JP3639738B2 - Electron emitting element, electron source using the electron emitting element, image forming apparatus using the electron source, and display apparatus using the image forming apparatus - Google Patents

Electron emitting element, electron source using the electron emitting element, image forming apparatus using the electron source, and display apparatus using the image forming apparatus Download PDF

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子放出素子、該電子放出素子を用いた電子源並びに該電子源を用いた画像形成装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、電子放出素子として熱電子源と冷陰極電子源の2種類が知られている。冷陰極電子源には電界放出型(以下FE型と略す)、金属/絶縁層/金属型(以下MIM型と略す)や表面伝導型電子放出素子等がある。
【0003】
FE型の例としてはW.P.Dyke&W.W.Dolan,“Field emission”,Advance in Electron Physics,8,89(1956)あるいはC.A.Spindt,“PhysicalProperties of thin−film field emission cathodes with molybdenium cones”,J.Appl.Phys.,47,5248(1976)等が知られている。
【0004】
MIM型の例としてはC.A.Mead、“Operation of Tunnel−Emission Devices”,J.Apply.Phys.32,646(1961)等が知られている。
【0005】
表面伝導型電子放出素子の例としては、M.I.Elinson、RadioEng.Electron Phys.、10,1290,(1965)等がある。
【0006】
表面伝導型電子放出素子は基板上に形成された小面積の薄膜に、膜面に並行に電流を流すことにより、電子放出が生ずる現象を利用するものである。この表面伝導型電子放出素子としては、前記エリンソン等によるSnO2 薄膜を用いたもの、Au薄膜によるもの〔G.Ditmmer,Thin Solid Films,9,317(1972)〕、ln2 3 /SnO2 薄膜によるもの〔M.Hartwell and C.G.Fonsted,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。
【0007】
これらの表面伝導型素子放出素子の典型的な構成として前述のM.ハートウェルの素子構成を図21に示す。同図において1は絶縁性基板である。4は導電性薄膜で、H型形状のパターンに、スパッタで形成された金属酸化物薄膜等からなり、後述のフォーミングと呼ばれる通電処理により線状の電子放出部5が形成される。尚、図中の素子電極間隔Lは0.5〜1mm、Wは0.1mmで設定されている。
【0008】
従来、これらの表面伝導型電子放出素子においては、電子放出を行う前に導電性薄膜4を予めフォーミングと呼ばれる通電処理によって電子放出部5を形成するのが一般的であった。即ち、フォーミングとは前記導電性薄膜4両端に直流電圧あるいは非常にゆっくりとした昇電圧例えば1V/分程度に印加通電し、導電性薄膜を局所的に破壊、変形もしくは変質せしめ、電気的に高抵抗な状態にした電子放出部5を形成することである。尚、電子放出部5は導電性薄膜4の一部に亀裂が発生しその亀裂付近から電子放出が行われる。上記フォーミング処理をした表面伝導型電子放出素子は、電子放出部が形成された導電性薄膜4に電圧を印加し、素子に電流を流すことにより、上述電子放出部5より電子を放出せしめるものである。
【0009】
一方、たとえば特開平7−235255号公報に開示されているように、フォーミングを終えた素子に対して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If、放出電流Ieが、著しく変化する工程である。
【0010】
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、素子に電圧を印加する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、炭素あるいは炭素化合物が素子の電子放出部およびその近傍に堆積し、素子電流If、放出電流Ie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。
【0011】
図22は、特開平7−235255号公報に開示された電子放出素子の断面形状を示したものである。同図において1、4、5は図21と同様であり、それぞれ、絶縁性基板、導電性薄膜、電子放出部である。2、3は導電性薄膜4に電圧を印加する為の素子電極であり、2を低電位側電極、3を高電位側電極として電圧を印加している。電子放出部5には、上記活性化工程を行うことで、炭素あるいは炭素化合物6が堆積している構造が示され、良好な電子放出特性を実現している。
【0012】
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、蛍光体等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できる。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年の情報の高度化に伴うマルチメディア化の急激な進展により、ディスプレイ等の画像形成装置に対して、更に高い性能が求められてきている。すなわち、表示装置の大画面化、省電力化、高精細化、高画質化、省スペース化等である。
【0014】
したがって、前述の電子放出素子においては、電子放出素子を適用した画像形成装置が明るい表示画像を安定して提供できるよう、より高い効率で安定した電子放出特性が得られることが望まれている。
【0015】
ここで効率とは、表面伝導型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、流れる電流(以下、素子電流Ifと呼ぶ)に対する真空中に放出される電流(以下、放出電流Ieと呼ぶ)との電流比をさす。
【0016】
つまり、素子電流Ifはできるだけ小さく、放出電流Ieはできるだけ大きいことが望ましい。
高効率な電子放出特性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できる。
【0017】
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という問題があった。
【0018】
すなわち、このような応用に用いるためには、実用的な電圧(たとえば10Vないし20V)で十分な放出電流Ieが得られること、放出電流Ieおよび素子電流If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Ieおよび素子電流Ifが劣化しないことが必要であるが、従来の表面伝導型電子放出素子には以下のような問題点があった。
【0019】
図21に示したように、表面伝導型電子放出素子は、電圧印加方向にほぼ直行する線状の電子放出部5を有している。
電子放出部5は前述のようにフォーミングにより導電性薄膜に形成される間隙部により構成されるが、必ずしも図20に示したような全域にわたって間隙が一様な幅、形状で形成されるとは限らない。この様な不均一な電子放出部形態の場合、十分な放出電流Ieが得られなかったり、駆動中の特性の変動や劣化が著しくなる場合がある。
【0020】
一方、前述の活性化工程によれば、炭素あるいは炭素化合物等からなる炭素を有する膜が導電性薄膜に形成された間隙内の基板上およびその近傍の導電性薄膜上に堆積してより狭い間隙が形成される(図22)。この電子放出素子は、実用的な電圧で十分な放出電流が得られ、駆動中の放出電流Ieおよび素子電流Ifの変動が小さいことから、ディスプレイ用電子源として期待されているが、電子放出効率が小さい場合があり改善する必要があった。
【0021】
本発明は、このような活性化工程によって作製された電子放出素子において、電子放出効率の高い電子放出素子を安定に得るために、素子から真空中に放出される電子のエネルギー分布に着目してなされたものである。
【0022】
本発明は、上述したように良好な電子放出特性、特に電子放出効率の高い表面伝導型電子放出素子、及びそれを用いた電子源及び画像形成装置を提供することを目的とする。
【0023】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者らは鋭意検討した結果、基体表面上に配置された一対の電極と、該一対の電極間において第1の間隙を置いて対向して配置された一対の導電性薄膜と、前記第1の間隙内において第2の間隙を置いて対向して配置された一対の炭素を有する膜と、を備えており、前記一対の導電性薄膜の一方が前記一対の電極の一方に電気的に接続され、前記一対の導電性薄膜の他方が前記一対の電極の他方に電気的に接続されており、前記一対の炭素を有する膜の一方が前記一対の導電性薄膜の一方に電気的に接続され、前記一対の炭素を有する膜の他方が前記一対の導電性薄膜の他方に電気的に接続されている電子放出素子において、該電子放出素子の駆動時の放出電流における電子のエネルギー分布の半値幅HW1と、前記放出電流の4分の1の放出電流における電子のエネルギー分布の半値幅HW2との比(HW2/HW1)が、0.8以上1.0以下であることを特徴とする電子放出素子とすることによって、電子放出効率が高い電子放出素子を提供するものである。
【0024】
ここで、炭素を有する膜中の炭素としては、グラファイト状炭素であることが好ましい。また、本発明は、さらにその特徴として、基体上に複数の電子放出素子を配列形成した電子源において、前記複数の電子放出素子の各々に、前述の電子放出素子を用いることができる。
【0025】
さらには、電子源と、該電子源から放出された電子を照射することで画像を形成する画像形成部材とを有する画像形成装置においては、前述の電子源を用いることができる。また、画像形成装置と、該画像形成装置にテレビジョン放送信号を表示させるための回路と、を備えたテレビジョン放送の表示装置に、前述の画像形成装置を用いることができる。
【0026】
活性化によって作製される表面伝導型電子放出素子から、蛍光体、等の画像形成部材に電子が到達するには、主につぎの2つの過程によってなされる。詳しくは、SID 97 Digest P127 Asaiに記載されている。
【0027】
第一に、電圧を素子電極に印加し、電子放出部の陰極側のカーボンから正極側のカーボンに電子を加速し正極側カーボンで弾性散乱により真空中に電子が放出する過程である。
【0028】
第二に、正極側カーボンから出た電子が正極側カーボン上または導電性薄膜上を弾性散乱することにより画像形成部材側に電子が放出する過程である。電子放出素子は、電子放出部領域が極めて微細であり且つ基板に対して平行に電圧を印加しているため、正極側のカーボンから真空中に散乱された電子は電子放出素子側に電子が戻される電界が形成されている。この電子が戻される電界に打ち勝ってアノード側(蛍光体側)に電子が到達する割合が高い方が電子放出効率の高い素子が得られる。
【0029】
電子放出効率は、上記の2つの過程によって決定されるが、本発明は第一の過程において、真空中に放出される電子のエネルギーに着目して為されたものである。
【0030】
次に、活性化工程よって作製された電子放出素子から真空中に放出される電子のエネルギー分布について図4、図5を用いて説明する。
図4は電子放出素子の電子放出部のエネルギーバンドを示す。図中、Vfは素子に印加される電圧であり、Wfは活性化によって形成されたカーボンの仕事関数であり、Efは活性化によって形成されたカーボンのフェルミレベルであり、Dは素子に電圧が印加されるカーボン間隙の長さであり、e- は電子である。素子に電圧を印加すると素子の負極側のカーボンから電子が出て正極側のカーボンに衝突する。衝突した電子のうち仕事関数Wf以上のエネルギーをもった電子が真空中に放出する可能性がある。このとき負極側のカーボンから放出した電子は、正極側のカーボンで弾性散乱を複数回することで電子放出している。詳しくは、SID 97 Digest P127 Asaiに記載されている。
【0031】
図5は、電子放出素子から放出した電子のエネルギー分布を示す概略図である。図中、横軸は電子のエネルギーを示すもので、縦軸は電子のエネルギーに対する素子から真空中に放出した電子の量(強度)を示す。横軸の電圧0Vは負極側カーボンのフェルミレベルであり、素子に印加している負極側の電圧に対応する。カーボン間隙に電圧を印加し、負極側カーボンのフェルミ準位からでた電子がなんらエネルギーのロスがなく真空に放出されれば、その電子量は、エネルギー分布図の0Vのときの強度となる。このとき、真空中に放出される電子のエネルギーは、図4記載のeVf−Wで示される。また、なんらかのエネルギーロスが生じたり、素子電極に印加した電圧がカーボン間隙に印加されないときは、エネルギー分布の負の電圧に対応した強度となる。また、エネルギー分布図において、Vpはエネルギー分布のピークエネルギーとよび最も電子放出量(最大強度Ip)の多いエネルギーを示す。0Vに近いほど素子から出た電子のエネルギーが高いことを示す。HWはエネルギー分布の半値幅といい、ピークエネルギーにおける電子放出量の2分の1の値のエネルギー幅であり、放出した電子のエネルギー幅を示すものである。
【0032】
本発明は、上述の表面伝導型電子放出素子のエネルギー分布に着目してなされたもので、駆動時の放出電流におけるエネルギー分布の半値幅と該駆動時の放出電流の4分の1におけるエネルギー分布の半値幅の比(第一の放出電流におけるエネルギー分布の半値幅が分母)が0.8以上1.0以下とすることで電子放出効率が高い電子放出素子が得られることを本発明者は見い出した。
【0033】
このとき、駆動時の放出電流とは、電子放出素子をディスプレイ、等に応用する場合の実際の電流値を示すものである。
また、前記炭素を有する膜中の炭素は、グラファイト状炭素である方が、電気伝導性に優れ、安定なので好ましい。
以上により、本発明によれば電子放出効率の高い電子放出素子が得られる。
【0034】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好ましい実施形態についてさらに詳述する。
まず、本発明にかかわる電子放出素子の基本的な構成について説明する。
【0035】
図1の(a)、(b)は、それぞれ、本発明にかかわる基本的な平面型の電子放出素子の構成を示す平面図および断面図である。図2の(a)、(b)、(c)は、それぞれ、本発明にかかわる表面伝導型電子放出素子の電子放出部近傍の構造を拡大して模式的に示す平面図(a)、および断面図(b)、(c)、である。図1、図2を用いて、本発明に係る素子の基本的な構成を説明する。
【0036】
図1において1は基板、2と3は素子電極、4は導電性薄膜、5は電子放出部である。
図2において、1は基板、4は導電性薄膜、5は電子放出部、21、22は導電性薄膜に形成された間隙内の基板上及び導電性薄膜上に堆積した炭素を有する堆積物(膜)である。なお、堆積物は間隙8(第二の間隙)を境にして、基板表面に対して横方向に対向し、左右の堆積物21、22に分割されて模式的に示されているが、一部でつながっている場合もある。導電性薄膜4の間隙を第一の間隙とよびその間隔は図に示されるように不均一に配置され、また、その2次元上の形状は蛇行して配置されている。また、堆積物21、22は導電性薄膜4上にも堆積している。
【0037】
以上の構成により、堆積物(21、22)は電極(2、3)と電気的に接続される。尚、図面上は、炭素を有する膜である堆積物(21、22)は、導電性薄膜を介して電極(2、3)と接続されているが、堆積物(21、22)がそれぞれ、電極(2、3)上まで堆積し、直接電気的に接続される場合もある。
【0038】
基板1としては、石英ガラス、青板ガラス、青板ガラス等にスパッタ法等により形成したSiO2 を積層したガラス基板およびアルミナ等のセラミックス等が挙げられる。これら基板には、SiO2 を含んだ材料が望ましく、電子放出部5を形成することが可能となる。
【0039】
対向する素子電極2、3の材料としては導電性を有するものであればどのようなものであっても構わないが、例えばNi、Cr、Au、Mo、W、Pt、Ti、Al、Cu、Pd等の金属或は合金およびPd、Ag、Au、RuO2、Pd−Ag等の金属或は金属酸化物とガラス等から構成されるの印刷導体、ln23−SnO2 等の透明導電体およびポリシリコン等の半導体導体材料等が挙げられる。
【0040】
素子電極間隔L、素子電極の長さW、およびその形状は、電子放出素子の応用形態等によって適宜設計され、例えば、後述するテレビジョン等の表示装置では、画面サイズに対応した画素サイズが設計され、とりわけ、高品位テレビでは画素サイズが小さく高精細さが要求される。そのため、電子放出素子のサイズが限定されたなかで十分な輝度を得るためには、十分な放出電流が得られるように設計される。
【0041】
素子電極間隔Lは、数十nmより数百μmあり、素子電極の製法の基本となるフォトリソグラフィー技術、即ち、露光機の性能とエッチング方法等、および、素子電極間に印加する電圧により設定されるが、好ましくは、数μmより数十μmである。
【0042】
素子電極の長さW、および、素子電極2、3の膜厚dは、電極の抵抗値、前述したX、Y配線との結線、多数配置された電子源の配置上の問題より適宜設計され、通常は、素子電極の長さWは、数μmから数百μmであり、素子電極2、3の膜厚dは、数nmより数μmである。
【0043】
尚、図1に示した構成だけでなく、基板1上に、導電性薄膜4、対向する素子電極2、3の順に積層した構成とすることもできる。
導電性薄膜4には、良好な電子放出特性を得るために、微粒子で構成された微粒子膜を用いるのが好ましい。その膜厚は、素子電極2、3へのステップカバレージ、素子電極2、3間の抵抗値および後述するフォーミング条件等を考慮して適宜設定される。
【0044】
また、素子電流Ifおよび放出電流Ieの大きさは、導電性薄膜4の幅Wに依存するので、上記素子電極の形状と同様に、電子放出素子のサイズが限定されたなかで十分な放出電流が得られるように設計される。
【0045】
一般に、導電性薄膜4の熱的安定性は電子放出特性の寿命を支配する場合があり、導電性薄膜4の材料としてより高融点な材料を用いるのが望ましい。しかしながら、通常、導電性薄膜4の融点が高いほど後述する通電フォーミングのためにより大きな電力が必要となる。
【0046】
さらに、その結果得られる電子放出部の形態によって、電子放出し得る印加電圧(しきい値電圧)が上昇する等、電子放出特性に問題が生じる場合がある。
本発明においては、導電性薄膜4の材料として特に高融点のものを必要とはせず、比較的低いフォーミング電力で良好な電子放出部が形成可能な材料・形態のものを選ぶことができる。
【0047】
上記条件を満たす材料の例として、Ni、Au、PdO、Pd、Pt等の導電材料をRs(シート抵抗)が10の2乗から10の7乗Ω/□の抵抗値を示す膜厚で形成したものが好ましく用いられる。なおRsは、厚さがt、幅がwで長さがlの薄膜の長さ方向に測定した抵抗Rを、R=Rs(l/w)とおいたときに現われる値で、抵抗率をρとすれば、Rs=ρ/tである。上記抵抗値を示す膜厚はおよそ5nmから50nmの範囲にあり、この膜厚範囲において、それぞれの材料の薄膜は微粒子膜の形態を有している。
【0048】
ここで述べる微粒子膜とは、複数の微粒子が集合した膜であり、その微細構造は、微粒子が個々に分散配置した状態あるいは微粒子が互いに隣接、あるいは重なり合った状態(いくつかの微粒子が集合し、全体として島状構造を形成している場合も含む)をとっている。
【0049】
微粒子の粒径は、数百pmから数百nmの範囲、好ましくは、1nmから20nmの範囲である。
さて、前に例示した材料のなかでも、PdOは、有機Pd化合物の大気中焼成により容易に薄膜形成できること、半導体であるため比較的電気伝導度が低く上記範囲の抵抗値Rsを得るための膜厚のプロセスマージンが広いこと、導電性薄膜に間隙を形成した後等に、容易に還元して金属Pdとすることができるので膜抵抗を低減し得ること、等から好適な材料である。しかしながら、本発明の効果はPdOに限られることなく、また、上記例示した材料に限られるものではない。
【0050】
電子放出部5は、導電性薄膜4の幅W′によってほぼその長さが決まる。
電子放出部5は、後述する活性化工程を経ることにより、図2に示すように導電性薄膜に形成された第2の間隙よりも狭い第1の間隙8を境に対向した炭素を有する膜21、22で構成される。
【0051】
なお、炭素を有する膜21、22は、主にグラファイト状の炭素から成るが、導電性薄膜4を構成する元素を含有することがある。
本発明における炭素を主成分とした堆積物21、22で形成される第二の間隙8の幅は、図2(b)、(c)に示すように、炭素を主成分とした堆積物22が最も接近した部位での両者の間の距離である。
【0052】
堆積物21、22が基板表面で接近している場合(b)、基板表面より高い位置で接近している場合(c)、等がある。
本発明の電子放出素子を詳しく説明するために、始めに、図3をもちいて、測定評価装置について説明する。
【0053】
図3は、図1で示した構成を有する素子の電子放出特性を測定するための測定評価装置の概略構成図である。図3において、1は基体、2および3は素子電極、4は導電性薄膜、5は電子放出部である。また、31は素子に素子電圧Vfを印加するための電源、30は素子電極2、3間の導電性薄膜4を流れる素子電流Ifを測定するための電流計、34は素子の電子放出部より放出される放出電流Ieを捕捉するためのアノード電極、33はアノード電極34に電圧を印加するための高圧電源、32は素子の電子放出部5より放出される放出電流Ieを測定するための電流計である。
【0054】
電流放出素子の上記素子電流If、放出電流Ieの測定にあたっては、素子電極2、3に電源31と電流計30とを接続し、該電子放出素子の上方に電源33と電流計32とを接続したアノード電極34を配置している。また、電子放出素子およびアノード電極34は真空装置内に設置されている。
【0055】
図3において、素子電極2、3間に、素子電極3が高電位になるように電圧を印加すると、導電性薄膜4を通じて、図2に示した堆積物21と堆積物22との間に印加された電圧に応じて電位差が生じる。このとき、堆積物21と堆積物22の最も接近した位置を中心に強い電界が発生する。この電界が、堆積物21から堆積物22への電子のトンネリングが十分可能な程大きい場合、堆積物21から堆積物22に向かって電子がトンネルし、トンネルした電子は正極側の堆積物22に弾性散乱し真空中に電子放出する。
【0056】
上記電子放出素子の製造方法としては様々な方法が考えられるが、その一例を図5に示す。
以下、順をおって、製造方法の説明を図1、図2および図7に基づいて説明する。
【0057】
1)基板1を洗剤、純水および有機溶剤により十分に洗浄後、素子電極材料を、真空蒸着法、スパッタ法等により堆積後、フォトリソグラフィー技術により素子電極2、3を形成する(図7(a))。
【0058】
2)基板1上に設けられた素子電極2と素子電極3との間に、有機金属溶液を塗布して乾燥することにより、有機金属膜を形成する。なお、有機金属溶液とは、前記Pd、Ni、Au、Pt等の金属を主元素とする有機金属化合物の溶液である。この後、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、導電性薄膜4を形成する(図7(b))。なお、ここでは、有機金属溶液の塗布法により説明したが、これに限るものでなく、真空蒸着法、スパッタ法、CVD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によって形成される場合もある。
【0059】
3)つづいて、フォーミングと呼ばれる通電処理を、素子電極2、3間に電圧を不図示の電源によりパルス状電圧あるいは、昇電圧の印加により行うと、導電性薄膜4の一部に間隙7が形成され間隙7を挟んで、基板表面に体して横方向に、導電性薄膜が対向配置される(図7(c))。尚、間隙7はその一部でつながっている場合もある。
【0060】
フォーミング処理以降の電気的処理は、前述した図3に示す測定評価装置内で行う。
なお、図3に示した測定評価装置は真空装置であるが、該真空装置には不図示の排気ポンプ及び真空計等の真空装置に必要な機器が具備されており、所望の真空下で素子の測定評価を行えるようになっている。なお、排気ポンプは、オイルを使用しない、磁気浮上ターボポンプ、ドライポンプ等の高真空装置系と更に、イオンポンプからなる超高真空装置系からなる。また、本測定装置には、不図示のガス導入装置が付設してあり、所望の有機物質の蒸気を所望の圧力で真空装置内に導入することができる。また、真空装置全体、及び電子放出素子は、不図示のヒーターにより加熱できる。
【0061】
フォーミング処理は、パルス波高値が定電圧のパルスを印加する場合とパルス波高値を増加させながら、電圧パルスを印加する場合とがある。まず、パルス波高値が定電圧のパルスを印加の場合の電圧波形を図8の(a)に示す。
【0062】
図8の(a)中、T1及びT2は電圧波形のパルス幅とパルス間隔であり、T1を1μsec〜10msec、T2を10μsec〜100msecとし、三角波の波高値(フォーミング時のピーク電圧)は適宜選択する。
【0063】
次に、パルス波高値を増加させながら、電圧パルスを印加する場合の電圧波形を、図8の(b)に示す。
図8の(b)中、T1及びT2は電圧波形のパルス幅とパルス間隔であり、T1を1μsec〜10msec、T2を10μsec〜100msecとし、三角波の波高値(フォーミング時のピーク電圧)は、例えば0.1Vステップ程度ずつ、増加させる。
【0064】
なお、フォーミング処理の終了は、フォーミング用パルスの間に、導電性薄膜4を局所的に破壊、変形しない程度の電圧例えば0.1V程度のパルス電圧を挿入して素子電流を測定し、抵抗値を求め、例えば、1MΩ以上の抵抗を示した時、フォーミングを終了とする。
【0065】
以上説明した間隙7を形成する際に、素子の電極間に三角波パルスを印加してフォーミング処理を行っているが、素子の電極間に印加する波形は三角波に限定することはなく、矩形波など所望の波形を用いてもよく、その波高値及びパルス幅、パルス間隔等についても上述の値に限ることなく、間隙7が良好に形成されるように、電子放出素子の抵抗値等にあわせて、適当な値を選択する。
【0066】
上記フォーミングで形成される導電性薄膜の第一の間隙は、図2で示されるように基板上に二次元的に配置(蛇行)される。
4)次に、フォーミングが終了した素子に活性化処理を施す。活性化処理は、図3に示した真空装置内に有機物質のガスを導入し、有機分子を含有する雰囲気下で、素子の電極間に電圧を印加することで行い、この処理により、基板の変質を伴って、雰囲気中に存在する有機物質から、炭素を有する膜が素子上に堆積し、素子電流If、放出電流Ieが、著しく変化するようになる。
【0067】
本発明においては、活性化処理によって炭素を有する膜を堆積させ、所望の値の間隔を有する間隙8を、制御良く形成する必要がある。間隙8の間隔は、素子に印加する電圧波形、導入する有機物質の圧力、素子表面における拡散移動度、素子表面での平均滞在時間等によって左右される。また、真空装置への導入のし易さ、活性化後の排気のし易さ等の取り扱いの容易性も重要である。以上の観点から、種々の有機物質を検討した結果、トルニトリル化合物が有効であることがわかった。トルニトリル化合物が好ましく用いられる理由は厳密には理解できていないが、ニトリル基(−C≡N)を介した素子表面への吸着状態が、上記の条件に適合しているためと思われる。
【0068】
以下に、本発明の活性化処理における、炭素を有する膜である堆積物の形成過程を、図9を用いて説明する。図9において、1は基板、2、3は素子電極、4は導電性薄膜、7は導電性薄膜に形成された第一の間隙、21、22は炭素を有する膜である堆積物、8は堆積物21、22によって第一の間隙内部に形成されたより狭い第二の間隙である。
【0069】
図9(a)は、活性化処理前の電子放出素子の電子放出部近傍を模式的に示したものである。なお、素子は、一度10-6Pa台の圧力に減圧し、その後、有機物質のガスを導入した真空装置内に配置されている(図3)。ここでは有機物質としてトリニトリルを用いた場合を例に説明する。導入するトルニトリルの好適な圧力は、真空装置の形状や真空装置に使用している部材等によって若干影響されるが、1×10-5Pa〜1×10-3Pa程度である。
【0070】
活性化工程(炭素を有する膜を堆積させる工程)において、素子電極2、3間(間隙7)に印加する。これにより雰囲気中の有機物質が間隙7内及びその近傍の導電性薄膜4上に堆積し始める。この過程において、堆積物21、22は、紙面と垂直方向にも同時に堆積する。
【0071】
さらに、活性化処理を続けると、堆積物は炭素を有する膜が第二の間隙8の間隔を形成しほぼ固定され、活性化処理を終了する(図9(b))。
ここで、第二の間隙8の間隔は、活性化処理のために印加する電圧が大きいほど広くなる傾向があるが、その間隔の大きさは、活性化処理中に導入する有機物質の種類や分圧によっても変化する。
【0072】
次に、本発明における炭素を有する膜である堆積物21、22の炭素について説明する。
本発明における炭素とは、完全なグラファイトの結晶構造を有するもの(いわゆるHOPG)、結晶粒が20nm程度で結晶構造がやや乱れたもの(PG)、結晶粒が2nm程度になり結晶構造の乱れがさらに大きくなったもの(GC)、非晶質カーボン(アモルファスカーボン及び、アモルファスカーボンと前記グラファイトの微結晶の混合物を指す)を包含する。すなわち、グラファイト粒子間の粒界などの層の乱れが存在していても好ましく用いることができる。
【0073】
6)こうして作製した電子放出素子に、好ましくは、安定化工程を行う。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。真空容器内の有機物質は極力排除することが望ましいが、有機物質の分圧としては1〜3×10-8Pa以下が好ましい。また、他のガスをも含めた圧力は、1〜3×10-6Pa以下が好ましく、さらに1×10-7Pa以下が特に好ましい。真空容器を排気する真空排気装置は、装置から発生するオイルが素子の特性に影響を与えないように、オイルを使用しないものを用いる。具体的には、ソープションポンプ、イオンポンプ等の真空排気装置を挙げることが出来る。さらに真空容器内を排気するときには、真空容器全体を加熱して、真空容器内壁や、電子放出素子に吸着した有機物質分子を排気しやすくする。このときの加熱条件は、150〜350℃、好ましくは200℃以上でできるだけ長時間行うのが望ましいが、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、電子放出素子の配置などの諸条件により適宜選ばれる条件により行う。
【0074】
安定化工程を行った後の、駆動時の雰囲気は、上記安定化処理終了時の雰囲気を維持するのが好ましいが、これに限るものではなく、有機物質が十分除去されていれば、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出来る。
【0075】
このような真空雰囲気を採用することにより、新たな炭素あるいは炭素化合物の堆積を抑制できるので本発明の炭素を有する膜の形状が維持され、結果として素子電流If,放出電流Ieが安定する。
【0076】
上述のような製造方法によって作製された本発明を適用可能な電子放出素子の基本特性について図3、図10を用いて説明する。なお、図10は、電子放出素子の電流−電圧特性を示すものである。
【0077】
図3に示した測定評価装置により測定された、安定化処理後の素子の放出電流Ie及び素子電流Ifと素子電圧Vfの典型的な例を図10に示す。なお、図8は、放出電流Ieは素子電流Ifに比べて著しく小さいので、任意単位で示されており、いずれもリニアスケールである。図10からも明らかなように、本電子放出素子は放出電流Ieに対する三つの性質を有する。
【0078】
まず第1に、本素子はある電圧(しきい値電圧と呼ぶ、図10中のVth)以上の素子電圧を印加すると急激に放出電流Ieが増加し、一方しきい値電圧Vth以下では放出電流Ieがほとんど検出されない。すなわち、放出電流Ie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。
【0079】
第2に、放出電流Ieが素子電圧Vfに依存するため、放出電流Ieは素子電圧Vfで制御できる。
第3に、アノード電極34に捕捉される放出電荷は、素子電圧Vfを印加する時間に依存する。つまり、アノード電極34に捕捉される電荷量は、素子電圧Vfを印加する時間により制御できる。
【0080】
次に、素子から真空中に放出される電子のエネルギー分布測定について説明する。
図6は、通常よく使われる四重極エネルギー分析装置をあらわす概略的説明図である。図では示されていないが、本装置は真空容器内に配置されている。真空容器内の真空雰囲気は、安定化工程とほぼ同程度の超高真空雰囲気であり、上述のオイルフリーの真空ポンプにより真空形成されている。
【0081】
図6において、60は電子放出素子、61、62、63、64はエネルギー分析するための電極、65は電極61に電圧を印加するための電源、66は電極64に電圧を印加するため電源、67は電極62と電極63に電圧を印加するための電源である。電極61、電極62、電極63は、電子が各電極を通過するように多数の孔が開いた構造をしている。
【0082】
また、電極61、電極62、電極63、電極64は半球の形状をもち、その中心に電子放出素子が置かれる。電子放出素子から放出された電子は電極61の電圧を適当に設定することによりエネルギー分析装置(上記4つの電極)に入る。エネルギー分析方法の詳細は省略するが、入射した電子が、電極62、電極63に印加する電圧で変調され電極64に到達した電流量を測定することにより電子放出素子からでた電子のエネルギー分析が行われる。
【0083】
次に、実際に使用する電圧(画像表示装置であれば十分な輝度となる放出電流を発生させる電圧)を電子放出素子に印加し真空中に放出する電子(電流)Ie1を発生させ放出電流のエネルギー分布を測定する。このときのエネルギー分布の半値幅をHW1とする。つづいて、Ie1の4分の1となるように駆動電圧をさげエネルギー分布を測定する。このときのエネルギー分布の半値幅をHW2とする。これらの半値幅の比(HW2/HW1)を算出する。この半値幅の比(HW2/HW1)が0.8以上1.0以下となる電子放出素子は、電子放出効率の高い特性を有する。
【0084】
電子放出素子に印加する電圧はこれに限られるものではなく、実際に電子放出素子を駆動する電圧近傍に設定すればよい。
このような、エネルギー分布の半値幅の比を0.8以上1.0以下とするためには、前述した活性化工程においてトルニトリルの有機物質を用い、適正な活性化をすることで得られる。この活性化工程で作製した素子がなぜ上述の半値幅の比の範囲になり、効率が高い素子が得られるかについては、明確には分からないが次のようなことが推測される。
【0085】
上述の活性化工程において電子放出部に形成されたカーボンは、電子放出部のみならず、導電性薄膜上にもカーボンが多量に形成され、かつ導電性が優れている。そのため、印加した電圧が効率よく第2のカーボン間隙に印加されるため、電子放出部の負極側カーボンからでる電子のエネルギーが高く、正極側のカーボンの散乱効率が高くなるため効率の高い素子が得られるものと考えられる。このような素子は、素子に印加する電圧を変えても、エネルギー分布の変化量が小さく効率の良い素子が得られるものと考えられる。
【0086】
従来、トルニトリルの有機物質を用いずに活性化工程を行った場合、導電性薄膜が不均一に形成されたり、フォーミング工程での第1の間隙の長さが素子内で不均一に形成された場合には、エネルギー分布の半値幅が放出電流量によってことなる場合があり、効率が悪い素子が形成される場合があった。本発明においては、トルニトリルの有機物質を活性化材料として用いて適当な活性化を行うことにより、エネルギーの半値幅が放出電流量によって変化する割合が小さい素子が得られ、その結果、電子放出効率の高い素子が得られる。
【0087】
また、上述のエネルギー分布の半値幅の比が0.8以上1以下にするには、活性化工程を適正化することでのみ得られるものではなく、例えば、導電性薄膜やフォーミング工程を最適化することによっても得られるものと考えられる。
【0088】
以上のような電子放出素子の特性を用いると、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。さらに、本発明にかかわる電子放出素子は、安定で高輝度な電子放出特性を有するため、多方面への応用が期待できる。
【0089】
本発明を適用可能な電子放出素子の応用例について以下に述べる。
本発明による電子放出素子の複数個を基板上に配列し、例えば電子源あるいは、画像形成装置を構成できる。
【0090】
基板上の素子の配列については、例えば、多数の電子放出素子を並列に配置し、個々の素子の両端を配線にて結線した、電子放出素子の行を多数個配し(行方向と呼ぶ)、この配線と直交する方向に(列方向と呼ぶ)、該電子源の上方の空間に設置された制御電極(グリッドと呼ぶ)により電子を制御駆動する配列形態(はしご型という)、及び次に述べるm本のX方向配線の上にn本のY方向配線を、層間絶縁層を介して設置し、表面伝導電子放出素子の一対の素子電極にそれぞれ、X方向配線、Y方向配線を接続した配列形態が挙げられる。以降これを単純マトリクス配置と呼ぶ。
【0091】
次に、この単純マトリクス配置について詳述する。
本発明にかかわる表面伝導型電子放出素子の前述した3つの基本的特性の特徴によれば、表面伝導型電子放出素子からの放出電子は、しきい値電圧以上では、対向する素子電極間に印加するパルス状電圧の波高値と巾で制御できる。一方、しきい値電圧以下では、殆ど放出されない。この特性によれば、多数の電子放出素子を配置した場合でも、個々の素子に、上記パルス状電圧を適宜印加すれば、入力信号に応じて、表面伝導型電子放出素子を選択し、その電子放出量が制御できる事となる。
【0092】
以下この原理に基づき構成した電子源基板の構成について、図12を用いて説明する。
m本のX方向配線102は、DX1、DX2、…、DXmからなり、基板1上に、真空蒸着法、印刷法、スパッタ法等で形成し、所望のパターンとした導電性金属等からなり、多数の表面伝導型電子放出素子にほぼ均等な電圧が供給されるように、材料、膜厚、配線幅等が設計される。これらm本のX方向配線102とn本のY方向配線103間には、不図示の層間絶縁層が設置され、電気的に分離されて、マトリックス配線を構成する(このm,nは、共に正の整数)。
【0093】
不図示の層間絶縁層は、真空蒸着法、印刷法、スパッタ法等で形成されたSiO2 等であり、X方向配線102を形成した基板101の全面或は一部に所望の形状で形成され、特に、X方向配線102とY方向配線103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102とY方向配線103は、それぞれ外部端子として引き出されている。
【0094】
さらに、前述と同様にして、表面伝導型放出素子104の対向する電極(不図示)が、m本のX方向配線102(DX1、DX2、…、DXm)とn本のY方向配線103(DY1、DY2、…、DYn)と導電性金属等からなる結線105によって電気的に接続されているものである。
【0095】
ここで、m本のX方向配線102とn本のY方向配線103と結線105と対向する素子電極の導電性金属は、その構成元素の一部あるいは全部が同一であっても、またそれぞれ異なってもよい。これら材料は、例えば前述の素子電極の材料より適宜選択される。
【0096】
また、詳しくは後述するが、前記X方向配線102には、X方向に配列する表面伝導型放出素子104の行を、入力信号に応じて、走査するための走査信号を印加するための不図示の走査信号印加手段と電気的に接続され、一方、Y方向配線103には、Y方向に配列する表面伝導型放出素子104の各列を入力信号に応じて、変調するための変調信号を印加するための不図示の変調信号発生手段と電気的に接続される。
【0097】
更に、表面伝導型電子放出素子の各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ものである。
次に、以上のようにして作製した電子源基板を用いた電子源、及び、表示等に用いる画像形成装置の一例について、図13と図14を用いて説明する。図13は、画像形成装置の基本構成図であり、図14は蛍光膜である。
【0098】
図13において、101は電子放出素子を複数配した電子源基板、111は電子源基板101を固定したリアプレート、116はガラス基板113の内面に蛍光膜114とメタルバック115等が形成されたフェースプレートである。112は、支持枠であり、リアプレート111、支持枠112及びフェースプレート116をフリットガラスを塗布し、大気中あるいは、窒素中で、400〜500℃で、10分以上焼成することで、封着して、外囲器118を構成する。
【0099】
図13において、104は、図1あるいは図2に示された表面伝導型電子放出部に相当する。102、103は、表面伝導型電子放出素子の一対の素子電極と接続されたX方向配線及びY方向配線である。また、これら素子電極への配線は、素子電極と配線材料が同一である場合は、素子電極と呼ぶ場合もある。
【0100】
外囲器118は、上述の如く、フェースープレート116、支持枠112、リアプレート111で構成したが、リアプレート111は主に基板101の強度を補強する目的で設けられるため、基板91自体で十分な強度を持つ場合は別体のリアプレート111は不要であり、基板101に直接支持枠112を封着し、フェースプレート116、支持枠112、基板101で外囲器118を構成してもよい。
【0101】
一方、フェースプレート116、リアプレート111間に、スペーサーとよばれる不図示の支持体を設置することにより、大気圧に対して十分な強度をもつ外囲器118を構成することもできる。
【0102】
図14は、蛍光膜である。蛍光膜114は、モノクロームの場合は蛍光体のみから成るが、カラーの蛍光膜の場合は、蛍光体の配列によりブラックストライプあるいはブラックマトリクスなどと呼ばれる黒色導電材121と蛍光体122とで構成される。ブラックストライプ、ブラックマトリクスが設けられる目的は、カラー表示の場合必要となる3原色蛍光体の各蛍光体122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114における外光反射によるコントラストの低下を抑制することにある。ブラックストライプの材料としては、通常良く用いられている黒鉛を主成分とする材料だけでなく、導電性があり、光の透過及び反射が少ない材料であればこれに限るものではない。
【0103】
ガラス基板113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、印刷法等が用いられる。
また、蛍光膜114の内面側には通常メタルバック115が設けられる。メタルバックの目的は、蛍光体の発光のうち内面側への光をフェースプレート116側へ鏡面反射させることにより輝度を向上させること、電子ビーム加速電圧を印加するための電極として作用させること、外囲器内で発生した負イオンの衝突によるダメージからの蛍光体の保護等である。メタルバックは、蛍光膜作製後、蛍光膜の内面側表面の平滑化処理(通常フィルミングと呼ばれる)を行い、その後Alを真空蒸着等を用いて堆積させることで作製できる。
【0104】
フェースプレート116には、更に蛍光膜114の導電性を高めるため、蛍光膜114の外面側に透明電極(不図示)を設けてもよい。
前述の封着を行う際、カラーの場合は各色蛍光体と電子放出素子と対応させなくてはいけないため、十分な位置合わせを行う必要がある。
【0105】
外囲器118は、不図示の排気管を通じ、1×10-7Torr程度の真空度にした後、封止がおこなわれる。また、外囲器118の封止後の真空度を維持するために、ゲッター処理を行う場合もある。これは、外囲器118の封止を行う直前あるいは封止後に、抵抗加熱あるいは高周波加熱等の加熱法により、外囲器118内の所定の位置(不図示)に配置されたゲッターを加熱し、蒸着膜を形成する処理である。ゲッターは通常Ba等が主成分であり、該蒸着膜の吸着作用により、たとえば1×10-5ないしは1×10-7Torrの真空度を維持するものである。
【0106】
以上により完成した本発明の画像表示装置において、各電子放出素子には、容器外端子Dox1ないしDoxm、Doy1ないしDoynを通じ、電圧を印加することにより、電子放出させ、高圧端子117を通じ、メタルバック115あるいは透明電極(不図示)に数kV以上の高圧を印加し、電子ビームを加速し、蛍光膜114に衝突させ、励起・発光させることで画像を表示するものである。
【0107】
なお、以上述べた構成は、表示等に用いられる好適な画像形成装置を作製する上で必要な概略構成であり、例えば各部材の材料等、詳細な部分は上述内容に限られるものではなく、画像形成装置の用途に適するよう適宜選択する。
【0108】
次に、単純マトリクス配置の電子源を用いて構成した表示パネルに、NTSC方式のテレビ信号に基づいたテレビジョン表示を行う為の駆動回路の構成例について、図15を用いて説明する。
【0109】
図15は、NTSC方式のテレビ信号に応じて表示を行うための駆動回路の一例を示すブロック図であり、図15中、131は表示パネル、132は走査信号発生回路、133はタイミング制御回路、134はシフトレジスタである。135はラインメモリ、136は同期信号分離回路、137は変調信号発生回路、VxおよびVaは直流電圧源である。
【0110】
表示パネル131は、端子Dox1乃至Doxm、端子Doy1乃至Doyn、及び高圧端子Hvを介して外部の電気回路と接続している。端子Dox1乃至Doxmには、表示パネル内に設けられている電子源、即ち、m行n列の行列状にマトリクス配線された表面伝導型電子放出素子群を一行(n素子)ずつ順次駆動する為の走査信号が印加される。端子Doy1乃至Doynには、前記走査信号により選択された一行の表面伝導型電子放出素子の出力電子ビームを制御する為の変調信号が印加される。高圧端子Hvには、直流電圧源Vaより、例えば10kVの直流電圧が供給されるが、これは表面伝導型電子放出素子から放出される電子ビームに蛍光体を励起するのに十分なエネルギーを付与する為の加速電圧である。
【0111】
走査信号発生回路132は、内部にm個のスイッチング素子を備えたもので(図中、S1ないしSmで模式的に示している)ある。各スイッチング素子は、直流電圧源Vxの出力電圧もしくは0V(グランドレベル)のいずれか一方を選択し、表示パネル131の端子Dox1ないしDoxmと電気的に接続される。S1乃至Smの各スイッチング素子は、制御回路133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。
【0112】
直流電圧源Vxは、本例の場合には表面伝導型電子放出素子の特性(電子放出しきい値電圧)に基づき走査されていない素子に印加される駆動電圧が電子放出しきい値電圧以下となるような一定電圧を出力するよう設定されている。
【0113】
タイミング制御回路133は、外部より入力する画像信号に基づいて適切な表示が行われるように各部の動作を整合させる機能を有する。タイミング制御回路133は、同期信号分離回路136より送られる同期信号Tsyncに基づいて、各部に対してTscanおよびTsftおよびTmryの各制御信号を発生する。
【0114】
同期信号分離回路136は、外部から入力されるNTSC方式のテレビ信号から同期信号成分と輝度信号成分とを分離する為の回路で、一般的な周波数分離(フィルター)回路等を用いて構成できる。同期信号分離回路136により分離された同期信号は、垂直同期信号と水平同期信号より成るが、ここでは説明の便宜上Tsync信号として図示した。前記テレビ信号から分離された画像の輝度信号成分は便宜上DATA信号と表した。該DATA信号はシフトレジスタ134に入力される。
【0115】
シフトレジスタ134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、前記タイミング制御回路133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134のシフトクロックであるということもできる)。シリアル/パラレル変換された画像1ライン分(電子放出素子N素子分の駆動データに相当)のデータは、ld1乃至ldnのN個の並列信号として前記シフトレジスタ134より出力される。
【0116】
ラインメモリ135は、画像1ライン分のデータを必要時間の間だけ記憶する為の記憶装置であり、タイミング制御回路133より送られる制御信号Tmryに従って適宜ld1乃至ldnの内容を記憶する。記憶された内容は、l′d1乃至l′dnとして出力され、変調信号発生器107に入力される。
【0117】
変調信号発生器137は、画像データl′d1乃至l′dnの各々に応じて表面伝導型電子放出素子の各々を適切に駆動変調する為の信号源であり、その出力信号は、端子Doy1乃至Doynを通じて表示パネル131内の表面伝導型電子放出素子に印加される。
【0118】
前述したように、本発明を適用可能な電子放出素子は放出電流Ieに対して以下の基本特性を有している。即ち、電子放出には明確なしきい値電圧Vthがあり、Vth以上の電圧を印加された時のみ電子放出が生じる。電子放出しきい値以上の電圧に対しては、素子への印加電圧の変化に応じて放出電流も変化する。このことから、本素子にパルス状の電圧を印加する場合、例えば電子放出閾値以下の電圧を印加しても電子放出は生じないが、電子放出閾値以上の電圧を印加する場合には電子ビームが出力される。その際、パルスの波高値Vmを変化させる事により出力電子ビームの強度を制御することが可能である。また、パルスの幅Pwを変化させることにより出力される電子ビームの電荷の総量を制御する事が可能である。従って、入力信号に応じて、電子放出素子を変調する方式としては、電圧変調方式、パルス幅変調方式等が採用できる。
【0119】
電圧変調方式を実施するに際しては、変調信号発生器137として、一定長さの電圧パルスを発生し、入力されるデータに応じて適宜パルスの波高値を変調するような電圧変調方式の回路を用いることができる。
【0120】
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137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。
【0121】
シフトレジスタ134やラインメモリ135は、デジタル信号式のものをもアナログ信号式のものをも採用できる。画像信号のシリアル/パラレル変換や記憶が所定の速度で行なわれれば良いからである。
【0122】
デジタル信号式を用いる場合には、同期信号分離回路136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136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135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137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137には、例えばD/A変換回路を用い、必要に応じて増幅回路などを付加する。パルス幅変調方式の場合、変調信号発生器137には、例えば高速の発振器および発振器の出力する波数を計数する計数器(カウンタ)及び計数器の出力値と前記メモリの出力値を比較する比較器(コンパレータ)を組み合せた回路を用いる。必要に応じて、比較器の出力するパルス幅変調された変調信号を表面伝導型電子放出素子の駆動電圧にまで電圧増幅するための増幅器を付加することもできる。
【0123】
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137には、例えばオペアンプなどを用いた増幅回路を採用でき、必要に応じてベルシフト回路などを付加することもできる。パルス幅変調方式の場合には、例えば、電圧制御型発振回路(VCO)を採用でき、必要に応じて表面伝導型電子放出素子の駆動電圧まで電圧増幅するための増幅器を付加することもできる。
【0124】
このような構成をとり得る本発明を適用可能な画像表示装置においては、各電子放出素子に、容器外端子Dox1乃至Doxm、Doy1乃至Doynを介して電圧を印加することにより、電子放出が生ずる。高圧端子Hvを介してメタルバック115、あるいは透明電極(不図示)に高圧を印加し、電子ビームを加速する。加速された電子は、蛍光膜114に衝突し、発光が生じて画像が形成される。
【0125】
ここで述べた画像形成装置の構成は、本発明を適用可能な画像形成装置の一例であり、本発明の技術思想に基づいて種々の変形が可能である。入力信号については、NTSC方式を挙げたが入力信号はこれに限られるものではなく、PAL、SECAM方式など他、これよりも、多数の走査線からなるTV信号(例えば、MUSE方式をはじめとする高品位TV)方式をも採用できる。
【0126】
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ーとしての画像形成装置等としても用いることができる。
【0127】
【実施例】
以下、実施例を挙げて、本発明をさらに詳述する。
(実施例1、2、3)
本実施例にかかわる基本的な電子放出素子の構成は、図1の(a)、(b)の平面図及び断面図、及び図2の(a)、(b)の拡大した平面図及び断面図と同様である。
【0128】
本実施例にかかわる表面伝導型電子放出素子の製造法は、基本的には図7、図8同様である。以下、図1、図2、図7、図8を用いて、本実施例に関わる素子の基本的な構成及び製造方法を説明する。
【0129】
以下、順をおって製造方法の説明を図1、図2及び図7、図8基づいて説明する。
工程−a
最初に、清浄化した青板基板上にSiO2 を1μmの厚さで成膜した基板1上に、素子電極間ギャップLとなるべきパターンをホトレジストで形成し、電子ビーム蒸着法により、厚さ5nmのTi、厚さ30nmのPtを順次堆積した。ホトレジストパターンを有機溶剤で溶解し、Pt/Ti堆積膜をリストオフ、素子電極間隔Lは20μm、素子電極の幅Wが500μmを有する素子電極2、3を形成した(図7a)。
【0130】
工程−b
膜厚100nmのCr膜を真空蒸着により堆積し、後述の導電性薄膜の形状に対応する開口を有するようにパターニングし、そのうえに有機パラジウム化合物溶液(ccp4230 奥野製薬(株)社製)をスピンナーにより回転塗布、300℃で12分間の加熱焼成処理をした。また、こうして形成された主成分としてPdOよりなる微粒子からなる導電性薄膜4の膜厚は6nmから15nmの膜厚、シート抵抗Rsは0.5x10の4乗Ω/口から4x10の4乗Ω/口であった。なおここで述べる微粒子膜とは、前述したように、複数の微粒子が集合した膜である。
【0131】
工程−c
Cr膜および焼成後の導電性薄膜4を酸エッチャントによりエッチングして、導電性薄膜4の幅W′が300μmとなるよう所望のパターンの導電性薄膜4を形成した(図7(b))。
【0132】
以上の工程により基板1上に、素子電極2、3、導電性薄膜4を形成した。
なお、全く同じ工程により、実施例2、3の素子および比較例の素子を作製した。
【0133】
工程−d
次に、図3の測定評価装置に設置し、真空ポンプにて排気し、1×10-6Paの真空度に達した後、素子に素子電圧Vfを印加するための電源31より、素子の素子電極2、3間に電圧を印加し、フォーミング処理を行い、導電性薄膜に第1の間隙7を形成した。フォーミング処理の電圧波形は図8の(a)に示したものである(図7(c)、図9(a))。
【0134】
図8の(a)中、T1及びT2は電圧波形のパルス幅とパルス間隔であり、本実施例ではT1を1msec、T2を16.7msecとし、フォーミング処理を行った。尚、実施例1、2,3、及び比較例の各素子は、導電性素子膜の抵抗値や膜形状及び膜構造が異なるので、間隙7を素子全体に形成するためにフォーミングの最大電圧値を変えて行った。フォーミング後、素子間の抵抗は1Mオーム以上であった。
さらに、測定評価装置内に水素を100Paの圧力となるように導入し、この素子の導電性薄膜を還元して、抵抗を減じた。
実施例1:フォーミング電圧12V
実施例2:フォーミング電圧15V
実施例3:フォーミング電圧15V
工程−e
続いて、上記工程で導入した水素を十分排気した後、測定評価装置および素子を、200℃で2時間ベーキングした。室温に戻ったところで、測定評価装置内の真空度を計測したところ、1×10-6Paまで達していた。ここで、活性化工程を行うために、をスローリークバルブを通して真空装置内にトルニトリルを導入し、0×10-4Paから5.0×10-4Paの圧力維持した。トルニトリルを導入してから1時間経過したところで、フォーミング処理した素子に、素子電極2、3を介して電圧パルスを印加した。なお、図16に、印加電圧の波形を示す。実施例1において印加電圧値は、15Vとした。電圧印加開始から60分後に通電を停止し、スローリークバルブを閉め、活性化処理を終了した。
一方、実施例1の素子と同一のフォーミング工程を行った実施例2、3の素子に、下記の条件で電圧印加を行い活性化工程を施した。
【0135】
実施例2の素子:本実施例の素子と同じ条件で16Vの印加電圧で60分間通電し、活性化工程を終了した。
実施例3の素子:本実施例の素子と同じ条件で16Vの印加電圧で40分間通電し、活性化工程を終了した。
【0136】
また、本実施例において、図11に示すような素子電極の形状、つまり、基板に対して斜め構造とすることで、導電性素子膜と電極との電気接続が安定におこなわれるので、導電性素子膜がとくに薄い場合は望ましい構造である。
【0137】
なお、いずれの素子においても、間隙近傍の堆積物を、電子プローブマイクロアナリシス(EPMA)およびX線光電子分光(XPS)、さらにはオージェ電子分光によって元素分析し、いずれの素子においても堆積物が炭素を主成分としてなることを確認した。
【0138】
工程−f
続いて、安定化工程を行う。真空装置及び電子放出素子をヒーターにより加熱して約300℃に維持しながら真空装置内の排気を続けた。20時間後、ヒーターによる加熱をやめ、室温に戻したところ真空装置内の圧力は1×10-8Pa程度に達した。
【0139】
続いて、電子放出特性とエネルギー分析の測定を行った。
アノード電極34と電子放出素子の間の距離Hを4mmとし、高圧電源33によりアノード電極34に3kVの電位を与えた。この状態で、電源31を用いて素子電極2、3の間に、それぞれ、活性化処理時に印加した最終電圧の波高値の矩形パルス電圧を印加して駆動し、電流計30及び電流計32により、本実施例の素子特性を評価した。
【0140】
また、図6で示すエネルギー分析装置で各電子放出素子から真空中に放出した電子のエネルギー分析を評価した。ここで、最初に各電子放出素子からの放出電流Ie1を2μAから5.0μAの間に設定し、そのときのエネルギー分布の半値幅HW1を測定する。つぎに放出電流Ie1を4分の1になるような放出電流にして半値幅HW2を測定した。
【0141】
その結果、実施例1の素子のHW1は1.8eV、HW2は1.75eV、HW2/HW1は0.97で、電子放出効率(放出電流/素子電流)は0.28であった。
【0142】
実施例2の素子のHW1は2.22eV、HW2は2.0eV、HW2/HW1は0.9で、電子放出効率(放出電流/素子電流)は0.24であった。
実施例3の素子のHW1は2.6eV、HW2は2.0eV、HW2/HW1は0.8で、電子放出効率(放出電流/素子電流)は0.2であった。
【0143】
(実施例4)
本実施例は、多数の表面伝導電子放出素子を単純マトリクス配置した電子源を用いた画像形成装置の例である。
【0144】
電子源の一部の平面図を図17に示す。また、図中のA−A′断面図を図18に示す。但し図17、図18で、同じ記号を示したものは、同じものを示す。ここで101は基板、102は図12のDXmに対応するX方向配線(下配線とも呼ぶ)、103は図9のDYnに対応するY方向配線(上配線とも呼ぶ)、4は導電性薄膜、2、3は素子電極、171は層間絶縁層、172は素子電極2と下配線102と電気的接続のためのコンタクトホールである。
【0145】
次に製造方法を図20により工程順に従って具体的に説明する。
工程−a
清浄化した青板ガラス上に厚さ0.5mmのシリコン酸化膜をスパッタ法で形成した基板1上に、真空蒸着により厚さ5nmのCr、厚さ0.6mmのAuを順次積層した後、ホトレジスト(AZ1370ヘキスト社製)をスピンナーにより回転塗布、ベークした後、ホトマスク像を露光、現像して、下配線102のレジストパターンを形成し、Au/Cr堆積膜をウエットエッチングして、所望の形状の下配線102を形成する(図19(a))。
【0146】
工程−b
次に厚さ1.0μmのシリコン酸化膜からなる層間絶縁層171をRFスパッタ法により堆積する(図19の(b))。
【0147】
工程−c
工程−bで堆積した層間絶縁層171にコンタクトホール172を形成するためのホトレジストパターンを作り、これをマスクとして層間絶縁層171をエッチングしてコンタクトホール172を形成する(図19の(c))。
【0148】
工程−d
その後、素子電極2と素子電極間ギャップLとなるべきパターンをホトレジストで形成し、スパッタ法により、厚さ5nmのTi、厚さ0.1mmのPtを順次堆積した。ホトレジストパターンを有機溶剤で溶解し、Pt/Ti堆積膜をリフトオフし、素子電極間隔L=20μm、素子電極の幅W=0.3mmを有する素子電極2,3を形成した(図16の(d))。
【0149】
工程−e
素子電極2,3の上に上配線103のホトレジストパターンを形成した後、厚さ5nmのTi、厚さ0.5mmのAuを順次真空蒸着により堆積し、リフトオフにより不要の部分を除去して、所望の形状の上配線103を形成した(図20の(e))。
【0150】
工程−f
膜厚0.1mmのCr膜191を真空蒸着により堆積・パターニングし、その上に有機パラジウム化合物溶液(ccp4230奥野製薬(株)社製)をスピンナーにより回転塗布、300℃で10分間の加熱焼成処理をした(図20の(f))。また、こうして形成された主元素としてPdよりなる微粒子からなる導電性薄膜4の膜厚は10nm、シート抵抗値は1×104 Ω/口であった。
【0151】
工程−g
Cr膜191および焼成後の導電性薄膜4を酸エッチャントによりエッチングしてリフトオフすることで所望のパターンの導電性薄膜4を形成した(図20の(g))。
【0152】
工程−h
コンタクトホール172部分以外にレジストを塗布するようなパターンを形成し、真空蒸着により厚さ5nmのTi、厚さ0.5mmのAuを順次堆積した。リフトオフにより不要の部分を除去することにより、コンタクトホール172を埋め込んだ(図20の(h))。
【0153】
以上の工程により絶縁性基板1上に下配線102、層間絶縁層171、上配線素子電極2,3、導電性薄膜4を形成した。
つぎに、以上のようにして作製した電子源基板を用いて、電子源及び表示装置を構成した例を、図13と図14を用いて説明する。
【0154】
以上のようにして素子を作製した基板1をリアプレート111上に固定した後、基板1の5mm上方に、フェースプレート116(ガラス基板113の内面に蛍光膜114とメタルバック115が形成されて構成される)を、支持枠112を介し配置し、フェースプレート116、支持枠112、リアプレート111の接合部にフリットガラスを塗布し、大気中で400℃で10分焼成することで封着した。また、リアプレート111への基板1の固定もフリットガラスで行った。
【0155】
本実施例において図10の104は電子放出部形成前の電子放出素子(例えば、図5の(b)に相当する)であり、102,103はそれぞれX方向及びY方向の素子配線である。
【0156】
蛍光膜114は、モノクロームの場合は蛍光体のみから成るが、本実施例では蛍光体はストライプ形状を採用した。先にブラックストライプを形成し、その間隙部に各色蛍光体を塗布し、蛍光膜114を作製した。ブラックストライプの材料として通常良く用いられている黒鉛を主成分とする材料を用いた。ガラス基板113に蛍光体を塗布する方法はスラリー法を用いた。
【0157】
また、蛍光膜114の内面側には通常メタルバック115が設けられる。メタルバックは、蛍光膜作製後、蛍光膜の内面側表面の平滑化処理(通常フィルミングと呼ばれる)を行い、その後、Alを真空蒸着することで作製した。
【0158】
フェースプレート116には、更に蛍光膜114の導電性を高めるため、蛍光膜114の外面側に透明電極(不図示)が設けられる場合もあるが、本実施例では、メタルバックのみで十分な導伝性が得られたので省略した。
【0159】
前述の封着を行う際、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なくてはいけないため、十分な位置合わせを行った。
以上のようにして完成したガラス容器内の雰囲気を排気管(図示せず)を通じ真空ポンプにて排気し、十分な真空度に達した後、容器外端子DoxlないしDoxmとDoylないしDoynを通じ電子放出素子104の電極2,3間に電圧を印加し、導電性薄膜4をフォーミング処理した。フォーミング処理の電圧波形は、図8の(b)と同様である。フォーミングで印加した最大電圧は約14Vであった。
【0160】
本実施例ではT1を1msec、T2を10msecとし、約1.3×10-3Paの真空雰囲気下で行った。
その後、容器内に水素を窒素で2%に希釈した混合ガスを大気圧まで導入し、電子源基板上の全ての素子の導電性薄膜を還元して、抵抗を減じた。
【0161】
続いて、上記工程で導入した水素と窒素の混合ガスを十分排気した後、パネル全体を、200℃で2時間ベーキングした。室温に戻ったところで、パネル内の圧力を計測したところ、1×10-6Paまで達していた。
次に、パネルの排気管より、全圧が6.0×10-4Paとなるようにトルニトリルをパネル内に導入し、維持した。トルニトリルを導入してから2時間経過したところで、容器外端子DoxlないしDoxmとDoylないしDoynを通じ電子放出素子104の電極2,3間に、図13と同様の波形で、10Vから電圧を印加し始め、16Vまで昇圧し、その後16Vの一定電圧で60分間保持して、終了した。
【0162】
このように、フォーミング、活性化処理を行い、電子放出素子104を作製した。
次にパネル全体を300℃に加熱しながら排気し、室温まで降温して内部を10-7Pa程度の圧力とした後、不図示の排気管をガスバーナーで熱することで溶着し外囲器の封止を行った。
【0163】
最後に、封止後の圧力を維持するために、高周波加熱法でゲッター処理を行った。
以上のように完成した本発明の画像表示装置において、各電子放出素子には、容器外端子DoxlないしDoxm、DoylないしDoynを通じ、走査信号及び変調信号を不図示の信号発生手段よりそれぞれ、印加することにより、電子放出させ、高圧端子117を通じ、メタルバック115、あるいは透明電極(不図示)に5kV以上の高圧を印加し、電子ビームを加速し、蛍光膜114に衝突させ、励起・発光させることで画像を表示した。
【0164】
本実施例における画像表示装置は、高効率で良好な画像を表示することができた。
(実施例5)
本実施例では、テレビジョン放送をはじめとする種々の画像情報源より提供される画像情報を表示できるように構成した表示装置の一例を示す。図13に示した画像形成装置を図15に示した駆動回路を用いて、NTSC方式のテレビ信号に応じて表示を行った。
【0165】
本表示装置においては、とりわけ表面伝導型放出素子を電子ビーム源とするディスプレイパネルの薄形化が容易なため、表示装置の奥行きを小さくすることができる。それに加えて、表示伝導型放出素子を電子ビーム源とするディプレイパネルは大画面化が容易で輝度が高く視野角特性にも優れるため、本表示装置は臨場感にあふれ迫力に富んだ画像を視認性良く表示する事が可能である。
【0166】
本実施例における表示装置は、NTSC方式のテレビ信号に応じたテレビ画像を高輝度で、かつ安定して表示することができた。
【0167】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明の電子放出素子によれば、基体表面上に、一対の電極にそれぞれ電気的に接続されている一対の導電性薄膜を有し、該一対の導電性薄膜が、該一対の電極間に第一の間隙を置いて対向して配置され、該第一の間隙内に第二の間隙を置いて対向している一対の炭素を有する膜を有し、一方の炭素を有する膜が、該一対の導電性薄膜の一方と電気的に接続し、他方の炭素を有する膜が、該一対の導電性薄膜の他方と電気的に接続された電子放出素子において、駆動時の放出電流におけるエネルギー分布の半値幅HW1と、該放出電流の4分の1におけるエネルギー分布の半値幅HW2の比(HW2/HW1)が、0.8以上1.0以下とすることにより電子放出効率が高い電子放出素子が得られる。
【0168】
さらには、本発明の電子放出効率が高い電子放出素子を用いた電子源あるいは画像形成装置においては、多数の電子放出素子を配列しても非常に高輝度であり、特に蛍光体を用いた画像表示装置では、輝度が高く、消費電力の低い画像表示装置が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の電子放出素子の模式図で、(a)は平面図、(b)は断面図である。
【図2】本発明の電子放出部近傍の拡大模式図でで、(a)は平面図、(b)、(c)はそれぞれ断面図である。
【図3】測定評価機能を備えた真空処理装置の一例を示す模式図である。
【図4】本発明の電子放出素子を説明するためのエネルギーバンド図である。
【図5】本発明の電子放出素子から放出される電子のエネルギー分布図である。
【図6】本発明の電子放出素子から放出される電子のエネルギー分布を測定するためのエネルギー分析装置を示す模式図である。
【図7】本発明の電子放出素子の製造工程の一部を示す模式図である。
【図8】本発明の電子放出素子の製造工程の一部であるフォーミング工程に用いることのできる電圧波形の一例を示す模式図である。
【図9】本発明の電子放出素子の製造工程の一部である活性化工程を示す模式図である。
【図10】本発明の電子放出素子の放出電流Ie、素子電流Ifと素子電圧Vfとの関係を示すグラフである。
【図11】本発明の第1の実施例において電極形状を改良した電子放出素子の模式図である。
【図12】本発明の電子放出素子を単純マトリクス配置した電子源に適用した一例を示す模式図である。
【図13】本発明の電子放出素子を画像形成装置に適用した一例を示す模式図である。
【図14】蛍光膜の一例を示す模式図である。
【図15】本発明の電子放出素子を画像形成装置に適用した際に、NTSC方式のテレビ信号に応じて表示を行うための駆動回路のブロック図である。
【図16】本発明の電子放出素子の製造工程の一部である活性化工程に用いられた電圧波形を示す模式図である。
【図17】本発明の電子放出素子を単純マトリクス配置した電子源に適用した一例を示す模式図である。
【図18】図17の折れ線A−A′に沿った部分断面模式図である。
【図19】本発明の実施例に係わる電子源の製造工程を説明するための模式図である。
【図20】本発明の実施例に係わる電子源の製造工程を説明するための模式図である。
【図21】従来の電子放出素子の構成を示す模式図である。
【図22】従来の別の電子放出素子の構成を示す模式図である。
【符号の説明】
1 基板
2、3 電極
4 導電性薄膜
5 電子放出部
6 炭素あるいは炭素化合物
7 導電性薄膜に形成された第一の間隙
8 第一の間隙よりも狭い堆積物に形成された第二の間隙
21、22 炭素を主成分とする堆積物
30 素子電極2,3間の導電性薄膜4を流れる素子電流Ifを測定するための電流計
31 電子放出素子に素子電圧Vfを印加するための電源
32 電子放出素子から放出された放出電流Ieを測定するための電流計
33 アノード電極34に電圧を印加するための電圧電源
34 電子放出素子から放出される電子を加速および補足するためのアノード電極
60 電子放出素子
61,62,63,64 四重極エネルギー分析装置の電極
65、66,67 四重極エネルギー分析装置の電極に電圧を印加するための電源
101 電子源基板
102 X方向配線
103 Y方向配線
104 電子放出素子
111 リアプレート
112 支持枠
113 ガラス基板
114 蛍光膜
115 メタルバック
116 フェースプレート
117 高圧端子
118 外囲器
121 黒色部材
122 蛍光体
131 表示パネル
132 走査回路
133 制御回路
134 シフトレジスタ
135 ラインメモリ
136 同期信号分離回路
137 変調信号発生器
Vx、Va 直流電源
171 層間絶縁層
172 コンタクトホール
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electron-emitting device, an electron source using the electron-emitting device, and an image forming apparatus using the electron source.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, two types of electron-emitting devices are known: a thermionic source and a cold cathode electron source. Cold cathode electron sources include field emission type (hereinafter abbreviated as FE type), metal / insulating layer / metal type (hereinafter abbreviated as MIM type), surface conduction electron-emitting devices, and the like.
[0003]
As an example of the FE type, W.W. P. Dyke & W. W. Dolan, “Field emission”, Advance in Electro Physics, 8, 89 (1956) or C.I. A. Spindt, “Physical Properties of Thin-Film Field Emission Catalysts with Mollybdenium Cones”, J. Am. Appl. Phys. 47, 5248 (1976).
[0004]
Examples of the MIM type include C.I. A. Mead, “Operation of Tunnel-Emission Devices”, J. Am. Apply. Phys. 32,646 (1961) and the like are known.
[0005]
Examples of surface conduction electron-emitting devices include M.I. I. Elinson, RadioEng. Electron Phys. 10, 1290, (1965) and the like.
[0006]
A surface conduction electron-emitting device utilizes a phenomenon in which electron emission occurs when a current is applied in parallel to a film surface of a small-area thin film formed on a substrate. As this surface conduction electron-emitting device, SnOl by Erinson et al.2Using thin film, using Au thin film [G. Dimmer, Thin Solid Films, 9, 317 (1972)], ln2OThree/ SnO2By thin film [M. Hartwell and C.H. G. Fonsted, IEEE Trans. ED Conf. 519 (1975)], and carbon thin film [Hisa Araki et al .: Vacuum, Vol. 26, No. 1, p. 22 (1983)] and the like have been reported.
[0007]
As a typical configuration of these surface-conduction type device emitting devices, the above-described M.P. The element structure of Hartwell is shown in FIG. In the figure, reference numeral 1 denotes an insulating substrate. 4 is a conductive thin film made of a metal oxide thin film or the like formed by sputtering in an H-shaped pattern, and a linear electron emission portion 5 is formed by an energization process called forming described later. In the figure, the element electrode interval L is set to 0.5 to 1 mm, and W is set to 0.1 mm.
[0008]
Conventionally, in these surface conduction electron-emitting devices, it has been common to form the electron-emitting portion 5 in advance by conducting an energization process called forming before conducting the electron emission. In other words, forming means applying and applying a DC voltage or a very slow rising voltage, for example, about 1 V / min, to both ends of the conductive thin film 4 to locally break, deform or alter the conductive thin film, resulting in an electrically high voltage. It is to form the electron emission portion 5 in a resistance state. In the electron emitting portion 5, a crack is generated in a part of the conductive thin film 4, and the electron is emitted from the vicinity of the crack. The surface conduction electron-emitting device subjected to the forming process emits electrons from the electron-emitting portion 5 by applying a voltage to the conductive thin film 4 on which the electron-emitting portion is formed and causing a current to flow through the device. is there.
[0009]
On the other hand, for example, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-235255, a process called activation processing may be performed on an element that has finished forming. The activation treatment process is a process in which the device current If and the emission current Ie are remarkably changed by this process.
[0010]
The activation step can be performed by applying a voltage to the element in the same manner as the forming process in an atmosphere containing an organic substance. By this treatment, carbon or a carbon compound is deposited from an organic substance present in the atmosphere in and near the electron emission portion of the device, and the device current If and the emission current Ie are remarkably changed, so that better electron emission characteristics are obtained. Can be obtained.
[0011]
FIG. 22 shows a cross-sectional shape of an electron-emitting device disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 7-235255. In the figure, reference numerals 1, 4 and 5 are the same as those in FIG. 2 and 3 are element electrodes for applying a voltage to the conductive thin film 4, and the voltage is applied with 2 being a low potential side electrode and 3 being a high potential side electrode. By performing the above-described activation process, the electron emission portion 5 shows a structure in which carbon or a carbon compound 6 is deposited, and realizes good electron emission characteristics.
[0012]
An image forming apparatus can be configured by using an electron source substrate on which a plurality of electron-emitting devices as described above are formed and combining with an image forming member made of a phosphor or the like.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
However, due to the rapid development of multimedia with the advancement of information in recent years, higher performance has been demanded for image forming apparatuses such as displays. That is, the display device has a large screen, power saving, high definition, high image quality, and space saving.
[0014]
Therefore, in the above-described electron-emitting device, it is desired that stable electron emission characteristics can be obtained with higher efficiency so that an image forming apparatus to which the electron-emitting device is applied can stably provide a bright display image.
[0015]
Here, the efficiency refers to a current (hereinafter referred to as emission) released in a vacuum with respect to a flowing current (hereinafter referred to as element current If) when a voltage is applied between a pair of opposing element electrodes of the surface conduction electron-emitting device. Current ratio) and current Ie).
[0016]
That is, it is desirable that the element current If is as small as possible and the emission current Ie is as large as possible.
If high-efficiency electron emission characteristics 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, a low-power and bright high-quality image forming apparatus such as a flat TV is realized. it can.
[0017]
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 There was a problem that it was extremely difficult to provide.
[0018]
That is, for use in such an application, a sufficient emission current Ie can be obtained with a practical voltage (for example, 10 V to 20 V), the emission current Ie and the device current If do not vary greatly during driving, Although it is necessary that the emission current Ie and the device current If do not deteriorate over time, the conventional surface conduction electron-emitting device has the following problems.
[0019]
As shown in FIG. 21, the surface conduction electron-emitting device has a linear electron-emitting portion 5 that is substantially perpendicular to the voltage application direction.
As described above, the electron emission portion 5 is constituted by the gap formed in the conductive thin film by forming, but the gap is not necessarily formed in a uniform width and shape as shown in FIG. Not exclusively. In the case of such a non-uniform electron emission portion form, there may be a case where a sufficient emission current Ie cannot be obtained, or the characteristic fluctuation or deterioration during driving becomes significant.
[0020]
On the other hand, according to the above-described activation process, a carbon-containing film made of carbon, a carbon compound, or the like is deposited on the conductive thin film formed in the conductive thin film and on the conductive thin film in the vicinity thereof to form a narrower gap. Is formed (FIG. 22). This electron-emitting device is expected as an electron source for display because it can obtain a sufficient emission current at a practical voltage and the fluctuation of the emission current Ie and device current If during driving is small. May be small and needed to be improved.
[0021]
The present invention pays attention to the energy distribution of electrons emitted from a device into a vacuum in order to stably obtain an electron-emitting device having a high electron-emitting efficiency in an electron-emitting device manufactured by such an activation process. It was made.
[0022]
An object of the present invention is to provide a surface conduction electron-emitting device having good electron emission characteristics, particularly high electron emission efficiency as described above, and an electron source and an image forming apparatus using the same.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
  Therefore, as a result of intensive studies, the present inventors have found that the surface of the substrate isA pair of disposed electrodes, a pair of conductive thin films disposed opposite to each other with a first gap between the pair of electrodes, and a second gap disposed in the first gap. A pair of carbon-containing films disposed in a row, wherein one of the pair of conductive thin films is electrically connected to one of the pair of electrodes, and the other of the pair of conductive thin films is the pair. One of the pair of carbon-containing films is electrically connected to one of the pair of conductive thin films, and the other of the pair of carbon-containing films is the pair of carbon. Is electrically connected to the other conductive thin filmIn an electron-emitting device,Of the electron-emitting deviceIn the emission current during drivingelectronicHalf width HW1 of energy distribution andThe above1/4 of the emission currentEmission currentInelectronicBy providing an electron-emitting device characterized in that the ratio (HW2 / HW1) to the half-value width HW2 of the energy distribution is 0.8 or more and 1.0 or less, an electron-emitting device with high electron emission efficiency is provided. Is.
[0024]
  Here, the carbon in the film containing carbon is preferably graphitic carbon. The present invention is further characterized in that in the electron source in which a plurality of electron-emitting devices are arrayed on a substrate,pluralElectron emitterTo each ofThe above-described electron-emitting device can be used.
[0025]
  Furthermore, in an image forming apparatus having an electron source and an image forming member that forms an image by irradiating electrons emitted from the electron source, the above-described electron source can be used.. In addition, the above-described image forming apparatus can be used for a television broadcast display apparatus that includes an image forming apparatus and a circuit for causing the image forming apparatus to display a television broadcast signal.
[0026]
In order for electrons to reach an image forming member such as a phosphor from a surface conduction electron-emitting device produced by activation, the following two processes are mainly performed. Details are described in SID 97 Digest P127 Asai.
[0027]
First, a voltage is applied to the device electrode to accelerate electrons from the cathode-side carbon of the electron emission portion to the positive-side carbon, and the electrons are emitted into the vacuum by elastic scattering at the positive-side carbon.
[0028]
Secondly, the electrons emitted from the positive electrode side carbon are elastically scattered on the positive electrode side carbon or the conductive thin film, whereby electrons are emitted to the image forming member side. Since the electron-emitting device has an extremely small electron-emitting region and a voltage is applied in parallel to the substrate, electrons scattered in the vacuum from the carbon on the positive electrode side are returned to the electron-emitting device side. An electric field is formed. A device with higher electron emission efficiency is obtained when the ratio of electrons reaching the anode side (phosphor side) is higher than the electric field to which these electrons are returned.
[0029]
The electron emission efficiency is determined by the above-described two processes, and the present invention is made by paying attention to the energy of electrons emitted in vacuum in the first process.
[0030]
Next, the energy distribution of electrons emitted into the vacuum from the electron-emitting device manufactured by the activation process will be described with reference to FIGS.
FIG. 4 shows the energy band of the electron emission portion of the electron emission device. In the figure, Vf is a voltage applied to the element, Wf is a work function of carbon formed by activation, Ef is a Fermi level of carbon formed by activation, and D is a voltage applied to the element. The length of the applied carbon gap, e-Is an electron. When a voltage is applied to the element, electrons are emitted from the carbon on the negative electrode side of the element and collide with the carbon on the positive electrode side. There is a possibility that electrons having energy higher than the work function Wf out of the collided electrons are emitted into the vacuum. At this time, electrons emitted from the carbon on the negative electrode side are emitted by performing elastic scattering a plurality of times on the carbon on the positive electrode side. Details are described in SID 97 Digest P127 Asai.
[0031]
FIG. 5 is a schematic view showing the energy distribution of electrons emitted from the electron-emitting device. In the figure, the horizontal axis indicates the energy of electrons, and the vertical axis indicates the amount (intensity) of electrons emitted from the device into the vacuum with respect to the energy of electrons. The voltage 0 V on the horizontal axis is the Fermi level of the negative electrode carbon, and corresponds to the negative voltage applied to the device. If a voltage is applied to the carbon gap and electrons emitted from the Fermi level of the carbon on the negative electrode side are released into vacuum without any energy loss, the amount of electrons becomes the intensity at 0 V in the energy distribution diagram. At this time, the energy of electrons emitted into the vacuum is indicated by eVf-W shown in FIG. Further, when some energy loss occurs or the voltage applied to the device electrode is not applied to the carbon gap, the intensity corresponds to the negative voltage of the energy distribution. In the energy distribution diagram, Vp represents the energy of the peak energy of the energy distribution and the largest amount of electron emission (maximum intensity Ip). The closer to 0V, the higher the energy of electrons emitted from the device. HW is called the half width of the energy distribution, and is an energy width of a half value of the electron emission amount at the peak energy, and indicates the energy width of the emitted electrons.
[0032]
The present invention has been made paying attention to the energy distribution of the above-described surface conduction electron-emitting device. The half-value width of the energy distribution in the emission current during driving and the energy distribution in a quarter of the emission current during driving. The present inventors have found that an electron-emitting device having a high electron emission efficiency can be obtained by setting the ratio of the half-value width of (the half-value width of the energy distribution in the first emission current) to 0.8 to 1.0. I found it.
[0033]
At this time, the emission current during driving indicates an actual current value when the electron-emitting device is applied to a display or the like.
The carbon in the carbon-containing film is preferably graphite-like carbon because it has excellent electrical conductivity and is stable.
As described above, according to the present invention, an electron-emitting device with high electron emission efficiency can be obtained.
[0034]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in further detail.
First, the basic configuration of the electron-emitting device according to the present invention will be described.
[0035]
FIGS. 1A and 1B are a plan view and a cross-sectional view, respectively, showing the configuration of a basic planar electron-emitting device according to the present invention. FIGS. 2A, 2B, and 2C are respectively a plan view schematically showing an enlarged structure in the vicinity of an electron emission portion of a surface conduction electron-emitting device according to the present invention, and FIG. Sectional drawing (b), (c). The basic structure of the element according to the present invention will be described with reference to FIGS.
[0036]
In FIG. 1, 1 is a substrate, 2 and 3 are element electrodes, 4 is a conductive thin film, and 5 is an electron emission portion.
In FIG. 2, 1 is a substrate, 4 is a conductive thin film, 5 is an electron emission portion, 21 and 22 are deposits having carbon deposited on the substrate in the gap formed in the conductive thin film and on the conductive thin film ( Membrane). Note that the deposit is schematically shown as being divided into left and right deposits 21 and 22 facing the substrate surface laterally with the gap 8 (second gap) as a boundary. In some cases, the departments are connected. The gaps between the conductive thin films 4 are called the first gaps, and the gaps are non-uniformly arranged as shown in the figure, and the two-dimensional shapes are meanderingly arranged. The deposits 21 and 22 are also deposited on the conductive thin film 4.
[0037]
With the above configuration, the deposits (21, 22) are electrically connected to the electrodes (2, 3). In the drawing, the deposits (21, 22), which are carbon-containing films, are connected to the electrodes (2, 3) via conductive thin films. In some cases, it is deposited up to the electrodes (2, 3) and is directly electrically connected.
[0038]
As the substrate 1, SiO formed on quartz glass, blue plate glass, blue plate glass or the like by sputtering or the like.2And a ceramic substrate such as alumina. These substrates include SiO2The material containing is desirable, and the electron emission portion 5 can be formed.
[0039]
Any material may be used as the material of the opposing element electrodes 2 and 3 as long as it has conductivity. For example, Ni, Cr, Au, Mo, W, Pt, Ti, Al, Cu, Metals or alloys such as Pd and Pd, Ag, Au, RuO2, Printed conductors composed of metals such as Pd-Ag or metal oxides and glass, ln2OThree-SnO2And a transparent conductor such as polysilicon and a semiconductor conductor material such as polysilicon.
[0040]
The element electrode interval L, the element electrode length W, and the shape thereof are appropriately designed according to the application form of the electron-emitting device. For example, in a display device such as a television described later, the pixel size corresponding to the screen size is designed. In particular, a high-definition television requires a small pixel size and high definition. Therefore, in order to obtain a sufficient luminance with the size of the electron-emitting device being limited, the electron-emitting device is designed to obtain a sufficient emission current.
[0041]
The element electrode interval L is several tens of nanometers to several hundred μm, and is set by the photolithography technology that is the basis of the element electrode manufacturing method, that is, the performance of the exposure machine, the etching method, and the voltage applied between the element electrodes. However, it is preferably several μm to several tens μm.
[0042]
The length W of the element electrode and the film thickness d of the element electrodes 2 and 3 are appropriately designed based on the resistance value of the electrode, the connection with the X and Y wirings described above, and the problem of the arrangement of a large number of electron sources. Usually, the length W of the element electrode is several μm to several hundred μm, and the film thickness d of the element electrodes 2 and 3 is several μm from several nm.
[0043]
Not only the configuration shown in FIG. 1 but also a configuration in which the conductive thin film 4 and the opposing element electrodes 2 and 3 are laminated on the substrate 1 in this order can be adopted.
The conductive thin film 4 is preferably a fine particle film composed of fine particles in order to obtain good electron emission characteristics. The film thickness is appropriately set in consideration of the step coverage to the device electrodes 2 and 3, the resistance value between the device electrodes 2 and 3, forming conditions described later, and the like.
[0044]
In addition, since the magnitudes of the device current If and the emission current Ie depend on the width W of the conductive thin film 4, a sufficient emission current can be obtained while the size of the electron-emitting device is limited as in the shape of the device electrode. Designed to be obtained.
[0045]
Generally, the thermal stability of the conductive thin film 4 may dominate the lifetime of the electron emission characteristics, and it is desirable to use a material having a higher melting point as the material of the conductive thin film 4. However, normally, the higher the melting point of the conductive thin film 4, the more electric power is required for energization forming described later.
[0046]
Further, depending on the form of the electron emission portion obtained as a result, there may be a problem in the electron emission characteristics such as an increase in applied voltage (threshold voltage) that can emit electrons.
In the present invention, the material of the conductive thin film 4 is not particularly required to have a high melting point, and a material / form that can form a good electron emission portion with a relatively low forming power can be selected.
[0047]
As an example of a material that satisfies the above conditions, a conductive material such as Ni, Au, PdO, Pd, or Pt is formed with a film thickness in which Rs (sheet resistance) exhibits a resistance value of 10 2 to 10 7 Ω / □. What has been used is preferably used. Rs is a value that appears when the resistance R measured in the length direction of a thin film having a thickness of t, a width of w, and a length of l is expressed as R = Rs (l / w), and the resistivity is represented by ρ. Then, Rs = ρ / t. The film thickness showing the resistance value is in the range of about 5 nm to 50 nm, and in this film thickness range, the thin film of each material has the form of a fine particle film.
[0048]
The fine particle film described here is a film in which a plurality of fine particles are aggregated, and the fine structure thereof is a state in which the fine particles are individually dispersed and arranged, or a state in which the fine particles are adjacent to each other or overlap each other (some fine particles are aggregated, Including the case where an island-like structure is formed as a whole).
[0049]
The particle diameter of the fine particles is in the range of several hundred pm to several hundred nm, preferably in the range of 1 nm to 20 nm.
Among the materials exemplified above, PdO can be easily formed into a thin film by firing an organic Pd compound in the air, and since it is a semiconductor, it has a relatively low electrical conductivity and a film for obtaining a resistance value Rs in the above range. It is a suitable material because it has a wide thickness process margin and can be easily reduced to metal Pd after forming a gap in the conductive thin film, so that the film resistance can be reduced. However, the effects of the present invention are not limited to PdO, and are not limited to the materials exemplified above.
[0050]
The length of the electron emitting portion 5 is substantially determined by the width W ′ of the conductive thin film 4.
The electron emission portion 5 is a film having carbon facing the first gap 8 which is narrower than the second gap formed in the conductive thin film as shown in FIG. 21 and 22.
[0051]
The carbon-containing films 21 and 22 are mainly made of graphite-like carbon, but may contain elements constituting the conductive thin film 4.
The width of the second gap 8 formed by the deposits 21 and 22 containing carbon as a main component in the present invention is the deposit 22 containing carbon as a main component, as shown in FIGS. Is the distance between the two at the closest location.
[0052]
There are cases where the deposits 21 and 22 are close to each other on the substrate surface (b), and cases where the deposits 21 and 22 are close to each other at a position higher than the substrate surface (c).
In order to describe the electron-emitting device of the present invention in detail, first, a measurement evaluation apparatus will be described with reference to FIG.
[0053]
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a measurement evaluation apparatus for measuring the electron emission characteristics of the device having the configuration shown in FIG. In FIG. 3, 1 is a substrate, 2 and 3 are element electrodes, 4 is a conductive thin film, and 5 is an electron emission portion. In addition, 31 is a power source for applying the element voltage Vf to the element, 30 is an ammeter for measuring the element current If flowing through the conductive thin film 4 between the element electrodes 2 and 3, and 34 is from the electron emission portion of the element An anode electrode for capturing the emission current Ie to be emitted, 33 is a high voltage power source for applying a voltage to the anode electrode 34, and 32 is a current for measuring the emission current Ie emitted from the electron emission portion 5 of the device. It is a total.
[0054]
In measuring the device current If and the emission current Ie of the current emitting device, a power source 31 and an ammeter 30 are connected to the device electrodes 2 and 3, and a power source 33 and an ammeter 32 are connected above the electron emitting device. The anode electrode 34 is disposed. The electron-emitting device and the anode electrode 34 are installed in a vacuum device.
[0055]
In FIG. 3, when a voltage is applied between the device electrodes 2 and 3 so that the device electrode 3 is at a high potential, the voltage is applied between the deposit 21 and the deposit 22 shown in FIG. A potential difference is generated according to the applied voltage. At this time, a strong electric field is generated around the closest position of the deposit 21 and the deposit 22. When this electric field is large enough to allow tunneling of electrons from the deposit 21 to the deposit 22, electrons tunnel from the deposit 21 toward the deposit 22, and the tunneled electrons are transferred to the deposit 22 on the positive electrode side. It is elastically scattered and emits electrons into the vacuum.
[0056]
Various methods are conceivable as a method of manufacturing the electron-emitting device, and an example is shown in FIG.
In the following, the manufacturing method will be described based on FIGS. 1, 2 and 7 in order.
[0057]
1) After the substrate 1 is sufficiently washed with a detergent, pure water and an organic solvent, an element electrode material is deposited by a vacuum deposition method, a sputtering method or the like, and then element electrodes 2 and 3 are formed by a photolithography technique (FIG. 7 ( a)).
[0058]
2) An organometallic film is formed by applying and drying an organometallic solution between the device electrode 2 and the device electrode 3 provided on the substrate 1. The organometallic solution is a solution of an organometallic compound containing a metal such as Pd, Ni, Au, or Pt as a main element. Thereafter, the organometallic film is heated and fired and patterned by lift-off, etching, or the like to form the conductive thin film 4 (FIG. 7B). Here, the application method of the organometallic solution has been described, but the present invention is not limited to this, and it is formed by a vacuum deposition method, a sputtering method, a CVD method, a dispersion coating method, a dipping method, a spinner method, an inkjet method, or the like. In some cases.
[0059]
3) Subsequently, when an energization process called forming is performed by applying a pulsed voltage or a boosted voltage between the device electrodes 2 and 3 by a power source (not shown), a gap 7 is formed in a part of the conductive thin film 4. A conductive thin film is formed so as to face the substrate surface in the lateral direction with the gap 7 interposed therebetween (FIG. 7C). The gap 7 may be connected at a part thereof.
[0060]
The electrical processing after the forming processing is performed in the measurement evaluation apparatus shown in FIG.
The measurement evaluation apparatus shown in FIG. 3 is a vacuum apparatus, and the vacuum apparatus includes equipment necessary for a vacuum apparatus such as an exhaust pump and a vacuum gauge (not shown). Can be measured and evaluated. The exhaust pump includes a high vacuum apparatus system such as a magnetic levitation turbo pump and a dry pump that does not use oil, and an ultra high vacuum apparatus system that includes an ion pump. In addition, this measuring apparatus is provided with a gas introducing device (not shown), and vapor of a desired organic substance can be introduced into the vacuum device at a desired pressure. Further, the entire vacuum device and the electron-emitting device can be heated by a heater (not shown).
[0061]
The forming process includes a case where a pulse having a constant pulse peak value is applied and a case where a voltage pulse is applied while increasing the pulse peak value. First, FIG. 8A shows a voltage waveform when a pulse having a constant peak value is applied.
[0062]
In FIG. 8A, T1 and T2 are the pulse width and pulse interval of the voltage waveform, T1 is set to 1 μsec to 10 msec, T2 is set to 10 μsec to 100 msec, and the peak value of the triangular wave (peak voltage at the time of forming) is appropriately selected. To do.
[0063]
Next, FIG. 8B shows a voltage waveform when a voltage pulse is applied while increasing the pulse peak value.
In FIG. 8B, T1 and T2 are the pulse width and pulse interval of the voltage waveform, T1 is 1 μsec to 10 msec, T2 is 10 μsec to 100 msec, and the peak value of the triangular wave (peak voltage at the time of forming) is, for example, Increase by about 0.1V step.
[0064]
The forming process is completed by inserting a voltage that does not cause local destruction or deformation of the conductive thin film 4 between the forming pulses, for example, a pulse voltage of about 0.1 V, and measuring the element current to determine the resistance value. For example, when a resistance of 1 MΩ or more is indicated, the forming is terminated.
[0065]
When forming the gap 7 described above, a forming process is performed by applying a triangular wave pulse between the electrodes of the element. However, the waveform applied between the electrodes of the element is not limited to the triangular wave, but a rectangular wave or the like. A desired waveform may be used, and the peak value, pulse width, pulse interval, etc. are not limited to the above values, but according to the resistance value of the electron-emitting device so that the gap 7 can be satisfactorily formed. Select an appropriate value.
[0066]
The first gap of the conductive thin film formed by the above forming is two-dimensionally arranged (meandering) on the substrate as shown in FIG.
4) Next, an activation process is performed on the element for which forming has been completed. The activation process is performed by introducing a gas of an organic substance into the vacuum apparatus shown in FIG. 3 and applying a voltage between the electrodes of the element in an atmosphere containing organic molecules. Along with the alteration, a film containing carbon is deposited on the element from an organic substance present in the atmosphere, and the element current If and the emission current Ie change remarkably.
[0067]
In the present invention, it is necessary to deposit a film containing carbon by an activation process to form the gap 8 having a desired value interval with good control. The interval of the gap 8 depends on the voltage waveform applied to the element, the pressure of the organic substance to be introduced, the diffusion mobility on the element surface, the average residence time on the element surface, and the like. Ease of handling such as ease of introduction into a vacuum apparatus and ease of exhaustion after activation is also important. From the above viewpoint, as a result of examining various organic substances, it was found that the tolunitrile compound is effective. The reason why the tolunitrile compound is preferably used is not exactly understood, but it is considered that the adsorption state on the element surface via the nitrile group (—C≡N) is in conformity with the above conditions.
[0068]
Below, the formation process of the deposit which is a film | membrane which has carbon in the activation process of this invention is demonstrated using FIG. In FIG. 9, 1 is a substrate, 2 and 3 are element electrodes, 4 is a conductive thin film, 7 is a first gap formed in the conductive thin film, 21 and 22 are deposits which are films containing carbon, and 8 A narrower second gap formed within the first gap by deposits 21,22.
[0069]
FIG. 9A schematically shows the vicinity of the electron emission portion of the electron-emitting device before the activation process. In addition, the element is once 10-6The pressure is reduced to a pressure on the order of Pa, and is then placed in a vacuum apparatus into which an organic substance gas is introduced (FIG. 3). Here, a case where trinitrile is used as an organic substance will be described as an example. The suitable pressure of tolunitrile to be introduced is slightly affected by the shape of the vacuum apparatus and the members used in the vacuum apparatus, but 1 × 10-FivePa ~ 1 × 10-3It is about Pa.
[0070]
In the activation step (step of depositing a carbon-containing film), it is applied between the device electrodes 2 and 3 (gap 7). As a result, the organic substance in the atmosphere starts to be deposited in the gap 7 and on the conductive thin film 4 in the vicinity thereof. In this process, the deposits 21 and 22 are simultaneously deposited in the direction perpendicular to the paper surface.
[0071]
Further, when the activation process is continued, the carbon-containing film forms a gap between the second gaps 8 and is almost fixed, and the activation process is finished (FIG. 9B).
Here, the interval between the second gaps 8 tends to become wider as the voltage applied for the activation process is larger. The size of the interval depends on the type of organic substance introduced during the activation process, It also changes depending on the partial pressure.
[0072]
Next, the carbon of the deposits 21 and 22 which is a film having carbon in the present invention will be described.
Carbon in the present invention has a complete graphite crystal structure (so-called HOPG), has a crystal grain of about 20 nm and has a slightly disturbed crystal structure (PG), or has a crystal grain of about 2 nm and has a disordered crystal structure. Further increased ones (GC), amorphous carbon (refers to amorphous carbon and a mixture of amorphous carbon and the above-mentioned microcrystals of graphite). That is, it can be preferably used even if there is a disorder of the layer such as a grain boundary between graphite particles.
[0073]
6) A stabilization process is preferably performed on the electron-emitting device thus manufactured. This step is a step of exhausting the organic substance in the vacuum vessel. Although it is desirable to eliminate the organic substance in the vacuum vessel as much as possible, the partial pressure of the organic substance is 1 to 3 × 10.-8Pa or less is preferable. The pressure including other gases is 1 to 3 × 10.-6Pa or less is preferable, and further 1 × 10-7Pa or less is particularly preferable. A vacuum exhaust device that exhausts the vacuum vessel uses a device that does not use oil so that the oil generated from the device does not affect the characteristics of the element. Specifically, vacuum exhaust apparatuses such as a sorption pump and an ion pump can be used. Further, when the inside of the vacuum vessel is evacuated, the whole vacuum vessel is heated so that the organic substance molecules adsorbed on the inner wall of the vacuum vessel and the electron-emitting device can be easily evacuated. The heating conditions at this time are preferably 150 to 350 ° C., preferably 200 ° C. or higher, for as long as possible. However, the heating conditions are not particularly limited to this, and the size and shape of the vacuum vessel, the arrangement of the electron-emitting devices, etc. It is performed under conditions appropriately selected according to various conditions.
[0074]
The atmosphere at the time of driving 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.
[0075]
By adopting such a vacuum atmosphere, the deposition of new carbon or carbon compounds can be suppressed, so that the shape of the film containing carbon of the present invention is maintained, and as a result, the device current If and the emission current Ie are stabilized.
[0076]
The basic characteristics of an electron-emitting device to which the present invention can be applied manufactured by the manufacturing method as described above will be described with reference to FIGS. FIG. 10 shows the current-voltage characteristics of the electron-emitting device.
[0077]
FIG. 10 shows typical examples of the emission current Ie, the device current If, and the device voltage Vf of the device after stabilization measured by the measurement evaluation apparatus shown in FIG. In FIG. 8, since the emission current Ie is remarkably smaller than the device current If, it is shown in arbitrary units, and both are linear scales. As is clear from FIG. 10, the electron-emitting device has three properties with respect to the emission current Ie.
[0078]
First, when an element voltage higher than a certain voltage (referred to as threshold voltage, Vth in FIG. 10) is applied to the element, the emission current Ie increases abruptly. On the other hand, the emission current decreases below the threshold voltage Vth. Ie is hardly detected. That is, it is a non-linear element having a clear threshold voltage Vth with respect to the emission current Ie.
[0079]
Second, since the emission current Ie depends on the element voltage Vf, the emission current Ie can be controlled by the element voltage Vf.
Thirdly, the emitted charge trapped by the anode electrode 34 depends on the time during which the device voltage Vf is applied. That is, the amount of charge trapped by the anode electrode 34 can be controlled by the time during which the element voltage Vf is applied.
[0080]
Next, energy distribution measurement of electrons emitted from the device into the vacuum will be described.
FIG. 6 is a schematic explanatory diagram showing a commonly used quadrupole energy analyzer. Although not shown in the figure, the apparatus is placed in a vacuum vessel. The vacuum atmosphere in the vacuum vessel is an ultra-high vacuum atmosphere that is almost the same as that in the stabilization process, and is formed in vacuum by the oil-free vacuum pump described above.
[0081]
In FIG. 6, 60 is an electron-emitting device, 61, 62, 63 and 64 are electrodes for energy analysis, 65 is a power source for applying a voltage to the electrode 61, 66 is a power source for applying a voltage to the electrode 64, 67 is a power source for applying a voltage to the electrode 62 and the electrode 63. The electrode 61, the electrode 62, and the electrode 63 have a structure in which a large number of holes are opened so that electrons pass through each electrode.
[0082]
The electrode 61, the electrode 62, the electrode 63, and the electrode 64 have a hemispherical shape, and an electron-emitting device is placed at the center thereof. The electrons emitted from the electron-emitting device enter the energy analyzer (the above four electrodes) by setting the voltage of the electrode 61 appropriately. Although the details of the energy analysis method are omitted, the energy analysis of the electrons emitted from the electron-emitting device is performed by measuring the amount of current that the incident electrons are modulated by the voltage applied to the electrodes 62 and 63 and reach the electrodes 64. Done.
[0083]
Next, an actually used voltage (a voltage that generates an emission current with sufficient brightness in the case of an image display device) is applied to the electron-emitting device to generate an electron (current) Ie1 that is emitted into the vacuum, thereby generating an emission current. Measure the energy distribution. The half width of the energy distribution at this time is HW1. Subsequently, the drive voltage is reduced so as to be a quarter of Ie1, and the energy distribution is measured. The half-value width of the energy distribution at this time is HW2. The ratio of half widths (HW2 / HW1) is calculated. An electron-emitting device having the half-width ratio (HW2 / HW1) of 0.8 or more and 1.0 or less has a high electron emission efficiency.
[0084]
The voltage applied to the electron-emitting device is not limited to this, and may be set in the vicinity of the voltage for actually driving the electron-emitting device.
In order to set the ratio of the half width of the energy distribution to 0.8 or more and 1.0 or less, it can be obtained by performing an appropriate activation using an organic substance of tolunitrile in the activation step described above. The reason why the device manufactured in this activation process falls within the above-described half-width ratio range and a device with high efficiency is not clearly understood, but the following is presumed.
[0085]
The carbon formed in the electron emission part in the above-described activation process has a large amount of carbon formed not only on the electron emission part but also on the conductive thin film and is excellent in conductivity. Therefore, since the applied voltage is efficiently applied to the second carbon gap, the energy of electrons emitted from the negative electrode side carbon of the electron emission portion is high, and the scattering efficiency of carbon on the positive electrode side is high. It is considered to be obtained. Such an element is considered to be capable of obtaining an efficient element with a small change in energy distribution even if the voltage applied to the element is changed.
[0086]
Conventionally, when the activation process is performed without using an organic substance of tolunitrile, the conductive thin film is formed unevenly or the length of the first gap in the forming process is formed unevenly in the device. In some cases, the half-value width of the energy distribution may differ depending on the amount of emission current, and an element with poor efficiency may be formed. In the present invention, by performing appropriate activation using an organic substance of tolunitrile as an activation material, a device in which the half-value width of energy changes with the amount of emission current is small, and as a result, electron emission efficiency is obtained. An element with a high height is obtained.
[0087]
In addition, the ratio of the half-value width of the energy distribution described above is not only obtained by optimizing the activation process, for example, optimization of the conductive thin film and the forming process. It is thought that it can be obtained by doing.
[0088]
If the characteristics of the electron-emitting device as described above are used, the electron-emitting characteristics can be easily controlled according to the input signal. Furthermore, since the electron-emitting device according to the present invention has stable and high-brightness electron emission characteristics, it can be expected to be applied to various fields.
[0089]
Application examples of the electron-emitting device to which the present invention can be applied will be described below.
A plurality of electron-emitting devices according to the present invention can be arranged on a substrate to constitute, for example, an electron source or an image forming apparatus.
[0090]
With respect to the arrangement of elements on the substrate, for example, a large number of electron-emitting devices are arranged in parallel, and a plurality of rows of electron-emitting devices in which both ends of each element are connected by wiring (referred to as a row direction) are arranged. An arrangement form (called a ladder type) in which electrons are controlled and driven by a control electrode (called a grid) installed in a space above the electron source in a direction perpendicular to the wiring (called a column direction), and then On the m X-direction wirings to be described, n Y-direction wirings are installed via an interlayer insulating layer, and the X-direction wirings and the Y-direction wirings are respectively connected to a pair of element electrodes of the surface conduction electron-emitting device. A sequence form is mentioned. This is hereinafter referred to as a simple matrix arrangement.
[0091]
Next, this simple matrix arrangement will be described in detail.
According to the characteristics of the above-mentioned three basic characteristics of the surface conduction electron-emitting device according to the present invention, electrons emitted from the surface conduction electron-emitting device are applied between the device electrodes facing each other at a threshold voltage or higher. It can be controlled by the peak value and width of the pulse voltage. On the other hand, it is hardly emitted below the threshold voltage. According to this characteristic, even when a large number of electron-emitting devices are arranged, a surface conduction electron-emitting device can be selected according to an input signal by appropriately applying the pulse voltage to each device, and the electron The amount of release can be controlled.
[0092]
Hereinafter, the configuration of the electron source substrate configured based on this principle will be described with reference to FIG.
The m X-directional wirings 102 are made of DX1, DX2,..., DXm, and are formed on the substrate 1 by a vacuum evaporation method, a printing method, a sputtering method, or the like, and made of a conductive metal or the like having a desired pattern. The material, film thickness, wiring width, etc. are designed so that a substantially uniform voltage is supplied to a large number of surface conduction electron-emitting devices. Between these m X-direction wirings 102 and n Y-direction wirings 103, an interlayer insulating layer (not shown) is installed and electrically separated to form a matrix wiring (both m and n are both Positive integer).
[0093]
The interlayer insulating layer (not shown) is made of SiO formed by vacuum deposition, printing, sputtering, etc.2The film is formed in a desired shape on the entire surface or a part of the substrate 101 on which the X-direction wiring 102 is formed, and in particular, a film so as to withstand the potential difference at the intersection of the X-direction wiring 102 and the Y-direction wiring 103. The thickness, material, and manufacturing method are appropriately set. The X-direction wiring 102 and the Y-direction wiring 103 are drawn out as external terminals, respectively.
[0094]
Further, in the same manner as described above, opposing electrodes (not shown) of the surface conduction electron-emitting device 104 include m X-direction wirings 102 (DX1, DX2,..., DXm) and n Y-direction wirings 103 (DY1). , DY2,..., DYn) and a connection 105 made of a conductive metal or the like.
[0095]
Here, the conductive metals of the element electrodes facing the m X-directional wirings 102, the n Y-directional wirings 103, and the connection 105 are different from each other even if some or all of the constituent elements are the same. May be. These materials are appropriately selected from, for example, the above-described element electrode materials.
[0096]
Although not described in detail later, the X-direction wiring 102 is not shown for applying a scanning signal for scanning a row of surface conduction electron-emitting devices 104 arranged in the X direction according to an input signal. On the other hand, a modulation signal for modulating each column of surface conduction electron-emitting devices 104 arranged in the Y direction according to an input signal is applied to the Y direction wiring 103. Electrically connected to a modulation signal generating means (not shown).
[0097]
Further, the driving voltage applied to each element of the surface conduction electron-emitting device is supplied as a differential voltage between the scanning signal and the modulation signal applied to the element.
Next, an example of an electron source using the electron source substrate manufactured as described above and an image forming apparatus used for display or the like will be described with reference to FIGS. FIG. 13 is a basic configuration diagram of the image forming apparatus, and FIG. 14 is a fluorescent film.
[0098]
In FIG. 13, reference numeral 101 denotes an electron source substrate on which a plurality of electron-emitting devices are arranged, 111 denotes a rear plate on which the electron source substrate 101 is fixed, and 116 denotes a face in which a fluorescent film 114 and a metal back 115 are formed on the inner surface of a glass substrate 113. It is a plate. Reference numeral 112 denotes a support frame. The rear plate 111, the support frame 112, and the face plate 116 are coated with frit glass, and sealed in the air or in nitrogen at 400 to 500 ° C. for 10 minutes or more. Thus, the envelope 118 is configured.
[0099]
In FIG. 13, reference numeral 104 corresponds to the surface conduction electron-emitting portion shown in FIG. Reference numerals 102 and 103 denote an X-direction wiring and a Y-direction wiring connected to a pair of device electrodes of the surface conduction electron-emitting device. In addition, the wiring to these element electrodes may be referred to as element electrodes when the element electrodes and the wiring material are the same.
[0100]
As described above, the envelope 118 is configured by the face plate 116, the support frame 112, and the rear plate 111. However, the rear plate 111 is provided mainly for the purpose of reinforcing the strength of the substrate 101, and therefore, the substrate 91 itself. In the case of sufficient strength, the separate rear plate 111 is not necessary. Even if the support frame 112 is sealed directly to the substrate 101, the envelope 118 is configured by the face plate 116, the support frame 112, and the substrate 101. Good.
[0101]
On the other hand, by installing a support body (not shown) called a spacer between the face plate 116 and the rear plate 111, the envelope 118 having sufficient strength against atmospheric pressure can be configured.
[0102]
FIG. 14 shows a fluorescent film. In the case of a monochrome film, the fluorescent film 114 is made of only a fluorescent material. In the case of a color fluorescent film, the fluorescent film 114 is composed of a black conductive material 121 and a fluorescent material 122 called a black stripe or a black matrix depending on the arrangement of the fluorescent materials. . The purpose of providing the black stripes and the black matrix is to make the mixed colors and the like inconspicuous by making the separate portions between the phosphors 122 of the three primary color phosphors necessary for color display, and in the phosphor film 114 The purpose is to suppress a decrease in contrast due to external light reflection. The material of the black stripe is not limited to the material which is not only a material mainly composed of graphite, which is usually used well, but also a material having conductivity and low light transmission and reflection.
[0103]
As a method of applying the phosphor on the glass substrate 113, a precipitation method, a printing method, or the like is used regardless of monochrome or color.
A metal back 115 is usually provided on the inner surface side of the fluorescent film 114. The purpose of the metal back is to improve the brightness by specularly reflecting the light emitted from the phosphor toward the inner surface to the face plate 116 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.
[0104]
The face plate 116 may be provided with a transparent electrode (not shown) on the outer surface side of the fluorescent film 114 in order to further increase the conductivity of the fluorescent film 114.
When performing the above-described sealing, in the case of a color, it is necessary to correspond to each color phosphor and the electron-emitting device, so that sufficient alignment is required.
[0105]
The envelope 118 is 1 × 10 through an exhaust pipe (not shown).-7Sealing is performed after a vacuum level of about Torr. In addition, a getter process may be performed in order to maintain the degree of vacuum after the envelope 118 is sealed. This is because the getter disposed at a predetermined position (not shown) in the envelope 118 is heated by a heating method such as resistance heating or high-frequency heating immediately before or after sealing the envelope 118. This is 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.-FiveOr 1 × 10-7The degree of vacuum of Torr is maintained.
[0106]
In the image display device of the present invention completed as described above, each electron-emitting device is caused to emit electrons by applying a voltage through the container outer terminals Dox1 to Doxm, Doy1 to Doyn, and through the high voltage terminal 117 to the metal back 115. Alternatively, an image is displayed by applying a high voltage of several kV or more to a transparent electrode (not shown), accelerating the electron beam, colliding with the fluorescent film 114, and exciting and emitting light.
[0107]
The above-described configuration is a schematic configuration necessary for producing a suitable image forming apparatus used for display or the like. For example, detailed portions such as materials of each member are not limited to the above-described contents. It selects suitably so that it may suit the use of an image forming apparatus.
[0108]
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.
[0109]
FIG. 15 is a block diagram showing an example of a driving circuit for performing display in accordance with an NTSC television signal. In FIG. 15, 131 is a display panel, 132 is a scanning signal generation circuit, 133 is a timing control circuit, Reference numeral 134 denotes a shift register. Reference numeral 135 is a line memory, 136 is a synchronizing signal separation circuit, 137 is a modulation signal generating circuit, and Vx and Va are DC voltage sources.
[0110]
The display panel 131 is connected to an external electric circuit via terminals Dox1 to Doxm, terminals Doy1 to Doyn, and a high voltage terminal Hv. For the terminals Dox1 to Doxm, in order to sequentially drive one row (n elements) of an electron source provided in the display panel, that is, a group of surface conduction electron-emitting devices arranged in a matrix of m rows and n columns. The scanning signal is applied. Modulation signals for controlling the output electron beams of the surface conduction electron-emitting devices in one row selected by the scanning signal are applied to the terminals Doy1 to Doyn. The high-voltage terminal Hv is supplied with a DC voltage of, for example, 10 kV from the DC voltage source Va, which gives sufficient energy to excite the phosphor to the electron beam emitted from the surface conduction electron-emitting device. It is an acceleration voltage to do.
[0111]
The scanning signal generation circuit 132 includes m switching elements therein (schematically indicated by S1 to Sm in the drawing). Each switching element selects either the output voltage of the DC voltage source Vx or 0 V (ground level), and is electrically connected to the terminals Dox1 to Doxm of the display panel 131. Each of the switching elements S1 to Sm operates based on a control signal Tscan output from the control circuit 133, and can be configured by combining switching elements such as FETs.
[0112]
In the case of this example, the direct current voltage source Vx has a driving voltage applied to an element not scanned based on the characteristics (electron emission threshold voltage) of the surface conduction electron-emitting element. Is set to output a constant voltage.
[0113]
The timing control circuit 133 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 timing control circuit 133 generates Tscan, Tsft, and Tmry control signals for each unit based on the synchronization signal Tsync sent from the synchronization signal separation circuit 136.
[0114]
The synchronization signal separation circuit 136 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 136 includes a vertical synchronization signal and a horizontal synchronization signal, but is illustrated here as a Tsync signal for convenience of explanation. The luminance signal component of the image separated from the television signal is expressed as a DATA signal for convenience. The DATA signal is input to the shift register 134.
[0115]
The shift register 134 is for serial / parallel conversion of the DATA signal input serially in time series for each line of the image, and operates based on the control signal Tsft sent from the timing control circuit 133. (That is, the control signal Tsft can be said to be a shift clock of the shift register 134). Data for one line (corresponding to drive data for N electron-emitting devices) subjected to serial / parallel conversion is output from the shift register 134 as N parallel signals ld1 to ldn.
[0116]
The line memory 135 is a storage device for storing data for one line of an image for a necessary time, and appropriately stores the contents of ld1 to ldn according to a control signal Tmry sent from the timing control circuit 133. The stored contents are output as l′ d1 to l′ dn and input to the modulation signal generator 107.
[0117]
The modulation signal generator 137 is a signal source for appropriately driving and modulating each of the surface conduction electron-emitting devices according to each of the image data l′ d1 to l′ dn, and an output signal thereof is output from the terminals Doy1 to Doy1. The voltage is applied to the surface conduction electron-emitting device in the display panel 131 through Doyn.
[0118]
As described above, the electron-emitting device to which the present invention can be applied has the following basic characteristics with respect to the emission current Ie. That is, there is a clear threshold voltage Vth for electron emission, and electron emission occurs only when a voltage equal to or higher than Vth is applied. For voltages above the electron emission threshold, the emission current also changes with changes in the voltage applied to the device. For this reason, when a pulsed voltage is applied to the device, for example, electron emission does not occur even when a voltage lower than the electron emission threshold is applied, but when a voltage higher than the electron emission threshold is applied, the electron beam is not Is output. At that time, the intensity of the output electron beam can be controlled by changing the pulse peak value Vm. Further, it is possible to control the total amount of charges of the output electron beam by changing the pulse width Pw. Therefore, a voltage modulation method, a pulse width modulation method, or the like can be adopted as a method for modulating the electron-emitting device in accordance with the input signal.
[0119]
When implementing the voltage modulation method, a voltage modulation method circuit is used as the modulation signal generator 137, which generates a voltage pulse of a certain length and appropriately modulates the peak value of the pulse according to the input data. be able to.
[0120]
When implementing the pulse width modulation method, the modulation signal generator 137 generates a voltage pulse having a constant peak value and modulates the width of the voltage pulse as appropriate according to the input data. A circuit can be used.
[0121]
The shift register 134 and the line memory 135 can adopt 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.
[0122]
When the digital signal system is used, it is necessary to convert the output signal DATA of the synchronization signal separation circuit 136 into a digital signal. For this purpose, an A / D converter may be provided at the output unit 136. In this connection, the circuit used in the modulation signal generator 137 is slightly different depending on whether the output signal of the line memory 135 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 137, and an amplifier circuit or the like is added as necessary. In the case of the pulse width modulation method, the modulation signal generator 137 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 can be added to amplify the voltage of the pulse width modulated modulation signal output from the comparator to the driving voltage of the surface conduction electron-emitting device.
[0123]
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 137, and a bell 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 surface conduction electron-emitting device can be added as necessary.
[0124]
In the image display apparatus to which the present invention that can take such a configuration can be applied, electron emission occurs by applying a voltage to each electron-emitting device via the external terminals Dox1 to Doxm and Doy1 to Doyn. A high voltage is applied to the metal back 115 or the transparent electrode (not shown) via the high voltage terminal Hv to accelerate the electron beam. The accelerated electrons collide with the fluorescent film 114, light is emitted, and an image is formed.
[0125]
The configuration of the image forming apparatus described here is an example of an image forming apparatus to which the present invention can be applied, and various modifications can be made based on the technical idea of the present invention. As for the input signal, the NTSC system is mentioned, but the input signal is not limited to this, and other than this, the PAL, SECAM system, and the like, more than this, the TV signal (for example, the MUSE system is used). High-definition TV) can also be adopted.
[0126]
The image forming apparatus of the present invention 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 a television broadcast, a video conference system, a computer, or the like. it can.
[0127]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
(Examples 1, 2, and 3)
The basic structure of the electron-emitting device according to the present embodiment is shown in the plan view and cross-sectional view of FIGS. 1A and 1B, and the enlarged plan view and cross-section of FIGS. 2A and 2B. It is the same as the figure.
[0128]
The manufacturing method of the surface conduction electron-emitting device according to this example is basically the same as that shown in FIGS. Hereinafter, the basic structure and manufacturing method of the element according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1, 2, 7, and 8.
[0129]
Hereinafter, the manufacturing method will be described in order based on FIGS. 1, 2, 7, and 8.
Step-a
First, SiO on the cleaned blue plate substrate2On the substrate 1 having a thickness of 1 μm, a pattern to be the gap L between the device electrodes is formed with photoresist, and 5 nm thick Ti and 30 nm thick Pt are sequentially deposited by electron beam evaporation. . The photoresist pattern was dissolved in an organic solvent, the Pt / Ti deposited film was wrist-off, and device electrodes 2 and 3 having a device electrode interval L of 20 μm and a device electrode width W of 500 μm were formed (FIG. 7 a).
[0130]
Step-b
A 100 nm thick Cr film is deposited by vacuum deposition and patterned to have an opening corresponding to the shape of the conductive thin film described later, and then an organic palladium compound solution (ccp4230, manufactured by Okuno Pharmaceutical Co., Ltd.) is rotated by a spinner. Application and heat baking treatment at 300 ° C. for 12 minutes were performed. The film thickness of the conductive thin film 4 composed of the fine particles of PdO as the main component thus formed is 6 nm to 15 nm, and the sheet resistance Rs is 0.5 × 10 4 Ω / mouth to 4 × 10 4 Ω / It was a mouth. Note that the fine particle film described here is a film in which a plurality of fine particles are aggregated as described above.
[0131]
Step-c
The Cr film and the fired conductive thin film 4 were etched with an acid etchant to form the conductive thin film 4 having a desired pattern so that the width W ′ of the conductive thin film 4 was 300 μm (FIG. 7B).
[0132]
Through the above steps, the device electrodes 2 and 3 and the conductive thin film 4 were formed on the substrate 1.
In addition, the element of Example 2, 3 and the element of a comparative example were produced according to the completely same process.
[0133]
Step-d
Next, it installs in the measurement evaluation apparatus of FIG. 3, evacuates with a vacuum pump, and 1x10.-6After reaching the degree of vacuum of Pa, a voltage is applied between the element electrodes 2 and 3 of the element from the power source 31 for applying the element voltage Vf to the element, forming processing is performed, and the first gap is formed in the conductive thin film. 7 was formed. The voltage waveform of the forming process is as shown in FIG. 8A (FIGS. 7C and 9A).
[0134]
In FIG. 8A, T1 and T2 are the pulse width and pulse interval of the voltage waveform. In this example, T1 was set to 1 msec and T2 was set to 16.7 msec, and the forming process was performed. In addition, since each element of Examples 1, 2, 3 and the comparative example is different in resistance value, film shape and film structure of the conductive element film, the maximum voltage value of forming in order to form the gap 7 in the entire element. Changed. After forming, the resistance between the elements was 1 M ohm or more.
Furthermore, hydrogen was introduced into the measurement / evaluation apparatus so as to have a pressure of 100 Pa, and the conductive thin film of this element was reduced to reduce the resistance.
Example 1: Forming voltage 12V
Example 2: Forming voltage 15V
Example 3: Forming voltage 15V
Step-e
Subsequently, the hydrogen introduced in the above step was sufficiently evacuated, and then the measurement evaluation apparatus and element were baked at 200 ° C. for 2 hours. When the temperature returned to room temperature, the degree of vacuum in the measurement evaluation apparatus was measured, and 1 × 10-6It reached Pa. Here, in order to perform the activation process, tolunitrile is introduced into the vacuum apparatus through a slow leak valve, and 0 × 10-FourPa to 5.0 × 10-FourThe pressure of Pa was maintained. One hour after the introduction of tolunitrile, a voltage pulse was applied to the element subjected to the forming treatment via the element electrodes 2 and 3. FIG. 16 shows the waveform of the applied voltage. In Example 1, the applied voltage value was 15V. Energization was stopped 60 minutes after the start of voltage application, the slow leak valve was closed, and the activation process was terminated.
On the other hand, the activation process was performed by applying a voltage to the elements of Examples 2 and 3 subjected to the same forming process as the element of Example 1 under the following conditions.
[0135]
Element of Example 2: The activation process was completed by applying current for 60 minutes at an applied voltage of 16 V under the same conditions as the element of this example.
Device of Example 3: The activation process was completed by applying current at an applied voltage of 16 V for 40 minutes under the same conditions as the device of this example.
[0136]
Further, in this embodiment, the shape of the element electrode as shown in FIG. 11, that is, the oblique structure with respect to the substrate makes the electrical connection between the conductive element film and the electrode stable. This is a desirable structure when the element film is particularly thin.
[0137]
In any element, the element in the vicinity of the gap is subjected to elemental analysis by electron probe microanalysis (EPMA), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and Auger electron spectroscopy. Was confirmed to be the main component.
[0138]
Step-f
Subsequently, a stabilization process is performed. While the vacuum device and the electron-emitting device were heated by a heater and maintained at about 300 ° C., the vacuum device was continuously evacuated. After 20 hours, heating with the heater was stopped and the temperature was returned to room temperature.-8It reached about Pa.
[0139]
Subsequently, electron emission characteristics and energy analysis were measured.
The distance H between the anode electrode 34 and the electron-emitting device was 4 mm, and a potential of 3 kV was applied to the anode electrode 34 by the high voltage power source 33. In this state, a rectangular pulse voltage having a peak value of the final voltage applied during the activation process is applied between the device electrodes 2 and 3 using the power source 31 and driven by the ammeter 30 and the ammeter 32. The device characteristics of this example were evaluated.
[0140]
Moreover, the energy analysis of the electron discharge | released in the vacuum from each electron-emitting element with the energy analyzer shown in FIG. 6 was evaluated. Here, first, the emission current Ie1 from each electron-emitting device is set between 2 μA and 5.0 μA, and the half width HW1 of the energy distribution at that time is measured. Next, the full width at half maximum HW2 was measured by setting the emission current Ie1 to an emission current of ¼.
[0141]
As a result, HW1 of the device of Example 1 was 1.8 eV, HW2 was 1.75 eV, HW2 / HW1 was 0.97, and electron emission efficiency (emission current / device current) was 0.28.
[0142]
The device of Example 2 had HW1 of 2.22 eV, HW2 of 2.0 eV, HW2 / HW1 of 0.9, and electron emission efficiency (emission current / device current) of 0.24.
The device of Example 3 had an HW1 of 2.6 eV, an HW2 of 2.0 eV, an HW2 / HW1 of 0.8, and an electron emission efficiency (emission current / device current) of 0.2.
[0143]
Example 4
This embodiment is an example of an image forming apparatus using an electron source in which a large number of surface conduction electron-emitting devices are arranged in a simple matrix.
[0144]
A plan view of a part of the electron source is shown in FIG. FIG. 18 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ in the drawing. However, in FIGS. 17 and 18, the same symbols indicate the same items. Here, 101 is a substrate, 102 is an X-direction wiring (also referred to as a lower wiring) corresponding to DXm in FIG. 12, 103 is a Y-direction wiring (also referred to as an upper wiring) corresponding to DYn in FIG. 2, 3 are element electrodes, 171 is an interlayer insulating layer, and 172 is a contact hole for electrical connection between the element electrode 2 and the lower wiring 102.
[0145]
Next, the manufacturing method will be specifically described according to the order of steps with reference to FIG.
Step-a
After sequentially depositing 5 nm of Cr and 0.6 mm of Au by vacuum deposition on the substrate 1 on which a silicon oxide film having a thickness of 0.5 mm is formed by sputtering on a cleaned blue plate glass, a photoresist is formed. (AZ1370 Hoechst Co., Ltd.) was spin-coated and baked with a spinner, and then the photomask image was exposed and developed to form a resist pattern for the lower wiring 102, and the Au / Cr deposited film was wet etched to obtain a desired shape. The lower wiring 102 is formed (FIG. 19A).
[0146]
Step-b
Next, an interlayer insulating layer 171 made of a silicon oxide film having a thickness of 1.0 μm is deposited by RF sputtering (FIG. 19B).
[0147]
Step-c
A photoresist pattern for forming the contact hole 172 is formed in the interlayer insulating layer 171 deposited in the step-b, and the interlayer insulating layer 171 is etched using this as a mask to form the contact hole 172 (FIG. 19C). .
[0148]
Step-d
Thereafter, a pattern to be the gap L between the device electrode 2 and the device electrode was formed with photoresist, and 5 nm thick Ti and 0.1 mm thick Pt were sequentially deposited by sputtering. The photoresist pattern was dissolved in an organic solvent, the Pt / Ti deposited film was lifted off, and element electrodes 2 and 3 having an element electrode interval L = 20 μm and an element electrode width W = 0.3 mm were formed (FIG. 16D )).
[0149]
Step-e
After forming the photoresist pattern of the upper wiring 103 on the device electrodes 2 and 3, Ti having a thickness of 5 nm and Au having a thickness of 0.5 mm are sequentially deposited by vacuum deposition, and unnecessary portions are removed by lift-off, An upper wiring 103 having a desired shape was formed ((e) of FIG. 20).
[0150]
Step-f
A Cr film 191 having a thickness of 0.1 mm is deposited and patterned by vacuum deposition, and an organic palladium compound solution (ccp4230 manufactured by Okuno Seiyaku Co., Ltd.) is spin-coated with a spinner on the film, and is heated and baked at 300 ° C. for 10 minutes. (F of FIG. 20). The conductive thin film 4 made of fine particles of Pd as the main element thus formed had a thickness of 10 nm and a sheet resistance value of 1 × 10 4 Ω / mouth.
[0151]
Process-g
The Cr thin film 191 and the fired conductive thin film 4 were etched with an acid etchant and lifted off to form a conductive thin film 4 having a desired pattern (FIG. 20 (g)).
[0152]
Step-h
A pattern for applying a resist was formed on portions other than the contact hole 172, and 5 nm thick Ti and 0.5 mm thick Au were sequentially deposited by vacuum evaporation. The contact hole 172 was filled by removing unnecessary portions by lift-off ((h) in FIG. 20).
[0153]
Through the above steps, the lower wiring 102, the interlayer insulating layer 171, the upper wiring element electrodes 2 and 3, and the conductive thin film 4 were formed on the insulating substrate 1.
Next, an example in which an electron source and a display device are configured using the electron source substrate manufactured as described above will be described with reference to FIGS.
[0154]
After the substrate 1 on which the element was manufactured as described above was fixed on the rear plate 111, the face plate 116 (a fluorescent film 114 and a metal back 115 were formed on the inner surface of the glass substrate 113, 5 mm above the substrate 1). Was placed through the support frame 112, frit glass was applied to the joint portion of the face plate 116, the support frame 112, and the rear plate 111, and sealed by baking at 400 ° C. for 10 minutes in the atmosphere. The substrate 1 was fixed to the rear plate 111 with frit glass.
[0155]
In this embodiment, reference numeral 104 in FIG. 10 denotes an electron-emitting device (for example, corresponding to FIG. 5B) before forming the electron-emitting portion, and reference numerals 102 and 103 denote element wirings in the X direction and Y direction, respectively.
[0156]
In the case of monochrome, the phosphor film 114 is made of only a phosphor, but in this embodiment, the phosphor has a stripe shape. First, black stripes were formed, and phosphors of each color were applied to the gaps to produce the phosphor film 114. A material mainly composed of graphite, which is commonly used as a black stripe material, was used. A slurry method was used as a method of applying the phosphor on the glass substrate 113.
[0157]
A metal back 115 is usually provided on the inner surface side of the fluorescent film 114. The metal back was produced by performing a smoothing process (usually called filming) on the inner surface of the phosphor film after producing the phosphor film, and then vacuum-depositing Al.
[0158]
The face plate 116 may be provided with a transparent electrode (not shown) on the outer surface side of the fluorescent film 114 in order to further increase the conductivity of the fluorescent film 114. However, in this embodiment, the metal plate alone is sufficient for conducting. I omitted it because it was good.
[0159]
When performing the above-described sealing, in the case of a color, each color phosphor must correspond to the electron-emitting device, so that sufficient alignment was performed.
The atmosphere in the glass container completed as described above is exhausted by a vacuum pump through an exhaust pipe (not shown), and after reaching a sufficient degree of vacuum, electrons are emitted through the external terminals Doxl to Doxm and Doyl to Doyn. A voltage was applied between the electrodes 2 and 3 of the element 104 to form the conductive thin film 4. The voltage waveform of the forming process is the same as (b) of FIG. The maximum voltage applied during forming was about 14V.
[0160]
In this embodiment, T1 is 1 msec, T2 is 10 msec, and about 1.3 × 10-3It was performed in a vacuum atmosphere of Pa.
Thereafter, a mixed gas in which hydrogen was diluted to 2% with nitrogen was introduced into the container up to atmospheric pressure, and the conductive thin films of all the elements on the electron source substrate were reduced to reduce the resistance.
[0161]
Subsequently, after sufficiently exhausting the mixed gas of hydrogen and nitrogen introduced in the above step, the entire panel was baked at 200 ° C. for 2 hours. When the pressure in the panel was measured after returning to room temperature, 1 × 10-6It reached Pa.
Next, the total pressure is 6.0 × 10 through the exhaust pipe of the panel.-FourTolunitrile was introduced into the panel to maintain Pa and maintained. When two hours have passed since the introduction of tolunitrile, a voltage began to be applied from 10 V between the electrodes 2 and 3 of the electron-emitting device 104 through the container outer terminals Doxl to Doxm and Doyl to Doyn with the same waveform as in FIG. The voltage was increased to 16 V, and then held at a constant voltage of 16 V for 60 minutes, and the process was terminated.
[0162]
In this way, forming and activation processes were performed, and the electron-emitting device 104 was manufactured.
Next, the entire panel is evacuated while being heated to 300 ° C., and the temperature is lowered to room temperature, so that the inside is 10-7After setting the pressure to about Pa, the exhaust pipe (not shown) was welded by heating with a gas burner to seal the envelope.
[0163]
Finally, in order to maintain the pressure after sealing, getter treatment was performed by a high-frequency heating method.
In the image display device of the present invention completed as described above, a scanning signal and a modulation signal are applied to each electron-emitting device from the signal generation means (not shown) through the external terminals Doxl to Doxm and Doyl to Doyn, respectively. Thus, electrons are emitted, a high voltage of 5 kV or higher is applied to the metal back 115 or the transparent electrode (not shown) through the high-voltage terminal 117, the electron beam is accelerated, collides with the fluorescent film 114, and is excited and emitted. The image was displayed with.
[0164]
The image display apparatus in this example was able to display a good image with high efficiency.
(Example 5)
In this embodiment, an example of a display device configured to be able to display image information provided from various image information sources such as television broadcasting is shown. The image forming apparatus shown in FIG. 13 was displayed according to the NTSC television signal using the drive circuit shown in FIG.
[0165]
In this display device, the depth of the display device can be reduced because the display panel using the surface conduction electron-emitting device as an electron beam source can be easily thinned. In addition, a display panel using a display-conduction electron-emitting device as an electron beam source is easy to enlarge, has high brightness, and excellent viewing angle characteristics. It is possible to display with high visibility.
[0166]
The display device in this example was able to stably display a television image corresponding to the NTSC television signal with high luminance.
[0167]
【The invention's effect】
As described above, according to the electron-emitting device of the present invention, the substrate has a pair of conductive thin films that are electrically connected to the pair of electrodes on the surface of the substrate, respectively. A film having a pair of carbons disposed opposite to each other with a first gap between the pair of electrodes, and facing the second gap in the first gap, In an electron-emitting device in which a carbon-containing film is electrically connected to one of the pair of conductive thin films, and the other carbon-containing film is electrically connected to the other of the pair of conductive thin films. The ratio (HW2 / HW1) of the half-value width HW1 of the energy distribution in the emission current to the half-value width HW2 of the energy distribution in the quarter of the emission current is set to 0.8 or more and 1.0 or less. An electron-emitting device with high emission efficiency can be obtained.
[0168]
Furthermore, in the electron source or the image forming apparatus using the electron-emitting device having high electron-emitting efficiency according to the present invention, even if a large number of electron-emitting devices are arranged, the luminance is very high, and particularly an image using a phosphor. As the display device, an image display device with high luminance and low power consumption was obtained.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B are schematic views of an electron-emitting device of the present invention, where FIG. 1A is a plan view and FIG. 1B is a cross-sectional view.
FIG. 2 is an enlarged schematic view of the vicinity of an electron emission portion of the present invention, where (a) is a plan view and (b) and (c) are cross-sectional views, respectively.
FIG. 3 is a schematic diagram showing an example of a vacuum processing apparatus having a measurement evaluation function.
FIG. 4 is an energy band diagram for explaining an electron-emitting device of the present invention.
FIG. 5 is an energy distribution diagram of electrons emitted from the electron-emitting device of the present invention.
FIG. 6 is a schematic diagram showing an energy analyzer for measuring the energy distribution of electrons emitted from the electron-emitting device of the present invention.
FIG. 7 is a schematic view showing a part of the manufacturing process of the electron-emitting device of the present invention.
FIG. 8 is a schematic diagram showing an example of a voltage waveform that can be used in a forming process that is a part of the manufacturing process of the electron-emitting device of the present invention.
FIG. 9 is a schematic view showing an activation process which is a part of the manufacturing process of the electron-emitting device of the present invention.
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the emission current Ie, device current If, and device voltage Vf of the electron-emitting device of the present invention.
FIG. 11 is a schematic view of an electron-emitting device having an improved electrode shape according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a schematic view showing an example in which the electron-emitting device of the present invention is applied to an electron source arranged in a simple matrix.
FIG. 13 is a schematic view showing an example in which the electron-emitting device of the present invention is applied to an image forming apparatus.
FIG. 14 is a schematic diagram showing an example of a fluorescent film.
FIG. 15 is a block diagram of a driving circuit for performing display in accordance with an NTSC television signal when the electron-emitting device of the present invention is applied to an image forming apparatus.
FIG. 16 is a schematic diagram showing voltage waveforms used in the activation process which is a part of the manufacturing process of the electron-emitting device of the present invention.
FIG. 17 is a schematic view showing an example in which the electron-emitting device of the present invention is applied to an electron source arranged in a simple matrix.
18 is a partial cross-sectional schematic view taken along the polygonal line AA ′ in FIG. 17;
FIG. 19 is a schematic diagram for explaining an electron source manufacturing process according to an embodiment of the present invention.
FIG. 20 is a schematic diagram for explaining an electron source manufacturing process according to an embodiment of the present invention.
FIG. 21 is a schematic view showing a configuration of a conventional electron-emitting device.
FIG. 22 is a schematic diagram showing the configuration of another conventional electron-emitting device.
[Explanation of symbols]
1 Substrate
2, 3 electrodes
4 Conductive thin film
5 Electron emission part
6 Carbon or carbon compounds
7 First gap formed in the conductive thin film
8 Second gap formed in a deposit narrower than the first gap
21, 22 Deposits mainly composed of carbon
30 Ammeter for measuring element current If flowing through the conductive thin film 4 between the element electrodes 2 and 3
31 Power supply for applying device voltage Vf to the electron-emitting device
32 Ammeter for measuring the emission current Ie emitted from the electron-emitting device
33 Voltage power source for applying voltage to the anode electrode 34
34 Anode electrode for accelerating and capturing electrons emitted from the electron-emitting device
60 Electron emitter
61, 62, 63, 64 Electrodes of quadrupole energy analyzer
65, 66, 67 Power supply for applying voltage to the electrodes of the quadrupole energy analyzer
101 Electron source substrate
102 X direction wiring
103 Y-direction wiring
104 Electron emitting device
111 Rear plate
112 Support frame
113 Glass substrate
114 phosphor film
115 metal back
116 face plate
117 High voltage terminal
118 Envelope
121 Black member
122 phosphor
131 Display panel
132 Scanning circuit
133 Control circuit
134 Shift register
135 line memory
136 Sync signal separation circuit
137 Modulation signal generator
Vx, Va DC power supply
171 Interlayer insulation layer
172 Contact hole

Claims (5)

基体表面上に配置された一対の電極と、該一対の電極間において第1の間隙を置いて対向して配置された一対の導電性薄膜と、前記第1の間隙内において第2の間隙を置いて対向して配置された一対の炭素を有する膜と、を備えており、
前記一対の導電性薄膜の一方が前記一対の電極の一方に電気的に接続され、前記一対の導電性薄膜の他方が前記一対の電極の他方に電気的に接続されており、
前記一対の炭素を有する膜の一方が前記一対の導電性薄膜の一方に電気的に接続され、前記一対の炭素を有する膜の他方が前記一対の導電性薄膜の他方に電気的に接続されている電子放出素子において、
該電子放出素子の駆動時の放出電流における電子のエネルギー分布の半値幅HW1と、前記放出電流の4分の1の放出電流における電子のエネルギー分布の半値幅HW2との比(HW2/HW1)が、0.8以上1.0以下であることを特徴とする電子放出素子。
A pair of electrodes disposed on the surface of the substrate, a pair of conductive thin films disposed opposite to each other with a first gap between the pair of electrodes, and a second gap in the first gap. A film having a pair of carbons placed opposite to each other,
One of the pair of conductive thin films is electrically connected to one of the pair of electrodes, and the other of the pair of conductive thin films is electrically connected to the other of the pair of electrodes,
One of the pair of carbon-containing films is electrically connected to one of the pair of conductive thin films, and the other of the pair of carbon-containing films is electrically connected to the other of the pair of conductive thin films. In the electron-emitting device
The electron-emitting half width HW1 the electron energy distribution in the emission current during driving of the element, the ratio of the half width HW2 the electron energy distribution in one-quarter of the emission current of the discharge current (HW2 / HW1) is 0.8 to 1.0, an electron-emitting device,
前記炭素を有する膜中の炭素が、グラファイト状炭素であることを特徴とする請求項1に記載の電子放出素子。  2. The electron-emitting device according to claim 1, wherein carbon in the carbon-containing film is graphitic carbon. 基体上に複数の電子放出素子を配列形成した電子源において、前記複数の電子放出素子の各々が、請求項1又は2に記載の電子放出素子であることを特徴とする電子源。In an electron source having an array form a plurality of electron-emitting devices on a substrate, an electron source, wherein each of said plurality of electron-emitting devices, an electron-emitting device according to claim 1 or 2. 電子源と、該電子源から放出された電子を照射することで画像を形成する画像形成部材とを有する画像形成装置において、前記電子源、請求項3に記載の電子源であることを特徴とする画像形成装置。In the image forming apparatus having an electron source and an image forming member for forming an image by irradiation with electrons emitted from the electron source, wherein said electron source is an electron source according to claim 3 An image forming apparatus. 画像形成装置と、該画像形成装置にテレビジョン放送信号を表示させるための回路と、を備えたテレビジョン放送の表示装置であって、前記画像形成装置が請求項4に記載の画像形成装置であることを特徴とするテレビジョン放送の表示装置。  5. A television broadcast display device comprising: an image forming device; and a circuit for causing the image forming device to display a television broadcast signal, wherein the image forming device is the image forming device according to claim 4. A display device for television broadcasting, characterized in that there is.
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