JP3867065B2 - 電子放出素子及び発光素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エミッタとなる物質から放出される２次電子を出力とする電子放出素子及び発光素子に関する。
【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。また、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。
【０００４】
【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）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の電子放出素子においては、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。つまり、従来においては、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。
【０００６】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、エミッタとなる物質から放出される２次電子を出力とすることにより、電子放出の長寿命化及び信頼性の向上を図ることができる電子放出素子及び発光素子を提供することを目的とする。
【０００７】
また、本発明の他の目的は、様々なアプリケーションに適用することができ、電子放出素子の普及に寄与させることができる電子放出素子及び発光素子を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の本発明に係る電子放出素子は、エミッタとなる物質に１次電子を衝突させ、前記エミッタとなる物質から２次電子を放出させ、その２次電子を出力とすることを特徴とする。この場合、前記エミッタとなる物質から放出された２次電子を、前記エミッタとなる物質上に形成された電界で加速させて電子ビームを得るようにしてもよい。
【０００９】
ここで述べる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、エミッタとなる物質の外へ飛び出した固体内電子と、オージェ電子と、１次電子がエミッタとなる物質の表面近くで散乱したもの（反射電子）の全てを含む。
【００１０】
第１の本発明においては、エミッタとなる物質から放出される２次電子を出力とすることにより、電子放出の長寿命化及び信頼性の向上を図ることができる。これは、本発明に係る電子放出素子を様々なアプリケーションに適用することができることにつながり、電子放出素子の普及に寄与することができる。
【００１１】
そして、前記エミッタとなる物質は、誘電体にて構成される。この場合、前記エミッタとなる物質は、圧電材料、反強誘電体材料、電歪材料のいずれかで構成することができる。また、前記第１の電極及び前記第２の電極は、前記エミッタとなる物質の同一面上に形成されていてもよい。
【００１２】
また、前記エミッタとなる物質を誘電体にて構成した場合は、前記エミッタとなる物質上に第１の電極を形成し、前記第１の電極とは別に、前記エミッタとなる物質上に第２の電極を形成し、前記第１の電極と前記第２の電極間に駆動電圧を印加して前記エミッタとなる物質を分極反転させることにより、前記１次電子を得る。
【００１３】
ここで、エミッタとなる物質に誘電体を用いた本発明に係る電子放出素子の作用を説明する。まず、第１の電極と第２の電極間に駆動電圧が印加されることによって、少なくともエミッタとなる物質の一部が分極反転され、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１次電子が放出されることになる。即ち、この分極反転によって、第１の電極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、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となる物質に衝突して、該エミッタとなる物質から２次電子が放出される。
【００１４】
電子放出素子が前記第１の電極、前記エミッタとなる物質及び真空雰囲気の３重点を有する場合には、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となる物質に衝突して、該エミッタとなる物質から２次電子が放出される。なお、前記第１の電極の厚みが極薄（〜１０ｎｍ）である場合には、該第１の電極とエミッタとなる物質との界面から電子が放出されることになる。
【００１５】
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、第１の電極と第２の電極間に印加される電圧のレベル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。
【００１６】
そして、第１の本発明に係る電子放出素子を例えばディスプレイの画素として利用する場合は、エミッタとなる物質の上方のうち、前記第１の電極に対向した位置に第３の電極が配置され、該第３の電極には蛍光体が塗布されることになる。この場合、放出された２次電子のほとんどは、第３の電極に導かれて蛍光体を励起し、外部に蛍光体発光として具現されることになる。もちろん、前記エミッタとなる物質に対向して、前記エミッタとなる物質との間で電界を形成するための第３の電極を配置し、該第３の電極に電子ビームを放出するようにしてもよい。
【００１７】
また、第１の本発明においては、前記第１の電極と前記第２の電極間の距離を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、前記エミッタとなる物質に印加され、かつ、Ｅ＝Ｖａｋ／ｄで表される電界Ｅで分極反転が行われるようにしてもよい。この場合、前記電圧Ｖａｋが前記エミッタとなる物質の絶縁破壊電圧未満であることが好ましい。このとき、前記第１の電極と前記第２の電極間の電圧Ｖａｋの絶対値が１００Ｖ未満となるように、前記第１の電極と前記第２の電極間の距離ｄを設定することが好ましい。
【００１８】
次に、第２の本発明に係る発光素子は、上述した第１の本発明に係る電子放出素子と、該電子放出素子の前記エミッタとなる物質に対向して配置され、前記エミッタとなる物質との間で電界を形成するための電極と、前記電極に形成された蛍光体とを具備し、前記エミッタとなる物質から放出される２次電子を前記蛍光体に衝突させて前記蛍光体を励起し、発光させることを特徴とする。
【００１９】
これにより、エミッタとなる物質から放出される２次電子を発光源とすることにより、電子放出（発光）の長寿命化及び信頼性の向上を図ることができる。また、様々なアプリケーションに適用することができ、発光素子の普及に寄与することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る電子放出素子及び発光素子の実施の形態例を図１〜図１９Ｂを参照しながら説明する。
【００２１】
まず、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、板状のエミッタ部（エミッタとなる物質）１６と、該エミッタ部１６の表面に形成された第１の電極（カソード電極）１８と、エミッタ部１６の裏面に形成された第２の電極（アノード電極）１４とを有する。
【００２２】
カソード電極１８とアノード電極１４間には、パルス発生源２０からの駆動電圧Ｖａが抵抗Ｒ１を介して印加される。図１の例では、アノード電極１４を抵抗Ｒ２を介してＧＮＤ（グランド）に接続することにより、該アノード電極１４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。なお、カソード電極１８とアノード電極１４間への駆動電圧Ｖａの印加は、例えば図２に示すように、カソード電極１８に延びるリード電極１９とアノード電極１４に延びるリード電極１５を通じて行われる。
【００２３】
そして、この電子放出素子１０Ａを発光素子や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１８の上方に、例えばガラスやアクリル製の透明板２１が配置され、該透明板２１の裏面（カソード電極１８と対向する面）に例えば透明電極にて構成されたコレクタ電極２２が配置され、該コレクタ電極２２には蛍光体２４が塗布される。なお、コレクタ電極２２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。
【００２４】
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が存在するが、ポイントＡは、カソード電極１８／エミッタ部１６／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。
【００２５】
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。
【００２６】
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１８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２２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２４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。
【００２７】
一方、高真空では、電界集中ポイントＡ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。
【００２８】
ここで、エミッタ部１６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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
また、エミッタ部１６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１６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。
【００３３】
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１６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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
エミッタ部１６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。
【００３８】
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。
【００３９】
更に、エミッタ部１６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、（ＢｉＯ2）2+（Ａm-1ＢmＯ3m+1）2-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。
【００４０】
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。
【００４１】
また、エミッタ部１６に非鉛系の材料を使用する等により、エミッタ部１６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。
【００４２】
ここで、カソード電極１８とアノード電極１４間のエミッタ部１６の厚さｄ（図１参照）の大きさについて説明すると、カソード電極１８とアノード電極１４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１８とアノード電極１４間に印加されることによって、該カソード電極１８とアノード電極１４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、前記厚さｄを設定することが好ましい。つまり、前記厚さ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。
【００４３】
カソード電極１８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該当する。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。
【００４４】
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-yＣｏyＯ3（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。
【００４５】
カソード電極１８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。
【００４６】
カソード電極１８の平面形状は、図２に示すように、楕円形状としてもよいし、図３に示す第１の変形例に係る電子放出素子１０Ａａのように、リング状にしてもよい。あるいは、図４に示す第２の変形例に係る電子放出素子１０Ａｂのように、くし歯状にしてもよい。
【００４７】
カソード電極１８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１８／エミッタ部１６／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。
【００４８】
カソード電極１８の厚みｔｃ（図１参照）は、２０μｍ以下がよく、好適には５μｍ以下であるとよい。従って、カソード電極１８の厚みｔｃを１００ｎｍ以下にしてもよい。特に、図５に示す第３の変形例に係る電子放出素子１０Ａｃのように、カソード電極１８の厚みｔｃを極薄（１０ｎｍ以下）とした場合には、該カソード電極１８とエミッタ部１６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。
【００４９】
一方、アノード電極１４は、カソード電極１８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１４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。
【００５０】
エミッタ部１６、カソード電極１８及びアノード電極１４をそれぞれ形成するたびに熱処理（焼成処理）することで、一体構造にすることができる。なお、カソード電極１８及びアノード電極１４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。
【００５１】
エミッタ部１６、カソード電極１８及びアノード電極１４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１６を熱処理する場合、高温時にエミッタ部１６の組成が不安定にならないように、エミッタ部１６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。
【００５２】
また、エミッタ部１６を適切な部材によって被覆し、エミッタ部１６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。
【００５３】
次に、電子放出素子１０Ａの電子放出原理について図１、図６〜図１１Ｂを参照しながら説明する。まず、パルス発生源２０から出力される駆動電圧Ｖａは、図６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１８の電位がアノード電極１４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１８の電位がアノード電極１４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。
【００５４】
準備期間Ｔ１は、図７に示すように、カソード電極１８とアノード電極１４間に第１の電圧Ｖａ１を印加してエミッタ部１６を分極する期間である。第１の電圧Ｖａ１としては、図６に示す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１８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。
【００５５】
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ことが可能な電圧レベルであることが好ましく、例えばエミッタ部１６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。
【００５６】
電子放出期間Ｔ２は、カソード電極１８とアノード電極１４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１８とアノード電極１４間に第２の電圧Ｖａ２が印加されることによって、図８に示すように、少なくともエミッタ部１６の一部が分極反転される。ここで、分極反転される部位は、カソード電極１８の真下部分はもちろんのこと、真上にカソード電極１８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１８の近傍では、同様に分極反転が行われる。つまり、カソード電極１８の近傍で、エミッタ部１６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。この分極反転によって、カソード電極１８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１８から１次電子が引き出され、カソード電極１８から引き出された前記１次電子がエミッタ部１６に衝突して、該エミッタ部１６から２次電子が放出される。
【００５７】
この第１の実施の形態のように、カソード電極１８、エミッタ部１６及び真空の３重点Ａを有する場合には、カソード電極１８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１６に衝突して、該エミッタ部１６から２次電子が放出される。なお、カソード電極１８の厚みが極薄（〜１０ｎｍ）である場合には、該カソード電極１８とエミッタ部１６との界面から電子が放出されることになる。
【００５８】
ここで、負極性の電圧Ｖａ２が印加されることによる作用を更に詳細に説明する。
【００５９】
まず、カソード電極１８とアノード電極１４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１６から２次電子が放出されることになる。即ち、分極が反転されたエミッタ部１６のうち、カソード電極１８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。
【００６０】
つまり、カソード電極１８のうち、エミッタ部１６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１６のうち、カソード電極１８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１８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２２（図１参照）に導かれて蛍光体２４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１６に衝突して、エミッタ部１６から２次電子が放出され、該２次電子がコレクタ電極２２に導かれて蛍光体２４を励起することになる。
【００６１】
ここで、２次電子の放出分布について図１０を参照しながら説明する。図１０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１６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１に示すように、エミッタ部１６とコレクタ電極２２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１６の外へ飛び出した固体内電子である。
【００６２】
ところで、図１０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１８から放出された１次電子がエミッタ部１６の表面近くで散乱したもの（反射電子）である。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。
【００６３】
カソード電極１８の厚みが極薄（〜１０ｎｍ）である場合、カソード電極１８から放出された１次電子は、カソード電極１８とエミッタ部１６の界面で反射してコレクタ電極２２に向かうことになる。
【００６４】
ここで、図８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８上では実線矢印によって示している）。これは、電圧Ｖａｋの低電圧化につながる。
【００６５】
そして、カソード電極１８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１６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１６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１８に衝突することによってカソード電極１８が損傷することも考えられる。
【００６６】
しかし、この第１の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａでは、図９に示すように、カソード電極１８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１６の双極子モーメントの＋極に引かれ、カソード電極１８の近傍におけるエミッタ部１６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１６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。
【００６７】
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９上では破線矢印によって示している）、電子放出は停止することになる。
【００６８】
即ち、図１１Ａに示すように、カソード電極１８とアノード電極１４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１８とアノード電極１４間の電圧変化ΔＶａｋは、２０Ｖ以内（図１１Ｂ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１８の損傷を防止することができ、電子放出素子１０Ａの長寿命化において有利となる。
【００６９】
ここで、エミッタ部１６の絶縁破壊電圧として、少なくとも１０ｋＶ／ｍｍを有していることが好ましい。この例では、エミッタ部１６の厚さｄを例えば２０μｍとしたとき、カソード電極１８とアノード電極１４間に−１００Ｖの駆動電圧を印加しても、エミッタ部１６が絶縁破壊に至ることはない。
【００７０】
ところで、エミッタ部１６から放出された電子が再びエミッタ部１６に衝突したり、エミッタ部１６の表面近傍での電離等によって、該エミッタ部１６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。
【００７１】
そこで、エミッタ部１６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１６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１６の表面を保護する上で有効となる。
【００７２】
また、コレクタ電極２２のパターン形状や電位を適宜変更したり、エミッタ部１６とコレクタ電極２２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１６とコレクタ電極２２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。
【００７３】
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。
【００７４】
このように、第１の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａにおいては、エミッタ部１６から放出される２次電子を出力としたので、電子放出の長寿命化及び信頼性の向上を図ることができる。これは、第１の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａを様々なアプリケーションに適用することができることにつながり、電子放出素子１０Ａの普及に寄与することができる。
【００７５】
上述の例では、透明板２１の裏面にコレクタ電極２２を形成し、該コレクタ電極２２の表面（カソード電極１８と対向する面）に蛍光体２４を形成するようにしたが、その他、図１２の第４の変形例に係る電子放出素子１０Ａｄのように、透明板２１の裏面に蛍光体２４を形成し、該蛍光体２４を覆うようにコレクタ電極２２を形成するようにしてもよい。
【００７６】
これは、ＣＲＴ等で用いられる構成であって、コレクタ電極２２がメタルバックとして機能する。エミッタ部１６から放出された２次電子はコレクタ電極２２を貫通して蛍光体２４に進入し、該蛍光体２４を励起する。従って、コレクタ電極２２は２次電子が貫通できる程度の厚さであり、１００ｎｍ以下が好ましい。２次電子の運動エネルギーが大きいほど、コレクタ電極２２の厚みを厚くすることができる。
【００７７】
このような構成することで以下の効果を奏することができる。
【００７８】
（１）蛍光体２４が導電性でない場合、蛍光体２４の帯電（負）を防ぎ、２次電子の加速電界を維持することができる。
【００７９】
（２）コレクタ電極２２が蛍光体２４の発光を反射して、蛍光体２４の発光を効率よく透明板２１側（発光面側）に放出することができる。
【００８０】
（３）蛍光体２４への過度な２次電子の衝突を防ぐことができ、蛍光体２４の劣化や蛍光体２４からのガス発生を防止することができる。
【００８１】
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１３を参照しながら説明する。
【００８２】
この第２の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｂは、図１３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１４が基板１２上に形成され、エミッタ部１６が基板１２上に、かつ、アノード電極１４を覆うように形成され、更にカソード電極１８がエミッタ部１６上に形成されている点で異なる。
【００８３】
この場合も、上述した第１の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａと同様に、正イオンによるカソード電極１８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。
【００８４】
なお、基板１２の上にエミッタ部１６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。
【００８５】
この第２の実施の形態においては、前記エミッタ部１６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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
基板１２は、配線等を考慮して、電気的な絶縁材料で構成するのが好ましい。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。
【００８９】
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１８及びアノード電極１４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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
エミッタ部１６、カソード電極１８及びアノード電極１４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１６、カソード電極１８及びアノード電極１４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１８及びアノード電極１４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。
【００９４】
基板１２と、エミッタ部１６、カソード電極１８及びアノード電極１４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１６を熱処理する場合、高温時にエミッタ部１６の組成が不安定にならないように、エミッタ部１６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。
【００９５】
また、エミッタ部１６を適切な部材によって被覆し、エミッタ部１６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。
【００９６】
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１４〜図１７Ｂを参照しながら説明する。
【００９７】
第３の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｃは、図１４に示すように、上述した第２の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｂとほぼ同様の構成を有するが、カソード電極１８とアノード電極１４が共に、エミッタ部１６の一方の面に形成され、カソード電極１８とアノード電極１４間にスリット２６が形成されている点で異なる。
【００９８】
この第３の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｃにおいては、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１８／エミッタ部１６／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１４／エミッタ部１６／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。
【００９９】
ここで、カソード電極１８とアノード電極１４間のスリット２６の幅Ｗの大きさについて説明すると、カソード電極１８とアノード電極１４間の電圧をＶａｋとしたとき、Ｅ＝Ｖａｋ／Ｗで表される電界Ｅで分極反転が行われるように、前記幅Ｗを設定することが好ましい。つまり、スリット２６の幅Ｗ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。
【０１００】
カソード電極１８の寸法については、図１５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１８の厚さは、２０μｍ以下がよく、好適には５μｍ以下であるとよい。
【０１０１】
アノード電極１４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１４の寸法については、図１５に示すように、カソード電極１８と同様に幅Ｗ２を２ｍｍとし、長さＬ２を５ｍｍとした。
【０１０２】
また、カソード電極１８とアノード電極１４間のスリット２６の幅Ｗは、第３の実施の形態では、７０μｍとした。
【０１０３】
次に、電子放出素子１０Ｃの電子放出原理について図６、図１４、図１６〜図１７Ｂを参照しながら説明する。この第３の実施の形態においても、図６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。
【０１０４】
まず、準備期間Ｔ１において、図１６に示すように、カソード電極１８とアノード電極１４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１６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６に示す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。
【０１０５】
その後、電子放出期間Ｔ２において、カソード電極１８とアノード電極１４間に第２の電圧Ｖａ２が印加されることによって、図１７Ａに示すように、少なくともエミッタ部１６の一部（スリット２６から露出する部分）が分極反転される。この分極反転によって、カソード電極１８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１８から１次電子が引き出され、カソード電極１８から引き出された前記１次電子がエミッタ部１６に衝突して、該エミッタ部１６から２次電子が放出される。
【０１０６】
このように、第３の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｃにおいては、上述した第１の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａと同様に、電子放出の長寿命化及び信頼性の向上を図ることができ、様々なアプリケーションに適用することができる。
【０１０７】
ところで、アノード電極１４に引かれた電子は、主にアノード電極１４の近傍に存在する気体又はアノード電極１４を構成する原子等を、正イオンと電子とに電離する。アノード電極１４の近傍に存在する該アノード電極１４を構成する原子は、該アノード電極１４の一部が蒸散した結果生じた原子であり、該原子はアノード電極１４の近傍に浮遊している。そして、前記電離によって発生した電子が更に気体や前記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。
【０１０８】
また、アノード電極１４に引かれた電子は、エミッタ部１６に衝突してエミッタ部１６から２次電子が放出され、上述と同様に、アノード電極１４の近傍に存在する気体又はアノード電極１４の近傍において蒸散して浮遊する電極原子等を正イオンと電子に電離する。
【０１０９】
前記電離によって発生した正イオンは、例えばカソード電極１８に衝突することがあり、これによって、カソード電極１８が損傷するおそれがある。
【０１１０】
そこで、図１８に示す変形例に係る電子放出素子１０Ｃａにおいては、アノード電極１４の表面に帯電膜２８を形成するようにしている。
【０１１１】
従って、エミッタ部１６から放出された２次電子の一部がアノード電極１４に引かれると、図１８に示すように、帯電膜２８の表面が負極性に帯電することになる。これにより、アノード電極１４の正極性が弱められ、アノード電極１４とカソード電極１８間の電界の強さＥが小さくなり、瞬時に電離が停止することになる。即ち、カソード電極１８とアノード電極１４間に印加される駆動電圧Ｖａとして、図１９Ａに示すように、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、図１９Ｂに示すように、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１８とアノード電極１４間の電圧変化ΔＶａｋは、２０Ｖ以内（図１９Ｂ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１８の損傷を防止することができ、電子放出素子１０Ｃａの長寿命化において有利となる。
【０１１２】
そして、アノード電極１４の表面に形成された帯電膜２８の膜厚ｔ１は、１０ｎｍ〜１００μｍであることが好ましい。薄すぎると耐久性や取り扱いに問題が生じるおそれがあり、厚すぎると、カソード電極１８とアノード電極１４間の間隔、即ち、スリットの幅Ｗを狭くできなくなり、電子放出に必要な電界を得ることができなくなるおそれがあるからである。この変形例では、帯電膜２８の厚みｔ１を４５μｍとした。
【０１１３】
帯電膜２８は、圧電材料、電歪材料、反強誘電体材料又は低誘電率の材料で構成することができる。低誘電率の材料としては、例えばＳｉＯ2やＭｇＯ等の酸化物又はガラスなどを用いることができる。もちろん、帯電膜２８を、エミッタ部１６を構成する誘電体と同じ材料で構成するようにしてもよい。
【０１１４】
第３の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｃ（変形例を含む）は、第１の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａ（変形例を含む）、第２の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｂと比較した場合、カソード電極１８近傍のエミッタ部１６の分極反転に関する形態が異なる。第１及び第２の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａ及び１０Ｂは、カソード電極１８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１８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。一方、第３の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｃは、エミッタ部１６の一主面のみに電極を形成すればよいという利点を有する。
【０１１５】
また、第１及び第２の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａ及び１０Ｂは、エミッタ部の分極反転時に、カソード電極１８が負極性になったとき、カソード電極１８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。そのため、カソード電極１８から１次電子を引き出すのに好ましい。
【０１１６】
このように、第１の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａ（第１〜第４の変形例に係る電子放出素子１０Ａａ〜１０Ａｄを含む）、第２の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｂ及び第３の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｃ（変形例に係る電子放出素子１０Ｃａを含む）においては、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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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。電子放出素子１０Ａ（１０Ａａ〜１０Ａｄ）、１０Ｂ、１０Ｃ（１０Ｃａ）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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
また、電子放出素子１０Ａ（１０Ａａ〜１０Ａｄ）、１０Ｂ、１０Ｃ（１０Ｃａ）においては、図１等に示すように、コレクタ電極２２に蛍光体２４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。
【０１２３】
（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。
【０１２４】
（２）蛍光体２４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。
【０１２５】
（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。
【０１２６】
（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。
【０１２７】
（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。
【０１２８】
（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。
【０１２９】
（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。
【０１３０】
（８）圧電体材料の分極反転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。
【０１３１】
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。
【０１３２】
（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。
【０１３３】
（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。
【０１３４】
（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。
【０１３５】
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。
【０１３６】
（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。
【０１３７】
（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。
【０１３８】
なお、本発明に係る電子放出素子及び発光素子は、上述の実施の形態に限らず、本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。
【０１３９】
【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及び発光素子によれば、エミッタとなる物質から放出される２次電子を出力とすることにより、電子放出の長寿命化及び信頼性の向上を図ることができる。また、様々なアプリケーションに適用することができ、電子放出素子の普及に寄与することができる。
【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】第１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４】第１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５】第１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６】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７】第１の実施の形態において、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８】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９】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１０】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１１】図１１Ａは、駆動電圧の一例を示す波形図であり、図１１Ｂは、第１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１２】第１の実施の形態に係る電子放出素子の第４の変形例を示す構成図である。
【図１３】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１４】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１５】第３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３の実施の形態において、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１７】図１７Ａ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１７Ｂ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１８】第３の実施の形態に係る電子放出素子の変形例において、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を示す説明図である。
【図１９】図１９Ａは、駆動電圧の一例を示す波形図であり、図１９Ｂは、第１の実施の形態に係る電子放出素子の変形例における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。
【符号の説明】
１０Ａ、１０Ａａ〜１０Ａｄ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｃａ…電子放出素子
１２…基板 １４…アノード電極
１６…エミッタ部 １８…カソード電極
２０…パルス発生源 ２２…コレクタ電極
２４…蛍光体
【発明の属する技術分野】
本発明は、エミッタとなる物質から放出される２次電子を出力とする電子放出素子及び発光素子に関する。
【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。また、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。
【０００４】
【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）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の電子放出素子においては、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。つまり、従来においては、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。
【０００６】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、エミッタとなる物質から放出される２次電子を出力とすることにより、電子放出の長寿命化及び信頼性の向上を図ることができる電子放出素子及び発光素子を提供することを目的とする。
【０００７】
また、本発明の他の目的は、様々なアプリケーションに適用することができ、電子放出素子の普及に寄与させることができる電子放出素子及び発光素子を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の本発明に係る電子放出素子は、エミッタとなる物質に１次電子を衝突させ、前記エミッタとなる物質から２次電子を放出させ、その２次電子を出力とすることを特徴とする。この場合、前記エミッタとなる物質から放出された２次電子を、前記エミッタとなる物質上に形成された電界で加速させて電子ビームを得るようにしてもよい。
【０００９】
ここで述べる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、エミッタとなる物質の外へ飛び出した固体内電子と、オージェ電子と、１次電子がエミッタとなる物質の表面近くで散乱したもの（反射電子）の全てを含む。
【００１０】
第１の本発明においては、エミッタとなる物質から放出される２次電子を出力とすることにより、電子放出の長寿命化及び信頼性の向上を図ることができる。これは、本発明に係る電子放出素子を様々なアプリケーションに適用することができることにつながり、電子放出素子の普及に寄与することができる。
【００１１】
そして、前記エミッタとなる物質は、誘電体にて構成される。この場合、前記エミッタとなる物質は、圧電材料、反強誘電体材料、電歪材料のいずれかで構成することができる。また、前記第１の電極及び前記第２の電極は、前記エミッタとなる物質の同一面上に形成されていてもよい。
【００１２】
また、前記エミッタとなる物質を誘電体にて構成した場合は、前記エミッタとなる物質上に第１の電極を形成し、前記第１の電極とは別に、前記エミッタとなる物質上に第２の電極を形成し、前記第１の電極と前記第２の電極間に駆動電圧を印加して前記エミッタとなる物質を分極反転させることにより、前記１次電子を得る。
【００１３】
ここで、エミッタとなる物質に誘電体を用いた本発明に係る電子放出素子の作用を説明する。まず、第１の電極と第２の電極間に駆動電圧が印加されることによって、少なくともエミッタとなる物質の一部が分極反転され、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１次電子が放出されることになる。即ち、この分極反転によって、第１の電極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、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となる物質に衝突して、該エミッタとなる物質から２次電子が放出される。
【００１４】
電子放出素子が前記第１の電極、前記エミッタとなる物質及び真空雰囲気の３重点を有する場合には、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となる物質に衝突して、該エミッタとなる物質から２次電子が放出される。なお、前記第１の電極の厚みが極薄（〜１０ｎｍ）である場合には、該第１の電極とエミッタとなる物質との界面から電子が放出されることになる。
【００１５】
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、第１の電極と第２の電極間に印加される電圧のレベル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。
【００１６】
そして、第１の本発明に係る電子放出素子を例えばディスプレイの画素として利用する場合は、エミッタとなる物質の上方のうち、前記第１の電極に対向した位置に第３の電極が配置され、該第３の電極には蛍光体が塗布されることになる。この場合、放出された２次電子のほとんどは、第３の電極に導かれて蛍光体を励起し、外部に蛍光体発光として具現されることになる。もちろん、前記エミッタとなる物質に対向して、前記エミッタとなる物質との間で電界を形成するための第３の電極を配置し、該第３の電極に電子ビームを放出するようにしてもよい。
【００１７】
また、第１の本発明においては、前記第１の電極と前記第２の電極間の距離を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、前記エミッタとなる物質に印加され、かつ、Ｅ＝Ｖａｋ／ｄで表される電界Ｅで分極反転が行われるようにしてもよい。この場合、前記電圧Ｖａｋが前記エミッタとなる物質の絶縁破壊電圧未満であることが好ましい。このとき、前記第１の電極と前記第２の電極間の電圧Ｖａｋの絶対値が１００Ｖ未満となるように、前記第１の電極と前記第２の電極間の距離ｄを設定することが好ましい。
【００１８】
次に、第２の本発明に係る発光素子は、上述した第１の本発明に係る電子放出素子と、該電子放出素子の前記エミッタとなる物質に対向して配置され、前記エミッタとなる物質との間で電界を形成するための電極と、前記電極に形成された蛍光体とを具備し、前記エミッタとなる物質から放出される２次電子を前記蛍光体に衝突させて前記蛍光体を励起し、発光させることを特徴とする。
【００１９】
これにより、エミッタとなる物質から放出される２次電子を発光源とすることにより、電子放出（発光）の長寿命化及び信頼性の向上を図ることができる。また、様々なアプリケーションに適用することができ、発光素子の普及に寄与することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る電子放出素子及び発光素子の実施の形態例を図１〜図１９Ｂを参照しながら説明する。
【００２１】
まず、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、板状のエミッタ部（エミッタとなる物質）１６と、該エミッタ部１６の表面に形成された第１の電極（カソード電極）１８と、エミッタ部１６の裏面に形成された第２の電極（アノード電極）１４とを有する。
【００２２】
カソード電極１８とアノード電極１４間には、パルス発生源２０からの駆動電圧Ｖａが抵抗Ｒ１を介して印加される。図１の例では、アノード電極１４を抵抗Ｒ２を介してＧＮＤ（グランド）に接続することにより、該アノード電極１４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。なお、カソード電極１８とアノード電極１４間への駆動電圧Ｖａの印加は、例えば図２に示すように、カソード電極１８に延びるリード電極１９とアノード電極１４に延びるリード電極１５を通じて行われる。
【００２３】
そして、この電子放出素子１０Ａを発光素子や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１８の上方に、例えばガラスやアクリル製の透明板２１が配置され、該透明板２１の裏面（カソード電極１８と対向する面）に例えば透明電極にて構成されたコレクタ電極２２が配置され、該コレクタ電極２２には蛍光体２４が塗布される。なお、コレクタ電極２２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。
【００２４】
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が存在するが、ポイントＡは、カソード電極１８／エミッタ部１６／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。
【００２５】
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。
【００２６】
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１８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２２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２４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。
【００２７】
一方、高真空では、電界集中ポイントＡ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。
【００２８】
ここで、エミッタ部１６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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
また、エミッタ部１６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１６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。
【００３３】
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１６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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
エミッタ部１６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。
【００３８】
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。
【００３９】
更に、エミッタ部１６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、（ＢｉＯ2）2+（Ａm-1ＢmＯ3m+1）2-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。
【００４０】
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。
【００４１】
また、エミッタ部１６に非鉛系の材料を使用する等により、エミッタ部１６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。
【００４２】
ここで、カソード電極１８とアノード電極１４間のエミッタ部１６の厚さｄ（図１参照）の大きさについて説明すると、カソード電極１８とアノード電極１４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１８とアノード電極１４間に印加されることによって、該カソード電極１８とアノード電極１４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、前記厚さｄを設定することが好ましい。つまり、前記厚さ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。
【００４３】
カソード電極１８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該当する。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。
【００４４】
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-yＣｏyＯ3（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。
【００４５】
カソード電極１８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。
【００４６】
カソード電極１８の平面形状は、図２に示すように、楕円形状としてもよいし、図３に示す第１の変形例に係る電子放出素子１０Ａａのように、リング状にしてもよい。あるいは、図４に示す第２の変形例に係る電子放出素子１０Ａｂのように、くし歯状にしてもよい。
【００４７】
カソード電極１８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１８／エミッタ部１６／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。
【００４８】
カソード電極１８の厚みｔｃ（図１参照）は、２０μｍ以下がよく、好適には５μｍ以下であるとよい。従って、カソード電極１８の厚みｔｃを１００ｎｍ以下にしてもよい。特に、図５に示す第３の変形例に係る電子放出素子１０Ａｃのように、カソード電極１８の厚みｔｃを極薄（１０ｎｍ以下）とした場合には、該カソード電極１８とエミッタ部１６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。
【００４９】
一方、アノード電極１４は、カソード電極１８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１４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。
【００５０】
エミッタ部１６、カソード電極１８及びアノード電極１４をそれぞれ形成するたびに熱処理（焼成処理）することで、一体構造にすることができる。なお、カソード電極１８及びアノード電極１４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。
【００５１】
エミッタ部１６、カソード電極１８及びアノード電極１４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１６を熱処理する場合、高温時にエミッタ部１６の組成が不安定にならないように、エミッタ部１６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。
【００５２】
また、エミッタ部１６を適切な部材によって被覆し、エミッタ部１６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。
【００５３】
次に、電子放出素子１０Ａの電子放出原理について図１、図６〜図１１Ｂを参照しながら説明する。まず、パルス発生源２０から出力される駆動電圧Ｖａは、図６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１８の電位がアノード電極１４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１８の電位がアノード電極１４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。
【００５４】
準備期間Ｔ１は、図７に示すように、カソード電極１８とアノード電極１４間に第１の電圧Ｖａ１を印加してエミッタ部１６を分極する期間である。第１の電圧Ｖａ１としては、図６に示す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１８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。
【００５５】
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ことが可能な電圧レベルであることが好ましく、例えばエミッタ部１６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。
【００５６】
電子放出期間Ｔ２は、カソード電極１８とアノード電極１４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１８とアノード電極１４間に第２の電圧Ｖａ２が印加されることによって、図８に示すように、少なくともエミッタ部１６の一部が分極反転される。ここで、分極反転される部位は、カソード電極１８の真下部分はもちろんのこと、真上にカソード電極１８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１８の近傍では、同様に分極反転が行われる。つまり、カソード電極１８の近傍で、エミッタ部１６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。この分極反転によって、カソード電極１８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１８から１次電子が引き出され、カソード電極１８から引き出された前記１次電子がエミッタ部１６に衝突して、該エミッタ部１６から２次電子が放出される。
【００５７】
この第１の実施の形態のように、カソード電極１８、エミッタ部１６及び真空の３重点Ａを有する場合には、カソード電極１８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１６に衝突して、該エミッタ部１６から２次電子が放出される。なお、カソード電極１８の厚みが極薄（〜１０ｎｍ）である場合には、該カソード電極１８とエミッタ部１６との界面から電子が放出されることになる。
【００５８】
ここで、負極性の電圧Ｖａ２が印加されることによる作用を更に詳細に説明する。
【００５９】
まず、カソード電極１８とアノード電極１４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１６から２次電子が放出されることになる。即ち、分極が反転されたエミッタ部１６のうち、カソード電極１８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。
【００６０】
つまり、カソード電極１８のうち、エミッタ部１６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１６のうち、カソード電極１８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１８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２２（図１参照）に導かれて蛍光体２４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１６に衝突して、エミッタ部１６から２次電子が放出され、該２次電子がコレクタ電極２２に導かれて蛍光体２４を励起することになる。
【００６１】
ここで、２次電子の放出分布について図１０を参照しながら説明する。図１０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１６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１に示すように、エミッタ部１６とコレクタ電極２２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１６の外へ飛び出した固体内電子である。
【００６２】
ところで、図１０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１８から放出された１次電子がエミッタ部１６の表面近くで散乱したもの（反射電子）である。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。
【００６３】
カソード電極１８の厚みが極薄（〜１０ｎｍ）である場合、カソード電極１８から放出された１次電子は、カソード電極１８とエミッタ部１６の界面で反射してコレクタ電極２２に向かうことになる。
【００６４】
ここで、図８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８上では実線矢印によって示している）。これは、電圧Ｖａｋの低電圧化につながる。
【００６５】
そして、カソード電極１８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１６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１６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１８に衝突することによってカソード電極１８が損傷することも考えられる。
【００６６】
しかし、この第１の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａでは、図９に示すように、カソード電極１８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１６の双極子モーメントの＋極に引かれ、カソード電極１８の近傍におけるエミッタ部１６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１６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。
【００６７】
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９上では破線矢印によって示している）、電子放出は停止することになる。
【００６８】
即ち、図１１Ａに示すように、カソード電極１８とアノード電極１４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１８とアノード電極１４間の電圧変化ΔＶａｋは、２０Ｖ以内（図１１Ｂ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１８の損傷を防止することができ、電子放出素子１０Ａの長寿命化において有利となる。
【００６９】
ここで、エミッタ部１６の絶縁破壊電圧として、少なくとも１０ｋＶ／ｍｍを有していることが好ましい。この例では、エミッタ部１６の厚さｄを例えば２０μｍとしたとき、カソード電極１８とアノード電極１４間に−１００Ｖの駆動電圧を印加しても、エミッタ部１６が絶縁破壊に至ることはない。
【００７０】
ところで、エミッタ部１６から放出された電子が再びエミッタ部１６に衝突したり、エミッタ部１６の表面近傍での電離等によって、該エミッタ部１６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。
【００７１】
そこで、エミッタ部１６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１６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１６の表面を保護する上で有効となる。
【００７２】
また、コレクタ電極２２のパターン形状や電位を適宜変更したり、エミッタ部１６とコレクタ電極２２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１６とコレクタ電極２２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。
【００７３】
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。
【００７４】
このように、第１の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａにおいては、エミッタ部１６から放出される２次電子を出力としたので、電子放出の長寿命化及び信頼性の向上を図ることができる。これは、第１の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａを様々なアプリケーションに適用することができることにつながり、電子放出素子１０Ａの普及に寄与することができる。
【００７５】
上述の例では、透明板２１の裏面にコレクタ電極２２を形成し、該コレクタ電極２２の表面（カソード電極１８と対向する面）に蛍光体２４を形成するようにしたが、その他、図１２の第４の変形例に係る電子放出素子１０Ａｄのように、透明板２１の裏面に蛍光体２４を形成し、該蛍光体２４を覆うようにコレクタ電極２２を形成するようにしてもよい。
【００７６】
これは、ＣＲＴ等で用いられる構成であって、コレクタ電極２２がメタルバックとして機能する。エミッタ部１６から放出された２次電子はコレクタ電極２２を貫通して蛍光体２４に進入し、該蛍光体２４を励起する。従って、コレクタ電極２２は２次電子が貫通できる程度の厚さであり、１００ｎｍ以下が好ましい。２次電子の運動エネルギーが大きいほど、コレクタ電極２２の厚みを厚くすることができる。
【００７７】
このような構成することで以下の効果を奏することができる。
【００７８】
（１）蛍光体２４が導電性でない場合、蛍光体２４の帯電（負）を防ぎ、２次電子の加速電界を維持することができる。
【００７９】
（２）コレクタ電極２２が蛍光体２４の発光を反射して、蛍光体２４の発光を効率よく透明板２１側（発光面側）に放出することができる。
【００８０】
（３）蛍光体２４への過度な２次電子の衝突を防ぐことができ、蛍光体２４の劣化や蛍光体２４からのガス発生を防止することができる。
【００８１】
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１３を参照しながら説明する。
【００８２】
この第２の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｂは、図１３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１４が基板１２上に形成され、エミッタ部１６が基板１２上に、かつ、アノード電極１４を覆うように形成され、更にカソード電極１８がエミッタ部１６上に形成されている点で異なる。
【００８３】
この場合も、上述した第１の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａと同様に、正イオンによるカソード電極１８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。
【００８４】
なお、基板１２の上にエミッタ部１６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。
【００８５】
この第２の実施の形態においては、前記エミッタ部１６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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
基板１２は、配線等を考慮して、電気的な絶縁材料で構成するのが好ましい。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。
【００８９】
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１８及びアノード電極１４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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
エミッタ部１６、カソード電極１８及びアノード電極１４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１６、カソード電極１８及びアノード電極１４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１８及びアノード電極１４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。
【００９４】
基板１２と、エミッタ部１６、カソード電極１８及びアノード電極１４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１６を熱処理する場合、高温時にエミッタ部１６の組成が不安定にならないように、エミッタ部１６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。
【００９５】
また、エミッタ部１６を適切な部材によって被覆し、エミッタ部１６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。
【００９６】
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１４〜図１７Ｂを参照しながら説明する。
【００９７】
第３の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｃは、図１４に示すように、上述した第２の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｂとほぼ同様の構成を有するが、カソード電極１８とアノード電極１４が共に、エミッタ部１６の一方の面に形成され、カソード電極１８とアノード電極１４間にスリット２６が形成されている点で異なる。
【００９８】
この第３の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｃにおいては、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１８／エミッタ部１６／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１４／エミッタ部１６／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。
【００９９】
ここで、カソード電極１８とアノード電極１４間のスリット２６の幅Ｗの大きさについて説明すると、カソード電極１８とアノード電極１４間の電圧をＶａｋとしたとき、Ｅ＝Ｖａｋ／Ｗで表される電界Ｅで分極反転が行われるように、前記幅Ｗを設定することが好ましい。つまり、スリット２６の幅Ｗ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。
【０１００】
カソード電極１８の寸法については、図１５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１８の厚さは、２０μｍ以下がよく、好適には５μｍ以下であるとよい。
【０１０１】
アノード電極１４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１４の寸法については、図１５に示すように、カソード電極１８と同様に幅Ｗ２を２ｍｍとし、長さＬ２を５ｍｍとした。
【０１０２】
また、カソード電極１８とアノード電極１４間のスリット２６の幅Ｗは、第３の実施の形態では、７０μｍとした。
【０１０３】
次に、電子放出素子１０Ｃの電子放出原理について図６、図１４、図１６〜図１７Ｂを参照しながら説明する。この第３の実施の形態においても、図６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。
【０１０４】
まず、準備期間Ｔ１において、図１６に示すように、カソード電極１８とアノード電極１４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１６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６に示す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。
【０１０５】
その後、電子放出期間Ｔ２において、カソード電極１８とアノード電極１４間に第２の電圧Ｖａ２が印加されることによって、図１７Ａに示すように、少なくともエミッタ部１６の一部（スリット２６から露出する部分）が分極反転される。この分極反転によって、カソード電極１８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１８から１次電子が引き出され、カソード電極１８から引き出された前記１次電子がエミッタ部１６に衝突して、該エミッタ部１６から２次電子が放出される。
【０１０６】
このように、第３の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｃにおいては、上述した第１の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａと同様に、電子放出の長寿命化及び信頼性の向上を図ることができ、様々なアプリケーションに適用することができる。
【０１０７】
ところで、アノード電極１４に引かれた電子は、主にアノード電極１４の近傍に存在する気体又はアノード電極１４を構成する原子等を、正イオンと電子とに電離する。アノード電極１４の近傍に存在する該アノード電極１４を構成する原子は、該アノード電極１４の一部が蒸散した結果生じた原子であり、該原子はアノード電極１４の近傍に浮遊している。そして、前記電離によって発生した電子が更に気体や前記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。
【０１０８】
また、アノード電極１４に引かれた電子は、エミッタ部１６に衝突してエミッタ部１６から２次電子が放出され、上述と同様に、アノード電極１４の近傍に存在する気体又はアノード電極１４の近傍において蒸散して浮遊する電極原子等を正イオンと電子に電離する。
【０１０９】
前記電離によって発生した正イオンは、例えばカソード電極１８に衝突することがあり、これによって、カソード電極１８が損傷するおそれがある。
【０１１０】
そこで、図１８に示す変形例に係る電子放出素子１０Ｃａにおいては、アノード電極１４の表面に帯電膜２８を形成するようにしている。
【０１１１】
従って、エミッタ部１６から放出された２次電子の一部がアノード電極１４に引かれると、図１８に示すように、帯電膜２８の表面が負極性に帯電することになる。これにより、アノード電極１４の正極性が弱められ、アノード電極１４とカソード電極１８間の電界の強さＥが小さくなり、瞬時に電離が停止することになる。即ち、カソード電極１８とアノード電極１４間に印加される駆動電圧Ｖａとして、図１９Ａに示すように、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、図１９Ｂに示すように、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１８とアノード電極１４間の電圧変化ΔＶａｋは、２０Ｖ以内（図１９Ｂ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１８の損傷を防止することができ、電子放出素子１０Ｃａの長寿命化において有利となる。
【０１１２】
そして、アノード電極１４の表面に形成された帯電膜２８の膜厚ｔ１は、１０ｎｍ〜１００μｍであることが好ましい。薄すぎると耐久性や取り扱いに問題が生じるおそれがあり、厚すぎると、カソード電極１８とアノード電極１４間の間隔、即ち、スリットの幅Ｗを狭くできなくなり、電子放出に必要な電界を得ることができなくなるおそれがあるからである。この変形例では、帯電膜２８の厚みｔ１を４５μｍとした。
【０１１３】
帯電膜２８は、圧電材料、電歪材料、反強誘電体材料又は低誘電率の材料で構成することができる。低誘電率の材料としては、例えばＳｉＯ2やＭｇＯ等の酸化物又はガラスなどを用いることができる。もちろん、帯電膜２８を、エミッタ部１６を構成する誘電体と同じ材料で構成するようにしてもよい。
【０１１４】
第３の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｃ（変形例を含む）は、第１の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａ（変形例を含む）、第２の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｂと比較した場合、カソード電極１８近傍のエミッタ部１６の分極反転に関する形態が異なる。第１及び第２の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａ及び１０Ｂは、カソード電極１８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１８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。一方、第３の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｃは、エミッタ部１６の一主面のみに電極を形成すればよいという利点を有する。
【０１１５】
また、第１及び第２の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａ及び１０Ｂは、エミッタ部の分極反転時に、カソード電極１８が負極性になったとき、カソード電極１８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。そのため、カソード電極１８から１次電子を引き出すのに好ましい。
【０１１６】
このように、第１の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａ（第１〜第４の変形例に係る電子放出素子１０Ａａ〜１０Ａｄを含む）、第２の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｂ及び第３の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｃ（変形例に係る電子放出素子１０Ｃａを含む）においては、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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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。電子放出素子１０Ａ（１０Ａａ〜１０Ａｄ）、１０Ｂ、１０Ｃ（１０Ｃａ）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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
また、電子放出素子１０Ａ（１０Ａａ〜１０Ａｄ）、１０Ｂ、１０Ｃ（１０Ｃａ）においては、図１等に示すように、コレクタ電極２２に蛍光体２４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。
【０１２３】
（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。
【０１２４】
（２）蛍光体２４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。
【０１２５】
（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。
【０１２６】
（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。
【０１２７】
（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。
【０１２８】
（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。
【０１２９】
（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。
【０１３０】
（８）圧電体材料の分極反転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。
【０１３１】
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。
【０１３２】
（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。
【０１３３】
（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。
【０１３４】
（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。
【０１３５】
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。
【０１３６】
（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。
【０１３７】
（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。
【０１３８】
なお、本発明に係る電子放出素子及び発光素子は、上述の実施の形態に限らず、本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。
【０１３９】
【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及び発光素子によれば、エミッタとなる物質から放出される２次電子を出力とすることにより、電子放出の長寿命化及び信頼性の向上を図ることができる。また、様々なアプリケーションに適用することができ、電子放出素子の普及に寄与することができる。
【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】第１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４】第１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５】第１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６】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７】第１の実施の形態において、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８】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９】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１０】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１１】図１１Ａは、駆動電圧の一例を示す波形図であり、図１１Ｂは、第１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１２】第１の実施の形態に係る電子放出素子の第４の変形例を示す構成図である。
【図１３】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１４】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１５】第３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３の実施の形態において、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１７】図１７Ａ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１７Ｂ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１８】第３の実施の形態に係る電子放出素子の変形例において、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を示す説明図である。
【図１９】図１９Ａは、駆動電圧の一例を示す波形図であり、図１９Ｂは、第１の実施の形態に係る電子放出素子の変形例における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。
【符号の説明】
１０Ａ、１０Ａａ〜１０Ａｄ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｃａ…電子放出素子
１２…基板 １４…アノード電極
１６…エミッタ部 １８…カソード電極
２０…パルス発生源 ２２…コレクタ電極
２４…蛍光体
Claims (10)
- 誘電体にて構成されたエミッタとなる物質と、
前記エミッタとなる物質上に形成された第１の電極と、
前記エミッタとなる物質上に形成された第２の電極とを有し、
前記第１の電極と前記第２の電極間に駆動電圧が印加されることによって、少なくとも前記エミッタとなる物質の一部が分極反転されることで電子放出を行う電子放出素子であって、
前記第１の電極及び前記第２の電極は、前記エミッタとなる物質の同一面上に形成され、
前記第１の電極と前記第２の電極間に前記駆動電圧が印加されることによって、少なくとも前記エミッタとなる物質の一部が分極反転され、この分極反転によって、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となる物質に衝突して、該エミッタとなる物質から２次電子を放出させる駆動電圧印加手段を有することを特徴とする電子放出素子。 - 請求項１記載の電子放出素子において、
前記エミッタとなる物質から放出された２次電子を、前記エミッタとなる物質上に形成された電界で加速させて電子ビームを得ることを特徴とする電子放出素子。 - 請求項１又は２記載の電子放出素子において、
前記エミッタとなる物質は、圧電材料、反強誘電体材料、電歪材料のいずれかであることを特徴とする電子放出素子。 - 請求項１〜３のいずれか１項に記載の電子放出素子において、
前記第１の電極と前記第２の電極間の距離を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、前記エミッタとなる物質に印加され、かつ、Ｅ＝Ｖａｋ／ｄで表される電界Ｅで分極反転が行われることを特徴とする電子放出素子。 - 請求項４記載の電子放出素子において、
前記電圧Ｖａｋが前記エミッタとなる物質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。 - 請求項４又は５記載の電子放出素子において、
前記第１の電極と前記第２の電極間の電圧Ｖａｋの絶対値が１００Ｖ未満となるように、前記第１の電極と前記第２の電極間の距離ｄが設定されていることを特徴とする電子放出素子。 - 請求項１〜６のいずれか１項に記載の電子放出素子において、
前記第１の電極と前記第２の電極間に前記駆動電圧が印加されることによって、少なくとも前記エミッタとなる物質の一部が分極反転され、前記第２の電極よりも電位が低い前記第１の電極の近傍から前記１次電子が放出されることを特徴とする電子放出素子。 - 請求項１〜７のいずれか１項に記載の電子放出素子において、
前記第１の電極、前記エミッタとなる物質及び真空雰囲気の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前記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となる物質に衝突して、該エミッタとなる物質から前記２次電子が放出されることを特徴とする電子放出素子。 - 請求項１〜８のいずれか１項に記載の電子放出素子において、
前記エミッタとなる物質に対向して、前記エミッタとなる物質との間で電界を形成するための第３の電極が配置され、前記第３の電極へ電子ビームを放出することを特徴とする電子放出素子。 - 請求項１〜９のいずれか１項に記載の電子放出素子と、
前記電子放出素子の前記エミッタとなる物質に対向して配置され、前記エミッタとなる物質との間で電界を形成するための電極と、
前記電極に形成された蛍光体とを具備し、
前記エミッタとなる物質から放出される２次電子を前記蛍光体に衝突させて前記蛍光体を励起し、発光させることを特徴とする発光素子。
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