JP4817848B2 - 複合炭素膜および電子エミッタ - Google Patents

Description

本発明は、複合炭素膜およびこの複合炭素膜を用いた電子エミッタに関する。

平面ディスプレイ等には電子を平面的に発生する電子エミッタを用いることが行われる。電子エミッタ材料としてはカーボンナノチューブがこれまで大きく注目されている。しかしながら、カーボンナノチューブでは高さと配列が揃いにくくそれぞれのカーボンナノチューブから均一な電子放出電流を得ることが困難であり、高精細の平面ディスプレイ等にはそのことが課題であった。

また、電子エミッタ材料としてダイヤモンドが利用することが行われるようになっている。ダイヤモンドは通常の金属と比べると、電子を真空中に比較的容易に引き出せるうえに、電子放出の閾値電圧が低く、電界放射電流が大きいことがその理由である。しかしながら、ダイヤモンドにおいても電界集中を得るうえで先端の先鋭化が必要であり、例えば、ダイヤモンドに微細加工を施して微細先端を持つダイヤモンド形状にしたりして電子エミッタを得る技術の開発等が行われてきている。しかしながら、これらは、ダイヤモンド自体に加工を施して微細化しても優れた電子放出特性を有することは難しい。なお、電子エミッタには以下の特許文献を挙げることができる。
特開２００５−０４４７２１ 特開２００４−１３９７６２

本発明は、ダイヤモンドを電子放出に用いるのではなく、ダイヤモンドそれ自体の化学的安定性、耐熱性、等の優れた特性を利用し、電子放出特性に優れた複合炭素膜、それを用いた電子エミッタを提供することである。

本発明による複合炭素膜は、ダイヤモンド微粒子を被覆する、導電性を有する第１炭素膜と、第１炭素膜上に生成された、電子放出特性を有する第２炭素膜とを備えることを特徴とするものである。なお、ダイヤモンド微粒子はその粒径に限定されない。例えば、その粒径は０．数μｍから数十μｍを含む。

本発明の複合炭素膜は、ダイヤモンド微粒子上に成膜されるので、成膜の過程で不純物が混入するおそれがなく、電子放出特性に優れた炭素膜を提供することができる。

第１炭素膜は、ダイヤモンド微粒子の表面に形成された炭素核の周囲から微細突起状に生成された炭素膜であることが好ましい。第１炭素膜は、まず、ダイヤモンド微粒子の表面に炭素からなる核が生成され、その核を炭素膜の成長の核とし、その核の周囲に微細な突起を持つ炭素からなる膜が生成されたものである。この第１炭素膜は、カーボンナノウォールまたはカーボンナノファイバであることがより好ましい。

一方、第２炭素膜は、ウォール状ないしは針状に生成された炭素膜であることが良好な電子放出特性を持つ上で好ましい。さらに、この第２炭素膜は、網目状に繋がるナノウォール状膜と、この網目状のナノウォール状膜に囲まれた領域内に先端が電子放出点となるニードル状膜とを含むことがより好ましい。ナノウォール状膜はニードル状膜の姿勢の安定化に貢献することができる。これによりニードル状膜の先端の向きが揃い易くなるので電子放出特性が安定する。また、第１炭素膜とのオーミックコンタクトはナノウォール状膜により確保することができるので、ニードル状膜はその径が細くてもその先端に電子放出に必要な電流を流し込むことが可能である。

本発明の電子エミッタは、プレートと、このプレート上に分散配置された多数のダイヤモンド微粒子と、これらダイヤモンド微粒子の表面に成膜された上記複合炭素膜とを含み、複合炭素膜の第１炭素膜はプレートとオーミックコンタクトをとり、第２炭素膜は、電子放出点となっていることを特徴とするものである。プレートは好ましくはニッケル材から構成されるが、金属材の種類に特に限定されない。また、金属材ではなくシリコン材から構成されてもよい。

この電子エミッタは、プレート上にダイヤモンド微粒子を分散配置し、そのダイヤモンド微粒子上に複合炭素膜を生成したものであるから、フラットパネルディスプレイの平面型電子エミッタに用いて好ましい。

本発明の複合炭素膜を用いれば、高効率の電子エミッタを得ることができる。

以下、添付した図面を参照して本発明の実施の形態に係る複合炭素膜、これを備えた電子エミッタを詳細に説明する。

実施の形態の複合炭素膜は、ダイヤモンド微粒子の表面に形成された多数の炭素核それぞれから微細突起状に生成された第１炭素膜と、第１炭素膜からさらに多数のウォール状ないしは針状に生成された第２炭素膜とを備えたものである。

図１は倍率×２５００倍の複合炭素膜の平面からの撮影に係るＳＥＭ写真である。図２は倍率×２５００倍の複合炭素膜の平面からの撮影に係るＳＥＭ写真である。図３は倍率×８０００倍の複合炭素膜の側面からの撮影に係るＳＥＭ写真であり、図４は倍率×８０００倍での複合炭素膜の他の側面からの撮影に係るＳＥＭ写真である。

これらのＳＥＭ写真において図１、図２の二枚のＳＥＭ写真には、ＳＥＭ写真中に書き入れた内側外形線Ａの内側はダイヤモンド微粒子領域である。内側外形線Ａと外側外形線Ｂとの間の領域は第１炭素膜の領域である。この第１炭素膜は、中心に炭素核があり、この炭素核の周囲に微細で短いウォール状やファイバ状の突起がブロック状に集合して構成されている。この第１炭素膜領域からは長くウォール状ないしはニードル状に延びた多数の突起からなる第２炭素膜を確認することができる。

図３と図４の二枚のＳＥＭ写真には、第２炭素膜が示されている。第２炭素膜は、網目状に繋がるナノウォール状膜と、この網目状のナノウォール状膜に囲まれた領域内に先端が電子放出点となるニードル状膜とが成膜されている。ニードル状膜の途中部位には花弁状膜が成膜されている。

第２炭素膜は、ニードル状膜の成膜方向が揃い、均一に電子放出することができ、発光輝度が均一で輝度むらが少ない平面ディスプレイの電子源を提供することができる。

図５に図１ないし図４のＳＥＭ写真で示す複合炭素膜を備えた陰極とこれに対向する陽極との間に電圧を印加したときの電子放出特性を示す。図５で横軸は陽陰極間の電圧Ｖ（ｋＶ／ｍｍ）を示し、縦軸はエミッション電流Ｉ（ｍＡ／ｃｍ²）を示す。エミッション電流Ｉは、陰極からの電子放出量を示す電流である。図５に示すように電圧Ｖが２．２ｋＶ/ｍｍで、エミッション電流Ｉが３０ｍＡ／ｃｍ²であったことから理解することができるように、実施の形態の複合炭素膜は、電子エミッタに用いて、極めて良好な電子放出特性を提供することができるものである。実施の形態では基板としてＮｉ基板であるが、他の金属基板でも良好な電子放出特性を提供することができることを確認している。

実施の形態の複合炭素膜の成膜方法を図６ないし図８を参照して説明する。図６は実施の形態の複合炭素膜の成膜に用いる直流プラズマＣＶＤ装置を示す。直流プラズマＣＶＤ装置は、真空チャンバ２と、この真空チャンバ２の内部に平行に対向配置した一対の第１、第２平板電極４，６とを備える。真空チャンバ２はガス導入口２ａとガス排気口２ｂとを備える。直流電源８の負極側を上側の第１平板電極４に接続し、直流電源８の正極側を接地する。下側の第２平板電極６を接地する。

以下、図６ないし図８を参照して基板１０上への複合炭素膜の成膜方法を説明する。

前工程を説明する。基板１０はニッケル基板である。まず、この基板１０上にダイヤモンド微粒子１２を分散配置する。この基板１０上へのダイヤモンド微粒子１２の分散配置は、メタノールの溶液中にダイヤモンド微粒子１２と基板１０とを入れ、超音波振動することにより行うことができる。この基板１０の基板面１０ａの一部を図８（ａ）に模式的に示す。図８（ａ）では基板面１０ａとその基板面１０ａ上に分散配置されたダイヤモンド微粒子１２とが示されている。次いで、この基板１０を真空チャンバ２内の第２平板電極６上に配置する。以上までが、前工程である。

次以降が本工程である。

本工程を説明する。本工程は、図７で示すように第１ないし第５工程がある。第１工程は、真空チャンバ２内に水素ガスを導入し、かつ、両平板電極４，６間に電圧を印加して、両平板電極４，６間にプラズマを発生させる。この場合の水素ガス流量は５００ｃｃｍである。圧力は３０ｔｏｒｒである。電流は２．５Ａである。第１工程の工程時間は２０分間である。ダイヤモンド微粒子１２表面はこの第１工程で水素プラズマ処理される。

次いで、第２工程では真空チャンバ２内に水素ガスとメタンガスとを導入する。水素ガス流量は５００ｃｃｍである。メタンガス流量は５０ｃｃｍである。圧力は３０ｔｏｒｒである。電流は４．０Ａである。第２工程の工程時間は５分間である。以上の第１、第２工程により、図８（ｂ）で示すように、ダイヤモンド微粒子１２の表面に第１炭素膜１４が成膜される。この第１炭素膜１４は、まず、ダイヤモンド微粒子１２表面に形成された多数の炭素核１４ａと、その炭素核１４ａから成長した多数の微細突起１４ｂとから構成されている。この微細突起１４ｂは全体がボール形状になっている。第１炭素膜１４の成膜に際してはダイヤモンド微粒子１２表面であるので、不純物等が第１炭素膜１４に入り込むおそれがなく、また、ダイヤモンド微粒子１２は、高絶縁性で、化学的に安定であり、また、耐熱性に優れているので、第１炭素膜１４の成膜には好適する。

ついで、第３工程では、水素ガス流量、メタンガス流量、圧力を第２工程と同じに維持し、圧力を、３０ｔｏｒｒから７５ｔｏｒｒに増加するとともに、電流を４．０Ａから６．０Ａに増加する。第３工程の工程時間は１０分間である。さらに、第４工程では、水素ガス流量を第３工程と同じに維持しつつ、メタンガス流量を５０ｃｃｍから４０ｃｃｍに減らす。また、圧力と電流を第３工程と同じに維持する。この第３工程の工程時間は６５分間である。最後の第５工程では、水素ガス流量を第４工程と同じに維持しつつ、メタンガス流量を４０ｃｃｍから３０ｃｃｍに減らす。また、圧力と電流を第４工程と同じに維持する。第５工程の工程時間は１５分間である。以上の第３ないし第５工程により、図８（ｃ）で示すように第１炭素膜１４の表面に多数のウォール状ないしは針状の突起からなる第２炭素膜１６が成膜される。第２炭素膜１６は、電子放出用突起として、ナノウォール状膜１６ａと、この網目状のナノウォール状膜１６ａに囲まれた領域内に先端が電子放出点となるニードル状膜１６ｂとが成膜されている。ニードル状膜１６ｂの途中部位には花弁状膜１６ｃが成膜されている。第５工程後に圧力を徐々に抜き、ガスの導入を停止し、電流の印加を停止し、自然冷却する。

以上の工程を実施することにより基板１０の基板面１０ａ上に実施の形態の炭素膜を成膜して電子エミッタを得ることができる。なお、メタンガスに代えて他の炭素を含むガス、例えば、アセチレン、エチレン、プロパン、プロピレン等の炭化水素ガスを用いることができる。なお、発生プラズマにより、基板１０の温度は９００℃ないし１１５０℃程度となって、メタンガスが分解され、基板面１０ａに炭素膜が成膜される。

本発明は、上述の実施の形態に限定されず、種々な変形が考えられる。

図１は本発明の炭素膜のＳＥＭ写真である。 図２は本発明の炭素膜のＳＥＭ写真である。 図３は本発明の炭素膜のＳＥＭ写真である。 図４は本発明の炭素膜のＳＥＭ写真である。 図５は本発明の炭素膜の電子放出特性を示す図である。 図６は本発明の炭素膜を成膜するために用いる直流プラズマＣＶＤ装置の概略構成図である。 図７は本発明の炭素膜の成膜方法の工程図である。 図８は本発明の炭素膜の成膜過程を示す図である。

符号の説明

２ 真空チャンバ
４ 第１平板電極
６ 第２平板電極
８ 直流電源
１０ 基板
１２ ダイヤモンド微粒子
１４ 第１炭素膜
１４ａ 炭素核
１４ｂ 微細突起
１６ 第２炭素膜
１６ａ ナノウォール状膜
１６ｂ ニードル状膜
１６ｃ 花弁状膜

Claims (6)

1. ダイヤモンド微粒子を被覆する、導電性を有する第１炭素膜と、第１炭素膜上に生成された、電子放出特性を有する第２炭素膜と、を備えることを特徴とする複合炭素膜。
2. 第１炭素膜は、ダイヤモンド微粒子の表面に形成された、炭素からなる核の周囲から微細突起状に生成された炭素膜である、ことを特徴とする請求項１に記載の複合炭素膜。
3. 第１炭素膜は、カーボンナノウォールまたはカーボンナノファイバである、ことを特徴とする請求項２に記載の複合炭素膜。
4. 第２炭素膜は、ウォール状ないしは針状に生成された炭素膜である、ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の複合炭素膜。
5. 第２炭素膜は、網目状に繋がるナノウォール状膜と、この網目状のナノウォール状膜に囲まれた領域内に先端が電子放出点となるニードル状膜とを含む、ことを特徴とする請求項４に記載の複合炭素膜。
6. プレートと、このプレート上に分散配置された多数のダイヤモンド微粒子と、これらダイヤモンド微粒子の表面に成膜された請求項１ないし５のいずれかに記載の複合炭素膜とを含み、複合炭素膜の第１炭素膜はプレートとオーミックコンタクトをとり、第２炭素膜は、電子放出点となっている、ことを特徴とする電子エミッタ。