JP3839792B2 - Electron emission method of electron-emitting device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エミッタ部に形成された第1の電極と第2の電極とを有する電子放出素子の電子放出方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近時、電子放出素子は、カソード電極及びアノード電極を有し、フィールドエミッションディスプレイ(FED)やバックライトのような種々のアプリケーションに適用されている。FEDに適用する場合、複数の電子放出素子を2次元的に配列し、これら電子放出素子に対する複数の蛍光体を、所定の間隔をもってそれぞれ配置するようにしている。
【0003】
この電子放出素子の従来例としては、例えば特許文献1〜5があるが、いずれもエミッタ部に誘電体を用いていないため、対向電極間にフォーミング加工もしくは微細加工が必要となったり、電子放出のために高電圧を印加しなければならず、また、パネル製作工程が複雑で製造コストが高くなるという問題がある。
【0004】
そこで、エミッタ部を誘電体で構成することが考えられているが、誘電体からの電子放出として以下の非特許文献1〜3にて諸説が述べられている。
【0005】
【特許文献1】
特開平1−311533号公報
【特許文献2】
特開平7−147131号公報
【特許文献3】
特開2000−285801号公報
【特許文献4】
特公昭46−20944号公報
【特許文献5】
特公昭44−26125号公報
【非特許文献1】
安岡、石井著「強誘電体陰極を用いたパルス電子源」応用物理第68巻第5号、p546〜550(1999)
【非特許文献2】
V.F.Puchkarev, G.A.Mesyats, On the mechanism of emission from the ferroelectric ceramic cathode, J.Appl.Phys., vol. 78, No. 9, 1 November, 1995, p. 5633-5637
【非特許文献3】
H.Riege, Electron emission ferroelectrics - a review, Nucl. Instr. and Meth. A340, p. 80-89(1994)
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の電子放出素子においては、誘電体の表面、誘電体と上部電極との界面、誘電体内部の欠陥準位に拘束された電子を誘電体の分極反転によって放出するようにしている。つまり、誘電体にて分極反転さえ起きれば、印加電圧パルスの電圧レベルに依存せず、放出電子量はほぼ一定となる。
【0007】
しかしながら、電子放出が安定せず、電子放出回数はたかだか数万回程度までであり、実用性に乏しいという問題がある。このように、従来においては、誘電体にて構成されたエミッタ部を有する電子放出素子の効果を見出すまでには至っていない。
【0008】
しかも、エミッタ部を圧電材料で構成した場合、反強誘電体材料で構成した場合、電歪材料で構成した場合など、材料別での電子放出特性を探求したものはない。
【0009】
本発明は、圧電材料にて構成されたエミッタ部を有する電子放出素子に対して効率的に電子放出を行わせることができ、ディスプレイや光源等への応用を容易にすることができる電子放出素子の電子放出方法を提供することを目的とする。
【0010】
また、本発明の他の目的は、反強誘電体材料にて構成されたエミッタ部を有する電子放出素子に対して効率的に電子放出を行わせることができ、ディスプレイや光源等への応用を容易にすることができる電子放出素子の電子放出方法を提供することにある。
【0011】
また、本発明の他の目的は、電歪材料にて構成されたエミッタ部を有する電子放出素子に対して効率的に電子放出を行わせることができ、ディスプレイや光源等への応用を容易にすることができる電子放出素子の電子放出方法を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る電子放出素子の電子放出方法は、電歪材料にて構成されたエミッタ部と、前記エミッタ部に接して形成された第1の電極及び第2の電極とを有し、前記第1及び第2の電極を介して前記エミッタ部に電界を印加して前記エミッタ部での分極量を制御することによって電子放出させる電子放出素子の電子放出方法であって、前記第1の電極と前記第2の電極間に前記電界を印加することによって、少なくとも前記エミッタ部の一部が分極反転もしくは分極変化され、この分極反転もしくは分極変化によって、前記第1の電極の周辺に双極子モーメントの正極側が配されることで、前記第1の電極から1次電子が引き出され、前記第1の電極から引き出された1次電子が前記エミッタ部に衝突して、該エミッタ部から2次電子が放出されることを特徴とする。
【0035】
この場合、エミッタ部での分極が電界の変化に応じて散漫的に起こるため、単位時間当たりの分極量が多いほど、電子放出量が多くなる。即ち、前記エミッタ部での分極量を制御することで、効率よく電子を放出することができることから、ディスプレイや光源等への応用を容易にすることができる。
【0036】
そして、この発明において、第1の期間に、前記第1の電極の電位が前記第2の電極の電位よりも高い第1の電圧を前記第1の電極と前記第2の電極間に印加して、前記エミッタ部を予め一方向に分極させ、第2の期間に、前記第1の電極の電位が前記第2の電極の電位よりも低い第2の電圧を前記第1の電極と前記第2の電極間に印加して、前記エミッタ部を分極変化させることによって電子放出させるようにしてもよい。
【0037】
また、第1の期間に、前記第1の電極と前記第2の電極間に印加する第1の電圧を0Vとして、前記エミッタ部を予め無分極状態にしておき、第2の期間に、前記第1の電極の電位が前記第2の電極の電位よりも低い第2の電圧を前記第1の電極と前記第2の電極間に印加して、前記エミッタ部を分極変化させることによって電子放出させるようにしてもよい。これにより、第2の期間において、片側極性駆動での電子放出が可能となる。これは、駆動回路系の簡略化につながり、低消費電力やコストの低廉化並びに構造の小型化において有利となる。
【0038】
また、前記第2の電圧のレベルを制御することによって、前記第2の期間の開始時点から一定時間内に生じる前記エミッタ部の分極量を制御し、電子放出量を制御するようにしてもよい。
【0039】
この場合、前記第2の電圧のレベル制御とは、第2の電圧がパルス状であって、かつ、立ち下がりがランプ状であれば、例えば第2の電圧の最大振幅や偏移時間を制御することであり、前記第2の電圧が矩形パルスであれば、最大振幅のみを制御することなどである。また、一定時間としては、好ましくは10msec以内、より好ましくは10μsec以内であるとよい。
【0040】
また、前記電子放出後に、前記第1の電極と前記第2の電極間の電圧の微振動で電子放出の持続が発生するように、前記第2の期間の開始時点に印加される前記第2の電圧のレベルを制御するようにしてもよい。
【0041】
電歪材料の分極は、電界の変化に応じて散漫的に起こるため、上述したように、単位時間当たりの分極量が多いほど、電子放出量が多くなる。また、電子放出される電圧レベルと分極がリセットされる電圧レベル(しきい値レベル)との電位差が小さい。
【0042】
従って、一旦、電子が放出されて、第1の電極と第2の電極間の電圧が降下すると、エミッタ部の分極が容易にリセットされ、疑似的に0Vが印加された状態になる。
【0043】
しかし、この第2の期間では、第1の電極と第2の電極間に第2の電圧が印加されていることから、急速に第1の電極と第2の電極間の電圧が大きくなり、再び分極が行われていく。このとき、分極の変化が急速に進むため、最初の電子放出の際の電圧よりも低い電圧で電子放出が行われる。
【0044】
2度目の電子放出が行われて、第1の電極と第2の電極間の電圧が降下すると、再びエミッタ部の分極が容易にリセットされ、その後、第1の電極と第2の電極間への第2の電圧の持続印加によって、第1の電極と第2の電極間の電圧が再度大きくなり、分極が行われていく。この場合も分極の変化が急速に進むため、2度目の電子放出の際の電圧とほぼ同じ電圧で電子放出が行われる。
【0045】
つまり、第2の期間に印加される第2の電圧のレベルを制御することによって、前記第1の電極と第2の電極間の電圧が微振動することとなり、この微振動によって電子放出の持続化が可能となる。つまり、第2の期間において、片側極性駆動での電子放出が可能となる。これは、駆動回路系の簡略化につながり、低消費電力やコストの低廉化並びに構造の小型化において有利となる。
【0046】
そして、上述の各発明において、前記第1の電極を前記エミッタ部に接して形成し、前記第2の電極を前記エミッタ部に接して形成し、かつ、前記第1の電極と共にスリットを形成するようにしてもよい。この場合、前記スリットの幅をd、前記第1の電極と前記第2の電極間の電圧をVakとしたとき、前記エミッタ部に印加され、かつ、E=Vak/dで表される電界Eで分極反転もしくは分極変化が行われることとなる。
【0047】
また、上述の各発明において、前記第1の電極を前記エミッタ部の第1の面に形成し、前記第2の電極を前記エミッタ部の第2の面に形成するようにしてもよい。この場合、前記第1の電極と前記第2の電極に挟まれた前記エミッタ部の厚さをh、前記第1の電極と前記第2の電極間の電圧をVakとしたとき、前記エミッタ部に印加され、かつ、E=Vak/hで表される電界Eで分極反転もしくは分極変化が行われることになる。
【0048】
なお、上述の第1の電極と前記第2の電極間の電圧Vakは、前記エミッタ部の絶縁破壊電圧未満であることが好ましい。
また、本発明に係る電子放出素子の電子放出方法は、電歪材料にて構成されたエミッタ部と、前記エミッタ部に接して形成された第1の電極及び第2の電極とを有し、前記第1及び第2の電極を介して前記エミッタ部に電界を印加して前記エミッタ部での分極量を制御することによって電子放出させる電子放出素子の電子放出方法であって、第1の期間に、前記第1の電極の電位が前記第2の電極の電位よりも高い第1の電圧を前記第1の電極と前記第2の電極間に印加して、前記エミッタ部を予め一方向に分極させ、第2の期間に、前記第1の電極の電位が前記第2の電極の電位よりも低い第2の電圧を前記第1の電極と前記第2の電極間に印加して、前記エミッタ部を分極変化させることによって電子放出させ、前記電子放出後に、前記第1の電極と前記第2の電極間の電圧の微振動で電子放出の持続が発生するように、前記第2の期間の開始時点に印加される前記第2の電圧のレベルを制御することを特徴とする。
【0049】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る電子放出素子の電子放出方法の実施の形態例を図1〜図30を参照しながら説明する。
【0050】
まず、本実施の形態に係る電子放出素子は、ディスプレイとしての用途のほか、電子線照射装置、光源、LEDの代替用途、電子部品製造装置に適用することができる。
【0051】
電子線照射装置における電子線は、現在普及している紫外線照射装置における紫外線に比べ、高エネルギーで吸収性能に優れる。適用例としては、半導体装置では、ウェハーを重ねる際における絶縁膜を固化する用途、印刷の乾燥では、印刷インキをむらなく硬化する用途や、医療機器をパッケージに入れたまま殺菌する用途等がある。
【0052】
光源としての用途は、高輝度、高効率仕様向けであって、例えば超高圧水銀ランプ等が使用されるプロジェクタの光源用途等がある。本実施の形態に係る電子放出素子を光源に適用した場合、小型化、長寿命、高速点灯、水銀フリーによる環境負荷低減という特徴を有する。
【0053】
LEDの代替用途としては、屋内照明、自動車用ランプ、信号機等の面光源用途や、チップ光源、信号機、携帯電話向けの小型液晶ディスプレイのバックライト等がある。
【0054】
電子部品製造装置の用途としては、電子ビーム蒸着装置等の成膜装置の電子ビーム源、プラズマCVD装置におけるプラズマ生成用(ガス等の活性化用)電子源、ガス分解用途の電子源などがある。また、テラHz駆動の高速スイッチング素子、大電流出力素子といった真空マイクロデバイス用途もある。他に、プリンタ用部品、つまり、感光ドラムを感光させる発光デバイスや、誘電体を帯電させるための電子源としても好ましく用いられる。
【0055】
電子回路部品としては、大電流出力化、高増幅率化が可能であることから、スイッチ、リレー、ダイオード等のデジタル素子、オペアンプ等のアナログ素子への用途がある。
【0056】
そして、第1の実施の形態に係る電子放出素子10Aは、図1に示すように、基板12上に形成されたエミッタ部14と、該エミッタ部14の一方の面に形成された第1の電極(カソード電極)16と、同じくエミッタ部14の一方の面に形成され、カソード電極16と共にスリット18を形成する第2の電極(アノード電極)20とを有する。カソード電極16とアノード電極20間には、パルス発生源22からの駆動電圧Vaが抵抗R1を介して印加される。なお、図1の例では、アノード電極20をGND(グランド)に接続して、該アノード電極20の電位をゼロにした場合を示しているが、もちろん、ゼロ電位以外の電位にしてもかまわない。
【0057】
そして、この電子放出素子10Aをディスプレイの画素として利用する場合は、エミッタ部14の上方のうち、前記スリット18に対向した位置に第3の電極(コレクタ電極)24が配置され、該コレクタ電極24には蛍光体28が塗布される。なお、コレクタ電極24にはバイアス電圧源102(バイアス電圧Vc)が抵抗R3を介して接続される。
【0058】
また、第1の実施の形態に係る電子放出素子10Aは、当然のことながら、真空空間内に配置される。この電子放出素子10Aは、図1に示すように、電界集中ポイントA及びBが存在するが、ポイントAは、カソード電極16/エミッタ部14/真空が1つのポイントに存在する3重点を含むポイントとしても定義することができ、ポイントBは、アノード電極20/エミッタ部14/真空が1つのポイントに存在する3重点を含むポイントとしても定義することができる。
【0059】
そして、雰囲気中の真空度は、102〜10-6Paが好ましく、より好ましくは10-3〜10-5Paである。
【0060】
このような範囲を選んだ理由は、低真空では、▲1▼:空間内に気体分子が多いため、プラズマを生成し易く、プラズマが多量に発生され過ぎると、その正イオンが多量にカソード電極16に衝突して損傷を進めるおそれや、▲2▼:放出電子がコレクタ電極24に到達する前に気体分子に衝突してしまい、コレクタ電位(Vc)で十分に加速した電子による蛍光体28の励起が十分に行われなくなるおそれがあるからである。
【0061】
一方、高真空では、電界集中ポイントA及びBから電子を放出し易いものの、構造体の支持、及び真空のシール部が大きくなり、小型化に不利になるという問題があるからである。
【0062】
ここで、エミッタ部14は誘電体にて構成される。誘電体は、好適には、比誘電率が比較的高い、例えば1000以上の誘電体を採用することができる。このような誘電体としては、チタン酸バリウムの他に、ジルコン酸鉛、マクネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、マグネシウムタンタル酸鉛、ニッケルタンタル酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、チタン酸鉛、マグネシウムタングステン酸鉛、コバルトニオブ酸鉛等、又はこれらの任意の組み合わせを含有するセラミックスや、主成分がこれらの化合物を50重量%以上含有するものや、前記セラミックスに対して更にランタン、カルシウム、ストロンチウム、モリブデン、タングステン、バリウム、ニオブ、亜鉛、ニッケル、マンガン等の酸化物、もしくはこれらのいずれかの組み合わせ、又は他の化合物を適切に添加したもの等を挙げることができる。
【0063】
例えば、マグネシウムニオブ酸鉛(PMN)とチタン酸鉛(PT)の2成分系nPMN−mPT(n,mをモル数比とする)においては、PMNのモル数比を大きくすると、キュリー点が下げられて、室温での比誘電率を大きくすることができる。
【0064】
特に、n=0.85〜1.0、m=1.0−nでは比誘電率3000以上となり好ましい。例えば、n=0.91、m=0.09では室温の比誘電率15000が得られ、n=0.95、m=0.05では室温の比誘電率20000が得られる。
【0065】
次に、マグネシウムニオブ酸鉛(PMN)、チタン酸鉛(PT)、ジルコン酸鉛(PZ)の3成分系では、PMNのモル数比を大きくする他に、正方晶と擬立方晶又は正方晶と菱面体晶のモルフォトロピック相境界(MPB:Morphotropic Phase Boundary)付近の組成とすることが比誘電率を大きくするのに好ましい。例えば、PMN:PT:PZ=0.375:0.375:0.25にて比誘電率5500、PMN:PT:PZ=0.5:0.375:0.125にて比誘電率4500となり、特に好ましい。更に、絶縁性が確保できる範囲内でこれらの誘電体に白金のような金属を混入して、誘電率を向上させるのが好ましい。この場合、例えば、誘電体に白金を重量比で20%混入させるとよい。
【0066】
また、エミッタ部14は、上述したように、圧電/電歪層や反強誘電体層等を用いることができるが、エミッタ部14として圧電/電歪層を用いる場合、該圧電/電歪層としては、例えば、ジルコン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、マグネシウムタンタル酸鉛、ニッケルタンタル酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、チタン酸鉛、チタン酸バリウム、マグネシウムタングステン酸鉛、コバルトニオブ酸鉛等、又はこれらのいずれかの組み合わせを含有するセラミックスが挙げられる。
【0067】
主成分がこれらの化合物を50重量%以上含有するものであってもよいことはいうまでもない。また、前記セラミックスのうち、ジルコン酸鉛を含有するセラミックスは、エミッタ部14を構成する圧電/電歪層の構成材料として最も使用頻度が高い。
【0068】
また、圧電/電歪層をセラミックスにて構成する場合、前記セラミックスに、更に、ランタン、カルシウム、ストロンチウム、モリブデン、タングステン、バリウム、ニオブ、亜鉛、ニッケル、マンガン等の酸化物、もしくはこれらのいずれかの組み合わせ、又は他の化合物を、適宜、添加したセラミックスを用いてもよい。
【0069】
例えば、マグネシウムニオブ酸鉛とジルコン酸鉛及びチタン酸鉛とからなる成分を主成分とし、更にランタンやストロンチウムを含有するセラミックスを用いることが好ましい。
【0070】
圧電/電歪層は、緻密であっても、多孔質であってもよく、多孔質の場合、その気孔率は40%以下であることが好ましい。
【0071】
エミッタ部14として反強誘電体層を用いる場合、該反強誘電体層としては、ジルコン酸鉛を主成分とするもの、ジルコン酸鉛とスズ酸鉛とからなる成分を主成分とするもの、更にはジルコン酸鉛に酸化ランタンを添加したもの、ジルコン酸鉛とスズ酸鉛とからなる成分に対してジルコン酸鉛やニオブ酸鉛を添加したものが望ましい。
【0072】
また、この反強誘電体膜は、多孔質であってもよく、多孔質の場合、その気孔率は30%以下であることが望ましい。
【0073】
更に、エミッタ部14にタンタル酸ビスマス酸ストロンチウムを用いた場合、分極反転疲労が小さく好ましい。このような分極反転疲労が小さい材料は、層状強誘電体化合物で、(BiO22+(Am-1m3m+12-という一般式で表される。ここで、金属Aのイオンは、Ca2+、Sr2+、Ba2+、Pb2+、Bi3+、La3+等であり、金属Bのイオンは、Ti4+、Ta5+、Nb5+等である。
【0074】
また、圧電/電歪/反強誘電体セラミックスに、例えば鉛ホウケイ酸ガラス等のガラス成分や、他の低融点化合物(例えば酸化ビスマス等)を混ぜることによって、焼成温度を下げることができる。これにより、エミッタ部14を基板12上に形成する際に有利となる。
【0075】
また、エミッタ部14に非鉛系の材料を使用する等により、エミッタ部14を融点もしくは蒸散温度の高い材料とすることで、電子もしくはイオンの衝突に対し損傷しにくくなる。
【0076】
そして、基板12の上にエミッタ部14を形成する方法としては、スクリーン印刷法、ディッピング法、塗布法、電気泳動法等の各種厚膜形成法や、イオンビーム法、スパッタリング法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、化学気相成長法(CVD)、めっき等の各種薄膜形成法を用いることができる。
【0077】
この実施の形態においては、基板12上に前記エミッタ部14を形成するにあたっては、スクリーン印刷法やディッピング法、塗布法、電気泳動法等による厚膜形成法が好適に採用される。
【0078】
これらの方法は、平均粒径0.01〜5μm、好ましくは0.05〜3μmの圧電セラミックスの粒子を主成分とするペーストやスラリー、又はサスペンション、エマルジョン、ゾル等を用いて形成することができ、良好な圧電作動特性が得られるからである。
【0079】
特に、電気泳動法は、膜を高い密度で、かつ、高い形状精度で形成することができることをはじめ、「電気化学および工業物理化学 Vol.53,No.1(1985),p63〜68 安斎和夫著」あるいは「第1回電気泳動法によるセラミックスの高次成形法 研究討論会 予稿集(1998),p5〜6,p23〜24」等の技術文献に記載されるような特徴を有する。また、圧電/電歪/反強誘電体をシート状に成形したもの、もしくはその積層体、もしくはこれらを他の支持基板に積層又は接着したものを用いてもよい。このように、要求精度や信頼性等を考慮して、適宜、方法を選択して用いるとよい。
【0080】
ここで、カソード電極16とアノード電極20間のスリット18の幅dの大きさについて説明すると、カソード電極16とアノード電極20間の電圧(パルス発生源22から出力される駆動電圧Vaがカソード電極16とアノード電極20間に印加されることによって、該カソード電極16とアノード電極20間に現れる電圧)をVakとしたとき、E=Vak/dで表される電界Eで分極反転が行われるように、前記幅dを設定することが好ましい。つまり、スリット18の幅dが小さいほど、低電圧で分極反転が可能となり、低電圧駆動(例えば100V未満)で電子放出が可能となる。ここで、エミッタ部14の絶縁破壊電圧は、少なくとも10kV/mm以上有していることが好ましい。この例では、スリット18の幅dを例えば70μmとしたとき、カソード電極16とアノード電極20間に−100Vの駆動電圧を印加しても、エミッタ部14のうち、スリット18から露出する部分が絶縁破壊に至ることはない。
【0081】
カソード電極16は、以下に示す材料にて構成される。即ち、スパッタ率が小さく、真空中での蒸発温度が大きい導体が好ましい。例えば、Ar+で600Vにおけるスパッタ率が2.0以下で、蒸気圧1.3×10-3Paとなる温度が1800K以上のものが好ましく、白金、モリブデン、タングステン等がこれにあたる。また、高温酸化雰囲気に対して耐性を有する導体、例えば金属単体、合金、絶縁性セラミックスと金属単体との混合物、絶縁性セラミックスと合金との混合物等によって構成され、好適には、白金、イリジウム、パラジウム、ロジウム、モリブデン等の高融点貴金属や、銀−パラジウム、銀−白金、白金−パラジウム等の合金を主成分とするものや、白金とセラミック材料とのサーメット材料によって構成される。更に好適には、白金のみ又は白金系の合金を主成分とする材料によって構成される。また、電極として、カーボン、グラファイト系の材料、例えば、ダイヤモンド薄膜、ダイヤモンドライクカーボン、カーボンナノチューブも好適に使用される。なお、電極材料中に添加されるセラミック材料の割合は、5〜30体積%程度が好適である。
【0082】
更に、焼成後に薄い膜が得られる有機金属ペースト、例えば白金レジネートペースト等の材料を用いることが好ましい。また、分極反転疲労を抑制する酸化物電極、例えば酸化ルテニウム、酸化イリジウム、ルテニウム酸ストロンチウム、La1-xSrxCoO3(例えばx=0.3や0.5)、La1-xCaxMnO3、La1-xCaxMn1-yCoy3(例えばx=0.2、y=0.05)、もしくはこれらを例えば白金レジネートペーストに混ぜたものが好ましい。
【0083】
カソード電極16は、上記材料を用いて、スクリーン印刷、スプレー、コーティング、ディッピング、塗布、電気泳動法等の各種の厚膜形成法や、スパッタリング法、イオンビーム法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、化学気相成長法(CVD)、めっき等の各種の薄膜形成法による通常の膜形成法に従って形成することができ、好適には、前者の厚膜形成法によって形成するとよい。なお、カソード電極16の寸法については、図2に示すように、幅W1を2mmとし、長さL1を5mmとした。カソード電極16の厚さは、20μm以下がよく、好適には5μm以下であるとよい。
【0084】
アノード電極20は、カソード電極16と同様の材料及び方法によって形成されるが、好適には上記厚膜形成法によって形成する。アノード電極20の厚さも、20μm以下がよく、好適には5μm以下であるとよい。また、アノード電極20の寸法については、図2に示すように、カソード電極16と同様に幅W2を2mmとし、長さL2を5mmとした。
【0085】
また、カソード電極16とアノード電極20間のスリット18の幅dは、本実施の形態では、70μmとした。
【0086】
カソード電極16に電気的に接続した配線と、アノード電極20に電気的に接続した配線とを電気的に分離するために、基板12を電気的な絶縁材料で構成するのが好ましい。
【0087】
従って、基板12を、ガラス、又は高耐熱性の金属、あるいはその金属表面をガラスなどのセラミック材料によって被覆したホーローのような材料により構成することができるが、セラミックスで構成するのが最適である。
【0088】
基板12を構成するセラミックスとしては、例えば、安定化された酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化チタン、スピネル、ムライト、窒化アルミニウム、窒化珪素、ガラス、これらの混合物等を使用することができる。その中でも、酸化アルミニウム及び安定化された酸化ジルコニウムが、強度及び剛性の観点から好ましい。安定化された酸化ジルコニウムは、機械的強度が比較的高いこと、靭性が比較的高いこと、カソード電極16及びアノード電極20との化学反応が比較的小さいことなどの観点から特に好適である。なお、安定化された酸化ジルコニウムとは、安定化酸化ジルコニウム及び部分安定化酸化ジルコニウムを包含する。安定化された酸化ジルコニウムでは、立方晶などの結晶構造をとるため、相転移が生じない。
【0089】
一方、酸化ジルコニウムは、1000℃前後で単斜晶と正方晶との間を相転移し、このような相転移の際にクラックが発生するおそれがある。安定化された酸化ジルコニウムは、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化イットリウム、酸化スカンジウム、酸化イッテルビウム、酸化セリウム、希土類金属の酸化物等の安定剤を、1〜30モル%含有する。なお、基板12の機械的強度を向上させるために、安定化剤が酸化イットリウムを含有すると好適である。この場合、酸化イットリウムを、好適には1.5〜6モル%、更に好適には2〜4モル%含有し、更に0.1〜5モル%の酸化アルミニウムを含有することが好ましい。
【0090】
また、結晶相を、立方晶+単斜晶の混合相、正方晶+単斜晶の混合相、立方晶+正方晶+単斜晶の混合相等とすることができるが、その中でも、主たる結晶相を、正方晶又は正方晶+立方晶の混合相としたものが、強度、靭性及び耐久性の観点から最適である。
【0091】
基板12をセラミックスから構成した場合、比較的多数の結晶粒が基板12を構成するが、基板12の機械的強度を向上させるためには、結晶粒の平均粒径を、好適には0.05〜2μmとし、更に好適には0.1〜1μmとするとよい。
【0092】
エミッタ部14、カソード電極16及びアノード電極20をそれぞれ形成するたびに熱処理(焼成処理)して基板12と一体構造にすることができ、また、これらエミッタ部14、カソード電極16及びアノード電極20を形成した後、同時に焼成処理して、これらを同時に基板12に一体に結合することもできる。なお、カソード電極16及びアノード電極20の形成方法によっては、一体化のための熱処理(焼成処理)を必要としない場合もある。
【0093】
基板12と、エミッタ部14、カソード電極16及びアノード電極20とを一体化させるための焼成処理に係る温度としては、500〜1400℃の範囲、好適には、1000〜1400℃の範囲とするとよい。更に、膜状のエミッタ部14を熱処理する場合、高温時にエミッタ部14の組成が不安定にならないように、エミッタ部14の蒸発源と共に雰囲気制御を行いながら焼成処理を行うことが好ましい。
【0094】
また、エミッタ部14を適切な部材によって被覆し、エミッタ部14の表面が焼成雰囲気に直接露出しないようにして焼成する方法を採用してもよい。この場合、被覆部材としては、基板12と同様の材料を用いることが好ましい。
【0095】
次に、電子放出素子10Aの電子放出原理について図1〜図6を参照しながら説明する。まず、パルス発生源22から出力される駆動電圧Vaは、図3に示すように、第1の電圧Va1が出力される期間(準備期間T1)と第2の電圧Va2が出力される期間(電子放出期間T2)を1ステップとし、該1ステップが繰り返される。第1の電圧Va1は、カソード電極16の電位がアノード電極20の電位よりも高い電圧であり、第2の電圧Va2は、カソード電極16の電位がアノード電極20の電位よりも低い電圧である。駆動電圧Vaの振幅Vinは、第1の電圧Va1から第2の電圧Va2を差し引いた値(=Va1−Va2)で定義することができる。つまり、駆動電圧Vaの波形は、準備期間T1において第1の電圧Va1、電子放出期間T2において第2の電圧Va2の矩形パルスとなっている。
【0096】
準備期間T1は、図4に示すように、カソード電極16とアノード電極20間に第1の電圧Va1を印加してエミッタ部14を分極する期間である。第1の電圧Va1としては、図3のように直流電圧でもよいが、1つのパルス電圧もしくはパルス電圧を複数回連続印加するようにしてもよい。ここで、準備期間T1は、分極処理を十分に行うために、電子放出期間T2よりも長くとることが好ましい。例えば、この準備期間T1としては100μsec以上が好ましい。これは、第1の電圧Va1の印加時の消費電力及びカソード電極16の損傷を防止する目的で、分極を行うための第1の電圧Va1の絶対値を、第2の電圧Va2の絶対値よりも小さく設定しているからである。
【0097】
また、第1の電圧Va1及び第2の電圧Va2は、各々正負の極性に分極処理を確実に行う電圧レベルであることが好ましく、例えばエミッタ部14の誘電体が抗電圧を有する場合、第1の電圧Va1及び第2の電圧Va2の絶対値は、抗電圧以上であることが好ましい。
【0098】
電子放出期間T2は、カソード電極16とアノード電極20間に第2の電圧Va2が印加される期間である。カソード電極16とアノード電極20間に第2の電圧Va2が印加されることによって、図5Aに示すように、少なくともエミッタ部14のうち、スリット18から露出する部分が分極反転される。このとき、前記スリットの幅をd(図1参照)、前記カソード電極16と前記アノード電極20間の電圧をVakとしたとき、エミッタ部14に印加され、かつ、E=Vak/dで表される電界Eで分極反転が行われる。
【0099】
この分極反転によって、カソード電極16とその近傍の双極子モーメントの正極側とで局所的な集中電界が発生することにより、カソード電極16から1次電子が引き出され、図5Bに示すように、前記カソード電極16から引き出された1次電子がエミッタ部14に衝突して、該エミッタ部14から2次電子が放出される。
【0100】
この第1の実施の形態のように、カソード電極16、エミッタ部14及び真空の3重点Aを有する場合には、カソード電極16のうち、3重点Aの近傍部分から1次電子が引き出され、この3重点Aから引き出された1次電子がエミッタ部14に衝突して、該エミッタ部14から2次電子が放出される。なお、カソード電極16の厚みが極薄(〜10nm)である場合には、該カソード電極16とエミッタ部14との界面から電子が放出されることになる。
【0101】
このような原理によって電子が放出されることから、電子放出が安定して行われ、電子放出の回数も20億回以上を実現でき、実用性に富む。しかも、放出電子量は、カソード電極16とアノード電極20間に印加される駆動電圧Vaの振幅Vinにほぼ比例して増加することから、放出電子量を容易に制御できるという利点もある。
【0102】
そして、放出された2次電子のうち、一部の2次電子はコレクタ電極24に導かれて蛍光体28を励起し、外部に蛍光体発光として具現されることになる。他の一部の2次電子や1次電子は、アノード電極20に引かれる。
【0103】
ここで、2次電子の放出分布について説明する。図6に示すように、2次電子は、ほとんどエネルギーが0に近いものが大多数であり、エミッタ部14の表面から真空中に放出されると、周囲の電界分布のみに従って運動することになる。つまり、2次電子は、初速がほとんど0(m/sec)の状態から周囲の電界分布に従って加速される。このため、図5Bに示すように、エミッタ部14とコレクタ電極24間に電界Eaが発生しているとすると、2次電子は、この電界Eaに沿って、その放出軌道が決定される。つまり、直進性の高い電子源を実現させることができる。このような初速の小さい2次電子は、1次電子のクーロン衝突でエネルギーを得て、エミッタ部14の外へ飛び出した固体内電子である。
【0104】
また、コレクタ電極24のパターン形状や電位を適宜変更したり、エミッタ部14とコレクタ電極24との間に図示しない制御電極等を配置することによって、エミッタ部14とコレクタ電極24間の電界分布を任意に設定することにより、2次電子の放出軌道を制御し易くなり、電子ビーム径の収束、拡大、変形も容易になる。
【0105】
上述した直進性の高い電子源の実現、並びに2次電子の放出軌道の制御のし易さは、第1の実施の形態に係る電子放出素子10Aをディスプレイの画素として構成した場合に、画素の狭ピッチ化に有利になる。
【0106】
ところで、図6からもわかるように、1次電子のエネルギーE0に相当するエネルギーをもった2次電子が放出されている。この2次電子は、カソード電極16から放出された1次電子がエミッタ部14の表面近くで散乱したもの(反射電子)である。
【0107】
カソード電極16の厚みが10nmよりも厚い場合には、前記反射電子のほとんどがアノード電極20に向かうことになる。そして、本明細書内で述べている2次電子は、前記反射電子やオージェ電子も含んで定義するものとする。
【0108】
一方、カソード電極16の厚みが極薄(〜10nm)である場合、カソード電極16から放出された1次電子は、カソード電極16とエミッタ部14の界面で反射してコレクタ電極24に向かうことになる。
【0109】
次に、第1の実施の形態に係る電子放出素子10Aの3つの具体例について説明する。
【0110】
第1の具体例に係る電子放出素子10Aaは、エミッタ部14の構成材料を圧電材料としている。それ以外の構成は、上述した第1の実施の形態に係る電子放出素子10Aと同様である。
【0111】
ここで、第1の具体例に係る電子放出素子10Aaの電子放出方法について説明する。
【0112】
まず、エミッタ部14の構成材料である圧電材料の分極−電界特性は、図7に示すように、電界E=0(V/mm)を基準としたヒステリシス曲線を描く。
【0113】
そして、このヒステリシス曲線のうち、ポイントp1〜p2〜p3までの曲線に注目すると、圧電材料は、正極性の電界が印加されるポイントp1にて、ほとんどが一方向に分極される。その後、負極性の電界を印加すると、抗電界(約−700V/mm)のポイントp2を超えたあたりから分極が反転しはじめ、ポイントp3にて全ての分極が反転することになる。
【0114】
従って、この第1の具体例では、図8に示すように、まず、準備期間T1において、カソード電極16とアノード電極20間に第1の電圧Va1を印加して、エミッタ部14に対して正極性の電界(約1000V/mm)を印加する。このとき、図7の分極−電界特性からもわかるように、エミッタ部14は一方向に分極されることになる。
【0115】
その後、図8の電子放出期間T2において、カソード電極16とアノード電極20間に第2の電圧Va2を印加して、エミッタ部14に対して高速に抗電界を超える電界(例えば約−1000V/mm)を印加すると、図7に示す前記ポイントp3に至る前のポイントp4にて電子の放出が行われる。これは、図8に示すように、電子放出期間T2の開始時点から一定時間tc1(ここでは、10μsec以内)におけるカソード電極16及びアノード電極20間の電圧Vakのピーク時点P1において、わずかな電圧降下がみられ、このピーク時点P1に電子放出が行われていることがわかる。つまり、このピーク時点P1において、コレクタ電極24に急速に電流(コレクタ電流Ic)が流れており、これは、放出電子がコレクタ電極24にて捕獲されたことを示している。
【0116】
このように、カソード電極16に第2の電圧Va2が供給されることによって、上述したように、前記エミッタ部14から、あるいはカソード電極16とエミッタ部14との界面から2次電子が放出されることになる。
【0117】
電子放出後、カソード電極16とアノード電極20間の電圧Vakは、カソード電極16に印加されている第2の電圧Va2に引かれて、再び大きくなるが、上述した電子放出時の電圧降下がわずかであったため(電圧降下レベルは20V程度)、電子放出までには至らず、最初の電子放出のみで終了となる。
【0118】
このように、第1の具体例に係る電子放出素子10Aaの電子放出方法においては、一方向に分極されたエミッタ部14に対して高速に抗電界を超える電界を印加することで、効率よく電子が放出されることになり、ディスプレイや光源等への応用を容易にすることができる。
【0119】
電子放出が行われる電界(ポイントp4における電界)は、抗電界を超えて分極反転がほぼ完了する電界であって、これらの電界はほぼ一定である。つまり、デジタル的な電子放出特性となる。また、この電子放出が行われる電界は、抗電界に依存するため、抗電界が小さいほど駆動電圧系の低電圧化が可能となる。
【0120】
また、この電子放出方法では、カソード電極16とアノード電極20間に印加される第2の電圧Va2のレベルを制御することによって、電子放出期間T2の開始時点から一定時間tc1内、例えば10μsec以内に、エミッタ部14に抗電界を超える電界を印加することが可能となる。
【0121】
この場合、第2の電圧Va2のレベル制御は、第2の電圧Va2がパルス状であって、図9Aに示すように、矩形パルスであれば、最大振幅(=Va2)のみを制御し、図9Bに示すように、立ち下がりがランプ状のパルスであれば、例えば第2の電圧Va2の最大振幅や偏移時間ta(電子放出期間T2の開始時点から最大振幅に達するまでの時間)を制御することなどが挙げられる。
【0122】
なお、第1の具体例に係る電子放出素子10Aaにおいて、連続した電子放出を実現するためには、駆動電圧Vaの波形として、正負の交番パルスを有する波形を採用することによって容易に実現させることができる。
【0123】
次に、第2の具体例に係る電子放出素子10Abについて説明する。この第2の具体例に係る電子放出素子10Abは、エミッタ部14の構成材料を反強誘電体材料としている点以外は、上述した第1の実施の形態に係る電子放出素子10Aの構成と同様である。
【0124】
ここで、第2の具体例に係る電子放出素子10Abの電子放出方法について説明する。
【0125】
まず、エミッタ部14の構成材料である反強誘電体材料の分極−電界特性は、図10に示すように、低い電界下では電圧に比例した誘起分極だけが観察されるが、ある電界を超えると強誘電体となり(電界誘起強制相転移)、電界の上下に対して分極のヒステリシスが現れる。しかし、再び電界を取り除くと元の常誘電体(分極がリセットされた状態)に戻る。
【0126】
そして、このヒステリシス曲線のうち、ポイントp11〜p12〜p13までの曲線に注目すると、反強誘電体材料は、正極性の電界が印加されるポイントp11にて、ほとんどが一方向に分極される。その後、電界の強さを低減していくと、ポイントp12を超えたあたりから分極量が急激に低減しはじめ、電界の強さが0のポイントp13では常誘電体となり、分極がリセットされた状態となっている。その後、負極性の電界を印加すると、エミッタ部14が強誘電体に相転移し、電界(約−2300V/mm)のポイントp14を超えたあたりから分極反転が行われはじめ、ポイントp15にて他方向に分極が行われることになる。
【0127】
従って、この第2の具体例では、図11に示すように、まず、準備期間T1において、カソード電極16とアノード電極20間に第1の電圧Va1を印加して、エミッタ部14に対して正極性の電界(約3000V/mm)を印加する。このとき、図10の分極−電界特性からもわかるように、エミッタ部14は一方向に分極されることになる。なお、第1の電圧Va1を基準電圧(0V)にして、準備期間T1に、エミッタ部14に対して電界をかけない状態にしてもよい。この場合、分極−電界特性からもわかるように、エミッタ部14は予め無分極状態となる。
【0128】
その後、電子放出期間T2において、カソード電極16とアノード電極20間に第2の電圧Va2を印加して、エミッタ部14に対して高速に電界(例えば約−3000V/mm)を印加することによってエミッタ部14を分極変化させると、図10のポイントp15に至る前のポイントp16にて電子の放出が行われる。
【0129】
これは、図11に示すように、電子放出期間T2の開始時点から一定時間tc2(この場合、10μsec)以内におけるカソード電極16及びアノード電極20間の電圧Vakのピーク時点P1において、電圧降下がみられ、このピーク時点P1に電子放出が行われていることがわかる。つまり、このピーク時点P1において、コレクタ電極24に急速に電流(コレクタ電流Ic)が流れており、これは、放出電子がコレクタ電極24にて捕獲されたことを示している。
【0130】
ところで、反強誘電体材料が相転移によって強誘電体になった場合においては、電子放出される電界(ポイントp16における電界)と分極がほぼリセットされる電界(ポイントp17における電界)との差が小さい。従って、一旦、電子が放出されて、カソード電極16とアノード電極20間の電圧が降下すると、エミッタ部14の分極が容易にリセットされ、疑似的に基準電圧0Vが印加された状態になる。
【0131】
しかし、この電子放出期間T2では、カソード電極16とアノード電極20間に第2の電圧Va2が印加されていることから、急速にカソード電極16とアノード電極20間の電圧Vakが電子放出に必要なレベルに達し、再び電子放出がなされることになる。
【0132】
従って、この電子放出期間T2において第2の電圧Va2を印加しつづけることによって、上述した一連の動作が連続して行われるようになり、第2の電圧Va2のレベルを制御することによって、連続回数を制御することも可能となる。図10の例では、電子放出を4回連続して行った場合を示す。
【0133】
このように、第2の具体例に係る電子放出素子10Abの電子放出方法においては、エミッタ部14に高速に電界を印加して、エミッタ部14を強誘電体に相転移させて、エミッタ部14を分極変化させることにより、効率よく電子が放出されることになり、ディスプレイや光源等への応用を容易にすることができる。
【0134】
また、電子放出が行われる電界(ポイントp16における電界)は、分極反転がほぼ完了する電界であって、これらの電界はほぼ一定である。つまり、デジタル的な電子放出特性となる。また、この電子放出が行われる電界は、エミッタ部14が強誘電体に相転移する電界(強制相転移電界)に依存するため、該強制相転移電界が小さいほど駆動電圧系の低電圧化が可能となる。
【0135】
また、この電子放出方法では、印加電界を正極性にしなくても、分極をほぼリセットされた状態にすることができる。従って、電子放出期間T2においては、片側極性駆動(負極性への駆動)のみで電子放出が可能となる。これは、駆動回路系の簡略化につながり、低消費電力やコストの低廉化並びに構造の小型化において有利となる。
【0136】
また、カソード電極16とアノード電極20間に印加される第2の電圧Va2のレベルを制御(最大振幅や偏移時間taを制御)することによって、電子放出期間T2の開始時点から一定時間tc2内、例えば10μsec以内に、エミッタ部14を強誘電体に相転移させて、エミッタ部14を分極させる程度の電界を印加することが可能となる。
【0137】
次に、第3の具体例に係る電子放出素子10Acについて説明する。この第3の具体例に係る電子放出素子10Acは、エミッタ部14の構成材料を電歪材料としている点以外は、上述した第1の実施の形態に係る電子放出素子10Aの構成と同様である。
【0138】
ここで、第3の具体例に係る電子放出素子10Acの電子放出方法について説明する。まず、エミッタ部14の構成材料である電歪材料の分極−電界特性は、図12に示すように、電界にほぼ比例した量の分極が行われ、特に、低い電界での分極の変化率が高い電界での分極の変化よりも大きくなっている。いずれにしても、エミッタ部14での分極が電界の変化に応じて散漫的に起こることがわかる。なお、電界を取り除くと分極がリセットされた状態になる。
【0139】
そして、この特性曲線のうち、ポイントp21〜p23までの曲線に注目すると、電歪材料は、正極性の電界が印加されるポイントp21にて、ほとんどが一方向に分極される。その後、電界の強さを低減していくと、正極性の電界の強さに応じて一方向の分極量が低減し、電界の強さが0のポイントp22では常誘電体となり、分極がリセットされた状態となっている。その後、負極性の電界を印加すると、分極反転が行われはじめ、負極性の電界の強さが増加するに応じて他方向への分極量が増加し、ポイントp23にてほとんどが他方向に分極されることになる。つまり、エミッタ部14は、印加電界に応じた量の分極が行われることになる。
【0140】
従って、この第3の具体例では、図13に示すように、まず、準備期間T1において、カソード電極16とアノード電極20間に第1の電圧Va1を印加して、エミッタ部14に対して正極性の電界(約2000V/mm)を印加する。このとき、図12の分極−電界特性からもわかるように、エミッタ部14は一方向に分極されることになる。なお、第1の電圧Va1を基準電圧(0V)にして、準備期間T1に、エミッタ部14に対して電界をかけない状態にしてもよい。この場合、分極−電界特性からもわかるように、エミッタ部14は予め無分極状態となる。
【0141】
その後、電子放出期間T2において、カソード電極16とアノード電極20間に第2の電圧Va2を印加して、エミッタ部14に対して電界(例えば約−2000V/mm)を印加することによってエミッタ部14を分極変化させると、ポイントp23にて電子の放出が行われる。これは、図13に示すように、電子放出期間T2の開始時点から一定時間tc3(ここでは、10μsec以内)におけるカソード電極16及びアノード電極20間の電圧Vakのピーク時点P1において、電圧降下がみられ、このピーク時点P1に電子放出が行われていることがわかる。つまり、このピーク時点P1において、コレクタ電極24に急速に電流(コレクタ電流Ic)が流れており、これは、放出電子がコレクタ電極24にて捕獲されたことを示している。
【0142】
このように、第3の具体例に係る電子放出素子10Acでは、エミッタ部14での分極が電界の変化に応じて散漫的に起こるため、単位時間当たりの分極量が多いほど、電子放出量が多くなる。つまり、アナログ的な電子放出特性となる。
【0143】
また、電子放出される電界(ポイントp23)における電界と分極がリセットされる電界(ポイントp22における電界)との電位差が小さい。従って、一旦、電子が放出されて、カソード電極16とアノード電極20間の電圧Vakが降下すると、エミッタ部14の分極が容易にリセットされ、疑似的に基準電圧0Vが印加された状態になる。
【0144】
しかし、この電子放出期間T2では、カソード電極16とアノード電極20間に第2の電圧Va2が印加されていることから、急速にカソード電極16とアノード電極20間の電圧Vakが大きくなり、再び分極が行われていく。このとき、分極の変化が急速に進むため、最初の電子放出の際の電圧よりも低い電圧で電子放出が行われる。
【0145】
2度目の電子放出が行われて、カソード電極16とアノード電極20間の電圧Vakが降下すると、再びエミッタ部14の分極が容易にリセットされ、その後、カソード電極16とアノード電極20間への第2の電圧Va2の持続印加によって、カソード電極16とアノード電極20間の電圧Vakが再度大きくなり、分極が行われていく。この場合も分極の変化が急速に進むため、2度目の電子放出の際の電圧とほぼ同じ電圧で電子放出が行われる。
【0146】
つまり、1回目の電子放出後においては、カソード電極16とアノード電極20間の電圧Vakが微振動することとなり、この微振動によって電子放出が持続されることになる。そして、第2の電圧Va2のレベルを制御することによって、電子放出の持続時間を制御することも可能となる。
【0147】
このように、第3の具体例に係る電子放出素子10Acの電子放出方法においては、エミッタ部14での分極量を制御することで、効率よく電子を放出することができることから、ディスプレイや光源等への応用を容易にすることができる。
【0148】
また、上述したように、単位時間当たりの分極量が大きいほど、電界の強さを低くすることができるため、駆動電圧系の低電圧化が可能となる。
【0149】
また、この電子放出方法では、印加電界を正極性にしなくても、分極をほぼリセットされた状態にすることができる。従って、電子放出期間T2においては、片側極性駆動(負極性への駆動)のみで電子放出が可能となる。これは、駆動回路系の簡略化につながり、低消費電力やコストの低廉化並びに構造の小型化において有利となる。
【0150】
また、カソード電極16とアノード電極20間に印加される第2の電圧Va2のレベルを制御する(最大振幅や偏移時間taを制御する)ことによって、電子放出期間T2の開始時点から一定時間tc3内、例えば10μsec以内に生じるエミッタ部14の分極量を制御し、電子放出量を制御することができる。
【0151】
次に、第2の実施の形態に係る電子放出素子10Bについて図14〜図23Bを参照しながら説明する。
【0152】
この第2の実施の形態に係る電子放出素子10Bは、図14に示すように、上述した第1の実施の形態に係る電子放出素子10Aとほぼ同様の構成を有するが、カソード電極16が板状のエミッタ部14の表面に形成され、アノード電極20がエミッタ部14の裏面に形成されている点で異なる。
【0153】
なお、カソード電極16とアノード電極20間への駆動電圧Vaの印加は、例えば図15に示すように、カソード電極16に延びるリード電極17とアノード電極20に延びるリード電極21を通じて行われる。
【0154】
そして、この電子放出素子10Bをディスプレイの画素として利用する場合は、カソード電極16の上方にコレクタ電極24が配置され、該コレクタ電極24には蛍光体28が塗布される。
【0155】
カソード電極16とアノード電極20間のエミッタ部14の厚さh(図14)は、両電極16及び20間の電圧をVakとしたとき、E=Vak/hで表される電界Eで分極反転が行われるように、前記厚さhを設定することが好ましい。つまり、前記厚さhが小さいほど、低電圧で分極反転もしくは分極変化が可能となり、低電圧駆動(例えば100V未満)で電子放出が可能となる。エミッタ部14の絶縁破壊電圧は、少なくとも10kV/mm以上有していることが好ましい。ここで、エミッタ部14の絶縁破壊電圧は、少なくとも10kV/mm以上有していることが好ましい。この例では、エミッタ部14の厚さhを例えば20μmとしたとき、カソード電極16とアノード電極20間に−100Vの駆動電圧を印加しても、エミッタ部14が絶縁破壊に至ることはない。
【0156】
カソード電極16の平面形状は、図15に示すように、楕円形状としてもよいし、図16に示す第1の変形例に係る電子放出素子10Baのように、リング状にしてもよい。あるいは、図17に示す第2の変形例に係る電子放出素子10Bbのように、くし歯状にしてもよい。
【0157】
カソード電極16の平面形状をリング状やくし歯状にすることによって、電界集中ポイントAでもあるカソード電極16/エミッタ部14/真空の3重点が増え、電子放出効率を向上させることができる。
【0158】
カソード電極16の厚みtc(図14参照)は、20μm以下であるとよく、好適には5μm以下であるとよい。従って、カソード電極16の厚みtcを100nm以下にしてもよい。特に、図18に示す第3の変形例に係る電子放出素子10Bcのように、カソード電極16の厚みtcを極薄(10nm以下)とした場合には、該カソード電極16とエミッタ部14との界面から電子が放出されることになり、電子放出効率を更に向上させることができる。
【0159】
一方、アノード電極20は、カソード電極16と同様の材料及び方法によって形成されるが、好適には上記厚膜形成法によって形成する。アノード電極20の厚さも、20μm以下であるとよく、好適には5μm以下であるとよい。
【0160】
次に、電子放出素子10Bの電子放出原理について図14、図19〜図23Bを参照しながら説明する。この第2の実施の形態においても、図19に示すように、上述した第1の実施の形態と同様に、第1の電圧Va1が出力される期間(準備期間T1)と第2の電圧Va2が出力される期間(電子放出期間T2)を1ステップとし、該1ステップが繰り返される。
【0161】
まず、準備期間T1において、図20に示すように、カソード電極16とアノード電極20間に第1の電圧Va1が印加されることによって、エミッタ部14が一方向に分極されることになる。この場合も、第1の電圧Va1としては、図19のように直流電圧でもよいが、1つのパルス電圧もしくはパルス電圧を複数回連続印加するようにしてもよい。また、準備期間T1は、分極処理を十分に行うために、電子放出期間T2よりも長くとることが好ましい。例えば、この準備期間T1としては100μsec以上が好ましい。
【0162】
その後、電子放出期間T2において、カソード電極16とアノード電極20間に第2の電圧Va2が印加されることによって、図21に示すように、少なくともエミッタ部14の一部が分極反転もしくは分極変化される。ここで、分極反転もしくは分極変化される部位は、カソード電極16の真下部分はもちろんのこと、真上にカソード電極16を有しておらず、表面が露出した部分についても、カソード電極16の近傍では、同様に分極反転もしくは分極変化が行われる。つまり、カソード電極16の近傍で、エミッタ部14の表面が露出した部分は、分極のしみ出しが起きているからである。この分極反転もしくは分極変化によって、カソード電極16とその近傍の双極子モーメントの正極側とで局所的な集中電界が発生することにより、カソード電極16から1次電子が引き出され、カソード電極16から引き出された前記1次電子がエミッタ部14に衝突して、該エミッタ部14から2次電子が放出される。
【0163】
この第2の実施の形態のように、カソード電極16、エミッタ部14及び真空の3重点Aを有する場合には、カソード電極16のうち、3重点Aの近傍部分から1次電子が引き出され、この3重点Aから引き出された1次電子がエミッタ部14に衝突して、該エミッタ部14から2次電子が放出される。なお、カソード電極16の厚みが極薄(〜10nm)である場合には、該カソード電極16とエミッタ部14との界面から電子が放出されることになる。
【0164】
ここで、第2の電圧Va2が印加されることによる作用を更に詳細に説明する。まず、カソード電極16とアノード電極20間に第2の電圧Va2が印加されることによって、上述したように、エミッタ部14から2次電子が放出されることになる。即ち、分極反転もしくは分極変化されたエミッタ部14のうち、カソード電極16の近傍に帯電する双極子モーメントが放出電子を引き出すこととなる。
【0165】
つまり、カソード電極16のうち、エミッタ部14との界面近傍において局所的なカソードが形成され、エミッタ部14のうち、カソード電極16の近傍の部分に帯電している双極子モーメントの+極が局所的なアノードとなってカソード電極16から電子が引き出され、その引き出された電子のうち、一部の電子がコレクタ電極24(図14参照)に導かれて蛍光体28を励起し、外部に蛍光体発光として具現されることになる。また、前記引き出された電子のうち、一部の電子がエミッタ部14に衝突して、エミッタ部14から2次電子が放出され、該2次電子がコレクタ電極24に導かれて蛍光体28を励起することになる。なお、この第2の実施の形態に係る電子放出素子10Bにおける2次電子の放出分布についても図10と同様の特性を有することになる。従って、2次電子は、ほとんどエネルギーが0に近いものが大多数であり、エミッタ部14の表面から真空中に放出されると、周囲の電界分布のみに従って運動することになる。つまり、2次電子は、初速がほとんど0(m/sec)の状態から周囲の電界分布に従って加速される。このため、図14に示すように、エミッタ部14とコレクタ電極24間に電界Eaが発生しているとすると、2次電子は、この電界Eaに沿って、その放出軌道が決定される。つまり、直進性の高い電子源を実現させることができる。このような初速の小さい2次電子は、1次電子のクーロン衝突でエネルギーを得て、エミッタ部14の外へ飛び出した固体内電子である。
【0166】
また、1次電子のエネルギーE0に相当するエネルギーをもった2次電子は、カソード電極16から放出された1次電子がエミッタ部14の表面近くで散乱したもの(反射電子)である。ここで、エミッタ部14から蛍光体へ放出される2次電子は、上記初速の小さい2次電子、つまり、1次電子のクーロン衝突でエネルギーを得てエミッタ部14の外に飛び出した固体内電子と、オージェ電子と、反射電子の全てを含む。カソード電極16の厚みが極薄(〜10nm)である場合、カソード電極16から放出された1次電子は、カソード電極16とエミッタ部14の界面で反射してコレクタ電極24に向かうことになる。
【0167】
ここで、図21に示すように、電界集中ポイントAでの電界の強さEAは、局所的なアノードと局所的なカソード間の電位差をV(la,lk)、局所的なアノードと局所的なカソード間の距離をdAとしたとき、EA=V(la,lk)/dAの関係がある。この場合、局所的なアノードと局所的なカソード間の距離dAは非常に小さいことから、電子放出に必要な電界の強さEAを容易に得ることができる(電界の強さEAが大きくなっていることを図21上では実線矢印によって示す)。これは、電圧Vakの低電圧化につながる。
【0168】
そして、カソード電極16からの電子放出がそのまま進行すれば、ジュール熱によって蒸散して浮遊するエミッタ部14の構成原子が前記放出された電子によって正イオンと電子に電離され、この電離によって発生した電子が更にエミッタ部14の構成原子等を電離するため、指数関数的に電子が増え、これが進行して電子と正イオンが中性的に存在すると局所プラズマとなる。なお、2次電子も前記電離を促進させることが考えられる。前記電離によって発生した正イオンが例えばカソード電極16に衝突することによってカソード電極16が損傷することも考えられる。
【0169】
しかし、この第2の実施の形態に係る電子放出素子10Bでは、図22に示すように、カソード電極16から引き出された電子が、局所アノードとして存在するエミッタ部14の双極子モーメントの+極に引かれ、カソード電極16の近傍におけるエミッタ部14の表面の負極性への帯電が進行することになる。その結果、電子の加速因子(局所的な電位差)が緩和され、2次電子放出に至るポテンシャルが存在しなくなり、エミッタ部14の表面における負極性の帯電が更に進行することになる。
【0170】
そのため、双極子モーメントにおける局所的なアノードの正極性が弱められ、局所的なアノードと局所的なカソード間の電界の強さEAが小さくなり(電界の強さEAが小さくなっていることを図22上では破線矢印によって示す)、電子放出は停止することになる。
【0171】
即ち、図23Aに示すように、カソード電極16とアノード電極20間に印加される駆動電圧Vaとして、第1の電圧Va1を例えば+50V、第2の電圧Va2を例えば−100Vとしたとき、電子放出が行われたピーク時点P1におけるカソード電極16とアノード電極20間の電圧変化ΔVakは、20V以内(図23Bの例では10V程度)であってほとんど変化がない。そのため、正イオンの発生はほとんどなく、正イオンによるカソード電極16の損傷を防止することができ、電子放出素子10Bの長寿命化において有利となる。
【0172】
ところで、エミッタ部14から放出された電子が再びエミッタ部14に衝突したり、エミッタ部14の表面近傍での電離等によって、該エミッタ部14が損傷を受け、結晶欠陥が誘発し、構造的にも脆くなるおそれがある。
【0173】
そこで、エミッタ部14を、真空中での蒸発温度が大きい誘電体で構成することが好ましく、例えばPbを含まないBaTiO3等にて構成するようにしてもよい。これにより、エミッタ部14の構成原子がジュール熱によって蒸散しにくくなり、電子による電離の促進を妨げることができる。これは、エミッタ部14の表面を保護する上で有効となる。
【0174】
次に、第3の実施の形態に係る電子放出素子10Cについて図24を参照しながら説明する。
【0175】
この第3の実施の形態に係る電子放出素子10Cは、図24に示すように、上述した第1の実施の形態に係る電子放出素子10Aとほぼ同様の構成を有するが、1つの基板12を有する点と、アノード電極20が基板12上に形成され、エミッタ部14が基板12上であって、かつ、アノード電極20を覆うように形成され、更にカソード電極16がエミッタ部14上に形成されている点で異なる。
【0176】
この場合も、上述した第2の実施の形態に係る電子放出素子10Bと同様に、正イオンによるカソード電極16の損傷を防止することができ、電子放出素子10Cの長寿命化において有利となる。
【0177】
上述の第2及び第3の実施の形態に係る電子放出素子10B及び10Cにおいては、エミッタ部14の構成材料として、上述した圧電材料、反強誘電体材料並びに電歪材料を用いることができる。
【0178】
また、上述した第2及び第3の実施の形態に係る電子放出素子10B及び10Cにおいては、カソード電極16側に現れる双極子モーメントが正・負のいずれかのみになるため、カソード電極16との間で形成される局所的な電界を大きくとることができる。しかも、これら第2及び第3の実施の形態においては、エミッタ部14の分極反転時あるいは分極変化時に、負極性となっているカソード電極16の近傍に双極子モーメントの正極のみを配置することができるため、カソード電極16から1次電子を引き出すのに好ましい。
【0179】
また、上述の第2及び第3の実施の形態に係る電子放出素子10B及び10Cにおいては、1つのエミッタ部14にそれぞれ1つのカソード電極16と1つのアノード電極20を形成して1つの電子放出素子10B(10C)を構成した例を示したが、その他、例えば図25に示すように、1つのエミッタ部14に複数の電子放出素子10(1)、10(2)、10(3)を形成することも可能である。
【0180】
即ち、図25に示す第1の構成例100Aでは、1つのエミッタ部14の表面にそれぞれ独立に複数のカソード電極16a、16b、16cを形成し、エミッタ部の裏面に複数のアノード電極20a、20b、20cを形成して複数の電子放出素子10(1)、10(2)、10(3)を形成した場合を示す。各アノード電極20a、20b、20cは、それぞれ対応するカソード電極16a、16b、16c下にエミッタ部14を間に挟んで形成される。
【0181】
図26に示す第2の構成例100Bでは、1つのエミッタ部14の表面にそれぞれ独立に複数のカソード電極16a、16b、16cを形成し、エミッタ部14の裏面に1つのアノード電極20(共通のアノード電極)を形成して複数の電子放出素子10(1)、10(2)、10(3)を形成した場合を示す。
【0182】
図27に示す第3の構成例100Cでは、1つのエミッタ部14の表面に1つの極薄(〜10nm)のカソード電極16(共通のカソード電極)を形成し、エミッタ部14の裏面にそれぞれ独立に複数のアノード電極20a、20b、20cを形成して複数の電子放出素子10(1)、10(2)、10(3)を形成した場合を示す。
【0183】
図28に示す第4の構成例100Dでは、基板12上に複数のアノード電極20a、20b、20cをそれぞれ独立に形成し、これらアノード電極20a、20b、20cを覆うように1つのエミッタ部14を形成し、更に、エミッタ部14上に複数のカソード電極16a、16b、16cをそれぞれ独立して形成して複数の電子放出素子10(1)、10(2)、10(3)を形成した場合を示す。各カソード電極16a、16b、16cは、それぞれ対応するアノード電極20a、20b、20c上にエミッタ部14を間に挟んで形成される。
【0184】
図29に示す第5の構成例100Eでは、基板12上に1つのアノード電極20を形成し、該アノード電極20を覆うように1つのエミッタ部14を形成し、更に、エミッタ部14上に複数のカソード電極16a、16b、16cをそれぞれ独立に形成して複数の電子放出素子10(1)、10(2)、10(3)を形成した場合を示す。
【0185】
図30に示す第6の構成例100Fでは、基板12上に複数のアノード電極20a、20b、20cをそれぞれ独立に形成し、これら複数のアノード電極20a、20b、20cを覆うように1つのエミッタ部14を形成し、更に、エミッタ部14上に1つの極薄のカソード電極16を形成して複数の電子放出素子10(1)、10(2)、10(3)を形成した場合を示す。
【0186】
これら第1〜第6の構成例100A〜100Fでは、1つのエミッタ部14にて複数の電子放出素子10(1)、10(2)、10(3)を構成することができ、例えば後述するように、各電子放出素子10(1)、10(2)、10(3)をディスプレイの画素として構成する場合に好適である。
【0187】
上述した第1〜第3の実施の形態に係る電子放出素子10A〜10Cにおいては、図1に示すように、コレクタ電極24に蛍光体28を塗布してディスプレイの画素として構成した場合、以下のような効果を奏することができる。
【0188】
(1)CRTと比して超薄型(パネルの厚み=数mm)にすることができる。
【0189】
(2)蛍光体28による自然発光のため、LCD(液晶表示装置)やLED(発光ダイオード)と比してほぼ180°の広視野角を得ることができる。
【0190】
(3)面電子源を利用しているため、CRTと比して画像歪みがない。
【0191】
(4)LCDと比して高速応答が可能であり、μsecオーダーの高速応答で残像のない動画表示が可能となる。
【0192】
(5)40インチ換算で100W程度であり、CRT、PDP(プラズマディスプレイ)、LCD及びLEDと比して低消費電力である。
【0193】
(6)PDPやLCDと比して動作温度範囲が広い(−40〜+85℃)。ちなみに、LCDは低温で応答速度が低下する。
【0194】
(7)大電流出力による蛍光体の励起が可能であるため、従来のFED方式のディスプレイと比して高輝度化が可能である。
【0195】
(8)圧電体材料の分極反転特性(もしくは分極変化特性)及び膜厚により駆動電圧を制御可能であるため、従来のFED方式のディスプレイと比して低電圧駆動が可能である。
【0196】
このような種々の効果から、以下に示すように、様々なディスプレイ用途を実現させることができる。
【0197】
(1)高輝度化と低消費電力化が実現できるという面から、30〜60インチディスプレイのホームユース(テレビジョン、ホームシアター)やパブリックユース(待合室、カラオケ等)に最適である。
【0198】
(2)高輝度化、大画面、フルカラー、高精細度が実現できるという面から、顧客吸引力(この場合、視覚的な注目)に効果が大であり、横長、縦長等の異形状ディスプレイや、展示会での使用、情報案内板用のメッセージボードに最適である。
【0199】
(3)高輝度化、蛍光体励起に伴う広視野角化、真空モジュール化に伴う広い動作温度範囲が実現できるという面から、車載用ディスプレイに最適である。車載用ディスプレイとしての仕様は、15:9等の横長8インチ(画素ピッチ0.14mm)、動作温度が−30〜+85℃、斜視方向で500〜600cd/m2が必要である。
【0200】
また、上述の種々の効果から、以下に示すように、様々な光源用途を実現させることができる。
【0201】
(1)高輝度化、低消費電力化が実現できるという面から、輝度仕様として2000ルーメンが必要なプロジェクタ用の光源に最適である。
【0202】
(2)高輝度2次元アレー光源を容易に実現できることと、動作温度範囲が広く、屋外環境でも発光効率に変化がないことから、LEDの代替用途として有望である。例えば信号機等の2次元アレーLEDモジュールの代替として最適である。なお、LEDは、25℃以上で許容電流が低下し、低輝度となる。
【0203】
なお、この発明に係る電子放出素子の電子放出方法は、上述の実施の形態に限らず、この発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【0204】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る電子放出素子の電子放出方法によれば、圧電材料にて構成されたエミッタ部を有する電子放出素子に対して効率的に電子放出を行わせることができ、ディスプレイや光源等への応用を容易にすることができる。
【0205】
また、本発明に係る電子放出素子の電子放出方法によれば、反強誘電体材料にて構成されたエミッタ部を有する電子放出素子に対して効率的に電子放出を行わせることができ、ディスプレイや光源等への応用を容易にすることができる。
【0206】
また、本発明に係る電子放出素子の電子放出方法によれば、電歪材料にて構成されたエミッタ部を有する電子放出素子に対して効率的に電子放出を行わせることができ、ディスプレイや光源等への応用を容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態に係る電子放出素子(第1〜第3の具体例に係る電子放出素子)を示す構成図である。
【図2】第1の実施の形態に係る電子放出素子の電極部分を示す平面図である。
【図3】パルス発生源から出力される駆動電圧を示す波形図である。
【図4】カソード電極とアノード電極間に第1の電圧を印加した際の作用を示す説明図である。
【図5】図5Aは、カソード電極とアノード電極間に第2の電圧を印加した際の作用(1次電子の放出)を示す説明図であり、図5Bは、放出された1次電子に基づいて2次電子が放出される原理を示す説明図である。
【図6】放出された2次電子のエネルギーと2次電子の放出量の関係を示す特性図である。
【図7】圧電材料の分極−電界特性を示す図である。
【図8】第1の具体例に係る電子放出素子において、カソード電極とアノード電極間に印加される駆動電圧と、コレクタ電極に流れるコレクタ電流と、カソード電極とアノード電極間の電圧の変化を示す波形図である。
【図9】図9Aは、駆動電圧の一例(矩形パルス)を示す波形図であり、図9Bは、駆動電圧の他の例(立ち下がりがランプ状のパルス)を示す波形図である。
【図10】反強誘電体材料の分極−電界特性を示す図である。
【図11】第2の具体例に係る電子放出素子において、カソード電極とアノード電極間に印加される駆動電圧と、コレクタ電極に流れるコレクタ電流と、カソード電極とアノード電極間の電圧の変化を示す波形図である。
【図12】電歪材料の分極−電界特性を示す図である。
【図13】第3の具体例に係る電子放出素子において、カソード電極とアノード電極間に印加される駆動電圧と、コレクタ電極に流れるコレクタ電流と、カソード電極とアノード電極間の電圧の変化を示す波形図である。
【図14】第2の実施の形態に係る電子放出素子を示す構成図である。
【図15】第2の実施の形態に係る電子放出素子の電極部分を示す平面図である。
【図16】第2の実施の形態に係る電子放出素子の第1の変形例における電極部分を示す平面図である。
【図17】第2の実施の形態に係る電子放出素子の第2の変形例における電極部分を示す平面図である。
【図18】第2の実施の形態に係る電子放出素子の第3の変形例を示す構成図である。
【図19】パルス発生源から出力される駆動電圧を示す波形図である。
【図20】カソード電極とアノード電極間に第1の電圧を印加した際の作用を示す説明図である。
【図21】カソード電極とアノード電極間に第2の電圧を印加した際の電子放出作用を示す説明図である。
【図22】エミッタ部の表面での負極性帯電に伴って電子放出の自己停止の作用を示す説明図である。
【図23】図23Aは、駆動電圧の一例を示す波形図であり、図23Bは、第2の実施の形態に係る電子放出素子におけるアノード電極とカソード電極間の電圧の変化を示す波形図である。
【図24】第3の実施の形態に係る電子放出素子を示す構成図である。
【図25】複数の電子放出素子を組み合わせた第1の構成例を示す説明図である。
【図26】複数の電子放出素子を組み合わせた第2の構成例を示す説明図である。
【図27】複数の電子放出素子を組み合わせた第3の構成例を示す説明図である。
【図28】複数の電子放出素子を組み合わせた第4の構成例を示す説明図である。
【図29】複数の電子放出素子を組み合わせた第5の構成例を示す説明図である。
【図30】複数の電子放出素子を組み合わせた第6の構成例を示す説明図である。
【符号の説明】
10A、10Aa〜10Ac、10B、10Ba〜10Bc、10C…電子放出素子
12…基板 14…エミッタ部
16…カソード電極 18…スリット
20…アノード電極 22…パルス発生源
24…コレクタ電極 28…蛍光体
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electron emission method for an electron emission element having a first electrode and a second electrode formed in an emitter section.
[0002]
[Prior art]
Recently, an electron-emitting device has a cathode electrode and an anode electrode, and is applied to various applications such as a field emission display (FED) and a backlight. When applied to the FED, a plurality of electron-emitting devices are two-dimensionally arranged, and a plurality of phosphors corresponding to these electron-emitting devices are respectively arranged at a predetermined interval.
[0003]
As conventional examples of this electron-emitting device, there are, for example, Patent Documents 1 to 5, but none of them uses a dielectric in the emitter portion, so that forming processing or fine processing is required between the opposing electrodes, or electron emission is performed. For this reason, a high voltage must be applied, and the panel manufacturing process is complicated and the manufacturing cost is high.
[0004]
Therefore, it is considered that the emitter portion is made of a dielectric, but various theories are described in the following Non-Patent Documents 1 to 3 as electron emission from the dielectric.
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-1-315333
[Patent Document 2]
JP 7-147131 A
[Patent Document 3]
JP 2000-285801 A
[Patent Document 4]
Japanese Patent Publication No.46-20944
[Patent Document 5]
Japanese Examined Patent Publication No. 44-26125
[Non-Patent Document 1]
Yasuoka, Ishii, "Pulsed electron source using a ferroelectric cathode" Applied Physics Vol.68, No.5, p546-550 (1999)
[Non-Patent Document 2]
V.F.Puchkarev, G.A.Mesyats, On the mechanism of emission from the ferroelectric ceramic cathode, J.Appl.Phys., Vol. 78, No. 9, 1 November, 1995, p. 5633-5637
[Non-Patent Document 3]
H.Riege, Electron emission ferroelectrics-a review, Nucl. Instr. And Meth. A340, p. 80-89 (1994)
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional electron-emitting device described above, electrons constrained by the surface of the dielectric, the interface between the dielectric and the upper electrode, and the defect level inside the dielectric are emitted by the polarization inversion of the dielectric. That is, as long as polarization reversal occurs in the dielectric, the amount of emitted electrons is almost constant regardless of the voltage level of the applied voltage pulse.
[0007]
However, there is a problem that the electron emission is not stable, the number of electron emission is up to about tens of thousands, and the practicality is poor. As described above, conventionally, an effect of an electron-emitting device having an emitter portion made of a dielectric material has not been found.
[0008]
Moreover, there has been no search for electron emission characteristics by material, such as when the emitter portion is made of a piezoelectric material, made of an antiferroelectric material, or made of an electrostrictive material.
[0009]
The present invention is capable of efficiently emitting electrons to an electron-emitting device having an emitter portion made of a piezoelectric material, and facilitating application to a display, a light source, and the like. An object of the present invention is to provide an electron emission method.
[0010]
Another object of the present invention is to allow an electron-emitting device having an emitter portion made of an antiferroelectric material to efficiently emit electrons, and can be applied to displays, light sources, and the like. An object of the present invention is to provide an electron emission method for an electron-emitting device that can be facilitated.
[0011]
Another object of the present invention is to make it possible to efficiently emit electrons to an electron-emitting device having an emitter portion made of an electrostrictive material, so that it can be easily applied to displays and light sources. It is an object of the present invention to provide an electron emission method for an electron emission device.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
  An electron emission method for an electron-emitting device according to the present invention includes an emitter section made of an electrostrictive material, and a first electrode and a second electrode formed in contact with the emitter section.AndElectrons are emitted by applying an electric field to the emitter through the first and second electrodes to control the amount of polarization in the emitter.RudenElectron emission method for child-emitting deviceAnd, by applying the electric field between the first electrode and the second electrode, at least a part of the emitter section undergoes polarization inversion or polarization change, and the polarization inversion or polarization change causes the first inversion. Since the positive electrode side of the dipole moment is arranged around one electrode, primary electrons are extracted from the first electrode, and the primary electrons extracted from the first electrode collide with the emitter section. Secondary electrons are emitted from the emitter.It is characterized by that.
[0035]
In this case, since the polarization at the emitter portion occurs diffusely according to the change in the electric field, the amount of electron emission increases as the amount of polarization per unit time increases. That is, by controlling the amount of polarization in the emitter section, electrons can be efficiently emitted, so that application to a display, a light source, or the like can be facilitated.
[0036]
  In the present invention, in the first period, a first voltage in which the potential of the first electrode is higher than the potential of the second electrode is applied between the first electrode and the second electrode. The emitter is polarized in one direction in advance, and a second voltage lower than the potential of the second electrode is applied to the first electrode and the first electrode in the second period. The electrons may be emitted between the two electrodes by changing the polarization of the emitter section.Yes.
[0037]
  Also,In the first period, Between the first electrode and the second electrodeThe first voltage to be applied is set to 0 V, and the emitter section is previously unpolarized.In the second period, a second voltage in which the potential of the first electrode is lower than the potential of the second electrode is applied between the first electrode and the second electrode, Electrons are emitted by changing the polarization of the emitter.May be. Thereby, in the second period, it is possible to emit electrons by one-sided polarity driving. This leads to simplification of the drive circuit system, which is advantageous in terms of low power consumption, low cost, and downsizing of the structure.
[0038]
  Further, the amount of electron emission may be controlled by controlling the level of the second voltage to control the amount of polarization of the emitter that occurs within a certain time from the start of the second period.Yes.
[0039]
In this case, the level control of the second voltage is, for example, controlling the maximum amplitude and the deviation time of the second voltage if the second voltage is pulsed and the falling edge is ramped. If the second voltage is a rectangular pulse, only the maximum amplitude is controlled. The fixed time is preferably within 10 msec, more preferably within 10 μsec.
[0040]
  In addition, after the electron emission, the second voltage applied at the start time of the second period so that the sustained electron emission occurs due to the slight vibration of the voltage between the first electrode and the second electrode. You may want to control the voltage level ofYes.
[0041]
Since the polarization of the electrostrictive material occurs diffusely according to the change of the electric field, as described above, the amount of electron emission increases as the amount of polarization per unit time increases. Further, the potential difference between the voltage level at which electrons are emitted and the voltage level at which polarization is reset (threshold level) is small.
[0042]
Therefore, once electrons are emitted and the voltage between the first electrode and the second electrode drops, the polarization of the emitter portion is easily reset, and a state in which pseudo 0V is applied is obtained.
[0043]
However, in this second period, since the second voltage is applied between the first electrode and the second electrode, the voltage between the first electrode and the second electrode rapidly increases, Polarization is performed again. At this time, since the polarization changes rapidly, electrons are emitted at a voltage lower than the voltage at the time of the first electron emission.
[0044]
When the second electron emission is performed and the voltage between the first electrode and the second electrode drops, the polarization of the emitter portion is easily reset again, and then between the first electrode and the second electrode. When the second voltage is continuously applied, the voltage between the first electrode and the second electrode is increased again, and polarization is performed. Also in this case, since the change of polarization proceeds rapidly, the electron emission is performed at the same voltage as the voltage at the second electron emission.
[0045]
That is, by controlling the level of the second voltage applied during the second period, the voltage between the first electrode and the second electrode slightly fluctuates, and the electron emission is sustained by this slight vibration. Can be realized. That is, in the second period, it is possible to emit electrons by one-sided polarity driving. This leads to simplification of the drive circuit system, which is advantageous in terms of low power consumption, low cost, and downsizing of the structure.
[0046]
  In each of the above-described inventions, the first electrode is formed in contact with the emitter portion, the second electrode is formed in contact with the emitter portion, and a slit is formed together with the first electrode. You can do itYes.In this case, when the width of the slit is d and the voltage between the first electrode and the second electrode is Vak, an electric field E applied to the emitter section and expressed by E = Vak / d Will cause polarization reversal or polarization change.The
[0047]
  In each of the above-described inventions, the first electrode may be formed on the first surface of the emitter portion, and the second electrode may be formed on the second surface of the emitter portion.Yes.In this case, when the thickness of the emitter section sandwiched between the first electrode and the second electrode is h, and the voltage between the first electrode and the second electrode is Vak, the emitter section And polarization inversion or polarization change is performed by the electric field E expressed by E = Vak / h.The
[0048]
  The voltage Vak between the first electrode and the second electrode is preferably less than the dielectric breakdown voltage of the emitter section.Yes.
  The electron emission method of the electron-emitting device according to the present invention includes an emitter portion made of an electrostrictive material, and a first electrode and a second electrode formed in contact with the emitter portion, An electron emission method for an electron-emitting device that emits electrons by applying an electric field to the emitter section through the first and second electrodes to control a polarization amount in the emitter section, wherein And applying a first voltage between the first electrode and the second electrode so that the potential of the first electrode is higher than the potential of the second electrode, so that the emitter section is preliminarily set in one direction. Applying a second voltage between the first electrode and the second electrode, wherein the second voltage is lower than the potential of the second electrode in the second period; Electrons are emitted by changing the polarization of the emitter, and after the electron emission, Controlling the level of the second voltage applied at the start of the second period so that sustained electron emission occurs due to the slight vibration of the voltage between the first electrode and the second electrode. Features.
[0049]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of an electron emission method for an electron-emitting device according to the present invention will be described below with reference to FIGS.
[0050]
First, the electron-emitting device according to the present embodiment can be applied not only as a display, but also to an electron beam irradiation device, a light source, an alternative use of LED, and an electronic component manufacturing apparatus.
[0051]
The electron beam in the electron beam irradiation apparatus has high energy and excellent absorption performance as compared with the ultraviolet light in the currently widely used ultraviolet irradiation apparatus. As application examples, in semiconductor devices, there are uses for solidifying insulating films when stacking wafers, uses for curing printing inks uniformly when printing is dried, and uses for sterilizing medical devices in packages. .
[0052]
The use as a light source is for high luminance and high efficiency specifications, for example, a light source use of a projector in which an ultra-high pressure mercury lamp or the like is used. When the electron-emitting device according to this embodiment is applied to a light source, it has characteristics of downsizing, long life, high-speed lighting, and reduction of environmental load due to mercury-free.
[0053]
Alternative uses of LEDs include surface light source applications such as indoor lighting, automotive lamps, and traffic lights, and chip light sources, traffic lights, and backlights for small liquid crystal displays for mobile phones.
[0054]
Applications of the electronic component manufacturing apparatus include an electron beam source of a film forming apparatus such as an electron beam vapor deposition apparatus, an electron source for plasma generation (for activation of gas, etc.) in a plasma CVD apparatus, an electron source for gas decomposition application, etc. . There are also vacuum microdevice applications such as tera-Hz driven high-speed switching elements and large current output elements. In addition, it is also preferably used as a printer component, that is, a light emitting device for exposing a photosensitive drum or an electron source for charging a dielectric.
[0055]
As electronic circuit components, a large current output and a high amplification factor are possible, and therefore there are applications to digital elements such as switches, relays, and diodes, and analog elements such as operational amplifiers.
[0056]
As shown in FIG. 1, the electron-emitting device 10 </ b> A according to the first embodiment includes an emitter section 14 formed on the substrate 12 and a first surface formed on one surface of the emitter section 14. It has an electrode (cathode electrode) 16 and a second electrode (anode electrode) 20 that is also formed on one surface of the emitter section 14 and forms a slit 18 together with the cathode electrode 16. A drive voltage Va from the pulse generation source 22 is applied between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 via a resistor R1. In the example of FIG. 1, the anode electrode 20 is connected to GND (ground), and the potential of the anode electrode 20 is set to zero. Of course, a potential other than zero potential may be used. .
[0057]
When this electron-emitting device 10A is used as a display pixel, a third electrode (collector electrode) 24 is disposed above the emitter section 14 at a position facing the slit 18, and the collector electrode 24 Is coated with a phosphor 28. A bias voltage source 102 (bias voltage Vc) is connected to the collector electrode 24 via a resistor R3.
[0058]
In addition, the electron-emitting device 10A according to the first embodiment is naturally disposed in the vacuum space. As shown in FIG. 1, the electron-emitting device 10A has electric field concentration points A and B. The point A includes a triple point where the cathode electrode 16 / emitter portion 14 / vacuum exists at one point. The point B can also be defined as a point including a triple point where the anode electrode 20 / emitter 14 / vacuum exists at one point.
[0059]
And the degree of vacuum in the atmosphere is 102-10-6Pa is preferred, more preferably 10-3-10-FivePa.
[0060]
The reason for selecting such a range is that in low vacuum, (1): because there are a lot of gas molecules in the space, it is easy to generate plasma, and if too much plasma is generated, a large amount of positive ions are generated in the cathode electrode. There is a possibility of causing damage by colliding with 16 and (2): the emitted electrons collide with gas molecules before reaching the collector electrode 24, and the phosphor 28 is accelerated by electrons sufficiently accelerated at the collector potential (Vc). This is because excitation may not be sufficiently performed.
[0061]
On the other hand, in a high vacuum, electrons are likely to be emitted from the electric field concentration points A and B, but there is a problem in that the structure support and the vacuum seal portion become large, which is disadvantageous for miniaturization.
[0062]
Here, the emitter section 14 is made of a dielectric. As the dielectric, a dielectric having a relatively high relative dielectric constant, for example, 1000 or more can be adopted. In addition to barium titanate, such dielectrics include lead zirconate, lead magnesium niobate, lead nickel niobate, lead zinc niobate, lead manganese niobate, lead magnesium tantalate, lead nickel tantalate, Ceramics containing lead antimony stannate, lead titanate, lead magnesium tungstate, lead cobalt niobate, etc., or any combination thereof, those containing 50% by weight or more of these compounds as the main component, or the ceramics In addition to lanthanum, calcium, strontium, molybdenum, tungsten, barium, niobium, zinc, nickel, manganese and other oxides, or any combination thereof, or those appropriately added with other compounds Can do.
[0063]
For example, in a two-component system nPMN-mPT of lead magnesium niobate (PMN) and lead titanate (PT) (where n and m are mole ratios), increasing the PMN mole ratio decreases the Curie point. Thus, the relative dielectric constant at room temperature can be increased.
[0064]
In particular, when n = 0.85 to 1.0 and m = 1.0−n, the relative dielectric constant is preferably 3000 or more. For example, when n = 0.91 and m = 0.09, a room temperature relative permittivity of 15000 is obtained, and when n = 0.95 and m = 0.05, a room temperature relative permittivity of 20000 is obtained.
[0065]
Next, in the ternary system of lead magnesium niobate (PMN), lead titanate (PT), and lead zirconate (PZ), besides increasing the molar ratio of PMN, tetragonal and pseudocubic or tetragonal crystals And a composition in the vicinity of a morphotropic phase boundary (MPB) of rhombohedral crystals are preferable for increasing the relative dielectric constant. For example, the relative dielectric constant is 5500 when PMN: PT: PZ = 0.375: 0.375: 0.25, and the relative dielectric constant is 4500 when PMN: PT: PZ = 0.5: 0.375: 0.125. Is particularly preferred. Furthermore, it is preferable to improve the dielectric constant by mixing a metal such as platinum into these dielectrics within a range where insulation can be ensured. In this case, for example, 20% by weight of platinum may be mixed in the dielectric.
[0066]
Further, as described above, a piezoelectric / electrostrictive layer, an antiferroelectric layer, or the like can be used for the emitter section 14. When a piezoelectric / electrostrictive layer is used as the emitter section 14, the piezoelectric / electrostrictive layer is used. For example, lead zirconate, lead magnesium niobate, lead nickel niobate, lead zinc niobate, lead manganese niobate, lead magnesium tantalate, lead nickel tantalate, lead antimony stannate, lead titanate, titanate Examples include ceramics containing barium, lead magnesium tungstate, lead cobalt niobate, or the like, or any combination thereof.
[0067]
It goes without saying that the main component may contain 50% by weight or more of these compounds. Among the ceramics, a ceramic containing lead zirconate is most frequently used as a constituent material of the piezoelectric / electrostrictive layer constituting the emitter section 14.
[0068]
Further, when the piezoelectric / electrostrictive layer is composed of ceramics, the ceramics may further include oxides such as lanthanum, calcium, strontium, molybdenum, tungsten, barium, niobium, zinc, nickel, manganese, or any of these. A combination of these or other ceramics appropriately added may be used.
[0069]
For example, it is preferable to use a ceramic containing, as a main component, a component composed of lead magnesium niobate, lead zirconate and lead titanate, and further containing lanthanum or strontium.
[0070]
The piezoelectric / electrostrictive layer may be dense or porous, and in the case of being porous, the porosity is preferably 40% or less.
[0071]
When an antiferroelectric layer is used as the emitter section 14, the antiferroelectric layer is mainly composed of lead zirconate, a component composed of lead zirconate and lead stannate, Furthermore, what added lanthanum oxide to lead zirconate, and what added lead zirconate and lead niobate to the component which consists of lead zirconate and lead stannate are desirable.
[0072]
The antiferroelectric film may be porous. In the case of being porous, the porosity is preferably 30% or less.
[0073]
Further, when strontium bismuthate tantalate is used for the emitter section 14, the polarization inversion fatigue is small and preferable. Such a material with low polarization reversal fatigue is a layered ferroelectric compound, (BiO2)2+(Am-1BmO3m + 1)2-It is expressed by the general formula. Here, the ions of metal A are Ca2+, Sr2+, Ba2+, Pb2+, Bi3+, La3+And the ion of metal B is Ti4+, Ta5+, Nb5+Etc.
[0074]
In addition, the sintering temperature can be lowered by mixing the piezoelectric / electrostrictive / antiferroelectric ceramics with a glass component such as lead borosilicate glass and other low melting point compounds (such as bismuth oxide). This is advantageous when the emitter section 14 is formed on the substrate 12.
[0075]
In addition, by using a lead-free material for the emitter portion 14 to make the emitter portion 14 a material having a high melting point or transpiration temperature, it becomes difficult to be damaged by the collision of electrons or ions.
[0076]
As a method of forming the emitter section 14 on the substrate 12, various thick film forming methods such as a screen printing method, a dipping method, a coating method, an electrophoresis method, an ion beam method, a sputtering method, a vacuum evaporation method, Various thin film forming methods such as ion plating, chemical vapor deposition (CVD), and plating can be used.
[0077]
In this embodiment, when forming the emitter section 14 on the substrate 12, a thick film forming method such as a screen printing method, a dipping method, a coating method, or an electrophoresis method is preferably employed.
[0078]
These methods can be formed using pastes or slurries, or suspensions, emulsions, sols, or the like mainly composed of piezoelectric ceramic particles having an average particle diameter of 0.01 to 5 μm, preferably 0.05 to 3 μm. This is because good piezoelectric operation characteristics can be obtained.
[0079]
In particular, the electrophoretic method is capable of forming a film with high density and high shape accuracy, as well as “electrochemistry and industrial physical chemistry Vol. 53, No. 1 (1985), p 63-68 Kazuo Anzai. The authors have the characteristics described in the technical literature such as “Hirotsu” or “The 1st Electrophoresis Method for High-Order Forming of Ceramics Research Discussion (1998), p5-6, p23-24”. Further, a piezoelectric / electrostrictive / antiferroelectric material formed into a sheet shape, a laminate thereof, or a laminate or adhesion of these to another support substrate may be used. As described above, it is preferable to select and use a method as appropriate in consideration of required accuracy and reliability.
[0080]
Here, the size of the width d of the slit 18 between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 will be described. The voltage between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 (the drive voltage Va output from the pulse generation source 22 is the cathode electrode 16). When the voltage between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 is Vak), the polarization inversion is performed by the electric field E represented by E = Vak / d. The width d is preferably set. That is, as the width d of the slit 18 is smaller, polarization inversion can be performed at a lower voltage, and electrons can be emitted by driving at a lower voltage (for example, less than 100 V). Here, the dielectric breakdown voltage of the emitter section 14 is preferably at least 10 kV / mm or more. In this example, when the width d of the slit 18 is 70 μm, for example, even if a drive voltage of −100 V is applied between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20, the portion exposed from the slit 18 in the emitter portion 14 is insulated. There is no destruction.
[0081]
The cathode electrode 16 is made of the following material. That is, a conductor having a low sputtering rate and a high evaporation temperature in a vacuum is preferable. For example, Ar+The sputtering rate at 600V is 2.0 or less and the vapor pressure is 1.3 × 10-3A temperature at which Pa becomes 1800 K or more is preferable, and platinum, molybdenum, tungsten, or the like corresponds to this. Also, a conductor having resistance to a high-temperature oxidizing atmosphere, such as a simple metal, an alloy, a mixture of insulating ceramics and a simple metal, a mixture of insulating ceramics and an alloy, etc., preferably platinum, iridium, It is composed of a high melting point noble metal such as palladium, rhodium or molybdenum, an alloy containing silver-palladium, silver-platinum or platinum-palladium as a main component, or a cermet material of platinum and a ceramic material. More preferably, it is made of a material mainly composed of platinum or a platinum-based alloy. Further, carbon and graphite materials such as diamond thin film, diamond-like carbon, and carbon nanotube are also preferably used as the electrode. In addition, about 5-30 volume% is suitable for the ratio of the ceramic material added in electrode material.
[0082]
Furthermore, it is preferable to use a material such as an organometallic paste that can obtain a thin film after firing, such as a platinum resinate paste. Also, oxide electrodes that suppress polarization reversal fatigue, such as ruthenium oxide, iridium oxide, strontium ruthenate, La1-xSrxCoOThree(For example, x = 0.3 or 0.5), La1-xCaxMnOThree, La1-xCaxMn1-yCoyOThree(For example, x = 0.2, y = 0.05), or a mixture of these with, for example, a platinum resinate paste is preferable.
[0083]
The cathode electrode 16 is made of the above-described materials using various thick film forming methods such as screen printing, spraying, coating, dipping, coating, and electrophoresis, sputtering, ion beam, vacuum deposition, and ion plating. The film can be formed according to an ordinary film forming method by various thin film forming methods such as chemical vapor deposition (CVD) and plating, and preferably the former thick film forming method. In addition, about the dimension of the cathode electrode 16, as shown in FIG. 2, width W1 was 2 mm and length L1 was 5 mm. The thickness of the cathode electrode 16 is preferably 20 μm or less, and preferably 5 μm or less.
[0084]
The anode electrode 20 is formed by the same material and method as the cathode electrode 16, but is preferably formed by the thick film forming method. The thickness of the anode electrode 20 is also preferably 20 μm or less, and preferably 5 μm or less. As for the dimensions of the anode electrode 20, as shown in FIG. 2, the width W2 was set to 2 mm and the length L2 was set to 5 mm similarly to the cathode electrode 16.
[0085]
The width d of the slit 18 between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 is 70 μm in the present embodiment.
[0086]
In order to electrically separate the wiring electrically connected to the cathode electrode 16 and the wiring electrically connected to the anode electrode 20, the substrate 12 is preferably made of an electrically insulating material.
[0087]
Therefore, the substrate 12 can be made of glass, a high heat-resistant metal, or a material such as enamel whose metal surface is coated with a ceramic material such as glass, but it is optimal to make it with ceramics. .
[0088]
As the ceramic constituting the substrate 12, for example, stabilized zirconium oxide, aluminum oxide, magnesium oxide, titanium oxide, spinel, mullite, aluminum nitride, silicon nitride, glass, a mixture thereof, or the like can be used. Among these, aluminum oxide and stabilized zirconium oxide are preferable from the viewpoint of strength and rigidity. Stabilized zirconium oxide is particularly suitable from the viewpoints of relatively high mechanical strength, relatively high toughness, and relatively small chemical reaction with the cathode electrode 16 and the anode electrode 20. The stabilized zirconium oxide includes stabilized zirconium oxide and partially stabilized zirconium oxide. Stabilized zirconium oxide has a cubic crystal structure or the like and therefore does not cause phase transition.
[0089]
On the other hand, zirconium oxide undergoes a phase transition between a monoclinic crystal and a tetragonal crystal at around 1000 ° C., and cracks may occur during such a phase transition. Stabilized zirconium oxide contains 1 to 30 mol% of a stabilizer such as calcium oxide, magnesium oxide, yttrium oxide, scandium oxide, ytterbium oxide, cerium oxide, and rare earth metal oxides. In order to improve the mechanical strength of the substrate 12, the stabilizer preferably contains yttrium oxide. In this case, yttrium oxide is preferably contained in an amount of 1.5 to 6 mol%, more preferably 2 to 4 mol%, and further preferably 0.1 to 5 mol% of aluminum oxide.
[0090]
The crystal phase can be a cubic + monoclinic mixed phase, a tetragonal + monoclinic mixed phase, a cubic + tetragonal + monoclinic mixed phase, and the like. A phase having a tetragonal crystal or a mixed phase of tetragonal crystal + cubic crystal is optimal from the viewpoint of strength, toughness and durability.
[0091]
When the substrate 12 is made of ceramics, a relatively large number of crystal grains constitute the substrate 12. In order to improve the mechanical strength of the substrate 12, the average grain size of the crystal grains is preferably 0.05. ˜2 μm, more preferably 0.1-1 μm.
[0092]
Each time the emitter part 14, the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 are formed, a heat treatment (firing process) can be performed to form an integral structure with the substrate 12, and the emitter part 14, the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 can be integrated. After the formation, they can be fired at the same time, and these can be integrally bonded to the substrate 12 at the same time. Depending on the method of forming the cathode electrode 16 and the anode electrode 20, heat treatment (firing treatment) for integration may not be required.
[0093]
The temperature related to the baking treatment for integrating the substrate 12, the emitter section 14, the cathode electrode 16, and the anode electrode 20 is in the range of 500 to 1400 ° C, preferably in the range of 1000 to 1400 ° C. . Further, when the film-shaped emitter portion 14 is heat-treated, it is preferable to perform a baking process while controlling the atmosphere together with the evaporation source of the emitter portion 14 so that the composition of the emitter portion 14 does not become unstable at high temperatures.
[0094]
Alternatively, a method may be employed in which the emitter portion 14 is covered with an appropriate member and fired so that the surface of the emitter portion 14 is not directly exposed to the firing atmosphere. In this case, it is preferable to use the same material as the substrate 12 as the covering member.
[0095]
Next, the principle of electron emission of the electron emitter 10A will be described with reference to FIGS. First, as shown in FIG. 3, the drive voltage Va output from the pulse generation source 22 includes a period during which the first voltage Va1 is output (preparation period T1) and a period during which the second voltage Va2 is output (electronic The release period T2) is one step and the one step is repeated. The first voltage Va1 is a voltage in which the potential of the cathode electrode 16 is higher than the potential of the anode electrode 20, and the second voltage Va2 is a voltage in which the potential of the cathode electrode 16 is lower than the potential of the anode electrode 20. The amplitude Vin of the drive voltage Va can be defined by a value obtained by subtracting the second voltage Va2 from the first voltage Va1 (= Va1-Va2). That is, the waveform of the drive voltage Va is a rectangular pulse of the first voltage Va1 during the preparation period T1 and the second voltage Va2 during the electron emission period T2.
[0096]
As shown in FIG. 4, the preparation period T <b> 1 is a period in which the emitter section 14 is polarized by applying the first voltage Va <b> 1 between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20. As the first voltage Va1, a DC voltage may be used as shown in FIG. 3, but one pulse voltage or a pulse voltage may be continuously applied a plurality of times. Here, the preparation period T1 is preferably longer than the electron emission period T2 in order to sufficiently perform the polarization process. For example, the preparation period T1 is preferably 100 μsec or more. This is because the absolute value of the first voltage Va1 for polarization is calculated from the absolute value of the second voltage Va2 for the purpose of preventing power consumption during the application of the first voltage Va1 and damage to the cathode electrode 16. This is because it is set to be small.
[0097]
Further, the first voltage Va1 and the second voltage Va2 are preferably at a voltage level that reliably performs polarization processing with positive and negative polarities. For example, when the dielectric of the emitter section 14 has a coercive voltage, The absolute values of the voltage Va1 and the second voltage Va2 are preferably equal to or greater than the coercive voltage.
[0098]
The electron emission period T2 is a period during which the second voltage Va2 is applied between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20. By applying the second voltage Va2 between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20, as shown in FIG. 5A, at least a portion of the emitter portion 14 exposed from the slit 18 is inverted. At this time, when the width of the slit is d (see FIG. 1) and the voltage between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 is Vak, it is applied to the emitter section 14 and is expressed by E = Vak / d. Polarization inversion is performed by the electric field E.
[0099]
As a result of this polarization reversal, a local concentrated electric field is generated between the cathode electrode 16 and the positive pole side of the dipole moment in the vicinity thereof, whereby primary electrons are drawn from the cathode electrode 16, and as shown in FIG. Primary electrons extracted from the cathode electrode 16 collide with the emitter section 14, and secondary electrons are emitted from the emitter section 14.
[0100]
When the cathode electrode 16, the emitter section 14, and the vacuum triple point A are provided as in the first embodiment, primary electrons are extracted from the vicinity of the triple point A in the cathode electrode 16, The primary electrons extracted from the triple point A collide with the emitter section 14 and secondary electrons are emitted from the emitter section 14. When the thickness of the cathode electrode 16 is extremely thin (˜10 nm), electrons are emitted from the interface between the cathode electrode 16 and the emitter section 14.
[0101]
Since electrons are emitted according to such a principle, electron emission is stably performed, and the number of electron emission times can be realized over 2 billion times, which is highly practical. In addition, since the amount of emitted electrons increases substantially in proportion to the amplitude Vin of the drive voltage Va applied between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20, there is an advantage that the amount of emitted electrons can be easily controlled.
[0102]
Of the emitted secondary electrons, some of the secondary electrons are guided to the collector electrode 24 to excite the phosphor 28 and are realized as phosphor emission outside. Some other secondary electrons and primary electrons are attracted to the anode electrode 20.
[0103]
Here, the emission distribution of secondary electrons will be described. As shown in FIG. 6, the majority of secondary electrons have an energy close to 0, and when emitted from the surface of the emitter section 14 in a vacuum, the secondary electrons move only according to the surrounding electric field distribution. . That is, secondary electrons are accelerated according to the surrounding electric field distribution from a state where the initial velocity is almost 0 (m / sec). For this reason, as shown in FIG. 5B, if an electric field Ea is generated between the emitter section 14 and the collector electrode 24, the emission trajectory of the secondary electrons is determined along the electric field Ea. That is, an electron source with high straightness can be realized. Such secondary electrons with a small initial velocity are electrons in the solid that have gained energy by Coulomb collision of the primary electrons and jumped out of the emitter section 14.
[0104]
Further, the electric field distribution between the emitter section 14 and the collector electrode 24 can be changed by appropriately changing the pattern shape and potential of the collector electrode 24 or by arranging a control electrode (not shown) between the emitter section 14 and the collector electrode 24. By arbitrarily setting, it becomes easy to control the emission trajectory of secondary electrons, and the convergence, expansion, and deformation of the electron beam diameter are also facilitated.
[0105]
The above-described realization of an electron source with high linearity and ease of control of the secondary electron emission trajectory are obtained when the electron-emitting device 10A according to the first embodiment is configured as a pixel of a display. This is advantageous for narrowing the pitch.
[0106]
By the way, as can be seen from FIG.0Secondary electrons having energy corresponding to are emitted. The secondary electrons are those in which the primary electrons emitted from the cathode electrode 16 are scattered near the surface of the emitter section 14 (reflected electrons).
[0107]
When the cathode electrode 16 is thicker than 10 nm, most of the reflected electrons are directed to the anode electrode 20. The secondary electrons described in this specification are defined to include the reflected electrons and Auger electrons.
[0108]
On the other hand, when the thickness of the cathode electrode 16 is extremely thin (˜10 nm), the primary electrons emitted from the cathode electrode 16 are reflected at the interface between the cathode electrode 16 and the emitter section 14 and travel toward the collector electrode 24. Become.
[0109]
Next, three specific examples of the electron-emitting device 10A according to the first embodiment will be described.
[0110]
In the electron emitter 10Aa according to the first specific example, the constituent material of the emitter section 14 is a piezoelectric material. Other configurations are the same as those of the electron-emitting device 10A according to the first embodiment described above.
[0111]
Here, an electron emission method of the electron emitter 10Aa according to the first specific example will be described.
[0112]
First, as shown in FIG. 7, the polarization-electric field characteristic of the piezoelectric material that is the constituent material of the emitter section 14 draws a hysteresis curve with the electric field E = 0 (V / mm) as a reference.
[0113]
When attention is paid to the curves from the points p1 to p2 to p3 among the hysteresis curves, the piezoelectric material is mostly polarized in one direction at the point p1 to which the positive electric field is applied. Thereafter, when a negative electric field is applied, the polarization starts reversing around the point p2 of the coercive electric field (about −700 V / mm), and all the polarizations are reversed at the point p3.
[0114]
Therefore, in the first specific example, as shown in FIG. 8, first, in the preparation period T1, the first voltage Va1 is applied between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20, and the positive electrode with respect to the emitter section 14 is applied. An electric field of about 1000 V / mm is applied. At this time, as can be seen from the polarization-electric field characteristics of FIG. 7, the emitter section 14 is polarized in one direction.
[0115]
Thereafter, in the electron emission period T2 of FIG. 8, the second voltage Va2 is applied between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20, and the electric field exceeding the coercive electric field with respect to the emitter section 14 (for example, about −1000 V / mm). ) Is applied, electrons are emitted at a point p4 before reaching the point p3 shown in FIG. As shown in FIG. 8, this is a slight voltage drop at the peak time point P1 of the voltage Vak between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 during a certain time tc1 (here, within 10 μsec) from the start time of the electron emission period T2. It can be seen that electrons are emitted at the peak time P1. That is, current (collector current Ic) rapidly flows through the collector electrode 24 at the peak time point P 1, which indicates that emitted electrons are captured by the collector electrode 24.
[0116]
In this way, by supplying the second voltage Va2 to the cathode electrode 16, secondary electrons are emitted from the emitter section 14 or from the interface between the cathode electrode 16 and the emitter section 14 as described above. It will be.
[0117]
After the electron emission, the voltage Vak between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 is increased again by being pulled by the second voltage Va2 applied to the cathode electrode 16, but the voltage drop at the time of electron emission described above is slight. (Voltage drop level is about 20V), it does not reach the electron emission, and the process ends only with the first electron emission.
[0118]
As described above, in the electron emission method of the electron-emitting device 10Aa according to the first specific example, by efficiently applying an electric field exceeding the coercive electric field to the emitter section 14 polarized in one direction, the electrons can be efficiently generated. Will be released, and application to a display or a light source can be facilitated.
[0119]
The electric field in which electron emission is performed (the electric field at the point p4) is an electric field that exceeds the coercive electric field and almost completes the polarization inversion, and these electric fields are substantially constant. That is, it becomes a digital electron emission characteristic. In addition, since the electric field in which this electron emission is performed depends on the coercive electric field, the drive voltage system can be lowered as the coercive electric field is smaller.
[0120]
Further, in this electron emission method, by controlling the level of the second voltage Va2 applied between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20, within a predetermined time tc1, for example, within 10 μsec from the start point of the electron emission period T2. An electric field exceeding the coercive electric field can be applied to the emitter section 14.
[0121]
In this case, the level control of the second voltage Va2 controls only the maximum amplitude (= Va2) if the second voltage Va2 is in the form of a pulse and is a rectangular pulse as shown in FIG. 9A. As shown in FIG. 9B, if the trailing edge is a ramp-like pulse, for example, the maximum amplitude of the second voltage Va2 and the shift time ta (time from the start of the electron emission period T2 until reaching the maximum amplitude) are controlled. To do.
[0122]
In the electron-emitting device 10Aa according to the first specific example, in order to realize continuous electron emission, it is easily realized by adopting a waveform having positive and negative alternating pulses as the waveform of the driving voltage Va. Can do.
[0123]
Next, an electron-emitting device 10Ab according to a second specific example will be described. The electron-emitting device 10Ab according to the second specific example is the same as the configuration of the electron-emitting device 10A according to the first embodiment described above except that the constituent material of the emitter section 14 is an antiferroelectric material. It is.
[0124]
Here, an electron emission method of the electron emitter 10Ab according to the second specific example will be described.
[0125]
First, as shown in FIG. 10, the polarization-electric field characteristics of the antiferroelectric material that is the constituent material of the emitter section 14 are observed only in the induced polarization proportional to the voltage under a low electric field, but exceed a certain electric field. And ferroelectric (electric field induced forced phase transition), and polarization hysteresis appears with respect to the upper and lower sides of the electric field. However, when the electric field is removed again, the original paraelectric material (the state in which the polarization is reset) is restored.
[0126]
When attention is paid to the curves from points p11 to p12 to p13 among the hysteresis curves, most of the antiferroelectric material is polarized in one direction at the point p11 to which the positive electric field is applied. After that, when the electric field strength is reduced, the amount of polarization starts to rapidly decrease from around the point p12, and becomes a paraelectric material at the point p13 where the electric field strength is 0, and the polarization is reset. It has become. Thereafter, when a negative electric field is applied, the emitter section 14 undergoes a phase transition to a ferroelectric material, and polarization inversion begins to occur around the point p14 of the electric field (about −2300 V / mm). Polarization will be performed in the direction.
[0127]
Therefore, in the second specific example, as shown in FIG. 11, first, in the preparation period T1, the first voltage Va1 is applied between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20, and the positive electrode is applied to the emitter section 14. An electric field (approximately 3000 V / mm) is applied. At this time, as can be seen from the polarization-electric field characteristics of FIG. 10, the emitter section 14 is polarized in one direction. Note that the first voltage Va1 may be set to the reference voltage (0V) so that no electric field is applied to the emitter section 14 during the preparation period T1. In this case, as can be seen from the polarization-electric field characteristics, the emitter section 14 is in an unpolarized state in advance.
[0128]
Thereafter, in the electron emission period T2, the second voltage Va2 is applied between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20, and an electric field (for example, about −3000 V / mm) is applied to the emitter section 14 at high speed. When the portion 14 is changed in polarization, electrons are emitted at a point p16 before reaching the point p15 in FIG.
[0129]
As shown in FIG. 11, the voltage drop is observed at the peak time point P1 of the voltage Vak between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 within a certain time tc2 (in this case, 10 μsec) from the start time of the electron emission period T2. It can be seen that electron emission is performed at the peak time P1. That is, current (collector current Ic) rapidly flows through the collector electrode 24 at the peak time point P 1, which indicates that emitted electrons are captured by the collector electrode 24.
[0130]
By the way, when the antiferroelectric material becomes a ferroelectric material by phase transition, the difference between the electric field from which electrons are emitted (the electric field at the point p16) and the electric field at which the polarization is almost reset (the electric field at the point p17) is small. Therefore, once electrons are emitted and the voltage between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 drops, the polarization of the emitter section 14 is easily reset, and a pseudo reference voltage of 0 V is applied.
[0131]
However, in this electron emission period T2, since the second voltage Va2 is applied between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20, the voltage Vak between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 is rapidly required for electron emission. The level is reached and electrons are emitted again.
[0132]
Accordingly, by continuing to apply the second voltage Va2 during the electron emission period T2, the above-described series of operations can be continuously performed, and by controlling the level of the second voltage Va2, the number of consecutive times can be increased. Can also be controlled. In the example of FIG. 10, the case where electron emission was performed 4 times continuously is shown.
[0133]
As described above, in the electron emission method of the electron-emitting device 10Ab according to the second specific example, an electric field is applied to the emitter section 14 at a high speed, and the emitter section 14 is phase-shifted to a ferroelectric material. By changing the polarization, electrons are efficiently emitted, and application to a display or a light source can be facilitated.
[0134]
In addition, the electric field in which electron emission is performed (the electric field at the point p16) is an electric field in which the polarization inversion is almost completed, and these electric fields are almost constant. That is, it becomes a digital electron emission characteristic. In addition, since the electric field in which this electron emission is performed depends on the electric field (forced phase transition electric field) at which the emitter section 14 undergoes phase transition to the ferroelectric material, the lower the forced phase transition electric field, the lower the drive voltage system voltage becomes. It becomes possible.
[0135]
Further, in this electron emission method, the polarization can be almost reset without applying the applied electric field to the positive polarity. Therefore, in the electron emission period T2, electrons can be emitted only by one-sided polarity driving (drive to negative polarity). This leads to simplification of the drive circuit system, which is advantageous in terms of low power consumption, low cost, and downsizing of the structure.
[0136]
In addition, by controlling the level of the second voltage Va2 applied between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 (controlling the maximum amplitude and the shift time ta), it is within a certain time tc2 from the start of the electron emission period T2. For example, within 10 μsec, it is possible to apply an electric field that causes the emitter section 14 to undergo phase transition to the ferroelectric material and polarize the emitter section 14.
[0137]
Next, an electron-emitting device 10Ac according to a third specific example will be described. The electron-emitting device 10Ac according to the third specific example is the same as the configuration of the electron-emitting device 10A according to the first embodiment described above except that the constituent material of the emitter section 14 is an electrostrictive material. .
[0138]
Here, an electron emission method of the electron emitter 10Ac according to the third specific example will be described. First, as shown in FIG. 12, the polarization-electric field characteristics of the electrostrictive material, which is a constituent material of the emitter section 14, are polarized in an amount substantially proportional to the electric field, and in particular, the rate of change of polarization at a low electric field. It is larger than the change in polarization at a high electric field. In any case, it can be seen that the polarization in the emitter section 14 occurs diffusely according to the change in the electric field. When the electric field is removed, the polarization is reset.
[0139]
When attention is paid to the curves from the points p21 to p23 among these characteristic curves, the electrostrictive material is mostly polarized in one direction at the point p21 to which the positive electric field is applied. After that, when the electric field strength is reduced, the amount of polarization in one direction is reduced according to the strength of the positive electric field, and at the point p22 where the electric field strength is 0, it becomes a paraelectric, and the polarization is reset. It has become a state. Thereafter, when a negative electric field is applied, polarization inversion begins to occur, and as the negative electric field strength increases, the amount of polarization in the other direction increases, and most of the polarization is polarized in the other direction at point p23. Will be. That is, the emitter section 14 is polarized by an amount corresponding to the applied electric field.
[0140]
Therefore, in the third specific example, as shown in FIG. 13, first, in the preparation period T1, the first voltage Va1 is applied between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20, and the positive electrode with respect to the emitter section 14 is applied. An electric field (approximately 2000 V / mm) is applied. At this time, as can be seen from the polarization-electric field characteristics of FIG. 12, the emitter section 14 is polarized in one direction. Note that the first voltage Va1 may be set to the reference voltage (0V) so that no electric field is applied to the emitter section 14 during the preparation period T1. In this case, as can be seen from the polarization-electric field characteristics, the emitter section 14 is in an unpolarized state in advance.
[0141]
After that, in the electron emission period T2, the second voltage Va2 is applied between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20, and an electric field (for example, about −2000 V / mm) is applied to the emitter section 14, thereby causing the emitter section 14 to operate. Is changed in polarization, electrons are emitted at the point p23. As shown in FIG. 13, this is because a voltage drop is observed at the peak time point P1 of the voltage Vak between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 within a certain time tc3 (here, within 10 μsec) from the start time of the electron emission period T2. It can be seen that electron emission is performed at the peak time P1. That is, current (collector current Ic) rapidly flows through the collector electrode 24 at the peak time point P 1, which indicates that emitted electrons are captured by the collector electrode 24.
[0142]
As described above, in the electron-emitting device 10Ac according to the third specific example, the polarization in the emitter section 14 occurs diffusely according to the change in the electric field. Therefore, as the amount of polarization per unit time increases, the amount of electron emission increases. Become more. That is, it becomes an analog electron emission characteristic.
[0143]
Further, the potential difference between the electric field in the electric field from which electrons are emitted (point p23) and the electric field in which the polarization is reset (electric field at point p22) is small. Therefore, once electrons are emitted and the voltage Vak between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 drops, the polarization of the emitter section 14 is easily reset, and a pseudo reference voltage of 0 V is applied.
[0144]
However, in this electron emission period T2, since the second voltage Va2 is applied between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20, the voltage Vak between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 rapidly increases and is again polarized. Will be done. At this time, since the polarization changes rapidly, electrons are emitted at a voltage lower than the voltage at the time of the first electron emission.
[0145]
When the second electron emission is performed and the voltage Vak between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 drops, the polarization of the emitter section 14 is easily reset again, and then the second voltage between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 is reset. By the continuous application of the voltage Va2 of 2, the voltage Vak between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 is increased again, and polarization is performed. Also in this case, since the change of polarization proceeds rapidly, the electron emission is performed at the same voltage as the voltage at the second electron emission.
[0146]
That is, after the first electron emission, the voltage Vak between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 slightly vibrates, and the electron emission is sustained by this minute vibration. It is also possible to control the duration of electron emission by controlling the level of the second voltage Va2.
[0147]
As described above, in the electron emission method of the electron emitter 10Ac according to the third specific example, electrons can be efficiently emitted by controlling the amount of polarization in the emitter section 14, so that a display, a light source, etc. Application to can be facilitated.
[0148]
Further, as described above, the greater the amount of polarization per unit time, the lower the strength of the electric field, so that the drive voltage system can be lowered.
[0149]
Further, in this electron emission method, the polarization can be almost reset without applying the applied electric field to the positive polarity. Therefore, in the electron emission period T2, electrons can be emitted only by one-sided polarity driving (drive to negative polarity). This leads to simplification of the drive circuit system, which is advantageous in terms of low power consumption, low cost, and downsizing of the structure.
[0150]
Further, by controlling the level of the second voltage Va2 applied between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 (controlling the maximum amplitude and the shift time ta), a predetermined time tc3 from the start time of the electron emission period T2. Among them, the amount of electron emission can be controlled by controlling the amount of polarization of the emitter section 14 occurring within 10 μsec, for example.
[0151]
Next, an electron-emitting device 10B according to a second embodiment will be described with reference to FIGS. 14 to 23B.
[0152]
As shown in FIG. 14, the electron-emitting device 10B according to the second embodiment has substantially the same configuration as the electron-emitting device 10A according to the first embodiment described above, but the cathode electrode 16 is a plate. It differs in that it is formed on the surface of the emitter portion 14 and the anode electrode 20 is formed on the back surface of the emitter portion 14.
[0153]
Note that the drive voltage Va is applied between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 through a lead electrode 17 extending to the cathode electrode 16 and a lead electrode 21 extending to the anode electrode 20, as shown in FIG.
[0154]
When the electron-emitting device 10B is used as a display pixel, a collector electrode 24 is disposed above the cathode electrode 16, and a phosphor 28 is applied to the collector electrode 24.
[0155]
The thickness h (FIG. 14) of the emitter portion 14 between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 is reversed in polarity by an electric field E expressed by E = Vak / h, where Vak is the voltage between the electrodes 16 and 20. It is preferable to set the thickness h so that is performed. That is, as the thickness h is smaller, polarization inversion or polarization change is possible at a lower voltage, and electrons can be emitted by driving at a lower voltage (for example, less than 100 V). The dielectric breakdown voltage of the emitter section 14 is preferably at least 10 kV / mm or more. Here, the dielectric breakdown voltage of the emitter section 14 is preferably at least 10 kV / mm or more. In this example, when the thickness h of the emitter section 14 is set to 20 μm, for example, even if a drive voltage of −100 V is applied between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20, the emitter section 14 does not cause dielectric breakdown.
[0156]
The planar shape of the cathode electrode 16 may be an elliptical shape as shown in FIG. 15, or may be a ring shape like the electron-emitting device 10Ba according to the first modification shown in FIG. Or you may make it comb-tooth shape like electron emission element 10Bb which concerns on the 2nd modification shown in FIG.
[0157]
By making the planar shape of the cathode electrode 16 into a ring shape or a comb-like shape, the triple point of the cathode electrode 16 / emitter portion 14 / vacuum which is also the electric field concentration point A is increased, and the electron emission efficiency can be improved.
[0158]
The thickness tc (see FIG. 14) of the cathode electrode 16 is preferably 20 μm or less, and preferably 5 μm or less. Therefore, the thickness tc of the cathode electrode 16 may be 100 nm or less. In particular, when the thickness tc of the cathode electrode 16 is extremely thin (10 nm or less) as in the electron-emitting device 10Bc according to the third modification shown in FIG. Electrons are emitted from the interface, and the electron emission efficiency can be further improved.
[0159]
On the other hand, the anode electrode 20 is formed by the same material and method as the cathode electrode 16, but is preferably formed by the thick film forming method. The thickness of the anode electrode 20 is also preferably 20 μm or less, and preferably 5 μm or less.
[0160]
Next, the principle of electron emission of the electron emitter 10B will be described with reference to FIGS. 14 and 19 to 23B. Also in the second embodiment, as shown in FIG. 19, as in the first embodiment described above, the period during which the first voltage Va1 is output (preparation period T1) and the second voltage Va2 are output. Is a step (electron emission period T2), and the one step is repeated.
[0161]
First, in the preparation period T1, as shown in FIG. 20, when the first voltage Va1 is applied between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20, the emitter section 14 is polarized in one direction. Also in this case, the first voltage Va1 may be a DC voltage as shown in FIG. 19, but one pulse voltage or a pulse voltage may be continuously applied a plurality of times. The preparation period T1 is preferably longer than the electron emission period T2 in order to sufficiently perform the polarization process. For example, the preparation period T1 is preferably 100 μsec or more.
[0162]
After that, in the electron emission period T2, by applying the second voltage Va2 between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20, at least a part of the emitter section 14 is polarized or inverted or changed in polarization as shown in FIG. The Here, the portion where the polarization is reversed or changed is not only the portion directly below the cathode electrode 16 but also the portion where the cathode electrode 16 is not directly above and the surface is exposed, in the vicinity of the cathode electrode 16. Then, similarly, polarization inversion or polarization change is performed. That is, in the vicinity of the cathode electrode 16, the portion where the surface of the emitter portion 14 is exposed has the appearance of polarization. Due to this polarization reversal or polarization change, a local concentrated electric field is generated between the cathode electrode 16 and the positive side of the dipole moment in the vicinity thereof, whereby primary electrons are extracted from the cathode electrode 16 and extracted from the cathode electrode 16. The primary electrons thus collided with the emitter section 14 and secondary electrons are emitted from the emitter section 14.
[0163]
When the cathode electrode 16, the emitter section 14, and the vacuum triple point A are provided as in the second embodiment, primary electrons are extracted from the vicinity of the triple point A in the cathode electrode 16, The primary electrons extracted from the triple point A collide with the emitter section 14 and secondary electrons are emitted from the emitter section 14. When the thickness of the cathode electrode 16 is extremely thin (˜10 nm), electrons are emitted from the interface between the cathode electrode 16 and the emitter section 14.
[0164]
Here, the operation by applying the second voltage Va2 will be described in more detail. First, when the second voltage Va2 is applied between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20, secondary electrons are emitted from the emitter section 14 as described above. That is, the dipole moment charged in the vicinity of the cathode electrode 16 in the emitter portion 14 whose polarization has been reversed or changed in polarization leads to extracting emitted electrons.
[0165]
That is, a local cathode is formed in the vicinity of the interface with the emitter portion 14 in the cathode electrode 16, and the + pole of the dipole moment charged in the portion in the vicinity of the cathode electrode 16 in the emitter portion 14 is local. Electrons are extracted from the cathode electrode 16 as a typical anode, and some of the extracted electrons are guided to the collector electrode 24 (see FIG. 14) to excite the phosphor 28, and fluorescent to the outside. It will be embodied as body light emission. Among the extracted electrons, some of the electrons collide with the emitter section 14, secondary electrons are emitted from the emitter section 14, and the secondary electrons are guided to the collector electrode 24, thereby causing the phosphor 28 to pass through. Will be excited. Note that the secondary electron emission distribution in the electron-emitting device 10B according to the second embodiment also has the same characteristics as in FIG. Therefore, the majority of secondary electrons have almost energy close to 0. When the secondary electrons are emitted from the surface of the emitter section 14 into the vacuum, they move only according to the surrounding electric field distribution. That is, secondary electrons are accelerated according to the surrounding electric field distribution from a state where the initial velocity is almost 0 (m / sec). Therefore, as shown in FIG. 14, if an electric field Ea is generated between the emitter section 14 and the collector electrode 24, the emission trajectory of the secondary electrons is determined along the electric field Ea. That is, an electron source with high straightness can be realized. Such secondary electrons with a small initial velocity are electrons in the solid that have gained energy by Coulomb collision of the primary electrons and jumped out of the emitter section 14.
[0166]
In addition, primary electron energy E0The secondary electrons having energy equivalent to are those in which the primary electrons emitted from the cathode electrode 16 are scattered near the surface of the emitter section 14 (reflected electrons). Here, the secondary electrons emitted from the emitter section 14 to the phosphor are secondary electrons having a small initial velocity, that is, electrons in the solid that have jumped out of the emitter section 14 by obtaining energy by Coulomb collision of the primary electrons. And all of Auger electrons and reflected electrons. When the thickness of the cathode electrode 16 is extremely thin (˜10 nm), the primary electrons emitted from the cathode electrode 16 are reflected at the interface between the cathode electrode 16 and the emitter section 14 and travel toward the collector electrode 24.
[0167]
Here, as shown in FIG. 21, the electric field strength E at the electric field concentration point A is shown.AIs the potential difference between the local anode and the local cathode, V (la, lk), and the distance between the local anode and the local cathode, dAWhen EA= V (la, lk) / dAThere is a relationship. In this case, the distance d between the local anode and the local cathodeAIs very small, the electric field strength required for electron emission EACan be easily obtained (electric field strength EA(Indicated by a solid arrow in FIG. 21). This leads to lowering of the voltage Vak.
[0168]
If the electron emission from the cathode electrode 16 proceeds as it is, the constituent atoms of the emitter section 14 which are evaporated and floated by Joule heat are ionized into positive ions and electrons by the emitted electrons, and the electrons generated by the ionization are generated. Further ionizes the constituent atoms and the like of the emitter section 14, so that the number of electrons increases exponentially, and when this proceeds and the electrons and positive ions are neutral, local plasma is formed. It is conceivable that secondary electrons also promote the ionization. It is conceivable that the positive electrode generated by the ionization collides with, for example, the cathode electrode 16 to damage the cathode electrode 16.
[0169]
However, in the electron-emitting device 10B according to the second embodiment, as shown in FIG. 22, the electrons extracted from the cathode electrode 16 become the positive pole of the dipole moment of the emitter section 14 existing as a local anode. As a result, the charging of the surface of the emitter section 14 in the vicinity of the cathode electrode 16 to the negative polarity proceeds. As a result, the electron acceleration factor (local potential difference) is relaxed, the potential leading to secondary electron emission does not exist, and the negative charging on the surface of the emitter portion 14 further proceeds.
[0170]
Therefore, the positive polarity of the local anode at the dipole moment is weakened, and the electric field strength E between the local anode and the local cathode is reduced.A(Electric field strength EAIs indicated by a dashed arrow in FIG. 22), the electron emission is stopped.
[0171]
That is, as shown in FIG. 23A, when the drive voltage Va applied between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 is set to, for example, + 50V for the first voltage Va1 and -100V for the second voltage Va2, for example, electron emission The voltage change ΔVak between the cathode electrode 16 and the anode electrode 20 at the peak time point P1 at which is performed is within 20V (about 10V in the example of FIG. 23B) and hardly changes. Therefore, there is almost no generation of positive ions, damage to the cathode electrode 16 due to positive ions can be prevented, which is advantageous in extending the life of the electron-emitting device 10B.
[0172]
By the way, electrons emitted from the emitter section 14 collide with the emitter section 14 again, ionization in the vicinity of the surface of the emitter section 14, etc., the emitter section 14 is damaged, crystal defects are induced, and structurally May become brittle.
[0173]
Therefore, it is preferable that the emitter section 14 is made of a dielectric material having a high evaporation temperature in vacuum, for example, BaTiO not containing Pb.ThreeYou may make it comprise by these. Thereby, the constituent atoms of the emitter section 14 are not easily evaporated by Joule heat, and the promotion of ionization by electrons can be prevented. This is effective in protecting the surface of the emitter section 14.
[0174]
Next, an electron-emitting device 10C according to a third embodiment will be described with reference to FIG.
[0175]
The electron-emitting device 10C according to the third embodiment has substantially the same configuration as the electron-emitting device 10A according to the first embodiment described above, as shown in FIG. The anode electrode 20 is formed on the substrate 12, the emitter section 14 is formed on the substrate 12 and covers the anode electrode 20, and the cathode electrode 16 is formed on the emitter section 14. Is different.
[0176]
Also in this case, similarly to the electron-emitting device 10B according to the second embodiment described above, damage to the cathode electrode 16 due to positive ions can be prevented, which is advantageous in extending the life of the electron-emitting device 10C.
[0177]
In the electron-emitting devices 10B and 10C according to the above-described second and third embodiments, the above-described piezoelectric material, antiferroelectric material, and electrostrictive material can be used as the constituent material of the emitter section 14.
[0178]
In the electron-emitting devices 10B and 10C according to the second and third embodiments described above, the dipole moment that appears on the cathode electrode 16 side is only positive or negative. A large local electric field can be obtained. In addition, in the second and third embodiments, only the positive pole of the dipole moment is disposed in the vicinity of the negative polarity cathode electrode 16 at the time of polarization reversal or polarization change of the emitter section 14. Therefore, it is preferable for extracting primary electrons from the cathode electrode 16.
[0179]
Further, in the electron emitters 10B and 10C according to the second and third embodiments described above, one cathode electrode 16 and one anode electrode 20 are formed on one emitter section 14 respectively, thereby emitting one electron. Although an example in which the element 10B (10C) is configured has been shown, a plurality of electron-emitting elements 10 (1), 10 (2), and 10 (3) are provided in one emitter section 14 as shown in FIG. It is also possible to form.
[0180]
That is, in the first configuration example 100A shown in FIG. 25, a plurality of cathode electrodes 16a, 16b, and 16c are independently formed on the surface of one emitter section 14, and a plurality of anode electrodes 20a, 20b are formed on the back surface of the emitter section. 20c are formed to form a plurality of electron-emitting devices 10 (1), 10 (2), and 10 (3). Each of the anode electrodes 20a, 20b, and 20c is formed below the corresponding cathode electrode 16a, 16b, and 16c with the emitter portion 14 interposed therebetween.
[0181]
In the second configuration example 100B shown in FIG. 26, a plurality of cathode electrodes 16a, 16b, and 16c are independently formed on the surface of one emitter section 14, and one anode electrode 20 (a common electrode is formed on the back surface of the emitter section 14). A case where a plurality of electron-emitting devices 10 (1), 10 (2), and 10 (3) are formed by forming an anode electrode) is shown.
[0182]
In the third configuration example 100C shown in FIG. 27, one ultrathin (˜10 nm) cathode electrode 16 (common cathode electrode) is formed on the surface of one emitter section 14, and independent on the back surface of the emitter section 14. 5 shows a case where a plurality of anode electrodes 20a, 20b, and 20c are formed to form a plurality of electron-emitting devices 10 (1), 10 (2), and 10 (3).
[0183]
In the fourth configuration example 100D shown in FIG. 28, a plurality of anode electrodes 20a, 20b, and 20c are independently formed on the substrate 12, and one emitter section 14 is formed so as to cover these anode electrodes 20a, 20b, and 20c. In addition, a plurality of cathode electrodes 16a, 16b, and 16c are independently formed on the emitter section 14 to form a plurality of electron-emitting devices 10 (1), 10 (2), and 10 (3). Indicates. Each cathode electrode 16a, 16b, 16c is formed on the corresponding anode electrode 20a, 20b, 20c, respectively, with the emitter portion 14 interposed therebetween.
[0184]
In the fifth configuration example 100E shown in FIG. 29, one anode electrode 20 is formed on the substrate 12, one emitter section 14 is formed so as to cover the anode electrode 20, and a plurality of emitter sections 14 are formed on the emitter section 14. The cathode electrodes 16a, 16b, and 16c are formed independently to form a plurality of electron-emitting devices 10 (1), 10 (2), and 10 (3).
[0185]
In the sixth configuration example 100F shown in FIG. 30, a plurality of anode electrodes 20a, 20b, and 20c are independently formed on the substrate 12, and one emitter section is formed so as to cover the plurality of anode electrodes 20a, 20b, and 20c. 14 is formed, and further, one ultrathin cathode electrode 16 is formed on the emitter section 14 to form a plurality of electron-emitting devices 10 (1), 10 (2), and 10 (3).
[0186]
In the first to sixth configuration examples 100A to 100F, a plurality of electron-emitting devices 10 (1), 10 (2), and 10 (3) can be configured by one emitter section 14, and will be described later, for example. Thus, it is suitable when each electron-emitting device 10 (1), 10 (2), 10 (3) is configured as a display pixel.
[0187]
In the electron-emitting devices 10A to 10C according to the first to third embodiments described above, when the phosphor 28 is applied to the collector electrode 24 as shown in FIG. Such effects can be achieved.
[0188]
(1) It can be made ultra-thin (panel thickness = several mm) as compared with CRT.
[0189]
(2) Due to spontaneous light emission by the phosphor 28, a wide viewing angle of approximately 180 ° can be obtained as compared with LCD (Liquid Crystal Display) and LED (Light Emitting Diode).
[0190]
(3) Since a surface electron source is used, there is no image distortion as compared with a CRT.
[0191]
(4) High-speed response is possible as compared with LCD, and moving image display without afterimage is possible with a high-speed response on the order of μsec.
[0192]
(5) It is about 100 W in terms of 40 inches, and consumes less power than CRT, PDP (plasma display), LCD and LED.
[0193]
(6) Wide operating temperature range (-40 to + 85 ° C) compared to PDP and LCD. Incidentally, the response speed of the LCD decreases at low temperatures.
[0194]
(7) Since the phosphor can be excited by a large current output, the brightness can be increased as compared with a conventional FED display.
[0195]
(8) Since the drive voltage can be controlled by the polarization reversal characteristics (or polarization change characteristics) and the film thickness of the piezoelectric material, it can be driven at a lower voltage than a conventional FED display.
[0196]
From such various effects, various display applications can be realized as described below.
[0197]
(1) It is most suitable for 30-60 inch display home use (television, home theater) and public use (waiting room, karaoke, etc.) in terms of realizing high brightness and low power consumption.
[0198]
(2) From the aspect that high brightness, large screen, full color, and high definition can be realized, it has a great effect on customer attraction (in this case, visual attention). Ideal for use in exhibitions, message boards for information guides.
[0199]
(3) It is most suitable for in-vehicle displays from the viewpoint that high brightness, a wide viewing angle accompanying phosphor excitation, and a wide operating temperature range associated with vacuum modularization can be realized. The specifications for the in-vehicle display are: 8 inches wide (pixel pitch: 0.14 mm) such as 15: 9, operating temperature of -30 to + 85 ° C., 500 to 600 cd / m in the perspective direction.2is required.
[0200]
In addition, from the various effects described above, various light source applications can be realized as described below.
[0201]
(1) From the standpoint that high luminance and low power consumption can be realized, it is most suitable for a light source for a projector that requires 2000 lumens as a luminance specification.
[0202]
(2) A high-brightness two-dimensional array light source can be easily realized, the operating temperature range is wide, and the luminous efficiency does not change even in an outdoor environment. For example, it is optimal as an alternative to a two-dimensional array LED module such as a traffic light. Note that the LED has a lower allowable current at a temperature of 25 ° C. or higher and low luminance.
[0203]
It should be noted that the electron emission method of the electron-emitting device according to the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it goes without saying that various configurations can be adopted without departing from the gist of the present invention.
[0204]
【The invention's effect】
As described above, according to the electron emission method of the electron-emitting device according to the present invention, the electron-emitting device having an emitter portion made of a piezoelectric material can be efficiently made to emit electrons, Application to a display or a light source can be facilitated.
[0205]
In addition, according to the electron emission method of the electron emission device according to the present invention, the electron emission device having the emitter portion made of the antiferroelectric material can be efficiently made to emit electrons, and the display And can be easily applied to a light source or the like.
[0206]
In addition, according to the electron emission method of the electron emission device according to the present invention, the electron emission device having an emitter portion made of an electrostrictive material can efficiently emit electrons, and a display or a light source Etc. can be easily applied.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing an electron-emitting device according to a first embodiment (electron-emitting devices according to first to third specific examples).
FIG. 2 is a plan view showing an electrode portion of the electron-emitting device according to the first embodiment.
FIG. 3 is a waveform diagram showing a drive voltage output from a pulse generation source.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing an operation when a first voltage is applied between a cathode electrode and an anode electrode.
FIG. 5A is an explanatory view showing an action (emission of primary electrons) when a second voltage is applied between the cathode electrode and the anode electrode, and FIG. 5B shows the emitted primary electrons; It is explanatory drawing which shows the principle in which a secondary electron is discharge | released based on.
FIG. 6 is a characteristic diagram showing the relationship between the energy of emitted secondary electrons and the amount of emitted secondary electrons.
FIG. 7 is a diagram showing polarization-electric field characteristics of a piezoelectric material.
FIG. 8 shows changes in the drive voltage applied between the cathode electrode and the anode electrode, the collector current flowing in the collector electrode, and the voltage between the cathode electrode and the anode electrode in the electron-emitting device according to the first specific example. It is a waveform diagram.
FIG. 9A is a waveform diagram showing an example of a drive voltage (rectangular pulse), and FIG. 9B is a waveform diagram showing another example of a drive voltage (pulse having a ramp-like falling edge).
FIG. 10 is a diagram showing polarization-electric field characteristics of an antiferroelectric material.
FIG. 11 shows changes in the driving voltage applied between the cathode electrode and the anode electrode, the collector current flowing in the collector electrode, and the voltage between the cathode electrode and the anode electrode in the electron-emitting device according to the second specific example. It is a waveform diagram.
FIG. 12 is a diagram showing polarization-electric field characteristics of an electrostrictive material.
FIG. 13 shows changes in the driving voltage applied between the cathode electrode and the anode electrode, the collector current flowing in the collector electrode, and the voltage between the cathode electrode and the anode electrode in the electron-emitting device according to the third specific example. It is a waveform diagram.
FIG. 14 is a configuration diagram showing an electron-emitting device according to a second embodiment.
FIG. 15 is a plan view showing an electrode portion of an electron-emitting device according to a second embodiment.
FIG. 16 is a plan view showing electrode portions in a first modification of the electron-emitting device according to the second embodiment.
FIG. 17 is a plan view showing an electrode portion in a second modification of the electron-emitting device according to the second embodiment.
FIG. 18 is a configuration diagram showing a third modification of the electron-emitting device according to the second embodiment.
FIG. 19 is a waveform diagram showing a drive voltage output from a pulse generation source.
FIG. 20 is an explanatory diagram showing an operation when a first voltage is applied between a cathode electrode and an anode electrode.
FIG. 21 is an explanatory diagram showing an electron emission action when a second voltage is applied between the cathode electrode and the anode electrode.
FIG. 22 is an explanatory diagram showing the action of self-stopping of electron emission accompanying negative charging on the surface of the emitter section.
FIG. 23A is a waveform diagram showing an example of a drive voltage, and FIG. 23B is a waveform diagram showing a change in voltage between the anode electrode and the cathode electrode in the electron-emitting device according to the second embodiment. is there.
FIG. 24 is a configuration diagram showing an electron-emitting device according to a third embodiment.
FIG. 25 is an explanatory diagram showing a first configuration example in which a plurality of electron-emitting devices are combined.
FIG. 26 is an explanatory diagram showing a second configuration example in which a plurality of electron-emitting devices are combined.
FIG. 27 is an explanatory diagram showing a third configuration example in which a plurality of electron-emitting devices are combined.
FIG. 28 is an explanatory diagram showing a fourth configuration example in which a plurality of electron-emitting devices are combined.
FIG. 29 is an explanatory diagram showing a fifth configuration example in which a plurality of electron-emitting devices are combined.
FIG. 30 is an explanatory diagram showing a sixth configuration example in which a plurality of electron-emitting devices are combined.
[Explanation of symbols]
10A, 10Aa to 10Ac, 10B, 10Ba to 10Bc, 10C...
12 ... Substrate 14 ... Emitter
16 ... Cathode electrode 18 ... Slit
20 ... Anode electrode 22 ... Pulse generation source
24 ... Collector electrode 28 ... Phosphor

Claims (13)

電歪材料にて構成されたエミッタ部と、
前記エミッタ部に接して形成された第1の電極及び第2の電極とを有し、
前記第1及び第2の電極を介して前記エミッタ部に電界を印加して前記エミッタ部での分極量を制御することによって電子放出させる電子放出素子の電子放出方法であって、
前記第1の電極と前記第2の電極間に前記電界を印加することによって、少なくとも前記エミッタ部の一部が分極反転もしくは分極変化され、この分極反転もしくは分極変化によって、前記第1の電極の周辺に双極子モーメントの正極側が配されることで、前記第1の電極から1次電子が引き出され、
前記第1の電極から引き出された1次電子が前記エミッタ部に衝突して、該エミッタ部から2次電子が放出されることを特徴とする電子放出素子の電子放出方法。
An emitter composed of an electrostrictive material;
Have a first electrode and a second electrode formed in contact with the emitter,
An electron emission method of the first and the electron emission is allowed Ru electron-emitting device by via the second electrode by applying an electric field to the emitter to control the amount of polarization in the emitter section,
By applying the electric field between the first electrode and the second electrode, at least a part of the emitter section undergoes polarization inversion or polarization change, and by this polarization inversion or polarization change, By arranging the positive electrode side of the dipole moment in the periphery, primary electrons are extracted from the first electrode,
An electron emission method for an electron-emitting device, wherein primary electrons extracted from the first electrode collide with the emitter portion, and secondary electrons are emitted from the emitter portion.
請求項1記載の電子放出素子の電子放出方法において、
第1の期間に、前記第1の電極の電位が前記第2の電極の電位よりも高い第1の電圧を前記第1の電極と前記第2の電極間に印加して、前記エミッタ部を予め一方向に分極させ、
第2の期間に、前記第1の電極の電位が前記第2の電極の電位よりも低い第2の電圧を前記第1の電極と前記第2の電極間に印加して、前記エミッタ部を分極変化させることによって電子放出させることを特徴とする電子放出素子の電子放出方法。
In the electron emission method of the electron-emitting device according to claim 1,
In the first period, a first voltage whose potential of the first electrode is higher than that of the second electrode is applied between the first electrode and the second electrode, and the emitter section is Pre-polarized in one direction,
In the second period, a second voltage whose potential of the first electrode is lower than the potential of the second electrode is applied between the first electrode and the second electrode, and the emitter section is An electron emission method for an electron-emitting device, wherein electrons are emitted by changing polarization.
請求項記載の電子放出素子の電子放出方法において、
1の期間に前記第1の電極と前記第2の電極間に印加する第1の電圧を0Vとして、前記エミッタ部を予め無分極状態にしておき、
第2の期間に、前記第1の電極の電位が前記第2の電極の電位よりも低い第2の電圧を前記第1の電極と前記第2の電極間に印加して、前記エミッタ部を分極変化させることによって電子放出させることを特徴とする電子放出素子の電子放出方法。
In the electron emission method of the electron-emitting device according to claim 1 ,
The first period, the first voltage you applied between said first electrode and the second electrode as 0V, aft in the previously non-polarized state said emitter portion,
In the second period, a second voltage whose potential of the first electrode is lower than the potential of the second electrode is applied between the first electrode and the second electrode, and the emitter section is An electron emission method for an electron-emitting device, wherein electrons are emitted by changing polarization .
請求項2又は3記載の電子放出素子の電子放出方法において、
前記第2の電圧のレベルを制御することによって、前記第2の期間の開始時点から一定時間内に生じる前記エミッタ部の分極量を制御し、電子放出量を制御することを特徴とする電子放出素子の電子放出方法。
In the electron emission method of the electron-emitting device according to claim 2 or 3,
By controlling the level of the second voltage, the amount of polarization of the emitter generated within a certain time from the start of the second period is controlled to control the amount of electron emission. Device electron emission method.
請求項2〜4のいずれか1項に記載の電子放出素子の電子放出方法において、
前記電子放出後に、前記第1の電極と前記第2の電極間の電圧の微振動で電子放出の持続が発生するように、前記第2の期間の開始時点に印加される前記第2の電圧のレベルを制御することを特徴とする電子放出素子の電子放出方法。
In the electron emission method of the electron-emitting device according to any one of claims 2 to 4,
After the electron emission, the second voltage applied at the start of the second period so that the electron emission continues due to the slight oscillation of the voltage between the first electrode and the second electrode. An electron emission method for an electron-emitting device, characterized by controlling the level of the electron emission.
請求項1〜5のいずれか1項に記載の電子放出素子の電子放出方法において、
前記第1の電極は、前記エミッタ部に接して形成され、
前記第2の電極は、前記エミッタ部に接して形成され、かつ、前記第1の電極と共にスリットを形成することを特徴とする電子放出素子の電子放出方法。
In the electron emission method of the electron-emitting device according to any one of claims 1 to 5,
The first electrode is formed in contact with the emitter portion,
The electron emission method of an electron-emitting device, wherein the second electrode is formed in contact with the emitter portion and forms a slit together with the first electrode.
請求項6記載の電子放出素子の電子放出方法において、
前記スリットの幅をd、前記第1の電極と前記第2の電極間の電圧をVakとしたとき、前記エミッタ部に印加され、かつ、E=Vak/dで表される電界Eで分極反転もしくは分極変化が行われることを特徴とする電子放出素子の電子放出方法。
In the electron emission method of the electron-emitting device according to claim 6,
When the slit width is d and the voltage between the first electrode and the second electrode is Vak, the polarization is inverted by the electric field E applied to the emitter and expressed by E = Vak / d. Alternatively, an electron emission method for an electron-emitting device, wherein polarization change is performed.
請求項1〜5のいずれか1項に記載の電子放出素子の電子放出方法において、
前記第1の電極は、前記エミッタ部の第1の面に形成され、
前記第2の電極は、前記エミッタ部の第2の面に形成されていることを特徴とする電子放出素子の電子放出方法。
In the electron emission method of the electron-emitting device according to any one of claims 1 to 5,
The first electrode is formed on a first surface of the emitter;
The electron emission method for an electron-emitting device, wherein the second electrode is formed on a second surface of the emitter section.
請求項8記載の電子放出素子の電子放出方法において、
前記第1の電極と前記第2の電極に挟まれた前記エミッタ部の厚さをh、前記第1の電極と前記第2の電極間の電圧をVakとしたとき、前記エミッタ部に印加され、かつ、E=Vak/hで表される電界Eで分極反転もしくは分極変化が行われることを特徴とする電子放出素子の電子放出方法。
The electron emission method for an electron-emitting device according to claim 8,
When the thickness of the emitter section sandwiched between the first electrode and the second electrode is h and the voltage between the first electrode and the second electrode is Vak, the voltage is applied to the emitter section. An electron emission method for an electron-emitting device, wherein polarization inversion or polarization change is performed by an electric field E represented by E = Vak / h.
請求項7又は9記載の電子放出素子の電子放出方法において、
前記電圧Vakが前記エミッタ部の絶縁破壊電圧未満であることを特徴とする電子放出素子の電子放出方法。
In the electron emission method of the electron-emitting device according to claim 7 or 9,
The electron emission method for an electron-emitting device, wherein the voltage Vak is less than a breakdown voltage of the emitter section.
請求項1〜10のいずれか1項に記載の電子放出素子の電子放出方法において、
前記第1の電極と前記第2の電極間に前記電界を印加することによって、少なくとも前記エミッタ部の一部が分極反転もしくは分極変化され、前記第2の電極よりも電位が低い前記第1の電極の近傍から電子が放出されることを特徴とする電子放出素子の電子放出方法。
In the electron emission method of the electron-emitting device according to any one of claims 1 to 10,
By applying the electric field between the first electrode and the second electrode, at least a part of the emitter section undergoes polarization inversion or polarization change, and the potential is lower than that of the second electrode. An electron emission method for an electron-emitting device, wherein electrons are emitted from the vicinity of an electrode.
請求項1〜11のいずれか1項に記載の電子放出素子の電子放出方法において、
前記電子放出素子は、前記第1の電極、前記エミッタ部及び真空雰囲気の3重点を有し、
前記第1の電極のうち、3重点近傍の部分から1次電子が引き出され、
前記引き出された1次電子が前記エミッタ部に衝突して、該エミッタ部から2次電子が放出されることを特徴とする電子放出素子の電子放出方法。
In the electron emission method of the electron-emitting device according to any one of claims 1 to 11 ,
The electron-emitting device has a triple point of the first electrode, the emitter, and a vacuum atmosphere,
Primary electrons are extracted from the portion near the triple point of the first electrode,
An electron emission method for an electron-emitting device, wherein the extracted primary electrons collide with the emitter portion and secondary electrons are emitted from the emitter portion.
電歪材料にて構成されたエミッタ部と、An emitter composed of an electrostrictive material;
前記エミッタ部に接して形成された第1の電極及び第2の電極とを有し、A first electrode and a second electrode formed in contact with the emitter portion;
前記第1及び第2の電極を介して前記エミッタ部に電界を印加して前記エミッタ部での分極量を制御することによって電子放出させる電子放出素子の電子放出方法であって、An electron emission method for an electron-emitting device that emits electrons by applying an electric field to the emitter through the first and second electrodes to control the amount of polarization in the emitter,
第1の期間に、前記第1の電極の電位が前記第2の電極の電位よりも高い第1の電圧を前記第1の電極と前記第2の電極間に印加して、前記エミッタ部を予め一方向に分極させ、In the first period, a first voltage whose potential of the first electrode is higher than that of the second electrode is applied between the first electrode and the second electrode, and the emitter section is Pre-polarized in one direction,
第2の期間に、前記第1の電極の電位が前記第2の電極の電位よりも低い第2の電圧を前記第1の電極と前記第2の電極間に印加して、前記エミッタ部を分極変化させることによって電子放出させ、In the second period, a second voltage whose potential of the first electrode is lower than the potential of the second electrode is applied between the first electrode and the second electrode, and the emitter section is Electrons are emitted by changing the polarization,
前記電子放出後に、前記第1の電極と前記第2の電極間の電圧の微振動で電子放出の持続が発生するように、前記第2の期間の開始時点に印加される前記第2の電圧のレベルを制御することを特徴とする電子放出素子の電子放出方法。After the electron emission, the second voltage applied at the start of the second period so that the electron emission continues due to the slight oscillation of the voltage between the first electrode and the second electrode. An electron emission method for an electron-emitting device, wherein the level of the electron emission device is controlled.
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