】
請求項１１に記載されたナノカーボンの製造方法は、請求項１又は３記載のナノカーボンの製造方法において、
前記第１電極が、黒鉛若しくはＷ（タングステン）を主成分とすることを特徴としている。
【００２１】
請求項１２に記載されたナノカーボンの製造方法は、請求項１又は３記載のナノカーボンの製造方法において、
前記アーク放電を直流若しくは直流パルスで運転し、前記第２電極をアーク放電の陽極とすることを特徴としている。
【００２２】
請求項１３に記載されたナノカーボンの製造方法は、請求項１又は３記載のナノカーボンの製造方法において、
前記アーク放電を交流若しくは交流パルスで運転することを特徴としている。
【００２３】
請求項１４に記載されたナノカーボンの製造装置は、ノズルと、前記ノズル内に収容された第１電極とするトーチ電極と、前記ノズル内に収容された前記トーチ電極を保持する電極ホルダと、前記ノズルと前記電極ホルダの間の特定ガスの流路から構成された先端部を有するアークトーチと、前記第１電極と、炭素材料又は触媒金属を含有している炭素材料又は触媒金属が表面に形成されている炭素材料を主成分とする第２電極が、大気中で所定間隔に保持されてなる電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加して、前記第２電極の所定領域にアーク放電を発生させて、該アーク放電により該所定領域の炭素材料を前記第２電極の表面でナノカーボンに変えるための電源からなるアーク発生手段と、前記アーク放電の発生領域に前記流路から特定ガスを供給する特定ガス供給手段を備えたことを特徴とするナノカーボンの製造装置。
【００２４】
請求項１５に記載されたナノカーボンの製造装置は、請求項１４記載のナノカーボンの製造装置において、
前記トーチ電極と前記第２電極を相対移動させる移動手段を更に有し、前記トーチ電極と前記第２電極を相対移動させながら、前記トーチ電極と前記第２電極との間に電圧を印加して、前記第２電極の所定領域にアーク放電を発生させて、該アーク放電により該所定領域の炭素材料をナノカーボンに変えることを特徴としている。
【００２５】
請求項１６に記載されたナノカーボンの製造装置は、アークトーチに設けられたトーチ電極である第１電極と、炭素材料又は触媒金属を含有している炭素材料又は触媒金属が表面に形成されている炭素材料を主成分とする第２電極が、大気中で所定間隔に保持されてなる電極と、前記第１電極と前記第２電極を相対移動させる移動手段と、前記第２電極の異なる個所をトレースするように前記第１電極と前記第２電極を相対移動させながら、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加して、前記第２電極の所定領域にアーク放電を発生させて、該アーク放電により該所定領域の炭素材料を前記第２電極の表面でナノカーボンに変えるための電源からなるアーク発生手段と、前記アーク放電の発生領域に特定ガスを供給する特定ガス供給手段を備えたことを特徴としている。
【００２６】
請求項１７に記載されたナノカーボンの製造装置は、請求項１４又は１６記載のナノカーボンの製造装置において、
前記第２電極が、基材表面に設けられており、前記第１電極と前記第２電極を所定間隔で保持する保持手段が、前記基材を冷却するための冷却手段を有することを特徴としている。
【００２７】
請求項１８に記載されたナノカーボンの製造装置は、請求項１４又は１６記載のナノカーボンの製造装置において、
少なくとも、前記第１電極と前記第２電極と両電極間で発生したアーク放電領域を覆う被包手段を有することを特徴としている。
【００２８】
請求項１９に記載されたナノカーボンのパターン化方法は、第１電極と、炭素材料を主成分とする第２電極を、大気中で対向配置する工程と、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加してアーク放電を発生させる工程と、前記第１電極と前記第２電極を相対移動させながら、前記第２電極の所定領域の炭素材料を前記アーク放電により前記第２電極の表面でナノカーボンに変える工程を備えたことを特徴としている。
【００２９】
請求項２０に記載されたナノカーボンのパターン化方法は、第１電極と、任意のパターン状に形成された炭素材料又は任意のパターン状に形成された触媒金属を含有している炭素材料又は任意のパターン状に形成された触媒金属が表面に形成されている炭素材料を主成分とする第２電極を、大気中で対向配置する工程と、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加してアーク放電を発生させる工程と、前記第２電極の所定領域の炭素材料を同一の該所定領域に対して３秒程度若しくはそれ以下の放電時間を有する前記アーク放電により前記第２電極の表面でナノカーボンに変える工程を備えたことを特徴としている。
【００３０】
請求項２１に記載されたナノカーボンのパターン化方法は、第１電極と、炭素材料を主成分とする第２電極を、大気中で対向配置する工程と、前記第２電極の表面に任意の開口パターンを持ったマスクを配置する工程と、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加してアーク放電を発生させる工程と、前記マスクの開口部分に対応する前記第２電極の所定領域の炭素材料を同一の該所定領域に対して３秒程度若しくはそれ以下の放電時間を有する前記アーク放電により前記第２電極の表面でナノカーボンに変える工程を備えたことを特徴としている。
【００３１】
請求項２２に記載されたナノカーボンのパターン化方法は、請求項１９乃至２１の何れか一項記載のナノカーボンのパターン化方法において、
前記第１電極が、アークトーチに設けられたトーチ電極であることを特徴としている。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は図示の構成に限定されるわけではなく、様々な設計変更が可能であることは勿論である。
【００３３】
また、本発明では、カーボンナノチューブ，カーボンナノファイバ，カーボンナノ粒子，ナノホーン，若しくはこれらの混合物などをまとめて、ナノカーボンと呼ぶことにする。
【００３４】
図１は、本発明の一実施形態であるナノカーボンパターン化法，ナノカーボン製造法，ナノカーボンとナノカーボン基材及び電子放出源製造法に使用する製造（パターン化）装置の概略モデルである。
本実施形態は、大気中又は大気圧中において、汎用のＴＩＧ等の溶接用アークトーチ（不活性ガスアーク溶接）及び電源（溶接電源）を用い、被アーク材に対し、アーク放電を短時間発生させるものである。ＴＩＧアークトーチの代わりに、ＭＩＧ（ｍｅｔａｌ−ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−ｉｎｅｒｔ−ｇａｓ）トーチ等を利用しても良い。また、ＴＩＧアークトーチに類似した構造を持つ装置を利用しても良い。
【００３５】
ＴＩＧ溶接は、通常不活性ガス被包中で非消耗のＷ（タングステン）電極と母材との間にアーク放電を発生させ、必要な場合には別に充填金属を加えて行う溶接法である。
【００３６】
図１に示すように、本発明の装置は、第１電極とするトーチ電極１０を有する溶接用のアークトーチ１と、前記アークトーチ１に対向して配置された第２電極とする被アーク材２と、前記被アーク材２を保持した水冷ベンチ３と、前記アークトーチ１と前記被アーク材２との間に電圧を印加（例えば、接触点弧，高電圧印加，高周波印加等があげられる）してアーク４を発生させる溶接用の電源５と、前記アークトーチ１に所定のガスを供給するガス供給源であるガスボンベ６と、前記ガスボンベ６からの所定ガスの流量を調整するガス調整器及び流量計７から構成される。また、８はアークトーチ１の先端部を示す。
【００３７】
図２は、図１に示したナノカーボンの製造（パターン化）装置におけるアークトーチ１の先端部８の拡大断面図である。
図２に示すように、アークトーチ１の先端部８は、アークトーチ１のノズル９と、タングステン等からなる第１電極とするトーチ電極１０と、前記トーチ電極１０を保持する電極ホルダ１１と、前記ノズル９と前記電極ホルダ１１の間の空間であって、前記アークトーチ１と前記被アーク材２との間で発生したアーク４に供給される被包ガス１２の流路から構成される。
【００３８】
汎用のＴＩＧ溶接用電源５は、アークトーチ１にガス１２を流す仕組みになっており、通常、アルゴン（Ａｒ）ガスを供給する。ナノカーボンの製造においては、使用するガスの種類は特に限定されず、アルゴン（Ａｒ），ヘリウム（Ｈｅ）などの希ガス，空気，窒素（Ｎ_２）ガス，二酸化炭素（ＣＯ_２）等の炭酸ガス，酸素（Ｏ_２）ガス，水素（Ｈ_２）ガス，若しくはこれらの混合ガスなどを流して差し支えない。また、何も流さなくても良い。但し、アークトーチ１にはガス１２を流した方がより好ましい。特に、希ガスを使用した場合には、ナノカーボンと希ガスとが化学反応を生じないことから、生成されたナノカーボンが破壊される可能性が少ないため、希ガスを使用するのが最も好ましい。即ち、大気中では、ナノカーボンと大気中の酸素などが化学反応を生じる可能性、即ち、生成されたナノカーボンがガス化又は変質する可能性が高いことから、希ガスを使用して、この反応を防ぐことは非常に効果的である。
【００３９】
従って、基本的に容器は必要ないが、作業場所の清浄や雰囲気を安定に保つため、あるいは風などに起因される対流の影響を防ぎたい場合などには、被包手段である簡単な容器内（真空容器や加圧容器でも良い。また、密閉型の容器でも開放型の容器でも良い。）に作業部を含む装置全体を入れても良い。容器（外囲器）内の圧力は、操作性の面からは大気圧前後が良い。
【００４０】
通常のＴＩＧ溶接では、トーチ電極１０にトリウム入りＷ電極あるいはセリウム入りＷ電極が利用される。ナノカーボンの製造においては、それらの電極を利用しても良いが、Ｗの溶融微粒子が被アーク材２にドロップレットとして付着するのをさけるため、純黒鉛をトーチ電極１０に用いた方がよい。トーチ電極１０の径は特に限定されないが、汎用のトーチを利用するには、１〜７ｍｍ程度が良い。
【００４１】
更に、汎用のＴＩＧ溶接トーチのように、金属製電極ホルダ１１は水冷されることが望ましい。大面積のナノカーボンの合成或いは連続的大量生産のため、アーク４を連続的（或いは間欠的に長時間）発生させた場合、第１電極であるトーチ電極１０および電極ホルダ１１が加熱され過ぎてしまう。
その結果、トーチ電極１０の消耗が激しくなり、また、電極ホルダ１１自体が破損する可能性が生じる。アークトーチ１にガス１２（特定ガス）を流す等により電極ホルダ１１が冷却されれば、電極ホルダ１１自体が加熱によって破損することは無くなり、更に、トーチ電極１０も電極ホルダ１１で冷却されるため、電極の消耗が抑制される。
【００４２】
ナノカーボン化加工をされるべき黒鉛を主成分とする（即ち、炭素材料を大量に含んだ）被アーク材２は、トーチ電極１０の対向電極である。この炭素材料としては、黒鉛，活性炭，アモルファスカーボンなどが使用可能である。被アーク材２のサイズは限定されないが、厚さは０．１〜５ｍｍが適当である。
また、アーク４の熱から被アーク材２を保護する（即ち、アーク４の熱による被アーク材２の破壊される可能性を低減する）ために、被アーク材２を冷却するため、水冷された電極台である水冷ベンチ３の上で加工する方がよい。
【００４３】
被アーク材２はよく乾燥しても良いが、水分を含んでいても差し支えない。
但し、被アーク材２が水分を含んでいると、アーク４のエネルギーが水分の蒸発に吸収されてしまい、蒸発箇所の温度を上げ難くなるため、乾燥している方がより好ましい。逆に、被アーク材２が濡れていたり、湿っていたり、水分を含んでいたり、水中にあったりする場合、アーク４による被アーク材２の加熱を防ぐことができる。同様に被アーク材２の加熱を防ぐためには、被アーク材２を直接水冷したり、油冷したりすることができる。また、水や炭酸ガスなどの冷却媒体を、被アーク材２に吹き付けたり、スプレイしたりすることができる。
【００４４】
アーク４の放電期間は、３秒程度若しくはそれ以下で十分である。特に、同一の所定領域に対する場合は、これで問題はない。それ以上、放電を続けても、ナノカーボンは製造できるが、被アーク材料が蒸発し、平坦性が失われるため、電子放出源には不適当となる。また、アーク電流は５Ａ〜５００Ａの広い範囲で利用できるが、被アーク材２を破壊しないためには、３０Ａ〜３００Ａが適当である。アーク４をパルス電流で運転する場合、その周波数は限定されないが、汎用電源の実情から見て、１Ｈｚ〜５００Ｈｚが適当である。アークトーチ１と被アーク材２との距離は０．１〜１０ｍｍが適当である。更に、アークトーチ１と被アーク材２とを相対的にかつ連続的に移動させる場合、即ち、被アーク材２の異なる個所をトレースするようにアーク４を連続的に発生させる場合、アーク４の放電期間は限定されない。アーク４の放電を持続的に行わせ、連続移動する、又は放電を断続的間欠的に行わせ、ナノカーボンの製造に最適な距離を保った放電領域が不連続線状に形成されてもよい。
【００４５】
アーク４を直流若しくは直流パルスで運転する場合、純黒鉛の表面にナノカーボンを製造する条件は極めて狭い。しかし、被アーク材２として、触媒金属等を含む材料を含有した黒鉛を用いると、大量のナノカーボンがその表面に製造できる。該触媒金属等には、Ｌｉ，Ｂ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｐ，Ｓ，Ｋ，Ｃａ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｇｅ，Ａｓ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｌａ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｏｓ，Ｐｔ，若しくはこれらの混合物が利用できる。
【００４６】
黒鉛に含有させるには、これらの金属自体若しくは酸化物，窒化物，炭化物，硫化物，塩化物，硫酸化合物，硝酸化合物などなどが利用できる。また、触媒金属等を黒鉛に含有させる代わりに、それらの触媒金属等，若しくは酸化物，窒化物，炭化物，硫化物，塩化物，硫酸化合物，硝酸化合物を、黒鉛の表面に散布，塗布，メッキ，コート（蒸着）若しくは注入しても良い。つまり、被アーク材は、黒鉛と触媒金属とが同時にアーク４によって加熱されるような構造をしていれば良い。
【００４７】
アーク４を交流若しくは交流パルスで運転する場合、純黒鉛を用いても大量のナノカーボンがその表面に製造できる。また、前記触媒入り黒鉛電極や触媒で表面を覆った黒鉛電極を用いても大量のナノカーボンが製造できる。どちらかというと、純黒鉛の方が単位平面当たりのナノカーボンの密度が高い。
【００４８】
図３及び図４は、所望の一箇所若しくは複数箇所の表面だけを一度にナノカーボンに変形させる方法の一例を示している。ナノカーボンに変形させたい表面のパターンを呈したマスク１３（ハードマスク）を介して、被アーク材２とトーチ電極１０との間でアーク４を放電させる方法である。
【００４９】
図３は、被アーク材２とトーチ電極１０との間でアーク４を放電させた状態を示す。図４は、図３の方法により成長したナノカーボンを示している。図４中、１４はナノカーボンの成長箇所を示している。
なお、図３及び図４において、図１及び図２と同じ構成要素については、同一番号を付して説明を省略する。
【００５０】
被アーク材２において、アーク４が接触した表面にのみナノカーボンが形成される。マスク１３は、高融点金属，セラミックス，黒鉛などアークの高温および熱衝撃に耐えるものであれば良い。また、マスク１３は被アーク材２の上に直接載せても良いし、スペーサを介してわずかに浮かせても良い。
【００５１】
交流アーク若しくは交流パルスアークの場合、被アーク材２として純黒鉛，金属触媒等を含む材料を含有させた黒鉛，又は、金属触媒等を含む材料を散布，塗布，メッキ，コート（蒸着）若しくは注入した黒鉛を用いることができる。一方、直流アーク若しくは直流パルスアークの場合、純黒鉛は利用できないが、金属触媒等を含む材料を含有させた黒鉛，又は、金属触媒等を含む材料を散布，塗布，メッキ，コート（蒸着）若しくは注入した黒鉛を用いることができる。
【００５２】
図５乃至図７は、所望の一箇所若しくは複数箇所の表面だけを一度にナノカーボンに変形させる方法の別例を示している。この方法は、ナノカーボンに変形させたい黒鉛表面の箇所に、金属触媒１５等を含む材料を散布，塗布，メッキ，コート（蒸着）若しくは注入した被アーク材を利用する方法である。
【００５３】
図５は、被アーク材２とトーチ電極１０との間でアーク４を放電させた状態を示す。図６は、図５の方法により成長したナノカーボンを示している。図６中、１４はナノカーボンの成長箇所を示している。図７は、図６の点線部分の拡大図である。
なお、図５乃至図７において、図１及び図２と同じ構成要素については、同一番号を付して説明を省略する。
【００５４】
図７に示すように、触媒金属１５は、アーク放電４を利用した加工によって、被アーク材２の表面からは、ほぼ消失する。
更に詳細に述べると、実際には被アーク材２の表面がわずかにくぼみ、このくぼんだ部分にナノカーボンが形成される。
【００５５】
直流アーク若しくは直流パルスアークを用いれば、金属触媒１５等で覆われた表面にはナノカーボンが形成されるが、金属触媒１５等で覆われていない表面にはナノカーボンがほとんど形成されない。この方法の場合、交流アーク若しくは交流パルスアークを用いることは好ましくない。なぜなら、金属触媒１５等で覆われていない箇所にもナノカーボンが形成されるためである。
なお、この方法では図３で示した方法と異なり、アーク放電加工時にマスク１３を利用しないため、より簡便である。
【００５６】
本発明による製造方法によれば、被アーク材２を順次取り替えることにより、連続生産が可能である。或いはまた、被アーク材２を並べておき、アークトーチ１を移動させることでも、連続生産が可能である。
【００５７】
即ち、アークトーチ１を固定しておいて被アーク材２を移動させてもよいし、被アーク材２を固定しておいてアークトーチ１を移動させてもよい。更に、アークトーチ１及び被アーク材２の双方を移動させることも可能である。
【００５８】
また、アークトーチ１と被アーク材２との相対移動については、手動（人間の手）で行ってもよいし、アークトーチ１を３方向（即ち、被アーク材２に平行な面（Ｘ方向及びＹ方向）及びその面に垂直な方向（Ｚ方向））に移動させる移動手段を有する装置を使用して自動で行っても良い。
特に、ＮＣ装置（数値制御装置）等を使用すれば、ナノカーボンに変形させたい領域のみをアーク４にさらしたり、触媒金属１５のパターン部分のみをアーク４にさらすことも可能である。
【００５９】
また、以上の方法によって製造したナノカーボンを含む電子放出源において、電子放出を阻害するナノ粒子を、酸化除去すると電子放出源の性能が向上する。
【００６０】
本発明の製造方法によって生成したナノカーボンの電子放出源としての利用法としては、従来の二極管方式若しくは三極管方式が利用できる。特に、表示管，表示パネル，発光素子，発光管，発光パネル等に好適である。更には、特定の箇所に生成したナノカーボンから電子放出を行うことで、複雑なパターンの表示装置への応用も可能である。
【００６１】
具体的実験結果の一例を以下に示す。
図８は、Ｎｉ／Ｙを含有した黒鉛板（Ｎｉ及びＹ含有量：４．２及び１．０ｍｏｌｅ％、板厚：２ｍｍ）の表面を汎用の溶接用アークトーチ１（トーチ電極１０：黒鉛）で解放大気中（大気圧下）において加工し、その表面を走査型電子顕微鏡で観察した写真である。アーク電流は直流１００Ａとした場合の結果である。同図において、大量のナノカーボン、特に多層カーボンナノチューブが表面を覆っていることがわかる。
ここで、黒鉛板の代わりに、活性炭又はアモルファスカーボン又は触媒金属を含有した黒鉛などを用いた場合にも、ほぼ同様の結果がでた。また、特定ガス、特に、希ガスを使用した場合には、生成されたナノカーボンの収量が増加した。ここから、希ガスを使用することが、非常に効果的であることを確認した。
【００６２】
図９は、純黒鉛表面を１００Ａの交流アークで加工し、その表面を電子顕微鏡で観測した例である。同図においても、大量のナノカーボン、特に多層カーボンナノチューブが表面に形成されていることがわかる。この堆積物中には、カーボンナノ粒子なども含まれていた。同試料を用い二極管構造の蛍光発光管で電子を放出させ、蛍光面に照射したところ、蛍光面が発光することを目視で観測した。ここで、黒鉛板の代わりに、活性炭又はアモルファスカーボン又は触媒金属を含有した黒鉛などを用いた場合の結果や、特定ガスを使用した場合の効果は、図８の場合と同様であった。
【００６３】
上記の実施例では、黒鉛（第２電極）を表面に形成した被アーク材２として黒鉛板を使用した（即ち、基材が第２電極を兼用している）例を示したが、金属板の上にベタパターン又はパターン化した黒鉛層を設けた（即ち、基材と第２電極が別体に形成される）ものを使用することも可能である。
【００６４】
また、ガラス基板やセラミック基板等の絶縁板の上にベタパターン又はパターン化した黒鉛層を設けたものを使用することも可能である。
この絶縁板を使用する場合には、更に、絶縁板と黒鉛層の間に、ベタパターン又はパターン化した金属（アルミニウム等のアーク放電時に蒸発しない金属）層を設けてもよい。絶縁板を使用すれば、黒鉛板等を使用するよりも、製造が容易であり、コスト面でも低廉である。
【００６５】
更に、金属層は、例えば、スクリーン印刷法等により厚膜で形成したり、ＣＶＤ法やマスク蒸着法等により薄膜で形成することが可能である。この金属層は、電子放出源としてナノカーボンを使用する際に、ナノカーボンに電位を印加して電子放出を行わせるための配線層として利用できる。
【００６６】
更にまた、触媒金属１５は、ベタパターン又はパターン化したものを使用することが可能である。黒鉛層及び金属層については、ベタパターンでもよいが、触媒金属１５のパターンに準じてパターン化したものを使用することも可能である。この触媒金属１５は、例えば、ＣＶＤ法やマスク蒸着法等により薄膜で形成することが可能である。
【００６７】
上記の実施例では、基材（被アーク材２）上のナノカーボンをそのまま利用する例を示したが、基材（被アーク材２）から分離・精製して、単体のナノカーボンとして使用することも勿論可能である。
上記の実施例では、被アーク材２とトーチ電極１０との角度は、直角の例を示したが、直角に限定されず、ナノカーボンの製造に支障のない任意の角度でよい。
【００６８】
本発明の製造方法によって製造したナノカーボンは、水素等の吸蔵体に利用できる。
本発明の製造方法によって製造したナノカーボンは、二次電池電極への混合物，二次電池電極，燃料電池電極への混合物，二次電池電極に利用できる。
本発明の製造方法によって製造したナノカーボンは、ゴム，プラスチック，樹脂，セラミックス，鉄鋼，コンクリートなどへの混合物として利用できる。該ナノカーボンをこれらの材料に混合することにより、強度，熱伝導性，電気導電性などを改善できる。
【００６９】
本発明の製造方法によって製造したナノカーボンは、すすの中に多量のナノチューブ、特に多層カーボンナノチューブが含まれているという特徴がある。また、すすの中に多層ナノチューブと同時に、ナノホーンも含まれているという特徴がある。同様に、カーボンナノ粒子なども含まれているという特徴がある。
【００７０】
ここで、ナノホーンとは、グラファイトシートを円錐状に丸めた形状を持ち、先端も円錐状に閉じているカーボンナノ粒子を示す（文献「Ｐｏｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｓｉｎｇｌｅ−ｗａｌｌｃａｒｂｏｎｎａｎｏｈｏｒｎａｇｇｒｅｇａｔｅｓ／Ｋ．Ｍｕｒａｔａ，Ｋ．Ｋａｎｅｋｏ，Ｆ．Ｋｏｋａｉ，Ｋ．Ｔａｋａｈａｓｈｉ，Ｍ．Ｙｕｄａｓａｋａ，Ｓ．Ｉｉｊｉｍａ／Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．３３１，ｐｐ．１４−２０（２０００）」参照）。
【００７１】
【発明の効果】
本発明によれば、ナノカーボンの極めて容易な製造方法及び製造装置を提供することができる。
また、製造が容易で、かつ、連続大量生産が可能なナノカーボン及びそれを用いた電子放出源（電子放出源用基板）の製造（パターン化）方法及び製造（パターン化）装置を提供することができる。
更にまた、任意の一箇所又は複数箇所に任意のパターン状にナノカーボン群を容易に製造する方法及び装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ナノカーボンの製造（パターン化）装置の概略を示す図である。
【図２】図１のナノカーボンの製造（パターン化）装置の部分拡大断面図である。
【図３】特定の箇所にナノカーボンを形成（パターン化）する方法の一例を示す図である。
【図４】図３の方法により成長したナノカーボンを示す図である。
【図５】特定の箇所にナノカーボンを形成（パターン化）する方法の他の例を示す図である。
【図６】図５の方法により成長したナノカーボンを示す図である。
【図７】図６の点線部分の拡大図である。
【図８】直流アーク運転でＮｉ／Ｙ金属を含有した黒鉛表面に加工形成したナノカーボンを示す図である。
【図９】交流アーク運転で純黒鉛表面に加工形成したナノカーボンを示す図である。
【符号の説明】
１…アークトーチ、
２…被アーク材、
３…水冷ベンチ、
４…アーク、
５…電源、
６…ガスボンベ、
７…ガス調整器及び流量計、
８…アークトーチの先端部、
９…アークトーチのノズル、
１０…トーチ電極、
１１…電極ホルダ、
１２…被包ガス、
１３…マスク、
１４…ナノカーボンの成長箇所、
１５…触媒金属。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for producing nanocarbon. , Nanocarbon manufacturing equipment, nanocarbon patterning method To the law Related.
[0002]
[Prior art]
The field electron emission source saves energy and has a longer life than a thermionic emission source that requires heating.
At present, materials for field electron emission sources include semiconductors such as silicon, metals such as Mo and W, and nanotubes. Among them, nanotubes are promising as a field electron emission source because they themselves have the size and sharpness sufficient to concentrate the electric field, are chemically stable, and have excellent mechanical strength. .
[0003]
Conventional methods for producing nanotubes include a laser ablation method, an arc discharge method between graphite electrodes in an inert gas, and a CVD method (Chemical Vapor Deposition) using a hydrocarbon gas. Among them, nanotubes manufactured by the arc discharge method have few defects in the atomic arrangement, and are suitable for a field electron emission source.
[0004]
The process of the conventional arc discharge method is as follows.
After the two graphite electrodes are arranged facing each other in the container, the container is once evacuated and then an inert gas is introduced to generate an arc. The arc anode evaporates violently, producing soot and depositing on the cathode surface. The arc is maintained for several minutes or more, and then the apparatus is opened to the atmosphere to remove the cathode deposit or collect the cathode deposit.
[0005]
The cathode deposit consists of a soft core containing nanotubes and a hard shell without nanotubes.
When graphite containing a catalytic metal is used for the anode, nanotubes are present in the soot.
A nanotube is taken out from a soft core or soot, and the nanotube is carried on a substrate to serve as an electron emission source.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The problems in the production of nanocarbon such as nanotubes and the production of an electron emission source composed of the nanocarbon in the conventional arc discharge method are as follows.
[0007]
A vacuum vessel, a vacuum exhaust device, and an inert gas introduction device are required, and the device cost is relatively high.
Exhaust and release to the atmosphere must be repeated, and the process is long.
After the process is completed, it is not suitable for continuous mass production because the cathode deposit or soot must be collected and the device must be cleaned.
Further, in order to fabricate an electron-emitting device using nanocarbon produced by this method, more steps such as separation of a soft core and a hard shell, isolation and purification of soot, and loading on a substrate are required. There is also the problem that it is necessary.
[0008]
The present invention does not necessarily require a process vessel or the like, and instantaneously renders the surface of a material to be arced containing graphite as a main component by an arc discharge using a welding arc torch or a device having a similar structure. And a method for producing an electron emission source, and an apparatus for producing the same.
Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a patterned electron emission source by partially or partially deforming a surface of an arc-receiving material into nanocarbon, and to provide a manufacturing apparatus therefor.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The method for producing nanocarbon according to claim 1, wherein a first electrode and a second electrode containing a carbon material as a main component are arranged to face each other in the atmosphere, and the first electrode and the second electrode Generating a arc discharge by applying a voltage between the carbon material and a carbon material in a predetermined region of the second electrode. Discharge time of about 3 seconds or less for the same predetermined area A step of converting the second electrode into nanocarbon on the surface of the second electrode by the arc discharge.
[0011]
Claim 2 The method for producing nanocarbon described in claim 1 note In the method for producing nanocarbon described above,
The first electrode is a torch electrode provided on an arc torch, and while relatively moving the torch electrode and the second electrode, a carbon material in a predetermined region of the second electrode is changed to nanocarbon by the arc discharge. It is characterized by having a process.
[0012]
Claim 3 The method for producing nanocarbon described in (1) includes a step of arranging a first electrode, which is a torch electrode provided on an arc torch, and a second electrode containing a carbon material as a main component in the atmosphere, Applying a voltage between an electrode and the second electrode to generate an arc discharge, and while relatively moving the torch electrode and the second electrode so as to trace different portions of the second electrode, The carbon material in a predetermined area of the second electrode is discharged by the arc discharge. On the surface of the second electrode It is characterized by having a process of changing to nanocarbon.
[0013]
Claim 4 The method for producing nanocarbon described in Is 3 In the method for producing nanocarbon described,
The second electrode is provided on a base material surface, the base material is held by a cooling member, and while the base material is cooled by the cooling member, the carbon material in a predetermined region of the second electrode is removed. It is characterized by being converted to nanocarbon by arc discharge.
[0014]
Claim 5 The method for producing nanocarbon described in Is 3 In the method for producing nanocarbon described,
At least, while covering an arc discharge region generated between the first electrode, the second electrode, and both electrodes with an encapsulating member, changing a carbon material in a predetermined region of the second electrode into nanocarbon by the arc discharge. Features.
[0015]
Claim 6 The method for producing nanocarbon described in Is 3 In the method for producing nanocarbon described,
The carbon material of the second electrode is any one of graphite, activated carbon, and amorphous carbon.
[0016]
Claim 7 The method for producing nanocarbon described in Is 3 In the method for producing nanocarbon described,
The second electrode is made of a carbon material containing a catalyst metal or a carbon material having a catalyst metal formed on a surface thereof.
[0017]
Claim 8 The method for producing nanocarbon described in claim 7 In the method for producing nanocarbon described,
The catalyst metal is Li, B, Mg, Al, Si, P, S, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Y, Zr. , Nb, Mo, Rh, Pd, In, Sn, Sb, La, Hf, Ta, W, Os, Pt, or their oxides, nitrides, carbides, sulfides, chlorides, sulfate compounds, nitrate compounds, Alternatively, it is characterized by being a mixture thereof.
[0018]
Claim 9 The method for producing nanocarbon described in Is 3 In the method for producing nanocarbon described,
The method is characterized in that the arc discharge is performed while a specific gas is supplied to a region where the arc discharge occurs.
[0019]
Claim 10 The method for producing nanocarbon described in claim 9 In the method for producing nanocarbon described,
The specific gas is a rare gas such as Ar or He, air, nitrogen gas, carbon dioxide gas, oxygen gas, hydrogen gas, or a mixed gas thereof.
[0020]
Claim 11 The method for producing nanocarbon described in Is 3 In the method for producing nanocarbon described,
The first electrode is mainly composed of graphite or W (tungsten).
[0021]
Claim 12 The method for producing nanocarbon described in Is 3 In the method for producing nanocarbon described,
The arc discharge is operated by a direct current or a direct current pulse, and the second electrode is used as an anode of the arc discharge.
[0022]
Claim Thirteen The method for producing nanocarbon described in Is 3 In the method for producing nanocarbon described,
The arc discharge is operated by alternating current or alternating current pulse.
[0023]
Claim 14 The nanocarbon manufacturing apparatus described in the above, a nozzle, a torch electrode serving as a first electrode housed in the nozzle, an electrode holder holding the torch electrode housed in the nozzle, the nozzle An arc torch having a tip portion configured from a flow path of a specific gas between the electrode holders, the first electrode, and a carbon material or a catalyst metal containing a carbon material or a catalyst metal are formed on the surface. A voltage is applied between an electrode in which a second electrode mainly composed of a carbon material is held at a predetermined interval in the air and the first electrode and the second electrode, and a voltage is applied to the second electrode. An arc generating means comprising a power source for generating an arc discharge in a predetermined area, and converting the carbon material in the predetermined area into nanocarbon on the surface of the second electrode by the arc discharge; Channel Apparatus for producing nano-carbon, characterized in that it comprises a specific gas supply means for supplying et specific gas.
[0024]
Claim Fifteen The manufacturing apparatus of nanocarbon described in claim 14 In the nanocarbon production apparatus according to the above,
A moving unit that relatively moves the torch electrode and the second electrode, and applies a voltage between the torch electrode and the second electrode while relatively moving the torch electrode and the second electrode. An arc discharge is generated in a predetermined area of the second electrode, and the carbon material in the predetermined area is changed to nanocarbon by the arc discharge.
[0025]
Claim 16 The nanocarbon manufacturing apparatus described in the above, a first electrode which is a torch electrode provided in the arc torch, a carbon material containing a carbon material or a catalyst metal or a carbon material having a catalyst metal formed on the surface An electrode in which a second electrode whose main component is held at predetermined intervals in the atmosphere, a moving means for relatively moving the first electrode and the second electrode, and tracing different portions of the second electrode As described above, while relatively moving the first electrode and the second electrode, a voltage is applied between the first electrode and the second electrode to generate an arc discharge in a predetermined region of the second electrode. The arc material discharges the carbon material in the predetermined area. On the surface of the second electrode An arc generating means comprising a power supply for converting to nanocarbon and a specific gas supply means for supplying a specific gas to the arc discharge generating region are provided.
[0026]
Claim 17 The manufacturing apparatus of nanocarbon described in claim 14 Or 16 In the nanocarbon production apparatus according to the above,
The second electrode is provided on a surface of a base material, and holding means for holding the first electrode and the second electrode at a predetermined interval has a cooling means for cooling the base material. I have.
[0027]
Claim 18 The manufacturing apparatus of nanocarbon described in claim 14 Or 16 In the nanocarbon production apparatus according to the above,
At least a covering means for covering an arc discharge region generated between the first electrode, the second electrode, and both electrodes is provided.
[0028]
Claim 19 In the method for patterning nanocarbon described in the above, a first electrode and a second electrode containing a carbon material as a main component are disposed so as to face each other in the air, and a step between the first electrode and the second electrode is performed. Generating an arc discharge by applying a voltage to the first electrode and the second electrode, while relatively moving the first electrode and the second electrode, the carbon material in a predetermined region of the second electrode by the arc discharge. On the surface of the second electrode It is characterized by having a process of changing to nanocarbon.
[0029]
Claim 20 The method for patterning nanocarbon described in the above, the first electrode, a carbon material formed in an arbitrary pattern or a carbon material containing a catalytic metal formed in an arbitrary pattern or an arbitrary pattern Disposing a second electrode mainly composed of a carbon material whose surface is formed with a catalyst metal formed on the surface thereof in the air, and applying a voltage between the first electrode and the second electrode. Generating an arc discharge by discharging the carbon material in a predetermined region of the second electrode. Discharge time of about 3 seconds or less for the same predetermined area By the arc discharge On the surface of the second electrode It is characterized by having a process of changing to nanocarbon.
[0030]
Claim 21 The method for patterning nanocarbon described in the above includes a step of arranging a first electrode and a second electrode mainly composed of a carbon material to face each other in the atmosphere, and forming an arbitrary opening pattern on the surface of the second electrode. Arranging a mask having the mask, applying a voltage between the first electrode and the second electrode to generate an arc discharge, and a predetermined region of the second electrode corresponding to an opening of the mask. The carbon material Discharge time of about 3 seconds or less for the same predetermined area By the arc discharge On the surface of the second electrode It is characterized by having a process of changing to nanocarbon.
[0031]
Claim 22 The method for patterning nanocarbon described in claim 19 Or 21 The patterning method of nanocarbon according to any one of the above,
The first electrode is a torch electrode provided on an arc torch.
[0032]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. It should be noted that the present invention is not limited to the illustrated configuration, and various design changes can be made.
[0033]
Also, in the present invention, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanoparticles, nanohorns , Young Alternatively, these mixtures are collectively referred to as nanocarbon.
[0034]
FIG. 1 is a schematic model of a manufacturing (patterning) apparatus used for a nanocarbon patterning method, a nanocarbon manufacturing method, a nanocarbon and a nanocarbon substrate, and an electron emission source manufacturing method according to an embodiment of the present invention. .
In the present embodiment, the atmospheric pressure or the atmospheric pressure inside Here, a general-purpose welding arc torch such as TIG (inert gas arc welding) and a power supply (welding power supply) are used to generate an arc discharge for a short time in a material to be arced. Instead of the TIG arc torch, a MIG (metal-electrode-inert-gas) torch or the like may be used. Further, a device having a structure similar to a TIG arc torch may be used.
[0035]
TIG welding is a welding method in which an arc discharge is usually generated between a non-consumable W (tungsten) electrode and a base material in an inert gas envelope, and if necessary, a filler metal is added separately.
[0036]
As shown in FIG. 1, the apparatus of the present invention comprises a welding arc torch 1 having a torch electrode 10 as a first electrode, and an arc-receiving material as a second electrode disposed opposite to the arc torch 1. 2, a water-cooled bench 3 holding the material to be arced 2, and a voltage applied between the arc torch 1 and the material to be arced 2 (for example, contact ignition, high voltage application, high frequency application, etc.). A power source 5 for welding to generate an arc 4, a gas cylinder 6 serving as a gas supply source for supplying a predetermined gas to the arc torch 1, and a gas regulator for adjusting a flow rate of a predetermined gas from the gas cylinder 6. And a flow meter 7. Reference numeral 8 denotes a tip of the arc torch 1.
[0037]
FIG. 2 is an enlarged sectional view of the tip 8 of the arc torch 1 in the nanocarbon production (patterning) apparatus shown in FIG.
As shown in FIG. 2, the tip 8 of the arc torch 1 includes a nozzle 9 of the arc torch 1, a torch electrode 10 as a first electrode made of tungsten or the like, an electrode holder 11 for holding the torch electrode 10, A space between the nozzle 9 and the electrode holder 11, which is constituted by a flow path of an envelope gas 12 supplied to the arc 4 generated between the arc torch 1 and the arc material 2.
[0038]
The general-purpose power supply 5 for TIG welding is configured to supply gas 12 to the arc torch 1, and usually supplies argon (Ar) gas. In the production of nanocarbon, the type of gas used is not particularly limited, and rare gases such as argon (Ar) and helium (He), air, and nitrogen (N ₂ ) Gas, carbon dioxide (CO ₂ ), Oxygen (O ₂ ) Gas, hydrogen (H ₂ ) Gas or a mixed gas thereof may flow. Also, it is not necessary to flow anything. However, it is more preferable to flow the gas 12 to the arc torch 1. In particular, when a rare gas is used, since the nanocarbon and the rare gas do not cause a chemical reaction, there is little possibility that the generated nanocarbon is destroyed. . In other words, in the atmosphere, there is a possibility that the nanocarbon and oxygen in the atmosphere may cause a chemical reaction, that is, the generated nanocarbon is highly likely to be gasified or deteriorated. Preventing the reaction is very effective.
[0039]
Therefore, basically no container is required, but to keep the workplace clean and atmosphere stable ,Ah To prevent the influence of convection caused by wind or the like, use a simple container (a vacuum container or a pressurized container. A closed container or an open container may be used.) The entire device including the working unit may be put in the "good". Pressure in container (envelope) Is From the viewpoint of operability, the pressure around the atmospheric pressure is good.
[0040]
In the normal TIG welding, a W electrode containing thorium or a W electrode containing cerium is used as the torch electrode 10. In the production of nanocarbon, those electrodes may be used, but pure graphite should be used for the torch electrode 10 in order to prevent the molten fine particles of W from adhering to the material to be arced 2 as droplets. . The diameter of the torch electrode 10 is not particularly limited, but is preferably about 1 to 7 mm in order to use a general-purpose torch.
[0041]
Furthermore, like a general-purpose TIG welding torch, it is desirable that the metal electrode holder 11 be water-cooled. When the arc 4 is generated continuously (or intermittently for a long time) for the synthesis or continuous mass production of large-area nanocarbon, the torch electrode 10 and the electrode holder 11 as the first electrode are excessively heated. I will.
As a result, the torch electrode 10 is greatly consumed, and the electrode holder 11 itself may be damaged. If the electrode holder 11 is cooled by flowing the gas 12 (specific gas) into the arc torch 1 or the like, the electrode holder 11 itself is not damaged by heating, and the torch electrode 10 is also cooled by the electrode holder 11. In addition, electrode consumption is suppressed.
[0042]
The material to be arced 2 containing graphite to be nanocarbonized as a main component (that is, containing a large amount of carbon material) is a counter electrode of the torch electrode 10. As the carbon material, graphite, activated carbon, amorphous carbon and the like can be used. The size of the material to be arced 2 is not limited, but the thickness is suitably from 0.1 to 5 mm.
Further, in order to protect the material to be arced 2 from the heat of the arc 4 (that is, to reduce the possibility that the material to be arced 2 is broken by the heat of the arc 4), the material to be arced 2 is cooled by water. It is better to work on the water-cooled bench 3, which is an electrode stand.
[0043]
The material to be arced 2 may be dried well, but may contain moisture.
However, if the material to be arced 2 contains moisture, the energy of the arc 4 is absorbed by the evaporation of the moisture, making it difficult to raise the temperature of the evaporation location. Conversely, if the material to be arced 2 is wet, wet, contains moisture, or is in water, the arc 4 can prevent the material to be arced 2 from being heated. Similarly, in order to prevent the material to be arced 2 from being heated, the material to be arced 2 can be directly water-cooled or oil-cooled. In addition, a cooling medium such as water or carbon dioxide can be sprayed or sprayed on the material to be arced 2.
[0044]
A discharge period of the arc 4 of about 3 seconds or less is sufficient. In particular, in the case of the same predetermined area, there is no problem. Even if the discharge continues, nanocarbon can be produced, but the material to be arced evaporates and loses its flatness, making it unsuitable for an electron emission source. The arc current can be used in a wide range of 5A to 500A, but 30A to 300A is appropriate in order not to destroy the material 2 to be arced. When the arc 4 is operated with a pulse current, the frequency is not limited, but 1 Hz to 500 Hz is appropriate in view of the actual situation of a general-purpose power supply. The distance between the arc torch 1 and the material to be arced 2 is suitably 0.1 to 10 mm. Further, when the arc torch 1 and the material to be arced 2 are moved relatively and continuously, that is, when the arc 4 is continuously generated so as to trace different portions of the material to be arced 2, the arc 4 The discharge period is not limited. The discharge of the arc 4 may be continuously performed and continuously moved, or the discharge may be performed intermittently and intermittently, and the discharge region maintaining an optimum distance for nanocarbon production may be formed in a discontinuous line shape. .
[0045]
When the arc 4 is operated by a direct current or a direct current pulse, conditions for producing nanocarbon on the surface of pure graphite are extremely narrow. However, when graphite containing a material containing a catalytic metal or the like is used as the material to be arced 2, a large amount of nanocarbon can be produced on the surface thereof. The catalyst metals and the like include Li, B, Mg, Al, Si, P, S, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Y , Zr, Nb, Mo, Rh, Pd, In, Sn, Sb, La, Hf, Ta, W, Os, Pt, or a mixture thereof.
[0046]
For inclusion in graphite, these metals themselves or oxides, nitrides, carbides, sulfides, chlorides, sulfate compounds, nitrate compounds, and the like can be used. Instead of including the catalyst metal in the graphite, the catalyst metal or the like, or an oxide, a nitride, a carbide, a sulfide, a chloride, a sulfate compound, or a nitrate compound is sprayed, coated, and plated on the surface of the graphite. , Coating (deposition) or implantation. That is, the material to be arced only needs to have a structure in which the graphite and the catalyst metal are heated by the arc 4 at the same time.
[0047]
When the arc 4 is operated with an AC or an AC pulse, a large amount of nanocarbon can be produced on the surface even if pure graphite is used. Also, a large amount of nanocarbon can be produced by using the above-mentioned graphite electrode containing a catalyst or a graphite electrode whose surface is covered with a catalyst. Rather, pure graphite has a higher density of nanocarbons per unit plane.
[0048]
FIG. 3 and FIG. 4 show an example of a method for transforming only one or a plurality of desired surfaces into nanocarbon at once. This is a method in which the arc 4 is discharged between the material to be arced 2 and the torch electrode 10 via a mask 13 (hard mask) having a surface pattern to be transformed into nanocarbon.
[0049]
FIG. 3 shows a state where the arc 4 is discharged between the material to be arced 2 and the torch electrode 10. FIG. 4 shows nanocarbon grown by the method of FIG. In FIG. 4, reference numeral 14 denotes a growth portion of the nanocarbon.
3 and FIG. 4, the same components as those in FIG. 1 and FIG.
[0050]
In the material to be arced 2, nanocarbon is formed only on the surface where the arc 4 contacts. The mask 13 may be any material that can withstand high temperature and thermal shock of the arc, such as high melting point metal, ceramics, and graphite. The mask 13 may be placed directly on the material to be arced 2 or may be slightly lifted via a spacer.
[0051]
In the case of an AC arc or an AC pulse arc, a material containing a material containing pure graphite or a metal catalyst, or a material containing a metal catalyst or the like is sprayed, applied, plated, coated (deposited), or injected as the material to be arced 2. Graphite can be used. On the other hand, in the case of a DC arc or a DC pulse arc, pure graphite cannot be used, but graphite containing a material containing a metal catalyst or the like, or a material containing a metal catalyst or the like is sprayed, coated, plated, coated (deposited) or Injected graphite can be used.
[0052]
5 to 7 show another example of a method of transforming only one or a plurality of desired surfaces into nanocarbon at once. In this method, a material containing a metal catalyst 15 or the like is sprayed, applied, plated, coated (deposited), or injected into a portion of the graphite surface that is to be transformed into nanocarbon.
[0053]
FIG. 5 shows a state where the arc 4 is discharged between the material to be arced 2 and the torch electrode 10. FIG. 6 shows nanocarbon grown by the method of FIG. In FIG. 6, reference numeral 14 denotes a growth portion of the nanocarbon. FIG. 7 is an enlarged view of a dotted line part in FIG.
5 to 7, the same components as those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
[0054]
As shown in FIG. 7, the catalytic metal 15 almost disappears from the surface of the material to be arced 2 by the processing using the arc discharge 4.
More specifically, actually, the surface of the material to be arced 2 is slightly dented, and nanocarbon is formed in the depressed portion.
[0055]
When a DC arc or a DC pulse arc is used, nanocarbon is formed on the surface covered with the metal catalyst 15 or the like, but nanocarbon is hardly formed on the surface not covered with the metal catalyst 15 or the like. In the case of this method, it is not preferable to use an AC arc or an AC pulse arc. This is because nanocarbon is also formed in a portion not covered with the metal catalyst 15 or the like.
Note that, unlike the method shown in FIG. 3, this method does not use the mask 13 at the time of arc discharge machining, and is therefore simpler.
[0056]
According to the manufacturing method of the present invention, continuous production is possible by sequentially replacing the material to be arced 2. Alternatively, continuous production is also possible by arranging the materials to be arced 2 and moving the arc torch 1.
[0057]
That is, the arc torch 1 may be fixed and the material to be arced 2 may be moved, or the arc torch 1 may be fixed and the arc torch 1 may be moved. Furthermore, both the arc torch 1 and the material to be arced 2 can be moved.
[0058]
The relative movement between the arc torch 1 and the material to be arced 2 may be performed manually (by a human hand), or the arc torch 1 may be moved in three directions (that is, in a plane parallel to the material to be arced 2 (X direction). And in the direction perpendicular to the plane (Z direction)).
In particular, if an NC device (numerical control device) or the like is used, it is possible to expose only the area to be transformed into nanocarbon to the arc 4 or to expose only the pattern portion of the catalyst metal 15 to the arc 4.
[ 0059 ]
In the electron emission source containing nanocarbon produced by the above method, the performance of the electron emission source is improved by oxidizing and removing the nanoparticles that inhibit the electron emission.
[ 0060 ]
As a method of using the nanocarbon produced by the production method of the present invention as an electron emission source, a conventional diode or triode method can be used. In particular, it is suitable for a display tube, a display panel, a light emitting element, a light emitting tube, a light emitting panel, and the like. Furthermore, by emitting electrons from nanocarbon generated at a specific location, application to a display device having a complicated pattern is also possible.
[ 0061 ]
An example of specific experimental results is shown below.
FIG. 8 shows a general-purpose welding arc torch 1 (torch electrode 10: graphite) on the surface of a graphite plate containing Ni / Y (Ni and Y contents: 4.2 and 1.0 mole%, plate thickness: 2 mm). FIG. 2 is a photograph obtained by processing in open air (under atmospheric pressure) and observing the surface with a scanning electron microscope. The arc current is the result when the direct current is 100 A. In the figure, it can be seen that a large amount of nanocarbon, particularly multi-walled carbon nanotubes, covers the surface.
Here, substantially the same result was obtained when graphite containing activated carbon, amorphous carbon, or a catalyst metal was used instead of the graphite plate. In addition, when a specific gas, particularly a rare gas, was used, the yield of the generated nanocarbon was increased. From this, it was confirmed that the use of a rare gas was very effective.
[ 0062 ]
FIG. 9 is an example in which the surface of pure graphite was processed with an AC arc of 100 A, and the surface was observed with an electron microscope. It can also be seen from the figure that a large amount of nanocarbon, particularly multi-walled carbon nanotubes, is formed on the surface. This deposit contained carbon nanoparticles and the like. Using the same sample, electrons were emitted from a fluorescent tube having a diode structure, and the phosphor screen was illuminated. It was visually observed that the phosphor screen emitted light. Here, the results when using activated carbon, amorphous carbon, graphite containing a catalyst metal, or the like, and the effect when using a specific gas instead of the graphite plate were the same as those in FIG.
[ 0063 ]
In the above embodiment, an example is shown in which a graphite plate is used as the material to be arced 2 having graphite (second electrode) formed on its surface (that is, the base material also serves as the second electrode). It is also possible to use a substrate on which a solid pattern or a patterned graphite layer is provided (that is, the substrate and the second electrode are formed separately).
[ 0064 ]
It is also possible to use an insulating plate such as a glass substrate or a ceramic substrate provided with a solid pattern or a patterned graphite layer.
When this insulating plate is used, a solid pattern or a patterned metal (a metal such as aluminum which does not evaporate during arc discharge) may be provided between the insulating plate and the graphite layer. If an insulating plate is used, it is easier to manufacture than a graphite plate or the like, and the cost is low.
[ 0065 ]
Further, the metal layer can be formed as a thick film by a screen printing method or the like, or can be formed as a thin film by a CVD method or a mask evaporation method. This metal layer can be used as a wiring layer for applying a potential to the nanocarbon to emit electrons when nanocarbon is used as an electron emission source.
[ 0066 ]
Furthermore, the catalyst metal 15 can use a solid pattern or a patterned one. As for the graphite layer and the metal layer, a solid pattern may be used, but a pattern formed according to the pattern of the catalyst metal 15 may be used. The catalyst metal 15 can be formed as a thin film by, for example, a CVD method or a mask evaporation method.
[ 0067 ]
In the above embodiment, an example in which the nanocarbon on the base material (the material to be arced 2) is used as it is is shown. However, the nanocarbon is separated and purified from the base material (the material to be arced 2) and used as a single nanocarbon. Of course, it is possible.
In the above embodiment, the angle between the arc-receiving member 2 and the torch electrode 10 is a right angle. However, the angle is not limited to a right angle, and may be any angle that does not hinder the production of nanocarbon.
[ 0068 ]
The nanocarbon produced by the production method of the present invention can be used for an occlusion material such as hydrogen.
The nanocarbon produced by the production method of the present invention can be used as a mixture for a secondary battery electrode, a mixture for a secondary battery electrode, a fuel cell electrode, and a secondary battery electrode.
The nanocarbon produced by the production method of the present invention can be used as a mixture with rubber, plastic, resin, ceramics, steel, concrete and the like. By mixing the nanocarbon with these materials, strength, thermal conductivity, electrical conductivity, and the like can be improved.
[ 0069 ]
The nanocarbon produced by the production method of the present invention is characterized in that soot contains a large amount of nanotubes, particularly multi-walled carbon nanotubes. In addition, the soot includes a nanohorn in addition to the multi-walled nanotube. Similarly, there is a feature that carbon nanoparticles and the like are also included.
[ 0070 ]
Here, the nanohorn refers to a carbon nanoparticle having a shape obtained by rounding a graphite sheet in a conical shape and having a tip closed in a conical shape. Kaneko, F. Kokai, K. Takahashi, M. Yudasaka, S. Iijima / Chem. Phys. Lett., Vol. 331, pp. 14-20 (2000)).
[ 0071 ]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method and manufacturing apparatus which are extremely easy can be provided.
It is also an object of the present invention to provide a nanocarbon which is easy to manufacture and can be mass-produced continuously, and a method (patterning) and a manufacturing (patterning) apparatus of an electron emission source (electron emission source substrate) using the same. Can be.
Furthermore, it is possible to provide a method and an apparatus for easily manufacturing a nanocarbon group in an arbitrary pattern at an arbitrary one or a plurality of locations.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically showing a nanocarbon production (patterning) apparatus.
FIG. 2 is a partially enlarged cross-sectional view of the nanocarbon manufacturing (patterning) apparatus of FIG.
FIG. 3 is a diagram showing an example of a method of forming (patterning) nanocarbon at a specific location.
FIG. 4 is a view showing nanocarbon grown by the method of FIG. 3;
FIG. 5 is a diagram showing another example of a method for forming (patterning) nanocarbon at a specific location.
FIG. 6 is a diagram showing nanocarbon grown by the method of FIG. 5;
FIG. 7 is an enlarged view of a portion indicated by a dotted line in FIG. 6;
FIG. 8 is a view showing nanocarbon processed and formed on a graphite surface containing Ni / Y metal by DC arc operation.
FIG. 9 is a view showing nanocarbon formed on the surface of pure graphite by AC arc operation.
[Explanation of symbols]
1 ... arc torch,
2. Material to be arced
3 ... water-cooled bench,
4 ... Arc,
5. Power supply,
6 ... Gas cylinder,
7 gas regulator and flow meter,
8 ... the tip of the arc torch,
9 ... Arc torch nozzle
10 ... torch electrode,
11 ... electrode holder,
12 ... Encapsulated gas,
13 ... mask,
14 ... Nanocarbon growth site,
15 ... catalyst metal.

Claims

第１電極と、炭素材料を主成分とする第２電極を、大気中で対向配置する工程と、
前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加してアーク放電を発生させる工程と、
前記第２電極の所定領域の炭素材料を同一の該所定領域に対して３秒程度若しくはそれ以下の放電時間を有する前記アーク放電により前記第２電極の表面でナノカーボンに変える工程を備えたことを特徴とするナノカーボンの製造方法。A step of arranging a first electrode and a second electrode containing a carbon material as a main component in the air,
Applying a voltage between the first electrode and the second electrode to generate an arc discharge;
A step of converting a carbon material in a predetermined region of the second electrode into nanocarbon on the surface of the second electrode by the arc discharge having a discharge time of about 3 seconds or less for the same predetermined region. A method for producing nanocarbon, characterized in that:

前記第１電極が、アークトーチに設けられたトーチ電極であり、該トーチ電極と前記第２電極を相対移動させながら、前記第２電極の所定領域の炭素材料を前記アーク放電によりナノカーボンに変える工程を備えたことを特徴とする請求項１記載のナノカーボンの製造方法。The first electrode is a torch electrode provided on an arc torch, and while relatively moving the torch electrode and the second electrode, a carbon material in a predetermined region of the second electrode is changed to nanocarbon by the arc discharge. method for producing a nano-carbon of claim 1 Symbol mounting characterized by comprising the steps.

アークトーチに設けられたトーチ電極である第１電極と、炭素材料を主成分とする第２電極を、大気中で対向配置する工程と、
前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加してアーク放電を発生させる工程と、
前記第２電極の異なる個所をトレースするように前記トーチ電極と前記第２電極を相対移動させながら、前記第２電極の所定領域の炭素材料を前記アーク放電により前記第２電極の表面でナノカーボンに変える工程を備えたことを特徴とするナノカーボンの製造方法。A step of disposing a first electrode, which is a torch electrode provided on the arc torch, and a second electrode containing a carbon material as a main component in the atmosphere,
Applying a voltage between the first electrode and the second electrode to generate an arc discharge;
While the torch electrode and the second electrode are relatively moved so as to trace different portions of the second electrode, the carbon material in a predetermined region of the second electrode is nano-carbonized on the surface of the second electrode by the arc discharge. A method for producing nanocarbon, comprising:

前記第２電極が、基材表面に設けられており、該基材を冷却部材により保持して、前記基材を該冷却部材により冷却しながら、前記第２電極の所定領域の炭素材料を前記アーク放電によりナノカーボンに変えることを特徴とする請求項１又は３記載のナノカーボンの製造方法。The second electrode is provided on a base material surface, the base material is held by a cooling member, and while the base material is cooled by the cooling member, the carbon material in a predetermined region of the second electrode is removed. claim 1 or 3 method for producing nanocarbon wherein changing the nanocarbon by arc discharge.

少なくとも、前記第１電極と前記第２電極と両電極間で発生したアーク放電領域を被包部材で覆いながら、前記第２電極の所定領域の炭素材料を前記アーク放電によりナノカーボンに変えることを特徴とする請求項１又は３記載のナノカーボンの製造方法。At least, while covering an arc discharge region generated between the first electrode, the second electrode, and both electrodes with an encapsulating member, changing a carbon material in a predetermined region of the second electrode into nanocarbon by the arc discharge. claim 1 or 3 method for producing nanocarbon wherein.

前記第２電極の炭素材料が、黒鉛，活性炭，アモルファスカーボンの何れかであることを特徴とする請求項１又は３記載のナノカーボンの製造方法。The carbon material of the second electrode, graphite, activated carbon, claim 1 or 3 method for producing nanocarbon wherein a is any one of amorphous carbon.

前記第２電極が、触媒金属を含有している炭素材料，若しくは触媒金属が表面に形成されている炭素材料の何れかであることを特徴とする請求項１又は３記載のナノカーボンの製造方法。The second electrode, a carbon material containing the catalytic metal, or the production of nano-carbon of claim 1 or 3, wherein the either of the carbon material catalyst metal is formed on the surface Method.

前記触媒金属が、Ｌｉ，Ｂ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｐ，Ｓ，Ｋ，Ｃａ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｇｅ，Ａｓ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｌａ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｏｓ，Ｐｔ、若しくはこれらの酸化物，窒化物，炭化物，硫化物，塩化物、硫酸化合物，硝酸化合物、或いはそれらの混合物であることを特徴とする請求項７記載のナノカーボンの製造方法。The catalyst metal is Li, B, Mg, Al, Si, P, S, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Y, Zr. , Nb, Mo, Rh, Pd, In, Sn, Sb, La, Hf, Ta, W, Os, Pt, or their oxides, nitrides, carbides, sulfides, chlorides, sulfate compounds, nitrate compounds, 8. The method for producing nanocarbon according to claim 7, wherein the method is a mixture thereof.

前記アーク放電の発生領域に特定ガスを供給しながら、前記アーク放電を行うことを特徴とする請求項１又は３記載のナノカーボンの製造方法。Wherein while supplying the specific gas in the generation region of the arc discharge, claim 1 or 3 method for producing nanocarbon wherein: performing the arc discharge.

前記特定ガスが、Ａｒ，Ｈｅなどの希ガス，空気，窒素ガス，炭酸ガス，酸素ガス，水素ガス若しくはこれらの混合ガスであることを特徴とする請求項９記載のナノカーボンの製造方法。The method for producing nanocarbon according to claim 9 , wherein the specific gas is a rare gas such as Ar or He, air, nitrogen gas, carbon dioxide gas, oxygen gas, hydrogen gas, or a mixed gas thereof.

前記第１電極が、黒鉛若しくはＷ（タングステン）を主成分とすることを特徴とする請求項１又は３記載のナノカーボンの製造方法。Wherein the first electrode, according to claim 1 or 3 method for producing nanocarbon, wherein the mainly containing graphite or W (tungsten).

前記アーク放電を直流若しくは直流パルスで運転し、前記第２電極をアーク放電の陽極とすることを特徴とする請求項１又は３記載のナノカーボンの製造方法。The arc discharge is operated with a DC or DC pulse, claim 1 or 3 method for producing nano-carbon according to the second electrode, characterized in that the anode of the arc discharge.

前記アーク放電を交流若しくは交流パルスで運転することを特徴とする請求項１又は３記載のナノカーボンの製造方法。Claim 1 or 3 method for producing nanocarbon wherein it is operated at an AC or an AC pulse to the arc discharge.

ノズルと、前記ノズル内に収容された第１電極とするトーチ電極と、前記ノズル内に収容された前記トーチ電極を保持する電極ホルダと、前記ノズルと前記電極ホルダの間の特定ガスの流路から構成された先端部を有するアークトーチと、
前記第１電極と、炭素材料又は触媒金属を含有している炭素材料又は触媒金属が表面に形成されている炭素材料を主成分とする第２電極が、大気中で所定間隔に保持されてなる電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加して、前記第２電極の所定領域にアーク放電を発生させて、該アーク放電により該所定領域の炭素材料を前記第２電極の表面でナノカーボンに変えるための電源からなるアーク発生手段と、
前記アーク放電の発生領域に前記流路から特定ガスを供給する特定ガス供給手段を備えたことを特徴とするナノカーボンの製造装置。A nozzle, a torch electrode serving as a first electrode housed in the nozzle, an electrode holder holding the torch electrode housed in the nozzle, and a specific gas flow path between the nozzle and the electrode holder An arc torch having a tip portion composed of
The first electrode and a second electrode mainly composed of a carbon material containing a carbon material or a catalyst metal or a carbon material having a catalyst metal formed on a surface thereof are held at predetermined intervals in the atmosphere. Electrodes and
A voltage is applied between the first electrode and the second electrode to generate an arc discharge in a predetermined region of the second electrode, and the carbon material in the predetermined region is reduced by the arc discharge to the second electrode. Arc generating means consisting of a power supply for converting to nanocarbon on the surface,
An apparatus for producing nanocarbon, comprising: a specific gas supply unit configured to supply a specific gas from the flow path to a region where the arc discharge occurs.

前記トーチ電極と前記第２電極を相対移動させる移動手段を更に有し、前記トーチ電極と前記第２電極を相対移動させながら、前記トーチ電極と前記第２電極との間に電圧を印加して、前記第２電極の所定領域にアーク放電を発生させて、該アーク放電により該所定領域の炭素材料をナノカーボンに変えることを特徴とする請求項１４記載のナノカーボンの製造装置。A moving unit that relatively moves the torch electrode and the second electrode, and applies a voltage between the torch electrode and the second electrode while relatively moving the torch electrode and the second electrode. 15. The nanocarbon producing apparatus according to claim 14 , wherein an arc discharge is generated in a predetermined region of the second electrode, and the carbon material in the predetermined region is changed to nanocarbon by the arc discharge.

アークトーチに設けられたトーチ電極である第１電極と、炭素材料又は触媒金属を含有している炭素材料又は触媒金属が表面に形成されている炭素材料を主成分とする第２電極が、大気中で所定間隔に保持されてなる電極と、
前記第１電極と前記第２電極を相対移動させる移動手段と、
前記第２電極の異なる個所をトレースするように前記第１電極と前記第２電極を相対移動させながら、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加して、前記第２電極の所定領域にアーク放電を発生させて、該アーク放電により該所定領域の炭素材料を前記第２電極の表面でナノカーボンに変えるための電源からなるアーク発生手段と、
前記アーク放電の発生領域に特定ガスを供給する特定ガス供給手段を備えたことを特徴とするナノカーボンの製造装置。A first electrode, which is a torch electrode provided on the arc torch, and a second electrode mainly composed of a carbon material containing a carbon material or a catalyst metal or a carbon material having a catalyst metal formed on the surface, An electrode held at a predetermined interval in the
Moving means for relatively moving the first electrode and the second electrode;
Applying a voltage between the first electrode and the second electrode while relatively moving the first electrode and the second electrode so as to trace different portions of the second electrode; An arc generating means comprising a power source for generating an arc discharge in a predetermined region of the second electrode to convert the carbon material in the predetermined region into nanocarbon on the surface of the second electrode by the arc discharge.
An apparatus for producing nanocarbon, comprising a specific gas supply means for supplying a specific gas to a region where the arc discharge occurs.

前記第２電極が、基材表面に設けられており、前記第１電極と前記第２電極を所定間隔で保持する保持手段が、前記基材を冷却するための冷却手段を有することを特徴とする請求項１４又は１６記載のナノカーボンの製造装置。The second electrode is provided on a surface of a base material, and holding means for holding the first electrode and the second electrode at predetermined intervals has cooling means for cooling the base material. nanocarbon manufacturing apparatus according to claim 14 or 16, wherein for.

少なくとも、前記第１電極と前記第２電極と両電極間で発生したアーク放電領域を覆う被包手段を有することを特徴とする請求項１４又は１６記載のナノカーボンの製造装置。At least, the nano-carbon production apparatus according to claim 14 or 16, wherein further comprising encapsulation means for covering the arc discharge region generated between the first electrode and the second electrode and the electrodes.

第１電極と、炭素材料を主成分とする第２電極を、大気中で対向配置する工程と、
前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加してアーク放電を発生させる工程と、
前記第１電極と前記第２電極を相対移動させながら、前記第２電極の所定領域の炭素材料を前記アーク放電により前記第２電極の表面でナノカーボンに変える工程を備えたことを特徴とするナノカーボンのパターン化方法。A step of arranging a first electrode and a second electrode containing a carbon material as a main component in the air,
Applying a voltage between the first electrode and the second electrode to generate an arc discharge;
A step of changing the carbon material in a predetermined region of the second electrode to nanocarbon on the surface of the second electrode by the arc discharge while relatively moving the first electrode and the second electrode. Nanocarbon patterning method.

第１電極と、任意のパターン状に形成された炭素材料又は任意のパターン状に形成された触媒金属を含有している炭素材料又は任意のパターン状に形成された触媒金属が表面に形成されている炭素材料を主成分とする第２電極を、大気中で対向配置する工程と、
前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加してアーク放電を発生させる工程と、
前記第２電極の所定領域の炭素材料を同一の該所定領域に対して３秒程度若しくはそれ以下の放電時間を有する前記アーク放電により前記第２電極の表面でナノカーボンに変える工程を備えたことを特徴とするナノカーボンのパターン化方法。A first electrode, a carbon material formed in an arbitrary pattern or a carbon material containing a catalyst metal formed in an arbitrary pattern or a catalyst metal formed in an arbitrary pattern formed on the surface; Disposing a second electrode containing a carbon material as a main component in the atmosphere,
Applying a voltage between the first electrode and the second electrode to generate an arc discharge;
A step of converting a carbon material in a predetermined region of the second electrode into nanocarbon on the surface of the second electrode by the arc discharge having a discharge time of about 3 seconds or less for the same predetermined region. A patterning method of nanocarbon characterized by the following.

第１電極と、炭素材料を主成分とする第２電極を、大気中で対向配置する工程と、
前記第２電極の表面に任意の開口パターンを持ったマスクを配置する工程と、
前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加してアーク放電を発生させる工程と、
前記マスクの開口部分に対応する前記第２電極の所定領域の炭素材料を同一の該所定領域に対して３秒程度若しくはそれ以下の放電時間を有する前記アーク放電により前記第２電極の表面でナノカーボンに変える工程を備えたことを特徴とするナノカーボンのパターン化方法。A step of arranging a first electrode and a second electrode containing a carbon material as a main component in the air,
Arranging a mask having an arbitrary opening pattern on the surface of the second electrode;
Applying a voltage between the first electrode and the second electrode to generate an arc discharge;
The carbon material in a predetermined region of the second electrode corresponding to the opening portion of the mask is nano-sized on the surface of the second electrode by the arc discharge having a discharge time of about 3 seconds or less for the same predetermined region. A method for patterning nanocarbon, comprising a step of converting to carbon.

前記第１電極が、アークトーチに設けられたトーチ電極であることを特徴とする請求項１９乃至２１の何れか一項記載のナノカーボンのパターン化方法。The method for patterning nanocarbon according to any one of claims 19 to 21 , wherein the first electrode is a torch electrode provided on an arc torch.