(57)【要約】【課題】電極基板上でカーボンナノチューブの起毛長さにばらつきがあっても、同等の電界電子放出特性の電界電子エミッタを提供可能とする。【解決手段】複数本のカーボンナノチューブ５が起毛している電極基板１において、起毛長さが一定未満のカーボンナノチューブ５がその起毛長さが短くなるほどカーボンナノチューブ５全体の本数に対してその本数が多くなる比率で、また、一定の起毛長さ好ましくは１６μｍ以上のカーボンナノチューブ５がその起毛長さが長くなってもカーボンナノチューブ５全体の本数に対してその本数がほぼ一定の比率好ましくは１−６％でもって分布している電界電子エミッタ。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極基板上に複数本のカーボンナノチューブが起毛してなる電界電子エミッタにおいて、上記電極基板上で、起毛長さが一定未満のカーボンナノチューブがその起毛長さが短くなるほどカーボンナノチューブ全体の本数に対してその本数が多くなる比率で、また、一定の起毛長さ以上のカーボンナノチューブがその起毛長さが長くなってもカーボンナノチューブ全体の本数に対してその本数がほぼ一定の比率でもって分布している、電界電子エミッタ。
【請求項２】
上記一定の起毛長さが１６μｍ以上であり、
上記一定比率が１−６％である、
請求項１に記載の電界電子エミッタ。
【請求項３】
上記カーボンナノチューブの最大起毛長さが５０μｍである、
請求項２に記載の電界電子エミッタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極基板上に複数本のカーボンナノチューブが起毛してなる電界電子エミッタ（電界電子放出源）に関するものである。カーボンナノチューブは、電界放射により電子を放出する電界電子エミッタ材料であり、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、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】
【０００２】
電界電子エミッタは電界放射により電子を放出するものとして知られており、例えば発光素子に使用した場合、電界電子エミッタをカソード電極である電極基板上に配置し、この電極基板とアノード電極との間で印加される高電界により電界電子エミッタから電界放射によりアノード電極に向けて電子を放出してアノード電極上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。）。
【０００３】
このような電界電子エミッタの材料としてカーボンナノチューブが注目されている。その理由はカーボンナノチューブは直径が微細でアスペクト比が極めて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などによる。
【０００４】
このようなカーボンナノチューブを用いた電界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機械的に解砕し無機バインダ等の添加剤を加え分散したペーストを基板上に印刷し、この印刷したペーストを焼成することにより無機バインダ以外のペースト中の溶媒成分を蒸発させ、電極基板上に無機バインダとカーボンナノチューブとからなる含むエミッタ膜を形成すると共に、このエミッタ膜表面からカーボンナノチューブの先端が電子放出方向に揃うように起毛処理して電界電子エミッタを製造する方法がある。
【０００５】
上記起毛処理の代表例として、ローラを粘着性シート表面上に押し付けつつ回転移動させることによりエミッタ膜表面に粘着性シートを貼り付け、この貼り付けた粘着性シートをエミッタ膜表面から剥離してカーボンナノチューブをエミッタ膜表面から露出させ、電極基板表面上に起毛させる方法がある。
【０００６】
そして、このように電極基板上に起毛している複数のカーボンナノチューブそれぞれの電極基板表面からの起毛長さが不揃いであると、その電極基板表面からの起毛長さが長い特定のカーボンナノチューブに電界集中しやすくなり、電界電子エミッタ全体の均一発光性が悪くなる。そのため、全体の起毛長さを均等化させるために、例えばカーボンナノチューブ全体の起毛長さを短く揃えるようにした技術が提案されている（非特許文献１参照）。
【０００７】
しかしながら、上記非特許文献１に開示する起毛処理では、複数の電極基板それぞれでカーボンナノチューブに対して上記起毛処理を施すと、各電極基板ごとに当該電極基板上でのカーボンナノチューブの起毛長さにばらつきが発生し易く、結果として、電界電子放出特性が大きくばらつくようになる。このような電界電子放出特性のばらつきは、同等の電界電子放出特性の電子エミッタを再現性よく得ることが難しい。
【特許文献１】特開２００１−２３５５２号公報
【非特許文献１】Ｕｌｔｒａｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ  １０７（２００７）８３３−８３７「Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ  ｔｈｅ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ  ｏｆ  ａ  ｃａｒｂｏｎ  ｎａｎｏｔｕｂｅ  ｃａｔｈｏｄｅ  ｉｎ  ａｎ  ａｇｉｎｇ  ｐｒｏｃｅｓｓ」Ｗｅｉｈｕａ  Ｌｉｕ，  Ｘｉｎ  Ｌｉ，  Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ  Ａｈｕ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明により解決すべき課題は、電極基板上に複数本のカーボンナノチューブが起毛してなる電界電子エミッタにおいて、電極基板上での上記複数本のカーボンナノチューブそれぞれの起毛長さにばらつきがあっても、同等の電界電子放出特性の電界電子エミッタを再現性よく提供できるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による電界電子エミッタは、電極基板上に複数本のカーボンナノチューブが起毛してなる電界電子エミッタにおいて、上記電極基板上で、起毛長さが一定未満のカーボンナノチューブがその起毛長さが短くなるほどカーボンナノチューブ全体の本数に対してその本数が多くなる比率で、また、一定の起毛長さ以上のカーボンナノチューブがその起毛長さが長くなってもカーボンナノチューブ全体の本数に対してその本数がほぼ一定の比率でもって分布していることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明では、電極基板上に複数本のカーボンナノチューブのうち、起毛長さが一定未満のカーボンナノチューブではその本数がその起毛長さが短くなるほどカーボンナノチューブ全体の本数に対して多くなる比率で分布していても、一定の起毛長さ以上のカーボンナノチューブではその本数がその起毛長さが長くなってもカーボンナノチューブ全体の本数に対してほぼ一定の比率の本数で分布している。そのため、アノード電極と対向させ、高電界を印加させた場合、電界集中は、起毛長さが長いカーボンナノチューブに起こるが、この場合、起毛長さが長いカーボンナノチューブはカーボンナノチューブ全体の本数に対してほぼ一定比率の本数で分布しているから、ほぼ同等の電界印加でもって電極基板上のエミッタ膜全体に対して均一な電流密度で電界放射が行われるようになり、結果として、各電界電子エミッタごとに対する電界電子放出特性にばらつきがすくなくなり、同等の電界電子放出特性の電子エミッタを再現性よく得ることが容易にできるようになる。
【００１１】
本発明において、好ましい態様は、上記一定の起毛長さが１６μｍ以上であり、上記一定比率が１−６％である。
【００１２】
本発明において、より好ましい態様は、上記カーボンナノチューブの最大起毛長さが５０μｍである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の電界電子エミッタによれば、電極基板上の複数本のカーボンナノチューブの起毛長さがばらついていても、同等の電界電子放出特性の電界電子エミッタを再現性よく提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る電界電子エミッタを詳細に説明する。
【００１５】
図１に電極基板１上に配置されたエミッタ膜３を示す。同図で示すように電極基板１上にエミッタ膜３が配置されている。このエミッタ膜３は、複数本のカーボンナノチューブ５とガラス等の無機バインダ７とからなるもので、例えば平面視円形状に配置されている。図中のエミッタ膜３の膜厚や平面視形状は説明の理解のため誇張して示している。このエミッタ膜３は、有機溶剤、増粘剤、無機バインダ７等を含有するとともにカーボンナノチューブ５が混入されて構成されたペーストを電極基板１上で印刷焼成することにより形成されたものである。
【００１６】
エミッタ膜３は、上記のように複数本のカーボンナノチューブ５と無機バインダ７とを含み、エミッタ膜３表面は一部あるいは全体が無機バインダ７で覆われていたり、エミッタ膜３内部に一部のカーボンナノチューブ５が埋没していたり、あるいはエミッタ膜３表面に一部のカーボンナノチューブ５が露出したりしているが、カーボンナノチューブ５の先端は起毛していなかったり、一部のカーボンナノチューブ５の先端が起毛していても電子放出方向には起毛していなかったりしている。このカーボンナノチューブ５は上記ペースト化される際に解砕されたものであってもよいし、解砕されたものでなくてもよく、あるいはそれらが混合したものであってもよい。エミッタ膜３は電極基板１上に印刷、焼成されたものに限定しない。
【００１７】
図２にエミッタ膜３上に粘着テープ９を貼り付けた状態を示す。同図で示すようにエミッタ膜３上に図示略の治具を用いて粘着テープ９を貼り付ける。粘着性シート９の平面視形状は特に限定されない。粘着テープ９の材料は特に限定されず、そのテープ厚や硬度等は実験等で適宜に定めることができる。
【００１８】
図３にエミッタ膜３上からの粘着テープ９の剥離状態、図４に図３の一部を拡大して示す。さらに、図５に電極基板１上でのカーボンナノチューブ５の分布を示す。図３で示すようにエミッタ膜３上から粘着テープ９を一端側から矢印Ａで示すように剥離する。この剥離により、粘着テープ９には無機バインダ７の一部やカーボンナノチューブ５の一部が剥離されると共に、電極基板１上では、図４で示すように起毛長さが各種のカーボンナノチューブ５が起毛している。この図４の点線円Ｂで囲むように起毛長さが最長のカーボンナノチューブ５は最も電界集中し易く、起毛長さが短いカーボンナノチューブ５は電界集中しない。
【００１９】
なお、図４は、起毛長さの理解のために、電極基板１と図示略のアノード電極との間で高電界を印加した場合でカーボンナノチューブ５が電極基板１にほぼ垂直に起毛している状態で示しており、この高電界印加時以外はカーボンナノチューブ５が電極基板１上に垂直に起毛しているわけではない。
【００２０】
そして、上記テープ剥離により、電極基板１上では、起毛長さが一定未満のカーボンナノチューブ５ではその本数はその起毛長さが短くなるにしたがいカーボンナノチューブ５全体の本数に対して多くなる比率で分布する。一方、一定の起毛長さ以上のカーボンナノチューブ５ではその本数がその起毛長さが長くなってもカーボンナノチューブ５全体の本数に対してほぼ一定の比率で分布している。
【００２１】
上記比率について図５を参照して説明する。図５は横軸に起毛長さ（μｍ）、縦軸にカーボンナノチューブ本数をとり、起毛長さとカーボンナノチューブ本数との関係を示す。図５では、複数の電極基板１、実施の形態では３枚の電極基板１に対して上記図１の電極基板１上へのエミッタ膜３配置、上記図２の粘着テープ９貼り付け、図３の粘着テープ９剥離をそれぞれ実施した場合における各電極基板１でのカーボンナノチューブ５の分布を実線ｐ、点線ｑ、一点鎖線ｒでそれぞれ示している。
【００２２】
実線ｐ、点線ｑ、一点鎖線ｒにおいて、点線Ｃで囲む領域で示すように、起毛長さが一定未満のカーボンナノチューブ５ではその本数はその起毛長さが短くなるにしたがいカーボンナノチューブ５全体の本数に対して多くなるがその多くなる比率にはばらつきがある。しかし、点線Ｄで囲む領域で示すように、一定の起毛長さ以上のカーボンナノチューブ５ではその本数がその起毛長さが長くなってもカーボンナノチューブ５全体の本数に対してほぼ一定の比率で分布している。
【００２３】
そのため、電極基板１において図示略のアノード電極との間で高電界を印加した場合、カーボンナノチューブ５は電極基板１上に起毛してくるが、電界集中はアノード電極にその先端が近いカーボンナノチューブ５、換言すれば、起毛長さが長いカーボンナノチューブ５に起こり易いので、点線Ｃで囲む領域内のカーボンナノチューブ５はその本数は多いが、その起毛長さが短いので電界集中は起こらない。そして、点線Ｄで囲む領域内のカーボンナノチューブ５の場合では、起毛長さが点線Ｃで囲む領域内のカーボンナノチューブ５よりも長いので電界集中が起こり易い。
【００２４】
そして、この場合、点線Ｄで囲む領域内のカーボンナノチューブ５に関しては、それぞれ起毛長さが相違するものの、各起毛長さにおいてカーボンナノチューブ５の本数がほぼ一定の比率で分布しているので、まず、起毛長さが最大で高電界印加時にアノード電極に最近となるカーボンナノチューブ５に電界集中が起こるようになる。この場合、この起毛長さ最大のカーボンナノチューブ５は上記各電極基板１でのカーボンナノチューブ５の分布を実線ｐ、点線ｑ、一点鎖線ｒでそれぞれ示しているように、３つの電極基板１上でいずれも一定の本数であるから、その電界電子放出特性はいずれの電極基板１でも一定化してくる。
【００２５】
そして、起毛長さが最大のカーボンナノチューブ５が消耗した場合においては、その次に起毛長さが長いカーボンナノチューブ５に電界集中が起こるようになるが、この場合でも、その本数はほぼ変わらないので、上記電界電子放出特性を安定して一定に維持することができる。
【００２６】
こうして、次々に起毛長さが長いカーボンナノチューブ５から消耗していっても、同等の電界電子放出特性を維持することができるので、同等の電界電子放出特性を長期にわたり維持できる寿命特性に優れた電界電子エミッタを提供することができるようになる。
【００２７】
以上から実施の形態の電界電子エミッタでは、いずれの電界電子エミッタにおいても同等の電界電子放出特性を長期にわたり安定して提供することができるものである。
【００２８】
なお、上記一定の比率は、カーボンナノチューブ５の起毛長さが１６μｍ以上では、好ましくは１−６％であり、上記一定の比率はより好ましくは４−６％である。この一定の比率は、カーボンナノチューブ５の素材長さを調整することで、調整することができる。
【００２９】
また、カーボンナノチューブ５の最大起毛長さは好ましくは５０μｍ以下である。起毛長さが５０μｍを超えると起毛長さが長いカーボンナノチューブ５に局所的な電界集中が起こり易く発光点密度が減少し、また、実用的には使用しづらいからである。
【００３０】
なお、この起毛長さの測定は例えば、電界電子エミッタ断面のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）観察で求めることができる。また、カーボンナノチューブ５の本数の分布に関しても、ＳＥＭ観察で確認して求めることができる。
【００３１】
上記において以下に実験例を説明する。素材長さ１５μｍのカーボンナノチューブを含むエミッタ膜３を配置した電極基板を３つ用意する。同様に、素材長さ８０μｍのカーボンナノチューブを含むエミッタ膜３を配置した電極基板を３つ用意する。そして、まず素材長さ１５μｍのカーボンナノチューブを含むエミッタ膜３を配置した電極基板を用いて電界電子エミッタを３つ作製した場合、横軸に電界（Ｖ／μｍ）、縦軸に電流密度（ｍＡ／ｃｍ2）とする図６（ａ）で示すように、実線ｘ１、点線ｙ１、一点鎖線ｚ１でそれぞれの電界電子エミッタの電界電子放出特性で示すように電流密度１（ｍＡ／ｃｍ2）を得るのに、これら３つの電界電子エミッタの間では電界で０．７（Ｖ／μｍ）のばらつき差がある。
【００３２】
これに対して、素材長さ８０μｍのカーボンナノチューブを含むエミッタ膜３を配置した電極基板の３つにおいても、図６（ｂ）で示すように、実線、点線、一点鎖線でそれぞれの電界電子エミッタの電界電子放出特性で示すように電流密度１（ｍＡ／ｃｍ2）を得るのに、これら素材長さ８０μｍの３つの電界電子エミッタの間では、実線ｘ２、点線ｙ２、一点鎖線ｚ２でそれぞれの電界電子エミッタの電界電子放出特性で示すように電界では０．１（Ｖ／μｍ）のばらつき差しかなかった。素材長さが８０μｍを超えた例えば素材長さ３００μｍのカーボンナノチューブを含むエミッタ膜３を配置した電極基板の３つにおいても、同様であった。
【００３３】
以上から、実施の形態では、カーボンナノチューブ５全体の本数に対して、一定の起毛長さ以上のカーボンナノチューブ５の本数がその起毛長さが長くなってもカーボンナノチューブ５全体の本数に対してほぼ一定の比率で分布しているから、アノード電極と対向させ、高電界を印加させた場合、電界集中は起毛長さが一定以上に長くほぼ均等に分布するカーボンナノチューブ５に対して発生するので、各電界電子エミッタごとに対する電界電子放出特性にばらつきがすくなくなり、同等の電界電子放出特性の電子エミッタを再現性よく得ることができるようになる。
【００３４】
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】
【００３５】
【図１】図１は本発明の実施の形態に係る電界電子エミッタの作製において電極基板上にエミッタ膜を配置した状態を示す断面図である。
【図２】図２は図１の状態からエミッタ膜上に粘着テープを貼り付けた状態を示す断面図である。
【図３】図３は図２の状態からエミッタ膜上から粘着テープを剥離する状態を示す断面図である。
【図４】図４は図３でエミッタ膜の一部を拡大して示す断面図である。
【図５】図５は横軸に起毛長さ、縦軸にカーボンナノチューブ本数をとり、図３の剥離後における一定以上の起毛長さと一定未満の起毛長さを有するカーボンナノチューブ本数の分布を示す図である。
【図６】図６（ａ）は、素材長さが１５μｍのカーボンナノチューブを含むエミッタ膜を用いて電界電子エミッタを作製した場合の当該電界電子エミッタの電界電子放出特性を示す図、図６（ｂ）は、素材長さが８０μｍ、３００μｍのカーボンナノチューブを含むエミッタ膜を用いて電界電子エミッタを作製した場合の当該電界電子エミッタの電界電子放出特性を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  電極基板
３  エミッタ膜
５  カーボンナノチューブ
７  無機バインダ
９  粘着テープ
【図１】
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【図２】
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【図３】
2009163913.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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