(57)【要約】【課題】炭素ナノチューブで構成した３次元構造の長寿命電界放出エミッターを提供する。【解決手段】広い面が互いに対向して対をなすように配置されている少なくとも二つの電極板と、電極板のそれぞれの両面に形成された炭素ナノチューブと、電極板のそれぞれの一側面が接触された状態で垂直に固定される基板と、基板から離間した状態で並列状に配列され、基板に対向する蛍光体を有するアノード電極と、アノード電極と電極板との間に直流電圧を印加する直流電源と、対をなす電極板のうちのいずれか他の一つに周期的に異なる大きさの電圧を有するパルス波を印加することによって、これらが交互にカソード電極とゲートの役割をなすようにするパルス波供給機とを具備する。【選択図】図５
2008166257.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次元構造を有することを特徴とする炭素ナノチューブによって構成された電界放出エミッター。
【請求項２】
広い面が互いに対向して対をなすように配置されている少なくとも二つの電極板と、
前記電極板のそれぞれの両面に形成された炭素ナノチューブと、
前記電極板のそれぞれの一側面が接触された状態で垂直に固定される基板と、
前記基板から離間した状態で並列状に配列され、前記基板に対向する蛍光体を有するアノード電極と、
前記アノード電極と前記電極板との間に直流電圧を印加する直流電源と、
前記対をなす電極板のうちのいずれか他の一つに周期的に異なる大きさの電圧を有するパルス波を印加することによって、これらが交互にカソード電極とゲートの役割をなすようにするパルス波供給機とを具備する炭素ナノチューブ電界放出エミッター。
【請求項３】
前記電極板の厚さに対する高さの比である長さ比が、１以上であることを特徴とする請求項２に記載の炭素ナノチューブ電界放出エミッター。
【請求項４】
前記基板は、ガラス基板であること特徴とする請求項２に記載の炭素ナノチューブ電界放出エミッター。
【請求項５】
（ａ）少なくとも一面に炭素ナノチューブが形成された電極板を複数個製作する段階と、
（ｂ）前記電極板の炭素ナノチューブが形成された広い面が対向して対をなすように配列する段階と、
（ｃ）前記電極板に蛍光体を有するアノード電極を電極板から離間して配設する段階と、
（ｄ）前記対向して対をなした電極板との間に周期的に異なる大きさの電圧を有するパルス波を印加することによって、これらが交互にカソード電極とゲートの役割をなすようにするパルス波供給機を設置する段階と、
（ｅ）前記対向して対をなした電極板と前記アノード電極との間に直流電圧を印加する直流電源を設ける段階とを含めてなることを特徴とする炭素ナノチューブ電界放出エミッターの製造方法。
【請求項６】
前記（ａ）段階は、
（ａ−１）前記電極板の母材の少なくとも一面に、炭素ナノチューブ及び炭素ナノチューブ複合粉末と有機バインダーの混合物を複数の所定領域のみに塗布する段階と、
（ａ−２）前記塗布した結果物を真空下で焼成して前記塗布された領域のみに炭素ナノチューブを形成させる段階と、
（ａ−３）前記炭素ナノチューブが形成された領域が含まれるように前記電極板の母材を切断して炭素ナノチューブが形成された複数個の電極板を得る段階とを含めてなることを特徴とする請求項５に記載の炭素ナノチューブ電界放出エミッターの製造方法。
【請求項７】
（ａ）少なくとも一面に炭素ナノチューブが形成された電極板を、前記炭素ナノチューブが形成された広い面が対向して対をなす配列状態に複数個形成する段階と、
（ｂ）前記電極板に蛍光体を有するアノード電極を電極板から離間して配設する段階と、
（ｃ）前記対向して対をなした電極板との間に周期的に異なる大きさの電圧を有するパルス波を印加することによって、これらが交互にカソード電極とゲートの役割をなすようにするパルス波供給機を設置する段階と、
（ｄ）前記対向して対をなした電極板と前記アノード電極との間に直流電圧を印加する直流電源を設ける段階とを含めてなることを特徴とする炭素ナノチューブ電界放出エミッターの製造方法。
【請求項８】
前記（ａ）段階は、
（ａ−１）基板上に炭素ナノチューブを含む金属系複合材料層を成膜させる段階と、
（ａ−２）一定間隔のパターンに前記炭素ナノチューブを残して前記金属系複合材料層のみをエッチング法により除去することによって、前記炭素ナノチューブが形成された広い面を対向させて対をなす配列状態で複数の電極板を形成する段階とを含めてなることを特徴とする請求項７に記載の炭素ナノチューブ電界放出エミッターの製造方法。
【請求項９】
前記金属系複合材料層のみをエッチング法により除去する（ａ−２）段階は、レーザーの照射による物理的エッチングによって行うことを特徴とする請求項８に記載の炭素ナノチューブ電界放出エミッターの製造方法。
【請求項１０】
前記金属系複合材料層のみをエッチング法により除去する（ａ−２）段階は、化学薬液による化学的エッチングによって行うことを特徴とする請求項８に記載の炭素ナノチューブ電界放出エミッターの製造方法。
【請求項１１】
前記（ａ）段階は、
（ａ−１）基板上に金属膜を形成する段階と、
（ａ−２）一定間隔のパターンに前記金属膜をエッチングし、広い面が対向して対をなす配列状態で複数個の電極板を形成させる段階と、
（ａ−３）前記エッチングした金属膜の側壁に炭素ナノチューブ形成触媒を塗布する段階と、
（ａ−４）前記炭素ナノチューブ形成触媒を介して前記エッチングした金属膜の側壁に炭素ナノチューブを形成する段階とを含めてなることを特徴とする請求項７に記載の炭素ナノチューブ電界放出エミッターの製造方法。
【請求項１２】
前記炭素ナノチューブを形成する（ａ−４）段階は、真空加熱炉においてＣＨ４、Ｃ２Ｈ２、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ６及びＣＯからなる群から選択された少なくとも一つを成分とするガスを注入して、炭素ナノチューブを成長させる段階であることを特徴とする請求項１１に記載の炭素ナノチューブ電界放出エミッターの製造方法。
【請求項１３】
前記炭素ナノチューブを形成する（ａ−４）段階は、Ｃｏ（ＣＯ）８、Ｆｅ（ＣＯ）５、Ｆｅ（Ｃ５Ｈ５）２、エタノール、メタノール及びキシレンからなる炭素を含む溶媒群の中の一つまたはその混合溶媒に、前記炭素ナノチューブ形成触媒を塗布した結果物を浸漬し、超音波処理によって炭素ナノチューブを成長させる段階であることを特徴とする請求項１１に記載の炭素ナノチューブ電界放出エミッターの製造方法。
【請求項１４】
前記炭素ナノチューブを形成する（ａ−４）段階は、炭素ナノチューブまたは炭素ナノチューブを含む複合材料と沸点が３００℃以下の溶媒からなる炭素ナノチューブ溶液に浸漬させるか、前記溶液を噴霧する段階とを含めてなることを特徴とする請求項１１に記載の炭素ナノチューブ電界放出エミッターの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は炭素ナノチューブ電界放出エミッター及びその製造方法に関し、特に炭素ナノチューブで構成された３次元構造の長寿命電界放出エミッター及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭素ナノチューブはアスペクト比が大きく、高い電気伝導度及び物理化学的安定性を有しているので、電界放出エミッターの材料として非常に理想的である。これを利用した電界放出エミッターは既存の金属及びシリコンを利用した電界放出エミッターより向上された効率を有していることが知られている。したがって、多くの研究者が炭素ナノチューブを利用して電界放出エミッターを製造すべく研究を進めてきた。例えば、化学気相蒸着法やスクリーンプリンティング工程などを利用して二極構造（ｄｉｏｄｅ  ｔｙｐｅ）（図１参照）または三極構造（ｔｒｉｏｄｅ  ｔｙｐｅ）（図２〜図４参照）などの構造で電界放出エミッターを製造してきた。
【０００３】
図１は、従来技術の２極型炭素ナノチューブ電界放出エミッターの概念を説明するための断面図である。炭素ナノチューブ電界放出エミッターの作動を説明するために電気的な連結も共に示した。以下、全ての図面において同一構成要素には同一の符号で示し、これに対する重複的な説明は省略する。図１を参照すれば、基板５上のカソード電極１０から炭素ナノチューブ３０が形成されていることを分かる。炭素ナノチューブ３０から所定の間隔をおいて上部に離間した位置にはアノード電極２０と蛍光体２１が対向するように配置される。カソード電極１０とアノード電極２０との間には電圧が印加されて炭素ナノチューブエミッターが作動することになる。このような２極型炭素ナノチューブ電界放出エミッターにおいては、２次元平面に該当するカソード電極１０上に炭素ナノチューブ３０が形成されるため、単位面積当りの炭素ナノチューブの数を増加させることが難しいという問題がある。
【０００４】
図２は、金属グリッド（ｇｒｉｄ）ゲートを利用した従来技術の３極型炭素ナノチューブ電界放出エミッターの概念を説明するための断面図である。図１と比べて図２の差異点は、図２の３極型炭素ナノチューブ電界放出エミッターでは金属グリッドゲート４０がさらに設けられていることである。しかし、この場合にも３極型炭素ナノチューブ電界放出エミッターは、単位面積当りの炭素ナノチューブの数を増加させることが難しいという問題点を有することにおいては図１の場合と同様である。
【０００５】
図３は、金属ゲートが側面に位置する従来技術の３極型炭素ナノチューブ電界放出エミッターの概念を説明するための断面図である。図３を参照すれば、金属ゲート４０がカソード電極１０と同じ基板５上に形成されていることを分かる。このような構造は垂直方向に移動する気体／イオンの衝突を最少化して炭素ナノチューブ３０の損傷を減少させることができるメリットは有するものの、単位面積当りの炭素ナノチューブの数が図１及び図２の場合と同様に単位面積当りの炭素ナノチューブの数を増加させることが難しいという問題を残している。
【０００６】
図４は、金属ゲートがカソード電極の下部に位置する従来技術の３極型炭素ナノチューブ電界放出エミッターの概念を説明するための断面図である。図４を参照すれば、カソード電極１０の下部に絶縁層５０を介して金属ゲート４０が設けられていることを分かる。このような構造は、図３に示した場合と比べて単位面積当りの炭素ナノチューブの数が減少するという問題点は有していない。しかし、このような構造は図１及び図２の場合と同様に炭素ナノチューブの数を増加させることが難しいという問題点を有している。
【０００７】
前述のように多様な構造が提案されているが、なお、炭素ナノチューブの離脱、高い電流密度度による蒸発などの問題点があり、電界放出エミッターの寿命が短いという短所を有しているため、炭素ナノチューブは未だ商用化されていないのが現状である。したがって、炭素ナノチューブを利用した電界放出エミッターに関連する技術分野における核心の技術は、炭素ナノチューブの寿命を向上させる技術であるということができる。
【０００８】
この分野の従来の技術は、例えば炭素ナノチューブ電界放出エミッターの発光を均一にする技術（別記非特許文献１、２）、電界放出閾値電圧を低める技術（別記非特許文献３、４）を集中的に研究してきた。また、寿命向上のためには金属バインダーを使用して電気伝導度も向上させるとともに、炭素ナノチューブの離脱を防止する方法（別記非特許文献５、６）、蛍光体の気化／イオン化による炭素ナノチューブの汚染を最少化するために蛍光体に金属層を形成させる方法（別記非特許文献７）などが研究されてきた。
【０００９】
炭素ナノチューブの寿命を向上させることは電界放出エミッターの明るさを向上させることとは相衝する関係にある。電界放出エミッターの明るさを向上させるためには電流密度を高めるか、電子の運動エネルギーを高めなければならない。ところが、電界放出エミッターの明るさを向上させるために電子の運動エネルギーを高める方法は、高い加速電圧を印加しなければならず、陰極と陽極との間の間隔を広くしなければならない。それによって、エネルギーの効率が低下し、アークが容易に発生するため、電気的安定性が低下する問題点を有している。また、電界放出エミッターの明るさを向上させるために電流密度を高める方法は、炭素ナノチューブの一本当りに流れる電流密度を高くしなければならないため、高い電流密度による発熱によって炭素ナノチューブが容易に損傷される問題点がある。
【００１０】
さらに、既存の炭素ナノチューブ電界放出エミッターは２次元的な構造（図１〜図４参照）であるため、エミッターの面積が制限的であり、電流密度を高めることによって炭素ナノチューブに与えるダメージが激しかった。また、２次元的な構造である炭素ナノチューブ電界放出エミッターは蛍光体及び気体からイオン化された粒子の衝突によって構造が破壊されたり、表面が汚染されて寿命が退化する問題点も有している。
【００１１】
つまり、既存の２次元的な構造の炭素ナノチューブ電界放出エミッターは根本的に単位面積当りの炭素ナノチューブの数を増加させることができないため、炭素ナノチューブ当りの電流密度が高くなり炭素ナノチューブにダメージを与える問題を解決することができず、２次元的な構造で展開されているため、気体／イオンとの衝突から炭素ナノチューブを保護することができなかった。
【００１２】
【非特許文献１】Ｔａｐｉｎｇ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ−Ｊ．  Ｍ．  Ｋｉｍ（ＳＡＩＴ）  ｅｔ  ａｌ．，  Ｄｉａｍｏｎｄ  ａｎｄ  Ｒｅｌａｔｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，  ２０００，  ９，  １１８４．
【非特許文献２】Ｃｙｃｌｉｃ  ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ａｇｉｎｇ−Ｙ．  Ｃ．  Ｋｉｍ（ＬＧ  ＦＥＤ  Ｇｒｏｕｐ）  ｅｔ  ａｌ．，  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  ２００４，  ８４，  ５３５０．
【非特許文献３】Ｐｌａｓｍａ  Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ−Ｃ．  Ｙ．  Ｚｈｉ（Ｃｈｉｎｅｓｅ  Ａｃａｄｅｍｙ  ｏｆ  Ｓｃｉｅｎｃｅｓ）  ｅｔ  ａｌ．，  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  ２００２，  ８１，  １６９０．
【非特許文献４】Ｄｏｐｉｎｇ  ｅｌｅｍｅｎｔｓ−Ｊ．  Ｃ．  Ｃｈａｒｌｉｅｒ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｎａｎｏ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  ２００２，  ２，  １１９１．
【非特許文献５】Ｓ．  Ｈ．  Ｈｏｎｇ  ｅｔ  ａｌ．，  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，  ２００６，  １８，  ５５３．
【非特許文献６】Ｊ．  Ｍ．  Ｋｉｍ  ｅｔ  ａｌ．，  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  ２００５，  ８７，  ０６３１１２．
【非特許文献７】Ｊ．  Ｌｉ（Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ  Ｕｎｉｖ．  Ｃｈｉｎａ）  ｅｔ  ａｌ．，  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｓｃｉｅｎｃｅ，  ２００３，  ２２０，  ９６．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
したがって、前述した問題点を解決するためになされた本発明の目的は、炭素ナノチューブ電界放出エミッターを３次元的な構造に設計してエミッター面積を最大化し、気体／イオンの衝突から炭素ナノチューブを保護することによって寿命を向上させる炭素ナノチューブ電界放出エミッター及びその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記の目的を達成するために本発明の炭素ナノチューブ電界放出エミッターは、３次元構造を有することを特徴とする。
より詳細には、本発明の炭素ナノチューブ電界放出エミッターは、広い面が互いに対向して対をなすように配置されている少なくとも二つの電極板と、前記電極板のそれぞれの両面に形成された炭素ナノチューブと、前記電極板のそれぞれの一側面が接触された状態で垂直に固定される基板と、前記基板から離間した状態で並列状に配列され、前記基板に対向する蛍光体を有するアノード電極と、前記アノード電極と前記電極板との間に直流電圧を印加する直流電源と、前記対をなす電極板のうちのいずれか他の一つに周期的に異なる大きさの電圧を有するパルス波を印加することによって、これらが交互にカソード電極とゲートの役割をなすようにするパルス波供給機とを具備することを特徴とする。
【００１５】
本発明において、前記電極板の厚さに対する高さの比である長さ比が１以上であることが好ましい。
また、前記基板はガラス基板を使用することができる。
前記技術的課題を解決するために本発明の第１様態に係る炭素ナノチューブ電界放出エミッターの製造方法は、（ａ）少なくとも一面に炭素ナノチューブが形成された電極板を複数個製作する段階と、（ｂ）前記電極板の炭素ナノチューブが形成された広い面が対向して対をなすように配列する段階と、（ｃ）前記電極板に蛍光体を有するアノード電極を電極板から離間して配設する段階と、（ｄ）前記対向して対をなした電極板との間に周期的に異なる大きさの電圧を有するパルス波を印加することによって、これらが交互にカソード電極とゲートの役割をなすようにするパルス波供給機を設置する段階と、（ｅ）前記対向して対をなした電極板と前記アノード電極との間に直流電圧を印加する直流電源を設ける段階とを含めることを特徴とする。
【００１６】
この場合の前記（ａ）段階は、（ａ−１）前記電極板の母材の少なくとも一面に、炭素ナノチューブ及び炭素ナノチューブ複合粉末と有機バインダーの混合物を複数の所定領域のみに塗布する段階と、（ａ−２）前記塗布した結果物を真空下で焼成して前記塗布された領域のみに炭素ナノチューブを形成する段階と、（ａ−３）前記炭素ナノチューブが形成された領域が含まれるように前記電極板の母材を切断して炭素ナノチューブが形成された複数個の電極板を得る段階とを含めることが好ましい。
【００１７】
前記技術的課題を解決するために本発明の第２様態に係る炭素ナノチューブ電界放出エミッターの製造方法は、（ａ）少なくとも一面に炭素ナノチューブが形成された電極板を、前記炭素ナノチューブが形成された広い面が対向して対をなすように配列状態に複数個形成する段階と、（ｂ）前記電極板に蛍光体を有するアノード電極を電極板から離間して配設する段階と、（ｃ）前記対向して対をなした電極板との間に周期的に異なる大きさの電圧を有するパルス波を印加することによって、これらが交互にカソード電極とゲートの役割をなすようにするパルス波供給機を配設する段階と、（ｄ）前記対向して対をなした電極板と前記アノード電極との間に直流電圧を印加する直流電源を設ける段階とを含めることを特徴とする。
【００１８】
この場合の前記（ａ）段階は、（ａ−１）基板上に炭素ナノチューブを含む金属系複合材料層を成膜させる段階と、（ａ−２）一定間隔のパターンに前記炭素ナノチューブを残して前記金属系複合材料層のみをエッチング法により除去することによって、前記炭素ナノチューブが形成された広い面を対向させて対をなす配列状態で複数の電極板を形成する段階とを含めることが好ましい。
【００１９】
また、前記金属系複合材料層のみをエッチング法により除去する（ａ−２）段階は、レーザーの照射による物理的エッチングによって行うことができ、化学薬液による化学的エッチングによっても行うことができる。
【００２０】
一方、他の場合に、前記（ａ）段階は、（ａ−１）基板上に金属膜を形成する段階と、（ａ−２）一定間隔のパターンに前記金属膜をエッチングし、広い面が対向して対をなす配列状態で複数個の電極板を形成させる段階と、（ａ−３）前記エッチングした金属膜の側壁に炭素ナノチューブ形成触媒を塗布する段階と、（ａ−４）前記炭素ナノチューブ形成触媒を介して前記エッチングした金属膜の側壁に炭素ナノチューブを形成する段階とを包含することもできる。
【００２１】
この場合、前記炭素ナノチューブを形成する前記（ａ−４）の段階は以下の段階を包含することができる。
（１）真空加熱炉においてＣＨ４、Ｃ２Ｈ２、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ６及びＣＯからなる群から選択された少なくとも一つを成分とするガスを注入して炭素ナノチューブを成長させる段階、
【００２２】
（２）Ｃｏ（ＣＯ）８、Ｆｅ（ＣＯ）５、Ｆｅ（Ｃ５Ｈ５）２、エタノール、メタノール及びキシレンからなる炭素を含む溶媒群の中の一つまたはその混合溶媒に、前記炭素ナノチューブ形成触媒を塗布した結果物を浸漬し、超音波処理によって炭素ナノチューブを成長させる段階、
【００２３】
（３）炭素ナノチューブまたは炭素ナノチューブを含む複合材料と沸点が３００℃以下の溶媒からなる炭素ナノチューブ溶液に浸漬させるか、前記溶液を噴霧する段階とを包含することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、炭素ナノチューブに与える損傷を最少化して寿命を画期的に向上させることができるのみならず、優れた性能を有する炭素ナノチューブ電界放出エミッターを製造することができる。また、このような構造の炭素ナノチューブ電界放出エミッターは、電界放出ディスプレー、バックライトユニット、Ｘ線ソース、電界放射型走査電子顕微鏡／電界放射型トンネル顕微鏡、センサーなどの最先端の素材分野で広く応用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、添付図面を参照して本発明の実施例について説明する。ただし、この実施例は本発明をより詳細に説明するための例示であるため、本発明の権利範囲をこの実施例に限定するものではない。なお、従来構成と同一な部分には同一の符号及び名称を使用する場合もある。
【００２６】
先ず、図５は本発明の実施例に係る炭素ナノチューブ電界放出エミッターの概略的構成を示した図面である。図５を参照すれば、蛍光体２１が形成されたアノード電極２０と絶縁性基板１５が互いに対向している。また、３次元構造のカソード電極１０の両面には炭素ナノチューブ３０が形成され、それぞれのカソード電極１０の一側面が絶縁性基板１５に接触した状態で、複数のカソード電極１０が垂直に配列されている。ここで、３次元構造にする理由は、従来の技術においては、カソード電極上に２次元的に炭素ナノチューブが形成され、これをそのまま炭素ナノチューブエミッターに利用することに対して、本発明では複数のカソード電極１０を垂直に配列することによって、高さを考慮して３次元的に形成された炭素ナノチューブが炭素ナノチューブエミッターに利用されるためである。
【００２７】
複数のカソード電極１０は、炭素ナノチューブ３０が形成された広い面同士は対向し、狭い面同士は並列状に配列される。カソード電極１０とアノード電極２０との間には直流電圧が供給され、炭素ナノチューブ３０が形成された広い面同士が対向するカソード電極１０にはパルス波供給機６０によってパルス波が供給される。このようにパルス波が供給された場合、互いに対をなして対向するカソード電極１０とゲート４０とは、その役割を交互に行うことになる。カソード１０の長さ比（カソードの高さ８０／カソードの厚さ７０）は１以上であることが好ましく、理論的にはカソードの長さ比を無限に大きくすることもできる。
【００２８】
しかし、カソード電極１０の高さ８０は蛍光体２１が形成されたアノード電極２０と絶縁性基板１５との間の間隔には制限がある。前記の長さ比が１以上である場合が好ましい理由は、一定面積の絶縁性基板１５上に多数個のカソード電極１０とゲート４０を設置することができるので、性能に優れた炭素ナノチューブ電界放出エミッターを製造することができるためである。したがって、このような構造を有する本発明の実施例における炭素ナノチューブ電界放出エミッターは次のようなメリットを有することになる。
【００２９】
（１）炭素ナノチューブ電界放出エミッターが３次元的な構造を有するので、カソードの長さ比を高めることによって電界放出エミッターの役割を果す炭素ナノチューブの形成面積（以下、「エミッターの面積」という）が広くなることによって、炭素ナノチューブ電界放出エミッターの効率を高めることができる。
【００３０】
（２）従来技術に比べてエミッターの面積が広いので、同様な効率を出す場合でも、２次元的構造を有する従来技術の炭素ナノチューブ電界放出エミッターに比べて炭素ナノチューブに流れる一本当りの電流密度を１／２またはその以下にも下げることができる。したがって、炭素ナノチューブの損傷を最少化することによって炭素ナノチューブ電界放出エミッターの寿命を大幅に向上させることができる。
【００３１】
（３）炭素ナノチューブ３０がアノード電極２０や蛍光体２１の面にほぼ水平に形成されているので、垂直方向に移動する気体／イオンの衝突を最少化することによって炭素ナノチューブ３０の損傷を防止して寿命を向上させることができる。
【００３２】
以下の各実施例によって、図５に示した本発明に係る炭素ナノチューブ電界放出エミッターの製造方法を詳細に説明する。なお、本発明によるエミッターの製造方法において最も重要な核心技術は、炭素ナノチューブ電界放出エミッターの全体構造のうち、３次元構造の炭素ナノチューブ配列を形成する方法であるので、添付の図６〜図１８を参照しながら各実施例におけるこの段階を説明し、その後、炭素ナノチューブ電界放出エミッターの全体構成要素に対しては図５を参照して説明する。
【実施例１】
【００３３】
炭素ナノチューブ及び炭素ナノチューブ複合粉末をエチルセルロース及びテルピネオールで構成された有機バインダーと３ロールミールを利用して混合した後、これを使用して伝導性カソード電極（またはゲート）の母材１１に両面スクリーンプリンティングを施す。この時、以後の工程でカソード電極１０（またはゲート）が形成される領域Ａを規則的に露出させるマスクを使用して所定の領域に塗布を行う。本実施例においてカソード電極１０（またはゲート）が形成される領域Ａを長方形の形状にし、これらが２次元的に一定間隔をおいて整列するようにした。その後、１００〜５００℃、１ｍＴｏｒｒ以下の真空下で焼成することによって、図６に示すような２次元的構造の炭素ナノチューブ３０を形成する。
【００３４】
次いで、前記２次元的構造の炭素ナノチューブ３０が形成された領域Ａの周囲のうち、短辺に沿ってガラススペーサー３１を設けて図７に示す構造に完成する。なお、ガラススペーサー３１はガラスフリット（ｇｌａｓｓ  ｆｒｉｔ）をスクリーンプリンティングするか、または一定の厚さに切断したガラス板または一定の直径を有するガラス球に絶縁性接着剤を塗布して接着させることによって設けることができる。ガラスフリットによるスクリーンプリンティングの場合は、図６の段階で説明したスクリーンプリンティングの場合とは反対に、カソード電極１０（またはゲート）が形成される領域Ａには、ガラスが塗布されないようにマスクを使用する。
【００３５】
その後、前記図７の結果物を図８のようにレーザーまたはダイヤモンドカッター（図示なし）によって伝導性カソード電極（またはゲート）の母材１１とガラススペーサー３１を共に切断線Ｃ−Ｃ’に沿って一定幅を有して切断する。前記の一定幅は特別に限定する必要はないが、１０ミクロンから数ｍｍまで微細に切断することができる。切断した２次元的構造の炭素ナノチューブが形成されたカソード電極１０（またはゲート）は、ピンセットやロボットアーム３２によりピックアップして移動することになる。
【００３６】
同時に、炭素ナノチューブが形成されたカソード電極（またはゲート）の切断体３３が配列されるように絶縁性基板１５、例えばガラス基板上に、一定の間隔を置いて組立溝３４を図９のように形成する。次に、その組立溝３４に合せて炭素ナノチューブが形成されたカソード電極（またはゲート）の切断体３３をピンセットやロボットアーム３２によって配設し、図１０に示すような３次元構造の炭素ナノチューブ配列構造を完成する。
【００３７】
３次元構造の炭素ナノチューブ配列構造に完成した以後からの炭素ナノチューブ電界放出エミッターの全体構造を完成する段階に対しては、図５を参照して説明する。図５において、蛍光体２１が形成されたアノード電極２０とを絶縁性基板１５とが対向するように配設し、カソード電極またはゲート１０、４０とアノード電極２０との間には直流電圧が供給されるようにする。また、炭素ナノチューブ３０が形成された広い面同士の面が対向するカソード電極１０とゲート４０にはパルス波供給機６０によってパルス波を供給させることにより、広い面が対向するカソード電極１０とゲート４０が交差的にその役割を行うようにして、炭素ナノチューブ電界放出エミッターを完成する。
【実施例２】
【００３８】
絶縁性基板１５、例えばガラス基板上に１０ミクロン〜数ｍｍ厚さの炭素ナノチューブを含む金属系複合材料層３６を成膜させて図１１に示すような構造を作成する。
【００３９】
その後、図１２のように、炭素ナノチューブを含む金属系複合材料層３６に出力パワー１〜５ＷのＣＯ２レーザー３８のビームを毎秒０．１〜１００ｍｍのスキャニング速度で照射して金属を選択的にエッチングし、カソード電極１０（またはゲート４０）と炭素ナノチューブ３０とが残留するようにする。
【００４０】
このようなエッチングを繰り返して、炭素ナノチューブを含む金属系複合材料層３６に幅０．１〜５００μｍの縞パターンを０．１〜５００μｍの間隔をおいて形成して、図１３に示すような３次元構造の炭素ナノチューブ配列構造を完成させた。
【００４１】
このように３次元構造の炭素ナノチューブ配列構造に完成した後の炭素ナノチューブ電界放出エミッターの全体構造を完成する段階に対しては、前記実施例１と同様であるためこの段階の説明は省略する。
【００４２】
なお、本実施例２においては、炭素ナノチューブを含む金属系複合材料層３６をエッチングするためにレーザーを利用した物理的エッチング法を利用しているが、その他にも化学薬液とマスクパターンを使用する化学的エッチング法を適用しても良い。
【実施例３】
【００４３】
まず図１４のように、絶縁性基板１５、例えばガラス基板上に１０ミクロン〜数ｍｍ厚さの金属層３９を形成し、その上にフォトレジスト５１を塗布する。
次いで、図１５のように、幅５〜５００μｍの縞パターンを有するマスクによってＵＶに露光させた後、フォトレジストを除去してフォトレジストパターン５１ａを得た後、金属層３９をエッチングして金属カソード電極１０またはゲート４０を得る。
【００４４】
その後、炭素ナノチューブ成長触媒５２を塗布して図１６に示すような構造を得る。炭素ナノチューブ成長触媒５２はＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち、少なくとも一種をその成分として含む。
【００４５】
次いで、図１７のように、フォトレジストパターン５１ａを除去して金属カソード電極１０またはゲート４０の側面のみに炭素ナノチューブ成長触媒５２が残留するようにする。
【００４６】
その後、図１７の結果物を１００℃〜９００℃の真空炉に入れて、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ２、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ６及びＣＯからなる群から選択された少なくとも一種を成分とするガスを流しながら炭素ナノチューブ３０を成長させることによって、図１８に示すような３次元構造の炭素ナノチューブ配列構造を完成する。
【００４７】
このように３次元構造の炭素ナノチューブ配列構造を完成した以後の炭素ナノチューブ電界放出エミッターの全体構造を完成する段階に対して、実施例１と同様であるので、この段階の説明は省略する。
【００４８】
なお、本実施例３においては、炭素ナノチューブを形成するために炭素ナノチューブ成長用ガスの雰囲気下の真空熱処理を行う方法を採択しているが、その他にも次のような炭素ナノチューブの形成方法を採択することもできる。
【００４９】
（ａ）Ｃｏ（ＣＯ）８、Ｆｅ（ＣＯ）５、Ｆｅ（Ｃ５Ｈ５）２、エタノール、メタノール、キシレンのように炭素を含む溶媒またはその混合溶媒に図１７の結果物を浸漬し、超音波処理して炭素ナノチューブを形成することができる。
【００５０】
（ｂ）図１７の結果物を、炭素ナノチューブまたは炭素ナノチューブを含む複合材料と沸点３００℃以下の溶媒からなる炭素ナノチューブ溶液に浸漬するか、または前記溶液を結果物に噴霧して形成させることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明によれば、炭素ナノチューブの損傷を最少化して寿命を画期的に向上させることができるのみならず、優れた性能を有する炭素ナノチューブ電界放出エミッターを製造することができる。また、このような構造の炭素ナノチューブ電界放出エミッターは、電界放出ディスプレー、バックライトユニット、Ｘ線ソース、電界放射型走査電子顕微鏡／電界放射型トンネル顕微鏡、センサーなどの最先端の素材分野において広く応用することができる。従って、本発明の産業上の利用性はきわめて高いといえる。
【００５２】
一方、本明細書内で本発明をいくつかの好ましい実施例によって記述したが、当業者ならば、添付の特許請求範囲に開示した本発明のカテゴリー及び思想の範囲内で、多様な変形又は修正が可能であることは自明のことである。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】従来技術の２極型炭素ナノチューブ電界放出エミッターの概念を説明するための断面図である。
【図２】金属グリッド（ｇｒｉｄ）ゲートを利用した従来技術の３極型炭素ナノチューブ電界放出エミッターの概念を説明するための断面図である。
【図３】金属ゲートが側面に位置する従来技術の３極型炭素ナノチューブ電界放出エミッターの概念を説明するための断面図である。
【図４】金属ゲートがカソードの下部に位置する従来技術の３極型炭素ナノチューブ電界放出エミッターの概念を説明するための断面図である。
【図５】本発明の実施例に係る炭素ナノチューブ電界放出エミッターの概略的構成を示した図面である。
【図６】図６は、図５に示した炭素ナノチューブ電界放出エミッターに適用する３次元構造の炭素ナノチューブ配列を形成する方法の第１実施例を説明するための工程図である。
【図７】図７は、図５に示した炭素ナノチューブ電界放出エミッターに適用する３次元構造の炭素ナノチューブ配列を形成する方法の第１実施例を説明するための工程図である。
【図８】図８は、図５に示した炭素ナノチューブ電界放出エミッターに適用する３次元構造の炭素ナノチューブ配列を形成する方法の第１実施例を説明するための工程図である。
【図９】図９は、図５に示した炭素ナノチューブ電界放出エミッターに適用する３次元構造の炭素ナノチューブ配列を形成する方法の第１実施例を説明するための工程図である。
【図１０】図１０は、図５に示した炭素ナノチューブ電界放出エミッターに適用する３次元構造の炭素ナノチューブ配列を形成する方法の第１実施例を説明するための工程図である。
【図１１】図１１は、図５に示した炭素ナノチューブ電界放出エミッターに適用する３次元構造の炭素ナノチューブ配列を形成する方法の第２実施例を説明するための工程図である。
【図１２】図１２は、図５に示した炭素ナノチューブ電界放出エミッターに適用する３次元構造の炭素ナノチューブ配列を形成する方法の第２実施例を説明するための工程図である。
【図１３】図１３は、図５に示した炭素ナノチューブ電界放出エミッターに適用する３次元構造の炭素ナノチューブ配列を形成する方法の第２実施例を説明するための工程図である。
【図１４】図１４は、図５に示した炭素ナノチューブ電界放出エミッターに適用する３次元構造の炭素ナノチューブ配列を形成する方法の第３実施例を説明するための工程図である。
【図１５】図１５は、図５に示した炭素ナノチューブ電界放出エミッターに適用する３次元構造の炭素ナノチューブ配列を形成する方法の第３実施例を説明するための工程図である。
【図１６】図１６は、図５に示した炭素ナノチューブ電界放出エミッターに適用する３次元構造の炭素ナノチューブ配列を形成する方法の第３実施例を説明するための工程図である。
【図１７】図１７は、図５に示した炭素ナノチューブ電界放出エミッターに適用する３次元構造の炭素ナノチューブ配列を形成する方法の第３実施例を説明するための工程図である。
【図１８】図１８は、図５に示した炭素ナノチューブ電界放出エミッターに適用する３次元構造の炭素ナノチューブ配列を形成する方法の第３実施例を説明するための工程図である。
【符号の説明】
【００５４】
５    基板
１０    カソード電極
１１    伝導性カソード電極（またはゲート）の母材
１５    絶縁性基板
２０    アノード電極
２１    蛍光体
３０    炭素ナノチューブ
３１    ガラススペーサー
３２    ピンセット又はロボットアーム
３３    カソード電極（またはゲート）の切断体
３４    組立溝
３６    炭素ナノチューブを含む金属系複合材料層
３８    ＣＯ２レーザー
４０    ゲート
５０    絶縁層
５１    フォトレジスト
５１ａ  フォトレジストパターン
５２    炭素ナノチューブ成長触媒
６０    パルス波供給機
７０    カソードの厚さ
８０    カソードの高さ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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