JP2013037784A - Electron emission element and manufacturing method thereof - Google Patents

Electron emission element and manufacturing method thereof Download PDF

Info

Publication number
JP2013037784A
JP2013037784A JP2011170488A JP2011170488A JP2013037784A JP 2013037784 A JP2013037784 A JP 2013037784A JP 2011170488 A JP2011170488 A JP 2011170488A JP 2011170488 A JP2011170488 A JP 2011170488A JP 2013037784 A JP2013037784 A JP 2013037784A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
electrode
layer
electron
fine particle
emitting device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2011170488A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP5806876B2 (en
Inventor
Hiroyuki Hirakawa
弘幸 平川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sharp Corp filed Critical Sharp Corp
Priority to JP2011170488A priority Critical patent/JP5806876B2/en
Publication of JP2013037784A publication Critical patent/JP2013037784A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5806876B2 publication Critical patent/JP5806876B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Cold Cathode And The Manufacture (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electron emission element that can be usable when enlarged, and a manufacturing method thereof.SOLUTION: An electron emission element 1 includes an electrode substrate 2, a particulate layer 3, a thin film electrode 4 and an electric insulation layer 5. The electrode substrate 2 is a structure having conductivity to support the particulate layer 3, the thin film electrode 4, and the electric insulation layer 5. The electric insulation layer 5 is formed on the electrode substrate 2, and has plural opening parts 6. Openings 6A formed by the opening parts 6 are filled with the particulate layer 3 between the electrode substrate 2 and the thin film electrode 4. The particulate layer 3 is constituted by a first particulate layer 31 including an insulative particulate and a conductive particulate, and a second particulate layer 32 including an insulative particulate. The thin film electrode 4 is formed along surface shapes of the particulate layer 3 and the electric insulation layer 5.

Description

本発明は、電子を放出する電子放出素子およびその製造方法に関する。   The present invention relates to an electron-emitting device that emits electrons and a method for manufacturing the same.

従来技術による電子放出素子として、スピント(Spindt)型電極、およびカーボンナノチューブ(Carbon Nano Tube:略称「CNT」)型電極などが知られている。電子放出素子は、たとえば、FED(Field Emission Display)分野への応用が期待されている。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ものである。   Known electron-emitting devices according to the prior art include a Spindt-type electrode and a carbon nanotube (abbreviated as “CNT”)-type electrode. The electron-emitting device is expected to be applied to, for example, the field emission display (FED) field. In such an electron-emitting device, a voltage is applied to a sharp shape portion to form a strong electric field of about 1 GV / m, and electrons are emitted by a 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、電界によって大きなエネルギを得て気体分子を電離しやすくする。気体分子の電離により生じた陽イオンは、強電界によって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を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 obtain large energy by the electric field and easily ionize gas molecules. There is a problem in that positive ions generated by ionization of gas molecules are accelerated and collided toward the surface of the electron-emitting device by a strong electric field, and the electron-emitting device is destroyed by sputtering.

また、大気中にある酸素は、電離エネルギよりも解離エネルギの方が低いため、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、強い酸化力によっ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ある。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。   In addition, 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 a 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.

上述した問題に対して、スパッタリングによる電子放出素子の破壊を防止し、オゾンの発生を抑制する従来技術として、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。これらの電子放出素子は、電子放出素子内部の量子サイズ効果および強電界を利用して電子を加速し、平面状の電子放出素子の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り、電子放出素子内部の電子加速層で加速した電子を放出するため、電子放出素子の外部に強電界を必要としない。したがって、MIM型およびMIS型の電子放出素子においては、スピント型やCNT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多量に発生するという問題を克服することができる。   For the above-mentioned problems, MIM (Metal Insulator Metal) type and MIS (Metal Insulator Semiconductor) type electron emitting devices are known as conventional technologies for preventing the destruction of the electron emitting device by sputtering and suppressing the generation of ozone. ing. These electron-emitting devices are surface-emission type electron-emitting devices that accelerate electrons using the quantum size effect and strong electric field inside the electron-emitting device, and emit electrons from the surface of the planar electron-emitting device. Since electrons accelerated by the electron acceleration layer inside the electron-emitting device are emitted, a strong electric field is not required outside the electron-emitting device. Therefore, in the MIM type and MIS type electron emitting devices, the problem of being destroyed by sputtering due to ionization of gas molecules and the problem of generating a large amount of ozone, like the Spindt type and CNT type electron emitting devices, are overcome. can do.

また、上述した問題に対して、大気中でも安定した電子放出を可能とし、電子放出に伴うオゾンやNO等の有害物質の発生を抑制することができる電子放出素子、たとえば特許文献1に記載される電子放出素子が開発されている。この電子放出素子は、電極間に、導電体からなり、抗酸化作用が強い導電性微粒子と、その導電性微粒子の大きさよりも大きい絶縁体物質とが含まれる電子加速層が設けられる。 Further, with respect to the above-mentioned problems, and enables stable electron emission in the atmosphere, the electron-emitting device capable of suppressing generation of harmful substances such as ozone and NO X due to electron emission, for example described in Patent Document 1 An electron-emitting device has been developed. In this electron-emitting device, an electron acceleration layer including conductive fine particles having a strong anti-oxidation effect and an insulating material larger than the size of the conductive fine particles is provided between electrodes.

特開2009−146891号公報JP 2009-146891 A

しかしながら、特許文献1に記載される電子放出素子は、大気圧中でも安定した電子放出を可能とするものの、電子放出素子の大型化に関しては、極めて大きな問題を有している。大型化する上で最も問題となるのは、電子放出素子の表面に形成される薄膜電極の電気導電性の維持である。   However, although the electron-emitting device described in Patent Document 1 enables stable electron emission even under atmospheric pressure, it has a very large problem with respect to the increase in size of the electron-emitting device. The biggest problem in increasing the size is maintaining the electrical conductivity of the thin film electrode formed on the surface of the electron-emitting device.

この電子放出素子は、スパッタ法を用いて薄膜電極が形成されるが、この薄膜電極の成膜過程において、電子放出素子の微粒子層から極めて多量の有機物が放出されるという問題、いわゆるアウトガスの問題がある。通常、成膜中に放出されるアウトガスを低減するには、基板の脱ガス処理が行われるが、放出される有機物そのものは、それぞれ必要な機能として添加された物も多く、この電子放出素子では積極的に消失を図ることもできない。つまり、この有機物の由来は、微粒子分散剤の溶剤であったり、微粒子同士を固化するためのシリコン樹脂に付随する物であったり、微粒子への水分吸着を防止するコート剤であったりする。薄膜電極は、スパッタリングされた金属微粒子と放出した有機物とが混合した状態、つまり多量のコンタミネーションを生じた金属薄膜となるため、本来の金属薄膜の有する電気伝導度が得られない。   In this electron-emitting device, a thin film electrode is formed by sputtering. However, a very large amount of organic substances are emitted from the fine particle layer of the electron-emitting device in the process of forming the thin-film electrode, so-called outgas problem. There is. Usually, in order to reduce the outgas emitted during film formation, the substrate is degassed. However, many organic substances that are emitted are added as necessary functions. It cannot be actively lost. That is, the organic substance is derived from a solvent for the fine particle dispersant, a substance accompanying the silicon resin for solidifying the fine particles, or a coating agent for preventing moisture adsorption to the fine particles. The thin film electrode is in a state where the sputtered metal fine particles and the emitted organic substance are mixed, that is, a metal thin film in which a large amount of contamination occurs, and thus the electrical conductivity of the original metal thin film cannot be obtained.

このような状態で形成された薄膜電極は、特に、面方向に大きな電気抵抗を有するため、電極の大型化、つまり電子放出素子の大型化に伴って、電圧の与え方によっては薄膜電極に電位勾配が形成される。すなわち、薄膜電極の電圧供給点に近い部分では、印加電圧と同一の電圧が印加されるが、電圧供給点から遠い部分では薄膜電極の電気抵抗により、数分の一、あるいは数十分の一の電圧しか印加されなくなる。このような電圧低下が生じて電子放出に必要な電界強度を下回ると、電子放出しない部分が生じてしまい、面電子源としては利用することができなくなる。   The thin-film electrode formed in such a state has a large electric resistance particularly in the plane direction. Therefore, as the electrode becomes larger, that is, the electron-emitting device becomes larger, the thin-film electrode has a potential depending on how the voltage is applied. A gradient is formed. That is, the same voltage as the applied voltage is applied at the portion near the voltage supply point of the thin film electrode, but at a portion far from the voltage supply point, it is a fraction or a few tenths depending on the electric resistance of the thin film electrode. Only the voltage is applied. If such a voltage drop occurs and falls below the electric field intensity required for electron emission, a portion where electrons are not emitted is generated and cannot be used as a planar electron source.

また、印加電圧の上昇は、所定の電圧が印加されていた部分に対し、過度な電圧を供給することとなり、電子放出素子の部分的な劣化、そして破壊を生じてしまう。このため、実使用に沿った大型の電子放出素子を作成可能とする、新たな素子構造が望まれる。   Further, when the applied voltage is increased, an excessive voltage is supplied to a portion where a predetermined voltage is applied, resulting in partial deterioration and destruction of the electron-emitting device. For this reason, a new device structure is desired that enables creation of a large-sized electron-emitting device in line with actual use.

また、特許文献1には、層の厚み方向に貫通した複数の開口部(φ50nmの貫通孔)を有する絶縁体層を有し、その開口部に導電性微粒子を収容した電子放出素子の構造が開示されている。この構造は、前述の薄膜電極に生じる電位勾配を克服可能であるものの、いくつかの障害により実現は困難なものである。   Patent Document 1 discloses an electron-emitting device structure having an insulating layer having a plurality of openings (φ50 nm through-holes) penetrating in the thickness direction of the layer and containing conductive fine particles in the openings. It is disclosed. This structure can overcome the potential gradient generated in the thin film electrode described above, but is difficult to realize due to some obstacles.

第1に、電子放出に必要な電界を開口部内に形成するために、開口部に導電性微粒子を均一に充填することが困難な点である。導電性微粒子は、導電体であるため、充填量がいくらかでも増加すると単純な電気伝導路となってしまい、電界を形成させるために必要な電気抵抗を維持することができなくなってしまう。特に、素子面積が大きくなった場合には、開口部の一箇所でも導電性微粒子の充填量が過多となっただけで、過多となった部分が電気伝導路となってしまうので、電子放出素子の機能を損なう結果となる。   First, in order to form an electric field necessary for electron emission in the opening, it is difficult to uniformly fill the opening with conductive fine particles. Since the conductive fine particle is a conductor, if the filling amount increases to some extent, it becomes a simple electric conduction path, and the electric resistance necessary for forming an electric field cannot be maintained. In particular, when the element area is increased, the amount of the conductive fine particles filled in only one part of the opening is excessive, and the excessive part becomes an electric conduction path. As a result, the function of the system is impaired.

第2に、この構造の電子放出素子は、電子放出素子の導電路形成処理、いわゆるフォーミング処理の初期の段階では、電子放出はするものの、フォーミング処理の進展に伴って、極短時間でその機能を停止してしまう点である。電子放出素子の動作解析から、素子の電子放出点は、表面の薄膜電極に形成された直径500nm〜5μmに及ぶホール(孔)にあることが、最近明らかになった。この薄膜電極のホール(孔)は、表面電極が完全に消失した領域であり、フォーミング処理によって生じるものであり、電子放出点として機能する。このホール(孔)の大きさは、開口部の直径よりも大きいため、ホール内に存在する開口部に電圧がかからなくなり、電界が生じないために、電子放出点として機能しなくなる。電子放出点がその機能を維持するためには、電子放出のために電圧が印加される領域を、薄膜電極のホール以上にしなくてはならない。   Secondly, the electron-emitting device having this structure emits electrons in the initial stage of the conductive path forming process of the electron-emitting device, that is, the so-called forming process, but the function is achieved in a very short time as the forming process progresses. It is a point that stops. From the analysis of the operation of the electron-emitting device, it has recently been clarified that the electron emission point of the device is located in a hole (hole) having a diameter of 500 nm to 5 μm formed in the thin film electrode on the surface. The hole (hole) of the thin film electrode is a region where the surface electrode has completely disappeared, is generated by the forming process, and functions as an electron emission point. Since the size of the hole (hole) is larger than the diameter of the opening, no voltage is applied to the opening existing in the hole and no electric field is generated, so that the hole does not function as an electron emission point. In order for the electron emission point to maintain its function, the region to which a voltage is applied for electron emission must be greater than or equal to the hole of the thin film electrode.

本発明の目的は、実使用に耐える大型化が可能な電子放出素子およびその製造方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide an electron-emitting device that can be enlarged to withstand actual use and a manufacturing method thereof.

本発明は、板状の第1電極と、
第1電極に対向して形成される第2電極と、
第1電極と第2電極との間に形成され、絶縁性微粒子と導電性微粒子とを含む微粒子層が充填される複数の開口が形成される電気絶縁層とを含み、
第1電極と第2電極との間に電圧が印加されたとき、第1電極から放出される電子が、微粒子層を透過し、さらに第2電極を透過して第2電極から放出されるように構成されることを特徴とする電子放出素子である。
The present invention includes a plate-like first electrode;
A second electrode formed opposite the first electrode;
An electrical insulating layer formed between the first electrode and the second electrode and having a plurality of openings filled with a fine particle layer containing insulating fine particles and conductive fine particles;
When a voltage is applied between the first electrode and the second electrode, electrons emitted from the first electrode pass through the fine particle layer, pass through the second electrode, and are emitted from the second electrode. It is an electron-emitting device characterized by comprising.

また本発明は、前記電気絶縁層に形成される各開口の深さ方向に直交する断面の形状は、一辺が10μm以上500μm以下の正方形であることを特徴とする。
また本発明は、前記電気絶縁層は、アクリル樹脂からなることを特徴とする。
In the invention, it is preferable that the shape of a cross section perpendicular to the depth direction of each opening formed in the electrical insulating layer is a square having a side of 10 μm or more and 500 μm or less.
In the invention, it is preferable that the electrical insulating layer is made of an acrylic resin.

また本発明は、前記電気絶縁層に形成される複数の開口は、第1電極と第2電極とが対向する範囲内に配置されることを特徴とする。   The present invention is characterized in that the plurality of openings formed in the electrical insulating layer are arranged in a range where the first electrode and the second electrode face each other.

また本発明は、前記第2電極は、外方に面する表面に、外方に臨む複数の凹部が形成されることを特徴とする。   In the invention, it is preferable that the second electrode has a plurality of concave portions facing outward on a surface facing outward.

また本発明は、前記第2電極は、前記微粒子層側に形成される第1薄膜電極層と、第1薄膜電極層よりも抵抗値が低く、前記複数の凹部が形成される第2薄膜電極層とを含むことを特徴とする。   Further, according to the present invention, the second electrode has a first thin film electrode layer formed on the fine particle layer side, and a second thin film electrode having a resistance value lower than that of the first thin film electrode layer and the plurality of recesses formed. And a layer.

また本発明は、前記第2薄膜電極層は、前記凹部が第1薄膜電極層を貫通することによって、前記微粒子層と電気的に接続されることを特徴とする。   In the invention, it is preferable that the second thin film electrode layer is electrically connected to the fine particle layer when the recess penetrates the first thin film electrode layer.

また本発明は、前記第1薄膜電極層は、アモルファスカーボン層であることを特徴とする。
また本発明は、前記第2薄膜電極層は、金属層であることを特徴とする。
In the invention, it is preferable that the first thin film electrode layer is an amorphous carbon layer.
In the invention, it is preferable that the second thin film electrode layer is a metal layer.

また本発明は、前記金属層は、金、銀、タングステン、チタン、アルミニウム、およびパラジウムのうちの少なくとも1つを含むことを特徴とする。   In the invention, it is preferable that the metal layer contains at least one of gold, silver, tungsten, titanium, aluminum, and palladium.

また本発明は、前記微粒子層は、絶縁性微粒子によって形成される絶縁性微粒子層をさらに含むことを特徴とする。   According to the present invention, the fine particle layer further includes an insulating fine particle layer formed of insulating fine particles.

また本発明は、前記微粒子層に含まれる絶縁性微粒子および導電性微粒子は、シリコン樹脂によって固着されることを特徴とする。   The present invention is also characterized in that the insulating fine particles and conductive fine particles contained in the fine particle layer are fixed by a silicon resin.

また本発明は、前記導電性微粒子は、金、銀、白金、パラジウム、およびニッケルのうちの少なくとも1つを含み、その粒径が3〜10nmの平均径であることを特徴とする。   In the invention, it is preferable that the conductive fine particles include at least one of gold, silver, platinum, palladium, and nickel, and have an average particle diameter of 3 to 10 nm.

また本発明は、前記絶縁性微粒子は、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、および二酸化チタンのうちの少なくとも1つを含み、その粒径が10〜1000nmの平均径であることを特徴とする。   Further, the present invention is characterized in that the insulating fine particles include at least one of silicon dioxide, aluminum oxide, and titanium dioxide, and the particle diameter thereof is an average diameter of 10 to 1000 nm.

また本発明は、板状の第1電極上に、複数の開口部を有する電気絶縁層を形成する電気絶縁層形成工程と、
電気絶縁層形成工程で形成された電気絶縁層の表面に、導電性微粒子および絶縁性微粒子によって構成される微粒子層を形成する微粒子層形成工程と、
開口部を除く電気絶縁層の表面に形成された微粒子層を除去する除去工程と、
薄膜電極である第2電極を、微粒子層が除去された電気絶縁層の表面の形状、および開口部によって形成される開口に充填された微粒子層の表面の形状に沿った形状で成膜する成膜工程とを含むことを特徴とする製造方法である。
The present invention also provides an electrical insulation layer forming step of forming an electrical insulation layer having a plurality of openings on the plate-like first electrode;
A fine particle layer forming step of forming a fine particle layer composed of conductive fine particles and insulating fine particles on the surface of the electric insulating layer formed in the electric insulating layer forming step;
A removal step of removing the fine particle layer formed on the surface of the electrically insulating layer excluding the opening;
The second electrode, which is a thin film electrode, is formed in a shape that conforms to the shape of the surface of the electrically insulating layer from which the fine particle layer has been removed and the shape of the surface of the fine particle layer filled in the opening formed by the opening. And a film process.

本発明によれば、電子放出素子は、板状の第1電極と、第1電極に対向して形成される第2電極と、第1電極と第2電極との間に形成され、絶縁性微粒子と導電性微粒子とを含む微粒子層が充填される複数の開口が形成される電気絶縁層とを含む。そして、電子放出素子は、第1電極と第2電極との間に電圧が印加されたとき、第1電極から放出される電子が、微粒子層を透過し、さらに第2電極を透過して第2電極から放出されるように構成される。   According to the present invention, the electron-emitting device is formed between the plate-shaped first electrode, the second electrode formed to face the first electrode, and the first electrode and the second electrode, and has an insulating property. And an electrically insulating layer having a plurality of openings filled with a fine particle layer containing fine particles and conductive fine particles. In the electron-emitting device, when a voltage is applied between the first electrode and the second electrode, electrons emitted from the first electrode are transmitted through the fine particle layer and further transmitted through the second electrode. It is configured to be emitted from two electrodes.

したがって、第2電極は、電気絶縁層と微粒子層とで形成される表面形状に沿った形で成膜される。この内、電気絶縁層の表面に形成される第2電極は、スパッタ法による電極形成時に、微粒子層を構成する物質由来のコンタミネーションの影響を受け難く、良好な電気伝導度を維持したものとなる。この部分を「電気供給路」という。第2電極に電圧を印加した場合、電気供給路での電位降下は極めて小さくなるため、電気供給路の線路長が増大しても、電子放出素子は、印加した電圧値と同等の電圧を供給可能となる。それゆえ、電子放出素子は、大型化しても、第2電極面内には電位分布のほとんどない一様な電圧印加が可能となる。   Therefore, the second electrode is formed in a form along the surface shape formed by the electrically insulating layer and the fine particle layer. Among these, the second electrode formed on the surface of the electrical insulating layer is hardly affected by the contamination derived from the material constituting the fine particle layer when the electrode is formed by sputtering, and maintains a good electrical conductivity. Become. This part is called an “electric supply path”. When a voltage is applied to the second electrode, the potential drop in the electric supply path is extremely small. Therefore, even if the line length of the electric supply path increases, the electron-emitting device supplies a voltage equivalent to the applied voltage value. It becomes possible. Therefore, even when the electron-emitting device is increased in size, it is possible to apply a uniform voltage with almost no potential distribution in the second electrode plane.

また、電気絶縁層の開口に形成される微粒子層が、絶縁性微粒子と導電性微粒子との混合物からなるので、電子放出素子の電気抵抗調整を容易かつ均一に仕上げることが可能となる。それゆえ、電子放出素子は、大面積化も実現可能な素子構成となる。したがって、電子放出素子は、大面積であって、面方向に一様な電子放出を長期間維持可能となる。   Further, since the fine particle layer formed in the opening of the electric insulating layer is made of a mixture of insulating fine particles and conductive fine particles, the electric resistance of the electron-emitting device can be easily and uniformly adjusted. Therefore, the electron-emitting device has a device configuration that can realize a large area. Therefore, the electron-emitting device has a large area and can maintain uniform electron emission in the surface direction for a long period of time.

また本発明によれば、前記電気絶縁層に形成される各開口の深さ方向に直交する断面の形状は、一辺が10μm以上500μm以下の正方形である。このように、電気絶縁層に形成される開口の大きさを10μm角よりも大きくするので、電子放出素子は、電子放出素子のフォーミング処理によって第2電極にホール(孔)が形成されても、ホール(孔)周辺の電極を介して、電子放出部に電圧を印加し続けることが可能となる。   According to the invention, the shape of the cross section perpendicular to the depth direction of each opening formed in the electrical insulating layer is a square having a side of 10 μm or more and 500 μm or less. Thus, since the size of the opening formed in the electrical insulating layer is made larger than 10 μm square, the electron-emitting device can be formed even if a hole (hole) is formed in the second electrode by the forming process of the electron-emitting device. It becomes possible to continue applying a voltage to the electron emission portion via the electrode around the hole (hole).

また本発明によれば、前記電気絶縁層は、アクリル樹脂からなるので、電気絶縁層は、電気的絶縁性能、耐熱性、および表面硬度が良好であり、任意のパターンの形成処理が容易である。   According to the invention, since the electrical insulation layer is made of an acrylic resin, the electrical insulation layer has good electrical insulation performance, heat resistance, and surface hardness, and can easily form an arbitrary pattern. .

また本発明によれば、前記電気絶縁層に形成される複数の開口は、第1電極と第2電極とが対向する範囲内に配置される。したがって、電子放出素子は、第1電極と第2電極との間に形成される電界において、第2電極の外縁部に由来する電界の偏りを、電流路の形成と無関係にすることができる。   According to the invention, the plurality of openings formed in the electrical insulating layer are disposed within a range where the first electrode and the second electrode face each other. Therefore, the electron-emitting device can make the bias of the electric field derived from the outer edge portion of the second electrode independent of the formation of the current path in the electric field formed between the first electrode and the second electrode.

また本発明によれば、前記第2電極は、外方に面する表面に、外方に臨む複数の凹部が形成される。凹部の物理的構成は、電子放出点として機能するきっかけとなる。それ故、電子放出素子は、素子の電子放出点を素子表面に確実に形成することが可能となる。   According to the invention, the second electrode has a plurality of recesses facing outward on the surface facing outward. The physical configuration of the recess serves as a trigger for functioning as an electron emission point. Therefore, the electron-emitting device can surely form the electron emission point of the device on the device surface.

また本発明によれば、前記第2電極は、微粒子層側に形成される第1薄膜電極層と、第1薄膜電極層よりも抵抗値が低く、前記複数の凹部が形成される第2薄膜電極層とを含む。したがって、電子放出素子は、第2電極に電圧を印加したとき、凹部直下の微粒子層に電界を集中させ、電流路を形成することができる。そして、電流路は、電子放出部として機能する。   According to the invention, the second electrode has a first thin film electrode layer formed on the fine particle layer side and a second thin film having a resistance value lower than that of the first thin film electrode layer and formed with the plurality of recesses. An electrode layer. Therefore, when a voltage is applied to the second electrode, the electron-emitting device can form an electric current path by concentrating the electric field on the fine particle layer immediately below the recess. The current path functions as an electron emission unit.

また本発明によれば、前記第2薄膜電極層は、前記凹部が第1薄膜電極層を貫通することによって、微粒子層3と電気的に接続される。したがって、電子放出素子は、第2薄膜電極層と微粒子層との接続部外周部において、特に、その直下の微粒子層に電界を集中することが可能となる。   According to the invention, the second thin film electrode layer is electrically connected to the fine particle layer 3 when the recess penetrates the first thin film electrode layer. Therefore, the electron-emitting device can concentrate the electric field on the outer peripheral portion of the connection portion between the second thin film electrode layer and the fine particle layer, particularly on the fine particle layer immediately below the connection portion.

また本発明によれば、前記第1薄膜電極層は、アモルファスカーボン層である。したがって、電子放出素子は、第1電極層を抵抗層として機能させることができる。 According to the invention, the first thin film electrode layer is an amorphous carbon layer. Therefore, the electron-emitting device can cause the first electrode layer to function as a resistance layer.

また本発明によれば、前記第2薄膜電極層は、金属層である。この金属層があることによって、第2電極は、電極として機能することができる。   According to the invention, the second thin film electrode layer is a metal layer. Due to the presence of this metal layer, the second electrode can function as an electrode.

また本発明によれば、前記金属層は、金、銀、タングステン、チタン、アルミニウム、およびパラジウムのうちの少なくとも1つを含む。このように、電子放出素子は、金属層として、仕事関数の低い金属材料を使用するので、電子放出素子の表面から空間への電子放出効率が向上する。   According to the invention, the metal layer includes at least one of gold, silver, tungsten, titanium, aluminum, and palladium. Thus, since the electron-emitting device uses a metal material having a low work function as the metal layer, the efficiency of electron emission from the surface of the electron-emitting device to the space is improved.

また本発明によれば、前記微粒子層は、絶縁性微粒子によって形成される絶縁性微粒子層をさらに含む。したがって、電子放出素子は、微粒子層の表面の凹凸を緩和することができ、局所的な強電界の発生を防止し、強電界の部分に発生する電流集中、および長時間の通電で発生する偶発的な電流集中を防ぐことができる。   According to the invention, the fine particle layer further includes an insulating fine particle layer formed of insulating fine particles. Therefore, the electron-emitting device can relieve irregularities on the surface of the fine particle layer, prevent the generation of a local strong electric field, the concentration of current generated in the portion of the strong electric field, and the accidental occurrence caused by long-time energization. Current concentration can be prevented.

また本発明によれば、前記微粒子層に含まれる絶縁性微粒子および導電性微粒子は、シリコン樹脂によって固着される。したがって、たとえば、微粒子層を形成する微粒子分散溶液には、熱硬化性のシリコン樹脂を混合する。微粒子層形成後に、このシリコン樹脂を熱硬化させることで、微粒子層は固化、固着する。これにより、微粒子層の機械的強度が向上し、スクレーパーを用いた微粒子層の剥離作業時に、電気絶縁層の開口に充填した微粒子層のみを残すことができる。さらに、シリコン樹脂は、撥水機能を有するため、電子放出素子は、大気中に含まれる水分子の微粒子層への付着を抑制することができる。この結果、電子放出素子は、水分子付着による電気抵抗変化を抑制することができるので、湿度変動を伴う動作雰囲気中でも、安定して動作することができる。   According to the invention, the insulating fine particles and the conductive fine particles contained in the fine particle layer are fixed by the silicon resin. Therefore, for example, a thermosetting silicone resin is mixed in the fine particle dispersion forming the fine particle layer. After the fine particle layer is formed, the fine particle layer is solidified and fixed by thermally curing the silicon resin. As a result, the mechanical strength of the fine particle layer is improved, and only the fine particle layer filled in the opening of the electrical insulating layer can be left at the time of peeling the fine particle layer using a scraper. Further, since the silicon resin has a water repellent function, the electron-emitting device can suppress adhesion of water molecules contained in the atmosphere to the fine particle layer. As a result, since the electron-emitting device can suppress a change in electrical resistance due to water molecule adhesion, the electron-emitting device can operate stably even in an operating atmosphere with humidity fluctuations.

また本発明によれば、前記導電性微粒子は、金、銀、白金、パラジウム、およびニッケルのうちの少なくとも1つを含み、その粒径が3〜10nmの平均径である。これらの材料は、第2電極に用いられる材料と同様に、大気中の酸素による酸化をはじめ、電子放出素子の劣化が生じにくい。したがって、電子放出素子は、大気圧中でも長時間にわたり連続駆動することができる。また、導電性微粒子は、その粒径が3〜10nmの平均径であるので、電子の通り道となる微粒子層内で絶縁破壊が起こりにくくなり、電子放出現象が生じ易くなる。   According to the invention, the conductive fine particles include at least one of gold, silver, platinum, palladium, and nickel, and have an average diameter of 3 to 10 nm. Similar to the material used for the second electrode, these materials are less susceptible to deterioration of the electron-emitting device, including oxidation by oxygen in the atmosphere. Therefore, the electron-emitting device can be continuously driven for a long time even under atmospheric pressure. In addition, since the conductive fine particles have an average diameter of 3 to 10 nm, dielectric breakdown is less likely to occur in the fine particle layer serving as an electron path, and an electron emission phenomenon is likely to occur.

また本発明によれば、前記絶縁性微粒子は、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、および二酸化チタンのうちの少なくとも1つを含み、その粒径が10〜1000nmの平均径である。二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、および二酸化チタンなどの酸化物は絶縁性が高いため、電子放出素子は、導電性微粒子との混合比を調整することによって、微粒子層の抵抗値を任意の範囲に設定することができる。また、絶縁性微粒子の材料として、前記酸化物を用いるので、電子放出素子は、大気圧中で長時間にわたる連続駆動を行っても、大気中の酸素に起因する酸化が生じにくく、電子放出素子の劣化を抑制することができる。したがって、電子放出素子は、長時間にわたり連続駆動することができる。   According to the invention, the insulating fine particles include at least one of silicon dioxide, aluminum oxide, and titanium dioxide, and the average particle diameter thereof is 10 to 1000 nm. Since oxides such as silicon dioxide, aluminum oxide, and titanium dioxide have high insulating properties, the electron-emitting device sets the resistance value of the fine particle layer to an arbitrary range by adjusting the mixing ratio with the conductive fine particles. be able to. In addition, since the oxide is used as the material for the insulating fine particles, the electron-emitting device is less likely to be oxidized due to oxygen in the atmosphere even when continuously driven for a long time at atmospheric pressure. Can be prevented. Therefore, the electron-emitting device can be continuously driven for a long time.

また本発明によれば、電気絶縁層形成工程では、板状の第1電極上に、複数の開口部を有する電気絶縁層を形成する。微粒子層形成工程では、電気絶縁層形成工程で形成された電気絶縁層の表面に、導電性微粒子および絶縁性微粒子によって構成される微粒子層を形成する。除去工程では、開口部を除く電気絶縁層の表面に形成された微粒子層を除去する。そして、成膜工程では、薄膜電極である第2電極を、微粒子層が除去された電気絶縁層の表面の形状、および開口部によって形成される開口に充填された微粒子層の表面の形状に沿った形状で成膜する。   According to the invention, in the electrical insulating layer forming step, the electrical insulating layer having a plurality of openings is formed on the plate-like first electrode. In the fine particle layer forming step, a fine particle layer composed of conductive fine particles and insulating fine particles is formed on the surface of the electric insulating layer formed in the electric insulating layer forming step. In the removing step, the fine particle layer formed on the surface of the electrical insulating layer excluding the opening is removed. In the film forming step, the second electrode, which is a thin film electrode, is aligned with the shape of the surface of the electrical insulating layer from which the fine particle layer has been removed and the shape of the surface of the fine particle layer filled in the opening formed by the opening. The film is formed in a different shape.

したがって、第2電極は、電気絶縁層と微粒子層とで形成される表面形状に沿った形で成膜される。この内、電気絶縁層の表面に形成される第2電極は、スパッタ法による電極形成時に、微粒子層を構成する物質由来のコンタミネーションの影響を受け難く、良好な電気伝導度を維持したものとなる。第2電極に電圧を印加した場合、電気供給路での電位降下は極めて小さくなるため、電気供給路の線路長が増大しても、電子放出素子は、印加した電圧値と同等の電圧を供給可能となる。それゆえ、電子放出素子は、大型化しても、第2電極面内には電位分布のほとんどない一様な電圧印加が可能となる。   Therefore, the second electrode is formed in a form along the surface shape formed by the electrically insulating layer and the fine particle layer. Among these, the second electrode formed on the surface of the electrical insulating layer is hardly affected by the contamination derived from the material constituting the fine particle layer when the electrode is formed by sputtering, and maintains a good electrical conductivity. Become. When a voltage is applied to the second electrode, the potential drop in the electric supply path is extremely small. Therefore, even if the line length of the electric supply path increases, the electron-emitting device supplies a voltage equivalent to the applied voltage value. It becomes possible. Therefore, even when the electron-emitting device is increased in size, it is possible to apply a uniform voltage with almost no potential distribution in the second electrode plane.

また、電気絶縁層の開口に形成される微粒子層が、絶縁性微粒子と導電性微粒子との混合物からなるので、電子放出素子の電気抵抗調整を容易かつ均一に仕上げることが可能となる。それゆえ、電子放出素子は、大面積化も実現可能な素子構成となる。したがって、電子放出素子は、大面積であって、面方向に一様な電子放出を長期間維持可能となる。   Further, since the fine particle layer formed in the opening of the electric insulating layer is made of a mixture of insulating fine particles and conductive fine particles, the electric resistance of the electron-emitting device can be easily and uniformly adjusted. Therefore, the electron-emitting device has a device configuration that can realize a large area. Therefore, the electron-emitting device has a large area and can maintain uniform electron emission in the surface direction for a long period of time.

本発明の一実施形態である電子放出素子1の断面および電子放出装置10の構成を示す図である。1 is a diagram showing a cross section of an electron-emitting device 1 and a configuration of an electron-emitting device 10 according to an embodiment of the present invention. 電子放出素子1を切断面線A−Aから見た図である。It is the figure which looked at the electron-emitting device 1 from cut surface line AA. 電子放出素子1の斜視図である。1 is a perspective view of an electron emitter 1. 電子放出素子1の電圧電流特性を測定する測定系を示す図である。3 is a diagram showing a measurement system for measuring voltage-current characteristics of the electron-emitting device 1. FIG. 電子放出素子1の実施例の電圧電流特性を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating voltage-current characteristics of an example of the electron-emitting device 1. 比較例の電子放出素子の電圧電流特性を示す図である。It is a figure which shows the voltage-current characteristic of the electron-emitting element of a comparative example. 比較例の電子放出素子100の表面写真である。2 is a surface photograph of an electron-emitting device 100 of a comparative example.

図1は、本発明の一実施形態である電子放出素子1の断面および電子放出装置10の構成を示す図である。電子放出素子1は、電極基板2、微粒子層3、薄膜電極4および電気絶縁層5を含んで構成される。電気絶縁層5は、電極基板2上に形成され、複数の開口部6を有する。微粒子層3は、電気絶縁層5の開口部6によって形成される開口6Aに充填されている。薄膜電極4は、電気絶縁層5と微粒子層3との表面形状に沿った形で成膜される。電子放出装置10は、電子放出素子1および電源11を含んで構成される。電源11は、電極基板2と薄膜電極4とに接続される。   FIG. 1 is a diagram showing a cross section of an electron-emitting device 1 and a configuration of an electron-emitting device 10 according to an embodiment of the present invention. The electron-emitting device 1 includes an electrode substrate 2, a fine particle layer 3, a thin film electrode 4, and an electrical insulating layer 5. The electrical insulating layer 5 is formed on the electrode substrate 2 and has a plurality of openings 6. The fine particle layer 3 is filled in the opening 6 </ b> A formed by the opening 6 of the electrical insulating layer 5. The thin film electrode 4 is formed in a form along the surface shape of the electrical insulating layer 5 and the fine particle layer 3. The electron emission device 10 includes an electron emission element 1 and a power source 11. The power source 11 is connected to the electrode substrate 2 and the thin film electrode 4.

電子放出素子1は、電極基板2と薄膜電極4との間に電圧が印加されると、電極基板2から供給される電子が微粒子層3を通過して薄膜電極4へ移動する際に、該電子に何らかのエネルギを与え、該電子を薄膜電極4から空間へ放出させる。   When a voltage is applied between the electrode substrate 2 and the thin-film electrode 4, the electron-emitting device 1 moves when the electrons supplied from the electrode substrate 2 pass through the fine particle layer 3 and move to the thin-film electrode 4. Some energy is given to the electrons, and the electrons are emitted from the thin film electrode 4 into the space.

電子放出に至る物理現象については、現時点で不明な点が多く、推測の域を出ないが、微粒子層3を流れる電流によるジュール熱と、微粒子層3内に形成される強電界領域とが関わっていると予想される。   The physical phenomenon leading to the electron emission has many unclear points at the present time and is not in the range of estimation, but is related to the Joule heat caused by the current flowing through the fine particle layer 3 and the strong electric field region formed in the fine particle layer 3. It is expected that

一般的に、電子が固体内部から外部へ放出される物理機構として、熱電子放出、光電子放出、電界電子放出、および2次電子放出などが知られている。熱電子放出は、フェルミ準位(ゼロKで電子が充たされている準位)と真空準位とのエネルギ障壁に相当するエネルギ(仕事関数)を、熱により与えることで、電子を真空中へ放出させる現象である。   Generally, thermal electron emission, photoelectron emission, field electron emission, secondary electron emission, and the like are known as physical mechanisms by which electrons are emitted from the inside to the outside of the solid. Thermionic emission is performed by applying energy (work function) corresponding to the energy barrier between the Fermi level (level filled with electrons at zero K) and the vacuum level by heat, so that the electron is put into vacuum. It is a phenomenon that is released.

また、電界電子放出(冷電界電子放出)は、金属表面と真空との間に形成される電界強度を1×10V/m程度とし、エネルギ障壁を非常に薄くすることで、室温程度でもトンネル効果により電子を真空中へ放出させる現象である。この熱電子放出と電界電子放出とが混交した現象は熱電界放出といわれ、電子放出素子1の電子放出機構として、最も妥当な機構と考えられる。つまり、ジュール熱による見かけの仕事関数の低下と、強電界によるエネルギ障壁の低下およびトンネル現象とが合わさって、電子放出に至ると考えられる。 In addition, field electron emission (cold field electron emission) is achieved by setting the electric field strength formed between the metal surface and the vacuum to about 1 × 10 9 V / m and making the energy barrier very thin, even at about room temperature. This is a phenomenon in which electrons are emitted into vacuum by the tunnel effect. This phenomenon in which thermionic emission and field electron emission are mixed is called thermal field emission, and is considered to be the most appropriate mechanism as the electron emission mechanism of the electron-emitting device 1. That is, it is considered that the electron work is caused by the combination of the apparent work function decrease due to Joule heat, the energy barrier decrease due to the strong electric field, and the tunnel phenomenon.

また、微粒子層3の内部で生じた電子は、薄膜電極4を透過して大気中に放出されることも予想されるが、電子放出素子1においては、その可能性は特段に低いと考えられる。電子放出素子1では、フォーミング処理時の、極微細な薄膜電極4の破壊(消失)が確認されている。極微細な薄膜電極4の破壊(消失)とは、薄膜電極4のうち極微細な部分が電極としての機能を消失することである。以下、電極としての機能を消失した極微細な部分をホール部分という。最近の解析から、この薄膜電極4の表面に生じるホール部分こそが電子放出点として機能する点を確認できたこともあり、電子は、薄膜電極4のホール部分をすり抜けて大気中に至る、と結論できそうである。   In addition, electrons generated inside the fine particle layer 3 are expected to be transmitted to the atmosphere through the thin film electrode 4, but in the electron-emitting device 1, the possibility is considered to be particularly low. . In the electron-emitting device 1, destruction (disappearance) of the extremely fine thin film electrode 4 during the forming process has been confirmed. The destruction (disappearance) of the extremely fine thin film electrode 4 means that an extremely fine portion of the thin film electrode 4 loses its function as an electrode. Hereinafter, an extremely fine portion that has lost its function as an electrode is referred to as a hole portion. From recent analysis, it has been confirmed that the hole portion generated on the surface of the thin film electrode 4 functions as an electron emission point, and electrons pass through the hole portion of the thin film electrode 4 and reach the atmosphere. It seems that we can conclude.

より詳細には、電子放出素子1の電子放出点を形成するのに必要な導電路形成処理、いわゆるフォーミング処理によって、薄膜電極4の極微細な消失が生じる。フォーミング処理は、大気中の雰囲気下で、電子放出素子1への印加電圧をスローステップで昇圧する手段であり、従来技術による電子放出素子が、電子放出素子生成の前処理として使用する手段と同等のものである。薄膜電極4に形成される電子放出部、つまり薄膜電極4のホール部分は、500nm〜5μm程度の直径からなる。薄膜電極4に形成されたホール部分のエッジ部と電極基板2との間に電圧が印加されることによって、薄膜電極4のホール部分周辺から電子放出が生じると考えられる。電気絶縁層5に形成される開口部6を、薄膜電極4のホール部分よりも十分大きくすることによって、薄膜電極4に極微細な消失が生じても、電子放出が維持可能となる。   More specifically, an extremely fine disappearance of the thin-film electrode 4 occurs due to a conductive path forming process necessary for forming an electron emission point of the electron-emitting device 1, a so-called forming process. The forming process is a means for boosting the voltage applied to the electron-emitting device 1 in a slow step in the atmosphere in the atmosphere, and the electron-emitting device according to the prior art is equivalent to the means used as a pretreatment for generating the electron-emitting device. belongs to. The electron emission portion formed in the thin film electrode 4, that is, the hole portion of the thin film electrode 4 has a diameter of about 500 nm to 5 μm. It is considered that electrons are emitted from the periphery of the hole portion of the thin film electrode 4 by applying a voltage between the edge portion of the hole portion formed in the thin film electrode 4 and the electrode substrate 2. By making the opening 6 formed in the electrical insulating layer 5 sufficiently larger than the hole portion of the thin film electrode 4, it is possible to maintain the electron emission even if the thin film electrode 4 is lost very finely.

第1電極である電極基板2は、たとえばアルミニウムによって形成されるとよい。電極基板2は、図1に示した電子放出素子1の厚み方向の下方に配置される。電極基板2は、下部電極であるとともに、基板としての機能をもつ。電極基板2の形状は、たとえば、板状の形状である。電極基板2は、導電性を有する構造体であり、微粒子層3、薄膜電極4および電気絶縁層5を支持する構造体であればよい。このため、電極基板2には、ある程度の強度を有し、良好な導電性を有する基板を用いる。   The electrode substrate 2 that is the first electrode may be formed of aluminum, for example. The electrode substrate 2 is arranged below the thickness direction of the electron-emitting device 1 shown in FIG. The electrode substrate 2 is a lower electrode and has a function as a substrate. The shape of the electrode substrate 2 is, for example, a plate shape. The electrode substrate 2 is a conductive structure and may be a structure that supports the fine particle layer 3, the thin film electrode 4, and the electrical insulating layer 5. For this reason, the electrode substrate 2 is a substrate having a certain degree of strength and good conductivity.

電極基板2に利用可能な基板として、アルミニウムのほかに、ステンレス鋼(Steel Use Stainless:以下「SUS」という)、チタン(以下「Ti」という)、および銅(以下「Cu」という)等の金属基板、ならびにシリコン(以下「Si」という)、ゲルマニウム(以下「Ge」という)、およびヒ素ガリウム(以下「GaAs」という)等の半導体基板を挙げることができる。また、導電性材料で形成された電極が、その表面に成膜された絶縁体基板を用いてもよい。このような基板として、たとえば、表面に金属膜が形成されたガラス基板やプラスティック基板を挙げることができる。   As a substrate usable for the electrode substrate 2, in addition to aluminum, metals such as stainless steel (hereinafter referred to as “SUS”), titanium (hereinafter referred to as “Ti”), and copper (hereinafter referred to as “Cu”) are used. Examples include substrates and semiconductor substrates such as silicon (hereinafter referred to as “Si”), germanium (hereinafter referred to as “Ge”), and gallium arsenide (hereinafter referred to as “GaAs”). Alternatively, an insulator substrate in which an electrode formed of a conductive material is formed on the surface thereof may be used. Examples of such a substrate include a glass substrate and a plastic substrate having a metal film formed on the surface.

このような電極の形成に用いる導電性材料には、マグネトロンスパッタ法等を用いて薄膜が形成できる材料を選択する。電子放出素子1を大気中で安定して動作させるのであれば、抗酸化力の高い導電性材料を用いるとよい。好ましくは、貴金属を用いる。また、酸化物導電材料であり、透明電極に広く利用されている酸化インジウムスズ(Indium-Tin Oxide:以下「ITO」という)も有用である。また、強靭な薄膜を形成することができるという点で、チタンと銅との積層膜、あるいはモリブデン薄膜でアルミ薄膜をサンドイッチした積層膜を用いてもよい。たとえば、ガラス板表面にチタンを200nm成膜し、さらに重ねて銅を1000nm成膜した金属薄膜が有用である。また、ガラス板表面にモリブデンを20nm成膜し、さらに重ねてアルミニウムを10nm成膜し、再びモリブデンを20nm成膜した金属薄膜も有用である。   As a conductive material used for forming such an electrode, a material capable of forming a thin film by using a magnetron sputtering method or the like is selected. If the electron-emitting device 1 is stably operated in the atmosphere, it is preferable to use a conductive material having high antioxidation power. Preferably, a noble metal is used. Indium tin oxide (hereinafter referred to as “ITO”), which is an oxide conductive material and is widely used for transparent electrodes, is also useful. In addition, a laminated film of titanium and copper or a laminated film in which an aluminum thin film is sandwiched between molybdenum thin films may be used because a tough thin film can be formed. For example, a metal thin film in which a titanium film having a thickness of 200 nm is formed on a glass plate surface and a copper film having a thickness of 1000 nm is further stacked is useful. Also useful is a metal thin film in which molybdenum is deposited to a thickness of 20 nm on the glass plate surface, aluminum is further deposited to a thickness of 10 nm, and molybdenum is again deposited to a thickness of 20 nm.

電気絶縁層5は、開口部6を有する。電気絶縁層5は、電気的絶縁性能、耐熱性、表面硬度、そして任意のパターン形成処理の容易さから、アクリル樹脂がよい。アクリル樹脂は、たとえば感光性アクリル樹脂である。感光性アクリル樹脂のベースポリマーは、メタクリル酸とグリシジルメタクリレートとのポリマーであり、感光剤としてナフトキシジアジド系ポジ型感光剤を含む。アクリル樹脂の膜厚は、2μm以下である必要がある。2μm以下という値は、電気絶縁層5の表面に堆積される微粒子層の除去工程で、電気絶縁層5を微粒子層3よりも厚くする必要性と、微粒子層3の電子放出特性から生じている。アクリル樹脂の膜厚は、ポリマー溶液をスピン塗布法によって容易に実現することができる。   The electrical insulating layer 5 has an opening 6. The electrical insulating layer 5 is preferably an acrylic resin from the viewpoint of electrical insulation performance, heat resistance, surface hardness, and ease of arbitrary pattern formation processing. The acrylic resin is, for example, a photosensitive acrylic resin. The base polymer of the photosensitive acrylic resin is a polymer of methacrylic acid and glycidyl methacrylate, and includes a naphthoxydiazide positive photosensitive agent as the photosensitive agent. The film thickness of the acrylic resin needs to be 2 μm or less. The value of 2 μm or less arises from the necessity of making the electrical insulating layer 5 thicker than the fine particle layer 3 in the step of removing the fine particle layer deposited on the surface of the electrical insulating layer 5 and the electron emission characteristics of the fine particle layer 3. . The film thickness of the acrylic resin can be easily realized by spin coating of a polymer solution.

開口部6によって形成される開口6Aの大きさ(以下単に「開口部6の大きさ」という)は、10μm角から500μm角がよい。開口部6は、上述したホール部分を電子放出点として機能させるために設けるものである。開口部6の大きさ、特に最少の大きさは、ホール部分を電子放出点として機能させる必要上重要である。従来技術による電子放出素子では、フォーミング処理時に生じる、極微細な薄膜電極4の破壊(消失)が確認されているが、最近の解析から、電子放出素子1の薄膜電極4の表面に生じたホール(孔)部分こそが電子放出点として機能すると確認されている。それゆえ、開口部6の大きさは、フォーミング処理で生じるホール(孔)の大きさよりも大きくする必要がある。そうでなければ、電極の消失に伴って、開口部6の位置に対応する位置にある薄膜電極4の部分に電圧が印加されなくなるからである。   The size of the opening 6A formed by the opening 6 (hereinafter simply referred to as “the size of the opening 6”) is preferably 10 μm square to 500 μm square. The opening 6 is provided so that the hole portion described above functions as an electron emission point. The size, particularly the minimum size, of the opening 6 is important in order to make the hole portion function as an electron emission point. In the electron-emitting device according to the prior art, destruction (disappearance) of the very thin thin-film electrode 4 that has occurred during the forming process has been confirmed. From recent analysis, holes generated on the surface of the thin-film electrode 4 of the electron-emitting device 1 are confirmed. It is confirmed that the (hole) part functions as an electron emission point. Therefore, the size of the opening 6 needs to be larger than the size of the hole (hole) generated by the forming process. Otherwise, the voltage is not applied to the portion of the thin film electrode 4 at the position corresponding to the position of the opening 6 with the disappearance of the electrode.

薄膜電極4に形成されるホール部分の大きさが、直径500nm〜5μm程度に、大小のばらつきを伴って生じていることから、開口部6の大きさを10μm角より大きくすることによって、電子放出素子1は、電子放出を十分持続可能である。また、開口部6の大きさが500μm角より大きくなると、開口部6内における電子放出点の不均一さが目立つようになり、電子放出素子1は、面方向に均一な電子源とはいえなくなる。開口部6内における電子放出点の不均一さとは、複数の電子放出点の分布が開口部6内で均一ではないということである。   Since the size of the hole portion formed in the thin film electrode 4 has a diameter of about 500 nm to 5 μm with variations in size, electron emission can be achieved by making the size of the opening 6 larger than 10 μm square. The element 1 can sufficiently sustain the electron emission. Further, when the size of the opening 6 is larger than 500 μm square, the non-uniformity of electron emission points in the opening 6 becomes conspicuous, and the electron-emitting device 1 cannot be said to be a uniform electron source in the plane direction. . The non-uniformity of the electron emission points in the opening 6 means that the distribution of the plurality of electron emission points is not uniform in the opening 6.

電気絶縁層5は、スピンコート法を用いて、アクリル樹脂を塗布する塗付工程の後、150℃でプリベークされ、電気絶縁層5の開口部6に当たる部分が、メタルマスクおよび紫外線を用いてパターン露光される。その後、アクリル樹脂の一部は、アルカリ性現像溶液、たとえばテトラメチルアンモニウムヒドロキサイド現像液によってエッチングを行うエッチング工程で除去されて開口部6が形成される。開口部6が形成されたアクリル樹脂は、純水で洗浄され、最後に、樹脂層が200℃で加熱硬化される。   The electrical insulating layer 5 is pre-baked at 150 ° C. after a coating step of applying an acrylic resin by using a spin coating method, and a portion corresponding to the opening 6 of the electrical insulating layer 5 is patterned using a metal mask and ultraviolet rays. Exposed. Thereafter, a part of the acrylic resin is removed by an etching process in which etching is performed with an alkaline developer, for example, a tetramethylammonium hydroxide developer, so that the opening 6 is formed. The acrylic resin in which the opening 6 is formed is washed with pure water, and finally the resin layer is heated and cured at 200 ° C.

図2は、電子放出素子1を切断面線A−Aから見た図である。図2は、開口部6内に形成される微粒子層3、およびその微粒子層3の上に形成される薄膜電極4の構成を示す断面図である。   FIG. 2 is a view of the electron-emitting device 1 as viewed from the section line AA. FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the fine particle layer 3 formed in the opening 6 and the thin film electrode 4 formed on the fine particle layer 3.

第2電極である薄膜電極4は、薄膜電極4全体から一様かつ十分な電子が放出されるように、複数の導電性膜で形成される。薄膜電極4は、図1に示したように、微粒子層3および電気絶縁層5の表面形状に沿って形成される。薄膜電極4は、アモルファスカーボン層8、多孔電極層9A、およびベタ電極層9Bによって構成されている。アモルファスカーボン層8、多孔電極層9A、およびベタ電極層9Bは、微粒子層3寄りからこの順に配置される。薄膜電極4は、外方に面する表面に複数の孔部41が形成されている。孔部41は、外方に臨む凹形状の凹部であり、孔41Aを形成する。ここで凹部は、アモルファスカーボン層8および多孔電極層9Aが、部分的に層膜を薄くする部分をいい、薄膜電極4上に均一に離散して配置される。   The thin film electrode 4 as the second electrode is formed of a plurality of conductive films so that uniform and sufficient electrons are emitted from the entire thin film electrode 4. As shown in FIG. 1, the thin film electrode 4 is formed along the surface shapes of the fine particle layer 3 and the electrical insulating layer 5. The thin film electrode 4 includes an amorphous carbon layer 8, a porous electrode layer 9A, and a solid electrode layer 9B. The amorphous carbon layer 8, the porous electrode layer 9A, and the solid electrode layer 9B are arranged in this order from the fine particle layer 3 side. The thin film electrode 4 has a plurality of holes 41 formed on the surface facing outward. The hole part 41 is a concave part facing outward and forms a hole 41A. Here, the concave portion refers to a portion where the amorphous carbon layer 8 and the porous electrode layer 9A partially thin the layer film, and are arranged uniformly and discretely on the thin film electrode 4.

第1薄膜電極層であるアモルファスカーボン層8は、S(Sharp)P(Principal)混成軌道を有するグラファイト構造のクラスターが無秩序に堆積して形成されている。クラスターは、数百個程度の原子の塊である。グラファイト自体は、電気伝導性に優れた材質であるが、クラスター間の電気伝導性が良好でない堆積された状態であるため、抵抗層として機能している。つまり、アモルファスカーボン層8は、多孔電極層9Aやベタ電極層9Bと比較して電気抵抗が高い。よって、薄膜電極4の膜厚方向の電気抵抗は、凹部の箇所と凹部以外の個所とで異なることになる。凹部の箇所は、凹部以外の箇所と比べて電気抵抗が低いため、凹部下方の微粒子層3に電流路を形成し易くなる。この結果、電子放出素子1は、電流路の形成確度を向上することができ、電子放出を起こす確率を確実に引き上げることができる。 The amorphous carbon layer 8 that is the first thin film electrode layer is formed by randomly depositing clusters of graphite structures having S (Sharp) P (Principal) 2 hybrid orbitals. A cluster is a mass of several hundred atoms. Graphite itself is a material excellent in electrical conductivity, but functions as a resistance layer because it is a deposited state in which electrical conductivity between clusters is not good. That is, the amorphous carbon layer 8 has a higher electrical resistance than the porous electrode layer 9A and the solid electrode layer 9B. Therefore, the electric resistance in the film thickness direction of the thin film electrode 4 is different between the concave portion and the portion other than the concave portion. Since the portion of the recess has a lower electric resistance than the portion other than the recess, it is easy to form a current path in the fine particle layer 3 below the recess. As a result, the electron-emitting device 1 can improve the current path formation accuracy, and can reliably increase the probability of electron emission.

また、アモルファスカーボン層8は、その層厚が約10nmで形成されている。アモルファスカーボン層8を抵抗層として機能させるためには、5nm以上の膜厚で形成する必要がある。アモルファスカーボン層8には、複数の孔部41を形成するための複数の孔が形成されている。   The amorphous carbon layer 8 is formed with a thickness of about 10 nm. In order for the amorphous carbon layer 8 to function as a resistance layer, it is necessary to form it with a film thickness of 5 nm or more. A plurality of holes for forming a plurality of hole portions 41 are formed in the amorphous carbon layer 8.

多孔電極層9Aは、金属、たとえば金およびパラジウムを主成分とする材料で形成される。多孔電極層9Aの材料は、電圧の印加が可能となるような材料であればよい。ただし、微粒子層3内で生じた電子を、なるべくエネルギロスなく透過させて放出させるという電極の機能の観点から、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、より多くの電子放出が期待できる。このような材料として、たとえば、仕事関数が4〜5eVに該当する金、銀、タングステン、チタン、アルミニウム、および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電子放出素子1の動作を想定した場合、酸化物および硫化物の形成反応のない金が最良な材料となる。また、酸化物の形成反応の比較的小さい銀、パラジウム、および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。多孔電極層9Aには、アモルファスカーボン層8に形成される孔と同じ位置に、孔部41を形成するための複数の孔が形成されている。   9 A of porous electrode layers are formed with the material which has a metal, for example, gold | metal | money and palladium, as a main component. The material of the porous electrode layer 9A may be any material that can apply a voltage. However, from the viewpoint of the function of the electrode that allows electrons generated in the fine particle layer 3 to pass through and emit with as little energy loss as possible, a material having a low work function and capable of forming a thin film has a larger number. Electron emission can be expected. Examples of such a material include gold, silver, tungsten, titanium, aluminum, and palladium whose work function corresponds to 4 to 5 eV. In particular, when the operation of the electron-emitting device 1 under atmospheric pressure is assumed, gold having no 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. In the porous electrode layer 9 </ b> A, a plurality of holes for forming the hole portions 41 are formed at the same positions as the holes formed in the amorphous carbon layer 8.

ベタ電極層9Bは、多孔電極層9Aと同様に、金とパラジウムを主成分とする材料で形成された金属層で形成される。ベタ電極層9Bの材料も、多孔電極層9Aの材料と同様に、電圧の印加が可能となるような材料であればよい。したがって、ベタ電極層9Bの材料は、多孔電極層9Aと同様の材料で形成すればよい。   The solid electrode layer 9B is formed of a metal layer made of a material mainly composed of gold and palladium, similarly to the porous electrode layer 9A. Similarly to the material of the porous electrode layer 9A, the material of the solid electrode layer 9B may be any material that can apply a voltage. Therefore, the solid electrode layer 9B may be formed of the same material as the porous electrode layer 9A.

ベタ電極層9Bは、多孔電極層9Aを覆うように構成される。つまり、ベタ電極層9Bは、多孔電極層9Aの表面を被覆するように形成される。ベタ電極層9Bには、複数の孔部41が形成される。薄膜電極4が電極として機能するためには、多孔電極層9Aとベタ電極層9Bとからなる金属層が電極として機能する必要がある。このため、多孔電極層9Aとベタ電極層9Bとをあわせた金属層の層厚、つまり多孔電極層9Aの層厚とベタ電極層9Bの層厚とをあわせた合計値は、10nm以上であるとよい。金属層の層厚が10nm以上であれば、電極として十分な導電性を確保することができる。なお、この実施形態では、ベタ電極層9Bは20nmの膜厚で形成されている。多孔電極層9Aおよびベタ電極層9Bは、第2薄膜電極層である。   The solid electrode layer 9B is configured to cover the porous electrode layer 9A. That is, the solid electrode layer 9B is formed so as to cover the surface of the porous electrode layer 9A. A plurality of holes 41 are formed in the solid electrode layer 9B. In order for the thin film electrode 4 to function as an electrode, a metal layer composed of the porous electrode layer 9A and the solid electrode layer 9B needs to function as an electrode. For this reason, the total thickness of the thickness of the metal layer including the porous electrode layer 9A and the solid electrode layer 9B, that is, the total thickness of the porous electrode layer 9A and the solid electrode layer 9B is 10 nm or more. Good. When the thickness of the metal layer is 10 nm or more, sufficient conductivity as an electrode can be ensured. In this embodiment, the solid electrode layer 9B is formed with a thickness of 20 nm. The porous electrode layer 9A and the solid electrode layer 9B are second thin film electrode layers.

なお、薄膜電極4の膜厚は、電子放出素子1から外部へ電子を効率よく放出させるための条件として重要であり、最大の膜厚を15〜100nmの範囲とすることが好ましい。このように、薄膜電極4は、100nm以下の膜厚で形成する必要があり、100nmを超える膜厚の薄膜電極4では、電子放出が極端に減少する。放出される電子の減少は、薄膜電極4が電子を吸収し、または反射することにより、微粒子層3に電子が再度捕獲されるためであると考えられる。薄膜電極4は、電極として機能すればよいので、たとえば、金およびパラジウムからなる金属膜のように、薄膜電極4が複数の導電性膜、いわゆる積層構造の導電性膜で形成されていてもよい。   The film thickness of the thin film electrode 4 is important as a condition for efficiently emitting electrons from the electron-emitting device 1 to the outside, and the maximum film thickness is preferably in the range of 15 to 100 nm. Thus, the thin film electrode 4 needs to be formed with a film thickness of 100 nm or less, and the electron emission is extremely reduced in the thin film electrode 4 with a film thickness exceeding 100 nm. The decrease in the emitted electrons is considered to be because the thin film electrode 4 absorbs or reflects the electrons so that the electrons are captured again in the fine particle layer 3. Since the thin film electrode 4 only needs to function as an electrode, the thin film electrode 4 may be formed of a plurality of conductive films, that is, a conductive film having a so-called laminated structure, such as a metal film made of gold and palladium. .

薄膜電極4は、電気絶縁層5と微粒子層3とによって構成される表面形状に沿った形で成膜される。電気絶縁層5の表面に形成される薄膜電極4は「電気供給路」として機能し、微粒子層3の表面に形成される薄膜電極4は「電子放出面電極」として機能する。特に、電気絶縁層5の表面に形成される薄膜電極4は、スパッタ法による電極形成時に、微粒子層3を構成する物質由来のコンタミネーションの影響を受け難く、良好な電気伝導度を維持した電気供給路として機能する。それゆえ、電子放出素子1が大型化しても、電気絶縁層5の表面に形成された薄膜電極4、いわゆる「電気供給路」では、電気伝導ラインに沿った面方向の電位降下を生じず、薄膜電極4面内に電位分布のない一様な電圧印加が可能となる。したがって、大面積の電子放出素子1を作成しても、電子放出点に偏りがなく、長期間に渡り電子放出を維持可能な面電子放出源を提供することができる。   The thin film electrode 4 is formed in a form along the surface shape constituted by the electrical insulating layer 5 and the fine particle layer 3. The thin film electrode 4 formed on the surface of the electrical insulating layer 5 functions as an “electric supply path”, and the thin film electrode 4 formed on the surface of the fine particle layer 3 functions as an “electron emission surface electrode”. In particular, the thin-film electrode 4 formed on the surface of the electrical insulating layer 5 is not easily affected by contamination derived from the material constituting the fine particle layer 3 when forming an electrode by sputtering, and maintains an excellent electrical conductivity. Functions as a supply channel. Therefore, even if the electron-emitting device 1 is increased in size, the thin film electrode 4 formed on the surface of the electrical insulating layer 5, so-called “electric supply path”, does not cause a potential drop in the plane direction along the electrical conduction line, It is possible to apply a uniform voltage without potential distribution within the surface of the thin film electrode 4. Therefore, even when the electron-emitting device 1 having a large area is manufactured, it is possible to provide a surface electron emission source that can maintain the electron emission for a long period of time without any bias in the electron emission point.

微粒子層3は、電気絶縁層5の開口部6によって形成される開口6Aに、かつ電極基板2と薄膜電極4との間に充填される。微粒子層3は、実質的に、絶縁性微粒子7Aによって構成されている。具体的には、図2に示したように、電気絶縁層5の開口部6によって形成される開口6Aに充填された微粒子層3は、電極基板2上に形成された第1微粒子層31と、第1微粒子層31上に形成された第2微粒子層32とによって構成されている。   The fine particle layer 3 is filled in the opening 6 </ b> A formed by the opening 6 of the electrical insulating layer 5 and between the electrode substrate 2 and the thin film electrode 4. The fine particle layer 3 is substantially composed of insulating fine particles 7A. Specifically, as illustrated in FIG. 2, the fine particle layer 3 filled in the opening 6 </ b> A formed by the opening 6 of the electrical insulating layer 5 includes the first fine particle layer 31 formed on the electrode substrate 2. And the second fine particle layer 32 formed on the first fine particle layer 31.

第1微粒子層31は、絶縁性微粒子7Aおよび導電性微粒子7Bを含んで構成される。絶縁性微粒子7Aおよび導電性微粒子7Bは、主としてナノサイズの粒子で構成されている。第2微粒子層32は、絶縁性微粒子層である。   The first fine particle layer 31 includes insulating fine particles 7A and conductive fine particles 7B. The insulating fine particles 7A and the conductive fine particles 7B are mainly composed of nano-sized particles. The second fine particle layer 32 is an insulating fine particle layer.

絶縁性微粒子7Aは、二酸化ケイ素(略称「シリカ」:以下「SiO」という)で形成されている。すなわち、絶縁性微粒子7Aは、シリカ微粒子によって形成されている。絶縁性微粒子7Aの材料は、絶縁性を持つ材料であればよく、SiOのほか、酸化アルミニウム(以下「Al」という)、および二酸化チタン(以下「TiO」という)から選ばれる材料を主成分とすればよい。より具体的には、たとえば、キャボット社のフェームドシリカC413を利用することができる。SiO、Al、およびTiOのように絶縁性が高い材料であれば、微粒子層3の抵抗値を所望の値に調整することが容易となる。また、これらの酸化物を用いると、酸化が生じにくく電子放出素子1の劣化を防止することができる。 The insulating fine particles 7A are made of silicon dioxide (abbreviated as “silica”: hereinafter referred to as “SiO 2 ”). That is, the insulating fine particles 7A are formed of silica fine particles. The material of the insulating fine particles 7A may be any material having insulating properties, and is selected from SiO 2 , aluminum oxide (hereinafter referred to as “Al 2 O 3 ”), and titanium dioxide (hereinafter referred to as “TiO 2 ”). The material may be a main component. More specifically, for example, Cabot's Famed Silica C413 can be used. If the material is highly insulating such as SiO 2 , Al 2 O 3 , and TiO 2 , the resistance value of the fine particle layer 3 can be easily adjusted to a desired value. In addition, when these oxides are used, oxidation hardly occurs and deterioration of the electron-emitting device 1 can be prevented.

また、絶縁性微粒子7Aは、その粒径が50nmの平均粒径を有する微粒子である。絶縁性微粒子7Aは、平均粒径が10〜1000nmであるものが好ましく、また、その平均粒径が10〜200nmであるものがより好ましい。絶縁性微粒子7Aは、粒子径の分散状態が平均粒径に対してブロードであってもよく、たとえば平均粒径50nmの微粒子は、20〜100nmの範囲にその粒子径が広く分布していても問題ない。したがって、このような分散状態でも、絶縁性微粒子7Aの粒子径が上述した平均粒径の範囲を満たせばよい。   The insulating fine particles 7A are fine particles having an average particle diameter of 50 nm. The insulating fine particles 7A preferably have an average particle size of 10 to 1000 nm, and more preferably have an average particle size of 10 to 200 nm. The insulating fine particles 7A may have a dispersion state of the particle diameter that is broad with respect to the average particle diameter. For example, fine particles having an average particle diameter of 50 nm may be widely distributed in the range of 20 to 100 nm. no problem. Therefore, even in such a dispersed state, the particle diameter of the insulating fine particles 7A only needs to satisfy the above-described range of the average particle diameter.

平均粒径が10nmよりも小さいと、粒子間に働く力が強いために粒子が凝集しやすく、分散が困難になる。平均粒径が1000nmよりも大きいと、分散性はよいものの、薄膜の微粒子層3の空隙が大きくなり、微粒子層3の抵抗の調整を困難にする。このため、平均粒径は、上述した平均粒径であることが好ましい。   When the average particle size is smaller than 10 nm, the force acting between the particles is strong, so that the particles are likely to aggregate and dispersion becomes difficult. If the average particle size is larger than 1000 nm, the dispersibility is good, but the voids of the fine particle layer 3 of the thin film become large, making it difficult to adjust the resistance of the fine particle layer 3. For this reason, it is preferable that an average particle diameter is the average particle diameter mentioned above.

さらに、微粒子層3の表面の凹凸は、微粒子層3に形成される電界強度の不均一を生じる。特に、微粒子層3の表面の凹部は、局所的な強電界の部分を形成するので、導電路を集中させる傾向がある。この状態が顕著な場合、電子放出点が凹部に集中し、電子放出を面状に維持することができなくなる。この現象を緩和させる粒径として、200nmの条件が設けられる。   Further, the unevenness of the surface of the fine particle layer 3 causes nonuniformity of the electric field strength formed in the fine particle layer 3. In particular, since the concave portion on the surface of the fine particle layer 3 forms a portion of a local strong electric field, the conductive path tends to concentrate. When this state is remarkable, the electron emission points are concentrated in the concave portion, and the electron emission cannot be maintained in a planar shape. A condition of 200 nm is provided as a particle size for alleviating this phenomenon.

導電性微粒子7Bは、銀で形成されている。導電性微粒子7Bは、電子放出素子1が大気中で酸化して劣化することを防ぐため、貴金属を用いて形成されるとよい。たとえば、導電性微粒子7Bは、銀のほか、金、白金、パラジウムまたはニッケルを主成分とする金属材料で形成するとよい。導電性微粒子7B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。   The conductive fine particles 7B are made of silver. The conductive fine particles 7B are preferably formed using a noble metal in order to prevent the electron-emitting device 1 from being oxidized and deteriorated in the atmosphere. For example, the conductive fine particles 7B may be formed of a metal material mainly containing gold, platinum, palladium, or nickel in addition to silver. The conductive fine particles 7B can be prepared using a known fine particle production technique such as sputtering or spray heating, and commercially available metal fine particle powders such as silver nanoparticles produced and sold by Applied Nano Laboratory can also be used. is there.

導電性微粒子7Bは、その粒径が10nmの平均粒径を有するナノ粒子である。導電性微粒子7Bは、第1微粒子層31の導電性を制御するため、絶縁性微粒子7Aの平均粒径よりも小さい平均粒径を有する微粒子を用いる必要がある。このため、導電性微粒子7Bの平均粒径は、3〜20nmであるのが好ましい。導電性微粒子7Bの平均粒径を、絶縁性微粒子7Aの平均粒径よりも小さくすることによって、微粒子層3内で、導電性微粒子7Bによる導電パスが形成されず、微粒子層3内での絶縁破壊が起こり難くなる。平均粒径が3nm以下では、凝集力が強すぎるために、粒子径を維持することができない。また、平均粒径の上限を20nmとしているのは、電子放出素子1の作成工程からの制限であるが、あまりに大きな粒子径では、絶縁性微粒子7Aであるシリカ微粒子との質量差から、成膜時に沈降し、分散状態を維持することができない。また原理的には不明確な点が多いが、平均粒径が3〜20nmの範囲内の導電性微粒子7Bを用いることで、効率よく電子放出が生じる。   The conductive fine particles 7B are nanoparticles having an average particle diameter of 10 nm. For the conductive fine particles 7B, in order to control the conductivity of the first fine particle layer 31, it is necessary to use fine particles having an average particle size smaller than the average particle size of the insulating fine particles 7A. For this reason, it is preferable that the average particle diameter of the conductive fine particles 7B is 3 to 20 nm. By making the average particle size of the conductive fine particles 7B smaller than the average particle size of the insulating fine particles 7A, a conductive path by the conductive fine particles 7B is not formed in the fine particle layer 3, and insulation in the fine particle layer 3 is performed. Destruction is less likely to occur. When the average particle size is 3 nm or less, the cohesive force is too strong, so that the particle size cannot be maintained. The upper limit of the average particle diameter is 20 nm, which is a limitation from the manufacturing process of the electron-emitting device 1. However, when the particle diameter is too large, the film is formed due to a mass difference from the silica fine particles as the insulating fine particles 7A. It sometimes settles and cannot maintain a dispersed state. Although there are many unclear points in principle, electron emission is efficiently generated by using the conductive fine particles 7B having an average particle diameter in the range of 3 to 20 nm.

第1微粒子層31は、絶縁性微粒子7Aと導電性微粒子7Bとがシリコン樹脂で固着されている。したがって、アモルファスカーボン層8および多孔電極層9Aに、孔部41を形成するための孔を形成する工程においても、十分な機械的強度を有し、加工工程に耐えうる電子放出素子1が形成される。また、シリコン樹脂は、撥水機能があるので、水分子が微粒子層3に付着しにくく、電子放出素子1を大気中で動作させても、水分子による電気抵抗の変化が生じにくい。したがって、安定して動作する電子放出素子1を形成することができる。このシリコン樹脂には、たとえば、東レ・ダウコーニング・シリコン株式会社製の室温・湿気硬化タイプのSR2411シリコンレジンを利用する。   In the first fine particle layer 31, the insulating fine particles 7A and the conductive fine particles 7B are fixed with silicon resin. Therefore, the electron-emitting device 1 having sufficient mechanical strength and capable of withstanding the processing step is formed even in the step of forming the hole for forming the hole 41 in the amorphous carbon layer 8 and the porous electrode layer 9A. The In addition, since the silicon resin has a water repellent function, water molecules are unlikely to adhere to the fine particle layer 3, and even if the electron-emitting device 1 is operated in the air, changes in electrical resistance due to the water molecules are unlikely to occur. Therefore, the electron-emitting device 1 that operates stably can be formed. For this silicon resin, for example, a room temperature / humidity curing type SR2411 silicon resin manufactured by Toray Dow Corning Silicon Co., Ltd. is used.

第2微粒子層32は、絶縁性微粒子7Aで構成されている。絶縁性微粒子7Aは、第1微粒子層31で用いている絶縁性微粒子7Aと同じ微粒子を用いている。このように、第2微粒子層32で用いる絶縁性微粒子7Aは、第1微粒子層31のそれと同じ微粒子を用いればよい。第2微粒子層32は、絶縁性微粒子7Aと絶縁性微粒子7Aとがシリコン樹脂で固着されている。このシリコン樹脂も第1微粒子層31と同じものである。したがって、第2微粒子層32も、機械的強度および水分子付着について、上記で説明した効果と同様の効果が得られる。   The second fine particle layer 32 is composed of insulating fine particles 7A. As the insulating fine particles 7A, the same fine particles as the insulating fine particles 7A used in the first fine particle layer 31 are used. As described above, the insulating fine particles 7 </ b> A used in the second fine particle layer 32 may be the same fine particles as those in the first fine particle layer 31. In the second fine particle layer 32, the insulating fine particles 7A and the insulating fine particles 7A are fixed with silicon resin. This silicon resin is also the same as the first fine particle layer 31. Therefore, the second fine particle layer 32 also has the same effects as those described above with respect to mechanical strength and water molecule adhesion.

微粒子層3は、その層厚が1200nmで形成される。第1微粒子層31は、700〜800nmで形成され、第2微粒子層32は、400〜500nmで形成される。微粒子層3は、層厚を均一にし、層厚方向に一様な抵抗となるようにするため、その層厚を300〜2000nmにするとよい。微粒子層3は、電子を放出させる層としての機能から、第1微粒子層31と第2微粒子層32とをあわせた層厚で形成すればよい。微粒子層3の層厚が300nmより薄い場合、スパッタ法による薄膜電極形成時に、電極材料の金属粒子が、微粒子の隙間から下面電極まで突き抜け、上下の電極間を短絡させてしまう。また、微粒子層3の層厚を2000nmより薄くしなければならない理由は、電子放出素子1の作成工程からの制限である。   The fine particle layer 3 is formed with a layer thickness of 1200 nm. The first fine particle layer 31 is formed at 700 to 800 nm, and the second fine particle layer 32 is formed at 400 to 500 nm. The fine particle layer 3 may have a layer thickness of 300 to 2000 nm in order to make the layer thickness uniform and to have uniform resistance in the layer thickness direction. The fine particle layer 3 may be formed with a combined thickness of the first fine particle layer 31 and the second fine particle layer 32 from the function as a layer for emitting electrons. When the layer thickness of the fine particle layer 3 is less than 300 nm, when forming a thin film electrode by sputtering, the metal particles of the electrode material penetrate through the gap between the fine particles to the lower surface electrode, and the upper and lower electrodes are short-circuited. In addition, the reason why the layer thickness of the fine particle layer 3 must be made thinner than 2000 nm is a limitation from the manufacturing process of the electron-emitting device 1.

微粒子層3は、第1微粒子層31のみで構成されてもよいが、本実施形態のように、微粒子層3が第1微粒子層31と第2微粒子層32とで構成されてもよい。つまり、微粒子層3の層厚と比べて、微粒子層3の表面の凹凸があまりに大きいと、表面形状に由来した局所的な強電界が生じ、その強電界の部分に電流集中が発生する。また、電子放出素子1への長期間の通電でも、微粒子層3に偶発的な電流集中点が生じてしまう。これらの問題を回避するために、微粒子層3を第1微粒子層31と第2微粒子層32とで構成し、微粒子層3の表面の凹凸を緩和するとよい。一般的に、微粒子層3の層厚は、薄い方がより好ましいが、若干の厚膜化は上記問題の対策に有用である。   The fine particle layer 3 may be composed of only the first fine particle layer 31, but the fine particle layer 3 may be composed of the first fine particle layer 31 and the second fine particle layer 32 as in the present embodiment. That is, if the surface of the fine particle layer 3 is too large compared to the thickness of the fine particle layer 3, a local strong electric field derived from the surface shape is generated, and current concentration occurs in the strong electric field portion. Further, even when the electron-emitting device 1 is energized for a long time, an accidental current concentration point is generated in the fine particle layer 3. In order to avoid these problems, the fine particle layer 3 may be composed of the first fine particle layer 31 and the second fine particle layer 32, and the unevenness of the surface of the fine particle layer 3 may be reduced. In general, the layer thickness of the fine particle layer 3 is preferably thinner, but a slight increase in the thickness is useful for the countermeasure against the above problem.

微粒子層3は、上述したように、電極基板2と薄膜電極4との間で、電極基板2上に形成された電気絶縁層5の開口部6によって形成される開口6Aに充填される。つまり微粒子層3は、電気絶縁層5の開口部6によって形成される開口6Aにおいて、電極基板2と薄膜電極4との間に配置される。   As described above, the fine particle layer 3 is filled in the opening 6 </ b> A formed by the opening 6 of the electrical insulating layer 5 formed on the electrode substrate 2 between the electrode substrate 2 and the thin film electrode 4. That is, the fine particle layer 3 is disposed between the electrode substrate 2 and the thin film electrode 4 in the opening 6 </ b> A formed by the opening 6 of the electrical insulating layer 5.

図3は、電子放出素子1の斜視図である。図3には、電子放出素子1の電気絶縁層5の全体の形状を模式的に示している。電気絶縁層5に形成された開口部6と、開口部6によって形成される開口6Aに充填された微粒子層3と、薄膜電極4との位置関係を示している。図3は、開口部6によって形成される開口6Aの形状および位置を示すために、電気絶縁層5の表面で、電気絶縁層5と薄膜電極4とを切り離した状態となっている。図3における電気絶縁層5の表面に示した破線51は、薄膜電極4の外縁部を電気絶縁層5に投影したときの投影線である。   FIG. 3 is a perspective view of the electron-emitting device 1. FIG. 3 schematically shows the overall shape of the electrical insulating layer 5 of the electron-emitting device 1. The positional relationship among the opening 6 formed in the electrical insulating layer 5, the fine particle layer 3 filled in the opening 6A formed by the opening 6, and the thin film electrode 4 is shown. FIG. 3 shows a state in which the electrical insulating layer 5 and the thin film electrode 4 are separated from each other on the surface of the electrical insulating layer 5 in order to show the shape and position of the opening 6 </ b> A formed by the opening 6. A broken line 51 shown on the surface of the electrical insulating layer 5 in FIG. 3 is a projection line when the outer edge portion of the thin film electrode 4 is projected onto the electrical insulating layer 5.

電気絶縁層5は、離散して配置される微小な開口部6を多数有する。電気絶縁層5の開口部6は、電気絶縁層5の表面のうち、破線51によって規定される範囲の内側の面に位置するよう設置される。   The electrical insulating layer 5 has a large number of minute openings 6 arranged discretely. The opening 6 of the electrical insulating layer 5 is installed on the surface of the electrical insulating layer 5 so as to be positioned on the inner surface within the range defined by the broken line 51.

このように配置することによって、電極基板2と薄膜電極4との間に形成される電界において、薄膜電極4の外縁部に由来する電界の偏りは、電流路の形成と無関係となる。一般的に、電極端部は電極面内に比べて電気力線が集中する。したがって、電極基板2と薄膜電極4との間に電圧を印加した場合、電極端部は、電極面内に比べて電流路を形成し易い。つまり、電子放出素子1からの電子放出は、薄膜電極4の外縁部から集中的に発生することとなる。この現象を抑制するためには、薄膜電極4の外縁部は、電気を流さないようにする必要がある。   By arranging in this way, in the electric field formed between the electrode substrate 2 and the thin film electrode 4, the bias of the electric field derived from the outer edge portion of the thin film electrode 4 becomes irrelevant to the formation of the current path. Generally, electric lines of force are concentrated at the electrode end portion as compared with the electrode surface. Therefore, when a voltage is applied between the electrode substrate 2 and the thin film electrode 4, the electrode end portion is easier to form a current path than in the electrode plane. That is, electron emission from the electron-emitting device 1 is concentrated from the outer edge of the thin film electrode 4. In order to suppress this phenomenon, it is necessary to prevent the outer edge portion of the thin film electrode 4 from flowing electricity.

電子放出素子1は、薄膜電極4から、薄膜電極4の外部へ配線パターンを形成する電極パッド12を有する。電極パッド12は、薄膜電極4と重なり、かつ電気絶縁層5の開口部6とは重ならない位置から、電極パッド12の一部が、薄膜電極4の外部へと延びる電気配線である。電極パッド12は、層厚200nm〜500nmの厚くて丈夫な金属層である。電極パッド12は、電極パッド12の端部に外部電源である電源11を接続することによって、特殊な針プローブ等を用いずに、電子放出素子1に電圧を印加することを可能とする。電子放出素子1は、電極基板2と薄膜電極4とが電源11に接続されて用いられる。   The electron-emitting device 1 includes an electrode pad 12 that forms a wiring pattern from the thin film electrode 4 to the outside of the thin film electrode 4. The electrode pad 12 is an electrical wiring in which a part of the electrode pad 12 extends to the outside of the thin film electrode 4 from a position that overlaps the thin film electrode 4 and does not overlap the opening 6 of the electrical insulating layer 5. The electrode pad 12 is a thick and strong metal layer having a layer thickness of 200 nm to 500 nm. The electrode pad 12 can apply a voltage to the electron-emitting device 1 without using a special needle probe or the like by connecting a power source 11 as an external power source to the end of the electrode pad 12. The electron-emitting device 1 is used with an electrode substrate 2 and a thin film electrode 4 connected to a power source 11.

次に、電子放出素子1の製造方法について説明する。電極基板2は、厚さ0.7mmのガラス基板表面に、スパッタ法によりモリブデンを20nm成膜し、さらに重ねてアルミニウムを10nm成膜し、再びモリブデンを20nm成膜したものである。   Next, a method for manufacturing the electron-emitting device 1 will be described. The electrode substrate 2 is formed by forming a molybdenum film of 20 nm on the surface of a 0.7 mm thick glass substrate by sputtering, forming an aluminum film of 10 nm again, and forming a molybdenum film of 20 nm again.

電気絶縁層形成工程では、電極基板2の表面に開口部6を有する電気絶縁層5を形成する。電気絶縁層形成工程では、感光性アクリル樹脂材料を含んだ溶液が電極基板2上にスピンコート塗布され、プレベーキング、パターン露光、アルカリ現像、および純水洗浄が、この順に行なわれる。   In the electrical insulating layer forming step, the electrical insulating layer 5 having the opening 6 on the surface of the electrode substrate 2 is formed. In the electrical insulating layer forming step, a solution containing a photosensitive acrylic resin material is spin-coated on the electrode substrate 2, and pre-baking, pattern exposure, alkali development, and pure water cleaning are performed in this order.

ここでは、電気絶縁層5は、感光性アクリル樹脂を含んだ溶液をスピンコート塗布法により電極基板2上に成膜し、硬化後に2μmの膜厚となるように形成される。感光性アクリル樹脂のベースポリマーは、メタクリル酸とグリシジルメタクリレートとのポリマーである。このポリマーは、感光部分が現像液に溶解するものであり、洗浄済みの電極基板2の表面へスピンコート塗布法で塗布される。続いて、ポリマーが塗布された電極基板2は、プリベークされ、感光性アクリル樹脂の溶媒、たとえば乳酸エチル等の溶媒の乾燥が行なわれ、熱硬化される。   Here, the electrical insulating layer 5 is formed so that a solution containing a photosensitive acrylic resin is formed on the electrode substrate 2 by a spin coat coating method and has a thickness of 2 μm after curing. The base polymer of the photosensitive acrylic resin is a polymer of methacrylic acid and glycidyl methacrylate. In this polymer, the photosensitive portion is dissolved in the developer, and is applied to the surface of the cleaned electrode substrate 2 by a spin coating method. Subsequently, the electrode substrate 2 to which the polymer is applied is pre-baked, and a solvent of a photosensitive acrylic resin, for example, a solvent such as ethyl lactate is dried and thermally cured.

アクリル樹脂が塗布された電極基板2に対して、開口部6を形成するための金属マスクパターンが重ねられて露光される。開口部6によって形成される開口6Aは、60μm角の正方形である。金属マスクパターンは、縦横32.2mm×32.2mmの領域に、縦横135個×135個で計18225個の開口パターンが形成されている。   A metal mask pattern for forming the opening 6 is overlaid and exposed on the electrode substrate 2 to which the acrylic resin is applied. The opening 6A formed by the opening 6 is a 60 μm square. In the metal mask pattern, a total of 18225 opening patterns of 135 × 135 vertical and horizontal are formed in an area of 32.2 mm × 32.2 mm.

金属マスクパターンが重ねられて露光されたアクリル樹脂は、露光後に、アルカリ性溶液で現像処理される。アルカリ性溶液によって、露光された部分のアクリル樹脂がエッチングされて、所望の形状の開口部6が得られる。   The acrylic resin exposed with the metal mask pattern superimposed is developed with an alkaline solution after exposure. The exposed portion of the acrylic resin is etched by the alkaline solution, and the opening 6 having a desired shape is obtained.

さらに、開口部6が形成されたアクリル樹脂は、純水によって、表面に残った現像液が洗浄された後、加熱され、架橋反応によって硬化される。開口部6が形成されたアクリル樹脂である電気絶縁層5および電極基板2は、ホットプレートやオーブン内に設置されて加熱される。   Further, the acrylic resin in which the opening 6 is formed is heated by a pure water, and then heated and cured by a crosslinking reaction. The electrical insulating layer 5 and the electrode substrate 2 which are acrylic resins in which the openings 6 are formed are placed in a hot plate or an oven and heated.

次の微粒子層形成工程では、電気絶縁層5の開口部6によって形成される開口6Aに、微粒子層3を充填する。まず、第1微粒子層31の材料となる分散液Aと、第2微粒子層32となる分散液Bを作成する。分散液Aは、溶媒に、絶縁性微粒子7Aと導電性微粒子7Bとを順に投入し、超音波分散器にかけて分散させて得られる。分散液Bは、溶媒に、絶縁性微粒子7Aとシリコン樹脂溶液とを順に投入し、超音波分散器にかけて得られる。ここで分散溶媒は、それぞれの材料の分散したスラリーを形成できるものであれば、特に制限はない。たとえば、分散溶媒としては、トルエン、ベンゼン、キシレン、またはヘキサン等を用いることができる。なお、分散法は、超音波分散器に限らず、それ以外の方法で分散させてもよい。   In the next fine particle layer forming step, the fine particle layer 3 is filled into the opening 6 </ b> A formed by the opening 6 of the electrical insulating layer 5. First, a dispersion A that becomes the material of the first fine particle layer 31 and a dispersion B that becomes the second fine particle layer 32 are prepared. Dispersion A is obtained by introducing insulating fine particles 7A and conductive fine particles 7B into a solvent in this order and dispersing them with an ultrasonic disperser. Dispersion B is obtained by introducing insulating fine particles 7A and a silicon resin solution in this order into a solvent and applying an ultrasonic disperser. Here, the dispersion solvent is not particularly limited as long as it can form a slurry in which each material is dispersed. For example, toluene, benzene, xylene, hexane, or the like can be used as the dispersion solvent. The dispersion method is not limited to the ultrasonic disperser, but may be dispersed by other methods.

次に、開口部6を有する電気絶縁層5が形成された電極基板2上に、分散液Aを塗布して、たとえば、スピンコート法によって塗布して、第1微粒子層31を形成する。分散液Aを塗布した後、電気絶縁層5が形成された電極基板2を150℃で加熱し、溶媒を蒸発させる。分散液Aの塗布は、スピンコート法以外に、たとえば、滴下法、スプレーコート法、噴霧法、またはインクジェット法等の方法を利用することができる。スピンコート法やこれらの方法による塗布および乾燥を繰り返すことによって、所望の膜厚を有する第1微粒子層31を形成することができる。   Next, the dispersion liquid A is applied on the electrode substrate 2 on which the electrical insulating layer 5 having the opening 6 is formed, and is applied by, for example, a spin coating method to form the first fine particle layer 31. After applying the dispersion A, the electrode substrate 2 on which the electrical insulating layer 5 is formed is heated at 150 ° C. to evaporate the solvent. In addition to the spin coating method, the dispersion A can be applied by a method such as a dropping method, a spray coating method, a spraying method, or an ink jet method. The first fine particle layer 31 having a desired film thickness can be formed by repeating the spin coating method and the application and drying by these methods.

続いて、第1微粒子層31が形成された電極基板2に、分散液Aの場合と同様にして、第2微粒子層32を形成する。このとき、分散液Bに含まれるシリコン樹脂成分は、第1微粒子層31にも浸透し、結果的に第1微粒子層31を構成するそれぞれの微粒子をシリコン樹脂で結着、つまり固着することになる。分散液Bを塗布した後にも、再び150℃で加熱処理を行う。   Subsequently, the second fine particle layer 32 is formed on the electrode substrate 2 on which the first fine particle layer 31 is formed in the same manner as in the case of the dispersion A. At this time, the silicon resin component contained in the dispersion liquid B also penetrates into the first fine particle layer 31, and as a result, the respective fine particles constituting the first fine particle layer 31 are bound by silicon resin, that is, fixed. Become. Even after the dispersion B is applied, heat treatment is performed again at 150 ° C.

微粒子層3の層厚、すなわち第1微粒子層31と第2微粒子層32とを積層した層厚は、電気絶縁層5の層厚よりも薄くなるように形成する。これは次の除去工程で、スクレーパーが、電気絶縁層5の表面に成膜された微粒子層を除去するとき、開口6Aに成膜された微粒子層の塊を丸ごと掻き出さないようにするためである。微粒子層3の層厚を電気絶縁層5の層厚よりも薄くすることによって、スクレーパーが電気絶縁層5の表面のみを摺動させることができる。   The layer thickness of the fine particle layer 3, that is, the layer thickness in which the first fine particle layer 31 and the second fine particle layer 32 are laminated is formed to be thinner than the layer thickness of the electrical insulating layer 5. This is the next removal step, so that when the scraper removes the fine particle layer formed on the surface of the electrical insulating layer 5, it does not scrape the entire fine particle layer formed on the opening 6A. is there. By making the layer thickness of the fine particle layer 3 thinner than the layer thickness of the electrical insulating layer 5, the scraper can slide only the surface of the electrical insulating layer 5.

次の除去工程では、電気絶縁層5の開口部6によって形成される開口6Aに成膜された微粒子層をそのまま残し、電気絶縁層5の表面に成膜された微粒子層のみを、スクレーパーを使用して除去する。電気絶縁層5を傷つけないために、スクレーパーの刃は硬化したアクリル樹脂よりも硬度の低い素材とする必要がある。ここでは、ポリプロピレンの刃を用いて、電気絶縁層5の表面を掻き取り、電気絶縁層5の開口部6によって形成された開口6Aに成膜された微粒子層をそのまま残し、電気絶縁層5の表面に成膜された微粒子層のみを除去する。掻き取る際に生じた微粒子のダストは、エアガンで吹き飛ばして清浄する。このようにすることによって、図1に示したように、電気絶縁層5の開口部6によって形成される開口6Aにのみ微粒子層3が充填される。   In the next removal step, the fine particle layer formed in the opening 6A formed by the opening 6 of the electric insulating layer 5 is left as it is, and only the fine particle layer formed on the surface of the electric insulating layer 5 is used with a scraper. And remove. In order not to damage the electric insulating layer 5, the scraper blade needs to be made of a material having a lower hardness than the cured acrylic resin. Here, the surface of the electrical insulating layer 5 is scraped off using a polypropylene blade, and the fine particle layer formed in the opening 6A formed by the opening 6 of the electrical insulating layer 5 is left as it is. Only the fine particle layer formed on the surface is removed. The dust of fine particles generated during scraping is cleaned by blowing away with an air gun. By doing so, as shown in FIG. 1, the fine particle layer 3 is filled only in the opening 6 </ b> A formed by the opening 6 of the electrical insulating layer 5.

次に成膜工程では、電気絶縁層5および微粒子層3上に薄膜電極4を形成する。薄膜電極4は、アモルファスカーボン層8、多孔電極層9A、およびベタ電極層9Bによって構成される。   Next, in the film forming step, the thin film electrode 4 is formed on the electrical insulating layer 5 and the fine particle layer 3. The thin film electrode 4 includes an amorphous carbon layer 8, a porous electrode layer 9A, and a solid electrode layer 9B.

まず、孔部41を形成するため、遮蔽体として機能する球形遮蔽体を溶媒に分散せて、分散液Cを作製し、分散液Cを電極基板2上に形成された電気絶縁層5および微粒子層3の表面に塗布する。溶媒が蒸発することにより、球形遮蔽体が電気絶縁層5および微粒子層3の表面に均一に散布される。球形遮蔽体は、平均粒子径が8μmの球形のシリカ粒子である。   First, in order to form the hole 41, a spherical shield functioning as a shield is dispersed in a solvent to prepare a dispersion C, and the dispersion C is formed on the electrode substrate 2 and the fine particles. Apply to the surface of layer 3. As the solvent evaporates, the spherical shield is uniformly dispersed on the surfaces of the electrical insulating layer 5 and the fine particle layer 3. The spherical shield is spherical silica particles having an average particle diameter of 8 μm.

次に、薄膜電極4の形状に対応する領域が開口するマスク、つまり破線51の範囲が開口するマスクを、球形遮蔽体が散布された電気絶縁層5および微粒子層3の表面に重ね、スパッタ法にて、アモルファスカーボン層8、および多孔電極層9Aを続けて成膜する。ここで、薄膜電極4の形状は35mm×35mmの正方形とし、スパッタのターゲットには、金、銀、タングステン、チタン、アルミニウム、またはパラジウム等を用いる。破線51の範囲は、35mm×35mmの正方形である。   Next, a mask in which a region corresponding to the shape of the thin film electrode 4 is opened, that is, a mask in which a range of a broken line 51 is opened is overlaid on the surfaces of the electrical insulating layer 5 and the fine particle layer 3 on which the spherical shields are dispersed, and sputtering is performed. Then, the amorphous carbon layer 8 and the porous electrode layer 9A are continuously formed. Here, the shape of the thin film electrode 4 is a square of 35 mm × 35 mm, and gold, silver, tungsten, titanium, aluminum, palladium, or the like is used as a sputtering target. The range of the broken line 51 is a 35 mm × 35 mm square.

次に、成膜された多孔電極層9Aの表面に対して、ドライエアーをブローして、球形遮蔽体を除去する。これによって、孔部41を形成するための孔が形成されたアモルファスカーボン層8および多孔電極層9Aが完成する。   Next, dry air is blown against the surface of the porous electrode layer 9A thus formed to remove the spherical shield. As a result, the amorphous carbon layer 8 and the porous electrode layer 9A in which holes for forming the holes 41 are formed are completed.

続いて、先に用いた35mm×35mmの正方形の範囲が開口するマスクを、アモルファスカーボン層8および多孔電極層9Aを積層した位置と同じ位置に再び重ね、多孔電極層9Aが形成された電極表面に、スパッタ法によって、金属材料の薄膜を成膜し、成膜後マスクを取り除く。これによって、ベタ電極層9Bが形成され、電子放出素子1の表面を形成する薄膜電極4が得られる。   Subsequently, the previously used mask having an opening of a 35 mm × 35 mm square area is overlaid again at the same position as the position where the amorphous carbon layer 8 and the porous electrode layer 9A are laminated, and the electrode surface on which the porous electrode layer 9A is formed. Further, a thin film of a metal material is formed by sputtering, and the mask is removed after the film formation. Thereby, the solid electrode layer 9B is formed, and the thin film electrode 4 that forms the surface of the electron-emitting device 1 is obtained.

最後に、薄膜電極4から、薄膜電極4外部への配線パターンとなる電極パッド12を形成する。電極パッド12は、配線パターンの形成されたメタルマスクを重ねた上で、スパッタ法だけでなく、蒸着法を用いて作成してもよい。以上の工程により、本実施形態に係る電子放出素子1が完成する。   Finally, an electrode pad 12 serving as a wiring pattern from the thin film electrode 4 to the outside of the thin film electrode 4 is formed. The electrode pad 12 may be formed by using not only a sputtering method but also a vapor deposition method after overlapping a metal mask on which a wiring pattern is formed. Through the above steps, the electron-emitting device 1 according to this embodiment is completed.

以下、電圧電流特性の評価に用いた電子放出素子1の実施例について説明する。電極基板2は、厚さ0.7mm、縦横41mm×45mmのガラス基板の表面に、スパッタ法によって、モリブデンを20nm成膜し、さらに重ねてアルミニウムを10nm成膜し、再びモリブデンを20nm成膜したものである。   Hereinafter, examples of the electron-emitting device 1 used for evaluating the voltage-current characteristics will be described. The electrode substrate 2 was formed by depositing molybdenum with a thickness of 20 nm on the surface of a glass substrate having a thickness of 0.7 mm and a length and width of 41 mm × 45 mm by sputtering. Is.

まず、電気絶縁層形成工程では、電気絶縁層5および開口部6を形成する。電極基板2の表面に、感光性アクリル樹脂を含んだ溶液をスピンコート塗布法によって塗布して成膜し、硬化後に2μmの膜厚となるように形成する。感光性アクリル樹脂のベースポリマーは、メタクリル酸とグリシジルメタクリレートとのポリマーであり、感光部分が現像液に溶解するものである。具体的には、粘度27cpのアクリル樹脂を用意し、用意したアクリル樹脂を、洗浄済の電極基板2の表面へ、スピン回転数1000rpmで塗布する。続いて、アクリル樹脂が塗布された電極基板2を100℃に加熱し、感光性アクリル樹脂の溶媒、たとえば乳酸エチル等の溶媒の乾燥を行い、熱硬化させる。   First, in the electrical insulating layer forming step, the electrical insulating layer 5 and the opening 6 are formed. A solution containing a photosensitive acrylic resin is applied to the surface of the electrode substrate 2 by spin coating, and is formed to a thickness of 2 μm after curing. The base polymer of the photosensitive acrylic resin is a polymer of methacrylic acid and glycidyl methacrylate, and the photosensitive portion is dissolved in the developer. Specifically, an acrylic resin having a viscosity of 27 cp is prepared, and the prepared acrylic resin is applied to the surface of the cleaned electrode substrate 2 at a spin rotation speed of 1000 rpm. Subsequently, the electrode substrate 2 coated with the acrylic resin is heated to 100 ° C., and a solvent of a photosensitive acrylic resin, for example, a solvent such as ethyl lactate is dried and thermally cured.

次に、アクリル樹脂が塗布された電極基板2に対して、開口部6を形成するための金属マスクパターンを重ね露光を行う。開口部6によって形成される開口6Aは、60μm角の正方形である。金属マスクパターンは、縦横32.2mm×32.2mmの領域に、縦横135個×135個で計18225個の開口パターンが形成されている。   Next, the metal substrate pattern for forming the opening 6 is overlapped and exposed on the electrode substrate 2 coated with the acrylic resin. The opening 6A formed by the opening 6 is a 60 μm square. In the metal mask pattern, a total of 18225 opening patterns of 135 × 135 vertical and horizontal are formed in an area of 32.2 mm × 32.2 mm.

金属マスクパターンが重ねられて露光されたアクリル樹脂を、露光後に、アルカリ性溶液、ここではテトラメチルアンモニウムヒドロオキサイドの溶液で現像処理する。アルカリ性溶液によって、露光された部分のアクリル樹脂がエッチングされて、所望の形状の開口部6が得られる。   After the exposure, the acrylic resin exposed with the metal mask pattern superimposed thereon is developed with an alkaline solution, here, a solution of tetramethylammonium hydroxide. The exposed portion of the acrylic resin is etched by the alkaline solution, and the opening 6 having a desired shape is obtained.

さらに、開口部6が形成されたアクリル樹脂は、純水によって、表面に残った現像液が洗浄された後、加熱され、架橋反応によって硬化させる。開口部6が形成されたアクリル樹脂である電気絶縁層5および電極基板2は、オーブン内に設置され、200℃で加熱される。   Further, the acrylic resin in which the opening 6 is formed is heated with a developer remaining on the surface with pure water, and then cured by a crosslinking reaction. The electrical insulating layer 5 and the electrode substrate 2 which are acrylic resins in which the openings 6 are formed are placed in an oven and heated at 200 ° C.

次の微粒子層形成工程では、微粒子層3を形成する。10mLの試薬瓶にn−ヘキサン溶媒を1.5g入れ、さらに絶縁性微粒子7Aとして0.25gのシリカ粒子を投入して、試薬瓶を超音波分散器にかけて分散させる。ここでシリカ微粒子は、キャボット社製の平均粒子径50nmのフェームドシリカC413である。このシリカ微粒子の表面は、ヘキサメチルシジラザン処理されている。5分間分散器にかけることによって、シリカ微粒子は、n−ヘキサン溶媒内に乳白色に分散する。   In the next fine particle layer forming step, the fine particle layer 3 is formed. Into a 10 mL reagent bottle, 1.5 g of n-hexane solvent is added, and 0.25 g of silica particles are added as insulating fine particles 7A, and the reagent bottle is dispersed by an ultrasonic disperser. Here, the silica fine particles are Fame silica C413 having an average particle diameter of 50 nm manufactured by Cabot Corporation. The surface of the silica fine particles is treated with hexamethylsidirazan. By applying the dispersion to the disperser for 5 minutes, the silica fine particles are dispersed milky white in the n-hexane solvent.

続いて、導電性微粒子7Bとして0.06gの銀ナノ粒子を投入し、同様に超音波分散器にかけて分散させる。この銀ナノ粒子は、応用ナノ研究所製であり、アルコラートの絶縁被覆を有した平均粒子径10nmのものである。ここで銀ナノ粒子を分散させた分散液を分散液Aとする。   Subsequently, 0.06 g of silver nanoparticles are charged as the conductive fine particles 7B, and similarly dispersed by an ultrasonic dispersing device. The silver nanoparticles are manufactured by Applied Nano Laboratory and have an average particle diameter of 10 nm with an alcoholate insulating coating. Here, a dispersion in which silver nanoparticles are dispersed is referred to as dispersion A.

同様に、10mLの試薬瓶にn−ヘキサン溶媒を1.5g入れ、絶縁性微粒子7Aとして0.25gのフェームドシリカC413のシリカ粒子を投入して、同様に試薬瓶を超音波分散器にかけて分散させる。次に、シリコン樹脂溶液を0.036g投入し、同様に超音波分散器にかけて分散させる。このシリコン樹脂は、東レ・ダウコーニング製の室温・湿気硬化タイプのSR2411シリコンレジンである。ここでシリコン樹脂を分散させた分散液を分散液Bとする。   Similarly, 1.5 g of n-hexane solvent is put into a 10 mL reagent bottle, 0.25 g of the silica particles of Famed Silica C413 is added as the insulating fine particles 7A, and the reagent bottle is similarly dispersed through an ultrasonic disperser. Let Next, 0.036 g of the silicone resin solution is added, and is similarly dispersed using an ultrasonic disperser. This silicone resin is a room temperature / moisture-curing SR2411 silicone resin manufactured by Toray Dow Corning. Here, a dispersion in which the silicone resin is dispersed is referred to as dispersion B.

電極基板2に形成された、開口部6を有する電気絶縁層5の表面に、分散液Aを滴下し、スピンコート法を用いて第1微粒子層31を形成する。第1微粒子層31が形成された電極基板2は、150℃のホットプレートを用いて1分間加熱乾燥(以下、「仮焼成」という)させる。さらに、分散液Bを用いて同様に成膜して第2微粒子層32を形成する。第2微粒子層32が形成された電極基板2も同様に、150℃のホットプレートを用いて1時間加熱乾燥(以下「本焼成」という)させる。   The dispersion A is dropped on the surface of the electrical insulating layer 5 having the opening 6 formed on the electrode substrate 2, and the first fine particle layer 31 is formed using a spin coating method. The electrode substrate 2 on which the first fine particle layer 31 is formed is heat-dried (hereinafter referred to as “preliminary firing”) for 1 minute using a hot plate at 150 ° C. Further, the second fine particle layer 32 is formed in the same manner using the dispersion B. Similarly, the electrode substrate 2 on which the second fine particle layer 32 is formed is heated and dried for 1 hour (hereinafter referred to as “main firing”) using a hot plate at 150 ° C.

スピンコート法による成膜条件は、500回転/分(以下「RPM」という)で回転している間に、分散液Aまたは分散液Bを、電気絶縁層5の表面へ滴下し、続いて3000RPMにて10秒間の回転を行う。   The film forming condition by the spin coating method is that the dispersion A or the dispersion B is dropped on the surface of the electrical insulating layer 5 while rotating at 500 rpm (hereinafter referred to as “RPM”), and then 3000 RPM. Rotate for 10 seconds.

次の除去工程では、開口部6によって形成される開口6Aに成膜された微粒子層3をそのまま残し、電気絶縁層5の表面に成膜された微粒子層のみを、スクレーパーを使用して除去する。電気絶縁層5を傷つけないために、スクレーパーの刃は硬化したアクリル樹脂よりも硬度の低い素材とする必要がある。ここでは、ポリプロピレンの刃を用いて、電気絶縁層5の表面を掻き取り、開口部6によって形成される開口6Aに成膜された微粒子層3をそのまま残し、電気絶縁層5の表面に成膜された微粒子層のみを除去する。掻き取る際に生じた微粒子のダストは、エアガンで吹き飛ばして清浄する。   In the next removal step, the fine particle layer 3 formed in the opening 6A formed by the opening 6 is left as it is, and only the fine particle layer formed on the surface of the electrical insulating layer 5 is removed using a scraper. . In order not to damage the electric insulating layer 5, the scraper blade needs to be made of a material having a lower hardness than the cured acrylic resin. Here, the surface of the electrical insulating layer 5 is scraped off using a polypropylene blade, and the fine particle layer 3 formed in the opening 6 </ b> A formed by the opening 6 is left as it is, and the film is formed on the surface of the electrical insulating layer 5. Only the formed fine particle layer is removed. The dust of fine particles generated during scraping is cleaned by blowing away with an air gun.

次に成膜工程では、薄膜電極4を形成する。10mLの試薬瓶にエタノール溶媒を1.0g入れ、球形遮蔽体として0.1gのシリカ粒子を投入して、超音波分散器用いて5分間分散させる。ここでシリカ微粒子は、株式会社トクヤマ製の平均粒子径8μmのフュームドシリカSE−5Vであり、シリカ微粒子の表面は、ヘキサメチルシジラザン処理されたものである。ここでシリカ微粒子を分散させた分散液を分散液Cとする。   Next, in the film forming process, the thin film electrode 4 is formed. 1.0 g of ethanol solvent is put into a 10 mL reagent bottle, 0.1 g of silica particles is put as a spherical shield, and is dispersed for 5 minutes using an ultrasonic disperser. Here, the silica fine particles are fumed silica SE-5V having an average particle diameter of 8 μm manufactured by Tokuyama Corporation, and the surface of the silica fine particles is subjected to hexamethylsidirazan treatment. Here, a dispersion in which silica fine particles are dispersed is referred to as a dispersion C.

電極基板2に形成された電気絶縁層5および微粒子層3の表面に、分散液Cを滴下し、スピンコート法を用いて球形遮蔽体を均一に散布させる。散布後、電極基板2に形成された電気絶縁層5および微粒子層3が形成された電極基板2は、150℃のホットプレートを用いて1分間加熱され、溶媒を蒸発させる。   The dispersion C is dropped on the surfaces of the electrical insulating layer 5 and the fine particle layer 3 formed on the electrode substrate 2, and the spherical shield is uniformly dispersed using a spin coating method. After spraying, the electrode substrate 2 on which the electrical insulating layer 5 and the fine particle layer 3 formed on the electrode substrate 2 are heated for 1 minute using a hot plate at 150 ° C. to evaporate the solvent.

薄膜電極4の形状に対応する領域、具体的には、薄膜電極4が配置される35mm×35mmの正方形の領域が開口するメタルマスクを、球形遮蔽体が散布された電気絶縁層5および微粒子層3の表面に重ね、抵抗過熱式蒸着機を用いて、アモルファスカーボン層8を蒸着し、続けてスパッタ装置を用いて、金パラジウム(以下「Au―Pd」という)ターゲットを使用して成膜し、多孔電極層9Aの元となるAu―Pdの電極膜を得る。アモルファスカーボン層8の膜厚は10nmであり、Au―Pdの電極膜の膜厚は20nmである。   A region corresponding to the shape of the thin film electrode 4, specifically, a metal mask having an opening of a 35 mm × 35 mm square region where the thin film electrode 4 is disposed, the electrical insulating layer 5 and the fine particle layer in which the spherical shields are dispersed. 3, the amorphous carbon layer 8 is deposited using a resistance overheating type vapor deposition machine, and subsequently deposited using a gold palladium (hereinafter referred to as “Au—Pd”) target using a sputtering apparatus. Then, an Au—Pd electrode film that is the basis of the porous electrode layer 9A is obtained. The film thickness of the amorphous carbon layer 8 is 10 nm, and the film thickness of the Au—Pd electrode film is 20 nm.

メタルマスクを取り外した後、ドライエアーを用いて薄膜電極4の表面をブローし、球形遮蔽体を除去する。球形遮蔽体が除去されたAu―Pdの電極膜が、多孔電極層9Aである。球形遮蔽体が存在していたために、アモルファスカーボン層8および多孔電極層9Aが積層されなかった部分は、薄膜電極4の孔部41を形成するための孔である。   After removing the metal mask, the surface of the thin film electrode 4 is blown using dry air to remove the spherical shield. The Au—Pd electrode film from which the spherical shield has been removed is the porous electrode layer 9A. The portion where the amorphous carbon layer 8 and the porous electrode layer 9A are not stacked due to the presence of the spherical shield is a hole for forming the hole 41 of the thin film electrode 4.

続いて、アモルファスカーボン層8および多孔電極層9Aの形成に用いたメタルマスクを、アモルファスカーボン層8および多孔電極層9Aを積層した位置と同じ位置に、再び重ね、多孔電極層9Aが形成された部分の全面に、スパッタ法にてAu―Pdからなるベタ電極層9Bを成膜する。ベタ電極層9Bの膜厚は、20nmである。ベタ電極層9Bは、金属材料の薄膜である。ベタ電極層9Bを成膜した後、メタルマスクを取り除く。メタルマスクを取り除くことによって、ベタ電極層9Bが完成し、電子放出素子1の表面を形成する薄膜電極4が形成される。アモルファスカーボン層8および多孔電極層9Aが積層されなかった部分には、孔部41が形成されている。電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:略称「SEM」)を用いた孔部41の形状および存在個数の計測結果は、孔部41の大きさが直径4.5μmであり、孔部41の分散状態が930個/mmである。 Subsequently, the metal mask used for the formation of the amorphous carbon layer 8 and the porous electrode layer 9A was again stacked at the same position as the position where the amorphous carbon layer 8 and the porous electrode layer 9A were laminated to form the porous electrode layer 9A. A solid electrode layer 9B made of Au—Pd is formed on the entire surface by sputtering. The film thickness of the solid electrode layer 9B is 20 nm. The solid electrode layer 9B is a thin film of a metal material. After the solid electrode layer 9B is formed, the metal mask is removed. By removing the metal mask, the solid electrode layer 9B is completed, and the thin film electrode 4 that forms the surface of the electron-emitting device 1 is formed. A hole 41 is formed in a portion where the amorphous carbon layer 8 and the porous electrode layer 9A are not laminated. As a result of measurement of the shape and number of holes 41 using an electron microscope (Scanning Electron Microscope: abbreviated as “SEM”), the size of the holes 41 is 4.5 μm in diameter, and the dispersion state of the holes 41 is 930. Pieces / mm 2 .

最後に、薄膜電極4から、薄膜電極4外部へ繋げる配線パターンとなる電極パッド12を形成する。電極パッド12は、配線パターンの形成されたメタルマスクを重ねた上で、真空蒸着法を用いて作成する。電極パッド12は、単純な電気配線であるため、厚く成膜される程よい。この実施例では、電極パッド12の膜厚は、200nmである。   Finally, an electrode pad 12 serving as a wiring pattern connected from the thin film electrode 4 to the outside of the thin film electrode 4 is formed. The electrode pad 12 is formed using a vacuum deposition method after a metal mask on which a wiring pattern is formed is overlaid. Since the electrode pad 12 is a simple electric wiring, it is preferable that the electrode pad 12 be formed thick. In this embodiment, the electrode pad 12 has a thickness of 200 nm.

図4は、電子放出素子1の電圧電流特性を測定する測定系を示す図である。図4に示した測定系は、上述した実施例の電子放出素子1の電圧電流特性を測定した測定系である。   FIG. 4 is a diagram illustrating a measurement system that measures the voltage-current characteristics of the electron-emitting device 1. The measurement system shown in FIG. 4 is a measurement system that measures the voltage-current characteristics of the electron-emitting device 1 of the above-described embodiment.

図4に示した測定系では、電子放出素子1の多孔化処理された薄膜電極4の外側に、ポリイミド製の絶縁体スペーサ13を挟んで、SUS製のメッシュ対向電極14(以下「対向電極」という)が配置される。多孔化処理は、孔部41を形成する処理である。絶縁体スペーサ13の高さは、5mmである。電極基板2と薄膜電極4との間には、矩形波電源15によって、電圧V1の矩形波からなる電圧が印加され、対向電極14には、直流電源16によって、電圧V2の直流電圧が印加される。この測定系では、薄膜電極4と矩形波電源15との間を流れる電流を素子内電流Ipとして、また、対向電極14と直流電源16との間に流れる電流を電子放出電流Ieとして測定する。電子放出素子1の実施例での電圧電流特性の測定は、温度24℃および相対湿度30%の環境に設置された測定系で行った。   In the measurement system shown in FIG. 4, a mesh counter electrode 14 made of SUS (hereinafter referred to as “counter electrode”) is sandwiched between an insulator spacer 13 made of polyimide on the outside of the porous thin film electrode 4 of the electron-emitting device 1. Is arranged). The porosity process is a process for forming the hole 41. The height of the insulator spacer 13 is 5 mm. Between the electrode substrate 2 and the thin film electrode 4, a voltage composed of a rectangular wave having a voltage V <b> 1 is applied by a rectangular wave power supply 15, and a direct current voltage V <b> 2 is applied to the counter electrode 14 by a direct current power supply 16. The In this measurement system, the current flowing between the thin film electrode 4 and the rectangular wave power supply 15 is measured as the in-element current Ip, and the current flowing between the counter electrode 14 and the DC power supply 16 is measured as the electron emission current Ie. The voltage-current characteristics in the example of the electron-emitting device 1 were measured in a measurement system installed in an environment with a temperature of 24 ° C. and a relative humidity of 30%.

電子放出素子1の実施例に対する比較例として、電気絶縁層5の表面に成膜された微粒子層を除去していない電子放出素子を作成し、図4に示した測定系で電圧電流特性の測定を行った。この比較例の電子放出素子は、電気絶縁層5の表面に成膜された微粒子層の除去工程がないこと以外、他の工程はすべて同一である。   As a comparative example with respect to the embodiment of the electron-emitting device 1, an electron-emitting device in which the fine particle layer formed on the surface of the electrical insulating layer 5 is not removed is created, and the voltage-current characteristics are measured with the measurement system shown in FIG. Went. The electron-emitting device of this comparative example is the same in all other steps except that there is no step of removing the fine particle layer formed on the surface of the electrical insulating layer 5.

図5は、電子放出素子1の実施例の電圧電流特性を示す図である。図6は、比較例の電子放出素子の電圧電流特性を示す図である。グラフ61,71は、電子放出電流Ieであり、グラフ62,72は、素子内電流Ipである。図5および図6ともに、左側の縦軸が電子放出電流Ie(A/cm)であり、右側の縦軸が素子内電流Ip(A/cm2)であり、横軸が印加電圧(V0−p)である。 FIG. 5 is a diagram illustrating voltage-current characteristics of the embodiment of the electron-emitting device 1. FIG. 6 is a graph showing voltage-current characteristics of the electron-emitting device of the comparative example. Graphs 61 and 71 are the electron emission current Ie, and graphs 62 and 72 are the in-device current Ip. 5 and 6, the left vertical axis is the electron emission current Ie (A / cm 2 ), the right vertical axis is the in-device current Ip (A / cm 2), and the horizontal axis is the applied voltage (V 0). -P ).

図5は、計測条件として、電子放出電流Ieが1(μA/cm)となるまで、印加電圧V1を段階的に引き上げたときの測定結果である。印加電圧V1は、正極側にのみ振幅を有する矩形波であり、周波数500(Hz)、デューティー50%である。印加電圧ひV1の値は、矩形波の波高値を表し、単位を「V0−p」として表記する。印加電圧V2は、直流電圧であり、その電圧は500(V)である。また、計測した各電流値は、計測積分時間を166(ms)としたときの平均電流値である。印加電圧V1は、周波数が500(Hz)であるので、その1波長は2(ms)である。 FIG. 5 shows measurement results when the applied voltage V1 is increased stepwise until the electron emission current Ie becomes 1 (μA / cm 2 ) as measurement conditions. The applied voltage V1 is a rectangular wave having an amplitude only on the positive electrode side, and has a frequency of 500 (Hz) and a duty of 50%. The value of the applied voltage H1 represents the peak value of the rectangular wave, and the unit is expressed as “V 0-p ”. The applied voltage V2 is a DC voltage, and the voltage is 500 (V). Each measured current value is an average current value when the measurement integration time is 166 (ms). Since the frequency of the applied voltage V1 is 500 (Hz), one wavelength is 2 (ms).

図5に示した電圧電流特性は、電子放出電流Ieが1(μA/cm)となった時点で、印加電圧V1=16(V0−p)であり、素子内電流Ipは、61(mA/cm)である。このとき、単位面積当たりの平均消費電力W1は、W1=8(V平均値)×61(mA/cm)=0.49(W)となる。単位「V平均値」は、印加電圧1周期の平均値を表す。平均電圧の単位がボルト(V)であることを示し、平均消費電力量を求めるための単位である。 The voltage-current characteristics shown in FIG. 5 show that when the electron emission current Ie becomes 1 (μA / cm 2 ), the applied voltage V1 = 16 (V 0-p ), and the in-element current Ip is 61 ( mA / cm 2 ). At this time, the average power consumption W1 per unit area is W1 = 8 (V average value ) × 61 (mA / cm 2 ) = 0.49 (W). The unit “V average value ” represents an average value of one cycle of the applied voltage. It shows that the unit of average voltage is volts (V), and is a unit for obtaining the average power consumption.

図6は、図5の測定結果と同じ計測条件で、印加電圧V1を段階的に引き上げたときの測定結果である。図6に示した電圧電流特性は、電子放出電流Ieが1(μA/cm)となった時点で、印加電圧V1=61(V0−p)であり、素子内電流Ip=34(mA/cm)である。このとき、単位面積当たりの平均消費電力W1は、W1=30.5(V平均値)×34(mA/cm)=1.04(W)となる。 FIG. 6 shows the measurement results when the applied voltage V1 is raised stepwise under the same measurement conditions as the measurement results of FIG. In the voltage-current characteristics shown in FIG. 6, when the electron emission current Ie becomes 1 (μA / cm 2 ), the applied voltage V1 = 61 (V 0-p ), and the in-element current Ip = 34 (mA / cm 2 ). At this time, the average power consumption W1 per unit area is W1 = 30.5 (V average value ) × 34 (mA / cm 2 ) = 1.04 (W).

実施例の電子放出素子1から電子放出電流Ieを1(μA/cm)得るのに必要とする印加電圧V1は、比較例の電子放出素子の印加電圧V1に比べて約1/4に減少しており、消費電力は約1/2となっている。この結果が示すように、電気絶縁層5の表面に成膜された微粒子層を除去することによって、不要な電力ロスを無くし、低消費電力の電子放出素子1を得ることができる。 The applied voltage V1 required to obtain 1 (μA / cm 2 ) of the electron emission current Ie from the electron-emitting device 1 of the embodiment is reduced to about ¼ compared with the applied voltage V1 of the electron-emitting device of the comparative example. The power consumption is about ½. As this result shows, by removing the fine particle layer formed on the surface of the electrical insulating layer 5, unnecessary power loss can be eliminated and the electron-emitting device 1 with low power consumption can be obtained.

素子内電流Ipに対する電子放出電流Ieの占める割合(以下、「電子放出効率」という)は、実施例の電子放出素子1が0.0016%であるのに対し、比較例の電子放出素子が0.0029%であり、実施例の電子放出素子1が多少悪くなっている。これは、電子放出素子1の電子放出機構に由来するものと考えられる。つまり、比較例の電子放出素子は、電力を多く消費しているので、その分だけ電子放出素子の温度が上昇している。電極基板2の温度を計測した結果、比較例の電子放出素子では80〜90℃に達しているが、実施例の電子放出素子1では30〜40℃の間で推移している。温度上昇は、トラップした電子のエネルギ準位を真空準位へ引き上げる効果があるため、電子放出効率を上昇させたものと考えられる。   The ratio of the electron emission current Ie to the in-device current Ip (hereinafter referred to as “electron emission efficiency”) is 0.0016% in the electron-emitting device 1 of the example, whereas it is 0 in the electron-emitting device of the comparative example. .0029%, and the electron-emitting device 1 of the example is somewhat deteriorated. This is considered to be derived from the electron emission mechanism of the electron-emitting device 1. That is, since the electron-emitting device of the comparative example consumes a lot of electric power, the temperature of the electron-emitting device increases accordingly. As a result of measuring the temperature of the electrode substrate 2, the temperature reached 80 to 90 ° C. in the electron-emitting device of the comparative example, but changed between 30 to 40 ° C. in the electron-emitting device 1 of the example. The increase in temperature is thought to increase the electron emission efficiency because it has the effect of raising the energy level of trapped electrons to the vacuum level.

また、実施例と比較例との素子構造の違い、つまり電気絶縁層5の表面に成膜された微粒子層を除去しているか否かという素子構造の違いは、寿命へも大きく影響する。電圧が印加されたとき、薄膜電極4に電位勾配を生じるのは、薄膜電極4の表面に電力ロスを生じるためである。電力ロスは、薄膜電極4の金属膜質に起因した電気抵抗の上昇によって生じる。この薄膜電極4の電気抵抗上昇は、薄膜電極4を形成する際に微粒子層3から生じたアウトガスが、コンタミネーションとして電極膜に混入することに因る。   Further, the difference in the element structure between the example and the comparative example, that is, the difference in the element structure as to whether or not the fine particle layer formed on the surface of the electrical insulating layer 5 is removed greatly affects the lifetime. The reason why a potential gradient is generated in the thin film electrode 4 when a voltage is applied is that power loss occurs on the surface of the thin film electrode 4. The power loss is caused by an increase in electrical resistance due to the metal film quality of the thin film electrode 4. The increase in electrical resistance of the thin film electrode 4 is caused by the outgas generated from the fine particle layer 3 when the thin film electrode 4 is formed being mixed into the electrode film as a contamination.

印加電圧を上昇させることによって、所定の電圧以上の電圧を、薄膜電極4の表面全体に印加させることはできるが、印加電圧を上昇させる前に、所定の電圧が印加されていた薄膜電極4の表面へは、過剰な電圧を印加させることとなる。このような過剰な電圧が印加される部分は、電極パッド12と薄膜電極4とが重なる部分の近傍の電子放出点で生じる。過剰な電圧印加は、微粒子層3の絶縁破壊、およびカーボンの堆積等を生じ易くし、電子放出素子の急速な部分的劣化を生じさせる。   By increasing the applied voltage, a voltage equal to or higher than the predetermined voltage can be applied to the entire surface of the thin film electrode 4. However, before the applied voltage is increased, the voltage of the thin film electrode 4 to which the predetermined voltage has been applied is increased. An excessive voltage is applied to the surface. Such a portion to which an excessive voltage is applied occurs at an electron emission point in the vicinity of the portion where the electrode pad 12 and the thin film electrode 4 overlap. Excessive voltage application tends to cause dielectric breakdown of the fine particle layer 3 and carbon deposition, and causes rapid partial deterioration of the electron-emitting device.

図7は、比較例の電子放出素子100の表面写真である。電子放出素子100は、100時間連続駆動したものであり、その表面には、上述した電子放出素子100の劣化を生じている。図7の左側に見える縦方向のライン状のものは、電極パッド12である。電極パッド12から右側には、薄膜電極4、および電気絶縁層5がある。電気絶縁層5の表面にには、開口部6によって形成される開口6Aに充填される微粒子層3が写っている。開口部6によって形成される開口6Aに充填される微粒子層3の領域は、60μm角の電子放出部であり、100時間の連続駆動によって変色していることが目視できる。   FIG. 7 is a surface photograph of the electron-emitting device 100 of the comparative example. The electron-emitting device 100 is continuously driven for 100 hours, and the above-described deterioration of the electron-emitting device 100 occurs on the surface thereof. The vertical line-like shape that can be seen on the left side of FIG. On the right side of the electrode pad 12 are the thin film electrode 4 and the electrical insulating layer 5. On the surface of the electrical insulating layer 5, the fine particle layer 3 filled in the opening 6A formed by the opening 6 is shown. The region of the fine particle layer 3 filled in the opening 6A formed by the opening 6 is a 60 μm square electron emission portion, and it can be visually observed that the color is changed by continuous driving for 100 hours.

図7に示した写真の電子放出素子100は、部分的に印加電圧が過剰となる比較例の電子放出素子100を、電子放出電流Ieが10(μA/cm2)となるよう印加電圧を制御し、100時間連続駆動した後のものである。電極パッド12に隣接した電子放出部は、黒色化しており、カーボンの堆積が際立って生じている。電極パッド12から遠ざかるに従って、つまり図7の右側方向へ移動するに従って、電子放出部の黒色化は減少しており、電子放出素子100は、初期の状態を維持している。カーボンの堆積は、電子放出素子100からの電子放出を阻害するので、電子放出電流Ieを維持するためには、カーボン堆積の進行に伴って印加電圧を上昇させる必要がある。この結果、カーボンの堆積は、電子放出素子100全体へ広がるとともに、先に黒色化した部分は、微粒子層3の絶縁破壊を引き起こし、電子放出部が完全に喪失してしまう。 The electron-emitting device 100 in the photograph shown in FIG. 7 controls the applied voltage so that the electron-emitting current Ie is 10 (μA / cm 2) compared to the electron-emitting device 100 of the comparative example in which the applied voltage is partially excessive. And after 100 hours of continuous driving. The electron emission portion adjacent to the electrode pad 12 is blackened, and carbon deposition is conspicuous. As the distance from the electrode pad 12 increases, that is, as the electrode pad 12 moves to the right in FIG. 7, the blackening of the electron emitting portion decreases, and the electron emitting device 100 maintains the initial state. Since carbon deposition inhibits electron emission from the electron-emitting device 100, it is necessary to increase the applied voltage with the progress of carbon deposition in order to maintain the electron emission current Ie. As a result, the deposition of carbon spreads over the entire electron-emitting device 100, and the blackened portion causes dielectric breakdown of the fine particle layer 3 and the electron-emitting portion is completely lost.

電子放出素子1は、上述した電子放出部の部分的劣化を生じないので、印加電圧を過度に上昇させる必要がない。この結果、電子放出素子1の面積を大型化しても、面方向に一様で、かつ大気中での長期に渡る安定した駆動を可能とする電子放出が得られる。   Since the electron-emitting device 1 does not cause the above-described partial deterioration of the electron-emitting portion, it is not necessary to excessively increase the applied voltage. As a result, even when the area of the electron-emitting device 1 is increased, it is possible to obtain electron emission that is uniform in the surface direction and that can be driven stably for a long time in the atmosphere.

電子放出素子1は、従来技術による電子放出素子の素子構造に比べて、消費電力を抑え、長期にわたって連続して駆動することができる。したがって、たとえば、電子写真方式の複写機、プリンタ、および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、あるいは発光体と組み合わせることによる画像表示装置、また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る冷却装置等に、好適に適用することができる。   The electron-emitting device 1 can be driven continuously over a long period of time with reduced power consumption compared to the device structure of the electron-emitting device according to the prior art. Therefore, for example, an image display device by combining with an image forming apparatus such as an electrophotographic copying machine, a printer, and a facsimile, an electron beam curing device, or a light emitter, or ions generated by emitted electrons. It can be suitably applied to a cooling device or the like using wind.

電子放出素子1およびその製造方法は、上述した実施形態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この発明の技術的範囲に含まれる。   The electron-emitting device 1 and the manufacturing method thereof are not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope shown in the claims. That is, embodiments obtained by combining technical means appropriately modified within the scope of the claims are also included in the technical scope of the present invention.

このように、電子放出素子1は、板状の電極基板2と、電極基板2に対向して形成される薄膜電極4と、電極基板2と薄膜電極4との間に形成され、絶縁性微粒子7Aと導電性微粒子7Bとを含む微粒子層3が充填される複数の開口6Aが形成される電気絶縁層5とを含む。そして、電子放出素子1は、電極基板2と薄膜電極4との間に電圧が印加されたとき、電極基板2から放出される電子が、微粒子層3を透過し、さらに薄膜電極4を透過して薄膜電極4から放出されるように構成される。   As described above, the electron-emitting device 1 is formed between the plate-like electrode substrate 2, the thin film electrode 4 formed to face the electrode substrate 2, and the electrode substrate 2 and the thin film electrode 4. And an electrically insulating layer 5 in which a plurality of openings 6A filled with a fine particle layer 3 containing 7A and conductive fine particles 7B are formed. In the electron emitter 1, when a voltage is applied between the electrode substrate 2 and the thin film electrode 4, electrons emitted from the electrode substrate 2 pass through the fine particle layer 3 and further pass through the thin film electrode 4. And is configured to be emitted from the thin film electrode 4.

したがって、薄膜電極4は、電気絶縁層5と微粒子層3とで形成される表面形状に沿った形で成膜される。この内、電気絶縁層5の表面に形成される薄膜電極4は、スパッタ法による電極形成時に、微粒子層3を構成する物質由来のコンタミネーションの影響を受け難く、良好な電気伝導度を維持したものとなる。薄膜電極4に電圧を印加した場合、電気供給路での電位降下は極めて小さくなるため、電気供給路の線路長が増大しても、電子放出素子1は、印加した電圧値と同等の電圧を供給可能となる。それゆえ、電子放出素子1は、大型化しても、薄膜電極4面内には電位分布のほとんどない一様な電圧印加が可能となる。   Therefore, the thin film electrode 4 is formed in a form along the surface shape formed by the electrical insulating layer 5 and the fine particle layer 3. Among these, the thin film electrode 4 formed on the surface of the electrical insulating layer 5 is hardly affected by the contamination derived from the substance constituting the fine particle layer 3 when the electrode is formed by the sputtering method, and maintains a good electrical conductivity. It will be a thing. When a voltage is applied to the thin film electrode 4, the potential drop in the electric supply path is extremely small. Therefore, even if the line length of the electric supply path is increased, the electron-emitting device 1 has a voltage equivalent to the applied voltage value. Supply is possible. Therefore, even if the electron-emitting device 1 is increased in size, it is possible to apply a uniform voltage with almost no potential distribution in the surface of the thin film electrode 4.

また、電気絶縁層5の開口6Aに形成される微粒子層3が、絶縁性微粒子7Aと導電性微粒子7Bとの混合物からなるので、電子放出素子1の電気抵抗調整を容易かつ均一に仕上げることが可能となる。それゆえ、電子放出素子1は、大面積化も実現可能な素子構成となる。したがって、電子放出素子1は、大面積であって、面方向に一様な電子放出を長期間維持可能となる。   Further, since the fine particle layer 3 formed in the opening 6A of the electrical insulating layer 5 is composed of a mixture of the insulating fine particles 7A and the conductive fine particles 7B, the electric resistance of the electron-emitting device 1 can be easily and uniformly adjusted. It becomes possible. Therefore, the electron-emitting device 1 has a device configuration that can realize a large area. Accordingly, the electron-emitting device 1 has a large area and can maintain uniform electron emission in the surface direction for a long period of time.

さらに、電気絶縁層5に形成される各開口6Aの深さ方向に直交する断面の形状は、一辺が10μm以上500μm以下の正方形である。このように、電気絶縁層5に形成される開口6Aの大きさを10μm角よりも大きくするので、電子放出素子1は、フォーミング処理によって薄膜電極4にホール部分(以下「ホール(孔)」ともいう)が形成されても、ホール(孔)周辺の電極を介して、電子放出部に電圧を印加し続けることが可能となる。   Furthermore, the shape of the cross section perpendicular to the depth direction of each opening 6A formed in the electrical insulating layer 5 is a square having a side of 10 μm or more and 500 μm or less. As described above, since the size of the opening 6A formed in the electrical insulating layer 5 is larger than 10 μm square, the electron-emitting device 1 forms a hole portion (hereinafter referred to as “hole”) in the thin film electrode 4 by the forming process. Can be applied to the electron emission portion via the electrode around the hole (hole).

さらに、電気絶縁層5は、アクリル樹脂からなるので、電気絶縁層5は、電気的絶縁性能、耐熱性、および表面硬度が良好であり、任意のパターンの形成処理が容易である。   Furthermore, since the electrical insulating layer 5 is made of an acrylic resin, the electrical insulating layer 5 has good electrical insulation performance, heat resistance, and surface hardness, and can be easily formed into an arbitrary pattern.

さらに、電気絶縁層5に形成される複数の開口6Aは、電極基板2と薄膜電極4とが対向する範囲内に配置される。したがって、電子放出素子1は、電極基板2と薄膜電極4との間に形成される電界において、薄膜電極4の外縁部に由来する電界の偏りを、電流路の形成と無関係にすることができる。   Further, the plurality of openings 6 </ b> A formed in the electrical insulating layer 5 are arranged in a range where the electrode substrate 2 and the thin film electrode 4 face each other. Therefore, in the electric field formed between the electrode substrate 2 and the thin film electrode 4, the electron-emitting device 1 can make the bias of the electric field derived from the outer edge of the thin film electrode 4 independent of the formation of the current path. .

さらに、薄膜電極4は、外方に面する表面に、外方に臨む複数の凹部が形成される。凹部の物理的構成は、電子放出点として機能するきっかけとなる。それ故、電子放出素子1は、素子の電子放出点を素子表面に確実に形成することが可能となる。   Furthermore, the thin film electrode 4 has a plurality of concave portions facing outward on the surface facing outward. The physical configuration of the recess serves as a trigger for functioning as an electron emission point. Therefore, the electron-emitting device 1 can surely form the electron emission point of the device on the device surface.

さらに、薄膜電極4は、微粒子層3側に形成される第1薄膜電極層と、第1薄膜電極層よりも抵抗値が低く、前記複数の凹部が形成される第2薄膜電極層とを含む。したがって、電子放出素子1は、薄膜電極4に電圧を印加したとき、凹部直下の微粒子層3に電界を集中させ、電流路を形成することができる。そして、電流路は、電子放出部として機能する。     Further, the thin film electrode 4 includes a first thin film electrode layer formed on the fine particle layer 3 side, and a second thin film electrode layer having a resistance value lower than that of the first thin film electrode layer and formed with the plurality of recesses. . Therefore, when a voltage is applied to the thin film electrode 4, the electron-emitting device 1 can concentrate an electric field on the fine particle layer 3 immediately below the recess to form a current path. The current path functions as an electron emission unit.

さらに、前記第2薄膜電極層は、前記凹部が第1薄膜電極層を貫通することによって、微粒子層3と電気的に接続される。したがって、電子放出素子1は、第2薄膜電極層と微粒子層3との接続部外周部において、特に、その直下の微粒子層3に電界を集中することが可能となる。   Further, the second thin film electrode layer is electrically connected to the fine particle layer 3 when the recess penetrates the first thin film electrode layer. Therefore, the electron-emitting device 1 can concentrate the electric field on the outer peripheral portion of the connection portion between the second thin film electrode layer and the fine particle layer 3, particularly on the fine particle layer 3 immediately below the connection portion.

さらに、前記第1薄膜電極層は、アモルファスカーボン層8である。したがって、電子放出素子1は、第1電極層を抵抗層として機能させることができる。   Further, the first thin film electrode layer is an amorphous carbon layer 8. Therefore, the electron-emitting device 1 can function the first electrode layer as a resistance layer.

さらに、前記第2薄膜電極層は、金属層である。この金属層があることによって、薄膜電極4は、電極として機能することができる。   Furthermore, the second thin film electrode layer is a metal layer. By having this metal layer, the thin film electrode 4 can function as an electrode.

さらに、前記金属層は、金、銀、タングステン、チタン、アルミニウム、およびパラジウムのうちの少なくとも1つを含む。このように、電子放出素子1は、金属層として、仕事関数の低い金属材料を使用するので、電子放出素子1の表面から空間への電子放出効率が向上する。   Furthermore, the metal layer includes at least one of gold, silver, tungsten, titanium, aluminum, and palladium. Thus, since the electron-emitting device 1 uses a metal material having a low work function as the metal layer, the electron emission efficiency from the surface of the electron-emitting device 1 to the space is improved.

さらに、微粒子層3は、絶縁性微粒子7Aによって形成される第2微粒子層32をさらに含む。したがって、電子放出素子1は、微粒子層3の表面の凹凸を緩和することができ、局所的な強電界の発生を防止し、強電界の部分に発生する電流集中、および長時間の通電で発生する偶発的な電流集中を防ぐことができる。   Furthermore, the fine particle layer 3 further includes a second fine particle layer 32 formed of the insulating fine particles 7A. Therefore, the electron-emitting device 1 can alleviate the unevenness of the surface of the fine particle layer 3, prevents the generation of a local strong electric field, generates a current concentration in a portion of the strong electric field, and occurs for a long time. Accidental current concentration can be prevented.

さらに、微粒子層3に含まれる絶縁性微粒子7Aおよび導電性微粒子7Bは、シリコン樹脂によって固着される。したがって、たとえば、微粒子層3を形成する微粒子分散溶液には、熱硬化性のシリコン樹脂を混合する。微粒子層3形成後に、このシリコン樹脂を熱硬化させることで、微粒子層3は固化、固着する。これにより、微粒子層3の機械的強度が向上し、スクレーパーを用いた微粒子層3の剥離作業時に、電気絶縁層5の開口6Aに充填した微粒子層3のみを残すことができる。さらに、シリコン樹脂は、撥水機能を有するため、電子放出素子1は、大気中に含まれる水分子の微粒子層3への付着を抑制することができる。この結果、電子放出素子1は、水分子付着による電気抵抗変化を抑制することができるので、湿度変動を伴う動作雰囲気中でも、安定して動作することができる。   Furthermore, the insulating fine particles 7A and the conductive fine particles 7B included in the fine particle layer 3 are fixed by silicon resin. Therefore, for example, a thermosetting silicone resin is mixed in the fine particle dispersion forming the fine particle layer 3. After the fine particle layer 3 is formed, the fine particle layer 3 is solidified and fixed by thermally curing the silicon resin. Thereby, the mechanical strength of the fine particle layer 3 is improved, and only the fine particle layer 3 filled in the opening 6A of the electrical insulating layer 5 can be left at the time of peeling the fine particle layer 3 using a scraper. Furthermore, since the silicon resin has a water repellent function, the electron-emitting device 1 can suppress adhesion of water molecules contained in the atmosphere to the fine particle layer 3. As a result, since the electron-emitting device 1 can suppress a change in electrical resistance due to water molecule adhesion, the electron-emitting device 1 can operate stably even in an operating atmosphere with humidity fluctuations.

さらに、導電性微粒子7Bは、金、銀、白金、パラジウム、およびニッケルのうちの少なくとも1つを含み、その粒径が3〜10nmの平均径である。これらの材料は、薄膜電極4に用いられる材料と同様に、大気中の酸素による酸化をはじめ、電子放出素子1の劣化が生じにくい。したがって、電子放出素子1は、大気圧中でも長時間にわたり連続駆動することができる。また、導電性微粒子7Bは、その粒径が3〜10nmの平均径であるので、電子の通り道となる微粒子層3内で絶縁破壊が起こりにくくなり、電子放出現象が生じ易くなる。   Furthermore, the conductive fine particles 7B include at least one of gold, silver, platinum, palladium, and nickel, and have an average diameter of 3 to 10 nm. Similar to the material used for the thin film electrode 4, these materials are less susceptible to deterioration of the electron-emitting device 1, including oxidation by oxygen in the atmosphere. Therefore, the electron-emitting device 1 can be continuously driven for a long time even under atmospheric pressure. Further, since the conductive fine particles 7B have an average particle diameter of 3 to 10 nm, dielectric breakdown does not easily occur in the fine particle layer 3 serving as an electron path, and an electron emission phenomenon is likely to occur.

さらに、絶縁性微粒子7Aは、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、および二酸化チタンのうちの少なくとも1つを含み、その粒径が10〜1000nmの平均径である。二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、および二酸化チタンなどの酸化物は絶縁性が高いため、電子放出素子1は、導電性微粒子7Bとの混合比を調整することによって、微粒子層3の抵抗値を任意の範囲に設定することができる。また、絶縁性微粒子7Aの材料として、前記酸化物を用いるので、電子放出素子1は、大気圧中で長時間にわたる連続駆動を行っても、大気中の酸素に起因する酸化が生じにくく、電子放出素子1の劣化を抑制することができる。したがって、電子放出素子1は、長時間にわたり連続駆動することができる。   Furthermore, the insulating fine particles 7A include at least one of silicon dioxide, aluminum oxide, and titanium dioxide, and the particle diameter thereof is an average diameter of 10 to 1000 nm. Since oxides such as silicon dioxide, aluminum oxide, and titanium dioxide have high insulation, the electron-emitting device 1 can adjust the resistance value of the fine particle layer 3 to an arbitrary range by adjusting the mixing ratio with the conductive fine particles 7B. Can be set to In addition, since the oxide is used as the material of the insulating fine particles 7A, the electron-emitting device 1 is less likely to be oxidized due to oxygen in the atmosphere even when continuously driven at atmospheric pressure for a long time. Deterioration of the emitting element 1 can be suppressed. Therefore, the electron-emitting device 1 can be continuously driven for a long time.

さらに、電気絶縁層形成工程では、板状の電極基板2上に、複数の開口部6を有する電気絶縁層5を形成する。微粒子層形成工程では、電気絶縁層形成工程で形成された電気絶縁層5の表面に、導電性微粒子7Bおよび絶縁性微粒子7Aによって構成される微粒子層を形成する。除去工程では、開口部6を除く電気絶縁層5の表面に形成された微粒子層を除去する。そして、成膜工程では、薄膜電極である薄膜電極4を、微粒子層が除去された電気絶縁層5の表面の形状、および開口部6によって形成される開口6Aに充填された微粒子層3の表面の形状に沿った形状で成膜する。   Furthermore, in the electrical insulating layer forming step, the electrical insulating layer 5 having a plurality of openings 6 is formed on the plate-like electrode substrate 2. In the fine particle layer forming step, a fine particle layer composed of the conductive fine particles 7B and the insulating fine particles 7A is formed on the surface of the electric insulating layer 5 formed in the electric insulating layer forming step. In the removing step, the fine particle layer formed on the surface of the electrical insulating layer 5 excluding the opening 6 is removed. In the film forming step, the thin film electrode 4 that is a thin film electrode is formed on the surface of the electric insulating layer 5 from which the fine particle layer has been removed, and the surface of the fine particle layer 3 filled in the opening 6A formed by the opening 6. The film is formed in a shape along the shape.

したがって、薄膜電極4は、電気絶縁層5と微粒子層3とで形成される表面形状に沿った形で成膜される。この内、電気絶縁層5の表面に形成される薄膜電極4は、スパッタ法による電極形成時に、微粒子層3を構成する物質由来のコンタミネーションの影響を受け難く、良好な電気伝導度を維持したものとなる。薄膜電極4に電圧を印加した場合、電気供給路での電位降下は極めて小さくなるため、電気供給路の線路長が増大しても、電子放出素子1は、印加した電圧値と同等の電圧を供給可能となる。それゆえ、電子放出素子1は、大型化しても、薄膜電極4面内には電位分布のほとんどない一様な電圧印加が可能となる。   Therefore, the thin film electrode 4 is formed in a form along the surface shape formed by the electrical insulating layer 5 and the fine particle layer 3. Among these, the thin film electrode 4 formed on the surface of the electrical insulating layer 5 is hardly affected by the contamination derived from the substance constituting the fine particle layer 3 when the electrode is formed by the sputtering method, and maintains a good electrical conductivity. It will be a thing. When a voltage is applied to the thin film electrode 4, the potential drop in the electric supply path is extremely small. Therefore, even if the line length of the electric supply path is increased, the electron-emitting device 1 has a voltage equivalent to the applied voltage value. Supply is possible. Therefore, even if the electron-emitting device 1 is increased in size, it is possible to apply a uniform voltage with almost no potential distribution in the surface of the thin film electrode 4.

また、電気絶縁層5の開口6Aに形成される微粒子層3が、絶縁性微粒子7Aと導電性微粒子7Bとの混合物からなるので、電子放出素子1の電気抵抗調整を容易かつ均一に仕上げることが可能となる。それゆえ、電子放出素子1は、大面積化も実現可能な素子構成となる。したがって、電子放出素子1は、大面積であって、面方向に一様な電子放出を長期間維持可能となる。   Further, since the fine particle layer 3 formed in the opening 6A of the electrical insulating layer 5 is composed of a mixture of the insulating fine particles 7A and the conductive fine particles 7B, the electric resistance of the electron-emitting device 1 can be easily and uniformly adjusted. It becomes possible. Therefore, the electron-emitting device 1 has a device configuration that can realize a large area. Accordingly, the electron-emitting device 1 has a large area and can maintain uniform electron emission in the surface direction for a long period of time.

1 電子放出素子
2 電極基板
3 微粒子層
4 薄膜電極
5 電気絶縁層
6 開口部
6A 開口
7A 絶縁性微粒子
7B 導電性微粒子
8 アモルファスカーボン層
9A 多孔電極層
9B べた電極層
10 電子放出装置
11 電源
12 電極パッド
13 絶縁性スペーサ
14 メッシュ対向電極
15 矩形波電源
16 直流電源
31 第1微粒子層
32 第2微粒子層
41 薄膜電極孔部
41A 薄膜電極孔
51 外縁部投影線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electron emission element 2 Electrode substrate 3 Fine particle layer 4 Thin film electrode 5 Electrical insulating layer 6 Opening 6A Opening 7A Insulating fine particle 7B Conductive fine particle 8 Amorphous carbon layer 9A Porous electrode layer 9B Solid electrode layer 10 Electron emission device 11 Power supply 12 Electrode Pad 13 Insulating spacer 14 Mesh counter electrode 15 Rectangular wave power source 16 DC power source 31 First fine particle layer 32 Second fine particle layer 41 Thin film electrode hole portion 41A Thin film electrode hole 51 Outer edge projection line

Claims (15)

板状の第1電極と、
第1電極に対向して形成される第2電極と、
第1電極と第2電極との間に形成され、絶縁性微粒子と導電性微粒子とを含む微粒子層が充填される複数の開口が形成される電気絶縁層とを含み、
第1電極と第2電極との間に電圧が印加されたとき、第1電極から放出される電子が、微粒子層を透過し、さらに第2電極を透過して第2電極から放出されるように構成されることを特徴とする電子放出素子。
A plate-like first electrode;
A second electrode formed opposite the first electrode;
An electrical insulating layer formed between the first electrode and the second electrode and having a plurality of openings filled with a fine particle layer containing insulating fine particles and conductive fine particles;
When a voltage is applied between the first electrode and the second electrode, electrons emitted from the first electrode pass through the fine particle layer, pass through the second electrode, and are emitted from the second electrode. An electron-emitting device comprising:
前記電気絶縁層に形成される各開口の深さ方向に直交する断面の形状は、一辺が10μm以上500μm以下の正方形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。   2. The electron-emitting device according to claim 1, wherein a shape of a cross section perpendicular to a depth direction of each opening formed in the electrical insulating layer is a square having one side of 10 μm to 500 μm. 前記電気絶縁層は、アクリル樹脂からなることを特徴とする請求項1または2に記載の電子放出素子。   The electron-emitting device according to claim 1, wherein the electrical insulating layer is made of an acrylic resin. 前記電気絶縁層に形成される複数の開口は、第1電極と第2電極とが対向する範囲内に配置されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の電子放出素子。   4. The electron emission according to claim 1, wherein the plurality of openings formed in the electrical insulating layer are disposed within a range in which the first electrode and the second electrode face each other. element. 前記第2電極は、外方に面する表面に、外方に臨む複数の凹部が形成されることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の電子放出素子。   5. The electron-emitting device according to claim 1, wherein the second electrode has a plurality of concave portions facing outward on a surface facing outward. 6. 前記第2電極は、前記微粒子層側に形成される第1薄膜電極層と、第1薄膜電極層よりも抵抗値が低く、前記複数の凹部が形成される第2薄膜電極層とを含むことを特徴とする請求項5に記載の電子放出素子。   The second electrode includes a first thin film electrode layer formed on the fine particle layer side and a second thin film electrode layer having a resistance value lower than that of the first thin film electrode layer and formed with the plurality of recesses. The electron-emitting device according to claim 5. 前記第2薄膜電極層は、前記凹部が第1薄膜電極層を貫通することによって、前記微粒子層と電気的に接続されることを特徴とする請求項6に記載の電子放出素子。   The electron-emitting device according to claim 6, wherein the second thin film electrode layer is electrically connected to the fine particle layer when the recess penetrates the first thin film electrode layer. 前記第1薄膜電極層は、アモルファスカーボン層であることを特徴とする請求項6または7に記載の電子放出素子。   8. The electron-emitting device according to claim 6, wherein the first thin film electrode layer is an amorphous carbon layer. 前記第2薄膜電極層は、金属層であることを特徴とする請求項6〜8のいずれか1つに記載の電子放出素子。   The electron-emitting device according to any one of claims 6 to 8, wherein the second thin film electrode layer is a metal layer. 前記金属層は、金、銀、タングステン、チタン、アルミニウム、およびパラジウムのうちの少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項9に記載の電子放出素子。   The electron-emitting device according to claim 9, wherein the metal layer includes at least one of gold, silver, tungsten, titanium, aluminum, and palladium. 前記微粒子層は、絶縁性微粒子によって形成される絶縁性微粒子層をさらに含むことを特徴とする請求項1〜10のいずれか1つに記載の電子放出素子。   The electron-emitting device according to any one of claims 1 to 10, wherein the fine particle layer further includes an insulating fine particle layer formed of insulating fine particles. 前記微粒子層に含まれる絶縁性微粒子および導電性微粒子は、シリコン樹脂によって固着されることを特徴とする請求項1〜11のいずれか1つに記載の電子放出素子。   The electron-emitting device according to claim 1, wherein the insulating fine particles and the conductive fine particles contained in the fine particle layer are fixed by a silicon resin. 前記導電性微粒子は、金、銀、白金、パラジウム、およびニッケルのうちの少なくとも1つを含み、その粒径が3〜10nmの平均径であることを特徴とする請求項1〜12のいずれか1つに記載の電子放出素子。   The conductive particles include at least one of gold, silver, platinum, palladium, and nickel, and have an average particle diameter of 3 to 10 nm. The electron-emitting device according to one. 前記絶縁性微粒子は、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、および二酸化チタンのうちの少なくとも1つを含み、その粒径が10〜1000nmの平均径であることを特徴とする請求項1〜13のいずれか1つに記載の電子放出素子。   The insulating fine particle includes at least one of silicon dioxide, aluminum oxide, and titanium dioxide, and has an average particle diameter of 10 to 1000 nm. The electron-emitting device described in 1. 板状の第1電極上に、複数の開口部を有する電気絶縁層を形成する電気絶縁層形成工程と、
電気絶縁層形成工程で形成された電気絶縁層の表面に、導電性微粒子および絶縁性微粒子によって構成される微粒子層を形成する微粒子層形成工程と、
開口部を除く電気絶縁層の表面に形成された微粒子層を除去する除去工程と、
薄膜電極である第2電極を、微粒子層が除去された電気絶縁層の表面の形状、および開口部によって形成される開口に充填された微粒子層の表面の形状に沿った形状で成膜する成膜工程とを含むことを特徴とする製造方法。
An electrically insulating layer forming step of forming an electrically insulating layer having a plurality of openings on the plate-like first electrode;
A fine particle layer forming step of forming a fine particle layer composed of conductive fine particles and insulating fine particles on the surface of the electric insulating layer formed in the electric insulating layer forming step;
A removal step of removing the fine particle layer formed on the surface of the electrically insulating layer excluding the opening;
The second electrode, which is a thin film electrode, is formed in a shape that conforms to the shape of the surface of the electrically insulating layer from which the fine particle layer has been removed and the shape of the surface of the fine particle layer filled in the opening formed by the opening. And a film process.
JP2011170488A 2011-08-03 2011-08-03 Electron emitting device and manufacturing method thereof Active JP5806876B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011170488A JP5806876B2 (en) 2011-08-03 2011-08-03 Electron emitting device and manufacturing method thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011170488A JP5806876B2 (en) 2011-08-03 2011-08-03 Electron emitting device and manufacturing method thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2013037784A true JP2013037784A (en) 2013-02-21
JP5806876B2 JP5806876B2 (en) 2015-11-10

Family

ID=47887252

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2011170488A Active JP5806876B2 (en) 2011-08-03 2011-08-03 Electron emitting device and manufacturing method thereof

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5806876B2 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015118853A (en) * 2013-12-19 2015-06-25 シャープ株式会社 Electron emission element and electron emission device
JP2019029193A (en) * 2017-07-31 2019-02-21 シャープ株式会社 Electron emission element and manufacturing method of electron emission element
JP2019212567A (en) * 2018-06-07 2019-12-12 国立研究開発法人産業技術総合研究所 Electron emission element and manufacturing method thereof
WO2021193237A1 (en) * 2020-03-23 2021-09-30 国立研究開発法人産業技術総合研究所 Electron emitting element and method for manufacturing same

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009164141A (en) * 2007-11-20 2009-07-23 Sharp Corp Electron emission element, electron emission device, self-light emitting device, image display device, air-blowing device, cooling device, charging device, image forming device, electron beam hardening device, and manufacturing method of electron emission element

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009164141A (en) * 2007-11-20 2009-07-23 Sharp Corp Electron emission element, electron emission device, self-light emitting device, image display device, air-blowing device, cooling device, charging device, image forming device, electron beam hardening device, and manufacturing method of electron emission element

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015118853A (en) * 2013-12-19 2015-06-25 シャープ株式会社 Electron emission element and electron emission device
JP2019029193A (en) * 2017-07-31 2019-02-21 シャープ株式会社 Electron emission element and manufacturing method of electron emission element
JP2019212567A (en) * 2018-06-07 2019-12-12 国立研究開発法人産業技術総合研究所 Electron emission element and manufacturing method thereof
JP7097580B2 (en) 2018-06-07 2022-07-08 国立研究開発法人産業技術総合研究所 Electron emitting device and its manufacturing method
WO2021193237A1 (en) * 2020-03-23 2021-09-30 国立研究開発法人産業技術総合研究所 Electron emitting element and method for manufacturing same
JP7394453B2 (en) 2020-03-23 2023-12-08 国立研究開発法人産業技術総合研究所 Electron-emitting device and its manufacturing method
US11887802B2 (en) 2020-03-23 2024-01-30 National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology Electron emitting element and method for manufacturing same

Also Published As

Publication number Publication date
JP5806876B2 (en) 2015-11-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4990380B2 (en) Electron emitting device and manufacturing method thereof
US8616931B2 (en) Electron emitting element, electron emitting device, light emitting device, image display device, air blowing device, cooling device, charging device, image forming apparatus, electron-beam curing device, and method for producing electron emitting element
US8476818B2 (en) Electron emitting element including a fine particle layer containing insulating particles, and devices and methods related thereto
JP4777448B2 (en) Electron emitting device, electron emitting device, self-luminous device, image display device, blower device, cooling device, charging device, image forming device, and electron beam curing device
JP6425558B2 (en) Electron emitter and electron emitter
JP4732534B2 (en) Electron emitting element, electron emitting device, charging device, image forming device, electron beam curing device, self-luminous device, image display device, blower, cooling device
JP2008130573A (en) Method of manufacturing surface conduction electron emitting element
JP5806876B2 (en) Electron emitting device and manufacturing method thereof
JP5238795B2 (en) Electron emitting device and driving method thereof
JP2008506237A (en) CNT emitter patterning
JP5133295B2 (en) Electron emission apparatus, self-luminous device, image display apparatus, charging apparatus, image forming apparatus, electron beam curing apparatus, and driving method of electron emission element
JP2001043792A (en) Manufacture of electron emitting source, electron emitting source, and fluorescent light emitting type display
JP6227401B2 (en) Electron emitting device and electron emitting device
JP2014241232A (en) Electron emitting element and method of manufacturing the same
JP2015118853A (en) Electron emission element and electron emission device
JP2019029193A (en) Electron emission element and manufacturing method of electron emission element
JP2019009000A (en) Electron emitting element, electron emitting apparatus, method of manufacturing electron emitting element, and apparatus with electron emitting element
JP5894769B2 (en) Ion flow type electrostatic drawing device
JP2010244735A (en) Electron emission element and its manufacturing method
JP2015095340A (en) Electron emission element and method of manufacturing the same
JP3486131B2 (en) Electron emitting device and method of manufacturing the same
JP5491326B2 (en) ELECTRON EMITTING ELEMENT, ITS MANUFACTURING METHOD, AND ELECTRON EMITTING DEVICE
KR20120058136A (en) Metal-carbon nanotube composite powder, metal-carbon nanotube composite paste, and field emission device using the same
TW200425215A (en) Electron emitter, method for manufacturing the same, electro-optical device, and electronic apparatus
JP2010238470A (en) Mim type electron emitting element and mim type electron emitting device

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20140319

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20141202

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20141209

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20150205

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20150623

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20150730

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20150818

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20150907

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5806876

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150