ナノ炭素材料複合基板、電子放出素子、ナノ炭素材料複合基板の製造方法
【課題】本発明は、ナノ炭素材料が基板上にパターン配列されて形成されたナノ炭素材料複合基板を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、基板と、前記基板上に形成された凹部および凸部よりなる３次元構造ラインパターンと、前記３次元構造ラインパターンが形成された前記基板の表面に形成されたナノ炭素材料と、を備えることを特徴とするナノ炭素材料複合基板である。本発明によれば、３次元構造ラインパターンを有することから、基板の表面上に形成されたナノ炭素材料は３次元構造ラインパターンの形状に沿って形成される。このため、３次元構造ラインパターンに沿ってナノ炭素材料が基板上にライン状にパターン配列される。
【解決手段】本発明は、基板と、前記基板上に形成された凹部および凸部よりなる３次元構造ラインパターンと、前記３次元構造ラインパターンが形成された前記基板の表面に形成されたナノ炭素材料と、を備えることを特徴とするナノ炭素材料複合基板である。本発明によれば、３次元構造ラインパターンを有することから、基板の表面上に形成されたナノ炭素材料は３次元構造ラインパターンの形状に沿って形成される。このため、３次元構造ラインパターンに沿ってナノ炭素材料が基板上にライン状にパターン配列される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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を用いた電子放出素子、および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の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノ炭素材料は、炭素原子のｓｐ２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。
【０００３】
上述したようなナノ炭素材料では、ナノ炭素材料をより高密度に形成し、より大きな表面積を利用することが好ましい場合がある。
例えば、電極材料ではナノ炭素材料の純度が高く、表面積が大きいほど蓄電あるいは発電などの効率が向上する。
例えば、電界放射型の電子放出素子材料として利用する場合には、ナノ炭素材料の純度が高く、かつ、アスペクト比の高い凹凸構造を有することにより、電界集中効率が向上しより低電圧での電子放出が可能となる。
【０００４】
また、上述したようなの合成方法としては、アーク放電法、レーザーアブレーション法、プラズマ化学気相成長法、熱化学気相成長法などが知られている。これらの方法のうち、アーク放電法、レーザーアブレーション法およびプラズマ化学気相成長法は、非平衡反応であるため非晶質成分を生成しやすく、一般的に生成するカーボンナノチューブの収率が低く、しかも生成したカーボンナノチューブの太さや種類が一様でないことが知られている。
【０００５】
例えば、特許文献１および特許文献２には、触媒を用いて炭化水素ガスを熱分解することによりカーボンナノチューブを製造する熱化学気相成長法が開示されている。
熱化学気相成長法は、化学平衡反応を利用するため収率が比較的高いことが知られており、超微粒の鉄やニッケルなどの触媒粒子を核として成長した炭素繊維が得られる。得られた炭素繊維は、炭素網層が同心状、中空状に成長したものである。しかし、これらの方法では、触媒となる金属の粒径や化学状態を制御することが困難であり、ナノ炭素材料の形状や太さを制御して合成することができず、実用化の際に要求される所望の構造の材料を作り分けて得ることができないため、結果的に収率が低下することは避けられなかった。
【０００６】
また、特許文献３には、ナノ炭素材料の合成方法として、固液界面接触分解法が開示されている。が開示されている。
固液界面接触分解法は、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。
【０００７】
一方、電子ディスプレイデバイスとして、高真空の平板セル中に微小な電子放出素子、特に電界放射型の電子放出素子をアレイ状に配したものが有望視されている。電界放射型の電子放出素子は、物質に印加する電界の強度を上げると、その強度に応じて物質表面のエネルギー障壁の幅が次第に狭まり、電界強度が１０７Ｖ／ｃｍ以上になると、物質中の電子がトンネル効果によりそのエネルギー障壁を突破できるようになり、物質から電子が放出されるという現象を利用している。この場合、電場がポアッソンの方程式に従うために、電子を放出する部材、即ちエミッタに電界が集中する部分を形成すると、比較的低い引き出し電圧で効率的に冷電子の放出を行うことができる。
【０００８】
近年、上述した電子放出素子のエミッタ材料としてナノ炭素材料が注目されている。ナノ炭素材料の中で最も代表的なカーボンナノチューブは、炭素原子が規則的に配列したグラフェンシートを丸めた中空の円筒であり、外径がｎｍオーダー、長さが通常０．５〜数１０μｍの非常にアスペクト比の高い微小な物質である。そのため、先端部分に電界が集中しやすく高い電子放出能が期待される。また、カーボンナノチューブは、化学的、物理的安定性が高いという特徴を有するため、動作真空中の残留ガスの吸着や反応が生じ難く、イオン衝撃や電子放出に伴う発熱に対して損傷を受け難い特性を有している。
【０００９】
例えば、特許文献４には、カーボンナノチューブをエミッタに利用する方法として、ペースト化し、印刷法により基板上に塗布するエミッタ形成方法が開示されている。
まず、基板上にカソード電極を所定ピッチでストライプ状に形成し、スクリーン印刷によってカソード電極上にカーボンナノチューブを含んだペーストを四角形や円形などの形状に孤立した形でカソード電極と同じピッチに形成し、カーボンナノチューブを含んだ樹脂層の間に絶縁層をスクリーン印刷し、大気雰囲気中で焼成する。これにより、カーボンナノチューブを含む樹脂層の樹脂成分が分解し、カーボンナノチューブが露出して電子放出部が形成される。最後に、グリッド電極を絶縁層上に形成してエミッタを作製する。
【００１０】
上記のようなエミッタの作製に用いるペーストは、一般的には、カーボンナノチューブに溶剤、分散剤、接着剤としてのガラスフリット、フィラーなどを加え、これらの分布状態が均一になるように混合して分散させる。混合後に濾過を行い、溶剤と樹脂とからなるビヒクル中に混ぜ込んでペースト化する。このペーストをよく混合して分散状態を高めた後に濾過してカーボンナノチューブペーストを調製する。そして上記プロセスで得られたカーボンナノチューブペーストを基板上に印刷し、乾燥および焼成によりビヒクルを酸化分解させてカーボンナノチューブを得る。このような方法により、カソード電極上にカーボンナノチューブを形成することができる。
【００１１】
しかしながら、印刷法によりエミッタを形成する場合、カーボンナノチューブをペースト化する必要があり、各種バインダーと混ぜることが不可欠となるため、バインダーの在留による特性の劣化が避けられなかった。また、印刷法により形成されたエミッタでは、ペースト内のカーボンナノチューブの方向を揃えることが困難であり、純粋なカーボンナノチューブそのものを電界が集中する部位として利用することは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００２−２５５５１９号公報
【特許文献２】特開２００２−２８５３３４号公報
【特許文献３】特開２００３−１２３１２号公報
【特許文献４】特開２００３−２７２５１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、ナノ炭素材料が基板上にパターン配列されて形成されたナノ炭素材料複合基板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、基板と、前記基板上に形成された凹部および凸部よりなる３次元構造ラインパターンと、前記３次元構造ラインパターンが形成された前記基板の表面に形成されたナノ炭素材料と、を備えることを特徴とするナノ炭素材料複合基板である。
【００１５】
また、本発明は、前記ナノ炭素材料複合基板を陰極として用いた、電界放射型の電子放出素子である。
【００１６】
また、本発明は、基板に凹部および凸部よりなる３次元構造ラインパターンを形成する工程と、前記３次元構造ラインパターンが形成された基板の表面に触媒を担持させる工程と、前記触媒を担持させた基板を、有機液体中に浸漬して加熱し、固液界面接触分解法により、前記基板の表面にナノ炭素材料を成長させる工程と、を有することを特徴とするナノ炭素材料複合基板の製造方法である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のナノ炭素材料複合基板は、３次元構造ラインパターンを有することから、基板の表面上に形成されたナノ炭素材料は３次元構造ラインパターンの形状に沿って形成される。このため、３次元構造ラインパターンに沿って基板上のナノ炭素材料がライン状にパターン配列される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明のナノ炭素材料複合基板の一例を示す概略図である。
【図２】本発明のナノ炭素材料複合基板の一例を示す概略図である。
【図３】本発明のナノ炭素材料複合基板の製造方法の一例を示す概略工程図である。
【図４】本発明のナノ炭素材料複合基板の製造方法に用いる製造装置の一例を示す概略図である。
【図５】本発明の電子放出素子の一例を示す概略図である。
【図６】実施例における３次元構造ラインパターンの走査型電子顕微鏡像写真である。
【図７】実施例におけるナノ炭素材料複合基板の走査型電子顕微鏡像写真である。
【図８】実施例における電子放出素子の発光像を示す写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明のナノ炭素材料複合基板は、基板と、前記基板上に形成された凹部および凸部よりなる３次元構造ラインパターンと、前記３次元構造ラインパターンが形成された前記基板の表面に形成されたナノ炭素材料と、を備える。
【００２０】
図１（ａ）および（ｂ）に示す断面概略図を参照して、本発明のナノ炭素材料複合基板の例を説明する。図１（ａ）に示すナノ炭素材料複合基板１０は、基板１の表面にライン状の凸部２が形成され、凸部２の上面および側面を含む基板１の表面にナノ炭素材料５が成長している。図１（ａ）においては、ナノ炭素材料５はランダムに配向している。図１（ｂ）に示すナノ炭素材料複合基板１０では、凸部２の上面および側面を含む基板１の表面に対して垂直に配向してナノ炭素材料５が成長している。
【００２１】
図１（ａ）および（ｂ）に示すように、凸部２の上面および側面を含む基板１の表面に高密度にナノ炭素材料が形成されているため、より大きな表面積を利用することができる。凸部２は、用途に応じて適切な形状に形成できる。本発明のナノ炭素材料複合基板１０を用いれば、たとえば電池の電極材料や電子放出素子などの実用デバイスの特性を向上することができる。
【００２２】
基板１としては、単結晶シリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素、ガリウム砒素リン、窒化ガリウム、炭化珪素などの半導体基板や、ガラス、セラミックス、石英などを用いることができる。基板１の厚さは特に限定されないが、１００〜１５００μｍが好ましい。
【００２３】
なお、本明細書において、３次元構造ラインパターンとは、具体的には、凸部２の高さ（凹部の底面と凸部の上面との距離）が１μｍ以上、より好ましくは１０μｍ以上、更には５０μｍ以上、１００μｍ以上、１０００μｍ以上である３次元構造ラインパターンのことをいう。
【００２４】
また、凸部２のアスペクト比が高いほど、表面積がより大きくなる。用途に応じて、凸部２のアスペクト比を適切に設計することが好ましい。
【００２５】
ナノ炭素材料５は、ナノサイズの径を持つ結晶性のカーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノフィラメント、カーボンナノウォール、またはカーボンナノコイル、などである。図１（ｂ）のように、ナノ炭素材料５が凸部２の上面および側面を含む基板１の表面に対して垂直に配向していると、表面積の向上を効率的に利用することができるようになる。
【００２６】
図２に、本発明のナノ炭素材料複合基板の一例について（ａ）斜視図、（ｂ）平面模式図を示す。
図２（ａ）に示すように、凸部２および凹部３はライン形状に形成することができる。また、図２（ｂ）に示すように、ライン形状は、直線ではなく曲線であっても良い。
【００２７】
本発明のナノ炭素材料複合基板は、基板に凹部および凸部よりなる３次元構造ラインパターンが形成されることにより、基板の表面積が増大されるため、基板表面に形成されるナノ炭素材料を高密度で保持される。このため、基板一枚あたりのナノ炭素材料の保持量およびナノ炭素材料自体と接する表面積を増大させることが出来る。
したがって、本発明のナノ炭素材料複合体を、構造材料、電子放出材料、電気二重層キャパシタ、電池、燃料電池または一般的な二次電池の電極材料として用いれば、良好な実用特性を得ることができる。
また、電界放射型の電子放出素子に適用した場合、凹凸形状を有するため、容易に電界集中が起こるため、電子放出が容易になされ、低電圧駆動が可能になる。
【００２８】
以下、本発明のナノ炭素材料複合基板の製造方法について、図３（ａ）〜（ｃ）を参照しながら、具体的に、説明を行なう。
【００２９】
本発明のナノ炭素材料複合基板の製造方法は、基板に凹部および凸部よりなる３次元構造ラインパターンを形成する工程と、前記３次元構造ラインパターンが形成された基板の表面に触媒を担持させる工程と、前記触媒を担持させた基板を、有機液体中に浸漬して加熱し、固液界面接触分解法により、前記基板の表面にナノ炭素材料を成長させる工程と、を有する。
【００３０】
まず、図３（ａ）に示すように、基板１を加工して、基板１に凹部３および凸部２よりなる３次元構造ラインパターンを形成する。
３次元構造ラインパターンの形成方法としては、適宜公知の微細加工技術を用いて行って良い。例えば、具体的には、（１）リソグラフィーによりマスクを形成しエッチングを行なう方法、（２）切削刃を用いた機械加工方法、などが挙げられる。
【００３１】
（１）リソグラフィーによりマスクを形成しエッチングを行なう方法。
光または電子線リソグラフィーを用いれば微細かつ任意のパターン形状を有するエッチングマスクを形成することができ、エッチングにより１μｍ以上のミクロンオーダー３次元構造ラインパターンを加工することができる。
また、半導体レベルの微細加工が可能で、トレンチエッチングなどの手法を適用することにより、極微細なパターンまたはピッチでアスペクト比の高い３次元構造ラインパターンを加工することができる。
このとき、エッチング法としては、ドライエッチング、ウェットエッチング、などを用いることが出来る。
【００３２】
（２）切削刃を用いた機械加工方法。
切削刃を用いた機械加工方法は、切削刃を１方向に移動させることにより、該方向に沿った線状の溝を形成することが出来るため、本発明のナノ炭素材料複合基板の製造方法における３次元構造ラインパターンの形成方法として好適である。また、切削刃を用いた機械加工を用いると、ミリメートルオーダーに達するアスペクト比の高い３次元構造ラインパターンを形成することが出来る。
【００３３】
次に、図３（ｂ）に示すように、３次元構造ラインパターンが形成された基板１の表面に触媒４を堆積して担持させる。
触媒４としてはコバルト、鉄、ニッケル、パラジウムなどの遷移金属、それらの酸化物、または、それらの化合物、などを用いることができる。
基板２表面へのこれらの触媒４の堆積方法としては、適宜公知の薄膜形成方法を用いて良く、例えば、スパッタリング法などを用いることができる。
また、所定量の金属塩水溶液を塗布し、過剰の水を蒸発させて乾燥した後、４００〜５００℃の空気気流中で焼成し、金属塩の分解と酸化を起こして金属塩を酸化物に転換してもよい。
堆積させる触媒４の厚さは特に限定されないが、２〜１０ｎｍの範囲が好ましい。
【００３４】
また、本発明のナノ炭素材料複合基板の製造方法では、「基板に凹部および凸部よりなる３次元構造ラインパターンを形成する工程」と、「前記３次元構造ラインパターンが形成された基板の表面に触媒を担持させる工程」と、は互いに相前後して行ってよく、触媒を担持させた後に３次元構造ラインパターンを形成してもよいし、３次元構造ラインパターンを形成した後に、触媒を担持させてもよい。
触媒を担持させた後に３次元構造ラインパターンを形成した場合、３次元構造ラインパターンの凸部の上面のみ触媒が担持された状態となり、凸部の上面のみに選択的にナノ炭素材料が成長したナノ炭素材料複合基板を製造することが出来る。
【００３５】
次に、図３（ｃ）に示すように、触媒を担持させた基板１を、有機液体中に浸漬して加熱し、固液界面接触分解法により、基板の表面にナノ炭素材料５を成長させて、ナノ炭素材料複合基板１０を製造する。
固液界面接触分解法では、基板と有機液体とが急激な温度差をもって接触することから特異な界面分解反応が生じ、触媒微粒子上にカーボンナノチューブが合成される。
【００３６】
図４に、固液界面接触分解法を実施するための製造装置の一例を示す。
液体槽１１には有機液体１２が収容される。液体槽１１の周囲には水冷手段（図示せず）が設けられる。液体槽１１の上部は蓋１３で密閉される。蓋１３には、有機液体１２に浸漬されるように１対の電極１４が取り付けられている。１対の電極１４の下部に基板１を保持して有機液体１２に浸漬させ、この状態で基板１に電流を流して加熱する。蓋１３の上部には、液体槽１１から蒸発する有機液体蒸気を冷却凝縮して液体槽１１に戻す、水冷パイプ１５を備えた凝縮器１６が設けられている。凝縮器１６の上部にはフィルター１７が設けられている。また、蓋１３には、液体槽１１および凝縮器１６の空気を除去するために不活性ガスを導入するバルブ１８が設けられている。
【００３７】
表面に触媒４を担持させた基板１を１対の電極１３の下部に取り付け、液体槽１１内に有機液体１２を入れる。有機液体１２としては、メタノール、エタノール、オクタノールなどのアルコール類、またはベンゼンなどの炭化水素を用いることができる。バルブ１８を介して液体槽１１内に不活性ガスを導入して液体槽１１内の残留空気と置換することが好ましい。このようにすれば、空気と有機ガスとの混合による爆発、炎上の危険がない。１対の電極１３に電流を流して基板１を加熱する。基板１の加熱温度は５５０〜１０００℃の範囲に設定することが好ましい。基板１の表面に有機液体１２の気泡が発生し、気泡によって基板１の表面が覆われる。このとき、有機液体１２の温度を沸点以下に保つために、液体槽１１周囲の水冷手段を用いて冷却する。気相となった有機液体を凝縮器１６により凝縮して液体槽１１に戻す。このため、有機液体を無駄にすることがない。基板１の温度と加熱時間を制御することにより所望の形態を有するナノ炭素繊維を得ることができる。
【００３８】
上述した固液界面接触分解法を用いると、原料が有機液体であるため、３次元構造ラインパターンの凹部の深部にまで原料が到達し、基板と有機液体の界面分解反応により基板表面での化学合成反応が起こる。
このため、微細な３次元構造ラインパターンであっても、好適に基板１の表面に高純度のナノ炭素材料を均一に形成することができる。
【００３９】
基板１の材料としてシリコンを用いれば、触媒であるコバルトと安定な酸化状態を形成するため、ナノ炭素材料の形態をより安定に制御することができる。触媒としてコバルトまたはその酸化物を用い、有機液体としてメタノールを用いると、基板１の表面に対して垂直配向したナノ炭素材料を成長させることができる。
【００４０】
上記のように、固液界面接触分解法では基板を５５０〜１０００℃に加熱するので、当業者であれば表面に微細な凹凸を有する基板を適用することは避けようとするであろう。これは、表面に微細な凹凸を有する基板を高温加熱した場合、基板に割れが発生することを懸念されるためである。ところが、本発明者らの研究によれば、表面に微細な凹凸を有する基板を固液界面接触分解法に適用しても、基板に割れが発生することはなく、３次元構造ラインパターンを有する基板上に、高純度で高結晶性のナノ炭素材料を、均一かつ形状を制御して容易に低コストで形成することができることを見出した。
【００４１】
以下、本発明の電子放出素子について、図５（ａ）および（ｂ）に示す図面を参照しながら、具体的に説明をする。
本発明の電子放出素子は上述したナノ炭素材料複合基板をエミッタとして用いる。
【００４２】
図５（ａ）には、本発明の電子放出素子の一例の断面図を示している。
電子放出素子５０は、ナノ炭素材料複合基板１０を電子放出部（エミッタ）として用いている。ナノ炭素材料複合基板１０は、基板１の表面にライン状の凸部２が形成され、凸部２の上面および側面を含む基板１の表面にナノ炭素材料５が成長している。ナノ炭素材料複合基板１０の上方に引き出し用ゲート電極５１が設置されている。
【００４３】
図５（ｂ）には、本発明の電子放出素子の上面図が示されている。
引き出しゲート電極５１は開口部を有しており、図示するように３次元構造ラインパターンは引き出しゲート電極５１の全面を覆っており、前記引き出し用ゲート電極の開口部の開口径より、前記ナノ炭素材料複合基板の３次元構造ラインパターンのライン長が大きいことが好ましい。
上述した構造をとることにより、電界の集中する特異点が３次元構造ラインパターンの上面と側面とが交わるのエッジ部であることから、特異点が２次元の線状となり、均一な電界集中を引き起こすことが出来、電界電子放出のしきい値低減と発光パターン改善の両立を計ることが出来る。
【実施例】
【００４４】
＜実施例１＞
以下、本発明のナノ炭素材料複合基板の製造方法について、具体的に実施例を説明する。
【００４５】
まず、基板に機械的な切削加工によりライン状の溝を複数形成し、凹部および凸部よりなる３次元構造ラインパターンを形成した。
このとき、基板は、低抵抗のｎ型単結晶シリコン（１００）基板であった。
また、３次元構造ラインパターンのライン長は４ｍｍであり、３次元構造ラインパターンの凸部の上面の幅は２５μｍであり、凹部の底面の幅は７５μｍであり、凹部の底面と凸部の上面との距離である加工深さは、１００μｍであった。
図６に、３次元構造ラインパターンが形成された基板の走査型電子顕微鏡像写真を示す。
【００４６】
次に、基板表面に触媒を担持した。
このとき、触媒は、コバルトを６ｎｍの厚みでスパッタ成膜を行い、空気中で９００℃１０分の熱処理を施すことにより担持した。
【００４７】
次に、基板をメタノール中に浸漬して電極を通して通電し、初期に６００℃にて３分、続いて９００℃にて６分の条件で基板を加熱し、基板近傍で固液界面接触分解反応を起こし、メタノール中の炭素原子を原料としてカーボンナノチューブを生成させた。
【００４８】
以上より、３次元構造ラインパターンに沿って基板上のカーボンナノチューブがライン状にパターン配列されたナノ炭素材料複合基板を得ることが出来た。このとき、カーボンナノチューブは基板表面に対し、垂直配向して成長していた。また、成長したカーボンナノチューブの長さは約２〜３μｍであった。
【００４９】
図７に、本実施例にて製造された、カーボンナノチューブが形成されたナノ炭素材料複合基板の走査型電子顕微鏡像写真を示す。
図７より、３次元構造ラインパターンの上面および側面に垂直配向にて高密度にカーボンナノチューブが成長しており、３次元構造ラインパターンに沿って基板上のカーボンナノチューブがライン状にパターン配列されていることが観察された。
【００５０】
＜実施例２＞
実施例１で製造されたナノ炭素材料複合基板を用いた電子放出素子について電界電子放出特性を評価した。
【００５１】
実施例１で製造されたナノ炭素材料複合基板を電界放射型の電子放出素子のエミッタとし、前記エミッタから１ｍｍの間隙を設け引き出し用ゲート電極（開口径２ｍｍ、開口数４個）を設置し、前記引き出し用ゲート電極から約１０ｍｍの間隙を設け蛍光体付きアノードを対向させ、引き出し用ゲート電極に２ｋＶ、アノードに５ｋＶを印加し測定した。
図８に、このときの電子放出素子の発光像の写真を示す。
図８より、２ｋＶという低い電界強度で電子放出され、引き出し用ゲート電極の開口部に対応した円形の発光パターンを得られたことを観察できた。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明のナノ炭素材料複合基板は、電子放出素子材料、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、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、照明ランプの超小型照明源、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、などの用途としての電子放出素子として有用である。
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。
【符号の説明】
【００５３】
１…基板
２…凸部
３…凹部
４…触媒
５…ナノ炭素材料
１０…ナノ炭素材料複合基板
１１…液体槽
１２…有機液体
１３…蓋
１４…電極
１５…水冷パイプ
１６…凝縮器
１７…フィルター
１８…バルブ
５０…電子放出素子
５１…引き出し用ゲート電極
【技術分野】
【０００１】
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を用いた電子放出素子、および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の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノ炭素材料は、炭素原子のｓｐ２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。
【０００３】
上述したようなナノ炭素材料では、ナノ炭素材料をより高密度に形成し、より大きな表面積を利用することが好ましい場合がある。
例えば、電極材料ではナノ炭素材料の純度が高く、表面積が大きいほど蓄電あるいは発電などの効率が向上する。
例えば、電界放射型の電子放出素子材料として利用する場合には、ナノ炭素材料の純度が高く、かつ、アスペクト比の高い凹凸構造を有することにより、電界集中効率が向上しより低電圧での電子放出が可能となる。
【０００４】
また、上述したようなの合成方法としては、アーク放電法、レーザーアブレーション法、プラズマ化学気相成長法、熱化学気相成長法などが知られている。これらの方法のうち、アーク放電法、レーザーアブレーション法およびプラズマ化学気相成長法は、非平衡反応であるため非晶質成分を生成しやすく、一般的に生成するカーボンナノチューブの収率が低く、しかも生成したカーボンナノチューブの太さや種類が一様でないことが知られている。
【０００５】
例えば、特許文献１および特許文献２には、触媒を用いて炭化水素ガスを熱分解することによりカーボンナノチューブを製造する熱化学気相成長法が開示されている。
熱化学気相成長法は、化学平衡反応を利用するため収率が比較的高いことが知られており、超微粒の鉄やニッケルなどの触媒粒子を核として成長した炭素繊維が得られる。得られた炭素繊維は、炭素網層が同心状、中空状に成長したものである。しかし、これらの方法では、触媒となる金属の粒径や化学状態を制御することが困難であり、ナノ炭素材料の形状や太さを制御して合成することができず、実用化の際に要求される所望の構造の材料を作り分けて得ることができないため、結果的に収率が低下することは避けられなかった。
【０００６】
また、特許文献３には、ナノ炭素材料の合成方法として、固液界面接触分解法が開示されている。が開示されている。
固液界面接触分解法は、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。
【０００７】
一方、電子ディスプレイデバイスとして、高真空の平板セル中に微小な電子放出素子、特に電界放射型の電子放出素子をアレイ状に配したものが有望視されている。電界放射型の電子放出素子は、物質に印加する電界の強度を上げると、その強度に応じて物質表面のエネルギー障壁の幅が次第に狭まり、電界強度が１０７Ｖ／ｃｍ以上になると、物質中の電子がトンネル効果によりそのエネルギー障壁を突破できるようになり、物質から電子が放出されるという現象を利用している。この場合、電場がポアッソンの方程式に従うために、電子を放出する部材、即ちエミッタに電界が集中する部分を形成すると、比較的低い引き出し電圧で効率的に冷電子の放出を行うことができる。
【０００８】
近年、上述した電子放出素子のエミッタ材料としてナノ炭素材料が注目されている。ナノ炭素材料の中で最も代表的なカーボンナノチューブは、炭素原子が規則的に配列したグラフェンシートを丸めた中空の円筒であり、外径がｎｍオーダー、長さが通常０．５〜数１０μｍの非常にアスペクト比の高い微小な物質である。そのため、先端部分に電界が集中しやすく高い電子放出能が期待される。また、カーボンナノチューブは、化学的、物理的安定性が高いという特徴を有するため、動作真空中の残留ガスの吸着や反応が生じ難く、イオン衝撃や電子放出に伴う発熱に対して損傷を受け難い特性を有している。
【０００９】
例えば、特許文献４には、カーボンナノチューブをエミッタに利用する方法として、ペースト化し、印刷法により基板上に塗布するエミッタ形成方法が開示されている。
まず、基板上にカソード電極を所定ピッチでストライプ状に形成し、スクリーン印刷によってカソード電極上にカーボンナノチューブを含んだペーストを四角形や円形などの形状に孤立した形でカソード電極と同じピッチに形成し、カーボンナノチューブを含んだ樹脂層の間に絶縁層をスクリーン印刷し、大気雰囲気中で焼成する。これにより、カーボンナノチューブを含む樹脂層の樹脂成分が分解し、カーボンナノチューブが露出して電子放出部が形成される。最後に、グリッド電極を絶縁層上に形成してエミッタを作製する。
【００１０】
上記のようなエミッタの作製に用いるペーストは、一般的には、カーボンナノチューブに溶剤、分散剤、接着剤としてのガラスフリット、フィラーなどを加え、これらの分布状態が均一になるように混合して分散させる。混合後に濾過を行い、溶剤と樹脂とからなるビヒクル中に混ぜ込んでペースト化する。このペーストをよく混合して分散状態を高めた後に濾過してカーボンナノチューブペーストを調製する。そして上記プロセスで得られたカーボンナノチューブペーストを基板上に印刷し、乾燥および焼成によりビヒクルを酸化分解させてカーボンナノチューブを得る。このような方法により、カソード電極上にカーボンナノチューブを形成することができる。
【００１１】
しかしながら、印刷法によりエミッタを形成する場合、カーボンナノチューブをペースト化する必要があり、各種バインダーと混ぜることが不可欠となるため、バインダーの在留による特性の劣化が避けられなかった。また、印刷法により形成されたエミッタでは、ペースト内のカーボンナノチューブの方向を揃えることが困難であり、純粋なカーボンナノチューブそのものを電界が集中する部位として利用することは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００２−２５５５１９号公報
【特許文献２】特開２００２−２８５３３４号公報
【特許文献３】特開２００３−１２３１２号公報
【特許文献４】特開２００３−２７２５１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、ナノ炭素材料が基板上にパターン配列されて形成されたナノ炭素材料複合基板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、基板と、前記基板上に形成された凹部および凸部よりなる３次元構造ラインパターンと、前記３次元構造ラインパターンが形成された前記基板の表面に形成されたナノ炭素材料と、を備えることを特徴とするナノ炭素材料複合基板である。
【００１５】
また、本発明は、前記ナノ炭素材料複合基板を陰極として用いた、電界放射型の電子放出素子である。
【００１６】
また、本発明は、基板に凹部および凸部よりなる３次元構造ラインパターンを形成する工程と、前記３次元構造ラインパターンが形成された基板の表面に触媒を担持させる工程と、前記触媒を担持させた基板を、有機液体中に浸漬して加熱し、固液界面接触分解法により、前記基板の表面にナノ炭素材料を成長させる工程と、を有することを特徴とするナノ炭素材料複合基板の製造方法である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のナノ炭素材料複合基板は、３次元構造ラインパターンを有することから、基板の表面上に形成されたナノ炭素材料は３次元構造ラインパターンの形状に沿って形成される。このため、３次元構造ラインパターンに沿って基板上のナノ炭素材料がライン状にパターン配列される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明のナノ炭素材料複合基板の一例を示す概略図である。
【図２】本発明のナノ炭素材料複合基板の一例を示す概略図である。
【図３】本発明のナノ炭素材料複合基板の製造方法の一例を示す概略工程図である。
【図４】本発明のナノ炭素材料複合基板の製造方法に用いる製造装置の一例を示す概略図である。
【図５】本発明の電子放出素子の一例を示す概略図である。
【図６】実施例における３次元構造ラインパターンの走査型電子顕微鏡像写真である。
【図７】実施例におけるナノ炭素材料複合基板の走査型電子顕微鏡像写真である。
【図８】実施例における電子放出素子の発光像を示す写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明のナノ炭素材料複合基板は、基板と、前記基板上に形成された凹部および凸部よりなる３次元構造ラインパターンと、前記３次元構造ラインパターンが形成された前記基板の表面に形成されたナノ炭素材料と、を備える。
【００２０】
図１（ａ）および（ｂ）に示す断面概略図を参照して、本発明のナノ炭素材料複合基板の例を説明する。図１（ａ）に示すナノ炭素材料複合基板１０は、基板１の表面にライン状の凸部２が形成され、凸部２の上面および側面を含む基板１の表面にナノ炭素材料５が成長している。図１（ａ）においては、ナノ炭素材料５はランダムに配向している。図１（ｂ）に示すナノ炭素材料複合基板１０では、凸部２の上面および側面を含む基板１の表面に対して垂直に配向してナノ炭素材料５が成長している。
【００２１】
図１（ａ）および（ｂ）に示すように、凸部２の上面および側面を含む基板１の表面に高密度にナノ炭素材料が形成されているため、より大きな表面積を利用することができる。凸部２は、用途に応じて適切な形状に形成できる。本発明のナノ炭素材料複合基板１０を用いれば、たとえば電池の電極材料や電子放出素子などの実用デバイスの特性を向上することができる。
【００２２】
基板１としては、単結晶シリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素、ガリウム砒素リン、窒化ガリウム、炭化珪素などの半導体基板や、ガラス、セラミックス、石英などを用いることができる。基板１の厚さは特に限定されないが、１００〜１５００μｍが好ましい。
【００２３】
なお、本明細書において、３次元構造ラインパターンとは、具体的には、凸部２の高さ（凹部の底面と凸部の上面との距離）が１μｍ以上、より好ましくは１０μｍ以上、更には５０μｍ以上、１００μｍ以上、１０００μｍ以上である３次元構造ラインパターンのことをいう。
【００２４】
また、凸部２のアスペクト比が高いほど、表面積がより大きくなる。用途に応じて、凸部２のアスペクト比を適切に設計することが好ましい。
【００２５】
ナノ炭素材料５は、ナノサイズの径を持つ結晶性のカーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノフィラメント、カーボンナノウォール、またはカーボンナノコイル、などである。図１（ｂ）のように、ナノ炭素材料５が凸部２の上面および側面を含む基板１の表面に対して垂直に配向していると、表面積の向上を効率的に利用することができるようになる。
【００２６】
図２に、本発明のナノ炭素材料複合基板の一例について（ａ）斜視図、（ｂ）平面模式図を示す。
図２（ａ）に示すように、凸部２および凹部３はライン形状に形成することができる。また、図２（ｂ）に示すように、ライン形状は、直線ではなく曲線であっても良い。
【００２７】
本発明のナノ炭素材料複合基板は、基板に凹部および凸部よりなる３次元構造ラインパターンが形成されることにより、基板の表面積が増大されるため、基板表面に形成されるナノ炭素材料を高密度で保持される。このため、基板一枚あたりのナノ炭素材料の保持量およびナノ炭素材料自体と接する表面積を増大させることが出来る。
したがって、本発明のナノ炭素材料複合体を、構造材料、電子放出材料、電気二重層キャパシタ、電池、燃料電池または一般的な二次電池の電極材料として用いれば、良好な実用特性を得ることができる。
また、電界放射型の電子放出素子に適用した場合、凹凸形状を有するため、容易に電界集中が起こるため、電子放出が容易になされ、低電圧駆動が可能になる。
【００２８】
以下、本発明のナノ炭素材料複合基板の製造方法について、図３（ａ）〜（ｃ）を参照しながら、具体的に、説明を行なう。
【００２９】
本発明のナノ炭素材料複合基板の製造方法は、基板に凹部および凸部よりなる３次元構造ラインパターンを形成する工程と、前記３次元構造ラインパターンが形成された基板の表面に触媒を担持させる工程と、前記触媒を担持させた基板を、有機液体中に浸漬して加熱し、固液界面接触分解法により、前記基板の表面にナノ炭素材料を成長させる工程と、を有する。
【００３０】
まず、図３（ａ）に示すように、基板１を加工して、基板１に凹部３および凸部２よりなる３次元構造ラインパターンを形成する。
３次元構造ラインパターンの形成方法としては、適宜公知の微細加工技術を用いて行って良い。例えば、具体的には、（１）リソグラフィーによりマスクを形成しエッチングを行なう方法、（２）切削刃を用いた機械加工方法、などが挙げられる。
【００３１】
（１）リソグラフィーによりマスクを形成しエッチングを行なう方法。
光または電子線リソグラフィーを用いれば微細かつ任意のパターン形状を有するエッチングマスクを形成することができ、エッチングにより１μｍ以上のミクロンオーダー３次元構造ラインパターンを加工することができる。
また、半導体レベルの微細加工が可能で、トレンチエッチングなどの手法を適用することにより、極微細なパターンまたはピッチでアスペクト比の高い３次元構造ラインパターンを加工することができる。
このとき、エッチング法としては、ドライエッチング、ウェットエッチング、などを用いることが出来る。
【００３２】
（２）切削刃を用いた機械加工方法。
切削刃を用いた機械加工方法は、切削刃を１方向に移動させることにより、該方向に沿った線状の溝を形成することが出来るため、本発明のナノ炭素材料複合基板の製造方法における３次元構造ラインパターンの形成方法として好適である。また、切削刃を用いた機械加工を用いると、ミリメートルオーダーに達するアスペクト比の高い３次元構造ラインパターンを形成することが出来る。
【００３３】
次に、図３（ｂ）に示すように、３次元構造ラインパターンが形成された基板１の表面に触媒４を堆積して担持させる。
触媒４としてはコバルト、鉄、ニッケル、パラジウムなどの遷移金属、それらの酸化物、または、それらの化合物、などを用いることができる。
基板２表面へのこれらの触媒４の堆積方法としては、適宜公知の薄膜形成方法を用いて良く、例えば、スパッタリング法などを用いることができる。
また、所定量の金属塩水溶液を塗布し、過剰の水を蒸発させて乾燥した後、４００〜５００℃の空気気流中で焼成し、金属塩の分解と酸化を起こして金属塩を酸化物に転換してもよい。
堆積させる触媒４の厚さは特に限定されないが、２〜１０ｎｍの範囲が好ましい。
【００３４】
また、本発明のナノ炭素材料複合基板の製造方法では、「基板に凹部および凸部よりなる３次元構造ラインパターンを形成する工程」と、「前記３次元構造ラインパターンが形成された基板の表面に触媒を担持させる工程」と、は互いに相前後して行ってよく、触媒を担持させた後に３次元構造ラインパターンを形成してもよいし、３次元構造ラインパターンを形成した後に、触媒を担持させてもよい。
触媒を担持させた後に３次元構造ラインパターンを形成した場合、３次元構造ラインパターンの凸部の上面のみ触媒が担持された状態となり、凸部の上面のみに選択的にナノ炭素材料が成長したナノ炭素材料複合基板を製造することが出来る。
【００３５】
次に、図３（ｃ）に示すように、触媒を担持させた基板１を、有機液体中に浸漬して加熱し、固液界面接触分解法により、基板の表面にナノ炭素材料５を成長させて、ナノ炭素材料複合基板１０を製造する。
固液界面接触分解法では、基板と有機液体とが急激な温度差をもって接触することから特異な界面分解反応が生じ、触媒微粒子上にカーボンナノチューブが合成される。
【００３６】
図４に、固液界面接触分解法を実施するための製造装置の一例を示す。
液体槽１１には有機液体１２が収容される。液体槽１１の周囲には水冷手段（図示せず）が設けられる。液体槽１１の上部は蓋１３で密閉される。蓋１３には、有機液体１２に浸漬されるように１対の電極１４が取り付けられている。１対の電極１４の下部に基板１を保持して有機液体１２に浸漬させ、この状態で基板１に電流を流して加熱する。蓋１３の上部には、液体槽１１から蒸発する有機液体蒸気を冷却凝縮して液体槽１１に戻す、水冷パイプ１５を備えた凝縮器１６が設けられている。凝縮器１６の上部にはフィルター１７が設けられている。また、蓋１３には、液体槽１１および凝縮器１６の空気を除去するために不活性ガスを導入するバルブ１８が設けられている。
【００３７】
表面に触媒４を担持させた基板１を１対の電極１３の下部に取り付け、液体槽１１内に有機液体１２を入れる。有機液体１２としては、メタノール、エタノール、オクタノールなどのアルコール類、またはベンゼンなどの炭化水素を用いることができる。バルブ１８を介して液体槽１１内に不活性ガスを導入して液体槽１１内の残留空気と置換することが好ましい。このようにすれば、空気と有機ガスとの混合による爆発、炎上の危険がない。１対の電極１３に電流を流して基板１を加熱する。基板１の加熱温度は５５０〜１０００℃の範囲に設定することが好ましい。基板１の表面に有機液体１２の気泡が発生し、気泡によって基板１の表面が覆われる。このとき、有機液体１２の温度を沸点以下に保つために、液体槽１１周囲の水冷手段を用いて冷却する。気相となった有機液体を凝縮器１６により凝縮して液体槽１１に戻す。このため、有機液体を無駄にすることがない。基板１の温度と加熱時間を制御することにより所望の形態を有するナノ炭素繊維を得ることができる。
【００３８】
上述した固液界面接触分解法を用いると、原料が有機液体であるため、３次元構造ラインパターンの凹部の深部にまで原料が到達し、基板と有機液体の界面分解反応により基板表面での化学合成反応が起こる。
このため、微細な３次元構造ラインパターンであっても、好適に基板１の表面に高純度のナノ炭素材料を均一に形成することができる。
【００３９】
基板１の材料としてシリコンを用いれば、触媒であるコバルトと安定な酸化状態を形成するため、ナノ炭素材料の形態をより安定に制御することができる。触媒としてコバルトまたはその酸化物を用い、有機液体としてメタノールを用いると、基板１の表面に対して垂直配向したナノ炭素材料を成長させることができる。
【００４０】
上記のように、固液界面接触分解法では基板を５５０〜１０００℃に加熱するので、当業者であれば表面に微細な凹凸を有する基板を適用することは避けようとするであろう。これは、表面に微細な凹凸を有する基板を高温加熱した場合、基板に割れが発生することを懸念されるためである。ところが、本発明者らの研究によれば、表面に微細な凹凸を有する基板を固液界面接触分解法に適用しても、基板に割れが発生することはなく、３次元構造ラインパターンを有する基板上に、高純度で高結晶性のナノ炭素材料を、均一かつ形状を制御して容易に低コストで形成することができることを見出した。
【００４１】
以下、本発明の電子放出素子について、図５（ａ）および（ｂ）に示す図面を参照しながら、具体的に説明をする。
本発明の電子放出素子は上述したナノ炭素材料複合基板をエミッタとして用いる。
【００４２】
図５（ａ）には、本発明の電子放出素子の一例の断面図を示している。
電子放出素子５０は、ナノ炭素材料複合基板１０を電子放出部（エミッタ）として用いている。ナノ炭素材料複合基板１０は、基板１の表面にライン状の凸部２が形成され、凸部２の上面および側面を含む基板１の表面にナノ炭素材料５が成長している。ナノ炭素材料複合基板１０の上方に引き出し用ゲート電極５１が設置されている。
【００４３】
図５（ｂ）には、本発明の電子放出素子の上面図が示されている。
引き出しゲート電極５１は開口部を有しており、図示するように３次元構造ラインパターンは引き出しゲート電極５１の全面を覆っており、前記引き出し用ゲート電極の開口部の開口径より、前記ナノ炭素材料複合基板の３次元構造ラインパターンのライン長が大きいことが好ましい。
上述した構造をとることにより、電界の集中する特異点が３次元構造ラインパターンの上面と側面とが交わるのエッジ部であることから、特異点が２次元の線状となり、均一な電界集中を引き起こすことが出来、電界電子放出のしきい値低減と発光パターン改善の両立を計ることが出来る。
【実施例】
【００４４】
＜実施例１＞
以下、本発明のナノ炭素材料複合基板の製造方法について、具体的に実施例を説明する。
【００４５】
まず、基板に機械的な切削加工によりライン状の溝を複数形成し、凹部および凸部よりなる３次元構造ラインパターンを形成した。
このとき、基板は、低抵抗のｎ型単結晶シリコン（１００）基板であった。
また、３次元構造ラインパターンのライン長は４ｍｍであり、３次元構造ラインパターンの凸部の上面の幅は２５μｍであり、凹部の底面の幅は７５μｍであり、凹部の底面と凸部の上面との距離である加工深さは、１００μｍであった。
図６に、３次元構造ラインパターンが形成された基板の走査型電子顕微鏡像写真を示す。
【００４６】
次に、基板表面に触媒を担持した。
このとき、触媒は、コバルトを６ｎｍの厚みでスパッタ成膜を行い、空気中で９００℃１０分の熱処理を施すことにより担持した。
【００４７】
次に、基板をメタノール中に浸漬して電極を通して通電し、初期に６００℃にて３分、続いて９００℃にて６分の条件で基板を加熱し、基板近傍で固液界面接触分解反応を起こし、メタノール中の炭素原子を原料としてカーボンナノチューブを生成させた。
【００４８】
以上より、３次元構造ラインパターンに沿って基板上のカーボンナノチューブがライン状にパターン配列されたナノ炭素材料複合基板を得ることが出来た。このとき、カーボンナノチューブは基板表面に対し、垂直配向して成長していた。また、成長したカーボンナノチューブの長さは約２〜３μｍであった。
【００４９】
図７に、本実施例にて製造された、カーボンナノチューブが形成されたナノ炭素材料複合基板の走査型電子顕微鏡像写真を示す。
図７より、３次元構造ラインパターンの上面および側面に垂直配向にて高密度にカーボンナノチューブが成長しており、３次元構造ラインパターンに沿って基板上のカーボンナノチューブがライン状にパターン配列されていることが観察された。
【００５０】
＜実施例２＞
実施例１で製造されたナノ炭素材料複合基板を用いた電子放出素子について電界電子放出特性を評価した。
【００５１】
実施例１で製造されたナノ炭素材料複合基板を電界放射型の電子放出素子のエミッタとし、前記エミッタから１ｍｍの間隙を設け引き出し用ゲート電極（開口径２ｍｍ、開口数４個）を設置し、前記引き出し用ゲート電極から約１０ｍｍの間隙を設け蛍光体付きアノードを対向させ、引き出し用ゲート電極に２ｋＶ、アノードに５ｋＶを印加し測定した。
図８に、このときの電子放出素子の発光像の写真を示す。
図８より、２ｋＶという低い電界強度で電子放出され、引き出し用ゲート電極の開口部に対応した円形の発光パターンを得られたことを観察できた。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明のナノ炭素材料複合基板は、電子放出素子材料、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、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、照明ランプの超小型照明源、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、などの用途としての電子放出素子として有用である。
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。
【符号の説明】
【００５３】
１…基板
２…凸部
３…凹部
４…触媒
５…ナノ炭素材料
１０…ナノ炭素材料複合基板
１１…液体槽
１２…有機液体
１３…蓋
１４…電極
１５…水冷パイプ
１６…凝縮器
１７…フィルター
１８…バルブ
５０…電子放出素子
５１…引き出し用ゲート電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成された凹部および凸部よりなる３次元構造ラインパターンと、
前記３次元構造ラインパターンが形成された前記基板の表面に形成されたナノ炭素材料と、
を備えることを特徴とするナノ炭素材料複合基板。
【請求項２】
前記３次元構造ラインパターンは、凹部の底面と凸部の上面との距離が１０μｍ以上であること
を特徴とする請求項１に記載のナノ炭素材料複合基板。
【請求項３】
前記ナノ炭素材料は、前記基板の表面に対して垂直配向し、
前記ナノ炭素材料は、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノフィラメント、カーボンナノウォール、カーボンナノコイルからなる群から選択されたいずれか一つのナノ炭素材料を含むこと
を特徴とする請求項１または２に記載のナノ炭素材料複合基板。
【請求項４】
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陰極として用いた、電界放射型の電子放出素子。
【請求項５】
陰極として用いられ、３次元構造ラインパターンが形成された、ナノ炭素材料複合基板と、
前記ナノ炭素材料複合基板から電子放出方向に設けられ、放出された電子が通過する開口部を有する、引き出し用ゲート電極と、を備え、
前記引き出し用ゲート電極の開口部の開口径より、前記ナノ炭素材料複合基板の３次元構造ラインパターンのライン長が大きいこと
を特徴とした請求項４に記載の電子放出素子。
【請求項６】
基板に凹部および凸部よりなる３次元構造ラインパターンを形成する工程と、
前記３次元構造ラインパターンが形成された基板の表面に触媒を担持させる工程と、
前記触媒を担持させた基板を、有機液体中に浸漬して加熱し、固液界面接触分解法により、前記基板の表面にナノ炭素材料を成長させる工程と、
を有することを特徴とするナノ炭素材料複合基板の製造方法。
【請求項７】
前記有機液体は、メタノールを含む有機液体であり、
前記触媒は、コバルトまたはその酸化物を含むこと
を特徴とする請求項６に記載のナノ炭素材料複合基板の製造方法。
【請求項８】
前記基板は、シリコン基板であること
を特徴とする請求項７に記載のナノ炭素材料複合基板の製造方法。。
【請求項９】
前記３次元構造ラインパターンを形成する工程は、
基板にレジストを塗布し、前記レジストにラインパターンを形成し、前記ラインパターンが形成されたレジストをマスクとしたエッチングにより、
基板に３次元構造ラインパターンを形成する工程であること
を特徴とする請求項６から８のいずれかに記載のナノ炭素材料複合基板の製造方法。
【請求項１０】
前記３次元構造ラインパターンを形成する工程は、
切削刃を用いた機械加工により、
基板に３次元構造ラインパターンを形成する工程であること
を特徴とする請求項６から８のいずれかに記載のナノ炭素材料複合基板の製造方法。
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成された凹部および凸部よりなる３次元構造ラインパターンと、
前記３次元構造ラインパターンが形成された前記基板の表面に形成されたナノ炭素材料と、
を備えることを特徴とするナノ炭素材料複合基板。
【請求項２】
前記３次元構造ラインパターンは、凹部の底面と凸部の上面との距離が１０μｍ以上であること
を特徴とする請求項１に記載のナノ炭素材料複合基板。
【請求項３】
前記ナノ炭素材料は、前記基板の表面に対して垂直配向し、
前記ナノ炭素材料は、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノフィラメント、カーボンナノウォール、カーボンナノコイルからなる群から選択されたいずれか一つのナノ炭素材料を含むこと
を特徴とする請求項１または２に記載のナノ炭素材料複合基板。
【請求項４】
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陰極として用いた、電界放射型の電子放出素子。
【請求項５】
陰極として用いられ、３次元構造ラインパターンが形成された、ナノ炭素材料複合基板と、
前記ナノ炭素材料複合基板から電子放出方向に設けられ、放出された電子が通過する開口部を有する、引き出し用ゲート電極と、を備え、
前記引き出し用ゲート電極の開口部の開口径より、前記ナノ炭素材料複合基板の３次元構造ラインパターンのライン長が大きいこと
を特徴とした請求項４に記載の電子放出素子。
【請求項６】
基板に凹部および凸部よりなる３次元構造ラインパターンを形成する工程と、
前記３次元構造ラインパターンが形成された基板の表面に触媒を担持させる工程と、
前記触媒を担持させた基板を、有機液体中に浸漬して加熱し、固液界面接触分解法により、前記基板の表面にナノ炭素材料を成長させる工程と、
を有することを特徴とするナノ炭素材料複合基板の製造方法。
【請求項７】
前記有機液体は、メタノールを含む有機液体であり、
前記触媒は、コバルトまたはその酸化物を含むこと
を特徴とする請求項６に記載のナノ炭素材料複合基板の製造方法。
【請求項８】
前記基板は、シリコン基板であること
を特徴とする請求項７に記載のナノ炭素材料複合基板の製造方法。。
【請求項９】
前記３次元構造ラインパターンを形成する工程は、
基板にレジストを塗布し、前記レジストにラインパターンを形成し、前記ラインパターンが形成されたレジストをマスクとしたエッチングにより、
基板に３次元構造ラインパターンを形成する工程であること
を特徴とする請求項６から８のいずれかに記載のナノ炭素材料複合基板の製造方法。
【請求項１０】
前記３次元構造ラインパターンを形成する工程は、
切削刃を用いた機械加工により、
基板に３次元構造ラインパターンを形成する工程であること
を特徴とする請求項６から８のいずれかに記載のナノ炭素材料複合基板の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−１８８４９３（Ｐ２０１０−１８８４９３Ａ）
【公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−３７５９１（Ｐ２００９−３７５９１）
【出願日】平成２１年２月２０日（２００９．２．２０）
【出願人】（０００００３１９３）凸版印刷株式会社 (10,630)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月２０日（２００９．２．２０）
【出願人】（０００００３１９３）凸版印刷株式会社 (10,630)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]