特許 5909826 カーボンナノ構造体の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5909826

(24)【登録日】2016年4月8日

(45)【発行日】2016年4月27日

(54)【発明の名称】カーボンナノ構造体の製造方法

(51)【国際特許分類】

   C01B 31/02 20060101AFI20160414BHJP

   B82Y 40/00 20110101ALI20160414BHJP

【ＦＩ】

   C01B31/02 101F

   B82Y40/00

【請求項の数】8

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2012-109661(P2012-109661)

(22)【出願日】2012年5月11日

(65)【公開番号】特開2013-237572(P2013-237572A)

(43)【公開日】2013年11月28日

【審査請求日】2015年3月18日

(73)【特許権者】

【識別番号】000002130

【氏名又は名称】住友電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】特許業務法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】日方 威

(72)【発明者】

【氏名】大久保 総一郎

(72)【発明者】

【氏名】宇都宮 里佐

(72)【発明者】

【氏名】東 勇吾

【審査官】 塩谷 領大

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２００９／１２８９８７（ＷＯ，Ａ２）

【文献】 特開２００５−３３０１７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００７−５０９８３１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ０１Ｂ ３１／００−３１／３６

Ｂ８２Ｙ ４０／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

触媒を含む触媒部材と、分離部材とが接触または一体化したベース体を準備する工程と、
前記ベース体において前記触媒部材と前記分離部材との接触部または一体化した部位の少なくとも一部を酸化する工程と、
炭素を含有する原料ガスを前記触媒部材および／または前記分離部材に接触させる工程と、
前記触媒部材から前記分離部材を分離しつつ前記ベース体を加熱することにより、前記触媒部材と前記分離部材との分離界面領域にカーボンナノ構造体を成長させる工程とを備え、
前記ベース体を準備する工程では、前記ベース体として触媒からなる単一部材を準備し、
前記酸化する工程では、前記単一部材の少なくとも一部を酸化し、
前記接触させる工程では、前記原料ガスを前記単一部材に接触させ、
前記カーボンナノ構造体を成長させる工程では、前記単一部材を破断することにより２つの部分に分離しつつ前記単一部材を加熱することにより、前記２つの部分の前記分離界面領域に前記カーボンナノ構造体を成長させ、
前記触媒部材と前記分離部材とは、前記単一部材を破断することにより得られた前記２つの部分である、カーボンナノ構造体の製造方法。

【請求項2】

前記カーボンナノ構造体を成長させる工程では、前記分離界面領域において前記触媒部材と前記分離部材との間をつなぐ様にカーボンナノ構造体が成長している、請求項１に記載のカーボンナノ構造体の製造方法。

【請求項3】

前記カーボンナノ構造体の形状は、柱形状、筒形状、およびテープ形状からなる群から選択される１種である、請求項１または２に記載のカーボンナノ構造体の製造方法。

【請求項4】

前記酸化する工程と前記接触させる工程とを同時に実施する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のカーボンナノ構造体の製造方法。

【請求項5】

前記接触させる工程と前記カーボンナノ構造体を成長させる工程とを同時に実施する、請求項１〜４のいずれか１項に記載のカーボンナノ構造体の製造方法。

【請求項6】

前記カーボンナノ構造体を成長させる工程では、前記カーボンナノ構造体に前記触媒部材および前記分離部材の少なくともいずれか一方を介して張力が印加されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載のカーボンナノ構造体の製造方法。

【請求項7】

前記触媒は炭素を固溶する金属を含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載のカーボンナノ構造体の製造方法。

【請求項8】

前記金属は、鉄、ニッケルおよびコバルトからなる群から選択される１種である、請求項７に記載のカーボンナノ構造体の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、カーボンナノ構造体の製造方法およびその製造装置、カーボンナノ構造体アセンブリに関し、より特定的には、一方向に延びるカーボンナノ構造体の製造方法およびその製造装置、カーボンナノ構造体アセンブリに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、カーボンナノチューブやグラフェン等に代表される、炭素原子がナノメートルレベルの直径で並ぶ線状体や炭素原子からなるナノメートルレベルの厚さのシート状体といったカーボンナノ構造体が知られている。このようなカーボンナノ構造体の製造方法としては、加熱した微細な触媒に炭素を含む原料ガスを供給することでカーボンナノ構造体を当該触媒から成長させる方法が提案されている（たとえば、特開２００５−３３０１７５号公報参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００５−３３０１７５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、従来の方法では、触媒から成長したカーボンナノ構造体に曲がりが発生する場合があった。たとえばカーボンナノチューブにおいて当該曲がりが発生した部分では、カーボンナノチューブを構成する六員環ではなく、五員環や七員環が存在しており、電気抵抗が高くなるといったようにカーボンナノチューブの特性が局所的に変化していた。

【0005】

このようなカーボンナノ構造体における曲がりの発生を抑制するため、カーボンナノ構造体の成長時に当該カーボンナノ構造体へ張力を加えることも考えられるが、触媒から成長する微細なカーボンナノ構造体の先端部をチャッキングして当該カーボンナノ構造体に張力を印加することは困難であった。

【0006】

この発明は、上記のような課題を解決するために成されたものであり、この発明の目的は、曲がりなどの発生を抑制したカーボンナノ構造体の製造方法、および当該カーボンナノ構造体の製造方法に用いる製造装置、さらに曲がりの発生が抑制されたカーボンナノ構造体アセンブリを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

この発明に従ったカーボンナノ構造体の製造方法は、触媒を含む触媒部材と、分離部材とが接触または一体化したベース体を準備する工程と、ベース体において触媒部材と分離部材との接触部または一体化した部位の少なくとも一部を酸化する工程と、炭素を含有する原料ガスを触媒部材および／または分離部材に接触させる工程と、カーボンナノ構造体を成長させる工程とを備える。カーボンナノ構造体を成長させる工程では、触媒部材から分離部材を分離しつつベース体を加熱することにより、触媒部材と分離部材との分離界面領域にカーボンナノ構造体を成長させる。

【0008】

このようにすれば、触媒部材と分離部材との分離界面領域において、触媒部材から分離部材にまで延びる、曲がりなどの変形が抑制されたカーボンナノ構造体を容易に成長させることができる。また、触媒部材と分離部材との接触部の少なくとも一部を先に酸化させることにより、カーボンナノ構造体を成長させる工程において当該カーボンナノ構造体の成長を効率的に行なうことが可能になる。

【0009】

この発明に従ったカーボンナノ構造体の製造装置は、保持部と駆動部材とガス供給部と加熱部材とを備える。保持部は、触媒を含む触媒部材と、分離部材とが接触または一体化したベース体を、触媒部材側と分離部材側とでそれぞれ保持可能である。駆動部材は、触媒部材から分離部材を分離するように保持部を移動させる。ガス供給部は、ベース体に反応ガスを供給する。加熱部材は、ベース体を加熱する。このような装置を用いることにより、触媒部材と分離部材との分離界面領域において曲がりの抑制されたカーボンナノ構造体を成長させることができる。

【0010】

この発明に従ったカーボンナノ構造体アセンブリは、対向配置された一対の保持部を含む保持部材と、当該一対の保持部の間をつなぐように形成された、複数のカーボンナノ構造体とを備える。このようにすれば、保持部の間で張力を印加された状態のカーボンナノ構造体を、容易に取り扱うことができる。

【発明の効果】

【0011】

この発明によれば、曲がりの抑制されたカーボンナノ構造体を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】この発明によるカーボンナノ構造体の製造方法の実施の形態１を説明するためのフローチャートである。

【図2】図１に示したカーボンナノ構造体の製造方法に用いられる、本発明によるカーボンナノ構造体の製造装置を説明するための断面模式図である。

【図3】図２に示したカーボンナノ構造体の製造装置の部分模式図である。

【図4】形成されたカーボンナノ構造体を示す模式図である。

【図5】この発明によるカーボンナノ構造体の製造装置の実施の形態２を説明するための断面模式図である。

【図6】図５に示したカーボンナノ構造体の製造装置において、形成されたカーボンナノ構造体を示す模式図である。

【図7】この発明によるカーボンナノ構造体の製造装置の実施の形態３を説明するための断面模式図である。

【図8】図７に示したカーボンナノ構造体の製造装置において、形成されたカーボンナノ構造体を示す模式図である。

【図9】図８に示したカーボンナノ構造体の平面模式図である。

【図10】この発明によるカーボンナノ構造体の製造装置の実施の形態４を説明するための断面模式図である。

【図11】図１０に示したカーボンナノ構造体の製造装置において、形成されたカーボンナノ構造体を示す模式図である。

【図12】カーボンナノ構造体アセンブリを示す模式図である。

【図13】この発明によるカーボンナノ構造体の製造方法の実施の形態５を示すフローチャートである。

【図14】実験１において形成されたカーボンナノ構造体を示す走査型電子顕微鏡写真である。

【図15】実験１において形成されたカーボンナノ構造体を示す走査型電子顕微鏡写真である。

【図16】実験１において形成されたカーボンナノ構造体を示す走査型電子顕微鏡写真である。

【図17】実験１において形成されたカーボンナノ構造体を示す走査型電子顕微鏡写真である。

【図18】実験２においてカーボンナノ構造体の成長状況を示す走査型電子顕微鏡写真である。

【図19】実験２においてカーボンナノ構造体の成長状況を示す走査型電子顕微鏡写真である。

【図20】実験２においてカーボンナノ構造体の成長状況を示す走査型電子顕微鏡写真である。

【図21】実験２においてカーボンナノ構造体の成長状況を示す走査型電子顕微鏡写真である。

【図22】実験２においてカーボンナノ構造体の成長状況を示す走査型電子顕微鏡写真である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

【0014】

（実施の形態１）
図１〜図４を参照して、本発明によるカーボンナノ構造体の製造方法の実施の形態１を説明する。

【0015】

図１を参照して、この発明に従ったカーボンナノ構造体の製造方法では、まず準備工程（Ｓ１０）を実施する。この工程（Ｓ１０）では、触媒を含む触媒部材と、分離部材とが接触または一体化したベース体を準備する。

【0016】

図２および図３に示すように、ベース体２０としては、触媒となる金属のシート（金属箔）を用いることができる。当該金属としては、たとえば純鉄やニッケル、コバルトなどを用いることができる。当該ベース体２０では、後述するＣＮＴ形成工程（Ｓ３０）（図１参照）において、破断する位置を規定するための凹部であるノッチ２１を形成しておくことが好ましい。そして、図２および図３に示すような金属箔をベース体２０として用いる場合、上記触媒部材と分離部材とが一体となって金属箔により構成されていることになる。

【0017】

ここで、図２および図３を参照して、カーボンナノ構造体の製造方法を実施するためのカーボンナノ構造体の製造装置を説明する。図２に示すように、カーボンナノ構造体の製造装置は、反応室１と、反応室１の内部に配置された加熱部材４と、加熱部材４と対向配置されるベース体２０を保持するための石英ブロック９〜１２と、石英ブロック９〜１２を支持するためのベース架台８と、石英ブロック１１と連結棒１３により連結された駆動部材２と、反応室１に原料ガスなどを供給するためのガス供給部３と、反応室１からガスを排気するためのポンプ７および排気部６と、加熱部材４、ガス供給部３、駆動部材２、ポンプ７、および排気部６を制御するための制御部１４とを備える。

【0018】

反応室１の内部には、ベース架台８の上に石英ブロック９〜１２が配置されている。石英ブロック９、１０により、ベース体２０の一方端部が把持されている。また、ベース体２０の他方端部が石英ブロック１１、１２により把持されている。石英ブロック１１は、ベース架台８の上を移動可能になっている。一方、石英ブロック９、１０は、ベース架台８に固定されている。

【0019】

石英ブロック９〜１２により固定されるベース体２０と対向するように、加熱部材４が配置されている。なお、加熱部材４は反応室１の内部に配置されているが、反応室１の壁を石英などの透光性部材により構成することで、当該反応室１の外部に加熱部材４を配置してもよい。加熱部材４としては、たとえば電熱ヒータなど任意の加熱装置を用いることができる。

【0020】

上述した工程（Ｓ１０）で準備されたベース体２０は、図２および図３に示すように製造装置の反応室１の内部に配置される。

【0021】

次に、酸化工程（Ｓ２０）を実施する。この工程では、ベース体２０において触媒部材と分離部材との接触部の少なくとも一部を酸化する。具体的には、反応室１の内部雰囲気を大気雰囲気として加熱部材４によりベース体２０を加熱することで、ベース体２０を酸化する。

【0022】

次に、ＣＮＴ成長工程（Ｓ３０）を実施する。この工程（Ｓ３０）では、カーボンナノ構造体を成長させる。具体的には、工程（Ｓ３０）では、加熱部材４によりベース体２０を加熱するとともに、炭素を含有する原料ガスをガス供給部３から反応室１に供給する。そして、触媒部材を含むベース体２０に当該原料ガスを接触させる工程を実施する。そして、駆動部材２により石英ブロック１１、１２を図３の矢印２７に示す方向へ移動させる。この結果、ベース体２０は図４に示すようにノッチ２１が形成された部分で破断していく。この状態で（つまりベース体２０の石英ブロック９、１０により把持された側のベース体部分２５である触媒部材から、ベース体２０の石英ブロック１１、１２により把持された側のベース体部分２６である分離部材を分離しつつ）、上述のようにベース体２０を加熱部材４により加熱する。この結果、図４に示すように、触媒部材と分離部材との分離界面領域であるベース体２０の破断界面領域にカーボンナノ構造体３０が成長する。

【0023】

このようにすれば、ベース体２０の破断界面領域において、ベース体部分２５からベース体部分２６にまで延びる、曲がりなどの変形が抑制されたカーボンナノ構造体３０を容易に成長させることができる。また、ベース体２０の少なくとも一部を先に酸化させることにより、カーボンナノ構造体３０を成長させる工程において当該カーボンナノ構造体３０の成長を効率的に行なうことが可能になる。

【0024】

なお、炭素を含有する原料ガスをガス供給部３から反応室１に供給し、当該原料ガスをベース体２０に接触させた後に、ベース体２０を破断する（分離する）工程に関して、ベース体２０の破断界面領域が酸化から還元された後に当該ベース体２０を破断する（分離する）工程を行う事が好ましい。

【0025】

またベース体２０を破断する工程において、駆動部材２による連結棒１３および石英ブロック１１、１２の移動は、形成されるカーボンナノ構造体３０が破断しないように張力制御しながら実施される事が好ましい。さらには、たとえば破断界面領域以外のベース体２０の部分は、予め表面を金等の貴金属や酸化物等の膜といった被覆膜で覆うことにより、炭素を含有する原料ガスからの浸炭を抑制する（つまり脆くなる事を防止する）処置を施す事が好ましい。

【0026】

（実施の形態２）
図５を参照して、本発明によるカーボンナノ構造体の製造装置の実施の形態２を説明する。

【0027】

図５を参照して、カーボンナノ構造体の製造装置は、反応室１と、反応室１の外部に配置された加熱部材４と、加熱部材４と対向する位置において、ベース体２０を構成する触媒部材３５を保持するために当該触媒部材３５と接続された隔壁３１と、当該触媒部材３５に接触して配置された分離部材３６と、当該分離部材３６と連結棒１３により連結された駆動部材２と、反応室１に原料ガスなどを供給するためのガス供給部（図示せず）と、反応室１からガスを排気するためのポンプ７および排気部６と、加熱部材４、ガス供給部、駆動部材２、ポンプ７、および排気部６を制御するための制御部（図示せず）とを備える。触媒部材３５の平面形状はたとえば円形状であり、当該触媒部材３５に接続された隔壁３１はたとえば円筒状の形状を有する。隔壁３１の内部には、原料ガスをガイドするためのガイド筒体３２が配置されている。原料ガスは、矢印３７に示すようにガイド筒体３２の内部を流れ、触媒部材３５の裏面側に供給される。なお、触媒部材３５の裏面に到達した後、当該原料ガスは矢印３８に示すようにガイド筒体３２の外周側（ガイド筒体３２と隔壁３１の内周との間の空間）を流れて隔壁３１の内部から排出される。また、隔壁３１の外周と反応室１の内周面との間の空間を、矢印３９に示すように原料ガスとは異なるガス（パージガス)が供給される。

【0028】

図５に示すように、触媒部材３５は、多孔質部材３３と、当該多孔質部材３３に形成されている開口部（多孔質部材３３の裏面から表面にまで貫通する貫通穴）に充填された触媒３４とからなる。触媒３４は、多孔質部材３３において隔壁３１の内周側に面する裏面側から、分離部材３６に接触する表面側にまで延在するように配置されている。多孔質部材３３は、たとえばナノポーラスアルミナやナノポーラスシリコンを用いることができる。また、触媒３４としてはたとえば純鉄またはその酸化物を用いることができる。また、分離部材３６としては純鉄のブロック（あるいは触媒部材３５と接触する表面のみ純鉄の層を形成したブロック体など）を用いることができる。また、触媒部材３５は、たとえば多孔質部材３３の材料として銀や金、触媒３４として純鉄を用い、塑性加工等でこれらの材料を複合化することで形成されてもよく、あるいは半導体プロセス等を利用した微細加工技術により形成されてもよい。

【0029】

次に、図５に示したカーボンナノ構造体の製造装置を用いた、カーボンナノ構造体の製造方法を説明する。なお、当該カーボンナノ構造体の製造方法は、基本的には図１に示したカーボンナノ構造体の製造方法と同様であるが、準備工程（Ｓ１０）において準備されるベース体２０の構成が、図１に示したカーボンナノ構造体の製造方法とは異なっている。すなわち、図５に示した装置を用いる場合には、ベース体２０として、上述した触媒部材３５と分離部材３６とを接合したものを準備する。触媒部材３５と分離部材３６との接合方法は、溶接や圧着など任意の方法を用いることができる。ただし、触媒部材３５の触媒３４と分離部材３６とが接触した状態とすることが必要である。

【0030】

準備されたベース体２０は、図５に示すように触媒部材３５が隔壁３１の端部に固定されるとともに、分離部材３６が連結棒１３に接続される。

【0031】

次に、図１に示した製造方法と同様に、酸化工程（Ｓ２０）を実施する。この工程では、ベース体２０において触媒部材３５と分離部材３６との接触部の少なくとも一部を酸化する。具体的には、反応室１または隔壁３１の内周側の内部雰囲気を酸素含有雰囲気として加熱部材４によりベース体２０を加熱することで、ベース体２０を酸化する。

【0032】

次に、図１に示した製造方法と同様に、ＣＮＴ成長工程（Ｓ３０）を実施する。具体的には、工程（Ｓ３０）では、加熱部材４によりベース体２０を加熱するとともに、炭素を含有する原料ガスをガス供給部からガイド筒体３２の内部を介して触媒部材３５の裏面側に供給する。そして、触媒部材３５を含むベース体２０に当該原料ガスを接触させた状態で、駆動部材２により分離部材３６を図６の矢印２７に示す方向へ移動させる。この結果、図６に示すように、触媒部材３５と分離部材３６との分離界面領域にカーボンナノ構造体３０が成長する。

【0033】

このようにすれば、触媒部材３５と分離部材３６との分離界面領域において、触媒部材３５から分離部材３６にまで延びる、曲がりなどの変形が抑制されたカーボンナノ構造体３０を容易に成長させることができる。

【0034】

（実施の形態３）
図７を参照して、本発明によるカーボンナノ構造体の製造装置の実施の形態３を説明する。

【0035】

図７を参照して、カーボンナノ構造体の製造装置は、基本的には図５に示したカーボンナノ構造体の製造装置と同様の構成を備えるが、用いるベース体２０の構成が異なっている。すなわち、ベース体２０を構成する触媒部材３５が鉄箔であり、分離部材３６が鉄箔膜からなる触媒薄膜４１と、当該触媒薄膜４１を挟むことで保持する２つの固定部材４２、４３とから構成される。分離部材３６は、把持部材４４により把持される。当該把持部材４４は連結棒１３に接続されている。

【0036】

次に、図７に示したカーボンナノ構造体の製造装置を用いた、カーボンナノ構造体の製造方法を説明する。なお、当該カーボンナノ構造体の製造方法は、基本的には図５に示したカーボンナノ構造体の製造装置を用いたカーボンナノ構造体の製造方法と同様であるが、準備工程（Ｓ１０）において準備されるベース体２０の構成が、図５に示したカーボンナノ構造体の製造装置に用いられるベース体２０とは異なっている。すなわち、図７に示した装置を用いる場合には、ベース体２０として、上述した触媒部材３５と分離部材３６とを接合したものを準備する。触媒部材３５と分離部材３６との接合方法は、溶接や圧着など任意の方法を用いることができる。ただし、触媒部材３５と分離部材３６の触媒薄膜４１の端部とが接触した状態とすることが必要である。

【0037】

準備されたベース体２０は、図７に示すように触媒部材３５が隔壁３１の端部に固定されるとともに、分離部材３６が把持部材４４を介して連結棒１３に接続される。なお、触媒部材３５は予め隔壁３１の端部に固定されていてもよい。

【0038】

次に、図１に示した製造方法と同様に、酸化工程（Ｓ２０）を実施する。この工程では、ベース体２０において触媒部材３５と分離部材３６との接触部の少なくとも一部を酸化する。具体的には、反応室１または隔壁３１（図５参照）の内部雰囲気を酸素含有雰囲気として加熱部材４によりベース体２０を加熱することで、ベース体２０を酸化する。

【0039】

次に、図１に示した製造方法と同様に、ＣＮＴ成長工程（Ｓ３０）を実施する。具体的には、工程（Ｓ３０）では、加熱部材４によりベース体２０を加熱するとともに、炭素を含有する原料ガスをガス供給部からガイド筒体３２の内部を介して触媒部材３５の裏面側に供給する。そして、触媒部材３５を含むベース体２０に当該原料ガスを接触させた状態で、駆動部材２（図５参照）により分離部材３６を図８の矢印２７に示す方向へ移動させる。この結果、図８に示すように、触媒部材３５と分離部材３６との分離界面領域にカーボンナノ構造体３０が成長する。ここで、形成されるカーボンナノ構造体３０は、図８および図９に示すように、断面形状が触媒薄膜４１の端面の形状と同じになっているシート状である。なお、図９は図８の矢印４５に示す方向からカーボンナノ構造体３０および分離部材３６を見た模式図である。

【0040】

このようにすれば、触媒部材３５と分離部材３６との分離界面領域において、触媒部材３５から分離部材３６にまで延びる、曲がりなどの変形が抑制されたシート状のカーボンナノ構造体３０を容易に成長させることができる。また、触媒薄膜４１の形状を制御することで、形成されるカーボンナノ構造体の断面形状（図８の矢印２７に示す方向に対して垂直な方向における断面での形状）を制御することができる。

【0041】

（実施の形態４）
図１０を参照して、本発明によるカーボンナノ構造体の製造装置の実施の形態４を説明する。

【0042】

図１０を参照して、カーボンナノ構造体の製造装置は、基本的には図５に示したカーボンナノ構造体の製造装置と同様の構成を備えるが、用いるベース体２０の構成が異なっている。すなわち、ベース体２０を構成する触媒部材３５が図５に示したような多孔質部材３３および触媒３４からなり、分離部材３６が鉄のブロック体（断面形状が長方形状のブロック体）からなる。分離部材３６は、把持部材４４により把持される。当該把持部材４４は連結棒１３に接続されている。

【0043】

次に、図１０に示したカーボンナノ構造体の製造装置を用いた、カーボンナノ構造体の製造方法を説明する。なお、当該カーボンナノ構造体の製造方法は、基本的には図５に示したカーボンナノ構造体の製造装置を用いたカーボンナノ構造体の製造方法と同様であるが、準備工程（Ｓ１０）において準備されるベース体２０の構成が、図５に示したカーボンナノ構造体の製造装置に用いられるベース体２０とは異なっている。すなわち、図１０に示した装置を用いる場合には、ベース体２０として、上述した触媒部材３５と分離部材３６とを接合したものを準備する。触媒部材３５と分離部材３６との接合方法は、溶接や圧着など任意の方法を用いることができる。ただし、触媒部材３５と分離部材３６とが接触した状態とすることが必要である。

【0044】

準備されたベース体２０は、図５に示すように触媒部材３５が隔壁３１の端部に固定されるとともに、図１０に示すように分離部材３６が把持部材４４を介して連結棒１３に接続される。なお、触媒部材３５は予め隔壁３１の端部に固定されていてもよい。

【0045】

次に、図１に示した製造方法と同様に、酸化工程（Ｓ２０）を実施する。具体的には、反応室１または隔壁３１（図５参照）の内部雰囲気を酸素含有雰囲気として加熱部材４によりベース体２０を加熱することで、ベース体２０を酸化する。

【0046】

次に、図１に示した製造方法と同様に、ＣＮＴ成長工程（Ｓ３０）を実施する。具体的には、工程（Ｓ３０）では、加熱部材４（図５参照）によりベース体２０を加熱するとともに、炭素を含有する原料ガスをガス供給部からガイド筒体３２（図５参照）の内部を介して触媒部材３５の裏面側に供給する。そして、触媒部材３５を含むベース体２０に当該原料ガスを接触させた状態で、駆動部材２（図５参照）により分離部材３６を図１１の矢印２７に示す方向へ移動させる。この結果、図１１に示すように、触媒部材３５と分離部材３６との分離界面領域にカーボンナノ構造体３０が成長する。ここで、形成されるカーボンナノ構造体３０は、断面形状が分離部材３６の端面の形状と同じになっているシート状である。

【0047】

このようにすれば、触媒部材３５と分離部材３６との分離界面領域において、触媒部材３５から分離部材３６にまで延びる、曲がりなどの変形が抑制されたシート状のカーボンナノ構造体３０を容易に成長させることができる。また、分離部材３６の形状を制御することで、形成されるカーボンナノ構造体の断面形状（図１１の矢印２７に示す方向に対して垂直な方向における断面での形状）を制御することができる。

【0048】

その後、カーボンナノ構造体３０を触媒部材３５と分離部材３６とともに製造装置から取り出し、枠体５１により相対的な位置を固定する。枠体５１は、カーボンナノ構造体３０が真直ぐな状態を維持できるように、触媒部材３５と分離部材３６とを固定できれば任意の形状を採用できるが、たとえば図１２に示すように四角形状の形状を有していてもよい。当該四角形状の枠体５１の内周側に、触媒部材３５と分離部材３６とを固定する。このようにして、カーボンナノ構造体アセンブリ５０を形成できる。このようなカーボンナノ構造体アセンブリ５０により、真直ぐに形状が保持されたカーボンナノ構造体を容易にハンドリングできる。

【0049】

（実施の形態５）
図１３を参照して、本発明によるカーボンナノ構造体の製造方法の実施の形態５を説明する。

【0050】

図１３に示したカーボンナノ構造体の製造方法は、基本的には図１に示したカーボンナノ構造体の製造方法と同様の構成を備えるが、ベース体を形成する前に予め触媒部材および分離部材を酸化している点が図１に示した方法と異なっている。すなわち、図１３に示したカーボンナノ構造体の製造方法では、まず部材準備工程（Ｓ１５）を実施する。当該工程（Ｓ１５）では、触媒部材３５および分離部材３６を準備する。

【0051】

次に、酸化工程（Ｓ２０）を実施する。この工程（Ｓ２０）では、触媒部材３５および分離部材３６を酸化する。酸化の方法は任意の方法を採用できるが、たとえば大気中で触媒部材３５および分離部材３６を加熱するといった方法を用いることができる。

【0052】

次に、ベース体形成工程（Ｓ４０）を実施する。この工程（Ｓ４０）では、触媒部材３５と分離部材３６とを接合する。接合方法としては、図１に示した製造方法と同様に、任意の方法を採用できる。

【0053】

次に、図１に示した製造方法と同様に、ＣＮＴ成長工程（Ｓ３０）を実施する。このようにしても、図１に示した製造方法と同様に、曲がりの抑制されたカーボンナノ構造体を得ることができる。

【0054】

ここで、上述した実施の形態と一部重複する部分もあるが、本発明の特徴的な構成を列挙する。

【0055】

この発明に従ったカーボンナノ構造体の製造方法は、触媒を含む触媒部材３５と、分離部材３６とが接触または一体化したベース体２０を準備する工程（準備工程（Ｓ２０））と、ベース体２０において触媒部材３５と分離部材３６との接触部または一体化した部位の少なくとも一部を酸化する工程（酸化工程（Ｓ２０））と、炭素を含有する原料ガスを触媒部材３５および／または分離部材３６に接触させる工程（ＣＮＴ成長工程（Ｓ３０））と、カーボンナノ構造体を成長させる工程（ＣＮＴ成長工程（Ｓ３０））とを備える。ＣＮＴ成長工程（Ｓ３０）では、触媒部材３５から分離部材３６を分離しつつベース体２０を加熱することにより、触媒部材３５と分離部材３６との分離界面領域にカーボンナノ構造体３０を成長させる。

【0056】

このようにすれば、触媒部材３５と分離部材３６との分離界面領域において、触媒部材３５から分離部材３６にまで延びる、曲がりなどの変形が抑制されたカーボンナノ構造体３０を容易に成長させることができる。また、触媒部材３５と分離部材３６との接触部の少なくとも一部を先に酸化させることにより、カーボンナノ構造体３０を成長させるＣＮＴ成長工程（Ｓ３０）において当該カーボンナノ構造体３０の成長を効率的に行なうことが可能になる。

【0057】

上記カーボンナノ構造体の製造方法において、カーボンナノ構造体を成長させるＣＮＴ成長工程（Ｓ３０）では、分離界面領域において触媒部材３５と分離部材３６との間を繋ぐ様にカーボンナノ構造体３０が成長していてもよい。この場合、分離部材３６が触媒部材３５から分離しながらカーボンナノ構造体３０が成長することにより、カーボンナノ構造体３０に一定の張力が加わった状態を確実に維持できるため、真直ぐなカーボンナノ構造体３０を得ることができる。

【0058】

上記カーボンナノ構造体の製造方法において、カーボンナノ構造体３０の形状は、柱形状、筒形状、およびテープ形状からなる群から選択される１種であってもよい。

【0059】

上記カーボンナノ構造体の製造方法において、酸化工程（Ｓ２０）と炭素を含有する原料ガスを触媒部材３５および／または分離部材３６に接触させる工程（ＣＮＴ成長構成（Ｓ３０））とを同時に実施してもよい。また、炭素を含有する原料ガスを触媒部材３５および／または分離部材３６に接触させる工程（ＣＮＴ成長構成（Ｓ３０））とカーボンナノ構造体を成長させる工程（ＣＮＴ成長工程（Ｓ３０））とを同時に実施してもよい。また、上記酸化工程（Ｓ２０）、ＣＮＴ成長工程（Ｓ３０）の上記接触させる工程、および当該工程（Ｓ３０）のカーボンナノ構造体を成長させる工程という３つの工程を同時に実施してもよい。この場合、カーボンナノ構造体３０の製造プロセスを簡略化できる。なお、酸化工程（Ｓ２０）を実施した後、ＣＮＴ成長工程（Ｓ３０）において用いる原料ガスに酸素を含有させることで、カーボンナノ構造体の成長工程と同時に酸化処理を実施してもよい。

【0060】

上記カーボンナノ構造体の製造方法において、カーボンナノ構造体を成長させるＣＮＴ成長工程（Ｓ３０）では、カーボンナノ構造体３０に触媒部材３５および分離部材３６の少なくともいずれか一方を介して張力が印加されていてもよい。この場合、張力を制御することにより、曲がりの抑制されたカーボンナノ構造体３０を確実に得ることができる。

【0061】

上記カーボンナノ構造体の製造方法において、準備工程（Ｓ１０）では、触媒部材３５と分離部材３６とが接合されることによりベース体２０が準備されてもよい。カーボンナノ構造体３０を成長させるＣＮＴ成長工程（Ｓ３０）では、触媒部材３５と分離部材３６とが接合された接合部を破断させることで触媒部材３５から分離部材３６を分離してもよい。この場合、触媒部材３５と分離部材３６との接合部の形状などを制御することで、当該接合部において破断を発生させることにより、カーボンナノ構造体３０が形成される部位やカーボンナノ構造体３０の形状を制御することができる。

【0062】

上記カーボンナノ構造体の製造方法において、ＣＮＴ成長工程（Ｓ３０）における炭素を含有する原料ガスを触媒部材３５および／または分離部材３６に接触させる工程では、分離界面領域以外の領域において触媒部材３５に原料ガスを接触させる一方、分離界面領域には原料ガスとは異なる組成の雰囲気ガス（たとえばアルゴンガスなど）を供給してもよい。この場合、カーボンナノ構造体３０が成長する領域である分離界面領域には、カーボンナノ構造体３０の品質を劣化させる恐れのある原料ガスが直接接触しないことになるので、高品質のカーボンナノ構造体３０を得ることができる。

【0063】

上記カーボンナノ構造体の製造方法において、分離部材３６は分離側触媒（たとえば図５の分離部材３６を構成する純鉄のブロックや図７の触媒薄膜４１）を含んでいてもよく、ベース体を準備する準備工程（Ｓ１０）では、触媒部材３５と分離部材３６との接触部において、触媒部材３５に含まれる触媒と分離部材３６との接触領域の形状を規定するための形状規定部材（たとえば図５の多孔質部材３３や図７の固定部材４２、４３）が配置されたベース体２０が準備されてもよい。カーボンナノ構造体を成長させるＣＮＴ成長工程（Ｓ３０）では、形状規定部材により形状が規定された接触領域において触媒部材３５と分離部材３６とが分離されてもよい。この場合、接触領域の形状が制御されることにより、形成されるカーボンナノ構造体３０の断面形状を制御することができる。つまり、任意の断面形状のカーボンナノ構造体３０を得ることができる。

【0064】

上記カーボンナノ構造体の製造方法において、図５や図７などに示すように、触媒部材３５の触媒および分離部材３６の分離側触媒のうちのいずれか一方の形状がフィラメント状またはシート状であってもよい。この場合、線状またはシート状のカーボンナノ構造体３０を容易に得ることができる。

【0065】

上記カーボンナノ構造体の製造方法において、図５に示すように、形状規定部材は複数の開口部を有する多孔質部材３３であってもよい。触媒部材３５は、多孔質部材３３と、多孔質部材３３の開口部に充填された触媒３４とからなっていてもよい。ベース体を準備する準備工程（Ｓ１０）では、触媒部材３５の開口部から露出する触媒３４に、分離部材３６の分離側触媒（図７の分離部材３６を構成する純鉄ブロック）を接触または接合することによりベース体２０を準備してもよい。この場合、線状のカーボンナノ構造体３０を容易に得ることができる。

【0066】

上記カーボンナノ構造体の製造方法において、多孔質部材３３は、ナノポーラスアルミナまたはナノポーラスシリコンであってもよい。この場合、多孔質部材３３における開口部のサイズなどを比較的容易に制御することができるので、当該開口部に充填される触媒３４の端面サイズを容易に制御できる。この結果、形成されるカーボンナノ構造体３０の断面サイズを容易に制御できる。

【0067】

上記カーボンナノ構造体の製造方法において、図７に示すように、分離部材３６は、シート状の分離側触媒としての触媒薄膜４１と、触媒薄膜４１の端面が露出した状態で触媒薄膜４１を把持する形状規定部材としての固定部材４２、４３とからなっていてもよい。ベース体を準備する準備工程（Ｓ１０）では、触媒部材３５に含まれる触媒（図７の触媒部材３５を構成する純鉄ブロック）に、分離側触媒（触媒薄膜４１）を接触または接合することによりベース体２０を準備してもよい。この場合、シート状のカーボンナノ構造体３０を容易に得ることができる。

【0068】

上記カーボンナノ構造体の製造方法において、図２や図３などに示すように、ベース体を準備する準備工程（Ｓ１０）では、ベース体２０として触媒からなる単一部材（たとえば純鉄箔）を準備してもよい。酸化工程（Ｓ２０）では、単一部材の少なくとも一部を酸化してもよい。ＣＮＴ成長工程（Ｓ３０）における原料ガスを触媒部材３５および／または分離部材３６に接触させる工程では、原料ガスを単一部材に接触させてもよい。また、カーボンナノ構造体を成長させるＣＮＴ成長工程（Ｓ３０）では、原料ガスを単一部材であるベース体２０に接触させた後（もしくは接触させた状態で）、ベース体２０を破断することにより２つの部分（図４のベース体部分２５、２６）に分離しつつベース体２０を加熱することにより、２つのベース体部分２５、２６の分離界面領域にカーボンナノ構造体３０を成長させてもよい。触媒部材と分離部材とは、単一部材であるベース体２０を破断することにより得られた２つの上記ベース体部分２５、２６であってもよい。この場合、ベース体２０として単一部材を用いることで、触媒部材と分離部材とを一体化する工程を実施する場合より、カーボンナノ構造体３０の製造工程を簡略化できる。

【0069】

上記カーボンナノ構造体の製造方法において、触媒部材３５に含まれる触媒および分離部材３６に含まれる分離側触媒（たとえば触媒薄膜４１など）は炭素を固溶する金属を含んでいてもよい。この場合、当該金属に原料ガス中の炭素が浸炭して当該金属の表面にカーボンナノ構造体３０を容易に成長させることができる。

【0070】

上記カーボンナノ構造体の製造方法において、上記金属は、鉄、ニッケルおよびコバルトからなる群から選択される１種であってもよい。この場合、カーボンナノ構造体３０を当該金属表面に確実に成長させることができる。

【0071】

この発明に従ったカーボンナノ構造体の製造装置は、図２や図５に示すように、保持部（図２のベース架台８と石英ブロック９〜１２または図５の隔壁３１および連結棒１３）と駆動部材２とガス供給部３と加熱部材４とを備える。保持部は、触媒を含む触媒部材３５と分離部材３６とが、接触または一体化したベース体２０を、触媒部材側と分離部材側とでそれぞれ保持可能である。駆動部材２は、触媒部材３５から分離部材３６を分離するように保持部（図２の製造装置では石英ブロック１１、１２、また図５に示した製造装置では連結棒１３）を移動させる。ガス供給部３は、ベース体２０に反応ガスを供給する。加熱部材４は、ベース体２０を加熱する。このような装置を用いることにより、触媒部材３５と分離部材３６との分離界面領域、または図４に示したベース体２０が破断したベース体部分２５、２６の破断界面において曲がりの抑制されたカーボンナノ構造体３０を成長させることができる。

【0072】

この発明に従ったカーボンナノ構造体アセンブリ５０は、図１２に示すように、対向配置された一対の保持部を含む保持部材（図１２の触媒部材３５および分離部材３６）と、当該一対の保持部の間をつなぐように形成された、複数のカーボンナノ構造体３０とを備える。このようにすれば、保持部の間で張力を印加された状態のカーボンナノ構造体３０を、カーボンナノ構造体アセンブリ５０として容易に取り扱うことができる。また、当該カーボンナノ構造体アセンブリ５０は、触媒部材３５および分離部材３６の相対的な位置を固定するための保持部材（枠体５１）を備えていてもよい。

【0073】

上記カーボンナノ構造体アセンブリ５０では、カーボンナノ構造体３０の形状がシート状であってもよい。また、上記カーボンナノ構造体アセンブリ５０において、保持部はカーボンナノ構造体３０を形成するための触媒を含んでいてもよい。

【0074】

＜実験１＞
（実施例の試料について）
本発明の効果を確認するため、以下のような実験を行った。まず、ベース体として５０μｍ厚の純鉄箔（純度５Ｎ)を準備した。そして、当該純鉄箔からなるベース体を、図３に示すように石英ブロック９〜１２により保持した。当該ベース体を、大気中で加熱温度を８５０℃、熱処理時間を１分とした条件で熱処理（酸化処理）した。その後、加熱炉の反応室内部にＡｒガス（アルゴンガス）をフローし当該加熱炉の反応室内から酸素を排出した。

【0075】

次に、Ａｒガス中にアセチレンガスを５％含有した原料ガスを、石英ブロック９と石英ブロック１１との間においてベース体に供給しながら、加熱温度を８５０℃とした熱処理を行った。加熱温度を８５０℃とした原料ガス中熱処理を７分間実施しながら、純鉄箔からなるベース体に張力をかけて、鉄箔を破断した。この結果、破断した純鉄箔の破断面を繋ぐようにカーボンナノ構造体としてのファイバ状カーボンが成長していた。

【0076】

形成されたファイバ状カーボンの走査型電子顕微鏡写真を、図１４〜図１７に示す。図１４〜図１７に示されるように、ベース体である純鉄箔の破断面を繋ぐ様に、ファイバ状カーボン（カーボンナノファイバ）および局所的にテープ状カーボン（カーボンナノテープ）が成長していることが分かる。

【0077】

（比較例の試料について）
比較例として、大気中で熱処理（酸化処理）せずに、そのまま上記のような原料ガス中で、加熱温度８５０℃、熱処理時間を７分とした条件で熱処理した純鉄箔からなるベース体を破断した。この結果、破断面を繋ぐようなファイバ状カーボンの成長は確認できなかった。

【0078】

＜実験２＞
酸化処理後の熱処理における処理時間の影響を調査するため、以下のような実験を行った。

【0079】

すなわち、実験１における実施例と同様のベース体を準備し、また当該実施例と同様の酸化処理および熱処理（原料ガス中での熱処理）を行った。当該熱処理では、所定の加熱温度（８５０℃）での熱処理を実施しながらベース体に張力を加えることでクラックを発生させた。そして、当該クラックが発生した部分を観察した。その結果を図１８〜図２２に示す。図１８は、熱処理開始後２分経過したベース体におけるクラック近傍の走査型電子顕微鏡写真である。また、図１９〜図２２は、それぞれ熱処理開始後４分、７分、１０分、６０分経過したベース体におけるクラック近傍の走査型電子顕微鏡写真である。

【0080】

図１８〜図２２に示すように、熱処理開始後２分ではほとんどファイバ状カーボンは成長していないが（図１８参照）、熱処理開始後４分から７分程度で、クラックにファイバ状カーボンが成長していることがわかる。熱処理開始後２分では、まだ還元されていない酸化鉄がクラック近傍に残留していることが分かる（図１８の細かい穴の空いた白色部分を参照）。一方、熱処理開始後７分では、クラック近傍を観察したところ、酸化鉄が還元・浸炭されて炭素が析出していることが確認出来る（図２０参照）。

【0081】

＜実験３＞
１００μｍ厚の純鉄箔を表面に設置した鉄ブロックからなる分離部材と、２０ｎｍ径の貫通孔に鉄を充填したナノポーラスアルミナ板からなる触媒部材とをアーク溶接により接合して、図５に示すようなベース体２０を形成した。その後、ナノポーラスアルミナ板のアーク溶接した反対側の面から、酸素濃度が１０％であるアルゴンガスを吹き付けながら、加熱温度を８００℃、熱処理時間を１０分とした条件で、ベース体２０を熱処理（酸化処理）した。その後、実験１での熱処理と同様の条件でベース体２０に熱処理（つまり、加熱温度を８５０℃とした原料ガス中熱処理）を施した。そして、熱処理開始後ベース体に張力を与えて、アーク溶接した部分を破断した。その結果、ナノポーラスアルミナに充填していた鉄と、純鉄箔とが引き剥がされた破断面間にカーボンナノファイバが成長している事が確認できた。

【0082】

＜実験４＞
実験３において用いたベース体２０と同じ構成のベース体を準備し、同様に酸化処理および熱処理を行った。熱処理開始後ベース体に張力を与えて、ベース体においてアーク溶接した部分を破断した。この結果、実験３の場合と同様に破断面間にカーボンナノファイバが成長している事が確認できた。

【0083】

＜実験５＞
実験３において用いた触媒部材と分離部材とを準備し、当該触媒部材と分離部材とを接合する前に、それぞれ酸化処理を行った。当該酸化処理の処理条件は実験３における酸化処理の条件と同様とした。その後、酸化処理された触媒部材と分離部材とをアーク溶接し、ベース体を構成した。さらに、当該ベース体に対して実験３と同様の熱処理を行い、熱処理開始後ベース体に張力を与えて、アーク溶接した部分を破断した。その結果、破断面間にカーボンナノファイバが成長している事が確認できた。

【0084】

＜実験６＞
１００μｍ厚の純鉄箔を表面に設置した鉄ブロックからなる分離部材と、５０ｎｍ径の鉄フィラメントが表面から裏面にまで貫通した金板からなる触媒部材とを圧着により接合して、図５に示すようなベース体２０を形成した。その後、触媒部材と分離部材との接合界面に酸素濃度が１％であるアルゴンガスを吹き付けながら、加熱温度を８００℃、熱処理時間を５分とした条件で、ベース体２０を熱処理（酸化処理）した。その後、酸素を１００ｐｐｍ含有するエチレンガスからなる原料ガス中で、加熱温度８５０℃とした条件で熱処理を施した。そして、熱処理開始後、ベース体に張力を与えて、アーク溶接した部分を破断した。その結果、破断面間にカーボンナノファイバが成長している事が確認できた。

【0085】

＜実験７＞
５０μｍ厚の純鉄箔を表面に設置した鉄ブロックからなる分離部材と、表面に鉄とアルミナとを同時蒸着した表層膜を形成した鉄ブロックからなる触媒部材とを、当該表層膜が接合界面に位置するように、熱圧着により接合して、ベース体を形成した。その後、触媒部材と分離部材との接合界面に酸素濃度が１％であるアルゴンガスを吹き付けながら、加熱温度を８００℃とした条件で、ベース体２０を熱処理（酸化処理）した。その後、水分を５００ｐｐｍ含有するアセチレンガスからなる原料ガス中で、加熱温度８５０℃とした条件で熱処理を施した。そして、熱処理開始後、ベース体に張力を与えて、アーク溶接した部分を破断した。その結果、破断面間にカーボンナノファイバが成長している事が確認できた。

【0086】

＜実験８＞
５０μｍ厚の純鉄箔からなる触媒部材と、鉄のシートを石英ブロックからなる固定部材４２、４３（図７参照）により把持して固定した分離部材とを準備した。そして、図７に示すように、触媒部材である純鉄箔に、鉄のシートの端面が接触するように接触部材と分離部材とを接合した。その後、実験３と同様の酸化処理および熱処理を実施した。熱処理開始後ベース体に張力を与えて、接合した部分を破断した。その結果、触媒部材と鉄のシートの端面との間の破断面間にカーボンナノファイバが成長している事が確認できた。

【0087】

今回開示された実施の形態および実験例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【産業上の利用可能性】

【0088】

この発明によれば、曲がりの抑制されたカーボンナノ構造体を得ることができる。

【符号の説明】

【0089】

１ 反応室、２ 駆動部材、３ ガス供給部、４ 加熱部材、５ 保持部、６ 排気部、７ ポンプ、８ ベース架台、９〜１２ 石英ブロック、１３ 連結棒、１４ 制御部、２０ ベース体、２１ ノッチ、２５，２６ ベース体部分、２７，３７，３８，３９，４５ 矢印、３０ カーボンナノ構造体、３１ 隔壁、３２ ガイド筒体、３３ 多孔質部材、３４ 触媒、 ３５ 触媒部材、３６ 分離部材、４１ 触媒薄膜、４２，４３ 固定部材、４４ 把持部材、５０ アセンブリ、５１ 枠体。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】