JP4390847B1 - 電子放出体および電子放出体を備えた電界放射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】炭素膜構造を有する電界放射電子の放射体において、局部的な電界集中を抑制し、熱劣化に伴う電流劣化や放電現象を起こらないようにする。また、電子の放出が分散することを抑制する。さらに、放射体を適用した電界放射装置において所望の機能を発揮し、より実用的な製品を提供する。
【解決手段】電子放出体は、プラズマＣＶＤ法により基板７に形成された炭素膜構造１０の外周側に、ガード電極１３を備える。このガード電極１３は、炭素膜構造１０の成膜方向に凸の曲面部（成膜方向とは反対側に湾曲した曲面部）１３ａを有し、曲面部１３ａにおいてガード電極１３外周側の曲率半径Ｒ１が炭素膜構造側の曲率半径Ｒ２以上のものを適用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子管，照明装置，Ｘ線装置等の種々の機器に適用される電子放出体および電子放出体を備えた電界放射装置に関するものである。

電界放射は電界集中により電子が真空に放出される現象であり、この電界放射を行うための電子放出体として例えばカーボンナノチューブが注目されている。このカーボンナノチューブは、極めて細長く高アスペクト比のために電界放射特性に優れたもので電界電子放出素子を得ることができるとされ、電子管，照明装置等の種々の電界放射装置に適用することが検討されてきた。

電界放射特性（ＩＶ特性）とは、陽極と冷陰極との間に電圧Ｖを印加して冷陰極から電界放射する際の、電圧Ｖと電界放射電流（エミッション電流）Ｉとの関係を示す曲線により示される特性であり、電界放射を開始する電圧（閾値）や、上記曲線の傾きや形状で特徴づけられる。

電界放射装置の具体例としては、前記のような冷陰極に蛍光体付きの陽極を対向配置し、冷陰極と陽極との間に電圧（陽陰極間電圧）を印加して冷陰極から電界放射により電子を放出させ、この放出した電子を蛍光体に加速衝突させて蛍光体を励起発光させる冷陰極蛍光ランプがある。この蛍光体の発光には所定量の電子放出が必要である。この電子放出量を示すエミッション電流を縦軸に、陽陰極間電圧を横軸にして示す電流電圧（ＩＶ）特性曲線は、冷陰極の電子放出性能を示すことになる。カーボンナノチューブの場合、上記ＩＶ特性曲線の傾きが緩やかに立ち上がってくる。そのため、カーボンナノチューブの場合、蛍光体が発光を開始させるためのエミッション電流を得るのに必要な電圧Ｖは、高くなる。

しかし、所望のエミッション電流を得るための印加電圧Ｖの値が大きいことは、カーボンナノチューブ自体の特性変化（劣化）を生じることと、一定電流を得るのに必要な電圧が高電圧化するため、その電源設備が要求されたり、上記冷陰極蛍光ランプの製作に影響したりするなどの課題がある。そこで、より低い印加電圧Ｖで蛍光体を発光開始させることができるエミッション電流を得られるＩＶ特性を提供する冷陰極用の炭素膜の実現が望まれてきた。

近年、カーボンナノチューブ等の代わりとして、グラフェンシートが多層に重なって内部中空となっていて、かつ、先端に向けて半径が小さくなる尖頭形状が複数個分散（基板表面に無数分散）して形成された炭素膜構造が、本願発明者等により開発されている。この炭素膜構造としては、基板上に複数の炭素膜集合単位が形成されてなり、これら炭素膜集合単位は、幹状炭素膜と、この幹状炭素膜の膜中途から膜下部にかけて当該幹状炭素膜を囲むように成膜されている枝状炭素膜群とを備えると共に、該幹状炭素膜は、グラフェンシートが多層に重なって内部中空となっていて、かつ、先端に向けて半径が小さくなる尖頭形状を備えていることを特徴とするものである（例えば、特許文献１，２）。このような炭素膜構造の放出体によれば、半径が先端に向かうにつれて針状に小さくなる尖頭形状を備えたことにより、カーボンナノチューブ等と比較して、より低い印加電圧で所望するエミッション電流を得ることができ、ＩＶ特性に優れた電界放射装置を提供することができるとされている。

図７は、炭素膜構造を形成する一例としてプラズマＣＶＤ法（直流プラズマ成膜法）による成膜装置を示す概略図である。図７に示すように、真空成膜室１はガス導入系（例えば、水素ガスと炭素を含むガス（メタンガス等）との混合ガスの導入系）２と真空排気系３とを備え、その真空成膜室１内には陰極（陰極温度を制御するための絶縁冷却板４ａを備えた電極）４，陽極５が対向配置される。符号６は直流電源を示すものであり、その直流電源６の負極側は陰極４に接続される。直流電源６の正極側と陽極５は、それぞれ接地される。

このような成膜装置において、まず、真空成膜室１内を真空排気系３で排気しガス導入系２からガス（水素ガス）を導入して徐々に圧力を制御（例えば、３０ｔｏｒｒ程度）し、電流を所望の大きさ（例えば、２．５Ａ程度）に維持して、基板７上の酸化物を除去する。

次いで、真空成膜室１内にガス導入系２から混合ガスを導入し真空成膜室１内圧を徐々に増大（例えば、７５ｔｏｒｒ程度）して維持し、直流電源６による電流も徐々に増大（例えば、６Ａ程度）させて維持する。

これにより、基板７上に発生するプラズマ８により、基板７温度が所定温度（例えば、９００℃ないし１１５０℃程度）となって、前記の混合ガス中における炭素を含むガスが分解され、基板７表面に炭素膜構造（後述の図８では符号８）が形成される。なお、前記のように炭素膜構造を形成する場合、基板７に対しマスク（図示省略）を適宜用いても良い。

図８は、前記のように成膜された炭素膜構造を有する電子放出体を冷陰極として用いる場合の概略説明図である。図８に示すように、まず、冷陰極９における炭素膜構造１０側の電極面（図示上側面）と陽極１１の電極面（図示下側面）とを互いに対向するように配置（各電極面が平行となるように配置）する。そして、前記の両極間に直流電源１２により一定電圧を印加すると、炭素膜構造（特に尖頭形状の先端）１０に形成される強い電界により、Ｆｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍの式で示されるトンネル電子が、冷陰極９から陽極１１に対して放出される。この場合の電子放出特性は、図９に示すようになる。前記の電子の放出方向は、冷陰極９の電極面から垂直方向であることが好ましい。

しかしながら、前記のような炭素膜構造を有する電子放出体は、各尖頭形状の成長方向や形状（大きさ，厚さ等）を一律することが困難である。基板にマスクを用いて炭素膜構造を形成する場合には、特にマスク周辺部には比較的厚く密集した部分が形成されてしまう（例えば、図８の場合は炭素膜構造１０の外周縁部）。

したがって、単に前記のような炭素膜構造を有する冷陰極を適用した電界放射装置では、電子の放出方向が冷陰極面の垂直方向から偏位（図８の破線で示すように種々の方向に分散して放出）し、冷陰極と陽極との間の電子流領域が拡張してしまう。これにより、陽極における電子スポットも大きく不均一（例えば、図８の場合は陽極１１の電子スポットが冷陰極９の電極面の面積よりも大きく不均一）となり高い電流密度が得られ難く、大きく安定した電流を取り出すことができない。

また、前記のように比較的厚く密集した炭素膜構造では局部的な電界集中が起こり易く、その局部において等電位面が突出してしまい、多量の電子が放出され熱劣化に伴う電流劣化が生じたり、冷陰極周囲の構成部材へのチャージアップとその後の絶縁破壊による放電現象が起こってしまう。

以上示したような放射体を電界放射装置に適用し所望の機能を発揮（例えば電子線源として発揮）する場合には、大型の電源や各種機器等を必要とし、より実用的なレベルの製品（例えば、コンパクト，低コストの製品）を得るのは困難であった。
特開２００８−１５０２５３公報 特開２００８−１５０６８２公報。

以上示したようなことから、炭素膜構造を有する電界放射電子の放射体において、局部的な電界集中を抑制し、熱劣化に伴う電流劣化や放電現象を起こらないようにすることが求められている。また、電子の放出が分散することを抑制することが求められている。

さらに、前記の放射体を適用した電界放射装置において所望の機能を発揮し、より実用的な製品の出現が求められている。

本発明は、前記課題の解決を図るために、請求項１記載の発明は、基板表面に炭素膜構造が形成された電子放出体であって、前記炭素膜構造は、グラフェンシートが多層に重なって内部中空となり、かつ、先端に向けて半径が小さくなる尖頭形状が複数個分散して形成され、前記炭素膜構造の外周側に、その炭素膜構造の成膜方向に凸の曲面部を有し炭素膜構造および／又は基板と同電位のガード電極を設け、前記ガード電極の曲面部は、ガード電極外周側の曲率半径が炭素膜構造側の曲率半径以上であることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載発明において、前記ガード電極の曲面部の頂部は、炭素膜構造の外周縁部よりも成膜方向に突出していることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載発明において、前記基板の炭素膜構造が形成される側の面は凹状であることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、基板表面に炭素膜構造が形成された電子放出体から成る冷陰極と、電極面が前記冷陰極の電極面と対向するように配置される陽極と、を備え、前記の冷陰極と陽極との間に電圧を印加して、冷陰極から電界放射により電子を放出させる電界放射装置である。そして、前記電子放出体は、請求項１〜３記載発明の何れかの電子放出体であることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項４記載発明において、前記の冷陰極と陽極との間に集束電極を配置して、その冷陰極から放出される電子を陽極方向に導出すると共に、冷陰極と陽極との間の電子流領域を集束させることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項５記載発明において、前記の冷陰極，陽極，集束電極は、次式が成り立つように配置されたことを特徴とする。（冷陰極と集束電極との間の距離）／（冷陰極と陽極との間の距離）＝０．１〜０．５（より好ましくは０．１５〜約０．４４）。

以上示したように本発明によれば、炭素膜構造を有する電界放射電子の放射体において、局部的な電界集中を抑制し、熱劣化に伴う電流劣化や放電現象を起こらないようにできる。また、電子の放出が分散することを抑制できる。

さらに、前記の放射体を適用した電界放射装置において所望の機能を発揮し、より実用的な製品を提供することができる。

本発明における電界放射電子の放射体および電界放射装置の概略説明図。 本実施形態１における電界放射電子の放射体および電界放射装置の概略説明図。 本実施形態２における電界放射電子の放射体および電界放射装置の概略説明図。 本実施形態３における電界放射電子の放射体および電界放射装置の概略説明図。 実施例１におけるＸ線源の概略説明図。 実施例２，３における冷陰極の概略説明図。 炭素膜構造を形成するためのプラズマＣＶＤ法の概略説明図。 炭素膜構造を有する電子放出体を用いた一般的な電界放射装置の概略説明図。 電界放射装置の電子放出特性図。

以下、本発明における電界放射電子の放出体および電界放射装置の実施形態等に基づいて詳細に説明する。なお、図８と同様なものについては例えば同一符号を用いることにより詳細な説明を適宜省略する。

本発明は、基板表面に形成（例えば、プラズマＣＶＤ法により成膜して形成）される炭素膜構造に対し、その炭素膜構造および／又は基板と同電位のガード電極（例えば、炭素膜構造に当接し電気的に接続されたガード電極）を当該炭素膜構造の外周側に設け、炭素膜構造における周囲の見かけ上の曲率半径を大きくすることにより、炭素膜構造（特に外周縁部）で起こり得る局部的な電界集中が抑制されることを見出して成されたものである。

前記のように炭素膜構造における周囲の見かけ上の曲率半径を大きくするガード電極とは、炭素膜構造の成膜方向に凸の曲面部（成膜方向とは反対側に湾曲した曲面部）を有するものであり、その曲面部においてガード電極外周側の曲率半径が炭素膜構造側の曲率半径以上のもの、例えば曲面部において炭素膜構造側からガード電極側に近づくに連れて曲率半径が大きくなるものや、一定であるもの（例えば図１Ｃに示すように、断面（リング状のガード電極の軸心方向の断面）が略真円状）が挙げられる。

具体例として図１Ａの概略図に示すように、外周縁部１０ａが厚く形成され湾曲（図中では曲率半径Ｒ０で湾曲（Ｌ０は曲率半径Ｒ０における曲面の接線））した炭素膜構造１０に設けられるガード電極１３の曲面部１３ａにおいて、炭素膜構造１０側の曲率半径Ｒ１とガード電極１０外周側の曲率半径Ｒ２とがＲ１≦Ｒ２の関係式を満たすものが挙げられる。

したがって、ガード電極においては図１に示すような形状に制限されず、炭素膜構造の成膜方向に凸の曲面部を有し、その炭素膜構造の外周側に設けられ当該炭素膜構造周囲における見かけ上の曲率半径を大きくするものであれば、種々のものを適用できることが言える。このようなガード電極１３を設けた場合の等電位面は、図１Ｂの符号１０ｂで示すように比較的平坦なものとなる。

炭素膜構造１０とガード電極１３との間においては、図１Ａ，Ｂに示すように隙間等が存在しないほうが好ましいが、例えば図１Ｃに示すように略リング状のガード電極１３が設けられ隙間１０ｃが存在する場合であっても、例えば曲面部１３ａの頂部が炭素膜構造１０（例えば、外周縁部の尖頭形状の頂部）よりも成膜方向に突出し、当該隙間１０ｃが微小なものであれば、少なくとも図８に示したような場合と比較して、等電位面は十分平坦なものとなる。

前記の基板においては、炭素膜構造が成膜されるものであれば種々の形態のもの（例えば、略円盤状，略矩形平板状のＳｉ基板，ＳＵＳ基板等）を適用することができる。例えば略矩形状の基板の場合、その略矩形状の炭素膜構造の外周側に対してガード電極が設けられ、その炭素膜構造における周囲の見かけ上の曲率半径が大きくなる。また、成膜される側の面は平坦でなくても良く、例えば凹状に湾曲したものでも良い。

炭素膜構造は、単に基板上に成膜させた状態で使用しても良いが、例えば炭素膜構造の表面を適宜研磨（例えば、図１では外周縁部１０ａの頂部を研磨）してから使用しても良い。なお、研磨し過ぎると炭素膜構造の尖頭形状が減少してしまい、炭素膜構造の特性を大きく損なう可能性がある。

［本実施形態１］
図２は、本実施形態１における電界放射電子の放射体および電界放射装置の一例を説明するための概略図である。図２に示すように、冷陰極９の基板７上に形成された炭素膜構造１０（図１中では炭素膜構造１０の外周縁部）の外周側に対し、その炭素膜構造１０および／又は基板７と同電位のガード電極１３が設けられる。

このガード電極１３により、炭素膜構造１０周囲の見かけ上の曲率が大きくなることから、炭素膜構造１０の外周縁部に起こり得る電界集中が抑制されることとなる。例えば、ガード電極１３を設けない場合（例えば、図８）と比較すると、冷陰極９と陽極１１との間の電子流領域が拡張することはなく、陽極１１における電子スポットは冷陰極９の電極面の面積と同等で均一な分布となり（図８の電子到達分布の不均一状態を緩和し）、より高い電流密度が得られることになる。

［本実施形態２］
図３は、本実施形態２における電界放射電子の放射体および電界放射装置の一例を説明するための概略図である。図３の冷陰極９においては、電極面側（炭素膜構造が形成される側の面）の形状が凹状（電極面中央部が凹み曲率半径を有する形状）の基板１４が備えられている。

このような基板１４に形成される炭素膜構造１５は、電極面が平坦な基板に形成された炭素膜構造（例えば図２の炭素膜構造１０）と比較して、外周縁部が陽極１１方向に対しより湾曲した凹状となる。すなわち、冷陰極９と陽極１１との間の電子流領域は、陽極１１に近づくに連れて集束し、陽極１１における電子スポットは冷陰極９の電極面の面積よりも小さく均一な分布となり、より高い電流密度が得られることになる。

［本実施形態３］
図４は、本実施形態３における電界放射電子の放射体および電界放射装置の一例を説明するための概略図である。図４において、符号１６は、冷陰極９から放出された電子が通過する開孔部１６ａを備え、該冷陰極９と陽極１１との間に位置し該電子を陽極１１方向に引き出す作用を有する集束電極を示すものである。前記開孔部１６ａの開孔面積は冷陰極９の電極面積よりも小さく、冷陰極９と陽極１１との間の電子流領域の一部を遮蔽できるものとする。

このような集束電極１６を備えたことにより、該集束電極１６を備えない場合（例えば図３の場合）と比較して、冷陰極９における電極面の外周縁部（電界集中が起こり易い部分）から放出され得る電子が遮蔽され、その外周縁部の電流劣化や放電現象が抑制される。また、電子流領域が集束し、陽極１１における電子スポットが小さくなるように制御される。すなわち、冷陰極９と陽極１１との間の電子流領域は、電子集束電極１６によって更に集束し、陽極１１における電子スポットも更に小さく均一な分布となり、より高い電流密度が得られることになる。

例えば、図４に示すように２つの電源１２ａ，１２ｂ（例えば＋２０〜＋３０ｋＶ）を用い、冷陰極９として特許文献１，２に示す技術により形成される炭素膜構造を備えたものを適用し、集束電極１６に対する電圧を例えば冷陰極９と陽極１１との間の電圧の約半分程度に設定すると、陽極１１における電子スポットの径を２ｍｍ以下レベルにできることを確認した。

＜実施例１＞
図５は、本実施形態３をＸ線源に適用した一例を説明するための概略図（電子線省略）である。図５において、略円盤状の基板１４の外径Φ１は６ｍｍ（炭素膜構造１２は、外周縁部が研磨され中央部の湾曲した凹面の外径が５ｍｍ），リング状のガード電極１３の外径Φ２は１２ｍｍ，ガード電極１３の断面の外径Φ３は３ｍｍ，略リング状の集束電極１６の開孔部１６ａの内径Φ４は２ｍｍ〜４ｍｍ，略円盤状の陽極１７の外径Φ５は１０ｍｍ〜２０ｍｍ，冷陰極９と陽極１７との間の距離ｌは１８ｍｍ〜２０ｍｍ（冷陰極９と集束電極１６との間の距離は３ｍｍ〜８ｍｍ），陽極１７の傾斜角度θは１０°〜２０°とする。なお、冷陰極９，集束電極１６，陽極１７の位置関係においては下記式が成り立つ。

位置関係比Ｌ＝「冷陰極と集束電極との間の距離」／「冷陰極と陽極との間の距離」＝０．１５〜約０．４４
図５に示した構成のＸ線源において、冷陰極９として特許文献１，２に示す技術により形成される炭素膜構造を備えたものを適用したところ、１００ｍＡ／ｃｍ²以上レベルの電流密度（Ｘ線源として必要なレベルの電流密度）が得られ、経時変化は十分実用に耐え得ることを確認できた。

なお、このような結果は、位置関係比Ｌが０．１５〜約０．４４の範囲外に設定された場合、例えば位置関係比Ｌ＝０．１〜０．５の場合であっても同等の結果が得られることを確認したが、その位置関係比Ｌが小さ過ぎ又は大き過ぎると、意図しない放電現象や冷陰極の破損等が起こる恐れがある。

また、基板１４の炭素膜構造１０が形成される側の凹面の深さが０．５ｍｍ〜０．８ｍｍ程度であれば、同様の結果が得られることを確認した。

さらに、前記のＸ線源により、コンクリート内の鉄骨の形状や本数を検査する場合には、例えば、冷陰極９と陽極１７との間の電圧は２００ｋＶ（冷陰極９と集束電極１６との間の電圧は３０ｋＶ），電流は１００ｍＡに設定して適用できることを確認した。

さらにまた、検査ライン等の溶接不良，高圧碍子中の金属電極部等の一般的な部品，電気製品の内部等を検査する場合には、例えば、冷陰極９と陽極１７との間の電圧は６０ｋＶ（冷陰極９と集束電極１６との間の電圧は２０〜３０ｋＶ），電流は５〜１０ｍＡに設定して適用できることを確認した。

＜実施例２＞
本実施例２では、実施例１と同様の構成であって、図６に示すような構成の冷陰極６を適用した。ここでの冷陰極９は、基板１４の曲率半径Ｒ０は８．５ｍｍ〜８．３ｍｍ，基板１４の外径Φ１は６ｍｍ（炭素膜構造１０は、外周縁部が研磨され中央部の湾曲した凹面の外径が５ｍｍ），ガード電極１３の外径Φ２は１２ｍｍ，ガード電極１３の炭素膜構造１０側の曲率半径Ｒ１は１ｍｍ，ガード電極１３外周側の曲率半径Ｒ２は２ｍｍとする。

そして、冷陰極９として特許文献１，２に示す技術により形成される炭素膜構造を備えたものを適用したところ、実施例１同様の結果が得られることを確認した。

＜実施例３＞
本実施例３では、実施例２と同様の構成であって、図６に示すような構成の冷陰極６を適用した。ここでの冷陰極９は、基板１４の曲率半径Ｒ０は２５ｍｍ，基板１４の外径Φ１は１６ｍｍ（炭素膜構造１０は、外周縁部が研磨され中央部の湾曲した凹面の外径が１４．６ｍｍ），ガード電極１３の外径Φ２は３６ｍｍ，集束電極１６の開孔部１６ａの内径Φ４は８ｍｍ〜１２ｍｍ，ガード電極１３の炭素膜構造１０側の曲率半径Ｒ１は２ｍｍ，ガード電極１３外周側の曲率半径Ｒ２は８ｍｍとする。

そして、冷陰極９として特許文献１，２に示す技術により形成される炭素膜構造を備えたものを適用したところ、実施例１同様の結果が得られることを確認した。

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

７，１４…基板
９…冷陰極
１０，１５…炭素膜構造
１１，１７…陽極
１２，１２ａ，１２ｂ…電源
１３…ガード電極
１６…集束電極

Claims (6)

1. 基板表面に炭素膜構造が形成された電子放出体であって、
   前記炭素膜構造は、グラフェンシートが多層に重なって内部中空となり、かつ、先端に向けて半径が小さくなる尖頭形状が複数個分散して形成され、
   前記炭素膜構造の外周側に、その炭素膜構造の成膜方向に凸の曲面部を有し炭素膜構造および／又は基板と同電位のガード電極を設け、
   前記ガード電極の曲面部は、ガード電極外周側の曲率半径が炭素膜構造側の曲率半径以上であることを特徴とする電子放出体。
2. 前記ガード電極の曲面部の頂部は、炭素膜構造の外周縁部よりも成膜方向に突出していることを特徴とする請求項１記載の電子放出体。
3. 前記基板の炭素膜構造が形成される側の面は凹状であることを特徴とする請求項１または２記載の電子放出体。
4. 基板表面に炭素膜構造が形成された電子放出体から成る冷陰極と、電極面が前記冷陰極の電極面と対向するように配置される陽極と、を備え、
   前記の冷陰極と陽極との間に電圧を印加して、冷陰極から電界放射により電子を放出させる電界放射装置であって、
   前記電子放出体は、請求項１〜３の何れかに記載の電子放出体であることを特徴とする電界放射装置。
5. 前記の冷陰極と陽極との間に集束電極を配置して、その冷陰極から放出される電子を陽極方向に導出すると共に、冷陰極と陽極との間の電子流領域を集束させることを特徴とする請求項４記載の電界放射装置。
6. 前記の冷陰極，陽極，集束電極は、下記式が成り立つように配置されたことを特徴とする請求項５記載の電界放射装置。
   （冷陰極と集束電極との間の距離）／（冷陰極と陽極との間の距離）＝０．１〜０．５

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