JP4648451B2 - 電子素子 - Google Patents

Description

本発明は、カーボンナノチューブを利用した電子素子に関する。

カーボンナノチューブは１９９１年に発見された新しい一次元ナノ材料となるものである。カーボンナノチューブは高引張強さ及び高熱安定性を有し、また、異なる螺旋構造により、金属にも半導体にもなる。カーボンナノチューブは、理想的な一次元構造を有し、優れた力学機能、電気機能及び熱学機能などを有するので、材料科学、化学、物理などの科学領域、例えば、フィールドエミッタ（ｆｉｅｌｄ ｅｍｉｔｔｅｒ）を応用した平面ディスプレイ、単一電子デバイス、（ｓｉｎｇｌｅ−ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｄｅｖｉｃｅ）、原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ， ＡＦＭ）のプローブ、熱センサー、光センサー、フィルターなどに広くに応用されている。

一般的に、例えば液晶表示装置、電界放出型表示装置、プラズマ表示装置、電子発光表示装置、真空蛍光ディスプレイ、陰極線管などの表示装置は。基板及び透明な導電構造体を有する電子素子を備えている。現在主流の方式では、前記電子素子はＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）と呼ばれる透明導電性薄膜を利用している。
Ｋａｉｌｉ Ｊｉａｎｇ、Ｑｕｎｑｉｎｇ Ｌｉ、Ｓｈｏｕｓｈａｎ Ｆａｎ、"Ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｙａｒｎｓ"、Ｎａｔｕｒｅ、２００２年、第４１９巻、ｐ．８０１

しかし、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）はスパッタリング法、イオンプレーティング、塗布法などの方法により成膜されるので、製造方法が複雑である。また、ＩＴＯ薄膜は、機械的及び化学的性能が良好でなく、膜質の均一性が低いという欠点がある。また、ＩＴＯ薄膜の光透過性が低いので、明るい環境で表示パネルに表示される画面が見にくくなる。従って、現在のタッチパネルは、正確性や応答性が低く、光透過性が低いという課題がある。

前記課題を解決するために、正確性や応答性が向上し、光透過性が高い電子素子を提供することが必要となる。

本発明の電子素子基板と、該基板の表面に設置された透明な導電構造体と、を含む。前記透明な導電構造体は複数のカーボンナノチューブを含む。前記複数のカーボンナノチューブは分子間力で接続されている。

前記複数のカーボンナノチューブは、端と端で接続されている。

前記複数のカーボンナノチューブは、前記透明な導電構造体の表面に平行に配列し、等方的に配列されているか、所定の方向に沿って配列されているか、または、異なる複数の方向に沿って配列されている。

前記透明な導電構造体において、隣接するカーボンナノチューブは相互に絡み合っている。

前記透明な導電構造体は少なくとも一つのカーボンナノチューブ構造体を含む。単一のカーボンナノチューブ構造体は、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを含む。

前記透明な導電構造体が、複数のカーボンナノチューブ構造体を含む場合、隣接するカーボンナノチューブ構造体のカーボンナノチューブは、それぞれ０°〜９０°の角度で交叉して設置されている。

前記透明な導電構造体と電気的に接続された、少なくとも二つの電極を設置している。

従来技術と比べると、本発明の電子素子は、次の優れた点がある。本発明の電子素子に利用するカーボンナノチューブは、良好な機械性及び強靱性、均一な導電性を有するので、本発明の電子素子は、優れた導電性及び耐久性がある。さらに、本発明の透明な導電構造体の製造方法は簡単である。従って、本発明の製造方法により、前記電子素子の大量生産が実現でき、前記電子素子のコストが低減することができる。さらに、本発明のカーボンナノチューブ構造体を利用することにより、前記電極及び透明な導電構造体の間の接触抵抗を低減することができる。

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及び図２を参照すると、本実施形態の電子素子２０は、基板２２と、透明な導電構造体２４と、を含む。

前記基板２２は平板型又は曲面の構造体である。本実施形態において、前記基板２２は平板型である。前記基板２２はガラス、石英、ダイヤモンド、プラスチックのいずれか一種からなる。図２を参照すると、前記基板２２は第一表面２２１及び該第一表面２２１に対向する第二表面２２２を有する。前記基板２２の第一表面２２１に、透明な導電構造体２４が設置されている。

前記透明な導電構造体２４の第一表面２２１に少なくとも二つの電極２６を設置する。この代わりに、前記電極２６を前記透明な導電構造体２４に電気的に接続して、前記電極２６を前記基板２２及び前記透明な導電構造体２４の間に設置することができる。本実施形態において、前記基板２２はガラスからなる。前記電極２６はストリップ形状に形成され、金属、導電樹脂、カーボンナノチューブ構造体などの導電材料からなる。前記電極２６の製造方法は、噴射、電気堆積、無電解析出などのいずれか一種の方法である。さらに、前記電極２６は、銀ペーストで前記透明な導電構造体２４の表面に接着されることができる。

前記透明な導電構造体２４は、複数のカーボンナノチューブを含む。該複数のカーボンナノチューブは、それぞれ前記透明な導電構造体２４の表面に平行に配列し、端と端で接続されている。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、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。前記カーボンナノチューブが、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場合、単一のカーボンナノチューブの直径はそれぞれ０．５ｎｍ〜５０ｎｍ、１ｎｍ〜５０ｎｍ、１．５ｎｍ〜５０ｎｍの範囲に設定される。

前記透明な導電構造体２４は、少なくとも一つのカーボンナノチューブ構造体を含むことができる。単一の前記カーボンナノチューブ構造体は複数のカーボンナノチューブを含み、均一的な厚さを有する。単一の前記カーボンナノチューブ構造体は、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを含む。単一の前記カーボンナノチューブフィルムは、複数のカーボンナノチューブを含む。前記カーボンナノチューブフィルムにおける複数のカーボンナノチューブは、それぞれ前記カーボンナノチューブフィルムの表面に平行に配列し、端と端で接続されている。

前記透明な導電構造体２４が二つ以上のカーボンナノチューブ構造体を含む場合、前記複数のカーボンナノチューブ構造体を積み重ねて構成する。隣接する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はそれぞれ角度αで交叉して形成されることができる。ここで、該角度αは、０＜α≦９０°の条件を満たす。このような構成により、前記透明な導電構造体２４の強度及び電気伝導率が高くなることができる。

図３及び図４を参照すると、単一のカーボンナノチューブフィルムは、分子間力で端と端で接続された複数のカーボンナノチューブセグメント１４３を含む。単一の前記カーボンナノチューブセグメント１４３において、カーボンナノチューブが相互に平行し、配向して配列されている。

前記カーボンナノチューブ構造体が複数のカーボンナノチューブフィルムを含む場合、前記カーボンナノチューブフィルムは隙間なく平行に並列されて、大寸法のカーボンナノチューブフィルムに形成されることができる。又は、前記数枚のカーボンナノチューブフィルムはそれぞれ同じ角度又は異なる角度で積み重ねて成ることができる。本実施形態において、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を含む。前記カーボンナノチューブ構造体における複数のカーボンナノチューブはそれぞれ前記カーボンナノチューブフィルムの表面に平行して配列されているので、前記カーボンナノチューブフィルムの光透過度が７０％〜９９％程度に達することができる。

本実施形態の電子素子２０の製造方法は、基板２２を提供する第一ステップと、該基板２２の第一表面２２１に透明な導電構造体２４を設置する第二ステップと、前記透明な導電構造体２４の同じ表面、又は対向する表面に電極を設置する第三ステップと、を含む。

前記第二ステップにおいて、前記透明な導電構造体２４の製造方法は、カーボンナノチューブアレイ、特に超配列カーボンナノチューブアレイ（Ｓｕｐｅｒａｌｉｇｎｅｄ ａｒｒａｙ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，非特許文献１）を提供する第一サブステップと、前記カーボンナノチューブアレイからカーボンナノチューブフィルムを形成する第二サブステップと、を含む。さらに、前記第一サブステップ及び第二サブステップを繰り返して、複数の前記カーボンナノチューブフィルムを形成した後、前記複数のカーボンナノチューブフィルムを角度αで積み重ねる工程により、多層のカーボンナノチューブ構造体からなる前記透明な導電構造体２４を製造することができる。

ＩＴＯフィルムの製造方法と比べると、本実施形態の製造方法に真空環境及び加熱工程が必要でなく、カーボンナノチューブアレイからカーボンナノチューブを引き出す工程により、カーボンナノチューブフィルムを製造することができる。従って、本実施形態のカーボンナノチューブフィルムの製造方法は、コストが低く、製造効率が高く、環境安全性が高いという優れた点がある。

（実施形態２）
本実施形態は実施形態１と比べると、次の点が異なる。本実施形態において、前記透明な導電構造体２４における複数のカーボンナノチューブは、それぞれ前記透明な導電構造体２４の表面に平行に配列し、等方的に配列されているか、所定の方向に沿って配列されているか、または、異なる複数の方向に沿って配列されていることができる。

前記透明な導電構造体２４は、少なくとも一つのカーボンナノチューブ構造体を含むことができる。単一の前記カーボンナノチューブ構造体は複数のカーボンナノチューブを含み、均一的な厚さを有する。単一の前記カーボンナノチューブ構造体は、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを含む。単一の前記カーボンナノチューブフィルムは、複数のカーボンナノチューブを含む。前記カーボンナノチューブフィルムにおける複数のカーボンナノチューブは、それぞれ前記カーボンナノチューブフィルムの表面に平行に配列し、等方的に配列されているか、所定の方向に沿って配列されているか、または、異なる複数の方向に沿って配列されている。

前記透明な導電構造体２４が二つ以上のカーボンナノチューブ構造体を含む場合、前記複数のカーボンナノチューブ構造体を積み重ねて構成する。隣接する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はそれぞれ角度αで交叉して形成されることができる。ここで、該角度αは、０＜α≦９０°の条件を満たす。

本実施形態の電子素子２０の製造方法は実施形態１と比べて、透明な導電構造体２４に利用したカーボンナノチューブ構造体を構成するカーボンナノチューブフィルムの製造方法が異なる。本実施形態のカーボンナノチューブフィルムの製造方法は、カーボンナノチューブアレイが成長された基板を提供する第一ステップと、前記カーボンナノチューブアレイをプレスしてカーボンナノチューブフィルムを形成する第二ステップと、を含む。前記第二ステップにおいて、平面を有する押し器具を利用する場合、前記基板に垂直な方向に沿って前記カーボンナノチューブを押すことができる。ローラー形状を有する押し器具を利用する場合、所定の（同じ）又は異なる方向に沿って前記複数のカーボンナノチューブを押すことができる。

（実施形態４）
前記電子素子２０を平板型表示装置、光電装置、タッチパネル、熱放射素子（例えば、ヒーター）、電界発光表示装置、電磁波（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ＥＭＩ）シールドに利用するために、フォトエッチング又はレーザーエッチングの方法により前記透明な導電構造体２４を所定のパターンに加工して形成することができる。

図５を参照すると、前記電子素子をタッチパネル（図示せず）に利用する場合、前記タッチパネルは前記電子素子の以外、透明な保護層２８と、遮蔽層２５と、を含む。前記遮蔽層２５は前記基板の第二表面２２に設置されている。前記透明な保護層２８及び前記電極２６は、前記透明な保護層２４の、前記基板２２に面する表面とは反対側の表面に設置されている。

前記タッチパネルを利用したディスプレイ（図示せず）の作動方式について説明する。前記電極２６に例えば５Ｖの電圧を印加する場合、前記タッチパネルの透明な導電構造体２４に微弱な電流が流れて、等電位面を形成する。使用者はディスプレイに表示された情報を読みながら、指で前記ディスプレイの表面に設置された前記タッチパネルを押す。この時、前記指が触れる位置で、前記タッチパネルの隅に設置される電極２６から流れる電流が前記指から人体に流れて、電荷量が変化する。それぞれの前記電極２６からの電流の比率を計算することにより、前記触れた位置を測定することができる。この測定データを中央処理装置（図示せず）に伝送する。前記中央処理装置は前記測定データを接収して処理した後、表示制御素子（図示せず）へ前記測定データを伝送する。これによって、前記ディスプレイにおける所定の場所に、必要な情報を表示することができる。

本発明の実施形態の電子素子の模式図である。 本発明の実施形態の電子素子の断面図である。 本発明の実施形態の電子素子に利用したカーボンナノチューブフィルムのＳＥＭ写真である。 本発明の実施形態のカーボンナノチューブセグメントを示す図である。 本発明の実施形態の電子素子を利用したタッチパネルを示す図である。

符号の説明

１４３ カーボンナノチューブセグメント
１４５ カーボンナノチューブ
２０ 電子素子
２２ 基板
２２１ 第一表面
２２２ 第二表面
２４ 透明な導電構造体
２６ 電極
２８ 保護層

Claims (11)

1. 基板と、該基板の表面に設置された透明な導電構造体と、を含み、
   前記透明な導電構造体が複数のカーボンナノチューブのみを含み、
   前記複数のカーボンナノチューブが分子間力で接続されていることを特徴とする電子素子。
2. 前記複数のカーボンナノチューブが、端と端で接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の電子素子。
3. 前記複数のカーボンナノチューブが、前記透明な導電構造体の表面に平行に配列し、等方的に配列されているか、所定の方向に沿って配列されているか、または、異なる複数の方向に沿って配列されていることを特徴とする、請求項１に記載の電子素子。
4. 前記透明な導電構造体において、隣接するカーボンナノチューブが相互に絡み合っていることを特徴とする、請求項１に記載の電子素子。
5. 前記透明な導電構造体が少なくとも一つのカーボンナノチューブ構造体を含み、
   単一のカーボンナノチューブ構造体が、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを含むことを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の電子素子。
6. 一枚の前記カーボンナノチューブフィルムが、端と端で接続された複数のカーボンナノチューブセグメントを含み、
   単一のカーボンナノチューブセグメントが、平行に配列された複数のカーボンナノチューブを含むことを特徴とする、請求項５に記載の電子素子。
7. 前記カーボンナノチューブ構造体が、数枚のカーボンナノチューブフィルムを含み、
   前記数枚のカーボンナノチューブフィルムが、隙間なく平行に並列されていることを特徴とする、請求項５又は６に記載の電子素子。
8. 前記カーボンナノチューブフィルムは、カーボンナノチューブアレイから引き出して得れたものであることを特徴とする、請求項５〜７のいずれか一項に記載の電子素子。
9. 前記カーボンナノチューブ層は、少なくとも一枚の前記カーボンナノチューブフィルムを基板に設置して得れたものであることを特徴とする、請求項５〜８のいずれか一項に記載の電子素子。
10. 前記透明な導電構造体が、複数のカーボンナノチューブ構造体を含み、
    隣接するカーボンナノチューブ構造体のカーボンナノチューブが、それぞれ０°〜９０°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に記載の電子素子。
11. 前記透明な導電構造体と電気的に接続された、少なくとも二つの電極を設置していることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載の電子素子。