CN102479483B - 电子发射装置及其驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电子发射装置及其驱动方法。本发明提供一种对包括第一发射电极、在第一电极上形成的并且包含绝缘微粒的微粒层、以及在微粒层上形成的第二电极的电子发射装置的驱动方法，其包括：将电压施加于第一和第二电极之间，以从第一电极发射电子，从而电子通过微粒层被加速，并且被从第二电极发射，其中，施加的电压包括具有第一频率并且以低于第一频率的第二频率被震荡的脉冲。
Description
技术领域
本发明涉及电子发射装置及其驱动方法。
背景技术
作为从固体内部向外部发射电子的机构，典型地已知热电子发射、光电子发射、场电子发射、次级电子发射等。
在这些机制中，具有场电子发射机构的电子发射装置，即，MIM(金属绝缘体金属)电子发射装置和MIS(金属绝缘体半导体)电子发射装置是已知的。这些电子发射装置是表面发射型电子发射装置，其每个使用在该电子发射装置内部的量子尺寸效应和强电场来加速电子，并且从其平板状的装置表面发射电子。由于在设备内部的电子加速层中被加速的电子被发射到外部，所以这些电子发射装置不需要装置外的强电场。
相反，在Spindt型电子发射装置和CNT型电子发射装置中，其使用设备外的强电场，由于气态分子的离子化的溅射，装置本身可能发生故障，使得在低真空中处理是麻烦的。因此，MIM电子发射装置和MIS电子发射装置已经得到关注，它们不仅能够在低压中发射电子，而且能够在大气压中发射电子，从而推进了它们的技术发展。
例如，已经报告的是，被称为弹道电子表面发射装置(BSD)的电子源在低真空中具有卓越特征(参见Vac.Sci.Technol.B 232336-2339(2005)，“Operation of nanocrystalline silicon ballistic emitterin low vacuum and atmospheric pressures.(在低真空和大气压中的纳米晶体硅弹道发射器的操作)”)。
此外，较之传统MIM电子发射装置和MIS电子发射装置，改善了在大气压中稳定性的电子发射装置已经被开发。例如，已知一种电子发射装置，其中，电子加速层包括由电导体构成的导电微粒，并且具有较强抗氧化作用，并且将大于导电微粒的绝缘物质提供在具有下电极的基板和由导体薄膜构成的上电极之间。已知的是，电子发射装置能够在大气压中稳定地发射电子(参见日本未审查专利公开No.2009-146891)。
在弹道电子表面发射装置中，纳米级硅微晶以及覆盖微晶的二氧化硅膜持续并交替地提供不受电子散射影响的电子渡越空间，以及局部强电场的电子加速场，从而发射电子。
然而，当电子源在大气压力中被驱动时，具体而言，在包括氧气和水蒸气的室内空气中，硅微晶与空气中的氧气结合，结果全部微晶被变成氧化的硅。因此，生成弹道电子的结构本身被消耗。
因此，在大气压中，具体而言，在包含氧气的室内空气中，难以几小时或几百小时的长时间来驱动电子源，从而需要能够在空气中被长时间驱动的装置。
另一方面，其中电子加速层包括导电微粒和绝缘物质的电子发射装置相对于弹道电子表面发射装置，通过难以被氧化的材料构成，从而具有在大气压(室内空气)中的卓越特征。
然而，在这种电子发射装置中，由于电子加速层包括作为主要成分的绝缘物质，电子可能被捕获到电子加速层中(电子充电可能会出现)。当电子被捕获时，被捕获的电子导致在电子加速层中的加速电场的局部释放，使得电子加速不足，从而劣化了电子发射装置的电子发射。当加速电压被施加时，电子捕获连续发生，结果，当直流电压被连续施加时，随着电压施加时间(驱动时间)的流逝，电子发射量被降低，虽然装置在物理上没有故障。这种电子发射量的降低可以通过提高加速电压来应对，但是，当电子捕获再次发生时，最终会导致电子发射量被降低(因此，即使当加速电压被提高直到电子加速层出现电故障时，也无法保持稳定地电子发射量)。
以这种方式，电子发射装置难以在大气压中，尤其是在含有氧气的室内空气中，稳定地长时间地发射电子，从而需要能够在空气中长时间稳定发射电子的装置。
在电子发射装置中，当在大气压中(尤其是，在含有水蒸气的室内空气中)连续施加直流电压时，基板金属的电迁移能够发生，从而在物理上损坏电子加速层。因此，需要能够在空气中被长时间驱动的装置。
发明内容
考虑到这些情况，做出本发明，并且本发明提供能够在空气中长时间稳定发射电子的装置及其控制方法。此外，本发明提供能够在空气中被长时间驱动的装置及其控制方法。
本发明提供一种电子发射装置的驱动方法，该电子发射装置包括：第一电极，形成在该第一电极上并且包括绝缘微粒的微粒层，以及形成在微粒层上的第二电极；并且在第一电极和第二电极之间施加电压，以在微粒层中加速从第一电极发射的电子，并且经由第二电极发射电子，其中，第一频率的脉冲以低于第一频率的第二频率被震荡，并且脉冲被施加在第一电极和第二电极之间。
本发明者已经进行了实验，并且已经发现：在包括第一电极、形成在第一电极上并且包括绝缘微粒的微粒层、以及形成在微粒层上的第二电极的电子发射装置中，将电压施加于在第一电极和第二电极之间，以在微粒层中加速从第一电极发射的电子并且经由第二电极发射电子；当将交流电压连续施加于第一电极和第二电极之间时，降低的电子发射量小于当直流电压被施加时降低的电子发射量；并且当交流电压具有高频时，降低的电子发射量尤其小。
此外，本发明者已经考虑，在直流电压和交流电压之间的差异在于用于电子加速层(加速电子的层，并且对应于在本发明中的微粒层)充电所需要的时间，换言之，其区别仅在于在充电时间常数的大小，结果，在任何电压的驱动方法中，电子加速电场通过被捕获的电子所形成的局部强电场而被释放，从而减少了电子发射量。
因此，本发明者已经考虑，在电子加速层中捕获的电子需要被移除，以获取长时间的稳定电子发射，并且已经进行了进一步实验。结果，本发明者已经发现，当提供电场加速电子不被施加于电子加速层的时间时，即，当将第一频率的脉冲以低于第一频率的第二频率而施加于第一电极和第二电极之间时，在电子加速层中捕获的电子能够被移除(即，能够被允许消失)，并且本发明人已经完成了本发明。
根据本发明，提供一种能够在空气中长时间稳定发射电子的装置的控制方法。
附图说明
图1是协助解释根据本发明实施方式的电子发射装置的结构的概念图；
图2是沿图1的A-A线所取的剖视图；
图3(1)、3(2)和3(3)是协助解释根据本发明实施方式的由电子发射装置的驱动部生成驱动波形的图表；
图4是示出了当由直流电压驱动根据本发明实施方式的电子发射装置时电子发射量随时间变化，以及当以10kHz的矩形波驱动该电子发射装置时电子发射量随时间变化的曲线图，其中，示出了当占空比为25％、50％和75％时三个条件下，当以10kHz的矩形波驱动该电子发射装置时的变化；
图5是示出了当由以50Hz至500Hz(50％的占空比)的矩形波驱动根据本发明实施方式的电子发射装置时，电子发射量的变化的曲线图；
图6是示出了以500Hz至250kHz(50％的占空比)的矩形波驱动根据本发明实施方式的电子发射装置时电子发射量随时间变化的曲线图；
图7是示出了当通过连续施加10kHz(25％的占空比)的矩形波来驱动根据本发明实施方式的电子发射装置时电子发射量的变化，以及当通过以60秒的间隔而间歇地施加相似矩形波来驱动根据本发明实施方式的电子发射装置时电子发射量的变化的曲线图；
图8是分别通过以10、5、和2.5秒的间隔，间歇地施加10kHz(50％的占空比)的矩形波来驱动根据本发明实施方式的电子发射装置时，电子发射量的变化的曲线图；
图9(1)和9(2)是协助解释当根据本发明实施方式的电子发射装置经受老化测试(100小时连续操作)时，所使用的脉冲密度控制的脉冲波数对应关系(map)及其控制方法的波形图；以及
图10是示出了根据本发明实施方式的电子发射装置的老化测试(100小时连续操作)结果的曲线图。
具体实施方式
本发明提供电子发射装置的驱动方法，该电子发射装置包括：第一电极，形成在第一电极上并且包括绝缘微粒的微粒层，以及形成在微粒层上的第二电极，并且将电压施加于第一电极和第二电极之间，以加速从微粒层中第一电极发射的电子，并且通过第二电极发射电子，其中，第一频率的脉冲以低于第一频率的第二频率被震荡，并且被施加于第一电极和第二电极之间。
在本发明的电子发射装置驱动方法中，由于第一频率的脉冲被用于驱动，并且在脉冲不出现的期间，不将电场施加于电子发射层。因此，在此期间，被临时捕获到电子加速层中的电子从电子加速层的内部被移除(或被允许消失)，并且，由于即使当通过脉冲施加电压时，在电子加速层中也不发生局部电场释放，所以电子由脉冲的电压稳定地加速，从而电子发射装置的电子发射量难以减少。因此，根据该驱动方法，电子发射装置能够稳定地发射电子。
而且，由于将第一频率的脉冲用于驱动，并且不使用直流电压，当电子发射装置发射电子时发生的第一电极(例如，在某种模式中，由金属材料制成的基板)的电迁移难以发生，从而电子加速层难以被物理损坏。因此，即使在空气中，电子发射装置能够被长时间驱动。
而且，由于在本发明的电子发射装置驱动方法中使用的脉冲是高于第二频率的第一频率，包括交流分量的电压被施加于本发明电子发射装置的电子加速层。
当包括交流电分量的施加电压的交流频率升高时，流入电子加速层的电流发挥所谓的导体集肤效应，在该效应中，电流集中于构成电子加速层(本发明中的微粒层)的绝缘微粒的表面。
此处，假定在本发明中要被驱动的电子发射装置中，流向由绝缘微粒构成的电子加速层的电流(即，电子)的部分通过施加于电子加速层的电压而被允许具有高能量，以便作为从固体表面(在本发明中微粒层上形成的第二电极)释放的弹道电子，从而发射电子。根据本发明的电子发射装置驱动方法，由于电流集中于绝缘微粒的表面，弹道电子被容易地从固体表面释放，从而能够容易地保持电子发射。
另一方面，当导致这种导体集肤效应时：(1)在绝缘微粒的表面上产生焦耳热，结果，晶格振动增加，将弹道电子散射，因此，电子发射装置的电子发射可能受抑制(电子发射量可能减少)。
而且，如上所述，(2)即使当通过交流电压驱动电子发射装置时(即，即使当将包括交流分量的电压施加于电子加速层时)，电子被捕获到电子加速层中(电子充电)，因此，电子发射量可能减少)。
(3)当交流电压的频率被降低时，连续执行对电子加速层的电压施加的时间变得更长，并且如通过直流电压的驱动一样，第一电极(例如，在某种模式中，由金属材料制成的基板)的电迁移可能发生。
从这些角度出发，本发明者已经进行了另一实验。结果，从(1)和(2)的角度出发，本发明者已经发现，除非不将电压施加于电子加速层持续至少约100毫秒，否则被捕获到电子加速层的电子能够被清除，即，将约10Hz或更低频率的交流电压施加于电子加速层(例如，将包括0.008Hz、0.05Hz、0.1Hz或0.2Hz频率的脉冲的波形的电压施加于第一电极和第二电极之间)，从而，电子难以被捕获到电子加速层中。而且，从(3)的角度出发，本发明者已经发现，将几百Hz或更高的交流电压施加于电子加速层(例如，脉冲频率为100Hz或更高，并且将该脉冲波形的电压施加于第一电极和第二电极之间)，从而电迁移难以发生。
本发明者也已经发现，即使当将包括50Hz至10kHz频率的脉冲的波形的电压施加于第一电极和第二电极之间时，电子发射量也不减少。
根据这些结果，在本发明中，优选的是，第一频率为100Hz至10kHz，并且第二频率为0.008Hz至2Hz。
此处，优选的是，每个脉冲由矩形波构成。矩形波也被称为方波，并且具有例如25％和50％的占空比。本发明的电子发射装置驱动方法使用多个脉冲(即，两个或多个矩形波)。当电子发射量是恒值时，这些脉冲基本上具有相同振幅。
下文将描述本发明的实施方式。
在本发明的实施方式中，除了上述的本发明结构以外，在第一电极与第二电极之间的电流可以被测量，以基于测量的电流值，调制脉冲。例如，当在第一电极和第二电极之间的电流被测量，并且测量的电流值随后被增加或减少时，脉冲可以被调制，以便使得电子发射量恒定。此处，可以将脉冲调制成使得电子发射量基本恒定，从而可以结合电子发射装置的驱动时间(寿命)来确定其程度。
根据该实施方式，由于测量了在第一电极和第二电极之间的电流，所以能够间接地测量电子发射装置的电子发射量。将测量的电流值增加或减少，以调制脉冲，以便能够通过脉冲调制而调整电子发射量的变化。
因此，提供的该电子发射装置的驱动方法，能够稳定地发射电子，同时减少电子发射量的上升或下降。
此处，在本发明中要驱动的电子发射装置中，电子发射装置的驱动环境的变化与该装置中流动的电流之间的相关性较高，并且在该装置中流动的电流与从该装置发射的电子量之间的相关性也较高。因此，根据该实施方式，提供的电子发射装置的驱动办法能够稳定地发射电子，而不依赖于温度和湿度的环境变化。因此，提供能够在空气中长时间稳定地发射电子的装置及其驱动方法。
而且，在第一电极和第二电极之间的电流测量，可以应用到包括不同电极的电子发射装置。例如，电子发射装置可以进一步包括与第二电极相对设置的第三电极，其中，可以测量发射到第三电极的电子量，以根据测量的电流值，来调制脉冲。在这种模式中，提供的电子发射装置的驱动方法能够稳定地发射电子，同时减少了电子发射量的上升或下降。
此外，在本发明的实施方式中，除了上述的发明结构以外，脉冲调制可以是脉冲密度调制或脉冲宽度调制。在这种情形下，脉冲密度调制通过具有恒定宽度的脉冲密度，生成波形，而且，脉冲宽度调制通过可变脉冲宽度，生成波形。
根据该实施方式，根据测量的电流值，通过脉冲密度调制或脉冲宽度调制，执行波形调制，从而，提供的电子发射装置的驱动方法能够稳定地发射电子，同时减少了电子发射量的上升或下降。
从另一角度而言，本发明提供一种电子发射装置，其包括第一电极、形成在第一电极上并且包括绝缘微粒的微粒层、形成在微粒层上的第二电极、以及驱动部，该驱动部将电压施加于第一电极和第二电极之间，以在微粒层中加速从第一电极发射的电子，并且经由第二电极发射电子，其中，驱动部以低于第一频率的第二频率，来震荡第一频率的脉冲，并且将波形生成电路连接至第一电极和第二电极。
根据本发明的电子发射装置，驱动部采用上述电子发射装置驱动方法。因此，提供的装置能够在空气中以长时间稳定地发射电子。
此外，在本发明的电子发射装置的实施方式中，驱动部可以是其中第一频率为100Hz至10kHz，第二频率为0.008Hz至2Hz，并且脉冲由矩形波构成的驱动部。即，优选的是，驱动部对脉冲进行震荡，其中第一频率为100Hz至10kHz且第二频率为0.008Hz至2Hz。而且，在驱动部中，优选的是，脉冲由矩形波构成。例如，驱动部可以是波形生成电路，其以低于第一频率的第二频率来震荡第一频率的脉冲，并且该波形生成单元可以被连接至第一电极和第二电极。在这种情形中，例如，图案生成器和信号生成器对应于该波形生成电路。驱动部可以包括电流测量部，其测量第一电极和第二电极之间的电流；以及脉冲调制部，其基于测量的电流值，调制脉冲。例如，驱动部可以包括电流测量部，其测量第一电极和第二电极之间的电流；以及脉冲调制部，其调制脉冲，以使得当测量的电流值升高或降低时，电子发射量为恒定的。在这种情形中，脉冲调制部可以调制脉冲，以使得电子发射量基本恒定，并且结合电子发射装置的驱动时间(例如，寿命)，可以确定其程度。脉冲调制部可以是通过脉冲密度调制或脉冲宽度调制来调制脉冲的调制部。
而且，虽然本发明的电子发射装置所采用的结构包括第一电极、在第一电极上形成并且包括绝缘微粒的微粒层、以及在微粒层上形成的第二电极，其中，将电压施加于第一电极与第二电极之间，以在微粒层中加速从第一电极发射的电子，并且经由第二电极发射电子，但可以采用例如下列模式。
具体而言，根据本发明的另一实施方式的电子发射装置可以进一步包括在第一电极上形成并且具有开口的绝缘层，其中，第二电极可以形成在该绝缘层上，并且被设置成跨过开口与第一电极相对，并且与绝缘层部分地重叠，而且，微粒层被设置在第一和第二电极以及绝缘层之间，并且由绝缘微粒和导电微粒构成。在该模式中，绝缘层可以形成为与第一电极接触，微粒层可以被设置在第二电极和绝缘层之间以及在开口中，并且绝缘层可以由硅树脂(silicone resin)制成。
在进一步的实施方式中，第二电极可以具有形成有凹陷部分的表面，第二电极可以包括形成在微粒层附近的第一电极层，以及形成在第一电极层上并且具有比第一电极层阻值更高的阻值的第二电极层，第一电极层具有形成有凹陷部分的表面，并且第二电极层可以通过将凹陷部分穿过第一电极层而电连接至微粒层。
在又另一实施方式中，各个结构可以由下列材料构成。例如，第一电极层可以是无定形碳层，并且第二电极层可以是金属层。第二电极层可以由包括金、银、钨、钛、铝和钯至少之一的材料构成。可选的是，微粒层可以进一步包括由绝缘微粒构成的绝缘微粒层，并且构成微粒层的绝缘微粒和导电微粒可以通过硅树脂而被固定。进一步可选的是，导电微粒可以由包括金、银、铂、钯和镍至少之一的材料构成，并且可以具有3-10nm的平均粒径，并且绝缘微粒可以由包括SiO2、Al2O3以及TiO2至少之一的材料构成，并且可以具有10至1000nm的平均粒径。
下文将结合附图，具体描述本发明的实施方式和实施例。下文描述的实施方式和实施例仅作为本发明的具体例证，并且本发明不应被理解为受其限制。
[实施方式]
图1是协助解释根据本发明实施方式的电子发射装置1的概念图。
如图1中所示的，根据该实施方式的电子发射装置1包括：电极基板2、在电极基板2上形成的微粒层3(也被称为电子加速层)、在微粒层3上形成薄膜电极4、以及将电压施加于电极基板2和薄膜电极4之间以驱动该装置的驱动部20。
在该实施方式中，当将电压施加于电极基板2和薄膜电极4之间时，为了在微粒层3中不出现非均匀电场，提供具有开口的绝缘体薄膜5，而且，薄膜电极4由多个导电膜形成，以便从整个薄膜电极4发射均匀且充足的电子。
在本实施方式中，这些结构在原理上并非总是必要的。然而，在采用这种结构的情形中，即使当电子发射装置1被长时间地驱动，电场也不集中在微粒层3的部分上，从而电子发射装置1能够被长时间地连续驱动。因此，下文将描述采用这些结构的电子发射装置1。
(电极基板)
电极基板2由铝形成。电极基板2是下电极(图1中被设置在下方的电极)，并且具有基板的功能。即，电极基板2可以是具有导电性的结构体(例如，板形体)，并且可以是支持该电子发射装置的结构体。因此，使用具有某种程度的强度以及中等导电性的基板来作为电极基板2。作为电极基板2，例如，SUS、由Al、Ti、Cu等制成的金属基板、以及由Si、Ge、GaAs等制成的半导体基板可以作为例子。可选的是，具有提供有由导电材料形成的电极的表面的绝缘体基板可以被使用(即，在其中，包括绝缘材料的板形体的表面涂有导电材料的结构体可以被使用)。对于这种基板，例如，其每个具有形成有金属膜的表面的玻璃基板和塑料基板，可以作为实施例。
作为用于形成这种电极的导电材料，选择具有卓越导电性并且能够使用磁控管溅射而形成薄膜的材料。为了在空气中稳定运行电子发射装置，可以使用具有高抗氧化能力的导电材料。优选的是，可以使用贵金属。作为氧化物导电材料并且被广泛用于透明电极的ITO也是有用的。也可以使用能够形成强薄膜的Ti和Cu。例如，也可以使用在其中在玻璃板平面上形成200nm的Ti以及在其上形成1000nm的Cu的金属薄膜。
作为后文将描述的微粒层被堆积于其上的电极基板2，可以选择具有对于与该电极基板2直接接触的层(构件)具有较好粘性的基板。
(绝缘体薄膜)
绝缘体薄膜5由硅树脂形成，并且被形成在电极基板2上，并且具有开口。绝缘体薄膜5可以由作为相对于驱动电子发射装置的驱动电压的绝缘体的任何材料形成，但是，为了绝缘体薄膜5具有开口，需要使用能够图案化的材料，即能够控制形状。
因此，作为用于绝缘体薄膜5的材料，紫外线固化及热硬化硅树脂是适合的。作为硅树脂，例如，使用Dow Corning Toray Silicone公司制造的室温与湿度固化型SR 2411硅树脂。
当绝缘体薄膜5由硅树脂形成时，可以通过下列处理将开口图案化。首先，将硅树脂施加在电极基板2上，以预焙施加了硅树脂的电极基板2。然后，覆盖掩模图案(包括具有开口的电极图案的掩模)，用于以紫外线照射预定时间段。从而，以不同膜固化程度，向硅树脂膜转印图案。利用紫外线照射的部分，较之未利用紫外线照射的部分，变成硬膜，从而通过以软抹布(soft waste)擦拭已经由紫外线照射的硅树脂，未被紫外线照射部分中的硅树脂膜能够被选择性去除。如上所示，具有开口的绝缘体薄膜5能够由硅树脂形成。
作为绝缘体薄膜5的另一材料，氧化的硅能够作为实施例。利用氧化的硅，例如，通过使用能够形成硅氧化物膜的典型的CVD(化学气相沉淀)设备或溅射设备，以及各种离子蚀刻处理，能够形成具有开口的绝缘体膜5。通过这种方式，可以使用作为无机材料的氧化硅，来替代硅树脂。
绝缘体薄膜5被形成为具有500至1000nm膜厚度。在这个范围内，没有产生用于抑制微粒层3形成的步骤，并且能够确保绝缘特性。
(薄膜电极)
薄膜电极4由多个导电膜形成，以便从整个薄膜电极4发射均匀且充足的电子。图2示出了协助解释薄膜电极4和微粒层3结构的剖视图。图2是沿图1线A-A的剖视图。
如图2所示的，薄膜电极4包括无定形碳层7、多孔电极层8A、以及非多孔电极层8B，并且按照无定形碳层7、多孔电极层8A、和非多孔电极层8B的这种顺序将其堆积在微粒层3上。薄膜电极4具有形成有孔9(凹陷部分)的表面。
无定形碳层7被形成，以便具有所谓的SP2杂化轨道(大约几百个原子的簇)的石墨结构的簇被随机堆积。虽然石墨本身是导电性优良的材料，但是被堆积的在簇之间导电性较差的无定形碳层7被用作电阻层。即，无定形碳层7具有高于多孔电极层8A和非多孔电极层8B的电阻值。
此外，无定形碳层7形成为具有10nm的层厚度。为了无定型碳层7作为电阻层，无定型碳层7形成为具有5nm或更多的膜厚度。
多孔电极层8A由具有金和钯作为主要成分的材料形成。用于多孔电极层8A的材料可以支持电压施加，并且多孔电极层8A由例如金属形成。然而，从尽可能没有任何能量损失地传送并发射在微粒层3(电子加速层)中被加速以具有高能量电子的电极功能的角度来看，用于多孔电极层8A的材料可以具有较低功函数并且能够形成为薄膜。可以期望的是，这种材料从形成的装置发射更多电子。作为这种材料，例如，具有对应于4至5eV的功函数的金、银、钨、钛、铝、钯等可以作为实施例。在这些中，当假定该装置在空气中操作时，没有氧化物和硫化物形成反应的金是最佳材料。具有较少氧化物形成反应的银、钯、钨等也是能够经受实际使用的材料，而没有任何问题。
多孔电极层8A具有形成有孔9的表面。孔9被均匀分布在整个多孔电极层8A中。典型的是，由于电场集中，在微粒层3中形成的电流路径可能被生成。因此，当孔9被提供在微粒层3上的电极中时，电流路径可能形成在微粒层3中。另一方面，当电场集中受限时，异常电流路径的数目增加，这导致电短路状态。相反，当电场集中被均匀并广泛分布时，装置的电子发射点的数目被增加，从而电子发射量增加。因此，当孔9被均匀分布在整个多孔电极层8A中时，电流路径可能被形成在微粒层3中，并且装置的电子发射量增加。因此，孔9可以被形成为具有小粒径(面积)，并且大量的孔9可以被设置。孔9可以被设置，以便被均匀分布在整个多孔电极层8A中。
具体而言，优选的是，孔9的粒径为1至5μm，并且孔9以800至1200个/mm2的密度，被设置在多孔电极层8A中。当粒径为1μm或更多时，电场集中于凹部，可能形成电流路径，并且当粒径为5μm或更少时，过多的电场难以集中到凹陷部分中。因此，非正常电流路径形成难以出现。当凹陷部分以800个/mm2或更高的密度分布时，电流路径不稀少，从而能够从整个表面发射充足的电子，并且当凹陷部分以1200个/mm2或更低的密度分布时，在第二电极表面的导电性可以保持均匀。因此，能够容易地将电流供给至整个表面。
孔9被形成为穿过无定形碳层7和多孔电极层8A，并且其被涂有非多空电极层8B。微粒层3和非多空层8B在孔9处彼此接触。通过注意到从微粒层3至非多孔层8B的结构，孔9和除了孔9的其他部分具有不同电阻，并且孔9具有相对低的电阻，从而电流路径被形成为集中于孔9中，从而使得电子能够更为集中地从凹陷部分被发射。
通过将微粒物质散布到微粒层3上，将由无定形碳制成的层以及由金和钯制成的金属层堆积在散布有微粒物质的微粒层3上，然后将散布的微粒物质去除，从而能够形成这种孔9。因此，孔9的形状取决于在上述处理中散布的微粒物质的形状。即，在被用于制造后文将描述的薄膜电极4的、使用溅射法或淀积法的薄膜形成方法中，形成薄膜，其被通到散布微粒的阴影处。根据该事实，可以选择微粒物质的尺寸，其比孔9的粒径大约几十个百分点。而且，作为微粒物质，硅石微粒被适当地使用。
如在多空电极层8A中一样，非多孔电极层8B由包括金和钯作为主要成分的材料形成的金属层形成。与用于多孔电极层8A的物质一样，用于非多孔电极层8B的材料可以支持电压的施加。因此，如上所述，非多孔电极层8B可以由与用于多孔电极层8A相同的材料形成。
此外，非多孔电极层8B覆盖多孔电极层8A。即，非多孔电极层8B形成为涂覆在多孔电极层8A的表面上，并且，孔9也涂有非多孔电极层8B。为了将薄膜电极4作为电极，需要包括多孔电极层8A和非多孔电极层8B的金属层作为电极。因此，多孔电极层8A和非多孔电极层8B(金属层)的层的层厚度(多孔电极层8A的层厚度与非多孔电极层8B的层厚度的总值)可以是10nm或更多。当总层厚度为10nm或更多时，能够确保作为电极的足够的导电性。在该实施方式中，非多孔电极层8B被形成为具有20nm的膜厚度。
为了从电极发射装置1有效地向外部发射电子，薄膜电极4的膜厚度是重要的，并且优选的是，其最大膜厚度部分处于15至100nm的范围内。通过这种方式，需要薄膜电极4被形成为100nm或更薄的膜厚度，并且具有超过这个范围膜厚度的薄膜电极4极大地减少了弹道电子发射。一般认为，因薄膜电极4吸收或反射弹道电子并且电子被再次捕获到微粒层3中，所以要发射的弹道电子数目被减少。
由于薄膜电极4可以作为电极，所以薄膜电极4可以由单一导电膜形成。例如，包括金和钯的金属膜。可选的是，如在本实施方式中，薄膜电极4可以由多个导电膜形成(所谓的堆积结构形成)。
(微粒层)
微粒层3被设置在电极基板2和薄膜电极4之间，并且实质上包括绝缘微粒6A。具体而言，如在图2中所示的，微粒层3包括在电极基板2上形成的第一微粒层3A、以及在第一微粒层3A上形成的第二微粒层3B。
第一微粒层3A包括绝缘微粒6A和导电微粒6B，并且绝缘微粒6A和导电微粒6B主要包括纳米尺寸的微粒。
绝缘微粒6A由硅石(SiO2)形成。用于绝缘微粒6A的材料要求具有绝缘特性，并且绝缘微粒6A可以包括从除了SiO2以外的Al2O3、TiO2中选择的材料，以作为主要成分。更具体地说，例如，能够使用由CabotCorporation制造的气相二氧化硅C413。像SiO2、Al2O3、TiO2的具有高绝缘特性的材料能够容易地将微粒层3的阻值调整为理想值。而且，当使用这些氧化物时，难以发生氧化，从而能够防止装置被损坏。
绝缘微粒6A具有50nm的平均粒径。优选的是，绝缘微粒6A具有10至1000nm的平均粒径，并且更优选的是，平均粒径为10至200nm。绝缘微粒6A可以具有相对于平均粒径而言的较宽泛的粒径分布状态，例如，具有50nm平均粒径的微粒可能具有在20至100nm范围内的粒径分布。因此，即使在这种分布状态中，绝缘微粒的平均粒径可以满足上述平均粒径的范围。当，平均粒径太小时，微粒之间作用力强，从而微粒可能被凝结，并且难以被分散。另一方面，当绝缘微粒的粒径太大时，分散性好，但是在薄膜微粒层中的孔隙变大，从而微粒层的电阻难以被调整。因此，上述平均粒径的范围是优选的。
导电微粒6B由银形成。导电微粒6B可以由贵金属形成，以防止电子发射装置在空气中被氧化和损坏。例如，除了上述银以外，导电微粒6B可以由包括金、铂、钯或镍的作为主要成分的金属材料形成。通过使用作为已知的微粒制造技术的溅射方法或喷射加热方法，能够制造这种导电微粒6，并且也能够使用诸如由Applied NanotechnologyResearch Institute制造并销售的银纳米微粒的商业上可获得的金属微粒。
导电微粒6B是具有10nm的平均粒径的纳米微粒。由于导电微粒6B控制第一微粒层3A的导电性，需要使用具有比绝缘微粒6A的平均粒径更小的平均粒径的微粒。因此，优选的是，导电微粒6B的平均粒径为3至20nm。将导电微粒6B的平均粒径制成小于绝缘微粒6A的平均粒径，从而，通过导电微粒6B，不会在电子加速层3中形成导电路径，并且在电子加速层3中难以发生电故障。而且，在在原理上存在许多不清楚的点，但是具有上述范围内的平均粒径的导电微粒6B被用于有效地产生弹道电子。
在第一微粒层3A中，绝缘微粒6A和导电微粒6B被硅树脂固定。因此，即使当在多孔电极层8A中形成孔9时，该装置也被形成为具有充分机械强度。而且，由于硅树脂具有防水功能，所以水分子难以粘附到微粒层3上，而且，即使当在空气中操作该装置时，也难以发生由于水分子所导致的电阻值改变。因此，该电子发射装置能够被形成为进行稳定地操作。作为硅树脂，例如，使用由Dow Corning Toray Silicone Co.制造的室温及湿度固化型SR2411硅树脂。
第二微粒层3B包括绝缘微粒6A。作为绝缘微粒6A，使用与在第一微粒层3A中使用的绝缘微粒6A相同的微粒。以这种方式，作为在第二微粒层3B中使用的绝缘微粒6A，可以使用与第一微粒层3A相同的微粒。
在第二微粒层3B中，绝缘微粒6A和绝缘微粒6A被硅树脂固定。硅树脂与第一微粒层3A的相同。因此，在第二微粒层3B中，也能够获得与上述效果类似的机械强度和水分子粘附性效果。
在这个实施方式中，将硅树脂用于第一微粒层3A和第二微粒层3B，以将微粒彼此固定，但是，硅树脂可以仅被用于这些层的任意一个中。在这种情形中，在使用硅树脂的层中，能够获得关于机械强度和水分子粘附性的效果。
微粒层3被形成为具有1200nm的层厚度，第一微粒层3A被形成为具有700至800nm的层厚度，并且第二微粒层3B被形成为具有400至500nm的层厚度。为了微粒层3能够具有均匀层厚度，以及在层厚度方向上的均匀电阻，微粒层3可以具有300至4000nm的层厚度。作为电子加速层的微粒层3，可以仅包括第一微粒层3A，从而可以通过第一微粒层3A和第二微粒层3B的总层厚度来管理微粒层3。
微粒层3可以仅包括第一微粒层3A，但是，如在这个实施方式中，微粒层3可以包括第一微粒层3A和第二微粒层3B。更确切地说，当在在微粒层3表面的非平整性较之微粒层3的层厚度太大时，由表面形状导致的电场异常发生，导致电流集中。此外，随着对该装置长时间通电，在微粒层3中提供了意外的电流集中点。为了避免这些问题，微粒层3可以包括第一微粒层3A和第二微粒层3B，以释放在微粒层3表面上的非平整性。优选的是，微粒层3的层厚度较小，但是可以稍微增加，这对于解决上述问题是有帮助的。
将微粒层3设置在绝缘体薄膜5上，并且设置在绝缘体薄膜5和薄膜电极4之间。将微粒层3设置在基板电极2和在绝缘体薄膜5的开口内的绝缘体薄膜之间。微粒层3的微粒(绝缘微粒6A和导电微粒6B)掩埋绝缘体薄膜5的开口。
通过这种设置，绝缘体薄膜5通过薄膜电极4的端部，释放在微粒层3上形成的电场集中，从而抑制异常电流集中的发生。即，认为非均匀电场不出现在下列机构中的第二电极端部与第一电极之间的微粒层中。
当驱动部20将电压施加于电极基板2与薄膜电极4之间时，在微粒层3(电子加速层)中形成电流路径，并且其某些电荷通过由施加电压形成的强电场而变成弹道电子，以便从薄膜电极4被发射。在微粒层3的弹道电子发生机制中，在本阶段仍有许多不清楚的点，但明白的是，从装置表面发射的电子对在由微粒层3中局部形成的高电场部分在微粒层3中所形成的电流路径中传导的某些电荷进行加速，并且其变成热电子(弹道电子)，从而跳跃到空中。认为在构成微粒层3的微粒层之间发射的电子沿着在微粒层3中形成的电场前进，同时重复弹道碰撞，并且它们中的某些穿过在表面的薄膜电极，或者滑过在电极之间的缝隙，并且从装置表面脱离。
此时，即使当微粒层3被夹在电极基板2和薄膜电极4之间时，由于绝缘体薄膜5的电绝缘作用，具有在电极基板2和微粒层3之间的绝缘体薄膜5的部分也不会流过电流。而且，在不具有在电极基板2和微粒层3之间的绝缘体薄膜5的部分中，由两个电极之间的电势差所产生的均匀电场出现在微粒层3中，并且电流流入微粒层3中以将其部分作为热电子发射到空中。另一方面，非均匀集中电场被生成在夹在薄膜电极4和电极基板2之间的微粒层3中，但是由于形状控制的绝缘体薄膜5(电解质薄膜)被提供在沿着其电力线的返回路径中，所以绝缘体薄膜5通过其电绝缘功能释放电场，并且不流过电流。因此，电流路径不直接在薄膜电极4的端的下面形成，其中，传统上，非均匀电场被形成在微粒层3中，并且电流可能被集中，从而即使当长通电时间流逝时，状态也不被改变。而且，即使当长通电时间流逝时，从对应于在薄膜电极4中的开口5A的部分流动到电极基板2的电流连续流动，不会非均匀地分布到特定部分，从而保持从整个表面的电子发射。
(驱动部)
如上所述，驱动部20将电压施加于基板电极2和薄膜电极4之间，在微粒层3中加速从基板电极2供给的电子，并且从薄膜电极4发射电子。
具体而言，驱动部20包括低频函数发生器14、高频函数发生器15、以及连接至这些函数发生器并且放大由函数发生器产生的信号波形的电功率放大器16。高频函数发生器15允许从低频函数发生器14输出的波形包括由高频函数发生器产生的信号波形，以用于输出。
而且，在这个实施方式中，将集电极12经由绝缘体垫片13设置在薄膜电极4上，以测量从电子发射装置1发射的电子量。将集电极12连接至施加直流偏置的集偏置电源11，并且将用于测量发射电子量的电子发射安培计17A连接在它们之间。而且，为了测量在电子发射装置1中的电流流动，将电子发射安培计17B连接至薄膜电极4，并且将薄膜电极4经由电子发射安培计17B而接地。低频函数发生器14和高频函数发生器15也被接地，从而基于接地，施加电压。
低频函数发生器14和高频函数发生器15生成用于驱动电子发射装置1的信号(驱动部20的输出)。由这些发生器所生成的信号波形和用于驱动电子发射装置1的信号波形(驱动部20的输出波形)在图3(1)至3(3)中示出。图3(1)至3(3)是协助解释根据本发明实施方式的由电子发射装置的驱动部生成的驱动波形的图。图3(1)示出了由低频函数发生器14生成的信号波形，并且图3(2)示出了由高频函数发生器15生成的信号波形。而且，图3(3)示出了用于驱动电子发射装置1的信号波形，其由这些函数发生器所生成。
如图3(1)至3(3)所示，低频函数发生器14和高频函数发生器15分别生成低频信号201(周期C1)和高频信号202(周期C2)，C2＞C1)。这些信号包括以固定周期出现的矩形波(方波)，并且被设置成使得高频信号202的频率(1/C2)高于低频信号201的频率(1/C1)，并且当低频信号201的一个矩形波上升(在图3(3)所示的时间段T1中)，则高频信号202的多个(2或大于2的整数)矩形波上升。
具体而言，低频函数发生器14生成0.008Hz至2Hz的低频信号201，并且高频函数发生器15生成100Hz至10kHz的高频信号202。例如，如在本实施方式中，这些频率的矩形波可以从多个函数发生器被输出，以构成驱动部20，或者函数发生器14和15可以包括诸如脉冲发生器的已知信号发生器(例如，脉冲信号发生器)，以构成驱动部20，从而各个信号发生器生成这些频率的信号。
当由低频函数发生器14生成(输出)低频信号201时，信号被输入到如图1所示的高频函数发生器15，获得该信号和由高频函数发生器15所生成的高频信号202的逻辑积(AND)，并且将逻辑积从高频函数发生器15输出，并且输入到电功率放大器16(图3(3)的波形203)。电功率放大器16放大该信号，以便具有用于驱动电子发射装置必要的振幅(高频函数发生器15的输出信号被放大，以便图3(3)所示的振幅A变成适合于驱动电子发射装置)。因此，获取如图3(3)所示的信号波形，并且将其施加于电子发射装置1的基板电极2和薄膜电极4之间。换言之，其中高频脉冲(例如，矩形波)以固定频率出现的信号波形，被施加于电子发射装置1的基板电极2和薄膜电极4之间。
如图3(3)所示的，被施加于基板电极2和薄膜电极4之间的信号波形包括：接通时间，在其中，低频信号201的矩形波上升(图3(3)的时间段T1)，并且高频信号202的矩形波上升；以及断开时间，在其中，低频信号201的矩形波或者高频信号202的矩形波不上升。在前一时间中，电压被施加于基板电极2和薄膜电极4之间，以从电子发射装置1发射电子，并且在后一时间中，停止电压施加，以停止从电子发射装置1的电子发射。当在前一时间中电压施加持续时，电子被捕获到微粒层3中(电子发射装置1的电子发射量被减少)，并且在后一时间中，被捕获的电子被移除(或被允许消失)。在其中电子被移除(或者被允许消失)的时间段趋向于与接通时间的积值(例如，时间乘以信号振幅的积)成比例地增加，并且根据后文要描述的实施例的实验，优选的是，断开时间为几秒或更多。
以这种方式，需要考虑在接通时间内发生的电子发射装置1的电子发射量的减少，与在断开时间内发生的被捕获电子的移除(消失)之间的平衡，来调整接通时间和断开时间。根据电子发射装置的结构(电特征)，增加或减少其特定值，但如上所述，优选的是，驱动部20的低频信号201的频率为0.008Hz至2Hz，并且，驱动部20的高频信号202的频率为100Hz至10kHz。以这种频率，如从后文将描述的实施例中显而易见的，电子发射装置1的电子发射量能够在空气中长时间保持稳定。
(脉冲调制)
在室内空气中(或者空气中)驱动的电子发射装置1的电子发射量可能受装置本身随时间的变化，或者室内空气的温度和湿度变化影响而被改变。关于电子发射量的这种变化，驱动部20可能使用上述的电子发射安培计17A或者电极发射安培计17B来执行脉冲调制。在这种模式中，在不依赖于温度、湿度等方面的环境变化的条件下，能够稳定地执行电子发射。在这种情形中，驱动部20可以调整在其中在上述接通时间中高频信号202的矩形波上升的时间段。
具体而言，如在图1中所示的，驱动部20包括电子发射安培计17A或者电子发射安培计17B，并且将电子发射安培计17A或电子发射安培计17B连接至高频函数发生器15，并且根据由电流计所测量的电流值(安培计的输出)，执行脉冲调制。将每个安培计用于监控电子发射装置1的输出的变化。
例如，采用脉冲密度调制作为脉冲调制。如在图3(3)中所示的，当其中波形上升(接通)的时间段T3和其中波形下降(断开)的时间段T4构成接通时间内的高频信号202的矩形波时，时间段T3保持不变(或者脉冲宽度恒定)，以执行调整脉冲密度的脉冲密度调制。当接通时间更长时，时间段T4被减少，以增加脉冲密度，并且当接通时间更短时，时间段T4被增加，以降低脉冲密度。
作为脉冲调制，可以采用脉冲占空控制(脉冲宽度调制)。在图3(3)所示的矩形波情形中，其中波形上升(接通)的时间段T3与波形下降(断开)的时间段T4之间的比率为T3∶T4，并且占空比为T3/(T3+T4)(由于图3(3)中T3＝T4，所以占空比为50％)。关于这种波形，驱动部20采用调整时间段T3以调整占空比的脉冲占空控制。当使得接通时间更长时，驱动部20使得时间段T3更长，以增加占空比，并且当使得接通时间更短时，驱动部20使得时间段T3变得更短，以减少占空比。例如，在50％的占空比，当使得接通时间更长时，驱动部20执行调制，其允许占空比具有大于50％的值，并且使得接通时间更短时，驱动部20执行调制，其允许占空比具有小于50％的值。
驱动部20执行这种脉冲调制：(1)由于矩形波的波高度值不变，所以施加于电子发射装置的电压不变，从而难以发生绝缘故障。(2)即使当接通时间变长时，电压不被连续施加于电子发射装置，从而难以发生由直流电压导致的电子发射装置故障。(3)因为即使当执行脉冲调制时，也以固定的时间来提供在其中没有施加低频信号201的电压的时间段，所以在该时间内被捕获到微粒层3的电子可以被移除(或者被允许消失)，从而使得微粒层3中加速电子的电场不能被局部释放。
[实施例]
使用上述电子发射装置，进行实验，以确认其效果。在本实验中使用的电子发射装置制造如下。
(具有开口和预定形状的绝缘体薄膜的加工)
首先向10ml试剂瓶中注入0.7g正乙烷(n-hexane)溶剂，然后，倒入0.35g硅树脂溶液。手工搅动混合物，以获得硅树脂稀释溶液。在这种情形中，作为硅树脂，使用由室温及湿度固化型SR2411硅树脂(DowCorning Toray Silicone Co.Ltd.)。
接下来，将24mm见方(24mm square)的铝基本作为电极基板2，滴落硅树脂稀释溶液，然后通过使用旋涂方法，使硅树脂层形成在基板的整个表面上。在将铝基板以500RPM旋转一秒的同时，通过将稀释溶液滴落在基板表面上，之后以3000RPM旋转10秒钟，从而执行通过旋涂方法的膜形成。而且，使用200℃的热板，将铝基板加热并固化处理15分钟。
接下来，将作为由铬在石英薄板上绘画的图案的掩模图案叠加在基板上，然后，利用波长172nm的真空紫外线照射15分钟。铬掩模图案具有1.4mm见方的方形图案。此处，当以紫外线照射时，在掩模上画的图案以硅树脂膜的不同的膜固化度而发生图案转印。较之未被紫外线照射的部分，已经被紫外线照射的部分变成硬膜。作为真空紫外线的光源，使用电介质阻挡放电准分子灯(Ushio Inc.)。
而且，以软抹布擦拭已经被紫外线照射的基板的表面，以仅去除在未被紫外线照射的部分中的硅树脂，从而形成1.4mm见方的硅树脂膜的窗口(铝基板的表面的曝露部分)。
(微粒层(电子加速层)的形成)
将1.5g正己烷溶剂注入10ml试剂瓶，然后，将0.25g硅石微粒加入其中，作为绝缘微粒，从而通过将试剂瓶置于超声波分散器上，将其分散。此处，硅石微粒是具有50nm的平均粒径的气相二氧化硅C413(Cabot Corporation)，并且具有经过六甲基二硅氮烷(hexamethyldisilazane)处理的表面。将试剂瓶置于分散器上5分钟，从而硅石微粒以不透明的白色被分散到己烷溶剂中。接下来，将0.06g纳米银微粒添加到其中作为导电微粒，然后以同样方式，将其经受超声分散处理。银纳米微粒具有10nm的平均粒径，以及醇化物绝缘涂层(Applied Nanotechnology Research Institute)。如此获得的溶液被称为分散溶液A。同样，将1.5g正乙烷溶剂注入10ml试剂瓶，然后，将0.25g的气相二氧化硅C413的硅石微粒加入其中来作为绝缘微粒，从而以同样方式，将试剂瓶置于超声分散器上，以便将绝缘微粒分散。接下来，注入0.036g硅树脂溶剂，然后，使其以同样方式经受超声分散处理。硅树脂为室温和湿度固化型SR2411硅树脂(同上)。如此获得的溶被称为分散溶液B。
通过使用旋涂方法，将分散溶液A滴在形成有硅树脂膜的窗口的电极基板2的表面上(铝基板的表面的曝露部分)，以形成第一微粒层3A。通过使用150℃的热板，将形成有第一微粒层3A的基板加热并干燥一分钟。此外，以同样方式，将分散溶液B用于膜形成，以形成第二微粒层3B。通过使用150℃的热板，将形成有第二微粒层3B的基板加热并干燥一分钟。
在通过旋涂方法的膜形成中，当基板以500RMP旋转一秒的同时，将分散溶液滴到基板的表面上，随后以3000RPM旋转10秒钟。
(薄膜电极的形成)
将1.0g乙醇溶剂倒入10ml试剂瓶，然后，向其中加入0.1g硅石微粒以作为球形屏蔽物质，通过将试剂瓶置于超声波分散器上，以便将硅石微粒分散五分钟。在这种情形中，作为硅石微粒，使用具有8μm的平均粒径的气相二氧化硅SE-5V(Tokuyama Corporation)。除了氨基硅烷处理之外，硅石微粒的表面经过六甲基二硅氮烷处理。如此获得分散溶液被称为分散溶液C。
接下来，通过使用旋涂方法，将分散溶液C滴到形成有微粒层3的铝电极基板2上，以将球形屏蔽物质均匀地分散。通过使用150℃的热板，将分散之后的基板加热一分钟，使溶剂蒸发。
然后，将符合薄膜电极4的形状的金属掩模(2.0mm见方的正方形状)堆积到分散了球形屏蔽物质的电极基板2上。此时，执行对准调整，以便先前形成的绝缘体薄膜5的窗口的中心(铝基板的表面和电子加速层3被直接堆积的部分)与金属掩模的中心一致，并且金属掩模的端部和构成绝缘体薄膜5的窗口的端部在每侧彼此相距0.3mm。
接下来，在将金属掩模固定之后，通过使用电阻加热型淀积机器来淀积碳膜，随后通过使用溅射设备的金钯靶(Au-Pd)来形成膜，从而获多孔电极层8A的基电极膜。碳膜7的膜厚度是10nm，并且金钯电极膜的膜厚度是20nm。
然后，将干燥空气吹到电极膜的表面上，以去除球形屏蔽物质。如此得到多孔电极层8A。(当吹走球形屏蔽物质以观察表面时，具有4.5μm直径的孔以930个/mm2的密度，形成在电极膜的表面上。)
最后，通过使用金钯靶(Au-Pd)，金属掩模被提供在先前位置中，以形成非多孔电极层8B，其仅包括在多孔堆积电极层4-1的整个表面上的金属材料，而没有球形屏蔽物质。非多孔电极层8B的膜厚度是20nm。
为了评估目的，在空气的环境中(25℃，35％RH)驱动制造的电子发射装置。在驱动中，当通过直流驱动电子发射装置时，使用直流电压源，并且当通过矩形波来驱动电子发射装置时，使用图案发生器，通过施加电压来驱动电子发射装置，如在实施方式中所描述的。将图1所示的电子发射安培计17B用于测量电子发射装置的电子发射量。此外，如果必要，通过电子发射安培计17A，监控电子发射装置中的电流量。在图4至10中示出这些结果。
在这些值的测量中，通过测量接通和断开时间的矩形波并且将测量值平均，获得施加交流电压时的电流测量值。例如，在图5和图6中的测量装置中的测量积分时间tm是167[毫秒]。当施加50Hz的交流电压时，当施加大约八个波时，电流测量值为平均电流量。
图4是示出了当根据本发明实施方式的电子发射装置由直流电压驱动时电子发射量随时间的变化，以及当电子发射装置由10kHz的矩形波驱动时电子发射量随时间的变化。示出了在占空比为25％、50％，及75％三个条件下，当电子发射装置由10kHz的矩形波驱动时的变化。在图4中，“DC”示出了电子发射装置由直流电压驱动，并且“10kHz，25％占空比”示出了以25％的占空比，通过10kHz的矩形波来驱动电子发射装置。在“占空”后面指示的数值是每个条件下的占空比。直流电压(Ve)为-16.0(V)，并且矩形波的波高(Ve)也是-16.0(Vo-p)。在空气环境中(25℃，35％RH)，以每个电压驱动电子发射装置。
参考图4，可以发现的是，当电子发射装置由直流电压驱动时(图4中的DC)，在开始驱动电子发射装置之后，电子发射电流量立即超过1×10-4(A/cm2)，然后其逐渐下降，在10分钟之后降低至1×10-6(A/cm2)。
而且，可以发现的是，当由10kHz的矩形波驱动电子发射装置时(图4中“10kHz，25％占空比”、“10kHz，50％占空比”以及“10kHz，75％占空比”)，电子发射电流量随时间流逝而减少，如在电子发射装置由直流电压驱动的情形下一样。
当电子发射装置由10kHz的矩形波驱动时，在紧接着电子发射装置开始被驱动之后的电子发射电流量比当电子发射装置由直流电压驱动时稍小，但是，当电子发射装置由10kHz的矩形波驱动时随时间减少的电子发射电流量比当电子发射装置由直流电压驱动时的小。可以认为，电子发射电流量随时间减少的发生，是由于电子被捕获到微粒层(电子加速层)中而导致的，而不是由于电子发射装置的故障而导致的。然而，能够理解的是，优选的是，电子发射装置由矩形波驱动，而非由直流电压驱动。
接下来，进一步考察在矩形波驱动条件的频率与电子发射电流量减少之间的关系。结果在图5和6中示出。
图5是示出了当根据本发明实施方式的电子发射装置由50Hz至500Hz(占空比50％)的矩形波驱动时，电子发射量随时间的变化。图6是示出了当根据本发明实施方式的电子发射装置由500Hz至250kHz(占空比50％)的矩形波驱动时，电子发射量随时间的变化。在相应的附图中指示的频率示出了矩形波的频率。在图5中，矩形波的频率为50Hz、100Hz、250Hz和500Hz，并且示出了相应频率的电子发射量随时间的变化。在图6中，频率为500Hz、1kHz、10kHz、100kHz和250kHz。同样，在图5和6的实验中，矩形波的波高(Ve)为-16.0(Vo-p)，并且在空气中(25℃，35％RH)执行电子发射装置的每个驱动。
参考图5，可以发现的是，当电子发射装置由50Hz至500Hz的矩形波驱动时，电子发射量几乎不减少。
参考图6，可以发现的是，当由500Hz和1kHz的矩形波驱动电子发射装置时，电子发射量几乎不减少，但是当频率为10kHz或更多时，电子发射量被减少。在这些实验中，发现的是，在250kHz的最高频率处，电子发射量减少最多。
从这些结果可以明白，当电子发射装置由周期性矩形波，亦即，交流电压驱动时，而非当电子发射装置由直流电压驱动时，电子发射量较难被减少(或者不减少)。认为当电子发射装置由这种交流电压驱动时，存在电压不被施加到微粒层的时间段，从而被捕获到微粒层(电子加速层)中的电子被移除(或者被允许消失)。
能够明白的是，当电子发射装置由交流电压驱动时，其频率上限为10kHz。认为当频率为10kHz或更多时，在其中微粒层中的微粒表面作为电流路径的导体集肤效应变得显著，结果，由于电流集中导致的焦耳热导致装置中电流量减少，从而随后电子发射量减少。
即使当电子发射装置由交流电压驱动，其接近于通过直流电驱动时，用于基板电极的材料的电迁移趋向于发生，从而导致电子加速层的物理故障。除了频率以外，该现象与电压值、装置中的电流量大小、空气中的湿度等相关。假设这个实施例的条件，发现的是，当电子发射装置由100Hz的交流电压驱动时，能够有效地防止电迁移。
接下来，在这些结果中，研究的是，是否存在任何驱动条件，在该驱动条件下，在10kHz频率上限，电子发射量难以减少(或不减少)。这些结果在图7和8中示出。
图7是示出了当通过连续施加10kHz(25％的占空比)的矩形波来驱动根据本发明实施方式的电子发射装置时的电子发射量的变化，以及通过以60秒间隔而间歇地施加相同矩形波来驱动根据本发明实施方式的电子发射装置时的电子发射量的变化的曲线图。图8是示出了通过分别以10、5、和2.5秒间歇地施加10kHz(50％占空比)矩形波来驱动根据本发明实施方式的电子发射装置时的电子发射量变化的曲线图。此处，“间断60秒，10kHz，25％占空比”示出了在其中将10kHz(25％的占空比)的矩形波施加60秒(称为电压施加周期)，然后不施加60秒(称为电压停止周期)的周期，在这种情形中，示出了包括以60秒的间隔的电压施加周期和电压停止施加周期的周期(120秒的周期)，亦即0.008Hz频率的周期。
图8中诸如“10[s]间隔(0.1Hz)的数值指示该周期的间隔和周期。图8示出了当驱动开始之后，当9至10分钟流逝时，电子发射量的变化。在图7和8的实验中，矩形波的波高(Ve)为-16.0(Vo-p)，并且在空气环境中(25℃，35％RH)执行电子发射装置的每个驱动。
参考图7，可以发现的是，与通过连续施加矩形波来驱动电子发射装置的情形不同，当通过以60秒间隔而间歇地施加矩形波来驱动电子发射装置时，电子发射量几乎不减少。从该结果可以明白的是，在其中矩形波被施加60秒然后不被施加60秒的周期能够消除由于被捕获电子所导致的电场，从而保持电子发射装置的电子发射。
参考图8，发现在以10、5和2.5秒间隔的任何一个(以0.05Hz、0.1Hz和0.2Hz频率的任何一个)，电子发射量几乎不变。
从这些结果发现，当上述周期具有0.008Hz至0.2Hz的频率时，电子发射装置的电子发射量是稳定的。
此外，为了找出上述周期频率的上限，在空气中(25℃，35％RH)执行老化测试(100小时持续操作)。其条件和结果在图9(1)、9(2)和10中示出。
图9(1)、9(2)是协助解释当根据本发明实施方式的电子发射装置接收老化测试(100小时连续操作)时，使用的脉冲密度控制的脉冲波数对应关系以及其控制方法的波形图。图10是示出了根据本发明实施方式的电子发射装置的老化测试(100小时连续操作)的结果的曲线图。
在老化测试中，以其中将10kHz(25％占空比，-16.0(Vo-p)波高(Ve))矩形波施加0.25秒，然后不施加0.25秒的周期，驱动电子发射装置。换言之，以0.25秒的间隔(0.25秒的周期)提供电压施加周期，从而以2Hz的频率，以包括电压施加周期和电压停止周期的周期来驱动电子发射装置，从而进行该老化测试。
在驱动电子发射装置中，(通过图1所示的电子发射安培计17B)测量在电子发射装置中的电流，以通过监控其测量值，执行脉冲密度调制。
参考图9(1)，通过基于例如50％的输出比(横轴)，在电压施加周期的波数1(左纵轴)以及在电压停止周期中的波数1(右纵轴)，改变在电压施加周期中的波数以及在电压停止周期中的波数，从而执行脉冲密度调制。在图8中，在电压施加周期中，定义波长的1/2时间＝电压施加周期中的波数1，并且在电压停止周期中，定义1/2时间＝电压停止周期中的波数1，在这种情形中，它们对应于10kHz的矩形波的50％的输出比。以50％的输出比(横轴)，在1的电压施加周期中的波数(左纵轴)，以及在1的电压停止周期中的波数(右纵轴)，矩形波的输出能够通过50％的输出比来提高，或者能够通过50％的输出比来减少。参考图8，例如，为了增加矩形波的输出，以提高输出比至60％，电压施加周期中的波数为2，并且在电压停止周期中的波数为1.3，其可以从图9(1)的脉冲波数对应关系读取。相反，为了减少矩形波的输出，以降低输出比至40％，在电压施加周期中的波数为1，并且在电压停止周期中的波数为1.5，其可以从该图读取。通过这种方式，从图9(1)的波形数目对应关系，能够将脉冲密度调制使能为期望的输出比。
在老化测试中，从在电子发射装置的电流的测量数据(图1所示的电子发射安培计17A的测量数据)，计算上升或下降量Δ，以获取于上升或下降量Δ的函数的矩形波的输出值。在这种情形中，根据装置的特征，以及设置矩形波的输出控制范围的方法，确定所述函数。使用这种脉冲密度调制来进行该老化测试。
参考图10，可以发现的是，即使在空气中(25℃，35％RH)，在100小时的长时间中也能持续进行稳定的电子发射。
从上述结果，明显的是，当周期具有0.008Hz至2Hz的频率时，即使在空气中，能够在长时间中继续稳定的电子发射。
在根据本发明的电子发射装置和电子发射装置驱动方法中，提供能够在空气中长时间稳定发射电子的装置及其驱动方法。而且，提供能够在空气中被长时间驱动的装置及其驱动方法。因此，本发明可应用到诸如电子照相型复印机、打印机以及传真机的图像形成设备的充电装置，以电子固化装置。与光发射器组合的本发明可以应用到图像显示装置，并且与吹风机组合的本发明可应用到生成离子风以冷却要被冷却的物质的吹风机。例如，从根据本发明的电子发射装置发射的电子能够与用于光发射的磷光体碰撞。
Claims (21)
1.一种对包括第一电极、在第一电极上形成并且包括绝缘微粒的微粒层、以及在所述微粒层上形成的第二电极的电子发射装置的驱动方法，包括：
将电压施加于所述第一和第二电极之间，以从所述第一电极发射电子，以便所述电子通过所述微粒层被加速并且从所述第二电极被发射，
其中，所述施加的电压包括具有第一频率的脉冲，并且所述脉冲以低于所述第一频率的第二频率被振荡，其中，所述第一频率为100Hz至10kHz，并且所述第二频率为0.008Hz至2Hz。
2.根据权利要求1所述的驱动方法，其中，所述脉冲的每个由矩形波构成。
3.根据权利要求1所述的驱动方法，其中，进一步包括：
测量在所述第一电极和所述第二电极之间的电流，以及
基于测量的电流调制所述脉冲，以使得所述电子发射装置的电子发射量恒定。
4.根据权利要求3所述的驱动方法，其中，通过脉冲密度调制或脉冲宽度调制，调制所述脉冲。
5.一种电子发射装置包括：
第一电极，
在所述第一电极上形成的并且包括绝缘微粒的微粒层，
在所述微粒层上形成的第二电极，以及
驱动部，所述驱动部用于将电压施加于所述第一和所述第二电极之间，以从所述第一电极发射电子，以便所述电子通过所述微粒层被加速，并且从所述第二电极被发射，
其中，所述施加的电压包括具有第一频率并且以低于所述第一频率的第二频率被振荡的脉冲，其中，所述第一频率为100Hz至10kHz，所述第二频率为0.008Hz至2Hz。
6.根据权利要求5所述的电子发射装置，其中，并且所述脉冲由矩形波构成。
7.根据权利要求5所述的电子发射装置，其中，驱动部包括测量在所述第一和第二电极之间电流的电流测量部，以及基于所述测量电流调制所述脉冲以使得所述电子的发射量恒定的脉冲调制部。
8.根据权利要求7所述的电子发射装置，其中，所述脉冲调制部通过脉冲密度调制或脉冲宽度调制，调制所述脉冲。
9.根据权利要求5所述的电子发射装置，进一步包括在所述第一电极上形成并且具有开口的绝缘层，其中，所述第二电极的一部分形成在所述绝缘层的上方，并且被设置成通过所述开口面对所述第一电极，并且其他部分与所述绝缘层重叠，而且，所述微粒层被设置在所述第一和第二电极之间，以及在所述第二电极和所述绝缘层之间，并且包括绝缘微粒和导电微粒。
10.根据权利要求9所述的电子发射装置，其中，形成所述绝缘层，以便与所述第一电极接触。
11.根据权利要求9所述的电子发射装置，其中，所述绝缘层由硅树脂制成。
12.根据权利要求9所述的电子发射装置，其中，所述第二电极的表面具有凹陷部分。
13.根据权利要求9所述的电子发射装置，其中，所述第二电极包括邻近所述微粒层的第一电极层，以及在所述第一电极层上形成并且具有比所述第一电极层电阻值低的电阻值的第二电极层，所述第二电极层的表面具有凹陷部分。
14.根据权利要求13所述的电子发射装置，其中，所述第二电极层通过将凹陷部分穿过所述第一电极层而被电连接至所述微粒层。
15.根据权利要求13所述的电子发射装置，其中，所述第一电极层包括无定形碳层。
16.根据权利要求13所述的电子发射装置，其中，所述第二电极层包括金属层。
17.根据权利要求16所述的电子发射装置，其中，所述第二电极层包含包括金、银、钨、钛、铝和钯中的至少之一的材料。
18.根据权利要求9所述的电子发射装置，其中，所述微粒层包含包括绝缘微粒的绝缘微粒层。
19.根据权利要求9所述的电子发射装置，其中，构成所述微粒层的所述绝缘微粒和导电微粒由硅树脂固定。
20.根据权利要求9所述的电子发射装置，其中，所述导电微粒包含包括金、银、铂、钯和镍中的至少之一的材料，并且具有3至20nm的平均粒径。
21.根据权利要求9所述的电子发射装置，其中，所述绝缘微粒包含包括SiO2、AI2O3和TiO2中的至少之一的材料，并且具有10至1000nm的平均粒径。
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