JP5033892B2 - 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、送風装置、冷却装置、帯電装置、画像形成装置、電子線硬化装置、および電子放出素子の製造方法 - Google Patents
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、送風装置、冷却装置、帯電装置、画像形成装置、電子線硬化装置、および電子放出素子の製造方法 Download PDFInfo
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Description
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。
このような背景から、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開発されている。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。これらは素子内部の電子加速層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。
しかし、このような電子放出素子は、一般にピンホールや絶縁破壊等が生じやすい。このため、このような電子放出素子に、微粒子を有する絶縁膜を用いてピンホールや絶縁破壊等の発生を防止することが知られている。例えば、相対向する2枚の電極の間に微粒子を含む絶縁体を設けたMIM型の電子放出素子が知られている(例えば、特許文献1参照)。また、炭素系電子放出材料で構成された電子放出部と前記電子放出部上に載置された前記電子放出部から電子を引き出すための電子引き出し電極との間に、絶縁粒子からなる粉体層と、この粉体層を覆うように形成された酸化物絶縁体からなる固定層とから構成される絶縁膜を配置するカーボンナノチューブ型電極による電子放出素子が知られている(例えば、特許文献2参照)。
この発明の電子放出素子の電子放出は、次のようなメカニズムによるものである。つまり、第1電極と第2電極との間に電圧が印加されると、第1電極から、第1電極と第2電極との間に設けられた絶縁体微粒子層にある絶縁体微粒子の表面に電子が移る。絶縁体微粒子の内部は高抵抗であるため電子は絶縁体微粒子の表面を伝導していく。このとき、絶縁体微粒子の表面の不純物や絶縁体微粒子が酸化物の場合に発生することのある酸素欠陥、あるいは絶縁体微粒子間の接点において、電子がトラップされる。このトラップされた電子は固定化された電荷として働く。その結果、絶縁体微粒子層の表面では印加電圧とトラップされた電子の作る電界が合わさって強電界となり、その強電界によって電子が加速され、第2電極から電子が放出される状態に至る。
一方、このメカニズムを絶縁体微粒子層というマクロな視点でとらえると、絶縁体微粒子層には第2電極側の面に絶縁体微粒子層の層厚よりも小さい凹部が設けられ、絶縁体微粒子層が薄くなっているため、この凹部の部分で、その電気抵抗の値が小さくなっている。このため、この凹部の部分に、局所的に強電界が生じる。この結果、この凹部の部分で、電子が放出されやすくなり、第2電極からの電子放出量が増える。
このようなメカニズムにより、この発明の電子放出素子は、適度な電圧で十分な電子放出量が得ることができる。従来のMIS素子では十分な電子放出量が得るため、約100Vの電圧を印加する必要があったが、この発明の電子放出素子は、約15Vよりも小さい電圧で十分な電子放出量が得ることができる。
なお、第1電極は、絶縁体微粒子層に電圧を印加するための導体又は半導体であり、単一の構造体であっても、複数の構造体で構成された構造体であってもよい。例えば、第1電極は、金属板であってもよいし、絶縁体上に形成された金属膜(ガラス基板に形成されたアルミ膜等)であってもよい。この第1電極は、いわゆる電極基板を含む。
このように構成された電子放出素子は、絶縁体微粒子層は、第2電極側の面に絶縁体微粒子層の層厚よりも小さい凹部が設けられているため、この電子放出素子をエージング試験(例えば、長時間にわたる連続動作試験)にかけると、その凹部の部分に電界が集中した状態が続くことになり、この電子放出素子は局所的な電圧・電流ストレスに連続的にさらされる。このとき、この凹部の部分に欠陥が生じやすくなり,欠陥が発生してその数が増加すると、電流のパスが生じて絶縁破壊につながることになる。しかし、この発明の電子放出素子の第2電極と絶縁体微粒子層との間に炭素薄膜が設けられると、この炭素薄膜が抵抗体として機能するため(例えば、金、銀等の第2電極と比較して炭素薄膜が電気的に高抵抗であるため)、前記の局所的かつ連続的な電圧・電流ストレスが緩和されることになる。この結果、欠陥が生じにくく、絶縁破壊が生じにくくなる。
また、この発明の電子放出素子を、送風装置あるいは冷却装置に用いることにより、放電を伴わず、オゾンやNOxを始めとする有害な物質の発生がなく、被冷却体表面でのスリップ効果を利用することにより高効率で冷却することができる。
また、この発明の電子放出素子を、帯電装置、及びこの帯電装置を備えた画像形成装置に用いることにより、放電を伴わず、オゾンやNOxを始めとする有害な物質を発生させることなく、長期間安定して被帯電体を帯電させることができる。
また、この発明の電子放出素子を、電子線硬化装置に用いることにより、面積的に電子線硬化でき、マスクレス化が図れ、低価格化・高スループット化を実現することができる。
また、この発明の電子放出素子を電子放出装置に用いてもよい。つまり、この発明は、前記いずれか一つの電子放出素子と、第1電極と第2電極との間に電圧を印加する電源部と、を備える電子放出装置であってもよい。適度な電圧の印加により十分な電子放出量が得られるとともに長時間連続して動作する電子放出素子を用いるので、電子を安定して放出させる電子放出装置が提供される。
なお、これらの装置、つまり、自発光デバイス、画像表示装置、送風装置、冷却装置、帯電装置、画像形成装置、電子線硬化装置及び電子放出装置は、複数の電子放出素子を含んでもよい。例えば、複数の電子放出素子が平面体上に配置されて、これらの装置に適用されてもよい。また、複数の電子放出素子が第1電極を兼用して用いられてもよい。
この発明によれば、その表面に凹部が設けられた絶縁体微粒子層を備える電子放出素子を製造することができる。このため、適度な電圧で十分な電子を放出する電子放出素子の製造方法が提供される。
また、前記層形成工程がスピンコート法により前記分散液を塗布する工程であってもよいし、また、前記層形成工程は、前記絶縁体微粒子と前記有機微粒子とが水性溶媒に分散された分散液を塗布する工程であってもよい。スピンコート法を用いるので、分散液の塗布が容易にでき、また、水性溶媒を用いるので、環境への負荷が小さい。例えば、水を用いて分散液を製造すれば、有機溶媒を用いる必要がないので、環境にやさしい。
図1は、この発明の電子放出素子の一実施形態煮に係る構成を示す模式図である。図1に示すように、この実施形態に係る電子放出素子10は、電極基板1と、電極基板1上に形成され、絶縁体微粒子で構成された電子加速層3と、電子加速層3上に電極基板1と対向して形成された薄膜電極4とを備えている。この電子放出素子10は、電極基板1と薄膜電極4との間に電圧が印加されると、電極基板1から供給される電子を電子加速層3で加速させて薄膜電極4から放出させる。
また、絶縁体微粒子2は、微粒子、つまり、主としてナノサイズの粒子で構成されている。絶縁体微粒子2は、その平均粒径が5〜1000nmであるものを用いるとよい。絶縁体微粒子の平均粒径が5nmより小さいと、平均粒径のばらつきを小さくすることが難しく、均一な電子加速層を形成することが難しい。また、絶縁体微粒子の平均粒径が1000nmより大きいと、分散液を塗布して電子加速層を形成する場合に、絶縁体微粒子が沈降して分散性が悪くなり、形成された電子加速層が不均一な膜厚となったり、機械的強度が低下したりする。このため、上記の範囲内の平均粒径である絶縁体微粒子を用いるとよい。
なお、材料が異なる複数の種類の粒子を用いる場合、これら粒子が前記数値範囲の平均粒径をもつ粒子であればよい。これら粒子が分散液に分散、塗布されて電子加速層3を形成する場合に分散性を考慮してこれら粒子を選定すればよい。
なお、熱処理を行って絶縁体微粒子2を完全に溶解させ結晶化させると、電子加速層3は絶縁物となり、電子加速層3として機能しないことから、電子加速層3は単に絶縁体微粒子2を材料とすればよいのではなく、電子加速層3は粒子状の絶縁体微粒子2で形成されている必要がある。
なお、図1では、薄膜電極4が後述する微小凹部5をほぼ埋めるように形成されているが、薄膜電極4は、微小凹部5を覆うものであればよく、この微小凹部5を完全に埋めるように形成される必要はない。例えば、この微小凹部5の形状が薄膜電極4の表面に現れるように形成されてもよい。
なお、ここでいう微小凹部の最大径は、電子加速層表面の面における凹部の最大径(図1に示すW)であり、微小凹部がクレーター形状である場合、電子加速層表面の面における孔径のうち最大の径がこれに該当する。したがって、例えば、微小凹部5が楕円形のクレーター形状の場合、最も広い部分の幅を孔径として測定して確認すればよい。
なお、微小凹部5の配置は、必ずしも等間隔に配置される必要はなく、微小凹部5による電界が互いに干渉しない程度に分散されて配置されていればよく、単位面積あたりの配置数が前記数値範囲内にあればよい。
次に、実施形態1に係る電子放出素子10の製造方法について説明する。
まず、水に絶縁体微粒子が分散された単分散の絶縁体微粒子分散液を用意する。分散液における絶縁体微粒子の濃度は、10wt%以上50wt%以下が好ましい。10wt%より低濃度であれば、電極基板上に絶縁体微粒子を充填することができず、50wt%より高濃度であれば、粘度が上昇し、凝集が起こり薄膜化できない。単分散の絶縁体微粒子分散液の例としては、日産化学工業株式会社製の親水性シリカの分散液であるコロイダルシリカMP−4540(平均粒子径450nm、40wt%)、MP−3040(平均粒子径300nm、40wt%)、MP−1040(平均粒子径100nm、40wt%)、スノーテックス20(平均粒子径15nm、20wt%)、スノーテックスSX(平均粒子径5nm、20wt%)が挙げられる。
有機微粒子は、平均粒径が5〜1000nmである微粒子を用いる。有機微粒子の形状は、特に制限されないが、例えば、真球状、楕円体状の粒子を用いるとよい。また、円柱状の形態の粒子を用いてもよい。これらの形状の有機微粒子から、作製する電子放出素子における電子加速層3の層厚に応じて適切な粒径、形状を有する有機微粒子を選定すればよい(市販品から選定すればよい)。材質は、アクリル樹脂やスチレン樹脂等の、上記絶縁体微粒子よりも低い温度で熱分解する有機材料を用いる。有機微粒子の例としては、日本ペイント株式会社製のアクリルまたはスチレン・アクリル微粒子のファインスフェアシリーズ、FS-101(平均粒子径80nm、20wt%)、FS-102(平均粒子径80nm、20wt%)、MG-151(平均粒子径70nm、20wt%)、日本触媒製のメタクリル酸メチル系架橋物から成る樹脂球状微粒子エポスターMXシリーズ、JSR株式会社製のスチレン/ジビニルベンゼンから成る高架橋微粒子(SX8743)、ポリスチレンラテックス粒子のスタデックスシリーズなどが挙げられる。
分散液のスピンコート条件は、特に限定されないが、電極基板に調整された分散液を塗布した後、例えば、スピン回転数500rpmで5秒間、電極基板を回転させた後、スピン回転数3000から4500rpmで10秒間、電極基板を回転させる。電極基板に対する塗布量は特に限定されないが、例えば、24mm角の電極基板に塗布する場合、0.2mL/cm2以上であればよい。スピンコート法を用いることで、上記絶縁体微粒子および有機微粒子を非常に簡便に広範囲に塗布することができる。よって、広範囲で電子放出する必要のあるデバイスに好適に用いることができる。
そして、スピンコート法による塗布を行った後、分散液が塗布された電極基板を乾燥させる。なお、塗布された分散液により形成された層が所望の膜厚となるまで、塗布及び乾燥を繰り返してもよい。
加熱処理における加熱温度は、有機微粒子が熱分解する温度以上で行うが、無機微粒子が結晶化しない温度範囲で行うのが好ましい。無機微粒子が溶解して結晶化すると、微粒子層が完全な絶縁物となり電子加速層として機能しなくなる。例えば、無機微粒子材料としてSiO2、有機微粒子材料としてアクリルを用いた場合、400℃で5分間加熱処理を行うのがよい。この加熱処理により、微小凹部がその表面に形成され、電子加速層3の形成処理が完了する。
なお、上記加熱処理により電子放出素子の機械的強度が向上し、電子放出素子が安定して電子を供給することが可能になる。加熱処理がないと、電子放出素子の機械的強度が弱く、その上に薄膜電極4を設けてももろく、壊れやすいため電子放出も不安定になる。このため、上記のような加熱処理を行う。
図2は、この発明の電子放出素子における他の実施形態煮に係る構成を示す模式図である。図2に示すように、この実施形態に係る電子放出素子10は、実施形態1の構成に加えて、炭素薄膜6を備えている。つまり、微小凹部5が炭素薄膜6で被覆されている。炭素薄膜6は、電子加速層3上に微小凹部5を一様に覆うように形成され、炭素薄膜6上には、薄膜電極4が形成されている。
次に、実施形態2に係る電子放出素子10の製造方法について説明する。実施形態2に係る電子放出素子10は、電子加速層3の形成処理後の製造方法が相違するため、この電子加速層3の形成処理後の工程について説明する。
微小凹部が電子加速層3の表面に形成され、電子加速層3の形成処理が完了した後、形成された電子加速層3上に炭素薄膜6を成膜する。炭素薄膜6の成膜には、例えば、蒸着法を用いればよい。また、マグネトロンスパッタ法を用いてもよい。そして、次に、炭素薄膜6の形成後、炭素薄膜6上に薄膜電極4を成膜する。
以下の実施例では、この発明に係る電子放出素子を用いて電流測定した実験について説明する。なお、この実験は実施の一例であって、この発明の内容を制限するものではない。
まず実施例1の電子放出素子と比較例1の電子放出素子を以下のように作製した。そして、作製した電子放出素子について、図4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4の実験系では、電子放出素子10の薄膜電極4側に、絶縁体スペーサー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10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10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。また、実験では、絶縁体スペーサー9を挟んで、電子放出素子と対向電極との距離は5mmとした。また、対抗電極への印加電圧V2=50Vとした。
電極基板1として24mm×24mm角のSUS基板を用い、真空度20Pa下でUV照射を10分間行った。
まず、絶縁体微粒子2として日産化学工業株式会社製のコロイダルシリカ、スノーテックスXS(メーカー公称値平均粒子径5nm、20wt%)を超純水で10wt%に希釈し、このコロイダルシリカ溶液5.7gと、有機微粒子として日本ペイント株式会社製のアクリル微粒子、FS-101E(メーカー公称値平均粒子径80nm、20wt%)0.5gを混合し超音波分散器にかけ、微粒子分散液を調製した。
電極基板1となる24mm角のSUS基板上に、上記で得られた分散液を1mL滴下後、スピンコート法を用いて500rpm、5sの後、続いて3000rpm、10sの条件の2段階で絶縁体微粒子と有機微粒子とを含む微粒子層を形成した後、室温で自然乾燥させた。その後、微粒子層を形成した電極基板を、電気炉を用いて400℃で5分間加熱した。このようにして作製した電子加速層3の層厚は0.2μmであった。
電子加速層3の表面に、マグネトロンスパッタ装置を用いて薄膜電極4を成膜することにより、実施例1の電子放出素子を得た。薄膜電極4の成膜材料として金を使用し、薄膜電極4の層厚は40nm、同面積は0.01cm2とした。
電極基板1として24mm×24mm角のSUS基板を用い、真空度20Pa下でUV照射を10分間行った。
まず、絶縁体微粒子2として日産化学工業株式会社製のコロイダルシリカ、スノーテックスXS(メーカー公称値平均粒子径5nm、20wt%)を超純水で10wt%に希釈し、このコロイダルシリカ溶液5.7gと、有機微粒子として日本ペイント株式会社製のアクリル微粒子、FS-101E(メーカー公称値平均粒子径80nm、20wt%)0.5gを混合し超音波分散器にかけ、微粒子分散液を調製した。
電極基板1となる24mm角のSUS基板上に、上記で得られた分散液を1mL滴下後、スピンコート法を用いて500rpm、5sの後、続いて3000rpm、10sの条件の2段階で絶縁体微粒子と有機微粒子とを含む微粒子層を形成した後、室温で自然乾燥させた。その後、微粒子層を形成した電極基板を、電気炉を用いて400℃で5分間加熱した。このようにして作製した電子加速層3の層厚は0.2μmであった。
電子加速層3の表面に、蒸着装置を用いて炭素薄膜を成膜し、更に炭素薄膜の表面に、マグネトロンスパッタ装置を用いて薄膜電極4を成膜することにより、実施例2の電子放出素子を得た。薄膜電極4の成膜材料として金を使用し、薄膜電極4の層厚は40nm、同面積は0.01cm2とした。
電極基板1として24mm×24mm角のアルミ基板を用い、真空度20Pa下でUV照射を10分間行った。
まず、絶縁体微粒子2として日産化学工業株式会社製のコロイダルシリカ、MP1040(メーカー公称値平均粒子径100nm、40wt%)5.4gと、有機微粒子として日本ペイント株式会社製のアクリル微粒子、FS-101E(メーカー公称値平均粒子径80nm、20wt%)0.5gを混合し超音波分散器にかけ、微粒子分散液を調製した。
電極基板1となる24mm角のSUS基板上に、上記で得られた分散液を1mL滴下後、スピンコート法を用いて500rpm、5sの後、続いて3000rpm、10sの条件の2段階で絶縁体微粒子と有機微粒子とを含む微粒子層を形成した後、室温で自然乾燥させた。その後、微粒子層を形成した電極基板を、電気炉を用いて400℃で5分間加熱した。このようにして作製した電子加速層3の層厚は0.9μmであった。
電子加速層3の表面に、マグネトロンスパッタ装置を用いて薄膜電極4を成膜することにより、実施例3の電子放出素子を得た。薄膜電極4の成膜材料として金を使用し、薄膜電極4の層厚は40nm、同面積は0.01cm2とした。
電極基板1として24mm×24mm角のSUS基板を用い、真空度20Pa下でUV照射を10分間行った。
まず、絶縁体微粒子7として日産化学工業株式会社製のコロイダルシリカ、スノーテックスXS(メーカー公称値平均粒子径5nm、20wt%)を超純水で10wt%に希釈し、超音波分散器にかけ、微粒子分散液を調整した。
電極基板1となる24mm角のSUS基板上に、上記で得られた分散液を1mL滴下後、スピンコート法を用 いて500rpm、5sの後、続いて3000rpm、10sの条件の2段階で絶縁体微粒子を含む電子加速層3を形成した後、室温で自然乾燥させた。このようにして作製した電子加速層3の層厚は0.8μmであった。
電子加速層3の表面には、マグネトロンスパッタ装置を用いて薄膜電極4を成膜することにより、比較例1の電子放出素子を得た。薄膜電極4の成膜材料として金を使用し、薄膜電極4の層厚は40nm、同面積は0.01cm2とした。
また、実施例3の電子放出素子は連続駆動4時間にて電子放出がストップしたのに対し、実施例2の電子放出素子は連続駆動100時間においても電子放出を維持しており、電子放出素子の薄膜電極と絶縁体物質からなる電子加速層との間に炭素薄膜を設けることによってライフ性能が向上することがわかる。
図5に、実施形態2で説明した電子放出素子10を利用した帯電装置90の一例を示す。帯電装置90は、電子放出素子10とこれに電圧を印加する電源7とを有する電子放出装置11から成り、感光体12を帯電させるものである。この帯電装置90は、例えば、画像形成装置に用いられる。つまり、一実施形態に係る画像形成装置は、この帯電装置90を具備している。この実施形態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10は、被帯電体である感光体12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12を帯電させる。なお、この実施形態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10は、感光体12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10への印加電圧は25V程度が好ましく、電子放出素子10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/cm2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装置11は、大気中で動作しても放電を伴わず、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12やベルトなどを酸化し劣化させてしまう。この発明の実施形態に係る電子放出装置11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、このような問題を解決することができる。また、電子放出素子10は電子放出量が向上しているため、帯電装置90は、効率よく帯電できる。
さらに、この発明の実施形態に係る電子放出素子が基板に複数形成された電子放出装置11を用いることにより、帯電装置90として用いられる電子放出装置11は、面電子源として構成されるので、感光体12の回転方向へも幅を持って帯電を行え、感光体12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。
図6に、実施形態2で説明した電子放出素子10を用いた電子線硬化装置100の一例を示す。電子線硬化装置100は、電子放出素子10とこれに電圧を印加する電源7とを有する電子放出装置11と、電子を加速させる加速電極21とを備えている。電子線硬化装置100では、電子放出素子10を電子源とし、放出された電子を加速電極21で加速してレジスト(被硬化物)22へと衝突させる。一般的なレジスト22を硬化させるために必要なエネルギーは10eV以下であるため、エネルギーだけに注目すれば加速電極は必要ない。しかし、電子線の浸透深さは電子のエネルギーの関数となるため、例えば厚さ1μmのレジスト22を全て硬化させるには約5kVの加速電圧が必要となる。
従来からある一般的な電子線硬化装置は、電子源を真空封止し、高電圧印加(50〜100kV)により電子を放出させ、電子窓を通して電子を取り出し、照射する。この電子放出の方法であれば、電子窓を透過させる際に大きなエネルギーロスが生じる。また、レジストに到達した電子も高エネルギーであるため、レジストの厚さを透過してしまい、エネルギー利用効率が低くなる。さらに、一度に照射できる範囲が狭く、点状で描画することになるため、スループットも低い。
これに対し、電子放出素子10を用いた電子線硬化装置100は、大気中動作可能であるため、真空封止の必要がない。また、電子放出素子10は電子放出量が向上しているため、電子線硬化装置100は、効率よく電子線を照射できる。また、電子透過窓を通さないのでエネルギーのロスも無く、印加電圧を下げることができる。さらに面電子源であるためスループットが格段に高くなる。また、パターンに従って電子を放出させれば、マスクレス露光も可能となる。
図7〜9に、実施形態2で説明した電子放出素子10を用いた自発光デバイスの例をそれぞれ示す。
図7に示す自発光デバイス31は、電子放出素子10とこれに電圧を印加する電源7とを有する電子放出装置と、さらに、電子放出素子10と離れ、対向した位置に、基材となるガラス基板34、ITO膜33、および蛍光体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Y2O3:Eu、(Y,Gd)BO3:Eu、緑色ではZn2SiO4:Mn、BaAl12O19:Mn、青色ではBaMgAl10O17:Eu2+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、この実施形態では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10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10の電極基板1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、第2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10との距離は、0.3〜1mmで、電源7からの印加電圧は18V、第2電源35からの印加電圧は500〜2000Vにするのが好ましい。
上記自発光デバイス31,31’,31”では、電子放出素子10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。電子放出素子10は電子放出量が向上しているため、自発光デバイス31,31’,31”は、効率よく発光を行える。なお、自発光デバイス31,31’,31”は、大気中動作可能であるが、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。
図11及び図12に、実施形態2で説明した電子放出素子10を用いた送風装置の例をそれぞれ示す。以下では、送風装置を、冷却装置として用いた場合について説明する。しかし、送風装置の利用は冷却装置に限定されることはない。
図11に示す送風装置150は、電子放出素子10とこれに電圧を印加する電源7とを有する電子放出装置11からなる。送風装置150において、電子放出素子10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10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/cm2の電子を放出することが好ましい。
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、従来の送風装置あるいは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、この実施形態に係る送風装置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。さらに、電子放出素子10は電子放出量が向上しているため、送風装置150,160は、より効率よく冷却することができる。送風装置150および送風装置106は、大気中動作も可能である。
2 絶縁体微粒子
3 電子加速層(絶縁体微粒子層)
4 薄膜電極(第2電極)
5 微小凹部(凹部)
6 炭素薄膜
7 電源(電源部)
8 対向電極
9 絶縁体スペーサー
10 電子放出素子
11 電子放出装置
12 感光体
21 加速電極
22 レジスト(被硬化物)
31,31’,31” 自発光デバイス
32,32’ 蛍光体(発光体)
33 ITO膜
34 ガラス基板
35 第2電源
36 発光部
41 被冷却体
42 送風ファン
90 帯電装置
100 電子線硬化装置
140 画像表示装置
150 送風装置
160 送風装置
330 液晶パネル
Claims (22)
- 第1電極と、
第1電極上に形成され、絶縁体微粒子で構成された絶縁体微粒子層と、
前記絶縁体微粒子層上に形成された第2電極と、
を備え、
前記絶縁体微粒子層は、第2電極側の表面に前記絶縁体微粒子層の層厚よりも深さが小さい凹部が形成され、
前記凹部は、炭素薄膜で被覆され、
第1電極と第2電極との間に電圧が印加されると、第1電極から供給される電子を前記絶縁体微粒子層で加速させて第2電極から放出させるように構成されることを特徴とする電子放出素子。 - 第1電極と、
第1電極上に形成され、絶縁体微粒子で構成された絶縁体微粒子層と、
前記絶縁体微粒子層上に形成された第2電極と、
を備え、
前記絶縁体微粒子層は、第2電極側の表面に前記絶縁体微粒子層の層厚よりも深さが小さい凹部が形成され、
前記凹部は、第1電極上に絶縁体微粒子及び有機微粒子を含む前記有機微粒子よりも厚い層を形成して、前記有機微粒子を分解することにより得られる凹部であり、
第1電極と第2電極との間に電圧が印加されると、第1電極から供給される電子を前記絶縁体微粒子層で加速させて第2電極から放出させるように構成されることを特徴とする電子放出素子。 - 前記凹部は、その最大径が5〜1000nmである請求項1または2に記載の電子放出素子。
- 前記凹部が1〜100個/μm 2 の分布密度で形成された請求項1から3のいずれか1項
に記載の電子放出素子。 - 前記絶縁体微粒子層が8〜3000nmの層厚で形成された請求項1から4のいずれか1項に記載の電子放出素子。
- 前記絶縁体微粒子が5〜1000nmの平均粒径である請求項1から5のいずれか1項に記載の電子放出素子。
- 前記絶縁体微粒子が、SiO2、Al2O3、及びTiO2の少なくとも1つの絶縁体で形成された粒子である請求項1から6のいずれか1項に記載の電子放出素子。
- 第2電極が、金、銀、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つの金属で形成された請求項1から7のいずれか1項に記載の電子放出素子。
- 請求項1から8のいずれか1項に記載の電子放出素子と発光体とを備え、前記電子放出素子から電子を放出して前記発光体を発光させる自発光デバイス。
- 請求項9に記載の自発光デバイスを備えた画像表示装置。
- 請求項1から8のいずれか1項に記載の電子放出素子を備え、前記電子放出素子から電子を放出して送風することを特徴とする送風装置。
- 請求項1から8のいずれか1項に記載の電子放出素子を備え、前記電子放出素子から電子を放出して被冷却体を冷却する冷却装置。
- 請求項1から8のいずれか1項に記載の電子放出素子を備え、前記電子放出素子から電子を放出して感光体を帯電する帯電装置。
- 請求項13に記載の帯電装置を備えた画像形成装置。
- 請求項1から8のいずれか1項に記載の電子放出素子を備えた電子線硬化装置。
- 請求項1から8のいずれか1項に記載の電子放出素子と、第1電極と第2電極との間に電圧を印加する電源部と、を備えた電子放出装置。
- 第1電極と、第1電極上に絶縁体微粒子により形成された絶縁体微粒子層と、前記絶縁体微粒子層上に形成された第2電極と、を備え、第1電極と第2電極との間に電圧が印加されると、第1電極から供給される電子を絶縁体微粒子層で加速させて第2電極から放出させる電子放出素子の製造方法であって、
第1電極上に絶縁体微粒子及び有機微粒子を含む前記有機微粒子よりも厚い層を形成する層形成工程と、
第1電極上に形成された前記層の前記有機微粒子を分解して前記層の表面に凹部を形成し、絶縁体微粒子層を形成する絶縁体微粒子層形成工程と、
前記絶縁体微粒子層上に第1電極と対向する第2電極を形成する工程と、
を備えることを特徴とする電子放出素子の製造方法。 - 前記凹部を炭素薄膜で被覆する工程をさらに備える請求項17に記載の電子放出素子の製造方法。
- 前記層形成工程が、絶縁体微粒子と有機微粒子とが分散された分散液を第1電極上に塗布することにより、前記層を形成する工程であり、前記絶縁体微粒子層形成工程が、第1電極上に形成された前記層を加熱処理することにより、前記有機微粒子を分解して前記層の表面に凹部を形成する工程である請求項17又は18に記載の電子放出素子の製造方法。
- 前記層形成工程は、平均粒径が5〜1000nmである前記有機微粒子が分散された前記分散液を塗布する工程であり、前記分散液を第1電極上に塗布し、8〜3000nmの厚さの層を形成する工程である請求項19に記載の電子放出素子の製造方法。
- 前記層形成工程がスピンコート法により前記分散液を塗布する工程である請求項19又は20に記載の電子放出素子の製造方法。
- 前記層形成工程は、前記絶縁体微粒子と前記有機微粒子とが水性溶媒に分散された分散液を塗布する工程である請求項19から21のいずれか1項に記載の電子放出素子の製造方法。
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