CN1802611A

CN1802611A - 电子发射装置、带电装置及带电方法

Info

Publication number: CN1802611A
Application number: CNA2004800160607A
Authority: CN
Inventors: 平川弘幸; 岩松正; 越田信义
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2003-06-13
Filing date: 2004-04-28
Publication date: 2006-07-12
Anticipated expiration: 2024-04-28
Also published as: US20060291905A1; CN100440059C; JP2005005205A; WO2004111736A1; US7515851B2

Abstract

本发明提供在大气中也长时间稳定发射电子的电子发射装置、采用该电子发射装置的带电装置及采用该带电装置的带电方法。电子发射装置(10)具有由第1电极(b)、第2电极(2)、以及在它们之间形成的半导体层(4)构成的电子发射元件(11)；以及对第1电极(b)交替施加能够发射电子的正电压和与该正电压极性相反的负电压的电源(20)。半导体层(4)的第1电极(b)一侧的表面的至少一部分形成多孔半导体层(5)。在加上正电压进行电子发射的过程中被多孔半导体层(5)捕获的电子，虽然妨碍从电子发射元件(11)发射电子，但该电子通过加上负电压可以除去。

Description

电子发射装置、带电装置及带电方法

技术领域

本发明涉及电子发射装置、带电装置及带电方法，特别是涉及电子照相方式的复印机、打印机或传真机等图像形成装置中使用的电子发射装置、带电装置及带电方法。

背景技术

以往以来，在电子照相复印机那样的图像形成装置中，在感光体等被带电体上形成静电潜像之前，要利用各种方法使被带电体的表面均匀带电。

作为以往的带电方法，有例如利用电晕放电的方法。该方法是利用由非常细的线进行放电而使感光体的表面带电的方法。但是，在该方法中存在的问题是：为了使感光体的表面带电，需要约4～10kV左右的高压电源。另外，存在的问题是：通过细线产生的放电，由于在细线与感光体的表面之间的空间产生大量的臭氧，因此不仅对人体有恶劣影响，而且还加速感光体的劣化。为了解决这样的问题，例如在特开平9-114192号公报及特开平6-324556号公报中，揭示了一种为了减少臭氧发生量而加以改进的电晕带电器。

另外，作为其它的带电方法，近年来已经实用化的有接触带电方式。该方法为了减少臭氧发生器及消耗的电能，使导电辊、刷、弹性片或碳纳米管等导电性构件与感光体的表面接触，使感光体的表面带电。

现在，从所谓带电的稳定性的观点出发，广泛利用辊子带电方式，该方式是使用导电辊作为导电性构件。在辊子带电方式中，导电辊对感光体加压接触，通过对该导电辊加上电压，从而达到使感光体带电。但是，在辊子带电方式中，在感光体表面有极微细的缺陷(针孔)时，由于从该导电辊向感光体表面的缺陷部分产生异常的电流泄漏量，因而破坏了感光体表面，常常对图像形成产生恶劣影响。

作为进一步改进该辊子带电方式的技术，例如在特开2001-296722号公报中揭示了在辊子带电构件(一次带电辊)与感光体之间追加二次带电辊的方式。这里，二次带电辊承担从一次带电辊向感光体传输电荷的任务，其目的在于解决因感光体的针孔而导致的电流泄漏问题。但是，在这种方式中也同样，由于带电现象由二次带电辊与感光体之间的狭窄间隙中发生的微小放电所控制，因此不能完全取除带电时发生的臭氧及NOx。

另外，在例如特开2001-281964号公报等中揭示了接触型带电器应用碳纳米管的技术。但是，在应用该碳纳米管的接触型带电器中产生的问题是：由于与感光体接触的碳纳米管的压紧压力，碳纳米管产生物理破坏及随之而产生的带电能力降低。

再有，在特开2001-331017号公报中揭示的使用具有MIS(金属-绝缘体-半导体)结构的电子发射元件的带电装置。该电子发射元件的形成电子加速电场的薄膜电极设置在多孔半导体层的表面侧，对多孔半导体层注入电子的电极设置在多孔半导体层的背面侧。关于由多孔化的硅薄膜形成的多孔半导体体层的电子发射原理及形成方法，在“‘量子量级纳米硅的发光及新功能’，信学技报，1999-06，p.1-6”中有详细揭示。在使用该元件的带电装置中，由于仅利用从电子发射元件发射的电子形成的电子附着而使其发生负离子，因此原理上不像利用上述放电的方法那样发生臭氧及NOx。

但是，在使用该多孔半导体层的电子发射元件中产生的问题是：特别是由于向大气中发射电子动作时引起的带电(电子捕获)而在构成多孔半导体层的纳米量级的半导体微粒(纳米硅晶体)上带电的电子使多孔半导体层内部的电场不均匀，抑制电子加速，使电子发射量降低。由于该带电而贮存在纳米量级的半导体微粒中的电子显示出不挥发性，根据报告也有的实验结果说，经过一个星期以上，纳米量级的半导体微粒还带着电。一般，大气中驱动该元件时存在的问题是：由于该带电，经过3分钟左右的连续驱动，从电子发射元件的电子发射才完全停止。

发明内容

鉴于上述的情况，本发明的目的在于提供能够长时间稳定驱动的电子发射装置、采用该电子发射装置的带电装置及其带电方法。

本发明是电子发射装置，是包含在第1电极与第2电极之间形成半导体层、而且在第1电极一侧的半导体层表面的至少一部分形成多孔状的电子发射元件的电子发射装置，具有对第1电极交替施加能够发射电子的正电压、以及与正电压极性相反的负电压的电源。

另外，在本发明的电子发射装置中，最好负电压大小的绝对值，大于等于电子发射装置的电子发射开始电压大小的绝对值的1.5倍。

另外，在本发明的电子发射装置中，最好正电压的施加时间t1与负电压的施加电压t2之比t1/t2，大于等于1，而且小于等于1000。

另外，在本发明的电子发射装置中，也可以形成多个第1电极，具有对第1电极的至少一个及它剩下的至少一个交替施加互相极性不同的电压的电源。

另外，本发明的带电装置，包含上述电子发射装置、以及与上述电子发射装置的第1电极隔开间隔对置的被带电体。

再有，本发明是带电方法，是在包含在第1电极与第2电极之间形成半导体层、而且在第1电极一侧的半导体层表面的至少一部分形成多孔状的电子发射元件的电子发射装置中，对电子发射装置的第1电极交替施加能够发射电子的正电压、以及与正电压极性相反的负电压。

附图说明

图1为本发明的带电装置的一个较好例子的构成示意图。

图2为本发明的实验中所用的电子发射装置与对置电极的构成示意图。

图3所示为本发明的电子发射装置在大气压中的施加电压与电子发射电流量的关系图。

图4所示为对加速电极连续施加正电压时电子发射电流量相对经过时间的变化图。

图5所示为对加速电极交替施加正电压及负电压时的电子发射电流量相对于经过时间的变化图。

图6所示为对本发明的电子发射装置的加速电极施加的电压波形的一个例子的波形图。

图7所示为二极管电流量相对于对本发明的电子发射装置的加速电极施加的施加电压的变化图。

图8所示为对本发明的电子发射装置的加速电极施加的电压波形的其它例子的波形图。

图9为本发明其它实施形态的电子发射装置的一部分的立体示意图。

具体实施方式

以下说明本发明的实施形态。另外，在本说明书的附图中，同一参照标号表示同一部分或相当部分。

图1所示为本发明的带电装置的一个较好例子的概念示意图。该带电装置1包含电子发射装置10、以及与电子发射装置10的加速电极6的表面即电子发射面12隔着间隔对置的被带电体、即感光体7。

电子发射装置10包含电子发射元件11，该电子发射元件11由导电基板构成的基板电极2、在基板电极2上形成的n型硅层3、在n型硅层3上形成的不掺杂的薄多晶硅层4、使多晶硅层4的一部分多孔化的多孔多晶硅层5、以及在多孔多晶硅层5上形成的金薄膜构成的加速电极6构成。再有，电子发射装置10包含分别与基板电极2及加速电极6电连接、能够供给脉冲波形、正弦波形成三角波形等电压的驱动电源20。

另外，感光体7是在铝等制成的鼓状导电性支持基板8的表面上以25μm左右的厚度形成，直流电压源、即偏置电源21与导电性支持基板8连接。

这里，在图1所示的带电装置1中，利用电子发射装置10的驱动电源20对加速电极6加上正电压，再利用偏置电源21对导电性支持基板8加上正电压。于是，利用对加速电极6加上正电压的电子发射元件11的内部电场，从驱动电源20向基板电极2供给的电子向加速电极6一侧加速。然后，加速后的电子被加上正电压的导电性支持基板8吸引，通过这样从加速电极6的表面即电子发射面12发射，使感光体7的表面上带电。

这里，在本发明中，利用驱动电源20，对加速电极6交替施加能够发射电子的正电压、以及与该正电压极性相反的负电压。所以，在电子发射的过程中，电子即使被构成多孔多晶硅层5的纳米硅晶体捕获，也由于在这之后对加速电极6加上与正电压极性相反的负电压，因此能够从纳米硅晶体电除去捕获的电子。通过这样，在再次对加速电极6上加上正电压时，在电子发射元件11的内部向加速电极6一侧加速的电子不会因多孔多晶硅层5中的纳米硅晶体所捕获的电子受到影响，向电子发射元件11的外部稳定发射。

通过这样对加速电极6交替施加正电压及负电压，由于能够一边除去被构成多孔多晶硅层5的纳米硅晶体捕获的电子，一边向电子发射元件11的外部发射电子，因此本发明的带电装置1及电子发射装置10能够长期稳定驱动。

这里，负电压大小的绝对值最好大于等于电子发射装置10的电子发射开始电压大小的绝对值的1.5倍。在这种情况下，在电子发射元件11的内部，从基板电极2向加速电极6的方向流过足够的电流，具有能够从多孔多晶硅层5有效除去被多孔多晶硅层5内捕获的电子的趋势。另外，所谓“电子发射开始电压”，是指从电子射装置10开始电子发射时的对加速电极6所加的电压。

另外，正电压的施加时间t1与负电压的施加时间t2之比t 1/t2，最好大于等于1，而且小于等于1000。在t1/t2大于等于1时，具有从电子发射元件11能够充分进行电子发射的趋势。特别是在t1比t2足够长的情况下，由于能够看成电子发射停止的时间几乎为零，因此具有能够连续进行电子发射的趋势。另外，在t1/t2小于等于1000时，具有电子不被多孔多晶硅层5内捕获、而能够稳定发射电子的趋势。另外，通过将t1设定为3秒以内，更进一步能够稳定发射电子。

根据以下说明的实验结果，本发明者发现了上述这些结论。

首先，图3所示为在大气压(室内气氛)中从图2所示的电子发射装置10发射的电子通过流入对置电极9而产生的电子发射电流量(A/cm²)与对加速6所加的电压(V)的关系。在图3中，横轴表示对加速电极6加上1秒钟的电压值，纵轴表示由于加上该电压而在对置电极9的每1cm²流过的1秒钟的电子发射电流量的平均值。这里，图2所示的加速电极6的电子发射面12与对置电极9的表面之间的距离为1mm，利用偏置电源21加在对置电极9上的偏置电压为+100V。

在图2所示的电子发射装置10中，从图3所示的施加电压为+8V时开始测定电子发射电流，然后随着施加电压从+8V上升，电子发射电流量也不断上升。

但是，在大气压中，在对该电子发射装置10的加速电极6持续加上正电压时，则如图4所示，电子发射电流量(A/cm²)按指数函数减少下去。这是由于，电子逐渐被构成多孔多晶硅层5的纳米硅晶体捕获。另外，在图4中，横轴表示紧接着对加速电极6加上+18V之后的经过时间(分)。

然后，用图5表示对该电子发射装置10的加速电极6交替施加正电压及负电压时测定对置电极9中的电子发射电流量的结果。这里，设对加速电极6加上的电压波形是图6所示的脉冲状波形。在图6中，能够发射电子的正电压的施加时间为t1，负电压的施加时间为t2。另外，t1与t2之比(t1/t2)为2。

如图5所示，在以某一定间隔对加速电极6加上负电压时，与图4所示的情况相比可知，电子发射电流量(A/cm²)可保持一定值。

另外，对加速电极6施加的正电压的值最好根据所需要的电子发射电流量来决定它的值。这里，设为+18V。另外，负电压的值根据以下的实验结果来决定。

图7为按照0V→-18V→0V→+18V→0V的顺度以2V间隔在1秒钟内对图2所示的电子发射装置10的加速电极6加上电压时、测定电子发射元件11中流过的二极管电流量的结果。在图7中，横轴表示对加速电极6施加的电压(V)，纵轴表示电子发射元件11的每1cm²流过的二极管电流量(A/cm²)。另外，在图7中，二极管电流量为正值时，表示从加速电极6向基板电极2的方向(正向)流过二极管电流，在二极管电流量为负值时，表示从基板电极2向加速电极6的方向(反向)流过二极管电流。

如上所述，电子发射元件11的电子发射开始电压为+8V。另外，在0V→-18V的过程中，从施加电压的-10V时起开始流过反向的二极管电流，在施加电压为-12V时，电流量成为-300μA/cm²。

如图4所示，在对加速电极6持续加上正电压时，电子被多孔多晶硅层5捕获，电子发射电流量逐渐减少。在沿正向持续流过二极管电流时或将加速电极6作为开路状态放置时，该被捕获的电子可保持极长的时间(“‘量子量级纳米硅的发光及新功能’，信学技报，1999-06，p.1-6”中有报告说可保持一周以上)。但是，通过对加速电极6加上负电压，沿反向流过某一定程度量的二极管电流，能够从多孔多晶硅层5除去被捕获的电子。这里一在对加速电极6加上-12V以上的负电压时，能够从多孔多晶硅层5完全除去被捕获的电子，使电子发射电流量基本上恢复为初始值。

因而可知，为了使多孔多晶硅层5中捕获的电子恢复为初始的状态，必须使加速电极6所加的负电压大小的绝对值(12V)大于等于电子发射装置10的电子发射开始电压大小的绝对值(8V)的1.5倍。

另外，在使正电压的施加时间t1与负电压的施加时间t2之比t1/t2变化时，也能得到与上述同样的特性。即，在t1/t2为大于等于1、而且小于等于1000时，能够稳定，使被捕获的电子恢复到初始的状态。但是，也取决于多孔多晶硅层5的设计，若t1过长，则由于电子捕获的影响在电子发射电流量中显现出来，因此最好设定为t1最长为3秒以内。

以下，说明这样构成的本发明的电子发射装置10的制造方法较理想的一个例子。首先，在基板电极2上形成n型硅层3。然后，在n型硅层3的表面上例如利用CVD法(化学蒸镀法)形成膜厚约1.5μm的不掺杂的多晶硅层4。接着，将多晶硅层4作为阳极，将铂电极作为阴极，浸渍在氟化氢水溶液与乙醇的混合溶液中，一边对多晶硅层4照射光，一边在该电极之间流过恒定电流(30A/cm²)，进行阳极氧化处理。利用该阳极氧化处理，将多晶硅层4的一部分多孔化，形成多孔多晶硅层5。接着，将该层叠体从溶液中取出，一边使氧气流以300ml/分的比例流动，一边以约900℃、1小时对多孔多晶硅层5的表面上，利用蒸镀法或溅射法等，形成约10nm厚度的金薄膜，形成加速电极6，这样形成电子发射元件11。最好，将驱动电源20分别与基板电极2及加速电极6电连接，从而形成本发明的电子发射装置10。

另外，在上述中，是采用金作为加速电极6的材料，但也可以采用铝等。

另外，在本发明中，对加速电极6施加的电压波形也可以采用图8所示的正弦波形。这时，正弦波的基准电位不一定必须是0V。另外，若是满足负电压大小的绝对值是大于等于电子发射元件11的电子发射开始电压大小的绝对值的1.5倍的条件，则也可以叠加直流分量。具体来说，通过施加1Hz、波峰值为18V的正弦波形的电压，能够进行更稳定的电子发射。

再有，图9所示为本发明其它实施形态的电子发射装置一部分的立体示意图。

该电子发射装置10的特征为：具有互相不电连接的加速电极6a及加速电极6b的两个加速电极。加速电极6a及6b分别沿电子发射装置10的长度方向平行设置。这里，利用未图示的电源，在对加速电极6a加上正电压时，对加速电极6b加上负电压，而在对加速电极6b加上正电压时，对加速电极6a加上负电压。即，对于加速电极6a及加速电极6b交替施加分别极性不同的电压。

通过这样，在对加速电极6a加上正电压时，能够一边从加速电极6a发射电子，一边除去加速电极6b的下部的多孔多晶硅层5内捕获的电子。另外，在对加速电极6a加上负电压时，能够一边除去加速电极6a的下部的多孔多晶硅层5内捕获的电子，一边从加速电极6b发射电子。通过交替反复进行这些动作，由于能够连续发射电子，因此能够使被带电体的表面上均匀带有电子。

另外，加速电极也可以不限于上述那样的两个，可以设置三个或四个等多个。在增加加速电极的数量时，更有利于被带电体的表面上的带电分布均匀，另外由于能够有余量来驱动电子发射装置10，因此对于延长电子发射装置10的寿命也是有用的。

上述那样的本发明的带电装置1及电子发射装置10由于能够长时间稳定驱动，因此特别适用于电子照相方式的复印机、打印机、传真机等图像形成装置。

如上所述，根据本发明，能够提供能够长时间稳定驱动的电子发射装置、采用该电子发射装置的带电装置及其带电方法。

应该认为今次揭示的实施形态在所有方面都只是示例，而不是限制性的内容。本发明的范围不是上述说明的内容，而是利用权利要求范围所示的，这意味着包含与权利要求范围相对应的意义及范围内的全部变更。

工业上的实用性

本发明特别适用于电子照相方式的复印机、打印机或传真机等图像形成装置。

Claims

1.一种电子发射装置(10)，其特征在于，

包含在第1电极(6，6a，6b)与第2电极(2)之间形成半导体层(4)而且在所述第1电极(6，6a，6b)一侧的所述半导体层(4)的表面的至少一部分形成多孔状(5)的电子发射元件(11)，具有对所述第1电极(6，6a，6b)交替施加能够发射电子的正电压、以及与所述正电压极性相反的负电压的电源(20)。

2.如权利要求1所述的电子发射装置(10)，其特征在于，

所述负电压大小的绝对值，大于等于所述电子发射装置(10)的电子发射开始电压大小的绝对值的1.5倍。

3.如权利要求1所述的电子发射装置(10)，其特征在于，

所述正电压的施加时间t1与所述负电压的施加时间t2之比t1/t2，大于等于1，而且小于等于1000。

4.如权利要求1所述的电子发射装置(10)，其特征在于，

形成多个所述第1电极(6，6a，6b)，具有对所述第1电极(6，6a，6b)的至少一个及其剩下的至少一个交替施加互相极性不同的电压的电源。

5.一种带电装置(1)，其特征在于，

包含如权利要求1所述的电子发射装置(10)、以及与所述电子发射装置(10)的所述第1电极(6，6a，6b)的表面隔开间隔对置的被带电体(7)。

6.一种带电方法，其特征在于，

在包含在第1电极(6，6a，6b)与第二电极(2)之间形成半导体层(4)，而且在所述第1电极(6，6a，6b)一侧的所述半导体层(4)的表面的至少一部分形成多孔状(5)的电子发射元件(11)的电子发射装置(10)中，对所述电子发射装置(10)的所述第1电极(6，6a，6b)交替施加能够发射电子的正电压、以及与所述正电压极性相反的负电压。