JP2011040250A - 電子放出素子、電子放出装置、帯電装置、画像形成装置、電子線硬化装置自発光デバイス、画像表示装置、送風装置、冷却装置、電子放出素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、電子放出量が多い素子でも素子内電流量は小さい、電子放出効率の高い電子放出素子を提供する。
【解決手段】電子放出素子１は、電極基板２と薄膜電極３との間に電子加速層４を有する。電子加速層４は、絶縁体微粒子５とＡｌｑ_３６とを含んでいる。
【選択図】図１

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に関するものである。

従来、電子放出素子としては、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、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。また、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。したがって、ＭＩＭ型及びＭＩＳ型の電子放出素子においては、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。

さらに、本願出願人は、先に、抗酸化力の高い金属微粒子と絶縁体微粒子から成る電子放出素子を発明し、既に特許出願している（特許文献１）。この電子放出素子は、真空中だけでなく大気中でも安定して電子放出でき、オゾンやＮＯｘ等の有害物質を生成することもない。

特開２００９−１４６８９１号公報

しかしながら、本願出願人が先に特許出願した電子放出素子においては、電子放出量が多い素子では、素子内部を流れる素子内電流の量も多くなるという傾向があり、駆動時の消費電力が高いといった改善の余地を有している。

本発明の目的は、電子放出量が多くとも素子内電流量は小さい、電子放出効率の高い電子放出素子を提供する。

本願出願人は、上記課題を解決すべく、鋭意検討を重ねた結果、電子加速層における絶縁体微粒子に混合する物質を、抗酸化力の高い金属微粒子に換えて、発光材料として有機電界発光素子等に利用されている、電子輸送材料であるＡｌｑ_３とすることで、素子内電流量を抑制しつつも電子放出量を増大できることを見出し、本願発明を行うに至った。

すなわち、本発明の電子放出素子は、電極基板と薄膜電極と該電極基板および該薄膜電極に挟持された電子加速層とを有し、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と、前記電子加速層にて電子を加速させて、前記薄膜電極から該電子を放出する電子放出素子であって、前記電子加速層が、絶縁体微粒子とＡｌｑ_３とを含むことを特徴としている。

上記構成によれば、電極基板と薄膜電極との間に電圧が印加されると、電極基板と薄膜電極との間の電子加速層に電流が流れ、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から放出され、薄膜電極側より素子外部へと放出される。ここで、電子加速層は、絶縁体微粒子間にＡｌｑ_３が存在する薄膜の層であり、半導電性を有する。電子加速層をこのような構成することで、素子内電流量を抑制しつつ、電子放出量を増大させることが可能となる。

このような電子放出素子１の電子放出メカニズムは、明確になってはいなが、次のようなメカニズムでないかと考える。

すなわち、電極基板と薄膜電極との間に電圧が印加されると、電極基板から電子加速層における絶縁体微粒子の表面に電子が移る。絶縁体微粒子の内部は高抵抗であることから電子は絶縁体微粒子の表面を伝導していく。このとき、絶縁体微粒子の表面の不純物や表面処理剤、あるいは絶縁体微粒子間の接点において、電子がトラップされる。このトラップされた電子に対し、絶縁体微粒子間に存在するＡｌｑ_３は電子輸送剤として働き、トラップされた電子を効率よく電子加速層の表面に移動させることができる。そのため、素子内の電流が増えることなく、電子加速層の表面は印加電圧とトラップされた電子の作る電界が合わさって高電界となり、その高電界によって電子が加速され、薄膜電極から多量の電子が放出される。

したがって、本発明の電子放出素子は、電子放出量が多くとも素子内電流量は小さい、電子放出効率の高い電子放出素子となり、消費電力を下げることができる。

ここで、絶縁体微粒子の平均径は、１０〜１０００ｎｍであるのが好ましい。粒子径の分散状態は平均径に対してブロードであっても良く、例えば平均径５０ｎｍの微粒子は、２０〜１００ｎｍの領域にその粒子径分布を有していても問題ない。上記微粒子である絶縁体物質の平均径を好ましくは１０〜１０００ｎｍとすることにより、素子内を電流が流れる際に発生するジュール熱を効率よく逃がすことができ、電子放出素子が熱で破壊されることを防ぐことができる。さらに、上記電子加速層における抵抗値の調整を行いやすくすることができる。

本発明の電子放出素子では、上記構成に加え、上記絶縁体微粒子は、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、及びＴｉＯ_２の少なくとも１つを含んでいてもよい。または有機ポリマーを含んでいてもよい。上記絶縁体微粒子が、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、及びＴｉＯ_２の少なくとも１つを含んでいる、あるいは、有機ポリマーを含んでいると、これら物質の絶縁性が高いことにより、上記電子加速層の抵抗値を任意の範囲に調整することが可能となる。

本発明の電子放出素子では、上記構成に加え、上記電子加速層における上記Ａｌｑ_３の割合が、重量比で０．５〜３０％が好ましい。０．５％より少ない場合はＡｌｑ_３として素子内電流を増加させる効果を発揮せず、３０％より多い場合は導電パスが形成され易くなり、素子内に低電圧で大電流が流れ、電子放出量が減少する。

本発明の電子放出素子では、上記構成に加え、上記電子加速層の層厚は、１２〜６０００ｎｍであるのが好ましい。上記電子加速層の層厚を、好ましくは１２〜６０００ｎｍとすることにより、電子加速層の層厚を均一化すること、また層厚方向における電子加速層の抵抗調整が可能となる。この結果、電子放出素子表面の全面から一様に電子を放出させることが可能となり、かつ素子外へ効率よく電子を放出させることができる。

本発明の電子放出素子では、上記構成に加え、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。

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、上記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。

上記構成によると、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効率よく安定して放出させることができる。

さらに、本発明の電子放出素子を自発光デバイス、及びこの自発光デバイスを備えた画像表示装置に用いることにより、安定で長寿命な面発光を実現する自発光デバイスを提供することができる。

また、本発明の電子放出素子を、送風装置あるいは冷却装置に用いることにより、放電を伴わず、オゾンやＮＯｘを始めとする有害な物質の発生がなく、被冷却体表面でのスリップ効果を利用することにより高効率で冷却することができる。

また、本発明の電子放出素子を、帯電装置、及びこの帯電装置を備えた画像形成装置に用いることにより、放電を伴わず、オゾンやＮＯｘを始めとする有害な物質を発生させることなく、長期間安定して被帯電体を帯電させることができる。

また、本発明の電子放出素子を、電子線硬化装置に用いることにより、面積的に電子線硬化でき、マスクレス化が図れ、低価格化・高スループット化を実現することができる。

本発明の電子放出素子の製造方法は、電極基板と薄膜電極と該電極基板および該薄膜電極に挟持された電子加速層とを有し、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と、前記電子加速層にて電子を加速させて、前記薄膜電極から該電子を放出する電子放出素子の製造方法であって、絶縁体微粒子が分散された分散液を調整する分散液調整工程と、前記分散液にＡｌｑ_３が混合された混合液を調整する混合液調整工程と、
前記電極基板上に、前記混合液を塗布して前記電子加速層を形成する電子加速層形成工程と、を含むことを特徴としている。

上記方法によると、電極基板上に、絶縁体微粒子が分散されると共に、Ａｌｑ_３が混合された混合液を塗布して電子加速層を設けるようになっている。これにより、電極基板上に絶縁体微粒子およびＡｌｑ_３を薄く均一に被覆して、効率よく安定した電子放出が可能な本発明の電子放出素子を得ることができる。

以上のように、本発明の電子放出素子は、電極基板と薄膜電極とに挟持された電子加速層が、絶縁体微粒子とＡｌｑ_３とを含む構成である。

これにより、電子放出量が多くとも素子内電流量は小さい、電子放出効率の高い電子放出素子を得ることができる。

また、本発明の電子放出素子の製造方法は、絶縁体微粒子が分散された分散液を調整する分散液調整工程と、該分散液にＡｌｑ_３が混合された混合液を調整する混合液調整工程と、電極基板上に、前記混合液を塗布して電子加速層を形成する電子加速層形成工程とを含んでいる。

これにより、電極基板上に絶縁体微粒子およびＡｌｑ_３を薄く均一に被覆して、効率よく安定した電子放出が可能な本発明の電子放出素子を得ることができる。

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。 電子放出実験の測定系を示す図である。 実施例１の電子放出素子の、真空中における電子放出電流、素子内電流および電子放出効率を示す図である。 比較例１の電子放出素子の、真空中における電子放出電流、素子内電流および電子放出効率を示す図である。 図１の電子放出装置を用いた帯電装置の一例を示す図である。 図１の電子放出装置を用いた電子線硬化装置の一例を示す図である。 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。 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。 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。 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。 図１の電子放出装置を用いた送風装置及びそれを具備した冷却装置の一例を示す図である。 図１の電子放出装置を用いた送風装置及びそれを具備した冷却装置の別の一例を示す図である。

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１１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。

〔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。

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。

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。

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。

ここで、電子加速層４は、図１に示すように、絶縁体微粒子５間にＡｌｑ_３６が存在する薄膜の層よりなり、半導電性を有する。このような電子放出素子１の電子放出メカニズムは、明確になってはいなが、次のようなメカニズムでないかと考える。

すなわち、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から電子加速層４における絶縁体微粒子５の表面に電子が移る。絶縁体微粒子５の内部は高抵抗であることから電子は絶縁体微粒子５の表面を伝導していく。このとき、絶縁体微粒子５の表面の不純物や表面処理剤、あるいは絶縁体微粒子５間の接点において、電子がトラップされる。このトラップされた電子に対し、絶縁体微粒子５間に存在するＡｌｑ_３６は電子輸送剤として働き、トラップされた電子を効率よく電子加速層４の表面に移動させることができる。そのため、素子内の電流が増えることなく、電子加速層４の表面は印加電圧とトラップされた電子の作る電界が合わさって高電界となり、その高電界によって電子が加速され、薄膜電極３から多量の電子が放出される。

したがって、本実施形態の電子放出素子１は、素子内電流を抑制しつつ電子放出量を増大させ、電子放出効率の高い電子放出素子となり、消費電力を下げることができる。

次に、このような電子放出素子１における各部について詳細に説明する。

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、特に制限されること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。

薄膜電極３は、電子加速層４内に電圧を印加させるものである。そのため、電圧の印加が可能となるような材料であれば特に制限されること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無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、パラジウムなどが挙げられる。中でも大気圧中での動作を想定した場合、酸化物およ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、電子放出素子１から外部へ電子を効率良く放出させる条件として重要であり、１０〜５５ｎｍの範囲とすることが好ましい。薄膜電極３を平面電極として機能させるための最低膜厚は１０ｎｍであり、これ未満の膜厚では、電気的導通を確保できない。一方、電子放出素子１から外部へ電子を放出させるための最大膜厚は５５ｎｍであり、これを超える膜厚では弾道電子の透過が起こらず、薄膜電極３で弾道電子の吸収あるいは反射による電子加速層４への再捕獲が生じてしまう。

電子加速層４は、絶縁体微粒子５とＡｌｑ_３６とを少なくとも含んでいればよい。絶縁体微粒子５の直径（平均径）は１０〜１０００ｎｍであることが好ましく、１２〜１１０ｎｍがより好ましい。

この場合、粒子径の分散状態は平均径に対してブロードであっても良く、例えば平均径５０ｎｍの微粒子は、２０〜１００ｎｍの領域にその粒子径分布を有していても問題ない。上記絶縁体微粒子５の平均径を好ましくは１０〜１０００ｎｍ、より好ましくは１２〜１１０ｎｍとすることにより、素子内を電流が流れる際に発生するジュール熱を効率よく逃がすことができ、電子放出素子が熱で破壊されることを防ぐことができる。さらに、上記電子加速層における抵抗値の調整を行いやすくすることができる。

絶縁体微粒子５の材料はＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２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の材料には、有機ポリマーから成る微粒子を用いてもよく、例えば、ＪＳＲ株式会社の製造販売するスチレン／ジビニルベンゼンから成る高架橋微粒子（ＳＸ８７４３）、または日本ペイント株式会社の製造販売するスチレン・アクリル微粒子のファインスフェアシリーズが利用可能である。ここで、絶縁体微粒子５は、２種類以上の異なる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、あるいは、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。

Ａｌｑ_３６は、特に限定されるものではなく、市販されている粉末状のｔｒｉｓ（８−ｑｕｉｎｏｌｉｎｏｌａｔｏ）ａｌｕｍｉｎｕｍを、絶縁体微粒子５が分散されてなる分散液中に、超音波分散器等を用いて拡散させることによって得られる。

また、電子加速層４全体におけるＡｌｑ_３６の割合は、０．５〜３０重量％が好ましい。０．５重量％より少ない場合はＡｌｑ_３６として電子輸送剤としての効果を発揮せず、３０重量％より多い場合は導電パスが形成され易くなり、素子内に低電圧で大電流が流れ、電子放出量が減少する。中でも、５〜２５重量％であることがより好ましい。

電子加速層４は薄いほど強電界がかかるため低電圧印加で電子を加速させることができるが、層厚を均一化できること、また層厚方向における電子加速層の抵抗調整が可能となることなどから、電子加速層４の層厚は、１２〜６０００ｎｍが好ましく、３００〜６０００ｎｍがより好ましい。

次に、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。

まず、絶縁体微粒子５を有機溶媒中に分散させた絶縁体微粒子分散液Ａを得る。ここで用いられる有機溶媒としては、絶縁体微粒子５を分散でき、かつ塗布後に乾燥できれば、特に制限されることなく用いることができる。用いられる有機溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、２−プロパノール、ブタノール、２−ブタノール、ｎ−ヘキサン、トルエンなどが挙げられる。これらの有機溶媒は、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。分散方法は特に限定されるものではなく、例えば、常温で超音波分散器にかけることで分散させることができる。

次に、Ａｌｑ_３６を、上記のように得られた絶縁体微粒子分散液Ａと混合して絶縁体微粒子５およびＡｌｑ_３６の混合液Ｂを得る。混合方法は特に限定されるものではなく、例えば、常温で超音波分散すればよい。なお、予め粉末状のＡｌｑ_３６を溶媒に分散して、Ａｌｑ_３分散液を作成する手法でもよいが、粉末状のＡｌｑ_３６は、絶縁体微粒子分散液Ａに直接投入するだけで、容易に分散可能である。

上記のように形成した絶縁体微粒子５およびＡｌｑ_３６の混合液Ｂを、電極基板２上に、スピンコート法を用いて塗布することで、電子加速層４を形成する。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。

電子加速層４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、噴霧法、インクジェット法等の方法でも成膜することができる。そして、電子加速層４上に薄膜電極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ればよい。また、薄膜電極３は、例えば、インクジェット法、スピンコート法、蒸着法等を用いて成膜することもできる。
〔実施例１〕
以下、本発明に係る電子放出素子の実施例について説明する。

１０ｍＬの試薬瓶に、ヘキサン溶媒２．５ｇと、絶縁体微粒子５として平均径１１０ｎｍの球状シリカ粒子０．５ｇとを投入し、試薬瓶を超音波分散器にかけ、絶縁体微粒子分散液（Ａ）を調製した。

次に、この分散液（Ａ）に、Ａｌｑ_３微粒子６としてＴ１５２７ トリス（８−キノリノラト）アルミニウム（東京化成工業株式会社製）０．１２５ｇを投入し、試薬瓶を超音波分散器にかけ、絶縁体微粒子５とＡｌｑ_３６との混合液（Ｂ）を調製した。こうして得られた混合液は、Ａｌｑ_３の配合割合が２０％である。

電極基板２として２５ｍｍ角のＩＴＯ基板上に、上記で得られた混合液（Ｂ）を滴下後、スピンコート法を用いて、回転数を５ｓで０ｒｐｍから３０００ｒｐｍに上昇させ、さらに１０ｓ間３０００ｒｐｍで回転した。このようにして絶縁体微粒子５およびＡｌｑ_３６を堆積させ、電子加速層４を得た。電子加速層４の膜厚は２．６μｍであった。

電子加速層４の表面には、マグネトロンスパッタ装置を用いて薄膜電極３を成膜することにより、実施例１の電子放出素子１を得た。薄膜電極３の成膜材料として金を使用し、薄膜電極３の層厚は３０ｎｍ、同面積は０．０１４ｃｍ^２とした。

このように作成した実施例１の電子放出素子１について、図２に示す測定系を１×１０^−８ＡＴＭの真空中において、電子放出実験を行い、電子放出特性を調べた。

図２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と、対向電極８と電源７Ｂとの間に流れる単位面積当たりの電子放出電流Ｉ２（電子放出電流密度）を測定した。

薄膜電極３への印加電圧Ｖ１＝２６．９Ｖ、対向電極８への印加電圧Ｖ２＝１００Ｖとしたところ、単位面積当たりの素子内電流Ｉ１＝０．００６８Ａ／ｃｍ^２、単位面積当た
りの電子放出電流Ｉ２＝０．０７９８ｍＡ／ｃｍ^２、素子効率１．１７％が確認された。

測定結果を図３に示す。
〔比較例１〕
本願出願人が先に特許出願した電子放出素子の構成を有する比較例１の電子放出素子において、同じく図２に示す測定系を１×１０^−８ＡＴＭの真空中において、電子放出実験を行い、電子放出特性を調べた。

すなわち、１０ｍＬの試薬瓶に、トルエン溶媒３ｍＬと、絶縁体微粒子５として平均径１１０ｎｍの球状シリカ粒子０．５ｇとを投入し、試薬瓶を超音波分散器にかけ、絶縁体微粒子分散液（Ｃ）を調製した。

次に、この分散液（Ｃ）に、金属微粒子として銀ナノ粒子（平均径１０ｎｍ、絶縁被覆アルコラート１ｎｍ膜、株式会社応用ナノ粒子研究所製）０．０２６ｇを投入し、試薬瓶を超音波分散器にかけ、絶縁体微粒子５と銀ナノ粒子との混合液（Ｄ）を調製した。こうして得られた分散液は、銀ナノ粒子の配合割合が５％である。

電極基板２として３０ｍｍ角のＳＵＳ基板上に、上記で得られた混合液（Ｄ）を滴下後、スピンコート法を用いて、回転数を５ｓで０ｒｐｍから３０００ｒｐｍに上昇させ、さらに１０ｓ間３０００ｒｐｍで回転した。このようにして絶縁体微粒子５および銀ナノ粒子を堆積させ、電子加速層４を得た。電子加速層４の膜厚は１．５μｍであった。

電子加速層４の表面には、マグネトロンスパッタ装置を用いて薄膜電極３を成膜することにより、比較例１の電子放出素子を得た。薄膜電極３の成膜材料として金を使用し、薄膜電極３の層厚は１２ｎｍ、同面積は０．２８ｃｍ^２とした。

薄膜電極３への印加電圧Ｖ１＝１４．６Ｖ、対向電極８への印加電圧Ｖ２＝５０Ｖとしたところ、単位面積当たりの素子内電流Ｉ１＝０．０３０９Ａ／ｃｍ^２、単位面積当たりの電子放出電流Ｉ２＝０．０１３０ｍＡ／ｃｍ^２、素子効率０．０４２％が確認された。なお、真空中では電子の散乱がないため、電子放出電流量は対向電極への印加電圧Ｖ２に依存しない。

図４に、測定結果を示す。

比較例１の電子放出素子の素子効率０．０４２％に対し、実施例１の電子放出素子１の素子効率は１．１７％と高く、小さな素子内電流量にて多くの電子放出量を得ることができる。

〔実施の形態２〕
図５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装置１０を利用した本発明に係る帯電装置９０の一例を示す。帯電装置９０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より構成されており、感光体ドラム１１の表面を帯電させるものである。本発明に係る画像形成装置は、この帯電装置９０を具備している。

本発明に係る画像形成装置において、帯電装置９０における電子放出素子１は、被帯電体である感光体ドラム１１に対向して設置され、電圧を印加することにより、電子を放出させ、感光体ドラム１１の表面を帯電させる。なお、本発明に係る画像形成装置では、帯電装置９０以外の構成部材は、従来公知のものを用いればよい。ここで、帯電装置９０として用いる電子放出素子１は、感光体ドラム１１の表面から、例えば３〜５ｍｍ隔てて配置するのが好ましい。また、電子放出素子１への印加電圧は２５Ｖ程度が好ましく、電子放出素子１の電子加速層の構成は、例えば、２５Ｖの電圧印加で、単位時間当たり１μＡ／ｃｍ^２の電子が放出されるようになっていればよい。

帯電装置９０として用いられる電子放出装置１０は、大気中で動作しても放電を伴わず、従って帯電装置９０からのオゾンの発生は無い。オゾンは人体に有害であり環境に対する各種規格で規制されているほか、機外に放出されなくとも機内の有機材料、例えば感光体ドラム１１やベルトなどを酸化し劣化させてしまう。このような問題を、本発明に係る電子放出装置１０を帯電装置９０に用い、また、このような帯電装置９０を画像形成装置が有することで、解決することができる。また、電子放出素子１は電子放出効率が高いため、帯電装置９０は、効率よく帯電できる。

さらに帯電装置９０として用いられる電子放出装置１０は、面電子源として構成されるので、感光体ドラム１１の回転方向へも幅を持って帯電を行え、感光体ドラム１１のある箇所への帯電機会を多く稼ぐことができる。よって、帯電装置９０は、線状で帯電するワイヤ帯電器などと比べ、均一な帯電が可能である。また、帯電装置９０は、数ｋＶの電圧印加が必要なコロナ放電器と比べて、１０Ｖ程度と印加電圧が格段に低くてすむというメリットもある。

〔実施の形態３〕
図６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装置１０を利用した電子線硬化装置１００の一例を示す。電子線硬化装置１００は、電子放出素子１とこれに電圧を印加する電源７とを有する電子放出装置１０と、電子を加速させる加速電極２１とを備えている。電子線硬化装置１００では、電子放出素子１を電子源とし、放出された電子を加速電極２１で加速してレジスト２２へと衝突させる。一般的なレジスト２２を硬化させるために必要なエネルギーは１０ｅＶ以下であるため、エネルギーだけに注目すれば加速電極は必要ない。しかし、電子線の浸透深さは電子のエネルギーの関数となるため、例えば厚さ１μｍのレジスト２２を全て硬化させるには約５ｋＶの加速電圧が必要となる。

従来からある一般的な電子線硬化装置は、電子源を真空封止し、高電圧印加（５０〜１００ｋＶ）により電子を放出させ、電子窓を通して電子を取り出し、照射する。この電子放出の方法であれば、電子窓を透過させる際に大きなエネルギーロスが生じる。また、レジストに到達した電子も高エネルギーであるため、レジストの厚さを透過してしまい、エネルギー利用効率が低くなる。さらに、一度に照射できる範囲が狭く、点状で描画することになるため、スループットも低い。

これに対し、電子放出装置１０を用いた本発明に係る電子線硬化装置は、大気中動作可能であるため、真空封止の必要がない。また、電子放出素子１は電子放出効率が高いため、電子線硬化装置は、効率よく電子線を照射できる。また、電子透過窓を通さないのでエネルギーのロスも無く、印加電圧を下げることができる。さらに面電子源であるためスループットが格段に高くなる。また、パターンに従って電子を放出させれば、マスクレス露光も可能となる。

〔実施の形態４〕
図７〜９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装置１０を利用した本発明に係る自発光デバイスの例をそれぞれ示す。

図７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とを有する電子放出装置と、さらに、電子放出素子１と離れ、対向した位置に、基材となるガラス基板３４、ＩＴＯ膜３３、および蛍光体３２が積層構造を有する発光部３６と、から成る。

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おり、例えば、赤色ではＹ_２Ｏ_３：Ｅｕ、（Ｙ，Ｇｄ）ＢＯ_３：Ｅｕ、緑色ではＺｎ_２ＳｉＯ_４：Ｍｎ、ＢａＡｌ_１２Ｏ_１９：Ｍｎ、青色ではＢａＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕ^２＋等が使用可能である。ＩＴＯ膜３３が成膜されたガラス基板３４表面に、蛍光体３２を成膜する。蛍光体３２の厚さ１μｍ程度が好ましい。また、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。

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。

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へ向けて加速する必要があり、その場合は電子放出素子１の電極基板２と発光部３６のＩＴＯ膜３３の間に、電子を加速する電界を形成するための電圧印加するために、電源３５を設けるとよい。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。

図８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、さらに、蛍光体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の表面に蛍光体３２が配置されている。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。

図９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を有する電子放出装置１０を備え、さらに、電子放出素子１の電子加速層４に蛍光体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。

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は電子放出効率が高いため、自発光デバイス３１，３１’，３１”は、効率よく発光を行える。なお、自発光デバイス３１，３１’，３１”は、電子放出装置１０が大気中で電子を放出できるため、大気中動作可能であるが、真空封止すれば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。

さらに、図１０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１０に示す画像表示装置１４０は、図７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^２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。

また、本発明に係る画像表示装置として、図７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^２の電子が放出されるようになっていればよい。

〔実施の形態５〕
図１１及び図１２に、実施の形態１で説明した本発明に係る電子放出装置１０を利用した本発明に係る送風装置の例をそれぞれ示す。以下では、本願発明に係る送風装置を、冷却装置として用いた場合について説明する。しかし、送風装置の利用は冷却装置に限定されることはない。

図１１に示す送風装置１５０は、電子放出素子１とこれに電圧を印加する電源７とを有する電子放出装置１０からなる。送風装置１５０において、電子放出素子１は、電気的に接地された被冷却体４１に向かって電子を放出することにより、イオン風を発生させて被冷却体４１を冷却する。冷却させる場合、電子放出素子１に印加する電圧は、１８Ｖ程度が好ましく、この電圧で、雰囲気下に、例えば、単位時間当たり１μＡ／ｃｍ^２の電子を放出することが好ましい。

図１２に示す送風装置１６０は、図１１に示す送風装置１５０に、さらに、送風ファン４２が組み合わされている。図１２に示す送風装置１６０は、電子放出素子１が電気的に接地された被冷却体４１に向かって電子を放出し、さらに、送風ファン４２が被冷却体４１に向かって送風することで電子放出素子から放出された電子を被冷却体４１に向かって送り、イオン風を発生させて被冷却体４１を冷却する。この場合、送風ファン４２による風量は、０．９〜２Ｌ／分／ｃｍ^２とするのが好ましい。

ここで、送風によって被冷却体４１を冷却させようとするとき、従来の送風装置あるいは冷却装置のようにファン等による送風だけでは、被冷却体４１の表面の流速が０となり、最も熱を逃がしたい部分の空気は置換されず、冷却効率が悪い。しかし、送風される空気の中に電子やイオンといった荷電粒子を含まれていると、被冷却体４１近傍に近づいたときに電気的な力によって被冷却体４１表面に引き寄せられるため、表面近傍の雰囲気を入れ替えることができる。ここで、本発明に係る送風装置１５０，１６０では、送風する空気の中に電子やイオンといった荷電粒子を含んでいるので、冷却効率が格段に上がる。さらに、電子放出素子１は電子放出効率が高いため、送風装置１５０，１６０は、より効率よく冷却することができる。送風装置１５０および送風装置１６０は、大気中動作も可能である。

本発明は上述した各実施形態および各実施例に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

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、電子写真方式の複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置の帯電装置や、電子線硬化装置、或いは発光体と組み合わせることにより画像表示装置、又は放出された電子が発生させるイオン風を利用することにより冷却装置等に、好適に適用することができる。

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 Ａｌｑ_３
７ 電源（電源部）
７Ａ 電源（電源部）
７Ｂ 電源（電源部）
８ 対向電極
９ 絶縁体スペーサ
１０ 電子放出装置
１５ 立体障害となる領域
１１ 感光体ドラム
２１ 加速電極
２２ レジスト
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
４１ 被冷却体
４２ 送風ファン
９０ 帯電装置
１００ 電子線硬化装置
１４０ 画像表示装置
１５０ 送風装置
１６０ 送風装置
３３０ 液晶パネル

Claims (15)

1. 電極基板と薄膜電極と該電極基板および該薄膜電極に挟持された電子加速層とを有し、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と、前記電子加速層にて電子を加速させて、前記薄膜電極から該電子を放出する電子放出素子であって、
   前記電子加速層が、絶縁体微粒子とＡｌｑ_３とを含むことを特徴とする電子放出素子。
2. 前記絶縁体微粒子の平均径は、１０〜１０００ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子。
3. 前記絶縁体微粒子は、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、及びＴｉＯ_２の少なくとも１つを含んでいる、または有機ポリマーを含んでい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。
4. 前記電子加速層における前記Ａｌｑ_３の割合が、重量比で０．５〜３０％であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電子放出素子。
5. 前記電子加速層の層厚は、１２〜６０００ｎｍであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電子放出素子。
6. 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つを含んでいることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の電子放出素子。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の電子放出素子と、上記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する電子放出装置。
8. 請求項７に記載の電子放出装置と発光体とを備え、該電子放出装置から電子を放出して該発光体を発光させることを特徴とする自発光デバイス。
9. 請求項８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。
10. 請求項７に記載の電子放出装置を備え、該電子放出装置から電子を放出して送風することを特徴とする送風装置。
11. 請求項７に記載の電子放出装置を備え、該電子放出装置から電子を放出して被冷却体を冷却することを特徴とする冷却装置。
12. 請求項７に記載の電子放出装置を備え、該電子放出装置から電子を放出して感光体を帯電することを特徴とする帯電装置。
13. 請求項１２に記載の帯電装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。
14. 請求項７に記載の電子放出装置を備えることを特徴とする電子線硬化装置。
15. 電極基板と薄膜電極と該電極基板および該薄膜電極に挟持された電子加速層とを有し、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と、前記電子加速層にて電子を加速させて、前記薄膜電極から該電子を放出する電子放出素子の製造方法であって、
    絶縁体微粒子が分散された分散液を調整する分散液調整工程と、
    前記分散液にＡｌｑ_３が混合された混合液を調整する混合液調整工程と、
    前記電極基板上に、前記混合液を塗布して前記電子加速層を形成する電子加速層形成工程と、
    を含むことを特徴とする電子放出素子の製造方法。

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