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Hintergrund
der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Elektronen emittierende Quelle, die im Vakuum angeordnet ist
und, wenn die Spannung angelegt ist, Elektronen emittiert.
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Elektronen emittierende Quellen werden
in einer Elektronenkanone, zum Beispiel als Bestandteil einer Fernsehbildröhre, verwendet.
Solche Elektronenkanonen (Kathode) weisen eine wie in 14 gezeigte Grundanordnung
auf, in welcher die Elektronen emittierende Schicht 1402 am
geschlossenen distalen Ende eines Kathodenzylinders 1401 gebildet ist.
Der Kathodenzylinder 1401 enthält ein Heizelement 1403.
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Der Kathodenzylinder 1401 ist
aus hochreinem Ni hergestellt, welches mit einem Reduktionsmittel
wie Magnesium oder Silizium dotiert ist und eine Dicke von etwa
0,1 mm aufweist. Die Elektronen emittierende Schicht 1402 ist
aus einem sogenannten ternären
Oxid hergestellt, welches Bariumoxid, Calciumoxid und Strontiumoxid
enthält.
Wenn die Elektronen emittierende Schicht 1402 mit dem Heizelement 1403 auf
etwa 800°C
aufgeheizt ist, wird vorwiegend Barium reduziert und freigesetzt.
Das freie Barium begibt sich an die Oberfläche der Elektronen emittierenden
Schicht 1402, um die Elektronenemission zu fördern. Die
emittierten Elektronenstrahlen werden von einem ersten Gitter 1404 gesammelt
und auf einen Leuchtstoffschirm 1409 fokussiert über ein zweites
Gitter 1405, ein drittes Gitter 1406, ein viertes Gitter 1407 als
Fokussierelektrode und ein fünftes Gitter 1408 (14B).
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In dieser Weise wird die Elektronen
emittieren Quelle im Vakuum eingesetzt. Solche Elektronen emittierenden
Quellen werden nicht nur in der Elektronenkanone von Bildröhren verwendet,
sondern auch in einer fluoreszierenden Vakuum-Anzeigevorrichtung. Diese Anzeigevorrichtung
umfaßt
eine Elektronenröhre,
die das emittierte Licht verwendet, welches erzeugt wird, wenn die
von der Elektronen emittierenden Quelle emittierten Elektronen den Leuchtstoff
bombardieren, der sich in einem Vakuumgefäß mit wenigstens einem transparenten
Ende befindet. In vielen Fällen
weist die fluoreszierende Vakuum-Anzeigevorrichtung eine Triodenstruktur
auf, mit einem Gitter zum Steuern der Bewegung der Elektronen. In
der fluoreszierenden Vakuum-Anzeigevorrichtung herkömmlicher
Art wird ein Kathode, die als Glühfaden
bezeichnet wird, als Elektronen emittierende Quelle verwendet, wobei
die thermisch aus der Kathode emittierten Elektronen auf die Leuchtstoffschicht
prallen und dort dabei Licht erzeugen.
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Solche fluoreszierenden Anzeigevorrichtungen
umfassen eine Bildröhre,
welche die Pixelanordnung einer Großschirm-Anzeigevorrichtung
aufweist. Die Anordnung einer in der Bildröhre verwendeten, Elektronen
emittierenden Quelle wird nun mit Hinweis auf 15 beschrieben.
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Die respektiven Komponenten der Bildröhre sind
in einem zylindrischen Glaskolben 1501 untergebracht, der
das Vakuumgefäß darstellt.
Der Glaskolben 1501 enthält eine Kathodenstruktur 1510,
die als eine Elektronen emittierende Quelle dient. Die Kathodenstruktur 1510 weist
die folgende Anordnung auf. Eine rückseitige Elektrode 1512 ist
in der Mitte eines keramischen Substrats 1511 gebildet.
Eine Glühfadenkathode 1513 ist
oberhalb der rückseitigen Elektrode 1512 in
einem vorgegebenen Abstand befestigt. Ein elliptischer Gitterkäfig 1514 mit
Maschennetz-Abschnitt 1514a ist auf dem keramischen Substrat 1511 montiert
und überdeckt
die rückseitige Elektrode 1512 und
die Glühfadenkathode 1513.
Der Maschennetz-Abschnitt 1514a wölbt sich kugelförmig in
Richtung zum Leuchtstoffschirm (nicht dargestellt) hin, der innerhalb
des Glaskolbens 1501 untergebracht ist.
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Die Bildröhre, welche diese Anordnung
aufweist, emittiert Elektroden aus der Kathodenstruktur 1510 wie
folgt. Eine vorgegebene Spannung wird an der Glühfadenkathode 1513 angelegt,
um die thermischen Elektronen zu emittieren. Eine negative Spannung
relativ zur Glühfadenkathode 1513 wird
der Rückelektrode 1512 aufgeprägt. Eine
positive Spannung relativ zur Glühfadenkathode 1513 wird
dem Gitterkäfig 1514 aufgeprägt. Ein
Elektronenstrahl wird aus dem Maschennetz-Abschnitt 1514a des Gitterkäfigs 1514 emittiert.
Der Elektronenstrahl trifft auf einen Leuchtstoffschirm (nicht dargestellt)
und veranlaßt
den Leuchtstoftschirm, Licht zu emittieren.
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Wie oben beschrieben, wird die thermische Elektronenemission
aus einer Elektronen emittierenden Substanz in einer Elektronen
emittieren Quelle herkömmlicher
Art in einer Vorrichtung, wie eine Bildröhre oder eine fluoreszierende
Vakuum-Anzeigevorrichtung, grundsätzlich ausgenutzt, um Lichtemission aus
einem Leuchtstoff beim Auftreffen der Elektronen zu erzeugen. Die
Elektronen emittierende Substanz ist aus einem sogenannten ternären Oxid
hergestellt, welches Bariumoxid, Calciumoxid und Strontiumoxid enthält. Im Einsatz
wird in diesem ternären
Oxid Barium durch Reaktion mit dem Gas verbraucht, deshalb wird
die Röhre
laufend mit Barium aus der Elektronen emittierenden Schicht nachversorgt.
Der Bariumnachschub reicht jedoch nicht aus, wenn ein hoher Strom
fließt,
indem viele Elektronen emittiert werden. Außerdem muß die Elektronen emittierende Substanz
für die
Elektronenemission geheizt werden, aber durch Wärme führt auch zur Abnutzung.
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Die Oxide, aus welchen die Elektronen
emittierende Substanz besteht, sind in Berührung mit der Luft sehr instabil.
Aus diesem Grund wird in einem Herstellungsverfahren einer Elektronen
emittierenden Quelle herkömmlicher
Art die Elektronen emittierende Schicht zunächst aus sogenannten Carbonaten,
wie Bariumcarbonat, Calciumcarbonat und Strontiumcarbonat gebildet,
die in ein Vakuumgefäß zusammen
mit anderen Komponenten eingebracht und dann oxidiert werden, während das
Vakuumgefäß evakuiert
und gealtert wird. Dementsprechend besteht das Herstellungsverfahren
der Elektronen emittierenden Quelle herkömmlicher Art allgemein aus
vielen Schritten.
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Der aus einer herkömmlichen
Elektronen emittierenden Quelle emittierte Elektronenstrom ist stark
von der Temperatur der Elektronen emittierenden Quelle abhängig. Wenn
die Temperatur der Elektron emittierenden Quelle örtlich unterschiedlich
ist, dann ist auch der emittierte Elektronenstrom ungleichmäßig verteilt.
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Die Elektronen emittierende Quelle
herkömmlicher
Art weist eine Elektronen emittierende Substanz, wie oben beschrieben,
auf. Diese Substanz ist jedoch gegenüber dem im Vakuumgefäß der fluoreszierenden
Vakuum-Anzeigevorrichtung produzierten Gas empfindlich und kann
deshalb innerhalb kurzer Zeit unbrauchbar werden.
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Zusammenfassend gesagt, leidet die
Elektronen emittierende Quelle herkömmlicher Art unter Problemen
eines umständlichen
Herstellungsverfahrens, unter Schwankungen des emittierten Stroms, unter
mangelhafter Widerstandsfähigkeit
gegenüber Umgebungseinflüssen und
unter Strukturschwäche.
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Außerdem wurden Versuche durchgeführt, um
die Feldemissions-Eigenschaften
von Kohlenstoff-Nanoröhrenfilmen
zu studieren, die eine Schicht vertikal ausgerichteter Kohlenstoff-Nanoröhren aufweisen,
wie in W. A. de Heer et al.: "Electron
Field Emitters Based on Carbon Nanotube Films" (Feldeftekt-Elektronenemitter auf der Basis von
Kohlenstoff-Nanoröhrenfilmen),
Januar 1997, Advanced Materials, Band 9, Nr. 1, Seiten 97–89, XP000644267,
offenbart.
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In B. H. Fishbine et al.: "Buckytube Cold Field Emitter
Array Cathode Experiments" (Experimente mit
Buckyrohr-Kaltfeldemitterkathodenanordnungen), 1995, Materials Research
Society Symposium Proceedings (Materialforschungsgesellschaft-Symposiumbericht),
Band 359, Seiten 93–98,
XP 000614460, wurde eine Elektronen emittierende Quelle offenbart,
welche ein leitendes Substrat aufweist, auf welchem eine Mehrzahl
von Kohlenstoff-Nanoröhren mittels
Kapillarabsorption auf dem Substrat fixiert ist.
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Außerdem, gemäß A. G. Rinzler et al.: "Unraveling Nanotubes:
Field emission from an atomic wire" (Entwirren von Nanoröhren: Feldemission
aus einem atomaren Draht",
15. September 1995, Science, Vol. 269, Ausgabe 5230, Seiten 1550–1553, wurde
festgestellt, daß die
Feldeffekt-Elektronenemission aus einzeln montierten Kohlenstoff-Nanoröhren gesteigert
wird, wenn die Nanoröhrenspitzen durch
Laserverdampfung oder oxidierenden Einfluß geöffnet werden.
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Eine Versuchsanordnung, die eine
Elektronen emittierende Quelle ähnlich
dem Präambel
zum Anspruch 1 aufweist, ist in D. T. Colbert et al.: "Growth and Sintering
of Fullerene Nanotubes" (Wachstum
und Sintern von Fulleren-Nanoröhren), 18.
November 1994, Science, Band 266, Ausgabe 5188, Seiten 1218 bis
1222, offenbart.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist deshalb ein Objekt der vorliegenden Erfindung,
eine Elektronen emittierende Quelle zu realisieren, die verbesserte
strukturelle Widerstandsfähigkeit,
erhöhte
Emissionseffizienz und/oder vereinfachte Herstellungsmöglichkeit
aufweist.
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Dementsprechend bringt die vorliegende
Erfindung eine Elektronen emittierende Quelle, die ein Substrat
und eine Mehrzahl von in Graphitsäulen enthaltenen, Kohlenstoff-Nanoröhren mit
offenen Spitzen aufweist, wobei diese Mehrzahl von Kohlenstoff-Nanoröhren in
einer Vertiefung im Substrat eingefügt ist.
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Mit dieser Struktur können Elektronen
von den Spitzen der Kohlenstoff-Nanoröhren emittiert werden,
wenn die Spannung an den Kohlenstoff-Nanoröhren im Vakuum angelegt ist.
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Gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird die Elektronen emittierende Quelle
gebildet, indem die Kohlenstoff-Nanoröhren mit einem leitenden Klebstoff
am Substrat befestigt werden.
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Mit dieser Struktur können die
Elektronen von den Spitzen der Kohlenstoff-Nanoröhren emittiert werden, wenn
im Vakuum die Spannung an den Kohlenstoff-Nanoröhren über das Substrat angelegt ist.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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1A bis 1F sind Ansichten, die die
Anordnung einer Elektronenkanone mit einer Elektronen emittierenden
Quelle gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigen;
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2A bis 2D sind Ansichten zur Erläuterung
der Elektronenkanone, welche die Elektronen emittierende Quelle
gemäß 1 verwendet;
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3 ist
eine Ansicht, welche die Anordnung des Hauptteils einer Elektronenkanone
zeigt, die eine Elektronen emittierende Quelle gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet;
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4A und 4B sind Querschnittsansichten, welche
die Anordnung einer Bildröhre
als fluoreszierende Vakuum-Anzeigevorrichtung darstellen, die eine
Elektronen emittierende Quelle gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet;
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5A bis 5C sind Ansichten zur Erläuterung
einer Elektronen emittierenden Quelle gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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6A bis 6E sind Ansichten zur Erläuterung
einer Elektronen emittierenden Quelle gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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7A, 7C und 7F sind Querschnittsansichten zur Erläuterung
einer Elektronen emittierenden Quelle gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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7B, 7D und 7E sind Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen;
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8 ist
eine Querschnittsansicht, welche die Anordnung einer Bildröhre darstellt,
in welcher eine Elektronen emittierende Quelle gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
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9A und 9B sind Ansichten zur Erläuterung
einer Elektronen emittierenden Quelle gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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10A bis 10C sind Querschnittsansichten,
welche die Anordnung einer FED zeigen, die eine Elektronen emittierende
Quelle gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet;
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11 ist
ein Grundriß,
welcher die Anordnung der FED zeigt, die die Elektronen emittierende Quelle
gemäß 10 verwendet;
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12 ist
eine Querschnittsansicht, welche die Anordnung einer FED darstellt,
die eine Elektronen emittierende Quelle gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet;
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13 ist
eine Querschnittsansicht, welche die Anordnung einer FED darstellt,
die eine Elektronen emittierende Quelle gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet;
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14A und 14B sind Ansichten, welche
die Anordnung einer Elektronenkanone darstellen, die eine Elektronen
emittierende Quelle herkömmlicher Art
verwendet; und
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15 ist
eine Querschnittsansicht, welche die Anordnung einer Bildröhre darstellt,
die eine Elektronen emittierende Quelle herkömmlicher Art verwendet.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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Unten werden Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung detailliert beschrieben, mit Hinweis auf die begleitenden
Figuren.
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1A, 1B und 1C zeigen die Anordnung einer Elektronenkanone,
welche eine Elektronen emittierende Quelle gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet.
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Diese Elektronenkanone umfaßt eine
Bühne 102,
die auf einem Substrat 101 in den Richtungen x und y beweglich
ist. Ein nadelförmiger
Emitter (Elektronen emittierende Quelle) 103 ist auf der
beweglichen Bühne 102 angeordnet.
Eine Extraktionselektrode 104 ist auf der Linie von der
Spitze des nadelförmigen
Emitters
103 auf dem Substrat 101 befestigt. Die
Extraktionselektrode 104 weist eine Öffnung 104a auf.
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Insbesondere umfaßt die Elektronenkanone eine
Kaltkathoden-Elektronenquelle
vom Feldemissionstyp, welche aus dem nadelförmigen Emitter 103 und
der Extraktionselektrode 104 besteht. Die Elektronenextraktions-Effizienz
kann durch Bewegen der beweglichen Bühne 102 sowie Kontrolle
der Position und Orientierung der Spitze des nadelförmigen Emitters 103 relativ
zur Öffnung 104a optimiert
werden.
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Der als Elektronen emittierende Quelle
dienende, nadelförmige
Emitter 103 besteht aus einem Aggregat von Kohlenstoff-Nanoröhren. Insbesondere,
der nadelförmige
Emitter 103 ist durch Bündeln
einer Mehrzahl nadelförmiger
Graphitsäulen
(nadelförmige
Strukturen) gebildet, die eine Länge
von mehreren Zehnmikrometer aufweisen und aus einem Aggregat von
Kohlenstoff-Nanoröhren
bestehen, während
die Längsausrichtungen
der Säulen
im wesentlichen gleich sind. Der nadelförmige Emitter 103 weist
eine Länge
von etwa 5 mm und einen Durchmesser von 1 bis 3 mm auf, wobei ein
Abschnitt des Nadelförmigen
Emitters 103 von etwa 0,5 bis 1 mm ab der Spitze verjüngt ist.
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Die Kohlenstoff-Nanoröhre wird
nun erläutert.
Wie in 1D dargestellt
ist, ist diese Kohlenstoff-Nanoröhre
ein vollständig
graphitisierter Zylinder mit einem Durchmesser von etwa 4 bis 50
nm und einer Länge
in der Größenordnung
1 μm. Wie
in 1E dargestellt ist,
ist die Spitze der Kohlenstoff-Nanoröhre noch mit einem fünfteiligen
Ring verschlossen. Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird die Spitze geöffnet.
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Wenn zwei Kohlenstoffelektroden in
Heliumgas mit einem Abstand von etwa 1 bis 2 mm angeordnet werden
und eine Gleichstrom-Lichtbogenentladung zwischen ihnen erzeugt
wird, bildet sich eine Kohlenstoff-Nanoröhre in einem Belag, der sich
am distalen Ende der kathodenseitigen Kohlenstoffelektrode durch
Verdampfen der anodenseitigen Kohlenstoffelektrode aufbaut.
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Das heißt, wenn eine stabile Bogenentladung
in Helium ununterbrochen läuft,
während
der Abstand zwischen den Kohlenstoffelektroden auf etwa 1 mm festgehalten
wird, bildet sich am distalen Ende der kathodenseitigen Kohlenstoffelektrode
eine abgelagerte Säule
mit fast dem gleichen Durchmesser wie der der anodenseitigen Kohlenstoffelektrode.
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Die abgelagerte Säule besteht aus zwei Teilen,
nämlich
aus einer harten äußeren Hülle und
einem schwarzen, zerbrechlichen inneren Kern. Der innere Kern weist
eine faserförmige
Struktur auf, welche sich in Richtung der Höhe der abgelagerten Säule erstreckt.
Die faserförmige
Struktur ist die oben beschriebene Graphitsäule. Die Graphitsäule kann
man durch Aufschneiden der abgelagerten Säule entnehmen. Die harte äußere Hülle besteht
aus polykristallinem Graphit.
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Die Graphitsäule besteht aus einem Aggregat
von Kohlenstoff-Nanoröhren
zusammen mit Kohlenstoff-Nanopolyeder. Wie in 1F gezeigt ist, ist eine Graphitsäule 131 eine
nadelförmige
Struktur, die aus einem Aggregat von Kohlenstoff-Nanoröhren 132 gebildet
wird, die in fast gleicher Richtung ausgerichtet sind. 1E zeigt einen Querschnitt
eines mittleren Abschnitts der Graphitsäule.
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Die 1D und 1E zeigen schematisch eine Graphitsäule, in
welcher eine einzige Graphitlage zylindrisch geschlossen ist. Die
Graphitsäule
ist jedoch nicht auf diese Form beschränkt, sondern kann auch eine
Form haben, in welcher eine Vielzahl von Graphitlagen in einer verschachtelten
Struktur gestapelt sind, wobei jede Graphitlage zylindrisch geschlossen ist,
um eine koaxiale mehrschichtige Struktur zu bilden. Die Mitte dieser
Struktur ist hohl.
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Die Elektronenkanone weist folgende
Teile auf: eine Kaltkathode-Elektronenquelle
vom Feldemissionstyp, als nadelförmiger
Emitter 103 aus Kohlenstoff-Nanoröhren gebildet, und die Extraktionselektrode 104.
Gemäß der ersten
Ausführungsform betrug
die Stromdichte (Emissionsmenge) 10 A/cm2 und
könnte
theoretisch 400 A/cm2 sein.
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Da die Position des nadelförmigen Emitters 103 kann
mit der beweglichen Bühne 102 eingestellt werden
kann; wenn sich die Spitze des nadelförmigen Emitters 103 abnutzt
und ihr Zustand sich verschlechtert hat, kann der nadelförmige Emitter 103 in Richtung
zur Extraktionselektrode 104 hin bewegt werden, so daß ein hoher
Wirkungsgrad der Elektronenemission aufrecht erhalten werden kann.
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In der oben beschriebenen Anordnung
wird der Emitter durch Bündeln
von Graphitsäulen
gebildet, deren Längsrichtungen
im wesentlichen gleich sind, aber der Emitter ist nicht auf diese
Gestaltung beschränkt.
Wie in 2A und 2B dargestellt ist, wird eine
Mehrzahl von Graphitsäulen 202 am
distalen Ende eines Kathodenzylinders 201 angeordnet, und das
elektrische Feld wird zwischen dem Kathodenzylinder 201 und
einer Extraktionselektrode 203 angelegt, um Elektronen aus
den Graphitsäulen 202 zu extrahieren.
Die Graphitsäulen 202 sind
am Kathodenzylinder 201 befestigt, beispielsweise mit einem leitenden
Klebstoff. Der leitende Klebstoff ist beispielsweise eine silberhaltige
Paste, die hergestellt wird, indem Silberteilchen in einem Träger zusammen
mit schmelzbaren Glasteilchen mit niedrigem Erweichungspunkt als
Binder dispergiert werden. Der Träger ist eine zähe Flüssigkeit,
in welcher ein Harz in einem Lösungsmittel
aufgelöst
ist, welches sich durch Erwärmen
sehr leicht zersetzt und flüchtig
ist. Ein typischer Träger
wird hergestellt, indem Ethylzellulose in Terpineol aufgelöst wird.
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In diesem Fall, wie in 2A dargestellt ist, wird
die Längsrichtung
der Graphitsäule 202 vorzugsweise
möglichst
in der Elektronen-Extraktionsrichtung ausgerichtet.
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2C zeigt
die Unterschiede der Emissionsmenge in Abhängigkeit von der Längsrichtung der
Graphitsäule.
In 2C stellt (c-1) die
Emissionsmenge dar, wenn die Längsrichtungem
der Graphitsäulen 202 im
wesentlichen mit der Elektronenextraktionsrichtung zusammenfallen,
wie in 2A dargestellt
ist. (c-2) stellt die Emissionsmenge dar, wenn die Längsrichtungen
der Graphitsäulen 202 kaum
mit der Elektronen-Extraktionsrichtung übereinstimmen, wie in 2B dargestellt ist.
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Wie in 2C ersichtlich
ist, kann eine größere Emissionsmenge
erzielt werden, wenn die Längsrichtungen
der Graphitsäulen
mit der Elektronen-Extraktionsrichtung übereinstimmen.
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Wie oben beschrieben, kann die Kohlenstoff-Nanoröhre eine
einschichtige oder eine mehrschichtige Struktur aufweisen, sowie
eine Struktur, in welcher die Spitze offen ist ohne einen fünfteiligen Ring.
Wenn eine mehrschichtige Kohlenstoff-Nanoröhre mit offener Spitze verwendet
wird, kann eine größere Anzahl
von Elektronen emittiert werden, wie mit "o" in 2D dargestellt ist. In 2D stellt "•" die Strom-/Spannungskurve dar für Elektronen,
die von einer einschichtigen Kohlenstoff-Nanoröhre emittiert werden, und "•" stellt die Strom- /Spannungskurve dar für Elektronen,
die von einer mehrschichtigen Kohlenstoff-Nanoröhre emittiert werden, deren
Spitze mit einem fünfteiligen
Ring verschlossen ist. In 2D ist
der Strom ein Sondenstrom (Ip), der mit
Sondenlöchern,
die einen Durchmesser von 1 mm aufweisen, gemessen wurde. Der Strom
ist nicht der gesamte emittierte Strom. Der Abstand zwischen den
Sondenlöchern
ist 60 mm.
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3 zeigt
eine Elektron emittierte Quelle gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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In dieser Ausführungsform ist ein scheibenförmiger Distal-Endabschnitt 301 mit
einer Vielzahl von Vertiefungen 301a auf seiner Vorderfläche am Distalende
einer zylindrischen Kathode 302 befestigt, und die Vertiefungen 301a des
Distalabschnitts 301 sind mit einem Aggregat aus Kohlenstoff-Nanoröhren gefüllt.
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Insbesondere, die Vertiefungen 301a sind mit
einer Vielzahl nadelförmiger
Graphitsäulen
gefüllt,
die eine Länge
von mehreren Zehnmikrometer aufweisen und aus einem Aggregat von
Kohlenstoff-Nanoröhren
gebildet sind, wobei die Längsrichtungen
dieser Säulen
im wesentlichen miteinander übereinstimmen.
Der Distalendabschnitt 301 weist eine Dicke von etwa 5
mm und einen Durchmesser von etwa 5 mm auf, und umfaßt eine
Mehrzahl von Vertiefungen 301a mit etwa 0,5 mm Lochdurchmesser.
Als Material zur Bildung des als Substrat dienenden Distalendabschnitts 301,
stehen eine Nickellegierung, Edelstahl oder eine 426-Legierung zur Verfügung.
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Ein Graphitsäulenpulver, das aus einem Aggregat
von Kohlenstoff-Nanoröhren hergestellt
wurde, wird in die Vertiefungen 301a unter einem Druck von
etwa 49,0 bis 58,8 bar (5 bis 6 kgw) eingebracht. Beispielsweise
wird die Bildungsfläche
für die
Vertiefungen 301a des Distalendabschnitts 301 mit
dem Graphitsäulenpulver
bedeckt, und das Pulver wird von einer Rolle oder einer ähnlichen
Vorrichtung gepreßt.
Das Graphitsäulenpulver
kann mittels Rakelmesser in die Vertiefungen 301a gedrückt werden.
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Die Elektronen emittierende Quelle
besteht aus dem Distalendabschnitt 301, der die mit den
Kohlenstoff-Nanoröhren
gefüllten
Vertiefungen 301a aufweist. Wenn der Distalendabschnitt 301 den
in den 1A, 1B und 1C dargestellten Emitter 103 ersetzt, kann
die Elektronenkanone mit einer Kaltkathode-Elektronenquelle vom
Feldemissionstyp bestückt werden, ähnlich wie
in der ersten Ausführungsform. In
der Gestaltung der Elektronenkanone wird die Bildungsfläche für die Vertiefungen 301a des
Distalendabschnitts 301 zur Orientierung der in 1A, 1B und 1C dargestellten
Extraktionselektrode 104 eingerichtet. Mit der in dieser
Weise gestalteten Elektronenkanone wurde eine Stromdichte (Emissionsmenge)
von 10 A/cm2 oder mehr erzielt, wobei der
theoretisch erzielbare Wert 400 A/cm2 beträgt.
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Die Kohlenstoff-Nanoröhren werden
eingefüllt
und ohne Binder fixiert in den Vertiefungen 301a. Die Kohlenstoff-Nanoröhre ist
nicht mit einem Binder überdeckt,
und dies erleichtert die Elektronenemission aus den Spitze der Nanoröhren.
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Die Elektronenkanone wurde als Beispiel
beschrieben, aber die Anwendung der Elektronen emittierenden Quelle
ist nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Zum Beispiel kann die
Elektronen emittierende Quelle in einer fluoreszierenden Vakuum-Anzeigevorrichtung
wie folgt eingesetzt werden.
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In diesem Fall ist die Elektronen
emittierende Quelle in einem Vakuumgefäß angeordnet, welches die fluoreszierende
Vakuum-Anzeigevorrichtung darstellt. Eine Anode mit einer Leuchtstoffschicht
ist im Vakuumgefäß so angeordnet,
daß sie
der Elektronen emittierenden Quelle zugewandt ist. Die von der Elektronen
emittierenden Quelle emittierten Elektronen bombardieren die Leuchtstoffschicht.
Die Anode kann als eine Extraktionselektrode verwendet werden, oder
eine Extraktionselektrode kann zwischen der Leuchtstoffschicht und
der Elektronen emittierenden Quelle angeordnet werden.
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4a zeigt
die Anordnung einer Bildröhre als
fluoreszierende Vakuum-Anzeigevorrichtung, die eine Elektronen emittierende
Quelle gemäß einer Ausführungsform
aufweist.
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Die Gestaltung und das Herstellungsverfahren
der Bildröhre
werden nun beschrieben. Eine Glasfrontplatte 402 wird an
einer zylindrischen Glasröhre 401 mit
Frittglas 403 befestigt, welches einen niedrigen Schmelzpunkt
aufweist, um ein Vakuumgefäß (Bildröhrenkolben)
zu gestalten.
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Das Vakuumgefäß enthält einen Leuchtstoftschirm 404,
eine Anodenstruktur 405 und eine Kathodenstruktur 406,
die als Elektronen emittierende Quelle dient. Die Glasfrontplatte 402 wird
an der Glasröhre 401 befestigt
und fixiert, nachdem der Leuchtstoffschirm 404, die Anodenstruktur 405 und die
als Elektronen emittierende Quelle dienende Kathodenstruktur 406 angeordnet
wurden.
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Ein konvexlinsenförmiger, sphärischer Abschnitt 402a ist
auf der Vorderseite der Glasfrontplatte 402 gebildet, und
ein Kragenstufenabschnitt 402b ist am sphärischen
Abschnitt geformt. Obwohl nicht dargestellt, der Randabschnitt einer
inneren Fläche 402c der
Glasfrontplatte 402 ist teilweise vertieft. Der Leuchstoffschirm 404 ist
auf der Hauptfläche
der inneren Fläche 402c aufgebracht, und
ein rückseitiger Metallfilm 407 aus
Aluminium ist auf der Oberfläche des
Leuchtstoffschirms 404 aufgetragen.
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In der Vertiefung ist kein Leuchtstoffschirm 404 aufgetragen,
sondern nur der rückseitige
Metallfilm 407 aus Aluminium. In der Vertiefung ist ein
Ende von einem elastischen Kontaktelement 407a mittels Preßformen
gebildet, beispielsweise wird eine dünne Edelstahlplatte eingesetzt.
Das Kontaktelement 407a wird verklebt und fixiert an der
Vertiefung mit einem leitenden Klebstoff, der beispielsweise aus
einer Mischung von Kohlenstoff oder Silber und Frittglas besteht.
Das andere Ende des Kontaktelements 407a erstreckt sich
bis zur inneren Wand der Glasröhre 401.
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Der Leuchtstoffschirm 404 wird
gebildet mit einer Lösung,
die hergestellt wird, indem eine Leuchtstoffmischung, zum Beispiel
Y2O2S : Tb + Y2O3 : Eu als ein
Weißleuchtstoff
in einem Lösungsmittel
aufgelöst
wird und bis zu einer Dicke von etwa 20 μm auf der Innenfläche 402c im
Druckverfahren aufgetragen und getrocknet wird. Zu beachten ist,
daß der
Leuchtstoffschirm 404 nicht bis in die Vertiefung gebildet wird.
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Der rückseitige Metallfilm 407 aus
Aluminium wird gebildet, indem ein Aluminiumfilm bis zu einer Dicke
von etwa 150 nm auf der Oberfläche
des Leuchtstoffschirms 404 aufgetragen wird. Da kein Leuchstoffschirm 404 in
der Vertiefung gebildet wird, wird dort nur der rückseitige
Metallfilm 407 aus Aluminium gebildet.
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Wenn der rückseitige Metallfilm 407 aus
Aluminium zu dünn
ist, nehmen die Nadellöcher
zu und schwächen
die Reflexion des Leuchtstoffschirms 404; wenn der rückseitige
Metallfilm 407 aus Aluminium zu dick ist, wird der Zutritt
des Elektronenstrahls in den Leuchtstoffschirm 404 hinein
behindert, so daß das
emittierte Licht geschwächt
wird. Deshalb ist es wichtig, die Dicke des rückseitigen Metallfilms 407 aus
Aluminium zu kontrollieren. Eine bevorzugte Dicke des rückseitigen
Metallfilms 407 aus Aluminium ist 150 nm, wie oben beschrieben.
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Nachdem der Leuchstoffschirm 404 und
der rückseitige
Metallfilm 407 aus Aluminium gebildet sind, wird die Glasfrontplatte 402 kalziniert,
beispielsweise in einem elektrischen Ofen in Luft bei 560°C für etwa 30
Minuten, um das Lösungsmittel
und andere, im aufgetragenen Film enthaltenen Substanzen zu entfernen.
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Der am Rand der Glasfrontplatte 402 gebildete
Kragenstufenabschnitt 402b wird montiert, und fixiert mit
dem Frittglas 403, welches einen niedrigen Schmelzpunkt
aufweist, an einer Öffnung
der Glasröhre 401,
die einen Durchmesser von etwa 20 mm und eine Länge von etwa 50 mm aufweist,
wobei die zwei Enden abgeschnitten werden.
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Ein Anschlußstift 409 wird in
einem Glasstiel 408 eingesetzt, der das untere Ende der
Glasröhre 401 bildet,
und der Glasstiel 408 wird in einem Stück zusammen mit einem Auspumprohr 408a gefertigt. Ein
Anodendraht 410 wird an der Spitze des Anschlußstifts 409 angeschweißt, und
eine zylindrische Anodenstruktur (Elektronen-Beschleunigungselektrode) 405 wird
an der Spitze der Anodenleitung 410 angeschweißt.
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Die Anodenstruktur 405 umfaßt folgende
Teile:
eine ringförmige
Anode 405a, die durch Rundbiegen, beispielsweise eines
Edelstahldrahtes (Durchmesser etwa 0,5 mm), zu einer ringförmigen Gestalt
geformt ist; und
eine zylindrische Anode 405b, die
durch Wickeln einer dünnen
rechteckigen Edelstahlplatte (Dicke: 0,01 bis 0,02 mm) um die Außenfläche der
ringförmigen Anode 405a und
Befestigen von zwei überlappende Abschnitte
mittels Schweißen
oder ähnlichem
Verfahren gebildet wird.
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Die Anodenstruktur 405 ist
so befestigt, daß die
ringförmige
Anode 405a an der Spitze der Anodenleitung 410 am
vorbestimmten Abschnitt angeschweißt ist und sich der innere
Teil der zylindrischen Anode 405b in Kontakt mit der extremen
Spitze der Anodenleitung 410 zusammengeschweißt ist.
Ein Ba-Getter 405c ist an einem Teil der ringförmigen Anode 405a angeschweißt. Die
Abschnitte der Anodenstruktur 405 und der Anschlußstift 409 sind
in der 4A nicht dargestellt.
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Die oben beschriebene Anordnung ist
mit der einer herkömmlichen
Bildröhre
fast identisch.
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Die Anschlußstifte 409a und 409b sind
ebenfalls im Glasstiel 408 eingesetzt. Die Kathodenleitungen 411a und 411b sind
an den spitzen der Anschlußstifte 409a und 409b angeschweißt, und
die Kathodenstruktur 406 ist an den Spitzen der Kathodenleitungen 411a und 411b angeschweißt.
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Die Kathodenstruktur 406 weist
die folgende Anordnung auf. Eine Elektrode (leitende Platte) 406b ist
auf der Mitte eines keramischen Substrats 406a angeordnet.
Wie in 4B dargestellt
ist, nadelförmige
Graphitsäulen 421,
die je eine Länge
von mehreren Zehnmikrometer bis mehreren mm aufweisen und aus einem
Aggregat von Kohlenstoff-Nanoröhren
hergestellt sind, sind in einem Bereich mit einem Durchmesser von
etwa 3 mm auf der Elektrode 406b befestigt, wobei ihre
Längsrichtungen
im wesentlichen mit der Richtung zum Leuchstoffschirm 404 zusammenfallen.
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Die Graphitsäulen 421 sind mit
einem leitenden Klebstoff 422 befestigt. Die Elektrode 406b und die
Graphitsäulen 421,
die mit dem leitenden Klebstoff 422 befestigt sind, stellen
eine Elektronen emittierende Quelle dar.
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Die Elektrode 406b und die
Graphitsäulen 421 sind
mit einem Käfig 406d umgeben,
der einen Gitternetz-Abschnitt 406e (Elektronen-Extraktionselektrode)
aufweist.
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In dieser Weise ergibt sich die Kathodenstruktur
406, indem die aus Kohlenstoff-Nanoröhren bestehenden Graphitsäulen 421 an
der Elektrode 406b befestigt werden, und der Käfig 406d auf
dem Keramiksubstrat 406a montiert wird, um sie zu überdecken.
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Der etwas kugelförmig gestaltete Gitternetzabschnitt 406e ragt
in Richtung zum Leuchtstoffschirm 404 hin. Der Gitternetzabschnitt 406e kann auch
flach sein. Der Käfig 406d wird
gebildet, indem eine etwa 100 μm
dicke Edelstahlplatte durch Verpressen geformt wird. Der Gitternetzabschnitt 406e weist
eine Länge
von etwa 6 mm, eine Breite von etwa 4 mm und eine Höhe von etwa
1,25 mm auf. Der Gitternetzabschnitt 406e weist einen Abstand
von 0,5 bis 1 mm von der Spitze der Graphitsäule 421 auf. Der Abstand
zwischen ihnen ist vorzugsweise klein, aber sie dürfen sich
nicht berühren.
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In der Bildröhre der dritten Ausführungsform mit
der oben beschriebenen Anordnung wird die Spannung aus einer externen
Schaltung an die Anschlußstifte 409a und 409b angelegt,
um das elektrische Feld zwischen der Elektrode 406 und
dem Käfig 406d über die
Kathodenanschlüsse 411a und 411b zu
erzeugen. Dies konzentriert ein starkes elektrisches Feld an den
Spitzen der Kohlenstoff-Nanoröhren der
Graphitsäulen 421,
die an der Elektrode 406 befestigt sind, um Elektronen
zu extrahieren und aus dem Gitternetzabschnitt 406e zu
emittieren. Dies bedeutet, daß in
der dritten Ausführungsform
die Kathodenstruktur 406 eine Elektronenquelle (Elektronen emittierende
Quelle) vom Feldeffekttyp mit kalter Kathode ist, die aus Kohlenstoff-Nanoröhren 421a gebildeten
Graphitsäulen 421 als
Emitter verwenden.
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Eine hohe Spannung von einer externen Quelle
wird an den Anschlußstift 409 und über die Anodenleitung 410 zum
Rückseitigen
Metallfilm 407 aus Aluminium über die Anodenleitung 410,
die Anodenstruktur 405 (zylindrische Anode 405b)
und das Kontaktelement 407a angelegt. Die emittierten Elektroden
werden von der zylindrischen Anode 405b beschleunigt und
bombardieren den Leuchtstoffschirm 404 durch den rückseitigen
Metallfilm 407 aus Aluminium hindurch. Die Elektronen-Bombardierung
bringt den Leuchtstoffschirm 404 zum Leuchten in einer Farbe, die
dem Leuchtstoff entspricht, aus welchem der durch die Glasfrontplatte 402 sichtbare
Leuchtstoffschirm 404 besteht.
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Auch in dieser Ausführungsform
ist die Elektronen emittierende Quelle aus Kohlenstoff-Nanoröhren gebildet
und arbeitet als Elektronenquelle vom Feldemissionstyp mit kalter
Kathode. Diese Elektronen emittierenden Quelle kann einfach eingesetzt werden
ohne Verschlechterung durch ein im Vakuumgefäß produziertes Gas, weil keine
empfindliche Komponente, wie ein Heizfaden, vorliegt.
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Da keine Stromversorgung zum Aufheizen des
Heizfadens benötigt
wird, sind weniger Anschlußstifte
erforderlich, und der elektrische Energieverbrauch kann kleiner
gemacht werden.
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Dieses Ausführungsbeispiel wurde an Hand einer
Bildröhre
beschrieben, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf eine Bildröhre beschränkt. Die Elektronen
emittierende Quelle kann auch in einer anderen fluoreszierenden
Vakuum-Anzeigeapparatur eingesetzt werden, in welcher der Licht
emittierende Teil aus einem Leuchtstoff im Vakuumgefäß besteht.
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Beispielsweise kann diese Elektronen
emittierende Quelle in ähnlicher
Weise verwendet werden in einer Bildröhre, die die Emissionsfarbe
verändert mit
einem optischen Filter zwischen der Glasfrontplatte und dem Leuchtstoffschirm,
und in einer Bildröhre,
die eine mehrfarbige Anzeige mit einer Vielzahl von Leuchtschirmen
in einem einzigen Vakuumgefäß implementiert.
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Außerdem kann die Elektronen
emittierende Quelle auch in einer flachen Bildröhre verwendet werden, die Zeichen
in gewünschten
Formen darstellt auf einem Leuchtschirm der gewünschten Form.
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In der oben beschriebenen Ausführungsform wird
die Elektronen emittierende Quelle hergestellt, indem die Graphitsäulen mit
einem leitenden Klebstoff an der Elektrode befestigt werden. Das
Herstellungsverfahren ist jedoch nicht auf dieses Verfahren beschränkt.
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Nun wird unten ein Verfahren zum
Herstellen der Elektronen emittierenden Quelle beschrieben.
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Wie oben beschrieben wurde, wenn
zwei Kohlenstoffelektroden in Heliumgas mit einem Abstand von etwa
1 bis 2 mm angeordnet werden und eine Gleichstrom-Bogenentladung zwischen
ihnen stattfindet, wird eine Kohlenstoff-Nanoröhre gebildet in einer Ablagerung,
die am Distalende der kathodenseitigen Kohlenstoffelektrode entsteht,
indem Kohlenstoff auf der anodenseitigen Kohlenstoffelektrode verdampft.
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Dies wird nun näher erläutert.
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Wie in 5A dargestellt
ist, sind eine anodenseitige Kohlenstoffelektrode 502 und
eine kathodenseitige Kohlenstoffelektrode 503 in einem
geschlossenen Gefäß 501 angeordnet.
Die Kohlenstoffelektrode 502 ist mit einem Stromanschluß 502a verbunden,
und die Kohlenstoffelektrode 503 ist mit einem Stromanschluß 503a verbunden.
Die Kohlenstoffelektrode 502 kann in den Richtungen nach rechts
und nach links in 5A bewegt
werden, mit dem um eine kleine Strecke linear beweglichen Mechanismus 504.
Helium unter geringem Druck wird in das geschlossene Gefäß 501 eingefüllt.
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In dieser Anordnung wird der Stromanschluß 502a mit
einer Klemme (+) und der Stromanschluß 503a mit einer Klemme
(-) verbunden. Der Abstand der Elektroden 502 und 503 wird
auf etwa 1 mm eingestellt, und ein Gleichstrom fließt als Bogenentladung
zwischen den Elektroden. Wie in 5A gezeigt
ist, verdampft dabei Kohlenstoff von der anodenseitigen Kohlenstoffelektrode 502.
Der verdampfte Kohlenstoff kristallisiert wieder als Niederschlag 505 auf
dem Distalende der Kathodenseitigen Kohlenstoffelektrode 503.
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Die Elektrode 502 wird mit
dem langsam beweglichen Mechanismus 504 entsprechend dem Wachstum
des Niederschlags 505 so bewegt, daß der Abstand zwischen dem
Niederschlag 505 und der Kohlenstoffelektrode 502 auf
etwa 1 mm konstant gehalten wird. So wächst der Niederschlag 505,
wie in 5B gezeigt ist,
zu einer Säule 506,
die sich auf dem Distalende der Kohlenstoffeleketrode 503 bildet. Die
gebildete Säule 506 besteht
aus zwei Teilen, nämlich
aus einer harten äußeren Hülle 506a und
einem schwarzen, zerbrechlichen inneren Kern 506b. Der
innere Kern 506b weist eine faserförmige Struktur auf, die sich
in Richtung der Höhe
der gebildeten Säule 506 erstreckt.
Die ferserförmige
Struktur ist eine Graphitsäule
der oben beschriebenen Art, die aus einem Aggregat von Kohlenstoff-Nanoröhren besteht.
Die Graphitsäule
besteht aus einem Aggregat von Kohlenstoff-Nanoröhren zusammen mit Kohlenstoff-Nanopolyeder.
Die harte äußere Hülle 506a besteht
aus polykristallinem Graphit.
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Wie in 5C dargestellt
ist, wird die gebildete Säule 506 in
vorgegebene Längen
geschnitten, um einen Niederschlagskörper 506c als ein
Aggregat von Graphitsäulen
zu bilden. Wie in 5D gezeigt ist,
wird der Niederschlagskörper 506c auf
der oberen Fläche
einer Elektrode 507 mit einem leitenden Klebstoff 508 befestigt,
wobei die geschnittene Fläche
nach oben weist und die Elektronen emittierende Quelle bildet. Sogar
die in dieser Weise hergestellte, Elektronen emittierende Quelle
kann statt der Elektronen emittierenden Quelle gemäß der dritten
Ausführungsform
verwendet werden, in welcher die Graphitsäule 421 mit leitendem
Klebstoff 422 an der Elektrode 406b befestigt
ist.
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In dieser Elektronen emittierenden
Quelle liegen die Längsrichtungen
einer Mehrzahl von Kohlenstoff-Nanoröhren in der Richtung senkrecht
zur Ebene der Elektrode 507.
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Ein weiters Verfahren zur Herstellung
einer Elektronen emittierenden Quelle wird jetzt beschrieben.
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Wie in 6A dargestellt
ist, wird eine Metallplatte bearbeitet, um ein plattenförmiges Substrat 601 in
vorgegebener Form mit einem Anschlußrahmen 601a zu verbinden.
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Wie in 6B dargestellt
ist, wird ein leitender Klebstoff 602, beispielsweise eine
Silberpaste, in einem vorgegebenem Bereich auf der Oberfläche des
Substrats 601 aufgetragen.
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Wie in 6C dargestellt
ist, wird eine Graphitsäule 603 auf
dem leitenden Klebstoff 602 gebildet, so daß die Längsrichtung
der Graphitsäule 603 im
Rechten Winkel zur Ebene des Substrats 601 steht. Der leitende
Klebstoff 602 wird kalziniert, indem er erhitzt wird, beispielsweise
in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre bei etwa 400°C bis 600°C, um die
Graphitsäule 603 am
Substrat 601 zu fixieren.
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Eine Musteranordnung des leitenden
Klebstoffs 602 kann mittels Fotolithografie gebildet werden,
mit Einsatz eines lichtempfindlichen Fotolacks. In diesem Fall muß der leitende
Klebstoff lichtempfindlich sein; dies kann beispielsweise durch
Hinzugabe von Diazoniumsalze und Zinkchlorid realisiert werden.
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Wie in 6D dargestellt
ist, wird das Substrat 601, welches die Graphitsäulen 603 aufnimmt, aus
dem Rahmen 601a geschnitten.
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Die zwei Enden 601b des
Substrats 601 sind gebogen, um eine Elektrode 604 zu
bilden, mit den Graphitsäulen 603 auf
ihrer Oberfläche
befestigt, wie in 6E dargestellt
ist. Damit ist eine Elektronen emittierende Quelle gebildet. Mit
diesem Verfahren kann eine Mehrzahl von Elektroden, jede mit daran befestigten
Graphitsäulen,
als Elektronen emittierende Quelle, vorab gefertigt werden. Jede
Elektrode kann beispielsweise als Kathodenstruktur 406 einer Bildröhre in der
dritten Ausführungsform
verwendet werden. Es ist ebenfalls möglich, die Elektronenemissions-Eigenschaften
der hergestellten, Elektronen emittierenden Quellen vorab zu überprüfen, um dann
nur diejenigen mit ausgezeichnet guten Eigenschaften zu verwenden.
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Die Bildung der Graphitsäule 603 auf
dem Substrat 601 in 6C kann
modifiziert werden, so daß ein
feines Pulver der Graphitsäule 603 mit
Hilfe einer Düse
auf das Substrat 601 geblasen wird. In diesem Fall wird
die Längsrichtung
der Graphitsäule 603 orthogonal
zur Ebene des Substrates 601 ausgerichtet. Eine für diesen
Zweck beispielsweise verwendete Düse hat eine sich in Richtung
zur Spitze hin verjüngende
Form mit einem Öffnungsdurchmesser
von etwa 0,1 bis mehreren mm. Der Luftaustrittsdruck an der Düse beträgt 1 bis
einige kg/cm2. Es wird trockene Luft, beispielsweise normale Luft,
oder Stickstoffgas mit niedrigem Feuchtigkeitsgehalt verwendet.
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Unter diesen Umständen werden die Graphitsäulen 603 an
den leitenden Klebstoff 602 geblasen, während die Längsrichtungen der Graphitsäulen 603 fast
orthogonal zur Ebene des Substrats 601 orientiert sind.
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Die Bildung der Graphitsäule 603 auf
dem Substrat 601 in 6C kann
auch wie folgt modifiziert werden.
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Ein Graphitsäulenpulver wird auf das Substrat 601 und
auf den Rahmen 601a gestreut, um darauf die Graphitsäulen-Pulverschicht
zu bilden. Die Graphitsäulen-Pulverschicht
wird nicht nur auf dem leitenden Klebstoff 602, sondern
auch im übrigen
Bereich aufgetragen. Das Graphitsäulenpulver wird mit Luft vom übrigen Bereich
fortgeblasen und bleibt nur auf dem leitenden Klebstoff 602,
so daß sich
nun die Graphitsäulen 603 nur
noch auf dem leitenden Klebstoff 602 befinden, wie in 6C dargestellt ist.
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Die Graphitsäule 603 kann im Zustand,
der in 6B dargestellt
ist, gebildet werden, indem die Bildungsfläche des leitenden Klebstoffs 602 gegen
das Graphitsäulenpulver
gepreßt
wird.
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Die Bildung der Graphitsäule 603 auf
dem Substrat 601 in 6C kann
auch wie folgt modifiziert werden.
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Eine Musteranordnung von Graphitsäulenpaste
wird in einem vorgegebenen Bereich auf der Oberfläche des
Substrates 601 gebildet, und wenigstens ein Teil der Graphitsäule wird
auf der Oberfläche freigelegt,
indem ein Teil der Oberfläche
abgetragen wird. Als Ergebnis ist die Graphitsäule 603 auf dem Substrat 601 fixiert.
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Die Graphitsäulenpaste wird zubereitet,
indem Graphitsäulen
in eine bekannte Silberpaste (leitende Paste) eingemischt werden.
Die Musteranordnung wird im Siebdruckverfahren gebildet, wobei die Paste
als Tinte dient. Nachdem das Pastenmuster mittels Siebdruck oder
in ähnlicher
Weise gebildet worden ist, werden das Lösungsmittel und andere Substanzen
aus der Paste verdampft, und die verbleibende Paste wird durch Erhitzen
in Luft auf etwa 400°C
bis 600°C
für 15
bis 60 Minuten kalziniert, um die Musteranordnung zu verfestigen.
Diese Kalzinierung kann im Vakuum ausgeführt werden, beispielsweise
bei 133,3 bis 0,133 Pa (1 bis 10–3 Torr).
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Im gebildeten Pastenmuster wird die
Graphitsäule
mit einer anderen Pastenkomponente bedeckt. Aus diesem Grund wird
ein Teil der Graphitsäule
exponiert, beispielsweise durch Polieren der Oberseite der Musteranordnung.
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Wenn die Graphitsäule 603 auf dem Substrat 601 mit
Verwendung der Graphitsäulenpaste
gebildet wird, kann ein Teil der Graphitsäule exponiert werden, wie in
der sechsten Ausführungsform
beschrieben wird.
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Sechste Ausführungsform
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Ein weiters Verfahren zum Herstellen
einer Elektronen emittierenden Quelle wird jetzt beschrieben.
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Wenn die Oberseite des Pastenmusters
geschnitten und poliert wird, um einen Teil der Graphitsäule auf
dem Pastenmuster zu exponieren, wird Schneidestaub erzeugt, der
beseitigt werden muß. Außerdem ist
es schwierig, mittels Schneidert und Polieren die Kohlenstoff-Nanoröhren gleichmäßig auf der
Oberfläche
der Graphitsäulen
freizulegen.
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Kohlenstoff-Nanoröhren, die die Elektronen emittierende
Quelle darstellen, werden gleichmäßig freigelegt beispielsweise
durch Laserbestrahlung.
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Die Herstellung der Elektronen emittierenden
Quelle wird nun erläutert.
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Eine Bündelpaste wird hergestellt,
indem ein nadelförmiges
Bündel
(Graphitsäule),
welches hauptsächlich
Kohlenstoff-Nanoröhren
enthält
und eine Länge
von etwa zehn μm
aufweist, und eine Silberpaste (leitende zähe Lösung) bei einem Verknetungsverhältnis von
1 : 1 verknetet werden. Die Silberpaste ist eine flüssige Paste,
in welcher die Silberteilchen (Metallteilchen) mit einem Durchmesser
von etwa 1 μm
zusammen mit Glasteilchen mit einem Durchmesser von etwa 1 μm in einem
zähflüssigen Träger dispergiert
sind, der durch Auflösen
eines Harzes in einem Lösungsmittel
gewonnen wird. Ein Material mit sehr guten Zersetzungs- und Verdampfungs-Eigenschaften,
welches durch Erhitzen in Luft bei etwa 300°C bis 400°C entfernt werden kann, wird als
Trägermaterial
verwendet. Glasteilchen mit einem Schmelzpunkt im Bereich von etwa
300°C bis
400°C werden
verwendet.
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Die Bündelpaste wird als Muster aufgetragen,
beispielsweise im Siebdruckverfahren, auf einer vorbereiteten Metallscheibe
(Metallplatte) aus beispielsweise einer Nickellegierung, Edelstahl
oder einer 426-Legierung. Zusammen mit der Metallplatte wird das
darauf gebildete Pastenmuster durch Erhitzen auf etwa 450°C für eine vorgegebene
Zeit kalziniert. Das in 7A gezeigte
Ergebnis ist ein auf einer Metallplatte (Substrat) 701 gebildetes
Muster 710, wobei die Bündel 704 mit
Silberpartikeln 703 bedeckt sind, die mit Binder 702 verklebt
sind, die durch Schmelzen der Glaspartikel entstehen.
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Das aus Bündeln 704 gebildete,
gedruckte Muster 710 kann einfach in eine gewünschte Form gebracht
werden, indem mit der Paste gedruckt wird. Da die Elektronen emittierende
Quelle den elektrischen Strom leiten muß, wird die gesamte Elektronen emittierende
Quelle durch Hinzugabe von Silberpartikeln 703 elektrisch
leitend gemacht. Die Bündel 704 und
die Silberpartikel 703 sind im wesentlichen gleichmäßig in der
Bündelpaste
dispergiert. Deshalb sind auch im gedruckten Muster 710 eine
Vielzahl von Bündeln 704 fast
gleichmäßig dispergiert.
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Die Kohlenstoff-Nanoröhren, aus
welchen die Bündel 704 gebaut
sind, können
als Kaltkathode-Elektronenquellen vom Feldemissionstyp verwendet
werden: Eine Kohlenstoff-Nanoröhre
ist eine feine nadelförmige
Struktur mit einem Durchmesser von etwa 4 bis 50 nm und eine Länge von
der Größenordnung
1 μm. Entsprechend
umfaßt
die aus einer Mehrzahl von Bündeln 704 als
Aggregat vieler Kohlenstoff-Nanoröhren bestehende, Elektronen emittierende
Quelle viele Kaltkathode-Elektronenquellen vom Feldemissionstyp.
Dies bedeutet, daß die
Elektronen emittierende Quelle aus vielen Elektronen emittierenden
Elementen besteht.
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Im aus der Bündelpaste gebildeten, gedruckten
Muster 710 sind viele Bündel 704 dispergiert.
Die Elektronen emittierende Quelle der sechsten Ausführungsform
weist eine Struktur auf, in welcher das gedruckte Muster 710 auf
der Metallplatte 701 gebildet wird, und viele Elektronen
emittierenden Quellen in der Oberfläche des gedruckten Musters 710 gebildet werden.
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Wie in 7A gezeigt
ist, sind nur wenige Bündel 704 bereits
auf der Oberfläche
des gedruckten Musters 710 exponiert. Diese Oberfläche wurde unter
dem Elektronenmikroskop untersucht, wobei nur Silberpartikel gefunden
wurden, die mit Bindern verklebt waren, wie im Elektronenmikrograph
in der 7B zu sehen ist.
In diesem Zustand sind die Kohlenstoff-Nanoröhren mit Elektronen emittierenden Enden
kaschiert. Auch wenn sich das gedruckte Muster 710 in einem
angelegten elektrischen Feld befindet, werden kaum Elektronen emittiert.
Aus diesem Grund müssen
wenigstens die Bündel 704 auf der
Oberfläche
des gedruckten Musters 710 freigelegt werden.
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Wie in 7C gezeigt
ist, wird die Oberfläche
des gedruckten Musters 710 mit einem Laserstrahl bestrahlt,
um Silberteilchen 703 und Binder 702 in der Oberfläche selektiv
zu entfernen und somit die Bündel 704 zu
exponieren. Dieser Zustand wurde mit einem Elektronenmikroskop betrachtet,
um die Spitzen der auf der Oberfläche exponierten Bündel zu
finden, wie im Elektronenmikrograph in 7D gezeigt ist. Die Silberpartikel 703 werden
durch Laserbestrahlung entfernt, um die Kohlenstoff-Nanoröhren auf
den Bündeloberflächen zu
exponieren, wie im Elektronenmikrograph in 7E ersichtlich.
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Wie oben beschrieben, ist das Bündel ein Aggregat
aus vielen Kohlenstoff-Nanoröhren zusammen
mit Kohlenstoff-Polyeder. Auf der Bündeloberfläche sind nicht nur die Kohlenstoff-Nanoröhren, sondern
auch die Kohlenstoff-Nanopolyeder exponiert. Da die Kohlenstoff-Nanopolyeder
keine Elektronen emittieren, kann eine größere Anzahl Elektronen emittiert
werden, wenn nur die Kohlenstoff-Nanoröhren auf den Bündeloberflächen freigelegt
werden.
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Da die Kohlenstoff-Nanopolyeder eine
Kohlenstoffkomponente sind, die anders als die Kohlenstoff-Nanoröhren geartet
ist, können
sie mit der Laserbestrahlung selektiv aus der Bündeloberfläche entfernt werden, und dabei
bleiben nur die Kohlenstoff-Nanoröhren gleichmäßig auf
der Bündeloberfläche exponiert.
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Bei der Laserbestrahlung werden Impulse verwendet,
beispielsweise wird ein YAG-Laser mit einer Spannung von 500 V und
etwa 1,1 J betrieben mit einem Intervall von 0,6 bis 0,7 ms. Der
verwendbare Laser ist nicht auf einen YAG-Laser beschränkt; es kann
auch ein Kohlenstoffdioxid-Laser verwendet werden. Wenn die Bestrahlungsleistung
bei der Laserbestrahlung nicht ausreicht, bleiben die Silberpartikel
und die sie verklebenden Glaspartikel auf der Oberfläche und
behindern die Elektronenemission; wenn die Laserbestrahlungs-Leistung
zu groß ist, werden
auch Kohlenstoff-Nanoröhren
geschmolzen, zerstreut und gehen somit verloren.
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Gemäß der sechsten Ausführungsform
sind viele Bündel 704 auf
der Oberfläche
des gedruckten Musters 710 exponiert in der Metallplatte 701,
die das gedruckte Muster 710 trägt, welches eine Elektronen emittierende
Quelle darstellt. Außerdem
sind die Kohlenstoff-Nanoröhren 705 gleichmäßig auf
den Oberflächen
der Bündel 704 exponiert.
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So ist es möglich, eine Elektronen emittieren Quelle
zu realisieren, in welcher eine Mehrzahl von Kohlenstoff-Nanoröhren, jede
mit einem Endabschnitt, der tatsächlich
Elektronen emittiert, gleichmäßig auf
der Oberfläche
des Substrats (Metallplatte) exponiert ist. Die Bündel, in
welchen die Kohlenstoff-Nanoröhren
gleichmäßig exponiert
sind, sind am Substrat befestigt zusammen mit Silberpartikel als
leitende Partikel, so daß die
Spannung an fast alle Kohlenstoff-Nanoröhren über fast alle Bündel angelegt
werden kann.
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Diese Elektronen emittierende Quelle
kann mit einem einfachen Verfahren hergestellt werden durch Musterbildung,
beispielsweise mittels Siebdruck, Kalzinieren und Laserbestrahlung.
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Da die Kohlenstoff-Nanoröhren mittels
Laserbestrahlung exponiert werden, wird kein Schneidestaub aus Silberpartikeln
und Binder erzeugt, der die Bündel überdeckt.
Die Kohlenstoff-Nanoröhren können gleichmäßig in den
Bündeln
exponiert werden.
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Das gedruckte Muster wird auf der
Metallplatte gebildet, es könnte
aber auch auf einem isolierenden Substrat gebildet werden. In diesem
Fall ist eine Zwischenverbindung erforderlich, um die Spannung an
das gedruckte Muster anlegen zu können. In dieser Ausführungsform
wird Silberpaste als leitende zähe
Lösung
verwendet, aber die Lösung
könnte auch
eine sonstige leitende Paste sein. Zum Beispiel könnte ein
leitender Klebstoff, der hergestellt wird, indem Silberpartikel
in einem Epoxidharz dispergiert werden, eine leitende Paste, die
Partikel einer Legierung aus Silber und Kupfer verwendet, oder ein
leitender Polymer verwendet werden.
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Die Bündel und die Kohlenstoff-Nanoröhren werden
durch Laserbestrahlung freigelegt, jedoch ist das Verfahren für ihre Freilegung
nicht darauf beschränkt.
Sie können
auch durch selektives Ätzen
mit einem Plasma freigelegt werden, wie unten beschrieben wird.
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Beispielsweise wird das in 7A gezeigte, gedruckte Muster 710 einem
Argon-Gasplasma ausgesetzt, um insbesondere die Silberpartikel 703 in der
Oberfläche
selektiv zu beseitigen, wie in 7F dargestellt
ist. In diesem Ätzverfahren
wird die Oberfläche
des gedruckten Musters 710 hauptsächlich durch Zerstäubung mit
Hilfe eines Argonplasmas (es könnte
auch ein anderes Inertgasplasma verwendet werden) trocken geätzt. Beim
Trockenätzen
ist die Silber-Abtragungsgeschwindigkeit etwa zwanzigfach höher als
die Kohlenstoff-Abtragungsgeschwindigkeit.
Aus diesem Grund werden die Kohlenstoffbündel 704 kaum geätzt, so
daß die
Silberpartikel 703 selektiv geätzt werden können. Als
Ergebnis werden somit die Bündel 704 auf
der Oberfläche
eines plasma-geätzten
gedruckten Musters 710a freigelegt.
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Das Abtragen der Silberteilchen von
der Oberfläche
begünstigt
die Konzentrierung des elektrischen Feldes durch die Nanoröhren, welche
die Bündel 704 bilden,
auf der Oberfläche
des gedruckten Musters 710a, an welchem die Spannung angelegt
wird.
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Wenn viele Silberpartikel auf der
Oberfläche vorhanden
sind, oder wenn die Oberfläche
weitgehend mit den Silberpartikeln bedeckt ist, wird das elektrische
Feld von den auf der Oberfläche
vorhandenen Silberpartikeln gestreut, wenn die Spannung am gedruckten
Muster angelegt wird. In diesem Zustand des gedruckten Musters,
der in 7A dargestellt
ist, wird die Konzentration des elektrischen Feldes auf die Kohlenstoff-Nanoröhren für die Elektronenemission
unterdrückt.
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Wenn jedoch die Bündel 704 auf der Oberfläche freigelegt
sind, und leitende Silberpartikel 703 in der Oberfläche kaum
vorhanden sind, wird das elektrische Feld ungehindert konzentriert
auf die Kohlenstoff-Nanoröhren 705,
die die Bündel 704 auf
dem gedruckten Muster 710a bilden, so daß Elektronen leichter
emittiert werden.
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Eine Sauerstoff-Gasplasmabehandlung kann
nach der Argon-Gasplasmabehandlung
folgen. Mit der Sauerstoff-Gasplasmabehandlung können die Kohlenstoff-Nanoröhren gleichmäßig auf
den Bündeloberflächen exponiert
werden. In dieser Plasmabearbeitung kann Sauerstoffgas durch Wasserstoffgas
ersetzt werden.
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Beim Trockenätzen mit Sauerstoffgasplasma wird
das Ätzziel
auf der Grundlage der Tatsache abgetragen, daß das chemische Element als
Bestandteil des Ätzziels
eine flüchtige
Verbindung mit dem Sauerstoff bildet. Beim Trockenätzen mit
Wasserstoffgasplasma wird das Ätzziel
in ähnlicher
Weise abgetragen.
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Wenn die Bündel einem Sauerstoffplasma oder
einem Wasserstoffplasma ausgesetzt werden, reagieren die Kohlenstoff-Nanopolyeder,
als eine andere Form des Kohlenstoffs, selektiv mit dem Sauerstoff
oder Wasserstoff, statt die Kohlenstoff-Nanoröhren, die die Bündel bilden,
und werden dabei als gasförmigen
Produkte Kohlenstoffdioxid oder Kohlenwasserstoff abgetragen.
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Dementsprechend kann die Bearbeitung
mit Sauerstoffplasma nach der Bearbeitung mit dem Argongasplasma
die Spitzen der Kohlenstoff-Nanoröhren gleichmäßig auf
der Oberfläche
der exponierten Bündel
freilegen.
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Mittels Sauerstoffplasma-Bearbeitung
zusätzlich
zur Argongasplasma-Bearbeitung
kann eine Struktur erzeugt werden, die viele Elektronen emittierende
Stellen aufweist, ähnlich
wie bei der oben beschriebenen Laserbestrahlung.
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Außerdem kann die Elektronenemittierende Quelle
in diesem Fall mit einem einfachen Verfahren hergestellt werden,
welches etwa die Stufen des Siebdrucks, des Kalzinierens und der
Plasmabearbeitung umfaßt.
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Die oben beschriebene Elektronen
emittierende Quelle kann beispielsweise in einer fluoreszierenden
Vakuum-Anzeigevorrichtung verwendet werden.
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In diesem Fall wird die Elektronen
emittierende Quelle in einem Vakuumgefäß untergebracht, welches die
fluoreszierende Vakuum-Anzeigevorrichtung
darstellt. Eine Anode mit einer Leuchtstoffbeschichtung wird der
Elektronen emittierenden Quelle im Vakuumgefäß gegenübergestellt. Die von der Elektronen
emittierenden Quelle emittierten Elektronen bombardieren die Leuchtstoffschicht.
Die Anode kann als Extraktionselektrode dienen, oder es kann eine
Extraktionselektrode zwischen der Leuchtstoffschicht und der Elektronen
emittierenden Quelle angeordnet werden.
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In der oben beschriebenen Anordnung
wird das Bündel
als ein Aggregat von Kohlenstoff-Nanoröhren verwendet, jedoch kann
das Bündel
auch pulverisiert sein und in dieser Form verwendet werden. Als
Alternative kann der Binder zersetzt werden, um einzelne Kohlenstoff-Nanoröhren zu
erzeugen.
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Wie oben beschrieben, kann die Kohlenstoff-Nanoröhre eine
Einzelschicht-Struktur
oder eine mehrschichtige Struktur aufweisen, sowie eine Struktur,
in welcher die Spitze offen ist, ohne fünfgliedrigen Ring. Eine größere Anzahl
Elektronen kann von einer mehrschichtigen Kohlenstoff-Nanoröhre mit
offener Spitze emittiert werden.
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Eine Elektronen emittierende Quelle
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird jetzt beschrieben.
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Diese Ausführungsform ist eine Modifizierung
der Kathodenstruktur 406 in der oben beschriebenen Bildröhre (4A).
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In dieser Ausführungsform ist eine Kathodenstruktur 810 in
einem Glaskolben 801 wie in 8 dargestellt
untergebracht.
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Ein aus einem Isoliermaterial hergestellter Zylinder 812 wird
auf einem keramischen Substrat 811 gesetzt, und ein Elektrodenfilm 813 wird
auf den inneren Boden- und Seitenflächen des Zylinders 812 gebildet.
Der Elektrodenfilm ist mit einer Kathodenanschlußleitung (nicht dargestellt)
verbunden.
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Der Zylinder 812 mit dem
auf seiner Innenfläche
gebilden Elektrodenfilm 813 wird mit nadelförmigen Graphitsäulen 814 gefüllt, wobei
jede davon aus einem Aggregat von Kohlenstoff-Nanoröhren besteht,
die eine Länge
von einigen μm
bis mehreren mm aufweisen, wobei ihre Längsrichtungen im wesentlichen
mit der Richtung zum Leuchtstoffschirm (nicht dargestellt) zusammenfallen.
Der Zylinder 812 und die Graphitsäulen 814 sind mit
einem Käfig 815 umgeben,
der einen Gitternetzabschnitt 815a (Elektronen-Extraktionselektrode)
aufweist.
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Die Kathodenstruktur 810 wird
gebildet, indem der Zylinder 812 gefüllt mit den Graphitsäulen 814,
die aus Kohlenstoff-Nanoröhren
gebildet sind, als eine Elektronen emittierende Quelle verwendet wird,
wobei der Zylinder 812 am Keramiksubstrat 811 befestigt
ist, und der Käfig 815 auf
dem Keramiksubstrat 811 montiert wird, um sie zu überdecken.
Der Gitternetzabschnitt 815a ragt kugelförmig etwas
in Richtung zum Leuchtstoffschirm hin (nicht dargestellt) hervor.
Der Gitternetzabschnitt 815a kann auch flach sein. Der
Käfig 815 wird
durch Preßformieren einer
etwa 100 μm
dicken Edelstahlplatte hergestellt. Der Gitternetzabschnitt 815a weist
eine Länge
von etwa 6 mm, eine Breite von etwa 4 mm und eine Höhe von etwa
1,25 mm auf. Der Gitternetzabschnitt 815a weist einen Abstand
von 0,5 bis 1 mm vom oberen Ende des Zylinders 812 auf.
Dieser Abstand wird vorzugsweise möglichst klein gemacht, aber
so, daß die
Teile sich nicht berühren.
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Die Kathodenstruktur 810,
die als Elektronen emittierende Quelle in dieser Ausführungform
dient und diese Anordnung enthält,
emittiert Elektronen wie folgt. Das elektrische Feld wird zwischen
dem Elektrodenfilm 813 und dem Käfig 815 angelegt.
Dies konzentriert eine hohe elektrische Feldstärke an den Spitzen der Kohlenstoff-Nanoröhren der
Graphitsäulen 814,
mit welchen der Zylinder 812 gefüllt ist in Kontakt mit dem
Elektrodenfilm 813, um Elektronen zu extrahieren und sie
aus dem Gitternetzabschnitt 815a zu emittieren. Das heißt, in dieser
siebten Ausführungsform
arbeitet die Kathodenstruktur 810 als Kaltkathode-Elektronenquelle
vom Feldemissionstyp, wobei sie Kohlenstoff-Nanoröhren der
Graphitsäulen 814 als
ein Emitter verwendet.
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Gemäß dieser Ausführungsform
umfaßt
die Elektronen emittierende Quelle den Zylinder, der mit Graphitsäulen gefüllt ist,
die aus Kohlenstoff-Nanoröhren
zusammengesetzt sind, und sie wird als Kaltkathode-Elektronenquelle
vom Feldemissionstyp eingesetzt.
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Gemäß dieser Ausführungsform
kann die Elektronen emittierende Quelle ohne Schwierigkeiten eingesetzt
werden, ohne Beeinträchtigung
durch freigesetztes Gas im Vakuumgefäß, weil sie keine empfindliche
Komponente, wie ein Glühfaden,
enthält.
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Da keine Stromversorgung als Glühfadenheizung
benötigt
wird, werden weniger Anschlußstifte
benötigt,
und der elektrische Energieverbrauch kann Kleiner gemacht werden.
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Außerdem, da die Kohlenstoff-Nanoröhren im
Zylinder eingefüllt
sind, laufen die von den im Zylinder eingefüllten Kohlenstoff-Nanoröhren emittierten
Elektron durch die Öffnung
des Zylinders. Dies bedeutet, daß die Öffnung des Zylinders als Blende fungiert,
um den Laufrichtungsbereich der von den eingefüllten Kohlenstoff-Nanoröhren emittierten Elektronen
einzuschränken.
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Folglich bewegt sich eine größere Anzahl
der von den im Zylinder eingefüllten
Kohlenstoff-Nanoröhren
emittierten Elektronen in der Richtung zum Leuchtstoffschirm (nicht
dargestellt) hin, in der in 8 dargestellten
Anordnung. Der Blendeneffekt kann gesteigert werden, indem die Kohlenstoff-Nanoröhren vertieft
im Zylinder 812 eingefüllt
werden, relativ zur Ebene der Öffnung
des Zylinders 812.
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Wenn die Kohlenstoff-Nanoröhren nicht
im Zylinder eingefüllt,
sondern auf einer flachen Elektrode aufgebracht werden, kann der
Prozentsatz der emittierten Elektronen, die sich in Richtung zum Leuchtstoftschirm
hin bewegen, so klein wie nur etwa 10% sein. Jedoch, wenn die Kohlenstoff-Nanoröhren (Graphitsäulen) in
als Elektronen emittierende Quelle in den Zylinder hinein gefüllt sind,
kann der Prozentsatz der emittierten Elektroden, die sich in Richtung zum
Leuchtstoftschirm hin bewegen, auf 60% oder mehr gesteigert werden.
Folglich kann mit der gleichen Spannung ein größerer Strom und somit ein stärkeres Leuchten
erzielt werden.
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In dieser Ausführungsform ist der Zylinder aus
einem isolierenden Material hergestellt, und der Elektrodenfilm
wird auf der inneren Oberfläche
gebildet. Die Struktur ist jedoch nicht darauf beschränkt, und
der Zylinder kann, zum Beispiel, auch aus einem elektrisch leitenden
Material hergestellt werden. Diese Struktur kann den auf der inneren
Oberfläche
des Zylinders neu gebildeten Elektrodenfilm eliminieren.
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Diese Ausführungsform wurde an Hand eines
Beispieleinsatzes als Kathodenstruktur in einer Bildröhre beschrieben,
sie ist jedoch nicht darauf beschränkt. Die vorliegende Erfindung
kann auch in einer anderen fluoreszierenden Vakuum-Anzeigevorrichtung
verwendet werden, die einen lichtemittierenden Teil, als Leuchtstoff
im Vakuumgefäß, und eine Elektronen
emittierende Quelle, um diesen Teil zum Leuchten zu bringen, Aufweist.
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Beispielsweise kann die vorliegende
Erfindung in ähnlicher
Weise eingesetzt werden in einer Bildröhre, welche die emittierte
Lichtfarbe wechselt mittels eines optischen Filters zwischen der
Glasfrontplatte und dem Leuchtstoffschirm, und in einer Bildröhre, welche
eine mehrfarbige Anzeige mittels einer Vielzahl von Leuchtstoffschirmen
in einem einzigen Vakuumgefäß erzielt.
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Außerdem kann die vorliegende
Erfindung auch in einer Flachröhre
eingesetzt werden, welche Zeichen in den gewünschten Gestalten mit einem Leuchtstoftschirm
in gewünschter
Form darstellt.
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Ein Bündel 902 von Graphitsäulen 901 wird wie
in 9A gezeigt präpariert.
Wenn die Spitzen der Graphitsäulen 901 nicht
ausgerichtet sind, wird die Elektronen emittierende Oberfläche 902a des Bündels 902 ungleichmäßig. Die
ungleichmäßige, Elektronen
emittierende Oberfläche 902a kann
die Elektronen nicht gleichmäßig emittieren.
Es ist jedoch schwierig, die Graphitsäulen 901 so zu bündeln, daß ihre Spitzen
gemeinsam ausgerichtet sind und eine flache Elektronen emittierende
Fläche
bilden.
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Wie in 9A dargestellt
ist, wird das Bündel 902 orthogonal
bestrahlt und geschnitten mit einem Laserstrahl 911 von
seiner Seitenfläche
aus, um eine vom Laser geschnittene Oberfläche zu bilden und somit ein
Bündel 902 zu
erzielen mit einer flachen, Elektronen emittierenden Oberfläche.
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Während
des Schneidens wird der Laserstrahl 911 orthogonal zum
Bündel 902 auf
der Ebene gescannt, die die geschnittene Fläche enthält. Beispielsweise wird mit
einem CO2-Laserstrahl (Dauerstrichbetrieb),
der einen Durchmesser von etwa 100 μm aufweist, wiederholt gescannt
mit einer Ausgangsleistung von etwa 60 bis 200 W und einer Scanngeschwindigkeit
von etwa 10 mm/sec.
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Das Scannen mit dem Laserstrahls
orthogonal zu einer Elektronen emittierenden Fläche 903 des Bündels 902 kann
den Wirkungsgrad der Elektronenemission der Elektronen emittierenden
Fläche
erhöhen.
Auf der Elektronen emittierenden Fläche liegen die Spitzen der
Graphitsäulen 901 frei.
Wie oben beschrieben, besteht die Graphitsäule 901 aus einem Aggregat
von Kohlenstoff-Nanoröhren
und Kohlenstoff-Nanopolyeder. Elektronen werden leicht von den Spitzen
der Kohlenstoff-Nanoröhren
emittiert. Aus diesem Grund werden die Spitzen vieler Kohlenstoff-Nanoröhren vorzugsweise
auf der Elektronen emittierenden Fläche exponiert.
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Die Kohlenstoff-Nanoröhren einerseits
und ein Polykohlenstoffpulver, wie das Kohlenstoffpulver eines Nanopolyeders,
andererseits weisen unterschiedliche Zersetzungstemperaturen auf
(Starttemperatur der Verbrennung). Die Zersetzung und Verbrennung
der Kohlenstoff-Nanoröhren
beginnt bei Erhitzung in Luft auf 700°C und darüber. Die Zersetzung und Verbrennung
des Polykohlenstoffpulvers, wie ein Kohlenstoff-Nanopolyeder, beginnt
bei Erhitzung in Luft auf 650°C
oder darüber.
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Entsprechend kann das Kohlenstoffpulver, mit
Ausnahme der Kohlenstoff-Nanoröhre, von
der flachen Elektronen emittierenden Oberfläche des Bündels 902 durch Laserbestrahlung
bei einer Temperatur geringfügig
höher als
650°C abgetragen
werden. Dabei wird der Anteil der auf der Elektronen emittierenden
Fläche
exponierten Kohlenstoff-Nanoröhren
erhöht,
und der Wirkungsgrad der Elektronenemission von der Elektronen emittierenden
Fläche nimmt
zu.
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Für
die Bestrahlung mit dem Laserstrahl zur selektiven Abtragung wird
mit einem CO2-Laserstrahl (gepulst), der
einem Durchmesser von etwa 100 bis 200 μm aufweist, orthogonal zur Elektronen
emittierenden Fläche
gescannt, mit einer Ausgangsleistung von etwa 200 W und einer Hauptscanngeschwindigkeit
von etwa 10 mm/sec. Der Scannzeilenabstand des Laserstrahls wird
im Bereich von 1/5- bis zum 5-fachen Durchmessers der 50- bis 100 μm Graphitsäule eingestellt.
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Nachdem das Bündel 902 in der oben
beschriebenen Weise gebildet wurde, wird das Bündel 902 mit einem
leitenden Klebstoff 905 an einer Elektrode 904 befestigt,
um eine Elektronen emittierende Quelle zu erzielen, in welcher das
Bündel 902 der Graphitsäulen mit
ihren Spitzen ausgerichtet auf der Elektrode 904 wie in 9B gezeigt gebildet wurde.
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Hier wurde das Bündel 902 mit einer
flachen, Elektronen emittierenden Fläche zuerst gebildet und dann
an der Elektrode 904 fixiert, jedoch ist das Verfahren
nicht auf diese Reihenfolge beschränkt. Das Bündel 902 mit unebener
Elektronen emittierender Fläche 902a kann
an der Elektrode 904 befestigt werden, und dann kann die
Elektroden emittierende Fläche
mittels der oben beschriebenen Bearbeitung geglättet werden.
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In diesem Beispiel wird die Elektronen
emittierende Quelle gebildet, indem das Bündel der Graphitsäulen, mit
ihren Spitzen ausgerichtet, an der Elektrode befestigt wird.
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Die Graphitsäulen werden gebündelt, und das
Distalende des Bündels
wird mit einem Laserstrahl flach geschnitten, um damit eine flache,
Elektronen emittierende Fläche
zu erzielen. In der Elektronen emittierenden Quelle der achten Ausführungsform
sind die Längsrichtungen
der Vielzahl von Kohlenstoff-Nanoröhren nach
einer vorgegebenen Richtung ausgerichtet, wobei ihre Spitzen gleich
ausgerichtet sind. Außerdem
ist eine größere Anzahl
von Kohlenstoff-Nanoröhren auf
der Elektronen emittierenden Fläche
der Elektronen emittierenden Quelle der achten Ausführungsform
exponiert.
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Gemäß diesem Beispiel besteht die
Elektronen emittierende Quelle aus Kohlenstoff-Nanoröhren und
wird als Kaltkathode-Elektronenquelle von Feldemissionstyp eingesetzt.
Die Elektronen emittierende Quelle kann ohne Schwierigkeiten betrieben
werden ohne Verschlechterung durch ein im Vakuumgefäß freigesetztes
Gas, da sie keine empfindliche Komponente, wie ein Glühfaden,
aufweist.
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Da keine Heizstromversorgung für einen Glühfaden benötigt wird,
sind weniger Anschlußstifte erforderlich,
und der elektrische Energieverbrauch kann niedriger sein.
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Wenn die Elektronen emittierende
Quelle der achten Ausführungsform
in der für
die dritte Ausführungsform
beschriebenen Bildröhre
eingesetzt wird, können
Elektronen von den Spitzen fast aller Kohlenstoff-Nanoröhren der
Elektronen emittierenden Quelle emittiert und zum Leuchtstoftschirm
geleitet werden, so daß sich
eine hohe Leuchtstärke
ergibt.
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Neunte Ausführungsform
-
Die oben aufgeführten Ausführungsformen wurden an Hand
von Beispielen erläutert,
in welchen die Elektronen emittierende Quelle in der Elektronenkanone
einer Bildröhre
oder Anzeigeröhre
eingesetzt wird. Die Elektronen emittierende Quelle der vorliegenden
Erfindung ist jedoch nicht auf diese Vorrichtungen beschränkt und
kann in einer FED (Feldeffektanzeige-Vorrichtung) wie folgt verwendet
werden:
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Die Elektronen emittierende Quelle
der vorliegenden Erfindung, die in der FED verwendet wird, wird
nun mit Hinweis auf die 10A bis 11 beschrieben. Die 10A bis 10C und 11 zeigen
die Grundanordnung der FED in der neunten Ausführungsform. In den 10A bis 10C zeigt 10A den
Schnitt entlang der Linie A–A' in 11, 10B zeigt
den Schnitt entlang der Linie B– B' in 11, und 10C zeigt
den Schnitt entlang der Linie C–C' in 11.
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Die Anordnung der FED wird nun erläutert. Eine
Elektroden-Zwischenverbindungsschicht 1002 wird
auf einem Substrat 1001 gebildet, und ein isolierender
Film 1003 wird auf der Elektroden-Zwischenverbindungsschicht 1002 gebildet.
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Substratseitige Rippen 1004 werden
in vorgegebenen Abständen
auf dem isolierenden Film 1003 gebildet. Elektronen emittierende
Quellen 1005 werden an den Abschnitten des isolierenden
Films 1003 zwischen den substratseitigen Rippen 1004 in den
vorgegebenen Abständen
gebildet. Jede Elektronen emittierende Quelle 1005 wird
mit irgendeiner Zwischenverbindung der Elektroden-Zwischenverbindungsschicht 1002 über ein
Loch im isolierenden Film 1003 verbunden.
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Ein transparentes Frontglassubstrat 1007 steht
dem Substrat 1001 gegenüber.
Das Frontglassubstrat 1007 und das Substrat 1001 weisen
einen vorgegebenen Abstand auf, der durch die substratseitigen Rippen 1004 und
den zu ihnen im rechten Winkel stehenden Frontrippen 1008 gegeben
ist. Der Abstand zwischen dem Frontglassubstrat 1007 und dem
Substrat 1001 wird unter Vakuum gehalten.
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Licht emittierende Abschnitte 1010 aus
einem Leuchtstoff sind in Streifen zwischen den Frontrippen 1008 auf
der Innenfläche
des Frontglassubstrats 1007 gebildet. Eine rückseitige
Metallschicht 1011 wird gebildet, indem ein Aluminiumfilm
auf der Oberfläche
von jedem Licht emittierenden Abschnitt 1010 aufgetragen
wird.
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Als Leuchtstoff für den Licht emittierenden Abschnitt 1010 kann
ein solcher verwendet werden, der in einer Kathodenstrahlröhre oder
in einer ähnlichen
Vorrichtung Licht emittiert, wenn er mit Elektronen bombardiert
wird, die auf eine hohe Energie von 4 bis 10 keV beschleunigt werden.
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Als Leuchtstoff für den Licht emittierenden Abschnitt 1010 kann
ein solcher verwendet werden, der in einer fluoreszierenden Vakuum-Anzeigeröhre oder
in einer ähnlichen
Vorrichtung verwendet wird und Licht emittiert, wenn er mit Elektronen
bombardiert wird, die auf eine niedrige Energie von 10 bis 150 eV
beschleunigt werden. In diesem Fall wird eine transparente Elektrode
zwischen dem Licht emittierenden Abschnitt 1010 und dem
Frontglassubstrat 1007 ohne Bildung des rückseitigen
Metallfilms 1011 angeordnet, und die Spannung wird von
der transparenten Elektrode an den Licht emittierenden Abschnitt 1010 angelegt.
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In dieser Anordnung, wenn eine positive Spannung
am rückseitigen
Metallfilm 1011 angelegt wird, und eine negative Spannung
an einer vorbestimmten Zwischenverbindung der Elektroden-Zwischenverbindungsschicht 1002 angelegt
wird, emittiert eine an dieser Zwischenverbindung angeschlossene,
Elektronen emittierende Quelle Elektronen. Die emittierten Elektronen
erreichen einen Licht emittierenden Abschnitt 1005 und
veranlassen den Licht emittierenden Abschnitt 1010, Licht
zu emittieren.
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Die FED wird gebildet, indem eine
Mehrzahl von Elektronen emittierender Quellen 1005 in Matrixform
angeordnet werden, so daß sie
einer Mehrzahl von Licht emittierenden Abschnitten 1010 in
streifenförmiger
Anordnung gegenüberstehen.
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Eine FED für farbige Anzeigen kann realisiert werden,
indem bestimmte Licht emittierende Abschnitte 1010 Leuchtstoff
aufweisen, der rotes Licht emittiert, benachbarte Licht emittierende
Streifen 1010 einen Leuchtstoff aufweisen, der blaues Licht emittiert,
und die als nächste
benachbarten, Licht emittierenden Streifen 1010 einen Leuchtstoff
aufweisen, der grünes
Licht emittiert.
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In einer anderen Ausführungsform
besteht die Elektronen emittierende Quelle 1005 aus Kohlenstoff-Nanoröhren, die
unten beschrieben werden. Insbesondere wird die Elektronen emittierende
Quelle 1005 gebildet, indem in einem vorgegebenen Bereich,
beispielsweise mit leitendem Klebstoff, nadelförmige Graphitsäulen (nadelförmige Strukturen)
befestigt werden, die aus einem Aggregat von Kohlenstoff-Nanoröhren gebildet
sind und eine Länge
von mehreren zehn μm
bis mehreren mm aufweisen. Die Elektronen emittierende Quelle 1005 kann,
in einem Siebdruckverfahren mit Graphitsäulenpaste, als Muster gestaltet
werden. Die Längsrichtung
der Graphitsäule
weist vorzugsweise in der Richtung zum Licht emittierenden Abschnitt 1010 hin.
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Die Graphitsäule ist eine nadelförmige Struktur,
die aus einem Aggregat von Kohlenstoff-Nanoröhren besteht, die in fast gleicher
Richtung orientiert sind.
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In der Elektronen emittierenden Quelle
werden Elektronen von den Spitzen der Kohlenstoff-Nanoröhren emittiert.
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In dieser Ausführungsform ist die Elektronen emittierende
Quelle der FED aus Kohlenstoff-Nanoröhren hergestellt.
-
Gemäß dieser Ausführungsform
kann die Elektronen emittierende Quelle beispielsweise sehr kostengünstig im
Druckverfahren hergestellt werden. Zum Beispiel kann die Elektronen
emittierende Quelle gebildet werden, indem die Graphitpaste in einer vorgegebenen
Musteranordnung im Siebdruckverfahren auf dem Substrat aufgetragen
wird.
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Eine Paste wird beispielsweise zubereitet, indem
nadelförmige
Graphitsäulen,
die vorwiegend Kohlenstoff-Nanoröhren
enthalten und eine Länge von
etwa zehn μm
aufweisen, und eine Silberpaste (leitfähige, zähe Flüssigkeit) im Verhältnis 1
: 1 geknetet werden. Die Silberpaste ist eine flüssige Paste, in welcher Silberpartikel
(Metallteilchen) von etwa 1 μm
Durchmesser zusammen mit Glaspartikeln von etwa 1 μm Durchmesser
in einem zähflüssigen Trägermedium
dispergiert werden, welches durch Auflösen von Harz in einem Lösungsmittel
gewonnen wird. Als Trägermedium
wird ein leicht zersetzbares und flüchtiges Material verwendet,
welches mittels Erhitzen in Luft auf etwa 300°C bis 400°C ausgetrieben werden kann.
Als Glaspartikel werden solche mit einem Schmelzpunkt von etwa 300°C bis 400°C eingesetzt.
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Die Paste wird in einer Musteranordnung
auf einem vorgegebenem Abschnitt des Substrats, beispielsweise im
Siebdruckverfahren, aufgetragen. Zusammen mit dem Substrat wird
das darauf gebildete Patenmuster durch Erhitzen auf etwa 450°C für eine vorgegebene
Zeit kalziniert. Das Ergebnis ist ein gedrucktes Muster, welches
so gebildet wurde, daß die Kohlenstoff-Nanoröhren mit
Silberpartikeln bedeckt sind, die mit Bindern verklebt sind, die
durch Schmelzen der Glaspartikel entstanden sind.
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Dem aus den Graphitsäulen hergestelltem, gedruckten
Muster kann in einfacher Weise jede gewünschte Form verliehen werden.
Dabei werden jedoch nur wenige der Graphitsäulen auf der Oberfläche des
gedruckten Musters frei exponiert sein. In diesem Zustand sind die
Kohlenstoff-Nanoröhren,
die Elektronen emittierende Enden aufweisen, kaschiert. Auch wenn
das elektrische Feld am gedruckten Muster angelegt wird, werden
kaum Elektronen emittiert. Aus diesem Grund werden die Graphitsäulen auf
der Oberfläche
des gedruckten Musters freigelegt, indem Verfahren wie Laserbestrahlung
oder Plasmabearbeitung wie oben beschrieben eingesetzt werden.
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Da eine Mehrzahl von Kohlenstoff-Nanoröhren in
der Elektronen emittierenden Quelle vorhanden sind, wie oben beschrieben,
existieren viele Elektronen emittierende Enden pro Flächeneinheit. Deshalb
kann eine größere Anzahl
Elektronen emittiert werden, d. h. eine großer Strom kann durch den Leuchtstoftschirm
fließen
und dort eine hohe Leuchtkraft erzeugen.
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Eine weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben
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Ein weiteres Beispiel der FED, die
die Elektronen emittierende Quelle der vorliegenden Erfindung verwendet,
wird nun mit Hinweis auf 12 beschrieben. 12 zeigt die Grundanordnung
der FED in dieser Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. 12 zeigt
einen Querschnitt entlang der Linie C-C in 11.
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Die Anordnung der FED wird nun erläutert. Eine
Elektroden-Zwischenverbindungsschicht 1202 wird
auf einem Substrat 1201 gebildet, und ein isolierender
Film 1203 wird auf der Elektroden-Zwischenverbindungsschicht 1202 gebildet.
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Substratseitige Rippen 1204 werden
auf dem isolierenden Film 1203 mit vorgegebenem Abstand
gebildet. Elektronen emittierende Quellen 1205 werden auf
den Abschnitten des isolierenden Films 1203 zwischen den
substratseitigen Rippen 1204 mit vorgegebenem Abstand gebildet.
Außerdem
ist in der zehnten Ausführungsform, ähnlich wie
in der neunten Ausführungsform,
jede Elektronen emittierende Quelle 1205 aus Kohlenstoff-Nanoröhren hergestellt.
Jede Elektronen emittierende Quelle 1205 ist verbunden
mit irgendeiner Zwischenverbindung der Elektroden-Zwischenverbindungsschicht 1202 über ein
Loch im isolierenden Film 1203. In der zehnten Ausführungsform,
wie in 12 dargestellt,
ist eine Elektronen-Extraktionselektrode 1206 auf jeder substratseitigen
Rippe 1204 gebildet.
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Ein transparentes Frontglassubstrat 1207 steht
dem Substrat 1201 gegenüber.
Das Frontglassubstrat 1207 und das Substrat 1201 haben
einen vorgegebenen Abstand, der von den substratseitigen Rippen 1204 und
den orthogonal zu ihnen angeordneten Frontrippen 1208 bestimmt
ist. Der Abstand zwischen dem Frontglassubstrat 1207 und
dem Substrat 1201 wird unter Vakuum gehalten.
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Ähnlich
wie in der oben beschriebenen Ausführungsform, weisen die Licht
emittierenden Abschnitte 1210 einen in Streifen gebildeten
Leuchtstoff auf in den Regionen zwischen den Frontrippen 1208 auf
der Innenfläche
des Frontglassubstrats 1207. Ein rückseitiger Metallfilm 1211 ist
durch Auftragen eines Aluminiumfilms auf der Oberfläche von
jedem Licht emittierenden Abschnitt 1210 gebildet.
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In dieser Anordnung, wenn eine positive Spannung
am rückseitigen
Metallfilm 1211 angelegt wird, eine positive Spannung an
der Elektronen-Extraktionselektrode 1206 angelegt
wird, und eine negative Spannung angelegt wird an einer vorgegebenen
Zwischenverbindung der Elektroden-Zwischenverbindungsschicht 1202,
emittiert eine Elektronen emittierende Quelle 1205, die
mit dieser Zwischenverbindung verbunden ist, Elektronen. Die emittierten Elektronen
erreichen einen Licht emittierenden Abschnitt 1210, der
der Elektronen emittierenden Quelle 1205 gegenübersteht,
und veranlassen den Licht emittierenden Abschnitt 1210,
Licht zu emittieren. Die FED wird gebildet, indem eine Mehrzahl
Elektronen emittierender Quellen 1205 in Matrixform so
angeordnet werden, daß sie
einer Vielzahl Licht emittierender, als Streifen ausgelegter Abschnitte 1210 gegenüberstehen.
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Ebenfalls in dieser Ausführungsform
ist die Elektronen emittierende Quelle der FED aus Kohlenstoff-Nanoröhren hergestellt.
Die Elektronen emittierende Quelle kann in einem Druckverfahren
sehr kostengünstig
hergestellt werden.
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Beispielsweise kann die Elektronen
emittierende Quelle gebildet werden, indem die Graphitsäulenpaste
in einer vorgegebenen Musteranordnung im Siebdruckverfahren auf
dem Substrat aufgetragen wird.
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Die Elektronen emittierende Quelle
ist wie oben beschrieben aus einer Mehrzahl von Graphitsäulen hergestellt.
Dies bedeutet, daß eine
Mehrzahl von Kohlenstoff-Nanoröhren
in der Elektronen emittierenden Quelle existiert, wobei viele Elektronen emittierenden
Enden pro Flächeneinheit
vorhanden sind. Entsprechend, auch in der FED der zehnten Ausführungsform,
kann eine größere Anzahl
von Elektronen von der Elektronen emittierenden Quelle emittiert
werden, d. h. ein größerer Strom
kann durch den Leuchtstoftschirm fließen, so daß eine hohe Leuchtintensität in der
elften Ausführungsform
erzielt wird.
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Elfte Ausführungsform
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Die vorher beschriebenen Ausführungsformen
weisen zwar substratseitige und Frontrippen auf, jedoch ist die
vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Eine dieser Rippenarten
alleine genügt.
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Der Fall, in welchem die Rippen nur
auf einer Seite gebildet sind, wird hierin unten beschrieben.
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Insbesondere, wie in 13 gezeigt ist, wird eine Elektroden-Zwischenverbindungsschicht 1302 auf
einem Substrat 1301 gebildet, und ein isolierender Film 1303 wird
auf der Elektroden-Zwischenverbindungsschicht 1302 aufgetragen.
Rippen 1304 sind auf dem isolierenden Film 1303 in
einem vorbestimmten Abstand aufgesetzt. Elektronen emittierende
Quellen 1305 sind auf den Abschnitten des isolierenden
Films 1303 mit vorgegebenem Abstand zwischen den Rippen 1304 gebildet.
Jede Elektronen emittierende Quelle 1305 wird mit irgendeiner
Zwischenverbindung der Elektroden-Zwischenverbindungsschicht 1302 über ein
Loch im Isolierfilm 1303 verbunden. Die Elektronen emittierende
Quelle 1305 ist aus Kohlenstoff-Nanoröhren hergestellt.
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Ein transparentes Frontglassubstrat 1307 steht
dem Substrat 1301 gegenüber.
Das Frontglassubstrat 1307 und das Substrat 1301 weisen
einen vorgegebenen Abstand auf, der von den Rippen 1304 bestimmt
ist. Der Abstand zwischen dem Frontglassubstrat 1307 und
dem Substrat 1301 wird unter Vakuum gehalten.
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Licht emittierende Abschnitte 1310 aus
einem Leuchtstoff sind in Streifen in den Regionen zwischen den
Frontrippen 1308 und der Innenfläche des Frontglassubstrats 1307 angeordnet.
Ein rückseitiger Metallfilm 1311 ist
durch Auftragen eines Aluminiumfilms auf der Oberfläche von
jedem Licht emittierenden Abschnitt 1310 gebildet.
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Als Leuchtstoff des Licht emittierenden
Abschnitts 1310 wird ein solcher verwendet, der in einer Kathodenstrahlröhre oder
in einer ähnlichen
Vorrichtung Licht emittiert, wenn er von Elektronen bombardiert
wird, die auf eine hohe Energie von 4 bis 10 keV beschleunigt werden.
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In diesem Beispiel sind die Licht
emittierenden Abschnitte 1310 in den Regionen zwischen
den Rippen 1304 gebildet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch
nicht darauf beschränkt,
und der obere Abschnitt der Rippe kann in Kontakt mit dem oberen
Abschnitt des gebildeten, Licht emittierenden Abschnitts stehen.
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Wie oben beschrieben wurde, ist die
Elektronen emittierende Quelle der vorliegenden Erindung aus Kohlenstoff-Nanoröhren einer
säulenförmigen Graphitschicht
gebildet. Die Kohlenstoff-Nanoröhren können aus
einer mehrschichtigen Graphitsäule
gebildet werden, deren Spitze offen ist. Im allgemeinen bildet eine
Mehrzahl von Kohlenstoff-Nanoröhren
ein Aggregat mit nadelförmiger
Struktur.
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Mit dieser Struktur können Elektronen
von den Spitzen der Kohlenstoff-Nanoröhren emittiert werden,
wenn die Spannung an den Kohlenstoff-Nanoröhren im Vakuum angelegt wird.
Die Elektronen emittierende Quelle, die die Kohlenstoff-Nanoröhren verwendet,
ist eine widerstandsfähige
Struktur. Dies erlaubt das Anlegen einer höheren Spannung, so daß die Elektronen
emittierende Quelle eine größere Anzahl
Elektronen emittieren kann. Da die Kohlenstoff-Nanoröhre eine
starre Struktur ist, die kaum oxidiert wird, kann die Elektronen
emittierende Quelle einfacher hergestellt werden als eine herkömmliche, aus
einem ternären
Oxid hergestellte, Elektronen emittierende Substanz.
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In der Elektronen emittierenden Quelle
der vorliegenden Erfindung sind die Kohlenstoff-Nanoröhren mit
einem leitenden Klebstoff am Substrat befestigt.
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Mit dieser Struktur können Elektronen
von den Spitzen der Kohlenstoff-Nanoröhren emittiert werden,
wenn die Spannung im Vakuum an den Kohlenstoff-Nanoröhren über das Substrat angelegt wird. Die
Elektronen emittierende Quelle, die die Kohlenstoff-Nanoröhren verwendet,
ist eine widerstandsfähige
Struktur. Dies erlaubt eine größere Stromstärke, so
daß die
Elektronen emittierende Quelle eine größere Anzahl von Elektronen
emittieren kann. Da die Kohlenstoff-Nanoröhre eine starre Struktur ist,
die kaum oxidiert wird, kann die Elektronen emittierende Quelle
einfacher hergestellt werden als eine herkömmliche, aus einem ternären Oxid
gebildete Substanz.
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In der Elektronen emittierenden Quelle
der vorliegenden Erfindung weist das Substrat eine Vertiefung auf,
und die Vertiefung ist mit einer Mehrzahl von Kohlenstoff-Nanoröhren gefüllt.
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Mit dieser Struktur können Elektronen
von den Spitzen der Kohlenstoff-Nanoröhren emittiert werden,
wenn die Spannung im Vakuum über
das Substrat an die Kohlenstoff-Nanoröhren angelegt wird. Die Elektronen
emittierende Quelle, die die Kohlenstoff-Nanoröhren verwendet, ist eine widerstandsfähige Struktur.
Dies erlaubt eine größere Stromstärke, so
daß die
Elektronen emittierende Quelle eine größere Anzahl Elektronen emittieren kann.
Da die Elektronen emittierende Quelle eine Mehrzahl von Kohlenstoff-Nanoröhren enthält, weist sie
eine Mehrzahl Elektronen emittierender Spitzen auf und kann somit
viele Elektronen emittieren. Da die Kohlenstoff-Nanoröhre eine
starre Struktur ist, die kaum oxidiert wird, kann die Elektronen
emittierende Quelle einfacher hergestellt werden als eine herkömmliche,
aus einem ternären
Oxid hergestellte, Elektronen emittierende Substanz.
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In der Elektronen emittierenden Quelle
der vorliegenden Erfindung wird eine Paste zubereitet, indem in
einer leitenden zähen
Lösung
eine Mehrzahl nadelförmiger
Strukturen dispergiert werden, wobei jede davon aus einem Aggregat
von Kohlenstoff-Nanoröhren
hergestellt ist. Eine Musteranordnung dieser Paste wird auf dem
Substrat gebildet. Anteile, mit Ausnahme der nadelförmigen Strukturen,
werden von der Oberfläche
der Musteranordnung in vorbestimmter Menge abgetragen, um die nadelförmigen Strukturen
wenigstens teilweise freizulegen, womit eine Elektronen emittierende
Quelle hergestellt wird, in welcher die Kohlenstoff-Nanoröhren am
Substrat fixiert sind. Die Anteile, mit Ausnahme der nadelförmigen Strukturen,
werden mittel Laserbestrahlung oder Plasmabehandlung abgetragen.
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Die nadelförmigen Strukturen können mit dieser
Behandlung freigelegt werden. Mit der Laserbestrahlung können die
Anteile der nadelförmigen Strukturen mit
Ausnahme der Kohlenstoff-Nanoröhren
abgetragen werden, um die Elektronen emittierenden Spitzen freizulegen.
Dies erlaubt eine hohe Stromstärke
der Elektronen emittierenden Quelle, so daß sie eine größere Anzahl
Elektronen emittieren kann.
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In der Elektronen emittierenden Quelle
der vorliegenden Erfindung wird eine Paste angefertigt, indem in
einer leitenden, zähen
Lösung
eine Mehrzahl nadelförmiger
Strukturen dispergiert wird, wobei jede davon als ein Aggregat von
Kohlenstoff-Nanoröhren
hergestellt ist. Eine Musteranordnung dieser Paste wird auf dem
Substrat gebildet. Anteile, mit Ausnahme der nadelförmigen Strukturen,
werden in vorgegebener Menge von der Oberfläche der Musteranordnung abgetragen,
um die nadelförmigen Strukturen
wenigstens teilweise freizulegen. Außerdem werden Anteile mit Ausnahme
der Kohlenstoff-Nanoröhren
von den Spitzen der nadelförmigen Strukturen
in vorgegebener Menge abgetragen, um die Spitzen der Kohlenstoff-Nanoröhren freizulegen, womit
eine Elektronen emittierende Quelle hergestellt wird, in welcher
die Kohlenstoff-Nanoröhren
am Substrat befestigt sind. Die Anteile mit Ausnahme der nadelförmigen Strukturen
werden abgetragen, indem die Musteranordnung einem Sauerstoff- oder
Wasserstoff-Gasplasma ausgesetzt wird.
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Mit dieser Bearbeitung können die
Elektronen emittierenden Spitzen freigelegt werden. Dies erlaubt
eine hohe Stromstärke
der Elektronen emittierenden Quelle, die somit eine größere Anzahl
von Elektronen emittieren kann.