熱電子源

【課題】本発明は、熱電子源に関する。
【解決手段】本発明の熱電子源は、基板と、少なくとも二つの電極と、熱電子放出素子とを含む。前記熱電子放出素子は前記の少なくとも二つの電極に電気的に接続し、前記熱電子放出素子はカーボンナノチューブ構造体を含み、前記熱電子放出素子は前記基板と分離して設置される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、熱電子源に関し、特にカーボンナノチューブを利用した熱電子源に関するものである。
【背景技術】
【0002】
カーボンナノチューブ(Carbon Nanotube,CNT)は、新型のカーボン材料であり、日本の研究員の飯島澄男よって1991年に発見された(非特許文献1を参照)。カーボンナノチューブは良好な電磁性能、良好な化学的安定性、光学性能、力学性能などを有するため、電子放出装置、センサー及び新型の光学材料などの領域に応用される。
【0003】
現在、電子放出装置に利用される電子源には、熱電子放出素子及び冷電子放出素子の二種がある。熱電子放出素子を利用して、電子放出装置から電子を飛び出させることを、熱電子放出という。熱電子放出では、加熱過程で該電子放出素子の内部における電子の運動エネルギーを増加させて、熱励起された電子を該電子放出素子の表面から飛び出させる。これらの電子が熱電子であり、該熱電子を放出する電子放出素子を熱電子放出素子という。
【0004】
通常、熱電子源は、熱電子放出素子と、二つの電極と、基板と、を含む。前記二つの電極は前記基板の表面に接触するように前記基板に設置されている。前記熱電子放出素子は前記二つの電極に電気的に接続するように、前記二つの電極の間に設置されている。通常前記熱電子放出素子には、タングステンなどの金属線、ホウ化物又はアルカリ土類金属炭酸塩が使用されている。
【非特許文献1】S.Iijima、“Helical Microtubules of Graphitic Carbon”、Nature、1991年、第354巻、p.56
【非特許文献2】Kaili Jiang、Qunqing Li、Shoushan Fan、“Spinning continuous carbon nanotube yarns”、Nature、2002年、第419巻、p.801
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかし、前記ホウ化物を使用した熱電子源において、前記熱電子放出素子が前記基板の表面と接触しているため、該熱電子放出素子が加熱されると、該基板を通じて大気中に熱が放出される。従って、該熱電子源の熱電子放出の性能に影響を及ぼす。前記ホウ化物又はアルカリ土類金属炭酸塩で製造された熱電子放出素子は高抵抗率を有するので、該熱電子放出素子を含む熱電子源は電力消費が大きいため、高電流密度及び高輝度を有する表示装置などの領域への応用には適さない。
【0006】
従って、本発明は、高電流密度及び高輝度を有する表示装置、論理回路及びその他熱電源分野などの領域に応用され、優れた熱電子放出の性能を有し、寿命が長い熱電子源を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
一実施例として、熱電子源には、基板、少なくとも二つの電極および熱電子放出素子を含む。前記熱電子放出素子は前記の少なくとも二つの電極に電気的に接続され、前記熱電子放出素子がカーボンナノチューブ構造体を含み、前記熱電子放出素子は前記基板と分離して設置される。
【0008】
前記カーボンナノチューブ構造体は、一枚のカーボンナノチューブフィルム又は少なくとも二枚の積層されたカーボンナノチューブフィルムを含む。
【0009】
前記カーボンナノチューブフィルムは、同一の方向に沿って配列された複数のカーボンナノチューブを含む。
【0010】
前記の少なくとも二枚の積層されたカーボンナノチューブフィルムにおいて、隣接する二枚のカーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは、それぞれ0度以上で90度以下の角度で交叉して設置される。
【0011】
前記熱電子源は低仕事関数層を含み、該低仕事関数層は前記熱電子放出素子の表面に設置される。
【0012】
前記低仕事関数層の材料は酸化バリウム又はトリウムである。
【0013】
前記の少なくとも二つの電極は分離して前記基板の表面に設置され、前記熱電子放出素子が前記の少なくとも二つの電極に支持され、前記基板と分離して設置されている。
【発明の効果】
【0014】
従来の熱電子源と比べると、本発明の熱電子源は、下記の優れた点を有する。第一に、本発明の熱電子放出素子にカーボンナノチューブ構造体が利用され、該カーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブが均一的に配列されるので、該熱電子源が均一に、安定的な熱電子流を放出することができる。第二に、前記カーボンナノチューブ構造体の化学性能が安定であるため、該熱電子源の使用寿命を延長することができる。第三に、該カーボンナノチューブ構造体は前記基板と分離して設置されるので、カーボンナノチューブ構造体の熱が前記基板を通して空気に伝導されず、該熱電子源の熱電子放出性能が優れる。第四に、前記カーボンナノチューブ構造体の厚さが小さく、抵抗率が低いため、該熱電子源が低い熱パワーで熱電子を放出でき、加熱により生じる損耗を減少でき、大きな電流密度と高輝度を有する表示装置などの領域に応用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
【0016】
(実施形態1)
図1を参照すると、本実施形態の熱電子源10は、基板12、第一電極14、第二電極16及び熱電子放出素子18を含む。
【0017】
前記第一電極14と前記第二電極16との短絡を防止するために、前記第一電極14と前記第二電極16とを分離して前記基板12の表面に設置する。該第一電極14及び該第二電極16の材料は、金、銀及び銅などの導電性金属又はグラファイトであり、該第一電極14及び該第二電極16が接着剤で前記基板12の表面に接着される。また、該第一電極14及び該第二電極16の材料は、カーボンナノチューブワイヤ又はカーボンナノチューブフィルムであり、該第一電極14及び該第二電極16は自身の粘着性で前記基板12の表面に接着される。本実施形態において、前記第一電極14及び前記第二電極16は、銅めっき層であることが好ましく、それぞれ接着剤で前記基板12の表面に接着される。
【0018】
前記熱電子放出素子18はカーボンナノチューブ構造体であり、該カーボンナノチューブ構造体は一枚のカーボンナノチューブフィルム又は少なくとも二枚の積層されたカーボンナノチューブフィルムである。該積層されたカーボンナノチューブフィルムにおける隣接する二枚のカーボンナノチューブフィルムのカーボンナノチューブはそれぞれ0度以上90度以下の角度で交叉して設置される。該カーボンナノチューブフィルムは、端と端に接続され、選択的な方向に沿って配列される複数のカーボンナノチューブセグメントを含む。該カーボンナノチューブセグメントは、長さが基本的に同じで、同一の方向に沿って、均一的に配列されるカーボンナノチューブからなり、各々の前記カーボンナノチューブが分子間力で緊密に連接される。前記熱電子放出素子18の長さは200マイクロメートル〜500マイクロメートルであり、幅は100マイクロメートル〜300マイクロメートルである。
【0019】
前記熱電子源10は、更に低仕事関数層(Low−work−function Layer)を含み、該低仕事関数層は前記熱電子放出素子18の表面に設置される。該低仕事関数層の材料は酸化バリウム又はトリウムなどであるので、該熱電子源10は低温で熱電子を放出することができる。
【0020】
前記基板12の材料は、陶瓷、ガラス、樹脂及び石英のいずれか一種である。該基板12の大きさは制限されず、実際の応用に応じて選択することができる。本実施形態において、該基板12の材料はガラスである。
【0021】
本実施形態において、化学気相堆積法を採用して4インチのシリコン基材に超配列カーボンナノチューブアレイ(非特許文献2を参照)を生長し、後続処理を行ってカーボンナノチューブフィルムを形成する。該カーボンナノチューブフィルムの幅は0.01センチメートル〜10センチメートルであり、厚さは0.01マイクロメートル〜100マイクロメートルである。実際要求のサイズ及び形状により、前記カーボンナノチューブフィルムを切ることができる。大寸法の基材を利用して、超配列カーボンナノチューブアレイを生長する場合、幅が広いカーボンナノチューブフィルムを形成することができる。
【0022】
前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブである。該カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが単層カーボンナノチューブである場合、該カーボンナノチューブの直径は0.5ナノメートル〜50ナノメートルである。該カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが二層カーボンナノチューブである場合、該二層カーボンナノチューブの直径は1.0ナノメートル〜50ナノメートルである。該カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが多層カーボンナノチューブである場合、該多層カーボンナノチューブの直径は1.5ナノメートル〜50ナノメートルである。
【0023】
前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが不純物を含まず、該カーボンナノチューブの自身の比表面積が大きいため、該カーボンナノチューブフィルムは強い粘着性を持つ。従って、該カーボンナノチューブフィルムは自身の粘着性で前記第一電極及び前記第二電極に直接に固定することができる。また、該カーボンナノチューブフィルムは導電性接着剤で前記第一電極及び前記第二電極に固定することもできる。本実施形態において、該カーボンナノチューブフィルムを有する熱電子放出素子18は導電性接着剤で前記第一電極14及び前記第二電極16に固定する。
【0024】
一つの例として、前記熱電子源10における第一電極14と第二電極16の形状は矩形である。該第一電極14と該第二電極16の長さが200マイクロメートルであり、幅が150マイクロメートルである。該熱電子源10における熱電子放出素子18がカーボンナノチューブ構造体であり、該カーボンナノチューブ構造体はカーボンナノチューブフィルムである。該カーボンナノチューブフィルムの長さは300マイクロメートルであり、幅が100マイクロメートルである。前記第一電極14及び前記第二電極16の間に所定の電圧を印加すると、該カーボンナノチューブフィルムが加熱され、該カーボンナノチューブフィルムの内部における電子の運動エネルギーが増加し、熱励起された電子が該カーボンナノチューブフィルムの表面から飛び出して、熱電子放出することができる。
【0025】
実験を通じて下記のようなことが分かる。前記第一電極14及び前記第二電極16の間に3.56Vの電圧を印加し、該カーボンナノチューブフィルムに流す電流が44ミリアンペアである場合、該カーボンナノチューブフィルムの温度が1557K程度になり、該カーボンナノチューブフィルムから電子を放出することができる。該カーボンナノチューブフィルムの面積が大きければ、更に低い温度で該カーボンナノチューブフィルムから電子を放出することができる。前記第一電極14及び前記第二電極16の間に4.36Vの電圧を印加し、該カーボンナノチューブフィルムに流す電流が56ミリアンペアである場合、該カーボンナノチューブフィルムの温度が1839K程度になり、該カーボンナノチューブフィルムから均一的な白熱光(incandescent light)を放出することができる。
【0026】
前記カーボンナノチューブフィルムの表面に酸化バリウム又はトリウムなどの電子が低仕事関数層を塗布することができ、低い温度で熱電子を放出できるようになる。
【0027】
図2は、本実施形態における熱電子源10の熱電子放出特性の曲線図である。図2を参照すると、放出された熱電子を捕集するコレクタ電極を配置すれば、異なる集じん電圧で、異なる温度のカーボンナノチューブフィルムの熱電子放出電流の大きさが分かる。前記熱電子源10が低い熱パワーで熱電子を放出できることが分かる。
【0028】
(実施形態2)
図3及び図4を参照すると、本実施形態の熱電子源20は、基板22、第一電極24、第二電極26、第一固定素子25、第二固定素子27及び熱電子放出素子28を含む。
【0029】
前記第一電極24と前記第二電極26とは分離して前記基板22の表面に設置される。前記熱電子放出素子28は、前記第一実施形態における熱電子放出素子18と構成が同じである。該熱電子放出素子28は、導電性接着剤で前記第一電極24及び前記第二電極26に固定する。前記第一固定素子25及び前記第二固定素子27はグラファイト層であることが好ましい。該第一固定素子25及び該第二固定素子27は接着剤で前記熱電子放出素子28を前記第一電極24及び前記第二電極26にそれぞれ固定する。
【0030】
また、前記第一固定素子25と前記第二固定素子27との材料、形状及び構成は制限されず、前記熱電子放出素子28を前記第一電極24及び前記第二電極26にそれぞれ固定することができてもよい。
【0031】
(実施形態3)
図5を参照すると、本実施形態の熱電子源30は、基板32、第一支持素子34、第二支持素子36、第一電極35、第二電極37、及び熱電子放出素子38を含む。
【0032】
前記第一支持素子34と前記第二支持素子36の材料は、ガラスである。該第一支持素子34及び該第二支持素子36は分離して接着剤で前記基板32の表面に固定される。前記熱電子放出素子38は、前記第一実施形態における熱電子放出素子38と構成が同じである。該熱電子放出素子38は、前記第一支持素子34と前記第二支持素子36に設置され、該第一支持素子34と該第二支持素子36に支持され、前記基板32と分離して設置されている。前記第一電極35と前記第二電極37は、所定の距離だけ分離して導電性接着剤で前記熱電子放出素子38の表面に固定され、該熱電子放出素子38を前記第一支持素子34と前記第二支持素子36に固定し、該熱電子放出素子38に電気的に接続する。該第一電極35と該第二電極37は、前記熱電子放出素子38の表面に設置される位置が制限されず、該第一電極35と該第二電極37は分離して設置してもよい。本実施形態において前記第一電極35と前記第二電極37が前記第一支持素子34と前記第二支持素子36にそれぞれ相対して設置することが好ましい。
【0033】
前記第一支持素子34と前記第二支持素子36との材料、形状及び構成は制限されず、前記熱電子放出素子38が前記第一支持素子34及び前記第二支持素子36に支持され、前記基板32と分離して設置してもよい。
【0034】
従来技術に比べて、本発明の電子源は下記の優れた点を有する。第一に、前記熱電子放出素子にカーボンナノチューブ構造体が利用され、該カーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブが均一的に配列されるので、該熱電子源が均一的に、安定的な熱電子流を放出することができる。第二に、前記カーボンナノチューブ構造体の化学性能が安定であるため、該熱電子源の使用寿命を延長することができる。第三に、該カーボンナノチューブ構造体が前記基板と分離して設置されるので、該カーボンナノチューブ構造体の熱が前記基板を通して空気中に伝導されず、該熱電子源の熱電子放出性能が優れる。第四に、前記カーボンナノチューブ構造体の厚さが小さく、抵抗率が低いため、該熱電子源が低い熱パワーで熱電子を放出でき、加熱により生じる損耗を減少でき、大きな電流密度と高輝度を有する表示装置などの領域に応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【0035】
【図1】本発明の第一実施形態に係る熱電子源の構造を示す図である。
【図2】本発明の第一実施形態に係る熱電子源の熱電子放出特性の曲線図である。
【図3】本発明の第二実施形態に係る熱電子源の構造を示す図である。
【図4】本発明の第二実施形態に係る熱電子源のSEM写真である。
【図5】本発明の第三実施形態に係る熱電子源の構造を示す図である。
【符号の説明】
【0036】
10、20、30 熱電子源
12、22、32 基板
14、24、35 第一電極
16、26、37 第二電極
18、28、38 熱電子放出素子
25 第一固定素子
27 第二固定素子
34 第一支持素子
36 第二支持素子

【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板と、少なくとも二つの電極と、熱電子放出素子とを含む熱電子源において、
前記熱電子放出素子が前記の少なくとも二つの電極に電気的に接続し、
前記熱電子放出素子がカーボンナノチューブ構造体を含み、
前記熱電子放出素子が前記基板と分離して設置されていることを特徴とする熱電子源。
【請求項2】
前記カーボンナノチューブ構造体が、一枚のカーボンナノチューブフィルム又は少なくとも二枚の積層されたカーボンナノチューブフィルムを含むことを特徴とする、請求項1に記載の熱電子源。
【請求項3】
前記カーボンナノチューブフィルムが、同一の方向に沿って、配列された複数のカーボンナノチューブを含むことを特徴とする、請求項2に記載の熱電子源。
【請求項4】
前記の少なくとも二枚の積層されたカーボンナノチューブフィルムにおいて、隣接する二枚のカーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは、それぞれ0度以上90度以下の角度で交叉して設置されていることを特徴とする、請求項2に記載の熱電子源。
【請求項5】
前記熱電子源が低仕事関数層を含み、
前記低仕事関数層が前記熱電子放出素子の表面に設置されていることを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載の熱電子源。
【請求項6】
前記低仕事関数層の材料が酸化バリウム又はトリウムであることを特徴とする、請求項5に記載の熱電子源。
【請求項7】
前記少なくとも二つの電極が分離して前記基板の表面に設置され、
前記熱電子放出素子が前記の少なくとも二つの電極に支持され、前記基板と分離して設置されていることを特徴とする、請求項1から6のいずれか一項に記載の熱電子源。

【図1】
image rotate

【図3】
image rotate

【図5】
image rotate

【図2】
image rotate

【図4】
image rotate


【公開番号】特開2009−146896(P2009−146896A)
【公開日】平成21年7月2日(2009.7.2)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−314557(P2008−314557)
【出願日】平成20年12月10日(2008.12.10)
【出願人】(598098331)ツィンファ ユニバーシティ (534)
【出願人】(500080546)鴻海精密工業股▲ふん▼有限公司 (1,018)