JP2002100278A - 炭素系エミッタ及びその製造方法 - Google Patents

炭素系エミッタ及びその製造方法

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JP2002100278A
JP2002100278A JP2000286544A JP2000286544A JP2002100278A JP 2002100278 A JP2002100278 A JP 2002100278A JP 2000286544 A JP2000286544 A JP 2000286544A JP 2000286544 A JP2000286544 A JP 2000286544A JP 2002100278 A JP2002100278 A JP 2002100278A
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graphite
carbon
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emitter
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Yoshihisa Suda
吉久 須田
Atsunori Satake
厚則 佐竹
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 特性の優れた炭素系エミッタを安価に製造す
る。 【解決手段】 高分子樹脂中に、結晶がよく発達し電子
放出性の優れた黒鉛粉末を均一に分散複合させ、該混合
物を所望する板形状に成形するのに際して、黒鉛を一方
向に高度に配向制御させた後、不活性雰囲気中又は真空
中で焼成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、黒鉛のエッジ部を
電界放出源として利用可能にする板状の炭素系エミッタ
およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】電界電子放出源としてのエミッタは、電
極を加熱すること無しに高電圧を電極に印加して、電子
を真空中に放出するものである。そのためエミッタは、
電子を引き出すために高電界を微少局所に集中させるた
め、先端が鋭利な凸形状で曲率半径が数千Å以下である
こと、エミッタを稼動させると熱が発生しこれが微少局
所に集中するので耐熱性材料であること、高電圧印加時
に電子を放出しやすい材料であること、等が要望されて
いる。
【0003】従来、このような電界電子放出源として、
タングステン、シリコン、モリブテン、炭化チタン等の
金属系材料が知られているが、金属材料の先端を鋭利に
加工することは容易ではない。また、使用中に電界電子
放出源の先端を鋭利に保つためには、電子管内を10-8
Torr台以上の高真空にする必要もある。このように、金
属材料を用いた電界電子放出源は、その製造が非常に困
難であると共に、その後の電子管の製造も困難となる欠
点がある。
【0004】上記のような欠点を持たない電界電子放出
源材料としてカーボン材料が有望である。なかでも、カ
ーボンナノチューブが注目されている。カーボンナノチ
ューブは、それ自体が電界を集中させるのに十分な鋭利
さを持ち、化学的に安定で、機械的特性も大きいため、
電界電子放出源として効率的である。しかし、カーボン
ナノチューブを分離精製した後電界電子放出に必要な結
晶面を高精度で制御して形成するのは非常に困難かつ高
価である。
【0005】さらに、特開2000−90813号公報
では、黒鉛やカーボンナノチューブ等のカーボン粒子を
ガラス基板上の導電層に均一に分散接合させたり、特開
2000−156148号公報では、黒鉛ブロックや炭
素棒等のチップ体を炭素六角網面の層方向(黒鉛エッジ
部)に対し垂直にカットした後、導電塗膜基板上にカー
ボン接着剤で固定し一体化する方法が提唱されている。
しかしながら、基板上に対して炭素六角網面の層方向を
垂直に塗布したり、垂直にカットし接合することは困難
であると共に、全面を同一に仕上ることは特に困難であ
る。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】したがって本発明の目
的は、特性に優れ、かつ、製造が容易な炭素系エミッタ
とその製造方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】本願発明によれば、アモ
ルファス状炭素と、該アモルファス状炭素中に含まれ、
均一かつ一方向に高度に配向制御させたエッジ部を有す
る黒鉛粉末とを具備する炭素系エミッタにより上記課題
が解決される。本発明の炭素系エミッタは、高分子樹脂
中に、結晶がよく発達し電子放出性の優れた黒鉛粉末を
均一に分散複合させ、該混合物を所望する板形状に成形
するのに際して、黒鉛粉末を一方向に高度に配合制御さ
せた後、不活性雰囲気中、非硬化性雰囲気中、又は真空
中で焼成することにより、簡易に製造することができ
る。
【0008】なお高分子樹脂は、不活性雰囲気中、非酸
化性雰囲気中、又は真空中で焼成することにより、黒鉛
粉末を複合一体化することの可能なアモルファス炭素を
残すものであることが望ましい。黒鉛粉末は、平均粒径
100μm以下の高配向性熱分解黒鉛(HOPG)、キ
ッシュ黒鉛、天然黒鉛、人造黒鉛より選ばれた熱伝導性
の優れた少なくとも一種であることが望ましい。
【0009】焼成、炭素化は、不活性雰囲気中、非酸化
性雰囲気中又は真空中で1000℃以上の温度に加熱処
理することが望ましい。本発明の炭素系エミッタは、電
界電子放出性の優れた黒鉛粉末のエッジ部を、アモルフ
ァス状炭素中に均一かつ一方向に高度に配向制御し複合
化させることで得られる。
【0010】また製造工程で、高分子樹脂中に結晶のよ
く発達した黒鉛粉末を均一に分散複合させた混合物を所
望する板形状に成形するのに際し、該黒鉛粉末を通常の
樹脂成形方法を用いて一方向に高度に配向制御させた
後、不活性雰囲気中、非酸化性雰囲気中、又は真空中で
焼成し、高分子樹脂を炭素化することにより、外部から
特別の圧力を印加しなくとも樹脂焼成時のパッキング、
収縮力を利用できるため、高度に黒鉛粉末とアモルファ
ス炭素が損失無く一体化し、板状体の一全面に電界電子
放出特性の優れた黒鉛エッジ部を一様かつ均等に露出し
た炭素系エミッタを簡易かつ安価に製造できる。
【0011】
【発明の実施の形態】本発明に於いて、焼成により熱伝
導性、熱放射性を有するアモルファス状炭素となり得る
高分子樹脂とは、好ましくは、炭素化前段階の加熱時に
分子間架橋を生じさせ三次元化させることで、高い炭素
残査収率を示すものであり、かつ、焼成炭素化時に黒鉛
粉末をパッキング、収縮力する能力を有するものであ
り、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂の一種または二種以上
の複合体である。ここで熱硬化性樹脂としては、フェノ
ール樹脂、フラン樹脂、エポキシ樹脂、キシレン樹脂、
不飽和ポリエステル樹脂、メラミン樹脂、アルキッド樹
脂、コプナ樹脂等が用いられ、好ましくは、フラン樹脂
及びフェノール樹脂である。また熱可塑性樹脂として
は、ポリ塩化ビニル、ポリ塩素化塩化ビニル、ポリアク
リロニトリル、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニル
−ポリ酢酸ビニル共重合体、ポリアミド、ポリイミド等
が用いられ、好ましくはポリ塩素化塩化ビニル樹脂であ
る。
【0012】次に、本発明において用いられる黒鉛粉末
について説明する。電界電子放出性の優れた黒鉛粉末と
は、結晶化度の高い高配向性熱分解黒鉛(HOPG)、
キッシュ黒鉛、天然黒鉛、人造黒鉛等である。使用する
黒鉛粉末の種類と量は、目的とする電界電子放出性と基
板の形状等により適宜選択され、単独でも二種以上の混
合体でも使用することができるが、特に電界電子放出性
が良好なことから、結晶が良く発達し純度の高い鱗状黒
鉛粉末を使用することが好ましい。黒鉛粉末の粒径は、
成形性及び黒鉛の一方向への配向制御の容易なことから
平均粒径が100μm以下であることが好ましい。
【0013】以下に本発明による、炭素系エミッタの製
造方法を説明する。まず、焼成後に熱伝導性、熱放射性
を示すアモルファス炭素となる高分子樹脂と黒鉛粉末と
を適宜選択した後、混合機を用いて充分に分散させる。
次にこの混合体を、製膜機や押し出し成型機のような通
常のプラスチック成形を行う際に使用されている成形機
を用い、黒鉛微粉末を板面方向に対して垂直に配向制御
させつつ板形状に成形する。得られた板形状体は、エア
オーブン中で炭素前駆体化処理及び固化処理を施した
後、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中で昇温速度
を制御しつつ焼成することで炭素化を終了させ、アモル
ファス炭素中に黒鉛粉末のエッジ部が一方向に配向した
炭素複合体からなる炭素エミッタが得られる。ここで、
炭素化は不活性ガス雰囲気もしくは真空下で700〜2
800℃程度まで加熱昇温し行われるが、炭素化時の昇
温速度が大きいと賦形体の形状が変形したり微細なクラ
ックが生じるなどの欠陥が生じる。したがって、500
℃までは毎時50℃以下、それ以降も毎時100℃以下
で行うことが適切である。
【0014】次に、得られた炭素板は表面を物理的研磨
機により平坦化まで研磨を実施し炭素板のうねりを解消
すると共に厚みを均一化させる。その後、研磨した面に
黒鉛エッジ部を欠陥無く一様に林立した状態とするため
に水素電解質溶液中で電解研磨処理を実施し物理研磨時
に付着した黒鉛粉の除去を実施し黒鉛エッジが全面に林
立した状態にする。
【0015】このようにして得られた炭素エミッタ板の
裏面に絶縁基板を接着したものをカソード電極板とし、
対抗側に蛍光体および透明電導性膜を塗布したガラス基
板からなるアノード電極板を設置し、真空中で電極間に
電界を印加することで、蛍光体の発光が可能となる。本
発明によると、成形性の優れる高分子樹脂を炭素化する
ことで得られるアモルファス炭素中に、電界電子放出性
の優れた黒鉛のエッジ部を、均一かつ一方向に配向制御
し、アモルファス炭素と黒鉛との複合体とすることで、
板状体の一全面に電界電子放出特性の優れた黒鉛エッジ
部を一様かつ均等に露出した炭素系エミッタを効率よく
安価に製造することが可能である。
【0016】以下に、実施例によって本発明を更に具体
的に説明するが、本願発明はこの実施例によって何等限
定されるものではない。
【0017】
【実施例】高分子樹脂として、塩素化塩化ビニル樹脂
(日本カーバイト社製 T−741)40質量%、フラ
ン樹脂(日立化成社製 ヒタフランVF−302)10
質量%、これに天然黒鉛微粉末(日本黒鉛社製 平均粒
度5μm)50質量%から成る組成物に対し、可塑材と
してジアリルフタレートモノマーを20質量%添加し
て、ヘンシェル・ミキサーを用いて分散し、ミキシング
用二本ロールを用いて十分に混練を繰り返した混合物を
スクリュー型押し出し機により50mm角体を押しだすと
ともに1mm厚み毎にスライス切断して板形状体を得た。
これを治具に固定して180℃に加熱されたエアー・オ
ーブン中で10時間処理して炭素前駆体化処理を施し
た。次に、これを窒素ガス中で500℃迄を25℃/時
の昇温速度で昇温し、その後1800℃迄を100℃/
時で昇温し、1800℃で3時間保持した後自然冷却し
て焼成を完了した。
【0018】炭素板の基本特性は、40mm角で厚み0.
9mmで、密度1.80g/cm3 、曲げ強度200MPa で
あり、面方向の電気抵抗1000μΩcm、熱膨張率7.
5×10-6/K、熱伝導率100W/m・Kであった。
得られた炭素板を炭化珪素粉末を用いた物理的研磨によ
り厚み0.50mmまで研磨し、うねりを取り除くと共に
表面粗さRa=20Å程度まで研磨した後、0.1N塩
酸水溶液中で電解酸化処理を施し、物理研磨時に付着し
た炭化珪素粉末および余剰の黒鉛粉末を除去した。
【0019】図1に示すように、得られた炭素エミッタ
板10に含まれる黒鉛のエッジ部は板面に対して垂直に
配向している。炭素エミッタ板10の裏面に接着層12
を介して絶縁基板14を接着したものをカソード電極板
とし、スペーサーを介して対抗側に蛍光体および透明電
導性膜を塗布したガラス基板からなるアノード電極板を
設置し、真空中で電極間に電界を印加したところ、全面
で蛍光体の発光現象が確認された。
【0020】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の炭素系エ
ミッタは、成形性の優れる高分子樹脂を炭素化すること
で得られるアモルファス炭素中に、黒鉛粉末を均一かつ
一方向に高度に配向制御し損失無く一体化し、板状体の
一全面に電界電子放出特性の優れた黒鉛エッジ部を一様
かつ均等に露出させているため炭素系エミッタとして有
用である。更に、従来の各種炭素製品と比べ、効率よく
安価に製品を提供することが可能であるため、工業的価
値が非常に大である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例としての炭素系エミッタの断
面図である。
【符号の説明】
10…炭素系エミッタ板 12…接着層 14…絶縁基板

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 アモルファス状炭素と、 該アモルファス状炭素中に含まれ、均一かつ一方向に配
    向制御させたエッジ部を有する黒鉛とを具備する炭素系
    エミッタ。
  2. 【請求項2】 高分子樹脂中に、黒鉛粉末を均一に分散
    複合させ、該混合物を所望する板形状に成形するのに際
    して、黒鉛を一方向に配向制御させた後、不活性雰囲気
    中、非酸化性雰囲気中、又は真空中で焼成することを特
    徴とする炭素系エミッタの製造方法。
  3. 【請求項3】 前記高分子樹脂は、不活性雰囲気中、非
    酸化性雰囲気中、又は真空中で焼成することにより、黒
    鉛粉末を複合一体化することの可能なアモルファス状炭
    素を残すものである請求項2に記載の炭素系エミッタの
    製造方法。
  4. 【請求項4】 黒鉛粉末が、平均粒径100μm以下の
    高配向性熱分解黒鉛(HOPG)、キッシュ黒鉛、天然
    黒鉛、人造黒鉛より選ばれた少なくとも一種である請求
    項2に記載の炭素系エミッタの製造方法。
  5. 【請求項5】 焼成が、不活性雰囲気中、非酸化性雰囲
    気中又は真空中で1000℃以上の温度に加熱処理する
    ことを含む請求項2に記載の炭素系エミッタの製造方
    法。
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