JP3639785B2 - 電子線装置及び画像形成装置 - Google Patents
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Description
［技術分野］
本発明は電子線装置に関する。また特に、電子源と電子の被照射体の間の間隔を維持するスペーサを備えた電子線装置及び画像形成装置に関する。
［背景技術］
従来から、電子放出素子として熱陰極素子と冷陰極素子の２種類が知られている。このうち熱陰極素子はブラウン管等に用いられているが、冷陰極素子では、たとえば表面伝導型電子放出素子や、電界放出型素子（以下ＦＥ型と記す）や、金属／絶縁層／金属型放出素子（以下ＭＩＭ型と記す）、などが知られている。
この表面伝導型電子放出素子は、基板上に形成された小面積の薄膜に、膜面に平行に電流を流すことにより、電子放出が生ずる現象を利用するものである。この表面伝導型放出素子としては、エリンソン等によるＳｎＯ2 薄膜を用いたもの[M.I.Elinson,Radio Eng.Electron Phys.,10,1290,(1965)]、Ａｕ薄膜によるもの[G.D Mitter:“Thin Solid Films",9,317(1972)]や、Ｉｎ2 Ｏ3／ＳｎＯ2 薄膜によるもの[M.Hartwell And C.G.Fonstad:“IEEE Trans.ED Conf.",519(1975)]や、カーボン薄膜によるもの［荒木久 他：真空、第２６巻、第１号、２２（１９８３）］等が報告されている。
これらの表面伝導型放出素子の素子構成の典型的な例として、図２４に前述のM.Hartwellらによる素子の平面図を示す。同図において、１は基板で、２はスパッタで形成された金属酸化物よりなる導電性薄膜である。導電性薄膜２は図示のようにＨ字形の平面形状に形成されている。該導電性薄膜２に通電フォーミングと呼ばれる通電処理を施すことにより、電子放出部３が形成される。
通電フォーミングは、前記導電性薄膜２の両端に一定の直流電圧、もしくは、例えば１Ｖ／分程度の非常にゆっくりとしたレートで昇圧する直流電圧を印加して通電し、導電性薄膜２を局所的に破壊もしくは変形もしくは変質せしめ、電気的に高抵抗な状態の電子放出部３を形成することである。尚、局所的に破壊もしくは変形もしくは変質した導電性薄膜２の一部には、亀裂が発生する。前記通電フォーミング後に導電性薄膜２に適宜の電圧を印加した場合には、前記亀裂付近の電子放出部３において電子放出が行われる。
通電フォーミング処理の後、通電活性化処理として、真空雰囲気中で、電圧パルスを定期的に印加することにより、真空雰囲気中に存在する有機化合物を起源とする炭素もしくは炭素化合物を電子放出部３に堆積させる。この通電活性化処理により、安定した電子放出の効果が発揮される。
また、ＦＥ型の例は、たとえば、W.P.Dyke&W.W.Dolan,“Field Emission",Advance in Electron Physics,8,89(1956)や、あるいは、C.A.Spindt,“Physical Properties of Thin-Film Field Emission cathodes with molybdenium Cones",J.Appl.Phys.,47,5248(1976)などが知られている。
ＦＥ型の素子構成の典型的な例として、図２５に前述のC.A.Spindtらによる素子の断面図を示す。同図において、４は基板で、５は導電材料よりなるエミッタ配線、６はモリブデン等のエミッタコーン、７は絶縁層、８はゲート電極である。本電子放出素子は、エミッタコーン６とゲート電極８の間に適宜の電圧を印加することにより、エミッタコーン６の先端部より電界放出を起こさせ、上部に設けた高圧電極に向かって電子が放出される。
また、ＦＥ型の他の素子構成として、図２５のような円錐型の積層構造以外に、基板上に基板平面とほぼ平行にエミッタとゲート電極を配置した例もある。
ＭＩＭ型の例としては、たとえば、C.A.Mead,“Operation of Tunnel-Emission Devices,J.Appl.Phys.,32,646(1961)などが知られている。ＭＩＭ型の素子構成の典型的な例を図２６に示す。同図は断面図であり、図において、９は基板で、１０は金属よりなる下電極、１１は厚さ１００オングストローム程度の薄い絶縁層、１２は厚さ８０〜３００オングストローム程度の金属よりなる上電極である。ＭＩＭ型においては、上電極１２と下電極１０の間に適宜の電圧を印加することにより、上電極１２の表面より電子放出を起こさせるものである。
上述した各種冷陰極素子は、熱陰極素子と比較して低温で電子放出を得ることができるため、加熱用ヒーターを必要としない。したがって、熱陰極素子よりも構造が単純であり、微細な素子を作成可能である。また、基板上に多数の素子を高い密度で配置しても、基板の熱溶融などの問題が発生しにくい。また、熱陰極素子がヒーターの加熱により動作するため応答速度が遅いのとは異なり、冷陰極素子の場合には応答速度が速いという利点もある。
冷陰極素子の応用については、画像表示装置、画像記録装置などの画像形成装置や、荷電ビーム源等がある。
特に冷陰極素子を画像表示装置へ応用した例として、本出願人によるＵＳＰ５，０６６，８３３や特開平２−２５７５５１号公報や特開平４−２８１３７号公報において開示されているように、表面伝導型放出素子と、電子ビームの照射により発光する蛍光体とを組み合わせて用いた画像表示装置が研究されている。表面伝導型放出素子と、電子ビームの照射により発光する蛍光体とを組み合わせて用いて発光する画像表示装置がある。
また、ＦＥ型を多数個ならべて画像表示装置に応用した例として、R.Meyerらにより報告された平板型表示装置が知られている[R.Meyer:“Recent Development on Microchips Display at LETI",Tech.Digest of 4th Int.Vacuum Micro Electronics Conf.,Nagahama,pp.6〜9(1991)]。
また、ＭＩＭ型を多数個ならべて画像表示装置に応用した例は、本出願人による特開平３−５５７３８号公報に開示されている。
中でも表面伝導型電子放出素子は、構造が単純で製造も容易であることから、大面積に多数の素子を形成しやすい利点がある。
表面伝導型電子放出素子と蛍光体とを組み合わせて用いた画像表示装置は、液晶表示装置と比較すると、自発光型であるためバックライトを必要としない点や、視野角が広い点が優れている。
平面型画像表示装置は上述した電子放出素子を平面基板に多数配置し、これと対向して電子により発光する蛍光体が配置される。電子放出素子は基板に二次元マトリクス状に配列され（マルチ電子源と呼ぶ）、各素子は行方向配線と列方向配線に接続される。画像表示方式の一例として、以下の単純マトリクス駆動がある。
マトリクス中の任意の一行から電子を放出させるためには、行方向に選択電圧を印加し、これと同期して列配線に信号電圧を印加する。
選択された行の電子放出素子より放出した電子は蛍光体に向かって加速され、蛍光体を励起、発光させる。行方向に順次選択電圧を印加することにより画像が表示される。
二次元マトリクス状に電子放出素子が形成された基板（リアプレート）と、蛍光体と加速電極が形成された基板（フェースプレート）間は真空に保たれる必要がある。リアプレートとフェースプレートには大気圧が加わるため、表示装置が大型化するに伴い、大気圧を支持する厚みの基板が必要となる。しかし、これは重量の増加を招くためリアプレートとフェースプレート間に支持部材（スペーサ）を挿入することによりリアプレートとフェースプレート間隔を一定に保つとともに、リアプレートとフェースプレートの破損を防ぐ構造が取られる。
スペーサは大気圧を支持するために十分な機械的強度が求められ、リアプレートとフェースプレート間を飛翔する電子の軌道に大きく影響してはならない。電子軌道に影響を与える原因はスペーサの帯電である。スペーサ帯電は電子源から放出した電子の一部あるいはフェースプレートで反射した二次電子がスペーサに入射し、さらにスペーサから二次電子が放出されることにより、あるいは電子の衝突により電離したイオンが表面に付着することによるものと考えられる。
スペーサが正帯電するとスペーサ近傍を飛翔する電子がスペーサに引き寄せられるため、スペーサ近傍で表示画像に歪みを生ずる。帯電の影響はリアプレートとフェースプレート間隔が大きくなるに従い顕著になる。
一般に帯電を抑制する手段として、帯電面に導電性を付与し、若干の電流を流すことで電荷を除去することが行なわれる。この概念をスペーサに応用しスペーサ表面を酸化スズで被覆する手法が特開昭５７−１１８３５５号公報に開示されている。また、特開平３−４９１３５号公報にはＰｄＯ系ガラス材で被覆する手法が開示されている。
また、画像表示装置として輝度が高いことは重要な要素である。フェースプレートに形成されている蛍光体を効率よく発光させるためには、高い電圧で加速した電子を蛍光体に照射すればよく、十分な効率で発光させるためにはスペーサの高さを１〜８ｍｍ程度として、加速電極電圧を３ｋＶ以上に、望ましくは５ｋＶ以上に加速するとよい。したがって、リアプレートとフェースプレート間には数ｋＶ以上の電圧が印加されていることになり、スペーサ両端にもこれとほぼ同電位の電圧が印加される。スペーサに使われる材料は加速電圧の印加において放電しないことが求められる。
沿面放電耐圧の向上手段として、二次電子放出率が小さい材料で表面を被覆すると効果的である。二次電子放出率が小さい材料で被覆した例として、酸化クロム(T.S.Sudarshan and J.D.Cross:IEEE Tran.EI-11,32(1976))、酸化銅(J.D.Cross and T.S.sudarshan:IEEE Tran.EI-9146(1974))が知られている。
また、スペーサに関わる先行技術として、ＵＳＰ５,５９８,０５６，ＵＳＰ５,６９０,５３０，ＵＳＰ５,５６１,３４０，ＵＳＰ５,８１１,９１９，ＥＰＡ１７２５４１８，が知られている。
上述したように、上記のスペーサに係わる機能上の問題を解決するべく、鋭意開発を進めており、本願に係わる発明は、開発したスペーサを用いて好適な電子線装置を実現することを課題とする。特には、電子線装置において、電子源と電子の被照射体の間にたとえばスペーサのごとき部材を有する際の、該第１の部材での帯電を抑制することができる構成を実現することを課題とする。
また、電子源と電子の被照射体の間にたとえばスペーサのごとき部材を有する際の、該第１の部材の少なくとも表面近傍に望ましい導電性を与えることができる構成を実現することを課題とする。また特には、電子源より放出された電子を、電子源の電位に対して３ｋＶ以上の電位差となる電位により加速し、前記電子により蛍光体を発光させる画像表示装置に代表される画像形成装置に好適なスペーサを実現することを課題とする。
［発明の開示］
本願に関わる電子線装置の発明の一つは以下のように構成される。
本発明は、電子を放出する電子源と、該電子が照射される被照射体と、前記電子源と前記被照射体との間に配置される第１の部材とを有する電子線装置において、
前記第１の部材は基体と該基体上に形成された膜とを有するとともに、前記膜は第一層と第二層とを有し、前記第一層が一部露出するように前記第二層が設けられることで、前記膜の表面に凹凸形状が形成され、
前記凹凸形状が凸部で連続的に取り囲まれた凹部を有することを特徴とする。
ここで、前記下地が一部露出している膜の下地が導電性を有すると好適である。特に、該下地が、基体上に設けられた導電性を有する膜であると好適である。とくに該導電性が半導電性であると好適である。また、ここでいう下地の露出とは、電子的に見て露出とみなせるものであればよい。具体的には、評価手段として、加速電圧１ｋＶ、入射角７５度でスペーサ表面の構造を評価し、ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）像上にて、下地（下層）の構造として符合するような結晶粒界、軸性等が確認される場合を下地が露出しているとする。
また、上述の下地が一部露出している膜を用いる構成において、前記下地が一部露出している膜が被覆している面積を、下地が露出している面積で割った値が、１／３以上１００以下となる１００μｍ×１００μｍの領域を前記第１の部材が有していると好適である。また、前記下地が一部露出している各部分の面積の平均値が５０００平方μｍ以下となる１００μｍ×１００μｍの領域を第１の部材が有していると好適である。また、前記下地が一部露出している各部分の幅の平均値が７０μｍ以下となる１００μｍ×１００μｍの領域を第１の部材が有していると好適である。
また、前記下地が一部露出する膜が絶縁性の膜であってもよい。特に下地が導電性を有するものであるときには、前記第１の部材にある程度の導電性を与える場合であっても、下地が一部露出する膜は導電性を持たなくてもよいため、材料の選択の自由度が増える。前記下地が一部露出する膜の抵抗値は、体積抵抗で１０4Ωｍ以上１０8Ωｍ以下であったりする。
また、前記下地が一部露出する膜の２次電子放出係数が、下地の２次電子放出係数よりも小さい構成をとることができる。上記発明において、たとえば、前記第１の部材は、前記電子源と前記被照射体の間の間隔を維持するスペーサであったりする。
上記発明は、前記第１の部材が、前記電子源が放出する電子の軌道に対して、該第１の部材において帯電が生じた場合に、該帯電によって実質的に変化を与える位置に設けられる部材であるときに特に好適に適用できる。
［発明を実施するための最良の形態］
本発明による実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
［画像形成装置の表示パネル］
図３は本実施形態による画像表示装置の応用例としての表示パネルの斜視図である。内部構造を示すためにパネルの一部を切り欠いて示している。図３中、１３は電子放出部を搭載した基板、１４は電子放出部を有する電子放出素子、１５は電子放出素子１４に印加するｘ軸の行方向の配線、１６は電子放出素子１４に印加するｙ軸の列方向の配線、１７はリアプレート、１８は側壁、１９はフェースプレートであり、符号１７〜１９により表示パネルの内部を真空に維持するための気密容器を形成している。また、２０はフェースプレート１９内に設けられた発光材料の蛍光体、２１は高圧電極として電子流を吸引するメタルバックである。
この気密容器を組み立てるにあたっては、各部材の接合部に十分な強度と気密性を保持させるため封着する必要があるが、例えばフリットガラスを接合部に塗布し、大気中あるいは窒素雰囲気中で、摂氏４００〜５００℃で１０分以上焼成することにより封着を達成した。気密容器内部を真空に排気する方法については後述する。また、上記気密容器の内部は１０-4Ｐa 程度の真空に保持されるので、大気圧や不意の衝撃などによる気密容器の破壊を防止する目的で耐大気圧構造体として、スペーサ２２が設けられている。
［表示パネル内のスペーサ］
次に本発明を適用した画像表示装置の表示パネルの構成と製造法について、具体的な例を示して説明する。図１は、スペーサ２２を中心とした表示装置断面模式図である。図３と同一個所には同一符号を付して、重複する説明を省略する。図において、１３は基板、１４は冷陰極電子源、１７はリアプレート、１８は側壁、１９はフェースプレートであり、符号１７〜１９により外囲器を構成し、本表示パネルの内部を真空に維持するための気密容器を形成している。
リアフェース１７には、絶縁層５７の上に行方向の配線１５が形成されており、またフェースプレート１９は該透明ガラス基材から蛍光体２０と、高圧電極となるメタルバック２１とで構成されている。または該透明ガラス基材からＩＴＯ等の透明電極と、蛍光体とが積層されていてもよい。本実施形態では蛍光体２０として説明する。また、スペーサ２２は、絶縁性基材２４と、その上に覆った第一層２３ａと、その上の第二層２３ｂとからなり、リアプレート１７側には、低抵抗膜２５でスペーサ２２の下部を覆い、導電性接着剤２６で行方向の配線１５上に接着して固着される。また、フェースプレート１９側には低抵抗膜２５でスペーサ２２の上部を覆い、導電性接着剤２６でメタルバック２１下に接着して固着される。
スペーサ２２は、外囲器内を真空にすることにより、特にリアプレート１７及びフェースプレート１９間に加わる大気圧を受けて、外囲器が破損あるいは変形するのを避けるために設けられる。スペーサ２２の材質、形状、配置、配置本数は、外囲器の形状と各寸法ならびに熱膨張係数等、外囲器の受ける大気圧、熱等を考慮して決定される。また、スペーサ２２の形状には平板型、十字型、Ｌ字型、円筒形、格子型等がある。
スペーサ２２中の基材たる絶縁性基材２４は、電子放出素子が形成されたリアプレート１７、蛍光体２０が形成されたフェースプレート１９とほぼ同一の熱膨張特性の材料であることが望ましい。あるいは、絶縁性基材２４の弾性が高く、熱変形を容易に吸収するものであってもよい。フェースプレート１９及びリアプレート１７にかかる大気圧を支持する必要から、ガラス、セラミクス等機械的強度の高く、耐熱性の高い材料が適する。フェースプレート１９、リアプレート１７の材質としてガラスを用いた場合、表示装置作製行程中の熱応力を抑えるために、スペーサ２２の絶縁性基材２４はできるだけこれらの材質と同じものか、同様の熱膨張係数の材料であることが望ましい。
［スペーサ］
本願の発明者は、スペーサ２２の帯電を抑制する構成を検討した結果、図２に示すように、スペーサの表面に凹凸が形成されており、特に、凸部がネットワーク形状を構成していること、もしくは凸部で連続的に取り囲まれた凹部を有すること、により、帯電を抑制することができることを見出した。ここで、ネットワーク形状とは、凸部が互いにつながり、網目状の構造、もしくは多孔質構造、もしくはスポンジ構造を表面を有している状態である。また、本願発明においては、凹凸形状に等高線を引いたときに、凹部が、凹部の最深部から少なくとも１００ｎｍの高さの等高線が連続的に引けるように凸部で囲まれて構成されているとよい。
ネットワーク構造は、帯電抑制に効果的であり、凹部を取り囲む高さが低い場合でも効果は生じるが、好適には、ネットワーク状の凸部で囲まれる凹部の最深部から、１００ｎｍ以上の高さを有する凸部でネットワークが構成されているとよい。特に、本願発明に係わるネットワーク状の構造、もしくは凸部で囲まれる凹部が、少なくとも帯電しやすい領域に構成されているとよく、特には、凹部が分散的に存在するとよい。具体的には、スペーサの表面において、表面に平行で且つ互いに直交行する２軸での断面を見たときに、いずれの軸に沿っても凹凸が構成されている状態が、上記２軸をスペーサ表面の面に平行な如何なる方向に設定しても実現されるようにしているとよい。また、スペーサ表面に、上述の凹部を複数含む１００μｍ×１００μｍの領域を有するとよい。
また、本願の発明者は、特に前記凹凸形状の少なくとも凸部は該凹凸を形成する層の下地とは異なる組成を有しており、凹部において、下地が露出している構成が特に好適であることを見出した。特に、第二層に用いることのできるＣｒ2Ｏ3 、Ｎｂ2Ｏ5 、Ｙ2Ｏ3 などの二次電子放出効率が小さい材料を含む組成の膜が、極めて有効である。
図２は、スペーサ２２の構成をあらわす模式図であり、ガラス等の絶縁性基体２４上に半導電性を有する第一層２３ａ及び酸化物の絶縁層又は半導電性層である第二層２３ｂが形成されている。
第一層２３ａはスペーサ２２表面に帯電した電荷を除去し、スペーサ２２が大きく帯電しないようにする。また、第二層２３ｂは二次電子放出効率の小さい材料とすることにより、帯電電荷を抑え、また、第一層２３ａ、第二層２３ｂは共にスペーサ２２上での二次電子の放出を押さえるものである。第二層２３ｂの構造は第一層２３ａ露出部の面積と第二層２３ｂ被覆部の面積比が３：１以上１：１００以下であるネットワーク構造、または島状構造とネットワーク構造の混合状態であることが好ましく、さらに任意の１００μｍ×１００μｍを観察した場合、第一層２３ａの露出面と第二層２３ｂとが混在している状態であることが望ましい。また、本実施形態の第二層２３ｂがネットワーク構造である場合は、一つの露出部の面積平均値が５０００平方μｍ以下であるが、より好ましくは２５００平方μｍ以下であることが望ましい。また、第二層２３ｂがネットワーク構造、または島状構造とネットワーク構造の混合状態である場合は、露出部の幅の平均値が７０μｍ以下であり、より好ましくは５０μｍ以下である。
ここで、本実施形態では、ネットワーク構造もしくはネットワーク構造と島状構造の混合状態という表現で、第一層２３ａの露出部と第二層２３ｂの構造とを表現しており、具体的には後述の図１３乃至図１６に示すような形状であり、第二層２３ｂの構造を主に形状を表せば、上述したネットワーク構造もしくは、ネットワーク構造と島状の混合状態として表現したが、多孔質構造とか、スポンジ構造、或いは網目構造という表現であってもよい。すなわち、凸部で囲まれる凹部が凹部点在しており、該凸部がつながりあっていればよい。
また、第一層２３ａの抵抗値は、スペーサ２２表面が帯電することなく電荷を速やかに除電するのに十分な電流がスペーサ２２に流れる値に設定される。したがって、スペーサ２２に適する抵抗値は帯電量により設定される。帯電量は電子源からの放出電流と、スペーサ２２表面の二次電子放出率に依存するが、第二層２３ｂに含まれるＣｒ2Ｏ3 、Ｎｂ2Ｏ5、Ｙ2Ｏ3 などは二次電子放出率が小さい材料であるために、大きな電流を流す必要がない。第一層２３ａのシート抵抗が１０12Ω以下であれば、ほとんどの使用条件に対応できると考えられるが、１０11Ω以下であれば申し分ない。一方抵抗値の下限はスペーサ２２における消費電力で制限され、画像表示装置全体の消費電力が過度に増加せず、したがってスペーサ２２の抵抗は装置全体の発熱に大きく影響しない値に選ばれなければならない。因みに、抵抗率が１０-6Ω・ｍ以下のものは導体、１０8Ω・ｍ以上のものは絶縁体と一般に称されており、第一層２３ａの抵抗率は半導電性材料として、１０-6Ω・ｍ以上、１０8Ω・ｍ以下の範囲内に設定される。
スペーサ２２に使用する第一層２３ａ、第二層２３ｂとしては、抵抗温度係数が正であるか、負であってもその絶対値が１％／℃である材料を用いることが望ましい。スペーサ２２の抵抗温度係数が正の場合には温度上昇とともに抵抗値が増加するため、スペーサ２２での発熱が抑制される。逆に抵抗温度係数が負であると、スペーサ２２表面で消費される電力による温度上昇で抵抗値が減少し、更に発熱し温度が上昇し続け、過大な電流が流れる、いわゆる熱暴走を引き起こす。しかし、発熱量すなわち消費電力と放熱がバランスした状況においては熱暴走は発生しない。したがって抵抗温度係数（ＴＣＲ）の絶対値が小さければ熱暴走しづらい。
抵抗温度係数（ＴＣＲ）が約−１％の薄膜を用いた条件で、スペーサ１ｃｍ2 あたりの消費電力がおよそ０．１Ｗを超えるようになるとスペーサ２２に流れる電流が増加し続け、熱暴走状態となることが実験で認められた。これはもちろんスペーサ２２形状とスペーサ間に印加される電圧Ｖa 及び帯電防止膜の抵抗温度係数により左右されるが、以上の条件から、消費電力が１ｃｍ2 あたり０．１Ｗを越えないＲs の値は１０×Ｖa2Ω以上である。すなわち、スペーサ２２上に形成した第一層２３ａのシート抵抗Ｒs は１０×Ｖa2〜１０11Ωの範囲に設定されることが望ましい。
比抵抗ρはシート抵抗Ｒs と膜厚ｔの積であり、以上に述べたＲs とｔの好ましい範囲から、帯電防止膜の比抵抗ρは１０-7×Ｖa2Ωｍ〜１０5 Ωｍであることが望ましい。更にシート抵抗と膜厚のより好ましい範囲を実現するためには、ρは（２×１０-7）×Ｖa2Ωｍ〜５×１０4Ωｍとするのがよい。ディスプレイにおける電子の加速電圧Ｖa は１００Ｖ以上であり、ＣＲＴに通常用いられる高速電子用蛍光体を平面型ディスプレイに用いた場合に、十分な輝度を得るためには３ｋＶ以上の電圧を要する。加速電圧Ｖa ＝１ｋＶの条件においては、帯電防止膜の比抵抗は０．１Ωｍ〜１０5Ωｍが好ましい範囲となる。
また、第一層２３ａの材料としては、抵抗値が上述したスペーサ２２に好ましい範囲に調節でき、かつ安定ならば何でもよく、金属、酸化物、窒化物などを用いることができる。
また、図１を参照して、電子源からの放出電子の軌道に乱れを発生させないためには、フェースプレート１９〜リアープレート１７間の電位分布が一様である、すなわちスペーサ２２の抵抗値がすべての場所で、ほぼ均一であることが望ましい。電位分布が乱れると、スペーサ２２近傍の蛍光体２０に到達すべき電子が曲げられ、隣接した蛍光体２０に当たるために画像に乱れを生ずる。本発明のネットワーク構造もしくはネットワーク構造と島状構造の混合状態の構造の膜は、下地の露出面と被覆面が微少な面積においても混在しており、抵抗値の一様性を確保し、画像の乱れを防止するのに有効である。
また、第二層２３ｂに用いる材料としては二次電子放出率の小さいものが好ましい。Ｃｒ2Ｏ3 、Ｎｂ2 Ｏ5 、Ｙ2 Ｏ3 などは二次電子放出効率が小さく、第二層２３ｂに用いるのに適した材料である。本発明者等の測定によれば、これらの材料の二次電子放出効率は、入射角０°において最大でも１．８を越えない。
しかし、これらの材料は体積抵抗で１０8 Ωｃｍ以上の抵抗値を持つ絶縁体であり、電荷を逃がすことが難しいため、単独では用いることができない。しかし本発明の二層構成の第二層２３ｂとして用いることで、その特性を最大限に生かす事ができる。
また、上述した本実施形態の内、第二層２３ｂの構造は第二層２３ｂで被覆されておらず下地が露出している第一層２３ａ露出部の面積と第二層２３ｂ被覆部の面積比が３：１以上１：１００以下であるネットワーク構造、またはネットワーク構造と島状構造の混合状態であることが好ましい。さらに、任意の１００μｍ×１００μｍの範囲をＳＴＭ（Scanning Tunneling Microscope）で観察した場合、第一層２３ａの露出面と第二層２３ｂとが混在している状態であることが好ましい。本実施形態の第二層２３ｂがネットワーク構造である場合は、一つの露出部の面積が５０００平方μｍ以下であるが、より好ましくは２５００平方μｍ以下である。また、第二層２３ｂが島状とネットワーク構造の混合状態である場合は、７０μｍ以下であり、より好ましくは５０μｍ以下である。
また、高純度化学研究所（株）のＳＹＭ−ＢＩ０５，ＳＹＭ−ＣＥ０３，ＳＹＭ−Ｙ０１，多木化学（株）のニードラールを用いる事により、本実施形態のネットワーク構造、島状など第一層２３ａが露出する構造の膜は比較的容易に形成できる。
また、第一層２３ａ、第二層２３ｂの形成には、反応性スパッタ法、イオンアシスト蒸着法、ＣＶＤ法、イオンビームスパッタ法、ディッピング法、スピナー法、スプレー法などにより形成することができる。
［画像形成装置の構成と製造方法］
次に、本発明を適用した画像表示装置の表示パネルの構成と製造法について、具体的な例を示して説明する。
図３は上述した実施形態に用いた表示パネルの斜視図であり、内部構造を示すためにパネルの一部を切り欠いて示している。
再度説明すれば、リアプレート１７には基板１３が固定されているが、該基板１３上には冷陰極電子放出素子１４がＮ×Ｍ個形成されている。ここで、Ｎ，Ｍは２以上の正の整数であり、目的とする表示画素数に応じて適宜設定される。たとえば、高品位テレビジョンの表示を目的とした表示装置においては、Ｎ＝３０００、Ｍ＝１０００以上の数を設定することが望ましい。前記Ｎ×Ｍ個の冷陰極電子放出素子１４は、Ｍ本の行方向配線１５とＮ本の列方向配線１６により単純マトリクス配線されている。前記基板１３、行方向配線１５、列方向配線１６によって構成される部分を、マルチ電子ビーム源と呼ぶ。
本発明に関わる画像表示装置に用いるマルチ電子ビーム源は、冷陰極電子放出素子１４を単純マトリクス配線した電子源であれば、冷陰極電子放出素子１４の材料や形状あるいは製法に制限はない。したがって、たとえば表面伝導型電子放出素子やＦＥ型、あるいはＭＩＭ型などの冷陰極素子を用いることができる。また、マルチ電子ビーム源をリアプレートに直接形成することも可能である。
次に、冷陰極電子放出素子１４として表面伝導型電子放出素子（後述）を基板１３上に配列して単純マトリクス配線したマルチ電子ビーム源の構造について述べる。
図４に示すのは、図３の表示パネルに用いたマルチ電子ビーム源の平面図である。基板１３上には、後述の図５で示すものと同様な表面伝導型電子放出素子が配列され、これらの素子は行方向配線電極１５と列方向配線電極１６により単純マトリクス状に配線されている。行方向配線電極１５と列方向配線電極１６の交差する部分には、電極間に絶縁層（不図示）が形成されており、電気的な絶縁が保たれている。
図４のＢ−Ｂ′に沿った断面を、図５（ｂ）に示す。なお、このような構造のマルチ電子ビーム源は、あらかじめ基板１３上に行方向配線電極１５、列方向配線電極１６、電極間絶縁層（不図示）、および表面伝導型電子放出素子の素子電極と導電性薄膜を形成した後、行方向配線電極１５および列方向配線電極１６を介して各素子に給電して通電フォーミング処理（後述）と通電活性化処理（後述）を行うことにより製造した。
本実施形態においては、気密容器のリアプレート１７にマルチ電子ビーム源の基板１３を固定する構成としたが、マルチ電子ビーム源の基板１３が十分な強度を有するものである場合には、気密容器のリアプレート１７としてマルチ電子ビーム源の基板１３自体を用いてもよい。
また、フェースプレート１９の下面には、蛍光膜２０が形成されている。本実施形態はカラー表示装置であるため、蛍光膜２０の部分には電子ビームを照射するＣＲＴの分野で用いられる赤、緑、青、の３原色の蛍光体が塗り分けられている。各色の蛍光体は、たとえば図６（ａ）に示すようにストライプ状に塗り分けられ、蛍光体のストライプの間には黒色の導電体２０ａが設けてある。黒色の導電体２０ａを設ける目的は、電子ビームの照射位置に多少のずれがあっても表示色にずれが生じないようにする事や、外光の反射を防止して表示コントラストの低下を防ぐ事などである。黒色体２０ａを導電性とする場合には、電子ビームによる蛍光膜のチャージアップを防止する事が可能である。黒色の導電体２０ａには、黒鉛を主成分として用いたが、上記の目的に適するものであればこれ以外の材料を用いても良い。
また、３原色の蛍光体の塗り分け方は前記図６（ａ）に示したストライプ状の配列に限られるものではなく、たとえば図６（ｂ）に示すようなデルタ状配列や、それ以外の配列であってもよい。
なお、モノクロームの表示パネルを作成する場合には、単色の蛍光体材料を蛍光膜２０ｂに用いればよく、また黒色導電材料は必ずしも用いなくともよい。
また、蛍光膜２０のリアプレート側の面には、ＣＲＴの分野では公知のメタルバック２１を設けてある。メタルバック２１を設けた目的は、蛍光膜２０が発する光の一部を鏡面反射して光利用率を向上させる事や、負イオンの衝突から蛍光膜２０を保護する事や、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事や、蛍光膜２０を励起した電子の導電路として作用させる事などである。メタルバック２１は、蛍光膜２０をフェースプレート基板１９上に形成した後、蛍光膜表面を平滑化処理し、その上にＡｌを真空蒸着する方法により形成した。なお、蛍光膜２０に低電圧用の蛍光体材料を用いた場合には、メタルバック２１は用いない。
また、本実施形態では用いなかったが、加速電圧の印加用や蛍光膜の導電性向上を目的として、フェースプレート基板１９と蛍光膜２０との間に、たとえばＩＴＯを材料とする透明電極を設けてもよい。
図１に示すように、スペーサ２２は絶縁性部材２４の表面に高抵抗膜２３ａを成膜し、かつフェースプレート１９の内側（メタルバック２１等）及び基板１３の表面（行方向配線１５又は列方向配線１６）に面したスペーサの当接面及び接する側面部に低抵抗膜２５を成膜した部材からなるもので、上記目的を達成するのに必要な数だけ、かつ必要な間隔をおいて配置され、フェースプレートの内側および基板１３の表面に接合材２６により固定される。
また、導電膜２３ｂは、絶縁性基材２４の表面のうち、少なくとも気密容器内の真空中に露出している面に成膜されており、スペーサ２２上の低抵抗膜２５および接合材２６を介して、フェースプレート１９の内側（メタルバック２１等）及び基板１３の表面（行方向配線１５または列方向配線１６）に電気的に接続される。ここで説明する態様におけるスペーサ２２の形状は薄板状であり、行方向配線１５に平行に配置され、行方向配線１５に電気的に接続されている。
スペーサ２２を構成する低抵抗膜２５は、高抵抗膜２３ｂと半導電性膜２３ａとからなる導電膜２３を高電位側のフェースプレート１９（メタルバック２１等）および低電位側の基板１７（配線１５、１６等）と電気的に接続するために設けられたものであり、以下では、中間電極層（中間電極）という名称を用いる。中間電極層（中間層）は、以下に列挙する複数の機能を有する。
（１）導電膜２３をフェースプレート１９及び基板１３と電気的に接続する。
既に記載したように、導電膜２３はスペーサ２２表面での帯電を防止する目的で設けられたものであるが、導電膜２３をフェースプレート１９（メタルバック２１等）及び基板１３（配線１５又は、１６等）と直接或いは接合材２６を介して接続した場合、接続部界面に大きな接触抵抗が発生し、スペーサ２２表面に発生した電荷を速やかに除去できなくなる可能性がある。これを避ける為に、フェースプレート１９、基板１３及び当接材２６と接触するスペーサ２２の当接面或いは側面部に低抵抗の中間電極２５を設けた。
（２）導電膜２３の電位分布を均一化する。
冷陰極電子放出素子１４より放出された電子は、フェースプレート１９と基板１３の間に形成された電位分布に従って電子軌道を成す。スペーサ２２の近傍で電子軌道に乱れが生じないようにする為には、導電膜２３の電位分布を全域にわたって制御する必要がある。導電膜２３をフェースプレート１９（メタルバック２１等）及び基板１３（配線１５又は、１６等）と直接或いは当接材２６を介して接続した場合、接続部界面の接触抵抗の為に、接続状態のむらが発生し、導電膜２３の電位分布が所望の値からずれてしまう可能性がある。これを避ける為に、スペーサ２２がフェースプレート１９及び基板１３と当接するスペーサ端部（当接面或いは側面部）の全長域に低抵抗の中間層２５を設け、この中間層部２５に所望の電位を印加することによって、導電膜２３全体の電位を制御可能とした。
（３）放出電子の軌道を制御する。
冷陰極電子放出素子１４より放出された電子は、フェースプレート１９と基板１３の間に形成された電位分布に従って電子軌道を成す。スペーサ２２近傍の冷陰極電子放出素子から放出された電子に関しては、スペーサ２２を設置することに伴う制約（配線、素子位置の変更等）が生じる場合がある。このような場合、歪みやむらの無い画像を形成する為には、放出された電子の軌道を制御してフェースプレート１９上の所望の位置に電子を照射する必要がある。フェースプレート１９及び基板１３と当接する面の側面部に低抵抗の中間層２５を設けることにより、スペーサ２２近傍の電位分布に所望の特性を持たせ、放出された電子の軌道を制御することが出来る。
中間電極となる低抵抗膜２５は、高抵抗膜２３ａに比べ十分に低い抵抗値を有する材料を選択すればよく、Ｎｉ，Ｃｒ，Ａｕ，Ｍｏ，Ｗ，Ｐｔ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｐｄ等の金属、あるいは合金、及びＰｄ，Ａｇ，Ａｕ，ＲｕＯ2 ，Ｐｄ−Ａｇ等の金属や金属酸化物とガラス等から構成される印刷導体、あるいはＩｎ2Ｏ3−ＳｎＯ2 等の透明導体、及びポリシリコン等の半導体材料等より適宜選択される。また、低抵抗膜２５の構造については、低い抵抗値を実現するために、連続膜であることが好ましい。
接合材２６はスペーサ２２が行方向配線１５およびメタルバック２１と電気的に接続するように、導電性をもたせる必要がある。すなわち、導電性接着材や金属粒子や導電性フィラーを添加したフリットガラスが好適である。
また、外部との接合端子Ｄｘ１〜ＤｘｍおよびＤｙ１〜Ｄｙｎおよび高圧端子Ｈv は、当該表示パネルと不図示の電気回路とを電気的に接続するために設けた気密構造の電気接続用端子である。Ｄｘ１〜Ｄｘｍはマルチ電子ビーム源の行方向配線１５と、Ｄｙ１〜Ｄｙｎはマルチ電子ビーム源の列方向配線１６と、高圧端子Ｈv はフェースプレートのメタルバック２１と電気的に接続している。
また、気密容器内部を真空に排気するには、気密容器を組み立てた後、不図示の排気管と排気ポンプを接続し気密容器内を１０-5Ｐａ程度の真空度まで排気する。その後、排気管を封止するが、気密容器内の真空度を維持するために、封止の直前あるいは封止後に気密容器内の所定の位置にゲッター膜（不図示）を形成する。ゲッター膜とは、たとえばＢａを主成分とするゲッター材料をヒーターもしくは高周波加熱により加熱し蒸着して形成した膜であり、該ゲッター膜の吸着作用により、気密容器内は１×１０-3ないしは１×１０-5Ｐａの真空度に維持される。
以上説明した表示パネルを用いた画像表示装置は、容器外端子Ｄｘ１ないしＤｘｍ、Ｄｙ１ないしＤｙｎを通じて各冷陰極電子放出素子１４に電圧を印加すると、各冷陰極電子放出素子１４から電子が放出される。それと同時にメタルバック２１に容器外端子Ｈv を通じて数ｋＶの高圧を印加して、上記放出された電子を加速し、フェースプレート１９の内面に衝突させる。これにより、蛍光膜２０をなす各色の蛍光体が励起されて発光し、画像が表示される。
通常、冷陰極電子放出素子である本発明の表面伝導型電子放出素子１４への印加電圧は１２〜１６［Ｖ］程度、メタルバック２１と冷陰極電子放出素子１４との距離ｄは１ｍｍから８ｍｍ程度、メタルバック２１と冷陰極電子放出素子１４間の電圧は３ｋＶから１５ｋＶ程度である。
以上、本発明の実施形態の表示パネルの基本構成と製法、及び画像表示装置の概要を説明した。
［マルチ電子ビーム源の構成および製造方法］
次に、前記実施形態の表示パネルに用いたマルチ電子ビーム源の製造方法について説明する。本発明の画像表示装置に関わる画像表示装置に用いるマルチ電子ビーム源は、冷陰極電子放出素子を単純マトリクス配線した電子源であれば、冷陰極電子放出素子の材料や形状あるいは製法に制限はない。したがって、たとえば表面伝導型電子放出素子やＦＥ型、あるいはＭＩＭ型などの冷陰極電子放出素子を用いることができる。
ただし、表示画面が大きくてしかも安価な表示装置が求められる状況のもとでは、これらの冷陰極電子放出素子の中でも、表面伝導型電子放出素子が特に好ましい。すなわち、ＦＥ型ではエミッタコーンとゲート電極の相対位置や形状が電子放出特性を大きく左右するため、極めて高精度の製造技術を必要とするが、これは大面積化や製造コストの低減を達成するには不利な要因となる。また、ＭＩＭ型では、絶縁層と上電極の膜厚を薄くてしかも均一にする必要があるが、これも、大面積化や製造コストの低減を達成するには不利な要因となる。その点、表面伝導型電子放出素子は、比較的製造方法が単純なため、大面積化や製造コストの低減が容易である。また、本発明者らは、表面伝導型電子放出素子の中でも、電子放出部もしくはその周辺部を微粒子膜から形成したものがとりわけ電子放出特性に優れ、しかも製造が容易に行えることを見いだしている。
したがって、高輝度で大画面の画像表示装置のマルチ電子ビーム源に用いるには、最も好適であると言える。そこで、上記実施形態の表示パネルにおいては、電子放出部もしくはその周辺部を微粒子膜から形成した表面伝導型電子放出素子を用いた。そこで、まず好適な表面伝導型放出素子について基本的な構成と製法および特性を説明し、その後で多数の素子を単純マトリクス配線したマルチ電子ビーム源の構造について述べる。
（表面伝導型電子放出素子の好適な素子構成と製法）
電子放出部もしくはその周辺部を微粒子膜から形成する表面伝導型電子放出素子の代表的な構成には、平面型と垂直型の２種類があげられる。
（平面型の表面伝導型電子放出素子）
まず最初に、平面型の表面伝導型電子放出素子の素子構成と製法について説明する。図５に示すのは平面型の表面伝導型電子放出素子の構成を説明するための平面図（ａ）および断面図（ｂ）である。図中、１３は基板、２７と２８は素子電極、２９は導電性薄膜、３０は通電フォーミング処理により形成した電子放出部、３１は通電活性化処理により形成した薄膜である。
基板１３としては、たとえば、石英ガラスや青板ガラスをはじめとする各種ガラス基板や、アルミナをはじめとする各種セラミックス基板、あるいは上述の各種基板上にたとえばＳｉＯ2 を材料とする絶縁層を積層した基板、などを用いることができる。
また、基板１３上に基板面と平行に対向して設けられた素子電極２７と素子電極２８は、導電性を有する材料によって形成されている。たとえば、Ｎｉ，Ｃｒ，Ａｕ，Ｍｏ，Ｗ，Ｐｔ，Ｔｉ，Ｃｕ，Ｐｄ，Ａｇ等をはじめとする金属、あるいはこれらの金属の合金、あるいはＩｎ2Ｏ3 −ＳｎＯ2 をはじめとする金属酸化物、ポリシリコンなどの半導体、などの中から適宜材料を選択して用いればよい。電極を形成するには、たとえば真空蒸着などの製膜技術とフォトリソグラフィー、エッチングなどのパターニング技術を組み合わせて用いれば容易に形成できるが、それ以外の方法（たとえば、印刷技術）を用いて形成してもさしつかえない。
素子電極２７と２８の形状は、当該電子放出素子の応用目的に合わせて適宜設計される。一般的には、電極間隔Ｌは通常は数百オングストロームから数百マイクロメーターの範囲から適当な数値を選んで設計されるが、なかでも表示装置に応用するために好ましいのは数マイクロメーターより数十マイクロメーターの範囲である。また、素子電極２７，２８の厚さｄについては、通常は数百オングストロームから数マイクロメーターの範囲から適当な数値が選ばれる。
また、導電性薄膜２９の部分には、微粒子膜を用いる。ここで述べた微粒子膜とは、構成要素として多数の微粒子を含んだ膜（島状の集合体も含む）のことをさす。微粒子膜を微視的に調べれば、通常は、個々の微粒子が離間して配置された構造か、あるいは微粒子が互いに隣接した構造か、あるいは微粒子が互いに重なり合った構造が観測される。
微粒子膜に用いた微粒子の粒径は、数オングストロームから数千オングストロームの範囲に含まれるものであるが、なかでも好ましいのは１０オングストロームから２００オングストロームの範囲のものである。また、微粒子膜の膜厚は、以下に述べるような諸条件を考慮して適宜設定される。すなわち、素子電極２７あるいは２８と電気的に良好に接続するのに必要な条件、後述する通電フォーミングを良好に行うのに必要な条件、微粒子膜自身の電気抵抗を後述する適宜の値にするために必要な条件、などである。具体的には、数オングストロームから数千オングストロームの範囲のなかで設定するが、なかでも好ましいのは１０オングストロームから５００オングストロームの間である。
また、導電性薄膜２９の微粒子膜を形成するのに用いられうる材料としては、たとえば、Ｐｄ，Ｐｔ，Ｒｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｔｉ，Ｉｎ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｚｎ，Ｓｎ，Ｔａ，Ｗ，Ｐｂ，などをはじめとする金属や、ＰｄＯ，ＳｎＯ2 ，Ｉｎ2Ｏ3 ，ＰｂＯ，Ｓｂ2Ｏ3 などをはじめとする酸化物や、ＨｆＢ2 ，ＺｒＢ2 ，ＬａＢ6 ，ＣｅＢ6 ，ＹＢ4 ，ＧｄＢ4 ，などをはじめとする硼化物や、ＴｉＣ，ＺｒＣ，ＨｆＣ，ＴａＣ，ＳｉＣ，ＷＣ，などをはじめとする炭化物や、ＴｉＮ，ＺｒＮ，ＨｆＮ，などをはじめとする窒化物や、Ｓｉ，Ｇｅ，などをはじめとする半導体や、カーボン、などがあげられ、これらの中から適宜選択される。
以上述べたように、導電性薄膜２９微粒子膜で形成したが、そのシート抵抗値については、１０3 から１０7 ［オーム／ｓｑ］の範囲に含まれるよう設定した。
なお、導電性薄膜２９と素子電極２７および２８とは、電気的に良好に接続されるのが望ましいため、互いの一部が重なりあうような構造をとっている。その重なり方は、図７の例においては、下から、基板１３、素子電極２７，２８、導電性薄膜２９の順序で積層したが、場合によっては下から基板１３、導電性薄膜２９、素子電極２７，２８の順序で積層してもさしつかえない。
また、電子放出部３０は、導電性薄膜２９の一部に形成された亀裂状の部分であり、電気的には周囲の導電性薄膜よりも高抵抗な性質を有している。亀裂は、導電性薄膜２９に対して、後述する通電フォーミングの処理を行うことにより形成する。亀裂内には、数オングストロームから数百オングストロームの粒径の微粒子を配置する場合がある。なお、実際の電子放出部の位置や形状を精密かつ正確に図示するのは困難なため、図７においては模式的に示した。
また、薄膜３１は、炭素もしくは炭素化合物よりなる薄膜で、電子放出部３０およびその近傍を被覆している。薄膜３１は、通電フォーミング処理後に、後述する通電活性化の処理を行うことにより形成する。
薄膜３１は、単結晶グラファイト、多結晶グラファイト、非晶質カーボン、のいずれかか、もしくはその混合物であり、膜厚は５００［オングストローム］以下とするが、３００［オングストローム］以下とするのがさらに好ましい。
以上、好ましい素子の基本構成を述べたが、本実施形態においては以下のような素子を用いた。
すなわち、基板１３には青板ガラスを用い、素子電極２７と２８にはＮｉ薄膜を用いた。素子電極の厚さｄは１０００［オングストローム］、電極間隔Ｌは２［マイクロメーター］とした。
微粒子膜の主要材料としてＰｄもしくはＰｄＯを用い、微粒子膜の厚さは約１００［オングストローム］、幅Ｗは１００［マイクロメーター］とした。
（平面型の表面伝導型放出素子の製造方法）
次に、好適な平面型の表面伝導型放出素子の製造方法について説明する。
図７（ａ）〜（ｄ）は、表面伝導型放出素子の製造工程を説明するための断面図で、各部材の表記は前記図５と同一である。
（１）まず、図７（ａ）に示すように、基板１３上に素子電極２７および２８を形成する。
形成するにあたっては、あらかじめ基板１３を洗剤、純水、有機溶剤を用いて十分に洗浄後、素子電極の材料を堆積させる。堆積する方法としては、たとえば、蒸着法やスパッタ法などの真空成膜技術を用いればよい。その後、堆積した電極材料を、フォトリソグラフィー・エッチング技術を用いてパターニングし、図７（ａ）に示した一対の素子電極（２７と２８）を形成する。
（２）次に、同図（ｂ）に示すように、導電性薄膜２９を形成する。
形成するにあたっては、まず図７（ａ）の基板に有機金属溶液を塗布して乾燥し、加熱焼成処理して微粒子膜を成膜した後、フォトリソグラフィー・エッチングにより所定の形状にパターニングする。ここで、有機金属溶液とは、導電性薄膜２９に用いる微粒子の材料を主要元素とする有機金属化合物の溶液である。具体的には、本実施形態では主要元素としてＰｄを用いた。また、実施形態では塗布方法として、ディッピング法を用いたが、それ以外のたとえばスピンナー法やスプレー法を用いてもよい。
また、微粒子膜で作られる導電性薄膜２９の成膜方法としては、本実施形態で用いた有機金属溶液の塗布による方法以外の、たとえば真空蒸着法やスパッタ法、あるいは化学的気相堆積法などを用いる場合もある。
（３）次に、図７（ｃ）に示すように、フォーミング用電源３２から素子電極２７と２８の間に適宜の電圧を印加し、通電フォーミング処理を行って、電子放出部３０を形成する。
通電フォーミング処理とは、微粒子膜で作られた導電性薄膜２９に通電を行って、その一部を適宜に破壊、変形、もしくは変質せしめ、電子放出を行うのに好適な構造に変化させる処理のことである。微粒子膜で作られた導電性薄膜のうち電子放出を行うのに好適な構造に変化した部分（すなわち電子放出部３０）においては、薄膜に適当な亀裂が形成されている。なお、電子放出部３０が形成される前と比較すると、形成された後は素子電極２７と２８の間で計測される電気抵抗は大幅に増加する。
通電方法をより詳しく説明するために、図８に、フォーミング用電源３２から印加する適宜の電圧波形の一例を示す。微粒子膜で作られた導電性薄膜２９をフォーミングする場合には、パルス状の電圧が好ましく、本実施形態の場合には同図に示したようにパルス幅Ｔ１の三角波パルスをパルス間隔Ｔ２で連続的に印加した。その際には、三角波パルスの波高値Ｖpfを、順次昇圧した。また、電子放出部３０の形成状況をモニターするためのモニターパルスＰｍを適宜の間隔で三角波パルスの間に挿入し、その際に流れる電流を電流計３３で計測した。
本実施形態においては、たとえば１．３×１０-1Ｐａ程度の真空雰囲気下において、たとえばパルス幅Ｔ１を１［ミリ秒］、パルス間隔Ｔ２を１０［ミリ秒］とし、波高値Ｖpfを１パルスごとに０．１［Ｖ］ずつ昇圧した。そして、三角波を５パルス印加するたびに１回の割りで、モニターパルスＰｍを挿入した。フォーミング処理に悪影響を及ぼすことがないように、モニターパルスの電圧Ｖpmは０．１［Ｖ］に設定した。そして、素子電極２７と２８の間の電気抵抗が１×１０6 Ωになった段階、すなわちモニターパルス印加時に電流計３３で計測される電流が１×１０-7Ａ以下になった段階で、フォーミング処理にかかわる通電で終了した。
なお、上記の方法は、本実施形態の表面伝導型放出素子に関する好ましい方法であり、たとえば微粒子膜の材料や膜厚、あるいは素子電極間隔Ｌなど表面伝導型放出素子の設計を変更した場合には、それに応じて通電の条件を適宜変更するのが望ましい。
（４）次に、図７（ｄ）に示すように、活性化用電源３４から素子電極２７と２８の間に適宜の電圧を印加し、通電活性化処理を行って、電子放出特性の改善を行う。
通電活性化処理とは、前記通電フォーミング処理により形成された電子放出部３０に適宜の条件で通電を行って、その近傍に炭素もしくは炭素化合物を堆積せしめる処理のことである。図７（ｄ）においては、炭素もしくは炭素化合物よりなる堆積物を部材３１として模式的に示した。なお、通電活性化処理を行うことにより、行う前と比較して、同じ印加電圧における放出電流を典型的には１００倍以上に増加させることができる。
具体的には、１０-1ないし１０-4Ｐａの範囲内の真空雰囲気中で、電圧パルスを定期的に印加することにより、真空雰囲気中に存在する有機化合物を起源とする炭素もしくは炭素化合物を堆積させる。堆積物３１は、単結晶グラファイト、多結晶グラファイト、非晶質カーボン、のいずれかか、もしくはその混合物であり、膜厚は５００［オングストローム］以下、より好ましくは３００［オングストローム］以下である。
通電方法をより詳しく説明するために、図９の（ａ）に、活性化用電源３４から印加する適宜の電圧波形の一例を示す。本実施形態においては、一定電圧の矩形波を定期的に印加して通電活性化処理を行ったが、具体的には、矩形波の電圧Ｖacは１４［Ｖ］，パルス幅Ｔ３は１［ミリ秒］，パルス間隔Ｔ４は１０［ミリ秒］とした。なお、上述の通電条件は、本実施形態の表面伝導型放出素子に関する好ましい条件であり、表面伝導型放出素子の設計を変更した場合には、それに応じて条件を適宜変更するのが望ましい。
図７（ｄ）に示す符号３５は該表面伝導型放出素子から放出される放出電流Ｉeを捕捉するためのアノード電極で、直流高電圧電源３６および電流計３７が接続されている。なお、基板１３を、表示パネルの中に組み込んでから活性化処理を行う場合には、表示パネルの蛍光面をアノード電極３５として用いる。活性化用電源３４から電圧を印加する間、電流計３７で放出電流Ｉe を計測して通電活性化処理の進行状況をモニターし、活性化用電源３４の動作を制御する。電流計３７で計測された放出電流Ｉe の一例を図９（ｂ）に示すが、活性化電源３４からパルス電圧を印加しはじめると、時間の経過とともに放出電流Ｉe は増加するが、やがて飽和してほとんど増加しなくなる。このように、放出電流Ｉe がほぼ飽和した時点で、活性化用電源３４からの電圧印加を停止し、通電活性化処理を終了する。
なお、上述の通電条件は、本実施形態の表面伝導型放出素子に関する好ましい条件であり、表面伝導型放出素子の設計を変更した場合には、それに応じて条件を適宜変更するのが望ましい。
以上のようにして、図５（ｂ）に示す平面型の表面伝導型放出素子を製造した。
（垂直型の表面伝導型電子放出素子）
次に、電子放出部もしくはその周辺を微粒子膜から形成した表面伝導型電子放出素子のもうひとつの代表的な構成、すなわち垂直型の表面伝導型電子放出素子の構成について説明する。
図１０は、垂直型の基本構成を説明するための模式的な断面図であり、図中の３８は基板、３９と４０は素子電極、４３は段差形成絶縁部材、４１は微粒子膜を用いた導電性薄膜、４２は通電フォーミング処理により形成した電子放出部、４４は通電活性化処理により形成した薄膜、である。
垂直型の表面伝導型電子放出素子が先に説明した平面型と異なる点は、片方の素子電極３９が段差形成部材４３上に設けられており、導電性薄膜４１が段差形成部材４３の側面を被覆している点にある。したがって、前記図４の平面型における素子電極間隔Ｌは、垂直型においては段差形成部材４３の段差高Ｌs として設定される。なお、基板３８、素子電極３９および４０、微粒子膜を用いた導電性薄膜４１については、前記平面型の説明中に列挙した材料を同様に用いることが可能である。また、段差形成部材４３には、たとえばＳｉＯ2 のような電気的に絶縁性の材料を用いる。
（垂直型の表面伝導型電子放出素子の製法）
次に、垂直型の表面伝導型電子放出素子の製法について説明する。図１１の（ａ）〜（ｅ）は、製造工程を説明するための断面図で、各部材の表記は前記図１０と同一である。
（１）まず、図１１（ａ）に示すように、基板３８上に素子電極４０を形成する。
（２）次に、同図（ｂ）に示すように、段差形成部材４３を形成するための絶縁層を積層する。絶縁層は、たとえばＳｉＯ2 をスパッタ法で積層すればよいが、たとえば真空蒸着法や印刷法などの他の成膜方法を用いてもよい。
（３）次に、同図（ｃ）に示すように、絶縁層の上に素子電極３９を形成する。
（４）次に、同図（ｄ）に示すように、絶縁層の一部を、たとえばエッチング法を用いて除去し、素子電極４０を露出させる。
（５）次に、同図（ｅ）に示すように、微粒子膜を用いた導電性薄膜４１を形成する。形成するには、前記平面型の場合と同じく、たとえば塗布法などの成膜技術を用いればよい。
（６）次に、前記平面型の場合と同じく、通電フォーミング処理を行い、電子放出部４２を形成する。なお、図７（ｃ）を用いて説明した平面型の通電フォーミング処理と同様の処理を行えばよい。
（７）次に、前記平面型の場合と同じく、通電活性化処理を行い、電子放出部４２近傍に炭素もしくは炭素化合物を堆積させる。この場合、図７（ｄ）を用いて説明した平面型の通電活性化処理と同様の処理を行えばよい。
以上のようにして、図１０に示す垂直型の表面伝導型放出素子を製造した。
（表示装置に用いた表面伝導型電子放出素子の特性）
以上、平面型と垂直型の表面伝導型電子放出素子について素子構成と製法を説明したが、次に表示装置に用いた素子の特性について述べる。
図１２に、表示装置に用いた素子の、（放出電流Ｉe ）対（素子電極印加電圧Ｖf）特性、および（素子電流Ｉf ）対（素子電極印加電圧Ｖf ）特性の典型的な例を示す。なお、放出電流Ｉe は素子電流Ｉf に比べて著しく小さく、同一尺度で図示するのが困難であるうえ、これらの特性は素子の大きさや形状等の設計パラメータを変更することにより変化するものであるため、２本のグラフは各々任意単位で図示した。
表示装置に用いた素子は、放出電流Ｉe に関して以下に述べる３つの特性を有している。
第一に、ある電圧（これを閾値電圧Ｖthと呼ぶ）以上の大きさの電圧を素子に印加すると、急激に放出電流Ｉe が増加するが、一方、閾値電圧Ｖth未満の電圧では放出電流Ｉe はほとんど検出されない。すなわち、放出電流Ｉe に関して、明確な閾値電圧Ｖthを持った非線形素子である。
第二に、放出電流Ｉe は素子に印加する電圧Ｖf に依存して変化するため、電圧Ｖf で放出電流Ｉe の大きさを制御できる。
第三に、素子に印加する電圧Ｖf （Ｖ）に対して素子から放出される電流Ｉe（μＡ）の応答速度が速いため、電圧Ｖf を印加する時間の長さによって素子から放出される電子の電荷量を制御できる。
以上のような特性を有するため、表面伝導型放出素子を表示装置に好適に用いることができた。たとえば多数の素子を表示画面の画素に対応して設けた表示装置において、第一の特性を利用すれば、表示画面を順次走査して表示を行うことが可能である。すなわち、駆動中の素子には所望の発光輝度に応じて閾値電圧Ｖth以上の電圧を適宜印加し、非選択状態の素子には閾値電圧Ｖth未満の電圧を印加する。駆動する素子を順次切り替えてゆくことにより、表示画面を順次走査して表示を行うことが可能である。
また、第二の特性かまたは第三の特性を利用することにより、発光輝度を制御することができるため、階調表示を行うことが可能である。
［実施例］
以下、本発明の具体的な実施例について図面を用いて説明する。
［実施例１］
本実施例では、図１に示すように、まず未フォーミングの複数の表面伝導型電子源１４を基板１３に形成した。基板１３として表面を清浄化した青板ガラスを用い、これに、図５に示した表面伝導型電子放出素子を１６０個×７２０個のマトリクス状に形成した。
素子電極２４、２５はＰｔスパッタ膜であり、Ｘ方向配線１５、Ｙ方向配線１６はスクリーン印刷法により形成したＡｇ配線である。導電性薄膜２６はＰｄアミン錯体溶液を焼成したＰｄＯ微粒子膜である。
画像形成部材であるところの蛍光膜２０は図６（ａ）に示すように、各色蛍光体がＹ方向に伸びるストライプ形状を採用し、黒色体２０ａとしては各色蛍光体間だけでなく、Ｘ方向にも設けることでＹ方向の画素間を分離しかつスペーサ２２を設置するための部分を加えた形状を用いた。先に黒色体（導電体）２０ａを形成し、その間隙部に各色蛍光体を塗布して蛍光膜２０を作成した。ブラックストライプ（黒色体２０ａ）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。フェースプレート１９に蛍光体を塗布する方法はスラリー法を用いた。
また、蛍光膜２０より内面側（電子源側）に設けられるメタルバック２１は、蛍光膜２０の作成後、蛍光膜２０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成した。フェースプレート１９には、更に蛍光膜２０の導電性を高めるため、蛍光膜２０より外面側（ガラス基板と蛍光膜の間）に透明電極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電性が得られたので省略した。
図２において、スペーサ２２は清浄化したソーダライムガラスからなる絶縁性基材２４（高さ３．８ｍｍ、板厚２００μｍ、長さ２０ｍｍ）上に、Ｉｎ2 Ｏ3 膜２３ａでディッピング法により成膜した。高純度化学研究所（株）製ＳＹＭ−ＩＮ０２の５倍希釈液に基板を浸漬した後、２０ｍｍ／ｍｉｎで引き上げ、１２０℃のオーブンで３分乾燥後、４５０℃で２時間焼成した。
これらの試料を第一層２３ａとして成膜後、第二層２３ｂの酸化イットリウムをディッピングにより成膜し試料Ａを作成した。高純度化学研究所（株）製ＳＹＭ−Ｙ０１の２倍希釈液に基板を浸漬した後、２０ｍｍ／ｍｉｎで引き上げ、１２０℃のオーブンで３分乾燥後、４５０℃で２時間焼成した。その結果を、第一層と第二層の材料、膜厚、抵抗値と、その成膜条件と、試料名を、次に示す。なお、膜の形状はＳＥＭで観察を行った。
また、スペーサ２２は、Ｘ方向配線およびメタルバックとの電気的接続を確実にするためにその接続部にＡｌによる電極２５を設けた。この電極２５はＸ方向配線１５からフェースプレートに向かって１５０μｍ、メタルバックからリアプレートに向かって１００μｍの範囲でスペーサ２２の４面を完全に被覆した。
その後、電子源１４の３．８ｍｍ上方にフェースプレート１９を側壁の支持枠１８を介して配置し、リアプレート１７、フェースプレート１９、支持枠１８およびスペーサ２２の接合部を固定した。スペーサはＸ方向配線１５上に等間隔に固定した。スペーサ２２はフェースプレート１９側では黒色体２０ａ（線幅３００μｍ）上に、Ａｕを被覆シリカ球を含有した導電性フリットガラス２６を用いることにより、帯電防止膜２３とフェースプレート１９との導通を確保した。なお、メタルバック２１とスペーサ２２とが当接する領域においては、メタルバック２１の一部を除去した。リアプレート１７と支持枠１８の接合部はフリットガラス（不図示）を塗布し、大気中で４２０℃で１０分以上焼成することで封着した。
以上のようにして完成したあと、排気管を通じ真空ポンプにて排気し、十分低い圧力に達した後、容器外端子Ｄｘ１〜ＤｘｍとＤｙ１〜Ｄｙｎを通じ電子放出素子１４の素子電極２７、２８間に電圧を印加し、導電性薄膜２９を通電処理（フォーミング処理）することにより電子放出部３０を形成した。フォーミング処理は、図１１に示した波形の電圧を印加することにより行った。
次に、排気管を通してアセトンを０．１３３Ｐa の圧力となるように真空容器に導入し、容器外端子Ｄｘ１〜Ｄｘｍと、Ｄｙ１〜Ｄｙｎに電圧パルスを定期的に印加することにより、炭素あるいは炭素化合物を堆積する通電活性化処理を行った。通電活性化は図１２に示すような波形を印加することにより行った。
次に、気密容器全体を２００℃に加熱しつつ１０時間真空排気した後、１０-4Ｐa 程度の圧力で、排気管をガスバーナーで熱することで溶着し封止を行った。
最後に、封止後の圧力を維持するために、ゲッター処理を行った。
以上のように完成した画像形成装置において、各電子放出素子１４には、容器外端子Ｄｘ１〜Ｄｘｍ、Ｄｙ１〜Ｄｙｎを通じ、走査信号及び画像信号である変調信号を、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を放出させ、メタルバック２１には、高圧端子Ｈv を通じて高圧を印加することにより放出電子ビームを加速し、蛍光膜２０に電子を衝突させ、蛍光体２０ｂを励起・発光させることで画像を表示した。なお高圧端子Ｈv への印加電圧Ｖa は１ｋ〜５ｋＶ、素子電極２７、２８間への印加電圧Ｖf は１４Ｖとした。この時、スペーサの試料Ｓに関しては上記駆動条件においてのスペーサ２２近傍のビームずれはないか、あっても非常に少なく、テレビ画像として問題のない範囲であった。
また、第一層Ｉｎ2 Ｏ3 膜の抵抗温度係数は、−０．３５％／℃であり、上記駆動条件において熱暴走することはなかった。
また、本実施例の概念的平面図を図１６に示したが、図１７にスペーサ２２の平面図及び断面図を示し、基材２４の表面に第一層２３ａとその表面に第二層２３ｂとがネットワーク状に被覆されている。ここで、スペーサ２２の表面を１００μｍ×１００μｍの範囲でＡＦＭ（Atomic Force Microscope）でスキャンニングしたところ、該範囲内に１００ｎｍ以上の高さの凸部で囲まれた複数の領域（凹部）が分散的に配置されていることが確認された。
こうして、第一層２３ａは、所定の抵抗値を示して、且つ第一層と第二層が帯電防止の効果を備え、上記駆動条件下で、スペーサ２２近傍で、スペーサ２２の帯電によるビームずれもなく、高品位な画像を視認できた。
［実施例２：島状とネットワーク構造の混合状態・２層とも導電性］
実施例２においては、第一層２３ａのＡｕ膜を真空成膜法により形成し成膜した。本実施例で用いたＡｕ膜はスパッタリング装置を用いてアルゴン雰囲気中でスパッタすることにより成膜した。５００℃、１時間の熱処理をし、比抵抗値を確認した。
この上に第二層２３ｂの酸化インジウムをディッピングにより成膜し、試料Ｔを作成した。高純度化学研究所（株）製ＳＹＭ−ＩＮ０２の１０倍希釈液に基板を浸漬した後２０ｍｍ／ｍｉｎで引き上げ、１２０℃のオーブンで３分乾燥後、４５０℃で２時間焼成した。なお、膜の形状はＳＥＭで観察を行い、このスペーサを用いてテレビ画像の比較を行った。試料の成膜条件と、試料名を次に示す。
なお、第二層２３ｂを成膜後のスペーサの比抵抗は１．０×１０4 Ωｃｍであった。
その後の組み立て工程は、実施例１と同様で行い、実施例１と同様の条件で駆動した。試料Ｔは、この駆動条件においてスペーサ近傍のビームずれはないか、あっても非常に少なく、テレビ画像として問題は無い範囲であった。
また、本実施例のスペーサ表面の概念的平面図及び断面図を、図１８に示し、基材２４の表面に島状の第一層２３ａとその表面にネットワーク状の第二層２３ｂとが被覆されている。なお、第一層２３ａは、所定の抵抗値を示して、且つ第一層と第二層が帯電防止の効果を備え、上記駆動条件下で、スペーサ２２近傍で、スペーサ２２の帯電によるビームずれもなく、高品位な画像を視認できた。
［実施例３：島状とネットワーク構造の混合状態］
実施例３においては、実施例２のスパッタのターゲットをＰｔに換えた以外は実施例２の第一層２３ａと同じ方法で第一層２３ａのＰｔを成膜し、５００℃、１時間の熱処理をし、比抵抗値を確認した。
この上に第二層２３ｂの酸化イットリウムをディッピングにより成膜し、試料Ｕ，Ｗを作成した。高純度化学研究所（株）製ＳＹＭ−Ｙ０１の２倍希釈液あるいは原液に基板を浸漬した後、２０ｍｍ／ｍｉｎで引き上げ、１２０℃のオーブンで３分乾燥後、４５０℃で２時間焼成した。なお、膜の形状はＳＥＭで観察を行い、このスペーサを用いてテレビ画像の比較を行った。試料の成膜条件と、試料名を次に示す。
その後の組み立て工程は、実施例１と同様で行い、実施例１と同様の条件で駆動した。試料Ｕ及びＷは、この駆動条件においてスペーサ近傍のビームずれはないか、あっても非常に少なくテレビ画像として全く問題のない範囲であった。
［実施例４：島状＋ネットワーク構造］
実施例４においては、実施例３と同じ方法で第一層２３ａを成膜し、この上に第二層２３ｂの酸化クロムをスピナー法にて形成した。高純度化学研究所（株）製ＳＹＭ−ＣＲ０１５をスピナーで塗布後、１２０℃のオーブンで３分乾燥、５００℃で１時間焼成した。なお、膜の形状はＳＥＭで観察を行い、このスペーサを用いてテレビ画像の比較を行った。試料の成膜条件と、試料名を次に示す。
その後の組み立て工程は、実施例１と同様で行い、実施例１と同様の条件で駆動した。試料Ｘはこの駆動条件においてスペーサ近傍のビームずれはないかあっても非常に少なく、テレビ画像として問題のない範囲であった。
［実施例５］
続いて、本発明に係る実施例５乃至１１を説明する。なお、本実施例５乃至実施例１１におけるスペーサ及び画像形成装置は以下のように作成した。
なお、以下の実施例では、第一層は、ほぼ平坦な膜とした。
本実施例では、図１に示すように、まず未フォーミングの複数の表面伝導型電子源１４を基板１３に形成した。基板１３として表面を清浄化した青板ガラスを用い、これに、図４及び図５に示した表面伝導型電子放出素子を１６０個×７２０個のマトリクス状に形成した。
素子電極２４、２５はＰｔスパッタ膜であり、Ｘ方向配線１５、Ｙ方向配線１６はスクリーン印刷法により形成したＡｇ配線である。導電性薄膜２６はＰｄアミン錯体溶液を焼成したＰｄＯ微粒子膜である。
画像形成部材であるところの蛍光膜２０は図６（ａ）に示すように、各色蛍光体がＹ方向に伸びるストライプ形状を採用し、黒色体２０ａとしては各色蛍光体間だけでなく、Ｘ方向にも設けることでＹ方向の画素間を分離しかつスペーサ２２を設置するための部分を加えた形状を用いた。先に黒色体（導電体）２０ａを形成し、その間隙部に各色蛍光体を塗布して蛍光膜２０を作成した。ブラックストライプ（黒色体２０ａ）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。フェースプレート１９に蛍光体を塗布する方法はスラリー法を用いた。
また、蛍光膜２０より内面側（電子源側）に設けられるメタルバック２１は、蛍光膜２０の作成後、蛍光膜２０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成した。フェースプレート１９には、更に蛍光膜２０の導電性を高めるため、蛍光膜２０より外面側（ガラス基板と蛍光膜の間）に透明電極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電性が得られたので省略した。
図１９において、スペーサ２２は清浄化したソーダライムガラスからなる絶縁性基材２４（高さ３．８ｍｍ、板厚２００μｍ、長さ２０ｍｍ）上に、Ｃｒ−Ａｌ2Ｏ3 サーメット膜２３ａを真空成膜法により形成し成膜した。本実施例で用いたＣｒ−Ａｌ2 Ｏ3 サーメット膜はスパッタリング装置を用いてアルゴン雰囲気中でＣｒとＡｌ2 Ｏ3 のターゲットを同時スパッタすることにより成膜した。
不図示の成膜室にアルゴンを０．７Ｐa 導入し、それぞれのターゲットにかける電力を変化することにより組成の調節を行ない、種々の抵抗値のスペーサを作成した。なお、比抵抗の値は後述する５００℃で一時間の熱処理後の値を示す。
これらの試料を第一層の導電膜２３として成膜後、第二層の酸化イットリウムをディッピングにより成膜し試料Ａを作成した。高純度化学研究所（株）製ＳＹＭ−Ｙ０１に基板を浸漬した後、２０ｍｍ／ｍｉｎで引き上げ、１２０℃のオーブンで３分乾燥後、４５０℃で２時間焼成した。試料Ｂ、試料Ｃともに同様の方法で成膜を行なった。この後に先ほど述べた５００℃、１時間の熱処理をすることによりスペーサ２２の作製を終了した。それぞれの試料の成膜条件と、試料名を次に示す。
なお、第一層は材料と、その膜の厚さと、比抵抗を示し、第二層は材料と、厚さと、成膜条件と、膜の形状とを示し、膜の形状はＡＦＭで観察を行った。
また、スペーサ２２は、Ｘ方向配線およびメタルバックとの電気的接続を確実にするためにその接続部にＡｌによる電極２５を設けた。この電極２５はＸ方向配線からフェースプレートに向かって１５０μｍ、メタルバックからリアプレートに向かって１００μｍの範囲でスペーサ２２の４面を完全に被覆した。
その後、冷陰極電子放出素子１４の３．８ｍｍ上方にフェースプレート１９を支持枠１８を介して配置し、リアプレート１３、フェースプレート１９、支持枠１８およびスペーサ２２の接合部を固定した。スペーサ２２はＸ方向配線１５上に等間隔に固定した。スペーサ２２はフェースプレート１９側では黒色体２０ａ（線幅３００μｍ）上に、Ａｕを被覆シリカ球を含有した導電性フリットガラス２６を用いることにより、導電膜２３とフェースプレート１９との導通を確保した。なお、メタルバック２１とスペーサ２２とが当接する領域においてはメタルバック２１の一部を除去した。リアプレート１７と支持枠１８の接合部はフリットガラス（不図示）を塗布し、大気中で４２０℃で１０分以上焼成することで封着した。
以上のようにして完成したあと、排気管を通じ真空ポンプにて排気し、十分低い圧力に達した後、容器外端子Ｄｘ１〜ＤｘｍとＤｙ１〜Ｄｙｎを通じ電子放出素子１４の素子電極２７、２８間に電圧を印加し、導電性薄膜２９を通電処理（フォーミング処理）することにより電子放出部３０を形成した。フォーミング処理は、図１１に示した波形の電圧を印加することにより行った。
次に排気管を通してアセトンを０．１３３Ｐa の圧力となるように真空容器に導入し、容器外端子Ｄｘ１〜Ｄｘｍと、Ｄｙ１〜Ｄｙｎに電圧パルスを定期的に印加することにより、炭素あるいは炭素化合物を堆積する通電活性化処理を行った。通電活性化は図９に示すような波形を印加することにより行った。
次に容器全体を２００℃に加熱しつつ１０時間真空排気した後、１０-4Ｐa 程度の圧力で、排気管をガスバーナーで熱することで溶着し封止を行った。
最後に、封止後の圧力を維持するために、ゲッター処理を行った。
以上のように完成した画像形成装置において、各冷陰極電子放出素子１４には、容器外端子Ｄｘ１〜Ｄｘｍ、Ｄｙ１〜Ｄｙｎ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を放出させ、メタルバック２１には、高圧端子Ｈv を通じて高圧を印加することにより放出電子ビームを加速し、蛍光膜２０に電子を衝突させ、蛍光体２０ｂを励起・発光させることで画像を表示した。なお高圧端子Ｈv への印加電圧Ｖa は１〜５ｋＶ、素子電極２７、２８間への印加電圧Ｖf は１４Ｖとした。この時、スペーサの試料Ａ，Ｂに関しては、上記駆動条件においてのスペーサ２２近傍のビームずれはないか、あっても非常に少なく、テレビ画像として問題のない範囲であった。
また、第一層のＣｒ−Ａｌ2Ｏ3 サーメット膜の抵抗温度係数は−０．３％／℃から−０．３３％／℃であり、上記駆動条件において熱暴走することはなかった。
［実施例６］
実施例６においては実施例５で述べたのと同じ方法で第一層を成膜し、第二層の膜厚を変えたスペーサを用いてテレビ画像の比較を行った。第二層の材料にはＹ2 Ｏ3 を用い、成膜条件は実施例５の試料Ｅと同様に成膜を行なった。膜厚を薄くする場合は原料をキシレンで希釈し、厚くする場合はディッピングから焼成を繰り返し膜厚の調整を行なった。作成した試料は以下の通りである。
その後の組み立て工程は実施例５と同様で行い、実施例５と同様の条件で駆動した。試料Ｄ、Ｅ、Ｆについてはこの駆動条件においてスペーサ近傍のビームずれはないか、あっても非常に少なく、テレビ画像として問題のない範囲であった。
［実施例７］
実施例７においては、第一層２３ａの材料にＣｒ−Ａｌ2Ｏ3 サーメット膜を用いた。第二層２３ｂに関してはＣｒ2Ｏ3 とＹ2Ｏ3 の混合物、およびＮｂ2Ｏ5 とＹ2Ｏ3 の混合物を用いた。具体的にはＣｒ2Ｏ3 とＹ2Ｏ3 の混合物はＳＹＭ−ＣＲ０１５（高純度化学研究所（株）製）とＳＹＭ−Ｙ０１を１対１の比で混合したものを、また、Ｎｂ2Ｏ5 とＹ2Ｏ3 の混合物はＳＹＭ−ＮＢ０５（高純度化学研究所（株）製）とＳＹＭ−Ｙ０１を１対１の比で混合したものを原料として用い、成膜に関しては実施例５と同様に行なった。作成した試料は以下の通りである。
第二層の膜の形状…ネットワーク構造、１露出面の面積：平均０.２平方μｍ
その後の組み立て工程は実施例５と同様の条件で駆動した。試料Ｊに関してはこの駆動条件においてスペーサ近傍のビームずれはないか、あっても非常に少なく、テレビ画像として問題のない範囲であった。
［実施例８］
実施例８においては、実施例７と同様に第一層２３ａの材料にＣｒ−Ａｌ2Ｏ3サーメット膜、第二層２３ｂにはＣｒ2Ｏ3 とＹ2Ｏ3 の混合物を用いた。ただし、塗布方法をディッピング法からスピナー法、およびスプレー法に変更した以外は実施例４と同様の成膜方法で成膜を行なった。作成した試料は以下の通りである。
その後の組み立て工程は実施例５と同様の条件で駆動した。試料Ｋ，Ｌに関してはこの駆動条件においてスペーサ近傍のビームずれはないか、あっても非常に少なく、テレビ画像として問題のない範囲であった。
［実施例９］
実施例９においては、実施例５で述べたのと同じ方法で第一層を成膜後、成膜装置から取り出すことなく、真空に保ったまま、その上に第二層２３ｂとして高抵抗層２３ｂを形成した。ここではＣｒ2Ｏ3 を例にして説明する。ターゲットはＣｒ2Ｏ3 の焼結体を用いた。これらの試料を第一層として成膜後、成膜装置を真空に保ったままそれぞれその上に第二層２３ｂとして高抵抗膜２３ｂを成膜した。本実施例では高抵抗膜２３ｂの材料についてはＣｒ2Ｏ3 、Ｎｂ2Ｏ5 、Ｙ2Ｏ3 の三種類を選んだ。これは以下にように成膜をした。まず、第一層のＣｒ−Ａｌ2Ｏ3 サーメット膜を成膜した後、そのまま真空チャンバーから取り出すことなく、第二層の成膜を行う。
ここでは、Ｃｒ2Ｏ3 を例にして説明する。ターゲットはＣｒ2Ｏ3 の焼結体を用いた。成膜室にアルゴン、酸素をそれぞれ分圧で０．４Ｐa 、０．１Ｐa 導入した。ターゲットへの投入電力は３．８Ｗ／ｃｍ2 とし、成膜時間を１１分間とすることで約１１ｎｍの膜厚の酸化クロム層を得た。Ｎｂ2Ｏ5 、Ｙ2Ｏ3 ともに同様の方法で成膜条件を変えることにより成膜を行なった。この後に先ほど述べた５００℃、１時間の熱処理をすることによりスペーサ２２の作製を終了した。それぞれの試料の成膜条件と、試料名を次に示す。
その後の組み立て工程は実施例５と同様で行い、実施例５と同様の条件で駆動した。試料Ｍ，Ｎ，Ｐについてはこの駆動条件においてスペーサ近傍のビームずれはないか、あっても非常に少なく、テレビ画像として問題のない範囲であった。
以上、実施例を挙げて説明したように、本願本発明においては、スペーサにネットワーク状の構成を有することにより、好適に帯電を抑制することができる。また、上記実施例のごとく、２層構成とし、材料選択や製造方法の自由度や製造容易性を増やすこともできる。
［産業上の利用可能性］
以上のように、本発明は、フラット・パネル・ディスプレイと呼ばれる壁型テレビのような大画面で薄型のディスプレイパネルに用いることにより、密閉容器内部の超低気圧に維持するスペーサとして、容器内部での帯電・放電のない高画質・高品質の画像を長期間に亘って維持することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の実施例である画像表示装置のスペーサ近傍の断面模式図である。
図２は、本発明で用いたスペーサの断面模式図である。
図３は、本発明の実施例である画像表示装置の、表示パネルの一部を切り欠いて示した斜視図である。
図４は、本実施例で用いたマルチ電子ビーム源の基板の平面図である。
図５は、実施例で用いた平面型の表面伝導型放出素子の平面図（ａ），断面図（ｂ）である。
図６は、表示パネルのフェースプレートの蛍光体配列を例示した平面図である。
図７は、平面型の表面伝導型放出素子の製造工程を示す断面図である。
図８は、通電フォーミング処理の際の印加電圧波形図である。
図９は、通電活性化処理の際の印加電圧波形（ａ）、放出電流Ｉe の変化（ｂ）の形態図である。
図１０は、実施例で用いた垂直型の表面伝導型放出素子の断面図である。
図１１は、垂直型の表面伝導型放出素子の製造工程を示す断面図である。
図１２は、実施例で用いた表面伝導型放出素子の典型的な特性を示すグラフである。
図１３は、本発明の実施例で用いたネットワーク構造と島状の混合状態の構造である第一層または第二層の拡大図である。
図１４は、本発明の実施例で用いたネットワーク構造である第一層または第二層の拡大図である。
図１５は、本発明の実施例で用いたネットワーク構造である第一層または第二層の拡大図である。
図１６は、本発明の実施例で用いたスペーサの平面図と断面図である。
図１７は、本発明の実施例で用いたスペーサの平面図と断面図である。
図１８は、本発明の実施例で用いたスペーサの平面図と断面図である。
図１９は、本発明で用いたスペーサの断面模式図である。
図２０は、本発明の実施例で用いたネットワーク構造と島状の混合状態の構造である第一層または第二層の拡大図である。
図２１は、本発明の実施例で用いたネットワーク構造である第一層または第二層の拡大図である。
図２２は、本発明の実施例で用いた島状である第一層または第二層の拡大図である。
図２３は、従来知られた表面伝導型放出素子の一例図である。
図２４は、従来知られたＦＥ型素子の一例図である。
図２５は、従来知られたＭＩＭ型素子の一例図である。
本発明は電子線装置に関する。また特に、電子源と電子の被照射体の間の間隔を維持するスペーサを備えた電子線装置及び画像形成装置に関する。
［背景技術］
従来から、電子放出素子として熱陰極素子と冷陰極素子の２種類が知られている。このうち熱陰極素子はブラウン管等に用いられているが、冷陰極素子では、たとえば表面伝導型電子放出素子や、電界放出型素子（以下ＦＥ型と記す）や、金属／絶縁層／金属型放出素子（以下ＭＩＭ型と記す）、などが知られている。
この表面伝導型電子放出素子は、基板上に形成された小面積の薄膜に、膜面に平行に電流を流すことにより、電子放出が生ずる現象を利用するものである。この表面伝導型放出素子としては、エリンソン等によるＳｎＯ2 薄膜を用いたもの[M.I.Elinson,Radio Eng.Electron Phys.,10,1290,(1965)]、Ａｕ薄膜によるもの[G.D Mitter:“Thin Solid Films",9,317(1972)]や、Ｉｎ2 Ｏ3／ＳｎＯ2 薄膜によるもの[M.Hartwell And C.G.Fonstad:“IEEE Trans.ED Conf.",519(1975)]や、カーボン薄膜によるもの［荒木久 他：真空、第２６巻、第１号、２２（１９８３）］等が報告されている。
これらの表面伝導型放出素子の素子構成の典型的な例として、図２４に前述のM.Hartwellらによる素子の平面図を示す。同図において、１は基板で、２はスパッタで形成された金属酸化物よりなる導電性薄膜である。導電性薄膜２は図示のようにＨ字形の平面形状に形成されている。該導電性薄膜２に通電フォーミングと呼ばれる通電処理を施すことにより、電子放出部３が形成される。
通電フォーミングは、前記導電性薄膜２の両端に一定の直流電圧、もしくは、例えば１Ｖ／分程度の非常にゆっくりとしたレートで昇圧する直流電圧を印加して通電し、導電性薄膜２を局所的に破壊もしくは変形もしくは変質せしめ、電気的に高抵抗な状態の電子放出部３を形成することである。尚、局所的に破壊もしくは変形もしくは変質した導電性薄膜２の一部には、亀裂が発生する。前記通電フォーミング後に導電性薄膜２に適宜の電圧を印加した場合には、前記亀裂付近の電子放出部３において電子放出が行われる。
通電フォーミング処理の後、通電活性化処理として、真空雰囲気中で、電圧パルスを定期的に印加することにより、真空雰囲気中に存在する有機化合物を起源とする炭素もしくは炭素化合物を電子放出部３に堆積させる。この通電活性化処理により、安定した電子放出の効果が発揮される。
また、ＦＥ型の例は、たとえば、W.P.Dyke&W.W.Dolan,“Field Emission",Advance in Electron Physics,8,89(1956)や、あるいは、C.A.Spindt,“Physical Properties of Thin-Film Field Emission cathodes with molybdenium Cones",J.Appl.Phys.,47,5248(1976)などが知られている。
ＦＥ型の素子構成の典型的な例として、図２５に前述のC.A.Spindtらによる素子の断面図を示す。同図において、４は基板で、５は導電材料よりなるエミッタ配線、６はモリブデン等のエミッタコーン、７は絶縁層、８はゲート電極である。本電子放出素子は、エミッタコーン６とゲート電極８の間に適宜の電圧を印加することにより、エミッタコーン６の先端部より電界放出を起こさせ、上部に設けた高圧電極に向かって電子が放出される。
また、ＦＥ型の他の素子構成として、図２５のような円錐型の積層構造以外に、基板上に基板平面とほぼ平行にエミッタとゲート電極を配置した例もある。
ＭＩＭ型の例としては、たとえば、C.A.Mead,“Operation of Tunnel-Emission Devices,J.Appl.Phys.,32,646(1961)などが知られている。ＭＩＭ型の素子構成の典型的な例を図２６に示す。同図は断面図であり、図において、９は基板で、１０は金属よりなる下電極、１１は厚さ１００オングストローム程度の薄い絶縁層、１２は厚さ８０〜３００オングストローム程度の金属よりなる上電極である。ＭＩＭ型においては、上電極１２と下電極１０の間に適宜の電圧を印加することにより、上電極１２の表面より電子放出を起こさせるものである。
上述した各種冷陰極素子は、熱陰極素子と比較して低温で電子放出を得ることができるため、加熱用ヒーターを必要としない。したがって、熱陰極素子よりも構造が単純であり、微細な素子を作成可能である。また、基板上に多数の素子を高い密度で配置しても、基板の熱溶融などの問題が発生しにくい。また、熱陰極素子がヒーターの加熱により動作するため応答速度が遅いのとは異なり、冷陰極素子の場合には応答速度が速いという利点もある。
冷陰極素子の応用については、画像表示装置、画像記録装置などの画像形成装置や、荷電ビーム源等がある。
特に冷陰極素子を画像表示装置へ応用した例として、本出願人によるＵＳＰ５，０６６，８３３や特開平２−２５７５５１号公報や特開平４−２８１３７号公報において開示されているように、表面伝導型放出素子と、電子ビームの照射により発光する蛍光体とを組み合わせて用いた画像表示装置が研究されている。表面伝導型放出素子と、電子ビームの照射により発光する蛍光体とを組み合わせて用いて発光する画像表示装置がある。
また、ＦＥ型を多数個ならべて画像表示装置に応用した例として、R.Meyerらにより報告された平板型表示装置が知られている[R.Meyer:“Recent Development on Microchips Display at LETI",Tech.Digest of 4th Int.Vacuum Micro Electronics Conf.,Nagahama,pp.6〜9(1991)]。
また、ＭＩＭ型を多数個ならべて画像表示装置に応用した例は、本出願人による特開平３−５５７３８号公報に開示されている。
中でも表面伝導型電子放出素子は、構造が単純で製造も容易であることから、大面積に多数の素子を形成しやすい利点がある。
表面伝導型電子放出素子と蛍光体とを組み合わせて用いた画像表示装置は、液晶表示装置と比較すると、自発光型であるためバックライトを必要としない点や、視野角が広い点が優れている。
平面型画像表示装置は上述した電子放出素子を平面基板に多数配置し、これと対向して電子により発光する蛍光体が配置される。電子放出素子は基板に二次元マトリクス状に配列され（マルチ電子源と呼ぶ）、各素子は行方向配線と列方向配線に接続される。画像表示方式の一例として、以下の単純マトリクス駆動がある。
マトリクス中の任意の一行から電子を放出させるためには、行方向に選択電圧を印加し、これと同期して列配線に信号電圧を印加する。
選択された行の電子放出素子より放出した電子は蛍光体に向かって加速され、蛍光体を励起、発光させる。行方向に順次選択電圧を印加することにより画像が表示される。
二次元マトリクス状に電子放出素子が形成された基板（リアプレート）と、蛍光体と加速電極が形成された基板（フェースプレート）間は真空に保たれる必要がある。リアプレートとフェースプレートには大気圧が加わるため、表示装置が大型化するに伴い、大気圧を支持する厚みの基板が必要となる。しかし、これは重量の増加を招くためリアプレートとフェースプレート間に支持部材（スペーサ）を挿入することによりリアプレートとフェースプレート間隔を一定に保つとともに、リアプレートとフェースプレートの破損を防ぐ構造が取られる。
スペーサは大気圧を支持するために十分な機械的強度が求められ、リアプレートとフェースプレート間を飛翔する電子の軌道に大きく影響してはならない。電子軌道に影響を与える原因はスペーサの帯電である。スペーサ帯電は電子源から放出した電子の一部あるいはフェースプレートで反射した二次電子がスペーサに入射し、さらにスペーサから二次電子が放出されることにより、あるいは電子の衝突により電離したイオンが表面に付着することによるものと考えられる。
スペーサが正帯電するとスペーサ近傍を飛翔する電子がスペーサに引き寄せられるため、スペーサ近傍で表示画像に歪みを生ずる。帯電の影響はリアプレートとフェースプレート間隔が大きくなるに従い顕著になる。
一般に帯電を抑制する手段として、帯電面に導電性を付与し、若干の電流を流すことで電荷を除去することが行なわれる。この概念をスペーサに応用しスペーサ表面を酸化スズで被覆する手法が特開昭５７−１１８３５５号公報に開示されている。また、特開平３−４９１３５号公報にはＰｄＯ系ガラス材で被覆する手法が開示されている。
また、画像表示装置として輝度が高いことは重要な要素である。フェースプレートに形成されている蛍光体を効率よく発光させるためには、高い電圧で加速した電子を蛍光体に照射すればよく、十分な効率で発光させるためにはスペーサの高さを１〜８ｍｍ程度として、加速電極電圧を３ｋＶ以上に、望ましくは５ｋＶ以上に加速するとよい。したがって、リアプレートとフェースプレート間には数ｋＶ以上の電圧が印加されていることになり、スペーサ両端にもこれとほぼ同電位の電圧が印加される。スペーサに使われる材料は加速電圧の印加において放電しないことが求められる。
沿面放電耐圧の向上手段として、二次電子放出率が小さい材料で表面を被覆すると効果的である。二次電子放出率が小さい材料で被覆した例として、酸化クロム(T.S.Sudarshan and J.D.Cross:IEEE Tran.EI-11,32(1976))、酸化銅(J.D.Cross and T.S.sudarshan:IEEE Tran.EI-9146(1974))が知られている。
また、スペーサに関わる先行技術として、ＵＳＰ５,５９８,０５６，ＵＳＰ５,６９０,５３０，ＵＳＰ５,５６１,３４０，ＵＳＰ５,８１１,９１９，ＥＰＡ１７２５４１８，が知られている。
上述したように、上記のスペーサに係わる機能上の問題を解決するべく、鋭意開発を進めており、本願に係わる発明は、開発したスペーサを用いて好適な電子線装置を実現することを課題とする。特には、電子線装置において、電子源と電子の被照射体の間にたとえばスペーサのごとき部材を有する際の、該第１の部材での帯電を抑制することができる構成を実現することを課題とする。
また、電子源と電子の被照射体の間にたとえばスペーサのごとき部材を有する際の、該第１の部材の少なくとも表面近傍に望ましい導電性を与えることができる構成を実現することを課題とする。また特には、電子源より放出された電子を、電子源の電位に対して３ｋＶ以上の電位差となる電位により加速し、前記電子により蛍光体を発光させる画像表示装置に代表される画像形成装置に好適なスペーサを実現することを課題とする。
［発明の開示］
本願に関わる電子線装置の発明の一つは以下のように構成される。
本発明は、電子を放出する電子源と、該電子が照射される被照射体と、前記電子源と前記被照射体との間に配置される第１の部材とを有する電子線装置において、
前記第１の部材は基体と該基体上に形成された膜とを有するとともに、前記膜は第一層と第二層とを有し、前記第一層が一部露出するように前記第二層が設けられることで、前記膜の表面に凹凸形状が形成され、
前記凹凸形状が凸部で連続的に取り囲まれた凹部を有することを特徴とする。
ここで、前記下地が一部露出している膜の下地が導電性を有すると好適である。特に、該下地が、基体上に設けられた導電性を有する膜であると好適である。とくに該導電性が半導電性であると好適である。また、ここでいう下地の露出とは、電子的に見て露出とみなせるものであればよい。具体的には、評価手段として、加速電圧１ｋＶ、入射角７５度でスペーサ表面の構造を評価し、ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）像上にて、下地（下層）の構造として符合するような結晶粒界、軸性等が確認される場合を下地が露出しているとする。
また、上述の下地が一部露出している膜を用いる構成において、前記下地が一部露出している膜が被覆している面積を、下地が露出している面積で割った値が、１／３以上１００以下となる１００μｍ×１００μｍの領域を前記第１の部材が有していると好適である。また、前記下地が一部露出している各部分の面積の平均値が５０００平方μｍ以下となる１００μｍ×１００μｍの領域を第１の部材が有していると好適である。また、前記下地が一部露出している各部分の幅の平均値が７０μｍ以下となる１００μｍ×１００μｍの領域を第１の部材が有していると好適である。
また、前記下地が一部露出する膜が絶縁性の膜であってもよい。特に下地が導電性を有するものであるときには、前記第１の部材にある程度の導電性を与える場合であっても、下地が一部露出する膜は導電性を持たなくてもよいため、材料の選択の自由度が増える。前記下地が一部露出する膜の抵抗値は、体積抵抗で１０4Ωｍ以上１０8Ωｍ以下であったりする。
また、前記下地が一部露出する膜の２次電子放出係数が、下地の２次電子放出係数よりも小さい構成をとることができる。上記発明において、たとえば、前記第１の部材は、前記電子源と前記被照射体の間の間隔を維持するスペーサであったりする。
上記発明は、前記第１の部材が、前記電子源が放出する電子の軌道に対して、該第１の部材において帯電が生じた場合に、該帯電によって実質的に変化を与える位置に設けられる部材であるときに特に好適に適用できる。
［発明を実施するための最良の形態］
本発明による実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
［画像形成装置の表示パネル］
図３は本実施形態による画像表示装置の応用例としての表示パネルの斜視図である。内部構造を示すためにパネルの一部を切り欠いて示している。図３中、１３は電子放出部を搭載した基板、１４は電子放出部を有する電子放出素子、１５は電子放出素子１４に印加するｘ軸の行方向の配線、１６は電子放出素子１４に印加するｙ軸の列方向の配線、１７はリアプレート、１８は側壁、１９はフェースプレートであり、符号１７〜１９により表示パネルの内部を真空に維持するための気密容器を形成している。また、２０はフェースプレート１９内に設けられた発光材料の蛍光体、２１は高圧電極として電子流を吸引するメタルバックである。
この気密容器を組み立てるにあたっては、各部材の接合部に十分な強度と気密性を保持させるため封着する必要があるが、例えばフリットガラスを接合部に塗布し、大気中あるいは窒素雰囲気中で、摂氏４００〜５００℃で１０分以上焼成することにより封着を達成した。気密容器内部を真空に排気する方法については後述する。また、上記気密容器の内部は１０-4Ｐa 程度の真空に保持されるので、大気圧や不意の衝撃などによる気密容器の破壊を防止する目的で耐大気圧構造体として、スペーサ２２が設けられている。
［表示パネル内のスペーサ］
次に本発明を適用した画像表示装置の表示パネルの構成と製造法について、具体的な例を示して説明する。図１は、スペーサ２２を中心とした表示装置断面模式図である。図３と同一個所には同一符号を付して、重複する説明を省略する。図において、１３は基板、１４は冷陰極電子源、１７はリアプレート、１８は側壁、１９はフェースプレートであり、符号１７〜１９により外囲器を構成し、本表示パネルの内部を真空に維持するための気密容器を形成している。
リアフェース１７には、絶縁層５７の上に行方向の配線１５が形成されており、またフェースプレート１９は該透明ガラス基材から蛍光体２０と、高圧電極となるメタルバック２１とで構成されている。または該透明ガラス基材からＩＴＯ等の透明電極と、蛍光体とが積層されていてもよい。本実施形態では蛍光体２０として説明する。また、スペーサ２２は、絶縁性基材２４と、その上に覆った第一層２３ａと、その上の第二層２３ｂとからなり、リアプレート１７側には、低抵抗膜２５でスペーサ２２の下部を覆い、導電性接着剤２６で行方向の配線１５上に接着して固着される。また、フェースプレート１９側には低抵抗膜２５でスペーサ２２の上部を覆い、導電性接着剤２６でメタルバック２１下に接着して固着される。
スペーサ２２は、外囲器内を真空にすることにより、特にリアプレート１７及びフェースプレート１９間に加わる大気圧を受けて、外囲器が破損あるいは変形するのを避けるために設けられる。スペーサ２２の材質、形状、配置、配置本数は、外囲器の形状と各寸法ならびに熱膨張係数等、外囲器の受ける大気圧、熱等を考慮して決定される。また、スペーサ２２の形状には平板型、十字型、Ｌ字型、円筒形、格子型等がある。
スペーサ２２中の基材たる絶縁性基材２４は、電子放出素子が形成されたリアプレート１７、蛍光体２０が形成されたフェースプレート１９とほぼ同一の熱膨張特性の材料であることが望ましい。あるいは、絶縁性基材２４の弾性が高く、熱変形を容易に吸収するものであってもよい。フェースプレート１９及びリアプレート１７にかかる大気圧を支持する必要から、ガラス、セラミクス等機械的強度の高く、耐熱性の高い材料が適する。フェースプレート１９、リアプレート１７の材質としてガラスを用いた場合、表示装置作製行程中の熱応力を抑えるために、スペーサ２２の絶縁性基材２４はできるだけこれらの材質と同じものか、同様の熱膨張係数の材料であることが望ましい。
［スペーサ］
本願の発明者は、スペーサ２２の帯電を抑制する構成を検討した結果、図２に示すように、スペーサの表面に凹凸が形成されており、特に、凸部がネットワーク形状を構成していること、もしくは凸部で連続的に取り囲まれた凹部を有すること、により、帯電を抑制することができることを見出した。ここで、ネットワーク形状とは、凸部が互いにつながり、網目状の構造、もしくは多孔質構造、もしくはスポンジ構造を表面を有している状態である。また、本願発明においては、凹凸形状に等高線を引いたときに、凹部が、凹部の最深部から少なくとも１００ｎｍの高さの等高線が連続的に引けるように凸部で囲まれて構成されているとよい。
ネットワーク構造は、帯電抑制に効果的であり、凹部を取り囲む高さが低い場合でも効果は生じるが、好適には、ネットワーク状の凸部で囲まれる凹部の最深部から、１００ｎｍ以上の高さを有する凸部でネットワークが構成されているとよい。特に、本願発明に係わるネットワーク状の構造、もしくは凸部で囲まれる凹部が、少なくとも帯電しやすい領域に構成されているとよく、特には、凹部が分散的に存在するとよい。具体的には、スペーサの表面において、表面に平行で且つ互いに直交行する２軸での断面を見たときに、いずれの軸に沿っても凹凸が構成されている状態が、上記２軸をスペーサ表面の面に平行な如何なる方向に設定しても実現されるようにしているとよい。また、スペーサ表面に、上述の凹部を複数含む１００μｍ×１００μｍの領域を有するとよい。
また、本願の発明者は、特に前記凹凸形状の少なくとも凸部は該凹凸を形成する層の下地とは異なる組成を有しており、凹部において、下地が露出している構成が特に好適であることを見出した。特に、第二層に用いることのできるＣｒ2Ｏ3 、Ｎｂ2Ｏ5 、Ｙ2Ｏ3 などの二次電子放出効率が小さい材料を含む組成の膜が、極めて有効である。
図２は、スペーサ２２の構成をあらわす模式図であり、ガラス等の絶縁性基体２４上に半導電性を有する第一層２３ａ及び酸化物の絶縁層又は半導電性層である第二層２３ｂが形成されている。
第一層２３ａはスペーサ２２表面に帯電した電荷を除去し、スペーサ２２が大きく帯電しないようにする。また、第二層２３ｂは二次電子放出効率の小さい材料とすることにより、帯電電荷を抑え、また、第一層２３ａ、第二層２３ｂは共にスペーサ２２上での二次電子の放出を押さえるものである。第二層２３ｂの構造は第一層２３ａ露出部の面積と第二層２３ｂ被覆部の面積比が３：１以上１：１００以下であるネットワーク構造、または島状構造とネットワーク構造の混合状態であることが好ましく、さらに任意の１００μｍ×１００μｍを観察した場合、第一層２３ａの露出面と第二層２３ｂとが混在している状態であることが望ましい。また、本実施形態の第二層２３ｂがネットワーク構造である場合は、一つの露出部の面積平均値が５０００平方μｍ以下であるが、より好ましくは２５００平方μｍ以下であることが望ましい。また、第二層２３ｂがネットワーク構造、または島状構造とネットワーク構造の混合状態である場合は、露出部の幅の平均値が７０μｍ以下であり、より好ましくは５０μｍ以下である。
ここで、本実施形態では、ネットワーク構造もしくはネットワーク構造と島状構造の混合状態という表現で、第一層２３ａの露出部と第二層２３ｂの構造とを表現しており、具体的には後述の図１３乃至図１６に示すような形状であり、第二層２３ｂの構造を主に形状を表せば、上述したネットワーク構造もしくは、ネットワーク構造と島状の混合状態として表現したが、多孔質構造とか、スポンジ構造、或いは網目構造という表現であってもよい。すなわち、凸部で囲まれる凹部が凹部点在しており、該凸部がつながりあっていればよい。
また、第一層２３ａの抵抗値は、スペーサ２２表面が帯電することなく電荷を速やかに除電するのに十分な電流がスペーサ２２に流れる値に設定される。したがって、スペーサ２２に適する抵抗値は帯電量により設定される。帯電量は電子源からの放出電流と、スペーサ２２表面の二次電子放出率に依存するが、第二層２３ｂに含まれるＣｒ2Ｏ3 、Ｎｂ2Ｏ5、Ｙ2Ｏ3 などは二次電子放出率が小さい材料であるために、大きな電流を流す必要がない。第一層２３ａのシート抵抗が１０12Ω以下であれば、ほとんどの使用条件に対応できると考えられるが、１０11Ω以下であれば申し分ない。一方抵抗値の下限はスペーサ２２における消費電力で制限され、画像表示装置全体の消費電力が過度に増加せず、したがってスペーサ２２の抵抗は装置全体の発熱に大きく影響しない値に選ばれなければならない。因みに、抵抗率が１０-6Ω・ｍ以下のものは導体、１０8Ω・ｍ以上のものは絶縁体と一般に称されており、第一層２３ａの抵抗率は半導電性材料として、１０-6Ω・ｍ以上、１０8Ω・ｍ以下の範囲内に設定される。
スペーサ２２に使用する第一層２３ａ、第二層２３ｂとしては、抵抗温度係数が正であるか、負であってもその絶対値が１％／℃である材料を用いることが望ましい。スペーサ２２の抵抗温度係数が正の場合には温度上昇とともに抵抗値が増加するため、スペーサ２２での発熱が抑制される。逆に抵抗温度係数が負であると、スペーサ２２表面で消費される電力による温度上昇で抵抗値が減少し、更に発熱し温度が上昇し続け、過大な電流が流れる、いわゆる熱暴走を引き起こす。しかし、発熱量すなわち消費電力と放熱がバランスした状況においては熱暴走は発生しない。したがって抵抗温度係数（ＴＣＲ）の絶対値が小さければ熱暴走しづらい。
抵抗温度係数（ＴＣＲ）が約−１％の薄膜を用いた条件で、スペーサ１ｃｍ2 あたりの消費電力がおよそ０．１Ｗを超えるようになるとスペーサ２２に流れる電流が増加し続け、熱暴走状態となることが実験で認められた。これはもちろんスペーサ２２形状とスペーサ間に印加される電圧Ｖa 及び帯電防止膜の抵抗温度係数により左右されるが、以上の条件から、消費電力が１ｃｍ2 あたり０．１Ｗを越えないＲs の値は１０×Ｖa2Ω以上である。すなわち、スペーサ２２上に形成した第一層２３ａのシート抵抗Ｒs は１０×Ｖa2〜１０11Ωの範囲に設定されることが望ましい。
比抵抗ρはシート抵抗Ｒs と膜厚ｔの積であり、以上に述べたＲs とｔの好ましい範囲から、帯電防止膜の比抵抗ρは１０-7×Ｖa2Ωｍ〜１０5 Ωｍであることが望ましい。更にシート抵抗と膜厚のより好ましい範囲を実現するためには、ρは（２×１０-7）×Ｖa2Ωｍ〜５×１０4Ωｍとするのがよい。ディスプレイにおける電子の加速電圧Ｖa は１００Ｖ以上であり、ＣＲＴに通常用いられる高速電子用蛍光体を平面型ディスプレイに用いた場合に、十分な輝度を得るためには３ｋＶ以上の電圧を要する。加速電圧Ｖa ＝１ｋＶの条件においては、帯電防止膜の比抵抗は０．１Ωｍ〜１０5Ωｍが好ましい範囲となる。
また、第一層２３ａの材料としては、抵抗値が上述したスペーサ２２に好ましい範囲に調節でき、かつ安定ならば何でもよく、金属、酸化物、窒化物などを用いることができる。
また、図１を参照して、電子源からの放出電子の軌道に乱れを発生させないためには、フェースプレート１９〜リアープレート１７間の電位分布が一様である、すなわちスペーサ２２の抵抗値がすべての場所で、ほぼ均一であることが望ましい。電位分布が乱れると、スペーサ２２近傍の蛍光体２０に到達すべき電子が曲げられ、隣接した蛍光体２０に当たるために画像に乱れを生ずる。本発明のネットワーク構造もしくはネットワーク構造と島状構造の混合状態の構造の膜は、下地の露出面と被覆面が微少な面積においても混在しており、抵抗値の一様性を確保し、画像の乱れを防止するのに有効である。
また、第二層２３ｂに用いる材料としては二次電子放出率の小さいものが好ましい。Ｃｒ2Ｏ3 、Ｎｂ2 Ｏ5 、Ｙ2 Ｏ3 などは二次電子放出効率が小さく、第二層２３ｂに用いるのに適した材料である。本発明者等の測定によれば、これらの材料の二次電子放出効率は、入射角０°において最大でも１．８を越えない。
しかし、これらの材料は体積抵抗で１０8 Ωｃｍ以上の抵抗値を持つ絶縁体であり、電荷を逃がすことが難しいため、単独では用いることができない。しかし本発明の二層構成の第二層２３ｂとして用いることで、その特性を最大限に生かす事ができる。
また、上述した本実施形態の内、第二層２３ｂの構造は第二層２３ｂで被覆されておらず下地が露出している第一層２３ａ露出部の面積と第二層２３ｂ被覆部の面積比が３：１以上１：１００以下であるネットワーク構造、またはネットワーク構造と島状構造の混合状態であることが好ましい。さらに、任意の１００μｍ×１００μｍの範囲をＳＴＭ（Scanning Tunneling Microscope）で観察した場合、第一層２３ａの露出面と第二層２３ｂとが混在している状態であることが好ましい。本実施形態の第二層２３ｂがネットワーク構造である場合は、一つの露出部の面積が５０００平方μｍ以下であるが、より好ましくは２５００平方μｍ以下である。また、第二層２３ｂが島状とネットワーク構造の混合状態である場合は、７０μｍ以下であり、より好ましくは５０μｍ以下である。
また、高純度化学研究所（株）のＳＹＭ−ＢＩ０５，ＳＹＭ−ＣＥ０３，ＳＹＭ−Ｙ０１，多木化学（株）のニードラールを用いる事により、本実施形態のネットワーク構造、島状など第一層２３ａが露出する構造の膜は比較的容易に形成できる。
また、第一層２３ａ、第二層２３ｂの形成には、反応性スパッタ法、イオンアシスト蒸着法、ＣＶＤ法、イオンビームスパッタ法、ディッピング法、スピナー法、スプレー法などにより形成することができる。
［画像形成装置の構成と製造方法］
次に、本発明を適用した画像表示装置の表示パネルの構成と製造法について、具体的な例を示して説明する。
図３は上述した実施形態に用いた表示パネルの斜視図であり、内部構造を示すためにパネルの一部を切り欠いて示している。
再度説明すれば、リアプレート１７には基板１３が固定されているが、該基板１３上には冷陰極電子放出素子１４がＮ×Ｍ個形成されている。ここで、Ｎ，Ｍは２以上の正の整数であり、目的とする表示画素数に応じて適宜設定される。たとえば、高品位テレビジョンの表示を目的とした表示装置においては、Ｎ＝３０００、Ｍ＝１０００以上の数を設定することが望ましい。前記Ｎ×Ｍ個の冷陰極電子放出素子１４は、Ｍ本の行方向配線１５とＮ本の列方向配線１６により単純マトリクス配線されている。前記基板１３、行方向配線１５、列方向配線１６によって構成される部分を、マルチ電子ビーム源と呼ぶ。
本発明に関わる画像表示装置に用いるマルチ電子ビーム源は、冷陰極電子放出素子１４を単純マトリクス配線した電子源であれば、冷陰極電子放出素子１４の材料や形状あるいは製法に制限はない。したがって、たとえば表面伝導型電子放出素子やＦＥ型、あるいはＭＩＭ型などの冷陰極素子を用いることができる。また、マルチ電子ビーム源をリアプレートに直接形成することも可能である。
次に、冷陰極電子放出素子１４として表面伝導型電子放出素子（後述）を基板１３上に配列して単純マトリクス配線したマルチ電子ビーム源の構造について述べる。
図４に示すのは、図３の表示パネルに用いたマルチ電子ビーム源の平面図である。基板１３上には、後述の図５で示すものと同様な表面伝導型電子放出素子が配列され、これらの素子は行方向配線電極１５と列方向配線電極１６により単純マトリクス状に配線されている。行方向配線電極１５と列方向配線電極１６の交差する部分には、電極間に絶縁層（不図示）が形成されており、電気的な絶縁が保たれている。
図４のＢ−Ｂ′に沿った断面を、図５（ｂ）に示す。なお、このような構造のマルチ電子ビーム源は、あらかじめ基板１３上に行方向配線電極１５、列方向配線電極１６、電極間絶縁層（不図示）、および表面伝導型電子放出素子の素子電極と導電性薄膜を形成した後、行方向配線電極１５および列方向配線電極１６を介して各素子に給電して通電フォーミング処理（後述）と通電活性化処理（後述）を行うことにより製造した。
本実施形態においては、気密容器のリアプレート１７にマルチ電子ビーム源の基板１３を固定する構成としたが、マルチ電子ビーム源の基板１３が十分な強度を有するものである場合には、気密容器のリアプレート１７としてマルチ電子ビーム源の基板１３自体を用いてもよい。
また、フェースプレート１９の下面には、蛍光膜２０が形成されている。本実施形態はカラー表示装置であるため、蛍光膜２０の部分には電子ビームを照射するＣＲＴの分野で用いられる赤、緑、青、の３原色の蛍光体が塗り分けられている。各色の蛍光体は、たとえば図６（ａ）に示すようにストライプ状に塗り分けられ、蛍光体のストライプの間には黒色の導電体２０ａが設けてある。黒色の導電体２０ａを設ける目的は、電子ビームの照射位置に多少のずれがあっても表示色にずれが生じないようにする事や、外光の反射を防止して表示コントラストの低下を防ぐ事などである。黒色体２０ａを導電性とする場合には、電子ビームによる蛍光膜のチャージアップを防止する事が可能である。黒色の導電体２０ａには、黒鉛を主成分として用いたが、上記の目的に適するものであればこれ以外の材料を用いても良い。
また、３原色の蛍光体の塗り分け方は前記図６（ａ）に示したストライプ状の配列に限られるものではなく、たとえば図６（ｂ）に示すようなデルタ状配列や、それ以外の配列であってもよい。
なお、モノクロームの表示パネルを作成する場合には、単色の蛍光体材料を蛍光膜２０ｂに用いればよく、また黒色導電材料は必ずしも用いなくともよい。
また、蛍光膜２０のリアプレート側の面には、ＣＲＴの分野では公知のメタルバック２１を設けてある。メタルバック２１を設けた目的は、蛍光膜２０が発する光の一部を鏡面反射して光利用率を向上させる事や、負イオンの衝突から蛍光膜２０を保護する事や、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事や、蛍光膜２０を励起した電子の導電路として作用させる事などである。メタルバック２１は、蛍光膜２０をフェースプレート基板１９上に形成した後、蛍光膜表面を平滑化処理し、その上にＡｌを真空蒸着する方法により形成した。なお、蛍光膜２０に低電圧用の蛍光体材料を用いた場合には、メタルバック２１は用いない。
また、本実施形態では用いなかったが、加速電圧の印加用や蛍光膜の導電性向上を目的として、フェースプレート基板１９と蛍光膜２０との間に、たとえばＩＴＯを材料とする透明電極を設けてもよい。
図１に示すように、スペーサ２２は絶縁性部材２４の表面に高抵抗膜２３ａを成膜し、かつフェースプレート１９の内側（メタルバック２１等）及び基板１３の表面（行方向配線１５又は列方向配線１６）に面したスペーサの当接面及び接する側面部に低抵抗膜２５を成膜した部材からなるもので、上記目的を達成するのに必要な数だけ、かつ必要な間隔をおいて配置され、フェースプレートの内側および基板１３の表面に接合材２６により固定される。
また、導電膜２３ｂは、絶縁性基材２４の表面のうち、少なくとも気密容器内の真空中に露出している面に成膜されており、スペーサ２２上の低抵抗膜２５および接合材２６を介して、フェースプレート１９の内側（メタルバック２１等）及び基板１３の表面（行方向配線１５または列方向配線１６）に電気的に接続される。ここで説明する態様におけるスペーサ２２の形状は薄板状であり、行方向配線１５に平行に配置され、行方向配線１５に電気的に接続されている。
スペーサ２２を構成する低抵抗膜２５は、高抵抗膜２３ｂと半導電性膜２３ａとからなる導電膜２３を高電位側のフェースプレート１９（メタルバック２１等）および低電位側の基板１７（配線１５、１６等）と電気的に接続するために設けられたものであり、以下では、中間電極層（中間電極）という名称を用いる。中間電極層（中間層）は、以下に列挙する複数の機能を有する。
（１）導電膜２３をフェースプレート１９及び基板１３と電気的に接続する。
既に記載したように、導電膜２３はスペーサ２２表面での帯電を防止する目的で設けられたものであるが、導電膜２３をフェースプレート１９（メタルバック２１等）及び基板１３（配線１５又は、１６等）と直接或いは接合材２６を介して接続した場合、接続部界面に大きな接触抵抗が発生し、スペーサ２２表面に発生した電荷を速やかに除去できなくなる可能性がある。これを避ける為に、フェースプレート１９、基板１３及び当接材２６と接触するスペーサ２２の当接面或いは側面部に低抵抗の中間電極２５を設けた。
（２）導電膜２３の電位分布を均一化する。
冷陰極電子放出素子１４より放出された電子は、フェースプレート１９と基板１３の間に形成された電位分布に従って電子軌道を成す。スペーサ２２の近傍で電子軌道に乱れが生じないようにする為には、導電膜２３の電位分布を全域にわたって制御する必要がある。導電膜２３をフェースプレート１９（メタルバック２１等）及び基板１３（配線１５又は、１６等）と直接或いは当接材２６を介して接続した場合、接続部界面の接触抵抗の為に、接続状態のむらが発生し、導電膜２３の電位分布が所望の値からずれてしまう可能性がある。これを避ける為に、スペーサ２２がフェースプレート１９及び基板１３と当接するスペーサ端部（当接面或いは側面部）の全長域に低抵抗の中間層２５を設け、この中間層部２５に所望の電位を印加することによって、導電膜２３全体の電位を制御可能とした。
（３）放出電子の軌道を制御する。
冷陰極電子放出素子１４より放出された電子は、フェースプレート１９と基板１３の間に形成された電位分布に従って電子軌道を成す。スペーサ２２近傍の冷陰極電子放出素子から放出された電子に関しては、スペーサ２２を設置することに伴う制約（配線、素子位置の変更等）が生じる場合がある。このような場合、歪みやむらの無い画像を形成する為には、放出された電子の軌道を制御してフェースプレート１９上の所望の位置に電子を照射する必要がある。フェースプレート１９及び基板１３と当接する面の側面部に低抵抗の中間層２５を設けることにより、スペーサ２２近傍の電位分布に所望の特性を持たせ、放出された電子の軌道を制御することが出来る。
中間電極となる低抵抗膜２５は、高抵抗膜２３ａに比べ十分に低い抵抗値を有する材料を選択すればよく、Ｎｉ，Ｃｒ，Ａｕ，Ｍｏ，Ｗ，Ｐｔ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｐｄ等の金属、あるいは合金、及びＰｄ，Ａｇ，Ａｕ，ＲｕＯ2 ，Ｐｄ−Ａｇ等の金属や金属酸化物とガラス等から構成される印刷導体、あるいはＩｎ2Ｏ3−ＳｎＯ2 等の透明導体、及びポリシリコン等の半導体材料等より適宜選択される。また、低抵抗膜２５の構造については、低い抵抗値を実現するために、連続膜であることが好ましい。
接合材２６はスペーサ２２が行方向配線１５およびメタルバック２１と電気的に接続するように、導電性をもたせる必要がある。すなわち、導電性接着材や金属粒子や導電性フィラーを添加したフリットガラスが好適である。
また、外部との接合端子Ｄｘ１〜ＤｘｍおよびＤｙ１〜Ｄｙｎおよび高圧端子Ｈv は、当該表示パネルと不図示の電気回路とを電気的に接続するために設けた気密構造の電気接続用端子である。Ｄｘ１〜Ｄｘｍはマルチ電子ビーム源の行方向配線１５と、Ｄｙ１〜Ｄｙｎはマルチ電子ビーム源の列方向配線１６と、高圧端子Ｈv はフェースプレートのメタルバック２１と電気的に接続している。
また、気密容器内部を真空に排気するには、気密容器を組み立てた後、不図示の排気管と排気ポンプを接続し気密容器内を１０-5Ｐａ程度の真空度まで排気する。その後、排気管を封止するが、気密容器内の真空度を維持するために、封止の直前あるいは封止後に気密容器内の所定の位置にゲッター膜（不図示）を形成する。ゲッター膜とは、たとえばＢａを主成分とするゲッター材料をヒーターもしくは高周波加熱により加熱し蒸着して形成した膜であり、該ゲッター膜の吸着作用により、気密容器内は１×１０-3ないしは１×１０-5Ｐａの真空度に維持される。
以上説明した表示パネルを用いた画像表示装置は、容器外端子Ｄｘ１ないしＤｘｍ、Ｄｙ１ないしＤｙｎを通じて各冷陰極電子放出素子１４に電圧を印加すると、各冷陰極電子放出素子１４から電子が放出される。それと同時にメタルバック２１に容器外端子Ｈv を通じて数ｋＶの高圧を印加して、上記放出された電子を加速し、フェースプレート１９の内面に衝突させる。これにより、蛍光膜２０をなす各色の蛍光体が励起されて発光し、画像が表示される。
通常、冷陰極電子放出素子である本発明の表面伝導型電子放出素子１４への印加電圧は１２〜１６［Ｖ］程度、メタルバック２１と冷陰極電子放出素子１４との距離ｄは１ｍｍから８ｍｍ程度、メタルバック２１と冷陰極電子放出素子１４間の電圧は３ｋＶから１５ｋＶ程度である。
以上、本発明の実施形態の表示パネルの基本構成と製法、及び画像表示装置の概要を説明した。
［マルチ電子ビーム源の構成および製造方法］
次に、前記実施形態の表示パネルに用いたマルチ電子ビーム源の製造方法について説明する。本発明の画像表示装置に関わる画像表示装置に用いるマルチ電子ビーム源は、冷陰極電子放出素子を単純マトリクス配線した電子源であれば、冷陰極電子放出素子の材料や形状あるいは製法に制限はない。したがって、たとえば表面伝導型電子放出素子やＦＥ型、あるいはＭＩＭ型などの冷陰極電子放出素子を用いることができる。
ただし、表示画面が大きくてしかも安価な表示装置が求められる状況のもとでは、これらの冷陰極電子放出素子の中でも、表面伝導型電子放出素子が特に好ましい。すなわち、ＦＥ型ではエミッタコーンとゲート電極の相対位置や形状が電子放出特性を大きく左右するため、極めて高精度の製造技術を必要とするが、これは大面積化や製造コストの低減を達成するには不利な要因となる。また、ＭＩＭ型では、絶縁層と上電極の膜厚を薄くてしかも均一にする必要があるが、これも、大面積化や製造コストの低減を達成するには不利な要因となる。その点、表面伝導型電子放出素子は、比較的製造方法が単純なため、大面積化や製造コストの低減が容易である。また、本発明者らは、表面伝導型電子放出素子の中でも、電子放出部もしくはその周辺部を微粒子膜から形成したものがとりわけ電子放出特性に優れ、しかも製造が容易に行えることを見いだしている。
したがって、高輝度で大画面の画像表示装置のマルチ電子ビーム源に用いるには、最も好適であると言える。そこで、上記実施形態の表示パネルにおいては、電子放出部もしくはその周辺部を微粒子膜から形成した表面伝導型電子放出素子を用いた。そこで、まず好適な表面伝導型放出素子について基本的な構成と製法および特性を説明し、その後で多数の素子を単純マトリクス配線したマルチ電子ビーム源の構造について述べる。
（表面伝導型電子放出素子の好適な素子構成と製法）
電子放出部もしくはその周辺部を微粒子膜から形成する表面伝導型電子放出素子の代表的な構成には、平面型と垂直型の２種類があげられる。
（平面型の表面伝導型電子放出素子）
まず最初に、平面型の表面伝導型電子放出素子の素子構成と製法について説明する。図５に示すのは平面型の表面伝導型電子放出素子の構成を説明するための平面図（ａ）および断面図（ｂ）である。図中、１３は基板、２７と２８は素子電極、２９は導電性薄膜、３０は通電フォーミング処理により形成した電子放出部、３１は通電活性化処理により形成した薄膜である。
基板１３としては、たとえば、石英ガラスや青板ガラスをはじめとする各種ガラス基板や、アルミナをはじめとする各種セラミックス基板、あるいは上述の各種基板上にたとえばＳｉＯ2 を材料とする絶縁層を積層した基板、などを用いることができる。
また、基板１３上に基板面と平行に対向して設けられた素子電極２７と素子電極２８は、導電性を有する材料によって形成されている。たとえば、Ｎｉ，Ｃｒ，Ａｕ，Ｍｏ，Ｗ，Ｐｔ，Ｔｉ，Ｃｕ，Ｐｄ，Ａｇ等をはじめとする金属、あるいはこれらの金属の合金、あるいはＩｎ2Ｏ3 −ＳｎＯ2 をはじめとする金属酸化物、ポリシリコンなどの半導体、などの中から適宜材料を選択して用いればよい。電極を形成するには、たとえば真空蒸着などの製膜技術とフォトリソグラフィー、エッチングなどのパターニング技術を組み合わせて用いれば容易に形成できるが、それ以外の方法（たとえば、印刷技術）を用いて形成してもさしつかえない。
素子電極２７と２８の形状は、当該電子放出素子の応用目的に合わせて適宜設計される。一般的には、電極間隔Ｌは通常は数百オングストロームから数百マイクロメーターの範囲から適当な数値を選んで設計されるが、なかでも表示装置に応用するために好ましいのは数マイクロメーターより数十マイクロメーターの範囲である。また、素子電極２７，２８の厚さｄについては、通常は数百オングストロームから数マイクロメーターの範囲から適当な数値が選ばれる。
また、導電性薄膜２９の部分には、微粒子膜を用いる。ここで述べた微粒子膜とは、構成要素として多数の微粒子を含んだ膜（島状の集合体も含む）のことをさす。微粒子膜を微視的に調べれば、通常は、個々の微粒子が離間して配置された構造か、あるいは微粒子が互いに隣接した構造か、あるいは微粒子が互いに重なり合った構造が観測される。
微粒子膜に用いた微粒子の粒径は、数オングストロームから数千オングストロームの範囲に含まれるものであるが、なかでも好ましいのは１０オングストロームから２００オングストロームの範囲のものである。また、微粒子膜の膜厚は、以下に述べるような諸条件を考慮して適宜設定される。すなわち、素子電極２７あるいは２８と電気的に良好に接続するのに必要な条件、後述する通電フォーミングを良好に行うのに必要な条件、微粒子膜自身の電気抵抗を後述する適宜の値にするために必要な条件、などである。具体的には、数オングストロームから数千オングストロームの範囲のなかで設定するが、なかでも好ましいのは１０オングストロームから５００オングストロームの間である。
また、導電性薄膜２９の微粒子膜を形成するのに用いられうる材料としては、たとえば、Ｐｄ，Ｐｔ，Ｒｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｔｉ，Ｉｎ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｚｎ，Ｓｎ，Ｔａ，Ｗ，Ｐｂ，などをはじめとする金属や、ＰｄＯ，ＳｎＯ2 ，Ｉｎ2Ｏ3 ，ＰｂＯ，Ｓｂ2Ｏ3 などをはじめとする酸化物や、ＨｆＢ2 ，ＺｒＢ2 ，ＬａＢ6 ，ＣｅＢ6 ，ＹＢ4 ，ＧｄＢ4 ，などをはじめとする硼化物や、ＴｉＣ，ＺｒＣ，ＨｆＣ，ＴａＣ，ＳｉＣ，ＷＣ，などをはじめとする炭化物や、ＴｉＮ，ＺｒＮ，ＨｆＮ，などをはじめとする窒化物や、Ｓｉ，Ｇｅ，などをはじめとする半導体や、カーボン、などがあげられ、これらの中から適宜選択される。
以上述べたように、導電性薄膜２９微粒子膜で形成したが、そのシート抵抗値については、１０3 から１０7 ［オーム／ｓｑ］の範囲に含まれるよう設定した。
なお、導電性薄膜２９と素子電極２７および２８とは、電気的に良好に接続されるのが望ましいため、互いの一部が重なりあうような構造をとっている。その重なり方は、図７の例においては、下から、基板１３、素子電極２７，２８、導電性薄膜２９の順序で積層したが、場合によっては下から基板１３、導電性薄膜２９、素子電極２７，２８の順序で積層してもさしつかえない。
また、電子放出部３０は、導電性薄膜２９の一部に形成された亀裂状の部分であり、電気的には周囲の導電性薄膜よりも高抵抗な性質を有している。亀裂は、導電性薄膜２９に対して、後述する通電フォーミングの処理を行うことにより形成する。亀裂内には、数オングストロームから数百オングストロームの粒径の微粒子を配置する場合がある。なお、実際の電子放出部の位置や形状を精密かつ正確に図示するのは困難なため、図７においては模式的に示した。
また、薄膜３１は、炭素もしくは炭素化合物よりなる薄膜で、電子放出部３０およびその近傍を被覆している。薄膜３１は、通電フォーミング処理後に、後述する通電活性化の処理を行うことにより形成する。
薄膜３１は、単結晶グラファイト、多結晶グラファイト、非晶質カーボン、のいずれかか、もしくはその混合物であり、膜厚は５００［オングストローム］以下とするが、３００［オングストローム］以下とするのがさらに好ましい。
以上、好ましい素子の基本構成を述べたが、本実施形態においては以下のような素子を用いた。
すなわち、基板１３には青板ガラスを用い、素子電極２７と２８にはＮｉ薄膜を用いた。素子電極の厚さｄは１０００［オングストローム］、電極間隔Ｌは２［マイクロメーター］とした。
微粒子膜の主要材料としてＰｄもしくはＰｄＯを用い、微粒子膜の厚さは約１００［オングストローム］、幅Ｗは１００［マイクロメーター］とした。
（平面型の表面伝導型放出素子の製造方法）
次に、好適な平面型の表面伝導型放出素子の製造方法について説明する。
図７（ａ）〜（ｄ）は、表面伝導型放出素子の製造工程を説明するための断面図で、各部材の表記は前記図５と同一である。
（１）まず、図７（ａ）に示すように、基板１３上に素子電極２７および２８を形成する。
形成するにあたっては、あらかじめ基板１３を洗剤、純水、有機溶剤を用いて十分に洗浄後、素子電極の材料を堆積させる。堆積する方法としては、たとえば、蒸着法やスパッタ法などの真空成膜技術を用いればよい。その後、堆積した電極材料を、フォトリソグラフィー・エッチング技術を用いてパターニングし、図７（ａ）に示した一対の素子電極（２７と２８）を形成する。
（２）次に、同図（ｂ）に示すように、導電性薄膜２９を形成する。
形成するにあたっては、まず図７（ａ）の基板に有機金属溶液を塗布して乾燥し、加熱焼成処理して微粒子膜を成膜した後、フォトリソグラフィー・エッチングにより所定の形状にパターニングする。ここで、有機金属溶液とは、導電性薄膜２９に用いる微粒子の材料を主要元素とする有機金属化合物の溶液である。具体的には、本実施形態では主要元素としてＰｄを用いた。また、実施形態では塗布方法として、ディッピング法を用いたが、それ以外のたとえばスピンナー法やスプレー法を用いてもよい。
また、微粒子膜で作られる導電性薄膜２９の成膜方法としては、本実施形態で用いた有機金属溶液の塗布による方法以外の、たとえば真空蒸着法やスパッタ法、あるいは化学的気相堆積法などを用いる場合もある。
（３）次に、図７（ｃ）に示すように、フォーミング用電源３２から素子電極２７と２８の間に適宜の電圧を印加し、通電フォーミング処理を行って、電子放出部３０を形成する。
通電フォーミング処理とは、微粒子膜で作られた導電性薄膜２９に通電を行って、その一部を適宜に破壊、変形、もしくは変質せしめ、電子放出を行うのに好適な構造に変化させる処理のことである。微粒子膜で作られた導電性薄膜のうち電子放出を行うのに好適な構造に変化した部分（すなわち電子放出部３０）においては、薄膜に適当な亀裂が形成されている。なお、電子放出部３０が形成される前と比較すると、形成された後は素子電極２７と２８の間で計測される電気抵抗は大幅に増加する。
通電方法をより詳しく説明するために、図８に、フォーミング用電源３２から印加する適宜の電圧波形の一例を示す。微粒子膜で作られた導電性薄膜２９をフォーミングする場合には、パルス状の電圧が好ましく、本実施形態の場合には同図に示したようにパルス幅Ｔ１の三角波パルスをパルス間隔Ｔ２で連続的に印加した。その際には、三角波パルスの波高値Ｖpfを、順次昇圧した。また、電子放出部３０の形成状況をモニターするためのモニターパルスＰｍを適宜の間隔で三角波パルスの間に挿入し、その際に流れる電流を電流計３３で計測した。
本実施形態においては、たとえば１．３×１０-1Ｐａ程度の真空雰囲気下において、たとえばパルス幅Ｔ１を１［ミリ秒］、パルス間隔Ｔ２を１０［ミリ秒］とし、波高値Ｖpfを１パルスごとに０．１［Ｖ］ずつ昇圧した。そして、三角波を５パルス印加するたびに１回の割りで、モニターパルスＰｍを挿入した。フォーミング処理に悪影響を及ぼすことがないように、モニターパルスの電圧Ｖpmは０．１［Ｖ］に設定した。そして、素子電極２７と２８の間の電気抵抗が１×１０6 Ωになった段階、すなわちモニターパルス印加時に電流計３３で計測される電流が１×１０-7Ａ以下になった段階で、フォーミング処理にかかわる通電で終了した。
なお、上記の方法は、本実施形態の表面伝導型放出素子に関する好ましい方法であり、たとえば微粒子膜の材料や膜厚、あるいは素子電極間隔Ｌなど表面伝導型放出素子の設計を変更した場合には、それに応じて通電の条件を適宜変更するのが望ましい。
（４）次に、図７（ｄ）に示すように、活性化用電源３４から素子電極２７と２８の間に適宜の電圧を印加し、通電活性化処理を行って、電子放出特性の改善を行う。
通電活性化処理とは、前記通電フォーミング処理により形成された電子放出部３０に適宜の条件で通電を行って、その近傍に炭素もしくは炭素化合物を堆積せしめる処理のことである。図７（ｄ）においては、炭素もしくは炭素化合物よりなる堆積物を部材３１として模式的に示した。なお、通電活性化処理を行うことにより、行う前と比較して、同じ印加電圧における放出電流を典型的には１００倍以上に増加させることができる。
具体的には、１０-1ないし１０-4Ｐａの範囲内の真空雰囲気中で、電圧パルスを定期的に印加することにより、真空雰囲気中に存在する有機化合物を起源とする炭素もしくは炭素化合物を堆積させる。堆積物３１は、単結晶グラファイト、多結晶グラファイト、非晶質カーボン、のいずれかか、もしくはその混合物であり、膜厚は５００［オングストローム］以下、より好ましくは３００［オングストローム］以下である。
通電方法をより詳しく説明するために、図９の（ａ）に、活性化用電源３４から印加する適宜の電圧波形の一例を示す。本実施形態においては、一定電圧の矩形波を定期的に印加して通電活性化処理を行ったが、具体的には、矩形波の電圧Ｖacは１４［Ｖ］，パルス幅Ｔ３は１［ミリ秒］，パルス間隔Ｔ４は１０［ミリ秒］とした。なお、上述の通電条件は、本実施形態の表面伝導型放出素子に関する好ましい条件であり、表面伝導型放出素子の設計を変更した場合には、それに応じて条件を適宜変更するのが望ましい。
図７（ｄ）に示す符号３５は該表面伝導型放出素子から放出される放出電流Ｉeを捕捉するためのアノード電極で、直流高電圧電源３６および電流計３７が接続されている。なお、基板１３を、表示パネルの中に組み込んでから活性化処理を行う場合には、表示パネルの蛍光面をアノード電極３５として用いる。活性化用電源３４から電圧を印加する間、電流計３７で放出電流Ｉe を計測して通電活性化処理の進行状況をモニターし、活性化用電源３４の動作を制御する。電流計３７で計測された放出電流Ｉe の一例を図９（ｂ）に示すが、活性化電源３４からパルス電圧を印加しはじめると、時間の経過とともに放出電流Ｉe は増加するが、やがて飽和してほとんど増加しなくなる。このように、放出電流Ｉe がほぼ飽和した時点で、活性化用電源３４からの電圧印加を停止し、通電活性化処理を終了する。
なお、上述の通電条件は、本実施形態の表面伝導型放出素子に関する好ましい条件であり、表面伝導型放出素子の設計を変更した場合には、それに応じて条件を適宜変更するのが望ましい。
以上のようにして、図５（ｂ）に示す平面型の表面伝導型放出素子を製造した。
（垂直型の表面伝導型電子放出素子）
次に、電子放出部もしくはその周辺を微粒子膜から形成した表面伝導型電子放出素子のもうひとつの代表的な構成、すなわち垂直型の表面伝導型電子放出素子の構成について説明する。
図１０は、垂直型の基本構成を説明するための模式的な断面図であり、図中の３８は基板、３９と４０は素子電極、４３は段差形成絶縁部材、４１は微粒子膜を用いた導電性薄膜、４２は通電フォーミング処理により形成した電子放出部、４４は通電活性化処理により形成した薄膜、である。
垂直型の表面伝導型電子放出素子が先に説明した平面型と異なる点は、片方の素子電極３９が段差形成部材４３上に設けられており、導電性薄膜４１が段差形成部材４３の側面を被覆している点にある。したがって、前記図４の平面型における素子電極間隔Ｌは、垂直型においては段差形成部材４３の段差高Ｌs として設定される。なお、基板３８、素子電極３９および４０、微粒子膜を用いた導電性薄膜４１については、前記平面型の説明中に列挙した材料を同様に用いることが可能である。また、段差形成部材４３には、たとえばＳｉＯ2 のような電気的に絶縁性の材料を用いる。
（垂直型の表面伝導型電子放出素子の製法）
次に、垂直型の表面伝導型電子放出素子の製法について説明する。図１１の（ａ）〜（ｅ）は、製造工程を説明するための断面図で、各部材の表記は前記図１０と同一である。
（１）まず、図１１（ａ）に示すように、基板３８上に素子電極４０を形成する。
（２）次に、同図（ｂ）に示すように、段差形成部材４３を形成するための絶縁層を積層する。絶縁層は、たとえばＳｉＯ2 をスパッタ法で積層すればよいが、たとえば真空蒸着法や印刷法などの他の成膜方法を用いてもよい。
（３）次に、同図（ｃ）に示すように、絶縁層の上に素子電極３９を形成する。
（４）次に、同図（ｄ）に示すように、絶縁層の一部を、たとえばエッチング法を用いて除去し、素子電極４０を露出させる。
（５）次に、同図（ｅ）に示すように、微粒子膜を用いた導電性薄膜４１を形成する。形成するには、前記平面型の場合と同じく、たとえば塗布法などの成膜技術を用いればよい。
（６）次に、前記平面型の場合と同じく、通電フォーミング処理を行い、電子放出部４２を形成する。なお、図７（ｃ）を用いて説明した平面型の通電フォーミング処理と同様の処理を行えばよい。
（７）次に、前記平面型の場合と同じく、通電活性化処理を行い、電子放出部４２近傍に炭素もしくは炭素化合物を堆積させる。この場合、図７（ｄ）を用いて説明した平面型の通電活性化処理と同様の処理を行えばよい。
以上のようにして、図１０に示す垂直型の表面伝導型放出素子を製造した。
（表示装置に用いた表面伝導型電子放出素子の特性）
以上、平面型と垂直型の表面伝導型電子放出素子について素子構成と製法を説明したが、次に表示装置に用いた素子の特性について述べる。
図１２に、表示装置に用いた素子の、（放出電流Ｉe ）対（素子電極印加電圧Ｖf）特性、および（素子電流Ｉf ）対（素子電極印加電圧Ｖf ）特性の典型的な例を示す。なお、放出電流Ｉe は素子電流Ｉf に比べて著しく小さく、同一尺度で図示するのが困難であるうえ、これらの特性は素子の大きさや形状等の設計パラメータを変更することにより変化するものであるため、２本のグラフは各々任意単位で図示した。
表示装置に用いた素子は、放出電流Ｉe に関して以下に述べる３つの特性を有している。
第一に、ある電圧（これを閾値電圧Ｖthと呼ぶ）以上の大きさの電圧を素子に印加すると、急激に放出電流Ｉe が増加するが、一方、閾値電圧Ｖth未満の電圧では放出電流Ｉe はほとんど検出されない。すなわち、放出電流Ｉe に関して、明確な閾値電圧Ｖthを持った非線形素子である。
第二に、放出電流Ｉe は素子に印加する電圧Ｖf に依存して変化するため、電圧Ｖf で放出電流Ｉe の大きさを制御できる。
第三に、素子に印加する電圧Ｖf （Ｖ）に対して素子から放出される電流Ｉe（μＡ）の応答速度が速いため、電圧Ｖf を印加する時間の長さによって素子から放出される電子の電荷量を制御できる。
以上のような特性を有するため、表面伝導型放出素子を表示装置に好適に用いることができた。たとえば多数の素子を表示画面の画素に対応して設けた表示装置において、第一の特性を利用すれば、表示画面を順次走査して表示を行うことが可能である。すなわち、駆動中の素子には所望の発光輝度に応じて閾値電圧Ｖth以上の電圧を適宜印加し、非選択状態の素子には閾値電圧Ｖth未満の電圧を印加する。駆動する素子を順次切り替えてゆくことにより、表示画面を順次走査して表示を行うことが可能である。
また、第二の特性かまたは第三の特性を利用することにより、発光輝度を制御することができるため、階調表示を行うことが可能である。
［実施例］
以下、本発明の具体的な実施例について図面を用いて説明する。
［実施例１］
本実施例では、図１に示すように、まず未フォーミングの複数の表面伝導型電子源１４を基板１３に形成した。基板１３として表面を清浄化した青板ガラスを用い、これに、図５に示した表面伝導型電子放出素子を１６０個×７２０個のマトリクス状に形成した。
素子電極２４、２５はＰｔスパッタ膜であり、Ｘ方向配線１５、Ｙ方向配線１６はスクリーン印刷法により形成したＡｇ配線である。導電性薄膜２６はＰｄアミン錯体溶液を焼成したＰｄＯ微粒子膜である。
画像形成部材であるところの蛍光膜２０は図６（ａ）に示すように、各色蛍光体がＹ方向に伸びるストライプ形状を採用し、黒色体２０ａとしては各色蛍光体間だけでなく、Ｘ方向にも設けることでＹ方向の画素間を分離しかつスペーサ２２を設置するための部分を加えた形状を用いた。先に黒色体（導電体）２０ａを形成し、その間隙部に各色蛍光体を塗布して蛍光膜２０を作成した。ブラックストライプ（黒色体２０ａ）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。フェースプレート１９に蛍光体を塗布する方法はスラリー法を用いた。
また、蛍光膜２０より内面側（電子源側）に設けられるメタルバック２１は、蛍光膜２０の作成後、蛍光膜２０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成した。フェースプレート１９には、更に蛍光膜２０の導電性を高めるため、蛍光膜２０より外面側（ガラス基板と蛍光膜の間）に透明電極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電性が得られたので省略した。
図２において、スペーサ２２は清浄化したソーダライムガラスからなる絶縁性基材２４（高さ３．８ｍｍ、板厚２００μｍ、長さ２０ｍｍ）上に、Ｉｎ2 Ｏ3 膜２３ａでディッピング法により成膜した。高純度化学研究所（株）製ＳＹＭ−ＩＮ０２の５倍希釈液に基板を浸漬した後、２０ｍｍ／ｍｉｎで引き上げ、１２０℃のオーブンで３分乾燥後、４５０℃で２時間焼成した。
これらの試料を第一層２３ａとして成膜後、第二層２３ｂの酸化イットリウムをディッピングにより成膜し試料Ａを作成した。高純度化学研究所（株）製ＳＹＭ−Ｙ０１の２倍希釈液に基板を浸漬した後、２０ｍｍ／ｍｉｎで引き上げ、１２０℃のオーブンで３分乾燥後、４５０℃で２時間焼成した。その結果を、第一層と第二層の材料、膜厚、抵抗値と、その成膜条件と、試料名を、次に示す。なお、膜の形状はＳＥＭで観察を行った。
その後、電子源１４の３．８ｍｍ上方にフェースプレート１９を側壁の支持枠１８を介して配置し、リアプレート１７、フェースプレート１９、支持枠１８およびスペーサ２２の接合部を固定した。スペーサはＸ方向配線１５上に等間隔に固定した。スペーサ２２はフェースプレート１９側では黒色体２０ａ（線幅３００μｍ）上に、Ａｕを被覆シリカ球を含有した導電性フリットガラス２６を用いることにより、帯電防止膜２３とフェースプレート１９との導通を確保した。なお、メタルバック２１とスペーサ２２とが当接する領域においては、メタルバック２１の一部を除去した。リアプレート１７と支持枠１８の接合部はフリットガラス（不図示）を塗布し、大気中で４２０℃で１０分以上焼成することで封着した。
以上のようにして完成したあと、排気管を通じ真空ポンプにて排気し、十分低い圧力に達した後、容器外端子Ｄｘ１〜ＤｘｍとＤｙ１〜Ｄｙｎを通じ電子放出素子１４の素子電極２７、２８間に電圧を印加し、導電性薄膜２９を通電処理（フォーミング処理）することにより電子放出部３０を形成した。フォーミング処理は、図１１に示した波形の電圧を印加することにより行った。
次に、排気管を通してアセトンを０．１３３Ｐa の圧力となるように真空容器に導入し、容器外端子Ｄｘ１〜Ｄｘｍと、Ｄｙ１〜Ｄｙｎに電圧パルスを定期的に印加することにより、炭素あるいは炭素化合物を堆積する通電活性化処理を行った。通電活性化は図１２に示すような波形を印加することにより行った。
次に、気密容器全体を２００℃に加熱しつつ１０時間真空排気した後、１０-4Ｐa 程度の圧力で、排気管をガスバーナーで熱することで溶着し封止を行った。
最後に、封止後の圧力を維持するために、ゲッター処理を行った。
以上のように完成した画像形成装置において、各電子放出素子１４には、容器外端子Ｄｘ１〜Ｄｘｍ、Ｄｙ１〜Ｄｙｎを通じ、走査信号及び画像信号である変調信号を、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を放出させ、メタルバック２１には、高圧端子Ｈv を通じて高圧を印加することにより放出電子ビームを加速し、蛍光膜２０に電子を衝突させ、蛍光体２０ｂを励起・発光させることで画像を表示した。なお高圧端子Ｈv への印加電圧Ｖa は１ｋ〜５ｋＶ、素子電極２７、２８間への印加電圧Ｖf は１４Ｖとした。この時、スペーサの試料Ｓに関しては上記駆動条件においてのスペーサ２２近傍のビームずれはないか、あっても非常に少なく、テレビ画像として問題のない範囲であった。
また、第一層Ｉｎ2 Ｏ3 膜の抵抗温度係数は、−０．３５％／℃であり、上記駆動条件において熱暴走することはなかった。
また、本実施例の概念的平面図を図１６に示したが、図１７にスペーサ２２の平面図及び断面図を示し、基材２４の表面に第一層２３ａとその表面に第二層２３ｂとがネットワーク状に被覆されている。ここで、スペーサ２２の表面を１００μｍ×１００μｍの範囲でＡＦＭ（Atomic Force Microscope）でスキャンニングしたところ、該範囲内に１００ｎｍ以上の高さの凸部で囲まれた複数の領域（凹部）が分散的に配置されていることが確認された。
こうして、第一層２３ａは、所定の抵抗値を示して、且つ第一層と第二層が帯電防止の効果を備え、上記駆動条件下で、スペーサ２２近傍で、スペーサ２２の帯電によるビームずれもなく、高品位な画像を視認できた。
［実施例２：島状とネットワーク構造の混合状態・２層とも導電性］
実施例２においては、第一層２３ａのＡｕ膜を真空成膜法により形成し成膜した。本実施例で用いたＡｕ膜はスパッタリング装置を用いてアルゴン雰囲気中でスパッタすることにより成膜した。５００℃、１時間の熱処理をし、比抵抗値を確認した。
この上に第二層２３ｂの酸化インジウムをディッピングにより成膜し、試料Ｔを作成した。高純度化学研究所（株）製ＳＹＭ−ＩＮ０２の１０倍希釈液に基板を浸漬した後２０ｍｍ／ｍｉｎで引き上げ、１２０℃のオーブンで３分乾燥後、４５０℃で２時間焼成した。なお、膜の形状はＳＥＭで観察を行い、このスペーサを用いてテレビ画像の比較を行った。試料の成膜条件と、試料名を次に示す。
その後の組み立て工程は、実施例１と同様で行い、実施例１と同様の条件で駆動した。試料Ｔは、この駆動条件においてスペーサ近傍のビームずれはないか、あっても非常に少なく、テレビ画像として問題は無い範囲であった。
また、本実施例のスペーサ表面の概念的平面図及び断面図を、図１８に示し、基材２４の表面に島状の第一層２３ａとその表面にネットワーク状の第二層２３ｂとが被覆されている。なお、第一層２３ａは、所定の抵抗値を示して、且つ第一層と第二層が帯電防止の効果を備え、上記駆動条件下で、スペーサ２２近傍で、スペーサ２２の帯電によるビームずれもなく、高品位な画像を視認できた。
［実施例３：島状とネットワーク構造の混合状態］
実施例３においては、実施例２のスパッタのターゲットをＰｔに換えた以外は実施例２の第一層２３ａと同じ方法で第一層２３ａのＰｔを成膜し、５００℃、１時間の熱処理をし、比抵抗値を確認した。
この上に第二層２３ｂの酸化イットリウムをディッピングにより成膜し、試料Ｕ，Ｗを作成した。高純度化学研究所（株）製ＳＹＭ−Ｙ０１の２倍希釈液あるいは原液に基板を浸漬した後、２０ｍｍ／ｍｉｎで引き上げ、１２０℃のオーブンで３分乾燥後、４５０℃で２時間焼成した。なお、膜の形状はＳＥＭで観察を行い、このスペーサを用いてテレビ画像の比較を行った。試料の成膜条件と、試料名を次に示す。
［実施例４：島状＋ネットワーク構造］
実施例４においては、実施例３と同じ方法で第一層２３ａを成膜し、この上に第二層２３ｂの酸化クロムをスピナー法にて形成した。高純度化学研究所（株）製ＳＹＭ−ＣＲ０１５をスピナーで塗布後、１２０℃のオーブンで３分乾燥、５００℃で１時間焼成した。なお、膜の形状はＳＥＭで観察を行い、このスペーサを用いてテレビ画像の比較を行った。試料の成膜条件と、試料名を次に示す。
［実施例５］
続いて、本発明に係る実施例５乃至１１を説明する。なお、本実施例５乃至実施例１１におけるスペーサ及び画像形成装置は以下のように作成した。
なお、以下の実施例では、第一層は、ほぼ平坦な膜とした。
本実施例では、図１に示すように、まず未フォーミングの複数の表面伝導型電子源１４を基板１３に形成した。基板１３として表面を清浄化した青板ガラスを用い、これに、図４及び図５に示した表面伝導型電子放出素子を１６０個×７２０個のマトリクス状に形成した。
素子電極２４、２５はＰｔスパッタ膜であり、Ｘ方向配線１５、Ｙ方向配線１６はスクリーン印刷法により形成したＡｇ配線である。導電性薄膜２６はＰｄアミン錯体溶液を焼成したＰｄＯ微粒子膜である。
画像形成部材であるところの蛍光膜２０は図６（ａ）に示すように、各色蛍光体がＹ方向に伸びるストライプ形状を採用し、黒色体２０ａとしては各色蛍光体間だけでなく、Ｘ方向にも設けることでＹ方向の画素間を分離しかつスペーサ２２を設置するための部分を加えた形状を用いた。先に黒色体（導電体）２０ａを形成し、その間隙部に各色蛍光体を塗布して蛍光膜２０を作成した。ブラックストライプ（黒色体２０ａ）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。フェースプレート１９に蛍光体を塗布する方法はスラリー法を用いた。
また、蛍光膜２０より内面側（電子源側）に設けられるメタルバック２１は、蛍光膜２０の作成後、蛍光膜２０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成した。フェースプレート１９には、更に蛍光膜２０の導電性を高めるため、蛍光膜２０より外面側（ガラス基板と蛍光膜の間）に透明電極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電性が得られたので省略した。
図１９において、スペーサ２２は清浄化したソーダライムガラスからなる絶縁性基材２４（高さ３．８ｍｍ、板厚２００μｍ、長さ２０ｍｍ）上に、Ｃｒ−Ａｌ2Ｏ3 サーメット膜２３ａを真空成膜法により形成し成膜した。本実施例で用いたＣｒ−Ａｌ2 Ｏ3 サーメット膜はスパッタリング装置を用いてアルゴン雰囲気中でＣｒとＡｌ2 Ｏ3 のターゲットを同時スパッタすることにより成膜した。
不図示の成膜室にアルゴンを０．７Ｐa 導入し、それぞれのターゲットにかける電力を変化することにより組成の調節を行ない、種々の抵抗値のスペーサを作成した。なお、比抵抗の値は後述する５００℃で一時間の熱処理後の値を示す。
これらの試料を第一層の導電膜２３として成膜後、第二層の酸化イットリウムをディッピングにより成膜し試料Ａを作成した。高純度化学研究所（株）製ＳＹＭ−Ｙ０１に基板を浸漬した後、２０ｍｍ／ｍｉｎで引き上げ、１２０℃のオーブンで３分乾燥後、４５０℃で２時間焼成した。試料Ｂ、試料Ｃともに同様の方法で成膜を行なった。この後に先ほど述べた５００℃、１時間の熱処理をすることによりスペーサ２２の作製を終了した。それぞれの試料の成膜条件と、試料名を次に示す。
なお、第一層は材料と、その膜の厚さと、比抵抗を示し、第二層は材料と、厚さと、成膜条件と、膜の形状とを示し、膜の形状はＡＦＭで観察を行った。
その後、冷陰極電子放出素子１４の３．８ｍｍ上方にフェースプレート１９を支持枠１８を介して配置し、リアプレート１３、フェースプレート１９、支持枠１８およびスペーサ２２の接合部を固定した。スペーサ２２はＸ方向配線１５上に等間隔に固定した。スペーサ２２はフェースプレート１９側では黒色体２０ａ（線幅３００μｍ）上に、Ａｕを被覆シリカ球を含有した導電性フリットガラス２６を用いることにより、導電膜２３とフェースプレート１９との導通を確保した。なお、メタルバック２１とスペーサ２２とが当接する領域においてはメタルバック２１の一部を除去した。リアプレート１７と支持枠１８の接合部はフリットガラス（不図示）を塗布し、大気中で４２０℃で１０分以上焼成することで封着した。
以上のようにして完成したあと、排気管を通じ真空ポンプにて排気し、十分低い圧力に達した後、容器外端子Ｄｘ１〜ＤｘｍとＤｙ１〜Ｄｙｎを通じ電子放出素子１４の素子電極２７、２８間に電圧を印加し、導電性薄膜２９を通電処理（フォーミング処理）することにより電子放出部３０を形成した。フォーミング処理は、図１１に示した波形の電圧を印加することにより行った。
次に排気管を通してアセトンを０．１３３Ｐa の圧力となるように真空容器に導入し、容器外端子Ｄｘ１〜Ｄｘｍと、Ｄｙ１〜Ｄｙｎに電圧パルスを定期的に印加することにより、炭素あるいは炭素化合物を堆積する通電活性化処理を行った。通電活性化は図９に示すような波形を印加することにより行った。
次に容器全体を２００℃に加熱しつつ１０時間真空排気した後、１０-4Ｐa 程度の圧力で、排気管をガスバーナーで熱することで溶着し封止を行った。
最後に、封止後の圧力を維持するために、ゲッター処理を行った。
以上のように完成した画像形成装置において、各冷陰極電子放出素子１４には、容器外端子Ｄｘ１〜Ｄｘｍ、Ｄｙ１〜Ｄｙｎ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を放出させ、メタルバック２１には、高圧端子Ｈv を通じて高圧を印加することにより放出電子ビームを加速し、蛍光膜２０に電子を衝突させ、蛍光体２０ｂを励起・発光させることで画像を表示した。なお高圧端子Ｈv への印加電圧Ｖa は１〜５ｋＶ、素子電極２７、２８間への印加電圧Ｖf は１４Ｖとした。この時、スペーサの試料Ａ，Ｂに関しては、上記駆動条件においてのスペーサ２２近傍のビームずれはないか、あっても非常に少なく、テレビ画像として問題のない範囲であった。
また、第一層のＣｒ−Ａｌ2Ｏ3 サーメット膜の抵抗温度係数は−０．３％／℃から−０．３３％／℃であり、上記駆動条件において熱暴走することはなかった。
［実施例６］
実施例６においては実施例５で述べたのと同じ方法で第一層を成膜し、第二層の膜厚を変えたスペーサを用いてテレビ画像の比較を行った。第二層の材料にはＹ2 Ｏ3 を用い、成膜条件は実施例５の試料Ｅと同様に成膜を行なった。膜厚を薄くする場合は原料をキシレンで希釈し、厚くする場合はディッピングから焼成を繰り返し膜厚の調整を行なった。作成した試料は以下の通りである。
［実施例７］
実施例７においては、第一層２３ａの材料にＣｒ−Ａｌ2Ｏ3 サーメット膜を用いた。第二層２３ｂに関してはＣｒ2Ｏ3 とＹ2Ｏ3 の混合物、およびＮｂ2Ｏ5 とＹ2Ｏ3 の混合物を用いた。具体的にはＣｒ2Ｏ3 とＹ2Ｏ3 の混合物はＳＹＭ−ＣＲ０１５（高純度化学研究所（株）製）とＳＹＭ−Ｙ０１を１対１の比で混合したものを、また、Ｎｂ2Ｏ5 とＹ2Ｏ3 の混合物はＳＹＭ−ＮＢ０５（高純度化学研究所（株）製）とＳＹＭ−Ｙ０１を１対１の比で混合したものを原料として用い、成膜に関しては実施例５と同様に行なった。作成した試料は以下の通りである。
その後の組み立て工程は実施例５と同様の条件で駆動した。試料Ｊに関してはこの駆動条件においてスペーサ近傍のビームずれはないか、あっても非常に少なく、テレビ画像として問題のない範囲であった。
［実施例８］
実施例８においては、実施例７と同様に第一層２３ａの材料にＣｒ−Ａｌ2Ｏ3サーメット膜、第二層２３ｂにはＣｒ2Ｏ3 とＹ2Ｏ3 の混合物を用いた。ただし、塗布方法をディッピング法からスピナー法、およびスプレー法に変更した以外は実施例４と同様の成膜方法で成膜を行なった。作成した試料は以下の通りである。
［実施例９］
実施例９においては、実施例５で述べたのと同じ方法で第一層を成膜後、成膜装置から取り出すことなく、真空に保ったまま、その上に第二層２３ｂとして高抵抗層２３ｂを形成した。ここではＣｒ2Ｏ3 を例にして説明する。ターゲットはＣｒ2Ｏ3 の焼結体を用いた。これらの試料を第一層として成膜後、成膜装置を真空に保ったままそれぞれその上に第二層２３ｂとして高抵抗膜２３ｂを成膜した。本実施例では高抵抗膜２３ｂの材料についてはＣｒ2Ｏ3 、Ｎｂ2Ｏ5 、Ｙ2Ｏ3 の三種類を選んだ。これは以下にように成膜をした。まず、第一層のＣｒ−Ａｌ2Ｏ3 サーメット膜を成膜した後、そのまま真空チャンバーから取り出すことなく、第二層の成膜を行う。
ここでは、Ｃｒ2Ｏ3 を例にして説明する。ターゲットはＣｒ2Ｏ3 の焼結体を用いた。成膜室にアルゴン、酸素をそれぞれ分圧で０．４Ｐa 、０．１Ｐa 導入した。ターゲットへの投入電力は３．８Ｗ／ｃｍ2 とし、成膜時間を１１分間とすることで約１１ｎｍの膜厚の酸化クロム層を得た。Ｎｂ2Ｏ5 、Ｙ2Ｏ3 ともに同様の方法で成膜条件を変えることにより成膜を行なった。この後に先ほど述べた５００℃、１時間の熱処理をすることによりスペーサ２２の作製を終了した。それぞれの試料の成膜条件と、試料名を次に示す。
以上、実施例を挙げて説明したように、本願本発明においては、スペーサにネットワーク状の構成を有することにより、好適に帯電を抑制することができる。また、上記実施例のごとく、２層構成とし、材料選択や製造方法の自由度や製造容易性を増やすこともできる。
［産業上の利用可能性］
以上のように、本発明は、フラット・パネル・ディスプレイと呼ばれる壁型テレビのような大画面で薄型のディスプレイパネルに用いることにより、密閉容器内部の超低気圧に維持するスペーサとして、容器内部での帯電・放電のない高画質・高品質の画像を長期間に亘って維持することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の実施例である画像表示装置のスペーサ近傍の断面模式図である。
図２は、本発明で用いたスペーサの断面模式図である。
図３は、本発明の実施例である画像表示装置の、表示パネルの一部を切り欠いて示した斜視図である。
図４は、本実施例で用いたマルチ電子ビーム源の基板の平面図である。
図５は、実施例で用いた平面型の表面伝導型放出素子の平面図（ａ），断面図（ｂ）である。
図６は、表示パネルのフェースプレートの蛍光体配列を例示した平面図である。
図７は、平面型の表面伝導型放出素子の製造工程を示す断面図である。
図８は、通電フォーミング処理の際の印加電圧波形図である。
図９は、通電活性化処理の際の印加電圧波形（ａ）、放出電流Ｉe の変化（ｂ）の形態図である。
図１０は、実施例で用いた垂直型の表面伝導型放出素子の断面図である。
図１１は、垂直型の表面伝導型放出素子の製造工程を示す断面図である。
図１２は、実施例で用いた表面伝導型放出素子の典型的な特性を示すグラフである。
図１３は、本発明の実施例で用いたネットワーク構造と島状の混合状態の構造である第一層または第二層の拡大図である。
図１４は、本発明の実施例で用いたネットワーク構造である第一層または第二層の拡大図である。
図１５は、本発明の実施例で用いたネットワーク構造である第一層または第二層の拡大図である。
図１６は、本発明の実施例で用いたスペーサの平面図と断面図である。
図１７は、本発明の実施例で用いたスペーサの平面図と断面図である。
図１８は、本発明の実施例で用いたスペーサの平面図と断面図である。
図１９は、本発明で用いたスペーサの断面模式図である。
図２０は、本発明の実施例で用いたネットワーク構造と島状の混合状態の構造である第一層または第二層の拡大図である。
図２１は、本発明の実施例で用いたネットワーク構造である第一層または第二層の拡大図である。
図２２は、本発明の実施例で用いた島状である第一層または第二層の拡大図である。
図２３は、従来知られた表面伝導型放出素子の一例図である。
図２４は、従来知られたＦＥ型素子の一例図である。
図２５は、従来知られたＭＩＭ型素子の一例図である。
Claims (13)
- 電子を放出する電子源と、該電子が照射される被照射体と、前記電子源と前記被照射体との間に配置される第１の部材とを有する電子線装置において、
前記第１の部材は基体と該基体上に形成された膜とを有するとともに、前記膜は第一層と第二層とを有し、前記第一層が一部露出するように前記第二層が設けられることで、前記膜の表面に凹凸形状が形成され、
前記凹凸形状が凸部で連続的に取り囲まれた凹部を有することを特徴とする電子線装置。 - 前記凹凸形状の凸部は、前記凹部の最深部に対して少なくとも１００ｎｍ以上の高さを有している請求項１に記載の電子線装置。
- 前記第一層が導電性を有する請求項１又は２に記載の電子線装置。
- 前記第二層が被覆している面積を、前記第一層が露出している面積で割った値が、１／３以上１００以下となる１００μｍ×１００μｍの領域を有している請求項３に記載の電子線装置。
- 前記第二層の、前記第一層が一部露出している各部分の面積の平均値が５０００平方μｍ以下となる１００μｍ×１００μｍの領域を有している請求項３に記載の電子線装置。
- 前記第二層の、前記第一層が一部露出している各部分の幅の平均値が７０μｍ以下となる１００μｍ×１００μｍの領域を有している請求項３に記載の電子線装置。
- 前記第二層が絶縁性の膜である請求項３に記載の電子線装置。
- 前記第二層の２次電子放出係数が、前記第一層の２次電子放出係数よりも小さい請求項３に記載の電子線装置。
- 前記第１の部材が、前記電子源と前記被照射体の間の間隔を維持するスペーサである請求項１から８のいずれか１項に記載の電子線装置。
- 前記第１の部材は、前記電子源が放出する電子の軌道に対して、該第１の部材において帯電が生じた場合に、該帯電によって実質的に変化を与える位置に設けられる部材である請求項１から９のいずれか１項に記載の電子線装置。
- 前記第１の部材は、前記電子源に固定されるものである請求項１から１０のいずれか１項に記載の電子線装置。
- 前記第１の部材は、前記被照射体に内側に固定されるものである請求項１から１０のいずれか１項に記載の電子線装置。
- 請求項１から１２のいずれか１項に記載の電子線装置を用いた画像形成装置であって、前記被照射体は蛍光体を含んでいる画像形成装置。
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