JP4707336B2 - Manufacturing method of electron source using carbon nanofiber - Google Patents
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Description
本発明は、フィールドエミッションディスプレイ(FED)等に用いられる陰極にカーボンナノファイバーを用いた電界放出型の電子源及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a field emission type electron source using carbon nanofibers as a cathode used in a field emission display (FED) and the like, and a manufacturing method thereof.
フラットパネルディスプレイとして、液晶ディスプレイ(LCD)やプラズマディスプレイ(PDP)が実用化されているが、近年、これら以外にもフィールドエミッションディスプレイが注目されている(例えば、非特許文献1参照。)。 As a flat panel display, a liquid crystal display (LCD) or a plasma display (PDP) has been put into practical use. In recent years, other than these, a field emission display has attracted attention (see, for example, Non-Patent Document 1).
図7は、従来のフィールドエミッションディスプレイ(以下、FEDという)の要部(カソード電極近傍)を示す概略構成図である。 FIG. 7 is a schematic configuration diagram showing a main part (near the cathode electrode) of a conventional field emission display (hereinafter referred to as FED).
図7において、100はガラス基板、101はカソード電極(陰極電極)、102はFe、Co、Ni、Pt等のいずれかの単膜あるいはそれらを主成分とする合金膜からなる触媒金属膜、103は触媒金属膜102を触媒として成膜された複数のカーボンナノチューブ、104はカソード電極101の前方側に配置したアノード電極、105はアノード電極104表面に塗布された蛍光体、106は発光側のガラス基板である。所定の隙間を有しているカソード電極101とアノード電極104の間は、排気されて所定の圧力(真空度)に調整されている。
In FIG. 7, 100 is a glass substrate, 101 is a cathode electrode (cathode electrode), 102 is a single metal film of Fe, Co, Ni, Pt or the like or a catalytic metal film made of an alloy film containing them as a main component, 103 Is a plurality of carbon nanotubes formed using the
そして、カソード電極101とアノード電極104との間に電源107から数kVの電圧を印加することによって、カーボンナノチューブ103の先端部の電界が高くなり、ついに図8に示すように、トンネル効果で電子がその先端部から放出される。カーボンナノチューブ103の先端部から放出された電子は加速されて前方のアノード電極104に衝突することで、蛍光材105から光が励起されて放出されることにより、3原色の色合いを調整して多用な色を表出する各画素を発光させて、所望の画像を表示する。
ところで、図7に示した従来のFEDにおいては、触媒金属膜102上に成膜される多数のカーボンナノチューブ103が密集し、かつその高さがある程度揃った状態になってしまうと、1本、1本のカーボンナノチューブ103の電界強度が高くても全体として電界が平滑化されてしまうという問題があった。なお、図7において、aは平滑化された電界を示している。
By the way, in the conventional FED shown in FIG. 7, when a large number of
このため、カーボンナノチューブ103の先端部の電界強度が弱くなって、電子が放出されなくなってしまう(この現象はシールディング効果と呼ばれている)。また、図9に示すように、触媒金属膜102上に成膜される多数のカーボンナノチューブ103の高さが多少異なっていてもそれらが密集していれば、やはり等電位面(図のb)は鋭角にならずに平面的に滑らかになり、電界強度は高くならない。
For this reason, the electric field intensity at the tip of the
また、実際のカーボンナノチューブは1本1本単独で存在する場合もあるが、図10に示すように、概ね多数のカーボンナノチューブ103が束(バンドル状態)になって存在する場合が多く、この場合もカーボンナノチューブの先端部は、多数のカーボンナノチューブから構成されることによって電界cが平滑化されてしまい、電子放出を阻害する原因となる。
In addition, actual carbon nanotubes may exist individually one by one, but as shown in FIG. 10, in many cases, a large number of
また、上記したFEDよりも画面サイズが大きく、かつ大電流が通電されるオーロラビジョン等の大画面サイズのフラットパネルディスプレイに用いられる電子源として、従来よりタングステン表面に酸化バリウムを塗布したものを用いた電子源が提案されているが、この場合には、酸化バリウム等を薄く塗布しなければ電子が放出されないので、塗布した後にこの表面を適度な厚さにすべく洗浄したり、乾燥させる工程等が必要となり、プロセス工程数が多くなる。 In addition, a tungsten surface coated with barium oxide has been used as an electron source for large-screen flat panel displays such as Aurora Vision, which has a larger screen size than the FED described above and is energized with a large current. In this case, since electrons are not emitted unless barium oxide or the like is applied thinly, the surface is washed or dried to an appropriate thickness after application. The number of process steps is increased.
また、上記したタングステン表面に酸化バリウムを塗布したものを用いた電子源では、必要な場合に電子を放出できるように、この電子源を常に加熱(予備加熱)しておく必要があるので電力を浪費することにもなり、また、この加熱のための電力系等が必要となるのでコストが高くなる。 In addition, in the electron source using the above-described tungsten surface coated with barium oxide, it is necessary to always heat (preheat) the electron source so that electrons can be emitted when necessary. In addition, the power is wasted, and the power system for heating is required, so that the cost is increased.
更に、上記したFEDよりも画面サイズが大きく、かつ大電流が通電されるオーロラビジョン等の大画面サイズのフラットパネルディスプレイに用いられる電子源として、タングステン上にカーボンナノチューブを成長させたものを電子源として用いることも考えられるが、タングステン上にカーボンナノチューブを成長させるためには、先ずタングステン上にNI又はCO又はFe等の薄膜を付着させ次に加熱を行い、更にメタンガスや水素ガスを導入する必要があるので、プロセス工程数が多くなる。 Furthermore, as an electron source used for a flat panel display of a large screen size such as Aurora Vision, which has a larger screen size than that of the above-mentioned FED and is supplied with a large current, an electron source obtained by growing carbon nanotubes on tungsten is used. However, in order to grow carbon nanotubes on tungsten, it is necessary to first deposit a thin film such as NI, CO, or Fe on tungsten, then heat, and then introduce methane gas or hydrogen gas As a result, the number of process steps increases.
また、カーボンナノチューブは600℃程度の温度で作製され、1000℃程度くらいで破損箇所等が修復され、結晶性が最適となり電子を効率的に放出できるが、温度がこれ以上になると徐々に結晶が破壊され、電子の放出が少なくなっていき、2000℃程度を越えると電子の放出が殆どなくってしまう。 Carbon nanotubes are produced at a temperature of about 600 ° C., and damaged portions are repaired at about 1000 ° C., and crystallinity is optimized and electrons can be emitted efficiently. When the temperature exceeds about 2000 ° C., the electron emission is almost lost.
そこで本発明は、カーボンナノファイバーの先端部における電界の平滑化を防止して電子放出を効果的に行なうことができるカーボンナノファイバーを用いた電子源及びその製造方法を提供することを目的とする。また、本発明は、FEDよりも画面サイズが大きく、かつ大電流が通電されるオーロラビジョン等の大画面サイズのフラットパネルディスプレイの電子源に適用した場合においても、プロセス工程の簡略化と低コスト化を図ることができ、かつ電子を長期にわたって良好に放出することができるカーボンナノファイバーを用いた電子源及びその製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide an electron source using a carbon nanofiber that can effectively perform electron emission by preventing the electric field from being smoothed at the tip of the carbon nanofiber, and a method for manufacturing the same. . In addition, the present invention simplifies the process steps and reduces the cost even when applied to an electron source of a large screen size flat panel display such as Aurora Vision, which has a larger screen size than the FED and is energized with a large current. It is an object of the present invention to provide an electron source using a carbon nanofiber that can be easily converted and can emit electrons well over a long period of time, and a method for manufacturing the same.
上記目的を達成するために請求項1に記載の発明は、カーボンナノファイバーを電子放出材として用いた電子源の製造方法であって、シリコン基板上にグラファイト膜を成膜する工程と、前記シリコン基板を容器内に収容して、前記容器内を所定圧力に調整し、前記シリコン基板を所定温度に加熱しながらアルゴンイオンを引き出し、前記シリコン基板上にアルゴンイオンビームを照射することにより、前記シリコン基板表面に所定の間隔で多数形成された微小突起の各頂上部に、カーボンナノファイバーを不揃いの長さで形成する工程とを含むことを特徴としている。
In order to achieve the above object, the invention described in
更に、前記所定圧力を1×10−7Pa以下とし、前記所定温度を200℃とし、前記アルゴンイオンを1.2kVで引き出し、250μA/cm2のイオン電流で前記シリコン基板上にアルゴンイオンビームを100分連続的に照射することにより、前記シリコン基板表面に所定の間隔で多数形成された微小突起の各頂上部に、カーボンナノファイバーを不揃いの長さで形成することを特徴としている。 Further, the predetermined pressure is set to 1 × 10 −7 Pa or less, the predetermined temperature is set to 200 ° C., the argon ions are extracted at 1.2 kV, and an argon ion beam is applied onto the silicon substrate with an ion current of 250 μA / cm 2. By continuously irradiating for 100 minutes, carbon nanofibers are formed with irregular lengths on the tops of a large number of microprojections formed at a predetermined interval on the surface of the silicon substrate.
本発明によれば、カーボンナノファイバーは基板表面に所定の間隔を設けて多数形成された各微小突起の頂上部にそれぞれ形成されることにより、形成された各カーボンナノファイバーは密集することなく、かつその高さも揃っていないので、その先端部の電界が平滑化されることが防止され、電子放出を効果的に行なうことができる。 According to the present invention, the carbon nanofibers are formed on the top of each of the microprojections formed at a predetermined interval on the substrate surface, so that the formed carbon nanofibers are not densely packed. Moreover, since the heights are not uniform, the electric field at the tip is prevented from being smoothed, and electron emission can be performed effectively.
以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。なお、本発明において、カーボンナノファイバーとは、ナノメートル(nm)のオーダの直径を有した炭素を主成分とするファイバー状の物質であり、カーボンナノファイバーとしては、カーボンナノチューブやグラファイトナノチューブなども含有するものである。また、本発明において、グラファイト膜としては、ダイヤモンドライクカーボン膜、無定形(アモルファス)カーボン膜、煤なども含有するものである。
〈実施形態1〉
図1は、本発明の実施形態1に係るFED用のカーボンナノファイバーを用いた電子源を製造する製造装置を示す概略構成図である。この製造装置1の反応容器2内には、基板(シリコン基板)3を載置した基板ホルダー4が設置されており、基板ホルダー4の上方には、基板3上にカーボン膜としてのグラファイト(黒鉛)膜を成膜するためのアークプラズマガン5と、カーボンナノファイバーを成膜するためのイオン源6が設置されている。基板ホルダー4内には、基板ホルダー4上の基板3を加熱するためのヒータ7が内蔵されている。反応容器2には、反応容器2内を排気して所定の圧力に調整する真空ポンプ等を有する排気系8が接続されている。
Hereinafter, the present invention will be described based on the illustrated embodiments. In the present invention, the carbon nanofiber is a fiber-like substance whose main component is carbon having a diameter on the order of nanometers (nm), and examples of the carbon nanofiber include carbon nanotubes and graphite nanotubes. It contains. In the present invention, the graphite film also includes a diamond-like carbon film, an amorphous carbon film, and soot.
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FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a manufacturing apparatus for manufacturing an electron source using FED carbon nanofibers according to
アークプラズマガン5とイオン源6は、本実施形態では基板3の平面上に対して略35°の角度で、かつ基板3の中心部を通る鉛直線に対して対称位置にそれぞれ設置されている。イオン源6には、反応ガスを導入するためのガス導入系9が接続されている。
In this embodiment, the
次に、上記した製造装置1による電子源の製造方法について説明する。
Next, the manufacturing method of the electron source by the
先ず、基板ホルダー4上に基板3を載置した後、ヒータ7に通電して抵抗加熱し、基板ホルダー4上の基板3を所定温度(200℃程度)に加熱する。この際、反応容器2内を排気系8により排気して所定の圧力に調整する。
First, after placing the
そして、アークプラズマガン5を作動させて基板3上にカーボン膜としてのグラファイト膜を1μm程度の厚みで成膜した後、再度反応容器2内を排気系8により排気して所定の圧力(1×10-7Pa程度以下)に調整する。この際、基板ホルダー4上の基板3は、所定温度(200℃程度)に加熱された状態が維持されている。そして、イオン源6にガス導入系9から反応ガスとしてアルゴンガスを導入してイオン源6を作動させる。イオン源6は、アルゴンイオン(Ar+)を約1.2kVで引出し、250μA/cm2程度のイオン電流で基板3上にアルゴンイオンビームを100分程度連続して照射する。
Then, the
アルゴンイオンビームの照射終了後にこの基板3を反応容器2内から取出して、SEM(走査型電子顕微鏡)を用いてこの基板3を観察したところ、図2に示すように、基板3表面にアルゴンイオンビームの照射によって略円錐形状の高さが数μm〜20μm程度の突起3aが、20〜30μm程度の間隔で多数形成され、かつ各突起3aの頂上部にカーボンナノファイバー10が不揃いの長さでそれぞれ形成されていた。各カーボンナノファイバー10は、その直径が50nm程度で、長さが1〜3μm程度であった。なお、図2における各突起3aと各カーボンナノファイバー10は模式的に示したものであり、実際の形状などを示したものではない。
After the irradiation of the argon ion beam, the
上記のようにして得られたカーボンナノファイバー10を有する電子源による電子放出特性を調べたところ、図3に示すような結果が得られた。この測定結果から明らかなように、約3V/μmの電界強度で約1mA/cm2の電子電流が得られた。
When the electron emission characteristics of the electron source having the
このように、本発明の製造方法で製造されたFEDに用いる電子源のカーボンナノファイバー10は、基板3表面に形成された略円錐形状の各突起10aの頂上部に形成されることにより、形成された各カーボンナノファイバー10は密集することなく、かつその高さも揃っていないので、その先端部の電界が平滑化されることが防止され、電子放出を効果的に行なうことができる。
As described above, the
また、上記したシールディング効果(カーボンナノファイバーの先端部の電界強度が弱くなって、電子が放出されなくなってしまう現象)は、本実施形態のようにカーボンナノファイバー10の長さの約10倍程度の間隔以上で各カーボンナノファイバー10が配列されていれば殆ど無視することができる。
〈実施形態2〉
実施形態1では、グラファイト膜が成膜された基板上にイオンビームを照射してその表面に略円錐状の突起を多数形成し、かつ各突起の頂上部にカーボンナノファイバーを形成したが、基板に対してイオン照射効果のある方法であれば、実施形態1のようにイオン源を用いる以外にも、例えば平行平板の2極型のスパッタ装置などを用いることができる。
Further, the shielding effect described above (a phenomenon in which the electric field strength at the tip of the carbon nanofiber is weakened and electrons are not emitted) is about 10 times the length of the
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In the first embodiment, a substrate on which a graphite film is formed is irradiated with an ion beam to form a large number of substantially conical protrusions on the surface, and carbon nanofibers are formed on the tops of the protrusions. In contrast to the ion source as in the first embodiment, for example, a parallel plate bipolar sputtering apparatus can be used as long as the method has an ion irradiation effect.
このスパッタ装置を用いる場合には、例えばアークプラズマガンでグラファイト膜を成膜した基板を基板ホルダーを兼ねる基板上に保持し、この基板に負極性の電圧を印加することにより、加速されたアルゴンイオンをこの電極に照射(衝突)させることで、実施形態1と同様にイオン照射効果が得られる。
〈実施形態3〉
実施形態1では、アークプラズマガンを用いて基板上にグラファイト膜を成膜したが、グラファイト膜を成膜する方法はこれ以外にも、例えば電子ビーム蒸着源を用いたり、イオンプレーティング法、スパッタリング法、マイクロ波CVD法、熱CVD法などを用いることができる。
〈実施形態4〉
図4は、本実施形態に係るFEDに用いる電子源の製造装置を示す概略構成である。この製造装置では、基板(シリコン基板)11を保持した電極12とグラファイト・ターゲット13を反応容器(不図示)内に対向配置し、電極12とグラファイト・ターゲット13との間にインバータ電源14を接続している。
When this sputtering apparatus is used, for example, an argon plasma accelerated by holding a substrate on which a graphite film is formed by an arc plasma gun on a substrate also serving as a substrate holder and applying a negative voltage to the substrate. By irradiating (collision) with this electrode, the ion irradiation effect can be obtained as in the first embodiment.
<
In
<
FIG. 4 is a schematic configuration showing an electron source manufacturing apparatus used in the FED according to the present embodiment. In this manufacturing apparatus, an
次に、この製造装置による電子源の製造方法について説明する。 Next, the manufacturing method of the electron source by this manufacturing apparatus is demonstrated.
先ず、反応容器(不図示)内を所定の圧力に調整して、電極12とグラファイト・ターゲット13との間にアルゴンガスを導入し、電極12とグラファイト・ターゲット13との間にインバータ電源14から高周波電圧を印加してアルゴンガスをプラズマ化する。この際、基板11はヒータ(不図示)によって所定温度に加熱されている。なお、図4のAは、プラズマ化されたアルゴンイオン(Ar+)と電子である。
First, the inside of a reaction vessel (not shown) is adjusted to a predetermined pressure, argon gas is introduced between the
そして、図5に示すように、グラファイト・ターゲット13にインバータ電源14から負極性の電圧を印加することにより、加速されたアルゴンイオンをグラファイト・ターゲット13に照射(衝突)させて、電極12に保持された基板11上にグラファイト膜15を1μm程度の厚みで成膜させる。
Then, as shown in FIG. 5, by applying a negative voltage from the
そして、図6に示すように、電極12にインバータ電源14から負極性の電圧を所定時間印加することにより、加速されたアルゴンイオンビームを基板11表面に照射(衝突)させる。これにより、実施形態1と同様にイオン照射効果が得られ、基板11表面にアルゴンイオンビームが照射(衝突)することによって略円錐形状の高さが数μm〜20μm程度の突起3aが、20〜30μm程度の間隔で多数形成され、かつ各突起11aの頂上部にカーボンナノファイバー16が不揃いの長さで形成される。形成された各カーボンナノファイバー16は、その直径が50nm程度で、長さが1〜3μm程度であった。なお、図6における各突起11aと各カーボンナノファイバー16は模式的に示したものであり、実際の形状などを示したものではない。
Then, as shown in FIG. 6, a negative voltage is applied to the
ところで、図6に示したように、基板11表面にアルゴンイオンビームの照射(衝突)によって所定間隔で突起11aが多数形成され、各突起11aの頂上部にカーボンナノファイバー16が形成される際において、電極12とグラファイト・ターゲット13との間の空間に残留しているアルゴンガス(残留ガス)にプラズマ中の電子が衝突すると、正イオンが誕生する。
By the way, as shown in FIG. 6, when a large number of
そして、この正イオンが負極性に帯電しているカーボンナノファイバー16に引き寄せられて衝突する場合がある。この正イオンの衝突によってカーボンナノファイバー16の先端が欠けると電子が放出できなくなることが懸念されるが、上記したように本実施形態では、基板11表面にグラファイト膜が成膜されている(図6ではこの膜は不図示)ので、上記正イオンが負極性の電圧が印加されている基板11表面に衝突し、この衝突によって飛び出したグラファイト材料がカーボンナノファイバー16の欠けた先端に付着することで自己再生されて修復され、良好に電子放出を行なうことができる。
〈実施形態5〉
上記した各実施形態ではFEDに用いる電子源の場合であったが、FEDよりも画面サイズが大きく、かつ大電流が通電されるオーロラビジョン等の大画面サイズのフラットパネルディスプレイに用いられる電子源においても、同様に本発明を適用することができる。
In some cases, the positive ions are attracted to and collide with the
<
In each of the embodiments described above, the electron source used for the FED was used. However, in the electron source used for a flat panel display of a large screen size such as Aurora Vision, which has a larger screen size than the FED and is energized with a large current. Similarly, the present invention can be applied.
この場合においても、例えば図1、図2に示した実施形態1あるいは図4〜図6に示した実施形態4で述べた製造装置及び製造方法によって、基板表面に形成された略円錐形状の各突起の頂上部にカーボンナノファイバーを形成した大電流用の電子源を得ることができる。なお、この大電流用の電子源においても上記したFEDに用いる電子源と同様に、基板表面に形成される略円錐形状の突起の高さは数μm〜20μm程度、各突起間の間隔は20〜30μm程度、カーボンナノファイバーの直径は50nm程度で長さは1〜3μm程度である。また、この電子源には大電流が流れるので、基板やその周辺部分においては大電流に耐えられるように構成する。 Also in this case, for example, each of the substantially conical shapes formed on the substrate surface by the manufacturing apparatus and the manufacturing method described in the first embodiment shown in FIGS. 1 and 2 or the fourth embodiment shown in FIGS. It is possible to obtain an electron source for large current in which carbon nanofibers are formed on the tops of the protrusions. In this high-current electron source, as in the electron source used for the FED described above, the height of the substantially conical protrusion formed on the substrate surface is about several μm to 20 μm, and the interval between the protrusions is 20 μm. The diameter of the carbon nanofiber is about 50 nm and the length is about 1 to 3 μm. Further, since a large current flows through the electron source, the substrate and its peripheral portion are configured to withstand the large current.
このように、FEDよりも画面サイズが大きく、かつ大電流が通電されるオーロラビジョン等の大画面サイズのフラットパネルディスプレイに用いられる電子源に本発明を適用することにより、上記した従来の大電流用の電子源(タングステン表面に酸化バリウムを塗布したものやタングステンにカーボンナノチューブを成長させたもの)のように多くのプロセス工程を必要とすることなく簡易に作製することができ、かつ従来のように加熱のための電力系等が必要ないのでコストの低減を図ることができ、更に、突起の頂上部に形成されるカーボンナノファイバーは、カーボンナノチューブでは電子の放出ができなくなる2000℃程度の高温でも効率よく電子を放出することができるので、長期にわたって良好に電子を放出することができる。 Thus, by applying the present invention to an electron source used in a flat panel display having a large screen size, such as Aurora Vision, which has a larger screen size than the FED and is energized with a large current, the above-described conventional large current can be obtained. Can be easily manufactured without the need for many process steps like conventional electron sources (tungsten surface coated with barium oxide or tungsten grown carbon nanotubes) Since no power system is required for heating, the cost can be reduced. Furthermore, the carbon nanofiber formed on the top of the protrusion has a high temperature of about 2000 ° C. where carbon nanotubes cannot emit electrons. But since it can emit electrons efficiently, it can emit electrons well over a long period of time. That.
1 製造装置
2 反応容器
3、11 基板
3a、11a 突起(微小突起)
4 基板ホルダー
5 アークプラズマガン
6 イオン源
8 排気系
9 ガス導入系
10、16 カーボンナノファイバー
12 電極
13 グラファイト・ターゲット
14 インバータ電源
DESCRIPTION OF
4
Claims (1)
シリコン基板上にグラファイト膜を成膜する工程と、
前記シリコン基板を容器内に収容して、前記容器内を1×10 −7 Pa以下に調整し、前記シリコン基板を200℃に加熱しながらアルゴンイオンを1.2kVで引き出し、前記シリコン基板上に100分連続的にアルゴンイオンビームを照射することにより、250μA/cm 2 のイオン電流で前記シリコン基板表面に所定の間隔で多数形成された微小突起の各頂上部に、カーボンナノファイバーを不揃いの長さで形成する工程とを含む、
ことを特徴とするカーボンナノファイバーを用いた電子源の製造方法。 A method for producing an electron source using carbon nanofibers as an electron emission material,
Forming a graphite film on a silicon substrate;
The silicon substrate is accommodated in a container, the inside of the container is adjusted to 1 × 10 −7 Pa or less, and argon ions are extracted at 1.2 kV while the silicon substrate is heated to 200 ° C. Irradiation with an argon ion beam for 100 minutes continuously allows carbon nanofibers to be unevenly formed on the tops of microprojections formed at a predetermined interval on the silicon substrate surface with an ion current of 250 μA / cm 2. Including the step of forming
The manufacturing method of the electron source using the carbon nanofiber characterized by the above-mentioned.
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