JP3619205B2 - Electron emitting device, electron source, and image forming apparatus - Google Patents

Electron emitting device, electron source, and image forming apparatus Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子放出素子、該素子を複数用いた電子源、およびこれらを用いた表示装置や露光装置等の画像形成装置に関する。
【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源と冷陰極電子源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源には電界放出型(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。FE型の例としてはW.P.Dyke&W.W.Dolan,”Field emission”,Advance in Electoron Physics,8,89(1956)あるいはC.A.Spindt,”PHYSICAL Propertiesof thin−film field emission cathodes with molybdenum cones”,J.Appl.Phys.,47,5248(1976)等に開示されたものが知られている。
【0003】
MIM型の例としてはC.A.Mead,”Operation of Tunnel−Emission Devices”,J.Apply.Phys.,32,646(1961)等に開示されたものが知られている。
【0004】
表面伝導型電子放出素子の例としては、M.I.Elinson,Recio・Eng.Electron Phys.,10,1290,(1965)等に開示されたものがある。
【0005】
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SnO薄膜を用いたもの、Au薄膜によるもの[G.Dittmer:”Thin Solid Films”,9,317(1972],In/SnO薄膜によるもの[M.Hartwell and C.G.Fonstad:”IEEE Trans.ED Conf.”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頁(1983)]等が報告されている。
【0006】
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11に模式的に示す。同図において111は基板である。114は導電性膜で、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、通電処理により電子放出部115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。
【0007】
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膜114に予め通電フォーミングと呼ばれる通電処理を施して電子放出部115を形成するのが一般的であった。即ち、前記導電性膜114両端に直流電圧或いはパルス電圧を印加し、導電性膜114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た電子放出部115を形成するのである。このとき、導電性膜114の一部に亀裂が発生し、微小間隙が形成される。
【0008】
前記微小間隙を形成した表面伝導型電子放出素子は、上述導電性膜114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115(微小間隙付近)より電子を放出させるものである。
【0009】
以上のような電子放出素子を複数個形成した電子源基板を用いれば、蛍光体などからなる画像形成部材と組み合わせることで画像形成装置を構成することができる。
【0010】
しかしながら、上述のM.ハー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のが実状であった。
【0011】
そこで、例えば特開平08−264112、特開平08−162015、特開平09−027268、特開平09−027272、特開平10−003848、特開平10−003847、特開平10−003853、特開平10−003854号公報等に開示されているように、活性化処理と呼ばれる処理を施す場合がある。活性化処理工程とは、この工程により、素子電流I、放出電流Iが著しく変化する工程である。
【0012】
活性化工程は、有機物質を含有する雰囲気下で、フォーミング処理同様、素子にパルス電圧の印加を繰り返すことで行うことができる。この処理により、雰囲気中に存在する有機物質から、炭素や炭素化合物からなる膜が素子の少なくとも電子放出部に堆積し、素子電流I,放出電流Iが、著しく変化し、より良好な電子放出特性を得ることができるようになる。
【0013】
図19を用いて、従来の電子放出素子の製造方法の一例を示す。
【0014】
まず、基板1上に、第1の電極2と、第2の電極3を配置する(図19(a))。
【0015】
次に、第1および第2の電極間をつなぐ導電性膜4を配置する(図19(b))。
【0016】
そして、前述したフォーミング処理を行う。具体的には、上記導電性膜に電流を流すことで、導電性膜4の一部に第2の間隙6を形成する(図19(c))。
【0017】
さらに、前述した活性化処理を行う。具体的には、上記導電性膜に電流を流すことで、第2の間隙6内の基板1上、およびその近傍の導電性膜4上にカーボン膜10を配置する。この活性化工程により、上記第2の間隙よりも狭い、第1の間隙7が形成され、電子放出部5が形成される(図19(d))。
【0018】
【発明が解決しようとする課題】
電子放出素子を適用した画像形成装置が明るい画像を安定して表示するためには、より更に高い電子放出効率で且つ安定した電子放出特性を、より更に長時間保持し続けられること技術が望まれている。
【0019】
ここでいう電子放出効率とは、電子放出素子の一対の対向する素子電極間に電圧を印加したとき、該電極間に流れる電流(以下、素子電流Iと呼ぶ)に対する真空中に放出される電流(以下、放出電流Iと呼ぶ)との比率である。
【0020】
高い電子放出効率を長時間にわたり安定的に制御することができれば、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、低電力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可能となる。
【0021】
このような応用に用いるためには、実用的な電圧(例えば10V〜20V)で十分な放出電流Iが得られること、放出電流Iおよび素子電流Iが駆動中に大きく変動しないこと、長時間にわたり放出電流I及び素子電流Iが劣化しないこと、が求められる。
【0022】
しかしながら、前述した従来の表面伝導型電子放出素子の製造方法では、以下のような問題点があった。
【0023】
素子の電子放出効率、寿命等の素子特性は、活性化工程によって堆積した炭素あるいは炭素化合物からなるカーボン膜10(図19(d)参照)の構造や安定性によって左右されるようになる。
【0024】
また、上記したフォーミング工程により形成される第2の間隙6の形状は、図20に模式的に示すように、その幅が不均一な形状に形成される場合があった。図20は、フォーミング工程を行った素子(図19(c))の平面模式図である。また、フォーミング工程により形成される第2の間隙6は、電極2、3間で大きく蛇行する場合があった。このように、フォーミング工程により形成される第2の間隙6の形状が不均一であると、素子電極2,3間に電圧をかけた時、上記間隙6に生じる電界が不均一となる。
【0025】
前記不均一な第2の間隙6を有する素子においても、前述の活性化工程を施すことによって、炭素や炭素化合物からなるカーボン膜10を、上記間隙6内の基板1上およびその近傍の導電性膜4上に堆積させることにより、上記間隙6を埋め、間隙の幅を実質的に狭めることができる。
【0026】
その結果、フォーミング工程によって形成された間隙6の幅のばらつきを低減することができるとともに、放出電流Iおよび素子電流Iを増大させることができる。
【0027】
しかしながら、上記活性化工程を行っても、素子電極2,3から間隙6までの距離の不均一さ(間隙6の蛇行)は基本的に低減されない。
【0028】
そして、また、フォーミング工程によって形成された間隙6の幅の不均一さに依存して、活性化工程によって形成される、カーボン膜10の堆積量が不均一となる場合があった。
【0029】
これらの不均一性によって、素子電極2,3間に電圧をかけた時、第1の間隙7部に実効的に印加される電圧が不均一となる、また、領域によって放出電流Iの違いが生じたり、また、局所的に大きな電界がかかり劣化しやすい領域が生じることがある。
【0030】
そして、必要な電子放出効率が得られなかったり、放出電流Iが素子間でばらついたり、駆動中の特性の変動や劣化が生じる場合があった。
【0031】
従って、電子放出素子を用いたフラットテレビ等に応用可能な高品位な画像形成装置を実現するためには、該電子放出素子の電子放出部に、より一層好適な構造と安定性を有する炭素あるいは炭素化合物からなるカーボン膜を形成する必要がある。
【0032】
本発明は、上記問題を鑑み、良好な電子放出特性を均一に、長時間にわたり安定して実現する電子放出素子の製造方法を達成し、該製造方法を用いて電子源及び画像形成装置の製造方法を構成し、これらの製造方法によって、良好な電子放出特性が均一に得られる電子放出素子、電子源、さらには該電子源を用いてなる高輝度で均一な表示特性に優れた画像形成装置を提供するものである。
【0033】
【課題を解決するための手段】
本発明は、間隙をおいて対向配置された一対の導電性膜と、前記導電性膜上と前記間隙内に配置された、前記間隙内に当該間隙よりも狭い間隙を形成するカーボン膜を有する電子放出素子であって、前記導電性膜上のカーボン膜の、膜厚方向における比抵抗が、0.001Ωm以下であることを特徴とする。
【0034】
また、上記本発明の電子放出素子は、複数の電子放出素子を有する電子源に好ましく適用することができる。
【0035】
また、上記本発明の電子放出素子は、電子源と、画像形成部材とを有する画像形成装置に好ましく適用することができる。
【0036】
本発明の電子放出素子の製造方法は、基板上に、第2の間隙を有する導電性部材を配置する工程と、炭素化合物を含む雰囲気下で、前記導電性部材から離れて配置した電子放出手段から、少なくとも前記第2の間隙に、電子線を照射を照射する工程と、炭素化合物を含む雰囲気下で、前記導電性部材に電圧を印加する工程と、を有することを特徴とする。
【0037】
また、本発明の電子放出素子の製造方法は、基板上に、第2の間隙を置いて第1および第2の導電性部材を配置する工程と、炭素化合物を含む雰囲気下で、前記導電性部材から離れて配置した電子放出手段から、少なくとも前記第2の間隙に、電子線を照射をする工程と、炭素化合物を含む雰囲気下で、前記第1および第2の導電性部材間に電圧を印加する工程と、を有することを特徴とする。
【0038】
また、本発明の電子放出素子の製造方法は、基板上に、第2の間隙を有する導電性部材を配置する工程と、炭素化合物を含む雰囲気下で、前記導電性部材から離れて配置した電子放出手段から、少なくとも前記第2の間隙に、電子線を照射をしながら前記導電性部材に電圧を印加する工程と、を有することを特徴とする。
【0039】
また、本発明の電子放出素子の製造方法は、基板上に、第2の間隙を置いて第1および第2の導電性部材を配置する工程と、炭素化合物を含む雰囲気下で、前記導電性部材から離れて配置した電子放出手段から、少なくとも前記第2の間隙に、電子線を照射をしながら前記第1および第2の導電性部材間に電圧を印加する工程と、を有することを特徴とする。
【0040】
また、本発明の電子放出素子の製造方法は、基板上に、第2の間隙を有する導電性部材を配置する工程と、炭素化合物を含む雰囲気下で、前記導電性部材に電圧を印加している期間内に、前記導電性部材から離れて配置した電子放出手段から、少なくとも前記第2の間隙に電子線を照射をする工程と、を有することを特徴とする。
【0041】
また、本発明の電子放出素子の製造方法は、基板上に、第2の間隙を置いて第1および第2の導電性部材を配置する工程と、炭素化合物を含む雰囲気下で、前記第1および第2の導電性部材間に電圧を印加している期間内に、前記導電性部材から離れて配置した電子放出手段から、少なくとも前記第2の間隙に電子線を照射をする工程と、を有することを特徴とする。
【0042】
また、上記本発明の製造方法は、複数の電子放出素子を有する電子源の製造方法に好ましく適用することができる。
【0043】
また、上記本発明の製造方法は、電子源と、画像形成部材とを有する画像形成装置の製造方法に好ましく適用することができる。
【0044】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の製造方法の一例を図1、図2、図4を用いて詳細に説明する。
【0045】
図1は、本発明が好ましく適用される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。図2、図4は本発明の製造方法の一部を示す模式図である。
【0046】
図1、図2、図4中、11は基板、12,13は素子電極、14は導電性膜、15は炭素を主成分とするカーボン膜(導電性被膜)、100は電子放出部、16は第2の間隙、17は第1の間隙である。
【0047】
(工程A)
まず、対向する電極12、13を作成する。そのために、基板11を洗剤、純水および有機溶剤等を用いて十分に洗浄し、真空蒸着法、スパッタ法等により電極材料を堆積後、フォトリソグラフィー技術を用いて基板11上に電極12、13を形成する(図2(a))。あるいは、オフセット印刷法などの印刷法により電極を作成することもできる。好ましくは印刷法、その中でも特にオフセット印刷法を用いれば安価に大面積に形成できるので好ましい。
【0048】
本発明において、基板11には、Na等の不純物含有量を減少したガラス、石英ガラス、青板ガラス、青板ガラスにスパッタ法等により形成したSiOを積層したガラス基板及びセラミックス及びSi基板等を用いることもできる。
【0049】
電極12,13の材料としては、ごく一般的な導体材料を用いることができる。例えばNi、Cr、Au、Mo、W、Pt、Ti、Al、Cu、Pd等の金属或いは合金、及びPd、Ag、Au、RuO、Pd−Ag等の金属或いは金属酸化物、あるいは上記金属、合金、金属酸化物のいずれかとガラス等から構成される印刷導体、あるいは、また、In−SnO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される。
【0050】
素子電極間隔L、素子電極長さW、導電性膜14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、好ましくは数百nm〜数百μmの範囲とし、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μm〜数十μmの範囲とする。
【0051】
素子電極長さWは、電極の抵抗値、電子放出特性を考慮すると、好ましくは数μm〜数百μmの範囲であり、素子電極12、13の膜厚dは、好ましくは数十nm〜数μmの範囲である。
【0052】
尚、図1に示した構成だけでなく、基板1上に、導電性膜14、対向する素子電極12、13の順に積層した構成とすることもできる。
【0053】
(工程B)
次に、導電性膜14を形成する。例えば電極12、13を設けた基板11に、有機金属溶液を塗布して、有機金属膜を形成する。有機金属溶液は、前述の導電性膜14の材料の金属を主元素とする有機金属化合物の溶液である。この有機金属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、導電性膜14を形成する(図2(b))。ここでは、有機金属溶液の塗布法を挙げて説明したが、導電性膜4の形成法はこれに限られるものではなく、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、インクジェット法等を用いることができる。
【0054】
インクジェット法を用いた場合には、10ngから数十ng程度の微小液滴を再現性良く発生し基板に付与することができ、フォトリソグラフィによるパターニングや真空プロセスが不要であるため、生産性の上から好ましい。インクジェット法の装置としては、エネルギー発生素子として電気熱変換体を用いたバブルジェット(登録商標)タイプ、或いは圧電素子を用いたピエゾジェットタイプ等が使用可能である。上記液滴の焼成手段としては、電磁波照射手段や加熱空気照射手段、基板全体を加熱する手段が用いられる。電磁波照射手段としては、例えば赤外線ランプ、アルゴンイオンレーザー、半導体レーザー等を用いることができる。
【0055】
導電性膜14を構成する材料は、Pd,Pt,Ru,Ag,Au,Ti,In,Cu,Cr,Fe,Zn,Sn,Ta,W,Pd等の金属、PdO,SnO,In,PbO,Sb等の酸化物、HfB,ZrB,LaB,CeB,YB,GdB等の硼化物、TiC,ZrC,HfC,Ta,C,SiC,WC等の炭化物、TiN,ZrN,HfN等の窒化物、Si,Ge等の半導体、を用いることが可能である。
【0056】
導電性膜14の膜厚は、素子電極12、13へのステップカバレージ、素子電極12、13間の抵抗値等を考慮して適宜設定されるが、通常は、数Å〜数百nmの範囲とするのが好ましく、より好ましくは1nm〜50nmの範囲とするのが良い。その抵抗値は、Rsが1×10〜1×10Ω/□の値である。尚、Rsは、幅がwで長さがlの薄膜の長さ方向に測定した抵抗RをR=Rs(l/w)とおいた時の値である。
【0057】
(工程C)
次に、導電性膜14に第2の間隙16を形成するフォーミング工程を行う。具体的には、一対の電極12,13間に電圧(特にはパルス電圧)を印加し、導電性膜14に電流を流すことで通電を行うことにより、該導電性膜14の一部に、局所的に破壊、変形もしくは変質等の構造の変化した微小間隙16を形成する(図2(c))。尚、同図では間隙16を境に、導電性膜14が、左右に完全に分離されて示されているが、一部でつながっている場合もある。そのため、上記フォーミング工程を行って間隙16が形成された導電性膜14は、間隙16を置いて対向する一対の導電性膜(導電性部材)14ということもできるし、また、間隙16を有する導電性膜(導電性部材)14と言うこともできる。
【0058】
上記通電処理における電圧波形の一例を図3に示す。図3においてパルス幅Tは1μsec〜10msec、パルス間隔Tは10μsec〜10msecの範囲で自由に設定される。三角波の波高値は、導電性膜の材質、膜厚に応じて選択される。以上の条件のもと、数秒から数十分間パルス電圧を印加する。間隙16の形成の完了は、電圧印加時の電流値を測定しておき、電流値がある設定値以下になったことをもって判定すればよい。例えば、0.1V程度の電圧印加により流れる電流を測定し、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する。
【0059】
(工程D)
上記のように形成された第2の間隙16を有する導電性膜14に対して、炭素を主成分とするカーボン膜(導電性被膜)15を形成する、活性化工程を行う(図2(d))。この工程により、素子電流I、放出電流Iを著しく増大させることができる。
【0060】
本発明においては、この活性化工程において、図4に示したように、電子放出素子の外部に電子放出手段41を別途を設け、該電子放出手段から射出される電子線を、間隙16近傍で下記▲1▼から▲3▼のいずれかの領域に照射しながら、電極12,13間に電圧を印加して炭素を主成分とする導電性被膜(カーボン膜)15の形成を行う。つまり、電子放出手段からの電子線照射と同時に電極12,13間に電圧印加を行うのである。
【0061】
前記電子線の照射領域としては、
▲1▼前記間隙16内の基体11、
▲2▼前記間隙16内の基体11およびその近傍の導電性膜14、
あるいは
▲3▼前記間隙16内の基体11および導電性膜14さらには電極12,13、
のいずれかである。好ましくは上記▲3▼の領域に照射する。
【0062】
また、前記活性化工程において、電極12,13間への電圧印加は、好ましくはパルス電圧を繰り返し印加することによって行う。更に、本発明においては、好ましくは図2や図22に示した様に、両極性のパルス電圧を印加する。
【0063】
カーボン膜15は、炭素化合物ガス(有機物質ガス)を含有する雰囲気下で、導電性膜14(一対の電極12,13間)にパルス電圧の印加を繰り返すことに加えて、電子放出素子の外部に設けた電子放出手段41から射出される電子線を、間隙16近傍に照射することで形成することができる。
【0064】
尚、図4において、前記素子と電子放出手段41は、同一の真空容器中に設置されている。電子放出手段41には熱陰極を電子線源として使用し、加速電圧を与えることによって加速する構造を用いれば良い。
【0065】
電子放出手段41から放出される電子線は、間隙16内のみに絞る必要はなく、電極12,13間に印加する電圧、活性化時の炭素化合物ガスの分圧などを加味し、間隙16を中心として、数μm以上の広がりを持たせることが好ましい。
【0066】
しかしながら、あまり広い領域に電子線を照射させると、必要としない領域にまで炭素化合物が堆積する可能性がある。そのため、電子放出手段41から放出された電子線を、電子線遮蔽手段42によって遮蔽して広がりを抑えることが好ましい。
【0067】
上記加速電圧は、1kVから20kV程度に設定されることが好ましい。つまり、1keV以上20keV以下のエネルギーを持つ電子線を照射することが好ましい。電子線照射は、連続的(DC的)に照射してもよいし、前記電極12,13間に印加するパルス電圧に同期させてパルス照射しても良い。好ましくは連続的(DC的)に照射しつつ、前記素子電極に印加する電圧をパルス状にすることが好ましい。
【0068】
本発明の活性化工程においては、好ましくは、電子放出手段41からの電子線を照射させながら、素子電極12,13間に電圧を印加することが好ましい。つまり、素子電極12,13間に電圧が印加されている期間中に、電子放出手段からの電子線を上記▲1▼から▲3▼のいずれかの領域に照射する。
【0069】
上記本発明の活性化工程により形成されたカーボン膜15は、上記電極12,13のそれぞれに、導電性膜14を介し、あるいは直接に、接続される。
【0070】
また、上記活性化工程によって形成される導電性被膜(カーボン膜)15は、図2(d)に示すように第1の間隙17をおいて対向して配される。尚、図では第1の間隙17を境に、カーボン膜15が左右に、完全に分離されて示されているが、その一部でつながっている場合もある。そのため、上記活性化工程を行って形成されたカーボン膜15は、間隙17を置いて対向する一対のカーボン膜(導電性部材)15ということもできるし、また、間隙17を有するカーボン膜(導電性部材)15と言うこともできる。
【0071】
上記活性化工程の雰囲気に用いられる炭素化合物(有機物質)としては、アルカン、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、フェノール、カルボン酸、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C2n+2で表される飽和炭化水素、エチレン、プロピレンなどC2n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、蟻酸、酢酸、プロピオン酸等あるいはこれらの混合物が使用できる。
【0072】
上記従来の活性化工程の際には、第2の間隙16を流れる電流のみによって、雰囲気中に存在する炭素化合物(有機物質)が分解し、炭素或いは炭素化合物が第2の間隙16内の基板上及びその近傍の導電性膜14上に堆積し、間隙16(形成途中の間隙17)近傍から放出された電子が、前記炭素あるいは炭素化合物に照射されることによって、更には一部が結晶化し、導電性を有するようになると考えている。
【0073】
活性化工程によって得られるカーボン膜(導電性被膜)15の結晶構造は、グラファイト構造および/または非晶質構造を含む。また、該カーボン膜15の形成過程において、これらの中間的な構造を有することがある。グラファイト構造をとった場合、高い導電性が得られるが、非晶質構造であると導電性は低下する。結晶化度は電子放出素子の特性、特に後述する電子放出効率に強い影響を与える。
【0074】
ここで、結晶化度とは、非晶質の状態から、比較的周期構造の乱れが大きい状態を経て、完全な結晶構造へ変化しうる物質に対し、その進行の度合いを表す。
【0075】
また、従来の活性化工程では、その進行とともに、間隙16内に堆積する炭素や炭素化合物は、特にその中でもより幅の小さい間隔部に多く堆積する傾向がある。その結果、形成されるカーボン膜15の形態に「乱れ」が生じてしまう。
【0076】
そのため、従来の製造方法では、活性化工程の進行とともにカーボン膜15の形態に「乱れ」が生じ、間隙16近傍から放出される電子が堆積した炭素あるいは炭素化合物に十分に照射されない部位が生じてしまう。このような状態では、間隙16近傍に堆積した炭素あるいは炭素化合物は、結晶化度が低い領域を多く内包した状態で成長し、得られるカーボン膜15の導電性も低いものとなってしまう。即ち、これは、カーボン膜15の成長過程において、電子線照射の不足によってもたらされた結果であると考えている。
【0077】
上記のような、結晶化度が低い領域を多く内包したカーボン膜が形成されると、素子駆動時に、電子放出部から放出される電子の衝突、或いは素子電流Iによる発熱によって、カーボン膜15の結晶構造が徐々に変化し、非晶質構造から、グラファイト構造への結晶化の度合いを変化させることが考えられる。また、それと同時にカーボン膜15の抵抗が変化し、素子の電気伝導特性が徐々に変化してしまうと考えられる。
【0078】
その結果、特に画像形成装置のような多数の素子の特性がそろっていることが望まれる場合、素子の電子放出特性の変化を引き起こすため、輝度バラツキなどにつながる。
【0079】
これに対し、本発明の電子放出素子の製造方法によれば、素子の外部からの電子線を照射するため、導電性膜14上、及び第2の間隙16内において形成途上にあるカーボン膜に十分な電子線を与えることができる。そのため、カーボン膜の物性の変化を促進することができ、結晶化度が十分に促進された導電性の高いカーボン膜を主成分とする導電性被膜を効率よく形成できる。そして、その結果、前述の駆動時の導電性被膜(カーボン膜)の物性変化を抑制できる。従って、素子の電子放出特性が安定する。
【0080】
そこで、本発明の製造方法によれば、炭素を主成分とする導電性被膜(カーボン膜)15の比抵抗をが0.001Ωm以下にすることができる。
【0081】
また、本発明の電子源の製造方法においては、間隙16近傍に照射する電子線として、隣接する電子放出素子の電子放出部から放出される電子線を用いることもできる。この手法によれば、図4に示したように、電子線照射のために別個に電子放出手段を設ける必要がない。
【0082】
また、前述した、形態の「乱れ」により、カーボン膜の形成反応が不均一に起こった場合は、部分的にカーボン15が厚く形成されることがあり、電子が照射されにくい陰になる領域が生じてしまうことがあったが、前記した外部に電子線照射手段を設けるのと同様に、隣接する他の素子からの電子を受けることにより、異なった角度からの電子線照射を行うことができるようになる。
【0083】
異なる電子放出素子から放出される電子線を用いる手法について以下に説明する。
【0084】
2つの素子を1つの素子電極を共有して隣接させた構成を例に挙げて説明する。
【0085】
隣接する2つの電子放出素子においては、一方の電子放出部から放出される電子線を、他方の電子放出部近傍に照射することによって、電子線を電子放出部に照射しながら、炭素を主成分とするカーボン膜(導電性被膜)を形成することができる。この時、電子は陰極側から陽極側へ向かって放出されるので、それぞれの素子から放出される電子の方向を揃えた方が、互いの電子放出部に効率よく電子を到達させることができる。特に、上記隣接する2つの電子放出素子が、それぞれの一方の素子電極を共有する構成、或いは、一方の素子電極を電気的に接続した構成とすることによって、交互に電子線を照射することができる。即ち、共有する素子電極或いは互いに接続された素子電極を接地電位とし、各々の電極対に互いに位相がずれた交流電圧、例えば、位相がπずれた電圧を印加することにより、完全に電子を放出する方向を揃えることができ、一方の電子放出部から他方の電子放出部近傍への電子線の照射を交互に行うことになる。その結果、2つの電子放出部にほぼ同時に、炭素を主成分とする導電性被膜(カーボン膜)を効率よく形成することができる。
【0086】
図7は本実施形態の電子源の構成を示す模式図であり、図7(a)は平面図、図7(b)は断面図である。図7において、71は基板であり、基板71上に共通素子電極72、素子電極73、74が形成されている。共通素子電極72と素子電極73からなる素子電極対(電極対Aとする)の間に導電性膜75、および電子放出部79,カーボン膜76が形成され、電子放出素子Aが構成されている。また、共通素子電極72と素子電極74からなる電極対(素子電極対Bとする)の間に導電性膜77、更に電子放出部80、カーボン膜78が形成され、電子放出素子Bが構成されている。
【0087】
基本的な構成は、図1において説明した電子放出素子と同様の素子を、共通素子電極72を介して直列に並べて一つの素子を構成したものとみなすことができる。
【0088】
上記電子放出素子に関して、電極72〜74、導電性膜75、77の形成方法は、先に説明した電子放出素子の形成方法と同様である。また、電極の間隔L1、電極長さW及び膜厚は、電極の抵抗値、電子放出特性を考慮して決められる。ここでは、2つの電極対の間隔L1は同じであり、さらに、3つの電極長さは同じである。また、共通素子電極72の幅L2は、一方の電子放出部から放出された電子線が、隣接した電子放出部に到達できる距離を考慮して設定される。ここでは、素子電極と導電性膜の重なり幅は導通が取れていればよく任意である。
【0089】
電子放出部79,80の形成方法としては、共通素子電極72を接地し、素子電極73、素子電極74を結合して等電位とし、電極対A、電極対Bに同時に電圧印加し、それぞれの電子放出部を同時に形成すればよい。
【0090】
図7のように構成された2つの隣接する電子放出素子に本発明にかかる活性化処理を施す際には、一方から他方へ互いに電子線を照射することができる。その具体的な手順を以下に説明する。
【0091】
共通素子電極72を接地し、素子電極73、及び素子電極74には、不図示のパルス電圧源を接続する。
【0092】
図8は、素子電極73及び素子電極74のそれぞれに印加する電圧波形(a)、(b)の一例であり、矩形波パルスを符号を交流的に印加する。図8からわかるように、それぞれの電極には、位相がπ異なるパルス電圧が印加される。
【0093】
ところで、電子は、電子放出部を相対的に低電位である電極側から高電位である電極側に流れ、その一部が同方向に電子線として放出される。従って、図8のような電圧を印加した場合、電子線は電子放出部79から80の方向と80から79の方向へ交互に放出されることになる。
【0094】
この様子を図9に模式的に示す。パルス電圧の極性が変化するごとに、図9(a)と図9(b)の様に、電子線が放出される方向が変化する。図9(a)の場合、電子放出部79から放出された電子線は、電子放出部80近傍に照射される。また、図9(b)の場合、電子放出部80から放出された電子線は、電子放出部79近傍に照射されることになる。
【0095】
または他のパルスパターンとして、図10に示すような電圧波形を用いることもできる。この場合、素子電極73及び素子電極74には互いに位相がπ/2異なったパルス電圧が印加される。この波形パターンを用いれば、一つの電子放出部から電子線が放出されているときは他方の電子放出部からは電子線は出ないので、一方向からの電子線を受けることができ、両方の方向から電子線が照射されるときの干渉を排除できる。
【0096】
本発明は、さらに、以下に示す製造方法により、前述したフォーミング工程による第2の間隙16の蛇行に起因した素子間の特性バラツキを低減することができる。
【0097】
即ち、本発明の別の実施形態は、前述した上記導電性膜14を用いずに、比較的直線性の優れた一対の素子電極(導電性部材)12,13間に直接、上記した本発明の活性化工程を行うものである。図21(a)は本形態の電子放出素子の平面模式図であり、図21(b)はその断面模式図である。図22、23は、上記製造方法のプロセスの一部を示す模式図である。尚、図21に示した模式図では、第1の間隙17は、完全な直線で示しているが、これは、本発明をより容易に理解するために示したものである。また、図21では、カーボン膜15は、第1の間隙17を境に完全に分離されて示されているが、その一部でつながっている場合もある。そのため、上記活性化工程を行って形成されたカーボン膜15は、間隙17を置いて対向する一対のカーボン膜(導電性部材)15ということもできるし、また、間隙17を有するカーボン膜(導電性部材)15と言うこともできる。
【0098】
上記本発明の別の製造方法は、まず基板11上に間隙Lを置いて、一対の素子電極(導電性部材)12,13を配置する(図22(a))。本形態においては、素子電極12,13間の間隙が、前述した第1の間隙16に相当する。
【0099】
次に、本発明の活性化工程を行う。この活性化工程においては、電子放出手段を別途設け、該電子放出手段から射出される電子線を、下記▲1▼あるいは▲2▼のいずれかの領域に照射しながら、電極12,13間に電圧を印加してカーボン膜15の形成を行う(図22(b)、図23)。つまり、電子放出手段からの電子線照射と同時に電極12,13間に電圧印加を行うのである。
【0100】
前記電子線の照射領域としては、
▲1▼前記素子電極12、13間の基体11、
▲2▼前記素子電極12、13間の基体11、および電極12,13、
のいずれかである。
【0101】
これにより、該素子電極12,13上および、素子電極間の絶縁性基体11上にカーボン膜15を形成すると同時に、該素子電極12,13間に第1の間隙17を形成することができる。
【0102】
図23は、外部から電子線を照射する際の装置を模式的に示した図である。図23に示した電子線照射装置の構成は、図4に示したものと基本的には同一である。図23において、61は電子放出手段である。電子放出素子と、該電子放出手段61は、同一の真空容器中に設置されても良いが、必要に応じて基板11が設置されている真空容器と別の真空容器に設置され、差動排気されていても良い。
【0103】
差動排気が施されている場合は、電子線透過用のピンホール(図23の62)が施され、ピンホールのコンダクタンスが低いために基板11が設置された真空容器内圧力と電子放出手段61が設置された真空容器内圧力を分離することが可能となる。
【0104】
電子放出手段61には熱陰極を電子線源として使用し、加速電圧を与えることによって加速する構造を用いれば良い。また、電子線の照射領域を微細に制御するために、電子線遮断手段63を設けることもある。
【0105】
電子線照射は、素子電極12,13および/または該素子電極間の基板11に、DC的に照射してもよいし、該電極に印加するパルス電圧に同期させてパルス照射しても良い。
【0106】
このように、本実施形態においては、活性化工程で必要とされていた、素子電極に電気的に接続された導電性膜14や、該導電性膜に第2の間隙16を形成するための通電フォーミングが不要となる。
【0107】
つまり、外部から電子線を照射することによって、第2の間隙16の幅よりも、はるかに広い電極間隔L(数μmから数十μm)に直接、カーボン膜15および第1の間隙17を配置することができる。また、図21に示した形態の素子においては、前述した第2の間隙16が、電極12,13間の間隔に相当する。そのため、本形態の素子においては、第2の間隙を直線性が高く、その幅(L)の均一性も高く形成できる。
【0108】
よって、図19あるいは図20に示した素子における前述した第2の間隙16の間隔の不均一さ、および素子電極12、13端から第2の間隙16までの距離の不均一さ(図20参照)に起因する、電子放出素子内の局所的な放出特性ばらつきが軽減される。また、更に、前述した電子線の照射による効果とによって、素子の電子放出効率が向上するとともに、素子の駆動中の特性の変動・劣化を大きく軽減することができる。
【0109】
また、本実施形態によれば、従来の活性化工程で必要とされた、素子電極に電気的に接続された導電性膜14や、該導電性膜に第2の間隙16を形成するための通電フォーミングが不要となるため、素子構成が簡略となり、工程も削減することができる。即ち、安定で高効率な電子放出特性をもつ電子放出素子を効率よく、安価に製造することができる。また、上記電子放出素子を同一基板上に複数個配置してなる電子源、画像形成装置においては、均一性が高く、高効率で安定な特性をもつ電子源、画像形成装置が得られる。
【0110】
また、以上説明した本発明の活性化工程においては、特に、電子放出手段41(61)からの電子線を照射させながら、素子電極12,13間に電圧を印加することが好ましい。つまり、素子電極12,13間に電圧が印加されるている期間中に、電子放出手段からの電子線を照射することが好ましい。この手法によれば、第1の間隙17を形作る炭素および/或いは炭素化合物の堆積初期の結晶化度を、より高いものとすることができる。つまり、従来の活性化方法に比べ、別途、電子放出手段41(61)から照射される高エネルギーの電子が照射されるので、素子電極12,13間に流れる電流(第2の間隙16あるいは形成途中の第1の間隙17近傍から放出される電子)により堆積される炭素および/或いは炭素化合物が、その堆積初期から結晶化度の高いカーボン膜として形成することができる。そのため、例えば、間隙17の幅がより狭く形成でき、特性の優れた素子を形成することが期待できる。
【0111】
(工程E)
上記本発明の活性化工程を経て得られた電子放出素子は、安定化工程を行なうことが好ましい。この工程は、真空容器内の有機物質を排気する工程である。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できる。
【0112】
前記活性化工程で排気装置として油拡散ポンプやロータリーポンプを用い、これから発生するオイル成分に由来する有機ガスを用いた場合には、この成分の分圧を極力低く抑える必要がある。真空容器内の有機成分の分圧は、上記炭素或いは炭素化合物がほぼ新たに堆積しない分圧で1×10−6Pa以下が好ましく、さらには1×10−8Pa以下が特に好ましい。さらに真空容器内を排気する時には、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易くするのが好ましい。この時の加熱条件は、80〜300℃、好ましくは150℃以上で、できるだけ長時間処理するのが望ましいが、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なう。真空容器内の圧力は極力低くすることが必要で、1×10−5Pa以下が好ましく、さらには1×10−6Pa以下が特に好ましい。
【0113】
上記安定化工程を行な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、圧力自体は多少上昇しても十分安定な特性を維持することができる。このような真空雰囲気を採用することにより、新たな炭素或いは炭素化合物の堆積を抑制でき、結果として素子電流I、放出電流Iが安定する。
【0114】
次に、本発明の電子放出素子の基本特性について説明する。図5はその評価装置の概略図である。この評価装置は、真空装置と素子特性測定装置としての機能を兼ね備えている。図5において、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。即ち、11は電子放出素子を構成する基板であり、12及び13は電極、14は導電性膜、100は電子放出部である。尚、便宜上、導電性被膜15は省略した。また、51は、電子放出素子に素子電圧Vを印加するための電源、50は電極12、13間の導電性膜14を流れる素子電流I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I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16より放出される放出電流Iを測定するための電流計である。本発明では、アノード電極の電圧を1kVとし、アノード電極と電子放出素子との距離Hを2mmとして測定を行った。
【0115】
測定に際しては、まず、新たな炭素あるいは炭素化合物の堆積を抑制するために、真空容器内の有機物質排気を行い、真空容器55を排気する真空排気装置56には、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真空排気装置、例えばソープションポンプなどを用いる。
【0116】
真空容器55内の有機成分の分圧は、上記の炭素及び炭素化合物がほば新たに堆積しない分圧で1×10−8Pa以下とする。この時、真空容器全体を200℃以上に加熱して、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ことが好ましい。
【0117】
図6は、図5の評価装置を用いて測定された本発明の電子放出素子の放出電流I、素子電流Iと素子電圧Vの関係を模式的に示した図である。図6においては、放出電流Iが素子電流I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。
【0118】
図6からも明らかなように、本発明の電子放出素子は、放出電流Iに関して次の3つの特徴的性質を有する。
【0119】
第1に、本素子はある電圧(しきい値電圧と呼ぶ;図6中のVth)以上の素子電圧を印加すると急激に放出電流Iが増加し、一方しきい値電圧Vth以下では放出電流Iがほとんど検出されない。つまり、放出電流I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。
【0120】
第2に、放出電流Iが素子電圧Vに単調増加依存するため、放出電流Iは素子電圧Vで制御できる。
【0121】
第3に、アノード電極54(図5参照)に捕捉される放出電荷は、素子電圧V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Vを印加する時間により制御できる。
【0122】
以上の説明より理解されるように、本発明の電子放出素子は、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。
【0123】
図6においては、素子電流Iも素子電圧Vに対して単調増加する(MI特性)例を示したが、素子電流Iが素子電圧Vに対して電圧制御型負性抵抗特性(VCNR特性)を示す場合もある(不図示)。これらの特性は、前述の工程を制御することで制御できる。
【0124】
以上のような本発明の電子放出素子の特徴的特性のため、複数の電子放出素子を配置した電子源は画像形成装置等でも、入力信号に応じて容易に放出電子量を制御することができることとなり、多方面に応用することができる。
【0125】
本発明の電子放出素子の応用例について以下に述べる。本発明の電子放出素子を複数個基板上に配列し、例えば電子源、さらには画像形成装置が構成できる。
【0126】
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。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)、この配線と直交する方向(列方向)で、該電子放出素子の上方に配した制御電極(グリッド電極)により、電子放出素子からの電子を制御駆動する梯子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。このような配置はいわゆる単純マトリクス配置である。先ず単純マトリクス配置について以下に詳述する。
【0127】
本発明の電子放出素子については、前述した通り3つの特性がある。即ち、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電子は放出されない。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ば、入力信号に応じて、電子放出素子を選択して電子放出量を制御できる。
【0128】
以下、この原理に基づき、本発明の電子放出素子の一実施形態である表面伝導型電子放出素子を複数配置して得られる電子源基板について図12を用いて説明する。図12において、121は電子源基板、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。
【0129】
m本のX方向配線122は、Dx1、Dx2、…、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)。
【0130】
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SiO等で構成される。例えば、X方向配線122を形成した基板121の全面或い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。
【0131】
電子放出素子124を構成する一対の素子電極(不図示)は、それぞれm本のX方向配線122とn本のY方向配線123に、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。
【0132】
X方向配線122とY方向配線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或いは全部が同一であっても、またそれぞれ異なっていても良い。これらの材料は、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であると言うこともできる。
【0133】
X方向配線122には、X方向に配列した電子放出素子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方向に配列した電子放出素子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。
【0134】
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。
【0135】
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13、図14、及び図15を用いて説明する。図13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14は図13の画像形成装置に使用される蛍光膜の模式図である。図15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。尚、図12に示した部位と同じ部位には同じ符号を付して説明を省略する。尚、便宜上導電性膜14及び導電性被膜15は省略した。
【0136】
図13において、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。138は外囲器であり、例えば、400〜500℃の温度範囲で10分間以上焼成することで封着して構成される。
【0137】
外囲器138は、上述の如く、フェースプレート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は主に電子源基板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は不要である。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132及び基板121で外囲器138を構成しても良い。一方、フェースプレート136とリアプレート131の間に、スペーサーと呼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持つ外囲器138を構成することもできる。
【0138】
図14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で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(図14(a))、或いはブラックマトリクス(図14(b))等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。黒色導電材141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。
【0139】
ガラス基板133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、沈殿法や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ガラス基板133側へ鏡面反射す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)を行ない、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。
【0140】
また、フェースプレート136には、さらに蛍光膜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)を設けても良い。
【0141】
前述の封着を行なう際、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。
【0142】
図13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。
【0143】
外囲器138内は、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等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、1×10−5Pa程度の真空度の有機物質の十分に少ない雰囲気にした後、封止がなされる。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ある。これは、外囲器138の封止を行なう直前或いは封止後に、抵抗加熱或いは高周波加熱等を用いた加熱により、外囲器138内の所定の位置に配置されたゲッター(不図示)を加熱し、蒸着膜を形成する処理である。ゲッターは通常Ba等が主成分であり、該蒸着膜の吸着作用により、例えば1×10−5Pa以上の真空度を維持するものである。
【0144】
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なうための駆動回路の構成例について、図15を用いて説明する。図15において、151は表示パネル、152は走査回路、153は制御回路、154はシフトレジスタ、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及びVaは直流電圧源である。
【0145】
表示パネル151は、端子Dx1〜Dxm、端子Dy1〜Dyn及び高圧端子137を介して外部の電気回路と接続している。端子Dx1〜Dxmには表示パネル151内に設けられた電子源、即ちm行n列の行列状にマトリクス配線された電子放出素子群を1行(n素子)ずつ順次駆動するための走査信号が印加される。端子Dy1〜Dynには、前記走査信号により選択された1行の電子放出素子の各素子の出力電子ビームを制御するための変調信号が印加される。高圧端子137には、直流電圧源Vaより、例えば10kVの直流電圧が供給されるが、これは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ための加速電圧である。
【0146】
次に走査回路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(図15中、S〜Sで模式的に示す)を備えたものである。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〜Dxmと電気的に接続される。各スイッチング素子S〜S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。
【0147】
直流電圧源Vxは、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に設定されている。
【0148】
制御回路153は、外部より入力され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、Tsft及びTmryの各制御信号を発生する。
【0149】
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ための回路で、一般的な周波数分離(フィルタ)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なるが、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信号と表わした。このDATA信号は、シフトレジスタ154に入力される。
【0150】
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言い換えても良い)。シリアル/パラレル変換された画像1ライン分のデータ(電子放出素子n素子分の駆動データに相当)は、Id1〜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。
【0151】
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ための記憶装置であり、制御回路153より送られる制御信号Tmryに従って適宜Id1〜Idnの内容を記憶する。記憶された内容は、I 〜I として出力され、変調信号発生器157に入力される。
【0152】
変調信号発生器157は、画像データI 〜I の各々に応じて、電子放出素子の各々を適切に駆動変調するための信号源であり、その出力信号は、端子Dy1〜Dynを通じて表示パネル151内の電子放出素子に印加される。
【0153】
前述したように、本発明の電子放出素子は放出電流Iに関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以上の電圧が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、例えば電子放出しきい値電圧以下の電圧を印加しても電子放出を生じないが、電子放出しきい値電圧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Vmを変化させることにより、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ことが可能である。
【0154】
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、電圧変調方式と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としては、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電圧パルスの波高値を変調できるような電圧変調方式の回路を用いることができる。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。
【0155】
シフトレジスタ154やラインメモリ155は、デジタル信号式のものでもアナログ信号式のものでも採用できる。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。
【0156】
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、これには同期信号分離回路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155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等を付加する。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及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)を組み合わせた回路を用いる。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。
【0157】
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、例えばオペアンプ等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等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。
【0158】
このような構成を取り得る本発明の画像形成装置においては、各電子放出素子に、容器外端子Dx1〜Dxm、Dy1〜Dynを介して電圧を印加することにより、電子放出が生じる。同時に高圧端子137を介してメタルバック135或いは透明電極(不図示)に高電圧を印加し、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。
【0159】
ここで述べた画像形成装置の構成は、本発明の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方式等の他、これらよりも多数の走査線からなるテレビジョン信号(例えば、MUSE方式をはじめとする高品位TV)方式も採用できる。
【0160】
次に、前述の梯子状配置の電子源及び画像形成装置について、図16及び図17を用いて説明する。
【0161】
図16は、梯子状配置の電子源の一例を示す模式図である。図16において、160は電子源基板、161は電子放出素子である。162は電子放出素子161を接続するための共通配線D〜D10であり、これらは外部端子として引き出されている。電子放出素子161は基板160上に、X方向に並列に複数個配置されている(これを素子行と呼ぶ)。この素子行が複数行配置されて電子源を構成している。各素子行の共通配線間に駆動電圧を印加することで、各素子行を独立に駆動させることができる。即ち、電子ビームを放出させたい素子行には電子放出しきい値以上の電圧を印加し、電子ビームを放出させたくない素子行には電子放出しきい値以下の電圧を印加する。各素子行間に位置する共通配線D〜Dは、例えばDとDを一体の同一配線とすることもできる。
【0162】
図17は、梯子状配置の電子源を備えた画像形成装置におけるパネル構造の一例を示す模式図である。170はグリッド電極、171は電子が通過するための開口、D〜Dは容器外端子、G〜Gはグリッド電極170に接続された容器外端子である。160は各素子行間の共通配線を同一配線とした電子源基板である。図17においては、図13、図16に示した部位と同じ部位には同一の符号を付した。尚、便宜上導電性膜14及び導電性被膜15は省略した。ここに示した画像形成装置と、図13に示した単純マトリクス配置の画像形成装置との大きな違いは、電子源基板160とフェースプレート136の間にグリッド電極170を備えているか否かである。
【0163】
図17においては、基板160とフェースプレート136の間には、グリッド電極170が設けられている。グリッド電極170は、電子放出素子161から放出された電子ビームを変調するためのものであり、梯子状配置の素子行と直交して設けられたストライプ状の電極に電子ビームを通過させるため、各素子に対応して1個ずつ円形の開口171が設けられている。グリッド電極の形状や配置は、図17に示したものに限定されるものではない。例えば、開口としてメッシュ状に多数の通過口を設けることもでき、グリッド電極を電子放出素子の周囲や近傍に設けることもできる。
【0164】
容器外端子D〜D及びG〜Gは不図示の制御回路に接続されている。そして素子行を1列ずつ順次駆動(走査)していくのと同期してグリッド電極列に画像1ライン分の変調信号を同時に印加する。これにより、各電子ビームの蛍光体への照射を制御し、画像を1ラインずつ表示することができる。
【0165】
以上説明した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としての画像形成装置等としても用いることができる。
【0166】
図18は、例えば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本発明の画像形成装置の一例を示す図である。
【0167】
図中、1700はディスプレイパネル、1701はディスプレイパネルの駆動回路、1702はディスプレイコントローラ、1703はマルチプレクサ、1704はデコーダ、1705は入出力インタフェース回路、1706はCPU、1707は画像生成回路、1708〜1710は画像メモリインタフェース回路、1711は画像入力インターフェース回路、1712及び1713はTV信号受信回路、1714は入力部である。
【0168】
尚、本画像形成装置は、例えばテレビジョン信号のように、映像情報と音声情報の両方を含む信号を受信する場合には当然映像の表示と同時に音声を再生するものであるが、本発明の特徴と直接関係しない音声情報の受信、分離、再生、処理、記憶等に関する回路やスピーカー等については説明を省略する。
【0169】
以下、画像信号の流れに沿って各部の機能を説明する。
【0170】
先ず、TV信号受信回路1713は、例えば電波や空間光通信等のような無線伝送系を用いて伝送されるTV信号を受信するための回路である。受信するTV信号の方式は特に限られるものではなく、例えばNTSC方式、PAL方式、SECAM方式等、いずれの方式でも良い。また、これらよりさらに多数の走査線よりなるTV信号、例えばMUSE方式をはじめとするいわゆる高品位TV信号は、大面積化や大画素数化に適した前記ディスプレイパネルの利点を生かすのに好適な信号源である。
【0171】
上記TV信号受信回路1713で受信されたTV信号は、デコーダ1704に出力される。
【0172】
また、TV信号受信回路1712は、例えば同軸ケーブルや光ファイバ等のような有線伝送系を用いて伝送されるTV信号を受信するための回路である。前記TV信号受信回路1713と同様に、受信するTV信号の方式は特に限られるものではなく、また本回路で受信されたTV信号もデコーダ1704に出力される。
【0173】
画像入力インターフェース回路1711は、例えばTVカメラや画像読み取りスキャナーなどの画像入力装置から供給される画像信号を取り込むための回路で、取り込まれた画像信号はデコーダ1704に出力される。
【0174】
画像メモリインターフェース回路1710は、ビデオテープレコーダ(以下「VTR」と称する)に記憶されている画像信号を取り込むための回路で、取り込まれた画像信号はデコーダ1704に出力される。
【0175】
画像メモリインターフェース回路1709は、ビデオディスクに記憶されている画像信号を取り込むための回路で、取り込まれた画像信号はデコーダ1704に出力される。
【0176】
画像メモリインターフェース回路1708は、静止画ディスクのように、静止画像データを記憶している装置から画像信号を取り込むための回路で、取り込まれた静止画像データはデコーダ1704に入力される。
【0177】
入出力インターフェース回路1705は、本画像表示装置と、外部のコンピュータ、コンピュータネットワークもしくはプリンタなどの出力装置とを接続するための回路である。画像データや文字・図形情報の入出力や、場合によっては本画像形成装置の備えるCPU1706と外部との間で制御信号や数値データの入出力などを行なうことも可能である。
【0178】
画像生成回路1707は、前記入出力インターフェース回路1705を介して外部から入力される画像データや文字・図形情報や、或いはCPU1706より出力される画像データや文字・図形情報に基づき、表示用画像データを生成するための回路である。本回路の内部には、例えば画像データや文字・図形情報を蓄積するための書き換え可能メモリや、文字コードに対応する画像パターンが記憶されている読み出し専用メモリや、画像処理を行なうためのプロセッサ等をはじめとして、画像の生成に必要な回路が組み込まれている。
【0179】
本回路により生成された表示用画像データは、デコーダ1704に出力されるが、場合によっては前記入出力インターフェース回路1705を介して外部のコンピュータネットワークやプリンタに出力することも可能である。
【0180】
CPU1706は、主として本画像表示装置の動作制御や、表示画像の生成や選択、編集に関わる作業を行なう。
【0181】
例えば、マルチプレクサ1703に制御信号を出力し、ディスプレイパネルに表示する画像信号を適宜選択したり組み合わせたりする。その際には表示する画像信号に応じてディスプレイパネルコントローラ1702に対して制御信号を発生し、画面表示周波数や走査方法(例えばインターレースかノンインターレースか)や一画面の走査線の数など表示装置の動作を適宜制御する。また、前記画像生成回路1707に対して画像データや文字・図形情報を直接出力したり、或いは前記入出力インターフェース回路1705を介して外部のコンピュータやメモリをアクセスして画像データや文字・図形情報を入力する。
【0182】
尚、CPU1706は、これ以外の目的の作業にも関わるものであっても良い。例えば、パーソナルコンピュータやワードプロセッサ等のように、情報を生成したり処理する機能に直接関わっても良い。或いは前述したように、入出力インターフェース回路1705を介して外部のコンピュータネットワークと接続し、例えば数値計算等の作業を外部機器として共同して行なっても良い。
【0183】
入力部1714は、前記CPU1706に使用者が命令やプログラム、或いはデータなどを入力するためのものであり、例えばキーボードやマウスの他、ジョイスティック、バーコードリーダー、音声認識装置等の多様な入力機器を用いることが可能である。
【0184】
デコーダ1704は、前記1707〜1713より入力される種々の画像信号を3原色信号、または輝度信号とI信号、Q信号に逆変換するための回路である。尚、図中に点線で示すように、デコーダ1704は内部に画像メモリを備えていることが望ましい。これは、例えばMUSE方式をはじめとして、逆変換するの際に画像メモリを必要とするようなテレビ信号を扱うためである。また、画像メモリを備えることにより、静止画像の表示が容易になる。或いは前記画像生成回路1707及びCPU1706と共同して、画像の間引き、補完、拡大、縮小、合成をはじめとする画像処理や編集が容易になるという利点が得られる。
【0185】
マルチプレクサ1703は、前記CPU1706より入力される制御信号に基づき、表示画像を適宜選択するものである。即ち、マルチプレクサ1703はデコーダ1704から入力される逆変換された画像信号の内から所望の画像信号を選択して駆動回路1701に出力する。その場合には、一画面表示時間内で画像信号を切り換えて選択することにより、いわゆる多画面テレビのように、一画面を複数の領域に分けて領域によって異なる画像を表示することも可能である。
【0186】
ディスプレイパネルコントローラ1702は、前記CPU1706より入力される制御信号に基づき、駆動回路1701の動作を制御するための回路である。
【0187】
ディスプレイパネルの基本的な動作に関わるものとして、例えばディスプレイパネルの駆動用電源(不図示)の動作シーケンスを制御するための信号を駆動回路1701に対して出力する。ディスプレイパネルの駆動方法に関わるものとして、例えば画面表示周波数や走査方法(例えばインターレースかノンインターレースか)を制御するための信号を駆動回路1701に対して出力する。また、場合によっては、表示画像の輝度やコントラストや色調やシャープネスといった画質の調整に関わる制御信号を駆動回路1701に対して出力する場合もある。
【0188】
駆動回路1701は、ディスプレイパネル1700に印加する駆動信号を発生するための回路であり、前記マルチプレクサ1703から入力される画像信号と、前記ディスプレイパネルコントローラ1702より入力される制御信号に基づいて動作するものである。
【0189】
以上、各部の機能を説明したが、図18に例示した構成により、本画像形成装置においては、多様な画像情報源より入力される画像情報をディスプレイパネル1700に表示することが可能である。即ち、テレビジョン放送をはじめとする各種の画像信号は、デコーダ1704において逆変換された後、マルチプレクサ1703において適宜選択され、駆動回路1701に入力される。一方、ディスプレイコントローラ1702は、表示する画像信号に応じて駆動回路1701の動作を制御するための制御信号を発生する。駆動回路1701は、上記画像信号と制御信号に基づいてディスプレイパネル1700に駆動信号を印加する。これにより、ディスプレイパネル1700において画像が表示される。これらの一連の動作は、CPU1706により統括的に制御される。
【0190】
本画像形成装置においては、前記デコーダ1704に内蔵する画像メモリや、画像生成回路1707及び情報の中から選択したものを表示するだけでなく、表示する画像情報に対して、例えば拡大、縮小、回転、移動、エッジ強調、間引き、補完、色変換、画像の縦横比変換等をはじめとする画像処理や、合成、消去、接続、入れ替え、嵌め込み等をはじめとする画像編集を行なうことも可能である。また、上記画像処理や画像編集と同様に、音声情報に関しても処理や編集を行なうための専用回路を設けても良い。
【0191】
従って、本画像形成装置は、テレビジョン放送の表示機器、テレビ会議の端末機器、静止画像及び動画像を扱う画像編集機器、コンピュータの端末機器、ワードプロセッサをはじめとする事務用端末機器、ゲーム器などの機能を一台で兼ね備えることが可能で、産業用或いは民生用として極めて応用範囲が広い。
【0192】
尚、図18は、電子放出素子を電子ビーム源とする表示パネルを用いた画像形成装置とする場合の構成の一例を示したに過ぎず、本発明の画像形成装置がこれのみに限定されるものでないことは言うまでもない。
【0193】
例えば、図18の構成要素の内、使用目的上必要のない機能に関わる回路は省いてもさしつかえない。また、これとは逆に、使用目的によってはさらに構成要素を追加しても良い。例えば、本画像表示装置をテレビ電話機として応用する場合には、テレビカメラ、音声マイク、照明器、モデムを含む送受信回路等を構成要素に追加するのが好適である。
【0194】
本画像形成装置においては、電子放出素子を電子源としているので、ディスプレイパネルの薄型化が容易なため、画像形成装置の奥行きを小さくすることができる。それに加えて、電子放出素子を電子ビーム源とする表示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、画像形成装置は、臨場感にあふれ、迫力に富んだ画像を視認性良く表示することが可能である。
【0195】
【実施例】
(実施例1)
本発明の実施例1として、図1の構成の電子放出素子を作製した。図1、図2を用いて本実施例を説明する。基板11としては石英ガラスを用い、素子電極の材料としては、耐温度安定性、及び耐酸化安定性を考慮してPtを用いた。また、導電性膜14の膜厚は、素子電極12、13間の抵抗値等を考慮して、ここでは30nmとした。本例では、Lは20μm、Wは100μm、膜厚dは10nmとした。
【0196】
導電性膜14は、電極12、13を設けた基板11に、有機Pd溶液(奥野製薬(株)製「ccp−4230」)を塗布して、有機金属膜を形成し、加熱焼成処理してパターニングして形成した(図2(a),(b))。
【0197】
次いで、図3に示される三角波パルスを、波高値を一定として連続的に印加した。尚、図3においてパルス幅Tは100μsec、パルス間隔Tは1msecに設定し、三角波の波高値は10Vに設定した。以上の条件のもと、600秒間パルス電圧を印加して第2の間隙16を形成した(図2(c))。
【0198】
次いで、上記素子に活性化処理を施した。具体的には、上記素子を形成した基板を図4の装置に設置し、イオンポンプなどにより一旦十分に排気した真空中に、有機物質気体としてアセトンを導入し、1×10−5Paに保持し、第2の間隙16形成時と同じ三角波パルスを印加すると同時に、加速電圧を20kVとして電子線を照射した。ただし、上記三角波パルスのパルス幅は1msec、パルス間隔は10msec、パルス波高値は15Vとした。
【0199】
上記活性化処理、即ちカーボン膜15の形成工程は、所定の素子電流Iに到達するまで行った。得られた素子の断面を透過型電子顕微鏡で観察した結果、その膜厚は、間隙17近傍において50nmであった。また、カーボン膜15は、図2(d)に示すように第1の間隙17をおいて対向して配置されていた。さらには、第1の間隙17は、前記第2の間隙16よりも幅が狭く、第2の間隙16内に第1の間隙17が配されていた。また、ラマン分光等の観察を行った結果、カーボン膜15はグラファイト構造を含み、高い結晶性を有していた。
【0200】
また、同素子を、原子間力顕微鏡のプローブを導電性にし、試料にプローブを接触させて試料の導電性分布を測定できるようにした原子間力/トンネル顕微鏡で観察した結果、カーボン膜15には、高抵抗な領域が存在しないことが分かった。また、この測定の際、プローブを導電性膜14上に配されたカーボン膜15に接触させて測定を行った。膜厚方向への比抵抗を見積もった結果、0.001Ωm以下であった。この値は、電子照射をせずにカーボン膜15を形成した場合に測定される値と比較すると、一桁以上の変化を示していた。
【0201】
上記素子基板を図5の評価装置に設置し、アノード電極の電圧を1kVとし、アノード電極と電子放出素子との距離Hを2mmとして電子放出特性の測定を行った。
【0202】
まず、新たな炭素あるいは炭素化合物の堆積を抑制するために、真空容器内の有機物質排気を行った。真空容器55を排気する真空排気装置56には、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真空排気装置としてソープションポンプを用いた。真空容器55内の有機成分の分圧は、上記の炭素及び炭素化合物がほば新たに堆積しない分圧で1×10−8Pa以下にした。この時、真空容器全体を200℃以上で加熱して、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した。
【0203】
その結果、図6に示される素子電流I及び放出電流Iの関係が得られた。また、Vを15V、Vaを1kVに固定して、電子放出をさせた状態で、Iに対するIの割合としての電子放出効率ηを定義して、ηの時間変化を測定した。
【0204】
その結果、まず初期電子放出効率が0.05%以上向上した。更にηの時間変化は、従来の製造方法によって製造された電子放出素子と比較して著しく抑制された。従来の素子では、初期ηが0.1%の場合、0.01%/1000h(hは時間)の割合でηの上昇が見られたのに対し、本発明の製造方法では、ηの変化の割合が、1/5以下に抑えられた。
【0205】
(実施例2)
本発明の第2の実施例として、図7に示した構成の電子源を図9に示した活性化処理を経て作製した。
【0206】
基本的な構成、素材、製法は、実施例1と同様であるが、L1は5μm、Wは100μm、電極の膜厚は10nmとした。また、共通素子電極の幅L2は5μmとした。
【0207】
電子放出部を形成するまでは実施例1と同様にして、素子を形成した。次いで、共通素子電極を接地電位とし、素子電極73,74に図8のパルス電圧を印加して活性化処理を施した。本例では、有機物質としてアセトンを導入し、1×10−5Paに保持した。印加パルス電圧の条件は、パルス幅tを1msec、パルス電圧を15V、パルス間隔tを20msecとした。導電性被膜76、78の形成は、所定の素子電流Iに到達するまで行った。
【0208】
得られた素子の断面を透過型電子顕微鏡で観察した結果、カーボン膜76,78の膜厚は、電子放出部を構成する第1の間隙17近傍において50nmであった。また、得られた電子放出素子を、透過型電子顕微鏡、及びラマン分光等の観察を行った結果、カーボン膜76,78は、グラファイト構造を含み、高い結晶性を有していた。
【0209】
さらに、同素子を、実施例1と同様にして原子間力顕微鏡のプローブを導電性にし、試料の導電性分布を測定できるようにした原子間力/トンネル顕微鏡で観察した結果、カーボン膜76,78には高抵抗な領域が存在しないことが分かった。また、膜厚方向への比抵抗を見積もった結果、0.0001Ωm以下であった。この値は、電子照射をせずにカーボン膜を形成した場合に測定される値と比較すると、二桁以上の変化を示していた。
【0210】
上記のように作成された電子放出素子の特性を、図5の評価装置中に設置して、電子放出特性を調べた。ただし、駆動は、一つの電子放出部に対してのみ行った。共通素子電極側を高電位にし、常に共通素子電極側に電子が放出されるようにした。また、Vを15V、Vaを1kVに固定して電子放出をさせた状態で、Iに対するIの割合としての電子放出効率ηを定義して、ηの時間変化を測定した。
【0211】
その結果、まず初期電子放出効率が0.1%以上向上した。更に、ηの時間変化は、従来の製造方法によって製造された電子放出素子と比較して著しく抑制された。従来の素子では、初期ηが0.1%の場合、0.01%/1000h(hは時間)の割合でηの上昇が見られたのに対し、本発明の製造方法では、ηの変化の割合が、1/10以下に抑えられた。
【0212】
(実施例3)
本実施例では、図21の構成の電子放出素子を作製した。図21、図22、図23を用いて本実施例を説明する。基板11としては石英ガラスを用い、素子電極12,13の材料としては、耐温度安定性、及び耐酸化安定性を考慮してPtを用いた。
【0213】
次いで、上記素子に活性化プロセスを施した。
【0214】
具体的には、上記素子電極12,13を形成した基板を図23の装置に設置し、イオンポンプなどにより一旦十分に排気した真空中に、有機物質気体としてアセトンを導入し、1×10−5Paに保持し、上記電極12,13間に図8(a)に示すパルスを印加した。図8(a)におけるtは1msec、tは10msecとした。同時に、加速電圧を2kVとして電子線を照射した。
【0215】
上記カーボン膜15の形成工程は、所定の素子電流Iに到達するまで行った。得られた素子の断面を透過型電子顕微鏡で観察した結果、電極12,13間には、図21に示すように第1の間隙17が形成され、電極12,13の上までカーボン膜15が連続して形成されていた。間隙17は、電極12、13のほぼ中央に位置していた。また、ラマン分光等の観察を行った結果、カーボン膜15はグラファイト状の層構造を含み、高い結晶性を有していた。
【0216】
上記素子基板を図5の評価装置に設置し、アノード電極の電圧を1kVとし、アノード電極と電子放出素子との距離Hを2mmとして電子放出特性の測定を行った。
【0217】
まず、新たな炭素あるいは炭素化合物の堆積を抑制するために、真空容器内の有機物質排気を行った。真空容器65を排気する真空排気装置66には、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真空排気装置としてソープションポンプを用いた。真空容器65内の有機成分の分圧は、上記の炭素及び炭素化合物がほば新たに堆積しない分圧で1×10−8Pa以下にした。この時、真空容器全体を200℃以上で加熱して、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した。
【0218】
その結果、図6に示される素子電流I及び放出電流Iの関係が得られた。また、Vを15V、Vaを1kVに固定して、電子放出をさせた状態で、Iに対するIの割合としての電子放出効率ηを定義して、I、I、ηの初期値、そのばらつき、および経時変化を測定した。
【0219】
(実施例4)
本実施例においては、実施例3の製造方法を用いて、図13に示した画像形成装置138を作成した。尚、本実施例では、基板121がリアプレート131を兼ねている。
【0220】
まず、ガラス基板121上に、素子電極12,13をX方向に500組、Y方向に1000組オフセット印刷法を用い、形成した(図24(a))。続いて、上記電極12に接続するX方向配線122を500本、スクリーン印刷法により形成した(図24(b))。前記X方向配線に実質的に垂直な方向に絶縁層126を1000本スクリーン印刷法により形成した(図24(c))。絶縁層126上に、電極13と接続するようにY方向配線123を1000本形成した(図25(d))。そして、実施例3と同様に、図23に示したように、それぞれの素子電極12,13間に電子放出手段61からDC的に電子線を照射しながら、それぞれの素子電極12,13間に電圧を印加し、カーボン膜15を形成した(図25(e)、図23)。以上の工程により電子源が形成された。
【0221】
続いて、上記電子源と、画像形成部材である蛍光体142が図14(a)に示されるように配置されたフェースプレート136との位置合わせを行い、電子源とフェースプレートとの間に接合部材が予め配置された外枠132を配置し、真空雰囲気中で加熱加圧することで、封着を行った。
【0222】
以上の工程により、画像形成装置138を形成した。
【0223】
この画像形成装置を、図15に示した駆動回路に接続し、駆動したところ、高輝度で均一性の高い画像が長期に渡って安定に表示することができた。
【0224】
(実施例5)
本実施例においては、実施例1の製造方法を用いて、図13に示した画像形成装置138を作成した。尚、本実施例では、基板121がリアプレート131を兼ねている。
【0225】
まず、ガラス基板121上に、素子電極12,13をX方向に500組、Y方向に1000組オフセット印刷法を用い、形成した(図24(a))。続いて、上記電極12に接続するX方向配線122を500本、スクリーン印刷法により形成した(図24(b))。前記X方向配線に実質的に垂直な方向に絶縁層126を1000本スクリーン印刷法により形成した(図24(c))。絶縁層126上に、電極13と接続するようにY方向配線123を1000本形成した(図26(d))。各素子電極12,13間にインクジェット法を用いて、導電性膜14を形成した(図26(e))。そして、実施例1と同様に、各素子電極12,13間に電圧を印加しフォーミング工程を行い、第二の間隙16を形成した(図26(f))。そして、図2、図4に示したように、それぞれの素子電極12,13間に電子放出手段41からDC的に電子線を照射しながら、それぞれの素子電極12,13間に電圧を印加し、カーボン膜15を形成した。以上の工程により電子源が形成された。
【0226】
続いて、上記電子源と、画像形成部材である蛍光体142が図14(a)に示されるように配置されたフェースプレート136との位置合わせを行い、電子源とフェースプレートとの間に接合部材が予め配置された外枠132を配置し、真空雰囲気中で加熱加圧することで、封着を行った。
【0227】
以上の工程により、画像形成装置138を形成した。
【0228】
この画像形成装置を、図15に示した駆動回路に接続し、駆動したところ、高輝度で均一性の高い画像が長期に渡って安定に表示することができた。
【0229】
【発明の効果】
本発明の電子放出素子の製造方法によれば、炭素を主成分とするカーボン膜を十分な電子を照射しながら形成できるので、良質な構造を有し、低抵抗で、均一性の高い物性を持つカーボン膜を形成することができる。従って、初期電子放出効率が向上し、更に、駆動時に電子放出部から放出される電子がカーボン膜に照射されても、該カーボン膜の物性の変化が起きにくくなり、電子放出効率が変化しない安定な素子が製造できるようになった。
【0230】
よって、本発明によれば、高い電子放出特性が安定して且つ均一に得られる電子源が提供され、該電子源を用いて、高輝度で信頼性の高い画像形成装置が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の電子放出素子の好ましい一実施形態の構成を示す模式図である。
【図2】図1の電子放出素子の製造工程を示す模式図である。
【図3】本発明の電子放出素子の電子放出部の形成に用いられる電圧波形を示す図である。
【図4】本発明の電子放出素子の製造方法の活性化工程で用いられる、電子照射手段を示す模式図である。
【図5】本発明の電子放出素子の電子放出特性を評価するための評価装置の概略図である。
【図6】本発明の電子放出素子における、放出電流I、素子電流Iと素子電圧Vの関係を示す図である。
【図7】本発明の電子源の好ましい一実施形態の構成を示す図である。
【図8】図7の電子源の活性工程に用いる電圧波形を示す図である。
【図9】図7の電子源の活性化工程における電子線の軌跡を表す模式図である。
【図10】本発明の電子源の活性化工程に用いる電圧波形の他の例を示す図である。
【図11】従来の電子放出素子を示す模式図である。
【図12】本発明の電子源の一実施形態の単純マトリクス配置の電子源を示す概略的構成図である。
【図13】単純マトリクス配置の電子源を用いた本発明の画像形成装置の一実施形態に用いる表示パネルの概略的構成図である。
【図14】図13に示した表示パネルにおける蛍光膜を示す図である。
【図15】図8に示した表示パネルを駆動する駆動回路の一例を示す図である。
【図16】本発明の電子源の一実施形態の梯子状配置の電子源を示す概略的構成図である。
【図17】梯子状配置の電子源を用いた本発明の画像形成装置の一実施形態に用いる表示パネルの概略的構成図である。
【図18】本発明の画像形成装置の一例を示すブロック図である。
【図19】本発明の電子放出素子の製造方法の一例を示す模式図である。
【図20】本発明の課題の一つを示す模式図である。
【図21】本発明の電子放出素子の一例を示す模式図である。
【図22】本発明の電子放出素子の製造方法の一例を示す模式図である。
【図23】本発明の電子放出素子の製造方法の一例を示す模式図である。
【図24】本発明の製造方法の一例を示す模式図である。
【図25】本発明の製造方法の一例を示す模式図である。
【図26】本発明の製造方法の一例を示す模式図である。
【符号の説明】
11 基板
12、13 素子電極
l4 導電性膜
15 カーボン膜
16 第2の間隙
17 第1の間隙
41 電子線照射手段
42 電子線遮蔽手段
50 電流計
51 電源
52 電流計
53 高圧電源
54 アノード電極
55 真空容器
56 真空排気装置
61 電子放出手段
62 ピンホール
63 電子線遮断手段
71 基板
72 共通素子電極
73、74 素子電極
75、77 導電性膜
76、78 導電性被膜
79、80、100 電子放出部
111 基板
114 導電性膜
115 電子放出部
121 電子源基板
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
126 絶縁層
131 リアプレート
132 支持枠
133 ガラス基板
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
160 電子源基板
161 電子放出素子
162 共通配線
170 グリッド電極
171 開口
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electron-emitting device, an electron source using a plurality of the devices, and an image forming apparatus such as a display device or an exposure device using these devices.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, two types of electron-emitting devices using a thermionic electron-emitting device source and a cold cathode electron-source electron-emitting device are known. Cold cathode electron emission element sources include field emission type (hereinafter referred to as “FE type”), metal / insulating layer / metal type (hereinafter referred to as “MIM type”), surface conduction type electron emission element, and the like. As an example of the FE type, W.W. P. Dyke & W. W. Dolan, “Field emission”, Advance in Electricon Physics, 8, 89 (1956) or C.I. A. Spindt, “PHYSICAL Properties of Thin-Film Field Emission Catalysts with Mollybdenum Cones”, J. et al. Appl. Phys. 47, 5248 (1976), etc. are known.
[0003]
Examples of the MIM type include C.I. A. Mead, “Operation of Tunnel-Emission Devices”, J. Am. Apply. Phys. , 32, 646 (1961), etc. are known.
[0004]
Examples of surface conduction electron-emitting devices include M.I. I. Elinson, Recio Eng. Electron Phys. , 10, 1290, (1965) and the like.
[0005]
The surface conduction electron-emitting device utilizes a phenomenon in which electron emission occurs when a current flows through a small-area thin film formed on a substrate in parallel to the film surface. As this surface conduction electron-emitting device, SnOl by Erinson et al.2Thin film, Au thin film [G. Dittmer: “Thin Solid Films”, 9, 317 (1972), In2O3/ SnO2By thin film [M. Hartwell and C.H. G. Fonstad: “IEEE Trans. ED Conf.” 519 (1975)], carbon thin film [Hisaki Araki et al .: Vacuum, Vol. 26, No. 1, page 22 (1983)] and the like have been reported.
[0006]
As typical examples of these surface conduction electron-emitting devices, the above-mentioned M.P. A device structure of Hartwell is schematically shown in FIG. In the figure, reference numeral 111 denotes a substrate. Reference numeral 114 denotes a conductive film, which is made of a metal oxide thin film or the like formed by sputtering in an H-shaped pattern, and an electron emission portion 115 is formed by energization treatment. In the figure, the element electrode interval L is set to 0.5 to 1 mm, and W ′ is set to 0.1 mm.
[0007]
Conventionally, in these surface conduction electron-emitting devices, it is common to form an electron-emitting portion 115 by applying an energization process called energization forming to the conductive film 114 in advance before electron emission. That is, a DC voltage or a pulse voltage is applied to both ends of the conductive film 114, and the conductive film 114 is locally destroyed, deformed, or altered to form an electron emitting portion 115 that is in an electrically high resistance state. It is. At this time, a crack occurs in a part of the conductive film 114, and a minute gap is formed.
[0008]
The surface conduction electron-emitting device in which the minute gap is formed emits electrons from the electron emission portion 115 (near the minute gap) by applying a voltage to the conductive film 114 and causing a current to flow through the device. is there.
[0009]
If an electron source substrate on which a plurality of electron-emitting devices as described above are formed is used, an image forming apparatus can be configured by combining with an image forming member made of a phosphor or the like.
[0010]
However, the above-mentioned M.I. Hartwell's electron-emitting devices do not always have satisfactory electron-emitting characteristics and electron-emitting efficiency, and image forming apparatuses with high brightness and excellent operational stability using these elements It was actually very difficult to provide.
[0011]
Therefore, for example, JP-A-08-264112, JP-A-08-162015, JP-A-09-027268, JP-A-09-027272, JP-A-10-003848, JP-A-10-003847, JP-A-10-003853, JP-A-10-003854. As disclosed in Japanese Patent Publication No. Gazette and the like, there is a case where a process called an activation process is performed. The activation treatment process is a process in which the device current If, Emission current IeIs a process in which changes significantly.
[0012]
The activation step can be performed by repeatedly applying a pulse voltage to the element in the same manner as the forming process in an atmosphere containing an organic substance. By this treatment, a film made of carbon or a carbon compound is deposited at least on the electron emission portion of the element from an organic substance present in the atmosphere, and the element current If, Emission current IeHowever, it changes significantly, and better electron emission characteristics can be obtained.
[0013]
An example of a conventional method for manufacturing an electron-emitting device will be described with reference to FIG.
[0014]
First, the first electrode 2 and the second electrode 3 are disposed on the substrate 1 (FIG. 19A).
[0015]
Next, the conductive film 4 connecting the first and second electrodes is disposed (FIG. 19B).
[0016]
Then, the forming process described above is performed. Specifically, the second gap 6 is formed in a part of the conductive film 4 by passing a current through the conductive film (FIG. 19C).
[0017]
Further, the activation process described above is performed. Specifically, the carbon film 10 is disposed on the substrate 1 in the second gap 6 and the conductive film 4 in the vicinity thereof by passing a current through the conductive film. By this activation process, the first gap 7 narrower than the second gap is formed, and the electron emission portion 5 is formed (FIG. 19D).
[0018]
[Problems to be solved by the invention]
In order for an image forming apparatus to which an electron-emitting device is applied to stably display a bright image, it is desirable to have a technique that can maintain a higher electron emission efficiency and stable electron emission characteristics for a longer time. ing.
[0019]
The electron emission efficiency referred to here is a current flowing between electrodes when a voltage is applied between a pair of opposing device electrodes of the electron-emitting device (hereinafter referred to as device current I).fCurrent discharged into the vacuum against the current (hereinafter referred to as emission current I)eIt is called the ratio.
[0020]
If high electron emission efficiency can be stably controlled over a long period of time, for example, in an image forming apparatus using a phosphor as an image forming member, it is possible to realize a high-quality image forming apparatus such as a flat TV with low power. Become.
[0021]
In order to use in such an application, a practical voltage (for example, 10V to 20V) is sufficient for the emission current I.eThe emission current IeAnd element current IfDoes not fluctuate significantly during driving, the emission current I over a long timeeAnd element current IfIs required not to deteriorate.
[0022]
However, the conventional method for manufacturing a surface conduction electron-emitting device described above has the following problems.
[0023]
Device characteristics such as electron emission efficiency and lifetime of the device depend on the structure and stability of the carbon film 10 (see FIG. 19D) made of carbon or a carbon compound deposited by the activation process.
[0024]
Further, the shape of the second gap 6 formed by the forming process described above may be formed in a shape with a non-uniform width as schematically shown in FIG. FIG. 20 is a schematic plan view of an element (FIG. 19C) subjected to a forming process. Further, the second gap 6 formed by the forming process may meander significantly between the electrodes 2 and 3. Thus, if the shape of the second gap 6 formed by the forming process is non-uniform, the electric field generated in the gap 6 becomes non-uniform when a voltage is applied between the device electrodes 2 and 3.
[0025]
Even in the element having the non-uniform second gap 6, the carbon film 10 made of carbon or a carbon compound is made conductive on the substrate 1 in the gap 6 and in the vicinity thereof by performing the activation step described above. By depositing on the film 4, the gap 6 can be filled and the width of the gap can be substantially reduced.
[0026]
As a result, the variation in the width of the gap 6 formed by the forming process can be reduced, and the emission current IeAnd element current IfCan be increased.
[0027]
However, even if the activation step is performed, the non-uniformity of the distance from the device electrodes 2 and 3 to the gap 6 (meandering of the gap 6) is not basically reduced.
[0028]
Further, depending on the non-uniformity of the width of the gap 6 formed by the forming process, the deposition amount of the carbon film 10 formed by the activation process may be non-uniform.
[0029]
Due to these non-uniformities, when a voltage is applied between the device electrodes 2 and 3, the voltage effectively applied to the first gap 7 portion becomes non-uniform, and the emission current I depends on the region.eMay occur, or a region that is easily deteriorated due to a large electric field locally may occur.
[0030]
Then, the required electron emission efficiency cannot be obtained, or the emission current IeMay vary from element to element, and characteristics may vary or deteriorate during driving.
[0031]
Therefore, in order to realize a high-quality image forming apparatus that can be applied to a flat TV or the like using an electron-emitting device, carbon having a more suitable structure and stability in the electron-emitting portion of the electron-emitting device or It is necessary to form a carbon film made of a carbon compound.
[0032]
In view of the above problems, the present invention achieves a method for manufacturing an electron-emitting device that achieves good electron emission characteristics uniformly and stably over a long period of time, and manufactures an electron source and an image forming apparatus using the manufacturing method. An electron-emitting device, an electron source, and an image forming apparatus excellent in high-luminance and uniform display characteristics using the electron source. Is to provide.
[0033]
[Means for Solving the Problems]
The present inventionA pair of conductive films arranged opposite each other with a gap, and a gap narrower than the gap is formed in the gap, which is arranged on the conductive film and in the gap.Carbon filmWhenAn electron-emitting device havingThe carbon film on the conductive film in the film thickness directionThe specific resistance is 0.001 Ωm or less.
[0034]
The electron-emitting device of the present invention can be preferably applied to an electron source having a plurality of electron-emitting devices.
[0035]
The electron-emitting device of the present invention can be preferably applied to an image forming apparatus having an electron source and an image forming member.
[0036]
The method for manufacturing an electron-emitting device according to the present invention includes a step of disposing a conductive member having a second gap on a substrate, and an electron-emitting means disposed away from the conductive member in an atmosphere containing a carbon compound. And irradiating at least the second gap with an electron beam, and applying a voltage to the conductive member in an atmosphere containing a carbon compound.
[0037]
The method of manufacturing an electron-emitting device according to the present invention includes a step of disposing a first conductive member and a second conductive member with a second gap on a substrate, and the conductive property in an atmosphere containing a carbon compound. A step of irradiating at least the second gap with an electron beam from an electron emitting means disposed away from the member; and a voltage between the first and second conductive members in an atmosphere containing a carbon compound. And an applying step.
[0038]
The method for manufacturing an electron-emitting device according to the present invention includes a step of disposing a conductive member having a second gap on a substrate, and an electron disposed apart from the conductive member in an atmosphere containing a carbon compound. Applying a voltage to the conductive member while irradiating at least the second gap with an electron beam from the emitting means.
[0039]
The method of manufacturing an electron-emitting device according to the present invention includes a step of disposing a first conductive member and a second conductive member with a second gap on a substrate, and the conductive property in an atmosphere containing a carbon compound. Applying a voltage between the first and second conductive members while irradiating an electron beam to at least the second gap from an electron emitting means arranged away from the member. And
[0040]
The method of manufacturing an electron-emitting device according to the present invention includes a step of disposing a conductive member having a second gap on a substrate, and applying a voltage to the conductive member in an atmosphere containing a carbon compound. And irradiating at least the second gap with an electron beam from an electron emitting means arranged away from the conductive member within a certain period.
[0041]
In the method of manufacturing an electron-emitting device according to the present invention, the first and second conductive members are disposed on the substrate with a second gap, and the first and second conductive members are disposed in an atmosphere containing a carbon compound. And irradiating at least the second gap with an electron beam from an electron emission means disposed away from the conductive member within a period in which a voltage is applied between the second conductive member and It is characterized by having.
[0042]
Moreover, the manufacturing method of the present invention can be preferably applied to a manufacturing method of an electron source having a plurality of electron-emitting devices.
[0043]
The manufacturing method of the present invention can be preferably applied to a manufacturing method of an image forming apparatus having an electron source and an image forming member.
[0044]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, an example of the manufacturing method of this invention is demonstrated in detail using FIG.1, FIG.2, FIG.4.
[0045]
1A and 1B are schematic views showing a configuration of a surface conduction electron-emitting device to which the present invention is preferably applied. FIG. 1A is a plan view and FIG. 1B is a cross-sectional view. 2 and 4 are schematic views showing a part of the production method of the present invention.
[0046]
1, 2, and 4, 11 is a substrate, 12 and 13 are element electrodes, 14 is a conductive film, 15 is a carbon film containing carbon as a main component (conductive film), 100 is an electron emission portion, 16 Is the second gap, and 17 is the first gap.
[0047]
(Process A)
First, opposing electrodes 12 and 13 are formed. For this purpose, the substrate 11 is sufficiently cleaned using a detergent, pure water, an organic solvent, and the like, and electrode materials are deposited by a vacuum deposition method, a sputtering method, and the like, and then the electrodes 12, 13 are formed on the substrate 11 using a photolithography technique. Is formed (FIG. 2A). Alternatively, the electrode can be formed by a printing method such as an offset printing method. It is preferable to use a printing method, and in particular, an offset printing method, since it can be formed in a large area at a low cost.
[0048]
In the present invention, the substrate 11 is made of SiO, formed by sputtering or the like on glass, quartz glass, blue plate glass, blue plate glass with a reduced content of impurities such as Na.2It is also possible to use a glass substrate, ceramics, Si substrate, and the like laminated.
[0049]
As a material for the electrodes 12 and 13, a general conductor material can be used. For example, metals or alloys such as Ni, Cr, Au, Mo, W, Pt, Ti, Al, Cu, Pd, and Pd, Ag, Au, RuO2, Pd-Ag or other metals or metal oxides, or printed conductors composed of any of the above metals, alloys, metal oxides and glass, or In2O3-SnO2It is appropriately selected from a transparent conductor such as a semiconductor conductor material such as polysilicon.
[0050]
The element electrode interval L, the element electrode length W, the shape of the conductive film 14 and the like are designed in consideration of the applied form and the like. The element electrode interval L is preferably in the range of several hundreds of nanometers to several hundreds of micrometers, and more preferably in the range of several micrometers to several tens of micrometers in consideration of the voltage applied between the element electrodes.
[0051]
The element electrode length W is preferably in the range of several μm to several hundred μm in consideration of the resistance value of the electrode and electron emission characteristics, and the film thickness d of the element electrodes 12 and 13 is preferably several tens of nm to several It is in the range of μm.
[0052]
Not only the configuration shown in FIG. 1 but also a configuration in which the conductive film 14 and the opposing element electrodes 12 and 13 are stacked in this order on the substrate 1 can be adopted.
[0053]
(Process B)
Next, the conductive film 14 is formed. For example, an organometallic solution is applied to the substrate 11 provided with the electrodes 12 and 13 to form an organometallic film. The organometallic solution is a solution of an organometallic compound containing the metal of the material of the conductive film 14 as a main element. This organometallic film is heated and baked and patterned by lift-off, etching, or the like to form a conductive film 14 (FIG. 2B). Here, the application method of the organic metal solution has been described, but the method of forming the conductive film 4 is not limited to this, and a vacuum deposition method, a sputtering method, a chemical vapor deposition method, a dispersion coating method, A dipping method, a spinner method, an ink jet method, or the like can be used.
[0054]
When the ink jet method is used, microdroplets of about 10 ng to several tens of ng can be generated with good reproducibility and applied to the substrate, and photolithography patterning and vacuum processes are not required. To preferred. As an apparatus for the ink jet method, a bubble jet (registered trademark) type using an electrothermal transducer as an energy generating element, a piezo jet type using a piezoelectric element, or the like can be used. As the droplet firing means, electromagnetic wave irradiation means, heated air irradiation means, and means for heating the entire substrate are used. As the electromagnetic wave irradiation means, for example, an infrared lamp, an argon ion laser, a semiconductor laser, or the like can be used.
[0055]
The material constituting the conductive film 14 is a metal such as Pd, Pt, Ru, Ag, Au, Ti, In, Cu, Cr, Fe, Zn, Sn, Ta, W, Pd, PdO, SnO.2, In2O3, PbO, Sb2O3Oxides such as HfB2, ZrB2, LaB6, CeB6, YB4, GdB4Borides such as TiC, ZrC, HfC, carbides such as Ta, C, SiC, and WC, nitrides such as TiN, ZrN, and HfN, and semiconductors such as Si and Ge can be used.
[0056]
The film thickness of the conductive film 14 is appropriately set in consideration of the step coverage to the device electrodes 12 and 13, the resistance value between the device electrodes 12 and 13, etc., but is usually in the range of several to several hundred nm. And more preferably in the range of 1 nm to 50 nm. Its resistance value is 1 × 10 Rs2~ 1x107It is the value of Ω / □. Rs is a value when a resistance R measured in the length direction of a thin film having a width w and a length l is R = Rs (l / w).
[0057]
(Process C)
Next, a forming process for forming the second gap 16 in the conductive film 14 is performed. Specifically, by applying a voltage (particularly a pulse voltage) between the pair of electrodes 12 and 13 and passing a current through the conductive film 14, a part of the conductive film 14 is formed. A micro gap 16 having a locally changed structure such as destruction, deformation, or alteration is formed (FIG. 2C). In the figure, the conductive film 14 is shown as being completely separated on the left and right sides with the gap 16 as a boundary. Therefore, the conductive film 14 in which the gap 16 is formed by performing the forming process can be referred to as a pair of conductive films (conductive members) 14 facing each other with the gap 16 interposed therebetween. It can also be said to be a conductive film (conductive member) 14.
[0058]
An example of a voltage waveform in the energization process is shown in FIG. In FIG. 3, the pulse width T1Is 1 μsec to 10 msec, pulse interval T2Is freely set in the range of 10 μsec to 10 msec. The peak value of the triangular wave is selected according to the material and thickness of the conductive film. Under the above conditions, a pulse voltage is applied for several seconds to several tens of minutes. Completion of the formation of the gap 16 may be determined by measuring a current value at the time of applying a voltage and when the current value is equal to or less than a set value. For example, a current flowing by applying a voltage of about 0.1 V is measured, a resistance value is obtained, and when a resistance of 1 MΩ or more is indicated, the energization forming is terminated.
[0059]
(Process D)
On the conductive film 14 having the second gap 16 formed as described above, an activation process is performed to form a carbon film (conductive film) 15 mainly composed of carbon (FIG. 2D). )). By this process, the device current If, Emission current IeCan be significantly increased.
[0060]
In the present invention, in this activation step, as shown in FIG. 4, an electron emitting means 41 is separately provided outside the electron emitting device, and an electron beam emitted from the electron emitting means is placed near the gap 16. While irradiating one of the following areas (1) to (3), a voltage is applied between the electrodes 12 and 13 to form a conductive film (carbon film) 15 mainly composed of carbon. That is, a voltage is applied between the electrodes 12 and 13 simultaneously with the electron beam irradiation from the electron emitting means.
[0061]
As the irradiation region of the electron beam,
(1) the substrate 11 in the gap 16;
(2) The substrate 11 in the gap 16 and the conductive film 14 in the vicinity thereof,
Or
(3) The substrate 11 and the conductive film 14 in the gap 16 as well as the electrodes 12, 13,
One of them. Preferably, the region (3) is irradiated.
[0062]
In the activation step, the voltage application between the electrodes 12 and 13 is preferably performed by repeatedly applying a pulse voltage. Further, in the present invention, preferably, a bipolar pulse voltage is applied as shown in FIGS.
[0063]
The carbon film 15 is applied to the outside of the electron-emitting device in addition to repeating application of a pulse voltage to the conductive film 14 (between the pair of electrodes 12 and 13) in an atmosphere containing a carbon compound gas (organic substance gas). It can be formed by irradiating the vicinity of the gap 16 with an electron beam emitted from the electron emission means 41 provided on the surface.
[0064]
In FIG. 4, the element and the electron emission means 41 are installed in the same vacuum container. The electron emission means 41 may be a structure that uses a hot cathode as an electron beam source and accelerates by applying an acceleration voltage.
[0065]
The electron beam emitted from the electron emission means 41 does not need to be confined only in the gap 16, and the gap 16 is formed in consideration of the voltage applied between the electrodes 12 and 13, the partial pressure of the carbon compound gas at the time of activation, and the like. It is preferable to have a spread of several μm or more as the center.
[0066]
However, when an electron beam is irradiated to a very wide area, there is a possibility that the carbon compound is deposited even in an unnecessary area. Therefore, it is preferable that the electron beam emitted from the electron emission means 41 is shielded by the electron beam shielding means 42 to suppress the spread.
[0067]
The acceleration voltage is preferably set to about 1 kV to 20 kV. That is, it is preferable to irradiate an electron beam having an energy of 1 keV or more and 20 keV or less. The electron beam irradiation may be performed continuously (in a DC manner), or may be performed in synchronization with a pulse voltage applied between the electrodes 12 and 13. It is preferable that the voltage applied to the element electrode is pulsed while preferably irradiating continuously (in a DC manner).
[0068]
In the activation step of the present invention, it is preferable to apply a voltage between the device electrodes 12 and 13 while irradiating the electron beam from the electron emission means 41. That is, during the period in which the voltage is applied between the device electrodes 12 and 13, the electron beam from the electron emission means is irradiated to any one of the above-mentioned (1) to (3).
[0069]
The carbon film 15 formed by the activation process of the present invention is connected to each of the electrodes 12 and 13 via the conductive film 14 or directly.
[0070]
In addition, the conductive film (carbon film) 15 formed by the activation process is arranged to face each other with a first gap 17 as shown in FIG. In the drawing, the carbon film 15 is shown as being completely separated on the left and right sides with the first gap 17 as a boundary. Therefore, the carbon film 15 formed by performing the activation step can be referred to as a pair of carbon films (conductive members) 15 facing each other with a gap 17 therebetween, or a carbon film having a gap 17 (conductive). Sexual member) 15.
[0071]
Examples of carbon compounds (organic substances) used in the atmosphere for the activation step include alkanes, alkenes, alkyne aliphatic hydrocarbons, aromatic hydrocarbons, alcohols, aldehydes, ketones, amines, phenols, Examples thereof include organic acids such as carboxylic acid and sulfonic acid. Specifically, methane, ethane, propane and the like CnH2n + 2Saturated hydrocarbon, ethylene, propylene, etc. represented by CnH2nUnsaturated hydrocarbons represented by the composition formulas such as benzene, toluene, methanol, ethanol, formaldehyde, acetaldehyde, acetone, methyl ethyl ketone, methylamine, ethylamine, phenol, formic acid, acetic acid, propionic acid, or a mixture thereof can be used. .
[0072]
In the conventional activation process, the carbon compound (organic substance) present in the atmosphere is decomposed only by the current flowing through the second gap 16, and the carbon or the carbon compound is converted into the substrate in the second gap 16. Electrons deposited on and in the vicinity of the conductive film 14 and emitted from the vicinity of the gap 16 (the gap 17 in the middle of formation) are irradiated to the carbon or the carbon compound, so that a part of the electrons is crystallized. I think that it will become conductive.
[0073]
The crystal structure of the carbon film (conductive film) 15 obtained by the activation process includes a graphite structure and / or an amorphous structure. Further, in the process of forming the carbon film 15, there may be an intermediate structure between them. When the graphite structure is adopted, high conductivity can be obtained, but when it is an amorphous structure, the conductivity is lowered. The degree of crystallinity has a strong influence on the characteristics of the electron-emitting device, particularly on the electron emission efficiency described later.
[0074]
Here, the degree of crystallinity represents the degree of progress of a substance that can change from an amorphous state to a complete crystal structure through a state in which the periodic structure is relatively disordered.
[0075]
Further, in the conventional activation process, as the process proceeds, carbon and carbon compounds deposited in the gap 16 tend to deposit more particularly in the narrower intervals. As a result, “disturbance” occurs in the form of the formed carbon film 15.
[0076]
Therefore, in the conventional manufacturing method, “disturbance” occurs in the form of the carbon film 15 with the progress of the activation process, and there is a portion where electrons emitted from the vicinity of the gap 16 are not sufficiently irradiated to the deposited carbon or carbon compound. End up. In such a state, the carbon or carbon compound deposited in the vicinity of the gap 16 grows in a state including many regions with low crystallinity, and the resulting carbon film 15 has low conductivity. That is, this is considered to be a result brought about by insufficient electron beam irradiation in the growth process of the carbon film 15.
[0077]
When the carbon film including many regions with low crystallinity as described above is formed, collision of electrons emitted from the electron emission portion or device current IfIt is conceivable that the crystal structure of the carbon film 15 gradually changes due to the heat generated by the above, and changes the degree of crystallization from the amorphous structure to the graphite structure. At the same time, it is considered that the resistance of the carbon film 15 changes and the electric conduction characteristics of the element gradually change.
[0078]
As a result, particularly when it is desired that the characteristics of a large number of elements such as an image forming apparatus are matched, the electron emission characteristics of the elements are changed, leading to variations in luminance.
[0079]
On the other hand, according to the method for manufacturing an electron-emitting device of the present invention, the carbon film being formed on the conductive film 14 and in the second gap 16 is irradiated to irradiate the electron beam from the outside of the device. Sufficient electron beams can be given. Therefore, a change in the physical properties of the carbon film can be promoted, and a conductive film mainly composed of a highly conductive carbon film whose crystallinity is sufficiently promoted can be efficiently formed. As a result, changes in the physical properties of the conductive film (carbon film) during driving can be suppressed. Therefore, the electron emission characteristics of the device are stabilized.
[0080]
Therefore, according to the manufacturing method of the present invention, the specific resistance of the conductive film (carbon film) 15 containing carbon as a main component can be 0.001 Ωm or less.
[0081]
In the method of manufacturing an electron source according to the present invention, an electron beam emitted from an electron emission portion of an adjacent electron emission element can be used as an electron beam irradiated to the vicinity of the gap 16. According to this method, as shown in FIG. 4, it is not necessary to separately provide electron emission means for electron beam irradiation.
[0082]
In addition, when the carbon film formation reaction occurs non-uniformly due to the “disturbance” of the form described above, the carbon 15 may be partially thickly formed, and there is a shadow region that is difficult to be irradiated with electrons. Although it may occur, it is possible to irradiate an electron beam from a different angle by receiving electrons from other adjacent elements in the same manner as the electron beam irradiation means provided outside the device. It becomes like this.
[0083]
A method using electron beams emitted from different electron-emitting devices will be described below.
[0084]
A configuration in which two elements are adjacent to each other by sharing one element electrode will be described as an example.
[0085]
In two adjacent electron-emitting devices, an electron beam emitted from one electron-emitting portion is irradiated to the vicinity of the other electron-emitting portion, so that the electron-emitting portion is irradiated with the electron beam, and carbon is a main component. A carbon film (conductive film) can be formed. At this time, electrons are emitted from the cathode side toward the anode side, so that the electrons can efficiently reach the mutual electron emission portions by aligning the directions of the electrons emitted from the respective elements. In particular, it is possible to irradiate an electron beam alternately by adopting a configuration in which the two adjacent electron-emitting devices share one device electrode or a configuration in which one device electrode is electrically connected. it can. In other words, electrons are completely emitted by applying a common device electrode or a device electrode connected to each other to the ground potential, and applying an alternating voltage with a phase shift to each electrode pair, for example, a voltage with a phase shift of π. Therefore, the irradiation of the electron beam from one electron emitting portion to the vicinity of the other electron emitting portion is alternately performed. As a result, a conductive film (carbon film) containing carbon as a main component can be efficiently formed on the two electron emission portions almost simultaneously.
[0086]
7A and 7B are schematic views showing the configuration of the electron source of the present embodiment. FIG. 7A is a plan view and FIG. 7B is a cross-sectional view. In FIG. 7, reference numeral 71 denotes a substrate, on which a common element electrode 72 and element electrodes 73 and 74 are formed. An electroconductive film 75, an electron emission portion 79, and a carbon film 76 are formed between an element electrode pair (referred to as an electrode pair A) composed of the common element electrode 72 and the element electrode 73, and the electron emission element A is configured. . Further, a conductive film 77, an electron emission portion 80, and a carbon film 78 are formed between an electrode pair (element electrode pair B) composed of the common element electrode 72 and the element electrode 74, and the electron emission element B is configured. ing.
[0087]
The basic configuration can be regarded as a single element configured by arranging elements similar to the electron-emitting elements described in FIG. 1 in series via the common element electrode 72.
[0088]
Regarding the electron-emitting device, the method for forming the electrodes 72 to 74 and the conductive films 75 and 77 is the same as the method for forming the electron-emitting device described above. Further, the electrode interval L1, the electrode length W, and the film thickness are determined in consideration of the resistance value of the electrode and the electron emission characteristics. Here, the distance L1 between the two electrode pairs is the same, and the three electrode lengths are the same. The width L2 of the common element electrode 72 is set in consideration of the distance that the electron beam emitted from one of the electron emitting portions can reach the adjacent electron emitting portion. Here, the overlap width between the element electrode and the conductive film is arbitrary as long as it is conductive.
[0089]
As a method of forming the electron emission portions 79 and 80, the common element electrode 72 is grounded, the element electrode 73 and the element electrode 74 are coupled to be equipotential, and voltage is simultaneously applied to the electrode pair A and the electrode pair B. What is necessary is just to form an electron emission part simultaneously.
[0090]
When the activation process according to the present invention is applied to two adjacent electron-emitting devices configured as shown in FIG. 7, electron beams can be irradiated from one to the other. The specific procedure will be described below.
[0091]
The common element electrode 72 is grounded, and a pulse voltage source (not shown) is connected to the element electrode 73 and the element electrode 74.
[0092]
FIG. 8 is an example of voltage waveforms (a) and (b) applied to the device electrode 73 and the device electrode 74, respectively, and a rectangular wave pulse is applied with a sign in an alternating manner. As can be seen from FIG. 8, a pulse voltage having a phase difference of π is applied to each electrode.
[0093]
By the way, electrons flow from the electrode side having a relatively low potential to the electrode side having a high potential through the electron emission portion, and a part of the electrons are emitted as an electron beam in the same direction. Therefore, when a voltage as shown in FIG. 8 is applied, the electron beam is emitted alternately in the direction of the electron emission portions 79 to 80 and in the direction of 80 to 79.
[0094]
This is schematically shown in FIG. Each time the polarity of the pulse voltage changes, the direction in which the electron beam is emitted changes as shown in FIGS. 9A and 9B. In the case of FIG. 9A, the electron beam emitted from the electron emission portion 79 is irradiated near the electron emission portion 80. In the case of FIG. 9B, the electron beam emitted from the electron emission portion 80 is irradiated near the electron emission portion 79.
[0095]
Alternatively, a voltage waveform as shown in FIG. 10 can be used as another pulse pattern. In this case, pulse voltages having phases different from each other by π / 2 are applied to the device electrode 73 and the device electrode 74. By using this waveform pattern, when an electron beam is emitted from one electron emitting portion, no electron beam is emitted from the other electron emitting portion, so that an electron beam from one direction can be received, Interference when the electron beam is irradiated from the direction can be eliminated.
[0096]
Furthermore, according to the present invention, variation in characteristics between elements due to meandering of the second gap 16 by the forming process described above can be reduced by the manufacturing method described below.
[0097]
That is, in another embodiment of the present invention, the above-described present invention is directly applied between a pair of element electrodes (conductive members) 12 and 13 having relatively excellent linearity without using the conductive film 14 described above. The activation step is performed. FIG. 21A is a schematic plan view of the electron-emitting device of this embodiment, and FIG. 21B is a schematic cross-sectional view thereof. 22 and 23 are schematic views showing a part of the process of the manufacturing method. In the schematic diagram shown in FIG. 21, the first gap 17 is shown as a perfect straight line, but this is shown for easier understanding of the present invention. In FIG. 21, the carbon film 15 is shown as being completely separated with the first gap 17 as a boundary, but may be connected at a part thereof. Therefore, the carbon film 15 formed by performing the activation step can be referred to as a pair of carbon films (conductive members) 15 facing each other with a gap 17 therebetween, or a carbon film having a gap 17 (conductive). Sexual member) 15.
[0098]
In another manufacturing method of the present invention, first, a pair of element electrodes (conductive members) 12 and 13 are arranged with a gap L on the substrate 11 (FIG. 22A). In this embodiment, the gap between the device electrodes 12 and 13 corresponds to the first gap 16 described above.
[0099]
Next, the activation process of the present invention is performed. In this activation step, an electron emission means is separately provided, and an electron beam emitted from the electron emission means is irradiated between the electrodes 12 and 13 while irradiating one of the following areas (1) and (2). A voltage is applied to form the carbon film 15 (FIGS. 22B and 23). That is, a voltage is applied between the electrodes 12 and 13 simultaneously with the electron beam irradiation from the electron emitting means.
[0100]
As the irradiation region of the electron beam,
(1) A substrate 11 between the device electrodes 12, 13;
(2) The base 11 between the element electrodes 12 and 13, and the electrodes 12 and 13,
One of them.
[0101]
As a result, the carbon film 15 can be formed on the device electrodes 12 and 13 and the insulating substrate 11 between the device electrodes, and at the same time, the first gap 17 can be formed between the device electrodes 12 and 13.
[0102]
FIG. 23 is a diagram schematically showing an apparatus for irradiating an electron beam from the outside. The configuration of the electron beam irradiation apparatus shown in FIG. 23 is basically the same as that shown in FIG. In FIG. 23, 61 is an electron emission means. The electron-emitting device and the electron-emitting means 61 may be installed in the same vacuum container, but if necessary, the electron-emitting device and the electron-emitting means 61 are installed in a different vacuum container from the vacuum container in which the substrate 11 is installed. May be.
[0103]
When differential pumping is performed, a pinhole for electron beam transmission (62 in FIG. 23) is applied, and since the conductance of the pinhole is low, the pressure inside the vacuum vessel in which the substrate 11 is installed and the electron emission means It becomes possible to isolate | separate the pressure in the vacuum vessel in which 61 was installed.
[0104]
The electron emission means 61 may be a structure that uses a hot cathode as an electron beam source and accelerates by applying an acceleration voltage. Further, in order to finely control the electron beam irradiation region, an electron beam blocking means 63 may be provided.
[0105]
In the electron beam irradiation, the device electrodes 12 and 13 and / or the substrate 11 between the device electrodes may be irradiated in a DC manner, or may be pulsed in synchronization with a pulse voltage applied to the electrodes.
[0106]
As described above, in the present embodiment, the conductive film 14 electrically connected to the element electrode and the second gap 16 are formed in the conductive film, which are necessary in the activation process. Energization forming becomes unnecessary.
[0107]
That is, by irradiating an electron beam from the outside, the carbon film 15 and the first gap 17 are arranged directly at an electrode interval L (several μm to several tens μm) that is much wider than the width of the second gap 16. can do. In the element having the configuration shown in FIG. 21, the second gap 16 described above corresponds to the distance between the electrodes 12 and 13. Therefore, in the element of this embodiment, the second gap can be formed with high linearity and high uniformity of the width (L).
[0108]
Therefore, in the element shown in FIG. 19 or FIG. 20, the above-described non-uniformity of the distance between the second gaps 16 and the non-uniformity of the distance from the end of the element electrodes 12, 13 to the second gap 16 (see FIG. ), Local variations in emission characteristics in the electron-emitting device are reduced. Furthermore, due to the above-described effects of electron beam irradiation, the electron emission efficiency of the device can be improved, and fluctuations and deterioration of characteristics during driving of the device can be greatly reduced.
[0109]
In addition, according to the present embodiment, the conductive film 14 electrically connected to the element electrode, which is required in the conventional activation process, and the second gap 16 for forming the second gap 16 in the conductive film are used. Since energization forming is not required, the element configuration is simplified and the number of processes can be reduced. That is, an electron-emitting device having stable and highly efficient electron-emitting characteristics can be manufactured efficiently and inexpensively. Further, in an electron source and an image forming apparatus in which a plurality of the electron-emitting devices are arranged on the same substrate, an electron source and an image forming apparatus having high uniformity, high efficiency and stable characteristics can be obtained.
[0110]
In the activation process of the present invention described above, it is particularly preferable to apply a voltage between the device electrodes 12 and 13 while irradiating the electron beam from the electron emission means 41 (61). That is, it is preferable to irradiate the electron beam from the electron emission means during the period in which the voltage is applied between the device electrodes 12 and 13. According to this method, the crystallinity of the initial deposition of carbon and / or carbon compound forming the first gap 17 can be made higher. That is, in comparison with the conventional activation method, high energy electrons irradiated from the electron emission means 41 (61) are separately irradiated, so that the current flowing between the device electrodes 12 and 13 (the second gap 16 or the formation). Carbon and / or carbon compounds deposited by electrons emitted from the vicinity of the first gap 17 on the way can be formed as a carbon film having a high degree of crystallinity from the beginning of the deposition. Therefore, for example, the width of the gap 17 can be formed narrower, and it can be expected to form an element having excellent characteristics.
[0111]
(Process E)
The electron-emitting device obtained through the activation process of the present invention is preferably subjected to a stabilization process. This step is a step of exhausting the organic substance in the vacuum vessel. As the vacuum exhaust device for exhausting the vacuum vessel, it is preferable to use a device that does not use oil so that the oil generated from the device does not affect the characteristics of the element. Specifically, a vacuum exhaust apparatus such as a sorption pump or an ion pump can be used.
[0112]
When an oil diffusion pump or a rotary pump is used as an exhaust device in the activation step and an organic gas derived from an oil component to be generated is used, it is necessary to keep the partial pressure of this component as low as possible. The partial pressure of the organic component in the vacuum vessel is 1 × 10 with a partial pressure at which the carbon or the carbon compound is not newly deposited.-6Pa or less is preferable, and further 1 × 10-8Pa or less is particularly preferable. Furthermore, when evacuating the inside of the vacuum container, it is preferable to heat the entire vacuum container so that the organic substance molecules adsorbed on the inner wall of the vacuum container and the electron-emitting device can be easily exhausted. The heating condition at this time is 80 to 300 ° C., preferably 150 ° C. or higher, and it is desirable to perform the treatment for as long as possible. However, it is not particularly limited to this condition, and the size and shape of the vacuum vessel, the configuration of the electron-emitting device The conditions are appropriately selected according to various conditions such as the above. The pressure in the vacuum vessel needs to be as low as possible, 1 × 10-5Pa or less is preferable, and further 1 × 10-6Pa or less is particularly preferable.
[0113]
The driving atmosphere after the stabilization process is preferably maintained at the end of the stabilization process, but is not limited to this, and the pressure itself is sufficient if the organic substance is sufficiently removed. Can maintain sufficiently stable characteristics even if it rises somewhat. By adopting such a vacuum atmosphere, deposition of new carbon or carbon compounds can be suppressed, and as a result, the device current If, Emission current IeIs stable.
[0114]
Next, basic characteristics of the electron-emitting device of the present invention will be described. FIG. 5 is a schematic diagram of the evaluation apparatus. This evaluation apparatus has a function as a vacuum apparatus and an element characteristic measuring apparatus. 5, the same parts as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as those shown in FIG. 1. That is, 11 is a substrate constituting the electron-emitting device, 12 and 13 are electrodes, 14 is a conductive film, and 100 is an electron-emitting portion. For convenience, the conductive coating 15 is omitted. Reference numeral 51 denotes an element voltage V applied to the electron-emitting device.f50 is a device current I flowing through the conductive film 14 between the electrodes 12 and 13.f54 is an emission current I emitted from the electron emission portion of the device.eIt is an anode electrode for capturing. Reference numeral 53 denotes a high voltage power source for applying a voltage to the anode electrode 54, and reference numeral 52 denotes an emission current I emitted from the electron emission portion 16 of the device.eIt is an ammeter for measuring. In the present invention, the measurement was performed by setting the voltage of the anode electrode to 1 kV and the distance H between the anode electrode and the electron-emitting device to 2 mm.
[0115]
In the measurement, first, in order to suppress the deposition of new carbon or carbon compound, the organic material in the vacuum vessel is exhausted, and the vacuum exhaust device 56 that exhausts the vacuum vessel 55 contains oil generated from the device. In order not to affect the characteristics, a vacuum exhaust device that does not use oil, such as a sorption pump, is used.
[0116]
The partial pressure of the organic component in the vacuum vessel 55 is 1 × 10 with a partial pressure at which the above carbon and carbon compounds are hardly deposited.-8Pa or less. At this time, it is preferable to heat the entire vacuum vessel to 200 ° C. or higher so that the organic substance molecules adsorbed on the inner wall of the vacuum vessel and the electron-emitting device are easily exhausted.
[0117]
6 shows the emission current I of the electron-emitting device of the present invention measured using the evaluation apparatus of FIG.e, Element current IfAnd element voltage VfIt is the figure which showed this relationship typically. In FIG. 6, the emission current IeIs the device current IfSince it is remarkably small compared to, it is shown in arbitrary units. The vertical and horizontal axes are linear scales.
[0118]
As is clear from FIG. 6, the electron-emitting device of the present invention has an emission current I.eHas the following three characteristic properties.
[0119]
First, the device has a certain voltage (referred to as a threshold voltage; V in FIG.th) When the above device voltage is applied, the emission current I suddenly increases.eWhile the threshold voltage VthIn the following, the emission current IeIs hardly detected. That is, the emission current IeClear threshold voltage V forthIs a non-linear element.
[0120]
Second, the emission current IeIs the element voltage VfThe emission current IeIs the element voltage VfCan be controlled.
[0121]
Third, the emitted charge trapped by the anode electrode 54 (see FIG. 5) is the device voltage VfDepends on the time to apply. That is, the amount of charge trapped by the anode electrode 54 is the element voltage VfCan be controlled by applying time.
[0122]
As can be understood from the above description, the electron-emitting device of the present invention can easily control the electron-emitting characteristics according to the input signal. By utilizing this property, it is possible to apply to various fields such as an electron source and an image forming apparatus configured by arranging a plurality of electron-emitting devices.
[0123]
In FIG. 6, the element current IfElement voltage VfIn this example, the element current I increases monotonically (MI characteristic).fIs the element voltage VfMay exhibit voltage controlled negative resistance characteristics (VCNR characteristics) (not shown). These characteristics can be controlled by controlling the aforementioned steps.
[0124]
Due to the characteristic characteristics of the electron-emitting device of the present invention as described above, an electron source having a plurality of electron-emitting devices can easily control the amount of emitted electrons according to an input signal even in an image forming apparatus or the like. Therefore, it can be applied to various fields.
[0125]
An application example of the electron-emitting device of the present invention will be described below. By arranging a plurality of electron-emitting devices of the present invention on a substrate, for example, an electron source and further an image forming apparatus can be configured.
[0126]
Various arrangements of the electron-emitting devices can be employed. As an example, a large number of electron-emitting devices arranged in parallel are connected at both ends, a plurality of rows of electron-emitting devices are arranged (row direction), and the electron emission is performed in a direction perpendicular to the wiring (column direction). There is a ladder-type arrangement in which electrons from the electron-emitting device are controlled and driven by a control electrode (grid electrode) disposed above the device. Separately, a plurality of electron-emitting devices are arranged in a matrix in the X and Y directions, and one of the electrodes of the plurality of electron-emitting devices arranged in the same row is connected in common to the X-direction wiring. One that commonly connects the other electrode of the plurality of electron-emitting devices arranged in a row to the wiring in the Y-direction. Such an arrangement is a so-called simple matrix arrangement. First, the simple matrix arrangement will be described in detail below.
[0127]
As described above, the electron-emitting device of the present invention has three characteristics. In other words, the emitted electrons from the electron-emitting device can be controlled by the peak value and width of the pulse voltage applied between the device electrodes facing each other above the threshold voltage. On the other hand, almost no electrons are emitted below the threshold voltage. According to this characteristic, even when a large number of electron-emitting devices are arranged, the amount of electron emission can be controlled by selecting the electron-emitting device according to the input signal if a pulse voltage is appropriately applied to each device. .
[0128]
Hereinafter, based on this principle, an electron source substrate obtained by arranging a plurality of surface conduction electron-emitting devices as an embodiment of the electron-emitting device of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 12, 121 is an electron source substrate, 122 is an X direction wiring, and 123 is a Y direction wiring. 124 is a surface conduction electron-emitting device, and 125 is a connection.
[0129]
The m X-direction wirings 122 are Dx1, Dx2... DxmAnd can be made of a conductive metal or the like formed using a vacuum deposition method, a printing method, a sputtering method, or the like. The wiring material, film thickness, and width are appropriately designed. Y direction wiring 123 is Dy1, Dy2... DynThe n wirings are formed in the same manner as the X direction wiring 122. An interlayer insulating layer (not shown) is provided between the m X-direction wirings 122 and the n Y-direction wirings 123 to electrically isolate them (m and n are both positive and negative). Integer).
[0130]
The interlayer insulating layer (not shown) is formed of SiO formed by vacuum deposition, printing, sputtering, or the like.2Etc. For example, it is formed in a desired shape on the entire surface or a part of the substrate 121 on which the X-direction wiring 122 is formed. The manufacturing method is appropriately set. The X-direction wiring 122 and the Y-direction wiring 123 are drawn out as external terminals, respectively.
[0131]
A pair of device electrodes (not shown) constituting the electron-emitting device 124 are electrically connected to the m X-direction wirings 122 and the n Y-direction wirings 123 by connection lines 125 made of conductive metal or the like. Yes.
[0132]
The material constituting the X-direction wiring 122 and the Y-direction wiring 123, the material constituting the connection 125, and the material constituting the pair of element electrodes may be the same even if some or all of the constituent elements are the same. It may be different. These materials are appropriately selected from, for example, the above-described element electrode materials. When the material constituting the element electrode is the same as the wiring material, it can be said that the wiring connected to the element electrode is the element electrode.
[0133]
The X direction wiring 122 is connected to scanning signal applying means (not shown) for applying a scanning signal for selecting a row of the electron-emitting devices 124 arranged in the X direction. On the other hand, the Y direction wiring 123 is connected to a modulation signal generating means (not shown) for modulating each column of the electron-emitting devices 124 arranged in the Y direction according to an input signal. The drive voltage applied to each electron-emitting device is supplied as a difference voltage between the scanning signal and the modulation signal applied to the device.
[0134]
In the above configuration, individual elements can be selected and driven independently using a simple matrix wiring.
[0135]
An image forming apparatus configured using an electron source having such a simple matrix arrangement will be described with reference to FIGS. 13, 14, and 15. FIG. 13 is a schematic view showing an example of a display panel of the image forming apparatus, and FIG. 14 is a schematic view of a fluorescent film used in the image forming apparatus of FIG. FIG. 15 is a block diagram showing an example of a drive circuit for performing display in accordance with NTSC television signals. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the site | part same as the site | part shown in FIG. 12, and description is abbreviate | omitted. For convenience, the conductive film 14 and the conductive film 15 are omitted.
[0136]
In FIG. 13, 131 is a rear plate to which the electron source substrate 121 is fixed, and 136 is a face plate in which a fluorescent film 134, a metal back 135 and the like are formed on the inner surface of a glass substrate 133. Reference numeral 132 denotes a support frame, and a rear plate 131 and a face plate 136 are connected to the support frame 132 using frit glass or the like. Reference numeral 138 denotes an envelope, which is configured to be sealed by baking for 10 minutes or more in a temperature range of 400 to 500 ° C., for example.
[0137]
As described above, the envelope 138 includes the face plate 136, the support frame 132, and the rear plate 131. Since the rear plate 131 is provided mainly for the purpose of reinforcing the strength of the electron source substrate 121, the separate rear plate 131 is not necessary when the substrate 121 itself has sufficient strength. That is, the support frame 132 may be directly sealed on the substrate 121, and the envelope 138 may be configured by the face plate 136, the support frame 132, and the substrate 121. On the other hand, by installing a support member (not shown) called a spacer between the face plate 136 and the rear plate 131, the envelope 138 having sufficient strength against atmospheric pressure can be configured.
[0138]
FIG. 14 is a schematic diagram showing a fluorescent film. In the case of monochrome, the fluorescent film 134 can be composed of only a phosphor. In the case of a color fluorescent film, it is composed of a black conductive material 141 called a black stripe (FIG. 14 (b)) or a black matrix (FIG. 14 (b)) and a phosphor 142 depending on the arrangement of the phosphors. Can do. The purpose of providing the black stripe and the black matrix is to make the mixed colors and the like inconspicuous by blackening the required color separation portion between the three primary color phosphors 142 in the case of color display, and contrast by reflection of external light on the fluorescent film 134 It is in suppressing the fall of the. As a material of the black conductive material 141, a material having conductivity and low light transmission and reflection can be used in addition to a commonly used material mainly composed of graphite.
[0139]
As a method of applying the phosphor on the glass substrate 133, a precipitation method, a printing method, or the like can be adopted regardless of monochrome or color. A metal back 135 is usually provided on the inner surface side of the fluorescent film 134. The purpose of providing the metal back is to improve the brightness by specularly reflecting the light emitted from the phosphor to the inner surface side to the glass substrate 133 side, to act as an electrode for applying an electron beam acceleration voltage, For example, the phosphor is protected from damage caused by the collision of negative ions generated in the envelope. The metal back can be produced by performing a smoothing process (usually called “filming”) on the inner surface of the phosphor film after the phosphor film is produced, and then depositing Al using vacuum evaporation or the like.
[0140]
Further, the face plate 136 may be provided with a transparent electrode (not shown) on the outer surface side of the fluorescent film 134 in order to further increase the conductivity of the fluorescent film 134.
[0141]
When performing the above-described sealing, in the case of a color, it is necessary to associate each color phosphor with the electron-emitting device, and sufficient alignment is essential.
[0142]
The image forming apparatus shown in FIG. 13 is manufactured, for example, as follows.
[0143]
The inside of the envelope 138 is exhausted through an exhaust pipe (not shown) by an exhaust device that does not use oil, such as an ion pump or a sorption pump, while being appropriately heated, as in the above-described stabilization step.-5Sealing is performed after the atmosphere is sufficiently low in an organic material having a degree of vacuum of about Pa. In order to maintain the degree of vacuum after the envelope 138 is sealed, a getter process may be performed. This is because a getter (not shown) arranged at a predetermined position in the envelope 138 is heated by heating using resistance heating or high-frequency heating immediately before or after sealing the envelope 138. And a process for forming a deposited film. The getter is usually composed mainly of Ba or the like, and, for example, 1 × 10 6 by the adsorption action of the deposited film-5A degree of vacuum of Pa or higher is maintained.
[0144]
Next, a configuration example of a driving circuit for performing television display based on an NTSC television signal on a display panel configured using an electron source having a simple matrix arrangement will be described with reference to FIG. In FIG. 15, 151 is a display panel, 152 is a scanning circuit, 153 is a control circuit, 154 is a shift register, 155 is a line memory, 156 is a synchronizing signal separation circuit, 157 is a modulation signal generator, and Vx and Va are DC voltage sources. It is.
[0145]
The display panel 151 has a terminal Dx1~ Dxm, Terminal Dy1~ DynAnd an external electric circuit through a high voltage terminal 137. Terminal Dx1~ DxmA scanning signal for sequentially driving one row (n elements) of an electron source provided in the display panel 151, that is, a group of electron emitting elements arranged in a matrix of m rows and n columns, is applied. Terminal Dy1~ DynIs applied with a modulation signal for controlling the output electron beam of each element of one row of electron-emitting elements selected by the scanning signal. The high-voltage terminal 137 is supplied with a DC voltage of, for example, 10 kV from the DC voltage source Va, and this imparts sufficient energy to excite the phosphor to the electron beam emitted from the electron-emitting device. Accelerating voltage.
[0146]
Next, the scanning circuit 152 will be described. The circuit includes m switching elements (in FIG. 15, S1~ Sm(Schematically). Each switching element selects either the output voltage of the DC voltage source Vx or 0 [V] (ground level), and the terminal D of the display panel 151 is selected.x1~ DxmAnd electrically connected. Each switching element S1~ SmIs a control signal T output from the control circuit 153.scanFor example, it can be configured by combining switching elements such as FETs.
[0147]
The DC voltage source Vx outputs a constant voltage based on the characteristics (electron emission threshold voltage) of the electron-emitting device so that the drive voltage applied to the non-scanned device is equal to or lower than the electron-emitting threshold voltage. Is set to
[0148]
The control circuit 153 has a function of matching the operation of each unit so that appropriate display is performed based on an image signal input from the outside. The control circuit 153 receives the synchronization signal T sent from the synchronization signal separation circuit 156.syncT for each part based onscan, TsftAnd TmryEach control signal is generated.
[0149]
The synchronization signal separation circuit 156 is a circuit for separating a synchronization signal component and a luminance signal component from an NTSC television signal input from the outside, and can be configured using a general frequency separation (filter) circuit or the like. . The synchronization signal separated by the synchronization signal separation circuit 156 includes a vertical synchronization signal and a horizontal synchronization signal.syncIllustrated as a signal. The luminance signal component of the image separated from the television signal is expressed as a DATA signal for convenience. This DATA signal is input to the shift register 154.
[0150]
The shift register 154 is for serial / parallel conversion of the DATA signal serially input in time series for each line of the image, and a control signal T sent from the control circuit 153.sft(Ie, the control signal TsftCan be paraphrased as a shift clock of the shift register 154). Data for one line of the serial / parallel converted image (corresponding to drive data for n electron-emitting devices) is Id1~ IdnAre output from the shift register 154 as n parallel signals.
[0151]
The line memory 155 is a storage device for storing data for one line of an image for a necessary time, and a control signal T sent from the control circuit 153.mryAccording to Id1~ IdnMemorize the contents of The stored content is Id ' 1~ Id ' nAnd is input to the modulation signal generator 157.
[0152]
The modulation signal generator 157 receives the image data Id ' 1~ Id ' nThe signal source for appropriately driving and modulating each of the electron-emitting devices according to each of the output signals of the terminal Dy1~ DynAnd applied to the electron-emitting devices in the display panel 151.
[0153]
As described above, the electron-emitting device of the present invention has the emission current I.eHas the following basic characteristics. That is, there is a clear threshold voltage V for electron emission.thThere is VthElectron emission occurs only when the above voltage is applied. For voltages above the electron emission threshold, the emission current also changes with changes in the voltage applied to the device. Therefore, when a pulse voltage is applied to the device, for example, even if a voltage lower than the electron emission threshold voltage is applied, no electron emission occurs, but a voltage higher than the electron emission threshold voltage is applied. In some cases, an electron beam is output. At that time, the intensity of the output electron beam can be controlled by changing the peak value Vm of the pulse. Further, it is possible to control the total amount of charges of the output electron beam by changing the pulse width Pw.
[0154]
Accordingly, a voltage modulation method, a pulse width modulation method, or the like can be adopted as a method for modulating the electron-emitting device according to the input signal. When implementing the voltage modulation method, the modulation signal generator 157 generates a voltage pulse of a certain length and can appropriately modulate the peak value of the voltage pulse according to the input data. Can be used. When implementing the pulse width modulation method, the modulation signal generator 157 generates a voltage pulse having a constant peak value and appropriately modulates the width of the voltage pulse according to the input data. A circuit can be used.
[0155]
The shift register 154 and the line memory 155 can be either a digital signal type or an analog signal type. This is because the serial / parallel conversion and storage of the image signal may be performed at a predetermined speed.
[0156]
When the digital signal system is used, it is necessary to convert the output signal DATA of the synchronization signal separation circuit 156 into a digital signal. For this purpose, an A / D converter may be provided at the output portion of the synchronization signal separation circuit 156. . In this connection, the circuit used for the modulation signal generator 157 is slightly different depending on whether the output signal of the line memory 155 is a digital signal or an analog signal. That is, in the case of a voltage modulation method using a digital signal, for example, a D / A conversion circuit is used as the modulation signal generator 157, and an amplifier circuit or the like is added as necessary. In the case of the pulse width modulation method, the modulation signal generator 157 includes, for example, a high-speed oscillator and a counter that counts the wave number output from the oscillator, and a comparator that compares the output value of the counter with the output value of the memory. A circuit combining (comparators) is used. If necessary, an amplifier for amplifying the pulse width-modulated modulation signal output from the comparator to the driving voltage of the electron-emitting device can be added.
[0157]
In the case of a voltage modulation method using an analog signal, for example, an amplifier circuit using an operational amplifier or the like can be adopted as the modulation signal generator 157, and a level shift circuit or the like can be added if necessary. In the case of the pulse width modulation method, for example, a voltage controlled oscillation circuit (VCO) can be adopted, and an amplifier for amplifying the voltage up to the driving voltage of the electron-emitting device can be added if necessary.
[0158]
In the image forming apparatus of the present invention that can take such a configuration, each electron-emitting device has a container external terminal D.x1~ Dxm, Dy1~ DynWhen a voltage is applied via, electron emission occurs. At the same time, a high voltage is applied to the metal back 135 or the transparent electrode (not shown) via the high voltage terminal 137 to accelerate the electron beam. The accelerated electrons collide with the fluorescent film 134 and light emission is generated to form an image.
[0159]
The configuration of the image forming apparatus described here is an example of the image forming apparatus of the present invention, and various modifications can be made based on the technical idea of the present invention. Although the NTSC system has been mentioned as the input signal, the input signal is not limited to this, and in addition to the PAL, SECAM system, etc., television signals (for example, the MUSE system, etc.) including a larger number of scanning lines than these. High-definition TV) system can also be adopted.
[0160]
Next, the ladder-arranged electron source and the image forming apparatus will be described with reference to FIGS.
[0161]
FIG. 16 is a schematic diagram showing an example of an electron source arranged in a ladder shape. In FIG. 16, 160 is an electron source substrate, and 161 is an electron-emitting device. 162 is a common wiring D for connecting the electron-emitting device 161.1~ D10These are drawn out as external terminals. A plurality of electron-emitting devices 161 are arranged in parallel in the X direction on the substrate 160 (this is called an element row). A plurality of element rows are arranged to constitute an electron source. By applying a driving voltage between the common lines of each element row, each element row can be driven independently. That is, a voltage equal to or higher than the electron emission threshold is applied to the element row where the electron beam is to be emitted, and a voltage equal to or lower than the electron emission threshold is applied to the element row where the electron beam is not desired to be emitted. Common wiring D located between each element row2~ D9For example, D2And D3Can be integrated into the same wiring.
[0162]
FIG. 17 is a schematic diagram illustrating an example of a panel structure in an image forming apparatus including an electron source arranged in a ladder shape. 170 is a grid electrode, 171 is an opening through which electrons pass, D1~ DmIs the container outer terminal, G1~ GnIs a container external terminal connected to the grid electrode 170. Reference numeral 160 denotes an electron source substrate in which common wiring between element rows is the same wiring. In FIG. 17, the same parts as those shown in FIGS. 13 and 16 are denoted by the same reference numerals. For convenience, the conductive film 14 and the conductive film 15 are omitted. A major difference between the image forming apparatus shown here and the image forming apparatus having the simple matrix arrangement shown in FIG. 13 is whether or not the grid electrode 170 is provided between the electron source substrate 160 and the face plate 136.
[0163]
In FIG. 17, a grid electrode 170 is provided between the substrate 160 and the face plate 136. The grid electrode 170 is for modulating the electron beam emitted from the electron-emitting device 161, and passes the electron beam through stripe-shaped electrodes provided perpendicular to the element rows of the ladder-like arrangement. One circular opening 171 is provided for each element. The shape and arrangement of the grid electrodes are not limited to those shown in FIG. For example, a large number of passage openings can be provided as mesh openings, and grid electrodes can be provided around or in the vicinity of the electron-emitting devices.
[0164]
Container outer terminal D1~ DmAnd G1~ GnAre connected to a control circuit (not shown). Then, a modulation signal for one line of the image is simultaneously applied to the grid electrode columns in synchronization with the sequential driving (scanning) of the element rows one by one. Thereby, irradiation of each electron beam to the phosphor can be controlled, and an image can be displayed line by line.
[0165]
The image forming apparatus of the present invention described above can be used as an image forming apparatus as an optical printer configured using a photosensitive drum or the like, in addition to a display apparatus for television broadcasting, a display apparatus such as a video conference system or a computer. Can be used.
[0166]
FIG. 18 is a diagram showing an example of the image forming apparatus of the present invention configured to display image information provided from various image information sources such as television broadcast.
[0167]
In the figure, 1700 is a display panel, 1701 is a display panel drive circuit, 1702 is a display controller, 1703 is a multiplexer, 1704 is a decoder, 1705 is an input / output interface circuit, 1706 is a CPU, 1707 is an image generation circuit, and 1708 to 1710 are An image memory interface circuit, 1711 is an image input interface circuit, 1712 and 1713 are TV signal receiving circuits, and 1714 is an input unit.
[0168]
Note that this image forming apparatus, when receiving a signal including both video information and audio information, such as a television signal, naturally reproduces the audio simultaneously with the display of the video. A description of circuits, speakers, and the like related to reception, separation, reproduction, processing, storage, and the like of audio information not directly related to features will be omitted.
[0169]
Hereinafter, the function of each unit will be described along the flow of the image signal.
[0170]
First, the TV signal receiving circuit 1713 is a circuit for receiving a TV signal transmitted using a wireless transmission system such as a radio wave or space optical communication. The system of the TV signal to be received is not particularly limited, and any system such as an NTSC system, a PAL system, or a SECAM system may be used. Further, TV signals composed of a larger number of scanning lines, for example, so-called high-definition TV signals including the MUSE system, are suitable for taking advantage of the display panel suitable for increasing the area and the number of pixels. It is a signal source.
[0171]
The TV signal received by the TV signal receiving circuit 1713 is output to the decoder 1704.
[0172]
The TV signal receiving circuit 1712 is a circuit for receiving a TV signal transmitted using a wired transmission system such as a coaxial cable or an optical fiber. Similar to the TV signal receiving circuit 1713, the method of the TV signal to be received is not particularly limited, and the TV signal received by this circuit is also output to the decoder 1704.
[0173]
The image input interface circuit 1711 is a circuit for capturing an image signal supplied from an image input device such as a TV camera or an image reading scanner, and the captured image signal is output to the decoder 1704.
[0174]
The image memory interface circuit 1710 is a circuit for capturing an image signal stored in a video tape recorder (hereinafter referred to as “VTR”), and the captured image signal is output to the decoder 1704.
[0175]
The image memory interface circuit 1709 is a circuit for capturing an image signal stored in the video disk, and the captured image signal is output to the decoder 1704.
[0176]
The image memory interface circuit 1708 is a circuit for capturing an image signal from a device storing still image data, such as a still image disc. The captured still image data is input to the decoder 1704.
[0177]
The input / output interface circuit 1705 is a circuit for connecting the image display apparatus and an output apparatus such as an external computer, a computer network, or a printer. It is also possible to input / output image data, character / graphic information, and in some cases, input / output control signals and numerical data between the CPU 1706 of the image forming apparatus and the outside.
[0178]
The image generation circuit 1707 generates display image data based on image data or character / graphic information input from the outside via the input / output interface circuit 1705 or image data or character / graphic information output from the CPU 1706. It is a circuit for generating. Inside this circuit, for example, a rewritable memory for storing image data, character / graphic information, a read-only memory in which an image pattern corresponding to a character code is stored, a processor for performing image processing, etc. And other circuits necessary for image generation are incorporated.
[0179]
Display image data generated by this circuit is output to the decoder 1704, but in some cases, it can also be output to an external computer network or printer via the input / output interface circuit 1705.
[0180]
The CPU 1706 mainly performs operations related to operation control of the image display apparatus, generation, selection, and editing of display images.
[0181]
For example, a control signal is output to the multiplexer 1703, and image signals to be displayed on the display panel are appropriately selected or combined. In this case, a control signal is generated for the display panel controller 1702 in accordance with the image signal to be displayed, and the display device such as the screen display frequency, the scanning method (for example, interlaced or non-interlaced), the number of scanning lines in one screen, etc. The operation is appropriately controlled. In addition, image data, character / graphic information is directly output to the image generation circuit 1707, or an external computer or memory is accessed via the input / output interface circuit 1705 to obtain image data, character / graphic information. input.
[0182]
Note that the CPU 1706 may be involved in work for other purposes. For example, it may be directly related to a function for generating or processing information, such as a personal computer or a word processor. Alternatively, as described above, it may be connected to an external computer network via the input / output interface circuit 1705, and for example, operations such as numerical calculation may be performed jointly as an external device.
[0183]
The input unit 1714 is used by a user to input commands, programs, data, and the like to the CPU 1706. For example, in addition to a keyboard and a mouse, various input devices such as a joystick, a barcode reader, and a voice recognition device can be used. It is possible to use.
[0184]
The decoder 1704 is a circuit for inversely converting the various image signals input from 1707 to 1713 into three primary color signals, or luminance signals, I signals, and Q signals. As indicated by the dotted line in the figure, the decoder 1704 preferably includes an image memory therein. This is because, for example, a MUSE system and other television signals that require an image memory for reverse conversion are handled. In addition, the provision of the image memory facilitates the display of still images. Alternatively, in cooperation with the image generation circuit 1707 and the CPU 1706, there is an advantage that image processing and editing including image thinning, complementing, enlargement, reduction, and composition are facilitated.
[0185]
The multiplexer 1703 appropriately selects a display image based on a control signal input from the CPU 1706. That is, the multiplexer 1703 selects a desired image signal from the inversely converted image signals input from the decoder 1704 and outputs the selected image signal to the drive circuit 1701. In that case, by switching and selecting an image signal within one screen display time, it is possible to divide one screen into a plurality of regions and display different images depending on the region, as in a so-called multi-screen television. .
[0186]
The display panel controller 1702 is a circuit for controlling the operation of the drive circuit 1701 based on a control signal input from the CPU 1706.
[0187]
As for the basic operation of the display panel, for example, a signal for controlling an operation sequence of a driving power source (not shown) for the display panel is output to the driving circuit 1701. For example, a signal for controlling a screen display frequency and a scanning method (for example, interlace or non-interlace) is output to the drive circuit 1701 as a display panel drive method. In some cases, a control signal related to image quality adjustment such as brightness, contrast, color tone, and sharpness of a display image may be output to the drive circuit 1701.
[0188]
The drive circuit 1701 is a circuit for generating a drive signal to be applied to the display panel 1700, and operates based on an image signal input from the multiplexer 1703 and a control signal input from the display panel controller 1702. It is.
[0189]
The function of each unit has been described above. With the configuration illustrated in FIG. 18, the image forming apparatus can display image information input from various image information sources on the display panel 1700. That is, various image signals including television broadcasts are inversely converted by the decoder 1704, then appropriately selected by the multiplexer 1703, and input to the drive circuit 1701. On the other hand, the display controller 1702 generates a control signal for controlling the operation of the drive circuit 1701 in accordance with the image signal to be displayed. The drive circuit 1701 applies a drive signal to the display panel 1700 based on the image signal and the control signal. As a result, an image is displayed on the display panel 1700. A series of these operations is centrally controlled by the CPU 1706.
[0190]
In the present image forming apparatus, not only the image memory incorporated in the decoder 1704, the image generation circuit 1707 and the information selected from the information are displayed, but also the displayed image information is enlarged, reduced, rotated, for example. Image processing such as movement, edge enhancement, thinning, interpolation, color conversion, image aspect ratio conversion, etc., and image editing such as composition, deletion, connection, replacement, and fitting are also possible. . Similarly to the image processing and image editing described above, a dedicated circuit for processing and editing audio information may be provided.
[0191]
Therefore, the image forming apparatus includes a television broadcast display device, a video conference terminal device, an image editing device that handles still images and moving images, a computer terminal device, an office terminal device such as a word processor, a game machine, and the like. These functions can be combined in a single unit, and the range of applications is extremely wide for industrial use or consumer use.
[0192]
FIG. 18 only shows an example of the configuration in the case of an image forming apparatus using a display panel using an electron-emitting device as an electron beam source, and the image forming apparatus of the present invention is limited to this. It goes without saying that it is not a thing.
[0193]
For example, among the components shown in FIG. 18, circuits relating to functions that are not necessary for the purpose of use may be omitted. On the contrary, depending on the purpose of use, further components may be added. For example, when the present image display device is applied as a video phone, it is preferable to add a transmission / reception circuit including a TV camera, an audio microphone, an illuminator, and a modem to the constituent elements.
[0194]
In this image forming apparatus, since the electron-emitting device is used as an electron source, it is easy to make the display panel thin, so that the depth of the image forming apparatus can be reduced. In addition, a display panel that uses an electron-emitting device as an electron beam source can easily make a large screen, has high brightness, and has excellent viewing angle characteristics. It is possible to display with high visibility.
[0195]
【Example】
Example 1
As Example 1 of the present invention, an electron-emitting device having the configuration shown in FIG. 1 was produced. A present Example is described using FIG. 1, FIG. Quartz glass was used as the substrate 11, and Pt was used as the material of the device electrode in consideration of temperature resistance stability and oxidation resistance stability. The film thickness of the conductive film 14 is set to 30 nm here in consideration of the resistance value between the device electrodes 12 and 13 and the like. In this example, L is 20 μm, W is 100 μm, and film thickness d is 10 nm.
[0196]
The conductive film 14 is formed by applying an organic Pd solution (“ccp-4230” manufactured by Okuno Pharmaceutical Co., Ltd.) to the substrate 11 provided with the electrodes 12 and 13, forming an organometallic film, and subjecting it to a heat baking treatment. It was formed by patterning (FIGS. 2A and 2B).
[0197]
Next, the triangular wave pulse shown in FIG. 3 was continuously applied with a constant peak value. In FIG. 3, the pulse width T1Is 100 μsec, pulse interval T2Was set to 1 msec, and the peak value of the triangular wave was set to 10V. Under the above conditions, a pulse voltage was applied for 600 seconds to form the second gap 16 (FIG. 2C).
[0198]
Next, activation treatment was performed on the device. Specifically, the substrate on which the element is formed is placed in the apparatus of FIG. 4, and acetone is introduced as an organic substance gas into a vacuum that has been sufficiently evacuated once by an ion pump or the like.-5At the same time, the same triangular wave pulse as that at the time of forming the second gap 16 was applied, and at the same time, the electron beam was irradiated with an acceleration voltage of 20 kV. However, the pulse width of the triangular wave pulse was 1 msec, the pulse interval was 10 msec, and the pulse peak value was 15V.
[0199]
The activation process, that is, the formation process of the carbon film 15 is performed by a predetermined element current I.fWent until it reached. As a result of observing the cross section of the obtained element with a transmission electron microscope, the film thickness was 50 nm in the vicinity of the gap 17. Further, the carbon film 15 is arranged to face each other with the first gap 17 as shown in FIG. Further, the first gap 17 is narrower than the second gap 16, and the first gap 17 is arranged in the second gap 16. As a result of observation such as Raman spectroscopy, the carbon film 15 contained a graphite structure and had high crystallinity.
[0200]
Further, as a result of observing the element with an atomic force / tunneling microscope in which the atomic force microscope probe is made conductive and the probe is brought into contact with the sample so that the conductivity distribution of the sample can be measured, the carbon film 15 is observed. It was found that there is no high resistance region. In this measurement, the probe was brought into contact with the carbon film 15 disposed on the conductive film 14 to perform the measurement. As a result of estimating the specific resistance in the film thickness direction, it was 0.001 Ωm or less. This value showed a change of one digit or more when compared with the value measured when the carbon film 15 was formed without electron irradiation.
[0201]
The element substrate was placed in the evaluation apparatus of FIG. 5, and the electron emission characteristics were measured with the voltage of the anode electrode set to 1 kV and the distance H between the anode electrode and the electron emission element set to 2 mm.
[0202]
First, in order to suppress the deposition of new carbon or carbon compounds, organic substances were exhausted from the vacuum vessel. The evacuation device 56 that evacuates the vacuum vessel 55 uses a sorption pump as a vacuum evacuation device that does not use oil so that oil generated from the device does not affect the characteristics of the element. The partial pressure of the organic component in the vacuum vessel 55 is 1 × 10 with a partial pressure at which the above carbon and carbon compounds are hardly deposited.-8Pa or less. At this time, the entire vacuum vessel was heated at 200 ° C. or more to facilitate exhaust of organic substance molecules adsorbed on the inner wall of the vacuum vessel and the electron-emitting device.
[0203]
As a result, the device current I shown in FIG.fAnd emission current IeThe relationship was obtained. Also, VfIs fixed at 15 V and Va is fixed at 1 kV, and the electron emission is performed.fAgainst IeThe electron emission efficiency η as a ratio of η was defined, and the time change of η was measured.
[0204]
As a result, first, the initial electron emission efficiency was improved by 0.05% or more. Furthermore, the time change of η was significantly suppressed as compared with the electron-emitting device manufactured by the conventional manufacturing method. In the conventional device, when the initial η is 0.1%, η is increased at a rate of 0.01% / 1000 h (h is time), whereas in the manufacturing method of the present invention, the change in η is observed. The ratio of was suppressed to 1/5 or less.
[0205]
(Example 2)
As a second embodiment of the present invention, an electron source having the configuration shown in FIG. 7 was produced through the activation treatment shown in FIG.
[0206]
The basic configuration, material, and manufacturing method were the same as in Example 1, but L1 was 5 μm, W was 100 μm, and the film thickness of the electrode was 10 nm. Further, the width L2 of the common element electrode was 5 μm.
[0207]
A device was formed in the same manner as in Example 1 until the electron emission portion was formed. Next, the common element electrode was set to the ground potential, and the activation voltage was applied to the element electrodes 73 and 74 by applying the pulse voltage shown in FIG. In this example, acetone is introduced as an organic substance and 1 × 10 6 is introduced.-5Held at Pa. The condition of the applied pulse voltage is the pulse width t11msec, pulse voltage 15V, pulse interval t2Was set to 20 msec. The conductive films 76 and 78 are formed by a predetermined element current I.fWent until it reached.
[0208]
As a result of observing a cross section of the obtained element with a transmission electron microscope, the film thickness of the carbon films 76 and 78 was 50 nm in the vicinity of the first gap 17 constituting the electron emission portion. Further, as a result of observing the obtained electron-emitting device with a transmission electron microscope, Raman spectroscopy, and the like, the carbon films 76 and 78 had a graphite structure and had high crystallinity.
[0209]
Furthermore, as a result of observing the element with an atomic force / tunnel microscope in which the probe of the atomic force microscope is made conductive as in Example 1 and the conductivity distribution of the sample can be measured, the carbon film 76, It was found that no high resistance region exists in 78. Moreover, as a result of estimating the specific resistance in the film thickness direction, it was 0.0001 Ωm or less. This value showed a change of two orders of magnitude or more compared with the value measured when the carbon film was formed without electron irradiation.
[0210]
The characteristics of the electron-emitting device prepared as described above were installed in the evaluation apparatus shown in FIG. 5, and the electron-emitting characteristics were examined. However, driving was performed only for one electron emission portion. The common element electrode side was set to a high potential so that electrons were always emitted to the common element electrode side. Also, VfIs fixed at 15 V and Va is fixed at 1 kV.fAgainst IeThe electron emission efficiency η as a ratio of η was defined, and the time change of η was measured.
[0211]
As a result, first, the initial electron emission efficiency was improved by 0.1% or more. Furthermore, the time change of η was significantly suppressed as compared with the electron-emitting device manufactured by the conventional manufacturing method. In the conventional device, when the initial η is 0.1%, η is increased at a rate of 0.01% / 1000 h (h is time), whereas in the manufacturing method of the present invention, the change in η is observed. The ratio of was suppressed to 1/10 or less.
[0212]
(Example 3)
In this example, an electron-emitting device having the configuration shown in FIG. 21 was produced. A present Example is described using FIG.21, FIG.22, FIG.23. Quartz glass was used as the substrate 11, and Pt was used as the material of the device electrodes 12 and 13 in consideration of temperature resistance stability and oxidation resistance stability.
[0213]
Next, the device was subjected to an activation process.
[0214]
Specifically, the substrate on which the device electrodes 12 and 13 are formed is placed in the apparatus shown in FIG. 23, and acetone is introduced as an organic substance gas into a vacuum that has been sufficiently exhausted by an ion pump or the like to obtain 1 × 10-5The pulse shown in FIG. 8A was applied between the electrodes 12 and 13 while being held at Pa. T in FIG.1Is 1msec, t2Was 10 msec. At the same time, the electron beam was irradiated with an acceleration voltage of 2 kV.
[0215]
The carbon film 15 is formed by a predetermined element current IfWent until it reached. As a result of observing the cross section of the obtained element with a transmission electron microscope, a first gap 17 is formed between the electrodes 12 and 13 as shown in FIG. It was formed continuously. The gap 17 was located approximately at the center of the electrodes 12 and 13. Further, as a result of observation such as Raman spectroscopy, the carbon film 15 has a graphite-like layer structure and has high crystallinity.
[0216]
The element substrate was placed in the evaluation apparatus of FIG. 5, and the electron emission characteristics were measured with the voltage of the anode electrode set to 1 kV and the distance H between the anode electrode and the electron emission element set to 2 mm.
[0217]
First, in order to suppress the deposition of new carbon or carbon compounds, organic substances were exhausted from the vacuum vessel. The evacuation device 66 that evacuates the vacuum vessel 65 uses a sorption pump as a vacuum evacuation device that does not use oil so that oil generated from the device does not affect the characteristics of the element. The partial pressure of the organic component in the vacuum vessel 65 is 1 × 10, which is a partial pressure at which the above carbon and carbon compounds are hardly deposited.-8Pa or less. At this time, the entire vacuum vessel was heated at 200 ° C. or more to facilitate exhaust of organic substance molecules adsorbed on the inner wall of the vacuum vessel and the electron-emitting device.
[0218]
As a result, the device current I shown in FIG.fAnd emission current IeThe relationship was obtained. Also, VfIs fixed at 15 V and Va is fixed at 1 kV, and the electron emission is performed.fAgainst IeDefine the electron emission efficiency η as a percentage of If, IeThe initial value of η, its variation, and the change with time were measured.
[0219]
Example 4
In the present embodiment, the image forming apparatus 138 shown in FIG. 13 was created using the manufacturing method of the third embodiment. In this embodiment, the substrate 121 also serves as the rear plate 131.
[0220]
First, 500 sets of device electrodes 12 and 13 were formed on the glass substrate 121 by using an offset printing method in the X direction and 1000 sets in the Y direction (FIG. 24A). Subsequently, 500 X-direction wirings 122 connected to the electrode 12 were formed by a screen printing method (FIG. 24B). One thousand insulating layers 126 were formed by a screen printing method in a direction substantially perpendicular to the X-direction wiring (FIG. 24C). 1000 Y-direction wirings 123 were formed on the insulating layer 126 so as to be connected to the electrode 13 (FIG. 25D). As in the third embodiment, as shown in FIG. 23, the electron emission means 61 irradiates the electron beam between the element electrodes 12 and 13 in a DC manner while the element electrodes 12 and 13 are irradiated with each other. A voltage was applied to form a carbon film 15 (FIGS. 25E and 23). The electron source was formed by the above process.
[0221]
Subsequently, the electron source and the phosphor 142 which is an image forming member are aligned with the face plate 136 arranged as shown in FIG. 14A, and bonded between the electron source and the face plate. Sealing was performed by placing an outer frame 132 in which members were previously placed and heating and pressing in a vacuum atmosphere.
[0222]
The image forming apparatus 138 was formed through the above steps.
[0223]
When this image forming apparatus was connected to the drive circuit shown in FIG. 15 and driven, an image with high brightness and high uniformity could be stably displayed over a long period of time.
[0224]
(Example 5)
In the present embodiment, the image forming apparatus 138 shown in FIG. 13 was created using the manufacturing method of the first embodiment. In this embodiment, the substrate 121 also serves as the rear plate 131.
[0225]
First, 500 sets of device electrodes 12 and 13 were formed on the glass substrate 121 by using an offset printing method in the X direction and 1000 sets in the Y direction (FIG. 24A). Subsequently, 500 X-direction wirings 122 connected to the electrode 12 were formed by a screen printing method (FIG. 24B). One thousand insulating layers 126 were formed by a screen printing method in a direction substantially perpendicular to the X-direction wiring (FIG. 24C). On the insulating layer 126, 1000 Y-direction wirings 123 were formed so as to be connected to the electrode 13 (FIG. 26D). A conductive film 14 was formed between the device electrodes 12 and 13 by using an ink jet method (FIG. 26E). In the same manner as in Example 1, a voltage was applied between the element electrodes 12 and 13 to perform a forming process, thereby forming a second gap 16 (FIG. 26 (f)). As shown in FIGS. 2 and 4, a voltage is applied between the device electrodes 12 and 13 while irradiating the electron beam between the device electrodes 12 and 13 from the electron emission means 41 in a DC manner. A carbon film 15 was formed. The electron source was formed by the above process.
[0226]
Subsequently, the electron source and the phosphor 142 which is an image forming member are aligned with the face plate 136 arranged as shown in FIG. 14A, and bonded between the electron source and the face plate. Sealing was performed by placing an outer frame 132 in which members were previously placed and heating and pressing in a vacuum atmosphere.
[0227]
The image forming apparatus 138 was formed through the above steps.
[0228]
When this image forming apparatus was connected to the drive circuit shown in FIG. 15 and driven, an image with high brightness and high uniformity could be stably displayed over a long period of time.
[0229]
【The invention's effect】
According to the method for manufacturing an electron-emitting device of the present invention, a carbon film containing carbon as a main component can be formed while irradiating with sufficient electrons. A carbon film can be formed. Therefore, the initial electron emission efficiency is improved, and even if the carbon film is irradiated with electrons emitted from the electron emission portion during driving, the physical properties of the carbon film are hardly changed, and the electron emission efficiency does not change. Devices can be manufactured.
[0230]
Therefore, according to the present invention, an electron source capable of stably and uniformly obtaining high electron emission characteristics is provided, and an image forming apparatus having high luminance and high reliability is realized using the electron source.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a preferred embodiment of an electron-emitting device of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a manufacturing process of the electron-emitting device of FIG.
FIG. 3 is a diagram showing a voltage waveform used for forming an electron emission portion of the electron emission device of the present invention.
FIG. 4 is a schematic view showing an electron irradiation means used in an activation process of the method for manufacturing an electron-emitting device according to the present invention.
FIG. 5 is a schematic view of an evaluation apparatus for evaluating the electron emission characteristics of the electron-emitting device of the present invention.
FIG. 6 shows emission current I in the electron-emitting device of the present invention.e, Element current IfAnd element voltage VfIt is a figure which shows the relationship.
FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a preferred embodiment of an electron source of the present invention.
8 is a diagram showing voltage waveforms used in the activation process of the electron source of FIG. 7;
9 is a schematic diagram showing an electron beam trajectory in the electron source activation step of FIG. 7; FIG.
FIG. 10 is a diagram showing another example of a voltage waveform used in the activation process of the electron source of the present invention.
FIG. 11 is a schematic view showing a conventional electron-emitting device.
FIG. 12 is a schematic configuration diagram showing an electron source having a simple matrix arrangement according to an embodiment of the electron source of the present invention.
FIG. 13 is a schematic configuration diagram of a display panel used in an embodiment of an image forming apparatus of the present invention using an electron source in a simple matrix arrangement.
14 is a view showing a phosphor film in the display panel shown in FIG.
15 is a diagram showing an example of a drive circuit for driving the display panel shown in FIG. 8. FIG.
FIG. 16 is a schematic configuration diagram showing an electron source in a ladder arrangement according to an embodiment of the electron source of the present invention.
FIG. 17 is a schematic configuration diagram of a display panel used in an embodiment of an image forming apparatus of the present invention using a ladder-shaped electron source.
FIG. 18 is a block diagram illustrating an example of an image forming apparatus of the present invention.
FIG. 19 is a schematic view showing an example of a method for manufacturing an electron-emitting device according to the present invention.
FIG. 20 is a schematic diagram showing one of the problems of the present invention.
FIG. 21 is a schematic view showing an example of an electron-emitting device of the present invention.
FIG. 22 is a schematic view showing an example of a method for manufacturing an electron-emitting device according to the present invention.
FIG. 23 is a schematic view showing an example of a method for manufacturing an electron-emitting device according to the present invention.
FIG. 24 is a schematic view showing an example of the production method of the present invention.
FIG. 25 is a schematic view showing an example of the production method of the present invention.
FIG. 26 is a schematic view showing an example of the production method of the present invention.
[Explanation of symbols]
11 Substrate
12, 13 Device electrode
l4 conductive film
15 Carbon film
16 Second gap
17 First gap
41 Electron beam irradiation means
42 Electron beam shielding means
50 Ammeter
51 power supply
52 Ammeter
53 High voltage power supply
54 Anode electrode
55 Vacuum container
56 Vacuum exhaust system
61 Electron emission means
62 pinhole
63 Electron beam blocking means
71 substrate
72 Common element electrode
73, 74 Device electrodes
75, 77 conductive film
76, 78 Conductive coating
79, 80, 100 Electron emission part
111 substrates
114 Conductive film
115 Electron emission part
121 Electron source substrate
122 X direction wiring
123 Y-direction wiring
124 surface conduction electron-emitting device
125 connection
126 Insulating layer
131 Rear plate
132 Support frame
133 Glass substrate
134 Fluorescent membrane
135 metal back
136 Face plate
137 High voltage terminal
138 Envelope
141 Black conductive material
142 phosphor
151 Display panel
152 Scanning Circuit
153 Control circuit
154 Shift register
155 line memory
156 Sync signal separation circuit
157 Modulation signal generator
160 Electron source substrate
161 Electron emitting device
162 Common wiring
170 Grid electrode
171 opening

Claims (7)

間隙をおいて対向配置された一対の導電性膜と、前記導電性膜上と前記間隙内に配置された、前記間隙内に当該間隙よりも狭い間隙を形成するカーボン膜を有する電子放出素子であって、前記導電性膜上のカーボン膜の、膜厚方向における比抵抗が、0.001Ωm以下であることを特徴とする電子放出素子。 A pair of conductive films which are located opposite each other with a gap, the conductive film and disposed in said gap, the electron-emitting device having a carbon film to form a narrow gap than the gap in the gap The specific resistance in the film thickness direction of the carbon film on the conductive film is 0.001 Ωm or less. 複数の電子放出素子を有する電子源であって、前記電子放出素子が、請求項1に記載の電子放出素子であることを特徴とする電子源。An electron source having a plurality of electron-emitting devices, wherein the electron-emitting device is the electron-emitting device according to claim 1. 電子源と、画像形成部材とを有する画像形成装置であって、前記電子源が、請求項2に記載の電子源であることを特徴とする画像形成装置。An image forming apparatus having an electron source and an image forming member, wherein the electron source is the electron source according to claim 2. 更に、TV信号受信回路と、TV信号に基づいて画像表示するための駆動回路とを有することを特徴とする請求項3に記載の画像形成装置。4. The image forming apparatus according to claim 3, further comprising a TV signal receiving circuit and a drive circuit for displaying an image based on the TV signal. 更に、画像入力装置と接続するための画像入力インターフェース回路と、前記回路から入力された信号に基づいて画像表示するための駆動回路とを有することを特徴とする請求項3に記載の画像形成装置。4. The image forming apparatus according to claim 3, further comprising: an image input interface circuit for connecting to the image input device; and a drive circuit for displaying an image based on a signal input from the circuit. . 更に、画像メモリ装置と接続するための画像メモリインターフェース回路と、前記回路から入力された信号に基づいて画像表示するための駆動回路とを有することを特徴とする請求項3に記載の画像形成装置。4. The image forming apparatus according to claim 3, further comprising an image memory interface circuit for connecting to the image memory device, and a drive circuit for displaying an image based on a signal input from the circuit. . 更に、外部のコンピュータ、コンピュータネットワーク、又はプリンタと接続するための入出力インターフェース回路と、前記回路から入力された信号に基づいて画像表示するための駆動回路とを有することを特徴とする請求項3に記載の画像形成装置。4. An input / output interface circuit for connecting to an external computer, a computer network, or a printer, and a drive circuit for displaying an image based on a signal input from the circuit. The image forming apparatus described in 1.
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