JP2002150923A

JP2002150923A - 電子放出素子、電子源および画像形成装置、並びに電子放出素子の製造方法

Info

Publication number: JP2002150923A
Application number: JP2001254637A
Authority: JP
Inventors: Takeo Tsukamoto; 健夫塚本
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2000-09-01
Filing date: 2001-08-24
Publication date: 2002-05-24
Anticipated expiration: 2021-08-24
Also published as: US7591701B2; US20020057045A1; US7034444B2; JP3658346B2; US7276842B2; US20060082277A1; US20070287349A1

Abstract

(57)【要約】【課題】素子容量および駆動電圧の低減と電子放出効
率の向上を図るとともに、高精細なビームを得ることが
できる電子放出素子および電子源および画像形成装置お
よび電子放出素子の製造方法を提供する。【解決手段】絶縁性の基板１上に引き出し電極２と陰
極電極３を設け、陰極電極３上に繊維状カーボンの成長
選択性を有する層５を形成し、層５上に形成した触媒粒
子を介して繊維状カーボンを成長させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子を放出するた
めの電子放出素子、および電子放出素子を具備する電子
源、および電子源を用いて応用した画像形成装置に関
し、テレビジョン放送の表示装置、テレビ会議システム
やコンピューター等の表示装置の他、感光性ドラム等を
用いて構成された光プリンターとしての画像形成装置に
関する。さらには、電子放出素子の製造方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】近年、電子放出素子を利用した画像形成
装置の開発が進んでいる。

【０００３】金属に対し１０⁶Ｖ／ｃｍ以上の強電界を
かけて金属表面から電子を放出させる電界放出型（ＦＥ
型）電子放出素子が冷電子源の一つとして注目されてい
る。

【０００４】ＦＥ型の冷電子源が実用化されれば、薄型
の自発光画像表示装置が可能となり、消費電力の低減、
軽量化にも貢献する。

【０００５】縦型ＦＥの例としては図１３に示すように
エミッター１３５が基板１３１から略鉛直方向に円錐あ
るいは四角錐の形状を呈すもの、例えばＣ．Ａ．Ｓｐｉ
ｎｄｔ，”ＰｈｙｓｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓ
ｏｆｔｈｉｎ−ｆｉｌｍｆｉｅｌｄｅｍｉｓｓｉｏ
ｎｃａｔｈｏｄｅｓｗｉｔｈｍｏｌｙｂｄｅｎｉ
ｕｍｃｏｎｅｓ”，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，４
７，５２４８（１９７６）等に開示されたもの（以下ス
ピント型）が知られている。

【０００６】一方、横形ＦＥの構造を図１４に示す。な
お、図中、１４１は基板、１４２はエミッター電極、１
４３は絶縁層、１４４はゲート電極、１４５はエミッ
タ、１４６はアノード、１４７はアノードに照射される
電子ビームの形状をあらわしている。先端が先鋭化され
たエミッター１４５と、エミッタ−先端から電子を引き
出すゲート電極１４４とが基板上に平行に配置され、ゲ
ート電極１４４とエミッタ−電極１４２とが配置された
基板１４１の上方にコレクタ（アノード電極）１４６が
構成される（ＵＳＰ４７２８８５１，ＵＳＰ４９０４８
９５など参照）。

【０００７】また、繊維状カーボンを用いた電子放出素
子の例としては、特開平８−１１５６５２号公報に示さ
れるように、有機化合物ガスを用いて微細な触媒金属上
で熱分解を行い、繊維状カーボンを、微細な間隙に堆積
させた構成が開示されている。

【０００８】カーボンナノチューブに対する導電層とし
ては、特開平１１−１９４１３４号公報およびヨーロッ
パ特許ＥＰ０９１３５０８Ａ２号公報にチタン（Ｔ
ｉ），ジルコニウム（Ｚｒ），ニオブ（Ｎｂ），タンタ
ル（Ｔａ），モリブデン（Ｍｏ）の金属層が示されてい
る。また特開平１１−１３９８１５号公報では導伝性基
体としてＳｉが示されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来のＦＥ型電子源を
用いた画像形成装置では、電子源から蛍光体までの距離
Ｈとアノード電圧Ｖａと素子の駆動電圧Ｖｆに応じた電
子ビームスポット（以下ビーム径と呼ぶ）が得られる。
このビーム径はサブミリメートル程度であり、画像形成
装置としては十分な解像度を持っているとされていた。

【００１０】しかしながら、画像表示装置においては、
近年、より高精細な解像度が要求さされるようになって
きた。

【００１１】さらに、表示画素数の増大に伴い、駆動時
には、電子放出素子の持つ素子容量に起因する消費電力
が増大するため、素子容量の低減、駆動電圧の低減と電
子放出素子の効率向上が望まれている。

【００１２】上記のような従来技術の場合には、下記の
ような問題が生じていた。

【００１３】前述のスピント型はゲートが基板と積層さ
れて構成されることで、大きなゲート容量と多数のエミ
ッターとの間に寄生容量が形成されていた。さらに駆動
電圧が数十ボルトと高く、その構成上、容量性の消費電
力が大きい欠点があった。また、陽極（アノード）での
ビーム形状は広がってしまうという問題があった。

【００１４】前述の横型ＦＥでは、素子の持つ容量を低
減できる利点はあるものの、エミッターとゲートとの距
離が遠いために駆動に数百ボルトを必要とするため、駆
動装置が大きくなる欠点があった。また、陽極（アノー
ド）でのビーム形状は広がってしまうという問題があっ
た。

【００１５】上記スピント型および横型のＦＥ型電子放
出素子に対してビーム収束手段を設けることも考えられ
るが、作製方法の複雑さや、素子面積の増加、電子放出
効率の低下等の問題がある。

【００１６】本発明は上記の課題を解決するためになさ
れたもので、その目的とするところは、素子容量および
駆動電圧の低減と電子放出効率の向上を図るとともに、
高精細なビームを得ることができる電子放出素子および
電子源および画像形成装置および電子放出素子の製造方
法を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
になされた本発明の電子放出素子は、炭素を主成分とす
るファイバーと、Ｔｉ，Ｚｒ，ＮｂもしくはＡｌの中か
ら選択された材料の酸化物からなる層、またはＴｉ，Ｚ
ｒもしくはＮｂの中から選択された材料の酸化物半導体
からなる層とを有し、前記炭素を主成分とするファイバ
ーが、前記層上に配置されており、そして前記炭素を主
成分とするファイバーが、その一部にＰｄを有すること
を特徴とするものである。

【００１８】また、上記目的を達成するためになされた
本発明の電子放出素子は、基体表面に間隔を置いて配置
された第１および第２の電極と、該第１の電極と電気的
に接続した炭素を主成分とする複数のファイバーと、前
記第１の電極よりも高い電位を前記第２の電極に印加す
る手段とを有しており、前記炭素を主成分とする複数の
ファイバーの先端の前記基体表面からの高さが、前記第
２の電極表面の前記基体表面からの高さよりも高い位置
に配置されおり、そして、前記第１の電極と前記炭素を
主成分とする複数のファイバーとの間に、Ｔｉ，Ｚｒ，
ＮｂもしくはＡｌの中から選択された材料の酸化物から
なる層、またはＴｉ，Ｚｒ，Ｎｂの中から選択された材
料の酸化物半導体からなる層が配置されていることを特
徴とするものである。

【００１９】また、上記目的を達成するためになされた
本発明の電子放出素子は、炭素を主成分とするファイバ
ーと、Ｔｉ，Ｚｒ，ＮｂもしくはＡｌの中から選択され
た材料の酸化物からなる層、またはＴｉ，Ｚｒもしくは
Ｎｂの中から選択された材料の酸化物半導体からなる層
とを有しており、前記炭素を主成分とするファイバー
は、前記層上に配置されており、そして前記炭素を主成
分とするファイバーは、積層された複数のグラフェンを
有することを特徴とするものである。

【００２０】また、上記目的を達成するためになされた
本発明の炭素を主成分とするファイバーを有する電子放
出素子の製造方法は、基板上にＴｉ，Ｚｒ，Ｎｂもしく
はＡｌの中から選択された材料の酸化物からなる層、ま
たはＴｉ，ＺｒもしくはＮｂの中から選択された材料の
酸化物半導体からなる層を配置する工程と、前記層上に
カーボンの成長を促進する触媒粒子を配置する工程と、
前記触媒粒子が配置された前記基板を、炭素化合物を含
む雰囲気中で加熱する工程とを有することを特徴とす
る。

【００２１】また、本発明は、上記電子放出素子を用い
た電子源ならびに画像形成装置にその特徴を有するもの
である。また、本発明は、上記電子放出素子の製造方法
を用いた電子源ならびに画像形成装置の製造方法にその
特徴を有するものである。

【００２２】本発明によれば、炭素を主成分とするファ
イバーを、成長選択性を有する材料を含む層上に設けた
ことにより、炭素を主成分とするファイバーに安定した
電気的接合を取ることが可能となると共に、簡易なプロ
セスで特性の優れた電子放出素子を形成することができ
る。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照して、この発明
の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただ
し、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、
材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載が
ない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣
旨のものではない。

【００２４】本発明者は、触媒を用いて微小（数ｎｍオ
ーダー）な核（触媒粒子）を形成し、熱分解により上記
核から成長した繊維状カーボンと、安定な電気的接合を
形成する材料について、検討した。

【００２５】その結果、繊維状カーボンが触媒を介して
成長し、かつ電気的な結合が得られる材料としては、Ｔ
ｉ，Ｚｒ，ＮｂもしくはＡｌであって、その一部分（繊
維状カーボンあるいは触媒と接する界面）が酸化したも
の、またはＴｉ，ＺｒもしくはＮｂの酸化物半導体が好
適であることを見出した。

【００２６】そして、また、詳細な検討の結果、Ｔｉ，
Ｚｒ，ＮｂもしくはＡｌの中から選ばれた材料の酸化物
上に触媒粒子（特にはＰｄ）を配置した部材を用いるこ
とで、再現性よく、触媒粒子を配置した位置に繊維状カ
ーボンを生成することができることを見出した。

【００２７】また同時に、繊維状カーボンが成長しな
い、もしくは成長が遅い材料はＴａ，Ｃｒ，Ａｕ，Ａ
ｇ，Ｐｔおよび触媒材料と同一種類の材料であることを
見い出した。

【００２８】これらの材料に対する繊維状カーボンの成
長は、積層構成においても成り立つ。例えば、基板上に
Ｃｒを全面に形成し、さらにＣｒの上に酸化チタンの微
小領域を形成し、基板全面に酸化パラジウムを被覆した
基板を用いると、繊維状カーボンが酸化チタンの上だけ
に選択成長した。

【００２９】そこで、上述した、再現性よく、所望の位
置に繊維状カーボンを形成する技術を用いた、本発明の
繊維状カーボンを用いた電子放出素子、電子源および画
像形成装置について以下に、従来例と比較しながら述べ
る。

【００３０】一般に、ＦＥ素子の動作電圧Ｖｆは、ポア
ソン方程式によって導かれるエミッター先端部の電界
と、その電界とエミッター部の仕事関数をパラメーター
としてＦｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍの式と呼ばれる
関係式に従って求められる電子放出電流の電流密度によ
って決定される。

【００３１】また、電子放出に必要な電界は、エミッタ
ー先端とゲート電極間の距離ｄが小さいほど、またエミ
ッター先端の半径ｒが小さいほど得られる電界が大きく
なる。

【００３２】一方、陽極上で得られる電子ビームにおけ
るＸ方向の最大の大きさＸｄ（例えば図１３における円
形ビーム形状１３７の中心からの最大到達距離）は、単
純な計算では、√（Ｖｆ／Ｖａ）に比例する形で表され
る。

【００３３】この関係から明らかなようにＶｆの増大は
ビーム径の増大を招く。

【００３４】また、この考察から、Ｖｆを下げるために
は極力距離ｄ及び曲率ｒを小さくしなければならない。

【００３５】従来構成のビーム形状について図１３，１
４を用いて説明する。なお、図中、共通の番号として１
３１，１４１は基板、１３２，１４２はエミッター電
極、１３３，１４３は絶縁層、１３５，１４５はエミッ
タ、１３６，１４６はアノード、１３７，１４７はアノ
ードに照射される電子ビームの形状をあらわしている。

【００３６】前述したスピント型の場合は図１３に示す
ように、エミッター１３５とゲート１３４間にＶｆを印
加すると、エミッター１３５の突起先端の電界が高ま
り、電子がコーン状のエミッター先端近傍から真空中に
取り出される。

【００３７】エミッター１３５先端の電界は、エミッタ
ー１３５先端の形状に沿うように、ある有限の面積を持
って形成されるため、取り出される電子はエミッター１
３５先端の有限の面積から電位に対して、鉛直方向に引
き出される。

【００３８】この時、様々な角度を持つ電子が放出され
るが、大きな角度成分を持つ電子はゲートの方向に引き
出されることになる。円形のゲート１３４が形成されて
いる場合には、アノード１３６上に得られる電子分布
は、図に示すようにほぼ円形のビーム形状１３７とな
る。

【００３９】つまり、得られるビームの形状は引き出す
ゲートの形状及びエミッターとの距離に密接に関係して
いる。

【００４０】電子の引き出し方向をそろえた横型ＦＥ
（図１４）の場合には、エミッタ１４５とゲート１４４
との間に、基板１４１表面に実質的に平行な非常に強い
電界（横方向電界）が生じ、その結果、エミッター１４
５から放出された電子はゲート１４４上において、一部
の電子１４９は真空中に取り出され残りの電子はゲート
電極１４４に取り込まれる。

【００４１】この図１４に示す構成の場合には、アノー
ド（アノード電極）１４６に向かう電界ベクトルの方向
に対して、電子放出を行なう電界ベクトル（エミッター
１４５からゲート１４４に向かう電界）が異なる方位を
持つ。そのため、放出された電子がアノード１４６上で
形成する電子分布（ビームスポット）が大きくなる。

【００４２】ここで、さらに電子がエミッタ電極１４５
から引き出される電界（ここでは便宜的に、「横方向電
界」と呼び、エミッター形状による電界の増強効果は無
視する）とアノードに向かう電界（ここでは「縦方向電
界」と呼ぶ）について考える。

【００４３】尚、上記「横方向電界」は、図１３および
図１４の構成において、「基板１３１（１４１）の表面
と実質的に平行な方向における電界」と言う事も出来
る。また、特に図１４の構成においては「ゲート１４４
とエミッタ１４５とが対向する方向における電界」とも
言う事が出来る。

【００４４】また、上記「縦方向電界」とは、図１３お
よび図１４の構成において、「基板１３１（１４１）の
表面と実質的に垂直な方向における電界」、あるいは
「基板１３１（１４１）とアノード１３６（１４６）と
が対向する方向における電界」と言う事も出来る。

【００４５】前述したように、エミッター１４５から放
出された電子は最初、横方向電界によって引き出され、
ゲート１４４方向に向かった後に、縦方向電界によって
引き上げられアノード１４６に到達する。

【００４６】このとき横方向電界と縦方向電界の強度比
および電子放出点の相対位置が重要となる。

【００４７】横方向電界が、縦方向電界と比較して桁が
異なる程度に強い場合には、エミッタから取り出された
電子のほとんどは、横方向電界によって形成される放射
状電位によって次第に軌道を曲げられ、ゲートに向かう
軌道をとる。ゲートに衝突した電子の一部は、散乱によ
って再び放出されるが、放出後、縦方向電界に捉えられ
るまでは、何度も楕円に似た軌道を描いてゲート上を広
がりながら、同時に放出される電子の数を減じながら散
乱を繰り返す。そして、散乱した電子が、ゲート電位の
作る等電位線を越えると（これを「淀み点」と呼ぶこと
がある）、ここで初めて縦方向電界によって引き上げら
れるようになる。

【００４８】横方向電界と縦方向電界が同程度の場合に
は、取り出された電子は、やはり放射状電位によって軌
道が曲げられるものの、電界による束縛がゆるくなり、
ゲート１４４に衝突することなしに縦方向電界に捉えら
れる電子軌道が出現する。

【００４９】この横方向電界と縦方向電界が同程度の
時、エミッター１４５からの電子の放出点位置を、ゲー
ト１４４の属する平面からアノード１４６の属する平面
側に次第に持ち上げる（図６参照）と、放出された電子
は全くゲート１４４に衝突せずに、縦方向電界に捉えら
れる軌道を描くことが可能であることが分かった。

【００５０】また、この電界比の検討を行った結果、ゲ
ート電極１４４とエミッタ電極１４５の先端との間隔を
ｄ、素子を駆動したときの電位差（ゲート電極とエミッ
タ電極との電位差）をＶ１、陽極（アノード）と基板
（素子）との距離をＨ、陽極（アノード）と陰極（エミ
ッタ電極）との電位差をＶ２とした時、横方向電界が
縦方向電界の５０倍以上大きくなると、取り出された電
子がゲートに衝突する軌道が描かれることを見出した。

【００５１】また、本発明者は、ゲート電極２上での散
乱を実質的に生じない高さｓ（ゲート電極２表面の一部
を含み、基板１表面と実質的に平行な平面と、電子放出
部材４の表面を含み、基板１表面と実質的に平行な平面
との距離で定義される（図６参照））が存在することを
見出した。上記高さｓは、縦方向電界と横方向電界との
比（縦方向電界強度／横方向電界強度）に依存し、縦−
横方向電界比が低いほど、その高さが低く、横方向電界
が大きいほど高さが必要である。

【００５２】実用的な製造上の範囲としては、その高さ
ｓは１０ｎｍ以上１０μｍ以下である。

【００５３】図１４に示した従来の構成では、ゲート１
４４とエミッター（１４２，１４５）とが同一平面上
に、同じ高さで構成されているだけでなく、横方向電界
が縦方向電界と比較して一桁以上強いため、ゲートに衝
突することに起因して、真空中に取り出される電子の量
が減少する傾向が強かった。

【００５４】さらに、従来の構成では横方向の電界強度
を強めることを目的として、ゲート電極の厚さや幅、お
よび、ゲート，エミッター，アノードの相対位置が決め
られていたため、アノードに得られる電子分布は広がっ
ていた。

【００５５】前述したように、アノード１４６に到達す
る電子の分布を小さくするには、１）駆動電圧（Ｖｆ）
を下げる、２）電子の引き出し方向を揃える、３）電子
の軌道、さらに、ゲートでの散乱がある場合には４）電
子の散乱機構（特に弾性散乱）を考慮しなければならな
い。

【００５６】そこで、本発明の繊維状カーボンを用いた
電子放出素子においては、アノード電極上に照射される
電子分布の微細化と、電子放出効率の向上（ゲート電極
に吸収される放出電子の低減）との両立を実現するもの
である。

【００５７】本発明の電子放出素子の構成について、以
下に詳述する。

【００５８】図１（ａ）は本発明の電子放出素子の一例
を示す平面模式図である。図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ
−Ａ間断面図である。図６は本発明の電子放出素子の上
方にアノード電極を配置した本発明の電子放出装置を駆
動している時の様子を示す模式断面図である。

【００５９】図１、図６において１は絶縁性の基板、２
は引き出し電極（「ゲート電極」または「第２電極」と
も言う）、３は陰極電極（「カソード電極」または「第
１電極」とも言う）、４は陰極電極３上に配置された電
子放出材料（「電子放出部材」あるいは「エミッタ−材
料」とも言う）、５は繊維状カーボンを選択成長させる
ための層であり、前述した、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂもしくは
Ａｌの中から選ばれた材料の酸化物である。電子放出材
料４を構成する繊維状カーボンと電極３とは電気的に接
続される。

【００６０】尚、繊維状カーボンを選択成長させるため
の層５を厚く形成しようとすると、層５は酸化物である
ので、繊維状カーボンと電極３との電気的接続性が低下
する場合がある。そのため、繊維状カーボンと電極３と
の電気的接続を十分確保する場合には、少なくとも、繊
維状カーボンを形成するため層５の表面を、Ｔｉ，Ｚ
ｒ，ＮｂもしくはＡｌの中から選ばれた材料の酸化物と
し、残る部分を金属のままとすればよい。

【００６１】本発明の電子放出装置においては、図１，
図６に示したように、電子放出部材４の表面を含み、基
板１表面と実質的に平行な平面が、ゲート電極２表面の
一部を含み、基板１表面と実質的に平行な平面よりも、
基板表面よりも離れた位置に配置される。換言すると、
本発明の電子放出装置においては、電子放出部材４の表
面の一部を含み、基板１表面に実質的に平行な平面が、
引き出し電極２の表面の一部を含み、前記基板表面に実
質的に平行な平面と、アノード電極６１との間に配置さ
れる。この様な構成とすることで、ゲート電極に吸い込
まれる電子の低減と、アノード電極上に照射される電子
ビームのスポット径の低減とを実現することができる。

【００６２】また、さらには、本発明の電子放出素子に
おいては、ゲート電極２上での散乱を実質的に生じない
高さｓ（ゲート電極２表面の一部を含み、基板１表面と
実質的に平行な平面と、電子放出部材４の表面を含み、
基板１表面と実質的に平行な平面との距離で定義され
る）に電子放出部材４が配置される。

【００６３】上記高さｓは、縦方向電界と横方向電界の
比（縦方向電界強度／横方向電界強度）に依存し、縦方
向電界と横方向電界比が低いほど、その高さが低く、横
方向電界が大きいほど高さが必要であるが、実用的な範
囲として、高さｓは１０ｎｍ以上１０μｍ以下である。

【００６４】そして、また、本発明の電子放出装置にお
いては、図６に示した構成において、陰極電極３とゲー
ト電極２との間隙の距離をｄ、電子放出素子を駆動した
ときの電位差（陰極電極３とゲート電極２間の電圧）を
Ｖｆ、アノード電極６１と素子が配置された基板１表面
との距離をＨ、アノード電極６１と陰極電極３との電位
差をＶａとした時、駆動時の電界（横方向電界）：Ｅ１
＝Ｖｆ／ｄは、アノード−カソード間の電界（縦方向電
界）：Ｅ２＝Ｖａ／Ｈの１倍以上５０倍以下に設定され
る。

【００６５】このようにすることにより、陰極電極３側
から放出された電子がゲート電極２に衝突する割合をほ
ぼ無くすことができる。その結果、放出された電子ビー
ムの広がりが極めて少なく、高効率な、電子放出素子お
よび電子放出装置が得られる。

【００６６】尚、本発明で言う「横方向電界」は、「基
板１の表面と実質的に平行な方向における電界」と言う
事が出来る。あるいは、また、「ゲート電極２とカソー
ド電極３とが対向する方向における電界」とも言う事が
出来る。また、本発明で言う「縦方向電界」とは、「基
板１の表面と実質的に垂直な方向における電界」、ある
いは「基板１とアノード電極６１とが対向する方向にお
ける電界」と言う事も出来る。

【００６７】絶縁性の基板１としては、その表面を十分
に洗浄した、石英ガラス，Ｎａ等の不純物含有量を減少
させてＫなどに一部置換したガラス，青板ガラスもしく
はシリコン基板等にスパッタ法等によりＳｉＯ₂を積層
した積層体、またはアルミナ等のセラミックスの絶縁性
基板が挙げられる。

【００６８】引き出し電極２および陰極電極３は導電性
を有しており、蒸着法，スパッタ法等の一般的真空成膜
技術またはフォトリソグラフィー技術により形成され
る。素子電極の材料は、例えば、炭素，金属，金属の窒
化物，金属の炭化物，金属のホウ化物，半導体，半導体
の金属化合物から適宜選択され、好ましくは炭素，金
属，金属の窒化物または金属の炭化物の耐熱性材料が望
ましい。素子電極の厚さは数十ｎｍから数十μｍの範囲
で設定される。

【００６９】なお、この電極の厚さが薄いために電位降
下などが心配される時、あるいはマトリクス配列でこの
素子を用いる場合は、必要に応じて低抵抗の配線用金属
材料を用いてもよい。ただし、電子放出に関与しない部
分に限られる。

【００７０】また、ここでは、陰極電極３と、繊維状カ
ーボンを選択成長させるための層５とを別部材で形成し
た例を示したが、例えば、Ｔｉ，Ｚｒ，ＮｂもしくはＡ
ｌの中から選ばれた材料の電極で陰極電極３を構成し、
その表面を酸化することで繊維状カーボンを選択成長さ
せるための層５を構成する場合もある。

【００７１】本発明の電子放出素子においては、エミッ
ター（電子放出部材）４として、繊維状カーボンから構
成される。尚、本発明における「繊維状カーボン」と
は、「炭素を主成分とする柱状物質」あるいは、「炭素
を主成分とする線状物質」ということもできる。また、
「繊維状カーボン」とは、「炭素を主成分とするファイ
バー」ということもできる。そして、また、本発明にお
ける「繊維状カーボン」とは、より具体的には、カーボ
ンナノチューブ，グラファイトナノファイバー，アモル
ファスカーボンファイバーを含む。そして、中でも、グ
ラファイトナノファイバーが電子放出部材４として最も
好ましい。

【００７２】引き出し電極２と陰極電極３の間隔および
駆動電圧については、前述したとおり、用いる陰極材料
の電子放出電界（横方向電界）と画像形成に必要な縦方
向電界との電界を比較した時に、電子放出電界が縦方向
電界よりも１倍から５０倍程度の値になるように設計す
ることが好ましい。

【００７３】陽極（アノード電極）上に蛍光体などの発
光体を配置する場合は、必要な縦方向電界は１０^-1Ｖ／
μｍ以上１０Ｖ／μｍ以下の範囲が好ましい。例えば、
陽極（アノード電極）と陰極電極との間隔を２ｍｍと
し、その間隔に１０ｋＶを印加する場合、この時の縦方
向電界は５Ｖ／μｍとなる。この場合、用いるべきエミ
ッター材料（電子放出部材）４の電子放出電界は５Ｖ／
μｍよりも大きな電子放出電界を持つ材料であり、選択
した電子放出電界に相当するように、その間隔と、駆動
電圧を決めればよい。

【００７４】このような数Ｖ／μｍの閾値電界を持つ材
料として、上述の繊維状カーボンが好適となる。

【００７５】図１１，図１２に本発明に好適な繊維状カ
ーボンの形態の一例を示す。各図では一番左側に光学顕
微鏡レベル（〜１０００倍）で見える形態、中央は走査
電子顕微鏡（ＳＥＭ）レベル（〜３万倍）で見える形
態、右側は透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）レベル（〜１００
万倍）で見えるカーボンの形態を模式的に示している。

【００７６】図１１に示すようにグラフェンが円筒形状
（円筒形が多重構造になっているものはマルチウォール
ナノチューブと呼ばれる）の形態をとるものはカーボン
ナノチューブと呼ばれ、特にチューブ先端を開放させた
構造の時に、最もその閾値が下がる。

【００７７】あるいは、比較的低温で生成される繊維状
カーボンを図１２に示す。この形態の繊維状カーボン
は、グラフェンの積層体（このため「グラファイトナノ
ファイバー」と呼ばれることがあるが、温度によりアモ
ルファス構造の割合が増加する）で構成されている。よ
り具体的には、グラファイトナノファイバーは、その長
手方向（ファイバーの軸方向）にグラフェンが積層され
たファイバー状の物質を指す。換言すると、図１２に示
す様に、グラフェンがファイバーの軸に対して非平行に
配置されたファイバー状の物質である。

【００７８】一方のカーボンナノチューブは、その長手
方向（ファイバーの軸方向）を囲むよう（円筒形状）に
グラフェンが配置されているファイバー状の物質であ
る。換言すると、グラフェンがファイバーの軸に対して
実質的に平行に配置されるファイバー状の物質である。

【００７９】尚、グラファイトの１枚面を「グラフェ
ン」あるいが「グラフェンシート」と呼ぶ。より具体的
には、グラファイトは、炭素原子がｓｐ²混成により共
有結合でできた正六角形を敷き詰める様に配置された炭
素平面が、３．３５４Å（０．３３５４ｎｍ）の距離を
保って積層してできたものである。この一枚一枚の炭素
平面を「グラフェン」あるいは「グラフェンシート」と
呼ぶ。

【００８０】いずれの繊維状カーボンも電子放出の閾値
が１〜１０Ｖ／μｍ程度であり、本発明のエミッター
（電子放出部材）４の材料として非常に好適である。

【００８１】特に、グラファイトナノファイバーを用い
た電子放出素子では、図１などに示した本発明の素子構
造に限らず、低電界で電子放出を起こすことができ、大
きな放出電流を得ることができ、簡易に製造ができ、安
定な電子放出特性をもつ電子放出素子を得ることが出来
る。例えば、グラファイトナノファイバーをエミッタと
し、このエミッタからの電子放出を制御する電極を用意
することで電子放出素子とすることができ、さらに、グ
ラファイトナノファイバーから放出された電子の照射に
より発光する発光体を用いればランプなどの発光装置を
形成することができる。また、さらには、上記グラファ
イトナノファイバーを用いた電子放出素子を複数配列す
ると共に、蛍光体などの発光体を有するアノード電極を
用意することでディスプレイなどの画像表示装置をも構
成することができる。グラファイトナノファイバーを用
いた電子放出装置や発光装置や画像表示装置において
は、内部を従来の電子放出素子のように超高真空に保持
しなくても安定な電子放出をすることができ、また、低
電界で高い電子放出量を確保できるため、信頼性の高い
装置を非常に簡易に製造することができる。

【００８２】上記した繊維状カーボンは、触媒（炭素の
堆積を促進する材料）を用いて炭化水素ガスを分解して
形成することができる。カーボンナノチューブとグラフ
ァイトナノファイバーは触媒の種類、及び分解の温度に
よって異なる。

【００８３】前記触媒材料としてはＦｅ，Ｃｏ，Ｐｄ，
Ｎｉもしくはこれらの中から選択された材料の合金が繊
維状カーボン形成用の核として用いることが出来る。

【００８４】特に、Ｐｄにおいては低温（４００℃以上
の温度）でグラファイトナノファイバーを生成すること
が可能である。一方、ＦｅまたはＣｏを触媒として用い
た場合、カーボンナノチューブの生成温度は８００℃以
上必要である。Ｐｄを用いてのグラファイトナノファイ
バー材料の作成は、低温で可能なため、他の部材への影
響や、製造コストの観点からも好ましい。

【００８５】さらにＰｄにおいては、酸化物が水素によ
り低温（室温）で還元される特性を用いて、核形成材料
として酸化パラジウムを用いることが可能である。

【００８６】酸化パラジウムの水素還元処理を行うと、
一般的な核形成技法として従来から使用されている金属
薄膜の熱凝集や、爆発の危険を伴う超微粒子の生成と蒸
着を用いずとも、比較的低温（２００℃以下）で初期凝
集核の形成が可能となった。

【００８７】前述の炭化水素ガスとしては、例えば、エ
チレン，メタン，プロパン，プロピレンなどの炭化水素
ガス、あるいはエタノールやアセトンなどの有機溶剤の
蒸気を用いることができる。

【００８８】尚、繊維状カーボンの原料としては、前述
の炭化水素ガスだけでなく、ＣＯ，ＣＯ₂などの原料も
用いることが出来る。

【００８９】図１，図６に示した、層５の材料として
は、前述したように、繊維状カーボンの成長選択性を有
するＴｉ，Ｚｒ，ＮｂもしくはＡｌの中から選ばれた材
料の酸化物、またはＴｉ，ＺｒもしくはＮｂの中から選
ばれた材料の酸化物半導体を用いる。

【００９０】上記Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂの化学量論的な酸化
物は絶縁体であるが、弱い酸化あるいは低級の酸化物
は、内部に多くの欠陥を保有し、酸素欠損型等の半導体
を形成する。

【００９１】ただし、Ａｌは導電性を有する酸化膜は形
成されない。このためＡｌの酸化物を用いる場合には、
Ａｌの表面に形成される酸化膜層の厚さを薄くすること
で、電子が絶縁層をトンネリングする導電機構を用いて
繊維状カーボンと陰極電極３との電気的接続を確保する
必要がある。

【００９２】本実施の形態では、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂまた
はＡｌの中から選ばれた材料の酸化物の上にＰｄを３０
０℃程度の温度で数十分程度焼成して酸化パラジウムを
形成した。このときＴｉ，Ｚｒ，ＮｂまたはＡｌも酸化
するが、この程度の焼成温度と時間では、最初に堆積し
た層５の厚さにもよるが、層５全体が酸化せず、その表
面だけが酸化する。さらに、前述したように半導体的な
性質もあることから、結果、上記のように形成した層５
には導電性を確保することができる。

【００９３】また、Ｐｄなどの触媒粒子が形成される層
５の表面を上述した酸化物で構成することで、繊維状カ
ーボンを成長させる際の、層５の材料と触媒粒子との反
応を抑制することができる。その結果、安定に、且つ高
密度に繊維状カーボンを成長させることができる。

【００９４】これにより、図１に示すように、層５上に
複数の繊維状カーボンが成長し、電子放出部材（エミッ
ター）４が形成される。

【００９５】本発明の電子放出素子、電子放出装置、画
像形成装置においては、電子放出の関与に係わらず、エ
ミッター（電子放出部材）４の存在する領域を以後「エ
ミッター領域」と呼ぶ。

【００９６】「エミッター領域」における電子放出点の
位置（電子放出部位）とその動作について図６，７を用
いて説明する。

【００９７】陰極電極３と引き出し電極２との間隔を数
μｍに設定した本発明の電子放出素子を、図６に示すよ
うな真空装置６０に設置し、真空排気装置６５によって
１０ ^-4Ｐａ程度に到達するまで十分に排気した、図６に
示したように基板１の表面から数ミリの高さＨの位置に
陽極（アノード電極）６１の表面が位置するように設
け、陰極電極３および引き出し電極よりも数キロボルト
高い電位（電圧Ｖａ）を電圧源（「第２の電圧印加手
段」または「第２の電位印加手段」）を用いて、陽極６
１に印加した。ここでは、電圧Ｖａを陰極電極３と陽極
６１との間に印加したが、陽極に印加する電圧はグラン
ド電位を基準としても良い。尚、基板１の表面と陽極６
１の表面は実質的に平行になるように配置される。

【００９８】素子には、図示しない電源（「第１の電圧
印加手段」または「第１の電位印加手段」）により駆動
電圧Ｖｆとして数十Ｖ程度からなる電圧を陰極電極３と
引き出し電極２との間に印加し、電極２、３間に流れる
素子電流Ｉｆと、アノード電極に流れる電子放出電流Ｉ
ｅを計測した。

【００９９】この時、等電位線６３は図６のように形成
され（基板１表面に実質的に平行に電界（電界の向き）
が形成され）、最も電界の集中する点は符号６４で示さ
れる電子放出部材４の最もアノード電極寄り、且つギャ
ップに面する場所と想像される。この電界集中点近傍に
位置する電子放出材料の中で最も電界集中する場所から
電子が主に放出されると考えられる。素子のＩｅ特性は
図７に示すような特性であった。すなわち印加電圧の約
半分からＩｅが急激に立ち上がり、不図示のＩｆはＩｅ
の特性に類似していたが、その値はＩｅと比較して十分
に小さな値であった。

【０１００】次に、図８を参照しながら、上述した原理
に基づく電子放出素子を複数個配列して構成した電子源
および画像形成装置について説明する。図８において、
８１は電子源基体、８２はＸ方向配線、８３はＹ方向配
線である。８４は電子放出素子、８５は結線である。

【０１０１】Ｘ方向配線８２はＤｘ１，Ｄｘ２，・・
・，Ｄｘｍのｍ本の配線からなり、真空蒸着法，印刷
法，スパッタ法等を用いて形成された導電性金属等で構
成することができる。配線の材料，膜厚，巾は適宜設計
される。

【０１０２】Ｙ方向配線８３はＤｙ１，Ｄｙ２，・・
・，Ｄｙｎのｎ本の配線よりなり、Ｘ方向配線８２と同
様に形成される。

【０１０３】これらｍ本のＸ方向配線８２とｎ本のＹ方
向配線８３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）。

【０１０４】不図示の層間絶縁層は、真空蒸着法，印刷
法，スパッタ法等を用いて形成されたＳｉＯ₂等で構成
される。例えば、Ｘ方向配線８２を形成した電子源基体
８１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８２とＹ方向配線８３の交差部の電位差
に耐え得るように膜厚，材料，製法が適宜設定される。
Ｘ方向配線８２とＹ方向配線８３はそれぞれ外部端子と
して引き出されている。

【０１０５】電子放出素子８４を構成する一対の電極
（不図示）は、ｍ本のＸ方向配線８２とｎ本のＹ方向配
線８３と導電性金属等からなる結線８５によって電気的
に接続されている。

【０１０６】Ｘ方向配線８２とＹ方向配線８３を構成す
る材料、結線８５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、例えば前述の素子電極の材料より適宜選択され
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。

【０１０７】Ｘ方向配線８２には、Ｘ方向に配列した電
子放出素子８４の行を選択するための走査信号を印加す
る不図示の走査信号印加手段が接続される。一方、Ｙ方
向配線８３には、Ｙ方向に配列した電子放出素子８４の
各列を入力信号に応じて変調するための不図示の変調信
号発生手段が接続される。各電子放出素子に印加される
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。

【０１０８】上記構成においては、単純なマトリクス配
線を用いて、個別の素子を選択し、独立に駆動可能とす
ることができる。

【０１０９】このような単純マトリクス配置の電子源を
用いて構成した画像形成装置について、図９を用いて説
明する。図９は、画像形成装置の表示パネルの一例を示
す模式図である。

【０１１０】図９において、８１は電子放出素子を複数
配した電子源基体、９１は電子源基体８１を固定したリ
アプレート、９６はガラス基体９３の内面に蛍光膜９４
とメタルバック９５等が形成されたフェースプレートで
ある。９２は、支持枠であり該支持枠９２には、リアプ
レート９１、フェースプレート９６がフリットガラス等
を用いて接続されている。外囲器９７は、例えば大気
中、真空中あるいは、窒素中で、４００〜５００度の温
度範囲で１０分以上焼成することで、封着して構成され
る。

【０１１１】外囲器９７は、上述のごとく、フェースプ
レート９６，支持枠９２，リアプレート９１で構成され
る。リアプレート９１は主に電子源基体８１の強度を補
強する目的で設けられるため、電子源基体８１自体で十
分な強度を持つ場合は別体のリアプレート９１は不要と
することができる。すなわち、電子源基体８１に直接支
持枠９２を封着し、フェースプレート９６、支持枠９２
及び電子源基体８１で外囲器９７を構成しても良い。一
方、フェースプレート９６とリアプレート９１の間に、
スペーサーとよばれる不図示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９７を構
成することもできる。

【０１１２】

【実施例】以下、本発明を実施例を用いてより詳細に説
明する。

【０１１３】（第１実施例）図１（ａ）は本発明の第１
実施例に係る電子放出素子を素子上部から見た模式図で
あって、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ間断面図であ
る。

【０１１４】図１において１は絶縁性の基板、２は引き
出し電極、３は陰極電極、４は電子放出部材、５は繊維
状カーボンが成長する層を示している。

【０１１５】以下に、図５を用いて本実施例の電子放出
素子の製造工程を詳細に説明する。

【０１１６】（工程１）基板１に石英基板を用い、十分
洗浄を行った後、スパッタ法により厚さ５ｎｍのＴｉ
（不図示）及び厚さ３０ｎｍのＰｔを連続的に蒸着を行
なう。

【０１１７】次に、フォトリソグラフィー工程で、ポジ
型フォトレジスト（ＡＺ１５００／クラリアント社製）
を用いてレジストパターンを形成する。

【０１１８】次に、パターニングした前記フォトレジス
トをマスクとし、Ａｒガスを用いてＰｔ層およびＴｉ層
のドライエッチングを行い、電極ギャップ間（間隔）が
５μｍからなる引き出し電極２および陰極電極３を形成
する（図５（ａ））。

【０１１９】（工程２）次に、基板１全体にＣｒをＥＢ
蒸着にて約１００ｎｍの厚さに堆積する。

【０１２０】次に、フォトリソグラフィー工程で、ポジ
型フォトレジスト（ＡＺ１５００／クラリアント社製）
を用いてレジストパターンを形成する。

【０１２１】次に、パターニングした前記フォトレジス
トをマスクとし、電子放出材料を被覆すべき領域（１０
０μｍ角）を陰極電極３上に形成し、開口部のＣｒを硝
酸セリウム系のエッチング液で取り除く。

【０１２２】次に、スパッタ法にてＴｉを厚さ５０ｎｍ
の厚さに蒸着する。

【０１２３】次に、不要なＴｉとレジストを同時に剥離
する（リフトオフ法）（図５（ｂ））。

【０１２４】（工程３）Ｐｄ錯体にイソプロピルアルコ
ール等を加えた錯体溶液を、スピンコートにて基板全体
に塗布する。

【０１２５】塗布後、大気中３００℃で熱処理を行い、
酸化パラジウム５１を約１０ｎｍの厚さに形成した後、
残る全てのＣｒを硝酸セリウム系のエッチング液にて取
り除く。

【０１２６】この時、下地のＴｉ層５の表面が酸化され
ているが、層５のシート抵抗は１×１０²Ω／□とな
り、導電性は確保されている（図５（ｃ））。

【０１２７】（工程４）大気を排気後、基板１を２００
℃に加熱し、窒素で希釈した２％水素気流中で熱処理を
行う。この段階で素子表面には粒子の直径が約３〜１０
ｎｍの粒子５２が形成される。この時の粒子の密度は約
１０¹¹〜１０¹²個／ｃｍ²と見積もられる（図５
（ｄ））。

【０１２８】（工程５）続いて、窒素希釈した０．１％
エチレン気流中で５００℃、１０分間加熱処理して繊維
状カーボンを形成する。

【０１２９】上記製造工程により得られた電子放出素子
を走査電子顕微鏡で観察すると、Ｐｄ塗布領域に直径１
０ｎｍ〜２５ｎｍ程度で、屈曲しながら繊維状に伸びた
多数の繊維状カーボンが形成されているのがわかった。
このとき繊維状カーボンの厚さは約５００ｎｍとなって
いた（図５（ｅ））。

【０１３０】尚、図中、触媒粒子は導伝性材料と接する
位置に描かれているが、繊維状カーボンの先端あるいは
繊維の中間位置に存在することもあった。

【０１３１】本素子の電子放出効率を検証すべく、本素
子を図６に示すような真空装置６０に設置し、真空排気
装置６５によって２×１０^-5Ｐａに到達するまで十分に
排気した。そして、素子からＨ＝２ｍｍ離れた陽極（ア
ノード）６１に、陽極（アノード）電圧としてＶａ＝１
０ｋＶを印加し、さらに、素子には駆動電圧Ｖｆ＝２０
Ｖからなるパルス電圧を印加して、このときに流れる素
子電流Ｉｆと電子放出電流Ｉｅを計測した。

【０１３２】素子のＩｅ特性は図７に示すような特性を
示した。具体的には、印加電圧の約半分からＩｅが急激
に増加し、Ｖｆが１５Ｖのときに約１μＡの電子放出電
流Ｉｅが測定された。一方Ｉｆ（不図示）はＩｅの特性
に類似していたが、その値はＩｅと比較して一桁以上小
さな値であった。

【０１３３】以上述べたように、本実施例では陰極電極
３の上に繊維状カーボンの成長選択性を有する層５を設
けたことで、繊維状カーボンを所定の位置に一定の高い
密度で成長させることが可能となった。

【０１３４】また、層５を繊維状カーボンと電極３との
電気的接続層として用いたことにより、繊維状カーボン
と電極３との間に安定した電気的接合を確保でき、安定
に電子放出させることが可能となった。

【０１３５】本実施例では、層５の材料として、Ｔｉの
一部分が酸化したものまたはＴｉの酸化物半導体を用い
たが、ＴｉのかわりにＺｒ，ＮｂまたはＡｌを用いても
よい。また、これら以外であっても、繊維状カーボンの
成長選択性を有する材料であれば好適に利用できる。

【０１３６】本実施例では、工程１で陰極電極３を形成
した後、陰極電極３の上に層５を積層したが、陰極電極
３と層５を同一の材料で一度に形成してもよい。このと
きの材料として上述の繊維状カーボンの成長選択性を有
する材料を用いることで、より簡易なプロセスで電子放
出素子を作ることができる。

【０１３７】本実施例の電子放出素子で得られたビーム
はＹ方向に細長く、Ｘ方向に短い、略矩形形状であっ
た。

【０１３８】駆動電圧Ｖｆを１５Ｖ、アノード間距離Ｈ
を２ｍｍに固定し、アノード電圧Ｖａを５ｋＶ，１０ｋ
Ｖ、ギャップを１μｍ，５μｍにした時のビーム幅を測
定したところ表１のようになった。

【０１３９】

【表１】

【０１４０】なお、駆動に必要な電界は繊維状カーボン
の成長条件を変えることで変化させることが可能であっ
た。特に酸化パラジウムを還元処理してできるＰｄの平
均粒径が、その後の成長でできる繊維状カーボンの直径
と関連している。Ｐｄの平均直径は塗布するＰｄ錯体の
Ｐｄ濃度とスピンコートの回転数で制御することが可能
であった。

【０１４１】この素子の繊維状カーボンを透過電顕で観
察したところ、グラフェンが図１２の右に示すように、
繊維状カーボンの軸方向に沿って積層された構造であっ
た。グラフェンの積層間隔（Ｚ軸方向）は温度が低い５
００℃程度では不鮮明であり、その間隔が０．４ｎｍで
あったが、温度が高くなればなるほど、格子間隔が鮮明
となり、７００℃では０．３４ｎｍとなりグラファイト
０．３３５ｎｍに近い値となった。

【０１４２】（第２実施例）図２には、第２実施例が示
されている。

【０１４３】本実施例では陰極電極３ｂの厚さを５００
ｎｍ、引き出し電極２の厚さを３０ｎｍに形成した以外
は第１実施例と同様にして電子放出素子の作製を行い、
Ｉｆ，Ｉｅの計測を行った。

【０１４４】その他の構成および作用については第１実
施例と同一なので、同一の構成部分については同一の符
号を付して、その説明は省略する。

【０１４５】本実施例の素子構成では、陰極電極３ｂを
厚くすることで、電子放出位置を引き出し電極２から見
て、確実に高い位置（アノード側）にすることが出来
た。

【０１４６】この構成によって、電子がゲートに衝突す
る軌道が減少し、効率の低下や、ビーム径の増大を招く
現象を防ぐことができた。

【０１４７】この結果、本素子構成においても、Ｖｆが
２０Ｖでは約１μＡの電子放出電流Ｉｅが測定された。
一方ＩｆはＩｅの特性に類似していたが、その値はＩｅ
と比較して二桁小さな値であった。

【０１４８】なお、この時のビーム径も表１と略同じで
あった。

【０１４９】（第３実施例）図３には、第３実施例が示
されている。

【０１５０】上記実施例では、層５と電子放出部材４を
陰極電極３上に形成したが、本実施例では、層５ｃおよ
び電子放出部材４ｃが、陰極電極３とゲート電極２との
ギャップ（間隙）部と、陰極電極３上にまたがるように
形成した。

【０１５１】第１実施例の工程２において、レジストパ
ターンを形成する位置を変える以外は、第１実施例と同
じ工程により形成することができるので、同一の部分に
ついては説明を省略する。

【０１５２】なお、本実施例では、電子放出部材４ｃと
引き出し電極２の離間幅が狭くなるように、陰極電極３
とゲート電極２間のギャップ部のほぼ中間位置（ギャッ
プ間距離の約半分）まで層５ｃおよび電子放出部材４ｃ
を延設した。

【０１５３】本素子では第１実施例と比較してギャップ
間距離が小さい分、電界が約２倍程度強い。このため駆
動の電圧は８Ｖ程度まで低下させることが可能となっ
た。

【０１５４】また層５を繊維状カーボンの電気的接続層
として用いたことによりギャップ内の繊維状カーボンか
ら安定に電子放出させることが可能となった。

【０１５５】（第４実施例）図４には、第４実施例が示
されている。

【０１５６】本実施例では、第１実施例で述べた工程１
と２を以下に示すように変更した。

【０１５７】（工程１）基板１に石英基板を用い、十分
洗浄を行った後、スパッタ法により、陰極電極３ｄとし
て厚さ５ｎｍのＴｉ及び厚さ３０ｎｍのＰｔを、さら
に、繊維状カーボン成長可能な層５ｄとして厚さ１００
ｎｍのＴｉを、連続的に蒸着を行う。

【０１５８】次に、フォトリソグラフィー工程で、ポジ
型フォトレジスト（ＡＺ１５００／クラリアント社製）
を用いてレジストパターンを形成する。

【０１５９】次に、パターニングした前記フォトレジス
トをマスクとして、ＣＦ４によりＴｉ層（層５ｄ）のド
ライエッチングを行い、続いて、Ｐｔ，Ｔｉ層（陰極電
極３ｄ）をＡｒにてドライエッチングを行って陰極電極
３ｄを形成する。

【０１６０】次に、陰極電極３ｄをマスクとして用い、
フッ酸とフッ化アンモニウムからなる混酸を用いて、約
５００ｎｍの深さ、石英基板をエッチングする。

【０１６１】続いて、引き出し電極２ｄとして再びスパ
ッタ法により厚さ５ｎｍのＴｉ及び厚さ３０ｎｍのＰｔ
を連続的に蒸着を行う。陰極電極３ｄのフォトレジスト
を剥離後、再びポジ型フォトレジスト（ＡＺ１５００／
クラリアント社製）を用いて引き出し電極形状を形成す
るためのレジストパターンを形成する。

【０１６２】次に、パターニングした前記フォトレジス
トをマスクとしてＰｔ層，Ｔｉ層をＡｒを用いてドライ
エッチングを行い、電極間に形成された段差がギャップ
として作用するように引き出し電極２を形成する。

【０１６３】この工程以降は、第１実施例とほぼ同一の
工程である。

【０１６４】ただし、本実施例では、繊維状カーボンの
成長用触媒材料としてＮｉを用いた。このとき、レジス
トパターンを導電層５ｄ上に形成して、直進性のよい抵
抗加熱蒸着でＮｉ粒子を約５ｎｍの厚さに形成し、その
後酸化処理を３５０℃で３０分行うとよい。

【０１６５】本実施例では、基板１ｄに段差を設けて両
電極に高低差をつけた構成にしたので、より微細なギャ
ップを作ることが可能となり、約６Ｖ程度から電子放出
させることが出来るようになった。

【０１６６】また陰極材料４ｄの高さ（膜厚）が厚いこ
とに起因して、膜の上部からだけでなく中間位置から電
子が出ることで、引き出し電極２ｄに電子が衝突し、効
率の低下や、ビーム径の増大を防ぐことが出来た。

【０１６７】（第５実施例）本発明の実施の形態に係る
電子放出素子を複数配列して構成される画像形成装置に
ついて、図８，９，１０を用いて説明する。図８におい
て、８１は電子源基体、８２はＸ方向配線、８３はＹ方
向配線である。８４は電子放出素子、８５は結線であ
る。

【０１６８】電子放出素子８４を複数配置したことに伴
い素子の容量が増大すると、図８に示すマトリクス配線
においては、パルス幅変調に伴う短いパルスを加えても
容量成分により波形がなまり、期待した階調が取れない
などの問題が生じる。このため本実施例では電子放出部
のすぐ脇に層間絶縁層を配し、電子放出部以外での容量
性分の増加を低減する構造を採用した。

【０１６９】図８において、Ｘ方向配線８２はＤｘ１，
Ｄｘ２，・・・，Ｄｘｍのｍ本の配線からなり、蒸着等
にて形成された厚さ約１μｍ、幅３００μｍのアルミニ
ウム系配線材料で構成されている。配線の材料，膜厚，
巾は適宜設計される。

【０１７０】Ｙ方向配線８３は厚さ０．５μｍ、幅１０
０μｍのＤｙ１，Ｄｙ２，・・・，Ｄｙｎのｎ本の配線
よりなり、Ｘ方向配線８２と同様に形成される。

【０１７１】これらｍ本のＸ方向配線８２とｎ本のＹ方
向配線８３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）。

【０１７２】不図示の層間絶縁層は、スパッタ法等を用
いて厚さ約０．８μｍに形成したＳｉＯ₂からなり、Ｘ
方向配線８２を形成した電子源基体８１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８２と
Ｙ方向配線８３の交差部の電位差に耐え得るように膜厚
を決定する。本実施例では１素子当たりの素子容量が１
ｐＦ以下、素子耐圧が３０Ｖになるように層間絶縁層の
厚さを決定した。

【０１７３】Ｘ方向配線８２とＹ方向配線８３はそれぞ
れ外部端子として引き出されている。

【０１７４】電子放出素子８４を構成する一対の電極
（不図示）は、ｍ本のＸ方向配線８２とｎ本のＹ方向配
線８３と導電性金属等からなる結線８５によって電気的
に接続されている。

【０１７５】Ｘ方向配線８２には、Ｘ方向に配列した電
子放出素子８４の行を選択するための走査信号を印加す
る不図示の走査信号印加手段が接続される。一方、Ｙ方
向配線８３には、Ｙ方向に配列した電子放出素子８４の
各列を入力信号に応じて変調するための不図示の変調信
号発生手段が接続される。各電子放出素子に印加される
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。

【０１７６】本実施例においてはＹ方向配線８３は高電
位、Ｘ方向配線８２は低電位になるように接続した。こ
のように接続することで、ビームの収束効果が得られ
た。

【０１７７】上記構成においては、単純なマトリクス配
線を用いて、個別の素子を選択し、独立に駆動可能とす
ることができる。

【０１７８】このような単純マトリクス配置の電子源を
用いて構成した画像形成装置について、図９を用いて説
明する。

【０１７９】図９は、ガラス基板材料としてソーダライ
ムガラスを用いた画像形成装置の表示パネルの概略斜視
図である。

【０１８０】図９において、８１は電子放出素子を複数
配した電子源基体、９１は電子源基体８１を固定したリ
アプレート、９６はガラス基体９３の内面に蛍光膜９４
とメタルバック９５等が形成されたフェースプレートで
ある。９２は、支持枠であり該支持枠９２には、リアプ
レート９１、フェースプレート９６がフリットガラス等
を用いて接続されている。９７は外囲器であり、真空中
で、４５０℃の温度範囲で１０分焼成することで、封着
して構成される。

【０１８１】外囲器９７は、上述のごとく、フェースプ
レート９６，支持枠９２，リアプレート９１で構成され
る。そして、フェースプレート９６とリアプレート９１
の間に、スペーサーとよばれる不図示の支持体を設置す
ることにより、大気圧に対して十分な強度をもつ外囲器
９７を構成した。

【０１８２】メタルバック９５は、蛍光膜９４作製後、
蛍光膜９４の内面側表面の平滑化処理（通常、「フィル
ミング」と呼ばれる。）を行い、その後Ａｌを真空蒸着
等を用いて堆積させることで作られた。

【０１８３】フェースプレート９６には、更に蛍光膜９
４の導電性を高めるため、蛍光膜９４の外面側に透明電
極（不図示）を設けた。

【０１８４】前述の封着を行う際には、カラーの場合は
各色蛍光体と電子放出素子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。

【０１８５】本実施例では電子源からの電子放出はゲー
ト電極側に出射されるので、１０ｋＶのアノード電圧、
アノード間距離２ｍｍの時は、２００μｍだけゲート側
に偏移させて蛍光体を配置した。

【０１８６】図１０は本実施例の画像形成装置の回路構
成を示す模式図である。

【０１８７】走査回路１０２は、内部にＭ個のスイッチ
ング素子（図中、Ｓ１〜Ｓｍで模式的に示している。）
を備えたものである。各スイッチング素子は、直流電圧
源Ｖｘの出力電圧もしくは０Ｖ（グランドレベル）のい
ずれか一方を選択し、表示パネル１０１の端子Ｄｏｘ１
〜Ｄｏｘｍと電気的に接続される。

【０１８８】Ｓ１〜Ｓｍの各スイッチング素子は、制御
回路１０３が出力する制御信号Ｔ_SC _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することができる。

【０１８９】直流電圧源Ｖｘは電子放出素子の特性（電
子放出しきい値電圧）に基づき、走査されていない素子
に印加される駆動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よう設定されている。

【０１９０】制御回路１０３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１０３は、同期
信号分離回路１０６より送られる同期信号Ｔ_SYNCに基づ
いて、各部に対してＴ_SCAN，Ｔ_SFTおよびＴ_MRYの各制御
信号を発生する。

【０１９１】同期信号分離回路１０６は、外部から入力
されるＮＴＳＣ方式のテレビ信号から同期信号成分と輝
度信号成分とを分離するための回路で、一般的な周波数
分離（フィルター）回路等を用いて構成できる。同期信
号分離回路１０６により分離された同期信号は、垂直同
期信号と水平同期信号より成るが、ここでは説明の便宜
上Ｔ_SYNC信号として図示した。前記テレビ信号から分離
された画像の輝度信号成分は便宜上ＤＡＴＡ信号と表し
た。該ＤＡＴＡ信号はシフトレジスタ１０４に入力され
る。

【０１９２】シフトレジスタ１０４は、時系列的にシリ
アルに入力される前記ＤＡＴＡ信号を、画像の１ライン
毎にシリアル／パラレル変換するためのもので、前記制
御回路１０３より送られる制御信号Ｔ_SFTに基づいて動
作する（すなわち、制御信号Ｔ_SFTはシフトレジスタ１
０４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、Ｉｄ
１〜ＩｄｎのＮ個の並列信号として前記シフトレジスタ
１０４より出力される。

【０１９３】ラインメモリ１０５は、画像１ライン分の
データを必要時間の間だけ記憶するための記憶装置であ
り、制御回路１０３より送られる制御信号Ｔ_MRYに従っ
て適宜Ｉｄ１〜Ｉｄｎの内容を記憶する。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１０７に入力される。

【０１９４】変調信号発生器１０７は、画像データＩ
ｄ’１〜Ｉｄ’ｎの各々に応じて電子放出素子の各々を
適切に駆動変調する為の信号源であり、その出力信号
は、端子Ｄｏｙ１〜Ｄｏｙｎを通じて表示パネル１０１
内の電子放出素子に印加される。

【０１９５】前述したように、本発明の実施の形態に係
る電子放出素子は放出電流Ｉｅに対して以下の基本特性
を有している。

【０１９６】すなわち、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。

【０１９７】このことから、本素子にパルス状の電圧を
印加する場合、例えば電子放出しきい値以下の電圧を印
加しても電子放出は生じないが、電子放出しきい値以上
の電圧を印加する場合には電子ビームが出力される。

【０１９８】その際、パルスの波高値Ｖｍを変化させる
事により出力電子ビームの強度を制御することが可能で
ある。また、パルスの幅Ｐｗを変化させることにより出
力される電子ビームの電荷の総量を制御する事が可能で
ある。

【０１９９】従って、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
方式等が採用できる。

【０２００】電圧変調方式を実施するに際しては、変調
信号発生器１０７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パルスの波高値を変
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。

【０２０１】また、パルス幅変調方式を実施するに際し
ては、変調信号発生器１０７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電圧
パルスの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。

【０２０２】シフトレジスタ１０４やラインメモリ１０
５は、デジタル信号式を用いた。

【０２０３】本実施例では、変調信号発生器１０７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１０７には、例えば高速の発振器および発振器の
出力する波数を計数する計数器（カウンタ）及び計数器
の出力値と前記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た。

【０２０４】ここで述べた画像形成装置の構成は、本発
明を適用可能な画像形成装置の一例であり、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、ＰＡＬ，ＳＥＣＡＭ方式など他、
これよりも多数の走査線からなるＴＶ信号（例えば、Ｍ
ＵＳＥ方式をはじめとする高品位ＴＶ）方式をも採用で
きる。

【０２０５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、繊維状
カーボンの成長選択性を有する導電層を設けたので、繊
維状カーボンを所定の位置に高密度で成長させ安定した
電気的接合を確保でき、素子容量および駆動電圧の低減
と電子放出効率の向上を図るとともに、高精細なビーム
を得ることができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る電子放出素子の概略
構成図である。

【図２】本発明の第２実施例に係る電子放出素子の概略
構成図である。

【図３】本発明の第３実施例に係る電子放出素子の概略
構成図である。

【図４】本発明の第４実施例に係る電子放出素子の概略
構成図である。

【図５】本発明の第１実施例に係る電子放出素子の製造
工程を示す図である。

【図６】本発明の実施例に係る電子放出素子を動作させ
るときの模式図である。

【図７】本発明の実施例に係る電子放出素子の動作特性
を示す模式図である。

【図８】本発明の実施例に係る電子源の単純マトリクス
回路の概略構成図である。

【図９】本発明の実施例に係る画像形成装置の表示パネ
ルの概略構成図である。

【図１０】本発明の実施例に係る画像形成装置の回路構
成の概略構成図である。

【図１１】カーボンナノチューブの構造を示す模式図で
ある。

【図１２】グラファイトナノファイバーの構造を示す模
式図である。

【図１３】縦型ＦＥの従来例の概略斜視図である。

【図１４】横型ＦＥの従来例の概略斜視図である。

【符号の説明】

１，１ｄ基板２，２ｄ引き出し電極（ゲート電極，第２電極）３，３ｂ，３ｄ陰極電極（カソード電極，第１電極）４，４ｃ，４ｄ陰極材料（繊維状カーボン）５，５ｃ，５ｄ導電層６０真空装置６１アノード６５真空排気装置８１電子源基体８２Ｘ方向配線８３Ｙ方向配線８４電子放出素子８５結線９１リアプレート９２支持枠９３ガラス基体９４蛍光膜９５メタルバック９６フェースプレート９７外囲器１０１表示パネル１０２走査回路１０３制御回路１０４シフトレジスタ１０５ラインメモリ１０６同期信号分離回路１０７変調信号発生器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭素を主成分とするファイバーと、Ｔｉ，Ｚｒ，ＮｂもしくはＡｌの中から選択された材料
の酸化物からなる層、またはＴｉ，ＺｒもしくはＮｂの
中から選択された材料の酸化物半導体からなる層と、を
備え、前記炭素を主成分とするファイバーは、前記層上に配置
されており、且つ、その一部にＰｄを有することを特徴
とする電子放出素子。
【請求項２】前記Ｐｄは、前記層に前記炭素を主成分と
するファイバーが接する位置に配置されてなることを特
徴とする請求項１に記載の電子放出素子。
【請求項３】前記Ｐｄは、前記炭素を主成分とするファ
イバーの先端あるいは前記炭素を主成分とするファイバ
ーの中間に配置されてなることを特徴とする請求項１に
記載の電子放出素子。
【請求項４】前記炭素を主成分とするファイバーは、前
記層上に配置されたＰｄ粒子を介して成長されたもので
あることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載
の電子放出素子。
【請求項５】前記炭素を主成分とするファイバーは、グ
ラフェンを有することを特徴とする請求項１乃至４のい
ずれかに記載の電子放出素子。
【請求項６】前記炭素を主成分とするファイバーは、積
層された複数のグラフェンを有することを特徴とする請
求項１乃至４のいずれかに記載の電子放出素子。
【請求項７】前記複数のグラフェンは、前記炭素を主成
分とするファイバーの軸方向に積層されてなることを特
徴とする請求項６に記載の電子放出素子。
【請求項８】前記炭素を主成分とするファイバーは、グ
ラファイトナノファイバー，カーボンナノチューブもし
くはアモルファスカーボン、またはこれらのうち２種類
以上の混合物であることを特徴とする請求項１乃至７の
いずれかに記載の電子放出素子。
【請求項９】基板の表面上に設けた第１電極と、前記第１電極と間隙を挟んで前記基板の表面上に設けた
第２電極と、前記第１電極よりも高い電位を前記第２電極に印加する
手段と、をさらに有し、前記層の少なくとも一部分を前記第１電極上に配置した
ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の電
子放出素子。
【請求項１０】前記第１電極の厚みを、前記第２電極の
厚みよりも厚くしたことを特徴とする請求項９に記載の
電子放出素子。
【請求項１１】前記炭素を主成分とするファイバーが、
前記第２電極よりも前記基板表面から離れて位置するこ
とを特徴とする請求項９または１０に記載の電子放出素
子。
【請求項１２】前記第１電極を設ける位置が前記第２電
極を設ける位置より高くなるように、前記基板表面に段
差を設けたことを特徴とする請求項９乃至１１の何れか
に記載の電子放出素子。
【請求項１３】複数の電子放出素子からなる電子源であ
って、前記電子放出素子が、請求項１乃至１２のいずれ
か１項に記載の電子放出素子であることを特徴とする電
子源。
【請求項１４】請求項１３に記載の電子源と、該電子源
から放出された電子が衝突するアノードと、を有するこ
とを特徴とする画像形成装置。
【請求項１５】前記アノードは蛍光体を有することを特
徴とする請求項１４に記載の画像形成装置。
【請求項１６】基体表面に間隔を置いて配置された第１
および第２の電極と、該第１の電極と電気的に接続した炭素を主成分とする複
数のファイバーと、前記第１の電極よりも高い電位を前記第２の電極に印加
する手段と、を備え、前記炭素を主成分とする複数のファイバーの先端の前記
基体表面からの高さが、前記第２の電極表面の前記基体
表面からの高さよりも高い位置に配置されており、且
つ、前記第１の電極と前記炭素を主成分とする複数のファイ
バーとの間に、Ｔｉ，Ｚｒ，ＮｂもしくはＡｌの中から
選択された材料の酸化物からなる層、またはＴｉ，Ｚ
ｒ，Ｎｂの中から選択された材料の酸化物半導体からな
る層が配置されていることを特徴とする電子放出素子。
【請求項１７】前記層と前記炭素を主成分とする複数の
ファイバーとが、触媒材料を介して接続してなることを
特徴とする請求項１６に記載の電子放出素子。
【請求項１８】前記触媒材料は、Ｐｄ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃ
ｏまたはこれらの合金の中から選択された材料であるこ
とを特徴とする請求項１７に記載の電子放出素子。
【請求項１９】前記第１の電極の厚みを、前記第２の電
極の厚みよりも厚くしたことを特徴とする請求項１６乃
至１８のいずれかに記載の電子放出素子。
【請求項２０】複数の電子放出素子からなる電子源であ
って、前記電子放出素子が、請求項１６乃至１９のいず
れかに記載の電子放出素子であることを特徴とする電子
源。
【請求項２１】請求項２０に記載の電子源と、該電子源
から放出された電子を受けて画像を形成する画像形成部
材とを有することを特徴とする画像形成装置。
【請求項２２】炭素を主成分とするファイバーと、Ｔｉ，Ｚｒ，ＮｂもしくはＡｌの中から選択された材料
の酸化物からなる層、またはＴｉ，ＺｒもしくはＮｂの
中から選択された材料の酸化物半導体からなる層と、を
備え、前記炭素を主成分とするファイバーは、前記層上に配置
されており、且つ、積層された複数のグラフェンを有す
ることを特徴とする電子放出素子。
【請求項２３】前記複数のグラフェンは、前記炭素を主
成分とするファイバーの軸方向に積層されてなることを
特徴とする請求項２２に記載の電子放出素子。
【請求項２４】前記炭素を主成分とするファイバーは、
前記層上に配置したＰｄ粒子を介して成長したものであ
ることを特徴とする請求項２２または２３に記載の電子
放出素子。
【請求項２５】前記炭素を主成分とするファイバーは、
Ｐｄを有することを特徴とする請求項２２乃至２４のい
ずれかに記載の電子放出素子。
【請求項２６】複数の電子放出素子からなる電子源であ
って、前記電子放出素子が、請求項２２乃至２５のいず
れかに記載の電子放出素子であることを特徴とする電子
源。
【請求項２７】請求項２６に記載の電子源と、該電子源
から放出された電子を受けて画像を形成する画像形成部
材とを有することを特徴とする画像形成装置。
【請求項２８】炭素を主成分とするファイバーを有する
電子放出素子の製造方法であって、基板上にＴｉ，Ｚｒ，ＮｂもしくはＡｌの中から選択さ
れた材料の酸化物からなる層、またはＴｉ，Ｚｒもしく
はＮｂの中から選択された材料の酸化物半導体からなる
層を配置する工程と、前記層上にカーボンの成長を促進する触媒粒子を配置す
る工程と、前記触媒粒子が配置された前記基板を、炭素化合物を含
む雰囲気中で加熱する工程と、を含むことを特徴とする
電子放出素子の製造方法。
【請求項２９】前記炭素化合物が炭化水素ガスであるこ
とを特徴とする請求項２８に記載の電子放出素子の製造
方法。
【請求項３０】前記層は、前記基板上に配置された電極
上に形成されることを特徴とする請求項２８または２９
に記載の電子放出素子の製造方法。
【請求項３１】前記層は、前記基板上にＴｉ，Ｚｒ，Ｎ
ｂもしくはＡｌの中から選択された材料からなる導電層
を形成し、該導電層の表面を酸化する工程により形成さ
れることを特徴とする請求項２８乃至３０のいずれかに
記載の電子放出素子の製造方法。
【請求項３２】前記導電層の表面を酸化する工程は、前
記導電層表面に前記触媒粒子を構成する材料を形成し、
該材料を酸化する工程により行われることを特徴とする
請求項３１に記載の電子放出素子の製造方法。
【請求項３３】前記触媒粒子は、Ｐｄ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃ
ｏまたはこれらの合金の中から選択された材料からなる
粒子であることを特徴とする請求項２８乃至３２のいず
れかに記載の電子放出素子の製造方法。
【請求項３４】複数の電子放出素子からなる電子源の製
造方法であって、前記電子放出素子が、請求項２８乃至
３３のいずれかに記載の製造方法により製造されること
を特徴とする電子源の製造方法。
【請求項３５】電子源と、画像形成部材とを有する画像
形成装置の製造方法であって、前記電子源が、請求項３
４に記載の製造方法により製造されることを特徴とする
画像形成装置の製造方法。