JP2013131346A - 電子放出素子、電子放出装置及び電子放出素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電子放出効率を向上させる電子放出素子を実現する。
【解決手段】 第１電極１、絶縁性微粒子２ａを含む電子加速層２、および第２電極３が順次積層され、第１電極１と第２電極３との間に電圧を印加することにより、第１電極１から放出される電子を電子加速層２において加速させて第２電極３から外部へ放出させる電子放出素子において、第２電極３は、開口部を有する形状であることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電圧印加により電子を放出する電子放出素子、及びそれを備えた電子放出装置、並びに電子放出装置を備えた各種装置に関するものである。

従来の電子放出素子として、ＭＩＭ（Metal Insulator Metal）型とＭＩＳ（Metal Insulator Semiconductor）型のものが知られている。これらは、素子内部の量子サイズ効果及び強電界を利用して電子を加速し、平面状の素子表面から電子を放出させる面放出型の電子放出素子である。

例えば、特許文献１は、ＭＩＭ型の電子放出素子が記載されており、図１０は、特許文献１に係るＭＩＭ型電子放出素子の断面図である。ここでは、相対する２枚の電極１０１、１０２の間に導電性材料の微粒子１０４を含む絶縁体膜１０３を設け、かつ、２枚の電極の一方が電子放出部となる構造で有る。電子が放出する電極１０１の厚さは、数十Å〜１０００Åである。

また、特許文献２は、電極基板と薄膜電極との間に、絶縁体微粒子を含む微粒子層からなる電子加速層を有する電子放出素子が記載されており、図１１は、特許文献２に係る電子放出素子の断面図である。ここでは、電極基板１０５と薄膜電極１０６との間に電圧を印加することで、電極基板１０５と薄膜電極１０６との間で電子を加速させて、薄膜電極１０６から電子を放出させる電子放出素子であり、電極基板１０５と薄膜電極１０６との間に、導電体からなり抗酸化力が高い導電微粒子と、該導電微粒子より大きい絶縁体微粒子とからなる電子加速層１０７が設けられている。電子が放出する薄膜電極１０６の厚さは、１０〜５５ｎｍである。

特開平１−２９８６２３号公報（平成１年１２月１日公開） 特開２００９−１４６８９１号公報（平成２１年７月２日公開）

ところで、これらの電子放出素子は、発光デバイスや帯電装置等、様々な装置に利用することが期待されている。しかしながら、特許文献１及び２の電子放出素子では、電子を放出するほぼ全面に電極を形成しているため、電子の放出を妨げることにもなっている。そのため、電子放出素子の電子放出効率が低く、色々な装置への実用化が進んでいない。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、電子放出効率を向上させた電子放出素子を実現することにある。

本発明に係る電子放出素子は、第１電極、絶縁性微粒子を含む電子加速層、および第２電極が順次積層され、第１電極と第２電極との間に電圧を印加することにより、第１電極から放出される電子を電子加速層において加速させて第２電極から外部へ放出させるものであり、第２電極は、開口部を有する形状であることを特徴とする。

また、第２電極は、櫛型あるいは櫛型に類する形状であっても良い。また、第２電極は、複数の開口を有する形状であっても良い。

本発明に係る電子放出素子の製造方法は、第１電極上の一部に、平坦な電流阻止絶縁膜を形成する工程と、第１電極上に、電流阻止絶縁膜を覆うように少なくとも絶縁性微粒子を含有する電子加速層を形成する工程と、電子加速層上に、開口部を有する第２電極を形成する工程と、下層に電流阻止絶縁膜が形成されている電子加速層上に、第２電極と少なくとも一部重なるように引き出し電極を形成する工程と、引き出し電極上に金属パッドを接着する工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、電子放出効率が向上した電子放出素子及びそれを備えた電子放出装置を実現することができる。

実施形態１に係る電子放出素子の構成を示す断面図である。 実施形態１に係る電子放出素子の構成を示す平面図である。 実施形態１に係る電子放出素子の第２電極の形状を示す平面図である。 実施例に係る電子放出素子の測定実験を行った具体的な実験装置を示す断面図である。 実施形態２に係る電子放出素子の構成を示す断面図である。 実施形態３に係る発光デバイスの構成を示す断面図である。 実施形態３に係る画像表示装置の構成を示す断面図である。 実施形態４に係るイオン風発生装置の構成を示す断面図である。 実施形態５に係る帯電装置の構成を示す断面図である。 従来技術である特許文献１に係るＭＩＭ形電子放出素子の構成を示す断面図である。 従来技術である特許文献２に係る電子放出素子の構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。

〔実施形態１〕
図１は、本発明の一つの実施形態である、電子放出素子７の断面図であり、図２は、その平面図である。実施形態１に係る電子放出素子７は、第１電極１と、対向配置された第２電極３との間に、電子加速層２および電流阻止絶縁膜６が設けられている。第２電極３は、少なくとも一部が重なるように形成された引き出し電極４と、引き出し電極４上に接着された金属パッド５とを備える。電流阻止絶縁層６は、金属パッド５、引き出し電極４を含む領域の真下に形成されている。また、この電子放出素子７と、電子放出素子７の第１電極１と第２電極３との間に電圧を印加するために、第１電極と金属パッド５とに接続された電源部８とを備えることにより、電子放出装置９が構成される。このとき、電源部８のマイナス極に第１電極１が電気的に接続され、電源部８のプラス極に第２電極３が、引き出し電極４及び金属パッド５を介して電気的に接続される。

第１電極１は、基板の機能を兼ねる電極基板であり、導体で形成された板状体で構成される。第１電極１は、電子放出素子７の支持体として機能すると共に、電極として機能するため、ある程度の強度を有し、かつ適度な導電性を有するものであれば良い。例えば、ステンレス（ＳＵＳ）、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｕ等の金属で形成された基板、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ等の半導体基板を用いることができる。

また、第１電極１は、導電性膜で形成された電極が、ガラス基板またはプラスティック基板等の絶縁体基板上に形成された構造体であっても良い。例えば、電子加速層２との界面となるガラス基板の表面を、マグネトロンスパッタ等を用いて導電性膜で被覆し、導電性膜で被覆されたガラス基板を第１電極１として用いても良い。

導電性膜の材料としては、大気中での安定動作を所望するのであれば、抗酸化力の高い導電性材料を用いることが好ましく、貴金属を用いることがより好ましい。また、導電性膜には、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（ＩＴＯ）なども有用である。

また、絶縁体基板を被覆する導電性膜には、強靭さが要求されるため、複数の導電性膜を積層しても良い。例えば、ガラス基板表面にＴｉ膜を膜厚２００ｎｍで形成し、その上にＣｕ膜を膜厚１０００ｎｍで形成した金属積層膜や、ガラス基板表面にＭｏ膜を膜厚３０ｎｍで形成し、その上にＡｌ膜を膜厚１３０ｎｍで形成し、その上にＭｏ膜を膜厚５０ｎｍで形成した金属積層膜を第１電極１として用いてもよいが、これら材料や数値に限定されることはない。Ｔｉ薄膜とＣｕ薄膜でガラス基板を被覆すると、強靭な導電性薄膜を形成できる。なお、絶縁体基板の表面の導電性膜を、周知のフォトリソやマスクを用いて方形等にパターニングして電極を形成しても良い。

電子加速層２は、主に絶縁性微粒子２ａから形成され、第１電極１から第２電極３へ向かう電子を加速させる機能を有する。電子加速層２は、半導電性を有する絶縁性微粒子２ａを主として構成されているため、電圧が印加されると、極弱い電流が流れる。電子加速層２の電圧電流特性は所謂バリスタ特性を示し、印加電圧の上昇に伴い急激に電流値を増加させる。この電流の一部は、印加電圧が形成する電子加速層２内の強電界により弾道電子となり、第２電極３を透過して電子放出素子７の外部へ放出される。また、弾道電子は、絶縁性微粒子２ａによる電子加速層２の表面の凹凸の影響から生じる第２電極３の隙間をすり抜けて外部へ放出される場合もある。弾道電子の形成過程は、電子が電界方向に加速されつつトンネルすることによるものと推測される。

また、熱処理を行って絶縁性微粒子２ａを完全に溶解させ結晶化させると、電子加速層２は絶縁物となって電子を加速させる機能が失われるため、単に絶縁性微粒子２ａを材料として用いればよいのではなく、粒子形状を保った絶縁性微粒子２ａで電子加速層２が形成されている必要がある。例えば、電子放出素子７の第１電極１と第２電極３との間に１０〜２５Ｖの電圧を印加する場合、電子加速層２の膜厚は８〜６０００ｎｍが好ましい。電子加速層２の膜厚が８〜６０００ｎｍであれば、膜厚が均一な電子加速層２を形成し易くなり、電子放出素子７の全体に亘ってより一様に電子を放出することができる。また、電子加速層２の膜厚は３０〜１０００ｎｍがさらに好ましい。電子加速層２の膜厚が３０ｎｍより薄いと、絶縁破壊を生じやすくなる。一方、膜厚が１０００ｎｍより厚いと、電子加速層２の抵抗が高くなり、導通路形成の制御性が低下するため、電子放出点の均一性が低下してしまう。なお、本実施形態において電子加速層２の膜厚とは、第１電極と第２電極との間の距離をいい、電流阻止絶縁層６の膜厚を含まない。

絶縁性微粒子２ａとしては、ＳｉＯ_２、ＺｎＯ等の半導体酸化物、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、ＣｕＯ等の金属酸化物からなる絶縁性微粒子を用いることができる。また、これらの絶縁性微粒子を単独で、あるいは複数種類組み合わせて用いることができる。材料が異なる複数種類の絶縁性微粒子２ａを用いる場合、絶縁性微粒子２ａの選定は分散液中の粒子の分散性を考慮することが望ましい。

絶縁性微粒子２ａの粒径は、５〜１０００ｎｍが好ましい。絶縁性微粒子２ａの粒径が５ｎｍより小さいと、粒径のばらつきを制御することが難しく、均一な膜厚の電子加速層２を形成することが困難となる。一方、粒径が１０００ｎｍより大きいと、絶縁性微粒子２ａの分散液を塗布して電子加速層２を形成する場合に、分散液中に絶縁性微粒子２ａが沈降して分散性が悪くなり、その結果、分散液の塗布膜において絶縁性微粒子２ａの多い箇所と少ない箇所が生じ易くなり、均一な膜厚の電子加速層２を形成することが難しい。なお、本発明において、粒径とは平均一次粒径を意味する。粒径は、レーザー回折・散乱法、光子相関法、超音波減衰法等により測定することができるが、これらの方法に限定されない。

また、実施形態１では、電子加速層２が絶縁性微粒子２ａのみから構成されているが、電子加速層２は、他の微粒子や材料を含んで構成されていても良い。例えば、電子加速層２には、絶縁性微粒子２ａの粒径よりも小さい粒径を有する導電性微粒子が含まれていても良い。電子加速層２に導電性微粒子を添加することによって、電子加速層２を流れる電流値を制御することができる。換言すると、電子加速層２中の絶縁性微粒子２ａの含有量を調整して、電子加速層２の電気抵抗の値を任意の範囲に調整できる。

導電性微粒子としては、特に限定されないが、例えば、金、銀、白金、パラジウム及びニッケルからなる導電性粒子のうち少なくとも１種を含んでいても良い。なお、導電性微粒子の粒径が絶縁性微粒子の粒径と同等以上であると、電子加速層２が必要とする絶縁性が得られなくなるため、導電性微粒子の粒径は絶縁性微粒子の粒径よりも小さい必要がある。

さらに、電子加速層２には、バインダー成分として少量のシリコン樹脂が含まれていても良い。電子加速層２がシリコン樹脂を含むことで、電子放出素子７の機械的強度を向上することができると共に、大気中の酸素及び水分などによる素子劣化を防ぐことができ、長寿命化をより効果的に図ることができる。また、必要に応じて、電子加速層２に分散剤等の添加剤が含まれていても良い。

また、電子加速層２は、材料が異なる２層以上の積層構造になっていても良い。例えば、１層目が実質的な電子加速層、２層目が機械的強度アップ、防湿度効果、膜表面の平坦化を目的とする保護層といった積層構造を採用することができる。

第２電極３は、第１電極１と対の電極を構成し、第１電極１と共に電子加速層２内に電圧を印加させるための電極であるため、導電性を有する材料にて形成され、加えて、電子加速層２で加速された電子をより効率良く外部に放出させるために、エッジ部を形成するための開口部１０を有する形状をしている。開口部１０は、第２電極３の無い部分のことであり、開口部１０と第２電極３の間にエッジ部を形成する。図２では、第２電極３のエッジ部を太線で示している。

第２電極３の平面部において、第１電極１から移動し、第２電極３に到達した電子は、第２電極３の仕事関数以上のエネルギーを持っていれば、第２電極３を突き抜けて外部へ放出されるが、十分なエネルギーを持っていない電子は外部へ放出されない。ところが、第２電極３の開口部１０によって形成されたエッジ部では、外部に放出する際のエネルギー障壁がないため電子はエッジに沿って外部へ放出すると推測される。よって、第２電極３をエッジ部の多い形状にすることによって、より効率良く電子を外部に放出させることができる。

図３は、第２電極３の形状を示す平面図の一例を示すものであるが、これらに限定されない。図３（ａ）、（ｂ）は、開口部１０として直線型の開口が数か所形成された第２電極３であり、櫛型あるいはそれに類似する形状である。開口は、第２電極３の一部の辺に形成された隙間を通じて繋がっており、このように第２電極３を形成することで、第２電極３の形成工程が容易になる。図３（ｃ）、（ｄ）は、直線型や鋸歯型の複数の開口が独立して形成された第２電極３であり、図３（ｅ）は、図３（ｃ）、（ｄ）の開口よりも小さい開口を複数形成された第２電極３である。小さい開口を複数形成することで、第２電極３にエッジ部を効率良く形成することができるため、電子を効率良く外部に放出させることができる。

また、第２電極３は、電極としての機能を有しつつ、電子加速層２内で加速され高エネルギーとなった電子を、なるべくエネルギーロス無く透過させて放出することが好ましいため、仕事関数が低く、かつ薄膜で形成することが可能な導電性材料で形成されることが好ましい。このような材料としては、例えば、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、パラジウムなどが挙げられ、これらのうちの１種、もしくは２種以上を混合して用いても良い。中でも大気圧中での動作を想定した場合、酸化物及び硫化物形成反応のない金が、最良な材料となる。また、酸化物形成反応の比較的小さい銀、パラジウム、タングステンなども問題なく実用に耐える材料である。

第２電極３の膜厚は、電子放出素子７から外部へ電子を効率良く放出させる条件として重要であり、この観点から１０〜５５ｎｍが好ましい。第２電極３を平面電極として機能させるための最低膜厚は１０ｎｍであり、これより薄い膜厚では電気的導通を確保できない。一方、電子放出素子７から外部へ電子を放出させるための最大膜厚は５５ｎｍであり、これより厚い膜厚では弾道電子の透過が起こらず、第２電極３で弾道電子の吸収あるいは反射による電子加速層２への再捕獲が生じてしまう。

引き出し電極４は、第２電極３と少なくとも一部が重なるように形成され、第２電極３に金属パッド５を設置するための電極である。金属パッド５を接着できる程度の厚みと金属パッド５以上の大きさがあれば良い。また、電極として機能する導電性に優れた材料にて形成されれば良い。

金属パッド５は、第１電極１と共に、電子加速層２内に電圧を印加させるための電極であり、厚みのある金属片である。金属パッド５を設けたことで、ボンディングワイヤは金属パッド５にボンディングされることとなり、ボンディングの圧力や振動などの衝撃は金属パッド５に吸収されて、電子加速層２に伝わるのを防ぐことができる。また、金属パッド５の表面は平坦であるので、ボンディングワイヤとの接触面積が増え、ボンディングの密着性を高めることが可能である。つまり、絶縁性微粒子２ａによる微小な凹凸のある素子表面を平坦化することができる。

金属パッド５としては、例えば、金、銀、アルミニウム、銅などの導電材料から成る微小な金属片を用いることができる。これらの中でも、低抵抗であること、加工のしやすさなどの観点から金がより好ましい。これらの金属パッド５の厚みは、１００〜５００μｍとすることができる。１００μｍより薄くなると、金属パッド部分へのボンディングの際、下層の絶縁性微粒子２ａから成る電子加速層２がボンディングの衝撃に耐えられず壊れてしまう。

また金属パッド５の形状は、上面及び下面が平坦であれば、その平面視形状は特に限定されず、例えば、多角形（正三角形、正方形、長方形、菱形、五角形、六角形等）、円形、楕円形等が挙げられる。

金属パッド５を第２電極３あるいは引き出し電極４へと接着するための接着剤としては、無溶剤導電性ペーストを用いることができる。導電性材料としては、金属パッド５と第２電極３あるいは引き出し電極４との密着性が高く、優れた導電性を有する材料であれば特に限定されず、例えば、導電性ペーストＣＴ２００シリーズ、ＣＴ２８４シリーズ（京セラケミカル株式会社製）やドータイトFA−７０５EN、SA−２０２４（藤倉化学株式会社製）などを用いることが出来る。

電流阻止絶縁膜６は、第１電極１及び第２電極３の間かつ、引き出し電極４、金属パッド５を含む領域の真下に形成された平坦な絶縁膜である。これにより、第１電極１から引き出し電極４の形成領域および金属パッド５の設置領域へ電流が流れることを阻止して、素子活性領域に安定した電流を供給することが可能となり、長時間連続して動作させても、安定した電子放出を得ることができる。電流阻止絶縁膜６は、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン窒化酸化膜などの無機膜、シリコン樹脂膜、アクリル系樹脂膜、ポリイミド系樹脂膜、エポキシ系樹脂膜、ポリエステル系樹脂膜、ポリウレタン系樹脂膜、ポリスチレン系樹脂膜などの有機膜等の絶縁膜を用いることができる。これらの中でも、抵抗値、耐熱性、吸水率、機械的強度などの観点から、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン樹脂膜、アクリル樹脂膜及びポリイミド樹脂膜がより好ましい。電流阻止絶縁膜６の膜厚は、電子放出素子に印加する電圧の大きさによって異なるが、例えば、膜厚５〜３０００ｎｍとすることができる。また、電流阻止絶縁膜６は、これら各種絶縁膜の単層膜であっても積層膜であっても良い。なお、電流阻止絶縁膜６は、図１では第１電極１と電子加速層２の間に配置しているが、第１電極１及び第２電極３の間かつ、引き出し電極４、金属パッド５を含む領域の真下に配置されていれば、この場所に限られず、適宜配置することが可能である。

電源部８は、電子放出素子７の第１電極１と第２電極３の間に電圧を印加する機能を有し、所定の電圧印加により、効率の良い電子放出が得られる。また、印加電圧は、直流電圧でも交流電圧でもどちらでもよいが、電子放出量が比較的安定している交流電圧の方が好ましい。

次に、本発明の電子放出装置９による電子放出のメカニズムについて、説明する。電子放出のメカニズムは明確にされていないが、次のように推測される。第１電極１と第２電極３との間に電圧が印加されると、第１電極１から電子加速層２中の絶縁性微粒子２ａの表面に電子が移る。絶縁性微粒子２ａの内部は高抵抗であるため、電子は絶縁性微粒子２ａの表面を伝導していく。このとき、絶縁性微粒子２ａの表面の不純物、絶縁性微粒子２ａが酸化物である場合の酸素欠陥、あるいは絶縁性微粒子２ａ間の接点で、電子がトラップされる。このトラップされた電子は固定化された電荷として働く。その結果、電子加速層２の表面では、印加電圧と、トラップされた電子が作る電界とが合わさって強電界が発生し、その強電界によって電子が電子加速層２において加速され、第２電極３から電子が放出される。

本発明の電子放出素子７の構成によれば、第２電極３は、エッジ部を持つ形状をしている。上記で述べたように、第２電極３の平面部では、第１電極１から移動し第２電極３に到達した電子は、第２電極３の仕事関数以上のエネルギーを持っていれば、第２電極３を突き抜けて外部へ放出されるが、十分なエネルギーを持っていない電子は外部へ放出されない。ところが、第２電極３のエッジ部では、外部に放出する際のエネルギー障壁がないため電子はエッジに沿って外部へ放出すると推測される。よって、第２電極３をエッジ部の多い形状にすることによって、効率良く電子を外部に放出させることができる。

また、絶縁性微粒子２ａは、単分散微粒子であっても良い。粒子の単分散性を示すＣＶ値（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｖａｒｉａｔｉｏｎ）はＣＶ［％］＝（σ/Ｄ）×１００（σ：標準偏差、Ｄ：平均粒径）で得られ、この値が小さいほど単分散であることを示している。本発明において、単分散微粒子とは、粒径が揃い、形状が均一なＣＶ値が１０%以下の球形粒子のことを意味する。ＣＶ値の小さい絶縁性微粒子を用いることによって、より平坦な電子加速層２を形成することができる。平坦な電子加速層２では、電子加速層の凹凸形状や、膜厚のばらつきによる抵抗の不均一性等の因子に、電子の放出が左右されることがないため、制御性が良好となる。第２電極３のエッジ部下の電子加速層２の膜厚が、周りの膜厚に比べて厚くなっている場合、周りに比べて抵抗が高くなり、そこを流れる電流値が小さくなるため、それに伴って電子放出量が減ってしまう。つまり、第２電極３のエッジ部からの電子放出効果が損なわれてしまう。このようなことから、電子加速層２が平坦であると、第２電極３のエッジ部からの電子放出効果をより大きくすることができる。

次に、図１を参照しながら実施形態１に係る電子放出素子７の製造方法について説明する。前記のように構成された電子放出素子７は、第１電極１上の一部に、平坦な電流阻止絶縁膜６を形成する工程と、第１電極上に、電流阻止絶縁膜６を覆うように少なくとも絶縁性微粒子２ａを含有する電子加速層２を形成する工程と、電子加速層２上に第２電極３を形成する工程と、下層に電流阻止絶縁膜６が形成されている電子加速層２上に、第２電極３と少なくとも一部重なるように引き出し電極４を形成する工程と、引き出し電極４上に金属パッドを接着する工程とを含む電子放出素子の製造方法により製造される。

具体的に説明すると、電流阻止絶縁膜６の形成工程において、まず、絶縁体材料としてのアクリル系樹脂や有機ポリマー等を溶剤に溶かした塗液を第１電極１上にスピンコート法で塗布して塗布膜を形成し、塗布膜を加熱乾燥する。その後、フォトリソグラフィーによって、電流阻止絶縁膜６をパターニングし、平坦な電流阻止絶縁膜６を形成する。

次に、電子加速層２の形成工程において、まず、溶剤に絶縁性微粒子２ａが分散された絶縁性微粒子分散液を調製する。このとき、絶縁性微粒子分散液に導電性微粒子やバインダー成分を混合してもよい。絶縁性微粒子分散液に用いる溶剤としては、バインダー成分を溶解でき、かつ絶縁性微粒子２ａや導電性微粒子を分散でき、かつ塗布後に乾燥することができれば、特に制限はなく、例えば、トルエン、ベンゼン、キシレン、ヘキサン、テトラデカン等を用いることができる。また、絶縁性微粒子分散液は、溶媒として水を用いたコロイダルシリカを用いても良い。

絶縁性微粒子分散液における絶縁性微粒子２ａの濃度は１０〜５０重量％が好ましい。１０重量％より低濃度であれば、絶縁性が不十分となり通電した際リークしやすくなる場合がある。５０重量％より高濃度であれば、絶縁性微粒子分散液の粘度が上昇すると共に、凝集が生じるため、薄膜化した電子加速層２を形成することができない。

次に、絶縁性微粒子分散液を第１電極１上にスピンコート法にて塗布する。スピンコート条件は、特に限定されないが、絶縁性微粒子分散液の塗布膜を有する第１電極１を、例えば、スピン回転数５００ｒｐｍで１秒間回転させた後、スピン回転数３０００ｒｐｍで１０秒間回転させる。第１電極１上の塗布膜の塗布量は特に限定されないが、例えば、２４ｍｍ角の第１電極１に塗布する場合、０．２ｍＬ／ｃｍ^２以上であればよい。スピンコート法を用いることで、上記絶縁性微粒子２ａや導電性微粒子を簡便に広範囲に塗布することができる。

続いて、第１電極１上の塗布膜を乾燥させることにより、電子加速層２を形成する。なお、電子加速層２が所望の膜厚となるまで、塗布及び乾燥を繰り返してもよい。また、電子加速層２の別の形成方法として、絶縁性微粒子２ａから成る層の上に、導電性微粒子から成る層を形成してもよい。

続いて、第２電極３の形成工程において、例えば、電子加速層２上に第２電極形成用のマスクを置き、マグネトロンスパッタ法にて、電子加速層２上に第２電極３を形成する。第２電極形成用のマスクの形状は、第２電極３の形状によって変化するが、第２電極３が表面にエッジ部を形成する開口部を有する形状に形成されるように、前記開口部に対応する開口パターンを有するマスクを形成する必要がある。第２電極３の形成後に第２電極形成用のマスクを取り外す。第２電極３の形成方法は、前記に限定されず、マグネトロンスパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法、リソグラフィー、スクリーン印刷法等を用いることができる。

続いて、引き出し電極４の形成工程において、例えば、第２電極３上に、引き出し電極形成用のマスクを置き、蒸着法により、下層に電流阻止絶縁膜６が形成されている電子加速層２上に、第２電極３と少なくとも一部重なるように引き出し電極４を形成する。形成後に引き出し電極形成用のマスク取り外す。引き出し電極４の形成方法は、前記に限定されず、マグネトロンスパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法、リソグラフィー、スクリーン印刷法等を用いることができる。

最後に、金属パッド５の形成工程において、例えば、導電性ペーストを接着剤として用いて、引き出し電極４上に金属パッド５を熱硬化により接着することにより、電子放出素子７が完成する。

そして、この電子放出素子７の第１電極１と金属パッド５に、リード線を介して電源部８の負極と正極を電気的に接続することにより、電子放出装置９が完成する。この電源部８としては、１０〜４５Ｖの電圧を印加可能な電源を用いるが、できるだけ低い電圧で強い電界を加えて電子を加速させることが好ましい。

以下の実施例１では、本発明に係る電子放出素子を用いて電流測定した実験について説明する。図４は、単位面積あたりの電子放出電流の測定実験を行った具体的な実験装置である。図４に示される実験装置では、電子放出素子７の第２電極３側に、絶縁体スペーサー２２を挟んで対向電極２１を配置させる。そして、電子放出素子７および対向電極２１は、それぞれ、電源部２３ａ、２３ｂに接続されており、電子放出素子７にはＶ１の電圧、対向電極２１にはＶ２の電圧が印加されるようになっている。実施例１で使用した電子放出素子を以下のように製造した。

２４ｍｍ×２４ｍｍ角のアルミ基板からなる第１電極１上にシリコン樹脂からなる膜厚２．５μｍの電流阻止絶縁膜６を形成し、真空度２０Ｐａ下で、アルミ基板及び電流阻止絶縁膜６にＵＶ照射を１０分間行った。次に、アルミ基板および電流阻止絶縁膜６上に、絶縁性微粒子２ａとして粒径１００ｎｍ、ＣＶ値０．２２％の球状シリカ粒子が分散したコロイダルシリカ（日産化学工業株式会社製、ＭＰ１０４０、固形分濃度４０ｗｔ％）を滴下し、５００ｒｐｍで１秒間、続いて３０００ｒｐｍで１０秒間の条件で２段階のスピンコートを行って、絶縁性微粒子と導電性微粒子とを含む塗布膜を形成し、この塗布膜をホットプレートにより１５０℃で６０秒間乾燥することにより、絶縁性微粒子層を形成した。次に、絶縁性微粒子層の上に、粒径１２．５ｎｍの銀ナノ粒子が分散した銀コロイド溶液（日本ペイント株式会社製、ファインスフェアＳＶＷ００１、固形分濃度１０ｗｔ％）を滴下し、７５００ｒｐｍで１１秒間スピンコートを行って、導電性微粒子の塗布膜を形成し、この塗布膜をホットプレートにより１５０℃で６０秒間乾燥することにより膜厚１．０μｍの電子加速層２を形成した。

その後、マグネトロンスパッタ装置を用いて、電子加速層２上に、Ａｕ−Ｐｄを材料とする図３（ａ）に示される膜厚５０ｎｍ、櫛の幅２００μｍの第２電極３を形成した。さらに、真空蒸着装置を用いて、下層に電流阻止絶縁膜６が形成されている電子加速層２上であって、第２電極３上に少なくとも一部が重なるように、膜厚６２０ｎｍにて引き出し電極４を形成し、引き出し電極４上に金を材料とする厚み２００μｍ、１ｍｍ角の金属パッド５を、導電ペースト（京セラケミカル株式会社製、導電ペーストＣＴ２６２）を介して接着し、電子炉を用いて１５０℃で１時間加熱硬化させることにより、実施例１の電子放出素子７を得た。

こうして得られた電子放出素子７を用いて、図４に示される実験装置により電子放出実験を行った。実施例１では、電子放出素子７と対向電極２１との距離は５ｍｍとし、湿度３０％ＲＨの大気中に配置した。電子放出素子７への印加電圧Ｖ１＝１４Ｖとし、対向電極２１への印加電圧Ｖ２＝５００Ｖとした。

このとき電子放出効率は、４．７×１０^−４％であった。ここで、電子放出効率とは、電子放出素子に電圧を印加したときに検出される電流Ｉｐと素子外部に取り出される電流Ｉｅとして、Ｉｅ／Ｉｐ×１００の計算式から算出したものである。実施例１では、電流Ｉｐは、１．８×１０^−１Ａであり、電流Ｉｅは、８．５×１０^−７Ａであった。

＜比較例＞
第２電極の形状を６．５ｍｍ×６．５ｍｍの正方形にした電子放出素子を製造し、実施例１で用いた電子放出素子との比較実験を行った。第２電極の形状を６．５ｍｍ×６．５ｍｍの正方形にしたこと以外は本発明の電子放出素子と同様の構成にし、図４に示される実験装置により電子放出実験を行った。比較例では、電子放出素子７と対向電極２１との距離は５ｍｍとし、湿度３０％ＲＨの大気中に配置した。電子放出素子７への印加電圧Ｖ１＝１４Ｖとし、対向電極２１への印加電圧Ｖ２＝５００Ｖとした。

このとき、電流Ｉｐは、２．９×１０^−１Ａ、電流Ｉｅは、１．２×１０^−７Ａであり、電子放出効率は４．１４×１０^−５％であった。この結果及び実施例１の結果より、電子放出素子７は、比較例の電子放出素子より約１桁高い電子放出効率が得られたことがわかる。このことから、第２電極３に開口部を形成することによって、電子放出効率が向上することがわかった。

実施例２では、電子加速層２を形成する際に用いる銀コロイド溶液に分散する銀ナノ粒子の粒径が、１５ｎｍであること以外は、実施例１及び比較例を同様の実験を行った。このとき、実施例１と同様に、図３（ａ）に示される第２電極３を形成し、図４に示される実験装置により電子放出実験を行った結果、電子放出効率は４．４４×１０^−２％であった。一方、比較例と同様に、６．５ｍｍ×６．５ｍｍの第２電極３を形成し、図４に示される実験装置により電子放出実験を行った結果、電子放出効率は９．５９×１０^−３％であった。これらの結果から、実施例１と同様に、第２電極３に開口部を形成することによって、電子放出効率が向上することがわかった。

〔実施形態２〕
次に、本発明に係る電子放出素子の一つの実施形態として、以下実施形態を説明する。

実施形態１では、引き出し電極４が設けられ、その上に金属パッド５が接着された構成を例示したが、図５に示す電子放出素子７ａのように、第２電極３に、引き出し電極４に替わる引き出し部が形成されており、第２電極３に直接金属パッド５が接着されている構成でも良い。この場合、電流阻止絶縁膜６は、第１電極１上かつ、金属パッド５を含む領域の真下に形成される。上記のように電子放出素子７ａを構成することで、引き出し電極４を形成する工程が不要になるため、製造プロセスを簡素化できる。また、実施形態１と同様に、この電子放出素子７ａと、電子放出素子７ａの第１電極１と第２電極３との間に電圧を印加する電源部８とを備えることにより、電子放出装置９ａが構成される。

〔実施形態３〕
図６は、実施形態１の電子放出素子７を用いた発光デバイスを示す断面図であり、図７は、図６の発光デバイスを用いた画像表示装置を示す断面図である。発光デバイスは、発光体として発光体層を備える。

図６に示す発光デバイス３１は、電子放出素子７及びこれに電圧を印加する電源部８を有する電子放出装置９と、電子放出素子７と離れて対向状に配置される発光部１１とを備える。発光部１１は、基材となるガラス基板１２上にＩＴＯ膜１３と蛍光体層１４がこの順に積層された積層構造を有し、蛍光体層１４が電子放出素子７の第２電極３と対面している。

ＩＴＯ膜１３の膜厚は、導電性を確保できる膜厚であればよく、例えば、１００〜３００ｎｍとすることができ、本実施形態では１５０ｎｍとした。

蛍光体層１４は、赤、緑、青色発光に対応した電子励起タイプの蛍光体材料が適しており、例えば、赤色ではＹ_２Ｏ_３：Ｅｕ、（Ｙ，Ｇｄ）ＢＯ_３：Ｅｕ、緑色ではＺｎ_２ＳｉＯ_４：Ｍｎ、ＢａＡｌ_１２Ｏ_１９：Ｍｎ、青色ではＢａＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕ^２＋等を用いることができる。蛍光体層１４の厚さは、１μｍ程度が好ましい。蛍光体層１４を成膜するに当たっては、バインダーとなるエポキシ系樹脂と蛍光体微粒子との混練物を用い、バーコーター法、滴下法、スピンコート法等の公知技術によって形成することができる。このとき、所望の発光色が得られるよう、赤、緑及び青色の蛍光体微粒子の内から１色以上の蛍光体微粒子を適切な重量混合比で選択する。

また、発光デバイス３１の発光輝度を上げるには、電子放出素子７から放出された電子を蛍光体層１４へ向けて加速する必要があり、その場合は、電子放出素子７の第１電極１とＩＴＯ膜１３の間に、電子を加速する電界を形成するための直流電圧印加用の第２電源部１５を設けることが好ましい。蛍光体層１４と電子放出素子７との距離が０．３〜１ｍｍ、電源部８からの印加電圧が１８Ｖのとき、第２電源部１５からの印加電圧が５００〜２０００Ｖに設定することが好ましい。発光デバイス３１は、電子放出素子７から外部へ放出した電子が、発光部１１の蛍光体層１４に衝突することにより、蛍光体層１４が発光する。

なお、発光デバイス３１は、大気中で動作可能であるが、真空封止することにより電子放出電流が上昇し、より効率良く発光することができる。

図７に示す画像表示装置３２は、図６で示した発光デバイス３１と、液晶パネル１６とを備えている。この画像表示装置３２において、発光デバイス３１は、液晶パネル１６の後方に配置されてバックライトとして用いられる。したがって、この場合、発光デバイス３１は白い発光色が得られるよう、電子加速層２中には赤、緑及び青の蛍光体微粒子が分散している。

この場合、例えば、発光デバイス３１が単位時間当たり１０μＡ／ｃｍ^２の電子を放出するよう、発光デバイス３１への印加電圧を２０〜３５Ｖに設定することが好ましく、発光デバイス３１と液晶パネル１６との距離は、０．１ｍｍ程度が好ましい。

なお、液晶パネル１６は従来公知のもの、例えば、バックライト側から、偏光板、ガラス基板、透明電極、配向膜、液晶、配向膜、透明電極、保護膜、カラーフィルター、ガラス基板及び偏光板が積層されたパネル構造を用いることができる。

また、図示しない画像表示装置として、図６で説明した発光デバイス３１をマトリックス状に配置して、発光デバイス３１そのものによる電界放出ディスプレイ(ＦＥＤ: Field Emission Display）として画像を表示させることもできる。この場合、例えば、発光デバイス３１が単位時間当たり１０μＡ／ｃｍ^２の電子を放出するよう、発光デバイス３１への印加電圧を２０〜３５Ｖに設定することが好ましい。

〔実施形態４〕
図８は、実施形態１の電子放出素子７を用いたイオン風発生装置を示す断面図である。イオン風発生装置３３は、電子放出素子７及びこれに電圧を印加する電源部８を備えている。このイオン風発生装置３３は、その電子放出素子７が被冷却体１７に対して傾斜状に対向するように配置され、電子放出素子７が電気的に接地された被冷却体１７に向かって電子を放出することにより、イオン風を発生させて被冷却体１７を冷却する。

従来、ファンのみで被冷却体１７の表面に風を送っても、その表面に最も近い空気分子は留まって動かないというノースリップ効果が発生するため、被冷却体１７の表面の冷却効果が低かった。実施形態１の電子放出素子７を用いたイオン風発生装置３３によれば、電子放出素子７からの電子が空気分子と衝突してイオンを生じ、更にこのイオンが周りの空気分子に衝突することによって空気分子やイオンが移動する。このことでイオン風が発生する。このとき、イオンは電位差もしくは電界によって被冷却体１７の表面まで運ばれ、被冷却体１７との間に働く電界により、熱い分子と冷たいイオンが交換するため、被冷却体１７の表面が冷却される。このようにして、イオン風発生装置３３は、ファンのみで行う冷却よりも、高効率で冷却することができる。

例えば、イオン風発生装置３３が単位時間当たり１μＡ／ｃｍ^２の電子を放出するように、電子放出素子７に印加する電圧を１８Ｖ程度に設定することが好ましい。なお、被冷却体１７としては、例えば、半導体、コンピューターのＣＰＵ、ＬＥＤなどの電子部品やそれらを搭載した装置等が挙げられる。

また、イオン風発生装置３３は、電子放出素子７の周囲に回転可能に設けられた送風ファン１８を備えても良い。送風ファン１８は、電子放出素子７と同様に被冷却体１７に対して傾斜状に対向するように配置され、被冷却体１７に向かって送風する。このとき、イオン風に加えてエアー流が生じるため、被冷却体１７の表面近傍の雰囲気を効率良く入れ替えることができ、イオン風とエアー流との相乗効果により冷却効率が格段に向上する。

例えば、イオン風発生装置３３が単位時間当たり１μＡ／ｃｍ^２の電子を放出するように、電子放出素子７に印加する電圧を１８Ｖ程度に設定すると共に、送風ファン１８による風量を０．９〜２Ｌ／分／ｃｍ^２に設定することが好ましい。

〔実施形態５〕
図９は実施形態１の電子放出素子７を用いた帯電装置の一例を示す断面図である。この帯電装置３４は、電子放出素子７と、これに電圧を印加する電源部８とを有する電子放出装置から成り、電子写真方式の画像形成装置に備えられた感光体Ｐを帯電させるものである。帯電装置３４を構成する電子放出素子７は、被帯電体である感光体Ｐに対向して設置され、電圧が印加されることにより電子を放出させ、感光体Ｐを帯電させる。なお、この実施形態で説明される画像形成装置において、帯電装置以外の構成部材は、従来公知のものを用いることができる。

ここで、帯電装置３４として用いる電子放出素子７は、感光体Ｐから、例えば３〜５ｍｍ隔てて配置されることが好ましい。また、電子放出素子７への印加電圧は２５Ｖ程度が好ましく、電子放出素子７における電子加速層２は、例えば、２５Ｖの電圧印加で、単位時間当たり１μＡ／ｃｍ^２の電子が放出されるように構成されていれば良い。

帯電装置３４は、大気中で動作しても放電を伴わず、オゾンや悪臭成分を持つＮＯｘの発生は無い。オゾンは人体に有害であり、環境に対する各種規格で規制されているほか、機外に放出されなくとも機内の有機材料、例えば、感光体Ｐやベルトなどを酸化し劣化させてしまう。帯電装置３４を画像形成装置が有することで、このような問題は生じない。

さらに、電子放出素子７が同一基板に複数形成された帯電装置３４を用いることにより、帯電装置３４は面電子源として構成されるので、感光体Ｐの回転方向へも幅を持って帯電することができ、感光体Ｐのある箇所への帯電機会を多く稼ぐことができる。

よって、帯電装置３４は、線状で帯電するワイヤ帯電器などと比べ、均一な帯電が可能である。また、帯電装置３４は、数ｋＶの電圧印加が必要なコロナ放電器と比べて、１０〜２５Ｖ程度と印加電圧が格段に低くてすむというメリットもある。

以上、本発明の実施形態及び実施例について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

例えば電子放出装置は、複数の電子放出素子から構成されても良い。一つの平面体の基板上に複数の電子放出素子が配置されている構成、あるいは、前記基板上に複数の電子放出素子において共通となる第１電極が形成されている構成であっても良い。

本発明に係る電子放出素子は、適度な電圧の印加により十分な電子放出量が得られると共に、長時間連続して動作することが可能である。よって、例えば、電子写真方式の複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置の帯電装置や、電子線硬化装置、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イオン風発生装置等に、好適に適用することができる。

１ 第１電極
２ 電子加速層
２ａ 絶縁性微粒子
３ 第２電極
４ 引き出し電極
５ 金属パッド
６ 電流阻止絶縁膜
７、７ａ、７ｂ 電子放出素子
８ 電源部
９ 電子放出装置
１０ 開口部
１１ 発光部
１２ ガラス基板
１３ ＩＴＯ膜
１４ 蛍光体層
１５ 第２電源部
１６ 液晶パネル
１７ 被冷却体
１８ 送風ファン
２１ 対向電極
２２ 絶縁体スペーサー
２３ａ、２３ｂ 電源部
３１ 発光デバイス
３２ 画像表示装置
３３ イオン風発生装置
３４ 帯電装置

Claims (15)

1. 第１電極、絶縁性微粒子を含む電子加速層及び第２電極が順次積層され、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加することにより、前記第１電極から放出される電子を前記電子加速層において加速させて前記第２電極から外部へ放出させる電子放出素子において、
   前記第２電極は、開口部を有する形状であることを特徴とする電子放出素子。
2. 前記第２電極は、櫛型あるいは櫛型に類する形状であることを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子。
3. 前記第２電極は、複数の開口を有する形状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。
4. 前記絶縁性微粒子は、単分散微粒子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。
5. 前記電子加速層は、８〜６０００ｎｍの層厚を有することを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子。
6. 前記絶縁性微粒子は、５〜１０００ｎｍの平均粒径を有することを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子。
7. 前記絶縁性微粒子は、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３およびＴｉＯ_２のうちの少なくとも１つから形成された微粒子を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子。
8. 請求項１〜７の何れか１項に記載の電子放出素子と、該電子放出素子における前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加する電源部とを備えることを特徴とする電子放出装置。
9. 請求項８に記載の電子放出装置と、発光体とを備え、前記電子放出装置から放出された電子によって前記発光体が励起して発光することを特徴とする発光デバイス。
10. 請求項９に記載の発光デバイスを備えた画像表示装置。
11. 請求項８に記載の電子放出装置を備え、被冷却体に向かって前記電子放出装置から電子を放出することによりイオン風を発生させることを特徴とするイオン風発生装置。
12. 前記被冷却体に向かう空気流を発生する送風ファンを備えた請求項１１に記載のイオン風発生装置。
13. 請求項８に記載の電子放出装置を備え、感光体に向かって前記電子放出装置から電子を放出することにより、前記感光体を帯電させることを特徴とする帯電装置。
14. 請求項１３に記載の帯電装置を備えた画像形成装置。
15. 第１電極上の一部に、平坦な電流阻止絶縁膜を形成する工程と、
    前記第１電極上に、前記電流阻止絶縁膜を覆うように少なくとも絶縁性微粒子を含有する電子加速層を形成する工程と、
    前記電子加速層上に、開口部を有する第２電極を形成する工程と、
    下層に前記電流阻止絶縁膜が形成されている前記電子加速層上に、前記第２電極と少なくとも一部重なるように引き出し電極を形成する工程と、
    前記引き出し電極上に金属パッドを接着する工程と、を含むことを特徴とする電子放出素子の製造方法。