CN100351977C - 电子发射元件驱动方法、电子源驱动和制造方法及显示器 - Google Patents

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Abstract

一种电子发射元件的驱动方法，在形成有由碳纤维集合体构成的电子发射体的阴极和与该阴极对向配置的对向电极之间施加电压，从所述电子发射体发射电子，其特征是：将驱动开始之前在所述阴极与所述对向电极之间施加的最大电压设定为最大施加电压Vmax，通过在所述阴极与所述对向电极之间施加比所述最大施加电压Vmax小的驱动电压V来驱动所述电子发射元件。

Description

电子发射元件驱动方法、电子源驱动和制造方法及显示器
技术领域
本发明涉及一种使用碳纤维的电子发射元件的驱动方法、电子源的驱动方法和电子源的制造方法以及图象显示器。
背景技术
现有，作为电子发射元件，大家都知道电场发射型(以下简称为FE型)。
就FE型电子发射元件来说，已刊载在J.Appl.Phys.Vol.47，No.12，p.5248(1997)等上。
就上述FE型电子发射材料来说，近年来，重视具有纳米尺寸直径的碳纳米管等的纤维状碳材料。
碳纳米管本身刊载在例如，Nature，354，(1991)56上。
至于碳纤维的集合体，刊载在例如，特开2000-095509号公报和Applied Physics Letters 76(2000)pp.2367-2369上。
并且，就把碳纳米管用作FE型电子发射元件的电子发射材料而言，刊载在例如，NIKKEI MECHANICAL 2001.12 no.567和Applied Physics Letters Vol.81(2002)pp.343-345及USP5773921、USP5872422和USP5973444等上。
另一方面，在把许多碳纤维集合体用作电子发射体的电子发射元件的应用方面，例如，正在研究图象显示器、图象形成装置、图象记录装置和带电束源等。
特别是在电子发射元件应用到图象显示器方面，正在研究组合利用电子发射元件和因电子束照射而发光的荧光体的图象显示器。
例如，图23中表示两维排列多个FE型电子发射元件，给这些元件矩阵状布线的多电子源。
图23中，4001表示电子发射元件，4002表示行方向布线，4003表示列方向布线。行方向布线4002和列方向布线4003实际上具有有限的电阻。但是，在图23中，将这些电阻表示为布线电阻4004和4005。上述这样的布线方法称为单纯矩阵布线.另外，为图上表示方便，虽然用6×6矩阵表示，但是矩阵规模当然并不是限于此。例如图象显示器用的多电子源的场合下，排列布线1万乃至1千万个元件只足够进行要求的图象显示。
把多个碳纤维集合体用作一个FE型电子发射元件的电子发射材料驱动该电子发射元件时，由于碳纤维的形状偏差，影响了电子发射特性的时间稳定性。
一般地说，对直径小的碳纤维而言电场容易集中，因此与获得大量电子发射相反，随时间过去而恶化增大。把碳纤维集合体用作电子发射材料时，在一定电压驱动下，因为更细纤维随时间性逐渐恶化，作为整个集合体的发射电流逐渐减少。因此，直径离散的碳纤维集合体的电子发射特性变成不稳定的。并且，碳纤维的形状偏差，不仅时间性的驱动不稳定，而且也成为形成碳纤维的面内的电子发射离散的原因。
这里，所谓上述碳纤维集合体的纤维形状偏差，不仅是集合体内的直径，而且是指碳纤维的长度、形成一条石墨纳米纤维的叠层的石墨片一片一片的大小等随电子发射的形状全部偏差。
但是，即使碳纤维集合体的直径分布实现狭窄范围，碳纤维长度的不均匀性，进而，直到构成碳纤维的石墨片的一片一片大小的不均匀性，也难以充分控制。
在把具有上述碳纤维集合体的电子发射元件使用于图象形成装置的场合，对于一个电子发射元件，要求长时间内维持均匀合适的亮度和对比度。
为了实现此要求，就对电子发射元件要求控制一个个电子发射元件发射的电子量随时间的减少，在期待的期间内进行一定量以上的电子发射。
为此，需要消除成为电子发射不均匀的原因的碳纤维集合体中全部碳纤维的形状的不均匀。但是，在碳纤维集合体的制造阶段进行全部消除目前是困难的。
为此，寻找用简便的办法可使碳纤维集合体的电子发射特性均匀化的技术。
另一方面，在排列多个以碳纤维集合体为电子发射体的电子发射元件的电子源方面，由于工序上的变动之类，在各个电子发射元件发射特性上多少发生偏差。其结果，用其作成显示器时，该特性偏差就表现为辉度的偏差。
这样，作为电子发射特性每个电子发射元件不同的理由，可以认为有例如用于电子发射体的材料的成分偏差、元件的各构件尺寸形状误差等各种原因。可是，想要除去这些全部原因，需要非常高度的制造设备和极其严密的工序管理，满足这些条件时制造成本就将变成天文数字了。
发明内容
本发明就是鉴于上述现有技术的课题而研究发明，因而其目的在于提供一种电子发射元件的驱动方法，能够稳定地长时间驱动将碳纤维集合体用于电子发射体的电子发射元件。
并且，作为本发明的另外的目的，在于提供一种关于排列多个将碳纤维集合体用于电子发射体的电子发射元件的电子源，控制各电子发射元件间电子发射特性偏差的制造方法和驱动方法。
为达到上述目的，在本发明的电子发射元件的驱动方法中，
是给由碳纤维集合体构成的电子发射体形成的阴极和与该阴极对向配置的对向电极之间施加电压，从所述电子发射体发射电子的电子发射元件驱动方法，
其特征是：到开始驱动前设定加到所述阴极与所述对向电极之间的最大电压为最大施加电压Vmax，给所述阴极与所述对向电极之间施加比所述最大施加电压Vmax要小的驱动电压V，使其驱动所述电子发射元件。
并且，在本发明的电子源驱动方法中，
是通过给由碳纤维集合体构成的电子发射体形成的阴极和与该阴极对向配置的对向电极之间施加驱动电压，在基板上边形成从所述电子发射体能发射电子的多个电子发射元件的电子源驱动方法，
其特征是：包括给所述另外的电子发射元件施加比所述驱动电压要大的电压Vmax，使得所述多个电子发射元件之中施加特性测定电压时发射的电子量相对地少的电子发射元件I-V特性与所述电子量相对地多的另外电子发射元件I-V特性接近的工序；以及
根据输入的数据，给所述阴极与所述对向电极之间施加比所述最大施加电压Vmax要小的驱动电压V，使其驱动所述多个电子发射元件的工序。
按照上述方法，在作为电子发射体的碳纤维集合体中，能够进行对电子发射元件的稳定驱动。
所述驱动电压V，设施加该驱动电压V时的发射电流为I，则由1/V对log(I/V2)的关系成为大约线性的低电压区中选定是合适的。
按照上述方法，就能够再现良好地按大约线性单调关系进行电子发射元件的稳定驱动。
并且，在本发明的电子源制造方法中，
是通过给由碳纤维集合体构成的电子发射体形成的阴极和与该阴极对向配置的对向电极之间施加电压，在基板上边形成从所述电子发射体能发射电子的多个电子发射元件的电子源制造方法，
其特征是：给所述另外的电子发射元件施加比所述驱动电压要大的电压Vmax，使得所述多个电子发射元件之中施加特性测定电压时发射的电子量相对地少的电子发射元件I-V特性与所述电子量相对地多的另外电子发射元件I-V特性接近。
按照上述方法，就能够在具备多个电子发射元件的电子源内，获得均匀性高的电子发射特性。
所述I-V特性在1/V对log(I/V2)的关系呈大约线性的低电压区内，截取所述1/V对log(I/V2)的关系斜率是合适的。
并且，在本发明的电子源制造方法中，
是通过给由碳纤维集合体构成的电子发射体形成的阴极和与该阴极对向配置的对向电极之间施加电压，在基板上边矩阵状形成从所述电子发射体发射电子的多个电子发射元件的电子源制造方法，
其特征是具有：
施加特性测定电压，用于测定所述多个电子发射元件各自电子发射特性的测定工序；
根据测定的所述电子发射特性，求出所述多个电子发射元件特性的基准值的基准值选择工序；以及
分别给所述多个电子发射元件施加特性移动电压，使所述多个电子发射元件特性变成与所述基准值对应的值的特性移动电压施加工序。
按照上述方法，就能够对于电子源，获得均匀性高的电子发射特性。
在所述特性移动大约施加工序以后，
还具有：再次测定所述多个电子发射元件特性的工序；以及
根据再次测定的结果，再次施加特性移动大约的工序是合适的。
按照上述方法，就能够对于电子源，获得均匀性高的电子发射特性。
在所述测定工序中，每当驱动各电子发射元件时，测定从该电子发射元件发射的发射电流是合适。
按照上述方法，就能够对于电子源，简捷地知道各元件的电子发射特性。
所述测定工序是，每当驱动各电子发射元件时，就测定该电子发射元件流动的电流是合适的。
按照上述方法，就能够对于电子源，简捷地知道各元件的电子发射特性。
所述测定工序是，每当驱动各电子发射元件时，测定随着从该电子发射元件发射的电子而发光的荧光体发光辉度，将器测定的辉度转换为相当于所述发射电流或元件电流的值是合适的。
按照上述方法，就能够对于电子源，简捷地知道各元件的电子发射特性。
用于本发明的所述碳纤维集合体是石墨纳米纤维的集合体、碳纤维的集合体、或者石墨纤维和碳纤维混合的集合体是合适的。
按照上述方法，就能够对于多电子源，简便地获得均匀的元件特性。
附图说明
图1是表示Vf-log(Ie)特性的曲线图，用于说明本实施方案的电子发射元件的不可逆特性。
图2是表示电子发射元件一例的典型图。
图3是表示阴极电极和阴极电极上的电子发射元件的制作方法的剖面典型图。
图4是表示电子发射元件的I-V特性曲线。
图5是表示电子发射元件的F-N特性曲线图。
图6(a)是使用具备控制电极的碳纤维集合体作为电子发射体的电子发射元件的典型顶视图，(b)是(a)的A-A间剖面图。
图7是用于说明从电子发射元件向阳极发射的电子的样子的典型图。
图8是表示电子发射元件的Vf-Ie特性曲线图。
图9是表示电子发射元件的Vf-log(Ie)特性曲线图。
图10是表示电子发射元件的1/Vf-log(Ie/Vf2)特性曲线图。
图11是表示电子发射元件的log(t)-Ie(归一化)特性曲线图。
图12是表示1/Vf-log(Ie/Vf2)特性的曲线图，用于说明本实施方案的电子发射元件的不可逆特性。
图13是比较把碳纳米管(CNT)和石墨纳米纤维(GNF)用于电子发射部件的电子发射元件的1/Vf-log(Ie/Vf2)的特性曲线图。
图14是矩阵状配置电子发射元件的多电子源的典型顶视图。
图15是图14所示电子源的A-A′剖面图。
图16是用于说明驱动电子源时所加电压状态的典型剖面图。
图17是比较不同的电子发射元件的1/Vf-log(Ie/Vf2)特性曲线图。
图18是为说明使本发明实施方案的不同电子发射元件的特性均匀化的方法而比较1/Vf-log(Ie/Vf2)特性的曲线图。
图19是比较用于说明特性移动电压施加工序的1/Vf-log(Ie/Vf2)特性的曲线图。
图20是比较用于说明基准元件电压调整工序的1/Vf-log(Ie/Vf2)特性的曲线图。
图21是用于说明电子发射元件制造工序的典型剖面图。
图22是表示实施例2的电子发射元件的F-N特性曲线图。
图23是电子源概略典型图。
图24是表示碳纤维形态的一例典型图。
图25是表示碳纤维形态的一例典型图。
图26是表示电子发射元件的一例典型图。
具体实施方式
以下参照附图，举例详细说明本发明的最佳实施方案。但是，本实施方案中所记载的构成部件的大小、材料性质、形状、其相对位置等等，特别不限定指定的记载，没有把本发明的范围仅限定于这些的意思。
图1用于说明本发明的电子发射元件的驱动方法。图1是在配置碳纤维集合体的阴极(阴极电极)和与该阴极对向配置的对向电极之间施加电压Vf时，用单对数曲线表示与从碳纤维集合体发射的电子量(发射电流)Ie的关系(I-V特性)。还有，所谓本发明的「对向电极」是指施加电位的电极，用于从碳纤维集合体发射电子。
本发明的一个实施方案，在驱动开始前(典型点说在制造时)，设加到电子发射元件的阴极与对向电极之间的最大电压为最大施加电压Vmax时，在驱动电子发射元件时(典型点说在制造后)，在阴极与对向电极之间用小于上述最大施加电压Vmax的驱动电压V进行驱动。倘若这样，就能够抑制电子发射特性随时间变化。
此外，本发明中的“碳纤维集合体”还包含只由多个碳纤维构成的部件以及含有多个碳纤维和其他部件的部件(例如，由多个碳纤维和催化剂粒子构成的部件、由多个碳纤维和粘接剂构成的部件等)。因此，本发明中的“碳纤维集合体构成的电子发射体”，至少也可以称为“包含多个碳纤维的电子发射体”。
本发明是由后述的这些实验得到的见解而发明的，为了容易理解本发明起见，首先，对其实验进行叙述。
(实验1)
图2是表示使用于本发明的电子发射元件的一例的典型图。
如图2所示，在真空容器97的内部，配置有阴极基板92。在阴极基板92的表面上，设置有载置构成电子发射元件的碳纤维集合体94的阴极电极93。并且，在与阴极电极93对向的位置配置的阳极基板96上，设置有接收从碳纤维集合体94发射的电子的阳极电极(阳极)95作为对向电极。在阴极电极93与阳极电极95之间，构成可用电压源91施加规定电压。另外，真空容器97备有用于对其内部排气的排气系统98。
作为如图2所示这种阴极基板92和阳极基板96，例如可使用玻璃基板(PD200，旭硝子株式会社制)。并且，可用TiN薄膜制作阴极电极93，用ITO薄膜制作阳极电极95。
上述的碳纤维集合体，例如可如图3中所示使之形成。在图3中，101是阴极电极，102是阴极基板，103是催化剂微粒子，104是碳纤维集合体。以下，详细叙述其制造方法的一个例子。
首先，用离子束溅射法，在阴极基板102表面上制作厚度100nm的TiN薄膜101(图3(a))。其次，用RF溅射法，在TiN薄膜101上边制作促进碳纤维生长的催化剂微粒子103(图3(b))。就催化剂微粒子103来说，可使用钯、钴、铁、镍或上述2种以上的合金。把配置了催化剂微粒子103的阴极基板102送入炉内，通过在氢气气氛中加热，还原处理催化剂微粒子103。然后，在混合碳化氢气体的氢气气氛中加热阴极基板，在阴极电极上边生成碳纤维集合体104(图3(c))。就碳化氢气体来说，例如，可以使用甲烷、乙烯、乙炔、一氧化碳、二氧化碳。虽然生成碳纤维集合体104的基板加热温度从450℃到800℃，然而这里是在阴极基板102的变形点(570℃)以下进行加热。
这样制作的阴极上的碳纤维集合体104用SEM观察时，可知粗细(直径)为5～60nm，碳纤维集合体膜厚为0.3μm～15μm。并且，根据喇曼分析，在1580cm-1附近和1340cm-1附近，观察到石墨特征性的振动。并且，根据TEM观察，在碳纤维的长度方向，石墨片变成了叠层构造，就可以确定是叫做石墨纳米纤维的碳纤维。
如图2所示，在阴极电极93上边配置这样制成的碳纤维集合体94，并在阴极电极93与阳极电极95之间配置用于维持其间隔的隔板(图未示出)。而且，用涡轮分子泵、干燥泵、以及离子泵进行排气。还有，图2中，标号92是阴极基板，标号96是阳极基板。
而且，重复使施加于阴极电极93与阳极电极95之间的电压上升和下降。但是，这时，使电压上升以后再使电压下降的工序作为1次循环，每次电压上升时，一边上升加到阴极电极93与阳极电极95之间的最大电压值一边发射电子。将此时得到的I-V特性表示在图4中。横轴表示施加电压，纵轴表示发射电流的对数。
图4中的各条曲线(号码1到4)表示施加电压的次数。即，例如在第1次施加电压方面，是表示从图4中点A的电压到点B的电压使电压上升，然后直至点C的电压为止使电压下降时的发射电流与施加电压的关系。同样，例如，在第2次施加电压(上述第1次施加电压后)方面，表示从图4中的点C的电压到通过点B的电压再到点D的电压使电压上升，然后直至点E的电压为止使电压下降时的发射电流与施加电压的关系。
由图4可知，在第2次以后施加电压的电压上升工程中，I-V曲线上有发生曲折点(例如第2次施加电压时为点B、第3次施加电压时为点D、第4次施加电压时为点F)的电压。而且，按照在一次曲折点前使电压上升以后施加到阴极电极93与阳极电极95之间的该曲折点的电压以下的电压时的I-V曲线(叫做第1曲线)和一边继续上升在曲折点的电压以上的电压一边施加到阴极电极93与阳极电极95之间时的I-V曲线(叫做第2曲线)的两种曲线，构成各次的I-V曲线。即，图4中，B-C曲线、D-E曲线、F-G曲线分别相当于第1曲线，B-D曲线、D-F曲线分别相当于第2曲线。还有，A-B曲线因为其以前没有施加电压，也可以说相当于第2曲线。并且，如图4所示，上述第2曲线为大体连续的曲线。
这里，在第n次(n为2以上整数)施加电压，在所加的电压到达第2曲线为止(到达各次的曲折点为止)的电压范围内，第n-1次的电压下降时的曲线和第n次施加电压的电压上升时的曲线变为大体相同(大体重叠)。这就表示，在到达第2曲线为止的电压范围内I-V曲线有再现性，到达第2曲线以后由于又使电压上升，破坏了I-V曲线的再现性(I-V曲线移动)。
进而，重要的是，在施加第n次(n为2以上的整数)电压以后获得的第1曲线(例如图4的第2次施加电压后获得的再现性某条I-V曲线的D-E线)方面，与施加第n-1次电压以后获得的第1曲线(例如图4的第1次施加电压后获得的再现性某条I-V曲线的B-C线)比较，因为扩大了获得发射电流量的再现性的范围，所以获得了更高的发射电流。
上述性质可换句话归纳如下。即，由许多碳纤维构成的膜(多个碳纤维集合体)产生的电子发射特性，典型点说，依赖于由许多碳纤维构成的膜经验的最大施加电压Vmax(例如，图4中，相当于第1次施加电压时在点B的施加电压值、第2次施加电压时在点D的施加电压值、第3次施加电压时在点F的施加电压值)，通过使Vmax上升，I-V特性就变化(移动)。而且同时，变化后的I-V特性带来更高的最大发射电流。
图5表示与图4所示I-V曲线对应的F-N(Fowler-Nordheim)曲线图。在图5中的A～G分别与图4的A-G对应。可知与各次驱动的I-V曲线曲折点对应，F-N曲线图上也存在曲折(点B、点D、点F)。由图5可知，估计各次施加电压的电压下降过程的斜率(例如在第1次为线B-C)，随着电压施加次数的增加，斜率向负方向增大。
可由该斜率和1/Va截矩求出电子发射面积α，并且，可以根据斜率求出电场增强系数β。根据该F-N曲线图，在各次电压施加时的电压下降过程中，算出电场增强系数β和电子发射面积α，进行每次升高施加电压的最大值时，随着电压施加次数的增加，就有β减少，α增大的倾向。
这个事实表示如下。即，在同上述曲线2对应的曲线上边，要符合(V，I)的场合，即，使Vmax上升时，之前随着由多条碳纤维构成的膜(碳纤维集合体)保持的电场增强系数β值减少，电子发射面积α值增大。这就意味着通过使Vmax上升，可以扩大输出电流(发射电流Ie)的动态范围。
并且，由多条碳纤维构成的膜内电子发射点，随着Vmax上升，变为电子发射点逐渐增加的趋势。另一方面，固定Vmax而使电压变化时(在第n次以后的驱动时施加从第1次到第n次中施加的最大电压值以下范围内的电压时)，电子发射点的地点本质上不变，只是从电子发射点来的电子发射量随电压的升降而增减。这就意味着，随Vmax上升，选择有助于电子发射的地点，同时其地点增大，在Vmax固定(在第n次以后的驱动时施加从第1次到第n次中施加的最大电压值以下范围的电压)时，意味着保留电子发射点。即，提高Vmax可认为意味着，伴随着电子发射点的破坏而相伴生成新的电子发射点。
如以上详细叙述，根据该实验1，通过将Vmax设定为适当值进行控制，找出可得到要求的I-V曲线，达成本发明。
以下具体地说明本发明的实施方案例。在实施方案1和2中，表示利用在上述的实验1中所示的碳纤维集合体特有的特性(与Vmax的依赖关系)的电子发射元件的驱动方法。还有，实施方案1表示2端构造的电子发射元件的驱动方法，实施方案2表示3端构造的电子发射元件的驱动方法。而且，实施方案3表示利用上述的Vmax的依赖特性，在具有多个电子发射元件的电子源和图象显示器中减少该多个电子发射元件间的特性差的制造方法。
(实施方案1)
本发明实施方案1的电子发射元件的驱动方法，是如图1、图2中所示的那种方案，作为电子发射元件，也是采用具有阴极(阴极电极)和距离阴极上方仅为H的阳极(阳极电极)的2端构造的电子发射元件。
即，本实施方案的电子发射元件，如图2所示，被构成为在由构成电子发射元件的碳纤维集合体94形成的阴极电极93和配置在与其对向的位置的对向电极(阳极电极)95之间，可用电压源91施加规定的电压Va。而且，本实施方案的电子发射元件的驱动方法是，将要开始驱动时以前(典型点说在制造时)，施加在阴极电极93与对向电极95之间的最大电压，即采用在阴极电极93与对向电极95之间施加小于碳纤维集合体94经验的最大施加电压Vmax的驱动电压V(用于驱动电子发射元件的电压)的办法进行电子发射元件的驱动。
如果换句话说本发明第1实施方案的驱动方法，就是在制造时，把电压高于驱动时加到阴极93与阳极电极95之间的电压，至少1次加到配置在阴极电极93和位于该阴极电极93上方仅距离H的位置上的导电体之间。进而，换句话说，在制造时，把电场强度高于驱动时加到阴极电极93与阳极电极95之间的电场强度，至少1次加到配置在阴极电极93和位于该阴极电极93上方的导电体之间。进而，换句话说，通过制造时给配置在阴极93上方的导电体施加电压(形成和驱动时的电场大体相似的电场)，从碳纤维集合体94至少产生一次比驱动时在阴极93与阳极电极95之间发生的发射电流高的发射电流。
而且，该驱动方法也可以应用于多个矩阵状配置上述电子发射元件的电子源的驱动方法。此时，对每个电子发射元件，要设定驱动电压V与Vmax满足上述的关系。
并且，除图2所示的阴极电极93和对向电极95外，有时也设置控制电极，用于控制从多个碳纤维集合体94向对向电极95的电子发射量(参照图26)。这时，包括后述的实施方案2中说明的3端构造电子发射元件。但是，在实施方案1所说明的例子中，由对向电极95与阴极电极93之间的电压发生的电场强度为了从碳纤维引出电子，所以设定为必要的电场强度以上。因此，控制电极承担削弱对向电极95与阴极电极93之间电压发生电场强度的作用。而且控制电极，典型点说，应该承担阻止碳纤维发射电子的作用。即使这样的元件，通过把驱动时的驱动电压V设定为所述的Vmax以下范围，可得到再现性高的电子发射。
(实施方案2)
利用图6和图7说明本实施方案的电子发射元件。本实施方案的电子发射元件是所谓3端构造的电子发射元件。还有，图7是表示驱动本实施方案电子发射元件时的样子的剖面典型图，图6是用于说明部分阴极电极13和控制电极12的平面典型图(图6(a))，和图6(a)的A-A’间的剖面典型图(图6(b))。
控制电极12和阴极电极13都在基板11上边设置间隔进行配置。而且，配置在阴极电极13上边的碳纤维集合体14的顶端(用标号64标记)位于比控制电极12要更接近阳极电极62(参照图7)。
在该例中，从碳纤维集合体14来的电子发射是通过给控制电极12和阴极电极之间施加电压开始执行型的电子发射元件。即，阳极电极的电位实质上是不利于碳纤维集合体14来的电子发射自身这种类型的电子发射元件的例子。因此，本实施方案中，控制电极12相当于本发明的对向电极。
在图6(a)、(b)中，表示标号11是绝缘性基板(阴极基板)，标号12是控制电极(引出电极)，标号13是阴极电极(阴极)，标号14是碳纤维集合体。
图7是用于说明驱动本实施方案的电子发射元件时，从碳纤维集合体14发射的电子射向阳极(阳极电极)62的样子典型图。
在图7所示的例子中，设阴极电极13与控制电极12的间隔d例如为几μm～几十μm，同时配置在用真空排气装置65充分排气达到约10-4Pa的真空设备60内，在真空设备60内，在距绝缘性基板11为1～9mm的高度H的位置设置具有阳极62的基板61，用高电压电源(第2电压施加装置)给阳极62施加1～10千伏的高电压Va。
而且，至于本实施方案电子发射元件的驱动，在给阳极62施加电压Va的状态下，在阴极电极13与控制电极12之间，用图未示出的电源(第1电压施加装置)施加由约几十V形成的脉冲电压作为驱动电压Vf。其结果，以阴极电极13与控制电极12之间形成的电场为主要原因，从碳纤维集合体14发射出电子，发射的电子到达阳极62。而且，本实施方案电子发射元件的驱动方法也与实施方案1同样，就是通过给阴极电极13与对向电极之间施加驱动时之前加到阴极电极13与对向电极之间的最大电压，即碳纤维集合体14经验的最大施加电压Vmax以下的电压(用于驱动电子发射元件的电压)进行驱动的。
并且，如果换句话说本发明第2实施方案的驱动方法，在驱动前(典型的说制造时)，阴极电极13与控制电极12之间，至少1次施加电压高于驱动时施加于阴极电极13与控制电极12之间的电压。进而，换句话说，在驱动前(典型的说制造时)，在阴极13与控制电极12之间，至少1次施加电场强度高于驱动时施加于阴极13与阳极电极62之间的电场强度。并且进而，换句话说，在驱动前(典型的说制造时)，通过给阴极13与控制电极12之间施加电压(形成和驱动时的电场大体相似的电场)，至少1次发生比驱动时在阴极13与阳极电极62之间发生的发射电流高的发射电流。
还有，为了从碳纤维集合体14发射电子，在必要的电场强度低的场合等，不仅有上述控制电极12与阴极电极13之间形成的电场作用，而且往往也增加阳极电极62与阴极电极13(以及控制电极)之间形成的电场作用来实行电子发射。因此，在这种场合，更详细地说，把阳极电极62和控制电极12看成一个电极，这就相当于本发明的对向电极。
但是，典型地说，只有实质上承担从碳纤维集合体14引出电子作用的电极(除阴极外的电极)，就不妨认为此电极是上述的对向电极。
另外，在本实施方案2的电子发射元件的驱动时，如把电极12和13间流动的元件电流表示为If，从碳纤维集合体14发射到达阳极的发射电流表示为Ie的话，就成为If＜＜Ie。
在本实施方案2的电子发射元件的驱动时，如图7的虚线所示的那样，会在电子发射元件周围形成等电位线63。而且，电场最集中的点，对于碳纤维集合体14，可以认为是最靠近阳极62，而且，最靠近阴极电极13与控制电极12的间隙处的点64。而且，在认为该电场最集中的点64附近，可以认为是发射电子的主要部分。另外，用图2说过的实施方案1的电子发射元件时，电场最集中的点，可以认为是与碳纤维集合体14的阳极电极95对向的表面或碳纤维集合体14的外周部分。
图8是表示本实施方案2的电子发射元件的Vf-Ie特性曲线图。另外，在图8中的Vth是给阴极电极13与阳极62之间施加电压Va的状态下，使阴极电极13与控制电极12之间施加的电压徐徐上升之际，开始观测发射电流Ie的电压。另外，表示实施方案1的电子发射元件的Vf-Ie特性曲线也成为与图8同样。但是，实施方案1的场合，上述Vth相当于使阴极电极93与阳极电极95之间施加的电压徐徐上升之际，开始观测发射电流Ie的电压。
图9是把作为图8曲线纵轴的Ie取对数标记(log(Ie))时，表示在Vf＞Vth区域的Vf-Ie特性曲线。于是，关于实施方案1的电子发射元件也表示与图9同样的特性。
这里，众所周知，关于从金属顶端向真空发射电场，其发射电流密度是，把由泊松方程式导出的发射极顶端部电场和发射极部分的功函数作为参数按照称为Fowler-Nordheim公式的关系式。根据该Fowler-Nordheim公式，导出log(Ie/Vf2)与1/Vf在线性下的关系，根据其直线的斜率得到电场强度因数等。
由此，在设定log(Ie/Vf2)为纵轴并设定1/Vf为横轴的曲线上，把实际的电子发射特性绘成曲线(叫做F-N曲线图)时，通过判断其所得的曲线是否遵从线性关系，就能够判断电流与电压的关系是否依赖于发射电场。
但是，如本发明这样，在电子发射元件的电子发射部分是碳纤维集合体的情况下，根据施加电压Vf的上限值，存在不一定遵从一条线性关系(上述F-N曲线图的曲线上呈现的线斜率不是一定)。
图10是关于上述图9中所示本实施方案的碳纤维集合体的电子发射特性表示log(Ie/Vf2)与1/Vf的曲线图。如图10所示，在随着发射电流的电压范围Vf＞Vth内，根据log(Ie/Vf2)对1/Vf的动作，可以分成以下二个区域。
也就是，
1.低电压区：大体线性工作区
2.高电压区：与低电压区的变化量绝对值比较，在小绝对值变化量的工作区。
在这里，在上述的二个区域，有图11所示的以下特征。图11是表示对低电压区和高电压区施加驱动电压时的发射电流Ie随时间变化的图。
即，在低电压区的电子发射元件的固定电压驱动方面，在约数十小时的驱动中，以1％以下的发射电流恶化，从而电子发射特性大体不变，且再现性高。
但是，在高电压区的电子发射元件的固定电压驱动方面，发射电流激剧衰减，在约数十分钟的驱动中，发生减少10％以上的发射电流。
图8、图9和图10所示的电子发射特性表示随施加电压单调增加而得到的曲线。
并且，为详细说明电子发射特性的不可逆性，对3种外加电压Vf1、Vf2、Vf3假定Vf2＞Vf1和Vf2＞Vf3，使电压和电流按(Vf1，Ie1)、(Vf2，Ie2)、(Vf3，Ie3)的顺序增减时，对Vf与log(Ie)的关系绘成难画的曲线，就是与上述的图1同样。
并且，变更图1中的数据绘图，对1/Vf与log(Ie/Vf2)的关系(I-V特性)绘成难画的曲线，就变成图12。
例如，对于以电压Vf1和电流Ie1驱动的电子发射元件，若使其驱动电压上升，则I-V特性曲线中途有曲折。
直到该曲折点的电压为止是初期的低电压区，该区域的I-V特性有再现性。
如超过该电压进入初期的高电压区，若照旧使驱动电压上升，则呈现图中所示那样的稍稍上升的I-V特性。
这里，在电压Vf2、电流Ie2的点P2，电压停止上升。其次，用低于电压Vf2的电压值驱动电子发射元件时，其I-V特性不是成为经过从点P1～点P2为止的弯曲点的曲线，而是变成从点P3～点P2为止的曲线所示的I-V特性。从该点P3～点P2为止表示的I-V特性，在施加电压不超过电压Vf2的限度内有再现性。
然后，如果进一步使施加电压上升超过电压Vf2，就表示出了把P2作为弯曲点的I-V特性。
这样，具有碳纤维集合体的电子发射元件，在历史上的最大施加电压变大时，I-V特性发生变化。然而，在不超过最大施加电压的限度内，其I-V特性实质上不变。
把以上归纳起来说，分隔初期的低电压区和高电压区的阈值电压，随着施加电压上升而移动，假定过去经验的最大施加电压为Vf2，就是以点P2为边界，发生Vf2驱动后的低电压区和高电压区。
即，为了更新过去的最大施加电压，在重复施加电压的上升和下降的程度方面，使电子发射特性变化，不仅电子发射阈值，而且分成低电压区、高电压区的特性曲折应该不可逆地变化。因此，不分过去施加电压履历的场合，到弯曲点出现之前，使施加电压徐徐上升，而后，由不超过最大施加电压的范围内选择驱动电压，驱动电子发射元件是理想的。
这样，在本发明使用碳纤维的电子发射元件方面，关于其特性有如下特征。即，如果一次经验高电压区的电压的话，就已经不可能还使用原来的低电压区，然而新变更后的低电压区，扩大了电流范围，达到了与高电压区经验的电压值对应的电流值。
就是，用图1和图12说明的话，从电压Vf1起进入高电压区，在经验电压Vf2以后，获得的低电压区的上限为Vf2，与该区域的上限对应的电流值为Ie2。
一旦经验Vf2的驱动，如图1所示，就决定了新的低电压区。在这里，Vf2驱动经验后的低电压区上限为Vf2，扩大了低电压区的电流范围，直到与其对应的电流Ie2。
实际上，将电子发射元件使用于各种用途的场合，通过驱动时的施加电压应该可以再现性良好地控制发射电流。因此，有再现性，在log(Ie/Vf2)与1/Vf的曲线图(F-N曲线图)上找出时，在大体有线性关系的低电压区进行驱动是所希望的。所以，在低电压区可输出的电流范围是电子发射元件的动态范围。
这一说法，表示通过施加Vf2，与初期比较，能够扩大电子发射元件的动态范围。
即，在低电压区内的驱动方面，虽然电子发射特性的不可逆变化实质上，或者，几乎可忽略，但是在上述高电压区的驱动方面，可以认为碳纤维集合体的局部上的形状或/和电子发射特性发生不可忽视程度的不可逆变化。
因为这一特性，象显示等实用方面进行驱动时的那样，长时间驱动电子发射元件时，在高电压区驱动电子发射元件的话，因发射电流退化，是不理想的。
所以，为了维持稳定地发射电流，如上述那样，在小于最大施加电压Vmax的低电压区进行驱动是理想的。
并且，如果，在显示等实用方面驱动之际，作为目标的驱动电流值，有时在低电压区的上限以上，与上述本发明的驱动方法相反，理想的是一度施加获得作为目标的驱动电流值的高电压区内电压以上的电压。即，设法施加电压(Vmax)高于履历上的最大施加电压，使电子发射元件的动态范围扩大以后，以小于上述Vmax的驱动电压驱动电子发射元件。
通过做到这些，与新得到低电压区对应的电流范围，可扩大到作为目标的驱动电流以上的区域。因此，能够在更长时间稳定地驱动状态可能实现的低电压区，可用作为目标的驱动电流驱动电子发射元件。
后述的本发明实施方案3是，利用能够移动碳纤维集合体的电子发射特性，减少多个电子发射元件间的电子发射特性差别，其结果，提供均匀性高的电子源。
这里，以下说明用于本发明的电子发射元件制造方法的一个例子。还有，在这里，说明上述实施方案2中说过的，如图6所示那样的横向型电子发射元件的例子。但是，本发明也可用于图26所示的这种所谓纵向型电子发射元件。另外，与纵向型电子发射元件相比，横向型电子发射元件方面制造简易，同时驱动时的电容分量少，所以能够高速驱动，因而是理想的方式。
并且，所谓「横向型电子发射元件」是指，形成与基板表面实质上平行方向电场，用该电场从碳纤维集合体引出电子方式的电子发射元件。所谓「纵向型电子发射元件」是指，形成对基板表面实质上垂直方向电场，用该电场从碳纤维集合体引出电子方式的电子发射元件。所谓旋转型电子发射元件包括在纵向型电子发射元件内。
并且，对图26所示的纵向型电子发射元件来说，是包括阴极电极113和控制电极112的(称为包括阳极电极116的三极管(3端)构造)元件，然而碳纤维集合体115可在低电场强度下发射电子，因而即使省去图26中的控制电极112和绝缘层114的构造的纵向型电子发射元件(参照图2)中也能应用本发明。即，在由基板111上边配置的阴极电极113和其上配置的碳纤维集合体115构成电子发射元件(包括阳极电极116时称为二极管(2端)构造)中也能应用本发明。
并且，关于上述三极管构造，正如图26所示，控制电极112有时也起所谓栅极(用于从碳纤维集合体115引出电子的电极)作用，而碳纤维集合体115可在低电场强度下发射电子，因而从碳纤维集合体115引出电子使用阳极电极116进行，也有时使用控制电极112，以便进行调制碳纤维集合体的电子发射量和停止电子发射或发射的电子束会聚等的整形。这种场合，阳极电极116就是对向电极。
下面的例子终归只是一例，本发明的制造方法不限于下面的例子。并且，下面的例子里，举出图6和7中所示3端构造的电子发射元件的制造例。
(工序1)首先，就绝缘性基板11来说，准备由石英玻璃、PD200玻璃、减少Na等杂质含量并部分置换成K等的玻璃、蓝板玻璃、硅基板等上层叠SiO2的叠层体、或氧化铝等的陶瓷中选择的基板，充分清洗其表面。
(工序2)用蒸镀法、溅射法等一般的成膜技术、和光刻法等一般的图案形成技术，在绝缘基板11上边形成控制电极12和阴极电极(控制电极)13。控制电极12和阴极电极13的材料，例如，从金属、金属氮化物、金属碳化物、金属硼化物、半导体、半导体金属化合物中适当选择。就控制电极12和阴极电极13的厚度来说，设定在要求的电阻值范围内就行，例如设定在10nm～100μm范围。
特别是，后述的使用催化剂，用CVD法生长碳纤维的场合，为了稳定地进行碳纤维的生长，在阴极电极13与碳纤维之间，配置金属氮化物膜是理想的。作为金属氮化物，例如使用TiN是理想的。
(工序3)在阴极电极13上边配置碳纤维集合体14。作为碳纤维，最好使用石墨纳米纤维。就石墨纳米纤维来说，可使用片晶形、鱼刺形等，或它们混合的形式。
通过以上的工序，就可以形成具有碳纤维集合体的电子发射元件。而且，在实际驱动时，通过在上述的Vmax以下的电压范围进行驱动，可得到再现性高的电子发射特性。
因此，就能用于本发明的碳纤维来说，除石墨纳米纤维外，还可以使用碳纳米管、碳纳米管尖端封闭的碳纳米锥、以及非晶碳纤维等。基本上，可用于本发明的碳纤维是导电性的。并且，这些碳纤维最好都是其直径为纳米数量级(1nm以上而且不足1000nm，最好在5nm以上100nm以下)。
图24和图25中表示上述碳纤维形态的一个例子。各个图中，典型地表示(a)是用光学显微镜级(～1000倍)看到的形态，(b)是(a)的81或91部分的放大图，用扫描电子显微镜(SEM)级(～3万倍)看到的形态，(c)是(b)的部分放大图[图8(c)是(b)的82部分的放大图，图9(c-1)、(c-2)分别是(b)的92、93部分的放大图]，用透射电子显微镜(TEM)级(～100万倍)看到的碳形态。图中83、94是石墨片(グラフエン)。
如图24那样，所谓石墨片83呈圆筒状形态，称之为「碳纳米管」。换句话说，把象包围碳纤维的轴方向似的(圆筒状)配置石墨片的碳纤维叫做「碳纳米管」。或者，并且可以说是，石墨片(许多石墨片)对碳纤维轴实质上平行配置的碳纤维。由多重构造的许多圆筒构成的碳纤维叫做「多壁纳米管」，由一个圆筒构成的碳纤维叫做「单壁纳米管」。特别是，管的尖端开放的构造时，电子发射所需的阈值电场降到最低。
如图25那样，由叠层后的石墨片94构成的碳纤维叫做「石墨纳米纤维」。更具体点说，石墨纳米纤维是指，在其长度方向(纤维轴方向)叠层石墨片的碳纤维。换句话说，如图25所示，就是相对碳纤维的轴非平行配置许多石墨片而构成的碳纤维。典型地说，在鱼刺形中，碳纤维轴与石墨片平面的交角在30度到90度范围内。并且，石墨片是平面状的，在其c轴在碳纤维轴方向的场合(典型点说，碳纤维轴与石墨片平面交角为90度的场合)，叫做片晶形。并且，石墨片成V字形曲折，把其V字形石墨片在碳纤维轴方向叠层后(参照图25c-2)叫做鱼刺形。并且，将圆锥状(但至少没有相当于底面部分的圆锥状)的石墨片包括在一种在碳纤维轴方向叠层的鱼刺形里。进而，上述圆锥状石墨片没有端部(或底面或端部没有)的石墨片沿碳纤维轴方向叠层(参照图25c-1)的也包括在鱼刺形的一种里。
还有，把一片石墨叫做「石墨片」或「石墨薄片」。具体点说，石墨是将碳原子通过sp2混合能以共价键全面铺砌正六角形的方式配置的碳平面叠层起来的(理想的是保持3.354的距离进行叠层)。把这样一片一片的碳平面叫做「石墨片」或「石墨薄片」。
上述石墨纳米纤维，通过Vmax控制的电子发射特性的控制性与碳纳米管比较是容易的。因为，对于排列多个使用碳纤维集合体的电子发射元件的多电子源，容易调整各个电子发射元件间的电子发射特性。所以，在图象显示器和电子源方面，作为碳纤维集合体，或只由石墨纳米纤维构成，或者使用含有石墨纳米纤维作为主体的碳纤维集合体是更理想的。
就在阴极电极13上边配置碳纤维集合体14的方法来说，可以使用公知的制造方法。例如，把预先形成含有碳纤维的糊剂或预先形成的碳纤维分散液涂布在阴极电极上边以后，通过除去不要的成分，就可以在阴极电极13上边配置碳纤维集合体14。或者，在阴极电极13上边配置催化剂(最好是催化剂粒子)，在含碳气体的气氛中，通过进行CVD法，可在阴极电极13上边生长许多碳纤维。
对构成用于生长碳纤维的上述催化剂的材料而言，可以使用Fe、Co、Ni、Pd、或其合金等，尤其从电子发射特性的观点来看，使用Pd和Co的合金作为催化剂是理想的。
特别是，Pd和Ni可在低温(400℃以上的温度)生长石墨纳米纤维。因为使用Fe和Co的碳纳米管生长温度需要800℃以上，使用Pd和Ni制作石墨纳米纤维材料，因为可在低温进行，从给其它部件的影响、以及制造成本的角度来看也是理想的。
进而，Pd可由其氧化物用氢在低温(室温)下利用还原特性得到，可使用氧化钯作为核形成材料。
如对氧化钯进行氢还原处理，作为一般的核形成方法即使不用以往使用的金属薄膜热凝聚、超微粒子生成和蒸镀，也能在比较低的温度(200℃以下)形成初期凝聚核。
对上述含碳气体而言，也可以使用例如乙烯、甲烷、丙烷、丙烯等碳化氢气体、一氧化碳、二氧化碳气体或乙醇和丙酮等的有机溶剂蒸气。
通过以上的工序，能够形成具有碳纤维集合体的电子发射元件。
按照上述施加Vmax的电子发射特性的变动和再现性，石墨纳米纤维比碳纳米管方面更明显。图13中表示其样子。图13是把碳纳米管(CNT)和石墨纳米纤维(GNF)用于电子发射部件的电子发射元件的1/Vf-log(Ie/Vf2)的特性比较曲线。
在石墨纳米纤维上，施加Vf＝Vf2以后得到的低电压区，与初期的低电压区比较，可知电子发射特性显著移动。另一方面，关于碳纳米管，虽然与石墨纳米纤维比较电子发射特性自身的移动量少，但是也进行了特性移动自身。
(实施方案3)
接着，作为本发明的实施方案3，对排列多个具有各种上述碳纤维集合体的电子发射元件的电子源驱动方法和减少各电子发射元件的电子发射特性差别的制造方法(特性调整工序)进行说明。
图14是一例将用上述方法制成的电子发射元件多个矩阵状配置的电子源。图15典型地表示图14中的A-A’间剖面。至于本发明电子发射元件的排列形状，并不限于图14的形状。
图14的例中，列方向布线161连接到元件的控制电极165(图6、7中的标号12表示的部件)。行方向布线162与元件的阴极163电连接起来。碳纤维集合体164则与元件的阴极电极163电连接起来。由图15可知，这些都形成在基板171上边。而且，构成是，在该图14所示的多电子源上面，对介以隔板与阳极电极对置的阴极电极的电位施加正电压Va(参照图7)。
图16是用于说明驱动本实施方案的电子源时施加电压样子的典型剖面图。
如图16所示，可通过在该电子源上，选择要求的列方向布线和要求的行方向布线，施加电压，有选择地驱动要求的电子发射元件。例如，给选定的列方向布线施加Vx＝V1的电压，给非选择的列方向布线施加Vx＝V2的电压。而且同时，通过给选定的行方向布线施加Vy＝V3的电压，对连接到选定的行方向布线和选定的列方向布线的电子发射元件而言，施加了Vf＝V1-V3的驱动电压。并且，对连接到非选择的列方向布线和选定的行方向布线的电子发射元件而言，施加了Vf＝V2-V3的驱动电压。采用把该V1、V2、V3的大小设为适当大小，就能够实现只驱动要求的电子发射元件(发射电子)，而不驱动其它电子发射元件(不发射电子)的状态。采用这种方法，可以个别调整各电子发射元件的电子发射特性。而且，在上述方法中，通过数学转换选择的行方向布线，可实现所谓线顺序驱动。另外，在线顺序驱动中，采用同时选择多条行方向布线的办法，也能同时驱动多行。
并且，如本发明那样，在通过排列多个使用碳纤维集合体作为电子发射部件的电子发射元件而形成的电子源中，各个电子发射元件的电子发射特性不一定是均匀的。例如，即使各电子发射元件的控制电极161与阴极电极163之间施加相同驱动电压Vf时，从各电子发射元件发射的电流(从各电子发射元件到达阳极电极的发射电流Ie)也不一定同步。这或者是因为各电子发射元件的碳纤维集合体形状不同，或者是因为阴极电极与控制电极的间隔有误差。
图17是比较3个电子发射元件(电子发射元件A、电子发射元件B、电子发射元件C)的各自1/Vf-log(Ie/Vf2)特性的曲线。例如，在元件A、元件B、元件C，各自的初期特性如图17中所示的F-N曲线图所示假如不同，按元件A、元件B、元件C，F-N曲线的斜率绝对值大，电子发射阈值就小。
如上述那样，对使用碳纤维集合体作为电子发射体的电子发射元件而言，存在Vmax依赖关系。因此，例如，对从表示如图17所示那样的电子发射特性的电子发射元件中选定的电子发射元件，通过给该选定的电子发射元件施加电压高于过去给该选定的电子发射元件施加的最大电压，就能够使图17中所示的该选定电子发射元件的电子发射特性向左移动。
这就表示可将元件A的电子发射特性转移到元件C的电子发射特性。所以，通过使用本办法，在构成电子源的各电子发射元件间不能允许电子发射特性差别存在的场合，能够把各电子发射元件的电子发射特性纳入规定的范围内(减少电子发射特性差别)。具体点说，在图17中，可以把元件C作为基准，设法使其它元件的I-V特性靠近元件C的I-V特性。
接着，说明减少各电子发射元件的电子发射特性的方法(特性调整工序)。以下，说明用3个电子发射元件(电子发射元件A、电子发射元件B、电子发射元件C)构成电子源时，减少各电子发射元件电子发射特性差别的方法。更具体点说，说明使元件A和元件B的电子发射特性同元件C的电子发射特性匹配的一例方法。图18是为说明减少不同电子发射元件的电子发射特性差别的方法，对1/Vf-log(Ie/Vf2)特性进行比较的曲线。还有，这里说明例中，为了简化说明，说明电子源由3个电子发射元件组成的场合，但是当然不是限定构成电子源的电子发射元件数。
在减少各电子发射元件的电子发射特性差别的方法(特性调整工序)方面，理想的是包括以下示出的第1工序、第2工序、和第3工序。但是，尤其不分开下述的第1工序和第2工序也行。
首先，对第1工序而言，为了调查元件A和元件B分别对元件C具有怎样的初期特性，进行测定各元件特性的工序。在特性测定工序，分别对电子发射元件施加特性测定电压。例如，采用分别给电子发射元件，施加电压从Vf＝0升高到Vf＝Vf1的办法，可以知道Vf＝0到Vf＝Vf1范围内的各电子发射元件特性。
其次，对第2工序而言，为了减少各元件的上述低电压区的特性差，选择作为基准的元件。作为基准元件的选定，例如，在构成目标的多个电子发射元件中，要选择为观测电子发射开始所需要的电压(阈值电压)最高的电子发射元件就行。在图18所示的3个电子发射元件中，作为表示最高阈值电压的电子发射元件，选择元件C。并且，作为基准元件的选定，例如，通过选择在Vf＝Vf1的发射电流，或者，在Vf＝Vf1的log(Ie/Vf2)的值表示合理小的值的元件也可以进行。通过本方法，也可以在图18所示的3个电子发射元件中，选择元件C。而且，根据选定的基准元件特性，求出电子发射特性的基准值。将该工序叫做基准值选择工序。
接着，对第3工序而言，对其它元件(元件A和元件B)施加特性移动电压，以便变成按上述第2工序中选定的基准元件(元件C)排序的特性。把该工序叫做特性移动工序。
上述特性移动电压的最大值就是所说的元件A和元件B的最大施加电压Vmax。即，首先使给元件A的施加电压逐渐上升。如果，在某电压以上，F-N曲线斜率的绝对值急剧减小，元件A进入高电压区。进入高电压区以后，每次稍许上升施加电压，但每次上升电压降低一次电压，一边调查在新形成低电压区的电子发射特性，一边逐渐上升Vmax直到达到按基准元件(元件C)为标准的特性为止。
本方法是为了从最初开始不知道应将加到元件A上的Vmax值设定为多少来实行，使其达到按元件C的特性为标准的特性的例子。本方法中，在使加到元件A上的施加电压片刻上升的时候，调查在低电压区的元件A的电子发射特性。这样一来，通过使元件A的Vmax上升到Vf＝Vf3(参照图18)，元件A的特性就变成以元件C的特性为标准的特性。对于元件B也用同样的方法，对元件B的Vmax而言，通过使之上升到Vf＝Vf2(参照图18)，变成以元件C的特性为标准的特性。
这样通过利用上述特性移动工序，可使施加规定电压时发射电子量相对地少的电子发射元件(元件C)的I-V特性，接近上述电子量相对地多的其它电子发射元件(元件A、元件B)的I-V特性。而且，在特性移动工序以后，通过给各电子发射元件(阴极电极与对向电极之间)施加小于上述特性移动工序中使用过的最大施加电压Vmax的驱动电压V，驱动各电子发射元件。因此，高再现性地从各电子发射元件发射要求量的电子，而且使用这种电子源的图象显示器，能够获得均匀性高的良好图象。
上述方法中，表示按电子发射元件C的初期特性调整其它电子发射元件A、B的特性的方法。然而，在上述特性测定工序测定的元件C在低电压区的特性，有时不能满足要求的发射电流量。这种场合，如下面所述，对元件C也包括在内全部的电子发射元件施加特性移动电压，升高所有元件的Vmax是所希望的。具体点说，首先，与上述的方法同样，从多个电子发射元件中选择表示最高阈值电压的电子发射元件(作为基准的电子发射元件)。通过给选定的电子发射元件(元件C)施加相当于Vmax的电压(高电压区的电压)，移动选定的电子发射元件(元件C)的特性(扩大低电压区)。把该工序叫做基准元件电压调整工序。而且这样，扩大元件C的动态范围以后，把元件C作为基准元件。而且，设定特性移动后的元件C的电子发射特性为基准值，与上述方法同样进行，把其它电子发射元件(元件A、元件B)的特性移动到按元件C的特性为标准的特性。这里说明的例中，为简化说明，虽然说明电子源由3个电子发射元件构成的情况，但是当然不是限定构成电子源的电子发射元件数目。
为了说明上述方法利用图19进行说明。首先，使加到选定的元件(元件C)上的电压Vf上升，直到对应于要求的发射电流量达到纵轴的值。即，使给元件C施加电压从Vf＝0V上升到Vf＝Vf1’，升高选定的元件(元件C)的Vmax。其结果，选定的元件(元件C)的Vmax变成了Vf1’。这样使元件C的特性移动以后，与上述的方法同样进行，让加到元件A和元件B上的电压上升，使元件A和元件B各自的电子发射特性按元件C的低电压区电子发射特性为标准。在该工序，决定除元件C以外的各元件上施加的最大施加电压Vmax，即，在图19中，元件A的Vmax变成Vf＝Vf3’、元件B的Vmax变成Vf＝Vf2’。通过对由多个电子发射元件构成的电子源应用以上方法，在初期状态，即使满足要求电子发射特性的电子发射元件一个也不存在的场合，也能实现构成电子源的各元件发射要求的电流，同时各元件间的电子发射特性差别少的状态。
因此，从各电子发射元件高再现性发射要求量的电子，因而使用这种电子源的图象显示器，能够获得均匀性高的良好图象。
通过采用上述的特性调整工序，由于随着驱动电子源的随时间恶化，在各电子发射元件的电子发射特性上造成差别的场合，为了减少其差别也能使用。
图20是用于说明在上述这样的随着电子源的驱动而来的各电子发射元件特性变化(恶化)的场合，使各电子发射元件间的特性同步工序的曲线图。图20中，与图19同样是以log(Ie/Vf2)为纵轴，以1/Vf为横轴的曲线。这里说明的例中，为简化说明，虽然说明电子源由3个电子发射元件构成的情况，但是当然不是限定构成电子源的电子发射元件数目。
如图20所示，各电子发射元件由于随时间恶化等，在某个元件(这时相当于元件C)不能得到需要的发射电流时，例如，一面测定元件A、元件B、元件C各自的特性，一面最终给元件A、元件B、元件C各自施加Vf1”、Vf2”、Vf3”。该Vf1”、Vf2”、Vf3”变成了比各个元件受到这些电压施加之前经验的那种施加电压还要高的电压。而且通过把这些电压加到各自的电子发射元件上，就能够减少各电子发射元件间的电子发射特性差。其结果，能够再次提高均匀性，成为电子发射特性再现性高的电子源。并且，上述驱动中发生电子发射特性差的场合，减少特性差的方法，也可以以预先设定的定时进行，并且也可以定期地测定特性差，仅仅在各电子发射元件的特性差扩大到规定范围外的场合才进行。进而对于进行减少上述特性差的次数也没有限制。
至于减少上述多个电子发射元件间的电子发射特性差的方法，采用测定从碳纤维集合体向对向电极(例如阳极电极)发射的发射电流与此时的驱动电压的关系的办法，可以测定各元件的电子发射特性。作为测定各元件电子发射特性的其它办法，通过测定预先向阳极电极发射电流与流入阴极电极的电流之比，根据流入碳纤维集合体的元件电流与此时在阴极电极与对向电极之间所加驱动电压的关系，可以知道各电子发射元件的电子发射特性。
并且，也可以在阳极电极表面配置荧光体等的发光体膜，利用从碳纤维集合体发射电子冲击发光体时发生的发光。即，通过预先测定从元件发射的电流与发光强度的关系，根据发光强度与驱动电压的关系，就可以知道各电子发射元件的电子发射特性。
并且，在上述实施方案3的特性调整工序中，也可以用一个电极构成多个电子发射元件的对向电极。即，在排列多个实施方案1或2中所示的电子发射元件的场合，阳极电极(图2中用标号95表示，图7中用标号62表示)成了一个连续的电极。因此，各个电子发射元件的对向电极也可由单一电极构成，并且也可以由个别的电极构成。并且，对向电极即使是每个电子发射元件独立的电极，上述特性调整工序也能在多个电子发射元件间同时进行。当然，即使多个电子发射元件的对向电极由一个连续的电极构成的场合，上述特性调整工序也可以在多个电子发射元件间同时进行。如能对多个电子发射元件同时进行上述特性调整工序，制造工序中需要的时间也会缩短因而是理想的。
在上述的本发明实施方案1和2中，对电子发射元件驱动时，是以规定加到阴极电极与对向电极之间的电压不超过电子发射元件制造时加到阴极电极与对向电极之间的最大电压(Vmax)值为特征。但是，该驱动方法把驱动时的阴极电极与对向电极之间的相对位置和制造时的阴极电极与对向电极的相对位置不变作为前提。当然这样，制造时和驱动时的阴极电极与对向电极的相对位置不变是最理想的，然而另一方面，在制造时和驱动时，也可能积极地改变阴极电极与对向电极的相对位置。
这种场合，并不是仅以上述电压决定各电子发射元件的电子发射特性(与上述Vmax依赖关系)。为此，可以把上述的电压转换成驱动前(典型点说在制造时)的最大施加电场强度Emax和驱动时的施加电场强度。当然，在制造时和驱动时的阴极电极与对向电极的相对位置不变化的场合，可以照旧把Vmax转换为Emax。
例如，象实施方案1那样，在2端构造的电子发射元件的场合，驱动时使用的阳极电极(对向电极)95被配置在与形成阴极电极93的基板92不同的基板96上。在这种场合，也可以在与驱动时用的阳极电极95不同的电极与阴极电极之间进行施加制造时施加的最大电压(Vmax)。即，例如，在具有碳纤维集合体94的阴极电极93的上方配置能控制电位的金属板，也可以给阴极电极93与上述金属板之间施加电压(Vmax)。这时，例如，在驱动时，加到阴极电极93与阳极电极95之间的最大电场强度只要使其低于制造时加到阴极电极93与金属板之间的电场强度(Emax)就可以。这一构思也适用于实施方案2所示的3端构造电子发射元件。
但是，用这种Emax规定的场合，希望的是随驱动前(典型点说制造时)的施加电压(施加电场)而发生的电场(支配电子发射的电场)同随驱动时的施加电压(施加电场)而发生的电场为有效相似的关系。换句话说，关于碳纤维集合体的，随驱动前(典型点说制造时)的施加电压而发射电子的区域和随驱动时的施加电压而发射电子的区域方面，希望没有大幅度地移动位置。不是这样的话，上述实施方案1和2中所示的电子发射特性再现性和实施方案3中所示的特性调整工序的效果，往往在驱动时发现消失了。
并且，上述的Emax也可以由Imax来置换。即，可以把上述的电场强度转换为驱动前(典型点说制造时)的最大发射电流(Imax)和驱动时的发射电流。但是，上述最大发射电流，在2端构造电子发射元件的场合，也可以转换为单纯流入对向电极的电流。另一方面，3端构造的场合，也可以转换为流入阴极电极的电流。当然，在制造时和驱动时的阴极电极与对向电极的相对位置不变的场合，可以照旧把Vmax转换为Imax。并且，象有关Emax说过的那样，由于使用金属板，也可积极地导致制造时和驱动时的阴极电极与对向电极的相对位置变化。
[实施例]
以下，详细说明本发明的实施例。
(实施例1)
图21是用于说明本实施例电子发射元件的制造工序的典型剖面图。
(工序1)
将作为石英基板的基板11进行充分清洗以后，分别用溅射法，在基板11上边连续地蒸镀厚度5nm的Ti作为控制电极12，和厚度30nm的多晶硅(掺砷)作为阴极电极13。
其次，在光刻工序，使用正性光刻胶(AZ1500/クラリアント公司制)形成抗蚀剂图案。
接着，以图案形成后的上述光刻胶为掩模，用CF4气体，进行干式蚀刻多晶硅(掺砷)层、Ti层，形成作为由电极间隙5μm构成的对向电极的引出电极12和阴极电极13(图21(a))。
(工序2)
接着，用EB(电子束)蒸镀法，在整个基板上淀积Cr约100nm厚。
在光刻工序，使用正性光刻胶(AZ1500/クラリアント公司制)形成抗蚀剂图案。
接着，以图案形成后的上述光刻胶为掩模，在阴极电极上边形成要被覆电子发射材料的区域(100μm见方)，用硝酸铈系列的蚀刻液除去开口部分的Cr。
剥离抗蚀剂层以后，用溅射法，按一对一的比例形成岛状的作为电子发射材料的碳纤维生长催化剂金属的Pd和Co。
形成后，用硝酸铈系列的蚀刻液除去Cr。
(工序3)
在炉内配置基板11，把炉内的大气排气到10-4Torr后，用氮气稀释到2％的氢气充满至大气压。然后，在上述氢气气流中将基板加热到600℃进行热处理。在这个阶段，元件表面上形成粒子直径约10～30nm的微粒子52。这时的粒子密度估计约为1011～1012个/cm2(图21(c))。
(工序4)
接着，除上述氢气外，导入用氮气稀释后的1％乙烯气体，在该气氛中进行600℃，10分钟加热处理。用扫描电子显微镜观测时，可见在Pd涂布区形成直径30nm～50nm左右，边弯曲边纤维状延伸的许多纤维状碳。这时纤维状碳的厚度约为1μm。
把本元件安置在如图7所示的真空装置60里，借助于真空排气装置65充分排气直到2×10-5Pa。给离开元件H＝2mm的阳极61施加Va＝10kV作为阳极电压。这时元件上施加由驱动电压Vf＝15V产生的脉冲电压，并测定流动的元件电流If和电子发射电流Ie。
元件的If和Ie特性是和图8中所示同样的特性。
即从0V起逐渐增加施加电压Vf时，从Vf＝Vth开始Ie急剧增加。而且，一直增加到Vf＝15V为止，于是维持电压值。这时，测定出电子发射电流Ie约1μA。另一方面，If同Ie的特性类似，但是其值与Ie比较为小一个数量级以上的值。
并且，这时的施加电压虽然是单调增加的，但是截取从0V到最大值15V的电压区的F-N曲线时不过是大体线性的低电压区，在该电压区未测出向大体线性直线的高电压区的曲折。所以，这时的驱动不是在高电压区的电压驱动。并且，可知上述Vf＝15V，此时发射电流Ie＝1μA的F-N曲线上的点位于本电子发射元件的上述驱动的低电压区内。
接着，上述Vf＝15V是Vmax，因而在用低于它的Vf＝14V电压驱动下使本发明的电子发射元件持续工作时，获得稳定的发射电流。并且，判明能够充分长时间地驱动。
并且，用低于Vf＝10V左右的电压驱动元件时，也获得稳定的发射电流。
(实施例2)
按照与实施例1的电子发射元件制造工序相同的工序制作的，使用碳纤维的电子发射元件进行驱动，在驱动初期，从0V到40V单调增加加到引出电极12与阴极电极13间的施加电压以后，使其单调地减少。这时电子发射特性的F-N曲线，在升高电压过程中，直到约30V(这时的电流大约12μA)处于大体线性关系。这时的阳极电压是Va＝10kV。
但是，在施加电压30附近，F-N曲线上的斜率绝对值急剧减少，在施加电压30V以上的升高电压过程中，再次遵从大体线性关系。从该动作，对于本实施例的电子发射元件，可以认为约Vf＝30V是初期的低电压区与高电压区的边界。然后，使施加电压上升到40V，而这时的发射电流大约为16μA。随后，使施加电压减少到35V，而察看这时的电子发射特性时，遵从同升高电压时不同的大体线性关系。到达35V时的发射电流大约为13μA。
因而，在用上述Vf＝35V的电压驱动下使本发明的电子发射元件持续工作时，获得稳定的发射电流。并且，在实际制品方面判明了能经受充分长时间的驱动。
(实施例3)
更详细叙述图3中说过的本实施例电子发射元件的制作方法。
(工序1)
首先，在基板上用离子束溅射法，在阴极基板102表面制作厚度100nm的TiN薄膜101(图3(a))。
(工序2)
其次，用RF溅射法在TiN薄膜101上边，制作促进碳纤维生长的催化剂微粒子103(图3(b))。催化剂微粒子103在阴极基板上边，成膜钯和钴各自含有50atm％的合金。成膜后的膜厚约为20。
(工序3)
接着，把配置了催化剂微粒子103的阴极基板102送入炉内，一边用氢气2％和氦98％的稀释氢气供应炉内，一边在温度550℃下加热处理。其结果，在基板上边形成催化剂微粒子103的集合。催化剂微粒子103的直径在5nm到30nm范围内(图3(b))。
(工序4)
一边用氢气2％和氦98％的稀释氢气以及乙烯2％和氦98％的稀释乙烯气体供应炉内，一边在温度550℃下加热处理阴极基板102的结果，形成了碳纤维。该碳纤维的集合形成薄膜形状，其膜厚约7.5μm，纤维直径在5nm到30nm范围内(图3(c))。
现在，对按照上述工序制作在电极基板上边的膜，如图2那样，把通过隔开间隔对置阳极电极构成的元件取名为元件A。
并且，在上述工序的工序4中，公布550℃温度的加热时间，其它工序都用同一方法通过制成膜，把如图2那样构成的元件取名为元件B，这时，元件B的膜厚约为3μm，纤维直径在5nm到30nm范围内。
把表示该2层膜、驱动元件A和元件B的方式的图表示在图22中。现在，设元件A的驱动电压为Va，元件B的驱动电压为Vb。首先，开始驱动元件B，从驱动电压Vb＝0V开始升压，从阈值电压Vb＝Vthb起发射电流Ieb上升，在Vb＝1.37kV停止升压。在Vb＝1.37kV，得到Ieb＝10μA的发射电流。用图22上的点P3表示该驱动电压的F-N曲线图中的点。在该驱动电压下，处于F-N曲线大体线性区，并进入低电压区。元件B的驱动电压Vb的上升在此停止，降压到Vb＝0V，暂时停止驱动。这时按降压描绘曲线，相对于升压曲线，画出稍微小电流减少的曲线，看作几乎同一曲线范围内。
接着，开始驱动元件A，从Va＝0V开始升压，在Va＝Vtha，发射电流Iea开始上升。这时，是Vtha＜Vthb，初期的驱动阈值电压，相对于元件B，元件A是低的。
升压到Vfa＝0.78kV时，检测Iea＝8μA。把该电压在F-N曲线上的点表示为点P1。该时刻元件A的F-N曲线为大体线性，点P1在低电压区。并且，由包括点P1的低电压区曲线算出的β值比由包括元件B的F-N曲线上点P3的低电压区曲线算出的β值要高9/5倍左右。但是，关于α，由包括元件A点P1的低电压区曲线算出的α值比由包括元件B的点P3的低电压区曲线算出的α值要小1/20倍左右。
接着，逐渐使元件A的驱动电压Va升压时，自Va＝0.9kV以后F-N曲线发生曲折，斜率的绝对值减小了。即，这对于元件A，表示进入高电压区。进而，升压直到Va＝1.8kV时，这时的发射电流为Iea＝2mA。用图22上的点P2表示这时F-N曲线上的点。
接着，逐渐使Va降压时，描绘与升压时不同的曲线，发射电流在下降。该曲线为大体线性，并表示Vmax上升以后进入了新的大体线性区。而且，该曲线通过点P3。在点P3，Va＝1.37kV，Iea＝10μA，与元件B中所得的值大体上一致。并且，根据该降压曲线，算出α和β时，与根据元件B的电子发射特性得到的值大体上一致。
即，本例的场合，采用设定阴极与对向电极间的最大施加电压Vmax(Va)为1.8kV，设定此后的驱动电压为Va＝1.37kV的办法，获得稳定的良好发射电流。
所以，按照本实施方案，通过控制各元件的Vmax，就能够调合使用刚制造后特性不同碳纤维的多个电子发射元件的电子发射特性，可对于各个元件进行稳定的驱动。
并且，在图7所示的这种3端电子发射元件场合，应控制的最大施加电压Vmax和驱动电压V不是引出电极与阴极间的施加电压Vf，而是应用于阴极与阳极间的施加电压Va也可以。进而，Vf、Va在驱动时当然用小于各自履历上最大施加电压Vfmax、Vamax的电压各自进行驱动是理想的。
按照本发明的电子发射元件的驱动方法，在长时间内电流恶化少，能够稳定地维持电子发射，实现了使用碳纤维的电子发射元件的驱动。进而，按照本发明的多电子源的制造方法，能够从总体上长时间地、均匀地维持最佳电子发射特性。
(实施例4)
本实施例形成了使用实施例1中制成的3端型电子发射元件的图象显示器。
本实施例中，如图14所示，通过矩阵状配置多个电子发射元件形成电子源。
然后，给构成电子源的每个电子发射元件施加从0V到测定电压的上升的电压，测定各电子发射元件的电子发射特性。而且，如上述实施方案3所示，把发射电流最小的电子发射元件的电子发射特性作为基准，给各元件施加超过上述测定电压的电压，以便减少该基准与其它电子发射元件的电子发射特性的差别。其结果，提高了构成电子源的各电子发射元件的电子发射特性均匀性。
而且，在电子源的上方对向配置具有3原色荧光体膜和覆盖荧光体膜的由Al构成的金属背(阳极电极)的面板，密封其周围，形成真空显示板。而且，把驱动电路连接到该真空显示板上，显示图象。还有，在图象显示时，各电子发射元件的驱动电压，用不足上述测定电压的电压来实行。其结果，能够稳定性高地显示均匀性高的图象。

Claims (9)

1.一种电子发射元件的驱动方法，在形成有由碳纤维集合体构成的电子发射体的阴极和与该阴极对向配置的对向电极之间施加电压，从所述电子发射体发射电子，其特征是：
将驱动开始之前在所述阴极与所述对向电极之间施加的最大电压设定为最大施加电压Vmax，通过在所述阴极与所述对向电极之间施加比所述最大施加电压Vmax小的驱动电压V来驱动所述电子发射元件。
2.按照权利要求1所述的电子发射元件的驱动方法，其特征是：所述碳纤维集合体是碳纳米管的集合体、石墨纳米纤维的集合体、或将它们混合后所得到的集合体中的任一种。
3.一种电子源的驱动方法，所述电子源在基板上形成有多个电子发射元件，所述电子发射元件通过在形成有由碳纤维集合体构成的电子发射体的阴极和与该阴极对向配置的对向电极之间施加驱动电压，从所述电子发射体发射电子，其特征是所述电子源的驱动方法包括：
为使所述多个电子发射元件之中施加特性测定电压时发射的电子量相对地少的电子发射元件的I-V特性与所述电子量相对地多的其它电子发射元件的I-V特性接近，向所述其它电子发射元件施加比所述驱动电压大的电压Vmax的工序；以及
在所述阴极与所述对向电极之间施加比所述最大施加电压Vmax小的驱动电压V，以便根据输入的数据驱动所述多个电子发射元件的工序。
4.按照权利要求3所述的电子源的驱动方法，其特征是：所述碳纤维集合体是碳纳米管的集合体、石墨纳米纤维的集合体、或将它们混合后所得到的集合体中的任一种。
5.一种电子源的制造方法，所述电子源在基板上形成有多个电子发射元件，所述电子发射元件通过在形成有由碳纤维集合体构成的电子发射体的阴极和与该阴极对向配置的对向电极之间施加驱动电压，从所述电子发射体发射电子，其特征是所述电子源的制造方法包括：
制备多个阴极和与该多个阴极对向的对向电极的工序，所述多个阴极的每一个阴极都具有碳纤维集合体；以及
为使施加特性测定电压时在所述多个阴极的每一个阴极与所述对向电极之间发射的电子量相对地少的碳纤维集合体的I-V特性与所述电子量相对地多的其它碳纤维集合体的I-V特性接近，向具有所述其它碳纤维集合体的阴极与所述对向电极之间施加比所述驱动电压大的电压的工序。
6.按照权利要求5所述的电子源的制造方法，其特征是：所述碳纤维集合体是碳纳米管的集合体、石墨纳米纤维的集合体、或将它们混合后所得到的集合体中的任一种。
7.一种电子源的制造方法，所述电子源在基板上形成有多个电子发射元件，所述电子发射元件通过在形成有由碳纤维集合体构成的电子发射体的阴极和与该阴极对向配置的对向电极之间施加驱动电压，从所述电子发射体发射电子，其特征是所述电子源的制造方法包括：
为使所述多个电子发射元件之中施加特性测定电压时发射的电子量相对地少的电子发射元件的I-V特性与所述电子量相对地多的其它电子发射元件的I-V特性接近，向所述其它电子发射元件施加比所述驱动电压大的电压。
8.按照权利要求7所述的电子源的制造方法，其特征是：所述碳纤维集合体是碳纳米管的集合体、石墨纳米纤维的集合体、或将它们混合后所得到的集合体中的任一种。
9.一种具有多个电子发射元件和发光体的图象显示器，所述电子发射元件通过在形成有由碳纤维集合体构成的电子发射体的阴极和与该阴极对向配置的对向电极之间施加驱动电压，从所述电子发射体发射电子，其特征是所述图象显示器具备：
控制电路，为使所述多个电子发射元件之中施加特性测定电压时发射的电子量相对地少的电子发射元件的I-V特性与所述电子量相对地多的其它电子发射元件的I-V特性接近，向所述其它电子发射元件施加比所述驱动电压大的电压Vmax；以及
在所述阴极与所述对向电极之间施加比所述最大施加电压Vmax小的驱动电压V，以便根据输入的数据驱动所述多个电子发射元件的电路。
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