JP2000243225A - 電子放出素子及びそれを用いた電子源，画像形成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電子放出部をなす亀裂等を良好に形成でき、
これにより電子放出電流の増加を図れる一方、素子電流
の低減を図れて電子放出を安定して高効率に得られる電
子放出素子及びそれを用いた電子源，画像形成装置を提
供する。 【解決手段】 基体１上で、炭素，炭素化合物等からな
る導電性薄膜４を二つの素子電極間に渡して設けるが、
その薄膜４に接触させて下側に酸化物被膜８を設ける。
導電性薄膜４へ通電処理を施して電子放出部５を形成す
る。酸化物被膜８は、酸化物材料６とシリカ（ＳｉＯ
₂ ）と無機化合物フィラー７とを混合状態に含有させ、
２０００Ｋ以下の１モル炭素還元による標準自由エネル
ギー値が、上記温度範囲でのシリカ１モルの値よりも小
さく、酸化物材料，その低級酸化物の１３３Ｐａでの温
度が１６００Ｋ以下で、無機化合物フィラー７の熱伝導
率が２７３〜１５００Ｋの範囲でシリカより高い構成と
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基体上に形成した
二つの素子電極間に渡る導電性薄膜に、いわゆる冷電子
を放出する電子放出部を有する電子放出素子及びそれを
用いた電子源，画像形成装置に関し、とりわけ、その導
電性薄膜に接触させて酸化物膜層を設けるようにした電
子放出素子及びそれを用いた電子源，画像形成装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、冷陰極型の電子放出素子
は、いわゆる冷電子を冷陰極から放出するものであり、
電界放出（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ：ＦＥ）型，
金属・絶縁層・金属（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ
Ｍｅｔａｌ：ＭＩＭ）型，表面伝導型などがある。

【０００３】ＦＥ型は、例えば、Ｗ．Ｐ．Ｄｙｋｅ ａ
ｎｄ Ｗ．Ｗ．Ｄｏｌａｎ，”Ｆｉｅｌｄ ｅｍｉｓｓ
ｉｏｎ”，Ａｄｖａｎｃｅ ｉｎ Ｅｌｅｃｔｏｒｏｎ
Ｐｈｙｓｉｃｓ，８，８９（１９５６）あるいはＣ．
Ａ．Ｓｐｉｎｄｔ，”ＰＨＹＳＩＣＡＬ Ｐｒｏｐｅｒ
ｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ ｆｉｅｌｄｅｍ
ｉｓｓｉｏｎ ｃａｔｈｏｄｅｓ ｗｉｔｈ ｍｏｌｙ
ｂｄｅｎｉｕｍ ｃｏｎｅｓ”，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙ
ｓ．，４７，５２４８（１９７６）等に開示されたもの
が知られている。

【０００４】ＭＩＭ型は、例えば、Ｃ．Ａ．Ｍｅａ
ｄ，”Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｕｎｎｅｌ−Ｅｍ
ｉｓｓｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ”，Ｊ．Ａｐｐｌｙ．Ｐ
ｈｙｓ．，３２，６４６（１９６１）等に開示されたも
のが知られている。

【０００５】表面伝導型は、例えば、Ｍ．Ｉ．Ｅｌｉｎ
ｓｏｎ，Ｒａｄｉｏ・Ｅｎｇ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｈ
ｙｓ．，１０，１２９０，（１９６５）等に開示された
ものが知られている。

【０００６】表面伝導型電子放出素子は、基板上に形成
した小面積の薄膜面に平行に電流を流すことにより、電
子放出が生ずる現象を利用するものである。この表面伝
導型電子放出素子としては、上記エリンソンらによるＳ
ｎＯ₂ 薄膜を用いたもの、Ａｕ薄膜によるもの［Ｇ．Ｄ
ｉｔｔｍｅｒ：”Ｔｈｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｆｉｌｍ
ｓ”，９，３１７（１９７２）］、Ｉｎ₂ Ｏ₃ ／ＳｎＯ
₂ 薄膜によるもの［Ｍ．Ｈａｒｔｗｅｌｌ ａｎｄ
Ｃ．Ｇ．Ｆｏｎｓｔａｄ：”ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｅ
Ｄ Ｃｏｎｆ．”，５１９（１９７５）］、カーボン薄
膜によるもの［荒木久他：真空，第２６巻，第１号，２
２頁（１９８３）］等が報告されている。

【０００７】例えば、上記したＭ．ハートウェルの素子
構成では、図１７に示すように、基体１上に導電性薄膜
４を形成するものであって、その導電性薄膜４はスパッ
タによりＨ型形状のパターンに形成された酸化物薄膜等
からなり、フォーミングと呼ばれる通電処理により電子
放出部５が形成される。なお、Ｈ型形状パターン両端が
なす素子電極の間隔Ｌは０．５〜１ｍｍ、電子放出部５
の幅Ｗは０．１ｍｍに設定されていた。

【０００８】これら表面伝導型電子放出素子において
は、導電性薄膜４に予めフォーミングと呼ばれる通電処
理を施して、電子放出部５を形成するのが一般的であ
る。即ち、フォーミングとは、導電性薄膜４の両端に直
流電圧あるいは非常にゆっくりとした上昇電圧、例えば
１Ｖ／分程度を印加し、導電性薄膜４を局所的に破壊，
変形もしくは変質させる通電処理であり、これにより電
気的に高抵抗な状態にした電子放出部５を形成してい
る。即ち、この電子放出部５は、導電性薄膜４の一部に
形成した亀裂等であり、導電性薄膜４の両端に電圧を印
加して通電することにより、その亀裂等の付近から電子
放出が行われる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】電子放出素子について
は、これを適用した画像形成装置が、明るく安定した画
像表示を行い得るようにするため、より安定な電子放出
特性及び電子放出の効率向上が要望されている。ここで
の効率は、表面伝導型電子放出素子の一対の素子電極に
電圧を印加した際に、両電極間を流れる電流（素子電
流）と真空中に放出される電流（電子放出電流）との比
で評価するものであり、素子電流が小さく、電子放出電
流が大きい電子放出素子が望まれている。安定的に制御
し得る電子放出特性と効率の向上がなされれば、例えば
蛍光体を画像形成部材とする画像形成装置においては、
低電流で明るい高品位な画像形成装置（例えばフラット
テレビ）を実現できる。また、低電流化にともない、画
像形成装置を駆動する駆動回路等のローコスト化も図れ
る。

【００１０】しかしながら、上述したＭ．ハートウエル
の電子放出素子にあっては、安定な電子放出特性及び電
子放出効率について、必ずしも満足できるものが得られ
てはいなく、これを用いて高輝度で動作安定性に優れた
画像形成装置を提供するのは極めて難しい。

【００１１】従って、上記したような応用に用いられる
表面伝導型電子放出素子は、実用的な印加電圧に対して
良好な電子放出特性を有し、長時間に渡ってその特性を
保持し続けられることが必要である。

【００１２】表面伝導型電子放出素子の素子電流の最大
到達値は、電子放出部が形成される領域と絶縁性基体と
が接触する領域の材料によって変化し、例えば、アルミ
ナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）のように、酸化物１モルが炭素によっ
て還元されるときの標準自由エネルギー値が大きい酸化
物材料（難還元材料）を含む割合が、シリカ中に多く含
まれる場合は、表面伝導型電子放出素子の素子電流の最
大到達値が低く、その結果、電子放出量が小さいために
輝度が低下するという問題があった。

【００１３】また、表面伝導型電子放出素子を形成する
基体に、Ｎａ₂ Ｏのような酸化物１モルが炭素によって
還元される時の標準自由エネルギー値が小さい酸化物材
料（易還元材料）であっても、酸化物あるいはその酸化
物の低級酸化物（価数の小さく酸素との比率が異なる酸
化物）の蒸気圧が低い材料である場合は、表面伝導型電
子放出素子の素子電流の最大到達値が低く、その結果、
電子放出量が小さいために輝度が低下するという問題が
あった。

【００１４】そこで、本発明はそうした従来の課題に鑑
みてなされたものであって、電子放出部をなす亀裂等を
良好に形成することができ、これにより電子放出電流の
増加を図れる一方、素子電流の低減を図れて電子放出を
安定して高効率に得ることができ、電子源，画像形成装
置等へ好ましく適用し得る電子放出素子及びそれを用い
た電子源，画像形成装置を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために本発明の請求項１に示す電子放出素子は、炭素及
び炭素化合物等からなり二つの素子電極間に渡される導
電性薄膜に電子放出部を有する電子放出素子において、
前記導電性薄膜に接触し、少なくとも酸化物材料とシリ
カ（ＳｉＯ₂ ）と無機化合物フィラーとを混合状態に有
する酸化物膜層を備えるが、当該酸化物膜層は２０００
Ｋ以下の１モルあたりの炭素還元による標準自由エネル
ギー値が、前記温度範囲でのシリカ１モルあたりの炭素
還元による標準自由エネルギー値よりも小さく、かつ前
記酸化物材料及びその低級酸化物の１３３Ｐａでの温度
が１６００Ｋ以下であり、かつ前記無機化合物フィラー
の熱伝導率が２７３〜１５００Ｋの範囲でシリカより高
い構成とする。

【００１６】請求項２に示す電子放出素子は、前記酸化
物材料として、Ａｓ₂ Ｏ₃ ，ＣｄＯ，ＧｅＯ，ＭｏＯ
₃ ，ＰｂＯ，Ｐ₂ Ｏ₅ ，ＳｅＯ₂ ，ＴｅＯ₂ ，ＷＯ₃ ，
ＺｎＯを少なくとも１種類以上混入させて構成する。

【００１７】請求項３に示す電子放出素子は、前記酸化
物膜層の厚さを、３００ｎｍ以上として構成する。

【００１８】請求項４に示す電子放出素子は、前記酸化
物材料の組成比を、シリカ中に５０ｍｏｌ％以下として
構成する。

【００１９】請求項５に示す電子放出素子は、前記無機
化合物フィラーとして、Ｃ（ダイヤモンド），ＷＣ，Ｗ
₂ Ｃ，ＴｉＣ，ＶＣ，ＳｉＣ，ＮｂＣ，ＢｅＯ，Ｍｇ
Ｏ，ＴｈＯ₂ ，ＴａＢ₂ ，ＴｉＢ₂ ，ＨｆＢ₂ ，ＢＮ，
ＴａＮ，ＨｆＮ，ＴｉＮ，ＺｒＮ，Ｓｉ₃ Ｎ₄ を少なく
とも１種類以上混入させて構成する。

【００２０】請求項６に示す電子源は、請求項１〜５に
記載の電子放出素子を、基体上に多数配列して備えた構
成とする。

【００２１】請求項７に示す画像形成装置は、平行に離
間させた第一基板と第二基板の隙間に枠部材を設けて封
止した真空容器内に、請求項６に記載の電子源を、画像
形成部材と対向させて備えた構成とする。

【００２２】以上の構成により請求項１の電子放出素子
は、酸化物膜層が、上記した適切な炭素還元条件の下に
導電性薄膜と接触して設けられる。電子放出部を形成す
る通電処理では、炭素及び炭素化合物等からなる導電性
薄膜が酸化物を還元させるため、これと接触している酸
化物膜層で還元反応が起き、当該酸化物膜層側にも電子
放出部の形成が進行する。その結果、電子放出部（亀裂
等）を良好に形成することができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明にかかる電子放出素
子及びそれを用いた画像形成装置の実施形態を添付図面
に基づいて説明する。

【００２４】（第１実施形態）図１は、本発明の第１実
施形態を示し、平面型で表面伝導型の電子放出素子であ
り（ａ）はその平面図、（ｂ）はその断面図である。

【００２５】図１において、１は基体、２，３は素子電
極、４は導電性薄膜、５は電子放出部、８は酸化物被膜
（混合酸化物６と無機化合物フィラー７を含む）であ
る。

【００２６】基体１としては、石英ガラス，Ｎａ等の不
純物含有量を減少したガラス，青板ガラス，高歪点ガラ
ス，無アルカリガラス，アルミナ等のセラミクス及びＳ
ｉ基板等が用いられる。

【００２７】離間する二つの素子電極２，３の材料とし
ては、一般的な導体材料が用いられるが、例えば、Ｎ
ｉ，Ｃｒ，Ａｕ，Ｍｏ，Ｗ，Ｐｔ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｃｕ，
Ｐｄ等の金属あるいは合金及びＰｄ，Ａｇ，Ａｕ，Ｒｕ
Ｏ₂ ，Ｐｄ−Ａｇ等の金属あるいは酸化物とガラス等か
ら構成されるの印刷導体，Ｉｎ₂ Ｏ₃ −ＳｎＯ₂ 等の透
明導電体及びポリシリコン等の半導体導体材料等から適
宜に選択される。

【００２８】素子電極間隔Ｌ，素子電極長さＷ，導電性
薄膜４の形状等は、応用される形態等を考慮して設計さ
れる。素子電極間隔Ｌは、好ましくは数百ｎｍから数百
μｍの範囲とされ、より好ましくは素子電極間に印加す
る電圧等を考慮して数μｍから数十μｍの範囲とされ
る。

【００２９】素子電極長さＷは、電極の抵抗値，電子放
出特性を考慮して数μｍから数百μｍの範囲とされる。
素子電極２，３の膜厚ｄは、数百オングストロームから
数μｍの範囲とされる。

【００３０】なお、図１に示した構成に限定されるもの
ではなく、基体１上に、導電性薄膜４，素子電極２，
３，酸化物被膜８の順に積層したり、基体１上に、導電
性薄膜４，酸化物被膜８，素子電極２，３の順に積層し
た構成としてもよい。

【００３１】導電性薄膜４の膜厚は，素子電極２，３へ
のステップカバレージ、素子電極２，３間の抵抗値及び
後述するフォーミング条件等を考慮して適宜に設定され
る。一般に、導電性薄膜４の熱的安定性は、電子放出特
性の寿命を支配する重要なパラメータであり、導電性薄
膜４の材料として、より高融点な材料を用いるのが望ま
しい。しかし、通常は導電性薄膜４の融点が高いほど後
述するフォーミングが困難となり、電子放出部５を形成
するために、より大きな電力が必要となる。さらに、そ
の結果得られる電子放出部５は、電子放出し得る印加電
圧（しきい値電圧）が上昇するという問題が生じる場合
がある。

【００３２】本発明では、導電性薄膜４の材料として特
に高融点であることは要求されなく、比較的に低いフォ
ーミング電力で良好な電子放出部５を形成することが可
能な材料，形態のものを選ぶことができる。この条件を
満たす材料の例としては、Ｎｉ，Ａｕ，ＰｄＯ，Ｐｄ，
Ｐｔ等の導電材料を、抵抗Ｒｓ（シート抵抗）が１０²
から１０⁷ Ω／□の抵抗値を示す膜厚で形成したものが
好ましく用いられる。なお、抵抗Ｒｓは、幅ｗ，長さｌ
の薄膜の抵抗Ｒを、Ｒ＝Ｒｓ（ｌ／ｗ）としたときの値
である。上記抵抗値を示す膜厚は、約５〜５０ｎｍの範
囲にある。

【００３３】さて、導電性薄膜４の材料としてＰｄＯ
は、有機Ｐｄ化合物の大気中焼成により容易に簿膜形成
できること、半導体であるため比較的に電気伝導度が低
くて上記範囲の抵抗Ｒｓを得るための膜厚のプロセスマ
ージンが広いこと、電子放出部５を形成した後に、容易
に還元して金属Ｐｄとすることができるので膜抵抗を低
減できて耐熱性も上昇すること、などの理由から好適な
材料である。しかし、導電性薄膜４の材料としてはＰｄ
Ｏに限られなく、また、上記例示した材料に限られるも
のでもない。

【００３４】電子放出部５は、導電性薄膜４の一部に形
成された高抵抗の亀裂により構成され、導電性薄膜４の
膜厚，膜質，材料及び後述する通電フォーミングなどの
手法等に依存したものとなる。電子放出部５の内部に
は、数百ｐｍから数十ｎｍの範囲の粒径の導電性微粒子
が存在する場合もある。この導電性微粒子は、導電性薄
膜４を構成する材料の元素の一部あるいは全ての元素を
含有するものとなる。

【００３５】電子放出部５及びその近傍の導電性薄膜４
には、後述する活性化工程を施すと、炭素及び炭素化合
物が生成される。この炭素及び炭素化合物の役割につい
ては、導電性薄膜４の一部として機能し、また、電子放
出部５を構成する物質として電子放出特性を支配するこ
とが分っているが、詳細は明らかではない。

【００３６】電子放出部５を形成する中間部位として、
各種酸化物を用いて検討したところ、素子電流Ｉｆ及び
電子放出電流Ｉｅを増加し得る中間部位の酸化物として
は、Ａｓ₂ Ｏ₃ ，ＣｄＯ，ＧｅＯ，ＭｏＯ₃ ，ＰｂＯ，
Ｐ₂ Ｏ₅ ，ＳｅＯ₂ ，ＴｅＯ₂ ，ＷＯ₃ ，ＺｎＯの酸化
物を少なくとも１種類以上含む材料とシリカ（ＳｉＯ
₂ ）との混合酸化物に、無機化合物フィラー７としてＣ
（ダイヤモンド），ＷＣ，Ｗ₂ Ｃ，ＴｉＣ，ＶＣ，Ｓｉ
Ｃ，ＮｂＣ，ＢｅＯ，ＭｇＯ，ＴｈＯ₂ ，ＴａＢ₂ ，Ｔ
ｉＢ₂ ，ＨｆＢ₂ ，ＢＮ，ＴａＮ，ＨｆＮ，ＴｉＮ，Ｚ
ｒＮ，Ｓｉ₃ Ｎ₄からなる数十〜数百ｎｍの化合物粒子
を数十ｖｏｌ％含むものが好ましい。

【００３７】酸化物材料は、以下の式に示すように、酸
化物（ＭｘＯｙ）が炭素（Ｃ）によって容易に還元が進
行する材料であることが分った。

【００３８】Ｍ_x Ｏ_y ＋ｙＣ＝ｘＭ＋ｙＣＯ＋ΔＧ₁ °

【００３９】さらに、これらの材料は、特定の温度（約
１５００Ｋ以下）で比較すると、上記反応における反応
の標準自由エネルギー（ΔＧ₁ °）が、シリカ（ＳｉＯ
₂ ）の反応の標準自由エネルギー ＳｉＯ₂ ＋２Ｃ＝Ｓｉ＋２ＣＯ＋ΔＧ₂ ° より小さく（ΔＧ₁ °＜ΔＧ₂ °）その反応の標準自由
エネルギーの絶対値が小さい材料ほど素子電流Ｉｆが大
きいことが分った。

【００４０】また、上記材料及び上記材料の低級酸化物
（価数がより小さい酸化物）の１３３Ｐａでの蒸気圧が
１６００Ｋ以下であることが分っている。

【００４１】これは素子電流Ｉｆを得るための処理（活
性化と呼ぶ）において、上記酸化物の還元反応と材料の
蒸気圧が関与していることを示唆している。

【００４２】図２に上記材料の一例として、ＧｅＯとＳ
ｉＯ₂ の炭素還元におけるそれぞれのの反応の標準自由
エネルギーを、下記表１に上記材料及び上記材料の低級
酸化物の１３３Ｐａを示すときの温度を示す。

【００４３】

【表１】

【００４４】特に、後述する有機ガスを用いた活性化工
程では、結果的に炭素あるいは炭素化合物の堆積である
ことが確認されているが、このとき、上記反応式に示さ
れるような組成体に含まれる酸化物と炭素との還元反応
によって酸化物の体積減少が生じるだけでなく、活性化
ガスが熱，電子線エネルギーあるいは電界による炭素化
と堆積反応が同時に進行していることが考えられる。こ
のとき、酸化物自身が炭素によって還元されることで一
部低級酸化物になって、高い蒸気圧を持つ酸化物になる
ことにより上記酸化物材料が蒸発し、酸化物の反応界面
での体積減少がより基体１側に進行（以下これを溝形成
と呼ぶ）されるものと考えられる。

【００４５】即ち、この溝形成と、前述した炭素あるい
は炭素化合物の堆積とが同時に進行することで、従来よ
りも電子放出部５の断面積が広く、かつ深く形成され、
これにより素子電流Ｉｆ及び電子放出電流Ｉｅが増大す
るものと推察している。

【００４６】ただし、前述したように界面反応で溝が形
成されることは、基体及び酸化物の熱伝導特性，活性化
ガス種，発生温度，材料の標準生成自由エネルギー変化
の絶対値などに応じて、その深さ等の程度が変わると予
想できるので、従来の素子構成の活性化においては溝が
ない場合もあり得る。

【００４７】図３（ａ），（ｂ），（ｃ）は、図１の電
子放出部の形成過程を順に説明する断面図である。

【００４８】図３において、１は基体、４は導電性薄
膜、５は電子放出部形成材料、６はシリカと易還元性酸
化物からなる混合酸化物、７は無機化合物フィラーであ
る。

【００４９】ここで、電子放出部形成材料５は後述する
ように、ガス分解により得られた不定形状連続膜の形態
を有する。混合酸化物６は、基体１上に無機化合物フィ
ラー７を分散させるための母材として存在している。以
下混合酸化物６と無機化合物フィラー７を含めて酸化物
被膜８と呼ぶ。

【００５０】図９（ａ）は、活性化工程の初期を示し、
即ち、活性化工程の初期では、二つの導電性薄膜４，４
間に電圧を印加することで、電子放出部形成材料となる
有機活性化ガスが電界あるいは電子線エネルギーによっ
て分解され、酸化物被膜８の表面に電子放出部形成材料
５が堆積する。この電子放出部形成材料５は、後述する
ように炭素及び炭素化合物からなり、酸化物を還元させ
る能力を有している。無機化合物フィラー７は酸化物被
膜８中に均一に分散されて、この工程で発生する熱を逃
す役割を果たしていると考えている。

【００５１】活性化工程の中期では、図９（ｂ）に示す
ように、電子放出部形成材料５の厚さが増加するだけで
なく、電極間に電流が観測されるようになり、ジュール
熱による化学的反応が開始する。電子放出部形成材料５
と混合酸化物６が接する部分で熱エネルギーによって還
元反応が生じる場合は、混合酸化物６が還元されて低級
酸化物が生成される。前述したように、蒸気圧の大きな
低級酸化物は蒸発により基体１側に広がりながらその体
積を減じる。同時に、素子電流Ｉｆの増加に伴うジュー
ル熱によって有機活性化ガスの分解と堆積が進行する。
このとき、熱の広がりあるいは電子線のエネルギーによ
って反応界面近傍だけでなく、比較的に遠い素子電極領
域（不図示）の上部にも電子放出部形成材料５の堆積が
生じる。なお、図９（ｂ）には、二つの導電性薄膜４，
４間に、電子放出部形成材料５が明確に左右に分離して
描かれているが、この構造についてはまだ明らかではな
い。

【００５２】活性化工程の後期では、図９（ｃ）に示す
ように、さらに基体１側への溝形成と電子放出部形成材
料５の堆積が進行するが、ジュール熱による還元反応で
消費される電子放出部形成材料５の反応消費量と有機活
性化ガスの分解による堆積量（供給量）が釣り合うか、
あるいはジュール熱による電子放出部形成材料５の蒸発
量と有機活性化ガスの分解による堆積量（供給量）が釣
り合うことで素子電流Ｉｆの増加がしだいに鈍ると考え
ている。さらに活性化が進行すると、溝形成領域の先端
部で、深く溝が形成されるほど外部からの有機活性化ガ
スの供給量が少なくなるため、素子電流Ｉｆが一定値を
保った後、次第に減少すると考えている。

【００５３】こうした活性化の過程から推察すると、素
子電流Ｉｆの最大値は発生する温度，発生した熱の広が
り，化学反応の速度と自由エネルギーで表される反応の
容易さに密接に関連しているように思われる。

【００５４】次に、酸化物被膜８の厚さについて述べ
る。

【００５５】図４（ａ），（ｂ）は、図１に示す電子放
出素子の素子電流Ｉｆを説明するグラフ図であり、駆動
時間の経過に伴う変化特性を示している。

【００５６】図４（ａ）は、後述する安定化工程におい
て３００ｎｍ以下の厚さを持つ酸化物被膜８を、アルカ
リを含むガラス基体に堆積して、素子の駆動を２種類の
電圧（２番目の電圧を１番目よりも低い電圧とする）で
素子を駆動したときの素子電流Ｉｆを、駆動時間の対数
でプロットしたものである。図４（ａ）から明らかなよ
うに、低い電圧で素子を駆動したときには、次第に素子
電流Ｉｆが増加し、その後減少する特性が得られた。こ
の特性は酸化物被膜８がない場合、つまり素子を直接基
体１上に製作した場合に、最も顕著にその特性が表れ
る。

【００５７】酸化物被膜８の厚さが約３００ｎｍ以上で
は、図４（ｂ）に示すように、駆動時間に係わりなく素
子電流Ｉｆが一定となるような特性に近づき、その厚さ
が１μｍではほぼ図４（ｂ）に示す特性が得られた。画
像形成装置を安定に駆動するためには、図４（ａ）より
も図４（ｂ）に示すような特性（２番目の低い電圧で駆
動したときに素子電流Ｉｆが駆動時間に係わりなく一
定）を持つ素子が望まれており、各種ガラス基体に対し
て適する厚さを評価したところ、石英，ソーダライムガ
ラス，高歪点ガラス，無アルカリガラス等の何れの場合
にも最低３００ｎｍ以上の厚さが必要であり、その厚さ
が厚い程図４（ｂ）に示すような特性に近づくだけでな
く、一定電流を保持する時間が長いことが分った。

【００５８】次に、酸化物被膜８のシリカと混合する場
合の組成比について述べる。

【００５９】酸化物被膜８は、材料によっては吸湿性を
持つもの、炭酸塩に変化しやすいもの、毒性のあるもの
がある。シリカとの混合比は各材料によって異なるが、
例えばＰ₂ Ｏ₅ をシリカに添加する場合は、その吸湿性
のため約５ｍｏｌ％程度が限度であり、Ｐ₂ Ｏ₅ とＧｅ
Ｏをシリカに添加する場合は、Ｐ₂ Ｏ₅ が５ｍｏｌ％
で、ＧｅＯが１０ｍｏｌ％程度である。Ｐ₂ Ｏ₅ 以外の
Ａｓ₂ Ｏ₃ ，ＣｄＯ，ＧｅＯ，ＭｏＯ₃ ，ＰｂＯ，Ｓｅ
Ｏ₂ ，ＴｅＯ₂ ，ＷＯ₃ ，ＺｎＯは、単体（シリカとの
混合なし）でも使用できるが、シリカとの混合比が５０
ｍｏｌ％以下で用いたほうが単体で使用するよりも、取
り扱いの容易さ，平たん性，安定性，安全性に優れてい
る場合が多かった。

【００６０】無機化合物フィラー７としては、Ｃ（ダイ
ヤモンド），ＷＣ，Ｗ₂ Ｃ，ＴｉＣ，ＶＣ，ＳｉＣ，Ｎ
ｂＣ，ＢｅＯ，ＭｇＯ，ＴｈＯ₂ ，ＴａＢ₂ ，ＴｉＢ
₂ ，ＨｆＢ₂ ，ＢＮ，ＴａＮ，ＨｆＮ，ＴｉＮ，Ｚｒ
Ｎ，Ｓｉ₃ Ｎ₄ からなる数十〜数百ｎｍの化合物粒子を
酸化物材料（易還元性酸化物）とシリカ（ＳｉＯ₂ ）の
混合物の中に含ませることで、これを含まない場合と比
較して活性化後に到達する素子電流Ｉｆが大きいことが
分った。このとき、無機化合物フィラー７の体積割合を
多くすればするほど素子電流Ｉｆが大きいことが分かっ
た。さらに，これらの化合物の１０００Ｋでの熱伝導度
を調べたところ、下記表２のようになることが分った。

【００６１】

【表２】

【００６２】この表２から明らかなように、無機化合物
フィラー７は、ＳｉＯ₂ よりも熱伝導度が大きいことが
分かった。また、無機化合物フィラー７は、２７３Ｋか
ら１５００Ｋの範囲でもＳｉＯ₂ よりも熱伝導度が大き
いことが分かった。これらのことから推察すると、活性
化後に到達する最大の素子電流Ｉｆには、前述したよう
に酸化物がカーボンによって還元されやすい材料である
こと、酸化物あるいは還元によってできる低級酸化物の
蒸気圧が高いこと、さらには活性化部の領域には熱伝導
度が大きい材料があること、が必要であることが分っ
た。

【００６３】前述したように、酸化物被膜８には、シリ
カ（ＳｉＯ₂ ）との混合酸化物６に無機化合物フィラー
７が数十ｖｏｌ％含まれるように構成することが望まし
いが、酸化物６が絶縁性である場合はシリカと混合しな
い単一金属元素の酸化物であってもよい。

【００６４】無機化合物フィラー７に形成される前述し
た各材料は、予めスピンコート材料の中に粒子状のまま
溶液中に分散されるように混合され、その割合は５０ｖ
ｏｌ％以上が好ましく、粒子の粒径は構成される酸化物
皮膜６の数十分の一が好ましい。

【００６５】無機化合物フィラー７が素子直下に位置す
る場合は、後述する活性化工程において、その進行を妨
げる方向に作用する。このため、無機化合物フィラー７
と素子との間には混合酸化物層６を存在させることが望
ましい。また、酸化物被膜８を形成した後に、さらに混
合酸化物層６だけを酸化物被膜８上に被膜する構成であ
ってもよい。

【００６６】混合酸化物６に含ませる酸化物として、例
えばＴｉＯ₂ ，ＺｒＯ₂ ，Ａｌ₂ Ｏ₃ 等の材料を用いる
場合は、２０００Ｋ以下の１モルあたりの炭素還元によ
る標準自由エネルギーの値が大きいため、上記したＣ，
Ｓｉ，Ａｌ等では容易に還元できない。例えばＡｌ₂ Ｏ
₃ は、Ｃ（炭素）で還元するには約２０００Ｋ必要であ
り、この温度にまで反応界面の温度を上げることは実用
的ではない。検討したところ、例えば、Ａｓ₂ Ｏ₃ ，Ｇ
ｅＯ，ＭｏＯ₃ ，ＰｂＯ，Ｐ₂ Ｏ₅ ，Ｒｅ₂ Ｏ₇ ，Ｓｂ
₂ Ｏ₃ ，ＳｅＯ₂ ，ＳｎＯ₂ ，ＴｅＯ，ＷＯ₃ ，ＺｎＯ
は７００Ｋ〜１６００Ｋの範囲で上記酸化物１モルあた
りの炭素還元による標準自由エネルギーの値が小さいた
め、例えばＣで容易に還元することが可能である。従っ
てそれらは、界面反応を長時間持続させることが出来る
還元材料としては極めて理想的な材料である。

【００６７】前述したＡｓ₂ Ｏ₃ ，ＧｅＯ，ＭｏＯ₃ ，
ＰｂＯ，Ｐ₂ Ｏ₅ ，Ｒｅ₂ Ｏ₇ ，Ｓｂ₂ Ｏ₃ ，ＳｅＯ
₂ ，ＳｎＯ₂ ，ＴｅＯ，ＷＯ₃ ，ＺｎＯなどの材料は、
大気中の水分と反応し、化合物を持つものが多く、単一
組成で使用するには困難なものが多い。このため、これ
らの材料を用いる場合は、混合の酸化膜［母材＋易還元
性酸化物（５０モル％以下）］の構成で用いる方がより
望ましい。その際、望ましい母材としてはシリカ（Ｓｉ
Ｏ₂ ）が挙げられる。この混合酸化物６の形態は、単な
る酸化物の混合物でもよいし、結晶構造を持っていても
よい。

【００６８】素子電流Ｉｆを低減させる目的では、さら
に蒸気圧の高い酸化物材料あるいは蒸気圧の高い低級酸
化物に還元されるような材料を選択することが望まし
い。例えばＳｉＯ₂ は還元により蒸気圧が高いＳｉＯと
なるため、より低温で反応を生じさせることが可能とな
る。

【００６９】低級酸化物を作る材料としては、ＳｎＯ₂
に対してはＳｎＯ、ＧｅＯ₂ に対してはＧｅＯ、Ｒｅ₂
Ｏ₇ に対してはＲｅＯ₃ 、ＲｅＯ₂ などが存在する。こ
れらの酸化物は、アルコキシド系の化合物やスピンコー
ト材料を用いて焼成により酸化膜に形成される。

【００７０】図５（ａ），（ｂ），（ｃ）は、図１に示
す電子放出素子の製造工程を順に説明する断面図であ
る。

【００７１】（工程１）基体１を、まず洗剤，純水及び
有機溶剤等を用いて十分に洗浄する。そして、洗浄した
基体１に、シリカに燐を添加したアルコラートからなる
スピンコート剤に無機化合物フィラーを数十ｖｏｌ％分
散して塗布し、この後、焼成することで酸化物被膜８を
形成する［図５（ａ）］。なお、形成した酸化物被膜８
は、シリカを主成分とするものであり、前述した易還元
性酸化物による混合層６と無機化合物フィラー７が含ま
れている。ごく表面に一部炭酸塩や水酸化物を含むこと
もある。

【００７２】（工程２）ホトリソグラフィー技術により
適切にパターニングを行い、蒸着法により素子電極２，
３を形成する。そして、この基体１に、有機金属溶液を
塗布して、有機金属薄膜を形成する。有機金属溶液に
は、前述した導電性膜４の材料金属を主元素とする有機
金属化合物の溶液を用いることができる。有機金属薄膜
を加熱焼成処理し、リフトオフ，エッチング等によリパ
ターニングして、導電性薄膜４を形成する［図５
（ｂ）］。ここでは、有機金属溶液の塗布法を挙げて説
明したが、導電性薄膜４の形成法はこれに限られるもの
でなく、真空蒸着法，スパッタ法，化学的気相堆積法，
分散塗布法，ディッピング法，スピンナー法等を用いる
こともできる。

【００７３】（工程３）続いて、フォーミング工程を施
す。このフォーミング工程の方法の一例として通電処理
による方法を説明する。素子電極２，３間に、不図示の
電源から通電を行うと、導電性薄膜４の部位に、構造の
変化した電子放出部５が形成される［図５（ｃ）］。通
電フォーミングによれば、導電性薄膜４に局所的に破
壊，変形もしくは変質等の構造の変化した部位が形成さ
れる。その部位が電子放出部５を構成する。また、通電
フォーミング前に酸化物被膜８を形成した場合は、同時
に酸化物被膜８も局所的に破壊，変形もしくは変質等の
構造の変化を起こす場合がある。

【００７４】通電フォーミングの電圧波形の例を図６に
示す。

【００７５】電圧波形はパルス波形が好ましく、これに
はパルス波高値を定電圧としたパルスを連続的に印加す
る図６（ａ）に示した手法と、パルス波高値を増加させ
ながら電圧パルスを印加する図６（ｂ）に示した手法が
ある。

【００７６】図６（ａ）において、Ｔ₁ 及びＴ₂ は電圧
波形のパルス幅とパルス間隔である。パルス幅Ｔ₁ は１
μｓｅｃ〜１０ｍｓｅｃ、パルス間隔Ｔ₂ は１０μｓｅ
ｃ〜１００ｍｓｅｃの範囲で設定される。三角波の波高
値（通電フォーミング時のピーク電圧）は、フォーミン
グ対象素子に対応して適宜に選択される。このような条
件のもと、例えば、数秒から数十分間電圧を印加する。
パルス波形は三角波に限定されるものではなく、矩形波
など適宜な波形を採用することができる。

【００７７】図６（ｂ）においてもパルス幅Ｔ₁ 及びパ
ルス間隔Ｔ₂ は、図６（ａ）と同様とすることができ、
三角波の波高値（通電フォーミング時のピーク電圧）
は、例えば０．１Ｖステップ程度毎に、増加させること
ができる。

【００７８】通電フォーミング処理の終了は、パルス間
隔Ｔ₂ 中に、導電性薄膜４を局所的に破壊，変形しない
程度の電圧を印加し、電流を測定して検知することがで
きる。例えば、０．１Ｖ程度の電圧を印加した際に流れ
る素子電流を測定し、求めた抵抗値が１ＭΩ以上となっ
たならば通電フォーミングを終了させる。

【００７９】（工程４）通電フォーミングを終えた素子
には、活性化工程と呼ばれる処理を施すのが好ましい。
この活性化工程により、当該素子について素子電流Ｉ
ｆ，電子放出電流Ｉｅを著しく変化，向上させることが
できる。

【００８０】活性化工程は、例えば、有機物質のガスを
含有する雰囲気下で、通電フォーミングと同様に、パル
ス電圧の印加を繰り返すことで行うことができる。この
活性化工程のパルス電圧は、例えば図７に示すような正
負の繰り返しパルスが用いられ、パルス幅Ｔ₁ ，パルス
間隔Ｔ₂ ，パルス波高値Ｖｐなどは適宜に設定される。
そして、活性化工程の雰囲気は、例えば油拡散ポンプや
ロ―タリーポンプ等により真空容器内を排気した場合
に、雰囲気内に残留する有機ガスを利用して形成するこ
とができる。他にもイオンポンプ等によりー旦十分に排
気した真空中に、適当な有機物質のガスを導人すること
によっても得られる。その際の好ましい有機物質のガス
圧は、前述した応用の形態，真空容器の形状，有機物質
の種類などにより異なるため、場合に応じて適宜に設定
される。

【００８１】活性化工程に用いる有機物質としては、ア
ルカン，アルケン，アルキンの脂肪族炭化水素類，芳香
族炭化水素類，アルコール類，アルデヒド類，ケトン
類，アミン類，ニトリル類，フェノール，カルボン，ス
ルホン酸等の有機酸類などを挙げることができる。具体
的には、メタン，エタン，プロパンなどＣ_n Ｈ_2n+2で表
される飽和炭化水素、エチレン，プロピレンなどＣ_n Ｈ
_2n等の組成式で表される不飽和炭化水素、ベンゼン，ト
ルエン，メタノール，エタノール，ホルムアルデヒド，
アセトアルデヒド，アセトン，メチルエチルケトン，メ
チルアミン，エチルアミン，フェノール，ベンゾニトリ
ル，アセトニトリル，蟻酸，酢酸，プロピォン酸などを
使用することができる。

【００８２】この活性化処理により、雰囲気中に存在す
る有機物質から炭素あるいは炭素化合物が素子上に堆積
して、素子電流Ｉｆ，電子放出電流Ｉｅが著しく変化す
るようになる。

【００８３】活性化工程の終了判定は、素子電流Ｉｆと
放出電流Ｉｅを測定しながら、適宜に行う。

【００８４】炭素及び炭素化合物とは、例えばグラファ
イトであり、いわゆるＨＯＰＧ´，ＰＧ（，ＧＣ）を包
含し、ＨＯＰＧはほぼ完全な結晶構造のもの、ＰＧは結
晶粒が２０ｎｍ程度で結晶構造がやや乱れたもの、ＧＣ
は結晶粒が２ｎｍ程度になり結晶構造の乱れがさらに大
きくなったものを指す。また、非晶質炭素であり、アモ
ルファス炭素及びアモルファス炭素と上記グラファイト
の微結晶の混合物を指す。何れにしても膜厚は、５０ｎ
ｍ以下の範囲とするのが好ましく、３０ｎｍ以下の範囲
とすることがより好ましい。

【００８５】（工程５）このような工程により製作した
電子放出素子は、安定化工程を行うことが好ましい。こ
の安定化工程は、真空容器内の有機物質を排気する工程
である。真空容器内の圧力は、１．３×１０^-5Ｐａ以下
が好ましく、さらに１．３×１０^-6Ｐａ以下がより好ま
しい。

【００８６】真空容器を排気する真空排気装置は、排気
ポンプをオイルレス構成にしたものが好ましく、これは
素子の特性に影響を与えないようにするためであり、具
体的には、ソープションポンプ，イオンポンプ等の真空
排気装置を挙げることができる。そして、真空容器内を
排気する際には、その真空容器全体を加熱して、真空容
器内壁や、電子放出素子に吸着した有機物質分子を排気
しやすくするのが好ましい。この加熱条件は８０〜２０
０℃で５時間以上が望ましい。しかし、この条件に限る
ものではなく、真空容器の大きさや形状、電子放出素子
の構成などの諸条件により適宜に設定される条件により
行う。

【００８７】安定化工程を行った場合、駆動時の雰囲気
は、その安定化処埋を終了した時点の雰囲気を維持する
のが好ましいが、これに限るものではなく、有機物質が
十分除去されていれば、真空度自体は多少低下しても安
定な特性を十分に維持することができる。

【００８８】このような真空雰囲気を採ることにより、
新たな炭素あるいは炭素化合物の堆積を抑制でき、その
結果、素子電流Ｉｆ，電子放出電流Ｉｅを安定させるこ
とができる。

【００８９】そして次に、以上の工程により製作される
電子放出素子の基本特性について述べる。

【００９０】図８は、電子放出特性を測定する測定評価
装置を示す構成図であり、いわゆる真空処理装置になっ
ている。図８においても、前述した図１に示すものと同
様な各部には同一符号を付してあり、５５は真空容器、
５６は排気ポンプである。

【００９１】真空容器５５内には電子放出素子１２４が
配されている。即ち、１は電子放出素子１２４を構成す
る基体であり、２及び３は素子電極、４は導電性薄膜、
５は電子放出部、８は酸化物被膜である。５１は電子放
出素子１２４に素子電圧Ｖｆを印加する電源、５０は素
子電極２，３間の導電性薄膜４を流れる素子電流Ｉｆを
測定する電流計、５４は素子の電子放出部５から放出さ
れる電子放出電流Ｉｅを捕えるアノード電極である。５
３はアノード電極５４にアノード電圧Ｖａを印加する高
圧電源、５２は素子の電子放出部５から放出される電子
放出電流Ｉｅを測定する電流計である。例えば、アノー
ド電極５４のアノード電圧Ｖａを１ｋＶ〜１０ｋＶの範
囲とし、アノード電極５４と電子放出素子１２４との距
離Ｈを２〜８ｍｍの範囲として測定を行うことができ
る。

【００９２】真空容器５５内には、図示しない真空計な
どの真空雰囲気下での測定に必要な機器が設けられてい
て、所定に設定した真空雰囲気下での測定評価を行える
ようになっている。排気ポンプ５６は、ターボポンプ，
ロータリーポンプからなる通常の高真空装置系と、イオ
ンポンプ等からなる超高真空装置系とにより構成されて
いる。ここに示した真空処理装置の全体は、不図示のヒ
ーターにより２００℃まで加熱される構成とさている。

【００９３】図９は、図８に示した測定評価装置を用い
て測定された電子放出電流Ｉｅ，素子電流Ｉｆ，素子電
圧Ｖｆの関係を示すグラフ図である。図９においては、
縦軸，横軸ともにリニアスケールであり、電子放出電流
Ｉｅが素子電流Ｉｆに比べて著しく小さいので、任意単
位で示している。

【００９４】図９からも明らかなように、本発明にかか
る電子放出素子は、電子放出電流Ｉｅに関して三つの特
徴的性質を有する。

【００９５】（１）本素子は、ある電圧（しきい値電圧
Ｖｔｈ）以上の素子電圧Ｖｆを印加すると急激に電子放
出電流Ｉｅが増加し、一方、しきい値電圧Ｖｔｈ以下で
は電子放出電流Ｉｅがほとんど検出されない。つまり、
電子放出電流Ｉｅに対する明確なしきい値電圧Ｖｔｈを
持った非線形素子である。

【００９６】（２）電子放出電流Ｉｅが素子電圧Ｖｆに
単調増加に依存するため、放出電流Ｉｅは素子電圧Ｖｆ
で制御できる。

【００９７】（３）アノード電極５４に捕捉される放出
電荷は、素子電圧Ｖｆを印加する時間に依存する。つま
り、アノード電極５４に捕提される電荷量は、素子電圧
Ｖｆを印加する時間により制御できる。

【００９８】以上の説明より理解できるように、本発明
にかかる電子放出素子は、入力信号に応じて電子放出特
性を容易に制御できることになる。この性質を利用する
と複数の電子放出素子を配列して構成される電子源、そ
して画像形成装置など、多方面への応用が可能となる。

【００９９】図９においては、素子電流Ｉｆが素子電圧
Ｖｆに対して単調増加する（以下、「ＭＩ特性」と呼
ぶ）例を実線で示した。なお、図示は省略するが、素子
電流Ｉｆが素子電圧Ｖｆに対して電圧制御型負性抵抗特
性（以下、「ＶＣＮＲ特性」と呼ぶ）を示す場合もあ
る。これらの特性は、前述した工程を調節することで制
御できる。

【０１００】図１０は、一定の素子電圧Ｖｆで、長時間
駆動したときの電子放出電流Ｉｅの時間変化を示したも
のである。図中、実線で示したのは本発明にかかる素
子、破線で示したのは酸化物被膜８を形成しない比較用
の素子のものである。

【０１０１】即ち、以上の構成により本実施形態の電子
放出素子は、酸化物被膜８が、前述した適切な炭素還元
条件の下に導電性薄膜４と接触して設けられる。電子放
出部５を形成する通電処理では、炭素及び炭素化合物等
からなる導電性薄膜４が酸化物を還元させるため、これ
と接触している酸化物被膜８で還元反応が起き、当該酸
化物被膜８側にも電子放出部５の形成が進行する。その
結果、電子放出部５（亀裂等）を良好に形成することが
できる。

【０１０２】そしてここに、図１０に示すように、電子
放出電流Ｉｅの増加を図れるものであり、その一方、素
子電流Ｉｆの低減をも図れる。従って、電子放出を安定
して高効率に得ることができ、その結果、電子源，画像
形成装置等へ好ましく適用することができる。

【０１０３】（第２実施形態）図１１は、本発明の第２
実施形態を示し、垂直型で表面伝導型の電子放出素子の
断面図である。

【０１０４】図２においては、前述した図１に示すもの
と同様な各部には同一符号を付してあり、２１は段差形
成部である。

【０１０５】基体１，素子電極２，３及び導電性薄膜
４，電子放出部５，酸化物被膜８（混合酸化物６十無機
化合物フィラー７）は、前述した平面型表面伝導型電子
放出素子の場合と同様の材料で構成することができる。

【０１０６】段差形成部２１は、真空蒸着法，印刷法，
スパッタ法等で形成したＳｉＯ₂ 等の絶縁性材料で構成
することができる。段差形成部２１の膜厚は、前述した
第１実施形態の平面型表面伝導型電子放出素子の素子電
極間隔Ｌに対応し、数１００ｎｍから数十μｍの範囲と
することができ、当該段差段の形成方法、及び素子電極
間に印加する電圧を考慮して設定されるが、数１０ｎｍ
から数μｍの範囲が好ましい。

【０１０７】段差形成部２１上に形成した酸化物被膜８
は、シリカを主成分とし、前述した易還元性酸化物から
なる混合酸化物６に無機化合物フィラー７が含まれてい
る。ごく表面の一部に、炭酸塩や水酸化物を含むことも
あるが、一般に炭酸塩や水酸化物は加熱すると酸化物に
変化し、最終的な融点（ないし昇華点）は酸化物の状態
で決まるため、特に問題になることはない。また、酸化
物薄膜８は、アルコキシド系塗布材に無機物フィラーを
添加することによって形成される。

【０１０８】導電性薄膜４は、素子電極２，３と段差形
成部２１を形成した後に、その素子電極２，３の上に積
層される。

【０１０９】電子放出部５は、図１１では段差形成部２
１に形成されているが、製作条件，フォーミング条件等
に依存するものであり、その形状，位置はこれに限られ
るものではない。

【０１１０】この場合も、前述した第１実施形態と同様
の作用，効果となり、酸化物被膜８が、適切な炭素還元
条件の下に導電性薄膜４と接触して設けられるので、電
子放出部５を形成する通電処理では、還元反応により酸
化物被膜８側にも電子放出部５の形成が進行する。その
結果、電子放出部５（亀裂等）を良好に形成することが
できる。

【０１１１】そしてここに、電子放出電流Ｉｅの増加を
図れるものであり、その一方、素子電流Ｉｆの低減をも
図れる。従って、電子放出を安定して高効率に得ること
ができ、その結果、電子源，画像形成装置等へ好ましく
適用することができる。

【０１１２】（第３実施形態）第３実施形態は、前述し
た電子放出素子を基体上に多数配列して電子源に構成し
たものである。

【０１１３】電子放出素子の配列については、種々のも
のが採用でき、例えば、並列に配置した多数の電子放出
素子の個々を両端で接続し、電子放出素子の行を多数個
配し（行方向と呼ぶ）、この配線と直交する方向（列方
向と呼ぶ）で電子放出素子の上方に配した制御電極（グ
リッドとも呼ぶ）により、電子放出素子からの電子を制
御駆動するはしご状配置のものがある。これとは別に、
電子放出素子をＸ方向及びＹ方向に行列状に複数個配
し、同じ行に配された複数の電子放出素子の電極の一方
を、Ｘ方向の配線に共通に接続し、同じ列に配された複
数の電子放出素子の電極の他方を、Ｙ方向の配線に共通
に接続するものが挙げられる。このようなものはいわゆ
る単純マトリックス配置である。まず単純マトリックス
配置について以下に詳述する。

【０１１４】本発明にかかる表面伝導型電子放出素子に
ついては、前述したように（１）〜（３）の特性があ
る。即ち、表面伝導型電子放出素子からの放出電子は、
しきい値電圧以上では、二つの素子電極間に印加するパ
ルス状電圧のパルス波高値とパルス幅により制御でき
る。一方、しきい値電圧以下では、ほとんど放出されな
い。この特性によれば、多数の電子放出素子を配置した
場合においても、個々の素子にパルス状電圧を適宜に印
加すれれば、入力信号に応じて表面伝導型電子放出素子
を選択して電子放出量を制御できる。

【０１１５】以下この原理に基づき、本発明にかかる電
子放出素子を複数配列して得られる電子源基体につい
て、図１２を用いて説明する。図１２において、１２１
は電子源基体、１２２はＸ方向配線、１２３はＹ方向配
線、１２４は電子放出素子、１２５は結線である。な
お、電子放出素子１２４は、前述した平面型で表面伝導
型あるいは垂直型で表面伝導型のどちらであってもよ
い。

【０１１６】Ｘ方向配線１２２は、Ｄｘ１〜Ｄｘｍのｍ
本配線からなり、真空蒸着法，印刷法，スパッタ法等に
より形成した導電性金属などで構成することができる。
配線の材料，膜厚，幅は適宜に設計される。Ｙ方向配線
１２３は、Ｄｙ１〜Ｄｙｎのｎ本配線からなり，Ｘ方向
配線１２２と同様に形成される。これらｍ本のＸ方向配
線１２２とｎ本のＹ方向配線１２３との間には、不図示
の層間絶縁層が設けられており、両者を電気的に分離し
ている（ｍ，ｎは共に正の整数）。

【０１１７】図示を省略した層間絶縁層は、真空蒸着
法，印刷法，スパッタ法等を用いて形成したＳｉＯ₂ 等
で構成される。例えば、Ｘ方向配線１２２を形成した基
体１２１の全面、あるいは一部に所定の形状で形成さ
れ、特に、Ｘ方向配線１２２とＹ方向配線１２３の交差
部の電位差に耐え得るように、膜厚，材料，製法が適宜
に設定される。Ｘ方向配線１２２とＹ方向配線１２３
は、それぞれ外部端子として引き出されている。

【０１１８】電子放出素子１２４を構成する一対の電極
（不図示）は、ｍ本のＸ方向配線１２２とｎ本のＹ方向
配線１２３と導電性金属等からなる結線１２５によって
電気的に接続されている。

【０１１９】配線１２２と配線１２３を構成する材料、
結線１２５を構成する材料及び一対の素子電極を構成す
る材料は、その構成元素の一部あるいは全部が同一であ
っても、またそれぞれ異なってもよい。これら材料は、
例えば前述した素子電極の材料から適宜に選択される。
素子電極を構成する材料と配線材料が同一である場合に
は、素子電極に接続した配線は素子電極ということもで
きる。

【０１２０】Ｘ方向配線１２２には、Ｘ方向に配列した
表面伝導型放出素子１２４の行を選択するための走査信
号を印加する走査信号印加手段（不図示）が接続され
る。一方、Ｙ方向配線１２３には、Ｙ方向に配列した電
子放出素子１２４の各列を、入力信号に応じて変調する
ための変調信号発生手段（不図示）が接続される。各電
子放出素子１２４に印加される駆動電圧は、当該素子に
印加される走査信号と変調信号の差電圧として供給され
る。

【０１２１】上記構成においては、単純なマトリックス
配線を用いて、個別の素子を選択して独立に駆動可能と
することができる。

【０１２２】従って、本発明にかかる各電子放出素子１
２４については、前述したように電子放出を安定して高
効率に得ることができるものであることから、それを用
いた本実施形態の電子源は、配列全体について電子放出
特性の高効率化と高安定化を図れる。

【０１２３】（第４実施形態）第４実施形態は、真空容
器をなす外囲器内に、前述した電子源を画像形成部材
（蛍光体）と対向させて備えて画像形成装置に構成した
ものである。

【０１２４】図１３は、第４実施形態の画像形成装置を
示す斜視図であり、図１４（ａ），（ｂ）は、それの蛍
光膜を説明する要部の平面図である。図１５は、ＮＴＳ
Ｃ方式のテレビ信号に応じて表示を行なう駆動回路を示
すブロック図である。

【０１２５】図１３において、１２１は電子放出素子１
２４を複数配した電子源基体、１３１は電子源基体１２
１を固定したリアプレート、１３６はガラス基体１３３
の内面に蛍光膜１３４とメタルバック１３５等が形成さ
れたフェースプレート、１３２は支持枠である。

【０１２６】支持枠１３２には上下にフェースプレート
１３６，リアプレート１３１がフリットガラス等を用い
て固着されており、外囲器１３７に構成されている。つ
まり、大気中あるいは窒素雰囲気において４００〜５０
０℃の温度範囲で１０分以上焼成してフリットガラスを
融解させており、三者が気密状態に封着される。

【０１２７】電子放出素子１２４は図１に示す素子に相
当し、１２２，１２３は電子放出素子１２４の一対の素
子電極と接続されたＸ方向配線及びＹ方向配線である。

【０１２８】リアプレート１３１は、主に基体１２１の
強度を補強する目的で設けられるため、基体１２１自体
で十分な強度を持つ場合は、別体のリアプレート１３１
は不要とすることができる。即ち、基体１２１へ支持枠
１３２を直接に封着し、フェースプレート１３６，支持
枠１３２及び基体１２１でもって外囲器１３７を構成し
てもよい。また、フェースプレート１３６，リアプレー
ト１３１間に、スペーサー（不図示）と呼ばれるの支持
体を設置することにより、大気圧に対して十分な強度を
もつ外囲器１３７を構成することもできる。

【０１２９】蛍光膜１３４は、モノクロームの場合は蛍
光体のみから構成されるが、カラー表示の場合は、図１
４に示すように、蛍光体の配列によりブラックストライ
プ［図１４（ａ）］あるいはブラックマトリックス［図
１４（ｂ）］などと呼ばれる黒色導電材１４１と蛍光体
１４２とから構成される。

【０１３０】ブラックストライプ（ブラックマトリック
ス）を設ける目的は、カラー表示の場合、三原色蛍光体
の各蛍光体１４２間の塗り分け部を黒くすることで混色
等を目立たなくすることと、蛍光膜１３４における外光
反射によるコントラストの低下を抑制することにある。
ブラックストライプの材料としては、黒鉛を主成分とす
る材料が挙げられるが、これに限られなく、導電性があ
って光の透過及び反射が少ない材料であればよい。

【０１３１】ガラス基体１３３に蛍光体１４２を塗布す
る方法は、モノクローム，カラーの何れにも沈澱法，印
制法等を採用できる。

【０１３２】蛍光膜１３４の表面を被覆してメタルバッ
ク１３５が設けられている。メタルバック１３５を設け
る目的は、蛍光体の発光のうち内面側への光をフェース
プレート１３６側へ鏡面反射させることにより輝度を向
上させること、電子ビーム加速電圧を印加するための電
極として作用させること、外囲器内で発生した負イオン
の衝突によるダメージから蛍光体を保護すること等であ
る。このメタルバック１３５は、蛍光膜１３４をガラス
基体１３３上に形成した後に、その蛍光膜１３４表面の
平滑化処理（いわゆるフィルミング）を行い、その後、
Ａｌを真空蒸着等により堆積させることで形成される。

【０１３３】フェースプレート１３６には、蛍光膜１３
４の導電性を高めるため、蛍光膜１３４の外面側に透明
電極（不図示）を設けてもよい。

【０１３４】前述した封着においては、カラー表示の場
合は各色蛍光体１４２と電子放出素子１２４とを対応さ
せる必要があり、十分な位置合わせが不可欠となる。

【０１３５】図１３に示した画像形成装置は、例えば以
下のようにして製造される。

【０１３６】外囲器１３７は、前述した安定化工程と同
様に、適宜に加熱しながらイオンポンプ，ソープション
ポンプなどのオイルレスの排気装置により排気管（不図
示）を通じて排気して、１．３×１０^-5Ｐａ程度の真空
度で、かつ有機物質が十分に少ない雰囲気にした後に封
着を行うことで形成される。

【０１３７】外囲器１３７の真空度を維持するためにゲ
ッター処理を行なうこともできる。これは、外囲器１３
７の封着を行う直前あるいは封着後に、抵抗加熱あるい
は高周波加熱等を用いた加熱により、外囲器１３７内の
所定の位置（不図示）に配置してあるゲッターを加熱し
て蒸着膜を形成する処理である。ゲッターはＢａ等を主
成分とし、その蒸着膜の吸着作用により、例えば１．３
×１０^-3ないしは１．３×１０^-5Ｐａの真空度を維持す
る。ここで、電子放出素子１２４のフォーミング処理以
降の工程は、適宜に設定できる。

【０１３８】次に、単純マトリックス配置の電子源を用
いて構成した画像形成装置に、ＮＴＳＣ方式のテレビ信
号に基づいたテレビジョン表示を行うための駆動回路の
構成例について、図１５を用いて説明する。

【０１３９】図１５において、１５１は画像形成装置、
１５２は走査回路、１５３は制御回路、１５４はシフト
レジスタ、１５５はラインメモリ、１５６は同期信号分
離回路、１５７は変調信号発生器、Ｖｘ，Ｖａは直流電
圧源である。

【０１４０】画像表示装置１５１は、端子Ｄｏｘ１〜Ｄ
ｏｘｍ，端子Ｄｏｙ１〜Ｄｏｙｎ，高圧端子Ｈｖを介し
て外部の電気回路と接続される。

【０１４１】端子Ｄｏｘ１〜Ｄｏｘｍには、画像表示装
置１５１内に設けられている電子源、即ち、Ｍ行Ｎ列に
マトリックス配線した電子放出素子の配列群を一行（Ｎ
素子）毎に順に駆動するための走査信号が印加される。

【０１４２】端子Ｄｙ１〜Ｄｙｎには、走査信号により
選択された一行の電子放出素子の各素子の出力電子ビー
ムを制御するための変調信号が印加される。

【０１４３】高圧端子Ｈｖには、直流電圧源Ｖａから例
えば１０ｋＶの直流電圧が供給されるが、これは電子放
出素子から放出される電子ビームに、蛍光体を励起する
のに十分なエネルギーを付与するための加速電圧であ
る。

【０１４４】走査回路１５２は、内部にＭ個のスイッチ
ング素子Ｓ１〜Ｓｍを備えたものである。各スイッチン
グ素子Ｓ１〜Ｓｍは、直流電圧源Ｖｘの出力電圧もしく
は０Ｖ（グランドレベル）の何れか一方を選択し、画像
表示装置１５１の端子Ｄｘ１〜Ｄｘｍと電気的に接続さ
れ、これには制御回路１５３が出力する制御信号Ｔｓｃ
ａｎに基づいて動作するものであり、例えばＦＥＴのよ
うなスイッチング素子を組み合わせることにより構成さ
れる。

【０１４５】直流電圧源Ｖｘは、本例の場合には電子放
出素子の特性（電子放出しきい値電圧）に基づき、非走
査素子への印加電圧が電子放出しきい値電圧以下となる
ような一定電圧を出力する設定とされている。

【０１４６】制御回路１５３は、外部より入力する画像
信号に基づいて適切な表示が行なわれるように各部の動
作を整合させる機能を有する。制御回路１５３は、同期
信号分離回路１５６より送られる同期信号Ｔｓｙｎｃに
基づいて、各部に対してＴｓｃａｎ，Ｔｓｆｔ，Ｔｍｒ
ｙの各制御信号を発生する。

【０１４７】同期信号分離回路１５６は、外部から入力
されるＮＴＳＣ方式の画像信号から同期信号成分と輝度
信号成分とを分離する回路であり、一般的な周波数分離
（フィルター）回路等を用いて構成されている。つま
り、同期信号分離回路１５６に取り込まれたＮＴＳＣ方
式の画像信号は、垂直同期信号と水平同期信号からなる
同期信号Ｔｓｙｎｃと、画像の輝度信号ＤＡＴＡとに分
離され、輝度信号ＤＡＴＡはシフトレジスタ１５４へ入
力される。

【０１４８】シフトレジスタ１５４は、時系列的にシリ
アルに入力された輝度信号ＤＡＴＡを、画像の１ライン
毎にシリアル／パラレル変換するものであり、制御回路
１５３より送られる制御信号Ｔｓｆｔに基づいて動作す
る。即ち、制御信号Ｔｓｆｔは、シフトレジスタ１５４
のシフトクロックであるということもできる。シリアル
／パラレル変換された画像１ライン分（電子放出素子Ｎ
素子分の駆動データに相当）のデータは、Ｉｄ１〜Ｉｄ
ｎのＮ個の並列信号としてシフトレジスタ１５４から出
力される。

【０１４９】ラインメモリ１５５は、画像１ライン分の
データを必要時間の間だけ記億する記億装置であり、制
御回路１１３より送られる制御信号Ｔｍｒｙに従って適
宜にＩｄ１〜Ｉｄｎの内容を記億する。記憶された内容
は、Ｉｄ´１〜Ｉｄ´ｎとして出力され、変調信号発生
器１５７へ送られる。

【０１５０】変調信号発生器１５７は、画像データＩｄ
´１〜Ｉｄ´ｎに応じて電子放出素子の各々を適切に駆
動変調する信号源であり、その出力信号が端子Ｄｏｙ１
〜Ｄｏｙｎを通じて画像表示装置１５１内の電子放出素
子に印加される。

【０１５１】前述したように、本発明にかかる電子放出
素子は電子放出電流Ｉｅに対して以下の基本特性を有し
ている。即ち、電子放出には明確なしきい値電圧Ｖｔｈ
があり、Ｖｔｈ以上の電圧を印加された時のみ電子放出
が生じる。電子放出しきい値以上の電圧に対しては、素
子への印加電圧の変化に応じて放出電流も変化する。こ
のことから、本素子にパルス状の電圧を印加する設定と
して、しきい値以上のパルス電圧を印加することで電子
ビームを出力させることができ、その際、パルス波高値
Ｖｍを変化させることにより電子ビームの強度を制御で
き、パルス幅Ｐｗを変化させることにより電子ビームの
電荷の総量を制御することができる。

【０１５２】従つて、入力信号に応じて、電子放出素子
を変調する方式としては、電圧変調方式，パルス幅変調
方式等を採用できる。電圧変調方式には、変調信号発生
器１５７として、一定長さの電圧パルスを発生し、入力
されるデータに応じて適宜にパルス波高値を変調するよ
うな電圧変調方式の回路を用いることができる。

【０１５３】パルス幅変調方式には、変調信号発生器１
５７として、一定の波高値の電圧パルスを発生し、入力
されるデータに応じて適宜にパルス幅を変調するような
パルス幅変調方式の回路を用いることができる。

【０１５４】シフトレジスタ１５４，ラインメモリ１５
５としては、デジタル信号式，アナログ信号式の何れも
採用でき、画像信号のシリアル／パラレル変換及び記億
が所定の速度で行なわれればよいからである。

【０１５５】デジタル信号式を採る場合は、同期信号分
離回路１５６が出力する輝度信号ＤＡＴＡをデジタル信
号化する必要がある。これには、同期信号分離回路１５
６の出力部にＡ／Ｄ変換器を設ければよい。また、ライ
ンメモリ１５５の出力信号がデジタル信号かアナログ信
号かにより、変調信号発生器１５７の回路構成を変更す
ればよい。

【０１５６】即ち、デジタル信号を用いた電圧変調方式
の場合、変調信号発生器１５７には、例えばＤ／Ａ変換
回路を用い、必要に応じて増幅回路などを付加する。パ
ルス幅変調方式の場合、変調信号発生器１５７には、例
えば高速の発振器及び発振器の出力波数を計数する計数
器（カウンタ）及び計数器の出力値とラインメモリの出
力値を比較する比較器（コンパレータ）を組み合せた回
路を用いる。必要に応じて、比較器の出力するパルス幅
変調された変調信号を電子放出素子の駆動電圧にまで電
圧増幅するための増幅器を付加することもできる。

【０１５７】アナログ信号を用いた電圧変調方式の場
合、変調信号発生器１５７には、例えばオベアンプなど
を用いた増幅回路を採用でき、必要に応じてレベルシフ
ト回路などを付加することもできる。パルス幅変調方式
の場合には、例えば、電圧制御型発振回路（ＶＣＯ）を
採用でき、必要に応じて電子放出素子の駆動電圧まで電
圧増幅するための増幅器を付加することもできる。

【０１５８】このような構成を採る画像表示装置１５１
の駆動回路系においては、各電子放出素子１２４に、容
器外端子Ｄｏｘ１〜Ｄｏｘｍ、Ｄｏｙ１〜Ｄｏｙｎを介
して電圧を印加することにより電子放出が生ずる。そし
て、高圧端子Ｈｖを介してメタルバック１３５あるいは
透明電極（不図示）に高圧を印加して、電子ビームを加
速し、加速された電子は蛍光膜１３４に衝突し、発光が
生じて画像が形成される。

【０１５９】ここで述べた画像形成装置１５１の駆動回
路系の構成は、本発明にかかる電子放出素子１２４の一
適用例であり、本発明の技術思想に基づいて種々の変形
が可能である。入力信号については、ＮＴＳＣ方式を挙
げたが入力信号はこれに限られるものではなく、ＰＡ
Ｌ，ＳＥＣＡＭ方式など、そして走査線数を格段に増し
たＭＵＳＥ方式等の高品位ＴＶ方式をも採用できる。ま
た、本発明にかかる画像形成装置１５１は、テレビジョ
ン放送の表示装置，テレビ会議システム，コンピュータ
ー等の表示装置，感光性ドラム等を用いて構成される光
プリンターなどとしても用いることができる。

【０１６０】即ち、本発明にかかる各電子放出素子１２
４については、前述したように電子放出を安定して高効
率に得ることができるものであることから、それを電子
源基体１２１に用いた本実施形態の画像形成装置１５１
は、高輝度な画像表示を安定に行える。

【０１６１】

【実施例】以下、本発明にかかる電子放出素子及びそれ
を用いた画像形成装置の実施例を説明する。

【０１６２】（実施例１）実施例１は、図１に示す構成
の電子放出素子を製作したものである。

【０１６３】（工程−ａ）ソーダライムガラスからなる
基体１を洗剤，純水及び有機溶剤等を用いて十分に洗浄
し、シリカに燐を添加したアルコラートからなるスピン
コート剤（高純度化学製ＰＳ−０５）に、宇部興産製の
粒径０．１μｍ程度のＭｇＯからなる無機化合物フィラ
ーを２０ｖｏｌ％添加した。次に、基体１に、上記コー
ト材を塗布して、温度２００℃で３０分間焼成し、さら
に温度４８０℃で１時間焼成して酸化物被膜８を厚さ約
１μｍに形成した。

【０１６４】この焼成後には、酸化物としてＳｉＯ₂ に
Ｐ₂ Ｏ₅ が５ｗｔ％含まれる混合酸化膜が形成され、こ
の膜中にＭｇＯフィラー材料が均一に分散した酸化物被
膜８が形成される。

【０１６５】（工程−ｂ）基体１上に、Ｐｔ／Ｔｉをス
パッタリング蒸着法により蒸着させ、Ｔｉは厚さ５ｎｍ
に、Ｐｔは厚さ５０ｎｍに順次堆積した。素子電極２，
３及び素子電極間隔Ｌとなるベきパターンをホトレジス
ト（ＡＺ−１３７０）で形成し、次にＡｒイオンによる
ドライエッチングを行い、素子電極間隔Ｌは１０μｍと
し、電極幅Ｗを３００μｍとした素子電極２，３を形成
した。

【０１６６】（工程−ｃ）その上に、有機Ｐｄ（ｃｃｐ
４２３０奥野製薬（株）社製）をスピンナーにより回転
塗布し、温度３００℃で１２分間の加熱焼成処理を行っ
た。また、こうして形成した導電性薄膜４（主元素をＰ
ｄとした薄膜）の膜厚は１０ｎｍであり、シート抵抗値
は２×１０⁴ ＥΩ／□であった。

【０１６７】（工程−ｄ）焼成後の導電性薄膜４を、レ
ーザーにより直接に描画するパターニングを行って所定
にパターン形成した。

【０１６８】以上の工程により基体１上に、酸化物被膜
８，素子電極２及び３，導電性薄膜４を形成した。

【０１６９】（工程−ｅ）次に、工程−ｄの基体１を測
定評価装置にセットし、真空ポンプにより排気して２．
７×１０^-3Ｐａの真空度に達した後に、素子電圧Ｖｆを
印加するための不図示の電源により、素子電極２，３間
に電圧を印加し、通電フォーミングを行った。通電フォ
ーミング処理の電圧波形は図６に示したものであり、本
実施例ではパルス幅Ｔ₁ を１ｍｓｅｃ、パルス間隔Ｔ₂
を１０ｍｓｅｃとし、矩形波の波高値（フォーミング時
のピーク電圧）は０．１Ｖステップで昇圧させて通電フ
ォーミング処理を行った。また、通電フォーミング処理
中は、同時に、パルス間隔Ｔ２の期間に抵抗測定パルス
を０．１Ｖの電圧で挿入して、抵抗値を測定した。な
お、通電フォーミング処理は、測定された抵抗値が、約
１ＭΩ以上になったときに終了とし、このとき素子への
電圧の印加を終了した。

【０１７０】この後、素子を１．３×１０^-7Ｐａの超高
真空環境に保持した。

【０１７１】（工程−ｆ）続いて、トルニトリルをアン
プルに封じたものをスローリークバルブを通して真空内
に導入し、１．３×１０^-4Ｐａを維持した。次に、フォ
ーミング処理した素子に、図７に示した波形で波高値を
１４Ｖとして活性化処理を行った。つまり、図８に示す
測定評価装置内で素子電極２，３間にパルス電圧を印加
した。従来の素子では最大素子電流は約３０分後に達成
されたが、本発明による素子は約１５分で最大になっ
た。そしてこの後、約２０分ほど活性化を続けた後に通
電を停止し、スローリークバルブを閉めて活性化処埋を
終了した。

【０１７２】（工程−ｇ）次に、電子放出部５を形成し
た電子放出素子について、電子放出特性（図１０）を評
価した。なお、アノード電極５４と電子放出素子１２４
間の距離を４ｍｍ、アノード電極５４のアノード電圧Ｖ
ａを１０００Ｖ、電子放出特性測定時の真空装置内の真
空度を１．３×１０^-8Ｐａとし、素子電極２，３間に素
子電圧を１５Ｖ印加した。

【０１７３】本実施例の酸化物被膜８を形成した素子
は、図１０に示すように、比較例として製作した酸化物
被膜８を形成しない素子に比べて、素子電流Ｉｆ，電子
放出電流Ｉｅの初期値が何れも明らかに大きく、高出力
な電子放出特性を示し、電子放出電流Ｉｅが半減する駆
動時間においても、本実施例の素子の方が劣化速度が小
さい。

【０１７４】さらに、基体１としてソーダライムガラ
ス，プラズマディスプレイ用高歪点ガラスを用い、導電
性薄膜４の材料として上記ＰｄＯの他に、Ｐｄ，Ｎｉ，
Ｐｔ，Ａｕのスパッタ膜を用い、またスピンコート材と
しては上記燐とシリカの混合膜材料だけでなく、燐とホ
ウ素を含むシリカ膜を形成する材料を用いても、同様の
効果が得られた。

【０１７５】以上のように本実施例では、高出力な電子
放出特性が長時間に渡って安定して得られたことを確認
した。 （実施例２）実施例２は、図１に示す構成の電子放出素
子を製作したものであることは実施例１と同様である
が、以下に説明する部分を変更した。

【０１７６】（工程−ａ）最初に、ディップコーティン
グ溶液を調製した。この溶液には、ＳＹＭＥＴＲＩＸ社
製の酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ₂ ）塗布材料と酸化シリ
コン塗布材料を混合して、焼成後の酸化ゲルマニウムの
成分比が４ｍｏｌ％以下となるように組成を適当に調整
した塗布材料中に、無機化合物フィラー材として住友化
学社製の粒径１．０μｍ程度のＡｌ₂ Ｏ₃ を３０ｖｏｌ
％加えた。

【０１７７】そして、プラズマディスプレイ用ガラス
（旭硝子製ＰＤ２００）からなる基体１を清浄化し、こ
の基体１に上記溶液を用いて引き上げ速度２０ｍｍ／ｍ
・でディップコーティングを行った。この基体１を温度
１２０℃で３０分乾燥させて、次に温度４２０℃で３０
分間焼成し、そして温度５００℃で６０分間本焼成を行
って厚さ約２μｍの酸化物被膜層８を形成した。

【０１７８】工程−ｂから工程−ｇまでは、前述した実
施例１と同様の工程を行なった。

【０１７９】さらにまた、混合酸化物６として、上記Ｇ
ｅＯ₂ の他に、やはりＳＹＭＥＴＲＩＸ社製の塗布材料
から、Ａｓ₂ Ｏ₃ ，ＣｄＯ，ＳｅＯ₂ ，ＴｅＯ₂ ，ＷＯ
₃ ，ＺｎＯの酸化物を用いた種々の組み合わせによって
も、同様の効果が得られた。

【０１８０】以上のように本実施例においても、実施例
１と同様に、高出力な電子放出特性が長時間に渡って安
定して得られたことを確認した。

【０１８１】（実施例３）実施例３は、図１６に示す構
成の電子放出素子を製作したものであり、これは図１に
示す構成とした実施例１と同様であるが、酸化物被膜８
の形成パターン及び以下に説明する部分を変更した。

【０１８２】（工程−ａ）最初に、スクリーン印刷用絶
縁性ペーストを調製した。このペーストには、ＰｂＯを
主成分（成分比は約５０ｍｏｌ％）として残りはＳｉＯ
_x ，Ｂｉ₂ Ｏ₃ ，ＺｎＯ，セルロースとするスクリーン
印刷用絶縁性ペーストに、無機化合物フィラー材として
イビデン社製の粒径０．２μｍ程度のＳｉＣを５０ｖｏ
ｌ％加えた。そして、清浄化したソーダライムガラス基
体上に、上記ペーストをスクリーン印刷法にて素子が形
成される領域よりも広い領域に印刷を行った。この基板
を、温度４８０℃で焼成し、セルロース等のバインダを
飛ばした。この酸化物被膜８の厚さは約２０μであっ
た。

【０１８３】次に、研磨による基板平滑処理を行い、洗
浄した後に乾燥させた。

【０１８４】工程−ｂから工程−ｇまでは、実施例１と
同様の工程を行なった。

【０１８５】本実施例においても、実施例１と同様に、
高出力な電子放出特性が長時間に渡って安定して得られ
たことを確認した。

【０１８６】（実施例４）実施例４は、図１２に示す電
子源を製作し、これを用いて図１３に示す構成の画像形
成装置を製作したものである。さらに、図１５に示す構
成に駆動回路を接続して画像表示を行った。

【０１８７】最初に、ソーダライムガラスからなる基体
１を、洗剤，純水及び有機溶剤等を用いて十分に洗浄し
た。

【０１８８】コート材には、シリカに燐を添加したアル
コラートからなるスピンコート剤（高純度化学製ＰＳ−
０５）に、住友化学社製の粒径０．１μｍ程度のＡｌ２
Ｏ３からなる無機化合物フィラーを３０ｖｏｌ％添加し
た。

【０１８９】洗浄後の基体１に上記コート材を塗布し、
この後、温度２００℃で３０分間焼成し、そして温度４
８０℃で１時間焼成することで酸化物被膜８を厚さ約２
μｍに堆積した。次に、スパッタ法によりＰｔを厚さ約
５００オングストロームに蒸着し、ＡＺ１３７０レジス
トを用いて電極パターンを形成した後に、Ａｒのドライ
エッチングにより素子電極を形成した。

【０１９０】表面伝導型電子放出素子１２４を構成する
一対の素子電極（不図示）は、後述するｍ本のＸ方向配
線１２２とｎ本のＹ方向配線１２３と導電性金属等から
なる結線１２５によって電気的に接続させる。

【０１９１】ｍ本のＸ方向配線１２２は、スクリーン印
刷法を用いて銀を主成分とした金属ベースト材料を印刷
し、そして温度４８０℃で１０分間焼成して、Ｄｘ１〜
ＤｘｍのＸ方向配線１２２に形成した。ｎ本のＹ方向配
線１２３も同様にして、Ｄｙ１〜ＤｙｎのＹ方向配線１
２３に形成した。これらｍ本のＸ方向配線１２２とｎ本
のＹ方向配線１２３との間には、不図示の層間絶縁層を
設けて両者を電気的に分離した。つまり、不図示の層間
絶縁層は、スクリーン印刷法を用いて酸化鉛を含むガラ
ス材料で形成し、温度約４８０℃で２０分間焼成を行っ
た。

【０１９２】次に、図１３に示す外囲器１３７を形成し
た。これには、リアプレート１３１，支持枠１３２，フ
ェースプレート１３６をフリットガラス等により固着さ
せるものであり、窒素雰囲気において温度４００〜５０
０℃で１０分以上焼成し、封着した。

【０１９３】そして、図１５に示した駆動回路を用いて
ＮＴＳＣ方式のテレビ信号に応じて表示を行なった。

【０１９４】本実施例においても、高輝度な画像表示を
安定に行えたことを確認した。

【０１９５】

【発明の効果】以上説明したように本発明の電子放出素
子及びそれを用いた画像形成装置は、次に示すような優
れた効果を奏する。

【０１９６】請求項１の電子放出素子は、酸化物膜層
が、前述した適切な炭素還元条件の下に導電性薄膜と接
触して設けられる。電子放出部を形成する通電処理で
は、炭素及び炭素化合物等からなる導電性薄膜が酸化物
を還元させるため、これと接触している酸化物膜層で還
元反応が起き、当該酸化物膜層側にも電子放出部の形成
が進行する。その結果、電子放出部（亀裂等）を良好に
形成することができる。

【０１９７】そしてここに、電子放出電流Ｉｅの増加を
図れるものであり、その一方、素子電流Ｉｆの低減をも
図れる。従って、電子放出を安定して高効率に得ること
ができ、その結果、電子源，画像形成装置等へ好ましく
適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態を示し、（ａ）は平面型
で表面伝導型の電子放出素子の平面図、（ｂ）はその断
面図である。

【図２】酸化物材料の自由エネルギーを説明するグラフ
図である。

【図３】図１の電子放出部の形成過程を順に説明する断
面図である。

【図４】図１に示す電子放出素子の素子電流Ｉｆを説明
するグラフ図である。

【図５】図１に示す電子放出素子の製造工程を順に説明
する断面図である。

【図６】通電フォーミングの電圧波形を示すタイミング
図である。

【図７】活性化工程におけるパルス電圧をを示すタイミ
ング図である。

【図８】電子放出特性の測定を行う測定評価装置の構成
図である。

【図９】電子放出素子の電圧電流特性を示し、素子電圧
Ｖｆと電子放出電流Ｉｅ及び素子電流Ｉｆの関係を説明
するグラフ図である。

【図１０】電子放出素子の経時変化特性を示し、駆動時
間による電子放出電流Ｉｆの変化を説明するグラフ図で
ある。

【図１１】本発明の第２実施形態を示し、垂直型で表面
伝導型の電子放出素子の断面図である。

【図１２】本発明の第３実施形態を示し、第１実施形態
の電子放出素子を用いた電子源の平面図である。

【図１３】本発明の第４実施形態を示し、第３実施形態
の電子源を用いた画像形成装置の斜視図である。

【図１４】図１３の蛍光膜の要部を示し、（ａ）はスト
ライプ構成の平面図、（ｂ）はマトリックス構成の平面
図である。

【図１５】図１３の画像形成装置へ駆動回路を接続した
構成を示すブロック図である。

【図１６】本発明の実施例３を示し、（ａ）は平面型で
表面伝導型の電子放出素子の平面図、（ｂ）はその断面
図である。

【図１７】従来の表面伝導型電子放出素子の平面図であ
る。

【符号の説明】

１ 基体 ２，３ 素子電極 ４ 導電性薄膜 ５ 電子放出部あるいは電子放出部形成材料 ６ 混合酸化物 ７ 無機化合物フィラー ８ 酸化物被膜（酸化物膜層） ２１ 段差形成部 ５０，５２ 電流計 ５１ 電源 ５３ 高圧電源 ５４ アノード電極 ５５ 真空容器 ５６ 排気ポンプ １２１ 電子源基体 １２２ Ｘ方向配線 １２３ Ｙ方向配線 １２４ 電子放出素子 １２５ 結線 １３１ リアプレート １３２ 支持枠 １３３ ガラス基体 １３４ 蛍光膜 １３５ メタルバック １３６ フェースプレート １３８ 外囲器 １４１ 黒色導電材 １４２ 蛍光体 １５１ 画像表示装置 １５２ 走査回路 １５３ 制御回路 １５４ シフトレジスタ １５５ ラインメモリ １５６ 同期信号分離回路 １５７ 変調信号発生器

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炭素及び炭素化合物等からなり二つの素
   子電極間に渡される導電性薄膜に電子放出部を有する電
   子放出素子において、前記導電性薄膜に接触し、少なく
   とも酸化物材料とシリカ（ＳｉＯ₂ ）と無機化合物フィ
   ラーとを混合状態に有する酸化物膜層を備えるが、当該
   酸化物膜層は２０００Ｋ以下の１モルあたりの炭素還元
   による標準自由エネルギー値が、前記温度範囲でのシリ
   カ１モルあたりの炭素還元による標準自由エネルギー値
   よりも小さく、かつ前記酸化物材料及びその低級酸化物
   の１３３Ｐａでの温度が１６００Ｋ以下であり、かつ前
   記無機化合物フィラーの熱伝導率が２７３〜１５００Ｋ
   の範囲でシリカより高いことを特徴とする電子放出素
   子。
2. 【請求項２】 前記酸化物材料として、Ａｓ₂ Ｏ₃ ，Ｃ
   ｄＯ，ＧｅＯ，ＭｏＯ₃ ，ＰｂＯ，Ｐ₂ Ｏ₅ ，ＳｅＯ
   ₂ ，ＴｅＯ₂ ，ＷＯ₃ ，ＺｎＯを少なくとも１種類以上
   混入させたことを特徴とする請求項１に記載の電子放出
   素子。
3. 【請求項３】 前記酸化物膜層の厚さを、３００ｎｍ以
   上としたことを特徴とする請求項１または２に記載の電
   子放出素子。
4. 【請求項４】 前記酸化物材料の組成比を、シリカ中に
   ５０ｍｏｌ％以下としたことを特徴とする請求項１〜３
   のいずれかに記載の電子放出素子。
5. 【請求項５】 前記無機化合物フィラーとして、Ｃ（ダ
   イヤモンド），ＷＣ，Ｗ₂ Ｃ，ＴｉＣ，ＶＣ，ＳｉＣ，
   ＮｂＣ，ＢｅＯ，ＭｇＯ，ＴｈＯ₂ ，ＴａＢ₂ ，ＴｉＢ
   ₂ ，ＨｆＢ₂ ，ＢＮ，ＴａＮ，ＨｆＮ，ＴｉＮ，Ｚｒ
   Ｎ，Ｓｉ₃ Ｎ₄を少なくとも１種類以上混入させたこと
   を特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電子放出
   素子。
6. 【請求項６】 請求項１〜５のいずれかに記載の電子放
   出素子を、基体上に多数配列して備えたことを特徴とす
   る電子源。
7. 【請求項７】 平行に離間させた第一基板と第二基板の
   隙間に枠部材を設けて封止した真空容器内に、請求項６
   に記載の電子源を、画像形成部材と対向させて備えたこ
   とを特徴とする画像形成装置。