JP3397711B2 - 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、表面伝導型の電子
放出素子、該電子放出素子を用いた電子源、及び該電子
源を用いた画像形成装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、電子放出素子としては、大別
して熱電子放出素子と冷陰極電子放出素子を用いた２種
類のものが知られている。冷陰極電子放出素子には電界
放出型（以下、「ＦＥ型」という）、金属／絶縁層／金
属型（以下、「ＭＩＭ型」という）や表面伝導型電子放
出素子等がある。

【０００３】ＦＥ型の例としては、Ｗ．Ｐ．Ｄｙｋｅ＆
Ｗ．Ｗ．Ｄｏｌａｎ，“Ｆｉｅｌｄｅｍｉｓｓｉｏ
ｎ”，Ａｄｖａｎｃｅ ｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｈ
ｙｓｉｃｓ，８，８９（１９５６）あるいはＣ．Ａ．Ｓ
ｐｉｎｄｔ，“ＰｈｙｓｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓ
ｏｆ ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ ｆｉｅｌｄ ｅｍｉｓｓ
ｉｏｎ ｃａｔｈｏｄｅｓ ｗｉｔｈ ｍｏｌｙｂｄｅ
ｎｕｍ ｃｏｎｅｓ”，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，４
７，５２４８（１９７６）等に開示されたものが知られ
ている。

【０００４】ＭＩＭ型の例としては、Ｃ．Ａ．Ｍｅａ
ｄ、“Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｕｎｎｅｌ−Ｅｍ
ｉｓｓｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ”，Ｊ．Ａｐｐｌｙ．Ｐ
ｈｙｓ．３２，６４６（１９６１）等に開示されたもの
が知られている。

【０００５】表面伝導型電子放出素子型の例としては、
Ｍ．Ｉ．Ｅｌｉｎｓｏｎ，Ｒａｄｉｏ Ｅｎｇ．Ｅｌｅ
ｃｔｒｏｎ Ｐｈｙｓ．，１０，１２９０（１９６５）
等に開示されたものがある。

【０００６】表面伝導型電子放出素子は、基板上に形成
された小面積の薄膜に、膜面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ある。こ
の表面伝導型電子放出素子としては、前記エリンソン等
によるＳｎＯ₂ 薄膜を用いたもの、Ａｕ薄膜によるもの
［Ｇ．Ｄｉｔｍｍｅｒ：Ｔｈｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｆｉｌ
ｍｓ，９，３１７（１９７２）］，Ｉｎ₂ Ｏ₃ ／ＳｎＯ
₂ 薄膜によるもの［Ｍ．Ｈａｒｔｗｅｌｌ ａｎｄ
Ｃ．Ｇ．Ｆｏｎｓｔｅｄ：ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ＥＤ
Ｃｏｎｆ．，５１９（１９７５）］、炭素薄膜による
もの［荒木久 他：真空、第２６巻、第１号、２２頁
（１９８３）］等が報告されている。

【０００７】これらの表面伝導型電子放出素子の典型的
な例として前述のＭ．ハートウェルの素子構成を図１７
に模式的に示す。同図において１は基板である。４は導
電性薄膜で、Ｈ型形状のパターンに、スパッタで形成さ
れた金属酸化物薄膜等からなり、後述の通電フォーミン
グと呼ばれる通電処理により電子放出部５が形成され
る。尚、図中の素子電極間隔Ｌは、０．５〜１ｍｍ、Ｗ
は、０．１ｍｍで設定されている。

【０００８】従来、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導電性薄膜４を予め通電
フォーミングと呼ばれる通電処理によって電子放出部５
を形成するのが一般的であった。即ち、通電フォーミン
グとは前記導電性薄膜４の両端に直流電圧あるいは非常
にゆっくりとした昇電圧例えば１Ｖ／分程度を印加通電
し、導電性薄膜を局所的に破壊、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５を形成す
ることである。尚、電子放出部５は導電性薄膜４の一部
に亀裂が発生しその亀裂付近から電子放出が行われる。
前記通電フォーミング処理をした表面伝導型電子放出素
子は、上述導電性薄膜４に電圧を印加し、素子に電流を
流すことにより、上述電子放出部５より電子を放出せし
めるものである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】電子放出素子について
は、電子放出素子を適用した画像形成装置が明るい表示
画像を安定して提供できるよう更に安定な電子放出特性
及び電子放出の効率向上が要望されている。ここでの効
率は、表面伝導型電子放出素子の一対の素子電極に電圧
を印加した際に、両電極間を流れる電流（以下、「素子
電流」という）と真空中に放出される電流（以下、「電
子放出電流」という）との比で評価されるものであり、
素子電流が小さく、放出電流が大きい電子放出素子が望
まれている。安定的に制御し得る電子放出特性と効率の
向上がなされれば、例えば蛍光体を画像形成部材とする
画像形成装置においては、低電流で明るい高品位な画像
形成装置、例えばフラットテレビが実現できる。また、
低電流化にともない、画像形成装置を構成する駆動回路
等のロ−コスト化も図れる。

【００１０】しかしながら、上述のＭ．ハ−トウエルの
電子放出素子にあっては、安定な電子放出特性及び電子
放出効率について、必ずしも満足のゆくものが得られて
おらず、これを用いて高輝度で動作安定性に優れた画像
形成装置を提供するのは極めて難しいというのが実状で
ある。

【００１１】従って、上記のような応用に用いられる表
面伝導型電子放出素子は、実用的な印加電圧に対して良
好な電子放出特性を有し、長時間にわたってその特性を
保持し続けられることが必要である。

【００１２】本出願人等は、詳細な検討の結果、表面伝
導型電子放出素子の素子電流の最大到達値は、電子放出
部が形成される領域と絶縁性基体とが接触する領域の材
料によって変化し、例えばアルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）のよ
うに酸化物１モルが炭素によって還元される時の標準自
由エネルギーの値が大きい酸化物材料（難還元材料）を
含む割合がシリカ中に多く含まれる場合は表面伝導型電
子放出素子の素子電流の最大到達値が低く、その結果電
子放出量が小さいために輝度が低下することがわかっ
た。

【００１３】また、伝導型電子放出素子を形成する基体
にＮａ₂ Ｏのような酸化物１モルが炭素によって還元さ
れる時の標準自由エネルギーの値が小さい酸化物材料
（易還元材料）であっても、酸化物あるいはその酸化物
の低級酸化物（価数の小さく酸素との比率が異なる酸化
物）の蒸気圧が低い材料である場合は表面伝導型電子放
出素子の素子電流の最大到達値が低く、その結果電子放
出量が小さいために輝度が低下するという課題が存在し
た。

【００１４】また電子放出部が形成される領域と絶縁性
基体とが接触する領域の材料が易還元材料かつ蒸気圧の
高い材料であっても、その材料の比抵抗が大きい場合は
電子を放出後、画像形成装置において蛍光体上のスポッ
ト形状が広がったり、周期的に変動したり、パルス応答
が変動する現象が見られた。

【００１５】本発明は、上記問題を鑑み、良好な電子放
出特性と電子放出電流の増加による高輝度と電子放出の
高い安定性を実現する表面伝導型電子放出素子の構成と
それを用いた電子源及び画像形成装置を提供するもので
ある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述した課題
を解決するために鋭意検討を行って成されたものであ
り、下述する構成のものである。

【００１７】即ち、本発明の電子放出素子は、絶縁性基
体上に形成された、対向する一対の素子電極と、該素子
電極と電気的に接続し、電子放出部を有する導電性薄膜
からなる電子放出素子であって、前記基体と前記電子放
出素子との間に、炭素によって容易に還元される酸化物
材料とシリカ（ＳｉＯ₂）と導電性無機化合物フィラー
の混合物からなる材料によって構成される酸化物被膜が
設けられ、前記酸化物における２０００Ｋ以下の１モル
あたりの炭素還元による標準自由エネルギーの値が、前
記温度範囲でのシリカ１モルあたりの炭素還元による標
準自由エネルギーの値よりも小さく、かつ、上記酸化物
及び上記酸化物の低級酸化物の蒸気圧が１３３Ｐａ（１
Ｔｏｒｒ）の時の温度が１６００Ｋ以下であり、かつ上
記無機化合物フィラーの熱伝導率が５００Ｋ〜１５００
Ｋの範囲でシリ力より高いことを特徴とする電子放出素
子である。

【００１８】前記酸化物は、前記酸化物の材料がＡｓ₂
Ｏ₃、ＣｄＯ、ＧｅＯ、ＭｏＯ₃、ＰｂＯ、Ｐ₂Ｏ₅、Ｓｅ
Ｏ₂、ＴｅＯ₂、ＷＯ₃、ＺｎＯを少なくとも１種類以上
含む材料であることが好ましく、また前記酸化物被膜の
厚さは３００ｎｍ以上であり、前記酸化物の組成比はシ
リカ中に５０ｍｏｌ％以下の割合で含むことが好まし
い。

【００１９】前記無機化合物フィラーは、銀粉、銅粉、
金粉、黒鉛、カーボンプラック、炭素繊維、ニッケル
粉、セッラミックビーズに金あるいは銀あるいはニッケ
ルを被覆した粉体、酸化ルテニウム（ＲｕＯ₂）、酸化
インジウム（Ｉｎ₂Ｏ₃）、酸化錫（ＳｎＯ₂）、酸化ク
ロム（ＣｒＯ₂）を少なくとも１種類以上含んでいる。

【００２０】更に本発明は、電子源及び画像形成装置を
包含する。

【００２１】本発明の電子源は、入力信号に応じて電子
を放出する電子源であって、上記の電子放出素子を、基
体上に複数個配置したもので、好ましくは、個々の素子
の両端を配線に接続した電子放出素子の行を複数もち、
更に、入力信号に基づいて前記電子放出素子を変調する
変調手段を有することを特徴とする。更に好ましくは、
基体に、互いに電気的に絶縁されたｍ本のＸ方向配線と
ｎ本のＹ方向配線とに、前記電子放出素子の一対の素子
電極とを接続した電子放出素子を複数個配列したことを
特徴とするものである。

【００２２】本発明の画像形成装置は、入力信号にもと
づいて、画像を形成する装置であって、少なくとも、画
像形成部材と上記の電子源より構成されたことを特徴と
するものである。

【００２３】［作用］本発明の表面伝導型電子放出素子
によれば、安定した電子放出特性を長時間にわたって保
持し得る電子放出素子を実現できる。

【００２４】更に、本発明の画像形成装置によれば、長
時間にわたり安定で良好な画像を形成できる。

【００２５】以下、本発明を説明する。

【００２６】本出願人が電子放出部を形成する中間層と
して各種酸化物を用いた検討によると、素子電流Ｉｆお
よび電子放出電流Ｉｅを増加させる中間層の酸化物とし
てＡｓ₂ Ｏ₃ 、ＣｄＯ、ＧｅＯ、ＭｏＯ₃ 、ＰｂＯ、Ｐ
₂ Ｏ₅ 、ＳｅＯ₂ 、ＴｅＯ₂、ＷＯ₃ 、ＺｎＯの酸化物
を少なくとも１種類以上含む材料とシリカ（ＳｉＯ₂）
との混合酸化物に、無機化合物フィラーとしてＣ（ダイ
アモンド）、ＷＣ、Ｗ₂ Ｃ、ＴｉＣ、ＶＣ、ＳｉＣ、Ｎ
ｂＣ、ＢｅＯ、ＭｇＯ、ＴｈＯ₂ 、ＴａＢ₂ 、ＴｉＢ
₂ 、ＨｆＢ₂ 、ＢＮ、ＴａＮ、ＨｆＮ、ＴｉＮ、Ｚｒ
Ｎ、Ｓｉ₂ Ｎ₄ からなる数十ｎｍから数百ｎｍの化合物
粒子が数十ｖｏｌ％含まれた膜であった。酸化物材料は
以下の式に示すように、酸化物（ＭｘＯｙ）が炭素
（Ｃ）によって容易に還元が進行する材料であることが
わかった。

【００２７】ＭｘＯｙ＋ｙＣ＝ｘＭ＋ｙＣＯ＋△Ｇ１゜ さらに本出願人による詳細な検討によると、これらの材
料はある特定の温度（約２０００Ｋ以下）で比較する
と、上記反応における反応の標準自由エネルギー（△Ｇ
１゜）が、シリカ（ＳｉＯ₂）の反応の標準自由エネル
ギー ＳｉＯ₂＋２Ｃ＝Ｓｉ＋２ＣＯ＋△Ｇ２゜ より小さく（△Ｇ１゜＜△Ｇ２゜）その反応の標準自由
エネルギーの絶対値が小さい材料ほど素子電流が大きい
ことがわかった。

【００２８】また上記材料及び上記材料の低級酸化物
（価数がより小さい酸化物）の蒸気圧が１３３Ｐａの時
の温度が１６００Ｋ以下であることがわかっている。

【００２９】これは素子電流を得るための処理（活性化
と呼ぶ）において上記酸化物の還元反応と材料の蒸気圧
が関与していることを示唆している。

【００３０】図９に上記材料の一例としてＧｅＯとＳｉ
Ｏ₂ 炭素還元におけるそれぞれのの反応の標準自由エネ
ルギーを、表１に上記材料及び上記材料の低級酸化物の
１３３Ｐａを示すときの温度を示す。

【００３１】

【表１】

【００３２】特に後述する有機ガスを用いた活性化工程
では結果的に炭素あるいは炭素化合物の推積であること
が確認されているが、この時、上記反応式に示されるよ
うな基体に含まれる酸化物と炭素との還元反応によって
酸化物の体積減少が生じるだけでなく、活性化ガスの
熱、電子線エネルギーあるいは電界による炭素化と堆積
反応が同時に進行していることが考えられる。この時、
酸化物自身が炭素によって還元されることで一部低級酸
化物になって高い蒸気圧を持つ酸化物になることで、上
記酸化物材料が蒸発し、酸化物の反応界面での体積減少
がより基体方向に進行（以下これを溝形成と呼ぶ）され
るものと考えられる。

【００３３】すなわち、この溝形成と前述の炭素あるい
は炭素化合物の堆積が同時に進行することで、従来より
も電子放出部の断面積が広く、かつ深く形成されること
で、素子電流Ｉｆ及び電子放出電流Ｉｅの増大が図られ
たものと推察される。

【００３４】ただし、前述のように界面反応で溝が形成
されることは、基体及び酸化物の熱伝導特性、活性化ガ
ス種、発生温度、材料のもつ標準生成自由エネルギー変
化の絶対値等に応じてその深さ等の程度が変わると予想
されるので、従来素子構成の活性化においては溝がない
場合もありうる。

【００３５】以下本発明によって予想される電子放出部
の形成過程を説明する。

【００３６】図１０において、１は基体、４は導電性薄
膜、５は電子放出部形成材料、６はシリカと酸化物から
なる混合酸化物、７は導電性無機化合物フィラーであ
る。ここで、電子放出部形成材料５は後述するように、
ガス分解により得られた不定形状連続膜の形態を有す
る。混合酸化物６は、基体１上に導電性無機化合物フィ
ラー７を分散させるための母材として存在している。以
下混合酸化物６と導電性無機化合物フィラー７を含めて
酸化物被膜８と呼ぶ。

【００３７】図１０（ａ）は後述する活性化行程の初期
に生じる電子放出部形成の模式図を示している。すなわ
ち、活性化行程初期では導電性薄膜４間に電圧を印加す
ることで、混合酸化物６の表面に電子放出部形成材料と
なる有機活性化ガスが電界あるいは電子線エネルギーに
よって分解され、電子放出部形成材料５が堆積する。こ
の電子放出部形成材料５は後述のように炭素及び炭素化
合物からなり酸化物を還元させる能力を有している。導
電性無機化合物フィラー７は混合酸化物６中に均一に分
散されて、この後の駆動行程で発生する帯電を逃す役割
を果たしていると考えられる。

【００３８】活性化行程中期では、電子放出部形成材料
５の厚さが増加するだけでなく、電極間に電流が観測さ
れるようになり、ジュール熱による化学的反応が開始す
る。図１０（ｂ）のように電子放出部形成材料５と混合
酸化物６が接する部分で熱エネルギーによって還元反応
が生じる場合は、混合酸化物６が還元されて低級酸化物
が生成される。前述のように蒸気圧の大きな低級酸化物
は蒸発により基体方向に広がりながらその体積を減じ
る。同時に素子電流の増加に伴うジュール熱によって、
有機活性化ガスの分解と堆積が進行する。この時、熱の
広がりあるいは電子線のエネルギーによって反応界面近
傍だけでなく、図中不図示の比較的遠い素子電極領域の
上部にも電子放出部形成材料の堆積が生じる。尚、図中
には４は導電性薄膜間に電子放出部形成材料５が明確に
左右に分離して描かれているが、この構造についてはま
だ明らかではない。

【００３９】活性化行程後期では、図１０（ｃ）に示す
ようにさらに基体方向の溝形成と電子放出部形成材料５
の堆積が進行するが、ジュール熱による還元反応で消費
される電子放出部形成材料５の量と有機活性化ガスの分
解による堆積量（供給量）が釣り合うか、あるいはジュ
ール熱による電子放出部形成材料５の蒸発量と有機活性
化ガスの分解による堆積量（供給量）が釣り合うこと
で、素子電流の増加がしだいに鈍ると予想される。さら
に活性化が進行すると、溝形成領域の先端部で、深く溝
が形成されるほど外部からの有機活性化ガスの供給量が
少なくなるため、素子電流が一定値を保った後、次第に
減少すると予想される。この活性化過程から推察すると
素子電流の最大値は発生する温度、発生した熱の広が
り、化学反応の速度と自由エネルギーで表される反応の
容易さに密接に関連しているように思われる。

【００４０】次に酸化物被膜８の厚さについて述べる。

【００４１】図１１（ａ）は、後述する安定化行程にお
いて３００ｎｍ以下の厚さを持つ酸化物被膜８をアルカ
リを含むガラス基体に堆積し、２種類の電圧（２番目の
電圧を１番目よりも低い電圧で駆動）で素子を駆動した
ときの素子電流を駆動時間の対数でプロットしたもので
ある。図１１（ａ）から明らかな様に、低い電圧で素子
を駆動したときには次第に素子電流が増加し、その後減
少する特性が得られた。この特性は酸化物被膜８がない
場合、すなわち素子を直接基体上に作製した場合に、最
も顕著にその特性が表れる。

【００４２】酸化物被膜８の厚さが約３００ｎｍ以上で
は図１１（ｂ）に示すような、駆動時間によらず、素子
電流が一定となるような特性に近づき、その厚さが１μ
ｍではほぼ図１１（ｂ）に示す特性が得られた。画像形
成装置を安定に駆動するためには、図１１（ａ）よりも
図１１（ｂ）に示すような特性（２番目の低い電圧で駆
動したときに素子電流が駆動時間によらず一定）を持つ
素子が望まれており、各種ガラス基体に対して適する厚
さを評価したところ、石英、ソーダライムガラス、高歪
点ガラス、無アルカリガラスのいずれの場合にも最低３
００ｎｍ以上の厚さが必要であり、その厚さが厚いほど
図１１（ｂ）に示すような特性に近づくだけでなく、一
定電流を保持する時間が長い事が分かった。

【００４３】次に酸化物被膜８のシリ力と混合する場合
の組成比について述べる。酸化物被膜８は材料によって
は吸湿性を持つもの、炭酸塩に変化しやすいもの、毒性
のあるものがある。シリカとの混合比は各材料によって
異なるが、たとえぱＰ₂ Ｏ₅をシリカに添加する場合は
その吸湿性のため約５ｍｏｌ％程度が限度であり、Ｐ₂
Ｏ₅ とＧｅＯをシリカに添加する場合はＰ₂ Ｏ₅ が５ｍ
ｏｌ％、ＧｅＯが１０ｍｏｌ％程度である。Ｐ₂ Ｏ₅ 以
外のＡｓ₂ Ｏ₃ 、ＣｄＯ、ＧｅＯ、ＭｏＯ₃ 、ＰｂＯ、
ＳｅＯ₂ 、ＴｅＯ₂ 、ＷＯ₃ 、ＺｎＯは単体（シリカと
の混合なし）でも使用できるが、シリカとの混合比が５
０ｍｏｌ％以下で用いたほうが、単体での使用より取り
扱いの容易さ、平たん性、安定性、安全性に優れている
場合が多かった。

【００４４】次に導電性無機化合物フィラーについて述
べる。本出願人による検討によると導電性無機化合物フ
ィラーとして銀粉、銅粉、金粉、黒鉛、カーボンプラッ
ク、炭素繊維、ニッケル粉、セッラミックビーズに金あ
るいは銀あるいはニッケルを被覆した粉体、酸化ルテニ
ウム（ＲｕＯ₂ ）、酸化インジウム（Ｉｎ₂ Ｏ₃ ）、酸
化錫（ＳｎＯ₂ ）、酸化クロム（ＣｒＯ₂ ）からなる数
十ｎｍから数百ｎｍの化合物粒子であり、この材料を酸
化物材料（酸化物）とシリカ（ＳｉＯ₂ ）の混合物の中
に均一に分散させることで、上記導電性無機化合物フィ
ラーを含まない場合と比較して、電子放出を安定させる
ことが可能となった。

【００４５】電子放出を不安定にさせる原因の一つとし
て、電子放出素子を形成するときに用いる絶縁性基体の
帯電があげられる。画像形成装置に用いる表面伝導型電
子放出素子の場合、電子を放出して対向する陽極（フェ
ースプレート）に電子を衝突させることで陽極上の蛍光
体を光らせているが、この時、陽極に当たった電子の一
部は、陽極電圧で得たエネルギーをまったく失わずに、
陰極側の電子放出素子がならべられた基体リアプレー
ト）に向かって電子が戻ってくる。これを一般に反射電
子と呼んでいるが、この反射電子が陰極上の絶縁面に衝
突することで、一般にガラス等の絶縁面表面では電子１
個に対して１個以上の二次電子が放出され、これにより
次第に絶縁面は正に帯電する。また、陽極面に正の電圧
を印加すると、正に帯電した真空中のイオンが陰極面に
引き寄せられる方向であるため、陰極上の絶縁面は正に
帯電するようになる。帯電した正の電荷を取り除くため
には、絶縁面表面の比抵抗を下げて帯電面に電子を供給
することで中和するのが一般的である。

【００４６】本出願人の素子構成によると、酸化物材料
とシリカ（ＳｉＯ₂ ）の混合酸化物材料だけではその比
抵抗の高さのために帯電しやすいが、さらに前述の構成
に導電性無機化合物フィラーを添加することで絶縁面に
発生した電荷を電子を通じて中和する作用をもつ構成と
することが出来る。この構成により絶縁表面の帯電量を
減らし、電子放出の安定性が図られた。

【００４７】

【発明の実施の形態】次に本発明の好ましい実施態様を
示す。

【００４８】本発明を適用し得る表面伝導型電子放出素
子の基本的構成には大別して、平面型及び垂直型の２つ
がある。

【００４９】まず、平面型表面伝導型電子放出素子につ
いて説明する。

【００５０】図１は、本発明を適用可能な平面型表面伝
導型電子放出素子の構成を示す模式図であり、図１
（ａ）は平面図、図１（ｂ）は断面図である。

【００５１】図１において１は基体、２と３は素子電
極、４は導電性薄膜、５は電子放出部、８は酸化物被膜
（混合酸化物６と導電性無機化合物フィラー７を含む）
である。

【００５２】基体１としては、石英ガラス、Ｎａ等の不
純物含有量を減少したガラス、青板ガラス、高歪点ガラ
ス、無アルカリガラス、アルミナ等のセラミクス及びＳ
ｉ基板等を用いることができる。

【００５３】対向する素子電極２、３の材料としては、
一般的な導体材料を用いることができる。これは例えば
Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃ
ｕ、Ｐｄ等の金属或は合金及びＰｄ、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｕ
Ｏ₂ 、Ｐｄ−Ａｇ等の金属或は酸化物とガラス等から構
成されるの印刷導体、Ｉｎ₂ Ｏ₃ −ＳｎＯ₂ 等の透明導
電体及びポリシリコン等の半導体導体材料等から適宜選
択することができる。

【００５４】素子電極間隔Ｌ、素子電極長さＷ、導電性
薄膜４の形状等は、応用される形態等を考慮して、設計
される。素子電極間隔Ｌは、好ましく、数百ナノメート
ルから数百マイクロメートルの範囲とすることができ、
より好ましくは、素子電極間に印加する電圧等を考慮し
て数マイクロメートルから数十マイクロメートルの範囲
とすることができる。

【００５５】素子電極長さＷは、電極の抵抗値、電子放
出特性を考慮して、数マイクロメートルから数百マイク
ロメートルの範囲とすることができる。素子電極２、３
の膜厚ｄは、数百オングストロームから数マイクロメー
トルの範囲とすることができる。

【００５６】

【００５７】導電性薄膜４の膜厚は，素子電極２、３へ
のステップカバレージ、素子電極２、３間の抵抗値及び
後述するフォーミング条件等を考慮して適宜設定され
る。一般に、導電性薄膜４の熱的安定性は電子放出特性
の寿命を支配する重要なパラメータであり、導電性薄膜
４の材料としてより高融点な材料を用いるのが望まし
い。しかしながら、通常、導電性薄膜４の融点が高いほ
ど後述する通電フォーミングが困難となり、電子放出部
形成のためにより大きな電力が必要となる。さらに、そ
の結果得られる電子放出部は、電子放出し得る印加電圧
（しきい値電圧）が上昇するという問題が生じる場合が
ある。

【００５８】本発明においては、導電性薄膜４の材料と
して特に高融点のものを必要とはせず、比較的低いフォ
ーミング電力で良好な電子放出部が形成可能な材料・形
態のものを選ぶことができる。上記条件を満たす材料の
例として、Ｎｉ，Ａｕ，ＰｄＯ，Ｐｄ，Ｐｔ等の導電材
料をＲｓ（シート抵抗）が１０² から１０⁷ Ω／□の抵
抗値を示す膜厚で形成したものが好ましく用いられる。
なおＲｓは、厚さがｔ、幅がｗで長さがｌの薄膜の抵抗
Ｒを、Ｒ＝Ｒｓ（ｌ／ｗ）とおいたときの値である。上
記抵抗値を示す膜厚はおよそ５ナノメートルから５０ナ
ノメートルの範囲にある。

【００５９】さて、前に例示した材料のなかでも、Ｐｄ
Ｏは、有機Ｐｄ化合物の大気中焼成により容易に薄膜形
成できること、半導体であるため比較的電気伝導度が低
く上記範囲の抵抗値Ｒｓを得るための膜厚のプロセスマ
ージンが広いこと、電子放出部形成後、容易に還元して
金属Ｐｄとすることができるので膜抵抗を低減し耐熱性
も上昇すること、等から好適な材料である。しかしなが
ら、本発明の効果はＰｄＯに限られることなく、また、
上記例示した材料に限られるものではない。

【００６０】電子放出部５は、導電性薄膜４の一部に形
成された高抵抗の亀裂により構成され、導電性薄膜４の
膜厚、膜質、材料及び後述する通電フォーミング等の手
法等に依存したものとなる。電子放出部５の内部には、
数百ｐｍから数十ｎｍの範囲の粒径の導電性微粒子が存
在する場合もある。この導電性微粒子は、導電性薄膜４
を構成する材料の元素の一部、あるいは全ての元素を含
有するものとなる。電子放出部５及びその近傍の導電性
薄膜４には、後述する活性化工程を経た場合、炭素及び
炭素化合物を有する。この炭素及び炭素化合物の役割に
ついては、導電性薄膜４の一部として機能し、また、電
子放出部５を構成する物質として電子放出特性を支配す
ることが分かっているが、詳細は明らかではない。

【００６１】前述したとうり、酸化物被膜８には、シリ
カ（ＳｉＯ₂ ）との混合酸化物６に導電性無機化合物フ
ィラー７（不図示）が数十ｖｏｌ％含まれるように構成
されることが望ましいが酸化物６が、絶縁性である場合
はシリカと混合しない単一金属元素の酸化物であっても
よい。

【００６２】電子放出部を形成する中間層として各種酸
化物を用いた検討によると、素子電流Ｉｆおよび電子放
出電流Ｉｅを増加させる混合酸化物６に含まれる材料と
して、Ａｓ₂ Ｏ₃ 、ＣｄＯ、ＧｅＯ、ＭｏＯ₃ 、Ｐｂ
Ｏ、Ｐ₂ Ｏ₅ 、ＳｅＯ₂ 、ＴｅＯ₂ 、ＷＯ₃ 、ＺｎＯの
酸化物を少なくとも１種類以上含む材料とシリカ（Ｓｉ
Ｏ₂ ）との混合酸化物に、導電性無機化合物フィラー７
としては銀粉、銅粉、金粉、黒鉛、カーボンプラック、
炭素繊維、ニッケル粉、シリカ等のセラミックビーズに
金あるいは銀あるいはニッケルを被覆した粉体、酸化ル
テニウム（ＲｕＯ₂ ）、酸化インジウム（Ｉｎ₂ Ｏ
₃ ）、酸化錫（ＳｎＯ₂ ）、酸化クロム（ＣｒＯ₂ ）を
少なくとも１種類以上含む材料からなる数十ｎｍから数
百ｎｍの化合物粒子が数十ｖｏｌ％含まれた膜であっ
た。

【００６３】電子放出部に接する混合酸化物６に含まれ
る酸化物として、例えばＴｉＯ₂ 、ＺｒＯ₂ 、Ａｌ₂ Ｏ
₃ 等の材料を用いる場合は、２０００Ｋ以下の１モルあ
たりの炭素還元による標準自由エネルギーの値が大きい
ため、前記Ｃ、Ｓｉ、Ａｌ等では容易に還元できない。
例えばＡｌ₂ Ｏ₃ はＣ（炭素）で還元するには約２００
０Ｋ必要であり、実際にこの温度に反応界面の温度を上
げることは実用的ではない。

【００６４】本出願人による検討によると、例えばＡｓ
₂ Ｏ₃ 、ＧｅＯ、ＭｏＯ₃ 、ＰｂＯ、Ｐ₂ Ｏ₅ 、Ｒｅ₂
Ｏ₇ 、Ｓｂ₂ Ｏ₃ 、ＳｅＯ₂ 、ＳｎＯ₂ 、ＴｅＯ、ＷＯ
₃ 、ＺｎＯは７００Ｋ〜１６００Ｋの範囲で上記酸化物
１モルあたりの炭素還元による標準自由エネルギーの値
が小さいため、例えばＣで容易に還元することが可能で
ある。Ｃ（炭素）は反応に伴う酸化生成物がＣＯガスで
あるため反応生成物をつくらないため界面反応を長時間
持続させることが出来る還元材料としてきわめて理想的
な材料として特記しておく。

【００６５】前述のＡｓ₂ Ｏ₃ 、ＧｅＯ、ＭｏＯ₃ 、Ｐ
ｂＯ、Ｐ₂ Ｏ₅ 、Ｒｅ₂ Ｏ₇ 、Ｓｂ₂ Ｏ₃ 、ＳｅＯ₂ 、
ＳｎＯ₂ 、ＴｅＯ、ＷＯ₃ 、ＺｎＯなどの材料の多くは
大気中の水分と反応し、化合物を持つものが多く、単一
組成で使用するには困難なものが多い。このためこれら
の材料を用いる場合は、混合の酸化膜（母材十酸化物
（５０モル％以下））の構成で用いる方がより望まし
い。この時の望ましい母材としてはシリカ（ＳｉＯ₂ ）
があげられる。

【００６６】この混合酸化物の形態としては単なる酸化
物の混合物でもよいし、結晶構造を持っていてもよい。

【００６７】本発明の目的である電子源の素子電流向上
の目的では、さらに蒸気圧の高い酸化物材料あるいは蒸
気圧の高い低級酸化物に還元されるような材料を選択す
ることが望ましい。たとえばＳｉＯ₂ は、還元により蒸
気圧が高いＳｉＯとなるため、より低温で反応を生じさ
せることが可能となる。このような低級酸化物を作る材
料としては、ＳｎＯ₂ に対してはＳｎＯ、ＧｅＯ₂ に対
してはＧｅＯ、Ｒｅ₂Ｏ₇ に対してはＲｅＯ₃ 、ＲｅＯ₂
などが存在する。

【００６８】これらの酸化物はアルコキシド系の化合物
や市販のスピンコート材料を適当に混合、調整したもの
を用いて、焼成により酸化膜をつくる方法がある。

【００６９】導電性無機化合物フィラーは、銀粉、銅
粉、金粉、黒鉛、カーポンプラック、炭素繊維、ニッケ
ル粉、セッラミックビーズに金あるいは銀あるいはニッ
ケルを被覆した粉体、酸化ルテニウム（ＲｕＯ₂ ）、酸
化インジウム（Ｉｎ₂ Ｏ₃ ）、酸化錫（ＳｎＯ₂ ）、酸
化クロム（ＣｒＯ₂ ）からなる材料はあらかじめスピン
コート材料の中に粒子状のまま溶液中に分散されるよう
に混合され、その割合は望ましくは５０ｖｏｌ％以上、
粒子の粒径は構成される酸化物皮膜６の数十分の一が望
ましい。

【００７０】前期導電性無機化合物フィラー７が素子直
下に位置する場合は、前述の活性化行程においてその進
行を妨げる方向に作用する。このため望ましくは導電性
無機化合物フィラー７と素子との間には必ず混合酸化物
層６が存在するように、一度酸化物被膜８を形成後に、
さらに混合酸化物層６だけを酸化物被膜８上に被膜する
構成であっても良い。

【００７１】次に、垂直型表面伝導型電子放出素子につ
いて説明する。

【００７２】図３は、本発明の表面伝導型電子放出素子
を適用できる垂直型表面伝導型電子放出素子の一例を示
す模式図である。

【００７３】図３においては、図１に示した部位と同じ
部位には図１に付した符号と同一の符号を付している。
２１は、段差形成部である。基体１、素子電極２及び
３、導電性薄膜４、電子放出部５、酸化物被膜８（混合
酸化物６＋導電性無機化合物フィラー７）は、前述した
平面型表面伝導型電子放出素子の場合と同様の材料で構
成することができる。段差形成部２１は、真空蒸着法、
印刷法、スパッタ法等で形成されたＳｉＯ₂ 等の絶縁性
材料で構成することができる。段差形成部２１の膜厚
は、先に述べた平面型表面伝導型電子放出素子の素子電
極間隔Ｌに対応し、数１００ｎｍから数十μｍの範囲と
することができる。この膜厚は、段差形成部の製法、及
び、素子電極間に印加する電圧を考慮して設定される
が、数１０ｎｍから数μｍの範囲が好ましい。

【００７４】導電性薄膜４は、素子電極２及び３と段差
形成部２１作製後に、該素子電極２、３の上に積層され
る。電子放出部５は、図３においては、段差形成部２１
に形成されているが、作製条件、フォーミング条件等に
依存し、形状、位置ともこれに限られるものでない。

【００７５】段差形成部２１上に形成された酸化物被膜
８はシリカを主成分とし、前述の酸化物からなる混合酸
化物６に導電性無機化合物フィラ１７が含まれている。
ごく表面の一部に炭酸塩や水酸化物を含むこともある。
しかしながら、一般に炭酸塩や水酸化物は加熱された場
合、酸化物に変化し、最終的な融点（ないし昇華点）は
酸化物の状態で決まるため、特に問題になることはな
い。また、酸化物薄膜８の形成法は、アルコキシド系塗
布材に導電性無機物フィラ一を添加することによって形
成される。

【００７６】上述の表面伝導型電子放出素子の製造方法
としては様々な方法があるが、その一例を図４に模式的
に示す。

【００７７】１）基板１を洗剤、純水及び有機溶剤等を
用いて十分に洗浄し、シリカに燐を添加したアルコキシ
ドからなるスピンコート剤に、導電性無機化合物フィラ
ーを数十ｖｏ１％分散し、基板１に、塗布後、焼成する
ことで酸化物被膜８を形成する（図４（ａ））。なお、
形成された酸化物被膜８はシリカを主成分とし、残りを
前述の酸化物による混合層６と導電性無機化合物フィラ
ー７が含まれている。

【００７８】２）ホトリソ技術によって適当にパターニ
ングを行い、電極を蒸着法にて素子電極２、３を形成
し、この基体１に、有機金属溶液を塗布して、有機金属
薄膜を形成する。有機金属溶液には、前述の導電性膜４
の材料の金属を主元素とする有機金属化合物の溶液を用
いることができる。有機金属薄膜を加熱焼成処理し、リ
フトオフ、エッチング等によりパターニングし、導電性
薄膜４を形成する（図４（ｂ））。ここでは、有機金属
溶液の塗布法を挙げて説明したが、導電性薄膜４の形成
法はこれに限られるものでなく、真空蒸着法、スパッタ
法、化学的気相堆積法、分散塗布法、ディッピング法、
スピンナー法等を用いることもできる。

【００７９】３）つづいて、フォーミング工程を施す。
このフォーミング工程の方法の一例として通電処理によ
る方法を説明する。素子電極２、３間に、不図示の電源
を用いて、通電を行うと、導電性薄膜４の部位に、構造
の変化した電子放出部５が形成される（図４（ｄ））。
通電フォーミングによれば導電性薄膜４に局所的に破
壊、変形もしくは変質等の構造の変化した部位が形成さ
れる。該部位が電子放出部５を構成する。また、通電フ
ォーミング前に酸化物被膜８を形成した場合は、同時に
酸化物被膜８も局所的に破壊、変形もしくは変質等の構
造の変化を起こす場合がある。

【００８０】通電フォーミングの電圧波形の例を図５に
示す。

【００８１】電圧波形は、パルス波形が好ましい。これ
にはパルス波高値を定電圧としたパルスを連続的に印加
する図５（ａ）に示した手法とパルス波高値を増加させ
ながら、電圧パルスを印加する図５（ｂ）に示した手法
がある。

【００８２】図５（ａ）におけるＴ１及びＴ２は電圧波
形のパルス幅とパルス間隔である。通常Ｔ１は１マイク
ロ秒〜１０ミリ秒、Ｔ２は、１０マイクロ秒〜１００ミ
リ秒の範囲で設定される。三角波の波高値（通電フォー
ミング時のピーク電圧）は、表面伝導型電子放出素子形
態に応じて適宜選択される。このような条件のもと、例
えば、数秒から数十分間電圧を印加する。パルス波形は
三角波に限定されるものではなく、矩形波など所望の波
形を採用することができる。

【００８３】図５（ｂ）におけるＴ１及びＴ２は、図５
（ａ）に示したのと同様とすることができる。三角波の
波高値（通電フォーミング時のピーク電圧）は、例えば
０．１Ｖステップ程度づつ、増加させることができる。

【００８４】通電フォーミング処理の終了は、パルス間
隔Ｔ２中に、導電性薄膜２を局所的に破壊、変形しない
程度の電圧を印加し、電流を測定して検知することがで
きる。例えば０．１Ｖ程度の電圧印加により流れる素子
電流を測定し、抵抗値を求めて、１ＭΩ以上の抵抗を示
した時、通電フォーミングを終了させる。

【００８５】４）フォーミングを終えた素子には活性化
工程と呼ばれる処理を施すのが好ましい。活性化工程と
は、この工程により、素子電流Ｉｆ、放出電流Ｉｅが著
しく変化する工程である。

【００８６】活性化工程は、例えば、有機物質のガスを
含有する雰囲気下で、通電フォーミングと同様に、パル
スの印加を繰り返すことで行うことができる。この雰囲
気は、例えば油拡散ポンプやロータリーポンプなどを用
いて真空容器内を排気した場合に雰囲気内に残留する有
機ガスを利用して形成することができる他、イオンポン
プなどにより一旦十分に排気した真空中に適当な有機物
質のガスを導入することによっても得られる。このとき
の好ましい有機物質のガス圧は、前述の応用の形態、真
空容器の形状や、有機物質の種類などにより異なるた
め、場合に応じ適宜設定される。適当な有機物質として
は、アル力ン、アルケン、アルキンの脂肪族炭化水素
類、芳香族炭化水素類、アルコール類、アルデヒド類、
ケトン類、アミン類、ニトリル類、フェノール、カルボ
ン、スルホン酸等の有機酸類等を挙げることが出来、具
体的には、メタン、エタン、プロパンなどＣｎＨ_2n+2で
表される飽和炭化水素、エチレン、プロピレンなどＣ_n
Ｈ_2n等の組成式で表される不飽和炭化水素、ベンゼン、
トルエン、メタノール、エタノール、ホルムアルデヒ
ド、アセトアルデヒド、アセトン、メチルエチルケト
ン、メチルアミン、エチルアミン、フェノール、ベンゾ
ニトリル、アセトニトリル、蟻酸、酢酸、プロピオン酸
等が使用できる。この処理により、雰囲気中に存在する
有機物質から、炭素あるいは炭素化合物が素子上に堆積
し、素子電流Ｉｆ、放出電流Ｉｅが、著しく変化するよ
うになる。

【００８７】活性化工程の終了判定は、素子電流Ｉｆと
放出電流Ｉｅを測定しながら、適宜行う。なおパルス
幅、パルス間隔、パルス波高値などは適宜設定される。

【００８８】炭素及び炭素化合物とは、例えばグラファ
イト（いわいるＨＯＰＧ’，ＰＧ（，ＧＣ）を包含す
る、ＨＯＰＧはほぼ完全なグラファイトの結晶構造、Ｐ
Ｇは結晶粒が２０ｎｍ程度で結晶構造がやや乱れたも
の、ＧＣは結晶粒が２ｎｍ程度になり結晶構造の乱れが
さらに大きくなったものを指す。）、非晶質炭素（アモ
ルファス炭素及び、アモルファス炭素と前記グラファイ
トの微結晶の混合物を指す）であり、その膜厚は、５０
ｎｍ以下の範囲とするのが好ましく、３０ｎｍ以下の範
囲とすることがより好ましい。

【００８９】５）このような工程を経て得られた電子放
出素子は、安定化工程を行うことが好ましい。この工程
は、真空容器内の有機物質排気する工程である。真空容
器内の圧力は、１．３×１０^-5Ｐａ以下が好ましく、さ
らに１．３×１０^-6Ｐａ以下が特に好ましい。真空容器
を排気する真空排気装置は、装置から発生するオイルが
素子の特性に影響を与えないように、オイルを使用しな
いものを用いるのが好ましい。具体的には、ソープショ
ンポンプ、イオンポンプ等の真空排気装置を挙げること
が出来る。さらに真空容器内を排気するときには、真空
容器全体を加熱して、真空容器内壁や、電子放出素子に
吸着した有機物質分子を排気しやすくするのが好まし
い。このときの加熱条件は、８０〜２００℃で５時間以
上が望ましいが、特にこの条件に限るものではなく、真
空容器の大きさや形状、電子放出素子の構成などの諸条
件により適宜選ばれる条件により行う。

【００９０】安定化工程を行った後の、駆動時の雰囲気
は、上記安定化処理終了時の雰囲気を維持するのが好ま
しいが、これに限るものではなく、有機物質が十分除去
されていれば、真空度自体は多少低下しても十分安定な
特性を維持することが出来る。

【００９１】このような真空雰囲気を採用することによ
り、新たな炭素あるいは炭素化合物の堆積を抑制でき、
結果として素子電流Ｉｆ、放出電流Ｉｅが、安定する。

【００９２】上述した工程を経て得られた本発明を適用
可能な電子放出素子の基本特性について図６、図７を参
照しながら説明する。

【００９３】図６は、真空処理装置の一例を示す模式図
であり、この真空処理装置は測定評価装置としての機能
をも兼ね備えている。図６においても、図１に示した部
位と同じ部位には図１に付した符号と同一の符号を付し
ている。図６において、５５は真空容器であり、５６は
排気ポンプである。真空容器５５内には電子放出素子が
配されている。即ち、１は電子放出素子を構成する基体
であり、２及び３は素子電極、４は導電性薄膜、５は電
子放出部、６は金属被膜である。５１は、電子放出素子
に素子電圧Ｖｆを印加するための電源、５０は素子電極
２、３間の導電性薄膜４を流れる素子電流Ｉｆを測定す
るための電流計、５４は素子の電子放出部より放出され
る放出電流Ｉｅを捕捉するためのアノード電極である。
５３はアノード電極５４に電圧を印加するための高圧電
源、５２は素子の電子放出部５より放出される放出電流
Ｉｅを測定するための電流計である。一例として、アノ
ード電極の電圧を１ｋＶ〜１０ｋＶの範囲とし、アノー
ド電極と電子放出素子との距離Ｈを２ｍｍ〜８ｍｍの範
囲として測定を行うことができる。

【００９４】真空容器５５内には、不図示の真空計等の
真空雰囲気下での測定に必要な機器が設けられていて、
所望の真空雰囲気下での測定評価を行えるようになって
いる。排気ポンプ５６は、ターボポンプ、ロータリーポ
ンプからなる通常の高真空装置系と更に、イオンポンプ
等からなる超高真空装置系とにより構成されている。こ
こに示した電子源基板を配した真空処理装置の全体は、
不図示のヒーターにより２００℃まで加熱できる。ま
た、不図示の、金属化合物ガス導入装置等からなる成膜
装置を取付けてもよい。

【００９５】図７は、図６に示した真空処理装置を用い
て測定された放出電流Ｉｅ、素子電流Ｉｆと素子電圧Ｖ
ｆの関係を模式的に示した図である。図７においては、
放出電流Ｉｅが素子電流Ｉｆに比べて著しく小さいので
任意単位で示している。なお、縦・横軸ともリニアスケ
ールである。

【００９６】図７からも明らかなように、本発明を適用
可能な表面伝導型電子放出素子は、放出電流Ｉｅに関し
て三つの特徴的性質を有する。

【００９７】即ち、（ｉ）本素子はある電圧（しきい値
電圧と呼ぶ）以上の素子電圧を印加すると急激に放出電
流Ｉｅが増加し、一方しきい値電圧Ｖｔｈ以下では放出
電流Ｉｅがほとんど検出されない。つまり、放出電流Ｉ
ｅに対する明確なしきい値電圧Ｖｔｈを持った非線形素
子である。

【００９８】（ｉｉ）放出電流Ｉｅが素子電圧Ｖｆに単
調増加依存するため、放出電流Ｉｅは素子電圧Ｖｆで制
御できる。

【００９９】（ｉｉｉ）アノード電極５４に捕捉される
放出電荷は、素子電圧Ｖｆを印加する時間に依存する。
つまり、アノード電極５４に捕捉される電荷量は、素子
電圧Ｖｆを印加する時間により制御できる。

【０１００】以上の説明より理解されるように、本発明
を適用可能な表面伝導型電子放出素子は、入力信号に応
じて、電子放出特性を容易に制御できることになる。こ
の性質を利用すると複数の電子放出素子を配して構成し
た電子源、画像形成装置等、多方面への応用が可能とな
る。

【０１０１】図７においては、素子電流Ｉｆが素子電圧
Ｖｆに対して単調増加する（以下、「ＭＩ特性」とい
う）例を実線に示した。素子電流Ｉｆが素子電圧Ｖｆに
対して電圧制御型負性抵抗特性（以下、「ＶＣＮＲ特
性」という。）を示す場合もある（不図示）。これら特
性は、前述の工程を制御することで制御できる。

【０１０２】図８は、一定の素子電圧Ｖｆで、長時間駆
動したときの放出電流Ｉｅの時間変化を示したものであ
る。図中、上段に示したのは本発明による素子、下段に
示したのは酸化物被膜を形成しない比較用の素子のもの
である。

【０１０３】本発明に拠れば、基体と電子放出部の間に
形成された酸化物被膜によって高い電子放出電流を取り
出すことが可能な電子源を作成する事が可能となり、そ
の結果きわめて高輝度な電子放出素子を形成することが
可能となった。

【０１０４】以上のように本発明にかかわる電子放出素
子は、長時間にわたって安定かつ高輝度な電子放出特性
を有するため、多方面への応用が期待できる。

【０１０５】本発明を適用可能な電子放出素子の応用例
について以下に述べる。本発明を適用可能な表面伝導型
電子放出素子の複数個を基板上に配列し、例えば電子源
あるいは、画像形成装置が構成できる。

【０１０６】電子放出素子の配列については、種々のも
のが採用できる。

【０１０７】一例として、並列に配置した多数の電子放
出素子の個々を両端で接続し、電子放出素子の行を多数
個配し（行方向と呼ぶ）、この配線と直交する方向（列
方向と呼ぶ）で、該電子放出素子の上方に配した制御電
極（グリッドとも呼ぶ）により、電子放出素子からの電
子を制御駆動するはしご状配置のものがある。これとは
別に、電子放出素子をＸ方向及びＹ方向に行列状に複数
個配し、同じ行に配された複数の電子放出素子の電極の
一方を、Ｘ方向の配線に共通に接続し、同じ列に配され
た複数の電子放出素子の電極の他方を、Ｙ方向の配線に
共通に接続するものが挙げられる。このようなものは所
謂単純マトリクス配置である。まず単純マトリクス配置
について以下に詳述する。

【０１０８】本発明を適用可能な表面伝導型電子放出素
子については、前述したとおり（ｉ）乃至（ｉｉｉ）の
特性がある。即ち、表面伝導型電子放出素子からの放出
電子は、しきい値電圧以上では、対向する素子電極間に
印加するパルス状電圧の波高値と幅で制御できる。一
方、しきい値電圧以下では、殆ど放出されない。この特
性によれば、多数の電子放出素子を配置した場合におい
ても、個々の素子にパルス状電圧を適宜印加すれれば、
入力信号に応じて、表面伝導型電子放出素子を選択して
電子放出量を制御できる。

【０１０９】以下この原理に基ずき、本発明を適用可能
な電子放出素子を複数配して得られる電子源基体につい
て、図１３を用いて説明する。図１３において、１２１
は電子源基体、１２２はＸ方向配線、１２３はＹ方向配
線である。１２４は表面伝導型電子放出素子、１２５は
結線である。尚、表面伝導型電子放出素１２４は、前述
した平面型あるいは垂直型のどちらであってもよい。

【０１１０】ｍ本のＸ方向配線１２２は，ＤＸ１，ＤＸ
２，…ＤＸｍからなり、真空蒸着法、印刷法、スパッタ
法等を用いて形成された導電性金属等で構成することが
できる。配線の材料、膜厚、幅は適宜設計される。Ｙ方
向配線１２３は，ＤＹ１，ＤＹ２…ＤＹｎのｎ本の配線
よりなり、Ｘ方向配線１２２と同様に形成される。これ
らｍ本のＸ方向配線１２２とｎ本のＹ方向配線１２３と
の間には、不図示の層間絶縁層が設けられており、両者
を電気的に分離している（ｍ，ｎは、共に正の整数）。

【０１１１】不図示の層間絶縁層は、真空蒸着法、印刷
法、スパッタ法等を用いて形成されたＳｉＯ₂ 等で構成
される。例えば、Ｘ方向配線１２２を形成した基板１２
１の全面或は一部に所望の形状で形成され、特に、Ｘ方
向配線１２２とＹ方向配線１２３の交差部の電位差に耐
え得るように、膜厚、材料、製法が適宜設定される。Ｘ
方向配線１２２とＹ方向配線１２３は、それぞれ外部端
子として引き出されている。

【０１１２】表面伝導型放出素子１２４を構成する一対
の電極（不図示）は、ｍ本のＸ方向配線１２２とｎ本の
Ｙ方向配線１２３と導電性金属等からなる結線１２５に
よって電気的に接続されている。

【０１１３】配線１２２と配線１２３を構成する材料、
結線１２５を構成する材料及び一対の素子電極を構成す
る材料は、その構成元素の一部あるいは全部が同一であ
っても、またそれぞれ異なってもよい。これら材料は、
例えば前述の素子電極の材料より適宜選択される。素子
電極を構成する材料と配線材料が同一である場合には、
素子電極に接続した配線は素子電極ということもでき
る。

【０１１４】Ｘ方向配線１２２には、Ｘ方向に配列した
表面伝導型放出素子１２４の行を、選択するための走査
信号を印加する不図示の走査信号印加手段が接続され
る。一方、Ｙ方向配線１２３には、Ｙ方向に配列した表
面伝導型放出素子１２４の各列を入力信号に応じて、変
調するための不図示の変調信号発生手段が接続される。
各電子放出素子に印加される駆動電圧は、当該素子に印
加される走査信号と変調信号の差電圧として供給され
る。

【０１１５】上記構成においては、単純なマトリクス配
線を用いて、個別の素子を選択し、独立に駆動可能とす
ることができる。

【０１１６】このような単純マトリクス配置の電子源を
用いて構成した画像形成装置について、図１４と図１５
及び図１６を用いて説明する。図１４は、画像形成装置
の表示パネルの一例を示す模式図であり、図１５は、図
１４の画像形成装置に使用される蛍光膜の模式図であ
る。図１６は、ＮＴＳＣ方式のテレビ信号に応じて表示
を行なうための駆動回路の一例を示すブロック図であ
る。

【０１１７】図１４において、１２１は電子放出素子を
複数配した電子源基板、１３１は電子源基板１２１を固
定したリアプレート、１３６はガラス基板１３３の内面
に蛍光膜１３４とメタルバック１３５等が形成されたフ
ェースプレートである。１３２は支持枠であり、該支持
枠１３２には、リアプレート１３１、フェースプレート
１３６がフリットガラス等を用いて接続されている。１
３８は外囲器であり、例えば大気中あるいは窒素中で、
４００〜５００℃の温度範囲で１０分以上焼成すること
で、封着して構成される。１２４は、図１における電子
放出部に相当する。１２２、１２３は、表面伝導型電子
放出素子の一対の素子電極と接続されたＸ方向配線及び
Ｙ方向配線である。

【０１１８】外囲器１３８は、上述の如く、フェースー
プレート１３６、支持枠１３２、リアプレート１３１で
構成される。リアプレート１３１は主に基板１２１の強
度を補強する目的で設けられるため、基板１２１自体で
十分な強度を持つ場合は別体のリアプレート１３１は不
要とすることができる。即ち、基板１２１に直接支持枠
１３２を封着し、フェースプレート１３６、支持枠１３
２及び基板１２１で外囲器１３８を構成しても良い。一
方、フェースープレート１３６、リアプレート１３１間
に、スペーサーとよばれる不図示の支持体を設置するこ
とにより、大気圧に対して十分な強度をもつ外囲器１３
８を構成することもできる。

【０１１９】図１５は、蛍光膜を示す模式図である。蛍
光膜１３４は、モノクロームの場合は蛍光体のみから構
成することができる。カラーの蛍光膜の場合は、蛍光体
の配列によりブラックストライプあるいはブラックマト
リクスなどと呼ばれる黒色導電材１４１と蛍光体１４２
とから構成することができる。ブラックストライプ、ブ
ラックマトリクスを設ける目的は、カラー表示の場合、
必要となる三原色蛍光体の各蛍光体１４２間の塗り分け
部を黒くすることで混色等を目立たなくすることと、蛍
光膜１３４における外光反射によるコントラストの低下
を抑制することにある。ブラックストライプの材料とし
ては、通常用いられている黒鉛を主成分とする材料の
他、導電性があり、光の透過及び反射が少ない材料を用
いることができる。

【０１２０】ガラス基板に蛍光体を塗布する方法は、モ
ノクローム、カラーによらず、沈澱法、印刷法等が採用
できる。蛍光膜１３４の内面側には、通常メタルバック
１３５が設けられる。メタルバックを設ける目的は、蛍
光体の発光のうち内面側への光をフェースプレート１３
６側へ鏡面反射させることにより輝度を向上させるこ
と、電子ビーム加速電圧を印加するための電極として作
用させること、外囲器内で発生した負イオンの衝突によ
るダメージから蛍光体を保護すること等である。メタル
バックは、蛍光膜作製後、蛍光膜の内面側表面の平滑化
処理（通常、「フィルミング」と呼ばれる。）を行い、
その後Ａｌを真空蒸着等を用いて堆積させることで作製
できる。

【０１２１】フェースプレート１３６には、更に蛍光膜
１３４の導電性を高めるため、蛍光膜１３４の外面側に
透明電極（不図示）を設けてもよい。

【０１２２】前述の封着を行う際には、カラーの場合は
各色蛍光体と電子放出素子とを対応させる必要があり、
十分な位置合わせが不可欠となる。

【０１２３】図１４に示した画像形成装置は、例えば以
下のようにして製造される。

【０１２４】外囲器１３８は、前述の安定化工程と同様
に、適宜加熱しながら、イオンポンプ、ソープションポ
ンプなどのオイルを使用しない排気装置により不図示の
排気管を通じて排気し、１．３×１０^-5Ｐａ程度の真空
度の有機物質の十分少ない雰囲気にした後、封止が成さ
れる。外囲器１３８の封止後の真空度を維持するため
に、ゲッター処理を行なうこともできる。これは、外囲
器１３８の封止を行う直前あるいは封止後に、抵抗加熱
あるいは高周波加熱等を用いた加熱により、外囲器１３
８内の所定の位置（不図示）に配置されたゲッターを加
熱し、蒸着膜を形成する処理である。ゲッターは通常Ｂ
ａ等が主成分であり、該蒸着膜の吸着作用により、たと
えば、１．３×１０^-3Ｐａないしは１．３×１０^-5Ｐａ
の真空度を維持するものである。ここで、表面伝導型電
子放出素子のフォーミング処理以降の工程は適宜設定で
きる。

【０１２５】次に、単純マトリクス配置の電子源を用い
て構成した表示パネルに、ＮＴＳＣ方式のテレビ信号に
基づいたテレビジョン表示を行う為の駆動回路の構成例
について、図１６を用いて説明する。

【０１２６】図１６において、１５１は画像表示パネ
ル、１５２は走査回路、１５３は制御回路、１５４はシ
フトレジスタである。１５５はラインメモリ、１５６は
同期信号分離回路、１５７は変調信号発生器、Ｖｘおよ
びＶａは直流電圧源である。

【０１２７】表示パネル１５１は、端子Ｄｏｘ１乃至Ｄ
ｏｘｍ、端子Ｄｏｙ１乃至Ｄｏｙｎ、及び高圧端子Ｈｖ
を介して外部の電気回路と接続している。端子Ｄｏｘ１
乃至Ｄｏｘｍには、表示パネル内に設けられている電子
源、即ち、Ｍ行Ｎ列の行列状にマトリクス配線された表
面伝導型電子放出素子群を一行（Ｎ素子）ずつ順次駆動
する為の走査信号が印加される。

【０１２８】端子Ｄｙ１乃至Ｄｙｎには、前記走査信号
により選択された一行の表面伝導型電子放出素子の各素
子の出力電子ビームを制御する為の変調信号が印加され
る。高圧端子Ｈｖには、直流電圧源Ｖａより、例えば１
０ｋＶの直流電圧が供給されるが、これは表面伝導型電
子放出素子から放出される電子ビームに蛍光体を励起す
るのに十分なエネルギーを付与する為の加速電圧であ
る。

【０１２９】走査回路１５２について説明する。同回路
は、内部にＭ個のスイッチング素子を備えたもので（図
中、Ｓ１ないしＳｍで模式的に示している）ある。各ス
イッチング素子は、直流電圧源Ｖｘの出力電圧もしくは
０［Ｖ］（グランドレベル）のいずれか一方を選択し、
表示パネル１５１の端子Ｄｘ１ないしＤｘｍと電気的に
接続される。Ｓ１乃至Ｓｍの各スイッチング素子は、制
御回路１５３が出力する制御信号Ｔｓｃａｎに基づいて
動作するものであり、例えばＦＥＴのようなスイッチン
グ素子を組み合わせることにより構成することができ
る。

【０１３０】直流電圧源Ｖｘは、本例の場合には表面伝
導型電子放出素子の特性（電子放出しきい値電圧）に基
づき走査されていない素子に印加される駆動電圧が電子
放出しきい値電圧以下となるような一定電圧を出力する
よう設定されている。

【０１３１】制御回路１５３は、外部より入力する画像
信号に基づいて適切な表示が行なわれるように各部の動
作を整合させる機能を有する。制御回路１５３は、同期
信号分離回路１５６より送られる同期信号Ｔｓｙｎｃに
基づいて、各部に対してＴｓｃａｎおよびＴｓｆｔおよ
びＴｍｒｙの各制御信号を発生する。

【０１３２】同期信号分離回路１５６は、外部から入力
されるＮＴＳＣ方式のテレビ信号から同期信号成分と輝
度信号成分とを分離する為の回路で、一般的な周波数分
離（フィルター）回路等を用いて構成できる。同期信号
分離回路１５６により分離された同期信号は、垂直同期
信号と水平同期信号より成るが、ここでは説明の便宜上
Ｔｓｙｎｃ信号として図示した。前記テレビ信号から分
離された画像の輝度信号成分は便宜上ＤＡＴＡ信号と表
した。該ＤＡＴＡ信号はシフトレジスタ１５４に入力さ
れる。

【０１３３】シフトレジスタ１５４は、時系列的にシリ
アルに入力される前記ＤＡＴＡ信号を、画像の１ライン
毎にシリアル／パラレル変換するためのもので、前記制
御回路１５３より送られる制御信号Ｔｓｆｔに基づいて
動作する（即ち、制御信号Ｔｓｆｔは，シフトレジスタ
１５４のシフトクロックであるということもでき
る。）。シリアル／パラレル変換された画像１ライン分
（電子放出素子Ｎ素子分の駆動データに相当）のデータ
は、Ｉｄ１乃至ＩｄｎのＮ個の並列信号として前記シフ
トレジスタ１５４より出力される。

【０１３４】ラインメモリ１５５は、画像１ライン分の
データを必要時間の間だけ記憶する為の記憶装置であ
り、制御回路１５３より送られる制御信号Ｔｍｒｙに従
って適宜Ｉｄ１乃至Ｉｄｎの内容を記憶する。記憶され
た内容は、Ｉ’ｄ１乃至Ｉ’ｄｎとして出力され、変調
信号発生器１５７に入力される。

【０１３５】変調信号発生器１５７は、画像データＩ’
ｄ１乃至Ｉ’ｄｎの各々に応じて表面伝導型電子放出素
子の各々を適切に駆動変調する為の信号源であり、その
出力信号は、端子Ｄｏｙ１乃至Ｄｏｙｎを通じて表示パ
ネル１１１内の表面伝導型電子放出素子に印加される。

【０１３６】前述したように、本発明を適用可能な電子
放出素子は放出電流Ｉｅに対して以下の基本特性を有し
ている。即ち、電子放出には明確なしきい値電圧Ｖｔｈ
があり、Ｖｔｈ以上の電圧を印加された時のみ電子放出
が生じる。電子放出しきい値以上の電圧に対しては、素
子への印加電圧の変化に応じて放出電流も変化する。こ
のことから、本素子にパルス状の電圧を印加する場合、
例えば電子放出閾値以下の電圧を印加しても電子放出は
生じないが、電子放出閾値以上の電圧を印加する場合に
は電子ビームが出力される。その際、パルスの波高値Ｖ
ｍを変化させる事により出力電子ビームの強度を制御す
ることが可能である。また、パルスの幅Ｐｗを変化させ
ることにより出力される電子ビームの電荷の総量を制御
する事が可能である。従って、入力信号に応じて、電子
放出素子を変調する方式としては、電圧変調方式、パル
ス幅変調方式等が採用できる。電圧変調方式を実施する
に際しては、変調信号発生器１５７として、一定長さの
電圧パルスを発生し、入力されるデータに応じて適宜パ
ルスの波高値を変調するような電圧変調方式の回路を用
いることができる。

【０１３７】パルス幅変調方式を実施するに際しては、
変調信号発生器１５７として、一定の波高値の電圧パル
スを発生し、入力されるデータに応じて適宜電圧パルス
の幅を変調するようなパルス幅変調方式の回路を用いる
ことができる。

【０１３８】シフトレジスタ１５４やラインメモリ１５
５は、デジタル信号式のものをもアナログ信号式のもの
をも採用できる。画像信号のシリアル／パラレル変換や
記憶が所定の速度で行なわれれば良いからである。

【０１３９】デジタル信号式を用いる場合には、同期信
号分離回路１５６の出力信号ＤＡＴＡをデジタル信号化
する必要があるが、これには１５６の出力部にＡ／Ｄ変
換器を設ければ良い。これに関連してラインメモリ１５
５の出力信号がデジタル信号かアナログ信号かにより、
変調信号発生器１５７に用いられる回路が若干異なった
ものとなる。即ち、デジタル信号を用いた電圧変調方式
の場合、変調信号発生器１５７には、例えばＤ／Ａ変換
回路を用い、必要に応じて増幅回路などを付加する。パ
ルス幅変調方式の場合、変調信号発生器１５７には、例
えば高速の発振器および発振器の出力する波数を計数す
る計数器（カウンタ）及び計数器の出力値と前記メモリ
の出力値を比較する比較器（コンパレータ）を組み合せ
た回路を用いる。必要に応じて、比較器の出力するパル
ス幅変調された変調信号を表面伝導型電子放出素子の駆
動電圧にまで電圧増幅するための増幅器を付加すること
もできる。

【０１４０】アナログ信号を用いた電圧変調方式の場
合、変調信号発生器１５７には、例えばオペアンプなど
を用いた増幅回路を採用でき、必要に応じてレベルシフ
ト回路などを付加することもできる。パルス幅変調方式
の場合には、例えば、電圧制御型発振回路（ＶＣＯ）を
採用でき、必要に応じて表面伝導型電子放出素子の駆動
電圧まで電圧増幅するための増幅器を付加することもで
きる。

【０１４１】このような構成をとり得る本発明を適用可
能な画像表示装置においては、各電子放出素子に、容器
外端子Ｄｏｘ１乃至Ｄｏｘｍ、Ｄｏｙ１乃至Ｄｏｙｎを
介して電圧を印加することにより、電子放出が生ずる。
高圧端子Ｈｖを介してメタルバック１３５、あるいは透
明電極（不図示）に高圧を印加し、電子ビームを加速す
る。加速された電子は、蛍光膜１３４に衝突し、発光が
生じて画像が形成される。

【０１４２】ここで述べた画像形成装置の構成は、本発
明を適用可能な画像形成装置の一例であり、本発明の技
術思想に基づいて種々の変形が可能である。入力信号に
ついては、ＮＴＳＣ方式を挙げたが入力信号はこれに限
られるものではなく、ＰＡＬ、ＳＥＣＡＭ方式など他の
ものでも良く、これよりも、多数の走査線からなるＴＶ
信号（例えば、ＭＵＳＥ方式をはじめとする高品位Ｔ
Ｖ）方式をも採用できる。

【０１４３】本発明の画像形成装置は、テレビジョン放
送の表示装置、テレビ会議システムやコンピューター等
の表示装置の他、感光性ドラム等を用いて構成された光
プリンターとしての画像形成装置等としても用いること
ができる。

【０１４４】

【実施例】以下、具体的な実施例を挙げて本発明を詳し
く説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるもの
ではなく、本発明の目的が達成される範囲内での各要素
の置換や設計変更がなされたものをも包含する。

【０１４５】［実施例１］本発明にかかわる基本的な表
面伝導型電子放出素子の構成は、図１（ａ），（ｂ）の
平面図及び断面図と同様である。

【０１４６】本発明に係わる表面伝導型電子放出素子の
製造法は、基本的には図４と同様である。以下、図１、
図４を用いて、本発明に関わる素子の基本的な構成及び
製造法を説明する。

【０１４７】図１において、１は基体、２と３は素子電
極、４は導電性薄膜、５は電子放出部、６は混合酸化
物、７は導電性無機化合物フィラー、８は混合酸化物６
と導電性無機化合物フィラー７から構成される酸化物被
膜である。

【０１４８】以下、順をおって製造方法の説明を図１及
び図４に基づいて説明する。

【０１４９】工程−ａ ソーダライムガラスからなる基体１を洗剤、純水及び有
機溶剤等を用いて十分に洗浄し、シリカに燐を添加した
アルコラートからなるスピンコート剤（高純度化学製Ｐ
Ｓ‐Ｏ５）に粒径０．１μｍ程度の酸化錫（ＳｎＯ₂ ）
からなる導電性無機化合物フィラーを数１０ｖｏｌ％添
加した。基体１に、前述のコート材を塗布後、２００℃
３０分、４８０℃で１時間焼成することで酸化物被膜８
を厚さ約１μｍに形成する。

【０１５０】この行程によって焼成後酸化物としてＳｉ
Ｏ₂ にＰ₂ Ｏ₅ が５ｗｔ％含まれる混合酸化膜が形成さ
れ、この膜中にＳｎＯ₂ フィラー材料が均一に分散され
る酸化物被膜８が形成される。

【０１５１】工程−ｂ 基体１上に、Ｐｔ／Ｔｉをスパッタリング蒸着法にて厚
さ５ナノメートルのＴｉ、厚さ５０ナノメートルのＰｔ
を順次堆積した。素子電極２、３と所望の素子電極間ギ
ャップＬとなるべきパターンをホトレジスト（ＡＺ−１
３７０）で形成し、ついでＡｒイオンによるドライエッ
チングを行い、素子電極間隔Ｌは１０マイクロメートル
とし、素子電極の幅Ｗを３００マイクロメートル、を有
する素子電極２、３を形成した。

【０１５２】工程−ｃ そのうえに有機Ｐｄ（ｃｃｐ４２３０奥野製薬（株）
製）をスピンナーにより回転塗布、３００℃で１２分間
の加熱焼成処理をし、主元素としてＰｄよりなる導電性
薄膜４を形成した。この導電性薄膜４の膜厚は１０ナノ
メートル、シート抵抗値は２×１０⁴ Ω／□であった。

【０１５３】工程−ｄ 焼成後の導電性薄膜４をレーザーによる直接描画による
パターニングを行って所望のパターンを形成した。

【０１５４】以上の工程により基体１上に、酸化物層
６、素子電極２、３、導電性薄膜４を形成した。

【０１５５】工程−ｅ 次に、測定評価装置に設置し、真空ポンプにて排気し、
２．７×１０^-3Ｐａの真空度に達した後、素子に素子電
圧Ｖｆを印加するための不図示の電源より、素子の素子
電極２、３間に電圧を印加し、通電フォーミングを行な
った。通電フォーミング処理の電圧波形は図５に示した
ものである。

【０１５６】図中、Ｔ１及びＴ２は電圧波形のパルス幅
とパルス間隔であり、本実施例ではＴ１を１ミリ秒、Ｔ
２を１０ミリ秒とし、矩形波の波高値（フォーミング時
のピーク電圧）は０．１Ｖステップで昇圧し、フォーミ
ング処理を行なった。また、フォーミング処理中は、同
時に、０．１Ｖの電圧で、Ｔ２間に抵抗測定パルスを挿
入し、抵抗を測定した。尚フォーミング処理の終了は、
抵抗測定パルスでの測定値が、約１Ｍオーム以上になっ
た時とし、同時に、素子への電圧の印加を終了した。

【０１５７】この後、素子を１．３×１０^-7Ｐａの超高
真空中に保持した。

【０１５８】工程−ｆ 続いて、トルニトリルをアンプルに封じたものをスロー
リークバルブを通して真空内に導入し、１．３×１０^-4
Ｐａを維持した。次にフォーミング処理した素子に、図
１２に示した波形で波高値を１４Ｖで、活性化処理をし
た。

【０１５９】活性化処理とは、前述した様に、（装置図
６）の測定評価装置内で、素子電極間に、パルス電圧を
印加した。従来の素子では素子の最大素子電流は約３０
分後に達成されるが、本発明による素子は約１５分で最
大になった。この後約２０分ほど、活性化を続けた後に
通電を停止し、スローリークバルブを閉め、活性化処理
を終了した。

【０１６０】工程−ｇ こうして、電子放出部５を形成し電子放出素子を作製
し、電子放出形状（図８）を評価した。なお、アノード
電極と電子放出素子間の距離を４ｍｍ、アノード電極の
電位を６０００Ｖ、電子放出特性測定時の真空装置内の
真空度を１．３×１０^-8Ｐａとし、素子の電極２及び３
の間に素子電圧を１５Ｖ印加した。この時の電子放出形
状を陽極の蛍光体に形成される電子放出形状をＣＣＤカ
メラに捕らえて記録した。

【０１６１】図８は本発明による導電性無機化合物フィ
ラーを入れた素子と導電性フィラーを入れない比較用素
子について、陽極電圧を６ＫＶ印可した直後の電子放出
形状と５０時間駆動後の電子放出形状を示している。比
較用素子では５０時間後に電子放出形状が明らかに広が
り、その径が約２０％程度大きくなった。また両素子に
おいて高電圧を印加直後に見られるスポットの中心付近
の輝度の高い部分は比較用素子において５０時間後には
輝度が低下した。以上のことから本発明による導電性無
機化合物フィラーを添加することで長時間電子放出形状
と輝度を安定に保つことが確認された。また本発明によ
る素子構成とすることで放電の回数が低下することも確
認された。

【０１６２】さらに、基体１としてソーダライムガラ
ス、ＰＤＰ（プラズマディスプレー）用高歪点ガラスを
用い、導電性薄膜４の材料として上記ＰｄＯの他、Ｐ
ｄ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ａｕのスパッタ膜を用い、またスピン
コート材としては上記燐とシリカの混合膜材料だけでな
く、燐とホウ素を含むシリカ膜を形成する材料を用い、
導電性無機化合物フィラーとして酸化ルテニウム（Ｒｕ
Ｏ₂ ）、酸化インジウム（Ｉｎ₂ Ｏ₃ ）、酸化クロム
（ＣｒＯ₂ ）でも、同様の効果が得られた。

【０１６３】以上のように本実施例では、長時間にわた
り安定な電子放出特性が得られた。

【０１６４】［実施例２］本実施例では本発明にかかわ
る基本的な表面伝導型電子放出素子の構成は、図１
（ａ）、（ｂ）の平面図及び断面図と同様である。

【０１６５】工程−ａ 最初に、プラズマディスプレー用ガラス（旭硝子製ＰＤ
２００）からなる基体１上にＳＹＭＥＴＲＩＸ社製の酸
化ゲルマニウム（ＧｅＯ₂ ）塗布材料と酸化シリコン塗
布材料を混合し、焼成後の酸化ゲルマニウムの成分比が
４ｍｏｌ％以下となるように組成を適当に調整した。こ
の中に導電性無機化合物フィラー材としての粒径０．２
μｍ程度の金（Ａｕ）粒子を３０ｖｏｌ％加えた。清浄
化した基体１に前述の溶液を用いて引き上げ速度２０ｍ
ｍ／ｍｉｎでディップコーティングを行った。この基体
を１２０℃で３０分乾燥した後、４２０℃で３０分前焼
成を行い、５００℃で６０分本焼成を行い厚さ約２μｍ
の酸化物被膜層８を形成した。

【０１６６】工程−ｂから工程−ｇまで、第一の実施例
と同様の工程を行なった。

【０１６７】さらに、また混合酸化物６として上記Ｇｅ
Ｏ₃ の他、Ａｓ₂ Ｏ₃ 、ＣｄＯ、ＳｅＯ₂ 、ＴｅＯ₂ 、
ＷＯ₃ 、ＺｎＯの酸化物をＳＹＭＥＴＲＩＸ社製の塗布
材料で形成し、導電性無機化合物フィラーとして銀粉、
銅粉、金粉、黒鉛、カーポンプラック、炭素繊維、ニッ
ケル粉を用いた種々の組み合わせによっても、同様の効
果が得られた。

【０１６８】以上のように本実施例においても、長時間
にわたり安定な電子放出特性が得られた。

【０１６９】［実施例３］本実施例では本発明にかかわ
る基本的な表面伝導型電子放出素子の構成は、図２
（ｃ）、（ｄ）の平面図及び断面図に示す。

【０１７０】工程−ａ 清浄化したソーダライムガラス基体上に、ＰｂＯ（約５
０ｍｏｌ％）を主成分（残りＳｉＯｘ、Ｂｉ₂ Ｏ₃ 、Ｚ
ｎＯ、セルロース）とするスクリーン印刷用絶縁性ペー
ストに粒径１．０μｍ程度のシリカビーズ（ＳｉＯ₂ ）
の表面に厚さ約１００ｎｍの金（Ａｕ）を無電界めっき
法にて被覆した導電性無機化合物フィラー材を、５０ｖ
ｏｌ％含むペーストを作製した。このペーストを用い
て、スクリーン印刷法にて素子が形成される領域よりも
広い領域に印刷を行った。この基板を４８０℃で焼成
し、セルロース等のバインダを飛ばした。この時、出来
上がりの酸化物被膜８の厚さは約２０μｍであった。

【０１７１】次に研磨による基板平滑処理を行い、洗浄
後乾燥させた。

【０１７２】工程−ｂから工程−ｇまで、第一の実施例
と同様の工程を行なった。

【０１７３】以上のように本実施例において導電性無機
化合物フィラーとしてセラミックピーズに金あるいは銀
あるいはニッケルを被覆した粉体をもちいても、長時間
にわたり安定な電子放出特性が得られた。

【０１７４】［実施例４］本実施例では、テレビジョン
放送をはじめとする種々の画像情報源より提供される画
像情報を表示できるように構成した表示装置の一例を示
す。

【０１７５】図１３は本発明が適用できる単純マトリク
ス配置の電子源を表す模式図である。

【０１７６】図１３において、１２１は電子源基体、１
２２はＸ方向配線、１２３はＹ方向配線である。１２４
は表面伝導型電子放出素子、１２５は結線である。尚、
表面伝導型電子放出素１２４は、前述した平面型の電子
放出素子である。

【０１７７】最初にソーダライムガラスからなる基体１
を洗剤、純水及び有機溶剤等を用いて十分に洗浄し、シ
リカに燐を添加したアルコラートからなるスピンコート
剤（高純度化学製ＰＳ−Ｏ５）に住友化学社製の粒径
０．１μｍ程度Ａｌ₂ Ｏ₃ からなる導電性無機化合物フ
ィラーを数３０ｖｏｌ％添加した。基体１に、前述のコ
ート材を塗布後、２００℃３０分、４８０℃で１時間焼
成することで酸化物被膜８を厚さ約２μの厚さに堆積し
た。次にスパッタ法にて厚さ約５００ÅのＰｔを蒸着
し、ＡＺ１３７０レジストを用いて電極パターン形成
後、Ａｒのドライエッチングにて素子電極を形成した。
表面伝導型放出素子１２４を構成する一対の素子電極
（不図示）は、後述のｍ本のＸ方向配線８２とｎ本のＹ
方向配線１２３と導電性金属等からなる結線１２５によ
って電気的に接続されている。

【０１７８】ｍ本のＸ方向配線１２２は、ＤＸ１、ＤＸ
２、・・・ＤＸｍからなり、スタリーン印刷法を用いて
銀を主成分とした金属ペースト材料を印刷し、４８０℃
で１０分間焼成し、配線１２２を構成した。Ｙ方向配線
１２３もＤＹ１、ＤＹ２・・・ＤＹｎのｎ本の配線より
なり、Ｘ方向配線１２２と同様に形成される。これらｍ
本のＸ方向配線１２２とｎ本のＹ方向配線１２３との間
には、不図示の層間絶縁層が設けられており、両者を電
気的に分離している（ｍ、ｎは、共に正の整数）。

【０１７９】不図示の層間絶縁層は、スクリーン印刷法
用いて形成された酸化鉛を含むガラス材料で構成され約
４８０℃２０分間焼成を行った。Ｘ方向配線１２２とＹ
方向配線１２３は、それぞれ外部端子として引き出され
ている。

【０１８０】配線１２２と配線１２３を構成する材料、
結線１２５を構成する材料及び一対の素子電極を構成す
る材料は、その構成元素の一部あるいは全部が同一であ
っても、またそれぞれ異なってもよい。これら材料は、
例えば前述の素子電極の材料より適宜選択される。素子
電極を構成する材料と配線材料が同一である場合には、
素子電極に接続した配線は素子電極ということもでき
る。

【０１８１】Ｘ方向配線１２２には、Ｘ方向に配列した
表面伝導型放出素子１２４の行を、選択するための走査
信号を印加する不図示の走査信号印加手段が接続され
る。一方、Ｙ方向配線１２３には、Ｙ方向に配列した表
面伝導型放出素子１２４の各列を入力信号に応じて、変
調するための不図示の変調信号発生手段が接続される。
各電子放出素子に印加される駆動電圧は、当該素子に印
加される走査信号と変調信号の差電圧として供給され
る。

【０１８２】上記構成においては、単純なマトリクス配
線を用いて、個別の素子を選択し、独立に駆動可能とす
ることができる。図１４に示した画像形成装置を図１６
に示した駆動回路を用いて、ＮＴＳＣ方式のテレビ信号
に応じて表示を行なった。

【０１８３】図１４において、１２１は電子放出素子を
複数配した電子源基体、１３１は電子源基体１２１を固
定したリアプレート、１３６はガラス基体１３３の内面
に蛍光膜１３４とメタルバック１３５等が形成されたフ
ェースプレートである。１３２は支持枠であり、該支持
枠１３２には、リアプレート１３１、フエースプレート
１３６がフリットガラス等を用いて接続されている。１
３８は外囲器であり、例えば大気中あるいは、窒素中
で、４００〜５００℃の温度範囲で１０分以上焼成する
ことで、封着して構成される。

【０１８４】本表示装置においては、とりわけ表面伝導
型電子放出素子を電子ビーム源とするデイスプレイパネ
ルの薄形化が容易なため、表示装置の奥行きを小さくす
ることができる。それに加えて、表面伝導型電子放出素
子を電子ピーム源とするディスプレイパネルは、大画面
化が容易で輝度が高く視野角特性にも優れるため、本表
示装置は臨場感にあふれ迫力に富んだ画像を視認性良く
去示する事が可能である。

【０１８５】本実施例における表示装置は、ＮＴＳＣ方
式のテレビ信号に応じたテレビ画像を良好に、かつ長時
間安定して表示することができた。

【０１８６】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明の表面伝導型
電子放出素子によれば、高い電子放出電流を取り出すこ
とが可能な電子放出素子を提供できる。

【０１８７】さらには、入力信号に応じて電子を放出す
る電子源においては、上記の電子放出素子を、基体上に
複数個配置して電子源を構成することにより、また、個
々の素子の両端を配線に接続した電子放出素子の行を複
数もち、更に、変調手段を有している配置法、あるい
は、基体に、互いに、電気的に、絶縁されたｍ本のＸ方
向配線とｎ本のＹ方向配線とに、該電子放出素子の一対
の素子電極とを接続した電子放出素子を複数個配列した
配置とする電子源とすることで、各電子放出素子が、良
好な電子放出特性を長時間にわたり保持し得る電子源を
提供できる。

【０１８８】また、画像形成装置においては、画像形成
部材と前記電子源より構成され、入力信号に基づいて画
像を形成するため、電子放出特性の安定性と寿命の向上
がなされ、例えば蛍光体を画像形成部材とする画像形成
装置においては、高品位な画像形成装置例えば、カラー
フラットテレビが、実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に好適な基本的な表面伝導型電子放出素
子の構成を示す模式的平面図及び断面図である。

【図２】本発明の表面伝導型電子放出素子の他の構成を
示す模式的平面図及び断面図である。

【図３】本発明に好適な基本的な垂直型表面伝導型電子
放出素子の構成を示す模式図である。

【図４】本発明に好適な表面伝導型電子放出素子の製造
方法の一例を示す図である。

【図５】本発明に好適な通電フォーミングの電圧波形の
例を示す図である。

【図６】電子放出特性を測定するための測定評価装置の
概略構成図である。

【図７】本発明に好適な表面伝導型電子放出素子の放出
電流Ｉｅ及び素子電流Ｉｆと素子電圧Ｖｆの関係の典型
的な例を示す図である。

【図８】本発明に係わる表面伝導型電子放出素子の駆動
時間による電子放出形状の変化の典型例を示す図であ
る。

【図９】本発明に係わる酸化物の自由エネルギーの例を
示した図である。

【図１０】本発明に係わる活性化進行の形態を例示した
模式図である。

【図１１】本発明に係わる表面伝導型電子放出素子の駆
動時間による放出電流Ｉｅの典型的な変化例を示した図
である。

【図１２】本発明に好適な活性化パルスの形状を示した
図である。

【図１３】単純マトリクス配置の電子源を示す図であ
る。

【図１４】画像形成装置の衷示パネルの概略構成図であ
る。

【図１５】蛍光膜を示す図である。

【図１６】画像形成装置をＮＴＳＣ方式のテレビ信号に
応じて表示を行なう例を示す駆動回路のブロック図であ
る。

【図１７】従来の表面伝導電子放出素子の平面図であ
る。

【符号の説明】

１ 基体 ２、３ 素子電極 ４ 導電性薄膜 ５ 電子放出部 ６ 混合酸化物 ７ 導電性無機化合物フィラー ８ 酸化物被膜 ２１ 段差形成部 ５０ 素子電流Ｉｆを測定するための電流計 ５１ 素子電圧Ｖｆを印加するための電源 ５２ 放出電流Ｉｅを測定するための電流計 ５３ 高圧電源 ５４ アノード電極 ５５ 真空装置 ５６ 排気ポンプ １２１ 電子源基体 １２２ Ｘ方向配線 １２３ Ｙ方向配線 １２４ 表面伝導型電子放出素子 １２５ 結線 １３１ リアプレート １３２ 支持枠 １３３ ガラス基体 １３４ 蛍光膜 １３５ メタルバック １３６ フェースプレート １３７ 高圧端子 １３８ 外囲器 １４１ 黒色導電材 １４２ 蛍光体 １５１ 表示パネル １５２ 走査回路 １５３ 制御回路 １５４ シフトレジスタ １５５ ラインメモリ １５６ 同期信号分離回路 １５７ 変調信号発生器 Ｖｘ及びＶａ 直流電圧源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 1/316

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁性基体上に形成された、対向する一
   対の素子電極と、該素子電極と電気的に接続し電子放出
   部を有する導電性薄膜とからなる電子放出素子におい
   て、 前記基体と前記電子放出素子との間に、炭素によって容
   易に還元される酸化物材料とシリカ（ＳｉＯ₂）と導電
   性無機化合物フィラーの混合物からなる材料によって構
   成される酸化物被膜が設けられ、 前記酸化物における２０００Ｋ以下の１モルあたりの炭
   素還元による標準自由エネルギーの値が、前記温度範囲
   でのシリカ１モルあたりの炭素還元による標準自由エネ
   ルギーの値よりも小さく、かつ、前記酸化物及び前記酸
   化物の低級酸化物の蒸気圧が１３３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）
   の時の温度が１６００Ｋ以下であり、かつ上記無機化合
   物フィラーの熱伝導率が５００Ｋ〜１５００Ｋの範囲で
   シリカより高いことを特徴とする電子放出素子。
2. 【請求項２】 前記酸化物の材料は、Ａｓ₂ Ｏ₃ 、Ｃｄ
   Ｏ、ＧｅＯ、ＭｏＯ₃ 、ＰｂＯ、Ｐ₂ Ｏ₅ 、ＳｅＯ₂ 、
   ＴｅＯ₂ 、ＷＯ₃ 、ＺｎＯを少なくとも１種類以上含む
   材料であることを特徴とする請求項１記載の電子放出素
   子。
3. 【請求項３】 前記酸化物被膜の厚さは、３００ｎｍ以
   上であることを特徴とする請求項１又は２記載の電子放
   出素子。
4. 【請求項４】 前記酸化物はシリカ中に５０ｍｏｌ％以
   下の割合で含まれていることを特徴とする請求項１から
   ３のいずれかに記載の電子放出素子。
5. 【請求項５】 前記導電性無機化合物フィラーは、銀
   粉、銅粉、金粉、黒鉛、カーボンプラック、炭素繊維、
   ニッケル粉、セラミックビーズに金あるいは銀あるいは
   ニッケルを被覆した粉体、酸化ルテニウム（ＲｕＯ₂ ）
   粉、酸化インジウム（Ｉｎ₂ Ｏ₃ ）粉、酸化錫（ＳｎＯ
   ₂ ）粉、酸化クロム（ＣｒＯ₂ ）粉を少なくとも１種類
   以上含む材料であることを特徴とする請求項１から４の
   いずれかに記載の電子放出素子。
6. 【請求項６】 入力信号に応じて電子を放出する電子源
   であって、請求項１から５のいずれかに記載の電子放出
   素子を、基体上に複数個配置したことを特徴とした電子
   源。
7. 【請求項７】 前記基体に、複数の電子放出素子を並列
   に配置し、個々の前記電子放出素子の両端を、配線に接
   続した電子放出素子の行を複数もち、更に、入力信号に
   基づいて前記電子放出素子を変調する変調手段を有する
   ことを特徴とする請求項６記載の電子源。
8. 【請求項８】 前記基体に、互いに電気的に絶縁された
   ｍ本のＸ方向配線とｎ本のＹ方向配線とに、前記電子放
   出素子の一対の素子電極を接続した電子放出素子を、複
   数個配列したことを特徴とする請求項７記載の電子源。
9. 【請求項９】 入力信号に基づいて、画像を形成する装
   置であって、少なくとも、画像形成部材と、請求項６か
   ら８に記載のいずれかの電子源とを具備して構成された
   ことを特徴とする画像形成装置。