JP4365398B2 - 電界放出素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電界放出素子及びその製造方法に関するものであり、特にカーボンナノチューブ・ヤーンを採用して電界放出素子を製造する方法に関するものである。

カーボンナノチューブの応用研究において、カーボンナノチューブを電界放出源として用いる研究は、最も進展している研究分野の一つである。カーボンナノチューブは、非常に優れた導電性能及びほとんど理論極限に近い先端表面積（先端表面積が小さければ小さいほど、その局部に電界は集中する）を有し、しかも安定な化学性質、高い機械強度、良い熱伝導性能などの優れた特性を持つため、カーボンナノチューブは、現在、最も理想的な電界放出材料の一つである。

現在、電界放出素子を製造する方法として、一般的に、インサイチュウ（ｉｎ−ｓｉｔｕ）生長方法、後処理を採用する方法がある。その内、インサイチュウ生長方法では、まず基体に金属触媒をめっきし、それから化学気相成長法或いはアーク放電法などの方法によって、前記基体上にカーボンナノチューブを直接に成長させる。前記方法によって製造されたカーボンナノチューブ電界放出素子においては、カーボンナノチューブと前記基体の結合力が比較的弱く、使う時、カーボンナノチューブが脱落し或は電界によって抜き出され、放出体の損傷を招く恐れがある。印刷法などの後処理を採用する方法は、不規則な表面にカーボンチューブ電界放出素子を製造しにくい。もう一つの機械方法として、機械アームによって、合成されたカーボンナノチューブを化学ゴムで基体に固定する。該方法のステップは簡単だが、実際の操作は難しく、且つ時間も掛かり、特に直径が約1ｎｍほどのカーボンナノチューブを制御するのはほとんど不可能である。
「Ｓｐｉｎｎｉｎｇ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ＣＮＴ Ｙａｒｎｓ」、Ｎａｔｕｒｅ、▲ハン▼守善など、２００２年、４１９巻、８０１ページ

本発明は、前記課題を解決し、制御し易く、且つカーボンナノチューブと基体との結合が堅固な電界放出素子を提供することを第一目的とする。

本発明は、前記課題を解決し、制御し易く、且つカーボンナノチューブと基体との結合が堅固な電界放出素子の製造方法を提供することを第二目的とする。

前記第一目的を達成するため、本発明に係る電界放出素子は、基体と、少なくとも一本のカーボンナノチューブ・ヤーンと、導電接着剤とを備え、前記カーボンナノチューブ・ヤーンは、前記基体の表面に巻き付き、且つ前記導電接着剤の作用により基体の表面に固定される。

前記第二目的を達成するため、本発明に係る電界放出素子の製造方法は、先ず、基体を提供し、且つ導電接着剤を該基体の表面に塗るステップと、次に、前記基体の表面に少なくとも一本のカーボンナノチューブ・ヤーンを巻き付けるステップと、最後に、前記導電接着剤を固化することにより、カーボンナノチューブ・ヤーン電界放出素子を形成するステップとを備える。

本発明の電界放出素子及びその製造方法は、基体上に少なくとも一本のカーボンナノチューブ・ヤーンを巻き付き、且つ導電接着剤を採用して、前記カーボンナノチューブ・ヤーンを基体に粘着して固定することにより、電界放出素子を製造する。前記方法は、簡単で、操作性も強く、且つ各種の不規則な表面に容易に形成することができ、且つ製造された電界放出素子のカーボンナノチューブ・ヤーンと基体の結合は堅固で、比較的大きい電界が作用しても、容易に抜き出されない。

以下、添付された図面を参照して、本発明の実施形態をさらに詳細に説明する。

操作可能性を強めるために、本実施形態は、マクロオーダーのカーボンナノチューブ構造体を放出体とする。マクロオーダーのカーボンナノチューブを形成することは、カーボンナノチューブのマクロ応用に対して、重要な意義がある。

非特許文献１によると、▲ハン▼守善等は、整列したカーボンナノチューブ配列から連続なカーボンナノチューブ・ヤーンを一本引き出すということを示した。前記カーボンナノチューブ・ヤーンは、とても多く且つ平行な、直径が数百ナノメートルの細い糸から構成され、これらの細い糸は、ファン・デル・ワールス力によって一体に形成するカーボンナノチューブから構成される。カーボンナノチューブ・ヤーンの直径の大きさは、前記細い糸の数にかかり、それはカーボンナノチューブ・ヤーンを引き出す工具の端部寸法から決められ、端部が鋭ければ鋭いほど、引き出した線は細い。例えば、高さが１００μｍ、面積が１ｃｍ^２である整列したカーボンナノチューブ配列から、長さが１０ｍ、直径が２００μｍであるカーボンナノチューブ・ヤーンを一本引き出すことができ、従って、カーボンナノチューブに対して、マクロオーダーな操作を行うことができる。

図１に示すように、本実施形態に係る電界放出素子１は、基体１０と、少なくとも一本のカーボンナノチューブ・ヤーン１２と、導電接着剤１４とを備える。その内、前記カーボンナノチューブ・ヤーン１２は、縦方向に沿って前記基体１０の表面に巻き付き、前記導電接着剤１４は、前記基体１０の表面に巻き付く前記カーボンナノチューブ・ヤーン１２を固定することに用いられる。

前記基体１０は、銅、ニッケル、モリブデン又は他の金属材料を採用してもよく、表面導電物質を採用しても良い。前記基体１０の形状は、円柱形、直方体形、錐状形又は他の不規則な形状であることができ、且つその直径は実際の需要によって選ぶことができ、数十マイクロメートルから何ミリメートルまでが好ましい。

前記一本のカーボンナノチューブ・ヤーン１２は、整列したカーボンナノチューブ配列から引き出したカーボンナノチューブ・ヤーンであって、それは大量のカーボンナノチューブを含む。前記一本のカーボンナノチューブ・ヤーン１２は、整列したカーボンナノチューブ配列から引き出した数本のカーボンナノチューブ・ヤーンから構成されてもよく、前記カーボンナノチューブ・ヤーン１２の直径範囲は、好ましくは２〜２００マイクロメートルである。

前記導電接着剤１４は、導電パルプ又は導電粘着剤などを採用することができる。前記導電パルプは、金、銀、パラジウム、ニッケル又は銅などの導電物質を含む導体パルプであって、テルピネオール、エチルセルロース、銀粉又は他の導電金属粉、低融点ガラス粉などの成分を備えるパルプを選択して採用することができる。前記導電粘着剤は、導電エポキシ樹脂、導電ペンキ、導電高分子材料から形成される粘着剤などを採用することができる。

以下、前記電界放出素子１の製造方法を詳細に説明するが、それは以下のステップを備える。

（１）基体１０を提供し、且つ前記基体１０の表面に導電接着剤１４を塗る。前記基体１０は、上述の材料及び形から選択して採用することができ、且つその直径範囲を数マイクロメートルから数ミリメートルまでに確保する。本実施形態では、円柱状体を電界放出素子１の基体１０とする。前記導電接着剤１４は、前記材料から選択して採用することができ、本実施形態において、前記テルピネオール、エチルセルロース、銀粉、低融点ガラス粉などの成分を備えるパルプを導電接着剤１４として、即ち、本実施形態は、前記銀粉を含む導電接着剤１４を基体１０の表面に均一に塗る。

（２）前記基体１０の表面に少なくとも一本のカーボンナノチューブ・ヤーン１２を巻き付ける。前記一本のカーボンナノチューブ・ヤーン１２は、整列したカーボンナノチューブ配列から引き出したカーボンナノチューブ・ヤーンであって、それは大量のカーボンナノチューブを含み、前記カーボンナノチューブ・ヤーン１２の直径範囲は、好ましくは２〜２００マイクロメートルである。図２は、本実施形態が採用するカーボンナノチューブ・ヤーン１２のＴＥＭ写真であって、その直径は約２０マイクロメートルである。本実施形態の技術によって、前記カーボンナノチューブ・ヤーン１２が基体１０の表面に粘着し、且つ固定状態を保持するように、前記基体１０の表面には銀粉を含む導電接着剤１４を塗る。

（３）前記導電接着剤１４を固化して、カーボンナノチューブ電界放出素子１を形成する。前記導電パルプ又は導電エポキシ樹脂、導電ペンキなどの導電粘着剤は全て、加熱方式を採用することにより、固化する。本実施形態は、加熱方法によって、銀粉を含む導電接着剤１４を固化し、加熱固化された後、即ちカーボンナノチューブ電界放出素子１を得ることができる。

前記製造方法において、採用するカーボンナノチューブ・ヤーン１２の機械性能を強めるために、事前にカーボンナノチューブ・ヤーン１２をアルコール又はアセトンなどの化学溶剤に浸す。これによってカーボンナノチューブ・ヤーン１２が表面張力のため縮み、カーボンナノチューブの間の相互作用を強め、機械性能を高める。

さらに、摩擦などの表面処理工程も採用することができ、前記製造されたカーボンナノチューブ電界放出素子１に対して処理を行い、カーボンナノチューブが先端を現すことにして、従って、電界放出素子の放出性能を高める。

本発明の実施形態が提供する電界放出素子及びその製造方法は、基体の表面にカーボンナノチューブ・ヤーンを巻き付ける方式によって、両者の結合が堅固な電界放出素子を得ることができ、その製造方法は簡単で、且つ各種の表面に容易に形成することができる。

その他、当業者は、本発明の精神の範囲内で他の変形を行うことができ、例えば、本発明の実施形態から逸脱せずに、基体の形及びその直径、カーボンナノチューブ・ヤーンの直径を適当に改めることができ、又は導電接着剤の種類及び対応するほかの固化方法などを改めることができる。

本発明の電界放出素子の構成を示す図である。 本発明の電界放出素子のＴＥＭ写真である。

符号の説明

１ 電界放出素子
１０ 基体
１２ カーボンナノチューブ・ヤーン
１４ 導電接着剤

Claims (5)

1. 基体と、少なくとも一本のカーボンナノチューブ・ヤーンと、導電接着剤とを備える電界放出素子であって、前記カーボンナノチューブ・ヤーンは、前記基体の表面に巻き付き、且つ前記導電接着剤の作用により基体の表面に固定されることを特徴とする電界放出素子。
2. 前記導電接着剤は、導電パルプと導電粘着剤とを備えることを特徴とする請求項１に記載の電界放出素子。
3. 基体を提供するステップと、
   前記基体に導電接着剤を塗るステップと、
   前記基体の表面に少なくとも一本のカーボンナノチューブ・ヤーンを巻き付くステップと、
   導電接着剤を固化することにより、カーボンナノチューブ・ヤーン電界放出素子を形成するステップとを備える電界放出素子の製造方法。
4. 巻き付く前のカーボンナノチューブ・ヤーンを化学溶剤に浸し、カーボンナノチューブ・ヤーンを縮ませるステップを更に備えることを特徴とする請求項３に記載の電界放出素子の製造方法。
5. 電界放出素子に対して表面処理を行い、カーボンナノチューブが先端を現すことにするステップを更に備えることを特徴とする請求項３に記載の電界放出素子の製造方法。