JP5795330B2 - 電子放出素子、電子放出装置、帯電装置、画像形成装置、電子線硬化装置自発光デバイス、画像表示装置、送風装置、冷却装置、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、帯電装置、画像形成装置、電子線硬化装置自発光デバイス、画像表示装置、送風装置、冷却装置、および電子放出素子の製造方法 Download PDF

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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。
従来知られている電子放出素子として、電界電子放出を利用したものがある。電界電子放出は、電子を放出させるために２つの電極間に電圧を印加する。この印加電圧により両電極間に高電界を形成することで、一方の電極（エミッタ）からトンネル効果により電子を放出させる方法である。エミッタの構造の違いにより、スピント型、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）型などの電界電子放出素子が知られている。
また、電子放出素子を大気中で使いたいという要望がかねてから存在する。しかし、上記の電界電子放出を用いた電子放出素子を、大気中で動作させることには原理的な困難を伴う。なぜなら、電界電子放出を実現するためには高電界が必要であり、放出された電子は高いエネルギーを有する。高エネルギーの電子が大気中の気体分子と衝突すると、気体分子を電離させる。電離により生じた陽イオンは、素子近傍に形成されている高電界により素子表面へ向かって加速され衝突しスパッタリングを起こす。このスパッタリングにより、電子放出素子が破壊される。また、高エネルギーの電子が、酸素分子に衝突した場合は、電離せずにオゾンを生成することが知られている。オゾンは非常に活性が高く、有害物質であり、加えて様々な物質を劣化させる。
上記の理由から、一般的に電界電子放出を用いた電子放出素子は、真空中に封止して使用する。電子を真空中から取り出す必要がある場合には、真空層と大気を隔てる電子透過窓を設置して、電子を真空層から大気中へ透過させる必要がある。
一方、大気中にて安定して動作させることの可能な電子放出素子として、ＭＩＭ型、あるいはＭＩＳ型と呼ばれる電子放出素子が知られている（特許文献１参照）。ＭＩＭ型電子放出素子は、薄膜金属電極、絶縁体層、金属電極基板の３層から構成される。ＭＩＳ型電子放出素子は、薄膜金属電極、絶縁体層、半導体電極基板の３層から構成される。これらの素子において、絶縁体層において電子は加速されるので、以下では、絶縁体層のことを電子加速層と呼ぶ。電子加速層を挟む両電極に電圧を印加すると、電子加速層内にて加速された電子の一部が素子表面の薄膜電極を透過し、素子全面より二次元的に放出される。
電極間に形成される電界により電子が加速され、電子が素子外に放出される、という点において、ＭＩＭ型、及びＭＩＳ型電子放出素子と、電界電子放出を利用した電子放出素子は同様である。しかし、形成される電界が素子内に限定される、という点において電界電子放出を利用した電子放出素子とは大きく異なる。動作時に生じる電界が素子内に限定されることが、ＭＩＭ型、及びＭＩＳ型電子放出素子の大気中における安定動作を可能としている。
上記のように、ＭＩＭ型、およびＭＩＳ型の電子放出素子は、大気中にて安定動作が可能であり、かつ面放出型の電子放出素子である。
日本国公開特許公報「特開２００９−１４６８９１号公報（公開日：２００９年７月２日）」
しかし、特許文献１の電子放出素子において、電子放出量が多い素子は、素子内部を流れる素子内電流の量も多くなる傾向があり、駆動時の消費電力が高いといった改善の余地を有している。
本発明の目的は、電子放出量が多くとも素子内電流量は小さい、電子放出効率の高い電子放出素子を提供することにある。
本発明の一態様に係る電子放出素子は、電極基板と薄膜電極とを備え、当該電極基板と薄膜電極との間に電圧を印加することによって、当該電極基板と薄膜電極との間において電子を加速させて、当該薄膜電極から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、少なくとも絶縁体微粒子からなる電子加速層が設けられており、
上記電極基板の電子加速層が設けられる面に凹凸を備えており、
上記電極基板の凸部上の上記薄膜電極に開口部が形成されていることを特徴としている。
上記の構成による電子放出素子において、電極基板と薄膜電極との間に電圧が印加されると、電子加速層内に電界が形成されると同時に、電流の担い手として電子が流れる。その電子の一部が、印加電圧の形成する電界により加速され、弾道電子として電子加速層から放出され、薄膜電極に形成された開口部を通過して、または薄膜電極をトンネルして、薄膜電極側より素子外部へ放出される。
電子加速層から放出された弾道電子は、薄膜電極の開口部を通過する、または薄膜電極とトンネルする、という２つの課程のいずれかを経て素子外部へ放出される。薄膜電極をトンネルする場合には、薄膜電極の厚みに依存したトンネル確率に依存して素子外への電子放出量が著しく減少する。一方、薄膜電極の開口部を通過する場合は弾道電子を遮るものがなく、電子加速層から放出された電子はすべて素子外へ放出される。すなわち、電子放出量が減少しない。
ここで、電子放出素子の製造時に、凹凸を備えた電極基板上に平坦な電子加速層を形成した場合、電極基板の凹部上には厚さの厚い電子加速層が形成される。一方、電極基板の凸部上には厚さの薄い電子加速層が形成される。ここで、凹凸を備えた電極基板と、薄膜電極との間に電圧を印加すると、電極基板の凹凸部分にある電子加速層に電界が形成される。その際、電極基板の凸部上のより薄い電子加速層には、凹部上に形成される電界よりも強い電界が形成される。
この強い電界によって、電極基板の凸部上の電子加速層は絶縁破壊される。その結果、電極基板の凸部の形状に対応した開口部が薄膜電極に形成される。電極基板には任意の形状で凹凸を形成することが可能なので、薄膜電極に形成する開口部の形状も任意に形成することが可能である。
以上のように、電子放出素子に凹凸を備えた上記電極基板を用いることによって、薄膜電極に制御性よく、かつ簡便に開口部を形成することができる。また、電子放出素子の薄膜電極に開口部を設けることにより、従来の開口部を備えない電子放出素子と比較して、電子放出効率を向上させることができる。
本発明の一態様に係る電子放出素子の製造方法は、上記の課題を解決するために、
電極基板と薄膜電極とを備え、当該電極基板と薄膜電極との間に電圧を印加することによって、当該電極基板と薄膜電極との間で電子を加速させて、当該薄膜電極から放出させる電子放出素子の製造方法であって、
上記電極基板上に、少なくとも絶縁体微粒子からなる電子加速層を形成する工程と、
上記電子加速層上に、薄膜電極を形成する工程と、
上記薄膜電極に開口部を形成する工程とを含み、
上記基板電極は、電子加速層が設けられる面に凹凸を備えており、
上記薄膜電極に開口部を形成する工程において、上記凹凸を備えた基板電極と、上記薄膜電極との間に電圧を印加することによって、当該電極基板の凸部上の薄膜電極に開口部を形成することを特徴としている。
上記の構成によれば、電子放出素子の製造時に、凹凸を備えた電極基板上に平坦な電子加速層を形成した場合、電極基板の凹部上には厚さの厚い電子加速層が形成される。一方、電極基板の凸部上には厚さの薄い電子加速層が形成される。ここで、凹凸を備えた電極基板と、薄膜電極との間に電圧を印加すると、電極基板の凹凸部分にある電子加速層に電界が形成される。その際、電極基板の凸部上のより薄い電子加速層には、凹部上に形成される電界よりも強い電界が形成される。
この強い電界によって、電極基板の凸部上の電子加速層は絶縁破壊される。その結果、電極基板の凸部の形状に対応した開口部が薄膜電極に形成される。電極基板には任意の形状で凹凸を形成することが可能なので、薄膜電極に形成する開口部の形状も任意に形成することが可能である。
以上のように、電子放出素子の製造時に凹凸を備えた電極基板を用いることによって、薄膜電極に制御性よく、かつ簡便に開口部を形成することができる。また、電子放出効率を向上させた電子放出素子を製造することができる。
以上のように、本発明に係る電子放出素子は、薄膜電極に開口部を備えており電子放出効率の向上に効果を奏する。また、凹凸を備えた電極基板を用いることにより、制御性よく、かつ簡便に上記薄膜電極の開口部を形成することを可能とする。
本発明の一実施形態の電子放出素子を用いた電子放出装置の構成を示す断面図である。 本発明の一実施形態の電子放出素子を用いた電子放出装置の構成を示す上面図である。 本発明の一実施形態の電子放出素子を用いた電子放出装置の構成を示す断面図（開口部形成前）である。 図１の電子放出装置を用いた帯電装置の一例を示す図である。 図１の電子放出装置を用いた電子線硬化装置の一例を示す図である。 図１の電子放出装置を用いた自発光デバイスの一例を示す図である。 図１の電子放出装置を用いた自発光デバイスの他の一例を示す図である。 図１の電子放出装置を用いた自発光デバイスのさらに別の一例を示す図である。 図１の電子放出装置を用いた自発光デバイスを具備する画像表示装置の他の一例を示す図である。 図１の電子放出装置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。 図１の電子放出装置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、本発明に係る電子放出素子、電子放出装置の実施形態及び実施例について、図１〜図１１を参照して説明する。なお、以下に記述する実施の形態及び実施例は、本発明の具体的な一例に過ぎず、本発明はこれらによって何ら限定されるものではない。
〔実施形態１〕
図１は、本発明に係る一実施形態の電子放出素子１を用いた電子放出装置１０の構成を示す断面図である。図２は、本発明に係る一実施形態の電子放出素子１を用いた電子放出装置１０の構成を示す上面図である。
図１および図２に示すように、電子放出装置１０は、本発明に係る一実施形態の電子放出素子１と電源７（電源部）とを備えている。
（電子放出素子１の構成）
図１に示すように、電子放出素子１は、下部電極となる電極基板２と、上部電極となる薄膜電極３と、その間に挟まれた電子加速層４とを備えている。電極基板２は、図１に示す凹凸形状を備えている。また、電子加速層４は、図１に示すように、単分散の絶縁体微粒子が整列して充填した層、すなわち絶縁体微粒子層からなる。上記の構造からなる電子放出素子１は、半導電性の輸送特性を示す。
電源７は、電極基板２と薄膜電極３との両電極間に電圧を印加するための電源である。電極基板２と薄膜電極３との両電極間に電圧が印加されると、電子加速層４に電流の担い手として電子が流れる。それと同時に、電極基板２と薄膜電極３に挟まれた電子加速層４には、印加された電圧により高電界が形成される。電極基板２と薄膜電極３との間を流れる電子は、この高電界により加速され、その電子の一部が弾道電子として電子加速層４から放出される。電子加速層４から放出された弾道電子は、電極基板２の凸部上の薄膜電極３に形成された開口部６を通過して、または、薄膜電極３をトンネルして素子外部へと放出される。
なお、電極基板２が凹凸形状を備えているため、電子加速層４は電極基板２の凹部上に形成された厚さの厚い部分と、電極基板２の凸部上に形成された厚さの薄い部分とを備える。ここで、電子加速層４の膜厚は、電極基板２の凹部上に形成された電子加速層４の厚さと定義する。
（電極基板２）
電極基板２は、薄膜電極３と対になり電子加速層４内に電圧を印加するための電極である。これに加え、電子放出素子１の支持体としての役割も担う。したがって、電極基板２として用いる物質には、ある程度の強度を有すること、直に接する物質との接着性が良好なこと、および適度な導電性を有することが求められる。電極基板２の具体的な例としては、ステンレス、アルミニウム、チタン、および銅などの金属基板、ならびにシリコン、ゲルマニウム、およびガリウム砒素などの半導体基板を挙げることができる。
電極基板２の表面に形成する凹凸の高さ（深さ）は、電子加速層４の膜厚に対して５０〜８０％であることが好ましい。電極基板２表面の凹凸の高さ（深さ）を、好ましくは電子加速層４の膜厚の、５０〜８０％とすることにより、薄膜電極３に開口部６を形成する際に、電極基板２と薄膜電極３とが短絡する危険性を回避する。
また、開口部６の形状は、電極基板２に形成する凹凸形状に対応して自己形成的に決定される。よって、開口部６として形成したいパターンを電極基板２の凸部としてパターニングすることにより、任意の形状、大きさ、および密度の開口部６を実現できる。
このとき、電極基板２の形状や大きさに制限はないが、開口部６が多数存在することにより、電子放出素子１から効率良く電子放出させることが可能となるので、電極基板２の凸部は基板面内に多数形成することが好ましい。
金属基板および半導体基板以外に、電極基板２として、ガラス基板やプラスティック基板などの絶縁体基板を用いることも可能である。表面に凹凸形状を形成された絶縁体基板は、電子放出素子１の支持体として機能する。したがって、電極基板２として絶縁体基板を用いる場合は、凹凸形状の絶縁体基板の表面（電子加速層４との界面）に、金属などの導電性物質を薄膜電極として成膜する必要がある。
薄膜電極として成膜する物質は、優れた導電性を有し、薄膜形成することが可能であれば特に限定されない。ただし、電子放出素子１に対して、大気中における安定動作を望む場合は、成膜する物質として抗酸化力の高い導電体を用いることが好ましく、貴金属を用いることがより好ましい。
電子放出素子１の用途に応じて、酸化物導電材料として透明電極に広く利用されているスズ添加酸化インジウム（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において、例えば、ガラス基板表面にチタンを２００ｎｍ成膜し、さらに重ねて銅を１０００ｎｍ成膜した金属薄膜を電極薄膜として用いてもよい。ただし、これら材料および数値に限定されることはない。
（薄膜電極３）
薄膜電極３は、電極基板２と対になり電子加速層４内に電圧を印加するための電極である。したがって、導電電極３に用いる物質は、導電性を有し電圧印加が可能となる物質であれば特に制限されない。ただし、電子放出素子１の動作環境として大気中を想定する場合は、薄膜電極３として、酸化物および硫化物形成反応のない金が最適な物質となる。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物質である。
電子放出素子１において、薄膜電極３には図１および図２に示す開口部６が設けられている。この開口部６があることにより、電子加速層４において加速された弾道電子は、薄膜電極３をトンネルする必要なしに素子外部へ放出される。よって、薄膜電極３に開口部６を設けることにより、電子放出素子の電子放出効率が向上する。
また、薄膜電極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り、１０〜５５ｎｍの範囲とすることが好ましい。電子放出素子１において、薄膜電極３を平面電極として機能させるための最低膜厚は１０ｎｍである。薄膜電極３の膜厚が１０ｎｍ未満の場合、平面電極として電気的導通を十分に確保できない。一方、電子放出素子１から外部へ電子放出を可能とするために許容される、薄膜電極３の最大膜厚は５５ｎｍである。薄膜電極３の膜厚が５５ｎｍより厚くなると、弾道電子のトンネル確率が著しく減少するために、あるいは、電子加速層４との界面における反射により電子加速層４への再捕獲が生じるために、電子放出素子１から外部への電子放出効率が低下する。
（電子加速層４）
電子加速層４は、少なくとも絶縁体微粒子５を含んでいればよい。絶縁体微粒子５の直径（平均径）は５〜１０００ｎｍであることが好ましく、１５〜５００ｎｍがより好ましい。これによって、電子加速層４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。したがって、電子放出素子１が動作時の発熱により破壊されることを防止する。さらに、電子加速層４の膜厚を変更することにより、電子放出素子１の抵抗値を任意かつ容易に調整することが可能となる。
絶縁体微粒子５に用いる物質としては、酸化シリコン、酸化アルミニウム、および酸化チタンといったものが実用的である。販売されている製品としては、例えば日産化学工業株式会社の製造販売するコロイダルシリカが利用可能である。
電子加速層４の層厚は、８〜３０００ｎｍであるのが好ましい。これにより、電子加速層４の表面を平坦化すること、および層厚方向における電子加速層４の抵抗値の制御が可能となる。電子加速層４の層厚は、３０〜１０００ｎｍとすることがより好ましい。
（電子放出素子１の製造方法）
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。電子放出素子１の製造工程は、電極基板２表面への凹凸形状の形成と、電極基板２の親水性処理と、電子加速層４の形成と、薄膜電極３の形成と、薄膜電極３への開口部６の形成とからなる。
電極基板２には、金属基板、半導体基板、ならびに絶縁体基板のいずれかを使用する。
（電極基板２表面への凹凸形状の形成）
電極基板２表面へ凹凸形状を形成する。例えば、電極基板２としてアルミニウム金属基板を用いる場合、ＢＣｌ３ガスとＣｌ２ガスとの混合ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法によりアルミニウムのエッチングが可能である。エッチングする部分としない部分をパターニングすることによって、電極基板２の表面に任意の凹凸形状を形成する。
電極基板２として絶縁体基板を用いる場合は、基板表面に凹凸形状を形成した後に、導電物質を成膜することにより電極基板２とする。
（電子加速層４の形成）
電極基板２の表面に、電子加速層４を形成する。電子加速層４は少なくとも絶縁体微粒子５によって形成される絶縁体微粒子層からなり、絶縁体微粒子５に加えて導電微粒子を備えてもよい。実施の形態１において例示する電子放出素子１は、電子加速層４として絶縁体微粒子５からなる絶縁体微粒子層のみを備える。電極基板２の親水性処理、および絶縁体微粒子層の形成について以下に示す。
（電極基板２の親水性処理と絶縁体粒子層の形成）
電極基板２上に、絶縁体微粒子分散液を用いて、絶縁体微粒子５の薄膜を形成する。絶縁体微粒子分散液は、単分散の絶縁体微粒子５を水などの溶媒中に分散させたものである。絶縁体微粒子分散液を電極基板２上に塗布し、絶縁体微粒子５を層状に堆積するためにはスピンコート法を用いる。
この際、電極基板２の極性に留意する必要がある。一般的に、電極基板２は疎水性であり、絶縁体微粒子分散液は親水性である。電極基板２と絶縁体微粒子分散液との極性が異なるために、素の電極基板２上に絶縁体微粒子分散液を塗布すると、絶縁体微粒子分散液は電極基板２表面において撥水された状態になる。その状態においてスピンコートを実施しても、絶縁体微粒子５は電極基板２上に堆積しない。
そこで、絶縁体微粒子分散液の電極基板２への濡れ性を改善するために、電極基板２の表面を親水性に処理する必要がある。電極基板２の表面を親水性処理するためには、電極基板２表面に紫外線処理を施す。紫外線処理の方法に限定はないが、例えば、真空度２０Ｐａ下において電極基板２表面に、紫外線を１０分間照射する。
絶縁体微粒子層を形成するためのスピンコートに用いる絶縁体微粒子分散液の固形分濃度は、１０ｗｔ％以上５０ｗｔ％以下が好ましい。固形分濃度が１０ｗｔ％未満であると、絶縁体微粒子分散液の粘土が低すぎて電極基板２上に絶縁体微粒子５を堆積することができない。一方、固形分濃度が５０ｗｔ％より高い場合は、絶縁体微粒子分散液の粘度が高すぎるために、絶縁体微粒子５の凝集が起こる。その結果、電極基板２上に平坦な絶縁体微粒子５の薄膜を形成することができない。
電極基板２上に絶縁体微粒子分散液をスピンコートする際の条件に限定はないが、例えば回転数５００回転／分（ｒｐｍ）において５秒間回転させたのち、回転数３０００〜４５００ｒｐｍを１０秒間保持する。絶縁体微粒子分散液の塗布量に限定はないが、例えば０．２ｍＬ／ｃｍ２以上あればよい。
この条件において形成した絶縁体微粒子層の膜厚は、電子放出素子１として用いるために適正である。また、電極基板２上に絶縁体粒子５が平坦に充填されるため、電極基板２の凹部には厚い、そして凸部には薄い電子加速層４が形成される。電子加速層４の表面は、電子放出素子１を作製するために必要十分な平坦性を有している。
なお、絶縁体微粒子層形成に用いる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％）、およびスノーテックスＳＸ（平均粒子径５ｎｍ、２０ｗｔ％）が挙げられる。
（薄膜電極３の成膜）
電子加速層４の表面に、例えばマグネトロンスパッタリング法を用いて薄膜電極３を成膜し、開口部形成前の素子が完成する。開口部形成前の素子の断面図を図３に示す。
薄膜電極３の成膜方法は、マグネトロンスパッタリング法に限定されず、例えばインクジェット法、スピンコート法、蒸着法等を用いることもできる。
（開口部６の形成）
上記の方法にて製造した開口部形成前の電子放出素子において、開口部６を形成するために、電極基板２と薄膜電極３との間に電圧印加する。開口部６が形成される機構は、次の通りである。
図３に示す電子放出素子において、凸部上の電子加速層４の厚さは、凹部上の電子加速層４の厚さより薄い。よって、凸部上の電子加速層４に形成される電界強度は、凹部上の電子加速層４に形成される電界強度よりも強い。このため、凸部上の電子加速層４が絶縁破壊し、基板電極２の凸部の形状に対応して薄膜電極３に開口部６が自己形成される。
上記の方法によって、開口部６を簡便に、かつ任意の場所に制御性よく形成することが可能となる。よって、開口部６から弾道電子が効率よく放出される電子放出素子１を製造することができる。
〔実施例１〕
以下、本発明に係る電子放出素子１の実施例について説明する。
電極基板２として２５ｍｍ×２５ｍｍ角のアルミニウム基板を用いた。ＢＣｌ３ガスとＣｌ２ガスとの混合ガスを用いたＲＩＥ法によりアルミニウムをエッチングし、電極基板２の表面に深さ６００nmの凹凸形状を形成した。凸部の平面形状は正方形とし、その面積は０．０１ｍｍ２とした。さらに、基板電極２の親水性処理として、真空度２０Ｐａ下において、紫外線を１０分間照射した。
次に、絶縁体微粒子分散液として日産化学工業株式会社製のコロイダルシリカＭＰ−１０４０（平均粒子径１００ｎｍ、４０ｗｔ％）を１ｍＬ、電極基板２上に滴下し、スピンコート法を用いて塗布した。スピンコート条件は、次の通りである。回転数を０回転／分（ｒｐｍ）から３０００ｒｐｍまで５秒間かけて上昇させた後、３０００ｒｐｍで１０秒間保持した。
上記の方法により、単分散の絶縁体微粒子５が整列して充填された絶縁体粒子層を備える電子加速層４を得た。ここで形成された電子加速層４の膜厚は９００ｎｍであった。
電子加速層４の表面に、マグネトロンスパッタリング装置を用いて薄膜電極３を成膜した。薄膜電極３の成膜物質として金を使用し、薄膜電極３の膜厚は４０ｎｍ、同面積は０．０１ｃｍ２とした。
最後に、電極基板２と薄膜電極３の間に電圧を印加することにより、基板電極凸部上の薄い電子加速層４および薄膜電極３に開口部６を形成した。
上記の方法により製造された電子放出素子１は、電極基板２の表面に凹凸形状を多数備えることに伴い薄膜電極３に多数の開口部６を備えること、および平坦な電子加速層４の表面を備えることにより、電子放出素子全面の任意の位置から制御性よく、かつ効率よく電子を放出することを確認した。すなわち、電子放出素子１において、素子全面にわたって良好な電子放出特性が実現された。
〔実施形態２〕
（帯電装置９０）
図４に、実施の形態１において説明した本発明に係る一実施形態の電子放出装置１０を備えた本発明に係る帯電装置の一例を示す。帯電装置９０は、電子放出素子１とこれに電圧を印加するための電源７とを備える電子放出装置１０と、感光体ドラム１１とからなる。本発明に係る画像形成装置は、この帯電装置９０を備えている。
本発明に係る画像形成装置において、帯電装置９０における電子放出素子１は、被帯電体である感光体ドラム１１に対向して設置される。電源７を用いて電子放出素子１に電圧を印加することにより、電子放出素子１は電子を放出し感光体ドラム１１の表面を帯電させる。ここで、帯電装置９０に備えられる電子放出素子１は、感光体ドラム１１の表面から、例えば３〜５ｍｍの間隔をもっ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程度が好ましい。電子放出素子１における電子加速層４は、例えば電源７より２５Ｖの電圧を印加された時に、単位時間当たり１μＡ／ｃｍ２の電子が放出されるように構成されていればよい。
なお、本発明に係る画像形成装置において、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。電子放出素子１は電子放出効率が高いため、帯電装置９０は効率よく感光体ドラム１１を帯電させる。
帯電装置９０として用いられる電子放出素子１は、素子外に電界を形成しないので、大気中において動作しても放電を伴わない。したがって、帯電装置９０を大気中にて使用してもオゾンを発生しない。オゾンは人体に有害であり、環境に対する各種規格によって規制されている。よって、帯電装置９０がオゾン発生を伴わないことは、画像形成装置の設計において自由度を増すことに功を奏する。
従来の帯電装置において、オゾンが装置外に放出されない構造に設計しても、装置内において発生したオゾンは、装置内の有機材料、例えば感光体ドラム１１やベルトなどを酸化し劣化させてしまう。上記の画像形成装置におけるオゾン発生に関する問題を、本発明に係る電子放出素子１を備える電子放出装置１０を帯電装置９０に用いることで解決することができる。
また、帯電装置９０に備えられる電子放出素子１は、素子表面の全面から電子を放出する面電子放出源である。よって、帯電装置９０は感光体ドラム１１の回転方向に対して幅を持って帯電させることを可能とする。このことは、感光体ドラム１１の特定箇所を帯電させる機会を多く有することを意味する。面電子放出源を備える帯電装置９０は、線状に帯電するワイヤ帯電器などと比較して、より均一な帯電を実現する。
また、帯電装置９０を用いて感光体ドラム１１を帯電させる際に、電子放出素子１が必要とする印加電圧は１０Ｖ程度である。一方、コロナ放電器を利用したワイヤ帯電器の場合は、感光体ドラムを帯電するために数ｋＶの印加電圧を必要とする。このように、電子放出素子１を備えた帯電装置９０は、コロナ放電器を備えたワイヤ帯電器と比較して、格段に低い印加電圧による動作を実現している。
〔実施形態３〕
（電子線硬化装置１００）
図５に、実施形態１において説明した本発明に係る一実施形態の電子放出装置１０を備えた電子線硬化装置の一例を示す。電子線硬化装置１００は、電子放出素子１とこれに電圧を印加する電源７とをからなる電子放出装置１０と、放出された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は、電子放出源として電子放出素子１を備え、放出された電子を加速電極２１によって加速してレジスト２２へと衝突させる。その結果、レジスト２２は電子線のエネルギーを吸収することにより硬化する。
一般的なレジストを硬化させるために必要とされるエネルギーは１０ｅＶ以下である。放出電子は１０ｅＶ以上のエネルギーを有しているので、レジストを単純に硬化させるという観点においては、電子をさらに加速する必要はない。ただし、電子線のレジストへの浸透深さは電子のエネルギーに依存することが知られている。例えば厚さ１μｍのレジスト２２を厚さ方向に対して完全に硬化させるには、約５ｋＶの加速電圧が必要となる。このように、レジスト２２の膜厚に応じて、必要十分なエネルギーを放出電子に与えるために加速電極２１が必要となる。
従来からある一般的な電子線硬化装置は、電子放出源を真空封止し、電子放出源に高電圧（５０〜１００ｋＶ）を印加することによって電子を放出させる。大気中にてレジストを硬化させる場合は、真空相と大気を隔てる電子透過窓を別途設置する必要がある。そして、電子透過窓を通じて真空中より大気中に電子を透過させた後に、電子を被照射物に照射する。この電子照射方法においては、放出電子が電子透過窓を透過する際に、大きなエネルギーが電子透過窓に吸収されてしまう。また、電子放出源に電界放出型の素子を用いるために、レジストに到達した電子は必要以上の高エネルギーを有する。そのため、多くの電子がレジストの膜厚を透過してしまい、エネルギー利用効率が低くなる。さらに、電界放出型の電子放出素子は点電子放出源であるため、一度に照射できる範囲が狭くスループットが低い。
これに対し、電子放出装置１０を用いた本発明に係る電子線硬化装置１００は、大気中にて動作可能であり真空封止の必要がない。また、電子放出素子１は電子放出効率が高いため、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、放出電子に対する加速電圧を下げることが可能となる。さらに面電子放出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。
〔実施形態４〕
図６〜８に、実施の形態１において説明した本発明に係る一実施形態の電子放出装置１０を備えた本発明に係る自発光デバイス３１、３１ａ、３１ｂの例をそれぞれ示す。
（自発光デバイス３１）
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とを備える電子放出装置１０と、電子放出素子１から所定の間隔を有し対向した位置に、基材となるガラス基板３４、ＩＴＯ薄膜３３、および蛍光体３２（発光体）を備える発光部３６と、電源３５とを備える。電源３５は、電子放出素子１における電極基板２と、ＩＴＯ薄膜３３との間に電圧を印加するために自発光デバイス３１に備えられる。
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いる。例えば、赤色蛍光体としてＹ２Ｏ３：Ｅｕ、および（Ｙ，Ｇｄ）ＢＯ３：Ｅｕ、緑色蛍光体としてＺｎ２ＳｉＯ４：Ｍｎ、ＢａＡｌ１２Ｏ１９：Ｍｎ、青色蛍光体としてＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ２＋などが使用可能である。
発光部３６に形成される蛍光体３２の厚みは１μｍ程度が好ましい。また、ＩＴＯ薄膜３３の膜厚は、導電性を確保できる膜厚であれば問題なく、本実施形態においては１５０ｎｍとする。蛍光体３２の成膜には、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から成る塗布液を準備する。この塗布液を用いて、ＩＴＯ薄膜３３上にバーコーター法あるいは滴下法などの公知な方法によって成膜するとよい。
蛍光体３２の発光輝度を上げるためには、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る。そのために電源３５を用いて、電極基板２とＩＴＯ薄膜３３との間に電圧を印加し、電子放出素子１から放出された電子を加速する。このとき、蛍光体３２と電子放出素子１との間隔は０．３〜１ｍｍが好ましい。また、電源７からの電子放出素子１への印加電圧は１８Ｖ、電源３５からの電極基板２とＩＴＯ薄膜３３とへの印加電圧は５００〜２０００Ｖが好ましい。
（自発光デバイス３１ａ）
図７に示す自発光デバイス３１ａは、電子放出素子１とこれに電圧を印加する電源７とさらに蛍光体３２とを備えている。自発光デバイス３１ａでは、蛍光体３２は平面状であり、電子放出素子１の上部電極表面に配置されている。ここで、蛍光体３２の層は、微粒子化した蛍光体粒子とバインダーであるエポキシ系樹脂とからなる塗布液を用いて、電子放出素子１の上部電極表面に成膜される。ただし、電子放出素子１そのものは外力に対して弱い構造なので、バーコーター法による成膜手段を利用すると素子が壊れる恐れがある。このため、蛍光体３２の層を成膜する方法としては、滴下法またはスピンコート法などが適している。
（自発光デバイス３１ｂ）
図８に示す自発光デバイス３１ｂは、電子放出素子１とこれに電圧を印加する電源７とを備えており、この構成は電子放出装置１０と同様である。これに加えて、自発光デバイス３１には、電子放出素子１の電子加速層４に蛍光体微粒子を混合している。この場合、絶縁体微粒子５の一部を代替して、蛍光体微粒子を混合してもよい。
自発光デバイス３１ｂにおける発光輝度を向上するためには、電子加速層４における蛍光体微粒子の絶縁体微粒子５に対する混合比率を高くしたい。しかし、以下に示す理由により、その混合比率はある上限をもって制限される。一般的に、蛍光体微粒子は低い抵抗率を有する。そのため、電子加速層４において蛍光体微粒子の混合比率が増加していくと、電子加速層４の抵抗率は減少していく。電子加速層４が電子加速層として機能するためには、所定の抵抗率より高い抵抗率を有する必要がある。以上の理由によって、電子加速層４において絶縁体微粒子５の一部に代替して蛍光体微粒子を混合する場合、その混合比には最適値が存在する。例えば、絶縁体微粒子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程度が最適となる。
（自発光デバイスのまとめ）
上記自発光デバイス３１，３１ａにおいては、電子放出素子１より放出させた電子が蛍光体３２に衝突することにより自発光デバイスとなる。上記自発光デバイス３１ｂにおいては、電子加速層４内において加速された電子が蛍光体微粒子に衝突することによって自発光デバイスとなる。
電子放出素子１は電子放出効率が高いため、自発光デバイス３１，３１ａ，３１ｂは、効率よく発光を行える。なお、自発光デバイス３１，３１ａ，３１ｂは、電子放出源として電子放出素子１を用いているため、大気中にて動作可能だが、真空封止することにより電子放出電流が上がり、さらに高効率な発光を実現する。
（画像表示装置１４０）
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、自発光デバイス３１ｂと液晶パネル３３０とを備えている。画像表示装置１４０においては、自発光デバイス３１ｂ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る。自発光デバイス３１ｂを画像表示装置１４０に用いる場合、電源７による自発光デバイス３１ｂへの印加電圧は、２０〜３５Ｖが好ましい。また、自発光デバイス３１ｂは、２０〜３５Ｖの電圧を印加された際に、例えば単位時間当たり１０μＡ／ｃｍ２の電子が放出されるように構成されていればよい。また、自発光デバイス３１ｂと液晶パネル３３０との距離は、０．１ｍｍ程度が好ましい。
（その他の画像表示装置）
また、図６に示す自発光デバイス３１をマトリックス状に配置することによって、画像表示装置を実現する。この画像表示装置は、電子放出素子より放出された電子による蛍光体の発光を利用しており、広義の意味において電界放出ディスプレイ（ＦＥＤ）といえる。この場合、電源６による自発光デバイス３１への印加電圧は、２０〜３５Ｖが好ましい。自発光デバイス３１は、２０〜３５Ｖの電圧を印加された際に、例えば単位時間当たり１０μＡ／ｃｍ２の電子が放出されるように構成されていればよい。
〔実施形態５〕
図１０及び図１１に、実施の形態１において説明した本発明に係る電子放出装置１０を備えた本発明に係る送風装置の例を示す。以下において、本願発明に係る送風装置を、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。
（送風装置１５０，送風装置１６０）
従来の送風装置あるいは冷却装置のように、送風のみを用いて被冷却体を冷却する場合、被冷却体の表面における空気の流速が０となる。すなわち、被冷却体から最も熱を奪える部分の空気が置換されず冷却効率が悪い。この問題を解消するためには、被冷却体に通常の空気ではなく、電子やイオンといった荷電粒子を含んだ空気を送風することが効果的である。なぜなら、被冷却体近傍に送風された荷電粒子を含んだ空気は、静電的な力によって被冷却体表面に引き寄せられ、すでに被冷却体表面に存在していた空気と置換されるからである。
本発明に係る電子放出装置１０を備えた、本発明に係る送風装置の例を以下に示す。
図１０に示す送風装置１５０は、電子放出素子１とこれに電圧を印加する電源７とからなる電子放出装置１０を備える。送風装置１５０において、電子放出装置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。このことにより、イオン風を発生させて被冷却体４１を冷却する。この場合、電子放出素子１への印加電圧は１８Ｖ程度が好ましい。また、電子放出素子１は電圧１８Ｖを印加された際に、例えば単位時間当たり１μＡ／ｃｍ２の電子を放出するように構成されていることが好ましい。
図１１に示す送風装置１６０は、図１０に示す送風装置１５０に、さらに送風ファン４２を組み合わせたものである。電子放出装置１０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、イオン風を発生させる。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により送風装置１６０は被冷却体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・ｃｍ２）とするのが好ましい。
本発明に係る送風装置１５０および送風装置１６０においては、送風する空気中に電子やイオンといった荷電粒子を含んでいるから、送風のみによる冷却装置と比較して、冷却効率の格段の向上を実現する。さらに、電子放出素子１は電子放出効率が高いため、送風装置１５０および送風装置１６０は、さらに高効率な冷却が可能となる。また、送風装置１５０および送風装置１６０は大気中における長時間の動作も可能である。
本発明の一態様に係る電子放出素子においては、上記絶縁体微粒子は単分散であり、かつ整列して充填していることが好ましい。
上記構成によれば、電子加速層内において、絶縁体微粒子間の接点および導通路が均等に形成される。そのため、電子加速層の全平面内において電子を効率的にトラップしながら伝導させることが可能である。その結果、弾道電子が薄膜電極下において増産され、多量の電子を放出されることが可能となる。したがって、電子放出素子の電子放出効率をより一層高めることができる。
本発明の一態様に係る電子放出素子においては、上記電子加速層を構成する絶縁体微粒子は、酸化シリコン、酸化アルミニウム、および酸化チタンの少なくとも１つを含んでいることが好ましい。
これらの物質の抵抗率（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制御することが可能となる。
本発明の一態様に係る電子放出素子においては、上記絶縁体微粒子の平均径は、５〜１０００ｎｍであることが好ましい。さらには、絶縁体微粒子の平均径を１５〜５００ｎｍとすることがより好ましい。
上記構成によれば、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、電子放出素子が動作時の発熱により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制御を容易にすることができる。
本発明の一態様に係る電子放出素子においては、上記電子加速層の層厚は、８〜３０００ｎｍであるのが好ましい。これにより、電子加速層の表面を平坦化すること、および層厚方向における電子加速層の抵抗値の制御が可能となる。また、上記電子加速層の層厚は、３０〜１０００ｎｍとすることがより好ましい。
本発明の一態様に係る電子放出素子においては、上記電極基板の凹凸の高さは、上記電子加速層の層厚の、５０〜８０％であるのが好ましい。上記電極基板の凹凸の高さを、好ましくは上記電子加速層の層厚の、５０〜８０％とすることにより、開口部形成時に上記電極基板と上記薄膜電極とが短絡する危険性を回避することができる。
上記電極基板の凹凸を面内に多数形成すること、電子加速層の表面を平坦化することにより、電子放出素子表面の全面の任意の位置から制御性よく、かつ効率よく電子を放出させることができる。
本発明の一態様に係る電子放出装置は、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効率よく安定して放出させることができる。
本発明の一態様に係る自発光デバイスは、上述した電子放出装置と発光体とを備え、該電子放出装置から電子を放出して該発光体を発光させることを特徴としている。また、本発明の一態様に係る画像表示装置は、上述した自発光デバイスを備えていることを特徴としている。
上記の構成によれば、本発明の一態様に係る電子放出素子を自発光デバイス、およ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、安定した動作と長寿命な面発光とを実現する自発光デバイスおよび画像表示装置を提供することができる。
本発明の一態様に係る送風装置は、上述した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送風することを特徴としている。また、本発明の一態様に係る冷却装置は、上述した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している。
上記の構成によれば、本発明の一態様に係る電子放出素子を、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、オゾンや窒素酸化物を始めとする有害な物質の発生がなく、被冷却体表面におけるスリップ効果を利用することにより冷却効率の高い冷却を実現する。
本発明の一態様に係る帯電装置は、上述した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している。また、本発明の一態様に係る画像形成装置は、上述した帯電装置を備えていることを特徴としている。
上記の構成によれば、本発明の一態様に係る電子放出素子を、帯電装置、およ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、オゾンや窒素酸化物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。
本発明の一態様に係る電子線硬化装置は、上述したいずれかの電子放出素子を備えていることを特徴としている。
上記の構成によれば、電子放出素子は、面電子放出源であるという特徴を備える。従来の電界電子放出素子が点電子放出源であることに対し、上記電子放出素子は、一度に広範囲に電子を照射することを可能とする。そのため、本発明の一態様に係る電子放出素子を備える電子線硬化装置は、二次元的に電子線を照射しレジストを硬化することを可能とする。また、レジスト硬化時におけるマスクレス化を可能とし、低価格化および高スループット化を実現する。
上記電子加速層を形成する工程が、上記絶縁体微粒子からなる絶縁体微粒子層を上記電極基板上に形成する工程をさらに含んでおり、
上記絶縁体微粒子層を形成する工程は、溶媒中に上記絶縁体微粒子を分散させて得られる絶縁体微粒子分散液を、スピンコート法を用いて上記基板電極上に塗布することによって、上記絶縁体微粒子層を形成することをが好ましい。
上記の構成によれば、絶縁体微粒子分散液を塗布する工程においてスピンコート法を用いる。これにより、絶縁体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適用できる電子放出素子を容易に製造できる。
本発明は、上述した各実施の形態および各実施例に限定されず、請求項に示した範囲において種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲において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、およびファクシミリなどの画像形成装置の帯電装置に適用可能である。また、電子線硬化装置、蛍光体と組み合わせることにより画像表示装置、および放出された電子が発生させるイオン風を利用する冷却装置などに、適用することができる。
１ 電子放出素子
２ 電極基板
３ 薄膜電極
４ 電子加速層
５ 絶縁体微粒子
６ 開口部
７ 電源（電源部）
１０ 電子放出装置
１１ 感光体ドラム
２１ 加速電極
２２ レジスト
３１，３１ａ，３１ｂ 自発光デバイス
３２ 蛍光体（発光体）
３３ ＩＴＯ薄膜
３４ ガラス基板
３５ 電源
３６ 発光部
４１ 被冷却体
４２ 送風ファン
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 (16)

  1. 電極基板と薄膜電極とを備え、当該電極基板と薄膜電極との間に電圧を印加することによって、当該電極基板と薄膜電極との間において電子を加速させて、当該薄膜電極から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、少なくとも絶縁体微粒子からなる電子加速層が設けられており、
    上記電極基板の電子加速層が設けられる面には凹凸を備えており、
    上記電極基板の凸部上の上記薄膜電極に開口部が形成されていることを特徴とする電子放出素子。
  2. 上記絶縁体微粒子は単分散であり、かつ整列して充填していることを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子。
  3. 上記絶縁体微粒子は、酸化シリコン、酸化アルミニウム、および酸化チタンの少なくとも１つを含んでいることを特徴とする、請求項１または２に記載の電子放出素子。
  4. 上記絶縁体微粒子の平均径は、５〜１０００ｎｍであることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の電子放出素子。
  5. 上記電子加速層の層厚は、８〜３０００ｎｍであることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の電子放出素子。
  6. 上記電極基板の凹凸の高さは、上記電子加速層の層厚の、５０〜８０％であることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の電子放出素子。
  7. 請求項１〜６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。
  8. 請求項７に記載の電子放出装置と発光体とを備え、該電子放出装置から電子を放出して該発光体を発光させることを特徴とする自発光デバイス。
  9. 請求項８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。
  10. 請求項７に記載の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送風することを特徴とする送風装置。
  11. 請求項７に記載の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７に記載の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。
  13. 請求項１２に記載の帯電装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。
  14. 請求項７に記載の電子放出装置を備えたことを特徴とする電子線硬化装置。
  15. 電極基板と薄膜電極とを備え、当該電極基板と薄膜電極との間に電圧を印加することによって、当該電極基板と薄膜電極との間で電子を加速させて、当該薄膜電極から放出させる電子放出素子の製造方法であって、
    上記電極基板上に、少なくとも絶縁体微粒子からなる電子加速層を形成する工程と、
    上記電子加速層上に、薄膜電極を形成する工程と、
    上記薄膜電極に開口部を形成する工程とを含み、
    上記電極基板は、上記電子加速層が設けられる面に凹凸を備えており、
    上記薄膜電極に開口部を形成する工程において、上記凹凸を備えた基板電極と、上記薄膜電極との間に電圧を印加することによって、当該電極基板の凸部上の薄膜電極に開口部を形成することを特徴とする電子放出素子の製造方法。
  16. 上記電子加速層を形成する工程が、上記絶縁体微粒子からなる絶縁体微粒子層を上記電極基板上に形成する工程をさらに含んでおり、
    上記絶縁体微粒子層を形成する工程は、溶媒中に上記絶縁体微粒子を分散させて得られる絶縁体微粒子分散液を、スピンコート法を用いて上記電極基板上に塗布することによって、上記絶縁体微粒子層を形成することを特徴とする請求項１５に記載の電子放出素子の製造方法。
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