JP5434432B2 - Nanocarbon material composite substrate and electron-emitting device - Google Patents

Nanocarbon material composite substrate and electron-emitting device Download PDF

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本発明は、ナノ炭素材料複合基板、該ナノ炭素材料複合基板の製造に適したナノ炭素材料複合基板製造方法、該ナノ炭素材料複合基板を用いた電子放出素子、および、該ナノ炭素材料複合基板を用いた電界電子放出型ランプに関する。   The present invention relates to a nanocarbon material composite substrate, a nanocarbon material composite substrate manufacturing method suitable for manufacturing the nanocarbon material composite substrate, an electron-emitting device using the nanocarbon material composite substrate, and the nanocarbon material composite substrate The present invention relates to a field electron emission lamp using the above.

ナノ炭素材料は、炭素原子のsp混成軌道で構成された、ナノメーター(nm)サイズの微細形状を有することから、従来の材料を凌駕する特性または従来の材料にはない特性を有しており、強度補強材料、電子放出素子材料、電池の電極材料、電磁波吸収材料、触媒材料、光学材料などの次世代の機能性材料としての応用が期待されている。 Nano-carbon materials have nanometer (nm) -sized fine shapes composed of sp 2 hybrid orbitals of carbon atoms, and therefore have characteristics that surpass conventional materials or that do not exist in conventional materials. Therefore, application as next-generation functional materials such as strength reinforcing materials, electron-emitting device materials, battery electrode materials, electromagnetic wave absorbing materials, catalyst materials, and optical materials is expected.

上述したナノ炭素材料の製造方法として、種々の方法が提案されている。   Various methods have been proposed as a method for producing the above-described nanocarbon material.

例えば、基板上に形成された触媒金属粒子上に化学気相蒸着(Chemical Vapor Deposition、CVD)を利用してカーボンナノチューブを配向成長させる方法が提案されている(特許文献1参照)。   For example, a method has been proposed in which carbon nanotubes are oriented and grown on catalytic metal particles formed on a substrate using chemical vapor deposition (CVD) (see Patent Document 1).

例えば、固体基板と有機液体が急激な温度差をもって接触することから生じる特異な界面分解反応に基づいており、精製が不要な高純度のカーボンナノチューブを合成することができ、収率が非常に高い合成方法である固液界面接触分解法が提案されている(特許文献2参照)。   For example, it is based on a unique interfacial decomposition reaction resulting from contact between a solid substrate and an organic liquid with a rapid temperature difference, and can synthesize high-purity carbon nanotubes that do not require purification, resulting in a very high yield A solid-liquid interface catalytic decomposition method, which is a synthesis method, has been proposed (see Patent Document 2).

電界電子放出(フィールドエミッション)は、アスペクト比の大きい材料に対して強電界を印加したとき、トンネル効果によりその材料の表面から電子放出が起こる現象のことを指している。フィールドエミッションにより放出される電子を蛍光体に入射し、蛍光体を励起・発光させ、照明器具として利用した装置が電界電子放出型ランプである。電界電子放出型ランプは、従来の白熱電球や蛍光灯などと比較して低消費電力、低公害などのような優れた特徴を有しており、次世代の照明器具として注目を集めている。   Field electron emission (field emission) refers to a phenomenon in which when a strong electric field is applied to a material having a large aspect ratio, electron emission occurs from the surface of the material due to the tunnel effect. A field electron emission lamp is an apparatus that uses electrons emitted by field emission to enter a phosphor to excite and emit the phosphor, and is used as a lighting fixture. Field electron emission lamps have excellent features such as low power consumption and low pollution compared to conventional incandescent bulbs and fluorescent lamps, and are attracting attention as next-generation lighting fixtures.

フィールドエミッションにより電子を放出させるための材料として、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノウォール、カーボンナノフィラメント、カーボンナノコイル、カーボンナノホーンなどのようなナノ炭素材料が挙げられる。これらナノ炭素材料は、仕事関数が低いこと、電界集中係数が高いこと、電気伝導性や熱伝導性が高いこと、など電子放出材料として好適な物性を有している。   Examples of materials for emitting electrons by field emission include nanocarbon materials such as carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanowalls, carbon nanofilaments, carbon nanocoils, and carbon nanohorns. These nanocarbon materials have physical properties suitable as an electron-emitting material, such as a low work function, a high electric field concentration factor, and high electrical conductivity and thermal conductivity.

上述のような物性を生かし、ナノ炭素材料を基板表面に成長させて電子放出材料として用い、電界電子放出型ランプなどへ応用する研究が行われている。このとき、基板表面においてナノ炭素材料をパターニングして成長させることで、ナノ炭素材料へより効率よく電界集中が起こることが知られている。   Taking advantage of the physical properties as described above, research has been conducted in which a nanocarbon material is grown on a substrate surface and used as an electron emission material, and applied to a field electron emission lamp or the like. At this time, it is known that electric field concentration occurs more efficiently on the nanocarbon material by patterning and growing the nanocarbon material on the substrate surface.

例えば、基板表面にカーボンナノチューブ成長のための触媒を成膜した後アニールを行い、触媒を微粒子化してパターンを形成し、パターン形成された触媒担持部位にのみナノ炭素材料を成長させる方法が提案されている(特許文献3参照)。   For example, a method has been proposed in which a catalyst for carbon nanotube growth is deposited on the surface of the substrate and then annealed to form a pattern by atomizing the catalyst to grow a nanocarbon material only on the patterned catalyst support site. (See Patent Document 3).

例えば、基板表面にカーボンナノチューブをパターニングして成長させ、カーボンナノチューブを保護するため、パターン化された絶縁性薄膜で被覆する方法が提案されている(特許文献4参照)。   For example, in order to protect carbon nanotubes by patterning and growing carbon nanotubes on the surface of the substrate, a method of covering with a patterned insulating thin film has been proposed (see Patent Document 4).

特開2001−167721号公報JP 2001-167721 A 特開2008−214141号公報JP 2008-214141 A 特開2005−259600号公報JP 2005-259600 A 特開2007−299697号公報JP 2007-299697 A

基板表面にナノ炭素材料をパターニングして成膜させた場合、基板全面にナノ炭素材料を成膜した場合と比較してナノ炭素材料が相対的に少なくなるため、ナノ炭素材料の機械的強度が不足する。このため、衝撃あるいは電界を印加した際に起こるスパークなどに対する安定性が損なわれるという欠点を有している。
また、基板表面にナノ炭素材料をパターニングして成膜させその周囲を被覆した場合には、ナノ炭素材料の持つ高いアスペクト比を生かすことができず、結果として電界集中の効果が低くなってしまう。
When the nanocarbon material is patterned on the substrate surface, the nanocarbon material is relatively less than when the nanocarbon material is formed on the entire surface of the substrate. Run short. For this reason, it has the fault that the stability with respect to the spark etc. which occur when an impact or an electric field is applied is impaired.
In addition, when a nanocarbon material is patterned on the surface of the substrate and the periphery thereof is coated, the high aspect ratio of the nanocarbon material cannot be utilized, resulting in a lower electric field concentration effect. .

そこで、本発明は、基板にナノ炭素材料を好適にパターニングして成長させることが出来るナノ炭素材料複合基板製造方法を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for producing a nanocarbon material composite substrate, which can be grown by suitably patterning a nanocarbon material on a substrate.

本発明の一実施形態は、表面層、触媒層、背面層、を有する基板と、前記基板上に触媒層を露出させるために形成された開口部と、前記開口部内に露出した前記触媒層の表面に成膜されたナノ炭素材料を備え前記開口部の側面は、テーパー状に形成されており、前記背面層が導電性を有し、カソード電極と導通可能なことを特徴とするナノ炭素材料複合基板である。
One embodiment of the present invention includes a substrate having a surface layer, a catalyst layer, and a back layer, an opening formed to expose the catalyst layer on the substrate, and the catalyst layer exposed in the opening. includes a nanocarbon material formed on a surface, the side surface of the opening portion is formed in a tapered shape, nanocarbon said back layer is electrically conductive, and wherein the possible conduction with the cathode electrode It is a material composite substrate.

また、前記ナノ炭素材料複合基板が、カソード電極、ゲート電極、アノード電極を備えていないことを特徴とするナノ炭素材料複合基板である。
Further, the nanocarbon material composite substrate is characterized in that it does not include a cathode electrode, a gate electrode, and an anode electrode.

また、前記触媒層の表面に成膜されたナノ炭素材料は、該ナノ炭素材料の先端が前記基板の表面層の表面に突出していないことが好ましい。 Moreover, it is preferable that the nanocarbon material deposited on the surface of the catalyst layer does not protrude from the surface of the surface layer of the substrate.

また、本発明の一実施形態は、上述のナノ炭素材料複合基板を用いた電子放出素子である。   One embodiment of the present invention is an electron-emitting device using the above-described nanocarbon material composite substrate.

また、本発明の一実施形態は、上述の電子放出素子を用いた電界電子放出型ランプであって、前記電子放出素子と、前記電子放出素子と対向して配置され、ゲート開口部を有するゲート電極と、前記ゲート電極を挟んで前記電子放出素子と対向して配置されたアノード電極と、前記アノード電極上に設けられた蛍光体と、を備えたことを特徴とする電界電子放出型ランプである。   According to another embodiment of the present invention, there is provided a field electron emission lamp using the above-described electron-emitting device, wherein the electron-emitting device and a gate having a gate opening disposed opposite to the electron-emitting device. A field electron emission lamp comprising: an electrode; an anode electrode disposed opposite to the electron-emitting device with the gate electrode interposed therebetween; and a phosphor provided on the anode electrode. is there.

本発明の手法を用いることにより、基板上に形成した開口部の断面部分に触媒層が露出させられ、この触媒層が露出されられた部分にのみナノ炭素材料が成長したナノ炭素材料複合基板が作製できる。このため、本発明のナノ炭素材料複合基板は、開口部により露出された触媒層にのみナノ炭素材料が生成されており、パターニングされてナノ炭素材料が配置されることから、電界が集中しやすく、優れた電子放出特性が発揮されることが期待できる。また、個々のナノ炭素材料は、基板の表面層によって保護されているために、衝撃やスパークなどからナノ炭素材料を保護することができ、ナノ炭素材料複合基板が優れた耐久性を発揮することが可能になる。   By using the method of the present invention, a nanocarbon material composite substrate in which a catalyst layer is exposed in a cross-sectional portion of an opening formed on a substrate and a nanocarbon material is grown only in the portion where the catalyst layer is exposed. Can be made. For this reason, in the nanocarbon material composite substrate of the present invention, the nanocarbon material is generated only in the catalyst layer exposed by the opening, and the nanocarbon material is arranged by patterning, so that the electric field tends to concentrate. It can be expected that excellent electron emission characteristics are exhibited. In addition, since each nanocarbon material is protected by the surface layer of the substrate, it can protect the nanocarbon material from impacts and sparks, and the nanocarbon material composite substrate exhibits excellent durability Is possible.

本発明のナノ炭素材料複合基板製造方法の実施形態の一例を示した概略工程図である。It is the schematic process drawing which showed an example of embodiment of the nanocarbon material composite substrate manufacturing method of this invention. 本発明のナノ炭素材料複合基板製造方法の実施形態の一例を示した概略工程図である。It is the schematic process drawing which showed an example of embodiment of the nanocarbon material composite substrate manufacturing method of this invention. 本発明のナノ炭素材料複合基板製造方法の実施形態の一例を示した概略工程図である。It is the schematic process drawing which showed an example of embodiment of the nanocarbon material composite substrate manufacturing method of this invention. 本発明の電界電子放出型ランプの一例を示した概略図である。It is the schematic which showed an example of the field electron emission type | mold lamp of this invention.

以下、本発明の一実施形態に関わるナノ炭素材料複合基板製造方法について、説明を行なう。   Hereinafter, a nanocarbon material composite substrate manufacturing method according to an embodiment of the present invention will be described.

<基板準備工程>
まず、基板11の準備を行う。本発明に用いられる基板11は、表面層12、触媒層13、背面層14、の層を備えた多層構造を有する。基板11は触媒層13を触媒層13に用いた材料とは異なる材料で両面に積層された基板11であればよく、3層以上の多層基板を用いても良い。
<Board preparation process>
First, the substrate 11 is prepared. The substrate 11 used in the present invention has a multilayer structure including a surface layer 12, a catalyst layer 13, and a back layer 14. The substrate 11 may be a substrate 11 in which the catalyst layer 13 is laminated on both sides with a material different from the material used for the catalyst layer 13, and a multilayer substrate having three or more layers may be used.

触媒層13は、ナノ炭素材料を成膜するための触媒能を持つ材料で構成されている。具体的には鉄、ニッケル、コバルト、およびこれらの金属のうち少なくとも一種類を含むような合金材料、などを用いることができる。   The catalyst layer 13 is made of a material having catalytic ability for forming a nanocarbon material. Specifically, iron, nickel, cobalt, and an alloy material containing at least one of these metals can be used.

表面層12および背面層14は、ナノ炭素材料を成膜するための触媒能を持たない材料で構成されている。具体的には銅、アルミニウム、亜鉛、クロム、マグネシウム、シリコンなどの金属材料、アルミナ、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、酸化ジルコニウムなどのセラミック材料、ポリイミド、ポリイミドアミド、ポリアセタール、ポリエーテルイミドなどの樹脂材料、などを用いることができる。   The surface layer 12 and the back layer 14 are made of a material that does not have catalytic ability to form a nanocarbon material. Specifically, metal materials such as copper, aluminum, zinc, chromium, magnesium, silicon, ceramic materials such as alumina, aluminum nitride, silicon carbide, silicon nitride, zirconium oxide, polyimide, polyimide amide, polyacetal, polyether imide, etc. Resin materials can be used.

このような多層構造を有する基板11は、表面層12、触媒層13、背面層14の3種の材料の張り合わせ、背面層14の表面に触媒層13を成膜した後で表面層12と張り合わせ、触媒層12と背面層13を張り合わせた後でその表面に表面層12を成膜、など公知の張り合わせ、接着プロセス、および薄膜形成プロセスなどを適宜用いることによって作製される。   The substrate 11 having such a multilayer structure is bonded to the surface layer 12, after the surface layer 12, the catalyst layer 13, and the back layer 14 are bonded together, and after the catalyst layer 13 is formed on the surface of the back layer 14, the substrate 11 is bonded. The catalyst layer 12 and the back surface layer 13 are bonded to each other, and then the surface layer 12 is formed on the surface thereof.

例として、銅、鉄‐ニッケル合金、銅の各基板を張り合わせる方法、銅板にニッケルめっきを施した上でニッケルの面を別の銅板に張り合わせる方法、銅板とニッケル板を張り合わせた上でニッケル板の表面に樹脂層を形成する方法、などを利用することで基板11を作製することができる。   For example, a method of bonding copper, iron-nickel alloy and copper substrates, a method of bonding a nickel plate on a copper plate and then bonding a nickel surface to another copper plate, a method of bonding a copper plate and a nickel plate, and then nickel The substrate 11 can be manufactured by utilizing a method of forming a resin layer on the surface of the plate.

<触媒層露出工程>
次に、基板11上に表面層12、少なくとも触媒層13まで達する深さの開口部16を形成し、この開口部16の底部に触媒層13を露出させる。開口部16の形成は、エッチング、機械加工など公知のプロセスを適宜用いることによって行われる。開口部16の深さおよび形状は、(1)エッチングの方式、エッチング種などの反応条件の調整、(2)微細機械加工装置の加工精度の範囲、などにより所望の形状・寸法で加工することが出来る。
<Catalyst layer exposure process>
Next, an opening 16 having a depth reaching the surface layer 12, at least the catalyst layer 13, is formed on the substrate 11, and the catalyst layer 13 is exposed at the bottom of the opening 16. The opening 16 is formed by appropriately using a known process such as etching or machining. The depth and shape of the opening 16 should be processed in a desired shape and size according to (1) adjustment of reaction conditions such as etching method and etching species, and (2) processing accuracy range of the micromachining apparatus. I can do it.

また、開口部は、基板11に多数形成されていてもよく、該複数の開口部はそれぞれパターン配列されていてもよい。
なお、ここで、パターン配列とは、各開口部同士が規則的に並んでいる状態を示すものものとして定義する。このため、例えば、碁盤目状、蜂の巣状(ハニカム構造)などの配列で整列されたものを含み、またこれらの配列に限定されるものではない。
In addition, a large number of openings may be formed in the substrate 11, and the plurality of openings may be arranged in patterns.
Here, the pattern arrangement is defined as indicating a state in which the openings are regularly arranged. For this reason, for example, those arranged in an array such as a grid pattern or a honeycomb structure (honeycomb structure) are included, and the present invention is not limited to these arrays.

また、前記触媒層露出工程にあたり、前記基板上に形成された開口部は前記基板の表面層、触媒層まで達する深さであってもよい。
開口部の最深部を触媒層とした場合、開口部の底面一面に連続してナノ炭素材料を配置することが出来る(例えば、図1(e)参照)。
Further, in the catalyst layer exposing step, the opening formed on the substrate may have a depth reaching the surface layer and the catalyst layer of the substrate.
When the deepest part of the opening is the catalyst layer, the nanocarbon material can be continuously arranged on the entire bottom surface of the opening (see, for example, FIG. 1 (e)).

また、前記触媒層露出工程において、前記基板上に形成された開口部は前記基板の表面層、触媒層、背面層まで達する深さであってもよい。
開口部の最深部を背面層とした場合、開口部の底面である背面層に分断された側面にナノ炭素材料を配置することが出来る(例えば、図2(e)参照)。
このとき、ナノ炭素材料17aが開口部16aの底面部分ではなくその断面の一部分にのみ成膜されているため、ナノ炭素材料複合基板18aを電子放出素子として用いた際にナノ炭素材料17aに電界集中が起こりやすく、結果として電子放出特性の向上が期待できる。
Further, in the catalyst layer exposing step, the opening formed on the substrate may have a depth reaching the surface layer, the catalyst layer, and the back layer of the substrate.
When the deepest part of the opening is the back layer, the nanocarbon material can be disposed on the side surface divided by the back layer that is the bottom of the opening (see, for example, FIG. 2E).
At this time, since the nanocarbon material 17a is formed not on the bottom surface portion of the opening 16a but only on a part of its cross section, an electric field is applied to the nanocarbon material 17a when the nanocarbon material composite substrate 18a is used as an electron-emitting device. Concentration is likely to occur, and as a result, improvement in electron emission characteristics can be expected.

また、前記触媒層形成工程において、前記基板上に形成された開口部は前記基板を貫通していてもよい。
開口部を貫通孔とした場合、開口部の側面にナノ炭素材料を配置することが出来る(例えば、図3(e)参照)。
このとき、開口部16bが基板11を貫通するように形成されているため、ナノ炭素材料複合基板18bを電子放出素子として用いた際に開口部16b内部のナノ炭素材料17aにより電界集中が起こりやすく、結果として電子放出特性のさらなる向上が期待できる。
In the catalyst layer forming step, the opening formed on the substrate may penetrate the substrate.
When the opening is a through hole, a nanocarbon material can be disposed on the side surface of the opening (see, for example, FIG. 3E).
At this time, since the opening 16b is formed so as to penetrate the substrate 11, when the nanocarbon material composite substrate 18b is used as an electron-emitting device, electric field concentration is likely to occur due to the nanocarbon material 17a inside the opening 16b. As a result, further improvement in electron emission characteristics can be expected.

また、前記開口部の側面は、テーパー状に形成されていることが好ましい。
開口部をテーパー形状とすることにより、後述する<ナノ炭素材料成長工程>において、ナノ炭素材料17を開口部16の開口の方向へ成膜することが可能となり、ナノ炭素材料複合基板18を電子放出素子として用いた際に電子放出特性の向上が期待できる。
Moreover, it is preferable that the side surface of the said opening part is formed in the taper shape.
By forming the opening in a tapered shape, it becomes possible to form the nanocarbon material 17 in the direction of the opening of the opening 16 in the <nanocarbon material growth step> described later, and the nanocarbon material composite substrate 18 is formed into an electron. When used as an emission element, an improvement in electron emission characteristics can be expected.

<ナノ炭素材料成長工程>
次に、開口部16の底部に露出させられた触媒層13の表面にナノ炭素材料17を成膜することでナノ炭素材料複合基板18を作製する。このとき、露出させられた触媒層13の表面にナノ炭素材料17が垂直配向するような合成方法を採用することが望ましい。
具体的には、(1)基板上に形成された触媒金属粒子上に化学気相蒸着(Chemical Vapor Deposition、CVD)を利用してカーボンナノチューブを配向成長させる方法、(2)有機液体中で遷移金属または遷移金属の酸化物からなる触媒を担持した基板を加熱してその基板上にカーボンナノチューブを合成する固液界面接触分解法、など、があげられる。
<Nanocarbon material growth process>
Next, the nanocarbon material composite substrate 18 is produced by forming the nanocarbon material 17 on the surface of the catalyst layer 13 exposed at the bottom of the opening 16. At this time, it is desirable to employ a synthesis method in which the nanocarbon material 17 is vertically aligned on the exposed surface of the catalyst layer 13.
Specifically, (1) a method of aligning and growing carbon nanotubes on catalytic metal particles formed on a substrate using chemical vapor deposition (CVD), and (2) transition in an organic liquid And a solid-liquid interfacial catalytic cracking method in which a substrate carrying a catalyst made of a metal or transition metal oxide is heated to synthesize carbon nanotubes on the substrate.

このとき、触媒層13の表面に成長させられたナノ炭素材料は、該ナノ炭素材料の先端が前記基板11の表面層12の表面を突出していないことが好ましい。
ナノ炭素材料の先端が前記基板11の表面層12の表面を突出していないことにより、触媒層13の上に位置する表面層12によって保護された構造となる。このため、ナノ炭素材料複合基板18を電子放出素子として用いた際に、衝撃やスパークなどからナノ炭素材料17を保護することが可能になる。さらに、ナノ炭素材料17が基板11の表面に突出していない(ナノ炭素材料17の先端の高さが表面層12の表面を越えない)形態を取ることで、より確実にナノ炭素材料17を保護することが可能になる。
At this time, the nanocarbon material grown on the surface of the catalyst layer 13 is preferably such that the tip of the nanocarbon material does not protrude from the surface of the surface layer 12 of the substrate 11.
Since the tip of the nanocarbon material does not protrude from the surface of the surface layer 12 of the substrate 11, the structure is protected by the surface layer 12 located on the catalyst layer 13. For this reason, when the nanocarbon material composite substrate 18 is used as an electron-emitting device, the nanocarbon material 17 can be protected from impacts, sparks, and the like. Furthermore, the nanocarbon material 17 is more reliably protected by taking a form in which the nanocarbon material 17 does not protrude from the surface of the substrate 11 (the height of the tip of the nanocarbon material 17 does not exceed the surface of the surface layer 12). It becomes possible to do.

本発明のナノ炭素材料複合基板製造方法は、表面層、触媒層、背面層、の多層構造を有する基板に対して開口部を形成し、触媒層を露出させることにより、任意のパターンでナノ炭素材料を成膜させることができる。ナノ炭素材料をパターニングして成膜させることにより、ナノ炭素材料複合基板を電子放出素子として用いた際に個々のナノ炭素材料に電界が集中しやすくなることが期待できる。また、触媒層の表面に成膜されたナノ炭素材料は表面層によって保護された構造になっているため、ナノ炭素材料複合基板を電子放出素子として用いた際に衝撃やスパークなどからナノ炭素材料を保護することが可能となり、耐久性が向上することが期待できる。   The method for producing a nanocarbon material composite substrate of the present invention comprises forming an opening with respect to a substrate having a multilayer structure of a surface layer, a catalyst layer, and a back layer, and exposing the catalyst layer to form nanocarbon in an arbitrary pattern. The material can be deposited. By patterning the nanocarbon material to form a film, it can be expected that when the nanocarbon material composite substrate is used as an electron-emitting device, the electric field is easily concentrated on each nanocarbon material. In addition, since the nanocarbon material deposited on the surface of the catalyst layer has a structure protected by the surface layer, when the nanocarbon material composite substrate is used as an electron-emitting device, the nanocarbon material is affected by impact or spark. It can be protected and durability can be expected to improve.

以下、本発明のナノ炭素材料複合基板製造方法の具体的な第1の実施の形態として、図1を用いながら説明を行なう。
まず、表面層12、触媒層13、背面層14の順で積層された多層基板を用意する(図1(a))。
次に、表面層12の表面に所望のパターンでレジスト15を塗布する(図1(b))。
次に、パターン形成されたレジスト15をマスクとしてエッチングを行い、基板11表面に開口部16を形成する。このとき、開口部16は表面層12および触媒層13まで達しており、したがって開口部16の底部には触媒層13が露出されることとなる(図1(c))。
次に、開口部16を形成した後、レジスト15を除去する(図1(d))。 次に、開口部16の底部に露出させられた触媒層13の表面にナノ炭素材料17を成膜することでナノ炭素材料複合基板18を作製する(図1(e))。
Hereinafter, a specific first embodiment of the method for producing a nanocarbon material composite substrate of the present invention will be described with reference to FIG.
First, a multilayer substrate in which the surface layer 12, the catalyst layer 13, and the back layer 14 are laminated in this order is prepared (FIG. 1A).
Next, a resist 15 is applied in a desired pattern on the surface of the surface layer 12 (FIG. 1B).
Next, etching is performed using the patterned resist 15 as a mask to form openings 16 on the surface of the substrate 11. At this time, the opening 16 reaches the surface layer 12 and the catalyst layer 13, so that the catalyst layer 13 is exposed at the bottom of the opening 16 (FIG. 1 (c)).
Next, after the opening 16 is formed, the resist 15 is removed (FIG. 1D). Next, a nanocarbon material composite substrate 18 is fabricated by depositing a nanocarbon material 17 on the surface of the catalyst layer 13 exposed at the bottom of the opening 16 (FIG. 1E).

図1に示す実施の形態では、開口部の最深部は触媒層であり、開口部の底面一面に連続してナノ炭素材料を配置することが出来る(例えば、図1(e)参照)。   In the embodiment shown in FIG. 1, the deepest part of the opening is the catalyst layer, and the nanocarbon material can be continuously arranged on the entire bottom surface of the opening (see, for example, FIG. 1 (e)).

以下、本発明のナノ炭素材料複合基板製造方法の具体的な第2の実施の形態として、図2を用いながら説明を行なう。
まず、表面層12、触媒層13、背面層14の順で積層された多層基板を用意する(図2(a))。
次に、表面層12の表面に所望のパターンでレジスト15を塗布する(図2(b))。
次に、パターン形成されたレジスト15をマスクとしてエッチングを行い、基板11表面に開口部16を形成する。このとき、開口部16aは背面層1413まで達しており、したがって開口部16aの底部には背面層14が露出されることとなる(図2(c))。
次に、開口部16aを形成した後、レジスト15を除去する(図2(d))。
次に、開口部16aにより露出させられた触媒層13の表面にナノ炭素材料17を成膜することでナノ炭素材料複合基板18を作製する(図2(e))。
Hereinafter, the second embodiment of the method for producing a nanocarbon material composite substrate of the present invention will be described with reference to FIG.
First, a multilayer substrate in which the surface layer 12, the catalyst layer 13, and the back layer 14 are laminated in this order is prepared (FIG. 2A).
Next, a resist 15 is applied in a desired pattern on the surface of the surface layer 12 (FIG. 2B).
Next, etching is performed using the patterned resist 15 as a mask to form openings 16 on the surface of the substrate 11. At this time, the opening 16a reaches the back layer 1413, and therefore, the back layer 14 is exposed at the bottom of the opening 16a (FIG. 2C).
Next, after the opening 16a is formed, the resist 15 is removed (FIG. 2D).
Next, a nanocarbon material composite substrate 18 is fabricated by depositing a nanocarbon material 17 on the surface of the catalyst layer 13 exposed through the opening 16a (FIG. 2E).

図2に示す実施の形態では、開口部の最深部は背面層であり、開口部の底面である背面層に分断された側面にナノ炭素材料を配置することが出来る(例えば、図2(e)参照)。
このとき、ナノ炭素材料17aが開口部16aの底面部分ではなくその断面の一部分にのみ成膜されているため、ナノ炭素材料複合基板18aを電子放出素子として用いた際にナノ炭素材料17aに電界集中が起こりやすく、結果として電子放出特性の向上が期待できる。
In the embodiment shown in FIG. 2, the deepest part of the opening is the back layer, and the nanocarbon material can be disposed on the side surface divided into the back layer that is the bottom of the opening (for example, FIG. )reference).
At this time, since the nanocarbon material 17a is formed not on the bottom surface portion of the opening 16a but only on a part of its cross section, an electric field is applied to the nanocarbon material 17a when the nanocarbon material composite substrate 18a is used as an electron-emitting device. Concentration is likely to occur, and as a result, improvement in electron emission characteristics can be expected.

以下、本発明のナノ炭素材料複合基板製造方法の具体的な第3の実施の形態として、図3を用いながら説明を行なう。
まず、表面層12、触媒層13、背面層14の順で積層された多層基板を用意する(図3(a))。
次に、表面層12の表面に所望のパターンでレジスト15を塗布する(図3(b))。
次に、パターン形成されたレジスト15をマスクとしてエッチングを行い、基板11表面に開口部16bを形成する。このとき、開口部16aは表面層12から背面層14までを貫く貫通孔であり、開口部16bの側面に触媒層13が露出している(図3(c))。
次に、開口部16bを形成した後、レジスト15を除去する(図3(d))。
次に、開口部16bにより露出させられた触媒層13の表面にナノ炭素材料17を成膜することでナノ炭素材料複合基板18を作製する(図3(e))。
Hereinafter, the third embodiment of the method for producing a nanocarbon material composite substrate of the present invention will be described with reference to FIG.
First, a multilayer substrate in which the surface layer 12, the catalyst layer 13, and the back layer 14 are laminated in this order is prepared (FIG. 3A).
Next, a resist 15 is applied in a desired pattern on the surface of the surface layer 12 (FIG. 3B).
Next, etching is performed using the patterned resist 15 as a mask to form openings 16b on the surface of the substrate 11. At this time, the opening 16a is a through-hole penetrating from the surface layer 12 to the back layer 14, and the catalyst layer 13 is exposed on the side surface of the opening 16b (FIG. 3C).
Next, after the opening 16b is formed, the resist 15 is removed (FIG. 3D).
Next, a nanocarbon material composite substrate 18 is fabricated by depositing a nanocarbon material 17 on the surface of the catalyst layer 13 exposed through the opening 16b (FIG. 3E).

図3に示す実施の形態では、開口部は貫通孔であり、開口部の側面にナノ炭素材料を配置することが出来る(例えば、図3(e)参照)。
このとき、開口部16bが基板11を貫通するように形成されているため、ナノ炭素材料複合基板18bを電子放出素子として用いた際に開口部16b内部のナノ炭素材料17aにより電界集中が起こりやすく、結果として電子放出特性のさらなる向上が期待できる。
In the embodiment shown in FIG. 3, the opening is a through hole, and a nanocarbon material can be disposed on the side surface of the opening (see, for example, FIG. 3E).
At this time, since the opening 16b is formed so as to penetrate the substrate 11, when the nanocarbon material composite substrate 18b is used as an electron-emitting device, electric field concentration is likely to occur due to the nanocarbon material 17a inside the opening 16b. As a result, further improvement in electron emission characteristics can be expected.

以下、本発明のナノ炭素材料複合基板を電子放出源として用いた電界電子放出型ランプについて、図4を参照しながら詳しく説明する。ただし、本発明は以下に説明する好適な実施の形態に何ら限定されるものではない。   Hereinafter, a field electron emission lamp using the nanocarbon material composite substrate of the present invention as an electron emission source will be described in detail with reference to FIG. However, the present invention is not limited to the preferred embodiments described below.

図4に示すように、本発明のナノ炭素材料複合基板を電子放出源として用いた電界電子放出型ランプは、カソード電極19、ゲート電極31、アノード電極42を備えた三極構造型の電界電子放出型ランプである。   As shown in FIG. 4, a field electron emission lamp using the nanocarbon material composite substrate of the present invention as an electron emission source is a triode structure type field electron device including a cathode electrode 19, a gate electrode 31, and an anode electrode. This is a discharge lamp.

カソード電極19は、金属材料または半金属材料からなる導電性材料、例えば銅、アルミニウム、ニッケル、または鋼、ステンレス、インバー、コバールなどの合金、またはシリコンなどで構成されている。このカソード電極16のゲート電極31と対向する面には上記のナノ炭素材料複合基板18が配置されている。なお、ナノ炭素材料複合基板18の背面層14が導電性材料で構成されている場合には、これを利用してナノ炭素材料複合基板18にカソード電極としての役割を持たせても差し支えない。この場合にはカソード電極19が省略され、ナノ炭素材料複合基板18が直接外部回路に接続されることとなる(不図示)。   The cathode electrode 19 is made of a conductive material made of a metal material or a semimetal material, for example, copper, aluminum, nickel, or an alloy such as steel, stainless steel, invar, kovar, or silicon. The nano carbon material composite substrate 18 is disposed on the surface of the cathode electrode 16 facing the gate electrode 31. When the back layer 14 of the nanocarbon material composite substrate 18 is made of a conductive material, the nanocarbon material composite substrate 18 may be used as a cathode electrode by using this. In this case, the cathode electrode 19 is omitted, and the nanocarbon material composite substrate 18 is directly connected to an external circuit (not shown).

ゲート電極31は、銅、アルミニウム、ニッケル、鋼、ステンレス、インバー、コバールなどのような金属材料で構成されている。ゲート電極31は、カソード電極19上のナノ炭素材料複合基板18から電子を放出させ、この電子をアノード電極42の方向へと導くための金属材料で構成された平板状電極である。   The gate electrode 31 is made of a metal material such as copper, aluminum, nickel, steel, stainless steel, invar, and kovar. The gate electrode 31 is a flat electrode made of a metal material that emits electrons from the nanocarbon material composite substrate 18 on the cathode electrode 19 and guides the electrons toward the anode electrode 42.

ゲート電極31は、金属材料に対して機械加工、エッチング、スクリーン印刷などの手法によって開口部32を形成することによって作製される。このとき、開口部32を形成する領域及びその形態については、必ずしも図4の形態に限定される必要はなく、円形、矩形、ライン状など任意の形態で形成して差し支えない。あるいは、ナノ炭素材料複合基板18に形成されている開口部16と同一のパターンで形成されていても良い。   The gate electrode 31 is manufactured by forming the opening 32 in a metal material by a technique such as machining, etching, or screen printing. At this time, the region where the opening 32 is formed and the form thereof are not necessarily limited to the form shown in FIG. 4 and may be formed in any form such as a circle, a rectangle, or a line. Alternatively, it may be formed in the same pattern as the opening 16 formed in the nanocarbon material composite substrate 18.

また、上記のように金属材料に対して開口部32を形成することでゲート電極31を作製する代わりに、金属材料からなるメッシュをゲート電極31として用いてもよい。   Further, instead of forming the gate electrode 31 by forming the opening 32 in the metal material as described above, a mesh made of a metal material may be used as the gate electrode 31.

アノード電極42は、酸化インジウムスズ、酸化亜鉛、酸化スズなどのような透明導電膜であり、アノード基板41上にスパッタ、真空蒸着、レーザーアブレーション、イオンプレーティング、CVD、スプレー法、ディップ法などにより成膜されている。またアノード基板41は、ガラス、アクリル樹脂、ポリカーボネートなどのような透明度の高い材料で構成されている。   The anode electrode 42 is a transparent conductive film such as indium tin oxide, zinc oxide, tin oxide, etc., and is formed on the anode substrate 41 by sputtering, vacuum deposition, laser ablation, ion plating, CVD, spraying, dipping, or the like. A film is formed. The anode substrate 41 is made of a highly transparent material such as glass, acrylic resin, or polycarbonate.

アノード電極42上のゲート電極31と対向する面には、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化イットリウムなどの微粒子の分散溶液をインクジェット、スクリーン印刷などで塗布し、その後乾燥、焼成させることにより蛍光体層43が成膜されている。   A surface of the anode electrode 42 facing the gate electrode 31 is coated with a dispersion solution of fine particles of zinc oxide, titanium oxide, aluminum oxide, yttrium oxide, etc. by inkjet, screen printing, etc., and then dried and fired for fluorescence. A body layer 43 is formed.

なお、蛍光体層43を成膜する領域及びその領域については、必ずしも図2の形態に限定される必要はない。アノード電極42上において、アノード電極42およびゲート電極31に対して垂直な方向から見たとき、少なくともゲート電極31上の開口部32の直上に蛍光体層43が成膜されていれば十分である。   The region where the phosphor layer 43 is formed and the region are not necessarily limited to the form shown in FIG. It is sufficient that the phosphor layer 43 is formed on the anode electrode 42 immediately above the opening 32 on the gate electrode 31 when viewed from a direction perpendicular to the anode electrode 42 and the gate electrode 31. .

上記カソード電極19、ゲート電極31、およびアノード電極42は真空排気された発光容器(不図示)中に設置されている。またカソード電極19とゲート電極31との間には外部電源51が、カソード電極19とアノード電極42との間には外部電源52が発光容器外部よりそれぞれ接続されており、両電極間に印加する電圧を任意に設定することが可能である。   The cathode electrode 19, the gate electrode 31, and the anode electrode 42 are installed in a light-emitting container (not shown) that is evacuated. An external power source 51 is connected between the cathode electrode 19 and the gate electrode 31, and an external power source 52 is connected between the cathode electrode 19 and the anode electrode 42 from the outside of the light emitting container. It is possible to arbitrarily set the voltage.

外部電源51によってカソード電極19とゲート電極31との間に、外部電源52によってカソード電極19とアノード電極42との間に、それぞれ直流電圧を印加することにより、ナノ炭素材料複合基板18の開口部16の内部に成膜したナノ炭素材料17からフィールドエミッションにより電子が放出される。電子はゲート電極31に設けられた開口部32を通り抜け、アノード電極42上の蛍光体層43に入射する。このとき蛍光体層43より可視光が放出され、この可視光はアノード基板41を透過してランプ外部に放たれる。   By applying a DC voltage between the cathode electrode 19 and the gate electrode 31 by the external power source 51 and between the cathode electrode 19 and the anode electrode 42 by the external power source 52, the opening of the nanocarbon material composite substrate 18 is applied. Electrons are emitted from the nanocarbon material 17 formed inside 16 by field emission. The electrons pass through the opening 32 provided in the gate electrode 31 and enter the phosphor layer 43 on the anode electrode 42. At this time, visible light is emitted from the phosphor layer 43, and this visible light is transmitted through the anode substrate 41 and emitted outside the lamp.

本発明のナノ炭素材料複合基板を電子放出源として用いた電界電子放出型ランプにおいては、個々のナノ炭素材料に電界が集中しやすく、またこれらナノ炭素材料は表面層によって保護された構造になっているため、電界電子放出型ランプの発光特性および耐久性が向上することが期待できる。   In the field electron emission lamp using the nanocarbon material composite substrate of the present invention as an electron emission source, the electric field tends to concentrate on each nanocarbon material, and the nanocarbon material has a structure protected by a surface layer. Therefore, it can be expected that the emission characteristics and durability of the field electron emission lamp are improved.

本発明のナノ炭素材料複合基板は、強度補強材料、電池の電極材料、電磁波吸収材料、触媒材料、光学材料、電子放出素子材料、などの基板としての応用が期待される。
特に、強電界によって電子を放出する電界放射型の電子放出素子としての利用が期待され、具体的には、例えば、光プリンタ、電子顕微鏡、電子ビーム露光装置などの電子発生源や電子銃、平面ディスプレイを構成するアレイ状のフィールドエミッタアレイの面電子源、照明ランプ、などの用途としての電子放出素子として有用である。
特に、照明ランプの電子放出素子として用いる場合、(1)ディスプレイ用途:液晶バックライト、プロジェクタ光源、LEDディスプレイ光源、(2)シグナル用途:交通信号灯、産業/業務用回転灯・信号灯、非常灯・誘導灯、(3)センシング用途:赤外線センサ光源、産業用光センサ光源、光通信用光源、(4)医療・画像処理用途:医療用光源(眼底カメラ・スリットランプ)、医療用光源(内視鏡)、画像処理用光源、(5)光化学反応用途:硬化・乾燥/接着用光源、洗浄/表面改質用光源、水殺菌/空気殺菌用光源、(6)自動車用光源:ヘッドランプ、リアコンビネーションランプ、内装ランプ、(7)一般照明:オフィス照明、店舗照明、施設照明、舞台照明・演出照明、屋外照明、住宅照明、ディスプレイ照明(パチンコ機、自動販売機、冷凍・冷蔵ショーケース)、機器・什器組込照明、などの照明用途に応用が期待される。
なお、上記の用途に本発明のナノ炭素材料複合基板の用途は限定されるものではない。
The nanocarbon material composite substrate of the present invention is expected to be used as a substrate for strength reinforcing materials, battery electrode materials, electromagnetic wave absorbing materials, catalyst materials, optical materials, electron-emitting device materials, and the like.
In particular, it is expected to be used as a field emission type electron-emitting device that emits electrons by a strong electric field. Specifically, for example, an electron generation source such as an optical printer, an electron microscope, an electron beam exposure apparatus, an electron gun, a plane The present invention is useful as an electron-emitting device for applications such as a surface electron source of an array-shaped field emitter array constituting a display, an illumination lamp, and the like.
In particular, when used as an electron-emitting device of an illumination lamp, (1) Display application: liquid crystal backlight, projector light source, LED display light source, (2) Signal application: traffic signal lamp, industrial / commercial rotary lamp / signal lamp, emergency lamp, Guide light, (3) Sensing application: infrared sensor light source, industrial optical sensor light source, optical communication light source, (4) Medical / image processing application: medical light source (fundus camera / slit lamp), medical light source (internal view) Mirror), image processing light source, (5) photochemical reaction application: curing / drying / adhesion light source, cleaning / surface modification light source, water sterilization / air sterilization light source, (6) automotive light source: headlamp, rear Combination lamps, interior lamps, (7) general lighting: office lighting, store lighting, facility lighting, stage lighting / stage lighting, outdoor lighting, residential lighting, display lighting (pachi) Co machines, vending machines, refrigerated showcases), equipment and fixtures embedded lighting, is applied to lighting applications, such as is expected.
In addition, the use of the nanocarbon material composite substrate of the present invention is not limited to the above use.

11……基板
12……表面層
13……触媒層
14……背面層
15……レジスト
16、16a、16b……開口部
17、17a、17b……ナノ炭素材料
18、18a、18b……ナノ炭素材料複合基板
19……カソード電極
31……ゲート電極
32……開口部
41……アノード基板
42……アノード電極
43……蛍光体層
51……外部電源
52……外部電源
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Substrate 12 ... Surface layer 13 ... Catalyst layer 14 ... Back layer 15 ... Resist 16, 16a, 16b ... Openings 17, 17a, 17b ... Nano carbon material 18, 18a, 18b ... Nano Carbon material composite substrate 19 ... cathode electrode 31 ... gate electrode 32 ... opening 41 ... anode substrate 42 ... anode electrode 43 ... phosphor layer 51 ... external power source 52 ... external power source

Claims (4)

表面層、触媒層、背面層、を有する基板と、
前記基板上に触媒層を露出させるために形成された開口部と、
前記開口部内に露出した前記触媒層の表面に成膜されたナノ炭素材料を備え、
前記開口部の側面は、テーパー状に形成されており、
前記背面層が導電性を有し、カソード電極と導通可能なことを特徴とするナノ炭素材料複合基板。
A substrate having a surface layer, a catalyst layer, a back layer, and
An opening formed to expose the catalyst layer on the substrate;
Comprising a nanocarbon material deposited on the surface of the catalyst layer exposed in the opening,
The side surface of the opening is formed in a tapered shape,
A nanocarbon material composite substrate, wherein the back layer has conductivity and can be electrically connected to a cathode electrode.
前記ナノ炭素材料複合基板が、カソード電極、ゲート電極、アノード電極を備えていないことを特徴とする、請求項1に記載のナノ炭素材料複合基板。   The nanocarbon material composite substrate according to claim 1, wherein the nanocarbon material composite substrate does not include a cathode electrode, a gate electrode, and an anode electrode. 前記触媒層の表面に成膜されたナノ炭素材料は、該ナノ炭素材料の先端が前記基板の表面層の表面に突出していないこと
を特徴とする請求項1、2いずれかに記載のナノ炭素材料複合基板。
Nanocarbon material formed on a surface of the catalyst layer, nanocarbon according to claim 1, 2 or, characterized in that the tip of the nano-carbon material does not protrude on the surface of the surface layer of the substrate Material composite substrate.
請求項1から3のいずれかに記載のナノ炭素材料複合基板を用いた電子放出素子。   An electron-emitting device using the nanocarbon material composite substrate according to claim 1.
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