(57)【要約】【課題】低電界の印加で所要の発光輝度を得ることが可能でかつカーボンナノチューブ１つ当たりの電子放出負荷を低減して電子エミッタとしての寿命特性が向上した電子エミッタを提供する。【解決手段】本電子エミッタ１０は、陰極１４上に複数のカーボンナノチューブ集合体１８が分散配置され、上記カーボンナノチューブ集合体１８は複数本のカーボンナノチューブが電極表面からの最大高さを電極表面に沿う平面方向の最大直径で割った値であるアスペクト比で１／１０〜１／２で規定される粒子形状に集合して構成されている。【選択図】図３
2008166153.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
陰極上に電子放出層が形成された電子エミッタであって、この電子放出層は、複数のカーボンナノチューブ集合体が分散配置されており、これらカーボンナノチューブ集合体は、複数本のカーボンナノチューブが陰極表面からの最大高さを電極表面に沿う平面方向の最大直径で割った値であるアスペクト比で１／１０〜１／２で規定される粒子形状に集合して構成されている、ことを特徴とする電子エミッタ。
【請求項２】
上記カーボンナノチューブ集合体が存在しない陰極表面に複数のカーボンナノチューブがカーボンナノチューブ単体群として集合していない単体の状態で存在している、ことを特徴とする請求項１に記載の電子エミッタ。
【請求項３】
上記カーボンナノチューブ集合体およびカーボンナノチューブ単体群を構成するカーボンナノチューブが起毛している、ことを特徴とする請求項２に記載の電子エミッタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カソード電極上に電界放射により電子を放出する電子放出層を備えた電子エミッタに係り、その電界放出層を構成する電子放出材料としてカーボンナノチューブを用いた電子エミッタに関するものである。
【０００２】
本明細書におけるカーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、２層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ以外にも、バンブーライクカーボンナノチューブ、グラファイトナノファイバ、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等を含む広義のカーボンナノチューブである。
【背景技術】
【０００３】
電子エミッタは、一般的には、陰極側に配置されて陽極側との間で印加される電界により陽極側に向けて電子を放出して陽極側の蛍光体に衝突することによって蛍光体を励起発光させるようになっている（特許文献１参照。）。
【０００４】
このような電子エミッタは、冷陰極とも呼ばれるものであり、常温においても電子を効率的に放出することができ、また、印加電圧に対する電子放出の効果も高く、高輝度、広視野角、長寿命、高応答性などの点により、大型薄型の表示装置に適用され、その開発が鋭意進められている。
【０００５】
このような電子エミッタの中で、カーボンナノチューブを用いた電子エミッタへの注目度が高くなっている。カーボンは化学的に安定でかつ熱伝導性に優れ、また、電界電子放出が可能なことから電子放出材料として注目されている。
【０００６】
カーボンナノチューブは、炭素六角網面が円筒状に閉じた構造あるいはこれらの円筒が入れ子状に配置された構造をしている。その径は数ｎｍ〜数十ｎｍと非常に細いものであり、アスペクト比が大きいために低電界での電子放出が容易であること、電子放出特性が安定であること、表示装置に対して高密度な発光点を提供することができること、などから上記表示装置への実施に向けて開発されている。
【０００７】
このようなカーボンナノチューブを用いた電子エミッタの製造方法の１つとして、カーボンナノチューブを溶媒中に混合分散してペースト状として基板上に印刷した後、焼成することにより溶媒成分を蒸発させてカーボンナノチューブを基板上に配置する印刷法がある。
【０００８】
しかしながら、カーボンナノチューブは、そのエッジ先端から電子放出させるには陰極に対して垂直方向に配向制御する必要があるが、カーボンナノチューブはそのアスペクト比が極めて大きいため、多数のカーボンナノチューブを、ペーストと混ぜ、スクリーン印刷して陰極上にパターン形成する場合、カーボンナノチューブを密集状態で配置すると電子放出しにくくなり、電子放出させるためのカーボンナノチューブの配置間隔は１〜２μｍ程度は必要とされている。
【０００９】
そのため、陰極上の単位面積当たりのカーボンナノチューブの配置本数、すなわち、電子放出サイトの数が少なく限定されてくる結果、所要の発光輝度を得るためには、１本のカーボンナノチューブに対してより高い電界を印加することにより当該１本のカーボンナノチューブから電子をそれだけ多く放出させる必要があり、カーボンナノチューブ１本当たりの電子放出負荷が大きくなり、そのエッジ先端の消耗が促進されて電子エミッタの寿命特性が低下する。
【特許文献１】特開２００１−２３５５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明により解決すべき課題は、低電界の印加で所要の発光輝度を得ることが可能でかつカーボンナノチューブ１本当たりの電子放出負荷が小さく済んで寿命特性が向上した電子エミッタを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明による電子エミッタは、陰極上に電子放出層が形成された電子エミッタであって、この電子放出層は、複数のカーボンナノチューブ集合体が分散配置されており、これらカーボンナノチューブ集合体は、複数本のカーボンナノチューブが電極表面からの最大高さを電極表面に沿う平面方向の最大直径で割った値であるアスペクト比で１／１０〜１／２で規定される粒子形状に集合して構成されていることを特徴とするものである。
【００１２】
上記粒子形状は特に限定しないものであり、例えば上面が平坦になった扁平状、上面が全体として凹んだ形状、膨らんだ形状、凹凸の有る形状、上面から下面に向けて側面が裾拡がり状、等を含むことができる。
【００１３】
上記カーボンナノチューブ集合体における「集合」とは、複数のカーボンナノチューブが相互に物理的な絡み合いで結合している状態や、ファンデルワールス力で結合している状態を含むことができる。数本のカーボンナノチューブが集合している場合もカーボンナノチューブ集合体に含むことができる。この場合、カーボンナノチューブ集合体は複数のカーボンナノチューブが集合した形態をとるものであるが、集合途中の複数のカーボンナノチューブであっても集合している部分があれば、その部分はカーボンナノチューブ集合体に含むことができる。
【００１４】
本発明の電子エミッタは、陰極上の電子放出層が上記アスペクト比を持つカーボンナノチューブ集合体が分散配置されて構成されているから、電子エミッタと対向する陽極との間で低い電界を印加して１本当たりのカーボンナノチューブの電子放出量を少なくしても、カーボンナノチューブ集合体全体では所要の発光輝度を得るための十分な電子放出量を確保することができる。その結果、カーボンナノチューブ集合体を構成する１本当たりのカーボンナノチューブの電子放出量が少なく済んでカーボンナノチューブ集合体の消耗が少なくなり、その結果、電子エミッタの寿命特性が向上する。
【００１５】
本発明の好適な一態様は、上記カーボンナノチューブ集合体が存在しない陰極表面に複数のカーボンナノチューブがカーボンナノチューブ単体群として集合していない単体の状態で存在していることである。
【００１６】
本発明のさらに好適な一態様は、上記カーボンナノチューブ集合体およびカーボンナノチューブ単体群を構成するカーボンナノチューブが起毛していることである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、低電界の印加で所要の発光輝度を得ることが可能でかつカーボンナノチューブ１つ当たりの電子放出負荷が小さく済んで寿命特性が向上した電子エミッタを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る電子エミッタを説明する。図１に、実施の形態に係る電子エミッタの側面図を示す。図１を参照して、この電子エミッタ１０は、基板１２上に電極である陰極１４が形成され、この陰極１４の表面に電子放出層１６が形成されている。
【００１９】
基板１２の材料は、特に限定されないが、例えば、ガラス基板、石英基板、アルミナ基板、シリコン基板、Ｍｏ基板、ＳＵＳ基板、Ｎｉ−Ｆｅ基板等である。
【００２０】
陰極１４は、基板１２上にスパッタもしくは蒸着などの薄膜形成やめっき等により形成した金属膜を写真製版技術を用いて所望パターンにパターニングしたり、あるいは金属微粒子を分散したペーストをパターン印刷して焼成したものである。
【００２１】
電子放出層１６は、図１中に円Ａで囲む部分を拡大して示すように、陰極１４の表面に無機バインダ等で接着されたカーボンナノチューブ集合体１８が分散配置されて構成されている。カーボンナノチューブ集合体１８は、複数のカーボンナノチューブが集合して構成されている。なお、図示しないが複数のカーボンナノチューブが集合しない単体の状態でカーボンナノチューブ集合体１８が存在しない陰極１４の表面に分散している。
【００２２】
図２を参照して上記カーボンナノチューブ集合体１８の形状例を説明すると、図２（ａ）で示すカーボンナノチューブ集合体１８は、全体がドーム形状、図２（ｂ）で示すカーボンナノチューブ集合体１８は、全体が楕円形状、図２（ｃ）で示すカーボンナノチューブ集合体１８は、両側面が非対称形状、図２（ｄ）で示すカーボンナノチューブ集合体１８は、上面に複数の凹凸がある形状等である。勿論、上記図２（ａ）〜図２（ｄ）以外の他の形状も含むことができる。
【００２３】
このように図２（ａ）〜（ｄ）で示すカーボンナノチューブ集合体１８は、陰極１４の表面からの最大高さ（Ａ）を電極表面に沿う平面方向の最大直径（Ｂ）で割った値をアスペクト比（Ｒ）とした場合、そのアスペクト比（Ｒ）で１／１０〜１／２の範囲で規定される粒子形状になっている。
【００２４】
この場合のアスペクト比は、上記範囲のうち好ましくは（１／５〜１／２）の範囲、より好ましくは（１／４〜１／３）の範囲である。上記アスペクト比が１／１０未満であれば（電界集中の効果が小さくなり電界電子放出をさせるに必要な電極間電圧を高くする必要があり、上記アスペクト比が１／２超であればエミッタの接着強度不足が生じ、エミッタとしての信頼性が低くなる。
【００２５】
また、最大高さ（Ａ）は５μｍ以下、好ましくは３μｍ以下であり、また、最大直径（Ｂ）は３０μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下である。最大高さ（Ａ）が３μｍ超であればHot Spotと呼ばれる過電流が流れる原因となり、エミッタとしての消費電力が大きくなり、最大直径（Ｂ）が１０μｍ超であれば面内電子放出の均一性が悪化する。
【００２６】
以上の構成を備えた電子エミッタ１０においては、カーボンナノチューブ集合体１８が陰極１４表面に分散配置されており、かつ、当該カーボンナノチューブ集合体１８を構成するカーボンナノチューブの単位面積当たりの本数が多いから、電子エミッタ１０と対向する図示略の陽極との間で低電界を印加して１本当たりのカーボンナノチューブの電子放出量を少なくしても、カーボンナノチューブ集合体１８の全体では所要の発光輝度を得るための十分な電子放出量を確保することができる。
【００２７】
その結果、カーボンナノチューブ集合体１８を構成する１本当たりのカーボンナノチューブの電子放出量が少なく電子放出負荷が小さいので、カーボンナノチューブ集合体１８の消耗も少なくなり、そのうえ、放熱性にも優れるので、電子エミッタ１０の寿命特性が向上する。
【００２８】
また、実施形態の電子エミッタ１０の陰極１４上には、アスペクト比（Ｒ）で１／１０〜１／２の範囲で規定される粒子形状になったカーボンナノチューブ集合体１８が分散配置されてなる電子放出層１６が形成されているので、この陰極１４と、この陰極１４と対向する蛍光体付きの陽極との間に電界を印加した場合に蛍光体表面に特定スポットのみが高輝度で発光する状態、いわゆるホットスポットが存在しなくなり、また、発光点数が多く、かつ、均一に発光することができる電子エミッタ１０を得ることができる。
【００２９】
また、図１の電子エミッタ１０は、例えば薄膜旋回型高速攪拌機で複数のカーボンナノチューブを互いに絡み合わせて、略球形に生成されたカーボンナノチューブ集合体を、陰極１４上で乾燥処理して略扁平形状に高さを縮小変形させて構成することにより、カーボンナノチューブ集合体１８の形態を安定化させてもよい。この形態を備えた実施形態の電子エミッタ１０は所期通りの電子放出特性を長期にわたり安定して維持することができるようになる。
【００３０】
図３（ａ）に複数のカーボンナノチューブ集合体１８が電子放出層１６として陰極１４上に分散配置されている状態を拡大して示す。また、図３（ｂ）にカーボンナノチューブ集合体１８のＳＥＭ写真を示し、図３（ｃ）に図３（ｂ）のＳＥＭ写真の一部をさらに拡大したＳＥＭ写真を示す。
【００３１】
これらのＳＥＭ写真で示すように、カーボンナノチューブ集合体１８は扁平な粒子形状を有していることを確認することができる。このカーボンナノチューブ集合体１８は図３（ｂ）のＳＥＭ写真により最大高さ（Ａ）と最大直径（Ｂ）とを記入したようにアスペクト比（Ｒ）が１／１０〜１／２の範囲に入る粒子形状になっていることを確認することができる。また、図３（ｂ）のＳＥＭ写真を拡大した図３（ｃ）のＳＥＭ写真で示すように、カーボンナノチューブ集合体１８を構成するカーボンナノチューブは互いに密集して絡まり合っていることを確認することができる。
【００３２】
以上のように本実施の形態の電子エミッタ１０では、陰極１４上にアスペクト比（Ｒ）が１／１０〜１／２の範囲に入る粒子形状となったカーボンナノチューブ集合体１８が分散配置されて電子放出層１６が構成されているから、当該電子エミッタ１０と対向する電極との間で低い電界を印加して１本当たりのカーボンナノチューブの電子放出量を少なくしても、カーボンナノチューブ集合体１８全体では所要の発光輝度を得るための十分な電子放出量を確保することができ、結果、カーボンナノチューブ集合体１８を構成する１本当たりのカーボンナノチューブの電子放出量が少なく済んでカーボンナノチューブ集合体１８の消耗が少なくなり、その結果、電子エミッタの寿命特性が向上する。
【００３３】
図３のＳＥＭ写真では陰極１４表面にカーボンナノチューブ集合体１８を確認することができるが、図４のＳＥＭ写真では、カーボンナノチューブ集合体１８がそれらを構成するカーボンナノチューブ１８が起毛した状態で、かつ、それらカーボンナノチューブ集合体１８が存在していない陰極１４表面上にカーボンナノチューブ単体群２０がそれらを構成するカーボンナノチューブ２０ａが起毛した状態で存在していることを確認することができる。
【００３４】
このカーボンナノチューブ単体群２０は複数のカーボンナノチューブ２０ａが集合していない単体の状態で存在しているものである。この図４で示すＳＥＭ写真ではカーボンナノチューブ集合体１８およびカーボンナノチューブ単体群２０を構成するカーボンナノチューブ１８ａ、２０ａが起毛処理を施されて電子放出することができる形態で示されている。
【００３５】
カーボンナノチューブ単体群２０が存在していることが図３のＳＥＭ写真では確認することができず、図４のＳＥＭ写真中で確認することができるのは、カーボンナノチューブ単体群２０を構成するカーボンナノチューブ２０ａが図４のＳＥＭ写真では起毛処理された状態で示されているからである。
【００３６】
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】
【００３７】
【図１】図１は本発明の実施の形態に係る電子エミッタの断面図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｄ）はカーボンナノチューブ集合体の各種形状を示すものであり、そのアスペクト比の説明に用いる図である。
【図３】図３（ａ）は電子放出層を拡大して示す断面図、図３（ｂ）は電子放出層を構成するカーボンナノチューブ集合体のＳＥＭ写真、図３（ｃ）は図３（ｂ）のＳＥＭ写真を拡大して示すＳＥＭ写真である。
【図４】図４はカーボンナノチューブ集合体とカーボンナノチューブ単体群とのＳＥＭ写真である。
【符号の説明】
【００３８】
１０  電子エミッタ
１２  基板
１４  陰極
１６  電子放出層
１８  カーボンナノチューブ集合体
【図１】
2008166153.tif 000003
【図２】
2008166153.tif 000004
【図３】
2008166153.tif 000005
【図４】
2008166153.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成19年1月9日(2007.1.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
この場合のアスペクト比は、上記範囲のうち好ましくは１／５〜１／２の範囲、より好ましくは１／４〜１／３の範囲である。上記アスペクト比が１／１０未満であれば電界集中の効果が小さくなり電界電子放出をさせるに必要な電極間電圧を高くする必要があり、上記アスペクト比が１／２超であればエミッタの接着強度不足が生じ、エミッタとしての信頼性が低くなる。
【手続補正書】
【提出日】平成19年1月11日(2007.1.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
また、最大高さ（Ａ）は５μｍ以下、好ましくは３μｍ以下であり、また、最大直径（Ｂ）は３０μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下である。最大高さ（Ａ）が５μｍ超であればHot Spotと呼ばれる過電流が流れる原因となり、エミッタとしての消費電力が大きくなり、最大直径（Ｂ）が３０μｍ超であれば面内電子放出の均一性が悪化する。