電界放出陰極素子及びその製造方法
【課題】本発明は、電界放出陰極素子及びその製造方法に関するものである。
【解決手段】本発明の電界放出陰極素子は、第一カーボンナノチューブ構造体と、第二カーボンナノチューブ構造体と、を含む。前記第一カーボンナノチューブ構造体は、複数の第一カーボンナノチューブが面上に配列される。前記第二カーボンナノチューブ構造体は、複数の各行に配列された複数の第二カーボンナノチューブからなるとともに、前記第一カーボンナノチューブ構造体の表面に形成される。前記複数の第二カーボンナノチューブは、前記第一カーボンナノチューブ構造体の表面に垂直に設けられる。前記第二カーボンナノチューブ構造体の、前記第一カーボンナノチューブ構造体の表面から離れる端部は、電子放出の先端として利用される。前記複数の第二カーボンナノチューブの高さは、中間行が最も高く、前記中間行から離れる方向に沿って次第に減少している。
【解決手段】本発明の電界放出陰極素子は、第一カーボンナノチューブ構造体と、第二カーボンナノチューブ構造体と、を含む。前記第一カーボンナノチューブ構造体は、複数の第一カーボンナノチューブが面上に配列される。前記第二カーボンナノチューブ構造体は、複数の各行に配列された複数の第二カーボンナノチューブからなるとともに、前記第一カーボンナノチューブ構造体の表面に形成される。前記複数の第二カーボンナノチューブは、前記第一カーボンナノチューブ構造体の表面に垂直に設けられる。前記第二カーボンナノチューブ構造体の、前記第一カーボンナノチューブ構造体の表面から離れる端部は、電子放出の先端として利用される。前記複数の第二カーボンナノチューブの高さは、中間行が最も高く、前記中間行から離れる方向に沿って次第に減少している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界放出陰極素子及びその製造方法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によって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導電性能、良好な化学的安定性、大きなアスペクト比（長さと直径の比）を有し、その先端の面積が理論的に最良の寸法に達するので、先端の面積が小さいほど局部の電界が集中するという理論により、カーボンナノチューブは、現在最良の電界放出陰極素子の一種である。
【０００３】
特許文献１には、カーボンナノチューブエミッタの製造方法として、触媒層が形成された第一基板上に複数の第一カーボンナノチューブを成長させる第一ステップと、前記第一カーボンナノチューブを前記第一基板から分離して、溶媒に添加して分散溶液を作製する第二ステップと、前記分散溶液を第二基板に塗布し、これを所定温度でベーキングし、前記複数の第一カーボンナノチューブを前記第二基板に平行な方向に前記第二基板に固着させる第三ステップと、前記複数の第一カーボンナノチューブの表面に存在する複数のナノ触媒粒子から複数の第二カーボンナノチューブを成長させる第四ステップと、を含むことが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開第２００６−１１４４９４号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２００８／２４８２３５号明細書
【特許文献３】中国特許出願公開第１０１２８４６６２号明細書
【特許文献４】特開第２００８−２９７１９５号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｓｕｍｉｏ Ｉｉｊｉｍａ、“Ｈｅｌｉｃａｌ Ｍｉｃｒｏｔｕｂｕｌｅｓ ｏｆ Ｇｒａｐｈｉｔｉｃ Ｃａｒｂｏｎ”、Ｎａｔｕｒｅ、１９９１年１１月７日、第３５４巻、ｐ．５６‐５８
【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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記カーボンナノチューブエミッタにおいて、前記複数の第二カーボンナノチューブの高さは同じであるので、隣接する二つの第二カーボンナノチューブの間の電子の遮蔽効果を有する。これにより、該カーボンナノチューブエミッタを応用する場合、前記複数の第二カーボンナノチューブから均一な電子を放射することができない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
従って、本発明は、前記課題を解決する電界放出陰極素子及びその製造方法を提供する。
【０００８】
本発明の電界放出陰極素子は、第一カーボンナノチューブ構造体と、第二カーボンナノチューブ構造体と、を含む。前記第一カーボンナノチューブ構造体は、複数の第一カーボンナノチューブが面状に配列される。前記第二カーボンナノチューブ構造体は、複数の各行に配列された複数の第二カーボンナノチューブからなるとともに、前記第一カーボンナノチューブ構造体の表面に形成される。前記複数の第二カーボンナノチューブは、前記第一カーボンナノチューブ構造体の表面に垂直に設けられる。前記第二カーボンナノチューブ構造体の、前記第一カーボンナノチューブ構造体の表面から離れる端部は、電子放出の先端として利用される。前記複数の第二カーボンナノチューブの高さは、中間行が最も高く、前記中間行から離れる方向に沿って次第に減少している。
【０００９】
本発明の電界放出陰極素子の製造方法は、第一カーボンナノチューブ構造体及び基板を提供する第一ステップと、前記基板に対して前記第一カーボンナノチューブ構造体を懸架させる第二ステップと、前記第一カーボンナノチューブ構造体に電圧を印加し、温度勾配を形成する第三ステップと、前記第一カーボンナノチューブ構造体の表面に複数のカーボンナノチューブを成長し、第二カーボンナノチューブ構造体を形成させる第四ステップと、を含む。
【発明の効果】
【００１０】
従来の技術と比べて、本発明の電界放出陰極素子において、複数の第二カーボンナノチューブの高さは中間行が最も高く、前記中間行から離れる方向に沿って次第に減少しているので、隣接する二つの第二カーボンナノチューブの間の電子の遮蔽効果を減少することができる。これにより、該電界放出陰極素子は、均一な電子を放射することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施例１に係る電界放出陰極装置の構造を示す図である。
【図２】図１のＩＩ‐ＩＩに沿って切断した断面図である。
【図３】本発明の実施例１に係る電界放出陰極素子における第一カーボンナノチューブ構造体の走査型電子顕微鏡写真である。
【図４】図３中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セグメントの構造を示す図である。
【図５】本発明の実施例１に係る電界放出陰極素子において、基板に対して懸架された第一カーボンナノチューブ構造体を示す図である。
【図６】本発明の実施例１に係る電界放出陰極素子の製造工程のフローチャートである。
【図７】本発明の実施例１に係る電界放出陰極素子の製造装置を示す図である。
【図８】本発明の実施例２に係る電界放出陰極素子の構造を示す図である。
【図９】図８のＶＩＩＩ‐ＶＩＩＩに沿って切断した断面図である。
【図１０】本発明の実施例２に係る電界放出陰極素子において、一つのパターニングされた第一カーボンナノチューブ構造体の構造を示す図である。
【図１１】本発明の実施例２に係る電界放出陰極素子において、別のパターニングされた第一カーボンナノチューブ構造体の構造を示す図である。
【図１２】本発明の実施例１に係る電界放出陰極素子において、基板に対して懸架された第一カーボンナノチューブ構造体を示す図である。
【図１３】本発明の実施例２に係る電界放出陰極素子の製造装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
【００１３】
（実施例１）
図１及び図２を参照すると、本実施例は、電界放出陰極素子２００を提供する。前記電界放出陰極素子２００は、第一カーボンナノチューブ構造体２１２及び第二カーボンナノチューブ構造体２１４を含む。前記第二カーボンナノチューブ構造体２１４は、前記複数の第二カーボンナノチューブ２１４ａからなる。前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２の表面に形成される。前記複数の第二カーボンナノチューブは、前記第一カーボンナノチューブ構造体の表面に垂直に設けられ、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２に電気的に接続されている。
【００１４】
前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２は、複数の第一カーボンナノチューブ２１２ａからなる。前記複数の第一カーボンナノチューブ２１２ａは、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２の表面に平行している。前記カーボンナノチューブ構造体２１２には、前記複数のカーボンナノチューブ２１２ａが配向し又は配向せずに配置されている。前記複数のカーボンナノチューブ２１２ａの配列方式により、前記カーボンナノチューブ構造体２１２は非配向型のカーボンナノチューブ構造体及び配向型のカーボンナノチューブ構造体に分類される。非配向型のカーボンナノチューブ構造体では、カーボンナノチューブが異なる方向に沿って配置され、又は絡み合っている。配向型のカーボンナノチューブ構造体では、前記複数のカーボンナノチューブが同じ方向に沿って配列している。
【００１５】
前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２は、自立構造を有するものである。ここで、自立構造とは、支持体材を利用せず、前記カーボンナノチューブ構造体２１２を独立して利用することができる形態のことである。即ち、前記カーボンナノチューブ構造体２１２を対向する両側から支持して、前記カーボンナノチューブ構造体２１２の構造を変化させずに、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２を懸架させることができることを意味する。前記カーボンナノチューブ構造体２１２は、分子間力で接続されて均一に配列された複数のカーボンナノチューブからなる。
【００１６】
前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２は、ドローン構造カーボンナノチューブフィルム（特許文献２を参照）、綿毛構造カーボンナノチューブフィルム（特許文献３を参照）、プレシッド構造カーボンナノチューブフィルム（特許文献４を参照）、またはスプレー法、コーティング法、堆積法によって形成されたカーボンナノチューブフィルムからなる。本実施例において、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２は、ドローン構造カーボンナノチューブフィルム２４３ａからなる。
【００１７】
図３を参照すると、前記ドローン構造カーボンナノチューブフィルム２４３ａは、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）から引き出して得られた自立構造を有するものである。単一の前記カーボンナノチューブフィルムにおいて、複数のカーボンナノチューブが同じ方向に沿って、端と端が接続されている。即ち、単一の前記カーボンナノチューブフィルム２４３ａは、分子間力で長さ方向端部同士が接続された複数のカーボンナノチューブを含む。図３及び図４を参照すると、単一の前記カーボンナノチューブフィルム２４３ａは、複数のカーボンナノチューブセグメント２４３ｂを含む。前記複数のカーボンナノチューブセグメント２４３ｂは、長さ方向に沿って分子間力で端と端が接続されている。それぞれのカーボンナノチューブセグメント２４３ｂは、相互に平行に、分子間力で結合された複数のカーボンナノチューブ２４５を含む。単一の前記カーボンナノチューブセグメント２４３ｂにおいて、前記複数のカーボンナノチューブ２４５の長さが同じである。前記カーボンナノチューブフィルム２４３ａの厚さは、０．５ｎｍ〜１００μｍに設けられ、その幅は前記超配列カーボンナノチューブアレイの幅に関係する。
【００１８】
前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２は、積層された少なくとも二つの前記カーボンナノチューブフィルム２４３ａからなることができる。この場合、隣接する前記カーボンナノチューブフィルムは、分子間力で結合されている。隣接する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、それぞれ０°〜９０°の角度で交差している。
【００１９】
前記第二カーボンナノチューブ構造体２１４は、複数の第二カーボンナノチューブ２１４ａからなる。前記複数の第二カーボンナノチューブ２１４ａは、相互に平行して複数の行に配列され、等間隔を有する。前記複数の第二カーボンナノチューブ２１４ａの一端は、それぞれ前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２の表面に垂直に接触するが、前記複数の第二カーボンナノチューブ２１４ａの他端は、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２の表面に垂直な方向に沿って、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２の表面から離れる方向へ延伸する。
【００２０】
前記第二カーボンナノチューブ構造体２１４は、複数の行に配列された第二カーボンナノチューブ２１４ａからなる。同じ行の前記複数第二カーボンナノチューブ２１４ａの高さは、同じである。同じ行において、隣接する前記第二カーボンナノチューブ２１４ａの間の距離が同じである。前記第二カーボンナノチューブ構造体２１４において、前記第二カーボンナノチューブ構造体２１４の高さは、中間行が最も高く、前記中間行から離れる方向に沿って次第に減少している。これにより、前記第二カーボンナノチューブ構造体２１４の断面は三角形を形成するので、電界放出陰極素子２００に用いられる場合、異なる行において、隣接する二つの第二カーボンナノチューブ２１４ａの間の電子の遮蔽効果を減少することができ、前記電界放出陰極素子２００は均一に電子を放射することができる。
【００２１】
更に、前記電界放出陰極素子２００は、基板２２０を含む。前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２の、前記第二カーボンナノチューブ構造体２１４に隣接する表面とは反対の表面は、前記基板２２０の一つの表面に接触して設置されるか、または、前記基板２２０の一つの表面に対して懸架される。
【００２２】
図５を参照すると、本実施例の前記電界放出陰極素子２００は、更に、二つの導電性基体を含む。詳しくは、前記電界放出陰極素子２００において、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２の、前記第二カーボンナノチューブ構造体２１４に隣接する表面とは反対の表面は、第一導電性基体２２１及び第二導電性基体２２２を介して、前記基板２２０の一つの表面に対して懸架される。前記第一導電性基体２２１及び第二導電性基体２２２は、金属、金属合金または導電性複合材料からなる。前記第一導電性基体２２１及び第二導電性基体２２２の形状は制限されず、該第一導電性基体２２１及び第二導電性基体２２２の高さは同じである。本実施例において、前記第一導電性基体２２１及び第二導電性基体２２２は、直方体である。前記第一導電性基体２２１と第二導電性基体２２２との間の距離は、実際の応用に応じて選択する。
【００２３】
本実施例において、前記電界放出陰極素子２００は、次の優れた点がある。第一に、前記電界放出陰極素子２００の、前記第二カーボンナノチューブ構造体２１４の断面は三角形であるので、前記第二カーボンナノチューブ構造体２１４を電界放出陰極素子２００に用いる場合、前記第二カーボンナノチューブ構造体２１４の異なる行において、隣接する二つの第二カーボンナノチューブ２１４ａの間の電子の遮蔽効果を減少することができる。これにより、前記電界放出陰極素子２００は均一に電子を放射することができる。第二に、前記電界放出陰極素子２００は、熱電界電子放出装置に用いられる場合、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２に電流を流すと、該第一カーボンナノチューブ構造体２１２が熱を生じる。前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２から生じた熱によって、前記第二カーボンナノチューブ構造体２１４を加熱することができる。これにより、前記第二カーボンナノチューブ構造体２１４の表面の不純物を除去するので、前記電界放出陰極素子２００の安定性を高めることができる。
【００２４】
図６及び図７を参照すると、前記電界放出陰極素子２００の製造方法は、第一カーボンナノチューブ構造体２１２及び基板２２０を提供する第一ステップと、前記基板２２０に対して前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２を懸架させる第二ステップと、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２に電圧を印加し、温度勾配を形成する第三ステップと、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２の表面に複数のカーボンナノチューブ２１４ａを成長させ、第二カーボンナノチューブ構造体２１４を形成する第四ステップと、を含む。
【００２５】
前記第一ステップにおいて、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２は、少なくとも一つのドローン構造カーボンナノチューブフィルム（ｄｒａｗｎ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｆｉｌｍ）からなる。前記カーボンナノチューブフィルムの製造方法は、超配列カーボンナノチューブアレイを提供するステップＳ２１と、前記カーボンナノチューブアレイから、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを引き伸ばして、前記カーボンナノチューブフィルムを得るステップａ２２と、を含む。前記ドローン構造カーボンナノチューブフィルムの製造方法は、特許文献２に掲載されている。
【００２６】
更に、前記第一ステップの後に、ステップｂを行うこともできる。前記ステップｂにおいて、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法、プラズマビーム蒸着法、電着法及びコーティング法で前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２の一つの表面に触媒粒子２１３を均一に堆積する。
【００２７】
前記第二ステップは、基板２２０を提供するステップｃ２２１と、間隔をあけて設置された第一導電性基体２２１及び第二導電性基体２２２を提供し、基板２２０の一つの表面に設置するステップｃ２２２と、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２を前記第一導電性基体２２１及び第二導電性基体２２２の、前記基板２２０とは反対の表面に設置し、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２の、触媒粒子２１３を均一に堆積した表面とは反対の表面を前記一導電性基体２２１及び前記第二導電性基体２２２に隣接させるステップｃ２２３と、を含む。
【００２８】
前記ステップｃ２２１において、前記基板２２０は、シリコンウェハまたは表面に酸化層を有するシリコンウェハである。前記基板２２０の形状は、実際の応用に応じて選択する。本実施例において、前記基板２２０の形状は、長方形である。
【００２９】
前記ステップｃ２２２において、前記第一導電性基体２２１と第二導電性基体２２２との間の距離は、２ｍｍ〜２ｃｍである。本実施例において、前記第一導電性基体２２１と前記第二導電性基体２２２との間の距離は１ｃｍである。
【００３０】
前記ステップｃ２２３において、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２の一端を前記第一導電性基体２２１の、前記基板２２０に隣接する表面とは反対の表面に固定し、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２の前記一端に対向する他端を、前記第二導電性基体２２２の、前記基板２２０に隣接する表面とは反対の表面に固定させる。これにより、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２の、導電性基体と接触する部分以外の部分を前記基板２２０に対して懸架させる。前記複数の第一カーボンナノチューブ２１２ａは、前記第一導電性基体２２１から前記第二導電性基体２２２までの方向に沿って延伸している。
【００３１】
前記第三ステップにおいて、前記複数のカーボンナノチューブ２１４ａからなる第二カーボンナノチューブ構造体２１４を、化学気相成長法で前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２の表面に成長させる。前記化学気相成長法は、前記基板２２０を反応室に置いて、炭素源ガス及び保護ガスを導入するステップ２３１と、前記第一導電性基体２２１及び前記第二導電性基体２２２によって、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２に電圧を印加し、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２に熱を発生させ、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２から生じた熱で前記第二カーボンナノチューブ構造体２１４を成長させるステップ２３２と、を含む。
【００３２】
前記ステップ２３１において、前記炭素源ガスは、アセチレンまたはエタンのような炭化水素ガスであり、前記保護ガスは、窒素ガス、アルゴンまたは他の不活性ガスである。
【００３３】
前記ステップ２３２において、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２は、電気エネルギーを熱に転換することができる。前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２に印加する電圧は、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２及び前記第一カーボンナノチューブ２１２ａの直径に応じて変更する。本実施例において、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２に印加する電圧は４０Ｖであり、前記第一カーボンナノチューブ２１２ａの直径は５ｎｍである。前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２に電圧を印加する場合、前記第一導電性基体２２１または前記第二導電性基体２２２から前記第二導電性基体２２２または前記第一導電性基体２２１へ直流電流を流して、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２に熱を発生させる。前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２に生じた熱で該第一カーボンナノチューブ構造体２１２の温度は、５００〜９００℃となる。前記第二カーボンナノチューブ構造体２１４の成長時間は３０分〜６０分である。
【００３４】
前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２を加熱する工程において、ジュール熱によって、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２の温度を次第に上昇させる。前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２に生じた熱は、前記第一導電性基体２２１、前記第二導電性基体２２２及び前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２の周囲へ伝達される。前記第一導電性基体２２１及び前記第二導電性基体２２２は優れた熱伝導性を有するので、前記第一導電性基体２２１及び前記第二導電性基体２２２によって前記第一導電性基体２２１及び前記第二導電性基体２２２に近い熱を急速に周囲に伝達することができる。前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２の中心部の熱は、前記第一導電性基体２２１及び前記第二導電性基体２２２によって、急速に周囲に伝達されず、該第一カーボンナノチューブ構造体２１２の中心部の温度は、その他の部分の温度より高くなる。これにより、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２における温度は、その中心部から前記第一導電性基体２２１及び前記第二導電性基体２２２への方向に沿って次第に低下して、温度勾配が形成される。
【００３５】
前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２に所定の時間電圧を印加した後、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２の表面から複数の前記第二カーボンナノチューブ２１４ａが成長され、前記第二カーボンナノチューブ構造体２１４が形成される。前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２における温度は、その中心部から前記第一導電性基体２２１及び前記第二導電性基体２２２への方向に沿って次第に低下して、温度勾配を形成するので、前記第二カーボンナノチューブ構造体２１４において、複数の前記第二カーボンナノチューブ２１４ａの高さは、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２の中心部から前記第一導電性基体２２１及び前記第二導電性基体２２２への方向に沿って次第に減少する。前記中心部における複数の第二カーボンナノチューブ２１４ａは、他の部分における複数の第二カーボンナノチューブ２１４ａより高い。これにより、前記第二カーボンナノチューブ構造体２１４の断面は三角形に形成される。
【００３６】
更に、前記複数の第二カーボンナノチューブ２１４ａの成長速度を上げるために、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２に電圧を印加する工程において、加熱装置（図示せず）で前記反応室を加熱することができる。しかしながら、前記反応室の温度は、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２の温度勾配における最低温度より低い。
【００３７】
（実施例２）
図８及び図９を参照すると、本実施例の電界放出陰極素子３００は、第一カーボンナノチューブ構造体３１２及び複数の第二カーボンナノチューブ構造体３１４を含む。前記電界放出陰極素子３００は、実施例１の電界放出陰極素子２００と比べて、次の異なる点がある。前記電界放出陰極素子３００は、複数の第二カーボンナノチューブ構造体３１４を含む。
【００３８】
単一の前記第二カーボンナノチューブ構造体３１４は、一行の先端を有する。単一の前記第二カーボンナノチューブ構造体３１４において、前記先端における複数の第二カーボンナノチューブ３１４ａの高さは、その他の部分の複数の第二カーボンナノチューブ３１４ａより高い。単一の前記第二カーボンナノチューブ構造体３１４の断面は、三角形である。それぞれ複数の前記第二カーボンナノチューブ構造体３１４は、一体に形成されるか、または相互に間隔をあけて配列することができ、複数の前記第二カーボンナノチューブ構造体３１４は、直線配列することができる。図１０及び図１１を参照すると、複数の前記第二カーボンナノチューブ構造体３１４は、所定のパターンを形成することもできる。
【００３９】
更に、前記電界放出陰極素子３００は、基板３２０を含む。前記第一カーボンナノチューブ構造体３１２は、前記基板３２０の一つの表面に設置されるか、または、前記基板３２０に対して懸架される。一実施例において、前記第一カーボンナノチューブ構造体３１２は、前記基板３２０の一つの表面に設置される。前記第二カーボンナノチューブ構造体３１４は、前記第一カーボンナノチューブ構造体３１２の表面に垂直であり、且つ、前記基板３２０に隣接する表面とは反対の表面に接触する。
【００４０】
図１１を参照すると、前記第一カーボンナノチューブ構造体３１２は、前記基板３２０に対して懸架される場合、前記電界放出陰極素子３００は、更に、複数の間隔で設置された支持体を含む。本実施例において、前記複数の支持体は、導電性基体３２２である。隣接する二つの導電性基体３２２の間の距離は、実際の応用に応じて選択することができる。
【００４１】
図１２を参照すると、前記電界放出陰極素子３００の製造方法は、第一カーボンナノチューブ構造体３１２及び基板３２０を提供する第一ステップと、前記基板３２０に対して前記第一カーボンナノチューブ構造体３１２を懸架させる第二ステップと、前記第一カーボンナノチューブ構造体３１２に電圧を印加し、温度勾配を形成する第三ステップと、前記第一カーボンナノチューブ構造体３１２の表面に複数のカーボンナノチューブを成長させ、第二カーボンナノチューブ構造体３１４を形成する第四ステップと、を含む。
【００４２】
実施例１における電界放出陰極素子２００の製造方法と比べると、本実施例の電界放出陰極素子３００の製造方法は、次の異なる点がある。前記電界放出陰極素子３００において、前記基板３２０の一つの表面に、前記複数の間隔で設置された導電性基体３２２が設置される。これにより、前記第一カーボンナノチューブ構造体３１２の一部分は、前記複数の導電性基体３２２を介して、前記基板３２０に対して懸架される。
【００４３】
前記第三ステップにおいて、前記隣接する二つの導電性基体３２２に電圧を印加する場合、該隣接する二つの導電性基体３２２の間において、その中心部の温度は、その他の部分より高い。従って、前記隣接する二つの導電性基体３２２の間において、前記中心部の前記複数の第二カーボンナノチューブ３１４ａの成長速度は、その他の部分の成長速度より速い。これにより、前記隣接する二つの導電性基体３２２の間に、前記第二カーボンナノチューブ構造体３１４を形成する。各々の前記第二カーボンナノチューブ構造体３１４は、複数の行に配列され、中間行に位置する前記第二カーボンナノチューブ３１４ａの高さが最も高い。前記複数の第二カーボンナノチューブ構造体３１４は、所定のパターンを形成することができる。
【符号の説明】
【００４４】
２００、３００ 電界放出陰極素子
２１２、３１２ 第一カーボンナノチューブ構造体
２１３ 触媒粒子
２１４、３１４ 第二カーボンナノチューブ構造体
２１４ａ、３１４ａ 第二カーボンナノチューブ
２１４ｃ、３１４ｃ 先端
２２０、３２０ 基板
２２１ 第一導電性基体
２２２ 第二導電性基体
２４３ａ カーボンナノチューブフィルム
２４３ｂ カーボンナノチューブセグメント
２４５ カーボンナノチューブ
３２２ 導電性基体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界放出陰極素子及びその製造方法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によって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導電性能、良好な化学的安定性、大きなアスペクト比（長さと直径の比）を有し、その先端の面積が理論的に最良の寸法に達するので、先端の面積が小さいほど局部の電界が集中するという理論により、カーボンナノチューブは、現在最良の電界放出陰極素子の一種である。
【０００３】
特許文献１には、カーボンナノチューブエミッタの製造方法として、触媒層が形成された第一基板上に複数の第一カーボンナノチューブを成長させる第一ステップと、前記第一カーボンナノチューブを前記第一基板から分離して、溶媒に添加して分散溶液を作製する第二ステップと、前記分散溶液を第二基板に塗布し、これを所定温度でベーキングし、前記複数の第一カーボンナノチューブを前記第二基板に平行な方向に前記第二基板に固着させる第三ステップと、前記複数の第一カーボンナノチューブの表面に存在する複数のナノ触媒粒子から複数の第二カーボンナノチューブを成長させる第四ステップと、を含むことが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開第２００６−１１４４９４号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２００８／２４８２３５号明細書
【特許文献３】中国特許出願公開第１０１２８４６６２号明細書
【特許文献４】特開第２００８−２９７１９５号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｓｕｍｉｏ Ｉｉｊｉｍａ、“Ｈｅｌｉｃａｌ Ｍｉｃｒｏｔｕｂｕｌｅｓ ｏｆ Ｇｒａｐｈｉｔｉｃ Ｃａｒｂｏｎ”、Ｎａｔｕｒｅ、１９９１年１１月７日、第３５４巻、ｐ．５６‐５８
【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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記カーボンナノチューブエミッタにおいて、前記複数の第二カーボンナノチューブの高さは同じであるので、隣接する二つの第二カーボンナノチューブの間の電子の遮蔽効果を有する。これにより、該カーボンナノチューブエミッタを応用する場合、前記複数の第二カーボンナノチューブから均一な電子を放射することができない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
従って、本発明は、前記課題を解決する電界放出陰極素子及びその製造方法を提供する。
【０００８】
本発明の電界放出陰極素子は、第一カーボンナノチューブ構造体と、第二カーボンナノチューブ構造体と、を含む。前記第一カーボンナノチューブ構造体は、複数の第一カーボンナノチューブが面状に配列される。前記第二カーボンナノチューブ構造体は、複数の各行に配列された複数の第二カーボンナノチューブからなるとともに、前記第一カーボンナノチューブ構造体の表面に形成される。前記複数の第二カーボンナノチューブは、前記第一カーボンナノチューブ構造体の表面に垂直に設けられる。前記第二カーボンナノチューブ構造体の、前記第一カーボンナノチューブ構造体の表面から離れる端部は、電子放出の先端として利用される。前記複数の第二カーボンナノチューブの高さは、中間行が最も高く、前記中間行から離れる方向に沿って次第に減少している。
【０００９】
本発明の電界放出陰極素子の製造方法は、第一カーボンナノチューブ構造体及び基板を提供する第一ステップと、前記基板に対して前記第一カーボンナノチューブ構造体を懸架させる第二ステップと、前記第一カーボンナノチューブ構造体に電圧を印加し、温度勾配を形成する第三ステップと、前記第一カーボンナノチューブ構造体の表面に複数のカーボンナノチューブを成長し、第二カーボンナノチューブ構造体を形成させる第四ステップと、を含む。
【発明の効果】
【００１０】
従来の技術と比べて、本発明の電界放出陰極素子において、複数の第二カーボンナノチューブの高さは中間行が最も高く、前記中間行から離れる方向に沿って次第に減少しているので、隣接する二つの第二カーボンナノチューブの間の電子の遮蔽効果を減少することができる。これにより、該電界放出陰極素子は、均一な電子を放射することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施例１に係る電界放出陰極装置の構造を示す図である。
【図２】図１のＩＩ‐ＩＩに沿って切断した断面図である。
【図３】本発明の実施例１に係る電界放出陰極素子における第一カーボンナノチューブ構造体の走査型電子顕微鏡写真である。
【図４】図３中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セグメントの構造を示す図である。
【図５】本発明の実施例１に係る電界放出陰極素子において、基板に対して懸架された第一カーボンナノチューブ構造体を示す図である。
【図６】本発明の実施例１に係る電界放出陰極素子の製造工程のフローチャートである。
【図７】本発明の実施例１に係る電界放出陰極素子の製造装置を示す図である。
【図８】本発明の実施例２に係る電界放出陰極素子の構造を示す図である。
【図９】図８のＶＩＩＩ‐ＶＩＩＩに沿って切断した断面図である。
【図１０】本発明の実施例２に係る電界放出陰極素子において、一つのパターニングされた第一カーボンナノチューブ構造体の構造を示す図である。
【図１１】本発明の実施例２に係る電界放出陰極素子において、別のパターニングされた第一カーボンナノチューブ構造体の構造を示す図である。
【図１２】本発明の実施例１に係る電界放出陰極素子において、基板に対して懸架された第一カーボンナノチューブ構造体を示す図である。
【図１３】本発明の実施例２に係る電界放出陰極素子の製造装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
【００１３】
（実施例１）
図１及び図２を参照すると、本実施例は、電界放出陰極素子２００を提供する。前記電界放出陰極素子２００は、第一カーボンナノチューブ構造体２１２及び第二カーボンナノチューブ構造体２１４を含む。前記第二カーボンナノチューブ構造体２１４は、前記複数の第二カーボンナノチューブ２１４ａからなる。前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２の表面に形成される。前記複数の第二カーボンナノチューブは、前記第一カーボンナノチューブ構造体の表面に垂直に設けられ、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２に電気的に接続されている。
【００１４】
前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２は、複数の第一カーボンナノチューブ２１２ａからなる。前記複数の第一カーボンナノチューブ２１２ａは、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２の表面に平行している。前記カーボンナノチューブ構造体２１２には、前記複数のカーボンナノチューブ２１２ａが配向し又は配向せずに配置されている。前記複数のカーボンナノチューブ２１２ａの配列方式により、前記カーボンナノチューブ構造体２１２は非配向型のカーボンナノチューブ構造体及び配向型のカーボンナノチューブ構造体に分類される。非配向型のカーボンナノチューブ構造体では、カーボンナノチューブが異なる方向に沿って配置され、又は絡み合っている。配向型のカーボンナノチューブ構造体では、前記複数のカーボンナノチューブが同じ方向に沿って配列している。
【００１５】
前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２は、自立構造を有するものである。ここで、自立構造とは、支持体材を利用せず、前記カーボンナノチューブ構造体２１２を独立して利用することができる形態のことである。即ち、前記カーボンナノチューブ構造体２１２を対向する両側から支持して、前記カーボンナノチューブ構造体２１２の構造を変化させずに、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２を懸架させることができることを意味する。前記カーボンナノチューブ構造体２１２は、分子間力で接続されて均一に配列された複数のカーボンナノチューブからなる。
【００１６】
前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２は、ドローン構造カーボンナノチューブフィルム（特許文献２を参照）、綿毛構造カーボンナノチューブフィルム（特許文献３を参照）、プレシッド構造カーボンナノチューブフィルム（特許文献４を参照）、またはスプレー法、コーティング法、堆積法によって形成されたカーボンナノチューブフィルムからなる。本実施例において、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２は、ドローン構造カーボンナノチューブフィルム２４３ａからなる。
【００１７】
図３を参照すると、前記ドローン構造カーボンナノチューブフィルム２４３ａは、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）から引き出して得られた自立構造を有するものである。単一の前記カーボンナノチューブフィルムにおいて、複数のカーボンナノチューブが同じ方向に沿って、端と端が接続されている。即ち、単一の前記カーボンナノチューブフィルム２４３ａは、分子間力で長さ方向端部同士が接続された複数のカーボンナノチューブを含む。図３及び図４を参照すると、単一の前記カーボンナノチューブフィルム２４３ａは、複数のカーボンナノチューブセグメント２４３ｂを含む。前記複数のカーボンナノチューブセグメント２４３ｂは、長さ方向に沿って分子間力で端と端が接続されている。それぞれのカーボンナノチューブセグメント２４３ｂは、相互に平行に、分子間力で結合された複数のカーボンナノチューブ２４５を含む。単一の前記カーボンナノチューブセグメント２４３ｂにおいて、前記複数のカーボンナノチューブ２４５の長さが同じである。前記カーボンナノチューブフィルム２４３ａの厚さは、０．５ｎｍ〜１００μｍに設けられ、その幅は前記超配列カーボンナノチューブアレイの幅に関係する。
【００１８】
前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２は、積層された少なくとも二つの前記カーボンナノチューブフィルム２４３ａからなることができる。この場合、隣接する前記カーボンナノチューブフィルムは、分子間力で結合されている。隣接する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、それぞれ０°〜９０°の角度で交差している。
【００１９】
前記第二カーボンナノチューブ構造体２１４は、複数の第二カーボンナノチューブ２１４ａからなる。前記複数の第二カーボンナノチューブ２１４ａは、相互に平行して複数の行に配列され、等間隔を有する。前記複数の第二カーボンナノチューブ２１４ａの一端は、それぞれ前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２の表面に垂直に接触するが、前記複数の第二カーボンナノチューブ２１４ａの他端は、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２の表面に垂直な方向に沿って、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２の表面から離れる方向へ延伸する。
【００２０】
前記第二カーボンナノチューブ構造体２１４は、複数の行に配列された第二カーボンナノチューブ２１４ａからなる。同じ行の前記複数第二カーボンナノチューブ２１４ａの高さは、同じである。同じ行において、隣接する前記第二カーボンナノチューブ２１４ａの間の距離が同じである。前記第二カーボンナノチューブ構造体２１４において、前記第二カーボンナノチューブ構造体２１４の高さは、中間行が最も高く、前記中間行から離れる方向に沿って次第に減少している。これにより、前記第二カーボンナノチューブ構造体２１４の断面は三角形を形成するので、電界放出陰極素子２００に用いられる場合、異なる行において、隣接する二つの第二カーボンナノチューブ２１４ａの間の電子の遮蔽効果を減少することができ、前記電界放出陰極素子２００は均一に電子を放射することができる。
【００２１】
更に、前記電界放出陰極素子２００は、基板２２０を含む。前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２の、前記第二カーボンナノチューブ構造体２１４に隣接する表面とは反対の表面は、前記基板２２０の一つの表面に接触して設置されるか、または、前記基板２２０の一つの表面に対して懸架される。
【００２２】
図５を参照すると、本実施例の前記電界放出陰極素子２００は、更に、二つの導電性基体を含む。詳しくは、前記電界放出陰極素子２００において、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２の、前記第二カーボンナノチューブ構造体２１４に隣接する表面とは反対の表面は、第一導電性基体２２１及び第二導電性基体２２２を介して、前記基板２２０の一つの表面に対して懸架される。前記第一導電性基体２２１及び第二導電性基体２２２は、金属、金属合金または導電性複合材料からなる。前記第一導電性基体２２１及び第二導電性基体２２２の形状は制限されず、該第一導電性基体２２１及び第二導電性基体２２２の高さは同じである。本実施例において、前記第一導電性基体２２１及び第二導電性基体２２２は、直方体である。前記第一導電性基体２２１と第二導電性基体２２２との間の距離は、実際の応用に応じて選択する。
【００２３】
本実施例において、前記電界放出陰極素子２００は、次の優れた点がある。第一に、前記電界放出陰極素子２００の、前記第二カーボンナノチューブ構造体２１４の断面は三角形であるので、前記第二カーボンナノチューブ構造体２１４を電界放出陰極素子２００に用いる場合、前記第二カーボンナノチューブ構造体２１４の異なる行において、隣接する二つの第二カーボンナノチューブ２１４ａの間の電子の遮蔽効果を減少することができる。これにより、前記電界放出陰極素子２００は均一に電子を放射することができる。第二に、前記電界放出陰極素子２００は、熱電界電子放出装置に用いられる場合、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２に電流を流すと、該第一カーボンナノチューブ構造体２１２が熱を生じる。前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２から生じた熱によって、前記第二カーボンナノチューブ構造体２１４を加熱することができる。これにより、前記第二カーボンナノチューブ構造体２１４の表面の不純物を除去するので、前記電界放出陰極素子２００の安定性を高めることができる。
【００２４】
図６及び図７を参照すると、前記電界放出陰極素子２００の製造方法は、第一カーボンナノチューブ構造体２１２及び基板２２０を提供する第一ステップと、前記基板２２０に対して前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２を懸架させる第二ステップと、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２に電圧を印加し、温度勾配を形成する第三ステップと、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２の表面に複数のカーボンナノチューブ２１４ａを成長させ、第二カーボンナノチューブ構造体２１４を形成する第四ステップと、を含む。
【００２５】
前記第一ステップにおいて、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２は、少なくとも一つのドローン構造カーボンナノチューブフィルム（ｄｒａｗｎ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｆｉｌｍ）からなる。前記カーボンナノチューブフィルムの製造方法は、超配列カーボンナノチューブアレイを提供するステップＳ２１と、前記カーボンナノチューブアレイから、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを引き伸ばして、前記カーボンナノチューブフィルムを得るステップａ２２と、を含む。前記ドローン構造カーボンナノチューブフィルムの製造方法は、特許文献２に掲載されている。
【００２６】
更に、前記第一ステップの後に、ステップｂを行うこともできる。前記ステップｂにおいて、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法、プラズマビーム蒸着法、電着法及びコーティング法で前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２の一つの表面に触媒粒子２１３を均一に堆積する。
【００２７】
前記第二ステップは、基板２２０を提供するステップｃ２２１と、間隔をあけて設置された第一導電性基体２２１及び第二導電性基体２２２を提供し、基板２２０の一つの表面に設置するステップｃ２２２と、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２を前記第一導電性基体２２１及び第二導電性基体２２２の、前記基板２２０とは反対の表面に設置し、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２の、触媒粒子２１３を均一に堆積した表面とは反対の表面を前記一導電性基体２２１及び前記第二導電性基体２２２に隣接させるステップｃ２２３と、を含む。
【００２８】
前記ステップｃ２２１において、前記基板２２０は、シリコンウェハまたは表面に酸化層を有するシリコンウェハである。前記基板２２０の形状は、実際の応用に応じて選択する。本実施例において、前記基板２２０の形状は、長方形である。
【００２９】
前記ステップｃ２２２において、前記第一導電性基体２２１と第二導電性基体２２２との間の距離は、２ｍｍ〜２ｃｍである。本実施例において、前記第一導電性基体２２１と前記第二導電性基体２２２との間の距離は１ｃｍである。
【００３０】
前記ステップｃ２２３において、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２の一端を前記第一導電性基体２２１の、前記基板２２０に隣接する表面とは反対の表面に固定し、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２の前記一端に対向する他端を、前記第二導電性基体２２２の、前記基板２２０に隣接する表面とは反対の表面に固定させる。これにより、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２の、導電性基体と接触する部分以外の部分を前記基板２２０に対して懸架させる。前記複数の第一カーボンナノチューブ２１２ａは、前記第一導電性基体２２１から前記第二導電性基体２２２までの方向に沿って延伸している。
【００３１】
前記第三ステップにおいて、前記複数のカーボンナノチューブ２１４ａからなる第二カーボンナノチューブ構造体２１４を、化学気相成長法で前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２の表面に成長させる。前記化学気相成長法は、前記基板２２０を反応室に置いて、炭素源ガス及び保護ガスを導入するステップ２３１と、前記第一導電性基体２２１及び前記第二導電性基体２２２によって、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２に電圧を印加し、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２に熱を発生させ、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２から生じた熱で前記第二カーボンナノチューブ構造体２１４を成長させるステップ２３２と、を含む。
【００３２】
前記ステップ２３１において、前記炭素源ガスは、アセチレンまたはエタンのような炭化水素ガスであり、前記保護ガスは、窒素ガス、アルゴンまたは他の不活性ガスである。
【００３３】
前記ステップ２３２において、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２は、電気エネルギーを熱に転換することができる。前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２に印加する電圧は、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２及び前記第一カーボンナノチューブ２１２ａの直径に応じて変更する。本実施例において、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２に印加する電圧は４０Ｖであり、前記第一カーボンナノチューブ２１２ａの直径は５ｎｍである。前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２に電圧を印加する場合、前記第一導電性基体２２１または前記第二導電性基体２２２から前記第二導電性基体２２２または前記第一導電性基体２２１へ直流電流を流して、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２に熱を発生させる。前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２に生じた熱で該第一カーボンナノチューブ構造体２１２の温度は、５００〜９００℃となる。前記第二カーボンナノチューブ構造体２１４の成長時間は３０分〜６０分である。
【００３４】
前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２を加熱する工程において、ジュール熱によって、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２の温度を次第に上昇させる。前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２に生じた熱は、前記第一導電性基体２２１、前記第二導電性基体２２２及び前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２の周囲へ伝達される。前記第一導電性基体２２１及び前記第二導電性基体２２２は優れた熱伝導性を有するので、前記第一導電性基体２２１及び前記第二導電性基体２２２によって前記第一導電性基体２２１及び前記第二導電性基体２２２に近い熱を急速に周囲に伝達することができる。前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２の中心部の熱は、前記第一導電性基体２２１及び前記第二導電性基体２２２によって、急速に周囲に伝達されず、該第一カーボンナノチューブ構造体２１２の中心部の温度は、その他の部分の温度より高くなる。これにより、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２における温度は、その中心部から前記第一導電性基体２２１及び前記第二導電性基体２２２への方向に沿って次第に低下して、温度勾配が形成される。
【００３５】
前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２に所定の時間電圧を印加した後、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２の表面から複数の前記第二カーボンナノチューブ２１４ａが成長され、前記第二カーボンナノチューブ構造体２１４が形成される。前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２における温度は、その中心部から前記第一導電性基体２２１及び前記第二導電性基体２２２への方向に沿って次第に低下して、温度勾配を形成するので、前記第二カーボンナノチューブ構造体２１４において、複数の前記第二カーボンナノチューブ２１４ａの高さは、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２の中心部から前記第一導電性基体２２１及び前記第二導電性基体２２２への方向に沿って次第に減少する。前記中心部における複数の第二カーボンナノチューブ２１４ａは、他の部分における複数の第二カーボンナノチューブ２１４ａより高い。これにより、前記第二カーボンナノチューブ構造体２１４の断面は三角形に形成される。
【００３６】
更に、前記複数の第二カーボンナノチューブ２１４ａの成長速度を上げるために、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２に電圧を印加する工程において、加熱装置（図示せず）で前記反応室を加熱することができる。しかしながら、前記反応室の温度は、前記第一カーボンナノチューブ構造体２１２の温度勾配における最低温度より低い。
【００３７】
（実施例２）
図８及び図９を参照すると、本実施例の電界放出陰極素子３００は、第一カーボンナノチューブ構造体３１２及び複数の第二カーボンナノチューブ構造体３１４を含む。前記電界放出陰極素子３００は、実施例１の電界放出陰極素子２００と比べて、次の異なる点がある。前記電界放出陰極素子３００は、複数の第二カーボンナノチューブ構造体３１４を含む。
【００３８】
単一の前記第二カーボンナノチューブ構造体３１４は、一行の先端を有する。単一の前記第二カーボンナノチューブ構造体３１４において、前記先端における複数の第二カーボンナノチューブ３１４ａの高さは、その他の部分の複数の第二カーボンナノチューブ３１４ａより高い。単一の前記第二カーボンナノチューブ構造体３１４の断面は、三角形である。それぞれ複数の前記第二カーボンナノチューブ構造体３１４は、一体に形成されるか、または相互に間隔をあけて配列することができ、複数の前記第二カーボンナノチューブ構造体３１４は、直線配列することができる。図１０及び図１１を参照すると、複数の前記第二カーボンナノチューブ構造体３１４は、所定のパターンを形成することもできる。
【００３９】
更に、前記電界放出陰極素子３００は、基板３２０を含む。前記第一カーボンナノチューブ構造体３１２は、前記基板３２０の一つの表面に設置されるか、または、前記基板３２０に対して懸架される。一実施例において、前記第一カーボンナノチューブ構造体３１２は、前記基板３２０の一つの表面に設置される。前記第二カーボンナノチューブ構造体３１４は、前記第一カーボンナノチューブ構造体３１２の表面に垂直であり、且つ、前記基板３２０に隣接する表面とは反対の表面に接触する。
【００４０】
図１１を参照すると、前記第一カーボンナノチューブ構造体３１２は、前記基板３２０に対して懸架される場合、前記電界放出陰極素子３００は、更に、複数の間隔で設置された支持体を含む。本実施例において、前記複数の支持体は、導電性基体３２２である。隣接する二つの導電性基体３２２の間の距離は、実際の応用に応じて選択することができる。
【００４１】
図１２を参照すると、前記電界放出陰極素子３００の製造方法は、第一カーボンナノチューブ構造体３１２及び基板３２０を提供する第一ステップと、前記基板３２０に対して前記第一カーボンナノチューブ構造体３１２を懸架させる第二ステップと、前記第一カーボンナノチューブ構造体３１２に電圧を印加し、温度勾配を形成する第三ステップと、前記第一カーボンナノチューブ構造体３１２の表面に複数のカーボンナノチューブを成長させ、第二カーボンナノチューブ構造体３１４を形成する第四ステップと、を含む。
【００４２】
実施例１における電界放出陰極素子２００の製造方法と比べると、本実施例の電界放出陰極素子３００の製造方法は、次の異なる点がある。前記電界放出陰極素子３００において、前記基板３２０の一つの表面に、前記複数の間隔で設置された導電性基体３２２が設置される。これにより、前記第一カーボンナノチューブ構造体３１２の一部分は、前記複数の導電性基体３２２を介して、前記基板３２０に対して懸架される。
【００４３】
前記第三ステップにおいて、前記隣接する二つの導電性基体３２２に電圧を印加する場合、該隣接する二つの導電性基体３２２の間において、その中心部の温度は、その他の部分より高い。従って、前記隣接する二つの導電性基体３２２の間において、前記中心部の前記複数の第二カーボンナノチューブ３１４ａの成長速度は、その他の部分の成長速度より速い。これにより、前記隣接する二つの導電性基体３２２の間に、前記第二カーボンナノチューブ構造体３１４を形成する。各々の前記第二カーボンナノチューブ構造体３１４は、複数の行に配列され、中間行に位置する前記第二カーボンナノチューブ３１４ａの高さが最も高い。前記複数の第二カーボンナノチューブ構造体３１４は、所定のパターンを形成することができる。
【符号の説明】
【００４４】
２００、３００ 電界放出陰極素子
２１２、３１２ 第一カーボンナノチューブ構造体
２１３ 触媒粒子
２１４、３１４ 第二カーボンナノチューブ構造体
２１４ａ、３１４ａ 第二カーボンナノチューブ
２１４ｃ、３１４ｃ 先端
２２０、３２０ 基板
２２１ 第一導電性基体
２２２ 第二導電性基体
２４３ａ カーボンナノチューブフィルム
２４３ｂ カーボンナノチューブセグメント
２４５ カーボンナノチューブ
３２２ 導電性基体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一カーボンナノチューブ構造体と、第二カーボンナノチューブ構造体と、を含む電界放出陰極素子であって、
前記第一カーボンナノチューブ構造体は、複数の第一カーボンナノチューブが面状に配列され、
前記第二カーボンナノチューブ構造体は、複数の各行に配列された複数の第二カーボンナノチューブからなるとともに、前記第一カーボンナノチューブ構造体の表面に形成され、
前記複数の第二カーボンナノチューブは、前記第一カーボンナノチューブ構造体の前記表面に垂直に設けられ、
前記第二カーボンナノチューブ構造体の、前記第一カーボンナノチューブ構造体の前記表面から離れる端部は、電子放出の先端として利用され、
前記複数の第二カーボンナノチューブの高さは、中間行が最も高く、前記中間行から離れる方向に沿って次第に減少していることを特徴とする電界放出陰極素子。
【請求項２】
第一カーボンナノチューブ構造体及び基板を提供する第一ステップと、
前記基板に対して前記第一カーボンナノチューブ構造体を懸架させる第二ステップと、
前記第一カーボンナノチューブ構造体に電圧を印加し、温度勾配を形成する第三ステップと、
前記第一カーボンナノチューブ構造体の表面に複数のカーボンナノチューブを成長させ、第二カーボンナノチューブ構造体を形成する第四ステップと、
を含むことを特徴とする電界放出陰極素子の製造方法。
【請求項１】
第一カーボンナノチューブ構造体と、第二カーボンナノチューブ構造体と、を含む電界放出陰極素子であって、
前記第一カーボンナノチューブ構造体は、複数の第一カーボンナノチューブが面状に配列され、
前記第二カーボンナノチューブ構造体は、複数の各行に配列された複数の第二カーボンナノチューブからなるとともに、前記第一カーボンナノチューブ構造体の表面に形成され、
前記複数の第二カーボンナノチューブは、前記第一カーボンナノチューブ構造体の前記表面に垂直に設けられ、
前記第二カーボンナノチューブ構造体の、前記第一カーボンナノチューブ構造体の前記表面から離れる端部は、電子放出の先端として利用され、
前記複数の第二カーボンナノチューブの高さは、中間行が最も高く、前記中間行から離れる方向に沿って次第に減少していることを特徴とする電界放出陰極素子。
【請求項２】
第一カーボンナノチューブ構造体及び基板を提供する第一ステップと、
前記基板に対して前記第一カーボンナノチューブ構造体を懸架させる第二ステップと、
前記第一カーボンナノチューブ構造体に電圧を印加し、温度勾配を形成する第三ステップと、
前記第一カーボンナノチューブ構造体の表面に複数のカーボンナノチューブを成長させ、第二カーボンナノチューブ構造体を形成する第四ステップと、
を含むことを特徴とする電界放出陰極素子の製造方法。
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１２】
【図１３】
【図１】
【図３】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１２】
【図１３】
【図１】
【図３】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−１３８３４０（Ｐ２０１２−１３８３４０Ａ）
【公開日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２５７１２（Ｐ２０１１−２２５７１２）
【出願日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【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)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【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)
【Ｆターム（参考）】
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