JP6512484B2 - 微粒子製造装置及び製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、リチウムイオン電池の電極材、食品包装のフィルム材などへコーティング材、又は電子機器配線などに使用されるインク原料などに利用される、微粒子製造装置及び微粒子製造方法に関するものである。

近年、ナノメートルオーダーの微粒子は、様々なデバイスに応用が検討されている。例えばニッケルの金属微粒子は、現在、セラミックコンデンサーに使用されており、次世代のセラミックコンデンサーには、粒径２００ナノメートル以下で分散性の良い微粒子の使用が検討されている。

さらに、二酸化シリコンよりも酸素含有率の低い一酸化シリコン（ＳｉＯ_ｘ：ｘ＝１〜１．６）の微粒子は、光学レンズの反射防止膜又は食品包装用のガスバリアフィルムの蒸着材料として活用されている。最近では、リチウムイオン二次電池の負極材料などへの応用が期待されている。

これらナノメートルオーダーの微粒子の一般的な製造方法としては、原料となるバルク材をセラミック又はジルコニア等のビーズと一緒に導入し、機械的粉砕によって材料を微粒子化する方法、又は、材料を溶融及び蒸発させて空気又は水に噴射して微粒子を得る方法、又は、電解若しくは還元など化学的に微粒子を得る方法などがある。中でも、高周波プラズマ又はアークプラズマなどの熱プラズマ（約１００００℃）を利用し、気相中で微粒子を作製する方法は、不純物（コンタミネーション）が少なく、生産された微粒子の分散性が優れる、複数の種類の材料からなる複合微粒子の合成が容易である、などの観点から非常に有用である（例えば、特許文献１参照）。

図４に、従来例１の熱プラズマを利用した、微粒子の製造装置の概略断面図を示す。

粉体生成器１０１は、中空体で、微細ミスト導入部２０１と微細ミスト貯留部２０２と反応部２０３とに大別されている。微細ミスト導入部２０１は、粉体生成器１０１の下部側方に、微細ミスト貯留部２０２に向けて設けられ、微細ミスト貯留部２０２の上方に筒状の反応部２０３が続いている。粉体収集部２０４は、内部に微粒子とガスとを分離するフィルター部材、例えばバグフィルター２０５を内蔵している。吸引機２０６は、ダクト２０７と、粉体収集部２０４内のバグフィルター２０５と、ダクト２０８とを介して粉体生成器１０１内を吸引し、バグフィルター２０５を通過したガスを外部に排出するように設けられている。反応部２０３は、一群の電極２１０を有しており、これらの電極２１０は、商用電源から供給される３相交流を複数の単相変圧器を介して多相交流に変換する多相交流変換器２１１の各相の二次側端子の各々に一対一の関係で接続されている。また、電極２１０の先端部は、反応部２０３の軸心の周りに均等に距離をあけて位置させられ、かつ隣接する先端部間の位相差が互いに等しくなるよう配設され、電極２１０間にてプラズマ２１２を形成している。プラズマ２１２に微細ミストを通過させることによって、微粒子化し、粉体収集部２０４のバグフィルター２０５で回収できるようになっている。

特開２００４−２６３２５７号公報

上述された従来の微粒子製造装置（図４参照）を用いて微粒子を製造する場合、プラズマ２１２と装置壁との間に空間があり、かつ、一方向にガスが流れるため、流れの制御が困難である。そのため、生成した微粒子の拡散及びプラズマへの再投入が起こり、回収量の減少及び熱プラズマを発生させるために、投入した電力エネルギーの熱への変換効率が低下し、微粒子の生産効率が悪化している。

本発明は、上述された従来の課題を考慮し、回収量及び投入電力エネルギーに対する処理に利用したエネルギーの効率を良くする事で、微粒子の生産量を増加させ、かつ低コストで生産することができる微粒子製造装置及び微粒子製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の１つの態様にかかる微粒子製造装置は、真空チャンバーと、
前記真空チャンバーに接続されて、材料の粒を前記真空チャンバー内に材料供給口から供給する材料供給装置と、
前記真空チャンバーに配置して前記真空チャンバー内のプラズマ生成領域でプラズマを発生させる電極と、
前記真空チャンバーに接続されて、前記真空チャンバーから排出された微粒子を回収する回収装置とを有し、
前記真空チャンバー内で発生させた前記プラズマにより、前記材料供給装置から供給された前記材料から前記微粒子を製造する微粒子製造装置であって、
前記真空チャンバーの壁と前記プラズマ生成領域との間に、前記真空チャンバーの前記壁との間に外側空間を設けるインナーチャンバーを設置し、さらに前記真空チャンバーの前記壁と前記インナーチャンバーの壁との間の前記外側空間にガスを供給するガス供給管を備えるとともに、
前記インナーチャンバーの前記壁に前記電極が通過できる電極貫通穴を設け、前記真空チャンバーと前記インナーチャンバーとの間の前記外側空間に前記ガス供給管から導入した前記ガスを、前記電極と前記電極貫通穴との隙間から前記インナーチャンバーの内側の空間に導入する。

前記目的を達成するために、本発明の別の態様にかかる微粒子製造方法は、真空チャンバーにガスを供給するとともに、前記真空チャンバーの壁と、前記真空チャンバーの前記壁とプラズマ生成領域との間に配置されたインナーチャンバーの壁と前記真空チャンバーの前記壁との間の外側空間にもガスを供給し、
次いで、前記真空チャンバーに設置した電極により前記インナーチャンバーの内側の空間の前記プラズマ生成領域に熱プラズマを生成し、
次いで、材料の粒が真空チャンバーに供給され、供給された前記材料の粒が前記生成された熱プラズマの生成領域中を通過するときに、蒸発又は気化して材料ガスとなり、
さらに、前記材料ガスが前記熱プラズマの領域から抜けた瞬間、前記材料ガスが急激に冷やされて微粒子を生成する一方、
前記ガス供給時に、前記外側空間に供給した前記ガスを、前記インナーチャンバーの前記壁に設けられて前記電極が通過できる電極貫通穴と前記電極との隙間から、前記インナーチャンバーの内側の空間に導入する。

本発明の前記態様によって、真空チャンバーの壁とインナーチャンバーとの間に外側空間を設け、真空チャンバーの壁とインナーチャンバーとの間の外側空間にガスを供給し、プラズマの周囲の空間を少なくすることで、処理された微粒子の流れの制御が容易になるため、熱プラズマでの材料蒸発に必要なエネルギーを少なくすることができる。このため、回収量及び投入電力エネルギーに対する処理に利用したエネルギーの効率を良くする事で熱プラズマでの材料の蒸発効率が高くなり、材料を大量に処理することができ、微粒子の生成量を上げることもでき、かつ低コストで生産することができる微粒子製造装置及び微粒子製造方法を提供することができる。

本発明における第１実施形態の微粒子製造装置の概略縦断面図 本発明における第１実施形態の微粒子製造装置の概略横断面の平面図 本発明における第１実施形態でのプロセスフロー図 従来例１の微粒子製造装置の概略断面図

以下、図面を参照しながら、本発明における実施の形態について詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係わる微粒子製造装置の概略縦断面図を示す。図２は、第１実施形態に係わる微粒子製造装置において電極部分を横方向に切断した状態での概略断面平面図を示す。図３は、第１実施形態でのプロセスフローを示す。図１〜図３を用いて、一例として、シリコンのナノメートルオーダーの微粒子を製造する例を説明する。

第１実施形態に関わる微粒子製造装置は、少なくとも、真空チャンバーの一例としての反応室１と、材料供給装置１０と、アーク放電を生成する電極、例えば、複数本の電極４と、生成した微粒子を回収する回収装置の一例としての微粒子回収部３とを備えて構成している。反応室１は、接地された円筒状の反応室壁１３で囲まれて構成されている。材料供給装置１０は、反応室１の底部下方に配置されて、材料を反応室１内に供給している。微粒子回収部３は、反応室１の上端に接続されて配置され、配管２０及び圧力調整バルブ２１を通じて循環ポンプ２２により排気され、反応室１で生成された微粒子を回収している。複数本の電極４は、反応室１の中央部の側部に、外側から内部に貫通させて各先端が内部空間に突出するように所定間隔をあけて配置されている。各電極４と反応室壁１３とは絶縁されている。このような微粒子製造装置では、反応室１内でアーク放電（プラズマ）３１をアーク放電生成領域（プラズマ生成領域）で発生させ、発生させたプラズマにより、材料供給装置１０から供給された材料から微粒子を製造している。

複数本の電極４には、其々、位相の異なる電力を供給するｎ個の交流電源５（５−１，５−２，５−３，…,５−ｎ）が接続されており、位相を例えば６０°ずつずらした６０Ｈｚの交流電圧をそれぞれ印加することができる。各電極４は、それぞれ独立して、モータなどで構成される電極駆動装置４ａにより、反応室１の中心に対して放射線方向に前後移動する可動式になっている。

より詳しくは、この第１実施形態では、微粒子製造装置は、材料供給装置１０と反応室１とを接続する材料供給管１１と、投入した材料及び生成した微粒子の流れを制御するように反応室１内にガスをそれぞれ供給するガス供給管１４、１５とを設けている。

材料供給装置１０は、材料供給管１１により反応室１と接続して、材料供給装置１０からの材料を、反応室１の底部側から反応室１内に供給する。材料供給管１１は、材料供給装置１０の底部から中央部付近まで下から鉛直方向の上向きに延びて立設して、上端に材料供給口１２を有している。下側のガス供給管１４は、材料供給管１１の近傍において材料供給装置１０の底部から材料供給管１１の長手方向沿い（言い換えれば、鉛直方向沿い）に複数本配置され、材料供給口１２の鉛直方向の下側から鉛直方向の上向きにガスを供給可能としている。材料供給管１１及び材料供給口１２は、複数の電極４の中心位置よりも、鉛直方向の下側に設置する。特に、材料供給管１１の上端の材料供給口１２は、アーク放電３１を生成させる領域よりも下方に位置するように配置されている。

複数本の電極４の先端近傍のアーク放電３１が発生する領域付近には、例えば円筒状のインナーチャンバー５１が反応室１内に、反応室壁１３との間に外側空間１１５が形成されるように設置されている。一例として、アーク放電３１が発生する領域がインナーチャンバー５１の内側の空間１１６に入るように配置している。インナーチャンバー５１の円筒状の壁５１ａは、その上端部及び下端部で反応室壁１３と断熱及び絶縁できるように、断熱及び絶縁部材の一例としての円環形状の板５２、５３を介して反応室壁１３と接続されている。また、インナーチャンバー５１の壁５１ａは、各電極４の電極貫通穴５４を有しており、電極４とインナーチャンバー５１の壁５１ａの貫通穴５４の内周面とは隙間１５４を設けて設置されている。上側のガス供給管１５は、インナーチャンバー５１の壁５１ａと反応室壁１３との間に、横方向に中央に向けて、複数本配置されて、中央に向けてガスを供給可能としている。一例として、ガス供給管１５の先端開口は、インナーチャンバー５１の壁５１ａと反応室壁１３との間でかつ貫通穴５４に向けて配置されている。このように配置するのは、ガス供給管１５からのガス供給時に、インナーチャンバー５１の壁５１ａと反応室壁１３との間のインナーチャンバー５１の外側の空間１１５の圧力がインナーチャンバー５１の内側の空間１１６の圧力より高くなるようにして、ガスがインナーチャンバー５１の壁５１ａの電極４の貫通穴５４と電極４との隙間１５４からインナーチャンバー５１の内側に導入されるようにするためである。さらに、インナーチャンバー５１と微粒子回収部３とを接続しかつ円錐形状にテーパー部を有する配管１６を、反応室１の上部に設置している。

下側のガス供給管１４と上側のガス供給管１５とは、流量調整器２６を介して、複数のガス供給装置２７に接続されている。よって、複数のガス供給装置２７のそれぞれから、それぞれ流量調整器２６を介して、材料供給装置１０と、下側のガス供給管１４と、上側のガス供給管１５とにアーク放電生成用（プラズマ発生用）ガスを流量調整しながら供給することができる。

制御装置１００は、電極駆動装置４ａと、交流電源５（５−１，５−２，５−３，…,５−ｎ）と、材料供給装置１０と、圧力調整バルブ２１と、循環ポンプ２２と、流量調整器２６とのそれぞれの駆動を制御して、微粒子製造装置の製造動作を制御している。

以下、微粒子製造装置の製造動作について、図３のプロセスフローに沿って説明する。微粒子製造装置の製造動作、言い換えれば、微粒子製造方法は、（ステップＳ１）材料設置及び真空引きと、（ステップＳ２）ガス導入及び圧力調整と、（ステップＳ３）放電開始と、（ステップＳ４）材料供給開始と、（ステップＳ５）微粒子（ナノ粒子）形成と、（ステップＳ６）放電停止及び微粒子回収との６つのステップで構成されている。以下の動作は、材料設置等を除き、制御装置１００の制御動作で自動的に行うことができる。

（ステップＳ１）材料設置及び真空引きをする。

始めに、材料供給装置１０内に材料を設置するとともに、反応室１内と、微粒子回収部３内と、材料供給装置１０内とをポンプ２２によって、例えば数１０Ｐａまで排気することで、大気中の酸素の影響を低減させる。

（ステップＳ２）ガス導入及び圧力調整を行う。

次いで、複数のガス供給装置２７のそれぞれから、それぞれ流量調整器２６を介して、材料供給装置１０と、下側のガス供給管１４と、上側のガス供給管１５とにガスを流量調整しながら供給する。材料供給装置１０と下側のガス供給管１４と上側のガス供給管１５とから反応室１内に供給されたガスは、反応室１の上端に接続された配管１６及び微粒子回収部３及び配管２０を介して、ポンプ２２の前段に取付けた圧力調整バルブ２１で、反応室１内が所定の圧力となるように調整する。下側のガス供給管１４は、反応室１の下部において、鉛直方向の上向きに複数本立設して、鉛直方向の上向きにガスが反応室１内に供給されるように配置されている。上側のガス供給管１５は、インナーチャンバー５１の壁５１ａと反応室壁１３との間に、横方向に反応室１の中央に向けて、複数本配置されている。よって、インナーチャンバー５１の壁５１ａと反応室壁１３との間のインナーチャンバー５１の外側の空間１１５の圧力がインナーチャンバー５１の内側の空間１１６の圧力より高くなり、ガスがインナーチャンバー５１の壁５１ａの電極４の貫通穴５４と電極４との隙間１５４からインナーチャンバー５１の内側の空間１１６に導入されるようにガスを反応室１内に導入する。これにより、アーク放電３１の生成領域とインナーチャンバー５１の外側との間（言い換えれば、インナーチャンバー５１の内側と外側との間）のガス流れも制御することが可能である。

この第１実施形態の第１実施例では、一例としてシリコンの微粒子を製造させるため、反応室１内には、ガス供給装置２７から２つのガス供給管１４、１５を介して、アルゴンガスを供給して、反応室１内を、アルゴンの不活性ガス雰囲気の大気圧近傍の圧力に維持して、以下の微粒子製造工程を行っている。材料の還元を促進させるため、反応室１内に、ガス供給装置２７から、ガス供給管１４、１５を介して、水素ガス及び微量の炭化系ガスをアルゴンガスに混合して導入しても良い。

（ステップＳ３）放電を開始する。

インナーチャンバー５１の壁５１ａは、アーク放電（プラズマ）３１の熱による影響を抑制するため、一例として炭素材料からなっている。アーク放電３１を生成させる電極４は一例として炭素材料であり、図２に示すように、反応室１内に、電極４の先端が横方向（例えば水平方向に対して５〜３０°上向き）に突出した状態で、反応室１の円周壁に６０°間隔で６本の電極４を放射線状に配置する。電極４には、電極材料の蒸発を低減するため、具体的には図示しないが水冷及び冷却ガスを内部に流し、電極４を冷却している。

第１実施例では、ｎ＝６本の電極４を放射状に配置しているが、電極数は６の倍数であれば、電極本数を増やしたり、又は、同一平面に配置するだけでなく、異なる平行な平面に電極４をそれぞれ配置した２段、又は、３段など多段化した電極配置にしても良い。電極４を多段化して配置することで、材料を蒸発させる熱源であるアーク放電３１の生成領域をさらに鉛直方向に拡大させることができ、大量の微粒子生成には優位である。また、電極４の材料の一例として、炭素材料を使用しているが、タングステン又はタンタルなどの高融点金属で構成される電極を使用しても良い。

図１及び図２に示すように、アーク放電３１を着火させるときには、任意の２本の電極４を電極駆動装置４ａにより反応室１の中心側に移動させる。アーク放電３１が着火した後、其々、電極４に接続された電流計（図示せず）からの情報に基づき電極４にかかる電流が一定になるように制御装置１００で調整しながら、制御装置１００の制御で電極４を放射線方向（放射状に配置した電極４の中心位置から外側に向かう方向）に電極駆動装置４ａにより移動させ、電極４の先端がインナーチャンバー５１の壁５１ａの近傍に位置するまで、電極４の中心位置から遠ざける。これにより、例えば約１００００℃の熱プラズマであるアーク放電３１の生成領域の面積が大きくなり、処理量を増加させることができる。各電極駆動装置４ａとしては、一例として、モータによりボールネジを正逆回転させて、ボールネジに螺合したナット部材に連結された電極４を軸方向に進退させるものである。

（ステップＳ４）材料供給を開始する。

次いで、ガスと共に材料粒子３０の反応室１への供給を開始する。

一例として、微粒子３２の原料となる材料粒子３０は、直径約１６ミクロンメートルのシリコン粉末を用い、材料供給装置１０内に設置する。第１実施例では、直径１６ミクロンメートルの粒子を使用したが、プラズマの条件にも依存するが、１ミクロンより大きくかつ１００ミクロン以下の粒子径であれば、熱プラズマにて蒸発し、ナノメートルオーダーの粒子径の微粒子３２を製造することは可能である。１００ミクロンメートルより大きい粒子径の材料粒子３０を使用すると、材料粒子３０を完全に蒸発させることができず、生成される微粒子３２が大きくなってしまうことがある。材料供給装置１０は、一例として、局部流動式粉末供給装置を用いることができる。この局部流動式粉末供給装置では、キャリアガスの流量と、材料粒子３０を導入する器の回転数とによって材料粒子３０の供給量を制御して、粉末材料である材料粒子３０を一定の割合で材料供給管１１に送ることができる。材料供給装置１０の他の例としては、レーザーなどを用いて、粉末材料の表面とノズルとの距離を制御する表面倣い式粉末供給器、又は、ホッパーなどから溝に定量の粉末材料を供給して吸引する定量式粉末供給器などがある。どの方式の粉末材料供給装置を使用しても良いが、供給する粉末材料の量によって使い分ける。

（ステップＳ５）微粒子を形成する。

次いで、図１に示すように、材料供給装置１０からガスと共に材料粒子３０は、材料供給管１１に送られ、材料供給管１１の上端の材料供給口１２から反応室１内にガスと共に導入される。材料供給管１１の周囲には、材料粒子３０又はアーク放電３１によって生成された微粒子３２を一定方向（鉛直方向の上向き）に送るための複数本のガス供給管１４を設け、ガス供給管１４から雰囲気ガスを前記一定方向（鉛直方向の上向き）に供給している。材料供給管１１及び材料供給口１２は、複数の電極４の中心位置よりも、鉛直方向の下側に設置する。特に、材料供給管１１の上端の材料供給口１２は、アーク放電３１の生成領域よりも下方に位置するように配置されている。

反応室１内にガスと共に導入された材料粒子３０は、アーク放電３１の生成領域の中を通過するときに、蒸発又は気化（以下、代表的に「蒸発」と称する。）して、材料粒子３０はガス化する。この際、インナーチャンバー５１の壁５１ａは、冷却された反応室壁１３との間に外側空間１１５を設けており、板５２、５３により反応室壁１３に対して断熱され、プラズマの熱を逃がさない。このため、材料粒子３０を沸点以上の温度まで上昇させるために必要な投入エネルギーは、インナーチャンバー５１が無いときに比べて小さくなる。さらに、電極４の貫通穴５４と電極４との隙間１５４からインナーチャンバー５１の内側の空間１１６に導入するガスは、蓄熱されたインナーチャンバー５１に温められ、ガス供給管１５から導入された直後より、温度が高くなる。そのため、材料粒子３０及びプラズマの温度の低下を抑制できる。よって、インナーチャンバー５１が無い場合と比較して、処理効率が上がり、多くの材料粒子３０を蒸発させることができる。なお、反応室壁１３の冷却は、例えば、壁外側に冷却水が流れる流路を設けて、チラー水にて反応室壁１３を冷却すればよい。

材料粒子３０を蒸発させてできた材料ガスは、アーク放電３１の熱による上昇気流又はガス供給管１４、１５からのガス流れによって、反応室１内を上昇し、アーク放電３１の生成領域から抜けた瞬間、材料ガスは急激に冷やされ、球状の微粒子３２が生成される。また、冷却ガスを反応室１内の上部に導入することで、冷却速度を更に大きくすることもできる。この際、インナーチャンバー５１の上下に円環形状の板５２、５３を配置して閉塞させてガス及び粒子の上下方向への通過を抑制し、インナーチャンバー５１の貫通穴５４と電極４との隙間１５４からガスを反応室１の中央向けに横方向に噴出することで、材料粒子３０の横方向への拡散を抑制でき、プラズマへの材料投入の効率を良くすることができる。さらに、生成した微粒子３２が、インナーチャンバー５１の壁５１ａと反応室壁１３との間の外側空間１１５に入ることを抑制できるため、回収効率を上げることもできる。さらに、インナーチャンバー５１の配置によりプラズマ３１の周囲の空間を少なくすることで、処理された微粒子３２の流れの制御が容易になるので、下側のガス供給管１４と上側のガス供給管１５とからのガスを流量調整器２６により流量調整することにより、生成した微粒子３２が再びプラズマ３１の生成領域に入らないように下から上へのガスの流れを制御できて、プラズマの熱が材料の再蒸発に用いられず、プラズマの熱をより効率的に蒸発に使用できる。また、ガスが隙間１５４を流れることで、電極４が冷却される効果もある。

また、一般に、材料粒子３０が供給された箇所のアーク放電３１は、材料粒子３０の蒸発にプラズマの熱が奪われてしまうため、材料粒子３０を蒸発させた場所のアーク放電３１の温度が下がってしまう。従来、一般的な誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）トーチなどの連続的放電に材料粒子３０を連続的に投入する場合では、材料粒子３０の蒸発によってプラズマの温度が下がってしまい、材料粒子３０を完全に蒸発させることができず、比較的大きな微粒子が生成されてしまい、粒径分布が悪化してしまう。また、所望の粒子径の微粒子３２を製造したり、製造した微粒子３２の粒径分布を良化させるためには、材料粒子３０の投入量を制限するしかなく、処理量が低下してしまう。

これに対して、第１実施例で用いた複数の電極４で生成するアーク放電３１は、位相が互いに異なる電力、例えば位相を６０°ずらした６０Ｈｚの電力が供給可能な交流電源５を複数の電極４の電源としてそれぞれ使用している。このため、放電がパルス状になっており、常に高温の熱プラズマを生成することができる。

アーク放電３１又はＩＣＰトーチなどの熱プラズマは、粘性ガスであるため、ある速度を有した材料粒子３０でないと、アーク放電３１の生成領域中に入らず、処理されない。材料供給装置１０及び材料供給口１２がアーク放電３１の生成領域の鉛直方向の下側に設置され、アーク放電３１の生成領域の鉛直方向の下側から材料粒子３０を供給する本装置では、アーク放電３１にはじかれた未処理の材料粒子３０は、重力によって鉛直方向の下側に落ち、アーク放電３１の生成領域の上方に位置しかつ処理された微粒子３２とは、確実に分離することができる。これらの未処理の材料粒子３０は、反応室１の底部に溜まる。この反応室１の底部に溜まった材料は、材料供給装置１０に戻し、再利用することも可能で、材料利用効率を上げることができる。

（ステップＳ６）放電を止めて、微粒子を回収する。

次いで、図１に示すように、アーク放電３１により生成された微粒子３２は、ガス供給管１４、１５から微粒子回収部３へ向かうガスの流れにより、微粒子回収部３によって回収される。図示していないが、微粒子回収部３には、任意の微粒子径以上を分級できるサイクロンと、所望の微粒子を回収できるバグフィルターとが取付けられている。微粒子３２を回収するためのバグフィルターは、高温のガスを循環しているため、一例として耐熱性の高いシリカ繊維を使用したフィルターを使用することができる。また、回収した微粒子３２を大気に取出す際は、発火の恐れがあるため、大気(酸素を含んだガス)を１％程度含んだ雰囲気下で数時間放置し、徐酸化処理を行い、大気中に取り出す。これにより、シリコン微粒子の表面は、例えば１〜２ナノメートル程度酸化し、安全に取出すことが可能になる。これらの前記のプロセスにより、バグフィルターからは、例えば１０〜３００ナノメートルのシリコン微粒子を回収することができる。また、本実施例にて、電極４及びインナーチャンバー５１の壁５１ａに炭素材料を用いることで、高温のプラズマが一般的に金属で構成される反応室壁１３及び電極４と接することがなく、生成されたシリコン微粒子は、プロセス中での金属等の不純物の増加を抑制でき、金属材料の含有量を０．５％以下にすることができる。この生成されたシリコン微粒子をリチウム電池に用いると、容量に寄与しない金属材料等を抑制できるため、電池容量を上げることができる。

第１実施例では、シリコン（Ｓｉ）のナノメートルオーダーの粒子径の微粒子を製造する方法について説明したが、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）若しくは銅（Ｃｕ）などの金属、又は、ガラス（ＳｉＯ_２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、若しくはアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）などの無機系の材料を微粒子生成用材料として微粒子を生成しても良い。また、反応室１に導入するガスと反応させることで、例えば、シリコン材料を用いて、一酸化シリコン（ＳｉＯ_ｘ：ｘ＝１〜１．６）、窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ：ｘ＝０．１〜１．３）又は炭化シリコン（ＳｉＣ_ｘ）の微粒子を生成しても良い。さらには、内側にシリコンの核を有し、外側にはアルミナ又は炭化シリコンなどで覆われているような複数の材料から構成される複合材料の生成に利用することもできる。

前記第１実施形態によれば、インナーチャンバー５１を反応室壁１３との間に外側空間１１５を設けて設置することで、反応室１の反応室壁１３とインナーチャンバー５１の壁５１ａとの間の空間１１５にガスを供給し、プラズマ３１の周囲の空間を少なくすることで、処理された微粒子３２の流れの制御が容易になる。このため、熱プラズマのロスを抑制し、熱プラズマでの材料蒸発に必要なエネルギーを少なくすることができる。

さらに、反応室１の温度、例えば、冷却水により冷却されて例えば２０℃程度になっている反応室壁１３の温度より、インナーチャンバー５１の温度は、プラズマの熱により温度が例えば１００〜１０００℃に高くなっている。インナーチャンバー５１の壁５１ａと反応室壁１３との間にガス供給管１５からガスを供給すると、インナーチャンバー５１内に導入されるガスは、インナーチャンバー５１の熱により、例えば５０〜１０００℃に温められる。すなわち、反応室壁１３とインナーチャンバー５１の壁５１ａとの間に導入するガス温度より、インナーチャンバー５１内に導入するガス温度が高くなっている。

また、インナーチャンバー５１の壁５１ａと反応室壁１３との間にガス供給管１５からガスを供給し、インナーチャンバー５１の壁５１ａの電極４の貫通穴５４と電極４との隙間１５４から温められたガスを、インナーチャンバー５１の内側の空間１１６でかつ反応室１の中央のアーク放電３１の生成領域に噴出させることで、プラズマ温度の低下をさらに抑制しつつ、材料の広がり、及び微粒子３２のプラズマへの再投入を抑制できる。このため、回収量及び投入電力エネルギーに対する処理に利用したエネルギーの効率を良くする事で熱プラズマによる材料粒子３０の蒸発効率が高くなり、多量の材料粒子を処理できるようになる。よって、微粒子３２の生成量を上げることもでき、低コストで生産することができる微粒子製造装置及び微粒子製造方法を提供することができる。

また、前記第１実施形態によれば、複数本の電極４には、其々交流電源５が接続されてアーク放電３１を生成できるので、他の方法に比べ、材料粒子３０を蒸発させるアーク放電３１による熱プラズマの面積（アーク放電３１の生成領域の面積）を大きくすることができ、大量の材料を処理できる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、インナーチャンバー５１の形状は円柱状以外の円錐状等の種々の形状にしてもよい。例えば、ガス供給管１５は、インナーチャンバー５１の壁５１ａの電極４の貫通穴近傍から供給するようにしてもよい。これにより、ガス流れの温度制御がより容易になる。また、インナーチャンバー５１の壁５１ａ又は配管１６を多孔質材料にし、インナーチャンバー５１の壁５１ａ又は配管１６の表面からガスを噴出させることで、微粒子３２の表面への付着を抑制できる。また、インナーチャンバー５１の壁５１ａのプラズマ上部付近に穴を設け、冷却したガスを流すことで、蒸発ガスを急速に冷却することができる。

なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。また、実施形態同士の組み合わせ又は実施例同士の組み合わせ又は実施形態と実施例との組み合わせが可能であると共に、異なる実施形態又は実施例の中の特徴同士の組み合わせも可能である。

本発明の前記態様における微粒子製造装置及び微粒子製造方法は、プラズマからの排熱を抑制することで、材料を効率良く大量に処理することができ、微粒子の生成量を上げ、かつ低コストで生産することができる。そのため、本発明は、リチウムイオン二次電池又はセラミックコンデンサーなど大量生産が要望されるデバイスに使用される微粒子製造装置及び微粒子製造方法として有用である。

１ 反応室
３ 微粒子回収部
４ 電極
４ａ 電極駆動装置
５（５−１，５−２，５−３，…,５−ｎ） 交流電源
１０ 材料供給装置
１１ 材料供給管
１２ 材料供給口
１３ 反応室壁
１４ ガス供給管
１５ ガス供給管
２０ 配管
２１ 圧力調整バルブ
２２ 循環ポンプ
２６ 流量調整器
２７ ガス供給装置
３０ 材料粒子
３１ アーク放電
３２ 微粒子
５１ インナーチャンバー
５１ａ 壁
５２ 板
５３ 板
５４ 貫通穴
１００ 制御装置
１１５ インナーチャンバーの外側の空間
１１６ インナーチャンバーの内側の空間
１５４ 隙間

Claims (9)

1. 真空チャンバーと、
   前記真空チャンバーに接続されて、材料の粒を前記真空チャンバー内に材料供給口から供給する材料供給装置と、
   前記真空チャンバーに配置して前記真空チャンバー内のプラズマ生成領域でプラズマを発生させる電極と、
   前記真空チャンバーに接続されて、前記真空チャンバーから排出された微粒子を回収する回収装置とを有し、
   前記真空チャンバー内で発生させた前記プラズマにより、前記材料供給装置から供給された前記材料から前記微粒子を製造する微粒子製造装置であって、
   前記真空チャンバーの壁と前記プラズマ生成領域との間に、前記真空チャンバーの前記壁との間に外側空間を設けるインナーチャンバーを設置し、さらに前記真空チャンバーの前記壁と前記インナーチャンバーの壁との間の前記外側空間にガスを供給するガス供給管を備えるとともに、
   前記インナーチャンバーの前記壁に前記電極が通過できる電極貫通穴を設け、前記真空チャンバーと前記インナーチャンバーとの間の前記外側空間に前記ガス供給管から導入した前記ガスを、前記電極と前記電極貫通穴との隙間から前記インナーチャンバーの内側の空間に導入する、微粒子製造装置。
2. 前記ガス供給管から前記外側空間に前記ガスを供給することで、前記真空チャンバーの前記壁と前記インナーチャンバーの前記壁との間の前記インナーチャンバーの前記外側空間の圧力が前記インナーチャンバーの内側の空間の圧力よりも高くしている、請求項１に記載の微粒子製造装置。
3. 前記真空チャンバーの前記壁の温度よりも前記インナーチャンバーの温度が高く、前記真空チャンバーと前記インナーチャンバーとの間に導入するガス温度より前記インナーチャンバー内に導入するガス温度が高い、請求項１又は２に記載の微粒子製造装置。
4. 前記プラズマを発生させる前記電極は、先端が前記真空チャンバー内に突出して前記プラズマを発生させる複数本の電極である、請求項１〜３のいずれか１つに記載の微粒子製造装置。
5. 前記プラズマを発生させる前記電極は、複数本の電極であって、
   前記複数本の電極にそれぞれ接続されて、其々、位相の異なる電力を供給する交流電源をさらに備えて、前記交流電源から前記複数本の電極のそれぞれに前記位相の異なる電力が供給されて、アーク放電を生成させて前記プラズマを発生させる、請求項１〜４のいずれか１つに記載の微粒子製造装置。
6. 前記インナーチャンバーが炭素材料からなる、請求項１〜５のいずれか１つに記載の微粒子製造装置。
7. 前記電極が炭素材料からなる、請求項１〜６のいずれか１つに記載の微粒子製造装置。
8. 真空チャンバーにガスを供給するとともに、前記真空チャンバーの壁と、前記真空チャンバーの前記壁とプラズマ生成領域との間に配置されたインナーチャンバーの壁と前記真空チャンバーの前記壁との間の外側空間にもガスを供給し、
   次いで、前記真空チャンバーに設置した電極により前記インナーチャンバーの内側の空間の前記プラズマ生成領域に熱プラズマを生成し、
   次いで、材料の粒が真空チャンバーに供給され、供給された前記材料の粒が前記生成された熱プラズマの生成領域中を通過するときに、蒸発又は気化して材料ガスとなり、
   さらに、前記材料ガスが前記熱プラズマの領域から抜けた瞬間、前記材料ガスが急激に冷やされて微粒子を生成する一方、
   前記ガス供給時に、前記外側空間に供給した前記ガスを、前記インナーチャンバーの前記壁に設けられて前記電極が通過できる電極貫通穴と前記電極との隙間から、前記インナーチャンバーの内側の空間に導入する、微粒子製造方法。
9. 前記電極は複数本の電極であり、
   前記熱プラズマは、位相が互いに異なる電力を交流電源から前記複数本の電極に其々供給して、パルス状に放電させるアーク放電である、請求項８に記載の微粒子製造方法。

Images