JP3969324B2 - カーボンナノチューブの製造装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、近年その工業的有用性が注目されているカーボンナノチューブを製造するための製造装置および製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【非特許文献１】
穴澤 一則（Kazunori Anazawa）, 下谷 啓（Kei Shimotani）, 真鍋 力（Chikara Manabe）, 渡邊 浩之（Hiroyuki Watanabe）著. 「ハイ−ピュアリティカーボンナノチューブ シンスィシーズ メソッド バイ アン アーク ディスチャージング イン マグネチック フィールド（"High-purity carbon nanotubes synthesis method by an arc discharging in magnetic field"）」, 「アプライド フィジック レターズ（Applied Physics Letters.）」，2002年、Vol.81, No.4, p.739〜p.741。
【０００３】
直径がカーボンファイバーよりも細い１μｍ以下の材料は、通称カーボンナノチューブと呼ばれ、カーボンファイバーとは区別されているが、特に明確な境界はない。狭義には、炭素の６角網目の面が軸とほぼ平行である材料をカーボンナノチューブと呼び、カーボンナノチューブの周囲にアモルファス的なカーボンが存在する場合もカーボンナノチューブに含めている（なお、本発明においてカーボンナノチューブとは、この狭義の解釈が適用される。）。
【０００４】
一般的に狭義のカーボンナノチューブは、さらに分類され、６角網目のチューブ（グラフェンシート）が１枚の構造のものはシングルウォールナノチューブと呼ばれ、一方、多層のグラフェンシートから構成されているものはマルチウォールナノチューブと呼ばれている。かかるカーボンナノチューブは、カーボンファイバーに比べ直径が極めて細く、高いヤング率と電気伝導性を有するために、新しい工業材料として注目を浴びている。
【０００５】
このようにカーボンナノチューブは、炭素のみを構成元素とした新しい材料であり、力学的に、ヤング率も１ＴＰａを越えるほど、極めて強靭である。また、カーボンナノチューブは、その内部を流れる電子が容易にバリスティック伝導をするので、大量の電流を流すことが可能である。さらに、高いアスペクト比を有しているので，電界電子放出源としての利用も進められ、輝度の高い発光素子やディスプレイの開発が行われている。さらにまた、単層のカーボンナノチューブの中には、半導体特性を示すものがあり、ダイオードやトランジスタの試作も行われている。したがって、特に機能材料の分野や電子工業の分野における活用が望まれている。
【０００６】
従来、フラーレンやカーボンナノチューブは、抵抗加熱法、炭素棒を原料としたアーク放電等のプラズマ放電による方法、レーザーアブレーション法、アセチレンガスを用いた化学気相成長法（ＣＶＤ法）等で製造できることが知られている。しかしながら、これら方法によりカーボンナノチューブが生成されるメカニズムに関しては、様々な議論があり、現在でも詳細な成長のメカニズムは明らかになっていない。
【０００７】
カーボンナノチューブの製造に関しては、大量合成を目的に、様々な方法や改善が検討されてきた。初期において考案された抵抗加熱法は、希ガス中で２本のグラファイトの先端を接触させ、数十Ａから数百Ａの電流を通電させることにより、グラファイトを加熱、蒸発させる方法であった。しかし、この方法では、グラム単位の試料を得ることは非常に困難であるため、現在ではほとんど用いられていない。
【０００８】
アーク放電法は、グラファイト棒を陽極と陰極に用い、ＨｅやＡｒ等の希ガス中においてアーク放電を起こすことで、フラーレンやカーボンナノチューブを合成する方法である。アーク放電により発生されるアークプラズマで、陽極先端部は約４０００℃以上の高温に達して、陽極先端部が蒸発し、多量のカーボンラジカルや中性粒子が生成する。このカーボンラジカルや中性粒子は、プラズマ中で衝突を繰り返し、さらにカーボンラジカルやイオンを生じ、フラーレンやカーボンナノチューブを含む煤となって、陰極や電極周辺、装置の内壁に堆積する。陽極にＮｉ化合物、鉄化合物、希土類化合物等を含ませておけば、これらが触媒として作用し、単層のカーボンナノチューブを効率良く合成することができる。
【０００９】
レーザーアブレーション法は、グラファイトターゲットにパルスＹＡＧレーザービームを照射し、グラファイトターゲット表面で高密度のプラズマを発生させ、フラーレンやカーボンナノチューブを生じさせる方法である。この方法の特徴は、成長温度が１０００℃を越える高温ながらも、比較的高純度のカーボンナノチューブが得られることである。
【００１０】
レーザーアブレーション法における、より一層の高純度化を目的とした、ＳＷＮＴの高純度化合成の手法がＡ． Ｔｈｅｓｓ ｅｔ．ａｌ，Ｎａｔｕｒｅ Ｖｏｌ．２７３，ｐ．４８３〜４８７において報告されている。しかし、レーザーアブレーション法では、少量のカーボンナノチューブしか得られず、効率が悪く、カーボンナノチューブの高コスト化に繋がる。また、純度としては７０〜９０％程度に留まっており、十分に高いとは言えない。
【００１１】
化学気相成長法は、原料として炭素を含むアセチレンガスやメタンガス等を用い、原料ガスの化学分解反応により、カーボンナノチューブを生成する方法である。化学気相成長法では、原料となるメタンガス等の熱分解過程で起きる化学反応に依存しているので、純度の高いカーボンナノチューブを製造することが可能である。
【００１２】
しかし、化学気相成長法では、カーボンナノチューブの成長速度が極めて低く、効率が悪く、工業的利用は難しい。また、製造されたカーボンナノチューブの構造がアーク放電法やレーザーアブレーション法で合成されたものと比較して、欠陥等が多く、不完全である。
縦型炉を用いることで、連続成長が可能となり、高い生産能力を有する成長装置を実現することも可能であるが、この場合、得られるカーボンナノチューブの純度が低くなってしまう。
【００１３】
アーク放電法において、生じるアークプラズマ中では、電子やカーボンのイオン、ラジカル、中性粒子が再衝突を繰り返し、複雑な化学反応が起きているので、カーボンイオンの濃度や運動エネルギーを安定に制御することが難しく、フラーレンやカーボンナノチューブとともに、多量のアモルファスカーボン粒子やグラファイト粒子が同時に生成され、それら全てが煤として混在することになってしまう。
【００１４】
したがって、フラーレンやカーボンナノチューブを工業的に利用しようとする場合、フラーレンやカーボンナノチューブのみを煤から精製分離することが必要となる。特にカーボンナノチューブは溶媒に溶けないので，その精製は、遠心分離法、酸化法、ろ過法等を組み合わせて、実施されている。しかし、カーボンナノチューブと、主な不純物となるアモルファスカーボン粒子やグラファイト粒子と、の物理的性質や化学的性質がほぼ等しいので、完全に不純物を取り除くことは難しく、精製を繰り返し実施することで、高純度カーボンナノチューブを得ている。その精製過程において、分散剤として使用する界面活性剤の影響で、アルカリ金属類が残留する場合もあり、また、精製過程における力学的ダメージの影響も甚大であり、カーボンナノチューブに欠陥が多量に入ってしまう事実も知られている。
【００１５】
この問題を解決するために、カーボンナノチューブの合成段階において、できるだけ不純物を含まない高純度なカーボンナノチューブ、すなわち、アモルファスカーボン粒子やグラファイト粒子等を含まないようなカーボンナノチューブの合成技術が望まれている。
【００１６】
ところで、カーボンナノチューブの構造に欠陥が少ないアーク放電法、レーザーアブレーション法においては、得られるカーボンナノチューブは長短様々であり、その形状を制御することはできなかった。そのため、所望の長さのカーボンナノチューブを得たい場合には、一旦製造した上で所望の長さのカーボンナノチューブを分別する必要があった。特にアーク放電法においては、合成するカーボンナノチューブの長さを制御することが困難であった。なお、気相成長法では、成長時間によりカーボンナノチューブの長さを制御することが可能であるが、既述の通り欠陥が多い構造となってしまう。また、上記のようにいずれの製造方法によっても、得られるカーボンナノチューブの純度が十分に高くないことから、所望の長さのカーボンナノチューブを所望の量だけ得ることは、極めて煩雑かつ高コストとなっていた。
【００１７】
本発明者らは、アーク放電を代表とする放電プラズマの生成領域に、所定の磁場を形成することで、極めて高純度のカーボンナノチューブの製造が可能となることを見出している（非特許文献１参照）。この方法では、放電プラズマを所定の磁場中に発生させることで、Ｃ⁺やＣ、Ｃ₂などのラジカルを含む放電プラズマが磁場中に閉じ込められるため、放電プラズマ中の荷電粒子の衝突確率が向上し、カーボンナノチューブの生成効率を高めることができるようになったものと推定される。この結果、不純物となるアモルファスカーボンやグラファイト粒子を低減させることが可能になる。この方法により、飛躍的にカーボンナノチューブの高純度化を達成することができた。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
当該方法により、高純度のカーボンナノチューブを合成するためには、磁気発生手段から形成される磁場を安定させることが必要であるが、放電プラズマより発生する熱のため磁気発生部位の温度が上昇し磁場強度に影響を与える場合がある。特に、磁気発生手段に永久磁石を使用した場合、その永久磁石のキューリー温度に達すると磁場強度が消失する現象が起こる。また、キューリー温度に達しない温度でも熱減磁があるため、磁気発生部位の温度変化により磁場強度が変化する。そのため、磁気発生部位の温度上昇抑制が必要である。
【００１９】
したがって、本発明は、アーク放電を代表とする放電プラズマの生成領域に、所定の磁場を形成する技術において、放電プラズマから発生する熱による磁場への影響を抑制し、安定的に高純度のカーボンナノチューブを工業的に効率良く製造することが可能なカーボンナノチューブの製造装置を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、以下の本発明により達成される。すなわち本発明のカーボンナノチューブの製造装置は、少なくとも、最先端部が対向する２つの電極と、該電極間の放電領域にアークプラズマを生成するべく前記電極間に電圧を印加する電源と、前記アークプラズマの生成領域に、少なくとも、多方向の磁力線を有する磁場、または、放電電流の進行方向に対して平行な成分を有する磁場を形成する磁気発生部材と、を備えるカーボンナノチューブの製造装置であって、
前記磁気発生部材と前記アークプラズマの生成領域との間に、非磁性材料からなる熱遮蔽壁材を配置してなることを特徴とする。
とする。
【００２１】
本発明によれば、前記磁気発生部材と前記アークプラズマの生成領域との間に、非磁性材料からなる熱遮蔽壁材が配置されていることから、前記アークプラズマから発生する熱が、有効に前記熱遮蔽壁材により遮蔽され、前記磁気発生部材の加熱が抑制される。したがって、前記磁気発生部材の熱減磁や、磁場の消失を防ぐことができ、安定的に高純度のカーボンナノチューブを工業的に効率良く製造することが可能となる。
【００２２】
本発明の製造装置においては、前記熱遮蔽壁材が冷却手段を備えるものとすることで、より一層熱の遮蔽効率を高め、前記アークプラズマから発生する熱による影響を排除することができる。また、冷却手段を備えるものとすることで、前記熱遮蔽壁材に要求される耐熱性を緩和させること、および／または、前記熱遮蔽壁材を前記アークプラズマの生成領域により一層近づけること、ができる。
【００２３】
本発明の製造装置においては、少なくとも、前記２つの電極と、前記アークプラズマの生成領域とが、１つの容器内に収容されてなるものとすることができる。容器に収容することで、容器内の雰囲気を調整することができ、大気圧を含み各種圧力条件でカーボンナノチューブを製造することが可能となる。
【００２４】
この場合、該容器の外部に前記磁気発生部材が配されてなり、当該容器の一部が、前記熱遮蔽壁材を兼ねることとすることができる。当該容器内に位置する前記アークプラズマの生成領域と、外部に位置する前記磁気発生部材との間に位置する前記容器の部位が、前記熱遮蔽壁材を兼ねる状態となり、部品点数を増やすことなく本発明の装置構成とすることができる。また、前記容器における前記熱遮蔽壁材を兼ねる部位で吸収した熱を、それ以外の部位で放熱することができ、熱遮蔽効率が高い。
【００２５】
また、前記容器として、密閉容器を採用することができ、この場合、当該密閉容器内の雰囲気の圧力および／またはガス種を調整し得る雰囲気調整手段を備えることが好ましい。
【００２６】
本発明のカーボンナノチューブの製造装置において、前記磁気発生部材としては、例えば、以下の３つの態様を挙げることができる。
（１）−ａ 前記放電電流の進行方向に沿って前記アークプラズマの生成領域および／またはその近傍の領域を取り囲むように配置された複数の永久磁石および／または電磁石からなり、かつ、これら永久磁石および／または電磁石の全てが、同一の極を内側に向けて配置される態様。
（１）−ｂ 前記放電電流の進行方向に沿って前記アークプラズマの生成領域および／またはその近傍の領域を取り囲むように配置された４個以上偶数個の永久磁石および／または電磁石からなり、かつ、隣り合う永久磁石および／または電磁石が、交互に異なる極を内側に向けて配置される態様。
（２） 前記放電電流の進行方向を略中心軸とする１つまたは２つのコイルからなる態様。
【００２７】
本発明のカーボンナノチューブの製造装置において、対向する２つの前記電極のうち、アークプラズマを発生させる電極の最先端部縁端における磁束密度としては、１０^-5Ｔ以上１Ｔ以下であることが好ましく、アークプラズマ生成時の放電電流密度としては、アークプラズマを発生させる電極の最先端部面積に対して、０．０５Ａ／ｍｍ²以上１５Ａ／ｍｍ²以下であることが好ましい。
【００２８】
本発明のカーボンナノチューブの製造装置において、前記電源により前記電極に印加する電圧としては、１Ｖ以上３０Ｖ以下であることが好ましく、直流電圧であることが好ましい。また、直流電圧の場合には、対向する２つの前記電極のうち、陰極の最先端部面積が、陽極の最先端部面積以下であることがより好ましい。
【００２９】
本発明のカーボンナノチューブの製造装置においては、少なくとも、前記放電領域、および、前記電極が、密閉容器に収容されてなることが好ましく、その場合、該密閉容器内の雰囲気の圧力および／またはガス種を調整し得る雰囲気調整手段を備えてなることがより好ましい。
本発明のカーボンナノチューブの製造装置において、前記電極の材質としては、炭素、もしくは、炭素を含みかつその電気抵抗率が０．０１Ω・ｃｍ以上１０Ω・ｃｍ以下の物質、であることが好ましい。
【００３０】
なお、本発明において「熱遮蔽」とは、単なる断熱の他、放熱や冷却等、最終的に熱を伝えない状態を全て含む概念とする。また、本発明における「熱遮蔽壁材」とは、以上の定義による熱遮蔽性を備える衝立状の部材を言い、その形状は特に限定されるものではない。
【００３１】
【発明の実施の形態】
本発明の詳細を以下に説明する。
本発明のカーボンナノチューブの製造装置においては、まず、最先端部が対向する２つの電極間に電圧を印加することで、前記電極間の放電領域にアークプラズマを生成させて、カーボンナノチューブを製造するに際し、前記放電領域に所定の磁場を形成する。この結果、本発明によれば、不純物となるアモルファスカーボンやグラファイト粒子を低減させることが可能になる。ここで、所定の磁場とは、前記アークプラズマの生成領域に、少なくとも、多方向の磁力線を有する磁場、または、放電電流の進行方向に対して平行な成分を有する磁場である。
【００３２】
本発明のカーボンナノチューブの製造装置および製造方法においては、さらに、前記磁気発生部材と前記アークプラズマの生成領域との間に、非磁性材料からなる熱遮蔽壁材を配置してなることを特徴とする。以下、好ましい実施形態を挙げて説明する。
【００３３】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の一例である第１の実施形態のカーボンナノチューブの製造装置を示す模式断面図であり、図２は図１におけるＡ−Ａ断面図である。図１に示すカーボンナノチューブの製造装置は、密閉容器である反応容器（チャンバー）１０内に、ホルダ４１および４２に保持されて配置された、最先端部が対向する２つの電極（陽極となる電極１２および陰極となる電極１１）と、電極１１および電極１２の間隙を調整可能にホルダ４２をスライドし得る可動装置１３と、電極１１および電極１２の間に電圧を印加する電源１８と、反応容器１０内の雰囲気の圧力を減圧し得る真空ポンプ１４、所望のガスを収容するガスボンベ１７、ガスボンベ１７−反応容器１０間を連通する導入管１５、および、その連通状態を開閉自在とするバルブ１９からなる雰囲気調整手段と、から構成される通常のアークプラズマによるカーボンナノチューブの製造装置に対して、さらに磁気発生部材としての永久磁石２０〜２３が、前記放電電流の進行方向に沿って前記放電領域を取り囲むように配置され、かつ、永久磁石２０〜２３と電極１１−電極１２間のアークプラズマの生成領域との間に、非磁性材料からなる円筒状の熱遮蔽壁材３０、並びに熱遮蔽壁材３０の外周にコイル状に取り回された冷却手段としてのチューブ（冷却管）３６が配置されてなるものである。
【００３４】
すなわち、電極１１および電極１２の間に電圧を印加した際にアークプラズマが生成する電極１１および電極１２の間の放電領域に対して、永久磁石２０〜２３により所定の磁場が形成され、また、電極１１−電極１２間に生成されるアークプラズマから生じる熱が、熱遮蔽壁材３０により遮蔽され、かつ、チューブ３６により冷却される構成となっている。
【００３５】
なお、図２においては、図１の断面として現れるチューブ３６一方の端部Ｂと、現れ得ない端部Ｂ’の双方が描かれており、その連結先が省略されている。これら端部Ｂ，Ｂ’は、給水および排水配管に連結し、チューブ３６内に水が循環するように構成されている。
【００３６】
形成される所定の磁場としては、具体的には、（１）多方向の磁力線により周囲が取り囲まれ、閉塞状態となる磁場空間と、（２）磁力線が前記放電電流の進行方向と略平行となって、アークプラズマ中の荷電粒子の運動が磁力線に規制された状態となる磁場空間が挙げられる。本例のように４つの永久磁石を用いた場合には、前者（１）の態様の磁場を形成することができる。
【００３７】
形成される所定の磁場の（１）の態様について説明する。（１）多方向の磁力線により周囲が取り囲まれ、閉塞状態となる磁場空間の具体例を図３に示す。図３は、図２における永久磁石２０〜２３についてのみ抜き出し、磁極を定めた場合の磁力線の状態を示す図である。磁力線は、実線の曲線で示されている。なお、図３において示される磁力線は、想定される全ての態様が示されているものではなく、代表的なもののみが示されている。
【００３８】
図３（ａ）は、永久磁石２０〜２３の全てが、Ｓ極を前記放電領域に対向させて配置させたものである。この場合、各永久磁石２０〜２３から前記放電領域に向けて放射される磁力線は、相互に反発し合い、Ａで示される領域は、多方向の磁力線により取り囲まれた状態となる。
【００３９】
図３（ｂ）は、永久磁石２０および２３がＳ極を、永久磁石２１および２２がＮ極を、それぞれ前記放電領域に対向させて配置させたものである。つまり、隣り合う永久磁石が、交互に異なる極を前記放電領域に対向させて配置されている。この場合、各永久磁石２０〜２３から前記放電領域に向けて放射される磁力線は、隣り合う永久磁石に収束され、Ａで示される領域は、多方向の磁力線により取り囲まれた状態となる。
【００４０】
以上のように、図３（ａ）および図３（ｂ）に示す態様によれば、Ａで示される領域に多方向の磁界が作用し、当該領域Ａ内でアークプラズマを生成すれば、前記アークプラズマ中の荷電粒子の運動が、電極１１−電極１２相互間の空間内に規制されるものと推定される。このようにしてカーボンナノチューブを製造すれば、不純物濃度が低い、高純度のカーボンナノチューブを、工業的に効率良く低コストで合成することができる。
【００４１】
この態様の磁場の形成は、永久磁石を複数個用いることで形成することができ、必ずしも４個に限定されるものではない。
前者の「永久磁石の全てが、同一の極を前記放電領域に対向させて配置する態様」においては、例えば３個や５個以上の平面永久磁石を用いて、前記放電領域を取り囲むように配置してもよいし、曲面状の永久磁石を用いた場合には、２個であっても双方の凹部同士を対向させて配置すればよい。また、永久磁石の個数の上限に限りは無い。さらに、図３（ａ）においては、Ｓ極を前記放電領域に対向させて配置する態様としたが、全てが同一極であれば問題無く、すなわち、Ｎ極を前記放電領域に対向させて配置することとしてもよい。
【００４２】
後者の「隣り合う永久磁石が、交互に異なる極を前記放電領域に対向させて配置する態様」においては、隣り合う永久磁石が交互に極を変える必要があることから、偶数個であることが必須であり、また、前記放電領域を磁力線で取り囲む必要があることから、永久磁石の数は４個以上であることが必須となるが、上限に限りは無い。
【００４３】
上記、所定の磁場の（１）の態様のその他の例としては、例えば、円筒形の永久磁石の内孔の中でアークプラズマを発生させる態様が挙げられる。
以上、永久磁石を用いて所定の磁場の（１）の態様について説明したが、用いる磁石は、永久磁石に限定されるものではなく、電磁石を用いても、永久磁石と電磁石の双方を用いても構わない。
【００４４】
形成される所定の磁場の（２）の態様について説明する。（２）磁力線が前記放電電流の進行方向と略平行となって、アークプラズマ中の荷電粒子の運動が磁力線に規制された状態となる磁場空間の具体例を図４に示す。図４（ａ）は、円筒体２４にコイル２６を巻きつけて得られる電磁石２８のコイル２６に電圧を印加した際に形成される磁力線の状態を示す斜視図であり、図４（ｂ）は、同様にして得られた電磁石２８ａ，２８ｂを同軸上に離間させて配置し、各円筒体２４ａ，２４ｂに巻きつけられたコイル２６ａ，２６ｂに電圧を印加した際に形成される磁力線の状態を示す斜視図である。磁力線は、実線および破線の曲線で示されている。なお、図４において示される磁力線は、想定される全ての態様が示されているものではなく代表的なもののみ、また、各磁力線についても一部のみが示されている。
【００４５】
図４（ａ）の態様においては、磁力線が円筒体２４の内部を貫通する状態となる。すなわち、円筒体２４内部では、略平行の磁力線の束となっている。円筒体２４の内部でアークプラズマを生成させ、かつ、円筒体２４内部の磁力線の向きと、前記放電電流の進行方向をほぼ一致させることで、アークプラズマを磁場中に閉じこめることができると考えられる。
【００４６】
図４（ｂ）の態様においては、磁力線が円筒体２４ａ，２４ｂそれぞれの内部を貫通する状態となると同時に、両者の間隙に合成磁場が形成される。合成磁場は、円筒体２４ａ，２４ｂそれぞれの内部を貫通した磁力線がそのまま直進し、他方の円筒体内部を貫通し、ごく一部の磁力線は円筒体２４ａ，２４ｂ間の空間から漏出するものの、あたかも１つのコイルを形成しているような状態となる。つまり、円筒体２４ａ，２４ｂ間の空間においては、略平行の磁力線の束となっている。円筒体２４ａ，２４ｂ間の空間でアークプラズマを生成させ、かつ、円筒体２４ａ，２４ｂ間の空間の磁力線の向きと、前記放電電流の進行方向をほぼ一致させることで、アークプラズマを磁場中に閉じこめることができると考えられる。
【００４７】
円筒体２４内部、または、円筒体２４ａ，２４ｂ間の空間における磁力線の向きと、前記放電電流の進行方向とは、完全に一致させる必要は無い。完全に一致させなくても、アークプラズマを磁場中に閉じこめることができるような磁場が形成されていればよい。ただし、両者の角度をあまり大きく取ると、磁界−電界−力の関係から電極を破壊してしまう可能性があるため、０°〜３０°の範囲とすることが好ましく、０°〜１０°の範囲とすることがより好ましい。
【００４８】
また、前記放電電流の進行方向が前記磁場の中心軸と完全に重ならなくても、アークプラズマを磁場中に閉じこめることができればよい。ただし、磁場の中心軸からあまりに隔たったところでアークプラズマを生成させると、アークプラズマの直進性が損なわれるため、磁場の中心軸から「円筒体２４内面」または「円筒体２４ａ，２４ｂ内面の延長」までの距離に対して、２０％以内の位置に放電電流の進行方向の軸が来ることが望ましい。なお、電極最先端部が平面である場合、その平面内の任意の箇所を基点としてアークプラズマが生成するため、放電電流の進行方向は本来一定しないが、本発明においては、対向する２つの電極の最先端部の中心同士を結ぶ線を、放電電流の進行方向の軸とみなす。
【００４９】
上記、所定の磁場の（２）の態様のその他の例としては、例えば、トロイダル型の電磁石を用い、該電磁石の内孔の中でアークプラズマを発生させる態様が挙げられる。
【００５０】
本実施形態においては、図１に示すように電極１１および電極１２の両最先端部が対向する領域、すなわちアークプラズマの生成領域が、永久磁石２０〜２３に囲まれた領域（永久磁石２０〜２３における、電極１２の軸方向の図面上の上端同士を結んで形成される仮想面Ｘと、同様に図面上の下端同士を結んで形成される仮想面Ｙとの間）に位置しているが、永久磁石２０〜２３は、必ずしも前記アークプラズマの生成領域そのものを取り囲む状態でなくてもよく、その近傍の領域を取り囲むように配置されていればよい。永久磁石２０〜２３に囲まれた領域の近傍の領域についても、永久磁石２０〜２３による磁場が形成されており、当該磁場中にアークプラズマが良好に閉じ込められるためである。
【００５１】
この場合の電極１２の仮想面Ｙからの距離（永久磁石２０〜２３に囲まれた領域の「近傍」と言い得る領域）は、永久磁石２０〜２３による磁界が、電極１１−電極１２間のアークプラズマの生成領域に及ぶ位置となることが条件となることから、永久磁石２０〜２３の磁力等により自ずと決まってくる。具体的には、後述する「放電領域における磁束密度」を満たす範囲内とすることが好ましい。
【００５２】
なお、アークプラズマの生成領域としては、永久磁石２０〜２３により囲まれる領域の中心位置（仮想面Ｘと仮想面Ｙとの中間）からは、ある程度ずれている方が好ましい。永久磁石２０〜２３により囲まれる領域の中心位置では、形成される磁界の向きが主に電極１２の軸方向と直交する向きとなっているか、あるいは、磁界がキャンセルされてほとんど磁場を形成していない状態であり、この中心位置からずらすことで、磁界が強まり、あるいは、アークプラズマを閉じ込めるのに有効なベクトル成分の磁界の磁束密度が一層高くなる。このとき、永久磁石２０〜２３に囲まれた領域の近傍であっても、好ましい領域が存在する。具体的には、既述の通り、後述する「放電領域における磁束密度」を満たす範囲内である。
【００５３】
電極１１と電極１２との両先端部の間隙の範囲は、アークプラズマが生成される程度の範囲から選択され、降下電圧により自ずと決まってくる。一般的には、０．１〜５ｍｍ程度の範囲から選択される。
【００５４】
次に、本発明に特徴的な熱遮蔽壁材、および本発明においては任意的要素である冷却手段について詳述する。
図１および図２に示すように、永久磁石２０〜２３と電極１１−電極１２間のアークプラズマの生成領域との間に、熱遮蔽壁材３０、並びに熱遮蔽壁材３０の外周にコイル状に取り回されたチューブ３６が配された状態となっている。前記アークプラズマの生成領域が熱遮蔽壁材３０により取り囲まれた状態となっているため、電極１１−電極１２間に生成されるアークプラズマから生じる熱が、熱遮蔽壁材３０により遮蔽され、永久磁石２０〜２３を加熱してしまうことを有効に抑制している。このため、前記磁気発生部材の熱減磁や、磁場の消失を防ぐことができ、安定的に高純度のカーボンナノチューブを工業的に効率良く製造することが可能となる。
【００５５】
熱遮蔽壁材３０は、永久磁石２０〜２３による磁場に影響を与えないようにするために、非磁性であることが要求される。また、アークプラズマによる熱に耐え得る耐熱性も要求される。材質としては、非磁性でかつ所望の耐熱性を具備する材質であれば、問題なく使用可能であり、種々の無機材料を挙げることができる。本実施形態のように、冷却手段を有する場合には、熱伝導性の高い材料（例えば、各種金属材料、特に銅、熱伝導性の高い炭素材料（グラファイト）、耐熱温度の高いタングステン、モリブデン、タンタル）を使用することが望ましい。逆に、冷却手段を有しない場合には、熱伝導性の低い材料（例えば、セラミックス材料、コンクリート材料、熱伝導性の低い炭素材料、およびこれらの多孔質材料等）を使用することが望ましい。
【００５６】
本実施形態において、熱遮蔽壁材としては筒状のもの（熱遮蔽壁材３０）を用いているが、前記磁気発生部材と前記アークプラズマの生成領域との間に介在して、前記アークプラズマからの熱を遮蔽し得る構成であれば、これに限定されるものではない。具体的には、四角柱状や、その他角柱状のように、前記アークプラズマの生成領域を取り囲む形状のほか、複数の壁状体を前記磁気発生部材と前記アークプラズマの生成領域との間のそれぞれに配して、前記アークプラズマの生成領域の周囲における前記磁気発生部材が対向する位置にのみ介在させ、前記磁気発生部材が対向していない位置には配しないように構成しても構わない。
【００５７】
この場合、前記アークプラズマの生成領域の周囲における前記磁気発生部材が対向する全ての位置に、熱遮蔽壁材を配置することが勿論好ましいが、前記磁気発生部材が直接前記アークプラズマの生成領域と対向する部位が残されていたとしても、前記磁気発生部材と前記アークプラズマの生成領域との間に少しでも熱遮蔽壁材が介在する部位があれば、熱遮蔽壁材により熱が一切遮蔽されない構成に比して、確実に熱遮蔽による効果が奏されるため、本発明の概念には、そのような状態も含めることとする。
【００５８】
同様に、本発明における熱遮蔽壁材は、その全面に渡って面を構成することが好ましいが、一部において孔が存在していても、熱遮蔽壁材により熱が一切遮蔽されない構成に比して、確実に熱遮蔽による効果が奏されるため、本発明の概念には、そのような状態も含めることとする。
【００５９】
本発明における熱遮蔽壁材の厚みとしては、材質、前記アークプラズマの生成領域との距離、放電時間、冷却手段の有無、前記磁気発生部材のキュリー温度等により異なり、一概には言えない。これらを総合的に勘案して、熱の適切な遮蔽効率となるように、適宜設計すればよい。
【００６０】
本実施形態では、冷却手段としてのチューブ３６が熱遮蔽壁材３０の外周に取り回され、チューブ３６中を水が循環することで、熱遮蔽壁材３０が吸収した熱を積極的に冷却する構成となっている。このような冷却手段を備えることで、より熱の遮蔽効率が向上し、前記アークプラズマから発生する熱による影響を排除することができる。また、熱遮蔽壁材３０は、前記アークプラズマに極めて近接しているため、かなり高温となりやすいが、冷却手段を備えるものとすることで、熱遮蔽壁材３０に要求される耐熱性を緩和させることができ、材料選択や設計の自由度を高めることができる。
【００６１】
なお、チューブ３６内を循環させる冷却媒は、水に限定されるものではなく、液体・気体の別にかかわらず従来公知のあらゆる冷却媒を使用することができる。具体的な冷却媒の水以外の例としては、窒素ガス、エチレングリコール、液体窒素、液体ヘリウム等が挙げられる。また、チューブ３６の材質としても、熱伝導性の高い材質のものが好ましく、熱遮蔽壁材の説明において、熱伝導性の高い材料として挙げたものと同様のものが好適に用いられる。
【００６２】
本実施形態においては、冷却手段として、水（冷却媒）による強制冷却の態様を例に挙げて説明したが、本発明においては、必ずしもこれに限定されるものではない。いずれの構成の冷却手段を採用した場合であっても、カーボンナノチューブの製造の際には、当該冷却手段により、永久磁石２０〜２３がキュリー温度に達しないように制御することが好ましく、熱減磁する温度に達しないように制御することがより好ましい。
【００６３】
他の冷却手段としては、熱伝導性の高い材料により熱遮蔽壁材と反応容器とを接続したり、反応容器の外部に放熱面を配置してこれを熱伝導性の高い材料により熱遮蔽壁材と接続したりする等の放熱手段；ファンにより熱遮蔽壁材および／または他の冷却手段に風を当てる手段；ペルチェ素子により熱遮蔽壁材および／または他の冷却手段を冷却する手段等が挙げられる。
【００６４】
次に、図１に示すカーボンナノチューブの製造装置によるカーボンナノチューブの製造例について説明する。
反応容器（チャンバー）１０は、円筒形（図面上、上下に円筒の両底面が来るように配置）の密閉容器であり、その材質としては、金属、なかでもステンレスが望ましいが、アルミニウム合金や石英等も好適である。また、形状も円筒形に限定されるものではなく、箱型等所望の形状で構わない。さらに、放電領域の雰囲気を、大気圧かつ空気の雰囲気とし、電極１１の最先端部周辺にカーボンナノチューブを付着させる場合には、反応容器１０は必須で無い、あるいは、反応容器１０は密閉容器である必要は無い。
【００６５】
反応容器１０中には、最先端部が対向する２つの電極である電極１１および電極１２が配置される。このとき、反応容器１０の材質が金属等導電性を有する場合には、反応容器１０と電極１１および電極１２とは、電気的に絶縁された状態で固定される。なお、２つの電極１１，１２の配置としては、図１に示すように両者の軸を一致させて、完全に対向している状態とするほか、２つの電極１１，１２の軸に所定の角度を持たせて、最先端部同士を近接させる状態としても構わない。本発明において「最先端部が対向する」といった場合には、この後者の場合も含む概念とする。勿論、図１に示される前者の態様とすることが望ましい。
【００６６】
電極１１，１２の配置は、電極１１と電極１２の対向面が平行となるようにすることが、安定なアーク放電等の放電が実現でき、効率良いカーボンナノチューブの合成ができる。
２つの電極１１，１２の材質としては、炭素が望ましいが、炭素を含みかつその電気抵抗率が０．０１Ω・ｃｍ以上１０Ω・ｃｍ以下（好ましくは、０．０１Ω・ｃｍ以上１Ω・ｃｍ以下）の物質であれば好適に利用できる。
【００６７】
２つの電極１１，１２の形状としては、特に制限されるものではなく、円筒形、角筒形、載頭円錐形等が挙げられるが、円筒形が望ましい。また、２つの電極１１，１２の最先端部の直径（最先端部が円形で無い場合には、同一面積の円相当径）としては、特に制限されるものではないが、１ｍｍ以上１００ｍｍ以下が望ましい。
【００６８】
対向する２つの電極１１，１２のうち、電極１１の最先端部面積が、電極１２の最先端部面積以下であることが望ましい。電極１１の最先端部面積を電極１２の最先端部面積以下とすることで、得られるカーボンナノチューブの純度がより一層向上する。両者の面積比（電極１１の最先端部面積／電極１２の最先端部面積）としては、０．１〜０．９とすることが好ましく、０．２〜０．５とすることがより好ましい。
【００６９】
対向する２つの電極１１，１２を保持するホルダ４１，４２には、電極冷却手段としての冷却媒循環配管が取り付けられている（不図示）。アークプラズマを生成させたときに生ずる熱は、電極１１，１２を加熱し、この加熱により電極が高温になると電極形状が変化し、放電条件が変化する場合がある。さらに加熱が進み極めて高温になると、生成して電極の最先端部に堆積したカーボンナノチューブを再分解ないし蒸発させてしまう場合がある。しかし、ホルダ４１，４２に取り付けられた冷却媒循環配管により電極１１，１２の加熱が抑制され、より一層長い時間アークプラズマを安定的に生成し続けることができる。
【００７０】
冷却媒循環配管の取り回しは、特に制限はないが、電極１１，１２が有効に冷却できるように効率的に取り回すことが望ましい。冷却媒循環配管の材質や冷却媒の種類にも制限はなく、既述の熱遮蔽壁材の冷却手段において説明したチューブ３６、冷却媒と同様のものを好ましく採用することができる。
【００７１】
また、ホルダ４１，４２自体についても、熱伝導性の高い銅を採用している。したがって、ホルダ４１，４２自体が、熱遮蔽壁材の冷却手段において説明した放熱手段と同様の役割を果たす。その点、ホルダ４１，４２の構造自体を電極冷却手段の一種とみなすことができる。
電極冷却手段としては、上記構成のものに限定されず、各電極が冷却可能な構成であれば問題なく採用することができる。
【００７２】
なお、本実施形態では、ホルダ４１，４２の双方とも電極冷却手段の機能を併せ持つ構成としたが、電極冷却手段を備える電極は、どちらか一方のみであっても構わない。勿論、双方の電極とも電極冷却手段を備えることが望ましいが、どちらか一方のみである場合には、カーボンナノチューブが生成・堆積する陰極側に備えることが望ましい。
【００７３】
真空ポンプ１４、ガスボンベ１７、導入管１５およびバルブ１９からなる雰囲気調整手段により、反応容器１０内の雰囲気を適宜調整することで、放電領域の雰囲気を所望の状態とする。具体的には、真空ポンプ１４により反応容器１０内を減圧または加圧することができ、真空ポンプ１４により反応容器１０内を減圧した後、バルブ１９を開放して、所望のガスを収容するガスボンベ１７から導入管１５を介して反応容器１０内に送り込むことで、所望のガス雰囲気とすることができる。勿論、大気圧かつ空気の雰囲気とする場合には、かかる雰囲気調整操作は必要でない。
真空ポンプ１４としては、ロータリーポンプ、拡散ポンプ、あるいはターボ分子ポンプ等が挙げられる。
【００７４】
反応容器１０内の雰囲気（すなわち、放電領域の雰囲気。以下同様。）の圧力としては、０．０１Ｐａ以上５１０ｋＰａ以下であればよいが、０．１Ｐａ以上１０５ｋＰａ以下であることが好ましく、１３Ｐａ以上７０ｋＰａ以下であることがより好ましい。かかる圧力とすれば、高純度のカーボンナノチューブを製造することができる。
【００７５】
反応容器１０内の雰囲気ガスは、特に制限されないが、空気、ヘリウム、アルゴン、キセノン、ネオン、窒素および水素、もしくはこれらの混合ガスが望ましい。所望のガスを導入する場合には、真空ポンプ１４で反応容器１０内部を排気し、その後、所定の圧力まで所望のガスを収容するガスボンベ１７からガスを導入すればよい。
【００７６】
本発明においては、反応容器１０内の雰囲気中に、さらに含炭素物質からなるガスを含ませることもできる。この場合、含炭素物質からなるガスのみの雰囲気としてもよいし、上記各種ガス雰囲気中に含炭素物質からなるガスを導入してもよい。雰囲気中に含炭素物質からなるガスを含ませることで、特異な構造のカーボンナノチューブを製造することができる。このカーボンナノチューブは、カーボンナノチューブを中心軸とし、周りに炭素の構造体が成長したものである。
【００７７】
使用可能な含炭素物質としては、限定されるものではないが、エタン、メタン、プロパン、ヘキサン等の炭化水素類；エタノール、メタノール、プロパノール等のアルコール類；アセトン等のケトン類；石油類；ガソリン類；一酸化炭素、二酸化炭素等の無機物；等が挙げられ、なかでもアセトン、エタノール、ヘキサンが好ましい。
【００７８】
磁気発生部材としての永久磁石２０〜２３は、磁力を生じ得るものであれば如何なるものも用いることができる。既述のように永久磁石に代えて、電磁石を用いても構わない。形成する所定の磁場としては、既述のように図３および図４に示す形状が挙げられる。図１のカーボンナノチューブの製造装置においては、図３の（ａ）および（ｂ）の２種類の磁場を選択することができる。
【００７９】
本実施形態においては、永久磁石２０〜２３の温度上昇を抑制するための熱遮蔽壁材を具備するため、それ以外の冷却手段を要しないが、より確実に磁気発生部材の昇温を抑えて、放電を長時間にわたって安定ならしめるため、あるいは、熱遮蔽壁材を簡易的な構成とするため等、設計上、構成上あるいは条件上の理由により、磁気発生部材を積極的に冷却する磁気発生部材冷却手段を備えることもできる。適用可能な磁気発生部材冷却手段としては、熱遮蔽壁材の冷却手段において説明した各種手段（水（冷却媒）による強制冷却、放熱手段、風を当てる手段、ペルチェ素子による手段等）を挙げることができる。
【００８０】
また、形成する所定の磁場においては、前記放電領域における磁力線中に、電極１１，１２の軸（すなわち、電極１１，１２間に形成される放電電流の進行方向）と略平行な成分をより多く含むことが、カーボンナノチューブを製造する場合、純度の高いものを得ることができ、望ましい。すなわち、図３で言えば、（ｂ）よりも（ａ）に示す磁場の方が好ましい。本実施形態においては、図３（ａ）の配置とした。
【００８１】
以上のように条件が設定された図１のカーボンナノチューブの製造装置において、電源１８により電極１１，１２間に電圧を印加することで、両電極１１，１２間にアークプラズマを生成させる。
【００８２】
アーク放電を行う場合には、アーク放電に先立ち、コンタクトアーク処理を行ってもよい。コンタクトアーク処理とは、電極１１，１２同士を接触させておき、電圧を印加してから、可動装置１３により一定の電極間距離まで電極１１，１２を離して、アークプラズマを発生させる処理をいう。かかる処理により、安定したアークプラズマが容易、かつ、迅速に得られる。
【００８３】
電極１１，１２間に印加する電圧は、直流でも交流でも構わないが、得られるカーボンナノチューブのより一層の純度向上を望む上で、直流の方が好ましい。なお、交流を印加する場合には、電極１１，１２に陽極・陰極の区別は無い。
【００８４】
アークプラズマ生成時の放電電流密度が、アークプラズマを発生させる電極の最先端部面積に対して、０．０５Ａ／ｍｍ²以上１５Ａ／ｍｍ²以下であることが好ましく、１Ａ／ｍｍ²以上５Ａ／ｍｍ²以下であることがより好ましい。ここで、「アークプラズマを発生させる電極」とは、印加する電圧が直流である場合には陰極を指し、印加する電圧が交流である場合には最先端部面積の小さい方の電極を指す（本発明において、他の規定についても同様。）。
【００８５】
電源１８により電極１１，１２に印加する電圧としては、１Ｖ以上３０Ｖ以下であることが好ましく、１５Ｖ以上２５Ｖ以下であることがより好ましい。放電により、電極１２の先端部が消費されていくので、放電中に電極１１，１２間距離が変化する。こうした電極１１，１２間距離の変化を可動装置１３により適宜調節することにより、電極１１，１２間電圧が一定になるように制御することが望ましい。
【００８６】
所定の磁場における磁束密度としては、対向する２つの電極１１，１２のうち、アークプラズマを発生させる電極の最先端部縁端において、１０^-5Ｔ以上１Ｔ以下であることが好ましい。磁束密度が１０^-5Ｔ未満では、有効な磁場を形成することが困難であり、１Ｔを超えると、装置内部に磁界を発生させる永久磁石２０〜２３をアークプラズマの生成領域に対して近接させて配置するのが困難となる場合があるため、それぞれ好ましくない。かかる磁束密度としては、１０^-4Ｔ以上１０^-2Ｔ以下とすることで、安定的な放電が起きるため、効率的にカーボンナノチューブを生成することができる。
【００８７】
以上のように電極１１，１２間にアークプラズマを生成させると、電極１２表面から炭素が離脱し、これが反応してカーボンナノチューブが生成される。生じたカーボンナノチューブは、電極１１の最先端部表面もしくはその周辺、さらには反応容器１０内壁に堆積する。
【００８８】
既述の如く、本実施形態では、前記磁気発生部材である永久磁石２０〜２３と前記アークプラズマの生成領域との間に、熱遮蔽壁材（熱遮蔽壁材３０）および冷却手段（チューブ３６）が介在しているため、前記アークプラズマから発生する熱が有効に遮蔽され、永久磁石２０〜２３の加熱が抑制される。したがって、永久磁石２０〜２３の熱減磁や、磁場の消失を防ぐことができ、安定的に高純度のカーボンナノチューブを工業的に効率良く製造することが可能となる。また、長い時間アークプラズマを安定的に生成し続けることができる。
【００８９】
［第２の実施形態］
第２の実施形態では、前記２つの電極と、前記アークプラズマの生成領域とが、１つの容器内に収容され、かつ、該容器の外部に前記磁気発生部材が配されてなり、当該容器の一部が、前記熱遮蔽壁材を兼ねる構成の製造装置の好ましい例を挙げる。
【００９０】
図５は、本発明の一例である第２の実施形態のカーボンナノチューブの製造装置を示す模式断面図であり、図６は図５におけるＣ−Ｃ断面図である（図５は、図６のＤ−Ｄ断面図となっている。）。さらに図７は、図５および図６におけるＥ−Ｅ断面図である。
【００９１】
図５〜図７に示すカーボンナノチューブの製造装置は、密閉容器である扁平な円筒形状の反応容器（容器）５０内に、ホルダ４１および４２に保持されて配置された、最先端部が対向する２つの電極（陽極となる電極１２および陰極となる電極１１）と、電極１１および電極１２の間隙を調整可能にホルダ４２をスライドし得る可動装置１３と、電極１１および電極１２の間に電圧を印加する電源１８と、電極１１−電極１２間の放電領域を取り囲むように配置された永久磁石２０〜２３から構成される。
【００９２】
すなわち、電極１１および電極１２の間に電圧を印加した際にアークプラズマが生成する電極１１および電極１２の間の放電領域に対して、永久磁石２０〜２３により所定の磁場が形成される。本実施形態において、図５〜図７に示される各部材のほとんどが、既述の第１の実施形態における図１および図２に示される各部材と同様であるため、本実施形態において第１の実施形態と同一の機能を有する部材には、図５〜図７において図１および図２と同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００９３】
本実施形態においては、反応容器５０自身の一部が前記熱遮蔽壁材を構成する。すなわち、本実施形態においては、電極１１および電極１２、並びにその間隙のアークプラズマの生成領域は、反応容器５０の内部に位置し、永久磁石２０〜２３はその外部に位置している。そのため、両者間には、必ず反応容器５０の壁面の一部が介在しており、当該壁面が、前記アークプラズマによる熱を遮蔽する作用を有する。したがって、当該壁面の部位が、本発明に特徴的な前記熱遮蔽壁材を兼ねる状態となる。
【００９４】
熱遮蔽壁材を構成する反応容器５０は、永久磁石２０〜２３による磁場に影響を与えないようにするために、非磁性であることが要求される。また、アークプラズマによる熱に耐え得る耐熱性も要求される。材質としては、一般的に反応容器として使用可能な材質であれば、問題なく使用可能であり、第１の実施形態において、熱遮蔽壁材として好ましい材料として挙げたものが同様に使用可能である。反応容器５０における熱遮蔽壁材を兼ねる部位で吸収した熱をそれ以外の部位で放熱する作用を期待するのであれば、第１の実施形態において既述の熱伝導性の高い材質を使用することが望ましい。
【００９５】
本実施形態の構成によれば、永久磁石（磁気発生部材）２０〜２３と前記アークプラズマの生成領域との間に、反応容器５０を兼ねる熱遮蔽壁材が配置されていることから、前記アークプラズマから発生する熱が有効に遮蔽され、永久磁石２０〜２３の加熱が抑制される。したがって、永久磁石２０〜２３の熱減磁や、磁場の消失を防ぐことができ、安定的に高純度のカーボンナノチューブを工業的に効率良く製造することが可能となる。また、長い時間アークプラズマを安定的に生成し続けることができる。
【００９６】
本実施形態によれば、反応容器５０の一部が熱遮蔽壁材を兼ねる状態となり、部品点数を増やすことなく本発明の装置構成とすることができる。さらに、反応容器５０における前記熱遮蔽壁材を兼ねる部位で吸収した熱を、それ以外の部位で放熱することができ、熱遮蔽効率が高い。その意味では、本実施形態の構成は、熱遮蔽壁材が冷却手段を具備していると言い得る。
【００９７】
当該反応容器５０には、その他の冷却手段を付加して、反応容器５０が吸収した熱を積極的に冷却することもできる。冷却手段を備えることで、より熱の遮蔽効率が向上し、前記アークプラズマから発生する熱による影響を排除することができる。また、冷却手段を備えるものとすることで、前記熱遮蔽壁材を兼ねる反応容器５０に要求される耐熱性を緩和させること、および／または、前記熱遮蔽壁材を前記アークプラズマの生成領域により一層近づけること（反応容器１０を小型化すること）、ができる。冷却手段の具体的な構成に関しては、第１の実施形態において説明した構成のものが、本実施形態においても同様に採用することができる。
【００９９】
所定の磁場中でアークプラズマを生成した場合、その放電時間に応じてカーボンナノチューブの長さを制御できることが、本発明者らの研究により判明した。したがって、長い時間アークプラズマを安定的に生成し続けることができる本発明の製造装置によれば、カーボンナノチューブの形状、特に長さを適宜制御することが可能となるという効果もある。
【０１００】
なお、上記本実施形態は、本発明の実施の一例であり、当業者は、本発明の構成要素を具備した範囲内で、従来公知の知見により種々の変更を加えることができる。
【０１０１】
【実施例】
以下に本発明の実施例を示すが、本発明はこれらの例に制限されるものではない。
＜実施例１＞
図５〜図７に示す製造装置を使用して、カーボンナノチューブを製造した。製造装置の具体的な各構成条件は以下の通りである。
・反応容器５０： ステンレス製の円筒容器チャンバー。直径１８２ｍｍ、高さ８９ｍｍ。ステンレスの厚さ９ｍｍ
・電極（陰極）１１： 外径５ｍｍの円筒形グラファイト棒（純度９９．９％以上）
・電極（陽極）１２： 外径１５ｍｍの円筒形グラファイト棒（純度９９．９％以上）
・電極１１の最先端部の位置： 電極１１および１２の軸方向における、永久磁石２０〜２３の中心位置から４２ｍｍ、電極１２方向へ外れた位置
・可動装置１３： ステッピングモーターにより電極１１を可動可能としたもの。また、アーク放電時電極１１，１２間距離を一定に保つように調整。
・電源１８： 直流アーク溶接電源（大阪電気製ＡＲ−ＳＢ３００）で、電流値を２０Ａから３００Ａまで制御できるもの。
【０１０２】
・永久磁石２０〜２３： 縦６４ｍｍ、横１５１ｍｍ、厚さ６４ｍｍの長方形フェライト磁石。対向する永久磁石同士の最短距離は２１０ｍｍ。表面磁束密度は１３０ｍＴ。電極の最先端部縁端における磁束密度は５ｍＴ。永久磁石の位置はアークプラズマの生成領域より１０５ｍｍの場所。反応容器５０との最短距離は１８ｍｍ。
・ホルダ４１：直径４０ｍｍ、長さ４０ｍｍの銅製円柱体。内部に水が循環する冷却水循環配管が取り回され、電極１１の最先端部温度が３００℃を越えないように制御した。
・ホルダ４２：直径４０ｍｍ、長さ４０ｍｍの銅製円柱体。内部に水が循環する冷却水循環配管が取り回され、電極１２の最先端部温度が３００℃を越えないように制御した。
【０１０３】
以上の製造装置を用いて、カーボンナノチューブを製造した。反応容器５０内は減圧せず、１０１．３２５ｋＰａ（１気圧）の空気中で製造した。電極１１，１２間にアーク放電を行うため、はじめはコンタクトアーク処理を行い、放電開始後、電極１１，１２間を０．５ｍｍ〜３ｍｍ程度離し、降下電圧を約２０Ｖの直流電圧とした。電流値は６８Ａであった。放電は１分間行った。
【０１０４】
このとき製造装置における永久磁石２１の電極に対向する側の表面に表面温度計を取り付けておき、放電操作の開始から終了までの間、永久磁石２１表面の温度推移を確認した。この結果は、図１０にグラフにて示す。また、後述の＜熱遮蔽効率の確認＞の項で、その考察を行う。
【０１０５】
放電後、電極１１を取り出し、その最先端部を走査型電子顕微鏡で観察した。走査型電子顕微鏡観察には、日立製作所製走査型電子顕微鏡Ｓ−４５００を使用し、倍率２００００倍で行った。このときの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を、図８に示す。なお、写真の倍率は、写真の引き伸ばしの程度等により、多少の誤差が生じている（以下同様。）。この走査型電子顕微鏡観察により、高純度（９５％程度）のカーボンナノチューブが生成していることが確認された。
【０１０６】
＜実施例２＞
図１（ないし図２）に示す製造装置を使用して、カーボンナノチューブを製造した。製造装置の具体的な各構成条件は以下の通りである。
・反応容器１０： ステンレス製の円筒容器チャンバー。直径２１０ｍｍ、長さ３８０ｍｍ。
・電極（陰極）１１： 外径５ｍｍの円筒形グラファイト棒（純度９９．９％以上）
・電極（陽極）１２： 外径１５ｍｍの円筒形グラファイト棒（純度９９．９％以上）
・可動装置１３： ステッピングモーターにより電極１１を可動可能としたもの。また、アーク放電時電極１１，１２間距離を一定に保つように調整。
・電源１８： 直流アーク溶接電源（大阪電気製ＡＲ−ＳＢ３００）で、電流値を２０Ａから３００Ａまで制御できるもの。
【０１０７】
・永久磁石２０〜２３： 直径２２ｍｍ、厚さ１０ｍｍの円筒形ＮｄＦＢ系永久磁石（二六製作所製）。
・ホルダ４１：直径３０ｍｍ、長さ８０ｍｍの銅製円柱体。内部に水が循環する冷却水循環配管が取り回され、電極１１の最先端部温度が３００℃を越えないように制御した。
・ホルダ４２：直径４０ｍｍ、長さ１２０ｍｍの銅製円柱体。内部に水が循環する冷却水循環配管が取り回され、電極１２の最先端部温度が３００℃を越えないように制御した。
【０１０８】
・熱遮蔽壁材３０： 銅製の円筒状部材。外径２８ｍｍ、内径２２ｍｍ、長さ３６ｍｍ。
・チューブ（冷却用配管）３６： 銅製１／４インチパイプで、筒体４０の外周を５周巻回したもの。水冷。
【０１０９】
以上の製造装置を用いて、カーボンナノチューブを製造した。反応容器１０内は減圧せず、１０１．３２５ｋＰａ（１気圧）の空気中で製造した。電極１１，１２間にアーク放電を行うため、はじめはコンタクトアーク処理を行い、放電開始後、電極１１，１２間を０．５ｍｍ−３ｍｍ程度離した。電源１８により印加した電圧は、１８Ｖの直流電圧とした。以上の条件下で、放電時間として６０秒間アーク放電を行った。電流値は８０Ａであった。このとき製造装置における永久磁石２１の電極に対向する側の表面に表面温度計を取り付けておき、放電操作の開始から終了までの間、永久磁石２１表面の温度推移を確認した。この結果は、図１０にグラフにて示す。また、後述の＜熱遮蔽効率の確認＞の項で、その考察を行う。
放電後、電極１１を取り出し、その最先端部を実施例１と同様にして、走査型電子顕微鏡で観察した。この走査型電子顕微鏡観察により、高純度（９５％程度）のカーボンナノチューブが生成していることが確認された。
【０１１０】
＜比較例１＞
実施例２において、熱遮蔽壁材３０および冷却手段であるチューブ３６を取り除き、他の装置構成は、それらの位置関係を含め全てそのままの状態で、比較例１の製造装置を構成した。すなわち、本比較例では、熱遮蔽壁材の機能を有する部材が含まれていない。当該製造装置を用いて、実施例１と同一の条件でカーボンナノチューブを製造した。このとき製造装置における永久磁石２１の電極に対向する側の表面に表面温度計を取り付けておき、放電操作の開始から終了までの間、永久磁石２１表面の温度推移を確認した。この結果は、図１０にグラフにて示す。また、後述の＜熱遮蔽効率の確認＞の項で、その考察を行う。
【０１１１】
放電後、電極１１を取り出し、その最先端部を実施例１と同様にして走査型電子顕微鏡で観察した。このときの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を、図９に示す。この走査型電子顕微鏡観察により、カーボンナノチューブは生成したものの、実施例１に比して純度が低下（３０〜４０％程度）していることが確認された。
【０１１２】
＜熱遮蔽効率の確認＞
以上の実施例１および２、並びに比較例１の操作において、永久磁石の表面温度の推移を確認することで、熱遮蔽壁材による熱遮蔽効率について確認した。結果を図１０にグラフにて示す。図１０のグラフは、横軸を放電時間、縦軸を永久磁石表面の温度としてプロットしたものである。このグラフから明らかなように、永久磁石を熱遮蔽壁材としての反応容器１０の外に設置した実施例１においても、円筒形の熱遮蔽壁材（熱遮蔽壁材３０）を設置した実施例２においても、永久磁石の温度上昇がほとんど確認されず、アークプラズマの熱による熱減磁や磁場消失が効果的に防止されていることが確認された。
【０１１３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、アークプラズマの生成領域に、所定の磁場を形成する技術において、アークプラズマから発生する熱による磁場への影響を抑制し、安定的に高純度のカーボンナノチューブを工業的に効率良く製造することが可能なカーボンナノチューブの製造装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のカーボンナノチューブの製造装置の一例を示す模式断面図である。
【図２】 図１におけるＡ−Ａ断面図である。
【図３】 図２における永久磁石についてのみ抜き出し、磁極を定めた場合の磁力線の状態を示す図であり、（ａ）は永久磁石の全てが、Ｓ極を放電領域に対向させて配置させた状態を示す図であり、（ｂ）は隣り合う永久磁石が、交互に異なる極を放電領域に対向させて配置させた状態を示す図である。
【図４】 磁力線が前記放電電流の進行方向と略平行となって、アークプラズマ中の荷電粒子の運動を磁力線の方向に規制された状態となる磁場空間の具体例を示す図であり、（ａ）は電磁石のコイルに電圧を印加した際に形成される磁力線の状態を示す斜視図であり、（ｂ）は、電磁石を同軸上に離間させて配置し、各電磁石のコイルに電圧を印加した際に形成される磁力線の状態を示す斜視図である。
【図５】 本発明のカーボンナノチューブの製造装置の他の一例を示す模式断面図である。
【図６】 図５におけるＣ−Ｃ断面図である。
【図７】 図５および図６におけるＥ−Ｅ断面図である。
【図８】 実施例１において製造されたカーボンナノチューブが付着する陰極表面の走査電子顕微鏡写真（倍率２００００倍）である。
【図９】 比較例１において製造されたカーボンナノチューブが付着する陰極表面の走査電子顕微鏡写真（倍率２００００倍）である。
【図１０】 実施例および比較例の各カーボンナノチューブの製造操作における永久磁石の表面温度推移を表すグラフであり、横軸を放電時間、縦軸を永久磁石表面の温度としてプロットしたものである。
【符号の説明】
１０：反応容器、 １１：電極（陰極）、 １２：電極（陽極）、 １３：可動装置、 １４：真空ポンプ、 １５：導入管、 １７：ガスボンベ、 １８：電源、 １９：バルブ、 ２０〜２３：永久磁石（磁気発生部材）、 ２４，２４ａ，２４ｂ：円筒体、 ２６，２６ａ，２６ｂ：コイル、 ２８，２８ａ，２８ｂ：電磁石（磁気発生部材）、 ３０：熱遮蔽壁材、 ３６：チューブ（冷却手段）、 ４１，４２：ホルダ、 ５０：反応容器（熱遮蔽壁材を兼ねる容器）

Claims (15)

1. 少なくとも、最先端部が対向する２つの電極と、該電極間の放電領域にアークプラズマを生成するべく前記電極間に電圧を印加する電源と、前記アークプラズマの生成領域に、少なくとも、多方向の磁力線を有する磁場、または、放電電流の進行方向に対して平行な成分を有する磁場を形成する磁気発生部材と、を備えるカーボンナノチューブの製造装置であって、
   前記磁気発生部材と前記アークプラズマの生成領域との間に、非磁性材料からなる熱遮蔽壁材を配置してなることを特徴とするカーボンナノチューブの製造装置。
2. 前記熱遮蔽壁材が、冷却手段を備えることを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブの製造装置。
3. 少なくとも、前記２つの電極と、前記アークプラズマの生成領域とが、１つの容器内に収容されてなることを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブの製造装置。
4. 前記容器の一部が、前記熱遮蔽壁材を兼ねることを特徴とする請求項３に記載のカーボンナノチューブの製造装置。
5. 前記容器が、密閉容器であることを特徴とする請求項３に記載のカーボンナノチューブの製造装置。
6. 前記密閉容器内の雰囲気の圧力および／またはガス種を調整し得る雰囲気調整手段を備えてなることを特徴とする請求項５に記載のカーボンナノチューブの製造装置。
7. 前記磁気発生部材が、前記放電電流の進行方向に沿って前記アークプラズマの生成領域および／またはその近傍の領域を取り囲むように配置された複数の永久磁石および／または電磁石からなり、かつ、これら永久磁石および／または電磁石の全てが、同一の極を内側に向けて配置されることを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブの製造装置。
8. 前記磁気発生部材が、前記放電電流の進行方向に沿って前記アークプラズマの生成領域および／またはその近傍の領域を取り囲むように配置された４個以上偶数個の永久磁石および／または電磁石からなり、かつ、隣り合う永久磁石および／または電磁石が、交互に異なる極を内側に向けて配置されることを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブの製造装置。
9. 前記磁気発生部材が、前記放電電流の進行方向を略中心軸とする１つまたは２つのコイルからなることを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブの製造装置。
10. 対向する２つの前記電極のうち、アークプラズマを発生させる電極の最先端部縁端における磁束密度が、１０^-5Ｔ以上１Ｔ以下であることを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブの製造装置。
11. アークプラズマ生成時の放電電流密度が、アークプラズマを発生させる電極の最先端部面積に対して、０．０５Ａ／ｍｍ²以上１５Ａ／ｍｍ²以下であることを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブの製造装置。
12. 前記電源により前記電極に印加する電圧が、１Ｖ以上３０Ｖ以下であることを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブの製造装置。
13. 前記電源により前記電極に印加する電圧が、直流電圧であることを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブの製造装置。
14. 前記電源により前記電極に印加する電圧が直流電圧であり、かつ、対向する２つの前記電極のうち、陰極の最先端部面積が、陽極の最先端部面積以下であることを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブの製造装置。
15. 前記電極の材質が、炭素、もしくは、炭素を含みかつその電気抵抗率が０．０１Ω・ｃｍ以上１０Ω・ｃｍ以下の物質、であることを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブの製造装置。

Images