成果報告書詳細
管理番号20160000000606
タイトル平成26年度ー平成27年度成果報告書 エネルギー・環境新技術先導プログラム 超省電力発光デバイスの開発
公開日2016/7/7
報告書年度2014 - 2015
委託先名国立大学法人東北大学大学院環境科学研究科 DOWAホールディングス株式会社
プロジェクト番号P14004
部署名イノベーション推進部
和文要約平成26年度ー平成27年度成果報告書 エネルギー・環境新技術先導プログラム「超省電力発光デバイスの開発」
 本研究開発では、高結晶化単層カーボンナノチューブ(Singleーwalled carbon nanotube:SWCNT)を電界電子放出(Field emission:FE)型電子源として応用しカソードルミネセンス型平面発光デバイスの構築を試み、低消費電力と高エネルギー効率を持つ次世代型電子デバイスの創成を試みている。
 高純度高結晶化SWCNTを含むカソード電極は湿式プロセスでの構築を目指す。従来、SWCNTの均一分散技術は確立されていなかったが、我々は任意の有機溶媒とノニオン型界面活性剤を用いた段階分散技術を開発し、数ー10数本のSWCNTが寄り集まった小バンドル状態に均一分散することに世界で初めて成功した。
 安定したFE電流を得るために、SWCNTを含む薄膜に高精度な切削プロセス技術で物理的に溝を形成し、かつ効率的に電子を放出するFE活性化技術を考案している。当該活性化技術をベースに、表面電荷法による静電場解析シミュレーションで物理的に形成した溝の端面から露出するSWCNT配列の最適設計指針を確立し、高結晶化SWCNTを含むカソードーFE電子放出のスイッチング用ゲート電極ー蛍光面アノード電極の3極パターンから成る平面発光デバイスのひな形を創成し、低消費電力で高出力な発光輝度を得ることができる基礎設計を構築した。
 他方、蛍光面については、電子線照射による蛍光体の劣化を防止するために酸化ケイ素膜の被覆による蛍光体発光寿命改善への可能性を検証し、信頼性を向上するための基本的な技術指針を確立した。さらに電子線照射後に発する発光の残光成分を活用すべく、電流をオンオフするためにゲート電極に入力する駆動信号の最適化で、電子線照射時に発する発光の蛍光成分と残光成分の畳みこみによる輝度の増幅効果を向上させるアルゴリズムを開発した。この信号技術を平面発光デバイスの基本的な操作法である線順次走査駆動に応用し、今後は低消費電力駆動で発光輝度を向上するための最適化技術の探索を推進していく。
 カーボンナノチューブを用いたFEデバイスの実用化に対する障壁は、FE電子放出の短寿命による信頼性欠落が大きな要因であった。本研究開発ではSWCNTの高結晶化がFE電子放出寿命改善に効果的であることを確認した。高結晶化SWCNTはFE電子放出寿命に対する信頼性が担保され、SWCNTを利用した電子デバイスの実用化への可能性が大きく前進した。さらに上述のSWCNTを用いた湿式プロセスの開発により、発光デバイスの平面化・大面積化(低コスト化)・低消費電力化に対する技術指針を示すことができ、カーボンナノチューブを含むナノ炭素材料の電子デバイスへの実用化に大きな期待が見込まれる。さらに発光デバイスに限らず、パワーデバイス等の高パワー密度を必要とするデバイスへの応用展開の可能性も示すことができ、これら成果より、低炭素社会を推進する電子デバイスの先駆的導入に貢献しうる技術開発のベース確立が可能になった。
 本研究開発の実績は、環境負荷低減及び低炭素社会を先導しうる可能性を示す有益な素材と成り得るカーボンナノチューブの電子デバイスへの搭載技術の先駆けとなり、かつ二酸化炭素削減の技術ロードマップに充分追随する成果であると確信する。
英文要約 Title:Advanced research program for energy and environmental technologies. Development of a plannar lighting device with super low power consumption (FY2014-FY2015) Final Report
In this research and development, we report a newer approach of power and energy efficiency with the use of a simple structure employing the highly crystalized single-walled carbon nanotube (SWCNT) produced by a high-temperature annealing in the cathode. We developed and successfully fabricated elements of a plannar light source device using a phosphor screen emitting visible light with SWCNT as field emitters in a simple diode structure composed of the cathode containing the highly purified and crystalline SWCNT dispersed into an organic solution and a non-ionic surfactant by multi-step dispersion method. The cathode was activated by scratching process to obtain a large and stable field emission (FE) current with low power consumption. The nicks by scratching were treated with field emission measurements to determine the periodicity of the surface morphology and the alignment of SWCNT lain in the cathode electrode designed by a field simulation tool using surface charge method.
  The anode, on the other hand, was made with phosphor deliberately optimized by coverage of silicon oxides, and it will be assembled together with the cathode by the new stable assembling process resulting to stand-alone flat plane-emission panel. And the phosphors were attempted to control light emission convolution employing long time afterglow of phosphors, and we could succeed to get an optimization of brightness amplification. The device in a triode structure with line sequential driving method has a low driving voltage and good brightness homogeneity in that plane. Furthermore, FE current fluctuation and emission life time for their reliabilities, which are important factors in comparing luminance and another electrical devices too, has good stabilities for a long time with FE high current density with DC voltage addition in that plane.
  We succeeded in clarifying the efficacy and applicability underlying the electrical conductivity of SWCNT by controlling their crystallinity. In addition, it was confirmed that field emitters using highly crystalline SWCNT can lead to new applications operating with low power consumption, and we have given a brief explanation of the effect of the increased crystallinity of SWCNT synthesized by arc discharge on their electrical conductivity and then described the development of a conduction model for electrons that pass through the crystal defects of SWCNT. Our new devices that may change our daily lives in the future, and the flat plane-emission device employing the highly purified and crystalline SWCNT has remarkably the potential to provide a new approach to lighting in our life style.
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