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発明の名称 カーボンファイバの製造方法および触媒基板
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−126311(P2007−126311A)
公開日 平成19年5月24日(2007.5.24)
出願番号 特願2005−318672(P2005−318672)
出願日 平成17年11月1日(2005.11.1)
代理人 【識別番号】100086737
【弁理士】
【氏名又は名称】岡田 和秀
発明者 小向 拓治 / 高梨 久美子
要約 課題
触媒金属が消耗されても触媒金属を成膜する工程を省略可能として製造コストや製造時間の短縮化を可能にすること。

解決手段
本カーボンファイバの製造方法は、触媒基板4を熱CVD装置6にセットするセットステップと、熱CVD装置6にセットした触媒基板4上にカーボンファイバ28を成長させる成膜ステップと、触媒基板4からカーボンファイバ28を剥離回収する回収ステップとを含み、上記触媒基板4として、例えば非触媒金属からなる表面層4aと触媒金属からなる内部層4bとを備えた基板を用いることにより、触媒膜の新規成膜を実施することなく多数の製造サイクルを実施可能とした。
特許請求の範囲
【請求項1】
少なくとも、触媒基板を熱CVD装置にセットするセットステップと、熱CVD装置により触媒基板上にカーボンファイバを成長させる成膜ステップと、触媒基板からカーボンファイバを剥離して回収する回収ステップとを含む製造サイクルを有するカーボンファイバの製造方法において、
上記製造サイクルの実施に際して準備する触媒基板に、非触媒金属または触媒金属と非触媒金属との合金を含む表面層を備え、その下層に上記表面層の触媒金属よりも高濃度の触媒金属を含む内部層を備え、かつ、上記ステップの実施により表面層の触媒金属が消耗されると、その表面層には濃度勾配により内部層から触媒金属が滲出することが可能な基板を用いることにより、
同じ触媒基板を上記製造サイクルの繰り返し実施において再利用可能とした、ことを特徴とするカーボンファイバの製造方法。
【請求項2】
上記触媒基板が
(a)非触媒金属からなる表面層と、
触媒金属または触媒金属と非触媒金属との合金からなる内部層と
を備えた基板、
(b)触媒金属と非触媒金属との合金からなる表面層と、
この合金とは触媒金属と非触媒金属の組成比が同一または異なる非触媒金属と触媒金属との合金あるいは触媒金属からなる内部層と
を備えた基板、
のいずれかである、ことを特徴とする請求項1に記載のカーボンファイバの製造方法。
【請求項3】
上記(a)の触媒基板を用いて、成膜ステップが、
熱処理により表面層に内部層からの触媒金属を濃度勾配により滲出させて触媒金属と非触媒金属との合金を形成するステップと、
表面層に炭素含有化合物を作用させて触媒金属と炭素との混合体からなる最表面層を生成するステップと、
最表面層に炭素含有化合物を作用させて触媒金属を成長核として炭素を析出させてカーボンファイバを成長させるステップと、
を含む請求項2に記載のカーボンファイバの製造方法。
【請求項4】
上記(a)の触媒基板を用いて、成膜ステップが、
熱処理により表面層に内部層から触媒金属を濃度勾配により滲出させて触媒金属と非触媒金属との合金を生成するステップと、
表面層の合金に対して炭素含有化合物以外の第3成分を含むガス(第3成分ガス)を作用させて触媒金属と第3成分との混合体からなる最表面層を生成するステップと、
上記混合体中から第3成分を除去して触媒金属を析出させるステップと、
この析出した触媒金属に炭素含有化合物を作用させてカーボンファイバを成長させるステップと、
を含む請求項2に記載のカーボンファイバの製造方法。
【請求項5】
上記(b)の触媒基板を用いて、成膜ステップが、
表面層の合金に対して炭素含有化合物を作用させて触媒金属と炭素との混合体からなる最表面層を生成するステップと、
最表面層に炭素含有化合物を作用させて触媒金属を成長核としてカーボンファイバを成長させるステップと、
を含む請求項2に記載のカーボンファイバの製造方法。
【請求項6】
上記(b)の触媒基板を用いて、成膜ステップが、
表面層の合金に対して炭素含有化合物以外の成分を含むガス(第3成分ガス)を作用させて表面層上に触媒金属と第3成分との混合体からなる最表面層を生成するステップと、
最表面層に第3成分ガスを作用させて混合体中から触媒金属を析出させるステップと、
この析出した触媒金属に炭素含有化合物を作用させてカーボンファイバを成長させるステップと、
を含む請求項2に記載のカーボンファイバの製造方法。
【請求項7】
上記(a)の触媒基板の表面層上にさらに触媒金属からなる層を設けた、ことを特徴とする請求項2に記載のカーボンファイバの製造方法。
【請求項8】
請求項1ないし7のいずれかに記載のカーボンファイバの製造方法に用いる触媒基板。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、炭化水素ガスなどの炭素含有化合物を触媒金属に接触させ、その触媒金属の触媒作用によりカーボンファイバを製造する方法、その製造の実施に用いる熱CVD装置、およびこれらに用いる触媒基板に関するものである。
【背景技術】
【0002】
カーボンナノチューブ等のカーボンファイバは、ナノオーダーで細くかつ高アスペクト比であり、電子エミッタ材料、水素吸蔵体、高容量キャパシタ材料、二次電池または燃料電池の電極材料、電磁波吸収材料、等に汎用されつつある。
【0003】
このようなカーボンファイバの製造方法には、アーク放電法、レーザ蒸発法、熱CVD法、などがある。これら製造方法のうち、熱CVD法には、基板上に触媒金属からなる膜(触媒膜)を成膜し、カーボンファイバの成長のための触媒金属を微粒子化し、加熱雰囲気中で炭化水素ガスを触媒金属に接触させることによりカーボンファイバを製造する技術が知られている(特許文献1参照)。この熱CVD法によるカーボンファイバの製造方法では、上記触媒金属を微粒子化するために加熱処理している最中に、触媒金属が基板中に拡散してしまい、触媒金属の微粒子が作成されないことがあり、カーボンファイバが成長しなくなったり、成長してもその長さが短かったり、その成長密度が大幅に減少したりする。そこで、基板と触媒膜との間に非触媒金属からなる下地膜を成膜し、その下地膜上に触媒膜を成膜して触媒膜を構成する触媒金属が基板中に拡散することを防止する技術が知られている(特許文献2参照)。
【0004】
しかしながら、この下地膜を用いる方法の場合でも、カーボンファイバの成長に際して触媒金属がカーボンファイバに付着したりして消耗するために、同じ触媒基板を用いてカーボンファイバを製造する場合では、僅か、数回(本出願人の実験ではせいぜい3回が限界であった)程度のカーボンファイバの製造により、触媒金属が消耗して無くなる。そのため、同じ触媒基板を用いる場合では、僅か、数回のカーボンファイバの製造後は、一旦、製造を中止して触媒金属を成膜する工程を実施したり、あるいは、別途新規な触媒基板を用いたりしている。そのため、このような製造方法では、触媒金属の成膜工程や新規触媒基板の追加等にコストがかかり、また、製造工程が余分に必要となって製造コストもかかる上に、量産性も低下してしまう。
【特許文献1】特開2004−362960号公報
【特許文献2】特開2001−303250号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明は、触媒金属が、カーボンファイバの成長に際して該カーボンファイバに付着したりして触媒基板上から消耗しても、触媒金属が補給されるようにして、同じ触媒基板を用いてカーボンファイバの製造サイクルを多数回、繰り返し実施することができるようにして、製造コストの低減、製造時間の短縮化、ひいては量産性の向上を図ったものである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
(1)本発明によるカーボンファイバの製造方法は、少なくとも、触媒基板を熱CVD装置にセットするセットステップと、熱CVD装置により触媒基板上にカーボンファイバを成長させる成膜ステップと、触媒基板からカーボンファイバを剥離して回収する回収ステップとを含む製造サイクルを有するカーボンファイバの製造方法において、上記製造サイクルの実施に際して準備する触媒基板に、非触媒金属または触媒金属と非触媒金属との合金を含む表面層を備え、その下層に上記表面層の触媒金属よりも高濃度の触媒金属を含む内部層を備え、かつ、上記ステップの実施により表面層の触媒金属が消耗されると、その表面層には濃度勾配により内部層から触媒金属が滲出することが可能な基板を用いることにより、同じ触媒基板を上記製造サイクルの繰り返し実施において再利用可能としたことを特徴とするものである。
【0007】
上記基板は、内部層を基板そのもので構成し、表面層をその基板上に成膜したものでもよいし、基板上に内部層と表面層とを順に成膜したものでもよい。上記基板には、その両面でも片面でも上記表面層、内部層を備えることができる。片面(一面)に表面層、内部層を備える場合、内部層は反対面(他面)にまで存在させることができる。また、両面に表面層、内部層を備える場合、表面層は両面に存在し、内部層は両表面層に挟まれた状態となる。また、上記の内部層については複数の異なる組成の層や厚さ方向における濃度勾配を持たせた合金であっても良い。
【0008】
上記製造サイクルの繰り返し実施の意義は、その繰り返し可能回数を限定するものではないが、少なくとも3回以上であることが好ましい。
【0009】
本発明においては、その製造方法の実施に用いる触媒基板として、上記基板を用いるので、触媒金属が、カーボンファイバの成長に際して該カーボンファイバに付着するなどして触媒基板上から消耗されても、内部層から表面層に触媒金属が補給されて非触媒金属との合金を形成し、その合金中の触媒金属に対して炭化水素ガスなどの炭素含有化合物を作用させてカーボンファイバを成長させることができる。そのため、触媒金属が消耗されても、上記製造サイクルを、多数回、繰り返し実施しても、その触媒基板に触媒膜を成膜する工程を実施したり、あるいは、その触媒基板を触媒膜を備えた別の触媒基板に交換したりすることなく、同じ触媒基板を繰り返し再利用することができる。そのため、製造コストの低減、製造時間の短縮化、量産性を向上することができる。
【0010】
(2)本発明の好適な一態様は、セットステップで準備する触媒基板としては、(a)非触媒金属からなる表面層と、触媒金属または触媒金属と非触媒金属との合金からなる内部層とを備えた基板、(b)触媒金属と非触媒金属との合金からなる表面層と、この合金とは触媒金属と非触媒金属の組成比が同一または異なる非触媒金属と触媒金属との合金あるいは触媒金属からなる内部層とを備えた基板のいずれかであることである。この場合、上記(a)の触媒基板の表面層上にさらに触媒金属からなる層を設け、表面層を上層側の触媒金属からなる層と下層側の非触媒金属からなる層との2層構成とすることができる。
【0011】
上記(a)の基板では、内部層の触媒金属の濃度は表面層のそれより高濃度であるから、表面層の触媒金属の消耗により容易に内部層から触媒金属を滲出させることができる。上記(a)の触媒基板の表面層を上記2層構成とした場合も、表面層上層側の触媒金属が消耗されると、濃度勾配により表面層下層側に内部層から触媒金属を滲出させることができる。
【0012】
上記(b)の基板では、表面層と内部層との合金の組成比が異なる場合、内部層の触媒金属の濃度を表面層のそれより高濃度に設定することにより、表面層の触媒金属の消耗により容易に内部層から触媒金属を滲出させることができ、また、わざわざ、基板上に合金膜を成膜する必要がなく、基板コストを低減することができる。
【0013】
そして、上記(b)の基板で、組成比が同一の場合、表面層と内部層との境界が無いが、表面から近い層を表面層、それより深い層を内部層として、表面層の触媒金属が消耗されると、表面層側における触媒金属の濃度勾配が変化し、相対的に内部層側の触媒金属が高濃度で表面層の触媒金属が低濃度となり、これによって内部層側から表面層側に触媒金属が滲出して補給されることになる。これに加えて、わざわざ、上記組成比が異なる合金を形成する必要がなく、単純な触媒基板を用いることができるので、基板コストを低減することができる。
【0014】
(3)本発明の好適な一態様は、上記(a)の触媒基板を用いて、成膜ステップが、熱処理により表面層に内部層からの触媒金属を濃度勾配により滲出させて触媒金属と非触媒金属との合金を形成するステップと、表面層に炭素含有化合物を作用させて触媒金属と炭素との混合体からなる最表面層を生成するステップと、最表面層に炭素含有化合物を作用させて触媒金属を成長核として炭素を析出させてカーボンファイバを成長させるステップとを含むことである。
【0015】
この態様では、準備した触媒基板の表面層が非触媒金属であるので、熱処理することにより、濃度勾配により内部層の触媒金属を表面層側に滲出させることができる。そして、表面層に同種類の炭素含有化合物を作用させることを継続するだけで触媒金属を成長核としてカーボンファイバを成長させることができるから、製造コストを低減することができる。
【0016】
(4)本発明の好適な一態様は、上記(a)の触媒基板を用いて、成膜ステップが、熱処理により表面層に内部層から触媒金属を濃度勾配により滲出させて触媒金属と非触媒金属との合金を生成するステップと、表面層の合金に対して炭素含有化合物以外の第3成分を含むガス(第3成分ガス)を作用させて触媒金属と第3成分との混合体からなる最表面層を生成するステップと、上記混合体中から第3成分を除去して触媒金属を析出させるステップと、この析出した触媒金属に炭素含有化合物を作用させてカーボンファイバを成長させるステップとを含むことである。上記混合体中から第3成分を除去して触媒金属を析出させるステップは、熱による分解反応により、または、水素や水等の第3成分と反応して揮散する物質(第4成分)の導入より第3成分を除去する反応により、または、熱分解により水素や水等を生じる化合物の導入により、実行することができる。
【0017】
この態様では上記(3)とは異なりガスの種類が増加するが、第3成分ガスにより最表面層には触媒金属のみ析出させて、新たに炭素含有化合物によりカーボンファイバを成長させることができるので、カーボンファイバの成長を制御しやすい。
【0018】
(5)本発明の好適な一態様は、上記(b)の触媒基板を用いて、成膜ステップが、表面層の合金に対して炭素含有化合物を作用させて触媒金属と炭素との混合体からなる最表面層を生成するステップと、最表面層に炭素含有化合物を作用させて触媒金属を成長核としてカーボンファイバを成長させるステップと、を含むことである。
【0019】
この態様では準備する触媒基板の表面層が触媒金属と非触媒金属との合金からなるので、表面層が触媒金属だけの場合とは異なって熱処理により触媒金属と非触媒金属との合金を作る必要が無く、それだけ、カーボンファイバの成長に要する時間やコストを低減することができる。この場合、表面層と内部層それぞれの触媒金属と非触媒金属との合金の組成比が同一でも異なっても実施することができる。
【0020】
この態様では炭素含有化合物により触媒金属と炭素との混合体を生成するので、用いるガスの種類を変更する必要が無く、それだけ、製造が簡略化することができる。
【0021】
(6)本発明の好適な一態様は、上記(b)の触媒基板を用いて、成膜ステップが、合金に対して炭素含有化合物以外の成分を含むガス(塩素ガスや酸素ガス等の第3成分ガス)を作用させて表面層上に触媒金属と第3成分との混合体からなる最表面層を生成するステップと、最表面層に第3成分ガスを作用させて混合体中から触媒金属を析出させるステップと、この析出した触媒金属に炭素含有化合物を作用させてカーボンファイバを成長させるステップとを含むことである。
【0022】
この態様では準備する触媒基板の表面層が触媒金属と非触媒金属との合金からなるので、表面層が触媒金属だけの場合とは異なって熱処理により触媒金属と非触媒金属との合金を作る必要が無く、それだけ、カーボンファイバの成長に要する時間やコストを低減することができる。この場合、表面層と内部層それぞれの触媒金属と非触媒金属との合金の組成比が同一でも異なっても実施することができる。この態様では混合体の生成に第3成分ガスを用いるので、上記(4)と同様の作用効果を有することができる。
【0023】
なお、上記カーボンファイバは、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノコーン、カーボンナノバンブ、グラファイトナノファイバを含むことができる。
【0024】
また、触媒金属は、カーボンファイバの成膜を促進する物質であれば特に限定されないが、例えば、鉄、コバルト、ニッケル等の金属がある。
【0025】
また、炭素含有化合物は、炭素を含むガスであれば特に限定されないが、このガスには例えば、アセチレン、エチレン、メタン、プロパン、プロピレン、一酸化炭素等がある。また、常温・常圧下においては気体でなくともカーボンファイバの成膜条件(圧力・温度など)において気体であれば良く、メタノールやエタノールをはじめとするアルコール類やアセトンやベンゼンなどの有機溶媒などを用いることができる。
【発明の効果】
【0026】
本発明によれば、触媒金属が、カーボンファイバの成長に際して該カーボンファイバに付着したりして触媒基板上から消耗されても、触媒金属が補給されるので、触媒金属を成膜する工程を省略して、次の製造サイクルに移行することができるから、製造コストの低減等を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0027】
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係るカーボンファイバの製造方法を説明する。
【0028】
図1はその製造方法の工程を示すフローチャート図、図2は基板カートリッジや熱CVD装置の概略構成を拡大して示す図、図3は触媒基板の各例を示す図、図4は熱CVD装置内でのカーボンファイバの製造例の説明に供する製造工程図、図5は熱CVD装置内でのカーボンファイバの他の製造例の説明に供する製造工程図である。なお、これらの図では基板や基板上の各層、ならびに装置等は、理解のために誇張して示されているものであり、本発明を限定するものではない。
【0029】
以下、このフローチャートに従って当該製造方法を説明する。
【0030】
この製造においては、次に説明する触媒基板4を準備する。
【0031】
この触媒基板を図3(a)ないし図3(d)で示す。なお、図3(a)ないし図3(d)では理解のため、触媒金属をFe、非触媒金属をAlとしている。なお、FeとAlとの合金について図面上では図解の都合でFe−Alと表記している。また、図4および図5においてもFeとAlとの合金について図面上では図解の都合でFe−Alと表記している。
【0032】
図3(a)の触媒基板4は、表面層4aがAlからなり、内部層4bがFeからなる触媒基板である。この場合の内部層4bは基板そのものであり、表面層4aはその基板上に成膜したものであるが、シリコン、クロム、タングステン、その他の素材からなる基板上に内部層4bと表面層4aとを順に成膜して構成することができる。表面層4aは10数原子層ないし数10原子層程度の薄い層であり、熱処理により表面層4aの非触媒金属であるAlが内部層4bの触媒金属であるFeと容易に合金化することができる。
【0033】
図3(b)の触媒基板4は、表面層4a1がFeとAlとの合金(図中Fe−Al)からなり、内部層4b1がFeからなる触媒基板である。
【0034】
この場合の内部層4b1は基板そのものであり、表面層4a1はその基板上に成膜したものであるが、シリコン、クロム、タングステン、その他の素材からなる基板上に内部層4b1と表面層4a1とを順に成膜して構成することができる。図3(b)の触媒基板4も、図3(a)のそれと同様、表面層4a1は10数原子層ないし数10原子層程度の薄い層であり、熱処理により表面層4a1のAlが内部層4b1のFeと容易に合金化することができる。
【0035】
図3(c)の触媒基板4は、FeとAlとの合金(例えば組成比a:b)からなる表面層4a2とFeとAlとの合金(例えば組成比x:y)からなる内部層4b2とからなる触媒基板である。この場合の内部層4b2は基板そのものであり、表面層4a2はその基板上に成膜したものであるが、シリコン、クロム、タングステン、その他の素材からなる基板上に内部層4b2と表面層4a2とを順に成膜して構成することができる。
【0036】
図3(d)の触媒基板4は、FeとAlとの合金(図中Fe−Al)からなる触媒基板である。図3(d)に示す触媒基板4は、本発明に係るカーボンファイバの製造方法の開始前において、均一な組成である。しかしながら、本発明に係る製造方法において、カーボンファイバの回収時に表面層のFeが除去されるため、一時的に触媒金属が低濃度の表面層4a3と高濃度の内部層4b3といった濃度勾配が生じる。ここで、図3(d)には、本発明の理解を容易とするため、濃度勾配を破線で示すが、明確な境界が生じるわけではない。その後さらに熱処理および原料ガスの導入により、触媒金属が表面に滲出し、カーボンファイバを繰り返し製造することが可能となる。
【0037】
図3(d)の触媒基板4は、合金基板だけで構成されているが、シリコン、クロム、タングステン、その他の素材からなる基板上にその合金を形成してもよい。
【0038】
図3では図示しないが、図3(a)の触媒基板4においてその内部層4bを触媒金属と非触媒金属との合金からなる層としたり、図3(a)の表面層4aを上層側の触媒金属からなる層(表面層上層側)と下層側の非触媒金属からなる層(表面層下層側)との2層構成とすることができる。
【0039】
以上の図3(a)ないし図3(d)の触媒基板4において、非触媒金属にはAl以外にも、Ti、Cu等を例示することができる。触媒金属にはFe以外にも、Co、Ni等を例示することができる。これら触媒金属と非触媒金属の組み合わせは種々に変更して実施することができる。
【0040】
また、これら触媒基板4は、片面にだけ表面層4a、内部層4bとしたが、両面に表面層4aを形成し、両表面層4aに挟まれた内部を内部層4bとすることができる。
【0041】
本実施の形態の製造では、上記いずれかの触媒基板4を選択する。実施の形態では図3(a)の触媒基板4を選択し、この選択した触媒基板4を用いた製造方法を説明する。図3(b)ないし図3(d)に示す触媒基板4を選択した場合でも、同様であるので、その説明は省略する。
【0042】
なお、実施の形態では製造工程は、1回目の製造ではセットステップ、成膜ステップ、および回収ステップ(ただし、取り出しステップは必要に応じて行う)を実施し、2回目以降の製造は成膜ステップと回収ステップ(2回目以降も取り出しステップは必要に応じて行う)を実施する。
【0043】
(セットステップ)
セットステップでは、上記準備した触媒基板4を基板カートリッジ2に搭載するとともに、この触媒基板4を搭載した基板カートリッジ2を熱CVD装置6にセットする。基板カートリッジ2は、詳細な構成は図示していないが、複数の触媒基板4を互いに平行に間隔をあけて搭載することができるように枠材を一体に組み立ててユニット化されている。
【0044】
搭載できる触媒基板4の形状は円形形状でも矩形形状でもよい。搭載できる触媒基板4のサイズに合わせて基板カートリッジ2を構成することができる。実施の形態の製造方法が備える製造ステップの実施中、基板カートリッジ2に1つないし複数の触媒基板4を搭載しておくことができる。
【0045】
熱CVD装置6の構成の一例を説明する。熱CVD装置6は、メインチャンバ8と、メインチャンバ8の図2でその左右両側のゲートバルブ10,12に取り付けられた第1、第2ロードロックチャンバ14,16とを備える。これらロードロックチャンバ14,16とメインチャンバ8との間のゲートバルブ10,12は真空側のゲートバルブであるが、ロードロックチャンバ14,16には基板カートリッジ2を搬入、搬出する大気側のゲートバルブもあり、これらの図示は省略している。以下の説明では前者のゲートバルブ10,12を真空側ゲートバルブといい、後者のゲートバルブは符号をとらないが大気側ゲートバルブという。
【0046】
メインチャンバ8は、熱CVD法によりカーボンファイバを触媒基板4上に成膜させるためのチャンバであり、第1真空側ゲートバルブ10側にガス(炭化水素ガスや塩素ガス等)を第1矢印18から導入するとともにさらに第2矢印20の向きに強制的に沿わせて流すガス導入路があり、また、第2真空側ゲートバルブ12側にメインチャンバ8内を第3矢印22の向きから第4矢印24向きに真空排気するガス導出路がある。メインチャンバ8は、このガス導入路とガス導出路との間に基板カートリッジ設置部26を備える。
【0047】
第1ロードロックチャンバ14は第1大気側ゲートバルブを開けて基板カートリッジ2を収納し収納完了後に第1大気側ゲートバルブと第1真空側ゲートバルブ10とを閉じて内部を真空引きしてのち第1真空側ゲートバルブ10を開けて基板カートリッジ2をメインチャンバ8に移動することを可能している。第1ロードロックチャンバ14は、基板カートリッジ2をメインチャンバ8に移動した後は第1大気側ゲートバルブを開け第1真空側ゲートバルブ10を閉じて大気復圧して次の基板カートリッジ2を収納することができる。
【0048】
第2ロードロックチャンバ16は第2大気側ゲートバルブと第2真空側ゲートバルブ12とを閉じて真空引きされてから第2真空側ゲートバルブ12を開けてメインチャンバ8から基板カートリッジ2を内部に移動し、その内部に基板カートリッジ2の収納が完了した後、第2ゲートバルブ12を閉じて内部を大気復圧してから第2大気側ゲートバルブを開けて基板カートリッジ2を外部に取り出すことができるようになっている。
【0049】
(成膜ステップ)
以上の熱CVD装置6に基板カートリッジ2をセットした後、熱CVD装置6により触媒基板4上にカーボンファイバ28を成膜する。この成膜においては、メインチャンバ8ではその内部に搬入されている基板カートリッジ2に対してガス導入路からガスを供給する。
【0050】
まず、触媒基板4が、図3(a)に示す触媒基板4であり、その表面層4aがAlからなり、内部層4bがFeからなる触媒基板である。
【0051】
この成膜ステップについて図4を参照して説明する。炭化水素ガスとしてC22としている。
【0052】
まず、図4(a)で図3(a)の基板をあらためて示す。
【0053】
この図4(a)で示す触媒基板4に対して、図4(b)で示すように、熱処理により表面層4aの非触媒金属であるAlに内部層4bからの触媒金属であるFeを濃度勾配により滲出させてAlとFeとの合金(図中Fe−Al)からなる表面層4aaを形成する。
【0054】
次いで、図4(c)で示すように、表面層4aaに炭化水素ガスであるC22ガスを作用させてFeとC(炭素)との混合体からなる最表面層4cを生成する。この最表面層4cは微粒子形状でもよいし、その表面粗さだけで荒れている形状でもよい。図4(c)では理解のため微粒子形状で誇張して示している。このことは図4(d)でも、また、後程説明する図5(c)ないし図5(e)でも同様である。
【0055】
最後に、図4(d)で示すように、最表面層4cにC22ガスを作用させてFeを成長核として炭素を析出させてカーボンファイバ4dを成長させる。
【0056】
次に、図5を参照して別の成膜ステップを説明する。図5では第3成分ガスの一例として塩素(Cl2)ガスを用いる。
【0057】
まず、図5(a)で示す触媒基板4は、熱処理により図5(b)で示すように表面層4aの非触媒金属であるAlに内部層4bから触媒金属であるFeが濃度勾配により滲出してAlとFeとの合金(図中Fe−Al)からなる表面層4aaを形成する。
【0058】
次いで、図5(c)で示すように、図5(b)の表面層4aaのFeとAlとの合金(図中Fe−Al)に対して炭化水素ガス以外の第3成分ガスであるCl2ガスを作用させてFeCl2からなる最表面層4eを生成する。
【0059】
次いで、図5(d)で示すように、最表面層4eの混合体中から第3成分であるCl2を追い出して触媒金属4fであるFeを析出させる。
【0060】
上記混合体中から第3成分であるCl2を除去して触媒金属を析出させる方法としては、
熱による分解反応により、Cl2を除去して触媒金属を析出させる方法、
水素や水等の第3成分と反応して揮散する物質(第4成分)の導入により、Cl2を除去して触媒金属を析出させる方法、
熱分解により水素や水等を生じる化合物の導入により、Cl2を除去して触媒金属を析出させる方法、
がある。
【0061】
最後に、図5(e)で示すように、析出したFeにC22ガスを作用させてカーボンファイバ4gを成長させる。上記の場合、第3成分ガスとして酸素(O2)ガスを用いることができる。
【0062】
なお、図3(b)ないし図3(d)で示す触媒基板4の場合では、表面層4aaにAlとFeとの合金(図中Fe−Al)が既に存在しているので、炭化水素ガスだけを用いる場合では、図4(b)ないし図4(d)と同様であり、第3成分ガスと炭化水素ガスとを用いる場合では、図5(b)ないし図5(e)と同様であるから、その説明は省略する。
【0063】
以上のようにして、触媒基板4上にカーボンファイバを製造することができる。この製造において、炭化水素ガスや第3成分ガスの供給においては、基板カートリッジ2に搭載されている触媒基板4にガスを供給することによりカーボンファイバ28を成長させる。
【0064】
(回収ステップ)
回収ステップでは熱CVD装置6内で基板カートリッジ2から各触媒基板10を取り外すことなく、各触媒基板10にエアや窒素ガスの吹付けることにより該触媒基板10上からカーボンファイバ28を剥離して回収する。この場合、基板カートリッジ2から触媒基板10を取り外して回収することができるし、基板カートリッジ2から触媒基板10を取り外すことなく回収することができる。
【0065】
あるいは、この回収ステップでは基板カートリッジ2を熱CVD装置6外に取り出して回収することもできる。この場合も、基板カートリッジ2から触媒基板10を取り外して回収することができるし、基板カートリッジ2から触媒基板10を取り外すことなく回収することができる。
【0066】
なお、基板カートリッジ2の取り出しは、第2大気側ゲートバルブを閉じ第2ロードロックチャンバ16を真空引きしてから第2真空側ゲートバルブ12を開けてメインチャンバ8から基板カートリッジ2を移動させる。そして、この移動してきた基板カートリッジ2を第2ロードロックチャンバ16に収納が完了した後、第2ゲートバルブ12を閉じる。第2ゲートバルブ12が閉じると第2ロードロックチャンバ16内を大気復圧してから第2大気側ゲートバルブを開けて基板カートリッジ2を取り出す。
【0067】
以上のように、触媒基板4ではカーボンファイバ28の成長や剥離により触媒金属が消耗しても、内部層4bからの触媒金属が表面層4aに補給されて触媒金属と非触媒金属との合金が形成されている。そのため、実施の形態の製造方法では、同一の触媒基板4を用いて、上記一連の製造サイクルを多数回(少なくとも4回以上)、繰り返し実施しても、当該同一の触媒基板4の表裏面に触媒膜を新規に成膜する工程を必要としない。
【0068】
すなわち、あらかじめ準備した触媒基板4を、
1回目の製造ではセットステップおよび成膜ステップを実施し、必要に応じて取り出しステップを実施し、最後に回収ステップを実施するという順で行い、
2回目以降の製造ではセットステップを実施する必要がなく、1回目の回収ステップの後は、成膜ステップに移行するとともに、取り出しステップを必要に応じて実施し、最後に回収ステップを実施する、
というステップを繰り返す製造サイクルにおいて、繰り返し用いることができる。そのため、実施の形態ではカーボンファイバ28を安価に量産することができる。
【0069】
なお、熱CVD装置6内において剥離を行えば熱CVD装置6から基板カートリッジ2を取り出すことなく剥離することができるので第3ステップ、第4ステップは、必ずしも必要となるものではない。ただし、熱CVD装置6内での剥離は掻き取り治具による掻き取り、あるいはエアや窒素ガスの吹付けにより剥離する。
【0070】
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内で、種々な変更ないしは変形を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【0071】
【図1】図1はその製造方法の工程を示すフローチャート図である。
【図2】図2は基板カートリッジや熱CVD装置の概略構成を拡大して示す図である。
【図3】図3は触媒基板の各例を示す図である。
【図4】図4は熱CVD装置内でのカーボンファイバの製造例の説明に供する製造工程図である。
【図5】図5は熱CVD装置内でのカーボンファイバの他の製造例の説明に供する製造工程図である。
【符号の説明】
【0072】
2 基板カートリッジ
4 基板
4a 表面層
4b 内部層
6 熱CVD装置
28 カーボンファイバ




 

 


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