JP3972107B2 - Manufacturing method of electron emission source using carbon nanotube and polymer - Google Patents
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Description
本発明は、低電圧にて電子を放出するカーボンナノチューブと高分子を用いた電子放出源の製法に関する。 The present invention relates to a method for producing an electron emission source using carbon nanotubes and polymers that emit electrons at a low voltage.
最近、電界放出型ディスプレイ(Field Emission Display:FED)の開発が、日本のみならず、韓国をはじめとする海外においても活発化している。電界放出とは、固体表面に強い電場をかけると、固体表面に閉じ込められていた電子が真空中に飛び出す現象をいう。電子を放出させるためには固体に強い電圧をかける必要があるが、細く尖った固体を使用すれば、小さな電圧をかけるだけで済む。これまでは、細く尖らせたシリコン、モリブデン等の材料を電界放出型電子源として採用されてきたが、最近では、ナノスケールの細さと、良好な電気伝導性と、高強度と、化学的安定性とを兼ね備えたカーボンナノチューブ(Carbon Nano Tube:CNT)が、新たな電界放出型電子源として期待されている。 Recently, field emission displays (FEDs) have been actively developed not only in Japan but also overseas including Korea. Field emission refers to a phenomenon in which, when a strong electric field is applied to a solid surface, electrons confined on the solid surface jump out into the vacuum. In order to emit electrons, it is necessary to apply a strong voltage to the solid, but if a solid with a fine point is used, only a small voltage needs to be applied. In the past, materials such as finely sharpened silicon and molybdenum have been used as field emission electron sources, but recently, nanoscale thinness, good electrical conductivity, high strength, and chemical stability Carbon Nanotubes (CNTs) that combine these properties are expected as a new field emission electron source.
FEDは、ピクセル単位で配置される蛍光体に電子を当てて発光させることにより映像を形成するディスプレイである。CNTを電界放出電子源として利用するには、FEDのガラス板の裏面にある蛍光体に向けて電子を放出できるように、蛍光体に対して実質的に垂直に多数のCNTを配置する必要がある。通常、多数のCNTは、導電性高分子膜中に立設されるが、この工程において、CNTを導電性高分子中にどれだけ垂直に立設するかが重要となる。 The FED is a display that forms an image by emitting light by applying electrons to phosphors arranged in units of pixels. In order to use CNT as a field emission electron source, it is necessary to arrange a large number of CNTs substantially perpendicular to the phosphor so that electrons can be emitted toward the phosphor on the back surface of the FED glass plate. is there. Normally, a large number of CNTs are erected in a conductive polymer film. In this step, it is important how vertically the CNTs are erected in the conductive polymer.
CNTを導電性高分子中に立設する方法としては、例えば、スピンコート法が知られている(例えば、特許文献1参照。)。スピンコート法は、導電性高分子とCNT等の電極材の混合物をディスク上に塗布して当該ディスクを回転させて広げ、硬化させる方法である。 As a method of standing CNTs in a conductive polymer, for example, a spin coating method is known (see, for example, Patent Document 1). The spin coating method is a method in which a mixture of a conductive polymer and an electrode material such as CNT is applied onto a disk, and the disk is rotated and spread and cured.
しかし、スピンコート法の場合、ディスクの回転によって生じる遠心力によって、導電性高分子とCNTが広がるだけであるため、導電性高分子上に垂直に立設されるCNTは必ずしも多くはない。CNTの垂直配向性が低いと、多数の電子が放出されたとしても、蛍光体を発光させるのに有効な電子の数が少なくなる。したがって、蛍光体を発光させるための電圧はいまだ十分に低くならず、より低電圧にて電子放出が可能なFEDが強く望まれている。 However, in the case of the spin coating method, only the conductive polymer and the CNT spread due to the centrifugal force generated by the rotation of the disk, so that there are not necessarily many CNTs standing vertically on the conductive polymer. If the vertical alignment of CNTs is low, the number of electrons effective for causing the phosphor to emit light is reduced even if a large number of electrons are emitted. Therefore, a voltage for causing the phosphor to emit light is not yet sufficiently low, and an FED that can emit electrons at a lower voltage is strongly desired.
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、電子放出に要する電圧をさらに低くすることができるカーボンナノチューブと高分子を用いた電子放出源の製法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a method for producing an electron emission source using a carbon nanotube and a polymer capable of further reducing the voltage required for electron emission. .
上記目的を達成するため、本発明は、電界放出により電子を放出させる電子放出源を製造する方法であって、導電性高分子とカーボンナノチューブとを含む有機溶媒に、電源に接続された陽極と陰極とを挿入し、陰極に、導電性高分子とカーボンナノチューブとを堆積させる工程と、導電性高分子とカーボンナノチューブとを堆積させた後に、陰極を溶液から引き上げて、陰極と堆積物の表面との間に150〜250Vの範囲の電圧をかける電場処理を行う工程とを含むカーボンナノチューブと高分子を用いた電子放出源の製法としている。かかる製法を採用することにより、導電性高分子中にカーボンナノチューブが分散した膜を得ることができる。製造過程において、カーボンナノチューブは、その長さ方向を陰極に向けて堆積しやすくなる。このため、カーボンナノチューブが導電性高分子の膜に垂直に立設した形態の膜を得ることができる。特に、かかる電場処理を行うことにより、閾電圧がさらに低い良好な電子放出源を得ることができる。電場処理における電圧が150V未満でも250Vより高くても、閾電圧の低下効果は低い。150〜250Vの範囲の電圧の場合に、閾電圧の低下が高まる。 In order to achieve the above object, the present invention provides a method of manufacturing an electron emission source that emits electrons by field emission, comprising an anode connected to a power source in an organic solvent containing a conductive polymer and carbon nanotubes. Inserting the cathode, depositing the conductive polymer and the carbon nanotubes on the cathode, and depositing the conductive polymer and the carbon nanotubes, then pulling the cathode out of the solution, and the surfaces of the cathode and the deposit And a step of performing an electric field treatment in which a voltage in the range of 150 to 250 V is applied between the two and the electron emission source using a carbon nanotube and a polymer. By employing such a production method, a film in which carbon nanotubes are dispersed in a conductive polymer can be obtained. In the manufacturing process, the carbon nanotubes are easily deposited with the length direction facing the cathode. For this reason, it is possible to obtain a film in which the carbon nanotubes are erected vertically to the conductive polymer film. In particular, by performing such an electric field treatment, a good electron emission source having a lower threshold voltage can be obtained. Even if the voltage in the electric field treatment is less than 150V or higher than 250V, the effect of lowering the threshold voltage is low. In the case of a voltage in the range of 150 to 250 V, the threshold voltage decreases.
また、別の本発明において、先の導電性高分子を、ポリビニルカルバゾール、可溶性ポリパラフェニレンビニレン、可溶性ポリアニリン、ポリ(アルキル)フルオレンまたはポリ(アルキル)チオフェンの内のいずれか1つまたは複数からなる高分子としている。これらの高分子は、有機溶媒に溶けやすく、かつ導電性高分子の中でも特に導電性に優れる。したがって、カーボンナノチューブと高分子を用いた電子放出源を製造しやすく、かつカーボンナノチューブに電界をかけやすくなる。 In another aspect of the present invention, the conductive polymer is composed of one or more of polyvinyl carbazole, soluble polyparaphenylene vinylene, soluble polyaniline, poly (alkyl) fluorene, and poly (alkyl) thiophene. It is a polymer. These polymers are easily soluble in organic solvents, and are particularly excellent in conductivity among conductive polymers. Therefore, an electron emission source using carbon nanotubes and a polymer can be easily manufactured, and an electric field can be easily applied to the carbon nanotubes.
また、別の本発明は、有機溶媒中に含まれる導電性高分子に対するカーボンナノチューブの重量比率を0.05以上2以下とするカーボンナノチューブと高分子を用いた電子放出源の製法としている。導電性高分子に対するカーボンナノチューブの重量比率を高くすると、理論的には、カーボンナノチューブの先端から電子を放出するために必要な電圧(閾電圧)は低くなる。しかし、実際には、カーボンナノチューブ同士の凝集の確率も高まるために、カーボンナノチューブの量が多くなりすぎ、閾電圧は高くなる。導電性高分子に対するカーボンナノチューブの重量比率を0.05以上2以下とすると、カーボンナノチューブ同士の凝集が少なく、分散性の高いカーボンナノチューブから成る閾電圧の低い電子放出源を得ることができる。 Another aspect of the present invention is a method for producing an electron emission source using a carbon nanotube and a polymer in which the weight ratio of the carbon nanotube to the conductive polymer contained in the organic solvent is 0.05 or more and 2 or less. When the weight ratio of the carbon nanotube to the conductive polymer is increased, theoretically, the voltage (threshold voltage) necessary for emitting electrons from the tip of the carbon nanotube is decreased. However, in reality, the probability of aggregation between the carbon nanotubes is also increased, so that the amount of carbon nanotubes is excessively increased and the threshold voltage is increased. When the weight ratio of the carbon nanotubes to the conductive polymer is 0.05 or more and 2 or less, it is possible to obtain an electron emission source having a low threshold voltage composed of carbon nanotubes with little aggregation between the carbon nanotubes and high dispersibility.
また、別の本発明において、先の電場処理を200Vで30から60秒間行うカーボンナノチューブと高分子を用いた電子放出源の製法としている。特に、電場処理における電圧を200Vとし、電場処理の時間を30〜60秒の範囲で設定すると、閾電圧が大きく低下する。 In another aspect of the present invention, an electron emission source manufacturing method using carbon nanotubes and a polymer in which the above electric field treatment is performed at 200 V for 30 to 60 seconds is used. In particular, when the voltage in the electric field processing is set to 200 V and the electric field processing time is set in the range of 30 to 60 seconds, the threshold voltage is greatly reduced.
本発明によれば、電子放出に要する電圧がより低い、カーボンナノチューブと高分子を用いた電子放出源を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide an electron emission source using carbon nanotubes and a polymer, which requires a lower voltage for electron emission.
以下、本発明に係るカーボンナノチューブと高分子を用いた電子放出源の製法の実施の形態について説明する。 Embodiments of an electron emission source manufacturing method using carbon nanotubes and a polymer according to the present invention will be described below.
図1は、本発明の実施の形態に係るカーボンナノチューブと高分子を用いた電子放出源(以後、単に、「電子放出源」という。)の製造工程と評価の流れを示す図である。 FIG. 1 is a diagram showing a manufacturing process and an evaluation flow of an electron emission source (hereinafter simply referred to as “electron emission source”) using a carbon nanotube and a polymer according to an embodiment of the present invention.
図1に示すように、電子放出源の製造方法は、電気泳動に用いられる溶液(以後、「電気泳動溶液」という。)の調整(ステップS1)、その電気泳動溶液中における成膜処理(ステップS2)、作製後の膜に対する電場処理(ステップS3)というステップから成る。その後、評価(ステップS4)が行われる。ただし、ステップS3は、必須のステップではなく、成膜処理の後に評価を行うこともできる。 As shown in FIG. 1, a method for manufacturing an electron emission source includes adjusting a solution used for electrophoresis (hereinafter referred to as “electrophoretic solution”) (step S1), and forming a film in the electrophoretic solution (step 1). S2), consisting of a step of electric field processing (step S3) on the film after fabrication. Thereafter, evaluation (step S4) is performed. However, step S3 is not an essential step, and the evaluation can be performed after the film forming process.
次に、上述の各ステップについて詳しく説明する。 Next, each step described above will be described in detail.
(1)電気泳動溶液の調整(ステップS1)
ステップS1は、カーボンナノチューブと導電性高分子を溶媒に混ぜるステップである。ステップS1では、カーボンナノチューブを所定の液体と混ぜた溶液と、導電性高分子を所定の液体と混ぜた溶液とを予め用意し、これら両溶液を溶媒に混ぜる方法を採用することができる。ただし、カーボンナノチューブと導電性高分子を、直接、溶媒に混ぜても良い。
(1) Preparation of electrophoresis solution (step S1)
Step S1 is a step of mixing the carbon nanotube and the conductive polymer in a solvent. In step S1, a method in which a solution in which carbon nanotubes are mixed with a predetermined liquid and a solution in which a conductive polymer is mixed with a predetermined liquid are prepared in advance, and both these solutions are mixed in a solvent. However, the carbon nanotube and the conductive polymer may be directly mixed in a solvent.
カーボンナノチューブ(Carbon Nano Tube:CNT) は、グラフィン(graphene)という炭素六角網面がナノレベルの直径を持つ円筒に丸めた中空状のチューブであり、一枚のグラフィンからなる単層カーボンナノチューブ(Single Wall Carbon Nano Tube:SWCNT)と径の異なる複数枚のグラフィンからなる多層カーボンナノチューブ(Multi Wall Carbon Nano Tube:MWCNT)に大別される。電界放出型ディスプレイ(Field Emission Display:FED)に利用するCNTとしては、SWCNTおよびMWCNTのいずれをも採用可能であるが、低い電圧にて多くの電子を放出させるMWCNTの方が有利である。本発明では、CNTは、直径が1ナノメール以下の極細のCNTの他、数ナノメートルから数十ナノメートルの中細のCNTも含むものとして広義に解釈されるものとする。さらに、CNTは、アーク放電法、レーザーアブレーション法、プラズマ合成法、化学気相析出(Chemical Vapor Deposition:CVD)法等のいずれの製法により製造されたものでも採用可能である。ただし、量産に有利なCVD法により製造されたCNTの方が好ましい。 Carbon Nano Tube (CNT) is a hollow tube in which a carbon hexagonal network called graphene is rolled into a cylinder with a nano-level diameter, and is a single-walled carbon nanotube (Single) Wall carbon nano tubes (SWCNT) and multi-wall carbon nanotubes (MWCNT) consisting of multiple graphenes with different diameters. As the CNTs used in a field emission display (FED), both SWCNTs and MWCNTs can be employed, but MWCNTs that emit many electrons at a low voltage are more advantageous. In the present invention, the CNTs are broadly interpreted as including ultra-fine CNTs having a diameter of 1 nanometer or less and medium-sized CNTs of several nanometers to several tens of nanometers. Further, the CNT can be produced by any method such as an arc discharge method, a laser ablation method, a plasma synthesis method, and a chemical vapor deposition (CVD) method. However, CNTs produced by a CVD method advantageous for mass production are preferred.
導電性高分子は、ドーパントにより金属並みに電気を流す高分子をいう。本発明の実施において使用する導電性高分子としては、有機溶媒に可溶の導電性高分子であれば適用可能であるが、特に、p型半導体に属するものが好ましい。また、導入される置換基としては、炭化水素基(アルキル基など)が好ましい。このアルキル基は、直鎖及び分岐鎖のいずれであっても良いが、好ましくは、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基が良い。例えば、ポリビニルカルバゾール、可溶性ポリパラフェニレンビニレン(MEH-PPV(Poly[2-methoxy-5-(2'ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene] )、可溶性ポリアニリン、ポリ(アルキル)フルオレンあるいはポリ(アルキル)チオフェンが好ましい。アルキル基の長さは、可溶性と耐熱性とを考慮すると、炭素数4以上20以下の範囲のものが好ましい。特に、アルキル基が炭素8個から成るポリ(3−オクチルチオフェン)あるいは炭素6個から成るポリ(3−ヘキチルチオフェン)を採用するのが好ましい。また、上記導電性高分子を複数使用しても良い。 The conductive polymer refers to a polymer that conducts electricity like a metal by a dopant. As the conductive polymer used in the practice of the present invention, any conductive polymer that is soluble in an organic solvent can be applied, and those belonging to a p-type semiconductor are particularly preferable. The introduced substituent is preferably a hydrocarbon group (such as an alkyl group). The alkyl group may be either a straight chain or a branched chain, but is preferably a hexyl group, a heptyl group, an octyl group, a nonyl group, or a decyl group. For example, polyvinylcarbazole, soluble polyparaphenylene vinylene (MEH-PPV (Poly [2-methoxy-5- (2'ethylhexyloxy) -1,4-phenylenevinylene]), soluble polyaniline, poly (alkyl) fluorene or poly (alkyl) In view of solubility and heat resistance, the length of the alkyl group is preferably in the range of 4 to 20 carbon atoms, especially poly (3-octylthiophene) in which the alkyl group has 8 carbons. Alternatively, it is preferable to employ poly (3-hexylthiophene) composed of 6 carbons, and a plurality of the above conductive polymers may be used.
また、導電性高分子に対するCNTの重量比率は、0.05以上2以下が好ましい。当該重量比率が0.05より小さいと、蛍光体を十分に発光させるだけの電子放出効果が望めない。一方、当該重量比率が2より大きいと、CNTの占める体積比率が大きすぎて、扱いづらくなると共に、凝集しやすくなり分散性が低下する。なお、用いる溶媒は、CNTおよび導電性高分子を分散でき、陰極にこれら導電性物質を堆積させることができる媒体であれば、特に制約されないが、アセトニトリル、トルエン等の有機溶媒が好ましい。 The weight ratio of CNT to the conductive polymer is preferably 0.05 or more and 2 or less. If the weight ratio is less than 0.05, an electron emission effect sufficient to cause the phosphor to emit light sufficiently cannot be expected. On the other hand, if the weight ratio is larger than 2, the volume ratio occupied by the CNTs is too large, and it becomes difficult to handle, and it becomes easy to aggregate and the dispersibility decreases. The solvent to be used is not particularly limited as long as it is a medium that can disperse CNT and a conductive polymer and deposit these conductive substances on the cathode, but an organic solvent such as acetonitrile or toluene is preferable.
(2)成膜処理(ステップS2)
成膜は、電気泳動法により行われる。ステップS1にて調整された電気泳動溶液を入れた容器中に、2枚の電極を挿入し、各電極を直流電源の正極側と負極側に接続する。電極は、導電性の高い材料からなる。電極としては、例えば、白金、銅、あるいは酸化インジウム錫(Indium Tin Oxide:ITO)、金、あるいはアルミニウムが採用可能である。
(2) Film formation process (step S2)
Film formation is performed by electrophoresis. Two electrodes are inserted into the container containing the electrophoretic solution prepared in step S1, and each electrode is connected to the positive electrode side and the negative electrode side of the DC power supply. The electrode is made of a highly conductive material. As the electrode, for example, platinum, copper, indium tin oxide (ITO), gold, or aluminum can be used.
直流電源に接続される2枚の電極は、正極と負極となる。電気泳動溶液中のCNTおよび導電性高分子は、負極に引かれてその表面に堆積する。成膜条件は、適宜選択できるが、100〜300Vの直流電源を使用し、2分以内の成膜時間で処理を行うのが好ましい。 The two electrodes connected to the DC power source are a positive electrode and a negative electrode. The CNT and the conductive polymer in the electrophoresis solution are attracted to the negative electrode and deposited on the surface thereof. The film formation conditions can be selected as appropriate, but it is preferable to use a DC power source of 100 to 300 V and perform the treatment with a film formation time of 2 minutes or less.
(3)電場処理(ステップS3)
電場処理は、成膜後の負極を電気泳動溶液から引き出し、乾燥後に行われる処理であり負極に形成された膜の上下間に電圧をかける処理である。膜は負極に堆積しているので、電源の一方は、負極に接続される。電源のもう一方は、膜の表面近傍に接続される。電圧は、150〜250Vの範囲とするのが好ましい。電場処理の時間としては、30〜60秒が好ましい。
(3) Electric field processing (step S3)
The electric field treatment is a treatment performed after drawing the negative electrode from the electrophoretic solution and drying, and applying a voltage between the upper and lower sides of the film formed on the negative electrode. Since the film is deposited on the negative electrode, one of the power supplies is connected to the negative electrode. The other side of the power supply is connected near the surface of the membrane. The voltage is preferably in the range of 150 to 250V. The electric field treatment time is preferably 30 to 60 seconds.
(4)膜の評価(ステップS4)
成膜処理で得られた膜は、閾電圧の評価に供される。当該評価は、膜の直下にある負極と、膜の上方に非接触に配置される電極との間にかける電圧を上昇させていき、膜の表面に突出するCNTの先端から電子が放出されて、上方に非接触に配置される電極との間で電気が流れる時の電圧(閾電圧)を調べる手法で行われる。閾電圧が低いほど、良好な電極である。
(4) Evaluation of film (step S4)
The film obtained by the film formation process is used for evaluation of the threshold voltage. In this evaluation, the voltage applied between the negative electrode directly below the film and the electrode disposed in a non-contact manner above the film is increased, and electrons are emitted from the tip of the CNT protruding on the surface of the film. This is performed by examining the voltage (threshold voltage) when electricity flows between the electrodes arranged in a non-contact manner above. The lower the threshold voltage, the better the electrode.
次に、本発明の実施例について説明する。 Next, examples of the present invention will be described.
(電気泳動法による成膜条件と評価方法)
電気泳動溶液は、アセトニトリル(Acetonitrile)30mlに、ポリ(3−オクチルチオフェン)溶液(以後、「P3OT溶液」という。)0.5mlおよびカーボンナノチューブ溶液(以後、「CNT溶液」という。)0.25mlを混ぜたものを用いた。電気泳動溶液中のP3OT/CNT(重量比率)は、2.0である(CNT/P3OT(重量比率)は、0.5である。)。P3OT溶液は、前もって、トルエン(Toluene)20mlとP3OT20mgとを混合して作製された。また、CNT溶液は、前もって、トルエン(Toluene)5mlとCNT5mgとを混合して作製された。使用したCNTは、アルドリッチ社製の直径12〜15オングストロームのものである。
(Electrophoretic deposition conditions and evaluation methods)
The electrophoresis solution was 30 ml of acetonitrile (Acetonitrile), 0.5 ml of a poly (3-octylthiophene) solution (hereinafter referred to as “P3OT solution”) and 0.25 ml of a carbon nanotube solution (hereinafter referred to as “CNT solution”). The mixture was used. P3OT / CNT (weight ratio) in the electrophoresis solution is 2.0 (CNT / P3OT (weight ratio) is 0.5). The P3OT solution was prepared in advance by mixing 20 ml of toluene (Toluene) and 20 mg of P3OT. Further, the CNT solution was prepared in advance by mixing 5 ml of toluene (Toluene) and 5 mg of CNT. The used CNTs are those having a diameter of 12 to 15 Å made by Aldrich.
図2は、本実施例において使用した電気泳動装置を示す図である。 FIG. 2 is a diagram showing the electrophoresis apparatus used in this example.
この装置は、円筒容器1に上述の電気泳動溶液2を入れ、その中に2枚のガラス基板3,4を挿入したものである。2枚のガラス基板3,4は、互いに5mmの間隔をあけて配置された。ただし、ガラス基板3,4間の距離は、5mmに限定されない。一方のガラス基板4には、その一部5にITO膜を貼り付けた。また、他方のガラス基板3には、全面にITO膜を貼り付けた。ITO膜のシート抵抗は、約20Ω/cm2であった。ガラス基板4の一部5とガラス基板3の面とは、配線6を伸ばして、それぞれ直流電源7の負極および正極に接続した。したがって、ガラス基板4の一部5は負極5に、ガラス基板3の面は正極3になる。
In this apparatus, the above-described
CNT8および導電性高分子9は、電気泳動溶液中において共に正に帯電しているため、正極3と負極5の間に電圧をかけると、CNT8と導電性高分子9は、それぞれ負極5に引かれる。この結果、負極5の表面に、CNT8と導電性高分子9とが混在した堆積物が形成される。かかる成膜処理は、直流電源の電圧を100V、200Vおよび300Vと変化させて行った。また、処理時間は、5秒および60秒の2種類の時間とした。
Since the
図3は、本実施例において採用した電場処理の方法を説明するための図である。図3(A)は電気泳動装置から外したガラス基板4をシリコン板20上に載せる状況を、図3(B)は電場処理を行う状況を、それぞれ示す図である。
FIG. 3 is a diagram for explaining the electric field processing method employed in this embodiment. FIG. 3A shows a situation where the
ガラス基板4の負極5には、CNT8と導電性高分子9から成る膜10(図中、黒塗りで示す部分)が形成された。一方、シリコン板20の表面には、予め、厚さ約620nmのシリカ(Si02)膜21が形成された(図3の斜線部分)。ただし、シリコン板20の一角20aだけは、Si02膜21を形成せず、シリコンが露出した状態とした。かかるシリコン板20のSi02膜21の上から、膜10の部分をSi02膜21に接触させるように、ガラス基板4を載せた。この状態で、一角20aと負極5とを、配線22を介して直流電源23に接続した。一角20aと負極5との間にかける電圧は、100、140、150、200、250、260、300および400Vに変化させた。また、電場処理の時間は、20秒、30秒、60秒および70秒に変化させた。
On the
図4は、膜10の評価方法を説明するための図である。図4(A)は、膜10の評価状況を示す斜視図であり、図4(B)は、図4(A)のX−X線(一点鎖線)で切断して矢印Yの方向から見た断面図である。ただし、図4(B)は、見やすくするために、各種の薄膜の厚さを誇張して示している。
FIG. 4 is a diagram for explaining an evaluation method of the
成膜処理後あるいは電場処理後のガラス基板4の負極5の周囲には、4つのフィルム(PET製、厚さ約25ミクロン)25を配置した。一方、ライン状にITO膜26を貼り付けた別のガラス基板27を用意し、ITO膜26が膜10と交差するように、ガラス基板27をフィルム25の上に載せた。負極5およびITO膜26は、それぞれ配線28を伸ばして直流電源29に接続した。また、配線28の途中には、電流計30を接続した。
Four films (made of PET, thickness of about 25 microns) 25 were arranged around the
図4(B)に示すように、膜10に立設するCNT8とその上方のITO膜26とは、非接触状態におかれている。この状態で負極5とITO膜26間の電圧を上昇していくと、ある電圧を超えた時点で、CNT8の先端から電子が放出されITO膜26に到達し、上述のように形成した回路に電流が流れる。このときの電圧を調べて、膜10の評価を行った。なお、この評価は、真空中で行った。また、温度の影響を調べる目的で、常温(20℃)から100℃の範囲の温度の下で評価を行った。
As shown in FIG. 4B, the
(スピンコート法による成膜条件と評価方法)
一方、電気泳動法により作製した膜10の性能と比較するため、スピンコート法により作製した膜も評価した。スピンコート法による成膜条件は、以下の通りである。
(Deposition conditions and evaluation method by spin coating method)
On the other hand, in order to compare with the performance of the
P3OT50mgと、クロロホルム(Chloroform)5mlと、CNTとを混合した溶液(P3OT溶液)を5種類用意した。ここで、各種のP3OT溶液におけるCNTの量は、それぞれ0mg(P3OT溶液の重量に対して0wt%相当)、0.25mg(P3OT溶液の重量に対して0.5wt%相当)、0.5mg(P3OT溶液の重量に対して1.0wt%相当)、1.0mg(P3OT溶液の重量に対して2.0wt%相当)および2.5mg(P3OT溶液の重量に対して5.0wt%相当)とした。 Five types of solutions (P3OT solutions) prepared by mixing 50 mg of P3OT, 5 ml of chloroform, and CNT were prepared. Here, the amounts of CNTs in various P3OT solutions were 0 mg (equivalent to 0 wt% with respect to the weight of the P3OT solution), 0.25 mg (equivalent to 0.5 wt% with respect to the weight of the P3OT solution), 0.5 mg ( 1.0 wt% corresponding to the weight of the P3OT solution), 1.0 mg (corresponding to 2.0 wt% relative to the weight of the P3OT solution), and 2.5 mg (corresponding to 5.0 wt% relative to the weight of the P3OT solution) did.
次に、上述のP3OT溶液を約20秒間超音波分散してから、その内の50マイクロリットルを1000rpmで回転する媒体上に25秒間滴下することによって、成膜処理を行った。膜の評価は、電気泳動法により作製した膜10の評価(先に説明した評価)と同じ手法により行った。
Next, after ultrasonically dispersing the above P3OT solution for about 20 seconds, 50 microliters of the solution was dropped onto a medium rotating at 1000 rpm for 25 seconds to perform film formation. The evaluation of the film was performed by the same method as the evaluation of the
(評価結果)
図5は、比較として、スピンコート法により成膜した電子放出源のエミッション特性を示すグラフである。横軸は、負極5とITO膜26間にかけた電圧(電界強度)を、負極5とITO膜26間の距離(=25μm)で除した単位で示す値としている。また、縦軸は、負極5からITO膜26に電子が放出されることによって生ずる電流の密度を示している。図6以降の図についても同様である。試料は、CNTを0、0.5、1.0、2.0および5.0wt%含有する5種類の電子放出源とした。
(Evaluation results)
FIG. 5 is a graph showing emission characteristics of an electron emission source formed by spin coating as a comparison. The horizontal axis represents a value expressed in units obtained by dividing the voltage (electric field strength) applied between the
図5に示すグラフから、CNTを含有していない電子放出源の場合には、25V/μmまで電圧を上げても電流は流れないが、CNTを0.5〜5.0wt%含有する電子放出源の場合には、電圧が6〜17V/μmまでの範囲になると電流が流れることがわかった。この電流が流れ始めるときの電圧(閾電圧)とCNT濃度(wt%)との関係を見ると、CNT濃度が0.5および2.0wt%の電子放出源では、閾電圧が約10V/μmであったが、その他のCNT濃度の電子放出源では、閾電圧が約15V/μm以上であった。このように、CNT濃度(wt%)と閾電圧との相関はみられなかった。なお、Fowler-Nordheimの式に基づき、図5に示す電流が電界放出によるものか否かを調べた。F−Nプロットの結果、上記現象は電界放出によるものであることが確認できた。このことから、スピンコート法により成膜した電子放出源は、電圧を10V/μm程度まで上げないと、電界放出による電子放出がみられないことがわかる。 From the graph shown in FIG. 5, in the case of an electron emission source not containing CNT, no current flows even if the voltage is increased to 25 V / μm, but electron emission containing 0.5 to 5.0 wt% of CNT. In the case of the source, it was found that current flows when the voltage is in the range of 6 to 17 V / μm. Looking at the relationship between the voltage at which this current starts to flow (threshold voltage) and the CNT concentration (wt%), in the electron emission source having a CNT concentration of 0.5 and 2.0 wt%, the threshold voltage is about 10 V / μm. However, in other electron emission sources having a CNT concentration, the threshold voltage was about 15 V / μm or more. Thus, there was no correlation between the CNT concentration (wt%) and the threshold voltage. Based on the Fowler-Nordheim equation, it was examined whether or not the current shown in FIG. 5 is due to field emission. As a result of the FN plot, it was confirmed that the above phenomenon was caused by field emission. From this, it can be seen that the electron emission source formed by spin coating does not show electron emission by field emission unless the voltage is increased to about 10 V / μm.
図6は、本発明の電気泳動法(電圧200V、成膜時間5秒)により成膜した電子放出源のエミッション特性を示すグラフである。また、図7は、本発明の電気泳動法(電圧100V、成膜時間60秒)により成膜した電子放出源のエミッション特性を示すグラフである。両グラフの横軸と縦軸は、図5のそれらと共通するので、説明を省略する。試料は、P3OT/CNT(重量比)が2.0の電子放出源とし、評価中の温度を常温(20℃)から100℃まで変化させてそれぞれ評価を行った。
FIG. 6 is a graph showing emission characteristics of an electron emission source formed by the electrophoresis method (
この結果、図6および図7に示す両エミッション特性とも、評価温度に依存しないことがわかった。また、両エミッション特性とも、4〜5V/μm以上から電流が流れ始め、各成膜条件への高い依存性はみられなかった。 As a result, it was found that both emission characteristics shown in FIGS. 6 and 7 do not depend on the evaluation temperature. In both emission characteristics, current began to flow from 4 to 5 V / μm or more, and no high dependence on each film forming condition was observed.
さらに、図6,7と、先に示した図5とを比較すると、電気泳動法により成膜した電子放出源の場合、スピンコート法により成膜した電子放出源に比べて、閾電圧が一桁小さくなることがわかった。スピンコート法の場合には、遠心力によって導電性高分子と混在した状態で広がるために、CNTを一定の方向に配向させる力は存在しない。一方、電気泳動法の場合には、CNTは溶媒中を自由に移動できるので、CNTがその軸方向に揃って負極に引かれやすく、その結果、配向性に優れた電子放出源が形成されたものと考えられる。 Further, comparing FIGS. 6 and 7 with FIG. 5 shown above, the electron emission source formed by the electrophoresis method has a threshold voltage equal to that of the electron emission source formed by the spin coating method. It turned out to be an order of magnitude smaller. In the case of the spin coating method, since it spreads in a mixed state with the conductive polymer due to centrifugal force, there is no force for orienting CNTs in a certain direction. On the other hand, in the case of electrophoresis, since the CNT can freely move in the solvent, the CNT is easily aligned with its axial direction and drawn to the negative electrode, and as a result, an electron emission source with excellent orientation is formed. It is considered a thing.
図8は、電気泳動法により成膜した電子放出源のエミッション特性と、その後に電場処理を施した電子放出源のエミッション特性とを比較して示すグラフである。成膜条件は、電圧100−成膜時間60秒と、電圧200V−成膜時間5秒とした。電圧100−成膜時間60秒の条件で成膜した電子放出源を、電圧200V−電場処理時間30秒の条件で電場処理を施すと、閾電圧が約5V/μmから2.5V/μmまで低下することがわかった。また、電圧200−成膜時間5秒の条件で成膜した電子放出源を、電圧200V−電場処理時間60秒の条件で電場処理を施すと、閾電圧が約3.5V/μmから2V/μmより低い電圧まで低下することがわかった。この結果から、電場処理を行うことによって、閾電圧をさらに低下させることができることがわかる。
FIG. 8 is a graph showing a comparison between the emission characteristics of an electron emission source formed by electrophoresis and the emission characteristics of an electron emission source subjected to electric field treatment thereafter. The film forming conditions were voltage 100-film forming time 60 seconds and
図9および図10は、電気泳動法による成膜の後に施す電場処理の条件を変化させた電子放出源のエミッション特性を比較して示すグラフである。図9に、電圧200V−電場処理時間30秒の条件と、電圧400V−電場処理時間30秒の条件とを比較して示す。また、図10に、電圧200V−電場処理時間60秒の条件と、電圧300V−電場処理時間60秒の条件とを比較して示す。
FIG. 9 and FIG. 10 are graphs showing a comparison of emission characteristics of electron emission sources in which electric field treatment conditions applied after film formation by electrophoresis are changed. FIG. 9 shows a comparison between the condition of
図9に示すグラフから明らかなように、電場処理における電圧を200Vにすることによって閾電圧が約5V/μmから2.5V/μmまで低下する現象が見られるが、同電圧を400Vにすると、約5V/μmから3.2V/μmまでしか低下しなかった。また、図10に示すグラフから明らかなように、電場処理における電圧を200Vにすることによって閾電圧が約4V/μmから約2.5V/μmに低下する現象が見られるが、同電圧を300Vにすると、6.0V/μmにまで電圧を上げても電流密度の上昇は見られなかった。これらの結果から、電場処理における電圧を上げすぎると、閾電圧の改善性は低くなり、条件によってはむしろ閾電圧の改善すらみられなくなることがわかる。 As is apparent from the graph shown in FIG. 9, the phenomenon that the threshold voltage decreases from about 5 V / μm to 2.5 V / μm by setting the voltage in the electric field treatment to 200 V is seen. It decreased only from about 5 V / μm to 3.2 V / μm. Further, as is apparent from the graph shown in FIG. 10, the phenomenon that the threshold voltage is lowered from about 4 V / μm to about 2.5 V / μm by setting the voltage in the electric field treatment to 200 V is seen. As a result, no increase in current density was observed even when the voltage was increased to 6.0 V / μm. From these results, it can be seen that if the voltage in the electric field treatment is increased too much, the improvement of the threshold voltage is lowered, and even the improvement of the threshold voltage cannot be seen depending on the conditions.
電場処理における電圧を変化させてエミッション特性をさらに調べると、150〜250Vの範囲の電圧をかける電場処理を行うことで、閾電圧の改善が顕著になった。特に、電圧200Vで、電場処理の時間を30〜60秒とすることによって、閾電圧の改善性が向上することがわかった。 When the emission characteristics were further investigated by changing the voltage in the electric field treatment, the threshold voltage was significantly improved by performing the electric field treatment applying a voltage in the range of 150 to 250V. In particular, it was found that the threshold voltage can be improved by setting the electric field treatment time to 30 to 60 seconds at a voltage of 200V.
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は、上記実施例に限定されず、種々変形を施した形態にて実施可能である。 As mentioned above, although the Example of this invention was described, this invention is not limited to the said Example, It can implement with the form which gave various deformation | transformation.
例えば、図2に示した電気泳動装置は、図11に示す形態であっても良い。図11に示す装置は、円筒容器31に、先の電気泳動溶液2と同様の電気泳動溶液32を入れ、その中に円筒形電極33と、当該円筒形電極33の内部に棒状電極34とを挿入したものである。円筒形電極33および棒状電極34は、双方から配線35を伸ばして、それぞれ直流電源36の正極および負極に接続されている。
For example, the electrophoresis apparatus shown in FIG. 2 may have the form shown in FIG. In the apparatus shown in FIG. 11, an
かかる構成にて円筒形電極33と棒状電極34との間に電圧をかけると、CNT37と導電性高分子38はそれぞれ負極となる棒状電極34に引かれ、棒状電極34の表面に、CNT37と導電性高分子38とが混在した堆積物が形成される。かかる成膜処理は、直流電源の電圧を変化させて行うことができる。このように、棒状電極34の周囲にCNT37を配置させることにより、当該棒状電極34を内部に備えた、低電圧にて蛍光可能な蛍光管を作製することができる。
When a voltage is applied between the
CNT37は、SWCNTおよびMWCNTのいずれをも採用可能であり、直径が1ナノメール以下の極細のCNTの他、数ナノメートルから数十ナノメートルの中細のCNTも含むものとして広義に解釈されるものとする。さらに、CNT37は、アーク放電法、レーザーアブレーション法、プラズマ合成法、化学気相析出(Chemical Vapor Deposition:CVD)法等のいずれの製法により製造されたものでも採用可能である。ただし、量産に有利なCVD法により製造されたCNTの方が好ましい。
As the
導電性高分子38としては、有機溶媒に可溶の導電性高分子であれば適用可能であるが、特に、p型半導体に属するものが好ましい。また、導入される置換基としては、炭化水素基(アルキル基など)が好ましい。このアルキル基は、直鎖及び分岐鎖のいずれであっても良いが、好ましくは、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基が良い。例えば、ポリビニルカルバゾール、可溶性ポリパラフェニレンビニレン(MEH-PPV(Poly[2-methoxy-5-(2'ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene] )、可溶性ポリアニリン、ポリ(アルキル)フルオレンあるいはポリ(アルキル)チオフェンが好ましい。アルキル基の長さは、可溶性と耐熱性とを考慮すると、炭素数4以上20以下の範囲のものが好ましい。特に、アルキル基が炭素8個から成るポリ(3−オクチルチオフェン)あるいは炭素6個から成るポリ(3−ヘキチルチオフェン)を採用するのが好ましい。また、上記導電性高分子を複数使用しても良い。
As the
本発明は、FED等の電子放出源の製造に利用できる。 The present invention can be used for manufacturing an electron emission source such as an FED.
Claims (4)
導電性高分子とカーボンナノチューブとを含む有機溶媒に、電源に接続された陽極と陰極とを挿入し、陰極に、導電性高分子とカーボンナノチューブとを堆積させる工程と、
上記導電性高分子と上記カーボンナノチューブとを堆積させた後に、上記陰極を上記溶液から引き上げて、上記陰極と堆積物の表面との間に150〜250Vの範囲の電圧をかける電場処理を行う工程と、
を含むことを特徴とする、カーボンナノチューブと高分子を用いた電子放出源の製法。 A method of manufacturing an electron emission source that emits electrons by field emission,
Inserting an anode and a cathode connected to a power source into an organic solvent containing a conductive polymer and a carbon nanotube, and depositing the conductive polymer and the carbon nanotube on the cathode ;
After depositing the conductive polymer and the carbon nanotube, a step of performing an electric field treatment in which the cathode is pulled out of the solution and a voltage in the range of 150 to 250 V is applied between the cathode and the surface of the deposit. When,
A process for producing an electron emission source using carbon nanotubes and a polymer, characterized by comprising:
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