JP4578350B2 - 炭素膜、電子放出源およびフィールドエミッション型の照明ランプ - Google Patents

Description

本発明は、炭素膜、電子放出源およびフィールドエミッションランプに関する。

近年、テレビ、携帯端末、パソコン等の電子機器においては、ＴＦＴ液晶等の液晶は、当該機器の薄型化の促進に貢献し、また、低消費電力であるとして、その表示部に多用されるに至っている（例えば、特許文献１参照）。このような電子機器において、液晶を用いた表示部は、一般に、液晶表示パネルと、該液晶表示パネルをバック側から照明するバックライトとにより構成されている。このような電子機器は、液晶を用いたことにより、低消費電力化が達成されてきている一方で、消費電力の大半がバックライトにより消費されているという現状になっている。このような現状において、液晶テレビ等のごとく電子機器の薄型化に伴い、バックライトも薄型化と低消費電力化とが要求されてきている。こうしたバックライトとして、フィールドエミッション型の照明ランプが提案されている。このフィールドエミッション型の照明ランプは、陽極と陰極との間に電界を印加して陰極から電子を放出しこの放出した電子を陽極側の蛍光体に衝突させて該蛍光体を励起発光させる照明ランプである。この種の照明ランプとしては、陰極に電子放出源として炭素膜を用いたものがあるが、この炭素膜にはバックライトとして電力消費を低く抑えることができる一方で要求される輝度レベルを充足することができる電子放出特性を備えた炭素膜を得ることができるには至っていない。特に、炭素膜の電子放出源としての重要な性能の一つに電界集中があり、そのため、アスペクト比が高いカーボンナノチューブ等のカーボンファイバを基板上に多数密集させて成膜する技術が提案されてきている。しかしながら、カーボンナノチューブでは、アスペクト比が極めて大きいために基板上に機械的に支持しにくく、かつ、基板上で倒れ込み易いために照明ランプの電子放出源としての安定性が低く、また、カーボンナノチューブに電流を流し込むために必要な基板との電気的コンタクトがとりにくいために照明ランプの電子放出源として必要な電子放出特性を得難く、さらに、カーボンナノチューブが多数密集すると、アスペクト比が高く１つの電子放出特性が高いにもかかわらず、全体としては電界集中が起こりにくく、電子放出特性が損なわれ易い。
特開平０６−２４２４３９号公報

本発明により解決すべき課題は、低い電界で多量の電子を機械的、電気的に安定して放出することができる、言い換えると、電力消費を低く抑えることができる一方で要求される輝度レベルでの発光に必要な電子放出を機械的、電気的に安定して行うことを可能とする炭素膜およびこれを備えた電子放出源、ならびに低い電力消費で高い輝度で安定して発光することができるフィールドエミッション型の照明ランプを提供することである。

本発明に係る第１の炭素膜は、基板と、上記基板上に該基板面に沿って曲線状に繋がって成膜され、電子放出点の配置間隔を制約するカーボンナノウォール製の網目状の壁と、上記網目状の壁に囲まれた領域内において上記基板上に該基板面にほぼ垂直に成膜され、上記網目状の壁の高さよりも高くかつ先端が電子放出点となる針状の膜と、上記網目状の壁に囲まれた領域内において上記針状の膜にその膜下部から膜中途に至りまとわる形態で広がるように成膜され、上記針状の膜を上記基板上に支持しかつ上記基板との電気的コンタクトをとる壁状の膜とを備えたものである。

上記基板には、基板の名称に限定されず、矩形あるいは円形等の各種形状を備えた基板、あるいはワイヤ状の基板等、本発明の効果を達成することができる形状であればよく、その具体的に特定した形状に限定されるものではない。ワイヤ状とは導電性を有する線状体を含む。ワイヤ状とは、直線状、曲線状、それらの複合形状を含む。基板がワイヤである場合、そのワイヤは中実、中空を問わない。ワイヤの断面形状は、円形、楕円形、矩形、その他の形状を含む。

網目状の壁（膜）は、そのすべてが連続した壁で成膜されていることに限定されず、その一部で途切れている壁を含むことができる。その途切れ状態がどの程度であるかには何等限定されるものではない。

膜下部から膜中途において、膜下部とは、壁状の膜が針状の膜の最下端部にまとわりついて接触する必要はなく、どの位置かに具体的に限定されるものではない。また、膜中途とは、針状の膜の先端近傍にまで含むことができるものであり、また、針状の膜の半分以下の高さも含むことができるものであり、具体的に限定されるものではない。この膜下部から膜中途とは本発明を実施するうえで、本発明が意図する効果を達成することができる位置を含むものである。

本発明の第１の炭素膜によると、針状の膜は、カーボンナノチューブのようにアスペクト比が大きいのであるが、壁状の膜の膜形態が、針状の膜にその膜下部から膜中途に至りまとわる形態で壁状に広がる形態をなして成膜されているので、
本発明の第１の炭素膜では、
（１）針状の膜の基板上での姿勢が極めて安定化し、電子を安定して放出することができ、
（２）複数の針状の膜それぞれの成膜方向が揃い易くなり、この面からも複数の針状の膜それぞれからの電子放出量が基板全体にわたり均一にすることができ、フィールドエミッション型の照明ランプ全体において蛍光体を励起発光させる電子量が均一になって発光輝度を照明ランプ全体で均一化し、輝度むらを低減することができ、
（３）基板上に機械的に強固に支持され、基板上に倒れ込みにくくなる結果、照明ランプの電子放出源としての安定性が向上するとともに、
（４）針状の膜の直径が細くても、電流を流し込むための基板との電気的コンタクトを壁状の膜によりとることができることに加えて、
（５）針状の膜が網目状の膜の壁によりその配置間隔が制約されているので、針状の膜が多数密集することを制約して、それぞれの針状の膜の電界集中性能を発揮させることが可能となって優れた電子放出特性を提供することができるようになる。

さらに加えて、本発明の炭素膜では、直流プラズマＣＶＤ法により成膜する場合では、針状の膜をさらに高配向に成膜することができる。

上記壁状の膜の側面から見た形状が概ね裾広がりの形状をなしていることが好ましい。この形状によると、壁状の膜に電界集中しにくくすることができるとともに、針状の膜を機械的に支持する姿勢を安定化させることができ、かつ、基板との電気的な接触抵抗が下がり、電流を効率的に流すことができるようになる。その結果、低い電力消費で多量の電子を放出することができる炭素膜を提供することができる。

上記網目状の壁はカーボンナノウォールにより構成することができる。カーボンナノウォールは、多数のナノオーダの壁状炭素薄片が平面方向に集合連成された形態であり、数十層のグラフェンシートからなる。カーボンナノウォール単独の場合、電圧印加により端部である壁状部の上面で高い電界集中が起こって電子を放出することができるものである。しかしながら、本発明の場合では、針状の膜の直径が極めて細く、かつ、アスペクト比が大きく、網目状の壁の高さよりも高いため、電界集中が起こらない。電界集中は上記針状の膜に起こるようになっている。

本発明に係る電子放出源は、導電性ワイヤの表面に炭素膜が成膜されている電子放出源において、上記炭素膜が、本発明の炭素膜であることを特徴とする。

本発明に係る第１のフィールドエミッション型の照明ランプは、内部が真空とされてパイプ状に延びる管体と、上記管体の内面に設けられた蛍光体付き陽極と、上記管体内をワイヤ状に延びて蛍光体付き陽極と対向配置されたワイヤ状陰極とを備えたフィールドエミッション型の照明ランプにおいて、上記ワイヤ状陰極が、導電性ワイヤと、その導電性ワイヤの表面に形成された炭素膜とを含み、この炭素膜が、請求項１ないし３のいずれかに記載の炭素膜により形成していることを特徴とするものである。

本発明に係る第２のフィールドエミッション型の照明ランプは、内部が真空とされたフラットパネルと、上記フラットパネルの一方のパネル内面に設けられた蛍光体付き陽極と、上記フラットパネル内に間隔を隔てて配置された複数のワイヤ状陰極とを備えたフィールドエミッション型の照明ランプにおいて、上記ワイヤ状陰極が、導電性ワイヤと、その導電性ワイヤの表面に形成された炭素膜とを含み、この炭素膜が、本発明の炭素膜により形成していることを特徴とするものである。

本発明によれば、電力消費を低く抑えることができる一方で要求される輝度レベルでの発光に必要な電子放出を機械的、電気的に安定して行うことを可能とする炭素膜、これを備えた電子放出源、ならびにフィールドエミッション型の照明ランプを提供することができる。

以下、添付した図面を参照して本発明の実施の形態に係る炭素膜、これを備えた電子放出源、ならびにフィールドエミッション型の照明ランプを詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態に係る炭素膜の部分的な断面図、図２は同炭素膜の部分的な斜視図、図３は同炭素膜を模式的に示す側面図である。これらの図には炭素膜と、基板を含む電子放出源が示されている。

これらの図において、基板２上に成膜技術、例えば、直流プラズマＣＶＤ法により、曲線状に繋がって連続した、網目状の壁（膜）４が成膜される。この基板２にはシリコンウエハ、石英ガラス、等の基板がある。この基板２では基板表面に金属膜あるいは導電性膜を設けたものでもよい。あるいは、基板２はアルミニウム等の金属製の基板でもよい。基板２には矩形あるいは円形等の各種形状を備えた基板あるいはワイヤ状の基板でもよい。この炭素膜の用途には、種々あり、炭素膜が有する強度を利用した補強材料、炭素膜の導電性を利用した電気配線等に用いる電気材料、炭素膜の電子放出特性を利用した電子エミッタ等に用いる電子材料がある。そのうち、電子エミッタは不純物が混入されないことが好ましい。電子エミッタは、直径や長さ、および性能を制御可能であることが重要である。

基板２に連続的に成膜してなる壁４は、平面方向から見た場合、全体がほぼ網目状になっている。この壁４の高さ（ｈ）はほぼ１０ｎｍ以下の程度であり、この壁４の幅（Ｗ）は４ｎｍないし８ｎｍ程度である。この壁４で囲まれた基板２上の領域６は、針状に伸びその先端が電界集中して電子を放出する電子放出点となる炭素膜８が成膜される領域となる。この領域６は、壁４で囲まれていることにより、各領域６内それぞれに成膜される電子放出点の相互の間隔を制約ないしは規定することができるようになっている。

この領域６には、成膜技術、例えば、直流プラズマＣＶＤ法により、先端が電子放出点となる針状の膜８が成膜される。この針状の膜８は、上記網目状の壁４の高さ（ｈ）よりも高い高さ（Ｈ）、例えば、６０μｍ程度に成膜される。この針状の膜８は、平行に対向する平行平板電極間において一方の電極上に配置された矩形基板に対して該矩形基板に垂直ないしはほぼ垂直に均等に電界を印加して成膜したり、あるいは、円筒形のコイルの中心に該コイルの長手方向に沿って配置された断面円形をなす導電性ワイヤに対して該導電性ワイヤの外周面全周に均等に電界を印加して成膜するものであるから、矩形基板の基板面にはほぼ垂直に配向することができ、導電性ワイヤの外周面には半径方向に配向することができる。

この針状の膜８には、成膜技術、例えば、直流プラズマＣＶＤ法により、その膜下部から膜中途に至りまとわる形態で広がるように壁状の膜１０が成膜される。この壁状の膜１０は、針状の膜８を基板２上に支持するとともに基板２との電気的コンタクトをとることができるものである。この壁状の膜１０の側面から見た形状は概ね裾広がりの形状をなしている。この形状は、例えば、円錐形状になっている。ただし、後記するＳＥＭ写真で示すように、幾何学的に完全な円錐形を意味するものではなく、理解し易い表現として説明していて、実際はＳＥＭ写真に示すように壁状の膜１０は横広がり状態、螺旋状態、等の各種の形状となっている。いずれにしても、この壁状の膜１０は、基板２に対して広い底面積で接触することにより、針状の膜８を基板２に機械的に強固に支持することができるとともに、基板２に対する針状の膜８の電気的コンタクトを十分に確保することができる。

以上の構造を有する実施の形態の炭素膜では、針状の膜８は、カーボンナノチューブのようにアスペクト比が大きいのであるが、壁状の膜１０の膜形態が、針状の膜８にその膜下部から膜中途に至りまとわる形態で壁状に広がる形態をなして成膜されているので、基板２上に機械的に強固に支持され、基板２上に倒れ込みにくくなる結果、照明ランプの電子放出源としての安定性が向上するとともに、針状の膜８の直径が細くても、電流を流し込むための基板との電気的コンタクトを壁状の膜１０によりとることができるので、照明ランプの電子放出源として必要な電子放出特性を得ることができる。

また、実施の形態の炭素膜では、図４に示すように、この基板に平行に対向した陽極と陰極との間の電圧印加により、針状の膜８の先端の周りの電位面１２が急激に変化して、電界が強く集中するようになっている。また、網目状の膜４には電界集中が起こらない。また、針状の膜８は網目状の壁４により相互の間隔を互いの電界集中作用を阻害しないように適宜の間隔（Ｄ）、例えば、１００μｍ程度隔てられている。実施の形態では網目状の壁４で囲まれた１つの網目領域６内に１つの針状の膜８を形成したが、２以上の複数でもよい。この針状の膜８の集合程度は、従来のカーボンナノチューブのような密集状態ではなく、網目領域６毎の針状の膜８の電界集中に対する影響は極めて小さいものである。

図５および図６を参照して炭素膜の成膜方法を説明する。図５はその成膜に用いる成膜装置の概略構成を示す図、図６は成膜操作に用いるチャンバ内圧と電流とを示す図である。石英製のチャンバ１４の内部に一対の平行平板電極１６，１８を対向配置する。チャンバ１４はガス導入口管２０とガス排気口２２とを備える。直流電源２４の負極側を上側平行平板電極１８に接続し、直流電源２４の正極側を接地する。下側平行平板電極１６を接地する。チャンバ１４に導入するガスは水素とメタンとの混合ガスである。下側平行平板電極１６上には基板２を搭載する。

まず、チャンバ１４内にガス導入口２０から水素ガスを導入しその内圧を３９９９．６６ｐａ程度に徐々に減圧し、チャンバ１４内圧力を３９９９．６６ｐａにする。チャンバ１４内圧が３９９９．６６ｐａになると、その圧力を５ないし２５分程度維持する。この場合、直流電源２４の印加により、プラズマ２３を発生させ、電流を２．５Ａ程度にまで徐々に増加させ、チャンバ１４内圧が３９９９．６６ｐａになるときには電流を２．５Ａに維持する。こうして基板２上の酸化物を除去する。

次いで、チャンバ１４内にガス導入口２０から水素ガスとメタンガスとの混合ガスを導入しチャンバ１４内圧を９９９９．１５ｐａ程度にまで徐々に増大し、チャンバ１４内圧が９９９９．１５ｐａになると、この内圧を２時間程度維持する。なお、圧力としてはこれに限定されず、１０ないし１３３３２．２ｐａでも実施することができる。このとき、同時に直流電源２４により電流を２．５Ａから６Ａ程度にまで徐々に増加させ、６Ａに到達すると、その電流を２時間維持する。なお、メタンガスに代えて他の炭素を含むガス、例えば、アセチレン、エチレン、プロパン、プロピレン等のガス、あるいは一酸化炭素、二酸化炭素、エタノールやアセトンの有機溶剤の蒸気を用いることができる。

その結果、基板２上に発生するプラズマ２３により、基板２の温度が９００℃ないし１１５０℃程度となって、メタンガスが分解され、基板２表面に図１、図２示す炭素膜が成膜される。

以上の成膜装置に代えて、図７に示す成膜装置でも同様に実施することができる。図７に示す成膜装置は、導電性または絶縁性の円筒形のチャンバ１４を備え、このチャンバ１４にガス導入口２０とガス排出口２２とを設ける。チャンバ１４の内部には筒状の基板であるコイル２６を配設する。このコイル２６内部のほぼ中心軸に沿って導電性のワイヤ２８を配置する。コイル２６は一方向にストレートに延び、その内部空間に円筒状にプラズマ３０が発生する。ワイヤ２８はこの内部空間に細長に延びている。コイル２６の内周面とワイヤ２８の外周面とはその延設方向にほぼ均等に距離を隔てて対向している。コイル２６の一端側を直流電源２４の負極側に接続する。

以上の成膜装置においても、上記と同様にチャンバ１４内圧と電流とを図６に示す操作に従って制御する。この制御によりワイヤ２８表面に図１、図２に示す炭素膜を成膜することができる。

図８ないし図１２のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）写真を参照して上記成膜装置により基板上に成膜した炭素膜を説明する。

図８は、陽極と陰極との間の印加電圧３．０ｋＶ、倍率×１０００の電子顕微鏡写真である。図９は、印加電圧３．０ｋＶ、倍率×４３００の電子顕微鏡写真である。図１０は印加電圧３．０ｋＶ、倍率×１０００の電子顕微鏡写真である。図１１、図１２は、印加電圧３．０ｋＶ、倍率×１００００の電子顕微鏡写真である。

図８は実施の形態の炭素膜を横方向（側面方向）から撮影した写真である。この写真にはカーボンナノウォールからなる多数の網目状の膜４と、この網目状の膜４で囲まれた領域内の多数の針状の膜８とが成膜されている状態が示されている。

図９は図８を拡大して示す写真である。この写真には網目状の壁４に囲まれた領域内に先端が電子放出点となる針状の膜８が網目状の壁４の高さよりも高く成膜され、この針状の膜８にその膜下部から膜中途に至りまとわる形態で広がるように壁状の膜１０が成膜されている状態が示されている。

図１０は炭素膜を平面方向から撮影した写真である。この写真には基板上に曲線状に繋がる網目状の壁４が成膜され、この網目状の壁４に囲まれた針状の膜８が成膜されている状態が示されている。

図１１は図１０をさらに１０倍拡大して示す写真である。

図１２は、炭素膜を斜め方向から撮影した写真である。この写真には網目状の壁４に囲まれた領域内に針状の膜８が網目状の壁４の高さよりも高く成膜され、この針状の膜８にその膜下部から膜中途に至りまとわる形態で広がるように壁状の膜１０が成膜されている状態が示されている。

図１３は、図８ないし図１２のＳＥＭ写真に示す炭素膜によるフィールドエミッション特性を示す図である。図１３の横軸は印加電圧、縦軸は電流である。

実線（１）は実施の形態の炭素膜によるフィールドエミッション特性を示す。

破線（２）はカーボンナノウォールによるフィールドエミッション特性を示す。

図１３で明らかであるように、実施の形態の炭素膜によるフィールドエミッション特性は、カーボンナノウォールのそれよりも優れている。

図１４は、実施の形態の炭素膜をパイプ状のフィールドエミッション型の照明ランプに適用した例を示す。図１４において、パイプ状の管体３２は、ガラス好ましくはソーダライムガラスからなり内部が真空状態とされている。管体３２は、直管形状ではなく、Ｕ字管形状でもよい。管体３２の内面には、蛍光体付き陽極３４が形成されている。蛍光体付き陽極３４は、電子線励起により白色に発光する蛍光体粉末から構成された層状の蛍光膜３４ａと、導電性に優れた金属好ましくはアルミニウムを蒸着して構成された層状の陽極膜３４ｂとから構成されている。管体３２内にはその中央を長手方向にワイヤ状陰極３６が配置されている。ワイヤ状陰極３６は、蛍光体付き陽極３４と上記長手方向で対向している。

ワイヤ状陰極３６は、導電性のワイヤ３６ａとその表面に成膜された炭素膜３６ｂとから構成されている。このワイヤ３６ａの材料は特には限定されないが、例えば、グラファイト、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、等がある。この炭素膜３６ｂは、図１ないし図１３で説明した炭素膜により形成されている。

図１５（ａ）（ｂ）は、実施の形態の炭素膜をフラットパネル状のフィールドエミッション型の照明ランプに適用した例を示す。図１５（ａ）は正面から見た断面図、図１５（ｂ）は図１５（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。これらの図において、このフィールドエミッション型の照明ランプは、内部が真空とされたフラットパネル３８，４０と、一方のフラットパネル３８の内面に設けられた蛍光体付き陽極３４と、他方のフラットパネル４０上に間隔を隔てて配置された複数のワイヤ状陰極３６とを備える。

ワイヤ状陰極３６は、図１４の照明ランプと同様に、導電性ワイヤ３６ａと、その導電性ワイヤ３６ａの表面に形成された炭素膜３６ｂとを含み、この炭素膜３６ｂは、図１ないし図１３で説明した炭素膜により形成されている。

以上の構成を備えた照明ランプに対して蛍光体付き陽極３４とワイヤ状陰極３６との間に直流電圧を印加したところ、高輝度で発光する結果が得られた。

この試験の結果は、実施の形態の照明ランプをバックライトに用いた場合、低消費電力で高輝度で大型液晶テレビ等の液晶表示パネルをバック側から照明するバックライトとして非常に適したものとなることを示す。

本発明は、上述の実施の形態に限定されず、種々な変形が考えられる。

図１は本発明の実施の形態に係る炭素膜の断面構造を示す図である。 図２は図１の炭素膜の斜視図である。 図３は図１の炭素膜を模式的に示す図である。 図４は図１の炭素膜の針状の膜に対する電界集中を示す図である。 図５は図１の炭素膜の成膜に用いる成膜装置の概略構成図である。 図６は図１の炭素膜の成膜操作を示す図である。 図７は他の成膜装置の概略構成図である。 図８は、陽極と陰極との間の印加電圧３．０ｋＶ、倍率×１０００での炭素膜の電子顕微鏡写真である。 図９は、印加電圧３．０ｋＶ、倍率×４３００での炭素膜の電子顕微鏡写真である。 図１０は印加電圧３．０ｋＶ、倍率×１０００での炭素膜の電子顕微鏡写真である。 図１１は、印加電圧３．０ｋＶ、倍率×１００００での炭素膜の電子顕微鏡写真である。 図１２は、印加電圧３．０ｋＶ、倍率×１００００での炭素膜の電子顕微鏡写真である。 図１３は実施の形態の炭素膜を用いた電子放出源のフィールドエミッション特性を示す図である。 図１４は実施の形態の炭素膜を用いた電子放出源が組み込まれているフィールドエミッション型の照明ランプの概略構成図である。 図１５は実施の形態の炭素膜を用いた電子放出源が組み込まれているフィールドエミッション型の照明ランプの概略構成図であって、図１５（ａ）は正面から見た断面図、図１５（ｂ）は図１５（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

符号の説明

２ 基板
４ 網目状の壁（膜）
８ 針状の膜
１０ 壁状の膜

Claims (5)

1. 基板と、
   上記基板上に該基板面に沿って曲線状に繋がって成膜され、電子放出点の配置間隔を制約するカーボンナノウォール製の網目状の壁と、
   上記網目状の壁に囲まれた領域内において上記基板上に該基板面にほぼ垂直に成膜され、上記網目状の壁の高さよりも高くかつ先端が電子放出点となる針状の膜と、
   上記網目状の壁に囲まれた領域内において上記針状の膜にその膜下部から膜中途に至りまとわる形態で広がるように成膜され、上記針状の膜を上記基板上に支持しかつ上記基板との電気的コンタクトをとる壁状の膜と、
   を備えた炭素膜。
2. 上記壁状の膜の側面から見た形状が概ね裾広がりの形状をなしている、請求項１に記載の炭素膜。
3. 導電性ワイヤの表面に炭素膜が成膜されている電子放出源において、上記炭素膜が、請求項１または２に記載の炭素膜であることを特徴とする電子放出源。
4. 内部が真空とされてパイプ状に延びる管体と、上記管体の内面に設けられた蛍光体付き陽極と、上記管体内をワイヤ状に延びて蛍光体付き陽極と対向配置されたワイヤ状陰極とを備えたフィールドエミッション型の照明ランプにおいて、上記ワイヤ状陰極が、導電性ワイヤと、その導電性ワイヤの表面に形成された炭素膜とを含み、この炭素膜が、請求項１または２に記載の炭素膜により形成している、フィールドエミッション型の照明ランプ。
5. 内部が真空とされたフラットパネルと、上記フラットパネルの一方のパネル内面に設けられた蛍光体付き陽極と、上記フラットパネル内に間隔を隔てて配置された複数のワイヤ状陰極とを備えたフィールドエミッション型の照明ランプにおいて、上記ワイヤ状陰極が、導電性ワイヤと、その導電性ワイヤの表面に形成された炭素膜とを含み、この炭素膜が、請求項１または２に記載の炭素膜により形成しているフィールドエミッション型の照明ランプ。