(57)【要約】【課題】  本発明は、電界カーテンエフェクトを降下し、電界放出性能を高める炭素ナノチューブの電界放出装置を提供することを目的とする。【解決手段】  本発明は、炭素ナノチューブの電界放出装置を提供し、それは炭素ナノチューブマトリックス、及び該炭素ナノチューブマトリックスと一体化に結合された炭素ナノチューブ束からなる複数の尖端部を含み、該尖端部間に一定の距離を有することにより、炭素ナノチューブの電界放出装置の電界カーテンエフェクトを低下或は消失し、電界放出電場を低下し、電界放出性を高めることができる。【選択図】  図１
2004165144.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素ナノチューブマトリックス、及び該炭素ナノチューブマトリックスと一体に結合された炭素ナノチューブ束からなる複数の尖端部を有した電界放出装置であって、
該尖端部は、該炭素ナノチューブマトリックスと結合する部分が円柱状とし、該炭素ナノチューブマトリックスから離れた部分が錐状とし、且つ近接した該尖端部間に一定の距離を有することを特徴とする炭素ナノチューブの電界放射装置。
【請求項２】
炭素ナノチューブ束からなる前記尖端部は、複数の炭素ナノチューブを含むことを特徴とする請求項１に記載の炭素ナノチューブの電界放射装置。
【請求項３】
炭素ナノチューブ束からなる前記尖端部は、一定の方向へ向くことを特徴とする請求項２に記載の炭素ナノチューブの電界放射装置。
【請求項４】
炭素ナノチューブ束からなる前記尖端部は垂直、且つ上方向へ向くことを特徴とする請求項３に記載の炭素ナノチューブの電界放射装置。
【請求項５】
炭素ナノチューブ束からなる前記尖端部は傾斜で、且つ上方向へ向くことを特徴とする請求項３に記載の炭素ナノチューブの電界放射装置。
【請求項６】
炭素ナノチューブ束からなる前記尖端部の傾角は、３５度より小さいであ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の電界放射装置。
【請求項７】
前記円柱状部分の直径は１〜３０μmで、前記錐状部分の直径は１０〜１００nmであることを特徴とする請求項１に記載の炭素ナノチューブの電界放射装置。
【請求項８】
前記近接した炭素ナノチューブ束間の距離は１〜３０μmであることを特徴とする請求項１に記載の炭素ナノチューブの電界放射装置。
【請求項９】
前記尖端部の深さは３０μmであることを特徴とする請求項１に記載の炭素ナノチューブの電界放射装置。
【請求項１０】
前記炭素ナノチューブマトリックス及び前記炭素ナノチューブ束は、多層の炭素ナノチューブであることを特徴とする請求項１に記載の炭素ナノチューブの電界放射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ナノ材料は特殊な電気、磁気、光学、熱学、力学及び化学の性質を有する新機能材料であり、メゾスケール領域及びナノ素子の研究において非常に重要な応用を有している。炭素ナノチューブは、アーク放電法による産物中で１９９１年に飯島澄男氏により最初に見出され、詳細が非特許文献１に開示されている。炭素ナノチューブは、一般に直径数ｎｍ〜数１０ｎｍで、長さμｍオーダーとする。
【背景技術】
【０００２】
炭素ナノチューブは優れた導電性を有し、且つその端部が理論の極限に近づいた表面積を有するので（端部の表面積が小さければ小さいほど、局部電場が強い）、炭素ナノチューブは現在、最良の電界放出材料であると認識されている。つまり、炭素ナノチューブは極小の電界放出電圧（１００Vより低い）を有し、極大の電流密度を安定に伝えることができ、電界放出ディスプレイの電子放出素子に非常に適している。
【０００３】
しかし、従来のアーク放電法、レーザー蒸発法及び気相成長法などの製法による炭素ナノチューブを直接に電界放出材料として使用するには一定の欠点を有している。例えば、粉体触媒法による炭素ナノチューブは長短が不均一で、方向が不規則で、且つ絡まりやすく、直接に電界放出材料として使用するには均一性がよくなく、放出点が少ないので放出電流密度を高め難く、そのため炭素ナノチューブの電界放出率に限界があり、他方、化学気相成長法による炭素ナノチューブのマトリックスは垂直、整列且つ高さが同じだが、密度が大き過ぎるので炭素ナノチューブ間の強い電界カーテンエフェクト（効果）が存在し、端部に触媒としての金属粒子が残って電子放出を妨げるものがある。
【０００４】
従来の技術の炭素ナノチューブに対して端部の開け及び浄化方法は、２００１年４月２５日発行の特許文献１に開示されているが、図１０を参照して発明する。
【０００５】
該加工方法は、炭素ナノチューブ１１２を基板１１０に垂直させ、レーザ発射源１４２が予定の高度に位置させ且つ基板１１０の表面に平行する方向にレーザビーム１４０を発射させるように、アーム１４６及びレーザ１４４の位置を調整し、炭素ナノチューブ１１２を切る。該方法はレーザビームの発射点１４０の位置を精確に調整する必要があり、高さの異なる炭素ナノチューブに対して、別々に調整することが困難で、且つ切った炭素ナノチューブ間の距離がかなり狭くて、密度が大きいため、炭素ナノチューブ間に強い電界カーテンエフェクトが存在していて、電界放出の電場閾値が高まり、全体の電場放出性を響いてしまうことがある。
【０００６】
従って、電界放出の電場閾値が降下される電界放出装置を提供する必要がある。
【特許文献１】中国特許第１２９２３５４号公報
【非特許文献１】「ヘリカル・マイクロチュービュル  オブ  グラファイティック・カーボン（Helical microtubules of graphitic carbon）」，ネイチャー（Nature），（英国），１９９１年，第３５４巻，p.５６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、電界カーテンエフェクトを降下し、電界放出性能を高める炭素ナノチューブの電界放出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は炭素ナノチューブの電界放出装置を提供し、それは炭素ナノチューブマトリックス、及び該炭素ナノチューブマトリックスと一体化に結合された炭素ナノチューブ束からなる複数の尖端部を含み、該尖端部は、該炭素ナノチューブマトリックスと結合する部分が円柱状とし、該炭素ナノチューブマトリックスから離れた部分が錐状とし、且つ近接した該尖端部間に一定の距離を有する。
【０００９】
従来の技術と比べて、本発明における炭素ナノチューブの電界放出装置は、炭素ナノチューブ束からなる尖端部が電子を放出し易く、且つ該尖端部間が一定の距離を有することにより、電界カーテンエフェクトを降下或は消失し、電界放出性能を高める目的が達成される。
【発明の効果】
【００１０】
前記方法による炭素ナノチューブ電界放出装置を電界放出ディスプレイに用いられ、電界カーテンエフェクトを消失し、電界放出の電場閾値を低下し、電界放出率を高める目的を達成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、本発明の炭素ナノチューブの電界放出の製法の流れ図であり、以下のようなステップを含む。
ステップ１：炭素ナノチューブを支持する基板を提供し、該基板としてガラス、シリコンあるいは金属が選択でき；
ステップ２：炭素ナノチューブを前記基板の上に置き、該炭素ナノチューブは、前記ガラス、シリコンあるいは金属基板の上に化学気相成長法によって直接に成長させ、あるいは形成した炭素ナノチューブのマトリックスを該基板の上に移植し；
ステップ３：前記炭素ナノチューブに照射するためのレーザ発射源を提供し；
ステップ４：前記レーザ発射源の発射角度を調整し、つまりレーザ発射源と炭素ナノチューブのマトリックスを有する基板との夾角を調整し；
ステップ５：前記炭素ナノチューブの上表面にレーザビームを照射するようにレーザ発射源を開け、該炭素ナノチューブのマトリックスを望ましい形状にするように照射を繰り返し、前記炭素ナノチューブと基板との結合を損じるのを防ぐように、レーザビームの強さとレーザパルスを制御し；
ステップ６：レーザ発射源を閉じる。
【００１２】
次に、実施例を合せて本発明に対して説明する。
【００１３】
図２、図３及び図４を合せて参照されたい、本発明の第１実施例の詳しい調整過程である。
【００１４】
まず、基板１０を提供し、該基板１０の上に炭素ナノチューブのマトリックス１２が直接に成長させ、あるいは形成した炭素ナノチューブのマトリックス１２を該基板１０の上に移植し、該基板としてガラス、シリコンあるいは金属を選択する。始めの炭素ナノチューブのマトリックス１２は図２で示すように、該炭素ナノチューブのマトリックス１２は、前記基板１０に対して垂直する複数の多層の炭素ナノチューブ（図に示ず）を有し、一般に気相成長法（ＣＶＤ）により形成し、高さが数１０μｍで、その上表面に方向が不規則で、直径が不均一且つ形状がよくない炭素ナノチューブ膜が有し、該膜が厚さ２μｍあるいは更に薄い、炭素ナノチューブのマトリックス１２の頂端部に金属触媒粒子が残る。
【００１５】
次に、前記炭素ナノチューブのマトリックス１２に対して垂直してレーザビームを発射し、つまり前記基板に対して垂直してレーザビームを照射する。該レーザビームとしてパルスレーザを使用する。酸素の雰囲気では室温でも炭素ナノチューブを熔け落ち易いため、酸素の含有量が高過ぎる雰囲気で照射することはできない。従って、室温で空気、窒素、水素あるいは酸素を部分に含む気体及びその混合気体のうちの一つの雰囲気で行う。また、環境圧力が０.２大気圧により小さくて明らかに端部を形成するのが困難で、圧力が０.２大気圧により小さい、０.５〜１.５大気圧が好ましい。
【００１６】
本実施例は、空気雰囲気、１大気圧、室温、波長３０８ｎｍのレーザ発射源によって炭素ナノチューブのマトリックス１２にパルスレーザを発射する。該パルスレーザは、単パルスパワー１５０ｍＪ、発射面積０.５ｃｍ２、発射パルス２０回とする。パルスレーザによる前記炭素ナノチューブのマトリックスの表面での膜を熔け落ちることによって、残られた金属触媒粒子を除き、炭素ナノチューブの端部を開け、且つ表面から下方向へ数十nm高さの範囲における炭素ナノチューブ間の気体が加熱されて直ちに膨張して隣接した炭素ナノチューブを押し、大小さが不均一な針のような構造が形成される。図４に示すように、パルスレーザの照射を繰り返した後、炭素ナノチューブのマトリックス１２は、徐々に複数の大小不均一な針のような尖端部１５が形成され、且つ尖端部１５が上方向へ垂直し、且つレーザビーム１４が照射してくる方向に向く。望ましい尖端部が形成された後、照射を止める。
【００１７】
炭素ナノチューブ間の気体が膨張し過ぎ、炭素ナノチューブのマトリックス１２と基板１０との結合が損じるのを防ぐように、レーザビームの強さとパルス回数を制御する。弱いレーザビームで且つ、より多いパルス回数は、強いレーザビームで且つ、より少ないパルス回数のような効果に達することができるが、炭素ナノチューブのマトリックス１２と基板１０との結合の強さが保証でき、脱離のおそれがない。
【００１８】
もう一度図４を参照されたい。本発明による炭素ナノチューブのマトリックスを処理した後の複数の炭素ナノチューブの尖端部１５は、数１０乃至数１０００個の長さが不均一な炭素ナノチューブ束からなり、高さが処理前の炭素ナノチューブのマトリックスに比べて変化が小さく、端部に開口を有してより低い電場による有効に発射でき、隣接した尖端部１５の間に一定の距離を有するによる電界カーテン効果を回避でき、これによって、電界放出の効果が改善できる。該一定の距離は近接した前記尖端部間の電界カーテンエフェクトを低下、或は消失することができる。
【００１９】
図７、図８は各々に本発明の実施例における処理前、後の炭素ナノチューブのマトリックスのSEMの写真であり、両図を比べて、処理後の炭素ナノチューブの電界放出装置は、炭素ナノチューブマトリックス及び該炭素ナノチューブマトリックスと結合され且つ明らかに針のような尖端部を有し炭素ナノチューブ束の端部を有し、該尖端部は、前記炭素ナノチューブマトリックスと結合された部分が円柱状で、直径１〜３０μｍで、該炭素ナノチューブマトリックスから離れた部分が錐状で、直径１０〜１００ｎｍである。通常、尖端部の深さ３０μｍ、隣接した尖端部の間は、明らかに距離を有し、該距離が１〜３０μｍであることを見つけることができる。
【００２０】
図５及び図６を参照されたい、本発明の第２実施例におけるレーザビームで炭素ナノチューブのマトリックスに照射する模式図である。該第２実施例においても、第１実施例の炭素ナノチューブのマトリックス１２’の用意ステップ、環境雰囲気、及びレーザパラメータのように、相異するのは、パルスレーザの発射角度を調整し、パルスレーザ束１４’を炭素ナノチューブのマトリックス１２’に対して一定の角度を傾斜させ、基板１０’の右上方向から炭素ナノチューブのマトリックス１２’にパルスレーザを傾斜に照射する。最大傾角は、炭素ナノチューブのマトリックス１２’の密度及び気体圧力に応じて異なり、炭素ナノチューブのマトリックス１２’の密度及び気体圧力が増加すると最大傾角は大きくなり、入射角が最大傾角より大きいと、尖端部が形成されない。一般に、傾角として０度から３５度の範囲内とすると有効な尖端部が形成し易く、３５度より大きいと波のような構造が形成し易く、本発明では３０度とする。２０回のパルスを照射した後、パルスレーザ発射源を閉じ、傾斜された針のような先端部１５’からなる新しい炭素ナノチューブのマトリックスが得られ、該尖端部１５’は傾斜な円錐状にし、且つパルスレーザ束が発射してくる方向に向い、つまり前記炭素ナノチューブのマトリックス１２’に対して３０度傾斜している。前記尖端部１５’の縦切面から、一辺が傾斜で、傾斜方向がレーザの入射する方向と同じで、他の辺は垂直のままであるのが分かる。且つ近接した尖端部１５’間の一定の距離によって、電界カーテンエフェクトを低下、或は消失することができる。
【００２１】
図９は本発明の実施例における処理後の炭素ナノチューブのマトリックスのSEMの写真であり、図９から、処理後の炭素ナノチューブの電界放出装置は、炭素ナノチューブマトリックス及び該炭素ナノチューブマトリックスと結合され且つ明らかに針のような尖端部を有し炭素ナノチューブ束の端部を有し、且つ該尖端部が、一定の傾斜度を有し、その傾角とレーザの入射する角度とが同じで、前記炭素ナノチューブマトリックスと結合された部分が円柱状で、直径１〜３０μｍで、該炭素ナノチューブマトリックスから離れた部分が錐状で、直径１０〜１００ｎｍである。通常、尖端部の深さ３０μｍ、隣接した尖端部の間は、明らかに距離を有し、該距離が１〜３０μｍであることを見つけることができる。
【００２２】
前記を総じて、本発明は特許の要件として十分に備えているので、法により登録すべきである。また、前記は単なる本願におけるより好ましい実施例にすぎず、本発明の請求範囲を限定するものではない。本発明の技術を熟知している者が本考案の思想に基づきなしうる修飾或いは変更は、いずれも本発明の請求範囲に属するものとする。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の炭素ナノチューブの電界放出装置の製法の流れ図である。
【図２】本発明の第１実施例の炭素ナノチューブの電界放出装置の製造する前に、炭素ナノチューブのマトリックスの模式図である。
【図３】本発明の第１実施例において、炭素ナノチューブのマトリックスにレーザビームを照射する模式図である。
【図４】本発明の第１実施例において、レーザビームで照射した後の炭素ナノチューブの電界放出装置の縦断面の模式図である。
【図５】本発明の第２実施例において、炭素ナノチューブのマトリックスにレーザビームを照射する模式図である。
【図６】本発明の第２実施例において、レーザビームで照射した後の炭素ナノチューブの電界放出装置の縦断面の模式図である。
【図７】本発明の第１実施例のレーザビームの照射する前の炭素ナノチューブのマトリックスのSEMの写真である。
【図８】本発明の第１実施例のレーザビームの照射した後の炭素ナノチューブの電界放出装置のSEMの写真である。
【図９】本発明の第２実施例のレーザビームの照射した後の炭素ナノチューブの電界放出装置のSEMの写真である。
【図１０】従来の技術の炭素ナノチューブのマトリックスの切断り方法の模式図である。本発明の実施形態による原子層蒸着法を利用した物質形成方法での断面図を示す。
【符号の説明】
【００２４】
１０，１０’  基板
１２，１２’  カーボンナノチューブのマトリックス
１４，１４’  レーザビーム
１５，１５’  尖端部
１１０  基板
１１２  カーボンナノチューブのマトリックス
１４０  レーザビーム
１４２  レーザ発射源
１４４  レーザ
１４６  アーム
【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】
2004165144.tif 000009
【図８】
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【図９】
2004165144.tif 000011
【図１０】
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