(57)【要約】  基板と、前記基板に形成された３次元構造パターンと、前記基板表面に形成されたナノ炭素材料とを備え、前記ナノ炭素材料は、少なくとも前記３次元構造パターンの側面部に存在していることを特徴とするナノ炭素材料複合基板。
2010038793.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板に形成された３次元構造パターンと、
前記基板表面に形成されたナノ炭素材料と、を備え、
前記ナノ炭素材料は、少なくとも前記３次元構造パターンの側面部に存在していること
を特徴とするナノ炭素材料複合基板。
【請求項２】
前記３次元構造パターンは複数の突起部が屹立した形状であり、前記突起部の高さが１０μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載のナノ炭素材料複合基板。
【請求項３】
前記突起部の形状は、円柱、円錐台、多角柱、多角錐台、円錐、多角錐からなる群から選ばれた形状のいずれかであることを特徴とする請求項２に記載のナノ炭素材料複合基板。
【請求項４】
前記ナノ炭素材料は、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、カーボンナノフィラメント、カーボンナノウォール、及びカーボンナノコイルからなる群から選ばれた１種以上のナノ炭素材料を含むことを特徴とする請求項１に記載のナノ炭素材料複合基板。
【請求項５】
前記ナノ炭素材料は、基板表面に対し垂直配向しており、前記３次元構造パターンの側面部に存在している前記ナノ炭素材料の配向方向は、前記３次元構造パターンの側面の平面に対し垂直な方向であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のナノ炭素材料複合基板。
【請求項６】
基板に３次元構造パターンを形成する工程と、
前記基板の表面に触媒を担持させる工程と、
前記触媒を担持させた前記基板を、有機液体中に浸漬して加熱し、固液界面接触分解法により、前記突起部または溝部の表面にナノ炭素材料を成長させる工程と
を有することを特徴とするナノ炭素材料複合基板の製造方法。
【請求項７】
リソグラフィーおよびエッチングにより、前記基板に前記３次元構造パターンを形成することを特徴とする請求項６に記載のナノ炭素材料複合基板の製造方法。
【請求項８】
切削刃を用いた機械加工により、前記基板に前記３次元構造パターンを形成することを特徴とする請求項６に記載のナノ炭素材料複合基板の製造方法。
【請求項９】
前記有機液体がメタノールを含み、前記触媒がコバルトまたはその酸化物を含むこと
を特徴とする請求項６に記載のナノ炭素材料複合基板の製造方法。
【請求項１０】
前記基板がシリコンからなることを特徴とする請求項６ないし９のいずれか１項に記載のナノ炭素材料複合基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強度補強材料、電子放出素子材料、電池の電極材料、電磁波吸収材料、触媒材料、光学材料などへの応用が期待されるナノ炭素材料を含む複合基板およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノ炭素材料は、炭素原子のｓｐ２混成軌道で構成された、ナノメーター（ｎｍ）サイズの微細な構造を有することから、従来の材料を凌駕する特性または従来の材料にはない特性を有しており、強度補強材料、電子放出素子材料、電池の電極材料、電磁波吸収材料、触媒材料、光学材料などの次世代の機能性材料としての応用が期待されている。【０００３】
カーボンナノチューブなどのナノ炭素材料の合成方法としては、アーク放電法、レーザーアブレーション法、プラズマ化学気相成長法、熱化学気相成長法などが知られている。これらの方法のうち、アーク放電法、レーザーアブレーション法およびプラズマ化学気相成長法は、非平衡反応であるため非晶質成分を生成しやすく、一般的に生成するカーボンナノチューブの収率が低く、しかも生成したカーボンナノチューブの太さや種類（形態）が一様でないことが知られている。【０００４】
一方、特許文献１および２には、触媒を用いて炭化水素ガスを熱分解することによりカーボンナノチューブを製造する熱化学気相成長法が開示されている。熱化学気相成長法は、化学平衡反応を利用するため収率が比較的高いことが知られており、この方法によると、超微粒の鉄やニッケルなどの触媒粒子を核として成長した炭素繊維が得られる。得られた炭素繊維は、炭素網層が同心状、中空状に成長したものである。【０００５】
しかし、この方法では、触媒となる金属の粒径や化学状態を制御することが困難であり、ナノ炭素材料の形状や太さを制御して合成することができず、実用化の際に要求される所望の構造の材料を作り分けて得ることができないため、結果的に収率が低下することは避けられなかった。【０００６】
また、従来のナノ炭素材料では、合成したナノ炭素材料を使用形態に加工する際、例えば電池の電極の形状に加工する際には、黒鉛粒子や不定形炭素などのナノ炭素材料以外の炭素不純物を含んだ反応生成物を精製して、反応生成物中からナノ炭素材料を取り出さなければならない。しかも、基板上に成長したカーボンナノチューブを掻き落とすことで、必要な量のカーボンナノチューブを収集することが必要である。このため、低コストで大量に、所望の構造を持ったナノ炭素材料を用いて、電極等の部材を製造することができなかった。【０００７】
さらに、従来のナノ炭素材料は、個々には結晶性を持ち、繊維状の形態を持つが、例えばグラム単位でみた集合体は無秩序な集まりであり、かつ密度が低いパウダー状またはクラスター状の固体である。このようなナノ炭素材料を実用的な材料として適用するために、ペースト化したり、樹脂などの他材料と混合しても、無秩序で低密度の集合体であるため、均一な混合が容易ではなかった。【０００８】
一方、特許文献３には、精製が不要な高純度カーボンナノチューブを高い収率で合成することができる合成方法が開示されている。この方法は、固体基板と有機液体が急激な温度差をもって接触することから生じる特異的な界面分解反応に基づいており、有機液体中の固液界面接触分解法と呼ばれている。以下、この方法について概略的に説明する。【０００９】
導電性のシリコン基板上にＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどの遷移金属薄膜を積層し、この基板を水素プラズマに晒すかまたは遷移金属薄膜を熱酸化することによって、基板上に高密度に分布する触媒微粒子を担持させる。この基板をメタノールなどの有機液体に浸漬し、基板に電流を流して基板を加熱する。これにより、基板と有機液体とが急激な温度差をもって接触することから特異的な界面分解反応が生じ、触媒微粒子上にカーボンナノチューブが合成される。この方法では、基板表面に高密度、高純度、低コストでナノ炭素材料を形成することができる。【００１０】
ナノ炭素材料の用途によっては、ナノ炭素材料を更に高密度に形成し、より大きな表面積とすることが好ましい場合がある。例えば、電池などの電極材料ではナノ炭素材料の表面積が大きいほど蓄電または発電などの効率が向上する。また、電界放射型の電子放出素子では、ナノ炭素材料あるいはそれを備える基板のアスペクト比が大きいほど、電界集中効率が向上し、より低電圧での電子放出が可能になる。しかし、基板のアスペクト比が大きい場合、基板の奥部位にまで原料が到達することが困難なことからアスペクト比が大きい構造体に対し均一なナノ炭素材料の形成は困難であった。よって、このような用途に適した、ナノ炭素材料がより高密度に形成され、より大きな表面積およびアスペクト比を利用することができる構造体は見出されていない。【００１１】
以下、電界放射型の電子放出素子における課題について説明する。電子ディスプレイデバイスとして、高真空の平板セル中に微小な電子放出素子、特に電界放射型の電子放出素子をアレイ状に配したものが有望視されている。電界放射型の電子放出素子は、物質に印加する電界の強度を上げると、その強度に応じて物質表面のエネルギー障壁の幅が次第に狭まり、電界強度が１０７Ｖ／ｃｍ以上になると、物質中の電子がトンネル効果によりそのエネルギー障壁を突破できるようになり、物質から電子が放出されるという現象を利用している。この場合、電場がポアッソンの方程式に従うために、電子を放出する部材、即ちエミッタに電界が集中する部分を形成すると、比較的低い引き出し電圧で効率的に冷電子を放出させることができる。【００１２】
近年、エミッタ材料としてナノ炭素材料が注目されている。ナノ炭素材料の中で最も代表的なカーボンナノチューブは、炭素原子が規則的に配列したグラフェンシートを丸めた中空の円筒であり、外径がｎｍオーダー、長さが通常０．５〜数１０μｍの非常にアスペクト比の高い微小な物質である。そのため、先端部分に電界が集中しやすく高い電子放出能が期待される。また、カーボンナノチューブは、化学的、物理的安定性が高いという特徴を有するため、動作に際し、真空中の残留ガスの吸着や反応が生じ難く、イオン衝撃や電子放出に伴う発熱に対して損傷を受け難いという特性を有している。【００１３】
カーボンナノチューブをエミッタに利用する場合、ペースト化し、印刷法により基板上に塗布してエミッタを形成する方法が知られている。例えば、特許文献４には、スクリーン印刷によるエミッタ形成方法が開示されている。まず、基板上にカソード電極を所定ピッチでストライプ状に形成し、スクリーン印刷によってカソード電極上にカーボンナノチューブを含んだペーストを四角形や円形などの形状に孤立した形でカソード電極と同じピッチに形成する。次いで、カーボンナノチューブを含んだ樹脂層の間に絶縁層をスクリーン印刷した後、大気雰囲気中で焼成する。これにより、カーボンナノチューブを含む樹脂層の樹脂成分が分解し、カーボンナノチューブが露出して電子放出部が形成される。最後に、グリッド電極を絶縁層上に形成してエミッタを作製する。【００１４】
上記のようなエミッタの作製に用いるペーストは、一般的には、カーボンナノチューブ粉末に溶剤、分散剤、接着剤としてのガラスフリット、フィラーなどを加え、これらの分布状態が均一になるように混合して分散させる。混合後に濾過を行い、溶剤と樹脂とからなるビヒクル中にカーボンナノチューブを混ぜ込んだ形でペースト化する。このペーストをよく混合して分散状態を高めた後に濾過してカーボンナノチューブペーストを調製する。そして上記プロセスで得られたカーボンナノチューブペーストを基板上に印刷し、乾燥および焼成によりビヒクルを酸化分解させてカーボンナノチューブ膜を得る。このような方法により、カソード電極上にカーボンナノチューブ膜を形成することができるが、基板に対し配向させることは困難である。また、電界放射型の電子放出素子では、ナノ炭素材料をより基板に対し高配向に形成し、ナノ炭素材料あるいはそれを備えた基板のアスペクト比を大きくして電界集中効率を向上させ、より低電圧での電子放出を可能にすることが好ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００２−２５５５１９号公報
【特許文献２】特開２００２−２８５３３４号公報
【特許文献３】特開２００３−１２３１２号公報
【特許文献４】特開２００３−２７２５１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明の目的は、ナノ炭素材料がより高密度に形成され、より大きな表面積およびアスペクト比を利用することができるナノ炭素材料複合基板を提供することにある。【００１７】
本発明の他の目的は、高純度かつ低コストで、所望の構造に制御することが容易なナノ炭素材料複合基板の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の一態様によると、基板と、前記基板に形成された３次元構造パターンと、前記基板表面に形成されたナノ炭素材料と、を備え、前記ナノ炭素材料は、少なくとも前記３次元構造パターンの側面部に存在していることを特徴とするナノ炭素材料複合基板が提供される。【００１９】
本発明の他の態様によると、基板に３次元構造パターンを形成する工程と、前記基板の表面に触媒を担持させる工程と、前記触媒を担持させた前記基板を、有機液体中に浸漬して加熱し、固液界面接触分解法により、前記突起部または溝部の表面にナノ炭素材料を成長させる工程とを有することを特徴とするナノ炭素材料複合基板の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００２０】
本発明のナノ炭素材料複合基板は、ナノ炭素材料が少なくとも３次元構造パターンの側面部に存在しているため、３次元構造パターンに起因する大きな表面積および高アスペクト比を利用することができる。【００２１】
本発明のナノ炭素材料複合基板の製造方法によれば、３次元構造パターンの側面部にナノ炭素材料を、均一かつ形状を制御して、低コストで容易に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１Ａ】本発明の一実施形態に係るナノ炭素材料複合基板を示す断面図である。
【図１Ｂ】本発明の他の実施形態に係るナノ炭素材料複合基板を示す断面図である。
【図２】本発明のナノ炭素材料複合基板の突起部または溝部を示す斜視図または断面図である。
【図３Ａ】本発明のナノ炭素材料複合基板の製造方法を示す断面図である。
【図３Ｂ】本発明のナノ炭素材料複合基板の製造方法を示す断面図である。
【図３Ｃ】本発明のナノ炭素材料複合基板の製造方法を示す断面図である。
【図４】本発明のナノ炭素材料複合基板の製造装置の一例を示す構成図である。
【図５Ａ】実施例で製造されたナノ炭素材料複合基板の走査型電子顕微鏡像を示す図である。
【図５Ｂ】実施例で製造されたナノ炭素材料複合基板の走査型電子顕微鏡像を示す図である。
【図６Ａ】実施例で製造されたナノ炭素材料複合基板の走査型電子顕微鏡像を示す図である。
【図６Ｂ】実施例で製造されたナノ炭素材料複合基板の走査型電子顕微鏡像を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
【００２４】
本発明の一態様に係るナノ炭素材料複合基板は、突起部または溝部が形成された基板と、基板の突起部または溝部の表面に形成されたナノ炭素材料とを含む。
【００２５】
図１Ａおよび１Ｂに示す断面図を参照して、本発明の一実施形態に係るナノ炭素材料複合基板について説明する。図１Ａに示すナノ炭素材料複合基板１０は、基板１の表面に突起部２が形成され、突起部２の上面および側面を含む基板１の表面にナノ炭素材料５が成長している。図１Ａにおいては、ナノ炭素材料５はランダムに配向している。これに対し、図１Ｂに示すナノ炭素材料複合基板１０では、突起部２の上面および側面を含む基板１の表面に対して垂直に配向してナノ炭素材料５が成長している。
【００２６】
ナノ炭素材料５は、突起部２表面に触媒を担持させ、これにナノ炭素材料を成長させる固液界面接触分解法により製造することが出来る。図１Ａ及び図１Ｂに示す複合基板は、固液界面接触分解法において、合成条件（例えば触媒の担持量や合成温度）を制御することにより、形成することが出来る。例えば、固液界面接触分解法において、触媒の担持量を、図１Ｂに示すような垂直に配向したナノ炭素材料を形成する場合よりも低減させると、図１Ａに示すような、配向性のないランダムなナノ炭素材料５が成長する傾向となる。
【００２７】
図１Ａおよび１Ｂに示すように、突起部２の上面および側面を含む基板１の表面に高密度にナノ炭素材料が形成されているため、より大きな表面積および高いアスペクト比を利用することができる。突起部２は、用途に応じて適切な形状に形成でき、種々の形状効果を得ることができる。本発明のナノ炭素材料複合基板１０を用いれば、たとえば電池の電極材料や電子放出素子などの実用デバイスの特性を向上することができる。
【００２８】
基板１としては、単結晶シリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素、ガリウム砒素リン、窒化ガリウム、炭化珪素などの半導体基板や、ガラス、セラミックス、石英などを用いることができる。基板１の厚さは特に限定されないが、１００〜１５００μｍが好ましい。
【００２９】
突起部２の高さは１μｍ以上、更には、１０μｍ以上であることが好ましい。突起部２のアスペクト比が高いほど、表面積がより大きくなり、かつ形状効果を向上することができる。用途に応じて、突起部２のアスペクト比を適切に設計することが好ましい。
【００３０】
ナノ炭素材料５としては、ナノサイズの径を持つ結晶性のカーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、カーボンナノフィラメント、カーボンナノウォール、またはカーボンナノコイルを挙げることができる。
【００３１】
図１Ｂに示すように、ナノ炭素材料５が突起部２の上面および側面を含む基板１の表面に対して垂直に配向していると、表面積の向上や形状効果を効率的に利用することができるようになり、デバイス特性の向上を可能とする。
【００３２】
図２（ａ）〜（ｇ）に示すように、突起部２または溝部３は種々の形状に形成することができる。図２（ａ）〜２（ｆ）に示す突起部２の形状は、円柱（ａ）、円錐台（ｂ）、四角柱（ｃ）、四角錘台（ｄ）、円錐（ｅ）、四角錘（ｆ）である。図２（ｇ）に示す溝部３の形状は断面Ｖ字状である。図示しないが、溝部３の形状は断面Ｕ字状など他の形状でもよい。
【００３３】
図２（ａ）〜（ｄ）に示すように、突起部の形状を円柱もしくは円錐台または多角柱もしくは多角錐台という定形にすれば、突起部をより効率的に形成することができ、かつ各種デバイス特性の制御が容易になる。
【００３４】
図２（ｅ）または（ｆ）に示すように、突起部の形状を鋭い頂点をもつ円錐または多角錐にした場合にも、突起部をより効率的に形成することができ、かつ各種デバイス特性の制御が容易になる。
【００３５】
本発明の一実施形態に係るナノ炭素材料複合基板は、基板に突起部または溝部が形成され、基板の突起部または溝部の表面に高密度にナノ炭素材料が形成されているため、より大きな表面積および高アスペクト比を利用することができる。したがって、本発明のナノ炭素材料複合体を、構造材料、電子放出材料、電気二重層キャパシタ、電池、燃料電池または一般的な二次電池の電極材料として用いれば、良好な実用特性を得ることができる。たとえば、電界放射型の電子放出素子に適用した場合、ナノ炭素材料複合体からなるカソードのエミッタ（ナノ炭素材料）に容易に電界集中が起こるため、電子放出が容易になされ、低電圧駆動が可能になる。
【００３６】
特に、図１Ａに示す構造では、電界が集中する部位は加工基板の端部となり、構造体のエッジ部に電界が集中することから、電界集中効果が得られる。また、図１Ｂに示す構造では、電界が集中する部位は、加工基板の端部部位に配向して成長したナノ炭素材料であり、構造体のエッジ部に電界が集中するとともに、配向したナノ炭素材料の突起部位に電界が集中することとなり、より高い電界集中効果が得られる。
【００３７】
次に、本発明の一実施形態に係るナノ炭素材料複合基板の製造方法を説明する。本実施形態に係る方法は、基板に突起部または溝部を形成する工程と、前記突起部または溝部の表面に触媒を担持させる工程と、前記突起部または溝部に触媒を担持させた基板を、有機液体中に浸漬して加熱し、固液界面接触分解法により、前記突起部または溝部の表面にナノ炭素材料を成長させることを特徴とする。
【００３８】
図３Ａ〜３Ｃを参照して、本実施形態に係る方法の一例を説明する。  
図３Ａに示すように、基板１を洗浄した後、基板１を加工して、基板１に突起部２を形成する。突起部２の代わりに溝部を形成してもよい。基板１に突起部２または溝部を形成するには、リソグラフィーまたはドライまたはウェットエッチングを用いてもよいし、切削刃を用いた機械加工を用いてもよい。
【００３９】
光または電子線リソグラフィーを用いれば微細かつ任意のパターン形状を得ることができ、この場合、ドライまたはウェットエッチングにより１０μｍ以上のミクロンオーダーの突起部２または溝部を加工することができる。また、半導体レベルの微細加工が可能で、トレンチエッチングなどの手法を適用することにより、極微細なパターンまたはピッチでアスペクト比の高い形状の突起部２または溝部を加工することができる。
【００４０】
切削刃を用いた機械加工を用いると、ミリメートルオーダーに達するアスペクト比の高い突起部２や鋭い頂点を持つ突起部２を加工することができる。
【００４１】
次に、図３Ｂに示すように、突起部２（または溝部）の表面に触媒４を堆積して担持させる。触媒４としてはコバルト、鉄、ニッケル、パラジウムまたはそれらの化合物などを用いることができる。基板２表面へのこれらの触媒４の堆積方法として、たとえばスパッタリング法を用いることができる。また、所定量の金属塩水溶液を塗布し、過剰の水を蒸発させて乾燥した後、４００〜５００℃の空気気流中で焼成し、金属塩の分解と酸化を起こして金属塩を酸化物に転換してもよい。堆積させる触媒４の厚さは特に限定されないが、１〜１０ｎｍの範囲が好ましい。
【００４２】
次いで、図３Ｃに示すように、突起部２（または溝部）に触媒を担持させた基板１を、有機液体中に浸漬して加熱し、固液界面接触分解法により、突起部２（または溝部）の表面にナノ炭素材料５を成長させて、ナノ炭素材料複合基板１０を製造する。このとき、有機液体は形成された３次元構造パターンの奥部位にまで浸透し、該奥部位の固液界面において反応が進行するため、高アスペクト比の３次元構造パターンであっても均一にナノ炭素材料を形成することが出来る。よって、ナノ炭素材料が少なくとも３次元構造パターンの側面部に形成されたナノ炭素材料複合基板を好適に製造することが出来る。
【００４３】
図４は、固液界面接触分解法を実施するための製造装置の一例を示す。  
液体槽１１には有機液体１２が収容される。液体槽１１の周囲には水冷手段（図示せず）が設けられる。液体槽１１の上部は蓋１３で密閉される。蓋１３には、有機液体１２中に浸漬されるように１対の電極１４が取り付けられている。１対の電極１４の下部に基板１を保持して有機液体１２に浸漬させ、この状態で基板１に電流を流して加熱する。蓋１３の上部には、液体槽１１から蒸発する有機液体蒸気を冷却凝縮して液体槽１１に戻す、水冷パイプ１５を備えた凝縮器１６が設けられている。凝縮器１６の上部にはフィルター１７が設けられている。また、蓋１３には、液体槽１１および凝縮器１６の空気を除去するために不活性ガスを導入するバルブ１８が設けられている。
【００４４】
以上のように構成される装置を用いて、固液界面接触分解法は、次のように実施される。
【００４５】
まず、突起部２を形成し表面に触媒４を担持させた基板１を１対の電極１３の下部に取り付け、液体槽１１内に有機液体１２を入れる。有機液体１２としては、メタノール、エタノール、オクタノールなどのアルコール類、またはベンゼンなどの炭化水素を用いることができる。バルブ１８を介して液体槽１１内に不活性ガスを導入して液体槽１１内の残留空気と置換することが好ましい。このようにすれば、空気と有機ガスとの混合による爆発、炎上の危険がない。
【００４６】
次に、１対の電極１３に電流を流して基板１を加熱する。基板１の加熱温度は５５０〜１０００℃の範囲に設定することが好ましい。加熱により基板１の表面に有機液体１２の気泡が発生し、気泡によって基板１の表面が覆われる。このとき、有機液体１２の温度を沸点以下に保つために、液体槽１１周囲の水冷手段を用いて有機液体１２を冷却する。なお、気相となった有機液体を凝縮器１６により凝縮して液体槽１１に戻す。このため、有機液体を無駄にすることがない。
【００４７】
このようにして基板１の温度と加熱時間を制御することにより、基板１の突起部２（または溝部）に担持された触媒上に、所望の形態を有するナノ炭素繊維を堆積することができる。
【００４８】
上述した固液界面接触分解法を用いると、原料が有機液体であるため、突起部２（または溝部）の細部に原料が浸透し、均一な化学合成反応が起こる。このため、突起部２（または溝部）を有する基板１の表面に、高純度で高結晶性のナノ炭素材料を均一に形成することができる。
【００４９】
基板１の材料としてシリコンを、触媒としてコバルトを用いれば、シリコンはコバルトと安定な酸化状態を形成するため、ナノ炭素材料の形態をより安定に制御することができる。触媒としてコバルトまたはその酸化物を用い、有機液体としてメタノールを用いると、突起部２の上面および側面を含む基板１の表面に対して垂直配向したナノ炭素材料を容易に成長させることができる。
【００５０】
上記のように、固液界面接触分解法では基板を５５０〜１０００℃に加熱するので、当業者であれば表面に微細な凹凸を有する基板を適用することは避けようとするであろう。これは、表面に微細な凹凸を有する基板を高温加熱した場合、基板に割れが発生することを懸念されるためである。ところが、本発明者らの研究によれば、表面に微細な凹凸を有する基板を固液界面接触分解法に適用しても、基板に割れが発生することはなく、突起部または溝部を有する基板上に、高純度で高結晶性のナノ炭素材料を、均一かつ形状を制御して容易に低コストで形成することができることを見出した。
【実施例】
【００５１】
以下、本発明の実施例を説明する。【００５２】
低抵抗のｎ型単結晶シリコン（１００）基板の表面に、機械的な切削加工または化学的なイオンエッチングを施し、四角柱または四角錐の突起部を形成した。【００５３】
次に、基板表面に触媒としてコバルトを６ｎｍの厚みでスパッタ成膜を行った後、空気中で９００℃１０分の熱処理を施した。【００５４】
この基板を、メタノール中に浸漬して電極を通して通電し、初期に６００℃、３分、続いて９００℃、６分の条件で基板を加熱し、基板近傍で固液界面接触分解反応を起こし、基板表面にメタノール中の炭素原子を原料としてカーボンナノチューブを生成させた。この結果、突起部２の上面および側面を含む基板１の表面にカーボンナノチューブが垂直配向して成長した。成長したカーボンナノチューブの長さは約２〜３μｍであった。【００５５】
図５Ａおよび５Ｂに、基板の突起部の表面に成長したカーボンナノチューブを含むナノ炭素材料複合基板の走査型電子顕微鏡像を示す。図５Ａおよび図６Ａは突起部が四角柱の例、図５Ｂおよび図６Ｂは突起部が四角錐の例であり、図５Ａおよび図５Ｂは突起部の先端部位の拡大図、図６Ａおよび図６Ｂは突起部の全体を撮像した全体図である。いずれの例でも、突起部の表面に垂直に配向してカーボンナノチューブが高密度で成長しており、３次元構造パターンの側面部にナノ炭素材料が存在していることが確認された。【００５６】
以上のようにして得られたナノ炭素材料複合基板を電界放射型の電子放出素子のカソードとして用い、これに１ｍｍの間隙を設けてアノードを対向させ、真空中で電界電子放出特性を測定した結果、１Ｖ／μｍ以下の低い電界強度で電子放出が得られることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明のナノ炭素材料複合基板は、強度補強材料、電池の電極材料、電磁波吸収材料、触媒材料、光学材料、電子放出素子材料、などの基板としての応用が期待される。【００５８】
特に、強電界によって電子を放出する電界放射型の電子放出素子としての利用が期待され、具体的には、例えば、光プリンタ、電子顕微鏡、電子ビーム露光装置などの電子発生源や電子銃、平面ディスプレイを構成するアレイ状のフィールドエミッタアレイの面電子源、照明ランプ、などの用途としての電子放出素子として有用である。【００５９】
特に、照明ランプの電子放出素子として用いる場合、（１）ディスプレイ用途：液晶バックライト、プロジェクタ光源、ＬＥＤディスプレイ光源、（２）シグナル用途：交通信号灯、産業／業務用回転灯・信号灯、非常灯・誘導灯、（３）センシング用途：赤外線センサ光源、産業用光センサ光源、光通信用光源、（４）医療・画像処理用途：医療用光源（眼底カメラ・スリットランプ）、医療用光源（内視鏡）、画像処理用光源、（５）光化学反応用途：硬化・乾燥／接着用光源、洗浄／表面改質用光源、水殺菌／空気殺菌用光源、（６）自動車用光源：ヘッドランプ、リアコンビネーションランプ、内装ランプ、（７）一般照明：オフィス照明、店舗照明、施設照明、舞台照明・演出照明、屋外照明、住宅照明、ディスプレイ照明（パチンコ機、自動販売機、冷凍・冷蔵ショーケース）、機器・什器組込照明、などの照明用途に応用が期待される。【００６０】
なお、上記の用途に本発明のナノ炭素材料複合基板の用途は限定されるものではない。
【符号の説明】
【００６１】
１…基板、２…突起部、３…溝部、４…触媒、５…ナノ炭素材料、１０…ナノ炭素材料複合基板、１１…液体槽、１２…有機液体、１３…蓋、１４…電極、１５…水冷パイプ、１６…凝縮器、１７…フィルター、１８…バルブ。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【国際調査報告】
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