JP4817848B2 - 複合炭素膜および電子エミッタ - Google Patents

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本発明は、複合炭素膜およびこの複合炭素膜を用いた電子エミッタに関する。
平面ディスプレイ等には電子を平面的に発生する電子エミッタを用いることが行われる。電子エミッタ材料としてはカーボンナノチューブがこれまで大きく注目されている。しかしながら、カーボンナノチューブでは高さと配列が揃いにくくそれぞれのカーボンナノチューブから均一な電子放出電流を得ることが困難であり、高精細の平面ディスプレイ等にはそのことが課題であった。
また、電子エミッタ材料としてダイヤモンドが利用することが行われるようになっている。ダイヤモンドは通常の金属と比べると、電子を真空中に比較的容易に引き出せるうえに、電子放出の閾値電圧が低く、電界放射電流が大きいことがその理由である。しかしながら、ダイヤモンドにおいても電界集中を得るうえで先端の先鋭化が必要であり、例えば、ダイヤモンドに微細加工を施して微細先端を持つダイヤモンド形状にしたりして電子エミッタを得る技術の開発等が行われてきている。しかしながら、これらは、ダイヤモンド自体に加工を施して微細化しても優れた電子放出特性を有することは難しい。なお、電子エミッタには以下の特許文献を挙げることができる。
特開2005−044721 特開2004−139762
本発明は、ダイヤモンドを電子放出に用いるのではなく、ダイヤモンドそれ自体の化学的安定性、耐熱性、等の優れた特性を利用し、電子放出特性に優れた複合炭素膜、それを用いた電子エミッタを提供することである。
本発明による複合炭素膜は、ダイヤモンド微粒子を被覆する、導電性を有する第1炭素膜と、第1炭素膜上に生成された、電子放出特性を有する第2炭素膜とを備えることを特徴とするものである。なお、ダイヤモンド微粒子はその粒径に限定されない。例えば、その粒径は0.数μmから数十μmを含む。
本発明の複合炭素膜は、ダイヤモンド微粒子上に成膜されるので、成膜の過程で不純物が混入するおそれがなく、電子放出特性に優れた炭素膜を提供することができる。
第1炭素膜は、ダイヤモンド微粒子の表面に形成された炭素核の周囲から微細突起状に生成された炭素膜であることが好ましい。第1炭素膜は、まず、ダイヤモンド微粒子の表面に炭素からなる核が生成され、その核を炭素膜の成長の核とし、その核の周囲に微細な突起を持つ炭素からなる膜が生成されたものである。この第1炭素膜は、カーボンナノウォールまたはカーボンナノファイバであることがより好ましい。
一方、第2炭素膜は、ウォール状ないしは針状に生成された炭素膜であることが良好な電子放出特性を持つ上で好ましい。さらに、この第2炭素膜は、網目状に繋がるナノウォール状膜と、この網目状のナノウォール状膜に囲まれた領域内に先端が電子放出点となるニードル状膜とを含むことがより好ましい。ナノウォール状膜はニードル状膜の姿勢の安定化に貢献することができる。これによりニードル状膜の先端の向きが揃い易くなるので電子放出特性が安定する。また、第1炭素膜とのオーミックコンタクトはナノウォール状膜により確保することができるので、ニードル状膜はその径が細くてもその先端に電子放出に必要な電流を流し込むことが可能である。
本発明の電子エミッタは、プレートと、このプレート上に分散配置された多数のダイヤモンド微粒子と、これらダイヤモンド微粒子の表面に成膜された上記複合炭素膜とを含み、複合炭素膜の第1炭素膜はプレートとオーミックコンタクトをとり、第2炭素膜は、電子放出点となっていることを特徴とするものである。プレートは好ましくはニッケル材から構成されるが、金属材の種類に特に限定されない。また、金属材ではなくシリコン材から構成されてもよい。
この電子エミッタは、プレート上にダイヤモンド微粒子を分散配置し、そのダイヤモンド微粒子上に複合炭素膜を生成したものであるから、フラットパネルディスプレイの平面型電子エミッタに用いて好ましい。
本発明の複合炭素膜を用いれば、高効率の電子エミッタを得ることができる。
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複合炭素膜、これを備えた電子エミッタを詳細に説明する。
実施の形態の複合炭素膜は、ダイヤモンド微粒子の表面に形成された多数の炭素核それぞれから微細突起状に生成された第1炭素膜と、第1炭素膜からさらに多数のウォール状ないしは針状に生成された第2炭素膜とを備えたものである。
図1は倍率×2500倍の複合炭素膜の平面からの撮影に係るSEM写真である。図2は倍率×2500倍の複合炭素膜の平面からの撮影に係るSEM写真である。図3は倍率×8000倍の複合炭素膜の側面からの撮影に係るSEM写真であり、図4は倍率×8000倍での複合炭素膜の他の側面からの撮影に係るSEM写真である。
これらのSEM写真において図1、図2の二枚のSEM写真には、SEM写真中に書き入れた内側外形線Aの内側はダイヤモンド微粒子領域である。内側外形線Aと外側外形線Bとの間の領域は第1炭素膜の領域である。この第1炭素膜は、中心に炭素核があり、この炭素核の周囲に微細で短いウォール状やファイバ状の突起がブロック状に集合して構成されている。この第1炭素膜領域からは長くウォール状ないしはニードル状に延びた多数の突起からなる第2炭素膜を確認することができる。
図3と図4の二枚のSEM写真には、第2炭素膜が示されている。第2炭素膜は、網目状に繋がるナノウォール状膜と、この網目状のナノウォール状膜に囲まれた領域内に先端が電子放出点となるニードル状膜とが成膜されている。ニードル状膜の途中部位には花弁状膜が成膜されている。
第2炭素膜は、ニードル状膜の成膜方向が揃い、均一に電子放出することができ、発光輝度が均一で輝度むらが少ない平面ディスプレイの電子源を提供することができる。
図5に図1ないし図4のSEM写真で示す複合炭素膜を備えた陰極とこれに対向する陽極との間に電圧を印加したときの電子放出特性を示す。図5で横軸は陽陰極間の電圧V(kV/mm)を示し、縦軸はエミッション電流I(mA/cm2)を示す。エミッション電流Iは、陰極からの電子放出量を示す電流である。図5に示すように電圧Vが2.2kV/mmで、エミッション電流Iが30mA/cm2であったことから理解することができるように、実施の形態の複合炭素膜は、電子エミッタに用いて、極めて良好な電子放出特性を提供することができるものである。実施の形態では基板としてNi基板であるが、他の金属基板でも良好な電子放出特性を提供することができることを確認している。
実施の形態の複合炭素膜の成膜方法を図6ないし図8を参照して説明する。図6は実施の形態の複合炭素膜の成膜に用いる直流プラズマCVD装置を示す。直流プラズマCVD装置は、真空チャンバ2と、この真空チャンバ2の内部に平行に対向配置した一対の第1、第2平板電極4,6とを備える。真空チャンバ2はガス導入口2aとガス排気口2bとを備える。直流電源8の負極側を上側の第1平板電極4に接続し、直流電源8の正極側を接地する。下側の第2平板電極6を接地する。
以下、図6ないし図8を参照して基板10上への複合炭素膜の成膜方法を説明する。
前工程を説明する。基板10はニッケル基板である。まず、この基板10上にダイヤモンド微粒子12を分散配置する。この基板10上へのダイヤモンド微粒子12の分散配置は、メタノールの溶液中にダイヤモンド微粒子12と基板10とを入れ、超音波振動することにより行うことができる。この基板10の基板面10aの一部を図8(a)に模式的に示す。図8(a)では基板面10aとその基板面10a上に分散配置されたダイヤモンド微粒子12とが示されている。次いで、この基板10を真空チャンバ2内の第2平板電極6上に配置する。以上までが、前工程である。
次以降が本工程である。
本工程を説明する。本工程は、図7で示すように第1ないし第5工程がある。第1工程は、真空チャンバ2内に水素ガスを導入し、かつ、両平板電極4,6間に電圧を印加して、両平板電極4,6間にプラズマを発生させる。この場合の水素ガス流量は500ccmである。圧力は30torrである。電流は2.5Aである。第1工程の工程時間は20分間である。ダイヤモンド微粒子12表面はこの第1工程で水素プラズマ処理される。
次いで、第2工程では真空チャンバ2内に水素ガスとメタンガスとを導入する。水素ガス流量は500ccmである。メタンガス流量は50ccmである。圧力は30torrである。電流は4.0Aである。第2工程の工程時間は5分間である。以上の第1、第2工程により、図8(b)で示すように、ダイヤモンド微粒子12の表面に第1炭素膜14が成膜される。この第1炭素膜14は、まず、ダイヤモンド微粒子12表面に形成された多数の炭素核14aと、その炭素核14aから成長した多数の微細突起14bとから構成されている。この微細突起14bは全体がボール形状になっている。第1炭素膜14の成膜に際してはダイヤモンド微粒子12表面であるので、不純物等が第1炭素膜14に入り込むおそれがなく、また、ダイヤモンド微粒子12は、高絶縁性で、化学的に安定であり、また、耐熱性に優れているので、第1炭素膜14の成膜には好適する。
ついで、第3工程では、水素ガス流量、メタンガス流量、圧力を第2工程と同じに維持し、圧力を、30torrから75torrに増加するとともに、電流を4.0Aから6.0Aに増加する。第3工程の工程時間は10分間である。さらに、第4工程では、水素ガス流量を第3工程と同じに維持しつつ、メタンガス流量を50ccmから40ccmに減らす。また、圧力と電流を第3工程と同じに維持する。この第3工程の工程時間は65分間である。最後の第5工程では、水素ガス流量を第4工程と同じに維持しつつ、メタンガス流量を40ccmから30ccmに減らす。また、圧力と電流を第4工程と同じに維持する。第5工程の工程時間は15分間である。以上の第3ないし第5工程により、図8(c)で示すように第1炭素膜14の表面に多数のウォール状ないしは針状の突起からなる第2炭素膜16が成膜される。第2炭素膜16は、電子放出用突起として、ナノウォール状膜16aと、この網目状のナノウォール状膜16aに囲まれた領域内に先端が電子放出点となるニードル状膜16bとが成膜されている。ニードル状膜16bの途中部位には花弁状膜16cが成膜されている。第5工程後に圧力を徐々に抜き、ガスの導入を停止し、電流の印加を停止し、自然冷却する。
以上の工程を実施することにより基板10の基板面10a上に実施の形態の炭素膜を成膜して電子エミッタを得ることができる。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、プロピレン等の炭化水素ガスを用いることができる。なお、発生プラズマにより、基板10の温度は900℃ないし1150℃程度となって、メタンガスが分解され、基板面10aに炭素膜が成膜される。
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は本発明の炭素膜のSEM写真である。 図2は本発明の炭素膜のSEM写真である。 図3は本発明の炭素膜のSEM写真である。 図4は本発明の炭素膜のSEM写真である。 図5は本発明の炭素膜の電子放出特性を示す図である。 図6は本発明の炭素膜を成膜するために用いる直流プラズマCVD装置の概略構成図である。 図7は本発明の炭素膜の成膜方法の工程図である。 図8は本発明の炭素膜の成膜過程を示す図である。
符号の説明
2 真空チャンバ
4 第1平板電極
6 第2平板電極
8 直流電源
10 基板
12 ダイヤモンド微粒子
14 第1炭素膜
14a 炭素核
14b 微細突起
16 第2炭素膜
16a ナノウォール状膜
16b ニードル状膜
16c 花弁状膜

Claims (6)

  1. ダイヤモンド微粒子を被覆する、導電性を有する第1炭素膜と、第1炭素膜上に生成された、電子放出特性を有する第2炭素膜と、を備えることを特徴とする複合炭素膜。
  2. 第1炭素膜は、ダイヤモンド微粒子の表面に形成された、炭素からなる核の周囲から微細突起状に生成された炭素膜である、ことを特徴とする請求項1に記載の複合炭素膜。
  3. 第1炭素膜は、カーボンナノウォールまたはカーボンナノファイバである、ことを特徴とする請求項2に記載の複合炭素膜。
  4. 第2炭素膜は、ウォール状ないしは針状に生成された炭素膜である、ことを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の複合炭素膜。
  5. 第2炭素膜は、網目状に繋がるナノウォール状膜と、この網目状のナノウォール状膜に囲まれた領域内に先端が電子放出点となるニードル状膜とを含む、ことを特徴とする請求項4に記載の複合炭素膜。
  6. プレートと、このプレート上に分散配置された多数のダイヤモンド微粒子と、これらダイヤモンド微粒子の表面に成膜された請求項1ないし5のいずれかに記載の複合炭素膜とを含み、複合炭素膜の第1炭素膜はプレートとオーミックコンタクトをとり、第2炭素膜は、電子放出点となっている、ことを特徴とする電子エミッタ。
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