JP4048323B2

JP4048323B2 - 薄型フレキシブル電子放出部材

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Publication number: JP4048323B2
Application number: JP2003285548A
Authority: JP
Inventors: 鉄也井上; 博之大工; 二朗石辺
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 2003-08-04
Filing date: 2003-08-04
Publication date: 2008-02-20
Anticipated expiration: 2023-08-04
Also published as: JP2005056659A

Description

本発明は、電子放出による蛍光材発光現象を利用した照明器具等に適用できる薄型フレキシブル電子放出部材に関する。このような電子放出部材は例えば壁貼り付け照明灯や液晶用バックライト等に用いられる。本発明は、例えば、カーボンナノチューブを用いた電子放出部材に関する。カーボンナノチューブは、カーボン原子が網目状に結合してできた極微細な単層または多層の筒（チューブ）状の物質である。カーボンナノチューブを用いた電子放出部材は、フィールドエミッション型フラットパネルディスプレイ（ＦＥＤ）や、Ｘ線源、電子線リソグラフィー、表示・照明器具、ガス分解装置、殺菌・消毒装置などに応用される。

カーボンナノチューブからなる放電素子は、シリコンやモリブデンで作られたスピント型エミッターやダイヤモンド薄膜などの従来の電子放出素材に比べて、電流密度、駆動電圧、頑健さ、寿命などの特性において総合的に優れており、ＦＥＤ用電子源として現在最も有望視されている。これは、カーボンナノチューブが大きなアスペクト比（長さと直径の比）と鋭い先端とを持ち、化学的に安定で機械的にも強靱であり、しかも、高温での安定性に優れているなど、電界放出素子の材料として有利な物理化学的性質を備えているからである。

カーボンナノチューブを電子放出素子とするＦＥＤパネルの構造を図４に模式的に示す。同図において、(41)(42)は上下一対のガラス板であり、下側のガラス板(42)の上面にカソード電極(43)が設けられ、カソード電極(43)の上面にエミッターとなる多数のカーボンナノチューブからなる放電素子(44)が形成されている。カソード電極(43)の上面には絶縁体層(47)を介してゲート電極(48)が放電素子(44)を囲うように設けられている。また、上側のガラス板(41)の下面には、透明膜からなるアノード電極(45)が貼り付けられ、アノード電極(45)の下面には蛍光材層(46)が設けられている。カソード電極(43)とゲート電極(48)の間にゲート電圧が印加され、カソード電極(43)とアノード電極(45)の間にはアノード電圧が印加される。その結果、多数のカーボンナノチューブからなる放電素子(44)の先端から電子が放出され、ゲート電極(48)の間を通過して上行し、蛍光材層(46)を経てアノード電極(45)に受けられる（非特許文献１参照）。

上記構成のＦＥＤパネルを製造するに当たっては、多数のカーボンナノチューブからなる放電素子(44)の回りの絶縁体層(47)を形成し、また、カソード電極(43)およびアノード電極(45)を製作するのに、半導体製造工程で行われる成膜、エッチング技術を利用するが、これらの技術は多大な設備費およびランニングコストを必要とし、製品コストの増大を招く問題がある。

導光板型液晶バックライト(51)は、図５に示すように、液晶パネル(54)の背面に配され、従来は、合成樹脂製の導光板(52)と、その一端に配された細長い蛍光ランプ(52)と、これの回りのリフレクタ(55)と、導光板(52)の上に配された拡散シート(56)とから主として構成されている。

しかし、このように導光板を用いた構成では、ランプ輝度の減衰が避けられず、したがってバックライトが大型化するほどランプの輝度を高めるのに大きな電力が消費される。消費電力を節減するために蛍光ランプの本数を増やすとバックライトの重量が増大する。
「機能材料」、２００１年５月号、Ｖｏｌ．２１Ｎｏ．５、４２−４３頁。

本発明の課題は、上記のような実状に鑑み、特別な製造設備を必要とせずに製造でき、製造コストが低く、しかも、高い輝度で照明を行うことができる省電力タイプの薄型フレキシブル照明器を提供することにある。

第１の発明は、シート状のカソード電極と、カソード電極から所定間隔で対向状に設けられたシート状のアノード電極と、カソード電極の内面上に設けられた電子放出素子と、アノード電極の内面に設けられた蛍光材層と、カソード電極と蛍光材層の間に介在された複数の球状絶縁体とからなる薄型フレキシブル電子放出部材である。
前記球状絶縁体は、電子放出素子上に均一に分布されてなることが好ましい。
前記球状絶縁体の直径が、電子放出素子の垂直高さの２〜１０倍であることが好ましい。

第２の発明は、シート状のカソード電極と、カソード電極から所定間隔で対向状に設けられたシート状のアノード電極と、カソード電極の内面上に設けられた電子放出素子と、アノード電極の内面に設けられた蛍光材層と、カソード電極と蛍光材層の間に介在され、かつ絶縁被膜でサンドイッチされたシート状のグリッド電極とからなる薄型フレキシブル電子放出部材である。

第１および第２の発明において、カソード電極、アノード電極およびグリッド電極は、可撓性を有する導電性シートで構成されていることが好ましい。アノード電極は透明導電性シートで構成されていることが好ましい。

電子放出素子はカーボンナノチューブ、フラーレン、カーボンナノカプセルのようなカーボン材料で構成されていてもよいし、金属膜で構成されていてもよい。

第１の発明による薄型フレキシブル電子放出部材は、例えば、シート状のカソード電極の上面に電子放出素子を設け、電子放出素子の上に複数の絶縁体を配し、絶縁体の上に、下面に蛍光材層を有するアノード電極を設けることによって製造される。

第２の発明による薄型フレキシブル電子放出部材は、例えば、シート状のカソード電極の上面に電子放出素子を設け、電子放出素子の上に、絶縁被膜でサンドイッチされたシート状のグリッド電極を配し、グリッド電極の上に、下面に蛍光材層を有するアノード電極を設けることによって製造される。

カーボンナノチューブの製造は、例えばつぎのように行われる。

まず、基板上に金属触媒粒子を形成し、金属触媒粒子を核として高温雰囲気で原料ガスからカーボンナノチューブを成長させる。基板は金属触媒粒子を支持するものであればよく、金属触媒粒子が濡れにくいものが好ましく、シリコン基板やガラス基板であってよい。金属触媒粒子はニッケル、コバルト、鉄などの粒子であってよい。これらの金属またはその錯体等の化合物の溶液をスプレーや刷毛で基板に塗布し、乾燥させ、必要であれば加熱し、皮膜を形成する。皮膜の厚みは、厚過ぎると加熱による金属粒子化が困難になるので、好ましくは１〜１００ｎｍである。皮膜は電子ビーム蒸着法によって形成してもよい。次いでこの皮膜を好ましくは減圧下または非酸化雰囲気中で好ましくは６５０〜８００℃に加熱すると、直径１〜５０ｎｍ程度の金属触媒粒子が形成される。金属触媒粒子は、金属を基板に電子ビーム蒸着した後、この塗膜または蒸着膜を加熱して形成することもでき、あるいは、金属粒子をクラスター銃で基板に打ち付け、乾燥させ、必要であれば加熱する方法、金属を基板に化学蒸着させる方法等で形成することもできる。

カーボンナノチューブの原料ガスとしては、アセチレン、メタン、エチレン等の脂肪族炭化水素が使用でき、とりわけアセチレンガスが好ましい。アセチレンの場合、多層構造で太さ１２〜３８ｎｍのカーボンナノチューブが基板上にブラシ毛状に形成される。カーボンナノチューブの形成温度は、好ましくは６５０〜８００℃である。

上記原料ガスを用いて一般的な化学蒸着法（ＣＶＤ法）を施すことにより、触媒として働く金属粒子を核としてカーボンナノチューブが基板上に実質上垂直に起毛される。

カーボンナノチューブの構造は単層すなわち単一のチューブであってもよいし、多層すなわち同心状の複数の異径チューブであってもよい。

カーボンナノチューブの直径は好ましくは１〜１００ｎｍ、より好ましくは２〜５０ｎｍ、高さは好ましくは１〜２００μｍである。

このように成長させたブラシ毛状カーボンナノチューブを、直接、カソード電極となる導電性シートに転写するか、または一旦、別の導電性シートに転写して同シートをカソード電極となる導電性シートに配する。導電性シート上のカーボンナノチューブは、各先端からの電子放出特性を向上させるためにカッタ、レーザー等を用いて部分的に除去し、残存部をメッシュ状などの所望のパターンに形成することが好ましい。

導電性フィルムとしては、透明のものであればよく、一般に市販されているもの、例えば東レ社製のＣＦ４８（成分：PET/ITO （Indium Tin Oxide）/Pd ）、東洋紡績社製の３００Ｒ（＃１２５）などを用いることができる。導電性フィルムの厚みは好ましくは０．０１〜１ｍｍ、より好ましくは０．０５〜０．５ｍｍである。

第１の発明において、複数の絶縁体は好ましくは球状である。球の直径はカーボンナノチューブの垂直高さより大きく、好ましくは２〜１０倍の大きさである。球状の絶縁体を用いることにより、電子放出部材を曲げた際にカソード電極とアノード電極の接触を防ぐことができ、また電子放出素子から放出される電子が球状の絶縁体の球面に沿ってアノード電極に向かって進む沿面放電現象によりアノード電極への電子の到達が効率よくなされ、電子放出素子全体に均一な電子放出が可能である。絶縁体の材料はガラス、セラミック、樹脂等の通常の絶縁材であってよい。複数の絶縁体は、カーボンナノチューブからなる電子放出素子上に実質上均一分布されることが好ましい。

第２の発明において、グリッド電極をサンドイッチする絶縁被膜は、例えばポリイミドフィルム等の樹脂フィルムであってよい。グリッド電極は例えば銅製の多孔シートからなる。

本発明により、特別な製造設備を必要とせずに製造でき、製造コストが低く、しかも、高い輝度で照明を行うことができる省電力タイプの薄型フレキシブル照明器を提供することができる。

以下に、本発明の実施の形態について説明をする。

実施例１
電子放出による蛍光材発光現象を利用した照明器具を示す図１において、可撓性の導電性シートの上面に、別途製作したカーボンナノチューブ（直径：２０〜３０ｎｍ、長さ：２０μｍ）を転写し、導電性シートからなるカソード電極(1) と、その上面にカーボンナノチューブからなる電子放出素子(2) を形成した。電子放出素子(2) の上に多数のガラス球（直径：１００μｍ）からなる絶縁体(3) を一定間隔で配した。多数の絶縁体(3) の上に、赤色部（Ｒ）と緑色部（Ｇ）と黒色部（Ｂ）を含む蛍光材層(4) を下面に有するアノード電極(5) を配した。アノード電極(5) の上に透明樹脂フィルムからなる正面材(6) を置き、カソード電極(1) とアノード電極(5) の各周縁部間にスペーサ(7) を介在させた。こうしてカソード電極(1) とアノード電極(5) とスペーサ(7) からなる密閉チャンバー(8) を構成し、チャンバー(8) 内を真空ポンプで１×１０^−６Ｔｏｒｒオーダーに減圧した。

上記構成を有する照明器具において、カソード電極(1) とアノード電極(5) の間にはアノード電圧（１ｋｖ）を印加したところ、３００ｃｄ／ｍ^２の輝度が得られた。この時の消費電力は３ｗであった。

実施例２
電子放出による蛍光材発光現象を利用した照明器具を示す図２において、可撓性の導電性シートの上面に、別途製作したカーボンナノチューブ（直径：２０〜３０ｎｍ、長さ：２０μｍ）を転写し、導電性シートからなるカソード電極(11)と、その上面にカーボンナノチューブからなる電子放出素子(12)を形成した。電子放出素子(12)の上に、上下２枚の絶縁被膜(19)(20)でサンドイッチされたグリッド電極(13)を配した。２枚の絶縁被膜(19)(20)はポリイミドフィルムからなり、グリッド電極(13)よりやや大きなサイズを有してグリッド電極(13)を挟み込むと共に、周縁の非サンドイッチ部で合着されている。上側絶縁被膜(19)の厚さは１００μｍ、下側絶縁被膜(19)の厚さは３０μｍとした。グリッド電極(13)は厚さ３０μｍの銅製の多孔シートからなる。グリッド電極(13)の多孔(21)は、銅製シートを２枚の絶縁被膜(19)(20)でサンドイッチした後、レーザー加工で穴径５０μｍに形成したものである。グリッド電極(13)の上に、赤色部（Ｒ）と緑色部（Ｇ）と黒色部（Ｂ）を含む蛍光材層(4) を下面に有するアノード電極(15)を配した。アノード電極(15)の上に透明樹脂フィルムからなる正面材(16)を置き、カソード電極(1) とアノード電極(15)または正面材(16)の各周縁部間にスペーサ(17)を介在させた。

上記構成を有する照明器具において、カソード電極(11)とグリッド電極(13)の間にグリッド電圧（１００ｖ）を印加し、カソード電極(11)とアノード電極(15)の間にはアノード電圧（１ｋｖ）を印加したところ、５００ｃｄ／ｍ^２の輝度が得られた。この時の消費電力は５ｗであった。

実施例３
実施例１で示した構造の照明器具を用いた液晶バックライトを図３に示す。すなわち、従来の構成の液晶バックライトにおいて（図５参照）、液晶パネル(54)の背面に、導光板の代わりに実施例１で示した構造の照明器具(6) を配した。図３中、(1) は導電性シートからなるカソード電極、(2) はその上面に形成されたカーボンナノチューブからなる電子放出素子、(3) は電子放出素子(2) の上に配された多数のガラス球（直径：１００μｍ）からなる絶縁体(3) 、(5) は多数の絶縁体(3) の上に配され、かつ、赤色部（Ｒ）と緑色部（Ｇ）と黒色部（Ｂ）を含む蛍光材層(4) を下面に有するアノード電極、(7) はカソード電極(1) とアノード電極(5) の各周縁部間にスペーサである。

この構成の液晶バックライトでは、カーボンナノチューブからなる電子放出素子(2) の使用により、蛍光ランプ使用の場合に比べて液晶バックライトの薄型化が可能である。また、光は電子放出素子(2) を構成する無数のカーボンナノチューブの先端から均一に放出されるので、省電力化が可能であり、大型バックライトに対して軽量化および省電力化が可能である。

実施例１による照明機具を示す垂直断面図である。実施例２による照明機具を示す垂直断面図である。実施例２による照明機具のグリッド電極を示す一部切欠斜視図である。実施例３による液晶バックライトを示す垂直断面図である。カーボンナノチューブを電子源とするＦＥＤパネルの構造を模式的に示す垂直断面図である。従来の導光板型液晶バックライトを示す垂直断面図である。

符号の説明

(1) (11)：カソード電極
(2) (12)：電子放出素子
(3) ：絶縁体
(4) (14)：蛍光材層
(5) (15)：アノード電極
(6) (16)：正面材
(7) (17)：スペーサ
(8) ：密閉チャンバー
(13)：グリッド電極
(19)：上側絶縁被膜
(20)：下側絶縁被膜
(21)：多孔

Claims

シート状のカソード電極と、カソード電極から所定間隔で対向状に設けられたシート状のアノード電極と、カソード電極の内面上に設けられた電子放出素子と、アノード電極の内面に設けられた蛍光材層と、カソード電極と蛍光材層の間に介在された複数の球状絶縁体とからなる薄型フレキシブル電子放出部材。
前記球状絶縁体は、電子放出素子上に均一に分布されてなる、請求項１に記載の薄型フレキシブル電子放出部材。
前記球状絶縁体の直径が、電子放出素子の垂直高さの２〜１０倍である、請求項１または２に記載の薄型フレキシブル電子放出部材。
シート状のカソード電極と、カソード電極から所定間隔で対向状に設けられたシート状のアノード電極と、カソード電極の内面上に設けられた電子放出素子と、アノード電極の内面に設けられた蛍光材層と、カソード電極と蛍光材層の間に介在され、かつ絶縁被膜でサンドイッチされたシート状のグリッド電極とからなる薄型フレキシブル電子放出部材。