JP3631959B2

JP3631959B2 - 電界電子放出材料および装置

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Publication number: JP3631959B2
Application number: JP2000523691A
Authority: JP
Inventors: アランタック，リチャード; ヒューエドワードビショップ，
Original assignee: Printable Field Emitters Ltd
Current assignee: Printable Field Emitters Ltd
Priority date: 1997-12-04
Filing date: 1998-12-03
Publication date: 2005-03-23
Anticipated expiration: 2018-12-03
Also published as: EP1036402A1; CN1206690C; US20030137236A1; CN1280703A; CA2312910A1; JP2001525590A; DE69816479D1; GB2332089B; AU1493799A; DE69816479T2; KR100648304B1; KR20010024694A; GB2332089A; GB9826554D0; EP1036402B1; GB2332089A9; US6741025B2; TW419706B; WO1999028939A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電界電子放出材料に関し、さらにこのような材料を使用する装置に関するものである。
【０００１】
【従来の技術】
古典的な電界電子放出においては、材料の表面で、たとえば３×１０^９Ｖｍ^−１といった高い電界が、機械的な量子トンネル効果によって電子が材料から出ることができる点まで、表面電位バリアの厚さを減らす。必要条件は、原子的に鋭いポイントを使用して、肉眼で見える電界を凝縮して、実現することができる。電界電子放出電流は、低作業機能を有する表面を使用することによって、さらに増大させることができる。電界電子放出の測定基準は、周知のファウラー・ノルトハイム計算式（Ｆｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍｅｑｕａｔｉｏｎ）で説明される。
【０００２】
チップ・ベース・エミッタに関してはかなりの従来技術がある。このチップ・ベース・エミッタという用語は、鋭いポイント（チップ；ｔｉｐｓ）からの電界電子放出を利用する、電子エミッタおよび電子放出アレイを意味している。これまで、この技術分野での研究者達の最も重要な目的は、必要な高電界を１００Ｖ以下の印加電位を用いて達成できるように、アパーチャ（ゲート）を有する電極を、個々の各放出チップから１μｍ以下の距離を離して設置することであった；これらのエミッタはゲート式アレイと呼ばれる。これの最初の実現例が、カリフォルニア州のスタンフォード研究所に勤務するＣＡＳｐｉｎｄｔによって説明されている（Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３９，７，ＰＰ３５０４−３５０５，（１９６８））。Ｓｐｉｎｄｔのアレイは、自己マスキング技術を用いて、Ｓｉ基板上のＳｉＯ _２層における円筒形くぼみ内へ金属を真空蒸発させることによって製造された、モリブデン製放出チップを使用した。
【０００３】
１９７０年代において、類似した構造を製造するための別の方法では、方向性をもって固化された共晶合金（ＤＳＥ）を使用していた。ＤＳＥ合金では、１つの相が、別の相のマトリックスにおける整合繊維の形をしている。このマトリックスは、突き出ている繊維を残したまま、エッチング・バックできる。エッチング後、絶縁層および導電層の連続的な真空蒸発によりゲート構造が作製される。チップ上の蒸発材料の蓄積がマスクとして作用し、突き出ている繊維のまわりに環状のギャップを残す。
【０００４】
重要な方法としては、シリコン・マイクロエンジニアリングを使用してゲート付きアレイを製造する方法がある。現在、世界中の多くの組織が関心を持って、この技術を利用する電界電子放出ディスプレイが、製造されている。
すべてのチップ・ベース放出システムに伴う重大な問題は、イオン・ボンバードメントや、高電流でのオーム加熱による損傷、そして装置における電気的破壊によって産出される破局的な損傷に対して、このようなシステムが傷つきやすいということである。大きな面積の装置を作ることは難しくもあり、高くつく。
【０００５】
１９８５年頃に、ダイヤモンドの薄膜を、水素／メタン雰囲気から加熱基板上で成長させ、広面積電界エミッタ、すなわち、意図的に設計したチップを必要としない電界エミッタをもたらすことができる、ということが発見された。
１９９１年には、３ＭＶｍ^−１という非常に低い電界で広面積ダイヤモンド・フィルムから電界電子放出電流を得ることができるということが、Ｗａｎｇ等によって報告された（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，２７，ｐｐ１４５９−１４６１（１９９１））。他の説明も提案されているけれども、或る研究員達には、この性能が、ダイヤモンドの切子面（１１１個）の負電子親和力と、高密度の局在的で偶発的な黒鉛含有との組み合わせによるものである（Ｘｕ、ＬａｔｈａｍａｎｄＴｚｅｎｇ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，２９，ｐｐ１５９６−５９（１９９３））と信じられている。
【０００６】
高ダイヤモンド含有量を有するコーティングは、現在では、レーザ融蝕技術やイオンビーム技術を使用して、室温基板上で成長させることができる。しかしながら、このようなプロセスはすべて、高価な装置を利用する上に、このように製造した材料の性能も予測し難い。
米国のＳ．Ｉ．Ｄｉａｍｏｎｄは、非晶質ダイヤモンドと呼ばれる材料を電子源として使用する電界電子放出ディスプレイ（ＦＥＤ）を発表した。このダイヤモンド・コーティング技術はテキサス大学からライセンスを受けている。この材料は、基板上へ黒鉛をレーザ融蝕することによって製造される。
【０００７】
１９６０年代以後、他グループの研究者達が、真空における電極間の電気破壊と関連したメカニズムを研究してきた。電極間の電圧が増大するにつれて、臨界値に達し、小ノイズ電流が流れ始めるまでまったく電流が流れない、ということは良く知られているところである（ＬａｔｈａｍａｎｄＸｕ，Ｖａｃｕｕｍ，４２，１８，ｐｐ１１７３−１１８１（１９９１））。他の臨界値に達し、アークを引き起こすまで、この電流は電界と共に単調に段階的に増大する。一般的には、電圧ホールドオフを向上させるキーは、事前破壊電流の源の排除である。現在の理解では、アクティブ・サイトが、埋め込んだ誘電粒子によって形成される金属／絶縁体／真空（ＭＩＶ）構造か、金属表面酸化物のような絶縁パッチ上に位置している導電性フレークか、のいずれかであると考えられている。どちらの場合でも、電流はホット電子プロセスから来るものであり、これが電子を加速して、表面電位バリア上の擬似熱電子放出を生じさせるのである。このことは、Ｌａｔｈａｍ，ＨｉｇｈＶｏｌｔａｇｅＶａｃｕｕｍＩｎｓｕｌａｔｉｏｎ，ＡｃａｄｅｍｉｃＰｒｅｓｓ（１９９５）などの科学文献に良く説明されている。
【０００８】
【発明の背景】
添付図面の図１ａは、導電性フレークが放出源となるこれらの状況の１つを示している。フレーク２０３は、金属基板２０１上方の絶縁層２０２に位置し、電界を探る。これは、たとえば表面酸化物によって形成される絶縁層を横切って高い電界を配置する。この電圧探索は「アンテナ効果」と呼ばれている。臨界電界で、絶縁層２０２はその性質を変え、電気形成導電性チャネル２０４を創り出す。添付した図面の図１ｂに、このようなチャネルのための提案されたエネルギ・レベル・ダイヤグラムが示してある。このモデルにおいては、金属内のフェルミ・レベル２１１近くの電子２１２は、金属２１０から絶縁体２１６内に入り、表面付近に達するまで侵入している電界内で漂流する。表面領域における高電界２１３は、電子を加速し、その温度を１０００℃付近まで高める。どんな変化がチャネルの領域において生じるか正確にはわからないが、主たる特徴は、材料における欠陥から生じる「トラップ」２１７の中立化であるはずである。電子は、表面電位バリア２１５上に擬似熱電子的に放出される。これらの電子２０５の源の物理的なロケーションが図１ａに示してあるが、それらの比率は最初粒子によって妨げられ、最終的に正味電流量がゼロになる点まで荷電することになる。
【０００９】
ここで、この動作について言及される放出サイトは望ましくない欠陥であり、小数単位で散発的に生じるものであり、真空絶縁作業での主目的はそれらを避けることである。たとえば、量的に考えれば、１ｃｍ^２あたり２，３個のこのような放出サイトがあるだけである可能性があり、１０^３または１０^４個の目に見える表面的な欠陥のうち１つだけでも、このような望ましくない、予測不可能な放出を生じさせることになる。
【００１０】
したがって、この作業の教示は、真空絶縁性を向上させるための多くの技術（たとえば粒子加速器）によって採用されてきた。
ＬａｔｈａｍおよびＭｏｕｓａ（Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｄ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．１９，ｐｐ６９９．７１３（１９８６））が、上記ホット電子プロセスを使用している金属・絶縁体複合チップ・ベース・エミッタを発表しており、また、１９８８年に、Ｓ．ＢａｊｉｃおよびＲ．Ｖ．Ｌａｔｈａｍ（ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｈｙｓｉｃｓＤＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ，ｖｏｌ．２１２００−２０４（１９８８））が、高密度の金属・絶縁体・金属・絶縁体・真空（ＭＩＭＩＶ）放出サイトを創り出す複合体を発表している。この複合体は、エポキシ樹脂に分散した導電性粒子を有する。コーティングは、標準の回転コーティング技術によって表面に塗布されている。
【００１１】
１９９５年のかなり遅くに、Ｔｕｃｋ，ＴａｙｌｏｒおよびＬａｔｈａｍ（ＧＢ２３０４９８９）が、エポキシ樹脂の代わりに、安定性を改善すると共にシールドオフ式真空装置で作動できるようにした無機質絶縁体を用いることによって上記のＭＩＭＩＶエミッタを改良した。
【００１２】
上記の発明のすべては、事前絶縁破壊電流に応答できるタイプのホット電子電界放出に依存しているが、制御しながら複数の導電性粒子ＭＩＶエミッタを有するエミッタを製造する方法はいまだに提案されていない。
【００１３】
本発明の好ましい実施例は、コスト効率の良い広面積電界放出材料および装置を提供することを意図している。これらの材料は、電界電子放出ディスプレイ・パネル、ハイパワー・パルス装置（たとえば、電子メーザーおよびジャイロトロン）、ＣＦＡのような交差界形マイクロ波管、クライストロンのような直線ビーム電子管、フラッシュＸ線管、トリガ式火花ギャップ・関連した装置、滅菌用広面積Ｘ線源、真空計、宇宙船用イオンスラスタ、粒子加速器、オゾン発生器、プラズマ・リアクタを含む装置で使用することができる。
【００１４】
本発明の第１態様によれば、広面積電界電子放出材料を形成する方法であって、前記方法は、導電性表面を有する基板上に複数の導電性粒子を配置する工程を含み、個々の粒子は、前記導電性表面と前記粒子との間の第１ロケーション、あるいは、前記粒子と電界電子放出材料が配置されている環境との間の第２ロケーション、のいずれか一方で、２ヶ所両方には配置されないという電気絶縁材料の層を有し、前記粒子のうち少なくともある程度の粒子が、前記電気絶縁材料が配置された前記第１ロケーション又は第２ロケーションに、電子放出サイトを形成する方法を得ることができる。
【００１５】
したがって、本発明の好ましい実施例においては、ＭＩＶチャネルが粒子のベースかトップのいずれかにあるように、エミッタを形成する。ＭＩＶチャネルがベースにある場合、図１ａに示すように、表面に直角な粒子高さと絶縁体厚さとの比率に従って、アンテナ効果がチャネルを横切って電界を強化する。しかしながら、表面と電気的に接触している粒子を絶縁層でオーバーコーティングすることによって粒子のトップにＭＩＶチャネルを形成することも同等に可能である。この場合、電界強化は粒子形状に基づく。すべての合理的な粒子形状に対して、電界強化ファクタは約１０の値に制限されよう。低チャネルを有する配置は、通常、最低のスイッチオン電界を与えることになる。トップにチャネルを有する配置は、はるかに頑丈となり得、高電界および大静電的な力が標準であり、非常に高い電流密度が要求されるパルス式パワー装置に用途を見出すことになろう。
【００１６】
好ましくは、導体の表面に対して直角の前記粒子の寸法が、前記絶縁材料層の厚さよりかなり大きいとよい。
好ましくは、前記粒子の表面にほぼ直角の前記寸法が、前記厚さより少なくとも１０倍大きいとよい。
好ましくは、前記粒子の表面にほぼ直角の前記寸法が、前記厚さの各々より少なくとも１００倍大きいとよい。
好ましい例において、前記絶縁材料の厚さは、１０ナノメートル〜１００ナノメートル（１００Å〜１０００Å）の範囲にあり、前記粒子寸法が、１μｍ〜１０μｍの範囲にあるとよい。
各々が０．１μｍ〜４００μｍの範囲にある表面に対してほぼ直角な寸法を有する前記導電性粒子の実質的に１つの層を設けるとよい。
前記絶縁材料はダイヤモンド以外の材料からなるとよい。
好ましくは、前記絶縁材料が無機材料であるとよい。
好ましくは、前記絶縁材料が、ガラス、鉛ベースのガラス、ガラス・セラミック、溶融ガラスまたは他のガラス質材料、セラミック、セラミック酸化物、酸化表面、窒化物、窒化表面、セラミック・ホウ化物、ダイヤモンド、ダイヤモンド状炭素または正方非晶質カーボンからなるとよい。
【００１７】
ガラス質材料は、有機前駆物質（たとえば、ポリシロキサン）を処理して無機ガラス質物質（たとえば、シリカ）を得ることによって形成することができる。他の例も以下に説明する。
前記導電性粒子の各々はほぼ対称形であってもよい。
前記導電性粒子の各々は実質的に粗削りの立方形であってもよい。
前記導電性粒子の各々はテクスチャード面を有する実質的に回転楕円形であってもよい。
【００１８】
上記の電界電子放出材料は、各々が、最長寸法を有し、基板に対してほぼ直角の最長寸法と優先的に整合させてある複数の前記導電性粒子からなっていてもよい。
上記の電界電子放出材料は、最小寸法の少なくとも１．８倍の相互間隔、即ち、中心から中心の距離を有する複数の前記導電性粒子からなっていてもよい。
【００１９】
好ましくは、前記粒子の各々あるいは前記粒子の少なくとも若干のものが、金属、半導体、電気導体、黒鉛、炭化ケイ素、炭化タンタル、炭化ハフニウム、炭化ジルコニウム、炭化ホウ素、二ホウ化チタン、炭化チタン、炭窒化チタン、チタンのＭａｇｎｅｌｉ準酸化物、半導電シリコン、ＩＩＩ−Ｖ族化合物、ＩＩ−ＶＩ族化合物からなるグループから選択したものであるとよい。
【００２０】
たいていの金属、たいていの半導体、大抵の電気導体は、適切な材料である。
粒子が前記絶縁材料で部分的にのみ覆われている、下方チャネルを持つエミッタあるいはトップにチャネルを有するエミッタの場合、各粒子はゲッタリング材料からなるものであってもよい。
好ましくは、前記表面は、前記粒子および前記絶縁材料を含有するインクによって前記粒子で被覆してあって前記絶縁層を形成し、前記インクの特性が、前記粒子が、前記絶縁材料から突出させられ、コーティング・プロセスの結果として絶縁材料でコーティングされない部分を有するようなものであるとよい。
好ましくは、前記インクは、印刷プロセスによって前記導電性表面に塗布されるとよい。
【００２１】
前記導電性粒子および／または電気絶縁材料は、後のパターン化を可能とするように感光性バインダで前記導電性基板に塗布されるとよい。
前記インクの絶縁体成分は、限定するつもりはないが、粒子混合物を溶融、焼結あるいは結合または現場化学反応の階段によって形成してもよい。
絶縁材料は、ガラス、ガラス・セラミック、セラミック、酸化セラミック、酸化物、窒化物、ホウ化物、ダイヤモンド、重合体または樹脂からなるものであってもよい。
前記導電性粒子の各々は、直径より長い長さに細断した繊維を包含してもよい。
前記粒子は、選択的なエッチングまたは選択的なマスキングのいずれかによって、前記絶縁層上へ導電層を堆積させ、次いでパターン化することによって形成されてもよい。
前記粒子は、噴霧プロセスによって前記導電性表面に塗布されてもよい。
前記導電性粒子は、ほぼ電気的に隔離された立ち上がりフレークにひび割れ処理した層を堆積させることによって形成されてもよい。
前記導電層は、金属、導電性元素あるいは化合物、半導体または複合物からなるものであってもよい。
上記の方法は、エッチング技術によって粒子を除去することによって特定の領域から電界電子放出材料を選択的に排除する段階を包含し得る。
好ましくは、電界電子放出材料上の前記サイトの分布がランダムであるとよい。
前記サイトは、少なくとも１０^２ｃｍ^−２の平均密度で電界電子放出材料上に分布してもよい。
前記サイトは、少なくとも１０^３ｃｍ^−２、１０^４ｃｍ^−２または１０^５ｃｍ^−２の平均密度で電界電子放出材料上に分布していてもよい。
好ましくは、電界電子放出材料上の前記サイトの分布がほぼ均一であるとよい。
【００２２】
電界電子放出材料上の前記サイトの分布は、均一であって、１ｍｍ直径の任意の円形領域内における前記サイトの密度が、電界電子放出材料上のすべてについての平均サイト分布密度よりも２０％より大きくは変化しないようにしてある。
好ましくは、直径１ｍｍの円形測定面積を使用したときの電界電子放出材料上の前記サイトの分布が二項分布またはポアソン式分布であるとよい。
【００２３】
電界電子放出材料上の前記サイトの分布は均一であり、少なくとも１つの放出サイトが４μｍ直径の任意の円形領域に位置する確率が少なくとも５０％となるようにしてあってもよい。
【００２４】
電界電子放出材料上の前記サイトの分布は均一であり、１０μｍ直径の任意の円形領域に少なくとも１つの放出サイトが位置する確率が５０％となるようにしてあってもよい。
【００２５】
上記の方法は、粒子を含んでいる液体を沈降タンクに通すことによって前記粒子を分類する予備階段を包含し、この沈降タンク内で所定サイズを超える粒子が沈降し、前記タンクから出る液体が、前記所定サイズ未満で、前記基板に被覆される粒子を含むようにしてもよい。
【００２６】
本発明は、上記方法のうちいずれか１つの方法によって製造した電界電子放出材料にも及ぶ。
本発明のさらに別の態様によれば、上記の電界電子放出材料と、前記材料を電界にさらして前記材料に電子を放出させる手段とを包含する電界電子放出装置が得られる。
【００２７】
上記の電界電子放出装置は、前記電界電子放出材料からなるエミッタ・パッチのアレイを有する基板と、整合したアレイのアパーチャを有する制御電極であって、絶縁層によってエミッタ・パッチより上方に支えられている制御電極とを包含してもよい。
前記アパーチャはスロットの形をしていてもよい。
【００２８】
上記の電界電子放出装置は、プラズマ・リアクタ、コロナ放電装置、無音放電装置、オゾン発生器、電子源、電子銃、電子装置、Ｘ線チューブ、真空計、ガス充填装置またはイオンスラスタを包含してもよい。
電界電子放出材料は、装置作動のための全電流を供給してもよい。
電界電子放出材料は、装置のための開始電流、トリガ電流またはプライミング電流を供給してもよい。
上記電界電子放出装置は、ディスプレイ装置を包含してもよい。
上記電界電子放出装置は、ランプを包含してもよい。
好ましくは、前記ランプはほぼ平らである。
【００２９】
上記電界電子放出装置は、十字形構造の形をした絶縁スペーサ上に支えられた電極プレートを包含してもよい。
電界電子放出材料は、使用時にレジスタを介して印加陰極電圧に接続されるパッチとして塗布されてもよい。
好ましくは、前記レジスタは、各放出パッチの下で電気抵抗パッドとして塗布される。
前記電気抵抗パッドのそれぞれは、各放出パッチの下に設けてあり、各電気抵抗パッドの面積がそれぞれの放出パッチよりも大きいようにしてもよい。
好ましくは、前記エミッタ材料および／または蛍光体は、１つまたはそれ以上の一次元アレイの導電性トラック上に被覆してあり、これらのトラックが、電子駆動手段によってアドレス指定されてスキャニング用照明ラインを創り出すように配列してある。
このような電界電子放出装置は、前記電子駆動手段を包含し得る。
前記環境は、ガス、液体、固体または真空であってもよい。
【００３０】
上記電界電子放出装置は、装置内にゲッタリング材料を包含してもよい。
好ましくは、前記ゲッタリング材料は装置の陽極に取り付けてあるとよい。
前記ゲッタリング材料は装置の陰極に取り付けてあってもよい。前記電界電子放出材料がパッチとして配置されている場合、前記ゲッタリング材料は前記パッチ内に配置してあってもよい。
【００３１】
本発明の一実施例においては、上記電界放出ディスプレイ装置は、陽極、陰極、前記陽極、陰極上のスペーサ・サイト、前記陰極から前記陽極を離すように前記スペーサ・サイトの少なくともいくつかに設置したスペーサを包含し、前記ゲッタリング材料が、スペーサを設置していない前記スペーサ・サイトのうちの他のスペーサ・サイトのところで前記陽極上に設置してあってもよい。
【００３２】
本明細書の文脈において、「スペーサ・サイト」なる用語は、スペーサの位置が陽極を陰極から離しておくのに適したサイトを意味し、スペーサがそのスペーサ・サイトに位置しているかどうかには無関係である。
好ましくは、前記スペーサ・サイトは、規則的な、または、周期的な相互間隔にある。
【００３３】
上記電界電子放出装置において、前記陰極が、光学的に半透明であり、陰極から放出された電子が陽極に衝突して陽極のところに電界ルミネセンスを生じさせるように陽極に関して配置してあり、この電界ルミネセンスが光学的に半透明の陰極を通して見えるとよい。
【００３４】
ここで、「導電」および「絶縁」なる電気用語は、測定基準によって、相対的なものであり得ることは了解されたい。半導体は、有用な導電性を有し、実際、本発明では導電性粒子として使用し得る。本明細書の文脈において、前記導電性粒子の各々は、絶縁材料の導電性よりも少なくとも１０^２倍（好ましくは、少なくとも１０^３あるいは１０^４倍）である導電性を有する。
【００３５】
【発明の実施の形態】
本発明をより良く理解して貰うために、かつ、本発明の実施例をどのように実施し得るかを示すために、以下、添付図面の図２〜図１９を参照しながら説明する。本発明の図示実施例は、ＭＩＶ放出プロセスに基づいた材料に改良した性能およびユーザビリティを、このような材料を使用する装置と共に提供するものである。
【００３６】
図２ａは、基板２２１上の絶縁層２２２に配置した導電性粒子２２３を有する改良した材料の一実施例を示している。図１ａ，図１ｂを参照しながら先に説明したような電気鋳造したチャネルの形成に続いて、電子２２４は粒子２２３のベースから媒質２２８（しばしば、真空）内へ放出される。この配置が、チャネルの加熱が不安定を引き起こしたり故障を生じたりする前に、従来公知の材料よりも著しく高い電流を供給できるようになる材料を産出するのである。絶縁体は無機質が好ましく、この無機質が高蒸気圧材料を排除して、該材料がシールドオフ式真空装置において使用されるのを可能にする。絶縁基板に対しては、導電層がコーティングの前に塗布される。導電層は、限定するつもりはないが、真空・プラズマ・コーティング、電気メッキ、非電気メッキや、インク・ベース方法（たとえば、磁器およびガラス製品を装飾するのにきまって使用される樹脂加工ゴールド及びプラチナ・システム）を含む種々の手段によって塗布することができる。
【００３７】
電気鋳造したチャネルをスイッチオンするのに必要な当該電界は、粒子高さ２２５（絶縁層２２２の表面に対してほぼ直角に測定した値）と導電性チャネル２２７の領域における絶縁体の厚さ２２６との比率によって決まる。最小のスイッチオン電界に対しては、導電性チャネルでの絶縁体の厚さは、粒子高さよりもかなり小さくなければならない。導電性粒子２２３は、普通、といって限定するつもりはないが、０．１μｍ〜４００μｍの範囲、好ましくは、幅の狭いサイズ分布となろう。
【００３８】
図２ｂは、粒子２３１が導電性基板２３０と電気的に接触して、絶縁体２３２の層で覆われている、というようになる、改良した材料の別の実施例を示す。各粒子２３１の上端での絶縁層の厚さ２３５は、表面に対して直角になる粒子の高さ２３４に比べて薄い。適切な電界を適用すると、導電性チャネル２３３が最大電界強化の位置にできる。そして、電子２３６が媒質２３７内へ放出される。
【００３９】
図３に関して説明すると、図２ａに示す類の構造は、フロー・コーティング・プロセス（たとえば、スピン・コーティング）で製造することができるのであるが、このプロセスでは、その固有の性質や表面コーティングのせいにより（時には一時的に）、絶縁体を含んでいる溶液や分散液に濡れることがなく、所望構造３０５を形成するようにコーティング・プロセスの一部として露出３０４されるようになる、絶縁材料及び導電性材料あるいは半導電性材料３０３とを、流体媒質３０２は含む。たとえば、日本国のＣｈｕｎｇａｉＲｏＣｏ．Ｌｔｄで製造されるような機器を用いて、テーブル・コーティングを使用してもよい。
【００４０】
適切な絶縁材料の例としては、ガラス、ガラス・セラミック、ポリシロキサンであるとか、有機成分を減らすために、あるいは、シリカ，セラミック，酸化セラミック，酸化物，窒化物，ホウ化物，ダイヤモンド，重合体，樹脂のような無機最終製品を形成するために加熱された、スピンオン・ガラス材料などがある。
【００４１】
適切な粒子の例としては、金属その他の導体、半導体、黒鉛、炭化ケイ素、炭化タンタル、炭化ハフニウム、炭化ジルコニウム、炭化ホウ素、二ホウ化チタン、炭化チタン、炭窒化チタン、Ｍａｇｎｅｌｉチタン準酸化物、半導体シリコン、ＩＩＩ−Ｖ族化合物およびＩＩ−Ｖｉ化合物がある。
【００４２】
１つの適切な分散液は、スピンオン・ガラス材料および粒子の混合物から調製することができる。前記粒子は、濡れを制御するために前もって処理されれば、選択的に、幅の狭いサイズ分布を持つことになろう。このようなスピンオン・ガラス材料は、典型的には、ポリシロキサンに基づくものであり、半導体産業において広く使用されている。しかしながら、他の化合物に基づくスピンオン・ガラスを使用してもよい。コーティング後、層を加熱して、有機成分を減らしたり、シリカのような無機最終製品を形成したりする。
【００４３】
これまで、分散液内の粒子は幅の狭いサイズ範囲を有するのが好ましい、ということを言及してきた。というのも実際のところ、重要な問題は、大きな粒子は低電界でオンとなる電界放出サイトをわずかに形成してしまうので、このような大きな粒子を混合物から除去する、ということである。電界放出の性質のために、これらわずかなサイトは、これらサイトが熱的になくなる点まで、電流の大部分を放出してしまうのである。ほとんど放出性のないサイトが多数あるのが、装置用途に対しては好ましい。大きい粒子を完全に除去するように粉末を分類することは、特に当該サイズ範囲においてはむずかしい。ふるいにかけるのは手間も時間もかかるし、空気式の分類方法にも機敏なてっとり早い方法がない。
【００４４】
液状媒質における沈殿は役立つ技術ではあるが、乾燥によって粒子を復元することが凝集へと至り、これらが大きな粒子として作用することになる。図１５では、これらの問題を避ける沈殿法を使用しているプロセスを示す。供給ストック２０００は、以下のどちらかである。すなわち、
ポリシロキサン・スピンオン・ガラスのような液体絶縁層先駆体か、または、
未分類粒子と共に、次に続く、たとえばガラス・フリットなどの分散液を形成するのに使用されるビヒクル（媒体）か、
である。
【００４５】
図１５に示すように、混合物はタンク２００１に加えられ、撹拌機２００２によって攪拌される。混合物は、計量弁またはポンプ２００３を経てタンク２００４に送られ、沈降領域２１１２を横切って懸濁液を水平方向へゆっくりと流す速度で液体を加える。弁２０１０は、タンク２００４内のレベルを維持するように調整する。大きい粒子２００５は、タンクの底２００８に沈降し、弁２０１１を経て周期的に出口２００９より除去され得る。分類された懸濁液２００６は、弁２０１０から流出すると、今度は、高い径のカットオフ２００７を有する粒子を含むようになる。本発明のこの実施例における用途に加えて、このプロセスは、たとえば、Ｔｕｃｋ，Ｔａｙｌｏｒ，Ｌａｔｈａｍ特許（ＧＢ２３０４９０９）に記載されたＭＩＭＩＶ材料ようなどのような粒子ベースの電界エミッタ・ソステムに対して使用することができる。ホスト・ビヒクル内で分散液を連続処理あるいは１回分処理するための他の配置も、当業者であれば工夫できることは明らかである。
【００４６】
図４は、導電性基板４０１が絶縁体４０２の層とその上に堆積した電導体４０３とを有するエミッタを製造する別の方法を示している。たとえば、パターン化したレジスト層４０４を使用して、導電性材料を選択的にエッチング４１２して、粒子類似物４１１を作る。ある場合には、粒子類似物間から絶縁層４１３を除去することも好都合である。レジスト・パターン４０４下方にアンダーカット４１５を形成するエッチングの本来有する傾向が、構造体の基部で電気鋳造されたチャネルから電子４１６が放出するのを促進させる。前記構造は、周知の半導体製作技術を使用しても構成することができる。たとえば、絶縁層４０２は導電性ウェーハを酸化させ、次いで金属化することによって形成してもよい。図２ｂに示す構造を形成するのに同様の方法を使用してもよい。
【００４７】
図５は、噴霧技術を使用してこのようなエミッタを製造する別の方法を示している。
図２ａに示す構造でこの方法を説明すると、絶縁層５０２を有する導電性基板５０１には、噴霧源５０５から粒子が堆積される。前記絶縁層そのものも、噴霧プロセスによって形成され得る。
図２ｂに示す構造でこの方法を行なう場合は、噴霧は導電性基板上へ直接行われる。次に、ポリシロキサン・スピンオン・ガラスや、適切な結合剤内のガラス・フリットの分散体からなる絶縁層を、スピン・コーティングあるいはテーブル・コーティングのような技術を使用して塗布することができる。次いで、層を焼成して、ポリシロキサンをシリカに変換するか、または、ガラス・フリットを融解することになる。明らかに、他の技術も使用し得る。
【００４９】
噴霧方法には２つの態様がある。
１．粒子５０３のフラックス（ｆｌｕｘ）は、液体ビヒクルの有無にかかわりなく固体として表面に衝突し、その後、表面への接合が、たとえば、ろう付け、フリット化プロセスや、金属、または絶縁体フィルムの溶融などによって行われ得る。伝統的な噴霧ガンまたは静電噴霧システムも使用し得る。
２．粒子５０４のフラックス（ｆｌｕｘ）は、充分な運動エネルギで表面に衝突して接合部を形成するか、または、衝突の瞬間に溶融する可能性がある。このような状態は、たとえば、フレーム溶射またはプラズマ溶射を使用して達成できる。
【００５０】
図６は、導電性基板６０１が絶縁層６０２および導体の堆積した薄膜６０３を有するエミッタを形成するさらに別の方法を示している。前記フィルム（薄膜）６０３の堆積状態は、堆積フィルム内に充分な残留ストレスが残り、撓むことによってひび割れを生じさせ、ストレスを解放し、表面から部分的に持ち上がった電気的に隔離されたフレークを形成するように制御される。たとえば、真空蒸着およびスパッタ・コーティングによって薄膜を堆積させてこれらの基準を満たしてもよい。
【００５１】
本発明の上記すべての実施例において、最も近くに隣接した粒子が所与の粒子のベースのところで電界をスクリーニングするのを防止するようになる、導電性粒子の最適密度がある。球形の粒子の場合、最適な粒子対粒子の間隔は、粒子直径のほぼ１．８倍である。
【００５２】
放出サイトの均一なスイッチオンを容易にするために、粗削りの立方形のような対称的な粒子が好ましい。
あるいは、精密繊維（たとえば、炭素繊維または細いワイヤ）を、直径よりもいくぶん長い長さに細断してもよい。これらの繊維セグメントの傾向は、横向きになるということであり（特に、スピン・コーティング中）、繊維軸線が基板に対して平行になって繊維直径がアンテナ効果を決定するようになるということである。
正しい形態（たとえば、微小ガラス球体）の粒子は（但し成分ではない）、スパッタリングを含む広範囲にわたる方法によって、適切な材料でオーバーコートされる。
【００５３】
本発明の好ましい実施例の主要な目的は、低コストで高生産性をもってして、放出材料を製造することにある。しかしながら、コストにそれほどこだわらないで用いられる場合には、達成され得る非常に高い熱伝導率ということは、絶縁体としてダイヤモンドを使用して意図的に加工された構造が、電気鋳造チャネルが破局的な破壊する前に、最高平均電流を給送できる材料を提供することができる、ということを意味する。
【００５４】
図７は実用的ななプロセスを示しており、このプロセスでは、ステップ１において、絶縁層７０２および粒子７０３を有する基板７０１はレジスト・コーティング７０４によってマスクされた領域を有する。ステップ２において、選択的エッチを使用して粒子７０３を除去する。ステップ３において、レジスト・コーティング７０４を除去して、電界放出特性を有する被マスク領域を残す。
【００５５】
図８は、改良した電界電子放出材料（たとえば、上記材料の１つ）を使用しているゲート式アレイを示している。エミッタ・パッチ１９が基板１７上に形成されており、この基板上には、必要に応じて、真空コーティングまたは非真空技術のようなプロセスによって、導電層１８が堆積させられる。多孔性の制御電極すなわちゲート電極２１は、層２０によって基板１７から絶縁されている。代表的な寸法は、エミッタ・パッチ直径（２３）１０μｍであり、ゲート電極・基板距離（２２）５μｍである。ゲート電極２１上の正電圧は、エミッタ・パッチ１９からの電子の抽出量を制御する。次に、電子５３は、より高い電圧５４によって装置５２内へ加速される。この電界電子放出電流は、電界電子放出ディスプレイ・パネル、ハイパワー・パルス装置（たとえば、電子メーザーおよびジャイロトロン）、ＣＦＡのような交差界形マイクロ波管、クライストロンのような直線ビーム電子管、フラッシュ式Ｘ線管、トリガ式火花ギャップ装置および関連した装置、滅菌用広面積Ｘ線源、真空計、宇宙船用のイオンスラスタおよび粒子加速器を含む、広範囲にわたる装置において使用し得る。すなわち、
【００５６】
図９ａは、上記の材料の１つ、たとえば、図２の材料を使用しているダイオード配置に基づく電界放出ディスプレイを示す。基板３３には、材料の放出パッチ３５を担持する導電性トラック３４がある。前部プレート３８は、トラック３４を横切って延びる透明な導電性トラック３９を有する。トラック３９は、蛍光体パッチまたはストライプを有する。２枚のプレートは、外側リング３６およびスペーサ４３によって分離されている。この構造は、ハンダ・ガラスのような材料３７によってシールされる。装置は、ポンピング・チューブを介して、あるいはまたは、真空炉内でハンダ・ガラスを溶解することによって、排気されるようになる。
【００５７】
ピクセルは、クロスバー方式で印加される電圧４１，４２によってアドレス指定される。電界放出電子は蛍光体パッチを励起する。正，負のゴーイング波形からなる駆動システムは、ドライブ・エレクトロニクスにおける半導体についてのピーク電圧率を減らす共に、隣接したピクセルが励起されないのを確実にする。ピクセルをオンにするのに必要な電圧の揺れをさらに軽減するのは、電界電子放出電流がかなり大きくなる値の直ぐ下の値まで各電極をＤＣバイアスすることで達成される。次に、パルス波形をＤＣバイアスに重畳し、各ピクセルをオンにする。それ故、電圧可動域は半導体装置の能力内にある。
【００５８】
ダイオード配置への他の方法は、制御電極と共に三極管システムを利用することである。図１１（カラーディスプレイにおける２つのピクセルを示している）は、この方法の一実施例を示す。図面を簡略化するために、２つのピクセルだけが図示してある。しかしながら、図示の基本的構造は、多くのピクセルを有する大きいディスプレイを製造するのにスケールアップすることができる。陰極基板１２０は、ディスプレイにおける各ラインをアドレス指定できるようにその表面に被覆した導電性トラック１２１を有する。このようなトラックは、当業者にとって公知の標準リソグラフ技術と連結した真空コーティング技術によって、すなわち、導電性インクを使用して印刷したり、その他多くの適当な技術を使用したりして、設置される。
【００５９】
放出材料（たとえば、上記したもの）のパッチ１２２は、先に説明した方法を用いて、トラックの表面に堆積させ、赤／緑／青３原色でサブピクセルを構成する。限定するつもりはないが、寸法「Ｐ」１２９は、典型的には、２００μｍ〜７００μｍ（ミクロメータ）の範囲にある。あるいは、あまり望ましくないけれども、放出材料はディスプレイ域全体を覆って被覆してもよい。絶縁層１２３は、導電性トラック１２１のトップに形成される。絶縁層１２３は多孔性であって、１ピクセル１２４当たり１つまたはそれ以上のアパーチャが放出材料表面を露出させており、これらのアパーチャは印刷その他のリソグラフ技術によって創り出される。導電性トラック１２５は、三原色の各ラインについて１つのグリッド電極を構成するように絶縁体の表面上に形成される。アパーチャ１２４の寸法および絶縁体１２３の厚さは、こうして製造された三極管システムについて所望の相互コンダクタンス値を生じるように選ばれる。ディスプレイの陽極プレート１２６は、絶縁性スペーサ１２８によって支えられている。このようなスペーサは、印刷によって表面上に形成してもよいし、または、事前作製しておいて所定位置に設置してもよい。
【００６０】
機械的な安定性については、前記事前に作成されたスペーサは、十字形の構造の形に作ってもよい。ガラス・フリットのようなギャップ充填材料を用いて、各端で適所にスペーサを固定して、どのような寸法上のばらつきをも補正するようにする。赤、緑、青の蛍光体パッチまたはストライプ１２７が、陽極プレートの内面に配置されている。蛍光体は、陰極線管において普通であるように、薄い導電性フィルムで被覆するか、あるいは、加速電極が低い場合には、陽極プレートの内面に透明な導電層、たとえば、といって限定するつもりはないが、酸化インジウム・スズを堆積させてもよい。陰極プレートおよび陽極プレート間の間隔は取り去られ、シールされる。
【００６１】
本発明の実施例を使用できる電界効果装置を構成することについてのさらなる詳細について本発明者等の審査係属中の出願、ＧＢ２２２５８．２を参照されたい。
【００６２】
ＤＣバイアスは、陽極上の導電性ストリップ１２１と導電性フィルムとの間に印加される。こうして発生した電界は、グリッド・アパーチャ１２４を通って侵入し、先に説明したＭＩＶ電界放出プロセスからの電界放出によって表面から電子を解放する。ＤＣ電圧は、全放出に必要なレベルより低く設定され、トラック１２１の１つを他のトラックに関して負にパルス化し、ピーク輝度のための電流を与える値にすることによってラインをアドレス指定することを可能にする。グリッド・トラック１２５は、エミッタ材料に関して負にバイアスされ、トラック１２１がその負のパルス化された（ライン・アドレス指定）状態にあるときに、電流をその最低レベルにまで減らす。ライン期間中、すべてのグリッド・トラックは、所望電流を、故に、所望ピクセル輝度を与える値まで正にパルス化される。明らかに、他の駆動手段も使用可能である。
【００６３】
ドライブ・エレクトロニクスのコストを最小にするために、数十ボルトの外エンド電圧の揺れが必要である。この仕様に合致するよう、図１１に示すゲート電極構造におけるアパーチャは非常に小さくなる。円形アパーチャの場合、これは１サブピクセル当たりに多くの放出セルを生じることになる。このような小さい構造のための他の配置は、スロット内に小さい放出セルを延長することである。
【００６４】
図１４は、このような電極システムの１つのサブピクセルを示している。ここにおいて、ゲート・エミッタ間隔１８０は、２〜３ミクロメートルに減っている。ゲート１８１および絶縁層１８２は放出材料に露出するスロット１８３を有する。カラーディスプレイを説明してきたが、当業者であれば、３部分ピクセルのない配置を使用して白黒ディスプレイを製造することができることは理解できよう。
【００６５】
長寿命および安定動作特性を確実にするためには、装置内に高い真空を維持しなければならない。壁および他の内部構造から離脱したガスを吸着するために、電子管の技術分野では、ゲッターを使用することが普通であった。電界放出ディスプレイにおけるゲッタリング材料のための１つのロケーションは、電気的フィードスルーのない側の、ディスプレイ・パネルの周縁まわりである。パネル・サイズが増大するにつれて、このロケーションが理想から遠くなることは、当業者にとって周知のことである。これは、パネルの中央部及び縁部間のガス流コンダクタンスが低くなり、パネル間の距離が長くなり、ミリメータ以下のクリアランスが生じるためである。計算によれば、２５０ｍｍ対角寸法より大きいパネルの場合、このコンダクタンスは、ゲッター・システムが無効になるレベルまで低下することを示している。米国特許第５，２２３，７６６号は、この問題を解決する２つの方法を記載している。１つの方法では、より大きいクリアランスおよび分布ゲッターを有するバックチャンバに通じる穴のアレイを有する陰極プレートを使用する。もう１つの方法では、ジルコニウムのような嵩高なゲッタリング材料のゲート電極を作る。両方法ともに原則として機能するが、これら方法らには別個の実用上の問題がある。
【００６６】
多孔性陰極プレート方法において、陰極プレートにおけるパーフォレーションは、ピクセル間のスペース内に嵌合するに充分に小さくなければならない。目に見えるような直接的な結果を避けるために、これは、パーフォレーションの直径を、テレビの場合、最大１２５ミクロメートル、コンピュータ・ワークステーションの場合には、それより小さい値に制限する。１ｍｍ〜２ｍｍ厚のガラス（陰極プレート用の材料）に数百万個の少なくとも１００ミクロメートルの穴を穿つコストは法外な値段になりそうである。またさらに、その結果として生じる構成要素は極めて脆く、パネル寸法が増大するにつれて問題が大きくなるであろう。
【００６７】
室温で有効であるためには、かさ高なゲッターは、非常に大きい表面積を持たなければならない。これは、普通、焼結微粒子層を形成することによって達成される。電界放出ディスプレイにおけるゲート電極は、強い加速ＤＣ電界内に位置する。このような微粒子ゲッター層がかなりの数の電界放出サイトを提供しそうであることは、本明細書に記載した電界エミッタ・システムから明らかである。このようなサイトは、近接している蛍光体パッチの１つまたはそれ以上を連続的に励起する電子を放出し、ディスプレイにおいて目に見える欠陥を生じることになる。
【００６８】
図９および図１１に示すディスプレイに目を転じて、分布ゲッター・システムは、アクティブな粒子あるいは粒子群を使用することによってエミッタ構造に組み込まれ、上記したようなＭＩＶエミッタを製造することができる。図１２は、粒子１２００が絶縁材料１２０２によって基板１２０１に固定される一実施例を示している。絶縁材料１２０２の組成は先に説明した通りであってよい。この配置は、露出したゲッタリング材料１２０３の領域を残す。ゲッタリング材料のための適切な粒子材料は、ジルコニウム（Ｚｉｒｃｏｎｉｕｍ）や、タンタル（Ｔａｎｔａｌｕｍ）や、ミラノのＳＡＥＳＧｅｔｔｅｒｓ社の製造するような特許独占権のあるゲッタリング合金（たとえば、Ｚｒ−Ａｌ）のような、細かく分割されたＩＶａ族金属である。
【００６９】
すべての電界電子放出ディスプレイに伴う問題は、ピクセル毎に均一な電気特性を達成する際に生じる。１つの方法は、定電流モードにおいてピクセルを駆動するエレクトロニクスを使用することである。実質的に同じ目的を達成することのできる代わりの方法は、エミッタと定電圧駆動回路の間に適切な値のレジスタを挿入することである。これは外部から装置へ挿入され得る。しかしながら、この配置においては、レジスタの時定数および導電性トラック・アレイのキャパシタンスは、ピルセルをアドレス指定する率について制限を有する。エミッタ・パッチと導電性トラックの間にレジスタを現場形成することは、使用としている低インピーダンス・エレクトロニクスが急速にトラック・キャパシタンスを充電するのを可能にするので、立ち上がり時間をかなり短くすることができるのである。このような現場電気抵抗パッド４４が、図９ｂに示してある。電気抵抗パッドは、導電性トラック３４上へスクリーン印刷してもよいが、他のコーティング方法も使用し得る。いくつかの実施例において、電気抵抗パッド４４を横切る電圧低下は、その表面４５を横切って電圧破壊を生じさせるに充分なものとなる可能性がある。破壊を防ぐために、図９ｃに示すように、オーバサイズの電気抵抗パッド４６を使用して追跡距離を大きくしてもよい。
【００７０】
図１０ａは、上記の材料の１つを使用している平らなランプを示している。このようなランプは、液晶ディスプレイにバック照明を与えるのに用いることができるが、これは室内照明のような他の用途を排除するものではない。
【００７１】
このランプは、光伝達用前部プレート６６に一致した膨張度の金属から作られる後部プレート６０を含んでいる。もし後部プレートが絶縁体であれば、導電層６１が塗布される。放出材料６２（たとえば、上記のもの）は、パッチ状に塗布される。システムを各放出パッチ当たりに対して等しい電界放出電流へ向かわせるために、つまり、均一な光源を創り出すために、各パッチは、レジスタを介して後部プレートに電気的に接続される。図１０ｂに示すように、このようなレジスタは、電気抵抗パッド６９によって容易に形成することができる。図９ｃと同様に、電気抵抗パッドは、その厚さ全体に電圧破壊を起こさせないために、放出パッチより大きい面積を持っている。前部プレート６６は、透明な導電層６７を有し、適当な蛍光体６８で覆われている。２枚のプレートは、外側リング６３およびスペーサ６５によって分離されている。この構造は、ハンダ・ガラスのような材料６４によってシールされる。装置は、ポンピング・チューブを経由するか、または、真空炉内でハンダ・ガラスを融解することによって排気される。２〜３キロボルトの直流電圧を後部プレート６０または導電層６１と透明な導電性コーティング６７との間に印加する。電界放出電子は、蛍光体６８に衝撃を与えて光を発生させる。ランプの強度は、印加電圧を変化させることによって調整してもよい。
【００７２】
ある用途に対しては、ランプはアドレス指定可能な蛍光体ストライプとそれに組み合わせたエレクトロニクスとで構成し、飛点スキャナに類似する方法でスキャニング・ラインを得てもよい。このような装置は、ハイブリッド・ディスプレイ・システムに組み込むことができる。
【００７３】
上記の電界放出カソード・ルミネセンス・ランプは水銀蒸気を用いるもの（たとえば、冷却動作および瞬間スタート）以上の多くの利点を与えるが、本質的に効率が悪い。その１つの理由は、水銀放電からの紫外線光と比べて、入射電子が蛍光体粒子へ浸透する量が限られているということである。その結果、後部電子励起蛍光体の場合、生じた光の多くは、粒子を通過する際に散乱し、減衰する。光出力を、電子ビームが衝突する同じ側で蛍光体から光出力が得られれば、発光効率はおおよそ二倍になる可能性がある。図１３は、これを達成することを可能にする配置を示している。
【００７４】
図１３において、ガラス・プレート１７０は、本願明細書で説明してきたＭＩＶエミッタ１７２の層が形成されている、光学的に透明な導電性コーティング１７１（たとえば、スズ酸化物）を有する。このエミッタは、実質的に光学的に半透明であるように形成され、ランダムに離隔した粒子からなるので、規則的なチップ・アレイとＬＣＤピクセル・アレイの間の干渉が生じるモワレ・パターン化（Ｍｏｉｒｅｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ）の影響を受けない。このような層は、限定するつもりはないが、絶縁構成要素として熱硬化させたポリシロキサン・ベースのスピンオン・ガラスで形成することができる。上述した被覆陰極プレートは、スペーサ１７９によって陽極プレート上方に支持され、この構造が図１０ａに示すランプと同じ要領で密封排気される。ガラス、セラミック、金属、その他適切な材料で作られる陽極プレート１７７は、電界ルミネセンス蛍光体１７５の層がその上に配置してあり、オプションの反射層１７６（たとえば、アルミニウム）が蛍光体と陽極プレートの間に位置する。キロボルト範囲の電圧１８０が、導電層１７１と陽極プレート１７７（または、絶縁材料の場合、その上の導電性コーティング）との間に印加される。前記印加電圧によって生じる電界放出電子１７３は、蛍光体１７５に向かって加速される。そうして生じた光出力は、半透明エミッタ１７２および透明導電層１７１を通過する。オプションの乱反射あるいは非乱反射ディフューザ１７８を光路に配置してもよい。類似した方法を使用してアドレス指定可能なディスプレイの輝度を高めてもよい。
【００７５】
本発明の実施例は、たとえば、黒鉛表面微粒子を整列させることにより、これら黒鉛表面微粒子を充分な寸法や密度にして、発明の要件に合致するように最適化した黒鉛表面微粒子を有する薄膜ダイヤモンドを使用してもよい。薄膜ダイヤモンドの製造においては、この技術分野では、黒鉛含有量を最小にするというのが断固たる趨勢であったのに対して、本発明の適切な実施例においては、このような表面微粒子を意識的に含ませ、注意深く加工するようにする。
【００７６】
本発明の好ましい実施例の重要な特徴は、放出パターンを印刷する能力であって、これにより、ディスプレイに必要とされるような複雑なマルチエミッタ・パターンが適度なコストで創り出されるのを可能にするのである。さらに、この印刷能力は、ガラスのような低コスト基板材料が使用できるようにする。それに対し、マイクロ加工構造は、典型的には、高コスト単結晶基板に構築される。この明細書で言う印刷とは、明確なパターンに放出材料を配置したり形成するプロセスを意味する。適切なプロセスの例としては、スクリーン印刷、ゼログラフィ（乾式複写）、フォトリソグラフィ（写真石版術）、静電蒸着、噴霧塗装、オフセット印刷などがある。
【００７７】
本発明を実施する装置は、大小を問わずすべてのサイズで作ることができる。これは特にディスプレイに適用するが、単ピクセル装置から多ピクセル装置、小型ディスプレイからマクロサイズのディスプレイまでに及ぶ。
【００７８】
この明細書において、「チャネル」または「導電性チャネル」なる用語は、その特性が局部的に、たとえば、或る形成プロセスによって修正されてしまった、絶縁体の領域、ということを意味する。導体／絶縁体／真空（たとえば、ＭＩＶ）構造の例においては、このような修正を行なえば、バック・コンタクト（導体／電極および絶縁体間）から、絶縁体を通って、真空中へ、電子の移動を促進するようになる。導体／絶縁体／導体（たとえばＭＩＭ）構造の例においては、このような修正で、バック・コンタクトから、絶縁体を通って、他の導体・電極へ、の電子の移動が促進される。
【００７９】
この明細書において使用する「包含する」という動詞は、普通の辞書にある意味であって、通常の包含状態を示す。すなわち、１つあるいはそれ以上の特徴を含めるために「包含する」という用語（あるいはその派生語）を使用しても、さらに別の特徴も含む可能性を排除することではない。
【００８０】
本願に関しこの明細書と同時に提出された、あるいは本願以前に提出され、本願明細書で公開になったすべての論文及び文書に、そして、本願明細書に参考として取り入れられたすべての論文及び文書の内容に、本明細書を読まれる方々は目を向けられたい。
【００８１】
本明細書（請求範囲、要約書、図面を含む）に開示された特徴すべて、あるいは、そのように開示された方法やプロセスの工程もすべて、これらの特徴や工程が互いに相いれないようになる組合せを除いて、どのような組合せでも組み合わされるものである。
【００８２】
この明細書（請求範囲、要約書、図面を含む）に開示された各特徴は、別段取り立てて記載のない限り、別の特徴に取り替えて、全く同じか、同等の、あるいは類似の目的に利用するも可である。したがって、別段の記載がない限り、ここに開示された各特徴は、一般的な一連の同等あるいは類似の特徴のうちの一例に過ぎない。
【００８３】
本発明は、前述の実施例の細部に限定されるものではない。本発明は、この明細書（添付の請求範囲、要約書、図面を含む）に開示された特徴の新規なもの、あるいは新規な組合せ、あるいは、ここに開示された方法やプロセスの新規な工程、あるいは新規な組合せにも及ぶ。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】導電性フレークが放出源となるこれらの状況の１つを示している。
【図１ｂ】或るチャネルのための提案されたエネルギ・レベル・ダイヤグラムを示している。
【図２ａ】改良した電界電子放出材料の例をそれぞれ示している。
【図２ｂ】改良した電界電子放出材料の例をそれぞれ示している。
【図３】粒子が表面に露出しているインクによる、スピン・コーティングあるいはブレード・コーティングのようなコーティング・プロセスを示している。
【図４】連続したフィルムから粒子を形成するプロセスを示している。
【図５】噴霧プロセスによって粒子層を形成することを示している。
【図６】連続したフィルムのひび割れによって導電性フレークを形成することを示している。
【図７】エミッタの選択領域をマスキングとエッチングで不活性にし得るプロセスを示している。
【図８】改良した材料を使用しているゲート式電界放出装置を示している。
【図９ａ】改良した電界電子放出材料を使用している電界電子放出ディスプレイを示している。
【図９ｂ】図９ａのディスプレイ部分の変更態様を示している詳細図である。
【図９ｃ】図９ａのディスプレイ部分の変更態様を示している詳細図である。
【図１０ａ】改良した電界電子放出材料を使用している平らなランプを示している。
【図１０ｂ】図１０ａの改良した電界電子放出材料を使用している平らなランプの詳細を示す図である。
【図１１】制御電極を備える三極管システムを利用するカラーディスプレイにおける２つのピクセルを示している。
【図１２】粒子が活性ゲッタリング材料からなるエミッタ材料を示している。
【図１３】エミッタ層を通して光の出力を行う高変換効率電界放出ランプを示している。
【図１４】エミッタ間隔に通じるゲートを減らした電極システムのサブピクセルを示している。
【図１５】電界エミッタ・インク分散体から大きい粒子を除去するための装置を示している。

Claims

広面積電界電子放出材料を形成する方法であって、前記方法は、導電性表面を有する基板上に複数の導電性粒子を配置する工程を含み、個々の粒子は、前記導電性表面と前記粒子との間の第１ロケーション、あるいは、前記粒子と電界電子放出材料が配置されている環境との間の第２ロケーション、のいずれか一方で、２ヶ所両方には配置されないという電気絶縁材料の層を有し、前記粒子のうち少なくともある程度の粒子が、前記電気絶縁材料が配置された前記第１ロケーション又は第２ロケーションに、電子放出サイトを形成するようになることを特徴とする方法。
請求項１による方法において、導体の表面に対して直角の前記粒子の寸法が、前記絶縁材料層の厚さより大きいことを特徴とする方法。
請求項２による方法において、前記粒子の表面にほぼ直角の前記寸法が、前記厚さより少なくとも１０倍大きいことを特徴とする方法。
請求項３による方法において、前記粒子の表面にほぼ直角の前記寸法が、前記厚さの各々より少なくとも１００倍大きいことを特徴とする方法。
請求項１〜４のうちいずれか１つによる方法において、前記絶縁材料の厚さが、１０ナノメートル〜１００ナノメートル（１００Å〜１０００Å）の範囲にあり、前記粒子寸法が、１μｍ〜１０μｍの範囲にあることを特徴とする方法。
請求項１〜５のうちいずれか１つによる方法において、各々が０.１μｍ〜４００μｍの範囲にある表面に対してほぼ直角な寸法を有する前記導電性粒子の実質的に１つの層を設けることを特徴とする方法。
請求項１〜６のうちいずれか１つによる方法において、前記絶縁材料がダイヤモンド以外の材料からなることを特徴とする方法。
請求項１〜７のうちいずれか１つによる方法において、前記絶縁材料が無機材料であることを特徴とする方法。
請求項１〜８のうちいずれか１つによる方法において、前記絶縁材料が、ガラス、鉛ベースのガラス、ガラス・セラミック、溶融ガラスまたは他のガラス質材料、セラミック、セラミック酸化物、酸化表面、窒化物、窒化表面、セラミック・ホウ化物、ダイヤモンド、ダイヤモンド状炭素または正方非晶質カーボンからなることを特徴とする方法。
請求項１〜９のうちいずれか１つによる方法において、前記導電性粒子の各々がほぼ対称形であることを特徴とする方法。
請求項１〜１０のうちいずれか１つによる方法において、前記導電性粒子の各々が実質的に粗削りの立方形であることを特徴とする方法。
請求項１〜１０のうちいずれか１つによる方法において、前記導電性粒子の各々がテクスチャード面を有する実質的に回転楕円形であることを特徴とする方法。
請求項１〜１１のうちいずれか１つによる方法において、前記導電性粒子の各々が、最長寸法を有し、基板に対してほぼ直角の最長寸法と優先的に整合させてあることを特徴とする方法。
請求項１〜１３のうちいずれか１つによる方法において、前記導電性粒子が、最小寸法の少なくとも１.８倍の相互間隔、すなわち、中心から中心の距離を有することを特徴とする方法。
請求項１〜１４のうちいずれか１つによる方法において、前記粒子の各々あるいは前記粒子の少なくとも若干のものが、金属、半導体、電気導体、黒鉛、炭化ケイ素、炭化タンタル、炭化ハフニウム、炭化ジルコニウム、炭化ホウ素、二ホウ化チタン、炭化チタン、炭窒化チタン、チタンのMagneli準酸化物、半導シリコン、III-V族化合物、II-VI族化合物からなるグループから選択したものであることを特徴とする方法。
請求項１〜１５のうちいずれか１つによる方法において、前記粒子の各々または前記粒子の少なくとも若干のものが、前記絶縁材料で部分的にのみ覆われており、このような粒子の各々がゲッタリング材料を包含することを特徴とする方法。
請求項１〜１６のうちいずれか１つによる方法において、前記表面が、前記粒子および前記絶縁材料を含有するインクによって前記粒子で被覆してあって前記絶縁層を形成し、前記インクの特性が、前記粒子が、前記絶縁材料から突出させられ、コーティング・プロセスの結果として絶縁材料でコーティングされない部分を有するようなものであることを特徴とする方法。
請求項１７による方法において、前記インクが、印刷プロセスによって前記導電性表面に塗布されることを特徴とする方法。
請求項１〜１８のうちいずれか１つに記載の方法において、前記導電性粒子および／または電気絶縁材料が、後のパターン化を可能とするように感光性バインダで前記導電性基板に塗布されることを特徴とする方法。
請求項１〜１９のうちいずれか１つによる方法において、前記絶縁材料が、粒子混合物を溶融、焼結あるいは結合または現場化学反応の階段によって形成されることを特徴とする方法。
請求項２０による方法において、絶縁材料が、ガラス、ガラス・セラミック、セラミック、酸化セラミック、酸化物、窒化物、ホウ化物、ダイヤモンド、重合体または樹脂からなることを特徴とする方法。
請求項１〜２１のうちいずれか１つによる方法において、前記導電性粒子の各々が、直径より長い長さに細断した繊維を包含することを特徴とする方法。
請求項１〜２１のうちいずれか１つに記載の方法において、前記粒子が、選択的なエッチングまたは選択的なマスキングのいずれかによって、前記絶縁層上へ導電層を堆積させ、次いでパターン化することによって形成されることを特徴とする方法。
請求項１〜２１のうちいずれか１つによる方法において、前記粒子が、噴霧プロセスによって前記導電性表面に塗布されることを特徴とする方法。
請求項１〜２１のうちいずれか１つによる方法において、前記導電性粒子が、ほぼ電気的に隔離された立ち上がりフレークにひび割れ処理した層を堆積させることによって形成されることを特徴とする方法。
請求項２３、２４または２５による方法において、前記導電層が、金属、導電性元素あるいは化合物、半導体または複合物からなることを特徴とする方法。
請求項１〜２６のうちいずれか１つによる方法において、電界電子放出材料上の前記サイトの分布がランダムであることを特徴とする方法。
請求項１〜２７のうちいずれか１つによる方法において、前記サイトが、少なくとも１０²ｃｍ^-2の平均密度で電界電子放出材料上に分布することを特徴とする方法。
請求項１〜２８のうちいずれか１つによる方法において、前記サイトが、少なくとも１０³ｃｍ^-2、１０⁴ｃｍ^-2または１０⁵ｃｍ^-2の平均密度で電界電子放出材料上に分布していることを特徴とする方法。
請求項１〜２９のうちいずれか１つによる方法において、電界電子放出材料上の前記サイトの分布がほぼ均一であることを特徴とする方法。
請求項３０による方法において、電界電子放出材料上の前記サイトの分布が均一であって、１mm直径の任意の円形領域内における前記サイトの密度が、電界電子放出材料上のすべてについての平均サイト分布密度よりも２０％より大きくは変化しないようにしてあることを特徴とする方法。
請求項３０による方法において、直径１mmの円形測定面積を使用したときの電界電子放出材料上の前記サイトの分布が二項分布またはポアソン分布であることを特徴とする方法。
請求項３０による方法において、電界電子放出材料上の前記サイトの分布が均一であり、少なくとも１つ放出サイトが４μｍ直径の任意の円形領域に位置する確率が少なくとも５０％となるようにしたことを特徴とする方法。
請求項３０による方法において、電界電子放出材料上の前記サイトの分布が均一であり、１０μｍ直径の任意の円形領域に少なくとも１つの放出サイトが位置する確率が５０％となるようにしたことを特徴とする方法。
請求項１〜３４のうちいずれか１つによる方法において、粒子を含んでいる液体を沈降タンクに通すことによって前記粒子を分級する予備階段を包含し、この沈降タンク内で所定サイズを超える粒子が沈降し、前記タンクから出る液体が、前記所定サイズ未満で、前記基板に被覆される粒子を含むようにすることを特徴とする方法。
請求項１〜３５のうちいずれか１つによる方法によって製造した電界電子放出材料。
請求項３６による電界電子放出材料と、前記材料を電界にさらして前記材料に電子を放出させる手段とを包含する電界電子放出装置。
請求項３７による電界電子放出装置において、前記電界電子放出材料からなるエミッタ・パッチのアレイを有する基板と、整合したアレイのアパーチャを有する制御電極であって、絶縁層によってエミッタ・パッチより上方に支えられている制御電極とを包含することを特徴とする電界電子放出装置。
請求項３８による電界電子放出装置において、前記アパーチャがスロットの形をしていることを特徴とする電界電子放出装置。
請求項３７〜３９のいずれか１つに記載の電界電子放出装置において、プラズマ・リアクタ、コロナ放電装置、無音放電装置、オゾン発生器、電子源、電子銃、電子装置、Ｘ線チューブ、真空計、ガス充填装置またはイオンスラスタを包含することを特徴とする電界電子放出装置。
請求項３７〜４０のいずれか１つに記載の電界電子放出装置において、電界電子放出材料が、装置作動のための全電流を供給することを特徴とする電界電子放出装置。
請求項３７〜４０のいずれか１つに記載の電界電子放出装置において、電界電子放出材料が、装置のための開始電流、トリガ電流またはプライミング電流を供給することを特徴とする電界電子放出装置。
請求項３７〜４０のいずれか１つに記載の電界電子放出装置において、ディスプレイ装置を包含することを特徴とする電界電子放出装置。
請求項３７〜４２のいずれか１つに記載の電界電子放出装置において、ランプを包含することを特徴とする電界電子放出装置。
請求項４４による電界電子放出装置において、前記ランプがほぼ平らであることを特徴とする電界電子放出装置。
請求項３７〜４５のいずれか１つに記載の電界電子放出装置において、十字形構造の形をした絶縁スペーサ上に支えられた電極プレートを包含することを特徴とする電界電子放出装置。
請求項３７〜４６のいずれか１つに記載の電界電子放出装置において、電界電子放出材料が、使用時にレジスタを介して印加陰極電圧に接続されるパッチとして塗布されることを特徴とする電界電子放出装置。
請求項４７による電界電子放出装置において、前記レジスタが、各放出パッチの下で電気抵抗パッドとして塗布されることを特徴とする電界電子放出装置。
請求項４８による電界電子放出装置において、前記電気抵抗パッドのそれぞれが、各放出パッチの下に設けてあり、各電気抵抗パッドの面積がそれぞれの放出パッチよりも大きいようにしたことを特徴とする電界電子放出装置。
請求項３７〜４９のいずれか１つに記載の電界電子放出装置において、前記エミッタ材料および／または蛍光体が、１つまたはそれ以上の一次元アレイの導電性トラック上に被覆してあり、これらのトラックが、電子駆動手段によってアドレス指定されてスキャニング用照明ラインを創り出すように配列してあることを特徴とする電界電子放出装置。
請求項５０による電界電子放出装置において、前記電子駆動手段を包含することを特徴とする電界電子放出装置。
請求項３７〜５１のいずれか１つに記載の電界電子放出装置において、前記環境が、ガス、液体、固体または真空であることを特徴とする電界電子放出装置。
請求項３７〜５２のいずれか１つに記載の電界電子放出装置において、装置内にゲッタリング材料を包含することを特徴とする電界電子放出装置。
請求項５３による電界電子放出装置において、前記ゲッタリング材料が装置の陽極に取り付けてあることを特徴とする電界電子放出装置。
請求項５３または５４による電界電子放出装置において、前記ゲッタリング材料が装置の陰極に取り付けてあってもよいことを特徴とする電界電子放出装置。
請求項５５による電界電子放出装置において、前記電界電子放出材料がパッチとして配置されており、前記ゲッタリング材料が前記パッチ内に配置してあることを特徴とする電界電子放出装置。
請求項５３による電界電子放出装置において、陽極、陰極、前記陽極、陰極上のスペーサ・サイト、前記陰極から前記陽極を離すように前記前記スペーサ・サイトの少なくともいくつかに設置したスペーサを包含し、前記ゲッタリング材料が、スペーサを設置していない前記スペーサ・サイトのうちの他のスペーサ・サイトのところで前記陽極上に設置してあることを特徴とする電界電子放出装置。
請求項５７による電界電子放出装置において、前記スペーサ・サイトが、規則的な、または、周期的な相互間隔にあることを特徴とする電界電子放出装置。
請求項３７〜５８のいずれか１つに記載の電界電子放出装置において、装置の陰極が、光学的に半透明であり、陰極から放出された電子が陽極に衝突して陽極のところに電界ルミネセンスを生じさせるように陽極に関して配置してあり、この電界ルミネセンスが光学的に半透明の陰極を通して見えることを特徴とする電界電子放出装置。