CN102163524A - 电子发射元件、使用所述元件的设备和用于制造所述元件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电子发射元件，其包括：第一电极；绝缘细粒层，其形成在第一电极上并且由绝缘细粒构成；以及第二电极，其形成在绝缘细粒层上，其中绝缘细粒层设置有在其表面中形成的凹陷，该表面面对第二电极，每个凹陷具有的深度小于绝缘细粒层的厚度，并且当电压施加在第一电极与第二电极之间时，从第一电极提供的电子在绝缘细粒层中加速，从而经过第二电极而发射。

Description

电子发射元件、使用所述元件的设备和用于制造所述元件的方法
技术领域
本发明涉及一种响应于施加电压而发射电子的电子发射元件；以及用于制造该电子发射元件的方法。
背景技术
包括Spindt型电极和碳纳米管(CNT)电极的电子发射元件是已知的传统电子发射元件。已经研究了将这样的传统电子发射元件应用于例如场致发射显示器(FED)领域。通过由大约1GV/m的强电场产生的隧道效应而导致这样的电子发射元件发射电子，其中通过对尖头部分施加电压而形成该强电场。
然而，这两种类型的电子发射元件在电子发射部分的表面附近具有强电场。因此，发射的电子由于电场而获得了大的能量，从而更加可能使气体分子电离。由于气体分子的电离而产生的阳离子由于强电场而朝向元件表面加速并与其碰撞。这导致了元件由于溅射而击穿的问题。此外，因为大气中的氧气具有的离解能比电离能低，所以在产生离子之前产生臭氧。臭氧对人体有害，并且由于其强氧化能力而使各种物质氧化。这导致了元件周围的部件被损坏的问题。为了防止该问题，元件周围的部件限于对臭氧具有高抵抗力的材料。
根据这样的背景技术，作为其他类型的电子发射元件，已经研发了MIM(金属绝缘体金属)型和MIS(金属绝缘体半导体)型的电子发射元件。这些电子发射元件是表面发射型的电子发射元件，它们通过利用元件中的强电场和量子尺寸效应而加速电子，从而将电子从元件的平面发出。因为在元件的电子加速层中加速的电子被发射到外部，所以这些电子发射元件不需要元件外部的强电场。因此，MIM型和MIS型的电子发射元件能够克服由于气体分子电离产生的溅射而导致的元件击穿的问题以及产生臭氧的问题，这些问题在Spindt型、CNT型和BN型电子发射元件中是可能发生的。
然而，这样的电子发射元件通常倾向于产生针孔或介质击穿。针对该问题，存在通过在这样的电子发射元件中使用具有细粒的绝缘膜而防止针孔和介质击穿的已知技术。例如，已知一种MIM型电子发射元件，其设置有绝缘体，该绝缘体在彼此相对的两片电极之间包含细粒(例如参见日本公开号为HEI 1(1989)-298623的未审专利)。另外，已知一种电子发射元件，其包括碳纳米管电极，其中在电子发射部分与电子提取电极之间步置有绝缘膜，该绝缘膜由粉末层和固定层形成，其中粉末层由绝缘微粒构成，固定层由氧化物绝缘体构成并且形成为覆盖粉末层，电子发射部分由基于碳的电子发射材料形成，并且电子提取电极布置在电子发射部分上用于从电子发射部分提取电子(例如参见日本公开号为2000-311640的未审专利)。
尽管这些电子发射元件具有绝缘膜作为它们的组分，但是在绝缘膜过厚从而使其电阻增加的情况下，绝缘膜可能导致从电子发射元件发射的电子数量减少。因此，需要对电子发射元件施加较高的电压；所以期望研发一种电子发射元件，其能够通过施加适度的电压而发射足够量的电子。另外，在绝缘膜过薄从而使得难以形成均匀的绝缘膜并且更可能发生介质击穿的情况下，绝缘膜可能使电子发射元件连续运行的时间缩短。因此期望研发一种电子发射元件，其能够连续运行较长时间。
发明内容
考虑到上述情况，本发明已经实现提供一种电子发射元件，其能够通过施加适度的电压而发射足够量的电子。本发明还提供一种电子发射元件，其能够连续运行较长时间。
根据本发明的一个方面，提供一种电子发射元件，其包括：第一电极；绝缘细粒层，其形成在第一电极上并且由绝缘细粒构成；以及第二电极，其形成在绝缘细粒层上，其中绝缘细粒层设置有在其表面中形成的凹陷，该表面面对第二电极，每个凹陷具有的深度小于绝缘细粒层的厚度，并且当电压施加在第一电极与第二电极之间时，从第一电极提供的电子在绝缘细粒层中加速，从而经过第二电极而发射。
本发明的发明人进行了透彻的研究以实现上述目的。结果，本发明的发明人发现，通过在电子发射元件的电极之间形成由绝缘细粒构成的绝缘细粒层，并且在绝缘细粒层的表面中形成凹陷，其中的每个凹陷具有的深度小于(或浅于)绝缘细粒层的厚度，可以改善由电子发射元件发射的电子数量，从而达到本发明的完成。本发明可以提供一种电子发射元件，其能够在适度的电压下发射足够的电子。
附图说明
图1是示出根据本发明的一个实施方式的电子发射元件的结构的示意图；
图2是示出根据本发明的另一个实施方式的电子发射元件的结构的示意图；
图3是示出根据在图2中示出的本发明的实施方式的碳薄膜的改进形式的示意图；
图4是示出用于电子发射实验的测量系统的图；
图5是示出包括本发明的电子发射元件的充电设备的实施例的图；
图6是示出包括本发明的电子发射元件的电子束固化设备的实施例的图；
图7是示出包括本发明的电子发射元件的光发射设备的实施例的图；
图8是示出包括本发明的电子发射元件的光发射设备的另一个实施例的图；
图9是示出包括本发明的电子发射元件的光发射设备的再一个实施例的图；
图10是示出配备有包括本发明的电子发射元件的光发射设备的图像形成装置的实施例的图；
图11是示出包括本发明的电子发射元件的吹气设备以及配备有该吹气设备的冷却设备的实施例的图；
图12是示出包括本发明的电子发射元件的吹气设备以及配备有该吹气设备的冷却设备的另一个实施例的图；
图13是示出本发明的实施例1的对电子发射电流和元件内电流的测量结果(VI特性)的图；
图14是观测本发明的实施例1中的电子加速层的表面的SEM图像；
图15是示出本发明的实施例2的对电子发射电流和元件内电流的测量结果(VI特性)的图；
图16是示出在真空中在本发明的实施例2上执行老化试验的结果的图；
图17是示出本发明的实施例3的对电子发射电流和元件内电流的测量结果(VI特性)的图；
图18是示出在真空中在本发明的实施例3上执行老化试验的结果的图；以及
图19是示出本发明的比较实施例2的对电子发射电流和元件内电流的测量结果(VI特性)的图。
具体实施方式
本发明的电子发射元件包括：第一电极；绝缘细粒层，其形成在第一电极上并且由绝缘细粒构成；以及第二电极，其形成在绝缘细粒层上，其中绝缘细粒层设置有在其表面中形成的凹陷，该表面面对第二电极，每个凹陷具有的深度小于绝缘细粒层的厚度，并且当电压施加在第一电极与第二电极之间时，从第一电极提供的电子在绝缘细粒层中加速，从而经过第二电极而发射。
本发明的电子发射元件被认为通过下列机理而发射电子。也就是说，当电压施加在第一电极与第二电极之间时，电子从第一电极移动到设置在第一电极与第二电极之间的绝缘细粒层中的绝缘细粒的表面。由于绝缘细粒内部的电阻高，所以电子经过绝缘细粒的表面而传导。在这种情况下，电子被绝缘细粒的表面上的杂质、当绝缘细粒是氧化物时可能产生的氧缺陷、或者绝缘细粒中的接触点捕获。这些被捕获的电子作为固定电荷而工作。结果，在绝缘细粒层的表面上，施加的电压与由被捕获的电子形成的电场一起形成强电场，并且电子被强电场加速，从而经过第二电极而发射。
另一方面，当根据绝缘细粒层从宏观的观点看该机理时，绝缘细粒层在其面对第二电极的表面上设置有凹陷，且每个凹陷具有的深度小于绝缘细粒层的厚度，因此绝缘细粒层在凹陷中更薄并且具有更小的电阻。因此，在凹陷中局部地形成强电场。结果，电子更可能在凹陷周围发射，从而增加从第二电极发射的电子数量。
根据上述机理，本发明的电子发射元件能够在适度的电压下发射足够量的电子。当传统的MIS元件需要施加大约100V的电压以发射足够量的电子时，本发明的电子发射元件能够在小于大约15V的电压下发射足够量的电子。
第一电极是用于对绝缘细粒层施加电压的导体或半导体，并且可以是单个结构或者由多个结构组成的结构。例如，第一电极可以是形成在绝缘体上的金属板或金属膜(例如形成在玻璃衬底上的铝膜)。第一电极包括所谓的电极衬底。
除了上述结构以外，本发明的电子发射元件可以具有涂敷有碳薄膜的凹陷。这样的结构提供了一种电子发射元件，其不但能够在适度的电压下发射足够量的电子，而且能够连续运行较长时间，几乎不会发生介质击穿。
在这样构成的电子发射元件中，绝缘细粒层在其面对第二电极的表面上设置有凹陷，每个凹陷具有的深度小于(或浅于)绝缘细粒层的厚度。因此，当该电子发射元件经受老化试验(例如，超过长时间的连续运行试验)时，电场将连续集中在凹陷上，并且电子发射元件将会连续地遭受局部的电压/电流应力。然后，该元件将会容易在凹陷中具有缺陷，并且当缺陷的数量增加时，这些缺陷将会产生导致介质击穿的电流路径。然而，当本发明的电子发射元件在第二电极与绝缘细粒层之间设置有碳薄膜时，该碳薄膜起到电阻器的作用(碳薄膜的电阻比由例如金、银等等形成的第二电极的电阻高)，因此将会减轻局部的和连续的电压/电流应力。结果，几乎不会产生缺陷，并且几乎不会发生介质击穿。
优选地，碳薄膜形成为具有5nm至20nm的膜厚度。这个范围的膜厚度是优选的，因为小于5nm的膜厚度使得碳薄膜不足以起到电阻器的作用，并且大于20nm的膜厚度将会阻止充分地施加用于电子发射所需的电压。
可以通过在第一电极上形成包含绝缘细粒和有机细粒的层使得该层具有比有机细粒大的深度，然后使有机细粒分解，而获得为本发明的电子发射元件提供的凹陷。例如，可以通过将包含分散在其中的绝缘细粒和有机细粒的分散体涂敷到第一电极上以形成包含绝缘细粒和有机细粒的层，然后对形成的层进行热处理，而获得凹陷。本实施方式可以提供一种电子发射元件，其能够在适度的电压下发射足够的电子，因为该元件设置有如下的凹陷，即，该凹陷是通过分解在绝缘细粒层中的有机细粒并且使用有机细粒作为它们的模型而获得的。另外，凹陷的尺寸可以容易地变化，并且可以通过选择有机细粒的期望尺寸而使凹陷中的电阻变化，从而局部调整电场的幅值。因此，提供一种电子发射元件，其具有的结构能够将发射的电子数量调整至期望范围。
此外，每个凹陷的最大直径优选地是5nm至1000nm。当每个凹陷的最大直径小于5nm时，绝缘细粒层的凹陷中的电阻不减小从而阻碍局部强电场的形成，并且当凹陷的宽度大于1000nm时，绝缘细粒层的电阻将会在凹陷中减小过多，从而促使电流泄漏。结果，绝缘细粒层上的电场变弱从而阻碍电子的发射。因此，最大直径优选地在上述范围内。
另外，凹陷优选地以1个凹陷/μm2至100个凹陷/μm2的分布密度形成。当在每个凹陷的最大直径的情况下，凹陷优选地以上述指定分布密度形成。当在每个凹陷的最大直径的情况下，凹陷的上述指定分布密度还允许调整绝缘细粒层的电阻以及调整由电子发射元件发射的电子数量。因此，在上述指定范围内的分布密度提供了一种电子发射元件，其能够在适度的电压下发射足够的电子。
优选地，本发明的电子发射元件中的绝缘细粒层形成为具有8nm至3000nm的厚度。更优选地，该层形成为具有30nm至1000nm的厚度。在这些范围内的厚度提供了一种电子发射元件，其包括小于绝缘细粒层的厚度的凹陷，并且绝缘细粒层具有均匀的厚度。由于绝缘细粒层的厚度是均匀的，所以绝缘细粒层的电阻将会是均匀的。结果，能够提供一种电子发射元件，整个元件均匀地发射电子。
优选地，本发明的电子发射元件中的绝缘细粒层具有5nm至1000nm的平均微粒直径。当绝缘细粒层的平均微粒直径小于5nm时，难以减少微粒直径的变化，因此难以形成均匀的绝缘细粒层。另一方面，当绝缘细粒层的平均微粒直径大于1000nm时，绝缘细粒凝结从而在通过涂敷分散体而形成绝缘细粒层的过程中显示较差的可分散性。因此，平均微粒直径优选地在上述指定范围内。
另外，绝缘细粒可以是由SiO2、Al2O3和TiO2中的至少一种绝缘体形成的微粒。由于这些绝缘体具有高的绝缘性能，所以可以通过调整这些绝缘体的含量而将绝缘细粒层的电阻调整为任意范围。
本发明的电子发射元件中的第二电极可以由金、银、钨、钛、铝和钯中的至少一种金属形成。具有较低逸出功的这些物质提供了一种电子发射元件，其允许已经经过绝缘细粒层的电子有效地通过隧道而从第二电极发射更多高能量的电子。
此外，能够提供一种光发射设备，其是稳定的、寿命长的，并且能够通过在该光发射设备中或者在包括该光发射设备的图像显示设备中使用本发明的电子发射元件而执行平面光发射。
此外，在吹气设备或冷却设备中使用本发明的电子发射元件使得能够通过利用被冷却物体表面上的滑移效应进行高效的冷却，而不会经历放电和诸如臭氧和NOx这样的有害物质的产生。
此外，在充电设备和包括该充电设备的图像形成装置中使用本发明的电子发射元件使得能够对物体长时间稳定地充电，而不会经历放电和诸如臭氧和Nox这样的有害物质的产生。
此外，在电子束固化设备中使用本发明的电子发射元件使得能够进行逐个区域的电子束固化并实现无掩模工艺，从而实现低成本和高产量。
另外，本发明的电子发射元件可以用于电子发射设备。即，本发明可以针对一种电子发射设备，其包括上述电子发射元件中的任意一种，以及用于在第一电极与第二电极之间施加电压的电源。由于使用能够通过施加适度的电压而发射足够量的电子并且能够连续运行较长时间的电子发射元件，所以能够提供一种能够稳定地进行电子发射的电子发射设备。
这些设备、即光发射设备、图像显示设备、吹气设备、冷却设备、充电设备、图像形成装置、电子束固化设备和电子发射设备可以包括多个电子发射元件。例如，多个电子发射元件可以布置在平面主体上从而被应用于这些设备。另外，多个电子发射元件可以分享第一电极从而被应用于这些设备。
根据本发明的另一个方面，提供一种用于制造电子发射元件的方法，该电子发射元件包括：第一电极；绝缘细粒层，其形成在第一电极上并且由绝缘细粒构成；以及第二电极，其形成在绝缘细粒层上并且与第一电极相对，其中当电压施加在第一电极与第二电极之间时，从第一电极提供的电子在绝缘细粒层中加速，从而从第二电极发射，该方法包括：层形成步骤，其中在第一电极上形成包含绝缘细粒和有机细粒的并且具有比有机细粒的尺寸大的厚度的层；绝缘细粒层形成步骤，其中通过使形成在第一电极上的层中的有机细粒分解以在该层的表面中形成凹陷，而形成绝缘细粒层；以及形成第二电极的步骤，该第二电极在绝缘细粒层上并且与第一电极相对。
根据本发明的该方面，能够制造一种电子发射元件，其包括绝缘细粒层，该绝缘细粒层在其表面上设置有凹陷。因此，提供一种用于制造电子发射元件的方法，该电子发射元件在适度的电压下发射足够的电子。
本发明的用于制造电子发射元件的方法可以进一步包括使用碳薄膜涂敷凹陷的步骤。由于在根据该方法制造的电子发射元件中凹陷涂敷有碳薄膜，所以能够制造一种电子发射元件，其在适度的电压下发射足够的电子，几乎不会发生介质击穿，并且连续运行较长时间。
另外，在本发明的用于制造电子发射元件的方法中，层形成步骤可以是通过将包含分散在其中的绝缘细粒和有机细粒的分散体涂敷到第一电极上而形成该层的步骤，并且绝缘细粒层形成步骤可以是对形成在第一电极上的该层进行热处理并且从而使有机细粒分解以在该层的表面中形成凹陷的步骤。通过对形成在第一电极上的该层进行热处理从而使有机细粒热分解，能够形成由包含在通过层形成步骤形成的层中的有机细粒模制的凹陷。因此，提供一种用于容易地制造电子发射元件的方法，该电子发射元件在适度的电压下发射足够的电子。另外，通过改变在层形成步骤中使用的有机细粒的尺寸，能够容易地制造电子发射元件，其具有任意尺寸的凹陷。即，通过改变有机细粒的尺寸，能够改变凹陷的电阻，从而局部调整电场的幅值。因此，提供一种制造方法，其允许将从电子发射元件发射的电子的数量调整至任意范围。
此外，层形成步骤可以是将包含分散在其中的、具有5nm至1000nm的平均微粒直径的有机细粒的分散体涂敷到第一电极上，以形成具有8nm至3000nm厚度的层的步骤。根据本实施方式，提供一种用于制造电子发射元件的方法，该电子发射元件整个元件均匀地发射电子。
此外，层形成步骤可以是通过旋转涂敷方法涂敷分散体的步骤，并且层形成步骤可以是涂敷通过将绝缘细粒和有机细粒分散在水溶剂中而获得的分散体的步骤。使用旋转涂敷方法易于分散体的涂敷，并且水溶剂的使用避免了对环境的不利影响。例如，使用水来制备分散体是环保的，因为其避免了使用有机溶剂。
在下文中，将参考图1至图17描述本发明的实施方式和实施例。应该注意到，下列实施方式和实施例仅是本发明的具体实施例，并且本发明不限于下列实施方式和实施例。
实施方式1
图1是示出根据本发明的电子发射元件的一个实施方式的结构的示意图。如图1所示，根据本实施方式的电子发射元件10包括：电极衬底1；电子加速层3，其形成在电极衬底1上并且由绝缘细粒构成；以及薄膜电极4，其形成在电子加速层3上并且与电极衬底1相对。当电压施加在电极衬底1与薄膜电极4之间时，电子发射元件10在电子加速层3上使从电极衬底1提供的电子加速，从而将它们从薄膜电极4发射。
电极衬底1是作为衬底的电极，并且由从导体形成的板状材料构成。具体地，它由从不锈钢(SUS)形成的板状材料构成。电极衬底1起到电极以及电子发射元件的支撑物的作用，其应该具有一定程度的强度和适当的导电性。除了不锈钢(SUS)以外，可以使用例如由诸如SUS、Ti和Cu这样的金属形成的衬底；以及诸如Si、Ge和GaAs这样的半导体的衬底。
可替换地，电极衬底1可以是通过在诸如玻璃衬底或塑料衬底这样的绝缘衬底上形成由金属膜制成的电极而获得的结构。当使用诸如玻璃衬底这样的绝缘衬底时，例如，如下的绝缘衬底可以用作电极衬底1，即，该绝缘衬底的作为与电子加速层3的分界面的表面被涂敷诸如金属这样的导电材料。任何种类的导电材料都可以用于该电极，只要该导电材料可以通过磁控溅射而形成即可。然而，当需要大气中的稳定运行时，优选地使用具有较高抗氧化能力的导电材料，并且更优选地使用贵金属。也可使用ITO作为导电材料，其作为导电氧化物材料被广泛地用于透明电极。此外，可以使用多种导电材料涂敷绝缘衬底，从而形成坚韧的薄膜。例如，通过在玻璃衬底表面上形成具有200nm厚度的Ti膜并且进一步形成具有1000nm厚度的Cu膜而获得的金属薄膜可以用作电极衬底1。通过使用这样的Ti薄膜和Cu薄膜涂敷玻璃衬底，可以形成坚韧的薄膜。当使用导电材料涂敷绝缘衬底的表面时，可以通过众所周知的光刻法或掩模而形成矩形等的图案，从而形成电极。尽管不具体地限制薄膜的厚度和导电材料，但是电极衬底1应该具有与包括在下面描述的、将会形成在其上的电子加速层的结构的良好粘附性。
电子加速层3形成在电极衬底1上作为覆盖该电极的层，并且由绝缘细粒2构成。电子加速层3具有当电压施加至电极衬底1时使从电极衬底1提供的电子加速的功能。由于对于电子发射元件10来说，通过在尽可能低的电压下施加强电场而使电子加速是优选的，所以电子加速层3应该具有尽可能薄的厚度。具体地，电子加速层3优选地具有8nm至3000nm的厚度。由此，电子加速层3的厚度可以均匀地形成，并且在电子加速层的层厚度方向上的电阻的调整将会容易。更优选地，电子加速层3具有30nm至1000nm的厚度。由此，电子加速层的厚度可以更均匀地形成，并且在电子加速层的层厚度方向上的电阻的调整将会更容易。结果，可以在电子发射元件的整个表面上均匀地发射电子，从而可以有效地从电子发射元件的薄膜电极发射电子。
绝缘细粒2由绝缘体形成。不具体地限制绝缘细粒2的材料，只要其具有绝缘性能即可。材料的微粒例子包括诸如SiO2、Al2O3和TiO2这样的绝缘体。更具体地，例如可以使用由Nissan化学工业有限公司制造并销售的硅胶。这里，可以将两种或更多种不同材料的微粒用于绝缘细粒2。
绝缘细粒2由细粒、即主要是纳米级的微粒构成。将具有5nm至1000nm的平均微粒直径的微粒用于绝缘细粒2是优选的。当绝缘细粒的平均微粒直径小于5nm时，难以减少微粒直径的变化，因此难以形成均匀的绝缘细粒层。另一方面，当绝缘细粒的平均微粒直径大于1000nm时，绝缘细粒凝结从而在通过涂敷分散体而形成绝缘电子加速层的过程中显示较差的可分散性，导致形成的电子加速层具有不均匀的膜厚度或者导致机械强度的减少。因此，优选地使用具有在上述范围内的平均微粒直径的绝缘细粒。
当使用多种不同材料的微粒时，这些微粒应该具有在上述范围内的平均微粒直径。可以根据当被分散在分散体中时的可分散性而选择微粒，并且提供它们以形成电子加速层3。
这里，将描述由绝缘细粒2构成的电子加速层3的作用。电子加速层3述由绝缘细粒2构成并且显示半导电性。因此，当电压施加至电子加速层3时，将从其中流过非常弱的电流。电子加速层3的伏安特性显示出所谓的变阻特性，并且电流值随着施加电压的增加而急剧增加。电流中的一些电子由于通过施加的电压而在电子加速层3中形成的强电场而变成弹道电子，从而在被传送经过薄膜电极4或经过薄膜电极4中的缝隙之后被发射到电子发射元件10的外部。还没有确定弹道电子的生成过程，但是认为弹道电子由电子沿电场方向的同时的加速和隧道效应而产生。这里，如果对绝缘细粒2进行热处理以使其完全熔化并结晶，则电子加速层3将变成绝缘体，其不能起到电子加速层3的作用。因此，电子加速层3仅有绝缘细粒2作为原料而构成是不够的；电子加速层3必须由保持其微粒形状的绝缘细粒2形成。
薄膜电极4形成在电子加速层3上并且与电极衬底1相对。薄膜电极4是如下的电极，即，该电极与电极衬底1成对，并且与电极衬底1一起用于向电子加速层3的内部施加电压。因此，薄膜电极4的材料具有的导电性应该达到使其能够起到电极作用的程度。具体地，因为薄膜电极4也作为以最小的能量损失传送并发射电子的电极，其中所述电子由于在电子加速层3中的加速而导致具有较高能量，所以期望具有低逸出功并且能够形成薄膜的材料提供更好的效果。这样的材料的例子包括：金、银、钨、钛、铝和钯，其中的每一种具有的逸出功在4eV至5eV的范围内。在这些材料中，具体地，考虑到在大气压力下的操作，金是最好的材料，其不具有氧化物或硫化物生成反应。此外，银、钯和钨中的每一种具有相对小的氧化物生成反应，它们也是可适用的材料，可以使用它们而没有任何问题。
薄膜电极4的膜厚度作为用于有效地将电子从电子发射元件10发射到元件外部的条件来说是重要的。因此，薄膜电极4的膜厚度优选地在10nm至55nm的范围内。薄膜电极4的最小膜厚度是10nm，以使薄膜电极4起到平面电极的作用。小于10nm的膜厚度不能确保导电性。另一方面，薄膜电极4的最大膜厚度是55nm，以将电子从电子发射元件10发射到外部。当膜厚度大于55nm时，弹道电子没有穿过薄膜电极4，并且弹道电子被薄膜电极4吸收或者在薄膜电极4上向回反射从而在电子加速层3中被再次捕获。
在图1中，薄膜电极4形成为大致填满在下面描述的微细凹陷5。然而，薄膜电极4不需要形成为完全填满微细凹陷5，只要其覆盖微细凹陷5即可。例如，薄膜电极4可以形成为使得微细凹陷5的形状在薄膜电极4的表面上出现。
如图1所示，微细凹陷形成在电子加速层3的薄膜电极一侧上的表面中，从而使每个微细凹陷具有的深度小于电子加速层3的厚度。多个微细凹陷5形成在电子加速层3的表面上，从而在整个电子加速层3上均匀地分散。假设：因为在电子加速层3的表面中形成微细凹陷5导致形成用于电子发射所需的局部强电场部分，所以发射的电子的数量改善，其中每个微细凹陷5具有的深度小于电子加速层3的厚度。为了实现在其中形成局部强电场部分的结构，在本实施方式中，通过在电子加速层3的形成过程中使用并分解有机细粒而形成微细凹陷5，其中每个微细凹陷5具有的深度小于电子加速层3的厚度。
微细凹陷5形成为这样的形状，使得电子加速层3的膜厚度随着越接近每个微细凹陷5的中心而逐渐变薄，即为坑状(大致半球形凹进的形状)。在本实施方式中，假设微细凹陷5的形状取决于有机细粒的形状，因为它们通过分解有机细粒而形成。优选地，微细凹陷5是这样的形状，即，电子加速层3的膜厚度在微细凹陷5的深度方向上逐渐变薄。例如，微细凹陷5可以是这样的形状，即，每个微细凹陷5除了具有大致半圆形的横截面以外，还可以具有椭圆形横截面或大致反向抛物线横截面。另外，微细凹陷5的平面形状(当从电极衬底的上表面看时的形状)不需要为大致圆形，并且例如其可以是矩形。
在本实施方式中，每个微细凹陷5的最大直径也将取决于有机细粒的形状。由于当有机细粒的平均微粒直径是5nm至1000nm时，电子发射元件发射足够的电子，所以每个凹陷的最大直径优选地是5nm至1000nm。假设当每个微细凹陷5的最大直径小于5nm时，电子加速层在微细凹陷5周围的电阻不足够小从而阻碍局部强电场的形成。当通过使用有机细粒形成微细凹陷5并且所制成的微细凹陷5的孔径小于5nm时，也会导致该问题。因此，每个微细凹陷5的最大直径优选地为5nm或更大。另一方面，假设当每个微细凹陷5的最大直径大于1000nm时，电子加速层在微细凹陷5周围的电阻足够小，从而增加流经电子加速层3的电流量，但是电流将会更容易泄漏，以导致电子加速层上的电场变弱，并且阻碍电子的发射。因此，每个微细凹陷5的最大直径优选地为1000nm或更小。
所提到的每个微细凹陷的最大直径指的是在电子加速层的表面的平面上的每个凹陷的最大直径(图1中的W)。因此，当微细凹陷具有坑状形状时，在电子加速层的表面的平面上的孔径中的最大的一个是每个微细凹陷的最大直径。因此，例如当微细凹陷5具有椭圆形坑状形状时，最大直径可以通过测量椭圆的最宽部分的宽度作为孔径而确定。
另外，微细凹陷5形成为其具有的深度小于电子加速层3的厚度。在本实施方式中，尽管微细凹陷5的深度也取决于有机细粒的尺寸，但是有机细粒的每个微粒的尺寸不必都大于形成电子加速层3的绝缘细粒2的每个微粒的尺寸。电子加速层3形成为在分层方向上具有绝缘细粒2的至少一个或多个微粒。考虑到作为层的功能，电子加速层3通常在分层方向上堆叠有绝缘细粒2的两个或三个微粒。因此，能够通过选择如下的微粒作为有机细粒而形成微细凹陷5，即，每个微粒具有的尺寸小于绝缘细粒2的两个或三个微粒的总尺寸，每个微细凹陷5具有的深度小于电子加速层3的厚度。由于电子加速层3的厚度取决于在分层方向上堆叠的绝缘细粒2的微粒的数量，所以能够使用有机细粒形成微细凹陷5，其中的每个有机细粒具有的尺寸大于绝缘细粒2的每个微粒，只要电子加速层3形成为具有足够的厚度即可(这里，应该将少于绝缘细粒2的有机细粒分散，使得在电子加速层3的形成过程中有机细粒不在分层方向上堆叠)。
优选地，微细凹陷5以1个凹陷/μm2至100个凹陷/μm2的分布密度形成在电子加速层的表面上。与微细凹陷的孔径一样，微细凹陷的数量也帮助调整电子加速层的电阻，并且最适当的数量可以根据孔径而选择。例如，当微细凹陷的孔径是80nm时，微细凹陷的数量优选地是3个凹陷/μm2至80个凹陷/μm2。上述微细凹陷的数量可以通过调整在将要关于本实施方式描述的制造方法中分散的有机细粒的数量而实现。微细凹陷5不必以规定间隔布置；将它们布置为分散的程度使得由微细凹陷5产生的电场不相互干涉并且在每单元面积中布置的微细凹陷5的数量在上述指定数量范围内就足够了。
在电子发射元件的使用过程中，电极衬底1和薄膜电极4连接至电源7。如图1所示，电子发射设备可以配置为包括电子发射元件10，以及连接至电极衬底1和薄膜电极4的电源7。
制造方法
接下来，将描述用于制造根据实施方式1的电子发射元件10的方法。
首先，制备通过将绝缘细粒分散在水中而获得的绝缘细粒的单分散性分散体。绝缘细粒在分散体中的浓度优选地是10wt％或以上以及50wt％或以下。当浓度小于10wt％时，电极衬底的表面不能填充有绝缘细粒。另一方面，当浓度大于50wt％时，分散体的粘度增加以导致聚集，从而防止薄膜的形成。绝缘细粒的单分散性分散体的例子包括由Nissan化学工业有限公司制造的硅胶MP-4540(平均微粒直径：450nm，40wt％)、MP-3040(平均微粒直径：300nm，40wt％)、MP-1040(平均微粒直径：100nm，40wt％)、SNOWTEX-20(平均微粒直径：15nm，20wt％)和SNOWTEX-SX(平均微粒直径：5nm，20wt％)，它们是亲水硅石的分散体。
接下来，制备通过将有机细粒分散在水中而获得的有机细粒的单分散性分散体。有机细粒在分散体中的浓度优选地是10wt％或以上以及50wt％或以下。当浓度小于10wt％时，电极衬底的表面不能填满绝缘细粒。另一方面，当浓度大于50wt％时，分散体的粘度增加以导致聚集，从而防止薄膜的形成。
使用具有5nm至1000nm的平均微粒直径的有机细粒。不具体地限制有机细粒的形状，并且例如适当地使用真球状微粒和椭球形微粒。另外，可以使用柱状的微粒。在具有这样的形状的有机细粒中，可以选择具有根据将要制造的电子发射元件中的电子加速层3的厚度而定的适当微粒直径和适当形状的有机细粒(它们可以从商业可利用的产品中选择)。使用诸如丙烯酸树脂和苯乙烯树脂这样的有机材料，其在比上述绝缘细粒的分解温度低的温度下热分解。有机细粒的例子包括由Nippon Paint有限公司制造的Finesphere系列FS-101(平均微粒直径：80nm，20wt％)，FS-102(平均微粒直径：80nm，20wt％)和MG-151(平均微粒直径：70nm，20wt％)，它们是丙烯酸细粒或苯乙烯丙烯酸细粒；由Nippon Shokubai有限公司制造的EPOSTAR MX系列，其是由交联异丁烯酸甲脂制成的树脂球形细粒；以及由JSR公司制造的聚苯乙烯胶乳微粒STADEX系列和苯乙烯/二乙烯基苯制成的交联细粒(SX 8743)。
接下来，将绝缘细粒的分散体和有机细粒的分散体混合以制备一种分散体，在其中混合并分散有绝缘细粒和有机细粒。将绝缘细粒的分散体和有机细粒的分散体以使其具有期望浓度的比例混合，并搅拌以防止绝缘细粒和有机细粒的聚集。可以通过将有机细粒的粉末添加并分散在绝缘细粒的分散体中，而制备其中混合并分散有绝缘细粒和有机细粒的分散体。
接下来，通过旋转涂敷方法将制备的分散体涂敷到电极衬底上，从而形成细粒层(包含绝缘细粒和有机细粒的层)。例如当电极衬底由铝或不锈钢形成并且电极衬底的表面是疏水的时，将抵抗亲水硅石的分散体，因此使电极衬底的表面经过亲水处理。不具体地限制亲水处理，并且例如在UV处理的情况下，使用UV在20Pa的真空下对电极衬底的表面照射10分钟。不具体地限制分散体的旋转涂敷的条件；例如，在将制备的分散体涂敷到电极衬底上之后，使电极衬底以500rpm的旋转速度旋转5秒，然后使电极衬底以3000rpm至4500rpm的旋转速度旋转10秒。不具体地限制涂敷到电极衬底上的分散体的量；例如，当涂敷至24平方毫米的电极衬底时，分散体的量为0.2mL/cm2或更多。使用旋转涂敷方法使得能够简单并容易、并且广泛地涂敷绝缘细粒和有机细粒。因此可以将该方法适当地用于要求在较宽区域上发射电子的设备。
在通过旋转涂敷方法的涂敷之后，使在其上已经涂敷有分散体的电极衬底干燥。可以重复上述涂敷和干燥，直至由涂敷的分散体形成的层达到期望的膜厚度。
接下来，对经过上述涂敷之后的电极衬底进行热处理，以使形成在电极衬底上的细粒层(包含绝缘细粒和有机细粒的层)中的有机细粒热分解，从而在细粒层的表面中形成微细凹陷。即，通过使有机细粒热分解，制造由有机细粒模制的微细凹陷。
优选地，在等于或高于有机细粒的分解温度的温度下、或者在不使无机细粒结晶的温度范围内执行热处理。当无机细粒熔化并结晶时，细粒层将变成完全的绝缘体，并且将不能起到电子加速层的作用。例如，在将SiO2用作无机细粒的材料并且将丙烯酸用作有机细粒的材料时，热处理优选地在400℃下执行5分钟。作为热处理的结果，在电子加速层3的表面中形成微细凹陷，由此完成了电子加速层3的形成。
上述热处理使得能够改善电子发射元件的机械强度，并且稳定由电子发射元件提供电子。如果没有热处理，电子发射元件将具有不充足的机械强度，并且即使在电子加速层3上提供薄膜电极4也将会是易碎的且易破的，这导致了不稳定的电子发射。因此执行上述热处理。
接下来，在已经形成的电子加速层3上形成薄膜电极4。为了形成薄膜电极4，例如可以使用磁控溅射方法。例如，薄膜电极4可以通过墨水喷射方法、旋转涂敷方法或汽相沉积方法而形成。
实施方式2
图2是示出根据本发明的电子发射元件的另一个实施方式的结构的示意图。如图2所示，根据本实施方式的电子发射元件10除了实施方式1的结构以外，还设置有碳薄膜6。即，微细凹陷5涂敷有碳薄膜6。碳薄膜6形成在电子加速层3上，从而均匀地覆盖微细凹陷5，并且薄膜电极4形成在碳薄膜6上。
假设碳薄膜6起到适当电阻器的作用。碳薄膜6具有比薄膜电极4高的电阻，其减轻从薄膜电极施加至电子加速层的连续电流/电压应力。因此，在薄膜电极4与电子加速层3之间提供碳薄膜6提高了寿命性能(该元件的寿命)。
碳薄膜6的厚度优选地是5nm至20nm。小于5nm的膜厚度不足以使碳薄膜6起到电阻器的作用，并且大于20nm的膜厚度可能会阻止充分地施加用于电子发射所需的电压。
另外，如图3所示，碳薄膜6可以形成在电子加速层3上，从而涂敷微细凹陷5并且在微细凹陷5上方具有平坦表面。为了起到电阻器的作用，碳薄膜6仅需要形成为覆盖微细凹陷5，但是当微细凹陷5非常小(例如具有几nm的最大尺寸)并且碳薄膜6形成得较厚(例如具有20nm的膜厚度)时，在微细凹陷5上方的碳薄膜6的表面将会是平坦的。即使在这样的情况下，电子发射元件也发射足够的电子，只要在电子加速层3上形成的电场被微细凹陷5加强即可。因此，碳薄膜6可以形成为在微细凹陷5上方具有平坦表面。优选地，碳薄膜6即使在微细凹陷5上时也具有在上述指定范围内的膜厚度。优选地，碳薄膜6在微细凹陷5周围具有的膜厚度与远离微细凹陷5的膜厚度大致相同。与碳薄膜6的情况相同，薄膜电极4可以形成为在微细凹陷5上方具有平坦表面。
制造方法
接下来，将描述用于制造根据实施方式2的电子发射元件10的方法。由于用于制造根据实施方式2的电子发射元件10的方法在电子加速层3的形成之后的步骤不同，所以将描述在电子加速层3的形成之后的步骤。
在电子加速层3的表面中形成微细凹陷以完成电子加速层3的形成之后，在已经形成的电子加速层3上形成碳薄膜6。例如碳薄膜6可以通过汽相沉积方法而形成。可替换地，碳薄膜6可以通过磁控溅射方法而形成。在碳薄膜6的形成之后，在碳薄膜6上形成薄膜电极4。
实施例
在下面的实施例中，将描述测量本发明的电子发射元件的电流的实验。该实验仅是实施方式的一个实施例，并且不以任何方式限制本发明。
首先，如下所述地制造实施例1的电子发射元件和比较实施例1的电子发射元件。然后，通过使用如图4所示的实验系统而测量制造的电子发射元件在每单元面积中的电子发射电流。在图4中的实验系统中，将对向电极8布置在电子发射元件10的薄膜电极4的一侧上，使得对向电极8与薄膜电极4具有在其间的绝缘间隔件9。电子发射元件10和对向电极8分别连接至电源7，使得电压V1施加至电子发射元件10并且电压V2施加至对向电极8。该实验系统设置在1×10-8ATM的真空中，并且执行电子发射实验。在该实验中，其间具有绝缘间隔件9的电子发射元件与对向电极之间的距离是5mm。施加至对向电极的电压V2是50V。
实施例1
将24mm×24mm的SUS衬底用作电极衬底1，并且使用UV在20Pa的真空下对其照射10分钟。
首先，将作为绝缘细粒2的、由Nissan化学工业有限公司制造的硅胶SNOWTEX-XS(根据生产商的标称平均微粒直径：5nm，20wt％)稀释超纯水中，达到10wt％，并且将5.7g硅胶溶液与作为有机细粒的、由Nippon Paint有限公司制造的0.5g丙烯酸细粒FS-101E(根据生产商的标称平均微粒直径：80nm，20wt％)混合并施加至超声波分散器，从而制备细粒的分散体。
将1mL如上所述获得的分散体滴落到作为电极衬底1的24mm×24mm的SUS衬底上，然后通过旋转涂敷方法形成包含绝缘细粒和有机细粒的细粒层，并且在室温下使其自然干燥，其中的旋转涂敷方法在以500rpm速度旋转5秒和然后以3000rpm速度旋转10秒的两个阶段中进行。此后，使用电炉将在其上形成有细粒层的电极衬底在400℃下加热5分钟。如上所述制备的电子加速层3的厚度是0.2μm。
然后，使用磁控溅射装置在电子加速层3上形成薄膜电极4，从而获得实施例1的电子发射元件。将金用作形成为薄膜电极4的膜的材料，薄膜电极4的厚度是40nm，并且薄膜电极4的面积是0.01cm2。
图13显示了使用实施例1的电子发射元件在1×10-8ATM的真空中进行电子发射实验的测量结果。图13是显示随着施加至薄膜电极4的电压V1变化，电子发射电流和元件内电流的变化的图。可以确定，当施加至薄膜电极4的电压V1是15V时，实施例1的电子发射元件在1×10-8ATM的真空中显示出1.7×10-4A/cm2的每单元面积的电子发射电流。
图14显示了观测实施例1的电子加速层的表面的SEM图像。该SEM图像是实施例1的电子加速层的表面的图像。可以确定，通过上述制造方法形成了在电子加速层的表面上开口的微细凹陷。另外，使用STEM执行横截面观测，以确定在电子加速层的表面中形成的半球形微细凹陷具有70nm的孔径和30nm的深度。由于凹陷的尺寸与丙烯酸细粒的尺寸大致相同，所以发现通过将丙烯酸细粒分解而模制微细凹陷。
实施例2
将24mm×24mm的SUS衬底用作电极衬底1，并且使用UV在20Pa的真空下对其照射10分钟。
首先，将作为绝缘细粒2的、由Nissan化学工业有限公司制造的硅胶SNOWTEX-XS(根据生产商的标称平均微粒直径：5nm，20wt％)稀释超纯水中达到10wt％，并且将5.7g硅胶溶液与作为有机细粒的、由Nippon Paint有限公司制造的0.5g丙烯酸细粒FS-101E(根据生产商的标称平均微粒直径：80nm，20wt％)混合并施加至超声波分散器，从而制备细粒的分散体。
将1mL如上所述获得的分散体滴落到作为电极衬底1的24mm×24mm的SUS衬底上，然后通过旋转涂敷方法形成包含绝缘细粒和有机细粒的细粒层，并且在室温下使其自然干燥，其中的旋转涂敷方法在以500rpm速度旋转5秒和然后以3000rpm速度旋转10秒的两个阶段中进行。此后，使用电炉将在其上形成有细粒层的电极衬底在400℃下加热5分钟。如上所述制备的电子加速层3的厚度是0.2μm。
使用汽相沉积装置在电子加速层3的表面上形成碳薄膜，并且使用磁控溅射装置在碳薄膜的表面上进一步形成薄膜电极4，从而获得实施例2的电子发射元件。将金用作形成为薄膜电极4的膜的材料，薄膜电极4的厚度是40nm，并且薄膜电极4的面积是0.01cm2。
图15显示了使用实施例2的电子发射元件在1×10-8ATM的真空中进行电子发射实验的测量结果。图15是显示随着施加至薄膜电极4的电压V1变化，电子发射电流和元件内电流的变化的图。可以确定，当施加至薄膜电极4的电压V1是15V时，实施例2的电子发射元件在1×10-8ATM的真空中显示出9.9×10-5A/cm2的每单元面积的电子发射电流。
图16显示了实施例2的电子发射元件在1×10-8ATM的真空中执行老化试验的结果。可以确定，在施加电压V1＝17V下连续运行100小时以后，实施例2的电子发射元件在1×10-8ATM的真空中显示出2.0×10-6A/cm2的每单元面积的电子发射电流。
实施例3
将24mm×24mm的铝衬底用作电极衬底1，并且使用UV在20Pa的真空下对其照射10分钟。
首先，将作为绝缘细粒2的、由Nissan化学工业有限公司制造的5.4g硅胶MP1040(根据生产商的标称平均微粒直径：100nm，40wt％)与作为有机细粒的、由Nippon Paint有限公司制造的0.5g丙烯酸细粒FS-101E(根据生产商的标称平均微粒直径：80nm，20wt％)混合并施加至超声波分散器，从而制备细粒的分散体。
将1mL如上所述获得的分散体滴落到作为电极衬底1的24mm×24mm的铝衬底上，然后通过旋转涂敷方法形成包含绝缘细粒和有机细粒的细粒层，并且在室温下使其自然干燥，其中的旋转涂敷方法在以500rpm速度旋转5秒和然后以3000rpm速度旋转10秒的两个阶段中进行。此后，使用电炉将在其上形成有细粒层的电极衬底在400℃下加热5分钟。如上所述制备的电子加速层3的厚度是0.9μm。
使用磁控溅射装置在电子加速层3的表面上形成薄膜电极4，从而获得实施例3的电子发射元件。将金用作形成为薄膜电极4的膜的材料，薄膜电极4的厚度是40nm，并且薄膜电极4的面积是0.01cm2。
图17显示了使用实施例3的电子发射元件在1×10-8ATM的真空中进行电子发射实验的测量结果。图17是显示随着施加至薄膜电极4的电压V1变化，电子发射电流和元件内电流的变化的图。可以确定，当施加至薄膜电极4的电压V1是15V时，实施例3的电子发射元件在1×10-8ATM的真空中显示出1.5×10-5A/cm2的每单元面积的电子发射电流。
图18显示了实施例3的电子发射元件在1×10-8ATM的真空中执行老化试验的结果。可以确定，在施加电压V1＝15V下连续运行4小时以后，实施例3的电子发射元件在1×10-8ATM的真空中显示出1.6×10-5A/cm2的每单元面积的电子发射电流，然后电流突然降低至8.4×10-10A/cm2并且电子发射停止。
比较实施例1
将24mm×24mm的SUS衬底用作电极衬底1，并且使用UV在20Pa的真空下对其照射10分钟。
首先，将作为绝缘细粒2的、由Nissan化学工业有限公司制造的硅胶SNOWTEX-XS(根据生产商的标称平均微粒直径：5nm，20wt％)稀释超纯水中达到10wt％，并且施加至超声波分散器，从而制备细粒的分散体。
将1mL如上所述获得的分散体滴落到作为电极衬底1的24mm×24mm的SUS衬底上，然后通过旋转涂敷方法形成包含绝缘细粒的电子加速层3，并且在室温下使其自然干燥，其中的旋转涂敷方法在以500rpm速度旋转5秒和然后以3000rpm速度旋转10秒的两个阶段中进行。如上所述制备的电子加速层3的厚度是0.8μm。
然后，使用磁控溅射装置在电子加速层3的表面上形成薄膜电极4，从而获得比较实施例1的电子发射元件。将金用作形成为薄膜电极4的膜的材料，薄膜电极4的厚度是40nm，并且薄膜电极4的面积是0.01cm2。
图19显示了使用比较实施例1的电子发射元件在1×10-8ATM的真空中进行电子发射实验的测量结果。图19是显示随着施加至薄膜电极4的电压V1变化，电子发射电流和元件内电流的变化的图。可以确定，当施加至薄膜电极4的电压V1是15V时，比较实施例1的电子发射元件在1×10-8ATM的真空中显示出2.0×10-6A/cm2的每单元面积的电子发射电流。使用SEM观测比较实施例1的电子发射元件的电子加速层的表面，发现在比较实施例1中没有形成在实施例1至3中观测到的微细凹陷。
实施例1的电子发射电流增加至1.7×10-4A/cm2，其是比较实施例1的2.0×10-6A/cm2的电子发射电流的大约100倍。这个结果表明，通过提供在电子发射元件的电子加速层的表面上开口的微细凹陷，改善了发射的电子数量。
另外，尽管实施例3的电子发射元件在已经持续运行4小时的时候停止发射电子，但是实施例2的电子发射元件即使在已经持续运行100小时的时候仍然继续发射电子。该结果表明，通过在电子发射元件的薄膜电极与由绝缘材料构成的电子加速层之间提供碳薄膜，改善了寿命性能。
实施方式3
图5示出了包括在实施方式2中描述的电子发射元件10的充电设备90的一个实施例。充电设备90包括具有电子发射元件10的电子发射设备11和用于对电子发射元件10施加电压的电源7。充电设备90用于对感光器12充电。例如，充电设备90用于图像形成装置。即，根据一个实施方式的图像形成装置包括充电设备90。在根据本实施方式的图像形成装置中，构成充电设备90的电子发射元件10被布置为面对被充电的感光器12。电压的施加导致电子的发射，使得感光器12被充电。在根据本实施方式的图像形成装置中，除了充电设备90以外，可以使用传统已知的组件。用作充电设备90的电子发射元件10优选地布置为例如距离感光器12为3mm至5mm。此外，优选地将大约25V的电压施加至电子发射元件10。例如，电子发射元件10的电子加速层应该配置为使得响应于25V的施加电压，每单位时间发射1μA/cm2的电子。
即使当用作充电设备90的电子发射设备11在大气中运行时，也不会发生放电。因此，充电设备90不会产生臭氧。臭氧对人体有害，因此在各种环境标准中被控制。即使不将臭氧释放到装置外部，臭氧也使诸如感光器12这样的有机材料或装置中的皮带氧化并劣化。通过将根据本发明的实施方式的电子发射设备11用于充电设备90并且进一步将这样的充电设备90包括在图像形成装置中，可以解决这样的问题。另外，由于电子发射元件10在发射的电子数量方面被改进，所以充电设备90可以有效地执行充电。
当使用具有多个形成在衬底上的根据本发明实施方式的电子发射元件的电子发射设备11时，用作充电设备90的电子发射设备11配置为平面电子源。因此，电子发射设备11能够在沿旋转方向具有宽度的区域上对感光器12充电。这为对感光器12的一部分充电提供了许多机会。因此，与逐行执行充电的导线充电设备相比，充电设备90可以执行更均匀的充电。此外，充电设备90具有一个优点，使得施加的电压为大约10V，这远低于电晕放电设备的施加电压，电晕放电设备需要施加几kV的电压。
实施方式4
图6示出了包括在实施方式2中描述的电子发射元件10的电子束固化设备100的一个实施例。电子束固化设备100包括具有电子发射元件10的电子发射设备11和用于对电子发射元件10施加电压的电源7，以及用于加速电子的加速电极21。在电子束固化设备100中，起到电子源作用的电子发射元件10发射电子，并且发射的电子由加速电极21加速，使得电子与抗蚀剂22(被固化的物体)碰撞。用于使通常的抗蚀剂22固化所需的能量不大于10eV。因此，就能量来说，加速电极不是必须的。然而，因为电子束的贯穿深度由电子的能量的函数确定，所以例如为了使具有1μm厚度的抗蚀剂22完全固化，需要大约5kV的加速电压。
在传统的普通电子束固化设备中，电子源被密封在真空中并且通过施加较高电压(50kV至100kV)而使其发射电子。电子经过电子窗取出，并且用于照射。根据该电子发射方法，当电子经过电子窗时，在电子中发生大量能量的损失。此外，因为电子具有高能量，所以已经达到抗蚀剂的电子还沿厚度方向穿过抗蚀剂。这导致能量利用效率的降低。另外，由于每次电子被投掷在其上的区域小，并且在以点描绘的方式下执行照射，所以通过量低。
另一方面，包括电子发射元件10的电子束固化设备100可以在大气中运行，因此不需要将其密封在真空中。另外，由于电子发射元件10在发射的电子数量方面改进，所以电子束固化设备100可以使用电子束有效地执行照射。此外，因为电子不经过电子窗，所以电子束固化设备没有能量损失。这允许降低施加的电压。此外，由于电子束固化设备具有平面电子源，所以通过量显著增加。当根据一个图案发射电子时，能够实现无掩模曝光。
实施方式5
图7至9中的每一个示出了包括在实施方式2中描述的电子发射元件10的光发射设备的一个实施例。
在图7中示出的光发射设备31包括具有电子发射元件10的电子发射设备和用于对电子发射元件10施加电压的电源7；以及光发射部分36，其布置在远离电子发射元件10并且与电子发射元件10面对的位置上。光发射部分36具有叠层结构，其包括起到基底材料作用的玻璃衬底34、ITO膜33和荧光体32。
荧光体32的适当材料是由电子激励的并且分别对应于红光发射、绿光发射和蓝光发射的材料。可用作对应于红色的这样的材料的例子包括Y2O3:Eu和(Y，Gd)Bo3:Eu；可用作对应于绿色的这样的材料的例子包括Zn2SiO4:Mn和BaAl12O19:Mn；并且可用作对应于蓝色的这样的材料的例子包括BaMgAl10O17:Eu2+。荧光体32的膜形成在ITO膜33上，ITO膜33形成在玻璃衬底34的表面上。荧光体32优选地具有大约1μm的厚度。此外，ITO膜33可以具有任意厚度，只要ITO膜33可以确保导电性即可。在本实施方式中，ITO膜33具有150nm的厚度。
为了形成荧光体32的膜，制备作为粘合剂的环氧树脂与荧光细粒的混合物，并且可以通过诸如杆状涂敷机方法和滴液方法这样的已知方法形成混合物的膜。在本实施方式中，为了增加从荧光体32发射的光的亮度，需要将从电子发射元件10发射的电子朝向荧光体加速。在该情况下，应该在电子发射元件10的电极衬底1与光发射部分36的ITO膜33之间提供第二电源35，从而施加用于形成用于使电子加速的电场的电压。在该情况下，优选的是：荧光体32与电子发射元件10之间的距离是0.3mm至1mm；由电源7施加的电压是18V；并且由第二电源35施加的电压是500V至2000V。
在图8中示出的光发射设备31′包括电子发射元件10、用于对电子发射元件10施加电压的电源7和荧光体32。在光发射设备31′中，荧光体32是平面的并且被布置在电子发射元件10的表面上。在本实施方式中，荧光体32的层以这样的方式形成在电子发射元件10的表面上，使得如上所述地将作为粘合剂的环氧树脂与荧光细粒的混合物制备作为涂敷溶液，并且在电子发射元件10的表面上形成混合物的膜。由于电子发射元件10本身的结构是易受外力损坏的，所以作为使用杆状涂敷机方法的结果，该元件可能被损坏。因此优选地使用滴液方法或旋转涂敷方法。
在图9中示出的光发射设备31″包括具有电子发射元件10的电子发射设备11和用于对电子发射元件10施加电压的电源7。此外，在电子发射元件10的电子加速层3中，混合作为荧光体32′的荧光细粒。在该情况下，荧光体32′的细粒也可以作为绝缘细粒2。然而，通常地，荧光细粒具有低电阻，其明显低于绝缘细粒2的电阻。因此，当混合荧光细粒代替绝缘细粒2时，应该将荧光细粒的量保持为较小的数量。例如，在将球形硅石微粒(平均直径：110nm)用作绝缘细粒2并且将ZnS∶Mg(平均直径：500nm)用作荧光细粒时，将它们以大约3∶1的重量比例适当地混合。
在光发射设备31、31′、31″中，使从电子发射元件10发射的电子与对应的荧光体32、32′碰撞，从而发射光。由于电子发射元件10在发射的电子数量方面被改进，所以光发射设备31、31′、31″可以有效地发射光。尽管光发射设备31、31′、31″可以在大气中运行，但是当被密封在真空中以增加电子发射电流时，光发射设备31、31′、31″可以更加有效地发射光。
此外，图10示出了包括根据本实施方式的光发射设备的图像显示设备的一个实施例。在图10中示出的图像显示设备140包括在图9中示出的光发射设备31″和液晶面板330。在图像显示设备140中，光发射设备31″布置在液晶面板330后面并且被用作背光。在将光发射设备31″用在图像显示设备140中时，优选地将20V至35V的电压施加至光发射设备31″。例如，光发射设备31″应该配置为在20V至35V的电压下每单位时间发射10μA/cm2的电子。此外，光发射设备31″与液晶面板330之间的距离优选地是大约0.1mm。
当在图7中示出的光发射设备31用于根据本发明的实施方式的图像显示设备时，多个光发射设备31可以布置为矩阵，以形成允许光发射设备31自身作为FED的形状，从而形成并显示图像。在该情况下，优选地将20V至35V的电压施加至光发射设备31。例如，光发射设备31应该配置为在20V至35V的电压下每单位时间发射10μA/cm2的电子。
实施方式6
图11和12中的每一个示出了包括在实施方式2中描述的电子发射元件10的吹气设备的一个实施例。下面的描述基于将吹气设备用作冷却设备的假设。然而，吹气设备的应用不限于冷却设备。
在图11中示出的吹气设备150包括具有电子发射元件10的电子发射设备11和用于对电子发射元件10施加电压的电源7。在吹气设备150中，电子发射元件10朝向待被冷却的物体41发射电子，从而产生离子风，并且将电接地的物体41冷却。在冷却过程中，优选地对电子发射元件10施加大约18V的电压，并且电子发射元件10例如在该电压下在大气中每单位时间发射1μA/cm2的电子。
除了在图11中示出的吹气设备150的结构以外，在图12中示出的吹气设备160还包括吹风机42。在图12中示出的吹气设备160中，电子发射元件10朝向待被冷却的物体41发射电子，并且吹风机42向物体41吹风，从而将从电子发射元件发射的电子朝向物体41传送并且产生离子风，由此将电接地的物体41冷却。在该情况下，由吹风机42产生的气体体积优选地是每分钟每平方厘米0.9L至2L。
当像传统的吹气设备或传统的冷却设备一样，仅由风扇等等吹出的气体冷却物体41时，在物体41的表面上的流动速度将为0，并且在最希望从其中消散热量的一部分中的气体不会被替换，这导致低冷却效率。然而，当在吹出的气体中包括诸如电子或离子这样的带电微粒时，当吹出的气体在物体41附近时，由电力而将吹出的气体吸引到物体41的表面，从而允许在物体41的表面附近的气体被替换。由于根据本实施方式的吹气设备150、160吹出的气体包括诸如电子或离子这样的带电微粒，所以显著改进了冷却效率。此外，由于电子发射元件10在发射的电子数量方面被改进，所以吹气设备150、160可以更加有效地执行冷却。吹气设备150、160也可以在大气中运行。
本发明不限于上述的实施方式和实施例，并且可以在由所附权利要求限定的本发明的范围内进行多种其他的改变。也就是说，通过结合在由所附权利要求限定的本发明的范围内适当变化的技术手段而获得的其他实施方式也包括在本发明的技术范围内。例如，实施方式1的电子发射元件可以应用于实施方式3至6的设备。
工业可应用性
本发明的电子发射元件能够通过施加适度的电压而发射足够量的电子，并且能够连续运行较长时间。因此，例如，本发明的电子发射元件可以适当地应用于诸如电子照相复印机、打印机和传真机这样的图像形成装置的充电设备；电子束固化设备；当与荧光体结合时，可应用于图像显示设备；以及当利用由从其发射的电子产生的离子风时，可应用于冷却设备。

Claims (23)

1.一种电子发射元件，其包括：
第一电极；
绝缘细粒层，其被形成在所述第一电极上并且由绝缘细粒构成；以及
第二电极，其被形成在所述绝缘细粒层上，其中
所述绝缘细粒层被设置有在其表面中形成的凹陷，所述表面面对所述第二电极，每个所述凹陷具有的深度小于所述绝缘细粒层的厚度，并且
当电压被施加在所述第一电极与所述第二电极之间时，从所述第一电极提供的电子在所述绝缘细粒层中加速，从而经过所述第二电极而发射。
2.根据权利要求1所述的电子发射元件，其中所述凹陷被涂覆有碳薄膜。
3.根据权利要求1所述的电子发射元件，其中通过在所述第一电极上形成包含所述绝缘细粒和有机细粒的层使得所述层具有比所述有机细粒的最大直径大的厚度，并且然后分解所述有机细粒，而获得所述凹陷。
4.根据权利要求1所述的电子发射元件，其中所述凹陷具有5nm至1000nm的最大直径。
5.根据权利要求1所述的电子发射元件，其中所述凹陷具有1个凹陷/μm2至100个凹陷/μm2的分布密度。
6.根据权利要求1所述的电子发射元件，其中所述绝缘细粒层被形成为具有8nm至3000nm的厚度。
7.根据权利要求1所述的电子发射元件，其中所述绝缘细粒具有5nm至1000nm的平均微粒直径。
8.根据权利要求1所述的电子发射元件，其中所述绝缘细粒由SiO2、A12O3和TiO2中的至少一种绝缘体形成。
9.根据权利要求1所述的电子发射元件，其中所述第二电极由金、银、钨、钛、铝和钯中的至少一种金属形成。
10.一种光发射设备，其包括根据权利要求1至9中的任一项所述的电子发射元件和荧光体，其中所述电子发射元件将电子发射到所述荧光体，从而导致所述荧光体发射光。
11.一种图像显示设备，其包括根据权利要求10所述的光发射设备。
12.一种吹气设备，其包括根据权利要求1至9中的任一项所述的电子发射元件，其中将电子从所述电子发射元件发射以产生离子风。
13.一种冷却设备，其包括根据权利要求1至9中的任一项所述的电子发射元件，其中将电子从所述电子发射元件发射以冷却物体。
14.一种充电设备，其包括根据权利要求1至9中的任一项所述的电子发射元件，其中将电子从所述电子发射元件发射以对感光器充电。
15.一种图像形成装置，其包括根据权利要求14所述的充电设备。
16.一种电子束固化设备，其包括根据权利要求1至9中的任一项所述的电子发射元件。
17.一种电子发射设备，其包括根据权利要求1至9中的任一项所述的电子发射元件和用于在所述第一电极和所述第二电极之间施加电压的电源。
18.一种用于制造电子发射元件的方法，所述电子发射元件包括：第一电极；绝缘细粒层，其形成在所述第一电极上并且由绝缘细粒构成；以及第二电极，其形成在所述绝缘细粒层上，其中所述绝缘细粒层设置有在其表面中形成的凹陷，所述表面面对所述第二电极，每个所述凹陷具有的深度小于所述绝缘细粒层的厚度，并且当电压施加在所述第一电极与所述第二电极之间时，从所述第一电极提供的电子在所述绝缘细粒层中加速从而经过所述第二电极而发射，所述方法包括：
层形成步骤，其中在所述第一电极上形成包含所述绝缘细粒和有机细粒并且具有比所述有机细粒大的厚度的层；
绝缘细粒层形成步骤，其中通过使形成在所述第一电极上的所述层中的所述有机细粒分解以在所述层的表面中形成凹陷，而形成所述绝缘细粒层；以及
形成所述第二电极的步骤，所述第二电极在所述绝缘细粒层上并且与所述第一电极相对。
19.根据权利要求18所述的用于制造电子发射元件的方法，还包括使用碳薄膜涂敷所述凹陷的步骤。
20.根据权利要求18所述的用于制造电子发射元件的方法，其中所述层形成步骤包括通过将分散体施加到所述第一电极上而形成所述层的步骤，所述分散体包含分散在其中的所述绝缘细粒和所述有机细粒，并且所述绝缘细粒层形成步骤包括对形成在所述第一电极上的所述层进行热处理并且从而使所述有机细粒分解以在所述层的所述表面中形成所述凹陷的步骤。
21.根据权利要求20所述的用于制造电子发射元件的方法，其中所述分散体包含的分散在其中的有机细粒具有5nm至1000nm的平均微粒直径，并且形成的所述层具有8nm至3000nm的厚度。
22.根据权利要求20所述的用于制造电子发射元件的方法，其中所述层形成步骤是通过旋转涂敷方法施加所述分散体的步骤。
23.根据权利要求20至22中的任一项所述的用于制造电子发射元件的方法，其中所述层形成步骤包括施加通过将所述绝缘细粒和所述有机细粒分散在水溶剂中而获得的分散体的步骤。
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