群馬工業高等専門学校 電子メディア工学科 教授 大手丈夫 [email protected] Tel:027-254-9000 電界電子放出（FE）による電子源は、大 画面で節電型ディスプレイなどに応用でき るため、開発が進んでいる。 一方、プラズマによる表面改質は、ナノ テクノロジーとして、各分野で広く利用さ れている。 また、炭素材料は優れた特性を有し、各 種の新しい有益な応用が可能なため注目さ れている。 プラズマと炭素材料との相互作用を利用 した新技術は、ＦＥ（の電子源）の開発に多 大な貢献をする（している）可能性がある。 これに加えて次に示す種々の応用がある。 電気二重層キャパシタの大容量化 燃料電池の高性能化 半導体などの素子の特性向上 など 新技術の概要 炭素材料表面（基板）をプラズマで処理する ことにより材料表面にナノスケールのニードル を、基本的には基板材料と同じ材質で、基板材 料に垂直に、高い密度で生成できる新技術を発 明した。 3 電界電子放出ディスプレイ 構造 他のディスプレイとの比較 ゲート エミッタ 視野角 応答性 その他 カソード電極 有機EL 全方向 高速 フレキシブル 真空レス薄型 FED LCD PDP 全方向 ほぼ全方向 全方向 高速 やや高速 高速 低消費電力 長寿命 大画面化 大画面化 利点 集束電極 e- エミッタ •低消費電力駆動が可能 42インチパネルで100W以下の消費電 力実現可能 •自発光デバイス 自然でダイナミックな画像 •視野角問題がない •CRT技術の展開が可能 •大画面化が可能 4 プラズマによる表面改質の主な利点 z 高いエネルギーを持つイオンの衝突や、反応性イオンおよ びラジカルなどの作用などにより基板表面を活性化できる。 z ドライプロセスである。 z クリーンなプロセスである。 z 短時間で処理できる。 z 材料の前処理がほとんど必要ない。 z 数々の内容の改質および新しい反応の開発が可能である。 z 微細加工が可能である。ナノテクノロジ－の担い手である。 5 プラズマによる針状突起の生成 高周波電源 プラズマは、主に放電 （グロー放電、コロナ放 電、アーク放電）により発 生する。 ブロッキング コンデサ パワー電極 材料 O2 プラズマ アース電極 排気 本手法では、ブロッキ ングコンデンサを有する 平行平板電極型放電装 置で、高周波グロー放電 によりプラズマを発生し て、プラズマ処理を行う。 6 イオン,ラジカル, 電子など 材 料 パワー電極 アース電極 高周波 プラズマ ブロッキング コンデンサ ～ 高周波 電源 シース + VPP 0 - VSE VSB VSP VPP：プラズマポテンシャル VSB：セルフバイアス VSP：パワー電極のシース電圧（＝VPP+VSB） VSE：アース電極のシース電圧（＝VPP） 平行平板電極型高周波放電の電位分布 7 放電など 気体分子・電子 励起・解離・イオン化など プラズマ 励起分子 イオン ラジカル 中性分子 光 電子 熱 作用 表面反応 衝突 堆積 吸着 エッチン グ クリーニング ラジカル 橋かけ 構造 スパッタ リング 表面 8 断 面 ○ 酸素プラズマ処理前後の材 料（ガラス状炭素）表面のＳＥＭ 写真 （入力電力／処理時間） ○ 材料表面に生成したナノサイ ズの針状突起 未処理 150W/10min． 200W/30min． 9 断 面 ○ ガラス状炭素をCO2プラズ マで処理した表面（上） ○ 炭素繊維を酸素プラズマで 処理した表面（下） 200W/20min. 未処理 100W/15min. 10 1mm2当たりに存在する 集合ニードルの数 [×106本] プラズマ処理時間を変化した時の集合ニードルの特性 0.007 -34 0.006 -35 0.005 ln(I/E2) [A/V2] Current density [mA/cm2] 電界電子放出（FE）特性 0.004 0.003 0.002 0 -37 -38 -39 0.001 0 -36 2 4 6 8 10 Electric field [V/um] 12 -40 0.0011 0.0013 0.0015 1/E [V-1] 0.0017 11 ●次世代ディスプレイの製造は、従来の方法においては、 1.複雑な工程が必要で、加熱を要する場合もあり、エネルギ －および製造時間や費用がかなり必要だった。 2.ニ－ドル（電子源）の作成前後の各種処理も要した。 ●今回発明した低温プラズマ（処理）による生成方法は、 1.プラズマ処理の利点を最大限に発揮することにより、非常 に簡単な装置で、ドライプロセスにより、クリ－ンに、短時 間で高性能な電子源を作成することが可能である。 2.外部から加熱する必要がない、省エネルギ－な製造方法で ある。 3.この手法により、最適なＦＥ特性を有する電子源を作るこ とができる。 12 特徴 1.炭素材料からなり、ナノサイズの直径を持つ多数の針状突起 生成物が直立した配列状態になっている表面層を有している。 2.基板との密着性に優れている。 3.少ない工程で製造される。 4.その直径に比べ、長さが非常に長く、生成表面の実質の表面 積も非常に大きくなる。 5.硬く丈夫なニードルが生成できる。 用途 1.ナノサイズで、先端が尖った丈夫なニ－ドルが高密度で形成 されるので、次世代ディスプレイ用電子源として使用できる。 2.少ない消費電力で、材料表面から多量の電子放出ができるた め、節電型で面状態の各種電子源の製造に利用可能である。 3.実質的な表面積の増大化、濡れ性の制御、官能基の付与、表 面物質の結合状態の制御などができるため、蓄電装置等への応 用が考えられる。 13 zディスプレイは、今後あらゆる所で使用され、生産台数も 膨大なものになる。それに伴い、その電子源は使用数が極 めて多くなる。また、すべての産業部門に関係するように なる。 z従来のＴＶの比べ、消費電力が小さいことから二酸化炭素 排出量の削減などにも貢献でき、環境保全に有用である。 このため、環境関係の産業にも大きな影響をおよぼす。 z炭素材料、酸素ガス、電力が入手でき、簡単な放電装置が あれば、ニ－ドル（電子源）が生成できるので、資源の節 約ができる。 z画面の大型化が可能であるので、大画面を使用する産業も 発展してくる。 14 • 電子源電極の作成に関する基礎的な各種実験・試作が必 要になる。ＦＥ特性を最適にするニ－ドルの特性、形状、 耐久性についても詳細に検討する必要がある。 • 本電極と発光体素子とを組み合わせた試作、および実際 に本素子を使用したディスプレイを作成し、その特性 （状態や様子）測定（観察）などのために、企業との連 携が重要になる。 • ＦＥへの応用だけでなく、他の機能性素子等への応用も 開拓する必要がある。 15 z 生産台数が著しく多い。また、大量生産により低価格化ができ る。これらのために、大量製造が可能な生産システムを構築す る必要がある。放電の形態などにも工夫が必要である。市場の 拡大も不可欠である。この場合、各種企業との連携が必要にな る。 z 製造の自動化ができる方法なので、自動製造装置の開発を行 う。 z 超微細ディスプレイの製造も可能である。電子源としての発熱 量も小さい。このことを利用したシステムを開発できる（生物への 応用など）。また、超大型ディスプレイも製造できる。 z 数々の応用が考えられるので、各種の市場の開拓をしなけれ ばならない。 16 発明の名称：電界放出用電子源電極およびその製造方 法ならびに電界放出用電子源電極素子 出 願 番 号：特願2008-143227 出 願 人：独立行政法人 国立高等専門学校機構 発 明 者：大手丈夫ら 発明の名称：表面改質炭素材料および製造方法 出 願 番 号：特願2007-305094 出 願 人：独立行政法人 国立高等専門学校機構 発 明 者：大手丈夫ら 17
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