JP2007042352A - 電界電子放出源及びそれを用いたマグネトロン及びマイクロ波応用装置 - Google Patents

Abstract

【課題】炭素繊維膜表面に凹凸形状をもつ大電流放出が可能な電界電子放出源およびその電界電子放出源を容易で低コストに製造する方法又はその電界電子放出源を用いたマグネトロンを提供することを目的とする。
【解決手段】陰極基板５の表面を機械的に粗すか、エッチング処理を施すことで陰極基板５の表面に活性化された活性領域６と活性化されていない未活性領域７が分布するようにする。この陰極基板５に熱ＣＶＤ法を用いて炭素繊維を製膜すると、導電性の粒子を陰極基板５上に配置することなく、厚く成長した炭素繊維膜８と薄く成長した炭素繊維膜９の分布する凹凸形状のついた電界電子放出源１１が形成される。また、本発明の電界電子放出源に形成した炭素繊維１０は、従来の陰極基板を活性化せずに形成した電界電子放出源の炭素繊維の径よりも太く、優れた電子放出特性が得られる。
【選択図】図２

Description

本発明は、陰極基板の表面に炭素繊維を形成した電界電子放出源の製造方法と、この製造方法により得られた電界電子放出源と、その電界電子放出源を陰極部に用いたマグネトロンに関するものである。

従来、金属製の陰極基板上に炭素繊維を成長させる方法としては、熱ＣＶＤ法などが良く知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、エッジ効果による電界集中が起こりやすい凹凸層を陰極基板の表面に形成するために、陰極基板の表面に導電性の粒子を配置し、その後に炭素繊維膜を形成する方法がある（例えば、特許文献２参照）。

図６は従来の陰極基板表面に凹凸を付け炭素繊維膜を形成した電界電子放出源の断面図である。

図において、ニトロセルロースなどを用いて金属製の陰極基板１上に導電性の粒子２を定着させる。その後、導電性の粒子を付着させた陰極基板１を一酸化炭素と水素の混合ガス中にて、５５０〜６００℃に加熱すると、表面の鉄を触媒として炭素繊維膜３が形成される。炭素繊維膜における炭素繊維４は直径が５０〜１００ｎｍである。
特開２００１−２８８６２５号公報 特開２０００−２６８７０７号公報

しかしながら、上記の炭素繊維成膜方法では、炭素繊維の直径は５０〜１００ｎｍであり径が細い故、大電流を放出させるとジュール熱のため容易に焼き切れ、破損する問題があった。

また、導電性の粒子を陰極基板上に配置して炭素繊維を成膜しても、凹凸形状が炭素繊維膜に埋もれてしまい、狙いの凹凸形状が緩和されてしまう問題があった。

また、上記の炭素繊維成膜方法では、陰極基板の表面に酸化物膜があり安定しているため、炭素繊維の成長速度が遅いという問題があった。

また、陰極基板の表面に導電性の粒子を配置し、その後に炭素繊維を形成する場合、製造工程が複雑でありコストが高いという問題があった。

また、陰極基板の表面に導電性の粒子を配置し、その後に炭素繊維を形成する場合、陰極基板の表面と導電性の粒子との接触抵抗が高く、高電流密度の電子を放出する場合ジュール熱が生じる問題があった。

本発明は、前記課題に鑑み、容易に凹凸の付いた炭素繊維膜を表面に形成し、製造コストが安く、電流放出特性の優れた電界電子放出源を提供することを目的とする。

上記目的は下記構成により達成される。

（１） 陰極基板の表面に活性領域と未活性領域とを形成する第１の工程と、前記第1の工程の後に熱ＣＶＤ法を用いて前記陰極基板の表面に炭素繊維膜を形成する第２の工程とを有することを特徴とする電界電子放出源の製造方法。

（２） 上記（１）において、前記第１の工程は、前記陰極基板の表面に高速回転するワイヤブラシのグラインダを当接させて機械的に前記陰極基板の表面を粗し、前記陰極基板の表面に活性領域と未活性領域とを形成することを特徴とする電界電子放出源の製造方法。

（３） 上記（１）において、前記第１の工程は、前記陰極基板を酸またはアルカリ溶液によってエッチングし、前記陰極基板の表面に活性領域と未活性領域とを形成することを特徴とする電界電子放出源の製造方法。

（４） 上記（１）において、前記第１の工程は、前記陰極基板の表面にダイヤモンドビーズの粒子を高圧で衝突させるブラスト処理を施し、前記陰極基板の表面に活性領域と未活性領域とを形成することを特徴とする電界電子放出源の製造方法。

（５） 上記（１）〜（４）のいずれかの電界電子放出源の製造方法により、前記陰極基板の表面の粗さが、ＪＩＳ Ｂ０６０１の規格により定義される評価方法において、十点平均粗さ（Ｒｚ）が７〜１０μｍ、平均長さ（ＲＳｍ）が１４０〜２００μｍであることを特徴とする電界電子放出源。

（６） 上記（５）において、前記陰極基板が、ステンレス材であることを特徴とする電界電子放出源。

（７） 上記（１）〜（６）のいずれかにおいて、前記炭素繊維が、カーボンナノチューブ、グラファイトナノファイバーまたはそれらを含むカーボン材料からなる電界電子放出源。

（８） 上記（７）において、前記炭素繊維がグラファイトナノファイバーであり、直径が３００〜８００ｎｍであることを特徴とする電界電子放出電極。

（９） 上記（５）〜（８）のいずれかに記載の電界電子放出源を陰極部に備えていることを特徴とするマグネトロン。

（１０） 上記（９）に記載のマグネトロンを備えたことを特徴とする電子レンジ。

（１１） 上記（９）に記載のマグネトロンを備えたことを特徴とするマイクロ波応用装置。

上記（１）に記載の電界電子放出源の製造方法によれば、第１の工程において形成された陰極基板の活性領域は、第２の工程において炭素繊維の成長が速く炭素繊維膜が厚く形成され、未活性領域では炭素繊維の成長が遅く炭素繊維膜が薄く形成され、そのために陰極基板の表面に導電性の粒子を配置することなく炭素繊維膜表面に凹凸形状が形成できるので製造工程が簡略化でき、製造コストを安くすることが可能となる。さらには、陰極基板と導電性の粒子との間の接触抵抗がなくなるので、大電流を放出した場合でも接触抵抗によるジュール熱を抑えることが可能となる。また、従来の製造方法より径が太い炭素繊維を成膜することができ、大電流放出に耐え得る電界電子放出源を提供できる。

上記（２）に記載の電界電子放出源の製造方法によれば、上記（１）における第１の工程において、陰極基板の表面を機械的に削ることにより活性領域と未活性領域とを形成することができる。

上記（３）に記載の電界電子放出源の製造方法によれば、上記（１）における第１の工程において、陰極基板の表面にエッチング処理にて活性領域と未活性領域とを形成することができる。

上記（４）に記載の電界電子放出源の製造方法によれば、上記（１）における第１の工程において、陰極基板の表面を機械的に圧力をかけることにより活性領域と未活性領域とを形成することができる。

上記（５）に記載の電界電子放出源によれば、炭素繊維膜の凹凸形状が０．１〜０．３ｍｍの大きさに形成され、電界集中効果と最大電子放出量のバランスに好適である。

上記（６）に記載の電界電子放出源によれば、陰極基板にステンレス材を用いていることにより、表面に酸化クロムの不動態膜があるため、上記（２）〜（４）の製造方法により容易に活性領域と未活性領域とを形成することができる。

上記（７）に記載の電界電子放出源によれば、前記炭素繊維が、カーボンナノチューブ、グラファイトナノファイバーまたはそれらを含むカーボン材料からなるため、アスペクト比が大きいので、ミクロ的な視野から見た電界集中効果を高めることができる。

上記（８）に記載の電界電子放出源によれば、電界集中効果と最大電子放出密度のバランスに好適である。

上記（９）に記載のマグネトロンによれば、上記（５）〜（８）に記載の電界電子放出源を陰極部に備えたため、従来よりも低電圧からの動作が可能であり、マイクロ波出力の向上したマグネトロンを提供できる。

上記（１０）に記載の電子レンジによれば、上記（９）に記載のマグネトロンを備えることにより、従来よりも低電圧からの動作が可能であり、マイクロ波出力の向上した電子レンジを提供することができる。

上記（１１）に記載のマイクロ波応用装置によれば、上記（９）に記載のマグネトロンを備えることにより、従来よりも低電圧からの動作が可能であり、マイクロ波出力の向上したマイクロ波応用装置を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における炭素繊維成膜前の陰極基板の断面図であり、図２は本発明の実施の形態１における炭素繊維成膜後の電界電子放出源の断面図、図３は本発明の実施の形態１における電界電子放出源と従来型電界電子放出源との電界強度に対する電流密度の関係比較グラフ、図４は本発明の実施の形態１における陰極基板の表面の粗さ値Ｒｚ［μｍ］に対する電界電子放出源から放出される電流密度の関係グラフである。

本実施の形態における金属製の陰極基板５は安価であるステンレスであり、表面に安定した酸化クロムの不動態膜がある。

まず第１の工程において、陰極基板５の表面に高速回転させたステンレスワイヤーブラシのグラインダを数秒間当てると、陰極基板５表面にはステンレスワイヤーが衝突し活性化された活性領域６と、ステンレスワイヤーが衝突せずに酸化クロムの不動態膜が残存した未活性領域７が半々に存在している。

この陰極基板の表面をＪＩＳのＢ０６０１の規格により表面粗さを数値化したところ、十点平均粗さ（Ｒｚ）が７〜１０μｍ、平均長さ（ＲＳｍ）が１４０〜２００μｍであった。

次に、第２の工程として、上記第１の工程による処理を施した陰極基板５を熱ＣＶＤ装置（図示せず）のチャンバー内に配置し、一酸化炭素と水素を体積比１：１で混合したガス雰囲気１気圧中において、底面からのヒーターで５５０℃に加熱、２５分間炭素繊維を気相成長させ電界電子放出源１１を形成した。

その際、陰極基板５にステンレスワイヤーが衝突した活性領域６は、金属が活性化され、かつ表面の不動態膜が除去されているのでステンレスワイヤーが衝突せずに不動態膜が残存した未活性領域７より一酸化炭素と良く反応する。そして、陰極基板５内の鉄原子（Ｆｅ）が一酸化炭素中の炭素（Ｃ）と結合し炭化鉄（２ＦｅＣ）となる。炭化鉄はさらに炭素と結合する。その際の反応式は以下である。

２Ｆｅ ＋ ２ＣＯ → ２ＦｅＣ ＋Ｏ_２
２ＦｅＣ_ｎ ＋ ２ＣＯ → ２ＦｅＣ_ｎ＋１ ＋Ｏ_２
炭素と結合しながら炭化鉄は膨張し、やがて過飽和状態になり、これを核として炭素繊維が成長する。

活性領域６と未活性領域７とで成膜速度に差があるため、図２に示されるように炭素繊維膜の厚い領域８と、薄い領域９が生じ、炭素繊維膜に凹凸が生じた。また、炭素繊維膜の成膜後、陰極基板５の表面を電子顕微鏡で確認したところ、従来の炭素繊維膜の形成法によって成長させた炭素繊維の径よりも太い３００〜８００ｎｍの径の炭素繊維１０を確認した。これはグラファイトナノファイバーであった。

なお、電界電子放出源として陰極基板の表面に形成された炭素繊維の径による電子放出特性について確認すると、炭素繊維の径が細いと電界が分散してしまうため、電子放出特性が低下することを確認した。また、極端に太いと炭素繊維に電界が集中しないため、やはり電子放出特性が低下することを確認した。

また、炭素繊維の中でもカーボンナノチューブ、グラファイトナノファイバーまたはそれらを含むカーボン材料はアスペクト比が特に大きく、優れた電子放出特性が得られることを確認した。

さらに、本実施の形態による電界電子放出源１１と平板陽極（図示せず）を１ｍｍのギャップで真空内に平行に配置し、両電極間に電圧を徐々に印加して電界電子放出を開始する電圧値を評価したところ、４００Ｖの直流電圧にて１μＡ／ｃｍ^２の放出電流密度を確認した。従来の表面を活性化せずに炭素繊維膜を形成した電界電子放出源の場合は、１μＡ／ｃｍ^２の放出電流密度を得るためには１ｋＶの印加電圧が必要であった。また、本実施の形態の電界電子放出源と平板陽極との電極間に３ｋＶの直流電圧を印加すると、本発明は１１７ｍＡ／ｃｍ^２の放出電流密度を確認したのに対し、従来の表面を活性化せずに炭素繊維膜を形成した電界電子放出源の放出電流密度は２５ｍＡ／ｃｍ^２であった。

グラインダで粗す場合、表面粗さ値ＲＳｍとＲｚの関係は以下にある。

ＲＳｍ ÷ Ｒｚ ≒ ２０
３Ｖ／μｍの電圧強度を印加した際のＲｚと電界電子放出源から放出される電流密度との関係は、図４のグラフに示されるように、Ｒｚが１２μｍ以上では放電し電子放出の動作が不安定であり、Ｒｚが少ないと電界集中効果が得られずに電流密度が低くなる。よって、Ｒｚは７〜１０μｍ、ＲＳｍは上記式より１４０〜２００μｍが最適となる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２における電界電子放出源は、陰極基板５としてステンレスを用い、陰極基板５を硝酸と塩酸の混合液に１０秒ほど浸した後に取り出し水洗いした。陰極基板５の表面には酸によって腐食した活性領域６と、腐食しなかった未活性領域７が混在した。この陰極基板５を実施の形態１と同様に炭素繊維膜を成膜したところ、同じように良好な結果が得られた。また、アルカリ性溶液で表面を腐食しても同様の効果が得られた。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３における電界電子放出源は、陰極基板５としてステンレスを用い、陰極基板５の表面に直径１０μｍのダイヤモンドビーズを高圧で衝突させるブラスト処理を行った。表面にはダイヤモンドビーズが衝突した活性領域６と、衝突しなかった未活性領域７が混在した。この陰極基板５を実施の形態１と同様に炭素繊維膜を成膜したところ、同じように良好な結果が得られた。

（実施の形態４）
図５は本発明における電界電子放出源を用いたマグネトロンの要部を示す縦断面図である。

本実施の形態では、上記実施の形態１における電界電子放出源１１の生成法と同様に、陰極部１２の円筒状の陰極基板１３の外周表面に活性領域と未活性領域とを形成し熱ＣＶＤ法でグラファイトナノファイバー１４を成長させる。そのグラファイトナノファイバー１４薄膜を形成した円筒状の陰極基板１３を上下のエンドハット１５で挟んで陰極部１２を構成した。

また、分割陽極である陽極ベイン１６は既存のマグネトロン(１０分割、内径８ｍｍ)のものとし、上記の陰極部１２を陽極ベイン１６と同軸上に配置し、マグネトロン真空管として組み立てた。軸方向に一対の磁石（図示せず）を配置し３５０ｍＴの直流磁界１７を生じさせ、陰極部１２に電圧を−５．０ｋＶ印加した。陽陰極間電圧のため生じる半径方向の電界によって、陰極部１２のグラファイトナノファイバー１４にて電界放出現象が生じ、電子が放出された。

陰極部１２のグラファイトナノファイバー１４にて放出された電子は、作用空間１８内を直流磁界１７によってサイクロイド運動し、陽陰極間に最大１２０ｍＡの電流が流れ、２.４５ＧＨｚにて４２０Ｗの発振を確認できた。

比較のために従来型の電界電子放出源を用いたマグネトロンにおいては、陰極部に電圧を−６．０ｋＶ印加したときに、５０ｍＡの電流が流れ２．４５ＧＨｚにて２１０Ｗの発振しか得られなかった。

また、本発明における電界電子放出源を用いたマグネトロンを高周波加熱装置である電子レンジに組込み、動作することが確認できた。

本発明の電界電子放出源は安易な構成で大電流を得られるので、フィールドエミッションディスプレイやマグネトロン等に使用することができる。また、その電界電子放出源を用いたマグネトロンはマイクロ波発生装置、及びその装置を用いたマイクロ波応用装置である高周波加熱装置、レーダー、航空機、船舶、宇宙船、ロケット等に使用することができる。

本発明の実施の形態１における炭素繊維成膜前の陰極基板の断面図 本発明の実施の形態１における炭素繊維成膜後の電界電子放出源の断面図 本発明の実施の形態１における電界電子放出源と従来型電界電子放出源との電界強度に対する電流密度の関係比較グラフ 本発明の実施の形態１における陰極基板の表面の粗さ値に対する電界電子放出源から放出される電流密度の関係グラフ 本発明における電界電子放出源を用いたマグネトロンの要部を示す縦断面図 従来の陰極基板表面に導電性の粒子で凹凸を付け炭素繊維膜を形成した電界電子放出源の断面図

符号の説明

５，１３ 陰極基板
６ 活性領域
７ 未活性領域
８ 炭素繊維膜の厚い領域
９ 炭素繊維膜の薄い領域
１０ 炭素繊維
１１ 電界電子放出源
１２ 陰極部
１４ グラファイトナノファイバー
１５ エンドハット
１６ 陽極ベイン
１７ 直流磁界
１８ 作用空間

Claims (11)

1. 陰極基板の表面に活性領域と未活性領域とを形成する第１の工程と、前記第1の工程の後に熱ＣＶＤ法を用いて前記陰極基板の表面に炭素繊維膜を形成する第２の工程とを有することを特徴とする電界電子放出源の製造方法。
2. 前記第１の工程は、前記陰極基板の表面に高速回転するワイヤブラシのグラインダを当接させて機械的に前記陰極基板の表面を粗し、前記陰極基板の表面に活性領域と未活性領域とを形成することを特徴とする請求項１に記載の電界電子放出源の製造方法。
3. 前記第１の工程は、前記陰極基板を酸またはアルカリ溶液によってエッチングし、前記陰極基板の表面に活性領域と未活性領域とを形成することを特徴とする請求項１に記載の電界電子放出源の製造方法。
4. 前記第１の工程は、前記陰極基板の表面にダイヤモンドビーズの粒子を高圧で衝突させるブラスト処理を施し、前記陰極基板の表面に活性領域と未活性領域とを形成することを特徴とする請求項１に記載の電界電子放出源の製造方法。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の電界電子放出源の製造方法にて表面を活性化した前記陰極基板の表面の粗さが、ＪＩＳ Ｂ０６０１の規格により定義される評価方法において十点平均粗さ（Ｒｚ）が７〜１０μｍ、平均長さ（ＲＳｍ）が１４０〜２００μｍであることを特徴とする電界電子放出源。
6. 前記陰極基板が、ステンレス材であることを特徴とする請求項５に記載の電界電子放出源。
7. 前記炭素繊維が、カーボンナノチューブ、グラファイトナノファイバーまたはそれらを含むカーボン材料からなる請求項１〜６のいずれかに記載の電界電子放出源。
8. 前記炭素繊維がグラファイトナノファイバーであり、直径が３００〜８００ｎｍであることを特徴とする請求項７に記載の電界電子放出源。
9. 請求項５〜８のいずれかに記載の電界電子放出源を陰極部に備えていることを特徴とするマグネトロン。
10. 請求項９に記載のマグネトロンを備えたことを特徴とする電子レンジ。
11. 請求項９に記載のマグネトロンを備えたことを特徴とするマイクロ波応用装置。

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