JP3323851B2

JP3323851B2 - 電子放出素子およびこれを用いた電子源およびこれを用いた画像形成装置

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Publication number: JP3323851B2
Application number: JP2000041454A
Authority: JP
Inventors: 敬介山本; 玉樹小林; 聡史茂木
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1999-02-26
Filing date: 2000-02-15
Publication date: 2002-09-09
Anticipated expiration: 2020-02-15
Also published as: JP2000311585A; US6642649B1

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子放出素子、そ
れにより構成される電子源およびその応用である表示装
置などの画像形成装置に係わり、特に、新規な構成の表
面伝導型電子放出素子、それを用いた電子源および、そ
の応用である表示装置などの画像形成装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】表面伝導型電子放出素子は、基板上に形
成された導電性膜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ある。

【０００３】この表面伝導型電子放出素子の例として
は、ＳｎＯ₂薄膜を用いたもの［Ｍ．Ｉ．Ｅｌｉｎｓｏ
ｎＲａｄｉｏＥｎｇ．ＥｌｅｃｔｒｏｎＰｈｙ
ｓ．，１０，１２９０，（１９６５）］、Ａｕ薄膜によ
るもの［Ｇ．Ｄｉｔｍｍｅｒ，ＴｈｉｎＳｏｌｉｄ
Ｆｉｌｍｓ，９，３１７（１９７２）］、Ｉｎ₂Ｏ₃／Ｓ
ｎＯ₂薄膜によるもの［Ｍ．Ｈａｒｔｗｅｌｌａｎｄ
Ｃ．Ｇ．Ｆｏｎｓｔｅｄ，ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．Ｅ
ＤＣｏｎｆ．，５１９（１９７５）］、カーボン薄膜
によるもの［荒木久他：真空、第２６巻、第１号、２２
ページ（１９８３）］等が報告されている。

【０００４】これらの表面伝導型電子放出素子において
は、電子放出を行う前に、上記導電性膜に「フォーミン
グ」と呼ばれる通電処理を行うことにより電子放出がお
こる状態にするのが一般的であった。

【０００５】ここで、「フォーミング」とは、上記導電
性膜の両端に、一定の電圧、あるいは、たとえば１Ｖ／
ｍｉｎ．程度のレートでゆっくりと上昇する電圧を印加
して、上記導電性膜に電流を流し、該導電性膜を局所的
に破壊、変形もしくは変質させて、電気的に高抵抗な状
態にし、電子放出が起こる状態にすることである。

【０００６】この処理により、上記導電性膜の一部に亀
裂が形成され、電子放出の現象はこの亀裂の存在に起因
するものと考えられる。なお、実際の電子放出がどの部
分で起こっているかについては完全には解明されていな
いが、上記亀裂およびその周辺の領域を便宜的に「電子
放出部」と呼ぶ場合がある。

【０００７】本出願人は、表面伝導型電子放出素子に関
して、既に多くの提案を行っている。たとえば、上記の
「フォーミング」に関しては、導電性膜にパルス電圧を
印加することにより行うことが好ましいことを、日本国
特許第２８５４３８５号公報、アメリカ合衆国特許第５
４７０２６５号公報、同じく第５５７８８９７号公報な
どに開示している。

【０００８】ここで、パルス電圧の波形は、図５（ａ）
に示すように、波高値を一定に維持する方法、あるい
は、図５（ｂ）に示すように、波高値を漸増させる方法
のいずれによっても良く、素子の形状や材質、フォーミ
ングの条件などを考慮し、適宜選ぶことができる。

【０００９】また、上記のフォーミングに続いて、有機
物質を含有する雰囲気中で、電子放出素子にパルス電圧
を繰り返し印加することにより、素子に流れる電流（素
子電流Ｉｆ）、電子放出に伴う電流（放出電流Ｉｅ）が
ともに増大することを見出しており、この処理を「活性
化」と呼んでいる。

【００１０】この処理は、「フォーミング」により導電
性膜に形成された亀裂を含む領域に、炭素を主成分とす
る堆積物を形成するものであり、特開平７−２３５２５
５号公報などに詳細が開示されている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上記のような表面伝導
型電子放出素子を画像形成装置などに応用する場合に
は、低消費電力、高輝度であることが一層求められる。

【００１２】したがって、電子放出素子の性能として、
従来以上に、素子電流Ｉｆに対する放出電流Ｉｅの比
率、すなわち電子放出効率を高くすることが求められる
ようになった。

【００１３】本発明は上記の従来技術の課題を解決する
ためになされたもので、その目的とするところは、電子
放出特性に優れた電子放出素子およびこれを用いた電子
源およびこれを用いた画像形成装置を提供することにあ
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明にあっては、基体上に対向して配置された一対
の素子電極と、これら一対の素子電極に接続して配置さ
れ、かつ、一対の素子電極の間に亀裂を有する導電性膜
と、前記亀裂内部および該亀裂を有する導電性膜上に形
成されると共に、該亀裂内に該亀裂よりも狭い幅の間隙
を有する、炭素を主成分とする堆積膜と、を備える電子
放出素子において、前記堆積膜中に、炭素に対する比率
にして、銀を５ｍｏｌ％以上かつ１０ｍｏｌ％以下の範
囲で含有することを特徴とする。

【００１５】

【００１６】また、本発明の電子源にあっては、基体上
に複数配置された、上記の電子放出素子と、これら電子
放出素子に接続される配線と、を備えることを特徴とす
る。

【００１７】また、本発明の画像形成装置にあっては、
上記の電子源と、該電子源から放出された電子が衝突さ
れることで、画像形成を行う画像形成部材と、を備える
ことを特徴とする。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照して、この発明
の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただ
し、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、
材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載が
ない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣
旨のものではない。

【００１９】まず、図１を参照して、本発明の実施の形
態に係る電子放出素子の基本的な構成について説明す
る。図１は本発明の実施の形態に係る電子放出素子の概
略構成を示す模式図であり、図１（ａ）はその平面的模
式図であり、図１（ｂ）はその断面的模式図（図１
（ａ）中のラインＡ−Ａに沿った断面図）である。

【００２０】図１において、１は絶縁性の材質よりなる
基体としての基板であり、この基板１上には、対向して
配置された一対の素子電極２，３が設けられており、ま
た、これら一対の素子電極２，３に接続して配置された
導電性膜４が設けられている。

【００２１】なお、図示の例では、上述のように素子電
極２，３および導電性膜４によって導電体を構成した場
合を示しているが、導電性膜４をなくして、素子電極
２，３のみで導電体を構成するようにしても、電子放出
素子として同等の機能を発揮させることもできる。

【００２２】また、図中、５は導電性膜４に形成された
亀裂を模式的に表したものであり、この亀裂５は一対の
素子電極２，３の間に設けられている。

【００２３】そして、図中、１０は炭素を主成分とする
堆積物（堆積膜）である。ここで、図示の堆積物１０は
導電性膜４上にのみ形成されているが、形成方法によっ
ては、素子電極２，３上にも形成される。また、亀裂５
の内側以外の基板１上にも形成される場合もある。

【００２４】この炭素を主成分とする堆積物１０は、亀
裂５の周囲のみならず、亀裂５内にも形成されており、
この亀裂５内に、この亀裂５よりも狭い間隙を有するよ
うに形成されている。

【００２５】なお、電子放出素子の基本的な他の構成と
して、図２に示す垂直型のものもある。図２は本発明の
実施の形態に係る電子放出素子の模式的断面図である。

【００２６】図において、２１は絶縁性の材質よりなる
段差形成部材であり、段差を形成するために基板１上に
設けられている。他の基本的な構成等は上記図１に示す
ものと同一であり、同一の符号を付している。

【００２７】ここで、上記素子電極２，３に求められる
性質としては、十分な導電性を有することが必要であ
り、その素材としては、金属、合金、あるいは導電性の
金属酸化物、また、それらとガラスなどの混合物からな
る印刷導体、半導体などがあげられる。

【００２８】フォーミングによる亀裂の形成を好ましく
行うためには、すなわち、電子放出能力の付与を好まし
く行うためには、導電性物質の微粒子により上記導電性
膜４を形成することが好ましい。例えば、その素材とし
ては、Ｎｉ，Ａｕ，ＰｄＯ，Ｐｄ，Ｐｔ等の導電性材料
を用いることができる。

【００２９】なかでもＰｄＯは、有機Ｐｄ化合物膜を形
成した後に大気中で焼成することにより、容易に微粒子
よりなる導電性膜を形成することができ、また、半導体
であるため金属よりも比較的電気伝導率が低く、フォー
ミングのために適当な抵抗値を得るように制御しやすい
ことや、比較的容易に還元することができるので、フォ
ーミングで亀裂を形成した後に金属Ｐｄとすることで抵
抗を低減し得ることなどの利点を有しているため好適な
素材である。

【００３０】上記炭素を主成分とする堆積物１０の形成
は、前述した「活性化」の方法により行うことができ
る。

【００３１】そして、この炭素を主成分とする堆積物１
０に含まれる銀（以下、Ａｇと称する）の量の制御は、
活性化を行う際に、有機物質を含む雰囲気中に、更にＡ
ｇを含む原料ガスを導入し、その量を制御して行う方
法、あるいは、堆積物を形成後に、Ａｇを有機金属化合
物などの形で含む溶液を塗布して、ついで熱処理してＡ
ｇを含有させ、上記溶液の塗布量を制御することにより
行う方法などを採用することができる。

【００３２】本発明者の検討によれば、Ａｇを炭素に対
する比率にして５ｍｏｌ％以上含む場合に、電子放出効
率が向上する効果が見られることが分かった。

【００３３】一方、含有量が多くなりすぎると、逆に電
子放出量が低下してしまうことが分かった。この点につ
いても，本発明者は、Ａｇの含有量が炭素に対し１０ｍ
ｏｌ％以下であれば、よいことを見出し、本発明をなす
にいたった。

【００３４】このようになる理由は、十分には把握され
ていないが、炭素を主成分とする堆積物中にＡｇが析出
することにより、該堆積物の電気抵抗が低下して、該堆
積物の間隙にかかる電圧が実効的に上昇するためではな
いかと推測している。また、含有量が多くなるとかえっ
て電子放出効率が低下する理由としては、堆積物の表面
にＡｇが露出するようになると、該表面の仕事関数が実
効的に大きくなるためではないかと推測している。

【００３５】次に、上記発明の実施の形態に基づいて構
成された、より具体的な実施例について説明する。

【００３６】

【実施例】（電子放出素子の実施例）本実施例に係る電
子放出素子は、前述の図１に示したのと同様の構成を有
するものである。

【００３７】図１と図３（ａ）〜（ｄ）に基づいて、本
実施例に係る電子放出素子の製造方法について説明す
る。

【００３８】（工程−ａ）まず、洗浄した石英基板１上
に、素子電極２，３の形状に対応する開口を有するよう
に、フォトレジストのパターンを形成し、この上に真空
蒸着法により、厚さ５ｎｍのＴｉ、厚さ３０ｎｍのＰｔ
を順次堆積した。

【００３９】ついで、上記フォトレジストのパターンを
有機溶剤で溶解して除去し、リフトオフの手法により、
Ｐｔ／Ｔｉ積層膜よりなる電極を形成した。ここで、電
極間隔Ｌは５０μｍ、電極幅Ｗは３００μｍとした（図
３（ａ））。

【００４０】（工程−ｂ）真空蒸着法により、Ｃｒ膜を
１００ｎｍの厚さに形成し、ついでフォトリソグラフィ
ーの手法により、後述する導電性膜の形状に対応する開
口を有するように該Ｃｒ膜をパターニングした。その
後、有機Ｐｄ化合物の溶液（ｃｃｐ４２３０奥野製薬
（株）製）をスピンナーを用いて塗布し、乾燥させた
後、大気中で３５０℃の熱処理を１２分間行った。

【００４１】この処理により、ＰｄＯ微粒子からなる厚
さ１０ｎｍの導電性膜が形成された。この膜のシート抵
抗Ｒｓは２×１０⁴Ω／□であった。

【００４２】なお、シート抵抗Ｒｓは、長さｌ，幅ｗの
膜を、長さ方向に電流を流して測定した抵抗値をＲとす
る時、Ｒ＝（ｌ／ｗ）Ｒｓと表される量であり、膜が均
一であれば、抵抗率をρ、膜厚をｔとしてＲｓ＝ρ／ｔ
で表される。

【００４３】（工程−ｃ）Ｃｒエッチャントにより、上
記Ｃｒ膜を除去し、リフトオフの手法により、導電性膜
を所望の形状にパターニングした（図３（ｂ））。

【００４４】（工程−ｄ）上記の素子を、真空処理装置
内に設置し、排気装置により真空容器内の圧力を２．７
×１０^-4Ｐａまで低下させた後、素子電極２，３の間に
パルス電圧を印加してフォーミングを行い、導電性膜の
一部に亀裂５を形成した（図３（ｃ））。

【００４５】なお、フォーミングに用いた上記パルス電
圧の波形は、図５（ｂ）に示したもので、パルス幅Ｔ１
＝１ｍｓｅｃ．、パルス間隔Ｔ２＝１０ｍｓｅｃ．と
し、波高値は０．１Ｖステップで徐々に上昇させて処理
を行った。

【００４６】なお、この処理の最中、上記のパルスの間
に、波高値０．１Ｖの矩形波パルスを挿入して、電流値
を測定することにより、素子の抵抗値を求めた。こうし
て求めた抵抗値が１ＭΩを越えた時点で、パルスの印加
をやめ、フォーミングを終了した。

【００４７】（工程−ｅ）ついで、活性化の工程を行
う。真空容器内の排気を続けて、容器内の圧力が１．３
×１０^-6Ｐａまで低下した後、真空容器に取り付けられ
たスローリークバルブを介して容器内にベンゾニトリル
を導入する。ベンゾニトリルの圧力が１．３×１０^-4Ｐ
ａとなるように、該スローリークバルブを調整する。

【００４８】ついで、素子電極２，３の間にパルス電圧
を印加する。印加したパルスの波形は、図１０に示すよ
うな、１パルス毎に極性が反転する矩形波パルスで、パ
ルス幅Ｔ１＝１ｍｓｅｃ．、パルス間隔Ｔ２＝１００ｍ
ｓｅｃ．、パルス波高値１５Ｖとし、パルス印加を６０
分間行った。（パルス印加の時間は、この処理条件で素
子電流Ｉｆの増加が飽和するまでの時間として、予備的
な検討により求めておいた時間である。）

【００４９】この処理により導電性膜に形成された亀裂
５を含む領域に、炭素を主成分とする堆積物１０が形成
された。該炭素を主成分とする堆積物１０は、上記亀裂
５内に、該亀裂５よりも狭い間隙６を形成するように堆
積している（図３（ｄ））。

【００５０】（工程−ｆ）次に、素子を真空容器外に取
り出し、ジシアノ銀（Ｉ）酸アンモニウム水溶液を塗布
し、これを真空中で２００℃の熱処理を施して、Ａｇ
を、炭素を主成分とする堆積物中に含有させた。Ａｇの
含有量の調整は、上記ジシアノ銀（Ｉ）酸アンモニウム
水溶液の塗布量と、含有量の関係を予め求めておき、塗
布量を調整することにより行った。

【００５１】炭素に対するＡｇの量が５ｍｏｌ％（実施
例１），７．５ｍｏｌ％（実施例２），１０ｍｏｌ％
（実施例３）および１２．５ｍｏｌ％（比較例２）の試
料を作成した。更に、比較のため、Ａｇの添加を行わな
い試料（比較例１）も準備した。

【００５２】この時、Ａｇの含有量の測定は、光電子分
光法により行った。用いた装置は、ＶＧＳｃｉｅｎｔ
ｉｆｉｃ社製ＥＳＣＡＬＡＢ２２０Ｉ−ＸＬであ
る。測定は、上記の亀裂部を中心にして１辺５０μｍの
領域から観測されるＡｇの３ｄピークとＣ（炭素）の１
ｓピークからＡｇ／Ｃの比率を求めた。なお、この条件
でのＡｇの測定限界は、０．１ｍｏｌ％程度である。

【００５３】（工程−ｇ）素子を再び真空装置の中に配
置し、真空容器内を排気し、真空容器および素子を２０
０℃に１０時間保持した。この処理は、素子や真空容器
内に吸着した水や有機物質の分子を除去するもので、
「安定化処理」と呼ばれる。

【００５４】上記の素子について、図４に概要を示した
装置を用いて、電子放出特性およびその経時変化を測定
した。

【００５５】すなわち、パルス発生器４１により、素子
に、パルス幅１ｍｓｅｃ．、パルス間隔１００ｍｓｅ
ｃ．、波高値１５Ｖの矩形波パルスを印加した。なお、
素子とアノード電極４４との間隔Ｈは４ｍｍとした。ア
ノード電極４４には高圧電源４３により、１ｋＶの一定
電圧を印加した。このとき、電流計４０により素子電流
Ｉｆを、電流計４２により放出電流Ｉｅをそれぞれ測定
し、電子放出効率η＝（Ｉｅ／Ｉｆ）を求めた。

【００５６】この結果を表１に示す。

【００５７】

【表１】

【００５８】この結果、炭素を主成分とする堆積物中に
Ａｇが５〜１０ｍｏｌ％含有されることにより、電子放
出効率の上昇が生ずることがわかった。

【００５９】（電子源及び画像形成装置の実施例）上述
した本発明の実施の形態あるいは実施例に係る電子放出
素子を複数基板上に配置し、さらにこれらの素子に接続
する配線を形成することにより、電子源を形成すること
ができる。

【００６０】構成の一例を図６に示す。図において７１
は基板、７２はｍ本のＸ方向配線Ｄｘ１〜Ｄｘｍ、７３
はｎ本のＹ方向配線Ｄｙ１〜Ｄｙｎ、７４は本発明の実
施の形態あるいは実施例に係る電子放出素子であり、７
５は上記配線と素子とを接続する結線である。また、Ｘ
方向配線とＹ方向配線との交差部には、両者を電気的に
絶縁するように、不図示の絶縁層が配置されている。

【００６１】また、上記の電子源と、該電子源から放出
される電子の照射により画像を形成する画像形成部材と
により、画像形成装置を構成することができる。

【００６２】構成の一例を図７に示す。図において、８
１はリアプレート、８２は支持枠、８３はガラス基板、
８６はフェースプレートであり、これらにより外囲器８
８が構成されている。外囲器８８の内部には前述の電子
源が配置され、この外囲器は内部を気密に保持しうるも
のである。

【００６３】Ｄｏｘ１〜Ｄｏｘｍ，Ｄｏｙ１〜Ｄｏｙｎ
はそれぞれ、Ｘ方向配線Ｄｘ１〜Ｄｘｍ，Ｙ方向配線Ｄ
ｙ１〜Ｄｙｎに接続する外部端子を表す。８４は蛍光体
等から構成される画像形成部材、８５は金属蒸着膜など
よりなるメタルバックで、画像形成部材８４から外囲器
８８内側に向かって放出された光を外側に反射して輝度
を改善するとともに、電子源から放出された電子を加速
するためのアノード電極としての役割を果たす。

【００６４】８７は、このメタルバック８５に接続する
高圧端子で、メタルバック（アノード電極）８５に高電
圧を印加するための電源に接続される。

【００６５】なお、図示の例では、リアプレート８１と
電子源の基板７１が別に設けられているが、基板７１が
十分な強度を有する場合には、リアプレートと兼ねてい
ても良い。

【００６６】電子源の構成としては、図８に示すような
構成も採用しうる。すなわち、基板１１０上に、複数の
配線１１２が平行に形成され、一対の配線の間に複数の
電子放出素子１１１が配置されて、複数の素子行が形成
される。

【００６７】このような構成の電子源を用いた画像形成
装置の構成の一例を図９に示す。このような構成の場
合、上記電子源の素子行の方向と直交する方向に延びた
複数のグリッド電極１２０が配置され、上記素子行のう
ち、駆動回路により選択された１つの行に属する電子放
出素子から放出される電子ビームを変調する機能を有す
る。

【００６８】各グリッド電極は、電子放出素子に対応す
る位置に、電子を通過させるための電子通過孔１２１を
有する。

【００６９】Ｄｏｘ１〜Ｄｏｘｍは上記配線に接続する
外部端子を表す。図では、奇数番目の配線と偶数番目の
配線が反対側の支持枠側面から外部に取り出される場合
を示している。Ｇ１〜Ｇｎは上記グリッド電極のそれぞ
れに接続する、グリッド外部端子を表す。

【００７０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、炭素を
主成分とする堆積膜中に、炭素に対する比率にして、銀
を５ｍｏｌ％以上かつ１０ｍｏｌ％以下の範囲で含有す
ることにより、電子放出効率を向上させることができ
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る電子放出素子の概略
構成を示す模式図である。

【図２】本発明の実施の形態に係る電子放出素子の模式
的断面図である。

【図３】本発明の実施例に係る電子放出素子の製造工程
説明図である。

【図４】本発明の実施例に係る電子放出素子の評価装置
の概要を示すブロック図である。

【図５】本発明の実施例に係る電子放出素子を作成する
際のフォーミング工程において用いるパルス電圧波形図
である。

【図６】本発明の実施例に係る電子源の模式図である。

【図７】図６に示す電子源を用いた画像形成装置の模式
的一部破断斜視図である。

【図８】本発明の実施例に係る電子源の他の構成を示す
模式図である。

【図９】図８に示す電子源を用いた画像形成装置の模式
的一部破断斜視図である。

【図１０】本発明の実施例に係る電子放出素子を作成す
る際の活性化工程において用いるパルス電圧波形図であ
る。

【符号の説明】

１基板２，３素子電極４導電性膜５亀裂６間隙１０（炭素を主成分とする）堆積物４０電流計４１パルス発生器４２電流計４３高圧電源４４アノード電極７１基板７２Ｘ方向配線７３Ｙ方向配線７４電子放出素子７５結線８１リアプレート８２支持枠８３ガラス基板８４画像形成部材８５メタルバック８６フェースプレート８７高圧端子８８外囲器１１０基板１１１電子放出素子１１２配線１２０グリッド電極１２１電子通過孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平７−235255（ＪＰ，Ａ) 特開平８−273523（ＪＰ，Ａ) 特開2001−148222（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 1/316

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基体上に対向して配置された一対の素子電
極と、これら一対の素子電極に接続して配置され、かつ、一対
の素子電極の間に亀裂を有する導電性膜と、前記亀裂内部および該亀裂を有する導電性膜上に形成さ
れると共に、該亀裂内に該亀裂よりも狭い幅の間隙を有
する、炭素を主成分とする堆積膜と、を備える電子放出
素子において、前記堆積膜中に、炭素に対する比率にして、銀を５ｍｏ
ｌ％以上かつ１０ｍｏｌ％以下の範囲で含有することを
特徴とする電子放出素子。
【請求項２】基体上に複数配置された、請求項１に記載
の電子放出素子と、これら電子放出素子に接続される配線と、を備えること
を特徴とする電子源。
【請求項３】請求項２に記載の電子源と、該電子源から放出された電子が衝突されることで、画像
形成を行う画像形成部材と、を備えることを特徴とする
画像形成装置。