JP4961561B2 - 有機ケイ素化合物とカーボンナノチューブの複合材及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、カーボンナノチューブを有機ケイ素化合物と複合化 (カーボンナノチューブに有機ケイ素化合物を添加)して得られた複合材に関し、複合化前のカーボンナノチューブと比較し、低い電圧で安定した電界放出効果を有する有機ケイ素化合物とカーボンナノチューブの複合材及びその製造方法に関する。

金属表面に強い電界がかかると、金属内の自由電子が量子力学的トンネル効果で、真空中に放出（電界電子放出）されるが、この電界電子放出、及びその電界放出源（フィールドエミッタ）は、電界放出型ディスプレー（ＦＥＤ）、バックライト、電子顕微鏡等に応用されている。

従来から提案されている電界放出源は、電子を放出させる急峻な円錐状の形状を、シリコンに特殊なエッチングを行って形成したり、金属を斜めから廻転させて堆積して形成するという特殊な方法で形成している。これらの方法では、人工的な微細加工を用いていることにより急峻な円錐状の先端のサイズを２０〜３０ｎｍ以下とすることは不可能であった。

電子を放出させることができる電圧は、電界放出源の先端が急峻であればあるほど低くなる。

ところで、１９９１年にカーボンナノチューブが発見されて以来、カーボンナノチューブの興味深い物理的電気的性質は、各方面で多くの興味を引きつけている。

低い電圧で電子を放出させるためには、電界放出源は非常に細い先端の形状が要求されるが、カーボンナノチューブ先端の曲率半径は、数ｎｍ〜１０ｎｍと非常に小さいので電界電子放出源として最適である。

このようなことから、近年、カーボンナノチューブは、その特徴的な構造と卓越した安定性から、電界放出型ディスプレーの電界放出源の構成部品として利用されている（特許文献１参照）。

また、カーボンナノチューブは、種々な物質の吸着や反応によっても、その電界放出特性が変わってくる事が知られている。例えば、酸素にナノチューブをさらすことによって、電界放出電圧が増大し、電流が減少する。また、金属を蒸着することで、低電圧で電子が放出されることが知られている（特許文献２参照）。
特開２００１−２３６８７５号公報 特開２００５−１３８２０４号公報

ところで、従来のカーボンナノチューブは電界放出源の構成部品として適しているが、近年、ディスプレー画面の大型化が進行している状況においては、さらに低電圧で動作する電界放出源が求められている。

前述の金属を蒸着するという先行技術においては、蒸着した金属が容易に酸化したり、また貴金属の場合は価格が高く実用化が困難であったり、毒性の高い金属の使用等の問題も含んでいる。

本発明は、従来の上記問題を解決することを目的とするものであり、安全、安価で簡単な製造工程によって得られ、しかも従来のカーボンナノチューブと比べ、著しく電界放出効率を向上させることのできるカーボンナノチューブを応用した材料及びその製造方法を実現することを課題とするものである。

本発明は上記課題を解決するために、カーボンナノチューブに有機ケイ素化合物を添加して得られる複合材であって、カーボンナノチューブに比較して低い電圧で電界放出能を有することを特徴とする有機ケイ素化合物とカーボンナノチューブの複合材を提供する。

本発明は上記課題を解決するために、カーボンナノチューブに有機ケイ素化合物を溶媒等を用いて混合し、乾燥して得られる複合材であって、カーボンナノチューブに比較して低い電圧で電界放出能を有することを特徴とする有機ケイ素化合物とカーボンナノチューブの複合材を提供する。

本発明は上記課題を解決するために、基盤上のカーボンナノチューブに有機ケイ素化合物が添加されることにより形成され、電界放出源の構成部品として利用されることを特徴とする有機ケイ素化合物とカーボンナノチューブの複合材を提供する。

前記カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブとしてもよい。

前記複合材は、電界放出源の構成部品として利用される基盤の構成とすることが好ましい。

本発明は上記課題を解決するために、カーボンナノチューブに有機ケイ素化合物を溶媒等を用いて混合して乾燥し、カーボンナノチューブに比較して低い電圧で電界放出能を有する有機ケイ素化合物とカーボンナノチューブの複合材を製造する方法を提供する。

基盤上のカーボンナノチューブに有機ケイ素化合物を添加することにより、電界放出源の構成部品として利用する有機ケイ素化合物とカーボンナノチューブの複合材を製造する方法を提供する。

本発明に係る有機ケイ素化合物とカーボンナノチューブの複合材及びその製造方法によると、カーボンナノチューブに有機ケイ素化合物を添加して物理吸着させるというきわめて簡単な方法で製造可能であり、しかも複合化前のカーボンナノチューブと比較し、低い電圧で安定した電界放出効果を有する。従って、この複合材は、電界放出型ディスプレーの電界放出源の構成部分として産業上の利用価値が大である。

本発明の有機ケイ素化合物とカーボンナノチューブの複合材の電界放出電流電圧特性の測定実験の結果を示すグラフである。

本発明に係る有機ケイ素化合物とカーボンナノチューブの複合材及びその製造方法を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて図面を参照して以下に説明する。

有機ケイ素化合物では、σ電子（共有結合の一態様であるσ結合をつくる電子）の非局在化がケイ素鎖で起こり、このために、多くの特徴的な興味深い電子的な特性を有する。本発明者らは、この点に着目し、カーボンナノチューブに有機ケイ素化合物を複合させることで、その電界放出能を向上させ、低電圧で電界放出が可能となるという知見を得た。このようにして、本発明者らは、カーボンナノチューブに有機ケイ素化合物を複合化 ( 添加 ) して成る本発明に係る複合材を想到した。

本発明は、カーボンナノチューブに有機ケイ素化合物を複合（添加し混合）するという極めて簡便な複合化により得られるものであって、電界放出閾値電圧を下げることができる複合材及びその製造方法である。本発明の有機ケイ素化合物とカーボンナノチューブの複合材は、低電圧で電界放出が可能となるので、電界放出源を利用する種々の電子応用装置の構成部品としての応用が可能である。

本発明に係る複合材として、単層カーボンナノチューブ（本明細書では、「ＳＷＮＴｓ」という。）と有機ケイ素化合物の複合材について、以下、具体的に説明する。この実施例の複合材は、ＳＷＮＴｓ／（ｔ−ＢｕＰｈ_２Ｓｉ）_２（以下、これを「ＳＷＮＴｓ／１」という。表１の（１）を参照。）であり、次のように製造する。

原材料であるＳＷＮＴｓは、レーザー蒸発法により合成された市販品の「Ｔｕｂｅｓ＠Ｒｉｃｅ」（商品名）を用いた。また、有機ケイ素化合物としては、（ｔ−ＢｕＰｈ_２Ｓｉ）_２を用いた。

このＳＷＮＴｓを２ｍｇと有機ケイ素化合物を１０ｍｇとを、ベンゼン中で分散させ（具体的には、超音波発生装置を用いて分散させる。）、これをフィルター（具体的にはメンブランフィルターを使用する。）で濾過することで調製する。

このように調整したものを、さらに、ベンゼンで洗浄して余分な有機ケイ素化合物を除去し、その後で乾燥する。この一連の製造工程により、本発明に係るＳＷＮＴｓと有機ケイ素化合物の複合材であるＳＷＮＴｓ／１（表１の（１）参照）を得ることができる。

この製造工程についてさらに説明を補足する。この製造工程中、ＳＷＮＴｓに有機ケイ素化合物を添加し、これをベンゼン中で超音波洗浄機を用いて分散させると、有機ケイ素化合物がＳＷＮＴｓに物理吸着した状態となる。

そして、フィルター（具体的にはメンブランフィルターを使用する。）で濾過し精製（一定寸法以下に整える。）したものを、ベンゼン中で洗浄すると、物理吸着されていない余剰物である有機ケイ素化合物が除去される。この後で行う乾燥は、減圧下で乾燥することが好ましい。

（測定実験例）
上記工程で製造された上記実施例である有機ケイ素化合物の複合材（ＳＷＮＴｓ／ｌ）の電界放出能を、複合化する前のＳＷＮＴｓ（従来のＳＷＮＴｓ）と比較して確認するために、上記実施例で得られた複合材と複合化前のＳＷＮＴｓについて、それぞれ「電界放出ＩＶ特性」を測定した。

この測定では、本発明の複合材を陰極とし、この陰極とファラデーカップ陽極を１０ｍｍのスペーサーでセットし、１０−Ｔｏｒｒの減圧下において、電圧を変えて電界放出電流値を測定した。従来のＳＷＮＴｓについても陰極として、同様にファラデーカップ陽極を１０ｍｍのスペーサーでセットし、１０−Ｔｏｒｒの減圧下において、電圧を変えて電界放出電流値を測定した。

この測定結果である「電界放出電流電圧特性」を、複合化する前のＳＷＮＴｓ（従来のＳＷＮＴｓ）と上記実施例の複合材（ＳＷＮＴｓ／ｌ）について、図１にそれぞれ示す。この図１中、従来のＳＷＮＴｓの測定値を●印で示し、実施例の複合材ＳＷＮＴｓ／ｌの測定値を▲印で示す。また、前掲の表１に、（電流０．１ｐＡにおける）閾値電圧を、複合化する前のＳＷＮＴｓは単に「ＳＷＮＴｓ」とし、上記実施例の複合材（ＳＷＮＴｓ／ｌ）は「ＳＷＮＴｓ／（ｔ−ＢｕＰｈ_２Ｓｉ）_２（１）」としてそれぞれ示す。

この図１及び表１に示すように、０．１ｐＡの閾値電圧について、従来のＳＷＮＴｓの電界放出では３００Ｖであるのに対し、上記実施例複合材の電界放出では２６０Ｖときわめて低電圧で発現している。これにより、有機ケイ素化合物とＳＷＮＴｓとσ−π相互作用がＳＷＮＴｓの電界放出能を効果的に増大することを実証している。

本発明の複合材が電界放出能を効果的に増大する作用機序は、必ずしも明確ではないがつぎのように考えられる。即ち、有機ケイ素化合物では共有結合であるσ結合を有し、他方、カーボンナノチューブでは共有結合であるπ結合を有する。

ところで、σ結合をつくる電子であるσ電子の非局在化が有機ケイ素化合物のケイ素鎖で生じるが、この現象に起因して、有機ケイ素化合物がカーボンナノチューブに物理吸着した際に、σ電子がカーボンナノチューブのπ結合と相互作用し、この結果、電界放出能を効果的に増大しているものと考えられる。

ＳＷＮＴｓに、他のオリゴシラン、ポリシランを添加して成る複合化をしたもの（ＳＷＮＴｓ／２〜ＳＷＮＴｓ／７。具体的には、前掲の表１の（２）〜（７）に示すもの。）についても、上記測定実験と同じ条件下においてそれらの電界放出能の測定をしたところ、何れの複合材も良好な電界放出能を示した（表１の（２）〜（７）参照）。

以上の測定実験の結果から、有機ケイ素化合物をＳＷＮＴｓに物理吸着することで、電界放出能が効果的に向上することが確認できた。

また、上記実施例では、ＳＷＮＴｓに有機ケイ素化合物を添加して製造した複合材について説明したが、この複合材を、例えば電界放出型ディスプレーの電界放出源として利用する場合には、上記複合材にバインダーを添加して基盤に塗布し、レーザーで加熱して表面のバインダーを蒸発させ除去して膜状に形成して利用する。

しかし、溶媒で溶かしバインダーを添加したカーボンナノチューブを予め基盤に塗布し、その後、その表面に有機ケイ素化合物を溶媒で溶かし、スプレーしたりはけで塗ったりして塗布し、レーザーで加熱して溶媒及びバインダーを除去して膜状の複合材を形成して利用してもよい。

以上、本発明に係る有機ケイ素化合物とカーボンナノチューブの複合材及びその製造方法を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて説明したが、本発明はこのような実施例に限定されるものではなく、請求の範囲によって記載された技術的事項の範囲内で実施態様でもよい。

本発明によれば、カーボンナノチューブに有機ケイ素化合物を添加して成る複合材は、電界放出能が効果的に向上するので、電界放出型ディスプレー、バックライトや電子顕微鏡のような電界放出源（フィールドエミッタ）構成部品等に適用可能である。

Claims (7)

1. カーボンナノチューブに有機ケイ素化合物を添加して得られる複合材であって、カーボンナノチューブに比較して低い電圧で電界放出能を有することを特徴とする有機ケイ素化合物とカーボンナノチューブの複合材。
2. カーボンナノチューブに有機ケイ素化合物を溶媒を用いて混合し、乾燥して得られる複合材であって、カーボンナノチューブに比較して低い電圧で電界放出能を有することを特徴とする有機ケイ素化合物とカーボンナノチューブの複合材。
3. 基盤上のカーボンナノチューブに有機ケイ素化合物が添加されることにより形成され、電界放出源の構成部品として利用されることを特徴とする有機ケイ素化合物とカーボンナノチューブの複合材。
4. 前記カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブであることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の有機ケイ素化合物とカーボンナノチューブの複合材。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の複合材から構成され、電界放出源の構成部品として利用されることを特徴とする基盤。
6. カーボンナノチューブに有機ケイ素化合物を溶媒を用いて混合して乾燥し、カーボンナノチューブに比較して低い電圧で電界放出能を有する有機ケイ素化合物とカーボンナノチューブの複合材を製造する方法。
7. 基盤上のカーボンナノチューブに有機ケイ素化合物を添加することにより、電界放出源の構成部品として利用する有機ケイ素化合物とカーボンナノチューブの複合材を製造する方法。

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