JP2011009074A - Electron-emitting element, electron-emitting device, self-luminous device, and image display - Google Patents

Electron-emitting element, electron-emitting device, self-luminous device, and image display Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electron-emitting element which can control the emission position of electrons and emission quantity per unit area or the like in the thin-film electrode, and can maintain electron emission characteristics for a long period by avoiding a situation where an electrode on the electron emission side is gradually lost accompanying electron emission.SOLUTION: The electron-emitting element 1 includes an electron acceleration layer 4 between an electrode substrate 2 and a thin-film electrode 3. The electron acceleration layer 4 includes a particulate layer 105 containing insulator particulates located on the electrode substrate 2 side and includes depositions 107... of conductive particulates arranged separated on the surface of the particulate layer 105. An electron emission part 108 consisting of a physical defect is formed on each deposition 107. The total surface area of the plurality of depositions 107 against the surface area of the particulate layer 105 is 5% or more and 90.6% or smaller, and the thickness of the thin-film electrode 3 is established to be 100 nm or more and 500 nm or smaller.

Description

本発明は、電圧を印加することにより電子を放出する電子放出素子、及びそれを備える電子放出装置、自発光デバイス、画像表示装置に関するものである。   The present invention relates to an electron-emitting device that emits electrons by applying a voltage, and an electron-emitting device, a self-luminous device, and an image display device including the electron-emitting device.

従来の電子放出素子として、スピント(Spindt)型電極、カーボンナノチューブ(CNT)型電極などが知られている。このような電子放出素子は、例えば、FED(Field Emision Display)の分野に応用検討されている。このような電子放出素子は、尖鋭形状部に電圧を印加して約1GV/mの強電界を形成し、トンネル効果により電子放出させる。   As a conventional electron-emitting device, a Spindt type electrode, a carbon nanotube (CNT) type electrode, and the like are known. Such an electron-emitting device has been studied for application in the field of FED (Field Emission Display), for example. In such an electron-emitting device, a voltage is applied to the sharp portion to form a strong electric field of about 1 GV / m, and electrons are emitted by the tunnel effect.

しかしながら、これら2つのタイプの電子放出素子は、電子放出部の表面近傍が強電界であるため、放出された電子は電界により大きなエネルギーを得て気体分子を電離しやすくなる。気体分子の電離により生じた陽イオンは、強電界により電子放出素子の表面方向に加速衝突し、スパッタリングによる電子放出素子の破壊が生じるという問題がある。   However, since these two types of electron-emitting devices have a strong electric field in the vicinity of the surface of the electron-emitting portion, the emitted electrons easily obtain large energy by the electric field and easily ionize gas molecules. There is a problem that positive ions generated by ionization of gas molecules are accelerated and collided in the direction of the surface of the electron-emitting device due to a strong electric field, and the electron-emitting device is destroyed by sputtering.

また、大気中にある酸素は、電離エネルギーよりも解離エネルギーの方が低いため、イオンの発生よりも先にオゾンを発生する。オゾンは人体に有害である上に、強い酸化力にて様々なものを酸化することから、電子放出素子の周囲の部材にダメージを与えるという問題が存在する。このような問題に対処するためには、周辺部材に耐オゾン性の高価な材料を用いなければならない。   Also, oxygen in the atmosphere generates ozone prior to the generation of ions because dissociation energy is lower than ionization energy. Since ozone is harmful to the human body and oxidizes various things with strong oxidizing power, there is a problem of damaging members around the electron-emitting device. In order to cope with such a problem, it is necessary to use an expensive ozone-resistant material for the peripheral member.

他方、上記とは別のタイプの電子放出素子として、MIM(Metal Insulator Metal)型やMIS(Metal Insulator Semiconductor)型の電子放出素子が知られている。これらは電子放出素子内部の量子サイズ効果及び強電界を利用して電子を加速し、平面状の素子表面から電子を放出させる面放出型の電子放出素子である。これらは素子内部の電子加速層で加速した電子を放出するため、素子外部に強電界を必要としない。従って、MIM型及びMIS型の電子放出素子においては、上記スピント型やCNT型、BN型の電子放出素子のように、気体分子の電離によるスパッタリングで破壊されるという問題やオゾンが発生するという問題を克服できる。   On the other hand, MIM (Metal Insulator Metal) and MIS (Metal Insulator Semiconductor) type electron-emitting devices are known as other types of electron-emitting devices. These are surface emission type electron-emitting devices that accelerate electrons using the quantum size effect and strong electric field inside the electron-emitting device to emit electrons from the planar device surface. Since these emit electrons accelerated by the electron acceleration layer inside the device, a strong electric field is not required outside the device. Therefore, in the MIM type and MIS type electron-emitting devices, as in the Spindt-type, CNT-type, and BN-type electron-emitting devices, there is a problem of being destroyed by sputtering due to ionization of gas molecules and a problem of generating ozone. Can be overcome.

例えば、特許文献1には、2枚の電極の間に金属などの微粒子を分散させた絶縁体膜を設け、一方の電極(基板電極)から絶縁体膜中に電子を注入し、注入した電子を絶縁体膜中で加速させ、厚み数十Å〜1000Åの他方の電極(電子放出側の電極)を通して電子を放出するMIM形電子放出素子が開示されている。   For example, in Patent Document 1, an insulator film in which fine particles such as metal are dispersed is provided between two electrodes, electrons are injected from one electrode (substrate electrode) into the insulator film, and the injected electrons are injected. Has been disclosed in which an electron is emitted through the other electrode (electron emission side electrode) having a thickness of several tens of thousands to 1,000 mm.

特開平1−298623号公報(平成1年12月1日公開)JP-A-1-298623 (published on December 1, 1991) 特開平1−279557号公報(平成1年11月9日公開)Japanese Patent Laid-Open No. 1-279557 (published on November 9, 1991)

しかしながら、特許文献1に開示されているMIM型電子放出素子の構成では、絶縁体膜における電流が流れる位置および電子が放出される電子放出部は、電子放出側の電極面内で偶発的に生じており、任意に設定することはできない。そのため、電子放出側の電極内での電子の放出位置、及び単位面積当たりの放出量等を制御することができない。   However, in the configuration of the MIM type electron-emitting device disclosed in Patent Document 1, the position where current flows in the insulator film and the electron-emitting portion from which electrons are emitted are accidentally generated in the electrode surface on the electron-emitting side. It cannot be set arbitrarily. Therefore, it is impossible to control the electron emission position in the electrode on the electron emission side, the emission amount per unit area, and the like.

但し、このうち、電子の放出量は、2枚の電極間に印加する電圧を変化させることでも制御可能であり、低電圧では電子の放出量を小さく、高電圧では電子の放出量を大きく操作できる。しかしながら、特許文献1に開示されている素子は低電圧印加時の電子放出量が極端に小さく、電子放出効率が著しく低下することから、電子放出量を極端に小さく絞り込みたい時には、印加電圧による電子放出量の制御は現実的な対処方法とはならない。   However, among these, the amount of electron emission can also be controlled by changing the voltage applied between the two electrodes, and the electron emission amount is reduced at a low voltage, and the electron emission amount is increased at a high voltage. it can. However, since the element disclosed in Patent Document 1 has an extremely small amount of electron emission when a low voltage is applied and the electron emission efficiency is remarkably lowered, when it is desired to narrow down the amount of electron emission extremely small, Controlling the amount of release is not a realistic countermeasure.

さらに、特許文献1に開示されているMIM型電子放出素子の構成では、電子放出側の電極が、放出されていく電子によって、逆スパッタされるといった問題がある。逆スパッタとは、電子放出側の電極が放出電子によるスパッタリングのターゲットとなることである。放出電子によって逆スパッタされることで、電子放出側の電極を構成する金属材料は徐々にではあるが、確実に失われていき、電子放出側の電極は、最終的には電極としての機能が失われてしまう。そして、この現象は、MIM型電子放出素子のみならず、電子放出側の電極がベタ電極である電子放出素子全般に当てはまる。   Furthermore, in the configuration of the MIM type electron-emitting device disclosed in Patent Document 1, there is a problem that the electrode on the electron emission side is reverse sputtered by the emitted electrons. Reverse sputtering means that the electrode on the electron emission side becomes a target for sputtering by emitted electrons. By being reverse sputtered by the emitted electrons, the metal material constituting the electrode on the electron emission side is gradually but gradually lost, and the electrode on the electron emission side eventually functions as an electrode. It will be lost. This phenomenon applies not only to MIM type electron-emitting devices but also to all electron-emitting devices in which the electrode on the electron emission side is a solid electrode.

本発明は上記課題に鑑みなされたもので、薄膜電極内での電子の放出位置、単位面積当たりの放出量等の制御が可能な電子放出素子であり、かつ、電子放出側の電極が電子放出に伴って徐々に消失していく事態を回避して、電子放出特性の長期維持が可能な電子放出素子を提供する。   The present invention has been made in view of the above problems, and is an electron-emitting device capable of controlling the electron emission position in a thin film electrode, the amount of emission per unit area, and the like, and the electrode on the electron emission side emits electrons. Thus, an electron-emitting device capable of maintaining the electron emission characteristics for a long period of time by avoiding the situation of gradually disappearing along with the above is provided.

本発明の電子放出素子は、上記課題を解決するために、対向して配置された電極基板と薄膜電極との間に電子加速層を有し、前記電極基板と前記薄膜電極との間に電圧が印加されることで、前記電子加速層にて電子を加速させて前記薄膜電極から前記電子を放出する電子放出素子であって、前記電子加速層は、絶縁体微粒子を含む微粒子層を有し、該微粒子層には、前記微粒子層の厚み方向における電気の流れ易さを高める単独物質又は混合物質が、前記微粒子層の上面よりみた場合の付与位置が離散的になるように付与されており、前記電子加速層には、当該電子加速層を厚み方向に通る導電経路であって、経路出口が前記電子を前記薄膜電極へと与える電子放出部となる導電経路が予め形成され、前記微粒子層の表面積に対する前記単独物質又は混合物質の付与部分の総表面積が5%以上90.6%以下であり、前記薄膜電極の厚みが100nm以上500nm以下であることを特徴としている。   In order to solve the above-described problems, an electron-emitting device of the present invention has an electron acceleration layer between an electrode substrate and a thin film electrode arranged to face each other, and a voltage is applied between the electrode substrate and the thin film electrode. Is applied to accelerate the electrons in the electron acceleration layer to emit the electrons from the thin film electrode, and the electron acceleration layer has a fine particle layer containing insulating fine particles. The fine particle layer is provided with a single substance or a mixed substance that enhances the ease of electricity flow in the thickness direction of the fine particle layer so that the application positions are discrete when viewed from the upper surface of the fine particle layer. In the electron acceleration layer, a conductive path that passes through the electron acceleration layer in the thickness direction and a path exit serving as an electron emission portion that supplies the electrons to the thin film electrode is formed in advance, and the fine particle layer Said alone against the surface area of The total surface area of conferring part of the quality or substance mixture is not more than 90.6% more than 5%, and wherein the thickness of said thin film electrode is 100nm or more 500nm or less.

上記構成によれば、電極基板と薄膜電極との間に電圧を印加することで、電子加速層内に電流が流れ、その一部が印加電圧の形成する強電界により弾道電子となって、薄膜電極側より放出される。   According to the above configuration, by applying a voltage between the electrode substrate and the thin film electrode, a current flows in the electron acceleration layer, and a part of the current becomes a ballistic electron by the strong electric field formed by the applied voltage, and the thin film Released from the electrode side.

ここで電子は、薄膜電極側の任意の箇所から放出されるのではなく、薄膜電極の下層に位置する電子加速層に予め形成された電子放出部より放出される。電子放出部は、当該電子加速層に形成されている、電子加速層を厚み方向に通る導電経路の出口であって、薄膜電極より放出される電子は、この導電経路を通って薄膜電極へと与えられ放出される。このような導電経路(予め形成されている導電経路)は、絶縁体微粒子を含む微粒子層に付与されている、微粒子層の厚み方向における電気の流れ易さを高める単独物質又は混合物質の作用により、大気中のフォーミング処理によって容易に形成できる。   Here, electrons are not emitted from an arbitrary portion on the thin film electrode side, but are emitted from an electron emission portion formed in advance in an electron acceleration layer located in the lower layer of the thin film electrode. The electron emission portion is an exit of a conductive path formed in the electron acceleration layer and passing through the electron acceleration layer in the thickness direction. Electrons emitted from the thin film electrode pass through the conductive path to the thin film electrode. Given and released. Such a conductive path (preliminarily formed conductive path) is caused by the action of a single substance or a mixed substance, which is imparted to the fine particle layer containing the insulating fine particles and enhances the flow of electricity in the thickness direction of the fine particle layer. It can be easily formed by a forming process in the atmosphere.

大気中のフォーミング処理とは、大気中で電極基板と薄膜電極との間に直流電圧を印加して、電極基板側から微粒子層を抜けて薄膜電極側へと流れる素子内電流の導電経路を形成する処理である。   In the atmosphere forming process, a DC voltage is applied between the electrode substrate and the thin film electrode in the atmosphere to form a conduction path for the current in the element that flows from the electrode substrate side to the thin film electrode side through the fine particle layer. It is processing to do.

大気中でのフォーミング処理により電子加速層に予め導電経路が形成されていることで、その後の真空中における電子放出操作に要する素子への電圧印加によって、新たに導電経路が形成されることはなく、素子内電流は、予め形成されている導電経路を通って流れる。これにより、電子放出時に、導電経路が安定して機能することとなる。これに対し、大気中のフォーミング処理が行われておらず、予め導電経路が形成されていない素子に対して真空中において電圧印加することは、導電経路の形成過程であり、かつ、電子放出過程である。つまり、導電経路を形成しながら、電子放出も行うこととなる。そして、このような条件で形成される導電経路の形成は、恒常的なものではなく、真空中において電圧を印加する度に、新たに形成されるものである。そのため、真空中において電圧を印加する度に、素子の導電状態が変わってしまい、安定した電子放出特性を得ることができない。   Since the conductive path is formed in the electron acceleration layer in advance by the forming process in the atmosphere, a new conductive path is not formed by voltage application to the element required for the subsequent electron emission operation in vacuum. The in-element current flows through a previously formed conductive path. As a result, the conductive path functions stably during electron emission. On the other hand, applying a voltage in a vacuum to an element that has not been subjected to the forming process in the atmosphere and has not previously been formed with a conductive path is a process of forming a conductive path and an electron emission process. It is. That is, electrons are emitted while forming a conductive path. The formation of the conductive path formed under such conditions is not constant, and is newly formed each time a voltage is applied in a vacuum. Therefore, every time a voltage is applied in a vacuum, the conductive state of the element changes, and stable electron emission characteristics cannot be obtained.

このように、上記構成では、電子加速層の任意の箇所から電子が放出されるのではなく、電子を放出する箇所が、電子加速層の電子放出部に特定される。したがって、薄膜電極において、放出される電子によって逆スパッタされる部分は、電子放出部の真上に位置する部分や、電子放出部近傍に位置する部分に限定されることとなる。そのため、薄膜電極における電子放出部の真上やその近傍に位置する部分以外では、電子に曝されることはなく、薄膜電極を構成する金属材料が放出電子により逆スパッタされ、時間と共に消失し、最終的には電極としての機能が失われることがない。   Thus, in the above configuration, electrons are not emitted from any part of the electron acceleration layer, but a part from which electrons are emitted is specified as the electron emission part of the electron acceleration layer. Therefore, in the thin film electrode, the portion reversely sputtered by the emitted electrons is limited to a portion located directly above the electron emitting portion or a portion located near the electron emitting portion. Therefore, except for the portion located just above or near the electron emission portion in the thin film electrode, it is not exposed to electrons, the metal material constituting the thin film electrode is reverse sputtered by the emitted electrons, and disappears with time, Ultimately, the function as an electrode is not lost.

また、単独物質又は混合物質が、微粒子層の表面全体に付与される構成では、フォーミング処理を行って導電経路を形成する場合、電流の流れ易い部分に導電経路が形成されてしまい、電子放出部が偶発的に決定される。電子放出部が偶発的に形成されるのでは、電子放出部を薄膜電極面内に任意に配置して薄膜電極内での電子の放出位置を制御したり、単位面積当たりの放出量を制御したりすることができない。なお、電子の放出量は、電極基板と薄膜電極との間に印加する電圧を変化させることでも制御可能であり、低電圧では電子の放出量を小さく、高電圧では電子の放出量を大きく操作できる。しかしながら、本発明の素子は、低電圧印加時の電子放出量が極端に小さく、電子放出効率が著しく低下する。このため、電子放出量を極端に小さく絞り込みたい時には、印加電圧による電子放出量の制御は用いられない。   In addition, in the configuration in which the single substance or the mixed substance is applied to the entire surface of the fine particle layer, when the conductive path is formed by performing the forming process, the conductive path is formed in the portion where the current easily flows, and the electron emission portion Is determined accidentally. If the electron emission part is accidentally formed, the electron emission part is arbitrarily arranged on the surface of the thin film electrode to control the electron emission position in the thin film electrode, or to control the emission amount per unit area. I can't. The electron emission amount can also be controlled by changing the voltage applied between the electrode substrate and the thin film electrode. The electron emission amount is reduced at a low voltage, and the electron emission amount is increased at a high voltage. it can. However, the device of the present invention has an extremely small amount of electron emission when a low voltage is applied, and the electron emission efficiency is significantly reduced. For this reason, when it is desired to narrow down the electron emission amount extremely small, the control of the electron emission amount by the applied voltage is not used.

これに対し、上記構成によれば、前記単独物質又は混合物質は、前記微粒子層の上面よりみた場合の付与位置が離散的になるように付与されているので、大気中でのフォーミング処理にて導電経路を形成した場合に、素子内電流が流れる導電経路は、電極基板側から離散的に配置されている、個々の、単独物質又は混合物質の付与部分に対して形成され、個々の付与部分に電子放出部が形成される。このように、単独物質又は混合物質の付与部分を離散的に配置した構成とすることで、電子放出部を薄膜電極面内に任意に配置することが可能となり、薄膜電極内での電子の放出位置や、単位面積当たりの放出量等の制御が可能になる。   On the other hand, according to the above configuration, the single substance or the mixed substance is provided so that the application positions when viewed from the upper surface of the fine particle layer are discrete. When the conductive path is formed, the conductive path through which the current in the element flows is formed with respect to the individual, single substance or mixed substance application parts discretely arranged from the electrode substrate side. An electron emitting portion is formed on the surface. In this way, by adopting a configuration in which the single substance or the mixed substance application portion is discretely arranged, the electron emission portion can be arbitrarily arranged in the thin film electrode surface, and electrons are emitted in the thin film electrode. It is possible to control the position, the discharge amount per unit area, and the like.

ところで、微粒子層に単独物質又は混合物質を離散的に付与した上記構成について、本願出願人がさらなる検討を行ったところ、長時間に渡り安定に動作させるには、薄膜電極の表面積に対する電子放出部の個数、及び薄膜電極の厚さが重要であることが判明した。   By the way, the applicant of the present invention has further studied the above configuration in which a single substance or a mixed substance is discretely applied to the fine particle layer. In order to operate stably for a long time, the electron emission portion relative to the surface area of the thin film electrode is used. And the thickness of the thin film electrode was found to be important.

つまり、薄膜電極の表面積に対する電子放出部の個数が少ない場合、連続駆動時(長時間駆動時)に、電子加速層における電子放出部以外の部分、つまり、単独物質又は混合物質が付与されていない微粒子層部分及びその上の薄膜電極が選択的に破壊され易くなり、連続駆動と共に表面の導通を失い、最終的に電子放出が途絶えてしまうことが判明した。   In other words, when the number of electron emission portions relative to the surface area of the thin film electrode is small, a portion other than the electron emission portion in the electron acceleration layer, that is, a single substance or a mixed substance is not applied during continuous driving (during long driving). It has been found that the fine particle layer portion and the thin film electrode thereon are likely to be selectively destroyed, and the surface conduction is lost with continuous driving, and the electron emission is eventually interrupted.

このような現象は、電子放出部以外の微粒子層部分が破壊されて本来電流の流れない微粒子部分(電流路形成部分以外の部分)に極少量の電流が流れ込むようになり、連続駆動を重ねることで電荷が蓄積され、最終的に微粒子層の絶縁破壊を生じたことによるものと考えられる。   This phenomenon is caused by destruction of the fine particle layer other than the electron emission portion, and a very small amount of current flows into the fine particle portion where the current does not flow (portion other than the current path forming portion). This is considered to be due to the accumulation of electric charge and finally the breakdown of the fine particle layer.

また、薄膜電極の表面積に対する電子放出部の個数が充分多くとも、連続駆動時に、薄膜電極の厚さが充分でない場合、たとえ印加電圧が低くても、前記単独物質又は混合物質の付与部分が破壊されてしまい、電子放出が途絶えてしまうことが判明した。   In addition, even if the number of electron emission portions relative to the surface area of the thin film electrode is sufficiently large, if the thickness of the thin film electrode is not sufficient during continuous driving, even if the applied voltage is low, the application part of the single substance or mixed substance is destroyed. As a result, it was found that the electron emission was interrupted.

そこで、上記構成では、さらに、微粒子層の表面積に対する前記単独物質又は混合物質の付与部分の総表面積が5%以上90.6%以下、薄膜電極の厚みが100nm以上500nm以下としている。   Therefore, in the above-described configuration, the total surface area of the single substance or mixed substance application portion with respect to the surface area of the fine particle layer is 5% to 90.6%, and the thickness of the thin film electrode is 100 nm to 500 nm.

微粒子層の表面積に対する前記単独物質又は混合物質の付与部分の総表面積を上記範囲とすることで、連続駆動時に、電子加速層における電子放出部以外の部分が選択的に破壊されるといった問題を回避することができる。また、薄膜電極の厚みを上記範囲とすることで、薄膜電極を通しての電子放出を阻害することなく、連続駆動時に、前記単独物質又は混合物質の付与部分或いはその上の薄膜電極との両方が破壊されるといった問題を回避することができる。   By setting the total surface area of the applied portion of the single substance or mixed substance to the surface area of the fine particle layer within the above range, the problem that the portion other than the electron emission portion in the electron acceleration layer is selectively destroyed during continuous driving is avoided. can do. In addition, by setting the thickness of the thin film electrode within the above range, both the single substance or the mixed substance application portion or the thin film electrode on the single substance or the mixed material are destroyed during continuous driving without inhibiting electron emission through the thin film electrode. Can be avoided.

また、ここで、微粒子層の表面積に対する前記単独物質又は混合物質の付与部分の総表面積の下限は、10%以上とすることがより好ましい。これによれば、連続駆動時に、電子加速層における電子放出部以外の部分が選択的に破壊されるといった問題をより確実に回避することができる。   Here, it is more preferable that the lower limit of the total surface area of the single substance or the mixed substance applied portion with respect to the surface area of the fine particle layer is 10% or more. According to this, it is possible to more reliably avoid the problem that a portion other than the electron emission portion in the electron acceleration layer is selectively destroyed during continuous driving.

同様に、薄膜電極の厚みの下限は、160nm以上とすることがより好ましい。これによれば、連続駆動時に、前記単独物質又は混合物質の付与部分或いはその上の薄膜電極との両方が破壊されるといった問題をより確実に回避することができる。   Similarly, the lower limit of the thickness of the thin film electrode is more preferably 160 nm or more. According to this, the problem that both the single substance or the mixed substance application portion or the thin film electrode thereon is destroyed during continuous driving can be avoided more reliably.

これにより、本発明の電子放出素子は、薄膜電極内での電子の放出位置、単位面積当たりの放出量等の制御が可能な電子放出素子であり、かつ、電子放出側の電極を構成する材料が電子放出に伴って徐々に消失していく事態を回避して、電子放出特性の長期維持が可能であることに加え、電子放出部以外の部分に電荷の蓄積が発生し難く、放出電流量が高い状態を維持したまま、連続駆動においても安定した電子放出が可能な素子と成る。   Thus, the electron-emitting device of the present invention is an electron-emitting device capable of controlling the electron emission position in the thin film electrode, the emission amount per unit area, and the like, and the material constituting the electron-emitting side electrode In addition to being able to maintain the electron emission characteristics for a long period of time by avoiding the situation where the electron emission gradually disappears with the emission of electrons, it is difficult for charge accumulation to occur in parts other than the electron emission part, and the amount of emission current Thus, an element capable of stable electron emission even in continuous driving while maintaining a high state is obtained.

本発明の電子放出素子においては、さらに、前記単独物質又は混合物質は導電微粒子であり、該導電微粒子は、前記微粒子層の表面に堆積されて堆積物を形成しており、
該導電微粒子の堆積物には、前記電子放出部となる物理的な欠陥が設けられている構成とすることもできる。
In the electron-emitting device of the present invention, the single substance or the mixed substance is conductive fine particles, and the conductive fine particles are deposited on the surface of the fine particle layer to form a deposit,
The deposit of the conductive fine particles may have a configuration in which a physical defect serving as the electron emission portion is provided.

前記単独物質又は混合物質は、例えば、導電微粒子とすることができる。導電微粒子の微粒子層への付与は、微粒子層の表面に導電微粒子が堆積されて堆積物を形成することで実現される。導電微粒子の堆積物には、導電経路の形成にて、電子放出部となる物理的な欠陥が設けられる。   The single substance or the mixed substance can be, for example, conductive fine particles. Application of the conductive fine particles to the fine particle layer is realized by depositing conductive fine particles on the surface of the fine particle layer to form a deposit. The deposit of the conductive fine particles is provided with a physical defect that becomes an electron emission portion in the formation of the conductive path.

本発明の電子放出素子においては、さらに、前記微粒子層が、絶縁体微粒子相互を結着させるバインダー樹脂をさらに含む構成とすることが好ましい。   In the electron-emitting device of the present invention, it is preferable that the fine particle layer further includes a binder resin for binding the insulating fine particles.

上記構成によれば、微粒子層において、絶縁体微粒子相互がバインダー樹脂にて結着されているので、電子放出素子の機械的強度を上げることができる。また、前記単独物質又は混合物質が、導電微粒子である場合は、微粒子層がバインダー樹脂にて固められることで、導電微粒子は微粒子層の中に入り込むよりも、微粒子層の表面に堆積しやすくなり、本発明の電子放出素子の構成を容易に実現できる。   According to the above configuration, since the insulating fine particles are bound to each other by the binder resin in the fine particle layer, the mechanical strength of the electron-emitting device can be increased. Further, when the single substance or the mixed substance is conductive fine particles, the fine particle layer is hardened with a binder resin, so that the conductive fine particles are more easily deposited on the surface of the fine particle layer than entering the fine particle layer. The configuration of the electron-emitting device of the present invention can be easily realized.

本発明の電子放出素子では、さらに、上記導電微粒子は、貴金属であってもよい。このように、上記導電微粒子が、貴金属であることで、導電微粒子の、大気中の酸素による酸化などをはじめとする素子劣化を防ぐことができる。よって、電子放出素子の長寿命化を図ることができる。   In the electron-emitting device of the present invention, the conductive fine particles may be a noble metal. As described above, since the conductive fine particles are precious metals, it is possible to prevent element deterioration such as oxidation of the conductive fine particles by oxygen in the atmosphere. Therefore, the lifetime of the electron-emitting device can be extended.

また、本発明の電子放出素子では、さらに、上記導電微粒子は、金、銀、白金、パラジウム、及びニッケルの少なくとも1つを含んでいる構成としてもよい。このように、上記導電微粒子が、金、銀、白金、パラジウム、及びニッケルの少なくとも1つを含んでいることで、導電微粒子の、大気中の酸素による酸化などをはじめとする素子劣化を、より効果的に防ぐことができる。よって、電子放出素子の長寿命化をより効果的に図ることができる。   In the electron-emitting device of the present invention, the conductive fine particles may further include at least one of gold, silver, platinum, palladium, and nickel. As described above, since the conductive fine particles contain at least one of gold, silver, platinum, palladium, and nickel, the deterioration of the elements such as oxidation of the conductive fine particles due to oxygen in the atmosphere is further reduced. Can be effectively prevented. Therefore, the lifetime of the electron-emitting device can be extended more effectively.

本発明の電子放出素子では、上記構成に加えて、上記薄膜電極は、金、銀、炭素、タングステン、チタン、アルミ、及びパラジウムの少なくとも1つを含んでいてもよい。上記薄膜電極に、金、銀、炭素、タングステン、チタン、アルミ、及びパラジウムの少なくとも1つが含まれることによって、これら物質の仕事関数の低さから、電子加速層で発生させた電子を効率よくトンネルさせ、電子放出素子外に高エネルギーの電子をより多く放出させることができる。   In the electron-emitting device of the present invention, in addition to the above configuration, the thin film electrode may include at least one of gold, silver, carbon, tungsten, titanium, aluminum, and palladium. By containing at least one of gold, silver, carbon, tungsten, titanium, aluminum, and palladium in the thin film electrode, electrons generated in the electron acceleration layer are efficiently tunneled due to the low work function of these materials. Thus, more high-energy electrons can be emitted outside the electron-emitting device.

本発明の電子放出装置は、上記いずれか1つの電子放出素子と、電気電極基板と上記薄膜電極との間に電圧を印加する電源部と、を備えたことを特徴としている。   An electron-emitting device according to the present invention includes any one of the above-described electron-emitting devices and a power supply unit that applies a voltage between the electric electrode substrate and the thin-film electrode.

既に電子放出素子において記載したとおり、本発明の電子放出素子は、薄膜電極内での電子の放出位置、単位面積当たりの放出量等の制御が可能な電子放出素子であり、かつ、電子放出側の電極が電子放出に伴って徐々に消失していく事態を回避して、電子放出特性の長期維持が可能であることに加え、電子放出部以外の部分に電荷の蓄積が発生し難く、放出電流量が高い状態を維持したまま、連続駆動においても安定した電子放出が可能な電子放出素子であるので、このような電子放出素子を用いて構成された電子放出装置は、電子の放出位置、単位面積当たりの放出量等の制御が可能な電子放出素子であり、かつ、電子放出側の電極を構成する材料が電子放出に伴って徐々に消失していく事態を回避して、電子放出特性の長期維持が可能であることに加え、電子放出部以外の部分に電荷の蓄積が発生し難く、放出電流量が高い状態を維持したまま、連続駆動においても安定した電子放出が可能な電子放出装置となる。   As already described in the electron-emitting device, the electron-emitting device of the present invention is an electron-emitting device capable of controlling the electron emission position in the thin film electrode, the amount of emission per unit area, and the like. In addition to being able to maintain the electron emission characteristics for a long period of time by avoiding the situation where the electrode of the electrode gradually disappears with the emission of electrons, it is difficult for charge accumulation to occur in parts other than the electron emission part, and the emission Since it is an electron-emitting device capable of stable electron emission even in continuous driving while maintaining a high current amount, an electron-emitting device configured using such an electron-emitting device has an electron emission position, It is an electron-emitting device that can control the amount of emission per unit area, etc., and avoids the situation where the material constituting the electrode on the electron emission side gradually disappears as the electron is emitted. Long-term maintenance is possible In addition to the lying, hardly accumulated charges in a portion other than the electron-emitting portion is generated while the amount of emission current is maintained high, it becomes stable electron emission can electron emission device in continuous operation.

そして、さらに、このような本発明の電子放出装置を用いて構成された、自発光デバイスも、本発明の範疇としている。   Further, a self-luminous device constructed using such an electron emission device of the present invention is also included in the scope of the present invention.

本発明の電子放出素子は、以上のように、電子加速層は、絶縁体微粒子を含む微粒子層を有し、該微粒子層には、前記微粒子層の厚み方向における電気の流れ易さを高める単独物質又は混合物質が、前記微粒子層の上面よりみた場合の付与位置が離散的になるように付与されており、前記電子加速層には、当該電子加速層を厚み方向に通る導電経路であって、経路出口が前記電子を前記薄膜電極へと与える電子放出部となる導電経路が予め形成され、前記微粒子層の表面積に対する前記単独物質又は混合物質の付与部分の総表面積が5%以上90.6%以下であり、前記薄膜電極の厚みが100nm以上500nm以下である構成である。   In the electron-emitting device of the present invention, as described above, the electron acceleration layer has a fine particle layer containing insulating fine particles, and the fine particle layer is a single material that increases the ease of electricity flow in the thickness direction of the fine particle layer. The substance or the mixed substance is applied so that the application position when viewed from the upper surface of the fine particle layer is discrete, and the electron acceleration layer is a conductive path passing through the electron acceleration layer in the thickness direction. In addition, a conductive path is formed in advance so that the path exit becomes an electron emission portion that gives the electrons to the thin film electrode, and the total surface area of the application part of the single substance or the mixed substance with respect to the surface area of the fine particle layer is 5% or more 90.6 %, And the thickness of the thin film electrode is 100 nm or more and 500 nm or less.

これにより、本発明の電子放出素子は、薄膜電極内での電子の放出位置、単位面積当たりの放出量等の制御が可能な電子放出素子であり、かつ、電子放出側の電極を構成する材料が電子放出に伴って徐々に消失していく事態を回避して、電子放出特性の長期維持が可能であることに加え、電子放出部以外の部分に電荷の蓄積が発生し難く、放出電流量が高い状態を維持したまま、連続駆動においても安定した電子放出が可能な電子放出素子を得ることができるといった効果を奏する。   Thus, the electron-emitting device of the present invention is an electron-emitting device capable of controlling the electron emission position in the thin film electrode, the emission amount per unit area, and the like, and the material constituting the electron-emitting side electrode In addition to being able to maintain the electron emission characteristics for a long period of time by avoiding the situation where the electron emission gradually disappears with the emission of electrons, it is difficult for charge accumulation to occur in parts other than the electron emission part, and the amount of emission current Thus, it is possible to obtain an electron-emitting device capable of stably emitting electrons even in continuous driving while maintaining a high state.

本発明の一実施形態の電子放出素子を用いた電子放出装置の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the electron emission apparatus using the electron emission element of one Embodiment of this invention. 図1の電子放出装置に備えられた電子放出素子における電子加速層の平面の模式図である。It is a schematic diagram of the plane of the electron acceleration layer in the electron-emitting device with which the electron-emitting apparatus of FIG. 1 was equipped. 図1の電子放出装置に備えられた電子放出素子における電子加速層の、離散的に堆積されている導電微粒子の一堆積物およびその近傍の断面を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing a deposit of conductive fine particles deposited in a discrete manner and a cross section in the vicinity thereof in an electron acceleration layer in the electron emission device provided in the electron emission device of FIG. 1. 図1の電子放出装置に備えられた電子放出素子における電子加速層の、離散的に堆積されている導電微粒子の一堆積物の表面状態を示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory view showing a surface state of a deposit of conductive fine particles that are discretely deposited in an electron acceleration layer in the electron-emitting device provided in the electron-emitting device of FIG. 1. (a)〜(b)は、図1に示す電子放出素子における電子加速層の、導電微粒子が離散的に堆積されている一堆積物の表面状態を拡大して示す説明図である。(A)-(b) is explanatory drawing which expands and shows the surface state of one deposit in which the conductive fine particles are discretely deposited of the electron acceleration layer in the electron-emitting device shown in FIG. 電子放出素子に対して実施する電子放出実験の測定系を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the measurement system of the electron emission experiment implemented with respect to an electron emission element. サンプルNo.1の実施例の電子放出素子に対して、真空中で段階的な電圧印加を行い、電子放出素子の素子内電流を測定した結果を示す図である。Sample No. It is a figure which shows the result of having performed stepwise voltage application in the vacuum with respect to the electron-emitting device of 1 Example, and measuring the element internal current of an electron-emitting device. サンプルNo.1の実施例の電子放出素子に対して、印加電圧を+16Vとして、素子内電流、電子放出電流の時間変化を測定した結果を示す図である。Sample No. It is a figure which shows the result of having measured the time change of the electric current in an element, and an electron emission current by making applied voltage + 16V with respect to the electron emission element of 1 Example. サンプルNo.1の実施例の電子放出素子に対して、印加電圧を+16.5Vとして、連続100時間における、素子内電流、電子放出電流の時間変化を測定した結果を示す図であり、比較例として、サンプルNo.4の実施例(印加電圧+18.0V)の結果を併記して示す図である。Sample No. It is a figure which shows the result of having measured the time change of the electric current in an element | device and an electron emission current in continuous 100 hours, with an applied voltage + 16.5V with respect to the electron-emitting element of 1 Example, and is a sample as a comparative example. No. It is a figure which writes and shows the result of 4 Example (applied voltage + 18.0V) together. サンプルNo.3Bの比較例2の電子放出素子に対し、印加電圧を+13Vとして、素子内電流、電子放出電流の時間変化を測定した結果を示す図である。Sample No. It is a figure which shows the result of having measured the time change of the electric current in an element, and an electron emission current by making applied voltage + 13V with respect to the electron emission element of the comparative example 2 of 3B. サンプルNo.5の比較例4の電子放出素子に対し、真空中にて素子内電流を測定した結果を示す図である。Sample No. It is a figure which shows the result of having measured the element internal current with respect to the electron-emitting element of the comparative example 4 of 5. FIG. サンプルNo.1の実施例1の電子放出素子1における、顕微鏡写真である。Sample No. 2 is a photomicrograph of the electron-emitting device 1 of Example 1. 図1の電子放出装置を用いた自発光デバイスの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the self-light-emitting device using the electron emission apparatus of FIG. 図1の電子放出装置を用いた自発光デバイスの他の一例を示す図である。It is a figure which shows another example of the self-light-emitting device using the electron emission apparatus of FIG. 図1の電子放出装置を用いた自発光デバイスの更に別の一例を示す図である。It is a figure which shows another example of the self-light-emitting device using the electron emission apparatus of FIG. 図1の電子放出装置を用いた自発光デバイスを具備する画像表示装置の他の一例を示す図である。It is a figure which shows another example of the image display apparatus which comprises the self-light-emitting device using the electron emission apparatus of FIG.

以下、本発明に係る電子放出素子、電子放出装置の実施形態及び実施例について、図1〜図16を参照して説明する。なお、以下に記述する実施の形態及び実施例は、本発明の具体的な一例に過ぎず、本発明はこれらによって何ら限定されるものではない。   Embodiments and examples of an electron-emitting device and an electron-emitting device according to the present invention will be described below with reference to FIGS. Note that the embodiments and examples described below are merely specific examples of the present invention, and the present invention is not limited thereto.

〔実施の形態1〕
図1は、本発明に係る一実施形態の電子放出素子1を用いた電子放出装置10の構成を示す模式図である。
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of an electron emission device 10 using an electron emission element 1 according to an embodiment of the present invention.

図1に示すように、電子放出装置10は、本発明に係る一実施形態の電子放出素子1と電源7とを有する。電子放出素子1は、下部電極となる電極基板2と、上部電極となる薄膜電極3と、その間に挟まれた電子加速層4とからなる。電極基板2と薄膜電極3の間に、電源7にて電圧が印加されるようになっている。   As shown in FIG. 1, an electron emission device 10 includes an electron emission element 1 and a power source 7 according to an embodiment of the present invention. The electron-emitting device 1 includes an electrode substrate 2 serving as a lower electrode, a thin film electrode 3 serving as an upper electrode, and an electron acceleration layer 4 sandwiched therebetween. A voltage is applied between the electrode substrate 2 and the thin film electrode 3 by a power source 7.

電極基板2と薄膜電極3との間に電圧が印加されると、電極基板2と薄膜電極3との間の電子加速層4に電流が流れ、その一部が、印加電圧の形成する強電界により弾道電子として電子加速層4から放出され、薄膜電極3側より素子外部へと放出される。   When a voltage is applied between the electrode substrate 2 and the thin film electrode 3, a current flows through the electron acceleration layer 4 between the electrode substrate 2 and the thin film electrode 3, and a part thereof is a strong electric field formed by the applied voltage. Are emitted from the electron acceleration layer 4 as ballistic electrons and emitted from the thin film electrode 3 side to the outside of the device.

電子加速層4から放出された電子は、薄膜電極3を通過(透過)して、或いは、薄膜電極3の下層に位置する電子加速層4の表面に凹凸等の影響から生じる薄膜電極3の孔(隙間)からすり抜けて外部へと放出される。   The electrons emitted from the electron acceleration layer 4 pass through (transmit) the thin film electrode 3 or the holes of the thin film electrode 3 caused by the influence of irregularities on the surface of the electron acceleration layer 4 positioned below the thin film electrode 3. It passes through the gap and is released to the outside.

前述したように、薄膜電極3の下層に位置する電子加速層4のあらゆる箇所から電子が放出される構成では、電子放出側に位置する薄膜電極3が、放出電子によって逆スパッタされ、薄膜電極3は、時間と共に消失し、最終的には上部電極としての機能を失うといった問題がある。また、薄膜電極3面内に偶発的に電子放出部を形成する構成では、薄膜電極3内での電子の放出位置、及び単位面積当たりの放出量等を制御することはできないといった問題がある。   As described above, in the configuration in which electrons are emitted from every part of the electron acceleration layer 4 located below the thin film electrode 3, the thin film electrode 3 located on the electron emission side is reverse sputtered by the emitted electrons, and the thin film electrode 3. Has a problem that it disappears with time and eventually loses its function as an upper electrode. Further, in the configuration in which the electron emission portion is accidentally formed in the surface of the thin film electrode 3, there is a problem that the electron emission position in the thin film electrode 3, the emission amount per unit area, and the like cannot be controlled.

このような問題を解決するために、本実施形態の電子放出素子1では、電子加速層4の全面から電子を放出させるのではなく、電子加速層4の任意の箇所に電子放出部を設け、電子加速層4の特定部分よりのみ電子を放出させる構成としている。   In order to solve such a problem, in the electron-emitting device 1 of the present embodiment, an electron emission portion is provided at an arbitrary position of the electron acceleration layer 4 instead of emitting electrons from the entire surface of the electron acceleration layer 4. Electrons are emitted only from a specific portion of the electron acceleration layer 4.

すなわち、電子加速層4は、絶縁体微粒子を含む微粒子層105を有し、該微粒子層105には、微粒子層の厚み方向における電気の流れ易さを高める単独物質又は混合物質が、微粒子層105の上面よりみた場合の付与位置が離散的になるように付与されており、電子加速層4には、当該電子加速層4を厚み方向に通る導電経路であって、経路出口が電子を前記薄膜電極3へと与える電子放出部となる導電経路が予め形成され、かつ、微粒子層105の表面積に対する前記単独物質又は混合物質の付与部分の総表面積が5%以上90.6%以下、薄膜電極3の厚みが100nm以上500nm以下に設定されている。ここで、予め導電経路が形成されているとは、真空中で素子1に電圧印加を行い、駆動するよりも前であって、つまり、電子放出素子1の製造工程において形成しておくという意味である。   That is, the electron acceleration layer 4 has a fine particle layer 105 containing insulating fine particles, and the fine particle layer 105 is made of a single material or a mixed material that enhances the flow of electricity in the thickness direction of the fine particle layer. The electron acceleration layer 4 is a conductive path that passes through the electron acceleration layer 4 in the thickness direction, and the path exits electrons into the thin film. A conductive path serving as an electron emission portion to be applied to the electrode 3 is formed in advance, and the total surface area of the applied portion of the single substance or the mixed substance with respect to the surface area of the fine particle layer 105 is 5% or more and 90.6% or less. Is set to 100 nm or more and 500 nm or less. Here, the pre-formation of the conductive path means that the voltage is applied to the element 1 in a vacuum and before driving, that is, it is formed in the manufacturing process of the electron-emitting element 1. It is.

上記構成によれば、電子は、薄膜電極3側に任意の箇所から放出されるのではなく、薄膜電極3の下層に位置する電子加速層4に予め形成された電子放出部より放出される。電子放出部は、当該電子加速層4に形成されている、電子加速層4を厚み方向に通る予め形成されている導電経路の出口であって、薄膜電極3より放出される電子は、この導電経路を通って薄膜電極3へと与えられ放出される。   According to the above configuration, electrons are not emitted from an arbitrary location on the thin film electrode 3 side, but are emitted from an electron emission portion formed in advance in the electron acceleration layer 4 positioned below the thin film electrode 3. The electron emission portion is an exit of a conductive path formed in advance in the electron acceleration layer 4 and passing through the electron acceleration layer 4 in the thickness direction. It is given to the thin film electrode 3 through the path and emitted.

このように、上記電子放出素子1では、電子加速層4の任意の箇所から放出されるのではなく、放出する箇所が、予め形成されている導電経路の出口に相当する電子加速層4の電子放出部に特定される。したがって、薄膜電極3において、放出される電子によって逆スパッタされる部分は、電子放出部の真上に位置する部分や、電子放出部近傍に位置する部分に限定されることとなり、これ以外の部分では、電子に曝されることはなく、薄膜電極を構成する金属材料が放出電子により逆スパッタされ、時間と共に消失し、最終的には電極としての機能が失われることがない。   As described above, in the electron-emitting device 1, instead of being emitted from an arbitrary portion of the electron acceleration layer 4, the emitted portion corresponds to an electron in the electron acceleration layer 4 corresponding to the exit of the conductive path formed in advance. Specific to the discharge part. Therefore, in the thin film electrode 3, the portion reversely sputtered by the emitted electrons is limited to a portion located directly above the electron emitting portion or a portion located in the vicinity of the electron emitting portion, and other portions. Then, the metal material constituting the thin film electrode is not reversely sputtered by the emitted electrons and disappears with time, and the function as the electrode is not lost.

しかも、上記単独物質又は混合物質が、微粒子層105の上面よりみた場合の付与位置が離散的になるように付与されているので、電子放出部を薄膜電極面内に任意に配置することが可能となり、薄膜電極内での電子の放出位置や、単位面積当たりの放出量等の制御が可能になる。   In addition, since the single substance or the mixed substance is provided so that the application positions when viewed from the upper surface of the fine particle layer 105 are discrete, it is possible to arbitrarily arrange the electron emission portion in the thin film electrode surface. Thus, it is possible to control the electron emission position in the thin film electrode, the emission amount per unit area, and the like.

さらに、微粒子層の表面積に対する前記単独物質又は混合物質の付与部分の総表面積が5%以上90.6%以下、薄膜電極の厚みが100nm以上500nm以下としている。これにより、連続駆動時に、電子加速層における電子放出部以外の部分が選択的に破壊されるといった問題を回避することができる、また、薄膜電極を通しての電子放出を阻害することなく、連続駆動時に、前記単独物質又は混合物質の付与部分或いはその上の薄膜電極との両方が破壊されるといった問題を回避することができる。以下、より具体的に説明する。   Furthermore, the total surface area of the application part of the single substance or the mixed substance with respect to the surface area of the fine particle layer is 5% or more and 90.6% or less, and the thickness of the thin film electrode is 100 nm or more and 500 nm or less. Thereby, it is possible to avoid the problem that the portion other than the electron emission portion in the electron acceleration layer is selectively destroyed during continuous driving, and also during continuous driving without hindering electron emission through the thin film electrode. The problem that both the single substance or the mixed substance application part or the thin film electrode thereon is destroyed can be avoided. More specific description will be given below.

図1は、電子加速層4における微粒子層105の厚み方向における電気の流れ易さを高める単独物質又は混合物質が、導電微粒子6である場合の電子放出素子1を示している。図2に示すように、導電微粒子6は、微粒子層105の表面に離散的に堆積されて部分的な堆積物107…を形成している。導電微粒子6の微粒子層105への付与は、微粒子層105の表面に導電微粒子6が堆積されて部分的な堆積物107…を形成することで実現されている。個々の堆積物107には、導電経路の形成にて、電子放出部となる物理的な欠陥が設けられている。図2は、電極基板2上に形成された電子加速層4の上面図である。   FIG. 1 shows the electron-emitting device 1 in the case where the single substance or the mixed substance that enhances the ease of electricity flow in the thickness direction of the fine particle layer 105 in the electron acceleration layer 4 is the conductive fine particles 6. As shown in FIG. 2, the conductive fine particles 6 are discretely deposited on the surface of the fine particle layer 105 to form partial deposits 107. The application of the conductive fine particles 6 to the fine particle layer 105 is realized by depositing the conductive fine particles 6 on the surface of the fine particle layer 105 to form partial deposits 107. Each deposit 107 is provided with a physical defect serving as an electron emission portion in forming a conductive path. FIG. 2 is a top view of the electron acceleration layer 4 formed on the electrode substrate 2.

また、図3に、導電微粒子6の堆積物107…を有する構成の電子加速層4における断面の模式図を示す。導電微粒子6の堆積物107…は、絶縁体微粒子5を含む微粒子層105の上にドーム状に堆積されている。堆積物107…と微粒子層105との界面において、導電微粒子6は絶縁体微粒子5と混じり合うことなく、微粒子層105の表面(上面)に堆積されている。   3 shows a schematic diagram of a cross section of the electron acceleration layer 4 having a structure including the deposits 107 of the conductive fine particles 6. The deposits 107 of the conductive fine particles 6 are deposited in a dome shape on the fine particle layer 105 including the insulating fine particles 5. The conductive fine particles 6 are deposited on the surface (upper surface) of the fine particle layer 105 without being mixed with the insulating fine particles 5 at the interface between the deposits 107 and the fine particle layer 105.

導電微粒子6を微粒子層105に混じり合うことなくその表面に堆積させる手法としては、導電微粒子6と絶縁体微粒子5のサイズを同程度としたり、或いは、微粒子層105において、絶縁体微粒子5相互をバインダー樹脂を用いて結着させたりすることで実現できる。特に、微粒子層105をバインダー樹脂にて固める構成では、絶縁体微粒子5及び導電微粒子6の各粒子径を、導電微粒子6の微粒子層105への混じり込みを考慮することなく選択できるので材料選択の自由度が広がる。また、電子放出素子1自体の機械的強度が上がるといったメリットもある。   As a method for depositing the conductive fine particles 6 on the surface of the fine particle layer 105 without being mixed with each other, the conductive fine particles 6 and the insulating fine particles 5 may have the same size, or in the fine particle layer 105, the insulating fine particles 5 may be mutually connected. This can be realized by binding using a binder resin. In particular, in the configuration in which the fine particle layer 105 is hardened with a binder resin, the particle diameters of the insulating fine particles 5 and the conductive fine particles 6 can be selected without considering the mixing of the conductive fine particles 6 into the fine particle layer 105. Increases freedom. Further, there is an advantage that the mechanical strength of the electron-emitting device 1 itself is increased.

そして、各堆積物107には、物理的な欠陥よりなる電子放出部108が形成されている。電子放出部108の下には、図示してはいないが、導電経路が形成されている。ここで、電子放出部108及び導電経路は、大気中でのフォーミング処理にて形成される。   In each deposit 107, an electron emission portion 108 made of a physical defect is formed. Although not shown, a conductive path is formed under the electron emission portion 108. Here, the electron emission portion 108 and the conductive path are formed by a forming process in the atmosphere.

一般的にフォーミング処理とは、例えば、特許文献2に記載されているように、一般的にMIM型に構成された電子放出素子に、電界を加えて導電経路を形成する処理のことである。フォーミング処理は、通常の絶縁破壊とは決定的に異なり、a)電極材料の絶縁体層中への拡散、b)絶縁体物質の結晶化、c)フィラメントと呼ばれる導電経路の形成、d)絶縁体物質の化学量論的なズレ等、様々な説で説明される導電経路(電流経路)の偶発的な成長である。   In general, the forming process is a process for forming a conductive path by applying an electric field to an electron-emitting device generally configured in an MIM type, as described in Patent Document 2, for example. The forming process is decisively different from normal dielectric breakdown: a) diffusion of the electrode material into the insulator layer, b) crystallization of the insulator substance, c) formation of a conductive path called a filament, d) insulation This is an accidental growth of a conductive path (current path) explained in various theories such as a stoichiometric shift of a body material.

このような大気中のフォーミング処理による導電経路(予め形成されている導電経路)の形成は、微粒子層105表面にある導電微粒子6の堆積物107…が、微粒子層105の厚み方向における電気の流れ易さを高めることで、大気中のフォーミング処理によって容易に形成できる。   The formation of a conductive path (preliminarily formed conductive path) by the forming process in the atmosphere is such that the deposits 107 of the conductive fine particles 6 on the surface of the fine particle layer 105 flow in the thickness direction of the fine particle layer 105. By increasing the ease, it can be easily formed by a forming process in the atmosphere.

電子加速層4に予め導電経路が形成されていることで、その後の真空中における電子放出操作に要する素子への電圧印加によって、新たに導電経路が形成されることはなく、素子内電流は、予め形成されている導電経路を通って流れる。これにより、電子放出時に、導電経路が安定して機能することとなる。これに対し、予め導電経路が形成されていない素子に対して真空中において電圧印加することは、導電経路の形成過程であり、かつ、電子放出過程である。つまり、導電経路を形成しながら、電子放出も行うこととなる。そして、このような条件で形成される導電経路の形成は、恒常的なものではなく、真空中において電圧を印加する度に、新たに形成されるものである。そのため、真空中において電圧を印加する度に、素子の導電状態が変わってしまい、安定した電子放出特性を得ることができない。   Since the conductive path is formed in advance in the electron acceleration layer 4, a new conductive path is not formed by voltage application to the element required for the subsequent electron emission operation in vacuum, and the current in the element is It flows through a pre-formed conductive path. As a result, the conductive path functions stably during electron emission. On the other hand, applying a voltage in a vacuum to an element in which a conductive path is not formed in advance is a process for forming a conductive path and an electron emission process. That is, electrons are emitted while forming a conductive path. The formation of the conductive path formed under such conditions is not constant, and is newly formed each time a voltage is applied in a vacuum. Therefore, every time a voltage is applied in a vacuum, the conductive state of the element changes, and stable electron emission characteristics cannot be obtained.

また、ここでは、導電微粒子6が微粒子層105の表面に離散的に堆積された、部分的な堆積物107…が離散的に配置された構成としているので、電子の放出位置を制御したり、単位面積当たりの放出量を制御したりすることができる。   In addition, since the conductive fine particles 6 are discretely deposited on the surface of the fine particle layer 105 and the partial deposits 107 are discretely arranged, the electron emission position is controlled, The amount of discharge per unit area can be controlled.

大気中でのフォーミング処理工程では、電極基板2側から薄膜電極3側へと、導電微粒子6の堆積物107…における電流の流れ易い部分を目指して電流が流れ、導電経路(電流経路)が形成される。導電微粒子6の堆積物が面状のものであれば、電子放出部108は面状の堆積物の表面に偶発的に決定され、形成される位置も個数も定まらない。このように電子放出部108が、電子加速層4表面に偶発的に形成されるのでは、電子の放出位置を制御したり、単位面積当たりの放出量を制御したりすることができない。   In the forming process step in the atmosphere, a current flows from the electrode substrate 2 side to the thin film electrode 3 side, aiming at a portion where the current of the deposit 107 of the conductive fine particles 6 easily flows, and a conductive path (current path) is formed. Is done. If the deposit of the conductive fine particles 6 is planar, the electron emission portion 108 is accidentally determined on the surface of the planar deposit, and the position and the number of the formed portions are not determined. If the electron emission portion 108 is accidentally formed on the surface of the electron acceleration layer 4 in this way, the electron emission position cannot be controlled, and the emission amount per unit area cannot be controlled.

なお、電子放出量は、電極基板2と薄膜電極3との間に印加する電圧を変化させることでも制御可能であり、低電圧では電子の放出量を小さく、高電圧では電子の放出量を大きく操作できる。しかしながら本明細で開示される素子は、低電圧印加時の電子放出量が極端に小さく、電子放出効率が著しく低下する。このため、電子放出量を極端に小さく絞り込みたい時には、印加電圧による電子放出量の制御は用いられない。   The electron emission amount can also be controlled by changing the voltage applied between the electrode substrate 2 and the thin film electrode 3, and the electron emission amount is small at a low voltage, and the electron emission amount is large at a high voltage. Can be operated. However, the device disclosed in this specification has an extremely small amount of electron emission when a low voltage is applied, and the electron emission efficiency is remarkably lowered. For this reason, when it is desired to narrow down the electron emission amount extremely small, the control of the electron emission amount by the applied voltage is not used.

これに対し、導電微粒子6を離散的に堆積させ、部分的な堆積物107…が離散的に配置された図2のような構成では、大気中でのフォーミング処理により形成される導電経路は、電極基板2側から個々の堆積物107に対して形成されるようになり、個々の堆積物107に電子放出部108が形成されることとなる。したがって、堆積物107…の配置を制御することで、電子放出部を電子加速層4の表面の任意の位置に配置することが可能となり、電子放出素子1における面内での電子の放出位置や、単位面積当たりの放出量等の制御が可能になる。なお、堆積物107…の配置は、図2に示すように規則正しく配置されたものに限らず、ランダムに配置されたものであってもよいことはいうまでもない。   On the other hand, in the configuration as shown in FIG. 2 in which the conductive fine particles 6 are discretely deposited and the partial deposits 107 are discretely arranged, the conductive path formed by the forming process in the atmosphere is The individual deposits 107 are formed from the electrode substrate 2 side, and the electron emission portions 108 are formed in the individual deposits 107. Therefore, by controlling the arrangement of the deposits 107, the electron emission portion can be arranged at an arbitrary position on the surface of the electron acceleration layer 4, and the electron emission position in the plane of the electron emission element 1 or It is possible to control the discharge amount per unit area. Needless to say, the arrangement of the deposits 107 is not limited to a regular arrangement as shown in FIG. 2, but may be a random arrangement.

また、上記構成では、電子放出部が堆積物107の電子放出部108に特定されることで、薄膜電極3において、放出電子によって逆スパッタされ部分は、電子放出部108の真上に位置する部分や、電子放出部108近傍に位置する部分に限定され、薄膜電極3における電子放出部108の真上やその近傍に位置する部分以外では、放出電子に曝されることはない。したがって、長期間の駆動においても、薄膜電極3の上部電極としの機能を保持できる。   Further, in the above configuration, since the electron emission portion is specified as the electron emission portion 108 of the deposit 107, the portion reversely sputtered by the emitted electrons in the thin film electrode 3 is a portion located directly above the electron emission portion 108. In addition, it is limited to the portion located in the vicinity of the electron emitting portion 108 and is not exposed to the emitted electrons except for the portion located in the thin film electrode 3 directly above or near the electron emitting portion 108. Therefore, the function as the upper electrode of the thin film electrode 3 can be maintained even during long-term driving.

ところで、離散的に配置された各堆積物107の電子放出部108より電子を放出させる構成において、長時間に渡り安定に動作させるには、薄膜電極3表面積に対する電子放出部の個数、及び薄膜電極3の厚さが重要である。   By the way, in the configuration in which electrons are emitted from the electron emission portions 108 of the deposits 107 arranged discretely, in order to operate stably for a long time, the number of electron emission portions with respect to the surface area of the thin film electrode 3, and the thin film electrode A thickness of 3 is important.

つまり、薄膜電極3表面積に対する電子放出部の個数が少ない場合、連続駆動時(長時間駆動時)に、電子加速層における電子放出部以外の部分、つまり、表面に導電微粒子6の堆積物107が配置されていない微粒子層105部分及びその上の薄膜電極3が選択的に破壊され易くなり、連続駆動と共に表面の導通を失い、最終的に電子放出が途絶えてしまう。このような現象は、電子放出部以外の微粒子層105部分が破壊されて本来電流の流れない部分に極少量の電流が流れ込むようになり、連続駆動を重ねることで電荷が蓄積され、最終的に微粒子層105の絶縁破壊を生じたことによるものと考えられる。   That is, when the number of electron emission portions with respect to the surface area of the thin film electrode 3 is small, the deposit 107 of the conductive fine particles 6 is formed on the surface other than the electron emission portion in the electron acceleration layer, that is, on the surface during continuous driving (long-time driving). The portion of the fine particle layer 105 not disposed and the thin film electrode 3 thereon are easily destroyed selectively, the surface conduction is lost with continuous driving, and the electron emission is eventually interrupted. Such a phenomenon is caused by destruction of the fine particle layer 105 other than the electron emission portion, and a very small amount of current flows into a portion where current does not flow, and charges are accumulated by continuous driving. This is considered to be caused by the dielectric breakdown of the fine particle layer 105.

また、薄膜電極3の表面積に対する電子放出部の個数が充分多くとも、長時間駆動(連続駆動)時に、薄膜電極3の厚さが充分でない場合、たとえ印加電圧が低くとも、堆積物107が破壊されてしまい、電子放出が途絶えてしまうことも判明した。   Further, even if the number of electron emission portions with respect to the surface area of the thin film electrode 3 is sufficiently large, when the thin film electrode 3 is not sufficiently thick during long-time driving (continuous driving), the deposit 107 is destroyed even if the applied voltage is low. As a result, it was also found that electron emission was interrupted.

そこで、上記電子放出素子1においては、さらに、微粒子層105の表面積に対する堆積物107の総表面積が5%以上90.6%以下、薄膜電極3の厚みが100nm以上500nm以下としている。   Therefore, in the electron-emitting device 1, the total surface area of the deposit 107 with respect to the surface area of the fine particle layer 105 is 5% to 90.6%, and the thickness of the thin-film electrode 3 is 100 nm to 500 nm.

微粒子層105の表面積に対する堆積物107の総表面積を5%以上とすることで、長時間駆動(連続駆動)時に、電子加速層4における電子放出部以外の部分が選択的に破壊されるといった問題を回避することができる。ここで、上限を90.6%としたのは、これを超えると、堆積物107同士が近接しあって繋がり合い、面状配置となってしまい、堆積物107を離散的に配置することが困難となるためである。堆積物107が面状に配置された電子放出素子では、エージング過程において電子放出部の異常増加が生じ、それに伴う素子内電流増加に素子が耐え切れず、素子破壊が生じ、短時間で電子放出が途絶えてしまうおそれがある。   By setting the total surface area of the deposit 107 with respect to the surface area of the fine particle layer 105 to 5% or more, a portion other than the electron emission portion in the electron acceleration layer 4 is selectively destroyed during long-time driving (continuous driving). Can be avoided. Here, the upper limit is set to 90.6%. When the upper limit is exceeded, the deposits 107 come close to each other and are connected to each other to form a planar arrangement, and the deposits 107 can be arranged discretely. This is because it becomes difficult. In the electron-emitting device in which the deposit 107 is arranged in a planar shape, an abnormal increase in the electron-emitting portion occurs in the aging process, the device cannot withstand the accompanying increase in current in the device, the device breaks down, and electron emission occurs in a short time. May be lost.

また、薄膜電極3の厚みを100nm以上とすることで、連続駆動時に、堆積物107、或いは堆積物107とその上の薄膜電極3の両方が破壊されるといった問題を回避することができる。100nm未満では、連続駆動時に電極膜の破壊が生じやすく、導通不良となる虞がある。上限500nmとしたのは、これを超えると、大気中でのフォーミング処理時に、より高電圧を必要とし、制御性に欠ける虞があり、また、堆積物107と大気を隔てる薄膜電極3の、気体分子透過性が失われ、フォーミング処理が行えなくなる、すなわち、電子放出しなくなる虞があるためである。   Further, by setting the thickness of the thin film electrode 3 to 100 nm or more, it is possible to avoid the problem that the deposit 107 or both the deposit 107 and the thin film electrode 3 thereon is destroyed during continuous driving. If the thickness is less than 100 nm, the electrode film is likely to be broken during continuous driving, which may result in poor conduction. If the upper limit is 500 nm, a higher voltage is required at the time of the forming process in the atmosphere, and there is a risk of lack of controllability, and the gas of the thin film electrode 3 that separates the deposit 107 from the atmosphere. This is because the molecular permeability is lost and the forming process cannot be performed, that is, electrons may not be emitted.

また、ここで、微粒子層105の表面積に対する堆積物107の総表面積の下限は、10%以上とすることがより好ましい。これによれば、連続駆動時に、電子加速層における電子放出部以外の部分が選択的に破壊されるといった問題をより確実に回避することができる。   Here, the lower limit of the total surface area of the deposit 107 with respect to the surface area of the fine particle layer 105 is more preferably 10% or more. According to this, it is possible to more reliably avoid the problem that a portion other than the electron emission portion in the electron acceleration layer is selectively destroyed during continuous driving.

同様に、薄膜電極3の厚みの下限は、160nm以上とすることがより好ましい。これによれば、連続駆動時に、堆積物107…、或いは堆積物107…とその上の薄膜電極3の両方が破壊されるといった問題をより確実に回避することができる。   Similarly, the lower limit of the thickness of the thin film electrode 3 is more preferably 160 nm or more. According to this, during the continuous driving, it is possible to more reliably avoid the problem that the deposits 107, or both the deposits 107 and the thin film electrode 3 thereon are destroyed.

堆積物107の形成方法は、導電微粒子6の離散的な堆積を可能とする方法であれば、インクジェットヘッドを用いたインクジェット法以外に、マスクを用いたスプレー塗布法や、マスクレスで導電微粒子6の液滴を飛散可能な静電噴霧法等が利用可能である。しかしながら、塗布位置の制御性と塗布量の繰り返し再現性を考慮すると、インクジェット法による塗布が好ましい。   As long as the method of forming the deposit 107 is a method that enables discrete deposition of the conductive fine particles 6, in addition to the ink jet method using an ink jet head, a spray coating method using a mask, or a maskless conductive fine particle 6 is used. An electrostatic spraying method or the like that can scatter the liquid droplets can be used. However, in consideration of controllability of the application position and reproducibility of the application amount, application by the ink jet method is preferable.

図4に、ある堆積物107の表面写真を示す。これは、インクジェット法で形成したものであるが、インクジェット法にてドーム状に形成した部分的な堆積物107は、乾燥過程で所謂コーヒーリング現象を起こし、円の中央部を窪ませ、外周部リングをやや盛り上がらせた状態で固化する。なお、図4は、フォーミング処理前の堆積物107を撮影したものであるので、電子放出部108は形成されておらず、堆積物107の表面は滑らかである。   FIG. 4 shows a surface photograph of a certain deposit 107. This is formed by the ink jet method, but the partial deposit 107 formed in a dome shape by the ink jet method causes a so-called coffee ring phenomenon in the drying process, and the central portion of the circle is depressed, and the outer peripheral portion Solidify with the ring slightly raised. Note that FIG. 4 is an image of the deposit 107 before the forming process, so the electron emission portion 108 is not formed, and the surface of the deposit 107 is smooth.

なお、以上においては、電子加速層4における微粒子層105の厚み方向における電気の流れ易さを高める単独物質又は混合物質として、導電微粒子6を提示したが、他の例として、電子対を供与する電子供与体が置換基として導入されてなる塩基性分散剤を微粒子層105に付与する構成も考えられる。   In the above description, the conductive fine particles 6 have been presented as a single substance or a mixed substance that enhances the ease of electricity flow in the thickness direction of the fine particle layer 105 in the electron acceleration layer 4. However, as another example, an electron pair is provided. A configuration in which a basic dispersant in which an electron donor is introduced as a substituent is imparted to the fine particle layer 105 is also conceivable.

微粒子層105に、塩基性分散剤を含む塩基性溶液を塗布することで、微粒子層105を構成する絶縁体微粒子5の粒子表面へ、塩基性溶液中に含まれる電子供与基に代表される特定の置換基(例えば、π電子系であるフェニル基やビニル基、そしてアルキル基、アミノ基、等)を付与することが可能となる。絶縁体微粒子5の表面に特定の置換基を付与することで、それらを通じた粒子表面の電気伝導が容易になるだけでなく、大気中という雰囲気条件から、大気中の水分子あるいは酸素分子の表面付着が、この電気伝導現象をさらに容易にする。この結果、導電微粒子6の堆積物107…と同様に、大気中のフォーミング処理にて、微粒子層105に、恒常的な導電経路を形成することができる。塩基性溶液の場合、導電微粒子6とは異なり、微粒子層105の表面に留まることはなく、微粒子層105内に拡散されていき、塩基性溶液が拡散された部分が離散的に存在することとなる。   By applying a basic solution containing a basic dispersant to the fine particle layer 105, the identification represented by the electron donating group contained in the basic solution is applied to the surface of the insulating fine particles 5 constituting the fine particle layer 105. (For example, a phenyl group or a vinyl group which is a π electron system, and an alkyl group, an amino group, or the like). Giving a specific substituent to the surface of the insulating fine particles 5 not only facilitates electric conduction of the particle surface through them, but also the surface of water molecules or oxygen molecules in the atmosphere from atmospheric conditions. Adhesion further facilitates this electrical conduction phenomenon. As a result, like the deposits 107 of the conductive fine particles 6, a constant conductive path can be formed in the fine particle layer 105 by the forming process in the atmosphere. In the case of a basic solution, unlike the conductive fine particles 6, it does not stay on the surface of the fine particle layer 105 but is diffused into the fine particle layer 105, and there are discrete portions where the basic solution is diffused. Become.

本発明に適用できる塩基性分散剤の市販品を例示すると、アビシア社製の商品名:ソルスパース9000、13240、13940、20000、24000、24000GR、24000SC、26000、28000、32550、34750、31845等の各種ソルスパース分散剤、ビックケミー社製の商品名:ディスパービック106、112、116、142、161、162,163、164、165、166、181、182、183、184、185、191、2000、2001、味の素ファインテクノ社製の商品名:アジスパーPB711、PB411、PB111、PB821、PB822、エフカケミカルズ社製の商品名:EFKA−47、4050等を挙げることができる。   Examples of commercially available basic dispersants that can be applied to the present invention include various trade names such as trade names manufactured by Avicia: Solsperse 9000, 13240, 13940, 20000, 24000, 24000GR, 24000SC, 26000, 28000, 32550, 34750, and 31845. Solsperse dispersant, trade name manufactured by Big Chemie: Dispersic 106, 112, 116, 142, 161, 162, 163, 164, 165, 166, 181, 182, 183, 184, 185, 191, 2000, 2001, Ajinomoto Product names manufactured by Fine Techno Co., Ltd .: Addisper PB711, PB411, PB111, PB821, PB822, product names manufactured by Fuka Chemicals: EFKA-47, 4050, and the like.

また、塩基性溶液の場合、微粒子層105の表面に留まることはなく、微粒子層105内に拡散されていくので、塩基性溶液を付与した微粒子層105では、大気中のフォーミング処理にて導電経路を形成した場合、導電微粒子6の堆積物107…に形成されるような、物理的な欠陥よりなる電子放出部は形成されず、導電経路の出口が電子放出部となるのみである。したがって、電子放出部を保護し、長期駆動を実現するといった観点から言えば、導電微粒子6の堆積物107…のように、電子放出部を硬く形成する必要から、電子放出部を固めるような固体物質を、塩基性溶液に混ぜて塗布し、導電微粒子6の堆積物107…のように、電子放出部を固体物質の堆積物中に形成する手法が好ましい。   Further, in the case of a basic solution, it does not stay on the surface of the fine particle layer 105, but is diffused in the fine particle layer 105. Therefore, in the fine particle layer 105 to which the basic solution is applied, a conductive path is formed by an atmospheric forming process. Is formed, the electron emission portion made of physical defects as formed in the deposits 107 of the conductive fine particles 6 is not formed, and only the exit of the conductive path becomes the electron emission portion. Therefore, from the viewpoint of protecting the electron emission portion and realizing long-term driving, it is necessary to form the electron emission portion hard, such as the deposit 107 of the conductive fine particles 6, so that the electron emission portion is solidified. A method is preferable in which a substance is mixed and applied in a basic solution and an electron emission portion is formed in a solid substance deposit, such as a deposit 107 of the conductive fine particles 6.

次に、このような電子放出素子1における各部の材料について説明する。   Next, the material of each part in such an electron-emitting device 1 will be described.

電極基板2は、電極としての機能に付加して、電子放出素子の支持体の役割を担う。そのため、ある程度の強度を有し、直に接する物質との接着性が良好で、適度な導電性を有する基板であれば、特に制限なく、用いることができる。具体的には、例えばSUSやTi、Cu等の金属基板、SiやGe、GaAs等の半導体基板を挙げることができる。また、ガラス基板やプラスティック基板等の絶縁体基板の表面(電子加速層4との界面)に、金属などの導電性物質を電極として付着させたものであってもよい。絶縁体基板の表面に付着させる上記導電性物質としては、導電性に優れ、マグネトロンスパッタ等を用いて薄膜形成できれば、特に問わないが、大気中での安定動作を所望するのであれば、抗酸化力の高い導電体を用いることが好ましく、貴金属を用いることがより好ましい。また、酸化物導電材料として、透明電極に広く利用されているITO薄膜も有用である。また、強靭な薄膜を形成できるという点で、例えば、ガラス基板表面にTiを200nm成膜し、さらに重ねてCuを1000nm成膜した金属薄膜を用いてもよい。但し、これら材料及び数値に限定されることはない。   In addition to the function as an electrode, the electrode substrate 2 serves as a support for the electron-emitting device. Therefore, any substrate can be used without particular limitation as long as the substrate has a certain degree of strength, good adhesion to a directly contacting substance, and appropriate conductivity. Specifically, for example, a metal substrate such as SUS, Ti, or Cu, or a semiconductor substrate such as Si, Ge, or GaAs can be used. In addition, a conductive material such as a metal may be attached as an electrode to the surface of an insulating substrate such as a glass substrate or a plastic substrate (interface with the electron acceleration layer 4). The conductive substance to be attached to the surface of the insulating substrate is not particularly limited as long as it has excellent conductivity and can be formed into a thin film using magnetron sputtering or the like. It is preferable to use a conductor having high strength, and it is more preferable to use a noble metal. An ITO thin film widely used for transparent electrodes is also useful as an oxide conductive material. In addition, for example, a metal thin film in which a Ti film having a thickness of 200 nm is formed on the surface of a glass substrate and a Cu film having a thickness of 1000 nm may be used may be used because a strong thin film can be formed. However, it is not limited to these materials and numerical values.

薄膜電極3は、電圧の印加が可能となるような材料であれば特に制限なく、用いることができる。ただし、電子加速層4内で加速され高エネルギーとなった電子をなるべくエネルギーロスなく透過させて放出させるという観点から、仕事関数が低くかつ薄膜を形成することが可能な材料であれば、より高い効果が期待できる。このような材料として、例えば、仕事関数が4〜5eVに該当する金、銀、炭素、タングステン、チタン、アルミ、パラジウムなどを挙げることができる。中でも大気圧中での動作を想定した場合、酸化物及び硫化物形成反応のない金が、最良な材料となる。また、酸化物形成反応の比較的小さい銀、パラジウム、タングステンなども問題なく実使用に耐える材料である。また、薄膜電極3の膜厚は、既に説明したように、本発明では、100nm以上500nm以下の範囲としている。   The thin film electrode 3 can be used without particular limitation as long as it can be applied with a voltage. However, from the viewpoint of transmitting electrons that are accelerated and become high energy in the electron acceleration layer 4 without loss of energy as much as possible, it is higher if the material has a low work function and can form a thin film. The effect can be expected. Examples of such a material include gold, silver, carbon, tungsten, titanium, aluminum, palladium, and the like whose work function corresponds to 4 to 5 eV. In particular, assuming operation at atmospheric pressure, gold without oxide and sulfide formation reaction is the best material. In addition, silver, palladium, tungsten, and the like, which have a relatively small oxide formation reaction, are materials that can withstand actual use without problems. Further, as already described, the film thickness of the thin-film electrode 3 is in the range of 100 nm to 500 nm in the present invention.

電子加速層4における微粒子層105を構成する絶縁体微粒子5の材料としては、SiO、Al、TiOといったものが実用的となる。ただし、表面処理が施された小粒径シリカ粒子を用いると、それよりも粒子径の大きな球状シリカ粒子を用いるときと比べて、溶媒中に占めるシリカ粒子の表面積が増加し、溶液粘度が上昇するため、電子加速層4の膜厚が若干増加する傾向にある。また、絶縁体微粒子5として、有機ポリマーから成る微粒子を用いてもよい。 As materials for the insulating fine particles 5 constituting the fine particle layer 105 in the electron acceleration layer 4, materials such as SiO 2 , Al 2 O 3 , and TiO 2 become practical. However, using small-sized silica particles with surface treatment increases the surface area of the silica particles in the solvent and increases the solution viscosity compared to using spherical silica particles with a larger particle diameter. Therefore, the film thickness of the electron acceleration layer 4 tends to increase slightly. Further, as the insulating fine particles 5, fine particles made of an organic polymer may be used.

絶縁体微粒子5としては、材質の異なる2種類以上の粒子を用いてもよく、また、粒径のピークが異なる粒子を用いてもよく、さらには、単一粒子で粒径がブロードな分布のものを用いてもよい。但し、上述したように、微粒子層105の上には導電微粒子6の堆積物107…が形成される。堆積物107…と微粒子層105との界面においては、若干の相互混入は致し方ないとしても、両層は分離されている必要がある。そのため、絶縁体微粒子5の粒子径は、微粒子層の厚み方向における電気の流れ易さを高める上記単独物質又は混合物質が導電微粒子6である場合、導電微粒子6の粒子径に応じて、混合が起こらないように選択する必要がある。但し、絶縁体微粒子5相互を結着させるバインダー樹脂を使用する場合は、バインダー樹脂が導電微粒子6の入り込みを防止するため、バインダー樹脂を使用しない場合に比べて、絶縁体微粒子5の粒子径にある程度の余裕が見込める。   As the insulating fine particles 5, two or more kinds of particles of different materials may be used, particles having different particle size peaks may be used, and further, a single particle having a broad particle size distribution. A thing may be used. However, as described above, the deposits 107 of the conductive fine particles 6 are formed on the fine particle layer 105. At the interface between the deposits 107 and the fine particle layer 105, the two layers need to be separated even if there is little mutual mixing. Therefore, when the single substance or the mixed substance that enhances the flow of electricity in the thickness direction of the fine particle layer is the conductive fine particles 6, the insulating fine particles 5 are mixed according to the particle diameter of the conductive fine particles 6. You need to choose not to happen. However, when the binder resin that binds the insulating fine particles 5 to each other is used, the binder resin prevents the conductive fine particles 6 from entering, so that the particle diameter of the insulating fine particles 5 is smaller than when the binder resin is not used. Some margin can be expected.

また、微粒子層105の層厚としては、導電微粒子6を塗布する時に用いた溶媒を吸収して、微粒子層105内に拡散させ得るに十分な厚さを有していることが好ましい。これは、詳細は後述するが、好適な製造のためには、微粒子層105の上に導電微粒子6を堆積させた電子加速層4の表面全体に、塩基性溶液を塗布する工程を付加するためである。電子加速層4における堆積物107…が完全に固化していない状態で、塩基性溶液を塗布すると、堆積物107…を構成している導電微粒子6が塩基性溶液中に流出してしまう。そのため、堆積物107…は、塩基性溶液を塗布するときには完全に固化されている必要がある。そして、堆積物107…を完全に固化させるためには、導電微粒子6を塗布するときに用いた溶媒を微粒子層105にて吸収、拡散させる必要がある。そのため、微粒子層105は溶媒を吸収できる程度に空隙を持つこと、及び溶媒を吸収、拡散するのに十分な層厚を持つことが必要条件となる。なお、このことは、微粒子層の厚み方向における電気の流れ易さを高める上記単独物質又は混合物質として、塩基性分散剤を含む塩基性溶液を用い、これに固体物質を混合した場合も同じである。   Further, the layer thickness of the fine particle layer 105 preferably has a thickness sufficient to absorb the solvent used when the conductive fine particles 6 are applied and diffuse it into the fine particle layer 105. Although this will be described in detail later, for the purpose of suitable manufacturing, a step of applying a basic solution to the entire surface of the electron acceleration layer 4 in which the conductive fine particles 6 are deposited on the fine particle layer 105 is added. It is. When the basic solution is applied in a state where the deposits 107 in the electron acceleration layer 4 are not completely solidified, the conductive fine particles 6 constituting the deposits 107 flow out into the basic solution. Therefore, the deposits 107 should be completely solidified when the basic solution is applied. In order to completely solidify the deposits 107, it is necessary to absorb and diffuse the solvent used in applying the conductive fine particles 6 in the fine particle layer 105. Therefore, it is necessary that the fine particle layer 105 has a void enough to absorb the solvent and has a layer thickness sufficient to absorb and diffuse the solvent. This also applies to the case where a basic solution containing a basic dispersant is used as the single substance or the mixed substance for increasing the ease of electricity flow in the thickness direction of the fine particle layer, and a solid substance is mixed therewith. is there.

一方、導電微粒子6の材料としては、導電微粒子6が配置されている部分において、微粒子層105の厚み方向における電気の流れ易さを高めるものであれば、どのような導電体でも用いることができるが、抗酸化力が高い導電体であると大気圧動作させた時の酸化劣化を避けることができる。ここで言う抗酸化力が高いとは、酸化物形成反応の低いことを指す。一般的に熱力学計算より求めた、酸化物生成自由エネルギーの変化量ΔG[kJ/mol]値が負で大きい程、酸化物の生成反応が起こり易いことを表す。抗酸化力が高い導電体としては、貴金属、例えば、金、銀、白金、パラジウム、ニッケルといった材料が挙げられる。   On the other hand, as the material of the conductive fine particles 6, any conductor can be used as long as it enhances the flow of electricity in the thickness direction of the fine particle layer 105 in the portion where the conductive fine particles 6 are arranged. However, if the conductor has high anti-oxidation power, it is possible to avoid oxidative degradation when operated at atmospheric pressure. Here, the high antioxidant power means that the oxide forming reaction is low. In general, the larger the negative value ΔG [kJ / mol] value of the oxide formation free energy obtained by thermodynamic calculation, the easier the oxide formation reaction occurs. Examples of the conductor having a high antioxidation power include materials such as noble metals such as gold, silver, platinum, palladium, and nickel.

このような導電微粒子6は、公知の微粒子製造技術であるスパッタ法や噴霧加熱法を用いて作成可能であり、応用ナノ研究所が製造販売する銀ナノ粒子等の市販の金属微粒子粉体も利用可能である。導電微粒子の粒子径は、堆積物が電気的に飛ばされない程度の粒子径であることが必要であり、実験では、平均粒径が5nmであれば逆スパッタ現象を防止できることを確認している。   Such conductive fine particles 6 can be prepared using a known fine particle production technique such as sputtering or spray heating, and also use commercially available metal fine particle powders such as silver nanoparticles produced and sold by Applied Nano Laboratory. Is possible. The particle diameter of the conductive fine particles needs to be a particle diameter that does not cause the deposits to be electrically blown away. Experiments have confirmed that the reverse sputtering phenomenon can be prevented if the average particle diameter is 5 nm.

また、導電微粒子6の周囲には、導電微粒子6の平均粒径より小さい絶縁体物質である小絶縁体物質が存在していてもよく、この小絶縁体物質は、導電微粒子6の表面に付着する付着物質であってもよく、付着物質は、導電微粒子6の平均径より小さい形状の集合体として、導電微粒子6の表面を被膜する絶縁被膜であってもよい。小絶縁体物質としては、弾道電子を生成するという動作原理の上ではどのような絶縁体物質でも用いることができる。ただし、導電微粒子6の大きさより小さい絶縁体物質が導電微粒子6を被膜する絶縁被膜であり、絶縁被膜を導電微粒子6の酸化被膜によって賄った場合、大気中での酸化劣化により酸化皮膜の厚さが所望の膜厚以上に厚くなってしまう恐れがあるため、大気圧動作させた時の酸化劣化を避ける目的から、有機材料による絶縁被膜が好ましく、例えば、アルコラート、脂肪酸、アルカンチオールといった材料が挙げられる。この絶縁被膜の厚さは薄い方が有利であることが言える。   Further, a small insulator material that is an insulator material smaller than the average particle diameter of the conductive fine particles 6 may be present around the conductive fine particles 6, and this small insulator material adheres to the surface of the conductive fine particles 6. The adhering substance may be an insulating film that coats the surface of the conductive fine particles 6 as an aggregate having a shape smaller than the average diameter of the conductive fine particles 6. As the small insulator material, any insulator material can be used on the principle of operation of generating ballistic electrons. However, when the insulating material smaller than the size of the conductive fine particle 6 is an insulating film that coats the conductive fine particle 6, and the insulating film is covered by the oxide film of the conductive fine particle 6, the thickness of the oxide film due to oxidative degradation in the atmosphere. In order to avoid oxidative degradation when operated at atmospheric pressure, an insulating film made of an organic material is preferable. For example, materials such as alcoholate, fatty acid, and alkanethiol are listed. It is done. It can be said that the thinner the insulating coating, the more advantageous.

また、微粒子層105に使用されるバインダー樹脂としては、電極基板2との接着性がよく、絶縁体微粒子5を分散でき、絶縁性を有するものであればよい。このようなバインダー樹脂15として、例えば、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、ヘキシルトリメトキシシラン、デシルトリメトキシシラン、加水分解性基含有シロキサン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、2−(3、4エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、p−スチリルトリメトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルトリエトキシシシラン、3−アクリロキシプロピルトリメトキシシラン、N−2(アミノエチル)3−アミノプロピルトリメトキシシラン、N−2(アミノエチル)3−アミノプロピルトリエトキシシラン、3−アミノプロピルトリメトキシシラン、3−アミノプロピルトリエトキシシラン、3−トリエトキシシリル−N−(1、3−ジメチル−ブチリデン)プロピルアミン、N−フェニル−3−アミノプロピルトリメトキシシラン、3−ウレイドプロピルトリエトキシシラン、3−クロロプロピルトリメトキシシラン、3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、ビス(トリエトキシシリルプロピル)テトラスルフィド、3−イソシアネートプロピルトリエトキシシラン、などが挙げられる。これらの樹脂バインダーは、それぞれ単独で、あるいは2種以上を組み合わせて使用することができる。   The binder resin used for the fine particle layer 105 is not particularly limited as long as it has good adhesion to the electrode substrate 2, can disperse the insulating fine particles 5, and has insulating properties. Examples of the binder resin 15 include tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, methyltrimethoxysilane, methyltriethoxysilane, phenyltriethoxysilane, hexyltrimethoxysilane, decyltrimethoxysilane, hydrolyzable group-containing siloxane, Vinyltrimethoxysilane, vinyltriethoxysilane, 2- (3,4-epoxycyclohexyl) ethyltrimethoxysilane, 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane, 3-glycidoxypropylmethyldiethoxysilane, 3-glycidoxy Propyltriethoxysilane, p-styryltrimethoxysilane, 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane, 3-methacryloxypropyltriethoxysilane, 3-acryloxypropyltrimethoxysila N-2 (aminoethyl) 3-aminopropyltrimethoxysilane, N-2 (aminoethyl) 3-aminopropyltriethoxysilane, 3-aminopropyltrimethoxysilane, 3-aminopropyltriethoxysilane, 3-tri Ethoxysilyl-N- (1,3-dimethyl-butylidene) propylamine, N-phenyl-3-aminopropyltrimethoxysilane, 3-ureidopropyltriethoxysilane, 3-chloropropyltrimethoxysilane, 3-mercaptopropyltri Examples include methoxysilane, bis (triethoxysilylpropyl) tetrasulfide, and 3-isocyanatopropyltriethoxysilane. These resin binders can be used alone or in combination of two or more.

次に、微粒子層105の上に導電微粒子6を堆積させた電子放出素子1の製造方法の一実施形態について説明する。   Next, an embodiment of a method for manufacturing the electron-emitting device 1 in which the conductive fine particles 6 are deposited on the fine particle layer 105 will be described.

まず、分散溶媒に、分散剤と、絶縁体微粒子5とを投入して、超音波分散器にかけて絶縁体微粒子5を分散させ、絶縁体微粒子分散溶液を得る。なお、分散法は、特に限定されず、超音波分散器以外の方法で分散させてもよい。絶縁体微粒子5を分散させる分散溶媒としては、絶縁体微粒子5を効果的に分散でき、かつ塗布後に蒸発するものであれば、特に制限なく、用いることができる。例えば、トルエン、ベンゼン、キシレン、ヘキサン、テトラデカン等を用いることができる。分散剤も、分散溶媒との相性がよく、絶縁体微粒子5を分散させ得るものであればよい。   First, a dispersing agent and the insulating fine particles 5 are added to a dispersion solvent, and the insulating fine particles 5 are dispersed by an ultrasonic dispersing device to obtain an insulating fine particle dispersed solution. The dispersion method is not particularly limited, and the dispersion method may be performed by a method other than the ultrasonic disperser. As a dispersion solvent for dispersing the insulating fine particles 5, any insulating solvent that can effectively disperse the insulating fine particles 5 and evaporate after coating can be used without particular limitation. For example, toluene, benzene, xylene, hexane, tetradecane, or the like can be used. Any dispersant may be used as long as it is compatible with the dispersion solvent and can disperse the insulating fine particles 5.

次に、上記のように作成した絶縁体微粒子分散溶液を、電極基板2上に塗布して、電子加速層4における微粒子層105を形成する。塗布方法として、例えば、スピンコート法を用いることができる。上記絶縁体微粒子分散溶液を電極基板2上に滴下し、スピンコート法を用いて、微粒子層105となる薄膜を形成する。電極基板2上への絶縁体微粒子分散溶液の滴下、スピンコート法による成膜、乾燥、を複数回繰り返すことで所定の膜厚にすることができる。微粒子層105の成膜には、スピンコート法以外に、例えば、滴下法、スプレーコート法等の方法も用いることができる。   Next, the fine particle dispersion solution prepared as described above is applied onto the electrode substrate 2 to form the fine particle layer 105 in the electron acceleration layer 4. As a coating method, for example, a spin coating method can be used. The insulator fine particle dispersion is dropped onto the electrode substrate 2 and a thin film to be the fine particle layer 105 is formed by using a spin coating method. A predetermined film thickness can be obtained by repeating the dropping of the insulating fine particle dispersion solution on the electrode substrate 2, the film formation by the spin coating method, and the drying a plurality of times. In addition to the spin coating method, for example, a dropping method, a spray coating method, or the like can be used for forming the fine particle layer 105.

次に、分散溶媒に、分散剤と、導電微粒子6とを投入して、超音波分散器にかけて導電微粒子6を分散させ、導電微粒子分散溶液Bを得る。なお、分散法は、特に限定されず、超音波分散器以外の方法で分散させてもよい。導電微粒子6を分散させる分散溶媒としては、導電微粒子6を効果的に分散でき、かつ塗布後に蒸発するものであれば、特に制限なく、用いることができる。例えば、トルエン、ベンゼン、キシレン、ヘキサン、テトラデカン等を用いることができる。分散剤も、分散溶媒との相性がよく、導電微粒子6を分散させ得るものであればよい。   Next, a dispersing agent and the conductive fine particles 6 are added to a dispersion solvent, and the conductive fine particles 6 are dispersed by applying an ultrasonic dispersing device to obtain a conductive fine particle dispersion solution B. The dispersion method is not particularly limited, and the dispersion method may be performed by a method other than the ultrasonic disperser. As a dispersion solvent for dispersing the conductive fine particles 6, any conductive solvent can be used without particular limitation as long as the conductive fine particles 6 can be effectively dispersed and evaporated after coating. For example, toluene, benzene, xylene, hexane, tetradecane, or the like can be used. Any dispersant may be used as long as it has good compatibility with the dispersion solvent and can disperse the conductive fine particles 6.

また、導電微粒子分散溶液Bとしては、導電微粒子6が予め分散溶媒に分散されて市販されている導電微粒子分散溶液を用いてもよい。但し、塗布方法によって、塗布溶液には粘土の制限があるため、制限内であれば、市販されている導電微粒子分散溶液を使ってもよい。   As the conductive fine particle dispersion solution B, a conductive fine particle dispersion solution in which the conductive fine particles 6 are previously dispersed in a dispersion solvent may be used. However, since the coating solution has a clay limitation depending on the coating method, a commercially available conductive fine particle dispersion solution may be used within the limitation.

上記導電微粒子分散溶液Bを微粒子層105の表面に離散的に塗布して、導電微粒子6を堆積させる。離散的に堆積させる塗布方法としては、インクジェット法が最も好ましいが、マスクを用いたスプレー塗布法や、マスクレスで導電微粒子6の液滴を飛散可能な静電噴霧法等でもよい。   The conductive fine particle dispersion solution B is discretely applied to the surface of the fine particle layer 105 to deposit the conductive fine particles 6. As the coating method for discrete deposition, an ink jet method is most preferable, but a spray coating method using a mask, an electrostatic spraying method capable of scattering droplets of the conductive fine particles 6 without using a mask, or the like may be used.

微粒子層105上に離散的に配置された導電微粒子6の堆積物107が形成されると、さらに、その上に全面を覆うように薄膜電極3を成膜する。薄膜電極3の成膜には、例えば、マグネトロンスパッタ法を用いることができる。また、薄膜電極3の成膜には、マグネトロンスパッタ法以外に、例えば、インクジェット法や、スピンコート法、蒸着法等を用いることもできる。   When the deposit 107 of the conductive fine particles 6 discretely arranged on the fine particle layer 105 is formed, the thin film electrode 3 is further formed thereon so as to cover the entire surface. For forming the thin film electrode 3, for example, a magnetron sputtering method can be used. In addition to the magnetron sputtering method, for example, an inkjet method, a spin coating method, a vapor deposition method, or the like can be used for forming the thin film electrode 3.

次に、大気中において、電極基板2と薄膜電極3との間に直流電圧を印加して、導電微粒子6の堆積物107を物理的に部分破壊するフォーミング処理を行う。これにより、堆積物107に電子放出部108が形成される。   Next, in the atmosphere, a forming process is performed in which a DC voltage is applied between the electrode substrate 2 and the thin film electrode 3 to physically partially destroy the deposit 107 of the conductive fine particles 6. As a result, the electron emission portion 108 is formed in the deposit 107.

フォーミング処理を行うにあたり、電極基板2と薄膜電極3との間に印加する直流電圧は、段階的に上昇させていくことが好ましい。これは、電極基板2と薄膜電極3との間に、必要な電界を発生させる電圧を一気に印加すると、素子が絶縁破壊を起こす虞があるためである。電圧を段階的に上昇させていくことで、絶縁破壊を起こすことなく、フォーミング処理を行うことができる。   In performing the forming process, it is preferable that the DC voltage applied between the electrode substrate 2 and the thin film electrode 3 is increased stepwise. This is because if a voltage that generates a required electric field is applied between the electrode substrate 2 and the thin film electrode 3 at once, the element may break down. By increasing the voltage stepwise, the forming process can be performed without causing dielectric breakdown.

また、フォーミング処理において、電極基板2と薄膜電極3との間に印加する電圧は、電極基板2と薄膜電極3との間に発生する電界強度が、1.9×10〜4.1×10[V/m]となるように設定することが好ましい。これは、電界強度が1.9×10[V/m]未満となると、フォーミング処理ができないか、できた場合でも導電経路の形成が不十分であり、電子放出に要する電圧を印加しても、素子内電流が電子放出を得るだけの十分な量とならない状態となり、また、電界強度が4.1×10[V/m]を超えると、大規模な絶縁破壊を生じ易く導電経路そのものが破壊されてしまう。一度このような経過を辿ると、電子放出に要する電圧を印加しても、素子内電流はまったく流れなくなるか、流れたとしても電子放出を得るだけの十分な量とならない状態となるためである。 In the forming process, the voltage applied between the electrode substrate 2 and the thin film electrode 3 has an electric field strength generated between the electrode substrate 2 and the thin film electrode 3 of 1.9 × 10 7 to 4.1 ×. It is preferable to set to 10 7 [V / m]. This is because when the electric field strength is less than 1.9 × 10 7 [V / m], the forming process cannot be performed, or even when it is formed, the formation of the conductive path is insufficient, and the voltage required for electron emission is applied. However, if the current in the device does not become a sufficient amount to obtain electron emission, and if the electric field strength exceeds 4.1 × 10 7 [V / m], a large-scale dielectric breakdown is likely to occur. It will be destroyed. This is because once such a process has been followed, even if a voltage required for electron emission is applied, the current in the device will not flow at all, or even if it flows, it will not be in a state sufficient to obtain electron emission. .

そして、本発明の電子放出素子1を製造するにあたり、より好ましくは、微粒子層105上に堆積物107…が形成されてなる電子加速層4の表面全体に、電子加速層4における微粒子層105の厚み方向における電気の流れ易さを高める、導電微粒子6以外の単独物質又は混合物質として先に述べた塩基性分散剤を含む塩基性溶液を塗布し、その後、薄膜電極3を形成することである。   In manufacturing the electron-emitting device 1 of the present invention, more preferably, the fine particle layer 105 in the electron acceleration layer 4 is formed on the entire surface of the electron acceleration layer 4 in which the deposits 107 are formed on the fine particle layer 105. Applying a basic solution containing the basic dispersant described above as a single substance or mixed substance other than the conductive fine particles 6 to increase the ease of the flow of electricity in the thickness direction, and then forming the thin film electrode 3. .

堆積物107…は、導電微粒子6が微粒子層105上部に堆積したもので、導電微粒子6の密度が高い状態にある。一方、微粒子層105は、一部の導電微粒子6が界面付近で浸透することはあっても、その存在割合は極めて低い状態にある。したがって、このような電子加速層4においては、フォーミング処理工程において直流電圧を印加しても、導電経路の形成は容易ではない。   The deposits 107 are formed by depositing the conductive fine particles 6 on the fine particle layer 105, and the density of the conductive fine particles 6 is high. On the other hand, in the fine particle layer 105, although a part of the conductive fine particles 6 may permeate near the interface, the existence ratio is extremely low. Therefore, in such an electron acceleration layer 4, it is not easy to form a conductive path even if a DC voltage is applied in the forming process.

ところが、上記のように、電子加速層4に上記塩基性溶液を塗布することで、フォーミング処理工程において、再現性よく、小さなエネルギーで、しかも穏やかな処理条件にて、電子放出部108を形成し、導電経路を形成できることを確認している。   However, by applying the basic solution to the electron acceleration layer 4 as described above, the electron emission portion 108 is formed in the forming process step with good reproducibility, small energy, and mild process conditions. It has been confirmed that a conductive path can be formed.

表面に堆積物107…を有する微粒子層105に、塩基性溶液を塗布することで、既に説明したように、粒子表面の電気伝導が容易になると共に、大気中という雰囲気条件から、大気中の水分子あるいは酸素分子の表面付着が、この電気伝導現象をさらに容易にする。この結果、フォーミング処理が容易かつ、確実に実行可能となる。   By applying the basic solution to the fine particle layer 105 having the deposits 107 on the surface, as described above, the electric conduction on the particle surface is facilitated, and the atmospheric water is used from the atmospheric condition. The surface attachment of molecules or oxygen molecules further facilitates this electrical conduction phenomenon. As a result, the forming process can be performed easily and reliably.

ここで、塩基性溶液の塗布方法は、微粒子層105の表面の堆積物107…が配置されてなる電子加速層4を壊すことなく、ごく少量の溶液を均一にコートできる方法であればよく、スピンコート法、滴下法等が挙げられる。   Here, the application method of the basic solution may be any method that can uniformly coat a very small amount of solution without breaking the electron acceleration layer 4 on which the deposits 107 on the surface of the fine particle layer 105 are arranged. Examples include spin coating and dropping.

また、塩基性溶液を塗布する手順であるが、導電微粒子6の堆積物107…を形成する前の微粒子層105に塗布することも可能であるが、本願出願人は、導電微粒子6の堆積物107…を配置した後に塩基性溶液を塗布する手順が、フォーミング処理における電流経路の形成を容易にすると考えている。   Further, although the basic solution is applied, it is possible to apply it to the fine particle layer 105 before forming the conductive fine particle deposits 107... It is considered that the procedure of applying the basic solution after arranging 107... Facilitates the formation of a current path in the forming process.

これは、以下の理由による。図5(a)〜図5(c)は、何れも、導電微粒子6が離散的に配置されたある堆積物107の表面を示す写真である。このうち、図5(a)は、塩基性溶液塗布前(フォーミング処理前)の堆積物107の表面状態を示す。エッジ部に、一周する黒い線が確認できる。図5(b)は、塩基性溶液塗布直後(フォーミング処理前)の堆積物107の表面状態を、エッジに焦点をあてて撮影したものである。図5(a)と比較するとわかるように、エッジ部より内側に、新たに、一周する2本目の黒い線ができていることがわかる。図5(c)は、塩基性溶液塗布直後(フォーミング処理前)の堆積物107の表面状態を、一番盛り上がっているリング部に焦点をあてて撮影したものである。図5(a)と比較するとわかるように、一番盛り上がっているリングの一部に傷つけられたような痕が確認でき、また中央の凹部には、青い物質の溜りが確認できる。   This is due to the following reason. FIGS. 5A to 5C are photographs showing the surface of a certain deposit 107 in which the conductive fine particles 6 are discretely arranged. Among these, Fig.5 (a) shows the surface state of the deposit 107 before basic solution application | coating (before forming process). A black line that goes around the edge can be seen at the edge. FIG. 5B is a photograph of the surface state of the deposit 107 immediately after the application of the basic solution (before the forming process), focusing on the edge. As can be seen from comparison with FIG. 5A, it can be seen that a second black line is formed around the edge portion. FIG. 5C is a photograph of the surface state of the deposit 107 immediately after the application of the basic solution (before the forming process), focusing on the ring part that is most prominent. As can be seen from comparison with FIG. 5 (a), it can be confirmed that a part of the ring that is most swelled is damaged, and a blue substance pool can be confirmed in the central recess.

本願出願人は、このような観察の結果、堆積物107…を配置した後に塩基性溶液を塗布することで、堆積物107…の表面に傷を付けることが可能となり、後段のフォーミング処理においては、電流がこの表面の傷を目がけて流れ、その結果、導電経路の形成が容易になると考察している。   As a result of such observation, the applicant of the present application can scratch the surface of the deposits 107 by applying the basic solution after arranging the deposits 107. It is considered that the electric current flows aiming at the scratch on the surface, and as a result, the formation of the conductive path is facilitated.

[実施例1]
10mLの試薬瓶にエタノール溶媒2.0gと、テトラメトキシシランKBM−04(信越化学工業株式会社製)0.5gを入れ、絶縁体物質として平均径12nmの球状シリカ粒子AEROSIL R8200(エボニックエグサジャパン株式会社製)を0.5g投入し、試薬瓶を超音波分散器にかけ、シリカ粒子分散溶液とした。
[Example 1]
In a 10 mL reagent bottle, 2.0 g of ethanol solvent and 0.5 g of tetramethoxysilane KBM-04 (manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) are placed, and spherical silica particles AEROSIL R8200 having an average diameter of 12 nm as an insulator substance (Evonik EXA Japan Co., Ltd.) 0.5 g of company) was added, and the reagent bottle was put on an ultrasonic disperser to obtain a silica particle dispersion solution.

電極基板2となるITO薄膜を表面に有した25mm角のガラス基板上に、上記のシリカ粒子分散溶液を滴下後、スピンコート法を用いて8000rpm、10sの条件でシリカ粒子層を形成し、数時間室温乾燥することで微粒子層105に相当するシリカ粒子層が得られる。   The silica particle dispersion is dropped onto a 25 mm square glass substrate having an ITO thin film on the surface as the electrode substrate 2, and then a silica particle layer is formed under the conditions of 8000 rpm and 10 s using a spin coating method. By drying at room temperature for a time, a silica particle layer corresponding to the fine particle layer 105 is obtained.

このシリカ粒子層表面へ、導電微粒子6としての銀ナノ粒子を分散させたテトラデカン分散溶液(株式会社アルバック製、銀微粒子の平均粒径5.0nm、銀微粒子固形分濃度54%)を、所謂インクジェットヘッドを使用して離散的に吐出し、着弾径26μm、約20,400個/cmの密度で、銀ナノ粒子の堆積物107である銀粒子ドームを形成した。この時のインクジェットヘッドの吐出条件は、吐出体積4pL、千鳥状に吐出し、着弾位置の最小距離が62μmとなる様にした。このとき、シリカ粒子層の表面積に対する銀粒子ドームの総表面積、つまり着弾密度は11%である。 A tetradecane dispersion solution (manufactured by ULVAC, Inc., average particle diameter of silver fine particles of 5.0 nm, silver fine particle solid content concentration of 54%) in which silver nanoparticles as conductive fine particles 6 are dispersed on the surface of the silica particle layer is so-called inkjet. A silver particle dome, which is a deposit 107 of silver nanoparticles, was formed at a landing diameter of 26 μm and a density of about 20,400 particles / cm 2 by discrete ejection using a head. At this time, the ejection conditions of the inkjet head were such that the ejection volume was 4 pL, the ejection was performed in a zigzag pattern, and the minimum distance at the landing position was 62 μm. At this time, the total surface area of the silver particle dome relative to the surface area of the silica particle layer, that is, the landing density is 11%.

この銀粒子ドームを多数有するシリカ粒子層に、塩基性溶液を、スピンコート法を用いて塗布する。塩基性溶液は、10mLの試薬瓶にトルエン溶媒を3mL入れ、塩基性分散剤(塩基性官能基含有共重合物)であるアジスパーPB821(味の素ファインテクノ株式会社製)を0.03g投入し、超音波分散器にかけて分散して得られる。この塩基性溶液を、上記シリカ粒子層に滴下後、スピンコート法を用いて1000rpm、10sの条件で塗布した。   A basic solution is applied to the silica particle layer having a large number of silver particle domes using a spin coating method. In the basic solution, 3 mL of toluene solvent was put into a 10 mL reagent bottle, 0.03 g of Ajisper PB821 (manufactured by Ajinomoto Fine Techno Co., Ltd.), a basic dispersant (basic functional group-containing copolymer), was added, It is obtained by dispersing through a sonic disperser. This basic solution was dropped on the silica particle layer, and then applied under conditions of 1000 rpm and 10 s using a spin coating method.

最後に、銀粒子ドームが形成された上記シリア粒子層表面に、マグネトロンスパッタ装置を用いて膜厚160nmの薄膜電極3としての表面電極を成膜することにより、銀粒子ドームが密で、表面電極が厚膜のサンプルNo1の電子放出素子1が得られた。表面電極の成膜材料として金を使用し、電極面積は0.014cmとした。この表面電極内に存在する銀粒子ドームの数は、約290個となる。 Finally, a surface electrode as a thin film electrode 3 having a film thickness of 160 nm is formed on the surface of the Syria particle layer on which the silver particle dome is formed by using a magnetron sputtering apparatus. A thick film sample No. 1 was obtained. Gold was used as the film forming material for the surface electrode, and the electrode area was 0.014 cm 2 . The number of silver particle domes existing in the surface electrode is about 290.

次に、これまでの製造条件で得られた電子放出素子を、大気中において直流電圧を印加し、銀粒子ドームに導電路(電流路)を形成した。この時の電圧の最大値は+20Vとし、0.1Vのステップで1Vの電圧上昇に3秒を要する条件で電圧上昇を行った。   Next, a direct current voltage was applied to the electron-emitting device obtained under the manufacturing conditions so far in the atmosphere to form a conductive path (current path) in the silver particle dome. The maximum value of the voltage at this time was + 20V, and the voltage was increased under the condition that it takes 3 seconds to increase the voltage by 1V in steps of 0.1V.

このような電圧印加の間に、素子表面では銀粒子ドームに目視で判別可能な発光現象が生じており、その現象と引き換えに、銀粒子ドームの一部に、電子放出部108となる欠け、或いは割れが形成される。この銀粒子ドームに生じた欠陥は次に電圧を印加した時の電流路となることから、この大気中での電圧印加処理は、一般的なMIM型に構成された電子放出素子に、電界を加えて電流路を形成する所謂“フォーミング処理”と同様な電流路形成メカニズムを進展させると考えられる。
[比較例1]
一方、銀ナノ粒子を分散させたテトラデカン分散溶液をシリカ粒子層に、インクジェットヘッドを使用して離散的に吐出するにあたり、銀ナノ粒子の着弾密度が、シリカ粒子層表面の2〜3.5%を覆う様に塗布した以外、サンプルNo.1の電子放出素子1と同じ条件で、サンプルNo.2の電子放出素子を作成した。このサンプルNo.2の電子放出素子の場合、面積0.014cmの表面電極内に存在する銀粒子ドームの数は、55〜100個程度となる。この条件を導電微粒子ドームの疎な電子放出素子の条件とする。サンプルNo.2の電子放出素子は、銀粒子ドームが疎で、表面電極が厚膜の電子放出素子である。
[比較例2]
銀粒子ドームが形成された上記シリア粒子層表面に、マグネトロンスパッタ装置を用いて膜厚40nmの薄膜電極3としての表面電極を成膜すること以外は、サンプルNo.1の電子放出素子1と同じ条件で、サンプルNo.3A,3Bの電子放出素子を作成した。このサンプルNo.3A,3Bの電子放出素子の場合、面積0.014cmの表面電極内に存在する銀粒子ドームの数は、290個程度でなり、銀粒子ドームは密で、表面電極が薄膜の電子放出素子である。
[比較例3]
銀ナノ粒子を分散させたテトラデカン分散溶液をシリカ粒子層に、インクジェットヘッドを使用して離散的に吐出するにあたり、銀ナノ粒子の着弾密度が、シリカ粒子層表面の2〜3.5%を覆う様に塗布し、かつ、銀粒子ドームが形成された上記シリア粒子層表面に、マグネトロンスパッタ装置を用いて膜厚40nmの薄膜電極3としての表面電極を成膜した以外、サンプルNo.1の電子放出素子1と同じ条件で、サンプルNo.4の電子放出素子を作成した。このサンプルNo.4の電子放出素子は、銀粒子ドームが疎で、表面電極が薄膜の電子放出素子である。
[比較例4]
大気中でフォーミング処理を行っていない以外は、サンプルNo.1の電子放出素子1と同じ条件で、サンプルNo.5の電子放出素子を作成した。このサンプルNo.5の電子放出素子は、銀粒子ドームが密で、表面電極が厚膜であるが、電流路、電子放出部108が形成されていない電子放出素子である。
During such voltage application, the silver particle dome has a light emission phenomenon that can be visually discerned on the surface of the element. In exchange for this phenomenon, a part of the silver particle dome lacks the electron emission portion 108. Or a crack is formed. Since the defect generated in the silver particle dome becomes a current path when a voltage is applied next, the voltage application process in the atmosphere applies an electric field to an electron-emitting device configured in a general MIM type. In addition, it is considered that a current path formation mechanism similar to a so-called “forming process” for forming a current path is developed.
[Comparative Example 1]
On the other hand, when the tetradecane dispersion solution in which silver nanoparticles are dispersed is discretely ejected onto a silica particle layer using an inkjet head, the impact density of the silver nanoparticles is 2 to 3.5% of the surface of the silica particle layer. Sample no. Sample No. 1 under the same conditions as those of the electron-emitting device 1 of FIG. Two electron-emitting devices were produced. This sample No. In the case of 2 electron-emitting devices, the number of silver particle domes existing in the surface electrode having an area of 0.014 cm 2 is about 55 to 100. This condition is a condition for an electron-emitting device having a sparse conductive fine particle dome. Sample No. The electron-emitting device 2 is an electron-emitting device having a sparse silver particle dome and a thick surface electrode.
[Comparative Example 2]
Except that a surface electrode as a thin film electrode 3 having a film thickness of 40 nm is formed on the surface of the Syria particle layer on which the silver particle dome is formed using a magnetron sputtering apparatus, sample No. Sample No. 1 under the same conditions as those of the electron-emitting device 1 of FIG. 3A and 3B electron-emitting devices were prepared. This sample No. In the case of 3A and 3B electron-emitting devices, the number of silver particle domes existing in the surface electrode having an area of 0.014 cm 2 is about 290, the silver particle domes are dense, and the surface electrode is a thin film electron-emitting device. It is.
[Comparative Example 3]
When the tetradecane dispersion solution in which silver nanoparticles are dispersed is discretely ejected onto a silica particle layer using an inkjet head, the impact density of the silver nanoparticles covers 2 to 3.5% of the surface of the silica particle layer. The surface electrode as a thin film electrode 3 having a film thickness of 40 nm was formed on the surface of the Syria particle layer on which the silver particle dome was formed using a magnetron sputtering apparatus. Sample No. 1 under the same conditions as those of the electron-emitting device 1 of FIG. 4 electron-emitting devices were prepared. This sample No. The electron-emitting device 4 is an electron-emitting device in which the silver particle dome is sparse and the surface electrode is a thin film.
[Comparative Example 4]
Sample No. except that no forming process was performed in the air. Sample No. 1 under the same conditions as those of the electron-emitting device 1 of FIG. 5 electron-emitting devices were prepared. This sample No. 5 is an electron-emitting device in which the silver particle dome is dense and the surface electrode is a thick film, but the current path and the electron-emitting portion 108 are not formed.

このように作成したサンプルNo.1〜5の各電子放出素子に対して、電子放出実験を行った。電子放出実験には、図6に示す測定系を用いて行った。   Sample no. An electron emission experiment was performed on each of the electron-emitting devices 1 to 5. The electron emission experiment was performed using the measurement system shown in FIG.

図6の測定系では、電子放出素子1の薄膜電極3側に、絶縁体スペーサ9(径:1mm)を挟んで対向電極8を配置させる。そして、電子放出素子1の電極基板2と薄膜電極3との間には、電源7AによりV1の電圧が印加され、対向電極8には電源7BによりV2の電圧がかかるようになっている。薄膜電極3と電源7Aとの間を流れる単位面積当たりの素子内電流(素子内電流密度)I1を、上記測定系を1×10−8ATMの真空中に配置して測定した。 In the measurement system of FIG. 6, the counter electrode 8 is disposed on the thin-film electrode 3 side of the electron-emitting device 1 with an insulator spacer 9 (diameter: 1 mm) interposed therebetween. A voltage V1 is applied between the electrode substrate 2 and the thin film electrode 3 of the electron-emitting device 1 by the power source 7A, and a voltage V2 is applied to the counter electrode 8 by the power source 7B. In-device current (in-device current density) I1 per unit area flowing between the thin film electrode 3 and the power source 7A was measured by placing the measurement system in a vacuum of 1 × 10 −8 ATM.

図7に、実施例1のサンプルNo1の電子放出素子1に対し、真空中で電子放出特性を調べた結果を示す。表面電極への印加電圧17Vにて、単位面積当たりの電子放出電流は、1.24×10−4[A/cm]の電子放出が得られた。 FIG. 7 shows the result of examining the electron emission characteristics of the electron-emitting device 1 of sample No. 1 in Example 1 in a vacuum. At an applied voltage of 17 V to the surface electrode, an electron emission current of 1.24 × 10 −4 [A / cm 2 ] was obtained as an electron emission current per unit area.

また、図8に、実施例1のサンプルNo1の電子放出素子1に対し、真空中にて+16V印加し、連続駆動したときの各電流の時間変化を調べた結果を示す。+16V印加して連続駆動すると、電圧印加開始から約30分後に、電流の急激な上昇とシリカ粒子層表面の銀粒子ドームでの断続的な発光が生じた。この時、銀微粒子ドームには目立った破壊痕は形成されていなかったが、一度ピークに達した後に各電流値は安定した状態を維持した。特に、電子放出量は高い値で、安定している。   FIG. 8 shows the results of examining the time variation of each current when +16 V was applied to the electron-emitting device 1 of sample No. 1 in Example 1 in vacuum and continuously driven. When +16 V was applied for continuous driving, about 30 minutes after the start of voltage application, a sudden increase in current occurred and intermittent light emission occurred at the silver particle dome on the surface of the silica particle layer. At this time, no conspicuous fracture marks were formed on the silver fine particle dome, but each current value maintained a stable state after reaching a peak once. In particular, the amount of electron emission is high and stable.

また、図9に、実施例1のサンプルNo1の電子放出素子1に対し。真空中にて+16.5V印加して100時間、連続駆動したときの電子放出量の経時変化(各電流の時間変化)を調べた結果を示す。また、比較のために、銀粒子ドームが疎な状態にあり、表面電極の膜厚が40nmのサンプルNo.4の電子放出素子の電子放出量の経時変化を同時に掲載する。このサンプルNo.4の電子放出素子の駆動電圧は+18Vである。   FIG. 9 shows the electron-emitting device 1 of sample No. 1 in Example 1. The result of examining the time-dependent change of the electron emission amount (time change of each current) when +16.5 V is applied in vacuum and continuously driven for 100 hours is shown. For comparison, Sample No. 2 in which the silver particle dome is sparse and the film thickness of the surface electrode is 40 nm. The change with time of the electron emission amount of the electron emission element of 4 is listed simultaneously. This sample No. The driving voltage of the electron-emitting device 4 is + 18V.

連続駆動20時間経過後の電子放出量は、銀粒子ドームの疎密に関係なく同等な値であるが、密度の疎の比較例3のサンプルNo.4の電子放出素子では、連続駆動80時間経過後から電子放出量がパルス状になり、約84時間後には電子放出が途絶えてしまった。一方、密度の密なサンプルNo.1素子では、100時間まで安定した電子放出が可能であった。   The amount of electron emission after 20 hours of continuous drive is the same value regardless of the density of the silver particle dome, but the sample No. In the electron emitting device No. 4, the electron emission amount became a pulse after 80 hours of continuous driving, and the electron emission was stopped after about 84 hours. On the other hand, dense sample No. With one element, stable electron emission was possible up to 100 hours.

一方、表面電極は厚いが、銀粒子ドームが疎な比較例1のサンプルNo.2の電子放出素子では、長時間に渡り連続駆動すると、銀粒子ドームの存在する以外の場所(シリカ粒子層およびその表面に堆積した表面電極)が、駆動途中で破壊されてしまった。この破壊は、時間と共に増加する傾向にあり、最終的には表面電極の導通性が失われ、素子からの電子放出が無くなってしまった。この破壊は、本来電流の流れないシリカ粒子層に、強電界に伴った極少量の電流の流れ込みとその蓄積が、シリカ粒子層の絶縁破壊を引き起こしたものと考えられる。   On the other hand, although the surface electrode is thick, the sample No. In the electron-emitting device 2, when continuously driven for a long time, the places other than the presence of the silver particle dome (silica particle layer and the surface electrode deposited on the surface) were destroyed during the driving. This breakdown tends to increase with time, and eventually the conductivity of the surface electrode is lost and electron emission from the device is lost. It is considered that this breakdown is caused by the dielectric breakdown of the silica particle layer due to the flow and accumulation of a very small amount of current accompanying a strong electric field in the silica particle layer where no current flows.

これに対し、表面電極が厚く、銀粒子ドームも密な、サンプルNo.1の電子放出素子1では、同様な破壊は生じなかった。これは、本来電流の流れないシリカ粒子層での電荷の蓄積は、銀粒子ドームが疎な素子と同様に発生するだろうが、電流の流れ易い銀粒子ドームが密に存在するため、蓄積した電荷がシリカ粒子層を破壊するだけの量に達する前に、その電荷の一部は逐次銀粒子ドームへ漏洩すると考えられる。この結果、シリカ粒子層を破壊する規模の絶縁破壊が、生じ難くなっていると推察される。   On the other hand, sample No. 1 has a thick surface electrode and a dense silver particle dome. In the electron emitting device 1 of 1, the same breakdown did not occur. This is because the accumulation of charges in the silica particle layer where current does not flow is likely to occur in the same way as in the case where the silver particle dome is sparse. It is believed that some of the charge will sequentially leak into the silver particle dome before the charge reaches an amount sufficient to destroy the silica particle layer. As a result, it is presumed that dielectric breakdown on a scale that destroys the silica particle layer is less likely to occur.

銀粒子ドームは密であるが、表面電極が薄膜の比較例2のサンプルNo.3Aの電子放出素子に対して、例えば+18Vの印加電圧で連続駆動したところ、駆動開始から数分後に、素子内を流れる電流および放出電流が、電源の供給能力を遥かに超える程度の値まで急上昇し、素子に電圧がかからなくなってしまった。   Although the silver particle dome is dense, the surface electrode is a thin film sample No. When a 3A electron-emitting device is continuously driven at an applied voltage of, for example, + 18V, a few minutes after the start of driving, the current flowing in the device and the emission current rapidly increase to a value that far exceeds the power supply capability. However, no voltage was applied to the element.

そして、この電流の急激な上昇過程では、素子表面の銀粒子ドームがパルス状の発光を断続的に繰り返し、一部のドームは破壊に至ることを確認した。   It was confirmed that the silver particle dome on the surface of the element repeatedly emitted pulsed light intermittently during the rapid increase of current, and that some of the dome was destroyed.

図10に、比較例2のサンプルNo.3Bの電子放出素子に対し、今度は、より低い+13Vの印加電圧で連続駆動した結果を示す。図9は、銀粒子ドームが密で、表面電極の膜厚が40nmと薄い電子放出素子の、印加電圧が+13Vの時の各電流の時間変化である。駆動開始から数分後に、素子内を流れる電流および放出電流が、電源の供給能力を遥かに超える程度の値まで急上昇し、素子に電圧がかからなくなってしまった。この条件では、電流の急激な増加が電圧の印加開始から約8時間後に発生し、この現象が生じた直後に、電子放出は途絶えてしまった。   In FIG. This time, the result of continuously driving the electron-emitting device of 3B with a lower applied voltage of + 13V is shown. FIG. 9 shows the time variation of each current when the applied voltage is +13 V in an electron-emitting device having a dense silver particle dome and a thin surface electrode thickness of 40 nm. A few minutes after the start of driving, the current flowing through the device and the emission current rapidly increased to values far exceeding the power supply capability, and no voltage was applied to the device. Under this condition, a rapid increase in current occurred about 8 hours after the start of voltage application, and the electron emission stopped immediately after this phenomenon occurred.

これより、銀粒子ドームの密度を増加させるだけでは、素子の長時間に渡る安定な動作を実現できず、薄膜電極3に相当する表面電極が薄い場合、連続駆動すると、たとえ駆動電圧が低くとも、駆動開始から数分後に、素子内を流れる電流および放出電流が、電源の供給能力を遥かに超える程度の値まで急上昇し、素子に電圧がかからなくなってしまうことがわかった。   From this, it is impossible to realize a stable operation of the element for a long time only by increasing the density of the silver particle dome. When the surface electrode corresponding to the thin film electrode 3 is thin, even if the driving voltage is low, even if the surface driving is continuous. It was found that a few minutes after the start of driving, the current flowing through the device and the emission current rapidly increased to a value far exceeding the power supply capability, and no voltage was applied to the device.

そして、この物理現象を明確に説明することはできないが、この現象は、実施例1のサンプルNo.1の電子放出素子1のように、表面電極の膜厚を増加し、駆動電圧を+18Vよりも低い電圧とすることで対処できた。   Although this physical phenomenon cannot be clearly described, this phenomenon is not observed in the sample No. 1 of Example 1. As in the case of the electron-emitting device 1, it was possible to cope with the problem by increasing the film thickness of the surface electrode and setting the driving voltage to a voltage lower than + 18V.

この様に、銀ナノの密度を高くし、薄膜電極の膜厚を厚くし、さらに駆動電圧を低く抑えることで、放出電流量が高い状態を維持したまま、長時間に渡り安定した電子放出を可能とする素子と成る。   In this way, by increasing the density of silver nano, increasing the film thickness of the thin film electrode, and further reducing the driving voltage, stable electron emission over a long time while maintaining a high emission current amount. It becomes an element to be made possible.

また、図11は、大気中でのフォーミング処理を行っていない、比較例5のサンプルNo.5の電子放出素子の測定結果である。フォーミング処理を行っていない素子では、印加電圧+20Vでの素子内電流値は1.2×10−6A/cmであった。銀粒子ドームが疎で表面電極の膜厚が薄い比較例3のサンプルNo.4の電子放出素子と比較すると素子内電流は大きくなったが、素子からの電子放出は起こらなかった。 FIG. 11 shows the sample No. of Comparative Example 5 in which the forming process in the atmosphere is not performed. 5 shows the measurement results of the electron-emitting device 5. In the element not subjected to the forming process, the current value in the element at the applied voltage +20 V was 1.2 × 10 −6 A / cm 2 . Sample No. of Comparative Example 3 in which the silver particle dome is sparse and the surface electrode is thin. Compared with the electron-emitting device 4, the current in the device increased, but no electron emission occurred from the device.

また、図12に、実施例1のサンプルNo.1の電子放出素子1における、顕微鏡写真を示す。図12より、銀粒子ドーム(銀ドーム層)は、シリカ粒子層と同等かやや厚めの層厚であると考えられる。シリカ粒子層は塗布条件を変えても、1μm前後で成膜されており(スピン速度が遅いと1μmを多少超え、スピン速度が速いと1μmを多少下回る)、これより、銀ドームの高さも、約1μmではないかと、推察している。   In addition, in FIG. 1 shows a photomicrograph of the electron-emitting device 1 of FIG. From FIG. 12, it can be considered that the silver particle dome (silver dome layer) has the same or slightly thicker layer thickness as the silica particle layer. Even if the coating conditions are changed, the silica particle layer is formed at around 1 μm (a little over 1 μm when the spin speed is low, and a little under 1 μm when the spin speed is high). From this, the height of the silver dome is I guess it is about 1 μm.

〔実施の形態2〕
図13〜15に、実施の形態1で説明した本発明に係る一実施形態の電子放出素子1を用いた電子放出装置10にて自発光デバイスを構成した、本発明に係る自発光デバイスの例をそれぞれ示す。
[Embodiment 2]
FIGS. 13 to 15 show examples of self-luminous devices according to the present invention, in which the self-luminous devices are configured by the electron-emitting device 10 using the electron-emitting device 1 according to one embodiment of the present invention described in the first embodiment. Respectively.

図13に示す自発光デバイス31は、電子放出素子1とこれに電圧を印加する電源7とからなる電子放出装置10に加えて、発光部36を備えている。発光部36は、基材となるガラス基板34に、ITO膜33、蛍光体32が積層された構造を有する。発光部36は、電子放出素子1に対向した位置に、距離を隔てて配されている。   A self-emitting device 31 shown in FIG. 13 includes a light emitting unit 36 in addition to the electron emitting device 10 including the electron emitting element 1 and a power source 7 that applies a voltage to the electron emitting element 1. The light emitting unit 36 has a structure in which an ITO film 33 and a phosphor 32 are laminated on a glass substrate 34 serving as a base material. The light emitting unit 36 is disposed at a distance from the position facing the electron-emitting device 1.

蛍光体32としては、赤、緑、青色発光に対応した電子励起タイプの材料が適している。例えば、赤色ではY:Eu、(Y,Gd)BO:Eu、緑色ではZnSiO:Mn、BaAl1219:Mn、青色ではBaMgAl1017:Eu2+等が使用可能である。蛍光体32は、ITO膜33が成膜されたガラス基板34表面に成膜されており、厚さ1μm程度が好ましい。ITO膜33の膜厚は、導電性を確保できる膜厚であれば問題なく、本実施形態では150nmとした。 As the phosphor 32, an electron excitation type material corresponding to red, green, and blue light emission is suitable. For example, Y 2 O 3 : Eu, (Y, Gd) BO 3 : Eu in red, Zn 2 SiO 4 : Mn, BaAl 12 O 19 : Mn in green, and BaMgAl 10 O 17 : Eu 2+ in blue can be used. It is. The phosphor 32 is formed on the surface of the glass substrate 34 on which the ITO film 33 is formed, and preferably has a thickness of about 1 μm. The thickness of the ITO film 33 is 150 nm in the present embodiment, as long as it is a film thickness that can ensure conductivity.

蛍光体32を成膜するに当たっては、バインダーとなるエポキシ系樹脂と微粒子化した蛍光体粒子との混練物として準備し、バーコーター法或いは滴下法等の公知な方法で成膜するとよい。   In forming the phosphor 32, it is preferable to prepare a kneaded product of an epoxy resin serving as a binder and finely divided phosphor particles and form the film by a known method such as a bar coater method or a dropping method.

ここで、蛍光体32の発光輝度を上げるには、電子放出素子1から放出された電子を蛍光体32へ向けて加速する必要がある。このような加速を実現するには、図13に示すように、電子放出素子1の電極基板2と発光部36のITO膜33との間に、電源35を設け、電子を加速する電界を形成させるための電圧印加を可能にする構成が好ましい。このとき、蛍光体32と電子放出素子1との距離は、0.3〜1mmで、電源7からの印加電圧は18V、電源35からの印加電圧は500〜2000Vにするのが好ましい。   Here, in order to increase the emission luminance of the phosphor 32, it is necessary to accelerate the electrons emitted from the electron-emitting device 1 toward the phosphor 32. In order to realize such acceleration, as shown in FIG. 13, a power source 35 is provided between the electrode substrate 2 of the electron-emitting device 1 and the ITO film 33 of the light emitting unit 36 to form an electric field for accelerating electrons. A configuration that allows voltage application to be applied is preferable. At this time, the distance between the phosphor 32 and the electron-emitting device 1 is preferably 0.3 to 1 mm, the applied voltage from the power source 7 is preferably 18 V, and the applied voltage from the power source 35 is preferably 500 to 2000 V.

図14に示す自発光デバイス31’は、電子放出素子1とこれに電圧を印加する電源7とからなる電子放出装置10に加えて、蛍光体(発光体)32を備えている。自発光デバイス31’では、蛍光体32は平面状であり、電子放出素子1の表面に配置されている。ここで、電子放出素子1表面に成膜された蛍光体32の層は、前述のように微粒子化した蛍光体粒子との混練物から成る塗布液として準備し、電子放出素子1表面に成膜する。但し、電子放出素子1そのものは外力に対して弱い構造であるため、バーコーター法による成膜手段は利用すると素子が壊れる恐れがある。このため滴下法或いはスピンコート法等の方法を用いるとよい。   A self-luminous device 31 ′ shown in FIG. 14 includes a phosphor (light emitter) 32 in addition to the electron emitter 10 including the electron emitter 1 and a power source 7 that applies a voltage to the electron emitter 1. In the self-luminous device 31 ′, the phosphor 32 has a planar shape and is disposed on the surface of the electron-emitting device 1. Here, the phosphor 32 layer formed on the surface of the electron-emitting device 1 is prepared as a coating liquid composed of a kneaded material with the phosphor particles finely divided as described above, and is formed on the surface of the electron-emitting device 1. To do. However, since the electron-emitting device 1 itself has a structure that is weak against external force, there is a risk that the device may be damaged if film forming means by the bar coater method is used. Therefore, a method such as a dropping method or a spin coating method may be used.

図15に示す自発光デバイス31”は、電子放出素子1とこれに電圧を印加する電源7とからなる電子放出装置10に加えて、電子放出素子1の電子加速層4に蛍光体(発光体)32’として蛍光の微粒子が混入されている。この場合、蛍光体32’の微粒子を絶縁体微粒子5と兼用させてもよい。但し前述した蛍光体の微粒子は一般的に電気抵抗が低く、絶縁体微粒子5に比べると明らかに電気抵抗は低い。よって蛍光体の微粒子を絶縁体微粒子5に変えて混合する場合、その蛍光体の微粒子の混合量は少量に抑えなければ成らない。例えば、絶縁体微粒子5として球状シリカ粒子(平均径110nm)、蛍光体微粒子としてZnS:Mg(平均径500nm)を用いた場合、その重量混合比は3:1程度が適切となる。   A self-luminous device 31 ″ shown in FIG. 15 includes a phosphor (light emitter) in the electron acceleration layer 4 of the electron emitter 1 in addition to the electron emitter 10 including the electron emitter 1 and a power source 7 that applies a voltage to the electron emitter. ) Fluorescent fine particles are mixed in as 32 '. In this case, the fine particles of the phosphor 32' may also be used as the insulating fine particles 5. However, the aforementioned phosphor fine particles generally have low electric resistance, The electrical resistance is clearly lower than that of the insulating fine particles 5. Therefore, when the fluorescent fine particles are changed to the insulating fine particles 5 and mixed, the mixing amount of the fluorescent fine particles must be kept small. When spherical silica particles (average diameter 110 nm) are used as the insulating fine particles 5 and ZnS: Mg (average diameter 500 nm) is used as the phosphor fine particles, a weight mixing ratio of about 3: 1 is appropriate.

上記自発光デバイス31,31’,31”では、電子放出素子1より放出させた電子を蛍光体32,32に衝突させて発光させる。電子放出素子1は電子放出量が向上しているため、自発光デバイス31,31’,31”は、効果的に発光を行える。なお、自発光デバイス31,31’,31”は、真空封止することで電子放出電流が上がり、より効率よく発光することができる。   In the self-luminous devices 31, 31 ′, 31 ″, the electrons emitted from the electron-emitting device 1 collide with the phosphors 32, 32 to emit light. Since the electron-emitting device 1 has an improved electron emission amount, The self-light-emitting devices 31, 31 ′, 31 ″ can emit light effectively. The self-luminous devices 31, 31 ', 31' 'can be more efficiently light-emitted by increasing the electron emission current by vacuum sealing.

さらに、図16に、本発明に係る自発光デバイスを備えた本発明に係る画像表示装置の一例を示す。図16に示す画像表示装置140は、図15で示した自発光デバイス31”と、液晶パネル330とを供えている。画像表示装置140では、自発光デバイス31”を液晶パネル330の後方に設置し、バックライトとして用いている。画像表示装置140に用いる場合、自発光デバイス31”への印加電圧は、20〜35Vが好ましく、この電圧にて、例えば、単位時間当たり10μA/cmの電子が放出されるようになっていればよい。また、自発光デバイス31”と液晶パネル330との距離は、0.1mm程度が好ましい。 Further, FIG. 16 shows an example of an image display apparatus according to the present invention provided with the self-luminous device according to the present invention. An image display device 140 shown in FIG. 16 includes the self-luminous device 31 ″ shown in FIG. 15 and a liquid crystal panel 330. In the image display device 140, the self-luminous device 31 ″ is installed behind the liquid crystal panel 330. And used as a backlight. When used in the image display device 140, the applied voltage to the self-luminous device 31 ″ is preferably 20 to 35 V, and for example, 10 μA / cm 2 of electrons are emitted per unit time at this voltage. The distance between the self-light emitting device 31 ″ and the liquid crystal panel 330 is preferably about 0.1 mm.

また、本発明に係る画像表示装置として、図13に示す自発光デバイス31を用いる場合、自発光デバイス31をマトリックス状に配置して、自発光デバイス31そのものによるFEDとして画像を形成させて表示する形状とすることもできる。この場合、自発光デバイス31への印加電圧は、20〜35Vが好ましく、この電圧にて、例えば、単位時間当たり10μA/cmの電子が放出されるようになっていればよい。 When the self-luminous device 31 shown in FIG. 13 is used as the image display apparatus according to the present invention, the self-luminous devices 31 are arranged in a matrix, and an image is formed and displayed as an FED by the self-luminous device 31 itself. It can also be a shape. In this case, the applied voltage to the self-luminous device 31 is preferably 20 to 35 V, and it is sufficient that, for example, 10 μA / cm 2 of electrons are emitted per unit time at this voltage.

本発明に係る電子放出素子は、電気的導通を確保して十分な素子内電流を流し、薄膜電極から弾道電子を放出させることが可能である。よって、例えば、発光体と組み合わせることにより画像表示装置等に、好適に適用することができる。   The electron-emitting device according to the present invention can ensure electrical continuity, flow a sufficient current in the device, and emit ballistic electrons from the thin film electrode. Therefore, for example, it can be suitably applied to an image display device or the like by combining with a light emitter.

1 電子放出素子
2 電極基板
3 薄膜電極
4 電子加速層
5 絶縁体微粒子
6 導電微粒子
7 電源(電源部)
7A 電源
7B 電源
8 対向電極
9 絶縁体スペーサ
10 電子放出装置
31,31’,31” 自発光デバイス
32,32’ 蛍光体(発光体)
33 ITO膜
34 ガラス基板
35 電源
36 発光部
107 堆積物
108 電子放出部
330 液晶パネル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electron emission element 2 Electrode substrate 3 Thin film electrode 4 Electron acceleration layer 5 Insulator fine particle 6 Conductive fine particle 7 Power supply (power supply part)
7A power source 7B power source 8 counter electrode 9 insulator spacer 10 electron emission device 31, 31 ', 31 "self-emitting device 32, 32' phosphor (luminescent material)
33 ITO film 34 Glass substrate 35 Power source 36 Light emitting part 107 Deposit 108 Electron emitting part 330 Liquid crystal panel

Claims (11)

対向して配置された電極基板と薄膜電極との間に電子加速層を有し、前記電極基板と前記薄膜電極との間に電圧が印加されることで、前記電子加速層にて電子を加速させて前記薄膜電極から前記電子を放出する電子放出素子であって、
前記電子加速層は、絶縁体微粒子を含む微粒子層を有し、該微粒子層には、前記微粒子層の厚み方向における電気の流れ易さを高める単独物質又は混合物質が、前記微粒子層における電極基板側を下面として前記微粒子層の上面よりみた場合の付与位置が離散的になるように付与されており、
前記電子加速層には、当該電子加速層を厚み方向に通る導電経路であって、経路出口が前記電子を前記薄膜電極へと与える電子放出部となる導電経路が予め形成され、
前記微粒子層の表面積に対する前記単独物質又は混合物質の付与部分の総表面積が5%以上90.6%以下であり、
前記薄膜電極の厚みが100nm以上500nm以下であることを特徴とする電子放出素子。
An electron acceleration layer is provided between the electrode substrate and the thin film electrode arranged opposite to each other, and a voltage is applied between the electrode substrate and the thin film electrode to accelerate electrons in the electron acceleration layer. An electron-emitting device that emits the electrons from the thin film electrode,
The electron acceleration layer has a fine particle layer containing insulating fine particles, and the fine particle layer includes an electrode substrate in the fine particle layer that is made of a single substance or a mixed substance that enhances the flow of electricity in the thickness direction of the fine particle layer. It is given so that the application position when viewed from the upper surface of the fine particle layer with the side as the lower surface is discrete,
In the electron acceleration layer, a conductive path that passes through the electron acceleration layer in the thickness direction, a conductive path serving as an electron emitting portion whose path exit gives the electrons to the thin film electrode is formed in advance.
The total surface area of the application part of the single substance or mixed substance with respect to the surface area of the fine particle layer is 5% or more and 90.6% or less,
An electron-emitting device, wherein the thin-film electrode has a thickness of 100 nm to 500 nm.
前記単独物質又は混合物質は、導電微粒子であり、
該導電微粒子は、前記微粒子層の表面に堆積されて堆積物を形成しており、
該導電微粒子の堆積物には、前記電子放出部となる物理的な欠陥が設けられていることを特徴とする請求項1に記載の電子放出素子。
The single substance or mixed substance is conductive fine particles,
The conductive fine particles are deposited on the surface of the fine particle layer to form a deposit,
The electron-emitting device according to claim 1, wherein the deposit of the conductive fine particles is provided with a physical defect serving as the electron-emitting portion.
前記微粒子層の表面積に対する前記単独物質又は混合物質の付与部分の総表面積が10%以上であることを特徴とする請求項1又は2に記載の電子放出素子。   3. The electron-emitting device according to claim 1, wherein a total surface area of the application part of the single substance or the mixed substance with respect to a surface area of the fine particle layer is 10% or more. 前記薄膜電極の厚みが160nm以上であることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の電子放出素子。   The electron-emitting device according to any one of claims 1 to 3, wherein the thickness of the thin film electrode is 160 nm or more. 前記微粒子層が、絶縁体微粒子相互を結着させるバインダー樹脂を含むことを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の電子放出素子。   The electron-emitting device according to claim 1, wherein the fine particle layer includes a binder resin that binds the insulating fine particles to each other. 上記導電微粒子は、貴金属であることを特徴とする請求項2に記載の電子放出素子。   The electron-emitting device according to claim 2, wherein the conductive fine particles are a noble metal. 上記導電微粒子は、金、銀、白金、パラジウム、及びニッケルの少なくとも1つを含んでいることを特徴とする請求項2に記載の電子放出素子。   The electron-emitting device according to claim 2, wherein the conductive fine particles include at least one of gold, silver, platinum, palladium, and nickel. 前記薄膜電極は、金、銀、炭素、タングステン、チタン、アルミ、及びパラジウムの少なくとも1つを含んでいることを特徴とする請求項1〜7の何れか1項に記載の電子放出素子。   The electron-emitting device according to any one of claims 1 to 7, wherein the thin-film electrode includes at least one of gold, silver, carbon, tungsten, titanium, aluminum, and palladium. 請求項1〜8の何れか1項に記載の電子放出素子と、該電子放出素子にける前記電極基板と前記薄膜電極との間に電圧を印加する電源部と、を備えたことを特徴とする電子放出装置。   The electron-emitting device according to claim 1, and a power supply unit that applies a voltage between the electrode substrate and the thin-film electrode in the electron-emitting device. Electron emission device. 請求項9に記載の電子放出装置と発光体とを備え、前記電子放出装置から電子を放出して前記発光体を発光させることを特徴とする自発光デバイス。   A self-luminous device comprising the electron-emitting device according to claim 9 and a light emitter, wherein the light-emitting device emits electrons by emitting electrons from the electron-emitting device. 請求項10に記載の自発光デバイスを備えたことを特徴とする画像表示装置。   An image display apparatus comprising the self-luminous device according to claim 10.
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