JP4803760B2 - 電子エミッタの電界エージング方法 - Google Patents

Description

本発明は、電界放射を行うのに適した形状を備えたｎｍオーダーの微細突起を多数備えた電子エミッタに対して当該電子エミッタの電子放出物性と寿命特性とを安定化させるための電界エージング方法に関する。

電子エミッタには、特許文献１等で基板上にシリコンや金属を微小な円錐状に形成したスピント型の構造のものや、特許文献２等で基板上にカーボンナノチューブを形成した構造のものや、その他が知られている。このような電子エミッタの１つの用途として電子エミッタをガラス管内で真空封止した状態で陽極と対向配置すると共にこの陽極上に蛍光体を積層したフィールドエミッションランプがある。

このフィールドエミッションランプでは、電子エミッタに電界が印加されカーボンナノチューブ等の微細突起表面から電子放出が行われ、この放出した電子が蛍光体に衝突してこれを発光させることができるようになっている。

上記した微細突起のアスペクト比が不均等な場合では、アスペクト比が特定の微細突起に電界集中が起こって電子放出が行われて、その微細突起が他の微細突起よりも早期に熱蒸発により消耗し、次に別のアスペクト比の微細突起に電界集中が起こるというごとく、電子放出物性が不安定となって発光のちらつきや発光の不均一といった不具合が発生する上に寿命特性も短く不安定化してしまう。
特開平１０−２２３１２８号公報 特開２００５−３１７４１５号公報

そこで、本出願人は、上記した課題に鑑みて、微細突起のアスペクト比の均等化と局所的に不安定な部分を除去することができる電界エージング方法を新規に発明し、これによって電子エミッタの電子放出物性と寿命特性とを安定化させることを可能としたのである。

本発明にかかる電子エミッタの電界エージング方法は、電界印加により電子放出する複数の微細突起を有した電子エミッタに対して上記複数の微細突起それぞれを選択的に電界蒸発させることにより微細突起全体のアスペクト比を均等化させると共に局所的に不安定な部分を除去し、これによって該電子エミッタの電子放出物性と寿命特性とを安定化させることを特徴とするものである。

本発明によると、上記複数の微細突起それぞれを選択的に電界蒸発させることにより電界エージングするので、微細突起全体のアスペクト比の均等化と微細突起の局所的に不安定な電子放出部分を除去させることができるようになり、電子エミッタの電子放出物性と寿命特性を安定化させることができるようになる。

本発明の好適な一態様は、真空中で上記電子エミッタを電極に対向配置し、電子エミッタが電極よりも低電位となる電位関係（電極電位をプラス電位とすると電子エミッタ電位がマイナス電位または接地電位となる関係）として、電子エミッタと電極とに電位印加して上記電子エミッタの微細突起を電界蒸発させることである。

本発明の好適な一態様は、真空中または大気中で上記電子エミッタを電極に対向配置し、電子エミッタが電極よりも高電位となる電位関係（電極電位をマイナス電位または接地電位とすると電子エミッタ電位がプラス電位となる関係）として、電子エミッタと電極とに電位印加して上記電子エミッタの微細突起を電界蒸発させることである。

本発明によれば、電子エミッタに電界エージングを施すことにより、電子エミッタの電子放出物性と寿命特性とを安定化させることができる。

図１は実施の形態１による電界エージング前の電子エミッタ１０を模式的に拡大して示す図である。 図２は実施の形態１による電界エージング処理に際して電子エミッタと電界エージング用電極とこれらに電位を印加する直流電源１８とを示す図である。 図３は実施の形態１による電界エージング電圧Ｖａｇｅ、電子エミッタ使用時電圧Ｖｕｓｅとの関係を示す図である。 図４は実施の形態１による電界エージング後の電子エミッタを模式的に拡大して示す図である。 図５は実施の形態１による電界エージングを施した電子エミッタの寿命特性と、電界エージングを施さなかった電子エミッタの電流特性とを示す図である。 図６は実施の形態１による電子エミッタと電界エージング用電極とに対する電位印加の例を示す図である。 図７は実施の形態２による電界エージング前の電子エミッタを模式的に拡大して示す図である。 図８は実施の形態２による電界エージング処理に際して電子エミッタと電界エージング用電極とこれらに電位を印加する直流電源とを示す図である。 図９は実施の形態２における電界エージング電圧Ｖａｇｅ、電子エミッタ使用時電圧Ｖｕｓｅとの関係を示す図である。 図１０は実施の形態２による電界エージング後の電子エミッタを模式的に拡大して示す図である。 図１１は実施の形態２により電界エージングを施した電子エミッタの寿命特性と、電界エージングを施さなかった電子エミッタの電流特性とを示す図である。 図１２は実施の形態２における電子エミッタと電界エージング用電極とに対する電位印加の例を示す図である。

符号の説明

１０ 電子エミッタ
１２ 基板
１４ 微細突起
１６ 電界エージング用電極
１８ 直流電源

以下、本発明の実施の形態に係る電子エミッタの電界エージング方法を詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１ないし図６は実施の形態１に係る電子エミッタに対する電界エージング方法の説明に供する図である。図１に電界エージング前の電子エミッタを模式的に拡大して示す。この電子エミッタ１０は基板１２と基板表面の微細突起１４とから構成されている。微細突起１４は、炭素膜からなるｎｍオーダーの鋭端を持つ微細突起１４である。この微細突起１４にはカーボンナノチューブ、カーボンナノウォール、針状炭素膜、その他がある。微細突起１４は金属膜で構成されても構わない。

次に図２で示すように図１の電子エミッタ１０に対してこの電子エミッタ１０を電界エージングするための電極（電界エージング用電極）１６を対向配置するとともに、電子エミッタ１０にマイナス電位、電界エージング用電極１６にプラス電位が印加されるように直流電源１８から電圧（電界エージング電圧）Ｖａｇｅを印加する。これにより電子エミッタ１０と電界エージング用電極１６との間には順バイアス電圧が印加されることになる。

この電界エージング電圧Ｖａｇｅは図３で示すように電子エミッタ１０の使用電圧Ｖｕｓｅよりも大きい電圧である。図３で横軸は電圧、縦軸は電流であり、電子エミッタ１０の電圧−電流特性を示す。図３でＶａｇｅは電界エージング電圧、Ｉａｇｅはその電界エージング電圧Ｖａｇｅに対応する電流、Ｖｕｓｅは電子エミッタ使用時電圧、ＩｕｓｅはＶｕｓｅに対応する電流である。図３で明らかであるように電界エージング電圧Ｖａｇｅ＞＞電子エミッタ使用時電圧Ｖｕｓｅである。

以上の電界エージングにより図４に電界エージングされた電子エミッタ１０を模式的に拡大して示すように、電子エミッタ１０の基板表面の微細突起１４は選択的に電界蒸発され微細突起１４全体のアスペクト比が均等化されると共に不安定な電子放出部分が除去されてしまっている。

上記のように電界エージングされた電子エミッタ１０は図５の実線で示すように寿命特性が大幅に向上している。なお、図５の破線で示すように電界エージング処理しなかった電子エミッタ１０は寿命特性が使用時間の経過と共に次第に低下している。

なお、図６で示すように電子エミッタ１０を接地して電子エミッタ１０の印加電位を接地電位とし、電界エージング用電極１６に直流電源１８からプラス電位を印加し、直流電源１８のマイナス側を接地して、電子エミッタ１０と電界エージング用電極１６とに直流電源１８から電位を印加してもよい。
（実施の形態２）
次に図７ないし図１２を参照して他の実施の形態に係る電界エージング方法を説明する。実施の形態２の電界エージングに用いる電子エミッタ１０は図１と同様であるが実施の形態２として図７に再掲する。図７の説明は略する。

この電子エミッタ１０に対して図８で示すように電界エージングするための電極（電界エージング用電極１６）を対向配置するとともに、電子エミッタ１０にプラス電位、電界エージング用電極１６にマイナス電位が印加されるように直流電源１８から電圧（電界エージング電圧）Ｖａｇｅを印加する。この場合、電子エミッタ１０と電界エージング用電極１６との間には逆バイアス電圧が印加されることになる。

この電界エージング電圧Ｖａｇｅは図９で示すように電子エミッタ使用時電圧Ｖｕｓｅよりも絶対値で大きい電圧（｜Ｖａｇｅ｜＞＞｜Ｖｕｓｅ｜）である。

電界エージング電圧Ｖａｇｅは電子エミッタ１０から電界エージング用電極１６に大電流が流れて導通する電圧（ブレークダウン電圧）未満である。この電界エージング電圧Ｖａｇｅが電子エミッタ１０に印加されている場合、電子エミッタ１０から電界エージング用電極１６には電流は殆ど流れない。そして、この電界エージング電圧Ｖａｇｅにより微細突起１４は選択的に電界蒸発されてしまい、図７の電子エミッタ１０は図１０で示すように基板表面の微細突起１４が選択的に電界蒸発され微細突起１４全体のアスペクト比が均等化されると共に電子放出する上で不安定な部分が除去されてしまっている。図１０は図４と同様であるが実施の形態２として再掲している。

上記のように電界エージングされた電子エミッタ１０は図１１の実線で示すように寿命特性が大幅に向上している。そして、図１１で破線で示すように電界エージング処理しなかった電子エミッタ１０は寿命特性が使用時間の経過と共に次第に低下している。

なお、図１２で示すように電子エミッタ１０を直流電源１８のプラス側に接続してプラス電位を印加し、この直流電源１８のマイナス側を接地し、一方、電界エージング用電極１６を接地して、電子エミッタ１０と電界エージング用電極１６とに直流電源１８から電位を印加してもよい。

以上の実施の形態２の場合も、電子エミッタ１０の微細突起１４は電界蒸発により全体のアスペクト比が均等化され、電界に対して不安定な部分が除去されて、電子放出物性ならびに寿命特性が安定化した電子エミッタ１０の構成となっている。

この実施の形態２の電界エージングでは真空中だけではなく大気中でも電界蒸発により電子エミッタ１０１８の微細突起１４１８ｂに対する電界蒸発による電界エージング処理を実施することができる。その結果、実施の形態２の電界エージング方法では、電界エージングの制御が容易となる。また、電子エミッタ１０には電界エージング処理に大電流を流す必要がないから異常放電が起きにくく陽極に悪影響を及ぼしたりするおそれがない。そのうえ、大気中での電界エージングであるから従来のような真空中のガスで電子エミッタ１０表面が汚れてしまうことがなく電子エミッタ１０としての電界放射の仕事関数に影響するようなことがない。加えて従来のように電子エミッタ１０表面がスパッタリングされて汚れてしまうといったこともない。さらに、電子エミッタ１０に大電流を流して電界エージングする必要が無くなり、したがって、電子エミッタ１０と陽極との間に接続する直流電源１８としては従来の電界エージングに用いる直流電源１８のような厳しい仕様が要求されずに済み、安価に電界エージングを実施することができる、などから、画期的な電子エミッタ１０に対する電子放出物性ならびに寿命特性の安定化方法である。

なお、電界蒸発による電界エージングの原理を説明すると、電子エミッタ１０と電界エージング用電極１６との対向距離をｄとし、電界エージング電圧をＶａｇｅとすると、この電子エミッタ１０と電界エージング用電極１６との間の全体の平均電界Ｅ１は、電界エージング処理時ではＶａｇｅ／ｄで与えられる。この場合、電子エミッタ１０表面の微細突起１４を構成する原子を飛び出させるのに必要な電界はＶ／ｎｍオーダーであることが必要とされている。このような場合において個々の微細突起１４に印加される局所電界Ｅ２は、ファウラノルドハイム（Ｆｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍ）の式における電界集中係数βを用いてＥ１（＝Ｖａｇｅ／ｄ）・βで与えられる。このβは微細突起１４の先端が鋭利であるほど大きい値になるが約１０００程度以上であるから、電子エミッタ１０には、Ｖ／ｎｍオーダーの電界が微細突起１４表面に印加することができるように電界エージング電圧Ｖａｇｅを設定することにより微細突起１４表面の原子を飛び出させて、微細突起１４を電界蒸発させることができる。

本発明にかかる電界エージング方法は、電子エミッタの電子放出物性と寿命特性とを安定化させる上で特に有用である。この電子エミッタはフィールドエミッションランプ等の電子デバイスに組み込んで用いることができる。

Claims (2)

1. 電界印加により電子放出する複数の微細突起を有した電子エミッタに対して上記複数の微細突起それぞれを選択的に電界蒸発させることにより微細突起全体のアスペクト比を均等化させると共に局所的に不安定な部分を除去し、これによって該電子エミッタの電子放出物性と寿命特性とを安定化させる、電子エミッタの電界エージング方法であって、
   大気中で上記電子エミッタを電極に対向配置する工程と、
   上記電子エミッタにプラス電位が、上記電極にマイナス電位がそれぞれ印加されるように電界エージング電圧を印加して上記電子エミッタの微細突起を電界蒸発させる工程と、
   を含む電子エミッタの電界エージング方法。
2. 上記電界エージング電圧Ｖａｇｅを、絶対値で、電子エミッタ使用時の順バイアス電圧Ｖｕｓｅより大きく、かつ、ブレークダウン電圧ＶＢ未満となる電圧とする、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電子エミッタの電界エージング方法。

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