JP2004228063A

JP2004228063A - Electron emission method of electron emission element

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Publication number: JP2004228063A
Application number: JP2003155674A
Authority: JP
Inventors: Yukihisa Takeuchi; 幸久武内; Tsutomu Nanataki; 七瀧　　努; Iwao Owada; 大和田　　巌
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2002-11-29
Filing date: 2003-05-30
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2023-05-30
Also published as: EP1424716A1; JP3839792B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To efficiently emit electrons to an electron emission element having an emitter formed of a piezoelectric material. <P>SOLUTION: This electron emission element 10A has: the emitter 14 formed on a substrate 12; a cathode electrode 16 formed on one surface of the emitter 14; and an anode electrode 20 formed on the same surface of the emitter 14 and forming a slit 18 together with the cathode electrode 16.A drive voltage Va from a pulse generation source 22 is applied between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20, and the anode electrode 20 is connected to the ground. A collector electrode 24 is disposed above the emitter 14 at a position facing the slit 18. The collector electrode 24 is connected to a bias voltage source 102 (bias voltage Vc) through a resistor R3. The emitter 14 is made of a piezoelectric material. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エミッタ部に形成された第１の電極と第２の電極とを有する電子放出素子の電子放出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時、電子放出素子は、カソード電極及びアノード電極を有し、フィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）やバックライトのような種々のアプリケーションに適用されている。ＦＥＤに適用する場合、複数の電子放出素子を２次元的に配列し、これら電子放出素子に対する複数の蛍光体を、所定の間隔をもってそれぞれ配置するようにしている。
【０００３】
この電子放出素子の従来例としては、例えば特許文献１〜５があるが、いずれもエミッタ部に誘電体を用いていないため、対向電極間にフォーミング加工もしくは微細加工が必要となったり、電子放出のために高電圧を印加しなければならず、また、パネル製作工程が複雑で製造コストが高くなるという問題がある。
【０００４】
そこで、エミッタ部を誘電体で構成することが考えられているが、誘電体からの電子放出として以下の非特許文献１〜３にて諸説が述べられている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１−３１１５３３号公報
【特許文献２】
特開平７−１４７１３１号公報
【特許文献３】
特開２０００−２８５８０１号公報
【特許文献４】
特公昭４６−２０９４４号公報
【特許文献５】
特公昭４４−２６１２５号公報
【非特許文献１】
安岡、石井著「強誘電体陰極を用いたパルス電子源」応用物理第６８巻第５号、ｐ５４６〜５５０（１９９９）
【非特許文献２】
Ｖ．Ｆ．Ｐｕｃｈｋａｒｅｖ，Ｇ．Ａ．Ｍｅｓｙａｔｓ，Ｏｎｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｅｍｉｓｓｉｏｎｆｒｏｍｔｈｅｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃｅｒａｍｉｃｃａｔｈｏｄｅ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，ｖｏｌ．７８，Ｎｏ．９，１Ｎｏｖｅｍｂｅｒ，１９９５，ｐ．５６３３−５６３７
【非特許文献３】
Ｈ．Ｒｉｅｇｅ，Ｅｌｅｃｔｒｏｎｅｍｉｓｓｉｏｎｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ − ａｒｅｖｉｅｗ，Ｎｕｃｌ．Ｉｎｓｔｒ．ａｎｄ
Ｍｅｔｈ．Ａ３４０，ｐ．８０−８９（１９９４）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の電子放出素子においては、誘電体の表面、誘電体と上部電極との界面、誘電体内部の欠陥準位に拘束された電子を誘電体の分極反転によって放出するようにしている。つまり、誘電体にて分極反転さえ起きれば、印加電圧パルスの電圧レベルに依存せず、放出電子量はほぼ一定となる。
【０００７】
しかしながら、電子放出が安定せず、電子放出回数はたかだか数万回程度までであり、実用性に乏しいという問題がある。このように、従来においては、誘電体にて構成されたエミッタ部を有する電子放出素子の効果を見出すまでには至っていない。
【０００８】
しかも、エミッタ部を圧電材料で構成した場合、反強誘電体材料で構成した場合、電歪材料で構成した場合など、材料別での電子放出特性を探求したものはない。
【０００９】
本発明は、圧電材料にて構成されたエミッタ部を有する電子放出素子に対して効率的に電子放出を行わせることができ、ディスプレイや光源等への応用を容易にすることができる電子放出素子の電子放出方法を提供することを目的とする。
【００１０】
また、本発明の他の目的は、反強誘電体材料にて構成されたエミッタ部を有する電子放出素子に対して効率的に電子放出を行わせることができ、ディスプレイや光源等への応用を容易にすることができる電子放出素子の電子放出方法を提供することにある。
【００１１】
また、本発明の他の目的は、電歪材料にて構成されたエミッタ部を有する電子放出素子に対して効率的に電子放出を行わせることができ、ディスプレイや光源等への応用を容易にすることができる電子放出素子の電子放出方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る電子放出素子の電子放出方法は、圧電材料にて構成されたエミッタ部と、前記エミッタ部に接して形成された第１の電極及び第２の電極とを有する電子放出素子の電子放出方法において、前記エミッタ部を一方向に分極させた後、前記第１及び第２の電極を介して前記エミッタ部に抗電界を超える電界を印加して、前記エミッタ部を分極反転させることによって電子放出させることを特徴とする（請求項１）。この場合、前記エミッタ部に、一定時間内に抗電界を超える電界を印加することによって電子放出させるようにしてもよい（請求項２）。
【００１３】
これにより、まず、第１の電極と第２の電極間に電界が印加されることによって、少なくともエミッタ部の一部が分極反転され、前記第２の電極よりも電位が低い前記第１の電極の近傍から電子が放出されることになる（請求項２１）。即ち、この分極反転によって、第１の電極とその近傍の双極子モーメントの正極側とで局所的な集中電界が発生することにより、前記第１の電極から１次電子が引き出され、前記第１の電極から引き出された１次電子が前記エミッタ部に衝突して、該エミッタ部から２次電子が放出される（請求項２２）。
【００１４】
電子放出素子が前記第１の電極、前記エミッタ部及び真空雰囲気の３重点を有する場合には、前記第１の電極のうち、３重点近傍の部分から１次電子が引き出され、前記引き出された１次電子が前記エミッタ部に衝突して、該エミッタ部から２次電子が放出される（請求項２３）。ここで述べる２次電子は、１次電子のクーロン衝突でエネルギーを得て、エミッタ部の外へ飛び出した固体内電子とオージェ電子と、１次電子がエミッタ部の表面近くで散乱したもの（反射電子）の全てを含む。なお、前記第１の電極の厚みが極薄（〜１０ｎｍ）である場合には、該第１の電極とエミッタ部との界面から電子が放出されることになる。
【００１５】
このような原理によって電子が放出されることから、電子放出が安定して行われ、電子放出の回数も２０億回以上を実現でき、実用性に富む。しかも、放出電子量は、第１の電極と第２の電極間に印加される電圧のレベルにほぼ比例して増加することから、放出電子量を容易に制御できるという利点もある。この作用は後述する各発明においても同様である。
【００１６】
そして、この発明では、一方向に分極されたエミッタ部に対し、一定時間内に抗電界を超える電界を印加することで、効率よく電子が放出されることになり、ディスプレイや光源等への応用を容易にすることができる。
【００１７】
電子放出が行われる電界は、抗電界を超えて分極反転がほぼ完了するレベルであって、これらの電界はほぼ一定である。つまり、デジタル的な電子放出特性となる。また、電子放出が行われる電界は、抗電界に依存するため、抗電界が小さいほど駆動電圧系の低電圧化が可能となる。
【００１８】
また、本発明では、第１の期間に、前記第１の電極の電位が前記第２の電極の電位よりも高い第１の電圧を前記第１の電極と前記第２の電極間に印加して、前記エミッタ部を予め一方向に分極させ、第２の期間に、前記第１の電極の電位が前記第２の電極の電位よりも低い第２の電圧を前記第１の電極と前記第２の電極間に印加して、前記エミッタ部を分極反転させることによって電子放出させるようにしてもよい（請求項３）。
【００１９】
また、前記第２の電圧のレベルを制御することによって、前記第２の期間の開始時点から一定時間内に、前記エミッタ部に抗電界を超える電界を印加するようにしてもよい（請求項４）。この場合、第２の電圧のレベル制御とは、前記第２の電圧がパルス状であって、かつ、立ち下がりがランプ状であれば、例えば前記第２の電圧の最大振幅や偏移時間（第２の期間の開始時点から最大振幅に達するまでの時間）を制御することであり、前記第２の電圧が矩形パルスであれば、最大振幅のみを制御することなどである。また、前記一定時間は、小さければ小さいほど電子放出し易いが、好ましくは１ｍｓｅｃ以内、より好ましくは１０μｓｅｃ以内であるとよい。
【００２０】
また、本発明に係る電子放出素子の電子放出方法は、反強誘電体材料にて構成されたエミッタ部と、前記エミッタ部に接して形成された第１の電極及び第２の電極とを有する電子放出素子の電子放出方法において、前記第１及び第２の電極を介して前記エミッタ部に電界を印加して前記エミッタ部を強誘電体に相転移させて、前記エミッタ部を分極変化させることによって電子放出させることを特徴とする（請求項５）。
【００２１】
この場合、前記エミッタ部に対して、一定時間内に前記エミッタ部が強誘電体に相転移し、前記エミッタ部を分極変化させる程度の電界を印加することによって電子放出させるようにしてもよい（請求項６）。
【００２２】
そして、まず、第１の電極と第２の電極間に電界が印加されることによって、少なくともエミッタ部の一部が分極変化され、前記第２の電極よりも電位が低い前記第１の電極の近傍から電子が放出されることになる。即ち、この分極変化によって、第１の電極とその近傍の双極子モーメントの正極側とで局所的な集中電界が発生することにより、前記第１の電極から１次電子が引き出され、前記第１の電極から引き出された１次電子が前記エミッタ部に衝突して、該エミッタ部から２次電子が放出される。なお、前記第１の電極の厚みが極薄（〜１０ｎｍ）である場合には、該第１の電極とエミッタ部との界面から電子が放出されることになる。
【００２３】
特に、前記エミッタ部に高速に電界を印加して前記エミッタ部を強誘電体に相転移させて、前記エミッタ部を分極させることによって、効率よく電子が放出されることになり、ディスプレイや光源等への応用を容易にすることができる。
【００２４】
電子放出が行われる電界は、分極反転（あるいは分極変化）がほぼ完了するレベルであって、これらの電界はほぼ一定である。つまり、この場合も、デジタル的な電子放出特性となる。また、電子放出が行われる電界は、エミッタ部が強誘電体に相転移する電界（強制相転移電界）に依存するため、該強制相転移電界が小さいほど駆動電圧系の低電圧化が可能となる。
【００２５】
また、本発明では、第１の期間に、前記第１の電極の電位が前記第２の電極の電位よりも高い第１の電圧を前記第１の電極と前記第２の電極間に印加して、前記エミッタ部を予め一方向に分極させ、第２の期間に、前記第１の電極の電位が前記第２の電極の電位よりも低い第２の電圧を前記第１の電極と前記第２の電極間に印加して、前記エミッタ部を強誘電体に相転移させて、前記エミッタ部を分極変化させることによって電子放出させるようにしてもよい（請求項７）。
【００２６】
エミッタ部が反強誘電体材料の場合、第１の期間に印加する第１の電圧を０Ｖとして、前記エミッタ部を予め無分極状態としてもよい（請求項８）。これにより、第２の期間において、片側極性駆動での電子放出が可能となる。これは、駆動回路系の簡略化につながり、低消費電力やコストの低廉化並びに構造の小型化において有利となる。
【００２７】
また、前記第２の電圧のレベルを制御することによって、前記第２の期間の開始時点から一定時間内に前記エミッタ部を強誘電体に相転移させて、前記エミッタ部を分極変化させる程度の電界を印加するようにしてもよい（請求項９）。
【００２８】
この場合、前記第２の電圧のレベル制御とは、前記第２の電圧がパルス状であって、かつ、立ち下がりがランプ状であれば、例えば前記第２の電圧の最大振幅や偏移時間を制御することであり、前記第２の電圧が矩形パルスであれば、最大振幅のみを制御することなどである。また、一定時間としては、好ましくは１０ｍｓｅｃ以内、より好ましくは１０μｓｅｃ以内であるとよい。
【００２９】
また、前記第２の期間に、前記第１の電極と前記第２の電極間の電圧が電子放出に必要なレベルに達する動作と、電子放出時の前記第１の電極と前記第２の電極間の電圧降下レベルが前記エミッタ部の分極をリセットするしきい値レベルに達する動作とからなる一連のサイクルが連続して発生するように、前記第２の期間の開始時点に印加される前記第２の電圧のレベルを制御するようにしてもよい（請求項１０）。
【００３０】
反強誘電体材料が相転移によって強誘電体になった場合においては、電子放出される電圧レベルと分極がリセットされる電圧レベル（しきい値レベル）との電位差が小さい。従って、一旦、電子が放出されて、第１の電極と第２の電極間の電圧が降下すると、エミッタ部の分極が容易にリセットされ、疑似的に０Ｖが印加された状態になる。
【００３１】
しかし、この第２の期間では、第１の電極と第２の電極間に第２の電圧が印加されていることから、急速に第１の電極と第２の電極間の電圧が電子放出に必要なレベルに達し、電子放出がなされることになる。
【００３２】
従って、第２の期間に印加される第２の電圧のレベルを制御することによって、上述した一連の動作が連続して行われるようになる。つまり、第２の期間において、片側極性駆動での電子放出が可能となる。これは、駆動回路系の簡略化につながり、低消費電力やコストの低廉化並びに構造の小型化において有利となる。
【００３３】
また、本発明に係る電子放出素子の電子放出方法は、電歪材料にて構成されたエミッタ部と、前記エミッタ部に接して形成された第１の電極及び第２の電極とを有する電子放出素子の電子放出方法において、前記第１及び第２の電極を介して前記エミッタ部に電界を印加して前記エミッタ部での分極量を制御することによって電子放出させることを特徴とする（請求項１１）。
【００３４】
これにより、まず、第１の電極と第２の電極間に電界が印加されることによって、少なくともエミッタ部の一部が分極変化し、前記第２の電極よりも電位が低い前記第１の電極の近傍から電子が放出されることになる。即ち、この分極変化によって、第１の電極とその近傍の双極子モーメントの正極側とで局所的な集中電界が発生することにより、前記第１の電極から１次電子が引き出され、前記第１の電極から引き出された１次電子が前記エミッタ部に衝突して、該エミッタ部から２次電子が放出される。なお、前記第１の電極の厚みが極薄（〜１０ｎｍ）である場合には、該第１の電極とエミッタ部との界面から電子が放出されることになる。
【００３５】
この場合、エミッタ部での分極が電界の変化に応じて散漫的に起こるため、単位時間当たりの分極量が多いほど、電子放出量が多くなる。即ち、前記エミッタ部での分極量を制御することで、効率よく電子を放出することができることから、ディスプレイや光源等への応用を容易にすることができる。
【００３６】
そして、この発明において、第１の期間に、前記第１の電極の電位が前記第２の電極の電位よりも高い第１の電圧を前記第１の電極と前記第２の電極間に印加して、前記エミッタ部を予め一方向に分極させ、第２の期間に、前記第１の電極の電位が前記第２の電極の電位よりも低い第２の電圧を前記第１の電極と前記第２の電極間に印加して、前記エミッタ部を分極変化させることによって電子放出させるようにしてもよい（請求項１２）。
【００３７】
エミッタ部が電歪材料の場合、第１の期間に印加する第１の電圧を０Ｖとして、前記エミッタ部を予め無分極状態としてもよい（請求項１３）。これにより、第２の期間において、片側極性駆動での電子放出が可能となる。これは、駆動回路系の簡略化につながり、低消費電力やコストの低廉化並びに構造の小型化において有利となる。
【００３８】
また、前記第２の電圧のレベルを制御することによって、前記第２の期間の開始時点から一定時間内に生じる前記エミッタ部の分極量を制御し、電子放出量を制御するようにしてもよい（請求項１４）。
【００３９】
この場合、前記第２の電圧のレベル制御とは、第２の電圧がパルス状であって、かつ、立ち下がりがランプ状であれば、例えば第２の電圧の最大振幅や偏移時間を制御することであり、前記第２の電圧が矩形パルスであれば、最大振幅のみを制御することなどである。また、一定時間としては、好ましくは１０ｍｓｅｃ以内、より好ましくは１０μｓｅｃ以内であるとよい。
【００４０】
また、前記電子放出後に、前記第１の電極と前記第２の電極間の電圧の微振動で電子放出の持続が発生するように、前記第２の期間の開始時点に印加される前記第２の電圧のレベルを制御するようにしてもよい（請求項１５）。
【００４１】
電歪材料の分極は、電界の変化に応じて散漫的に起こるため、上述したように、単位時間当たりの分極量が多いほど、電子放出量が多くなる。また、電子放出される電圧レベルと分極がリセットされる電圧レベル（しきい値レベル）との電位差が小さい。
【００４２】
従って、一旦、電子が放出されて、第１の電極と第２の電極間の電圧が降下すると、エミッタ部の分極が容易にリセットされ、疑似的に０Ｖが印加された状態になる。
【００４３】
しかし、この第２の期間では、第１の電極と第２の電極間に第２の電圧が印加されていることから、急速に第１の電極と第２の電極間の電圧が大きくなり、再び分極が行われていく。このとき、分極の変化が急速に進むため、最初の電子放出の際の電圧よりも低い電圧で電子放出が行われる。
【００４４】
２度目の電子放出が行われて、第１の電極と第２の電極間の電圧が降下すると、再びエミッタ部の分極が容易にリセットされ、その後、第１の電極と第２の電極間への第２の電圧の持続印加によって、第１の電極と第２の電極間の電圧が再度大きくなり、分極が行われていく。この場合も分極の変化が急速に進むため、２度目の電子放出の際の電圧とほぼ同じ電圧で電子放出が行われる。
【００４５】
つまり、第２の期間に印加される第２の電圧のレベルを制御することによって、前記第１の電極と第２の電極間の電圧が微振動することとなり、この微振動によって電子放出の持続化が可能となる。つまり、第２の期間において、片側極性駆動での電子放出が可能となる。これは、駆動回路系の簡略化につながり、低消費電力やコストの低廉化並びに構造の小型化において有利となる。
【００４６】
そして、上述の各発明において、前記第１の電極を前記エミッタ部に接して形成し、前記第２の電極を前記エミッタ部に接して形成し、かつ、前記第１の電極と共にスリットを形成するようにしてもよい（請求項１６）。この場合、前記スリットの幅をｄ、前記第１の電極と前記第２の電極間の電圧をＶａｋとしたとき、前記エミッタ部に印加され、かつ、Ｅ＝Ｖａｋ／ｄで表される電界Ｅで分極反転もしくは分極変化が行われることとなる（請求項１７）。
【００４７】
また、上述の各発明において、前記第１の電極を前記エミッタ部の第１の面に形成し、前記第２の電極を前記エミッタ部の第２の面に形成するようにしてもよい（請求項１８）。この場合、前記第１の電極と前記第２の電極に挟まれた前記エミッタ部の厚さをｈ、前記第１の電極と前記第２の電極間の電圧をＶａｋとしたとき、前記エミッタ部に印加され、かつ、Ｅ＝Ｖａｋ／ｈで表される電界Ｅで分極反転もしくは分極変化が行われることになる（請求項１９）。
【００４８】
なお、上述の第１の電極と前記第２の電極間の電圧Ｖａｋは、前記エミッタ部の絶縁破壊電圧未満であることが好ましい（請求項２０）。
【００４９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る電子放出素子の電子放出方法の実施の形態例を図１〜図３０を参照しながら説明する。
【００５０】
まず、本実施の形態に係る電子放出素子は、ディスプレイとしての用途のほか、電子線照射装置、光源、ＬＥＤの代替用途、電子部品製造装置に適用することができる。
【００５１】
電子線照射装置における電子線は、現在普及している紫外線照射装置における紫外線に比べ、高エネルギーで吸収性能に優れる。適用例としては、半導体装置では、ウェハーを重ねる際における絶縁膜を固化する用途、印刷の乾燥では、印刷インキをむらなく硬化する用途や、医療機器をパッケージに入れたまま殺菌する用途等がある。
【００５２】
光源としての用途は、高輝度、高効率仕様向けであって、例えば超高圧水銀ランプ等が使用されるプロジェクタの光源用途等がある。本実施の形態に係る電子放出素子を光源に適用した場合、小型化、長寿命、高速点灯、水銀フリーによる環境負荷低減という特徴を有する。
【００５３】
ＬＥＤの代替用途としては、屋内照明、自動車用ランプ、信号機等の面光源用途や、チップ光源、信号機、携帯電話向けの小型液晶ディスプレイのバックライト等がある。
【００５４】
電子部品製造装置の用途としては、電子ビーム蒸着装置等の成膜装置の電子ビーム源、プラズマＣＶＤ装置におけるプラズマ生成用（ガス等の活性化用）電子源、ガス分解用途の電子源などがある。また、テラＨｚ駆動の高速スイッチング素子、大電流出力素子といった真空マイクロデバイス用途もある。他に、プリンタ用部品、つまり、感光ドラムを感光させる発光デバイスや、誘電体を帯電させるための電子源としても好ましく用いられる。
【００５５】
電子回路部品としては、大電流出力化、高増幅率化が可能であることから、スイッチ、リレー、ダイオード等のデジタル素子、オペアンプ等のアナログ素子への用途がある。
【００５６】
そして、第１の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａは、図１に示すように、基板１２上に形成されたエミッタ部１４と、該エミッタ部１４の一方の面に形成された第１の電極（カソード電極）１６と、同じくエミッタ部１４の一方の面に形成され、カソード電極１６と共にスリット１８を形成する第２の電極（アノード電極）２０とを有する。カソード電極１６とアノード電極２０間には、パルス発生源２２からの駆動電圧Ｖａが抵抗Ｒ１を介して印加される。なお、図１の例では、アノード電極２０をＧＮＤ（グランド）に接続して、該アノード電極２０の電位をゼロにした場合を示しているが、もちろん、ゼロ電位以外の電位にしてもかまわない。
【００５７】
そして、この電子放出素子１０Ａをディスプレイの画素として利用する場合は、エミッタ部１４の上方のうち、前記スリット１８に対向した位置に第３の電極（コレクタ電極）２４が配置され、該コレクタ電極２４には蛍光体２８が塗布される。なお、コレクタ電極２４にはバイアス電圧源１０２（バイアス電圧Ｖｃ）が抵抗Ｒ３を介して接続される。
【００５８】
また、第１の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａは、当然のことながら、真空空間内に配置される。この電子放出素子１０Ａは、図１に示すように、電界集中ポイントＡ及びＢが存在するが、ポイントＡは、カソード電極１６／エミッタ部１４／真空が１つのポイントに存在する３重点を含むポイントとしても定義することができ、ポイントＢは、アノード電極２０／エミッタ部１４／真空が１つのポイントに存在する３重点を含むポイントとしても定義することができる。
【００５９】
そして、雰囲気中の真空度は、１０^２〜１０^−６Ｐａが好ましく、より好ましくは１０^−３〜１０^−５Ｐａである。
【００６０】
このような範囲を選んだ理由は、低真空では、▲１▼：空間内に気体分子が多いため、プラズマを生成し易く、プラズマが多量に発生され過ぎると、その正イオンが多量にカソード電極１６に衝突して損傷を進めるおそれや、▲２▼：放出電子がコレクタ電極２４に到達する前に気体分子に衝突してしまい、コレクタ電位（Ｖｃ）で十分に加速した電子による蛍光体２８の励起が十分に行われなくなるおそれがあるからである。
【００６１】
一方、高真空では、電界集中ポイントＡ及びＢから電子を放出し易いものの、構造体の支持、及び真空のシール部が大きくなり、小型化に不利になるという問題があるからである。
【００６２】
ここで、エミッタ部１４は誘電体にて構成される。誘電体は、好適には、比誘電率が比較的高い、例えば１０００以上の誘電体を採用することができる。このような誘電体としては、チタン酸バリウムの他に、ジルコン酸鉛、マクネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、マグネシウムタンタル酸鉛、ニッケルタンタル酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、チタン酸鉛、マグネシウムタングステン酸鉛、コバルトニオブ酸鉛等、又はこれらの任意の組み合わせを含有するセラミックスや、主成分がこれらの化合物を５０重量％以上含有するものや、前記セラミックスに対して更にランタン、カルシウム、ストロンチウム、モリブデン、タングステン、バリウム、ニオブ、亜鉛、ニッケル、マンガン等の酸化物、もしくはこれらのいずれかの組み合わせ、又は他の化合物を適切に添加したもの等を挙げることができる。
【００６３】
例えば、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ）とチタン酸鉛（ＰＴ）の２成分系ｎＰＭＮ−ｍＰＴ（ｎ，ｍをモル数比とする）においては、ＰＭＮのモル数比を大きくすると、キュリー点が下げられて、室温での比誘電率を大きくすることができる。
【００６４】
特に、ｎ＝０．８５〜１．０、ｍ＝１．０−ｎでは比誘電率３０００以上となり好ましい。例えば、ｎ＝０．９１、ｍ＝０．０９では室温の比誘電率１５０００が得られ、ｎ＝０．９５、ｍ＝０．０５では室温の比誘電率２００００が得られる。
【００６５】
次に、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ）、チタン酸鉛（ＰＴ）、ジルコン酸鉛（ＰＺ）の３成分系では、ＰＭＮのモル数比を大きくする他に、正方晶と擬立方晶又は正方晶と菱面体晶のモルフォトロピック相境界（ＭＰＢ：ＭｏｒｐｈｏｔｒｏｐｉｃＰｈａｓｅＢｏｕｎｄａｒｙ）付近の組成とすることが比誘電率を大きくするのに好ましい。例えば、ＰＭＮ：ＰＴ：ＰＺ＝０．３７５：０．３７５：０．２５にて比誘電率５５００、ＰＭＮ：ＰＴ：ＰＺ＝０．５：０．３７５：０．１２５にて比誘電率４５００となり、特に好ましい。更に、絶縁性が確保できる範囲内でこれらの誘電体に白金のような金属を混入して、誘電率を向上させるのが好ましい。この場合、例えば、誘電体に白金を重量比で２０％混入させるとよい。
【００６６】
また、エミッタ部１４は、上述したように、圧電／電歪層や反強誘電体層等を用いることができるが、エミッタ部１４として圧電／電歪層を用いる場合、該圧電／電歪層としては、例えば、ジルコン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、マグネシウムタンタル酸鉛、ニッケルタンタル酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、チタン酸鉛、チタン酸バリウム、マグネシウムタングステン酸鉛、コバルトニオブ酸鉛等、又はこれらのいずれかの組み合わせを含有するセラミックスが挙げられる。
【００６７】
主成分がこれらの化合物を５０重量％以上含有するものであってもよいことはいうまでもない。また、前記セラミックスのうち、ジルコン酸鉛を含有するセラミックスは、エミッタ部１４を構成する圧電／電歪層の構成材料として最も使用頻度が高い。
【００６８】
また、圧電／電歪層をセラミックスにて構成する場合、前記セラミックスに、更に、ランタン、カルシウム、ストロンチウム、モリブデン、タングステン、バリウム、ニオブ、亜鉛、ニッケル、マンガン等の酸化物、もしくはこれらのいずれかの組み合わせ、又は他の化合物を、適宜、添加したセラミックスを用いてもよい。
【００６９】
例えば、マグネシウムニオブ酸鉛とジルコン酸鉛及びチタン酸鉛とからなる成分を主成分とし、更にランタンやストロンチウムを含有するセラミックスを用いることが好ましい。
【００７０】
圧電／電歪層は、緻密であっても、多孔質であってもよく、多孔質の場合、その気孔率は４０％以下であることが好ましい。
【００７１】
エミッタ部１４として反強誘電体層を用いる場合、該反強誘電体層としては、ジルコン酸鉛を主成分とするもの、ジルコン酸鉛とスズ酸鉛とからなる成分を主成分とするもの、更にはジルコン酸鉛に酸化ランタンを添加したもの、ジルコン酸鉛とスズ酸鉛とからなる成分に対してジルコン酸鉛やニオブ酸鉛を添加したものが望ましい。
【００７２】
また、この反強誘電体膜は、多孔質であってもよく、多孔質の場合、その気孔率は３０％以下であることが望ましい。
【００７３】
更に、エミッタ部１４にタンタル酸ビスマス酸ストロンチウムを用いた場合、分極反転疲労が小さく好ましい。このような分極反転疲労が小さい材料は、層状強誘電体化合物で、（ＢｉＯ_２）^２＋（Ａ_ｍ−１Ｂ_ｍＯ_３ｍ＋１）^２−という一般式で表される。ここで、金属Ａのイオンは、Ｃａ^２＋、Ｓｒ^２＋、Ｂａ^２＋、Ｐｂ^２＋、Ｂｉ^３＋、Ｌａ^３＋等であり、金属Ｂのイオンは、Ｔｉ^４＋、Ｔａ^５＋、Ｎｂ^５＋等である。
【００７４】
また、圧電／電歪／反強誘電体セラミックスに、例えば鉛ホウケイ酸ガラス等のガラス成分や、他の低融点化合物（例えば酸化ビスマス等）を混ぜることによって、焼成温度を下げることができる。これにより、エミッタ部１４を基板１２上に形成する際に有利となる。
【００７５】
また、エミッタ部１４に非鉛系の材料を使用する等により、エミッタ部１４を融点もしくは蒸散温度の高い材料とすることで、電子もしくはイオンの衝突に対し損傷しにくくなる。
【００７６】
そして、基板１２の上にエミッタ部１４を形成する方法としては、スクリーン印刷法、ディッピング法、塗布法、電気泳動法等の各種厚膜形成法や、イオンビーム法、スパッタリング法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、化学気相成長法（ＣＶＤ）、めっき等の各種薄膜形成法を用いることができる。
【００７７】
この実施の形態においては、基板１２上に前記エミッタ部１４を形成するにあたっては、スクリーン印刷法やディッピング法、塗布法、電気泳動法等による厚膜形成法が好適に採用される。
【００７８】
これらの方法は、平均粒径０．０１〜５μｍ、好ましくは０．０５〜３μｍの圧電セラミックスの粒子を主成分とするペーストやスラリー、又はサスペンション、エマルジョン、ゾル等を用いて形成することができ、良好な圧電作動特性が得られるからである。
【００７９】
特に、電気泳動法は、膜を高い密度で、かつ、高い形状精度で形成することができることをはじめ、「電気化学および工業物理化学Ｖｏｌ．５３，Ｎｏ．１（１９８５），ｐ６３〜６８安斎和夫著」あるいは「第１回電気泳動法によるセラミックスの高次成形法研究討論会予稿集（１９９８），ｐ５〜６，ｐ２３〜２４」等の技術文献に記載されるような特徴を有する。また、圧電／電歪／反強誘電体をシート状に成形したもの、もしくはその積層体、もしくはこれらを他の支持基板に積層又は接着したものを用いてもよい。このように、要求精度や信頼性等を考慮して、適宜、方法を選択して用いるとよい。
【００８０】
ここで、カソード電極１６とアノード電極２０間のスリット１８の幅ｄの大きさについて説明すると、カソード電極１６とアノード電極２０間の電圧（パルス発生源２２から出力される駆動電圧Ｖａがカソード電極１６とアノード電極２０間に印加されることによって、該カソード電極１６とアノード電極２０間に現れる電圧）をＶａｋとしたとき、Ｅ＝Ｖａｋ／ｄで表される電界Ｅで分極反転が行われるように、前記幅ｄを設定することが好ましい。つまり、スリット１８の幅ｄが小さいほど、低電圧で分極反転が可能となり、低電圧駆動（例えば１００Ｖ未満）で電子放出が可能となる。ここで、エミッタ部１４の絶縁破壊電圧は、少なくとも１０ｋＶ／ｍｍ以上有していることが好ましい。この例では、スリット１８の幅ｄを例えば７０μｍとしたとき、カソード電極１６とアノード電極２０間に−１００Ｖの駆動電圧を印加しても、エミッタ部１４のうち、スリット１８から露出する部分が絶縁破壊に至ることはない。
【００８１】
カソード電極１６は、以下に示す材料にて構成される。即ち、スパッタ率が小さく、真空中での蒸発温度が大きい導体が好ましい。例えば、Ａｒ^＋で６００Ｖにおけるスパッタ率が２．０以下で、蒸気圧１．３×１０^−３Ｐａとなる温度が１８００Ｋ以上のものが好ましく、白金、モリブデン、タングステン等がこれにあたる。また、高温酸化雰囲気に対して耐性を有する導体、例えば金属単体、合金、絶縁性セラミックスと金属単体との混合物、絶縁性セラミックスと合金との混合物等によって構成され、好適には、白金、イリジウム、パラジウム、ロジウム、モリブデン等の高融点貴金属や、銀−パラジウム、銀−白金、白金−パラジウム等の合金を主成分とするものや、白金とセラミック材料とのサーメット材料によって構成される。更に好適には、白金のみ又は白金系の合金を主成分とする材料によって構成される。また、電極として、カーボン、グラファイト系の材料、例えば、ダイヤモンド薄膜、ダイヤモンドライクカーボン、カーボンナノチューブも好適に使用される。なお、電極材料中に添加されるセラミック材料の割合は、５〜３０体積％程度が好適である。
【００８２】
更に、焼成後に薄い膜が得られる有機金属ペースト、例えば白金レジネートペースト等の材料を用いることが好ましい。また、分極反転疲労を抑制する酸化物電極、例えば酸化ルテニウム、酸化イリジウム、ルテニウム酸ストロンチウム、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏＯ_３（例えばｘ＝０．３や０．５）、Ｌａ_１−ｘＣａ_ｘＭｎＯ_３、Ｌａ_１−ｘＣａ_ｘＭｎ_１−ｙＣｏ_ｙＯ_３（例えばｘ＝０．２、ｙ＝０．０５）、もしくはこれらを例えば白金レジネートペーストに混ぜたものが好ましい。
【００８３】
カソード電極１６は、上記材料を用いて、スクリーン印刷、スプレー、コーティング、ディッピング、塗布、電気泳動法等の各種の厚膜形成法や、スパッタリング法、イオンビーム法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、化学気相成長法（ＣＶＤ）、めっき等の各種の薄膜形成法による通常の膜形成法に従って形成することができ、好適には、前者の厚膜形成法によって形成するとよい。なお、カソード電極１６の寸法については、図２に示すように、幅Ｗ１を２ｍｍとし、長さＬ１を５ｍｍとした。カソード電極１６の厚さは、２０μｍ以下がよく、好適には５μｍ以下であるとよい。
【００８４】
アノード電極２０は、カソード電極１６と同様の材料及び方法によって形成されるが、好適には上記厚膜形成法によって形成する。アノード電極２０の厚さも、２０μｍ以下がよく、好適には５μｍ以下であるとよい。また、アノード電極２０の寸法については、図２に示すように、カソード電極１６と同様に幅Ｗ２を２ｍｍとし、長さＬ２を５ｍｍとした。
【００８５】
また、カソード電極１６とアノード電極２０間のスリット１８の幅ｄは、本実施の形態では、７０μｍとした。
【００８６】
カソード電極１６に電気的に接続した配線と、アノード電極２０に電気的に接続した配線とを電気的に分離するために、基板１２を電気的な絶縁材料で構成するのが好ましい。
【００８７】
従って、基板１２を、ガラス、又は高耐熱性の金属、あるいはその金属表面をガラスなどのセラミック材料によって被覆したホーローのような材料により構成することができるが、セラミックスで構成するのが最適である。
【００８８】
基板１２を構成するセラミックスとしては、例えば、安定化された酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化チタン、スピネル、ムライト、窒化アルミニウム、窒化珪素、ガラス、これらの混合物等を使用することができる。その中でも、酸化アルミニウム及び安定化された酸化ジルコニウムが、強度及び剛性の観点から好ましい。安定化された酸化ジルコニウムは、機械的強度が比較的高いこと、靭性が比較的高いこと、カソード電極１６及びアノード電極２０との化学反応が比較的小さいことなどの観点から特に好適である。なお、安定化された酸化ジルコニウムとは、安定化酸化ジルコニウム及び部分安定化酸化ジルコニウムを包含する。安定化された酸化ジルコニウムでは、立方晶などの結晶構造をとるため、相転移が生じない。
【００８９】
一方、酸化ジルコニウムは、１０００℃前後で単斜晶と正方晶との間を相転移し、このような相転移の際にクラックが発生するおそれがある。安定化された酸化ジルコニウムは、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化イットリウム、酸化スカンジウム、酸化イッテルビウム、酸化セリウム、希土類金属の酸化物等の安定剤を、１〜３０モル％含有する。なお、基板１２の機械的強度を向上させるために、安定化剤が酸化イットリウムを含有すると好適である。この場合、酸化イットリウムを、好適には１．５〜６モル％、更に好適には２〜４モル％含有し、更に０．１〜５モル％の酸化アルミニウムを含有することが好ましい。
【００９０】
また、結晶相を、立方晶＋単斜晶の混合相、正方晶＋単斜晶の混合相、立方晶＋正方晶＋単斜晶の混合相等とすることができるが、その中でも、主たる結晶相を、正方晶又は正方晶＋立方晶の混合相としたものが、強度、靭性及び耐久性の観点から最適である。
【００９１】
基板１２をセラミックスから構成した場合、比較的多数の結晶粒が基板１２を構成するが、基板１２の機械的強度を向上させるためには、結晶粒の平均粒径を、好適には０．０５〜２μｍとし、更に好適には０．１〜１μｍとするとよい。
【００９２】
エミッタ部１４、カソード電極１６及びアノード電極２０をそれぞれ形成するたびに熱処理（焼成処理）して基板１２と一体構造にすることができ、また、これらエミッタ部１４、カソード電極１６及びアノード電極２０を形成した後、同時に焼成処理して、これらを同時に基板１２に一体に結合することもできる。なお、カソード電極１６及びアノード電極２０の形成方法によっては、一体化のための熱処理（焼成処理）を必要としない場合もある。
【００９３】
基板１２と、エミッタ部１４、カソード電極１６及びアノード電極２０とを一体化させるための焼成処理に係る温度としては、５００〜１４００℃の範囲、好適には、１０００〜１４００℃の範囲とするとよい。更に、膜状のエミッタ部１４を熱処理する場合、高温時にエミッタ部１４の組成が不安定にならないように、エミッタ部１４の蒸発源と共に雰囲気制御を行いながら焼成処理を行うことが好ましい。
【００９４】
また、エミッタ部１４を適切な部材によって被覆し、エミッタ部１４の表面が焼成雰囲気に直接露出しないようにして焼成する方法を採用してもよい。この場合、被覆部材としては、基板１２と同様の材料を用いることが好ましい。
【００９５】
次に、電子放出素子１０Ａの電子放出原理について図１〜図６を参照しながら説明する。まず、パルス発生源２２から出力される駆動電圧Ｖａは、図３に示すように、第１の電圧Ｖａ１が出力される期間（準備期間Ｔ１）と第２の電圧Ｖａ２が出力される期間（電子放出期間Ｔ２）を１ステップとし、該１ステップが繰り返される。第１の電圧Ｖａ１は、カソード電極１６の電位がアノード電極２０の電位よりも高い電圧であり、第２の電圧Ｖａ２は、カソード電極１６の電位がアノード電極２０の電位よりも低い電圧である。駆動電圧Ｖａの振幅Ｖｉｎは、第１の電圧Ｖａ１から第２の電圧Ｖａ２を差し引いた値（＝Ｖａ１−Ｖａ２）で定義することができる。つまり、駆動電圧Ｖａの波形は、準備期間Ｔ１において第１の電圧Ｖａ１、電子放出期間Ｔ２において第２の電圧Ｖａ２の矩形パルスとなっている。
【００９６】
準備期間Ｔ１は、図４に示すように、カソード電極１６とアノード電極２０間に第１の電圧Ｖａ１を印加してエミッタ部１４を分極する期間である。第１の電圧Ｖａ１としては、図３のように直流電圧でもよいが、１つのパルス電圧もしくはパルス電圧を複数回連続印加するようにしてもよい。ここで、準備期間Ｔ１は、分極処理を十分に行うために、電子放出期間Ｔ２よりも長くとることが好ましい。例えば、この準備期間Ｔ１としては１００μｓｅｃ以上が好ましい。これは、第１の電圧Ｖａ１の印加時の消費電力及びカソード電極１６の損傷を防止する目的で、分極を行うための第１の電圧Ｖａ１の絶対値を、第２の電圧Ｖａ２の絶対値よりも小さく設定しているからである。
【００９７】
また、第１の電圧Ｖａ１及び第２の電圧Ｖａ２は、各々正負の極性に分極処理を確実に行う電圧レベルであることが好ましく、例えばエミッタ部１４の誘電体が抗電圧を有する場合、第１の電圧Ｖａ１及び第２の電圧Ｖａ２の絶対値は、抗電圧以上であることが好ましい。
【００９８】
電子放出期間Ｔ２は、カソード電極１６とアノード電極２０間に第２の電圧Ｖａ２が印加される期間である。カソード電極１６とアノード電極２０間に第２の電圧Ｖａ２が印加されることによって、図５Ａに示すように、少なくともエミッタ部１４のうち、スリット１８から露出する部分が分極反転される。このとき、前記スリットの幅をｄ（図１参照）、前記カソード電極１６と前記アノード電極２０間の電圧をＶａｋとしたとき、エミッタ部１４に印加され、かつ、Ｅ＝Ｖａｋ／ｄで表される電界Ｅで分極反転が行われる。
【００９９】
この分極反転によって、カソード電極１６とその近傍の双極子モーメントの正極側とで局所的な集中電界が発生することにより、カソード電極１６から１次電子が引き出され、図５Ｂに示すように、前記カソード電極１６から引き出された１次電子がエミッタ部１４に衝突して、該エミッタ部１４から２次電子が放出される。
【０１００】
この第１の実施の形態のように、カソード電極１６、エミッタ部１４及び真空の３重点Ａを有する場合には、カソード電極１６のうち、３重点Ａの近傍部分から１次電子が引き出され、この３重点Ａから引き出された１次電子がエミッタ部１４に衝突して、該エミッタ部１４から２次電子が放出される。なお、カソード電極１６の厚みが極薄（〜１０ｎｍ）である場合には、該カソード電極１６とエミッタ部１４との界面から電子が放出されることになる。
【０１０１】
このような原理によって電子が放出されることから、電子放出が安定して行われ、電子放出の回数も２０億回以上を実現でき、実用性に富む。しかも、放出電子量は、カソード電極１６とアノード電極２０間に印加される駆動電圧Ｖａの振幅Ｖｉｎにほぼ比例して増加することから、放出電子量を容易に制御できるという利点もある。
【０１０２】
そして、放出された２次電子のうち、一部の２次電子はコレクタ電極２４に導かれて蛍光体２８を励起し、外部に蛍光体発光として具現されることになる。他の一部の２次電子や１次電子は、アノード電極２０に引かれる。
【０１０３】
ここで、２次電子の放出分布について説明する。図６に示すように、２次電子は、ほとんどエネルギーが０に近いものが大多数であり、エミッタ部１４の表面から真空中に放出されると、周囲の電界分布のみに従って運動することになる。
つまり、２次電子は、初速がほとんど０（ｍ／ｓｅｃ）の状態から周囲の電界分布に従って加速される。このため、図５Ｂに示すように、エミッタ部１４とコレクタ電極２４間に電界Ｅａが発生しているとすると、２次電子は、この電界Ｅａに沿って、その放出軌道が決定される。つまり、直進性の高い電子源を実現させることができる。このような初速の小さい２次電子は、１次電子のクーロン衝突でエネルギーを得て、エミッタ部１４の外へ飛び出した固体内電子である。
【０１０４】
また、コレクタ電極２４のパターン形状や電位を適宜変更したり、エミッタ部１４とコレクタ電極２４との間に図示しない制御電極等を配置することによって、エミッタ部１４とコレクタ電極２４間の電界分布を任意に設定することにより、２次電子の放出軌道を制御し易くなり、電子ビーム径の収束、拡大、変形も容易になる。
【０１０５】
上述した直進性の高い電子源の実現、並びに２次電子の放出軌道の制御のし易さは、第１の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａをディスプレイの画素として構成した場合に、画素の狭ピッチ化に有利になる。
【０１０６】
ところで、図６からもわかるように、１次電子のエネルギーＥ_０に相当するエネルギーをもった２次電子が放出されている。この２次電子は、カソード電極１６から放出された１次電子がエミッタ部１４の表面近くで散乱したもの（反射電子）である。
【０１０７】
カソード電極１６の厚みが１０ｎｍよりも厚い場合には、前記反射電子のほとんどがアノード電極２０に向かうことになる。そして、本明細書内で述べている２次電子は、前記反射電子やオージェ電子も含んで定義するものとする。
【０１０８】
一方、カソード電極１６の厚みが極薄（〜１０ｎｍ）である場合、カソード電極１６から放出された１次電子は、カソード電極１６とエミッタ部１４の界面で反射してコレクタ電極２４に向かうことになる。
【０１０９】
次に、第１の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａの３つの具体例について説明する。
【０１１０】
第１の具体例に係る電子放出素子１０Ａａは、エミッタ部１４の構成材料を圧電材料としている。それ以外の構成は、上述した第１の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａと同様である。
【０１１１】
ここで、第１の具体例に係る電子放出素子１０Ａａの電子放出方法について説明する。
【０１１２】
まず、エミッタ部１４の構成材料である圧電材料の分極−電界特性は、図７に示すように、電界Ｅ＝０（Ｖ／ｍｍ）を基準としたヒステリシス曲線を描く。
【０１１３】
そして、このヒステリシス曲線のうち、ポイントｐ１〜ｐ２〜ｐ３までの曲線に注目すると、圧電材料は、正極性の電界が印加されるポイントｐ１にて、ほとんどが一方向に分極される。その後、負極性の電界を印加すると、抗電界（約−７００Ｖ／ｍｍ）のポイントｐ２を超えたあたりから分極が反転しはじめ、ポイントｐ３にて全ての分極が反転することになる。
【０１１４】
従って、この第１の具体例では、図８に示すように、まず、準備期間Ｔ１において、カソード電極１６とアノード電極２０間に第１の電圧Ｖａ１を印加して、エミッタ部１４に対して正極性の電界（約１０００Ｖ／ｍｍ）を印加する。このとき、図７の分極−電界特性からもわかるように、エミッタ部１４は一方向に分極されることになる。
【０１１５】
その後、図８の電子放出期間Ｔ２において、カソード電極１６とアノード電極２０間に第２の電圧Ｖａ２を印加して、エミッタ部１４に対して高速に抗電界を超える電界（例えば約−１０００Ｖ／ｍｍ）を印加すると、図７に示す前記ポイントｐ３に至る前のポイントｐ４にて電子の放出が行われる。これは、図８に示すように、電子放出期間Ｔ２の開始時点から一定時間ｔｃ１（ここでは、１０μｓｅｃ以内）におけるカソード電極１６及びアノード電極２０間の電圧Ｖａｋのピーク時点Ｐ１において、わずかな電圧降下がみられ、このピーク時点Ｐ１に電子放出が行われていることがわかる。つまり、このピーク時点Ｐ１において、コレクタ電極２４に急速に電流（コレクタ電流Ｉｃ）が流れており、これは、放出電子がコレクタ電極２４にて捕獲されたことを示している。
【０１１６】
このように、カソード電極１６に第２の電圧Ｖａ２が供給されることによって、上述したように、前記エミッタ部１４から、あるいはカソード電極１６とエミッタ部１４との界面から２次電子が放出されることになる。
【０１１７】
電子放出後、カソード電極１６とアノード電極２０間の電圧Ｖａｋは、カソード電極１６に印加されている第２の電圧Ｖａ２に引かれて、再び大きくなるが、上述した電子放出時の電圧降下がわずかであったため（電圧降下レベルは２０Ｖ程度）、電子放出までには至らず、最初の電子放出のみで終了となる。
【０１１８】
このように、第１の具体例に係る電子放出素子１０Ａａの電子放出方法においては、一方向に分極されたエミッタ部１４に対して高速に抗電界を超える電界を印加することで、効率よく電子が放出されることになり、ディスプレイや光源等への応用を容易にすることができる。
【０１１９】
電子放出が行われる電界（ポイントｐ４における電界）は、抗電界を超えて分極反転がほぼ完了する電界であって、これらの電界はほぼ一定である。つまり、デジタル的な電子放出特性となる。また、この電子放出が行われる電界は、抗電界に依存するため、抗電界が小さいほど駆動電圧系の低電圧化が可能となる。
【０１２０】
また、この電子放出方法では、カソード電極１６とアノード電極２０間に印加される第２の電圧Ｖａ２のレベルを制御することによって、電子放出期間Ｔ２の開始時点から一定時間ｔｃ１内、例えば１０μｓｅｃ以内に、エミッタ部１４に抗電界を超える電界を印加することが可能となる。
【０１２１】
この場合、第２の電圧Ｖａ２のレベル制御は、第２の電圧Ｖａ２がパルス状であって、図９Ａに示すように、矩形パルスであれば、最大振幅（＝Ｖａ２）のみを制御し、図９Ｂに示すように、立ち下がりがランプ状のパルスであれば、例えば第２の電圧Ｖａ２の最大振幅や偏移時間ｔａ（電子放出期間Ｔ２の開始時点から最大振幅に達するまでの時間）を制御することなどが挙げられる。
【０１２２】
なお、第１の具体例に係る電子放出素子１０Ａａにおいて、連続した電子放出を実現するためには、駆動電圧Ｖａの波形として、正負の交番パルスを有する波形を採用することによって容易に実現させることができる。
【０１２３】
次に、第２の具体例に係る電子放出素子１０Ａｂについて説明する。この第２の具体例に係る電子放出素子１０Ａｂは、エミッタ部１４の構成材料を反強誘電体材料としている点以外は、上述した第１の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａの構成と同様である。
【０１２４】
ここで、第２の具体例に係る電子放出素子１０Ａｂの電子放出方法について説明する。
【０１２５】
まず、エミッタ部１４の構成材料である反強誘電体材料の分極−電界特性は、図１０に示すように、低い電界下では電圧に比例した誘起分極だけが観察されるが、ある電界を超えると強誘電体となり（電界誘起強制相転移）、電界の上下に対して分極のヒステリシスが現れる。しかし、再び電界を取り除くと元の常誘電体（分極がリセットされた状態）に戻る。
【０１２６】
そして、このヒステリシス曲線のうち、ポイントｐ１１〜ｐ１２〜ｐ１３までの曲線に注目すると、反強誘電体材料は、正極性の電界が印加されるポイントｐ１１にて、ほとんどが一方向に分極される。その後、電界の強さを低減していくと、ポイントｐ１２を超えたあたりから分極量が急激に低減しはじめ、電界の強さが０のポイントｐ１３では常誘電体となり、分極がリセットされた状態となっている。その後、負極性の電界を印加すると、エミッタ部１４が強誘電体に相転移し、電界（約−２３００Ｖ／ｍｍ）のポイントｐ１４を超えたあたりから分極反転が行われはじめ、ポイントｐ１５にて他方向に分極が行われることになる。
【０１２７】
従って、この第２の具体例では、図１１に示すように、まず、準備期間Ｔ１において、カソード電極１６とアノード電極２０間に第１の電圧Ｖａ１を印加して、エミッタ部１４に対して正極性の電界（約３０００Ｖ／ｍｍ）を印加する。このとき、図１０の分極−電界特性からもわかるように、エミッタ部１４は一方向に分極されることになる。なお、第１の電圧Ｖａ１を基準電圧（０Ｖ）にして、準備期間Ｔ１に、エミッタ部１４に対して電界をかけない状態にしてもよい。この場合、分極−電界特性からもわかるように、エミッタ部１４は予め無分極状態となる。
【０１２８】
その後、電子放出期間Ｔ２において、カソード電極１６とアノード電極２０間に第２の電圧Ｖａ２を印加して、エミッタ部１４に対して高速に電界（例えば約−３０００Ｖ／ｍｍ）を印加することによってエミッタ部１４を分極変化させると、図１０のポイントｐ１５に至る前のポイントｐ１６にて電子の放出が行われる。
【０１２９】
これは、図１１に示すように、電子放出期間Ｔ２の開始時点から一定時間ｔｃ２（この場合、１０μｓｅｃ）以内におけるカソード電極１６及びアノード電極２０間の電圧Ｖａｋのピーク時点Ｐ１において、電圧降下がみられ、このピーク時点Ｐ１に電子放出が行われていることがわかる。つまり、このピーク時点Ｐ１において、コレクタ電極２４に急速に電流（コレクタ電流Ｉｃ）が流れており、これは、放出電子がコレクタ電極２４にて捕獲されたことを示している。
【０１３０】
ところで、反強誘電体材料が相転移によって強誘電体になった場合においては、電子放出される電界（ポイントｐ１６における電界）と分極がほぼリセットされる電界（ポイントｐ１７における電界）との差が小さい。従って、一旦、電子が放出されて、カソード電極１６とアノード電極２０間の電圧が降下すると、エミッタ部１４の分極が容易にリセットされ、疑似的に基準電圧０Ｖが印加された状態になる。
【０１３１】
しかし、この電子放出期間Ｔ２では、カソード電極１６とアノード電極２０間に第２の電圧Ｖａ２が印加されていることから、急速にカソード電極１６とアノード電極２０間の電圧Ｖａｋが電子放出に必要なレベルに達し、再び電子放出がなされることになる。
【０１３２】
従って、この電子放出期間Ｔ２において第２の電圧Ｖａ２を印加しつづけることによって、上述した一連の動作が連続して行われるようになり、第２の電圧Ｖａ２のレベルを制御することによって、連続回数を制御することも可能となる。
図１０の例では、電子放出を４回連続して行った場合を示す。
【０１３３】
このように、第２の具体例に係る電子放出素子１０Ａｂの電子放出方法においては、エミッタ部１４に高速に電界を印加して、エミッタ部１４を強誘電体に相転移させて、エミッタ部１４を分極変化させることにより、効率よく電子が放出されることになり、ディスプレイや光源等への応用を容易にすることができる。
【０１３４】
また、電子放出が行われる電界（ポイントｐ１６における電界）は、分極反転がほぼ完了する電界であって、これらの電界はほぼ一定である。つまり、デジタル的な電子放出特性となる。また、この電子放出が行われる電界は、エミッタ部１４が強誘電体に相転移する電界（強制相転移電界）に依存するため、該強制相転移電界が小さいほど駆動電圧系の低電圧化が可能となる。
【０１３５】
また、この電子放出方法では、印加電界を正極性にしなくても、分極をほぼリセットされた状態にすることができる。従って、電子放出期間Ｔ２においては、片側極性駆動（負極性への駆動）のみで電子放出が可能となる。これは、駆動回路系の簡略化につながり、低消費電力やコストの低廉化並びに構造の小型化において有利となる。
【０１３６】
また、カソード電極１６とアノード電極２０間に印加される第２の電圧Ｖａ２のレベルを制御（最大振幅や偏移時間ｔａを制御）することによって、電子放出期間Ｔ２の開始時点から一定時間ｔｃ２内、例えば１０μｓｅｃ以内に、エミッタ部１４を強誘電体に相転移させて、エミッタ部１４を分極させる程度の電界を印加することが可能となる。
【０１３７】
次に、第３の具体例に係る電子放出素子１０Ａｃについて説明する。この第３の具体例に係る電子放出素子１０Ａｃは、エミッタ部１４の構成材料を電歪材料としている点以外は、上述した第１の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａの構成と同様である。
【０１３８】
ここで、第３の具体例に係る電子放出素子１０Ａｃの電子放出方法について説明する。まず、エミッタ部１４の構成材料である電歪材料の分極−電界特性は、図１２に示すように、電界にほぼ比例した量の分極が行われ、特に、低い電界での分極の変化率が高い電界での分極の変化よりも大きくなっている。いずれにしても、エミッタ部１４での分極が電界の変化に応じて散漫的に起こることがわかる。なお、電界を取り除くと分極がリセットされた状態になる。
【０１３９】
そして、この特性曲線のうち、ポイントｐ２１〜ｐ２３までの曲線に注目すると、電歪材料は、正極性の電界が印加されるポイントｐ２１にて、ほとんどが一方向に分極される。その後、電界の強さを低減していくと、正極性の電界の強さに応じて一方向の分極量が低減し、電界の強さが０のポイントｐ２２では常誘電体となり、分極がリセットされた状態となっている。その後、負極性の電界を印加すると、分極反転が行われはじめ、負極性の電界の強さが増加するに応じて他方向への分極量が増加し、ポイントｐ２３にてほとんどが他方向に分極されることになる。つまり、エミッタ部１４は、印加電界に応じた量の分極が行われることになる。
【０１４０】
従って、この第３の具体例では、図１３に示すように、まず、準備期間Ｔ１において、カソード電極１６とアノード電極２０間に第１の電圧Ｖａ１を印加して、エミッタ部１４に対して正極性の電界（約２０００Ｖ／ｍｍ）を印加する。このとき、図１２の分極−電界特性からもわかるように、エミッタ部１４は一方向に分極されることになる。なお、第１の電圧Ｖａ１を基準電圧（０Ｖ）にして、準備期間Ｔ１に、エミッタ部１４に対して電界をかけない状態にしてもよい。この場合、分極−電界特性からもわかるように、エミッタ部１４は予め無分極状態となる。
【０１４１】
その後、電子放出期間Ｔ２において、カソード電極１６とアノード電極２０間に第２の電圧Ｖａ２を印加して、エミッタ部１４に対して電界（例えば約−２０００Ｖ／ｍｍ）を印加することによってエミッタ部１４を分極変化させると、ポイントｐ２３にて電子の放出が行われる。これは、図１３に示すように、電子放出期間Ｔ２の開始時点から一定時間ｔｃ３（ここでは、１０μｓｅｃ以内）におけるカソード電極１６及びアノード電極２０間の電圧Ｖａｋのピーク時点Ｐ１において、電圧降下がみられ、このピーク時点Ｐ１に電子放出が行われていることがわかる。つまり、このピーク時点Ｐ１において、コレクタ電極２４に急速に電流（コレクタ電流Ｉｃ）が流れており、これは、放出電子がコレクタ電極２４にて捕獲されたことを示している。
【０１４２】
このように、第３の具体例に係る電子放出素子１０Ａｃでは、エミッタ部１４での分極が電界の変化に応じて散漫的に起こるため、単位時間当たりの分極量が多いほど、電子放出量が多くなる。つまり、アナログ的な電子放出特性となる。
【０１４３】
また、電子放出される電界（ポイントｐ２３）における電界と分極がリセットされる電界（ポイントｐ２２における電界）との電位差が小さい。従って、一旦、電子が放出されて、カソード電極１６とアノード電極２０間の電圧Ｖａｋが降下すると、エミッタ部１４の分極が容易にリセットされ、疑似的に基準電圧０Ｖが印加された状態になる。
【０１４４】
しかし、この電子放出期間Ｔ２では、カソード電極１６とアノード電極２０間に第２の電圧Ｖａ２が印加されていることから、急速にカソード電極１６とアノード電極２０間の電圧Ｖａｋが大きくなり、再び分極が行われていく。このとき、分極の変化が急速に進むため、最初の電子放出の際の電圧よりも低い電圧で電子放出が行われる。
【０１４５】
２度目の電子放出が行われて、カソード電極１６とアノード電極２０間の電圧Ｖａｋが降下すると、再びエミッタ部１４の分極が容易にリセットされ、その後、カソード電極１６とアノード電極２０間への第２の電圧Ｖａ２の持続印加によって、カソード電極１６とアノード電極２０間の電圧Ｖａｋが再度大きくなり、分極が行われていく。この場合も分極の変化が急速に進むため、２度目の電子放出の際の電圧とほぼ同じ電圧で電子放出が行われる。
【０１４６】
つまり、１回目の電子放出後においては、カソード電極１６とアノード電極２０間の電圧Ｖａｋが微振動することとなり、この微振動によって電子放出が持続されることになる。そして、第２の電圧Ｖａ２のレベルを制御することによって、電子放出の持続時間を制御することも可能となる。
【０１４７】
このように、第３の具体例に係る電子放出素子１０Ａｃの電子放出方法においては、エミッタ部１４での分極量を制御することで、効率よく電子を放出することができることから、ディスプレイや光源等への応用を容易にすることができる。
【０１４８】
また、上述したように、単位時間当たりの分極量が大きいほど、電界の強さを低くすることができるため、駆動電圧系の低電圧化が可能となる。
【０１４９】
また、この電子放出方法では、印加電界を正極性にしなくても、分極をほぼリセットされた状態にすることができる。従って、電子放出期間Ｔ２においては、片側極性駆動（負極性への駆動）のみで電子放出が可能となる。これは、駆動回路系の簡略化につながり、低消費電力やコストの低廉化並びに構造の小型化において有利となる。
【０１５０】
また、カソード電極１６とアノード電極２０間に印加される第２の電圧Ｖａ２のレベルを制御する（最大振幅や偏移時間ｔａを制御する）ことによって、電子放出期間Ｔ２の開始時点から一定時間ｔｃ３内、例えば１０μｓｅｃ以内に生じるエミッタ部１４の分極量を制御し、電子放出量を制御することができる。
【０１５１】
次に、第２の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｂについて図１４〜図２３Ｂを参照しながら説明する。
【０１５２】
この第２の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｂは、図１４に示すように、上述した第１の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａとほぼ同様の構成を有するが、カソード電極１６が板状のエミッタ部１４の表面に形成され、アノード電極２０がエミッタ部１４の裏面に形成されている点で異なる。
【０１５３】
なお、カソード電極１６とアノード電極２０間への駆動電圧Ｖａの印加は、例えば図１５に示すように、カソード電極１６に延びるリード電極１７とアノード電極２０に延びるリード電極２１を通じて行われる。
【０１５４】
そして、この電子放出素子１０Ｂをディスプレイの画素として利用する場合は、カソード電極１６の上方にコレクタ電極２４が配置され、該コレクタ電極２４には蛍光体２８が塗布される。
【０１５５】
カソード電極１６とアノード電極２０間のエミッタ部１４の厚さｈ（図１４）は、両電極１６及び２０間の電圧をＶａｋとしたとき、Ｅ＝Ｖａｋ／ｈで表される電界Ｅで分極反転が行われるように、前記厚さｈを設定することが好ましい。
つまり、前記厚さｈが小さいほど、低電圧で分極反転もしくは分極変化が可能となり、低電圧駆動（例えば１００Ｖ未満）で電子放出が可能となる。エミッタ部１４の絶縁破壊電圧は、少なくとも１０ｋＶ／ｍｍ以上有していることが好ましい。ここで、エミッタ部１４の絶縁破壊電圧は、少なくとも１０ｋＶ／ｍｍ以上有していることが好ましい。この例では、エミッタ部１４の厚さｈを例えば２０μｍとしたとき、カソード電極１６とアノード電極２０間に−１００Ｖの駆動電圧を印加しても、エミッタ部１４が絶縁破壊に至ることはない。
【０１５６】
カソード電極１６の平面形状は、図１５に示すように、楕円形状としてもよいし、図１６に示す第１の変形例に係る電子放出素子１０Ｂａのように、リング状にしてもよい。あるいは、図１７に示す第２の変形例に係る電子放出素子１０Ｂｂのように、くし歯状にしてもよい。
【０１５７】
カソード電極１６の平面形状をリング状やくし歯状にすることによって、電界集中ポイントＡでもあるカソード電極１６／エミッタ部１４／真空の３重点が増え、電子放出効率を向上させることができる。
【０１５８】
カソード電極１６の厚みｔｃ（図１４参照）は、２０μｍ以下であるとよく、好適には５μｍ以下であるとよい。従って、カソード電極１６の厚みｔｃを１００ｎｍ以下にしてもよい。特に、図１８に示す第３の変形例に係る電子放出素子１０Ｂｃのように、カソード電極１６の厚みｔｃを極薄（１０ｎｍ以下）とした場合には、該カソード電極１６とエミッタ部１４との界面から電子が放出されることになり、電子放出効率を更に向上させることができる。
【０１５９】
一方、アノード電極２０は、カソード電極１６と同様の材料及び方法によって形成されるが、好適には上記厚膜形成法によって形成する。アノード電極２０の厚さも、２０μｍ以下であるとよく、好適には５μｍ以下であるとよい。
【０１６０】
次に、電子放出素子１０Ｂの電子放出原理について図１４、図１９〜図２３Ｂを参照しながら説明する。この第２の実施の形態においても、図１９に示すように、上述した第１の実施の形態と同様に、第１の電圧Ｖａ１が出力される期間（準備期間Ｔ１）と第２の電圧Ｖａ２が出力される期間（電子放出期間Ｔ２）を１ステップとし、該１ステップが繰り返される。
【０１６１】
まず、準備期間Ｔ１において、図２０に示すように、カソード電極１６とアノード電極２０間に第１の電圧Ｖａ１が印加されることによって、エミッタ部１４が一方向に分極されることになる。この場合も、第１の電圧Ｖａ１としては、図１９のように直流電圧でもよいが、１つのパルス電圧もしくはパルス電圧を複数回連続印加するようにしてもよい。また、準備期間Ｔ１は、分極処理を十分に行うために、電子放出期間Ｔ２よりも長くとることが好ましい。例えば、この準備期間Ｔ１としては１００μｓｅｃ以上が好ましい。
【０１６２】
その後、電子放出期間Ｔ２において、カソード電極１６とアノード電極２０間に第２の電圧Ｖａ２が印加されることによって、図２１に示すように、少なくともエミッタ部１４の一部が分極反転もしくは分極変化される。ここで、分極反転もしくは分極変化される部位は、カソード電極１６の真下部分はもちろんのこと、真上にカソード電極１６を有しておらず、表面が露出した部分についても、カソード電極１６の近傍では、同様に分極反転もしくは分極変化が行われる。つまり、カソード電極１６の近傍で、エミッタ部１４の表面が露出した部分は、分極のしみ出しが起きているからである。この分極反転もしくは分極変化によって、カソード電極１６とその近傍の双極子モーメントの正極側とで局所的な集中電界が発生することにより、カソード電極１６から１次電子が引き出され、カソード電極１６から引き出された前記１次電子がエミッタ部１４に衝突して、該エミッタ部１４から２次電子が放出される。
【０１６３】
この第２の実施の形態のように、カソード電極１６、エミッタ部１４及び真空の３重点Ａを有する場合には、カソード電極１６のうち、３重点Ａの近傍部分から１次電子が引き出され、この３重点Ａから引き出された１次電子がエミッタ部１４に衝突して、該エミッタ部１４から２次電子が放出される。なお、カソード電極１６の厚みが極薄（〜１０ｎｍ）である場合には、該カソード電極１６とエミッタ部１４との界面から電子が放出されることになる。
【０１６４】
ここで、第２の電圧Ｖａ２が印加されることによる作用を更に詳細に説明する。まず、カソード電極１６とアノード電極２０間に第２の電圧Ｖａ２が印加されることによって、上述したように、エミッタ部１４から２次電子が放出されることになる。即ち、分極反転もしくは分極変化されたエミッタ部１４のうち、カソード電極１６の近傍に帯電する双極子モーメントが放出電子を引き出すこととなる。
【０１６５】
つまり、カソード電極１６のうち、エミッタ部１４との界面近傍において局所的なカソードが形成され、エミッタ部１４のうち、カソード電極１６の近傍の部分に帯電している双極子モーメントの＋極が局所的なアノードとなってカソード電極１６から電子が引き出され、その引き出された電子のうち、一部の電子がコレクタ電極２４（図１４参照）に導かれて蛍光体２８を励起し、外部に蛍光体発光として具現されることになる。また、前記引き出された電子のうち、一部の電子がエミッタ部１４に衝突して、エミッタ部１４から２次電子が放出され、該２次電子がコレクタ電極２４に導かれて蛍光体２８を励起することになる。なお、この第２の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｂにおける２次電子の放出分布についても図１０と同様の特性を有することになる。従って、２次電子は、ほとんどエネルギーが０に近いものが大多数であり、エミッタ部１４の表面から真空中に放出されると、周囲の電界分布のみに従って運動することになる。つまり、２次電子は、初速がほとんど０（ｍ／ｓｅｃ）の状態から周囲の電界分布に従って加速される。このため、図１４に示すように、エミッタ部１４とコレクタ電極２４間に電界Ｅａが発生しているとすると、２次電子は、この電界Ｅａに沿って、その放出軌道が決定される。つまり、直進性の高い電子源を実現させることができる。このような初速の小さい２次電子は、１次電子のクーロン衝突でエネルギーを得て、エミッタ部１４の外へ飛び出した固体内電子である。
【０１６６】
また、１次電子のエネルギーＥ_０に相当するエネルギーをもった２次電子は、カソード電極１６から放出された１次電子がエミッタ部１４の表面近くで散乱したもの（反射電子）である。ここで、エミッタ部１４から蛍光体へ放出される２次電子は、上記初速の小さい２次電子、つまり、１次電子のクーロン衝突でエネルギーを得てエミッタ部１４の外に飛び出した固体内電子と、オージェ電子と、反射電子の全てを含む。カソード電極１６の厚みが極薄（〜１０ｎｍ）である場合、カソード電極１６から放出された１次電子は、カソード電極１６とエミッタ部１４の界面で反射してコレクタ電極２４に向かうことになる。
【０１６７】
ここで、図２１に示すように、電界集中ポイントＡでの電界の強さＥ_Ａは、局所的なアノードと局所的なカソード間の電位差をＶ（ｌａ，ｌｋ）、局所的なアノードと局所的なカソード間の距離をｄ_Ａとしたとき、Ｅ_Ａ＝Ｖ（ｌａ，ｌｋ）／ｄ_Ａの関係がある。この場合、局所的なアノードと局所的なカソード間の距離ｄ_Ａは非常に小さいことから、電子放出に必要な電界の強さＥ_Ａを容易に得ることができる（電界の強さＥ_Ａが大きくなっていることを図２１上では実線矢印によって示す）。これは、電圧Ｖａｋの低電圧化につながる。
【０１６８】
そして、カソード電極１６からの電子放出がそのまま進行すれば、ジュール熱によって蒸散して浮遊するエミッタ部１４の構成原子が前記放出された電子によって正イオンと電子に電離され、この電離によって発生した電子が更にエミッタ部１４の構成原子等を電離するため、指数関数的に電子が増え、これが進行して電子と正イオンが中性的に存在すると局所プラズマとなる。なお、２次電子も前記電離を促進させることが考えられる。前記電離によって発生した正イオンが例えばカソード電極１６に衝突することによってカソード電極１６が損傷することも考えられる。
【０１６９】
しかし、この第２の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｂでは、図２２に示すように、カソード電極１６から引き出された電子が、局所アノードとして存在するエミッタ部１４の双極子モーメントの＋極に引かれ、カソード電極１６の近傍におけるエミッタ部１４の表面の負極性への帯電が進行することになる。その結果、電子の加速因子（局所的な電位差）が緩和され、２次電子放出に至るポテンシャルが存在しなくなり、エミッタ部１４の表面における負極性の帯電が更に進行することになる。
【０１７０】
そのため、双極子モーメントにおける局所的なアノードの正極性が弱められ、局所的なアノードと局所的なカソード間の電界の強さＥ_Ａが小さくなり（電界の強さＥ_Ａが小さくなっていることを図２２上では破線矢印によって示す）、電子放出は停止することになる。
【０１７１】
即ち、図２３Ａに示すように、カソード電極１６とアノード電極２０間に印加される駆動電圧Ｖａとして、第１の電圧Ｖａ１を例えば＋５０Ｖ、第２の電圧Ｖａ２を例えば−１００Ｖとしたとき、電子放出が行われたピーク時点Ｐ１におけるカソード電極１６とアノード電極２０間の電圧変化ΔＶａｋは、２０Ｖ以内（図２３Ｂの例では１０Ｖ程度）であってほとんど変化がない。そのため、正イオンの発生はほとんどなく、正イオンによるカソード電極１６の損傷を防止することができ、電子放出素子１０Ｂの長寿命化において有利となる。
【０１７２】
ところで、エミッタ部１４から放出された電子が再びエミッタ部１４に衝突したり、エミッタ部１４の表面近傍での電離等によって、該エミッタ部１４が損傷を受け、結晶欠陥が誘発し、構造的にも脆くなるおそれがある。
【０１７３】
そこで、エミッタ部１４を、真空中での蒸発温度が大きい誘電体で構成することが好ましく、例えばＰｂを含まないＢａＴｉＯ_３等にて構成するようにしてもよい。これにより、エミッタ部１４の構成原子がジュール熱によって蒸散しにくくなり、電子による電離の促進を妨げることができる。これは、エミッタ部１４の表面を保護する上で有効となる。
【０１７４】
次に、第３の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｃについて図２４を参照しながら説明する。
【０１７５】
この第３の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｃは、図２４に示すように、上述した第１の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａとほぼ同様の構成を有するが、１つの基板１２を有する点と、アノード電極２０が基板１２上に形成され、エミッタ部１４が基板１２上であって、かつ、アノード電極２０を覆うように形成され、更にカソード電極１６がエミッタ部１４上に形成されている点で異なる。
【０１７６】
この場合も、上述した第２の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｂと同様に、正イオンによるカソード電極１６の損傷を防止することができ、電子放出素子１０Ｃの長寿命化において有利となる。
【０１７７】
上述の第２及び第３の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｂ及び１０Ｃにおいては、エミッタ部１４の構成材料として、上述した圧電材料、反強誘電体材料並びに電歪材料を用いることができる。
【０１７８】
また、上述した第２及び第３の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｂ及び１０Ｃにおいては、カソード電極１６側に現れる双極子モーメントが正・負のいずれかのみになるため、カソード電極１６との間で形成される局所的な電界を大きくとることができる。しかも、これら第２及び第３の実施の形態においては、エミッタ部１４の分極反転時あるいは分極変化時に、負極性となっているカソード電極１６の近傍に双極子モーメントの正極のみを配置することができるため、カソード電極１６から１次電子を引き出すのに好ましい。
【０１７９】
また、上述の第２及び第３の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｂ及び１０Ｃにおいては、１つのエミッタ部１４にそれぞれ１つのカソード電極１６と１つのアノード電極２０を形成して１つの電子放出素子１０Ｂ（１０Ｃ）を構成した例を示したが、その他、例えば図２５に示すように、１つのエミッタ部１４に複数の電子放出素子１０（１）、１０（２）、１０（３）を形成することも可能である。
【０１８０】
即ち、図２５に示す第１の構成例１００Ａでは、１つのエミッタ部１４の表面にそれぞれ独立に複数のカソード電極１６ａ、１６ｂ、１６ｃを形成し、エミッタ部の裏面に複数のアノード電極２０ａ、２０ｂ、２０ｃを形成して複数の電子放出素子１０（１）、１０（２）、１０（３）を形成した場合を示す。各アノード電極２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、それぞれ対応するカソード電極１６ａ、１６ｂ、１６ｃ下にエミッタ部１４を間に挟んで形成される。
【０１８１】
図２６に示す第２の構成例１００Ｂでは、１つのエミッタ部１４の表面にそれぞれ独立に複数のカソード電極１６ａ、１６ｂ、１６ｃを形成し、エミッタ部１４の裏面に１つのアノード電極２０（共通のアノード電極）を形成して複数の電子放出素子１０（１）、１０（２）、１０（３）を形成した場合を示す。
【０１８２】
図２７に示す第３の構成例１００Ｃでは、１つのエミッタ部１４の表面に１つの極薄（〜１０ｎｍ）のカソード電極１６（共通のカソード電極）を形成し、エミッタ部１４の裏面にそれぞれ独立に複数のアノード電極２０ａ、２０ｂ、２０ｃを形成して複数の電子放出素子１０（１）、１０（２）、１０（３）を形成した場合を示す。
【０１８３】
図２８に示す第４の構成例１００Ｄでは、基板１２上に複数のアノード電極２０ａ、２０ｂ、２０ｃをそれぞれ独立に形成し、これらアノード電極２０ａ、２０ｂ、２０ｃを覆うように１つのエミッタ部１４を形成し、更に、エミッタ部１４上に複数のカソード電極１６ａ、１６ｂ、１６ｃをそれぞれ独立して形成して複数の電子放出素子１０（１）、１０（２）、１０（３）を形成した場合を示す。各カソード電極１６ａ、１６ｂ、１６ｃは、それぞれ対応するアノード電極２０ａ、２０ｂ、２０ｃ上にエミッタ部１４を間に挟んで形成される。
【０１８４】
図２９に示す第５の構成例１００Ｅでは、基板１２上に１つのアノード電極２０を形成し、該アノード電極２０を覆うように１つのエミッタ部１４を形成し、更に、エミッタ部１４上に複数のカソード電極１６ａ、１６ｂ、１６ｃをそれぞれ独立に形成して複数の電子放出素子１０（１）、１０（２）、１０（３）を形成した場合を示す。
【０１８５】
図３０に示す第６の構成例１００Ｆでは、基板１２上に複数のアノード電極２０ａ、２０ｂ、２０ｃをそれぞれ独立に形成し、これら複数のアノード電極２０ａ、２０ｂ、２０ｃを覆うように１つのエミッタ部１４を形成し、更に、エミッタ部１４上に１つの極薄のカソード電極１６を形成して複数の電子放出素子１０（１）、１０（２）、１０（３）を形成した場合を示す。
【０１８６】
これら第１〜第６の構成例１００Ａ〜１００Ｆでは、１つのエミッタ部１４にて複数の電子放出素子１０（１）、１０（２）、１０（３）を構成することができ、例えば後述するように、各電子放出素子１０（１）、１０（２）、１０（３）をディスプレイの画素として構成する場合に好適である。
【０１８７】
上述した第１〜第３の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａ〜１０Ｃにおいては、図１に示すように、コレクタ電極２４に蛍光体２８を塗布してディスプレイの画素として構成した場合、以下のような効果を奏することができる。
【０１８８】
（１）ＣＲＴと比して超薄型（パネルの厚み＝数ｍｍ）にすることができる。
【０１８９】
（２）蛍光体２８による自然発光のため、ＬＣＤ（液晶表示装置）やＬＥＤ（発光ダイオード）と比してほぼ１８０°の広視野角を得ることができる。
【０１９０】
（３）面電子源を利用しているため、ＣＲＴと比して画像歪みがない。
【０１９１】
（４）ＬＣＤと比して高速応答が可能であり、μｓｅｃオーダーの高速応答で残像のない動画表示が可能となる。
【０１９２】
（５）４０インチ換算で１００Ｗ程度であり、ＣＲＴ、ＰＤＰ（プラズマディスプレイ）、ＬＣＤ及びＬＥＤと比して低消費電力である。
【０１９３】
（６）ＰＤＰやＬＣＤと比して動作温度範囲が広い（−４０〜＋８５℃）。ちなみに、ＬＣＤは低温で応答速度が低下する。
【０１９４】
（７）大電流出力による蛍光体の励起が可能であるため、従来のＦＥＤ方式のディスプレイと比して高輝度化が可能である。
【０１９５】
（８）圧電体材料の分極反転特性（もしくは分極変化特性）及び膜厚により駆動電圧を制御可能であるため、従来のＦＥＤ方式のディスプレイと比して低電圧駆動が可能である。
【０１９６】
このような種々の効果から、以下に示すように、様々なディスプレイ用途を実現させることができる。
【０１９７】
（１）高輝度化と低消費電力化が実現できるという面から、３０〜６０インチディスプレイのホームユース（テレビジョン、ホームシアター）やパブリックユース（待合室、カラオケ等）に最適である。
【０１９８】
（２）高輝度化、大画面、フルカラー、高精細度が実現できるという面から、顧客吸引力（この場合、視覚的な注目）に効果が大であり、横長、縦長等の異形状ディスプレイや、展示会での使用、情報案内板用のメッセージボードに最適である。
【０１９９】
（３）高輝度化、蛍光体励起に伴う広視野角化、真空モジュール化に伴う広い動作温度範囲が実現できるという面から、車載用ディスプレイに最適である。車載用ディスプレイとしての仕様は、１５：９等の横長８インチ（画素ピッチ０．１４ｍｍ）、動作温度が−３０〜＋８５℃、斜視方向で５００〜６００ｃｄ／ｍ^２が必要である。
【０２００】
また、上述の種々の効果から、以下に示すように、様々な光源用途を実現させることができる。
【０２０１】
（１）高輝度化、低消費電力化が実現できるという面から、輝度仕様として２０００ルーメンが必要なプロジェクタ用の光源に最適である。
【０２０２】
（２）高輝度２次元アレー光源を容易に実現できることと、動作温度範囲が広く、屋外環境でも発光効率に変化がないことから、ＬＥＤの代替用途として有望である。例えば信号機等の２次元アレーＬＥＤモジュールの代替として最適である。なお、ＬＥＤは、２５℃以上で許容電流が低下し、低輝度となる。
【０２０３】
なお、この発明に係る電子放出素子の電子放出方法は、上述の実施の形態に限らず、この発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【０２０４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る電子放出素子の電子放出方法によれば、圧電材料にて構成されたエミッタ部を有する電子放出素子に対して効率的に電子放出を行わせることができ、ディスプレイや光源等への応用を容易にすることができる。
【０２０５】
また、本発明に係る電子放出素子の電子放出方法によれば、反強誘電体材料にて構成されたエミッタ部を有する電子放出素子に対して効率的に電子放出を行わせることができ、ディスプレイや光源等への応用を容易にすることができる。
【０２０６】
また、本発明に係る電子放出素子の電子放出方法によれば、電歪材料にて構成されたエミッタ部を有する電子放出素子に対して効率的に電子放出を行わせることができ、ディスプレイや光源等への応用を容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係る電子放出素子（第１〜第３の具体例に係る電子放出素子）を示す構成図である。
【図２】第１の実施の形態に係る電子放出素子の電極部分を示す平面図である。
【図３】パルス発生源から出力される駆動電圧を示す波形図である。
【図４】カソード電極とアノード電極間に第１の電圧を印加した際の作用を示す説明図である。
【図５】図５Ａは、カソード電極とアノード電極間に第２の電圧を印加した際の作用（１次電子の放出）を示す説明図であり、図５Ｂは、放出された１次電子に基づいて２次電子が放出される原理を示す説明図である。
【図６】放出された２次電子のエネルギーと２次電子の放出量の関係を示す特性図である。
【図７】圧電材料の分極−電界特性を示す図である。
【図８】第１の具体例に係る電子放出素子において、カソード電極とアノード電極間に印加される駆動電圧と、コレクタ電極に流れるコレクタ電流と、カソード電極とアノード電極間の電圧の変化を示す波形図である。
【図９】図９Ａは、駆動電圧の一例（矩形パルス）を示す波形図であり、図９Ｂは、駆動電圧の他の例（立ち下がりがランプ状のパルス）を示す波形図である。
【図１０】反強誘電体材料の分極−電界特性を示す図である。
【図１１】第２の具体例に係る電子放出素子において、カソード電極とアノード電極間に印加される駆動電圧と、コレクタ電極に流れるコレクタ電流と、カソード電極とアノード電極間の電圧の変化を示す波形図である。
【図１２】電歪材料の分極−電界特性を示す図である。
【図１３】第３の具体例に係る電子放出素子において、カソード電極とアノード電極間に印加される駆動電圧と、コレクタ電極に流れるコレクタ電流と、カソード電極とアノード電極間の電圧の変化を示す波形図である。
【図１４】第２の実施の形態に係る電子放出素子を示す構成図である。
【図１５】第２の実施の形態に係る電子放出素子の電極部分を示す平面図である。
【図１６】第２の実施の形態に係る電子放出素子の第１の変形例における電極部分を示す平面図である。
【図１７】第２の実施の形態に係る電子放出素子の第２の変形例における電極部分を示す平面図である。
【図１８】第２の実施の形態に係る電子放出素子の第３の変形例を示す構成図である。
【図１９】パルス発生源から出力される駆動電圧を示す波形図である。
【図２０】カソード電極とアノード電極間に第１の電圧を印加した際の作用を示す説明図である。
【図２１】カソード電極とアノード電極間に第２の電圧を印加した際の電子放出作用を示す説明図である。
【図２２】エミッタ部の表面での負極性帯電に伴って電子放出の自己停止の作用を示す説明図である。
【図２３】図２３Ａは、駆動電圧の一例を示す波形図であり、図２３Ｂは、第２の実施の形態に係る電子放出素子におけるアノード電極とカソード電極間の電圧の変化を示す波形図である。
【図２４】第３の実施の形態に係る電子放出素子を示す構成図である。
【図２５】複数の電子放出素子を組み合わせた第１の構成例を示す説明図である。
【図２６】複数の電子放出素子を組み合わせた第２の構成例を示す説明図である。
【図２７】複数の電子放出素子を組み合わせた第３の構成例を示す説明図である。
【図２８】複数の電子放出素子を組み合わせた第４の構成例を示す説明図である。
【図２９】複数の電子放出素子を組み合わせた第５の構成例を示す説明図である。
【図３０】複数の電子放出素子を組み合わせた第６の構成例を示す説明図である。
【符号の説明】
１０Ａ、１０Ａａ〜１０Ａｃ、１０Ｂ、１０Ｂａ〜１０Ｂｃ、１０Ｃ…電子放出素子
１２…基板１４…エミッタ部
１６…カソード電極１８…スリット
２０…アノード電極２２…パルス発生源
２４…コレクタ電極２８…蛍光体[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an electron emission method for an electron emission device having a first electrode and a second electrode formed on an emitter.
[0002]
[Prior art]
Recently, an electron-emitting device has a cathode electrode and an anode electrode, and is applied to various applications such as a field emission display (FED) and a backlight. When applied to the FED, a plurality of electron-emitting devices are two-dimensionally arranged, and a plurality of phosphors for these electron-emitting devices are arranged at predetermined intervals.
[0003]
Conventional examples of this electron-emitting device include, for example, Patent Documents 1 to 5. However, since none of them uses a dielectric material for an emitter portion, a forming process or a fine process is required between opposed electrodes. Therefore, there is a problem that a high voltage must be applied, and the panel manufacturing process is complicated and the manufacturing cost increases.
[0004]
Therefore, it is considered that the emitter portion is formed of a dielectric. Various theories are described in Non-Patent Documents 1 to 3 below as emission of electrons from the dielectric.
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-1-31533
[Patent Document 2]
JP-A-7-147131
[Patent Document 3]
JP 2000-285801 A
[Patent Document 4]
JP-B-46-20944
[Patent Document 5]
Japanese Patent Publication No. 44-26125
[Non-patent document 1]
Yasuoka, Ishii, "Pulse Electron Source Using Ferroelectric Cathode", Applied Physics Vol. 68, No. 5, pp. 546-550 (1999)
[Non-patent document 2]
V. F. Puchkarev, G .; A. Meyats, On the mechanism of the emission from the ferroelectric ceramic cathodic, J. et al. Appl. Phys. , Vol. 78, No. 9, 1 November, 1995, p. 5633-5637
[Non-Patent Document 3]
H. See Riege, Electron emission ferroelectrics-a review, Nucl. Instr. and
Meth. A340, p. 80-89 (1994)
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-described conventional electron-emitting device, electrons confined by the surface of the dielectric, the interface between the dielectric and the upper electrode, and the defect level inside the dielectric are emitted by the polarization reversal of the dielectric. In other words, as long as the polarization inversion occurs in the dielectric, the amount of emitted electrons is substantially constant, independent of the voltage level of the applied voltage pulse.
[0007]
However, there is a problem that electron emission is not stable and the number of times of electron emission is up to about several tens of thousands, which is not practical. As described above, in the related art, the effect of the electron-emitting device having the emitter portion made of the dielectric has not yet been found.
[0008]
In addition, there is no device that seeks electron emission characteristics by material, such as a case where the emitter is made of a piezoelectric material, a case where it is made of an antiferroelectric material, and a case where it is made of an electrostrictive material.
[0009]
The present invention can efficiently emit electrons to an electron-emitting device having an emitter portion made of a piezoelectric material, and can easily be applied to a display, a light source, and the like. It is an object of the present invention to provide an electron emission method.
[0010]
Another object of the present invention is to enable an electron-emitting device having an emitter portion made of an antiferroelectric material to efficiently emit electrons, and to be applied to a display or a light source. It is an object of the present invention to provide an electron emission method of an electron emission element which can be easily performed.
[0011]
Another object of the present invention is to enable an electron-emitting device having an emitter portion made of an electrostrictive material to efficiently emit electrons, thereby facilitating application to displays and light sources. It is an object of the present invention to provide an electron emission method for an electron emission device that can perform the above operation.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
An electron emission method for an electron emission device according to the present invention includes an electron emission device having an emitter portion made of a piezoelectric material and a first electrode and a second electrode formed in contact with the emitter portion. In the emission method, after the emitter section is polarized in one direction, an electric field exceeding a coercive electric field is applied to the emitter section via the first and second electrodes, thereby causing the emitter section to undergo polarization inversion. It is characterized by emitting electrons (claim 1). In this case, an electron may be emitted by applying an electric field exceeding a coercive electric field to the emitter section within a certain time (claim 2).
[0013]
Thereby, first, when an electric field is applied between the first electrode and the second electrode, at least a part of the emitter section is domain-inverted, and the first electrode having a lower potential than the second electrode is applied. Are emitted from the vicinity of (21). That is, due to this polarization reversal, a local concentrated electric field is generated between the first electrode and the positive electrode side of the dipole moment in the vicinity thereof, so that primary electrons are extracted from the first electrode, and the first electrons are extracted from the first electrode. The primary electrons extracted from the electrodes collide with the emitter, and secondary electrons are emitted from the emitter (claim 22).
[0014]
When the electron-emitting device has the triple junction of the first electrode, the emitter, and the vacuum atmosphere, primary electrons are extracted from a portion of the first electrode near the triple junction, and the extracted primary electrons are extracted. Primary electrons collide with the emitter, and secondary electrons are emitted from the emitter (claim 23). The secondary electrons described here obtain energy by the Coulomb collision of the primary electrons, and the electrons in the solid and the Auger electrons that jump out of the emitter and the primary electrons scattered near the surface of the emitter (reflection). Electronic). When the thickness of the first electrode is extremely thin (〜１０10 nm), electrons are emitted from the interface between the first electrode and the emitter.
[0015]
Since electrons are emitted according to such a principle, electron emission is performed stably, and the number of times of electron emission can be increased to 2 billion times or more, which is highly practical. Moreover, since the amount of emitted electrons increases almost in proportion to the level of the voltage applied between the first electrode and the second electrode, there is an advantage that the amount of emitted electrons can be easily controlled. This operation is the same in each invention described later.
[0016]
According to the present invention, by applying an electric field exceeding the coercive electric field to the unidirectionally polarized emitter within a certain period of time, electrons can be efficiently emitted, and the invention is applied to a display, a light source, and the like. Can be facilitated.
[0017]
The electric field at which electrons are emitted is at a level where polarization reversal is almost completed beyond the coercive electric field, and these electric fields are almost constant. That is, the electron emission characteristics are digital. Further, since the electric field in which electrons are emitted depends on the coercive electric field, the lower the coercive electric field, the lower the voltage of the driving voltage system can be.
[0018]
In the present invention, a first voltage in which the potential of the first electrode is higher than the potential of the second electrode is applied between the first electrode and the second electrode during the first period. Then, the emitter section is polarized in one direction in advance, and a second voltage in which the potential of the first electrode is lower than the potential of the second electrode is applied to the first electrode and the second electrode in a second period. Electrons may be emitted by applying a voltage between two electrodes to invert the polarization of the emitter section.
[0019]
Further, by controlling the level of the second voltage, an electric field exceeding the coercive electric field may be applied to the emitter within a certain time from the start of the second period. ). In this case, the level control of the second voltage means that, if the second voltage is pulse-shaped and the falling is ramp-shaped, for example, the maximum amplitude and the shift time of the second voltage ( (The time from the start of the second period to the time when the maximum amplitude is reached). If the second voltage is a rectangular pulse, only the maximum amplitude is controlled. In addition, the smaller the predetermined time is, the easier the electron emission is, the smaller the time is, but preferably within 1 msec, more preferably within 10 μsec.
[0020]
According to another aspect of the present invention, there is provided an electron emission method for an electron emission element, comprising: an emitter portion made of an antiferroelectric material; and a first electrode and a second electrode formed in contact with the emitter portion. In the electron emission method of the electron emission element, an electric field is applied to the emitter section through the first and second electrodes to cause a phase transition of the emitter section to a ferroelectric substance, thereby changing the polarization of the emitter section. In this case, electrons are emitted by (claim 5).
[0021]
In this case, electrons may be emitted by applying an electric field to the emitter section that changes the phase of the emitter section to a ferroelectric substance within a certain period of time and changes the polarization of the emitter section. Claim 6).
[0022]
First, when an electric field is applied between the first electrode and the second electrode, at least a part of the emitter portion undergoes a polarization change, and the potential of the first electrode having a lower potential than the second electrode is changed. Electrons are emitted from the vicinity. That is, due to this polarization change, a local concentrated electric field is generated between the first electrode and the positive electrode side of the dipole moment in the vicinity thereof, so that primary electrons are extracted from the first electrode and the first electrode is extracted. The primary electrons extracted from the electrodes collide with the emitter, and secondary electrons are emitted from the emitter. When the thickness of the first electrode is extremely thin (〜１０10 nm), electrons are emitted from the interface between the first electrode and the emitter.
[0023]
In particular, an electron is efficiently emitted by applying an electric field to the emitter section at a high speed to cause a phase transition of the emitter section to a ferroelectric substance and to polarize the emitter section. Application can be facilitated.
[0024]
The electric field at which electron emission is performed is at a level where polarization reversal (or polarization change) is almost completed, and these electric fields are almost constant. That is, also in this case, digital electron emission characteristics are obtained. Further, the electric field in which the electron emission is performed depends on the electric field (forced phase transition electric field) in which the emitter phase transitions to the ferroelectric, so that the smaller the forced phase transition electric field, the lower the driving voltage system can be. Become.
[0025]
In the present invention, a first voltage in which the potential of the first electrode is higher than the potential of the second electrode is applied between the first electrode and the second electrode during the first period. Then, the emitter section is polarized in one direction in advance, and a second voltage in which the potential of the first electrode is lower than the potential of the second electrode is applied to the first electrode and the second electrode in a second period. Electrons may be emitted by applying a voltage between two electrodes to cause a phase transition of the emitter section to a ferroelectric substance and to change the polarization of the emitter section.
[0026]
When the emitter section is made of an antiferroelectric material, the first voltage applied in the first period may be set to 0 V, and the emitter section may be brought into a non-polarized state in advance (claim 8). Thus, in the second period, the electron emission can be performed by the unipolar driving. This leads to simplification of the drive circuit system, which is advantageous in low power consumption, low cost, and miniaturization of the structure.
[0027]
Further, by controlling the level of the second voltage, the phase of the emitter section is changed to a ferroelectric substance within a certain time from the start of the second period, and the polarization of the emitter section is changed. An electric field may be applied (claim 9).
[0028]
In this case, the level control of the second voltage means that if the second voltage is pulse-shaped and the falling is ramp-shaped, for example, the maximum amplitude or the shift time of the second voltage If the second voltage is a rectangular pulse, only the maximum amplitude is controlled. Further, the fixed time is preferably within 10 msec, more preferably within 10 μsec.
[0029]
An operation in which a voltage between the first electrode and the second electrode reaches a level necessary for electron emission during the second period; and an operation in which the first electrode and the second electrode are used during electron emission. The second period applied at the start of the second period so that a series of cycles consisting of an operation in which the voltage drop level reaches a threshold level for resetting the polarization of the emitter section occurs continuously. The level of the second voltage may be controlled.
[0030]
When the antiferroelectric material becomes ferroelectric due to phase transition, the potential difference between the voltage level at which electrons are emitted and the voltage level at which polarization is reset (threshold level) is small. Therefore, once electrons are emitted and the voltage between the first electrode and the second electrode drops, the polarization of the emitter section is easily reset, and a state where 0 V is applied in a pseudo manner.
[0031]
However, in the second period, since the second voltage is applied between the first electrode and the second electrode, the voltage between the first electrode and the second electrode is rapidly changed to emit electrons. The required level is reached and electron emission will occur.
[0032]
Therefore, by controlling the level of the second voltage applied in the second period, the above-described series of operations is continuously performed. That is, in the second period, electron emission by one-sided polarity driving becomes possible. This leads to simplification of the drive circuit system, which is advantageous in low power consumption, low cost, and miniaturization of the structure.
[0033]
According to another aspect of the present invention, there is provided an electron emission method for an electron emission device, comprising: an emitter portion made of an electrostrictive material; and a first electrode and a second electrode formed in contact with the emitter portion. In the electron emission method for an element, an electron is emitted by applying an electric field to the emitter through the first and second electrodes to control a polarization amount in the emitter. 11).
[0034]
Thereby, first, when an electric field is applied between the first electrode and the second electrode, at least a part of the emitter section undergoes a polarization change, and the first electrode having a lower potential than the second electrode. Will be emitted from the vicinity of. That is, due to this polarization change, a local concentrated electric field is generated between the first electrode and the positive electrode side of the dipole moment in the vicinity thereof, so that primary electrons are extracted from the first electrode and the first electrode is extracted. The primary electrons extracted from the electrodes collide with the emitter, and secondary electrons are emitted from the emitter. When the thickness of the first electrode is extremely thin (〜１０10 nm), electrons are emitted from the interface between the first electrode and the emitter.
[0035]
In this case, the polarization in the emitter section occurs diffusely in accordance with the change in the electric field. Therefore, the larger the polarization amount per unit time, the larger the electron emission amount. That is, by controlling the amount of polarization in the emitter section, electrons can be efficiently emitted, so that application to a display or a light source can be facilitated.
[0036]
Then, in the present invention, a first voltage in which the potential of the first electrode is higher than the potential of the second electrode is applied between the first electrode and the second electrode during the first period. Then, the emitter section is polarized in one direction in advance, and a second voltage in which the potential of the first electrode is lower than the potential of the second electrode is applied to the first electrode and the second electrode in a second period. Electrons may be emitted by applying a voltage between the two electrodes to change the polarization of the emitter section.
[0037]
When the emitter section is made of an electrostrictive material, the first voltage applied during the first period may be set to 0 V, and the emitter section may be set in a non-polarized state in advance (claim 13). Thus, in the second period, the electron emission can be performed by the unipolar driving. This leads to simplification of the drive circuit system, which is advantageous in low power consumption, low cost, and miniaturization of the structure.
[0038]
Further, by controlling the level of the second voltage, the amount of polarization of the emitter portion generated within a predetermined time from the start of the second period may be controlled to control the amount of electron emission. (Claim 14).
[0039]
In this case, the level control of the second voltage means that if the second voltage has a pulse shape and the falling edge is a ramp shape, for example, the maximum amplitude and the shift time of the second voltage are controlled. If the second voltage is a rectangular pulse, only the maximum amplitude is controlled. Further, the fixed time is preferably within 10 msec, more preferably within 10 μsec.
[0040]
In addition, after the electron emission, the second voltage applied at the start of the second period is set so that the duration of the electron emission is generated by the minute vibration of the voltage between the first electrode and the second electrode. May be controlled (claim 15).
[0041]
Since the polarization of the electrostrictive material occurs diffusely in accordance with the change in the electric field, as described above, the larger the polarization amount per unit time, the larger the electron emission amount. Further, the potential difference between the voltage level at which electrons are emitted and the voltage level at which the polarization is reset (threshold level) is small.
[0042]
Therefore, once electrons are emitted and the voltage between the first electrode and the second electrode drops, the polarization of the emitter section is easily reset, and a state where 0 V is applied in a pseudo manner.
[0043]
However, in the second period, since the second voltage is applied between the first electrode and the second electrode, the voltage between the first electrode and the second electrode rapidly increases, Polarization is performed again. At this time, since the polarization changes rapidly, the electrons are emitted at a voltage lower than the voltage at the time of the first electron emission.
[0044]
When the voltage between the first electrode and the second electrode drops after the second electron emission, the polarization of the emitter section is easily reset again, and thereafter, the voltage between the first electrode and the second electrode is changed. By the continuous application of the second voltage, the voltage between the first electrode and the second electrode increases again, and polarization is performed. Also in this case, since the change in polarization proceeds rapidly, electron emission is performed at substantially the same voltage as the voltage at the time of the second electron emission.
[0045]
That is, by controlling the level of the second voltage applied in the second period, the voltage between the first electrode and the second electrode vibrates slightly, and the micro vibration causes the sustained emission of electrons. Is possible. That is, in the second period, electron emission by one-sided polarity driving becomes possible. This leads to simplification of the drive circuit system, which is advantageous in low power consumption, low cost, and miniaturization of the structure.
[0046]
In each of the above-described inventions, the first electrode is formed in contact with the emitter section, the second electrode is formed in contact with the emitter section, and a slit is formed together with the first electrode. (Claim 16). In this case, assuming that the width of the slit is d and the voltage between the first electrode and the second electrode is Vak, an electric field E applied to the emitter section and represented by E = Vak / d Then, the polarization inversion or the polarization change is performed (claim 17).
[0047]
In each of the above-mentioned inventions, the first electrode may be formed on a first surface of the emitter section, and the second electrode may be formed on a second surface of the emitter section. Item 18). In this case, when the thickness of the emitter section sandwiched between the first electrode and the second electrode is h and the voltage between the first electrode and the second electrode is Vak, the emitter section , And polarization inversion or polarization change is performed in an electric field E represented by E = Vak / h (claim 19).
[0048]
Preferably, the voltage Vak between the first electrode and the second electrode is lower than the dielectric breakdown voltage of the emitter.
[0049]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of an electron emission method for an electron emission device according to the present invention will be described with reference to FIGS.
[0050]
First, the electron-emitting device according to the present embodiment can be applied to an electron beam irradiation device, a light source, a substitute for an LED, and an electronic component manufacturing device, in addition to a use as a display.
[0051]
The electron beam in the electron beam irradiator has higher energy and better absorption performance than ultraviolet rays in an ultraviolet irradiator which is currently widely used. Examples of applications include, in semiconductor devices, the use of solidifying an insulating film when laminating wafers, the use of curing printing ink evenly in the drying of printing, and the use of sterilizing medical equipment in a package. .
[0052]
The light source is used for high-brightness and high-efficiency specifications, such as a light source for a projector using an ultra-high pressure mercury lamp or the like. When the electron-emitting device according to the present embodiment is applied to a light source, it has features of miniaturization, long life, high-speed lighting, and reduction of environmental load by mercury-free.
[0053]
Alternative applications of LEDs include surface light sources such as indoor lighting, automotive lamps, and traffic lights, and backlights for chip light sources, traffic lights, and small liquid crystal displays for mobile phones.
[0054]
Applications of the electronic component manufacturing apparatus include an electron beam source for a film forming apparatus such as an electron beam evaporation apparatus, an electron source for generating plasma (for activating a gas or the like) in a plasma CVD apparatus, and an electron source for gas decomposition. . There are also vacuum microdevice applications such as high-speed switching elements driven by terahertz and high-current output elements. In addition, it is preferably used as a printer component, that is, a light emitting device for exposing a photosensitive drum or an electron source for charging a dielectric.
[0055]
As an electronic circuit component, a large current output and a high amplification factor can be achieved, and therefore, there are applications to digital devices such as switches, relays and diodes, and analog devices such as operational amplifiers.
[0056]
As shown in FIG. 1, the electron-emitting device 10A according to the first embodiment includes an emitter section 14 formed on a substrate 12 and a first section formed on one surface of the emitter section 14. It has an electrode (cathode electrode) 16 and a second electrode (anode electrode) 20 also formed on one surface of the emitter section 14 and forming a slit 18 with the cathode electrode 16. The drive voltage Va from the pulse generation source 22 is applied between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 via the resistor R1. In the example of FIG. 1, the anode electrode 20 is connected to GND (ground) and the potential of the anode electrode 20 is set to zero. However, it goes without saying that a potential other than zero potential may be used. .
[0057]
When the electron-emitting device 10A is used as a pixel of a display, a third electrode (collector electrode) 24 is disposed above the emitter section 14 at a position facing the slit 18, and the collector electrode 24 is provided. Is coated with a phosphor 28. The collector electrode 24 is connected to a bias voltage source 102 (bias voltage Vc) via a resistor R3.
[0058]
Further, the electron-emitting device 10A according to the first embodiment is naturally arranged in a vacuum space. As shown in FIG. 1, the electron-emitting device 10A has electric field concentration points A and B. The point A is a point including a triple point where the cathode electrode 16 / emitter section 14 / vacuum exists at one point. The point B can also be defined as a point including the triple point where the anode electrode 20 / emitter section 14 / vacuum exists at one point.
[0059]
And the degree of vacuum in the atmosphere is 10 ² -10 ^-6 Pa is preferable, and 10 is more preferable. ^-3 -10 ^-5 Pa.
[0060]
The reason for selecting such a range is as follows: (1) At low vacuum, since there are many gas molecules in the space, plasma is easily generated, and when too much plasma is generated, a large amount of positive ions are generated at the cathode electrode. And (2): the emitted electrons collide with gas molecules before reaching the collector electrode 24, and the electrons of the phosphor 28 are accelerated sufficiently by the collector potential (Vc). This is because the excitation may not be performed sufficiently.
[0061]
On the other hand, in a high vacuum, although electrons are likely to be emitted from the electric field concentration points A and B, there is a problem that the support of the structure and the vacuum seal portion become large, which is disadvantageous for miniaturization.
[0062]
Here, the emitter section 14 is made of a dielectric. As the dielectric, preferably, a dielectric having a relatively high relative permittivity, for example, 1000 or more can be adopted. Such dielectrics include, in addition to barium titanate, lead zirconate, lead magnesium niobate, lead nickel niobate, lead zinc niobate, lead manganese niobate, lead magnesium tantalate, lead nickel tantalate, Ceramics containing lead antimonate stannate, lead titanate, lead magnesium tungstate, lead cobalt niobate, etc., or any combination thereof; those containing 50% by weight or more of these compounds as main components; And oxides of lanthanum, calcium, strontium, molybdenum, tungsten, barium, niobium, zinc, nickel, manganese, etc., or any combination of these, or those to which other compounds are appropriately added. Can be.
[0063]
For example, in a binary nPMN-mPT of lead magnesium niobate (PMN) and lead titanate (PT) (where n and m are mole ratios), increasing the mole ratio of PMN lowers the Curie point. As a result, the relative dielectric constant at room temperature can be increased.
[0064]
In particular, when n = 0.85 to 1.0 and m = 1.0-n, the relative dielectric constant is preferably 3000 or more, which is preferable. For example, when n = 0.91 and m = 0.09, the relative dielectric constant at room temperature is 15000, and when n = 0.95 and m = 0.05, the relative dielectric constant at room temperature is 20,000.
[0065]
Next, in the three-component system of lead magnesium niobate (PMN), lead titanate (PT), and lead zirconate (PZ), besides increasing the molar ratio of PMN, tetragonal and pseudocubic or tetragonal It is preferable to make the composition near the morphotropic phase boundary (MPB: Morphotropic Phase Boundary) of the rhombohedral crystal and the rhombohedral crystal in order to increase the relative dielectric constant. For example, the relative permittivity is 5500 when PMN: PT: PZ = 0.375: 0.375: 0.25, and the relative permittivity is 4500 when PMN: PT: PZ = 0.5: 0.375: 0.125. Are particularly preferred. Further, it is preferable to improve the dielectric constant by mixing a metal such as platinum into these dielectrics as long as the insulating property can be ensured. In this case, for example, platinum may be mixed in the dielectric at a weight ratio of 20%.
[0066]
As described above, the emitter section 14 can use a piezoelectric / electrostrictive layer, an anti-ferroelectric layer, or the like. Examples include, for example, lead zirconate, lead magnesium niobate, lead nickel niobate, lead zinc niobate, lead manganese niobate, lead magnesium tantalate, lead nickel tantalate, lead antimonate stannate, lead titanate, titanate Ceramics containing barium, lead magnesium tungstate, lead cobalt niobate, or the like, or a combination of any of these may be used.
[0067]
It goes without saying that the main component may contain 50% by weight or more of these compounds. Among the above-mentioned ceramics, the ceramic containing lead zirconate is most frequently used as a constituent material of the piezoelectric / electrostrictive layer constituting the emitter section 14.
[0068]
When the piezoelectric / electrostrictive layer is formed of ceramics, the ceramics may further include an oxide such as lanthanum, calcium, strontium, molybdenum, tungsten, barium, niobium, zinc, nickel, or manganese, or any of these. May be used, or ceramics to which other compounds are appropriately added.
[0069]
For example, it is preferable to use a ceramic mainly containing a component composed of lead magnesium niobate, lead zirconate and lead titanate, and further containing lanthanum and strontium.
[0070]
The piezoelectric / electrostrictive layer may be dense or porous, and if porous, its porosity is preferably 40% or less.
[0071]
When an anti-ferroelectric layer is used as the emitter section 14, the anti-ferroelectric layer may be composed mainly of lead zirconate, or composed mainly of components composed of lead zirconate and lead stannate, Further, those obtained by adding lanthanum oxide to lead zirconate and those obtained by adding lead zirconate or lead niobate to a component composed of lead zirconate and lead stannate are desirable.
[0072]
The antiferroelectric film may be porous, and if porous, its porosity is preferably 30% or less.
[0073]
Furthermore, when strontium bismuth tantalate is used for the emitter section 14, polarization inversion fatigue is small, which is preferable. Such a material having a small polarization inversion fatigue is a layered ferroelectric compound, ₂ ) ²⁺ (A _m-1 B _m O _{3m + 1} ) ^2- It is represented by the general formula. Here, the metal A ion is Ca ²⁺ , Sr ²⁺ , Ba ²⁺ , Pb ²⁺ , Bi ³⁺ , La ³⁺ Etc., and the ion of the metal B is Ti ⁴⁺ , Ta ⁵⁺ , Nb ⁵⁺ And so on.
[0074]
Further, the firing temperature can be lowered by mixing a glass component such as lead borosilicate glass or another low melting point compound (such as bismuth oxide) with the piezoelectric / electrostrictive / anti-ferroelectric ceramics. This is advantageous when forming the emitter section 14 on the substrate 12.
[0075]
In addition, by using a material having a high melting point or a high transpiration temperature by using a lead-free material for the emitter section 14, etc., the emitter section 14 is less likely to be damaged by electron or ion collision.
[0076]
Examples of the method for forming the emitter section 14 on the substrate 12 include various thick film forming methods such as a screen printing method, a dipping method, a coating method, and an electrophoresis method, an ion beam method, a sputtering method, a vacuum evaporation method, Various thin film forming methods such as an ion plating method, a chemical vapor deposition method (CVD), and plating can be used.
[0077]
In this embodiment, when forming the emitter section 14 on the substrate 12, a thick film forming method such as a screen printing method, a dipping method, a coating method, and an electrophoresis method is suitably adopted.
[0078]
These methods can be formed by using a paste, slurry, suspension, emulsion, sol, or the like mainly composed of piezoelectric ceramic particles having an average particle size of 0.01 to 5 μm, preferably 0.05 to 3 μm. This is because good piezoelectric operation characteristics can be obtained.
[0079]
In particular, the electrophoresis method includes the fact that a film can be formed with a high density and a high shape accuracy, and is described in “Electrochemistry and Industrial Physical Chemistry, Vol. 53, No. 1 (1985), pp. 63-68, Kazuo Anzai”. Authors "or" 1st Higher Order Forming Method of Ceramics by Electrophoresis "Research Discourse Meeting (1998), p5-6, p23-24, etc. Further, a piezoelectric / electrostrictive / anti-ferroelectric material formed into a sheet shape, a laminate thereof, or a laminate of these materials laminated or bonded to another support substrate may be used. As described above, a method may be appropriately selected and used in consideration of required accuracy, reliability, and the like.
[0080]
Here, the size of the width d of the slit 18 between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 will be described. The voltage between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 (the driving voltage Va output from the pulse generation source 22 When voltage is applied between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 by applying the voltage between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20, the polarization inversion is performed in an electric field E represented by E = Vak / d. It is preferable to set the width d. That is, as the width d of the slit 18 is smaller, the polarization inversion can be performed at a lower voltage, and the electron emission can be performed at a lower voltage drive (for example, less than 100 V). Here, it is preferable that the breakdown voltage of the emitter section 14 is at least 10 kV / mm or more. In this example, when the width d of the slit 18 is, for example, 70 μm, even if a driving voltage of −100 V is applied between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20, a portion of the emitter section 14 exposed from the slit 18 is insulated. It does not lead to destruction.
[0081]
The cathode electrode 16 is made of the following material. That is, a conductor having a small sputtering rate and a high evaporation temperature in a vacuum is preferable. For example, Ar ⁺ The sputtering rate at 600 V is 2.0 or less and the vapor pressure is 1.3 × 10 ^-3 Preferably, the temperature at which Pa is 1800K or more, such as platinum, molybdenum, or tungsten. Further, a conductor having resistance to a high-temperature oxidizing atmosphere, for example, a metal simple substance, an alloy, a mixture of an insulating ceramic and a simple metal, a mixture of an insulating ceramic and an alloy, and the like, preferably, platinum, iridium, It is composed of a high melting point noble metal such as palladium, rhodium, molybdenum or the like, a material mainly containing an alloy such as silver-palladium, silver-platinum, platinum-palladium or a cermet material of platinum and a ceramic material. More preferably, it is composed of a material mainly composed of platinum alone or a platinum-based alloy. In addition, carbon and graphite-based materials, for example, a diamond thin film, diamond-like carbon, and carbon nanotube are preferably used as the electrode. The ratio of the ceramic material added to the electrode material is preferably about 5 to 30% by volume.
[0082]
Further, it is preferable to use a material such as an organic metal paste that can obtain a thin film after firing, such as a platinum resinate paste. Also, an oxide electrode for suppressing polarization inversion fatigue, such as ruthenium oxide, iridium oxide, strontium ruthenate, La _1-x Sr _x CoO ₃ (For example, x = 0.3 or 0.5), La _1-x Ca _x MnO ₃ , La _1-x Ca _x Mn _1-y Co _y O ₃ (For example, x = 0.2, y = 0.05), or a mixture thereof with, for example, a platinum resinate paste is preferable.
[0083]
The cathode electrode 16 is formed using the above-mentioned materials by using various methods for forming a thick film such as screen printing, spraying, coating, dipping, coating, and electrophoresis, sputtering, ion beam, vacuum deposition, and ion plating. It can be formed according to an ordinary film forming method by various thin film forming methods such as chemical vapor deposition (CVD) and plating, and is preferably formed by the former thick film forming method. As for the dimensions of the cathode electrode 16, as shown in FIG. 2, the width W1 was 2 mm, and the length L1 was 5 mm. The thickness of the cathode electrode 16 is preferably 20 μm or less, and more preferably 5 μm or less.
[0084]
The anode electrode 20 is formed by the same material and method as the cathode electrode 16, but is preferably formed by the above-mentioned thick film forming method. The thickness of the anode electrode 20 is also preferably 20 μm or less, and more preferably 5 μm or less. As for the dimensions of the anode electrode 20, as shown in FIG. 2, similarly to the cathode electrode 16, the width W2 was 2 mm and the length L2 was 5 mm.
[0085]
The width d of the slit 18 between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 is 70 μm in the present embodiment.
[0086]
In order to electrically separate the wiring electrically connected to the cathode electrode 16 from the wiring electrically connected to the anode electrode 20, the substrate 12 is preferably made of an electrically insulating material.
[0087]
Accordingly, the substrate 12 can be made of glass, a metal having high heat resistance, or a material such as an enamel whose metal surface is coated with a ceramic material such as glass, but is most preferably made of ceramics. .
[0088]
As the ceramics constituting the substrate 12, for example, stabilized zirconium oxide, aluminum oxide, magnesium oxide, titanium oxide, spinel, mullite, aluminum nitride, silicon nitride, glass, a mixture thereof, or the like can be used. Among them, aluminum oxide and stabilized zirconium oxide are preferable from the viewpoint of strength and rigidity. Stabilized zirconium oxide is particularly suitable from the viewpoints of relatively high mechanical strength, relatively high toughness, relatively small chemical reaction with the cathode electrode 16 and the anode electrode 20, and the like. Note that the stabilized zirconium oxide includes stabilized zirconium oxide and partially stabilized zirconium oxide. Since the stabilized zirconium oxide has a crystal structure such as a cubic system, no phase transition occurs.
[0089]
On the other hand, zirconium oxide undergoes a phase transition between a monoclinic system and a tetragonal system at around 1000 ° C., and cracks may occur during such a phase transition. The stabilized zirconium oxide contains 1 to 30 mol% of a stabilizer such as calcium oxide, magnesium oxide, yttrium oxide, scandium oxide, ytterbium oxide, cerium oxide, or an oxide of a rare earth metal. In order to improve the mechanical strength of the substrate 12, it is preferable that the stabilizer contains yttrium oxide. In this case, the content of yttrium oxide is preferably 1.5 to 6 mol%, more preferably 2 to 4 mol%, and further preferably 0.1 to 5 mol%.
[0090]
The crystal phase can be a mixed phase of cubic + monoclinic, a mixed phase of tetragonal + monoclinic, a mixed phase of cubic + tetragonal + monoclinic, and the like. What made the phase a tetragonal or a mixed phase of tetragonal and cubic is optimal from the viewpoint of strength, toughness and durability.
[0091]
When the substrate 12 is made of ceramics, a relatively large number of crystal grains constitute the substrate 12, but in order to improve the mechanical strength of the substrate 12, the average grain size of the crystal grains is preferably 0.05%. ２2 μm, more preferably 0.1-1 μm.
[0092]
Each time the emitter section 14, the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 are formed, a heat treatment (firing treatment) can be performed to form an integral structure with the substrate 12, and the emitter section 14, the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 can be integrated. After the formation, they may be simultaneously subjected to a baking treatment, and these may be integrally bonded to the substrate 12 at the same time. Note that, depending on the method of forming the cathode electrode 16 and the anode electrode 20, heat treatment (firing) for integration may not be required.
[0093]
The temperature for the baking treatment for integrating the substrate 12, the emitter section 14, the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 is in the range of 500 to 1400C, preferably in the range of 1000 to 1400C. . Further, in the case where the film-shaped emitter section 14 is heat-treated, it is preferable to perform the baking treatment while controlling the atmosphere together with the evaporation source of the emitter section 14 so that the composition of the emitter section 14 does not become unstable at a high temperature.
[0094]
Alternatively, a method may be adopted in which the emitter section 14 is covered with an appropriate member, and firing is performed so that the surface of the emitter section 14 is not directly exposed to the firing atmosphere. In this case, it is preferable to use the same material as the substrate 12 as the covering member.
[0095]
Next, the principle of electron emission of the electron-emitting device 10A will be described with reference to FIGS. First, as shown in FIG. 3, the drive voltage Va output from the pulse generation source 22 includes a period during which the first voltage Va1 is output (preparation period T1) and a period during which the second voltage Va2 is output (electron voltage). The release period T2) is defined as one step, and the one step is repeated. The first voltage Va1 is a voltage at which the potential of the cathode electrode 16 is higher than the potential of the anode electrode 20, and the second voltage Va2 is a voltage at which the potential of the cathode electrode 16 is lower than the potential of the anode electrode 20. The amplitude Vin of the drive voltage Va can be defined by a value obtained by subtracting the second voltage Va2 from the first voltage Va1 (= Va1−Va2). That is, the waveform of the drive voltage Va is a rectangular pulse of the first voltage Va1 in the preparation period T1, and a second voltage Va2 in the electron emission period T2.
[0096]
The preparation period T1 is a period in which the first voltage Va1 is applied between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 to polarize the emitter section 14, as shown in FIG. As the first voltage Va1, a DC voltage may be used as shown in FIG. 3, but a single pulse voltage or a pulse voltage may be continuously applied a plurality of times. Here, it is preferable that the preparation period T1 be longer than the electron emission period T2 in order to sufficiently perform the polarization process. For example, the preparation period T1 is preferably 100 μsec or more. This is because the absolute value of the first voltage Va1 for performing polarization is made smaller than the absolute value of the second voltage Va2 for the purpose of preventing power consumption and damage to the cathode electrode 16 when the first voltage Va1 is applied. Is also set small.
[0097]
Further, the first voltage Va1 and the second voltage Va2 are preferably at voltage levels for positively and negatively polarizing, respectively. For example, when the dielectric of the emitter section 14 has a coercive voltage, It is preferable that the absolute values of the voltage Va1 and the second voltage Va2 are equal to or higher than the coercive voltage.
[0098]
The electron emission period T2 is a period during which the second voltage Va2 is applied between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20. By applying the second voltage Va2 between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20, as shown in FIG. 5A, at least a portion of the emitter section 14 exposed from the slit 18 is reversed in polarity. At this time, assuming that the width of the slit is d (see FIG. 1) and the voltage between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 is Vak, the voltage is applied to the emitter section 14 and is expressed by E = Vak / d. The polarization inversion is performed in the electric field E.
[0099]
Due to this polarization inversion, a local concentrated electric field is generated between the cathode electrode 16 and the positive electrode side of the dipole moment in the vicinity thereof, so that primary electrons are extracted from the cathode electrode 16 and, as shown in FIG. Primary electrons extracted from the cathode electrode 16 collide with the emitter section 14, and secondary electrons are emitted from the emitter section 14.
[0100]
When the cathode electrode 16, the emitter section 14, and the triple point A of vacuum are provided as in the first embodiment, primary electrons are extracted from a portion of the cathode electrode 16 near the triple point A, The primary electrons extracted from the triple point A collide with the emitter 14, and secondary electrons are emitted from the emitter 14. When the thickness of the cathode electrode 16 is extremely thin (〜１０10 nm), electrons are emitted from the interface between the cathode electrode 16 and the emitter 14.
[0101]
Since electrons are emitted according to such a principle, electron emission is performed stably, and the number of times of electron emission can be increased to 2 billion times or more, which is highly practical. In addition, since the amount of emitted electrons increases almost in proportion to the amplitude Vin of the driving voltage Va applied between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20, there is an advantage that the amount of emitted electrons can be easily controlled.
[0102]
Some of the emitted secondary electrons are guided to the collector electrode 24 to excite the phosphor 28, and are embodied as phosphor emission outside. Some other secondary electrons and primary electrons are attracted to the anode electrode 20.
[0103]
Here, the emission distribution of secondary electrons will be described. As shown in FIG. 6, most of the secondary electrons have almost zero energy, and when the secondary electrons are emitted from the surface of the emitter section 14 into a vacuum, they move only according to the surrounding electric field distribution. .
That is, the secondary electrons are accelerated from the state where the initial velocity is almost 0 (m / sec) according to the surrounding electric field distribution. Therefore, as shown in FIG. 5B, assuming that an electric field Ea is generated between the emitter section 14 and the collector electrode 24, the emission trajectory of the secondary electrons is determined along the electric field Ea. That is, an electron source with high straightness can be realized. Such secondary electrons having a small initial velocity are electrons in a solid that have gained energy through Coulomb collision of primary electrons and have jumped out of the emitter section 14.
[0104]
The electric field distribution between the emitter section 14 and the collector electrode 24 can be reduced by appropriately changing the pattern shape and potential of the collector electrode 24, and by arranging a control electrode or the like (not shown) between the emitter section 14 and the collector electrode 24. By arbitrarily setting, the emission trajectory of the secondary electrons is easily controlled, and the convergence, expansion, and deformation of the electron beam diameter are also facilitated.
[0105]
The above-described realization of the electron source having high rectilinearity and the easiness of controlling the emission trajectory of the secondary electrons are achieved when the electron-emitting device 10A according to the first embodiment is configured as a pixel of a display. This is advantageous for narrowing the pitch.
[0106]
By the way, as can be seen from FIG. ₀ Secondary electrons having an energy corresponding to are emitted. The secondary electrons are primary electrons emitted from the cathode electrode 16 and are scattered near the surface of the emitter 14 (reflected electrons).
[0107]
When the thickness of the cathode electrode 16 is larger than 10 nm, most of the reflected electrons are directed to the anode electrode 20. The secondary electrons described in this specification are defined to include the reflected electrons and the Auger electrons.
[0108]
On the other hand, when the thickness of the cathode electrode 16 is extremely thin (〜１０10 nm), the primary electrons emitted from the cathode electrode 16 are reflected at the interface between the cathode electrode 16 and the emitter section 14 and travel toward the collector electrode 24. Become.
[0109]
Next, three specific examples of the electron-emitting device 10A according to the first embodiment will be described.
[0110]
In the electron-emitting device 10Aa according to the first specific example, the constituent material of the emitter section 14 is a piezoelectric material. Other configurations are the same as those of the electron-emitting device 10A according to the above-described first embodiment.
[0111]
Here, an electron emission method of the electron emission element 10Aa according to the first specific example will be described.
[0112]
First, as shown in FIG. 7, the polarization-electric field characteristic of the piezoelectric material constituting the emitter section 14 draws a hysteresis curve based on the electric field E = 0 (V / mm).
[0113]
When attention is paid to the curves from the points p1 to p2 to p3 in the hysteresis curve, almost all of the piezoelectric material is polarized in one direction at the point p1 where a positive electric field is applied. Thereafter, when an electric field of a negative polarity is applied, the polarization starts to be inverted around the point p2 of the coercive electric field (about -700 V / mm), and all the polarizations are inverted at the point p3.
[0114]
Therefore, in the first specific example, as shown in FIG. 8, first, in the preparation period T1, a first voltage Va1 is applied between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 to apply a positive voltage to the emitter section 14. An electric field (approximately 1000 V / mm) is applied. At this time, as can be seen from the polarization-electric field characteristics in FIG. 7, the emitter section 14 is polarized in one direction.
[0115]
Thereafter, in the electron emission period T2 in FIG. 8, a second voltage Va2 is applied between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 to quickly apply an electric field (for example, about -1000 V / mm) exceeding the coercive electric field to the emitter section 14. 7), electrons are emitted at a point p4 before reaching the point p3 shown in FIG. This is because, as shown in FIG. 8, a slight voltage drop occurs at the peak time P1 of the voltage Vak between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 during a certain time tc1 (within 10 μsec here) from the start of the electron emission period T2. It can be seen that electron emission is performed at this peak point P1. That is, at the peak point P1, a current (collector current Ic) rapidly flows through the collector electrode 24, which indicates that the emitted electrons are captured by the collector electrode 24.
[0116]
By supplying the second voltage Va2 to the cathode electrode 16 as described above, secondary electrons are emitted from the emitter section 14 or from the interface between the cathode electrode 16 and the emitter section 14 as described above. Will be.
[0117]
After the electron emission, the voltage Vak between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 is increased again by the second voltage Va2 applied to the cathode electrode 16, but the voltage drop during the electron emission described above is slightly reduced. (The voltage drop level is about 20 V), the electron emission does not occur, and the process ends only with the first electron emission.
[0118]
As described above, in the electron emission method of the electron emission element 10Aa according to the first specific example, by applying an electric field exceeding the coercive electric field to the unidirectionally polarized emitter section 14 at high speed, the electrons can be efficiently emitted. Is released, and application to a display, a light source, and the like can be facilitated.
[0119]
The electric field at which electron emission is performed (the electric field at the point p4) is an electric field exceeding the coercive electric field and the polarization inversion is almost completed, and these electric fields are almost constant. That is, the electron emission characteristics are digital. Further, since the electric field in which the electron emission is performed depends on the coercive electric field, the lower the coercive electric field, the lower the voltage of the driving voltage system becomes.
[0120]
Further, in this electron emission method, the level of the second voltage Va2 applied between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 is controlled, so that the electron emission period T2 starts within a certain time tc1, for example, within 10 μsec. , An electric field exceeding the coercive electric field can be applied to the emitter section 14.
[0121]
In this case, the level control of the second voltage Va2 is performed by controlling only the maximum amplitude (= Va2) if the second voltage Va2 has a pulse shape and is a rectangular pulse as shown in FIG. 9A. As shown in FIG. 9B, if the fall is a ramp-shaped pulse, for example, the maximum amplitude of the second voltage Va2 and the shift time ta (time from the start of the electron emission period T2 to the maximum amplitude) are controlled. And so on.
[0122]
In the electron-emitting device 10Aa according to the first specific example, in order to realize continuous electron emission, the electron-emitting device 10Aa can be easily realized by adopting a waveform having positive and negative alternating pulses as the waveform of the driving voltage Va. Can be.
[0123]
Next, an electron-emitting device 10Ab according to a second specific example will be described. The configuration of the electron-emitting device 10Ab according to the second specific example is the same as that of the electron-emitting device 10A according to the above-described first embodiment except that the constituent material of the emitter section 14 is an antiferroelectric material. It is.
[0124]
Here, an electron emission method of the electron emission element 10Ab according to the second specific example will be described.
[0125]
First, as shown in FIG. 10, in the polarization-electric field characteristic of the antiferroelectric material constituting the emitter section 14, only the induced polarization proportional to the voltage is observed under a low electric field, but exceeds a certain electric field. And a ferroelectric (electric-field-induced forced phase transition), and polarization hysteresis appears above and below the electric field. However, when the electric field is removed again, the state returns to the original paraelectric substance (the state where the polarization is reset).
[0126]
When attention is paid to the curves from the points p11 to p12 to p13 in the hysteresis curve, the antiferroelectric material is almost unidirectionally polarized at the point p11 to which a positive electric field is applied. Thereafter, when the intensity of the electric field is reduced, the amount of polarization starts to sharply decrease around a point beyond the point p12. At a point p13 where the electric field intensity is 0, the dielectric material becomes a paraelectric substance, and the polarization is reset. It has become. Thereafter, when a negative electric field is applied, the emitter section 14 undergoes a phase transition to a ferroelectric substance, and polarization inversion starts to be performed at a point beyond the point p14 of the electric field (about -2300 V / mm). Polarization will take place in the direction.
[0127]
Therefore, in the second specific example, as shown in FIG. 11, first, in the preparation period T1, the first voltage Va1 is applied between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 to apply a positive voltage to the emitter section 14. An electric field (approximately 3000 V / mm) is applied. At this time, as can be seen from the polarization-electric field characteristics in FIG. 10, the emitter section 14 is polarized in one direction. Note that the first voltage Va1 may be set to the reference voltage (0 V) so that no electric field is applied to the emitter section 14 during the preparation period T1. In this case, as can be seen from the polarization-electric field characteristics, the emitter section 14 is in a non-polarized state in advance.
[0128]
After that, in the electron emission period T2, the second voltage Va2 is applied between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20, and an electric field (for example, about -3000 V / mm) is applied to the emitter section 14 at a high speed, so that the emitter voltage is reduced. When the polarization of the portion 14 is changed, electrons are emitted at a point p16 before reaching the point p15 in FIG.
[0129]
This is because, as shown in FIG. 11, a voltage drop is observed at the peak point P1 of the voltage Vak between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 within a fixed time tc2 (in this case, 10 μsec) from the start point of the electron emission period T2. It can be seen that electron emission is performed at this peak point P1. That is, at the peak point P1, a current (collector current Ic) rapidly flows through the collector electrode 24, which indicates that the emitted electrons are captured by the collector electrode 24.
[0130]
By the way, when the antiferroelectric material turns into a ferroelectric substance by phase transition, the difference between the electric field at which electrons are emitted (the electric field at the point p16) and the electric field at which the polarization is almost reset (the electric field at the point p17) is determined. small. Therefore, once electrons are emitted and the voltage between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 drops, the polarization of the emitter section 14 is easily reset, and a state in which a reference voltage of 0 V is applied in a pseudo manner.
[0131]
However, in the electron emission period T2, since the second voltage Va2 is applied between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20, the voltage Vak between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 is rapidly required for electron emission. The level is reached, and electron emission is performed again.
[0132]
Accordingly, by continuously applying the second voltage Va2 during the electron emission period T2, the above-described series of operations is continuously performed, and by controlling the level of the second voltage Va2, the number of continuous operations is reduced. Can also be controlled.
The example of FIG. 10 shows a case where electron emission is performed four times consecutively.
[0133]
As described above, in the electron emission method of the electron emission element 10Ab according to the second specific example, an electric field is applied to the emitter section 14 at a high speed to cause the emitter section 14 to undergo a phase transition to a ferroelectric substance, and By changing the polarization of electrons, electrons are efficiently emitted, and application to a display, a light source, and the like can be facilitated.
[0134]
The electric field at which electrons are emitted (the electric field at the point p16) is an electric field in which the polarization inversion is almost completed, and these electric fields are almost constant. That is, the electron emission characteristics are digital. Further, the electric field at which the electron emission is performed depends on the electric field (forced phase transition electric field) at which the emitter section 14 undergoes a phase transition to a ferroelectric substance. Therefore, the smaller the forced phase transition electric field, the lower the voltage of the driving voltage system becomes. It becomes possible.
[0135]
Further, in this electron emission method, the polarization can be almost reset without setting the applied electric field to the positive polarity. Therefore, in the electron emission period T2, electrons can be emitted only by one-sided polarity drive (drive to the negative polarity). This leads to simplification of the drive circuit system, which is advantageous in low power consumption, low cost, and miniaturization of the structure.
[0136]
Further, by controlling the level of the second voltage Va2 applied between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 (controlling the maximum amplitude and the shift time ta), a certain time tc2 from the start of the electron emission period T2 is obtained. For example, within 10 μsec, it is possible to apply an electric field enough to cause the emitter 14 to undergo a phase transition to a ferroelectric and to polarize the emitter 14.
[0137]
Next, an electron-emitting device 10Ac according to a third specific example will be described. The structure of the electron-emitting device 10Ac according to the third specific example is the same as that of the electron-emitting device 10A according to the above-described first embodiment, except that the constituent material of the emitter section 14 is an electrostrictive material. .
[0138]
Here, an electron emission method of the electron emission element 10Ac according to the third specific example will be described. First, as shown in FIG. 12, the polarization-electric field characteristic of the electrostrictive material constituting the emitter section 14 is such that polarization is performed in an amount almost proportional to the electric field. It is larger than the change in polarization at a high electric field. In any case, it can be seen that the polarization at the emitter section 14 occurs diffusely according to the change in the electric field. When the electric field is removed, the polarization is reset.
[0139]
When attention is paid to curves p21 to p23 in the characteristic curve, the electrostrictive material is almost unidirectionally polarized at a point p21 where a positive electric field is applied. Thereafter, when the intensity of the electric field is reduced, the amount of polarization in one direction is reduced in accordance with the intensity of the electric field of the positive polarity. It has been done. Thereafter, when an electric field of a negative polarity is applied, polarization inversion starts to be performed, and as the intensity of the electric field of the negative polarity increases, the amount of polarization in the other direction increases. Will be done. That is, the emitter 14 is polarized by an amount corresponding to the applied electric field.
[0140]
Accordingly, in the third specific example, as shown in FIG. 13, first, in the preparation period T1, the first voltage Va1 is applied between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 to apply a positive voltage to the emitter section 14. An electric field (about 2000 V / mm) is applied. At this time, as can be seen from the polarization-electric field characteristics in FIG. 12, the emitter section 14 is polarized in one direction. Note that the first voltage Va1 may be set to the reference voltage (0 V) so that no electric field is applied to the emitter section 14 during the preparation period T1. In this case, as can be seen from the polarization-electric field characteristics, the emitter section 14 is in a non-polarized state in advance.
[0141]
Thereafter, in the electron emission period T2, the second voltage Va2 is applied between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20, and an electric field (for example, about -2000 V / mm) is applied to the emitter section 14, thereby causing the emitter section 14 to have an electric field. When the polarization is changed, electrons are emitted at point p23. This is because, as shown in FIG. 13, a voltage drop is observed at a peak time P1 of the voltage Vak between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 during a certain time tc3 (here, within 10 μsec) from the start of the electron emission period T2. It can be seen that electron emission is performed at this peak point P1. That is, at the peak point P1, a current (collector current Ic) rapidly flows through the collector electrode 24, which indicates that the emitted electrons are captured by the collector electrode 24.
[0142]
As described above, in the electron-emitting device 10Ac according to the third specific example, since the polarization in the emitter section 14 occurs diffusely according to the change in the electric field, the electron emission amount increases as the polarization amount per unit time increases. More. That is, the electron emission characteristics are analog.
[0143]
Further, the potential difference between the electric field at which the electron is emitted (point p23) and the electric field at which the polarization is reset (the electric field at point p22) is small. Therefore, once electrons are emitted and the voltage Vak between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 drops, the polarization of the emitter section 14 is easily reset, and a state in which the reference voltage 0 V is applied in a simulated manner.
[0144]
However, in the electron emission period T2, since the second voltage Va2 is applied between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20, the voltage Vak between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 rapidly increases, and the polarization recurs. Is going on. At this time, since the polarization changes rapidly, the electrons are emitted at a voltage lower than the voltage at the time of the first electron emission.
[0145]
When the voltage Vak between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 drops after the second electron emission is performed, the polarization of the emitter section 14 is easily reset again, and thereafter, the second voltage between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 is reduced. 2, the voltage Vak between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 increases again, and polarization is performed. Also in this case, since the change in polarization proceeds rapidly, electron emission is performed at substantially the same voltage as the voltage at the time of the second electron emission.
[0146]
That is, after the first electron emission, the voltage Vak between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 vibrates finely, and the microvibration keeps the electron emission. By controlling the level of the second voltage Va2, it is possible to control the duration of electron emission.
[0147]
As described above, in the electron emission method of the electron emission element 10Ac according to the third specific example, electrons can be efficiently emitted by controlling the amount of polarization in the emitter section 14, so that the display, the light source, and the like can be used. Application can be facilitated.
[0148]
Further, as described above, the larger the amount of polarization per unit time, the lower the intensity of the electric field can be, so that the driving voltage system can be reduced in voltage.
[0149]
Further, in this electron emission method, the polarization can be almost reset without setting the applied electric field to the positive polarity. Therefore, in the electron emission period T2, electrons can be emitted only by one-sided polarity drive (drive to the negative polarity). This leads to simplification of the drive circuit system, which is advantageous in low power consumption, low cost, and miniaturization of the structure.
[0150]
Further, by controlling the level of the second voltage Va2 applied between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 (controlling the maximum amplitude and the shift time ta), a fixed time tc3 from the start of the electron emission period T2. The electron emission amount can be controlled by controlling the polarization amount of the emitter section 14 generated within, for example, 10 μsec.
[0151]
Next, an electron-emitting device 10B according to a second embodiment will be described with reference to FIGS. 14 to 23B.
[0152]
As shown in FIG. 14, the electron-emitting device 10B according to the second embodiment has substantially the same configuration as the electron-emitting device 10A according to the above-described first embodiment. A different point is that the anode electrode 20 is formed on the back surface of the emitter section 14 and the anode electrode 20 is formed on the front face of the emitter section 14.
[0153]
The drive voltage Va is applied between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 through, for example, a lead electrode 17 extending to the cathode electrode 16 and a lead electrode 21 extending to the anode electrode 20, as shown in FIG.
[0154]
When the electron-emitting device 10B is used as a pixel of a display, a collector electrode 24 is disposed above the cathode electrode 16, and a phosphor 28 is applied to the collector electrode 24.
[0155]
The thickness h (FIG. 14) of the emitter section 14 between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 is such that when the voltage between the electrodes 16 and 20 is Vak, the polarization is inverted by an electric field E represented by E = Vak / h. It is preferable to set the thickness h so that the following is performed.
That is, as the thickness h is smaller, the polarization reversal or the polarization change can be performed at a lower voltage, and the electron emission can be performed at a lower voltage drive (for example, less than 100 V). It is preferable that the breakdown voltage of the emitter section 14 is at least 10 kV / mm or more. Here, it is preferable that the breakdown voltage of the emitter section 14 is at least 10 kV / mm or more. In this example, when the thickness h of the emitter section 14 is, for example, 20 μm, even if a driving voltage of −100 V is applied between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20, the emitter section 14 does not cause dielectric breakdown.
[0156]
The planar shape of the cathode electrode 16 may be an elliptical shape as shown in FIG. 15 or a ring shape as in the electron-emitting device 10Ba according to the first modification shown in FIG. Alternatively, it may be in a comb shape like the electron-emitting device 10Bb according to the second modification shown in FIG.
[0157]
By making the planar shape of the cathode electrode 16 ring-shaped or comb-shaped, the triple point of the cathode electrode 16 / emitter portion 14 / vacuum, which is also the electric field concentration point A, is increased, and the electron emission efficiency can be improved.
[0158]
The thickness tc (see FIG. 14) of the cathode electrode 16 is preferably 20 μm or less, and more preferably 5 μm or less. Therefore, the thickness tc of the cathode electrode 16 may be set to 100 nm or less. In particular, when the thickness tc of the cathode electrode 16 is extremely thin (10 nm or less) as in the electron-emitting device 10Bc according to the third modification shown in FIG. Electrons are emitted from the interface, and the electron emission efficiency can be further improved.
[0159]
On the other hand, the anode electrode 20 is formed of the same material and method as the cathode electrode 16, but is preferably formed by the above-mentioned thick film forming method. The thickness of the anode electrode 20 is also preferably 20 μm or less, and more preferably 5 μm or less.
[0160]
Next, the principle of electron emission of the electron-emitting device 10B will be described with reference to FIGS. 14, 19 to 23B. Also in the second embodiment, as shown in FIG. 19, similarly to the above-described first embodiment, a period during which the first voltage Va1 is output (preparation period T1) and a second voltage Va2. Is output (electron emission period T2) as one step, and the one step is repeated.
[0161]
First, in the preparation period T1, as shown in FIG. 20, when the first voltage Va1 is applied between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20, the emitter section 14 is polarized in one direction. In this case as well, the first voltage Va1 may be a DC voltage as shown in FIG. 19, but a single pulse voltage or a pulse voltage may be continuously applied a plurality of times. Further, it is preferable that the preparation period T1 be longer than the electron emission period T2 in order to sufficiently perform the polarization process. For example, the preparation period T1 is preferably 100 μsec or more.
[0162]
Thereafter, during the electron emission period T2, by applying the second voltage Va2 between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20, at least a part of the emitter section 14 undergoes polarization inversion or polarization change as shown in FIG. You. Here, the portion where the polarization inversion or polarization change is performed is not limited to the portion immediately below the cathode electrode 16, but also does not have the cathode electrode 16 directly above, and the portion where the surface is exposed is also in the vicinity of the cathode electrode 16. Then, the polarization inversion or the polarization change is similarly performed. That is, in the vicinity of the cathode electrode 16 where the surface of the emitter section 14 is exposed, the exudation of polarization occurs. Due to this polarization inversion or polarization change, a local concentrated electric field is generated between the cathode electrode 16 and the positive electrode side of the dipole moment in the vicinity thereof, so that primary electrons are extracted from the cathode electrode 16 and extracted from the cathode electrode 16. The collected primary electrons collide with the emitter section 14, and secondary electrons are emitted from the emitter section 14.
[0163]
When the cathode electrode 16, the emitter section 14 and the triple point A of vacuum are provided as in the second embodiment, primary electrons are extracted from a portion of the cathode electrode 16 near the triple point A, The primary electrons extracted from the triple point A collide with the emitter section 14, and secondary electrons are emitted from the emitter section 14. When the thickness of the cathode electrode 16 is extremely thin (〜１０10 nm), electrons are emitted from the interface between the cathode electrode 16 and the emitter 14.
[0164]
Here, the operation due to the application of the second voltage Va2 will be described in more detail. First, by applying the second voltage Va2 between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20, secondary electrons are emitted from the emitter section 14 as described above. In other words, the dipole moment charged near the cathode electrode 16 in the polarization-reversed or polarization-changed emitter section 14 extracts emitted electrons.
[0165]
In other words, a local cathode is formed in the vicinity of the interface with the emitter section 14 of the cathode electrode 16, and the positive pole of the dipole moment charged in the portion of the emitter section 14 near the cathode electrode 16 is locally formed. Electrons are extracted from the cathode electrode 16 as an effective anode, and some of the extracted electrons are guided to the collector electrode 24 (see FIG. 14) to excite the phosphor 28 and to emit fluorescence to the outside. It will be embodied as body light. Some of the extracted electrons collide with the emitter 14 to emit secondary electrons from the emitter 14, and the secondary electrons are guided to the collector electrode 24 to form the fluorescent material 28. Will be excited. The emission distribution of secondary electrons in the electron-emitting device 10B according to the second embodiment also has the same characteristics as those in FIG. Therefore, the majority of the secondary electrons have almost zero energy, and when the secondary electrons are emitted from the surface of the emitter section 14 into a vacuum, they move only according to the surrounding electric field distribution. That is, the secondary electrons are accelerated from the state where the initial velocity is almost 0 (m / sec) according to the surrounding electric field distribution. Therefore, as shown in FIG. 14, when an electric field Ea is generated between the emitter section 14 and the collector electrode 24, the emission trajectory of the secondary electrons is determined along the electric field Ea. That is, an electron source with high straightness can be realized. Such secondary electrons having a small initial velocity are electrons in a solid that have gained energy through Coulomb collision of primary electrons and have jumped out of the emitter section 14.
[0166]
Also, the energy E of the primary electrons ₀ The secondary electrons having energy equivalent to the above are the primary electrons emitted from the cathode electrode 16 scattered near the surface of the emitter section 14 (reflected electrons). Here, the secondary electrons emitted from the emitter section 14 to the phosphor are secondary electrons having a small initial velocity, that is, electrons in the solid that have jumped out of the emitter section 14 by gaining energy by Coulomb collision of the primary electrons. , Auger electrons, and reflected electrons. When the thickness of the cathode electrode 16 is extremely thin (〜１０10 nm), the primary electrons emitted from the cathode electrode 16 are reflected at the interface between the cathode electrode 16 and the emitter section 14 and travel toward the collector electrode 24.
[0167]
Here, as shown in FIG. 21, the electric field strength E at the electric field concentration point A is shown. _A Is the potential difference between the local anode and the local cathode as V (la, lk) and the distance between the local anode and the local cathode as d ( _A And E _A = V (la, lk) / d _A There is a relationship. In this case, the distance d between the local anode and the local cathode _A Is very small, the electric field strength E required for electron emission is _A (Electric field strength E _A Is shown by a solid line arrow in FIG. 21). This leads to lowering of the voltage Vak.
[0168]
If the emission of electrons from the cathode electrode 16 proceeds as it is, the constituent atoms of the emitter portion 14 that evaporate and float due to Joule heat are ionized into positive ions and electrons by the emitted electrons, and the electrons generated by the ionization Further ionize the constituent atoms and the like of the emitter section 14, so that the number of electrons increases exponentially. When the electrons progress and the electrons and positive ions are neutrally present, local plasma is formed. It is conceivable that secondary electrons also promote the ionization. It is also conceivable that the positive electrode generated by the ionization collides with, for example, the cathode electrode 16 to damage the cathode electrode 16.
[0169]
However, in the electron-emitting device 10B according to the second embodiment, as shown in FIG. 22, the electrons extracted from the cathode electrode 16 are applied to the positive pole of the dipole moment of the emitter 14 existing as the local anode. As a result, the surface of the emitter section 14 near the cathode electrode 16 is charged to a negative polarity. As a result, the electron acceleration factor (local potential difference) is alleviated, and there is no potential for secondary electron emission, so that the negative charging on the surface of the emitter 14 further proceeds.
[0170]
Therefore, the local positive polarity of the anode in the dipole moment is weakened, and the electric field strength E between the local anode and the local cathode is reduced. _A Becomes smaller (the electric field strength E _A Is reduced by a broken arrow in FIG. 22), and the electron emission stops.
[0171]
That is, as shown in FIG. 23A, when the first voltage Va1 is set to, for example, +50 V and the second voltage Va2 is set to, for example, -100 V, as the driving voltage Va applied between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20, electron emission is performed. The voltage change ΔVak between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 at the peak point P1 at which is performed is within 20 V (about 10 V in the example of FIG. 23B), and there is almost no change. Therefore, the generation of positive ions is scarcely generated, and the damage of the cathode electrode 16 due to the positive ions can be prevented, which is advantageous in extending the life of the electron-emitting device 10B.
[0172]
By the way, the electrons emitted from the emitter section 14 collide again with the emitter section 14 or the emitter section 14 is damaged by ionization or the like near the surface of the emitter section 14, and crystal defects are induced. May also become brittle.
[0173]
Therefore, it is preferable that the emitter section 14 be made of a dielectric material having a high evaporation temperature in a vacuum, for example, BaTiO containing no Pb. ₃ Or the like. This makes it difficult for the constituent atoms of the emitter section 14 to evaporate due to Joule heat, thereby preventing promotion of ionization by electrons. This is effective in protecting the surface of the emitter section 14.
[0174]
Next, an electron-emitting device 10C according to a third embodiment will be described with reference to FIG.
[0175]
As shown in FIG. 24, the electron-emitting device 10C according to the third embodiment has substantially the same configuration as the above-described electron-emitting device 10A according to the first embodiment. The anode electrode 20 is formed on the substrate 12, the emitter section 14 is formed on the substrate 12 and covers the anode electrode 20, and the cathode electrode 16 is formed on the emitter section 14. Is different.
[0176]
Also in this case, similarly to the electron-emitting device 10B according to the above-described second embodiment, it is possible to prevent the cathode electrode 16 from being damaged by positive ions, which is advantageous in extending the life of the electron-emitting device 10C.
[0177]
In the electron-emitting devices 10B and 10C according to the above-described second and third embodiments, the above-described piezoelectric material, antiferroelectric material, and electrostrictive material can be used as the constituent material of the emitter section 14.
[0178]
In the electron-emitting devices 10B and 10C according to the above-described second and third embodiments, since the dipole moment appearing on the cathode electrode 16 side is only positive or negative, the The local electric field formed between them can be increased. Moreover, in the second and third embodiments, only the positive pole of the dipole moment is arranged near the cathode electrode 16 which is negative when the polarization of the emitter section 14 is reversed or changed. Therefore, it is preferable to extract primary electrons from the cathode electrode 16.
[0179]
In the electron-emitting devices 10B and 10C according to the above-described second and third embodiments, one cathode electrode 16 and one anode electrode 20 are formed on one emitter section 14 to form one electron emission element. Although an example in which the element 10B (10C) is configured is shown, a plurality of electron-emitting elements 10 (1), 10 (2), and 10 (3) may be provided in one emitter section 14 as shown in FIG. It is also possible to form.
[0180]
That is, in the first configuration example 100A shown in FIG. 25, a plurality of cathode electrodes 16a, 16b, 16c are independently formed on the surface of one emitter section 14, and a plurality of anode electrodes 20a, 20b are formed on the back surface of the emitter section. , 20c are formed to form a plurality of electron-emitting devices 10 (1), 10 (2), and 10 (3). Each of the anode electrodes 20a, 20b, 20c is formed below the corresponding cathode electrode 16a, 16b, 16c with the emitter section 14 interposed therebetween.
[0181]
In the second configuration example 100B shown in FIG. 26, a plurality of cathode electrodes 16a, 16b, 16c are independently formed on the surface of one emitter section 14, and one anode electrode 20 (common An example is shown in which a plurality of electron-emitting devices 10 (1), 10 (2), and 10 (3) are formed by forming an anode electrode).
[0182]
In the third configuration example 100 </ b> C shown in FIG. 27, one ultrathin (〜１０10 nm) cathode electrode 16 (common cathode electrode) is formed on the surface of one emitter unit 14, and each cathode electrode 16 is independently formed on the back surface of the emitter unit 14. 5 shows a case where a plurality of anode electrodes 20a, 20b, and 20c are formed to form a plurality of electron-emitting devices 10 (1), 10 (2), and 10 (3).
[0183]
In a fourth configuration example 100D shown in FIG. 28, a plurality of anode electrodes 20a, 20b, and 20c are independently formed on the substrate 12, and one emitter section 14 is formed so as to cover these anode electrodes 20a, 20b, and 20c. Formed, and a plurality of cathode electrodes 16a, 16b, 16c are independently formed on the emitter section 14 to form a plurality of electron-emitting devices 10 (1), 10 (2), 10 (3). Is shown. Each cathode electrode 16a, 16b, 16c is formed on the corresponding anode electrode 20a, 20b, 20c with the emitter section 14 interposed therebetween.
[0184]
In the fifth configuration example 100E shown in FIG. 29, one anode electrode 20 is formed on the substrate 12, one emitter portion 14 is formed so as to cover the anode electrode 20, and a plurality of Are formed independently to form a plurality of electron-emitting devices 10 (1), 10 (2), and 10 (3).
[0185]
In the sixth configuration example 100F shown in FIG. 30, a plurality of anode electrodes 20a, 20b, and 20c are independently formed on the substrate 12, and one emitter section is formed so as to cover the plurality of anode electrodes 20a, 20b, and 20c. 14 is formed, and one ultra-thin cathode electrode 16 is further formed on the emitter section 14 to form a plurality of electron-emitting devices 10 (1), 10 (2), and 10 (3).
[0186]
In the first to sixth configuration examples 100A to 100F, a plurality of electron-emitting devices 10 (1), 10 (2), and 10 (3) can be configured by one emitter section 14, and will be described later, for example. Thus, it is suitable when each of the electron-emitting devices 10 (1), 10 (2), and 10 (3) is configured as a pixel of a display.
[0187]
In the electron-emitting devices 10A to 10C according to the above-described first to third embodiments, as shown in FIG. Such effects can be obtained.
[0188]
(1) It can be made extremely thin (panel thickness = several mm) as compared with a CRT.
[0189]
(2) Due to the natural light emission by the phosphor 28, a wide viewing angle of approximately 180 ° can be obtained as compared with an LCD (Liquid Crystal Display) or an LED (Light Emitting Diode).
[0190]
(3) Since a plane electron source is used, there is no image distortion as compared with a CRT.
[0191]
(4) High-speed response is possible as compared with LCD, and a high-speed response on the order of μsec enables moving image display with no afterimage.
[0192]
(5) It is about 100 W in terms of 40 inches, and consumes lower power than CRTs, PDPs (plasma displays), LCDs and LEDs.
[0193]
(6) The operating temperature range is wider (-40 to + 85 ° C.) than PDP and LCD. Incidentally, the response speed of the LCD decreases at low temperatures.
[0194]
(7) Since the phosphor can be excited by a large current output, higher brightness can be achieved as compared with a conventional FED display.
[0195]
(8) Since the drive voltage can be controlled by the polarization reversal characteristic (or polarization change characteristic) and the film thickness of the piezoelectric material, lower voltage driving is possible as compared with the conventional FED display.
[0196]
From these various effects, various display applications can be realized as described below.
[0197]
(1) It is most suitable for home use (television, home theater) and public use (waiting room, karaoke, etc.) of a 30 to 60 inch display from the viewpoint of realizing high luminance and low power consumption.
[0198]
(2) From the aspect of realizing high brightness, large screen, full color, and high definition, it has a great effect on customer attraction (in this case, visual attention), and displays irregularly shaped displays such as landscape and portrait, Ideal for use at exhibitions and message boards for information boards.
[0199]
(3) It is most suitable for an in-vehicle display because it can realize a high brightness, a wide viewing angle associated with phosphor excitation, and a wide operating temperature range associated with a vacuum module. The specifications for a vehicle-mounted display are 15: 9 or the like, 8 inches horizontally (pixel pitch 0.14 mm), operating temperature is -30 to + 85 ° C., and 500 to 600 cd / m in a perspective direction. ² is necessary.
[0200]
In addition, from the various effects described above, various light source applications can be realized as described below.
[0201]
(1) From the viewpoint of realizing high luminance and low power consumption, it is most suitable for a light source for a projector that requires 2000 lumens as a luminance specification.
[0202]
(2) Since it is easy to realize a high-luminance two-dimensional array light source, has a wide operating temperature range, and has no change in luminous efficiency even in an outdoor environment, it is promising as a substitute for LEDs. For example, it is optimal as a substitute for a two-dimensional array LED module such as a traffic light. Note that the LED has a lower allowable current at 25 ° C. or higher, and has low brightness.
[0203]
In addition, the electron emission method of the electron emission element according to the present invention is not limited to the above-described embodiment, but may adopt various configurations without departing from the gist of the present invention.
[0204]
【The invention's effect】
As described above, according to the electron emission method of the electron emission element according to the present invention, it is possible to cause the electron emission element having the emitter section made of the piezoelectric material to efficiently emit electrons, Application to displays, light sources, and the like can be facilitated.
[0205]
Further, according to the electron emission method for an electron emission device according to the present invention, an electron emission device having an emitter portion made of an antiferroelectric material can be made to efficiently emit electrons. And application to light sources and the like can be facilitated.
[0206]
Further, according to the electron emission method for an electron emission element according to the present invention, an electron emission element having an emitter portion made of an electrostrictive material can be efficiently emitted, and a display or a light source Etc. can be easily applied.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating an electron-emitting device according to a first embodiment (electron-emitting devices according to first to third specific examples);
FIG. 2 is a plan view showing an electrode portion of the electron-emitting device according to the first embodiment.
FIG. 3 is a waveform diagram showing a drive voltage output from a pulse generation source.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing an operation when a first voltage is applied between a cathode electrode and an anode electrode.
FIG. 5A is an explanatory diagram showing an operation (emission of primary electrons) when a second voltage is applied between a cathode electrode and an anode electrode, and FIG. FIG. 4 is an explanatory view showing the principle of secondary electron emission based on the principle.
FIG. 6 is a characteristic diagram showing a relationship between the energy of emitted secondary electrons and the amount of emitted secondary electrons.
FIG. 7 is a diagram showing polarization-electric field characteristics of a piezoelectric material.
FIG. 8 shows a drive voltage applied between a cathode electrode and an anode electrode, a collector current flowing through a collector electrode, and a change in a voltage between the cathode electrode and the anode electrode in the electron-emitting device according to the first specific example. It is a waveform diagram.
9A is a waveform diagram illustrating an example of a drive voltage (rectangular pulse), and FIG. 9B is a waveform diagram illustrating another example of the drive voltage (a pulse having a falling edge).
FIG. 10 is a diagram showing polarization-electric field characteristics of an antiferroelectric material.
FIG. 11 shows a drive voltage applied between a cathode electrode and an anode electrode, a collector current flowing through a collector electrode, and a change in a voltage between the cathode electrode and the anode electrode in the electron-emitting device according to the second specific example. It is a waveform diagram.
FIG. 12 is a diagram showing polarization-electric field characteristics of an electrostrictive material.
FIG. 13 shows a drive voltage applied between a cathode electrode and an anode electrode, a collector current flowing through a collector electrode, and a change in a voltage between the cathode electrode and the anode electrode in the electron-emitting device according to the third specific example. It is a waveform diagram.
FIG. 14 is a configuration diagram illustrating an electron-emitting device according to a second embodiment.
FIG. 15 is a plan view showing an electrode portion of an electron-emitting device according to a second embodiment.
FIG. 16 is a plan view showing electrode portions in a first modification of the electron-emitting device according to the second embodiment.
FIG. 17 is a plan view showing an electrode portion in a second modification of the electron-emitting device according to the second embodiment.
FIG. 18 is a configuration diagram showing a third modification of the electron-emitting device according to the second embodiment.
FIG. 19 is a waveform diagram showing a drive voltage output from a pulse generation source.
FIG. 20 is an explanatory diagram showing an operation when a first voltage is applied between a cathode electrode and an anode electrode.
FIG. 21 is an explanatory diagram showing an electron emission effect when a second voltage is applied between a cathode electrode and an anode electrode.
FIG. 22 is an explanatory diagram showing an action of self-stop of electron emission with negative charging on the surface of the emitter section.
FIG. 23A is a waveform diagram showing an example of a driving voltage, and FIG. 23B is a waveform diagram showing a change in voltage between an anode electrode and a cathode electrode in the electron-emitting device according to the second embodiment. is there.
FIG. 24 is a configuration diagram showing an electron-emitting device according to a third embodiment.
FIG. 25 is an explanatory diagram showing a first configuration example in which a plurality of electron-emitting devices are combined.
FIG. 26 is an explanatory diagram showing a second configuration example in which a plurality of electron-emitting devices are combined.
FIG. 27 is an explanatory diagram showing a third configuration example in which a plurality of electron-emitting devices are combined.
FIG. 28 is an explanatory diagram showing a fourth configuration example in which a plurality of electron-emitting devices are combined.
FIG. 29 is an explanatory diagram showing a fifth configuration example in which a plurality of electron-emitting devices are combined.
FIG. 30 is an explanatory diagram showing a sixth configuration example in which a plurality of electron-emitting devices are combined.
[Explanation of symbols]
10A, 10Aa to 10Ac, 10B, 10Ba to 10Bc, 10C ... Emission device
12 ... substrate 14 ... emitter
16: cathode electrode 18: slit
20 ... Anode electrode 22 ... Pulse generation source
24: Collector electrode 28: Phosphor

Claims

An emitter section made of a piezoelectric material;
In an electron emission method of an electron emission element having a first electrode and a second electrode formed in contact with the emitter section,
After polarizing the emitter section in one direction,
An electron emission method for an electron-emitting device, comprising applying an electric field exceeding a coercive electric field to the emitter section through the first and second electrodes to invert electrons in the emitter section to emit electrons.

2. The electron emission method for an electron emission device according to claim 1,
An electron emission method for an electron emission element, characterized in that electrons are emitted by applying an electric field exceeding a coercive electric field to the emitter within a predetermined time.

The electron emission method for an electron emission device according to claim 1 or 2,
In a first period, a first voltage in which the potential of the first electrode is higher than the potential of the second electrode is applied between the first electrode and the second electrode, and the emitter section is turned on. Pre-polarize in one direction,
In a second period, a second voltage in which the potential of the first electrode is lower than the potential of the second electrode is applied between the first electrode and the second electrode, and the emitter section is turned on. An electron emission method for an electron emission element, wherein electrons are emitted by reversing polarization.

The electron emission method for an electron emission device according to claim 3,
Controlling the level of the second voltage to apply an electric field exceeding a coercive electric field to the emitter within a certain time from the start of the second period. Method.

An emitter section made of an antiferroelectric material,
In an electron emission method of an electron emission element having a first electrode and a second electrode formed in contact with the emitter section,
An electric field is applied to the emitter section through the first and second electrodes to cause a phase transition of the emitter section to a ferroelectric substance, thereby emitting electrons by changing the polarization of the emitter section. An electron emission method for an electron emission element.

The electron emission method for an electron emission device according to claim 5,
An electron-emitting device according to claim 1, wherein the emitter section undergoes a phase transition to a ferroelectric substance within a certain period of time with respect to the emitter section, and emits electrons by applying an electric field enough to change the polarization of the emitter section. Electron emission method.

The electron emission method for an electron emission device according to claim 5 or 6,
In a first period, a first voltage in which the potential of the first electrode is higher than the potential of the second electrode is applied between the first electrode and the second electrode, and the emitter section is turned on. Pre-polarize in one direction,
In a second period, a second voltage in which the potential of the first electrode is lower than the potential of the second electrode is applied between the first electrode and the second electrode, and the emitter section is turned on. An electron emission method for an electron emission element, wherein a phase transition is made to a ferroelectric substance, and electrons are emitted by changing the polarization of the emitter section.

The electron emission method for an electron emission device according to claim 7,
An electron-emitting device according to claim 1, wherein the first voltage applied between the first electrode and the second electrode during the first period is set to 0 V, and the emitter section is previously set in a non-polarized state. Electron emission method.

The electron emission method for an electron emission device according to claim 7 or 8,
By controlling the level of the second voltage, an electric field that changes the phase of the emitter section to a ferroelectric substance and changes the polarization of the emitter section within a predetermined time from the start of the second period is generated. An electron emission method for an electron emission element, comprising applying a voltage.

10. The electron emission method for an electron emission device according to claim 7, wherein the second voltage reaches a level required for electron emission during the second period, and The second cycle is performed so that a series of cycles including an operation in which a voltage drop level between the first electrode and the second electrode reaches a threshold level for resetting the polarization of the emitter section occurs continuously. Controlling the level of the second voltage applied at the start of the period.

An emitter section made of an electrostrictive material;
In an electron emission method of an electron emission element having a first electrode and a second electrode formed in contact with the emitter section,
An electron emission method for an electron emission device, wherein an electron is emitted by applying an electric field to the emitter through the first and second electrodes to control the amount of polarization in the emitter.

The electron emission method for an electron emission device according to claim 11,
In a first period, a first voltage in which the potential of the first electrode is higher than the potential of the second electrode is applied between the first electrode and the second electrode, and the emitter section is turned on. Pre-polarize in one direction,
In a second period, a second voltage in which the potential of the first electrode is lower than the potential of the second electrode is applied between the first electrode and the second electrode, and the emitter section is turned on. An electron emission method for an electron emission element, wherein electrons are emitted by changing polarization.

An electron emission method for an electron emission device according to claim 12,
An electron-emitting device according to claim 1, wherein the first voltage applied between the first electrode and the second electrode during the first period is set to 0 V, and the emitter section is previously set in a non-polarized state. Electron emission method.

An electron emission method for an electron emission device according to claim 12 or 13,
Controlling the level of the second voltage to control the amount of polarization of the emitter section generated within a certain time from the start of the second period, thereby controlling the amount of electron emission. Device electron emission method.

An electron emission method for an electron emission device according to any one of claims 12 to 14,
After the electron emission, the second voltage applied at the start of the second period so that the duration of the electron emission is generated by the minute vibration of the voltage between the first electrode and the second electrode. An electron emission method for an electron-emitting device, comprising: controlling a level of an electron.

An electron emission method for an electron emission device according to any one of claims 1 to 15,
The first electrode is formed in contact with the emitter section,
The method according to claim 1, wherein the second electrode is formed in contact with the emitter, and forms a slit together with the first electrode.

An electron emission method for an electron emission device according to claim 16,
When the width of the slit is d and the voltage between the first electrode and the second electrode is Vak, the polarization is inverted by an electric field E applied to the emitter and expressed by E = Vak / d. Alternatively, an electron emission method for an electron emission element, wherein a polarization change is performed.

An electron emission method for an electron emission device according to any one of claims 1 to 15,
The first electrode is formed on a first surface of the emitter section,
The method according to claim 1, wherein the second electrode is formed on a second surface of the emitter section.

An electron emission method for an electron emission device according to claim 18,
When the thickness of the emitter portion sandwiched between the first electrode and the second electrode is h and the voltage between the first electrode and the second electrode is Vak, the voltage applied to the emitter portion is A polarization inversion or a polarization change is performed in an electric field E represented by E = Vak / h.

An electron emission method for an electron emission device according to claim 17 or 19,
The method according to claim 1, wherein the voltage Vak is lower than a breakdown voltage of the emitter.

An electron emission method for an electron emission device according to any one of claims 1 to 20,
By applying the electric field between the first electrode and the second electrode, at least a part of the emitter section undergoes polarization inversion or polarization change, and the first electrode has a lower potential than the second electrode. An electron emission method for an electron emission element, wherein electrons are emitted from the vicinity of an electrode.

An electron emission method for an electron emission device according to any one of claims 1 to 21,
By applying the electric field between the first electrode and the second electrode, at least a part of the emitter section undergoes domain inversion or polarization change, and the polarization inversion or polarization change causes the first electrode By arranging the positive pole side of the dipole moment around, primary electrons are extracted from the first electrode,
A primary electron extracted from the first electrode collides with the emitter, and secondary electrons are emitted from the emitter.

An electron emission method for an electron emission device according to claim 22,
The electron-emitting device has a triple point of the first electrode, the emitter, and a vacuum atmosphere,
Primary electrons are extracted from a portion near the triple point of the first electrode,
The electron emission method for an electron-emitting device, wherein the extracted primary electrons collide with the emitter, and secondary electrons are emitted from the emitter.