[发明专利]取向碳纳米管集合体的制造装置

说明书

技术领域

本发明涉及一边连续地输送负载有催化剂的基体材料，一边在基体材料上制造取向碳纳米管集合体的装置。

背景技术

碳纳米管(以下也称为CNT)是具有碳原子平面地配置为六边形而构成的碳片封闭成圆筒状的结构的碳结构体。该CNT包括多层CNT及单层CNT，但从其力学强度、光学特性、电气特性、热特性、分子吸附功能等方面来看，都在期待作为电子器件材料、光学元件材料、导电性材料等功能性材料的展现。

在CNT中，单层CNT由于电气特性(极高的电流密度)、热特性(与金刚石相匹敌的导热率)、光学特性(在光通信频带波长范围的发光)、储氢能力及金属催化剂负载能力等各种特性优异，并且具备半导体和金属两者的特性，因此作为纳米电子器件、纳米光学元件及贮能体等材料备受注目。

在这些用途中有效地利用CNT的情况下，优选多根CNT形成在特定方向取向并聚集在一起的束状、膜状或块状的集合体，其CNT集合体发挥电气、电子及光学等功能性。另外，期望CNT集合体的长度(高度)更大。可预测，如果创新研制这种取向后的CNT集合体，则CNT的应用领域将会飞速扩大。

已知化学气相沉积法(以下也称为CVD法)是上述CNT的制造方法之一(参照专利文献1等)。该方法的特征在于：在约500℃～1000℃的高温氛围气下使含有碳的气体(以下称为原料气体)与催化剂的金属微粒接触，从而能够在使催化剂的种类及配置、或碳化合物的种类及反应条件变化为各种方式的情况下制造CNT，作为适合大量制造CNT的方法备受注目。另外，该CVD法具备如下优点：能够制造单层碳纳米管(SWCNT)和多层碳纳米管(MWCNT)中的任意碳纳米管，并且通过使用负载有催化剂的基板，能够制造垂直于基板面取向的许多CNT。

CVD法中的CNT合成工序有时分成形成工序和生长工序这两个工序来进行。在该情况下，在形成工序中，负载于基板的金属催化剂通过暴露于高温的氢气(以下称为还原气体)而被还原，在其后的生长工序中，通过使含有催化剂活化物质的原料气体与催化剂接触，使CNT生长。

在通常的CVD法中，CNT的合成过程中产生的碳系杂质会包覆催化剂微粒，催化剂容易失活，CNT不能够高效地生长。因此，通常是在将CVD时的原料气体的体积分数抑制在0.1～1％左右的低碳浓度氛围气中进行合成。由于原料气体的供给量和CNT的制造量成正比，因此在尽可能高的碳浓度氛围气中进行合成会直接关联到制造效率的提高。

近年来，在CVD法中，提出了通过使水等催化剂活化物质与原料气体一同与催化剂接触而使催化剂的活性及寿命显著增大的技术(以下称为超生长法(super growth method)，参照非专利文献1)。认为催化剂活化物质具有除去包覆着催化剂微粒的碳系杂质而净化催化剂表面的效果，由此，可认为催化剂的活性显著提高，并且寿命延长。因此，即使在通常情况下导致催化剂失活那样的高碳浓度环境(CVD时的原料气体的体积分数为2～20％左右)的情况下，催化剂活性也不会丧失，从而成功地使CNT的制造效率显著提高。在负载有催化剂的基板上使用超生长法而合成的CNT具有如下特征：其比表面积高，一根一根的CNT形成沿规则的方向取向并聚集在一起的集合体，并且其体积密度低(以下称为取向CNT集合体)。

以往，CNT集合体是长径比非常高的一维细长且具有柔软性的物质，且因较强的范德瓦耳斯力而容易构成无秩序、无取向且比表面积小的集合体。而且，对于已经成为无秩序、无取向的集合体再次构筑取向性是极其困难的，因此难以实现具有成形加工性且具有高比表面积的取向性的CNT集合体的制造。但是，认为通过超生长法，能够实现比表面积高、具有取向性，且具有向各种形态/形状的成形加工性的取向CNT集合体的制造，作为物质/能量储存材料，能够应用于超级电容器的电极及具有指向性的导热/散热材料等各种用途。

以往，作为用于采用CVD法来实现CNT的连续制造的制造装置，提出了各种各样的方案，例如，提出了利用传送带、转台等输送装置以连续输送方式或连续批量方式对CNT进行连续制造的装置(参照专利文献2～6)。但是，在利用超生长法对取向CNT集合体进行连续制造时，可知会产生在现有的合成法中未发现的来自高碳环境下和/或催化剂活化物质等的特有的技术问题。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本国公开专利公报“特开2003-171108号公报(2003年6月17日公开)”

专利文献2：日本国公开专利公报“特开2004-332093号公报(2004年11月25日公开)”