JP2005122930A - Nano-scale carbon tube paste, and electron emission source - Google Patents

Nano-scale carbon tube paste, and electron emission source Download PDF

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JP2005122930A JP2003353981A JP2003353981A JP2005122930A JP 2005122930 A JP2005122930 A JP 2005122930A JP 2003353981 A JP2003353981 A JP 2003353981A JP 2003353981 A JP2003353981 A JP 2003353981A JP 2005122930 A JP2005122930 A JP 2005122930A
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Masahiro Yamada
昌宏 山田
Hitoshi Nishino
仁 西野
Toshikazu Kamigaichi
寿和 上垣内
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a paste in which aggregating tendency of nano-scale carbon tubes is restrained to the utmost, and to provide an electron emission source having an electron emission material layer excellent in uniformity, by using the paste. <P>SOLUTION: The nano-scale carbon tube paste contains nano-scale carbon tubes, a dispersion promoting agent, a binder, and solvent, and the electron emission source comprises (A) a base plate having conductivity at least at a part thereof, or a patterned base plate; and (B) the electron emission material layer formed by baking a painted film of the nano-scale carbon tube paste formed on the above base plate. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、ナノスケールカーボンチューブを含有するペースト、特に、電子放出源製造用のナノスケールカーボンチューブペースト、並びに、該ペーストを用いて得られる電子放出源に関する。   The present invention relates to a paste containing a nanoscale carbon tube, in particular, a nanoscale carbon tube paste for producing an electron emission source, and an electron emission source obtained using the paste.

従来から、カーボンナノチューブを、有機溶媒中に樹脂が溶解されているビヒクル中に分散させた導電性ペーストが知られている(特許文献1参照)。該ビヒクルとしては、例えば、ブチルカルビトールアセテート等のグリコールエーテル、グリコールエステル、もしくは、ターピネオール(テルピネオール)などの単環式テルペンに属するアルコールなどの有機溶媒に、例えば、セルロースもしくはアクリル樹脂などの樹脂を溶解したものであり、基本的には、分解および揮発性の良い材料であり、例えば、大気空気中で300〜400℃程度で加熱することで除去できるものである。その具体例として、例えば、ブチルカルビトールアセテート2重量部にエチルセルロース0.2重量部を溶解したビヒクルに、カーボンナノチューブ1重量部を分散させた導電性ペーストが記載されている。
特開2000−63726(請求の範囲、段落0010参照)
Conventionally, a conductive paste in which carbon nanotubes are dispersed in a vehicle in which a resin is dissolved in an organic solvent is known (see Patent Document 1). Examples of the vehicle include glycol ethers such as butyl carbitol acetate, glycol esters, or organic solvents such as alcohols belonging to monocyclic terpenes such as terpineol (terpineol), and resins such as cellulose or acrylic resins. It is a dissolved material and basically a material with good decomposition and volatility. For example, it can be removed by heating at about 300 to 400 ° C. in atmospheric air. Specific examples thereof include a conductive paste in which 1 part by weight of carbon nanotubes is dispersed in a vehicle in which 0.2 part by weight of ethyl cellulose is dissolved in 2 parts by weight of butyl carbitol acetate.
JP 2000-63726 A (see claims, paragraph 0010)

しかしながら、カーボンナノチューブに代表されるナノスケールカーボンチューブは、元来、ペースト中での分散性が低く、上記特許文献1のようなカーボンナノチューブ、有機溶媒及び樹脂からなるペーストをはじめとするペーストは、一般に、粘度が高く調整されており、例えばマヨネーズ程度の粘性を有する。   However, nanoscale carbon tubes represented by carbon nanotubes originally have low dispersibility in the paste, and pastes including carbon nanotubes, organic solvents, and resin pastes as described in Patent Document 1, In general, the viscosity is adjusted to be high, and has a viscosity of, for example, mayonnaise.

そのため、保存時にカーボンナノチューブが凝集する傾向があるのみならず、該ペーストを基板に塗布した場合に塗膜から溶媒が揮発するに従ってカーボンナノチューブが時間と共に凝集する傾向があるという問題がある。このため、かかるペーストを基板に塗布、焼成してなる電子放出材料層は、電子放出特性が必ずしも十分満足できるとは限らない。   Therefore, there is a problem that not only carbon nanotubes tend to aggregate during storage, but also when the paste is applied to a substrate, the carbon nanotubes tend to aggregate over time as the solvent evaporates from the coating film. For this reason, an electron-emitting material layer formed by applying and baking such paste on a substrate does not always satisfy the electron emission characteristics sufficiently.

従って、本発明は、ナノスケールカーボンチューブの凝集傾向を極力抑制したペーストを提供することを主たる目的とする。   Therefore, the main object of the present invention is to provide a paste that suppresses the aggregation tendency of the nanoscale carbon tube as much as possible.

また、かかるペーストを用いて得られる、均一性に優れた電子放出材料層を備えた電子放出源を提供することをも目的とする。   It is another object of the present invention to provide an electron emission source provided with an electron emission material layer having excellent uniformity and obtained using such a paste.

本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意研究を行った結果、次の知見を得た。   As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have obtained the following knowledge.

(1) 特定の化合物が、ナノスケールカーボンチューブの凝集傾向を抑制する分散促進剤として機能する。   (1) A specific compound functions as a dispersion promoter that suppresses the aggregation tendency of the nanoscale carbon tube.

(2) かかる分散促進剤を添加したペーストは、保存中も、ナノスケールカーボンチューブの凝集が抑制されており、保存性に優れている。   (2) The paste to which the dispersion accelerator is added has excellent storage stability because aggregation of the nanoscale carbon tube is suppressed even during storage.

(3) また、該ペーストを基板に塗布した直後のウェットな塗膜においてもナノスケールカーボンチューブの凝集が抑制されており、引き続く加熱処理を行う際に溶媒の揮発に伴って生じるナノスケールカーボンチューブの凝集が起こりにくいので、ナノスケールカーボンチューブの分散均一性に優れ、優れた電子放出特性を有する電子放出材料層を備えた電子放出源を製造できる。   (3) In addition, the nanoscale carbon tube is prevented from agglomerating even in the wet coating film immediately after the paste is applied to the substrate, and the nanoscale carbon tube is generated along with the volatilization of the solvent during the subsequent heat treatment. Therefore, it is possible to manufacture an electron emission source having an electron emission material layer that has excellent dispersion uniformity of the nanoscale carbon tube and has excellent electron emission characteristics.

本発明は、これら知見に基づき、更に検討を重ねて完成されたものであり、次のナノスケールカーボンチューブペースト、該ペーストを用いて得られる電子放出源を提供するものである。   The present invention has been completed based on these findings and has been completed. The present invention provides the following nanoscale carbon tube paste and an electron emission source obtained by using the paste.

項1 ナノスケールカーボンチューブ、分散促進剤、バインダー及び溶媒を含むことを特徴とするナノスケールカーボンチューブペースト。   Item 1. A nanoscale carbon tube paste comprising a nanoscale carbon tube, a dispersion accelerator, a binder, and a solvent.

項2 分散促進剤が、水酸基を3〜8個有する炭素数3〜12の多価アルコールの少なくとも1種であり、かつ該分散促進剤を構成する少なくとも1種の沸点が該溶媒の沸点より高いことを特徴とする項1に記載のナノスケールカーボンチューブペースト。   Item 2 The dispersion accelerator is at least one of C3-12 polyhydric alcohols having 3 to 8 hydroxyl groups, and at least one boiling point constituting the dispersion accelerator is higher than the boiling point of the solvent Item 10. The nanoscale carbon tube paste according to Item 1, wherein

項3 バインダーが、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、セルロース誘導体、ポリアミド樹脂、ビニル系樹脂、ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂及びゴム系樹脂から選択される少なくとも1種であり、かつ該バインダーの分解温度が該ナノスケールカーボンチューブの分解温度より低いことを特徴とする項1又は2に記載のナノスケールカーボンチューブペースト。   Item 3 The binder is at least one selected from a phenol resin, an epoxy resin, a cellulose derivative, a polyamide resin, a vinyl resin, a polyester resin, a polyurethane resin, and a rubber resin, and the decomposition temperature of the binder is the nanoscale. Item 3. The nanoscale carbon tube paste according to item 1 or 2, which is lower than a decomposition temperature of the carbon tube.

項4 溶媒が、アルコール類、エステル類、ケトン類、エーテル類、N,N−ジメチルホルムアミド及びN−メチルピロリドンからなる群から選択される少なくとも1種である項1〜3のいずれかに記載のナノスケールカーボンチューブペースト。   Item 4 The solvent according to any one of Items 1 to 3, wherein the solvent is at least one selected from the group consisting of alcohols, esters, ketones, ethers, N, N-dimethylformamide, and N-methylpyrrolidone. Nanoscale carbon tube paste.

項5 ナノスケールカーボンチューブが、
(i) 単層カーボンナノチューブ
(ii) アモルファスナノスケールカーボンチューブ、
(iii) ナノフレークカーボンチューブ及び入れ子構造の多層カーボンナノチューブからなる群から選ばれるカーボンチューブ
(iv)上記(iii)のカーボンチューブと炭化鉄又は鉄とからなり、該カーボンチューブのチューブ内空間部の10〜90%の範囲に炭化鉄又は鉄が充填されている鉄−炭素複合体、または、
(v) 上記(i)〜(iv)の2種以上の混合物
であることを特徴とする項1〜4のいずれかに記載のナノスケールカーボンチューブペースト。
Item 5 Nanoscale carbon tube
(i) Single-walled carbon nanotube
(ii) amorphous nanoscale carbon tube,
(iii) A carbon tube selected from the group consisting of a nano flake carbon tube and a multi-walled carbon nanotube with a nested structure
(iv) an iron-carbon composite comprising the carbon tube of (iii) above and iron carbide or iron, wherein iron carbide or iron is filled in a range of 10 to 90% of the space in the tube of the carbon tube; Or
(v) The nanoscale carbon tube paste according to any one of Items 1 to 4, which is a mixture of two or more of the above (i) to (iv).

項6 ナノスケールカーボンチューブ100重量部に対して、分散促進剤を0.1〜50重量部、バインダーを1〜95重量部、溶媒を100〜2000重量部含有する項1〜5のいずれかに記載のナノスケールカーボンチューブペースト。   Item 6 Any one of Items 1 to 5 containing 0.1 to 50 parts by weight of a dispersion accelerator, 1 to 95 parts by weight of a binder, and 100 to 2000 parts by weight of a solvent with respect to 100 parts by weight of the nanoscale carbon tube. The described nanoscale carbon tube paste.

項7 導電性粒子を更に含有する項1〜6のいずれかに記載のナノスケールカーボンチューブペースト。   Item 7 The nanoscale carbon tube paste according to any one of Items 1 to 6, further comprising conductive particles.

項8 ナノスケールカーボンチューブ100重量部に対して、導電性粒子を、1〜2000重量部含有する項7に記載のナノスケールカーボンチューブペースト。   Item 8 The nanoscale carbon tube paste according to Item 7, which contains 1 to 2000 parts by weight of conductive particles with respect to 100 parts by weight of the nanoscale carbon tube.

項9 (A) 少なくとも一部が導電性を有する基板又はパターニングされた基板、及び
(B)該基板上に形成され、且つ、項1〜8のいずれかに記載のナノスケールカーボンチューブペーストの塗膜を焼成してなる電子放出材料層
を備えた電子放出源。
Item 9 (A) A substrate having at least a part of conductivity or a patterned substrate, and (B) the nanoscale carbon tube paste according to any one of Items 1 to 8 formed on the substrate An electron emission source comprising an electron emission material layer formed by firing a film.

本発明のナノスケールカーボンチューブペーストは、保存性に優れ、また、基板に塗布した際にも塗膜中でナノスケールカーボンチューブが凝集する傾向が抑制されているので、電子放出源の製造用に特に有用である。   The nanoscale carbon tube paste of the present invention has excellent storability, and the tendency of the nanoscale carbon tube to aggregate in the coating film even when applied to a substrate is suppressed. It is particularly useful.

また、本発明のナノスケールカーボンチューブペーストの塗膜中で、ナノスケールカーボンチューブは、熱分解劣化がなく、かつ、凝集し難いので、本発明のナノスケールカーボンチューブペーストを用いて得られる電子放出源は、その電子放出材料層において、ナノスケールカーボンチューブが基板上に均一分布しているという利点があり、優れた電子放出特性を有する。   Further, in the coating film of the nanoscale carbon tube paste of the present invention, the nanoscale carbon tube has no thermal degradation and is difficult to aggregate, so that the electron emission obtained using the nanoscale carbon tube paste of the present invention is used. The source has the advantage that the nanoscale carbon tube is uniformly distributed on the substrate in the electron emission material layer, and has excellent electron emission characteristics.

ナノスケールカーボンチューブ
本発明で使用するナノスケールカーボンチューブとしては、ナノサイズの直径を有するカーボンチューブを指し、該カーボンチューブのチューブ内空間部には鉄等が内包されていてもよい。
Nanoscale carbon tube The nanoscale carbon tube used in the present invention refers to a carbon tube having a nano-sized diameter, and iron or the like may be included in the inner space of the carbon tube.

かかるナノスケールカーボンチューブとしては、(1)単層カーボンナノチューブ、(2)多層カーボンナノチューブ、本願出願人が開発した(3)アモルファスナノスケールカーボンチューブ、(4)ナノフレークカーボンチューブ、(5)(a)ナノフレークカーボンチューブ及び入れ子構造の多層カーボンナノチューブからなる群から選ばれるカーボンチューブと(b)炭化鉄又は鉄とからなり、該カーボンチューブ(a)のチューブ内空間部の10〜90%の範囲に(b)の炭化鉄又は鉄が充填されている鉄−炭素複合体等を例示することができる。   As such nanoscale carbon tubes, (1) single-walled carbon nanotubes, (2) multi-walled carbon nanotubes, (3) amorphous nanoscale carbon tubes developed by the present applicant, (4) nanoflake carbon tubes, (5) ( a) a carbon tube selected from the group consisting of nano flake carbon tubes and nested multi-walled carbon nanotubes; and (b) iron carbide or iron, and 10 to 90% of the space in the tube of the carbon tube (a). Examples of the range include (b) iron carbide or iron-carbon composite filled with iron.

これらのうちでも、特に、上記アモルファスナノスケールカーボンチューブ、ナノフレークカーボンチューブおよび上記鉄−炭素複合体が、溶媒、バインダー中での分散が良好であり、好ましい。これらチューブが溶媒、バインダー中での分散が良好である理由は完全には解明されていないが、これらチューブの最外層の炭素網面が不連続であるため、溶媒、バインダー等との親和性が高くなっているためと推察される。   Among these, the amorphous nanoscale carbon tube, the nano flake carbon tube, and the iron-carbon composite are particularly preferable because of good dispersion in a solvent and a binder. The reason why these tubes are well dispersed in solvents and binders has not been fully elucidated, but because the carbon network surface of the outermost layer of these tubes is discontinuous, the affinity with solvents, binders, etc. It is assumed that it is higher.

カーボンナノチューブ
カーボンナノチューブは、黒鉛シート(即ち、黒鉛構造の炭素原子面ないしグラフェンシート)がチューブ状に閉じた中空炭素物質であり、その直径はナノメートルスケールであり、壁構造は黒鉛構造を有している。カーボンナノチューブのうち、壁構造が一枚の黒鉛シートでチューブ状に閉じたものは単層カーボンナノチューブと呼ばれ、複数枚の黒鉛シートがそれぞれチューブ状に閉じて、入れ子状になっているものは入れ子構造の多層カーボンナノチューブと呼ばれている。本発明では、これら単層カーボンナノチューブ及び多層カーボンナノチューブがいずれも使用できる。
< Carbon nanotube >
A carbon nanotube is a hollow carbon material in which a graphite sheet (that is, a carbon atom plane or graphene sheet of a graphite structure) is closed like a tube, its diameter is nanometer scale, and the wall structure has a graphite structure. . Among the carbon nanotubes, one with a single graphite sheet whose wall structure is closed in a tube shape is called a single-walled carbon nanotube, and a plurality of graphite sheets are each closed in a tube shape and are nested. It is called a multi-walled carbon nanotube with a nested structure. In the present invention, both single-walled carbon nanotubes and multi-walled carbon nanotubes can be used.

本発明で使用できる単層カーボンナノチューブとしては、直径が0.4〜10nm程度、長さが1〜500μm程度のものが好ましく、直径が0.7〜5nm程度、長さが1〜100μm程度のものがさらに好ましく、特に、直径が0.7〜2nm程度、長さが1〜20μm程度のものが好ましい。   The single-walled carbon nanotube that can be used in the present invention preferably has a diameter of about 0.4 to 10 nm and a length of about 1 to 500 μm, and more preferably has a diameter of about 0.7 to 5 nm and a length of about 1 to 100 μm. In particular, those having a diameter of about 0.7 to 2 nm and a length of about 1 to 20 μm are preferable.

また、本発明で使用できる多層カーボンナノチューブとしては、直径が1〜100nm程度、長さが1〜500μm程度のものが好ましく、直径が1〜50nm程度、長さが1〜100μm程度のものがさらに好ましく、特に、直径が1〜40nm程度、長さが1〜20μm程度のものが好ましい。   The multi-walled carbon nanotube that can be used in the present invention preferably has a diameter of about 1 to 100 nm and a length of about 1 to 500 μm, and further has a diameter of about 1 to 50 nm and a length of about 1 to 100 μm. Particularly preferred are those having a diameter of about 1 to 40 nm and a length of about 1 to 20 μm.

アモルファスナノスケールカーボンチューブ
また、上記アモルファスナノスケールカーボンチューブは、WO00/40509(特許第3355442号)に記載されており、カーボンからなる主骨格を有し、直径が0.1〜1000nmであり、アモルファス構造を有するナノスケールカーボンチューブであって、直線状の形態を有し、X線回折法(入射X線:CuKα)において、ディフラクトメーター法により測定される炭素網平面(002)の平面間隔(d002)が3.54Å以上、特に3.7Å以上であり、回折角度(2θ)が25.1度以下、特に24.1度以下であり、2θバンドの半値幅が3.2度以上、特に7.0度以上であることを特徴とするものである。
< Amorphous nanoscale carbon tube >
The amorphous nanoscale carbon tube is described in WO00 / 40509 (Patent No. 3355442), has a main skeleton made of carbon, has a diameter of 0.1 to 1000 nm, and has an amorphous structure. The carbon tube has a linear shape, and in the X-ray diffraction method (incident X-ray: CuKα), the plane interval (d002) of the carbon mesh plane (002) measured by the diffractometer method is 3.54 mm. In particular, it is 3.7 mm or more, the diffraction angle (2θ) is 25.1 degrees or less, particularly 24.1 degrees or less, and the half-value width of 2θ band is 3.2 degrees or more, particularly 7.0 degrees or more. It is characterized by.

該アモルファスナノスケールカーボンチューブは、マグネシウム、鉄、コバルト、ニッケル等の金属の塩化物の少なくとも1種からなる触媒の存在下で、分解温度が200〜900℃である熱分解性樹脂、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ塩化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアルコール等を、励起処理することにより得られる。   The amorphous nanoscale carbon tube is a thermally decomposable resin having a decomposition temperature of 200 to 900 ° C. in the presence of a catalyst made of at least one metal chloride such as magnesium, iron, cobalt, nickel, etc. It can be obtained by subjecting tetrafluoroethylene, polyvinylidene chloride, polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol or the like to excitation treatment.

出発原料としての熱分解性樹脂の形状は、フィルム状乃至シート状、粉末状、塊状などの任意の形状であって良い。例えば、基板上に薄膜化アモルファスナノスケールカーボンチューブを形成させた炭素材料を得る場合には、基板上に熱分解性樹脂を塗布あるいは載置した状態で、適切な条件下に励起処理すればよい。   The shape of the thermally decomposable resin as a starting material may be any shape such as a film shape, a sheet shape, a powder shape, or a lump shape. For example, when obtaining a carbon material in which a thin amorphous nanoscale carbon tube is formed on a substrate, excitation treatment may be performed under appropriate conditions with a thermally decomposable resin applied or placed on the substrate. .

該励起処理としては、例えば、不活性雰囲気中、好ましくは450〜1800℃程度の温度域でかつ原料の熱分解温度以上で加熱する、室温〜3000℃程度の温度域でかつ原料の熱分解温度以上でのプラズマ処理する等の処理が例示できる。   As the excitation treatment, for example, heating is performed in an inert atmosphere, preferably in a temperature range of about 450 to 1800 ° C. and at or above the thermal decomposition temperature of the raw material, and in a temperature range of about room temperature to 3000 ° C. and the thermal decomposition temperature of the raw material. Examples of the processing such as the above plasma processing can be given.

本発明で使用するアモルファスナノスケールカーボンチューブは、アモルファス構造(非晶質構造)を有するナノスケールのカーボンナノチューブで、中空直線状であり、細孔が高度に制御されている。その形状は、主に円柱、四角柱などであり、先端の少なくとも一方が、キャップを有していない(開口している)場合が多い。先端が閉口している場合には、形状がフラット状である場合が多い。   The amorphous nanoscale carbon tube used in the present invention is a nanoscale carbon nanotube having an amorphous structure (amorphous structure), has a hollow linear shape, and the pores are highly controlled. The shape is mainly a cylinder, a quadrangular prism, etc., and at least one of the tips often has no cap (open). When the tip is closed, the shape is often flat.

該アモルファスナノスケールカーボンチューブの外径は、通常1〜1000nm程度の範囲にあり、好ましくは1〜200nm程度の範囲にあり、より好ましくは、1〜100nm程度の範囲にある。そのアスペクト比(チューブの長さ/直径)は2倍以上であり、好ましくは5倍以上である。   The outer diameter of the amorphous nanoscale carbon tube is usually in the range of about 1 to 1000 nm, preferably in the range of about 1 to 200 nm, and more preferably in the range of about 1 to 100 nm. The aspect ratio (tube length / diameter) is 2 times or more, preferably 5 times or more.

ここで、「アモルファス構造」とは、規則的に配列した炭素原子の連続的な炭素層からなる黒鉛質構造ではなく、不規則な炭素網平面からなる炭素質構造を意味し、多数の微細なグラフェンシートが不規則に配列している。代表的な分析手法である透過型電子顕微鏡による像からは、本発明による非晶質構造のナノスケールカーボンチューブは、炭素網平面の平面方向の広がりがアモルファスナノスケールカーボンチューブの直径の1倍より小さい。このように、アモルファスナノスケールカーボンチューブは、その壁部が黒鉛構造ではなく多数の微細なグラフェンシート(炭素網面)が不規則に分布したアモルファス構造を有しているため、最外層を構成する炭素網面は、チューブ長手方向の全長にわたって連続しておらず、不連続となっている。特に、最外層を構成する炭素網面の長さは、20nm未満、特に5nm未満である。   Here, “amorphous structure” means a carbonaceous structure consisting of an irregular carbon network plane, not a graphite structure consisting of a continuous carbon layer of regularly arranged carbon atoms. The graphene sheets are irregularly arranged. From an image obtained by a transmission electron microscope, which is a typical analysis technique, the nanoscale carbon tube having an amorphous structure according to the present invention has a spread in the plane direction of the carbon network plane that is one time larger than the diameter of the amorphous nanoscale carbon tube. small. As described above, the amorphous nanoscale carbon tube has an amorphous structure in which a large number of fine graphene sheets (carbon network surface) are irregularly distributed instead of a graphite structure, so that the outermost layer is formed. The carbon mesh surface is not continuous over the entire length in the tube longitudinal direction but is discontinuous. In particular, the length of the carbon network surface constituting the outermost layer is less than 20 nm, particularly less than 5 nm.

非晶質炭素は一般的にはX線回折を示さないが、ブロードな反射を示す。黒鉛質構造では、炭素網平面が規則的に積み重なっているので、炭素網平面間隔(d002)が狭くなり、ブロードな反射は高角側(2θ)に移行して、次第に鋭くなり(2θバンドの半値幅が狭くなり)、d002回折線として観測できるようになる(黒鉛的位置関係で規則正しく積み重なっている場合はd002=3.354Åである)。 Amorphous carbon generally does not exhibit X-ray diffraction, but exhibits broad reflection. In the graphitic structure, the carbon mesh planes are regularly stacked, so the carbon mesh plane spacing (d 002 ) is narrowed, and the broad reflection shifts to the high angle side (2θ) and becomes gradually sharper (in the 2θ band). It becomes observable as d 002 diffraction lines (d 002 = 3.354 mm when they are regularly stacked due to the graphite positional relationship).

これに対し、非晶質構造は、上記のように一般的にはX線による回折を示さないが、部分的に非常に弱い干渉性散乱を示す。X線回折法(入射X線=CuKα)において、ディフラクトメーター法により測定される本発明によるアモルファスナノスケールカーボンチューブの理論的な結晶学的特性は、以下の様に規定される:炭素網平面間隔(d002)は、3.54Å以上であり、より好ましくは3.7Å以上である;回折角度(2θ)は、25.1度以下であり、より好ましくは24.1度以下である;前記2θバンドの半値幅は、3.2度以上であり、より好ましくは7.0度以上である。 In contrast, an amorphous structure generally does not exhibit X-ray diffraction as described above, but partially exhibits very weak coherent scattering. The theoretical crystallographic properties of the amorphous nanoscale carbon tube according to the present invention measured by the diffractometer method in the X-ray diffraction method (incident X-ray = CuKα) are defined as follows: carbon network plane The interval (d 002 ) is 3.54 mm or more, more preferably 3.7 mm or more; the diffraction angle (2θ) is 25.1 degrees or less, more preferably 24.1 degrees or less; the half width of the 2θ band Is 3.2 degrees or more, more preferably 7.0 degrees or more.

典型的には、本発明で使用するアモルファスナノスケールカーボンチューブは、X線回折による回折角度(2θ)が18.9〜22.6度の範囲内にあり、炭素網平面間隔(d002)は3.9〜4.7Åの範囲内にあり、2θバンドの半値幅は7.6〜8.2度の範囲内にある。 Typically, the amorphous nanoscale carbon tube used in the present invention has a diffraction angle (2θ) by X-ray diffraction in the range of 18.9 to 22.6 degrees, and the carbon network plane spacing (d 002 ) is 3.9 to 4.7 mm. The full width at half maximum of the 2θ band is in the range of 7.6 to 8.2 degrees.

本発明のアモルファスナノスケールカーボンチューブの形状を表す一つの用語である「直線状」なる語句は、次のように定義される。すなわち、透過型電子顕微鏡によるアモルファスナノスケールカーボンチューブ像の長さをLとし、そのアモルファスナノスケールカーボンチューブを伸ばした時の長さをL0とした場合に、L/L0が0.9以上となる形状特性を意味するものとする。 The phrase “linear”, which is one term representing the shape of the amorphous nanoscale carbon tube of the present invention, is defined as follows. That is, when the length of the amorphous nanoscale carbon tube image obtained by a transmission electron microscope is L and the length when the amorphous nanoscale carbon tube is extended is L 0 , L / L 0 is 0.9 or more. It shall mean shape characteristics.

かかるアモルファスナノスケールカーボンチューブのチューブ壁部分は、あらゆる方向に配向した複数の微細な炭素網平面(グラフェンシート)からなる非晶質構造であり、これらの炭素網平面の炭素平面間隔により活性点を有するためか、媒体である溶媒、バインダー樹脂、分散促進剤との親和性に優れているという利点を有する。   The tube wall portion of such an amorphous nanoscale carbon tube has an amorphous structure composed of a plurality of fine carbon network planes (graphene sheets) oriented in all directions, and the active point is determined by the carbon plane spacing of these carbon network planes. This has the advantage that it has excellent affinity with the solvent, binder resin, and dispersion accelerator as the medium.

鉄−炭素複合体
また、本発明で使用する上記鉄−炭素複合体は、特開2002−338220号公報に記載されており、(a)ナノフレークカーボンチューブ及び入れ子構造の多層カーボンナノチューブからなる群から選ばれるカーボンチューブと(b)炭化鉄又は鉄とからなり、該カーボンチューブ(a)のチューブ内空間部の10〜90%の範囲に(b)の炭化鉄又は鉄が充填されている。即ち、チューブ内空間部の100%の範囲に完全に充填されているものではなく、上記炭化鉄又は鉄がそのチューブ内空間部の10〜90%の範囲に充填されている(即ち、部分的に充填されている)ことを特徴とするものである。壁部は、パッチワーク状ないし張り子状(いわゆるpaper mache状)のナノフレークカーボンチューブである。
< Iron-carbon composite >
The iron-carbon composite used in the present invention is described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-338220, and (a) a carbon tube selected from the group consisting of a nano flake carbon tube and a multi-layer carbon nanotube with a nested structure. And (b) iron carbide or iron, and 10 to 90% of the space in the tube of the carbon tube (a) is filled with the iron carbide or iron (b). That is, 100% of the space in the tube is not completely filled, and the iron carbide or iron is filled in the range of 10 to 90% of the space in the tube (that is, partially). It is characterized in that it is filled in). The wall portion is a patchwork-like or machete-like (so-called paper mache-like) nano-flake carbon tube.

本願特許請求の範囲及び明細書において、「ナノフレークカーボンチューブ」とは、フレーク状の黒鉛シートが複数枚(通常は多数)パッチワーク状ないし張り子状(paper mache状)に集合して構成されている、黒鉛シートの集合体からなる炭素製チューブを指す。   In the claims and the specification of the present application, the “nano flake carbon tube” is composed of a plurality of (usually many) flake-like graphite sheets assembled into a patchwork shape or a paper mache shape. This refers to a carbon tube made of an aggregate of graphite sheets.

かかる鉄−炭素複合体は、
(1)不活性ガス雰囲気中、圧力を10-5Pa〜200kPaに調整し、反応炉内の酸素濃度を、反応炉容積をA(リットル)とし酸素量をB(Ncc)とした場合の比B/Aが1×10-10〜1×10-1となる濃度に調整した反応炉内でハロゲン化鉄を600〜900℃まで加熱する工程、及び
(2)上記反応炉内に不活性ガスを導入し、圧力10-5Pa〜200kPaで熱分解性炭素源を導入して600〜900℃で加熱処理を行う工程
を包含する製造方法により製造される。
Such iron-carbon composites are
(1) Ratio when the pressure is adjusted to 10 −5 Pa to 200 kPa in an inert gas atmosphere, the oxygen concentration in the reactor is A (liter), and the oxygen amount is B (Ncc). Heating the iron halide to 600 to 900 ° C. in a reaction furnace adjusted to a concentration at which B / A is 1 × 10 −10 to 1 × 10 −1 , and
(2) It is manufactured by a manufacturing method including a step of introducing an inert gas into the reaction furnace, introducing a pyrolytic carbon source at a pressure of 10 −5 Pa to 200 kPa, and performing a heat treatment at 600 to 900 ° C. The

ここで、酸素量Bの単位である「Ncc」は、気体の25℃での標準状態に換算したときの体積(cc)という意味である。   Here, “Ncc”, which is a unit of the oxygen amount B, means a volume (cc) when converted to a standard state of gas at 25 ° C.

該鉄−炭素複合体は、(a) ナノフレークカーボンチューブ及び入れ子構造の多層カーボンナノチューブからなる群から選ばれるカーボンチューブと(b)炭化鉄又は鉄とからなるものであって、該カーボンチューブ内空間部(即ち、チューブ壁で囲まれた空間)の実質上全てが充填されているのではなく、該空間部の一部、より具体的には10〜90%程度、特に30〜80%程度、好ましくは40〜70%程度が炭化鉄又は鉄により充填されている。   The iron-carbon composite is composed of (a) a carbon tube selected from the group consisting of nano flake carbon tubes and nested multi-walled carbon nanotubes, and (b) iron carbide or iron. The space portion (that is, the space surrounded by the tube wall) is not completely filled, but a part of the space portion, more specifically, about 10 to 90%, particularly about 30 to 80%. Preferably, about 40 to 70% is filled with iron carbide or iron.

本発明で使用する鉄−炭素複合体においては、特開2002−338220号公報に記載されているように、炭素部分は、製造工程(1)及び(2)を行った後、特定の速度で冷却するとナノフレークカーボンチューブとなり、製造工程(1)及び(2)を行った後、不活性気体中で加熱処理を行い、特定の冷却速度で冷却することにより、入れ子構造の多層カーボンナノチューブとなる。   In the iron-carbon composite used in the present invention, as described in JP-A No. 2002-338220, the carbon portion is produced at a specific rate after performing the production steps (1) and (2). When cooled, it becomes a nano flake carbon tube, and after performing the manufacturing steps (1) and (2), heat treatment is performed in an inert gas, and cooling is performed at a specific cooling rate, thereby forming a multi-walled carbon nanotube with a nested structure. .

<(a-1)ナノフレークカーボンチューブ>
本発明のナノフレークカーボンチューブと炭化鉄又は鉄からなる鉄−炭素複合体は、典型的には円柱状であるが、そのような円柱状の鉄−炭素複合体(後述の参考例2で得られたもの)の長手方向を横切る断面の透過型電子顕微鏡(TEM)写真を図6に示し、側面のTEM写真を図2に示す。
<(A-1) Nano flake carbon tube>
The nano-flake carbon tube of the present invention and the iron-carbon composite comprising iron carbide or iron are typically cylindrical, but such a cylindrical iron-carbon composite (obtained in Reference Example 2 described later). A transmission electron microscope (TEM) photograph of a cross section across the longitudinal direction is shown in FIG. 6, and a side TEM photograph is shown in FIG.

また、図7の(a-1)にそのような円柱状のナノフレークカーボンチューブのTEM像の模式図を示す。図7の(a-1)において、100は、ナノフレークカーボンチューブの長手方向のTEM像を模式的に示しており、200は、ナノフレークカーボンチューブの長手方向にほぼ垂直な断面のTEM像を模式的に示している。   FIG. 7 (a-1) shows a schematic diagram of a TEM image of such a columnar nano-flake carbon tube. In (a-1) of FIG. 7, 100 schematically shows a TEM image in the longitudinal direction of the nano flake carbon tube, and 200 shows a TEM image in a cross section substantially perpendicular to the longitudinal direction of the nano flake carbon tube. This is shown schematically.

本発明で使用する鉄−炭素複合体を構成するナノフレークカーボンチューブは、代表的には、中空円筒状の形態を有し、その断面をTEM観察した場合、弧状グラフェンシート像が同心円状に集合しており、個々のグラフェンシート像は、不連続な環を形成しており、その長手方向をTEMで観察した場合、略直線状のグラフェンシート像が、長手方向にほぼ並行に多層状に配列しており、個々のグラフェンシート像は、長手方向全長にわたって連続しておらず、不連続となっているという特徴を有している。   The nanoflake carbon tube constituting the iron-carbon composite used in the present invention typically has a hollow cylindrical shape, and when the cross section is observed by TEM, arc-shaped graphene sheet images are concentrically assembled. Each graphene sheet image forms a discontinuous ring, and when the longitudinal direction is observed with TEM, the substantially straight graphene sheet images are arranged in multiple layers almost parallel to the longitudinal direction. The individual graphene sheet images are not continuous over the entire length in the longitudinal direction, but are discontinuous.

より詳しくは、本発明で使用する鉄−炭素複合体を構成しているナノフレークカーボンチューブは、図6及び図7の(a-1)の200から明らかなように、その長手方向に垂直な断面をTEM観察した場合、多数の弧状グラフェンシート像が同心円状(多層構造のチューブ状)に集合しているが、個々のグラフェンシート像は、例えば210、214に示すように、完全に閉じた連続的な環を形成しておらず、途中で途切れた不連続な環を形成している。一部のグラフェンシート像は、211に示すように、分岐している場合もある。不連続点においては、一つの不連続環を構成する複数の弧状TEM像は、図7の(a-1)の222に示すように、層構造が部分的に乱れている場合もあれば、223に示すように隣接するグラフェンシート像との間に間隔が存在している場合もあるが、TEMで観察される多数の弧状グラフェンシート像は、全体として、多層状のチューブ構造を形成している。   More specifically, the nanoflake carbon tube constituting the iron-carbon composite used in the present invention is perpendicular to the longitudinal direction, as is apparent from 200 in FIGS. 6 and 7 (a-1). When the cross section is observed by TEM, many arc-shaped graphene sheet images are concentrically (multi-layered tube shape), but each graphene sheet image is completely closed as shown in 210 and 214, for example. It does not form a continuous ring, but forms a discontinuous ring that is interrupted. Some graphene sheet images may be branched as indicated by 211. At the discontinuous point, a plurality of arc-shaped TEM images constituting one discontinuous ring may have a partially disturbed layer structure as indicated by 222 in FIG. As shown by 223, there may be a space between adjacent graphene sheet images, but a large number of arc-shaped graphene sheet images observed by TEM form a multilayer tube structure as a whole. Yes.

また、図2及び図7の(a-1)の100から明らかなように、ナノフレークカーボンチューブの長手方向をTEMで観察した場合、多数の略直線状のグラフェンシート像が本発明で使用する鉄−炭素複合体の長手方向にほぼ並行に多層状に配列しているが、個々のグラフェンシート像110は、鉄−炭素複合体の長手方向全長にわたって連続しておらず、途中で不連続となっている。一部のグラフェンシート像は、図7の(a-1)の111に示すように、分岐している場合もある。また、不連続点においては、層状に配列したTEM像のうち、一つの不連続層のTEM像は、図7の(a-1)の112に示すように、隣接するグラフェンシート像と少なくとも部分的に重なり合っている場合もあれば、113に示すように隣接するグラフェンシート像と少し離れている場合もあるが、多数の略直線状のTEM像が、全体として多層構造を形成している。   Further, as is clear from 100 in FIGS. 2 and 7 (a-1), when the longitudinal direction of the nanoflake carbon tube is observed by TEM, a large number of substantially straight graphene sheet images are used in the present invention. Although it is arranged in multiple layers substantially parallel to the longitudinal direction of the iron-carbon composite, the individual graphene sheet images 110 are not continuous over the entire length in the longitudinal direction of the iron-carbon composite, and are discontinuous in the middle. It has become. Some graphene sheet images may be branched as indicated by reference numeral 111 in FIG. Further, at the discontinuous point, among the TEM images arranged in a layered manner, the TEM image of one discontinuous layer is at least partly adjacent to the adjacent graphene sheet image as indicated by 112 in (a-1) of FIG. In some cases, they may overlap each other, or as shown at 113, they may be slightly apart from the adjacent graphene sheet images, but a large number of substantially linear TEM images form a multilayer structure as a whole.

かかる本発明のナノフレークカーボンチューブの構造は、従来の多層カーボンナノチューブと大きく異なっている。即ち、図7の(a-2)の400に示すように、入れ子構造の多層カーボンナノチューブは、その長手方向に垂直な断面のTEM像が、410に示すように、完全な円形のTEM像となっている同心円状のチューブであり、且つ、図7の(a-2)の300に示すように、その長手方向の全長にわたって連続する直線状グラフェンシート像310等が平行に配列している構造(同心円筒状ないし入れ子状の構造)である。   The structure of the nanoflake carbon tube of the present invention is greatly different from the conventional multi-walled carbon nanotube. That is, as indicated by reference numeral 400 in FIG. 7A-2, the multi-walled carbon nanotube with a nested structure has a TEM image of a cross section perpendicular to the longitudinal direction thereof, as shown by 410, and a completely circular TEM image. A concentric tube, and a structure in which linear graphene sheet images 310 and the like continuous over the entire length in the longitudinal direction are arranged in parallel as shown by 300 in FIG. (Concentric cylindrical or nested structure).

以上より、詳細は未だ完全には解明されていないが、本発明で使用する鉄−炭素複合体を構成するナノフレークカーボンチューブは、フレーク状のグラフェンシートが多数パッチワーク状ないし張り子状に重なり合って全体としてチューブを形成しているようにみえる。   Although the details have not been fully elucidated yet, the nano-flake carbon tube constituting the iron-carbon composite used in the present invention has a large number of flake-like graphene sheets overlapped in a patchwork or tension form. It seems to form a tube as a whole.

このような本発明のナノフレークカーボンチューブとそのチューブ内空間部に内包された炭化鉄又は鉄からなる鉄−炭素複合体は、特許第2546114号に記載されているような入れ子構造の多層カーボンナノチューブのチューブ内空間部に金属が内包された複合体に比し、カーボンチューブの構造において大きく異なっており、従来知られていなかった新規な炭素材料である。   Such a nano-flake carbon tube of the present invention and an iron-carbon composite made of iron carbide or iron encapsulated in the inner space of the tube are nested multi-walled carbon nanotubes as described in Japanese Patent No. 2546114. Compared with the composite in which the metal is included in the inner space of the tube, the structure of the carbon tube is greatly different, and this is a novel carbon material that has not been known so far.

本発明で使用する鉄−炭素複合体を構成しているナノフレークカーボンチューブをTEM観察した場合において、その長手方向に配向している多数の略直線状のグラフェンシート像に関し、個々のグラフェンシート像の長さは、通常、2〜500nm程度、特に10〜100nm程度である。即ち、図7の(a-1)の100に示されるように、110で示される略直線状のグラフェンシートのTEM像が多数集まってナノフレークカーボンチューブの壁部のTEM像を構成しており、個々の略直線状のグラフェンシート像の長さは、通常、2〜500nm程度、特に10〜100nm程度である。   In the case of TEM observation of the nano-flake carbon tube constituting the iron-carbon composite used in the present invention, each graphene sheet image relates to a number of substantially linear graphene sheet images oriented in the longitudinal direction. The length is usually about 2 to 500 nm, particularly about 10 to 100 nm. That is, as indicated by 100 in (a-1) of FIG. 7, a large number of TEM images of the substantially linear graphene sheet indicated by 110 are gathered to constitute a TEM image of the wall portion of the nanoflake carbon tube. The length of each substantially linear graphene sheet image is usually about 2 to 500 nm, particularly about 10 to 100 nm.

このように、鉄−炭素複合体においては、その壁部を構成するナノフレークカーボンチューブの最外層は、チューブ長手方向の全長にわたって連続していない不連続なグラフェンシートから形成されており、その最外面の炭素網面の長さは、通常、2〜500nm程度、特に10〜100nm程度である。   Thus, in the iron-carbon composite, the outermost layer of the nanoflake carbon tube constituting the wall portion is formed of a discontinuous graphene sheet that is not continuous over the entire length in the tube longitudinal direction. The length of the outer carbon net surface is usually about 2 to 500 nm, particularly about 10 to 100 nm.

本発明で使用する鉄−炭素複合体を構成するナノフレークカーボンチューブの壁部の炭素部分は、上記のようにフレーク状のグラフェンシートが多数長手方向に配向して全体としてチューブ状となっているが、X線回折法により測定した場合に、炭素網面間の平均距離(d002)が0.34nm以下の黒鉛質構造を有するものである。   As described above, the carbon portion of the wall portion of the nano-flake carbon tube constituting the iron-carbon composite used in the present invention has a tube shape in which a large number of flake-like graphene sheets are oriented in the longitudinal direction. However, when measured by the X-ray diffraction method, the average distance (d002) between the carbon network surfaces has a graphite structure of 0.34 nm or less.

また、本発明で使用する鉄−炭素複合体のナノフレークカーボンチューブからなる壁部の厚さは、49nm以下、特に0.1〜20nm程度、好ましくは1〜10nm程度であって、全長に亘って実質的に均一である。   Moreover, the thickness of the wall part which consists of a nano flake carbon tube of the iron-carbon composite used by this invention is 49 nm or less, Especially about 0.1-20 nm, Preferably it is about 1-10 nm, Comprising: Over the full length, And substantially uniform.

<(a-2)入れ子構造の多層カーボンナノチューブ>
前記のように、工程(1)及び(2)を行った後、特定の加熱工程を行うことにより、得られる鉄−炭素複合体を構成するカーボンチューブは、入れ子構造の多層カーボンナノチューブとなる。
<(A-2) Nested multi-walled carbon nanotubes>
As described above, by performing the specific heating step after performing the steps (1) and (2), the carbon tube constituting the obtained iron-carbon composite becomes a multi-walled carbon nanotube having a nested structure.

こうして得られる入れ子構造の多層カーボンナノチューブは、図7の(a-2)の400に示すように、その長手方向に垂直な断面のTEM像が完全な円を構成する同心円状のチューブであり、且つ、その長手方向の全長にわたって連続したグラフェンシート像が平行に配列している構造(同心円筒状ないし入れ子状の構造)である。   The multi-walled carbon nanotube thus obtained is a concentric tube in which a TEM image of a cross section perpendicular to the longitudinal direction forms a complete circle, as indicated by 400 in FIG. 7 (a-2), And it is the structure (concentric cylindrical shape or nested structure) where the graphene sheet images continuous over the entire length in the longitudinal direction are arranged in parallel.

本発明で使用する鉄−炭素複合体を構成する入れ子構造の多層カーボンナノチューブの壁部の炭素部分は、X線回折法により測定した場合に、炭素網面間の平均距離(d002)が0.34nm以下の黒鉛質構造を有するものである。   The carbon portion of the wall portion of the multi-walled carbon nanotube of the nested structure constituting the iron-carbon composite used in the present invention has an average distance (d002) between carbon network surfaces of 0, as measured by X-ray diffraction. It has a graphite structure of 34 nm or less.

また、本発明で使用する鉄−炭素複合体の入れ子構造の多層カーボンナノチューブからなる壁部の厚さは、49nm以下、特に0.1〜20nm程度、好ましくは1〜10nm程度であって、全長に亘って実質的に均一である。   Further, the thickness of the wall portion composed of the multi-walled carbon nanotube of the iron-carbon composite nested structure used in the present invention is 49 nm or less, particularly about 0.1 to 20 nm, preferably about 1 to 10 nm. Substantially uniform.

<(b)内包されている炭化鉄又は鉄>
本明細書において、上記ナノフレークカーボンチューブ及び入れ子構造の多層カーボンナノチューブからなる群から選ばれるカーボンチューブ内空間部の炭化鉄又は鉄による充填率(10〜90%)は、本発明で使用する鉄−炭素複合体を透過型電子顕微鏡で観察し、各カーボンチューブの空間部(即ち、カーボンチューブのチューブ壁で囲まれた空間)の像の面積に対する、炭化鉄又は鉄が充填されている部分の像の面積の割合である。
<(B) Iron carbide or iron contained>
In the present specification, the filling rate (10 to 90%) of the space inside the carbon tube selected from the group consisting of the nano flake carbon tube and the multi-walled carbon nanotube of the nested structure with iron carbide or iron is the iron used in the present invention. -Observing the carbon composite with a transmission electron microscope, and comparing the area of the image of the space of each carbon tube (ie, the space surrounded by the tube wall of the carbon tube) with the portion filled with iron carbide or iron. It is the ratio of the area of the image.

炭化鉄又は鉄の充填形態は、カーボンチューブ内空間部に連続的に充填されている形態、カーボンチューブ内空間部に断続的に充填されている形態等があるが、基本的には断続的に充填されている。従って、本発明で使用する鉄−炭素複合体は、金属内包炭素複合体ないし鉄化合物内包炭素複合体、炭化鉄又は鉄内包炭素複合体とも言うべきものである。   The filling form of iron carbide or iron includes a form in which the space in the carbon tube is continuously filled and a form in which the space in the carbon tube is filled intermittently. Filled. Therefore, the iron-carbon composite used in the present invention should also be referred to as a metal-encapsulated carbon composite, an iron compound-encapsulated carbon composite, iron carbide, or an iron-encapsulated carbon composite.

また、本発明で使用する鉄−炭素複合体に内包されている炭化鉄又は鉄は、カーボンチューブの長手方向に配向しており、結晶性が高く、炭化鉄又は鉄が充填されている範囲のTEM像の面積に対する、結晶性炭化鉄又は鉄のTEM像の面積の割合(以下「結晶化率」という)は、一般に、90〜100%程度、特に95〜100%程度である。   In addition, the iron carbide or iron included in the iron-carbon composite used in the present invention is oriented in the longitudinal direction of the carbon tube, has high crystallinity, and is in a range where iron carbide or iron is filled. The ratio of the area of the crystalline iron carbide or iron TEM image to the area of the TEM image (hereinafter referred to as “crystallization rate”) is generally about 90 to 100%, particularly about 95 to 100%.

内包されている炭化鉄又は鉄の結晶性が高いことは、本発明鉄−炭素複合体の側面からTEM観察した場合、内包物のTEM像が格子状に配列していることから明らかであり、電子線回折において明確な回折パターンが得られることからも明らかである。   The high crystallinity of the iron carbide or iron contained is apparent from the fact that the TEM images of the inclusions are arranged in a lattice form when observed from the side of the iron-carbon composite of the present invention, It is clear from the fact that a clear diffraction pattern can be obtained in electron beam diffraction.

また、本発明で使用する鉄−炭素複合体に炭化鉄又は鉄が内包されていることは、電子顕微鏡、EDX(エネルギー分散型X線検出器)により容易に確認することができる。   Moreover, it can be easily confirmed by an electron microscope and EDX (energy dispersive X-ray detector) that iron carbide or iron is included in the iron-carbon composite used in the present invention.

<鉄−炭素複合体の全体形状>
本発明で使用する鉄−炭素複合体は、湾曲が少なく、直線状であり、壁部の厚さが全長に亘ってほぼ一定の均一厚さを有しているので、全長に亘って均質な形状を有している。その形状は、柱状で、主に円柱状である。
<Overall shape of iron-carbon composite>
The iron-carbon composite used in the present invention is less curved, straight, and has a uniform thickness over the entire length of the wall, so it is homogeneous over the entire length. It has a shape. The shape is columnar and mainly cylindrical.

本発明による鉄−炭素複合体の外径は、通常、1〜100nm程度、特に1〜50nm程度の範囲にあり、好ましくは1〜30nm程度の範囲にあり、より好ましくは10〜30nm程度の範囲にある。チューブの長さ(L)の外径(D)に対するアスペクト比(L/D)は、5〜10000程度であり、特に10〜1000程度である。   The outer diameter of the iron-carbon composite according to the present invention is usually about 1 to 100 nm, particularly about 1 to 50 nm, preferably about 1 to 30 nm, more preferably about 10 to 30 nm. It is in. The aspect ratio (L / D) of the tube length (L) to the outer diameter (D) is about 5 to 10,000, and particularly about 10 to 1,000.

本発明で使用する鉄−炭素複合体の形状を表す一つの用語である「直線状」なる語句は、次のように定義される。即ち、透過型電子顕微鏡により本発明で使用する鉄−炭素複合体を含む炭素質材料を200〜2000nm四方の範囲で観察し、像の長さをWとし、該像を直線状に伸ばした時の長さをWoとした場合に、比W/Woが、0.8以上、特に、0.9以上となる形状特性を意味するものとする。   The term “linear”, which is one term representing the shape of the iron-carbon composite used in the present invention, is defined as follows. That is, when the carbonaceous material containing the iron-carbon composite used in the present invention is observed in a range of 200 to 2000 nm square by a transmission electron microscope, the length of the image is W, and the image is linearly extended. In this case, the shape characteristic means that the ratio W / Wo is 0.8 or more, particularly 0.9 or more.

本発明で使用する鉄−炭素複合体は、バルク材料としてみた場合、次の性質を有する。即ち、本発明では、上記のようなナノフレークカーボンチューブ及び入れ子構造の多層カーボンナノチューブから選ばれるカーボンチューブのチューブ内空間部の10〜90%の範囲に鉄または炭化鉄が充填されている鉄−炭素複合体は、顕微鏡観察によりかろうじて観察できる程度の微量ではなく、多数の該鉄−炭素複合体を含むバルク材料であって、鉄−炭素複合体を含む炭素質材料、或いは、炭化鉄又は鉄内包炭素質材料ともいうべき材料の形態で大量に得られる。   The iron-carbon composite used in the present invention has the following properties when viewed as a bulk material. That is, in the present invention, iron- or iron carbide is filled in a range of 10 to 90% of the space in the tube of the carbon tube selected from the nano flake carbon tube and the nested multi-walled carbon nanotube as described above. The carbon composite is not a minute amount that can be barely observed by microscopic observation, but is a bulk material containing a large number of the iron-carbon composite, and is a carbonaceous material containing iron-carbon composite, or iron carbide or iron. It can be obtained in large quantities in the form of a material that should also be called an embedded carbonaceous material.

後述の参考例2で製造されたナノフレークカーボンチューブとそのチューブ内空間に充填された炭化鉄からなる本発明炭素質材料の電子顕微鏡写真を、図3に示す。   FIG. 3 shows an electron micrograph of the carbonaceous material of the present invention consisting of the nano-flake carbon tube produced in Reference Example 2 described later and iron carbide filled in the inner space of the tube.

図3から判るように、本発明で使用する鉄−炭素複合体を含む炭素質材料においては、基本的にはほとんど全ての(特に99%又はそれ以上の)カーボンチューブにおいて、その空間部(即ち、カーボンチューブのチューブ壁で囲まれた空間)の10〜90%の範囲に炭化鉄又は鉄が充填されており、空間部が充填されていないカーボンチューブは実質上存在しないのが通常である。但し、場合によっては、炭化鉄又は鉄が充填されていないカーボンチューブも微量混在することがある。   As can be seen from FIG. 3, in the carbonaceous material including the iron-carbon composite used in the present invention, basically, in almost all (particularly 99% or more) carbon tubes, the space portion (that is, In general, iron carbide or iron is filled in a range of 10 to 90% of the space surrounded by the tube wall of the carbon tube, and there is usually substantially no carbon tube in which the space is not filled. However, in some cases, a small amount of carbon tubes not filled with iron carbide or iron may be mixed.

また、本発明の炭素質材料においては、上記のようなカーボンチューブ内空間部の10〜90%に鉄または炭化鉄が充填されている鉄−炭素複合体が主要構成成分であるが、本発明の鉄−炭素質複合体以外に、スス等が含まれている場合がある。そのような場合は、本発明の鉄−炭素質複合体以外の成分を除去して、本発明の炭素質材料中の鉄−炭素質複合体の純度を向上させ、実質上本発明で使用する鉄−炭素複合体のみからなる炭素質材料を得ることもできる。   Further, in the carbonaceous material of the present invention, an iron-carbon composite in which 10 to 90% of the space in the carbon tube as described above is filled with iron or iron carbide is a main constituent component. In addition to the iron-carbonaceous composite, soot may be contained. In such a case, components other than the iron-carbonaceous composite of the present invention are removed to improve the purity of the iron-carbonaceous composite in the carbonaceous material of the present invention, which is substantially used in the present invention. A carbonaceous material consisting only of an iron-carbon composite can also be obtained.

また、従来の顕微鏡観察で微量確認し得るに過ぎなかった材料とは異なり、本発明で使用する鉄−炭素複合体を含む炭素質材料は大量に合成できるので、その重量を容易に1mg以上とすることができる。   In addition, unlike materials that could only be confirmed in microscopic amounts by conventional microscopic observation, the carbonaceous material containing the iron-carbon composite used in the present invention can be synthesized in large quantities, and its weight can easily be increased to 1 mg or more. can do.

本発明炭素質材料は、該炭素質材料1mgに対して25mm2以上の照射面積で、CuKαのX線を照射した粉末X線回折測定において、内包されている鉄または炭化鉄に帰属される40°<2θ<50°のピークの中で最も強い積分強度を示すピークの積分強度をIaとし、カーボンチューブの炭素網面間の平均距離(d002)に帰属される26°<2θ<27°のピークの積分強度Ibとした場合に、IaのIbに対する比R(=Ia/Ib)が、0.35〜5程度、特に0.5〜4程度であるのが好ましく、より好ましくは1〜3程度である。 The carbonaceous material of the present invention is attributed to iron or iron carbide contained in powder X-ray diffraction measurement in which X-rays of CuKα are irradiated with an irradiation area of 25 mm 2 or more with respect to 1 mg of the carbonaceous material. The integrated intensity of the peak showing the strongest integrated intensity among the peaks of ° <2θ <50 ° is Ia, and 26 ° <2θ <27 ° attributed to the average distance (d002) between the carbon network surfaces of the carbon tubes. When the integrated intensity Ib of the peak is set, the ratio R (= Ia / Ib) of Ia to Ib is preferably about 0.35 to 5, particularly about 0.5 to 4, more preferably 1 to 3. Degree.

本明細書において、上記Ia/Ibの比をR値と呼ぶ。このR値は、本発明で使用する鉄−炭素複合体を含む炭素質材料を、X線回折法において25mm2以上のX線照射面積で観察した場合に、炭素質材料全体の平均値としてピーク強度が観察されるために、TEM分析で測定できる1本の鉄−炭素複合体における内包率ないし充填率ではなく、鉄−炭素複合体の集合物である炭素質材料全体としての、炭化鉄又は鉄充填率ないし内包率の平均値を示すものである。 In this specification, the ratio of Ia / Ib is referred to as an R value. This R value peaks as an average value of the entire carbonaceous material when the carbonaceous material containing the iron-carbon composite used in the present invention is observed in an X-ray diffraction method with an X-ray irradiation area of 25 mm 2 or more. Since the strength is observed, not the inclusion rate or filling rate in one iron-carbon composite that can be measured by TEM analysis, but the entire carbonaceous material as an aggregate of iron-carbon composites, It shows the average value of iron filling rate or inclusion rate.

尚、多数の本発明鉄−炭素複合体を含む炭素質材料全体としての平均充填率は、TEMで複数の視野を観察し、各視野で観察される複数の鉄−炭素複合体における炭化鉄又は鉄の平均充填率を測定し、更に複数の視野の平均充填率の平均値を算出することによっても求めることができる。かかる方法で測定した場合、本発明で使用する鉄−炭素複合体からなる炭素質材料全体としての炭化鉄又は鉄の平均充填率は、10〜90%程度、特に40〜70%程度である。   In addition, the average filling rate as a whole carbonaceous material containing a large number of the present invention iron-carbon composites is observed by TEM, and a plurality of iron carbides in a plurality of iron-carbon composites observed in each field of view. It can also be obtained by measuring the average filling rate of iron and calculating the average value of the average filling rates of a plurality of visual fields. When measured by such a method, the average filling rate of iron carbide or iron as a whole carbonaceous material comprising the iron-carbon composite used in the present invention is about 10 to 90%, particularly about 40 to 70%.

ナノフレークカーボンチューブ
上記の鉄又は炭化鉄がナノフレークカーボンチューブのチューブ内空間に部分内包されている鉄−炭素複合体を酸処理することにより、内包されている鉄又は炭化鉄が溶解除去され、チューブ内空間部に鉄又は炭化鉄が存在しない中空のナノフレークカーボンチューブを得ることができる。
< Nano flake carbon tube >
The iron or carbon carbide in which the iron or iron carbide is partially encapsulated in the inner space of the nano flake carbon tube is acid-treated to dissolve and remove the encapsulated iron or iron carbide. A hollow nanoflake carbon tube in which no iron or iron carbide is present can be obtained.

上記酸処理に使用する酸としては、塩酸、硫酸、硝酸、フッ酸等を例示でき、その濃度は0.1〜5N程度のものが好ましい。酸処理方法としては、種々の方法により行うことが可能であるが、例えば、1Nの塩酸100mlに対して、1gの鉄内包ナノフレークカーボンチューブを分散し、室温で6時間撹拌処理し、ろ過分離した後、さらに、2回1Nの塩酸100mlで同様の処理を行なうことで、中空のナノフレークカーボンチューブを得ることができる。   Examples of the acid used for the acid treatment include hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, hydrofluoric acid, and the like, and the concentration is preferably about 0.1 to 5N. As an acid treatment method, various methods can be used. For example, 1 g of iron-encapsulated nanoflake carbon tube is dispersed in 100 ml of 1N hydrochloric acid, and stirred at room temperature for 6 hours, followed by filtration and separation. After that, a hollow nanoflake carbon tube can be obtained by performing the same treatment twice with 100 ml of 1N hydrochloric acid twice.

この酸処理によってもナノフレークカーボンチューブの基本的構成は特に変化を受けない。よって、チューブ内空間部に鉄又は炭化鉄が存在しない中空のナノフレークカーボンチューブにおいても、その最外面を構成する炭素網面の長さは、500nm以下であり、特に2〜500nm、特に10〜100nmである。   The basic structure of the nano flake carbon tube is not particularly changed by this acid treatment. Therefore, even in a hollow nanoflake carbon tube in which iron or iron carbide does not exist in the inner space of the tube, the length of the carbon network surface constituting the outermost surface is 500 nm or less, particularly 2 to 500 nm, particularly 10 to 10. 100 nm.

分散促進剤
本発明では、均一なペースト状態から溶媒を除去し成膜体を形成する過程でナノスケールカーボンチューブの分散を促進するものとして機能する化合物を使用することが重要である。
Dispersion Accelerator In the present invention, it is important to use a compound that functions as a substance that promotes the dispersion of the nanoscale carbon tube in the process of removing the solvent from the uniform paste state to form a film-formed body.

特に、ペーストは、ナノスケールカーボンチューブを含有する樹脂コーティング溶液等と比較して、ナノスケールカーボンチューブ濃度が高く、マヨネーズ程度の粘性を有するため高度な分散を保持することが一般に困難である。また、ペーストを基板に塗布して塗膜を形成し、得られたウェットな塗膜から溶媒を揮発させて乾燥させる場合、或いは、得られたウェットな塗膜を乾燥することなく直ちに加熱処理工程に供して焼成する場合に、溶媒が揮発するにつれて均一な成膜が難しくなり団子状の凝集物が生じやすくなる傾向があるが、本発明では、分散促進剤を使用しているので、このナノスケールカーボンチューブの均一な分散が可能となり、特に電子放出材料として適した、ナノスケールカーボンチューブ分散状況を作り出す。そのため、本発明では団子状の凝集物のない均一な乾燥塗膜が得られ、これを加熱処理して得られる電子放出材料層は優れた電子放出特性を有する。   In particular, the paste is generally difficult to maintain a high degree of dispersion since the concentration of the nanoscale carbon tube is higher than that of a resin coating solution containing the nanoscale carbon tube and the viscosity is about mayonnaise. Also, when the paste is applied to the substrate to form a coating film, and the solvent is evaporated from the obtained wet coating film to dry, or the obtained wet coating film is immediately dried without drying. In the present invention, when the solvent is volatilized, uniform film formation tends to be difficult and dumpling aggregates tend to be formed. A uniform dispersion of the scale carbon tube is possible, and a nanoscale carbon tube dispersion state suitable for an electron emission material is created. Therefore, in the present invention, a uniform dry coating film free from dumpling-like aggregates is obtained, and the electron-emitting material layer obtained by heat treatment has excellent electron-emitting characteristics.

かかる分散促進剤としては、例えば、グリセリン、ジグリセリン、ペンタエリストール、キシロース、キシリトール、トリメチロールプロパン、マンニトール、ソルビトール、グルコース、フルクトース、ジトリメチロールプロパン、スクロース等の分子内に水酸基を3〜8個有する炭素数3〜12の多価アルコールが挙げられる。これらのうちでも、グリセリン、ジグリセリン等が好ましい。   Examples of the dispersion accelerator include 3 to 8 hydroxyl groups in a molecule such as glycerin, diglycerin, pentaerythritol, xylose, xylitol, trimethylolpropane, mannitol, sorbitol, glucose, fructose, ditrimethylolpropane, sucrose. Examples thereof include polyhydric alcohols having 3 to 12 carbon atoms. Of these, glycerin, diglycerin and the like are preferable.

分散促進剤の選択に際しては、使用する溶媒の沸点よりも高い沸点を有するものを少なくとも1種使用するのが好ましい。これは、溶媒が揮発しつつある際に、分散促進剤が系内に残留している方が、ナノスケールカーボンチューブ凝集抑制に有利であると考えられるからである。   When selecting the dispersion accelerator, it is preferable to use at least one having a boiling point higher than that of the solvent used. This is because when the solvent is being volatilized, it is considered that the dispersion accelerator remaining in the system is advantageous for suppressing aggregation of the nanoscale carbon tube.

上記分散促進剤は、各々単独で又は2種以上混合して使用できる。分散促進剤の使用量は広い範囲から適宜選択できるが、一般には、ナノスケールカーボンチューブ100重量部に対し0.1〜50重量部、特に0.1〜10重量部の範囲で使用するのが好ましい。   The above dispersion accelerators can be used alone or in admixture of two or more. The amount of the dispersion accelerator used can be appropriately selected from a wide range, but in general, it is used in the range of 0.1 to 50 parts by weight, particularly 0.1 to 10 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the nanoscale carbon tube. preferable.

バインダー
本発明で使用するバインダーとしては、従来からの導電性ペーストに使用されている樹脂が何れも使用できるが、特に、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、セルロース誘導体、ポリアミド樹脂、ビニル系樹脂、ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、ゴム系樹脂等が好ましい。これらのうちでも、電子放出用電極にナノスケールカーボンチューブを使用する場合、耐熱性とデバイスの生産性を考慮すると、特に低温で消失又は炭化又は固形化するバインダーが望ましい。
Binder As the binder used in the present invention, any of the resins used in conventional conductive pastes can be used. In particular, phenol resins, epoxy resins, cellulose derivatives, polyamide resins, vinyl resins, polyester resins, A polyurethane resin, a rubber-based resin or the like is preferable. Among these, when a nanoscale carbon tube is used for the electron emission electrode, in consideration of heat resistance and device productivity, a binder that disappears or carbonizes or solidifies at a low temperature is particularly desirable.

本発明に用いるフェノール樹脂としては、公知のものが使用できるが、例えば、ノボラック型フェノール樹脂、レゾール型フェノール樹脂、キシレン樹脂変性レゾール型樹脂、ロジン変性フェノール樹脂が挙げられる。なかでもレゾール型、および変性レゾール型樹脂が好ましい。   As the phenol resin used in the present invention, known resins can be used, and examples thereof include novolak type phenol resins, resol type phenol resins, xylene resin modified resole type resins, and rosin modified phenol resins. Of these, resol-type and modified resol-type resins are preferred.

本発明に用いるエポキシ樹脂としては、公知のものが使用できるが、例えばビスフェノールA、ビスフェノールF等のビスフェノールと、エピクロルヒドリンとの反応で得られるエポキシ樹脂、臭素化エポキシ樹脂、環式脂肪族エポキシ樹脂、トリグリシジルイソシアヌレート型エポキシ樹脂、グリシジルエステル型エポキシ樹脂、グリシジルアミン型エポキシ樹脂、複素環式エポキシ樹脂などが使用できる。
セルロース誘導体としては、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、メチルセルロース、エチルセルロース、エチルセルロース、ニトロセルロース等のセルロース類を例示することができる。これらのうちでも、特にヒドロキシプロピルセルロースが好ましい。
As the epoxy resin used in the present invention, known ones can be used. For example, epoxy resins obtained by reaction of bisphenols such as bisphenol A and bisphenol F with epichlorohydrin, brominated epoxy resins, cycloaliphatic epoxy resins, Triglycidyl isocyanurate type epoxy resins, glycidyl ester type epoxy resins, glycidyl amine type epoxy resins, heterocyclic epoxy resins and the like can be used.
Examples of the cellulose derivative include celluloses such as carboxymethyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, methyl cellulose, ethyl cellulose, ethyl cellulose, and nitrocellulose. Of these, hydroxypropylcellulose is particularly preferable.

ポリアミド樹脂としては、ナイロン6、ナイロン66,ナイロン610、ナイロン11、共重合ナイロン、アルコキシメチル化ナイロン等の本発明で使用するペースト用溶媒に可溶のポリアミドが例示される。   Examples of the polyamide resin include polyamides soluble in the paste solvent used in the present invention, such as nylon 6, nylon 66, nylon 610, nylon 11, copolymer nylon, and alkoxymethylated nylon.

ビニル系樹脂としては、ポリオレフィン系樹脂、ポリスチレン系樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリ塩化ビニリデン樹脂、ポリアクリロニトリル系樹脂、酢酸ビニル樹脂、ポリビニルアセタール(例えば、ポリビニルブチラール等)、アクリル系樹脂(特に、アクリル酸エステル、特に低級アルキルエステルの重合体、メタクリル酸エステル、特に低級アルキルエステルの重合体、該アクリル酸エステル及び/又は該メタクリル酸エステルを主成分とし他のコモノマー(例えば、スチレン、メチルスチレン、マレイン酸等)を1種又は2種以上を共重合してなる共重合体等)、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドンが例示できる。   Examples of vinyl resins include polyolefin resins, polystyrene resins, polyvinyl chloride resins, polyvinylidene chloride resins, polyacrylonitrile resins, vinyl acetate resins, polyvinyl acetals (eg, polyvinyl butyral), acrylic resins (particularly acrylic resins). Acid ester, especially lower alkyl ester polymer, methacrylic acid ester, particularly lower alkyl ester polymer, acrylic acid ester and / or other comonomer based on methacrylic acid ester (for example, styrene, methyl styrene, maleic acid) Examples thereof include copolymers obtained by copolymerizing one or two or more acids, etc.), polyvinyl alcohol, and polyvinylpyrrolidone.

ポリエステル樹脂としては、ポリアリレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等の本発明で使用するペースト用溶媒に可溶のポリエステル系樹脂が例示される。   Examples of the polyester resin include polyester resins that are soluble in the paste solvent used in the present invention, such as polyarylate, polyethylene terephthalate, and polybutylene terephthalate.

ポリウレタン樹脂としては、特に限定されないが、本発明で使用するペースト用溶媒に可溶のポリウレタン樹脂が使用できる。   Although it does not specifically limit as a polyurethane resin, A polyurethane resin soluble in the solvent for pastes used by this invention can be used.

ゴム系樹脂としては、塩化ゴム、アラビアゴム等が例示できる。   Examples of the rubber resin include chlorinated rubber and gum arabic.

上記バインダーは、各々単独で使用してもよく、また2以上を組み合わせて使用してもよい。バインダーの使用量は、広い範囲から適宜選択できるが、一般的には、ナノスケールカーボンチューブ100重量部に対し1〜95重量部、好ましくは1〜50重量部、特に5〜30重量部の範囲で使用するのが好ましい。   The above binders may be used alone or in combination of two or more. The amount of the binder used can be appropriately selected from a wide range, but is generally 1 to 95 parts by weight, preferably 1 to 50 parts by weight, particularly 5 to 30 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the nanoscale carbon tube. Is preferably used.

上記バインダーは、真空中、還元ガス雰囲気中、空気中での焼成が可能である。また、上記バインダーの中でも、その分解温度が、使用するナノスケールカーボンチューブの分解温度よりも低いものが好ましく、特に、550℃以下の加熱処理により分解、揮発するものであることが好ましい。   The binder can be fired in vacuum, in a reducing gas atmosphere, or in air. Among the binders, those having a decomposition temperature lower than the decomposition temperature of the nanoscale carbon tube to be used are preferable, and those that decompose and volatilize by heat treatment at 550 ° C. or lower are particularly preferable.

なお、本明細書及び特許請求の範囲において、ナノスケールカーボンチューブの「分解温度」とは、熱重量測定法(条件:実際にバインダーを焼成する雰囲気と同一の雰囲気で、10℃/minの掃引速度で昇温した場合)において、重量減少の始まる温度を指すものとする。この分解温度は、おそらく、ナノスケールカーボンチューブがチューブの形状を留めているが、最外層のグラフェンシートが酸化し始める温度に相当するものと考えられる。   In the present specification and claims, the “decomposition temperature” of the nanoscale carbon tube is the thermogravimetric method (condition: the same atmosphere as the actual firing of the binder, at a sweep rate of 10 ° C./min. In the case where the temperature is increased at a speed), the temperature at which the weight reduction starts is meant. This decomposition temperature probably corresponds to the temperature at which the nanoscale carbon tube retains the shape of the tube, but the outermost graphene sheet begins to oxidize.

ナノスケールカーボンチューブの分解温度は、チューブ壁部の厚さ、製造法などによっても変動するが、空気中で加熱処理した場合、一般に、単層カーボンナノチューブの分解温度は約300℃程度であり、入れ子構造の多層カーボンナノチューブの分解温度は約800℃程度であり、アモルファスナノスケールカーボンチューブの分解温度は約500℃程度であり、ナノフレークカーボンチューブの分解温度は約550℃程度であり、鉄部分内包ナノフレークカーボンチューブの分解温度は約550℃程度である。   The decomposition temperature of the nanoscale carbon tube varies depending on the thickness of the tube wall, the manufacturing method, and the like, but when heated in air, the decomposition temperature of the single-walled carbon nanotube is generally about 300 ° C., The decomposition temperature of the nested multi-walled carbon nanotube is about 800 ° C., the decomposition temperature of the amorphous nanoscale carbon tube is about 500 ° C., the decomposition temperature of the nano flake carbon tube is about 550 ° C. The decomposition temperature of the encapsulated nano flake carbon tube is about 550 ° C.

溶媒揮発後のペーストは成膜された形となるが、ペーストの濃度、ペーストの混合状況等のペースト作製条件によってはナノスケールカーボンチューブのみではうまく成膜できないことがある。そのため、バインダーを添加して、成膜の際にナノスケールカーボンチューブとバインダーとが共存した状態となることが望ましい。従って、バインダーの分解温度は、使用する溶媒の沸点よりも高いことが推奨される。   The paste after evaporation of the solvent is in the form of a film formed, but depending on the paste preparation conditions such as the paste concentration and the paste mixing condition, the nanoscale carbon tube alone may not form the film well. For this reason, it is desirable to add a binder so that the nanoscale carbon tube and the binder coexist at the time of film formation. Therefore, it is recommended that the decomposition temperature of the binder is higher than the boiling point of the solvent used.

溶媒
本発明で使用する溶媒は、上記分散促進剤及びバインダーを溶解ないし分散させる有機溶媒が広い範囲から適宜選択して使用できる。かかる溶媒としては、例えば、アルコール類、エステル類、ケトン類、エーテル類、N,N−ジメチルホルムアミド、N−メチルピロリドン等を例示できる。
Solvent The solvent used in the present invention can be selected from a wide range of organic solvents for dissolving or dispersing the above dispersion accelerator and binder. Examples of such solvents include alcohols, esters, ketones, ethers, N, N-dimethylformamide, N-methylpyrrolidone and the like.

アルコール類としては、メタノール、エタノール、ブタノール等の炭素数1〜4の脂肪族飽和アルコール、テルピネオール等を例示できる。   Examples of alcohols include C1-C4 aliphatic saturated alcohols such as methanol, ethanol, and butanol, and terpineol.

エステル類としては、蟻酸メチル、蟻酸エチル、酢酸エチル等の炭素数1〜3の脂肪酸低級(C1−C4)アルキルエステル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート等のグリコールエステル類等が例示できる。   Examples of the esters include C1-C3 fatty acid lower (C1-C4) alkyl esters such as methyl formate, ethyl formate, and ethyl acetate, and glycol esters such as propylene glycol monomethyl ether acetate.

ケトン類としては、シクロヘキサノン、メチルエチルケトン(別名:2−ブタノン)等を例示することができる。   Examples of ketones include cyclohexanone and methyl ethyl ketone (also known as 2-butanone).

エーテル類としては、ジエチルエーテル等のジ低級(C1−C3)アルキルエーテル、テトラヒドロフラン等の環状エーテル、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル等のエチレングリコールモノ(C1−C4)アルキルエーテル等を例示できる。   Examples of ethers include di-lower (C1-C3) alkyl ethers such as diethyl ether, cyclic ethers such as tetrahydrofuran, ethylene glycol mono (C1-C4) such as ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, and ethylene glycol monobutyl ether. An alkyl ether etc. can be illustrated.

溶媒としては、基本的にはバインダー及び分散促進剤が溶解ないし分散するものであればよい。しかし、ペーストの保存においては、溶媒蒸発による粘度変化、ナノスケールカーボンチューブの凝集を抑制するため、また、ペーストの成膜後、溶媒蒸発によるナノスケールカーボンチューブの凝集を抑制するために、複数の溶媒を組み合わせる手法を採用したり、高沸点溶媒、例えば、常圧での沸点が70〜550℃、特に150℃〜400℃の溶媒を用いることができる。   Basically, any solvent may be used as long as it dissolves or disperses the binder and the dispersion accelerator. However, in the storage of the paste, in order to suppress the viscosity change due to solvent evaporation and the aggregation of the nanoscale carbon tube, and to suppress the aggregation of the nanoscale carbon tube due to the solvent evaporation after forming the paste, A method of combining solvents can be adopted, or a high boiling point solvent, for example, a solvent having a boiling point of 70 to 550 ° C., particularly 150 to 400 ° C. at normal pressure can be used.

上記溶媒は、各々単独で使用してもよく、また2以上を組み合わせて使用してもよい。溶媒の使用量は、広い範囲から適宜選択できるが、使用する溶媒量は、バインダー、溶媒、添加剤、電極パターン、電極膜厚により大きく左右されることから、良好なペースト体となるよう適宜最適量を選択する必要がある。例えば印刷用に用いる場合は、粘度が低すぎればインクにじみを起こし、粘度が高すぎれば印刷マスクへのペースト目詰まり、繰り返し印刷性不良、マスクと印刷物との離型不良等を引き起こす。   The above solvents may be used alone or in combination of two or more. The amount of solvent used can be appropriately selected from a wide range, but the amount of solvent used depends greatly on the binder, solvent, additive, electrode pattern, and electrode film thickness, so it is optimally appropriate for a good paste body. It is necessary to select the amount. For example, when used for printing, if the viscosity is too low, ink bleeding occurs, and if the viscosity is too high, paste clogging on the printing mask, repeated printability failure, mold release failure between the mask and printed matter, and the like are caused.

したがって、使用する溶媒量は、ペースト体の粘度で規定されることが多く、例えば、ナノスケールカーボンチューブ100重量部に対して溶媒の使用量を好ましくは100〜2000重量部の範囲、より好ましくは200〜500重量部の範囲から適宜選択するのが有利である。これにより、得られるペーストの温度20℃における粘度(E型粘度計ロータ20rpmで測定した粘度)が0.2〜1Pa・s、特に0.4〜0.8Pa・sの範囲となるように調整するのが好ましい。   Therefore, the amount of solvent used is often defined by the viscosity of the paste body. For example, the amount of solvent used is preferably in the range of 100 to 2000 parts by weight, more preferably 100 parts by weight of the nanoscale carbon tube. It is advantageous to select appropriately from the range of 200 to 500 parts by weight. Thus, the viscosity of the obtained paste at 20 ° C. (viscosity measured with an E-type viscometer rotor at 20 rpm) is adjusted to be in the range of 0.2 to 1 Pa · s, particularly 0.4 to 0.8 Pa · s. It is preferable to do this.

他の成分
本発明のナノスケールカーボンチューブペーストには、必要に応じて、導電性粒子を添加することもできる。かかる導電性粒子としては、銀、金、白金、ニッケル、銅、インジウム、スズ、スズ合金、アルミニウム、カーボン等の導電性粒子を例示することができる。
Other Components Conductive particles can be added to the nanoscale carbon tube paste of the present invention as necessary. Examples of such conductive particles include conductive particles such as silver, gold, platinum, nickel, copper, indium, tin, tin alloy, aluminum, and carbon.

かかる導電性粒子の平均粒子径は、広い範囲から選択できるが、一般には、10〜50000nm、特に、30〜5000nmの範囲のものが好ましい。   The average particle size of the conductive particles can be selected from a wide range, but generally, the particle size is preferably 10 to 50000 nm, particularly 30 to 5000 nm.

導電性粒子の使用量は、広い範囲から選択できるが、一般的には、ナノスケールカーボンチューブ100重量部に対して1〜2000重量部、特に5〜1000重量部の範囲で使用するものが望ましい。   The amount of the conductive particles to be used can be selected from a wide range, but in general, it is desirable to use 1 to 2000 parts by weight, particularly 5 to 1000 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the nanoscale carbon tube. .

更に、本発明のナノスケールカーボンチューブペーストには、必要に応じて、種々の添加剤を本発明の効果を損ねない範囲で添加することができる。かかる添加剤としては、例えば、加熱処理により結合材として機能する低融点ガラス粉末等を例示できる。   Furthermore, if necessary, various additives can be added to the nanoscale carbon tube paste of the present invention as long as the effects of the present invention are not impaired. Examples of such additives include low-melting glass powders that function as a binder by heat treatment.

ナノスケールカーボンチューブペースト
本発明のナノスケールカーボンチューブペーストは、前記ナノスケールカーボンチューブ、分散促進剤、バインダー及び溶媒、並びに必要に応じて前記導電性微粒子や添加剤、を各々前記所定量で均一に混合することにより製造できる。
Nanoscale carbon tube paste The nanoscale carbon tube paste of the present invention comprises the nanoscale carbon tube, a dispersion accelerator, a binder and a solvent, and if necessary, the conductive fine particles and additives uniformly in the predetermined amounts. It can be manufactured by mixing.

各成分の添加順序は特に制限されないが、一般には、(a)バインダーを溶媒に溶解させ、(b)得られる溶液に分散促進剤を混合し、(c)得られるバインダー、溶媒及び分散促進剤を含む混合物に、ナノスケールカーボンチューブを混合し、得られる混合物を混練することにより、本発明のナノスケールカーボンチューブペーストを製造するのが好ましい。   The order of addition of each component is not particularly limited, but in general, (a) a binder is dissolved in a solvent, (b) a dispersion accelerator is mixed in the resulting solution, and (c) the resulting binder, solvent, and dispersion accelerator are mixed. It is preferable that the nanoscale carbon tube paste of the present invention is produced by mixing the nanoscale carbon tube with the mixture containing, and kneading the resulting mixture.

また、ナノスケールカーボンチューブに分散促進剤を均一に混合した系に、バインダーと溶媒を加えてペーストを製造することも可能である。さらには、分散促進剤を少量の溶媒で薄めた後、ナノスケールカーボンチューブと均一に混合し、残りの溶媒を加え、その後にバインダーを加えてペーストを製造することも可能である。   It is also possible to produce a paste by adding a binder and a solvent to a system in which a dispersion accelerator is uniformly mixed in a nanoscale carbon tube. Furthermore, after the dispersion accelerator is diluted with a small amount of solvent, it can be uniformly mixed with the nanoscale carbon tube, the remaining solvent is added, and then the binder is added to produce a paste.

混合方法としては、公知の方法がいずれも使用でき、例えば、ミキサー、ミル、ビーズミル、ペイントシェーカー、3本ロール等の公知の混合装置を用いて混合する方法を使用することができる。   As the mixing method, any known method can be used. For example, a method of mixing using a known mixing apparatus such as a mixer, a mill, a bead mill, a paint shaker, or a three roll can be used.

こうして得られる本発明のナノスケールカーボンチューブペーストは、保存中に、ナノスケールカーボンチューブが凝集する傾向が抑制されているので、保存性が良好であるという利点を有する。   The nanoscale carbon tube paste of the present invention thus obtained has the advantage that the storage property is good because the tendency of the nanoscale carbon tube to aggregate during storage is suppressed.

本発明のナノスケールカーボンチューブペーストは、上記のように保存性に優れ、また、基板に塗布した際にも塗膜中でナノスケールカーボンチューブが凝集する傾向が抑制されているので、電子放出源の製造用に特に有用である。   The nanoscale carbon tube paste of the present invention is excellent in storage stability as described above, and the tendency of the nanoscale carbon tube to aggregate in the coating film even when applied to a substrate is suppressed, so that an electron emission source It is particularly useful for the production of

一般には、本発明のペーストは、ペーストの材料組成にも依存するが、温度20℃における粘度(E型粘度計ロータ20rpmで測定した粘度)が0.2〜1Pa・s、特に0.4〜0.8Pa・s程度であるのが好ましい。   In general, although the paste of the present invention depends on the material composition of the paste, the viscosity at a temperature of 20 ° C. (viscosity measured with an E-type viscometer rotor at 20 rpm) is 0.2-1 Pa · s, particularly 0.4- It is preferably about 0.8 Pa · s.

電子放出源
上記のように、本発明のナノスケールカーボンチューブペーストは、電子放出源、特に電界放出型の電子放出源の製造用に有用である。例えば、少なくとも一部が導電性を有する基板、或いは常法によりパターニングされた基板に、本発明のナノスケールカーボンチューブペーストを塗布し、得られた塗膜を必要に応じて乾燥させ、未乾燥の塗膜又は乾燥塗膜を、加熱処理(焼成)することにより該基板上に電子放出材料層を形成し、こうして電子放出源を製造することができる。
Electron Emission Source As described above, the nanoscale carbon tube paste of the present invention is useful for producing an electron emission source, particularly a field emission type electron emission source. For example, the nanoscale carbon tube paste of the present invention is applied to a substrate having at least a part of conductivity, or a substrate patterned by a conventional method, and the obtained coating film is dried as necessary. An electron emission material layer can be formed on the substrate by heat-treating (baking) the coating film or the dried coating film, and thus an electron emission source can be manufactured.

上記基板としては、ITOガラス基板、ガラス基板表面に導電性塗料を塗布した基板、セラミックス基板表面に導電性塗料を塗布した基板、または、これら導電性塗料の代わりに、スパッタリングやイオンプレーティング、CVD、蒸着等により導電膜を形成した基板等を例示できる。   The substrate may be an ITO glass substrate, a substrate coated with a conductive paint on the glass substrate surface, a substrate coated with a conductive paint on the ceramic substrate surface, or sputtering, ion plating, CVD instead of these conductive paints. Examples thereof include a substrate on which a conductive film is formed by vapor deposition or the like.

電子放出源の製造に際して、本発明のナノスケールカーボンチューブペーストを用いて、スクリーン印刷法、スピンコート法、インクジェット法等の方法により、パターンを形成することもできる。   In manufacturing the electron emission source, a pattern can also be formed by a method such as a screen printing method, a spin coating method, or an ink jet method using the nanoscale carbon tube paste of the present invention.

本発明のナノスケールカーボンチューブペーストの塗布量は、デバイスのサイズ等に応じて適宜選択できるが、ペースト焼成後に残留する層の厚みが0.1〜500μm、特に0.1〜50μmの範囲であるのが好ましい。   The coating amount of the nanoscale carbon tube paste of the present invention can be appropriately selected according to the device size and the like, but the thickness of the layer remaining after baking the paste is in the range of 0.1 to 500 μm, particularly 0.1 to 50 μm. Is preferred.

本発明のペーストを塗布して得られる塗膜は、そのまま加熱処理(焼成)に供してもよいが、必要であれば、塗膜から溶媒を揮発させて乾燥塗膜とすることもできる。乾燥工程の条件としては特に限定されないが、一般には、室温〜700℃程度で圧力150kPa以下程度の条件下で行えばよい。   The coating film obtained by applying the paste of the present invention may be directly subjected to heat treatment (firing), but if necessary, the solvent can be volatilized from the coating film to form a dry coating film. Although it does not specifically limit as conditions of a drying process, Generally, what is necessary is just to perform on the conditions of about 150 kPa or less at room temperature-about 700 degreeC.

このような乾燥工程を行う際に、或いは、乾燥工程をすることなく加熱処理工程(焼成)を行う際に、塗膜から溶媒が揮発して行くが、本発明のペーストにおいては、分散促進剤を使用しているので、ナノスケールカーボンチューブの凝集がほとんど生じないという利点がある。   When performing such a drying process, or when performing a heat treatment process (firing) without performing a drying process, the solvent evaporates from the coating film. In the paste of the present invention, the dispersion accelerator Therefore, there is an advantage that the nanoscale carbon tube hardly aggregates.

未乾燥塗膜又は乾燥塗膜の加熱処理(焼成)の雰囲気としては、空気中あるいは、窒素、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気下、真空中、還元ガス雰囲気中等での処理が好ましく、処理温度は150〜700℃、特に200〜550℃の温度範囲で行なうのが好ましい。この加熱処理は、前記溶媒及び分散促進剤が消失し、バインダーが消失又は部分的に若しくは完全に炭化し、ナノスケールカーボンチューブが分解しない条件で行うことが望ましい。   As the atmosphere of the heat treatment (baking) of the undried coating film or the dried coating film, treatment in air or in an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon, in a vacuum, in a reducing gas atmosphere or the like is preferable. It is preferable to carry out in a temperature range of 150 to 700 ° C, particularly 200 to 550 ° C. This heat treatment is desirably performed under the conditions that the solvent and the dispersion accelerator disappear, the binder disappears or is partially or completely carbonized, and the nanoscale carbon tube is not decomposed.

この加熱処理により、前記分散促進剤及び溶媒が実質的にすべて除去され、基板上にナノスケールカーボンチューブのみからなる電子放出材料層、あるいは、ナノスケールカーボンチューブとバインダーが部分的に若しくは完全に炭化した成分とからなる電子放出材料層が形成される。前記導電性粒子を使用した場合は、電子放出材料層には、導電性粒子も含まれる。   By this heat treatment, substantially all of the dispersion accelerator and the solvent are removed, and the electron emitting material layer consisting only of the nanoscale carbon tube or the nanoscale carbon tube and the binder is partially or completely carbonized on the substrate. An electron emission material layer composed of the above components is formed. When the conductive particles are used, the electron emission material layer includes conductive particles.

かくして、本発明では、少なくとも一部が導電性を有する基板又はパターニングされた基板、及び、該基板上に形成され、且つ、本発明のナノスケールカーボンチューブペーストの塗膜を焼成してなる電子放出材料層(即ち、ナノスケールカーボンチューブを含む電子放出材料層)を備えた電子放出源が提供される。   Thus, in the present invention, at least a part of a conductive substrate or a patterned substrate, and electron emission formed on the substrate and formed by baking a coating film of the nanoscale carbon tube paste of the present invention An electron emission source comprising a material layer (ie, an electron emission material layer comprising nanoscale carbon tubes) is provided.

本発明の電子放出源は、種々の用途、例えば、電界放出型のデバイス、フィールドエミッションディスプレイ(FED)、高電圧型蛍光表示素子等に有利に使用できる。   The electron emission source of the present invention can be advantageously used in various applications, for example, a field emission type device, a field emission display (FED), a high voltage type fluorescent display element, and the like.

以下に実施例を掲げて本発明をより詳しく説明するが、本発明はこれら実施例により限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

参考例1
アモルファスナノスケールカーボンチューブの製造例
特許第3355442号の実施例3と同様の方法でアモルファスナノスケールカーボンチューブを製造した。より詳しくは、60μm×10mm×10mmのPTFEフィルムに無水塩化鉄粉末(500μm以下)10mgを均一に振りかけた後、真空炉内に配置し、炉内を3回窒素置換し、次いで3Paに減圧して、900℃で10分間真空焼成した。
Reference example 1
Example of production of amorphous nanoscale carbon tube An amorphous nanoscale carbon tube was produced in the same manner as in Example 3 of Japanese Patent No. 3355442. More specifically, after 10 mg of anhydrous iron chloride powder (500 μm or less) is uniformly sprinkled on a PTFE film of 60 μm × 10 mm × 10 mm, it is placed in a vacuum furnace, the inside of the furnace is purged with nitrogen three times, and then the pressure is reduced to 3 Pa. And baked in vacuum at 900 ° C. for 10 minutes.

その結果、アモルファスナノスケールカーボンチューブが形成されたことがSEMおよびX線回折により観察された。得られた生成物は、直径=10〜60nm、長さ=5〜6μmを有していた。   As a result, the formation of amorphous nanoscale carbon tubes was observed by SEM and X-ray diffraction. The resulting product had a diameter = 10-60 nm and a length = 5-6 μm.

TEMによる観察から、得られたアモルファスナノスケールカーボンチューブは、炭素網平面の平面方向の広がりが数nm以下であることを確認した。また、X線回折による回折角度(2θ)は18.9度、それから計算される炭素網平面間隔(d002)は4.7Å、2θのバンドの半値幅は8.2度であった。 From observation by TEM, it was confirmed that the obtained amorphous nanoscale carbon tube had a spread in the plane direction of the carbon network plane of several nm or less. Further, the diffraction angle (2θ) by X-ray diffraction was 18.9 degrees, the carbon network plane interval (d 002 ) calculated therefrom was 4.7 mm, and the half width of the 2θ band was 8.2 degrees.

参考例2
鉄−炭素複合体の製造例
図1に示すような反応装置を使用し、次のようにして本発明の鉄−炭素複合体を得た。図1において、1は反応炉を示し、2は加熱装置を示し、10は磁製ボートを示す。
Reference example 2
Example of Production of Iron-Carbon Composite Using a reactor as shown in FIG. 1, the iron-carbon composite of the present invention was obtained as follows. In FIG. 1, 1 indicates a reaction furnace, 2 indicates a heating device, and 10 indicates a porcelain boat.

工程(1)
無水FeCl3(関東化学株式会社製)0.5gを磁製ボート内に薄く広げて敷き詰める。これを石英管からなる炉内中央に設置し、炉内を圧力50Paまで減圧する。このとき、真空吸引するラインを取り付けた反応炉端部とは反対側(図1の反応管の左側)から酸素5000ppm含有アルゴンガスを30ml/minの速度で供給する。これにより、反応炉容積をA(リットル)とし、酸素量をB(Ncc)とした場合の比B/Aを、2.5×10-3とした。次いで、反応温度800℃まで減圧のまま昇温する。
Process (1)
Anhydrous FeCl 3 (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) 0.5 g is spread thinly in a magnetic boat. This is installed in the center of the furnace made of quartz tube, and the inside of the furnace is depressurized to a pressure of 50 Pa. At this time, argon gas containing 5000 ppm of oxygen is supplied at a rate of 30 ml / min from the side opposite to the end of the reactor to which the vacuum suction line is attached (left side of the reaction tube in FIG. 1). Thus, the ratio B / A when the reactor volume was A (liter) and the oxygen amount was B (Ncc) was 2.5 × 10 −3 . Next, the temperature is raised to 800 ° C. with reduced pressure.

工程(2)
800℃に到達した時点で、アルゴンを導入し、圧力を6.7×104Paに制御する。一方、熱分解性炭素源として、ベンゼン槽にアルゴンガスをバブリングさせて、揮発したベンゼンとアルゴンの混合ガスを、反応炉容積1リットル当たり、30ml/minの流速で炉内に導入し、希釈ガスとして、アルゴンガスを20ml/minの流速で導入する。
Process (2)
When the temperature reaches 800 ° C., argon is introduced and the pressure is controlled to 6.7 × 10 4 Pa. On the other hand, argon gas was bubbled into a benzene tank as a pyrolytic carbon source, and a mixed gas of volatilized benzene and argon was introduced into the furnace at a flow rate of 30 ml / min per liter of reactor volume, and diluted gas As described above, argon gas is introduced at a flow rate of 20 ml / min.

800℃の反応温度で30分間反応させ、500℃まで20分で降温後、ヒーターを取り外して20分で室温まで空冷することにより、本発明の鉄−炭素複合体を含む炭素質材料を200mg得た。   After reacting at a reaction temperature of 800 ° C. for 30 minutes, lowering the temperature to 500 ° C. in 20 minutes, removing the heater and air-cooling to room temperature in 20 minutes, 200 mg of a carbonaceous material containing the iron-carbon composite of the present invention was obtained. It was.

SEM観察の結果から、得られた鉄−炭素複合体は、外径15〜40nm、長さ2〜3ミクロンで直線性の高いものであった。また、炭素からなる壁部の厚さは、2〜10nmであり、全長に亘って実質的に均一であった。また、該壁部は、TEM観察及びX線回折法から炭素網面間の平均距離(d002)が0.34nm以下の黒鉛質構造を有するナノフレークカーボンチューブであることを確認した。   From the results of SEM observation, the obtained iron-carbon composite was highly linear with an outer diameter of 15 to 40 nm and a length of 2 to 3 microns. Moreover, the thickness of the wall part which consists of carbon was 2-10 nm, and was substantially uniform over the full length. Further, it was confirmed from the TEM observation and the X-ray diffraction method that the wall portion was a nanoflake carbon tube having a graphite structure having an average distance (d002) between carbon network surfaces of 0.34 nm or less.

また、X線回折、EDXにより、上記本発明の鉄−炭素複合体には炭化鉄が内包されていることを確認した。   Further, it was confirmed by X-ray diffraction and EDX that the iron-carbon composite of the present invention contained iron carbide.

得られた本発明の炭素質材料を構成する多数の鉄−炭素複合体を電子顕微鏡(TEM)で観察したところ、ナノフレークカーボンチューブの空間部(即ち、ナノフレークカーボンチューブのチューブ壁で囲まれた空間)への炭化鉄の充填率が10〜80%の範囲の種々の充填率を有する鉄−炭素複合体が混在していた。   When many iron-carbon composites constituting the obtained carbonaceous material of the present invention were observed with an electron microscope (TEM), the space portion of the nanoflake carbon tube (that is, surrounded by the tube wall of the nanoflake carbon tube). Iron-carbon composites having various filling rates in the range of 10 to 80% of the filling rate of iron carbide in the space) were mixed.

ちなみに、該多数の鉄−炭素複合体のナノフレークカーボンチューブあるいはカーボンナノチューブ内空間部への炭化鉄の平均充填率は40%であった。下記表1に、得られた鉄−炭素複合体のTEM観察像の複数の視野を観察して算出した炭化鉄の平均充填率を示す。また、X線回折から算出されたR値は、0.56であった。   Incidentally, the average filling rate of iron carbide into the nanoflake carbon tube or carbon nanotube inner space of the large number of iron-carbon composites was 40%. Table 1 below shows the average filling rate of iron carbide calculated by observing a plurality of fields of TEM observation images of the obtained iron-carbon composite. The R value calculated from X-ray diffraction was 0.56.

Figure 2005122930
本参考例2で得られた炭素質材料を構成する鉄−炭素複合体1本の電子顕微鏡(TEM)写真を図2に示す。
Figure 2005122930
An electron microscope (TEM) photograph of one iron-carbon composite constituting the carbonaceous material obtained in Reference Example 2 is shown in FIG.

本参考例2で得られた炭素質材料における多数の鉄−炭素複合体の存在状態を示す電子顕微鏡(TEM)写真を図3に示す。   FIG. 3 shows an electron microscope (TEM) photograph showing the existence state of many iron-carbon composites in the carbonaceous material obtained in Reference Example 2.

本参考例2で得られた鉄−炭素複合体1本の電子線回折図を図4に示す。図4から、鮮明な電子回折パターンが観測されており、内包物が高い結晶性を有することが分かる。TEM観察の結果、内包物の結晶化率(炭化鉄が充填されている範囲のTEM像の面積に対する、結晶性炭化鉄のTEM像の面積の割合)は、約100%であった。   The electron diffraction pattern of one iron-carbon composite obtained in Reference Example 2 is shown in FIG. FIG. 4 shows that a clear electron diffraction pattern is observed, and that the inclusions have high crystallinity. As a result of TEM observation, the crystallization rate of the inclusion (the ratio of the area of the TEM image of crystalline iron carbide to the area of the TEM image in the range filled with iron carbide) was about 100%.

本参考例2で得られた鉄−炭素複合体を含む炭素質材料(鉄−炭素複合材料の集合物)のX線回折図を図5に示す。   FIG. 5 shows an X-ray diffraction pattern of the carbonaceous material (an aggregate of iron-carbon composite materials) containing the iron-carbon composite obtained in Reference Example 2.

本参考例2で得られた鉄−炭素複合体1本を輪切状にした電子顕微鏡(TEM)写真を、図6に示す。   FIG. 6 shows an electron microscope (TEM) photograph in which one iron-carbon composite obtained in Reference Example 2 is cut into a ring shape.

図6から判るように、本参考例2で得られた炭素質材料においてはその炭素壁面が、入れ子状でもスクロール状でもなく、パッチワーク状(いわゆる paper mache 状ないし張り子状)になっているように見え、ナノフレークカーボンチューブであった。   As can be seen from FIG. 6, in the carbonaceous material obtained in the present Reference Example 2, the carbon wall surface is not nested or scrolled, but is patchwork (so-called paper mache or tension). It was a nano flake carbon tube.

図6から判るように、本参考例2で得られた鉄−炭素複合体を構成しているナノフレークカーボンチューブの形状は、円筒状であり、その長手方向を横切る断面のTEM写真において観察されるグラフェンシート像は、閉じた環状ではなく、不連続点を多数有する不連続な環状であった。   As can be seen from FIG. 6, the shape of the nanoflake carbon tube constituting the iron-carbon composite obtained in Reference Example 2 is cylindrical, and is observed in a TEM photograph of a cross section across the longitudinal direction. The graphene sheet image was not a closed ring, but a discontinuous ring having many discontinuous points.

また、本発明の鉄−炭素複合体を構成しているナノフレークカーボンチューブをTEM観察した場合において、その長手方向に配向している多数の略直線状のグラフェンシート像に関し、個々のグラフェンシート像の長さは、概ね2〜30nmの範囲であった(図2)。   In addition, when the nano-flake carbon tube constituting the iron-carbon composite of the present invention is observed by TEM, each graphene sheet image is related to a number of substantially linear graphene sheet images oriented in the longitudinal direction. The length of was approximately in the range of 2-30 nm (FIG. 2).

さらに、図6のチューブ内1〜20までのポイントで測定したEDX測定結果から、炭素:鉄の原子比率は5:5でほぼ均一な化合物が内包されていることが判った。   Furthermore, from the EDX measurement results measured at points 1 to 20 in the tube of FIG. 6, it was found that the carbon: iron atomic ratio was 5: 5 and a substantially uniform compound was included.

実施例1
まずバインダーとしてヒドロキシプロピルセルロースを5重量%含有するα−テルピネオール溶液を作製する。次に、上記ヒドロキシプロピルセルロース溶液300重量部に、分散促進剤としてグリセリン10重量部を混合する。
Example 1
First, an α-terpineol solution containing 5% by weight of hydroxypropylcellulose as a binder is prepared. Next, 10 parts by weight of glycerin as a dispersion accelerator is mixed with 300 parts by weight of the hydroxypropylcellulose solution.

更に、前記述参考例2と同様にして得た鉄−炭素複合体(炭化鉄が部分内包されたナノフレークカーボンチューブ)75重量部を混合、混練し、予備混合物を得る。   Furthermore, 75 parts by weight of an iron-carbon composite (a nanoflake carbon tube partially containing iron carbide) obtained in the same manner as in Reference Example 2 described above is mixed and kneaded to obtain a preliminary mixture.

最後に、上記予備混合物を3本ロールで混練し、本発明のナノスケールカーボンチューブペーストとした。   Finally, the preliminary mixture was kneaded with three rolls to obtain the nanoscale carbon tube paste of the present invention.

実施例2
まずバインダーとしてニトロセルロースを5重量%含有するエトキシエタノール/α−テルピネオール(エトキシエタノール/テルピネオール=1/1重量比)溶液を作製する。次に、上記ニトロセルロース溶液100重量部に、分散促進剤としてジグリセリン5重量部を、導電性微粒子としてAg(銀)微粒子(平均粒径:3μm)50重量部を順次混合する。
Example 2
First, an ethoxyethanol / α-terpineol (ethoxyethanol / terpineol = 1/1 weight ratio) solution containing 5% by weight of nitrocellulose as a binder is prepared. Next, 5 parts by weight of diglycerin as a dispersion accelerator and 50 parts by weight of Ag (silver) fine particles (average particle size: 3 μm) as conductive fine particles are sequentially mixed with 100 parts by weight of the nitrocellulose solution.

更に、得られた混合物に、上記参考例1と同様にして得たアモルファスナノスケールカーボンチューブ140重量部を混合し、予備混合物とする。   Furthermore, 140 parts by weight of the amorphous nanoscale carbon tube obtained in the same manner as in Reference Example 1 is mixed with the obtained mixture to prepare a premix.

最後に、上記予備混合物品を3本ロールで混練し、本発明のナノスケールカーボンチューブペーストとした。   Finally, the premixed article was kneaded with three rolls to obtain the nanoscale carbon tube paste of the present invention.

実施例3
まずバインダーとしてポリビニルブチラールを5重量%含有するシクロヘキサノン−メチルエチルケトン混合(シクロヘキサノン/メチルエチルケトン=1/1重量比)溶液を作製する。
Example 3
First, a cyclohexanone-methyl ethyl ketone mixed solution (cyclohexanone / methyl ethyl ketone = 1/1 weight ratio) containing 5% by weight of polyvinyl butyral as a binder is prepared.

次に、上記ポリビニルブチラール溶液300重量部に、分散促進剤としてグリセリン10重量部を、導電性微粒子としてAg(銀)微粒子(平均粒径:3μm)37.5重量部を順次混合する。   Next, 10 parts by weight of glycerin as a dispersion accelerator and 37.5 parts by weight of Ag (silver) fine particles (average particle size: 3 μm) as conductive fine particles are sequentially mixed with 300 parts by weight of the polyvinyl butyral solution.

更に、得られた混合物に、上記参考例2と同様にして得た鉄−炭素複合体(炭化鉄が部分内包しているナノフレークカーボンチューブ)37.5重量部を混合し、予備混合物とする。   Further, 37.5 parts by weight of an iron-carbon composite (a nano-flake carbon tube partially encapsulated with iron carbide) obtained in the same manner as in Reference Example 2 was mixed with the obtained mixture to prepare a preliminary mixture. .

最後に、上記予備混合物品を3本ロールで混練し、本発明のナノスケールカーボンチューブペーストとした。   Finally, the premixed article was kneaded with three rolls to obtain the nanoscale carbon tube paste of the present invention.

比較例1〜3
分散促進剤を使用しない以外は実施例1〜3と同様にして、それぞれ、比較ペースト(比較例1〜3)を得た。
Comparative Examples 1-3
Comparative pastes (Comparative Examples 1 to 3) were obtained in the same manner as in Examples 1 to 3 except that no dispersion accelerator was used.

試験例1
(i) 前記実施例1〜3において得られたペーストを、ドクターブレードを用いて5mm×5mm×80μmの成膜前駆体(即ち、ウェットな塗膜)を形成した。
Test example 1
(i) A 5 mm × 5 mm × 80 μm film formation precursor (that is, a wet coating film) was formed from the pastes obtained in Examples 1 to 3 using a doctor blade.

これを、アルゴン雰囲気下500℃で焼成し、該ガラス基板上のITO被膜上に、ナノスケールカーボンチューブを含む電子放出材料層を備えてなる電子放出源を形成した。   This was fired at 500 ° C. in an argon atmosphere to form an electron emission source including an electron emission material layer including a nanoscale carbon tube on the ITO film on the glass substrate.

次いで、図8に示すように、上記で得られた電子放出材料層502とITO被膜を有するガラス基板501とからなる電子放出源500を、真空チャンバー510の試料導入扉520を開けて真空チャンバー510内に入れ、試料導入扉520を閉じて、分子ターボポンプ540およびロータリーポンプ550を使用して吸引し、真空チャンバー内の圧力を5×10-6 Paに調整した。 Next, as shown in FIG. 8, the electron emission source 500 composed of the electron emission material layer 502 obtained above and the glass substrate 501 having the ITO coating is opened in the vacuum chamber 510 by opening the sample introduction door 520 of the vacuum chamber 510. The sample introduction door 520 was closed and suction was performed using the molecular turbo pump 540 and the rotary pump 550, and the pressure in the vacuum chamber was adjusted to 5 × 10 −6 Pa.

次いで、電流電圧特性を評価した。評価に際しては、電子放出源500のITO側を陰極、上部電極560を陽極とし、陰極-陽極間の距離を300μmとして、5V刻みで、0〜900Vまで、電流電圧印加装置530を用いて電圧を印加し、電流値をモニタした。得られた電界-電流密度曲線から、1μA/cm2の電子放出電流密度を得るための電界値を読み取り、電界閾値とした。 Next, the current-voltage characteristics were evaluated. In the evaluation, the ITO side of the electron emission source 500 is the cathode, the upper electrode 560 is the anode, the distance between the cathode and the anode is 300 μm, and the voltage is applied using the current-voltage applying device 530 in increments of 5V to 0 to 900V. The voltage was applied and the current value was monitored. An electric field value for obtaining an electron emission current density of 1 μA / cm 2 was read from the obtained electric field-current density curve, and used as an electric field threshold value.

(ii) 比較例1〜3で得られたペーストを使用する以外は上記(i)と同様にして電界閾値を測定した。   (ii) The electric field threshold value was measured in the same manner as in the above (i) except that the pastes obtained in Comparative Examples 1 to 3 were used.

上記(i)及び(ii)の試験の結果を表2に示す。   Table 2 shows the results of the above tests (i) and (ii).

Figure 2005122930
表2から明らかなように、分散促進剤を使用した実施例1〜3のペーストを用いて得られた電子放出源は電界閾値が小さく良好な電子放出特性を示した。これに対して、分散促進剤を使用することなく調製された比較例1〜3の比較ペーストを用いて得られた電子放出源は電界閾値が高く、比較例2及び比較例3では電子放出が認められず、電界閾値の測定ができなかった。
Figure 2005122930
As is clear from Table 2, the electron emission sources obtained using the pastes of Examples 1 to 3 using a dispersion accelerator exhibited a small electron field threshold and good electron emission characteristics. On the other hand, the electron emission source obtained using the comparative pastes of Comparative Examples 1 to 3 prepared without using a dispersion accelerator has a high electric field threshold, and Comparative Examples 2 and 3 emit electrons. It was not recognized and the electric field threshold value could not be measured.

本発明で使用する鉄−炭素複合体を製造するための製造装置の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the manufacturing apparatus for manufacturing the iron-carbon composite used by this invention. 参考例2で得られた炭素質材料を構成する鉄−炭素複合体1本の透過型電子顕微鏡(TEM)写真である。4 is a transmission electron microscope (TEM) photograph of one iron-carbon composite constituting the carbonaceous material obtained in Reference Example 2. FIG. 参考例2で得られた炭素質材料における鉄−炭素複合体の存在状態を示す透過型電子顕微鏡(TEM)写真である。4 is a transmission electron microscope (TEM) photograph showing the existence state of an iron-carbon composite in the carbonaceous material obtained in Reference Example 2. 参考例2で得られた鉄−炭素複合体1本の電子線回折図である。4 is an electron diffraction pattern of one iron-carbon composite obtained in Reference Example 2. FIG. 参考例2で得られた鉄−炭素複合体を含む炭素質材料(鉄−炭素複合体の集合物)のX線回折図である。3 is an X-ray diffraction pattern of a carbonaceous material (an aggregate of iron-carbon composites) containing an iron-carbon composite obtained in Reference Example 2. FIG. 参考例2で得られた鉄−炭素複合体1本を輪切状にした透過型電子顕微鏡(TEM)写真である。尚、図6の写真中に示されている黒三角(▲)は、組成分析のためのEDX測定ポイントを示している。4 is a transmission electron microscope (TEM) photograph in which one iron-carbon composite obtained in Reference Example 2 is cut into a ring shape. The black triangle (三角) shown in the photograph of FIG. 6 indicates EDX measurement points for composition analysis. カーボンチューブのTEM像の模式図を示し、(a-1)は、円柱状のナノフレークカーボンチューブのTEM像の模式図であり、(a-2)は入れ子構造の多層カーボンナノチューブのTEM像の模式図である。A schematic diagram of a TEM image of a carbon tube is shown, (a-1) is a schematic diagram of a TEM image of a cylindrical nanoflake carbon tube, and (a-2) is a TEM image of a multi-walled carbon nanotube with a nested structure. It is a schematic diagram. 試験例1において電界閾値の測定に使用した装置の概略図である。It is the schematic of the apparatus used for the measurement of the electric field threshold value in Test Example 1.

符号の説明Explanation of symbols

1 反応炉
2 加熱装置
100 ナノフレークカーボンチューブの長手方向のTEM像
110 略直線状のグラフェンシート像
200 ナノフレークカーボンチューブの長手方向にほぼ垂直な断面のTEM像
210 弧状グラフェンシート像
300 入れ子構造の多層カーボンナノチューブの長手方向の全長にわたって連続する直線状グラフェンシート像
400 入れ子構造の多層カーボンナノチューブの長手方向に垂直な断面のTEM像
500 電子放出源
501 ITO被膜を有するガラス基板
502 電子放出材料層
510 真空チャンバー
515 バルブ
520 試料導入扉
530 電流電圧印加装置
540 分子ターボポンプ
550 ロータリーポンプ
560 上部電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Reactor 2 Heating apparatus 100 TEM image of nano flake carbon tube in longitudinal direction 110 Graph image of substantially straight graphene sheet 200 TEM image of cross section almost perpendicular to longitudinal direction of nano flake carbon tube 210 Arc-shaped graphene sheet image 300 Nested structure Linear graphene sheet image continuous over the entire length in the longitudinal direction of the multi-walled carbon nanotubes 400 TEM image of a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the multi-walled carbon nanotubes with a nested structure 500 Electron emission source 501 Glass substrate with ITO coating 502 Electron emission material layer 510 Vacuum chamber 515 Valve 520 Sample introduction door 530 Current voltage application device 540 Molecular turbo pump 550 Rotary pump 560 Upper electrode

Claims (9)

ナノスケールカーボンチューブ、分散促進剤、バインダー及び溶媒を含むことを特徴とするナノスケールカーボンチューブペースト。 A nanoscale carbon tube paste comprising a nanoscale carbon tube, a dispersion accelerator, a binder and a solvent. 分散促進剤が、水酸基を3〜8個有する炭素数3〜12の多価アルコールの少なくとも1種であり、かつ該分散促進剤を構成する少なくとも1種の沸点が該溶媒の沸点より高いことを特徴とする請求項1に記載のナノスケールカーボンチューブペースト。 The dispersion accelerator is at least one of C3-12 polyhydric alcohols having 3 to 8 hydroxyl groups, and at least one boiling point constituting the dispersion accelerator is higher than the boiling point of the solvent. The nanoscale carbon tube paste according to claim 1, wherein the nanoscale carbon tube paste is characterized. バインダーが、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、セルロース誘導体、ポリアミド樹脂、ビニル系樹脂、ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂及びゴム系樹脂から選択される少なくとも1種であり、かつ該バインダーの分解温度が該ナノスケールカーボンチューブの分解温度より低いことを特徴とする請求項1又は2に記載のナノスケールカーボンチューブペースト。 The binder is at least one selected from phenol resin, epoxy resin, cellulose derivative, polyamide resin, vinyl resin, polyester resin, polyurethane resin and rubber resin, and the decomposition temperature of the binder is the nanoscale carbon tube The nanoscale carbon tube paste according to claim 1 or 2, wherein the nanoscale carbon tube paste is lower than a decomposition temperature of the nanoscale. 溶媒が、アルコール類、エステル類、ケトン類、エーテル類、N,N−ジメチルホルムアミド及びN−メチルピロリドンからなる群から選択される少なくとも1種である請求項1〜3のいずれかに記載のナノスケールカーボンチューブペースト。 4. The nano according to claim 1, wherein the solvent is at least one selected from the group consisting of alcohols, esters, ketones, ethers, N, N-dimethylformamide, and N-methylpyrrolidone. Scale carbon tube paste. ナノスケールカーボンチューブが、
(i) 単層カーボンナノチューブ
(ii) アモルファスナノスケールカーボンチューブ、
(iii) ナノフレークカーボンチューブ及び入れ子構造の多層カーボンナノチューブからなる群から選ばれるカーボンチューブ
(iv)上記(iii)のカーボンチューブと炭化鉄又は鉄とからなり、該カーボンチューブのチューブ内空間部の10〜90%の範囲に炭化鉄又は鉄が充填されている鉄−炭素複合体、または、
(v) 上記(i)〜(iv)の2種以上の混合物
であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のナノスケールカーボンチューブペースト。
Nanoscale carbon tube
(i) Single-walled carbon nanotube
(ii) amorphous nanoscale carbon tube,
(iii) A carbon tube selected from the group consisting of a nano flake carbon tube and a multi-walled carbon nanotube with a nested structure
(iv) an iron-carbon composite comprising the carbon tube of (iii) above and iron carbide or iron, wherein iron carbide or iron is filled in a range of 10 to 90% of the space in the tube of the carbon tube; Or
(v) The nanoscale carbon tube paste according to any one of claims 1 to 4, which is a mixture of two or more of (i) to (iv).
ナノスケールカーボンチューブ100重量部に対して、分散促進剤を0.1〜50重量部、バインダーを1〜95重量部、溶媒を100〜2000重量部含有する請求項1〜5のいずれかに記載のナノスケールカーボンチューブペースト。 The dispersion accelerator is contained in 0.1 to 50 parts by weight, the binder is contained in 1 to 95 parts by weight, and the solvent is contained in 100 to 2000 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the nanoscale carbon tube. Nanoscale carbon tube paste. 導電性粒子を更に含有する請求項1〜6のいずれかに記載のナノスケールカーボンチューブペースト。 The nanoscale carbon tube paste according to any one of claims 1 to 6, further comprising conductive particles. ナノスケールカーボンチューブ100重量部に対して、導電性粒子を、1〜2000重量部含有する請求項7に記載のナノスケールカーボンチューブペースト。 The nanoscale carbon tube paste according to claim 7, which contains 1 to 2000 parts by weight of conductive particles with respect to 100 parts by weight of the nanoscale carbon tube. (A) 少なくとも一部が導電性を有する基板又はパターニングされた基板、及び
(B)該基板上に形成され、且つ、請求項1〜8のいずれかに記載のナノスケールカーボンチューブペーストの塗膜を焼成してなる電子放出材料層
を備えた電子放出源。
(A) A substrate having at least a part of conductivity or a patterned substrate, and (B) a coating film of the nanoscale carbon tube paste according to any one of claims 1 to 8, which is formed on the substrate. An electron emission source provided with an electron emission material layer obtained by firing.
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