JP2004107162A - Method for manufacturing carbon fiber, electron emitter having carbon fiber and image display device - Google Patents

Method for manufacturing carbon fiber, electron emitter having carbon fiber and image display device Download PDF

Info

Publication number
JP2004107162A
JP2004107162A JP2002274231A JP2002274231A JP2004107162A JP 2004107162 A JP2004107162 A JP 2004107162A JP 2002274231 A JP2002274231 A JP 2002274231A JP 2002274231 A JP2002274231 A JP 2002274231A JP 2004107162 A JP2004107162 A JP 2004107162A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
carbon fiber
alloy layer
electron
catalyst
catalyst particles
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP2002274231A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takahiro Sato
佐藤 崇広
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Canon Inc filed Critical Canon Inc
Priority to JP2002274231A priority Critical patent/JP2004107162A/en
Publication of JP2004107162A publication Critical patent/JP2004107162A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a carbon fiber 15 in which a film of a catalyst metal 13 on a substrate 11 is heated to form a catalyst particles 14 to which carbon is deposited for growth, wherein the density of the obtained carbon fiber 15 can be controlled. <P>SOLUTION: An alloy layer 12 is intervened between the substrate 11 and the catalyst metal 13, wherein the alloy layer 12 comprises at least a metal selected from Si, Al, Au, Ag, Cu and Pt and a metal selected from W, Mo, Ta, Ti and Cr. The density of the catalyst 14 is controlled by the composition ratio of the alloy layer 12, thereby controlling the density of the obtained carbon fiber 15. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば水素吸蔵装置の水素吸着材料、テレビ放送の画像表示装置やパソコンの画像表示装置の電子放出部材などに用いることができるカーボンファイバーの製造方法、これを利用した、カーボンファイバーを有する電子放出素子および画像表示装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
最近、CNT(Carbon Nano Tube)やGNF(Graphite Nano Fiber)などの炭素繊維を冷陰極電子源の電子放出部材や水素吸蔵部材として利用する動きが活発である。CNTやGNFなどの炭素繊維はナノサイズの直径を有しながらミクロン単位の長さを有していることが特徴で、極めて尖鋭でアスペクト比の大きい形状をしている。炭素繊維を冷陰極電子源の電子放出部材として利用し引き出し電極を冷陰極の対向に設けて正電圧を印可すると、炭素繊維の先端部にて電界強調効果が起き、数V/um程度の極めて低い電界強度を印可するだけで電子放出を発生できる。
【0003】
この炭素繊維をFED(Field Emission Display)の電子源として利用する動向がある。FEDは、一画素当たりに一つもしくは複数の電界放出型(FE型)電子放出素子を備える自発光型の表示装置であり、この自発光型の表示装置であれば、CRTと同程度の輝度と消費電力とが達成可能であり、CRTより薄くて軽い画像表示装置を作製できるものである。
【0004】
従来より、CNTやGNFなどのカーボンファイバーの製造には、アーク放電法やCVD(化学気相蒸着)法が用いられてきた。中でもCVD法においてはカーボンファイバー成長の触媒となる金属微粒子を基板上に散布して、炭化水素などの雰囲気中でその基板を加熱するだけで容易にカーボンファイバーが得られるため、実用的にカーボンファイバーを作成する方法として注目を集めている。
【0005】
前述したCVD法において、基板上に触媒金属微粒子を散布する方法として一般的に用いられているのが、基板上に触媒となるべき金属の薄膜を蒸着して、それを加熱処理することで微粒子化する方法である。この方法は簡便に触媒金属微粒子を作成できる方法ではあるが、触媒金属と基板との種類の組み合わせによっては、加熱処理している最中に触媒金属が基板中にすべて拡散してしまい、触媒金属微粒子が作製されないこともある。それを解決すべく、最近では、触媒金属と基板との反応を抑止するためのTiNのような金属薄膜を基板と触媒粒子との間に挟み込んでカーボンファイバーを配置する技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。
【0006】
【特許文献1】
特開2001−303250号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の技術では触媒粒子の密度〔本明細書における密度は、単位面積当たりの数量(個数または本数)をいう。〕を制御する技術についての議論は十分されてこなかった。表面での触媒粒子の密度を制御すると、触媒粒子から成長するカーボンファイバーの密度をも制御することになる。
【0008】
最近カーボンファイバーを電子源として使用するためには電界集中を効率的に起こすことが必要であり、電界集中を効率的に引き起こすのに適したカーボンファイバーの密度が存在することがわかってきており、カーボンファイバーの密度を制御する技術が求められていた。
【0009】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたもので、基板上の触媒金属の膜を加熱して触媒粒子を形成し、この触媒粒子にカーボンを付着成長させるカーボンファイバーの製造方法において、カーボンファイバーの密度を制御できるようにすることを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、触媒粒子と基板との間に合金層を挿入し、その合金の組成比によって触媒金属と合金との反応が決定でき、触媒粒子の単位面積当たりの個数が制御されることを見出した。この制御が可能となる理由としては、合金相における触媒金属の拡散速度の違い、未反応相が合金母材中に存在するなどの理由が考えられるが、触媒金属と下地になる合金との金属間反応によって密度が制御されるものと考えられる。
【0011】
触媒金属が合金と反応する量が多くなるに従い、合金表面に触媒粒子ができる確率が少なくなり合金表面に存在する触媒粒子の数も減っていく。触媒金属と合金との反応を制御することで触媒粒子の密度も制御などが可能になる。結果、触媒金属の反応を制御して触媒粒子の密度が制御されれば、カーボンファイバーは触媒粒子1個から1本成長するのでカーボンファイバーの密度も制御されることになる。
【0012】
すなわち、本発明の第1は、カーボンファイバーの密度制御が可能なカーボンファイバーの製造方法を提供するものであって、
(A)基板上に、少なくとも、Si、Al、Au、Ag、CuおよびPtの中から選択された金属と、W、Mo、Ta、TiおよびCrの中から選択された金属とを含む合金層を配置する工程と、
(B)前記合金層上に触媒粒子を形成する工程と、
(C)炭素を含むガスを前記触媒粒子に接触させて加熱することでカーボンファイバーを形成する工程と、
を有することを特徴とするカーボンファイバーの製造方法を提供するものである。
【0013】
上記本発明の第1は、前記カーボンファイバーが、カーボンナノチューブまたはグラファイトナノファイバーであること、
前記触媒粒子が、Ni、Fe、Co、Pd、Ptまたはこれらの合金からなること、
前記触媒粒子を形成する工程が、触媒金属を前記合金層上に付設する工程と、該触媒金属を400℃から900℃で加熱する工程とからなること、
をその好ましい態様として含むものである。
【0014】
また、本発明の第2は、電子放出素子の閾値電圧などのパラメータが制御可能な、カーボンファイバーを有する電子放出素子の製造方法を提供するものであって、
(A)基板上に、少なくとも、Si、Al、Au、Ag、CuおよびPt中から選択された金属と、W、Mo、Ta、TiおよびCrの中から選択された金属とを含む合金層を配置する工程と、
(B)前記合金層上に触媒粒子を形成する工程と、
(C)炭素を含むガスを前記触媒粒子に接触させて加熱することでカーボンファイバーを形成する工程と、
を有することを特徴とするカーボンファイバーを有する電子放出素子の製造方法を提供するものである。
【0015】
さらに本発明の第3は、複数の電子放出素子と、該電子放出素子からの電子の照射によって発光する発光部材とを有する画像表示装置の製造方法であって、前記電子放出素子を上記カーボンファイバーを有する電子放出素子の製造方法により製造することを特徴とする画像表示装置の製造方法を提供するものである。
【0016】
【発明の実施の形態】
(カーボンファイバーの製造方法)
図1は、本発明のカーボンファイバーの製造方法の一例を示す説明図である。
【0017】
図1において、11は基板、12は合金層である。
【0018】
まず、図1(a)に示されるように、基板11上に合金層12を蒸着などによって形成する。
【0019】
基板11としては、石英の他、、W、Mo、Taなどの金属やソーダライムガラス、アルミナなどの絶縁体を利用することもできる。また、合金層12を形成する合金としては、少なくとも、Si、Al、Au、Ag、Cu、Ptの中から選択された金属と、W、Mo、Ta、Ti、Crの中から選択された金属とを含む合金が用いられる。
【0020】
次に、図1(b)に示されるように、合金層12上に触媒金属13を付設する。この触媒金属13の付設は、例えばスパッタ法などで触媒金属13を合金層12上に成膜すことで行われる。触媒金属13としては、Co、Ni、Fe、Pd、Ptまたはこれらの合金を用いることが好ましい。これらを用いることで、次に述べる触媒粒子14(図4(c)参照)をCo、Ni、Fe、Pd、Ptまたはこれらの合金で形成することができ、カーボンファイバー15(図1(d)参照)を成長させやすくすることができる。
【0021】
さらに、図1(c)に示されるように、合金層12上に触媒金属13の膜が形成された基板11を水素雰囲気にて加熱し、触媒粒子14を生成させる。この触媒粒子14の密度は、合金層12を構成する金属の組成比によって制御することができる。
【0022】
例えば、WとSiとの合金はWSiの組成比で強固な結合を持った相を持つため、Wが少なく、Siが多い組成比であると、不安定なSi原子の割合が多くなる。さらにNi、Co、Fe、Pd、Ptなどの触媒金属13となる金属はNiSiの形成温度が400℃、CoSiの形成温度が400℃、PdSiの形成温度が200℃であることからもわかるように、Siと低温でシリサイド化しやすい。
【0023】
一方、W、Mo、Taなどの金属は、カーボンファイバー15(図1(d)参照)のCVD成長に用いられる成長温度(400℃から900℃)の加熱温度にても触媒金属13とは合金化しない。そのため、基板11を加熱することで不安定なSi原子を有する合金12に触媒金属13が反応して表面に存在する触媒金属13が少なくなり、触媒粒子14の密度が少なくなると考えられる。
【0024】
加熱方法としては、ランプアニール法や抵抗加熱法などを用いることができる。加熱温度は、触媒粒子14の密度を制御しやすくするために、400℃から900℃であることが好ましい。
【0025】
最後に、図1(d)に示されるように、合金層12と触媒粒子14とを有する基板11を炭素を含むガス雰囲気にて加熱することで、触媒粒子14からカーボンファイバー15が成長し、ほぼ触媒粒子14の密度に対応する密度でカーボンファイバー15を生成させることができる。炭素を含むガスとしては、エタノールやアセトンなどの有機溶剤の蒸気を用いることもできるが、例えばアセチレン、エチレン、メタン、プロパン、プロピレンなどの炭化水素ガスが好ましい。
【0026】
以上の工程にて、基板11の合金層12上の触媒粒子14にカーボンを付着成長させてカーボンファイバー15を形成すると、合金層12の組成を変化させることで触媒粒子14の密度が制御され、これに伴って、成長するカーボンファイバー15の密度を制御することができる。また、カーボンファイバー15として、カーボンナノチューブまたはグラファイトナノファイバーを得ることができる。
【0027】
(カーボンファイバーを有する電子放出素子の製造方法)
図2は本発明のカーボンファイバーを有する電子放出素子の製造方法の一例を示す説明図である。
【0028】
図1において、11は基板、12は合金層である。この基板11と合金層12は、前記カーボンファイバーの製造方法で述べたものと同様である。
【0029】
図2(a)に示されるように、蒸着などで合金層12を設けた基板11を用意し、さらに合金層12上にメタルマスク(図示しない)を使用して領域を限定し、触媒金属13をスパッタ法などで成膜する。この触媒金属13も前記カーボンファイバーの製造方法で説明したものと同様である。
【0030】
次に、図2(b)に示されるように、後に電子放出素子のゲート電極17とカソード電極18とになるように合金層12をパターニングする。この際ゲート電極17とカソード電極18とに触媒金属13が残るようにする。また、ゲート電極17とカソード電極18との距離は、一般に1〜100μm程度で、好ましくは1〜20μmである。
【0031】
パターニングは、一般的に用いられているエッチング手法により行うことができる。例えば、レジストをフォトリソグラフィにて所望の形状に形成して、そのレジストをマスクにして触媒金属13および合金層12をドライエッチングし、最後にレジストを剥離液などで除去することで行うことができる。
【0032】
次に、図2(c)に示されるように、前記カーボンファイバーの製造方法において説明したように、ゲート電極17とカソード電極18の形状にパターニングされた合金層12上に触媒金属13の膜が形成された基板11を水素雰囲気にて加熱し、触媒粒子14を生成させ、さらに炭素を含むガス雰囲気にて加熱することで、触媒粒子14からカーボンファイバー15を成長させることができる。
【0033】
上記カーボンファイバーの成長後、図2(d)に示されるように、ゲート電極17およびカソード電極18の上方に対向するようにアノード電極16を設置し、ゲート電極17、カソード電極18およびアノード電極16の3端子構造の電子放出素子とすると、アノード電極16とゲート電極17に電圧Va,Vgを印加することで、所望の電流密度を放出させることができる。また、合金層12の組成を変化させることで触媒粒子14の密度が制御され、これに伴って、成長するカーボンファイバーの密度が制御され、その結果、電子放出素子の特性も制御することが可能となる。
【0034】
図2(c)、(d)においては、ゲート電極17およびカソード電極18の両者にカーボンファイバー15を成長させているが、ゲート電極17にはカーボンファイバー15をことさら設ける必要はない。カソード電極18にのみカーボンファイバー15を設ける場合、合金層12上への触媒金属13の成膜時に、例えばメタルマスク(図示しない)によってゲート電極17となる部分に触媒金属13が成膜されないようにすればよい。
【0035】
また、図2で説明した電子放出素子は、3端子構造であるが、ゲート電極17を形成することなく、カソード電極18のみを形成し、このカソード電極18にカーボンファイバー15を成長させて、アノード電極16だけで電子を引き出すダイオード構造の電子放出素子とすることもできる。
【0036】
(画像表示装置の製造方法)
複数の電子放出素子と、該電子放出素子からの電子の照射によって発光する発光部材とを組み合わせることで画像形成装置を構成することができる。この画像表示装置の製造に際し、電子放出素子を上記カーボンファイバーを有する電子放出素子とし、該カーボンファイバーを有する電子放出素子を上記製造方法により製造すれば、画像表示装置の性能に応じて電子放出素子の特性を制御しながら画像表示装置を製造することができる。
【0037】
【実施例】
実施例1
図1に基づいて本実施例を説明する。
【0038】
図1(a)に示されるように、合金層12を蒸着した基板11を用意した。基板11としては、石英板を用い、合金層12としては、Wが20重量%、Siが80重量%の組成比を有する合金を使用した。
【0039】
次に、図1(b)に示されるように、上記合金層12上に触媒金属13をスパッタ法で約5nmの厚さに蒸着した。触媒金属13としては、Coを利用した。
【0040】
次に、図1(c)に示されるように、合金層12と触媒金属13とを有する基板11を水素雰囲気にて500℃で約20分間加熱した。すると、基板11上で直径10nmから50nmの触媒粒子14が10個/cmの密度で形成されていることが確認できた。
【0041】
合金層12にWSi使用して同様の実験を行ったところ、触媒粒子14が約1×1010個/cmの密度で形成されていることが確認できた。また、合金層12にWが10重量%、Siが90重量%の合金を用いた場合について同様の実験を行ったところ、触媒粒子14が約5×10個/cmの密度で形成されていることが確認できた。さらに、合金組成をMoSi、TaSi、TiSi、CrSiにしても同様の結果が得られた。
【0042】
なお、加熱方法にはランプアニール法を用いたが、抵抗加熱法などのほかの加熱方法でも同様の結果が得られた。
【0043】
最後に、図1(d)に示されるように、合金層12と触媒粒子14とを有する基板11をエチレン雰囲気にて500℃で約20min加熱したところ、触媒粒子14からカーボンファイバー15(グラファイトナノファイバー)が成長して表面に10本/cmの密度で生成されたことが観察された。
【0044】
実施例2
図2に基づいて本実施例を説明する。
【0045】
図2(a)に締めされるように、合金層12を蒸着した基板11を用意した。基板11としては、ソーダライムガラスを利用した。合金層12としては、Wが40重量%、Auが60重量%の組成比を有する合金を使用した。
【0046】
合金層12上にメタルマスク(図示しない)を使用して領域を限定し、触媒金属13をスパッタ法で約5nmの厚さ蒸着した。触媒金属13としてはNiを利用した。
【0047】
次に、図2(b)に示されるように、後に電子放出素子のゲート電極17とカソード電極18とになるように合金層12をパターニングした。この際ゲート電極17とカソード電極18とに触媒金属13が残るようにし、ゲート電極17とカソード電極18との距離が5μmになるようにした。
【0048】
パターニングは、レジストをフォトリソグラフィにてゲート電極17とカソード電極18の形状に形成して、そのレジストをマスクにして触媒金属13および合金層12をドライエッチングして、最後にレジストを剥離液で除去することで行った。ドライエッチングは、Ar50sccm、1Pa、500Wにて行った。
【0049】
次に、図2(c)に示されるように、合金層12と触媒金属13を有する基板11を水素雰囲気にて600℃で約20分間加熱した。すると、基板11上で直径20nmから50nmの触媒粒子14が10個/cmの密度で形成されていることが確認できた。
【0050】
合金層12と触媒粒子14とを有する基板11をエチレン雰囲気にて600℃で約20min加熱したところ、触媒粒子14からカーボンファイバー15(グラファイトナノファイバー)が成長していることが観察された。
【0051】
最後に、図2(d)に示されるように、基板11から2mm離れた位置に対向するようにアノード電極16を設置して電子放出素子を構成し、アノード電極16に10kVの電圧を印加すると共に、ゲート電極17に30Vの電圧を印加することで、電子の放出が得られた。合金層12の代わりにTi電極を使用したものについては、上記と同じ電流密度の電子放出を得るのに、アノード電極16に10kVの電圧を印加して、ゲート電極17に50Vの電圧を必要とした。
【0052】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のカーボンファイバーの製造方法によれば、得られるカーボンファイバーの密度を制御することができる。また、これを用いてカーボンファイバーを有する電子放出素子を製造すると、得られる電子放出素子の特性を制御することができる。さらに、本発明の画像表示装置の製造方法によれば、画像表示装置の性能に応じて電子放出素子の特性を制御して製造を行うことができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のカーボンファイバーの製造方法の一例を示す説明図である。
【図2】本発明のカーボンファイバーを有する電子放出素子の製造方法の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
11 基板
12 合金
13 触媒金属
14 触媒粒子
15 カーボンファイバー
16 アノード電極
17 ゲート電極
18 カソード電極
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention has a method for producing a carbon fiber which can be used for, for example, a hydrogen absorbing material of a hydrogen storage device, an electron emitting member of an image display device of a television broadcast or an image display device of a personal computer, and a carbon fiber using the method. The present invention relates to a method for manufacturing an electron-emitting device and an image display device.
[0002]
[Prior art]
Recently, carbon fibers such as CNT (Carbon Nano Tube) and GNF (Graphite Nano Fiber) have been actively used as electron emission members and hydrogen storage members of cold cathode electron sources. Carbon fibers such as CNT and GNF are characterized in that they have a nanometer-sized diameter and a length in the order of microns, and are extremely sharp and have a large aspect ratio. When a carbon fiber is used as an electron-emitting member of a cold cathode electron source and an extraction electrode is provided opposite to the cold cathode and a positive voltage is applied, an electric field enhancement effect occurs at the tip of the carbon fiber, resulting in an extremely high voltage of about several V / um. Electron emission can be generated only by applying a low electric field intensity.
[0003]
There is a trend to use this carbon fiber as an electron source for FED (Field Emission Display). The FED is a self-luminous display device provided with one or a plurality of field emission (FE) electron-emitting devices per pixel. If the self-luminous display device is used, the luminance is about the same as that of a CRT. Power consumption can be achieved, and an image display device that is thinner and lighter than a CRT can be manufactured.
[0004]
Conventionally, an arc discharge method or a CVD (chemical vapor deposition) method has been used for producing carbon fibers such as CNT and GNF. Above all, in the CVD method, carbon fibers can be easily obtained simply by spraying metal fine particles serving as a catalyst for carbon fiber growth on a substrate and heating the substrate in an atmosphere such as hydrocarbons. Has attracted attention as a way to create.
[0005]
In the above-mentioned CVD method, a method of spraying catalytic metal fine particles on a substrate is generally used. A thin film of a metal to be a catalyst is deposited on a substrate and the fine particles are heated. It is a method to make it. Although this method is a method that can easily produce catalyst metal fine particles, depending on the combination of the types of the catalyst metal and the substrate, all of the catalyst metal is diffused into the substrate during the heat treatment, and the catalyst metal is diffused. Fine particles may not be produced. In order to solve the above problem, a technique has recently been known in which a metal thin film such as TiN for suppressing the reaction between the catalyst metal and the substrate is interposed between the substrate and the catalyst particles to arrange carbon fibers ( For example, see Patent Document 1).
[0006]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-303250
[Problems to be solved by the invention]
However, in the related art, the density of catalyst particles [the density in the present specification refers to the quantity (number or number) per unit area. ] Has not been sufficiently discussed. Controlling the density of the catalyst particles at the surface will also control the density of the carbon fibers growing from the catalyst particles.
[0008]
Recently, in order to use carbon fiber as an electron source, it is necessary to efficiently generate electric field concentration, and it has been found that there is a density of carbon fiber suitable for causing electric field concentration efficiently. A technique for controlling the density of carbon fiber has been required.
[0009]
The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional problems, and a method for producing a carbon fiber in which a catalyst metal film on a substrate is heated to form catalyst particles, and carbon is attached to and grown on the catalyst particles. An object of the present invention is to make it possible to control the density of carbon fiber.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors insert an alloy layer between the catalyst particles and the substrate, determine that the reaction between the catalyst metal and the alloy can be determined by the composition ratio of the alloy, and control the number of catalyst particles per unit area. I found it. Possible reasons for this control include the difference in the diffusion rate of the catalyst metal in the alloy phase and the presence of an unreacted phase in the alloy base material. It is considered that the density is controlled by the inter-reaction.
[0011]
As the amount of the catalyst metal reacting with the alloy increases, the probability of forming catalyst particles on the alloy surface decreases, and the number of catalyst particles existing on the alloy surface also decreases. By controlling the reaction between the catalyst metal and the alloy, the density of the catalyst particles can be controlled. As a result, if the density of the catalyst particles is controlled by controlling the reaction of the catalyst metal, the density of the carbon fibers is also controlled because one carbon fiber grows from one catalyst particle.
[0012]
That is, a first aspect of the present invention is to provide a method for producing a carbon fiber capable of controlling the density of the carbon fiber,
(A) An alloy layer containing at least a metal selected from Si, Al, Au, Ag, Cu and Pt and a metal selected from W, Mo, Ta, Ti and Cr on a substrate Arranging the
(B) forming catalyst particles on the alloy layer;
(C) forming a carbon fiber by bringing a gas containing carbon into contact with the catalyst particles and heating;
And a method for producing a carbon fiber.
[0013]
A first aspect of the present invention is that the carbon fiber is a carbon nanotube or a graphite nanofiber,
The catalyst particles are made of Ni, Fe, Co, Pd, Pt or an alloy thereof;
The step of forming the catalyst particles comprises a step of attaching a catalyst metal on the alloy layer, and a step of heating the catalyst metal at 400 ° C. to 900 ° C.
Is included as a preferable embodiment.
[0014]
A second aspect of the present invention is to provide a method for manufacturing an electron-emitting device having carbon fibers, in which parameters such as a threshold voltage of the electron-emitting device can be controlled.
(A) An alloy layer containing at least a metal selected from Si, Al, Au, Ag, Cu and Pt and a metal selected from W, Mo, Ta, Ti and Cr on a substrate Arranging,
(B) forming catalyst particles on the alloy layer;
(C) forming a carbon fiber by bringing a gas containing carbon into contact with the catalyst particles and heating;
And a method for manufacturing an electron-emitting device having carbon fibers.
[0015]
Further, a third aspect of the present invention is a method for manufacturing an image display device having a plurality of electron-emitting devices and a light-emitting member which emits light by irradiation of electrons from the electron-emitting devices, wherein the electron-emitting devices are formed of carbon fibers. And a method for manufacturing an image display device characterized by being manufactured by a method for manufacturing an electron-emitting device having the following.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(Method of manufacturing carbon fiber)
FIG. 1 is an explanatory view showing an example of the method for producing a carbon fiber of the present invention.
[0017]
In FIG. 1, 11 is a substrate, and 12 is an alloy layer.
[0018]
First, as shown in FIG. 1A, an alloy layer 12 is formed on a substrate 11 by vapor deposition or the like.
[0019]
As the substrate 11, other than quartz, a metal such as W, Mo, Ta or the like, or an insulator such as soda lime glass or alumina can be used. The alloy forming the alloy layer 12 includes at least a metal selected from Si, Al, Au, Ag, Cu, and Pt and a metal selected from W, Mo, Ta, Ti, and Cr. Is used.
[0020]
Next, as shown in FIG. 1B, a catalyst metal 13 is provided on the alloy layer 12. The attachment of the catalyst metal 13 is performed by forming the catalyst metal 13 on the alloy layer 12 by, for example, a sputtering method. As the catalyst metal 13, it is preferable to use Co, Ni, Fe, Pd, Pt or an alloy thereof. By using these, the catalyst particles 14 (see FIG. 4C) described below can be formed of Co, Ni, Fe, Pd, Pt or an alloy thereof, and the carbon fibers 15 (FIG. 1D) (See Reference).
[0021]
Further, as shown in FIG. 1C, the substrate 11 on which the catalyst metal 13 film is formed on the alloy layer 12 is heated in a hydrogen atmosphere to generate catalyst particles 14. The density of the catalyst particles 14 can be controlled by the composition ratio of the metal constituting the alloy layer 12.
[0022]
For example, an alloy of W and Si has a phase having a strong bond at a composition ratio of WSi 2 , and therefore, if the composition ratio is small and W is large, the ratio of unstable Si atoms is large. Further, the metal to be the catalyst metal 13 such as Ni, Co, Fe, Pd, and Pt has a formation temperature of NiSi of 400 ° C., a formation temperature of CoSi of 400 ° C., and a formation temperature of Pd 2 Si of 200 ° C. Thus, it is easily silicidized with Si at a low temperature.
[0023]
On the other hand, metals such as W, Mo, and Ta are alloyed with the catalyst metal 13 even at the heating temperature of the growth temperature (400 ° C. to 900 ° C.) used for CVD growth of the carbon fiber 15 (see FIG. 1D). Does not change. Therefore, it is considered that when the substrate 11 is heated, the catalyst metal 13 reacts with the alloy 12 having unstable Si atoms, and the amount of the catalyst metal 13 existing on the surface decreases, and the density of the catalyst particles 14 decreases.
[0024]
As a heating method, a lamp annealing method, a resistance heating method, or the like can be used. The heating temperature is preferably from 400 ° C. to 900 ° C. in order to easily control the density of the catalyst particles 14.
[0025]
Finally, as shown in FIG. 1 (d), the substrate 11 having the alloy layer 12 and the catalyst particles 14 is heated in a gas atmosphere containing carbon, so that carbon fibers 15 grow from the catalyst particles 14. The carbon fibers 15 can be generated at a density substantially corresponding to the density of the catalyst particles 14. As the gas containing carbon, a vapor of an organic solvent such as ethanol or acetone can be used, but a hydrocarbon gas such as acetylene, ethylene, methane, propane, or propylene is preferable.
[0026]
In the above steps, when carbon is deposited and grown on the catalyst particles 14 on the alloy layer 12 of the substrate 11 to form carbon fibers 15, the density of the catalyst particles 14 is controlled by changing the composition of the alloy layer 12, Accordingly, the density of the growing carbon fiber 15 can be controlled. In addition, carbon nanotubes or graphite nanofibers can be obtained as the carbon fibers 15.
[0027]
(Method of manufacturing electron-emitting device having carbon fiber)
FIG. 2 is an explanatory view showing an example of a method for manufacturing an electron-emitting device having a carbon fiber according to the present invention.
[0028]
In FIG. 1, 11 is a substrate, and 12 is an alloy layer. The substrate 11 and the alloy layer 12 are the same as those described in the method for producing carbon fiber.
[0029]
As shown in FIG. 2A, a substrate 11 provided with an alloy layer 12 by vapor deposition or the like is prepared, and further, a region is limited on the alloy layer 12 using a metal mask (not shown), and a catalyst metal 13 is formed. Is formed by a sputtering method or the like. The catalyst metal 13 is also the same as that described in the method for producing carbon fiber.
[0030]
Next, as shown in FIG. 2B, the alloy layer 12 is patterned so as to become the gate electrode 17 and the cathode electrode 18 of the electron-emitting device later. At this time, the catalyst metal 13 is left on the gate electrode 17 and the cathode electrode 18. The distance between the gate electrode 17 and the cathode electrode 18 is generally about 1 to 100 μm, preferably 1 to 20 μm.
[0031]
Patterning can be performed by a commonly used etching technique. For example, it can be performed by forming a resist into a desired shape by photolithography, dry-etching the catalyst metal 13 and the alloy layer 12 using the resist as a mask, and finally removing the resist with a stripping solution or the like. .
[0032]
Next, as shown in FIG. 2C, a film of the catalyst metal 13 is formed on the alloy layer 12 patterned in the shape of the gate electrode 17 and the cathode electrode 18 as described in the method of manufacturing the carbon fiber. By heating the formed substrate 11 in a hydrogen atmosphere to generate catalyst particles 14 and further heating in a gas atmosphere containing carbon, carbon fibers 15 can be grown from the catalyst particles 14.
[0033]
After the growth of the carbon fiber, as shown in FIG. 2D, an anode electrode 16 is provided so as to face above the gate electrode 17 and the cathode electrode 18, and the gate electrode 17, the cathode electrode 18, and the anode electrode 16 are disposed. In the three-terminal electron-emitting device described above, a desired current density can be emitted by applying voltages Va and Vg to the anode electrode 16 and the gate electrode 17. Further, by changing the composition of the alloy layer 12, the density of the catalyst particles 14 is controlled, and accordingly, the density of the growing carbon fiber is controlled. As a result, the characteristics of the electron-emitting device can be controlled. It becomes.
[0034]
2C and 2D, the carbon fibers 15 are grown on both the gate electrode 17 and the cathode electrode 18. However, it is not necessary to provide the carbon fibers 15 on the gate electrode 17. When the carbon fiber 15 is provided only on the cathode electrode 18, when the catalyst metal 13 is formed on the alloy layer 12, for example, a metal mask (not shown) is used so that the catalyst metal 13 is not formed on a portion to be the gate electrode 17. do it.
[0035]
The electron-emitting device described with reference to FIG. 2 has a three-terminal structure. However, only the cathode electrode 18 is formed without forming the gate electrode 17, and the carbon fiber 15 is grown on the cathode electrode 18. An electron-emitting device having a diode structure in which electrons are extracted only by the electrode 16 may be used.
[0036]
(Method of manufacturing image display device)
An image forming apparatus can be configured by combining a plurality of electron-emitting devices and a light-emitting member that emits light by irradiation of electrons from the electron-emitting devices. When manufacturing the image display device, if the electron-emitting device is an electron-emitting device having the carbon fiber and the electron-emitting device having the carbon fiber is manufactured by the above-described manufacturing method, the electron-emitting device can be adjusted according to the performance of the image display device. The image display device can be manufactured while controlling the characteristics of the image display device.
[0037]
【Example】
Example 1
This embodiment will be described with reference to FIG.
[0038]
As shown in FIG. 1A, a substrate 11 on which an alloy layer 12 was deposited was prepared. As the substrate 11, a quartz plate was used, and as the alloy layer 12, an alloy having a composition ratio of W of 20% by weight and Si of 80% by weight was used.
[0039]
Next, as shown in FIG. 1B, a catalyst metal 13 was deposited on the alloy layer 12 to a thickness of about 5 nm by a sputtering method. Co was used as the catalyst metal 13.
[0040]
Next, as shown in FIG. 1C, the substrate 11 having the alloy layer 12 and the catalyst metal 13 was heated at 500 ° C. for about 20 minutes in a hydrogen atmosphere. Then, it was confirmed that catalyst particles 14 having a diameter of 10 nm to 50 nm were formed on the substrate 11 at a density of 10 8 particles / cm 2 .
[0041]
When a similar experiment was performed using WSi 2 for the alloy layer 12, it was confirmed that the catalyst particles 14 were formed at a density of about 1 × 10 10 particles / cm 2 . When the same experiment was performed using an alloy containing 10 wt% of W and 90 wt% of Si for the alloy layer 12, catalyst particles 14 were formed at a density of about 5 × 10 7 particles / cm 2. Was confirmed. Further, similar results were obtained even when the alloy composition was MoSi, TaSi, TiSi, or CrSi.
[0042]
Although the lamp annealing method was used as the heating method, similar results were obtained with other heating methods such as the resistance heating method.
[0043]
Finally, as shown in FIG. 1D, when the substrate 11 having the alloy layer 12 and the catalyst particles 14 was heated at 500 ° C. for about 20 minutes in an ethylene atmosphere, the carbon fibers 15 (graphite nano Fibers) were grown and produced on the surface at a density of 10 8 fibers / cm 2 .
[0044]
Example 2
This embodiment will be described with reference to FIG.
[0045]
As shown in FIG. 2A, a substrate 11 on which an alloy layer 12 was deposited was prepared. As the substrate 11, soda lime glass was used. As the alloy layer 12, an alloy having a composition ratio of W of 40% by weight and Au of 60% by weight was used.
[0046]
An area was limited on the alloy layer 12 using a metal mask (not shown), and a catalyst metal 13 was deposited by sputtering to a thickness of about 5 nm. Ni was used as the catalyst metal 13.
[0047]
Next, as shown in FIG. 2B, the alloy layer 12 was patterned so as to become the gate electrode 17 and the cathode electrode 18 of the electron-emitting device later. At this time, the catalytic metal 13 was left on the gate electrode 17 and the cathode electrode 18 so that the distance between the gate electrode 17 and the cathode electrode 18 was 5 μm.
[0048]
For patterning, a resist is formed in the shape of the gate electrode 17 and the cathode electrode 18 by photolithography, the catalyst metal 13 and the alloy layer 12 are dry-etched using the resist as a mask, and finally, the resist is removed with a stripper. I went by. Dry etching was performed at 50 sccm Ar, 1 Pa, and 500 W.
[0049]
Next, as shown in FIG. 2C, the substrate 11 having the alloy layer 12 and the catalyst metal 13 was heated at 600 ° C. for about 20 minutes in a hydrogen atmosphere. Then, it was confirmed that catalyst particles 14 having a diameter of 20 nm to 50 nm were formed on the substrate 11 at a density of 10 8 particles / cm 2 .
[0050]
When the substrate 11 having the alloy layer 12 and the catalyst particles 14 was heated at 600 ° C. for about 20 minutes in an ethylene atmosphere, it was observed that carbon fibers 15 (graphite nanofibers) grew from the catalyst particles 14.
[0051]
Lastly, as shown in FIG. 2D, an anode electrode 16 is provided so as to face a position 2 mm away from the substrate 11 to constitute an electron-emitting device, and a voltage of 10 kV is applied to the anode electrode 16. At the same time, a voltage of 30 V was applied to the gate electrode 17 to emit electrons. In the case where a Ti electrode is used instead of the alloy layer 12, a voltage of 10 kV is applied to the anode electrode 16 and a voltage of 50 V is required for the gate electrode 17 in order to obtain electron emission at the same current density as described above. did.
[0052]
【The invention's effect】
As described above, according to the method for producing a carbon fiber of the present invention, the density of the obtained carbon fiber can be controlled. In addition, when an electron-emitting device having carbon fibers is manufactured using this, characteristics of the obtained electron-emitting device can be controlled. Further, according to the method of manufacturing an image display device of the present invention, it is possible to perform manufacturing by controlling the characteristics of the electron-emitting device according to the performance of the image display device.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory view showing one example of a method for producing a carbon fiber of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory view showing an example of a method for manufacturing an electron-emitting device having a carbon fiber according to the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Substrate 12 Alloy 13 Catalyst metal 14 Catalyst particle 15 Carbon fiber 16 Anode electrode 17 Gate electrode 18 Cathode electrode

Claims (6)

カーボンファイバーの製造方法であって
(A)基板上に、少なくとも、Si、Al、Au、Ag、CuおよびPtの中から選択された金属と、W、Mo、Ta、TiおよびCrの中から選択された金属とを含む合金層を配置する工程と、
(B)前記合金層上に触媒粒子を形成する工程と、
(C)炭素を含むガスを前記触媒粒子に接触させて加熱することでカーボンファイバーを形成する工程と、
を有することを特徴とするカーボンファイバーの製造方法。
A method for producing a carbon fiber, wherein (A) at least a metal selected from Si, Al, Au, Ag, Cu and Pt and a metal selected from W, Mo, Ta, Ti and Cr on a substrate. Arranging an alloy layer containing the metal and
(B) forming catalyst particles on the alloy layer;
(C) forming a carbon fiber by bringing a gas containing carbon into contact with the catalyst particles and heating;
A method for producing a carbon fiber, comprising:
前記カーボンファイバーが、カーボンナノチューブまたはグラファイトナノファイバーであることを特徴とする請求項1に記載のカーボンファイバーの製造方法。The method according to claim 1, wherein the carbon fiber is a carbon nanotube or a graphite nanofiber. 前記触媒粒子が、Ni、Fe、Co、Pd、Ptまたはこれらの合金からなることを特徴とする請求項1または2に記載のカーボンファイバーの製造方法。3. The method according to claim 1, wherein the catalyst particles are made of Ni, Fe, Co, Pd, Pt or an alloy thereof. 前記触媒粒子を形成する工程が、触媒金属を前記合金層上に付設する工程と、該触媒金属を400℃から900℃で加熱する工程とからなることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のカーボンファイバの製造方法。4. The method according to claim 1, wherein the step of forming the catalyst particles comprises a step of attaching a catalyst metal on the alloy layer and a step of heating the catalyst metal at 400 to 900 ° C. 2. The method for producing a carbon fiber according to claim 1. カーボンファイバーを有する電子放出素子の製造方法であって、
(A)基板上に、少なくとも、Si、Al、Au、Ag、CuおよびPt中から選択された金属と、W、Mo、Ta、TiおよびCrの中から選択された金属とを含む合金層を配置する工程と、
(B)前記合金層上に触媒粒子を形成する工程と、
(C)炭素を含むガスを前記触媒粒子に接触させて加熱することでカーボンファイバーを形成する工程と、
を有することを特徴とするカーボンファイバーを有する電子放出素子の製造方法。
A method for manufacturing an electron-emitting device having carbon fibers,
(A) An alloy layer containing at least a metal selected from Si, Al, Au, Ag, Cu and Pt and a metal selected from W, Mo, Ta, Ti and Cr on a substrate Arranging,
(B) forming catalyst particles on the alloy layer;
(C) forming a carbon fiber by bringing a gas containing carbon into contact with the catalyst particles and heating;
A method for producing an electron-emitting device having a carbon fiber, comprising:
複数の電子放出素子と、該電子放出素子からの電子の照射によって発光する発光部材とを有する画像表示装置の製造方法であって、前記電子放出素子を請求項5に記載の製造方法により製造することを特徴とする画像表示装置の製造方法。A method for manufacturing an image display device, comprising: a plurality of electron-emitting devices; and a light-emitting member that emits light when irradiated with electrons from the electron-emitting devices, wherein the electron-emitting devices are manufactured by the manufacturing method according to claim 5. A method for manufacturing an image display device, comprising:
JP2002274231A 2002-09-20 2002-09-20 Method for manufacturing carbon fiber, electron emitter having carbon fiber and image display device Withdrawn JP2004107162A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002274231A JP2004107162A (en) 2002-09-20 2002-09-20 Method for manufacturing carbon fiber, electron emitter having carbon fiber and image display device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002274231A JP2004107162A (en) 2002-09-20 2002-09-20 Method for manufacturing carbon fiber, electron emitter having carbon fiber and image display device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2004107162A true JP2004107162A (en) 2004-04-08

Family

ID=32270765

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2002274231A Withdrawn JP2004107162A (en) 2002-09-20 2002-09-20 Method for manufacturing carbon fiber, electron emitter having carbon fiber and image display device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2004107162A (en)

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005314160A (en) * 2004-04-28 2005-11-10 National Institute For Materials Science Method of synthesizing high density and highly oriented carbon nanotube
JP2006114307A (en) * 2004-10-14 2006-04-27 Canon Inc Structure, electron emission device, secondary battery, electron source, image display device, information display reproducing device, and method for manufacturing them
WO2007105707A1 (en) 2006-03-13 2007-09-20 Nikon Corporation Process for production of carbon nanotube aggregates, carbon nanotube aggregates, catalyst particle dispersion membrane, electron emitters, and field emission displays
JP2007302524A (en) * 2006-05-12 2007-11-22 Ulvac Japan Ltd Method for growing carbon nanocoil
WO2008059889A1 (en) * 2006-11-15 2008-05-22 Sonac Incorporated Multilayer carbon nanotube collective structure
US7794298B2 (en) 2006-02-10 2010-09-14 Canon Kabushiki Kaisha Electron-emitting device and method of producing thereof
JP2010244737A (en) * 2009-04-02 2010-10-28 Toppan Printing Co Ltd Tripolar-structure field electron emission type lamp, and manufacturing method thereof
CN101608288B (en) * 2009-07-14 2011-05-25 西北工业大学 Preparation method for vacuum electric contact material capable of controlling cathode spot movement
JP2013149628A (en) * 2005-04-25 2013-08-01 Smoltek Ab Controlled growth of nanostructures on substrate, and electron emission device based on the same
JP2014500593A (en) * 2010-12-01 2014-01-09 エスエヌ ディスプレイ カンパニー リミテッド Field emission display device and manufacturing method thereof

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005314160A (en) * 2004-04-28 2005-11-10 National Institute For Materials Science Method of synthesizing high density and highly oriented carbon nanotube
JP2006114307A (en) * 2004-10-14 2006-04-27 Canon Inc Structure, electron emission device, secondary battery, electron source, image display device, information display reproducing device, and method for manufacturing them
US7683528B2 (en) 2004-10-14 2010-03-23 Canon Kabushiki Kaisha Structure, electron emitting device, secondary battery, electron source, and image display device
JP4596878B2 (en) * 2004-10-14 2010-12-15 キヤノン株式会社 Structure, electron-emitting device, secondary battery, electron source, image display device, information display / reproduction device, and manufacturing method thereof
JP2013149628A (en) * 2005-04-25 2013-08-01 Smoltek Ab Controlled growth of nanostructures on substrate, and electron emission device based on the same
US7794298B2 (en) 2006-02-10 2010-09-14 Canon Kabushiki Kaisha Electron-emitting device and method of producing thereof
WO2007105707A1 (en) 2006-03-13 2007-09-20 Nikon Corporation Process for production of carbon nanotube aggregates, carbon nanotube aggregates, catalyst particle dispersion membrane, electron emitters, and field emission displays
JP2007302524A (en) * 2006-05-12 2007-11-22 Ulvac Japan Ltd Method for growing carbon nanocoil
WO2008059889A1 (en) * 2006-11-15 2008-05-22 Sonac Incorporated Multilayer carbon nanotube collective structure
JP2010244737A (en) * 2009-04-02 2010-10-28 Toppan Printing Co Ltd Tripolar-structure field electron emission type lamp, and manufacturing method thereof
CN101608288B (en) * 2009-07-14 2011-05-25 西北工业大学 Preparation method for vacuum electric contact material capable of controlling cathode spot movement
JP2014500593A (en) * 2010-12-01 2014-01-09 エスエヌ ディスプレイ カンパニー リミテッド Field emission display device and manufacturing method thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7448931B2 (en) Method for manufacturing carbon nanotube field emission device
KR100537512B1 (en) carbon-nano tube structure and manufacturing method thereof and field emitter and display device both adopting the same
US8339022B2 (en) Field emission electron source having carbon nanotubes
US7744440B2 (en) Method of growing carbon nanotubes and method of manufacturing field emission device using the same
US7511206B2 (en) Carbon nanotubes and method of manufacturing same, electron emission source, and display
JP2004139973A (en) Manufacturing method of electron emitter using carbon fiber, electron source and image forming apparatus, and ink for carbon fiber manufacturing
US7745984B2 (en) Composition for preparing electron emission source, method for preparing electron emission source using the composition, and electron emission source
JP2006224296A (en) Carbon nanotube structure and method of manufacturing the same, and field emission device using the carbon nanotube structure and method of manufacturing the device
JP2002150929A (en) Manufacturing method of electron emitting element, electron source and image forming device
JP2001180920A (en) Method of machining nano tube and method of producing field emission-type cold cathode and indicator
JP2007123280A (en) CARBON NANOTUBE HAVING ZnO PROTRUSION
US8029328B2 (en) Method for manufacturing field emission electron source having carbon nanotubes
JP2004107162A (en) Method for manufacturing carbon fiber, electron emitter having carbon fiber and image display device
JP2000215788A (en) Carbon material and its manufacture and field emission type cold cathode by using it
JP3769149B2 (en) Electron-emitting device, manufacturing method thereof, and image forming apparatus using the electron-emitting device
JP2001126609A (en) Electron emission device and fluorescent display
JP2004327085A (en) Manufacturing method for electron emitter using carbon nanotubes
JP2006294387A (en) Nanocarbon emitter and its manufacturing method
JP2007319761A (en) Catalyst composition for forming carbon-based nano material, carbon-based nano material device, cathode substrate for electron discharging element and its manufacturing method, and electron discharging element device and its manufacturing method
JP2009245672A (en) Field emission device and method of manufacturing the same
KR20050103510A (en) Catalyst structure particularly for the production of field emission flat screens
JP2004107118A (en) Method for manufacturing graphite nano-fiber, electron emitting source and display element
EP1455376B1 (en) Electron-emitting device, electron source, and image display apparatus
US6882098B2 (en) Cold cathode electron source
JP2001250468A (en) Field electron emission device and its manufacturing method

Legal Events

Date Code Title Description
A300 Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300

Effective date: 20060110