(57)【要約】【課題】カソード電極に含まれるカーボン繊維の向きをアノード電極に向けて垂直に揃えるカーボン繊維配向方法を提供する。【解決手段】カーボン繊維配向装置１のカソード電極２とアノード電極３の間に逆バイアス電圧を印加すると、カソード電極２からアノード電極３に向かう電界が発生するので、カソード電極２中のカーボン繊維９は、この電界から力を受けて、バンドル構造を形成した状態でアノード電極３に向かう方向に揃う。カソード電極２に垂直な向きに揃ったバンドル構造のカーボン繊維９には、カソード電極２に水平な方向にのみ斥力が作用し、この斥力はカーボン繊維９に作用するファンデルワールス力よりも大きいので、カーボン繊維９のバンドル構造が解消されて、カソード電極２上でカーボン繊維９を十分に分散できる。【選択図】図２
2010143803.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボン繊維を含有するカソード電極と、前記カソード電極に対向配置されるアノード電極と、を準備し、
前記カソード電極と前記アノード電極の間に逆バイアス電圧を印加する
ことを特徴とするカーボン繊維配向方法。
【請求項２】
前記カソード電極中のカーボン繊維の先端の方向を前記アノード電極に向かう方向に揃える
ことを特徴とする請求項１に記載のカーボン繊維配向方法。
【請求項３】
真空下で前記逆バイアス電圧を印加する
ことを特徴とする請求項１または２に記載のカーボン繊維配向方法。
【請求項４】
前記カソード電極を加熱する
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のカーボン繊維配向方法。
【請求項５】
カーボン繊維を含有するカソード電極と、前記カソード電極に対向配置されるアノード電極を有し、
前記カソード電極と前記アノード電極の間に逆バイアス電圧を印加する電圧印加手段を備える
ことを特徴とするカーボン繊維配向装置。
【請求項６】
前記電圧印加手段は、直流電圧を発生する直流電源装置である
ことを特徴とする請求項５に記載のカーボン繊維配向装置。
【請求項７】
前記電圧印加手段は、単極性パルス電圧を発生するパルス電圧発生装置である
ことを特徴とする請求項５に記載のカーボン繊維配向装置。
【請求項８】
前記カソード電極を加熱する加熱手段を備える
ことを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載のカーボン繊維配向装置。
【請求項９】
カーボン繊維を含有するカソード電極と、前記カソード電極に対向配置されるアノード電極と、を準備し、
前記カソード電極と前記アノード電極の間に逆バイアス電圧を印加する
ことを特徴とするカソード電極上で分散したカーボン繊維の製造方法。
【請求項１０】
前記カソード電極中のカーボン繊維の先端の方向を前記アノード電極に向かう方向に揃える
ことを特徴とする請求項９に記載のカソード電極上で分散したカーボン繊維の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カソード電極上で分散したカーボン繊維の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
蛍光物質を含有するアノード電極、前記アノード電極に対向配置されるカソード電極、及び前記カソード電極と前記アノード電極の間に順バイアス電圧を印加する電圧印加手段を備える発光装置が、情報機器やＡＶ機器のディスプレイ装置として使用されている。また、カソード電極に多数のカーボン繊維を配置して、発光効率を向上させた発光装置も知られている。
【０００３】
このような発光装置のカソード電極は、カーボン繊維を溶剤に混ぜてペースト化してカソード電極に塗布し、その後、加熱処理することによって得られる。しかしながら、このようにして得られたカソード電極中のカーボン繊維は互いに絡み合って束（バンドル）状になり、カーボン繊維の方向も不均一になる。そのため、カーボン繊維の先端に電界が集中しにくくなるとともに、電子の飛び出す方向がばらついてフォーカス特性の制御が困難になる。その結果、十分な発光が得られないという問題がある。
【０００４】
この問題を解決するために、特許文献１は、カーボンナノチューブを含むカソード電極に対してアノード電極層を正電位になるような電圧（順バイアス電圧）を印加して、アノード電極層とカソード電極との間に電界を発生させ、この電界の力によってカーボンナノチューブを垂直に配向させた電子放出源の製造方法を提案している。
【０００５】
また、特許文献２は、絶縁基板の一面上にカソード電極層、絶縁層およびゲート電極層を順に積層する第１工程と、絶縁基板上にカソード電極層を部分的に露出する状態でゲートホールを形成する第２工程と、ゲートホール内のカソード電極層上に複数の炭素系針状物質によって、エミッタを形成する第３工程と、カソード電極層に電圧を印加することにより、絶縁基板に対して複数の炭素系針状物質をほぼ垂直に配向させる第４工程とを含む電子放出素子の製造方法を提案している。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−２９４１１９号公報
【特許文献２】特開２００４−５５４８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の製造方法では、アノード電極とカソード電極の間の電界を真空中で発生させると電界放出が起こり、大気圧中で発生させると放電が起こるので、大きな電圧をアノード電極層とカソード電極の間に印加することができなかった。そのため、カーボンナノチューブを垂直に配向しようとする力が弱く、カーボンナノチューブをカソード電極に垂直に配向することは難しかった。
【０００８】
また、特許文献２の製造方法は、炭素系針状物質とカソード電極層に同じ極性の電荷を与えた場合に生じる反発力を利用するものであるが、この反発力だけでは、炭素系針状物質の向きを揃える力としては弱いので、特許文献２の製造方法によっても、炭素系針状物質の向きをカソード電極層に垂直となる方向に揃えることは難しかった。
【０００９】
そのため、特許文献１および特許文献２の製造方法では、カソード電極上のカーボンナノチューブ等を十分に分散させることは難しかった。
【００１０】
本発明は、このような背景の下でなされたものであり、カソード電極に含まれるカーボン繊維の向きをアノード電極に向けて垂直に揃えるカーボン繊維配向方法およびカーボン繊維配向装置並びにカソード電極上で分散したカーボン繊維の製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の観点に係るカーボン繊維配向方法は、カーボン繊維を含有するカソード電極と、前記カソード電極に対向配置されるアノード電極と、を準備し、前記カソード電極と前記アノード電極の間に逆バイアス電圧を印加することを特徴とする。
【００１２】
本発明の第２の観点に係るカーボン繊維配向装置は、カーボン繊維を含有するカソード電極と、前記カソード電極に対向配置されるアノード電極を有し、前記カソード電極と前記アノード電極の間に逆バイアス電圧を印加する電圧印加手段を備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明の第３の観点に係るカソード電極上で分散したカーボン繊維の製造方法は、カーボン繊維を含有するカソード電極と、前記カソード電極に対向配置されるアノード電極と、を準備し、前記カソード電極と前記アノード電極の間に逆バイアス電圧を印加することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、カソード電極とアノード電極の間に逆バイアス電圧を印加して、カソード電極に含まれるカーボン繊維の向きをアノード電極に向けて垂直に揃えることができるので、カソード電極上でカーボン繊維を十分に分散させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態の一例について、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
図１は、本発明の実施形態を示すカーボン繊維配向装置の概念的な構成図である。
【００１７】
カーボン繊維配向装置１は、カソード電極に含まれるカーボン繊維をアノード電極に向けて垂直に揃える装置であり、図１に示すように、カソード電極２、アノード電極３及び電圧印加手段４から構成される。カソード電極２とアノード電極３は、その間隔が１００μｍ以下、好ましくは５０μｍになるように対向配置され、気密性を備えるケーシング５の内部に密閉される。なお、ケーシング５の内部は、１０−２Ｔｏｒｒ以下の真空に保たれる。
【００１８】
カソード電極２は、絶縁性素材（例えばガラス）からなるカソード基板６の上に、銀を主成分とするカソード導体層７を積層し、更にその上に、カーボン層８を積層して構成される。なお、カソード導体層７の厚さは５μｍ程度、カーボン層８の厚さは、１μｍ〜１０μｍ程度である。
【００１９】
また、カーボン層８は、カーボン繊維９を含むペーストをカソード導体層７の上に塗布し、その後加熱処理して、前記ペースト中の溶剤成分を除去して得られるカーボン繊維９の層である。
【００２０】
アノード電極３は、絶縁性素材（例えばガラス）からなるアノード基板１０の上に、酸化インジウムとスズの複合酸化物（ＩＴＯ；（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ））の薄膜を成膜してアノード導体層１１を形成して構成されている。なお、アノード導体層１１の厚さは、５μｍ程度である。
【００２１】
電圧印加手段４は、電源装置１２とスイッチ１３を備える。電源装置１２は、カソード電極２とアノード電極３の間に逆バイアス電圧を印加する直流電源装置であり、電源装置１２の正極１４はカソード導体層７に接続され、負極１５はアノード導体層１１に接続される。また、スイッチ１３は電源装置１２の負極１５とアノード導体層１１の間の電路にあって、前記電路を開閉する。
【００２２】
また、直流電源装置に替えて、パルス電圧発生装置を電源装置１２にして、所定の強さの電圧を断続的にカソード電極２とアノード電極３の間に印加すれば、カーボン繊維９のバンドル構造をより効果的に解消することができる。
【００２３】
さて、カソード電極２上に積層されるカーボン層８は、例えば、エタノール、アセトンなどの揮発性の高い溶媒、あるいは、エチルセルロースなどの有機バインダを溶解したテルピオネール溶液などにカーボン繊維９を分散したペーストを、カソード導体層７の上に塗布した後、加熱処理して、前記溶媒あるいは有機バインダを除去して形成されるが、この状態では、カーボン層８中のカーボン繊維９はファンデルワールス力によって凝集して束状の構造、つまりバンドル構造を形成して、カーボン層８中に埋もれている。また、バンドル構造を形成するカーボン繊維９の方向は不定であり、カーボン繊維９の大部分は、アノード電極３の方向に向かっていない。そのため、このままでは、カソード電極２から放出される電子の方向が定まらず、カソード電極２から放出される電子の多くはアノード電極３に向かわない（図２（ａ）参照）。
【００２４】
そこで、図２（ｂ）に示すように、カーボン繊維配向装置１のカソード電極２とアノード電極３の間に逆バイアス電圧を印加すると、カソード電極２からアノード電極３に向かう電界が発生するので、カソード電極２中のカーボン繊維９は、この電界から力を受けて、バンドル構造を形成した状態でアノード電極３に向かう方向（カソード電極２に垂直になる向き）に揃う。なお、逆バイアス電圧の大きさは、カソード電極２とアノード電極３に順バイアス電圧を印加して、カソード電極２から電子を放出させるため必要な電界（閾値電界）の１２０％〜１５０％の電界、概ね数ｋＶ／ｍｍの電界が生じるような大きさを選ぶ。
【００２５】
また、カーボン繊維配向装置１のカソード電極２とアノード電極３の間に逆バイアス電圧を印加すると、カソード電極２のカーボン繊維９の全てが正電荷を帯びるので、正電荷を帯びた多数のカーボン繊維９には、互いに斥力が作用する。このため、カソード電極２に垂直な向きに揃ったバンドル構造のカーボン繊維９には、カソード電極２に水平な方向にのみ斥力が作用し、この斥力はカーボン繊維９に作用するファンデルワールス力よりも大きいので、カーボン繊維９のバンドル構造が解消されて、図２（ｃ）に示すように、カソード電極２上でカーボン繊維９を十分に分散できる。
【００２６】
カーボン繊維９がカソード電極２上で十分に分散したら、スイッチ１３を開けて逆バイアス電圧の印加を停止する。逆バイアス電圧の印加を停止した後も、カソード電極２中のカーボン繊維９の全てが正電荷を帯びているので、相互に斥力が生じる。そのため、逆バイアス電圧の印加を停止した後も、カソード電極２上でのカーボン繊維９の分散状態は維持される（図２（ｄ）参照）。
【００２７】
さて、本実施形態に係るカーボン繊維配向方法は、カソード電極に含まれるカーボン繊維をアノード電極に向けて垂直に揃える方法なので、カソード電極上で分散したカーボン繊維を製造する方法にも適用できることは言うまでもない。
【００２８】
図３は、カーボン繊維配向装置１による処理の前後におけるカソード電極２中のカーボン繊維９の状態を示す電子顕微鏡写真を表した図であり、図３（ａ）は処理前の状態を示し、図３（ｂ）は処理後の状態を示している。
【００２９】
図３によれば、処理前は、互いに凝集してカソード電極２の中に埋もれていたカーボン繊維９（図３（ａ）参照）が、処理後は、カソード電極２の上面で十分に分散していることが解る。
【００３０】
なお、カーボン繊維配向装置１の構成は、本実施形態で示したものには限定されない。例えば、図４に示すように、カソード電極２の下方に加熱装置１６を備えて、カソード電極２を加熱するようにすれば、カーボン繊維９の分極を低減して、カーボン繊維９の相互に作用するファンデルワールス力を低下させるので、さらに効率よくカーボン繊維９のバンドル構造を解消して、カーボン繊維９をカソード電極２上で十分に分散できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施形態を示すカーボン繊維配向装置の概念的な構成図である。
【図２】カーボン繊維配向装置の作用を説明する図である。
【図３】カーボン繊維配向装置による処理の前後におけるカソード電極中のカーボン繊維の状態を示す電子顕微鏡写真を表した図である。
【図４】カーボン繊維配向装置の変形例を示す概念的な構成図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  カーボン繊維配向装置
２  カソード電極
３  アノード電極
４  電圧印加手段
５  ケーシング
６  カソード基板
７  カソード導体層
８  カーボン層
９  カーボン繊維
１０  アノード基板
１１  アノード導体層
１２  電源装置
１３  スイッチ
１４  正極
１５  負極
１６  加熱装置
【図１】
2010143803.tif 000003
【図２】
2010143803.tif 000004
【図３】
2010143803.tif 000005
【図４】
2010143803.tif 000006