(57)【要約】【課題】電子放出素子を基板から垂直に突出させて固定する製造方法とそれによって製造される電子放出電極に関する。【解決手段】本発明は１カ所または複数の任意位置にカーボンナノファイバーやカーボンナノチューブなどの微細棒状粒子を基板から垂直に取り付ける配向制御と固定の技術を提供し、さらにそれら微細棒状粒子と配線基板との間に電気的導通状態を作り出すことにより安価に電子放出電極を提供できるようにした。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子放出素子となる微細な炭素系棒状粒子を粘性液体中に分散させ、その液をノズルから樹脂基板面に向けて噴射させてノズルと樹脂基板との間に液柱を形成させ、ノズルを樹脂基板から引き離すことにより液柱を伸張させ、液柱内の棒状粒子を樹脂基板から垂直方向に配向させる棒状粒子配向制御技術。
【請求項２】
請求項１の粘性液体として光硬化樹脂を用い、液柱の伸張と同時に液柱の樹脂基板面から光を照射して樹脂基板側から樹脂の硬化を進行させ、液柱の直径が適当な細さに達したときに液柱を破断させ、樹脂基板側の硬化樹脂破断面から伸張方向に配向した棒状粒子の端部を露出させる配向棒状粒子の固定技術。
【請求項３】
請求項１の樹脂基板と請求項２の光硬化樹脂の素材として水、溶剤、アルカリ、または酸等に溶解する樹脂を用い、配線基板と請求項２の露出棒状粒子端部とを導電ペーストで固定した後に樹脂基板と光硬化樹脂を溶解、除去し、光硬化樹脂から露出した新たな棒状粒子端部を電子放出素子とする電子放出電極とその製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、ディスプレイ、Ｘ線管、蛍光表示管、電子銃等に用いられる電子放出素子を配線基板から垂直に突出させて固定する製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】薄型ディスプレイ装置などの電子源として電界放出によって電子放出を行う電極が開発されている。この形式の電子放出電極は従来の熱電子放出を利用した電子放出電極に比較して高い電流密度が得られ、微細加工技術により小型化・低消費電力化できる点が優れている。【０００３】電界型の電子放出電極はその先端が針状に鋭利であることが必要で、カーボンナノチューブやカーボンナノファイバーを利用する方法がさかんに検討されている。例えば特許文献１には、カーボンナノチューブやカーボンナノファイバーを塩素化塩化ビニル樹脂と混合し、押し出し成型した後に焼成して得られる炭素電極を電子銃用電極とする方法が掲載されている。また、特許文献２には、Ｆｅ固体面上にプラズマＣＶＤ法によりカーボンナノチューブを垂直に配向成長させる方法を記載している。特許文献３には、カーボンナノチューブを溶融コバール金属中に分散させ、その分散液を線引きにより細線化すると共にナノチューブを引っ張り方向に配向させ、固化した後に電子放出電極として利用する方法が掲載されている。【０００４】しかしながら、これらの方法ではカーボンナノチューブを含有する樹脂を高温で焼成したり、溶融金属を線引きしたりするなどの方法によりいったん電子放出電極単体を作成し、その後にそれらを電極に接続させなければならず、プラズマＣＶＤ法と同様に工数・時間がかかってしまう欠点がある。【０００５】なお一般に、線引きのような液柱の伸張変形の中で分散棒状粒子が伸張方向に配向する事は古くからの公知の事実であり、例えば非特許文献１にはそのような伸張の場に及ぼす棒状粒子の影響が詳しく述べられている。【０００６】さらに、電界型の電子放出電極をディスプレイ等へ利用するには多数の電子放出電極を格子状に密に配置することが必要であり、特許文献４には規則正しく配列した陽極酸化膜の細孔中にＣＶＤ法によりカーボンナノチューブを形成させる方法が記載され、特許文献５ではカーボンナノチューブのシート状の膜を真空・加熱環境下で基板の上に形成させ、この膜を別の導電性の基板に転写する方法を記載している。これらの方法も工数と時間がかかってしまい、コストが高くついてしまう。【０００７】
【特許文献１】特開２００３−３１７６０６号
【特許文献２】特開２００４−４７２５４号
【特許文献３】特開２００１−１７６３７８号
【特許文献４】特開平１０−１２１２４号
【特許文献５】特開２００３−２３４０６０号
【非特許文献１】Ｇ．Ｋ．Ｂａｔｃｈｅｌｏｒ，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｆｌｕｉｄ  Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ（１９７１），ｖｏｌ．４６，ｐａｒｔ  ４，ｐｐ．８１３−８２９．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】前述のように従来の方法では電子放出素子単体またはその集合体を高温あるいは真空等の特殊環境中でいったん作成し、その後にそれらを電極に取り付けなければならず、工数と時間がかかることが課題になっている。【０００９】本発明はこのような従来の問題点を解決し、１カ所または複数の任意位置にカーボンナノファイバーやカーボンナノチューブなどの微細棒状粒子を基板から垂直に取り付ける配向制御と固定の技術を提供し、さらにそれら微細棒状粒子と配線基板との間に電気的導通状態を作り出すことにより安価に電子放出電極を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】上記の課題を解決するためになされた本発明の電子放出電極とその製造方法は、請求項１に述べたように棒状の電子放出素子を樹脂基板から垂直に配向させ、かつ樹脂基板面上の任意位置に固定するためにマイクロジェット装置を用いることを特徴としている。すなわち、電子放出素子となる微細な炭素系棒状粒子を粘性液体中に分散させ、その液を微小なノズルから樹脂基板に向けて噴射させてノズルと樹脂基板との間に液柱を形成し、ノズルを樹脂基板から引き離すことにより液柱を伸張させ、液柱内の棒状粒子を伸張方向に配向させる。なお、ノズルはその長さを短くしてオリフィスとすることもできる。本発明の新規な点の一つは、粘性液体中の微細棒状粒子の配向を、ノズルから樹脂基板へのマイクロジェットにより実現している点にある。【００１１】また、請求項２は、マイクロジェットを形成する粘性液体として光硬化樹脂を用い、この光硬化樹脂の硬化特性を利用して樹脂基板から垂直方向に配向した棒状粒子の端部を露出・固定させる技術を特徴としている。すなわち、樹脂基板とノズル間に作られる液柱を伸張すると同時に、樹脂基板を透過して樹脂基板側から液柱を構成する光硬化樹脂へ硬化用の光を照射すると、樹脂は樹脂基板側から硬化し始める。樹脂基板側の液柱硬化部の高さは経過時間が長いほど、あるいは同じ経過時間でも照射光が強いほど高くなる。一方、液柱の伸張はノズルまたは樹脂基板の移動により達成され、その伸張による液柱破断が生ずる時刻は伸張速度に依存する。したがって、伸張速度の大きさと照射光の強さを適切に設定することにより、樹脂硬化が液柱の任意の高さに達したとき、その位置で液柱の破断が生ずるように制御することができる。液柱の破断によりノズル側の未硬化の樹脂はノズル側へ戻り、樹脂基板側の硬化樹脂破断面からは伸張方向に配向した棒状粒子の端部が露出し、かつ樹脂基板に固定される。本発明の新規な点の一つは、液柱の伸張による棒状粒子の配向を光硬化樹脂の硬化特性を利用して固定し、同時に液柱の破断により粒子端部を露出させる点にある。【００１２】棒状粒子はその両端部のうち、液柱破断面から露出した端部が樹脂基板から垂直に突き出ており、反対側の端部は硬化樹脂の中に埋まっている。硬化樹脂は導電性がなく、このままでは破断面から露出した棒状粒子端部を電子放出素子として利用することができない。棒状粒子を電子放出素子として利用するための電気的配線技術は、請求項３に述べたように、露出した棒状粒子端部に電気的配線を行い、ついで樹脂基板を液柱硬化部と共に溶出、除去して電子放出のための粒子端部を新たに露出させる点を特徴としている。すなわち、別途に配線基板を導入し、破断面から露出している棒状粒子端部と配線基板電極とを導電ペーストにより固定し、かつ電気的導通状態とする。樹脂基板の素材と光硬化樹脂には水、有機溶剤、アルカリ、または酸等に溶解する樹脂を用い、その溶解液により液柱硬化部と樹脂基板を溶解、除去する。これにより、液柱硬化部の中に埋もれていた棒状粒子の端部が露出し、配線基板から垂直に突き出た形状となり、電子放出電極として利用することが可能となる。【００１３】本発明に用いる光硬化樹脂は樹脂基板側からの透過光により硬化することが必要であり、このため樹脂基板には光を透過する樹脂が用いられる。請求項２記載の照射光の透過と請求項３記載の樹脂除去を可能とするため、樹脂基板と光硬化樹脂として水、溶剤、アルカリ、または酸等に溶解する透明樹脂を用いることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】本発明の作用効果を列挙すると下記の通りである。
▲黒四角▼本発明によれば、微細な棒状粒子を基板上の任意の位置に基板から垂直方向に配向させた状態で固定でき、棒状粒子を電子放出素子として利用したり、微小な対象物を扱うためのピンセットの先端として利用できる。
▲黒四角▼電子放出素子を基板上の格子点位置に密に作ることにより、電界放出ディスプレイ用の陰極を容易に作成することができる。基板は平板でなくとも良く、曲面のディスプレイも可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】以下に本発明の実施の形態を示す。光硬化樹脂にカーボンナノチューブまたはカーボンナノファイバーなどの微細棒状粒子を分散させ、その分散液を図１（ａ）に示すノズル３に充填する。次に図１（ｂ）に示すマイクロジェット５をノズル３から樹脂基板４に向かって吐出させ、ノズル３と樹脂基板４との間に液柱を形成させる。粒子分散液の吐出は間欠的に行われ、１回あたりの吐出量が液柱の形成に過不足のない一定量となるよう制御される。【００１６】ノズル先端と樹脂基板との間に液柱が形成された後、ノズル３を図１（ｃ）のように樹脂基板４から引き離す方向に移動させ、液柱６に伸張変形を与える。液柱６の伸張変形と同時に樹脂基板側から液柱６へ樹脂を硬化させる紫外光を光源７より照射する。したがって、液柱６は伸張変形を受けつつ樹脂基板４からノズルに向かって硬化する。液柱内の分散棒状粒子は液柱６の伸張により伸張方向に配向し、粒子長軸方向が樹脂基板４と垂直方向にそろう。【００１７】液柱６の断面直径は伸張と共に減少し、ある断面直径に達したときに液柱は破断する。破断するときの断面直径はノズル３の引き離し速度、紫外光強度、分散液の粘度、表面張力、曵糸性等に依存する。これらの条件は破断液柱の断面直径が最適となるようそれぞれ調整される。分散液の粘度と曳糸性は増粘剤等により調整可能であり、表面張力は界面活性剤により調整可能である。【００１８】液柱６が破断するときに、樹脂基板４側の液柱は硬化し、一方ノズル側の液柱は未硬化となるよう紫外光の強さを調整すると、破断面を交差する微細棒状粒子９は図１（ｄ）に示すように片端を基板側硬化樹脂８に残し、もう片端を破断面から垂直に露出する。破断面における配向微細棒状粒子９の拡大図を図２に示す。露出した棒状粒子表面に付着した未硬化の樹脂を除去するため、アルコールなどで洗浄し、更に紫外光を照射して破断面におけるゲル状樹脂を完全に硬化させ、配向棒状粒子９の固定を確実にする。【００１９】図１（ｅ）に示すように破断面から露出し、洗浄された微細棒状粒子先端と配線基板１１の配線用電極１２とを導電ペースト１０で電気的に導通状態にし、かつ導電ペースト１０を加熱などにより硬化させて両者を構造的にも結合する。【００２０】次にアルカリ水溶液等により樹脂基板４及び棒状粒子を分散させている光硬化樹脂８を溶解し、除去する。なお、この除去に用いる溶解液に対して、導電ペースト１０、配線基板１１及び配線用電極１２は溶解しない素材とする。この処理により、図１（ｆ）に示すような電気的配線処理の施された配線基板１１上に電子放出素子としての微細棒状粒子９が配線基板１１と垂直に固定される。【００２１】この電子放出素子はノズル３の吐出位置を樹脂基板４上の任意の複数位置にすることにより、配線基板１１に図３のように格子状に配置することができ、電界放出ディスプレイの陰極として利用できる。【００２２】樹脂基板４及び配線基板１１が曲面または球面であっても、ノズルが樹脂基板４に対して垂直に配置さえしていれば、ディスプレイ用の電子放出素子を形成することができる。したがって、薄型の平面ディスプレイだけでなく、曲面または球面のディスプレイを製作することも可能であり、従来にない新たなディスプレイ用途の創出が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２３】本発明の利用により可能となる製品例を列挙すると下記の通りである。
▲黒四角▼  本発明により固定、露出された微細棒状粒子端部を先端とする微小物体用ピンセット。
▲黒四角▼  走査トンネル顕微鏡や原子間力顕微鏡等の探針。
▲黒四角▼  小型蛍光表示管。
▲黒四角▼  平面、曲面あるいは球面状の電界放出ディスプレイ。
▲黒四角▼  人の頭が入る程度の大きさのドーム内面を表示装置とする個人用３６０°ディスプレイ。
▲黒四角▼  本発明の電子放出電極を利用して表示装置の形状を人の顔の形にし、そこに表情を表示することにより喜怒哀楽を容易に顔で表現できるロボット。
▲黒四角▼  Ｘ線管用電子源とそれによる小形軽量Ｘ線計測装置。
▲黒四角▼  陰極線管（ＣＲＴ）用電子銃の電極。
【図面の簡単な説明】
【図１】電子放出電極とその製造方法
【図２】破断面における配向微細棒状粒子
【図３】格子状配列の電子放出電極
【符号の説明】
１  光硬化樹脂
２  微細棒状粒子
３  ノズル
４  樹脂基板
５  マイクロジェット
６  液柱
７  紫外光光源
８  硬化樹脂
９  配向微細棒状粒子
１０  導電ペースト
１１  配線基板
１２  配線用電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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