JP5015904B2 - 熱電子源 - Google Patents

Description

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。

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。

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。

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。
Ｓ．Ｉｉｊｉｍａ、"Ｈｅｌｉｃａｌ Ｍｉｃｒｏｔｕｂｕｌｅｓ ｏｆ Ｇｒａｐｈｉｔｉｃ Ｃａｒｂｏｎ"、Ｎａｔｕｒｅ、１９９１年、第３５４巻、ｐ．５６ Ｋａｉｌｉ Ｊｉａｎｇ、Ｑｕｎｑｉｎｇ Ｌｉ、Ｓｈｏｕｓｈａｎ Ｆａｎ、"Ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｙａｒｎｓ"、Ｎａｔｕｒｅ、２００２年、第４１９巻、ｐ．８０１

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。 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。 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。 本発明の第二実施形態に係る熱電子源のＳＥＭ写真である。 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

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

Claims (7)

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、
   前記カーボンナノチューブ構造体が、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からなる、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ことを特徴とする熱電子源。
2. 二つの固定素子を更に含み、二つの該固定素子が前記熱電子放出素子を二つの前記電極にそれぞれ固定することを特徴とする、請求項１に記載の熱電子源。
3. 二つの支持素子を更に含み、二つの該支持素子が分離して前記基板の表面に固定され、前記熱電子放出素子が、二つの前記支持素子にそれぞれ設置され、二つの該支持素子に支持され、前記二つの電極が、前記熱電子放出素子の表面に固定され、該熱電子放出素子を前記支持素子と前記電極との間に固定することを特徴とする、請求項１に記載の熱電子源。
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１に記載の熱電子源。
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。
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。
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、２、４、５、及び６のいずれか一項に記載の熱電子源。