(57)【要約】【課題】  カーボンナノファイバの生成が制御しやすく、均一化させることが可能で、電子放出素子を安価で高性能な電子放出素子を作成することが可能な鋼板およびその製造方法を提供する。【解決手段】  Ｃを板厚方向の平均濃度で1質量％以下含有する鋼板であって、表層部に脱炭層を有すると共に、表面に多数の凹部が形成されているカーボンナノファイバ形成用鋼板。この鋼板の製造方法において、鋼を熱間圧延し、冷間圧延および焼鈍をそれぞれ1回以上施し、所定の板厚の鋼板を製造する際、脱炭焼鈍をこの間の工程あるいは最終工程で施し、鋼板表層部に脱炭層を形成させると共に、鋼板表面に多数の凹部を形成させるカーボンナノファイバ形成用鋼板の製造方法。この鋼板を素材とし、熱CVD法の処理により凹部にカーボンナノファイバを形成させたナノカーボンエミッタ。【選択図】図１
2005081519.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃを板厚方向の平均濃度で1質量％以下含有する鋼板であって、表層部に脱炭層を有すると共に、表面に多数の凹部が形成されていることを特徴とするカーボンナノファイバ形成用鋼板。
【請求項２】
Ｃを板厚方向の平均濃度で1質量％以下含有する鋼板の製造方法であって、鋼を熱間圧延し、冷間圧延および焼鈍をそれぞれ1回以上施し、所定の板厚の鋼板を製造する際、脱炭焼鈍をこの間の工程あるいは最終工程で施し、鋼板表層部に脱炭層を形成させると共に、鋼板表面に多数の凹部を形成させることを特徴とするカーボンナノファイバ形成用鋼板の製造方法。
【請求項３】
請求項１記載の鋼板を素材とし、熱CVD法の処理により凹部にカーボンナノファイバを形成させたことを特徴とするナノカーボンエミッタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、針状エミッタ電極からなる電子放出素子を製造するための基板用材料、およびその基板用材料にカーボンナノファイバを形成させて針状エミッタ電極とした電子放出素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
フラットパネルディスプレイの1種として、FED(Field Emission Display)が精力的に研究されている。このFEDは、カソード基板とアノード基板を対向させ、カソード基板上に針状の電子放出素子を多数配置したもので、アノード基板に向けて電子を放出させてアノード基板上の蛍光体層を発光させる。
【０００３】
カソード基板上に形成された電子放出素子は、電子放出に適した針状の突起構造の電極を有する物が一般的である。例えば、先端部の尖った円錐状の金属からなる電極を用いた電子放出素子が広く用いられている。
【０００４】
特許文献１特開平9-274845号公報には、電子放出素子と電子放出素子用収束電極およびその製造方法が提案されている。これは、電子放出素子の対向基板側での電子収束性を高めることを目的とするもので、エミッタ電極に対応した微細開口を形成した金属板を平行に設け、これに負電圧を与えて収束電極とすることにより、カソード側のエミッタチップから放出された電子ビームを効率よく収束することができるというものである。
【０００５】
エミッタ側の電子放出素子の製造方法としては、シリコン基板のエミッタ電極側となる表面を熱酸化し、表面にSiO2 からなる熱酸化膜を形成し、その上に、無機レジスト膜とさらに有機レジスト層を順次積層して形成する。有機レジスト層を所定パターンに形成後、無機レジスト層をエッチングしてマスクとし、SiO2からなる熱酸化膜をリアクティブイオンエッチング等でエッチングし、有機レジストを剥離処理する）。続いて、無機レジストをマスクとしてシリコン基板を水酸化カリウム水溶液により等方エッチングすると針状チップの形状が現れてくるというものである。
【０００６】
特許文献２特開平9-283013号公報には、表面伝導型の電子放出素子と電子放出素子用収束電極およびその製造方法が提案されている。これは、表面伝導型の電子放出素子を用いること以外は、特許文献１と同様、電子ビームの収束性を高めることを目的とするもので、開口を形成した金属板に負電圧を与えて電子ビームを開口の内側に効率よく収束させる。特に、収束電極を一枚の共通の金属板に形成したので、アノード側基板あるいはカソード側基板と一体にすることができるとともに、素子毎のばらつきをなくすことができるというものである。
これらのエッチングにより電極を形成する方法に対して、電子放出素子としてカーボンナノファイバを活用することも検討されている。例えば、非特許文献１（金属,vol.72,p872）には、熱CVD法によるFED用のエミッタ電極の製作方法が提案されている。この方法によれば、原料ガスとしてCOとH2の混合ガスを用いて、チャンバ内に配置されたFED用カソード基板を、チャンバ外部に設置された赤外線ランプで加熱する。基板上には触媒金属が成膜されており、CO分子がこの触媒により乖離し、カーボンナノファイバが生成するというものである。
【０００７】
特許文献３特開2003-160321号公報にもカーボンナノファイバーの製造方法が提案されている。これは、ガスデポジション法によって、触媒粒子を基板上の陰極電極に配置し、該触媒粒子を核として気相から炭素を主成分とするファイバを成長させるというものである。
【０００８】
特許文献４特開2003-203556号公報には、エミッタのアスペクト比を増加させることにより、駆動電圧を低めて消費電力を低減する電界放出素子及びその製造方法が提案されている。これは、半導体素子の製造工程で、シリコン基板にナノメートルサイズのホールをまず形成し、ホール内にエミッタを形成してエミッタのアスペクト比を増加させるというものである。
【特許文献１】特開平9-274845号公報
【特許文献２】特開平9-283013号公報
【特許文献３】特開2003-160321号公報
【特許文献４】特開2003-203556号公報
【非特許文献１】村上裕彦:金属,vol.72,(2002),No.9,p872-875
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、電界放出型のカソードを用いて画像表示装置を作製するにはＣＲＴのような高輝度を得るため、エミッタからの放出電子量の増大が要求されている。そのためには、エミッタ先端部への電界集中が起こり易いように、エミッタ先端が先鋭化された構造を設けなければならない。
【００１０】
特許文献１，２記載の技術は、エミッタ先端部をエッチングで先鋭化させるが、エッチングの制御は必ずしも容易ではなく、十分に小さな曲率半径の先端部が安定して得られる訳ではない。更に、同時に多数のエミッタをエッチングする場合、個々のエミッタの先端部の形状を揃えることは困難である。エミッタ先端部の先鋭化が不十分であると、電界強度が低下して放出電流が低下し、十分な輝度が得られなくなるという問題がある。
【００１１】
その点、カーボンナノファイバは、高いアスペクト比を持つため先端部に電界が集中し易く、低電圧にて電子放出を行わせることができる。更にこれは、個々の寸法（外径）が微細であることから、単位面積当たり高密度に集積配置することも可能である。
【００１２】
しかし、非特許文献１記載の技術のように、触媒金属を成膜させる方法では、成膜の不均一に起因した欠陥（カーボンナノファイバの分布密度の不均一）が避けられない。あるいは特許文献３記載の技術についても、触媒粒子を基板上に配置する必要があり、やはり触媒粒子の分布密度の不均一により、カーボンナノファイバの分布密度に不均一が生じることが避けられない。
【００１３】
本発明は、これら課題を解決し、カーボンナノファイバの生成が制御しやすく、均一化させることが可能で、電子放出素子を安価で高性能な電子放出素子を作成することが可能な鋼板およびその製造方法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】
【００１４】
上記の課題は次の発明により解決される。その発明は、Ｃを板厚方向の平均濃度で1質量％以下含有する鋼板であって、表層部に脱炭層を有すると共に、表面に多数の凹部が形成されていることを特徴とするカーボンナノファイバ形成用鋼板である。
【００１５】
この発明の鋼板を製造することが可能な製造方法の発明は、Ｃを板厚方向の平均濃度で1質量％以下含有する鋼板の製造方法であって、鋼を熱間圧延し、冷間圧延および焼鈍をそれぞれ1回以上施し、所定の板厚の鋼板を製造する際、脱炭焼鈍をこの間の工程あるいは最終工程で施し、鋼板表層部に脱炭層を形成させると共に、鋼板表面に多数の凹部を形成させることを特徴とするカーボンナノファイバ形成用鋼板の製造方法である。
【００１６】
また、上記発明の鋼板を用いたナノカーボンエミッタの発明は、上記発明の鋼板を素材とし、熱CVD法の処理により凹部にカーボンナノファイバを形成させたことを特徴とするナノカーボンエミッタである。
【００１７】
この発明は、鋼に熱CVD法の処理を施すと、鋼中のＣ濃度が高い領域に優先的にＣの析出が見られる、という知見に基づきなされた。すなわち、鋼板のＣ濃度に所定の分布を付与することにより、Ｃ濃度の高い領域にカーボンナノファイバが生成し易くなることを利用している。
【００１８】
本発明では鋼板表層部に脱炭層を形成させ、鋼板板厚方向に濃度勾配を付与しておく。従って、鋼板表層部はカーボンナノファイバが生成し難い状態となっている。この表層部の一部をエッチング等により除去して凹部を設けると、鋼板の板厚深さ方向にＣ濃度が高くなるので、その凹部の底面のＣ濃度が最も高くなる。
【００１９】
その結果、この凹部が形成された鋼板は、熱CVD法の処理を施すことにより、凹部の底面およびその近傍に、カーボンナノファイバを優先的に生成させることが可能となる。鋼板の凹部は、フォトエッチング等により目的とするFEDの個々の蛍光体の形状・寸法・分布に合わせて形成させることができる。
【００２０】
この発明において、Ｃは、カーボンナノファイバを効率的に形成させるために必須の元素である。しかし、Ｃ量が板厚方向の平均濃度で1質量％を超えると、冷間加工性が劣化し、薄鋼板を製造する際の歩留りが著しく低下するので、Ｃ量の上限を1質量％とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の方法は、凹部の底面がＣ濃度の高い領域に到達させることにより、総ての凹部についてカーボンナノファイバの生成条件がほぼ同一となる。従って、従来技術で必須であった触媒金属の成膜の不均一等、カーボンナノファイバの生成条件の不均一を本質的に回避することができる。その結果、欠陥発生の少ない、信頼性の高いナノカーボンエミッタを製造することが容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
発明の実施に当っては、Ｃ量が板厚方向の平均濃度で1質量％以下となるよう鋼の成分調整を行う。その他の元素については、通常の薄鋼板程度は含有されていても、カーボンナノファイバの生成には特に支障はない。むしろ、エッチング性の観点からC量は、0.5質量％以下とすることが望ましい。
【００２３】
鋼を熱間圧延し、冷間圧延、焼鈍をそれぞれ1回以上施し、所定の板厚の鋼板を製造する。その際、脱炭焼鈍をこの間の工程あるいは最終工程で施し、鋼板表層部に脱炭層を形成させることにより、本発明の意図する鋼板を得ることができる。なお、脱炭焼鈍は、通常の薄鋼板における脱炭焼鈍条件で施せばよいが、鋼板の板厚方向の濃度勾配を確保するためには、脱炭時間を3時間以下とすることが望ましい。
【実施例】
【００２４】
Ｃを0.35％含有する鋼を鋳造し、得られた鋳片を板厚3mmに熱間圧延した後、酸洗し、脱炭焼鈍後、板厚1mmに冷間圧延した。その後、焼鈍を鋼板の軟質化のため施し、引き続き冷間圧延により板厚0.25mmの薄鋼板とした。脱炭は、熱延板において、雰囲気；20%H2-残N2、露点+20℃で3時間行なった。
【００２５】
このようにして、鋼板表層部に脱炭層を形成させ、鋼板板厚中央部のＣ濃度が高くなる濃度勾配を付与した鋼板に、塩化第二鉄によるフォトエッチングにより凹部を形成させた。凹部のピッチは250μm、凹部の深さは50μm以下とした。
【００２６】
この凹部が形成された鋼板を、熱CVD法の処理によりカーボンナノファイバを生成させた。結果は、図１に示すように、鋼板の凹部の底面およびその近傍に、カーボンナノファイバが優先的に生成し、また、各凹部のファイバ生成状況もほぼ均一であった。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
以上説明した様に、本発明により電子放出素子の針状エミッタ電極を製造するための素子およびその製造方法を提供することができる。これらの電子放出素子を安価で高性能に作成することが可能となり、工業上有用な効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明法による薄鋼板を用いたカーボンナノファイバの形成方法を示す模式図。（ａ）脱炭焼鈍後    （ｂ）フォトエッチング後    （ｃ）熱CVD法の処理後
【図１】
2005081519.tif 000003