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JP3991157B2 - Carbon nanotube production equipment - Google Patents

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JP3991157B2
JP3991157B2 JP2003209197A JP2003209197A JP3991157B2 JP 3991157 B2 JP3991157 B2 JP 3991157B2 JP 2003209197 A JP2003209197 A JP 2003209197A JP 2003209197 A JP2003209197 A JP 2003209197A JP 3991157 B2 JP3991157 B2 JP 3991157B2
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JP
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carbon nanotube
substrate
carbon nanotubes
plasma
thin film
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鉄也 井上
博之 大工
二朗 石辺
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Kanadevia Corp
Original Assignee
Hitachi Zosen Corp
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  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カーボンナノチューブの製造装置に関する。カーボンナノチューブは、カーボン原子が網目状に結合してできた極微細な単層または多層の筒(チューブ)状の物質である。カーボンナノチューブを用いた電子放出素子は、フィールドエミッション型フラットパネルディスプレイ(FED)や、X線源、電子線リソグラフィー、表示・照明器具、ガス分解装置、殺菌・消毒装置などに応用される。
【0002】
【従来の技術】
カーボンナノチューブは、シリコンやモリブデンで作られたスピント型エミッターやダイヤモンド薄膜などの従来の電子放出素材に比べて、電流密度、駆動電圧、頑健さ、寿命などの特性において総合的に優れており、FED用電子源として現在最も有望視されている。これは、カーボンナノチューブが大きなアスペクト比(長さと直径の比)と鋭い先端とを持ち、化学的に安定で機械的にも強靱であり、しかも、高温での安定性に優れているなど、電界放出素子の材料として有利な物理化学的性質を備えているからである。
【0003】
カーボンナノチューブの作製方法として、プラズマ化学蒸着法により基板表面にカーボンナノチューブを同表面に対し垂直に配向させて作製する方法が提案されている(特許文献1参照)。しかし、この方法で用いられるプラズマ化学蒸着装置は、最初は真空状態にしておき次いで原料ガスの加圧状態でカーボンナノチューブを成長させる真空・加圧室を備える必要がある。そのため、この装置は大規模なものとなり、真空・加圧室で一度に作製されるカーボンナノチューブ量は限られるため、大量生産には向かない。
【0004】
また、複数の基板が順次に載せられつつ回転するベルトと、前記ベルトを回転させる回転部と、前記ベルトの上に前記基板を順次に載置する積載部と、前記積載部に対向して設置され、前記ベルトの回転によって移動した基板を回収する回収部と、前記ベルトに沿って移動する基板上にカーボンナノチューブを合成させるための原料ガスを供給する原料ガス供給部と、前記ベルトの上に載置された基板を前記原料ガスの熱的反応のために加熱する基板加熱部と、前記原料ガスを排気する排気部とを備えた熱化学気相蒸着装置も提案されている(特許文献2参照)。しかし、この装置では、積載部は、回転するベルト上に基板を順次載せたり回収したりするロボットアームを備える必要があり、構造が複雑である。
【0005】
【特許文献1】
特開2001−48512号公報
【0006】
【特許文献2】
特開2001−234341号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記のような実状に鑑み、真空・加圧室や、基板積載用のロボットアームを設ける必要がなく、構造がシンプルで設備費が安価であるカーボンナノチューブ製造装置を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明による、カーボンナノチューブの製造装置は、駆動ドラムと従動ドラムによって回動され、かつ、隣接する多数の基板で構成された無端ベルトと、基板表面に触媒金属粒子からなる薄膜を形成する触媒薄膜形成部と、同形成部の下流に設けられ、かつ、薄膜上に化学蒸着法によりカーボンナノチューブを成長させるカーボンナノチューブ形成部とを備えたカーボンナノチューブの製造装置であって、カーボンナノチューブ形成部にプラズマ発生装置が設けられ、前記プラズマ発生装置は、同装置のフレームの底部に配され、かつ、メッシュ板または多孔板で構成された水平電極と、同電極上に立設された複数の垂直電極とからなることを特徴とするものである。
本発明装置において、プラズマ発生装置は、大気圧下でプラズマを発生させることが好ましい。
【0011】
本発明装置において、無端ベルトを構成する基板は好ましくはステンレス鋼製のものである。
【0012】
プラズマ発生装置の電極として、板状電極、棒状電極または針状電極を適宜選択使用することができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態について説明する。
【0014】
まず、基板表面に触媒金属粒子からなる薄膜を形成し、該薄膜の触媒粒子を核として薄膜上に化学蒸着法によりカーボンナノチューブを成長させるに当たり、薄膜上における化学蒸着法によるカーボンナノチューブの成長を、プラズマを用いて行う製造方法について、説明をする。
【0015】
基板表面に触媒金属粒子からなる薄膜を形成するには、触媒金属の化合物を含む液を超音波振動によりまたは超音波を伴ったスプレーにより基板表面に噴霧し、形成された噴霧層を加熱するのが好ましい。それ以外の方法として、触媒金属の化合物を含む液をスプレーや刷毛で基板に塗布した後、プラズマ照射または加熱する方法、同触媒をクラスター銃で打ち付け、乾燥させ、必要であれば加熱する方法、金属を化学蒸着させる方法、金属を基板に電子ビーム蒸着ししその後この塗膜または蒸着膜を加熱方法等が採用できる。触媒金属は、鉄、コバルト、ニッケルなどであり、例えば鉄カルボニル錯体(ペンタカルボニル鉄等)のような錯体の形態、金属アルコキシド(Fe(OEt)等)の形態等をとることができる。金属錯体や金属アルコキシドは溶液で供給されてもよい。溶媒はアセトン、アルコール等であってよい。溶液中の金属錯体や金属アルコキシドの濃度は例えば1〜5重量%であってよい。薄膜の厚みは、厚過ぎると加熱による金属粒子化が困難になるので、好ましくは1〜100nmである。
【0016】
次いでこの薄膜を好ましくは減圧下または非酸化雰囲気中で好ましくは650〜800℃に加熱すると、直径1〜50nm程度の金属触媒粒子が形成される。薄膜上に化学蒸着法によりカーボンナノチューブを成長させる工程では、原料ガスは通常はアセチレン(C)ガスであるが、メタンガス、エタンガスのような他の脂肪族炭化水素ガスであってもよい。アセチレンの場合、多層構造で太さ12〜38nmのカーボンナノチューブが基板表面にブラシ毛状に形成される。原料ガスはヘリウムやアルゴン、キセノンのような不活性ガスで希釈された状態で原料ガス供給管を経て反応ゾーンに供給してもよい。ガス供給は連続的に行っても断続的に行ってもよい。化学蒸着法の操作条件は、好ましくは、大気圧下で、温度650〜800℃、時間1〜10分である。
【0017】
カーボンナノチューブの成長工程において発生させるプラズマは、例えば高周波電源または直流電源による大気圧プラズマであり、遷移プラズマからアークプラズマの範囲のものであることが好ましい。原料ガスの希釈ガスがアルゴンである場合、基板の下からプラズマを上向きに発生させ、ヘリウムの場合は基板の上から下向きに発生させるのが好ましい。成長させるカーボンナノチューブの長さおよび太さは、プラズマ発生に要する消費電力、原料ガスと希釈ガスの混合ガスの供給量、原料ガスと希釈ガスの混合割合、カーボンナノチューブ形成操作時間などにより制御することができる。
【0018】
プラズマの発生方法および条件は、常法に従ってよい。プラズマ発生ガスとしては、アルゴン、ヘリウム、キセノン等の不活性ガスがよく用いられる。電極とカーボンナノチューブの距離は、1mm以下、好ましくは100〜400μmである。高周波電力は好ましくは500〜1000Wである。
【0019】
上記方法により製造されたカーボンナノチューブを用いた電子放出素子はFEDの素子として特に好適である。
【0020】
カーボンナノチューブの長さは好ましくは1〜10μm、直径は好ましくは20〜30nm、カーボンナノチューブ相互間の間隔は好ましくは100〜150nmである。
【0021】
つぎに、駆動ドラムと従動ドラムによって回動される無端ベルトと、同ベルトを構成する多数の基板の表面に触媒金属粒子からなる薄膜を形成する触媒薄膜形成部と、同形成部の下流に設けられ、かつ、薄膜上に化学蒸着法によりカーボンナノチューブを成長させるカーボンナノチューブ形成部とを備えた本発明カーボンナノチューブ製造装置について、説明をする。本発明によるカーボンナノチューブの製造装置では、カーボンナノチューブ形成部にプラズマ発生装置が設けられている。
【0022】
無端ベルトは、隣接する多数の基板で構成されている。基板は、触媒粒子を支持するものであればよく、触媒粒子が濡れにくいものが好ましく、シリコン基板やガラス基板、ステンレス鋼基板であってよい。好ましくはステンレス鋼で構成されたものである。基板はアースされていることが好ましい。
【0023】
触媒薄膜形成部は、触媒金属の化合物を含む液を貯えるタンクと、タンク内に設けられた超音波発振器または超音波発振器とスプレー装置と、基板表面に形成された噴霧層を加熱するヒータとを具備する。触媒薄膜形成部と基板との間にスリットやメッシュからなるマスク板を介在させることもできる。マスク板により噴霧滴をより微細なものとすることができる。
【0024】
カーボンナノチューブ形成部は、プラズマ発生装置と、化学蒸着用のヒータと、プラズマ発生装置へカーボンナノチューブの原料ガスを送るガス供給管とを具備する。プラズマ発生装置は、基板に平行に配されたメッシュ板からなるメッシュ電極を備える。このメッシュ電極は原料ガスと希釈ガスの混合ガスを電極全体に均一に通過させることができる。プラズマ発生装置は、同装置のフレームの底部に配され、かつ、メッシュ板または多孔板で構成された水平電極と、同電極上に立設された複数の垂直電極とを具備するものであってもよい。この電極構成では、垂直電極は平行状に立設された複数の板状体、複数の棒状体、複数の針状物等であってよい。複数の板状体、複数の棒状体、複数の針状物等は、整列配置されていることが好ましい。このような形状の垂直電極を適宜に選択することにより、カーボンナノチューブを基板の必要部分のみに設けることができる。
【0025】
プラズマは、例えば高周波電源または直流電源による大気圧プラズマであってよい。基板と電極の間でのプラズマ点弧に高周波電力を用いプラズマ発生後は高周波電力を直流電力に切り替え、プラズマを維持ないし制御することも好ましい。基板がアースされている場合、プラズマは遷移プラズマからアークプラズマの範囲のものである。
【0026】
原料ガス、例えばアセチレンガスはヘリウムやアルゴン、キセノンのような不活性ガスで希釈された状態で原料ガス供給管を経てプラズマ発生装置に供給される。原料ガスの希釈ガスがアルゴンである場合、プラズマ発生装置は基板の下に配され、プラズマは上向きに発生される。ヘリウムの場合はプラズマ発生装置は基板の上に配され、プラズマは下向きに発生される。
【0027】
本発明によるカーボンナノチューブの製造装置は、好ましくは、カーボンナノチューブ形成部の下流に、無端ベルトを構成する基板からカーボンナノチューブを剥離するカーボンナノチューブ剥離部、同剥離部の下流に設けられた基板浄化部を備える。カーボンナノチューブ剥離部は、例えば、基板からカーボンナノチューブを剥離するスクレーバと、剥離されたカーボンナノチューブを回収する吸引装置とを具備する。
【0028】
基板浄化部は、例えば、カーボンナノチューブ剥離後の基板表面を洗浄する複数のブラシと、その下流に配されたクリーニングロールとを具備する。
【0029】
駆動ドラムは駆動モータにより駆動され、無端ベルトは間欠的に回動される。無端ベルトの停止時に上記操作によりカーボンナノチューブが成長させられる。
【0030】
つぎに、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
【0031】
実施例1
図1において、本発明によるカーボンナノチューブの製造装置は、駆動ドラム(1) と従動ドラム(2) によって回動される無端ベルト(3) と、同ベルト(3) を構成する多数の隣接する基板と、基板表面に触媒金属粒子からなる薄膜を形成する触媒薄膜形成部(4) と、同形成部(4) の下流に設けられ、かつ、薄膜上に化学蒸着法によりカーボンナノチューブを成長させるカーボンナノチューブ形成部(5) と、同形成部(5) の下流に設けられ、基板からカーボンナノチューブを剥離するカーボンナノチューブ剥離部(6) と、同剥離部(6) の下流に設けられた基板浄化部(7) とを備える。
【0032】
無端ベルト(3) を構成する基板は、厚さ0.5mmのステンレス鋼板製のものであり、駆動ドラム(1) を介してアースされている。駆動ドラム(1) は、製造装置のチャンバー(21)の底部一端部に立設された駆動側支柱(18)にテンションバネ(19)で引き寄せられ、熱で伸びた無端ベルト(3) は同バネ(19)によってテンションを与えられる。従動ドラム(2) は、チャンバー(21)の底部他端部に立設された従動側支柱(20)の頂部に取付けられている。
【0033】
触媒薄膜形成部(4) は、触媒金属化合物含有液を貯えるタンク(8) と、タンク内に設けられた超音波発振器(9) と、基板表面に形成された噴霧層を加熱するコイルヒータ(10)とを具備する。
【0034】
カーボンナノチューブ形成部(5) は、プラズマ発生装置(11)と同装置(11)に接続された高周波電源(22)と、化学蒸着用の複数のヒータ(12)と、プラズマ発生装置(11)へカーボンナノチューブの原料ガスを送るガス供給管(13)とを具備する。プラズマ発生装置(11)は、基板に平行に配されたメッシュ板からなるメッシュ電極(15)を備える。このメッシュ電極は原料ガスと希釈ガスの混合ガスを電極全体に均一に通過させることができる。
【0035】
図2はプラズマ発生装置の変形例を示すものである。この例では、プラズマ発生装置(28)は、垂直角筒状のフレーム(14)と、フレーム(14)内底部に配され、かつメッシュ板で構成された水平電極(16)と、同電極(16)上に立設された複数の垂直電極(17)とを具備する。水平電極(16)は基板に平行であり、複数の垂直電極(17)は基板の移動方向に沿い、かつ互いに所定間隔で平行である(すなわち整列配置された)板状電極である。メッシュ板で構成された水平電極(16)は原料ガスと希釈ガスの混合ガスを電極全体に均一に通過させ、複数の垂直電極によりカーボンナノチューブを基板の必要部分のみに設けることができる。
【0036】
原料ガスはアセチレンガスで、これはアルゴンガスで希釈された状態で(アセチレンガス:アルゴンガス1:9)、原料ガス供給管(13)を経てプラズマ発生装置(11)に供給される。ガス供給量はバルブ(23)によって調節される。
【0037】
カーボンナノチューブ剥離部(6) は、基板からカーボンナノチューブを剥離するスクレーバ(24)と、剥離されたカーボンナノチューブを回収する吸引装置(25)とを具備する。
【0038】
基板浄化部(7) は、カーボンナノチューブ剥離後の基板表面を洗浄する複数のブラシ(26)と、その下流に配されたクリーニングロール(27)とを具備する。
【0039】
駆動ドラム(1) は駆動モータにより駆動され、無端ベルト(3) が回動され、本発明によるは製造装置は連続駆動される。
【0040】
上記構成のカーボンナノチューブ製造装置において、駆動ドラム(1) と従動ドラム(2) によって無端ベルト(3) を送り速度12m/hで回動された。
【0041】
触媒薄膜形成部(4) において、タンク(8) 内のFe(OEt) の3重量%アセトン溶液を超音波発振器(9) によって基板の下面に噴霧し、形成された噴霧層をコイルヒータ(10)によって温度220℃に加熱した。こうして、基板に触媒金属粒子からなる薄膜を形成する。
【0042】
薄膜の触媒粒子を核として薄膜上に化学蒸着法によりカーボンナノチューブを成長させるカーボンナノチューブ形成部(5) において、原料ガスはアセチレンガスで、これをアルゴンガスで希釈した状態で(アセチレンガス:アルゴンガス1:9)、原料ガス供給管(13)を経てプラズマ発生装置(11)に連続的に流量30ml/minで供給する。基板をコイルヒータ(12)によって加熱する。プラズマ発生装置(11)に高周波電源(22)によって500wの電力を与えて、大気圧プラズマを発生させた。
【0043】
プラズマ発生装置(11)で発生されるプラズマは、高周波電源による大気圧プラズマである。基板は上述のようにアースされているので、発生するプラズマは遷移プラズマからアークプラズマの範囲のものである(図3参照)。高周波電源(22)はマッチング回路を含み、これもアースされている。
【0044】
化学蒸着法の操作条件は、大気圧下で、温度720℃、時間5分とした。
【0045】
この操作により触媒薄膜は粒子化し、得られた触媒粒子を核としてブラシ状カーボンナノチューブが生成し、徐々に成長した。成長したカーボンナノチューブは、太さ10〜30nmの多層構造であり、長さは5μmであった。
【0046】
こうして基板表面に成長したカーボンナノチューブをカーボンナノチューブ剥離部(6) のスクレーバ(24)によって掻き落として、これを吸引装置(25)で回収した。その後、カーボンナノチューブ剥離後の基板表面を基板浄化部(7) の複数のブラシ(26)で擦って洗い、その下流にてクリーニングロール(27)で清浄化した。
【0048】
【発明の効果】
発明によるカーボンナノチューブ製造装置では、カーボンナノチューブは、隣接する多数の基板で構成された無端ベルト上に直接成長させられるので、基板の積載および回収用の装置を設ける必要がなく、構造がシンプルで安価なカーボンナノチューブ製造装置が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施例1の工程を示すフローシートである。
【図2】 実施例2の工程を示すフローシートである。
【図3】 放電電流と電極間電極の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
(1): 駆動ドラム
(2): 従動ドラム
(3): 無端ベルト
(4): 触媒薄膜形成部
(5): カーボンナノチューブ形成部
(6): カーボンナノチューブ剥離部
(7): 基板浄化部
(8): タンク
(9): 超音波発振器
(10):コイルヒータ
(11):プラズマ発生装置
(12):ヒータ
(13):ガス供給管
(14):フレーム
(15):メッシュ電極
(16):水平電極
(17):垂直電極
(21):チャンバー
(22):高周波電源
(24):スクレーバ
(25):吸引装置
(26):ブラシ
(27):クリーニングロール
(28):プラズマ発生装置
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a manufacturing apparatus of carbon nanotubes. A carbon nanotube is a very fine single-layer or multi-layered tube (tube) substance formed by bonding carbon atoms in a network. An electron-emitting device using carbon nanotubes is applied to a field emission flat panel display (FED), an X-ray source, electron beam lithography, a display / lighting device, a gas decomposition apparatus, a sterilization / disinfection apparatus, and the like.
[0002]
[Prior art]
Compared with conventional electron emission materials such as Spindt-type emitters and diamond thin films made of silicon or molybdenum, carbon nanotubes are comprehensively superior in characteristics such as current density, drive voltage, robustness, and lifetime. It is currently the most promising electron source. This is because carbon nanotubes have a large aspect ratio (length-to-diameter ratio) and sharp tip, are chemically stable and mechanically tough, and have excellent stability at high temperatures. This is because it has advantageous physicochemical properties as a material for the emitting element.
[0003]
As a method for producing carbon nanotubes, a method in which carbon nanotubes are oriented perpendicular to the surface of the substrate by plasma chemical vapor deposition has been proposed (see Patent Document 1). However, the plasma chemical vapor deposition apparatus used in this method needs to be provided with a vacuum / pressurizing chamber in which a carbon nanotube is first grown in a vacuum state and then grown in a pressurized state of the raw material gas. Therefore, this apparatus becomes a large-scale apparatus, and the amount of carbon nanotubes produced at a time in a vacuum / pressurization chamber is limited, which is not suitable for mass production.
[0004]
In addition, a belt that rotates while a plurality of substrates are sequentially placed thereon, a rotating unit that rotates the belt, a stacking unit that sequentially mounts the substrates on the belt, and a mounting unit that faces the stacking unit A recovery unit for recovering the substrate moved by the rotation of the belt, a source gas supply unit for supplying a source gas for synthesizing the carbon nanotubes on the substrate moving along the belt, and on the belt There has also been proposed a thermal chemical vapor deposition apparatus including a substrate heating unit that heats a placed substrate for a thermal reaction of the source gas and an exhaust unit that exhausts the source gas (Patent Document 2). reference). However, in this apparatus, the stacking unit needs to include a robot arm that sequentially loads and collects substrates on a rotating belt, and the structure is complicated.
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2001-48512
[Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 2001-234341
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention has been made in view of the circumstances described above, provides or vacuum-pressure chamber, there is no need to provide a robot arm for substrate loading, carbon nanotube production equipment installation cost is inexpensive structure is simple There is to do.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
An apparatus for producing carbon nanotubes according to the present invention includes a catalyst thin film that is rotated by a driving drum and a driven drum and that is formed of an endless belt composed of a large number of adjacent substrates, and a thin film made of catalytic metal particles on the substrate surface. An apparatus for producing a carbon nanotube, comprising: a forming part; and a carbon nanotube forming part that is provided downstream of the forming part and grows carbon nanotubes on a thin film by chemical vapor deposition. A generating device , the plasma generating device is arranged at the bottom of the frame of the device, and is composed of a horizontal electrode made of a mesh plate or a perforated plate, and a plurality of vertical electrodes erected on the electrode it is made of is characterized in.
In the device of the present invention, the plasma generator preferably generates plasma under atmospheric pressure.
[0011]
In the apparatus of the present invention, the substrate constituting the endless belt is preferably made of stainless steel.
[0012]
As an electrode of the plasma generator, a plate-like electrode, a rod-like electrode or a needle-like electrode can be appropriately selected and used.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
[0014]
First, a thin film made of catalytic metal particles is formed on the surface of the substrate, and carbon nanotubes are grown on the thin film by chemical vapor deposition using the catalyst particles of the thin film as nuclei. for line cormorant Manufacturing method using a plasma, it will be described.
[0015]
In order to form a thin film made of catalytic metal particles on the substrate surface, a liquid containing a catalyst metal compound is sprayed on the substrate surface by ultrasonic vibration or by spraying with ultrasonic waves, and the formed spray layer is heated. Is preferred. As other methods, after applying a liquid containing a catalyst metal compound to the substrate with a spray or brush, a method of plasma irradiation or heating, a method of striking the catalyst with a cluster gun, drying, and heating if necessary, A method of chemical vapor deposition of metal, a method of heating the coating film or vapor deposition film after depositing metal on a substrate by electron beam can be employed. The catalyst metal is iron, cobalt, nickel, and the like, and can take the form of a complex such as an iron carbonyl complex (pentacarbonyliron or the like), a metal alkoxide (Fe (OEt) 3 or the like), or the like. The metal complex or metal alkoxide may be supplied in a solution. The solvent may be acetone, alcohol or the like. The concentration of the metal complex or metal alkoxide in the solution may be, for example, 1 to 5% by weight. The thickness of the thin film is preferably 1 to 100 nm because it is difficult to form metal particles by heating if it is too thick.
[0016]
Next, when this thin film is heated preferably at 650 to 800 ° C., preferably under reduced pressure or in a non-oxidizing atmosphere, metal catalyst particles having a diameter of about 1 to 50 nm are formed. In the process of growing carbon nanotubes on a thin film by chemical vapor deposition, the source gas is usually acetylene (C 2 H 2 ) gas, but may be other aliphatic hydrocarbon gas such as methane gas or ethane gas. . In the case of acetylene, carbon nanotubes having a multilayer structure and a thickness of 12 to 38 nm are formed in the shape of brush hairs on the substrate surface. The source gas may be supplied to the reaction zone through a source gas supply pipe in a state diluted with an inert gas such as helium, argon or xenon. The gas supply may be performed continuously or intermittently. The operating conditions of the chemical vapor deposition method are preferably a temperature of 650 to 800 ° C. and a time of 1 to 10 minutes under atmospheric pressure.
[0017]
The plasma generated in the carbon nanotube growth process is, for example, atmospheric pressure plasma generated by a high frequency power source or a direct current power source, and is preferably in the range of transition plasma to arc plasma. When the diluting gas of the source gas is argon, it is preferable to generate the plasma upward from the bottom of the substrate, and for helium, the plasma is generated downward from the top of the substrate. The length and thickness of the carbon nanotubes to be grown are controlled by the power consumption required for plasma generation, the supply amount of the mixed gas of the source gas and the dilution gas, the mixing ratio of the source gas and the dilution gas, the carbon nanotube formation operation time, etc. Can do.
[0018]
The plasma generation method and conditions may be in accordance with conventional methods. As the plasma generating gas, an inert gas such as argon, helium or xenon is often used. The distance between the electrode and the carbon nanotube is 1 mm or less, preferably 100 to 400 μm. The high frequency power is preferably 500 to 1000 W.
[0019]
An electron-emitting device using carbon nanotubes manufactured by the above method is particularly suitable as an FED device.
[0020]
The length of the carbon nanotube is preferably 1 to 10 μm, the diameter is preferably 20 to 30 nm, and the distance between the carbon nanotubes is preferably 100 to 150 nm.
[0021]
Next, an endless belt rotated by a driving drum and a driven drum, a catalyst thin film forming portion for forming a thin film made of catalytic metal particles on the surface of a large number of substrates constituting the belt, and a downstream of the forming portion are provided. The carbon nanotube manufacturing apparatus of the present invention provided with a carbon nanotube forming part for growing carbon nanotubes on a thin film by chemical vapor deposition will be described. In the carbon nanotube production apparatus according to the present invention, a plasma generator is provided in the carbon nanotube formation portion.
[0022]
The endless belt is composed of a large number of adjacent substrates. The substrate is not particularly limited as long as it supports the catalyst particles, and is preferably one in which the catalyst particles are not easily wetted, and may be a silicon substrate, a glass substrate, or a stainless steel substrate. Preferably, it is made of stainless steel. The substrate is preferably grounded.
[0023]
The catalyst thin film forming section includes a tank for storing a liquid containing a catalyst metal compound, an ultrasonic oscillator or an ultrasonic oscillator provided in the tank, a spray device, and a heater for heating the spray layer formed on the substrate surface. It has. A mask plate made of a slit or mesh may be interposed between the catalyst thin film forming portion and the substrate. The spray droplets can be made finer by the mask plate.
[0024]
The carbon nanotube forming unit includes a plasma generator, a heater for chemical vapor deposition, and a gas supply pipe that feeds a raw material gas of carbon nanotubes to the plasma generator. The plasma generator includes a mesh electrode made of a mesh plate arranged in parallel with the substrate. This mesh electrode can uniformly pass the mixed gas of the source gas and the dilution gas through the entire electrode. The plasma generator comprises a horizontal electrode arranged on the bottom of the frame of the apparatus and made up of a mesh plate or a perforated plate, and a plurality of vertical electrodes standing on the electrode. Also good. In this electrode configuration, the vertical electrode may be a plurality of plate-like bodies, a plurality of rod-like bodies, a plurality of needle-like objects and the like standing in parallel. The plurality of plate-like bodies, the plurality of rod-like bodies, the plurality of needle-like objects and the like are preferably arranged in an aligned manner. By appropriately selecting the vertical electrode having such a shape, the carbon nanotubes can be provided only on a necessary portion of the substrate.
[0025]
The plasma may be atmospheric pressure plasma by a high frequency power source or a DC power source, for example. It is also preferable to maintain or control the plasma by using high frequency power for plasma ignition between the substrate and the electrode and switching the high frequency power to DC power after the plasma is generated. If the substrate is grounded, the plasma is in the range of transition plasma to arc plasma.
[0026]
A source gas such as acetylene gas is supplied to the plasma generator through a source gas supply pipe in a state diluted with an inert gas such as helium, argon or xenon. When the dilution gas of the source gas is argon, the plasma generator is disposed under the substrate, and the plasma is generated upward. In the case of helium, the plasma generator is disposed on the substrate, and the plasma is generated downward.
[0027]
The apparatus for producing carbon nanotubes according to the present invention is preferably a carbon nanotube peeling part for peeling carbon nanotubes from a substrate constituting an endless belt downstream of the carbon nanotube forming part, and a substrate purification part provided downstream of the peeling part Is provided. The carbon nanotube peeling unit includes, for example, a scraper that peels carbon nanotubes from a substrate, and a suction device that collects the peeled carbon nanotubes.
[0028]
The substrate purification unit includes, for example, a plurality of brushes that clean the surface of the substrate after the separation of the carbon nanotubes, and a cleaning roll disposed downstream thereof.
[0029]
The drive drum is driven by a drive motor, and the endless belt is rotated intermittently. The carbon nanotubes are grown by the above operation when the endless belt is stopped.
[0030]
Next, the present invention will be specifically described based on examples.
[0031]
Example 1
In FIG. 1, an apparatus for producing carbon nanotubes according to the present invention comprises an endless belt (3) rotated by a drive drum (1) and a driven drum (2), and a number of adjacent substrates constituting the belt (3). And a catalyst thin film forming part (4) for forming a thin film made of catalytic metal particles on the substrate surface, and a carbon that is provided downstream of the formation part (4) and that grows carbon nanotubes on the thin film by chemical vapor deposition. Nanotube forming part (5), carbon nanotube separating part (6) provided downstream of the forming part (5), for peeling carbon nanotubes from the substrate, and substrate purification provided downstream of the separating part (6) Part (7).
[0032]
The substrate constituting the endless belt (3) is made of a stainless steel plate having a thickness of 0.5 mm, and is grounded via the drive drum (1). The drive drum (1) is drawn by a tension spring (19) to a drive-side column (18) erected on one end of the bottom of the chamber (21) of the manufacturing apparatus, and the endless belt (3) stretched by heat is the same. Tension is applied by a spring (19). The driven drum (2) is attached to the top of the driven column (20) that is erected on the other end of the bottom of the chamber (21).
[0033]
The catalyst thin film forming section (4) includes a tank (8) for storing the catalyst metal compound-containing liquid, an ultrasonic oscillator (9) provided in the tank, and a coil heater (for heating the spray layer formed on the substrate surface). 10).
[0034]
The carbon nanotube forming part (5) includes a plasma generator (11), a high-frequency power source (22) connected to the apparatus (11), a plurality of heaters (12) for chemical vapor deposition, and a plasma generator (11). And a gas supply pipe (13) for feeding a raw material gas of carbon nanotubes. The plasma generator (11) includes a mesh electrode (15) made of a mesh plate arranged in parallel with the substrate. This mesh electrode can uniformly pass the mixed gas of the source gas and the dilution gas through the entire electrode.
[0035]
FIG. 2 shows a modification of the plasma generator. In this example, the plasma generator (28) includes a vertical rectangular frame (14), a horizontal electrode (16) arranged on the inner bottom of the frame (14) and made of a mesh plate, and the same electrode ( 16) A plurality of vertical electrodes (17) erected on the top. The horizontal electrodes (16) are parallel to the substrate, and the plurality of vertical electrodes (17) are plate-like electrodes that are parallel to the moving direction of the substrate and parallel to each other at a predetermined interval (that is, aligned). The horizontal electrode (16) formed of a mesh plate allows the mixed gas of the source gas and the dilution gas to pass uniformly through the entire electrode, and the carbon nanotubes can be provided only in the necessary portion of the substrate by the plurality of vertical electrodes.
[0036]
The source gas is acetylene gas, which is diluted with argon gas (acetylene gas: argon gas 1: 9) and is supplied to the plasma generator (11) through the source gas supply pipe (13). The gas supply amount is adjusted by a valve (23).
[0037]
The carbon nanotube peeling part (6) includes a scraper (24) for peeling the carbon nanotubes from the substrate, and a suction device (25) for collecting the peeled carbon nanotubes.
[0038]
The substrate purification unit (7) includes a plurality of brushes (26) for cleaning the substrate surface after carbon nanotube separation, and a cleaning roll (27) disposed downstream thereof.
[0039]
The drive drum (1) is driven by a drive motor, the endless belt (3) is rotated, and the manufacturing apparatus according to the present invention is continuously driven.
[0040]
In the carbon nanotube production apparatus configured as described above, the endless belt (3) was rotated at a feed speed of 12 m / h by the driving drum (1) and the driven drum (2).
[0041]
In the catalyst thin film forming section (4), a 3 wt% acetone solution of Fe (OEt) 3 in the tank (8) is sprayed onto the lower surface of the substrate by the ultrasonic oscillator (9), and the formed spray layer is applied to the coil heater ( 10) heated to a temperature of 220 ° C. Thus, a thin film made of catalytic metal particles is formed on the substrate.
[0042]
In the carbon nanotube formation part (5) where carbon nanotubes are grown on the thin film by chemical vapor deposition using the catalyst particles of the thin film as nuclei, the raw material gas is acetylene gas, which is diluted with argon gas (acetylene gas: argon gas) 1: 9), and continuously supplied to the plasma generator (11) through the source gas supply pipe (13) at a flow rate of 30 ml / min. The substrate is heated by a coil heater (12). The plasma generator (11) was supplied with 500 w of power from the high frequency power source (22) to generate atmospheric pressure plasma.
[0043]
The plasma generated by the plasma generator (11) is atmospheric pressure plasma from a high frequency power source. Since the substrate is grounded as described above, the generated plasma is in the range of transition plasma to arc plasma (see FIG. 3). The high frequency power source (22) includes a matching circuit, which is also grounded.
[0044]
The operating conditions of the chemical vapor deposition method were set to a temperature of 720 ° C. and a time of 5 minutes under atmospheric pressure.
[0045]
By this operation, the catalyst thin film was made into particles, and brush-like carbon nanotubes were generated using the obtained catalyst particles as nuclei and gradually grown. The grown carbon nanotubes had a multilayer structure with a thickness of 10 to 30 nm and a length of 5 μm.
[0046]
The carbon nanotubes thus grown on the substrate surface were scraped off by the scraper (24) of the carbon nanotube peeling part (6), and this was collected by the suction device (25). Thereafter, the substrate surface after carbon nanotube peeling was washed by rubbing with a plurality of brushes (26) of the substrate purification section (7), and then cleaned with a cleaning roll (27) downstream thereof.
[0048]
【The invention's effect】
In the carbon nanotube production apparatus according to the present invention, since carbon nanotubes are directly grown on an endless belt composed of a large number of adjacent substrates, there is no need to provide a device for loading and collecting substrates, and the structure is simple. An inexpensive carbon nanotube production apparatus can be provided.
[Brief description of the drawings]
1 is a flow sheet showing steps of Example 1. FIG.
FIG. 2 is a flow sheet showing steps of Example 2.
FIG. 3 is a graph showing a relationship between a discharge current and an interelectrode electrode.
[Explanation of symbols]
(1): Driving drum
(2): Followed drum
(3): Endless belt
(4): Catalyst thin film formation part
(5): Carbon nanotube formation part
(6): Carbon nanotube peeling part
(7): Substrate purification unit
(8): Tank
(9): Ultrasonic oscillator
(10): Coil heater
(11): Plasma generator
(12): Heater
(13): Gas supply pipe
(14): Frame
(15): Mesh electrode
(16): Horizontal electrode
(17): Vertical electrode
(21): Chamber
(22): High frequency power supply
(24): Scraper
(25): Suction device
(26): Brush
(27): Cleaning roll
(28): Plasma generator

Claims (2)

駆動ドラムと従動ドラムによって回動され、かつ、隣接する多数の基板で構成された無端ベルトと、基板表面に触媒金属粒子からなる薄膜を形成する触媒薄膜形成部と、同形成部の下流に設けられ、かつ、薄膜上に化学蒸着法によりカーボンナノチューブを成長させるカーボンナノチューブ形成部とを備えたカーボンナノチューブの製造装置であって、
カーボンナノチューブ形成部にプラズマ発生装置が設けられ、前記プラズマ発生装置は、同装置のフレームの底部に配され、かつ、メッシュ板または多孔板で構成された水平電極と、同電極上に立設された複数の垂直電極とから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。
Provided downstream of the endless belt, which is rotated by a driving drum and a driven drum and is composed of a large number of adjacent substrates, a catalyst thin film forming portion for forming a thin film made of catalytic metal particles on the substrate surface And a carbon nanotube production apparatus comprising a carbon nanotube forming part for growing carbon nanotubes on a thin film by chemical vapor deposition,
A plasma generating device is provided in the carbon nanotube forming portion, and the plasma generating device is arranged on the bottom of the frame of the device and is erected on the same electrode as a horizontal electrode made of a mesh plate or a porous plate. An apparatus for producing carbon nanotubes, comprising a plurality of vertical electrodes .
前記プラズマ発生装置は、大気圧下でプラズマを発生させ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。The apparatus for producing carbon nanotubes according to claim 1, wherein the plasma generator generates plasma under atmospheric pressure.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100593423B1 (en) * 2005-05-26 2006-06-30 주식회사 비코 Mass synthesis device for mass production of carbon nanotubes
JP4936349B2 (en) * 2005-06-01 2012-05-23 地方独立行政法人 東京都立産業技術研究センター Method for producing metal-encapsulated carbon nanocapsules
WO2007055744A2 (en) * 2005-06-28 2007-05-18 The Board Of Regents Of The University Of Oklahoma Methods for growing and harvesting carbon nanotubes
JP2007091556A (en) * 2005-09-30 2007-04-12 Hitachi Zosen Corp Continuous production equipment for carbon-based thin films
JP4976415B2 (en) 2005-11-29 2012-07-18 錦湖石油化學 株式會▲社▼ Carbon nanotube production system and production method thereof
KR100721718B1 (en) 2005-11-29 2007-05-25 세메스 주식회사 Carbon Nanotube Production Equipment and Methods
KR20070073396A (en) * 2006-01-05 2007-07-10 세메스 주식회사 Reaction chamber used to produce carbon nanotubes and how to produce carbon nanotubes
JP5309317B2 (en) * 2006-09-08 2013-10-09 古河電気工業株式会社 Method and apparatus for producing carbon nanostructure
JP2010013319A (en) * 2008-07-03 2010-01-21 Toshiba Corp Apparatus for producing nanocarbon
JP4940190B2 (en) * 2008-07-03 2012-05-30 株式会社東芝 Carbon nanotube production equipment
JP5388776B2 (en) * 2009-09-25 2014-01-15 日立造船株式会社 Carbon nanotube production substrate holder
JP5546258B2 (en) * 2010-01-22 2014-07-09 日立造船株式会社 CVD device for carbon nanotube formation
JP2011148658A (en) * 2010-01-22 2011-08-04 Hitachi Zosen Corp Thermal cvd apparatus
JP2013001598A (en) * 2011-06-16 2013-01-07 Hitachi Zosen Corp Method and apparatus for manufacturing substrate for producing carbon nanotube
JP5980327B2 (en) * 2011-07-28 2016-08-31 ナノコンプ テクノロジーズ,インク. System and method for nanoscale oriented carbon nanotubes
JP5617804B2 (en) * 2011-09-28 2014-11-05 日本ゼオン株式会社 Blade and peeling device
JP5426643B2 (en) * 2011-12-05 2014-02-26 株式会社東芝 Nanocarbon production equipment
JP6059089B2 (en) * 2013-06-07 2017-01-11 株式会社フジクラ Carbon nanofiber aggregate manufacturing method and manufacturing apparatus, and conductive wire manufacturing method and manufacturing apparatus
JP6604759B2 (en) * 2015-07-10 2019-11-13 日立造船株式会社 Carbon nanotube web manufacturing method, carbon nanotube aggregate manufacturing method, and carbon nanotube web manufacturing apparatus
CN107057278B (en) * 2016-11-25 2023-07-14 深圳前海量子翼纳米碳科技有限公司 Preparation device and preparation method for preparing carbon nano tube film composite material in one step
JP7284149B2 (en) * 2017-08-22 2023-05-30 インサーマ コーポレーション Method and apparatus for synthesis of carbon nanotubes
KR20230121940A (en) 2017-08-22 2023-08-21 테르마 코퍼레이션 Graphene nanoribbons, graphene nanoplatelets and mixtures thereof and methods of synthesis
JP7200019B2 (en) * 2019-03-20 2023-01-06 日立造船株式会社 Peeling device and peeling method
JP7420602B2 (en) * 2020-03-12 2024-01-23 日立造船株式会社 Carbon nanotube dispersion manufacturing method, carbon nanotube sheet manufacturing method, carbon nanotube wire manufacturing method, carbon nanotube dispersion, and carbon nanotube dispersion manufacturing apparatus

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