Unique carbon–nano–structure for high quality electron–emitter to be employed in a variety of applications

Akio Hiraki and Hirohisa Hirak

Kochi University of Technology, Tosayamada, Kochi, Japan, Tel: +81–887–57–2760, Fax: +81–887–57–2777, e–mail: hiraki.akio@kochi–tech.ac.jp; hiraki@dialight.co.jp

Recibido el 12 de octubre de 2007
Aceptado el 9 de agosto de 2008

Abstract

There have been many trials to employ nano–carbon materials, such as carbon–nano–tubes and nano–diamond films, as electron–emitter. Several reasons exist why the nano–carbon materials are good for the emitter. They are, in addition to (a) unique morphological shapes of the materials good for the emitter– the high aspect ratio of the carbon–nano–tube is a good example–, (b) sturdiness(they can even be formed in a plasma), (c) high thermal conductivity (current density in the electron–emitting–nano–structure is high, thus it is vital to provide effective Joule–heat dissipation), and (d) easiness of the fabrication of the electron–emitting carbon materials. In order to fabricate good electron emitters, we have long been trying to employ a variety of fabrication CVD methods and fabricating conditions (starting CVD gas, pressure, temperature, substrate materials and so on).Then recently our emitters have shown a world–top–ranking property: very low turn–on– voltage(0.5V/µm induce 10µA/cm² of emission current) and high current at low applied voltage with gap distance of 1mm(1mA/cm² at 1.1V/µm and 100/ at 2V/µm). This excellent property comes from a carbon–nano–structure which we call CNX(Carbon–Nano–eXit). In addition, these emitter can be formed on a variety of substrates(Ni, Ni–Cr, SUS or others), in forms of wire or pipe, very quickly. Namely, by one reactor, it is possible to fabricate 50100 km of "wire or pipe type emitter" per month. The wire type emitter is good for both high field concentration and avoiding the so–called "edge–effect".Then using these emitters, we are able to fabricate Mercury–free fluorescence lamps with high efficiency (601m/watt) and high brightness of more than 10⁵cd/m²(white–light).

Keywords: Electron emitters; CVD diamond; carbon–nanostructure; carbon nano wires.

Resumen

Se han llevado a cabo varios intentos para construir emisores de electrones a partir de materiales nanoestructurados a base de carbono en la forma de nanotubos y películas de nanodiamantes. Existen varias razones para considerar a estos materiales como emisores de electrones. Estos poseen: (a) especiales aspectos morfológicos adecuados para buenos emisores, (b) durabilidad (se pueden forma a partir de plasma), (c) alta conductividad termica, (d) fácil fabricación. Con el objeto de fabricar buenos emisores de electrones, hemos utilizado una gran variedad de métodos de CVD y diferentes condiciones de fabricación (gas precursor inicial, presión, temperatura, diferentes substratos, etc.). Recientemente, nuestros emisores exhibieron propiedades excepcionales a nivel mundial: voltaje de encendido muy bajo y alta corriente con bajo voltaje aplicado (0.5V/µm para inducir 10µA/cm² de corriente inducida) y distancia de brecha de 1 mm (1mA/cm², 1.1V/µm y 100/, 2V/µm). Estas excelentes propiedades se deben a la forma de carbono nanoestructurado llamado CNX(Carbon–Nano–eXit). Ademas, los emisores pueden depositarse facilmente en una gran variedad de substratos (Ni, Ni–Cr, SUS, entre otros) en la forma de hilos o tubos. Por ejemplo, un reactor puede fabricar en un mes entre 50 a 100 km de emisores en la forma de hilo o tubos. Los emisores de hilo son adecuados para campos altamente concentrados y evitan los "efectos de bordes". La utilización de estos emisores permite la fabricación de lámparas fluorescentes sin mercurio de alta eficiencia (aprox. 60 1m/Watt) y brillo superior a 10⁵ cd/m² (Luz blanca).

Descriptores: Emisores de electrones; carbono nanoestructurado; diamante CVD.

PACS: 61.46.+w; 79.70.+q; 81.05.Uw; 81.07.–b; 85.45.Fd

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