JP2961524B2 - 電子放出素子、電子源及び画像形成装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電子放出源として用
いられる電子放出素子、詳しくは冷陰極型素子の一つで
ある表面伝導形電子放出素子、該電子放出素子を複数備
える電子源及び、該電子源を用いた画像形成装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、簡単な構造で電子の放出が得られ
る素子としては、例えばエム アイエリンソン（Ｍ．
Ｉ．Ｅｌｉｎｓｏｎ）等によって発表された冷陰極素子
が知られている。［ラジオ エンジニアリング エレク
トロン フィジックス（Ｒａｄｉｏ Ｅｎｇ．Ｅｌｅｃ
ｔｒｏｎ Ｐｈｙｓ．）第１０巻，１２９０〜１２９６
頁，１９６５年］ これは、基板上に形成された小面積の薄膜に、膜内に平
行に電流を流すことにより、電子放出が生ずる現象を利
用するもので、一般には表面伝導形電子放出素子と呼ば
れている。

【０００３】この表面伝導形電子放出素子としては、前
記エリンソン等により開発されたＳｎＯ₂ （Ｓｂ）薄膜
によるもの［ジー・ディトマー ”スイン ソリド フ
ィルムス”（Ｇ．Ｄｉｔｔｍｅｒ：”Ｔｈｉｎ Ｓｏｌ
ｉｄ Ｆｉｌｍｓ”），９巻３１７頁，（１９７２
年）］、ＩＴＯ薄膜によるもの［エム ハートウェル
アンド ジーシーフォンスタッド ”アイイーイーイー
トランス”イーディーコンファレンス（Ｍ．Ｈａｒｔｗ
ｅｌｌ ａｎｄ Ｃ．Ｇ．Ｆｏｎｓｔａｄ；”ＩＥＥＥ
Ｔｒａｎｓ．ＥＤ Ｃｏｎｆ．”）５１９頁，（１９
７５年）］、カーボン薄膜によるもの［荒木久他：”真
空”第２６巻，第１号，２２頁，（１９８３年）］など
が報告されている。

【０００４】これらの表面伝導型電子放出素子の典型的
な素子構成を図５に示す。同図において２３１及び２３
２は電気的接続を得るための電極、２３３は電子放出材
料で形成される薄膜、２３４は基板、２３５は電子放出
部を示す。

【０００５】従来、これらの表面伝導形電子放出素子に
おいては、電子放出を行う前に予めフォーミングと呼ば
れる通電処理によって電子放出部を形成する。即ち、前
記電極２３１と電極２３２の間に電圧を印加する事によ
り、薄膜２３３に通電し、これにより発生するジュール
熱で薄膜２３３を局所的に破壊、変形もしくは変質せし
め、電気的に高抵抗な状態にした電子放出部２３５を形
成することにより電子放出機能を得ている。

【０００６】なお、電気的に高抵抗状態とは、薄膜２３
３の一部に、０．５〜５μｍの亀裂を有し、かつ亀裂内
が所謂島構造を有する不連続状態膜をいう。島構造とは
一般に数十Åから数μｍ径の微粒子が基板２３４にあ
り、各微粒子は空間的に不連続で電気的に連続な膜をい
う。

【０００７】従来、表面伝導形電子放出素子は上述高抵
抗不連続膜に電極２３１，２３２により電圧を印加し、
素子表面に電流を流すことにより、上述微粒子より電子
放出せしめるものである。

【０００８】しかしながら、上記の様な従来の通電加熱
によるフォーミング素子には次のような問題点があっ
た。 １）フォーミング工程の際に生じるジュール熱が大きい
為、基盤が破壊しやすくマルチ化が難しい。 ２）電子放出部となる島構造の設計が不可能なため、素
子の改良が難しく、素子間のバラツキも生じやすい。 ３）島の材料が金、銀、ＳｎＯ₂ 、ＩＴＯ等に限定さ
れ、仕事関数の小さい材料が使えないため、大電流を得
ることができない。

【０００９】以上のような問題点があるため、表面伝導
形電子放出素子は、素子構造が簡単であるという利点が
あるにもかかわらず、産業上積極的に応用されるには至
っていなかった。

【００１０】本発明者等は上記問題点を鑑みて検討した
結果、特願昭６３−１７５７０号、特願昭６３−１１０
４８０号に於いて電極間に微粒子膜を配置しこれに通電
処理を施すことにより電子放出部を設ける新規な表面伝
導型電子放出素子を提案した。この新規な電子放出素子
の構成図を図６に示す。

【００１１】同図において、２４１及び２４２は電極、
２４３は微粒子膜、２４５は電子放出部、２４４は基板
である。

【００１２】この電子放出素子の特徴としては次のよう
なことが挙げられる。 １）微粒子膜２４３に非常に少ない電流を流すことで電
子放出部２４５を形成できるので素子劣化のない素子が
作成でき、さらに電極の形状を任意に設計できる。 ２）微粒子膜を形成する微粒子自身が電子放出の構成材
となる為、微粒子の材料や形状等の設計が可能となり、
電子放出特性を変えることができる。 ３）素子の構成材である基板２４４や電極の材料の選択
性が広がる。

【００１３】また、従来より、面状に展開した複数の電
子放出素子とこの電子放出素子から放出された電子線の
照射を各々受ける蛍光体ターゲットとを各々相対向させ
た薄形の画像表示装置が存在する。これら電子線ディス
プレイ装置は、基本的に次のような構造からなる。

【００１４】図７は従来のディスプレイ装置の概略を示
すものである。２５１は基板、２５２は支持体、２５３
は素子配線電極、２５４は電子放出部、２５５は電子通
過孔、２５６は変調電極、２５７はガラス板、２５８は
画像形成部材で、例えば蛍光体、レジスト材等電子が衝
突することにより発光，変色，帯電，変質等する部材か
ら成る。２５９は蛍光体の輝点である。

【００１５】ここで、電子放出部２５４は薄膜技術によ
り形成され、ガラス基板２５１とは接触することがない
中空構造を成すものである。素子配線電極２５３は電子
放出部材と同一の材料を用いて形成しても、別材料を用
いても良く、一般に融点が高く電気抵抗の小さいものが
用いられる。支持体２５２は絶縁体材料もしくは導電体
材料で形成されている。

【００１６】上記電子線ディスプレイ装置は、素子配線
電極２５３に電圧を印加せしめ中空構造をなす電子放出
部より電子を放出させ、これら電子流を情報信号に応じ
て変調する変調電極２５６に電圧を印加することにより
電子を取り出し、取り出した電子を加速させ蛍光体２５
８に衝突させるものである。また、素子配線電極２５３
と変調電極２５６でＸＹマトリックスを形成せしめ、画
像形成部材たる蛍光体２５８上に画像表示を行うもので
ある。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記本
発明者等が先に提案した表面伝導形電子放出素子におい
ては、図８に示す如く、電極間の微粒子膜２４３内に電
子放出部２４５が形成され、該電子放出部２４５が電子
の放出位置になっているが、実際には、電子放出部２４
５は０．０１μｍ〜０．５μｍの微細な範囲から形成さ
れており、その位置は、微粒子膜の形成条件や通電処理
の条件等によってばらつきが生じ、電極間の所定の位置
に正確に配置することが困難であった。

【００１８】図８に於いて、電子放出部は直線的に描か
れているが、実際には電極２４１及び２４２の間でかな
り蛇行しており、通電条件によりその形態はかなり変化
し、電子放出部の実効的な長さが設計できなかった。

【００１９】一般に、電極２４１と電極２４２の間隔は
０．５μｍ〜５０μｍであるが、電極間が広くなる程電
子放出部の位置を制御することが難しかった。

【００２０】このような電子放出部の位置のばらつき
は、電子放出素子として応用する場合、電子放出量にば
らつきを生じ、特にこれらの素子を複数配置した面状電
子源として応用する場合には、場所によって電子放出量
が変わるという問題があった。

【００２１】面状電子源の有効な応用として、特開昭５
６−２３４４５号公報にあるような、面状に展開した複
数の電子源と、この電子源から電子ビームの照射を各々
受ける蛍光体ターゲットとを、各々相対向させた薄形の
画像形成装置があるが、この画像形成装置の電子源とし
て上記表面伝導形電子放出素子を応用すると、各素子の
電子放出量が異なる為場所によって蛍光体の蛍光輝度が
異なり表示ムラを生じていた。

【００２２】また、前述した図７に示したような従来の
電子放出素子においては、フォーミングに要するパワー
が大きい為電子放出部や基板の劣化が著しく、電子放出
特性や電子放出部の位置を制御することは不可能であっ
た。

【００２３】すなわち、本発明の目的とするところは、
上述のような問題点を解消し得る電子放出素子、該電子
放出素子を複数備える電子源及び、該電子源を用いた画
像形成装置を提供することにある。

【００２４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく成
された本発明の構成は、以下の通りである。

【００２５】すなわち、本発明第１は、基板上に対向し
て設けられた一対の電極間に、電子放出部を有する微粒
子膜を備える電子放出素子において、上記微粒子膜に
は、部分的に異なる膜厚をもって構成された段差部が、
上記電極間方向に略直交する方向に沿って離散的に形成
されており、該段差部に沿って電子放出部が形成されて
いることを特徴とする電子放出素子にある。

【００２６】また、本発明第２は、本発明第１の電子放
出素子を複数配置したことを特徴とする電子源にある。

【００２７】さらに、本発明第３は、本発明第２の電子
源と、該電子源から放出された電子の照射により画像を
形成する画像形成部材とを具備することを特徴とする画
像形成装置にある。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の構成要素及び作用
について詳述する。

【００２９】本発明に於ける微粒子膜としては、粒径が
十数Åから数μｍの導電性微粒子の膜、あるいはこれら
導電性微粒子が分散されたカーボン薄膜等が挙げられ
る。その材料はＰｄ，Ａｇ，Ａｕ，Ｔｉ等の金属、Ｐｄ
Ｏ，ＳｎＯ₂ 等の酸化物導電体等導電性材料であればど
れを用いても構わない。そしてこれらの膜はガスデポジ
ション法や分散塗布法等により電極間に形成される。

【００３０】図１は本発明第１の一実施態様を示す素子
構成図である。同図において、１は絶縁性基板、２は他
の部分と膜厚が異なり、しかも電極３，４間方向に略直
交する方向に沿って離散的に形成された段差部、３と４
は電極、５は微粒子膜、６は電子放出部である。

【００３１】本発明第１に於いて上記膜厚の異なる段差
部は、他の微粒子膜との差が微粒子１個分以上あれば良
く、２００Å〜１μｍが実用的で望ましい。また段差部
の位置や幅等は電子放出部を形成する電極間に位置すれ
ば、特に限定されない。

【００３２】電極３，４間方向に略直交する方向に沿っ
て離散的に形成された段差部２を有する微粒子膜５に通
電処理を施すと、図１に示すように、段差部２に沿って
電子放出部６が直線状に形成され、前述した従来素子の
ように電子放出部２が蛇行することはない。

【００３３】通電処理の方法は、微粒子膜を通電加熱に
よりその一部を高抵抗化して電子放出部を形成するもの
や、微粒子膜に通電することによりその一部を低抵抗化
して電子放出部を形成するものがあるがいずれを用いて
も構わない。

【００３４】かかる通電処理時に微粒子膜５の構造が変
わり、上述したような電子放出部６が形成される。本発
明第１に於いて、実際、膜厚の異なる段差部２がこの構
造変化にどのような役割を果たしているかは不明である
が、本発明者等は、膜厚の異なる段差部２で温度分布或
いは電界分布が不連続となり、それが原因で段差部２近
傍に電子放出部６が形成されるものと判断している。更
に説明すると、電子放出部６の形成は、微粒子膜５の全
幅に亘って一気に行われるのではなく、通電処理によっ
て構造が変わりやすい箇所を起点として、これが拡大成
長することで行われると考えられる。そして、この拡大
成長過程で電子放出部６の蛇行が生じやすいと考えられ
る。本発明第１のように段差部２を離散的に設けておく
と、上記のように電子放出部６へと変質しやすい各段差
部２近傍に生じた複数の起点がそれぞれ拡大して連なる
ことで電子放出部６を形成することができ、１つの起点
から拡大成長する範囲を短くすることができ、これによ
って電子放出部６の蛇行を抑制することができると考え
られる。

【００３５】従って、本発明第１に於いて、前記膜厚の
異なる段差部２の形状によって電子放出部の形態が変化
し、例えば図１に示したように、段差部２を直線状に設
けることにより、電子放出部６も直線状に形成され、電
子放出部の位置と形状を制御した電子放出素子が容易に
実現できる。

【００３６】このように本発明第１の電子放出素子にお
いては、従来例と比較すれば電子放出部の形状と位置を
正確に設計することができるので、電子放出特性の制御
が可能であるばかりでなく素子の再現性が得られるよう
になる。

【００３７】次に、本発明第１の電子放出素子を複数配
置した電子源及び、かかる電子源を用いた画像形成装置
の概略構成例を図６に示す。

【００３８】同図において、８１は絶縁性基板、８２，
８３は電極、８４は微粒子膜、８５は電子放出部であ
り、これらにより面状電子源８６が形成されている。

【００３９】本面状電子源は、図１に示した本発明第１
の電子放出素子を複数配置したもので、特に電極８２と
電極８３の間に電子放出素子を並列に配置した線電子源
を数本基板に規則正しく設けたものである。

【００４０】また、８７はグリッド電極、８８は電極通
過孔、８９はガラス基板、９０は画像形成部材であると
ころの蛍光体、９１はアルミニウム材からなるメタルバ
ック、９２はフェースプレート、９３は蛍光体の輝点で
ある。

【００４１】フェースプレート９２は透明なガラス板８
９の上に蛍光体９０が一様に塗布され、さらにその上に
メタルバック９１を設けたものである。

【００４２】グリッド電極８７は複数のライン電極群か
らなり、面状電子源８６の電極群と直角方向に配置され
る。電子通過孔８８は電子放出部８５のほぼ鉛直上に設
けられ、グリッド電極８７を信号電極、線電子源群を走
査電極として、ＸＹマトリックス駆動を行い画像を形成
するものである。

【００４３】以上、画像形成装置について説明してきた
が、電子ビーム応用装置としては他にも記録装置，記憶
装置，電子ビーム猫画装置等の様々な装置があり、本発
明の電子放出素子はこれらの装置へも好適に利用するこ
とができる。

【００４４】本発明の画像形成装置に用いる画像形成部
材は、電子放出素子から放出された電子線の照射によっ
て発光，変色，帯電，変質或いは変形等を起こす材料よ
り形成されたものであれば、いかなるものであっても良
いが、その一例として蛍光体，レジスト材料等が挙げら
れる。とりわけ、画像形成部材として蛍光体が用いられ
る場合には、形成される画像は発光（蛍光）画像であ
る。

【００４５】

【実施例】以下に、本発明を実施例を用いて更に詳述す
る。

【００４６】実施例１ 図１は、本実施例の素子構成図であり、図２はその製造
方法を示した説明図である。

【００４７】先ず、本実施例の電子放出素子の製造方法
を説明する。

【００４８】絶縁性基板（石英基板）１を十分洗浄し
通常良く用いられる蒸着技術、ホトリソ・エッチング技
術を用いて電極３及び４を形成した（図２（ａ））。電
極の材料としては導電性を有するものであればどのよう
なものであっても構わないが、本実施例ではＮｉ金属を
用いて形成した。この電極間隔は実用的には０．５μｍ
〜２０μｍに形成されることが望ましく、本実施例では
１０μｍギャップに形成した。

【００４９】次に有機パラジウムを電極３と４の間に
分散塗布した。有機パラジウムは奥野製薬（株）ＣＣＰ
−４２３０を用いた。微粒子を分散したくないというと
ころにはテープ又はレジスト膜を設け、その後ディッピ
ング法又はスピナー法で有機パラジウムを塗布する。次
に３００℃で１時間焼成し有機パラジウムを分散し、パ
ラジウムと酸化パラジウムの混合した微粒子膜を形成し
た。次にテープ又はレジスト膜を剥離することにより所
定の位置に膜厚のほぼ均一な微粒子膜５を形成した（図
２（ｂ））。微粒子膜５の幅はどのような値のものでも
構わないが本実施例では１ｍｍとした。このとき、パラ
ジウムと酸化パラジウムの微粒子の径は共に１０Å〜１
５０Åであった。

【００５０】次にパラジウムの膜をさらに塗布し、上
記方法と同様な方法で微粒子膜５の上の膜厚を厚くした
いところのみに微粒子膜が形成されるようにパラジウム
膜を形成し、他の部分より膜厚の厚い段差部２を離散的
に形成した（図２（ｃ））。この時、段差部２は電極
３，４間のほぼ中央に幅（Ｗ）２μｍ，長さ（Ｌ）２μ
ｍ，間隔（Ｓ）２μｍ，厚さ（Ｈ）２００Åとなるよう
に形成した。

【００５１】次に電極３をマイナス側、電極４をプラ
ス側となるように電源に接続し、微粒子膜５に通電処理
を行った。その結果、図３に示すように離散的に設けた
複数の段差部２に沿ってほぼ直線状の電子放出部６が形
成された（図２（ｄ））。

【００５２】本実施例に於ける通電処理に於いて電流の
流れる向きを電極４から電極３側にしたが、電流の流れ
る向きに関係なく、段差部２に沿って再現性良く電子放
出部６を形成できた。

【００５３】本実施例の電子放出素子を微粒子膜の膜厚
の一定である従来の電子放出素子と比較したところ、電
子放出効率に於いてほぼ同等の値が得られた。つぎに電
子放出部の形状を比較すると、従来の素子は１ｍｍの幅
にわたって大きく蛇行しているにもかかわらず、本実施
例の電子放出素子は段差部２に沿ってほぼ直線的に電子
放出部６が形成されていた。電子放出部の位置を正確に
設計できることは、応用を考えると非常に重要な意味が
ある。例えば、素子から放出された電子の偏向及び変調
する際に、その制御を正確に行うことが可能となる。

【００５４】

【００５５】

【００５６】

【００５７】

【００５８】

【００５９】

【００６０】

【００６１】

【００６２】

【００６３】

【００６４】

【００６５】

【００６６】

【００６７】

【００６８】

【００６９】実施例２ 本実施例の素子構成を図３に示す。

【００７０】先ず、本実施例の電子放出素子の製造方法
を説明する。

【００７１】実施例１−と同材質、同方法で基板１
上に電極３，４を形成した。

【００７２】実施例１−と同様に微粒子膜５を形成
した。

【００７３】次にパラジウムの膜をさらに塗布し、
と同様な方法で微粒子膜５の上の膜厚を薄くしたいとこ
ろのみに微粒子膜が形成されないようにパラジウム膜を
形成し、他の部分より膜厚の薄い段差部２を離散的に形
成した。この時、段差部２は電極３，４間のほぼ中央に
幅（Ｗ）２μｍ，長さ（Ｌ）２μｍ，間隔（Ｓ）２μ
ｍ，厚さ（Ｈ）２００Åとなるように形成した。

【００７４】次に電極３をマイナス側、電極４をプラ
ス側となるように電源に接続し、微粒子膜５に通電処理
を行った。その結果、図３に示すように、離散的に設け
た複数の段差部２に沿ってほぼ直線状に電子放出部６が
形成された。

【００７５】本実施例について、実施例１と同様な検討
をした結果、同等な効果があった。

【００７６】実施例３ 本実施例では、図１に示したような実施例１の電子放出
素子を複数個配置して面状電子源を形成し、これを用い
て図４に示すような画像形成装置を作製した。

【００７７】本実施例の画像形成装置に於いて、電極８
２と電極８３に１４Ｖの電圧を印加することにより各電
子放出部８５から電子を放出させ、グリッド電極８７に
適当な電圧を印加することにより電子を引きだし、メタ
ルバック９１に５００〜５０００Ｖの電圧を印加し、画
像形成部材であるところの蛍光体９０に電子を衝突させ
た。本画像形成装置は、真空度１×１０^-5Ｔｏｒｒ〜１
×１０^-7Ｔｏｒｒの真空容器内に形成されている。

【００７８】本実験において、微粒子膜の厚みが一定で
ある従来の電子放出素子を用いて構成した同様な画像形
成装置と比較したところ、次のような結果を得た。 １．本実施例は各電子放出部から放出される電子量が等
しいので明るさが均一な表示画面が得られた。 ２．本実施例は各電子放出部の位置が正確に定まってい
るので蛍光体の輝点９３もほぼ同一な形状で規則正しい
配列であった。

【００７９】それに比べ微粒子膜の厚みが一定で段差部
のない従来の電子放出素子を用いて構成した装置は、輝
点の形状と輝点のピッチが場所によって異なっていた。

【００８０】このことから本実施例は、カラー画像、高
精細画像を得るのに好適である。

【００８１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明よれば電子
放出部の形状及び位置を設計することができ、次のよう
な効果がある。

【００８２】１．電子放出量や電子放出効率等の電子特
性が制御でき、さらに素子間で特性のバラツキの少ない
素子製造が可能となる。

【００８３】２．画像形成装置として均一な発光輝度の
画像表示が得られる。

【００８４】３．電子放出部の位置が正確に定まるの
で、画像形成装置として蛍光体の輝点形状が均一な画像
表示が得られる。

【００８５】４．電子放出部の位置が正確に定まるの
で、画像形成装置として変調電極の形状設計や制御系が
簡易になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明第１の電子放出素子の一例を示す概略構
成図である。

【図２】図１の電子放出素子の製造方法を説明するため
の図である。

【図３】本発明第１の電子放出素子の別の例を示す概略
構成図である。

【図４】図１の電子放出素子を複数個用いて作製した画
像形成装置の概略構成図である。

【図５】従来の電子放出素子の構成図である。

【図６】微粒子膜及び微粒子を含む薄膜導電体を通電処
理することにより作製された従来の電子放出素子の構成
図である。

【図７】従来のディスプレイ装置の概略構成図である。

【符号の説明】

１ 絶縁性基板 ２ 段差部 ３，４ 電極 ５ 微粒子膜 ６ 電子放出部 ８１ 絶縁性基板 ８２，８３ 電極 ８４ 微粒子膜 ８５ 電子放出部 ８６ 面状電子源 ８７ グリッド電極 ８８ 電子通過孔 ８９ ガラス板 ９０ 蛍光体 ９１ メタルバック ９２ フェースプレート ９３ 蛍光体の輝点

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 野村 一郎 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 鱸 英俊 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 金子 哲也 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 野間 敬 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−298934（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−247939（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−192638（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01J 1/30,9/02 H01J 31/12,29/04

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に対向して設けられた一対の電極
   間に、電子放出部を有する微粒子膜を備える電子放出素
   子において、上記微粒子膜には、部分的に異なる膜厚を
   もって構成された段差部が、上記電極間方向に略直交す
   る方向に沿って離散的に形成されており、該段差部に沿
   って電子放出部が形成されていることを特徴とする電子
   放出素子。
2. 【請求項２】 表面伝導形電子放出素子であることを特
   徴とする請求項１に記載の電子放出素子。
3. 【請求項３】 基板上に、請求項１又は２に記載の電子
   放出素子を複数配置したことを特徴とする電子源。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の電子源と、該電子源か
   ら放出された電子の照射により画像を形成する画像形成
   部材とを具備することを特徴とする画像形成装置。