JP2011210591A - Electron emission source, paste for electron emission source, and method of manufacturing the paste for electron emission source - Google Patents
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Description
本発明は、低電圧で電子放出する電界放出型の電子放出源、その製造に用いられるペースト及び当該ペーストの製造方法に関するものである。 The present invention relates to a field emission type electron emission source that emits electrons at a low voltage, a paste used for manufacturing the same, and a method for manufacturing the paste.
従来、電極基板上に塗布する電子放出源用ペーストとしては、例えば、カーボンナノチューブと、ガラスフリットと、バインダー樹脂と、溶媒とを含むものが知られている(特許文献1)。例えば、カーボンナノチューブ3%、バインダーとしてエチルセルロース25%、ベヒクルとしてガラスパウダー5%、溶媒としてテルピネオール67%よりなるものが用いられ、これを基板に20ミクロンの厚さでスクリーン印刷し、400℃で焼成後、粘着テープによる引き剥がしを行っている。この方法で得られた、電極基板上に固着されたカーボンナノチューブのSEM像を図3のA、Bに示す。 Conventionally, as an electron emission source paste applied on an electrode substrate, for example, a paste containing carbon nanotubes, glass frit, a binder resin, and a solvent is known (Patent Document 1). For example, 3% carbon nanotubes, 25% ethyl cellulose as a binder, 5% glass powder as a vehicle, and 67% terpineol as a solvent are screen-printed on a substrate to a thickness of 20 microns and fired at 400 ° C. After that, peeling with an adhesive tape is performed. SEM images of the carbon nanotubes fixed on the electrode substrate obtained by this method are shown in FIGS.
粘着テープによりペースト膜の表面を起毛させた膜表面の状態をミクロ的に観察すると、カーボンナノチューブが1本もしくは数本の束(束の径は10nm〜50nm程度)で起毛しており、その起毛高さ(基盤から起毛したカーボンナノチューブの先端までの距離)は1μm〜6μmである。カーボンナノチューブがこの様な状態で起毛している電子放出源から電子を電界放出させるためには高い電界を負荷する必要があり、電源や駆動回路の大型化・高コスト化をきたしていた。また、カーボンナノチューブは、大きな電流が流れると徐々に劣化し、放出電流が低下した。このように、カーボンナノチューブの起毛が、細く、短い状態では、電子放出源として耐久性が悪く、また、電界集中度が低いため、高い駆動電圧が必要であった。 Microscopic observation of the state of the film surface where the surface of the paste film is raised with an adhesive tape reveals that one or several bundles of carbon nanotubes are raised (the diameter of the bundle is about 10 nm to 50 nm). The height (distance from the base to the tip of the raised carbon nanotube) is 1 μm to 6 μm. In order to cause field emission of electrons from an electron emission source in which carbon nanotubes are raised in such a state, it is necessary to load a high electric field, resulting in an increase in size and cost of a power supply and a drive circuit. The carbon nanotube gradually deteriorated when a large current flowed, and the emission current decreased. Thus, when the raised carbon nanotubes are thin and short, the durability as an electron emission source is poor and the electric field concentration is low, so that a high driving voltage is required.
本発明は、上記問題点を解決するべくなされたものであり、カーボンナノチューブを分散用有機溶媒で分散させ、その分散用有機溶媒と、ガラスフリットと、バインダー樹脂とペースト用溶媒を、分散用有機溶媒を蒸発させながら混練してペーストを製造すると、カーボンナノチューブが同一方向に束のように集まった集合体がペースト内に数多く分散することを見出した。この様にして製造されたペーストを基板上に印刷・焼成した膜を粘着テープ等で引き剥がすと、束状で起毛したカーボンナノチューブ集合体が膜表面に数多く出現し、低い電界でも多くの電子が放出され、電子放出源の電子放出効率が高くなることを見出した。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, in which carbon nanotubes are dispersed with an organic solvent for dispersion, and the organic solvent for dispersion, the glass frit, the binder resin, and the solvent for paste are dispersed in an organic solvent for dispersion. When the paste was produced by kneading while evaporating the solvent, it was found that many aggregates of carbon nanotubes gathered like bundles in the same direction were dispersed in the paste. When the film produced by printing and baking the paste produced in this way on a substrate is peeled off with an adhesive tape or the like, many bundles of brushed carbon nanotubes appear on the film surface, and many electrons are generated even in a low electric field. It was discovered that the electron emission efficiency of the electron emission source is increased.
すなわち、本発明は、束の直径が50nm以上かつ束の長さが3μm以上のカーボンナノチューブ束状集合体を含有することを特徴とする電子放出源用ペーストと分散用有機溶媒にカーボンナノチューブを分散させる分散工程、前記分散工程で得られたカーボンナノチューブ分散液と、ガラスフリットと、バインダー樹脂と、前記分散用有機溶媒よりも沸点が高いペースト用溶媒を、前記分散用有機溶媒を蒸発させながら混練する混練工程とを備えたことを特徴とする電子放出源用ペーストの製造方法と、それによって行われた束の直径が50nm以上かつ束の長さが3μm以上のカーボンナノチューブ束状集合体が、基盤の表面に固着していることを特徴とする電子放出源を提供するものである。 That is, the present invention disperses carbon nanotubes in an electron emission source paste and an organic solvent for dispersion characterized by containing a bundle of carbon nanotubes having a bundle diameter of 50 nm or more and a bundle length of 3 μm or more. A dispersion step, a carbon nanotube dispersion obtained in the dispersion step, a glass frit, a binder resin, and a paste solvent having a boiling point higher than that of the organic solvent for dispersion while kneading the organic solvent for dispersion A method for producing an electron emission source paste characterized by comprising a kneading step, and a bundle of carbon nanotubes having a bundle diameter of 50 nm or more and a bundle length of 3 μm or more. An electron emission source characterized by being fixed to the surface of a substrate is provided.
本発明では、カーボンナノチューブが数多く束状になったカーボンナノチューブ束状集合体をペースト膜上に出現させることによって、電界集中度が高まり、低い電界強度でも電子放出が可能となる。そのため、従来法に比べ電子放出に要する駆動電圧が低くでき、省エネ効果が高くなる。また、カーボンナノチューブ束状集合体は数多くのカーボンナノチューブからなるため、電流密度もしくはカーボンナノチューブ1本当りの電流値が低下する。その結果、カーボンナノチューブが劣化しにくくなり、電子放出源の耐久性が向上する。本発明による電子放出源を例えば電子を蛍光物質に当て光らせる発光デバイスなどに使用すれば、省電力で、長寿命が実現できる。 In the present invention, a carbon nanotube bundle aggregate in which many carbon nanotubes are bundled appears on the paste film, so that the electric field concentration is increased and electrons can be emitted even at a low electric field strength. Therefore, the driving voltage required for electron emission can be lowered as compared with the conventional method, and the energy saving effect is enhanced. Moreover, since the carbon nanotube bundle aggregate is composed of a large number of carbon nanotubes, the current density or the current value per one carbon nanotube is lowered. As a result, the carbon nanotubes are hardly deteriorated, and the durability of the electron emission source is improved. If the electron emission source according to the present invention is used in, for example, a light emitting device that irradiates electrons to a fluorescent material, a long life can be realized with power saving.
本発明の電子放出源用ペーストは、カーボンナノチューブと、ガラスフリットと、バインダー樹脂とペースト用溶媒とを含むものであり、ペースト製造時にカーボンナノチューブを分散用有機溶媒で分散させた状態で、ガラスフリットと、バインダー樹脂とペースト用溶媒を加え、分散用有機溶媒を蒸発させながら混練してペーストを製造するところに特徴がある。 The paste for an electron emission source of the present invention includes carbon nanotubes, glass frit, a binder resin and a paste solvent, and the glass frit is dispersed in a dispersion organic solvent during paste production. And a paste resin is produced by adding a binder resin and a paste solvent and kneading while evaporating the organic solvent for dispersion.
分散用に用いる分散用有機溶媒は、アセトンやメチルエチルケトン等のケトン類、メチルアルコール、エチルアルコール、ブチルアルコール等のアルコール類、酢酸エチル等のエステル類、エチルエーテル等のエーテル類、ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素系など、カーボンナノチューブに不活性な一般の分散用有機溶媒を広く利用できる。また、分散用有機溶媒はガラスフリットなどとの混合時に蒸発(揮発)させる必要があるので、沸点が低いことが望ましい。特にペースト製造において水が用いられる場合、水よりも低い温度で蒸発させるため、沸点が100℃未満、特に80℃以下であることが望ましい。カーボンナノチューブに対する分散用有機溶媒の使用量は、カーボンナノチューブの分散状態を維持できるように定められ、カーボンナノチューブの重量に対して100〜5000倍程度、特に300〜1000倍程度が適当である。 Organic solvents for dispersion used for dispersion are ketones such as acetone and methyl ethyl ketone, alcohols such as methyl alcohol, ethyl alcohol and butyl alcohol, esters such as ethyl acetate, ethers such as ethyl ether, benzene, toluene, xylene A general organic solvent for dispersion that is inert to carbon nanotubes, such as aromatic hydrocarbons such as, can be widely used. In addition, since the organic solvent for dispersion needs to be evaporated (volatilized) when mixed with glass frit or the like, it is desirable that the boiling point is low. In particular, when water is used in paste production, it is desirable that the boiling point is less than 100 ° C., particularly 80 ° C. or less in order to evaporate at a temperature lower than that of water. The amount of the organic solvent for dispersion with respect to the carbon nanotubes is determined so that the dispersed state of the carbon nanotubes can be maintained, and is about 100 to 5000 times, particularly about 300 to 1000 times, with respect to the weight of the carbon nanotubes.
ペーストを製造する際には、まず、カーボンナノチューブを分散用有機溶媒に分散させる。分散方法は、公知の分散方法で分散させればよく、例えば超音波を利用することができる。その後、ガラスフリットと、バインダー樹脂とペースト用溶媒を加え、分散用有機溶媒を蒸発させながら混練する。 When manufacturing a paste, first, carbon nanotubes are dispersed in an organic solvent for dispersion. As a dispersion method, a known dispersion method may be used. For example, ultrasonic waves can be used. Thereafter, glass frit, binder resin and paste solvent are added and kneaded while evaporating the organic solvent for dispersion.
混練の条件は、0〜50℃程度、通常10〜30℃程度で分散用有機溶媒が蒸発し、所定のペースト粘度が得られるまで行えばよい。ペーストの粘度は、2〜500Pa・s程度、通常20〜200Pa・s程度になるまで混練を行えばよい。 The kneading conditions may be about 0 to 50 ° C., usually about 10 to 30 ° C. until the organic solvent for dispersion evaporates and a predetermined paste viscosity is obtained. The paste may be kneaded until the viscosity becomes about 2 to 500 Pa · s, usually about 20 to 200 Pa · s.
ガラスフリットは、ベヒクルとして使用されるものであり、ガラスパウダーなどを用いることができる。 The glass frit is used as a vehicle, and glass powder or the like can be used.
バインダー樹脂は、例えば、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、エチルセルロースなどのセルロース系樹脂などが使用可能である。 As the binder resin, for example, acrylic resins, epoxy resins, cellulose resins such as ethyl cellulose, and the like can be used.
また、ペースト用溶媒は、テルピオネール、ブチルカルビトールアセテート、テキサノールなどの有機溶媒が使用可能である。ペースト用溶媒の沸点は分散用有機溶媒の沸点よりも高いことが必要である。 As the solvent for the paste, an organic solvent such as terpionol, butyl carbitol acetate, or texanol can be used. The boiling point of the paste solvent needs to be higher than the boiling point of the dispersing organic solvent.
配合比としては、カーボンナノチューブが1〜5重量%程度、バインダー樹脂が10〜30重量%程度、ガラスフリット(ベヒクル)が1〜10重量%程度、そして溶媒は40〜80重量%程度が適当である。 The mixing ratio is suitably about 1 to 5% by weight of carbon nanotubes, about 10 to 30% by weight of binder resin, about 1 to 10% by weight of glass frit (vehicle), and about 40 to 80% by weight of solvent. is there.
ペーストは、例えば、次に示す手順で作成される。
(1) カーボンナノチューブを分散用有機溶媒で分散させる。
(2) そのカーボンナノチューブ分散溶媒にガラスフリットと、バインダー樹脂と、ペースト用溶媒を混ぜる。
(3) (1)と(2)を経たカーボンナノチューブ分散溶媒と、ガラスフリットと、バインダー樹脂と、ペースト用溶媒を乳鉢で混ぜ合わせながら分散用有機溶媒を蒸発させる。
The paste is created, for example, according to the following procedure.
(1) Disperse carbon nanotubes with an organic solvent for dispersion.
(2) A glass frit, a binder resin, and a paste solvent are mixed in the carbon nanotube dispersion solvent.
(3) The organic solvent for dispersion is evaporated while mixing the carbon nanotube dispersion solvent through (1) and (2), the glass frit, the binder resin, and the paste solvent in a mortar.
上述の工程に基づきペーストを製造すると、カーボンナノチューブの少なくとも一部は、ガラスフリット等との混合中に束状に集合する。すなわち、カーボンナノチューブが束状に集合したカーボンナノチューブ束状集合体を含有するペーストができる。カーボンナノチューブ束状集合体は、カーボンナノチューブが数〜数1000本程度、大部分は10〜500本程度の束であり、束の直径では、50nm以上、通常50〜3000nm程度、多くは100〜1000nm程度である。また、束の長さは3μm以上、通常5〜20μm程度である。 When a paste is manufactured based on the above-described process, at least a part of the carbon nanotubes gathers in a bundle shape during mixing with glass frit or the like. That is, a paste containing a bundle of carbon nanotubes in which carbon nanotubes are gathered in a bundle can be obtained. A bundle of carbon nanotubes is a bundle of about several to several thousand carbon nanotubes, most of which are about 10 to 500, and the diameter of the bundle is 50 nm or more, usually about 50 to 3000 nm, and most is 100 to 1000 nm. Degree. The length of the bundle is 3 μm or more, usually about 5 to 20 μm.
このペーストは、表面にITO(錫ドープ酸化インジウム)皮膜を有するガラス基板などに塗布してペースト膜を形成する。ペースト膜の厚みは、乾燥厚みで1〜10μm程度でよく、例えば、スクリーン印刷等で膜を形成できる。 This paste is applied to a glass substrate having an ITO (tin-doped indium oxide) film on its surface to form a paste film. The thickness of the paste film may be about 1 to 10 μm in dry thickness. For example, the film can be formed by screen printing or the like.
ペースト膜を形成したら、次いで焼成する。焼成とは、ペースト中の有機成分を炭化させると共に、基板との密着性を強固にするために行う。焼成は大気中で、温度は400〜500℃程度で10〜30分程度行なえばよい。焼成後は、そのまま粘着テープの貼り付けと引き剥がしを行い、カーボンナノチューブを起毛させる。 Once the paste film is formed, it is then fired. Firing is performed to carbonize the organic component in the paste and strengthen the adhesion to the substrate. Firing may be performed in air at a temperature of about 400 to 500 ° C. for about 10 to 30 minutes. After firing, the adhesive tape is applied and peeled off as it is to raise the carbon nanotubes.
このように得られた電子放出源は、カーボンナノチューブが束状に集合して基盤の表面に固着しており、束の直径は50nm以上、通常50〜3000nm程度、多くは100〜1000nm程度であり、束の長さは3μm以上、通常5〜20μm程度である。 In the electron emission source thus obtained, carbon nanotubes are gathered in a bundle and fixed to the surface of the substrate, and the diameter of the bundle is 50 nm or more, usually about 50 to 3000 nm, and many are about 100 to 1000 nm. The length of the bundle is 3 μm or more, usually about 5 to 20 μm.
(1) カーボンナノチューブ0.1gを、分散用有機溶媒であるアセトン50ccとメタノール1ccの混合液に入れて、10分間超音波分散させた。
(2) 一方、テルピネオール(ペースト用溶媒)6gにバインダー樹脂2gを入れて、10分間80℃で恒温槽溶解した。
(3) (1)と(2)とガラスフリット0.6gを自動乳鉢に入れ、1時間混練しながら分散用有機溶媒を蒸発させた。
この様にして得られたペーストを、ITO膜を有するガラス基板上に約20μmの厚さにスクリーン印刷した。これを100℃のホットプレートの上に約10分間置き、ペースト用溶媒を蒸発させてペーストを乾燥させた後、大気中450℃で10分間焼成した。
(1) 0.1 g of carbon nanotubes were placed in a mixed solution of 50 cc of acetone and 1 cc of methanol as an organic solvent for dispersion, and ultrasonically dispersed for 10 minutes.
(2) On the other hand, 2 g of binder resin was added to 6 g of terpineol (paste solvent) and dissolved in a thermostatic bath at 80 ° C. for 10 minutes.
(3) (1), (2) and 0.6 g of glass frit were put in an automatic mortar, and the organic solvent for dispersion was evaporated while kneading for 1 hour.
The paste thus obtained was screen-printed to a thickness of about 20 μm on a glass substrate having an ITO film. This was placed on a hot plate at 100 ° C. for about 10 minutes, the paste solvent was evaporated to dry the paste, and then baked at 450 ° C. for 10 minutes in the atmosphere.
焼成後は、粘着テープを軽く押し付けて貼り付け、次いで粘着テープを引き剥がしてカーボンナノチューブ電子放出源を得た。 After firing, the pressure-sensitive adhesive tape was lightly pressed and pasted, and then the pressure-sensitive adhesive tape was peeled off to obtain a carbon nanotube electron emission source.
得られたカーボンナノチューブ電子放出源のSEM像を撮影し、図2のA、Bに示す像を得た。同図に示すように、カーボンナノチューブ(CNT)が多数束状になった部分があることがわかる。このCNT電子放出源で電流密度1mA/cm2の放出電流が得られる平均電界値は図1に示すように、1.6V/μmであった。尚、図1および図3において従来法とあるのは、分散用有機溶媒を用いなかったほかは同様に処理して得られたものである。また、表1に本発明のペーストと従来ペーストを用いて作製した印刷膜の耐久性試験の結果を示す。 SEM images of the obtained carbon nanotube electron emission source were taken, and images shown in FIGS. 2A and 2B were obtained. As shown in the figure, it can be seen that there are portions in which a large number of carbon nanotubes (CNT) are bundled. As shown in FIG. 1, the average electric field value at which an emission current with a current density of 1 mA / cm 2 was obtained with this CNT electron emission source was 1.6 V / μm. In FIG. 1 and FIG. 3, the conventional method is obtained by the same treatment except that the organic solvent for dispersion is not used. Table 1 shows the results of a durability test of a printed film produced using the paste of the present invention and the conventional paste.
カーボンナノチューブの束状集合体が得られる理由は、カーボンナノチューブは、高沸点を有するペースト用有機溶媒への分散性より低沸点の分散用有機溶媒への分散性のほうが大きいので、両者が存在する間は分散用有機溶媒中のカーボンナノチューブ濃度が高くなる。分散用有機溶媒が蒸発していく過程で、分散用有機溶媒中のカーボンナノチューブ濃度は徐々により高くなり、混練工程によって引き伸ばされるので、カーボンナノチューブの方向性が揃っていく。よって、最終的にカーボンナノチューブが同一方向に束状になったカーボンナノチューブの束状集合体が数多くペースト内に形成される。 The reason why a bundle of carbon nanotubes is obtained is that carbon nanotubes are more dispersible in organic solvents for dispersion having a low boiling point than in organic solvents for paste having a high boiling point. In the meantime, the carbon nanotube concentration in the organic solvent for dispersion becomes high. As the organic solvent for dispersion evaporates, the concentration of carbon nanotubes in the organic solvent for dispersion gradually increases and is stretched by the kneading step, so that the orientation of the carbon nanotubes is aligned. Therefore, many bundles of carbon nanotubes in which the carbon nanotubes are finally bundled in the same direction are formed in the paste.
なお、実施例においてはアセトンとメタノールの分散用溶媒として混合溶媒を用いたが、これに限定するものではない。また、これらの分散用溶媒に親和性のある水などの液体を加えても良い。 In the examples, a mixed solvent is used as a solvent for dispersing acetone and methanol, but the present invention is not limited to this. Further, a liquid such as water having affinity for these dispersing solvents may be added.
本発明のペーストを使用して得られるカーボンナノチューブ電子放出源は、電子放出特性と耐久性にすぐれていることから、電界放出型電子放出素子として、種々の電気機器、電子装置に用いることができる。 Since the carbon nanotube electron emission source obtained by using the paste of the present invention has excellent electron emission characteristics and durability, it can be used as a field emission type electron emission element in various electric devices and electronic devices. .
Claims (4)
前記分散工程で得られたカーボンナノチューブ分散液と、ガラスフリットと、バインダー樹脂と、前記分散用有機溶媒よりも沸点が高いペースト用溶媒を、前記分散用有機溶媒を蒸発させながら混練する混練工程とを備えたことを特徴とする電子放出源用ペーストの製造方法。 A dispersion step of dispersing carbon nanotubes in an organic solvent for dispersion;
A kneading step of kneading the carbon nanotube dispersion obtained in the dispersing step, a glass frit, a binder resin, and a paste solvent having a boiling point higher than that of the dispersing organic solvent while evaporating the dispersing organic solvent; A method for producing a paste for an electron emission source, comprising:
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