JP4680305B2 - 電子放出素子、電子放出装置、自発光デバイス、画像表示装置、冷却装置、および帯電装置 - Google Patents

Description

本発明は、電圧を印加することにより電子を放出する電子放出素子に関するものである。

従来の電子放出素子として、スピント（Ｓｐｉｎｄｔ）型電極、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）型電極などが知られている。このような電子放出素子は、例えば、ＦＥＤ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ）の分野に応用検討されている。このような電子放出素子は、尖鋭形状部に電圧を印加して約１ＧＶ／ｍの強電界を形成し、トンネル効果により電子放出させる。

しかしながら、これら２つのタイプの電子放出素子は、電子放出部表面近傍が強電界であるため、放出された電子は電界により大きなエネルギーを得て気体分子を電離しやすくなる。気体分子の電離により生じた陽イオンは強電界により素子の表面方向に加速衝突し、スパッタリングによる素子破壊が生じるという問題がある。また、大気中の酸素は電離エネルギーより解離エネルギーが低いため、イオンの発生より先にオゾンを発生する。オゾンは人体に有害である上、その強い酸化力により様々なものを酸化することから、素子の周囲の部材にダメージを与えるという問題が存在し、これを避けるために周辺部材には耐オゾン性の高い材料を用いなければならないという制限が生じている。

そこで、上記とは別のタイプの電子放出素子として、ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｍｅｔａｌ）型やＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型の電子放出素子が知られている。これらは素子内部の量子サイズ効果及び強電界を利用して電子を加速し、平面状の素子表面から電子を放出させる面放出型の電子放出素子である。これらは素子内部で加速した電子を放出するため、素子外部に強電界を必要としない。従って、ＭＩＭ型及びＭＩＳ型の電子放出素子においては、上記スピント型やＣＮＴ型、ＢＮ型の電子放出素子のように気体分子の電離によるスパッタリングで破壊されるという問題やオゾンが発生するという問題を克服できる。

例えば特許文献１には、２枚の電極の間に金属などの微粒子を分散させた絶縁体膜を設け、一方の電極（基板電極）から絶縁体膜中に電子を注入し、注入した電子を絶縁体膜中で加速させ、他方の電極（電子放出側の電極）を通して電子を放出するＭＩＭ形電子放出素子が開示されている。特許文献１では、この厚みを数十Å〜１０００Åとしている。

特開平１−２９８６２３号公報（平成１年１２月１日公開）

ここで、引用文献１に開示されたＭＩＭ形電子放出素子では、電子を加速させる電子加速層は金属などの微粒子を分散させた絶縁体膜である。この電子加速層が、絶縁体膜ではなく粒子で構成されると電子加速層の表面に粒子径に対応した凹凸ができるため、その上に電子放出側の電極を薄膜状に形成する場合、電極の厚さにムラができる。特に、スパッタリングにて電子放出側の電極を形成する場合、凹部では電極が薄く凸部では電極が厚くなり、電極表面の凹凸が強調される。ここで、電子放出側の電極が薄すぎると電気的導通を確保できず、十分な素子内電流を流すことができない。さらに、素子の強度が落ちる。反対に電子放出側の電極が厚すぎると電子を放出することができず、電子放出側の電極での電子の吸収、あるいは電子放出側の電極で電子が反射されて絶縁体膜中へ再捕獲される現象が生じてしまう。

つまり、絶縁体の粒子を用いて電子加速層が構成される電子放出素子では、電子放出側の電極の厚さを絶縁体の粒子のサイズを考慮して適正化しないと、弾道電子を安定して放出させることができない。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、絶縁体の粒子を用いて電子加速層が構成される電子放出素子において、電子放出側の電極である薄膜電極の厚さを絶縁体の粒子のサイズを考慮して適正化し、電気的導通を確保して十分な素子内電流を流し、薄膜電極から弾道電子を安定して放出させることが可能な、電子放出素子の提供を目的とする。

本発明の電子放出素子は、上記課題を解決するために、電極基板と薄膜電極とを有し、該電極基板と薄膜電極との間に電圧を印加することで、該電極基板と薄膜電極との間で電子を加速させて、該薄膜電極から該電子を放出させる電子放出素子であって、上記電極基板と上記薄膜電極との間には、導電微粒子と、該導電微粒子の平均粒径より大きい平均粒径の絶縁体微粒子とが含まれる電子加速層が設けられており、上記絶縁体微粒子の平均粒径をｘ（ｎｍ）、上記薄膜電極の厚みをｙ（ｎｍ）とすると、以下の関係式を満たすことを特徴としている。

０．３ｘ ＋ ３．９ ≦ ｙ ≦ ７５
上記構成によると、電極基板と薄膜電極との間には、導電微粒子と、該導電微粒子の平均粒径より大きい平均粒径の絶縁体微粒子とが含まれる電子加速層が設けられており、薄膜電極の厚みｙ（ｎｍ）は、上記関係式を満たすように規定される。この電子加速層は、絶縁体微粒子と導電微粒子とが緻密に集合した薄膜の層であり、半導電性を有する。この半導電性の電子加速層に電圧を印加すると、電子加速層内に電流が流れ、その一部は印加電圧の形成する強電界により弾道電子となって放出される。

ここで、薄膜電極を平面電極として機能させるためには０．３ｘ ＋ ３．９（ｎｍ）以上の厚みが必要であり、これ未満の厚みでは電気的導通を確保できず、十分な素子内電流を流すことができない。また薄膜電極を通して電子放出素子から電子を放出させるためには、薄膜電極の厚みは７５（ｎｍ）以下である必要があり、これを超える厚みでは弾道電子の透過が極端に少なくなり、薄膜電極での弾道電子の吸収、あるいは薄膜電極で弾道電子が反射されて電子加速層へ再捕獲される現象が生じてしまう。したがって、薄膜電極の厚みｙを、上記関係式で規定することにより、電気的導通を確保して十分な素子内電流を流し、薄膜電極から弾道電子を放出させることができる。

つまり、上記構成では、電子放出側の電極である薄膜電極の厚さが絶縁体粒子のサイズを考慮して適正化されており、上記構成の電子放出素子は、電気的導通を確保して十分な素子内電流を流し、薄膜電極から弾道電子を安定して放出させることが可能である。

また、本発明の電子放出素子は、次の関係式を満たしてもよい。

０．３ｘ ＋ ３．９ ≦ ｙ ≦ ６０
このように、薄膜電極の厚みの上限を６０（ｎｍ）とすることで、より安定して薄膜電極から弾道電子を放出させることができる。

本発明の電子放出素子では、上記構成に加え、上記絶縁体微粒子の平均径は、１２〜１１０ｎｍであるのが好ましい。この場合、粒子径の分散状態は平均粒径に対してブロードであってもよく、例えば平均粒径５０ｎｍの微粒子は、２０〜１１０ｎｍの領域にその粒子径分布を有していても問題ない。絶縁体微粒子の平均径を１２〜１１０ｎｍとすることにより、絶縁体微粒子の粒子径よりも小さい粒子径の導電微粒子の内部から外部へと効率よく熱伝導させて、素子内を電流が流れる際に発生するジュール熱を効率よく逃がすことができる。よって、電子放出素子が熱で破壊されることを防ぐことができる。さらに、上記電子加速層における抵抗値の調整を行いやすくすることができる。

本発明の電子放出素子では、上記構成に加え、上記絶縁体微粒子は、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、及びＴｉＯ_２の少なくとも１つを含んでいてもよい。または有機ポリマーを含んでいてもよい。上記絶縁体微粒子が、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、及びＴｉＯ_２の少なくとも１つを含んでいる、あるいは、有機ポリマーを含んでいると、これら物質の絶縁性が高いことにより、上記電子加速層の抵抗値を任意の範囲に調整することが可能となる。特に、絶縁体微粒子として酸化物（ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、及びＴｉＯ_２の）を用い、導電微粒子として抗酸化力が高い導電体を用いる場合には、大気中の酸素による酸化に伴う素子劣化をより一層発生し難くなるため、大気圧中でも安定して動作させる効果をより顕著に発現させることができる。

本発明の電子放出素子では、上記構成に加え、上記薄膜電極は、金、銀、炭素、タングステン、チタン、アルミ、及びパラジウムの少なくとも１つを含んでいてもよい。上記薄膜電極に、金、銀、炭素、タングステン、チタン、アルミ、及びパラジウムの少なくとも１つが含まれることによって、これら物質の仕事関数の低さから、電子加速層で発生させた電子を効率よくトンネルさせ、電子放出素子外に高エネルギーの電子をより多く放出させることができる。

また、本発明の電子放出素子では、上記構成に加え、上記導電微粒子は、抗酸化力が高い導電体であってもよい。

ここで、ここで言う抗酸化力が高いとは、酸化物形成反応の低いことを指す。一般的に熱力学計算より求めた、酸化物生成自由エネルギーの変化量ΔＧ［ｋＪ／ｍｏｌ］値が負で大きい程、酸化物の生成反応が起こり易いことを表す。本発明ではΔＧ＞−４５０［ｋＪ／ｍｏｌ］以上に該当する金属元素が、抗酸化力の高い導電微粒子として該当する。また、該当する導電微粒子の周囲に、その導電微粒子の大きさよりも小さい絶縁体物質を付着、または被覆することで、酸化物の生成反応をより起こし難くした状態の導電微粒子も、抗酸化力が高い導電微粒子に含まれる。

上記構成によると、導電微粒子として抗酸化力が高い導電体を用いることから、大気中の酸素による酸化に伴う素子劣化を発生し難いため、電子放出素子を大気圧中でも安定して動作させることができる。よって、寿命を長くでき、大気中でも長時間連続動作をさせることができる。

本発明の電子放出素子では、上記構成に加え、上記導電微粒子は、貴金属であってもよい。このように、上記導電微粒子が、貴金属であることで、導電微粒子の、大気中の酸素による酸化などをはじめとする素子劣化を防ぐことができる。よって、電子放出素子の長寿命化を図ることができる。

本発明の電子放出装置は、上記いずれか１つの電子放出素子と、上記電極基板と上記薄膜電極との間に電圧を印加する電源部と、を備えたことを特徴としている。

上記構成によると、電気的導通を確保して十分な素子内電流を流し、薄膜電極から弾道電子を安定して放出させることができる。

さらに、本発明の電子放出素子を自発光デバイス、及びこの自発光デバイスを備えた画像表示装置に用いることにより、電子を安定して放出でき長寿命な面発光を実現する自発光デバイスを提供することができる。

また、導電微粒子に抗酸化力が高い金属を用いた本発明の電子放出素子を、冷却装置に用いることにより、大気中でも電子を安定して放出して高効率で冷却を行うことができる。

また、導電微粒子に抗酸化力が高い金属を用いた本発明の電子放出素子を、帯電装置に用いることにより、大気中でも電子を安定して放出して被帯電体を帯電させることができる。

本発明の電子放出素子は、上記のように、上記電極基板と上記薄膜電極との間には、導電微粒子と、該導電微粒子の平均粒径より大きい平均粒径の絶縁体微粒子とが含まれる電子加速層が設けられており、上記絶縁体微粒子の平均粒径をｘ、上記薄膜電極の厚みをｙとすると、以下の関係式を満たす。

０．３ｘ ＋ ３．９ ≦ ｙ ≦ ７５
上記構成によると、電極基板と薄膜電極との間には、導電微粒子と、該導電微粒子の平均粒径より大きい平均粒径の絶縁体微粒子とが含まれる電子加速層が設けられており、薄膜電極の厚みｙ（ｎｍ）は、上記関係式を満たすように規定される。この電子加速層は、絶縁体微粒子と導電微粒子とが緻密に集合した薄膜の層であり、半導電性を有する。この半導電性の電子加速層に電圧を印加すると、電子加速層内に電流が流れ、その一部は印加電圧の形成する強電界により弾道電子となって放出される。

ここで、薄膜電極を平面電極として機能させるためには０．３ｘ ＋ ３．９（ｎｍ）以上の厚みが必要であり、これ未満の厚みでは電気的導通を確保できず、十分な素子内電流を流すことができない。また薄膜電極を通して電子放出素子から電子を放出させるためには、薄膜電極の厚みは７５（ｎｍ）以下である必要があり、これを超える厚みでは弾道電子の透過が極端に少なくなり、薄膜電極での弾道電子の吸収、あるいは薄膜電極で弾道電子が反射されて電子加速層へ再捕獲される現象が生じてしまう。したがって、薄膜電極の厚みｙを、上記関係式で規定することにより、電気的導通を確保して十分な素子内電流を流し、薄膜電極から弾道電子を放出させることができる。

つまり、上記構成では、電子放出側の電極である薄膜電極の厚さが絶縁体粒子のサイズを考慮して適正化されており、上記構成の電子放出素子は、電気的導通を確保して十分な素子内電流を流し、薄膜電極から弾道電子を安定して放出させることが可能である。

本発明の一実施形態の電子放出素子の構成を示す模式図である。 図１の電子放出素子における微粒子層付近の断面の拡大図である。 電子放出実験の測定系を示す図である。 絶縁体の粒子の粒径と表面電極の膜厚との関係とを示す図である。 本発明の電子放出素子を用いた帯電装置の一例を示す図である。 本発明の電子放出素子を用いた自発光デバイスの一例を示す図である。 本発明の電子放出素子を用いた自発光デバイスの他の一例を示す図である。 本発明の電子放出素子を用いた自発光デバイスの更に別の一例を示す図である。 本発明の電子放出素子を用いた自発光デバイスを具備する画像形成装置の他の一例を示す図である。 本発明に係る電子放出素子を用いた送風装置及びそれを具備した冷却装置の一例を示す図である。 本発明の電子放出素子を用いた送風装置及びそれを具備した冷却装置の別の一例を示す図である。

以下、本発明の電子放出素子の実施形態および実施例について、図１〜１１を参照しながら具体的に説明する。なお、以下に記述する実施の形態および実施例は本発明の具体的な一例に過ぎず、本発明はこれらよって限定されるものではない。

〔実施の形態１〕
図１は、本発明の電子放出素子の一実施形態の構成を示す模式図である。図１に示すように、本実施形態の電子放出素子１は、下部電極となる基板（電極基板）２と、上部電極（薄膜電極）３と、その間に挟まれて存在する電子加速層４とからなる。また、基板２と上部電極３とは電源７に繋がっており、互いに対向して配置された基板２と上部電極３との間に電圧を印加できるようになっている。電子放出素子１は、基板２と上部電極３との間に電圧を印加することで、基板２と上部電極３との間、つまり、電子加速層４に電流を流し、その一部を印加電圧の形成する強電界により弾道電子として、上部電極３を透過および／あるいは上部電極３の隙間から放出させる。なお、電子放出素子１と電源７とから電子放出装置１０が成る。

下部電極となる基板２は、電子放出素子の支持体の役割を担う。そのため、ある程度の強度を有し、直に接する物質との接着性が良好で、適度な導電性を有するものであれば、特に制限なく用いることができる。例えばＳＵＳやＴｉ、Ｃｕ等の金属基板、ＳｉやＧｅ、ＧａＡｓ等の半導体基板、ガラス基板のような絶縁体基板、プラスティック基板等が挙げられる。例えばガラス基板のような絶縁体基板を用いるのであれば、その電子加速層４との界面に金属などの導電性物質を電極として付着さることによって、下部電極となる基板２として用いることができる。上記導電性物質としては、導電性に優れた材料を、マグネトロンスパッタ等を用いて薄膜形成できれば、その構成材料は特に問わない。また、酸化物導電材料として、透明電極に広く利用されているＩＴＯ薄膜も有用である。また、強靭な薄膜を形成できるという点で、例えば、ガラス基板表面にＴｉを２００ｎｍ成膜し、さらに重ねてＣｕを１０００ｎｍ成膜した金属薄膜を用いてもよいが、これら材料および数値に限定されることはない。

上部電極３は、電子加速層４内に電圧を印加させるものである。そのため、電圧の印加が可能となるような材料であれば特に制限なく用いることができる。ただし、電子加速層４内で加速され高エネルギーとなった電子をなるべくエネルギーロス無く透過させて放出させるという観点から、仕事関数が低くかつ薄膜を形成することが可能な材料であれば、より高い効果が期待できる。このような材料として、例えば、仕事関数が４〜５ｅＶに該当する金、銀、炭素、タングステン、チタン、アルミ、パラジウムなどが挙げられる。中でも大気圧中での動作を想定した場合、酸化物および硫化物形成反応のない金が、最良な材料となる。また、酸化物形成反応の比較的小さい銀、パラジウム、タングステンなども問題なく実使用に耐える材料である。

また上部電極３の膜厚は、電子放出素子１から外部へ電子を効率良く放出させる条件として重要である。ここで、後段の実施例に記載の実験から、後述の絶縁体の微粒子５の粒径をｘ（ｎｍ）、上部電極３の厚みをｙ（ｎｍ）とすると、以下の関係式（１）を満たすのが好ましいことがわかる。

０．３ｘ ＋ ３．９ ≦ ｙ ≦ ７５・・・・・・・（１）
さらに、以下の関係式（２）を満たすのが好ましい。

０．３ｘ ＋ ３．９ ≦ ｙ ≦ ６０・・・・・・・（２）
上部電極３を平面電極として機能させるための最低膜厚は０．３ｘ ＋ ３．９ｎｍであり、これ未満の膜厚では、電気的導通を確保できない。一方、電子放出素子１から外部へ電子を放出させるための最大膜厚は７５ｎｍであり、これを超える膜厚では弾道電子の透過が起こらず、上部電極３で弾道電子の吸収あるいは反射による電子加速層４への再捕獲が生じてしまう。

よって、上記関係式（１）、さらに好ましくは関係式（２）を満たすと、電子放出素子１は、電気的導通を確保して十分な素子内電流を流し、上部電極３から弾道電子を安定して放出させることが可能となる。

電子加速層４は、導電微粒子６と、該導電微粒子の平均粒径より大きい平均粒径の絶縁体の微粒子（絶縁体微粒子）５とを含んでいる。本実施形態では、導電微粒子６を金属微粒子６として、また、電子加速層４を微粒子層４として、説明する。

金属微粒子６の金属種としては、弾道電子を生成するという動作原理の上ではどのような金属種でも用いることができる。ただし、抗酸化力が高い金属であると、大気圧動作させた際の酸化劣化を避けることができ、抗酸化力が高い金属としては貴金属が挙げられ、具体的には、金、銀、白金、パラジウム、ニッケルといった材料が挙げられる。このような金属微粒子６は、公知の微粒子製造技術であるスパッタ法や噴霧加熱法を用いて作成可能であり、応用ナノ研究所が製造販売する銀ナノ粒子等の市販の金属微粒子粉体も利用可能である。弾道電子の生成の原理については後段で記載する。

ここで、金属微粒子６の平均径は、導電性を制御する必要から、以下で説明する絶縁体の微粒子５の大きさよりも小さくなければならず、３〜１０ｎｍであるのがより好ましい。このように、金属微粒子６の平均径を、絶縁体の微粒子５の粒子径よりも小さく、好ましくは３〜１０ｎｍとすることにより、微粒子層４内で、金属微粒子６による導電パスが形成されず、微粒子層４内での絶縁破壊が起こり難くなる。また原理的には不明確な点が多いが、粒子径が上記範囲内の金属微粒子６を用いることで、弾道電子が効率よく生成される。

なお、金属微粒子６の周囲には、金属微粒子６の大きさより小さい絶縁体物質が存在していてもよく、金属微粒子６の大きさより小さい絶縁体物質は、金属微粒子６の表面に付着する付着物質であってもよく、付着物質は、金属微粒子６の平均径より小さい形状の集合体として、金属微粒子６の表面を被膜する絶縁被膜であってもよい。金属微粒子６の大きさより小さい絶縁体物質としては、弾道電子を生成するという動作原理の上ではどのような絶縁体物質でも用いることができる。ただし、金属微粒子６の大きさより小さい絶縁体物質が金属微粒子６を被膜する絶縁被膜であり、絶縁被膜を金属微粒子６の酸化被膜によって賄った場合、大気中での酸化劣化により酸化皮膜の厚さが所望の膜厚以上に厚くなってしまう恐れがあるため、大気圧動作させた時の酸化劣化を避ける目的から、有機材料による絶縁被膜が好ましく、例えば、アルコラート、脂肪酸、アルカンチオールといった材料が挙げられる。この絶縁被膜の厚さは薄い方が有利であることが言える。

絶縁体の微粒子５に関しては、その材料は絶縁性を持つものであれば特に制限なく用いることができる。ただし、微粒子層４を構成する微粒子全体における絶縁体の微粒子５の重量割合は８０〜９５％が好ましい。また絶縁体の微粒子５の大きさは、金属微粒子６に対して優位な放熱効果を得るため、金属微粒子６の直径よりも大きいことが好ましく、絶縁体の微粒子５の直径（平均径）は１０ｎｍ以上であることが好ましく、１２〜１１０ｎｍがより好ましい。従って、絶縁体の微粒子５の材料はＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２といったものが実用的となる。ただし、表面処理が施された小粒径シリカ粒子を用いると、それよりも粒子径の大きな球状シリカ粒子を用いるときと比べて、溶媒中に占めるシリカ粒子の表面積が増加し、溶液粘度が上昇するため、微粒子層４の膜厚が若干増加する傾向にある。また、絶縁体の微粒子５の材料には、有機ポリマーから成る微粒子を用いてもよく、例えば、ＪＳＲ株式会社の製造販売するスチレン／ジビニルベンゼンから成る高架橋微粒子（ＳＸ８７４３）、または日本ペイント株式会社の製造販売するスチレン・アクリル微粒子のファインスフェアシリーズが利用可能である。ここで、絶縁体の微粒子５は、２種類以上の異なる粒子を用いてもよく、また、粒径のピークが異なる粒子を用いてもよく、あるいは、単一粒子で粒径がブロードな分布のものを用いてもよい。

微粒子層４は薄いほど強電界がかかるため低電圧印加で電子を加速させることができるが、電子加速層（微粒子層４）の層厚を均一化できること、また層厚方向における電子加速層の抵抗調整が可能となることなどから、微粒子層４の層厚は、１２〜６０００ｎｍ、より好ましくは３００〜６０００ｎｍであるとよい。

次に、電子放出の原理について説明する。図２は、電子放出素子１の微粒子層４付近の断面を拡大した模式図である。図２に示すように、微粒子層４は、その大部分を絶縁体微の粒子５で構成され、その隙間に金属微粒子６が点在している。図２における絶縁体の微粒子５および金属微粒子６の比率は、絶縁体の微粒子５および金属微粒子６の総重量に対する絶縁体の微粒子５の重量比率が８０％に相当する状態であり、絶縁体の微粒子５一粒子当たりに付着する金属微粒子６は六粒子程度となる。

微粒子層４は絶縁体の微粒子５と少数の金属微粒子６とで構成されるため、半導電性を有する。よって微粒子層４へ電圧を印加すると、極弱い電流が流れる。微粒子層４の電圧電流特性は所謂バリスタ特性を示し、印加電圧の上昇に伴い急激に電流値を増加させる。この電流の一部は、印加電圧が形成する微粒子層４内の強電界により弾道電子となり、上部電極３を透過あるいはその隙間を通過して電子放出素子１の外部へ放出される。弾道電子の形成過程は、電子が電界方向に加速されつつトンネルすることによるものと考えられるが、断定できていない。

次に、電子放出素子１の、製造方法の一実施形態について説明する。まず、基板２上に、絶縁体の微粒子５と、金属微粒子６とを分散させた分散溶液をスピンコート法を用いて塗布することで、微粒子層４を形成する。ここで、分散溶液に用いる溶媒としては、絶縁体の微粒子５と、金属微粒子６とを分散でき、かつ塗布後に乾燥できれば、特に制限なく用いることができ、例えば、トルエン、ベンゼン、キシレン、ヘキサン、テトラデカン等を用いることができる。また、金属微粒子６の分散性を向上させる目的で、事前処理としてアルコラート処理を施すとよい。スピンコート法による成膜、乾燥、を複数回繰り返すことで所定の膜厚にすることができる。微粒子層４は、スピンコート法以外に、例えば、滴下法、スプレーコート法等の方法でも成膜することができる。そして、電子加速層４上に上部電極３を成膜する。上部電極３の成膜には、例えば、マグネトロンスパッタ法を用いればよい。また、上部電極３は、例えば、インクジェット法、スピンコート法、蒸着法等を用いて成膜してもよい。

（実施例）
本実施例では、本発明に係る電子放出素子を用いた電流測定の実験について図３、４を用いて説明する。なお、この実験は実施の一例であって、本発明の内容を制限するものではない。

まず初めに、実施例１〜９の電子放出素子および、比較例１〜５の電子放出素子を作製した。ここで、実施例１〜９および比較例１〜５では、絶縁体の粒子５（シリカ粒子径）と上部電極３の厚さ（表面電極膜厚）とが下記の表１のようになっている。これら実施例１〜９および比較例１〜５の電子放出素子の作製方法について説明する。

実施例１の電子放出素子は次のように作製した。まず、１０ｍＬの試薬瓶にヘキサン溶媒を３ｍＬ入れ、絶縁体の微粒子５として平均径１１０ｎｍの球状シリカ粒子を０．５ｇ投入し、試薬瓶を超音波分散器にかけ、シリカ粒子の分散を行った。次に金属微粒子６として応用ナノ粒子研究所製の銀ナノ粒子コロイド液（銀微粒子の平均粒径４．５ｎｍ、微粒子固形分濃度３７％のヘキサン分散溶液）を０．１２５ｇ（固形分重量）追加投入し、同様に超音波分散処理を行って、微粒子分散液Ａを得た。微粒子分散液Ａに占める絶縁体の微粒子５および金属微粒子６の総質量に対する絶縁体の微粒子５の重量比率は８０％であった。

基板２として３０ｍｍ角のＳＵＳ基板上にスピンコート法を用いて、微粒子分散液Ａを堆積させて、微粒子層４を形成した。

微粒子層４の表面には、マグネトロンスパッタ装置を用いて上部電極３を成膜することにより、実施例１の電子放出素子を得た。上部電極３の成膜材料として金を使用し、上部電極３の層厚（表面電極膜厚）は４０ｎｍ、同面積は０．０１４ｃｍ^２とした。

実施例２，６，９および比較例１〜５の電子放出素子については、実施例１の電子放出素子と同様に作製した。ここで、実施例１と異なる点は、下記表１の通り、絶縁体の粒子５として用いた球状シリカ粒子の平均径を、実施例２，６，９および比較例１〜５ではそれぞれ、５０ｎｍ，８５ｎｍ，５０ｎｍ，５０ｎｍ，５０ｎｍ，５０ｎｍ，１１０ｎｍ，５０ｎｍにしたことである。また、上部電極３の膜厚（表面電極膜厚）を、実施例２，６，９および比較例１〜５ではそれぞれ、３０ｎｍ，４０ｎｍ，７５ｎｍ，５ｎｍ，１０ｎｍ，１５ｎｍ，１５ｎｍ，９０ｎｍにしたことである。

また、実施例３の電子放出素子は次のように作製した。まず、１０ｍＬの試薬瓶にエタノール溶媒２．０ｇとテトラメトキシシラン（信越化学工業株式会社製）０．５ｇを入れ、絶縁体の微粒子５として平均径１２ｎｍの球状シリカ粒子ＡＥＲＯＳＩＬ Ｒ８２００（エボニックエグサジャパン株式会社製）を０．５ｇ投入し、試薬瓶を超音波分散器にかけ、絶縁体微粒子含有樹脂バインダー分散液Ｂを調製した。絶縁体微粒子含有樹脂バインダー分散液Ｂに占める絶縁体物質の含有率は１７重量％であった。得られた絶縁体微粒子含有樹脂バインダー分散液Ｂと、金属微粒子６として銀ナノ粒子を含有する導電体微粒子溶液を混合する。導電体微粒子溶液としては、銀ナノ粒子含有ヘキサン分散溶液（応用ナノ粒子研究所製、銀微粒子の平均粒径４．５ｎｍ、銀微粒子固形分濃度７％）Ｃを用いた。絶縁体微粒子含有樹脂バインダー分散液Ｂ１．０ｇ中に銀ナノ粒子含有ヘキサン分散溶液Ｃ１．０ｇを投入し、常温で攪拌し、絶縁体物質および導電体微粒子混合溶液Ｄを得た。この混合溶液Ｄに占める導電微粒子の含有率は４．５重量％であった。

電極となる基板２として３０ｍｍ角のＳＵＳ基板上に、上記で得られた混合液溶液Ｄを滴下後、スピンコート法を用いて８０００ｒｐｍ、１０ｓで絶縁体物質および導電体微粒子含有樹脂バインダーを堆積させて、電子加速層４を形成した。

電子加速層４の表面には、マグネトロンスパッタ装置を用いて上部電極（表面電極）３を成膜することにより、実施例３の電子放出素子を得た。ここで、上部電極３の成膜材料として金を使用し、上部電極３の膜厚（表面電極膜厚）は１５ｎｍ、同面積は０．０１４ｃｍ^２とした。

実施例４，５，７，８の電子放出素子については、実施例３の電子放出素子と同様に作製した。ここで、実施例３と異なる点は、下記表１の通り、上部電極３の膜厚（表面電極膜厚）を、実施例４，５，７，８ではそれぞれ、４５ｎｍ，６０ｎｍ，７５ｎｍ，１０ｎｍにしたことである。

上記のように作製した実施例１〜９と比較例１〜５の電子放出素子について、図３に示す実験系を用いて単位面積あたりの電子放出電流の測定実験を行った。図３の実験系では、電子放出素子１の上部電極３側に、絶縁体スペーサ９を挟んで対向電極８を配置させる。そして、電子放出素子１および対向電極８は、それぞれ、電源７に接続されており、電子放出素子１にはＶ１の電圧、対向電極８にはＶ２の電圧が印加されるようになっている。このような実験系を１×１０^−８ＡＴＭの真空中に配置して電子放出実験を行った。各実験で、Ｖ１は以下の表の「電圧」に記載の大きさとし、Ｖ２＝１００Ｖとした。また、絶縁体スペーサ９を挟んで、電子放出素子と対向電極との距離は５ｍｍであった。

各実験に用いた電子放出素子におけるシリカ粒子径（絶縁体の粒子径）と表面電極膜厚（上部電極の膜厚）と単位面積あたりの電子放出電流の測定実験結果とを表１に示す。

表１の評価では、「○」は、電子放出電流が０．１ｍ／ｃｍ^２以上であったもの、「△」は、電子放出電流が０．１ｍ／ｃｍ^２未満であったもの、「×」は、電子放出が確認できなかったものとして、評価している。

表１に示す、シリカ粒子径と表面電極膜厚と各実験結果との関係をグラフとして表したものが図４である。図４から、絶縁体の微粒子５の平均粒径をｘ（ｎｍ）、上部電極３の厚みをｙ（ｎｍ）とすると、以下の関係式（１）を満たすのが好ましいことがわかる。

０．３ｘ ＋ ３．９ ≦ ｙ ≦ ７５・・・・・・・（１）
さらに、以下の関係式（２）を満たすのが好ましいことがわかる。

０．３ｘ ＋ ３．９ ≦ ｙ ≦ ６０・・・・・・・（２）
〔実施の形態２〕
図５に、実施の形態１で説明した本発明に係る電子放出素子１を用いた本発明に係る帯電装置９０の一例を示す。帯電装置９０は、電子放出素子１とこれに電圧を印加する電源７とからなり、感光体１１を帯電させるものである。本発明に係る画像形成装置は、この帯電装置９０を具備している。本発明に係る画像形成装置において、帯電装置９０を成す電子放出素子１は、被帯電体である感光体１１に対向して設置され、電圧を印加することにより、電子を放出させ、感光体１１を帯電させる。なお、本発明に係る画像形成装置では、帯電装置９０以外の構成部材は、従来公知のものを用いればよい。ここで、帯電装置９０として用いる電子放出素子１は、感光体１１から、例えば３〜５ｍｍ隔てて配置するのが好ましい。また、電子放出素子１への印加電圧は２５Ｖ程度が好ましく、電子放出素子１の電子加速層の構成は、例えば、２５Ｖの電圧印加で、単位時間当たり１μＡ／ｃｍ^２の電子が放出されるようになっていればよい。

帯電装置９０として用いられる電子放出素子１は、導電微粒子６が抗酸化力の高い導電体であると大気中で動作させても放電を伴わず、従って帯電装置９０からのオゾンの発生は全く無い。オゾンは人体に有害であり環境に対する各種規格で規制されているほか、機外に放出されなくとも機内の有機材料、例えば感光体１１やベルトなどを酸化し劣化させてしまう。このような問題を、本発明に係る電子放出素子１を帯電装置９０に用い、また、このような帯電装置９０を画像形成装置が有することで、解決することができる。

さらに帯電装置９０として用いられる電子放出素子１は、面電子源として構成されるので、感光体１１の回転方向へも幅を持って帯電を行え、感光体１１のある箇所への帯電機会を多く稼ぐことができる。よって、帯電装置９０は、線状で帯電するワイヤ帯電器などと比べ、均一な帯電が可能である。また、帯電装置９０は、数ｋＶの電圧印加が必要なコロナ放電器と比べて、１０Ｖ程度と印加電圧が格段に低くてすむというメリットもある。

〔実施の形態３〕
図６〜８に、実施の形態１で説明した本発明に係る電子放出素子１を用いた本発明に係る自発光デバイスの例をそれぞれ示す。

図６に示す自発光デバイス３１は、電子放出素子１とこれに電圧を印加する電源７と、さらに、電子放出素子１と離れ、対向した位置に、基材となるガラス基板３４、ＩＴＯ膜３３、そして蛍光体３２が積層構造を有する発光部３６と、から成る。

蛍光体３２としては赤、緑、青色発光に対応した電子励起タイプの材料が適しており、例えば、赤色ではＹ_２Ｏ_３：Ｅｕ、（Ｙ，Ｇｄ）ＢＯ_３：Ｅｕ、緑色ではＺｎ_２ＳｉＯ_４：Ｍｎ、ＢａＡｌ_１２Ｏ_１９：Ｍｎ、青色ではＢａＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕ^２＋等が使用可能である。ＩＴＯ膜３３が成膜されたガラス基板３４表面に、蛍光体３２を成膜する。蛍光体３２の厚さ１μｍ程度が好ましい。また、ＩＴＯ膜３３の膜厚は、導電性を確保できる膜厚であれば問題なく、本実施形態では１５０ｎｍとした。

蛍光体３２を成膜するに当たっては、バインダーとなるエポキシ系樹脂と微粒子化した蛍光体粒子との混練物として準備し、バーコーター法或いは滴下法等の公知な方法で成膜するとよい。

ここで、蛍光体３２の発光輝度を上げるには、電子放出素子１から放出された電子を蛍光体へ向けて加速する必要があり、その場合は電子放出素子１の基板２と発光部３６のＩＴＯ膜３３の間に、電子を加速する電界を形成するための電圧印加するために、電源３５を設けるとよい。このとき、蛍光体３２と電子放出素子１との距離は、０．３〜１ｍｍで、電源７からの印加電圧は１８Ｖ、電源３５からの印加電圧は５００〜２０００Ｖにするのが好ましい。

図７に示す自発光デバイス３１’は、電子放出素子１とこれに電圧を印加する電源７、さらに、蛍光体３２を備えている。自発光デバイス３１’では、蛍光体３２は平面状であり、電子放出素子１の表面に蛍光体３２が配置されている。ここで、電子放出素子１表面に成膜された蛍光体３２の層は、前述のように微粒子化した蛍光体粒子との混練物から成る塗布液として準備し、電子放出素子１表面に成膜する。但し、電子放出素子１そのものは外力に対して弱い構造であるため、バーコーター法による成膜手段は利用すると素子が壊れる恐れがある。このため滴下法或いはスピンコート法等の方法を用いるとよい。

図８に示す自発光デバイス３１”は、電子放出素子１とこれに電圧を印加する電源７を備えており、さらに、電子放出素子１の微粒子層４に蛍光体３２’として蛍光の微粒子が混入されている。この場合、蛍光体３２’の微粒子を絶縁体の微粒子５と兼用させてもよい。但し前述した蛍光体の微粒子は一般的に電気抵抗が低く、絶縁体の微粒子５に比べると明らかに電気抵抗は低い。よって蛍光体の微粒子を絶縁体の微粒子５に変えて混合する場合、その蛍光体の微粒子の混合量は少量に抑えなければ成らない。例えば、絶縁体の微粒子５として球状シリカ粒子（平均径１１０ｎｍ）、蛍光体微粒子としてＺｎＳ：Ｍｇ（平均径５００ｎｍ）を用いた場合、その重量混合比は３：１程度が適切となる。

上記自発光デバイス３１，３１’，３１”では、電子放出素子１より放出させた電子を蛍光体３２，３２に衝突させて発光させる。なお、自発光デバイス３１，３１’，３１”は、電子放出素子１の導電微粒子６が抗酸化力の高い導電体であると大気中で電子を放出できるため、大気中動作可能である。また、導電微粒子６がどのような導電体であっても、真空封止すれば電子放出電流が上がり、より効率よく発光することができる。

さらに、図９に、本発明に係る自発光デバイスを備えた本発明に係る画像表示装置の一例を示す。図９に示す画像表示装置１４０は、図８で示した自発光デバイス３１”と、液晶パネル３３０とを供えている。画像表示装置１４０では、自発光デバイス３１”を液晶パネル３３０の後方に設置し、バックライトとして用いている。画像表示装置１４０に用いる場合、自発光デバイス３１”への印加電圧は、２０〜３５Ｖが好ましく、この電圧にて、例えば、単位時間当たり１０μＡ／ｃｍ^２の電子が放出されるようになっていればよい。また、自発光デバイス３１”と液晶パネル３３０との距離は、０．１ｍｍ程度が好ましい。

また、本発明に係る画像表示装置として、図６に示す自発光デバイス３１を用いる場合、自発光デバイス３１をマトリックス状に配置して、自発光デバイス３１そのものによるＦＥＤとして画像を形成させて表示する形状とすることもできる。この場合、自発光デバイス３１への印加電圧は、２０〜３５Ｖが好ましく、この電圧にて、例えば、単位時間当たり１０μＡ／ｃｍ^２の電子が放出されるようになっていればよい。

〔実施の形態４〕
図１０及び図１１に、実施の形態１で説明した本発明に係る電子放出素子１を用いた本発明に係る冷却装置の例をそれぞれ示す。なお、冷却装置を送風装置として利用してもよい。

図１０に示す冷却装置１５０は、電子放出素子１とこれに電圧を印加する電源７とからなる。冷却装置１５０において、電子放出素子１は、電気的に接地された被冷却体４１に向かって電子を放出することにより、イオン風を発生させて被冷却体４１を冷却する。冷却させる場合、電子放出素子１に印加する電圧は、１８Ｖ程度が好ましく、この電圧で、雰囲気下に、例えば、単位時間当たり１μＡ／ｃｍ^２の電子を放出することが好ましい。

図１１に示す冷却装置１６０は、図１０に示す冷却装置１５０に、さらに、送風ファン４２が組み合わされている。図１１に示す冷却装置１６０は、電子放出素子１が電気的に接地された被冷却体４１に向かって電子を放出し、さらに、送風ファン４２が被冷却体４１に向かって送風することで電子放出素子１から放出された電子を被冷却体４１に向かって送り、イオン風を発生させて被冷却体４１を冷却する。この場合、送風ファン４２による風量は、０．９〜２Ｌ／分／ｃｍ^２とするのが好ましい。

ここで、送風によって被冷却体４１を冷却させようとするとき、従来の冷却装置のようにファン等による送風だけでは、被冷却体４１の表面の流速が０となり、最も熱を逃がしたい部分の空気は置換されず、冷却効率が悪い。しかし、送風される空気の中に電子やイオンといった荷電粒子を含まれていると、被冷却体４１近傍に近づいたときに電気的な力によって被冷却体４１表面に引き寄せられるため、表面近傍の雰囲気を入れ替えることができる。ここで、本発明に係る冷却装置１５０，１６０では、送風する空気の中に電子やイオンといった荷電粒子を含んでいるので、冷却効率が格段に上がる。

冷却装置１５０，１６０に用いられる電子放出素子１は、導電微粒子６が抗酸化力の高い導電体であると大気中で動作させることができる。

上述した実施形態および実施は例示であり、電子放出素子１は、他にも、例えば、電子線硬化装置に用いることができる。電子線硬化装置は、電子放出素子と、これに電圧を印加する電源と、さらに電子を加速させる加速電極とを備えている。

つまり、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明に係る電子放出素子は、電気的導通を確保して十分な素子内電流を流し、薄膜電極から弾道電子を放出させることが可能である。よって、例えば、電子写真方式の複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置の帯電装置や、電子線硬化装置、或いは発光体と組み合わせることにより画像表示装置、または放出された電子が発生させるイオン風を利用することにより冷却装置等に、好適に適用することができる。

１ 電子放出素子
２ 基板（電極基板）
３ 上部電極（薄膜電極）
４ 微粒子層（電子加速層）
５ 絶縁体微粒子（絶縁体物質）
６ 金属微粒子（導電微粒子）
７ 電源（電源部）
８ 対向電極
９ 絶縁体スペーサ
１０ 電子放出装置
１１ 感光体
２１ 加速電極
２２ レジスト
３１，３１’，３１” 自発光デバイス
３２，３２’ 蛍光体
３３ ＩＴＯ膜
３４ ガラス基板
３５ 電源
３６ 発光部
４１ 被冷却体
４２ 送風ファン
５１ 開口部
９０ 帯電装置
１００ 電子線硬化装置
１４０ 画像表示装置
１５０ 冷却装置
１６０ 冷却装置
３３０ 液晶パネル

Claims (12)

1. 電極基板と薄膜電極とを有し、該電極基板と薄膜電極との間に電圧を印加することで、該電極基板と薄膜電極との間で電子を加速させて、該薄膜電極から該電子を放出させる電子放出素子であって、
   上記電極基板と上記薄膜電極との間には、導電微粒子と、該導電微粒子の平均粒径より大きい平均粒径の絶縁体微粒子とが含まれる電子加速層が設けられており、
   上記絶縁体微粒子の平均粒径をｘ（ｎｍ）、上記薄膜電極の厚みをｙ（ｎｍ）とすると、以下の関係式を満たすことを特徴とする電子放出素子。
   ０．３ｘ ＋ ３．９ ≦ ｙ ≦ ７５
2. 以下の関係式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子。
   ０．３ｘ ＋ ３．９ ≦ ｙ ≦ ６０
3. 上記絶縁体微粒子の平均粒径は、１２〜１１０ｎｍであることを特徴とする、請求項１または２に記載の電子放出素子。
4. 上記絶縁体微粒子は、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、及びＴｉＯ_２の少なくとも１つを含んでいる、または有機ポリマーを含んでいることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電子放出素子。
5. 上記薄膜電極は、金、銀、炭素、タングステン、チタン、アルミ、及びパラジウムの少なくとも１つを含んでいることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電子放出素子。
6. 上記導電微粒子は、抗酸化力が高い導電体であることを特徴とする、請求項１〜５の何れか１項に記載の電子放出素子。
7. 上記導電微粒子は、貴金属であることを特徴とする、請求項６に記載の電子放出素子。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の電子放出素子と、上記電極基板と上記薄膜電極との間に電圧を印加する電源部と、を備えたことを特徴とする電子放出装置。
9. 請求項８に記載の電子放出装置と発光体とを備えたことを特徴とする自発光デバイス。
10. 請求項９に記載の自発光デバイスを備えたことを特徴とする画像表示装置。
11. 請求項６に記載の電子放出素子と、上記電極基板と上記薄膜電極との間に電圧を印加する電源部と、を有する電子放出装置を備え、該電子放出装置から電子を放出して被冷却体を冷却することを特徴とする冷却装置。
12. 請求項６に記載の電子放出素子と、上記電極基板と上記薄膜電極との間に電圧を印加する電源部と、を有する電子放出装置を備え、該電子放出装置から電子を放出して感光体を帯電することを特徴とする帯電装置。

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