JP6181963B2 - 電子放出素子 - 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。

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。

また、別のタイプの電子放出素子として、ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｍｅｔａｌ）型および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。また、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形成する必要がない。したがって、ＭＩＭ型およびＭＩＳ型の電子放出素子は、スピント型、ＣＮＴ型および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、および、オゾンが発生するという問題を克服できる。

さらに、先に、抗酸化力の高い金属微粒子と絶縁体微粒子から成る電子放出素子を発明し、既に特許出願されている（特許文献１）。特許文献１に記載の電子放出素子は、真空中だけでなく大気中でも安定して電子放出可能であり、オゾンやＮＯｘ等の有害物質を生成することもない。

特開２００９−１４６８９１号公報（公開日：２００９年７月２日）

上述のようなＭＩＭ型およびＭＩＳ型電子放出素子において、電子放出素子を大型化することによって、電子を放出可能な領域の面積を大面積化したいというニーズがある。しかし、従来のＭＩＭ型およびＭＩＳ型電子放出素子は、電子を放出可能な領域の面積を大面積化した際に、電子放出素子から均一に電子を放出することが難しいという課題を有する。この課題について、図８を参照しながら説明する。

図８は、従来の典型的なＭＩＭ型電子放出素子である電子放出素子１１０の構成の概略を示す図である。図８の（ａ）は断面図であり、図８の（ｂ）は上面図である。電子放出素子１１０は、下部電極１０２、表面電極１０３および電子加速層１０４を備えている。電子加速層１０４は、絶縁体微粒子と、絶縁体微粒子中に分散されている導電体微粒子とからなるものとする。

電子放出素子１１０における電子放出のしやすさは、電子加速層１０４の厚さ、電子加速層１０４に分散されている導電体微粒子の分布、表面電極１０３の膜厚など、多くのパラメータに依存する。これらのパラメータは、電子放出素子１１０を製造する過程において、空間的にある程度のばらつきを有するものである。電子放出素子１１０における電子放出のしやすさの空間的な不均一性は、端的には上述の各パラメータのばらつきを掛け合わせた結果として生じる。図８の（ｂ）は、電子放出のしやすさが空間的に不均一である場合の電子放出素子１１０を示す上面図である。なお、電子加速層１０４は、図８の（ｂ）には図示していない。電子放出素子１１０における電子を放出する面である表面電極１０３には、電子を放出しやすい領域Ｒ１および領域Ｒ２と、電子を放出しにくい領域Ｒ３とが形成されている。したがって、下部電極１０２と表面電極１０３とに、電源１２０によって電圧が印加された場合、電子を放出しやすい領域Ｒ１および領域Ｒ２は、容易に電子を放出する。その一方、電子を放出しにくい領域Ｒ３は、領域Ｒ１および領域Ｒ２と比較して、少ない量の電子を放出する。

このように、電子放出素子１１０に電子を放出しやすい領域と、電子を放出しにくい領域とが形成されていることによって、電子放出素子１１０が放出する電子の分布は、空間的に不均一になる。そして、放出する電子の分布は、電子放出素子１１０の電子を放出する領域を大面積化すればするほど不均一になりやすい傾向を有する。

本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであって、その目的は、大面積であっても面内均一性の高い電子を放出可能な電子放出素子を提供することである。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る電子放出素子は、下部電極と表面電極とを備え、当該下部電極と表面電極との間に電圧を印加することによって、当該下部電極と表面電極との間において電子を加速させて、当該表面電極から当該電子を放出させる電子放出素子であって、上記下部電極と上記表面電極との間には、少なくとも絶縁体物質からなる電子加速層が設けられており、上記下部電極および上記表面電極のうち少なくとも一方の電極は、規則的に配置されている複数の単位電極を備え、さらに、上記複数の単位電極から電圧を印加する単位電極を順次選択する電極選択部を備えている。

本発明の一態様によれば、電圧を印加されている下部電極、および、電圧を印加されている表面電極が互いに重畳している（交差している）領域からのみ電子が放出される。また、電極選択部は、下部電極および表面電極のうち少なくとも一方の電極に電圧を印加する際に、複数の単位電極から単位電極を順次選択する。すなわち、電子が放出される領域は、電極選択部が選択する単位電極に応じて順次移動する。したがって、電子を放出しやすい一部の領域から多量の電子が放出されるということがなく、大面積であっても面内均一性の高い電子を放出可能な電子放出素子を提供可能である。

本発明の実施形態１に係る電子放出素子の構成の概略を示す図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は上面図である。 本発明の実施形態１に係る電子放出素子における、下部電極および表面電極の配置を示す上面図である。 本発明の実施形態１に係る電子放出素子を駆動する際の流れを表す図である。 本発明の実施形態２に係る電子放出素子の構成の概略を示す上面図である。 本発明の実施形態３に係る電子放出素子の構成の概略を示す図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は上面図である。 本発明の実施形態４に係る帯電装置の構成の概略を示す図である。 本発明の実施形態５に係る電子線硬化装置の構成の概略を示す図である。 従来の電子放出素子の構成の概略を示す図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は上面図である。

〔実施形態１〕
以下、実施形態１に係る電子放出素子１０について、図１〜３を参照しながら説明する。電子放出素子１０は、電源部である電源２０とともに本発明の一態様に係る電子放出装置１を構成する。電子放出素子１０は、下部電極と表面電極との間に、電源２０から供給される電圧を印加することによって、下部電極と表面電極との間において電子を加速させて、表面電極から電子を放出させる電子放出素子である。

（電子放出素子１０の概要）
図１は、電子放出素子１０の構成の概略を示す図である。図１の（ａ）は、電子放出素子１０の断面図であり、より詳細には、表面電極１３を構成する単位電極の長手方向と平行であって、単位電極の１つである単位電極１３ａを通る直線における断面図である。図１の（ｂ）は、下部電極１２および表面電極１３の構成を示すための上面図である。なお、図１の（ｂ）において、電子加速層１４は図示していない。

図１の（ａ）および（ｂ）に示すように、電子放出素子１０は、基板１１、下部電極１２、表面電極１３、電子加速層１４、下部電極ドライバ１８および表面電極ドライバ１９を備えている。電子加速層１４は、下部電極１２と表面電極１３との間に挟まれている。また、電子加速層１４は、図１の（ａ）に示すように、絶縁体微粒子１５が充填した層、すなわち絶縁体微粒子層からなる。また、本実施形態においては、電子加速層１４の中には、導電体微粒子１６を分散している。上記のように構成されている電子放出素子１０は、半導体的な電気輸送特性を示す。

電源２０は、下部電極１２と表面電極１３との間に印加する電圧を供給するための電源である。下部電極１２と表面電極１３との間に電圧が印加されると、電子加速層１４に電流の担い手として電子が流れる。それと同時に、下部電極１２と表面電極１３とに挟まれた電子加速層１４には、印加された電圧により高電界が形成される。下部電極１２と表面電極１３との間を流れる電子は、この高電界によって加速され、それらの電子の一部が弾道電子として電子加速層１４から放出される。電子加速層１４から放出された弾道電子は、表面電極１３をトンネルして電子放出素子１０の外部へと放出される。

（基板１１）
基板１１は、電子放出素子１０を支持する支持体としての働きを有する。また、下部電極１２は、基板１１における一方の表面上に形成される。したがって、基板１１は、（ｉ）強度がある程度高いこと、（ｉｉ）じかに接する物質との密着性が良好なこと、（ｉｉｉ）抵抗率が高いこと、が要求される。基板１１は、上記の条件を満たした上で、加工の容易さ、耐久性、コストなどを考慮して適宜選択すればよい。基板１１の具体例として、樹脂基板、ガラス基板、シリコン基板などが挙げられる。

（下部電極１２）
下部電極１２は、表面電極１３と対になり電圧を印加されることによって、電子加速層１４の内部に高電界を形成するものである。図１の（ａ）および（ｂ）に示すように、下部電極１２は、規則的に配置されている６つの単位電極１２ａ〜１２ｆからなるストライプ状の電極である。本実施形態において、単位電極１２ａ〜１２ｆのそれぞれは、長方形である。また、単位電極１２ａ〜１２ｆのそれぞれは、基板１１の表面上に、互いに平行に配置されている。より詳しくは、各単位電極１２ａ〜１２ｆの形状は、電子放出素子１０の上面図（図１の（ｂ））における上下方向を長手方向とする長方形である。下部電極１２が単位電極１２ａ〜１２ｆからなるストライプ状の電極であることによって、電子放出素子１０内に、効率よく（無駄なく）各単位電極１２ａ〜１２ｆを配置することが可能である。したがって、限られた電子放出素子１０の面積を有効利用し、可能な限り広い領域から電子を放出することを可能とする。

なお、本実施形態において、６つの単位電極１２ａ〜１２ｆからなる下部電極１２を例にして説明しているが、下部電極１２を構成する単位電極の数は６つに限定されるものではない。また、単位電極の形状（たとえば長方形の縦横比）および各単位電極を配置する間隔は限定されるものではない。

下部電極１２は、良好な導電性を有することが好ましい。下部電極１２を構成する物質の具体例として、アルミニウム、チタン、銅およびステンレスなどの金属、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を挙げられる。

また、電子放出素子１０に対して、大気中における安定動作を望む場合は、下部電極１２として利用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い。このような物質の例としては、貴金属が挙げられる。また、電子放出素子１０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成膜することによって下部電極１２を構成してもよい。ただし、下部電極１２は、これら材料および数値に限定されることはない。

（下部電極ドライバ１８）
下部電極ドライバ１８は、６つの単位電極１２ａ〜１２ｆの中から、電圧を印加する１つの単位電極を順次選択する電極選択部である。下部電極ドライバ１８は、電源２０のプラス端子から電圧を供給されている。図１の（ｂ）は、下部電極ドライバ１８が電圧を印加する１つの単位電極として単位電極１２ｅを選択している様子を示している。

詳しくは後述するが、電子放出素子１０は、下部電極ドライバ１８と表面電極ドライバ１９とを協調制御することによって、電子を放出する領域を順次切り替える。

（表面電極１３）
表面電極１３は、下部電極１２と対になり電子加速層１４内に電圧を印加するための電極である。図１の（ａ）および（ｂ）に示すように、表面電極１３は、規則的に配置されている６つの単位電極１３ａ〜１３ｆからなるストライプ状の電極である。本実施形態において、単位電極１３ａ〜１３ｆのそれぞれは、長方形であり、平行に配置されている。より詳しくは、各単位電極１３ａ〜１３ｆの形状は、電子放出素子１０の上面図（図１の（ｂ））における左右方向を長手方向とする長方形である。表面電極１３が単位電極１３ａ〜１３ｆからなるストライプ状の電極であることによって、電子放出素子１０内に、効率よく（無駄なく）各単位電極１３ａ〜１３ｆを配置することが可能である。したがって、限られた電子放出素子１０の面積を有効利用し、可能な限り広い領域から電子を放出することを可能とする。

また、表面電極１３が備えている単位電極１３ａ〜１３ｆのそれぞれは、下部電極１２が備えている単位電極１２ａ〜１２ｆのそれぞれに交わるように配置されている。より詳細には、本実施形態において、下部電極１２が備えている各単位電極１２ａ〜１２ｆと、表面電極１３が備えている各単位電極１３ａ〜１３ｆとは互いに直交するように構成されている。なお、本実施形態において、６つの単位電極１３ａ〜１３ｆからなる表面電極１３を例にして説明しているが、表面電極１３を構成する単位電極の数は６つに限定されるものではない。また、単位電極の形状（たとえば長方形の縦横比）および各単位電極を配置する間隔は限定されるものではない。

表面電極１３として用いる物質は、良好な導電性を有し、均一に電圧を印加可能である物質であれば特に限定されるものではない。ただし、電子放出素子１０の動作環境として大気中を想定する場合、表面電極１３に用いる物質としては、金が最適である。金は、非常に反応性が低い金属であり、大気中に存在する物質と反応して酸化物および硫化物を生成する確率が極めて低いためである。また、酸化物を生成する反応確率が比較的低い銀、パラジウム、タングステンなども、表面電極１３として問題なく使用可能な物質である。

電子放出素子１０における電子放出効率は、表面電極１３の膜厚に大きく依存する。すなわち、表面電極１３の膜厚は、電子放出素子１０における重要なパラメータである。電子放出効率を高めるために、表面電極１３の膜厚は、１０〜５５ｎｍの範囲とすることが好ましい。

電子放出素子１０において、表面電極１３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。表面電極１３の膜厚を１０ｎｍ未満とすると、平面電極として要求される良好な導電性を確保することが困難となる。

一方、電子放出素子１０から外部へ電子放出を可能とするために許容される表面電極１３の最大膜厚は、５５ｎｍである。表面電極１３の膜厚が５５ｎｍより厚くなると、（ｉ）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、（ｉｉ）電子加速層１４との界面において弾道電子が反射され電子加速層１４への再捕獲されるために、電子放出素子１０における電子放出効率が低下する。以上の理由から、表面電極１３の膜厚は、１０〜５５ｎｍの範囲とすることが好ましい。

（表面電極ドライバ１９）
表面電極ドライバ１９は、６つの単位電極１３ａ〜１３ｆの中から、電圧を印加する１つの単位電極を順次選択する電極選択部である。表面電極ドライバ１９は、電源２０のマイナス端子から電圧を供給されている。図１の（ｂ）は、下部電極ドライバ１８が電圧を印加する１つの単位電極として単位電極１２ｅを選択し、表面電極ドライバ１９が電圧を印加する１つの単位電極として単位電極１３ａを選択している様子を示している。すなわち、単位電極１２ｅと単位電極１３ａとが重畳する（交差する）領域Ｒｅａにおいてのみ、電子加速層１４の内部には高電界が形成されている。したがって、上記の状態においては、領域Ｒｅａからのみ電子が放出される。

詳しくは後述するが、電子放出素子１０は、下部電極ドライバ１８と表面電極ドライバ１９とを協調制御することによって、電子を放出する領域を順次切り替える。

（電子加速層１４）
電子加速層１４は、少なくとも絶縁体物質によって構成されるものである。電子加速層１４は、その抵抗率を制御するために、絶縁体物質の中に、導電体微粒子を分散させることによって構成されていてもよい。本実施形態において、電子加速層１４は、単分散の絶縁体微粒子１５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（図１の（ａ）参照）。また、電子加速層１４の中には、導電体微粒子１６を分散している。

絶縁体微粒子１５および導電体微粒子１６からなる電子加速層１４を形成するための方法として、たとえばスピンコート法を好適に用いることができる。具体的には、基板１１および下部電極１２上に、単分散の絶縁体微粒子１５および導電体微粒子１６の分散液を塗布した後に、スピンコート法を適用する。分散液とは、単分散の絶縁体微粒子１５および導電体微粒子１６を水などの溶媒中に分散させたものである。スピンコート法によって形成された電子加速層１４は、電子放出素子として用いるために要求される平坦性を満足することができる。

電子加速層１４の厚さは、分散液の濃度、スピンコート時の回転数および回転時間などを適宜調整することによって、所望の厚みに制御可能である。すなわち、電子加速層１４の抵抗値は、容易に制御可能である。

一般的に、基板１１および下部電極１２の表面は疎水性であり、水を溶媒とする分散液は親水性である。そこで、分散液の基板１１および下部電極１２への濡れ性を改善するために、基板１１および下部電極１２の表面を親水性に処理しておくことが好ましい。

以上のように、少なくとも絶縁体微粒子１５からなる電子加速層１４を、スピンコート法を用いて形成することによって、大面積の電子加速層１４を、高いスループットかつ低いコストにて製造可能である。

絶縁体微粒子１５の直径（平均径）は、５〜１０００ｎｍであることが好ましく、１５〜５００ｎｍであることがより好ましい。これによって、電子加速層１４は、電子加速層１４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。したがって、電子放出素子１０が駆動時の発熱により破壊されることを防止する。なお、電子放出素子１０の抵抗値（下部電極１２および表面電極１３の間の抵抗値）は、導電体微粒子１６を分散させることに加えて、電子加速層１４の厚さを変更することによっても、任意かつ容易に調整可能である。

また、絶縁体微粒子１５の直径は、単分散であり均一であることが好ましい。電子加速層１４が単分散の絶縁体微粒子が整列して充填することによって構成されていると、絶縁体微粒子の粒界における接点および導通路は、空間的に均一に生じる。そのため、上記のように構成された電子加速層１４は、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り、表面電極１３の直下に多量の弾道電子を生成することを実現する。したがって、単分散の絶縁体微粒子１５を用いることによって、多量の電子を放出可能とし、電子放出素子１０の電子放出効率を向上させることができる。

絶縁体微粒子１５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が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１４の厚さは、８〜３０００ｎｍであるのが好ましく、３０〜１０００ｎｍとすることがより好ましい。このように構成することによって、電子加速層１４の表面を平坦化すること、および、厚さ方向における電子加速層１４の抵抗値を好ましい範囲内に制御可能となる。

（電子放出素子１０の駆動方法）
図２は、電子放出素子１０における、下部電極１２が備えている単位電極１２ａ〜１２ｆ、および、表面電極１３が備えている単位電極１３ａ〜１３ｆの配置を示す上面図である。なお、図２には図示していないが、単位電極１２ａ〜１２ｆのそれぞれは、下部電極ドライバ１８に接続されており、単位電極１３ａ〜１３ｆのそれぞれは、表面電極ドライバ１９に接続されている。図３は、電子放出素子１０を駆動する際の流れを表す図である。以下に、電子放出素子１０を駆動する工程について、図３を参照しながら説明する。

ステップＳ１０：下部電極ドライバ１８および表面電極ドライバ１９（各ドライバ）に電源２０より電圧が供給される。

ステップＳ１２：表面電極ドライバ１９は、単位電極１３ａを選択する。

ステップＳ１４：下部電極ドライバ１８は、単位電極１２ａ〜１２ｆを所定の時間づつ選択する。以下において、所定の時間をｔミリ秒間として説明する。下部電極ドライバ１８が単位電極１２ａを選択している間、単位電極１３ａと単位電極１２ａとが重畳する領域Ｒａａの電子加速層１４の両端には電圧が印加される。したがって、電子放出素子１０は、領域Ｒａａから電子を放出する。一方、領域Ｒａａ以外の領域からは、電子が放出されない。次に、下部電極ドライバ１８が、単位電極１２ｂをｔミリ秒間選択すると、電子放出素子１０は、領域Ｒｂａから電子を放出する。さらに、下部電極ドライバ１８が、単位電極１２ｃをｔミリ秒間選択すると、電子放出素子１０は、領域Ｒｃａから電子を放出する。さらに、下部電極ドライバ１８が単位電極１２ｄ〜１２ｆをｔミリ秒間づつ選択すると、電子放出素子１０は、領域Ｒｄａ、領域Ｒｅａ、領域Ｒｆａから順番に電子を放出する。

ステップＳ１６：表面電極ドライバ１９は、次の単位電極を選択する。具体的には、ここまでにおいて表面電極ドライバ１９は単位電極１３ａを選択しているので、表面電極ドライバ１９は、次の単位電極である単位電極１３ｂを選択する。

ステップＳ１８：下部電極ドライバ１８および表面電極ドライバ１９（各ドライバ）は、電源２０より電圧が供給されているか否かを判定する。電源２０より電圧が供給されていれば（Ｙｅｓ）、処理はステップＳ１４へ戻る。電源２０より電圧が供給されていれば（Ｎｏ）、電子放出素子１０の駆動工程は終了する。

ステップＳ１４：下部電極ドライバ１８は、単位電極１２ａ〜１２ｆをｔミリ秒間づつ選択する。この際、表面電極ドライバ１９は、単位電極１３ｂを選択しているので、電子放出素子１０は、領域Ｒａｂ、Ｒｂｂ、Ｒｃｂ、Ｒｄｂ、ＲｅｂおよびＲｆｂから、ｔミリ秒間づつ電子を放出する。

ステップＳ１６：表面電極ドライバ１９は、次の単位電極を選択する。具体的には、ここまでにおいて表面電極ドライバ１９は単位電極１３ｂを選択しているので、表面電極ドライバ１９は、次の単位電極である単位電極１３ｃを選択する。

ステップＳ１８：下部電極ドライバ１８および表面電極ドライバ１９は、電源２０より電圧が供給されているか否かを判定する。電源２０より電圧が供給されていれば（Ｙｅｓ）、処理はステップＳ１４へ戻る。電源２０より電圧が供給されていれば（Ｎｏ）、電子放出素子１０の駆動工程は終了する。

以降の処理（表面電極ドライバ１９が単位電極１３ｃ〜１３ｆを選択している際の処理）は、ステップＳ１４〜ステップＳ１８の繰り返しとなる。よって、その説明を省略する。

以上のように、下部電極ドライバ１８が電圧を印加する単位電極を単位電極１２ａ〜１２ｆから順次選択し、表面電極ドライバ１９が電圧を印加する単位電極を単位電極１３ａ〜１３ｆから順次選択することによって、電子放出素子１０は、電子を放出する領域を、領域Ｒａａ〜領域Ｒｆｆまで順次移動させる。言い換えれば、電子放出素子１０は、領域Ｒａａ〜領域Ｒｆｆまで移動する１周期に相当する時間（３６×ｔミリ秒間）を、電子放出素子が備えている領域の数（本実施形態では３６）に時分割する。そして、時分割された時間（ｔミリ秒間）ごとに、領域Ｒａａ〜領域Ｒｆｆまでの各領域から電子を放出するものである。

なお、本実施形態において、ステップＳ１２において表面電極ドライバ１９は単位電極１３ａ〜１３ｆのいずれかを選択し、ステップＳ１４において下部電極ドライバ１８は単位電極１２ａ〜１２ｆをｔミリ秒間づつ選択するものとして説明している。しかし、領域Ｒａａ〜領域Ｒｆｆの各領域を選択する処理は、上記の処理に限定されるものではない。たとえば、ステップＳ１２において下部電極ドライバ１８は単位電極１２ａ〜１２ｆのいずれかを選択し、ステップＳ１４において表面電極ドライバ１９は単位電極１３ａ〜１３ｆをｔミリ秒間づつ選択するように構成されていてもよい。電子放出素子１０において、１周期に相当する時間内に、領域Ｒａａ〜領域Ｒｆｆの各領域から、等しい時間づつ電子が放出されるように、下部電極ドライバ１８は各単位電極１２ａ〜１２ｆを順次選択し、表面電極ドライバ１９は各単位電極１３ａ〜１３ｆを順次選択するように構成されていればよい。

（電子放出素子１０のメリット）
上述の通り、電子放出素子１０は、領域Ｒａａ〜領域Ｒｆｆの各領域から、等しい時間づつ電子を放出するものである。すなわち、電子を放出する領域は、下部電極ドライバ１８および表面電極ドライバ１９が選択する各単位電極に応じて、一定の時間ごとに順次移動する。

電子放出素子１０において、電子加速層１４の厚さ、電子加速層１４中に分散されている導電体微粒子１６の分布、表面電極１３の膜厚などの各パラメータがばらつき、その結果として、電子放出のしやすさに空間的なばらつきが生じているとする。このように電子放出のしやすさが空間的にばらついている状態であっても、電子放出素子１０は、時分割で領域Ｒａａ〜領域Ｒｆｆの各領域を順次移動させることにより、各領域から電子を放出する。すなわち、電子放出素子１０は、電子を放出しやすい領域、または、電子を放出しにくい領域であるかに関わらず、等しい時間に渡って電子を放出するように構成されている。

下部電極１２を構成する各単位電極の幅、および、表面電極１３を構成する各単位電極の幅は、電子放出素子１０のサイズ（面積）とは独立に設定可能である。言い換えれば、電子放出素子１０を大面積化することとは独立して、１つの期間に電子を放出する領域（Ｒａａ〜Ｒｆｆ）の面積を決定することが可能である。

したがって、電子放出素子１０は、電子を放出しやすい一部の領域から多量の電子を放出することがなく、電子放出素子を大面積化しても、１周期に相当する時間を通じれば、均一な分布の電子を放出可能である。すなわち、電子放出素子１０によれば、大面積であっても面内均一性の高い電子を放出可能な電子放出素子を提供可能である。

なお、電子放出素子１０は、後述する電子放出素子３０と比較して、１つの期間に電子を放出する領域（Ｒａａ〜Ｒｆｆ）の面積を、より小さく構成可能である。したがって、電子放出素子１０は、放出する電子の面内均一性をより高めることが可能である。

〔実施形態２〕
以下、実施形態２に係る電子放出素子３０について、図４を参照しながら説明する。なお、説明の便宜上、実施形態１にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。図４は、電子放出素子３０の構成の概略を示す上面図である。

図４に示すように、電子放出素子３０は、実施形態１に係る電子放出素子１０と比較して、単位電極に分割されていない（１つの）表面電極３３を備えている点が異なる。また、表面電極３３は、下部電極１２を覆うように構成されている。

電子放出素子３０を駆動する際、表面電極３３には、電源２０から、常時電圧が印加されている。一方、下部電極ドライバ１８は、６つの単位電極１２ａ〜１２ｆから電圧を印加する１つの単位電極を順次選択する。電子放出素子３０は、下部電極ドライバ１８によって選択された単位電極と、表面電極３３との間に電圧を印加することによって電子を加速し、表面電極３３のうち当該選択された単位電極と対向している領域から電子を放出する。

たとえば図４は、下部電極ドライバ１８が電圧を印加する単位電極として、単位電極１２ｅを選択している状態を示している。この状態において、電子放出素子３０は、単位電極１２ｅと対向する領域Ｒｅから電子を放出する。下部電極ドライバ１８が電圧を印加する単位電極として、単位電極１２ｆを選択している際には、電子放出素子３０は、表面電極３３のうち、単位電極１２ｆと対向する領域から電子を放出する。下部電極ドライバ１８が、電圧を印加する単位電極として単位電極１２ａ〜１２ｄのそれぞれを選択している場合も同様である。

上述の通り、電子放出素子３０において同時期に電子を放出する領域は、表面電極３３のうち下部電極ドライバ１８が電圧を選択した単位電極と対向する領域のみである。したがって、電子放出素子３０は、電子を放出しやすい一部の領域から多量の電子が放出するということがなく、電子放出素子を大面積化しても、１周期に相当する時間を通じて均一な分布の電子を放出可能である。すなわち、電子放出素子３０によれば、大面積であっても均一な分布の電子を放出可能な電子放出素子を提供可能である。

また、表面電極３３は、１つの電極からなるため、単位電極に分割する必要がない。それに伴い、電子放出素子３０は、表面電極ドライバを備える必要がない。すなわち、電子放出素子３０は、電子放出素子１０より簡易に構成されている。したがって、電子放出素子３０は、電子放出素子１０と比較して製造工程の簡略化が可能であり、その結果として、製造コストの抑制および歩留まりの向上を実現する。

なお、本実施形態において、電子放出素子３０は、下部電極および表面電極のうち、下部電極が規則的に配置されている複数の単位電極を備えているものとして説明した。しかし、本実施形態に係る電子放出素子において、下部電極および表面電極のうち少なくとも一方の電極が、規則的に配置されている複数の単位電極を備えていればよい。すなわち、本実施形態に係る電子放出素子は、１つの電極からなる下部電極と、規則的に配置されている複数の単位電極を備えている表面電極と、を含むように構成されていてもよい。

〔実施形態３〕
以下、実施形態３に係る電子放出素子４０について、図５を参照しながら説明する。なお、説明の便宜上、実施形態１にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。図５は、電子放出素子４０の構成の概略を示す図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は上面図である。

図５の（ａ）に示すように、電子放出素子４０は、導電体微粒子（図示せず）を含んでいる樹脂からなる電子加速層４４を備えている点において、実施形態１に係る電子放出素子１０と異なる。図５の（ｂ）に示すように、電子放出素子４０は、単位電極１２ａ〜１２ｆからなる下部電極１２と、単位電極１３ａ〜１３ｆからなる表面電極１３とを備えている。下部電極１２および表面電極１３の構成は、電子放出素子１０と同様である。

図５の（ｂ）は、下部電極ドライバ１８が単位電極１２ｅを選択し、表面電極ドライバ１９が単位電極１３ａを選択している状態を示している。この状態において、電子放出素子４０は、単位電極１２ｅおよび単位電極１３ａが重畳する領域Ｒｅａから電子を放出する。このように、電子放出素子４０は、電子放出素子１０と同様の方法によって駆動される。

本発明の一態様に係る電子放出素子が備えている電子加速層は、少なくとも絶縁体物質からなればよく、上述のように、導電体微粒子を含んでいる樹脂によって構成されていてもよい。上記の構成によれば、電子放出素子が放出する電子の面内均一性を、より向上させることが可能である。

一般的に、絶縁体微粒子は、その粒子径が小さくなるほど互いに凝集しやすくなる傾向を有する。そのため、粒子径が小さい絶縁体微粒子を含む電子加速層を形成すると、電子加速層において絶縁体微粒子の凝集が生じ、電子加速層の膜厚が不均一になる虞がある。電子放出素子が放出する電子放出量は、印加電圧によって電子加速層の内部に形成される電界強度が強いほど増加する。電子加速層の膜厚が不均一であると、電子加速層の内部に形成される電界強度は不均一となり、結果として、電子放出素子が放出する電子の面内均一性が低下する。電子加速層を、導電体微粒子を含んでいる樹脂によって形成することによって、電子加速層の膜厚をより均一にすることが可能である。したがって、電子放出素子が放出する電子の面内均一性を、より向上させることが可能である。

〔実施形態４〕
（帯電装置５０）
図６に、実施形態１において説明した電子放出素子１０を備えている帯電装置の一例を示す。図６は、実施形態４に係る帯電装置５０の構成の概略を示す図である。帯電装置５０は、電子放出素子１０と、これに電圧を印加するための電源２０とを備える電子放出装置１と、感光体ドラム５１とからなる。本発明に係る画像形成装置は、この帯電装置５０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５０における電子放出素子１０は、被帯電体である感光体ドラム５１に対向して設置される。電源２０を用いて電子放出素子１０に電圧を印加することにより、電子放出素子１０は電子を放出し、放出された電子は感光体ドラム５１の表面を帯電させる。ここで、帯電装置５０に備えられる電子放出素子１０は、感光体ドラム５１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１０への印加電圧は２５Ｖ程度が好ましい。電子放出素子１０における電子加速層１４は、例えば電源２０より２５Ｖの電圧を印加された時に、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。

なお、本発明に係る画像形成装置において、帯電装置５０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１０は、電子放出効率が高い。よって、帯電装置５０は、効率よく感光体ドラム５１を帯電可能である。

帯電装置５０として用いられる電子放出素子１０は、電子放出素子の外部に電界を形成しないため、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５０は、大気中にて使用してもオゾンを発生しないというメリットを有する。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５０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効果を奏する。

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５１やベルトなどを酸化し劣化させる。上記の画像形成装置におけるオゾン発生に関する課題を、電子放出素子１０を備える電子放出装置１を帯電装置５０に用いることによって解決可能である。

また、帯電装置５０が備えている電子放出素子１０は、素子表面から２次元の電子を放出する面電子放出源である。よって、帯電装置５０は、感光体ドラム５１の回転方向に対して幅を持って帯電させることが可能である。このことは、感光体ドラム５１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。このように面電子放出源を備える帯電装置５０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５０を用いて感光体ドラム５１を帯電させる際に、電子放出素子１０が必要とする印加電圧は２５Ｖ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１０を備えた帯電装置５０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５〕
（電子線硬化装置６０）
図７に、実施形態１において説明した電子放出素子１０を備えた電子線硬化装置の一例を示す。図７は、実施形態５に係る電子線硬化装置６０の構成の概略を示す図である。電子線硬化装置６０は、電子放出素子１０と、これに電圧を印加する電源２０と、を備えている電子放出装置１と、放出された電子を加速させる加速電極６１とを備えている。

電子線硬化装置６０は、電子放出源として電子放出素子１０を備え、放出された電子を加速電極６１によって加速してレジスト６２へと衝突させる。その結果、レジスト６２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。電子放出素子１０が放出する電子は、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、当該電子をさらに加速する必要はない。ただし、電子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６２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６２の膜厚に応じて、必要十分なエネルギーを放出された電子に与えるために加速電極６１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、真空相と大気相とを隔てる電子透過窓が別途に必要とある。そして、当該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。当該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る。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、レジストを硬化させる際のエネルギー利用効率が低下する。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は、狭い範囲に限られる。したがって、レジストを硬化させる際のスループットは低い。

これに対し、電子放出素子１０を用いた電子線硬化装置６０は、大気中にて動作可能であり、電子放出素子１０を真空封止する必要がない。また、電子放出素子１０が高い電子放出効率を有するため、電子線硬化装置６０は、効率よく電子線を照射できる。また、電子放出素子１０から放出される電子は、電子透過窓を透過しないのでエネルギーのロスもない。よって、放出電子を加速するための加速電圧を下げることが可能となる。さらに、電子放出素子１０は面電子放出源であるため、レジストを硬化させる際のスループットが、従来の電子線硬化装置と比較して格段に高くなる。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。

〔まとめ〕
本発明の態様１に係る電子放出素子（３０）は、下部電極（１２）と表面電極（３３）とを備え、下部電極（１２）と表面電極（３３）との間に電圧を印加することによって、下部電極（１２）と表面電極（３３）との間において電子を加速させて、表面電極（１２）から電子を放出させる電子放出素子であって、下部電極（１２）と表面電極（３３）との間には、少なくとも絶縁体物質（絶縁体微粒子１５または樹脂）からなる電子加速層（１４または４４）が設けられており、下部電極（１２）および表面電極（３３）のうち少なくとも一方の電極（下部電極１２）は、規則的に配置されている複数の単位電極（１２ａ〜１２ｆ）からなるストライプ状の電極であり、さらに、複数の単位電極（１２ａ〜１２ｆ）から電圧を印加する単位電極を順次選択する電極選択部（１８）を備えている。

上記の構成によれば、下部電極（１２）を構成する各単位電極（１２ａ〜１２ｆ）の幅などの寸法は、電子放出素子（３０）のサイズ（面積）とは独立に設定可能である。言い換えれば、電子放出素子（３０）を大面積化することとは独立して、１つの期間に電子を放出する領域（Ｒａ〜Ｒｆ）の面積を決定することが可能である。

したがって、電子放出素子（３０）は、電子を放出しやすい一部の領域から多量の電子を放出することがなく、電子放出素子を大面積化しても、１周期に相当する時間を通じれば、均一な分布の電子を放出可能である。すなわち、電子放出素子（３０）によれば、大面積であっても面内均一性の高い電子を放出可能な電子放出素子を提供可能である。

本発明の態様２に係る電子放出素子（１０または４０）は、上記態様１において、下部電極（１２）および表面電極（１３）は、いずれも、規則的に配置されている複数の単位電極（１２ａ〜１２ｆおよび１３ａ〜１３ｆ）からなるストライプ状の電極であり、下部電極（１２）が備えている複数の単位電極（１２ａ〜１２ｆ）、および、表面電極（１３）が備えている複数の単位電極（１３ａ〜１３ｆ）は、互いに交わるように配置されており、電極選択部（１８および１９）は、下部電極（１２）が備えている複数の単位電極（１２ａ〜１２ｆ）から電圧を印加する単位電極を順次選択するとともに、表面電極（１３）が備えている複数の単位電極（１３ａ〜１３ｆ）から電圧を印加する単位電極を順次選択することが好ましい。

上記の構成によれば、電子放出素子（１０）は、１つの期間に電子を放出する領域（Ｒａａ〜Ｒｆｆ）の面積を、より小さく構成可能である。したがって、電子放出素子（１０）は、放出する電子の面内均一性をより高めることが可能である。

本発明の態様３に係る電子放出素子（３０）は、上記態様１において、下部電極（１２）は、規則的に配置されている複数の単位電極（１２ａ〜１２ｆ）からなるストライプ状の電極であり、表面電極（３３）は、下部電極（１２）を覆う１つの薄膜電極からなることが好ましい。

上記の構成によれば、下部電極（１２）が各単位電極（１２ａ〜１２ｆ）からなるストライプ状の電極であり、互いに平行に配置されていることによって、電子放出素子（３０）内に、効率よく（無駄なく）各単位電極（１２ａ〜１２ｆ）を配置することが可能である。したがって、限られた電子放出素子（３０）の面積を有効利用し、可能な限り広い領域から電子を放出することを可能とする。また、表面電極（３３）は、１つの薄膜電極からなるため、電子放出素子（３０）は簡易な構成である。したがって、電子放出素子３０は、製造工程の簡略化が可能であり、その結果として、製造コストの抑制および歩留まりの向上を実現する。

本発明の態様４に係る電子放出素子（１０または３０）は、上記態様１〜３のいずれか一態様において、電子加速層（１４）は、少なくとも絶縁体微粒子（１５）からなることが好ましい。

少なくとも絶縁体微粒子（１５）からなる電子加速層（１４）は、たとえばスピンコート法を用いて作製可能である。上記の構成によれば、大面積の電子加速層（１４）を、高いスループットかつ低いコストにて製造可能であるため、電子放出素子（１０または３０）の製造コストを抑制可能である。

本発明の態様５に係る電子放出素子（１０または３０）は、上記態様４において、絶縁体微粒子（１５）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。

上記の構成によれば、電子加速層（１４）内において、絶縁体微粒子（１５）間の接点および導通路が均等に形成される。そのため、両端に電圧が印加されている電子加速層（１４）の全領域内において、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、弾道電子が表面電極（１３、３３）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（１０または３０）の電子放出効率をより一層高めることができる。

本発明の態様６に係る電子放出素子（１０または３０）は、上記態様４または５において、絶縁体微粒子（１５）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。

上記の構成によれば、これらの物質の抵抗率（絶縁性）が高いことにより、電子加速層（１４）の抵抗値を任意の範囲に制御することが容易になる。

本発明の態様７に係る電子放出素子（１０または３０）は、上記態様４または６のいずれか一態様において、絶縁体微粒子（１５）の平均径は、５〜１０００ｎｍであることが好ましい。

上記の構成によれば、電子加速層（１４）は、電子放出素子（電子加速層（１４））の内部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。したがって、電子放出素子（１０または３０）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、電子加速層（１４）における抵抗値の制御を容易にすることができる。

本発明の態様８に係る電子放出素子（１０または３０）は、上記態様４または７のいずれか一態様において、電子加速層（１４）の厚さは、８〜３０００ｎｍであることが好ましい。

上記の構成によれば、電子加速層（１４）の表面を平坦化すること、および、厚さ方向における電子加速層（１４）の抵抗値の制御が可能となる。また、電子加速層（１４）の厚さは、３０〜１０００ｎｍとすることがより好ましい。

本発明の態様９に係る電子放出素子（４０）は、上記態様１から３のいずれか一態様において、電子加速層（４４）は、少なくとも導電体微粒子を含む樹脂層からなることが好ましい。

上記の構成によれば、電子加速層の膜厚をより均一にすることが可能である。したがって、電子放出素子が放出する電子の面内均一性を、より向上させることが可能である。

本発明の態様１０に係る電子放出装置（１）は、上記態様１から９のいずれか一態様に記載の電子放出素子（１０、３０、４０）と、下部電極（１２）と表面電極（１３、３３）との間に電圧を印加する電源部（２０）と、を備えていることが好ましい。

上記の構成によれば、電気的導通を確保して十分な素子内電流を流し、表面電極（１３、３３）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。

本発明の態様１１に係る帯電装置（５０）は、上記態様１０に記載の電子放出装置（１）を備え、該電子放出装置（１）から電子を放出して感光体（感光体ドラム５１）を帯電することが好ましい。

上記の構成によれば、本発明に係る電子放出素子（１０、３０、４０）を、帯電装置（５０）に用いることにより、大気中において使用しても放電を伴わず、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可能である。

本発明の態様１２に係る電子線硬化装置（６０）は、上記態様１０に記載の電子放出装置（１）を備え、該電子放出装置（１）から電子を放出して樹脂（レジスト６２）を硬化させることが好ましい。

従来の電界電子放出素子は点電子放出源である。それに対して、電子放出素子（１０、３０、４０）は、二次元的に電子を放出する面電子放出源である。すなわち、電子放出素子（１０、３０、４０）は、一度に広い領域に電子を放出（照射）することが可能である。そのため、電子放出素子（１０、３０、４０）を備える電子線硬化装置（６０）は、二次元的に電子を照射し、一度に広い範囲の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、製造コストの抑制および高スループット化を実現する。

本発明は上述した各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り、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜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。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

本発明に係る電子放出素子は、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に用いる画像形成装置の帯電装置に適用可能である。また、電子線硬化装置などにも適用可能である。

１ 電子放出装置
１０、３０、４０ 電子放出素子
１１ 基板
１２ 下部電極
１２ａ〜１２ｆ 単位電極
１３、３３ 表面電極
１３ａ〜１３ｆ 単位電極
１４、４４ 電子加速層
１５ 絶縁体微粒子
１６ 導電体微粒子
１８ 下部電極ドライバ
１９ 表面電極ドライバ
２０ 電源

Claims (3)

1. 下部電極と表面電極とを備え、当該下部電極と表面電極との間に電圧を印加することによって、当該下部電極と表面電極との間において電子を加速させて、当該表面電極から当該電子を放出させる電子放出素子であって、
   上記下部電極と上記表面電極との間には、少なくとも絶縁体物質からなる電子加速層が設けられており、
   上記下部電極および上記表面電極のうち少なくとも一方の電極は、規則的に配置されている複数の単位電極からなるストライプ状の電極であり、さらに、
   上記複数の単位電極から電圧を印加する単位電極を順次選択する電極選択部を備え、
   上記下部電極は、規則的に配置されている複数の単位電極からなるストライプ状の電極であり、
   上記表面電極は、上記下部電極を覆う１つの薄膜電極からなることを特徴とする電子放出素子。
2. 上記電子加速層は、少なくとも絶縁体微粒子からなることを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子。
3. 上記電子加速層は、少なくとも導電体微粒子を含む樹脂層からなることを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子。

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