[发明专利]电场电子发射体用碳素纤维及电场电子发射体的制造方法

说明书

本申请包含2001年3月21日提出的日本专利申请2001-81748和2001年8月29日提出的日本专利申请2001-260428中的内容。

技术领域

本发明涉及电场电子发射体用碳素纤维以及电场电子发射体的制造方法。

背景技术

人们正在研究以碳纳米管(CNT)实现电场发射，其作为显示器材料的可用性备受关注。

要实现这种电场发射，需要获得强电场。为此，需将发射体材料的顶端制作得非常尖锐。从这一点来说，作为CNT，长径比大，具有尖锐的顶端，具有化学稳定性和机械强韧性，而且具有优异的高温稳定性，可用作电场发射的发射体材料。

以往所研究的CNT有：①在氦气中进行电弧放电而制造的MWCNT(多壁CNT)，②将在氢气中进行电弧放电而制造的SWCNT(单壁CNT)浸渍在溶剂中，干燥后成束状而制成的，③以气相生长法制造的碳素纤维等。

对于上述CNT，是将多根CNT，通过丝网印刷等方法朝向一致地固定在底板上，从而形成发光设备的具有大面积的冷阴极的。

但是，前两种不适于工业化大批量生产，因而存在着价格高的缺点。

从这一点来说，以气相生长法制造的碳素纤维具有价格较低廉、可大量生产的优点。

一般来说，以气相生长法制造的碳素纤维是碳素六边网层以纤维的轴线为中心呈同心状生长而成，碳素六边网层的两端是封闭的。要实现电子发射，通常需要对碳素六边网层的两端进行复杂的处理使其开口。这种碳素纤维由于只有开口端能成为电子发射端，因此，要获得多个电子发射端是困难的。要想获得多个发射端，需要采用增大纤维直径、在碳素纤维的两端之外设置开口部等极为困难的工艺。

发明内容

本发明是为解决上述问题而提出的，其目的是，提供多个碳素网端露出的、可得到更大的发射电流的电场电子发射体用碳素纤维以及电场电子发射体的制造方法。

为解决上述问题，本发明的一个形态所涉及的电场电子发射体用碳素纤维具有切头圆锥筒形碳素网层的同轴层叠结构(coaxialstacking morphlogy of truncated conical tubular graphenelayers)，所说切头圆锥筒形碳素网层各个含有碳素六边网层(hexagonal carbon layer)。

换言之，该电场电子发射体用碳素纤维具有由多个呈无底杯形的碳素六边网层层叠的、杯状层叠(cup stacked)或者灯伞状层叠(lampshade stacked)的结构。该切头圆锥筒形碳素网层的同轴层叠结构可形成无节的中空核(a hollow core with no brige)。根据这样的结构，各个切头圆锥筒形碳素网层呈这样的结构，即，在轴向的两端具有大直径环端和小直径环端，从外表面侧的大直径环端及内表面侧的小直径环端露出碳素六边网层的边缘。换句话说，呈鱼骨结构的倾斜的碳素六边网层的边缘呈层状露出。

另外，通常的鱼骨结构碳素纤维是多个呈有底杯形的碳素六边网层层叠的结构，而本发明的一个形态所涉及的碳素纤维在数十nm～数十μm长度的范围内不具有节，呈中空状。

在这里，若该切头圆锥筒形碳素网层的同轴层叠结构以气相生长，则其外表面或者内表面的很大范围将被过剩的热分解碳(pyrolyticcarbon)的堆积膜所覆盖。此时也同样，从外表面侧的大直径环端的至少一部分，或者内表面侧的小直径环端的至少一部分处露出碳素六边网层的边缘。

从碳素纤维的外表面或内表面露出的碳素六边网层的边缘活性度极高，与各种材料的亲和性良好，与树脂等复合原料的密接性优良。因此，能够获得具有优异的拉伸强度、压缩强度的复合材料。

作为本发明的一个形态，对于在电场电子发射体用碳素纤维的气相生长过程中形成于其外表面或内表面的堆积膜，也可以通过之后的处理将其一部分或全部去除。这是由于，该堆积膜是未充分结晶的、呈非晶形形状的过剩碳堆积而成，该堆积层的表面不具有活性的缘故。

作为本发明的一个形态所涉及的电场电子发射体用碳素纤维，可通过各个大直径环端在轴向上的层叠而形成碳素纤维的外表面。此时，只要从其外表面的2％以上、最好是7％以上的区域露出碳素六边网层的边缘即可。

此外，在电场电子发射体用碳素纤维的外表面上各个大直径环端的位置不是对齐的，该外表面呈现出原子大小水平的微小的凹凸。

同样地，通过使各个小直径环端在轴向上层叠而形成碳素纤维的内表面，各个小直径环端在该内表面上的位置不是对齐的，呈现出原子大小水平的微小的凹凸。