JP6008594B2 - 電子放出素子およびそれを備えた装置 - 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およびそれを備えた各種の装置に関する。

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）型電極等で構成された電子放出素子が知られている。この電子放出素子は、例えば、ＦＥＤ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ）の分野への応用が検討されており、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を放出することができる。

しかし、これら２つのタイプの電子放出素子は、電子放出部の表面近傍に強電界を形成するため、強電界によって気体分子を電離して陽イオンを生じさせ、発生した陽イオンが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を引き起こす問題がある。

また、大気中の酸素は電離エネルギーよりも解離エネルギーの方が低いため、イオンの発生よりも先にオゾンが発生する。高濃度のオゾンは人体に害を与える場合があり、オゾンの強い酸化力により、素子の周囲の部材にダメージを与える場合があった。

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）型と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およ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。これらの電子放出素子は、素子内部の電子加速層で加速した電子を放出することから、素子外部に強電界を必要とせず、陽イオンやオゾンの発生による問題が生じないという利点がある。

例えば、図１１に示す特許文献１のように、基板６７上に形成された相対向する２枚の電極５８、６０の間に、導電性微粒子６１を含む絶縁体５９を電子加速層として設けたＭＩＭ型の電子放出素子が知られている。導電性微粒子６１を含むことにより比較的厚い絶縁体５９でも電子放出させることが可能となり、絶縁体５９を厚くして絶縁耐圧の高い素子を作成することができる。

また、図１２に示す特許文献２のように、第１電極７１と、第１電極７１上に形成され、絶縁性微粒子７２で構成された絶縁性微粒子層７３と、絶縁性微粒子層７３の上に形成された第２電極７４とを備え、絶縁性微粒子層７３における第２電極７４側の表面に凹部７５が形成された電子放出素子８１が知られている。電子加速層となる絶縁性微粒子層７３は、絶縁性微粒子の表面を通じる電流パスを形成するとともに、凹部７５によって厚み方向の電気抵抗を小さくして局所的な強電界を生じさせることにより、凹部７５から放出される電子放出量を増加させることができる。

特開平１−２９８６２３号公報 特開２０１１−１７５８４３号公報

しかしながら、特許文献１の電子放出素子のように、絶縁体５９に導電性微粒子６１を均等に含有させると、外部に放出されずに２枚の電極５８、６０の間だけを移動する電子（素子内部電流）も増加する。このような素子内部電流の増加により発熱が生じ、電子放出素子の温度が上昇する。このため、電子放出素子の特性劣化が進行してしまい、長時間安定して電子放出することができないという問題があった。

また、特許文献２の電子放出素子においても、凹部７５以外の部分では電界強度が弱いため、電流パスが形成されると電子が放出されずに素子内部電流となってしまうので、電子放出素子の発熱については改良の余地があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、長時間安定して電子放出することができる電子放出素子およびそれを備えた装置を提供することにある。

上記の課題を解決するため、本発明の電子放出素子は、第１電極と、第２電極と、第１電極と第２電極の間に設けられた中間層とを有し、第１電極と第２電極の間に電圧を印加することにより、第２電極から電子を放出させる電子放出素子であって、中間層は、第２電極側に凹部を有する絶縁性微粒子層と、絶縁性微粒子層上に形成され、導電性微粒子を含有する導電性微粒子層と含み、凹部における導電性微粒子の含有量が凹部以外の部分に比べて多いことを特徴とする。

また、導電性微粒子は、銀、金、白金、パラジウムおよびニッケルのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする。

また、導電性微粒子は、平均粒径が３〜２０ｎｍであることを特徴とする。

また、絶縁性微粒子層の凹部は、第１電極と絶縁性微粒子層との間に設けられた膜厚制御絶縁膜により形成されていることを特徴とする。

また、中間層は、シリコーン樹脂層を含むことを特徴とする。

また、本発明の電子放出装置は、上記のいずれか１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ことを特徴とする。

また、本発明の帯電装置は、上記の電子放出装置を用いたことを特徴とする。

また、本発明の発光デバイスは、上記の電子放出装置を用いたことを特徴とする。

また、本発明のイオン風発生装置は、上記の電子放出装置を用いたことを特徴とする。

本発明の電子放出素子およびそれを備えた装置によれば、長時間安定して電子放出することができる。

本発明の実施形態１における電子放出素子の構成を示す模式図である。 本発明の実施形態２における電子放出素子の構成を示す模式図である。 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発光デバイスの一例を示す図である。 この発明の電子放出素子を用いた発光デバイスを具備する画像表示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イオン風発生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イオン風発生装置の他の一例を示す図である。 電子放出実験の測定系を示す図である。 実施例１の電子放出電流及び素子内電流と基板温度の時間変化を測定した結果を示す図である。 比較例１の電子放出電流及び素子内電流と基板温度の時間変化を測定した結果を示す図である。 特許文献１の電子放出素子を示す模式図である。 特許文献２の電子放出素子を示す模式図である。

本発明の電子放出素子は、第１電極と、第２電極と、第１電極と第２電極の間に設けられた中間層とを有し、第１電極と第２電極の間に電圧を印加することにより、第２電極から電子を放出させる電子放出素子であって、中間層は、第２電極側に凹部を有する絶縁性微粒子層と、絶縁性微粒子層上に形成され、導電性微粒子を含有する導電性微粒子層と含み、凹部における導電性微粒子の含有量が凹部以外の部分に比べて多いことを特徴とするものである。

本発明の電子放出素子は、絶縁性微粒子層と導電性微粒子層とからなる中間層において電子の電流パスが形成されて加速されるものと考えており、電流パスの形成と電子の加速されるメカニズムは以下のように考えられる。

絶縁性微粒子を主にして構成される絶縁性微粒子層は半導電性を有し、第１電極と第２電極との間に電圧が印加されると、絶縁性微粒子の内部は高抵抗であるため、電子は絶縁性微粒子の表面を移動して、絶縁性微粒子層に極弱い電流が流れて電流パスが形成される。絶縁性微粒子層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。

ここで、本発明の電子放出素子は、絶縁性微粒子層の表面に凹部が設けられ、さらにその凹部を含む表面に導電性微粒子を含む導電性微粒子層が形成されることにより、導電性微粒子層中の導電性微粒子の含有量が、凹部に多く含有され、凹部以外の部分では少なく含有される。

このため、電圧印加の初期の段階において、凹部では導電性微粒子層の導電性微粒子が絶縁微粒子層に拡散（マイグレーション）することにより、凹部以外の部分よりも優先的に電流パスが形成される。一方、凹部以外の部分では、導電性微粒子の拡散がほとんど生じないため、電流パスが形成され易くなることはない。さらに、凹部で優先的に電流パスが形成されることから、凹部以外の部分では電流パスが形成されなくなる。

電流パスに従って移動する電子は、絶縁性微粒子の表面の不純物、絶縁性微粒子が酸化物である場合の酸素欠陥、あるいは絶縁性微粒子間の接点でトラップされる。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、絶縁性微粒子層の凹部上では、印加電圧と、トラップされた電子が合わさって強電界が発生し、その電界によって電子が加速され、弾道電子となり、第２電極を透過して電子放出素子の外部へ放出される。なお、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推測される。

したがって、本発明の電子放出素子によれば、単に絶縁性微粒子層に凹部を設けただけの構成よりも、電子放出する凹部に優先的に電流パスを形成することができ、電子放出点をより制御することができる。同時に、電子放出させる必要のない凹部以外の部分では電流パスを形成させないことにより、素子内部電流による発熱を抑制することができる。さらに発熱を抑制することで、電子放出素子の特性劣化を抑制でき、長時間安定して電子放出することができる。

このように、本発明の電子放出素子は、凹部と凹部以外の部分で導電性微粒子の含有量を異ならせて、電子放出させるための望ましい電流パスを形成できるため、上記メカニズムに基づいて発熱を生じさせずに効率よく電子を放出することができる。

なお、電子放出素子に印加する電圧は、直流電圧又は交流電圧の何れでもよいが、電子放出量が比較的安定している交流電圧の方が好ましく、また、交流電圧に直流電圧を重畳したものでもよい。以下、本明細書において、単に「電圧」というときは「交流電圧」と「直流電圧」の両方を指すものとする。

また、本発明の電子放出素子は、他の観点によれば、電子放出装置に用いられてもよい。すなわち、この電子放出素子に加えて、少なくとも該電子放出素子の第１電極と第２電極の間に電圧を印加する電源部を備えることにより、適度な電圧（例えば１０〜２５Ｖ）の印加によって十分な電子放出量が得られると共に、発熱の心配がないため長時間でも安定して連続動作可能な電子放出装置が構成される。

さらに、この電子放出装置は、発光デバイス、その発光デバイスを備えた画像表示装置、被冷却体を冷却できるイオン風発生装置、帯電装置、その帯電装置を備えた画像形成装置等の主要部などに用いることができる。

ここで、上記発光デバイスによれば、安定で長寿命な面発光を実現することができる。

また、上記イオン風発生装置によれば、放電を伴わないのでオゾンやＮＯx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、被冷却体表面を高効率で冷却することができる。

また、上記帯電装置によれば、放電を伴わず、オゾンやＮＯxを発生させることなく、長時間安定して被帯電体を帯電させることができる。

なお、電子放出装置を備えたこれらの装置は、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において、第１電極を共通化してもよい。

以下、本発明の実施形態および実施例について、図面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。

〔実施形態１〕
図１は、本発明の実施形態１の電子放出素子９と、該電子放出素子９を備えた電子放出装置１０を示す模式図である。

実施形態１の電子放出素子９は、図１に示すように、第１電極１と、第２電極２と、第１電極１と第２電極２の間に設けられた中間層３とを有している。また、電子放出装置１０は、上記電子放出素子９と、電子放出素子９の第１電極１と第２電極２の間に電圧を印加する電源部８を備え、電源部８のマイナス極に第１電極１が電気的に接続され、電源部８のプラス極に第２電極２が電気的に接続されている。そして、第１電極１と第２電極２の間に電圧を印加することにより、第２電極２から電子ｅ⁻を放出させるものである。

本発明の電子放出素子９は、中間層３が、第２電極２側に凹部４ｂを有する絶縁性微粒子層４と、絶縁性微粒子層４上に形成され、導電性微粒子５ａを含有する導電性微粒子層５と含み、導電性微粒子層５において、凹部４ｂの導電性微粒子５ａの含有量が凹部４ｂ以外の部分に比べて多いことを特徴としている。これにより、凹部４ｂでは凹部４ｂ以外の部分よりも優先的に電流パスが形成され易くなり、凹部４ｂ以外の部分に不要な電流パスが形成されなくなるため、発熱を生じさせずに効率よく電子を放出することができる。

続いて、電子放出素子９の各構成について詳細に説明する。

〈第１電極〉
第１電極１は、基板の機能を兼ねる電極基板であり、導体で形成された板状体で構成されている。第１電極１は、電子放出素子の支持体として機能すると共に、電極として機能するため、ある程度の強度を有し、かつ適度な導電性を有するものであればよい。例えば、ステンレス（ＳＵＳ）、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｕ等の金属で形成された基板、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ等の半導体基板を用いることができる。

また、第１電極１は、導電性膜で形成された電極が、ガラス基板またはプラスティック基板等の絶縁体基板上に形成された構造体であってもよい。例えば、ガラス基板を用いる場合、中間層３との界面となるガラス基板の表面を、例えば、マグネトロンスパッタ等を用いて導電性膜で被覆し、導電性膜で被覆されたガラス基板を第１電極１として用いてもよい。

導電性膜の材料としては、大気中での安定動作を所望するのであれば、抗酸化力の高い導電性材料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。また、導電性膜には、酸化物導電材料であり透明電極に広く利用されているＩＴＯ(Indium Tin Oxide)も有用である。

また、第１電極１が絶縁体基板を被覆する導電性膜で構成される場合、導電性膜に強靭さが要求されるため、複数の導電性膜を積層してもよい。また、絶縁体基板の表面の導電性膜を、周知の半導体製造技術であるフォトリソグラフィやマスクを用いて方形等にパターニングして電極を形成してもよい。

〈絶縁性微粒子層〉
絶縁性微粒子層４は、強電界が形成される第２電極２側の表面に、絶縁性微粒子層４の層厚よりも小さい凹部４ｂが設けられている。また、凹部４ｂは、絶縁性微粒子層４の表面に複数設けられ、絶縁性微粒子層４の全体にわたり均一に分散して形成されている。

絶縁性微粒子層４は、凹部４ｂの最大径が５〜１０００ｎｍであることが好ましい。凹部４ｂの最大径が５ｎｍより小さいと、絶縁性微粒子層４の凹部４ｂの部分における電気的な抵抗が小さくならず、局所的な強電界が生じにくく、また、凹部４ｂの幅が１０００ｎｍより大きいと、凹部４ｂの部分で絶縁性微粒子層４の電気抵抗の値が小さくなりすぎ、電流がリークしやすくなる。その結果、絶縁性微粒子層４にかかる電界が弱まり電子を放出しにくくなる。このため、上記範囲内の幅が好ましい。

また、絶縁性微粒子層４は、凹部４ｂが１〜１００個／μｍ^２の分布密度で形成されていることが好ましい。上記凹部４ｂの最大径と同様に、上記凹部４ｂの分布密度で形成されていることが好ましい。凹部４ｂの最大径と同様に、凹部４ｂの分布密度によっても、絶縁性微粒子層の電気抵抗を調整でき、電子放出素子の電子放出量を調整できる。このため、上記範囲内の分布密度であれば、適度な電圧で十分な電子を放出する電子放出素子が提供される。

また、絶縁性微粒子層４は、８〜３０００ｎｍの層厚で形成されていることが好ましい。さらに、３０〜１０００ｎｍの層厚で形成されていることがより好ましい。これらの範囲内であれば、絶縁性微粒子層４の層厚よりも小さい凹部４ｂを備えるとともに、絶縁性微粒子層４の層厚が均一な電子放出素子９が提供される。また、絶縁性微粒子層４の層厚が均一となるため、絶縁性微粒子層４の電気抵抗の値が均一となる。このため、素子全体にわたって各々の凹部４ｂから一様に電子を放出する電子放出素子９が提供される。なお、電子放出素子９は、できるだけ低い電圧で強い電界を加えて電子を加速させることが好ましいので、絶縁性微粒子層４の層厚は、上記層厚の範囲のうちでもできるだけ薄いことが好ましい。

また、絶縁性微粒子層４に用いる絶縁性微粒子４ａは、５〜１０００ｎｍの平均粒径であることが好ましい。絶縁性微粒子４ａの平均粒径が５ｎｍより小さいと、平均粒径のばらつきが小さくすることが難しいため均一な絶縁性微粒子層４を形成することが難しくなる。また、絶縁性微粒子４ａの平均粒径が１０００ｎｍより大きいと、分散液を塗布して絶縁性微粒子層４を形成する場合に、絶縁性微粒子４ａが沈降して分散性が悪くなる。このため、上記の範囲内の平均粒径であることが好ましい。

また、絶縁性微粒子４ａが、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、及びＴｉＯ_２の少なくとも１つの絶縁体で形成された粒子であってもよい。これらの絶縁体は絶縁性が高いので、これらの絶縁体の含有量を調整して、前記絶縁性微粒子層の電気抵抗の値を任意の範囲に調整できる。

〈導電性微粒子層〉
導電性微粒子層５は、導電性微粒子５ａを含んだ分散液を絶縁性微粒子層４上に塗布して形成されたものである。

導電性微粒子５ａとしては、特に限定されないが、導電性微粒子５ａが大気中の酸素によって酸化される等の素子劣化を防止するため、貴金属を用いることが望ましく、例えば、銀、金、白金、パラジウム又はニッケルを主成分とする金属からなる導電性粒子を用いることができる。

導電微粒子５ａの平均粒子径は、絶縁性微粒子４ａの粒径より大きくすると中間層３に必要な適度な半導電性が得られないため、絶縁性微粒子４ａの粒径よりも小さい、３〜２０ｎｍとすることが好ましい。導電微粒子５ａの平均径を上記範囲内とすることにより、中間層３内で、導電性微粒子５ａによる導電パスが形成されず、中間層３内での絶縁破壊が起こり難くなる。また、導電微粒子５ａの粒子径を上記範囲内とすることで、原理的には不明確な点が多いが弾道電子が効率よく生成されている。

〈中間層〉
中間層３は、上記絶縁性微粒子層４と上記導電性微粒子層５とから構成されており、第１電極１から第２電極２へ電子が移動する電流パスの形成と、局所的な強電界部を形成し電子を加速させる機能を有すると推察されている。中間層３において、導電性微粒子層５となる分散液を絶縁性微粒子層４上に塗布する際に、絶縁性微粒子層４の凹部４ｂの部分に厚く形成されるため、分散液の塗布膜を乾燥させると、凹部４ｂの部分で導電性微粒子５ａの含有量が多くなって形成される。このように導電性微粒子層５の導電性微粒子５ａが、凹部４ｂの部分で多く含有され、凹部４ｂ以外の部分で少なく含有されることにより、凹部４ｂで凹部４ｂ以外の部分よりも優先的に電流パスを形成することができる。

〈第２電極〉
第２電極２は、第１電極１と対をなす電極を構成し、第１電極１と共に中間層３内に電圧を印加させるための電極である。このため、電極として機能する程度の導電性を有する材料で形成すればよい。また、第２電極２は、中間層３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することが好ましいため、仕事関数が低くかつ薄膜で形成することが可能な導電性材料で形成されることが好ましい。

このような材料としては、例えば、仕事関数が４〜５ｅＶに該当する金、銀、タングステン、チタン、アルミ、パラジウム、クロ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。

第２電極２の層厚は、電子放出素子９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、この観点から１０〜５５ｎｍが好ましい。第２電極２を平面電極として機能させるための最低層厚は１０ｎｍであり、これより薄い層厚では電気的導通を確保できない。

一方、電子放出素子９から外部へ電子を放出させるための最大層厚は５５ｎｍであり、これより厚い層厚では弾道電子の透過が起こらず、第２電極２で弾道電子の吸収あるいは反射による中間層３への再捕獲が生じてしまう。 このため、第２電極２の層厚は、好ましくは１０〜５５ｎｍである。

なお、弾道電子は、絶縁性微粒子による絶縁性微粒子層の表面の微細な凹凸の影響から生じる第２電極２の隙間（微細孔）をすり抜けて外部へ放出される場合もある。

〈製造方法〉
次に、図１を参照しながら、実施形態１に係る電子放出素子９の製造方法について説明する。電子放出素子９の中間層３は、第１電極上１に、表面に凹部４ｂを有する絶縁性微粒子層４を形成する工程と、絶縁性微粒子層４の凹部４ｂを埋めるように、導電微粒子５ａを含有する導電性微粒子層５を塗布する工程とを経て製造される。

縁性微粒子層４の凹部４ｂは、製法が特に限定されるものではないが、例えば、絶縁性微粒子と有機微粒子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、絶縁性微粒子及び有機微粒子を含む層を形成して、形成された層を加熱処理することにより形成することができる。

上記製法によれば、絶縁性微粒子層にある有機微粒子を分解した、有機微粒子を鋳型とする凹部４ｂが設けられるので、所望の大きさの有機微粒子を選択することにより、凹部４ｂの大きさを容易に変更することができる。また、凹部４ｂの部分における電気抵抗の値を変更し、局所的な電界の大きさを調整できるので、電子放出量を任意の範囲に調整することができる。

具体的に説明すると、まず、水に絶縁性微粒子４ａが分散された単分散の絶縁性微粒子分散液を用意する。分散液における絶縁性微粒子４ａ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、第１電極１上に絶縁性微粒子４ａ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。単分散の絶縁性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。

次に、水に有機微粒子が分散された単分散の有機微粒子分散液を用意する。分散液における有機微粒子の濃度は、１０ｗｔ％以上５０ｗｔ％以下が好ましい。１０ｗｔ％より低濃度であれば、第１電極１上に絶縁性微粒子４ａ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。

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９における中間層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、上記絶縁性微粒子４ａ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。

次に、上記絶縁性微粒子分散液と上記有機微粒子分散液を混合し、絶縁性微粒子４ａと有機微粒子が混合および分散された分散液を調製する。上記絶縁性微粒子分散液と上記有機微粒子分散液を所望の濃度となる比で混合し、絶縁性微粒子４ａ及び有機微粒子が凝集しないように攪拌する。なお、この分散液の調製は、有機微粒子の粉体を上記絶縁性微粒子４ａの分散液に添加・分散して絶縁性微粒子及び有機微粒子が混合・分散された分散液を調製してもよい。

次に、調整された分散液を電極基板上にスピンコート法にて塗布し絶縁性微粒子４ａ及び有機微粒子を含む微粒子層を作製する。ここで、例えば、電極基板がアルミやステンレスで形成され、電極基板の表面が疎水性を示す場合、親水性のシリカ分散体を撥水するため、電極基板の表面に親水化処理を施す。親水化処理は特に限定されないが、例えば、ＵＶ処理であれば、真空度２０Ｐａ下で電極基板の表面にＵＶ照射を１０分間行う。

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、上記絶縁性微粒子４ａ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、塗布された分電極基板を加熱処理し、第１電極１上に形成された微粒子層における有機微粒子を熱分解することで、絶縁性微粒子４ａだけを残して、この絶縁性微粒子層４の表面に複数の微小凹部４ｂを形成する。つまり、有機微粒子を熱分解することにより、有機微粒子を鋳型として微小凹部４ｂを作製する。

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。このため、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４ｂがその表面に形成された絶縁性微粒子層４の形成処理が完了する。

導電性微粒子層５の形成工程では、導電性微粒子５ａとして粒径１５ｎｍの銀ナノ粒子を分散した銀コロイド溶液（株式会社巴製作所製、固形分濃度２ｗｔ％）をスピンコート法にて塗布する。スピンコート条件は、特に限定されないが、複数の凹部４ｂが形成された絶縁性微粒子層４の表面に上記銀コロイド溶液を滴下し、例えば、スピン回転数７５００ｒｐｍで１１秒間回転させる。銀コロイド溶液は、絶縁性微粒子層４の表面を沿うように広がり塗布されるが、絶縁性微粒子層４の凹部４ｂでは他の部分よりも厚く形成される。

続いて、絶縁性微粒子層４上の塗布膜を乾燥させることにより、導電性微粒子層５が形成される。銀コロイド溶液は、導電性微粒子層５が塗布される際に凹部４ｂの部分で厚く形成されているため、分散液の塗布膜を乾燥させると、凹部４ｂの部分で銀ナノ粒子（導電性微粒子５ａ）の含有量が多くなって形成される。このようにして、凹部４ｂにおける導電性微粒子５ａの含有量が凹部４ｂ以外の部分に比べて多い導電性微粒子層５を形成することができる。

さらに、第２電極２の形成工程において、例えば、マグネトロンスパッタ法、インクジェット法、スピンコート法、蒸着法等を用いて、炭素薄膜上に第２電極２を形成して、電子放出素子９が完成する。

最後に、この電子放出素子９の第１電極１と第２電極２に、リード線を介して電源部８の負極と正極を電気的に接続することにより、電子放出装置１０が完成する。この電源部８としては、１０〜２５Ｖの電圧を印加可能な電源を用いることができる。

〔実施形態２〕
図２は、実施形態２の電子放出素子９１を示す模式図である。なお、図２において、図１中の構成と同様の構成には同一の符号を付している。実施形態２の電子放出素子９１において、図１の実施形態１で示した電子放出素子９との違いは、絶縁性微粒子層４の凹部４ｂを、第１電極１と絶縁性微粒子層４との間に設けた膜厚制御絶縁膜６を用いて形成していることである。膜厚制御絶縁膜６を除く、実施形態１と共通する構成については、詳細な説明を省略する。

〈膜厚制御絶縁膜〉
膜厚制御絶縁膜６は、第１電極１上に形成された絶縁膜であり、絶縁膜の材料としては、例えば、抵抗値、耐熱性、吸水率、機械的強度などの観点から、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコーン樹脂膜、アクリル樹脂膜又はポリイミド樹脂膜が好ましい。また、膜厚制御絶縁膜６の層厚は、絶縁性微粒子層４の層厚や凹部４ｂの深さによって異なるが、例えば、層厚０．１〜３μｍとすることができる。また、膜厚制御絶縁膜６は、これら各種絶縁膜の単層膜であっても積層膜であってもよい。

膜厚制御絶縁膜６は、絶縁性微粒子層４の凹部４ｂに対応する位置に、複数の小孔６ａが設けられている。隣接する互いの小孔６ａのサイズ、形状、密度等は、凹部４ｂのサイズ、形状、密度等に影響するため、電子放出の均一性や制御性を考慮して決定することが望ましい。例えば、電子放出の均一性という観点からは、縦横整然とマトリックス状に配置されていることが好ましい。

一例を示すと、小孔６ａのサイズは、一辺が１０〜５００μｍの正方形内に収まるサイズであり、その内径が５〜３００μｍである。小孔６ａは、絶縁性微粒子層４の層厚に対してその内径が小さすぎると、小孔内によって形成される凹部４ｂの電界が弱まり電子放出効率が低下しやすい傾向があり、また、逆にその内径が大きすぎると、電子放出の均一性が損なわれる傾向がある。このため、小孔６ａの内径は、中間層の層厚の８．５〜３００倍が好ましく、例えば、２１〜１４０μｍが好ましい。また、小孔６ａは、５〜２０００個／ｍｍ^２の密度で配置される。

一方、小孔６ａの形状は、特に限定されない。本発明の実施形態において、その平面視形状は、例えば、多角形、円形、楕円形等である。このとき、電子放出素子の第２電極２の外表面から垂直方向に電子が安定して放出できるように、小孔６ａの層厚方向の断面形状は長方形または正方形であることが望ましい。

〈製造方法〉
膜厚制御絶縁膜６の形成工程について説明すると、まず、絶縁体材料としてのアクリル系樹脂を溶剤に溶かした塗液を第１電極１上にスピンコート法で塗布して塗布膜を形成し、塗布膜を加熱乾燥し、その後、フォトリソグラフィによって、乾燥した塗布膜（絶縁膜）に複数の小孔６ａを形成することにより、膜厚制御絶縁膜６を形成する。例えば、上記で説明したように、層厚０．１〜３μｍの膜厚制御絶縁膜６に、内径が２１．２〜１４１．４μｍの小孔６ａを形成する。

絶縁体材料としては、アクリル系樹脂以外にも、例えば、シリコーン樹脂、ポリイミド系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリスチレン系樹脂などの有機ポリマーが挙げられる。また、これらの有機ポリマーは、１種または２種以上を混合して用いてもよい。

また、絶縁体材料としては、有機ポリマー以外にも、シリコン酸化物やシリコン窒化物などの無機材料を用いて、例えば、スパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等によって膜厚制御絶縁膜６を形成してもよい。また、小孔６ａの方法として、電子ビームリソグラフィ、プラズマエッチング、インクジェット等を用いてもよく、これらの方法に限定されるものではない。

次に、第１電極１及び膜厚制御絶縁膜６上に、絶縁性微粒子層４として粒径１００ｎｍ、ＣＶ値０．２２％の球状シリカ粒子が分散されたコロイルダルシリカ（日産化学工業株式会社製、ＭＰ１０４０、固形分濃度４０ｗｔ％）を滴下し、５００ｒｐｍで１秒間、続いて３０００ｒｐｍで１０秒間の条件で２段階のスピンコートを行って、絶縁性微粒子４ａを含む塗布膜を形成し、この塗布膜をホットプレートにより１５０℃で６０秒間乾燥することにより、膜厚制御絶縁膜６の複数の小孔６ａに対応した複数の凹部４ｂを表面に有する絶縁性微粒子層４が形成される。

次に、図２に示すように、絶縁性微粒子層４と導電性微粒子層５との間にシリコーン樹脂層７を設ける。シリコーン樹脂層７の形成工程において、シリコーン樹脂（東レ・ダウコーニング株式会社性、ＳＲ２４１１）を絶縁性微粒子層４上にスピンコート法にて塗布する。スピンコート条件は、特に限定されないが、絶縁性微粒子層４まで形成した第１電極１を、例えば、スピン回転数５００ｒｐｍで１秒間回転させた後、スピン回転数３０００ｒｐｍで１０秒間回転させる。

なお、このシリコーン樹脂層７は、中間層３の機械的強度の向上や、大気中の酸素および水分などによる素子劣化を防ぐことを目的とするものである。このため、シリコーン樹脂層７は、導電性微粒子層５上に形成してもよく、機械的強度等が確保されている場合にはシリコーン樹脂層７を省略してもよい。

さらに、シリコーン樹脂層７の上に、導電性微粒子５ａとして粒径１５ｎｍの銀ナノ粒子が分散した銀コロイド溶液（株式会社巴製作所製、固形分濃度２ｗｔ％）を滴下し、７５００ｒｐｍで１１秒間スピンコートを行って、導電性微粒子５ａを含む塗布膜を形成した。この塗布膜をホットプレートにより１５０℃で６０秒間乾燥することにより、導電性微粒子層５を形成する。導電性微粒子層５は、絶縁性微粒子層の凹部で導電性微粒子５ａが多く含有され、凹部以外の部分ではその含有量が少なくなる。

次に、例えば、蒸着法、マグネトロンスパッタ法等を用いて、絶縁性微粒子層４と導電微粒子層５とからなる中間層３上に、図示しない炭素薄膜と第２電極２を形成することで電子放出素子９１が得られる。なお、炭素薄膜は、電子放出素子９１にかかる局所的かつ連続的な電圧・電流ストレスを緩和させるためのものであるが、電子放出素子９１において省略されてもよい。

実施形態２の電子放出素子９１は、第１電極１と絶縁性微粒子層４との間に膜厚制御絶縁膜６を設けることにより、絶縁性微粒子層４の表面に凹部４ｂを精度よく容易に形成することができる。また、凹部４ｂ以外の部分に高抵抗の膜厚制御絶縁膜６が介在することにより、実施形態１の場合と比較して、凹部４ｂ以外の部分での層厚方向の電気抵抗がさらに大きくなり、素子内部電流がさらに減少して、電子放出素子９１の発熱をほとんど抑制できるので、長時間安定した電子放出を行うことができる。

〔実施形態３〕
図３は、実施形態２の電子放出素子９１を用いた帯電装置の一例を示す模式図である。なお、図３において、図１及び図２中の構成と同様の構成には同一の符号を付している。

この帯電装置９０は、電子放出素子９１と、これに電圧を印加する電源部８を有する電子放出装置１０から成り、電子写真方式の画像形成装置に備えられた感光体Ｐを帯電させるものである。

帯電装置９０を構成する電子放出素子９１は、被帯電体である感光体Ｐに対向して設置され、電圧が印加されることにより電子を放出させ、感光体Ｐを帯電させる。なお、この実施形態で説明され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ることができる。

ここで、帯電装置９０として用いる電子放出素子９１は、感光体Ｐから、例えば３〜５ｍｍ隔てて配置されることが好ましい。また、電子放出素子９１への印加電圧は２５Ｖ程度が好ましく、電子放出素子９１における中間層３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構成されていればよい。

本発明の電子放出装置１０は、帯電装置９０として用いられた場合、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。高濃度のオゾンは人体に有害な場合があり、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Ｐやベルトなどを酸化し劣化させてしまうが、実施形態２のような帯電装置９０を画像形成装置が有することで、このような問題は生じない。

また、この電子放出素子９１は電子放出量が向上しているため、帯電装置９０によって感光体Ｐを効率よく帯電することができる。

さらに、この電子放出素子９１が同一基板に複数形成された電子放出装置１０を帯電装置９０として用いることにより、帯電装置９０は面電子源として構成されるので、感光体Ｐの回転方向へも幅を持って帯電することができ、感光体Ｐ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。

〔実施形態４〕
図４は実施形態２の電子放出素子９１を用いた実施形態４−１の発光デバイスを示す模式図であり、図５は実施形態４−１の発光デバイス４１を用いた実施形態４−２の画像表示装置を示す模式図である。なお、図４〜図５において、図１及び図２中の構成と同様の構成には同一の符号を付している。

図４（実施形態４−１）に示す発光デバイス４１は、電子放出素子９１および電子放出素子９１に電圧を印加する電源部８を有する電子放出装置１０と、電子放出素子９１と離れて対向状に配置される発光部４６とを備える。

発光部４６は、基材となるガラス基板４２上にＩＴＯ膜４３と蛍光体層４４この順に積層された積層構造を有し、蛍光体層４４が電子放出素子９の第２電極２と対面している。ＩＴＯ膜４３の層厚は、導電性を確保できる層厚であればよく、例えば、１００〜３００ｎｍとすることができ、本実施形態では１５０ｎｍとした。

蛍光体層４４としては、赤、緑、青色発光に対応した電子励起タイプの蛍光体材料が適しており、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＋等を用いることができる。蛍光体層４４の厚さ１μｍ程度が好ましい。

蛍光体層４４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蛍光体微粒子との混練物を用い、バーコーター法、滴下法、スピンコート法等の公知技術によって形成することができる。このとき、所望の発光色が得られるよう、赤、緑および青色の蛍光体微粒子の内から１色以上の蛍光体微粒子を適切な重量混合比で選択する。例えば、白い発光色が得られるようにするのであれば、赤、緑および青色の蛍光体微粒子を重量混合比１：１：１で混合した混練物を用いる。

ここで、蛍光体層４４の発光輝度を上げるには、電子放出素子９１から放出された電子を蛍光体層４４へ向けて加速する必要があり、その場合は、電子放出素子９１の第１電極１とＩＴＯ膜４３の間に、電子を加速する電界を形成するための直流電圧印加用の第２電源部４５を設けることが好ましい。

このとき、蛍光体層４４と電子放出素子９との距離が０．３〜１ｍｍ、電源部８からの印加電圧が１８Ｖ、第２電源部４５からの印加電圧が５００〜２０００Ｖに設定することが好ましい。

実施形態４−１の発光デバイス４１の場合、電子放出素子９１から外部へ放出した電子が、発光部４６の蛍光体層４４に衝突することにより、蛍光体層４４が発光する。

なお、発光デバイス４１は、大気中で動作可能であるが、真空封止することにより電子放出電流が上昇し、より効率よく発光することができる。

図５（実施形態４−２）に示す画像表示装置３４０は、図４で示した発光デバイス４１と液晶パネル３３０を備えている。

この画像表示装置３４０において、発光デバイス４１は、液晶パネル３３０の後方に配置されてバックライトとして用いられる。

この場合、発光デバイス４１は白い発光色が得られるようになっている。つまり、中間層３３中には、白色を合成するために光の三原色である赤、緑および青の蛍光体微粒子が重量混合比１：１：１で分散している。

また、この場合、例えば、発光デバイス４１が単位時間当たり１０μＡ／ｃｍ^２の電子を放出するよう、発光デバイス４１への印加電圧を２０〜３５Ｖに設定することが好ましく、発光デバイス４１と液晶パネル３３０との距離は、０．１ｍｍ程度が好ましい。

なお、液晶パネル３３０は従来公知のもの、例えば、バックライト側から、偏光板、ガラス基板、透明電極、配向膜、液晶、配向膜、透明電極、保護膜、カラーフィルタ、ガラス基板および偏光板が積層されたパネル構造を用いることができる。

また、図示しない実施形態４−３の画像表示装置として、図４（実施形態４−１）で説明した発光デバイス４１をマトリックス状に配置して、発光デバイス４１そのものによる電界放出ディスプレイ(ＦＥＤ: Field Emission Display）として画像を表示させることもできる。

この場合、例えば、発光デバイス４１が単位時間当たり１０μＡ／ｃｍ^２の電子を放出するよう、発光デバイス４１への印加電圧を２０〜３５Ｖに設定することが好ましい。

〔実施形態５〕
図６は実施形態２の電子放出素子９１を用いた実施形態５−１のイオン風発生装置を示す模式図であり、図７は実施形態２の電子放出素子９１を用いた実施形態５−２のイオン風発生装置を示す模式図である。なお、図６および図７において、図１及び図２中の構成と同様の構成には同一の符号を付している。

図６（実施形態５−１）のイオン風発生装置１５０は、電子放出素子９１およびこれに電圧を印加する電源部８を有する電子放出装置１０からなる。このイオン風発生装置１５０は、その電子放出素子９１が被冷却体Ｑに対して傾斜状に対向するように配置され、電子放出素子９１が電気的に接地された被冷却体Ｑ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Ｑを冷却する。

つまり、従来、ファンのみで被冷却体Ｑの表面に風を送っても、その表面に最も近い空気分子は留まって動かないという所謂「ノースリップ効果」が発生するため、被冷却体Ｑの表面の冷却効果が低かった。

実施形態５−１のイオン風発生装置１５０によれば、電子放出素子９１からの電子が空気分子と衝突してイオンを生じ、更にこのイオンが周りの空気分子に衝突することによって空気分子やイオンが移動する。このことで「イオン風」が発生する。このとき、イオンは電位差もしくは電界によって被冷却体Ｑの表面まで運ばれ、被冷却体Ｑとの間に働く電界（鏡像力）により、熱い分子と冷たいイオンが交換するため、被冷却体Ｑの表面が冷却される。

この場合、例えば、イオン風発生装置１５０が単位時間当たり１μＡ／ｃｍ^２の電子を放出するように、電子放出素子９１に印加する電圧を１８Ｖ程度に設定することが好ましい。なお、被冷却体Ｑとしては、例えば、半導体、コンピュータのＣＰＵ（Central Processing Unit），ＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの電子部品やそれらを搭載した装置等が挙げられる。

図７（実施形態５−２）のイオン風発生装置１６０は、電子放出素子９１およびこれに電圧を印加する電源部８を有する電子放出装置１０と、電子放出素子９１の周囲に回転可能に設けられた送風ファン５２を備えている。

このイオン風発生装置１６０も、その電子放出素子９１が被冷却体Ｑに対して傾斜状に対向するように配置され、電子放出素子９１が電気的に接地された被冷却体Ｑに向かって電子を放出し、さらに、送風ファン５２が被冷却体Ｑに向かって送風することにより、イオン風および空気流を発生させて被冷却体Ｑを冷却する。

このとき、イオン風に加えて空気流が生じるため、被冷却体Ｑの表面近傍の雰囲気（空気）を効率よく入れ替えることができ、イオン風と空気流との相乗効果により冷却効率が格段に向上する。

この場合、例えば、イオン風発生装置１６０が単位時間当たり１μＡ／ｃｍ^２の電子を放出するように、電子放出素子９１に印加する電圧を１８Ｖ程度に設定すると共に、送風ファン５２による風量を０．９〜２Ｌ／分／ｃｍ^２に設定することが好ましい。

以下の実施例では、本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、この実施例は一例であって、本発明の内容を制限するものではない。図８は、図２で説明した実施形態２の電子放出素子９１を用いて電子放出電流Ｉｅを測定するための実験系を示す模式図である。

まず、実施例１の電子放出素子および比較例１の電子放出素子を以下のように作製した。なお、実施例１と比較例１は、図２に示した電子放出素子９１と基本となる構成は同じであるため、図２と図８を参照しながら説明する。実施例１は、図２と同様の構造を有する電子放出素子９１であり、比較例１は図１における中間層３において導電性微粒子層５が省略され、絶縁性微粒子層４に導電性微粒子を面内方向で均一となるように含有させた電子放出素子である。

そして、作製した各電子放出素子について、図８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８の実験系では、電子放出素子９の第２電極２側に、絶縁体スペーサー１２を挟んで対向電極１３を配置させる。そして、電子放出素子９には直流電源部８ＡからＶ１の電圧、対向電極１３には直流電源部８Ｂから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、温度２５℃、湿度３０％ＲＨの大気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１２を挟んで、電子放出素子９と対向電極１３との距離は０．９ｍｍとした。また、電子放出素子９への印加電圧Ｖ１＝０〜２５Ｖとし、５００Ｈｚ、５０％の矩形波で駆動し、対向電極１３への印加電圧Ｖ２＝５００Ｖとした。

（実施例１）
第１電極１として２４ｍｍ×２４ｍｍ角のアルミ基板を用い、第１電極１上に６０μｍ角（対角：８４．９μｍ）の小孔６ａが２８９個（＝１７個×１７個）均一に配列されたアクリル系樹脂からなる膜厚制御絶縁膜６を作製した。なお、膜厚制御絶縁膜６の層厚は、２．５μｍとした。また、小孔６ａの総面積は０．０１ｃｍ^２とした。

次に、第１電極１及び膜厚制御絶縁膜６上に、絶縁性微粒子層４として粒径１００ｎｍ、ＣＶ値０．２２％の球状シリカ粒子が分散されたコロイルダルシリカ（日産化学工業株式会社製、ＭＰ１０４０、固形分濃度４０ｗｔ％）を滴下し、５００ｒｐｍで１秒間、続いて３０００ｒｐｍで１０秒間の条件で２段階のスピンコートを行って、絶縁性微粒子４ａを含む塗布膜を形成し、この塗布膜をホットプレートにより１５０℃で６０秒間乾燥することにより、膜厚制御絶縁膜６の複数の小孔６ａに対応した複数の凹部４ｂを表面に有する絶縁性微粒子層４を形成した。

次に、複数の凹部４ｂを表面に有する絶縁性微粒子層４の上に、シリコーン樹脂（東レ・ダウコーニング株式会社製、ＳＲ２４１１）を滴下し、５００ｒｐｍで１秒間、続いて３０００ｒｐｍで１０秒間の条件で２段階のスピンコートを行って、シリコーン樹脂の塗布膜を形成し、この塗布膜をホットプレートにより１５０℃で６０秒間乾燥することによりシリコーン樹脂層７を形成した。

さらに、シリコーン樹脂層７の上に、導電性微粒子５ａとして粒径１５ｎｍの銀ナノ粒子が分散した銀コロイド溶液（株式会社巴製作所製、固形分濃度２ｗｔ％）を滴下し、７５００ｒｐｍで１１秒間スピンコートを行って、導電性微粒子５ａを含む塗布膜を形成した。この塗布膜をホットプレートにより１５０℃で６０秒間乾燥することにより、導電性微粒子層５を形成した。導電性微粒子層５は、絶縁性微粒子層の凹部で導電性微粒子５ａが多く含有されており、凹部以外の部分では含有量が少なくなっていた。

以上により、絶縁性微粒子層４と導電性微粒子層５を含む、合計層厚１．２μｍの中間層３を形成した。

続いて、真空蒸着装置を用いて、中間層３上に、グラファイトを材料とする層厚１０ｎｍの炭素薄膜を成膜した。

その後、マグネトロンスパッタ装置を用いて、炭素薄膜上にＡｕ−Ｐｄを材料とする層厚５０ｎｍ、同面積７２．２５ｍｍ^２（８．５ｍｍ×８．５ｍｍ）の第２電極２を形成することにより、実施例１の電子放出素子９を得た。

図９は、実施例１の電子放出素子９１を連続して駆動した際に、外部に放出される電子の放出量を表わす電子放出電流Ｉｅと、放出されずに素子の内部に流れる素子内部電流Ｉｐと、電子放出素子９１が形成された基板の温度について、経過時間における変化を示すグラフである。実施例１では、電子放出素子９１への印加電圧１５Ｖにて、単位面積あたりの電子放出電流Ｉｅが１．０×１０^−６Ａ/ｃｍ^２を示し、連続して３００時間以上駆動しても安定して電子を放出できていることが確認された。

また、素子内電流Ｉｐが１．０×１０^−１Ａ/ｃｍ^２と比較的低い値を示し、このため、基板温度は、３００時間以上駆動しても室温とほぼ同じ２７℃前後のまま安定しており、電子放出素子９で発熱が生じていないことが確認された。

（比較例１）
比較例１は、図２における中間層３において、絶縁性微粒子層４上の導電性微粒子層５が省略され、導電性微粒子５ａを絶縁性微粒子層４中に含有したものである。このため、実施例１とは、導電性微粒子５ａが凹部４ｂを含む絶縁性微粒子層４全体に均一に含有されている点で異なる。なお、他の構成については実施例１と同じであるため、以下では比較例１における絶縁性微粒子層４を主に説明する。

実施例１と同じ第１電極１および膜厚制御絶縁膜６の上に、絶縁性微粒子層４を形成するための分散液として、５ｍＬの試薬瓶に、溶媒であるヘキサン２．５ｇと、絶縁性微粒子４ａとして粒径５０ｎｍの球状シリカ粒子０．２５ｇを投入し、超音波分散器を用いて試薬瓶中の微粒子を分散して絶縁性微粒子分散液を調製した。

そして、得られた絶縁性微粒子分散液に、導電性微粒子５ａである銀ナノ粒子（応用ナノ粒子研究所製、銀微粒子の粒径１０ｎｍ）０．０６ｇを投入し、超音波分散器を用いて試薬瓶中の微粒子を分散して絶縁性微粒子４ａと導電性微粒子５ａの分散液を調製した。

得られた絶縁性微粒子４ａと導電性微粒子５ａの分散液に、シリコーン樹脂（東レ・ダウコーニング株式会社製、ＳＲ２４１１）０．１ｇを投入し、超音波分散器を用いて試薬瓶中の微粒子を分散して、絶縁性微粒子４ａと導電性微粒子５ａとシリコーン樹脂の分散液Ａを調製した。

次に、次に、アルミ基板および絶縁膜６上に、分散液Ａを滴下し、５００ｒｐｍで１秒間、続いて３０００ｒｐｍで１０秒間の条件で２段階のスピンコートを行って、絶縁性微粒子４ａと導電性微粒子５ａを含む塗布膜を形成し、ホットプレートを用いて、この塗布膜を１５０℃で６０秒間乾燥することにより、層厚０．５μｍの中間層３−１を形成した。そして、経時変化を起こさないため、直ぐに次の工程に移った。

中間層３−１上に分散液Ａを滴下し、５００ｒｐｍで１秒間、続いて３０００ｒｐｍで１０秒間の条件で２段階のスピンコートを行って、絶縁性微粒子４ａとシリコーン樹脂を含む塗布膜を形成し、ホットプレートを用いてこの塗布膜を２００℃で９０秒間乾燥することにより、層厚０．４μｍの中間層３−２を形成した。そして、経時変化を起こさないため、直ぐに次の工程に移った。

中間層３−２上に分散液Ａを滴下し、５００ｒｐｍで１秒間、続いて３０００ｒｐｍで１０秒間の条件で２段階のスピンコートを行って、絶縁性微粒子４ａとシリコーン樹脂を含む塗布膜を形成し、ホットプレートを用いてこの塗布膜を２００℃で９０秒間乾燥することにより、層厚０．３μｍの中間層３−３を形成し、それによって中間層３−１と中間層３−２と中間層３−３とが積層した層厚１．２μｍの中間層３を形成した。このような３層からなる中間層３を形成することにより、最終的な凹部４ｂの深さや形状を実施例１と同等にして、導電性微粒子５ａの面内分布の差を比較できるようにした。

上記３層からなる中間層３を形成した後、実施例１と同様に炭素薄膜と第２電極２を形成して、比較例１の電子放出素子を得た。図１０は、実施例１と同様に、比較例１の電子放出電流Ｉｅ、素子内電流Ｉｐ、基板温度の変化を測定した結果を示すグラフである。

比較例１では、電子放出素子９への印加電圧１５Ｖにて、単位面積あたりの電子放出電流Ｉｅが、駆動を始めてから３５時間程度までの間は１．０×１０^−６Ａ/ｃｍ^２を示すものの、４０時間付近から不安定となり、電子放出量が急激に減少していることが確認された。

また、素子内電流Ｉｐが１．０×１０^０Ａ/ｃｍ^２と実施例１に比べて１０倍程度大きくなっており、このため、基板温度が駆動開始とともに上昇し始めて、４０時間経過した時点で８０℃近くになっており、電子放出量の減少に基板温度が影響していることが確認された。

実施例１および比較例１の結果から、導電性微粒子４ａを多く含有する導電性微粒子層４が設けられた電子放出素子９の凹部４ｂでは、単に絶縁性微粒子層４に凹部４ｂを設けただけの構成よりも凹部４ｂに電流パスを形成し易くなり、第２電極から放出される電子の放出効率を向上させることができる。同時に、凹部以外の部分では導電性微粒子の含有量が少ない導電性微粒子層４が介在するので電流パスが形成され難く、電子放出素子の内部電流による発熱を抑制することができ、電子放出素子が劣化することなく、長時間安定して電子放出できることが見出せた。

本発明に係る電子放出素子およびそれを備えた装置は、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共に、素子内部電流が小さく発熱が抑制されているため長時間安定して動作す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、あるいは発光体と組み合わせることによる画像表示装置、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るイオン風発生装置等に、好適に適用することができる。

１ 第１電極（電極基板）
２ 第２電極
３、３３ 中間層
４ 絶縁性微粒子層
４ａ 絶縁性微粒子
５ 導電性微粒子層
５ａ 導電性微粒子
６ 膜厚制御絶縁膜
６ａ 小孔
７ シリコーン樹脂層
８ 電源部
９、９１ 電子放出素子
１０ 電子放出装置
４１ 発光デバイス
４２ ガラス基板
４３ ＩＴＯ膜
４４、１４２ 蛍光体層
４５ 第２電源部
４６ 発光部
５２ 送風ファン
９０ 帯電装置
１５０、１６０ イオン風発生装置
３３０ 液晶パネル
３４０ 画像表示装置
Ｐ 感光体
Ｑ 被冷却体

Claims (9)

1. 第１電極と、第２電極と、前記第１電極と前記第２電極の間に設けられた中間層とを有し、前記第１電極と前記第２電極の間に電圧を印加することにより、前記第２電極から電子を放出させる電子放出素子であって、
   前記中間層は、
   前記第２電極側に凹部を有する絶縁性微粒子層と、前記絶縁性微粒子層上に形成され、導電性微粒子を含有する導電性微粒子層とからなり、
   前記凹部における導電性微粒子の含有量が、凹部以外の部分に比べて多いことを特徴とする電子放出素子。
2. 前記導電性微粒子は、銀、金、白金、パラジウム及びニッケルのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子。
3. 前記導電性微粒子は、平均粒径が３〜２０ｎｍであることを特徴とする請求項２に記載の電子放出素子。
4. 前記絶縁性微粒子層の凹部は、前記第１電極と前記絶縁性微粒子層の間に設けられた膜厚制御絶縁膜により形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電子放出素子。
5. 前記中間層は、シリコーン樹脂層を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電子放出素子。
6. 請求項１〜５のいずれか一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ことを特徴とする電子放出装置。
7. 請求項６に記載の電子放出装置を用いたことを特徴とする帯電装置。
8. 請求項６に記載の電子放出装置を用いたことを特徴とする発光デバイス。
9. 請求項６に記載の電子放出装置を用いたことを特徴とするイオン風発生装置。